JP5101824B2

JP5101824B2 - 燃料電池

Info

Publication number: JP5101824B2
Application number: JP2006032491A
Authority: JP
Inventors: 謙高橋; 修平後藤
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2006-02-09
Filing date: 2006-02-09
Publication date: 2012-12-19
Anticipated expiration: 2026-02-09
Also published as: JP2007213965A

Description

本発明は、電解質の両側に一対の電極が設けられた電解質・電極構造体とセパレータとが積層され、電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路が設けられるとともに、セパレータ面内には、少なくとも前記反応ガスを積層方向に流通させる反応ガス供給連通孔及び反応ガス排出連通孔が、前記積層方向に貫通して形成さ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、それぞれ電極触媒（電極触媒層）と多孔質カーボン（拡散層）からなるアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・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構成している。通常、燃料電池では、この発電セルを所定の数だけ積層した燃料電池スタックが使用されている。

上記の燃料電池では、積層されている各発電セルのアノード側電極及びカソード側電極に、それぞれ反応ガスである燃料ガス及び酸化剤ガスを供給するとともに、必要に応じて前記発電セル間に冷却媒体を供給するため、内部マニホールド構造を採用する場合が多い。

この内部マニホールド構造では、発電セルの積層方向に貫通して設けられる反応ガス供給連通孔及び反応ガス排出連通孔と、冷却媒体供給連通孔及び冷却媒体排出連通孔とを備えている。そして、電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路（酸化剤ガス流路及び燃料ガス流路）の入口側端部及び出口側端部には、反応ガス供給連通孔及び反応ガス排出連通孔が、それぞれ連通している。一方、発電セル間に沿って冷却媒体を供給する冷却媒体流路の入口側端部及び出口側端部には、冷却媒体供給連通孔及び冷却媒体排出連通孔が、それぞれ連通している。

この種の燃料電池では、反応ガスである燃料ガスと酸化剤ガスとの混合や、前記反応ガスの外部への漏れ等を阻止するために、種々のシール構造が採用されている。例えば、特許文献１に開示されている固体高分子型燃料電池は、図６に示すように、酸化剤ガス用セパレータ１を備えている。

酸化剤ガス用セパレータ１は、一方の端部に燃料ガス供給孔２ａ、酸化剤ガス供給孔３ａ及び冷却水供給孔４ａが厚さ方向に貫通して設けられている。この酸化剤ガス用セパレータ１の他方の端部には、燃料ガス排出孔２ｂ、酸化剤ガス排出孔３ｂ及び冷却水排出孔４ｂが厚さ方向に連通して設けられている。

酸化剤ガス用セパレータ１の発電面に対応する面には、酸化剤ガス供給孔３ａと酸化剤ガス排出孔３ｂとを連通する複数本の蛇行溝である酸化剤ガス流路溝５が形成されている。

さらに、酸化剤ガス用セパレータ１の酸化剤ガス流路溝５が設けられた面には、パッキング６が接着により一体化されている。このパッキング６は、酸化剤ガス用セパレータ１の外周縁部に形成される外枠部６ａと、燃料ガス供給孔２ａ、酸化剤ガス供給孔３ａ、冷却水供給孔４ａ、燃料ガス排出孔２ｂ、酸化剤ガス排出孔３ｂ及び冷却水排出孔４ｂと酸化剤ガス流路溝５とを周回する内枠部６ｂと、前記燃料ガス供給孔２ａ、前記冷却水供給孔４ａ、前記燃料ガス排出孔２ｂ及び前記冷却水排出孔４ｂを囲繞する仕切り部６ｃとを有している。

特開２０００−２９４２５４号公報（図３）

上記の特許文献１では、例えば、燃料ガス供給孔２ａから内枠部６ｂを越えて燃料ガスがリークした際に、このリークした燃料ガス（以下、リークガスともいう）は、外枠部６ａに阻止されて酸化剤ガス用セパレータ１の外部に漏れることが防止されている。

しかしながら、リークガスは、外枠部６ａと内枠部６ｂとの間に形成される空間部に滞留している。このため、リークガス量が多くなると、空間部内のガス圧が高くなり易く、リークガスが外枠部６ａを越えて外部に漏出されたり、酸化剤ガス流路溝５に進入して酸化剤ガスと混在するおそれがある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、構成を有効に小型化することができるとともに、リークガスがセパレータ面内に滞留することを確実に阻止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が設けられた電解質・電極構造体とセパレータとが積層され、電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路が設けられるとともに、セパレータ面内には、少なくとも前記反応ガスを積層方向に流通させる反応ガス供給連通孔及び反応ガス排出連通孔が、前記積層方向に貫通して形成される燃料電池に関するものである。

燃料電池は、セパレータに設けられ、反応ガス流路、反応ガス供給連通孔及び反応ガス排出連通孔を周回してシールする第１シール部と、前記第１シール部を周回して前記セパレータの外周縁部に設けられる第２シール部と、前記第１及び第２シール部間に形成され、少なくとも前記反応ガス流路、前記反応ガス供給連通孔及び前記反応ガス排出連通孔からのリークガスを収容可能な空間部と、前記空間部に連通し、前記リークガスを前記空間部から前記燃料電池の外部に排出する排気用連通孔とを備えている。

また、燃料電池は、空間部に連通し、該空間部に換気用エアを導入する換気用連通孔を備えることが好ましい。さらに、排気用連通孔に連通する外部配管には、リークガスに含まれる水素ガスを検出するセンサが設けられることが好ましい。

本発明によれば、少なくとも反応ガス流路、反応ガス供給連通孔又は反応ガス排出連通孔からのリークガスは、空間部に一旦収容された後、排気用連通孔を介して前記空間部から燃料電池の外部に排出される。このため、空間部内のガス圧が高くなることがなく、前記空間部の容積が有効に削減されて燃料電池全体の小型化が容易に図られる。

しかも、空間部にリークガスが滞留することがない。これにより、特に空間部内の燃料ガス濃度が高くなることを確実に阻止することができ、前記リークガスの処理が良好且つ容易に遂行可能になる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池１０の概略斜視図であり、図２は、前記燃料電池１０の一部断面側面図である。

燃料電池１０は、複数の発電セル１２が水平方向（矢印Ａ方向）に積層された積層体１４を備え、前記積層体１４の積層方向両端部には、第１及び第２ターミナルプレート１６ａ、１６ｂと、第１及び第２絶縁プレート１８ａ、１８ｂと、第１及び第２エンドプレート２０ａ、２０ｂとが、順次、設けられる。なお、燃料電池１０は、図示しないが、例えば、締め付けボルト等により締め付け保持されるが、これに限定されるものではなく、例えば、箱状ケーシング内に収容する構成を採用してもよい。

図３に示すように、発電セル１２は、矢印Ａ方向に積層される電解質膜・電極構造体２２と、第１及び第２金属セパレータ２４、２６とを備える。なお、第１及び第２金属セパレータ２４、２６に代替して、例えば、カーボンセパレータを使用してもよい。

電解質膜・電極構造体２２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２８と、該固体高分子電解質膜２８を挟持するアノード側電極３０及びカソード側電極３２とを備える。アノード側電極３０及びカソード側電極３２は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層（図示せず）と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子を前記ガス拡散層の表面に一様に塗布して形成される電極触媒層（図示せず）とを有する。

発電セル１２の矢印Ｂ方向の一端縁部には、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、空気（酸素含有ガス）を供給するための酸化剤ガス供給連通孔（反応ガス供給連通孔）４０ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔４２ａ、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（反応ガス排出連通孔）４４ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。

発電セル１２の矢印Ｂ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（反応ガス供給連通孔）４４ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔４２ｂ、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（反応ガス排出連通孔）４０ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。

発電セル１２の矢印Ｃ方向一端縁部には、酸化剤ガス供給連通孔４０ａに近接して換気用流体、例えば、換気用エアを供給するための換気用連通孔４６と、前記換気用エアによりリークガス（後述する）を強制的に排気するための排気用連通孔４８とが、矢印Ａ方向に貫通して設けられる。

第１金属セパレータ２４の電解質膜・電極構造体２２に向かう面２４ａには、酸化剤ガス流路５０が設けられる。酸化剤ガス流路５０は、例えば、矢印Ｂ方向に延在する複数の酸化剤ガス流路溝を有するとともに、酸化剤ガス供給連通孔４０ａと酸化剤ガス排出連通孔４０ｂとに連通する。

図４に示すように、第２金属セパレータ２６の電解質膜・電極構造体２２に向かう面２６ａには、燃料ガス流路５２が設けられる。燃料ガス流路５２は、酸化剤ガス流路５０と同様に、矢印Ｂ方向に延在する複数の燃料ガス流路溝を有するとともに、燃料ガス供給連通孔４４ａと燃料ガス排出連通孔４４ｂとに連通する。

第１金属セパレータ２４と第２金属セパレータ２６とは、互いに対向する面２４ｂ、２６ｂ間に冷却媒体流路５４を一体的に形成する（図２参照）。冷却媒体流路５４は、酸化剤ガス流路５０の裏面側、及び燃料ガス流路５２の裏面側に一体的に形成され、矢印Ｂ方向に延在する複数の冷却媒体流路溝を有する。この冷却媒体流路５４は、冷却媒体供給連通孔４２ａと冷却媒体排出連通孔４２ｂとに連通する（図３参照）。

第１金属セパレータ２４の面２４ａ、２４ｂには、この第１金属セパレータ２４の外周縁部を周回して第１シール部材５６が射出成形等により一体成形される。図３に示すように、第１シール部材５６は、面２４ａ側に酸化剤ガス供給連通孔４０ａ、冷却媒体供給連通孔４２ａ、燃料ガス排出連通孔４４ｂ、燃料ガス供給連通孔４４ａ、冷却媒体排出連通孔４２ｂ及び酸化剤ガス排出連通孔４０ｂと酸化剤ガス流路５０とを周回してシールする第１シール部５８ａ、前記第１シール部５８ａを周回して前記面２４ａの外周縁部に設けられる第２シール部５８ｂとを備える。

第１及び第２シール部５８ａ、５８ｂ間には、空間部６０が形成されるとともに、この空間部６０は、一端が換気用連通孔４６に連通し、他端が排気用連通孔４８に連通する通路を構成する。換気用連通孔４６と排気用連通孔４８との間には、仕切り用シール部５８ｃが設けられる。通路に洩れた燃料ガスや酸化剤ガス（リークガス）は、換気用連通孔４６から供給される排気用エアを介して排気用連通孔４８に強制的に排出される。

第１シール部材５６は、面２４ｂ側に平坦シール面を構成している（図２参照）。第１シール部材５６は、換気用連通孔４６及び排気用連通孔４８の内周壁面の他、酸化剤ガス供給連通孔４０ａ、冷却媒体供給連通孔４２ａ、燃料ガス排出連通孔４４ｂ、燃料ガス供給連通孔４４ａ、冷却媒体排出連通孔４２ｂ及び酸化剤ガス排出連通孔４０ｂの内周壁面を覆って構成される。なお、以下に説明する第２シール部材６２においても同様である。

第２シール部材６２は、第２金属セパレータ２６の面２６ａ、２６ｂに、この第２金属セパレータ２６の外周縁部を周回して射出成形等により一体成形される。図４に示すように、第２シール部材６２は、第１シール部材５６と同様に、面２６ａに設けられる第１シール部６４ａと、前記第１シール部６４ａを周回して前記面２６ａの外周縁部に設けられる第２シール部６４ｂと、前記第１及び第２シール部６４ａ、６４ｂ間に形成される空間部６６とを備える。換気用連通孔４６と排気用連通孔４８との間には、仕切り用シール部６４ｃが設けられる。

第２金属セパレータ２６の面２６ｂには、図３に示すように、第１シール部６８ａと、この第１シール部６８ａを周回する第２シール部６８ｂと、仕切り用シール部６８ｃと、前記第１及び第２シール部６８ａ、６８ｂ間に形成される空間部７０とが設けられる。

図１に示すように、燃料電池１０を構成する第１エンドプレート２０ａには、排気用連通孔４８に連通する外部配管７２が接続されるとともに、この外部配管７２には、前記排気用連通孔４８から排気されるリークガス中に含まれる水素ガス（濃度）を検出する水素ガスセンサ７４が設けられている。

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。

燃料電池１０では、図１に示すように、第１エンドプレート２０ａにおいて、酸化剤ガス供給連通孔４０ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガス（例えば、空気）が供給されるとともに、燃料ガス供給連通孔４４ａ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４２ａ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一方、換気用連通孔４６に換気用エアが供給される。

図３に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給連通孔４０ａから第１金属セパレータ２４の酸化剤ガス流路５０に導入される。酸化剤ガス流路５０では、酸化剤ガスが矢印Ｂ方向に沿って移動し、電解質膜・電極構造体２２のカソード側電極３２に供給される。

一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔４４ａから第２金属セパレータ２６の燃料ガス流路５２に導入される。図４に示すように、燃料ガス流路５２では、燃料ガスが矢印Ｂ方向に沿って移動し、電解質膜・電極構造体２２のアノード側電極３０に供給される。

従って、電解質膜・電極構造体２２では、カソード側電極３２に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極３０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（図２参照）。

次いで、カソード側電極３２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４０ｂに排出される（図３参照）。同様に、アノード側電極３０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４４ｂに排出される。

一方、冷却媒体供給連通孔４２ａに供給された冷却媒体は、第１及び第２金属セパレータ２４、２６間に形成された冷却媒体流路５４に導入される。この冷却媒体流路５４では、冷却媒体が矢印Ｂ方向に移動する。従って、冷却媒体は、電解質膜・電極構造体２２の発電領域全面にわたって冷却した後、冷却媒体排出連通孔４２ｂに排出される。

この場合、第１の実施形態では、例えば、図４に示すように、第２金属セパレータ２６の面２６ａには、燃料ガス流路５２、酸化剤ガス供給連通孔４０ａ、冷却媒体供給連通孔４２ａ、燃料ガス排出連通孔４４ｂ、燃料ガス供給連通孔４４ａ、冷却媒体排出連通孔４２ｂ及び酸化剤ガス排出連通孔４０ｂを周回してシールする第１シール部６４ａと、前記第１シール部６４ａを周回する第２シール部６４ｂとを設けるとともに、前記第１及び第２シール部６４ａ、６４ｂ間には、空間部６６が形成されている。

このため、燃料ガス流路５２から第１シール部６４ａを越えたリークガス８０や、燃料ガス供給連通孔４４ａから前記第１シール部６４ａを越えたリークガス８０は、一旦空間部６６に収容される。その際、空間部６６には、換気用連通孔４６を介して換気用エア８２が供給されている。

従って、空間部６６に収容されたリークガス８０は、換気用エア８２を介して排気用連通孔４８に強制的に排出される。これにより、空間部６６内のガス圧が高くなることがなく、この空間部６６の容積を有効に削減しつつ、前記空間部６６からリークガス８０の洩れを可及的に阻止することができ、燃料電池１０全体の小型化が容易に図られるという効果が得られる。

しかも、空間部６６には、リークガス８０が滞留することがない。このため、特に空間部６６内における燃料ガス濃度が高くなることを確実に阻止することができ、前記リークガス８０の処理が、良好且つ容易に遂行可能になるという利点がある。

さらに、第１の実施形態では、排気用連通孔４８に排出されたリークガス８０は、各排気用連通孔４８に沿って矢印Ａ方向に移動し、燃料電池１０を構成する第１エンドプレート２０ａに接続された外部配管７２に排出される（図１参照）。

ここで、外部配管７２には、水素ガスセンサ７４が設けられており、前記外部配管７２から排出されるリークガス８０中の水素ガス濃度が検出されている。これにより、燃料電池１０内における燃料ガスのシール不良等を容易且つ確実に検出することができる。

図５は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池を構成する発電セル９０の分解斜視図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池１０を構成する発電セル１２と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。

発電セル９０は、電解質膜・電極構造体９２と、第１及び第２金属セパレータ９４、９６とを備える。発電セル９０には、発電セル１２の換気用連通孔４６を設けておらず、空間部６０、６６及び７０は、排気用連通孔４８にのみ連通している。

このように構成される第２の実施形態では、例えば、第１金属セパレータ９４の空間部６０に、燃料ガス、酸化剤ガス又は冷却媒体等のリークガスが導入されると、このリークガスは、排気用連通孔４８に排出され、この排気用連通孔４８を矢印Ａ方向に流れて燃料電池の外部に排気されている。従って、空間部６０、６６及び７０の容積を有効に削減することができ、燃料電池全体の小型化が容易に図られる等、第１の実施形態と同様の効果が得られる。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の概略斜視図である。前記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分解斜視図である。前記燃料電池を構成する第２金属セパレータの正面説明図である。本発明の第２の実施形態に係る燃料電池を構成する発電セルの分解斜視図である。特許文献１の燃料電池を構成する酸化剤ガス用セパレータの説明図である。

符号の説明

１０…燃料電池１２、９０…発電セル
１４…積層体２０ａ、２０ｂ…エンドプレート
２２、９２…電解質膜・電極構造体２４、２６、９４、９６…金属セパレータ
２８…固体高分子電解質膜３０…アノード側電極
３２…カソード側電極４０ａ…酸化剤ガス供給連通孔
４０ｂ…酸化剤ガス排出連通孔４２ａ…冷却媒体供給連通孔
４２ｂ…冷却媒体排出連通孔４４ａ…燃料ガス供給連通孔
４４ｂ…燃料ガス排出連通孔４６…換気用連通孔
５０…酸化剤ガス流路５２…燃料ガス流路
５４…冷却媒体流路５６、６２…シール部材
５８ａ、５８ｂ、６４ａ、６４ｂ、６８ａ、６８ｂ…シール部
６０、６６、７０…空間部７２…外部配管
７４…水素ガスセンサ

Claims

電解質の両側に一対の電極が設けられた電解質・電極構造体とセパレータとが積層され、電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路が設けられるとともに、セパレータ面内には、少なくとも前記反応ガスを積層方向に流通させる反応ガス供給連通孔及び反応ガス排出連通孔が、前記積層方向に貫通して形成される燃料電池であって、
前記セパレータに設けられ、前記反応ガス流路、前記反応ガス供給連通孔及び前記反応ガス排出連通孔の外方を周回してシールする第１シール部と、
前記第１シール部の外方を周回して前記セパレータの外周縁部に設けられる第２シール部と、
前記第１及び第２シール部間に形成され、前記第１シール部を介して前記反応ガス流路、前記反応ガス供給連通孔及び前記反応ガス排出連通孔の外方を周回し、少なくとも前記反応ガス流路、前記反応ガス供給連通孔及び前記反応ガス排出連通孔からのリークガスを収容可能な空間部と、
前記空間部の始点に連通し、該空間部に換気用流体を導入する換気用連通孔と、
前記換気用連通孔に隣接して設けられ、前記空間部の終点を介して前記換気用連通孔に連通し、前記換気用流体及び前記リークガスを前記空間部から前記燃料電池の外部に排出する排気用連通孔と、
前記換気用連通孔と前記排気用連通孔との間に設けられる仕切り用シール部と、
を備え、
前記換気用連通孔と前記排気用連通孔とは、互いの間が前記仕切り用シール部によってシールされた状態で仕切られ、
前記換気用流体は、前記換気用連通孔から前記空間部に沿って前記反応ガス流路、前記反応ガス供給連通孔及び前記反応ガス排出連通孔の外周を周回して前記排気用連通孔まで流通することを特徴とする燃料電池。
請求項１記載の燃料電池において、前記排気用連通孔に連通する外部配管には、前記リークガスに含まれる水素ガスを検出するセンサが設けられることを特徴とする燃料電池。