JP3752994B2

JP3752994B2 - 燃料電池

Info

Publication number: JP3752994B2
Application number: JP2000343434A
Authority: JP
Inventors: 寿弘竹川
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2000-11-10
Filing date: 2000-11-10
Publication date: 2006-03-08
Anticipated expiration: 2020-11-10
Also published as: JP2002151109A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電解質膜の両側に一対の電極を配置した接合体を、燃料ガスおよび酸化性ガスがそれぞれ供給されるガス流路を備えた一対のセパレータで挟持固定するとともに、この一対のセパレータの外周縁部相互間にシール材を配置した燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、水素などの燃料ガスと空気など酸化性ガスを電気化学的に反応させて起電力を得る装置であり、電解質膜の両側に二つの電極、すなわちカソード電極とアノード電極が配置されて、ＭＥＡと呼ばれる電極電解質膜接合体を構成している。一般には、このＭＥＡを構成するセルが多数積層されて燃料電池スタックを構成する。
【０００３】
上記した各電極の外側には、多数積層された電極電解質膜接合体相互を、機械的に接合するとともに、隣接する電極電解質膜接合体相互を電気的に接続するセパレータが配置され、セパレータと電極との間の部分には電極面に反応ガスを供給するガス流路が形成されている。
【０００４】
燃料電池の中でも特に高い出力密度を有する固体高分子膜型燃料電池は、自動車などの移動体用電源として注目されており、電解質としてプロトン伝導性のある固体高分子電解質膜を用いる点に特徴を有している。この固体高分子電解質膜は、そのプロトン伝導によって生じる電気化学反応とともに、アノード側の燃料ガスと、カソード側の酸化性ガスとの混合を防ぐ隔離膜としての役割も果たしている。
【０００５】
そして従来では、上記した燃料ガスと酸化性ガスとの混合、あるいは燃料ガス、酸化性ガスの電池外へのリークを各電極の外周部で防ぐために、各セパレータの外周縁部相互間に、シール材としてＯリング（特開平６−１１９９３０号公報参照）やガスケット（特開平７−２２６２２０号公報、特開２０００−１５６２３４号公報参照）を配置するようにしている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、燃料電池においては、長期間使用することで、電解質膜が吸水により体積変化したり、加湿冷却の繰り返しにより各構成要素部品間の熱収縮の歪が顕著になるとともに、シール材の劣化も発生する。さらに、燃料電池を自動車に使用する場合には、振動、偏荷重、熱履歴によってシール劣化や歪、たわみが発生し、結果としてシール性が損なわれ、燃料ガスと酸化性ガスの漏洩による両ガスの混合などから燃料電池の起電力が充分得られなくなるという問題がある。
【０００７】
また、シール性が悪化すると、燃料電池内で燃料ガスと酸化性ガスとの電気化学反応により生じる副生水や冷却水の漏洩も発生し、燃料電池設置箇所や周辺機器の老朽化を早めるといった問題も副次的に発生する。
【０００８】
上記した問題に対処法するためには、燃料電池スタック全体を固定している締結ボルトの増し締め作業などが適宜必要となり、燃料電池のメンテナンス作業が煩雑なものとなる。
【０００９】
そこで、この発明は、燃料電池に対する煩雑なメンテナンス作業を削減しつつ、シール性を確保することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、請求項１の発明は、電解質膜の両側に一対の電極を配置した接合体を、燃料ガスおよび酸化性ガスがそれぞれ供給されるガス流路を備えた一対のセパレータで挟持固定するとともに、この一対のセパレータの外周縁部相互間にシール材を配置した燃料電池において、前記シール材とセパレータとの間に、水分を吸収して膨潤する膨潤部材と、この膨潤部材の膨潤によって前記シール材を押圧する面圧伝達部材とを設けた構成としてある。
【００１１】
請求項２の発明は、請求項１の発明の構成において、セパレータと面圧伝達部材との間に形成した空間に、膨潤部材を収容した構成としてある。
【００１２】
請求項３の発明は、請求項２の発明の構成において、空間とガス流路とを連通する内部連通路を設けた構成としてある。
【００１４】
請求項４の発明は、請求項２または３の発明の構成において、空間は、セパレータのシール材に対向する面に形成した凹部で構成してある。
【００１６】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、シール材とセパレータとの間に設けた膨潤部材が、水分を吸湿して膨潤することで、面圧伝達部材がシール材に押圧されるので、電解質膜の両側に一対の電極を配置した接合体を挟持固定している一対のセパレータとシール材との間のシール面圧が高まり、シール面圧に対する煩雑なメンテナンス作業を行うことなく、シール性劣化に対処することができる。
【００１７】
請求項２の発明によれば、膨潤部材が空間内に収容されているので、膨潤部材の膨潤に伴う面圧伝達部材によるシール材への押圧動作が確実になされる。
【００１８】
請求項３の発明によれば、ガス流路を流れるガスに含まれる水分を、内部連通路を通して膨潤部材に容易に導入することができる。
【００２０】
請求項４の発明によれば、セパレータに形成した凹部内に収容されている膨潤部材が、水分を吸湿して膨潤することで、面圧伝達部材がシール材に押圧されるので、電解質膜の両側に一対の電極を配置した接合体を挟持固定している一対のセパレータとシール材との間の面圧が高まり、シール面圧に対する煩雑なメンテナンス作業を行うことなく、シール性劣化に対処することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
【００２３】
図１は、この発明の第１の実施形態に係わる固体高分子膜型燃料電池の一部を示す断面図である。この燃料電池は、固体高分子膜からなる電解質膜１と、この電解質膜１の両側に配置される二つの電極３，５（燃料極と酸素極）と、この二つの電極３，５のさらに両側に設けられた二つのセパレータ７，９とを備えている。二つのセパレータ７，９は、図示していないが、ボルトなどの締結具によって電解質膜１および電極３，５を挟持固定すべく締結固定されている。実際の燃料電池は、電解質膜１と電極３，５とからなる電極電解質膜接合体がセパレータ７，９を間に挟んで多数積層されて燃料電池スタックを構成するが、ここでは、図１に示すような単電池を例にして説明する。
【００２４】
電解質膜１は、フッ素系樹脂などの高分子材料によりプロトン伝導性のイオン交換膜として形成されている。また、二つの電極３，５には、白金または白金とその他の金属からなる触媒を含有するカーボンクロスからなり、触媒の存在する面が電解質膜１と接触するように形成されている。
【００２５】
セパレータ７，９は、ガス不透過である緻密性カーボン材で構成されており、電極３および電極５にそれぞれ対応する面には、燃料ガス流路１１および酸化性ガス流路１３を確保するための多数のリブ１５およびリブ１７が形成されるとともに、ガス流路１１，１３が形成された面と反対側の面には、図示していないが、冷却水流路が形成されている。
【００２６】
燃料ガス流路１１に供給される燃料ガスは、水素が主成分であり、その他のガス構成成分として窒素ガス、炭酸ガス、一酸化炭素ガスを含むこともある。さらに、水素のかわりに水で希釈されたメタノール溶液が流通することもある。酸化性ガス流路１３に供給されるガスは、酸素が主成分であり、その他に窒素ガスが含まれることもある。これらの燃料ガスおよび酸化性ガスは、燃料電池に供給される前に、充分に加湿される。
【００２７】
電解質膜１は、外周側端部がセパレータ７，９の外周側端部とほぼ同位置まで延長されており、その外周側端部の電解質膜１と各セパレータ７，９との間には、フッ素樹脂製ガスケットからなるシール材１９，２１が設けられている。各セパレータ７，９のシール材１９，２１に対向する面には、凹部２３，２５が形成され、この凹部２３，２５内には、水分を吸収することによって膨潤する膨潤部材２７，２９と、この膨潤部材２７，２９の膨潤によりセパレータ７，９に対して移動しシール材１９，２１を押圧する面圧伝達部材３１，３３とが、それぞれ収容されている。したがって、凹部２３，２５内は膨潤部材２７，２９が収容される空間を形成している。
【００２８】
膨潤部材２７，２９は、吸水性ゲルまたは吸水性樹脂材料で構成されており、加湿されている燃料ガスおよび酸化性ガス中の水分を吸着・吸収することで膨潤する。膨潤部材２７，２９は、粉末状、フィルム状、繊維状と種々の形態をとることが可能だが、セパレータ７，９内の燃料ガス流路１１および酸化性ガス流路１３に流出することのない形状が選択される。粉末状の場合は、透水性を持つ膜やフィルム（例えば、商品名ランシール：日本エクスラン社製、商品名Drytech：ダウケミカル社製）などで固定しても構わない。
【００２９】
面圧伝達部材３１，３３は、シール材１９，２１に接触する押圧部３５，３７と、押圧部３５，３７の両端から凹部２３，２５の底面に向けて延長される側壁部３９ａおよび３９ｂ，４１ａおよび４１ｂとから構成されている。そして、燃料電池を組み立てた状態では、押圧部３５，３７のシール材１９，２１側の面が、セパレータ７，９のシール材１９，２１側の面と同一面を形成している。
【００３０】
面圧伝達部材３１，３３における図中で左側の側壁部３９ｂ，４１ｂには貫通孔３９ｃ，４１ｃが形成され、この側壁部３９ｂ，４１ｂが接触するセパレータ７，９には、前記貫通孔３９ｃ，４１ｃに整合する貫通孔７ａ，９ａが形成されている。上記した貫通孔３９ｃ，４１ｃと貫通孔７ａ，９ａとで、ガス流路１１，１３と凹部２３，２５内の空間とを連通する内部連通路４３，４５を構成している。
【００３１】
上記した構成の燃料電池の運転を行うと、燃料ガスおよび酸化性ガスそれぞれが、燃料ガス流路１１および酸化性ガス流路１３を流通する。それぞれのガスは、燃料電池に流入する前に、充分加湿処理されており、この加湿されたガス中の水分や、電気化学反応によって生成された水分が、内部連通路４３，４５を通して凹部２３，２５内に入り込み、膨潤部材２７，２９に吸着・吸収される。
【００３２】
膨潤部材２７，２９が水分を吸着・吸収することで膨潤し、この膨潤した膨潤部材２７，２９によって面圧伝達部材３１，３３がシール材１９，２１を押圧する。
【００３３】
このとき、セパレータ７，９相互は、図示しないボルトなどの締結具によってシール材１９，２１を挟持するように締結固定されており、したがって膨潤した膨潤部材２７，２９が面圧伝達部材３１，３３をシール材１９，２１に向けて押圧することで、上記ボルトによる締結圧力が高まり、シール性が高まるものとなる。このため、燃料電池の長期使用によるシール性劣化を抑制することができ、締結ボルトの増し締め作業などの煩雑なメンテナンス作業を削減することができる。
【００３４】
なお、内部連通路４３，４５を構成する貫通孔７ａ，３９ｃ，９ａ、４１ｃの通路形状は、円形のほかスリット状としてもよく、膨潤部材２７，２９がガス流路１１，１３に移動しなければ、どのような形状でも構わない。
【００３５】
また、面圧伝達部材３１，３３の図中で左側の側壁部３９ｂ，４１ｂが、ガス流路１１，１３に直接接する構成としてもよい。この場合、面圧伝達部材３１，３３のガス流路１１，１３側への移動を規制する機構を設ける必要がある。
【００４７】
なお、上記実施形態では、シール材１９，２１としてフッ素樹脂製ガスケットを使用したが、Ｏリング、熱可塑性エラストマーなどによって構成される液状ガスケットなどを使用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施形態に係わる固体高分子膜型燃料電池の一部を示す断面図である。
【符号の説明】
１電解質膜
３，５電極
７，９セパレータ
１１燃料ガス流路
１３酸化性ガス流路
１９，２１シール材
２３，２５凹部（空間）
２７，２９膨潤部材
３１，３３面圧伝達部材
４３，４５内部連通路

Claims

電解質膜の両側に一対の電極を配置した接合体を、燃料ガスおよび酸化性ガスがそれぞれ供給されるガス流路を備えた一対のセパレータで挟持固定するとともに、この一対のセパレータの外周縁部相互間にシール材を配置した燃料電池において、前記シール材とセパレータとの間に、水分を吸収して膨潤する膨潤部材と、この膨潤部材の膨潤によって前記シール材を押圧する面圧伝達部材とを設けたことを特徴とする燃料電池。
セパレータと面圧伝達部材との間に形成した空間に、膨潤部材を収容したことを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
空間とガス流路とを連通する内部連通路を設けたことを特徴とする請求項２記載の燃料電池。
空間は、セパレータのシール材に対向する面に形成した凹部で構成されていることを特徴とする請求項２または３記載の燃料電池。