JP5139687B2

JP5139687B2 - 燃料電池

Info

Publication number: JP5139687B2
Application number: JP2007023173A
Authority: JP
Inventors: 一郎原田; 俊哉若穂囲
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2007-02-01
Filing date: 2007-02-01
Publication date: 2013-02-06
Anticipated expiration: 2027-02-01
Also published as: JP2008192367A

Description

本発明は、固体高分子電解質膜の両面に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体と、セパレータとが積層される燃料電池に関する。

一般的に、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、それぞれ電極触媒と多孔質カーボンと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）によって挟持している。通常、この燃料電池を所定数だけ積層した燃料電池スタックが使用されている。

この種の燃料電池として、例えば、特許文献１に開示された燃料電池が知られている。この燃料電池は、図６に示すように、固体高分子からなる電解質膜１、電極となる触媒層２、前記触媒層２を囲うように形成される膜状の保護フイルム３より構成されるＭＥＡ４を備えている。このＭＥＡ４の各触媒層２の外側には、拡散層５が接合されるとともに、前記拡散層５の両側からセパレータ６が前記ＭＥＡ４を挟持している。保護フイルム３と拡散層５とは、接着剤層７を介して熱プレスにより接合されている。

特開２００４−３１９１５３号公報（図１）

ところで、上記の特許文献１では、電解質膜１が電極となる触媒層２の四辺外周から距離Ｌだけ外方に突出しており、この突出部分の両面に保護フイルム３が配設されている。従って、電解質膜１では、四辺外周から内方に距離Ｌの幅寸法を有する額縁状部分が実質的に発電に寄与することがない。

しかしながら、電解質膜１は、固体高分子からなっており、相当に高価なものである。このため、発電に寄与していない部分を有する電解質膜１を用いる燃料電池は、経済的ではないという問題が指摘されている。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、固体高分子電解質膜を経済的且つ効率的に使用するとともに、良好な発電性能を確保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、固体高分子電解質膜の両面に、それぞれ触媒層及びガス拡散層を有する一対の電極を設けるとともに、一方の電極の前記ガス拡散層は、他方の電極の前記ガス拡散層及び前記固体高分子電解質膜よりも大きな平面寸法を有した電解質膜・電極構造体と、シール部材が一体成形されたセパレータとが積層される燃料電池に関するものである。

この燃料電池は、固体高分子電解質膜を周回して配置される額縁状部材を備え、前記額縁状部材の一方の面には、接着剤層を介装して一方の電極のガス拡散層が接合し、且つ、前記額縁状部材の他方の面には、セパレータのシール部材が当接し、前記固体高分子電解質膜の外周と前記額縁状部材の内周との間に、間隙が形成されるとともに、前記間隙には、シール機能を有する緩衝部材が配置されている。

また、額縁状部材は、樹脂製板体で構成され、固体高分子電解質膜と同等の厚さに設定されることが好ましい。

さらに、緩衝部材は、液状シールで構成されることが好ましい。

本発明によれば、固体高分子電解質膜を周回して額縁状部材が配置されるため、前記固体高分子電解質膜の寸法は、実質的に発電に使用される範囲に対応して設定可能である。このため、固体高分子電解質膜を経済的且つ効率的に構成することができる。

さらに、固体高分子電解質膜の外周と額縁状部材の内周との間隙には、シール機能を有する緩衝部材が配置されている。従って、固体高分子電解質膜と額縁状部材との隙間から反応ガスが漏れることを阻止するとともに、前記固体高分子電解質膜の伸縮に伴う損傷を良好に防止することが可能になる。燃料電池に積層方向に付与される荷重によるセパレータの変形や熱間及び冷間時の伸縮による応力が固体高分子電解質膜に作用する際、前記固体高分子電解質膜の伸縮が緩衝部材により吸収されるからである。

これにより、固体高分子電解質膜を経済的に構成することができるとともに、前記固体高分子電解質膜の損傷を可及的に阻止し、良好な発電性能を確保することが可能になる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池１０の要部分解斜視説明図であり、図２は、前記燃料電池１０の、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面図である。

燃料電池１０は、電解質膜・電極構造体１２と、この電解質膜・電極構造体１２を挟持する第１及び第２セパレータ１４、１６とを備える。第１及び第２セパレータ１４、１６は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属板や、カーボン部材等で構成される。

電解質膜・電極構造体１２は、固体高分子電解質膜１８と、前記固体高分子電解質膜１８を挟持するアノード側電極２０及びカソード側電極２２と、前記固体高分子電解質膜１８を周回して配置される額縁状部材２３とを備える。アノード側電極２０は、カソード側電極２２よりも小さな表面積を有している。

図３に示すように、アノード側電極２０及びカソード側電極２２は、ガス拡散層２４ａ、２４ｂと、前記ガス拡散層２４ａ、２４ｂに積層される電極触媒層２６ａ、２６ｂとを有する。電極触媒層２６ａ、２６ｂは、固体高分子電解質膜１８の両面に接合されるとともに、ガス拡散層２４ａ、２４ｂは、接着剤層２８ａ、２８ｂを介して額縁状部材２３に接着されている。なお、少なくともガス拡散層２４ａ又はガス拡散層２４ｂの一方を、接着剤層２８ａ又は接着剤層２８ｂを介して額縁状部材２３に接着してもよい。

カソード側電極２２を構成する電極触媒層２６ｂは、多孔質カーボン（カーボンブラック）粒子の表面に白金粒子が担持された触媒粒子を有する。電極触媒層２６ｂは、さらにイオン交換成分を含んでいてもよい。

接着剤層２８ｂは、例えば、接着剤粒子を有するフッ素系接着剤を用いることができ、ポリシロキサン化合物と少なくとも２個のアルケニン基を備える分子とを含む。アノード側電極２０は、上記のカソード側電極２２と同様に構成されている。

額縁状部材２３は、例えば、イミドアミド系、アミドイミド系フイルム、あるいは、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルテトン）等の樹脂板で構成されるとともに、固体高分子電解質膜１８と同等の厚さに設定される。額縁状部材２３の内周面と固体高分子電解質膜１８の外周面との間には、所定の間隔を有して間隙３０が形成されるとともに、前記間隙３０には、シール機能を有する緩衝部材、例えば、シリコーン系等の液状シール３２が充填される。

図１に示すように、燃料電池１０の矢印Ｂ方向（図１中、水平方向）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、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔４０ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔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出口連通孔４４ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。

燃料電池１０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入口連通孔４４ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔４２ｂ及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔４０ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。

第２セパレータ１６の電解質膜・電極構造体１２に向かう面１６ａには、例えば、矢印Ｂ方向に蛇行しながら鉛直下方向に延在する酸化剤ガス流路４６が設けられる。この酸化剤ガス流路４６は、酸化剤ガス入口連通孔４０ａと酸化剤ガス出口連通孔４０ｂとに連通する。

第１セパレータ１４の電解質膜・電極構造体１２に向かう面１４ａには、燃料ガス入口連通孔４４ａと燃料ガス出口連通孔４４ｂとに連通し、矢印Ｂ方向に蛇行しながら鉛直下方向（矢印Ｃ方向）に延在する燃料ガス流路４８が形成される。

第１セパレータ１４の面１４ｂと第２セパレータ１６の面１６ｂとの間には、冷却媒体入口連通孔４２ａと冷却媒体出口連通孔４２ｂとに連通する冷却媒体流路５０が形成される。この冷却媒体流路５０は、例えば、矢印Ｂ方向に直線状に延在する。

図１及び図２に示すように、第１セパレータ１４の面１４ａ、１４ｂには、この第１セパレータ１４の外周端部を周回して、第１シール部材５２が一体化されるとともに、第２セパレータ１６の面１６ａ、１６ｂには、この第２セパレータ１６の外周端部を周回して、第２シール部材５４が一体化される。

第１及び第２シール部材５２、５４には、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材が用いられる。

図１に示すように、第１セパレータ１４には、燃料ガス入口連通孔４４ａを燃料ガス流路４８に連通する複数の供給孔部５６と、前記燃料ガス流路４８を燃料ガス出口連通孔４４ｂに連通する複数の排出孔部５８とが形成される。

次いで、電解質膜・電極構造体１２を製造する作業について、以下に説明する。

先ず、パーフルオロアルキレンスルホン酸高分子化合物やスルホン化ポリアリーレン化合物等の有機溶媒溶液を用い、キャスト法により固体高分子電解質膜１８が形成される。さらに、多孔質カーボン粒子の表面に白金粒子が担持された触媒粒子を、高分子電解質溶液からなるイオン導電性バインダーに均一に分散させて触媒ペーストが調製される。

一方、多孔質カーボン粒子とポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）粒子との混合物をエチレングリコールに均一に分散させたスラリーが、カーボンペーパーの片面に塗布される。このスラリーが乾燥されることにより下地層が形成され、カーボンペーパーと前記下地層とからガス拡散層２４ａ、２４ｂが形成される。

次に、ガス拡散層２４ａ、２４ｂの各下地層上に、該下地層の端面から内方に所定の距離だけ離間して電極触媒層２６ａ、２６ｂを構成する触媒ペーストが塗布されるとともに、前記触媒ペーストが乾燥する前に、前記下地層上にフッ素系接着剤を塗布して接着剤層２８ａ、２８ｂが形成される。電極触媒層２６ａ、２６ｂ及び接着剤層２８ａ、２８ｂを乾燥させることにより、アノード側電極２０及びカソード側電極２２が形成される。

一方、固体高分子電解質膜１８は、額縁状部材２３内に配置されるとともに、前記固体高分子電解質膜１８の外周面と前記額縁状部材２３の内周面との間隙３０には、液状シール３２が充填される。

そこで、アノード側電極２０及びカソード側電極２２は、固体高分子電解質膜１８の両側に配置される。固体高分子電解質膜１８の両面には、電極触媒層２６ａ、２６ｂが接触するとともに、額縁状部材２３の両面には、接着剤層２８ａ、２８ｂが接触する。この状態で、固体高分子電解質膜１８と額縁状部材２３とに、アノード側電極２０及びカソード側電極２２が加熱下に押圧され、これらが一体的に接合されて電解質膜・電極構造体１２が製造される。

次に、燃料電池１０の動作について、以下に説明する。

先ず、図１に示すように、酸化剤ガス入口連通孔４０ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔４４ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔４２ａに純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。

このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔４０ａから第２セパレータ１６の酸化剤ガス流路４６に導入され、矢印Ｂ方向に蛇行しながら鉛直下方向に移動して電解質膜・電極構造体１２のカソード側電極２２に供給される。一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔４４ａから供給孔部５６を通って第１セパレータ１４の燃料ガス流路４８に導入される。燃料ガスは、燃料ガス流路４８に沿って矢印Ｂ方向に蛇行しながら鉛直下方向に移動し、電解質膜・電極構造体１２のアノード側電極２０に供給される。

従って、各電解質膜・電極構造体１２では、カソード側電極２２に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極２０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て発電が行われる。

次いで、カソード側電極２２に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔４０ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。同様に、アノード側電極２０に供給されて消費された燃料ガスは、排出孔部５８を通り燃料ガス出口連通孔４４ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。

また、冷却媒体入口連通孔４２ａに供給された冷却媒体は、第１セパレータ１４と第２セパレータ１６との間の冷却媒体流路５０に導入された後、矢印Ｂ方向に流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体１２を冷却した後、冷却媒体出口連通孔４２ｂから排出される。

この場合、第１の実施形態では、図１〜図３に示すように、固体高分子電解質膜１８は、アノード側電極２０及びカソード側電極２２に挟持されて、実質的に発電に使用される範囲に対応する寸法に設定されており、この固体高分子電解質膜１８の外周を周回して樹脂製の額縁状部材２３が配置されている。このため、相当に高価な固体高分子電解質膜１８を、経済的且つ効率的に構成することができるという効果がある。

さらに、図３に示すように、固体高分子電解質膜１８の四辺外周と額縁状部材２３の四辺内周との間に形成される間隙３０には、シール機能を有する緩衝部材として液状シール３２が充填されている。従って、固体高分子電解質膜１８と額縁状部材２３との間隙３０を通って燃料ガスや酸化剤ガスが漏れることを確実に阻止することができる。

しかも、間隙３０に充填されている液状シール３２は、緩衝部材として機能している。ここで、燃料電池１０に積層方向に付与される荷重による第１セパレータ１４や第２セパレータ１６の変形（伸び）、熱間及び冷間時の、すなわち、燃料電池１０の運転と停止との繰り返しによる伸縮によって、固体高分子電解質膜１８に応力が作用し、前記固体高分子電解質膜１８に伸縮が発生し易い。

その際、固体高分子電解質膜１８の外周と額縁状部材２３の内周との間に間隙３０が形成されるとともに、この間隙３０に配置されている液状シール３２の緩衝作用下に、固体高分子電解質膜１８の伸縮が良好に吸収される。これにより、固体高分子電解質膜１８に必要以上に大きな応力が作用することがなく、前記固体高分子電解質膜１８の損傷を良好に阻止することができるという効果が得られる。

しかも、比較的薄肉状で強度の小さな固体高分子電解質膜１８の外周には、樹脂製の額縁状部材２３が配置されている。このため、電解質膜・電極構造体１２全体の強度が有効に向上し、取り扱い性に優れるという利点がある。これにより、固体高分子電解質膜１８を経済的に構成するとともに、前記固体高分子電解質膜１８の損傷を可及的に阻止し、良好な発電性能を確保することが可能になるという効果が得られる。

図４は、本発明に関連する燃料電池７０の要部分解斜視説明図であり、図５は、前記燃料電池７０の断面説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池１０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。

燃料電池７０は、電解質膜・電極構造体７２と、この電解質膜・電極構造体７２を挟持する第１及び第２セパレータ７４、７６とを備える。電解質膜・電極構造体７２は、固体高分子電解質膜１８を挟持するアノード側電極２０及びカソード側電極２２を備えるとともに、前記固体高分子電解質膜１８を周回して額縁状部材７８が配置される。固体高分子電解質膜１８、アノード側電極２０及びカソード側電極２２は、略同一表面積に設定される。

額縁状部材７８は、第１セパレータ７４及び第２セパレータ７６と略同一の外径寸法に設定され、矢印Ｂ方向両端には、酸化剤ガス入口連通孔４０ａ、冷却媒体入口連通孔４２ａ、燃料ガス出口連通孔４４ｂ、燃料ガス入口連通孔４４ａ、冷却媒体出口連通孔４２ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔４０ｂが形成される。額縁状部材７８は、第１の実施形態の額縁状部材２３と同一の材料で形成される。

図５に示すように、固体高分子電解質膜１８の外周と額縁状部材７８の内周との間隙８０には、シール機能を有する緩衝部材、例えば、シリコーン等の液状シール８２が充填される。

このように構成される燃料電池７０では、固体高分子電解質膜１８が、実質的にアノード側電極２０及びカソード側電極２２と同一表面積に設定されており、前記固体高分子電解質膜１８を経済的且つ効率的に構成することができる。しかも、額縁状部材７８と固体高分子電解質膜１８との間隙８０には、液状シール８２が充填されており、前記固体高分子電解質膜１８の損傷を可及的に阻止し、良好な発電性能を確保することが可能になる等の効果が得られる。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視説明図である。前記燃料電池の、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面説明図である。前記燃料電池を構成する電解質膜・電極構造体の一部断面説明図である。本発明に関連する燃料電池の要部分解斜視説明図である。前記燃料電池の断面説明図である。特許文献１に開示された燃料電池の説明図である。

符号の説明

１０、７０…燃料電池１２、７２…電解質膜・電極構造体
１４、１６、７４、７６…セパレータ１８…固体高分子電解質膜
２０…アノード側電極２２…カソード側電極
２３、７８…額縁状部材２４ａ、２４ｂ…ガス拡散層
２６ａ、２６ｂ…電極触媒層２８ａ、２８ｂ…接着剤層
３０、８０…間隙３２、８２…液状シール
４６…酸化剤ガス流路４８…燃料ガス流路
５０…冷却媒体流路

Claims

固体高分子電解質膜の両面に、それぞれ触媒層及びガス拡散層を有する一対の電極を設けるとともに、一方の電極の前記ガス拡散層は、他方の電極の前記ガス拡散層及び前記固体高分子電解質膜よりも大きな平面寸法を有した電解質膜・電極構造体と、シール部材が一体成形されたセパレータとが積層される燃料電池であって、
前記固体高分子電解質膜を周回して配置される額縁状部材を備え、
前記額縁状部材の一方の面には、接着剤層を介装して前記一方の電極の前記ガス拡散層が接合し、且つ、前記額縁状部材の他方の面には、前記セパレータの前記シール部材が当接し、
前記固体高分子電解質膜の外周と前記額縁状部材の内周との間に、間隙が形成されるとともに、
前記間隙には、シール機能を有する緩衝部材が配置され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、前記額縁状部材は、樹脂製板体で構成され、前記固体高分子電解質膜と同等の厚さに設定されることを特徴とする燃料電池。
請求項１又は２記載の燃料電池において、前記緩衝部材は、液状シールで構成されることを特徴とする燃料電池。