JP5133536B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、プロトンと酸素の電気化学反応によって電力を獲得する燃料電池に関する。

燃料電池であって、特に固体高分子型の膜電極接合体（以下ＭＥＡと記載）で発電する固体高分子型燃料電池において、各部材間の接触抵抗を低減し、かつ燃料漏洩を防ぐための気密性を確保するために、セル全体を確実に押さえて固定する必要がある。

上記課題に対して、セパレータを一対の波板状流路の間に冷却用の中間板が挟持されている構造とし、中間板として弾性を有する発泡金属を使用する。これにより低接触抵抗で接触面積を広く取り、出力の向上を期待している（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。
特開２００５−１５００１４号公報 特開２００５−３２７６５３号公報

燃料電池は、上記ＭＥＡのカソード側電極触媒に酸素が供給され、アノード側電極触媒に水素が供給されて発電するが、上記ガス供給に動力が使用されない系（以下ではパッシブ系と記載する）の場合、特にカソード側は大気に開放されている必要がある。上述するように特にカソードからの空気の取り込みを考慮すると、結果的に発電セルを固定するセパレータなどの押さえ板部材は、辺縁部の剛性が高く、電極触媒の位置する略中央部の剛性が低い構造となることが一般的である。さらに発電セルの固定方法についても、同じく空気の取り込みを考慮すると辺縁部を、たとえばボルト止めするなどの方法で固定することが一般的であり、発電セルの面内の圧力分布ばらつきが増大する。さらに近年、セパレータの薄型化が進む傾向にあり、一層の剛性の低下によって発電セル積層方向の厚さに不均一が生じ、同一電極触媒内の出力ばらつきが進む恐れがある。

これらの問題に対し、特許文献１、２の発明ではそれぞれ弾性を有する波板上流路や発泡金属を使用することで解決しようとしている。ところが、同一平面上で弾性率が同一であるために、押さえ圧力のばらつきを完全に吸収することができず、燃料電池（発電セル）の出力が低下したり、燃料電池の出力にばらつきが生じたりしてしまう場合がある。

そこで、本発明は上記課題を鑑みてなされたものであり、出力の低下やばらつきを抑制することができる燃料電池を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、プロトン導電性を有する固体高分子からなる電解質膜及び前記電解質膜の両面に配置される電極触媒からなる膜電極接合体と、膜電極接合体の両面に配置される集電体と、前記膜電極接合体及び前記集電体を挟持する挟持体とを備える燃料電池であって、集電体が、集電体の同一面内で部位によって異なる弾性を有する構造とする。

さらに集電体の弾性が、燃料電池を組み立て固定したときの力点において極小となり、力点からの距離が最も離れた点で極大となるように、面内で勾配を持つ構成とすることを特徴とする。

また集電体が、キャビティを持つセパレータと、セパレータのキャビティに設置される弾性体とを備えることを特徴とする。さらに、弾性体が、弾性体の同一面内に配置された少なくとも２つ以上の異なる弾性を有し、かついずれもガス透過性を有する部材から構成されることを特徴とする。

上述した燃料電池の複数が、スタック状に複数積層されてもよい。

なお、集電体又は弾性体は、挟持部から第１押圧力（力点）が掛かる第１部分（アノード弾性体２１ｂ）と、第１押圧力よりも高い第２押圧力（力点）が掛かる第２部分（アノード弾性体２１ａ，２１ｃ）とを備え、第１部分は、第２部分よりも弾性変形し易くても良い。

本発明に係る燃料電池によれば、発電セルを押さえて固定する際、面内の押さえ圧力ばらつきが低減し、発電セルあるいはセルスタックの積層方向の局所的な変形が抑制されることにより、出力の低下やばらつきを抑制することができる。結果として面内の電流密度分布の低減が実現して、全体出力の向上につながる。

また変形によって生じる恐れのある部材間の局所的な隙間も低減することから、燃料の漏洩が抑制され、水素利用率が向上する。

さらに部材の変形が抑止されると気密性を確保するために必要な押さえ圧が低減するため、発電セルおよびセルスタックの更なる小型化、薄型化が可能となる。

以下、本発明に係る燃料電池の実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。図面において同一の引用符号で表した構成要素は、各図面共通で同一の構成要素を示すものとする。
（実施例１）
図１は、本発明に係る燃料電池の分解図を示したものである。図１において燃料電池１０はカソード１１（挟持体）、ＭＥＡ１２（膜電極接合体）、アノード１３（挟持体）を積層して構成される。本実施例に示す燃料電池１０の外形寸法は、図１の分解図を積層させた状態で、６５×４３×５．４ｍｍである。カソード１１は通気性に富む構造で、空気が供給される。カソード１１は本実施例に示すようにパッシブ系で構成されることが望ましいが、ブロア等によって強制的に供給される構造であっても良い。

またアノード１３には図示しない水素供給部から水素が供給される。ＭＥＡ１２はプロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜の両面に電極触媒（電極触媒体）を配した構成となっており、電極触媒界面で生じる水素と酸素の電気化学反応で電力を得ることができる。

電極触媒の面積は本実施例においてはアノード側、カソード側いずれも５９×３１ｍｍであり、層厚はいずれも３０μｍである。

さらにカソード１１とＭＥＡ１２の間、ＭＥＡ１２とアノード１３の間には電極触媒と略同一形状のガス拡散体が配置されていても良い。ガス拡散体としては供給された空気あるいは水素を面内に拡散させ、かつ電気伝導性を有する部材であれば全て適用可能であるが、好ましくはカーボンクロスあるいはカーボンファイバーペーパーを使用した方が良い。

またカソード１１とＭＥＡ１２の間、ＭＥＡ１２とアノード１３の間にはガスの漏洩を防ぎ、かつＭＥＡ１２の破断を防止する目的でシール材が配置されていても良い。さらにアノード１３に供給される燃料は、上述の水素に限定されない。すなわちＭＥＡ１２のアノード電極触媒でプロトンを発生させる物質であれば全て適用可能であり、たとえばメタノール水溶液であっても良い。

また図１に示す１つのセルのみで燃料電池１０を構成する場合は、水素流通口１１１ａ、１２１ａ、１３１ａ、水素排出口１１１ｂ、１２１ｂ、１３１ｂは閉じられていることが望ましい。また生成水回収流路１１２ａ、１１２ｂ、１２２ａ、１３２ａ、図示しない１２２ｂ、１３２ｂも閉じられていても良い。

また本実施例においては、図１に示す燃料電池１０の外周辺縁部を図示しないボルトにより固定し、押し付け力を印加した。

図２、３はアノード１３を詳細に説明する図であり、図２にアノード１３の組図を、図３にアノード１３の分解図を示す。アノード１３は、アノード板２２とガス透過性を有するアノード弾性体２１ａ、２１ｂ、２１ｃから構成される。アノード板２２には水素供給流路２２１が備えられており、水素供給流路２２１は上述の水素流通口１３１ａとアノード板２２の裏面にて連通する構造となっている。

図３に示すようにアノード板２２には、その中央部にキャビティ３１を備えており、キャビティ３１の深さをｄ、アノード板２２の枠部分に配するシール材厚さをｄｓとしたときアノード弾性体２１ａ〜２１ｃの厚さｔは、ｔ≧ｄ＋ｄｓであることが必要である。また厚さｔは、厚さをｄまで圧縮してもなお弾性変形域にとどまることが望ましいが、塑性変形しても良い。なお、アノード弾性体２１ａ，２１ｂ，２１ｃ、キャビティ３１、及び図示していないセパレータは、集電体を構成する。

アノード弾性体２１ａ〜２１ｃの引張り強度Ｔａ、Ｔｂ、Ｔｃは、引張り強度がＴａ＝Ｔｃ＞Ｔｂであり、特にＴｂは、１．０×１０⁸［Ｐａ］以下であることが望ましいが、さらに好ましくは１．０×１０⁷［Ｐａ］以下であることが望ましい。

さらに上述の条件を満たせば、アノード弾性体２１ａ〜２１ｃの厚さｔａ、ｔｂ、ｔｃの関係を全て同じ厚さとしても良いし、ｔａ＝ｔｃ＜ｔｂとしても良い。本実施例においては例えば、引張り強度がＴａ、Ｔｃとして引張り強度が２．０×１０⁶［Ｐａ］、Ｔｂとして１．０×１０⁶［Ｐａ］の発泡金属を使用することができる。

また本実施例においては、キャビティ３１の深さを０．５ｍｍ、アノード板の枠部分に厚さ０．２ｍｍのシリコーンゴムシートを配し、アノード弾性体２１ａ〜２１ｃの厚さがｔａ＝ｔｂ＝ｔｃ＝０．８ｍｍのものを使用しても良い。

上述の構成とすることで、外力によりセルを押さえつける力の大きさは、外周辺縁に位置する枠部分で大きくキャビティ３１中央部で小さいのに対し、アノード弾性体２１の反発力も外周辺縁部が大きくキャビティ３１中央部で小さくなり、セル部材の曲げが防止される。

また材質としては、ステンレス鋼やニッケルを基材として金メッキしたものを使用するのが好ましいが、上述の引張り強度を満たせばすべての材質が使用可能である。さらに形態は発泡金属に限られず、波板状部材、微粒子焼結体、スチールウールなど上述の範囲での弾性とガス透過性を有する部材であれば全て適用可能である。いずれの場合であっても接触抵抗の低減と基材の溶出を防止するために金メッキ処理されることが望ましい。

さらに好ましくは図４に示すように弾性体４１が４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄ、４１ｅ、４１ｆ、４１ｇ、４１ｈ、４１ｉと細分化されて配置され、辺縁部からキャビティ３１中央部に向けて、引張り強度に勾配がつけられていても良い。細分化する数は図４に限定されず、さらに細かく分けても良いし、形状についてもキャビティ３１を埋める形状であれば、いかなる形状も適用可能である。

さらに上述の弾性体３１が分けられておらず、例えば溶接などの手段によって全て接続されて一体となっていても良い。

図５にカソード１１の構成を示す。図５において、カソード１１はアノード１３の構成と同様に、カソード枠５２とガス透過性を有するカソード弾性体５１で構成される。カソード枠５２は、図５に示すように両側面に空気取り込み目的で凹凸構造が形成されても良い。なお、カソード弾性体５１は、集電体を構成する。

本実施例においては、カソード枠５２の外形寸法を６５×４３×３．５ｍｍとし、また内部５９×３１ｍｍのサイズ面積の貫通穴があけられており、枠形状をなしている。また上述した凹凸構造の凹部は端面から２．５ｍｍ削って形成した。

図５においてカソード弾性体５１を形成するカソード弾性体５１ａ、５１ｂ、５１ｃに関しては、その構造、形状、引張り強度勾配、材質、加工工程など、全て上述したアノード１３を構成するアノード弾性体２１ａ〜２１ｃと同様であるので重複を避けるために詳細な説明を割愛する。またカソード１１を構成するカソード弾性体５１ａ〜５１ｃが細分化されて辺縁部からカソード枠５２の中央部に向かって引張り強度に勾配がつけられても良いのも上述のアノード１３と同様である。

さらに図８に示すように図１における燃料電池１０を積層させて形成される単セル８１を複数積層して、さらに両端にエンドプレート８２、８３を配置して燃料電池スタック８０が形成することもできる。

なお、本実施形態では、アノード弾性体の弾性の一例として引張り強度（機械的強度）を用いて説明しているが、これに限定されないのは勿論のことである。当該弾性は、バネ定数、ヤング率などによって決定されてもよい。
（実施例２）
図６、図７に示すのは本実施の形態のアノード１３の変形例である。図６がアノード１３の変形例の組図、図７が分解図を示したものである。図６、７において、図２、３に示した構成要素と、構成、機能、動作が同一の構成要素に関しては、同一の引用符号を示し、重複を避けるため詳細な説明は割愛する。

図６、７に示すように、アノード弾性体２１ａ〜２１ｃは実施例１と異なり、キャビティ３１の面積よりもアノード弾性体２１ａ〜２１ｃの総面積が小さく構成され、キャビティ３１面内の水素供給流路２２１側にブロック体６１ａ〜６１ｉが具備される。

これにより、特にアノード弾性体２１ｂの面積を小さくすることができるため、より押さえ力を印加することによる燃料電池１０の変形を抑制することができるのみならず、ブロック体６１ａ〜６１ｉの配置を適切に設計することによりアノード１３内の水素の均一流動の効果も得られる。

ブロック体６１ａ〜６１ｉの高さはアノード板２２の枠部分の高さ以下であればよいが好ましくはアノード板２２の枠部分高さと同一である。またキャビティ３１を形成する際にブロック体６１ａ〜６１ｉを残して加工することで形成しても良いし、キャビティ３１として全面を加工した後にブロック体６１ａ〜６１ｉを接続して形成しても良い。

さらに６１ａ〜６１ｉとして、アノード弾性体２１ａ〜２１ｃと同様の引張り強度を持つ部材を使用することも可能である。この場合、アノード弾性体２１ａ〜２１ｃと同様に辺縁部６１ａ、６１ｉが最も引張り強度が高く、中心部６１ｅが最も引張り強度が小さくなるように勾配がつけられることが望ましい。
[その他の実施形態]
本発明の一例を説明したが、具体例を例示したに過ぎず、特に本発明を限定するものではなく、実施形態における具体的構成等は、適宜設計変更可能である。また、実施形態の具体的構成のそれぞれは、組み合わせることが可能である。さらに、実施形態の作用及び効果は、本発明から生じる最も好適な作用及び効果を列挙したに過ぎず、本発明による作用及び効果は、実施形態に記載されたものに限定されるものではない。

なお、弾性体、電極触媒、及び拡散体は、１つの膜のみに限定されずに、２以上の膜かを有しても良い。弾性体、電極触媒、及び拡散体は、異なる複数の膜を有しても良い。

本発明の燃料電池の構成を示す図である。 本発明の燃料電池のアノード構造の基本形例を示す組図である。 本発明の燃料電池のアノード構造の基本形例を示す分解図である。 本発明の燃料電池のアノード構造の第１の変形例を示す分解図である。 本発明の燃料電池のカソード構造を示す分解図である。 本発明の燃料電池のアノード構造の第２の変形例を示す組図である。 本発明の燃料電池のアノード構造の第２の変形例を示す分解図である。 本発明の燃料電池をスタック状に積層した構造を示す分解図である。

符号の説明

１０ 燃料電池
１１ カソード
１２ ＭＥＡ
１３ アノード
２１ａ〜２１ｃ アノード弾性体
２２ アノード板
３１ キャビティ
５１ａ〜５１ｃ カソード弾性体
６１ａ〜６１ｉ ブロック体
８０ 燃料電池スタック
８１ 単セル
８２、８３ エンドプレート

Claims (6)

1. プロトン導電性を有する固体高分子からなる電解質膜、及び前記電解質膜の両面に配置される電極触媒を有する膜電極接合体と、
   前記膜電極接合体の両面に配置される集電体と、
   前記膜電極接合体及び前記集電体を挟持する挟持体とを備える燃料電池であって、
   前記集電体は、前記集電体の同一面内で部位によって異なる弾性を有する構造であり、
   前記集電体の弾性は、前記燃料電池を組み立て固定したときの力点において極小となり、前記力点からの距離が最も離れた点で極大となるように、前記集電体の面内で勾配を持つ構成であり、
   前記集電体は、キャビティを持つセパレータと、前記セパレータのキャビティを埋めるように設置された複数の同一平面上に一体に接続された弾性体とを備えることを特徴とする燃料電池。
2. 前記弾性体は、ガス透過性を有する構造であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記弾性体は、前記弾性体の同一面内に配置され、少なくとも２つ以上の異なる弾性を有する発泡金属から構成されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池。
4. 前記弾性体は、前記弾性体の同一面内に配置され、少なくとも２つ以上の異なる弾性を有する波状板材から構成されることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れかに記載の燃料電池。
5. 前記燃料電池は、スタック状に複数積層されることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の燃料電池。
6. 前記弾性体は、前記キャビティの面積よりも総面積が小さく、
   前記キャビティは、前記膜電極接合体に水素を供給するための水素供給流路と接続され、前記水素供給流路と前記弾性体との間に複数のブロック体を備えることを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の燃料電池。

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