JP5350948B2

JP5350948B2 - 燃料電池

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Publication number: JP5350948B2
Application number: JP2009209416A
Authority: JP
Inventors: 康博渡邊; 秀晴内藤; 健司南雲
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2009-09-10
Filing date: 2009-09-10
Publication date: 2013-11-27
Anticipated expiration: 2029-09-10
Also published as: JP2011060599A

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・電極構造体とセパレータとが積層され、前記セパレータ間には、電極範囲を周回して冷却媒体を流通させる冷却媒体流路が形成されるとともに、前記セパレータには、前記冷却媒体流路を囲繞するシール部材が設けら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が設けられている。さらに、各燃料電池を構成し、互いに隣接するセパレータ間には、電極範囲内に冷却媒体を流すための冷却媒体流路が形成されている。

通常、燃料電池には、燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却媒体を気密（液密）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冷却媒体流路が、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、冷却媒体流路を囲繞するシール部材の直線状内周端部と、前記冷却媒体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、冷却媒体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、外周側に冷却媒体が集中することを阻止し、電極中央部の冷却不足を回避して冷却媒体流路全域の流量分配の適正化（温度分布適正化）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・電極構造体の電極範囲に対して積層方向に重なり合っている。このため、閉塞シールには、冷却媒体が流れないため、局所的に温度が上昇し、ヒートスポットが発生して発電性能が低下するとともに、電解質膜・電極構造体の膜劣化が惹起され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、冷却媒体流路全域にわたって温度分布を均一化することができ、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・電極構造体とセパレータとが積層され、前記セパレータ間には、電極範囲を周回して冷却媒体を流通させる冷却媒体流路が形成されるとともに、前記セパレータには、前記冷却媒体流路を囲繞するシール部材が設けられる燃料電池に関するものである。

そして、冷却媒体流路は、波形状を有する複数の波状凸部間、及び最外周の前記波状凸部とシール部材の内周端部との間に形成される一方、シール部材の前記内周端部には、最外周の前記冷却媒体流路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、冷却媒体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、閉塞シール部の隣接する各セパレータに向かう両面に形成されることが好ましい。

本発明によれば、シール部材の内周端部には、冷却媒体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、冷却媒体流路では、圧損の低下による冷却媒体の集中を確実に阻止することができ、電極中央部の冷却不足を回避して冷却媒体流路全域の流量分配の適正化（温度分布適正化）を確保することが可能になる。

しかも、閉塞シール部には、冷却媒体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沿って冷却媒体を流すことができる。これにより、簡単な構成で、ヒートスポットの発生による膜劣化を阻止することが可能になり、燃料電池の発電性能を良好に向上させることができる。

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２金属セパレータの一方の正面の説明図である。前記第２金属セパレータの他方の正面の説明図である。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。本発明の第３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、矢印Ａ方向に複数積層されて燃料電池スタック１１を構成する。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（水平方向の積層）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（鉛直方向の積層）ように構成してもよい。

燃料電池１０の長辺方向（矢印Ｃ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。

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３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及び図４参照）。この冷却媒体流路３８は、電解質膜・電極構造体１２の電極範囲を周回して冷却媒体を流通させる。

冷却媒体流路３８は、酸化剤ガス流路３０を構成する波状凸部３０ａの裏面形状である波状凸部３０ｂと、燃料ガス流路３４を構成する波状凸部３４ａの裏面形状である波状凸部３４ｂ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１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。

図３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。

図４に示すように、第２金属セパレータ１６の面１６ｂには、第２シール部材４４を切り欠いて一対の冷却媒体供給連通孔２２ａ、２２ａと冷却媒体流路３８とを連通する複数の連結通路５２ａが形成される。面１６ｂには、第２シール部材４４を切り欠いて一対の冷却媒体排出連通孔２２ｂ、２２ｂと冷却媒体流路３８とを連通する複数の連結通路５２ｂが形成される。

第２シール部材４４の冷却媒体流路３８を周回する直線状の内周端部には、前記冷却媒体流路３８の最外周を構成する波状凸部３４ｂｂとの間隙に突出して閉塞シール部５４が設けられる。閉塞シール部５４は、冷却媒体の集中を防止し得る部位、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。

閉塞シール部５４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１６ｂ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５４の両面（隣接する第１金属セパレータ１４及び第２金属セパレータ１６に向かう両面）には、冷却媒体の流れ方向に延在する溝部５４ａ、５４ｂが形成される（図２参照）。

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、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３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、図４に示すように、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、図４に示すように、第２金属セパレータ１６に設けられる冷却媒体流路３８は、波状凸部３４ｂ間に形成されるとともに、第２シール部材４４の前記冷却媒体流路３８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、冷却媒体流路３８の最外周を構成する波状凸部３４ｂｂとの間隙に突出して一以上の閉塞シール部５４が設けられるとともに、前記閉塞シール部５４には、冷却媒体の流れ方向に延在する溝部５４ａ、５４ｂが形成されている。

このように、冷却媒体流路３８の最外周を構成する波状凸部３４ｂｂと、第２シール部材４４の直線状内周端部との間には、前記冷却媒体流路３８の各波状凸部３４ｂ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５４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３４ｂｂとの間隙には、圧損の低下による冷却媒体の集中が発生することを確実に阻止することができる。このため、電解質膜・電極構造体１２では、電極中央部の冷却不足を回避することが可能になり、冷却媒体流路３８全域の流量分配の適正化（温度分布適正化）を確保することができるという利点がある。

しかも、閉塞シール部５４の両面には、図２に示すように、冷却媒体の流れ方向に延在する溝部５４ａ、５４ｂが形成されている。これにより、閉塞シール部５４の両面に沿って冷却媒体を流すことが可能になる。特に、閉塞シール部５４は、第２金属セパレータ１６の燃料ガス流路３４の端部側に積層方向に対向している。従って、燃料ガス流路３４の端部側には、熱流束が発生する一方、閉塞シール部５４の溝部５４ａ、５４ｂに沿って冷却媒体が流れるため、ヒートスポットが惹起することがない。

このため、簡単な構成で、ヒートスポットの発生による電解質膜・電極構造体１２の膜劣化を阻止することができ、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、第１の実施形態では、閉塞シール部５４の両面に溝部５４ａ、５４ｂが形成されているが、これに限定されるものではなく、前記溝部５４ａ、５４ｂの少なくとも一方のみを設ければよい。また、第１金属セパレータ１４及び第２金属セパレータ１６に代えて、例えば、カーボンセパレータを使用してもよい。

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。また、以下に説明する第３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、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は、内周端部に冷却媒体流路３８側に突出する閉塞シール部６８を有する。

図６及び図７に示すように、閉塞シール部６８は、閉塞シール部５４と同様に、冷却媒体流路３８の冷却媒体が集中し易い（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、冷却媒体の流れ方向に延在する溝部７０ａ、７０ｂ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。

このように構成される第２の実施形態では、冷却媒体の集中が発生し易い部位に対応して閉塞シール部６８が設けられるとともに、前記閉塞シール部６８には、冷却媒体の流れを許容する溝部７０ａ、７０ｂが設けられている。

従って、冷却媒体の集中を確実に阻止するとともに、簡単な構成で、冷却媒体流路３８全域の流量分配の適正化（温度分布適正化）を確保することができる。しかも、ヒートスポットの発生を阻止して燃料電池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には、孔部７２が貫通形成されている。これにより、閉塞シール部６８内に冷却媒体を十分に供給することができ、冷却効率の向上が一層容易に遂行されるという利点が得られる。

図８は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池８０の要部分解斜視説明図である。

燃料電池８０は、電解質膜・電極構造体８２と、前記電解質膜・電極構造体８２を挟持する第１金属セパレータ８４及び第２金属セパレータ８６とを備える。燃料電池８０の長辺方向の上端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス供給連通孔１８ａ、冷却媒体供給連通孔２２ａ及び燃料ガス供給連通孔２０ａが設けられる。燃料電池８０の長辺方向の下端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガス排出連通孔２０ｂ、冷却媒体排出連通孔２２ｂ及び酸化剤ガス排出連通孔１８ｂが設けられる。

図８及び図９に示すように、第２金属セパレータ８６は、電解質膜・電極構造体８２側の面８６ａとは反対側の面８６ｂに、冷却媒体流路３８を設ける。第２金属セパレータ８６に第２シール部材４４が一体成形されるとともに、前記第２シール部材４４の冷却媒体流路３８を周回する内周端部には、前記冷却媒体流路３８の最外周を構成する波状凸部３４ｂｂとの間隙に突出して閉塞シール部５４が設けられる。この閉塞シール部５４の両面（少なくとも一方の面）には、冷却媒体の流れ方向に延在する溝部５４ａ、５４ｂが形成される。

このように構成される第３の実施形態では、第２シール部材４４に閉塞シール部５４が設けられており、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。なお、閉塞シール部５４に代えて、閉塞シール部６８を採用することができ、これによって、上記の第２の実施形態と同様の効果が得られる。

１０、６０、８０…燃料電池１１…燃料電池スタック
１２、６２、８２…電解質膜・電極構造体
１４、１６、６４、６６、８４、８６…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、３０ｂ、３４ａ、３４ｂ、３４ｂｂ…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５４、６８…閉塞シール部
５４ａ、５４ｂ、７０ａ、７０ｂ…溝部７２…孔部

Claims

電解質の両側に一対の電極が設けられる電解質・電極構造体とセパレータとが積層され、前記セパレータ間には、電極範囲を周回して冷却媒体を流通させる冷却媒体流路が形成されるとともに、前記セパレータには、前記冷却媒体流路を囲繞するシール部材が設けられる燃料電池であって、
前記冷却媒体流路は、波形状を有する複数の波状凸部間、及び最外周の前記波状凸部と前記シール部材の内周端部との間に形成される一方、
前記シール部材の前記内周端部には、最外周の前記冷却媒体流路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、前記冷却媒体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。
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隣接する各セパレータに向かう両面に形成されることを特徴とする燃料電池。