JP4459793B2 - 燃料電池端板および燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池端板および燃料電池に関する。特に、高分子電解質膜と電極を一体化した膜／電極接合体を有する、固体高分子形燃料電池或いは直接メタノール形燃料電池に好適な燃料電池端板に関する。

燃料電池は、燃料から電気化学的に直接電気エネルギを取り出すためエネルギ効率が高く、また、排出物の主体が水であることから環境に調和しやすいなどの利点がある。そのため、自動車、分散電源、情報電子機器などへの適用が試みられている。燃料電池の主要な課題の一つは、燃料漏れを防止することである。特許文献１には、燃料電池に、シール部として用いられるガスケットについて記載されている。

ＷＯ０２／００１６５９（要約）

我々は、研究を通して、単セルを複数個積み上げる積層型燃料電池の場合に、燃料洩れの大きな原因はマニホールド周辺に存在するという知見を得ている。例えば積層型燃料電池では、システムの都合上多数積層されたセパレータの全てに均等に燃料を流す必要があり、大量の燃料を一時にマニホールドに流し込むために、セパレータの溝方向だけでなく他の方向にも圧力がかかり、シールが破られることが挙げられる。一方で、一平面内に複数の発電部を設けた平面配列型燃料電池の場合には、現在まで、燃料漏れの大きな原因が何であるかの知見は得られていない。しかしながら、最近、我々は研究を通して平面配列型燃料電池の場合には、ガスケットおよび集電板と、集電板を接着した樹脂基板との間に隙間が生じ易く、この隙間が燃料漏れを引き起こす大きな原因の一つであるとの知見を得た。

本発明の目的は、シール性に優れた燃料電池端板及びそれを備えた燃料電池、特に平面配列型燃料電池に好適な端板を提供することにある。

本発明は、樹脂基板と集電板とガスケットにより燃料電池端板を形成し、かつ、集電板の端子接続部を膜／電極接合体と接触しない部分に設けたことにある。端子接続部は一例として樹脂基板の側面に露出するように設けられる。この構造の端板は、たとえば、集電板と端子接続部を一体に成形し、端子接続部を折り曲げて、樹脂基板の内部を通して樹脂基板の側面に露出させることによって作ることができる。

また、本発明は、高分子電解質膜と電極を一体化した膜／電極接合体の両側に集電機能を有する端板を備えた燃料電池において、前記端板を樹脂基板と集電板とガスケットにより形成し、かつ、集電板の端子接続部を膜／電極接合体と接触しない部分に設けたことを特徴とする。

本発明によれば、シール性に優れた燃料電池端板を提供することができる。

以下、本発明の実施例を説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

図１（ａ）（ｂ）（ｃ）に、本発明の燃料電池端板を示す。燃料電池端板４は集電板１とガスケット２および樹脂基板３により構成され、たとえば射出成形等によって一体に成形されている。集電板１は、膜／電極接合体に接する面５ａと、端子接続部６を備えたもう一つの面５ｂとからなっている。面５ａには溝7が切ってあり、この溝7を介して、アノード極であれば燃料の供給と二酸化炭素の排出が行われ、カソード極であれば空気の供給と水の排出が行われる。また、端子接続部６に端子を繋ぐことで発電した電気を取り出すことが可能となる。

燃料電池端板の成形は二段階に分けて行った。一段階目では集電板１と樹脂基板３を一体化し、二段階目ではガスケット２と樹脂基板３を一体化した。集電板１の材料は、反応場で安定であり、かつ、集電をすることが可能な物質が望ましく、カーボンのほかに金、白金、ステンレス鋼、チタン等の金属が考えられるが、実施例１ではチタンとした。ただし、チタンそのものではチタン表面に形成される酸化膜の影響で電気抵抗が高いため、表面に数μｍ程度の金メッキを施した。ガスケット２の材料としては、反応場で安定な物質であり、尚且つ、本実施例では一体成形でガスケット２を作製しているため、成形性が良い物質であることが望ましい。一例としてEPDM（エチレンプロピレンジエン三元共重合体）、PET（ポリエチレンテレフタレート）、シリコン樹脂等が考えられるが、実施例１ではEPDMとした。樹脂基板３の材料は、反応場で安定であり、燃料電池端板４の基板として電池を締め付けるための適当な硬さを有し、尚且つ、本実施例では一体成形で樹脂基板３を作製しているため、成形性が良い物質であることが望ましい。一例としてAS（アクリロニトリルスチレン共重合体）、PEEK（ポリエーテルエーテルケトン）、PC（ポリカーボネート）、VC（塩化ビニル）、PBT（ポリブチレンテレフタレート）等が考えられるが、実施例１ではPBTとした。なお、本実施例では、集電板１と樹脂基板３の一体化を行っているが、集電板１と樹脂基板３とが化学的に結合されていないために、成形精度によっては、集電板１と樹脂基板３との間に隙間が生じて液が流れることが予想される。もし、液が流れるような場合には、隙間に例えばシリコン樹脂を流し込んで、隙間を埋めることが望ましい。

図１（ａ）は燃料電池端板をガスケットが見える側から見たものであり、図１（ｂ）は燃料電池端板をガスケットが見えない側から見たものである。図１（ａ）（ｂ）から分かるように、ガスケット２が見えない側には膜／電極接合体に接する面５ａは露出しない構造になっている。図１（ｃ）は図１（ａ）のＡ−Ａ断面を示す斜視図である。図１（ｃ）に示すように、集電板１は、もともと一枚の板であったものを折り曲げて形成されており、樹脂基板３の表面に露出した部分が膜／電極接合体と接する面５ａとなる。樹脂基板の内部を通って外部に露出した部分が端子接続部６を備えたもう一つの面５ｂとなる。ガスケット２は、集電板１と触れないように、面５ａの外周に沿うようにして樹脂基板３上に形成されている。図２（ａ）（ｂ）に本発明の端板を備えた燃料電池を示す。アノード端板９とカソード端板１０とで膜／電極接合体（以下、ＭＥＡという）１１を挟み込み、貫通穴８へボルト１２を通し、アノード端板９の外側に燃料タンク枠１３、気液分離膜１４、タンク蓋１５を取り付け、ナット１６で締め付けることによって単セル１７となる。本実施例のＭＥＡ１１は電解質膜１１ａの一方の側にアノード触媒層(図示せず)、もう一方の側にカソード触媒層１１ｃを形成したものを、カソード拡散層１１ｄとアノード拡散層１１ｅで挟み込んだ構成になっている。そして、単セル１７は燃料タンク枠１３に備え付けられたチューブ継ぎ手１８に図示しないチューブを繋ぎ、更にそのチューブに例えばマイクロチューブポンプのように外部から燃料を送り込める機械を繋いで燃料を送り込むことで発電が可能となる。また、気液分離膜１４は、気体は通過するが、液体は通過しない特徴を持つ膜であり、タンク内で発生した二酸化炭素をタンク内から速やかに排出する役割を担っている。

本発明の効果であるシール性を確認するために、図３に示す構成の実験装置を作製して、タンクの内圧に対するタンクからの燃料漏れを測定した。なお、ここでタンクとは、アノード端板９と燃料タンク枠１３と気液分離膜１４とで囲まれて構成される空間を示す。実験装置は単セル１７の二本あるチューブ継ぎ手１８に二本のチューブ１９を接続し、チューブ１９の一本を圧力計２０に接続し、もう一本を加圧部２１に接続して構成した。加圧部２１は、液体保持部（図示せず）と、その液体保持部に外部配管（図示せず）から気体を導入可能な構造になっている。そして気体の流量を流量計（図示せず）で調整することでタンクの内圧を自由に操作可能となっている。この時、比較のために、図４に示すように、樹脂基板２４の表面すなわちＭＥＡと接触する面に端子接続部が設けられている集電板２２と、ガスケット２３と樹脂基板２４からなる燃料電池端板２５を作製し、本発明によるものと同様にして単セルを組み上げた。

表１に本発明の効果であるシール性の向上を確認した結果を示す。試験方法は、加圧部２１に導入する気体の流量を調節して、設定した圧力値になったところで気体の導入を中止して圧力値を一定にし、その状態で２分間保持し、タンクからの漏れを観察する方法とした。表１において、タンクからの漏れが観察されなかった場合には○、漏れが観察された場合には×を記してある。表１における比較例１〜３は図４の単セル２５に係るものであり、ガスケットの種類を変えている。比較例１は厚さ３００μｍのシリコンゴムガスケットを電解質膜の両側に一枚ずつ配置したものである。比較例２は厚さ２２０μｍ（EPDM９５μｍ／PET５０μｍ／EPDM７５μｍ）の三層ガスケット（硬度６０°）を電解質膜の両側に一枚ずつ配置したものである。比較例３は厚さ２２０μｍ（EPDM９５μｍ／PET５０μｍ／EPDM７５μｍ）の三層ガスケット（硬度７０°）を電解質膜の両側に一枚ずつ配置したものである。表１から明らかなように本発明の燃料電池端板を用いた単セルでは、シール性が向上した。

図５に、本発明による燃料電池端板の別の一例を示す。この例では集電板２６は曲面２６ａと２６ｂから構成されている。曲面２６ａはＭＥＡと直接接触し、曲面２６ａ上に形成された溝２７を介して、アノード極であれば燃料の供給と二酸化炭素の排出を、カソード極であれば空気の供給と水の排出を行う。曲面２６ｂには端子接続部２８があり、端子接続部２８に端子を繋ぐことで発電した電気を取り出すことが可能となる。この構造の端板は、ＭＥＡを強固に固着できるという効果がある。

図６に、本発明の燃料電池端板における集電板の別の形態を示す。この実施例では、集電板２９は二つの平面から構成されている。二つの平面は、一方の平面２９aにもう一方の平面２９ｂが垂直に接続された位置関係となっている。平面２９aはＭＥＡと直接接触し、平面２９a上に形成された溝３０を介して、アノード極であれば燃料の供給と二酸化炭素の排出を、カソード極であれば空気の供給と水の排出を行う。平面２９ｂは平面２９aのＭＥＡに直接触れる側とは反対側に垂直に接続されており、面内には端子接続部３１があり、端子接続部３１に端子を繋ぐことで発電した電気を取り出すことが可能となる。

本発明の燃料電池端板と、その燃料電池端板を用いた燃料電池の一例を示す。図７（ａ）（ｂ）には燃料電池端板を示した。燃料電池端板３６は集電板３２とガスケット３３および樹脂基板３４から構成され、集電板３２の一部に外部端子接続部３５が設けられている。外部端子接続部３５は燃料電池端板３６の側面に露出している。図７（ａ）は燃料電池端板３６をガスケット３３が見える側から見たものであり、図７（ｂ）は図７（ａ）の反対側から見たものである。図７（ａ）（ｂ）から分かるように、ガスケット３３が見えない側には集電板３２は露出しない構造になっている。理解を容易にするために樹脂基板３４中に潜り込んでいる集電板３２と端子接続部３５の部分は点線で示してある。一枚の燃料電池端板３６には六枚の集電板３２と六個のガスケット３３が存在し、電池を構成した場合に六個の単セルが直列となる。燃料電池端板３６は一体成形によって形成されている。成形は二段階に分けて行った。一段階目で集電板３２と樹脂基板３４と外部端子接続部３５を一体化した後、二段階目でガスケット３３と樹脂基板３４を一体化した。集電板３２は、図８に示すように、もともと一枚の板であったものを折り曲げて形成されており、面３２ａと面３２ｂと面３２ｃを有する。面３２aはＭＥＡと接し、面３２ｂは端子接続部３７を備えている。また面３２ｃは一体成形時に集電板３２と樹脂基板３４が強固に噛み合うことを狙って形成した面である。面３２aには溝３８が切ってあり、この溝３８を介して、アノード極であれば燃料の供給と二酸化炭素の排出を、カソード極であれば空気の供給と水の排出を行う。ガスケット３３は、集電板３２と触れないように、面３２aの外周に沿うようにして樹脂基板３４上に形成されている。符号３９は貫通穴である。また、図７（ａ）（ｂ）から分かるように、燃料電池端板３６の面積は集電板３２の大きさによって左右される。本実施例では、将来的に携帯機器への搭載を目指し小型化を検討した。集電板３２の面３２aの大きさは得られる出力に係わるため小さくせずに、面３２ｂを可能な限り小さくした。なお、外部端子接続部３５は、電池組み立て後に、外部端子を接続して電池から電力を得るために導入したが、端子接続部３７が存在するため必ずしも必要ない。ただし、本実施例では、後述する電池組み立て時に外部端子を接続する部分が燃料電池端板の側面に存在した方が外部端子の接続が容易であるために設けた。

集電板３２と外部端子接続部３５の材料は、本実施例ではチタンとし、表面に数μｍ程度の金メッキを施した。ガスケット３３はEPDMとした。樹脂基板３４はPBTとした。図９（ａ）（ｂ）に示すように、アノード端板４０とカソード端板４１とで、ＭＥＡ４２を挟み込み、貫通穴３９へボルト４３を通し、アノード端板４０の外側に燃料タンク枠４４、気液分離膜４５、タンク蓋４６を取り付け、ナット４７とワッシャー４８で締め付けることによって図１０（ａ）（ｂ）に示されるような燃料電池モジュール４９となる。ただし、図９（ａ）ではボルト４３、ナット４７、ワッシャー４８は省略してある。個々の単セル間は集電用ボルト５０を用いて接続してある。図１１（ａ）（ｂ）には単セル間の接続の様子を理解するための断面図を示した。断面は図１０（ａ）に記載のＢ−Ｂ断面とした。ただし、単セル間の接続に重点をおいた図であるため、ボルト４３、燃料タンク枠４４、気液分離膜４５、タンク蓋４６、ナット４７、ワッシャー４８は図示していない。ここで図１１（ａ）は組み立て前、図１１（ｂ）は組み立て後のものである。また、図１２（ａ）（ｂ）に、単セル間の接続方法に係る別の形態を示した。ここでも単セル間の接続に重点をおいた図であるため、ボルト４３、燃料タンク枠４４、気液分離膜４５、タンク蓋４６、ナット４７、ワッシャー４８は図示していない。ここで図１２（ａ）は組み立て前、図１２（ｂ）は組み立て後である。二本の集電用ボルト５０を二枚の燃料電池端板３６の両側から挿入し、一個の集電用ナット５１で単セルを接続する。図１１（ａ）（ｂ）で示した単セル間の接続方法と図１２（ａ）（ｂ）で示した単セル間の接続方法を比べた場合、図１２で示した方法の方が、より強固に接続可能であるが、図１２で示した方法では部品数が増えるため作業性が落ちる。そこで本実施例では図１１で示した方法を採用した。本実施例のＭＥＡ４２は電解質膜４２ａの一方の側にアノード触媒層、もう一方の側にカソード触媒層４２ｃを形成したものを、カソード拡散層４２ｄとアノード拡散層４２ｅで挟み込んだ構成である。そして、燃料電池モジュール４９は燃料タンク枠４４に備え付けられたチューブ継ぎ手５２にチューブ（図示せず）を繋ぎ、更にそのチューブに例えばマイクロチューブポンプ（図示せず）のように外部から燃料を送り込める機械を繋いで燃料を送り込むことで発電が可能となる。

本発明の効果であるシール性を確認するために、図３と同様な装置を組んで、タンクの内圧に対するタンクからの燃料漏れを測定した。

表２にシール性の検討結果を示す。試験方法は、実施例１と同様の方法とし、加圧部に導入する気体の流量を調節して、設定した圧力値になったところで気体を塞き止めて圧力値を一定にし、その状態で２分間保持し、タンクからの漏れを観察する方法とした。試験圧力においてタンクからの漏れが観察されなかった場合には○、漏れが観察された場合には×を記してある。表２における本発明は燃料電池モジュール４９を示し、比較例１〜３は図４に示す構造の燃料電池端板を用いた燃料電池モジュールであり、ガスケットの形を実施例１で述べたように変えた。通常、セル数が増加するに連れて燃料漏れのリスクは増大するが、表２で示されるように本発明の燃料電池端板を用いた燃料電池モジュール４９では、比較例と比べて圧倒的に高いシール性が確認された。

本発明により、シール性の優れた燃料電池端板が得られ、膜／電極接合体を有する固体高分子形燃料電池における燃料漏れの課題を解決することができた。

（ａ）（ｂ）（ｃ）は本発明の第一の実施例を示す燃料電池端板の平面および断面斜視図。 （ａ）（ｂ）は本発明の実施例による単セルの概略図。 シール性の検討を行うために作製した実験装置の概略図。 比較例の燃料電池端板を示す平面図。 本発明の燃料電池端板に使用される集電板の一例を示す斜視図。 集電板の他の例を示す斜視図。 （ａ）（ｂ）は複数個の集電板を備えた燃料電池端板を示す平面図。 集電板の別の例を示す斜視図。 （ａ）（ｂ）は本発明の他の実施例を示す燃料電池の概略図。 （ａ）（ｂ）は燃料電池モジュールの概略図。 （ａ）（ｂ）は単セル間の接続方法を示す概略図。 （ａ）（ｂ）は単セル間の接続方法に関する他の例を示す概略図。

符号の説明

１…集電板、２…ガスケット、３…樹脂基板、４…燃料電池端板、５ａ…面、５ｂ…面、６…端子接続部、７…溝、８…貫通孔、９…アノード端板、１０…カソード端板、１１…膜／電極接合体、１１ａ…電解質膜、１１ｃ…カソード触媒層、１１ｄ…カソード拡散層、１１ｅ…アノード拡散層、１７…単セル、２６…集電板、２６ａ…曲面、２６ｂ…曲面、２７…溝、２８…端子接続部、２９…集電板、２９ａ…平面、２９ｂ…平面、３０…溝、３１…端子接続部、３２…集電板、３３…ガスケット、３４…樹脂基板、３５…外部端子接続部、３６…燃料電池端板、３７…端子接続部、３８…溝、３９…貫通穴、４０…アノード端板、４１…カソード端板、４２…ＭＥＡ、４２ａ…電解質膜、４２ｃ…カソード触媒層、４２ｄ…カソード拡散層、４２ｅ…アノード拡散層、４９…燃料電池モジュール、５０…集電用ボルト、５１…集電用ナット。

Claims (10)

1. 高分子電解質膜と電極を一体化した膜／電極接合体の両側に配置される端板であって、樹脂基板と集電板とガスケットにより形成され、前記樹脂基板の表面に前記膜／電極接合体と接触するように前記集電板が配置され、前記集電板の外周を囲むように前記ガスケットが配置され、前記集電板の一部に端子接続部を有し、前記端子接続部が前記膜／電極接合体と接触しない部分に設けられ、かつ前記集電板と前記端子接続部とが一体になっており、前記端子接続部が折り曲げられ、前記樹脂基板の内部を通して前記樹脂基板の側面に露出していることを特徴とする燃料電池端板。
2. 請求項１において、前記樹脂基板の側面に露出するように前記端子接続部が設けられていることを特徴とする燃料電池端板。
3. 請求項１において、前記集電板の表面が曲面になっており、この曲面になっている部分で前記膜／電極接合体と接触することを特徴とする燃料電池端板。
4. 請求項１において、前記集電板と前記ガスケットと前記樹脂基板とが一体成形されていることを特徴とする燃料電池端板。
5. 請求項１において、前記樹脂基板の表面に複数個の前記集電板が配置されていることを特徴とする燃料電池端板。
6. 高分子電解質膜と電極を一体化した膜／電極接合体の両側に集電機能を有する端板を備えた燃料電池において、前記端板が樹脂基板とその表面に配置された集電板とガスケットとにより形成され、前記集電板が前記膜／電極接合体と接触するように設けられ、前記集電板の外周を囲むように前記ガスケットが配置され、前記集電板の一端に端子接続部を備え、前記端子接続部が前記膜／電極接合体と接触しない部分に設けられ、かつ前記集電板と前記端子接続部とが一体になっており、前記端子接続部が折り曲げられ、前記樹脂基板の内部を通して前記樹脂基板の側面に露出していることを特徴とする燃料電池。
7. 請求項６において、前記樹脂基板の側面に露出するように前記端子接続部が設けられていることを特徴とする燃料電池。
8. 請求項６において、前記集電板の表面が曲面になっており、この曲面になっている部分で前記膜／電極接合体と接触していることを特徴とする燃料電池。
9. 請求項６において、前記集電板と前記ガスケットと前記樹脂基板とが一体成形されていることを特徴とする燃料電池端板。
10. 請求項６において、前記樹脂基板の表面に複数個の前記集電板が配置されていることを特徴とする燃料電池。

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