JP2010080217A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】電極反応によって生じた生成水の排水性が悪いという問題点を解決するセパレータを提供する。
【解決手段】反応ガスの流れ方向に、電気的に独立した複数の膜電極接合体が並べられた絶縁板と、絶縁板の表裏両面に設けられたセパレータ１３と、を備える燃料電池であって、セパレータ１３は、複数の膜電極接合体に対向する位置にそれぞれ設けられ、その複数の膜電極接合体のそれぞれに反応ガスを供給する反応ガス流路１３１ａを複数有する複数の導電板１３１と、隣り合う導電板１３１に形成されたそれぞれの前記反応ガス流路同士が対を成し連続するように、隣り合う導電板同士を接続する絶縁材１３２と、を備える。
【選択図】図３

Description

本発明は燃料電池に関する。

従来の燃料電池は、単セル内に複数の膜電極接合体を形成し、少ない積層数で電圧を高くしていた（例えば、特許文献１参照）。
特開平８−１７１９２５号公報

しかしながら、従来の燃料電池は、膜電極接合体と膜電極接合体との間で流路が途切れていた。そのため、電極反応によって生じた生成水の排水性が悪いという問題点があった。

本発明はこのような従来の問題点に着目してなされたものであり、生成水の排水性を向上させることを目的とする。

本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。

本発明は、電気的に独立した複数の膜電極接合体を有する燃料電池において、複数の膜電極接合体に対向する位置にそれぞれ設けられ、その複数の膜電極接合体のそれぞれに反応ガスを供給する反応ガス流路を複数有する複数の導電板と、隣り合う導電板に形成されたそれぞれの反応ガス流路同士が対を成し連続するように、隣り合う導電板同士を接続する絶縁材と、を含むセパレータを使用したことを特徴とする。

各導電板に形成された複数の反応ガス流路を流れる各反応ガスが途中で合流することがないので、排水性を向上させることができる。

以下、図面等を参照して本発明の実施形態について説明する。

（第１実施形態）
燃料電池システムは、燃料が有する化学エネルギを直接電気エネルギに変換するシステムである。燃料電池システムは、固体高分子電解質膜（以下「電解質膜」という）をアノード電極（陽極）とカソード電極（陰極）とで挟み、アノード電極に水素を含有する燃料ガスを供給し、カソード電極に酸素を含有する酸化剤ガスを供給する。これにより、アノード電極及びカソード電極の電解質膜側の表面で生じる以下の電気化学反応を利用して、電極から電気エネルギを取り出す。

アノード電極 ： ２Ｈ₂→４Ｈ⁺＋４ｅ^- ・・・（１）
カソード電極 ： ４Ｈ⁺＋４ｅ^-＋Ｏ₂→２Ｈ₂Ｏ ・・・（２）

図１は、このような燃料電池システムとして、自動車などの移動車両に用いられる燃料電池スタック１０の斜視図である。

燃料電池スタック１０は、積層された複数の単セル１と、一対の集電板２ａ，２ｂと、一対の絶縁板３ａ，３ｂと、一対のエンドプレート４ａ，４ｂと、図示しない４本のテンションロッドに螺合するナット５とを有する。

単セル１は、起電力を生じる固体高分子型燃料電池の単位セルである。単セル１の構成の詳細については後述する。

一対の集電板２ａ，２ｂは、積層された複数の単セル１の外側にそれぞれ配置される。集電板２ａ，２ｂは、ガス不透過性の導電性部材で形成され、例えば、緻密質カーボンによって形成される。集電板２ａ，２ｂは、上辺の一部に出力端子６を備える。燃料電池スタック１０は、出力端子６によって、各単セル１で生じた電子ｅ^-を取り出して出力する。

一対の絶縁板３ａ，３ｂは、集電板２ａ，２ｂの外側にそれぞれ配置される。絶縁板３ａ，３ｂは、絶縁性の部材で形成され、例えばゴムなどで形成される。

一対のエンドプレート４ａ，４ｂは、絶縁板３ａ，３ｂの外側にそれぞれ配置される。エンドプレート４ａ，４ｂは、剛性を備える金属性の材料で形成され、例えば鋼などで形成される。

一対のエンドプレート４ａ，４ｂのうち、一方のエンドプレート４ａには、冷却水の導入孔４１ａ及び排出孔４１ｂと、アノードガスの導入孔４２ａ及び排出孔４２ｂと、カソードガスの導入孔４３ａ及び排出孔４３ｂとが形成される。なお、冷却水排出孔４１ｂは、エンドプレート４ａの鉛直上側に形成され、冷却水導入孔４１ａ、アノードガス導入孔４２ａ、アノードガス排出孔４２ｂ、カソードガス導入孔４３ａ及びカソードガス排出孔４３ｂは、鉛直下側に形成される。

ここで、アノードガス導入孔４２ａに燃料ガスとしての水素を供給する方法としては、例えば水素ガスを水素貯蔵装置から直接供給する方法又は水素を含有する燃料を改質して改質した水素含有ガスを供給する方法がある。なお、水素貯蔵装置としては、高圧ガスタンク、液化水素タンク、水素吸蔵合金タンク等がある。水素を含有する燃料としては、天然ガス、メタノール、ガソリン等が考えられる。また、カソードガス導入孔４３ａに供給する酸化剤ガスとしては、一般的に空気が利用される。

ナット５は、燃料電池スタック１０の内部を貫通する図示しない４本のテンションロッドの両端部に形成された雄ねじ部に螺合する。テンションロッドにナット５を螺合締結することで、燃料電池スタック１０を積層方向に締め付ける。テンションロッドは、剛性を備えた金属材料で形成され、例えば鋼などで形成される。テンションロッドの表面には絶縁処理が施され、単セル同士の電気短絡を防止している。

以下では、図２から図５を参照して、単セル１の構成の詳細について説明する。

単セル１は、複数の電気的に独立した膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly；以下「ＭＥＡ」という）１１を有する絶縁板１２と、その絶縁板１２の表裏両面にそれぞれ配置されてＭＥＡ１１に反応ガス（アノードガス及びカソードガス）を供給するセパレータ１３と、を備える。

まず、図２を参照して、絶縁板１２の構成ついて説明する。

図２は、本実施形態による絶縁板１２の構成について説明する図である。図２（Ａ）は、絶縁板１２の平面図である。図２（Ｂ）は、図２（Ａ）のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。

図２（Ａ）に示すように、絶縁板１２は、絶縁材料で構成された平板である。

絶縁板１２の一端側（図中左側）には、上から順に、カソードガス出口孔４３ｂ、冷却水出口孔４１ｂ、アノードガス入口孔４２ａが形成される。一方、アノードセパレータ１３２０の他端（図中右側）には、上から順に、アノードガス出口孔４２ｂ、冷却水入口孔４１ａ、カソードガス入口孔４３ａが形成される。また、絶縁板１２には、ＭＥＡ１１をはめ込むためのはめ込み孔１２１が、反応ガスの流れ方向に複数形成されている。

ＭＥＡ１１は、絶縁板１２のはめ込み孔１２１にはめ込まれる。ＭＥＡ１１は、それぞれ電気的に独立している。これにより、単セル当たりの起電力を増大させることができる。本実施形態では、電気的に独立した３枚のＭＥＡ１１を配置させたので、１枚の場合と比較して約３倍の起電力を発生することができる。

図２（Ｂ）に示すように、ＭＥＡ１１は、電解質膜１１１と、アノード電極１１２と、カソード電極１１３と、を有する。反応部は、電解質膜１１１の一方の面にアノード電極１１２を有し、他方の面にカソード電極１１３を有する。

電解質膜１１１は、フッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜である。電解質膜１１１は、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。

アノード電極１１２及びカソード電極１１３は、ガス拡散層、撥水層、及び触媒層から構成される。ガス拡散層は、充分なガス拡散性および導電性を有する部材によって形成され、例えば、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスで形成される。撥水層は、ポリエチレンフルオロエチレンと炭素材を含む層である。触媒層は、白金が担持されたカーボンブラック粒子から形成される。

続いて、図３〜図５を参照して、セパレータ１３の構成について説明する。

図３（Ａ）は、アノード電極側から見たセパレータ１３の平面図である。図３（Ｂ）は、図３（Ａ）のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。

図３に示すように、セパレータ１３は、複数の導電板１３１と、導電板同士を接続する絶縁材１３２と、を備える。

導電板１３１の表面には、複数の溝状のガス流路１３１ａが形成される。ガス流路１３１ａは、ガス流路底面からアノード電極側へ突出してアノード電極と接する複数のリブ１３１ｂの間に形成される流路である。導電板１３１は、アノード電極と直接接する面（リブ１３１ｂの頂面）１３１ｃの反対面に、発電により暖められた燃料電池スタックを冷却する冷却水が流れる冷却水流路１３１ｄを有する。

複数の導電板１３１のうち、セパレータ１３の一端を構成する導電板１３１には、上から順に、カソードガス出口孔４３ｂ、冷却水出口孔４１ｂ、アノードガス入口孔４２ａが形成される。一方、セパレータ１３の他端を構成する導電板１３１には、上から順に、アノードガス出口孔４２ｂ、冷却水入口孔４１ａ、カソードガス入口孔４３ａが形成される。

図４は、単セル１の断面図である。

図４に示すように、セパレータ１３の導電板１３１は、セパレータ１３と絶縁板１２とを重ね合わせたときに、絶縁板１２にはめ込まれたＭＥＡ１１と接する。

図５は、セパレータ１３の分解斜視図である。

図５に示すように、導電板１３１の端部には、リブ頂面１３１ｃから所定の角度で下方に傾斜し、その後リブ頂面１３１ｃと平行に延びる接着部１３１ｅを有する。

絶縁材１３２は、導電板１３１のガス流路１３１ａと連続するガス流路部１３２ａと、導電板１３１の接着部１３１ｅに図中上側から接着される厚肉部１３２ｂと、を備える。厚肉部１３２ｂの頂面１３２ｃは、導電板１３１のリブ頂面１３１ｃと同じ高さである。

これにより、アノードガス導入孔（反応ガス導入孔）４２ａから供給されたアノードガス（反応ガス）は、まずセパレータ１３の一端側の導電板１３１のガス流路１３１ａを介してＭＥＡ１１に供給され、次に絶縁材１３２で形成したガス流路部１３２ａを通って、隣接する導電板１３１のガス流路１３１ａを介してＭＥＡ１１に供給される。そして、再び絶縁材１３２のガス流路部１３２ａを通ってセパレータ１３の他端側の導電板１３１のガス流路１３１ａに流れ込み、アノードガス排出孔（反応ガス排出孔）４２ｂから排出される。

このように、本実施形態では、ガス流路１３１ａが、反応ガス導入孔から反応ガス排出孔まで途切れずに連続している。

ここで、例えば、図１２に示すようなガス流路が途中で途切れているセパレータを使用したときには、本実施形態に比べて、反応ガス導入孔から反応ガス排出孔まで反応ガスを流すために必要なガス圧力が大きくなる。そのため、電極反応によって生じた生成水の排水性が悪くなるため、発電性能が低下する。これについて図６を参照して説明する。

図６は、ガス流路１３１ａが連続している本実施形態によるセパレータ１３を使用したときと、図１２に示したガス流路が途切れているセパレータを使用したときの電流密度とセル電圧とを比較した図である。

図６に示すように、ガス流路１３１ａが連続している本実施形態によるセパレータ１３を使用した方が、高い電流密度で高いセル電圧を維持できることがわかる。これは、電流密度が高いときほど、電極反応によって生じる生成水が多くなり、排水性の影響が無視できなくなるためである。

以上説明した本実施形態によれば、電気的に独立した複数のＭＥＡ１１を絶縁板１２に直列に並べた。そして、絶縁板１２の表裏両面に設けられるセパレータ１３を複数の導電板１３１で構成し、各ＭＥＡ１１と接する各導電板１３１同士を絶縁材１３２で接続した。さらに、セパレータ１３に形成され、ＭＥＡ１１に反応ガスを供給するガス流路１３１ａを、反応ガス導入孔から反応ガス排出孔まで連続する直線状の流路とした。

これにより、単セル１枚に、電気的に独立した複数のＭＥＡ１１を含ませることができるので、単セル当たりの起電力を増大させることができる。また、ガス流路１３１ａを連続させたので、排水性が向上し、発電性能を向上させることができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態を、図７〜図９を参照して説明する。本実施形態は、導電板１３１と絶縁材１３２との接着方法が第１実施形態と相違する。以下、その相違点を中心に説明する。なお、以下に示す各実施形態では前述した第１実施形態と同様の機能を果たす部分には、同一の符号を用いて重複する説明を適宜省略する。

図７（Ａ）は、第２実施形態によるセパレータ１３をアノード電極側から見た平面図である。図７（Ｂ）は、図７（Ａ）のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。

本実施形態においても、複数の導電板１３１が絶縁材１３２によって接着されている。そして、セパレータ１３の表面には、アノードガス導入孔４２ａからアノードガス排出孔４２ｂまで連続する直線上のガス流路１３１ａ，１３２ｂが形成される。

図８は、第２実施形態によるセパレータ１３を使用した単セル１の断面図である。

図８に示すように、本実施形態においても、セパレータ１３の導電板１３１は、セパレータ１３と絶縁板１２とを重ね合わせたときに、絶縁板１２にはめ込まれたＭＥＡ１１と接する。

図９は、第２実施形態によるセパレータ１３の分解斜視図である。

図９に示すように、本実施形態による導電板１３１は、その一端部のみに接着部１３１ｅを有する。絶縁材１３２は、一端部（図中左側）が導電板１３１の接着部１３１ｅの形状に対応し、かつ、他端部（図中右側）がリブ１３１ｂの形状に対応する厚肉部１３２ａを有する。導電板１３１と絶縁材１３２とは、導電板１３１の接着部１３１ｅに絶縁材１３２を図中上側から接着し、さらに絶縁材１３２の他端部にセパレータ１３のリブを図中上側から接着することで接続される。

以上説明した本実施形態によれば、第１実施形態の効果に加えて、セパレータ１３の接着部１３１ｅを一端部のみに形成するので、セパレータ１３の加工が容易となる。また、第１実施形態と比較して、セパレータ１３の中で、絶縁材１３２が占める割合を少なくできる一方、導電板１３１の占める割合を大きくできる。そのため、反応面積を拡大でき、発電性能を向上させることができる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態を、図１０及び図１１を参照して説明する。本実施形態は、導電板１３１と絶縁材１３２との接着方法が第１実施形態と相違する。以下、その相違点を中心に説明する。

図１０（Ａ）は、第３実施形態によるセパレータ１３をアノード電極側から見たときの平面図である。図１０（Ｂ）は、図１０（Ａ）のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。

本実施形態においても、複数の導電板１３１が絶縁材１３２によって接着されている。そして、セパレータ１３の表面には、アノードガス導入孔４２ａからアノードガス排出孔４２ｂまで連続する直線上のガス流路１３１ａ，１３１ｂが形成される。

導電板１３１は、第１実施形態と異なり、その端部に第１実施形態のような接着部１３１ｅを有さない。

絶縁材１３２は、導電板１３１の板厚よりも厚く、導電板１３１と断面形状と同一の断面形状を有している。絶縁材１３２の両端部には導電板１３１をはめ込んで接着するためのはめ込み溝１３２ｄが形成される。はめ込み溝１３２ｄは、導電板１３１の凹凸形状に沿って形成され、溝の幅は、導電板１３１の板厚と略同等である。

図１１は、第３実施形態によるセパレータ１３を使用した単セル１の断面図である。

図１１に示すように、本実施形態においても、セパレータ１３の導電板１３１は、セパレータ１３と絶縁板１２とを重ね合わせたときに、絶縁板１２にはめ込まれたＭＥＡ１１と接する。

また、本実施形態では、ＭＥＡ１１とＭＥＡ１１との間に介在する絶縁板１２の流路方向長さを、絶縁材１３２の流路方向長さよりも長くした。これにより、セパレータ１３と絶縁板１２とを重ね合わせたときに、スタッキング荷重によって絶縁材１３２が圧縮される。そのため、リブ頂面１３１ｃから積層方向にはみ出た絶縁材１３２の影響を少なくすることができる。

以上説明した本実施形態によれば、第１実施形態の効果に加えて、セパレータ１３に接着部１３１ｅを形成する必要がないので、セパレータ１３の加工が容易となる。

なお、本発明は上記の実施形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。

例えば、上記実施形態では、ＭＥＡ１１を絶縁板にはめ込んだが、絶縁板に限らず、導電性の低い材質の板にはめ込んでも良い。

燃料電池スタックの斜視図である。 絶縁板の構成について説明する図である。 第１実施形態によるセパレータの平面図及び断面図である。 第１実施形態によるセパレータを使用した単セルの断面図である。 第１実施形態によるセパレータの分解斜視図である。 ガス流路が連続しているセパレータを使用したときと、ガス流路が途切れているセパレータを使用したときの電流密度とセル電圧とを比較した図である。 第２実施形態によるセパレータの平面図及び断面図である。 第２実施形態によるセパレータを使用した単セルの断面図である。 第２実施形態によるセパレータの分解斜視図である。 第３実施形態によるセパレータの平面図及び断面図である。 第３実施形態によるセパレータを使用した単セルの断面図である。 ガス流路が途中で途切れているセパレータの平面図である。

符号の説明

１ 単セル（燃料電池）
１１ 膜電極接合体
１２ 絶縁板
１３ セパレータ
１３１ 導電板
１３１ａ 反応ガス流路
１３１ｂ リブ（反応ガス流路の側壁）
１３１ｃ リブ頂面（反応ガス流路の側壁頂面）
１３１ｅ 接着部
１３２ 絶縁材
１３２ｄ はめ込み溝

Claims (4)

1. 電気的に独立した複数の膜電極接合体が、反応ガスの流れ方向に並べられた絶縁板と、
   前記絶縁板の表裏両面に設けられたセパレータと、
   を備える燃料電池であって、
   前記セパレータは、
   前記複数の膜電極接合体に対向する位置にそれぞれ設けられ、その複数の膜電極接合体のそれぞれに反応ガスを供給する反応ガス流路を複数有する複数の導電板と、
   隣り合う前記導電板に形成されたそれぞれの前記反応ガス流路同士が対を成し連続するように、隣り合う前記導電板同士を接続する絶縁材と、
   を備えることを特徴とする燃料電池。
2. 前記導電板は、前記絶縁材との接続端部に、前記反応ガス流路の側壁頂面からその反応ガス流路底面側に傾斜して、その後側壁頂面と略平行に延びる接着部を有し、
   前記絶縁材は、その絶縁材の両側に配置された前記導電板のそれぞれの前記接着部に接着されて、前記複数の導電板同士を接続する
   ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記導電板は、前記絶縁材との接続端部の一方にのみ、前記反応ガス流路の側壁頂面からその反応ガス流路底面側に傾斜して、その後側壁頂面と略平行に延びる接着部を有し、
   前記絶縁材は、その絶縁材の一端側に配置された前記導電板の前記接着部と、他端側に配置された前記導電板の前記反応ガス流路の側壁頂面の背面と、に接着されて前記複数の導電板同士を接続する
   ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
4. 前記絶縁材は、前記導電板の断面形状と同一の断面形状をしており、反応ガス流れ方向の両端部に前記導電板の端部をはめ込むはめ込み溝を有し、そのはめ込み溝に前記導電板をはめ込むことで、前記複数の導電板同士を接続する
   ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。