JP4848824B2 - 固体高分子型燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、ポータブル電源，電気自動車用電源，家庭内コージェネレーションシステムに使用される固体高分子電解質を用いた燃料電池に関する。

固体高分子電解質を用いた燃料電池は、水素を含有する燃料ガスと、空気などの酸素を含有する酸化剤ガスとを電気化学的に反応させることで、電力と熱とを同時に発生させるものである。基本的には、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜及び高分子電解質膜を挟む一対の電極からなり、電極は白金族金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする触媒層及び触媒層の外側に形成され通気性と電子導電性を併せ持つガス拡散層からなる。

供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスが外部にリークしたり、２種のガスが互いに混合したりしないように、電極の周囲には高分子電解質を挟んでガスシール材やガスケットが配置される。このシール材やガスケットは、電極及び高分子電解質膜と一体化して予め組み立てられる。これを、ＭＥＡ（電解質膜電極接合体）と称す。ＭＥＡの外側には、これを機械的に固定するとともに、隣接するＭＥＡ同士を互いに電気的に直列に接続するための導電性のセパレータが配置される。セパレータのＭＥＡと接触する部分には、電極面に反応ガスを供給し、生成水や余剰ガスを運び去るための流路が形成される。流路はセパレータと別に設けることもできるが、セパレータの表面に溝を設けて流路を形成するのが一般的である。更に、ＭＥＡと一対のセパレータから構成される単電池を複数個積層してＭＥＡ同士を互いに電気的に直列に接続することにより、実用可能なように電圧を高めることが一般的である。

各単電池はマニホールド穴を有し、これらのマニホールド穴が積層することでマニホールドが形成される。供給配管から供給された流体が入り口マニホールドを通じて各々の単電池に分配供給され、各単電池から排出された流体が出口マニホールドを通じて排出配管から排出される。しかし、各単電池は発電によって発熱するため、マニホールドの流体がその影響を受け、積層方向に温度分布が生じるという問題がある。つまり、積層方向の端部では端面からの放熱の割合が多く比較的低温になりやすく、積層方向の中央では放熱の割合が小さく比較的高温になりやすい。反応適正温度よりも高い流体が供給されると触媒の乾燥により電圧低下や触媒劣化による性能劣化が生じやすく、反応適正温度よりも低い流体が供給されると結露によるフラッディング，ガス不足，部分的な転極を誘発し、触媒劣化が促進しやすいという問題がある。このような問題を回避するため、マニホールドの内周の少なくとも一部に断熱材を配設することが考案されている（特許文献１参照）。

また、このような通常運転時のほか、運転開始時にも同様の理由により、燃料電池の発電以外、例えば、都市ガスの燃焼や電気ヒーターなどの加熱手段によって燃料電池の温度を適正反応温度まで昇温する必要がある。しかし、実用するうえでは昇温する時間は短くなければならず、昇温時の熱効率は高くなければならない。このような問題を回避するため、単電池内のガスケットの一部を単電池外周まで伸ばしセパレータ側面を覆うことで断熱性を高めることが考案されている（特許文献２参照）。
特開２００５−２０９５２６号公報 特開２００４−３４２５１６号公報

前述したように、燃料電池を構成する各単電池はマニホールド穴を有し、これらのマニホールド穴が積層することでマニホールドが形成される。そして、供給配管から供給された流体が入り口マニホールドを通じて各々の単電池に分配供給され、各単電池から排出された流体が出口マニホールドを通じて排出配管から排出される。しかしながら、各単電池は発電によって発熱するため、マニホールドの流体がその影響を受け、積層方向に温度分布が生じるという問題がある。すなわち、積層方向の端部では端面からの放熱の割合が多く比較的低温になりやすく、積層方向の中央では放熱の割合が小さく比較的高温になりやすい。反応適正温度よりも高い流体が供給されると触媒の乾燥により電圧低下や触媒劣化による性能劣化が生じやすく、反応適正温度よりも低い流体が供給されると結露によるフラッディング、ガス不足、部分的な転極を誘発し、触媒劣化が促進しやすいという問題がある。このような通常運転時のほか、運転開始時にも同様の理由により、燃料電池の発電以外、たとえば、都市ガスの燃焼や電気ヒーターなどの加熱手段によって燃料電池の温度を適正反応温度まで昇温する必要がある。しかし、実用するうえでは昇温する時間は短くなければならず、昇温時の熱効率は高くなければならない。

本発明は、上記従来の課題を解決するため、燃料電池を構成する各単電池ごとに断熱性能を高めることにより、通常運転時に生じやすい積層方向の温度分布を抑制し、発電開始時の昇温時間を短縮し、熱効率を高めることが可能な固体高分子型燃料電池を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の高分子電解質型燃料電池は、高分子電解質膜と前記高分子電解質膜を挟む一対の電極とシール材が一体となった枠体と、前記一方の電極に燃料ガスを供給排出する流路を有し、他方の電極に酸化剤ガスを供給・排出する流路を有する一対の導電性セパレータから成る単電池を複数個積層して構成される固体高分子型燃料電池であって、枠体のマニホールドの内周と外周の突出部が、流路導入部でのみセパレータ発電部とつながっているメガネ状のセパレータのマニホールド部を覆い、セパレータのマニホールドの流路導入部と枠体マニホールド内周の導入流路は連通していることを特徴とする。

酸化剤ガス用マニホールドと燃料ガス用マニホールドは枠体のみに形成されていることを特徴とする。

枠体マニホールドの内外周突出部が積層方向と直交する方向に突出した突起を持ち、セパレータマニホールドの内外周と突起先端で接触し、セパレータとの間に隙間を形成することを特徴とする。

メガネ状のセパレータマニホールドがマニホールドの内周または外周に積層方向と直交する方向に突出した突起を持ち、上記枠体のマニホールド突出部と突起の先端で接触し、枠体との間に隙間を形成することを特徴とする。

枠体のマニホールドの内周突出部または外周突出部が、積層方向の一方の先端に凸形状、他方の凹形状を持ち、単電池積層時に凸凹が嵌合することを特徴とする。

枠体のマニホールドの内周突出部または外周突出部が、積層方向の一方の内周と他方の外周がテーパー面であり、単電池同士を積層時する際に両者が嵌合することを特徴とする。

枠体のマニホールドの内周突出部または外周突出部の積層方向一方の先端にシール材が一体成形されており、単電池同士を積層時する際に密閉されることを特徴とする。

枠体のマニホールド突起と枠体の最外周突起の間はリブで連結された構造であり、リブ間は隙間が形成されていることを特徴とする。

以上のように、本発明の高分子電解質型燃料電池によれば、通常運転時に生じやすい積層方向の温度分布を抑制し、発電開始時の昇温時間を短縮し、熱効率を高めることを可能とすることができる。

従来の燃料電池においては、通常運転時に生じやすい積層方向の温度分布を抑制するために、マニホールドの内周の少なくとも一部に断熱材を配設するものがある。この方法によれば、発電熱によるガス・冷却水の温度上昇抑制に効果はあるが、セパレータの外周から外部への放熱抑制に効果はない。従って、運転開始時の熱効率を高めるためには、セパレータの外側に別途断熱材を配設する必要があり、製作コストの上昇や燃料電池の設置スペース拡大につながる可能性がある。また、運転開始時の熱効率を高めるために、単電池内のガスケットの一部を単電池外周まで伸ばしセパレータ側面を覆うことで断熱性を高めるものがある。セパレータから外部への放熱抑制に効果はあるが、シール性発揮のため低弾性材で側面を覆う必要があり、実用上は表面強度不足であり、別途保護材を配設する必要があり、同様に、製作コストの上昇や燃料電池の設置スペース拡大につながる可能性がある。

これに対し、本発明のポイントは、枠体のマニホールドの内周と外周の突出部が、流路導入部でのみセパレータ発電部とつながっているメガネ状のセパレータのマニホールド部を覆い、セパレータのマニホールドの流路導入部と枠体マニホールド内周の導入流路は連通していることであり、セパレータ外周に別途断熱材や保護材を配設することなく、通常運転時の積層方向の温度分布を抑制し、発電開始時の昇温工程における熱効率を高めることができる。

燃料極セパレータの酸化剤ガス用マニホールドや、酸化剤極セパレータの燃料ガスマニホールドのように、流路導入不要なガスのマニホールドは枠体のみで形成することで断熱性を高めることができる。

枠体マニホールドの内外周突出部が積層方向と直交する方向に突出した突起を持ち、セパレータ内外周と突起先端で接触し、セパレータとの間に隙間を形成することで断熱性を高めることができる。

メガネ状のセパレータマニホールドがマニホールドの内周または外周に積層方向と直交する方向に突出した突起を持ち、上記枠体のマニホールド突出部と突起の先端で接触し、枠体との間に隙間を形成することで断熱性を高めることができる。

枠体のマニホールドの内周突出部または外周突出部が、積層方向の一方の先端に凸、他方の凹形状を持ち、単電池積層時に凸凹が嵌合することで断熱性を高めることができる。

枠体のマニホールドの内周突出部または外周突出部が、積層方向の一方の内周と他方の外周がテーパー面であり、単電池同士を積層時する際に両者が嵌合することで断熱性を高めることができる。

枠体のマニホールドの内周突出部または外周突出部が、積層方向の一方の先端にシールが枠体と一体成形されており、単電池同士を積層時する際に密閉されることで断熱性を高めることができる。

枠体のマニホールド突起と枠体の最外周突起の間はリブで連結された構造であり、リブ間は隙間が形成されていることで断熱性を高めることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

《実施の形態１》
図１は本実施の形態のＭＥＡ一体シールとアノード側セパレータとカソード側セパレータのカソード電極側からみた斜視図である。縦１５０ｍｍ、横１５０ｍｍのＭＥＡ２の周囲に縦２２０ｍｍ横２２０ｍｍのポリプロピレンの枠体３を形成するようインサート成形する。また、この枠体３には、フッ素ゴムを２色成形することによりシール４を形成する。このシール４は、カソード側電極に酸化剤ガスを供給・排出するマニホールド５と電極を連絡する部分６には設けず、他の部分にガスが漏れないように、マニホールド５とＭＥＡ２を包含するように形成する。

アノード側マニホールド７と冷却水マニホールド８は外部とのもれがないように、マニホールドを取り巻くようにシールを形成する。ＭＥＡ一体シール１とアノード側セパレータ１１とカソード側セパレータ１２を一体化して単電池を形成する際、枠体のマニホールドの内周と外周の突出部９が、流路導入部でのみセパレータ発電部とつながっているメガネ状のマニホールド部１０を覆い、セパレータのマニホールドの流路導入部１０−Ａと枠体マニホールド内周の導入流路５−Ａは連通するようにする。このとき、酸化剤ガス用マニホールドと燃料ガス用マニホールドは枠体のみに形成されている。

《実施の形態２》
図２は本実施の形態の組み立て後の単電池の部分詳細断面図である。枠体のマニホールドの内周と外周の突出部９が、セパレータのメガネ状マニホールド部１０を覆い、枠体の突起部９から積層方向と直交する方向に突出した楔型突起９−Ａで１０と接するようにする。

《実施の形態３》
図３は本実施の形態の組み立て後の単電池の部分詳細断面図である。枠体のマニホールドの内周と外周の突出部９が、セパレータのメガネ状マニホールド部１０を覆い、セパレータのメガネ状マニホールドから積層方向と直交する方向に突出した楔型突起１０−Ｂで９と接するようにする。

《実施の形態４》
図４は本実施の形態の組み立て後の単電池を積層した単電池群の部分詳細断面図である。

枠体のマニホールドの内周突出部または外周突出部および枠体の外周突出部が、積層方向の一方の先端に凸形状９−Ｂ、他方の凹形状９−Ｃを持ち、単電池積層時に凸凹が勘合するようにする。

《実施の形態５》
図５は本実施の形態の組み立て後の単電池を積層した単電池群の部分詳細断面図である。

枠体のマニホールドの内周突出部または外周突出部が、積層方向の一方の内周９−Ｄと他方の外周９−Ｅがテーパー面であり、単電池同士を積層時する際に両者が勘合するようにする。

《実施の形態６》
図６は本実施の形態の組み立て後の単電池を積層した単電池群の部分詳細断面図である。

枠体のマニホールドの内周突出部または外周突出部が、積層方向の一方の先端にシール９−Ｆが枠体と一体成形されており、単電池同士を積層時する際に密閉されるようにする。

《実施の形態７》
図７は本実施の形態のＭＥＡ一体シールの斜視図である。枠体のマニホールド突出部９と枠体の最外周突起３−Ａの間はリブ３−Ｂで連結された構造であり、リブ間は隙間３−Ｃが形成されているようにする。

以下、本発明の実施例を説明する。

《実施例１》
アセチレンブラック系カーボン粉末に、平均粒度約３０Åの白金粒子を２５重量％担持し、カソード触媒とした。また、アセチレンブラック系カーボン粉末に、平均粒度約３０Åの白金−ルテニウム合金粒子を２５重量％担持し、アノード触媒とした。これらの粉末をイソプロピ−ルアルコールに分散させ、パーフルオロカーボンスルホン酸粉末のエチルアルコール分散液と混合してペースト状にした。これらのペーストを原料として、スクリーン印刷法を用いてそれぞれ厚さ２５０μｍのカーボン不織布の一方の面に塗工して触媒層を形成した。得られた各々の電極の触媒層に含まれる触媒金属量は０．３ｍｇ／ｃｍ²、パーフルオロスルホン酸の量は１．２ｍｇ／ｃｍ²とした。

これらの電極は、触媒材料以外はカソード・アノード共に同一構造である。これらの電極をそれよりひとまわり大きい面積を有する高分子電解質膜の中心部の両面に、厚さ２５０μｍのフッ素系ゴムシートを所定の大きさに切り抜き、前述の電極外周部に露出している電解質膜を挟んで両側に配置し、ホットプレスによって接合一体化させ、ＭＥＡを作製した。ここでは、高分子電解質としテーパーフルオロスルホン酸を３０μｍの厚さに薄膜化したものを用いた。

本実施例では、実施の形態１で説明した構造のＭＥＡ一体シールとセパレータを用いた。

ＭＥＡ一体シール１とアノード側セパレータ１１とカソード側セパレータ１２を一体化して単電池を形成する際、枠体のマニホールドの内周と外周の突出部９が、流路導入部でのみセパレータ発電部とつながっているメガネ状のマニホールド部１０を覆い、セパレータのマニホールドの流路導入部１０−Ａと枠体マニホールド内周の導入流路５−Ａは連通するようにする。このとき、酸化剤ガス用マニホールドと燃料ガス用マニホールドは枠体のみに形成されている。

このように作成した単電池を５０セル積層した後、表面に金メッキを施した銅板からなる集電板をポリフェニレンサルファイド製の絶縁板を介して、ステンレス製の端板で挟み、両端板を締結ロッドで締結し、外周面を断熱材で覆った後、発電評価を実施した。このとき、締結圧は電極の単位面積あたり１００Ｎ／ｃｍ²とした。

《比較例１》
比較例１の燃料電池スタックに用いたＭＥＡ一体シール１、アノード側セパレータ１１、カソード側セパレータ１２の斜視図を図８に示す。単電池の作成にあたっては、ＭＥＡ一体シール、アノード側セパレータ、カソード側セパレータを、外形を目安に積層した後、位置決めピン２０で固定した。このように作成した複数の単電池と、集電板１９、絶縁板１８、配管付外端板２１を積層した後、ボルト２２とナット２３で締結した。

本実施例と比較例１は通常運転ではほぼ同様の発電性能を発揮したが、燃料利用率を高めた運転状態では比較例１における積層方向端部の単電池にてフッディング現象がみられたのに対し、本実施例においてはこのような現象は見られず、安定した発電状態を維持することができ、本実施例の有効性が確認された。

《実施例２》
本実施例では、実施の形態２で説明した構造のＭＥＡ一体シールとセパレータを用いた。ＭＥＡ一体シール１とカソード側セパレータ１２を一体化して単電池を形成する際、枠体のマニホールドの内周と外周の突出部９が、流路導入部でのみセパレータ発電部とつながっているメガネ状のマニホールド部１０を覆い、枠体の突起部９は積層方向と直交する方向に突出した突起９−Ａのみでセパレータ１２と接するようにした。本実施例においても実施例１と同様の発電性能を発揮した。

《実施例３》
本実施例では、実施の形態３で説明した構造のＭＥＡ一体シールとセパレータを用いた。ＭＥＡ一体シール１とカソード側セパレータ１２を一体化して単電池を形成する際、枠体のマニホールドの内周と外周の突出部９が、流路導入部でのみセパレータ発電部とつながっているメガネ状のマニホールド部１０を覆い、セパレータのメガネ状マニホールドは積層方向と直交する方向に突出した突起１０−Ｂのみで枠体３と接するようにした。本実施例においても実施例１と同様の発電性能を発揮した。

《実施例４》
本実施例では、実施の形態４で説明した構造のＭＥＡ一体シールとセパレータを用いた。枠体のマニホールドの内周突出部または外周突出部および枠体の外周突出部が、積層方向の一方の先端に凸形状９−Ｂ、他方の凹形状９−Ｃを持ち、単電池積層時に凸凹が勘合するようにした。本実施例においても実施例１と同様の発電性能を発揮した。

《実施例５》
本実施例では、実施の形態５で説明した構造のＭＥＡ一体シールとセパレータを用いた。枠体のマニホールドの内周突出部または外周突出部が、積層方向の一方の内周９−Ｄと他方の外周９−Ｅがテーパー面であり、単電池同士を積層時する際に両者が勘合するようにした。本実施例においても実施例１と同様の発電性能を発揮した。

《実施例６》
本実施例では、実施の形態６で説明した構造のＭＥＡ一体シールとセパレータを用いた。枠体のマニホールドの内周突出部または外周突出部が、積層方向の一方の先端にシール９−Ｆが枠体と一体成形されており、単電池同士を積層時する際に密閉されるようにする。本実施例においても実施例１と同様の発電性能を発揮した。

《実施例７》
本実施例では、実施の形態７で説明した構造のＭＥＡ一体シールを用いた。枠体のマニホールド突出部９と枠体の最外周突起３−Ａの間はリブ３−Ｂで連結された構造であり、リブ間は隙間３−Ｃが形成されているようにした。本実施例においても実施例１と同様の発電性能を発揮した。

以上のように本発明の高分子電解質型燃料電池によれば、通常運転時に生じやすい積層方向の温度分布を抑制し、発電開始時の昇温時間を短縮し、熱効率を高めた燃料電池を提供することができる。

本発明の実施の形態１に係る固体高分子型燃料電池に用いたＭＥＡ一体シール，アノード側セパレータ，カソード側セパレータのカソード電極側からみた斜視図 本発明の実施の形態２に係る固体高分子型燃料電池に用いた単電池の水路マニホールド付近の斜視拡大（一部断面）図 本発明の実施の形態３に係る固体高分子型燃料電池に用いた単電池の水路マニホールド付近の斜視拡大（一部断面）図 本発明の実施の形態４に係る固体高分子型燃料電池に用いたＭＥＡ一体シール，アノード側セパレータ，カソード側セパレータで構成した単電池を複数個積層した単電池群の斜視図 本発明の実施の形態５に係る固体高分子型燃料電池に用いたＭＥＡ一体シール，アノード側セパレータ，カソード側セパレータで構成した単電池を複数個積層した単電池群の斜視図 本発明の実施の形態６の固体高分子型燃料電池に用いたＭＥＡ一体シール，アノード側セパレータ，カソード側セパレータで構成した単電池を 複数個積層した単電池群の斜視図 本発明の実施の形態６の固体高分子型燃料電池に用いたＭＥＡ一体シールの斜視図 比較例１の固体高分子型燃料電池に用いたＭＥＡ一体シール、アノード側セパレータ、カソード側セパレータ及び端部モジュール，締結用ボルト，ナットの斜視図

符号の説明

１ ＭＥＡ一体シール
２ ＭＥＡ
３ 枠体（ＭＥＡ一体シールの枠体）
９ 突出部（ＭＥＡ一体シールの枠体に設けた突出部）
１０ マニホールド（セパレータのマニホールド）

Claims (6)

1. 高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜を挟む一対の電極とシール材からなり、かつ、マニホールドを有する枠体と、前記電極の一方に燃料ガスを給排出する流路を有し、他方の電極に酸化剤ガスを給排出する流路を有する一対のセパレータからなる単電池を複数個積層して構成される固体高分子型燃料電池であって、
   前記枠体のうちマニホールドの内外周に突出部を有し、前記突出部は流路導入部でセパレータ発電部と電気的に接続されるセパレータのマニホールドを覆い、かつ、前記セパレータに形成されたマニホールドの流路導入部と、前記枠体のマニホールドのうち内周に形成された流路導入部とが連通していること
   を特徴とする固体高分子型燃料電池。
2. 酸化剤ガス用マニホールドと燃料ガス用マニホールドは枠体のみに形成されていることを特徴とする請求項１記載の固体高分子型燃料電池。
3. 前記枠体のマニホールドの内外周に形成された突出部は、積層方向と直交する方向に突出した突起を有し、かつ、セパレータのマニホールドの内外周と突起先端で接触すると共に、セパレータとの間に隙間が形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の固体高分子型燃料電池。
4. 枠体のマニホールドの内外周に形成された突出部の少なくとも一方は、積層方向の一方の先端に凸形状、他方の先端に凹形状を有し、単電池積層時に凸凹が嵌合することを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の固体高分子型燃料電池。
5. 枠体のマニホールドの内外周に形成された突出部の少なくとも一方は、積層方向の一方の内周と他方の外周にテーパー面を有すると共に、単電池同士を積層時する際に両者が嵌合することを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の固体高分子型燃料電池。
6. 枠体のマニホールドの内外周に形成された突出部の少なくとも一方は、積層方向の一方の先端にシール材が一体成形されており、単電池同士を積層時する際に密閉されることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の固体高分子型燃料電池。

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