JP4562501B2 - 燃料電池 - Google Patents

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本発明は、電解質膜の両側に第１電極と該第１電極よりも表面積の大きな第２電極とが配設される電解質膜・電極構造体を、第１及び第２金属セパレータで挟持するとともに、積層方向に貫通して少なくとも一方の反応ガスを流す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の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、セパレータによって挟持した発電セルを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の発電セルを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。
発電セルにおいて、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。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、電子及び酸素が反応して水が生成される。
上記の発電セルでは、各セパレータの面内に、アノード側電極に沿って燃料ガスを流すための燃料ガス流路（反応ガス流路）と、カソード側電極に沿って酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路（反応ガス流路）とが設けられている。また、１又は２以上の発電セル間には、冷却媒体を流すための冷却媒体流路がセパレータの面方向に沿って設けられている。
この場合、発電セルの周縁部に、前記発電セルの積層方向に貫通して反応ガス入口連通孔、反応ガス出口連通孔、冷却媒体入口連通孔及び冷却媒体出口連通孔を設ける内部マニホールド型燃料電池が採用されている。その際、反応ガス入口連通孔及び反応ガス出口連通孔と反応ガス流路とは、連通部により連結されている。ところが、この連通部は、反応ガス入口連通孔及び反応ガス出口連通孔を囲繞するシールラインに交差するため、前記シールラインに沿って補強部材を配設する等の工夫がなされている。
そこで、特許文献１では、簡単な構造で、密閉状態を十分に維持することが可能な燃料電池を提案している。この燃料電池は、図９に示すように、単電池１がセパレータ２、３で挟持されるとともに、前記セパレータ３には、他のセパレータ４が積層されている。
燃料電池の積層方向には、水素供給用のマニホールド５が貫通形成されており、このマニホールド５は、セパレータ３の一方の面に形成された溝６に連通している。セパレータ３には、貫通孔７が形成されており、この貫通孔７は、前記セパレータ３の他方の面に形成された燃料流路８に連通している。単電池１とセパレータ２、３との間には、マニホールド５を囲繞してシール部材９ａ、９ｂが介装されている。
このように構成される燃料電池では、燃料流路８とマニホールド５とを連通するため、セパレータ３には、前記燃料流路８とは反対の面に溝６が設けられるとともに、前記溝６と前記燃料流路８とは、貫通孔７を介して連通している。従って、シール部材９ａ、９ｂに交差する溝部が形成されることがなく、簡単な構成で、所望のシール性が得られる、としている。
特開２００２−８３６１４号公報（図４）
上記の特許文献１では、セパレータ２〜４がカーボン部材で構成されており、それぞれの両面に個別に所望形状の流路を形成することができる。ところが、カーボン部材に代えて金属セパレータが使用される際、この金属セパレータの両面には、反応ガス流路と冷却媒体流路とが表裏一体となり、前記金属セパレータの一方の面に設けられる前記反応ガス流路の形状によって、該金属セパレータの他方の面に設けられる前記冷却媒体流路の形状が拘束されてしまう。しかも、金属セパレータは、プレス形成されるため、特に流路端部の形状等に制約が発生してしまう。
このため、上記の特許文献１のセパレータ２〜４を金属セパレータで構成すると、貫通孔７と燃料流路８とを連結する連通部を確実に設けることができないおそれがある。これにより、貫通孔７から燃料流路８に燃料を円滑に供給することができず、発電性能の低下が惹起するとともに、単電池１を金属セパレータにより確実に支持することができず、締め付け荷重が付与される際に前記単電池１に損傷が発生するという問題がある。
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単且つコンパクトな構成で、所望の発電性能を維持するとともに、電解質膜・電極構造体の損傷を確実に阻止すること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、電解質膜の両側に第１電極と該第１電極よりも表面積の大きな第２電極とが配設される電解質膜・電極構造体を、第１及び第２金属セパレータで挟持するとともに、積層方向に貫通して少なくとも一方の反応ガスを流す反応ガス連通孔が形成される燃料電池である。
そして、第１金属セパレータは、第１電極に向かう第１面に形成され、該第１電極に一方の反応ガスを供給する反応ガス流路と、反応ガス連通孔から前記第１金属セパレータの第２面に一旦導入される前記一方の反応ガスを、前記第１面に移動させて前記反応ガス流路に供給するための貫通孔とを有するとともに、前記第１金属セパレータに一体成形されるシール部材には、前記貫通孔から前記反応ガス流路に向かって前記一方の反応ガスを案内する流路溝と、前記第１電極が直接接触する受け部とが形成されている。
本発明によれば、第１金属セパレータの第２面から貫通孔を通って第１面に移動する一方の反応ガスは、シール部材に設けられている流路溝を介して反応ガス流路に円滑且つ確実に供給される。
しかも、流路溝が設けられるシール部材は、電解質膜・電極構造体を構成する第１電極（第２電極よりも表面積が小さい）が直接接触する受け部を設けており、燃料電池に積層方向に締め付け荷重が付与される際、前記第１電極が前記受け部により確実に保持される。これにより、簡単且つコンパクトな構成で、電解質膜・電極構造体の損傷を良好に阻止するとともに、面圧分布を均一に維持して発電性能の向上を図ることができる。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池１０を構成する発電セル１２の要部分解斜視説明図であり、図２は、複数の発電セル１２を水平方向（矢印Ａ方向）に積層してスタック化された前記燃料電池１０の、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面説明図である。
図１に示すように、発電セル１２は、電解質膜・電極構造体１４をカソード側金属セパレータ（第２金属セパレータ）１６及びアノード側金属セパレータ（第１金属セパレータ）１８により挟持して構成される。カソード側金属セパレータ１６及びアノード側金属セパレータ１８は、薄板状金属プレート、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等により構成される。
発電セル１２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入口連通孔２０ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔２２ｂ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔２４ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。
発電セル１２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入口連通孔２４ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔２２ａ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔２０ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。
カソード側金属セパレータ１６の電解質膜・電極構造体１４に向かう一方の面１６ａには、例えば、矢印Ｂ方向に１往復半だけ折り返す蛇行流路である酸化剤ガス流路２６が設けられる。酸化剤ガス流路２６は、カソード側金属セパレータ１６を波形状に成形することにより設けられる複数の溝部２８を備えるとともに、入口バッファ部３２ａ及び出口バッファ部３２ｂを介して酸化剤ガス入口連通孔２０ａ及び酸化剤ガス出口連通孔２０ｂに連通する。入口バッファ部３２ａ及び出口バッファ部３２ｂは、例えば、エンボス加工やディンプル加工により設けられる。
図３に示すように、カソード側金属セパレータ１６の他方の面１６ｂには、酸化剤ガス流路２６の形状に対応して冷却媒体流路３４の一部を構成する溝部３４ａが設けられる。溝部３４ａは、エンボス等を有する入口バッファ部３６ａ及び出口バッファ部３６ｂを介して冷却媒体入口連通孔２２ａ及び冷却媒体出口連通孔２２ｂに連通する。
カソード側金属セパレータ１６の面１６ａ、１６ｂには、このカソード側金属セパレータ１６の外周端縁部を周回するとともに、酸化剤ガス入口連通孔２０ａ、冷却媒体出口連通孔２２ｂ、燃料ガス出口連通孔２４ｂ、燃料ガス入口連通孔２４ａ、冷却媒体入口連通孔２２ａ及び酸化剤ガス出口連通孔２０ｂの内壁を覆って、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、シリコンゴム、フロロシリコンゴム、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、平坦状に構成されており、図１に示すように、面１６ａでは、酸化剤ガス入口連通孔２０ａ及び酸化剤ガス出口連通孔２０ｂを酸化剤ガス流路２６に連通する第１平坦シール４０ａを設ける。第１シール部材４０は、図３に示すように、面１６ｂでは、冷却媒体入口連通孔２２ａ及び冷却媒体出口連通孔２２ｂを冷却媒体流路３４に連通する第２平坦シール４０ｂを設ける。第２平坦シール４０ｂは、第１平坦シール４０ａよりも長尺に構成される（図２参照）。
図４に示すように、アノード側金属セパレータ１８の電解質膜・電極構造体１４に向かう面（第１面）１８ａには、矢印Ｂ方向に１往復半だけ折り返す蛇行流路を構成する燃料ガス流路５０が形成される。燃料ガス流路５０は、アノード側金属セパレータ１８を波形状に成形することにより設けられる複数の溝部５２を備える。
燃料ガス流路５０は、入口バッファ部５４ａ及び複数の入口貫通孔５５ａを介して面（第２面）１８ｂから燃料ガス入口連通孔２４ａに連通するとともに、出口バッファ部５４ｂ及び複数の出口貫通孔５５ｂを介して前記面１８ｂから燃料ガス出口連通孔２４ｂに連通する。
図１及び図５に示すように、アノード側金属セパレータ１８の面１８ａとは反対の面１８ｂには、燃料ガス流路５０の形状に対応して冷却媒体流路３４の一部を構成する溝部３４ｂが設けられる。溝部３４ｂは、入口バッファ部５６ａ及び出口バッファ部５６ｂを介して冷却媒体入口連通孔２２ａ及び冷却媒体出口連通孔２２ｂに連通する。
アノード側金属セパレータ１８の面１８ａ、１８ｂには、このアノード側金属セパレータ１８の外周端縁部を周回するとともに、酸化剤ガス入口連通孔２０ａ、冷却媒体出口連通孔２２ｂ、燃料ガス出口連通孔２４ｂ、燃料ガス入口連通孔２４ａ、冷却媒体入口連通孔２２ａ及び酸化剤ガス出口連通孔２０ｂの内壁を覆って、第２シール部材５８が一体化される。この第２シール部材５８は、上記の第１シール部材４０と同一の材料で構成される。
図４に示すように、第２シール部材５８は、外側突起６０と、この外側突起６０から内方に所定の距離だけ離間する内側突起６２とを、アノード側金属セパレータ１８の面１８ａに設ける。この内側突起６２は、後述する固体高分子電解質膜８０の外周縁部に接して燃料ガス流路５０を閉塞している（図２参照）。
図５に示すように、第２シール部材５８は、外側突起６４と、この外側突起６４の内方に離間して冷却媒体流路３４を囲繞する内側突起６６とを、アノード側金属セパレータ１８の面１８ｂに設ける。
図４及び図６に示すように、第２シール部材５８は、入口貫通孔５５ａから入口バッファ部５４ａを介して燃料ガス流路５０に燃料ガスを案内する複数の流路溝６８と、後述するアノード側電極８４が直接接触する複数の受け部７０とを交互に有する。
第２シール部材５８は、図４に示すように、同様に出口貫通孔５５ｂから出口バッファ部５４ｂを介して燃料ガス流路５０から使用済みの燃料ガスを案内する複数の流路溝７２と、アノード側電極８４が直接接触する複数の受け部７４とを交互に有する。
図１に示すように、電解質膜・電極構造体１４は、矢印Ｂ方向両端部の中央部を内方に切り欠いて構成されている。図１及び図２に示すように、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８０と、前記固体高分子電解質膜８０を挟持するカソード側電極（第２電極）８２及びアノード側電極（第１電極）８４とを備える。アノード側電極８４は、カソード側電極８２よりも小さな表面積に設定されている。
カソード側電極８２及びアノード側電極８４は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層（図示せず）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て形成される電極触媒層（図示せず）とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜８０の両面に形成されている。
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。
先ず、図１に示すように、燃料ガス入口連通孔２４ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤ガス入口連通孔２０ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔２２ａに純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。
このため、燃料ガスは、図１、図２及び図４に示すように、面１８ｂ側で燃料ガス入口連通孔２４ａから入口貫通孔５５ａを通って面１８ａ側に移動し、入口バッファ部５４ａを通ってアノード側金属セパレータ１８の燃料ガス流路５０に導入される。この燃料ガスは、矢印Ｂ方向に往復移動しながら、電解質膜・電極構造体１４を構成するアノード側電極８４に供給される。
一方、酸化剤ガスは、図１に示すように、酸化剤ガス入口連通孔２０ａから入口バッファ部３２ａを通ってカソード側金属セパレータ１６の酸化剤ガス流路２６に導入される。この酸化剤ガスは、矢印Ｂ方向に往復移動しながら、電解質膜・電極構造体１４を構成するカソード側電極８２に供給される。
従って、電解質膜・電極構造体１４では、アノード側電極８４に供給される燃料ガスと、カソード側電極８２に供給される酸化剤ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。
次いで、アノード側電極８４に供給されて消費された燃料ガスは、出口バッファ部５４ｂから出口貫通孔５５ｂを通り面１８ｂ側に移動し、燃料ガス出口連通孔２４ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される（図１及び図４参照）。同様に、カソード側電極８２に供給されて消費された酸化剤ガスは、出口バッファ部３２ｂを通り酸化剤ガス出口連通孔２０ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される（図１参照）。
また、冷却媒体入口連通孔２２ａに供給された冷却媒体は、入口バッファ部３６ａ、５６ａを経由してカソード側金属セパレータ１６及びアノード側金属セパレータ１８間の冷却媒体流路３４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、出口バッファ部３６ｂ、５６ｂを通って冷却媒体出口連通孔２２ｂに排出される。
この場合、第１の実施形態では、図２、図４及び図６に示すように、第２シール部材５８は、入口貫通孔５５ａから入口バッファ部５４ａを介して燃料ガス流路５０に燃料ガスを案内する複数の流路溝６８と、アノード側電極８４が直接接触する複数の受け部７０とを交互に有している。
このため、アノード側金属セパレータ１８の面１８ｂ側から入口貫通孔５５ａを通って面１８ａに移動する燃料ガスは、第２シール部材５８に設けられている流路溝６８を介して燃料ガス流路５０に円滑且つ確実に供給される。
しかも、第２シール部材５８には、流路溝６８と交互に受け部７０が設けられるとともに、前記受け部７０には、電解質膜・電極構造体１４を構成するアノード側電極８４（カソード側電極８２よりも表面積が小さい）が直接接触している。従って、燃料電池１０に積層方向に締め付け荷重が付与される際、アノード側電極８４が受け部７０により確実に保持される。これにより、簡単且つコンパクトな構成で、電解質膜・電極構造体１４の損傷を良好に阻止するとともに、面圧分布を均一に維持して発電性能の向上を図ることができるという効果が得られる。
なお、第２シール部材５８は、燃料ガス流路５０から出口貫通孔５５ｂに使用済みの燃料ガスを排出するための複数の流路溝７２と、受け部７４とを交互に有しており、上記と同様の効果が得られる。
図７は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池９０の断面説明図である。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。
燃料電池９０は、複数の発電セル９２を備えるとともに、前記発電セル９２は、電解質膜・電極構造体１４をカソード側金属セパレータ１６及びアノード側金属セパレータ（第１金属セパレータ）９４により挟持して構成される。アノード側金属セパレータ９４の外周端縁部を周回して第２シール部材９６が一体成形される。
図７及び図８に示すように、第２シール部材９６は、入口貫通孔５５ａの内壁を覆うとともに、前記入口貫通孔５５ａから入口バッファ部５４ａを介して燃料ガス流路５０に燃料ガスを案内する複数の流路溝６８と、後述するアノード側電極８４が直接接触する複数の受け部７０とを交互に有する。
第２シール部材９６は、図示しないが、同様に出口貫通孔５５ｂの内壁を覆うとともに、前記出口貫通孔５５ｂから出口バッファ部５４ｂを介して燃料ガス流路５０から使用済みの燃料ガスを案内する複数の流路溝と、アノード側電極８４が直接接触する複数の受け部とを交互に有する。
このように構成される第２の実施形態では、第２シール部材９６が、入口貫通孔５５ａの内壁を覆ってアノード側金属セパレータ９４に一体成形されている。このため、入口貫通孔５５ａの内壁から金属イオンが溶出することを阻止するとともに、アノード側金属セパレータ９４に電蝕による腐食が発生することを確実に抑制することが可能になる。
本発明の第１の実施形態に係る燃料電池を構成する発電セルの要部分解斜視説明図である。 前記燃料電池の、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面説明図である。 前記発電セルを構成する第１金属セパレータの正面説明図である。 前記発電セルを構成する第２金属セパレータの一方の面からの正面説明図である。 前記第２金属セパレータの他方の面からの正面説明図である。 前記第２金属セパレータを入口貫通孔に沿って切断した状態の斜視説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池の断面説明図である。 前記燃料電池を構成する第２金属セパレータを入口貫通孔に沿って切断した状態の斜視説明図である。 特許文献１に開示されている燃料電池の一部断面説明図である。
符号の説明
１０、９０…燃料電池 １２、９２…発電セル
１６…カソード側金属セパレータ １８、９４…アノード側金属セパレータ
２０ａ…酸化剤ガス入口連通孔 ２０ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
２２ａ…冷却媒体入口連通孔 ２２ｂ…冷却媒体出口連通孔
２４ａ…燃料ガス入口連通孔 ２４ｂ…燃料ガス出口連通孔
２６…酸化剤ガス流路
３２ａ、３６ａ、５４ａ、５６ａ…入口バッファ部
３２ｂ、３６ｂ、５４ｂ、５６ｂ…出口バッファ部
３４…冷却媒体流路 ４０、５８、９６…シール部材
４０ａ、４０ｂ…平坦シール ５０…燃料ガス流路
５５ａ…入口貫通孔 ５５ｂ…出口貫通孔
６０、６４…外側突起 ６２、６６…内側突起
６８、７２…流路溝 ７０、７４…受け部
８０…固体高分子電解質膜 ８２…カソード側電極
８４…アノード側電極

Claims (2)

  1. 電解質膜の両側に第１電極と該第１電極よりも表面積の大きな第２電極とが配設される電解質膜・電極構造体を、第１及び第２金属セパレータで挟持するとともに、積層方向に貫通して少なくとも一方の反応ガスを流す反応ガス連通孔が形成される燃料電池であって、
    前記第１金属セパレータは、前記第１電極に向かう第１面に形成され、該第１電極に前記一方の反応ガスを供給する反応ガス流路と、
    前記反応ガス連通孔から前記第１金属セパレータの第２面に一旦導入される前記一方の反応ガスを、前記第１面に移動させて前記反応ガス流路に供給するための貫通孔と、
    を有するとともに、
    前記第１金属セパレータに一体成形されるシール部材の前記第１電極側の面には、前記貫通孔から前記反応ガス流路に向かって前記一方の反応ガスを案内する流路溝と、
    前記第１電極が直接接触する受け部と、
    が、前記シール部材により交互に形成されることを特徴とする燃料電池。
  2. 請求項１記載の燃料電池において、前記流路溝と前記反応ガス流路との間には、バッファ部が設けられることを特徴とする燃料電池。
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