JP5227543B2

JP5227543B2 - 燃料電池

Info

Publication number: JP5227543B2
Application number: JP2007170607A
Authority: JP
Inventors: 成利杉田; 優小田; 雅章坂野; 敬正川越; 高小阪
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2007-06-28
Filing date: 2007-06-28
Publication date: 2013-07-03
Anticipated expiration: 2027-06-28
Also published as: US20090004535A1; US7695845B2; JP2009009837A; CN101335358A; CN101335358B; EP2012384A1; EP2012384B1

Description

本発明は、第１金属セパレータ、第１電解質・電極構造体、第２金属セパレータ、第２電解質・電極構造体及び第３金属セパレータの順に積層される発電ユニットを備え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。この燃料電池では、固体高分子電解質膜の両側に、それぞれ電極触媒層と多孔質カーボン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（電解質・電極構造体）を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持することにより単位セルが構成されている。通常、この単位セル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。

上記の燃料電池では、セパレータの面内に、アノード側電極に対向して燃料ガスを流すための燃料ガス流路（反応ガス流路）と、カソード側電極に対向して酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路（反応ガス流路）とが設けられている。また、セパレータ間には、必要に応じて冷却媒体を流すための冷却媒体流路が前記セパレータの面方向に沿って設けられている。

その際、冷却媒体流路を複数組の単位セル毎に設ける（所謂、間引き冷却）ことにより、前記冷却媒体流路の数を減少させて燃料電池スタック全体の積層方向の短尺化を図る工夫がなされている。

例えば、特許文献１に開示されている燃料電池は、図５に示すように、セパレータ１Ａ、電極ユニット２Ａ、セパレータ１Ｂ、電極ユニット２Ｂ及びセパレータ１Ｃの順に積層されている。電極ユニット２Ａ、２Ｂは、固体高分子電解質膜２ａを燃料極２ｂ及び空気極２ｃで挟んで接合されている。

セパレータ１Ａ、１Ｂは、各燃料極２ｂに対向する面に燃料ガス流路３ａを設けるとともに、セパレータ１Ｂ、１Ｃは、各空気極２ｃに対向する面に酸化剤ガス流路３ｂを設けている。セパレータ１Ａ、１Ｃ間には、冷却水供給通路４が形成されている。

特開２００１−１５５７４２号公報

しかしながら、上記の燃料電池では、積層方向（矢印Ｓ方向）に対して、燃料ガス流路３ａの本数及び酸化剤ガス流路３ｂの本数を同一本数に設定している。このため、セパレータ１Ａ、１Ｂ間及びセパレータ１Ｂ、１Ｃ間には、燃料ガス及び空気が供給されない非発電領域５が千鳥状に存在してしまう。

これにより、発電領域に対応して電極ユニット２Ａの電極触媒６ａ、７ａの塗布範囲と、電極ユニット２Ｂの電極触媒６ｂ、７ｂの塗布範囲とを設定しようとすると、前記電極触媒６ａ、７ａ及び６ｂ、７ｂが積層方向に互いにずれてしまう。従って、２種類の構成の異なる電極ユニット２Ａ、２Ｂが必要になり、生産能力が低下するとともに、経済的ではないという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、セパレータ内に発電に供されない無駄なスペースを設けることがなく、しかも単一種類の電解質・電極構造体を用いることができ、生産性及び経済性に優れる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配設される少なくとも第１及び第２電解質・電極構造体を有し、第１金属セパレータ、前記第１電解質・電極構造体、第２金属セパレータ、前記第２電解質・電極構造体及び第３金属セパレータの順に積層される発電ユニットを備え、前記第１金属セパレータと前記第１電解質・電極構造体との間、前記第１電解質・電極構造体と前記第２金属セパレータとの間、前記第２金属セパレータと前記第２電解質・電極構造体との間、及び前記第２電解質・電極構造体と前記第３金属セパレータとの間には、発電面に沿って所定の反応ガスを流す第１〜第４反応ガス流路が形成されるとともに、各発電ユニット間には、冷却媒体を流す冷却媒体流路が形成される燃料電池に関するものである。

第１及び第２電解質・電極構造体は、電極触媒の塗布範囲が同一範囲に設定され、第１〜第４反応ガス流路は、一方向にのみ波形状に延在する複数本の流路溝を備え、発電ユニットは、同一の反応ガスを流す第１及び第３反応ガス流路の流路溝本数が、互いに１本だけ異なる本数に設定される一方、同一の反応ガスを流す第２及び第４反応ガス流路の流路溝本数が、互いに１本だけ異なる本数に設定されている。

本発明では、反応ガスである燃料ガスや酸化剤ガスを流す複数の流路溝は、積層方向に隣り合う流路溝同士が互いに１本だけ異なる流路溝本数に設定されている。このため、第１〜第３金属セパレータ内には、発電に供されない無駄なスペースが設けられることがなく、効率的な発電が容易に遂行可能になる。

しかも、第１及び第２電解質・電極構造体は、電極触媒の塗布範囲が同一範囲に設定されるため、前記電解質・電極構造体を単一種類で構成することができる。これにより、燃料電池全体を経済的且つ小型に構成するとともに、生産性の向上を図ることが可能になる。

図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池１０の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、複数の発電ユニット１２を、互いに反転させた状態で矢印Ａ方向（水平方向）に積層して構成される（図２参照）。発電ユニット１２は、第１金属セパレータ１４、第１電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）１６ａ、第２金属セパレータ１８、第２電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）１６ｂ及び第３金属セパレータ２０の順に積層される。

発電ユニット１２の長辺方向の上端縁部には、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供給連通孔２２ａ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔２４ａが設けられる。

発電ユニット１２の長辺方向の下端縁部には、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排出連通孔２４ｂ、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２２ｂが設けられる。

発電ユニット１２の短辺方向（矢印Ｂ方向）の一端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔２６ａが設けられるとともに、前記発電ユニット１２の短辺方向の他端縁部には、前記冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔２６ｂが設けられる。

第１及び第２電解質膜・電極構造体１６ａ、１６ｂ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、前記固体高分子電解質膜２８を挟持するカソード側電極３０及びアノード側電極３２とを備える。

図２に示すように、カソード側電極３０及びアノード側電極３２は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層３０ａ、３２ａ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３０ａ、３２ａの表面に一様に塗布して形成される電極触媒層３０ｂ、３２ｂとを有する。電極触媒層３０ｂ、３２ｂは、固体高分子電解質膜２８の両面に形成される。第１及び第２電解質膜・電極構造体１６ａ、１６ｂは、各電極触媒層３０ｂ、３２ｂの塗布範囲が同一範囲に、すなわち、同一の平面領域（各発電領域が同一平面領域）に設定されており、実際上、同一の電解質・電極構造体が使用される。

第１金属セパレータ１４の第１電解質膜・電極構造体１６ａに向かう面１４ａには、酸化剤ガス供給連通孔２２ａと酸化剤ガス排出連通孔２２ｂとを連通する第１酸化剤ガス流路（第１反応ガス流路）３４が形成される。第１酸化剤ガス流路３４は、矢印Ｃ方向にのみ延在する複数の波状流路溝３４ａを有する。

第１金属セパレータ１４の面１４ｂには、第１酸化剤ガス流路３４の裏面形状に対応して冷却媒体供給連通孔２６ａと冷却媒体排出連通孔２６ｂとを連通する第１冷却媒体流路３６ａが形成される。

図３に示すように、第２金属セパレータ１８の第１電解質膜・電極構造体１６ａに向かう面１８ａには、燃料ガス供給連通孔２４ａと燃料ガス排出連通孔２４ｂとを連通する第１燃料ガス流路（第２反応ガス流路）３８が形成される。第１燃料ガス流路３８は、矢印Ｃ方向にのみ延在する複数の波状流路溝３８ａを有する。

第２金属セパレータ１８の第２電解質膜・電極構造体１６ｂに向かう面１８ｂには、図１に示すように、酸化剤ガス供給連通孔２２ａと酸化剤ガス排出連通孔２２ｂとを連通する第２酸化剤ガス流路（第３反応ガス流路）４０が形成される。第２酸化剤ガス流路４０は、矢印Ｃ方向にのみ延在する複数の波状流路溝４０ａを有する。

図４に示すように、第３金属セパレータ２０の第２電解質膜・電極構造体１６ｂに向かう面２０ａには、燃料ガス供給連通孔２４ａと燃料ガス排出連通孔２４ｂとを連通する第２燃料ガス流路（第４反応ガス流路）４２が形成される。第２燃料ガス流路４２は、矢印Ｃ方向にのみ延在する複数の波状流路溝４２ａを有する。第３金属セパレータ２０の面２０ｂには、冷却媒体供給連通孔２６ａと冷却媒体排出連通孔２６ｂとを連通する第２冷却媒体流路３６ｂが形成される（図１参照）。

第１金属セパレータ１４の面１４ａ、１４ｂには、第１シール部材４４が一体成形される。第１シール部材４４は、面１４ａ側で、酸化剤ガス供給連通孔２２ａ及び酸化剤ガス排出連通孔２２ｂを、第１酸化剤ガス流路３４に連通させる。第１シール部材４４は、面１４ｂ側で、冷却媒体供給連通孔２６ａ及び冷却媒体排出連通孔２６ｂを第１冷却媒体流路３６ａに連通させる。

第２金属セパレータ１８の面１８ａ、１８ｂには、第２シール部材４６が一体成形される。第２シール部材４６は、図３に示すように、面１８ａ側で、燃料ガス供給連通孔２４ａ及び燃料ガス排出連通孔２４ｂを第１燃料ガス流路３８に連通させる。第２シール部材４６は、面１８ｂ側で、酸化剤ガス供給連通孔２２ａ及び酸化剤ガス排出連通孔２２ｂを第２酸化剤ガス流路４０に連通させる（図１参照）。

第３金属セパレータ２０の面２０ａ、２０ｂには、第３シール部材４８が一体成形される。第３シール部材４８は、図４に示すように、面２０ａ側で、燃料ガス供給連通孔２４ａ及び燃料ガス排出連通孔２４ｂを、第２燃料ガス流路４２に連通させる。第３シール部材４８は、面２０ｂ側で、冷却媒体供給連通孔２６ａ及び冷却媒体排出連通孔２６ｂを第２冷却媒体流路３６ｂに連通させる。

第１酸化剤ガス流路３４及び第２酸化剤ガス流路４０は、それぞれの流路溝本数が互いに異なる本数に設定される一方、第１燃料ガス流路３８及び第２燃料ガス流路４２は、それぞれの流路溝本数が互いに異なる本数に設定される。

概略的に説明すると、図１及び図２に示すように、第１金属セパレータ１４の面１４ａには、第１酸化剤ガス流路３４を構成する波状流路溝３４ａが、例えば、７本形成されている。これに対し、第２金属セパレータ１８の面１８ｂには、第２酸化剤ガス流路４０を構成する波状流路溝４０ａが、例えば、６本だけ形成されている。

一方、第２金属セパレータ１８の面１８ａには、図２及び図３に示すように、第１燃料ガス流路３８を構成する波状流路溝３８ａが、７本設けられている。これに対し、第３金属セパレータ２０の面２０ａには、図２及び図４に示すように、第２燃料ガス流路４２を構成する波状流路溝４２ａが６本だけ設けられている。

なお、第１燃料ガス流路３８の矢印Ｂ方向両端を構成する波状流路溝３８ａは、第２シール部材４６に設けられる流路形成部４６ａによって形成される（図２及び図３参照）。同様に、第２燃料ガス流路４２の矢印Ｂ方向両端を構成する波状流路溝４２ａは、第３シール部材４８に設けられる流路形成部４８ａによって形成される（図２及び図４参照）。

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を構成する各発電ユニット１２では、酸化剤ガス供給連通孔２２ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス供給連通孔２４ａ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２６ａ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。

酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給連通孔２２ａから第１金属セパレータ１４の第１酸化剤ガス流路３４及び第２金属セパレータ１８の第２酸化剤ガス流路４０に導入される。このため、酸化剤ガスは、第１及び第２電解質膜・電極構造体１６ａ、１６ｂの各カソード側電極３０に沿って鉛直下方向に移動する。

一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔２４ａから第２金属セパレータ１８の第１燃料ガス流路３８及び第３金属セパレータ２０の第２燃料ガス流路４２に導入される。従って、燃料ガスは、第１及び第２電解質膜・電極構造体１６ａ、１６ｂの各アノード側電極３２に沿って鉛直下方向に移動する。

上記のように、第１及び第２電解質膜・電極構造体１６ａ、１６ｂ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３２に供給される燃料ガスとが、電極触媒層３０ｂ、３２ｂ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、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、酸化剤ガス排出連通孔２２ｂに排出される。同様に、アノード側電極３２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２４ｂに排出される。

また、冷却媒体は、図１及び図２に示すように、各発電ユニット１２間に形成される第１及び第２冷却媒体流路３６ａ、３６ｂに導入される。冷却媒体は、矢印Ｂ方向（図２中、水平方向）に沿って流動し、一方の発電ユニット１２の第２電解質膜・電極構造体１６ｂと他方の発電ユニット１２の第１電解質膜・電極構造体１６ａとを冷却する。すなわち、冷却媒体は、発電ユニット１２内の第１及び第２電解質膜・電極構造体１６ａ、１６ｂ間を冷却しない、所謂、間引き冷却した後、冷却媒体排出連通孔２６ｂに排出される。

この場合、本実施形態では、図２に示すように、第１酸化剤ガス流路３４を構成する波状流路溝３４ａと、第２酸化剤ガス流路４０を構成する波状流路溝４０ａとは、互いに異なる本数に設定されている。具体的には、波状流路溝３４ａが７本であるのに対し、波状流路溝４０ａが６本に設定されている。

同様に、第１燃料ガス流路３８を構成する波状流路溝３８ａと、第２燃料ガス流路４２を構成する波状流路溝４２ａとは、異なる本数に設定されている。具体的には、波状流路溝３８ａが７本であるのに対し、波状流路溝４２ａが６本に設定されている。

従って、第１金属セパレータ１４、第１電解質膜・電極構造体１６ａ、第２金属セパレータ１８、第２電解質膜・電極構造体１６ｂ及び第３金属セパレータ２０が、矢印Ａ方向に積層されて発電ユニット１２を構成する際、この発電ユニット１２内、より具体的には、第１〜第３金属セパレータ１４、１８及び２０内には、発電に供されない無駄なスペースが設けられることがない。

これにより、各発電ユニット１２では、酸化剤ガス及び燃料ガスを第１及び第２電解質膜・電極構造体１６ａ、１６ｂのカソード側電極３０及びアノード側電極３２に良好に供給することができ、効率的な発電が遂行可能になるという効果が得られる。しかも、燃料電池１０全体を経済的且つ小型に構成することができる。

さらに、図２に示すように、第１電解質膜・電極構造体１６ａの矢印Ｂ方向両端には、波状流路溝３４ａ及び波状流路溝３８ａを介して酸化剤ガス及び燃料ガスが良好に供給される。一方、第２電解質膜・電極構造体１６ｂの矢印Ｂ方向両端には、波状流路溝４０ａ及び波状流路溝４２ａからカソード側電極３０及びアノード側電極３２のガス拡散層３０ａ、３２ａを通って酸化剤ガス及び燃料ガスが良好に供給される。

従って、第１及び第２電解質膜・電極構造体１６ａ、１６ｂは、発電領域が略同一になり、各電極触媒層３０ｂ、３２ｂの塗布範囲を同一範囲（同一平面領域）に設定することができる。このため、第１及び第２電解質膜・電極構造体１６ａ、１６ｂは、実際上、同一のものが使用され、単一の電解質膜・電極構造体１６ａ（又は１６ｂ）を用意するだけでよい。これにより、ＭＥＡ製作用治具や工程が簡素化されて生産能力の向上を図るとともに、製作費の削減が遂行されるという利点がある。

本発明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２金属セパレータの正面説明図である。前記燃料電池を構成する第３金属セパレータの正面説明図である。特許文献１の燃料電池の説明図である。

符号の説明

１０…燃料電池１２…発電ユニット
１６ａ、１６ｂ…電解質膜・電極構造体
１４、１８、２０…金属セパレータ２２ａ…酸化剤ガス供給連通孔
２２ｂ…酸化剤ガス排出連通孔２４ａ…燃料ガス供給連通孔
２４ｂ…燃料ガス排出連通孔２６ａ…冷却媒体供給連通孔
２６ｂ…冷却媒体排出連通孔２８…固体高分子電解質膜
３０…カソード側電極３２…アノード側電極
３４、４０…酸化剤ガス流路
３４ａ、３８ａ、４０ａ、４２ａ…波状流路溝
３６ａ、３６ｂ…冷却媒体流路３８、４２…燃料ガス流路
４４、４６、４８…シール部材

Claims

電解質の両側に一対の電極が配設される少なくとも第１及び第２電解質・電極構造体を有し、第１金属セパレータ、前記第１電解質・電極構造体、第２金属セパレータ、前記第２電解質・電極構造体及び第３金属セパレータの順に積層される発電ユニットを備え、前記第１金属セパレータと前記第１電解質・電極構造体との間、前記第１電解質・電極構造体と前記第２金属セパレータとの間、前記第２金属セパレータと前記第２電解質・電極構造体との間、及び前記第２電解質・電極構造体と前記第３金属セパレータとの間には、発電面に沿って所定の反応ガスを流す第１〜第４反応ガス流路が形成されるとともに、各発電ユニット間には、冷却媒体を流す冷却媒体流路が形成される燃料電池であって、
前記第１及び第２電解質・電極構造体は、電極触媒の塗布範囲が同一範囲に設定され、
前記第１〜第４反応ガス流路は、一方向にのみ波形状に延在する複数本の流路溝を備え、
前記発電ユニットは、同一の反応ガスを流す第１及び第３反応ガス流路の流路溝本数が、互いに１本だけ異なる本数に設定される一方、
同一の反応ガスを流す第２及び第４反応ガス流路の流路溝本数が、互いに１本だけ異なる本数に設定されることを特徴とする燃料電池。