JP2022125748A - 燃料電池セル - Google Patents

Abstract

【課題】発電効率を向上できる燃料電池セルを提供する。【解決手段】燃料電池セル１１は、中央部に形成された開口部１２に膜電極接合体１３を支持した支持フレーム１４と、膜電極接合体１３を挟む一対のガス拡散層１５と、一対のガス拡散層１５の外側から支持フレーム１４を挟む一対のセパレータ１６とを備える。支持フレーム１４における開口部１２を挟んだ両端部には、酸化剤ガス孔２２が形成される。支持フレーム１４と第１セパレータ１９との間には、上記両端部に形成された酸化剤ガス孔２２のうちの一方から供給された酸化剤ガスを、開口部１２を通過させて他方へ流す酸化剤ガス流路２５が形成される。支持フレーム１４における開口部１２の周縁部には、ガス拡散層１５の端部と対向し且つ酸化剤ガスの流れる方向に延びる段差面２１が形成される。段差面２１には、段差面２１と第１セパレータ１９との間の隙間を低減する凸部３３が形成される。【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池セルに関する。

従来、燃料電池セルとして、例えば、特許文献１に示す燃料電池スタックに備えられた発電ユニットが知られている。すなわち、燃料電池スタックは、複数の発電ユニットをその厚さ方向Ｚに積層することによって形成されている。各発電ユニットは、電解質膜・電極構造体を支持した樹脂枠部材と、樹脂枠部材を挟持する一対の金属セパレータとを備えている。電解質膜・電極構造体は、固体高分子電解質膜と、固体高分子電解質膜を挟持するアノード電極及びカソード電極とを備えている。

各発電ユニットの一端縁部には、積層方向に互いに連通して、例えば酸素を含有するガスである酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔及び例えば水素を含有するガスである燃料ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔が設けられている。各発電ユニットの他端縁部には、積層方向に互いに連通して、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔及び燃料ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔が設けられている。

一対の金属セパレータのうちの一方における電解質膜・電極構造体側の面には、酸化剤ガス流路が設けられている。酸化剤ガス流路は、酸化剤ガス入口連通孔と酸化剤ガス出口連通孔とを連通している。一対の金属セパレータのうちの他方における電解質膜・電極構造体側の面には、燃料ガス流路が設けられている。燃料ガス流路は、燃料ガス入口連通孔と燃料ガス出口連通孔とを連通している。

そして、各発電ユニットによって発電を行う場合には、まず、酸化剤ガス入口連通孔から酸化剤ガスを供給するとともに、燃料ガス入口連通孔から燃料ガスを供給する。酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔から金属セパレータの酸化剤ガス流路に導入されて電解質膜・電極構造体のカソード電極に供給されて酸化剤ガス出口連通孔へ流れる。燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔から金属セパレータの燃料ガス流路に導入されて電解質膜・電極構造体のアノード電極に供給されて燃料ガス出口連通孔へ流れる。そして、これら燃料ガス及び酸化剤ガスの電解質膜・電極構造体での電気化学反応に基づき発電が行われる。

特開２０１５－１６７０７５号公報

ところで、上述のような発電ユニットでは、例えば酸化剤ガスが酸化剤ガス入口連通孔から電解質膜・電極構造体のカソード電極を経由して酸化剤ガス出口連通孔へ流れる際に、一部の酸化剤ガスが電解質膜・電極構造体における両側部の発電されない領域を流れるという、所謂ガスの脇流れが発生する。このため、この一部のガスの脇流れの発生が効率的な発電の妨げとなっている。したがって、上述のような発電ユニットでは、発電効率を向上する上で改善の余地を残すものとなっている。なお、こうしたガスの脇流れの発生の課題は、酸化剤ガスに限らず、燃料ガスについても同様に生じる。

以下、上記課題を解決するための手段及びその作用効果について記載する。
上記課題を解決する燃料電池セルは、中央部に形成された開口部に膜電極接合体を支持した支持フレームと、前記膜電極接合体を挟む一対のガス拡散層と、一対の前記ガス拡散層の外側から前記支持フレームを挟む一対のセパレータとを備えた燃料電池セルであって、前記支持フレームにおける前記開口部を挟んだ両端部には、ガス孔がそれぞれ形成され、前記支持フレームと前記セパレータとの間には、前記両端部にそれぞれ形成された前記ガス孔のうちの一方から供給されたガスを、前記開口部を通過させて他方へ流すガス流路が形成され、前記支持フレームにおける前記開口部の周縁部には、薄肉に形成されて前記ガス拡散層の端部と対向し且つ前記ガスの流れる方向に延びる段差面が形成され、前記支持フレームの前記段差面及び前記セパレータにおける前記段差面と対応する位置のうちの少なくとも一方には、前記段差面と前記セパレータとの間の隙間を低減する凸部が形成されていることを要旨とする。

この構成によれば、支持フレームの開口部を流れるガスが支持フレームの段差面とセパレータとの間の発電がなされない隙間に流入することを凸部によって抑制できる。このため、発電がなされる膜電極接合体にガスが流れ易くなるので、発電効率を向上できる。

一実施形態の燃料電池セルの分解斜視図。 燃料電池セルの平面模式図。 図２の３－３線矢視断面図。 燃料電池セルの発電時の酸化剤ガスの流れを示す平面模式図。 変更例の燃料電池セルの要部を示す断面模式図。

以下、燃料電池セルの一実施形態を図面に従って説明する。
図１及び図２に示すように、燃料電池セル１１は、矩形板状をなし、複数積層されて燃料電池セルスタックを構成するものである。燃料電池セル１１は、中央部に形成された矩形状の開口部１２に矩形シート状をなす膜電極接合体１３（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）を支持した矩形板状をなす合成樹脂製の支持フレーム１４と、膜電極接合体１３を挟む矩形シート状をなす一対のガス拡散層１５と、矩形板状をなす一対の金属製のセパレータ１６とを備えている。

すなわち、燃料電池セル１１は、開口部１２に膜電極接合体１３を支持した支持フレーム１４と、一対のガス拡散層１５と、一対のセパレータ１６とを積層した構造になっている。一対のガス拡散層１５のうち、一方（カソード側）は第１ガス拡散層１７とされ、他方（アノード側）は第２ガス拡散層１８とされている。一対のセパレータ１６のうち、一方（カソード側）は第１セパレータ１９とされ、他方（アノード側）は第２セパレータ２０とされている。

図１～図３に示すように、一対のガス拡散層１５は、開口部１２と長辺方向Ｘが一致するように配置され、長辺方向Ｘの長さが開口部１２よりも若干長くなっている。支持フレーム１４の両面における開口部１２の周縁部の長辺方向Ｘの両側には、薄肉に形成されて一対のガス拡散層１５の長辺方向Ｘの両端部と対向し且つ支持フレーム１４の短辺方向Ｙに延びる段差面２１がそれぞれ形成されている。一対のセパレータ１６は、一対のガス拡散層１５の外側から支持フレーム１４を厚さ方向Ｚに挟んでいる。

燃料電池セル１１は、膜電極接合体１３の厚さ方向Ｚの一方側（カソード側）の部分に酸素を含む酸化剤ガスが供給され且つ膜電極接合体１３の厚さ方向Ｚの他方側（アノード側）の部分に水素を含む燃料ガスが供給されると、それら酸化剤ガス及び燃料ガスの膜電極接合体１３での電気化学反応に基づき発電を行う。

燃料電池セル１１における短辺方向Ｙの両端部、すなわち支持フレーム１４及び一対のセパレータ１６における開口部１２を短辺方向Ｙに挟んだ両端部には、ガス孔の一例としての酸化剤ガス孔２２が長辺方向Ｘに並んで２つずつ貫通して形成されている。燃料電池セル１１における短辺方向Ｙの両端部のうち、一方の端部に形成された酸化剤ガス孔２２は酸化剤ガス供給孔２３とされ、他方の端部に形成された酸化剤ガス孔２２は酸化剤ガス排出孔２４とされている。

支持フレーム１４と第１セパレータ１９との間には、酸化剤ガス供給孔２３から供給された酸化剤ガスを、開口部１２を通過させて酸化剤ガス排出孔２４へ流すガス流路の一例としての酸化剤ガス流路２５が形成されている。すなわち、酸化剤ガス流路２５は、支持フレーム１４の短辺方向Ｙに延びている。つまり、支持フレーム１４の段差面２１は、酸化剤ガスの流れる方向に延びている。

燃料電池セル１１における長辺方向Ｘの両端部、すなわち支持フレーム１４及び一対のセパレータ１６における開口部１２を長辺方向Ｘに挟んだ両端部には、燃料ガス孔２６及び冷却媒体孔２７が短辺方向Ｙに並んで貫通して形成されている。つまり、燃料電池セル１１における開口部１２を長辺方向Ｘに挟んだ両端部のうち、一方の端部には１つの燃料ガス孔２６及び１つの冷却媒体孔２７が短辺方向Ｙに並んで形成され、他方の端部には１つの燃料ガス孔２６及び１つの冷却媒体孔２７が短辺方向Ｙに並んで形成されている。燃料電池セル１１における開口部１２を長辺方向Ｘに挟んだ両端部において、燃料ガス孔２６と冷却媒体孔２７との短辺方向Ｙにおける並び順は互いに逆になっている。

燃料電池セル１１における長辺方向Ｘの両端部のうち、一方の端部に形成された燃料ガス孔２６及び冷却媒体孔２７はそれぞれ燃料ガス供給孔２８及び冷却媒体供給孔２９とされ、他方の端部に形成された燃料ガス孔２６及び冷却媒体孔２７はそれぞれ燃料ガス排出孔３０及び冷却媒体排出孔３１とされている。

支持フレーム１４と第２セパレータ２０との間には、燃料ガス供給孔２８から供給された燃料ガスを、開口部１２を通過させて燃料ガス排出孔３０へ流す燃料ガス流路３２が形成されている。燃料電池セル１１を複数積層した場合における第１セパレータ１９と第２セパレータ２０との間には、冷却媒体供給孔２９から供給された冷却媒体を冷却媒体排出孔３１へ流す冷却媒体流路（図示略）が形成される。

支持フレーム１４における第１セパレータ１９側の段差面２１には、段差面２１と第１セパレータ１９との間の隙間を低減する略直方体状の凸部３３が形成されている。凸部３３は、段差面２１の延びる方向に間隔を置いて複数形成されている。複数の凸部３３は、段差面２１の延びる方向の全体にわたって等間隔で配置されている。

各凸部３３は、段差面２１の幅方向の全体にわたって延びている。換言すれば、各凸部３３は、段差面２１における支持フレーム１４の長辺方向Ｘの全体にわたって延びている。各凸部３３と第１セパレータ１９との間には、第１ガス拡散層１７の長辺方向Ｘの端部が介在している。

次に、燃料電池セル１１の作用について説明する。
図３及び図４に示すように、燃料電池セル１１によって発電が行われる場合には、酸化剤ガス供給孔２３から酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス供給孔２８から燃料ガスが供給される。

燃料電池セル１１において酸化剤ガス供給孔２３から酸化剤ガスが供給されると、当該酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路２５を通って酸化剤ガス排出孔２４へ流れる過程で第１ガス拡散層１７によって拡散されながら膜電極接合体１３のカソード側の面に供給される。このとき、酸化剤ガス供給孔２３から供給される酸化剤ガスの大半は、図４の直線の矢印で示すように膜電極接合体１３の存在する発電がなされる領域を流れる。

一方、酸化剤ガス供給孔２３から供給される酸化剤ガスの一部は、膜電極接合体１３の存在しない発電がなされない領域である支持フレーム１４の段差面２１と第１セパレータ１９との間の隙間に流入しようとする。しかし、支持フレーム１４の段差面２１には、段差面２１と第１セパレータ１９との間の隙間を低減する複数の凸部３３が設けられている。

このため、段差面２１と第１セパレータ１９との間の隙間への酸化剤ガスの流入が複数の凸部３３によって抑制される。したがって、段差面２１と第１セパレータ１９との間の隙間へ流入しようとする酸化剤ガスは、図４の湾曲した矢印で示すように、膜電極接合体１３の存在する発電がなされる領域へ戻された後、酸化剤ガス排出孔２４へ向かって流れる。

一方、燃料電池セル１１において燃料ガス供給孔２８から燃料ガスが供給されると、当該燃料ガスは、燃料ガス流路３２を通って燃料ガス排出孔３０へ流れる過程で第２ガス拡散層１８によって拡散されながら膜電極接合体１３のアノード側の面に供給される。

そして、燃料電池セル１１では、膜電極接合体１３におけるカソード側の面に供給された酸化剤ガスと、膜電極接合体１３におけるアノード側の面に供給された燃料ガスとの膜電極接合体１３での電気化学反応に基づいて発電される。

この場合、上述したように、特に、支持フレーム１４の開口部１２（膜電極接合体１３）を流れる酸化剤ガスが支持フレーム１４の段差面２１と第１セパレータ１９との間の発電がなされない隙間に流入することが、複数の凸部３３によって抑制される。このため、本実施形態の燃料電池セル１１では、発電がなされる膜電極接合体１３に酸化剤ガスが流れ易くなるので、発電効率が向上される。

以上詳述した実施形態によれば、次のような効果が発揮される。
（１）燃料電池セル１１は、中央部に形成された開口部１２に膜電極接合体１３を支持した支持フレーム１４と、膜電極接合体１３を挟む一対のガス拡散層１５と、一対のガス拡散層１５の外側から支持フレーム１４を挟む一対のセパレータ１６とを備える。支持フレーム１４における開口部１２を挟んだ両端部には、酸化剤ガス孔２２がそれぞれ形成されている。支持フレーム１４と第１セパレータ１９との間には、支持フレーム１４における開口部１２を挟んだ両端部にそれぞれ形成された酸化剤ガス孔２２のうちの一方から供給された酸化剤ガスを、開口部１２を通過させて他方へ流す酸化剤ガス流路２５が形成されている。支持フレーム１４における開口部１２の周縁部には、薄肉に形成されて第１ガス拡散層１７の端部と対向し且つ酸化剤ガスの流れる方向（支持フレーム１４の短辺方向Ｙ）に延びる段差面２１が形成されている。支持フレーム１４の段差面２１には、段差面２１と第１セパレータとの間の隙間を低減する凸部３３が形成されている。

この構成によれば、支持フレーム１４の開口部１２（膜電極接合体１３）を流れる酸化剤ガスが支持フレーム１４の段差面２１と第１セパレータ１９との間の発電がなされない隙間に流入することを凸部３３によって抑制できる。このため、発電がなされる開口部１２に酸化剤ガスが流れ易くなるので、発電効率を向上できる。

（２）燃料電池セル１１において、凸部３３は、段差面２１の延びる方向（支持フレーム１４の短辺方向Ｙ）に間隔を置いて複数形成されている。
この構成によれば、支持フレーム１４の開口部１２を流れる酸化剤ガスが支持フレーム１４の段差面２１と第１セパレータ１９との間の隙間に流入することを複数の凸部３３によってより広い範囲で抑制できる。

（３）燃料電池セル１１において、複数の凸部３３は、段差面２１の延びる方向に等間隔で配置されている。
この構成によれば、燃料電池セル１１が厚さ方向Ｚに圧縮されて第１ガス拡散層１７の端部が複数の凸部３３と第１セパレータ１９とによって挟まれたときに、第１ガス拡散層１７の端部が受ける圧力を均等に分散できる。このため、第１ガス拡散層１７の端部が複数の凸部３３と第１セパレータ１９とによって挟まれるときの圧力によって破損することを抑制でき、ひいては第１ガス拡散層１７の寿命を延ばすことができる。

（４）燃料電池セル１１において、凸部３３は、段差面２１の幅方向の全体にわたって延びている。
この構成によれば、凸部３３と膜電極接合体１３の周縁とが接触するので、凸部３３によって膜電極接合体１３の周縁のシール性を向上できる。

（変更例）
上記実施形態は、以下のように変更して実施することができる。また、上記実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。

・図５に示すように、燃料電池セル１１において、凸部３３は、段差面２１に形成せずに、第１セパレータ１９における段差面２１と対応する位置に形成してもよい。この場合、凸部３３は、幅方向（支持フレーム１４の長辺方向Ｘ）の長さを短くして膜電極接合体１３から離すことにより、第１ガス拡散層１７の端部の曲がり具合を緩やかにすることが好ましい。このようにすれば、第１ガス拡散層１７の端部にかかる負荷を低減できるので、第１ガス拡散層１７の寿命を延ばすことができる。

・各凸部３３は、必ずしも段差面２１の幅方向（支持フレーム１４の長辺方向Ｘ）の全体にわたって延びている必要はない。
・複数の凸部３３は、必ずしも段差面２１の延びる方向（支持フレーム１４の短辺方向Ｙ）に等間隔で配置されている必要はない。

・凸部３３は、必ずしも段差面２１の延びる方向に間隔を置いて複数形成する必要はない。すなわち、例えば、段差面２１に沿って延びる凸部を１つだけ段差面２１に形成するようにしてもよい。

・支持フレーム１４における酸化剤ガス孔２２の数は、適宜変更してもよい。
・上記実施形態の燃料電池セル１１ではカソード側の酸化剤ガス流路２５において酸化剤ガスが発電されない領域に流れることを凸部３３によって抑制するようにしたが、ガス流路の選択によってはアノード側の燃料ガス流路においても燃料ガスが発電されない領域に流れることを凸部によって抑制するようにしてもよい。すなわち、アノード側の燃料ガス流路が上記酸化剤ガス流路２５と同様の構成の燃料電池セルにおいて燃料ガス流路を流れる燃料ガスが、発電されない当該燃料ガス流路の両方の横側の領域に流れることを抑制するように凸部を設けてもよい。

１１…燃料電池セル
１２…開口部
１３…膜電極接合体
１４…支持フレーム
１５…ガス拡散層
１６…セパレータ
１７…第１ガス拡散層
１８…第２ガス拡散層
１９…第１セパレータ
２０…第２セパレータ
２１…段差面
２２…ガス孔の一例としての酸化剤ガス孔
２３…酸化剤ガス供給孔
２４…酸化剤ガス排出孔
２５…ガス流路の一例としての酸化剤ガス流路
２６…燃料ガス孔
２７…冷却媒体孔
２８…燃料ガス供給孔
２９…冷却媒体供給孔
３０…燃料ガス排出孔
３１…冷却媒体排出孔
３２…燃料ガス流路
３３…凸部
Ｘ…長辺方向
Ｙ…短辺方向
Ｚ…厚さ方向

Claims (4)

1. 中央部に形成された開口部に膜電極接合体を支持した支持フレームと、前記膜電極接合体を挟む一対のガス拡散層と、一対の前記ガス拡散層の外側から前記支持フレームを挟む一対のセパレータとを備えた燃料電池セルであって、
   前記支持フレームにおける前記開口部を挟んだ両端部には、ガス孔がそれぞれ形成され、
   前記支持フレームと前記セパレータとの間には、前記両端部にそれぞれ形成された前記ガス孔のうちの一方から供給されたガスを、前記開口部を通過させて他方へ流すガス流路が形成され、
   前記支持フレームにおける前記開口部の周縁部には、薄肉に形成されて前記ガス拡散層の端部と対向し且つ前記ガスの流れる方向に延びる段差面が形成され、
   前記支持フレームの前記段差面及び前記セパレータにおける前記段差面と対応する位置のうちの少なくとも一方には、前記段差面と前記セパレータとの間の隙間を低減する凸部が形成されていることを特徴とする燃料電池セル。
2. 前記凸部は、前記段差面の延びる方向に間隔を置いて複数形成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池セル。
3. 複数の前記凸部は、前記段差面の延びる方向に等間隔で配置されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池セル。
4. 前記凸部は、前記段差面に形成され、前記段差面の幅方向の全体にわたって延びていることを特徴とする請求項１～請求項３のうちいずれか一項に記載の燃料電池セル。

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