JP4031681B2

JP4031681B2 - 燃料電池

Info

Publication number: JP4031681B2
Application number: JP2002247376A
Authority: JP
Inventors: 健太郎名越; 敬祐安藤; 英明菊池
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2002-08-27
Filing date: 2002-08-27
Publication date: 2008-01-09
Anticipated expiration: 2022-08-27
Also published as: JP2004087318A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電解質膜の両側にそれぞれ電極を設けた電解質膜・電極構造体と、セパレータとを積層する燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的に、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極およびカソード側電極を対設した電解質膜・電極構造体を、セパレータによって挟持することにより構成されている。この種の燃料電池は、通常、電解質膜・電極構造体とセパレータとを所定数だけ交互に積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
この燃料電池において、アノード側電極に供給された燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう）は、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。なお、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう）が供給されているために、このカソード側電極において、水素イオン、電子および酸素が反応して水が生成される。
【０００４】
この場合、アノード側電極およびカソード側電極は、通常、多孔質カーボン部材からなるガス拡散層と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布された電極触媒層とをそれぞれ有している。その際、ガス拡散層の電極触媒層への反応ガスの拡散特性を向上させるために、例えば、特許第３２１１２７８号公報に開示された高分子電解質型燃料電池が知られている。
【０００５】
この従来技術では、高分子電解質膜、該高分子電解質膜の両側を挟むように配置された、触媒を担持したカーボン多孔質体、該カーボン多孔質体の外側に配置された、少なくとも一部が撥水処理された発泡金属、および該発泡金属の外側に配置されたバルクの電極を有している。
【０００６】
このように構成される従来技術では、発泡金属を介してカーボン多孔質体の触媒層への反応ガスの拡散特性を向上させることができるとともに、前記カーボン多孔質体内部に生成された水を発泡金属を通じて円滑に排出させることができる、としている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、この種の燃料電池は、通常、図９に示すように、電解質膜・電極構造体１を一対のセパレータ２ａ、２ｂで挟持することにより構成されている。電解質膜・電極構造体１は、高分子電解質膜３の両側をアノード側電極４およびカソード側電極５で挟むようにして設けられている。セパレータ２ａには、アノード側電極４に燃料ガスを供給するための燃料ガス流路６が形成されている一方、セパレータ２ｂには、カソード側電極５に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路７が形成されている。
【０００８】
しかしながら、上記の構成では、燃料ガス流路６および酸化剤ガス流路７を設けるために、セパレータ２ａ、２ｂに溝加工を施したり、前記セパレータ２ａ、２ｂを金属板で構成してプレス成形処理を施したり、アノード側電極４およびカソード側電極５を構成する拡散層に溝加工を施したりする必要がある。このため、燃料電池全体の製造コストが高騰するとともに、積層方向（矢印Ｘ方向）の寸法が長尺化してしまう。特に、複数の燃料電池を矢印Ｘ方向に積層して燃料電池スタックを構成する際に、この燃料電池スタック全体の積層方向の寸法が相当に長尺化してしまうという問題が指摘されている。
【０００９】
また、上記の燃料電池スタックでは、通常、酸化剤ガスや燃料ガス等の反応ガスを積層方向に供給および排出するための反応ガス連通孔が設けられて、内部マニホールドを構成している。これにより、反応ガス連通孔からのガス漏れを確実に阻止するためにシール構造が必要となっており、この種のシール構造が複雑化して経済的ではないという問題がある。
【００１０】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単かつ経済的な構成で、反応ガス流路を確実に形成するとともに、容易に小型化を図ることが可能な燃料電池を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係る燃料電池では、電解質膜または電解質膜・電極構造体に接触する拡散部材を備える。ここで、拡散部材に電極が設けられて拡散電極を構成している場合、前記拡散部材が電解質膜に接触する一方、前記電解質膜に前記電極が設けられて電解質膜・電極構造体を構成している場合、前記拡散部材が前記電解質膜・電極構造体に接触する。そして、拡散部材が、金属材料製の発泡体と、前記発泡体内に組み込まれ、互いに平行しかつ千鳥状に配置されることによって、該発泡体内に電極に沿って反応ガスを流すための蛇行する反応ガス流路を形成する複数の樹脂製流路壁とを設けている。
【００１３】
従って、発泡体内に反応ガス流路が直接形成されるため、セパレータまたは拡散部材に流路用溝部を形成する必要がなく、燃料電池全体の製造コストを有効に削減するとともに、容易に小型化することができる。さらに、金属板製セパレータを用いる際には、プレス加工が不要になり、反応ガス流路の設計の自由度が向上するとともに、前記セパレータを可及的に薄肉化することが可能になる。しかも、セパレータが電解質膜・電極構造体に面接触で積層されるため、厚み方向の電気抵抗の低減と耐衝撃性の向上とが図られる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池１０の要部分解斜視図であり、図２は、前記燃料電池１０の要部断面図である。
【００２０】
燃料電池１０は、電解質膜・電極構造体１２と、前記電解質膜・電極構造体１２を挟持する第１および第２金属板製セパレータ１４、１６とを備える。電解質膜・電極構造体１２と第１および第２金属板製セパレータ１４、１６との間には、後述する連通孔の周囲および電極面（発電面）の外周を覆って、ガスケット等のシール部材１８が介装されている。
【００２１】
燃料電池１０の矢印Ｂ方向の一端縁部には、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔２０ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔２２ｂ、および燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔２４ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。
【００２２】
燃料電池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、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔２４ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔２２ａ、および酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔２０ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。
【００２３】
電解質膜・電極構造体１２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てなる固体高分子電解質膜２６と、該固体高分子電解質膜２６を挟持するアノード側電極２８およびカソード側電極３０とを備える。
【００２４】
アノード側電極２８およびカソード側電極３０は、図２に示すように、ガス拡散層（拡散部材）３２ａ、３２ｂと、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子を前記ガス拡散層３２ａ、３２ｂの表面に一様に塗布した電極触媒層３４ａ、３４ｂとをそれぞれ有する。電極触媒層３４ａ、３４ｂは、互いに固体高分子電解質膜２６を介装して対向するように、前記固体高分子電解質膜２６の両面に接合されている。
【００２５】
ガス拡散層３２ａは、例えば、良導電性で水分による錆の発生がなく、強酸性下で腐食のないステンレス、チタンまたはニッケル等の金属材料製の発泡体で形成されており、この発泡体内には、熱可塑性樹脂または熱硬化性樹脂である樹脂製流路壁３６ａ、３６ｂ、３６ｃおよび３６ｄが含浸によって形成されている。図１に示すように、樹脂製流路壁３６ａ〜３６ｄは、ガス拡散層３２ａの内部でそれぞれ矢印Ｂ方向に延在し、かつ、千鳥状に配置されており、ガス拡散層３２ａ内には、前記樹脂製流路壁３６ａ〜３６ｄを介して蛇行する燃料ガス流路３８が形成される。この燃料ガス流路３８は、燃料ガス供給連通孔２４ａと燃料ガス排出連通孔２４ｂとに連通している。
【００２６】
図２および図３に示すように、ガス拡散層３２ｂは、例えば、上記のガス拡散層３２ａと同様の金属材料製の発泡体で形成されており、この発泡体内には、樹脂製流路壁４０ａ、４０ｂ、４０ｃおよび４０ｄが含浸によって形成されている。樹脂製流路壁４０ａ〜４０ｄは、矢印Ｂ方向に延在し、かつ、互いに千鳥状に配置されており、ガス拡散層３２ｂ内には、蛇行する酸化剤ガス流路４２が形成される。この酸化剤ガス流路４２は、酸化剤ガス供給連通孔２０ａと酸化剤ガス排出連通孔２０ｂとに連通している。
【００２７】
図１に示すように、シール部材１８の中央部には、アノード側電極２８およびカソード側電極３０に対応して開口部４４が形成されている。なお、図示していないが、例えば、燃料電池１０を積層する際には、互いに隣接する燃料電池１０間に冷却媒体を供給するための冷却媒体流路が設けられる。この冷却媒体流路は、冷却媒体供給連通孔２２ａと冷却媒体排出連通孔２２ｂとに連通している。
【００２８】
このように構成される燃料電池１０の動作について、以下に説明する。
【００２９】
図１に示すように、燃料ガス供給連通孔２４ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤ガス供給連通孔２０ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給される。
【００３０】
燃料ガスは、電解質膜・電極構造体１２の燃料ガス供給連通孔２４ａからアノード側電極２８に供給される。このアノード側電極２８では、発泡体で形成されたガス拡散層３２ａ内に樹脂製流路壁３６ａ〜３６ｄを介して燃料ガス流路３８が形成されている。このため、燃料ガスは、燃料ガス流路３８に沿ってガス拡散層３２ａの内部を蛇行しながら、電極触媒層３４ａの面方向に移動する。
【００３１】
一方、酸化剤ガスは、電解質膜・電極構造体１２の酸化剤ガス供給連通孔２０ａからカソード側電極３０に供給される。このカソード側電極３０では、図３に示すように、発泡体で形成されたガス拡散層３２ｂ内に樹脂製流路壁４０ａ〜４０ｄを介して酸化剤ガス流路４２が形成されている。従って、酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路４２に沿ってガス拡散層３２ｂの内部を蛇行しながら、電極触媒層３４ｂの面方向に移動する。
【００３２】
これにより、電解質膜・電極構造体１２では、カソード側電極３０に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極２８に供給される燃料ガスとが、電極触媒層３４ｂ内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。
【００３３】
次いで、アノード側電極２８に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔２４ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。同様に、カソード側電極３０に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔２０ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。
【００３４】
この場合、第１の実施形態では、アノード側電極２８およびカソード側電極３０を構成するガス拡散層３２ａ、３２ｂが、金属材料製の発泡体で形成されており、この発泡体内には、樹脂含浸によって樹脂製流路壁３６ａ〜３６ｄおよび４０ａ〜４０ｄが設けられている。このため、ガス拡散層３２ａ、３２ｂの内部には、樹脂製流路壁３６ａ〜３６ｄおよび４０ａ〜４０ｄに仕切られて、それぞれ蛇行する燃料ガス流路３８および酸化剤ガス流路４２が直接形成されている。
【００３５】
従って、第１および第２金属板製セパレータ１４、１６またはガス拡散層３２ａ、３２ｂに、反応ガス流路用の溝部を形成する必要がなく、燃料電池１０全体の製造コストを有効に削減することができる。しかも、第１および第２金属板製セパレータ１４、１６に溝部をプレス加工により設ける必要がなく、プレス型のコスト削減を図るとともに、前記第１および第２金属板製セパレータ１４、１６を可及的に薄肉化することが可能になる。これにより、燃料電池１０全体の積層方向の寸法を大幅に短尺化することができるという効果が得られる。
【００３６】
さらに、第１および第２金属板製セパレータ１４、１６のプレス加工が不要になることにより、燃料ガス流路３８および酸化剤ガス流路４２の設計の自由度が向上する。
【００３７】
さらにまた、第１および第２金属板製セパレータ１４、１６が平板状に構成されており、反応ガス流路を構成するために凹凸形状を有する従来の金属板製セパレータに比べ、外力の作用時に面圧上昇を有効に低減するとともに、厚み方向の電気抵抗の低減を図ることが可能になる。
【００３８】
すなわち、図４には、通常の凹凸形状を有する金属板製セパレータとカーボンペーパ（従来例）との接触による厚み方向の電気抵抗の面圧に対する関係と、第１の実施形態の金属板製セパレータ１４、１６と金属材料製の発泡体との接触による厚み方向の電気抵抗の面圧に対する関係が、それぞれ示されている。この図４から明らかなように、第１の実施形態では、従来例に比べて厚み方向の電気抵抗が大幅に低減するという利点が得られる。
【００３９】
また、第１の実施形態では、樹脂製流路壁３６ａ〜３６ｄおよび４０ａ〜４０ｄが、樹脂含浸によってガス拡散層３２ａ、３２ｂを構成する発泡体内に形成されている。このため、種々の形状の燃料ガス流路３８および酸化剤ガス流路４２を、容易かつ確実に形成することができる。
【００４０】
なお、図５に示すように、ガス拡散層３２ａ、３２ｂを構成する発泡体に所定の開口部４６を設けておき、前記開口部４６に予め成形された樹脂製流路壁３６ａ〜３６ｄおよび４０ａ〜４０ｄを挿入して固定するようにしてもよい。
【００４１】
また、第１の実施形態の比較例として、例えば、図６に示すように、ランダム流れの燃料ガス流路３８ａおよび酸化剤ガス流路４２ａが挙げられる。その際、燃料ガス流路３８ａおよび酸化剤ガス流路４２ａは、ガス拡散層３２ａ、３２ｂを構成する発泡体内に含浸または挿入され、種々の方向に延在する複数本の樹脂製流路壁４８、５０によって構成されている。
【００４３】
図７は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池６０の要部分解斜視図であり、図８は、前記燃料電池６０の要部断面図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池１０と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００４４】
燃料電池６０は、電解質膜・電極構造体６２を備え、この電解質膜・電極構造体６２は、図８に示すように、アノード側電極２８およびカソード側電極３０を構成するガス拡散層６３ａ、６３ｂを設ける。ガス拡散層６３ａ、６３ｂは、固体高分子電解質膜２６と平面形状にて略同一寸法に限定されており、このガス拡散層６３ａ、６３ｂの外周縁部に樹脂含浸あるいは後付けによって樹脂製流路壁６４ａ〜６４ｆが設けられる。
【００４５】
樹脂製流路壁６４ａ〜６４ｆは、略リング状に構成されており、これらの内部に発泡体を介して酸化剤ガス供給連通孔２０ａ、冷却媒体排出連通孔２２ｂ、燃料ガス排出連通孔２４ｂ、燃料ガス供給連通孔２４ａ、冷却媒体供給連通孔２２ａおよび酸化剤ガス排出連通孔２０ｂが形成される。
【００４６】
樹脂製流路壁６４ａ〜６４ｆには、必要に応じて反応ガス連通孔用シールを構成する樹脂製シール部６６が、例えば、コインジェクション成形（二色成形）により成形される。
【００４７】
アノード側電極２８およびカソード側電極３０の内部には、燃料ガス流路３８および酸化剤ガス流路４２の範囲を規制するために樹脂製流路壁６８、７０が組み込まれている。
【００４８】
このように構成される燃料電池６０では、樹脂製シール部６６を組み込むだけで、燃料ガスおよび酸化剤ガスの漏れを確実に阻止して良好なシール機能を有することができ、シール構造の簡素化を図ることが可能になる。しかも、個別にシール構造を設けるものに比べて、位置合わせ作業等が不要になり、燃料電池６０全体の組み立て作業性が一挙に向上するという効果が得られる。
【００４９】
なお、第２の実施形態では、樹脂製流路壁６４ａ〜６４ｆに、必要に応じて樹脂製シール部６６をコインジェクション成形しているが、これに代替して、樹脂製シール部６６を、直接、発泡体内に含浸または取り付けによって組み込むことにより、酸化剤ガス供給連通孔２０ａ等の反応ガス連通孔を形成することも可能である。
【００５０】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池では、発泡体内に反応ガス流路が直接形成されるため、セパレータまたは拡散部材に流路用溝部を形成する必要がなく、燃料電池全体の製造コストを有効に削減するとともに、容易に小型化することができる。さらに、金属板製セパレータを用いる際には、プレス加工が不要になり、反応ガス流路の設計の自由度が向上するとともに、セパレータ材料を可及的に薄肉化することが可能になる。しかも、セパレータが電解質膜・電極構造体に面接触で積層されるため、厚み方向の電気抵抗の低減が図られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視図である。
【図２】前記燃料電池の要部断面図である。
【図３】前記燃料電池を構成する電解質膜・電極構造体の正面説明図である。
【図４】従来例と第１の実施形態とにおける面圧と厚み方向の電気抵抗との関係説明図である。
【図５】樹脂製流路壁を発泡体内に別体として組み込む際の説明図である。
【図６】前記樹脂製流路壁をランダムに配置した際の前記電解質膜・電極構造体の正面説明図である。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視図である。
【図８】前記燃料電池の要部断面図である。
【図９】従来技術に係る燃料電池の一部断面説明図である。
【符号の説明】
１０、６０…燃料電池１２、６２…電解質膜・電極構造体
１４、１６…金属板製セパレータ２６…固体高分子電解質膜
２８…アノード側電極３０…カソード側電極
３２ａ、３２ｂ…ガス拡散層３４ａ、３４ｂ…電極触媒層
３６ａ〜３６ｄ、４０ａ〜４０ｄ、４８、５０、６４ａ〜６４ｆ、６８、７０…樹脂製流路壁
３８、３８ａ…燃料ガス流路４２、４２ａ…酸化剤ガス流路
６６…樹脂製シール部

Claims

電解質膜の両側にそれぞれ電極を設けた電解質膜・電極構造体と、セパレータとを積層する燃料電池であって、
前記電解質膜または前記電解質膜・電極構造体に接触する拡散部材を備え、
前記拡散部材は、金属材料製の発泡体と、
前記発泡体内に組み込まれ、互いに平行しかつ千鳥状に配置されることによって、該発泡体内に前記電極に沿って反応ガスを流すための蛇行する反応ガス流路を形成する複数の樹脂製流路壁と、
を設けることを特徴とする燃料電池。
請求項１記載の燃料電池において、前記発泡体内に組み込まれ、積層方向に反応ガスを流すための反応ガス連通孔を形成する樹脂製流路壁と、
を設けることを特徴とする燃料電池。
請求項１または２記載の燃料電池において、前記樹脂製流路壁は、前記発泡体に樹脂を含浸させて構成されることを特徴とする燃料電池。
請求項１記載の燃料電池において、前記発泡体内に組み込まれ、積層方向に反応ガスを流すための反応ガス連通孔と前記反応ガス連通孔用シールとを一体的に形成する樹脂製シール部と、
を設けることを特徴とする燃料電池。
請求項４記載の燃料電池において、前記樹脂製シール部は、前記発泡体に樹脂を含浸させて構成されることを特徴とする燃料電池。
請求項４又は５記載の燃料電池において、前記樹脂製シール部は、２種類の樹脂により構成されることを特徴とする燃料電池。