JP4770191B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、膜電極接合体をその両側からセパレータで挟んで構成された燃料電池に関し、詳しくは、反応ガスをセル毎に分配するためのマニホールド部とセル内に形成されたガス流路部とを連通するガス流路連通部の構造に関する。

一般に、燃料電池は、複数枚の燃料電池セルが積層された燃料電池スタックとして使用される。各セルは、膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）の両側を金属やカーボン等で形成されたセパレータで挟んで構成されている。各セルにおいて、セパレータと膜電極接合体との間には、反応ガス（水素、空気等）が流れるガス流路部が形成されている。また、セパレータの端部には、反応ガスをセル毎に分配するためのマニホールド部が形成されている。

マニホールド部からガス流路部に反応ガスを供給するためには、マニホールド部とガス流路部とを連通させるガス流路連通部が必要となる。特許文献１に記載された燃料電池では、セルと膜電極接合体との間にシール部材を挟み、このシール部材にガス流路連通部を形成している。また、特許文献２に記載された燃料電池では、セルを構成する二枚のセパレータの内側に樹脂フレームを挟み、この樹脂フレームにガス流路連通部を形成している。
特開平１０−５５８１３号公報 特開２００３−７７４９９号公報

しかしながら、特許文献１に記載の従来技術のようにシール部材にガス流路連通部を形成する場合、シール部材の変形によってガス流路連通部が閉塞されてしまう可能性がある。特許文献２に記載の従来技術のようにセパレータの内側に樹脂フレームを設ける場合には、ガス流路連通部を一定高さに保つことができるものの、部品点数が増える分、組み付けの作業時間がかかり、また、組付け誤差が生じる可能性がある。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、部品点数の増大を招くことなく、マニホールド部とガス流路部とを連通するガス流路連通部の高さを一定に維持できるようにした燃料電池を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、膜電極接合体を一対のセパレータにより挟んでなるセルが複数枚積層されることによって構成される燃料電池において、
反応ガスをセル毎に分配するためのマニホールド部と、
各セルのセパレータの内側に形成されたガス流路部と、
前記マニホールド部に前記ガス流路部を連通させるガス流路連通部とを備え、
前記ガス流路連通部は、隣り合うセルのセパレータとセパレータとの間に形成され、その入口を前記マニホールド部に直接接続されていることを特徴としている。

また、第２の発明は、前記の第１の発明において、前記セパレータは片面の凹部に対応した反対面が凸部となる表裏一体構造であり、当該セパレータの前記膜電極接合体に接する側とは反対側の面に形成された凸部が隣接するセパレータに接触することによって、当該隣り合う二枚のセパレータ間に前記ガス流路連通部が形成されていることを特徴としている。

また、第３の発明は、前記の第２の発明において、前記セパレータは、当該セパレータの前記膜電極接合体に接する側の面に形成された凸部によって前記膜電極接合体を支持するように構成され、前記凸部の背面にある凹部であって密閉性が要求される部位には、シール材が埋め込まれていることを特徴としている。

また、第４の発明は、前記の第３の発明において、前記シール材は樹脂であることを特徴としている。

また、第５の発明は、前記の第３又は第４の発明において、前記燃料電池は、隣り合うセルのセパレータとセパレータとの間に形成された冷却水通路を備え、前記シール材の少なくとも一部は、前記冷却水通路と前記ガス流路連絡部との間をシールするガスケットとして用いられていることを特徴としている。

また、第６の発明は、前記の第３乃至第５の何れか１つの発明において、前記シール材内に当該シール材よりも剛性の高い物質が埋設されていることを特徴としている。

また、第７の発明は、前記の第３乃至第６の何れか１つの発明において、前記膜電極接合体と前記膜電極接合体の外周に設けられるガスケットとは一体構造であり、前記のガスケットが一体化された膜電極接合体を前記一対のセパレータによって直接挟むことによって前記セルが構成されていることを特徴としている。

また、第８の発明は、前記の第２乃至第７の何れか１つの発明において、前記セパレータはプレス成形により形成されていることを特徴としている。

第１の発明によれば、剛性の高いセパレータ間にガス流路連通部が形成されるので、ガス流路連通部に変形が生じることはなく、一定の流路高さを確保することができる。また、本発明によれば、既存の部品であるセパレータ間にガス流路連通部を形成することから、樹脂フレーム等の別部品を必要としない。

特に、第２の発明によれば、膜電極接合体に接する側とは反対側の面に形成された凸部によってガス流路連通部を簡単に形成することができる。しかも、セパレータは片面の凹部に対応した反対面が凸部となる表裏一体構造であるので、高い剛性を確保することができる。

また、第３乃至第５の発明によれば、凸部と表裏一体に形成される凹部にシール材が埋め込まれるので、接着剤を要することなくシール材を配置することができる。

また、第６の発明によれば、シール材内にシール材よりも剛性の高い物質が埋設されることにより、シール材の反力を高めてシール性を向上させることができる。

また、第７の発明によれば、膜電極接合体にガスケットが一体化されているので、接着剤を要することなく膜電極接合体をセパレータに組み付けることができ、組み付けの作業時間を短縮することができる。

また、第８の発明によれば、表裏一体の凸部及び凹部をプレス成形によって簡単に形成することができる。

以下、図１乃至図４を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の実施の形態としての燃料電池を構成するセパレータ１０の平面図である。図２及び図３は、本発明の実施の形態としての燃料電池の構造を示す図であり、図２は図１のＡ−Ａ断面に相当する断面図、図３は図１のＢ−Ｂ断面に相当する断面図、図４は図１のＣ−Ｃ断面に相当する断面図である。

図２及び図３に示すように、燃料電池は、電解質膜２をアノード電極４とカソード電極６とにより挟んで構成された膜電極接合体８を備えている。膜電極接合体８の外周部には、膜電極接合体８を囲むようにガスケット４０が一体的に取り付けられている。燃料電池は、膜電極接合体８とガスケット４０の一体品をその両面から一対のセパレータ１０，２０で挟んだものを一つのセルとし、このセルが複数枚一方向に積層された燃料電池スタックとして使用される。なお、燃料電池スタックの端部に位置する端セルの外側には、端末プレート３０が積層されている。

セパレータ１０，２０には、膜電極接合体８のアノード電極４側に接する第１セパレータ１０と、カソード電極６側に接する第２セパレータ２０の２種類が用意されている。本実施形態では、セパレータ１０，２０として金属プレートをプレス成形したメタルセパレータが用いられている。セパレータ１０，２０の成形に使用する金属プレートとしては、板厚が０．０５〜０．３ｍｍ（好ましくは０．１ｍｍ以下）でヤング率が７×１０10Ｐａ以上のものが用いられている。金属プレートに使用可能な金属種類としては、アルミニウム、鉄、チタン、ステンレス等が挙げられる。

図１の平面図は第１セパレータ１０の平面形状を示している。この図に示すように、第１セパレータ１０の左右の端部には、それぞれ３つのマニホールドが並んで形成されている。図中、第１セパレータ１０の左側の端部に形成されたマニホールドは、上から水素入口マニホールド８０，空気出口マニホールド８２，冷却水入口マニホールド８４である。図１中、第１セパレータ１０の右の端部に形成されたマニホールドは、上から冷却水出口マニホールド８１，空気入口マニホールド８３，水素出口マニホールド８５である。

第１セパレータ１０の左右のマニホールド列の間には、第１セパレータ１０の内側（膜電極接合体８に接する側）に窪んでいる谷部１５と第１セパレータ１０の外側（膜電極接合体８の反対の側）に盛り上っている山部１７が交互に形成されている。谷部１５は、セパレータ１０，２０により膜電極接合体８を挟む際、図２に示すようにアノード電極４に接触して膜電極接合体８を支持する支持面となる。一方、山部１７と膜電極接合体８との間には、図３に示すように通路５４が形成される。この通路５４はアノード電極４に水素を供給するためのガス流路（水素流路）となっている。

第２セパレータ２０の平面形状についての図示は省略するが、第２セパレータ２０も第１セパレータ１０と同様の平面形状を有しており、左右の端部にはそれぞれ３つのマニホールドが並んで形成されている。第２セパレータ２０に形成された各マニホールドの位置は、第１セパレータ１０に形成された各マニホールドの位置にそれぞれ一致している。

第２セパレータ２０の左右のマニホールド列の間には、図２或いは図３に示すように、第２セパレータ２０の内側に窪んでいる谷部２５と第２セパレータ２０の外側に盛り上っている山部２７が交互に形成されている。谷部２５は、セパレータ１０，２０により膜電極接合体８を挟む際、カソード電極６に接触して膜電極接合体８を支持する支持面となる。一方、山部２７と膜電極接合体８との間には通路６４が形成される。この通路６４はカソード電極６に空気を供給するためのガス流路（空気流路）となっている。

また、第２セパレータ２０に形成される谷部２５と山部２７の位置は、第１セパレータ１０に形成される谷部１５と山部１７の位置にそれぞれ一致している。その結果、第１セパレータ１０の山部１７と隣接セルの第２セパレータ２０の山部２７とは接触し、お互いのセルを支持する支持面となる。一方、第１セパレータ１０の谷部１５と隣接セルの第２セパレータ２０の谷部２５との間には通路７４が形成される。この通路７４は冷却水が流れる冷却水流路となっている。

上記の水素流路５４、空気流路６４及び冷却水流路７４は、各セパレータ１０，２０の谷部１５，２５と山部１７，２７に対応してそれぞれ複数本形成されている。各流路は、それぞれ対応する各マニホールドに接続されている。図２及び図３の断面図では、水素流路５４を水素入口マニホールド８０に接続する接続部の構成が示されている。図３に示すように、水素入口マニホールド８０から供給される水素は、当該セルのセパレータ１０と隣接セルのセパレータ２０との間に形成される水素流路連通部５０を通り、さらにセパレータ１０と膜電極接合体８との間に形成される水素分配部５２を通って各水素流路５４に供給されるようになっている。詳細な説明は省略するが、空気流路６４を空気入口マニホールド８３に接続する接続部の構成もこれと同様の構成になっている。

水素流路連通部５０は、前述のように第１セパレータ１０の外側に形成されている。図２に示すように、第１セパレータ１０の水素流路連通部５０にあたる部位には、第１セパレータ１０の外側に突き出ているバックアップ部（外側バックアップ部）１１が形成されている。また。隣接セルの第２セパレータ２０の水素流路連通部５０にあたる部位にも、第２セパレータ２０の外側に突き出ているバックアップ部（外側バックアップ部）２１が形成されている。これら外側バックアップ部１１，２１が互いに接触することで、隣り合うセパレータ１０，２０の間に空間ができ、この空間が水素流路連通部５０となっている。水素流路連通部５０と第１セパレータ１０の内側とは、第１セパレータ１０に形成された開口部１６を介して連通している。なお、当該セルが端セルの場合には、水素流路連通部５０は、第１セパレータ１０とその外側に配置される端末プレート３０との間に形成される。図２及び図３に示すように、端末プレート３０は第２セパレータ２０の形状に略等しい形状を有している。

水素分配部５２は、水素流路５４に直交する方向に延びており、各水素流路５４の上流端が接続されている。本実施形態では、これら水素分配部５２と水素流路５４とを合わせた流路全体が、第１の発明の「ガス流路部」に相当している。図２に示すように、水素流路連通部５０と水素分配部５２との境界部には、第１セパレータ１０の内側に突き出してバックアップ部（内側バックアップ部）１２が形成されている。内側バックアップ部１２は、図１に示すように第１セパレータ１０の縦方向に等間隔で形成されている。内側バックアップ部１２はアノード電極４に接触し、第２セパレータ２０側の内側バックアップ部２２とともに膜電極接合体８を支持している。

第１セパレータ１０の水素分配部５２内にあたる部位には、第１セパレータ１０の内側に突き出ている凸部（内側凸部）１４と外側に突き出ている凸部（外側凸部）１３が形成されている。内側凸部１４及び外側凸部１３は、図１に示すように第１セパレータ１０の縦方向に等間隔で形成されている。内側凸部１４はアノード電極４に接触して膜電極接合体８を支持するとともに、水素分配部５２内の水素の流れを整流している。これら内側凸部１４の作用によって、水素流路連通部５０から水素分配部５２に供給された水素は、水素分配部５２内で整流されて各水素流路５４へ均等に分配される。一方、第１セパレータ１０の外側凸部１３は、隣接セルの第２セパレータ２０に形成された外側凸部２３に接触してお互いのセルを支持している。

第２セパレータ２０側の内側バックアップ部２２は、第２セパレータ２０の縦方向に延びている。この内側バックアップ部２２と各空気流路６４の下流端との間に形成される空間が空気集合部６２になっている。各空気流路６４を通った空気は空気集合部６２に集められ、空気集合部６２から空気出口マニホールド８２（図１参照）へ排出される。第２セパレータ２０の空気集合部６２にあたる部位には、第２セパレータ２０の内側に突き出ている凸部（内側凸部）２４と、外側に突き出ている凸部（外側凸部）２３とが形成されている。これら内側凸部２４及び外側凸部２３は、第１セパレータ１０の内側凸部１４及び外側凸部１３の位置に合わせて、第２セパレータ２０の縦方向に等間隔で形成されている。内側凸部２４はカソード電極６に接触して膜電極接合体８を支持しており、外側凸部２３は前述のように隣接セルの第１セパレータ１０に形成された外側凸部１３に接触してお互いのセルを支持している。これら外側凸部１３，２３が互いに接触することで、隣り合うセパレータ１０，２０の間に空間ができ、この空間は冷却水分配部７２となっている。冷却水分配部７２は、冷却水流路７４に直交する方向に延びており、各冷却水流路７４の上流端が接続されている。

第１セパレータ１０の水素分配部５２にあたる部位の外側には、ガスケット４３が配置されている。図４は、燃料電池をガスケット４３の長手方向に沿って切断した断面図である。図２及び図４に示すように、ガスケット４３の一部は、第１セパレータ１０に形成された内側バックアップ部１２の裏側（凹部）に埋設されている。第２セパレータ２０に形成された内側バックアップ部２２の裏側には、ガスケット４３に対向するようにゴム４４が埋設されている。ガスケット４３の先端がゴム４４に押し当てられることで、隣接する水素流路連通部５０と冷却水分配部７２との間が確実にシールされるようになっている。

また、水素流路連通部５０を構成する各外側バックアップ部１１，２１の裏側（凹部）にもゴム４１，４５が埋設されている。ゴム４１，４５が埋設されることで、セパレータ１０，２０のガスケット４０が接触する接触面はフラットになり、ガスケット４０によるシール性が保たれている。なお、これらゴム製部材４０，４１，４３，４４，４５の材料には、シリコーン系ゴム、フッ素系ゴム、ＥＰＤＭ等であって、使用環境（温度範囲が−３０〜１２０℃であって、且つｐＨ２程度の酸性雰囲気）に耐えられるものが用いられている。

以上説明した燃料電池の構成によれば、水素入口マニホールド８０と水素流路５４とを接続する水素流路連通部５０をセル間に形成することにより、従来のようにセルの内側に形成する場合に比較して、水素流路連通部５０の流路高さや流路面積を大きくとることができる。また、水素流路連通部５０を設けるために樹脂フレーム等の別部品を必要としないという利点もある。また、水素流路連通部５０の高さは、セパレータ１０，２０にプレス成形する凸部（外側バックアップ部）１１，２１の高さによって任意に設定することができる。なお、空気流路連通部の詳細な構成は省略したが、空気流路連通部についても水素流路連通部５０と同様に構成することで、以上列挙したような顕著な効果を同様に得ることができる。

さらに、上記の構成によれば、ガスケット４０は膜電極接合体８に最初から一体化されており、他のゴム製部材４１，４３，４４，４５はセパレータ１０，２０に形成された凹部内に埋め込まれている。したがって、セル化の際には、膜電極接合体８をセパレータ１０，２０で挟むだけでよく、接着剤を用いた接着工程を必要としない。一般に接着剤は熱硬化型であるため接着剤が固まるまでに時間を要するが、上記の構成によれば、接着工程を必要としない分、燃料電池の製造工程における工程時間を短縮することができる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、次のように変形して実施してもよい。

図５の断面図は、第１セパレータ１０の内側バックアップ部１２の裏側（凹部）に埋設されるガスケット４３の変形例（第１変形例）を示している。この第１変形例では、ガスケット４３の基部に別部材４７を埋め込んでいる。この別部材４７はガスケット４３の本体よりも剛性の高い物質でできた部材であり、ステンレス等の金属材やフェノール樹脂等の樹脂材を用いることができる。別部材４７の形状に限定はなく、小さいビーズ状でもよく、薄い平板状でもよく、或いは針状でもよい。このように本体よりも高剛性の別部材４７を入れることで、ガスケット４３の反力を高めてシール性を向上させることができる。

また、図６Ａ，図６Ｂ及び図６Ｃの断面図も、ガスケット４３の変形例（第２変形例）を示している。図６Ａは図１のＡ−Ａ断面に相当し、図６Ｂは図１のＢ−Ｂ断面に相当し、図６Ｃは図１のＣ−Ｃ断面に相当している。この第２変形例では、ガスケット４３の基部４３ａの厚みに応じてガスケット部４３ｂの高さを異ならせるようにしている。具体的には、図６Ａ及び図６Ｃに示すように、基部４３ａの厚い部分は、ガスケット部４３ｂの高さを高くし、図６Ｂ及び図６Ｃに示すように、基部４３ａの薄い部分は、ガスケット部４３ｂの高さを低くしている。このような構成によれば、基部４３ａの厚さによらず面内の圧縮率を略一定にすることができ、ガスケット４３の反力が場所によってばらつくのを防止することができる。

また、上記実施の形態では、ガス流路部の流路構造としてストレート型を採用しているが、櫛型、或いはサーペンタイン型等、その流路構造には限定がない。

本発明の実施の形態としての燃料電池を構成するセパレータの平面図である。 本発明の実施の形態としての燃料電池の構造を示す図であり、図１のＡ−Ａ断面に相当する断面図である。 本発明の実施の形態としての燃料電池の構造を示す図であり、図１のＢ−Ｂ断面に相当する断面図である。 本発明の実施の形態としての燃料電池の構造を示す図であり、図１のＣ−Ｃ断面に相当する断面図である。 ガスケットの第１変形例の構造を示す断面図である。 ガスケットの第２変形例の構造を示す、図１のＡ−Ａ断面にあたる部位の断面図である。 ガスケットの第２変形例の構造を示す、図１のＢ−Ｂ断面にあたる部位の断面図である。 ガスケットの第２変形例の構造を示す、図１のＣ−Ｃ断面にあたる部位の断面図である。

２ 電解質膜
４ アノード電極
６ カソード電極
８ 膜電極接合体
１０ 第１セパレータ
２０ 第２セパレータ
１１，２１ 外側バックアップ部
１２，２２ 内側バックアップ部
１３，２３ 外側凸部
１４，２４ 内側凸部
１５，２５ 谷部
１６ 開口部
１７，２７ 山部
３０ 端末プレート
４０ ガスケット
４１，４５ ゴム
４３ ガスケット
４４ ゴム
５０ 水素流路連通部
５２ 水素分配部
５４ 水素流路
６２ 空気集合部
６４ 空気流路
７２ 冷却水分配部
７４ 冷却水流路
８０ 水素入口マニホールド
８１ 冷却水出口マニホールド
８２ 空気出口マニホールド
８３ 空気入口マニホールド
８４ 冷却水入口マニホールド
８５ 水素出口マニホールド

Claims (8)

1. 膜電極接合体を一対のセパレータにより挟んでなるセルが複数枚積層されることによって構成される燃料電池において、
   反応ガスをセル毎に分配するためのマニホールド部と、
   各セルのセパレータの内側に形成されたガス流路部と、
   前記マニホールド部に前記ガス流路部を連通させるガス流路連通部とを備え、
   前記ガス流路連通部は、隣り合うセルのセパレータとセパレータとの間に形成され、その入口を前記マニホールド部に直接接続されていることを特徴とする燃料電池。
2. 前記セパレータは片面の凹部に対応した反対面が凸部となる表裏一体構造であり、当該セパレータの前記膜電極接合体に接する側とは反対側の面に形成された凸部が隣接するセパレータに接触することによって、当該隣り合う二枚のセパレータ間に前記ガス流路連通部が形成されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
3. 前記セパレータは、当該セパレータの前記膜電極接合体に接する側の面に形成された凸部によって前記膜電極接合体を支持するように構成され、前記凸部の背面にある凹部であって密閉性が要求される部位には、シール材が埋め込まれていることを特徴とする請求項２記載の燃料電池。
4. 前記シール材は樹脂であることを特徴とする請求項３記載の燃料電池。
5. 前記燃料電池は、隣り合うセルのセパレータとセパレータとの間に形成された冷却水通路を備え、
   前記シール材の少なくとも一部は、前記冷却水通路と前記ガス流路連絡部との間をシールするガスケットとして用いられていることを特徴とする請求項３又は４記載の燃料電池。
6. 前記シール材内に当該シール材よりも剛性の高い物質が埋設されていることを特徴とする請求項３乃至５の何れか１項に記載の燃料電池。
7. 前記膜電極接合体と前記膜電極接合体の外周に設けられるガスケットとは一体構造であり、前記のガスケットが一体化された膜電極接合体を前記一対のセパレータによって直接挟むことによって前記セルが構成されていることを特徴とする請求項３乃至６の何れか１項に記載の燃料電池。
8. 前記セパレータはプレス成形により形成されていることを特徴とする請求項２乃至７の何れか１項に記載の燃料電池。

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