JP5105865B2 - 固体高分子形燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、酸化剤極および燃料極の水透過板を積層し、その間に冷媒流路を形成して成る水透過板接合体を備えた固体高分子形燃料電池に関するもので、特に、酸化剤極用水透過板または燃料極用水透過板の反応ガス流路で凝縮した水を、速やかに両水透過板の間に形成した冷媒流路内に導くことができる固体高分子形燃料電池に係る。

電解質としてプロトン伝導性を有する固体高分子膜を用いた燃料電池は、コンパクト、高出力密度が得られ、かつ簡略なシステムで運転可能なことから、定置用分散電源、宇宙用、車両用などの電源としても注目されている。

図５は、特許文献１に記載の固体高分子形燃料電池の単電池の構成を示す。高分子膜１３の両側に白金などの触媒をそれぞれ担持して触媒層１４，１５を形成する。これら触媒層に対面するようにそれぞれの層にガス拡散性の多孔質層１６，１７を配置する。これで酸化剤極及び燃料極が形成される。これを膜・電極接合体１８と呼ぶ。

前記酸化剤極の面に酸化剤ガスを流通する為の凹溝２０が形成された酸化剤極用水透過板１９が配置される。この酸化剤極用水透過板１９の酸化剤供給溝２０と反対側には冷媒が流通する溝２１が形成されている。この酸化剤極用水透過板１９は多孔質層の材料によって構成され、酸化剤極で生成した生成水を、その多孔質層を介して冷媒中へ移動させる。生成水が冷媒へ移動する駆動力は酸化剤の圧力よりも冷媒の圧力を低く制御することによる圧力差である。

燃料極の面にも酸化剤極と同様に燃料極用水透過板２２が配置される。この燃料極用水透過板２２も生成水を冷媒へ移動させる役割を持つ。酸化剤極の水透過板１９と燃料極の水透過板２２は、冷媒を流通させる夫々の溝２１，２４のある面同士で貼り合わせた構造をしている。このように膜・電極接合体および貼り合わされた２枚の水透過板１９，２２が一つの組み合わせとなり、これを複数積層して燃料電池スタックをなす。

上記水透過板の構造は、例えば図６に記載のように冷媒の流通面に突起２５を設けたもの（特許文献２参照）や、図７に示すように冷媒流路用リブ２６によって冷媒の流路である流通溝２１を形成したものがある。このような一組の水透過板１９，２２を互いに貼り合わす際に、図６の構造では、冷媒流通面の突起２５を一個一個確実に接触させる必要がある。水透過板１９，２２の電気伝導はこの突起２５を介してなされるので、接触断面積のロスがないように水透過板１９，２２の突起２５がずれることなく一致している必要がある。

また、図７の構造では、冷媒を流通させる為の水透過板のリブ２６をお互いに精度良く接触させる必要がある。２つの透過板１９，２２のリブ２６がずれると溝部２１で形成された冷媒の流通路の断面積に差が生じてしまう。流路の断面積に差が生じると、各流路を流れる冷媒の流量配分が設計からずれてしまう。冷媒は電池の発熱による電池の温度上昇を抑制し、電池の平面内の温度分布を制御して最適な温度にする役割がある。従って流路の断面積の差による流量配分の設計からのずれは、電池の温度分布に影響を及ぼし電池の耐久性を低下させる可能性がある。

このように従来の構成では、冷媒の突起２５やリブ２６をお互いに精度良く重ね合わせることは難しく、位置合わせの精度、水透過板１９，２２の流路の加工精度を高度なものとする必要があり、高価な製造設備が必要であった。

前記のような冷媒の流通路を精度良く形成するための構造として、図８に示すように２つの水透過板１９，２２のうち、一方の水透過板（例えば、酸化剤極の水透過板１９）の片面に冷媒の流通路のための突起２５またはリブ２６を形成することも提案されている。この構成における貼り合わせの工程は、シート状の熱可塑性材料３０を水透過板１９，２２のエッジ部３１上に置き、水透過板１９，２２を重ね合わせて熱プレスにより圧着させる。

この方法によれば冷媒の流路の精度は図８に示す水透過板１９の突起２５またはリブ２６の精度で決まるので、前記図６や図７のような高い精度は必要ない。また、水透過板１９，２２の位置合わせに当たって、その精度が低い場合でもエッジ部３１がその製造時の誤差を吸収する。従って、冷媒流路用突起２５またはリブ２６の加工精度や、２枚の水透過板１９，２２を貼り合わせる工程における位置合わせの精度を低くすることができ、製造コストが低減される。
特表平１１−５０８７２６号公報 特表２００３−５１７１８６号公報

以上のように図８に示す従来技術では、２枚の水透過板１９，２２をそのエッジ部３１ａ，３１ｂで熱可塑性材料３０を用いて熱圧着していた。すなわち、この従来技術は、一方の水透過板１９側に突起２５やリブ２６と同じ高さのエッジ部３１ａを形成し、他方の水透過板２２の周縁部は突起のない平板状のエッジ部３１ｂとして、２枚の水透過板１９，２２を両エッジ部３１ａ，３１ｂ間に配設した熱可塑性材料３０により貼り合わせたものである。このようにして構成された水透過板１９，２２の接合体の断面図を図９に示す。

ところで、水透過板１９，２２の機能は、上述したように生成水を冷媒の流通溝２７内へ移動させ電池外へ排出することである。また反応ガスの出口、つまり電池の周辺では中央部よりも温度が下がる。この温度低下により反応ガス中の水蒸気が凝縮し反応ガス流路２０，２３上に溜まることがある。このような液体になった水も冷媒の流通溝２７に引き込み、吸収することで反応ガスの不規則な流れを抑制し、反応ガスの流速を常に一定に保持する効果がある。

しかしながら、図９に示すように水透過板１９，２２を接着した境界部では、接着剤として使用した熱可塑性材料３０の水不透過性のために水の移動が妨げられる。すなわち、図１０に示すように、リブ２６が設けられていない側の水透過板２２の周囲には、熱可塑性材料３０が配置されているので、反応ガス流路内に溜まった水は一旦水透過板の肉厚部（ウエブ）内に入り込むが、この熱可塑性材料３０に妨げられてしまい（図１０の白抜き矢印参照）、ウエブ内を平面方向に移動し、冷媒の流路溝２９に到達する。

この現象は、水透過板２２の端から冷媒の一番端の流路溝２７までの距離が長いほどその影響は大きくなる。また水透過板２２の肉厚部の厚さが薄くなるほど同様にその影響が大きくなる。

以上説明したように、一方の水透過板１９側に突起２５やリブ２６と同じ高さのエッジ部３１ａを形成し、他方の水透過板２２の周縁部は突起のない平板状のエッジ部３１ｂとして、２枚の水透過板１９，２２を貼り合わせた従来の水透過板接合体においては、周辺部が平板状の水透過板２２のエッジ部３１ｂに含まれる水が冷媒の流通溝２７へスムーズに移動しないという課題があった。

このような課題は、酸化剤極の水透過板１９の周囲に平板状のエッジ部３１ｂを形成し、燃料極側の水透過板２２に突起部２５あるいはリブ２６と、それと同じ高さに突出させたエッジ部３１ａを形成して、両者を熱可塑性材料３０によって貼り合わせた場合でも、同様に発生するものであった。

また、電池の平面内の平均温度または平面内の最高温度と同じ温度の露点を持つ加湿された反応ガスを供給して発電される電池スタックでは、電池の平面方向の周囲部の温度が供給された反応ガスの露点よりも低いので、反応ガス中の水蒸気が電池入口において凝縮することが考えられる。

従って上述の反応ガスの出口において、凝縮した水の排除がスムーズに行われない現象と同じように、反応ガスの入口においてもエッジ部３１ｂに凝縮した水がスムーズに移動しないという課題があった。

本発明は、前記のような従来技術の課題を解決するために提案されたもので、エッジ部と冷媒の流通溝の間の水の移動速度を向上させた水透過板を有する固体高分子形燃料電池を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明は、固体高分子膜を電解質膜とし該電解質膜の一方に燃料極、他方に酸化剤極を配する膜電極接合体と、多孔質な基板の片面に燃料ガスが流通する流路が形成された燃料極用水透過板と、多孔質な基板の片面に酸化剤ガスが流通する流路が形成された酸化剤極用水透過板とを、前記膜電極接合体に燃料ガス流路と酸化剤ガス流路が対向するように積層して単電池を構成し、この単電池を複数積層して燃料電池スタック形成した固体高分子形燃料電池において、下記(1) から(7) の構成を採用したことを特徴とする。

(1) 前記酸化剤極用水透過板の酸化剤ガス流路を形成した面と反対側の面における酸化剤ガス流路の出口と入口に対応する部分には、酸化剤ガス流路と直交する方向に、前記酸化剤極用水透過板の縁に沿って連続した突出部分である冷媒流路エッジ部が形成されている。
(2) 前記燃料極用水透過板の燃料ガス流路を形成した面と反対側の面における燃料ガス流路の出口と入口に対応する部分には、燃料ガス流路と直交する方向に、前記燃料極用水透過板の縁に沿って連続した突出部分である冷媒流路エッジ部が形成されている。
(3) 前記酸化剤極用水透過板における酸化剤ガス流路を形成した面と反対側の面と、前記燃料極用水透過板における燃料ガス流路を形成した面と反対側の面とが、対向するとともに前記酸化剤ガス流路と前記燃料ガス流路とが直交する方向となるように重ね合わされている。
(4) 前記酸化剤極用水透過板における酸化剤ガス流路を形成した面と反対側の面と、前記燃料極用水透過板における冷媒流路エッジ部とが接着剤層を介して接合されている。
(5) 前記燃料極用水透過板における燃料ガス流路を形成した面と反対側の面と、前記酸化剤極用水透過板における冷媒流路エッジ部とが接着剤層を介して接合されている。
(6) 前記酸化剤極用水透過板の冷媒流路エッジ部と、前記燃料極用水透過板の冷媒流路エッジ部とが接することにより連続した突出部分で囲まれた部分に冷媒流路が形成されている。
(7) 前記酸化剤極用水透過板の冷媒流路エッジ部と、前記燃料極用水透過板の冷媒流路エッジ部とのいずれか一方に設けられた切欠部によって、冷媒流路への冷媒の入口及び出口が形成されている。

本発明においては、酸化剤ガス出口に凝縮した水が冷媒流路に移動する経路として、従来技術のウエブを通る経路（経路１）と、ウエブからその背面に設けられた冷媒流路エッジ部に移動する経路（経路２）の２通りの経路があるので、凝縮した水は冷媒流路へ従来技術よりもより速やかに移動することが可能になる。

（１）第１実施形態の構成
以下、本発明の第１実施形態を図１乃至図４に従って具体的に説明する。図１及び図２は第１実施形態に係る水透過板の構成図である。

図１は、酸化剤ガスの流路を構成する水透過板Ａであり、その構成は酸化剤ガスを流通させる流路を構成するための多数のリブ１が片側の面に形成されており、これらリブ１とリブ１の間の溝２を酸化剤ガスが流通する。酸化剤ガスの流路と平行に酸化剤ガスが電池の外へ漏洩することを防ぐための酸化剤流路エッジ部３が形成されている。酸化剤流路溝２を形成した面の反対の面の、酸化剤入口および酸化剤出口に対応する部分に、冷媒流路のエッジ部４が形成されている。また、この酸化剤極用水透過板Ａのリブ１の下の基盤部分をウエブ５と称す。

図２に、燃料ガスの流路と冷媒の流路を形成した水透過板Ｂを示す。この水透過板Ｂの片側には冷媒を流通させる流路６が形成されている。なお、この図２では、冷媒流路６は、単なる平面状となっているが、この流路６上に前記図６に示した流路形成用の突起２１や図７に示した冷媒流通溝２７を形成するリブ２６が設けられる。なお、この流路形成用の突起２１や冷媒流通溝２７を形成するリブ２６は、前記酸化剤極用水透過板Ａ側に設けられていても良い。

この燃料極用水透過板Ｂの流路６の反対の面には、燃料流路を形成するための多数のリブ７が形成されており、これらリブ７とリブ７の間の溝８が燃料ガスの流通溝８になっている。また、前記燃料ガス流通溝８と平行に燃料ガスが電池外へ漏洩することを防止するために燃料流路エッジ部９が形成されている。燃料ガス流路溝８を形成した面の反対の面、すなわち冷媒流路６側の面には、燃料ガス入口流路および燃料ガス出口流路と直角に、冷媒流路のエッジ部１０が形成されている。この燃料用水透過板Ｂにおける燃料流路のリブ７の下の基盤をウエブ１１と称す。

前記燃料ガス用の水透過板Ｂに設けられた冷媒流路エッジ部１０は、流路６上に設けられる突起２１やリブ２６、あるいは前記酸化剤極用水透過板Ａに設けられた冷媒流路エッジ部４と同じ高さに設けられ、２つの水透過板Ａ，Ｂを重ね合わせた場合に、両水透過板Ａ，Ｂの間に、双方の冷媒流路エッジ部４，１０によって囲まれた冷媒の流通路が形成される。また、燃料ガス用の水透過板Ｂに設けられた冷媒流路エッジ部１０には、この冷媒の流通路の入口及び出口を形成するための切欠部１０ａ，１０ｂが設けられている。

このような構成の２つの水透過板Ａ，Ｂを、図１の冷媒流路エッジ部４と図２の冷媒流路エッジ部１０の上面部を接着面１２として重ね合せて一体化して、図３に示すような水透過板接合体Ｃが形成される。

すなわち、図２の燃料極用水透過板Ｂにおいて斜線で示したように、その四周に設けられた冷媒流路エッジ接着面１２にシート状の熱可塑性材料を主成分とするシール材料を敷き、その上方より酸化剤極用水透過板Ａを重ね合わせ、熱プレスを掛ける。熱プレスの条件は熱可塑性材料によって異なるが、通常１２０℃から１５０℃で１分程度の荷重を掛ける。

前記熱可塑性樹脂としては、フッ素系樹脂、ポリエステルエラストマー、ポリオレフィン、ポリウレタンのいずれか一つを主成分とするものを使用することができる。例えば、フッ素系の熱可塑性材料としては、３Ｍ社製のダイニオンＴＭＴＨＶ（登録商標）が挙げられる。これは融点が約１２０℃程度、分解点が４００℃でありこの温度の範囲で加工することができる。

なお、この水透過板Ａ，Ｂを接合する接着剤層としては、前記熱可塑性樹脂以外に、熱硬化性樹脂も使用可能である。また、本発明の第３実施形態で述べるような親水基を有する高分子膜などの親水性合成樹脂も使用可能である。

（２）第１実施形態の作用効果
このようにして製作した水透過板接合体Ｃを燃料ガスの流路溝に沿って切断した断面を図４に示す。この図４を用いて第１実施形態の水透過板接合体Ｃの作用を説明する。

酸化剤ガスは、図４の酸化剤流路の溝２を左から右へ流通する。酸化剤ガスは右へ流通するに従い電気化学反応により消費される。反応が進むにつれて生成水量は増し、酸化剤の体積は減少する。これに従って、相対的に酸化剤ガス中の水蒸気分圧は上昇し過飽和状態になると、凝縮して酸化剤極用水透過板Ａのウエブ５に吸収され冷媒の流路へ移動する。この場合、酸化剤ガスの圧力よりも冷媒の圧力を低く制御することで、凝縮水が冷媒流路側に移動する。

同様に、酸化剤ガスは酸化剤出口近傍の冷媒流路エッジ部４では温度が下がり、凝縮水は酸化剤極用水透過板Ａのウエブ５に吸収される。本実施形態の構成では、酸化剤ガス出口のウエブ５に凝縮した水が冷媒流路６に移動する経路として、従来の構成と同様にウエブ５を通って酸化剤ガス流路の上流へ移動し冷媒流路６に到達する経路の他に、図４中に矢印で示すように、ウエブ５の下方の冷媒流路エッジ部４に移動し、すぐ左側の冷媒流路６に到達する経路がある。

以上のような構成を有する第１実施形態の酸化剤極用水透過板Ａにおいては、酸化剤ガス出口のウエブ５に凝縮した水が冷媒流路６に移動する経路として従来技術のウエブ５を通る経路（経路１）と、ウエブ５からその背面に設けられた冷媒流路エッジ部４に移動する経路（経路２）の２通りの経路がある。これにより水の移動経路が増えたので、凝縮した水は冷媒流路６へ従来技術よりもより速やかに移動する。加えて、第１実施形態による第２の移動経路は、第１の経路よりも断面積が大きいので、その効果は顕著となる。

このような凝縮水の移動は、燃料極用水透過板Ｂにおいても同様であり、燃料流路溝８内で凝縮した水は、水透過板ウエブ１１内に浸入し、ウエブ１１内を燃料ガスと平行に移動して冷媒流路６に達する経路（経路１）と、ウエブ１１内からその背面の冷媒流路エッジ部１０内に移動した後、この冷媒流路エッジ部１０を燃料ガスと平行に移動して冷媒流路６内に達する経路（経路２：図２の白抜き矢印参照）の両方を通って、速やかに冷媒流路６内に移動する。

（３）第２実施形態
本発明の第２実施形態は、前記第１実施形態の酸化剤極用水透過板Ａの構成を燃料極用水透過板Ｂに、燃料極用水透過板Ｂの構成を酸化剤極用水透過板Ａに置き換えたものである。なお、第２実施形態の構成は特に図示しないが、図１から図３において、酸化剤と記載された部分と燃料と記載された部分を置き換えたものである。

このような第２実施形態においても、酸化剤ガスの入口や出口部分の背面にはエッジ部９が形成される。そのため、酸化剤ガス流路溝内で凝縮した水分は、水透過板ウエブ１１内に浸入した後、水透過板ウエブ１１内を水平方向（酸化剤ガスの流れ方向と平行な方向）に移動して冷媒流路６内に回収される経路（経路１）と、水透過板ウエブ１１からその背面に形成されたエッジ部９内に浸入して、このエッジ部９を水平方向に移動してその内壁面から冷媒流路６内に回収される経路（経路２）とにより、冷媒流路６内に回収される。また、燃料極用水透過板Ｂにおいても、同様にして燃料流路溝内で凝縮した水が冷媒流路６内に回収される。

（４）第３実施形態
前記のとおり、従来技術においては、図９の反応ガスの入口または出口の熱可塑性材３０でシールした部分が水を透過しないことが課題であった。従って、このシール部が水透過機能を持つことにより、従来技術の課題を解決することができる。そこで、第３実施形態においては、前記第１及び第２実施形態の構成に加え、図９の熱可塑性材３０の代わりに親水性のシール材を適用する構造とした。

すなわち、第３実施形態では、親水性のシール材として、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸膜、スルホン基などの親水基を有するポリアリールエーテル共重合体膜などの高分子電解質膜を使用する。この種の高分子電解質膜は、差圧に対して強く、１００ｋＰａゲージの圧力差に対して十分なシール性能を有すると共に、高分子膜に添加されているスルホン基等の親水基の作用により水を透過させることができる。その結果、前記第１、第２実施形態のエッジ部の構造に加え、シール材部分からも冷媒流路に水分を回収することが可能になる。

本発明の第１実施形態における酸化剤極用水透過板の構成を示す斜視図。 本発明の第１実施形態における燃料極用水透過板の構成を示す斜視図。 本発明の第１実施形態における水透過板接合体の構成を示す斜視図。 本発明の第１実施形態における水透過板接合体の構成を示す断面図。 従来の固体高分子形燃料電池における電池スタックを示す分解断面図。 図５の従来技術における水透過板の構造を示す斜視図。 図５の従来技術における水透過板の構造を示す平面図。 他の従来技術による水透過板の貼り合わせ構造を示す分解側面図。 図８の従来技術による水透過板の接合体の構造を示す断面図。 図８の従来技術による水透過板の構造を示す斜視図。

符号の説明

Ａ…酸化剤極用水透過板
Ｂ…燃料極用水透過板
Ｃ…水透過板接合体
１…酸化剤流路リブ
２…酸化剤流路溝
３…酸化剤流路エッジ部
４…冷媒流路エッジ部
５…水透過板Ａのウエブ
６…冷媒流路突起
７…燃料流路リブ
８…燃料流路溝
９…燃料流路エッジ部
１０…冷媒流路エッジ部
１０ａ，１０ｂ…切欠部
１１…水透過板Ｂのウエブ
１２…接着面

Claims (4)

1. 固体高分子膜を電解質膜とし該電解質膜の一方に燃料極、他方に酸化剤極を配する膜電極接合体と、多孔質な基板の片面に燃料ガスが流通する流路が形成された燃料極用水透過板と、多孔質な基板の片面に酸化剤ガスが流通する流路が形成された酸化剤極用水透過板とを、前記膜電極接合体に燃料ガス流路と酸化剤ガス流路が対向するように積層して単電池を構成し、この単電池を複数積層して燃料電池スタックを形成した固体高分子形燃料電池において、
   前記酸化剤極用水透過板の酸化剤ガス流路を形成した面と反対側の面における酸化剤ガス流路の出口と入口に対応する部分には、酸化剤ガス流路と直交する方向に、前記酸化剤極用水透過板の縁に沿って連続した突出部分である冷媒流路エッジ部が形成され、
   前記燃料極用水透過板の燃料ガス流路を形成した面と反対側の面における燃料ガス流路の出口と入口に対応する部分には、燃料ガス流路と直交する方向に、前記燃料極用水透過板の縁に沿って連続した突出部分である冷媒流路エッジ部が形成され、
   前記酸化剤極用水透過板における酸化剤ガス流路を形成した面と反対側の面と、前記燃料極用水透過板における燃料ガス流路を形成した面と反対側の面とが、対向するとともに前記酸化剤ガス流路と前記燃料ガス流路とが直交する方向となるように重ね合わされ、
   前記酸化剤極用水透過板における酸化剤ガス流路を形成した面と反対側の面と、前記燃料極用水透過板における冷媒流路エッジ部とが接着剤層を介して接合され、
   前記燃料極用水透過板における燃料ガス流路を形成した面と反対側の面と、前記酸化剤極用水透過板における冷媒流路エッジ部とが接着剤層を介して接合され、
   前記酸化剤極用水透過板の冷媒流路エッジ部と、前記燃料極用水透過板の冷媒流路エッジ部とが接することにより連続した突出部分で囲まれた部分に冷媒流路が形成され、
   前記酸化剤極用水透過板の冷媒流路エッジ部と、前記燃料極用水透過板の冷媒流路エッジ部とのいずれか一方に設けられた切欠部によって、冷媒流路への冷媒の入口及び出口が形成されていることを特徴とする固体高分子形燃料電池。
2. 前記接着剤層が、フッ素系樹脂、ポリエステルエラストマー、ポリオレフィン、ポリウレタンのいずれか一つを主成分とする熱可塑性材料からなることを特徴とする請求項１に記載の固体高分子形燃料電池。
3. 前記接着剤層が、親水性合成樹脂から構成されていることを特徴とする請求項１に記載の固体高分子形燃料電池。
4. 前記親水性合成樹脂は、親水基を含有した高分子膜であることを特徴とする請求項３に記載の固体高分子形燃料電池。

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