JP2008293947A - 燃料電池用スタック - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池用スタックを提供すること。
【解決手段】燃料と酸化剤を電気化学的に反応させて電気エネルギーを発生させる発電部１１０を含み、前記発電部は、膜−電極接合体であるＭＥＡ１３０、前記ＭＥＡの両面に各々配置され、前記ＭＥＡに向かう一面にチャンネルが形成され、前記ＭＥＡと対面する領域の外側にマニホールドが形成され、前記マニホールドと前記チャンネルが互いに連通形成されるセパレータ、及び前記ＭＥＡが位置した領域の外側周りに位置すると共に、前記ＭＥＡと前記セパレータの間の空間を密封するガスケットを備え、前記ガスケットは前記マニホールド及び前記マニホールドから前記チャンネルに連通されるチャンネル延長部の開放面を覆うことを特徴とする燃料電池用スタック。
【選択図】図６

Description

本発明は、燃料電池用スタックに関する。

燃料電池（Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）は、燃料の酸化反応、及びこの燃料と別途の酸化剤ガスの還元反応によって、電気エネルギーを発生させる発電装置である。燃料電池は燃料の種類によって、高分子電解質型燃料電池（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）と、直接酸化型燃料電池（Ｄｉｒｅｃｔ Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）とに区分される。

高分子電解質型燃料電池には、液体燃料またはガス燃料から改質された改質ガス、及び空気のような酸化剤ガスが提供される。そして、高分子電解質型燃料電池は、改質ガスの酸化反応と酸化剤ガスの還元反応によって、電気エネルギーを発生させる。このような高分子電解質型燃料電池は、他の燃料電池に比べて、出力特性が卓越して、作動温度が低くて、速い始動及び応答特性を有する。従って、高分子電解質型燃料電池は、自動車のような移動体に使われる移動用電源、建物に使われる分散用電源、及び電子機器用のような小型電源として幅広く使用されている。

直接酸化型燃料電池には、液体燃料及び空気が提供されて、燃料の酸化反応と酸化剤ガスの還元反応により電気エネルギーを発生させる。

このような燃料電池は、電気エネルギーを生成する最小単位（単位セル）である発電部を備える。発電部は、膜−電極接合体（以下、ＭＥＡ）、前記ＭＥＡを間においてその両側に備えられるセパレータ、及びＭＥＡの周縁に位置すると共に一対のセパレータの間の空間を密封するガスケットを含む。そして、発電部は数個乃至数十個が連続的に配列されて一つのスタックを構成する。

セパレータは、ＭＥＡの対向面に燃料を供給するためのチャンネルが形成され、ガスケットが位置する周縁領域にマニホールドが貫通できるように形成される。そして、セパレータは、マニホールドとチャンネルが相互連通されて、燃料がマニホールドを通して、チャンネルに流入される。しかし、従来技術の燃料電池用スタックは、マニホールドとチャンネルの境界地点でＭＥＡの電解質膜が膨張するため、電解質膜がチャンネル入口を塞ぐ問題が生じる。

それで、従来技術の燃料電池用スタックは、図１０乃至図１２に示したように、チャンネル２４１とマニホールド２４４の境界地点にブリッジ（Ｂｒｉｄｇｅ）２６０という構成要素をさらに設けて、電解質膜がチャンネル入口を塞ぐ問題を解決する。つまり、ブリッジ２６０は、電解質膜の膨張を遮断すると共に、マニホールド２４４からチャンネル２４１に連通する通路を確保する。

しかし、従来技術の燃料電池用スタックは、前記のようにブリッジ２６０を設けるため、新たな費用が発生するだけでなく、ブリッジ２６０の高さ分セパレータ２４０とガスケット２５０が積層された全体の厚さも厚くなる問題が生じる。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、ガスケットの形状を改善することによってマニホールドとチャンネルの間の空間で電解質膜が膨張することを防止可能な、新規かつ改良された燃料電池用スタックを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、燃料と酸化剤を電気化学的に反応させて電気エネルギーを発生させる発電部を含み、前記発電部は、膜−電極接合体であるＭＥＡ、前記ＭＥＡの両面に各々配置され、前記ＭＥＡに向かう一面にチャンネルが形成され、前記ＭＥＡと対面する領域の外側にマニホールドが形成され、前記マニホールドと前記チャンネルが互いに連通形成されるセパレータ、及び前記ＭＥＡが位置した領域の外側周りに位置すると共に、前記ＭＥＡと前記セパレータの間の空間を密封するガスケットを備え、前記ガスケットは前記マニホールド及び前記マニホールドから前記チャンネルに連通されるチャンネル延長部の開放面を覆うことを特徴とする燃料電池用スタックが提供される。

前記ガスケットは、前記セパレータに密着するプレートであってもよい。また、前記ガスケットには、前記マニホールドに対応する第１貫通孔が形成されてもよい。さらに、前記ガスケットには、前記ＭＥＡに対応する平面積を有する第２貫通孔が内側に形成されてもよい。

前記セパレータは、前記チャンネルに燃料が流入するアノード分離板であってもよい。

前記チャンネル延長部の底面は、傾いて形成されてもよい。また、前記チャンネル延長部の空間断面積は、前記マニホールドから前記チャンネルに近づくほど小さくなってもよい。さらに、前記チャンネル延長部は、燃料が流入する前記チャンネルの入口側と、燃料が排出される前記チャンネルの出口側に各々形成されてもよい。

前記チャンネルは、隔壁によって多数に分離されてもよい。また、前記チャンネルは、偶数個に分けられてもよい。

前記ガスケットは、硬度が互いに異なる２つ以上の素材からなる多層素材で構成されてもよい。また、前記ガスケットは、硬度が高いハード物質層と、前記ハード物質層に比べて硬度が低いソフト物質層を備えてもよい。さらに、前記ガスケットは、ハード物質層と、前記ハード物質層の両面に各々付着されるソフト物質層で構成されてもよい。

あるいは、前記ハード物質層と前記ソフト物質層は、交互に積層されてもよい。さらに、前記ガスケットは、前記ソフト物質層が最も外側に位置して、前記セパレータに接してもよい。

また、前記ガスケットは、前記ハード物質層が最も外側に位置し、前記ハード物質層の外表面に接着剤が塗布されて、前記セパレータに接してもよい。

前記ハード物質層は、金属、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）素材のうちの何れか一つで構成されてもよい。

前記ソフト物質層は、テフロン（登録商標）、ポリテトラフッ素エチレン（ＰＴＦＥ）、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭ）素材のうちの何れか一つで構成されてもよい。

以上説明したように本発明にかかる燃料電池用スタックによれば、ガスケットの形状を改善することによってマニホールドとチャンネルの間の空間で電解質膜が膨張することを防止できる。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

図１は、本発明の実施形態１による燃料電池用スタックの斜視図である。図１に示したように、本実施形態の燃料電池用スタック１００は、燃料と酸化剤の供給を受けて、燃料の酸化反応と酸化剤ガスの還元反応によって、電気エネルギーを発生させる発電部１１０を含む。

ここで、燃料はメタノール、またはエタノールのようなアルコール系燃料が使われ、酸化剤ガスとしては一般に空気が用いられる。発電部１１０は電気を発生させる最小単位であり、「単位セル」ともいう。燃料電池用スタック１００は、複数の発電部１１０が連続的に配列された集合体であり、前記集合体の最外側と結合されるエンドプレート１０１をさらに有する。

発電部１１０は、膜−電極接合体（ＭＥＡ）１３０と、前記ＭＥＡ１３０の両面に各々配置されるセパレータ１２０、１４０を有する。ＭＥＡ１３０は、電解質高分子膜の両面にカソード電極とアノード電極が各々付着される。アノード電極は、燃料を酸化反応させて、電子と水素イオンに分離させる。そして、電解質膜は水素イオンをカソード電極に移動させて、カソード電極は水素イオンを酸化剤ガスと還元反応させる。

そして、セパレータ１２０、１４０はプレート状である。第１セパレータ１２０はカソード分離板であり、ＭＥＡ１３０のカソード電極側に向かう一面にチャンネルが形成される。第２セパレータ１４０は、アノード分離板であり、ＭＥＡ１３０のアノード電極側に向かう一面にチャンネルが形成される。第１セパレータ１２０と第２セパレータ１４０は同じ形状にすることができるため、以下、第２セパレータ１４０について重点的に説明する。

図２は、図１に示した第２セパレータ１４０であるアノード分離板を示した斜視図である。図１及び図２に示したように、本実施形態のセパレータ１４０は前記の説明のように、その上面（ＭＥＡに接する側）にチャンネル１４１が堀状に形成され、セパレータ１４０には隣接チャンネルを分離する隔壁、チャンネル下部を閉じる底部を含まれる。

このチャンネル１４１に沿って燃料が流動する。チャンネル１４１が形成される領域は図２の破線で囲まれる破線領域１４２であり、図１に示したＭＥＡ１３０と対面する領域である。チャンネル１４１は隔壁１４３によって多数に区分される。この時、チャンネル１４１は隔壁１４３によって偶数個に分けられるのが望ましい。そうすると、チャンネル１４１が二分化されても、図２の破線領域１４２内でチャンネル１４１はその面積が同じになり、対称構造にできる。

セパレータ１４０は、チャンネル１４１が形成される領域の外側にマニホールド１４４、１４５が貫通できるように形成される。燃料電池用スタック１００は、複数個のセパレータ１２０、１４０が積層された構造を有するため、マニホールド１４４、１４５は一つの流路の役割を果たす。マニホールド１４４、１４５は、一つのセパレータ１４０に複数形成できるが、本実施形態は燃料が流入される第１マニホールド１４４と、未反応の燃料が排出される第２マニホールド１４５を備える。

図３は図２に示したＡ領域を拡大して示した斜視図である。図２及び図３に示したように、チャンネル１４１とマニホールド１４４、１４５は互いに連通形成され、この領域は本実施形態ではチャンネル延長部１４６という。チャンネル延長部１４６は、燃料が流入されるチャンネル１４１の入口側と、燃料が排出されるチャンネル１４１の出口側に各々形成される。

図４は図３に示した線Ｉ-Ｉを切断して示した断面図である。図４に示したように、チャンネル延長部１４６は、その底面が傾いて形成されて、チャンネル延長部１４６の空間断面積は、マニホールド１４４からチャンネル１４１に行くほど小さくなる。

図５は図１に示したアノード分離板とガスケットを示した分解斜視図であり、図６は図５に示したアノード分離板とガスケットが積層された状態を示した斜視図である。図５及び図６に示したように、本実施形態はＭＥＡ１３０が位置した領域の外側周りに位置すると共に、ＭＥＡ１３０に向かう一対のセパレータ１２０、１４０の間の空間を密封するガスケット１５０をさらに有する。

ガスケット１５０は、セパレータ１４０に密着できるプレート状に形成されると共に、セパレータ１４０のマニホールド１４４、１４５に対応して、第１貫通孔１５４、１５５が形成される。ガスケット１５０は、図２の破線領域１４２であり、ＭＥＡ１３０領域に対応する平面積を有する第２貫通孔１５３が内側に形成される。

図７は図６に示したＢ領域を拡大して示した斜視図であり、図８は図７に示した線ＩＩ-ＩＩを切断して示した断面図である。図７及び図８に示したように、ガスケット１５０はマニホールド１４４の周囲をカバー（覆う）する。つまり、本実施形態のガスケット１５０は、セパレータ１４０のチャンネル延長部１４６に位置すると共に、チャンネル延長部１４６の開放された面をカバーする特徴がある。

このように構成された本実施形態の燃料電池用スタック１００は、複数の発電部１１０が積層されて、ＭＥＡ１３０はガスケット１５０の第２貫通孔１５３に位置する。そして、燃料はマニホールド１４４、１４５を通して流入または排出される。

ＭＥＡ１３０の電解質膜は、燃料の水分を吸収する。そのために、ＭＥＡ１３０の電解質膜は膨張して、チャンネル１４１の入口側または出口側を遮断することがある。しかし、本実施形態は、セパレータ１４０のチャンネル延長部１４６をガスケット１５０がカバーするため、ＭＥＡ１３０の電解質膜が膨張するのを防止できる。

また、燃料電池用スタックは、チャンネル延長部１４６にブリッジをさらに設けて、ＭＥＡ１３０の電解質膜が膨張するのを防止し、燃料が流動できるようにする。しかし、本実施形態は、チャンネル延長部１４６の底面が傾いて形成されて、チャンネル延長部１４６での厚さが非常に薄い。

それで、本実施形態は、チャンネル延長部１４６に圧力を与える新たな構成要素であるブリッジを設けることなく、ガスケット１５０がチャンネル延長部１４６の開放面とマニホールド１４４、１４５の周囲をカバーする。そして、ガスケット１５０は、セパレータ１２０、１４０の間の空間を密封するために一定量の圧縮性を有し、下記のような断面構造を有する。

図９の（ａ）乃至（ｃ）は、図５に示したガスケットの内部積層構造を概略的に示した断面図である。

図９の（ａ）に示したように、本実施形態のガスケット１５０は硬度が互いに異なる２つ以上の多層素材で形成される。つまり、ガスケット１５０は、硬度が高いハード物質層１５０ａと、ハード物質層１５０ａに比べて硬度が低いソフト物質層１５０ｂを備える。ハード物質層１５０ａは設定された厚さで形成されながらも、圧縮性が低い。ソフト物質層１５０ｂは、圧縮性を有し、セパレータ１２０、１４０の締結力によって圧縮される。ハード物質層１５０ａは中央に位置して、ソフト物質層１５０ｂはハード物質層１５０ａの両面に各々付着される。以下、ソフト物質層１５０ｂは圧縮される過程においてセパレータ１２０、１４０に密着される。

ハード物質層１５０ａは、金属、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）素材で構成される。ソフト物質層１５０ｂは、テフロン（登録商標）（Ｔｅｆｌｏｎ）、ポリテトラフッ素エチレン（ＰＴＦＥ）、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭ）素材で形成される。

図９の（ｂ）に示したように、本実施形態のガスケット１５１は、ハード物質層１５１ａとソフト物質層１５１ｂが交互に追加的に積層される。この時、ハード物質層１５１ａが最も外側に位置すると、このハード物質層１５１ａの外表面には接着剤が塗布されて、セパレータ１２０、１４０に接する。

図９の（ｃ）に示したように、本実施形態のガスケット１５２は、ハード物質層１５２ａとソフト物質層１５２ｂが交互に多層で積層されてもよい。

以上説明したように、本実施形態にかかる燃料電池用スタック１００は、マニホールドでチャンネルに連通されるチャンネル延長部の開放面をガスケット１５０がカバーすることによって、ＭＥＡ１３０の電解質膜が膨張するのを防止すると共に、燃料を安定的に流動させる長所がある。また、本実施形態にかかる燃料電池用スタック１００は、燃料が流動する空間を確保するために、チャンネル延長部にブリッジを設けた従来の技術に比べて、スタックの厚さがより薄くなる長所がある。

なお、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明の実施形態１による燃料電池用スタックの斜視図である。 図１に示したアノード分離板を示した斜視図である。 図２に示したＡ領域を拡大して示した斜視図である。 図３に示した線Ｉ-Ｉを切断して示した断面図である。 図１に示したアノード分離板とガスケットを示した分解斜視図である。 図５に示したアノード分離板とガスケットが積層された状態を示した斜視図である。 図６に示したＢ領域を拡大して示した斜視図である。 図７に示した線ＩＩ-ＩＩを切断して示した断面図である。 図９の（ａ）乃至（ｃ）は図５に示したガスケットの内部積層構造を概略的に示した断面図である。 従来の技術によるアノード分離板とガスケットを示した分解斜視図である。 図１０に示したアノード分離板とガスケットが積層された状態を示した斜視図である。 図１１に示した線ＩＩＩ-ＩＩＩを切断して示した断面図である。

符号の説明

１００ 燃料電池用スタック
１１０ 発電部
１２０、１４０、２４０ セパレータ
１３０ 膜−電極接合体（ＭＥＡ）
１５０、２５０ ガスケット
２６０ ブリッジ（ｂｒｉｄｇｅ）

Claims (18)

1. 燃料と酸化剤を電気化学的に反応させて電気エネルギーを発生させる発電部を含み、
   前記発電部は、
   膜−電極接合体であるＭＥＡ、
   前記ＭＥＡの両面に各々配置され、前記ＭＥＡに向かう一面にチャンネルが形成され、前記ＭＥＡと対面する領域の外側にマニホールドが形成され、前記マニホールドと前記チャンネルが互いに連通形成されるセパレータ、及び
   前記ＭＥＡが位置した領域の外側周りに位置すると共に、前記ＭＥＡと前記セパレータの間の空間を密封するガスケットを備え、
   前記ガスケットは前記マニホールド及び前記マニホールドから前記チャンネルに連通されるチャンネル延長部の開放面を覆うことを特徴とする燃料電池用スタック。
2. 前記ガスケットは、前記セパレータに密着するプレートであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用スタック。
3. 前記ガスケットには、前記マニホールドに対応する第１貫通孔が形成されることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池用スタック。
4. 前記ガスケットには、前記ＭＥＡに対応する平面積を有する第２貫通孔が内側に形成されることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池用スタック。
5. 前記セパレータは、前記チャンネルに燃料が流入するアノード分離板であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用スタック。
6. 前記チャンネル延長部の底面は、傾いて形成されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用スタック。
7. 前記チャンネル延長部の空間断面積は、前記マニホールドから前記チャンネルに近づくほど小さくなることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池用スタック。
8. 前記チャンネル延長部は、燃料が流入する前記チャンネルの入口側と、燃料が排出される前記チャンネルの出口側に各々形成されることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池用スタック。
9. 前記チャンネルは、隔壁によって多数に分離されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用スタック。
10. 前記チャンネルは、偶数個に分けられることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池用スタック。
11. 前記ガスケットは、硬度が互いに異なる２つ以上の素材からなる多層素材で構成されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用スタック。
12. 前記ガスケットは、硬度が高いハード物質層と、前記ハード物質層に比べて硬度が低いソフト物質層を備えることを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池用スタック。
13. 前記ガスケットは、ハード物質層と、前記ハード物質層の両面に各々付着されるソフト物質層で構成されることを特徴とする請求項１２に記載の燃料電池用スタック。
14. 前記ハード物質層と前記ソフト物質層は、交互に積層されることを特徴とする請求項１２に記載の燃料電池用スタック。
15. 前記ガスケットは、前記ソフト物質層が最も外側に位置して、前記セパレータに接することを特徴とする請求項１４に記載の燃料電池用スタック。
16. 前記ガスケットは、前記ハード物質層が最も外側に位置し、前記ハード物質層の外表面に接着剤が塗布されて、前記セパレータに接することを特徴とする請求項１４に記載の燃料電池用スタック。
17. 前記ハード物質層は、金属、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）素材のうちの何れか一つで構成されることを特徴とする請求項１２に記載の燃料電池用スタック。
18. 前記ソフト物質層は、テフロン（登録商標）、ポリテトラフッ素エチレン（ＰＴＦＥ）、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭ）素材のうちの何れか一つで構成されることを特徴とする請求項１７に記載の燃料電池用スタック。

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