JP5242189B2

JP5242189B2 - 燃料電池

Info

Publication number: JP5242189B2
Application number: JP2008036079A
Authority: JP
Inventors: 勇菊池; 和久田中; 宗一郎霜鳥
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Fuel Cell Power Systems Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Priority date: 2008-02-18
Filing date: 2008-02-18
Publication date: 2013-07-24
Anticipated expiration: 2028-02-18
Also published as: JP2009193922A

Description

この発明は、単電池を複数個積層してなる燃料電池に関し、特にガス流路などのシール性を高めた燃料電池に関する。

燃料電池は、固体高分子などの電解質膜の両面に触媒層を配置し、そこに燃料と酸化剤を供給して電気化学反応により発電する装置である。たとえば、一般的な固体高分子型燃料電池では、イオン交換膜で形成された固体高分子膜の両面に白金あるいは白金化合物等からなる触媒層と多孔質カーボンペーパー等で構成されたガス拡散層を積層し、さらにその両側にガス供給用の流路溝と、発電により発生する熱を除去するための冷却水を供給する冷却水流路溝を備えたガス不透過性のセパレータを積層した構造をしている。また、各部材の積層面間には、ガスおよび冷却水が所定の流路から外部に流出するのを防止するためのシール部が設置されている。

ここで、積層面間のシール方法としては所定形状の熱可塑性ポリマーを溶融させて各部材を接着する方法や、所定形状の弾力性のあるシール材料を挟み込む方法が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。
特表２００４−５２３０６０号公報

しかしながら、特許文献１による弾力性のあるシール材料を挟み込む方法では、燃料電池の運転中にシール材料が移動してセパレータの外周からはみ出し、シール性が低下してしまうという課題があり、シール材料を予めセパレータもしくはその他の部材の表面に接着するなどの対策を講じる必要があった。

また、弾力性のあるシール材料を挟み込む方法で、シール性を高めるためにはシール材を押し潰す方向に作用する面圧を高める必要があるが、シール材全体に作用させる締め付け力が大きい場合にはシール材の経時的な変形によりシール材に作用する面圧が緩和された場合に、その締め付け力を燃料電池の反応部で受けることとなり、燃料電池の反応部に作用する面圧が増大してしまうため好ましくない。したがって、大きな締め付け力を作用させずに十分なシール面圧を得るためには締め付け力を増加させる代わりにシール材の面積を狭くする方法が効果的である。しかし、この場合にシール材の幅を狭くしてたとえば紐状にすると、取り付け時の取り扱いが困難になるという課題がある。

また、シール材の幅を狭くする代わりにシール材の一部に凸状のリップを設け、この部分に面圧を集中させる方法も考えられるが、この場合には、シール材を所定のリップ形状を有する金型等で成型する必要があり、製造コストが増大してしまうという課題がある。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、単電池を複数個積層してなる燃料電池において、ガス流路などのシール性を高め、しかも、製造が容易であり且つ長期運転可能な信頼性の高い燃料電池を提供することにある。

上記の目的を達成するため、本発明に係る燃料電池は、電解質膜と、前記電解質膜を挟むようにして配置されたアノード触媒層およびカソード触媒層からなる一対の触媒層と、前記一対の触媒層を挟み込むようにして配置され、前記アノード触媒層に隣接するアノードガス拡散層と、前記カソード触媒層に隣接するカソードガス拡散層とからなる一対のガス拡散層と、前記一対のガス拡散層を挟み込むようにして配置され、前記アノードガス拡散層に隣接する燃料ガス流路溝を形成するガス不透過性のアノードセパレータと、前記カソードガス拡散層に隣接する酸化剤ガス流路溝を形成するガス不透過性のカソードセパレータとからなるセパレータと、を有する単電池を複数個積層し、前記燃料ガス流路溝または酸化剤ガス流路溝のシールのために、前記セパレータと前記ガス拡散層の間に、積層方向に押されて変形する弾性体のガス流路シール材が配置された燃料電池であって、前記セパレータの前記ガス流路シール材に接する部分に、前記ガス流路シール材の幅よりも狭い幅で前記ガス流路シール材に向かって突出するリップ部が形成されていること、を特徴とする。

本発明によれば、単電池を複数個積層してなる燃料電池において、ガス流路などのシール性を高め、しかも、製造が容易であり且つ長期運転可能な信頼性の高い燃料電池を提供することができる。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。ここで、相互に同一または類似の構成部分には共通の符号を付し、重複する説明は省略する。

［第１の実施形態］
図１〜図６を参照しながら、本発明に係る燃料電池の第１の実施形態について説明する。ここで、図１は第１の実施形態の燃料電池の燃料電池積層体の構造を示す部分断面図、図２は燃料電池積層体の部分断面展開図（分解図）である。また、図３は単電池をカソードセパレータ面側から見た斜視図、図４はカソードセパレータの酸化剤ガス流路とリップ部の形状を示す平面図、図５は燃料電池積層体にガスマニホールドの配置を追加した状態を示す平面図、図６は図５の燃料電池積層体に積層シール材の配置を追加した状態を示す平面図である。

電解質層である固体高分子膜１の両面に高分子膜を挟むようにして一対のアノード触媒層２とカソード触媒層３が配置されており、アノード触媒層２とカソード触媒層３とを挟み込むようにしてアノードガス拡散層４とカソードガス拡散層５が配置されている。さらに、アノードガス拡散層４とカソードガス拡散層５に隣り合い燃料ガス流路溝６ａ（図３）を有するアノードセパレータ６と、酸化剤ガス流路溝７ａと冷却水流路溝７ｄ（図３）を有するカソードセパレータ７が設置され、アノードガス拡散層４とカソードガス拡散層５の外周部にはガス不透過性の拡散層外周シール部９が配置されている。

本実施形態においては、これらの各積層部材がお互いに結合されて単電池８が構成されており、単電池８を複数個積層することで燃料電池積層体が構成されている。

燃料ガス流路溝６ａ、酸化剤ガス流路溝７ａ、冷却水流路溝７ｄはいずれも、アノードセパレータ６またはカソードセパレータ７の表面に形成された溝であって、単電池８を複数個積層することにより各溝が閉じた流路となる。

単電池８の各積層部材の結合方法としてはたとえば熱可塑性ポリマーを各部材間のシール範囲に配置し、加熱圧着する方法が考えられるが、他の方法で結合しても構わない。単電池８同士の積層シール部、すなわち、カソードセパレータ７と拡散層外周シール部９の間には積層シール材１０が配置されている。

ここで、カソードセパレータ７の端部には図示のように、薄肉部７ｂが形成されており、薄肉部７ｂには拡散層外周シール部９の方向に向いて凸状のリップ部７ｃが形成されている。積層シール材１０は、分解状態では図２に示すように平板状であって、積層状態では、図１に示すように、リップ部７ｃにより拡散層外周シール部９に押し付けられ、リップ部７ｃに相応した凹形状に変形させられて保持されている。

図５および図６に示すように、燃料ガスマニホールド１１ａ、１１ｂおよび酸化剤および冷却水マニホールド１２ａ，１２ｂと単電池８との間にはガスマニホールドシール材１３が挿入されており、カソードセパレータ７のリップ部７ｃの端部は分岐して、それぞれガスマニホールドシール材１３に接触することでリップ部７ｃおよび積層シール材１０のシール部分とガスマニホールド１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂの壁面とからなる閉空間を形成し、それぞれのガスマニホールド内のガスおよび冷却水が、必要なガス流路または冷却水流路以外に供給されないように構成されている。

ここで、積層シール材１０は、リップ部７ｃよりも幅広で平板状の弾性材である。積層シール材１０の材質の具体例としては、不純物の溶出が少なく耐久性が高いシリコーンゴムまたはＥＰＤＭが好適に使用できるが、必要な耐久性とシール性を実現できる弾性体であればその他の材料でも良い。

また、カソードセパレータ７の厚さは、一般的な固体高分子型燃料電池では１ｍｍから３ｍｍ程度であるので、薄肉部７ｂの厚さは０．３ｍｍから２ｍｍ程度とし、リップ部７ｃの高さは、積層シール材１０のリップ部７ｃに接触する範囲での締め付け後の厚さ方向の変形量が２０％〜５０％程度となる高さにすることが望ましい。また、積層シール材１０は薄肉部７ｂにシール材を設置した状態で、リップ部７ｃと接触しない範囲では薄肉部７ｂの底面に接触しない厚さとし、締め付け後にリップ部７ｃにより挟持されていない範囲ではカソードセパレータ７の面方向への伸縮が拘束されないことが望ましい。

次に、上記の構成を有する第１の実施形態における作用について説明する。上記の構成を有する第１の実施形態では、積層シール材１０は、カソードセパレータ７に設けられた積層シール材１０より幅が狭いリップ部７ｃにより挟持されているため、使用状態においては積層シール材１０の断面形状はリップ部７ｃの凸形状に相応した凹形状に変形しており、燃料電池の運転中に積層シール材１０がカソードセパレータ７の面方向に移動することが防止される。

また、燃料電池積層体を締め付ける際の締め付け力を増加させなくとも、リップ部７ｃの幅を狭くすることで、積層シール材１０に必要な面圧を作用させることが可能となる。

以上説明したように、本実施形態では、カソードセパレータ７に薄肉部７ｂとリップ部７ｃを形成し、リップ部７ｃにより平板状の積層シール材１０を挟持してシール部を形成することで、積層シール材１０の移動防止対策を別に講じる必要が無なる。また、積層シール材１０をリップ部７ｃより幅広の形状とすることで、取り付け時の取り扱いが容易となり、積層シール材１０の断面形状を平板状とすることで製造コストが低く抑えられる。また、リップ部７ｃの幅を狭くすることにより積層シール材１０には十分な面圧を作用させられるので、長期信頼性の高いシール構造を有する燃料電池を提供することができる。

［第２の実施形態］
図７および図８を参照しながら、本発明に係る燃料電池の第２の実施形態について説明する。ここで、図７は第２の実施形態の燃料電池のカソードセパレータの酸化剤ガス流路とリップ部の形状を示す平面図、図８はカソードセパレータに積層シール材の配置を追加した状態を示す平面図である。

図７に示すように、本実施形態においては、燃料ガスマニホールド１４、酸化剤ガスマニホールド１５、冷却水マニホールド１６は、図示されないアノードセパレータおよびカソードセパレータ７に成型された積層方向に貫通した開口部により構成されており、カソードセパレータ７の薄肉部７ｂおよびリップ部７ｃはそれぞれガスマニホールド１４，１５，１６を取り囲む形状に成型されている。また、図８に示すように、積層シール材１０は、リップ部７ｃより幅が広い平板状の弾性材であり、その他については第１の実施形態と同様の構成である。

本実施形態では、燃料ガスマニホールド１４、酸化剤ガスマニホールド１５、冷却水マニホールド１６がアノードセパレータおよびカソードセパレータに成型された積層方向に貫通した開口部により構成された燃料電池においても第１の実施形態と同様の効果が得られる。

［他の実施形態］
以上で説明した実施形態は単なる例示であって、本発明はこれらに限定されるものではない。

たとえば、第１の実施形態では、カソードガス拡散層５とカソードセパレータ７を上下に有する単電池８を積層単位とし、それぞれの単電池８の間に積層シール材１０を挿入する構成であるが、図１におけるアノードガス拡散層４からアノードセパレータ６までを結合して単電池を構成し、アノードセパレータ６に薄肉部とリップ部を成型し隣接する部材との間に積層シールを挿入したり、アノードセパレータ６からカソードセパレータ７までを結合してカソードセパレータ７もしくはアノードセパレータ６の表面に薄肉部とリップ部を成型しそれぞれのセパレータ間に積層シールを挿入することもできる。

また、図９は、アノードセパレータと隣接する部材間のシール部に本発明のシール構造を適用した場合のアノードセパレータ６およびアノードセパレータのガス流路６ａ、薄肉部６ｂ、リップ部６ｃの形状の例を示した平面図であり、図１０は、カソードセパレータ７と隣接するアノードセパレータ６のシール部に本発明のシール構造を適用した場合のカソードセパレータ７のガス流路とは裏面に形成された冷却水流路７ｄ、冷却水流路側の薄肉部７ｅ、冷却水流路側のリップ部７ｆの形状の例を示した平面図である。それぞれの薄肉部にはリップ部よりも幅の広い平板状の積層シール材を挿入することで第１の実施形態と同様の効果が得られる。

また、単電池８を構成せずに各セパレータ面に本発明のシール構造を適用したり、本発明のシール構造によらずに複数の単電池を結合した後に、それら複数の単電池同士を積層する積層面にのみ本発明のシール構造を適用することも可能である。

さらに、積層シール材１０の断面形状は平板状に限らず、たとえば図１１に示すようにリップ部７ｃに対応した窪み１０ａを設けてもよい。この場合、図１１に示す解放状態（積層シール材１０が積層方向に押されて変形する前の状態）の窪み１０ａの深さはリップ部７ｃの突出高さよりも浅いものとする。

図１２に示すように、締め付け後のリップ部７ｃと接触する範囲に応力が集中する。これにより、積層シール材の製造コストは増大するがその他では第１の実施形態と同等の効果が得られる上に組み立ての作業性を向上させることができる。

本発明に係る燃料電池の第１の実施形態の燃料電池積層体の構造を示す部分断面図。図１の燃料電池積層体の部分断面展開図。図１の単電池をカソードセパレータ面側から見た斜視図。図３のカソードセパレータの酸化剤ガス流路とリップ部の形状を示す平面図。図１の燃料電池積層体にガスマニホールドの配置を追加した状態を示す平面図。図５の燃料電池積層体に積層シール材の配置を追加した状態を示す平面図。本発明に係る燃料電池の第２の実施形態のカソードセパレータの酸化剤ガス流路とリップ部の形状を示す平面図。図７のカソードセパレータに積層シール材の配置を追加した状態を示す平面図。本発明に係るシール構造を適用したアノードセパレータの例を示す平面図。本発明に係るシール構造を適用したカソードセパレータの例を冷却水流路側から見た平面図。本発明に係る燃料電池の他の実施形態の燃料電池積層体を示す部分断面展開図。図１１の燃料電池積層体の組み立て状態を表した部分断面図。

符号の説明

１・・・・・固体高分子膜
２・・・・・アノード触媒層
３・・・・・カソード触媒層
４・・・・・アノードガス拡散層
５・・・・・カソードガス拡散層
６・・・・・アノードセパレータ
６ａ・・・・燃料ガス流路（燃料ガス流路溝）
６ｂ・・・・アノードセパレータの薄肉部
６ｃ・・・・アノードセパレータのリップ部
７・・・・・カソードセパレータ
７ａ・・・・酸化剤ガス流路（酸化剤ガス流路溝）
７ｂ・・・・カソードセパレータの薄肉部
７ｃ・・・・カソードセパレータのリップ部
７ｄ・・・・カソードセパレータの裏面に形成された冷却水流路（冷却水流路溝）
７ｅ・・・・カソードセパレータの冷却水流路側の薄肉部
７ｆ・・・・カソードセパレータ冷却水流路側のリップ部
８・・・・・単電池
９・・・・・拡散層外周シール部
１０・・・・積層シール材
１０ａ・・・窪み
１１ａ・・・燃料ガスマニホールド
１１ｂ・・・燃料ガスマニホールド
１２ａ・・・酸化剤および冷却水マニホールド
１２ｂ・・・酸化剤および冷却水マニホールド
１３・・・・ガスマニホールドシール材
１４・・・・セパレータに成型された燃料ガスマニホールド
１５・・・・セパレータに成型された酸化剤ガスマニホールド
１６・・・・セパレータに成型された冷却水マニホールド

Claims

電解質膜と、
前記電解質膜を挟むようにして配置されたアノード触媒層およびカソード触媒層からなる一対の触媒層と、
前記一対の触媒層を挟み込むようにして配置され、前記アノード触媒層に隣接するアノードガス拡散層と、前記カソード触媒層に隣接するカソードガス拡散層とからなる一対のガス拡散層と、
前記一対のガス拡散層を挟み込むようにして配置され、前記アノードガス拡散層に隣接する燃料ガス流路溝を形成するガス不透過性のアノードセパレータと、前記カソードガス拡散層に隣接する酸化剤ガス流路溝を形成するガス不透過性のカソードセパレータとからなるセパレータと、
を有する単電池を複数個積層し、
前記燃料ガス流路溝または酸化剤ガス流路溝のシールのために、前記セパレータと前記ガス拡散層の間に、積層方向に押されて変形する弾性体のガス流路シール材が配置された燃料電池であって、
前記セパレータの前記ガス流路シール材に接する部分に、前記ガス流路シール材の幅よりも狭い幅で前記ガス流路シール材に向かって突出するリップ部が形成されていること、
を特徴とする燃料電池。
前記積層方向に延びて前記単電池それぞれの燃料ガス流路溝に連通する燃料ガスマニホールド、および前記積層方向に延びて前記単電池それぞれの酸化剤ガス流路溝に連通する酸化剤ガスマニホールドを有し、
前記燃料ガスマニホールドおよび酸化剤ガスマニホールドは、前記複数個積層した単電池それぞれの端部にマニホールドシール材を介して気密に配置されており、前記ガス流路シール材に向かって突出するリップ部と前記マニホールドシール材とが接して配置されていること、
を特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
前記ガス流路シール材に接する前記セパレータには前記ガス流路シール材を収容する薄肉部が形成されていること、を特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池。
前記ガス流路シール材の前記リップ部に接する部分には、積層方向に押されて変形する前の解放状態で前記リップ部の突出高さよりも浅い窪みが形成されていること、を特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の燃料電池。