JP4951974B2

JP4951974B2 - 燃料電池

Info

Publication number: JP4951974B2
Application number: JP2006002969A
Authority: JP
Inventors: 裕一八神; 直宏竹下; 努白川; 健二壷阪; 大雄吉川
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-01-10
Filing date: 2006-01-10
Publication date: 2012-06-13
Anticipated expiration: 2026-01-10
Also published as: WO2007080469A1; DE112007000127T5; DE112007000127B4; CA2635348C; CA2635348A1; CN101371394A; JP2007184212A; US20090004537A1; CN101371394B

Description

本発明は、燃料電池に関する。

燃料電池は、一般的には水素及び酸素を燃料として電気エネルギーを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れかつ高いエネルギー効率が実現できることから、今後のエネルギー供給システムとして広く開発が進められてきている。燃料電池の中には、複数のシールガスケット一体型の膜電極接合体（以下、シールガスケット一体型ＭＥＡと称する。）がセパレータを介して順に積層されたスタック構造を有するものがある。このシールガスケット一体型ＭＥＡおよびセパレータは、ガス漏れ防止等の観点から、位置決めして積層することが必要である。

ここで、セパレータにガスケット部材を嵌合して、セパレータとガスケット部材とを一体化する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。セパレータとシールガスケット一体型ＭＥＡとの位置決めのために、この技術を用いることが考えられる。例えば、シールガスケットに設けた突起をセパレータに嵌合して、シールガスケット一体型ＭＥＡとセパレータとの位置決めをすることが考えられる。

特開２００２−５０３６８号公報

しかしながら、特許文献１の技術のように片面突起のみをセパレータに嵌合する構成であると、シールガスケット一体型ＭＥＡがたわむおそれがある。そこで、両面突起をセパレータに嵌合する構成とすると、セパレータを挟んで隣り合うシールガスケットの突起同士が互いに干渉しあって、不具合が生じるおそれがある。

本発明は、セパレータを挟んで隣り合うシールガスケットの突起同士が互いに干渉せずにシールガスケット一体型ＭＥＡとセパレータとの位置決めができる燃料電池を提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池は、セパレータと、シールガスケット一体型膜電極接合体とが交互に積層され、シールガスケット一体型膜電極接合体は膜電極接合体とガスケットシール部とを備え、ガスケットシール部にはシールガスケット一体型膜電極接合体の両面側に伸びる突起部が少なくとも１つ形成され、セパレータは突起部が嵌合する凹部を備え、隣り合うシールガスケット一体型膜電極接合体の互いに対向する面において、突起部がシールガスケット一体型膜電極接合体に対して垂直な方向から見た場合に互いに重複しないように形成されていることを特徴とするものである。

本発明に係る燃料電池においては、突起部および凹部を用いて、セパレータおよびシールガスケット一体型膜電極接合体の位置決めができる。それにより、接着剤等によって位置決めする必要がなくなる。その結果、製造コストの低減化を図ることができる。また、隣り合うシールガスケット一体型膜電極接合体において突起部が形成されている部位が異なっていることから、突起部同士が互いに接触等による干渉をすることが防止される。

突起部は、シールガスケット一体型膜電極接合体のそれぞれに２つ形成されていてもよい。この場合、セパレータの撓みを抑制することができる。それにより、セパレータの高い平面度を実現することができる。また、セパレータおよびシールガスケット一体型膜電極接合体の位置決めの精度が向上する。突起部は、シールガスケット一体型膜電極接合体の２つの対角部のそれぞれに形成されていてもよい。この場合、突起部同士の距離が比較的大きくなる。それにより、セパレータの撓みを効果的に抑制することができるとともに、セパレータおよびシールガスケット一体型膜電極接合体の位置決めの精度が向上する。

隣り合うシールガスケット一体型膜電極接合体において、突起部が形成されている対角部が互いに異なっていてもよい。この場合、突起部同士が互いに接触等による干渉をすることが確実に防止される。また、セパレータは、内部に冷却媒体流路を備えていてもよい。

突起部は、ガスケットシール部と同じ材料から構成されていてもよい。この場合、突起部およびガスケットシールを同一工程において作製することができる。それにより、本発明に係る燃料電池の製造コストの低減化を図ることができる。また、突起部は、ガスケットシール部の弾性率よりも低い弾性率を有する材料から構成されていてもよい。この場合、突起部の変形を抑制することができる。それにより、セパレータおよびシールガスケット一体型膜電極接合体の位置決めの精度が向上する。

本発明によれば、セパレータを挟んで隣り合うシールガスケットの突起同士が互いに干渉せずにシールガスケット一体型膜電極接合体とセパレータとの位置決めができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。

図１は、本発明の第１実施例に係る燃料電池１００の概略図である。図１に示すように、燃料電池１００は、セパレータ１０とシールガスケット一体型ＭＥＡ２０とが交互に積層された構造を有する。セパレータ１０は、カソード対向プレート１１とアノード対向プレート１３とによって、中間プレート１２が挟持された構造を有する。セパレータ１０を構成するこれら３枚のプレートは、ホットプレス等によって接合されている。

シールガスケット一体型ＭＥＡ２０は、ＭＥＡ２１およびガスケットシール部２２を備える。ＭＥＡ２１は、プロトン導電性を備える電解質膜の両面に触媒層が形成された発電部２４、発電部２４下に形成されたガス拡散層２３および発電部２４上に形成されたガス拡散層２５を備える。本実施例においては、ＭＥＡ２１の上面側がアノードとして機能し、ＭＥＡ２１の下面側がカソードとして機能する。

図２は、セパレータ１０およびシールガスケット一体型ＭＥＡ２０の詳細について説明するための図である。図２（ａ）はカソード対向プレート１１の模式的平面図であり、図２（ｂ）はアノード対向プレート１３の模式的平面図であり、図２（ｃ）は中間プレート１２の模式的平面図であり、図２（ｄ）はシールガスケット一体型ＭＥＡ２０の模式的平面図である。

カソード対向プレート１１は矩形の金属製のプレートである。この金属製プレートとしては、チタン、チタン合金、ステンレス等の表面に腐食防止のためのメッキ処理が施されたものを用いることができる。カソード対向プレート１１は、例えば、０．１５ｍｍ程度の厚さを有する。

図２（ａ）に示すように、カソード対向プレート１１の各角部には、貫通孔３１が形成されている。カソード対向プレート１１においてＭＥＡ２１と対向する部分（以下、発電領域Ｘと称する）は平面である。カソード対向プレート１１の外周縁部には、燃料ガス供給マニホールド４１ａ、燃料ガス排出マニホールド４１ｂ、酸化剤ガス供給マニホールド４２ａ、酸化剤ガス排出マニホールド４２ｂ、冷却媒体供給マニホールド４３ａおよび冷却媒体排出マニホールド４３ｂが形成されている。また、カソード対向プレート１１には、複数の酸化剤ガス供給孔４４ａおよび複数の酸化剤ガス排出孔４４ｂが形成されている。上記各マニホールドおよび上記各孔は、カソード対向プレート１１を厚さ方向に貫通している。

アノード対向プレート１３は、カソード対向プレート１１と略同形状の矩形の金属製のプレートであり、カソード対向プレート１１と同様の材料から構成される。アノード対向プレート１３は、例えば、０．１５ｍｍの厚さを有する。図２（ｂ）に示すように、アノード対向プレート１３の各角部には、貫通孔３１が形成されている。アノード対向プレート１３における発電領域Ｘは平面である。

カソード対向プレート１１と同様に、アノード対向プレート１３の外周縁部には、燃料ガス供給マニホールド４１ａ、燃料ガス排出マニホールド４１ｂ、酸化剤ガス供給マニホールド４２ａ、酸化剤ガス排出マニホールド４２ｂ、冷却媒体供給マニホールド４３ａおよび冷却媒体排出マニホールド４３ｂが形成されている。また、アノード対向プレート１３には、複数の燃料ガス供給孔４５ａおよび複数の燃料ガス排出孔４５ｂが形成されている。上記各マニホールドおよび上記各孔は、アノード対向プレート１３を厚さ方向に貫通している。

中間プレート１２は、カソード対向プレート１１と同形状の矩形の金属製プレートであり、カソード対向プレート１１と同様の材料から構成される。中間プレート１２は、例えば、０．３５ｍｍの厚さを有する。図２（ｃ）に示すように、中間プレート１２の各角部には、貫通孔３１が形成されている。

カソード対向プレート１１と同様に、中間プレート１２の外周縁部には、燃料ガス供給マニホールド４１ａ、燃料ガス排出マニホールド４１ｂ、酸化剤ガス供給マニホールド４２ａおよび酸化剤ガス排出マニホールド４２ｂが形成されている。また、中間プレート１２には、一端が燃料ガス供給マニホールド４１ａに連通し、他端が燃料ガス供給孔４５ａに連通する複数の燃料ガス供給流路４６ａが形成されている。同様に、中間プレート１２には、一端が燃料ガス排出マニホールド４１ｂに連通し、他端が燃料ガス排出孔４５ｂに連通する複数の燃料ガス排出流路４６ｂが形成されている。

さらに、中間プレート１２には、一端が酸化剤ガス供給マニホールド４２ａに連通し、他端が酸化剤ガス供給孔４４ａに連通する複数の燃料ガス供給流路４６ａが形成されている。同様に、中間プレート１２には、一端が酸化剤ガス排出マニホールド４２ｂに連通し、他端が酸化剤ガス排出孔４４ｂに連通する複数の酸化剤ガス排出流路４７ｂが形成されている。また、中間プレート１２には、一端が冷却媒体供給マニホールド４３ａに連通し、他端が冷却媒体排出マニホールド４３ｂに連通する複数の冷却媒体流路４８が形成されている。上記各流路は、中間プレート１２を厚さ方向に貫通している。

図２（ｄ）に示すように、シールガスケット一体型ＭＥＡ２０は、ＭＥＡ２１の外周縁部にガスケットシール部２２が接合された構造を有する。ガスケットシール部２２は、例えば、シリコンゴム、ブチルゴム、フッ素ゴム等の樹脂材料から構成される。ガスケットシール部２２は、金型のキャビティにＭＥＡ２１の外周端部を臨ませて、上記樹脂材料を射出成形することによって作製される。この方法によれば、ＭＥＡ２１とガスケットシール部２２とが隙間なく接合される。それにより、冷却媒体、酸化剤ガスおよび燃料ガスの接合部からの漏出を防止することができる。

シールガスケット一体型ＭＥＡ２０の４つの対角部のうち２つの対角部に位置するガスケットシール部２２には、突起部３２が形成されている。各突起部３２は、４つの貫通孔３１のうち２つに対応する位置に形成されている。各突起部３２は、ガスケットシール部２２と同様の材料から構成されている。それにより、突起部３２およびガスケットシール部２２を同一工程において作製することができる。その結果、燃料電池１００の製造コストの低減化を図ることができる。

カソード対向プレート１１と同様に、ガスケットシール部２２には、燃料ガス供給マニホールド４１ａ、燃料ガス排出マニホールド４１ｂ、酸化剤ガス供給マニホールド４２ａ、酸化剤ガス排出マニホールド４２ｂ、冷却媒体供給マニホールド４３ａおよび冷却媒体排出マニホールド４３ｂが形成されている。ガスケットシール部２２は、上面および下面に当接する２枚のセパレータ１０をシールしている。また、ガスケットシール部２２は、ＭＥＡ２１の外周と各マニホールドの外周との間をシールしている。なお、図２（ｄ）においては図を見やすくするために、ガスケットシール部２２とセパレータ１０との当接部を結ぶシール線ＳＬを示している。

続いて、燃料電池１００の動作の概要について説明する。まず、水素を含有する燃料ガスが燃料ガス供給マニホールド４１ａに供給される。この燃料ガスは、燃料ガス供給流路４６ａを介してＭＥＡ２１のアノード側のガス拡散層２５に供給される。燃料ガス中の水素は、発電部２１の触媒層においてプロトンに変換される。変換されたプロトンは発電部２１の電解質膜を伝導し、カソード側の触媒層に到達する。

一方、酸化剤ガス供給マニホールド４２ａには酸素を含有する酸化剤ガスが供給される。この酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給流路４７ａおよびＭＥＡ２１のカソード側のガス拡散層２３を介して発電部２１のカソード側の触媒層に供給される。その後、酸化剤ガス中の酸素とカソード側の触媒層に到達したプロトンとから水が発生するとともに電力が発生する。発生した電力は、セパレータ１０を介して回収される。

冷却媒体供給マニホールド４３ａには冷却水等の冷却媒体が供給される。この冷却媒体は、冷却媒体流路４８を流動して燃料電池１００を冷却する。それにより、燃料電池１００の温度を適切な温度に調整することができる。なお、冷却媒体流路４８を流動した冷却媒体は、冷却媒体排出マニホールド４３ｂを介して外部に排出される。また、発電に用いられなかった燃料ガスは、燃料ガス排出流路４６ｂおよび燃料ガス排出マニホールド４１ｂを介して外部に排出される。さらに、発電に用いられなかった酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出流路４７ｂおよび酸化剤ガス排出マニホールド４２ｂを介して外部に排出される。

続いて、突起部３２と貫通孔３１との関係についての詳細を説明する。図３は、突起部３２と貫通孔３１との位置関係について説明するための図である。図３（ａ）は燃料電池１００の模式的な分解斜視図である。図３（ｂ）は、図３（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。ここで、本実施例の説明のため、セパレータ１０を介して交互に積層されるシールガスケット一体型ＭＥＡ２０に、２０ａおよび２０ｂのように区別して符号を付す。また、シールガスケット一体型ＭＥＡ２０ａにおいて形成されている突起部を３２ａとし、シールガスケット一体型ＭＥＡ２０ｂにおいて形成されている突起部を３２ｂとする。なお、図３（ａ）においては、図２で説明したマニホールド等は省略してある。

図３（ａ）に示すように、セパレータ１０の各角部には貫通孔３１が形成されている。シールガスケット一体型ＭＥＡ２０ａの４つの角部のうち対角をなす２つの角部のそれぞれの両面には、突起部３２ａが形成されている。また、シールガスケット一体型ＭＥＡ２０ｂの４つの角部のうち、シールガスケット一体型ＭＥＡ２０ａにおいて突起部３２ａが形成されていない角部に対応する角部のそれぞれの両面に、突起部３２ｂが形成されている。突起部３２ａ，３２ｂは、貫通孔３１に嵌合している。

この場合、突起部３２ａおよび貫通孔３１を用いて、セパレータ１０およびシールガスケット一体型ＭＥＡ２０ａの位置決めができる。突起部３２ｂおよび貫通孔３１を用いて、セパレータ１０およびシールガスケット一体型ＭＥＡ２０ｂの位置決めができる。それにより、接着剤等によって位置決めする必要がなくなる。その結果、製造コストの低減化を図ることができる。また、各シールガスケット一体型ＭＥＡの対角をなす角部に上記突起部が形成されていることから、位置決めのための突起部同士の距離が比較的大きくなる。それにより、セパレータ１０の撓みを抑制することができる。それにより、セパレータ１０の高い平面度を実現することができる。また、セパレータ１０およびシールガスケット一体型ＭＥＡ２０ａ，２０ｂの位置決めの精度が向上する。

また、図３（ｂ）に示すように、シールガスケット一体型ＭＥＡ２０ａおよびシールガスケット一体型ＭＥＡ２０ｂにおいて形成されている突起部３２ａ，３２ｂの位置が異なっている。すなわち、シールガスケット一体型ＭＥＡ２０ａに対して垂直をなす方向から見た場合に、突起部３２ａと突起部３２ｂとが互いに重複しない。この場合、突起部３２ａおよび突起部３２が互いに接触等による干渉をすることが防止される。本発明は、厚みのあるセパレータを用いる燃料電池においても効果を発揮するが、本実施例のように薄板化されたセパレータを用いる燃料電池において特に効果を発揮する。したがって、本発明は、小型化された燃料電池において特に効果を発揮する。

なお、本実施例においては突起部３２はガスケットシール部２２と同様の材料から構成されているが、突起部３２はガスケットシール部２２よりも弾性率の高い硬質ゴム等の材料から構成されていてもよい。この場合、突起部３２の変形を抑制できる。それにより、セパレータ１０およびシールガスケット一体型ＭＥＡ２０の位置決め精度がさらに向上する。この場合の突起部３２は、図４に示すように、射出成形によって形成されたガスケットシール部２２に硬質ゴム等を貫通させることによって配置させることができる。

図５は、突起部３２ａ，３２ｂが形成されている位置の他の例を示す図である。図５に示すように、シールガスケット一体型ＭＥＡ２０ａにおいては、対向する２側部のそれぞれの中央部の両面に突起部３２ａが形成されている。シールガスケット一体型ＭＥＡ２０ｂにおいては、突起部３２ａが形成されていない側部のそれぞれの中央部の両面に突起部３２ｂが形成されている。セパレータ１０においては、各側部において突起部３２ａ，３２ｂに対応する位置に貫通孔３１が形成されている。この場合、突起部３２ａと突起部３２ｂとが互いに干渉することなく、セパレータ１０とシールガスケット一体型ＭＥＡ２０ａ，２０ｂとを位置決めすることができる。

図６は、突起部３２ａ，３２ｂが形成されている位置のさらに他の例を示す図である。図６に示すように、シールガスケット一体型ＭＥＡ２０ａにおいては、一端側の２つの角部のそれぞれの両面に突起部３２ａが形成されている。シールガスケット一体型ＭＥＡ２０ｂにおいては、他端側の２つの角部のそれぞれの両面に突起部３２ｂが形成されている。セパレータ１０においては、各角部において突起部３２ａ，３２ｂに対応する位置に貫通孔３１が形成されている。この場合、突起部３２ａと突起部３２ｂとが互いに干渉することなく、セパレータ１０とシールガスケット一体型ＭＥＡ２０ａ，２０ｂとを位置決めすることができる。

図７は、本発明の第２実施例に係る燃料電池１００ａについて説明するための図である。燃料電池１００ａが図１の燃料電池１００と異なる点は、各シールガスケット一体型ＭＥＡ２０の両面において形成されている突起部３２が１つである点である。以下、詳細を説明する。図７（ａ）は燃料電池１００ａの模式的な分解斜視図であり、図７（ｂ）は図７（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。

図７（ａ）に示すように、シールガスケット一体型ＭＥＡ２０ａにおいては、４つの角部のうち１つの角部の両面に突起部３２ａが形成されている。シールガスケット一体型ＭＥＡ２０ｂにおいては、突起部３２ａが形成されている角部の対角の角部の両面に突起部３２ｂが形成されている。セパレータ１０においては、突起部３２ａ，３２ｂに対応する角部に貫通孔３１が形成されている。この場合、図７（ｂ）に示すように、突起部３２ａと突起部３２とが互いに干渉することなくセパレータ１０とシールガスケット一体型ＭＥＡ２０ａ，２０ｂとを位置決めすることができる。また、突起部３２ａ，３２ｂの数が少ないことから、燃料電池１００ａの製造コストを低減させることができる。

図８は、本発明の第３実施例に係る燃料電池１００ｂの模式的な分解斜視図である。燃料電池１００ｂが図１の燃料電池１００と異なる点は、各シールガスケット一体型ＭＥＡ２０の両面において形成されている突起部３２が３つである点である。以下、詳細を説明する。

図８に示すように、シールガスケット一体型ＭＥＡ２０ａにおいては、一端側の２つの角部のそれぞれの両面と他端側の側部中央部の両面とに突起部３２ａが形成されている。シールガスケット一体型ＭＥＡ２０ｂにおいては、他端側の２つの角部のそれぞれの両面と一端側の側部中央部の両面とに突起部３２ｂが形成されている。セパレータ１０においては、突起部３２ａ，３２ｂに対応する角部に貫通孔３１が形成されている。この場合、突起部３２ａと突起部３２とが互いに干渉することなく、セパレータ１０とシールガスケット一体型ＭＥＡ２０とを位置決めすることができる。また、セパレータ１０に形成される貫通孔が６個になることから、セパレータ１０とシールガスケット一体型ＭＥＡ２０との位置決めの精度が向上する。

以上、上記各実施例において説明したように、ガスケットシール部２２においてシールガスケット一体型ＭＥＡ２０の両面に延びる突起部が少なくとも１つ形成され、セパレータ１０に突起部３２が嵌合する貫通孔３１が形成され、隣り合うシールガスケット一体型ＭＥＡ２０において突起部３２が形成されている部位が異なっていれば、本発明の効果が得られる。なお、上記各実施例において貫通孔３１が突起部３２に嵌合しているが、貫通孔３１の代わりに形成された凹部に突起部３２が嵌合していてもよい。

本発明の第１実施例に係る燃料電池の概略図である。セパレータおよびシールガスケット一体型ＭＥＡの詳細について説明するための図である。突起部と貫通孔との位置関係について説明するための図である。突起部の他の例について説明するための図である。突起部が形成されている位置の他の例を示す図である。突起部が形成されている位置のさらに他の例を示す図である。本発明の第２実施例に係る燃料電池について説明するための図である。本発明の第３実施例に係る燃料電池について説明するための図である。

符号の説明

１０セパレータ
１１カソード対向プレート
１２中間プレート
１３アノード対向プレート
２０，２０ａ，２０ｂシールガスケット一体型ＭＥＡ
２１ＭＥＡ
２２ガスケットシール部
３１貫通孔
３２，３２ａ，３２ｂ突起部

Claims

セパレータと、シールガスケット一体型膜電極接合体とが交互に積層され、
前記シールガスケット一体型膜電極接合体は、膜電極接合体とガスケットシール部とを備え、
前記ガスケットシール部には、前記シールガスケット一体型膜電極接合体の両面側に伸びる突起部が少なくとも１つ形成され、
前記セパレータは、前記突起部が嵌合する凹部を備え、
隣り合う前記シールガスケット一体型膜電極接合体の互いに対向する面において、前記突起部がシールガスケット一体型膜電極接合体に対して垂直な方向から見た場合に互いに重複しないように形成されていることを特徴とする燃料電池。
前記突起部は、前記シールガスケット一体型膜電極接合体のそれぞれに２つ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。
前記突起部は、前記シールガスケット一体型膜電極接合体の２つの対角部のそれぞれに形成されていることを特徴とする請求項２記載の燃料電池。
隣り合う前記シールガスケット一体型膜電極接合体において、前記突起部が形成されている対角部が互いに異なることを特徴とする請求項３記載の燃料電池。
前記セパレータは、内部に冷却媒体流路を備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池。
前記突起部は、前記ガスケットシール部と同じ材料から構成されることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池。
前記突起部は、前記ガスケットシール部の弾性率よりも高い弾性率を有する材料から構成されることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池。