JP2008293744A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】金属セパレータに接するガス拡散層のガス透過性を良好に向上させることを可能にする。
【解決手段】燃料電池１０は、電解質膜・電極構造体１２と第１及び第２金属セパレータ１４、１６とを備える。電解質膜・電極構造体１２を構成するガス拡散層２６ａには、第１金属セパレータ１４の凸部３０ａと凹部３０ｂとの境界部分に対応し厚さ方向に切り欠いて段差部４０が設けられる。ガス拡散層２６ａは、段差部４０を介して肉厚部４２ａと肉薄部４２ｂとを有するとともに、前記段差部４０は、燃料ガス流路３０を流れる燃料ガスに接触している。
【選択図】図２

Description

本発明は、電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体と、波板形状の金属セパレータとが積層されるとともに、前記金属セパレータは、一方の面側に前記電極に沿って反応ガスを流す反応ガス流路と、他方の面側にセパレータ面内に沿って冷却媒体を流す冷却媒体流路とを設ける燃料電池に関する。

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる固体高分子電解質膜を採用している。この燃料電池は、固体高分子電解質膜の両側に、電極触媒と多孔質カーボンからなるアノード側電極及びカソード側電極を配設して構成される電解質膜・電極構造体を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持している。

この場合、アノード側電極及びカソード側電極は、通常、多孔質カーボン部材からなるガス拡散層と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成された電極触媒層とをそれぞれ有している。

そして、一方のセパレータには、アノード側電極のガス拡散層に接する面に、燃料ガスを流すための燃料ガス流路が形成されるとともに、他方のセパレータには、カソード側電極のガス拡散層に接する面に、酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路が形成されている。

例えば、特許文献１に開示されている固体高分子電解質型燃料電池では、図８に示すように、燃料電池セル１が、一対の金属セパレータ２により挟持されている。燃料電池セル１は、ＰＥ膜３を燃料電極膜４ａ及び酸化剤電極膜４ｂで挟んで構成されている。金属セパレータ２は、波形状溝５を有しており、この波形状溝５は、燃料電極膜４ａ及び酸化剤電極膜４ｂに対向するガス通流用の溝５ａと、冷却用流体通流用の溝５ｂとを有している。

特開平８−１８０８８３号公報

ところで、上記の特許文献１では、セパレータ２が燃料電極膜４ａ及び酸化剤電極膜４ｂに、直接、接触している平坦接触長Ｈの領域は、ガス通流用の溝５ａを通って流通するガスの電極反応面への拡散性が低い領域である。このため、電極触媒全体にわたって反応に必要なガスを十分に供給することが困難であるという問題がある。

特に、セパレータ２が金属セパレータで構成される際、冷却用流体が通流される溝５ｂと、平坦接触長Ｈにわたって前記セパレータ２が接触する燃料電極膜４ａ及び酸化剤電極膜４ｂの平坦部分との距離が、相当に近接している。実質的に、セパレータ２の板厚に相当する距離まで近接している。

従って、燃料電極膜４ａ及び酸化剤電極膜４ｂでは、平坦接触長Ｈの範囲内が溝５ｂの中を流通する冷却用流体によって冷え易く、結露が惹起されるとともに、ガスの拡散が阻害されるという問題がある。しかも、金属セパレータでは、熱伝導性が高いため、カーボンセパレータに比べて結露によるガスの拡散が阻害され易く、低拡散領域が広くなるという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、ガス拡散層が金属セパレータに所定の平坦接触長で接するとともに、前記ガス拡散層のガス透過性を良好に向上させることが可能な燃料電池を提供することを目的とする。

本発明は、電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体と、波板形状の金属セパレータとが積層されるとともに、前記金属セパレータは、一方の面側に前記電極に沿って反応ガスを流す反応ガス流路と、他方の面側にセパレータ面内に沿って冷却媒体を流す冷却媒体流路とを設ける燃料電池に関するものである。

金属セパレータは、反応ガス流路を形成する凸部と凹部とが電極を構成するガス拡散層に配設される一方、ガス拡散層には、前記凸部と前記凹部との境界部分に対応し厚さ方向に切り欠いて段差部が設けられている。

また、ガス拡散層は、金属セパレータの凸部に接触する肉厚部と、前記金属セパレータの凹部に対応する肉薄部とを有することが好ましい。

さらに、ガス拡散層は、金属セパレータの凸部に接触する部位に、境界部分に沿って延在する溝部が形成されることが好ましい。

本発明では、ガス拡散層には、金属セパレータの凸部と凹部との境界部分に対応し厚さ方向に切り欠いて段差部が設けられており、この段差部から前記ガス拡散層内に反応ガスを透過させることができる。従って、ガス拡散層のガス拡散性が向上するため、所望の平坦接触長を維持しながら、低発電領域の低減を図ることが可能になる。これにより、発電領域が良好に拡大して発電性能の向上、電流密度分布及び温度分布の均一化による耐久性の向上等が容易に図られる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池１０の分解概略斜視図である。

燃料電池１０は、電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）１２と、前記電解質膜・電極構造体１２を挟持する薄板波形状の第１及び第２金属セパレータ１４、１６とを備える。

燃料電池１０の長辺方向（図１中、矢印Ｂ方向）の一端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔１８ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔２０ａ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔２２ｂが設けられる。

燃料電池１０の長辺方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔２２ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔２０ｂ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔１８ｂが設けられる。

電解質膜・電極構造体１２は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜２４と、前記固体高分子電解質膜２４を挟持するアノード側電極２６及びカソード側電極２８とを備える。

図２に示すように、アノード側電極２６及びカソード側電極２８は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層２６ａ、２８ａと、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層２６ａ、２８ａの表面に一様に塗布されて形成される電極触媒層２６ｂ、２８ｂとを有する。電極触媒層２６ｂ、２８ｂは、固体高分子電解質膜２４の両面に形成される。第１の実施形態では、後述するように、ガス拡散層２６ａ、２８ａに対して特別な工夫が施される。

図１に示すように、第１金属セパレータ１４の電解質膜・電極構造体１２に向かう面１４ａには、燃料ガス供給連通孔２２ａと燃料ガス排出連通孔２２ｂとを連通する燃料ガス流路３０が形成される。この燃料ガス流路３０は、例えば、矢印Ｂ方向に延在する凸部３０ａと凹部３０ｂとを交互に設けることにより構成される（図２参照）。

第１金属セパレータ１４の面１４ｂには、冷却媒体供給連通孔２０ａと冷却媒体排出連通孔２０ｂとを連通する冷却媒体流路３２が形成される（図１参照）。この冷却媒体流路３２は、燃料ガス流路３０の裏面形状に対応して構成される（図２参照）。

図１に示すように、第２金属セパレータ１６の電解質膜・電極構造体１２に向かう面１６ａには、酸化剤ガス流路３４が設けられる。この酸化剤ガス流路３４は、例えば、矢印Ｂ方向に延在する凸部３４ａと凹部３４ｂとを交互に設けることにより構成される（図２参照）。

酸化剤ガス流路３４は、酸化剤ガス供給連通孔１８ａと酸化剤ガス排出連通孔１８ｂとに連通する（図１参照）。第２金属セパレータ１６の面１６ｂには、第１金属セパレータ１４の面１４ｂと重なり合って冷却媒体流路３２が一体的に形成される。

第１金属セパレータ１４の面１４ａ、１４ｂには、この第１金属セパレータ１４の外周端縁部を周回して第１シール部材３６が一体成形される。第１シール部材３６は、面１４ａで燃料ガス供給連通孔２２ａ、燃料ガス排出連通孔２２ｂ及び燃料ガス流路３０を囲繞してこれらを連通させる一方、面１４ｂで冷却媒体供給連通孔２０ａ、冷却媒体排出連通孔２０ｂ及び冷却媒体流路３２を囲繞してこれらを連通させる。

第２金属セパレータ１６の面１６ａ、１６ｂには、この第２金属セパレータ１６の外周端縁部を周回して第２シール部材３８が一体成形される。第２シール部材３８は、面１６ａで酸化剤ガス供給連通孔１８ａ、酸化剤ガス排出連通孔１８ｂ及び酸化剤ガス流路３４を囲繞してこれらを連通させる一方、面１６ｂで冷却媒体供給連通孔２０ａ、冷却媒体排出連通孔２０ｂ及び冷却媒体流路３２を囲繞してこれらを連通させる。

図２に示すように、ガス拡散層２６ａには、第１金属セパレータ１４の凸部３０ａと凹部３０ｂとの境界部分に対応し厚さ方向（矢印Ａ方向）に切り欠いて段差部４０が設けられる。段差部４０は、燃料ガス流路３０を流れる燃料ガスに接触している。

ガス拡散層２６ａは、第１金属セパレータ１４の凸部３０ａに接触する肉厚部４２ａと、前記第１金属セパレータ１４の凹部３０ｂに対応する肉薄部４２ｂとを有する。肉厚部４２ａの厚さＤ１と、肉薄部４２ｂの厚さＤ２とは、例えば、Ｄ１／３≦Ｄ２≦Ｄ１×２／３等の関係を有する。なお、この関係は、以下に説明するガス拡散層２８ａでも同じである。

ガス拡散層２８ａには、同様に、第２金属セパレータ１６の凸部３４ａと凹部３４ｂとの境界部分に対応し厚さ方向（矢印Ａ方向）に切り欠いて段差部４４が設けられる。段差部４４は、酸化剤ガス流路３４を流れる酸化剤ガスに接触している。

ガス拡散層２８ａは、第２金属セパレータ１６の凸部３４ａに接触する肉厚部４６ａと、前記第２金属セパレータ１６の凹部３４ｂに対応する肉薄部４６ｂとを有する。第１金属セパレータ１４の凸部３０ａ及び第２金属セパレータ１６の凸部３４ａは、ガス拡散層２６ａ、２８ａの肉厚部４２ａ、４６ａに対し、平坦接触長Ｈ１にわたって接触する。

このように構成される燃料電池１０の動作について、以下に説明する。

先ず、図１に示すように、酸化剤ガス供給連通孔１８ａには、酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス供給連通孔２２ａには、水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体供給連通孔２０ａには、純水やエチレングリコール等の冷却媒体が供給される。

酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給連通孔１８ａから第２金属セパレータ１６の酸化剤ガス流路３４に導入され、電解質膜・電極構造体１２のカソード側電極２８に沿って移動する。一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔２２ａから第１金属セパレータ１４の燃料ガス流路３０に導入され、電解質膜・電極構造体１２のアノード側電極２６に沿って移動する。

従って、電解質膜・電極構造体１２では、カソード側電極２８に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極２６に供給される燃料ガスとが、電極触媒層２６ｂ、２８ｂ内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。

次いで、カソード側電極２８に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔１８ｂに沿って流動する。同様に、アノード側電極２６に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔２２ｂに排出されて流動する。

また、冷却媒体は、冷却媒体供給連通孔２０ａから第１及び第２金属セパレータ１４、１６間の冷却媒体流路３２に導入された後、矢印Ｂ方向に沿って流動する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体１２を冷却した後、冷却媒体排出連通孔２０ｂを移動して燃料電池１０から排出される。

この場合、第１の実施形態では、図２に示すように、ガス拡散層２６ａには、第１金属セパレータ１４の凸部３０ａと凹部３０ｂとの境界部分に対応し厚さ方向に切り欠いて段差部４０が設けられている。このため、燃料ガス流路３０を流れる燃料ガスは、段差部４０からガス拡散層２６ａ内に透過することができる。これにより、前記ガス拡散層２６ａのガス拡散性を向上させることが可能になるとともに、所望の平坦接触長Ｈ１を確保することができる。

同様に、ガス拡散層２８ａには、第２金属セパレータ１６の凸部３４ａと凹部３４ｂとの境界部分に対応し厚さ方向に切り欠いて段差部４４が設けられている。従って、酸化剤ガス流路３４を流れる酸化剤ガスは、段差部４４からガス拡散層２８ａ内に良好に透過することが可能になる。

具体的には、図３に示すように、通常の燃料電池１０ａを構成する電解質膜・電極構造体１２ａでは、ガス拡散層２６ａ、２８ａに段差部が設けられていない。このため、凸部３０ａ、３４ａとの接触部分には、比較的広範囲にわたって低拡散領域５０ａ、５０ｂが存在している。

これに対して、図４に示すように、第１の実施形態に係る燃料電池１０では、ガス拡散層２６ａ、２８ａに段差部４０、４４が設けられているため、この段差部４０、４４を介して前記ガス拡散層２６ａ、２８ａ内に燃料ガス及び酸化剤ガスが円滑に透過する。これにより、電解質膜・電極構造体１２では、低拡散領域５２ａ、５２ｂが有効に低減されるという効果が得られる。

従って、第１の実施形態では、従来の燃料電池１０ａに比べて発電領域が有効に拡大し、発電性能の向上を図るとともに、電流密度分布及び温度分布の均一化による耐久性の向上が容易に図られるという利点がある。しかも、ガス拡散層２６ａ、２８ａに近接して冷却媒体流路３２が配置されているが、このガス拡散層２６ａ、２８ａの残留水分が大幅に低減される。このため、結露が有効に抑制されて、特に、低温始動性が向上するという効果がある。

図５は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池６０の要部拡大断面説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池１０と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第３及び第４の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。

燃料電池６０は、電解質膜・電極構造体６２を第１及び第２金属セパレータ１４、１６で挟持して構成される。電解質膜・電極構造体６２を構成するガス拡散層２６ａには、第１金属セパレータ１４の凸部３０ａと凹部３０ｂとの境界部分に対応し厚さ方向に切り欠いて段差部６４が設けられる。この段差部６４は、肉厚部４２ａから肉薄部４２ｂに向かって外方に傾斜している。

ガス拡散層２８ａには、同様に、第２金属セパレータ１６の凸部３４ａと凹部３４ｂとの境界部分に対応し厚さ方向に切り欠いて段差部６６が設けられる。この段差部６６は、肉厚部４６ａから肉薄部４６ｂに向かって外方に傾斜している。これにより、段差部６４、６６は、傾斜することによって長さが長尺化され、拡散性の向上を図ることができる。

図６は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池７０の要部拡大断面説明図である。

燃料電池７０は、電解質膜・電極構造体７２を第１及び第２金属セパレータ１６により挟持して構成される。電解質膜・電極構造体７２を構成するガス拡散層２６ａは、第１金属セパレータ１４の凸部３０ａと凹部３０ｂとの境界部分に対応し厚さ方向に切り欠いて段差部７４が設けられる。この段差部７４は、肉厚部４２ａから肉薄部４２ｂに向かって内方に傾斜している。

ガス拡散層２８ａには、同様に、第２金属セパレータ１６の凸部３４ａと凹部３４ｂとの境界部分に対応し厚さ方向に切り欠いて段差部７６が設けられる。この段差部７６は、肉厚部４６ａから肉薄部４６ｂに向かって内方に傾斜している。従って、段差部７４、７６は、傾斜することによって長さが長尺化され、拡散性の向上を図ることができる。

図７は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池８０の要部拡大断面説明図である。

燃料電池８０は、電解質膜・電極構造体８２を第１及び第２金属セパレータ１４、１６により挟持して構成される。電解質膜・電極構造体８２を構成するガス拡散層２６ａには、第１金属セパレータ１４の凸部３０ａと凹部３０ｂとの境界部分に対応し厚さ方向に切り欠いて段差部８４が設けられる。この段差部８４は、ガス拡散層２６ａに、凸部３０ａと凹部３０ｂとの境界部分に沿って延在する溝部８６を形成することにより設けられる。溝部８６は、凸部３０ａから離間する断面側にＲ形状面を有している。

ガス拡散層２８ａには、同様に、第２金属セパレータ１６の凸部３４ａと凹部と３４ｂとの境界部分に対応し厚さ方向に切り欠いて段差部８８が設けられる。この段差部８８は、ガス拡散層２８ａに、凸部３４ａと凹部３４ｂとの境界部分に沿って延在する溝部９０が形成されることにより設けられる。

上記の第２〜第４の実施形態では、段差部６４、７４及び８４を介してガス拡散層２６ａに燃料ガスが良好に透過する一方、段差部６６、７６及び８８を介してガス拡散層２８ａに酸化剤ガスが円滑に透過する。これにより、第２〜第４の実施形態では、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の分解概略斜視図である。 前記燃料電池の要部拡大断面説明図である。 従来の燃料電池の低拡散領域の説明図である。 第１の実施形態に係る燃料電池の低拡散領域の説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池の要部拡大断面説明図である。 本発明の第３の実施形態に係る燃料電池の要部拡大断面説明図である。 本発明の第４の実施形態に係る燃料電池の要部拡大断面説明図である。 特許文献１の燃料電池の断面説明図である。

符号の説明

１０、６０、７０、８０…燃料電池
１２、６２、７２、８２…電解質膜・電極構造体
１４、１６…金属セパレータ ２４…固体高分子電解質膜
２６…アノード側電極 ２６ａ、２８ａ…ガス拡散層
２６ｂ、２８ｂ…電極触媒層 ２８…カソード側電極
３０…燃料ガス流路 ３０ａ、３４ａ…凸部
３０ｂ、３４ｂ…凹部 ３２…冷却媒体流路
３４…酸化剤ガス流路 ３６、３８…シール部材
４０、４４、６４、６６、７４、７６、８４、８８…段差部
４２ａ、４６ａ…肉厚部 ４２ｂ、４６ｂ…肉薄部
８６、９０…溝部

Claims (3)

1. 電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体と、波板形状の金属セパレータとが積層されるとともに、前記金属セパレータは、一方の面側に前記電極に沿って反応ガスを流す反応ガス流路と、他方の面側にセパレータ面内に沿って冷却媒体を流す冷却媒体流路とを設ける燃料電池であって、
   前記金属セパレータは、前記反応ガス流路を形成する凸部と凹部とが前記電極を構成するガス拡散層に配設される一方、
   前記ガス拡散層には、前記凸部と前記凹部との境界部分に対応し厚さ方向に切り欠いて段差部が設けられることを特徴とする燃料電池。
2. 請求項１記載の燃料電池において、前記ガス拡散層は、前記金属セパレータの凸部に接触する肉厚部と、
   前記金属セパレータの凹部に対応する肉薄部と、
   を有することを特徴とする燃料電池。
3. 請求項１記載の燃料電池において、前記ガス拡散層は、前記金属セパレータの凸部に接触する部位に、前記境界部分に沿って延在する溝部が形成されることを特徴とする燃料電池。

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