JP2010027332A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】構成の簡素化及び小型化を図るとともに、流体流路と流体連通孔との間を確実且つ円滑に連通することを可能にする。
【解決手段】燃料電池１０は、第１金属セパレータ１６及び第２金属セパレータ１８を備える。第２金属セパレータ１８には、酸化剤ガス入口連通孔２０ａの近傍に位置して通路用溝部５４ａを形成するための複数のゴムブリッジ部５２ａが設けられる。第１金属セパレータ１６には、ゴムブリッジ部５２ａに対向してリブ部６６ａが設けられる。このリブ部６６ａは、ゴムブリッジ部５２ａの配列方向に交差する方向に波状に変形して、金属プレートに一体成形される。
【選択図】図６

Description

本発明は、電解質の両側に一対の電極を配設した電解質・電極構造体を備え、前記電解質・電極構造体を一対の金属セパレータで挟持するとともに、少なくとも燃料ガス、酸化剤ガス又は冷却媒体のいずれかである流体を前記電解質・電極構造体の面方向に流す流体流路と、前記流体を積層方向に供給する流体連通孔とが形成され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電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、セパレータによって挟持した発電セルを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の発電セルを積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。

上記の燃料電池には、セパレータの面内に、アノード側電極に沿って燃料ガス（流体）を流すための燃料ガス流路（流体流路）と、カソード側電極に沿って酸化剤ガス（流体）を流すための酸化剤ガス流路（流体流路）とが設けられている。

さらに、セパレータの周縁部には、前記セパレータの積層方向に貫通して、燃料ガス流路に連通する流体連通孔である燃料ガス入口連通孔及び燃料ガス出口連通孔と、酸化剤ガス流路に連通する流体連通孔である酸化剤ガス入口連通孔及び酸化剤ガス出口連通孔とが形成されている。また、セパレータ間には、電解質膜・電極構造体を冷却するための冷却媒体流路（流体流路）が設けられるとともに、積層方向に貫通して前記冷却媒体流路に連通する冷却媒体入口連通孔及び冷却媒体出口連通孔（流体連通孔）が形成されている。

この場合、流体流路と流体連通孔とは、流体を円滑且つ均等に流すために平行溝部等を有する連結流路を介して連通している。ところが、特に薄板状金属セパレータと電解質膜・電極構造体とを、シール部材を介装して締め付け固定する際に、この金属セパレータが連結流路内に進入してしまい、所望のシール性を維持することができず、しかも反応ガスが良好に流れないという問題がある。

そこで、特許文献１に開示されているガスマニホールド一体型セパレータでは、図９に示すように、燃料ガス導入マニホールド孔１とガス流路溝部２の間には、燃料ガス導入口３が設けられている。燃料ガス導入口３は、平板４で覆われてトンネル構造を有している。これにより、燃料電池に組み込んだ際に、固体高分子電解質膜が燃料ガス導入口３を塞いでガスの通流を妨害することを防止している。

ここで、燃料ガス導入口３は、数本の溝形状で形成されており、平板４で覆うために段差部５が設けられている。段差部５には、平板４が接着により接合されており、前記平板４の表面は、ガスマニホールド一体型セパレータの表面と同一平面になるように設計されている。

また、ガスマニホールド一体型セパレータの表面のガス流路溝部２以外の部分は、エチレンプロピレンゴム製のコーティング膜で覆われている。平板４の燃料ガスが流れる方向に平行な端部の上には、エチレンプロピレンゴム製の補強用リブが設けられている。

特開２０００−１３３２８９号公報

上記の特許文献１では、ガスマニホールド一体型セパレータが、燃料ガス導入口３に段差部５を設けるとともに、この段差部５に平板４が接合されている。このため、ガスマニホールド一体型セパレータは、構成が複雑化するとともに、特に厚さ方向の寸法が相当に大き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、構成の簡素化及び小型化を図るとともに、流体流路と流体連通孔との間を確実且つ円滑に連通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配設した電解質・電極構造体を備え、前記電解質・電極構造体を一対の金属セパレータで挟持するとともに、少なくとも燃料ガス、酸化剤ガス又は冷却媒体のいずれかである流体を前記電解質・電極構造体の面方向に流す流体流路と、前記流体を積層方向に供給する流体連通孔とが形成される燃料電池に関するものである。

一方の金属セパレータには、流体流路と流体連通孔との間を連通する複数のゴム製壁部材が配列して設けられるとともに、他方の金属セパレータには、前記ゴム製壁部材に対向してリブ部が一体成形されている。

また、リブ部は、少なくともゴム製壁部材の配列方向に交差する方向に波状に変形することが好ましい。

本発明によれば、他方の金属セパレータは、流体流路と流体連通孔との間を仕切る複数のゴム製壁部材に対向してリブ部を一体成形している。このため、特に薄板状の金属セパレータであっても、リブ部を介して前記金属セパレータ自体の剛性が向上し、ゴム製壁部材間で変形することを良好に抑制することができる。従って、構成の簡素化及び小型化を図るとともに、シール部の線圧抜けを解消し、流体流路と流体連通孔との間を確実且つ円滑に連通することが可能になる。

図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池１０の要部分解斜視説明図である。図２は、複数の燃料電池１０を矢印Ａ方向に積層する燃料電池スタック１２の、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面説明図であり、図３は、前記燃料電池スタック１２の、図１中、ＩＩＩ−ＩＩＩ線断面説明図である。

図１に示すように、燃料電池１０は、電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）１４が、第１及び第２金属セパレータ１６、１８に挟持されている。第１及び第２金属セパレータ１６、１８は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、あるいはめっき処理鋼板等の金属プレートにより構成される。

燃料電池１０の矢印Ｂ方向（図１中、水平方向）の一端縁部には、積層方向である矢印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入口連通孔２０ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔２２ｂ、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出口連通孔２４ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。

燃料電池１０の矢印Ｂ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入口連通孔２４ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔２２ａ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔２０ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。酸化剤ガス入口連通孔２０ａ、酸化剤ガス出口連通孔２０ｂ、冷却媒体入口連通孔２２ａ、冷却媒体出口連通孔２２ｂ、燃料ガス入口連通孔２４ａ及び燃料ガス出口連通孔２４ｂは、流体連通孔を構成する。

図１及び図４に示すように、第１金属セパレータ１６の電解質膜・電極構造体１４側の面１６ａには、例えば、矢印Ｂ方向に延在する酸化剤ガス流路（流体流路）２６が設けられる。酸化剤ガス流路２６は、第１金属セパレータ１６を波形状に成形することにより設けられる複数の溝部を備えており、前記酸化剤ガス流路２６と酸化剤ガス入口連通孔２０ａ及び酸化剤ガス出口連通孔２０ｂとは、連結流路２８ａ、２８ｂを介して連通する。

第１金属セパレータ１６の面１６ａ、１６ｂには、この第１金属セパレータ１６の外周端部を周回して、第１シール部材（ゴム製シール部材）３２が焼き付けや射出成形等により一体化される。第１シール部材３２は、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコンゴム、フロロシリコンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン、又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材を使用する。

第１シール部材３２は、第１金属セパレータ１６の面１６ａに一体化される第１平面部３４と、前記第１金属セパレータ１６の面１６ｂに一体化される第２平面部３６とを備える。図４に示すように、第１平面部３４は、酸化剤ガス入口連通孔２０ａ及び酸化剤ガス出口連通孔２０ｂを酸化剤ガス流路２６に連通するようにこれらの周囲を囲繞して形成される一方、第２平面部３６は、冷却媒体入口連通孔２２ａ及び冷却媒体出口連通孔２２ｂを冷却媒体流路（後述する）に連通して形成される。

図１及び図５に示すように、第２金属セパレータ１８の電解質膜・電極構造体１４側の面１８ａには、燃料ガス入口連通孔２４ａと燃料ガス出口連通孔２４ｂとに連通し、矢印Ｂ方向に延在する燃料ガス流路（流体流路）４０が形成される。燃料ガス流路４０は、複数の溝部を備えるとともに、前記燃料ガス流路４０と燃料ガス入口連通孔２４ａ及び燃料ガス出口連通孔２４ｂとは、後述するように、連通する。

図１に示すように、第２金属セパレータ１８の面１８ａとは反対の面１８ｂには、冷却媒体入口連通孔２２ａと冷却媒体出口連通孔２２ｂとに連通する冷却媒体流路（流体流路）４６が形成される。

第２金属セパレータ１８の面１８ａ、１８ｂには、この第２金属セパレータ１８の外周端部を周回して、第２シール部材（ゴム製シール部材）４８が一体化される。この第２シール部材４８は、上記の第１シール部材３２と同一の材料で構成される。

図５に示すように、第２シール部材４８は、第２金属セパレータ１８の外周端部に近接して面１８ａに設けられる外側凸状シール５０ａを備え、この外側凸状シール５０ａから内方に所定の距離だけ離間して内側凸状シール５０ｂが設けられる。この内側凸状シール５０ｂは、燃料ガス流路４０を閉塞している。

面１８ａには、酸化剤ガス入口連通孔２０ａ及び酸化剤ガス出口連通孔２０ｂの近傍に位置して、それぞれブロック状のゴムブリッジ部（ゴム製壁部材）５２ａ、５２ｂが複数形成される。図５及び図６に示すように、各ゴムブリッジ部５２ａ間には、酸化剤ガス入口連通孔２０ａと酸化剤ガス流路２６とを連通する複数の通路用溝部５４ａが形成される。図５に示すように、各ゴムブリッジ部５２ｂ間には、同様に酸化剤ガス出口連通孔２０ｂと酸化剤ガス流路２６とを連通する複数の通路用溝部５４ｂが形成される。

図７に示すように、第２金属セパレータ１８の面１８ｂには、第２シール部材４８を構成する外側凸状シール５６ａと、この外側凸状シール５６ａの内方に離間し冷却媒体流路４６を囲繞して設けられる内側凸状シール５６ｂとが形成される。

冷却媒体入口連通孔２２ａ及び冷却媒体出口連通孔２２ｂの近傍に位置して、それぞれゴムブリッジ部（ゴム製壁部材）５８ａ、５８ｂが複数形成される。各ゴムブリッジ部５８ａ間には、冷却媒体入口連通孔２２ａと冷却媒体流路４６とを連通する複数の通路用溝部６０ａが形成される。各ゴムブリッジ部５８ｂ間には、同様に冷却媒体出口連通孔２２ｂと冷却媒体流路４６とを連通する複数の通路用溝部６０ｂが形成される。

図２及び図３に示すように、第２金属セパレータ１８の両面では、ゴムブリッジ部５２ａ、５２ｂが、外側凸状シール５６ａの一部に積層方向に重なり合う一方、ゴムブリッジ部５８ａ、５８ｂが、外側凸状シール５０ａの一部に積層方向に重なり合う。

図７に示すように、第２金属セパレータ１８の面１８ｂには、それぞれ燃料ガス入口連通孔２４ａ及び燃料ガス出口連通孔２４ｂに連通する複数の通路６２ａ、６２ｂが形成される。各通路６２ａ、６２ｂは、複数の孔部６４ａ、６４ｂに連通するとともに、前記孔部６４ａ、６４ｂは、面１８ａに設けられた燃料ガス流路４０に連通する（図５参照）。

図２〜図４に示すように、第１金属セパレータ１６は、第２金属セパレータ１８に設けられたゴムブリッジ部５２ａ、５８ｂに対向してリブ部６６ａを設けるとともに、前記第２金属セパレータ１８に設けられたゴムブリッジ部５２ｂ、５８ａに対向してリブ部６６ｂを設ける。

リブ部６６ａは、第１金属セパレータ１６を構成する金属プレートにおいて、酸化剤ガス入口連通孔２０ａ及び冷却媒体出口連通孔２２ｂ側に、ゴムブリッジ部５２ａ、５８ｂの配列方向（矢印Ｃ方向）に交差する方向（矢印Ｂ方向）に波状に変形して一体成形される（図６参照）。リブ部６６ａは、酸化剤ガス入口連通孔２０ａの側方から冷却媒体出口連通孔２２ｂの側方まで矢印Ｃ方向に連続的に、又はゴムブリッジ部５２ａ、５８ｂに対応して断続的に、延在している。なお、以下に説明するリブ部６６ｂも同様である。

リブ部６６ｂは、第１金属セパレータ１６を構成する金属プレートにおいて、酸化剤ガス出口連通孔２０ｂ及び冷却媒体入口連通孔２２ａ側に、ゴムブリッジ部５２ｂ、５８ａの配列方向（矢印Ｃ方向）に交差する方向（矢印Ｂ方向）に波状に変形して一体成形される（図４参照）。

図１に示すように、電解質膜・電極構造体１４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７０と、前記固体高分子電解質膜７０を挟持するアノード側電極７２及びカソード側電極７４とを備える。アノード側電極７２の表面積は、カソード側電極７４及び固体高分子電解質膜７０の表面積よりも小さく設定され、所謂、段差ＭＥＡを構成する。

アノード側電極７２及びカソード側電極７４は、カーボンペーパ等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有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜７０の両面に形成される。

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、燃料ガス入口連通孔２４ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤ガス入口連通孔２０ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔２２ａに純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。

このため、燃料ガスは、図５に示すように、第２金属セパレータ１８の燃料ガス入口連通孔２４ａから通路６２ａを通った後、複数の孔部６４ａから面１８ａ側に移動して燃料ガス流路４０に導入される。燃料ガス流路４０では、燃料ガスが矢印Ｂ方向に移動しながら、電解質膜・電極構造体１４を構成するアノード側電極７２に供給される。

一方、酸化剤ガスは、図２及び図６に示すように、酸化剤ガス入口連通孔２０ａから第２金属セパレータ１８に設けられたゴムブリッジ部５２ａの各通路用溝部５４ａを通って第１金属セパレータ１６の酸化剤ガス流路２６に導入される。これにより、酸化剤ガスは、図１及び図４に示すように、酸化剤ガス流路２６を矢印Ｂ方向に移動しながら、電解質膜・電極構造体１４を構成するカソード側電極７４に供給される。

従って、電解質膜・電極構造体１４では、カソード側電極７４に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極７２に供給される燃料ガスとが、電極触媒層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、アノード側電極７２に供給されて消費された燃料ガスは、複数の孔部６４ｂから通路６２ｂに移動した後、燃料ガス出口連通孔２４ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。同様に、カソード側電極７４に供給されて消費された酸化剤ガスは、ゴムブリッジ部５２ｂの通路用溝部５４ｂから酸化剤ガス出口連通孔２０ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。

また、冷却媒体入口連通孔２２ａに供給された冷却媒体は、図７に示すように、ゴムブリッジ部５８ａの各通路用溝部６０ａを通って第１及び第２金属セパレータ１６、１８間の冷却媒体流路４６に導入された後、矢印Ｂ方向に流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体１４を冷却した後、ゴムブリッジ部５８ｂの各通路用溝部６０ｂを通って冷却媒体出口連通孔２２ｂに排出される。

この場合、本実施形態では、図５及び図６に示すように、第２金属セパレータ１８には、酸化剤ガス入口連通孔２０ａと酸化剤ガス流路２６との間に複数のゴムブリッジ部５２ａが設けられる一方、第１金属セパレータ１６には、前記ゴムブリッジ部５２ａに対向してリブ部６６ａが設けられている（図２及び図６参照）。さらに、このリブ部６６ａは、ゴムブリッジ部５２ａの配列方向（矢印Ｃ方向）に交差する方向（矢印Ｂ方向）に波状に変形して、金属プレートに一体成形されている。

従って、特に薄板状の金属プレートにより構成される第１金属セパレータ１６では、リブ部６６ａを介して、前記第１金属セパレータ１６自体の剛性が向上し、ゴムブリッジ部５２ａ間で変形することを良好に抑制することができる。

図８は、本実施形態の第１金属セパレータ１６と、平板状の金属プレートで構成される金属セパレータ（比較例）とによる線圧ばらつきの比較説明図である。これにより、本実施形態では、燃料電池１０全体の構成の簡素化及び小型化を図るとともに、シール部の線圧抜けを解消し、酸化剤ガス入口連通孔２０ａと酸化剤ガス流路２６との間を確実且つ円滑に連通することが可能になるという効果が得られる。

一方、酸化剤ガス出口連通孔２０ｂと酸化剤ガス流路２６との間に設けられる複数のゴムブリッジ部５２ｂ、冷却媒体入口連通孔２２ａと冷却媒体流路４６との間に設けられる複数のゴムブリッジ部５８ａ、及び冷却媒体出口連通孔２２ｂと前記冷却媒体流路４６との間に設けられる複数のゴムブリッジ部５８ｂにおいても、上記のゴムブリッジ部５２ａと同様に、シール部の線圧抜けを解消することができる等の効果が得られる。

なお、本実施形態では、リブ部６６ａ、６６ｂが矢印Ｂ方向に波状に構成されているが、これに限定されるものではなく、例えば、これに加えて、矢印Ｃ方向にも波状に変形する格子状に構成してもよい。また、第１金属セパレータ１６には、リブ部６６ａ、６６ｂに重ねて補強樹脂板（図示せず）を配設してもよい。

本発明の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視説明図である。 前記燃料電池が積層された燃料電池スタックの、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面説明図である。 前記燃料電池スタックの、図１中、ＩＩＩ−ＩＩＩ線断面説明図である。 前記燃料電池を構成する第１金属セパレータの正面説明図である。 前記燃料電池を構成する第２金属セパレータの一方の面の説明図である。 前記燃料電池を構成するゴムブリッジ部及びリブ部の概略斜視説明図である。 前記第２金属セパレータの他方の面の説明図である。 本実施形態と比較例との線圧ばらつきの比較説明図である。 特許文献１に開示されているガスマニホールド一体型セパレータの斜視説明図である。

符号の説明

１０…燃料電池 １２…燃料電池スタック
１４…電解質膜・電極構造体 １６、１８…金属セパレータ
２０ａ…酸化剤ガス入口連通孔 ２０ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
２２ａ…冷却媒体入口連通孔 ２２ｂ…冷却媒体出口連通孔
２４ａ…燃料ガス入口連通孔 ２４ｂ…燃料ガス出口連通孔
２６…酸化剤ガス流路 ３２、４８…シール部材
４０…燃料ガス流路 ４６…冷却媒体流路
５２ａ、５２ｂ、５８ａ、５８ｂ…ゴムブリッジ部
６６ａ、６６ｂ…リブ部 ７０…固体高分子電解質膜
７２…アノード側電極 ７４…カソード側電極

Claims (2)

1. 電解質の両側に一対の電極を配設した電解質・電極構造体を備え、前記電解質・電極構造体を一対の金属セパレータで挟持するとともに、少なくとも燃料ガス、酸化剤ガス又は冷却媒体のいずれかである流体を前記電解質・電極構造体の面方向に流す流体流路と、前記流体を積層方向に供給する流体連通孔とが形成される燃料電池であって、
   一方の前記金属セパレータには、前記流体流路と前記流体連通孔との間を連通する複数のゴム製壁部材が配列して設けられるとともに、
   他方の前記金属セパレータには、前記ゴム製壁部材に対向してリブ部が一体成形さ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、前記リブ部は、少なくとも前記ゴム製壁部材の配列方向に交差する方向に波状に変形することを特徴とする燃料電池。

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