JP5069916B2 - 燃料電池 - Google Patents

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Description

本発明は、電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体と、セパレータとが積層されるとともに、少なくとも反応ガス又は冷却媒体を前記セパレータの積層方向に流す連通孔が設けら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固体高分子電解質膜を採用している。この燃料電池は、固体高分子電解質膜の両側に、電極触媒と多孔質カーボンからなるアノード側電極及びカソード側電極を配設して構成される電解質膜・電極構造体を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持する発電セルを有している。
燃料電池では、アノード側電極に対向するセパレータ面には、燃料ガス（以下、反応ガスともいう）を流すための流路が形成される一方、カソード側電極に対向するセパレータ面には、酸化剤ガス（以下、反応ガスともいう）を流すための流路が設けられている。さらに、各発電セル毎あるいは所定数の発電セル毎に、セパレータ間に冷却媒体を流すための流路が形成されている。
その際、燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却媒体が、互いに混合することがないように、流路間を確実にシールする必要があるとともに、前記流路への異物の混入やセパレータ同士の短絡を阻止する必要がある。このため、種々のシール構造が採用されている。
ここで、通常のシール構造では、温度変化や経年劣化等によってシール材や電解質膜・電極構造体がセパレータ積層方向に収縮すると、セパレータとシール材、又は、電解質膜・電極構造体との間に隙間が生じ、異物の混入や発電性能の低下等が惹起され易い。従って、例えば、特許文献１に開示されているように、セパレータに形成された連通孔の周囲に絶縁性部材を設けた燃料電池が知られている。
具体的には、図５に示すように、セパレータ１が図示しない電解質膜・電極構造体と交互に積層されるとともに、前記セパレータ１には、積層方向に貫通して反応ガスや冷却媒体を流すための連通孔２が形成されている。
そして、セパレータ１は、ステンレス製板材等を一体成形して構成されており、シール材３が一体成形されている。セパレータ１には、連通孔２の周囲に環状の絶縁性部材４が設けられている。これにより、セパレータ１間の電気的な短絡やセパレータ間隔増大時の異物進入や経年劣化に伴うシール性の悪化等を、絶縁性部材４を介して有効に防止することができる。
特開２００２−３０５００６号公報（図１４）
ところで、シール材３は、経年変化等によって積層方向のシール高さが減少する場合があり、絶縁性部材４は、積層方向に圧縮され易い。ここで、上記の特許文献１では、セパレータ１の連通孔２を形成する内周端部１ａが絶縁性部材４の接触範囲Ｈ内に存在している。
従って、絶縁性部材４が圧縮される際に、金属製の内周端部１ａが弾性変形しないため、その部分の弾性係数が大きくなる。これにより、絶縁性部材４の圧縮荷重の低下に伴って、シール線圧（シールの単位長さ当たりの圧縮荷重）が低下してシール性が損なわれるおそれがある。また、絶縁性部材４において、内周端部１ａが存在する部分と存在しない部分とで、弾性変形量に偏りが生じるため、シール性が低下するおそれがある。
本発明はこの種の問題を解決するものであり、シール高さの変動にも影響されることがなく、連通孔周囲のシール性を確保するとともに、長期間にわたって良好に使用することが可能な燃料電池を提供することを目的とする。
本発明は、電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体と、セパレータとが積層されるとともに、少なくとも反応ガス又は冷却媒体を前記セパレータの積層方向に流す連通孔が設けられる燃料電池に関するものである。
セパレータは、金属プレートの外周縁部両面にシール部材が一体成形されるとともに、前記金属プレートには、連通孔を周回して額縁状のリブ部が設けられ、前記リブ部は、積層方向に隣接する他のセパレータに接触するリブ面が、前記金属プレートの前記連通孔を形成する内周端面よりも前記連通孔側に離間して配置されている。
また、シール部材は、少なくとも連通孔を周回する部位に、積層方向に隣接する他のシール部材側に突出する凸状シール部を有するとともに、前記リブ部は、金属プレートに対して前記凸状シール部側にのみ設けられることが好ましい。
さらに、リブ部は、シール部材と一体に金属プレートに成形されることが好ましい。
さらにまた、リブ部の連通孔を形成する内周壁面は、隣り合うリブ部の内周壁面と連続して平坦面を構成することが好ましい。
また、リブ部は、一方の面に積層方向に突出するリブ面を有するとともに、他方の面に平坦面を有し、一方の前記リブ部のリブ面が、他方の前記リブ部の平坦面に当接することが好ましい。
本発明では、リブ部が積層方向に対して金属プレートを挟んでいないため、経年劣化等によりシール部材のシール高さが減少した際にも、前記リブ部の圧縮率が小さくなる。このため、リブ部の線圧が増加することを良好に抑制することができ、シール部材のシール線圧の低下を防止することが可能になる。これにより、連通孔周囲のシール性を確保するとともに、長期間にわたって良好に使用することができる。
図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池１０の一部断面側面図であり、図２は、前記燃料電池１０を構成する発電セル１２の一部分解概略斜視図である。
燃料電池１０では、複数の発電セル１２が水平方向（矢印Ａ方向）に積層されている。図２に示すように、発電セル１２は、電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）２０と、前記電解質膜・電極構造体２０を挟持する第１及び第２金属セパレータ２２、２４とを備える。第１及び第２金属セパレータ２２、２４は、金属プレート２３、２５を波形状やディンプル形状等にプレス加工することにより、断面凹凸形状を有している（図１及び図２参照）。
発電セル１２の長辺方向（図２中、矢印Ｂ方向）の一端縁部には、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２６ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔２８ａ、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３０ｂが設けられる。
発電セル１２の長辺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３０ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔２８ｂ、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２６ｂが設けられる。
電解質膜・電極構造体２０は、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固体高分子電解質膜３２と、前記固体高分子電解質膜３２を挟持するアノード側電極３４及びカソード側電極３６とを備える。
アノード側電極３４及びカソード側電極３６は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、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た電極触媒層とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜３２の両面に形成される。
第１金属セパレータ２２の電解質膜・電極構造体２０に向かう面２２ａには、燃料ガス供給連通孔３０ａと燃料ガス排出連通孔３０ｂとを連通する燃料ガス流路３８が形成される。この燃料ガス流路３８は、例えば、矢印Ｂ方向に延在する複数本の溝部により構成される。第１金属セパレータ２２の面２２ｂには、冷却媒体供給連通孔２８ａと冷却媒体排出連通孔２８ｂとを連通する冷却媒体流路４０が形成される。この冷却媒体流路４０は、矢印Ｂ方向に延在する複数本の溝部により構成される。
第２金属セパレータ２４の電解質膜・電極構造体２０に向かう面２４ａには、例えば、矢印Ｂ方向に延在する複数本の溝部からなる酸化剤ガス流路４２が設けられるとともに、この酸化剤ガス流路４２は、酸化剤ガス供給連通孔２６ａと酸化剤ガス排出連通孔２６ｂとに連通する。第２金属セパレータ２４の面２４ｂには、第１金属セパレータ２２の面２２ｂと重なり合って冷却媒体流路４０が一体的に形成される。
第１金属セパレータ２２の面２２ａ、２２ｂには、この第１金属セパレータ２２の外周端部を周回して第１シール部材４４が一体成形される。第１シール部材４４は、面２２ａで燃料ガス供給連通孔３０ａ、燃料ガス排出連通孔３０ｂ及び燃料ガス流路３８を囲繞してこれらを連通させる一方、面２２ｂで冷却媒体供給連通孔２８ａ、冷却媒体排出連通孔２８ｂ及び冷却媒体流路４０を囲繞してこれらを連通させる。
第２金属セパレータ２４の面２４ａ、２４ｂには、この第２金属セパレータ２４の外周端部を周回して第２シール部材４６が一体成形される。第２シール部材４６は、面２４ａで酸化剤ガス供給連通孔２６ａ、酸化剤ガス排出連通孔２６ｂ及び酸化剤ガス流路４２を囲繞してこれらを連通させる一方、面２４ｂで冷却媒体供給連通孔２８ａ、冷却媒体排出連通孔２８ｂ及び冷却媒体流路４０を囲繞してこれらを連通させる。
図３に示すように、第１金属セパレータ２２には、酸化剤ガス供給連通孔２６ａ、酸化剤ガス排出連通孔２６ｂ、冷却媒体供給連通孔２８ａ、冷却媒体排出連通孔２８ｂ、燃料ガス供給連通孔３０ａ及び燃料ガス排出連通孔３０ｂ（以下、酸化剤ガス供給連通孔２６ａ等ともいう）を周回して額縁状の第１リブ部４８が設けられる。第２金属セパレータ２４には、同様に酸化剤ガス供給連通孔２６ａ等を周回して額縁状の第２リブ部５０が設けられる。
第１リブ部４８は、積層方向に隣接する第２金属セパレータ２４（他のセパレータ）の第２リブ部５０の平坦面に接触するリブ面４８ａが、金属プレート２３の酸化剤ガス供給連通孔２６ａ等を形成する内周端面２３ａよりも前記酸化剤ガス供給連通孔２６ａ等側に離間して配置される。すなわち、金属プレート２３の内周端面２３ａは、第１リブ部４８のリブ幅Ｈ１より酸化剤ガス供給連通孔２６ａ等から離間する位置に終端する。
第１シール部材４４は、少なくとも酸化剤ガス供給連通孔２６ａ等を周回する部位で金属プレート２３の一方の面、すなわち、第１リブ部４８が設けられる面にのみ凸状シール部５２を有する。第１シール部材４４は、金属プレート２３の他方の面に平坦シール部５４を有し、この平坦シール部５４側には、第１リブ部４８が設けられていない。
第２リブ部５０は、上記の第１リブ部４８と同様に、積層方向に隣接する第１金属セパレータ２２（他のセパレータ）の前記第１リブ部４８の平坦面に接触するリブ面５０ａが、金属プレート２５の酸化剤ガス供給連通孔２６ａ等を形成する内周端面２５ａよりも前記酸化剤ガス供給連通孔２６ａ等側に離間して配置される。
第１リブ部４８の酸化剤ガス供給連通孔２６ａ等を形成する内周壁面は、隣り合う第２リブ部５０の前記酸化剤ガス供給連通孔２６ａ等を形成する内周壁面と連続して平坦面を構成する。
第２リブ部５０は、金属プレート２５の一方の面側にのみ設けられるとともに、第２シール部材４６は、前記第２リブ部５０が設けられている前記金属プレート２５の一方の面にのみ凸状シール部５６を設ける。第２シール部材４６は、金属プレート２５の他方の面に平坦シール部５８を有する。
第１リブ部４８は、金属プレート２３に対し第１シール部材４４と同一の材料で且つ一体成形してもよい。また、第２リブ部５０は、同様に金属プレート２５に対し第２シール部材４６と同一の材料で且つ一体成形してもよい。
このように構成される燃料電池１０の動作について、以下に説明する。
先ず、図２に示すように、燃料電池１０内では、酸化剤ガス供給連通孔２６ａ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３０ａ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２８ａ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。このため、各発電セル１２では、酸化剤ガス、燃料ガス及び冷却媒体が、それぞれ矢印Ａ方向に供給される。
酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給連通孔２６ａから第２金属セパレータ２４の酸化剤ガス流路４２に導入され、電解質膜・電極構造体２０のカソード側電極３６に沿って移動する。一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔３０ａから第１金属セパレータ２２の燃料ガス流路３８に導入され、電解質膜・電極構造体２０のアノード側電極３４に沿って移動する。
従って、各電解質膜・電極構造体２０では、カソード側電極３６に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極３４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、カソード側電極３６に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔２６ｂに沿って流動する。同様に、アノード側電極３４に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔３０ｂに排出されて流動する。
また、冷却媒体は、冷却媒体供給連通孔２８ａから第１及び第２金属セパレータ２２、２４間の冷却媒体流路４０に導入された後、矢印Ｂ方向に沿って流動する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体２０を冷却した後、冷却媒体排出連通孔２８ｂを移動して燃料電池１０から排出される。
この場合、本実施形態では、図３に示すように、金属プレート２３、２５には、酸化剤ガス供給連通孔２６ａ等を周回して額縁状の第１及び第２リブ部４８、５０が設けられるとともに、前記第１及び第２リブ部４８、５０のリブ面４８ａ、５０ａは、前記金属プレート２３、２５の内周端面２３ａ、２５ａよりも前記酸化剤ガス供給連通孔２６ａ等の内方に離間して配置されている。
このため、各発電セル１２が互いに積層された状態では、第１リブ部４８と第２リブ部５０とは、積層方向に対して金属プレート２３、２５を挟んでいない。すなわち、金属プレート２３、２５の内周端面２３ａ、２５ａは、リブ面４８ａ、５０ａの接触幅であるリブ幅Ｈ１内に存在していない。従って、経年劣化等によって第１シール部材４４の凸状シール部５２や第２シール部材４６が凸状シール部５６のシール高さ（積層方向の高さ）が減少した際に、第１リブ部４８及び第２リブ部５０が積層方向に圧縮されても、前記第１リブ部４８及び前記第２リブ部５０の線圧が増加することを良好に抑制することができる。第１リブ部４８及び第２リブ部５０の圧縮率が小さくなるからである。
これにより、第１シール部材４４及び第２シール部材４６は、シール線圧の低下を防止することが可能になり、酸化剤ガス供給連通孔２６ａ等のシール性を確保するとともに、長期間にわたって良好に使用することができるという効果が得られる。
また、本実施形態では、第１シール部材４４において、凸状シール部５２が設けられている側にのみ第１リブ部４８が形成されており、平坦シール部５４側には前記第１リブ部４８が存在していない。同様に、第２シール部材４６において、凸状シール部５６が設けられている側にのみ第２リブ部５０が設けられる一方、平坦シール部５８側には、前記第２リブ部５０が存在していない。
このため、図４に示すように、例えば、第１金属セパレータ２２に矢印に示す位置ずれが発生した際、この第１金属セパレータ２２に設けられている第１シール部材４４の平坦シール部５４は、隣接する第２金属セパレータ２４に設けられている第２シール部材４６の凸状シール部５６に摺接している。従って、第１シール部材４４と第２シール部材４６とによるシール性を良好に維持することが可能になるという利点がある。
例えば、第１シール部材４４の平坦シール部５４側にも第１リブ部４８ｂが形成されていると、第１金属セパレータ２２に矢印方向の位置ずれが惹起した際、前記第１リブ部４８ｂが隣接する第２シール部材４６の凸状シール部５６とが接触してしまう。これにより、第１リブ部４８ｂは、凸状シール部５６に乗り上げてしまい、第１シール部材４４と第２シール部材４６とによるシール性が低下するおそれがある。
従って、本実施形態では、第１リブ部４８が第１シール部材４４の凸状シール部５２側にのみ設けられるとともに、第２リブ部５０が第２シール部材４６の凸状シール部５６側にのみ設けられることにより、第１金属セパレータ２２又は第２金属セパレータ２４の位置ずれに対しても、良好なシール性を確保することができる。
また、本実施形態では、第１金属セパレータ２２に設けられた第１リブ部４８のリブ面４８ａは、積層方向に隣接する第２金属セパレータ２４に設けられた第２リブ部５０の平坦面に接触する一方、前記第２リブ部５０のリブ面５０ａは、隣接する第１リブ部４８の平坦面に接触している。このため、リブ面４８ａ、５０ａに位置ずれが惹起しても、それぞれ平坦面に確実に接触することが可能になる。
さらにまた、本実施形態では、第１リブ部４８の酸化剤ガス供給連通孔２６ａ等を形成する内周壁面は、隣り合う第２リブ部５０の前記酸化剤ガス供給連通孔２６ａ等を形成する内周壁面と連続して平坦面を構成している。従って、酸化剤ガス供給連通孔２６ａ等内に段差が存在することがなく、圧損の低減が有効に図られる。
本発明の実施形態に係る燃料電池の一部断面側面図である。 前記燃料電池を構成する発電セルの一部分解概略斜視図である。 前記燃料電池の要部断面説明図である。 前記燃料電池の動作説明図である。 特許文献１の燃料電池の断面説明図である。
符号の説明
１０…燃料電池 １２…発電セル
２０…電解質膜・電極構造体 ２２、２４…金属セパレータ
３２…固体高分子電解質膜 ３４…アノード側電極
３６…カソード側電極 ３８…燃料ガス流路
４０…冷却媒体流路 ４２…酸化剤ガス流路
４４、４６…シール部材 ４８、５０…リブ部
４８ａ、５０ａ…リブ面 ５２、５６…凸状シール部
５４、５８…平坦シール部

Claims (5)

  1. 電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体と、セパレータとが積層されるとともに、少なくとも反応ガス又は冷却媒体を前記セパレータの積層方向に流す連通孔が設けられる燃料電池であって、
    前記セパレータは、金属プレートの外周縁部両面にシール部材が一体成形されるとともに、
    前記金属プレートには、前記連通孔を周回して額縁状のリブ部が設けられ、
    前記リブ部は、前記積層方向に隣接する他のセパレータに接触するリブ面が、前記金属プレートの前記連通孔を形成する内周端面よりも前記連通孔側に離間して配置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、前記シール部材は、少なくとも前記連通孔を周回する部位に、前記積層方向に隣接する他のシール部材側に突出する凸状シール部を有するとともに、
    前記リブ部は、前記金属プレートに対して前記凸状シール部側にのみ設けら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、前記リブ部は、前記シール部材と一体に前記金属プレートに成形されることを特徴とする燃料電池。
  4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記リブ部の前記連通孔を形成する内周壁面は、隣り合う前記リブ部の内周壁面と連続して平坦面を構成することを特徴とする燃料電池。
  5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記リブ部は、一方の面に前記積層方向に突出するリブ面を有するとともに、他方の面に平坦面を有し、
    一方の前記リブ部のリブ面が、他方の前記リブ部の平坦面に当接することを特徴とする燃料電池。
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