JP4851722B2 - 燃料電池 - Google Patents
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Description
従来の燃料電池は、図8、図9に示すように、電解質膜1の両面に電極2、拡散層3が配置された膜−電極アッセンブリと、拡散層と接する拡散層接触部5と該拡散層接触部の周囲にある電解質膜保持部6を有する一対のセパレータ4と、を備えている。一対のセパレータ4の、拡散層接触部間の距離Aは電解質膜保持部間の距離Bより大であり、セパレータ4の拡散層接触部5は電解質膜保持部6より電解質膜1から離れる方向に後退しており、拡散層接触部5は電解質膜保持部6との境には段付面がある。拡散層3は矩形状でコーナ部7を有し、セパレータ4の段付面は拡散層3のコーナ部7に対向する部位にコーナ部8を有する。拡散層3の端部とセパレータ5の段付面との間は空間であり、この空間は通常、接着剤9で充填されていない。
段付面コーナ部8が直角の場合、拡散層3の端部からセパレータ4の電解質膜保持部6の内面との間のセル面方向距離において、コーナ部8の距離aが、他の直線部の距離b、cに比べて大となる。その結果、燃料電池運転時の膜1の乾湿の繰り返しや両極間のガス差圧発生時の膜1のたわみ量がコーナ部において大きくなり、拡散層エッジ部や電解質膜保持部端部での、膜1への応力集中が増加して、膜1の損傷が起こりやすくなる。
(1) 電解質膜の両面に電極、拡散層が配置された膜−電極アッセンブリと、該膜−電極アッセンブリを挟持する一対のセパレータに形成され前記拡散層と接する一対の拡散層接触部と、該一対の拡散層接触部の周囲に形成された一対の電解質膜保持部と、を備え、前記一対の拡散層接触部間の距離が前記一対の電解質膜保持部間の距離より大であり、拡散層が矩形であり、拡散層の電解質膜保持部と対向する辺と、電解質保持部の拡散層と対向する内面とが、平行になるように拡散層が配置されており、拡散層が直角のコーナ部と該コーナ部で互いに直交する第1、第2の辺を有しており、第1の辺はセパレータの発電領域を挟んで対向しガスマニホールドが形成された一対の非発電領域間にわたって延び、第2の辺は第1の辺に直交している、燃料電池であって、
拡散層の面方向端部と電解質膜保持部との間の空間の75%以上を接着剤で満たし、
拡散層の面方向端部と電解質膜保持部との間隔を、拡散層の前記第1の辺でb、拡散層の前記第2の辺でc、拡散層のコーナ部でaとし、電解質膜保持部のコーナ部が直角であった場合の電解質膜保持部のコーナ部と拡散層のコーナ部との間隔をa1=(b 2 +c 2 ) 1/2 としたときに、電解質膜保持部の前記拡散層に対向する端部形状を、a1>a>(2×b−a1)>0の関係を満足する形状とした燃料電池。
(2) 電解質膜保持部の前記拡散層に対向する端部形状を、拡散層のコーナ部に対向する部分において、湾曲形状と面取り形状から選択された形状とした(1)記載の燃料電池。
(3) 拡散層の面方向端部と電解質膜保持部との間の空間を接着剤で満たす接着剤は、一対の電解質膜保持部間からはみ出した接着剤である(1)または(2)記載の燃料電池。
また、電解質膜保持部の前記拡散層に対向する端部形状を、a1>a>(2×b−a1)>0の関係を満足する形状としたので、拡散層の面方向端部と電解質膜保持部との間の距離を、拡散層の直線部とコーナ部とで、ほぼ等しくすることができ、拡散層のコーナ部での膜のたわみが拡散層の直線部での膜のたわみより大きくなることが抑制され、拡散層のコーナ部で生じやすかった膜のたわみによる膜損傷が抑制される。
上記(2)の燃料電池によれば、電解質膜保持部の拡散層に対向する端部形状を、拡散層のコーナ部に対向する部分において、湾曲形状と面取り形状から選択された形状としたので、拡散層の面方向端部と電解質膜保持部との間の距離を、拡散層の直線部とコーナ部とで、ほぼ等しくすることができ、上記(1)の効果と同じ効果が得られる。
上記(3)の燃料電池によれば、一対の電解質膜保持部間からはみ出した接着剤で空間を埋めるようにしたので、セル形成時のシール接着剤を押圧する工程で、空間に接着剤を充填することができ、特別な充填工程を必要としない。
図1〜図3は本発明の実施例1を示しており、図4は本発明の実施例2を示しており、図5は本発明の実施例3を示している。図6、図7は何れの実施例にも適用可能である。本発明の全実施例に共通な構成部分には、本発明の全実施例にわたって同符号を付してある。
まず、本発明の全実施例に共通な構成部分とその作用、効果を図1〜図3、図6、図7を参照して説明する。
固体高分子電解質型燃料電池(セル)10は、図6、図7に示すように、膜−電極アッセンブリ12(MEA:Membrane-Electrode Assembly )とセパレータ18との積層体からなる。
膜−電極アッセンブリ12は、イオン交換膜からなる電解質膜11とこの電解質膜11の一面に配置された触媒層からなる電極(アノード、燃料極)14および電解質膜の他面に配置された触媒層からなる電極(カソード、空気極)17と、触媒層電極14、17とセパレータ18との間にアノード側、カソード側にそれぞれ設けられた拡散層13、16と、からなる。
膜−電極アッセンブリ12とセパレータ18を重ねてセルモジュール19(1セルモジュールの場合は、セル10はセルモジュール19と同じになる)を構成し、セルモジュール19を積層してセル積層体とし、セル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル20、インシュレータ21、エンドプレート22を配置し、両端のエンドプレート22をセル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材(たとえば、テンションプレート24)にボルト・ナット25にて固定し、燃料電池スタック23を構成する。一端のエンドプレートに設けた調整ネジにてその内側に設けたバネを介してセル積層体にセル積層方向の締結荷重をかける。
セパレータ18には、発電領域において、アノード14に燃料ガス(水素)を供給するための燃料ガス流路27が形成され、カソード17に酸化ガス(酸素、通常は空気)を供給するための酸化ガス流路28が形成されている。また、セパレータ18には冷媒(通常、冷却水)を流すための冷媒流路26も形成されている。セパレータ18には、非発電領域において、燃料ガスマニホールド30、酸化ガスマニホールド31、冷媒マニホールド29が形成されている。燃料ガスマニホールド30は燃料ガス流路27と連通しており、酸化ガスマニホールド31は酸化ガス流路28と連通しており、冷媒マニホールド29は冷媒流路26と連通している。
燃料ガス、酸化ガス、冷媒は、セル内において互いにシールされている。各セルモジュール19のMEA12を挟む2つのセパレータ18間は、第1のシール部材(たとえば、接着剤)33によってシールされており、隣接するセルモジュール19同士の間は、第2のシール部材(たとえば、ガスケット)32によってシールされている。ただし、第1のシール部材33がガスケットで形成されてもよいし、第2のシール部材32が接着剤で形成されてもよい。
アノード側:H2 →2H+ +2e-
カソード側:2H+ +2e- +(1/2)O2 →H2 O
図2は、一対の電解質膜保持部41はセパレータ18に形成されており、一対の電解質膜保持部41間に、MEA12の電解質膜11のみが延びており(拡散層13、16は一対の電解質膜保持部41間には延びてこない)、一対の電解質膜保持部41間、および電解質膜保持部41の端面と電解質膜11の間の部分が、接着剤シール材33でシール接着されている場合を示している。
ただし、一対の電解質膜保持部41は図2のようにセパレータ18に形成されていてもよいし、セパレータ18以外の部材、たとえば、接着剤(接着剤を厚めに塗布して電解質膜保持部41としたもの)、ガスケット(接着剤をゴムガスケットなどに代えたもの、ガスケットはセパレータに接着されてもよいし、あるいはセパレータに焼付けされてもよい)、樹脂フレーム(メタルセパレータと樹脂フレームからなるセパレータの樹脂フレーム)などであってもよい。
本発明の燃料電池10では、セル面方向に拡散層13、16の面方向端部43と電解質膜保持部41の内側端部42との間でセル面方向と直交方向に電解質膜11とセパレータ18との間を接着剤44でほぼ満たしたので、セル面方向に拡散層13、16の面方向端部43と電解質膜保持部41の内側端部42との間で電解質膜11が膜面と直交する方向にたわむことが充填した接着剤44によって抑制され、膜11が大きくたわむと生じるおそれがある膜損傷が抑制される。
〔実施例1〕
本発明の実施例1では、図1〜図3に示すように、電解質膜保持部41の内側端部42の、セル面(と平行な面)で切った形状が、拡散層13、16のコーナ部45に対向する部分47において、湾曲形状となっている。この湾曲形状は、たとえば、円または楕円の一部である。
拡散層13、16の直交する2つの直線部46における拡散層13、16と電解質膜保持部41の内側端部42との距離b、cが等しい場合は(b=c)、湾曲形状は、拡散層13、16の直交する2つの直線部46の交点(コーナ部45)を円の中心とする半径aの弧からなり、その場合は、a=b=cである。bとcが等しくない場合は、湾曲形状を楕円の一部から構成して、楕円を直線部に接線方向で滑らかに接続していけばよい。
また、セル面方向に拡散層13、16の面方向端部43と電解質膜保持部41の内側端部42との間の距離Cを直線部とコーナ部でほぼ等しくすることができ、接着剤33をはみ出させて充填接着剤44としこの接着剤44で拡散層端部43を覆う場合、接着剤33を電解質膜保持部41面に均一に塗布するだけで、接着剤44の過不足を容易になくすことができる。接着剤44のはみ出し量、充填量管理が容易である。
本発明の実施例2では、図4に示すように、電解質膜保持部41の内側端部42の、セル面(と平行な面)で切った形状が、拡散層13、16のコーナ部45に対向する部分47において、面取り形状(チャンファ形状)、すなわち、電解質膜保持部41の直交2辺に斜めに交差する直線形状となっている。
また、セル面方向に拡散層13、16の面方向端部43と電解質膜保持部41の内側端部42との間にほぼ充填される接着剤44の過不足を容易になくすことができ、接着剤44の充填量管理が容易である点については、実施例1の作用・効果にほぼ準じる。
本発明の実施例3では、図5に示すように、マニホールドがセルの中央部にも設けられていて、電解質膜保持部41がMEA12の外周部だけでなく、MEA12の内側部にも設けられている。そして、MEA12の内側部に設けられが電解質膜保持部41に対しても、MEA12の外周部に設けられた電解質膜保持部41と同じ構造が採用されている。
すなわち、MEA12の内側部に設けられた電解質膜保持部41においても、拡散層13、16の面方向端部43と電解質膜保持部41(の外側端部42)との間が接着剤44でほぼ満たされている。また、電解質膜保持部41の外側端部形状が、拡散層13、16の面方向端部43と電解質膜保持部41との間の距離Cを、拡散層13、16の直線部とコーナ部とで、ほぼ等しくする形状とされている。
ただし、MEA12の内側部に設けられた電解質膜保持部41は、拡散層コーナ部45に対向する部分47が内側に凹形状であるが、MEA12の内側部に設けられが電解質膜保持部41は、拡散層コーナ部45に対向する部分47が外側に凸形状である。
11 電解質膜
12 MEA
13、16 拡散層
14 アノード
17 カソード
18 セパレータ
19 モジュール
20 ターミナル
21 インシュレータ
22 エンドプレート
23 燃料電池スタック
24 締結部材(テンションプレート)
25 ボルト・ナット
26 冷媒流路(流体流路)
27 燃料ガス流路(流体流路)
28 酸化ガス流路(流体流路)
29 冷媒マニホールド(流体マニホールド)
30 燃料ガスマニホールド(流体マニホールド)
31 酸化ガスマニホールド(流体マニホールド)
32 ガスケット
33 接着剤
40 拡散層接触部
41 電解質膜保持部
42 電解質膜保持部の内側端部(MEA内側に設けられる場合は外側端部)
43 拡散層の面方向端部
44 接着剤
45 拡散層コーナ部
46 直線部(直交2辺)
47 電解質膜保持部の、拡散層のコーナ部に対向する部分
Claims (3)
- 電解質膜の両面に電極、拡散層が配置された膜−電極アッセンブリと、該膜−電極アッセンブリを挟持する一対のセパレータに形成され前記拡散層と接する一対の拡散層接触部と、該一対の拡散層接触部の周囲に形成された一対の電解質膜保持部と、を備え、前記一対の拡散層接触部間の距離が前記一対の電解質膜保持部間の距離より大であり、拡散層が矩形であり、拡散層の電解質膜保持部と対向する辺と、電解質保持部の拡散層と対向する内面とが、平行になるように拡散層が配置されており、拡散層が直角のコーナ部と該コーナ部で互いに直交する第1、第2の辺を有しており、第1の辺はセパレータの発電領域を挟んで対向しガスマニホールドが形成された一対の非発電領域間にわたって延び、第2の辺は第1の辺に直交している、燃料電池であって、
拡散層の面方向端部と電解質膜保持部との間の空間の75%以上を接着剤で満たし、
拡散層の面方向端部と電解質膜保持部との間隔を、拡散層の前記第1の辺でb、拡散層の前記第2の辺でc、拡散層のコーナ部でaとし、電解質膜保持部のコーナ部が直角であった場合の電解質膜保持部のコーナ部と拡散層のコーナ部との間隔をa1=(b 2 +c 2 ) 1/2 としたときに、電解質膜保持部の前記拡散層に対向する端部形状を、a1>a>(2×b−a1)>0の関係を満足する形状とした燃料電池。 - 電解質膜保持部の前記拡散層に対向する端部形状を、拡散層のコーナ部に対向する部分において、湾曲形状と面取り形状から選択された形状とした請求項1記載の燃料電池。
- 拡散層の面方向端部と電解質膜保持部との間の空間を接着剤で満たす接着剤は、一対の電解質膜保持部間からはみ出した接着剤である請求項1または請求項2記載の燃料電池。
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