JP2012226979A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】シール材の浸入によるガス流路の閉塞を防止する。
【解決手段】燃料電池セルは、ＭＥＧＡ２０、多孔体ガス流路２２、セパレータ２４，２６を有して構成される。ＭＥＧＡ２０の周縁にはシール材３０が形成され、その上に反応ガスを導く第２多孔体ガス流路２８が形成される。第２多孔体ガス流路のシール材３０に当接する面の開口面積は実質的にゼロに設定される。
【選択図】図２

Description

本発明は燃料電池及びその製造方法に関し、特に燃料電池のガス流路構造に関する。

燃料電池は、単セルが複数個積層されたスタック構造として構成され、各セルの最外層に位置してスタック内の各セルを区分けする部材として、板状のセパレータが用いられている。セパレータは、アノード側に燃料ガスを供給するとともにカソード側に酸化剤を供給する機能を有し、また、セル内で発生する生成水の排出を行う機能を有している。

固体高分子型燃料電池のセルは、膜電極接合体（ＭＥＡ）の両面に、ガス拡散層、ガス流路、セパレータがそれぞれ配置された構成であり、ガス流路がセパレータと別個の構造をなすセルにおいては、ガス流路を構成する構造物として、エキスパンドメタルが提案されている。

エキスパンドメタルは、亀甲型のメッシュが千鳥配置された連続構造をなし、メッシュがガス拡散層とセパレータとの間に傾斜面を構成するように配置されることで、千鳥配置されたメッシュと、ガス拡散層表面及びセパレータ表面との間に、ガス流路が互い違いに配置される。エキスパンドメタルは、平板材料を送りながら金型によって一段ずつ切れ込みを入れることによりメッシュが形成される。

下記の特許文献１には、電解質膜と、電解質膜の両面に電極触媒層が配置されてなる発電面と、発電面の両面に配置され、各電極触媒層に反応ガスを供給する一対の多孔体流路形成部材と、一対の多孔体流路形成部材の一方に当接して配置されるセパレータと、発電体の外周に設けられるシール部材と、を備え、発電体と一対の多孔体流路形成部材とセパレータとシール部材とが一体的に固定されることが開示されている。また、多孔体流路形成部材には、多孔体流路形成部材の周縁から所定の距離を空けて、気孔率が低い低気孔率部を設けることが開示されている。射出成形によりシール部材を形成するときに、多孔体流路形成部材の周縁から内側に向かってシール部材が浸入する場合があるが、低気孔率部によりシール部材の浸入を防ぎ、反応ガスの流通が悪化することを抑制している。

特開２００９−１７６６１１号公報

しかしながら、多孔体流路形成部材の周縁から所定の距離を空けて低気孔率部を形成する場合、シール部材の浸入を抑制することはできるものの、所定の距離を空けた分だけ発電面の面積が減少し、発電面を有効活用することができない。

一方、シール材の浸入を防止するために、シール材と多孔体流路との間に遮蔽板を配設することも提案されている。

図８に、遮蔽板を配設する場合の燃料電池のセルの断面図を示す。膜電極接合体（ＭＥＡ）の両面にガス拡散層を接合してなるＭＥＧＡ２０のカソード側に多孔体ガス流路２２が形成され、さらにセパレータ２４が積層される。一方、ＭＥＧＡ２０のアノード側にはセパレータ２６が積層され、このセパレータ２６表面の凹凸により溝流路が形成される。

発電面として機能するＭＥＧＡ２０の外周にはシール材３０が設けられ、さらに、シール材３０と多孔体ガス流路２２との間には例えば金属製の遮蔽板３１が配設され、発電面の周縁部にはシールガスケット３２が接着される。

このような構成において、シール部材３０を射出成形により形成するときに、遮蔽板３１によりシール部材が多孔体ガス流路２２側に浸入することを防止することができる。

しかしながら、図に示すように、遮蔽板３１が多孔体ガス流路２２とＭＥＧＡ２０との間にも存在して多孔体ガス流路２２とＭＥＧＡ２０とに挟持される結果、挟持部分２５のセル厚みが増大してしまう問題がある。また、遮蔽板３１を新たに導入することに伴いその分だけコストが増大してしまうとともに、遮蔽板３１を配設する工程が増大してしまう。

本発明の目的は、発電面を有効に活用するとともに、徒にコスト増加を招くことなく、シール材の多孔体ガス流路への浸入を抑制することができる構造を提供することにある。

本発明は、燃料電池であって、膜電極接合体と、前記膜電極接合体に積層されるガス拡散層と、前記ガス拡散層に積層される多孔体ガス流路と、前記多孔体ガス流路に積層されるセパレータと、前記膜電極接合体の周縁に形成されるシール材と、前記多孔体ガス流路の周縁であって前記シール材に当接する部位であり、反応ガスを前記多孔体ガス流路に導くガス導入部、あるいは前記多孔体ガス流路からの排ガスを排出するガス排出部の少なくともいずれかに形成される第２多孔体ガス流路とを備え、前記第２多孔体ガス流路の前記シール材側と前記セパレータ側を連通する開口面積が実質的にゼロであることを特徴とする。

本発明の１つの実施形態では、前記第２多孔体ガス流路の面積は、前記シール材の面積よりも大きく設定される。

また、本発明の他の実施形態では、前記第２多孔体ガス流路の前記多孔体ガス流路側の端部は、前記膜電極接合体上まで延在する。

また、本発明の他の実施形態では、前記多孔体ガス流路及び前記第２多孔体ガス流路はエキスパンドメタルから構成され、前記第２多孔体ガス流路を構成するエキスパンドメタルの前記開口面積は、前記多孔体ガス流路を構成するエキスパンドメタルの開口面積よりも相対的に小さく設定される。

また、本発明の他の実施形態では、前記多孔体ガス流路及び第２多孔体ガス流路を構成する前記エキスパンドメタルは亀甲型のメッシュを有し、前記多孔体ガス流路を構成する前記エキスパンドメタルの前記メッシュは互い違いに配置され、前記第２多孔体ガス流路を構成するエキスパンドメタルの前記メッシュは直線上に配置される。

また、本発明の他の実施形態では、前記多孔体ガス流路及び前記第２多孔体ガス流路は発泡焼結体から構成され、前記第２多孔体ガス流路を構成する発泡焼結体は、前記シール材側の面がプレス加工されて気孔が閉塞される。

本発明によれば、発電面を構成するＭＥＧＡの周縁に第２多孔体ガス流路を形成し、この第２多孔体ガス流路のシール材側とセパレータ側を連通する開口面積が実質的にゼロに設定されているため、燃料電池製造時においてシール材の第２多孔体ガス流路への浸入を抑制でき、第２多孔体ガス流路の閉塞を防止できる。また、発電面を構成するＭＥＧＡの周縁に第２多孔体ガス流路を形成するため、発電面を有効活用することができる。

実施形態における燃料電池セルの平面図である。 図１のＡ−Ａ断面図である。 第２多孔体ガス流路を構成するエキスパンドメタルの斜視図である。 多孔体ガス流路を構成するエキスパンドメタルの斜視図である。 他の実施形態における第２多孔体ガス流路を構成するエキスパンドメタルの斜視図である。 さらに他の実施形態における第２多孔体ガス流路を構成するエキスパンドメタルの平面図である。 さらに他の実施形態における多孔体ガス流路を構成するエキスパンドメタルの平面図である。 従来の燃料電池セルの断面図である。

以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。但し、以下の実施形態は例示にすぎず、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。

＜第１実施形態＞
図１に、本実施形態における燃料電池セルの平面図を示す。図１（ａ）は燃料電池セルの平面図であり、図１（ｂ）は燃料電池セルの多孔体ガス流路の平面図である。また、図２に、図１におけるＡ−Ａ断面図を示す。

燃料電池セル１０の全体構成は、以下の通りである。すなわち、燃料電池セル１０は、略長方形の平面形状をなし、ＭＥＧＡ２０のカソード側に多孔体ガス流路２２が形成され、さらにセパレータ２４が積層される。ＭＥＧＡ２０は、膜電極接合体（ＭＥＡ）の両面にガス拡散層を積層して構成され、膜電極接合体（ＭＥＡ）は、高分子電解質膜の両面に触媒層を積層して構成される。触媒層は、触媒として白金及び白金合金を担持したカーボン担体で構成される。ガス拡散層は、例えばカーボンクロスで構成される。ＭＥＧＡ２０のアノード側にはセパレータ２６が積層され、セパレータ２６表面の凹凸により溝流路が形成される。

図１（ａ）に示すように、ＭＥＧＡ２０が形成される平面領域が発電面１２として機能する。発電面１２の一端（図中左上）には反応ガスのガス導入部１４が設けられ、ガスマニホールド１１から反応ガスが供給される。発電面１２の他端（図中右下）には反応ガスのガス排出部１６が設けられ、ガスマニホールド１３からオフガス（排ガス）が排出される。また、冷却水マニホールド１５，１７から冷却水が供給、排出される。

発電面として機能するＭＥＧＡ２０の周縁には、反応ガスの漏洩を防止するためのシール材３０が設けられる。シール材３０は、シリコンゴム等からなり、射出成形により形成される。また、多孔体ガス流路２２の周縁であってシール材３０の存在領域には、第２多孔体ガス流路２８が形成される。第２多孔体ガス流路２８は、図１（ｂ）におけるガス導入部１４及びガス導出部１６として機能し、ガスマニホールド１１から供給される反応ガス（カソード側反応ガスとしての空気）を多孔体ガス流路２２に導く。また、発電反応後のオフガスを多孔体ガス流路２２から外部に排出する。シール材３０は、ＭＥＧＡ２０、第２多孔体ガス流路２８、及びセパレータ２６に当接し、これらを一体的に接合する。発電面１２の周縁部のセパレータ２４には、枠状に、シールガスケット３２が接着される。シールガスケット３２は、凸部を有し、燃料電池セル１０を複数積層して燃料電池スタックを構成する場合に凸部が隣接するセパレータに押圧されることによりシール性が確保される。

第２多孔体ガス流路２８は、シール材３０に積層するように形成されるが、第２多孔体ガス流路２８の面積は、シール材３０よりも相対的に大きい。すなわち、第２多孔体ガス流路２８の外側端部は、シール材３０の外側端部よりも延在しており、第２多孔体ガス流路２８の多孔体ガス流路２２側の端部は、ＭＥＧＡ２０の存在領域まで延在する。

図８に示す従来の燃料電池セルでは、多孔体ガス流路２２が発電面１２の周縁まで延在し、ガス導入部１４も多孔体ガス流路２２と同一の部材、例えばエキスパンドメタルで構成され、亀甲型のメッシュが千鳥配置された連続構造をなし、メッシュがガス拡散層とセパレータとの間に傾斜面を構成するように配置されることで、千鳥配置されたメッシュと、ガス拡散層表面及びセパレータ表面との間にガス流路が互い違いに配置されているが、本実施形態では、第２多孔体ガス流路２８は、発電面１２における多孔体ガス流路２２と異なるエキスパンドメタルから構成される。すなわち、発電面１２における多孔体ガス流路２２を構成するエキスパンドメタルは、平板を送りながら上刃と下刃でせん断することによりメッシュを形成し、平板の送り方向に隣接するメッシュは互い違いに配置されてＭＥＧＡ２０側を流れるガスとセパレータ２４側を流れるガスが互いに連通する開口が存在している。

しかしながら、第２多孔体ガス流路２８を構成するエキスパンドメタルは、平板の送り方向に隣接するメッシュは互い違いに配置されておらず直線上、あるいは互い違いに配置されていてもその量は相対的に小さく、シール材３０側を流れるガスとセパレータ２４側を流れるガスが互いに連通する開口、つまりエキスパンドメタルのシール材３０側とセパレータ２４側を連通する開口がゼロであるか、若しくは多孔体ガス流路２２よりも相対的に小さく実質的にゼロとみなせる程度に設定される。

このように、本実施形態の第２多孔体ガス流路２８は、シール材３０側とセパレータ２４側を連通する開口が実質的にゼロであるため、燃料電池セル１０の製造時において、ＭＥＧＡ２０の周縁にシール材３０の原料である流動性を有する液状のシリコンゴム等を射出成形する際にも、シール材が開口から第２多孔体ガス流路２８内に浸入してガス流路を閉塞する事態を抑制することができる。これにより、反応ガスを円滑に多孔体ガス流路２２に導入できるとともに、オフガスを多孔体ガス流路２２から円滑に排出できる。

本実施形態では、第２多孔体ガス流路２８がシール材３０に当接していてもシール材３０がガス流路に浸入しないので、図２に示すように、シール材３０と第２多孔体ガス流路２８との間に遮蔽板を配設する必要がない。

また、遮蔽板をＭＥＧＡ２０の上まで延在させる必要もないので、従来のように燃料電池セル１０の厚みが局所的に増大することもない。

なお、第２多孔体ガス流路２８の面積はシール材３０の面積よりも大きく、その端部がシール材３０よりも外側及び内側（内側とは、ＭＥＧＡ２０側を意味する）に延在しているので、シール材３０が第２多孔体ガス流路２８の側面から回り込んで浸入することを抑制できる。

図３に、第２多孔体ガス流路２８を構成するエキスパンドメタルの斜視図を示す。また、図４に、多孔体ガス流路２２を構成するエキスパンドメタルの斜視図を示す。多孔体ガス流路２２を構成するエキスパンドメタルは、平板を送りながら上刃と下刃でせん断することによりメッシュを形成し、平板の送り方向に隣接するメッシュは互い違いに配置され（図中、所定の搖動量ｄ）、ＭＥＧＡ２０側を流れるガスとセパレータ２４側を流れるガスが互いに連通する開口４０が存在している。

これに対し、第２多孔体ガス流路２８を構成するエキスパンドメタルは、搖動量ｄが多孔体ガス流路２２を構成するエキスパンドメタルよりも小さく設定され、これにより開口４０が相対的に小さく設定される。開口４０は、ＭＥＧＡ２０側とセパレータ２４側を連通するものであるから、開口４０が相対的に小さいとＭＥＧＡ２０側とセパレータ２４側の連通面積が小さくなり、ＭＥＧＡ２０側に存在するシール材のセパレータ２４側への浸入が抑制される。

本実施形態では、多孔体ガス流路２２と第２多孔体ガス流路２８を構成する部材は、ともにエキスパンドメタルであるから、部品点数を徒に増大させることもない。すなわち、多孔体ガス流路２２を構成するエキスパンドメタルと、第２多孔体ガス流路２８を構成するエキスパンドメタルは、単に搖動量ｄが異なるだけであるから、製造時において搖動量を切り替えるだけで一連の連続工程で製造することが可能である。

多孔体ガス流路２２の搖動量ｄをｄ１、第２多孔体ガス流路２８の搖動量ｄをｄ２とすると、ｄ１＞ｄ２であり、ｄ２＝０であってもよい。搖動量ｄ２＝０は、第２多孔体ガス流路２８の開口面積がゼロであることを意味し、この場合にはシール材３０の浸入をより確実に抑制できる。

なお、第２多孔体ガス流路２８の開口面積が相対的に小さく設定されていても、ガスマニホールド１１から供給された反応ガスのガス流路は確保されているので、反応ガスは第２多孔体ガス流路２８から多孔体ガス流路２２に導入される。

第２多孔体ガス流路２８を構成するエキスパンドメタルの搖動量ｄ２、言い換えれば開口面積は、その浸入を防いで閉塞を防止すべきシール材３０の材料に応じて適応的に設定される。シール材３０の粘性が小さい場合には、搖動量ｄ２、すなわち開口面積はゼロであることが望ましいが、シール材の粘性が大きい場合には、搖動量ｄがゼロ、すなわち開口面積がゼロでなく有限の値であってもシール材３０の浸入は抑制され得る。つまり、第２多孔体ガス流路２８のエキスパンドメタルの搖動量ｄ２あるいは開口面積は、シール材３０の粘性に応じて設定され、粘性が小さいほど小さく設定される。本願出願人は、シール材の粘度３０のとき、開口面積が０．０３５９ｍｍ^２ではシール材が流れ込むが、開口面積が０．００９７ｍｍ^２ではシール材の浸入を防止できることを確認している。一般に、粘土が２倍になると開口面積は２倍まで許容されるといえる。

本実施形態では、第２多孔体ガス流路２８の開口面積は実質的にゼロに設定されるが、これは、シール材３０の粘性との関係において開口面積が決定され、たとえ開口面積が有限の値であったとしても、シール材３０の粘性が大きいため開口を介して浸入できない場合には、シール材３０からみて開口は存在しない場合と実質的に等価であることを意味するものである。

一般的には、シール材３０の粘度がしきい値以下であれば搖動量ｄ２、あるいは開口面積を一律にゼロとし、シール材３０の粘度がしきい値を超える場合には粘度に応じて搖動量ｄ２、あるいは開口面積を有限の値に設定できる。もちろん、シール材３０の粘性によらず、開口面積をゼロに設定してもよいのは言うまでもない。

本実施形態の特徴は、シール材３０が浸入しない程度に第２多孔体ガス流路２８の開口面積を制限することにあるので、この技術思想の範囲内において開口面積を適宜調整することができる。

＜第２実施形態＞
図５に、本実施形態の第２多孔体ガス流路２８の斜視図を示す。本実施形態の第２多孔体ガス流路２８は、搖動量＝０で開口がないエキスパンドメタルで構成され、かつ、エキスパンドメタルが切断面２８ａと非切断面２８ｂを備え、非切断面２８ｂをシール材３０側に配置し、切断面２８ａをセパレータ２４側に配置する。エキスパンドメタルは、平板を送りながら台形状の突起を有する上刃と下刃でせん断することにより形成されるが、切断面２８ａは下刃側に対応し、非切断面２８ｂは上刃側に対応する。

非切断面２８ｂは切断されておらず連続面であるため、これをシール材３０側に配置してシール材に当接することにより、シール材３０の浸入をより効果的に抑制できる。
＜第３実施形態＞

図６に、本実施形態における第２多孔体ガス流路２８の平面図を示す。第２多孔体ガス流路２８を、ガス流路の流れ方向から見た平面図である。また、図７に、本実施形態における多孔体ガス流路２２の平面図を示す。本実施形態における多孔体ガス流路２２、２８はともに耐食性を有するステンレス鋼の粉末を用いた発泡焼結体で形成され、第２多孔体ガス流路２８は発泡焼結体を溝形状にプレスして形成される。そして、第２多孔体ガス流路２８の一方の面２８ｃをシール材３０側に配置し、他方の面２８ｄをセパレータ２４側に配置する。発泡焼結体をプレスすることで、発泡焼結体のシール材３０に当接する面の気孔が閉塞されて開口面積が実質的にゼロとなる。

本実施形態においても、第２多孔体ガス流路２８の開口は実質的にゼロであるため、シール材３０のガス流路への浸入を防止できる。

＜その他の実施形態＞
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限らず種々の変形が可能である。

例えば、本実施形態では、カソード側のガス流路を多孔体ガス流路２２で構成し、アノード側のガス流路を溝流路で構成しているが、アノード側のガス流路もカソード側ガス流路と同様に多孔体ガス流路で構成してもよく、この場合には、アノード側についてもカソード側と同様に多孔体ガス流路に隣接して第２多孔体ガス流路を形成することが望ましい。すなわち、本発明の多孔体ガス流路及び第２多孔体ガス流路の組み合わせは、カソード側のみならずアノード側にも同様に適用し得る。

また、カソード側では多孔体ガス流路をエキスパンドメタルで構成し、アノード側では多孔体ガス流路を発泡焼結体で構成してもよい。この場合、カソード側では第２多孔体ガス流路をエキスパンドメタルで構成し、アノード側では第２多孔体ガス流路を発泡焼結体で構成する。

また、本実施形態では、シール材３０の原料としてシリコンゴムを例示したが、他の樹脂、例えばエポキシ樹脂等の任意の熱硬化性樹脂を用いることができる。

さらに、本実施形態では、外部からの反応ガスを多孔体ガス流路２２に導入するガス導入部１４及び多孔体ガス流路２２からの排ガスを排出するガス排出部１６に第２多孔体ガス流路２８を形成しているが、ガス導入部１４及びガス排出部１６のいずれかに第２多孔体ガス流路２８を形成してもよい。

１０ 燃料電池セル、１２ 発電面、１４ ガス導入部、１６ ガス排出部、２０ 膜電極拡散層接合体（ＭＥＧＡ）、２２ 多孔体ガス流路、２４，２６ セパレータ、２８ 第２多孔体ガス流路、３０ シール材、３２ シールガスケット。

Claims (7)

1. 燃料電池であって、
   膜電極接合体と、
   前記膜電極接合体に積層されるガス拡散層と、
   前記ガス拡散層に積層される多孔体ガス流路と、
   前記多孔体ガス流路に積層されるセパレータと、
   前記膜電極接合体の周縁に形成されるシール材と、
   前記多孔体ガス流路の周縁であって前記シール材に当接する部位であり、反応ガスを前記多孔体ガス流路に導くガス導入部、あるいは前記多孔体ガス流路からの排ガスを排出するガス排出部の少なくともいずれかに形成される第２多孔体ガス流路と、
   を備え、前記第２多孔体ガス流路の前記シール材側と前記セパレータ側とを連通する開口面積が実質的にゼロであ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、
   前記第２多孔体ガス流路の面積は、前記シール材の面積よりも大きいことを特徴とする燃料電池。
3. 請求項１記載の燃料電池において、
   前記第２多孔体ガス流路の前記多孔体ガス流路側の端部は、前記膜電極接合体上まで延在している
   ことを特徴とする燃料電池。
4. 請求項１記載の燃料電池において、
   前記多孔体ガス流路及び前記第２多孔体ガス流路はエキスパンドメタルから構成され、
   前記第２多孔体ガス流路を構成するエキスパンドメタルの前記開口面積は、前記多孔体ガス流路を構成するエキスパンドメタルの開口面積よりも相対的に小さいことを特徴とする燃料電池。
5. 請求項４記載の燃料電池において、
   前記多孔体ガス流路及び第２多孔体ガス流路を構成する前記エキスパンドメタルは亀甲型のメッシュを有し、
   前記多孔体ガス流路を構成する前記エキスパンドメタルの前記メッシュは互い違いに配置され、前記第２多孔体ガス流路を構成するエキスパンドメタルの前記メッシュは直線上に配置される
   ことを特徴とする燃料電池。
6. 請求項１記載の燃料電池において、
   前記多孔体ガス流路及び前記第２多孔体ガス流路は発泡焼結体から構成され、
   前記第２多孔体ガス流路を構成する発泡焼結体は、前記シール材側の面がプレス加工されて気孔が閉塞されている
   ことを特徴とする燃料電池。
7. 請求項６記載の燃料電池において、
   前記第２多孔体ガス流路は、溝形状をなすことを特徴とする燃料電池。

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