JP5318715B2

JP5318715B2 - 固体高分子型燃料電池

Info

Publication number: JP5318715B2
Application number: JP2009219209A
Authority: JP
Inventors: 優小田; 雅章坂野; 浩相馬
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2009-09-24
Filing date: 2009-09-24
Publication date: 2013-10-16
Anticipated expiration: 2029-09-24
Also published as: JP2011070822A

Description

本発明は、電解質膜の両側に第１電極と該第１電極よりも小さな表面積を有する第２電極とを配設した矩形状の電解質膜・電極構造体を備え、前記電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層される固体高分子型燃料電池に関する。

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発電ユニットを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数（例えば、数百）の発電ユニットを積層することにより、例えば、車載用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、電解質膜・電極構造体が、その中心点を通る積層方向の軸に対して回転対称に構成されない場合がある。従って、燃料電池内で電解質膜・電極構造体を逆向きに組み付けるおそれがあり、この不具合を回避するために、例えば、特許文献１に開示されている固体高分子電解質型燃料電池が知られている。

この燃料電池は、水素イオン伝導性の高分子電解質膜、及び前記高分子電解質膜を挟むカソード及びアノードを具備し、前記カソード及び前記アノードがそれぞれ触媒層及びガス拡散層からなる複数の膜・電極接合体（ＭＥＡ）、並びに前記アノードに対向する面に燃料ガスを供給・排出するための燃料ガス流路を有するアノード側セパレータ、前記カソードに対向する面に酸化剤ガスを供給・排出するための酸化剤ガス流路を有するカソード側セパレータを備えている。

そして、触媒層又はガス拡散層の少なくとも１箇所の角部がカットされたコーナカット部により、燃料電池にマーキングが施されている。これにより、アノードとカソードとの識別が可能になり、誤組み合わせや誤組み立てを防止することができる、としている。

特開２００３−３３１８５１号公報

ところで、ＭＥＡの電極面全体にガスを均一に供給することが可能なガス流路を備えた燃料電池では、触媒層又はガス拡散層の少なくとも１箇所の角部をコーナカットすると、発電可能範囲内の触媒層又はガス拡散層が削除されてしまう。このため、ＭＥＡの電極面積が減少し、燃料電池の出力が低下するという問題がある。

その際、所望の出力を得ようとすると、燃料電池全体が大型化するとともに、容積出力密度が低下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、簡単且つコンパクトな構成で、電解質膜・電極構造体の誤組み立てを確実に阻止することが可能な固体高分子型燃料電池を提供することを目的とする。

本発明は、電解質膜の両側に第１電極と該第１電極よりも小さな表面積を有する第２電極とを配設した矩形状の電解質膜・電極構造体を備え、前記電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層される固体高分子型燃料電池に関するものである。

そして、セパレータは、互いに対向する一方の２辺に沿ってそれぞれ複数の反応ガス連通孔が積層方向に貫通して設けられるとともに、第２電極を構成するガス拡散層には、前記２辺のいずれか１辺に対応する辺に、複数の前記反応ガス連通孔の間に位置して少なくとも１つの切り欠き部が設けられている。

また、電解質膜・電極構造体は、２辺に対応する２辺に、それぞれ複数の反応ガス連通孔側に突出する複数の突出部が設けられるとともに、切り欠き部は、複数の前記突出部の間に設けられることが好ましい。

さらに、切り欠き部は、半円形状を有することが好ましい。

本発明によれば、電解質膜・電極構造体の小さな表面積を有する第２電極を構成するガス拡散層の１辺に、複数の反応ガス連通孔の間に位置して切り欠き部が設けられている。このため、切り欠き部を基準にするだけで、電解質膜・電極構造体の組み付け姿勢が確実且つ容易に判別され、前記電解質膜・電極構造体は、上下が反対の姿勢で燃料電池に組み付けられることがない。

従って、簡単且つコンパクトな構成で、電解質膜・電極構造体の誤組み立てを確実に阻止することが可能になる。これにより、燃料電池を効率的に組み立てることができ、特に多数の前記燃料電池が積層される燃料電池スタックの組み立て作業性が良好に向上する。

しかも、電解質膜・電極構造体の大きな表面積を有する第１電極には、切り欠き部が設けられていない。これにより、シール部材の脱落等によるガスリークの発生を良好に防止することが可能になる。

さらに、第２電極を構成するガス拡散層の１辺に交差する他の辺には、切り欠き部が設けられていない。このため、ガス流路全域にわたって反応ガスを流通させることができ、電解質膜・電極構造体の発電領域に前記反応ガスを均一に分配することが可能になり、過大な濃度過電圧の発生を良好に抑制することができる。

本発明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電解質膜・電極構造体の正面説明図である。前記燃料電池を構成する第２セパレータの正面説明図である。

図１に示すように、本発明の実施形態に係る燃料電池１０は、電解質膜・電極構造体１２を第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６により挟持して構成される。

燃料電池１０の長辺方向（矢印Ｃ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入口連通孔２０ａ、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入口連通孔２２ａが設けられる。

燃料電池１０の長辺方向（矢印Ｃ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出口連通孔２２ｂ、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２０ｂが設けられる。

燃料電池１０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入口連通孔２４ａが設けられるとともに、前記燃料電池１０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出口連通孔２４ｂが設けられる。

図１〜図３に示すように、電解質膜・電極構造体１２は、縦長形状を有し、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２６と、前記固体高分子電解質膜２６を挟持するカソード側電極（第１電極）２８及びアノード側電極（第２電極）３０とを備える。アノード側電極３０は、カソード側電極２８よりも小さな表面積を有する、所謂、段差型ＭＥＡを構成している。

電解質膜・電極構造体１２の短辺側の１辺（上辺）には、酸化剤ガス入口連通孔２０ａ及び燃料ガス入口連通孔２２ａ側に突出する一対の上部突出部１２ａが設けられるとともに、前記電解質膜・電極構造体１２の短辺側の他の１辺（下辺）には、酸化剤ガス出口連通孔２０ｂ及び燃料ガス出口連通孔２２ｂ側に突出する一対の下部突出部１２ｂが設けられる。なお、上部突出部１２ａ及び下部突出部１２ｂの個数は、連通孔の個数に対応して増加可能である。

図２に示すように、カソード側電極２８は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層２８ａ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２８ａの表面に一様に塗布されて形成される電極触媒層２８ｂとを有する。アノード側電極３０は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層３０ａ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の表面に一様に塗布されて形成される電極触媒層３０ｂとを有する。

電極触媒層２８ｂ、３０ｂは、固体高分子電解質膜２６の両面に形成される。図３に示すように、電極触媒層２８ｂ、３０ｂは、固体高分子電解質膜２６の両面に所定の発電範囲Ｈ内に形成される。電極触媒層２８ｂ、３０ｂは、長辺方向の中心に対して非対称である。なお、後述するガス流路に対向する部位のみ、バッファ部（後述する）には触媒を塗布してもよい。

アノード側電極３０を構成するガス拡散層３０ａには、電解質膜・電極構造体１２の一方の短辺に対応する上辺に、酸化剤ガス入口連通孔２０ａ及び燃料ガス入口連通孔２２ａの間に位置して、すなわち、一対の上部突出部１２ａ間に位置して、切り欠き部３２が設けられる。切り欠き部３２は、半円形状を有する。なお、上部突出部１２ａが３個以上設けられている際にも、切り欠き部３２は、少なくとも１つ形成すればよい。

第１セパレータ１４及び第２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縦長形状の金属板により構成される。第１セパレータ１４及び第２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。なお、第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６は、例えば、カーボンセパレータにより構成してもよい。

図１に示すように、第１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、酸化剤ガス入口連通孔２０ａと酸化剤ガス出口連通孔２０ｂとを連通する酸化剤ガス流路３４が形成される。酸化剤ガス流路３４は、矢印Ｃ方向に延在する複数の波状流路溝部３４ａを有する。酸化剤ガス流路３４の入口近傍及び出口近傍には、入口バッファ部３６ａ及び出口バッファ部３６ｂが設けられる。

入口バッファ部３６ａと酸化剤ガス入口連通孔２０ａとの間には、複数の入口連結通路３８ａが形成される。出口バッファ部３６ｂと酸化剤ガス出口連通孔２０ｂとの間には、複数の出口連結通路３８ｂが形成される。

図４に示すように、第２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、燃料ガス入口連通孔２２ａと燃料ガス出口連通孔２２ｂとを連通する燃料ガス流路４０が形成される。燃料ガス流路４０は、矢印Ｃ方向に延在する複数の波状流路溝部４０ａを有するとともに、前記燃料ガス流路４０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４２ａ及び出口バッファ部４２ｂが設けられる。

第２セパレータ１６は、燃料ガス入口連通孔２２ａ及び燃料ガス流路４０を連通する複数の供給孔部４４ａと、燃料ガス出口連通孔２２ｂ及び前記燃料ガス流路４０を連通する複数の排出孔部４４ｂとを有する。

第１セパレータ１４の面１４ｂと第２セパレータ１６の面１６ｂとの間には、冷却媒体入口連通孔２４ａと冷却媒体出口連通孔２４ｂとを連通する冷却媒体流路４６が形成される。冷却媒体流路４６は、波状流路溝部３４ａ、４０ａの裏面形状であり、これらが重なり合うことによって矢印Ｂ方向に延在する流路溝部（図示せず）が設けられる。

図１及び図２に示すように、第１セパレータ１４の面１４ａ、１４ｂには、この第１セパレータ１４の外周端縁部を周回して両面に第１シール部材５０が、個別に又は一体に設けられる。第２セパレータ１６の面１６ａ、１６ｂには、この第２セパレータ１６の外周端縁部を周回して両面に第２シール部材５２が、個別に又は一体に設けられる。

第１シール部材５０は、電解質膜・電極構造体１２の外周外方を周回するとともに、酸化剤ガス入口連通孔２０ａ及び酸化剤ガス出口連通孔２０ｂと酸化剤ガス流路３４とを連通する突起部５０ａを有する。第２シール部材５２は、図２及び図４に示すように、電解質膜・電極構造体１２を構成する固体高分子電解質膜２６の外周縁部に沿って当接する突起部５２ａを有する。

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、酸化剤ガス入口連通孔２０ａ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２２ａ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２４ａ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、酸化剤ガス入口連通孔２０ａから第１セパレータ１４の入口連結通路３８ａを通って酸化剤ガス流路３４に導入される。この酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路３４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２８に供給される。

一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔２２ａから供給孔部４４ａを通って第２セパレータ１６の面１６ａ側に移動する。燃料ガスは、図４に示すように、燃料ガス流路３６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３０に供給される（図１参照）。

従って、電解質膜・電極構造体１２では、カソード側電極２８に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極３０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２８に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔２０ｂ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３０に供給されて消費された燃料ガスは、排出孔部４４ｂを通って第２セパレータ１６の面１６ｂ側に導出される。面１６ｂ側に導出された燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔２２ｂに排出される。

また、冷却媒体入口連通孔２４ａに供給された冷却媒体は、図１に示すように、一方の燃料電池１０を構成する第１セパレータ１４と、他方の燃料電池１０を構成する第２セパレータ１６との間に形成された冷却媒体流路４６に導入される。このため、冷却媒体入口連通孔２４ａから冷却媒体流路４６に供給される冷却媒体は、矢印Ｂ方向に移動して燃料電池１０を冷却した後、冷却媒体出口連通孔２４ｂに排出される。

この場合、本実施形態では、図３に示すように、電解質膜・電極構造体１２の小さな表面積を有するアノード側電極３０を構成するガス拡散層３０ａの１辺（上辺）に、酸化剤ガス入口連通孔２０ａ及び燃料ガス入口連通孔２２ａの間に位置して切り欠き部３２が設けられている。

このため、切り欠き部３２を基準にするだけで、電解質膜・電極構造体１２の組み付け姿勢が確実且つ容易に判別され、前記電解質膜・電極構造体１２は、上下が反対の姿勢で燃料電池１０に組み付けられることがない。

従って、簡単且つコンパクトな構成で、電解質膜・電極構造体１２の誤組み立てを確実に阻止することが可能になるという効果が得られる。これにより、燃料電池１０を効率的に組み立てることができ、特に多数の前記燃料電池１０が積層される燃料電池スタックの組み立て作業性が良好に向上する。

しかも、電解質膜・電極構造体１２では、大きな表面積を有するカソード側電極２８に切り欠き部３２が設けられていない。これにより、第１シール部材５０の脱落等による酸化剤ガスのリークの発生を良好に防止することが可能になる。

その上、切り欠き部３２は、半円形状を有している。このため、集中応力によるガス拡散層３０ａの破損が良好に回避されるとともに、切り欠き部３２を成形する成形型の耐久性を向上させることができる。なお、半円形状は、滑らかに繋がった略半円形状も含み、幾何学的な円でなくてもよい。

さらに、アノード側電極３０を構成するガス拡散層３０ａの短辺に交差する長辺には、切り欠き部３２が設けられていない。従って、燃料ガス流路４０の全域にわたって燃料ガスを均一に流通させることができ、電解質膜・電極構造体１２の発電領域に前記燃料ガスを均一に分配することが可能になり、過大な濃度過電圧の発生を良好に抑制することができる。

また、アノード側電極３０を構成するガス拡散層３０ａには、一対の下部突出部１２ｂ間に位置して切り欠き部３２が設けられていない。これにより、生成水が結露して滞留し易い出口バッファ部４２ｂでの排水性に影響を与えることがなく、前記生成水を円滑且つ確実に排出することが可能になる。

さらにまた、ガス拡散層３０ａには、上部突出部１２ａに対応して切り欠き部３２が設けられていない。このため、構造が複雑なガス導入部におけるシール面圧の保持機能や発電部位へのガス供給機能が低下することを阻止することができる。

１０…燃料電池１２…電解質膜・電極構造体
１２ａ…上部突出部１２ｂ…下部突出部
１４、１６…セパレータ２０ａ…酸化剤ガス入口連通孔
２０ｂ…酸化剤ガス出口連通孔２２ａ…燃料ガス入口連通孔
２２ｂ…燃料ガス出口連通孔２４ａ…冷却媒体入口連通孔
２４ｂ…冷却媒体出口連通孔２６…固体高分子電解質膜
２８…カソード側電極２８ａ、３０ａ…ガス拡散層
２８ｂ、３０ｂ…電極触媒層３０…アノード側電極
３２…切り欠き部３４…酸化剤ガス流路
４０…燃料ガス流路４６…冷却媒体流路
５０、５２…シール部材

Claims

電解質膜の両側に第１電極と該第１電極よりも小さな表面積を有する第２電極とを配設した矩形状の電解質膜・電極構造体を備え、前記電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層される固体高分子型燃料電池であって、
前記セパレータは、互いに対向する一方の２辺に沿ってそれぞれ複数の反応ガス連通孔が積層方向に貫通して設けられるとともに、
前記第２電極を構成するガス拡散層には、前記２辺のいずれか１辺に対応する辺に、複数の前記反応ガス連通孔の間に位置して少なくとも１つの切り欠き部が設けられることを特徴とする固体高分子型燃料電池。
請求項１記載の固体高分子型燃料電池において、前記電解質膜・電極構造体は、前記２辺に対応する２辺に、それぞれ複数の前記反応ガス連通孔側に突出する複数の突出部が設けられるとともに、
前記切り欠き部は、複数の前記突出部の間に設けられることを特徴とする固体高分子型燃料電池。
請求項１又は２記載の固体高分子型燃料電池において、前記切り欠き部は、半円形状を有することを特徴とする固体高分子型燃料電池。