JP5191868B2

JP5191868B2 - 燃料電池

Info

Publication number: JP5191868B2
Application number: JP2008296705A
Authority: JP
Inventors: 修平後藤; 雅章坂野; 広行田中
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2008-11-20
Filing date: 2008-11-20
Publication date: 2013-05-08
Anticipated expiration: 2028-11-20
Also published as: JP2010123432A

Description

本発明は、電解質膜の両側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。

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の両側に、それぞれ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（電解質・電極構造体）を、セパレータによって挟持して構成されている。

この種の燃料電池では、例えば、車載用として構成するために、通常、数十〜数百の前記燃料電池を積層した燃料電池スタックが採用されている。例えば、特許文献１には、両端部にパッキングを配置した複数の燃料電池用セルと、この燃料電池用セル間に積層され、片面にガス供給溝が付けられ且つ反対面に冷却水供給溝が付けられて前記セルと共に積層体を構成する複数のバイポーラセパレータと、前記積層体を両主面側からエンドセパレータを介して挟み込むフランジとを具備する燃料電池用スタックにおいて、前記セルとパッキング間に、セルのつぶれ量を調節するスペーサを、セルと同一層に設けた燃料電池用スタックが開示されている。

特開平６−２６７５６７号公報

上記の従来技術では、セルとパッキング間に、比較的硬質なスペーサが配設されている。このため、燃料電池用スタックに、セルの積層方向と交差する方向の衝撃（外部荷重）が付与される際、前記セルを構成するセパレータが変形するおそれがある。これにより、セル内のシール性が低下するという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、外部荷重を良好に受けるとともに、簡単な構成で、所望のシール性を確実に保持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、電解質膜の両側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ものである。セパレータは、シール部材を一体に設け、前記セパレータの外周部には、外部荷重を受ける樹脂製荷重受け部が設けられるとともに、前記シール部材と前記樹脂製荷重受け部との間に延在する部分を有して前記外周部に配置される変形抑制部材を備えている。

また、変形抑制部材は、セパレータの全周を周回して連続的に設けられることが好ましい。

さらに、セパレータは、金属セパレータであり、前記金属セパレータにシール部材が一体成形されるとともに、変形抑制部材は、前記金属セパレータに一体成形される樹脂部材であることが好ましい。

本発明によれば、燃料電池の積層方向に交差する方向から外部荷重が付与されると、セパレータの外周部に設けられている樹脂製荷重受け部が、前記外部荷重を良好に吸収することができる。

しかも、変形抑制部材は、樹脂製荷重受け部とシール部材との間に延在する部分を有している。このため、樹脂製荷重受け部が外部荷重を受ける際に、セパレータが前記樹脂製荷重受け部とシール部材との間で変形することを確実に阻止することが可能になる。これにより、簡単な構成で、反応ガス流路等のシール性を良好に保持することができる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池１０の分解斜視説明図である。複数の燃料電池１０が矢印Ａ方向に積層されて、例えば、車載用燃料電池スタックが構成される。

燃料電池１０は、第１電解質膜・電極構造体１２ａ及び第２電解質膜・電極構造体１２ｂと、第１セパレータ１４、第２セパレータ１６及び第３セパレータ１８とを備える。第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６の間で、第１電解質膜・電極構造体１２ａを挟持する一方、前記第２セパレータ１６及び第３セパレータ１８の間で、第２電解質膜・電極構造体１２ｂを挟持する。第１セパレータ１４〜第３セパレータ１８は、金属セパレータで構成されているが、例えば、カーボンセパレータを採用してもよい。

燃料電池１０の長辺方向の一端縁部（上端縁部）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入口連通孔２０ａと、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔２２ａとが設けられる。

燃料電池１０の長辺方向の他端縁部（下端縁部）には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔２２ｂと、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔２０ｂとが設けられる。

燃料電池１０の短辺方向（矢印Ｂ方向）の一端縁部には、冷却媒体を供給するための２つの冷却媒体入口連通孔２４ａが設けられるとともに、前記燃料電池１０の短辺方向の他端縁部には、冷却媒体を排出するための２つの冷却媒体出口連通孔２４ｂが設けられる。

第１電解質膜・電極構造体１２ａ及び第２電解質膜・電極構造体１２ｂ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２６と、前記固体高分子電解質膜２６を挟持するアノード側電極２８及びカソード側電極３０とを備える。

アノード側電極２８及びカソード側電極３０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が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成される電極触媒層（図示せず）とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜２６の両面に形成される。

第１セパレータ１４の第１電解質膜・電極構造体１２ａに向かう面１４ａには、例えば、矢印Ｃ方向に延在する第１酸化剤ガス流路３２が設けられるとともに、この第１酸化剤ガス流路３２は、酸化剤ガス入口連通孔２０ａと酸化剤ガス出口連通孔２０ｂとに連通する。第１セパレータ１４の面１４ｂには、冷却媒体入口連通孔２４ａと冷却媒体出口連通孔２４ｂとを連通する冷却媒体流路３４が形成される。この冷却媒体流路３４は、矢印Ｂ方向に延在する。

第２セパレータ１６の第１電解質膜・電極構造体１２ａに向かう面１６ａには、燃料ガス入口連通孔２２ａと燃料ガス出口連通孔２２ｂとを連通する第１燃料ガス流路３６が形成される。この第１燃料ガス流路３６は、例えば、矢印Ｃ方向に延在する。第２セパレータ１６の第２電解質膜・電極構造体１２ｂに向かう面１６ｂには、酸化剤ガス入口連通孔２０ａと酸化剤ガス出口連通孔２０ｂと連通する第２酸化剤ガス流路３８が設けられる。

第３セパレータ１８の第２電解質膜・電極構造体１２ｂに向かう面１８ａには、燃料ガス入口連通孔２２ａと燃料ガス出口連通孔２２ｂとを連通する第２燃料ガス流路４０が形成される。第３セパレータ１８の面１８ｂには、第１セパレータ１４の面１４ｂと重なり合って冷却媒体流路３４が一体的に形成される。

第１セパレータ１４の面１４ａ、１４ｂには、この第１セパレータ１４の外周端縁部を周回して第１シール部材４２が一体成形される。第２セパレータ１６の面１６ａ、１６ｂには、この第２セパレータ１６の外周端縁部を周回して第２シール部材４４が一体成形されるとともに、第３セパレータ１８の面１８ａ、１８ｂには、この第３セパレータ１８の外周端縁部を周回して第３シール部材４６が一体成形される。

第１シール部材４２〜第３シール部材４６としては、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。

第１セパレータ１４の外周部には、複数の樹脂製荷重受け部（樹脂製ガイド部）５０が一体化される。第１の実施形態では、長辺側（鉛直側）に３つずつ荷重受け部５０が設けられるとともに、短辺側（水平側）に１つずつ前記荷重受け部５０が設けられる。

第１セパレータ１４には、各荷重受け部５０を周回して変形抑制部材、例えば、樹脂部材５２が一体成形される。この樹脂部材５２は、図２及び図３に示すように、第１シール部材４２と荷重受け部５０との間に延在する迂回部５２ａを有し、両端が第１セパレータ１４の外周部で終端する。

第２セパレータ１６及び第３セパレータ１８には、それぞれ第１セパレータ１４の各荷重受け部５０と矢印Ａ方向に重ね合う位置に対応して、複数の樹脂製荷重受け部５０が一体化される。第２セパレータ１６及び第３セパレータ１８には、第１セパレータ１４と同様に、各荷重受け部５０を周回して樹脂部材５２が一体成形される。

なお、荷重受け部５０は、第１セパレータ１４、第２セパレータ１６又は第３セパレータ１８の少なくともいずれかに設けてもよい。

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１に示すように、燃料電池１０では、酸化剤ガス入口連通孔２０ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガス（空気）が供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔２２ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、２つの冷却媒体入口連通孔２４ａには、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。

酸化剤ガスは、燃料電池１０の酸化剤ガス入口連通孔２０ａに供給されて矢印Ａ方向に移動し、第１セパレータ１４の第１酸化剤ガス流路３２及び第２セパレータ１６の第２酸化剤ガス流路３８に導入される。第１酸化剤ガス流路３２に導入された酸化剤ガスは、第１電解質膜・電極構造体１２ａのカソード側電極３０に沿って移動する一方、第２酸化剤ガス流路３８に導入された酸化剤ガスは、第２電解質膜・電極構造体１２ｂのカソード側電極３０に沿って移動する。

燃料ガスは、燃料電池１０の燃料ガス入口連通孔２２ａから第２セパレータ１６の第１燃料ガス流路３６及び第３セパレータ１８の第２燃料ガス流路４０に導入される。このため、燃料ガスは、第１電解質膜・電極構造体１２ａ及び第２電解質膜・電極構造体１２ｂの各アノード側電極２８に沿って移動する。

従って、第１電解質膜・電極構造体１２ａ及び第２電解質膜・電極構造体１２ｂでは、各カソード側電極３０に供給される酸化剤ガスと、各アノード側電極２８に供給される燃料ガスとが、図示しない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、各カソード側電極３０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２０ｂに沿って流動した後、燃料電池１０から排出される。同様に、各アノード側電極２８に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔２２ｂに排出されて流動し、燃料電池１０から排出される。

また、冷却媒体は、冷却媒体入口連通孔２４ａから燃料電池１０間の冷却媒体流路３４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、第１電解質膜・電極構造体１２ａ及び第２電解質膜・電極構造体１２ｂを間引き冷却した後、冷却媒体出口連通孔２４ｂを移動して燃料電池１０から排出される。

ところで、燃料電池１０は、車載用として図示しない車両に搭載されており、その積層方向（矢印Ａ方向）が車長方向に向かって配置されている。そして、燃料電池１０に対し、側方から外部荷重Ｆが付与されると（図２参照）、前記燃料電池１０の外周部に設けられている荷重受け部５０は、前記外部荷重Ｆを受けて該外部荷重Ｆを吸収する。その際、外部荷重Ｆが、燃料電池１０の側方斜めから付与されると、荷重受け部５０は、図２中、二点鎖線に示すように変形しようとする。

この場合、第１の実施形態では、例えば、図３に示すように、第１セパレータ１４は、樹脂部材５２を一体に備えている。そして、この樹脂部材５２は、第１シール部材４２と荷重受け部５０との間に延在する迂回部５２ａを有し、両端が第１セパレータ１４の外周部で終端している。

このため、荷重受け部５０が外部荷重Ｆを受ける際に、第１セパレータ１４は、前記荷重受け部５０と第１シール部材４２の間で変形することを確実に阻止することが可能になる。これにより、第１シール部材４２は、所望のシール機能を保持することができ、簡単な構成で、シール性を良好に確保することが可能になるという効果が得られる。

また、第２セパレータ１６及び第３セパレータ１８においても、上記の第１セパレータ１４と同様の効果が得られる。

なお、第１の実施形態では、燃料電池１０は、２枚の電解質膜・電極構造体（第１及び第２電解質膜・電極構造体１２ａ、１２ｂ）と３枚のセパレータ（第１〜第３セパレータ１４、１６及び１８）とにより構成されているが、これに限定されるものではない。例えば、１枚の電解質膜・電極構造体と２枚のセパレータとで構成してもよい。以下の第２の実施形態においても、同様である。

図４は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池６０の分解斜視説明図である。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６０は、第１電解質膜・電極構造体１２ａ及び第２電解質膜・電極構造体１２ｂと、第１セパレータ６２、第２セパレータ６４及び第３セパレータ６６とを備える。

第１セパレータ６２には、各荷重受け部５０を周回して変形抑制部材、例えば、樹脂部材６８が一体成形される。この樹脂部材６８は、第１シール部材４２と荷重受け部５０との間に延在する迂回部６８ａを有し、且つ第１セパレータ１４の外周部全周を周回して連続的に設けられる。

第２セパレータ６４及び第３セパレータ６６は、上記の第１セパレータ６２と同様に構成される。

このように、第２の実施形態では、例えば、第１セパレータ６２は、樹脂部材６８を一体に備えており、荷重受け部５０が外部荷重Ｆを受ける際に、前記第１セパレータ６２が前記荷重受け部５０と第１シール部材４２の間で変形することを確実に阻止することが可能になる。これにより、簡単な構成で、シール性を良好に確保することが可能になる等、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線断面図である。前記燃料電池を構成する第１セパレータの要部拡大説明図である。本発明の第２の実施形態に係る燃料電池の分解斜視説明図である。

符号の説明

１０、６０…燃料電池１２ａ、１２ｂ…電解質膜・電極構造体
１４、１６、１８、６２、６４、６６…セパレータ
２０ａ…酸化剤ガス入口連通孔２０ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
２２ａ…燃料ガス入口連通孔２２ｂ…燃料ガス出口連通孔
２４ａ…冷却媒体入口連通孔２４ｂ…冷却媒体出口連通孔
２６…固体高分子電解質膜２８…アノード側電極
３０…カソード側電極３２、３８…酸化剤ガス流路
３４…冷却媒体流路３６、４０…燃料ガス流路
４２、４４、４６…シール部材５０…荷重受け部
５２、６８…樹脂部材５２ａ、６８ａ…迂回部

Claims

電解質膜の両側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であって、
前記セパレータは、シール部材を一体に設け、
前記セパレータの外周部には、外部荷重を受ける樹脂製荷重受け部が設けられるとともに、
前記シール部材と前記樹脂製荷重受け部との間に延在する部分を有して前記外周部に配置される変形抑制部材を備え、前記セパレータは、金属セパレータであり、
前記金属セパレータと前記シール部材が一体成形されるとともに、
前記変形抑制部材は、前記金属セパレータと一体成形される樹脂部材であ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、前記変形抑制部材は、前記セパレータの全周を周回して連続的に設けら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、前記変形抑制部材は前記セパレータの両面に設けられることを特徴とする燃料電池。
請求項１乃至３のいずれかに記載の燃料電池において、前記変形抑制部材はシール部材と樹脂製荷重受け部との間に迂回部を有することを特徴とする燃料電池。