JP2024068890A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】樹脂シートの変形方向を限定し、ガスの通り道が閉塞されないようにすることができる燃料電池を提供する。【解決手段】燃料電池であって、前記燃料電池は、樹脂シートと、当該樹脂シートを挟持する２枚のセパレータを有し、２枚の前記セパレータは、ガスを燃料電池の面方向に流通させるガス導出入部を有し、２枚の前記セパレータは、一方のセパレータの前記ガス導出入部と、もう一方のセパレータの前記ガス導出入部とは、平面視において互いに対向しない領域に配置され、２枚の前記セパレータは、前記ガス導出入部近傍の領域に、凹形状のリブを有し、２枚の前記セパレータは、一方の前記セパレータの前記凹形状のリブが設けられた領域に対向する領域に、もう一方の前記セパレータには、前記樹脂シートが変形可能なスペースが設けられている、燃料電池。【選択図】図１

Description

本開示は、燃料電池に関する。

特許文献１で開示されているような燃料電池について様々な研究がなされている。

特開２０２１－１４１００５号公報

特許文献１に記載の技術のように、樹脂シートにスリット部を設けると、樹脂シート厚みが、流路高さになる。コスト低減などで薄膜化すると流路高さが低くなり、ガスの圧損が大きくなる。樹脂シートにスリット部を設けると、スリット部に金属異物が混入したときに、２枚のセパレータが金属異物で連通する可能性がある。
一方、燃料電池の単セルにおいて、２枚のセパレータを絶縁するためにスリット部を設けない樹脂シートを用いる構成の場合、セパレータにプレスにより流路を設ける必要があるが、このときに、樹脂シートが変形し、ガスの通り道となるガス導出入部（くし歯部）を閉塞させ、ガスが流れにくくなることがある。具体的には、２枚のセパレータは熱プレスにより樹脂シートと接合されるが、樹脂シートは弾性体の柔らかい材料のため、熱プレス時にランダムに熱変形し、ガスの通り道を塞ぐことがある。また、樹脂シートは、ガス圧で変形し、ガスの通り道を塞ぐことがある。結果、ガスが発電部位に供給されず、発電できなくなる。

本開示は、上記実情に鑑みてなされたものであり、樹脂シートの変形方向を限定し、ガスの通り道が閉塞されないようにすることができる燃料電池を提供することを主目的とする。

本開示の燃料電池は、燃料電池であって、
前記燃料電池は、樹脂シートと、当該樹脂シートを挟持する２枚のセパレータを有し、
２枚の前記セパレータは、ガスを燃料電池の面方向に流通させるガス導出入部を有し、
２枚の前記セパレータは、一方のセパレータの前記ガス導出入部と、もう一方のセパレータの前記ガス導出入部とは、平面視において互いに対向しない領域に配置され、
２枚の前記セパレータは、前記ガス導出入部近傍の領域に、凹形状のリブを有し、
２枚の前記セパレータは、一方の前記セパレータの前記凹形状のリブが設けられた領域に対向する領域に、もう一方の前記セパレータには、前記樹脂シートが変形可能なスペースが設けられている。

本開示は、樹脂シートの変形方向を限定し、ガスの通り道が閉塞されないようにすることができる燃料電池を提供することができる。

本開示の第１実施形態の燃料電池の一部の一例を示す部分断面模式図である。 本開示の第２実施形態の燃料電池の一部の一例を示す部分断面模式図である。 本開示の第３実施形態の燃料電池の一部の一例を示す部分断面模式図である。

本開示の燃料電池は、燃料電池であって、
前記燃料電池は、樹脂シートと、当該樹脂シートを挟持する２枚のセパレータを有し、
２枚の前記セパレータは、ガスを燃料電池の面方向に流通させるガス導出入部を有し、
２枚の前記セパレータは、一方のセパレータの前記ガス導出入部と、もう一方のセパレータの前記ガス導出入部とは、平面視において互いに対向しない領域に配置され、
２枚の前記セパレータは、前記ガス導出入部近傍の領域に、凹形状のリブを有し、
２枚の前記セパレータは、一方の前記セパレータの前記凹形状のリブが設けられた領域に対向する領域に、もう一方の前記セパレータには、前記樹脂シートが変形可能なスペースが設けられている。

図１は、本開示の第１実施形態の燃料電池の一部の一例を示す部分断面模式図である。
本開示においては、ガスを導入したい側のセパレータに、図１に示すように凹形状のリブを設け、凹形状のリブと対向する領域において、もう一方のセパレータには、樹脂シートが変形可能なスペースを設ける。これにより、特定の方向に樹脂シートを変形させることができ、ガスの通り道を十分に確保することができる。凹形状のリブは、ガスの流れを妨げない限り、ガス導出入部のガスの進行方向に沿って設けてもよい。凹形状のリブは、ガスの流れを妨げない限り、ガス導出入部を構成する流路と流路の間に設けてもよい。

図２は、本開示の第２実施形態の燃料電池の一部の一例を示す部分断面模式図である。
本開示においては、ガスを導入したい側のセパレータのみを図２に示すようにマニホールド側に延長し、延長した部分に凹形状のリブを設けてもよい。ガス圧による樹脂シートの変形がリブにより抑制され、リブに隣接する流路において矢印の向きにガスを供給することができる。第２実施形態は、第１実施形態と併用してもよい。

図３は、本開示の第３実施形態の燃料電池の一部の一例を示す部分断面模式図である。
本開示においては、ガスを流さない側のセパレータのみを図３に示すようにマニホールド側に延長し、延長した部分と樹脂シートを接着してもよい。接着は、従来公知の接着性を有する樹脂等の接着剤により接着してもよく、樹脂シートと熱圧着してもよい。ガス圧による樹脂シートの変形が接着により抑制され、ガスを導入したい側のセパレータの流路において矢印の向きにガスを供給することができる。第３実施形態は、第１実施形態及び第２実施形態の内の少なくともいずれか一方と併用してもよい。

本開示においては、燃料電池に供給されるガスは反応ガス（以下、単にガスと称する場合がある）と称する。アノードに供給される反応ガスは、燃料ガス（アノードガス）であり、カソードに供給される反応ガスは酸化剤ガス（カソードガス）である。燃料ガスは、主に水素を含有するガスであり、水素であってもよい。酸化剤ガスは、酸素を含有するガスであり、酸素、空気（エア）等であってもよい。

燃料電池としては、燃料電池の単セルを１つのみ有するものであってもよく、単セルを複数個積層した燃料電池スタックであってもよい。
本開示においては、燃料電池の単セル及び燃料電池スタックのいずれも燃料電池と称する場合がある。
燃料電池の単セルの積層数は特に限定されず、例えば、２～数百個であってもよい。

燃料電池の単セルは、樹脂シートと、当該樹脂シートを挟持する２枚のセパレータを有し、通常、膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ）を有する。

２枚のセパレータは、一方がアノードセパレータであり、もう一方がカソードセパレータである。本開示では、アノードセパレータとカソードセパレータとをまとめてセパレータという。
セパレータは、反応ガス、及び冷却媒体等の流体を燃料電池の積層方向に流通させるための供給孔及び排出孔等のマニホールドとなる孔を有していてもよい。冷却媒体としては、水、エチレングリコールと水の混合物等を用いることができる。
供給孔は、アノード供給孔、カソード供給孔、及び、冷却媒体供給孔等が挙げられる。
排出孔は、アノード排出孔、カソード排出孔、及び、冷却媒体排出孔等が挙げられる。
アノード供給孔は、アノードに水素を供給する。アノード排出孔は、未反応の水素及び発電により発生した水等をアノードから排出する。カソード供給孔は、カソードに酸素含有ガスを供給する。カソード排出孔は、未反応の酸素及び発電により発生した水等をカソードから排出する。冷却媒体供給孔は、燃料電池スタックの単セル間に冷却媒体を供給する。冷却媒体排出孔は、燃料電池スタックの単セル間から冷却媒体を排出する。
セパレータは、ガス拡散層に接する面に反応ガスの流路（主流路）を有していてもよい。また、セパレータは、ガス拡散層に接する面とは反対側の面に燃料電池の温度を一定に保つための冷却媒体の流路を有していてもよい。
セパレータは、ガスを燃料電池の面方向に流通させるガス導出入部を有する。ガス導出入部は、マニホールドとなる孔の内、反応ガスが流通する孔（アノード供給孔、カソード供給孔、アノード排出孔、又は、カソード排出孔）、及び、反応ガスの流路（主流路）に隣接して配置される。
２枚のセパレータは、一方のセパレータのガス導出入部と、もう一方のセパレータのガス導出入部とは、平面視において互いに対向しない領域に配置される。すなわち、アノードセパレータのガス導出入部と、カソードセパレータのガス導出入部とは、平面視において互いに対向しない領域に配置される。ガス導出入部は、ガスを燃料電池に導入する場合は、ガス導入部であり、ガスを燃料電池から導出する場合は、ガス導出部である。ガス導入部とガス導出部をまとめてガス導出入部という。
２枚のセパレータは、ガス導出入部近傍の領域に、凹形状のリブを有する。
凹形状のリブを設けるガス導出入部近傍の領域は、ガスの流れを妨げない領域であればよく、ガス導出入部のガス流れ方向の上流であってもよく、下流であってもよく、ガス導出入部を構成する流路と流路の間であってもよい。
凹形状のリブは、ガスの流れ方向に沿って設けられていてもよい。
２枚のセパレータは、一方のセパレータの凹形状のリブが設けられた領域に対向する領域に、もう一方のセパレータには、樹脂シートが変形可能なスペースが設けられている。
スペースが設けられる凹形状のリブが設けられた領域に対向する領域は、リブを含む所定の範囲の領域に対向する領域であってもよい。
アノードセパレータは、アノード側ガス拡散層に接する面に水素等の燃料ガスの流路を有していてもよい。また、アノードセパレータは、アノード側ガス拡散層に接する面とは反対側の面に燃料電池の温度を一定に保つための冷却媒体の流路を有していてもよい。
カソードセパレータは、カソード側ガス拡散層に接する面に酸素等の酸素含有ガスの流路を有していてもよい。また、カソードセパレータは、カソード側ガス拡散層に接する面とは反対側の面に燃料電池の温度を一定に保つための冷却媒体の流路を有していてもよい。
セパレータは、ガス不透過の導電性部材等であってもよい。ガス不透過の導電性部材としては、例えば、熱硬化樹脂、熱可塑樹脂、及び、樹脂繊維等の樹脂材と、カーボン粉末、及び、カーボン繊維等のカーボン材と、を圧縮してガス不透過とした緻密質カーボン、及び、プレス成形した金属（例えば、チタン、及び、ステンレス等）板等であってもよい。
セパレータの形状は、長方形、横長６角形、横長８角形、円形、及び、長丸形状等であってもよい。

樹脂シートは、膜電極ガス拡散層接合体の外周に配置され、且つ、カソードセパレータとアノードセパレータとの間に配置される。
樹脂シートは、骨格部と、開口部と、孔を有していてもよい。
骨格部は、膜電極ガス拡散層接合体と接続する樹脂シートの主要部分である。
開口部は、膜電極ガス拡散層接合体の保持領域であり、膜電極ガス拡散層接合体を収納するために骨格部の一部を貫通する領域である。開口部は、樹脂シートにおいて、膜電極ガス拡散層接合体の周囲（外周部）に骨格部が配置される位置に配置されていればよく、樹脂シートの中央に有していてもよい。
樹脂シートの孔は、反応ガス、及び冷却媒体等の流体を燃料電池の積層方向に流通させる。樹脂シートの孔は、セパレータの孔と連通するように位置合わせされて配置されていてもよい。
樹脂シートは、枠状のコア層と、コア層の両面に設けられた枠状の二つのシェル層、即ち、第１シェル層と第２シェル層とを含んでいてもよい。
第１シェル層及び第２シェル層は、コア層と同様に、コア層の両面に枠状に設けられていてもよい。

コア層は、ガスシール性、絶縁性を有する構造部材であればよく、燃料電池の製造工程での熱圧着時の温度条件下でも構造が変化しない材料により形成されていてもよい。具体的には、コア層の材料は、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ＰＣ（ポリカーボネート）、ＰＰＳ（ポリフェニレンスルファイド）、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタラート）、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）、ＰＡ（ポリアミド）、ＰＩ（ポリイミド）、ＰＳ（ポリスチレン）、ＰＰＥ（ポリフェニレンエーテル）、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）、シクロオレフィン、ＰＥＳ（ポリエーテルサルホン）、ＰＰＳＵ（ポリフェニルスルホン）、ＬＣＰ（液晶ポリマー）、エポキシ樹脂等の樹脂等であってもよい。コア層の材料は、ＥＰＤＭ（エチレンプロピレンジエンゴム）、フッ素系ゴム、シリコン系ゴム等のゴム材であってもよい。
コア層の厚さは、絶縁性を担保する観点から、５μｍ以上であってもよく、２０μｍ以上であってもよく、燃料電池厚さを低減する観点から、２００μｍ以下であってもよく、１５０μｍ以下であってもよい。

第１シェル層及び第２シェル層は、コア層とアノードセパレータ及びカソードセパレータとを接着してシール性を確保するために、他の物質との接着性が高く、熱圧着時の温度条件下で軟化し、コア層よりも粘度及び融点が低い性質を有していてもよい。具体的には、第１シェル層及び第２シェル層は、ポリエステル系及び変性オレフィン系等の熱可塑性樹脂であってもよく、変性エポキシ樹脂である熱硬化性樹脂であってもよい。
第１シェル層を構成する樹脂と第２シェル層を構成する樹脂とは、同種の樹脂であってもよく、異なる種類の樹脂であってもよい。コア層の両面にシェル層を設けることで、樹脂シートと２つのセパレータとの間の加熱プレスによる接着が容易になる。
第１シェル層及び第２シェル層のそれぞれのシェル層の厚さは、接着性を担保する観点から、５μｍ以上であってもよく、３０μｍ以上であってもよく、燃料電池の厚さを低減する観点から、１００μｍ以下であってもよく、４０μｍ以下であってもよい。

樹脂シートにおいて、第１シェル層及び第２シェル層は、それぞれアノードセパレータ及びカソードセパレータと接着する部分にのみに設けられていてもよい。コア層の一方の面に設けられた第１シェル層は、カソードセパレータと接着していてもよい。コア層の他方の面に設けられた第２シェル層は、アノードセパレータと接着していてもよい。そして、樹脂シートは、一対のセパレータにより挟持されてもよい。

膜電極ガス拡散層接合体は、アノード側ガス拡散層、アノード触媒層、電解質膜、カソード触媒層、及び、カソード側ガス拡散層をこの順に有する。
カソード（酸化剤極）は、カソード触媒層及びカソード側ガス拡散層を含む。
アノード（燃料極）は、アノード触媒層及びアノード側ガス拡散層を含む。

カソード触媒層及びアノード触媒層をまとめて触媒層と称する。
触媒層は、例えば、反応を促進する触媒金属、プロトン伝導性を有する電解質、及び、電子伝導性を有する担体等を備えていてもよい。
触媒金属としては、例えば、白金（Ｐｔ）、及び、Ｐｔと他の金属とから成る合金（例えばコバルト、及び、ニッケル等を混合したＰｔ合金）等を用いることができる。
電解質としては、フッ素系樹脂等であってもよい。フッ素系樹脂としては、例えば、ナフィオン溶液等を用いてもよい。
上記触媒金属は担体上に担持されており、各触媒層では、触媒金属を担持した担体（触媒担持担体）と電解質とが混在していてもよい。
触媒金属を担持するための担体は、例えば、一般に市販されているカーボンなどの炭素材料等が挙げられる。

電解質膜は、固体高分子電解質膜であってもよい。固体高分子電解質膜としては、例えば、水分が含まれたパーフルオロスルホン酸の薄膜等のフッ素系電解質膜、及び、炭化水素系電解質膜等が挙げられる。電解質膜としては、例えば、ナフィオン膜（デュポン社製）等であってもよい。

アノード側ガス拡散層及びカソード側ガス拡散層をまとめてガス拡散層と称する。
ガス拡散層は、ガス透過性、すなわち、気孔を有する導電性部材等であってもよい。
導電性部材としては、例えば、カーボンクロス、及びカーボンペーパー等のカーボン多孔質体、並びに、３Ｄファインメッシュ、金属メッシュ、及び、発泡金属などの金属多孔質部材等が挙げられる。

燃料電池スタックは、各単セル間に各孔を囲いガスシール性を確保する、ガスケット又は上記樹脂シート等のシール部材が配置されていてもよい。

燃料電池スタックは、各供給孔が連通した入口マニホールド、及び、各排出孔が連通した出口マニホールド等のマニホールドを有していてもよい。
入口マニホールドは、アノード入口マニホールド、カソード入口マニホールド、及び、冷却媒体入口マニホールド等が挙げられる。
出口マニホールドは、アノード出口マニホールド、カソード出口マニホールド、及び、冷却媒体出口マニホールド等が挙げられる。

Claims (1)

1. 燃料電池であって、
   前記燃料電池は、樹脂シートと、当該樹脂シートを挟持する２枚のセパレータを有し、
   ２枚の前記セパレータは、ガスを燃料電池の面方向に流通させるガス導出入部を有し、
   ２枚の前記セパレータは、一方のセパレータの前記ガス導出入部と、もう一方のセパレータの前記ガス導出入部とは、平面視において互いに対向しない領域に配置され、
   ２枚の前記セパレータは、前記ガス導出入部近傍の領域に、凹形状のリブを有し、
   ２枚の前記セパレータは、一方の前記セパレータの前記凹形状のリブが設けられた領域に対向する領域に、もう一方の前記セパレータには、前記樹脂シートが変形可能なスペースが設けられている、燃料電池。

Images