JP4340413B2 - 高分子電解質型燃料電池 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ポータブル電源、電気自動車用電源、家庭内コージェネレーションシステム等に使用される固体高分子電解質を用いた燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子電解質を用いた燃料電池は、水素を含有する燃料ガスと空気など酸素を含有する酸化剤ガスとを電気化学的に反応させることで、電力と熱とを同時に発生させるものである。この燃料電池の基本的な構成要素は、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜、および高分子電解質の両面に接合された一対の電極である。電極は、白金族金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする触媒層およびその外面に形成された通気性と電子導電性を併せ持つ拡散層からなる。
この他、供給する燃料ガスおよび酸化剤ガスが外にリークしたり、両者が互いに混合したりしないように、電極の周囲には高分子電解質膜を挟んでガスシール材やガスケットが配置される。このシール材やガスケットは、電極及び高分子電解質膜と一体化してあらかじめ組み立てられる。これを、電解質膜・電極接合体（ＭＥＡ）と呼ぶ。ＭＥＡの外側には、これを機械的に固定するとともに、隣接するＭＥＡを互いに電気的に直列に接続するための導電性のセパレータ板が配置される。セパレータ板のＭＥＡと接触する部分には、電極面に反応ガスを供給し、生成ガスや余剰ガスを運び去るためのガス流路が形成される。ガス流路はセパレータ板と別に設けることもできるが、セパレータ板の表面に溝を設けてガス流路とする方式が一般的である。
【０００３】
この溝にガスを供給するためには、ガスを供給する配管を、使用するセパレータ板の枚数に分岐し、その分岐先を直接セパレータ板の溝につなぎ込む配管治具が必要となる。この治具をマニホールドと呼び、上記のようなガスの供給配管から直接つなぎ込むタイプを外部マニホールドと呼ぶ。このマニホールドには、構造をより簡単にした内部マニホールドと呼ぶ形式のものがある。内部マニホールドとは、ガス流路を形成したセパレータ板に、貫通した孔を設け、ガス流路の出入り口をこの孔まで通し、この孔から直接ガスを供給するものである。
燃料電池は運転中に発熱するので、電池を良好な温度状態に維持するために、冷却水等で冷却する必要がある。通常、１〜３セル毎に冷却水を流す冷却部がセパレータ板とセパレータ板との間に挿入される。セパレータ板の背面に冷却水流路を設けて冷却部とする場合が多い。これらのＭＥＡとセパレータ板および冷却部を交互に重ねていき、１０〜２００セル積層した後、集電板と絶縁板を介して、端板でこれを挟み、締結ボルトで両端から固定するのが一般的な積層電池の構造である。
【０００４】
このような高分子電解質型燃料電池では、セパレータ板は導電性が高く、かつ気密性が高く、更に水素／酸素を酸化還元する際の反応に対して高い耐食性を持つ必要がある。このような理由で、セパレータ板は通常等方性黒鉛や膨張黒鉛などのカーボン材料で構成され、ガス流路もその表面での切削や、膨張黒鉛の場合は型による成型により作製される。
組み上がった燃料電池に燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却水を流し、その燃料電池全体での性能及び各単電池の性能を測定する。
【０００５】
セパレータ板とＭＥＡを積層した燃料電池においては、セパレータ板は、通常一方の面に燃料ガスの流路を有し、他方の面に冷却水の流路を有するアノード側セパレータ板、一方の面に酸化剤ガスの流路を有し、他方の面に冷却水の流路を有するカソード側セパレータ板、および一方の面に燃料ガスの流路を有し、他方の面に酸化剤ガスの流路を有するセパレータ板の３種類からなる。そして、前記のアノード側セパレータ板とカソード側セパレータ板とは、冷却水の流路を有する面側を向き合わせて接合し、両者間に冷却水を流す冷却部を構成する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、アノード側セパレータ板とカソード側セパレータ板の間に冷却水の流路を形成した場合、冷却水が外部へ漏れたり燃料ガスや酸化剤ガスのマニホールド孔へ漏れたりしないように、冷却水面に形成されたシール材塗布用の凹部にシール材を塗布し、あらかじめ貼り合わされていた。この凹部は、２枚のセパレータ板の周縁部間の空隙部で形成され、セパレータ板の端面に開放している。そのため、燃料電池運転時に冷却水の圧力によりシール材が凹部から押し出されて空洞ができ、冷却水が漏れる可能性があった。また、２枚のセパレータ板に位置決めの構造が無いため、セパレータ板貼り合わせ時に位置ずれが発生するという問題があった。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、水素イオン伝導性高分子電解質膜、前記水素イオン伝導性高分子電解質膜を挟むアノードおよびカソード、前記アノードに燃料ガスを供給するガス流路を有するアノード側導電性セパレータ板、前記カソードに酸化剤ガスを供給するガス流路を有するカソード側導電性セパレータ板、前記各導電性セパレータ板に共通に形成された燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却水の入り口側および出口側のマニホールド孔、並びに隣接するアノード側導電性セパレータ板とカソード側導電性セパレータ板の接触面に形成される冷却水の流路を含む冷却部を具備する高分子電解質型燃料電池であって、前記冷却部を構成するセパレータ板の少なくとも一方は、他方と対向する面において、前記冷却水の流路並びに冷却水の流路に連なる冷却水の入り口側および出口側のマニホールド孔を囲む位置に、シール材を充填する溝を有し、前記冷却部を構成するセパレータ板が、前記溝と連通し、セパレータ板の端面に開口する１または２以上の開放部を有することを特徴とする。
前記冷却部を構成するセパレータ板の少なくとも一方は、他方と対向する面において、前記燃料ガスおよび酸化剤ガスの入り口側および出口側の各マニホールド孔を囲む位置に、それぞれシール材を充填する溝を有し、前記溝にシール材が充填されているのが好ましい。
前記冷却部を構成する２枚一組のセパレータ板が、少なくとも一組の嵌合部を有するのが好ましい。
前記冷却部を構成する２枚一組のセパレータ板は、一方がシール材を充填する前記溝を有し、他方が前記溝内に収まる突部を有するのが好ましい。
【０００８】
また、本発明は、水素イオン伝導性高分子電解質膜、前記水素イオン伝導性高分子電解質膜を挟むアノードおよびカソード、前記アノードに燃料ガスを供給するガス流路を有するアノード側導電性セパレータ板、前記カソードに酸化剤ガスを供給するガス流路を有するカソード側導電性セパレータ板、前記各導電性セパレータ板に共通に形成された燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却水の入り口側および出口側のマニホールド孔、並びに隣接するアノード側導電性セパレータ板とカソード側導電性セパレータ板の接触面に形成される冷却水の流路を含む冷却部を具備する高分子電解質型燃料電池であって、前記冷却部を構成するセパレータ板の少なくとも一方は、他方と対向する面において、前記冷却水の流路並びに冷却水の流路に連なる冷却水の入り口側および出口側のマニホールド孔を囲む位置に、シール材を充填する溝を有し、前記冷却部を構成する２枚一組のセパレータ板が、冷却水の流路を有する主面と、この主面を囲み主面と段差のある周縁部を有し、一方のセパレータ板の前記周縁部に前記各マニホールド孔および冷却水の流路の外周を囲むシール材を充填する溝を有し、この溝にシール材が充填されたことを特徴とする。
前記冷却部を構成するセパレータ板の少なくとも一方は、他方と対向する面において、前記燃料ガスおよび酸化剤ガスの入り口側および出口側の各マニホールド孔を囲む位置に、それぞれシール材を充填する溝を有し、前記溝にシール材が充填されているのが好ましい。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明は、水素イオン伝導性高分子電解質膜、前記水素イオン伝導性高分子電解質膜を挟むアノードおよびカソード、前記アノードに燃料ガスを供給するガス流路を有するアノード側導電性セパレータ板、前記カソードに酸化剤ガスを供給するガス流路を有するカソード側導電性セパレータ板、前記各導電性セパレータ板に共通に形成された燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却水の入り口側および出口側のマニホールド孔、並びに隣接するアノード側導電性セパレータ板とカソード側導電性セパレータ板の接触面に形成される冷却水の流路を含む冷却部を具備する高分子電解質型燃料電池において、前記冷却部を構成するセパレータ板の少なくとも一方は、他方と対向する面において、前記冷却水の流路並びに冷却水の流路に連なる冷却水の入り口側および出口側のマニホールド孔を囲む位置に、シール材を充填する溝を有し、前記冷却部を構成するセパレータ板が、前記溝と連通し、セパレータ板の端面に開口する１または２以上の開放部を有することを特徴とする高分子電解質型燃料電池に関する。
前記溝に充填したシール材により前記冷却水の流路並びに冷却水の入り口側および出口側のマニホールド孔を流れる冷却水が当該セパレータ板間から漏洩するのを防止することができる。充填されたシール材の余剰分は、前記の開放部から外部へ逃げるので、シール材充填用の溝からセパレータ板間にシール材がはみ出し、冷却水の流路へ侵入したり２枚のセパレータ板の密着性を阻害したりすることがなくなる。
【００１０】
本発明の好ましい形態において、前記冷却部を構成するセパレータ板の少なくとも一方は、他方と対向する面において、前記燃料ガスおよび酸化剤ガスの入り口側および出口側の各マニホールド孔を囲む位置に、それぞれシール材を充填する溝を有し、前記溝にシール材が充填されている。
【００１１】
本発明の他の好ましい形態において、前記冷却部を構成する２枚一組のセパレータ板が、少なくとも一組の嵌合部を有する。これにより２枚のセパレータ板の位置決めができる。
本発明の他の好ましい形態において、前記冷却部を構成する２枚一組のセパレータ板は、一方がシール材を充填する前記溝を有し、他方が前記溝内に収まる突部を有する。
また、本発明は、水素イオン伝導性高分子電解質膜、前記水素イオン伝導性高分子電解質膜を挟むアノードおよびカソード、前記アノードに燃料ガスを供給するガス流路を有するアノード側導電性セパレータ板、前記カソードに酸化剤ガスを供給するガス流路を有するカソード側導電性セパレータ板、前記各導電性セパレータ板に共通に形成された燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却水の入り口側および出口側のマニホールド孔、並びに隣接するアノード側導電性セパレータ板とカソード側導電性セパレータ板の接触面に形成される冷却水の流路を含む冷却部を具備する高分子電解質型燃料電池において、前記冷却部を構成するセパレータ板の少なくとも一方は、他方と対向する面において、前記冷却水の流路並びに冷却水の流路に連なる冷却水の入り口側および出口側のマニホールド孔を囲む位置に、シール材を充填する溝を有し、前記冷却部を構成する２枚一組のセパレータ板が、冷却水の流路を有する主面と、この主面を囲み主面と段差のある周縁部を有し、一方のセパレータ板の前記周縁部に前記各マニホールド孔および冷却水の流路の外周を囲むシール材を充填する溝を有し、この溝にシール材が充填されていることを特徴とする。シール材の充填された溝の部分と冷却水の流路を有する部分とは段差があるから、その段差部が冷却水の圧力により溝から抜け出すのを防止する。さらに、段差部の嵌合関係により、両セパレータ板の位置決めが容易となる。
【００１２】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。
《実施の形態１》
図１は高分子電解質膜、この高分子電解質膜を挟むアノードおよびカソード、並びに高分子電解質膜の周縁部を支持するガスケットからなる電解質膜・電極接合体（ＭＥＡ）１を示す。図１はアノード２側から見た斜視図である。ガスケット５は、各々一対の燃料ガスのマニホールド孔６、酸化剤ガスのマニホールド孔７、および冷却水のマニホールド孔８を有する。これらのマニホールド孔は、一方が入り口側、他方が出口側である。
図２および図３はアノード側導電性セパレータ１０を示し、図４および図５はカソード側導電性セパレータを示す。アノード側導電性セパレータ１０は、各々一対の燃料ガスのマニホールド孔１６、酸化剤ガスのマニホールド孔１７、および冷却水のマニホールド孔１８を有する。セパレータ板１０は、ＭＥＡのアノードと対向する面側に、一対のマニホールド孔１６を連結する燃料ガスの流路１２を有し、背面には、一対のマニホールド孔１８を連結する冷却水の流路１５を有する。カソード側の導電性セパレータ板２０は、各々一対の燃料ガスのマニホールド孔２６、酸化剤ガスのマニホールド孔２７、および冷却水のマニホールド孔２８を有する。セパレータ板２０は、ＭＥＡのカソードと対向する面側に、一対のマニホールド孔２７を連結する酸化剤ガスの流路２３を有し、背面には、一対のマニホールド孔２８を連結する冷却水の流路２５を有する。
【００１３】
アノード側セパレータ板１０は、冷却水の流路を有する面には、冷却水の流路１５、およびこの流路１５に連なるマニホールド孔１８を囲む位置に、シール材を充填するための溝１１を有している。図示の例では、さらに、前記の溝１１と共働して燃料ガスのマニホールド孔１６および酸化剤ガスのマニホールド孔１７をそれぞれ囲むための溝１４および１３を有する。カソード側セパレータ板２０は、冷却水の流路を有する面には、冷却水の流路２５、およびこの流路２５に連なるマニホールド孔２８を囲む位置に、シール材を充填するための溝２１を有している。図示の例では、さらに、前記の溝２１と共働して燃料ガスのマニホールド孔２６および酸化剤ガスのマニホールド孔２７をそれぞれ囲むための溝２４および２２を有する。
【００１４】
上記のセパレータ板１０および２０をそれらの冷却水の流路を有する面を向き合わせて組み合わせることにより、冷却部を有する２枚一組のセパレータ板が構成される。ＭＥＡを複数積層して積層電池を構成するには、通常前記の冷却部を有する２枚一組のセパレータ板の他に、一方の面に燃料ガスの流路を有し、他方の面に酸化剤ガスの流路を有するセパレータ板が用いられる。このセパレータ板は、アノードに対向する面側は図２、カソードに対向する面は図４にそれぞれ示されるセパレータ板と同様の構造を有する。このセパレータ板を３０で表す。
【００１５】
図６は上記のＭＥＡ１に対して上記の２枚一組のセパレータ板およびセパレータ板３０を交互に組み合わせて構成した燃料電池積層体の要部を断面にして示している。２セル毎に冷却部が設けられている。セパレータ板１０および２０の各々の冷却水の流路１５および２５が合体された冷却水の流路を形成している。このように２枚一組のセパレータ板で冷却水の流路を形成する際、一方のセパレータ板の流路１５または２５を省略しても良い。
【００１６】
セパレータ板１０と２０とを組み合わせたセパレータ板の図３のｗ−ｗ'に相当する部分で切った断面図を図７に示している。セパレータ板１０および２０の各々の冷却水の流路を囲む溝１１および２１が合体された空隙部には、シール材が充填され、これにより、冷却水のマニホールド孔から前記の冷却水の流路をとおり他方のマニホールド孔に流れる冷却水がセパレータ板の外側およびガスのマニホールド孔へ漏れるのを防止することができる。シール材を充填するための溝１１および２１は、一方を省略しても良い。
上記のシール材を充填するための溝１１および２１は、ガスのマニホールド孔を囲む溝１３、１４および２２、２４と連通している。そして、これらの溝は、セパレータ板１０および２０を組み合わせた状態では、閉ループを形成しているので、充填されたシール材の余剰分は、これらの溝からはみ出すこととなる。そこで、図８に２９で示すように、これらの溝と連通し、セパレータ板の端面に開口する１または２以上の開放部を設ける。充填されたシール材の余剰分は、前記の開放部から外部へ逃げるので、シール材充填用の溝からセパレータ板間にシール材がはみ出し、冷却水の流路へ侵入したり２枚のセパレータ板の密着性を阻害したりすることがなくなる。
【００１７】
《実施の形態２》
本実施の形態におけるアノード側セパレータ板１０Ａおよびカソード側セパレータ板２０Ａの冷却水の流路を有する面側から見た斜視図をそれぞれ図９および図１０に示す。カソード側セパレータ板２０Ａは、シール材を充填するための溝の部分以外は、実施の形態１のセパレータ板２０と同じ構造である。
セパレータ板２０Ａは、冷却水の流路および冷却水のマニホールド孔２８を囲む溝４１、燃料ガスのマニホールド孔２６を囲む溝４４および酸化剤ガスのマニホールド孔２７を囲む溝４２を有する点では、セパレータ板１０と同じである。しかし、これらの溝のなかで、溝４１のうち流路２５とマニホールド孔２６との間に位置する部分４１ａおよび流路２５とマニホールド孔２７との間に位置する部分４１ｂ、並びに部分４１ｂと連なりマニホールド孔２６および２７を囲む部分４２ａは、セパレータ板２０Ａの主面を構成する凸面４０に設けられているが、その他の部分は一段低くなった周縁部４９に設けられている。すなわち、シール材を充填するための溝のうち、冷却水の流路および３種のマニホールド孔を囲んでいる、セパレータ板の周縁部に位置する部分のみが一段低くなった周縁部に設けられている。
【００１８】
一方、セパレータ板２０Ａと組み合わされるセパレータ板１０Ａは、セパレータ板２０Ａの主面４０に対応する主面５０の周縁部５９が一段高く突出しており、この突出部分で、セパレータ板２０Ａの周縁部に位置する溝４１などを閉鎖する構成となっている。この模様は、セパレータ板１０Ａおよび２０Ａを組み合わせたものの図１０のｘ−ｘ'線に相当する部分で切った断面図を示す図１１から明らかであろう。このような構成にすると、両者は凹凸の嵌合によりしっかりと位置決めして組み合わせることができるから、セルの積層工程においてセパレータ板１０Ａおよび２０Ａの位置ずれなどを生じるおそれはない。この実施の形態において、溝４１などに、これらの溝と連通し、セパレータ板の端面に開口する１または２以上の開放部を設けるのが好ましい。
【００１９】
《実施の形態３》
本実施の形態におけるアノード側セパレータ板１０Ｂの冷却水の流路を有する面側から見た斜視図を図１３に示す。セパレータ板１０Ｂは、実施の形態１におけるセパレータ板１０の溝１１、１３および１４の代わりにリブ５１、５３および５４を設けた他はセパレータ板１０と同じ構造である。一方、このセパレータ板１０Ｂと組み合わされるカソード側セパレータ板は、実施の形態１におけるセパレータ板２０と同じ構成のものを用いる。これによって、セパレータ板１０Ｂのリブ５１、５３および５４が、セパレータ板２０の溝２１、２２および２４に勘合する。この模様は、図１３のｙ−ｙ'線に相当する部分で切った断面図を示す図１４および図１５から明らかであろう。溝２１などに、これらの溝と連通し、セパレータ板の端面に開口する１または２以上の開放部２９を設ける。
【００２０】
本発明によるセパレータ板は、例えば、等方性黒鉛材料よりなる２ｍｍ厚みの導電性カーボンシートを大きさ１３０ｍｍ×２１０ｍｍにカットし、その一方の面の中央部１００ｍｍ×９０ｍｍの領域に、幅約２ｍｍ、深さ約０．７ｍｍの溝を２．９ｍｍのピッチで切削加工により形成して酸化剤ガスの流路とする。また、燃料ガスの流路は、前記と同じ幅で、深さが約０．６ｍｍの溝をサーペンタイン形状で切削加工により形成する。冷却水の流路は、幅約２ｍｍ、深さ約０．８ｍｍの溝を５．８ｍｍのピッチでカソード側セパレータ板およびアノード側セパレータ板のそれぞれ対応する位置に切削加工により形成する。また、シール材を充填するための溝は、幅約２ｍｍ、深さ約１ｍｍで設ける。シール材としては、例えば、米国スリーボンド社より液状ガスケットの名で販売されているもの（Solventless Silicon & Sag Type #1211）が用いられる。
【００２１】
【発明の効果】
本発明によると、冷却部を構成する２枚のセパレータ板間のシール構造の信頼性が向上し、冷却水の圧力によりシール材が外側に飛び出したり、隣接するガスのマニホールド孔へ冷却水が漏れたりすることがなくなる。また、シール材塗布部に段差を設けた嵌合構造にすることで、貼り合わせる２枚のセパレータ板の位置固定を容易にすることができる。さらに、シール材を充填する溝にシール材の余剰分を逃がす開放部を設けることにより、冷却水の流路へのシール材の侵入などを防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の燃料電池の実施の形態１のＭＥＡの斜視図である。
【図２】 同燃料電池のアノード側セパレータ板の斜視図である。
【図３】 同セパレータ板を背面側から見た斜視図である。
【図４】 カソード側セパレータ板の斜視図である。
【図５】 同セパレータ板を背面側から見た斜視図である。
【図６】 セパレータ板とＭＥＡの積層体の要部の断面図である。
【図７】 冷却部を構成する２枚のセパレータ板の接合体を図３のｗ−ｗ'線で切った断面図である。
【図８】 冷却部を構成する２枚のセパレータ板の他の接合体を図３のｗ−ｗ'線に相当する部分で切った断面図である。
【図９】 本発明の実施の形態２の燃料電池のアノード側セパレータ板を背面から見た斜視図である。
【図１０】 カソード側セパレータ板を背面から見た斜視図である。
【図１１】 冷却部を構成する２枚のセパレータ板を図１０のｘ−ｘ'線で切った断面図である。
【図１２】 同セパレータ板を接合した状態の断面図である。
【図１３】 本発明の実施の形態３の燃料電池のアノード側セパレータ板を背面から見た斜視図である。
【図１４】 冷却部を構成する２枚のセパレータ板を図１３のｙ−ｙ'線で切った断面図である。
【図１５】 同セパレータ板を接合した状態の断面図である。
【符号の説明】
１ ＭＥＡ
２ アノード
５ ガスケット
６、１６、２６ 燃料ガスのマニホールド孔
７、１７、２７ 酸化剤ガスのマニホールド孔
８、１８、２８ 冷却水のマニホールド孔
１０ アノード側導電性セパレータ板
１１、１３、１４、２１、２２、２４ シール材を充填する溝
１５、２５ 冷却水の流路
２０ カソード側導電性セパレータ板
【発明の属する技術分野】
本発明は、ポータブル電源、電気自動車用電源、家庭内コージェネレーションシステム等に使用される固体高分子電解質を用いた燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子電解質を用いた燃料電池は、水素を含有する燃料ガスと空気など酸素を含有する酸化剤ガスとを電気化学的に反応させることで、電力と熱とを同時に発生させるものである。この燃料電池の基本的な構成要素は、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜、および高分子電解質の両面に接合された一対の電極である。電極は、白金族金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする触媒層およびその外面に形成された通気性と電子導電性を併せ持つ拡散層からなる。
この他、供給する燃料ガスおよび酸化剤ガスが外にリークしたり、両者が互いに混合したりしないように、電極の周囲には高分子電解質膜を挟んでガスシール材やガスケットが配置される。このシール材やガスケットは、電極及び高分子電解質膜と一体化してあらかじめ組み立てられる。これを、電解質膜・電極接合体（ＭＥＡ）と呼ぶ。ＭＥＡの外側には、これを機械的に固定するとともに、隣接するＭＥＡを互いに電気的に直列に接続するための導電性のセパレータ板が配置される。セパレータ板のＭＥＡと接触する部分には、電極面に反応ガスを供給し、生成ガスや余剰ガスを運び去るためのガス流路が形成される。ガス流路はセパレータ板と別に設けることもできるが、セパレータ板の表面に溝を設けてガス流路とする方式が一般的である。
【０００３】
この溝にガスを供給するためには、ガスを供給する配管を、使用するセパレータ板の枚数に分岐し、その分岐先を直接セパレータ板の溝につなぎ込む配管治具が必要となる。この治具をマニホールドと呼び、上記のようなガスの供給配管から直接つなぎ込むタイプを外部マニホールドと呼ぶ。このマニホールドには、構造をより簡単にした内部マニホールドと呼ぶ形式のものがある。内部マニホールドとは、ガス流路を形成したセパレータ板に、貫通した孔を設け、ガス流路の出入り口をこの孔まで通し、この孔から直接ガスを供給するものである。
燃料電池は運転中に発熱するので、電池を良好な温度状態に維持するために、冷却水等で冷却する必要がある。通常、１〜３セル毎に冷却水を流す冷却部がセパレータ板とセパレータ板との間に挿入される。セパレータ板の背面に冷却水流路を設けて冷却部とする場合が多い。これらのＭＥＡとセパレータ板および冷却部を交互に重ねていき、１０〜２００セル積層した後、集電板と絶縁板を介して、端板でこれを挟み、締結ボルトで両端から固定するのが一般的な積層電池の構造である。
【０００４】
このような高分子電解質型燃料電池では、セパレータ板は導電性が高く、かつ気密性が高く、更に水素／酸素を酸化還元する際の反応に対して高い耐食性を持つ必要がある。このような理由で、セパレータ板は通常等方性黒鉛や膨張黒鉛などのカーボン材料で構成され、ガス流路もその表面での切削や、膨張黒鉛の場合は型による成型により作製される。
組み上がった燃料電池に燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却水を流し、その燃料電池全体での性能及び各単電池の性能を測定する。
【０００５】
セパレータ板とＭＥＡを積層した燃料電池においては、セパレータ板は、通常一方の面に燃料ガスの流路を有し、他方の面に冷却水の流路を有するアノード側セパレータ板、一方の面に酸化剤ガスの流路を有し、他方の面に冷却水の流路を有するカソード側セパレータ板、および一方の面に燃料ガスの流路を有し、他方の面に酸化剤ガスの流路を有するセパレータ板の３種類からなる。そして、前記のアノード側セパレータ板とカソード側セパレータ板とは、冷却水の流路を有する面側を向き合わせて接合し、両者間に冷却水を流す冷却部を構成する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、アノード側セパレータ板とカソード側セパレータ板の間に冷却水の流路を形成した場合、冷却水が外部へ漏れたり燃料ガスや酸化剤ガスのマニホールド孔へ漏れたりしないように、冷却水面に形成されたシール材塗布用の凹部にシール材を塗布し、あらかじめ貼り合わされていた。この凹部は、２枚のセパレータ板の周縁部間の空隙部で形成され、セパレータ板の端面に開放している。そのため、燃料電池運転時に冷却水の圧力によりシール材が凹部から押し出されて空洞ができ、冷却水が漏れる可能性があった。また、２枚のセパレータ板に位置決めの構造が無いため、セパレータ板貼り合わせ時に位置ずれが発生するという問題があった。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、水素イオン伝導性高分子電解質膜、前記水素イオン伝導性高分子電解質膜を挟むアノードおよびカソード、前記アノードに燃料ガスを供給するガス流路を有するアノード側導電性セパレータ板、前記カソードに酸化剤ガスを供給するガス流路を有するカソード側導電性セパレータ板、前記各導電性セパレータ板に共通に形成された燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却水の入り口側および出口側のマニホールド孔、並びに隣接するアノード側導電性セパレータ板とカソード側導電性セパレータ板の接触面に形成される冷却水の流路を含む冷却部を具備する高分子電解質型燃料電池であって、前記冷却部を構成するセパレータ板の少なくとも一方は、他方と対向する面において、前記冷却水の流路並びに冷却水の流路に連なる冷却水の入り口側および出口側のマニホールド孔を囲む位置に、シール材を充填する溝を有し、前記冷却部を構成するセパレータ板が、前記溝と連通し、セパレータ板の端面に開口する１または２以上の開放部を有することを特徴とする。
前記冷却部を構成するセパレータ板の少なくとも一方は、他方と対向する面において、前記燃料ガスおよび酸化剤ガスの入り口側および出口側の各マニホールド孔を囲む位置に、それぞれシール材を充填する溝を有し、前記溝にシール材が充填されているのが好ましい。
前記冷却部を構成する２枚一組のセパレータ板が、少なくとも一組の嵌合部を有するのが好ましい。
前記冷却部を構成する２枚一組のセパレータ板は、一方がシール材を充填する前記溝を有し、他方が前記溝内に収まる突部を有するのが好ましい。
【０００８】
また、本発明は、水素イオン伝導性高分子電解質膜、前記水素イオン伝導性高分子電解質膜を挟むアノードおよびカソード、前記アノードに燃料ガスを供給するガス流路を有するアノード側導電性セパレータ板、前記カソードに酸化剤ガスを供給するガス流路を有するカソード側導電性セパレータ板、前記各導電性セパレータ板に共通に形成された燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却水の入り口側および出口側のマニホールド孔、並びに隣接するアノード側導電性セパレータ板とカソード側導電性セパレータ板の接触面に形成される冷却水の流路を含む冷却部を具備する高分子電解質型燃料電池であって、前記冷却部を構成するセパレータ板の少なくとも一方は、他方と対向する面において、前記冷却水の流路並びに冷却水の流路に連なる冷却水の入り口側および出口側のマニホールド孔を囲む位置に、シール材を充填する溝を有し、前記冷却部を構成する２枚一組のセパレータ板が、冷却水の流路を有する主面と、この主面を囲み主面と段差のある周縁部を有し、一方のセパレータ板の前記周縁部に前記各マニホールド孔および冷却水の流路の外周を囲むシール材を充填する溝を有し、この溝にシール材が充填されたことを特徴とする。
前記冷却部を構成するセパレータ板の少なくとも一方は、他方と対向する面において、前記燃料ガスおよび酸化剤ガスの入り口側および出口側の各マニホールド孔を囲む位置に、それぞれシール材を充填する溝を有し、前記溝にシール材が充填されているのが好ましい。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明は、水素イオン伝導性高分子電解質膜、前記水素イオン伝導性高分子電解質膜を挟むアノードおよびカソード、前記アノードに燃料ガスを供給するガス流路を有するアノード側導電性セパレータ板、前記カソードに酸化剤ガスを供給するガス流路を有するカソード側導電性セパレータ板、前記各導電性セパレータ板に共通に形成された燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却水の入り口側および出口側のマニホールド孔、並びに隣接するアノード側導電性セパレータ板とカソード側導電性セパレータ板の接触面に形成される冷却水の流路を含む冷却部を具備する高分子電解質型燃料電池において、前記冷却部を構成するセパレータ板の少なくとも一方は、他方と対向する面において、前記冷却水の流路並びに冷却水の流路に連なる冷却水の入り口側および出口側のマニホールド孔を囲む位置に、シール材を充填する溝を有し、前記冷却部を構成するセパレータ板が、前記溝と連通し、セパレータ板の端面に開口する１または２以上の開放部を有することを特徴とする高分子電解質型燃料電池に関する。
前記溝に充填したシール材により前記冷却水の流路並びに冷却水の入り口側および出口側のマニホールド孔を流れる冷却水が当該セパレータ板間から漏洩するのを防止することができる。充填されたシール材の余剰分は、前記の開放部から外部へ逃げるので、シール材充填用の溝からセパレータ板間にシール材がはみ出し、冷却水の流路へ侵入したり２枚のセパレータ板の密着性を阻害したりすることがなくなる。
【００１０】
本発明の好ましい形態において、前記冷却部を構成するセパレータ板の少なくとも一方は、他方と対向する面において、前記燃料ガスおよび酸化剤ガスの入り口側および出口側の各マニホールド孔を囲む位置に、それぞれシール材を充填する溝を有し、前記溝にシール材が充填されている。
【００１１】
本発明の他の好ましい形態において、前記冷却部を構成する２枚一組のセパレータ板が、少なくとも一組の嵌合部を有する。これにより２枚のセパレータ板の位置決めができる。
本発明の他の好ましい形態において、前記冷却部を構成する２枚一組のセパレータ板は、一方がシール材を充填する前記溝を有し、他方が前記溝内に収まる突部を有する。
また、本発明は、水素イオン伝導性高分子電解質膜、前記水素イオン伝導性高分子電解質膜を挟むアノードおよびカソード、前記アノードに燃料ガスを供給するガス流路を有するアノード側導電性セパレータ板、前記カソードに酸化剤ガスを供給するガス流路を有するカソード側導電性セパレータ板、前記各導電性セパレータ板に共通に形成された燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却水の入り口側および出口側のマニホールド孔、並びに隣接するアノード側導電性セパレータ板とカソード側導電性セパレータ板の接触面に形成される冷却水の流路を含む冷却部を具備する高分子電解質型燃料電池において、前記冷却部を構成するセパレータ板の少なくとも一方は、他方と対向する面において、前記冷却水の流路並びに冷却水の流路に連なる冷却水の入り口側および出口側のマニホールド孔を囲む位置に、シール材を充填する溝を有し、前記冷却部を構成する２枚一組のセパレータ板が、冷却水の流路を有する主面と、この主面を囲み主面と段差のある周縁部を有し、一方のセパレータ板の前記周縁部に前記各マニホールド孔および冷却水の流路の外周を囲むシール材を充填する溝を有し、この溝にシール材が充填されていることを特徴とする。シール材の充填された溝の部分と冷却水の流路を有する部分とは段差があるから、その段差部が冷却水の圧力により溝から抜け出すのを防止する。さらに、段差部の嵌合関係により、両セパレータ板の位置決めが容易となる。
【００１２】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。
《実施の形態１》
図１は高分子電解質膜、この高分子電解質膜を挟むアノードおよびカソード、並びに高分子電解質膜の周縁部を支持するガスケットからなる電解質膜・電極接合体（ＭＥＡ）１を示す。図１はアノード２側から見た斜視図である。ガスケット５は、各々一対の燃料ガスのマニホールド孔６、酸化剤ガスのマニホールド孔７、および冷却水のマニホールド孔８を有する。これらのマニホールド孔は、一方が入り口側、他方が出口側である。
図２および図３はアノード側導電性セパレータ１０を示し、図４および図５はカソード側導電性セパレータを示す。アノード側導電性セパレータ１０は、各々一対の燃料ガスのマニホールド孔１６、酸化剤ガスのマニホールド孔１７、および冷却水のマニホールド孔１８を有する。セパレータ板１０は、ＭＥＡのアノードと対向する面側に、一対のマニホールド孔１６を連結する燃料ガスの流路１２を有し、背面には、一対のマニホールド孔１８を連結する冷却水の流路１５を有する。カソード側の導電性セパレータ板２０は、各々一対の燃料ガスのマニホールド孔２６、酸化剤ガスのマニホールド孔２７、および冷却水のマニホールド孔２８を有する。セパレータ板２０は、ＭＥＡのカソードと対向する面側に、一対のマニホールド孔２７を連結する酸化剤ガスの流路２３を有し、背面には、一対のマニホールド孔２８を連結する冷却水の流路２５を有する。
【００１３】
アノード側セパレータ板１０は、冷却水の流路を有する面には、冷却水の流路１５、およびこの流路１５に連なるマニホールド孔１８を囲む位置に、シール材を充填するための溝１１を有している。図示の例では、さらに、前記の溝１１と共働して燃料ガスのマニホールド孔１６および酸化剤ガスのマニホールド孔１７をそれぞれ囲むための溝１４および１３を有する。カソード側セパレータ板２０は、冷却水の流路を有する面には、冷却水の流路２５、およびこの流路２５に連なるマニホールド孔２８を囲む位置に、シール材を充填するための溝２１を有している。図示の例では、さらに、前記の溝２１と共働して燃料ガスのマニホールド孔２６および酸化剤ガスのマニホールド孔２７をそれぞれ囲むための溝２４および２２を有する。
【００１４】
上記のセパレータ板１０および２０をそれらの冷却水の流路を有する面を向き合わせて組み合わせることにより、冷却部を有する２枚一組のセパレータ板が構成される。ＭＥＡを複数積層して積層電池を構成するには、通常前記の冷却部を有する２枚一組のセパレータ板の他に、一方の面に燃料ガスの流路を有し、他方の面に酸化剤ガスの流路を有するセパレータ板が用いられる。このセパレータ板は、アノードに対向する面側は図２、カソードに対向する面は図４にそれぞれ示されるセパレータ板と同様の構造を有する。このセパレータ板を３０で表す。
【００１５】
図６は上記のＭＥＡ１に対して上記の２枚一組のセパレータ板およびセパレータ板３０を交互に組み合わせて構成した燃料電池積層体の要部を断面にして示している。２セル毎に冷却部が設けられている。セパレータ板１０および２０の各々の冷却水の流路１５および２５が合体された冷却水の流路を形成している。このように２枚一組のセパレータ板で冷却水の流路を形成する際、一方のセパレータ板の流路１５または２５を省略しても良い。
【００１６】
セパレータ板１０と２０とを組み合わせたセパレータ板の図３のｗ−ｗ'に相当する部分で切った断面図を図７に示している。セパレータ板１０および２０の各々の冷却水の流路を囲む溝１１および２１が合体された空隙部には、シール材が充填され、これにより、冷却水のマニホールド孔から前記の冷却水の流路をとおり他方のマニホールド孔に流れる冷却水がセパレータ板の外側およびガスのマニホールド孔へ漏れるのを防止することができる。シール材を充填するための溝１１および２１は、一方を省略しても良い。
上記のシール材を充填するための溝１１および２１は、ガスのマニホールド孔を囲む溝１３、１４および２２、２４と連通している。そして、これらの溝は、セパレータ板１０および２０を組み合わせた状態では、閉ループを形成しているので、充填されたシール材の余剰分は、これらの溝からはみ出すこととなる。そこで、図８に２９で示すように、これらの溝と連通し、セパレータ板の端面に開口する１または２以上の開放部を設ける。充填されたシール材の余剰分は、前記の開放部から外部へ逃げるので、シール材充填用の溝からセパレータ板間にシール材がはみ出し、冷却水の流路へ侵入したり２枚のセパレータ板の密着性を阻害したりすることがなくなる。
【００１７】
《実施の形態２》
本実施の形態におけるアノード側セパレータ板１０Ａおよびカソード側セパレータ板２０Ａの冷却水の流路を有する面側から見た斜視図をそれぞれ図９および図１０に示す。カソード側セパレータ板２０Ａは、シール材を充填するための溝の部分以外は、実施の形態１のセパレータ板２０と同じ構造である。
セパレータ板２０Ａは、冷却水の流路および冷却水のマニホールド孔２８を囲む溝４１、燃料ガスのマニホールド孔２６を囲む溝４４および酸化剤ガスのマニホールド孔２７を囲む溝４２を有する点では、セパレータ板１０と同じである。しかし、これらの溝のなかで、溝４１のうち流路２５とマニホールド孔２６との間に位置する部分４１ａおよび流路２５とマニホールド孔２７との間に位置する部分４１ｂ、並びに部分４１ｂと連なりマニホールド孔２６および２７を囲む部分４２ａは、セパレータ板２０Ａの主面を構成する凸面４０に設けられているが、その他の部分は一段低くなった周縁部４９に設けられている。すなわち、シール材を充填するための溝のうち、冷却水の流路および３種のマニホールド孔を囲んでいる、セパレータ板の周縁部に位置する部分のみが一段低くなった周縁部に設けられている。
【００１８】
一方、セパレータ板２０Ａと組み合わされるセパレータ板１０Ａは、セパレータ板２０Ａの主面４０に対応する主面５０の周縁部５９が一段高く突出しており、この突出部分で、セパレータ板２０Ａの周縁部に位置する溝４１などを閉鎖する構成となっている。この模様は、セパレータ板１０Ａおよび２０Ａを組み合わせたものの図１０のｘ−ｘ'線に相当する部分で切った断面図を示す図１１から明らかであろう。このような構成にすると、両者は凹凸の嵌合によりしっかりと位置決めして組み合わせることができるから、セルの積層工程においてセパレータ板１０Ａおよび２０Ａの位置ずれなどを生じるおそれはない。この実施の形態において、溝４１などに、これらの溝と連通し、セパレータ板の端面に開口する１または２以上の開放部を設けるのが好ましい。
【００１９】
《実施の形態３》
本実施の形態におけるアノード側セパレータ板１０Ｂの冷却水の流路を有する面側から見た斜視図を図１３に示す。セパレータ板１０Ｂは、実施の形態１におけるセパレータ板１０の溝１１、１３および１４の代わりにリブ５１、５３および５４を設けた他はセパレータ板１０と同じ構造である。一方、このセパレータ板１０Ｂと組み合わされるカソード側セパレータ板は、実施の形態１におけるセパレータ板２０と同じ構成のものを用いる。これによって、セパレータ板１０Ｂのリブ５１、５３および５４が、セパレータ板２０の溝２１、２２および２４に勘合する。この模様は、図１３のｙ−ｙ'線に相当する部分で切った断面図を示す図１４および図１５から明らかであろう。溝２１などに、これらの溝と連通し、セパレータ板の端面に開口する１または２以上の開放部２９を設ける。
【００２０】
本発明によるセパレータ板は、例えば、等方性黒鉛材料よりなる２ｍｍ厚みの導電性カーボンシートを大きさ１３０ｍｍ×２１０ｍｍにカットし、その一方の面の中央部１００ｍｍ×９０ｍｍの領域に、幅約２ｍｍ、深さ約０．７ｍｍの溝を２．９ｍｍのピッチで切削加工により形成して酸化剤ガスの流路とする。また、燃料ガスの流路は、前記と同じ幅で、深さが約０．６ｍｍの溝をサーペンタイン形状で切削加工により形成する。冷却水の流路は、幅約２ｍｍ、深さ約０．８ｍｍの溝を５．８ｍｍのピッチでカソード側セパレータ板およびアノード側セパレータ板のそれぞれ対応する位置に切削加工により形成する。また、シール材を充填するための溝は、幅約２ｍｍ、深さ約１ｍｍで設ける。シール材としては、例えば、米国スリーボンド社より液状ガスケットの名で販売されているもの（Solventless Silicon & Sag Type #1211）が用いられる。
【００２１】
【発明の効果】
本発明によると、冷却部を構成する２枚のセパレータ板間のシール構造の信頼性が向上し、冷却水の圧力によりシール材が外側に飛び出したり、隣接するガスのマニホールド孔へ冷却水が漏れたりすることがなくなる。また、シール材塗布部に段差を設けた嵌合構造にすることで、貼り合わせる２枚のセパレータ板の位置固定を容易にすることができる。さらに、シール材を充填する溝にシール材の余剰分を逃がす開放部を設けることにより、冷却水の流路へのシール材の侵入などを防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の燃料電池の実施の形態１のＭＥＡの斜視図である。
【図２】 同燃料電池のアノード側セパレータ板の斜視図である。
【図３】 同セパレータ板を背面側から見た斜視図である。
【図４】 カソード側セパレータ板の斜視図である。
【図５】 同セパレータ板を背面側から見た斜視図である。
【図６】 セパレータ板とＭＥＡの積層体の要部の断面図である。
【図７】 冷却部を構成する２枚のセパレータ板の接合体を図３のｗ−ｗ'線で切った断面図である。
【図８】 冷却部を構成する２枚のセパレータ板の他の接合体を図３のｗ−ｗ'線に相当する部分で切った断面図である。
【図９】 本発明の実施の形態２の燃料電池のアノード側セパレータ板を背面から見た斜視図である。
【図１０】 カソード側セパレータ板を背面から見た斜視図である。
【図１１】 冷却部を構成する２枚のセパレータ板を図１０のｘ−ｘ'線で切った断面図である。
【図１２】 同セパレータ板を接合した状態の断面図である。
【図１３】 本発明の実施の形態３の燃料電池のアノード側セパレータ板を背面から見た斜視図である。
【図１４】 冷却部を構成する２枚のセパレータ板を図１３のｙ−ｙ'線で切った断面図である。
【図１５】 同セパレータ板を接合した状態の断面図である。
【符号の説明】
１ ＭＥＡ
２ アノード
５ ガスケット
６、１６、２６ 燃料ガスのマニホールド孔
７、１７、２７ 酸化剤ガスのマニホールド孔
８、１８、２８ 冷却水のマニホールド孔
１０ アノード側導電性セパレータ板
１１、１３、１４、２１、２２、２４ シール材を充填する溝
１５、２５ 冷却水の流路
２０ カソード側導電性セパレータ板
Claims (6)
- 水素イオン伝導性高分子電解質膜、前記水素イオン伝導性高分子電解質膜を挟むアノードおよびカソード、前記アノードに燃料ガスを供給するガス流路を有するアノード側導電性セパレータ板、前記カソードに酸化剤ガスを供給するガス流路を有するカソード側導電性セパレータ板、前記各導電性セパレータ板に共通に形成された燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却水の入り口側および出口側のマニホールド孔、並びに隣接するアノード側導電性セパレータ板とカソード側導電性セパレータ板の接触面に形成される冷却水の流路を含む冷却部を具備する高分子電解質型燃料電池であって、前記冷却部を構成するセパレータ板の少なくとも一方は、他方と対向する面において、前記冷却水の流路並びに冷却水の流路に連なる冷却水の入り口側および出口側のマニホールド孔を囲む位置に、シール材を充填する溝を有し、前記冷却部を構成するセパレータ板が、前記溝と連通し、セパレータ板の端面に開口する１または２以上の開放部を有することを特徴とする高分子電解質型燃料電池。
- 前記冷却部を構成するセパレータ板の少なくとも一方は、他方と対向する面において、前記燃料ガスおよび酸化剤ガスの入り口側および出口側の各マニホールド孔を囲む位置に、それぞれシール材を充填する溝を有し、前記溝にシール材が充填された請求項１記載の高分子電解質型燃料電池。
- 前記冷却部を構成する２枚一組のセパレータ板が、少なくとも一組の嵌合部を有する請求項１または２記載の高分子電解質型燃料電池。
- 前記冷却部を構成する２枚一組のセパレータ板は、一方がシール材を充填する前記溝を有し、他方が前記溝内に収まる突部を有する請求項１〜３のいずれかに記載の高分子電解質型燃料電池。
- 水素イオン伝導性高分子電解質膜、前記水素イオン伝導性高分子電解質膜を挟むアノードおよびカソード、前記アノードに燃料ガスを供給するガス流路を有するアノード側導電性セパレータ板、前記カソードに酸化剤ガスを供給するガス流路を有するカソード側導電性セパレータ板、前記各導電性セパレータ板に共通に形成された燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却水の入り口側および出口側のマニホールド孔、並びに隣接するアノード側導電性セパレータ板とカソード側導電性セパレータ板の接触面に形成される冷却水の流路を含む冷却部を具備する高分子電解質型燃料電池であって、前記冷却部を構成するセパレータ板の少なくとも一方は、他方と対向する面において、前記冷却水の流路並びに冷却水の流路に連なる冷却水の入り口側および出口側のマニホールド孔を囲む位置に、シール材を充填する溝を有し、前記冷却部を構成する２枚一組のセパレータ板が、冷却水の流路を有する主面と、この主面を囲み主面と段差のある周縁部を有し、一方のセパレータ板の前記周縁部に前記各マニホールド孔および冷却水の流路の外周を囲むシール材を充填する溝を有し、この溝にシール材が充填されたことを特徴とする高分子電解質型燃料電池。
- 前記冷却部を構成するセパレータ板の少なくとも一方は、他方と対向する面において、前記燃料ガスおよび酸化剤ガスの入り口側および出口側の各マニホールド孔を囲む位置に、それぞれシール材を充填する溝を有し、前記溝にシール材が充填された請求項５記載の高分子電解質型燃料電池。
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