JP5306615B2 - 燃料電池 - Google Patents

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Description

本発明は、電解質の両側に電極を配設した電解質・電極構造体を第1金属セパレータ及び第2金属セパレータで挟持す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発電セルが構成されている。通常、この発電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。
燃料電池では、アノード側電極に対向するセパレータ面には、燃料ガス(以下、反応ガスともいう)を流すための流路が形成される一方、カソード側電極に対向するセパレータ面には、酸化剤ガス(以下、反応ガスともいう)を流すための流路が設けられている。さらに、各発電セル毎あるいは所定数の発電セル毎に、セパレータ間に冷却媒体を流すための流路が形成されている。
一般的に、燃料電池は、セパレータの積層方向に貫通する入口連通孔及び出口連通孔が設けられた、所謂、内部マニホールドを構成している。そして、燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却媒体は、それぞれの入口連通孔から燃料ガス流路、酸化剤ガス流路及び冷却媒体流路に供給された後、それぞれの出口連通孔に排出されている。
その際、セパレータとして金属セパレータが用いられる場合、この金属セパレータに、直接、入口連通孔及び出口連通孔を形成することができないため、種々の工夫が施されている。
例えば、特許文献1に開示されている燃料電池用セパレータは、図12に示すように、金属製部材からなる中央部1と、樹脂製部材からなり前記中央部1の外周に設けられる外周部2と、樹脂製部材からなり前記中央部1及び前記外周部2間に介在し、且つ前記中央部1の外周縁部1a及び前記外周部2の内周縁部2aの近傍を少なくとも覆う結合部3とを有している。外周部2には、酸素や生成水の通路4が形成されるとともに、結合部3には、前記通路4を囲うようにリブ5が形成されている。
特開2005−267912号公報
ところで、上記の特許文献1では、中央部1の外周に、例えば、シリコーンゴム等の熱硬化性樹脂製部材の結合部3を介して、例えば、エンジニアリングプラスチック等の熱可塑性樹脂製部材の外周部2が結合されている。このため、金属製部材である中央部1の外周には、樹脂製部材である外周部2及び結合部3の樹脂製結合部材が設けられることになる。これにより、樹脂製結合部材に対応してセパレータ強度が低下するとともに、耐久性が低下するおそれがある。
本発明はこの種の問題を解決するものであり、強度及び耐久性を有効に向上させるとともに、生産性を高め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、電解質の両側に電極を配設した電解質・電極構造体を第1金属セパレータ及び第2金属セパレータで挟持する燃料電池に関するものである。第1金属セパレータと第2金属セパレータは、各々が金属プレートを備え、第1金属セパレータと第2金属セパレータの各々の金属プレートの一方の面に、又は第1金属セパレータの金属プレートの一方の面に樹脂枠部材のみが当該金属プレートと一体に成形されるとともに、第1金属セパレータと第2金属セパレータの各々の金属プレートの他方の面に、又は第1金属セパレータの金属プレートの他方の面にゴムシールのみが当該金属プレートと一体に成形される。向かい合う当該金属プレートに形成された樹脂枠部材とゴムシールは互いに当接する。
また、第1金属セパレータには、反応ガス及び冷却媒体を電解質・電極構造体、第1金属セパレータ及び第2金属セパレータの積層方向に流す流体連通孔が、金属プレート、樹脂枠部材及びゴムシールを貫通して形成されることが好ましい。
さらに、第1金属セパレータの金属プレートに形成されたゴムシールは、電解質・電極構造体、第1金属セパレータ及び第2金属セパレータの積層方向に対して互いにオフセットして設けられる燃料ガス用シール部、酸化剤ガス用シール部及び冷却媒体用シール部を有することが好ましい。
本発明では、金属プレートの一方の面に樹脂枠部材が設けられるとともに、前記金属プレートの他方の面にゴムシールが設けられている。このため、金属プレート及び樹脂枠部材を介して、金属セパレータ全体の強度を有効に向上させることができるとともに、耐久性を高めることが可能になる。
しかも、金属プレートの一方の面にのみゴムシールが設けられるため、この金属プレートに対するゴムシール成形、例えば、LIMS(Liquid Injection Molding System)成形の回数が有効に削減される。従って、製造費の削減を図るとともに、金属セパレータ全体を効率的に製造することができる。
図1は、本発明の第1の実施形態に係る燃料電池10を構成する発電セル12の分解斜視説明図である。
燃料電池10は、複数の発電セル12を矢印A方向に積層しており、各発電セル12は、電解質膜・電極構造体(電解質・電極構造体)14を第1金属セパレータ16及び第2金属セパレータ18で挟持する。
電解質膜・電極構造体14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(電解質)20と、前記固体高分子電解質膜20を挟持するカソード側電極22及びアノード側電極24とを備える。カソード側電極22及びアノード側電極24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を前記ガス拡散層の表面に一様に塗布して形成された電極触媒層(図示せず)とを有する。アノード側電極24は、カソード側電極22及び固体高分子電解質膜20よりも小さな表面積を有する。
第1金属セパレータ16及び第2金属セパレータ18の矢印B方向の一端縁部には、矢印A方向に互いに連通して、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26a、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔28a、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔30bが、矢印C方向(鉛直方向)に配列して設けられる。
第1金属セパレータ16及び第2金属セパレータ18の矢印B方向の他端縁部には、積層方向である矢印A方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔30a、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔28b、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔26bが、矢印C方向に配列して設けられる。
図2に示すように、第1金属セパレータ16の電解質膜・電極構造体14に向かう面16aには、酸化剤ガス流路32が形成される。酸化剤ガス流路32は、面16a側に突出して矢印B方向に延在する凸部32aと、凹部32bとを、矢印C方向に交互に設けることにより、矢印B方向に直線状に形成されるとともに、前記酸化剤ガス流路32の両側には、エンボス部32cが形成される。
図1に示すように、第2金属セパレータ18の電解質膜・電極構造体14に向かう面18aには、燃料ガス流路34が形成される。燃料ガス流路34は、面18a側に突出して矢印B方向に延在する凸部34aと、凹部34bとを、矢印C方向に交互に設けることにより、矢印B方向に直線状に形成されるとともに、前記燃料ガス流路34の両側には、エンボス部34cが形成される。
第1金属セパレータ16の面16bと第2金属セパレータ18の面18bとには、それぞれ酸化剤ガス流路32及び燃料ガス流路34を構成する凹凸形状部が反転することによって、冷却媒体流路36が一体に形成される。
図2及び図3に示すように、第1金属セパレータ16は、波形状に成形された金属プレート38を有し、この金属プレート38の一方の面(面16a側)に、前記金属プレート38の端部を覆う樹脂枠部材40が設けられるとともに、前記金属プレート38の他方の面(面16b側)に、ゴムシール42が設けられる。
樹脂枠部材40は、例えば、ポリエチレン(PE)やポリプロピレン(PP)等の汎用プラスチックの他、ポリアミド(PA)、ポリカーボネト(PC)又はポリエチレンテレフタレート(PET)等のエンジニアリングプラスチック、あるいは、ポリアミドイミド(PAI)、フッ素樹脂又は液晶ポリマ(LCP)等のスーパーエンジニアリングプラスチック等が使用される。この樹脂枠部材40は、金属プレート38の一方の面側に成形型(図示せず)を用いて射出成形により一体化される。
ゴムシール42は、例えば、EPDM(エチレン−プロピレンゴム)、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が用いられる。このゴムシール42は、金属プレート38の他方の面に、前処理としてプライマ塗布工程を行った後、射出成形により一体化される。
図2に示すように、樹脂枠部材40は、酸化剤ガス流路32を囲繞して第1金属セパレータ16の面16aに設けられるとともに、酸化剤ガス入口連通孔26a及び酸化剤ガス出口連通孔26bに向かって延在する入口流路44a及び出口流路44bが形成される。
ゴムシール42は、図1に示すように、酸化剤ガス入口連通孔26a、酸化剤ガス出口連通孔26b、燃料ガス入口連通孔30a及び燃料ガス出口連通孔30bを囲繞するとともに、冷却媒体入口連通孔28a及び冷却媒体出口連通孔28bを冷却媒体流路36に連通させる凸状シール部46を有する。
第1金属セパレータ16では、酸化剤ガス入口連通孔26a、冷却媒体入口連通孔28a、燃料ガス出口連通孔30b、燃料ガス入口連通孔30a、冷却媒体出口連通孔28b及び酸化剤ガス出口連通孔26bが、金属プレート38、樹脂枠部材40及びゴムシール42を貫通して形成される。なお、以下に説明する第2金属セパレータ18においても、同様である。
第2金属セパレータ18は、波形状に成形された金属プレート48を備える。この金属プレート48の一方の面(面18b側)に、樹脂枠部材50が設けられるとともに、前記金属プレート48の他方の面(面18a側)に、ゴムシール52が設けられる(図1及び図3参照)。樹脂枠部材50は、樹脂枠部材40と同様に構成され、ゴムシール52は、ゴムシール42と同様に構成される。
ゴムシール52は、図1に示すように、燃料ガス流路34を囲繞して設けられるとともに、前記燃料ガス流路34と燃料ガス入口連通孔30a及び燃料ガス出口連通孔30bとを連通する第1凸状シール部54aと、酸化剤ガス入口連通孔26a、酸化剤ガス出口連通孔26b、冷却媒体入口連通孔28a及び冷却媒体出口連通孔28bを囲繞してシールする第2凸状シール部54bとを有する。
燃料ガス入口連通孔30aと燃料ガス流路34との間には、入口流路56aが形成されるとともに、燃料ガス出口連通孔30bと前記燃料ガス流路34との間には、出口流路56bが形成される。
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。
図1に示すように、酸化剤ガス入口連通孔26a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、燃料ガス入口連通孔30aには、水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔28aには、純水やエチレングリコール等の冷却媒体が供給される。
酸化剤ガス入口連通孔26aに供給された酸化剤ガスは、図3に示すように、第1金属セパレータ16に設けられている入口流路44aを通って酸化剤ガス流路32に供給される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路32に沿って矢印B方向に移動した後、出口流路44bから酸化剤ガス出口連通孔26bに排出される(図1参照)。
燃料ガス入口連通孔30aに供給された燃料ガスは、図4に示すように、第2金属セパレータ18に設けられている入口流路56aを通って燃料ガス流路34に供給される。燃料ガスは、燃料ガス流路34に沿って矢印B方向に移動した後、出口流路56bから燃料ガス出口連通孔30bに排出される(図1参照)。
これにより、電解質膜・電極構造体14では、カソード側電極22に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極24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、発電が行われる。
また、冷却媒体入口連通孔28aに供給された冷却媒体は、第1金属セパレータ16と第2金属セパレータ18との間に形成される冷却媒体流路36に導入される(図5参照)。このため、冷却媒体は、矢印B方向に移動しながら電解質膜・電極構造体14を冷却した後、冷却媒体出口連通孔28bに排出される(図1参照)。
この場合、第1の実施形態では、第1金属セパレータ16を構成する金属プレート38の一方の面に、樹脂枠部材40が設けられるとともに、前記金属プレート38の他方の面に、ゴムシール42が設けられている。このため、第1金属セパレータ16は、金属プレート38及び樹脂枠部材40を介して、この第1金属セパレータ16全体としての強度を有効に向上させるとともに、耐久性を高めることが可能になるという効果が得られる。
しかも、第1金属セパレータ16では、金属プレート38の1つの面にのみゴムシール42が設けられるため、この金属プレート38に対するLIS成形の回数が有効に削減される。従って、特に、一方の面のみに前処理のプライマ塗布工程を行えばよく、ゴムシール成形処理にかかる時間が半減される。その上、塗布費用及び材料費も半減されるため、第1金属セパレータ16の製造費を有効に削減するとともに、前記第1金属セパレータ16全体を効率的に製造することができる。
さらにまた、例えば、第1金属セパレータ16では、酸化剤ガス入口連通孔26a、冷却媒体入口連通孔28a、燃料ガス出口連通孔30b、燃料ガス入口連通孔30a、冷却媒体出口連通孔28b及び酸化剤ガス出口連通孔26bが、金属プレート38、樹脂枠部材40及びゴムシール42を貫通して形成されている。これにより、連通孔周辺部における強度低下を有効に阻止し、第1金属セパレータ16全体の剛性が有効に向上するという利点がある。なお、第2金属セパレータ18では、上記の第1金属セパレータ16と同様の効果が得られる。
図6は、本発明の第2の実施形態に係る燃料電池60の一部断面説明図である。
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。また、以下に説明する第3及び第4の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。
燃料電池60は、複数の発電セル62を矢印A方向に積層しており、前記発電セル62は、電解質膜・電極構造体14を第1金属セパレータ64及び第2金属セパレータ66で挟持する。第1金属セパレータ64は、第2金属セパレータ66よりも大きな外形寸法に設定される。
第1金属セパレータ64は、金属プレート68を有し、この金属プレート68の一方の面(隣接する発電セル62を構成する第2金属セパレータ66に向かう面)に、樹脂枠部材70が設けられる。金属プレート68の他方の面(電解質膜・電極構造体14に向かう面)には、ゴムシール72が設けられる。
このゴムシール72は、電解質膜・電極構造体14を構成するアノード側電極24の外方で且つ固体高分子電解質膜20に直接接触する第1凸状シール部74aと、前記電解質膜・電極構造体14の外方に位置して第2金属セパレータ66に当接する第2凸状シール部74bと、前記第2金属セパレータ66の外周に位置し、隣り合う発電セル62を構成する第1金属セパレータ64の樹脂枠部材70に当接する第3凸状シール部74cとを有する。
第1凸状シール部74aは、燃料ガス用シール部を構成し、第2凸状シール部74bは、酸化剤ガス用シール部を構成し、第3凸状シール部74cは、冷却媒体用シール部を構成し、これらが積層方向に対し互いにオフセットして設けられる。
このように構成される第2の実施形態では、第1金属セパレータ64の一方の面側に設けられるゴムシール72は、同一面内に第1凸状シール部74a、第2凸状シール部74b及び第3凸状シール部74cを有している。このため、シール高さを有効に保持することができ、ゴムシール72の耐久性が向上するという効果が得られる。
図7は、本発明の第3の実施形態に係る燃料電池80を構成する発電セル82の分解斜視説明図である。
発電セル82は、電解質膜・電極構造体84を第1金属セパレータ86及び第2金属セパレータ88で挟持する。電解質膜・電極構造体84は、固体高分子電解質膜20aと、前記固体高分子電解質膜20aを挟持するカソード側電極22a及びアノード側電極24aとを備える。カソード側電極22a及びアノード側電極24aは、固体高分子電解質膜20aよりも小さな表面積に設定される。
第1金属セパレータ86は、波形状に成形される金属プレート90を備える。この金属プレート90の一方の面、すなわち、冷却媒体流路36が形成される面には、樹脂枠部材92が設けられるとともに、前記金属プレート90の他方の面、すなわち、酸化剤ガス流路32が形成される面には、ゴムシール94が設けられる(図7〜図9参照)。
図8及び図9に示すように、ゴムシール94は、酸化剤ガス入口連通孔26a及び酸化剤ガス出口連通孔26bを酸化剤ガス流路32に連通するとともに、燃料ガス入口連通孔30a、冷却媒体出口連通孔28b、冷却媒体入口連通孔28a及び燃料ガス出口連通孔30bを周回シールする凸状シール部96を有する。
第2金属セパレータ88は、金属プレート98を備えるとともに、前記金属プレート98の両面には、ゴムシール100が一体成形される。このゴムシール100の一方の面には、燃料ガス入口連通孔30a及び燃料ガス出口連通孔30bを燃料ガス流路34に連通させる第1凸状シール部102aが設けられるとともに、他方の面には、冷却媒体入口連通孔28a及び冷却媒体出口連通孔28bを冷却媒体流路36に連通する第2凸状シール部102bが設けられる。
このように構成される第3の実施形態では、第1金属セパレータ86は、金属プレート90の一方の面に樹脂枠部材92を設けるとともに、他方の面にゴムシール94を設けており、上記の第1の実施形態と同様の効果が得られる。
図10は、本発明の第4の実施形態に係る燃料電池110を構成する発電セルユニット112の分解斜視説明図であり、図11は、前記燃料電池110の要部断面説明図である。
燃料電池110は、第1の実施形態の燃料電池10に対して、冷却媒体流路36を複数、例えば、2つの電解質膜・電極構造体14a、14b毎に形成する、所謂、間引き冷却構造を採用する。発電セルユニット112は、第2金属セパレータ18、電解質膜・電極構造体14a、中間金属セパレータ114、電解質膜・電極構造体14b及び第1金属セパレータ16を矢印A方向に積層して構成される。
中間金属セパレータ114は、電解質膜・電極構造体14aに向かう面に、酸化剤ガス流路32を設けるとともに、電解質膜・電極構造体14bに向かう面に、燃料ガス流路34を設ける。中間金属セパレータ114は、金属プレート116を備えるとともに、この金属プレート116の酸化剤ガス流路32側の面には、樹脂枠部材118が設けられるとともに、前記金属プレート116の燃料ガス流路34側の面には、ゴムシール120が設けられる。
ゴムシール120は、燃料ガス用シール部を構成し、電解質膜・電極構造体14bの固体高分子電解質膜20の外周縁部に当接する第1凸状シール部122aと、前記電解質膜・電極構造体14bの外周に位置し、第1金属セパレータ16の樹脂枠部材40に当接する第2凸状シール部122bとを有する。
これにより、第4の実施形態では、第1金属セパレータ16、第2金属セパレータ18及び中間金属セパレータ114が、一方の面に樹脂枠部材40、50及び118を設けるとともに、他方の面に、ゴムシール42、52及び120を設けており、上記の第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を構成する発電セルの分解斜視説明図である。 前記発電セルを構成する第1金属セパレータの正面説明図である。 前記燃料電池の、図1中、III−III線断面説明図である。 前記燃料電池の、図1中、IV−IV線断面説明図である。 前記燃料電池の、図1中、V−V線断面説明図である。 本発明の第2の実施形態に係る燃料電池の一部断面説明図である。 本発明の第3の実施形態に係る燃料電池を構成する発電セルの分解斜視説明図である。 前記発電セルを構成する第1金属セパレータの正面説明図である。 前記燃料電池の要部断面説明図である。 本発明の第4の実施形態に係る燃料電池を構成する発電セルユニットの分解斜視説明図である。 前記燃料電池の要部断面説明図である。 特許文献1のセパレータの説明図である。
符号の説明
10、60、80、110…燃料電池 12、62、82…発電セル
14、14a、14b、84…電解質膜・電極構造体
16、18、64、66、86、88、114…金属セパレータ
20、20a…固体高分子電解質膜 22、22a…カソード側電極
24、24a…アノード側電極 26a…酸化剤ガス入口連通孔
26b…酸化剤ガス出口連通孔 28a…冷却媒体入口連通孔
28b…冷却媒体出口連通孔 30a…燃料ガス入口連通孔
30b…燃料ガス出口連通孔 32…酸化剤ガス流路
34…燃料ガス流路 36…冷却媒体流路
38、48、68、90、98、116…金属プレート
40、50、70、92、118…樹脂枠部材
42、52、72、94、100、120…ゴムシール
46、54a、54b、74a〜74c、96、102a、102b、122a、122b…凸状シール部
112…発電セルユニット

Claims (3)

  1. 電解質の両側に電極を配設した電解質・電極構造体を第1金属セパレータ及び第2金属セパレータで挟持する燃料電池であって、
    前記第1金属セパレータと前記第2金属セパレータは、各々が金属プレートを備え、
    前記第1金属セパレータと前記第2金属セパレータの各々の前記金属プレートの一方の面に、又は前記第1金属セパレータの前記金属プレートの一方の面に樹脂枠部材のみが当該金属プレートと一体に成形されるとともに、
    前記第1金属セパレータと前記第2金属セパレータの各々の前記金属プレートの他方の面に、又は前記第1金属セパレータの前記金属プレートの他方の面にゴムシールのみが当該金属プレートと一体に成形され、
    向かい合う当該金属プレートに形成された前記樹脂枠部材と前記ゴムシールは互いに当接す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、前記第1金属セパレータには、反応ガス及び冷却媒体を前記電解質・電極構造体、前記第1金属セパレータ及び前記第2金属セパレータの積層方向に流す流体連通孔が、前記金属プレート、前記樹脂枠部材及び前記ゴムシールを貫通して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、前記第1金属セパレータの前記金属プレートに形成された前記ゴムシールは、前記電解質・電極構造体、前記第1金属セパレータ及び前記第2金属セパレータの積層方向に対して互いにオフセットして設けられる燃料ガス用シール部、酸化剤ガス用シール部及び冷却媒体用シール部を有することを特徴とする燃料電池。
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