JP5277112B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、電解質の両側に一対の電極が設けられる電解質・電極構造体と金属セパレータとが積層されるとともに、前記金属セパレータには、前記電極に対向して反応ガスを流通させる反応ガス流路と、前記反応ガス流路を囲繞するシール部材とが形成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（ＭＥＡ）を、一対のセパレータによって挟持した単位セルを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の単位セルを積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。

上記の燃料電池では、一方の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）が設けられるとともに、他方のセパレータの面内に、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）が設けられている。

通常、燃料電池には、燃料ガス及び酸化剤ガスを気密に保持するために、種々のシール構造が採用されている。例えば、特許文献１に開示されている燃料電池は、電解質膜の両側に第１の電極と第２の電極とを配設した電解質膜・電極構造体を備え、前記電解質膜・電極構造体を第１及び第２のセパレータ間に配設するとともに、前記第１及び第２のセパレータには、それぞれ所定の反応ガスを前記第１及び第２の電極に沿って供給する反応ガス流路が形成されている。

そして、少なくとも第１のセパレータには、前記第１のセパレータの外周縁部を覆ってシール部材が設けられるとともに、前記シール部材は、第１の電極に対向する額縁状シール面を有し、前記額縁状シール面の内周端部と、前記内周端部に隣接する反応ガス流路の凸部との間隙には、前記間隙に沿って反応ガスが流通することを阻止する複数の閉塞シールが設けられている。

上記の閉塞シールは、反応ガス流路の最外周の流路溝を閉塞することにより、反応ガスが電極反応面の外周をショートカットすることを阻止することを特徴としている。

特開２００５−１００９５０号公報

ところで、燃料電池では、薄板状の金属セパレータを採用するとともに、前記金属セパレータに設けられる反応ガス流路が、波形状を有する複数の凸部間に形成される波形流路を構成する場合がある。その際、反応ガス流路を囲繞するシール部材の直線状内周端部と、前記反応ガス流路の外周を構成する波形状凸部との間には、幅狭流路部位と幅広流路部位とが形成されている。

従って、シール部材の内周端部には、上記の特許文献と同様に、反応ガス流路の外周を構成する凸部側に突出して閉塞シールを設ける必要がある。これにより、外周側に反応ガスを集中することを阻止し、反応ガス流路全域のガス濃度を確保することが可能になる。

一方、閉塞シールは、電解質膜・電極構造体の電極面に対して積層方向に重なり合っている。このため、電極面には、閉塞シールとの重なり領域で反応ガスの供給不足が発生し、電流密度が低下して発電性能が劣化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、簡単な構成で、反応ガス流路全域にわたって反応ガス流量分布を最適化することができ、発電性能の向上を図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、電解質の両側に一対の電極が設けられる電解質・電極構造体と金属セパレータとが積層されるとともに、前記金属セパレータには、前記電極に対向して反応ガスを流通させる反応ガス流路と、前記反応ガス流路を囲繞するシール部材とが形成される燃料電池に関するものである。

反応ガス流路は、波形状を有する複数の波状凸部間に形成される一方、シール部材の前記反応ガス流路を周回する内周端部には、前記反応ガス流路の最外周を構成する前記波状凸部との間隙に突出して閉塞シール部が設けられるとともに、前記閉塞シール部には、前記反応ガスの流れ方向に延在する溝部が形成されている。

また、溝部は、閉塞シール部の電極に向かう面に形成されることが好ましい。

さらに、閉塞シール部の端部は、電解質・電極構造体を挟んで積層される他の金属セパレータの波状凸部に対向するとともに、溝部は、前記他の金属セパレータの他の反応ガス流路に対向することが好ましい。

本発明によれば、シール部材の内周端部には、反応ガス流路の外周を構成する波状凸部との間隙に突出して閉塞シール部が設けられている。このため、反応ガス流路では、圧損の低下による反応ガスのショートカットを確実に阻止することができる。

しかも、閉塞シール部には、反応ガスの流れ方向に延在する溝部が形成されるため、前記閉塞シール部に対面する電極面に、前記反応ガスを供給することが可能になる。これにより、簡単な構成で、反応ガス流路全域にわたって反応ガス流量分布を最適化することができ、燃料電池の発電性能を良好に向上されることが可能になる。

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第１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２金属セパレータの正面説明図である。 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。 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。

図１及び図２に示すように、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池１０は、電解質膜・電極構造体１２と、前記電解質膜・電極構造体１２を挟持する第１金属セパレータ１４及び第２金属セパレータ１６とを備える。

第１金属セパレータ１４及び第２金属セパレータ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により構成される。第１金属セパレータ１４及び第２金属セパレータ１６は、平面が矩形状を有するとともに、金属製薄板を波形状にプレス加工することにより、断面凹凸形状に成形される。

図１に示すように、第１金属セパレータ１４及び第２金属セパレータ１６は、縦長形状を有するとともに、長辺が重力方向（矢印Ｃ方向）に向かい且つ短辺が水平方向（矢印Ｂ方向）に向かうように構成される。なお、長辺が水平方向に向かい且つ短辺が重力方向に向かうように構成してもよく、また、セパレータ面が水平方向に向かうように構成してもよい。

燃料電池１０の長辺方向の上端両角部近傍には、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１８ａ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供給連通孔２０ａとが設けられる。

燃料電池１０の長辺方向の下端両角部近傍には、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２０ｂと、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔１８ｂとが設けられる。

燃料電池１０の短辺方向（矢印Ｂ方向）の両端縁部上方には、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２つの冷却媒体供給連通孔２２ａが設けられるとともに、前記燃料電池１０の両端縁部下方には、前記冷却媒体を排出するための２つの冷却媒体排出連通孔２２ｂが設けられる。

電解質膜・電極構造体１２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２４と、前記固体高分子電解質膜２４を挟持するカソード側電極２６及びアノード側電極２８とを備える。

カソード側電極２６及びアノード側電極２８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２４の両面に形成される。

図１及び図３に示すように、第１金属セパレータ１４の電解質膜・電極構造体１２に向かう面１４ａには、酸化剤ガス供給連通孔１８ａと酸化剤ガス排出連通孔１８ｂとを連通する酸化剤ガス流路（反応ガス流路）３０が形成される。酸化剤ガス流路３０は、矢印Ｃ方向に延在する複数本の波状凸部３０ａ間に形成されるとともに、前記酸化剤ガス流路３０の入口近傍及び出口近傍には、それぞれ複数のエンボスを有する入口バッファ部３２ａ及び出口バッファ部３２ｂが設けられる。

図４に示すように、第２金属セパレータ１６の電解質膜・電極構造体１２に向かう面１６ａには、燃料ガス供給連通孔２０ａと燃料ガス排出連通孔２０ｂとを連通する燃料ガス流路（反応ガス流路）３４が形成される。燃料ガス流路３４は、矢印Ｃ方向に延在する複数本の波状凸部３４ａ間に形成されるとともに、前記燃料ガス流路３４の入口近傍及び出口近傍には、それぞれ複数のエンボスを有する入口バッファ部３６ａ及び出口バッファ部３６ｂが設けられる。

第２金属セパレータ１６の面１６ｂと第１金属セパレータ１４の面１４ｂとの間には、冷却媒体供給連通孔２２ａ、２２ａと冷却媒体排出連通孔２２ｂ、２２ｂとに連通する冷却媒体流路３８が形成される（図１参照）。この冷却媒体流路３８は、酸化剤ガス流路３０の波状凸部３０ａと燃料ガス流路３４の波状凸部３４ａとを重ね合わせることにより、矢印Ｂ方向に延在して形成される。冷却媒体流路３８の入口近傍及び出口近傍には、それぞれ複数のエンボスを有する入口バッファ部４０ａ及び出口バッファ部４０ｂが設けられる。

第１金属セパレータ１４の面１４ａ、１４ｂには、この第１金属セパレータ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金属セパレータ１６の面１６ａ、１６ｂには、この第２金属セパレータ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。第１シール部材４２及び第２シール部材４４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。

図３に示すように、第１金属セパレータ１４の面１４ａには、第１シール部材４２を切り欠いて酸化剤ガス供給連通孔１８ａと酸化剤ガス流路３０とを連通する複数の連結通路４６ａが形成される。面１４ａには、第１シール部材４２を切り欠いて酸化剤ガス排出連通孔１８ｂと酸化剤ガス流路３０とを連通する複数の連結通路４６ｂが形成される。

第１シール部材４２の酸化剤ガス流路３０を周回する内周端部には、前記酸化剤ガス流路３０の最外周を構成する波状凸部３０ａａとの間隙に突出して閉塞シール部４８が設けられる。閉塞シール部４８は、酸化剤ガスのショートカットを防止し得る部位、例えば、第１金属セパレータ１４の長手方向上端縁部と長手方向下端縁部とに、それぞれ２つずつ（１つずつ又は３つ以上ずつでもよい）設けられるとともに、電解質膜・電極構造体１２のカソード側電極２６に当接する。

閉塞シール部４８は、第１シール部材４２に一体成形されており、例えば、成形時に第１金属セパレータ１４の面１４ａから外方に突出する、所謂、フラッパ形状に設定されることが好ましい。閉塞シール部４８には、酸化剤ガスの流れ方向に延在する溝部４８ａが形成される。

図４に示すように、第２金属セパレータ１６の面１６ａには、第２シール部材４４を切り欠いて燃料ガス供給連通孔２０ａと燃料ガス流路３４とを連通する複数の連結通路５０ａが形成される。面１６ａには、第２シール部材４４を切り欠いて燃料ガス排出連通孔２０ｂと燃料ガス流路３４とを連通する複数の連結通路５０ｂが形成される。

第２シール部材４４の燃料ガス流路３４を周回する内周端部には、前記燃料ガス流路３４の最外周を構成する波状凸部３４ａａとの間隙に突出して閉塞シール部５２が設けられる。閉塞シール部５２は、燃料ガスのショートカットを防止し得る部位、例えば、第２金属セパレータ１６の長手方向上端縁部と長手方向下端縁部とに、それぞれ２つずつ（１つずつ又は３つ以上ずつでもよい）設けられるとともに、電解質膜・電極構造体１２のアノード側電極２８に当接する（図２参照）。

閉塞シール部５２は、第２シール部材４４に一体成形されており、例えば、成形時に第２金属セパレータ１６の面１６ａから外方に突出する、所謂、フラッパ形状に設定されることが好ましい。

図２に示すように、閉塞シール部５２の端部は、電解質膜・電極構造体１２を挟んで積層される第１金属セパレータ１４の波状凸部３０ａに対向する。閉塞シール部５２には、酸化剤ガスの流れ方向に延在する溝部５２ａが形成されるとともに、前記溝部５２ａは、第１金属セパレータ１４の酸化剤ガス流路３０に対向する。

図示しないが、第１金属セパレータ１４に設けられる閉塞シール部４８の端部は、上記の閉塞シール部５２と同様に、電解質膜・電極構造体１２を挟んで積層される第２金属セパレータ１６の波状凸部３４ａに対向する。閉塞シール部４８の溝部４８ａは、第２金属セパレータ１６の燃料ガス流路３４に対向する。

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、酸化剤ガス供給連通孔１８ａには、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２０ａには、水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、一対の冷却媒体供給連通孔２２ａ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。

このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給連通孔１８ａから第１金属セパレータ１４の酸化剤ガス流路３０に導入される。酸化剤ガスは、図３に示すように、酸化剤ガス流路３０に沿って矢印Ｃ方向（重力方向）に移動し、電解質膜・電極構造体１２のカソード側電極２６に供給される。

一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔２０ａから第２金属セパレータ１６の燃料ガス流路３４に供給される。燃料ガスは、図４に示すように、燃料ガス流路３４に沿って重力方向（矢印Ｃ方向）に移動し、電解質膜・電極構造体１２のアノード側電極２８に供給される（図１及び図２参照）。

従って、電解質膜・電極構造体１２では、カソード側電極２６に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極２８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、電解質膜・電極構造体１２のカソード側電極２６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１８ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。一方、電解質膜・電極構造体１２のアノード側電極２８に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔２０ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。

また、一対の冷却媒体供給連通孔２２ａに供給された冷却媒体は、図１に示すように、第１金属セパレータ１４及び第２金属セパレータ１６間の冷却媒体流路３８に導入される。冷却媒体は、一旦矢印Ｂ方向（水平方向）に沿って流動した後、矢印Ｃ方向（重力方向）に移動して電解質膜・電極構造体１２を冷却する。この冷却媒体は、矢印Ｂ方向両側に移動した後、一対の冷却媒体排出連通孔２２ｂに排出される。

この場合、第１の実施形態では、例えば、図４に示すように、第２金属セパレータ１６に設けられる燃料ガス流路３４は、波状凸部３４ａ間に形成されるとともに、第２シール部材４４の燃料ガス流路３４を周回する内周端部は、直線状に成形されている。そして、第２シール部材４４の内周端部には、燃料ガス流路３４の最外周を構成する波状凸部３４ａａとの間隙に突出して一以上の閉塞シール部５２が設けられるとともに、前記閉塞シール部５２には、燃料ガスの流れ方向に延在する溝部５２ａが形成されている。

このように、燃料ガス流路３４の最外周を構成する波状凸部３４ａａと、第２シール部材４４の直線状内周端部との間には、前記燃料ガス流路３４の各波状凸部３４ａ間の幅寸法よりも幅広な間隙が形成されて圧損が低下し易くなる部位に、閉塞シール部５２が突出して設けられている。従って、第２シール部材４４の内周端部と波状凸部３４ａａとの間隙には、圧損の低下による燃料ガスのショートカットが発生することを確実に阻止することができる。

しかも、閉塞シール部５２には、燃料ガスの流れ方向に延在する溝部５２ａが形成されている。このため、閉塞シール部５２に対面するアノード側電極２８の電極面に対して燃料ガスを供給することが可能になる。

特に、図２に示すように、閉塞シール部５２の端部は、電解質膜・電極構造体１２を挟んで積層される第１金属セパレータ１４の波状凸部３０ａに対向するとともに、溝部５２ａは、前記第１金属セパレータ１４の酸化剤ガス流路３０に対向している。従って、アノード側電極２８の端部にも燃料ガスを供給することができ、この溝部５２ａに対向する酸化剤ガス流路３０に供給される酸化剤ガスと前記燃料ガスとが反応して、広域な発電領域を確保することが可能になる。

これにより、簡単な構成で、燃料ガス流路３４の全域にわたって燃料ガス流量分布を最適化することができ、燃料電池１０の発電性能を良好に向上させることが可能になるという効果が得られる。

なお、酸化剤ガス流路３０においても同様に、第１シール部材４２の酸化剤ガス流路３０を周回する内周端部に、前記酸化剤ガス流路３０側に突出する閉塞シール部４８が設けられるとともに、前記閉塞シール部４８には、酸化剤ガスの流れ方向に延在する溝部４８ａが形成されている。このため、酸化剤ガス流路３０の全域にわたって酸化剤ガス流量分布を最適化することができ、上記の燃料ガス流路３４と同様の効果が得られる。

図５は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池６０の要部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、電解質膜・電極構造体６２と、前記電解質膜・電極構造体６２を挟持する第１金属セパレータ６４及び第２金属セパレータ６６とを備える。第１金属セパレータ６４に一体成形される第１シール部材４２は、内周端部に酸化剤ガス流路３０側に突出する閉塞シール部６８を有する。

閉塞シール部６８は、閉塞シール部４８と同様に、酸化剤ガス流路３０の酸化剤ガスが流れ易い部位に対応して形成される。閉塞シール部６８には、酸化剤ガスの流れ方向に延在する溝部７０と、積層方向（矢印Ａ方向）に貫通する孔部７２とが形成される。

図６及び図７に示すように、第２金属セパレータ６６に一体成形される第２シール部材４４の内周端部には、燃料ガス流路３４側に突出する閉塞シール部７４が形成される。閉塞シール部７４には、燃料ガスの流れ方向に延在する溝部７６と、積層方向に貫通する孔部７８とが形成される。

このように構成される第２の実施形態では、酸化剤ガス及び燃料ガスがショートカットし易い部位に対応して閉塞シール部６８、７４が設けられるとともに、前記閉塞シール部６８、７４には、酸化剤ガス及び燃料ガスの流れを許容する溝部７０、７６が設けられている。

従って、酸化剤ガス及び燃料ガスのショートカットを確実に阻止するとともに、簡単な構成で、酸化剤ガス流路３０及び燃料ガス流路３４の全域にわたって酸化剤ガス流量分布及び燃料ガス流量分布を最適化することができる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

さらに、閉塞シール部６８、７４には、孔部７２、７８が貫通形成されている。これにより、各閉塞シール部６８、７４内に、酸化剤ガス及び燃料ガスを十分に供給することができ、効率的な発電が一層容易に遂行されるという利点が得られる。

１０、６０…燃料電池
１２、６２…電解質膜・電極構造体
１４、１６、６４、６６…金属セパレータ
１８ａ…酸化剤ガス供給連通孔
１８ｂ…酸化剤ガス排出連通孔
２０ａ…燃料ガス供給連通孔
２０ｂ…燃料ガス排出連通孔
２２ａ…冷却媒体供給連通孔
２２ｂ…冷却媒体排出連通孔
２４…固体高分子電解質膜
２６…カソード側電極
２８…アノード側電極
３０…酸化剤ガス流路
３０ａ、３０ａａ、３４ａ、３４ａａ…波状凸部
３４…燃料ガス流路
３８…冷却媒体流路
４２、４４…シール部材
４８、５２、６８、７４…閉塞シール部
４８ａ、５２ａ、７０、７６…溝部
７２、７８…孔部

Claims (3)

1. 電解質の両側に一対の電極が設けられる電解質・電極構造体と金属セパレータとが積層されるとともに、前記金属セパレータには、前記電極に対向して反応ガスを流通させる反応ガス流路と、前記反応ガス流路を囲繞するシール部材とが形成される燃料電池であって、
   前記反応ガス流路は、波形状を有する複数の波状凸部間に形成される一方、
   前記シール部材の前記反応ガス流路を周回する内周端部には、前記反応ガス流路の最外周を構成する前記波状凸部との間隙に突出して閉塞シール部が設けられるとともに、
   前記閉塞シール部には、前記反応ガスの流れ方向に延在する溝部が形成されることを特徴とする燃料電池。
2. 請求項１記載の燃料電池において、前記溝部は、前記閉塞シール部の前記電極に向かう面に形成されることを特徴とする燃料電池。
3. 請求項１又は２記載の燃料電池において、前記閉塞シール部の端部は、前記電解質・電極構造体を挟んで積層される他の金属セパレータの前記波状凸部に対向するとともに、
   前記溝部は、前記他の金属セパレータの他の反応ガス流路に対向することを特徴とする燃料電池。

Images