JP4417136B2

JP4417136B2 - 燃料電池

Info

Publication number: JP4417136B2
Application number: JP2004050043A
Authority: JP
Inventors: 尊基中川; 貴博吉田; 広行田中; 高小阪
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2004-02-25
Filing date: 2004-02-25
Publication date: 2010-02-17
Anticipated expiration: 2024-02-25
Also published as: JP2005243356A

Description

本発明は、電解質膜の両側に一対の電極が設けられた電解質膜・電極構造体を、一対の金属セパレータで挟持するとともに、前記電解質膜・電極構造体と前記金属プレートとの積層方向に貫通して複数の反応ガス連通孔が形成される燃料電池に関する。

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜（電解質）を採用している。この電解質膜の両側にアノード側電極及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燃料電池が構成されている。アノード側電極及びカソード側電極は、それぞれカーボンを主体とする基材に貴金属系の電極触媒層を接合している。

この燃料電池において、アノード側電極には、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）が供給される一方、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。アノード側電極に供給された燃料ガスは、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質膜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は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。

上記の燃料電池では、燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却媒体を気密及び液密に保持するために、種々のシール構造が採用されている。例えば、特許文献１に開示された燃料電池は、図７に示すように、セパレータ１を備えており、このセパレータ１の左右両端上部には、反応ガス供給口（流体連通孔）２ａ及び反応ガス排出口（流体連通孔）２ｂが形成されている。

セパレータ１の左右両端下部には、他の反応ガス又は冷却媒体を流すための連通口（流体連通孔）３ａ、３ｂが形成されている。セパレータ１の面内には、反応ガスを図示しない電極に供給するための反応ガス流路（流体連通孔）４が設けられるとともに、前記反応ガス流路４は、反応ガス供給口２ａ及び反応ガス排出口２ｂに連通している。

セパレータ１には、シール部材５が設けられている。このシール部材５は、反応ガス流路４を囲繞する第１シール部５ａと、反応ガス供給口２ａ及び反応ガス排出口２ｂを囲繞する第２シール部５ｂと、連通口３ａ、３ｂを囲繞する第２シール部５ｃとを備えている。

特開２００３−１７０９１号公報（図２）

ところで、上記の特許文献１では、第２シール部５ｂ、５ｃの互いに近接する辺が、水平方向に互いに平行に延在している。このため、温度低下等に起因して第２シール部５ｂ、５ｃ間に結露が発生すると、前記第２シール部５ｂ、５ｃ間に結露水６が滞留し易い。従って、例えば、車載型燃料電池の運転走行時に、結露水６が他の部材に飛散してしまうという問題がある。

しかも、滞留している結露水６が、燃料電池の運転時に気化すると、前記燃料電池から放熱してしまう。これにより、燃料電池の発電温度が低下し、安定した発電制御が遂行されないという問題がある。

特に、セパレータ１の両端にそれぞれ３つの流体連通孔が設けられる場合には、第２シール部５ｂ、５ｃ間の距離が著しく狭くなる。このため、第２シール部５ｂ、５ｃ間での結露水６の滞留が顕著になり、前記結露水６の排水性を向上させることが望まれている。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単な構成で、シール部材に水が滞留することを確実に阻止し、排水性を良好に向上させて安定した発電制御が可能な燃料電池を提供することを目的とする。

本発明は、電解質膜の両側に一対の電極が設けられた電解質膜・電極構造体と、金属セパレータとが積層され、積層方向に貫通して複数の流体連通孔が形成されるとともに、入口側の前記流体連通孔と出口側の前記流体連通孔とに連通し且つ前記電解質膜・電極構造体の面方向に沿って流体を供給する流体供給路が形成される燃料電池である。

金属セパレータは、金属プレートの外周縁部を覆ってシール部材が一体化されている。シール部材は、流体供給路を囲繞する第１凸部と、流体連通孔を囲繞する第２凸部とを一体的に有するとともに、前記第２凸部は、前記第１凸部との連結部分から連続して前記金属セパレータの外側に向かって下方に傾斜する傾斜部を設けている。

また、流体連通孔は、燃料ガス入口連通孔、燃料ガス出口連通孔、酸化剤ガス入口連通孔、酸化剤ガス出口連通孔、冷却媒体入口連通孔及び冷却媒体出口連通孔を有し、これらが前記金属セパレータの左右両端に３つずつ振り分けられることが好ましい。

本発明では、第１凸部から離間する第２凸部に傾斜部が設けられるため、この傾斜部に対応してシール部材の開口部、例えば、隣接する第２凸部同士の間隙が拡大される。従って、第２凸部間に水分が付着すると、この水分は、前記第２凸部の外側角部から金属セパレータの外部に円滑に排出される。これにより、簡単な構成で、シール部材に水が滞留することを確実に阻止し、排水性を良好に向上させることができるとともに、安定した発電制御が遂行可能になる。

図１は、本発明に関連する燃料電池１０の要部分解斜視図であり、図２は、前記燃料電池１０の一部断面説明図である。なお、単一の燃料電池１０として使用することができる一方、複数の前記燃料電池１０を積層することにより、燃料電池スタックを構成してもよい。

燃料電池１０は、電解質膜・電極構造体１４と、前記電解質膜・電極構造体１４を挟持する第１及び第２金属セパレータ１６、１８とを備える。第１及び第２金属セパレータ１６、１８は、例えば、厚さが０．０５ｍｍ〜１．０ｍｍの薄板状金属製プレート、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、あるいはめっき処理鋼板や表面に防食処理を施した金属薄板等を用い、プレス成形により所望の形状に成形されている。

燃料電池１０の矢印Ｂ方向（図１中、水平方向）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と、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔２２ａと、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とが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。

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と、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔２２ｂと、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔２０ｂとが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。酸化剤ガス供給連通孔２０ａ、酸化剤ガス排出連通孔２０ｂ、燃料ガス供給連通孔２４ａ、燃料ガス排出連通孔２４ｂ、冷却媒体供給連通孔２２ａ及び冷却媒体排出連通孔２２ｂは、流体連通孔を構成する。

電解質膜・電極構造体１４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た固体高分子電解質膜２６と、該固体高分子電解質膜２６を挟持するカソード側電極２８及びアノード側電極３０とを備える。

カソード側電極２８及びアノード側電極３０は、図２に示すように、固体高分子電解質膜２６の両面に接合される電極触媒層３２ａ、３２ｂと、前記電極触媒層３２ａ、３２ｂに配設されるカーボンペーパー等からなるガス拡散層３４ａ、３４ｂとを有する。電極触媒層３２ａ、３２ｂは、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子をガス拡散層３４ａ、３４ｂの表面に一様に塗布している。

図１及び図３に示すように、第１金属セパレータ１６の電解質膜・電極構造体１４に向かう面１６ａには、酸化剤ガス供給連通孔２０ａと酸化剤ガス排出連通孔２０ｂとに連通する酸化剤ガス流路（流体供給路）３６が形成される。第１金属セパレータ１６の面１６ａとは反対の面１６ｂと第２金属セパレータ１８との間には、冷却媒体供給連通孔２２ａと冷却媒体排出連通孔２２ｂとに連通する冷却媒体流路（流体供給路）３８が形成される。酸化剤ガス流路３６と冷却媒体流路３８とは、第１金属セパレータ１６をプレス加工することによって表裏一体に形成される。

第１金属セパレータ１６の面１６ａ、１６ｂには、この第１金属セパレータ１６の外周端部を周回して、第１シール部材４０が焼き付けや射出成形等により一体化される。第１シール部材４０は、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン、又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材を使用する。

第１シール部材４０は、面１６ａにおいて、酸化剤ガス流路３６を囲繞する第１凸部４０ａと、酸化剤ガス供給連通孔２０ａ及び酸化剤ガス排出連通孔２０ｂを囲繞する第２凸部４０ｂ、４０ｃと、冷却媒体供給連通孔２２ａ及び冷却媒体排出連通孔２２ｂを囲繞する第２凸部４０ｄ、４０ｅと、燃料ガス供給連通孔２４ａ及び燃料ガス排出連通孔２４ｂを囲繞する第２凸部４０ｆ、４０ｇとを一体的に有する。第２凸部４０ｂ〜４０ｇは、平面視で略矩形状に形成される。

図３に示すように、第２凸部４０ｄ、４０ｅは、第１凸部４０ａとの連結部分から第１金属セパレータ１６の外側に離間する１つの外側角部に、下方に傾斜する傾斜部４２ａ、４２ｂを設ける。同様に、第２凸部４０ｃ、４０ｇは、第１凸部４０ａとの連結部分から第１金属セパレータ１６の外側に離間する１つの外側角部に、下方に傾斜する傾斜部４２ｃ、４２ｄを設ける。

図４に示すように、第２金属セパレータ１８の電解質膜・電極構造体１４に向かう面１８ａには、燃料ガス供給連通孔２４ａと燃料ガス排出連通孔２４ｂとを連通する燃料ガス流路（流体供給路）４４が形成される。

図１に示すように、第２金属セパレータ１８の面１８ａとは反対の面１８ｂと第１金属セパレータ１６との間には、冷却媒体供給連通孔２２ａと冷却媒体排出連通孔２２ｂとに連通する冷却媒体流路３８が形成される。燃料ガス流路４４と冷却媒体流路３８とは、第２金属セパレータ１８をプレス加工することによって表裏一体に形成される。

第２金属セパレータ１８の面１８ａ、１８ｂには、この第２金属セパレータ１８の外周端部を周回して、第２シール部材４６が焼き付けや射出成形等により一体化される。第２シール部材４６は、第１シール部材４０と同一の材料で構成されている。

第２シール部材４６は、図４に示すように、面１８ａにおいて、燃料ガス流路４４を囲繞する第１凸部４６ａと、燃料ガス供給連通孔２４ａ及び燃料ガス排出連通孔２４ｂを囲繞する第２凸部４６ｂ、４６ｃと、冷却媒体供給連通孔２２ａ及び冷却媒体排出連通孔２２ｂを囲繞する第２凸部４６ｄ、４６ｅと、酸化剤ガス供給連通孔２０ａ及び酸化剤ガス排出連通孔２０ｂを囲繞する第２凸部４６ｆ、４６ｇとを一体的に有する。第２凸部４６ｂ〜４６ｇは、平面視で略矩形状に形成される。

第２凸部４６ｄ、４６ｅは、第１凸部４６ａとの連結部分から第２金属セパレータ１８の外側に離間する１つの外側角部に、下方に傾斜する傾斜部４８ａ、４８ｂを設ける。同様に、第２凸部４６ｃ、４６ｇは、第１凸部４６ａとの連結部分から第２金属セパレータ１８の外側に離間する１つの外側角部に、下方に傾斜する傾斜部４８ｃ、４８ｄを設ける。

図１及び図５に示すように、第２シール部材４６は、面１８ｂにおいて、冷却媒体流路３８を囲繞する第１凸部４６ｈと、冷却媒体供給連通孔２２ａ及び冷却媒体排出連通孔２２ｂを囲繞する第２凸部４６ｉ、４６ｊと、酸化剤ガス供給連通孔２０ａ及び酸化剤ガス排出連通孔２０ｂを囲繞する第２凸部４６ｋ、４６ｌと、燃料ガス供給連通孔２４ａ及び燃料ガス排出連通孔２４ｂを囲繞する第２凸部４６ｍ、４６ｎとを一体的に有する。第２凸部４６ｉ〜４６ｎは、平面視で略矩形状の形成される。

第２凸部４６ｉは、第１凸部４６ｈとの連結部分から第２金属セパレータ１８の外側に離間する２つの外側角部に、下方及び上方に傾斜する傾斜部４８ｅ、４８ｆを設ける。同様に、第２凸部４６ｊは、第１凸部４６ｈとの連結部分から第２金属セパレータ１８の外側に離間する２つの外側角部に、下方及び上方に傾斜する傾斜部４８ｇ、４８ｈを設ける。

なお、第２凸部４６ｉ、４６ｊの１つの外側角部にのみ下方に傾斜部４８ｅ、４８ｇを設ける一方、第２凸部４６ｌ、４６ｎの１つの外側角部に下方に傾斜する傾斜部（図示せず）を設けてもよい。また、第２凸部４６ｋ〜４６ｍの任意の外側角部に傾斜部を設けてもよい。さらに、第２金属セパレータ１８の第２凸部４６ｂ〜４６ｇ及び第１金属セパレータ１６の第２凸部４０ｂ〜４０ｇにおいても、同様である。

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。

図１に示すように、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とともに、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。さらに、冷却媒体供給連通孔２２ａに純水やエチレングリコール等の冷却媒体が供給される。

酸化剤ガスは、図１及び図３に示すように、第１金属セパレータ１６に設けられている酸化剤ガス流路３６に導入され、電解質膜・電極構造体１４を構成するカソード側電極２８に沿って移動する。一方、燃料ガス供給連通孔２４ａに供給された燃料ガスは、図１及び図４に示すように、第２金属セパレータ１８の燃料ガス流路４４に導入され、電解質膜・電極構造体１４を構成するアノード側電極３０に沿って移動する。

従って、各電解質膜・電極構造体１４では、カソード側電極２８に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極３０に供給される燃料ガスとが、電極触媒層３２ａ、３２ｂ内で電気化学反応により消費され、発電が行われる（図２参照）。

次いで、カソード側電極２８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に排出される（図３参照）。同様に、アノード側電極３０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に排出される（図４参照）。

また、冷却媒体供給連通孔２２ａに供給された冷却媒体は、第１及び第２金属セパレータ１６、１８間の冷却媒体流路３８に導入される。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体１４を冷却した後、冷却媒体排出連通孔２２ｂに排出される（図１参照）。

この場合、例えば、図３に示すように、第１金属セパレータ１６の面１６ａにおいて、第１シール部材４０を構成する第２凸部４０ｄ、４０ｅは、第１凸部４０ａとの連結部分から前記第１金属セパレータ１６の外側に離間する１つの外側角部に、それぞれ下方に傾斜する傾斜部４２ａ、４２ｂを設けている。

このため、第２凸部４０ｂ、４０ｄの互いに近接する辺同士の間隔が幅狭に構成されていても、傾斜部４２ａに対応して前記第２凸部４０ｂ、４０ｄ間の開口部が拡大される。従って、温度低下等によって第２凸部４０ｂ、４０ｄ間に水分が付着しても、この水分は、前記第２凸部４０ｄの傾斜部４２ａから第１金属セパレータ１６の外部に円滑に排出される。なお、第２凸部４０ｂの底辺４０ｂｂは、平坦状に構成されており、酸化剤ガス供給連通孔２０ａの開口面積を大きく確保することができる。

一方、第２凸部４０ｆ、４０ｅ間の開口部は、この第２凸部４０ｅの１つの外側角部に設けられている傾斜部４２ｂを介して、外方に向かって拡大している。このため、第２凸部４０ｆ、４０ｅ間に水分が付着しても、この水分は、傾斜部４２ｂから第２金属セパレータ１８の外部に円滑に排出される。

同様に、第２凸部４０ｃ、４０ｇには、それぞれ１つの外側角部に傾斜部４２ｃ、４２ｄが設けられている。従って、第２凸部４０ｅ、４０ｃ間及び第２凸部４０ｄ、４０ｇ間に付着する水分は、傾斜部４２ｃ、４２ｄを介して第１金属セパレータ１６の外部に排出される。

これにより、簡単な構成で、第１シール部材４０に水が滞留することを確実に阻止し、排水性を良好に向上させることが可能になる。このため、第１シール部材４０に滞留する水が気化することによる燃料電池１０からの放熱を有効に阻止し、前記燃料電池１０の発電温度の低下を回避して、安定した発電制御が遂行されるという効果が得られる。

また、図４に示すように、第２金属セパレータ１８に設けられている第２シール部材４６では、第２凸部４６ｄ、４６ｅ、４６ｃ及び４６ｇに、それぞれ１つの外側角部に対応して傾斜部４８ａ、４８ｂ、４８ｃ及び４８ｄが設けられている。従って、第１シール部材４０と同様の効果が得られる。

さらにまた、図５に示すように、第２シール部材４６では、第２凸部４６ｉ、４６ｊの２つの外側角部に、下方及び上方に傾斜する傾斜部４８ｅ、４８ｇ及び４８ｆ、４８ｈが形成されている。このため、第２凸部４６ｉ、４６ｊと、これらの上下に設けられている第２凸部４６ｋ、４６ｍ及び４６ｎ、４６ｌとの間には、外方に向かって拡大する開口部が形成されている。これにより、第２シール部材４６の開口部に付着する水分は、拡大する開口部から第２金属セパレータ１８の外部に円滑に排出される。

なお、傾斜部４２ａ〜４２ｄ、４８ａ〜４８ｈを直線状に構成しているが、これに限定されるものではなく、例えば、円弧状に構成してもよい。

図６に示すように、本発明の実施形態に係る燃料電池では、第２凸部４０ｄ、４０ｅには、第１凸部４０ａとの連結部分から連続して下方に傾斜する傾斜部４２ａａ、４２ｂｂを設けるとともに、第２凸部４０ｃ、４０ｇには、第１凸部４０ａとの連結部分から連続して下方に傾斜する傾斜部４２ｃｃ、４２ｄｄを設けることができる。

本発明に関連する燃料電池の要部分解斜視図である。前記燃料電池の一部断面説明図である。前記燃料電池を構成する第１金属セパレータの正面説明図である。前記燃料電池を構成する第２金属セパレータの一方の面の説明図である。前記第２金属セパレータの他方の面の説明図である。本発明の実施形態に係る燃料電池を構成する傾斜部を設けた第１金属セパレータの正面説明図である。特許文献１の燃料電池を構成するセパレータの説明図である。

符号の説明

１０…燃料電池１４…電解質膜・電極構造体
１６、１８…金属セパレータ２０ａ…酸化剤ガス供給連通孔
２０ｂ…酸化剤ガス排出連通孔２２ａ…冷却媒体供給連通孔
２２ｂ…冷却媒体排出連通孔２４ａ…燃料ガス供給連通孔
２４ｂ…燃料ガス排出連通孔２６…固体高分子電解質膜
２８…カソード側電極３０…アノード側電極
３６…酸化剤ガス流路３８…冷却媒体流路
４０、４６…シール部材４０ａ〜４０ｇ、４６ａ〜４６ｎ…凸部
４２ａ〜４２ｄ、４２ａａ〜４２ｄｄ、４８ａ〜４８ｈ…傾斜部
４４…燃料ガス流路

Claims

電解質膜の両側に一対の電極が設けられた電解質膜・電極構造体と、金属セパレータとが積層され、積層方向に貫通して複数の流体連通孔が形成されるとともに、入口側の前記流体連通孔と出口側の前記流体連通孔とに連通し且つ前記電解質膜・電極構造体の面方向に沿って流体を供給する流体供給路が形成される燃料電池であって、
前記金属セパレータは、金属プレートの外周縁部を覆ってシール部材が一体化されており、
前記シール部材は、前記流体供給路を囲繞する第１凸部と、
前記流体連通孔を囲繞する第２凸部と、
を一体的に有するとともに、
前記第２凸部は、前記第１凸部との連結部分から連続して前記金属セパレータの外側に向かって下方に傾斜する傾斜部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、前記流体連通孔は、燃料ガス入口連通孔、燃料ガス出口連通孔、酸化剤ガス入口連通孔、酸化剤ガス出口連通孔、冷却媒体入口連通孔及び冷却媒体出口連通孔を有し、これらが前記金属セパレータの左右両端に３つずつ振り分けられることを特徴とする燃料電池。