JP2011018540A

JP2011018540A - 燃料電池

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Publication number: JP2011018540A
Application number: JP2009162046A
Authority: JP
Inventors: Kimiharu Mizusaki; 君春水崎; Shuhei Goto; 修平後藤
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2009-07-08
Filing date: 2009-07-08
Publication date: 2011-01-27
Anticipated expiration: 2029-07-08
Also published as: JP5372627B2

Abstract

【課題】経済的且つ簡単な構成で、荷重抜けを可及的に阻止するとともに、所望のシール機能を確保す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２４を第１及び第２金属セパレータ２６、２８により挟持している。第１金属セパレータ２６には、酸化剤ガス入口連通孔３０ａと酸化剤ガス流路３６とを連通する連結流路４０ａが設けられる。連結流路４０ａは、複数の凹溝部４２ａを有する一方、第２金属セパレータ２８には、冷却媒体流路３８側に突出し、前記凹溝部４２ａの反対形状である凸形状部間に位置して受け部材５６ａが設けられる。
【選択図】図２

Description

本発明は、電解質の両側に一対の電極が設けられる電解質・電極構造体と金属セパレータとを積層し、前記電解質・電極構造体と前記金属セパレータとの間に、電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路が形成されるとともに、積層方向に貫通して前記反応ガス流路に連通する反応ガス連通孔を備え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、一対のセパレータによって挟持した単位セルを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の単位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。

上記の燃料電池では、一方のセパレータの面内に、アノード側電極に対向して燃料ガスを流すための燃料ガス流路（反応ガス流路）が設けられるとともに、他方のセパレータの面内に、カソード側電極に対向して酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路（反応ガス流路）が設けられている。また、セパレータ間には、冷却媒体を流すための冷却媒体流路が、前記セパレータの面方向に沿って設けられている。

さらに、この種の燃料電池では、単位セルの積層方向に貫通して燃料ガスを流すための燃料ガス入口連通孔（反応ガス連通孔）及び燃料ガス出口連通孔（反応ガス連通孔）と、酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス入口連通（反応ガス連通孔）孔及び酸化剤ガス出口連通孔（反応ガス連通孔）と、冷却媒体を流すための冷却媒体入口連通孔及び冷却媒体出口連通孔とを内部に備える、所謂、内部マニホールド型燃料電池を構成する場合が多い。

その際、反応ガス流路と反応ガス連通孔とは、反応ガス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、セパレータと電解質・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、このシール部材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に開示されている固体高分子型燃料電池スタックでは、図９に示すように、セパレータ１の面内に蛇行する反応ガス、例えば、酸化剤ガス流路２が形成されている。この酸化剤ガス流路２は、セパレータ１の周縁部に積層方向に貫通した酸化剤ガス供給用貫通孔３と酸化剤ガス排出用貫通孔４とに連通している。セパレータ１にはパッキン５が配置されており、このセパレータ１の面内で貫通孔３、４と酸化剤ガス流路２とを連通するとともに、他の貫通孔をこれらからシールしている。

貫通孔３、４と酸化剤ガス流路２とを連通する連結流路６ａ、６ｂには、この連結流路６ａ、６ｂを覆ってシール部材であるＳＵＳ板７が配置されている。ＳＵＳ板７は長方形状に構成されており、それぞれ２箇所に耳部７ａ、７ｂが設けられるとともに、各耳部７ａ、７ｂは、セパレータ１に形成された段差部８に嵌合している。

このように、特許文献１では、ＳＵＳ板７が連結流路６ａ、６ｂを覆っているために、高分子膜（図示せず）及びパッキン５が酸化剤ガス流路２に落ち込むことがなく、所望のシール性を確保して、反応ガスの圧力損失の増大を防止することができる、としている。

特開２００１−２６６９１１号公報

上記の特許文献１では、連結流路６ａ、６ｂは、通常、複数の溝部により構成されている。このため、特に、金属セパレータが使用される際には、溝部同士の間隔が拡大されると、連結流路６ａ、６ｂを横切るシールラインの線圧が抜けてしまうという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、経済的且つ簡単な構成で、荷重抜けを可及的に阻止するとともに、所望のシール機能を確保す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が設けられる電解質・電極構造体と金属セパレータとを積層し、前記電解質・電極構造体と前記金属セパレータとの間に、電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路が形成されるとともに、積層方向に貫通して前記反応ガス流路に連通する反応ガス連通孔を備える燃料電池に関するものである。

金属セパレータには、反応ガス連通孔と反応ガス流路とを連通する複数の凹溝部がプレス形成されるとともに、少なくとも隣接する金属セパレータとの間、又は端部部材との間には、前記凹溝部の反対形状である凸形状部間に位置して受け部材が設けられている。

また、端部部材は、絶縁プレート又はターミナルプレートであることが好ましい。

本発明では、金属セパレータには、反応ガス連通孔と反応ガス流路とを連通する複数の凹溝部がプレス形成されるとともに、前記凹溝部の反対形状である凸形状部間に位置して受け部材が設けられている。このため、凸形状部の間隔が拡大されても、金属セパレータ自体の剛性に依存することがなく、前記金属セパレータの薄肉化を図りながら、受け部材を介してシールラインの線圧抜けを良好に抑制することができる。

これにより、経済的且つ簡単な構成で、荷重抜けを可及的に阻止するとともに、所望のシール機能を確保することが可能になる。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池が積層される燃料電池スタックの斜視説明図である。前記燃料電池の要部分解斜視説明図である。燃料電池スタックの、図２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。前記燃料電池スタックの、図２中、Ｖ−Ｖ線断面説明図である。前記燃料電池を構成する第２金属セパレータの正面説明図である。ターミナルプレートに凸部が形成される際の説明図である。本発明の第２の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視説明図である。特許文献１に係る燃料電池スタックを構成するセパレータの正面視説明図である。

図１に示すように、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池１０は、矢印Ａ方向に積層されて燃料電池スタック１２を構成する。燃料電池１０の積層方向両端には、ターミナルプレート１４ａ、１４ｂ、絶縁プレート１６ａ、１６ｂ及びエンドプレート１８ａ、１８ｂが配設される。

ターミナルプレート１４ａ、１４ｂは、絶縁プレート１６ａ、１６ｂの中央部に形成された凹部（図示せず）に収容されるとともに、前記ターミナルプレート１４ａ、１４ｂの中央から電力取り出し端子２０ａ、２０ｂが積層方向外方に突出する。エンドプレート１８ａ、１８ｂは、図示しないタイロッドにより積層方向に締め付けられているが、これに代えて前記エンドプレート１８ａ、１８ｂを端板とするケーシング（図示せず）内に燃料電池１０を収容してもよい。

図２及び図３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）２４が、第１金属セパレータ２６及び第２金属セパレータ２８に挟持される。第１金属セパレータ２６及び第２金属セパレータ２８は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した縦長形状の金属板により構成される。第１金属セパレータ２６及び第２金属セパレータ２８は、平面が矩形状を有するとともに、金属製薄板を波形状にプレス加工することにより、断面凹凸形状に成形される。

燃料電池１０の矢印Ｂ方向（図２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３０ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔３２ｂ、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３４ｂ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３４ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔３２ａ、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３０ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。

図２及び図４に示すように、第１金属セパレータ２６の電解質膜・電極構造体２４側の面２６ａには、例えば、矢印Ｂ方向に直線状に延在する酸化剤ガス流路（反応ガス流路）３６が設けられる。酸化剤ガス流路３６は、第１金属セパレータ２６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、第１金属セパレータ２６の反対側の面２６ｂには、前記酸化剤ガス流路３６の裏面形状である冷却媒体流路３８の一部が形成される。

酸化剤ガス流路３６と酸化剤ガス入口連通孔３０ａ及び酸化剤ガス出口連通孔３０ｂとは、連結流路４０ａ、４０ｂを介して連通する。連結流路４０ａ、４０ｂは、それぞれ矢印Ｃ方向に配列される複数の凹溝部４２ａ、４２ｂを有する（図３〜図５参照）。凹溝部４２ａ、４２ｂは、第１金属セパレータ２６にプレス成形されている。

図２及び図６に示すように、第２金属セパレータ２８の電解質膜・電極構造体２４側の面２８ａには、燃料ガス入口連通孔３４ａと燃料ガス出口連通孔３４ｂとに連通し、矢印Ｂ方向に延在する燃料ガス流路（反応ガス流路）４４が形成される。

燃料ガス流路４４は、第２金属セパレータ２８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るとともに、前記燃料ガス流路４４と燃料ガス入口連通孔３４ａ及び燃料ガス出口連通孔３４ｂとは、連結流路４６ａ、４６ｂを介して連通する。連結流路４６ａ、４６ｂは、それぞれ矢印Ｃ方向に配列される複数の凹溝部４８ａ、４８ｂを有する。凹溝部４８ａ、４８ｂは、第２金属セパレータ２８にプレス成形されている。

図２に示すように、第２金属セパレータ２８の面２８ａとは反対の面２８ｂには、冷却媒体入口連通孔３２ａと冷却媒体出口連通孔３２ｂとに連通する冷却媒体流路３８の一部が形成される。

第１金属セパレータ２６の面２６ａ、２６ｂには、この第１金属セパレータ２６の外周端部を周回して、第１シール部材５０が焼き付けや射出成形等により一体化される。第２金属セパレータ２８の面２８ａ、２８ｂには、この第２金属セパレータ２８の外周端部を周回して、第２シール部材５２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５０及び第２シール部材５２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金属セパレータ２６の面２６ｂには、図４に示すように、冷却媒体流路３８側に突出し、第２金属セパレータ２８に設けられた凹溝部４８ａ、４８ｂの反対形状である凸形状部間に位置して受け部材５４ａ、５４ｂが設けられる。受け部材５４ａ、５４ｂは、例えば、第１シール部材５０と一体成形されているが、前記第１シール部材５０と別体に構成してもよい。以下、同様である。

第２金属セパレータ２８の面２８ｂには、冷却媒体流路３８側に突出し、第１金属セパレータ２６に設けられた凹溝部４２ａ、４２ｂの反対形状である凸形状部間に位置して受け部材５６ａ、５６ｂが設けられる（図２、図３及び図５参照）。受け部材５６ａ、５６ｂは、例えば、第１シール部材５０と一体成形される。

図５に示すように、積層方向最端部に配置されている第１金属セパレータ２６に隣接する絶縁プレート１６ｂには、凹溝部４２ａ、４２ｂの反対形状である凸形状部間に位置して受け部材５８が設けられる。同様に、積層方向最端部に配置されている第２金属セパレータ２８に隣接する絶縁プレート１６ａには、図示しないが、凹溝部４８ａ、４８ｂの反対形状である凸形状部間に位置して受け部材が設けられる。

図２及び図３に示すように、電解質膜・電極構造体２４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６０と、前記固体高分子電解質膜６０を挟持するアノード側電極６２及びカソード側電極６４とを備える。固体高分子電解質膜６０の外周縁部は、アノード側電極６２及びカソード側電極６４の外周端部よりも外方に突出している。

アノード側電極６２及びカソード側電極６４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た電極触媒層とを有する。電極触媒層は、互いに固体高分子電解質膜６０を介装して対向するように、前記固体高分子電解質膜６０の両面に接合されている。

カソード側電極６４は、面方向に沿って第１金属セパレータ２６の連結流路４０ａ、４０ｂ側（矢印Ｂ方向外方）に突出する突出端部６４ａ、６４ｂを備える。アノード側電極６２は、面方向に沿って第２金属セパレータ２８の連結流路４６ａ、４６ｂに突出する突出端部６２ａ、６２ｂを有する。

図１に示すように、エンドプレート１８ａには、酸化剤ガス入口連通孔３０ａ、冷却媒体出口連通孔３２ｂ及び燃料ガス出口連通孔３４ｂに連通する酸化剤ガス入口マニホールド６６ａ、冷却媒体出口マニホールド６８ｂ及び燃料ガス出口マニホールド７０ｂと、燃料ガス入口連通孔３４ａ、冷却媒体入口連通孔３２ａ及び酸化剤ガス出口連通孔３０ｂに連通する燃料ガス入口マニホールド７０ａ、冷却媒体入口マニホールド６８ａ及び酸化剤ガス出口マニホールド６６ｂとが設けられる。

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、燃料ガス入口マニホールド７０ａから燃料ガス入口連通孔３４ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤ガス入口マニホールド６６ａから酸化剤ガス入口連通孔３０ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口マニホールド６８ａから冷却媒体入口連通孔３２ａ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２及び図６に示すように、燃料ガス入口連通孔３４ａから第２金属セパレータ２８の燃料ガス流路４４に導入され、矢印Ｂ方向に移動しながら、電解質膜・電極構造体２４を構成するアノード側電極６２に供給される。一方、酸化剤ガスは、図２及び図４に示すように、酸化剤ガス入口連通孔３０ａから第１金属セパレータ２６の酸化剤ガス流路３６に導入され、矢印Ｂ方向に移動しながら、電解質膜・電極構造体２４を構成するカソード側電極６４に供給される。

従って、電解質膜・電極構造体２４では、カソード側電極６４に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極６２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６２に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔３４ｂ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６４に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂ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３２ａに供給された冷却媒体は、第１及び第２金属セパレータ２６、２８間の冷却媒体流路３８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２４を冷却した後、冷却媒体出口連通孔３２ｂから排出される。

この場合、第１の実施形態では、図５に示すように、第１金属セパレータ２６には、連結流路４０ａを構成する複数の凹溝部４２ａが設けられるとともに、第２金属セパレータ２８には、冷却媒体流路３８側に突出し、前記凹溝部４２ａの反対形状である凸形状部間に位置して受け部材５６ａが設けられている。

このため、凹溝部４２ａの間隔（凸形状部の間隔）が拡大されても、第１金属セパレータ２６自体の剛性に依存することがなく、受け部材５６ａを介してシールラインの線圧抜けを良好に抑制することができる。これにより、経済的且つ簡単な構成で、荷重抜けを可及的に阻止するとともに、所望のシール機能を確保することが可能になるという効果が得られる。

しかも、第１金属セパレータ２６（及び第２金属セパレータ２８）の薄肉化を図ることができ、燃料電池１０の小型化及び軽量化が容易に遂行可能になる。

さらに、第１の実施形態では、絶縁プレート１６ｂには、凹溝部４２ａ、４２ｂの反対形状である凸形状部間に位置して受け部材５８が設けられている。従って、特に、積層方向最端部に配置されている第１金属セパレータ２６は、シールラインの線圧抜けを良好に抑制することができる。

なお、第１の実施形態では、絶縁プレート１６ｂに受け部材５８等を設けているが、これに代えて、例えば、図７に示すように、ターミナルプレート１４ａ、１４ｂに、凸部（受け部材）７２を設けてもよい。また、図示しないが、積層方向端部にダミーセルを配設するとともに、このダミーセルに受け部材を設けてもよい。ダミーセルは、一般的に燃料電池１０と同様に構成されており、電解質膜・電極構造体２４に代えて同厚の板部材（非発電体）を用い、この板部材を第１金属セパレータ２６と第２金属セパレータ２８とで挟持して構成すればよい。さらにまた、受け部材は、少なくとも金属セパレータ、絶縁プレート、ターミナルプレート又はダミーセルのいずれかに設けてもよい。

図８は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池８０の要部分解斜視説明図である。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。

燃料電池８０は、第１金属セパレータ２６、第１電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）２４ａ、中間金属セパレータ８２、第２電解質膜・電極構造体２４ｂ及び第２金属セパレータ２８を設ける。中間金属セパレータ８２は、第１電解質膜・電極構造体２４ａに向かう面８２ａに燃料ガス流路８４が設けられるとともに、第２電解質膜・電極構造体２４ｂに向かう面８２ｂに酸化剤ガス流路８６が設けられる。

このように構成される第２の実施形態では、第１金属セパレータ２６及び第２金属セパレータ２８を備えており、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

１０、８０…燃料電池１２…燃料電池スタック
２４、２４ａ、２４ｂ…電解質膜・電極構造体
２６、２８…金属セパレータ３０ａ…酸化剤ガス入口連通孔
３０ｂ…酸化剤ガス出口連通孔３２ａ…冷却媒体入口連通孔
３２ｂ…冷却媒体出口連通孔３４ａ…燃料ガス入口連通孔
３４ｂ…燃料ガス出口連通孔３６、８６…酸化剤ガス流路
３８…冷却媒体流路
４０ａ、４０ｂ、４６ａ、４６ｂ…連結流路
４２ａ、４２ｂ、４８ａ、４８ｂ…凹溝部
４４、８４…燃料ガス流路５０、５２…シール部材
５４ａ、５４ｂ、５６ａ、５６ｂ、５８…受け部材
６０…固体高分子電解質膜６２…アノード側電極
６４…カソード側電極８２…中間金属セパレータ

Claims

電解質の両側に一対の電極が設けられる電解質・電極構造体と金属セパレータとを積層し、前記電解質・電極構造体と前記金属セパレータとの間に、電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路が形成されるとともに、積層方向に貫通して前記反応ガス流路に連通する反応ガス連通孔を備える燃料電池であって、
前記金属セパレータには、前記反応ガス連通孔と前記反応ガス流路とを連通する複数の凹溝部がプレス形成されるとともに、
少なくとも隣接する金属セパレータとの間、又は端部部材との間には、前記凹溝部の反対形状である凸形状部間に位置して受け部材が設けられることを特徴とする燃料電池。
請求項１記載の燃料電池において、前記端部部材は、絶縁プレート又はターミナルプレートであることを特徴とする燃料電池。