JP4828841B2 - 燃料電池 - Google Patents

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Description

本発明は、両面に複数のアノード側電極面及びカソード側電極面が設けられる長尺な電解質膜・電極ウエブ部材を、ガス拡散集電部材により挟持して多層に構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設けた電解質膜・電極構造体を、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。
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。
ところで、上記の燃料電池では、特に車載用燃料電池スタックを構成する場合に、スペースの有効利用を図る必要からスタック全体として小型化(薄型化)することが望まれている。
そこで、例えば、特許文献1に開示されている燃料電池が知られている。この燃料電池は、図9に示すように、複数の単電池1a、1b、1c及び1dが積層されるとともに、前記単電池1a〜1dには、それぞれ電解質2の両側に酸化剤極3と燃料極4とが設けられている。酸化剤極3側には、酸化剤極室5が設けられる一方、燃料極4側には、燃料極室6が設けられている。
単電池1aと単電池1bとは、燃料極室6を共有しており、単電池1bと単電池1cとは、酸化剤極室5を共有しており、さらに、単電池1cと単電池1dとは、燃料極室6を共有している。
単電池1aの酸化剤極3と単電池1bの燃料極4とは、集電接続体7aにより接続され、単電池1bの酸化剤極3と単電池1cの燃料極4とは、集電接続体7bにより接続され、さらに、単電池1cの酸化剤極3と単電池1dの燃料極4とは、集電接続体7cにより接続されている。これにより、単電池1a〜1dは、集電接続体7a〜7cを介して直列に接続されている。
特開平6−60905号公報(図1)
ところで、上記の燃料電池では、各単電池1a〜1d毎にユニット化するとともに、前記単電池1a〜1dを所定の向きに配置して互いに積層している。しかも、単電池1a〜1dを互いに直列に接続するために、集電接続体7a〜7cを取り付ける作業が行われている。このため、燃料電池スタックの組付け作業は、相当に煩雑で且つ時間のかかるものとなり、生産性が悪いという問題が指摘されている。
さらに、単電池1a〜1dは、個別の部品である集電接続体7a〜7cを介して直列に接続されており、電気抵抗が大きくなるとともに、部品数が相当に増加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、組み付け作業を簡単且つ迅速に行うことができ、生産性の向上を図るとともに、経済的且つコンパクトな構成で、所望の性能を確保することが可能な多層型の燃料電池を提供することを目的とする。
本発明は、長尺状電解質膜の一方の面に、少なくとも2以上のアノード側電極面が離間して形成されるとともに、前記長尺状電解質膜の他方の面に、少なくとも2以上のカソード側電極面が離間して形成される電解質膜・電極ウエブ部材と、単一の導電性プレートを略U字状に折り曲げるとともに、前記電解質膜・電極ウエブ部材の前記アノード側電極面又は前記カソード側電極面する少なくとも一方の面に多数の孔部が形成されるガス拡散集電部材と、前記ガス拡散集電部材の前記一方の面との間に反応ガス流路を形成する電気絶縁性の絶縁部材とを備えている。
ここで、アノード側電極面及びカソード側電極面は、それぞれ長尺状電解質膜に所定の面積で形成された電極触媒層と、前記電極触媒層が設けられるガス拡散層とを備える電極層により構成される。
電解質膜・電極ウエブ部材は、波状に湾曲乃至屈曲されることによりアノード側電極及びカソード側電極が互いに平行して配列されており、前記電解質膜・電極ウエブ部材の短尺方向一方の開口する側部側から該電解質膜・電極ウエブ部材を挟んで第1のガス拡散集電部材が挿されるとともに、前記電解質膜・電極ウエブ部材の短尺方向他方の開口する側部側から該電解質膜・電極ウエブ部材を挟んで第2のガス拡散集電部材が挿入され、前記第1のガス拡散集電部材は、一方の面の内表面を前記電解質膜・電極ウエブ部材の前記カソード側電極に接するとともに、他方の面の外表面を他の電解質膜・電極ウエブ部材の前記アノード側電極に接し、前記第2のガス拡散集電部材は、一方の面の内表面を前記電解質膜・電極ウエブ部材の前記アノード側電極に接するとともに、他方の面の外表面を別の電解質膜・電極ウエブ部材の前記カソード側電極に接し、前記第1のガス拡散集電部材と前記第2のガス拡散集電部材とが直接対向する間隙には、絶縁部材が介装されている。
さらに、絶縁部材は、両面に複数の突起部を設け、前記突起部がガス拡散集電部材に当接することにより反応ガス流路が形成されることが好ましい。
さらにまた、ガス拡散集電部材は、反応ガス流路に連通するとともに、前記ガス拡散集電部材の積層方向に貫通して反応ガスを流す反応ガス連通孔を設けることが好ましい。
また、ガス拡散集電部材は、前記ガス拡散集電部材の積層方向に貫通して冷却媒体を流す冷却媒体連通孔を設けることが好ましい。
本発明では、長尺状電解質膜の両面に、それぞれ複数のアノード側電極面及びカソード側電極面が形成されている。このため、例えば、長尺状電解質膜を折り返すように波状に成形させるだけで、複数のアノード側電極及びカソード側電極を、所望の姿勢で配列させることができる。従って、略U字状のガス拡散集電部材を、例えば、長尺状電解質膜の両側部側から挿入するだけで、アノード側電極面とカソード側電極面とで電解質膜を挟持した電解質膜・電極構造部がガス拡散集電部材で挟持される複数の単位セルを、容易且つ迅速に積層することが可能になる。
しかも、ガス拡散集電部材は、単一の導電性プレートを略U字状に折り曲げて成形されており、アノード側電極からカソード側電極への電子の移動が前記導電性プレート自体により行われる。これにより、電気抵抗を有効に低下させることができる。さらに、導電性プレートの折り曲げ部位を冷却するだけで、金属の熱伝導性を利用してガス拡散集電部材の面内温度を均一化することが可能になる。
図1は、本発明の実施形態に係る燃料電池10の概略構成説明図であり、図2は、前記燃料電池10の断面説明図である。
燃料電池10は、例えば、自動車等の車両に搭載されており、多層型燃料電池(燃料電池スタック)を構成している。この燃料電池10は、電解質膜・電極ウエブ部材12と、略U字状に成形され、互いに対向して前記電解質膜・電極ウエブ部材12の両側から矢印B1方向及び矢印B2方向に挿入されることにより矢印A方向に積層される第1及び第2ガス拡散集電部材14、16とを備える。
図1に示すように、燃料電池10の積層方向(矢印A方向)両端には、ターミナルプレート18a、18b、絶縁プレート20a、20b及びエンドプレート22a、22bが配置されている。エンドプレート22a、22bは、例えば、図示しない締め付けボルトにより積層方向に締め付けられているが、これに代えて、例えば、前記エンドプレート22a、22bを端板として構成される箱状ケーシング内に燃料電池10を収容してもよい。
電解質膜・電極ウエブ部材12は、図3に示すように、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長尺な固体高分子電解質膜(長尺状電解質膜)24を備える。固体高分子電解質膜24の一方の面24aには、複数のアノード側電極面26が所定の間隔ずつ離間して設けられるとともに、前記固体高分子電解質膜24の他方の面24bには、複数のカソード側電極面28が前記アノード側電極面26と同一位置に対応して設けられる。
電解質膜・電極ウエブ部材12には、固体高分子電解質膜24を挟んでアノード側電極面26とカソード側電極面28とを有する複数の電解質膜・電極構造部30が所定の距離ずつ離間して構成される。図2及び図4に示すように、各電解質膜・電極構造部30間には、後述するように反応ガス流路を形成する電気絶縁性の絶縁部材32が配設される。
アノード側電極面26及びカソード側電極面28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24の両面に形成される。なお、アノード側電極面26及びカソード側電極面28にガス拡散層を設けずに後述する第1及び第2ガス拡散集電部材14、16自体をガス拡散層として用いてもよい。
図5に示すように、第1及び第2ガス拡散集電部材14、16と絶縁部材32との矢印B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34a、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔36a、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排出連通孔38bが、矢印C方向(鉛直方向)に配列して設けられる。
第1及び第2ガス拡散集電部材14、16と絶縁部材32との矢印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38a、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔36b、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔34bが、矢印C方向に配列して設けられる。
図4及び図6に示すように、第1ガス拡散集電部材14は、単一の導電性プレートを略U字状に折り曲げて構成されるとともに、展開時の長手方向略中央部に端面部40を設ける。第1ガス拡散集電部材14には、端面部40の両側に位置してアノード側電極面26及びカソード側電極面28と略同一面積範囲内に、多数の細孔を有する孔部形成面42a、42bが形成される。孔部形成面42a、42bは、絶縁部材32に嵌め込んで構成してもよい。第1ガス拡散集電部材14は、端面部40の両側で折り曲げられて略U字状に成形された際、外表面となる面14a1、14a2と、内表面となる面14b1、14b2とを有する。
面14a1には、図6に示すように、酸化剤ガス供給連通孔34aと孔部形成面42aとを連通する入口通路44aと、前記孔部形成面42aと酸化剤ガス排出連通孔34bとを連通する出口通路44bとが形成される。面14b2には、燃料ガス供給連通孔38aと孔部形成面42bとを連通する入口通路46aと、前記孔部形成面42bと燃料ガス排出連通孔38bとを連通する出口通路46bとが形成される。
入口通路44a、46a及び出口通路44b、46bは、第1ガス拡散集電部材14の外周縁部を覆って一体成形されるシール部48を設けることにより形成されているが、このシール部48に代えて、例えば、ガスケット(図示せず)等の別体シールを用いてもよい。また、第2ガス拡散集電部材16においても同様である。
第2ガス拡散集電部材16は、図4及び図7に示すように、単一の導電性プレートを略U字状に折り曲げて構成されるとともに、展開時の長手方向略中央部に端面部50を有する。第2ガス拡散集電部材16は、端面部50の両端で折り曲げられることにより外表面となる面16a1、16a2と、内表面となる面16b1、16b2とを有する。端面部50の両側には、多数の細孔を有する孔部形成面52a、52bが形成される。孔部形成面45a、52bは、絶縁部材32に嵌め込んで構成してもよい。
面16a1には、図7に示すように、燃料ガス供給連通孔38aと孔部形成面52aとを連通する入口通路54aと、前記孔部形成面52aと燃料ガス排出連通孔38bとを連通する出口通路54bとが形成される。面16b2には、酸化剤ガス供給連通孔34aと孔部形成面52bとを連通する入口通路56aと、前記孔部形成面52bと酸化剤ガス排出連通孔34bとを連通する出口通路56bとが形成される。第2ガス拡散集電部材16の外周縁部を覆ってシール部58が一体成形される。
絶縁部材32は、樹脂材等で形成されている。この絶縁部材32の中央部には、アノード側電極面26及びカソード側電極面28の面積範囲内に対応して両面に突出するそれぞれ複数の突起部60a、60bが一体成形される。
図2及び図4に示すように、第1ガス拡散集電部材14は、面14b1を電解質膜・電極構造部30のカソード側電極面28に接するとともに、面14a2を他の電解質膜・電極構造部30のアノード側電極面26に接する。第2ガス拡散集電部材16は、面16b1を電解質膜・電極構造部30のアノード側電極面26に接するとともに、面16a2を別の電解質膜・電極構造部30のカソード側電極面28に接する。
第1ガス拡散集電部材14の面14a1と第2ガス拡散集電部材の面16b2とは、直接対向しており、これらの間には、絶縁部材32が介装される。絶縁部材32の突起部60a、60bが面16b2、14a1に当接することによりそれぞれ酸化剤ガス流路62が形成される。同様に、互いに直接対向する第1ガス拡散集電部材14の面14b2と第2ガス拡散集電部材16の面16a1との間には、絶縁部材32の突起部60a、60bを介してそれぞれ燃料ガス流路64が形成される。
次に、このように構成される燃料電池10を組み付ける作業について、説明する。
先ず、電解質膜・電極ウエブ部材12は、各電解質膜・電極構造部30の間を湾曲乃至屈曲させて波状に成形される。このため、各電解質膜・電極構造部30は、互いに略平行して矢印A方向に配列される。
一方、第1ガス拡散集電部材14は、端面部40の両側で折り曲げられることにより、面14a1、14a2が外表面となるよう略U字状に成形される。同様に、第2ガス拡散集電部材16は、端面部50の両側で折り曲げられることにより、面16a1、16a2が外表面となるように略U字状に成形される。
次いで、図8に示すように、第1ガス拡散集電部材14は、波状に成形されている電解質膜・電極ウエブ部材12の一方の側部側から、前記電解質膜・電極ウエブ部材12を挟んで、具体的には、1の電解質膜・電極構造部30を挟んで矢印B1方向に挿入される。第2ガス拡散集電部材16は、電解質膜・電極ウエブ部材12の他方の側部側から、前記電解質膜・電極ウエブ部材12を挟んで、具体的には、1の電解質膜・電極構造部30を挟んで矢印B2方向に挿入される。
図2及び図4に示すように、第1及び第2ガス拡散集電部材14、16は、同一の電解質膜・電極構造部30を挟み且つ互いに一部を略U字状内に収容するようにして配置される。
さらに、第1ガス拡散集電部材14の面14a1と第2ガス拡散集電部材16の面16b2との間に絶縁部材32が配設されることにより、この絶縁部材32の両面には、それぞれ酸化剤ガス流路62が形成される。同様に、第1ガス拡散集電部材14の面14b2と第2ガス拡散集電部材16の面16a1との間に絶縁部材32が配置されることにより、この絶縁部材32の両面には、それぞれ燃料ガス流路64が形成される。
このようにして波状に成形された電解質膜・電極ウエブ部材12の各電解質膜・電極構造部30が、第1及び第2ガス拡散集電部材14、16に挟持されるとともに、これらの積層方向両端には、ターミナルプレート18a、18b、絶縁プレート20a、20b及びエンドプレート22a、22bが配設される。エンドプレート22a、22b間は、例えば、図示しないタイロッドにより締め付けられることにより、スタックとして多層型の燃料電池10が組み付けられる。
次に、上記の燃料電池10の動作について説明する。
図1に示すように、エンドプレート22aにおいて、酸化剤ガス供給連通孔34a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38a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36a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5に示すように、酸化剤ガス供給連通孔34aから通路44aを介して第1ガス拡散集電部材14の酸化剤ガス流路62に導入される。酸化剤ガス流路62では、図4及び図5に示すように、第1ガス拡散集電部材14に設けられている孔部形成面42aの複数の細孔を介して、酸化剤ガスが電解質膜・電極構造部30を構成するカソード側電極面28に供給される。
一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔38aから通路54aを介して第2ガス拡散集電部材16の燃料ガス流路64に導入される。燃料ガス流路64では、第2ガス拡散集電部材16の孔部形成面52aの複数の細孔を通って、燃料ガスが電解質膜・電極構造部30を構成するアノード側電極面26に供給される。
従って、各電解質膜・電極構造部30では、カソード側電極面28に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極面26に供給される燃料ガスとが、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、酸化剤ガス流路62を通過した未反応の酸化剤ガスは、通路44bから酸化剤ガス排出連通孔34bに排出される(図5参照)。同様に、燃料ガス流路64を通過した未反応の燃料ガスは、通路54bから燃料ガス排出連通孔38bに排出される。
また、図2に示すように、上記の電解質膜・電極構造部30に隣接する他の電解質膜・電極構造部30では、絶縁部材32を挟んで形成される酸化剤ガス流路62及び燃料ガス流路64にそれぞれ酸化剤ガス及び燃料ガスが供給され、同様に発電が行われる。
一方、冷却媒体供給連通孔36aに供給された冷却媒体は、燃料電池10内を矢印A方向に移動して各電解質膜・電極構造部30を冷却した後、折り返して冷却媒体排出連通孔36bから排出される。
この場合、本実施形態では、長尺な固体高分子電解質膜24の両面24a、24bに、それぞれ複数のアノード側電極面26及びカソード側電極面28が形成された電解質膜・電極ウエブ部材12が設けられている。このため、固体高分子電解質膜24を折り返すように電解質膜・電極ウエブ部材12を波状に成形させるだけで、それぞれアノード側電極面26及びカソード側電極面28を有する複数の電解質膜・電極構造部30は、互いに平行した姿勢で矢印A方向に配列される。
従って、この状態で、第1及び第2ガス拡散集電部材14、16を電解質膜・電極ウエブ部材12の両側部側から挿入するだけで、実質的に、複数の単位セルを容易且つ迅速に積層することが可能になるという効果が得られる。
しかも、第1及び第2ガス拡散集電部材16、14は、単一の導電性プレートを略U字状に折り曲げて成形されている。これにより、アノード側電極面26からカソード側電極面28への電子の移動は、導電性プレート自体により行われ、電気抵抗を有効に低減させることが可能になる。
さらに、第1及び第2ガス拡散集電部材14、16に設けられている冷却媒体供給連通孔36aに沿って冷却媒体を供給するだけで、金属の熱伝導性を利用して、前記第1及び第2ガス拡散集電部材14、16の面内温度を容易に均一化することが可能になる。
さらにまた、樹脂等により形成される絶縁部材32を用いるとともに、この絶縁部材32の両面には、酸化剤ガス流路62及び燃料ガス流路64を形成するために複数の突起部60a、60bが設けられている。このため、絶縁部材32は、絶縁機能の他、流路形成機能を有しており、部品数を有効に削減することができるとともに、燃料電池10全体の矢印A方向の寸法を有効に短尺化することが可能になるという利点がある。
本発明の実施形態に係る燃料電池の概略構成説明図である。 前記燃料電池の断面説明図である。 前記燃料電池を構成する電解質膜・電極ウエブ部材12、第1及び第2ガス拡散集電部材及び絶縁部材の斜視説明図である。 前記燃料電池の一部拡大断面図である。 前記燃料電池の反応ガス及び冷却媒体の流れ説明図である。 前記第1ガス拡散集電部材の展開状態説明図である。 前記第2ガス拡散集電部材の展開状態説明図である。 前記燃料電池を組み立てる際の説明図である。 特許文献1の燃料電池の説明図である。
符号の説明
10…燃料電池 12…電解質膜・電極ウエブ部材
14、16…ガス拡散集電部材 22a、22b…エンドプレート
24…固体高分子電解質膜 24a、24b…面
26…アノード側電極面 28…カソード側電極面
30…電解質膜・電極構造部 32…絶縁部材
34a…酸化剤ガス供給連通孔 34b…酸化剤ガス排出連通孔
36a…冷却媒体供給連通孔 36b…冷却媒体排出連通孔
38a…燃料ガス供給連通孔 38b…燃料ガス排出連通孔
40、50…端面部
42a、42b、52a、52b…孔部形成面
60a、60b…突起部 62…酸化剤ガス流路
64…燃料ガス流路

Claims (4)

  1. 長尺状電解質膜の一方の面に、少なくとも2以上のアノード側電極面が離間して形成されるとともに、前記長尺状電解質膜の他方の面に、少なくとも2以上のカソード側電極面が離間して形成される電解質膜・電極ウエブ部材と、
    単一の導電性プレートを略U字状に折り曲げるとともに、前記電解質膜・電極ウエブ部材の前記アノード側電極面又は前記カソード側電極面する少なくとも一方の面が多孔性を有するガス拡散集電部材と、
    前記ガス拡散集電部材の前記一方の面との間に反応ガス流路を形成する電気絶縁性の絶縁部材と、
    を備え、
    前記電解質膜・電極ウエブ部材は、波状に湾曲乃至屈曲されることにより前記アノード側電極及び前記カソード側電極が互いに平行して配列されており、
    前記電解質膜・電極ウエブ部材の短尺方向一方の開口する側部側から該電解質膜・電極ウエブ部材を挟んで前記第1のガス拡散集電部材が挿されるとともに、前記電解質膜・電極ウエブ部材の短尺方向他方の開口する側部側から該電解質膜・電極ウエブ部材を挟んで前記第2のガス拡散集電部材が挿入され、
    前記第1のガス拡散集電部材は、一方の面の内表面を前記電解質膜・電極ウエブ部材の前記カソード側電極に接するとともに、他方の面の外表面を他の電解質膜・電極ウエブ部材の前記アノード側電極に接し、
    前記第2のガス拡散集電部材は、一方の面の内表面を前記電解質膜・電極ウエブ部材の前記アノード側電極に接するとともに、他方の面の外表面を別の電解質膜・電極ウエブ部材の前記カソード側電極に接し、
    前記第1のガス拡散集電部材と前記第2のガス拡散集電部材とが直接対向する間隙には、前記絶縁部材が介装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、前記絶縁部材は、両面に複数の突起部を設け、前記突起部が前記ガス拡散集電部材に当接することにより前記反応ガス流路が形成されることを特徴とする燃料電池。
  3. 請求項1又は2記載の燃料電池において、前記ガス拡散集電部材は、前記反応ガス流路に連通するとともに、前記ガス拡散集電部材の積層方向に貫通して反応ガスを流す反応ガス連通孔を設けることを特徴とする燃料電池。
  4. 請求項1乃至3のいずれか1項に記載の燃料電池において、前記ガス拡散集電部材は、前記ガス拡散集電部材の積層方向に貫通して冷却媒体を流す冷却媒体連通孔を設けることを特徴とする燃料電池。
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