JP2009026654A - 燃料電池のシール構造および燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】 膜−電極接合体の耐久性低下を抑制することができる燃料電池のシール構造および燃料電池を提供する。
【解決手段】シール構造は、膜−電極接合体（１０）と膜−電極接合体を挟持する一対のガス拡散層（２０）（２２）とを備える燃料電池（１００）に用いられるシール構造であって、ガス拡散層の膜−電極接合体と反対側の面の外周部に設けられ、ガスシール性を有する第１シール部（３０）と、液体シール性を有し、ガス拡散層の膜−電極接合体と反対側の面において第１シール部よりも内側に設けられた第２シール部（４０）（４２）と、ガス拡散層の第１シール部および第２シール部が設けられる部位に充填され、液体シール性を有するシール部材（２６）（２８）と、を備えることを特徴とするものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池のシール構造および燃料電池に関する。

燃料電池は、一般的には水素および酸素を燃料として電気エネルギを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れており、また高いエネルギ効率を実現できることから、今後のエネルギ供給システムとして広く開発が進められてきている。

燃料電池のうち固体の電解質を用いたものには、固体高分子型燃料電池、固体酸化物型燃料電池等がある。このうち、固体高分子型燃料電池は、固体高分子電解質膜がカソードとアノードとにより挟持された膜−電極接合体がさらにガス拡散層によって挟持された構造を有する。固体高分子型燃料電池においては、燃料ガスがアノードに供給され、酸化剤ガスがカソードに供給される。その結果、燃料ガスと酸化剤ガスとが電気化学反応して水が生成される。この水が生成されるときに発生する電流が外部に取り出されることにより、発電が行われる。

固体高分子型燃料電池においては、燃料ガスおよび酸化剤ガスの反応ガスが燃料電池から漏出することを防止するためのシール構造が必要とされる。この燃料電池のシール構造として、シリコン系樹脂あるいはフッ素系樹脂からなるシール部を備えるシール構造に関する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−２８５７７４号公報

しかしながら、特許文献１に係る燃料電池においては、シール部からシリコンが溶出するおそれがある。この場合、シリコンが膜−電極接合体に拡散して、膜−電極接合体の耐久性が低下するおそれがある。

本発明は、膜−電極接合体の耐久性低下を抑制することができる燃料電池のシール構造および燃料電池を提供することを目的とする。

本発明に係るシール構造は、膜−電極接合体と膜−電極接合体を挟持する一対のガス拡散層とを備える燃料電池に用いられるシール構造であって、ガス拡散層の膜−電極接合体と反対側の面の外周部に設けられ、ガスシール性を有する第１シール部と、液体シール性を有し、ガス拡散層の膜−電極接合体と反対側の面において第１シール部よりも内側に設けられた第２シール部と、ガス拡散層の第１シール部および第２シール部が設けられる部位に充填され、液体シール性を有するシール部材と、を備えることを特徴とするものである。

本発明に係るシール構造によれば、発電に伴って生成された水分と第１シール部との接触が抑制される。この場合、第１シール部の成分が溶出することが抑制される。それにより、第１シール部の成分の膜−電極接合体への拡散が抑制される。その結果、膜−電極接合体の耐久性低下が抑制される。

上記構成において、第１シール部は、シリコン系ゴムからなるものであってもよい。この構成によれば、フッ素系樹脂を使用する場合に比較して低温から高温までの広い温度範囲に渡ってガスシール性が維持される。

上記構成において、第２シール部は、耐化学薬品性を有することが好ましい。上記構成において、第２シール部は、耐酸性を有することが好ましい。上記構成において、第２シール部は、耐フッ酸性を有することが好ましい。例えば固体高分子電解質膜がナフィオン（登録商標）からなる場合、ナフィオン（登録商標）から溶出するフッ酸が第１シール部に接触することが抑制される。それにより、第１シール部のガスシール性が維持される。

上記構成において、第２シール部は、フッ素系ゴム、ブチルゴムまたはエチレンプロピレンゴムからなるものであってもよい。上記構成において、シール部は、硬化性樹脂からなるものであってもよい。

本発明に係る燃料電池は、固体高分子電解質からなる電解質膜を含む膜−電極接合体と、膜−電極接合体を挟持する１対のガス拡散層と、ガスシール性を有し、ガス拡散層の膜−電極接合体と反対側の面の外周部に設けられたガスシール部と、液体シール性を有し、ガス拡散層の膜−電極接合体と反対側の面においてガスシール部よりも内側に設けられた液体シール部と、を備え、ガス拡散層のガスシール部および液体シール部が設けられる部位には、液体シール性を有するシール部材が充填されていることを特徴とするものである。

本発明に係る燃料電池によれば、発電に伴って生成された水分と第１シール部との接触が抑制される。この場合、第１シール部の成分が溶出することが抑制される。それにより、第１シール部の成分の膜−電極接合体への拡散が抑制される。その結果、膜−電極接合体の耐久性低下が抑制される。

本発明によれば、膜−電極接合体の耐久性低下を抑制することができる燃料電池のシール構造および燃料電池を提供することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。

本発明の第１実施例に係る燃料電池１００について説明する。図１は、燃料電池１００の模式的断面図である。燃料電池１００は、膜−電極接合体１０と、ガス拡散層２０，２２と、ガスシール部３０と、液体シール部４０，４２と、セパレータ６０，６２とを備える。

膜−電極接合体１０は、固体高分子電解質からなる電解質膜（図示せず）が１対の触媒層（図示せず）によって挟持された構造を有する。電解質膜としては、特に限定されないが、例えばナフィオン（登録商標）等を用いることができる。触媒層としては、特に限定されないが、例えば白金担持カーボン等を用いることができる。

ガス拡散層２０，２２は、膜−電極接合体１０を挟持するように配置されている。ガス拡散層２０は、膜−電極接合体１０へ燃料ガスを拡散させる層であり、膜−電極接合体１０の上面側に配置されている。ガス拡散層２２は、膜−電極接合体１０へ酸化剤ガスを拡散させる層であり、膜−電極接合体１０の下面側に配置されている。ガス拡散層２０，２２としては、例えば、カーボンペーパ等を用いることができる。

ガスシール部３０は、ガス拡散層２０の上面の外周部から、膜−電極接合体１０の側面を経て、ガス拡散層２２の下面の外周部にかけて配置されている。ガスシール部３０は、ガスシール性を有し、例えばシリコン系ゴムからなる。

液体シール部４０は、ガス拡散層２０の上面においてガスシール部３０よりも内側に配置されている。液体シール部４２は、ガス拡散層２２の下面において、ガスシール部３０よりも内側に設けられている。液体シール部４０，４２は、液体シール性を有するものであれば特に限定されない。液体シール部４０，４２としては、例えばフッ素系ゴム、ブチルゴムまたはエチレンプロピレンゴム等を用いることができる。また、ガスシール部３０および液体シール部４０，４２は、例えば接着剤等により所定の位置に配置される。

ガス拡散層２０のガスシール部３０および液体シール部４０が配置された部位には、シール部材２６が充填されている。また、ガス拡散層２２のガスシール部３０および液体シール部４２が配置された部位には、シール部材２８が充填されている。シール部材２６，２８は、液体シール性を有する。シール部材２６，２８としては、液体シール性を有するものであれば特に限定されないが、例えば、熱可塑性樹脂、硬化性樹脂、ゲル状物質またはグリース状物質等を用いることができる。熱可塑性樹脂としては、例えばポリエチレン、ポリプロピレン等を用いることができる。硬化性樹脂としては、例えばエポキシ等を用いることができる。ゲル状物質またはグリース状物質としては、例えばフッ素系グリース等を用いることができる。なお、シール部材２６，２８がポリプロピレン、ポリエチレン、エポキシ等からなる場合には、シール部材２６，２８は液体シール性を有するとともにガスシール性も有している。

シール部材２６，２８はそれぞれ、例えばプレス加工を施すことによりガス拡散層２０，２２に充填することができる。具体的には、まず、膜−電極接合体１０の上面にガス拡散層２０を配置し、膜−電極接合体１０の下面にガス拡散層２２を配置する。次に、ガス拡散層２０の上面の外周部に、シール部材２６を配置し、ガス拡散層２２の下面の外周部にシール部材２８を配置する。次に、シール部材２６，２８に熱を加えながらプレス加工を施す。それにより、シール部材２６をガス拡散層２０に充填することができるとともに、シール部材２８をガス拡散層２２に充填することができる。この場合、シール部材２６，２８は溶含浸性を有する低融点樹脂からなることが好ましい。

セパレータ６０は、ガスシール部３０の上面側においてガス拡散層２０を覆うように配置されている。セパレータ６２は、ガスシール部３０の下面側においてガス拡散層２２を覆うように配置されている。セパレータ６０，６２は、ステンレス、カーボン等の導電性材料からなる。

次に、燃料電池１００の作用について説明する。まず、燃料電池１００の発電について説明する。ガス拡散層２０には燃料ガスが供給される。この燃料ガスは、ガス拡散層２０を透過して膜−電極接合体１０のアノード側の触媒層に到達する。燃料ガスに含まれる水素は、触媒を介してプロトンと電子とに解離する。プロトンは、固体高分子電解質膜を伝導してカソード側の触媒層に到達する。

ガス拡散層２２には酸化剤ガスが供給される。この酸化剤ガスは、ガス拡散層２２を透過して膜−電極接合体１０のカソード側の触媒層に到達する。カソード側の触媒層においては、触媒を介してプロトンと酸素とが反応する。それにより、発電が行われるとともに、水が生成される。発電によって生じた電力は、図示しない集電体およびセパレータ６０，６２を介して外部へ取り出される。

続いて、燃料電池１００のシール構造の作用について説明する。ガス拡散層２０に供給された燃料ガスおよびガス拡散層２２に供給された酸化剤ガスは、ガスシール部３０によりシールされる。それにより、燃料電池１００の外部への燃料ガスおよび酸化剤ガスの漏出が抑制される。特に、ガスシール部３０がシリコン系ゴムから構成される場合、フッ素系樹脂を使用する場合に比較して低温から高温までの広い温度範囲に渡ってガスシール性が維持される。

また、発電によって生じた水は、液体シール部４０，４２およびシール部材２６，２８によりシールされる。それにより、ガスシール部３０に液体が接触することが抑制される。その結果、ガスシール部３０からのシリコンの溶出を抑制することができる。この場合、膜−電極接合体１０へのシリコンの混入が抑制される。それにより、膜−電極接合体１０の耐久性低下が抑制される。また、ガスシール部３０の劣化が抑制される。それにより、ガスシール部３０は、良好なガスシール性を維持することができる。

さらに、ガスシール部３０とガス拡散層２０，２２とが接する部位には、それぞれシール部材２６，２８が充填されている。この場合、燃料電池１００の製造時においても、ガスシール部３０から膜−電極接合体１０へのシリコンの混入を抑制することができる。それにより、膜−電極接合体１０の耐久性低下を抑制することができる。

なお、液体シール部４０，４２は、耐酸性を有することが好ましく、耐化学薬品性を有することがより好ましい。特に液体シール部４０，４２が耐フッ酸性を有していれば、ナフィオン（登録商標）から溶出するフッ酸がガスシール部３０に接触することが抑制される。耐フッ酸性を有する液体シール部４０，４２としては、例えばフッ素系ゴム、ブチルゴムまたはエチレンプロピレンゴムを用いることができる。

（変形例１）
また、シール部材２６，２８が液体シール性とともにガスシール性を有する場合には、ガスシール部３０は、ガス拡散層２０，２２の側面を覆っていなくてもよい。図２は、実施例１の変形例１に係る燃料電池１００ａの模式的断面図である。燃料電池１００ａは、ガスシール部３０の代わりにガスシール部３０ａ，３０ｂを備える点において、図１の燃料電池１００と異なる。

ガスシール部３０ａ，３０ｂは、ガス拡散層２０および膜−電極接合体１０の側面を覆っていない点において、図１のガスシール部３０とは異なる。その他の構成は、図１に示す燃料電池１００と同様のため説明を省略する。なお、ガスシール部３０ａは、ガス拡散層２０の上面に配置され、ガスシール部３０ｂはガス拡散層２２の下面に配置されている。また、液体シール性およびガスシール性を有するシール部材２６，２８としては、例えば、ポリプロピレン、ポリエチレン、エポキシ等を用いることができる。

本変形例１に係る燃料電池１００ａにおいても、ガス拡散層２０に供給された燃料ガスおよびガス拡散層２２に供給された酸化剤ガスは、それぞれガスシール部３０ａおよびガスシール部３０ｂによりシールされる。それにより、燃料電池１００ａの外部への燃料ガスおよび酸化剤ガスの漏出が抑制される。特に、ガスシール部３０ａ，３０ｂがシリコン系ゴムから構成される場合、フッ素系樹脂を使用する場合に比較して低温から高温までの広い温度範囲に渡ってガスシール性が維持される。

また、発電によって生じた水は、液体シール部４０，４２およびシール部材２６，２８によりシールされる。それにより、ガスシール部３０ａ，３０ｂに液体が接触することが抑制される。その結果、ガスシール部３０ａ，３０ｂからのシリコンの溶出を抑制することができる。この場合、膜−電極接合体１０へのシリコンの混入が抑制される。それにより、膜−電極接合体１０の耐久性低下が抑制される。また、ガスシール部３０ａ，３０ｂの劣化が抑制される。それにより、ガスシール部３０ａ，３０ｂは、良好なガスシール性を維持することができる。

さらに、ガスシール部３０ａとガス拡散層２０とが接する部位およびガスシール部３０ｂとガス拡散層２２とが接する部位には、それぞれシール部材２６，２８が充填されている。この場合、燃料電池１００ａの製造時においても、ガスシール部３０ａ，３０ｂから膜−電極接合体１０へのシリコンの混入を抑制することができる。それにより、膜−電極接合体１０の耐久性低下を抑制することができる。

上記実施例においては、図１のガスシール部３０および図２のガスシール部３０ａ，３０ｂが第１シール部に相当し、液体シール部４０，４２が第２シール部に相当し、シール部材２６，２８がシール部材に相当する。

本発明の第１実施例に係る燃料電池の模式的断面図である。 第１実施例の変形例１に係る燃料電池の模式的断面図である。

符号の説明

１０ 膜−電極接合体
２０，２２ ガス拡散層
２６，２８ シール部材
３０ ガスシール部
４０，４２ 液体シール部
６０，６２ セパレータ
１００ 燃料電池

Claims (8)

1. 膜−電極接合体と前記膜−電極接合体を挟持する一対のガス拡散層とを備える燃料電池に用いられるシール構造であって、
   前記ガス拡散層の前記膜−電極接合体と反対側の面の外周部に設けられ、ガスシール性を有する第１シール部と、
   液体シール性を有し、前記ガス拡散層の前記膜−電極接合体と反対側の面において前記第１シール部よりも内側に設けられた第２シール部と、
   前記ガス拡散層の前記第１シール部および前記第２シール部が設けられる部位に充填され、液体シール性を有するシール部材と、を備えることを特徴とするシール構造。
2. 前記第１シール部は、シリコン系ゴムからなることを特徴とする請求項１記載のシール構造。
3. 前記第２シール部は、耐化学薬品性を有することを特徴とする請求項１記載のシール構造。
4. 前記第２シール部は、耐酸性を有することを特徴とする請求項１記載のシール構造。
5. 前記第２シール部は、耐フッ酸性を有することを特徴とする請求項１記載のシール構造。
6. 前記第２シール部は、フッ素系ゴム、ブチルゴムまたはエチレンプロピレンゴムからなることを特徴とする請求項１記載のシール構造。
7. 前記シール部は、硬化性樹脂からなることを特徴とする請求項１記載のシール構造。
8. 固体高分子電解質からなる電解質膜を含む膜−電極接合体と、
   前記膜−電極接合体を挟持する１対のガス拡散層と、
   ガスシール性を有し、前記ガス拡散層の前記膜−電極接合体と反対側の面の外周部に設けられたガスシール部と、
   液体シール性を有し、前記ガス拡散層の前記膜−電極接合体と反対側の面において前記ガスシール部よりも内側に設けられた液体シール部と、を備え、
   前記ガス拡散層の前記ガスシール部および前記液体シール部が設けられる部位には、液体シール性を有するシール部材が充填されていることを特徴とする燃料電池。

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