JP4900869B2 - 燃料電池及び燃料電池スタック - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池及び燃料電池スタックに関し、特に、生産性の向上とシールの信頼性向上に有効な技術に関する。

例えば固体高分子電解質型の燃料電池スタックは、膜−電極接合体（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）とセパレータとからなる燃料電池（単セル）を１層以上積層して構成される（例えば、特許文献１参照）。単セル１は、図３に示すように、ＭＥＡ２およびセパレータ３，４を備える。ＭＥＡ２は、イオン交換膜からなる電解質膜２ａとこの電解質膜２ａの一面に配置された電極（カソード）２ｂおよび電解質膜の他面に配置された電極（アノード）２ｃとからなる。

一方のセパレータ３には、酸化ガス（空気）が流れるガス流路３ａがＭＥＡ２のカソード側に面して形成され、他方のセパレータ４には、水素ガスが流れるガス流路４ａがＭＥＡ２のアノード側に面して形成されている。ＭＥＡ２は、電解質膜２ａの周縁部において一対のシール部材（接着剤）５，５により挟持され、さらにＭＥＡ２を挟持したシール部材５，５は一対のセパレータ３，４の周縁部で挟持された状態となっている。
特開平０６−９６７８３号公報

燃料電池の性能（出力、耐久性、信頼性）向上のため、ＭＥＡ開発は重要な課題の一つである。このＭＥＡ開発の際に、電極の仕様、例えば、電極を構成する触媒層や拡散層の仕様（使用材料等）を変更すると、ＭＥＡ２の総厚さは変化する。また、仕様が同一でも製造誤差等により、単セル毎、または燃料電池スタック毎にＭＥＡ２の厚さが異なる場合がある。

シール部材５，５の厚さｙは、セル厚さ（＝スタック長）、クリープ、セパレータ３，４間の短絡防止等を考慮して、ある一定の厚さを確保する必要がある。したがって、ＭＥＡ２の仕様変更に応じてシール間隔を変更・調整するためには、ＭＥＡ厚さｔに応じて、セパレータ３，４の堀込み深さｘ₁，ｘ₂を変更する必要がある。

セパレータ３，４を成形やプレスで製造する場合、成形用金型の修正や新規製作が必要となり、非常に煩雑であるとともに作業に数ヶ月を要することから開発が遅延してしまうという問題が生ずる。また、一つの燃料電池スタックにおいて、ＭＥＡ２の誤差により各単セル１のシール間隔が異なると、シール性能が低下するという問題がある。

本発明は、上記事情に鑑みて成されたものであり、セパレータの寸法およびシール部材の厚さを変更することなく、セパレータ間のシール間隔を容易に変更することができる燃料電池及び燃料電池スタックを提供することを目的とする。

本発明においては、上記の課題を解決するために以下の手段を採用した。すなわち、本発明の燃料電池は、電解質の両面に電極を有する電解質部がシール部材を介して一対のセパレータで狭持されてなる燃料電池であって、前記セパレータとシール部材との間に、金属、樹脂、繊維のいずれかの材料から構成されてシール間隔を一定に保つ間隔調整部材が介装されていることを特徴とする。

このような構成によれば、間隔調整部材の厚さを電解質部の厚さに応じて適宜変更することで、セパレータ間のシール間隔を変更・調整することができる。

本発明の燃料電池において、前記セパレータは、前記電解質部側の面に、前記電極が収容される凹部と、該凹部を画成する凸部とを備え、前記両セパレータの前記凸部間に、前記間隔調整部材を介して、前記シール部材と前記電解質部の面方向外方に張り出した電解質とが挟持されていてもよい。

このような構成によれば、セパレータに形成される凹部の堀込み深さを変更することなく、セパレータ間のシール間隔を変更・調整することができる。

本発明の燃料電池スタックは、上記いずれかの構成よりなる燃料電池が複数積層されて構成されることを特徴とする。ここで、各燃料電池に介装されている間隔調整部材の厚さは、対応する電解質部の厚さに応じて異ならせてもよい。

このような構成によれば、各燃料電池が備える間隔調整部材の厚さを、各燃料電池における電解質部の厚さに応じて、燃料電池毎に異ならせることができるので、シール性の低下を抑制することが可能となる。

本発明によれば、間隔調整部材の厚さを電解質部の厚さに応じて適宜変更することで、セパレータの寸法およびシール部材の厚さを変更することなく、シール間隔を変更・調整することができる。したがって、セパレータ成形用金型の修正や新規製作が不要となり、容易かつ迅速に電解質部の仕様変更に対応することができる。

さらに、燃料電池スタックにおいては、各燃料電池のシール間隔を一定とすることができ、シールの信頼性を向上することができる。

次に、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態である燃料電池スタックの単セル構造を示す断面図である。

単セル（燃料電池）１０は、ＭＥＡ（電解質部）２およびセパレータ３，４を備える。ＭＥＡ２は、電解質膜２ａと、この電解質膜２ａの一面に配置された電極（カソード）２ｂおよび電解質膜の他面に配置された電極（アノード）２ｃとからなる。電極２ｂ，２ｃは、それぞれ外側に拡散層１１、内側に触媒層１２を備えている。

電解質膜２ａは、例えば固体高分子材料のイオン交換膜から構成され、主として、アノードガスから供給された水素イオンをアノード電極からカソード電極へと移動させる機能を有する。触媒層１２は、電解質膜２ａに隣接配置され、例えば、固体電解質と、炭素粒子と、その炭素粒子に担持された触媒と、を備えている。触媒としては、例えば、白金又は白金合金等が好適に用いられる。

拡散層１１は、流体（生成水及び反応ガス）を通過させる機能と、触媒層１２及びセパレータ３，４を導通させる機能と、を有する導電体であり、単セル１０の外部からセパレータ３，４を介して触媒層１２側に供給された反応ガスを拡散させて触媒層１２側へ移動させるものである。

セパレータ３，４は、例えばカーボンやメタル等に代表されるガス不透過の導電性材料から構成されており、一方のセパレータ３には、酸化ガス（例えば、空気）が流れるガス流路３ａがＭＥＡ２のカソード側に面して形成され、他方のセパレータ４には、燃料ガス（例えば、水素）が流れるガス流路４ａがＭＥＡ２のアノード側に面して形成されている。

図２は、セパレータ３，４の平面図である。セパレータ３，４は、ＭＥＡ２の拡散層１１が収容される凹部１３を備え、凹部１３の周縁は該凹部１３を画成する堤状の凸部１４となっている。セパレータ３，４の堀込み深さｘ₁，ｘ₂は、凹部１３の深さ（凸部１４の高さ）となる。また、セパレータ３，４には反応ガス及び冷却水の流路となるマニホールド１７が複数設けられている。

ＭＥＡ２は、図１に示すように、ＭＥＡ２の周縁から面方向外方に張り出した電解質膜２ａの周縁部において一対のシール部材（例えば、接着剤やガスケット）５，５により挟持され、このＭＥＡ２を挟持したシール部材５，５は、凸部１４，１４との間に交換可能な厚さ調整用シム（間隔調整部材）１５，１６をそれぞれ上下に介装させた状態で、当該一対のセパレータ３，４に挟持されている。

すなわち、セパレータ３，４間には、一方のセパレータ３から他方のセパレータ４に向けて、厚さ調整用シム１５，シール部材５，電解質膜２ａ，シール部材５，および厚さ調整用シム１６が、この順に積層された状態で挟持されている。これら厚さ調整用シム１５，１６は、シール部材５，５が介装される凸部１４，１４間の間隔（隙間）を広げたり狭めたりすることによって、シール部材５，５の積層方向厚さを一定厚あるいは所望厚に調整する。

シール部材５は、図２に示すように、凹部１３およびマニホールド１７を取り囲んで設置されている。厚さ調整用シム１５，１６としては、例えば厚さが１５μｍのシート状の基材を、図２に示すシール部材５の設置形状に対応させて成形したものを使用する。

本実施形態では、それぞれの厚さｚ₁，ｚ₂が異なる二種類の厚さ調整用シム１５，１６が使用されている。厚さ調整用シム１５，１６の厚さｚ₁，ｚ₂は、ＭＥＡ２の厚さｔ、より具体的には、電解質膜２ａを間に挟んで互いに反対側に設けられている各電極２ｂ，２ｃの厚さに応じて定められる。その結果、厚さｚ₁，ｚ₂が同一となってもよいことは勿論である。

また、厚さ調整用シム１５，１６の材料は、例えば金属、樹脂、繊維等を採用することができる。より具体的には、燃料電池スタックの使用環境（温度、湿度、接液・ガス種、負荷される荷重等）を考慮して定められる。

以上のように構成された単セル１０が複数積層されてセル積層体が構成され、さらにセル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル（電極板）、インシュレータ、エンドプレートを配置し、セル積層体をセル積層方向に締め付け、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）とボルトにて固定して、燃料電池スタックが形成される。

設計変更または製造誤差等により、ＭＥＡ２の厚さが当初設計値から変化したり異なる場合には、厚さ調整用シム１５，１６を適宜別の寸法のものと入れ替え、または厚さを調整して寸法ｚ₁，ｚ₂を変更し、セパレータ３，４間のシール間隔を一定とする。

例えば、ＭＥＡ２の厚さが当初設計値よりも大幅に厚くなる場合、つまり、セパレータ３，４の各凸部１４間の間隔が当初設計値よりも大幅に広がる場合には、厚さ調整用シム１５，１６の厚さｚ₁，ｚ₂をＭＥＡ２の厚さに応じて厚くする。これとは逆に、ＭＥＡ２の厚さが当初設計値からそれほど大幅に厚くならない場合には、厚さ調整用シム１５，１６の厚さｚ₁，ｚ₂をＭＥＡ２の厚さに応じて薄くする。

また、ＭＥＡ２の仕様を変更しない場合であっても、電解質膜２ａの厚さに製造誤差が発生した場合には、厚さ調整用シム１５，１６を適宜別の寸法のものと入れ替え、または厚さを調整して寸法ｚ₁，ｚ₂を変更し、セパレータ３，４間のシール間隔を一定とする。

例えば、電解質膜２ａが当初設計値よりも厚い場合には、厚さ調整用シム１５，１６の厚さｚ₁，ｚ₂を薄くし、これとは逆に、電解質膜２ａが当初設計値よりも薄い場合には、厚さ調整用シム１５，１６の厚さｚ₁，ｚ₂を厚くする。

以上説明したように、本実施形態の単セル１０及び燃料電池スタックにおいては、ＭＥＡ２の仕様が変更された場合でも、セパレータ３，４の寸法を変更することなくシール間隔を一定に保つことができ、セパレータ３，４の成形用金型の修正、新規製作が不要となる。

したがって、低コスト且つ速い開発スピードに対応することができる。さらに、製造誤差により一つの燃料電池スタック内において用いられるＭＥＡ２の厚さが異なる場合においても、各単セル１０内における厚さ調整用シム１５，１６の厚さを適宜変更することで、各単セル１０のシール間隔を等しく調整することができる。したがって、シールの信頼性を向上することができる。

なお、上記実施形態では厚さｚ₁，ｚ₂を有する二つの厚さ調整用シム１５，１６を示したが、これら厚さ調整用シムの数・設置場所は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、シール部材５とＭＥＡ２の電解質膜２ａとの間に厚さ調整用シムを挟むようにしてもよい。

本発明の一実施形態に係る燃料電池スタックの単セル構造について示す断面図である。 同単セルに用いられるセパレータの平面図である。 従来の燃料電池スタックの単セル構造について示す断面図である。

符号の説明

１０…単セル（燃料電池）、２…ＭＥＡ（電解質部）、３，４…セパレータ、５…シール部材、１３…凹部、１４…凸部、１５，１６…厚さ調整用シム（間隔調整部材）

Claims (4)

1. 電解質の両面に電極を有する電解質部がシール部材を介して一対のセパレータで狭持されてなる燃料電池であって、
   前記セパレータとシール部材との間に、金属、樹脂、繊維のいずれかの材料から構成されてシール間隔を一定に保つ間隔調整部材が介装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、前記電解質部側の面に、前記電極が収容される凹部と、該凹部を画成する凸部とを備え、
   前記両セパレータの前記凸部間に、前記間隔調整部材を介して、前記シール部材と前記電解質部の面方向外方に張り出した電解質とが挟持されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
3. 請求項１又は２に記載の燃料電池が複数積層されて構成されたことを特徴とする燃料電池スタック。
4. 各燃料電池に介装されている間隔調整部材の厚さは、対応する電解質部の厚さに応じて異なるものであることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池スタック。