JP2017021975A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で、樹脂枠付きＭＥＡとセパレータとを正確且つ容易に位置決めすることを可能にする。【解決手段】発電セル１０は、樹脂枠付きＭＥＡ１２を第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６で挟持する。樹脂枠付きＭＥＡ１２は、電解質膜・電極構造体１２ａ及び樹脂枠部材４４を有する。樹脂枠部材４４の内周端面４４ｂｓとカソード電極４２の外周端面４２ｓとの間に、隙間４６を設けている。第２セパレータ１６には、隙間４６に配置される凸状部４８が形成される。【選択図】図２

Description

本発明は、樹脂枠部材が設けられる段差ＭＥＡと、前記段差ＭＥＡに隣接するセパレータと、を備える燃料電池に関する。

一般的に、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる固体高分子電解質膜を採用している。燃料電池は、固体高分子電解質膜の一方にアノード電極が、前記固体高分子電解質膜の他方にカソード電極が、それぞれ配設された電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を備えている。アノード電極及びカソード電極は、それぞれ触媒層（電極触媒層）とガス拡散層（多孔質カーボン）とを有している。

電解質膜・電極構造体は、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持されることにより、発電セル（単位燃料電池）を構成している。この発電セルは、所定の数だけ積層されることにより、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用されている。

電解質膜・電極構造体では、一方のガス拡散層が固体高分子電解質膜よりも小さな平面寸法に設定されるとともに、他方のガス拡散層が前記固体高分子電解質膜と同一の平面寸法に設定される、所謂、段差ＭＥＡを構成する場合がある。その際、段差ＭＥＡとセパレータとは、所望のシール機能を確保するため、相対的に正確に位置決めする必要がある。

そこで、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池が知られている。この燃料電池では、電解質・電極構造体とセパレータとが交互に積層されるとともに、シール部材が介装されている。そして、セパレータ又はシール部材には、電解質・電極構造体の外周部を位置決めするための凸状部又は凹状部が設けられている。

このため、電解質・電極構造体の外周部を凸状部又は凹状部に係合させるだけで、前記電解質・電極構造体をセパレータに対して正確且つ容易に位置決めすることができる。

特開２００４−２６５８２４号公報

ところで、段差ＭＥＡでは、比較的高価な固体高分子電解質膜の使用量を削減させるとともに、薄膜状で強度が低い前記固体高分子電解質膜を保護するために、外周に樹脂枠部材を組み込んだ樹脂枠付きＭＥＡを採用する場合がある。従って、樹脂枠付きＭＥＡとセパレータとを相対的に正確に位置決めすることが必要である。

本発明は、この種の要請に対応するものであり、簡単な構成で、樹脂枠付きＭＥＡとセパレータとを正確且つ容易に位置決め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。

本発明に係る燃料電池は、段差ＭＥＡ及び樹脂枠部材を有する樹脂枠付きＭＥＡと、前記樹脂枠付きＭＥＡに隣接するセパレータと、を備えている。段差ＭＥＡは、固体高分子電解質膜の一方の面に第１電極が設けられ、前記固体高分子電解質膜の他方の面に第２電極が設けられるとともに、前記第１電極の平面寸法は、前記第２電極の平面寸法よりも大きな寸法に設定されている。樹脂枠部材は、固体高分子電解質膜の外周を周回して設けられている。

樹脂枠付きＭＥＡは、樹脂枠部材の内周端面と第２電極の外周端面との間に、隙間を設けるとともに、セパレータには、前記隙間に配置される凸状部が形成されている。

また、この燃料電池では、凸状部の隙間に挿入される表面には、高分子材料による被覆層が形成されることが好ましい。

本発明によれば、樹脂枠付きＭＥＡは、樹脂枠部材の内周端面と第２電極の外周端面との間に、隙間を設けている。そして、隙間には、セパレータに形成された凸状部が配置されることにより、樹脂枠付きＭＥＡと前記セパレータとが位置決めされている。このため、樹脂枠付きＭＥＡとセパレータとを相対的に位置決めするために、例えば、ゴム製の位置決めリブ等を設ける必要がなく、成形回数の削減が図られて、経済的である。

従って、簡単な構成で、樹脂枠付きＭＥＡとセパレータとを正確且つ容易に位置決めすることが可能になる。

本発明の実施形態に係る発電セルの要部分解斜視説明図である。 前記発電セルの、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面説明図である。 前記発電セルを構成する樹脂枠付きＭＥＡの要部断面図である。 前記樹脂枠付きＭＥＡの正面図である。

図１及び図２に示すように、本発明の実施形態に係る発電セル（燃料電池）１０は、例えば、矢印Ａ方向（水平方向）又は矢印Ｃ方向（重力方向）に複数積層されて燃料電池スタックを構成する。燃料電池スタックは、例えば、車載用燃料電池スタックとして燃料電池電気自動車（図示せず）に搭載される。

発電セル１０は、樹脂枠付きＭＥＡ（樹脂枠付き電解質膜・電極構造体）１２を第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６で挟持する。第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６は、横長（又は縦長）の長方形状を有する（図１参照）。第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６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金属板や、カーボン部材等で構成される。

発電セル１０の長辺方向である矢印Ｂ方向の一端縁部には、矢印Ａ方向（積層方向）に互いに連通して、酸化剤ガス入口連通孔１８ａ、冷却媒体入口連通孔２０ａ及び燃料ガス出口連通孔２２ｂが設けられる。酸化剤ガス入口連通孔１８ａ、冷却媒体入口連通孔２０ａ及び燃料ガス出口連通孔２２ｂは、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１８ａは、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給する。冷却媒体入口連通孔２０ａは、冷却媒体を供給し、燃料ガス出口連通孔２２ｂは、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出する。

発電セル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、燃料ガス入口連通孔２２ａ、冷却媒体出口連通孔２０ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔１８ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。燃料ガス入口連通孔２２ａは、燃料ガスを供給し、冷却媒体出口連通孔２０ｂは、冷却媒体を排出するとともに、酸化剤ガス出口連通孔１８ｂは、酸化剤ガスを排出する。

第１セパレータ１４の樹脂枠付きＭＥＡ１２に向かう面１４ａには、例えば、矢印Ｂ方向に延在する燃料ガス流路２４が形成される。燃料ガス流路２４は、互いに並列する複数本の流路溝を有する。燃料ガス流路２４は、入口ブリッジ部２６ａを介して燃料ガス入口連通孔２２ａと連通するとともに、出口ブリッジ部２６ｂを介して燃料ガス出口連通孔２２ｂとに連通する。

入口ブリッジ部２６ａは、後述する第１シール部材３４により一体成形される島状部を有し、該島状部間に燃料ガス入口連通路が形成される。出口ブリッジ部２６ｂは、同様に第１シール部材３４により一体成形される島状部を有し、該島状部間に燃料ガス出口連通路が形成される。

第２セパレータ１６の樹脂枠付きＭＥＡ１２に向かう面１６ａには、例えば、矢印Ｂ方向に延在する酸化剤ガス流路２８が設けられる。酸化剤ガス流路２８は、互いに並列する複数本の流路溝を有する。酸化剤ガス流路２８は、入口ブリッジ部３０ａを介して酸化剤ガス入口連通孔１８ａと連通するとともに、出口ブリッジ部３０ｂを介して酸化剤ガス出口連通孔１８ｂとに連通する。

入口ブリッジ部３０ａは、後述する第２シール部材３６により一体成形される島状部を有し、該島状部間に酸化剤ガス入口連通路が形成される。出口ブリッジ部３０ｂは、同様に第２シール部材３６により一体成形される島状部を有し、該島状部間に酸化剤ガス出口連通路が形成される。

互いに隣接する第１セパレータ１４の面１４ｂと第２セパレータ１６の面１６ｂとの間には、冷却媒体流路３２が形成される。冷却媒体流路３２は、冷却媒体入口連通孔２０ａ及び冷却媒体出口連通孔２０ｂに連通する。冷却媒体流路３２は、燃料ガス流路２４が形成された第１セパレータ１４の裏面形状と、酸化剤ガス流路２８が形成された第２セパレータ１６の裏面形状とが重なり合って形成される。

図２に示すように、第１セパレータ１４の面１４ａ、１４ｂには、この第１セパレータ１４の外周端部を周回して、第１シール部材３４が一体化される。第２セパレータ１６の面１６ａ、１６ｂには、この第２セパレータ１６の外周端部を周回して、第２シール部材３６が一体化される。

第１シール部材３４は、面１４ａ側に設けられ、樹脂枠付きＭＥＡ１２を構成する樹脂枠部材４４（後述する）に当接する第１凸状シール３４ａを有する。第１シール部材３４は、面１４ｂ側に設けられ、隣接する第２セパレータ１６の第２シール部材３６の平坦面に当接する二重シールである第２凸状シール３４ｂ及び第３凸状シール３４ｃを有する。

第２シール部材３６は、面１６ａ側に設けられ、第１シール部材３４の平坦面に当接する第４凸状シール３６ａを有する。なお、第４凸状シール３６ａに代えて、第１シール部材３４に凸状シール（図示せず）を設けてもよい。

第１シール部材３４及び第２シール部材３６には、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、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等の弾性を有するシール部材が用いられる。

樹脂枠付きＭＥＡ１２は、図２に示すように、段差ＭＥＡである電解質膜・電極構造体１２ａを備える。段差ＭＥＡとは、一方の電極の平面寸法と他方の電極の平面寸法とが異なる、すなわち、段差を有するＭＥＡである。詳細は、後述する。

電解質膜・電極構造体１２ａ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（陽イオン交換膜）３８と、前記固体高分子電解質膜３８を挟持するアノード電極（第１電極）４０及びカソード電極（第２電極）４２とを有する。固体高分子電解質膜３８は、フッ素系電解質の他、ＨＣ（炭化水素）系電解質を使用してもよい。

図２及び図３に示すように、カソード電極４２の平面寸法（外形寸法）は、固体高分子電解質膜３８及びアノード電極４０の平面寸法（外形寸法）よりも小さな寸法を有する。なお、上記の構成に代えて、アノード電極４０は、固体高分子電解質膜３８及びカソード電極４２よりも小さな平面寸法を有するように構成してもよい。その際、アノード電極４０は、第２電極となり、カソード電極４２は、第１電極となる。

アノード電極４０は、固体高分子電解質膜３８の一方の面３８ａに接合される第１電極触媒層４０ａと、前記第１電極触媒層４０ａに積層される第１ガス拡散層４０ｂとを設ける。第１電極触媒層４０ａ及び第１ガス拡散層４０ｂは、同一の平面寸法に設定されるとともに、固体高分子電解質膜３８と同一（又は同一未満）の平面寸法に設定される。

カソード電極４２は、固体高分子電解質膜３８の面３８ｂに接合される第２電極触媒層４２ａと、前記第２電極触媒層４２ａに積層される第２ガス拡散層４２ｂとを設ける。第２電極触媒層４２ａ及び第２ガス拡散層４２ｂは、同一の平面寸法を有する。なお、第２電極触媒層４２ａと第２ガス拡散層４２ｂとは、互いに異なる平面寸法に設定されてもよい。

第１電極触媒層４０ａは、例えば、白金合金を表面に担持した多孔質カーボン粒子が、第１ガス拡散層４０ｂの表面に一様に塗布されて形成される。第２電極触媒層４２ａは、例えば、白金合金を表面に担持した多孔質カーボン粒子が、第２ガス拡散層４２ｂの表面に一様に塗布されて形成される。第１ガス拡散層４０ｂ及び第２ガス拡散層４２ｂは、カーボンペーパ又はカーボンクロス等からなる。第１電極触媒層４０ａ及び第２電極触媒層４２ａは、固体高分子電解質膜３８の両方の面３８ａ、３８ｂに形成される。

樹脂枠付きＭＥＡ１２は、固体高分子電解質膜３８の外周を周回して接合される樹脂枠部材４４を備える。樹脂枠部材４４は、例えば、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＰＰＡ（ポリフタルアミド）、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）、ＰＥＳ（ポリエーテルサルフォン）、ＬＣＰ（リキッドクリスタルポリマー）、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）、シリコーン樹脂、フッ素樹脂、又はｍ−ＰＰＥ（変性ポリフェニレンエーテル樹脂）等で構成される。樹脂枠部材４４は、さらにＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）又は変性ポリオレフィン等で構成される。

樹脂枠部材４４は、厚肉部４４ａを設け、前記厚肉部４４ａの内側端部には、内方に突出する薄肉状の内側膨出部４４ｂが設けられる。厚肉部４４ａの外側端部には、外方に突出して第１シール部材３４の第１凸状シール３４ａが当接する薄肉状の外側膨出部４４ｃが設けられる。

図３に示すように、内側膨出部４４ｂは、固体高分子電解質膜３８の外周端部３８ｅに接合されるとともに、カソード電極４２の外周端面４２ｓに対向する内周端面４４ｂｓを有する。樹脂枠部材４４の内周端面４４ｂｓとカソード電極４２の外周端面４２ｓとの間には、隙間４６が形成される。図４に示すように、隙間４６は、開口幅寸法ｈを有する長方形の枠形状を有する。枠形状の長辺及び短辺は、それぞれ同一の開口幅寸法ｈに設定されるが、それぞれ異なる開口幅寸法に設定されてもよい。

図１及び図２示すように、第２セパレータ１６の面１６ａには、樹脂枠付きＭＥＡ１２の隙間４６に配置され、より好ましくは、嵌合する凸状部４８が形成される。凸状部４８は、長方形の枠形状を有し、２つの長辺４８ｌと２つの短辺４８ｓとにより構成される。凸状部４８は、断続的でもよく、長方形の枠形状の各辺に少なくとも１カ所設けることが好ましい。凸状部４８の突出側の表面（隙間４６に挿入される表面）には、高分子材料による電気絶縁性を有する被覆層５０が形成される。被覆層５０は、図２に示すように、凸状部４８の突出側の表面を覆って断面コ字状を有し、全体として長方形の枠形状に構成される。被覆層５０は、フィルム又はコーティングにより形成される。

このように構成される発電セル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、酸化剤ガス入口連通孔１８ａには、酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔２２ａには、水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔２０ａには、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、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔１８ａから第２セパレータ１６の酸化剤ガス流路２８に導入され、矢印Ｂ方向に移動して電解質膜・電極構造体１２ａのカソード電極４２に供給される。一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔２２ａから第１セパレータ１４の燃料ガス流路２４に導入される。燃料ガスは、燃料ガス流路２４に沿って矢印Ｂ方向に移動し、電解質膜・電極構造体１２ａのアノード電極４０に供給される。

従って、電解質膜・電極構造体１２ａでは、カソード電極４２に供給される酸化剤ガスと、アノード電極４０に供給される燃料ガスとが、第２電極触媒層４２ａ及び第１電極触媒層４０ａ内で電気化学反応により消費されて、発電が行われる。

次いで、カソード電極４２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１８ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。同様に、アノード電極４０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２２ｂ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２０ａに供給された冷却媒体は、第１セパレータ１４と第２セパレータ１６との間の冷却媒体流路３２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１２ａを冷却した後、冷却媒体出口連通孔２０ｂから排出される。

この場合、本実施形態では、図２に示すように、樹脂枠付きＭＥＡ１２は、樹脂枠部材４４の内周端面４４ｂｓとカソード電極４２の外周端面４２ｓとの間に、隙間４６を設けている。そして、隙間４６には、第２セパレータ１６に形成された凸状部４８が嵌合（配置）されることにより、樹脂枠付きＭＥＡ１２と前記第２セパレータ１６とが位置決めされている。

このため、樹脂枠付きＭＥＡ１２と第２セパレータ１６とを相対的に位置決めするために、例えば、ゴム製の位置決めリブ等を設ける必要がない。具体的には、第２セパレータ１６には、第２シール部材３６が成形されるだけであり、別の成形処理によりリブ等を成形する必要がなく、成形回数の削減が図られて、経済的である。

従って、本実施形態では、簡単な構成で、樹脂枠付きＭＥＡ１２と第２セパレータ１６とを正確且つ容易に位置決めすることが可能になり、発電セル１０全体の組み付け作業が効率的に遂行されるという効果が得られる。

なお、本実施形態では、第２セパレータ１６に枠形状の凸状部４８が設けられているが、これに限定されるものではない。例えば、凸状部４８は、一対の長辺４８ｌのみを設けてもよく、又は、一対の短辺４８ｓのみを設けてもよい。また、凸状部４８は、連続的に直線状に形成されているが、例えば、断続的に設けることも可能である。

さらにまた、発電セル１０は、１枚のＭＥＡを一対のセパレータにより挟持して構成されているが、これに限定されるものではない。例えば、第１セパレータ、第１ＭＥＡ、第２セパレータ、第２ＭＥＡ及び第３セパレータの順に積層された発電ユニットを有し、各発電ユニット間に冷却媒体流路が形成される、所謂、間引き冷却構造の燃料電池を採用してもよい。

１０…発電セル １２…樹脂枠付きＭＥＡ
１２ａ…電解質膜・電極構造体 １４、１６…セパレータ
１８ａ…酸化剤ガス入口連通孔 １８ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
２０ａ…冷却媒体入口連通孔 ２０ｂ…冷却媒体出口連通孔
２２ａ…燃料ガス入口連通孔 ２２ｂ…燃料ガス出口連通孔
２４…燃料ガス流路 ２８…酸化剤ガス流路
３２…冷却媒体流路 ３４、３６…シール部材
３８…固体高分子電解質膜 ３８ｅ…外周端部
４０…アノード電極 ４２…カソード電極
４２ｓ…外周端面 ４４…樹脂枠部材
４４ｂ…内側膨出部 ４４ｂｓ…内周端面
４８…凸状部 ４８ｌ…長辺
４８ｓ…短辺 ５０…被覆層

Claims (2)

1. 固体高分子電解質膜の一方の面に第１電極が設けられ、前記固体高分子電解質膜の他方の面に第２電極が設けられるとともに、前記第１電極の平面寸法は、前記第２電極の平面寸法よりも大きな寸法に設定される段差ＭＥＡ、及び、前記固体高分子電解質膜の外周を周回して設けられる樹脂枠部材、を有する樹脂枠付きＭＥＡと、
   前記樹脂枠付きＭＥＡに隣接するセパレータと、
   を備える燃料電池であって、
   前記樹脂枠付きＭＥＡは、前記樹脂枠部材の内周端面と前記第２電極の外周端面との間に、隙間を設けるとともに、
   前記セパレータには、前記隙間に配置される凸状部が形成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、前記凸状部の前記隙間に挿入される表面には、高分子材料による被覆層が形成されることを特徴とする燃料電池。

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