JP5269536B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

この発明は、電解質層として固体高分子膜を用いた単電池を積層した燃料電池に関し、特に組立の作業性を向上した燃料電池に関する。

燃料電池は、電解質層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部材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）。

また、積層面間のシールに弾力性のあるシール部材を挟み込む方法で、シール部材の設置を簡略化する方法として、セパレータの両面のシール部材を接続してシール部材の断面を凹型に成型し、凹型のシール部材と凸型のセパレータ端部を嵌合することでガスケットを組み付ける方法が提案されている（たとえば特許文献２参照）。
特表２００４−５２３０６０号公報 特開２００２−２６０６９２号公報

しかしながら、ガス供給用の流路がセパレータの外周上の一部に達するように形成されたセパレータを使用する場合、特許文献１による弾力性のあるシール部材を挟み込む方法では、ガス供給用の流路がセパレータの外周に達している部分を避けてシール部材を設置する必要があり、一般的には、セパレータの燃料ガス流路溝が形成された面では燃料ガス流路の流れ方向に沿った２辺と、酸化剤ガス流路溝が形成された面では酸化剤ガス流路の流れ方向に沿った２辺とにシール部材が設置されるため、セパレータ１枚につきそれぞれ独立したシール部材を合計４枚設置する必要がある。この時、シール部材は弾性体であるために比較的容易に変形してしまうとともに、重量が小さいために作業中にシール部材が比較的容易に移動してしまい、所定の位置にシール部材を設置する作業が困難であった。

また、シール部材をあらかじめセパレータに接着することでその移動を制限する方法もあるが、この場合は、接着剤の購入コストおよび接着作業のための作業コストが追加で必要となり、燃料電池全体の製造コストが高くなってしまうとともに、接着に使用した物質が溶出して燃料電池の性能を低下させるという課題がある。

また、セパレータの両面のシール部材を接続してシール部材の断面を凹型に成型し、シール部材の凹部とセパレータ端部の凸部を嵌合することでガスケットを組み付ける方法は、前述の通り、ガス供給用の流路がセパレータの外周上の一部に達するように形成されたセパレータを使用する場合に、セパレータの外周上のガス流路溝が凹型のシール部材により閉塞されてしまうために適用することが不可能である。

本発明は上記のような従来技術の問題点を解決するために提案されたものであり、その目的は、製造が容易であり低コストの固体高分子型燃料電池を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明に係る燃料電池は、電解質層である固体高分子膜と、前記固体高分子膜をその両面から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と、前記アノード触媒層およびカソード触媒層それぞれに接してこれらの触媒層を挟み込むように配置されたアノードガス拡散層およびカソードガス拡散層と、前記アノードガス拡散層およびカソードガス拡散層を挟み込むように配置されて、前記アノードガス拡散層と対向する位置に燃料ガス流路溝を形成し、前記カソードガス拡散層と対向する位置に酸化剤ガス流路溝を形成する、長方形の平板状でガス不透過性のセパレータと、前記セパレータと前記アノードガス拡散層とが対向する位置および前記セパレータと前記カソードガス拡散層とが対向する位置に挟み込まれるように配置されて、前記セパレータの両面の四つの角部すべてを包み込んで、セパレータの両面の、前記燃料ガス流路溝および酸化剤ガス流路溝を除く部分を単体で覆うように構成され、弾性材料で形成されたシール部材と、を有する単電池を複数個積層した積層体を含むこと、を特徴とする。

本発明によれば、積層面間のシール部材はセパレータに容易に取付けが可能となり、さらに、シール部材をあらかじめセパレータもしくはその他の部材に接着するなどしてシール部材の移動防止対策を講じる必要がなくなるため、製造コストの安い燃料電池を提供することができる。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。

［第１の実施形態］
図１ないし図１０を参照して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。

図１は本発明に係る燃料電池の第１の実施形態の積層体を示す展開斜視図、図２は図１の積層体の組み立て状態を示す立面図、図３は図２の膜電極複合体の模式的部分拡大立断面図である。図４は第１の実施形態における燃料電池を示す斜視図、図５は図４の燃料電池の平断面図である。さらに、図６は図１のセパレータとシール部材を燃料ガス流路溝側から見た斜視図、図７は図１のセパレータを酸化剤ガス流路溝側から見た斜視図、図８は図１のセパレータを燃料ガス流路溝側から見た斜視図、図９は図１のシール部材を酸化剤ガス流路溝側から見た斜視図、図１０は図１のシール部材を燃料ガス流路溝側から見た斜視図である。

図１および図４などに示すように、この実施形態の燃料電池は、長方形または正方形の膜電極複合体（ＭＥＡ）１と、ガス不透過性の材料からなる長方形または正方形の平板状セパレータ３とを交互に積層した積層体４を備えている。また、各セパレータ３の両面にシール部材２が設置されている。膜電極複合体１とセパレータ３の組み合わせは単電池と呼ばれ、積層体４は単電池を積層したものであるといえる。

また図４および図５に示すように、積層体４の周辺には酸化剤系ガスマニホールド５と燃料系ガスマニホールド６が設置されている。ここで、酸化剤系ガスマニホールド５と燃料系ガスマニホールド６とはそれぞれ積層体４に隣接して積層体４に対して開口部を持つ箱型の構造物であり、酸化ガス入口配管３０と燃料ガス入口配管３１を介して、それぞれ、酸化剤ガスおよび燃料ガスを外部から積層体４に供給するように構成されている。同様に、酸化剤ガス出口配管３２と燃料ガス出口配管３３を介して積層体４で消費されなかったガスを外部に排出する。

また、図示の構成では、酸化剤系ガスマニホールド５は仕切り板５ａにより内部空間が２分割され、一方の空間は酸化剤ガスの供給または排出の流路を構成するとともに、他方の空間は積層体４の膜電極複合体１が発電に伴い発生した熱を除去するための冷却水が流通する流路を構成している。冷却水入口配管３４と冷却水出口配管３５を通して冷却水が外部から供給され、積層体４の冷却に使用された後に排出されるように構成されている。

積層体４の両端面には締付板３６が配置され、これらの締付板３６同士がタイロッド３７によって互いに近づく方向に締め付けられている。

膜電極複合体１は、図３に示すように、電解質層である固体高分子膜２０の両面に、固体高分子膜２０を挟むようにして一対のアノード触媒層２１とカソード触媒層２２とを有し、アノード触媒層２１とカソード触媒層２２とを挟み込むようにしてアノードガス拡散層２３とカソードガス拡散層２４からなる一対のガス拡散層が配置されている。

図１、図２および図５ないし図８に示すように、セパレータ３の両面にはそれぞれ酸化剤ガス流路溝７と燃料ガス流路溝８が形成されており、さらに、セパレータ３にはその内部を貫通して冷却水流路９が形成されている。

シール部材２は、弾性材料からなり、図１、図６、図９および図１０などに示すように、各シール部材２が一つのセパレータ３の両面を一体で包み込むように構成されている。ただし、セパレータ３の面上に形成された燃料ガス流路溝８および酸化剤ガス流路溝７がシール部材２で覆われることがないように構成されている。

シール部材２は、セパレータ３の酸化剤ガス流路溝７に沿って設置され酸化剤ガスが酸化剤系ガスマニホールド５の酸化剤流通路以外の部分に漏洩するのを防止する酸化剤系シール部２ａと、セパレータ３の燃料ガス流路溝８に沿って設置され燃料ガスが燃料系ガスマニホールド６の燃料流通路以外の部分に漏洩するのを防止する燃料系シール部２ｂと、セパレータの４個の角部で酸化剤系シール部２ａと燃料系シール部２ｂとを連結するシール部材接続部２ｃとから構成されている。

シール部材接続部２ｃは、酸化剤系ガスマニホールド５および燃料系ガスマニホールド６とセパレータ３により挟持されており酸化剤系ガスマニホールド５および燃料系ガスマニホールド６の内部を流通しているガスが外部に漏洩するのを防止している。さらに本図では、シール部材２に酸化剤系ガスマニホールド５の仕切り板５ａとセパレータ３により挟持される位置に仕切り板のシール部２ｄが形成されており、冷却水系と酸化剤ガス系との間でガスおよび冷却水が移動するのを防止している。図示のシール部材接続部２ｃは、４個の角部の両面および、両面を接続する部分全体を覆っている。

図示の例では、シール部材２の各部分は直方体またはその組み合わせでできており、各部分の横断面はいずれも長方形またはその組み合わせでできている。

ここで、酸化剤系シール部２ａと燃料系シール部２ｂとシール部材接続部２ｃおよび仕切り板のシール部２ｄはそれぞれ別々に成型された成型品を接着することで製造することも可能であるが、成型と接着のコストを考慮すると、初めから一体物として成型することが望ましい。また、シール部材２の材料としては、ＥＰＤＭ（エチレンプロピレンジエンゴム）やシリコンゴムなどが適用可能であるが、シール性の低下と材料からの溶出物が燃料電池の運転に影響を及ぼさない材料であればその他の単一の材料または複数の材料を組み合わせて使用してもよい。

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、セパレータ３とシール部材２を燃料系ガスマニホールド６の方向から見た時に、酸化剤系シール部２ａの左右の端部にはシール部材接続部２ｃと燃料系シール部２ｂの端部が接続され、セパレータ３の燃料系ガスマニホールド６に面した端部の辺を包み込むように折り返した形状となっている。したがって、燃料系ガスマニホールド６の方向から見た時に、セパレータ３に設置されたシール部材２は上下左右の方向に移動することができない。

また、同様に、セパレータ３とシール部材２を酸化剤系ガスマニホールド５の方向から見た時に、燃料系シール部２ｂの左右の端部にはシール部材接続部２ｃと酸化剤系シール部２ａの端部が接続され、セパレータ３の酸化剤系ガスマニホールド５に面した端部の辺を包み込むように折り返した形状となっている。したがって、酸化剤系ガスマニホールド５の方向から見た時に、セパレータ３に設置されたシール部材２は同様に上下左右の方向に移動することができない。

したがって、シール部材２を弾性変形させる程の外力が加わらない限り、シール部材２はいかなる方向にも移動できない状態でセパレータ３に設置されており、設置後のシール部材２の移動を防止するためにシール部材２をセパレータ３または膜電極複合体１にあらかじめ接着する必要がなくなる。

また、シール部材２の取付け作業に関しては、シール部材２は弾性体から構成されているため、その弾性変形の範囲内でシール部材２を変形させシール部材２の折り返した形状となった部分にセパレータ３の４個の角部を嵌合させれば、シール部材２は再び元の形状に戻り、特別な位置合わせを必要とせずに所定の位置に設置することが可能となる。

さらに、シール部材２のシール部材接続部２ｃと仕切り板のシール部２ｄにより積層体４と酸化剤系ガスマニホールド５および燃料系ガスマニホールド６の間のシール部が形成されるため、この部分に新たにシール部品を設置する必要がなくなる。

以上説明したように、本実施形態では、シール部材２はいかなる方向にも移動できない状態でセパレータ３に設置されており、設置後のシール部材２の移動を防止するためにシール部材２をセパレータ３または膜電極複合体１にあらかじめ接着する必要がなくなる。したがって、接着剤の購入コストおよび接着作業のための作業コストが不要となり、１枚のセパレータ３につきそれぞれ独立したシール部材を複数枚設置する必要がなくなる上にシール部材２は特別な位置合わせを必要とせずに所定の位置に設置することが可能となる。これにより、シール部品の購入コストとシール部品の取付け作業時間が削減される。また、接着に使用した物質が溶出して燃料電池の性能を低下させるという問題が発生しないため、安価で高性能な燃料電池を提供することができる。

さらに、シール部材２のシール部材接続部２ｃと仕切り板のシール部２ｄにより積層体４と酸化剤系ガスマニホールド５および燃料系ガスマニホールド６の間のシール部が形成されるため、この部分に新たにシール部品を設置する必要がなくなり、シール部品の購入コストとシール部品の取付け作業時間が削減され、さらに安価な燃料電池を提供することができる。

［第２の実施形態］
図１１および図１２を参照して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、第１の実施形態と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。

図１１は本発明に係る燃料電池の第２の実施形態におけるセパレータとシール部材を酸化剤ガス流路溝側から見た斜視図、図１２は第２の実施形態におけるセパレータとシール部材を燃料ガス流路溝側から見た斜視図である。

第２の実施形態は、第１の実施形態における冷却水流路９がセパレータ３内に形成されていない場合に相当する。この場合は、酸化剤ガス流路溝７と燃料ガス流路溝８がともに直線的であって、互いに直交する方向に延びている。この場合のシール部材２には、仕切り板のシール部２ｄ（図１、図６など参照）がない。さらに図示の例では、シール部材接続部２ｃがセパレータ３の角部を完全に覆っておらず、セパレータ３の面に垂直な方向に延びる複数の短冊を並べた形状であり、セパレータ３の角の一部が露出している。このように、酸化剤系シール部２ａと燃料系シール部２ｂとシール部材接続部２ｃが互いに連結され、セパレータ３の角部に対してシール部材２の各方向への移動が拘束される形状であれば、シール部材接続部２ｃがセパレータ３の角部を完全に覆っていなくともよい。

［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。また、本発明の各部構成は上記実施形態に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能である。

たとえば、シール部材の各部の断面形状は長方形やその組み合わせに限らず、部分的に円形断面としたり、一部に凸部を設けたり中空の材料を使用してもよい。

また、シール部材は基本的に弾性材料からなるが、部分的に弾性材料以外が使われていてもよいことは言うまでもない。

さらに、上記実施形態では、各シール部材が、一つの長方形セパレータの両面のすべての角部（合わせて８個の角部）を一体で包み込むような構成となっているが、各シール部材が、一つのセパレータの両面のそれぞれ少なくとも二つの角部を一体で包み込むような構成であれば、従来技術に比べて、組立時の作業性が著しく向上する。

特に、各シール部材が一つのセパレータの両面それぞれの対角方向の角部を一体で包み込むような構成であれば、一旦シール部材をセパレータに取り付けると、外れにくくなるので、組立時の作業性がさらに向上する。

また、シール部材接続部２ｃおよび仕切り板のシール部２ｄが酸化剤系ガスマニホールド５および燃料系ガスマニホールド６に接しない構成としてもよい。

上記各実施形態の説明で、平面図・立面図のような表現や、上、下などの表現を用いたが、これは説明の便宜のためであって、この発明に係る燃料電池は重力方向に関係なく配置することができる。

本発明に係る燃料電池の第１の実施形態の積層体を示す展開斜視図。 図１の積層体の組み立て状態を示す立面図。 図２の膜電極複合体の模式的部分拡大立断面図。 本発明に係る燃料電池の第１の実施形態を示す斜視図。 図４の燃料電池の平断面図。 図１のセパレータとシール部材を燃料ガス流路溝側から見た斜視図。 図１のセパレータを酸化剤ガス流路溝側から見た斜視図。 図１のセパレータを燃料ガス流路溝側から見た斜視図。 図１のシール部材を酸化剤ガス流路溝側から見た斜視図。 図１のシール部材を燃料ガス流路溝側から見た斜視図。 本発明に係る燃料電池の第２の実施形態におけるセパレータとシール部材を酸化剤ガス流路溝側から見た斜視図。 本発明に係る燃料電池の第２の実施形態におけるセパレータとシール部材を燃料ガス流路溝側から見た斜視図。

符号の説明

１ ： 膜電極複合体（ＭＥＡ）
２ ： シール部材
２ａ ： 酸化剤系シール部
２ｂ ： 燃料系シール部
２ｃ ： シール部材接続部
２ｄ ： 仕切り板のシール部
３ ： セパレータ
４ ： 積層体
５ ： 酸化剤系ガスマニホールド
５ａ ： 仕切り板
６ ： 燃料系ガスマニホールド
７ ： 酸化剤ガス流路溝
８ ： 燃料ガス流路溝
９ ： 冷却水流路
２０ ： 固体高分子膜
２１ ： アノード触媒層
２２ ： カソード触媒層
２３ ： アノードガス拡散層
２４ ： カソードガス拡散層
３０ ： 酸化ガス入口配管
３１ ： 燃料ガス入口配管
３２ ： 酸化剤ガス出口配管
３３ ： 燃料ガス出口配管
３４ ： 冷却水入口配管
３５ ： 冷却水出口配管
３６ ： 締付板
３７ ： タイロッド

Claims (3)

1. 電解質層である固体高分子膜と、
   前記固体高分子膜をその両面から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と、
   前記アノード触媒層およびカソード触媒層それぞれに接してこれらの触媒層を挟み込むように配置されたアノードガス拡散層およびカソードガス拡散層と、
   前記アノードガス拡散層およびカソードガス拡散層を挟み込むように配置されて、前記アノードガス拡散層と対向する位置に燃料ガス流路溝を形成し、前記カソードガス拡散層と対向する位置に酸化剤ガス流路溝を形成する、長方形の平板状でガス不透過性のセパレータと、
   前記セパレータと前記アノードガス拡散層とが対向する位置および前記セパレータと前記カソードガス拡散層とが対向する位置に挟み込まれるように配置されて、前記セパレータの両面の四つの角部すべてを包み込んで、セパレータの両面の、前記燃料ガス流路溝および酸化剤ガス流路溝を除く部分を単体で覆うように構成され、弾性材料で形成されたシール部材と、
   を有する単電池を複数個積層した積層体を含むこと、を特徴とする燃料電池。
2. 前記積層体を構成するセパレータの少なくとも一部に冷却水流路が形成されていること、を特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記積層体の積層方向側面に沿って配置され、前記シール部材の周辺部に押し付けられてシールされて前記燃料ガス流路溝に連通する燃料系ガスマニホールドと、
   前記積層体の積層方向側面に沿って配置され、前記シール部材の周辺部に押し付けられてシールされて前記酸化剤ガス流路溝に連通する酸化剤系ガスマニホールドと、
   をさらに有すること、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。

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