JP5439212B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、電解質膜の両側に一対の電極が設けられる電解質膜・電極構造体と金属セパレータとが積層され、前記金属セパレータの前記電解質膜・電極構造体に向かう面には、反応ガスを電極面に沿って流通させる反応ガス流路が形成されるとともに、前記反応ガス流路の上流及び下流に入口バッファ部及び出口バッファ部が連通する燃料電池に関する。

一般的に、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。この燃料電池は、固体高分子電解質膜の両側に、それぞれ触媒層（電極触媒）とガス拡散層（多孔質カーボン）と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（ＭＥＡ）を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持している。通常、この燃料電池を所定数だけ積層した燃料電池スタックが、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用されている。

上記の電解質膜・電極構造体では、薄膜状の固体高分子電解質膜が使用されている。このため、固体高分子電解質膜に加わる反応ガスの差圧等による機械的応力により、前記固体高分子電解質膜が損傷を受けることを防止する必要がある。

そこで、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のシール構造が知られている。この燃料電池は、図９に示すように、固体高分子電解質膜１の両面にアノード電極２及びカソード電極３が配設されるとともに、前記アノード電極２と前記カソード電極３とには、燃料ガス通路４ａが形成されたセパレータ４と、酸化剤ガス通路５ａが形成されたセパレータ５とが配設されている。

固体高分子電解質膜１の周縁部分の両面には、額縁状のフッ素樹脂系シートからなる保護膜６が介装されている。この保護膜６は、固体高分子電解質膜１とアノード電極２及びカソード電極３が熱圧加工により複合化される際に、一体に複合化されている。セパレータ４、５間には、アノード電極２及びカソード電極３を額縁状に包囲してガスシール材７が介装されている。

特開平５−２１０７７号公報

上記の特許文献１では、固体高分子電解質膜１の周縁部分の両面に、保護膜６が配設されるとともに、前記保護膜６とセパレータ４、５との間には、それぞれガスシール材７が介装されている。従って、固体高分子電解質膜１の周縁部分は、積層方向に沿って肉厚に構成されている。

ところで、燃料電池では、燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却媒体を、それぞれ前記燃料電池の積層方向に流通させるために、各連通孔が前記燃料電池を前記積層方向に貫通して形成される、所謂、内部マニホールド型燃料電池が採用されている。この内部マニホールド型燃料電池では、反応ガスである酸化剤ガス及び燃料ガスを、発電流路面内に均一に分配する必要があり、各反応ガス用連通孔と反応ガス流路との間には、例えば、複数の突起（エンボス）を有するバッファ部が設けられている。

その際、酸化剤ガス及び燃料ガスを発電流路面内に均一に分配するためには、バッファ部の深さを大きく設定する必要がある。しかしながら、上記の特許文献１では、セパレータ４、５にバッファ部を設けようとすると、固体高分子電解質膜１の周縁部分が前記バッファ部に対向するため、厚さ方向の寸法が相当に増大してしまう。従って、燃料電池が積層方向に肉厚化し、燃料電池スタック全体が大型化且つ重量物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、バッファ部の深さを確保し且つ容易に薄肉化を図るとともに、電解質膜の損傷を可及的に阻止す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、電解質膜の両側に一対の電極が設けられる電解質膜・電極構造体と金属セパレータとが積層され、前記金属セパレータの前記電解質膜・電極構造体に向かう面には、反応ガスを電極面に沿って流通させる反応ガス流路が形成されるとともに、前記反応ガス流路の上流及び下流に入口バッファ部及び出口バッファ部が連通する燃料電池に関するものである。

一対の電極は、電解質膜の両面に、少なくとも入口バッファ部又は出口バッファ部に対向する前記電解質膜の外周縁部を外部に露呈して設けられる触媒層及びガス拡散層を備えている。そして、外部に露呈する電解質膜の一方の外周縁部のみに、ガス拡散層よりも薄膜な補強フイルムが設けられるとともに、少なくとも入口バッファ部又は出口バッファ部では、電解質膜・電極構造体を挟持する一方の金属セパレータが前記電解質膜に当接し、他方の金属セパレータが前記補強フイルムに当接している。

また、一対のガス拡散層は、各端面位置が電解質膜を挟んで同一位置に設定されることが好ましい。

さらに、補強フイルムは、電解質膜の一方の外周縁部に接着されることが好ましい。

本発明によれば、電解質膜の外周縁部が一対の電極から外部に露呈するとともに、前記電解質膜の一方の外周縁部のみに、ガス拡散層よりも薄膜な補強フイルムが設けられている。このため、入口バッファ部又は出口バッファ部に対向する電解質膜の外周縁部は、強度の向上が図られるとともに、相当に薄肉化され、前記入口バッファ部又は前記出口バッファ部の流路深さを容易に確保することができる。

従って、酸化剤ガス及び燃料ガスを、発電流路面内に均一且つ良好に分配することが可能になり、発電性能の向上と電解質膜の耐久性の向上とが容易に遂行される。しかも、発電面内での反応ガスの流配が均一化されるため、同一の発電面内の流配では、バッファ形状を小型化することができる。これにより、燃料電池及び複数の前記燃料電池が積層される燃料電池スタックは、容易に小型化及び軽量化が遂行可能になる。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池を構成する燃料電池ユニット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。 前記燃料電池の、図１中、ＩＩＩ−ＩＩＩ線断面説明図である。 前記燃料電池ユニットを構成する第１金属セパレータの正面説明図である。 前記燃料電池ユニットを構成する第２金属セパレータの正面説明図である。 前記燃料電池ユニットを構成する第３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を構成する燃料電池ユニット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。 特許文献１に開示されている燃料電池の説明図である。

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、実質的に２つの単位セルを含む燃料電池ユニット１２を、矢印Ａ方向に積層して構成される。燃料電池ユニット１２は、第１金属セパレータ１４、第１電解質膜・電極構造体１６ａ、第２金属セパレータ１８、第２電解質膜・電極構造体１６ｂ及び第３金属セパレータ２０を設ける。

なお、本発明では、３つ以上の単位セルを含む燃料電池ユニットを積層した燃料電池を採用することもできる。その際、後述する冷却媒体流路４４は、３つ以上の単位セル毎に形成される。

第１金属セパレータ１４、第２金属セパレータ１８及び第３金属セパレータ２０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、第２金属セパレータ１８及び第３金属セパレータ２０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。

燃料電池ユニット１２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３０ａ、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３２ａが設けられる。

燃料電池ユニット１２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３２ｂ、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３０ｂが設けられる。

燃料電池ユニット１２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３４ａが設けられるとともに、前記燃料電池ユニット１２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３４ｂが設けられる。

第１金属セパレータ１４の第１電解質膜・電極構造体１６ａに向かう面１４ａには、燃料ガス入口連通孔３２ａと燃料ガス出口連通孔３２ｂとを連通する第１燃料ガス流路３６が形成される。第１燃料ガス流路３６は、矢印Ｃ方向に延在する複数の波状流路溝を有するとともに、前記第１燃料ガス流路３６の入口（上端部）及び出口（下端部）近傍には、入口バッファ部３８及び出口バッファ部４０が設けられる。入口バッファ部３８及び出口バッファ部４０は、それぞれ複数のエンボス（突起）３８ａ及び４０ａを有する。

入口バッファ部３８と燃料ガス入口連通孔３２ａとは、複数の連通路４２ａを介して連通するとともに、出口バッファ部４０と燃料ガス出口連通孔３２ｂとは、複数の連通路４２ｂを介して連通する。

図４に示すように、第１金属セパレータ１４の面１４ｂには、冷却媒体入口連通孔３４ａと冷却媒体出口連通孔３４ｂとを連通する冷却媒体流路４４が形成される。冷却媒体流路４４の上端部及び下端部近傍には、入口バッファ部３８及び出口バッファ部４０の裏面形状であるバッファ部４６、４８が設けられる。バッファ部４６、４８は、それぞれ複数のエンボス４６ａ及び４８ａを有する。

第２金属セパレータ１８の第１電解質膜・電極構造体１６ａに向かう面１８ａには、図５に示すように、酸化剤ガス入口連通孔３０ａと酸化剤ガス出口連通孔３０ｂとを連通する第１酸化剤ガス流路５０が形成される。第１酸化剤ガス流路５０は、矢印Ｃ方向に延在する複数の波状流路溝を有する。第１酸化剤ガス流路５０の入口（上端部）及び出口（下端部）近傍には、入口バッファ部５２及び出口バッファ部５４が設けられる。入口バッファ部５２及び出口バッファ部５４は、それぞれ複数のエンボス５２ａ及び５４ａを有する。

入口バッファ部５２と酸化剤ガス入口連通孔３０ａとは、複数の連通路５６ａを介して連通するとともに、出口バッファ部５４と酸化剤ガス出口連通孔３０ｂとは、複数の連通路５６ｂを介して連通する。

図１に示すように、第２金属セパレータ１８の第２電解質膜・電極構造体１６ｂに向かう面１８ｂには、燃料ガス入口連通孔３２ａと燃料ガス出口連通孔３２ｂとを連通する第２燃料ガス流路５８が形成される。第２燃料ガス流路５８は、矢印Ｃ方向に延在する複数の波状流路溝を有するとともに、前記第２燃料ガス流路５８の入口（上端部）及び出口（下端部）近傍には、入口バッファ部６０及び出口バッファ部６２が設けられる。

入口バッファ部６０及び出口バッファ部６２は、それぞれ複数のエンボス６０ａ及び６２ａを有する。入口バッファ部６０と燃料ガス入口連通孔３２ａとは、複数の連通路６４ａを介して連通するとともに、出口バッファ部６２と燃料ガス出口連通孔３２ｂとは、複数の連通路６４ｂを介して連通する。

図６に示すように、第３金属セパレータ２０の第２電解質膜・電極構造体１６ｂに向かう面２０ａには、酸化剤ガス入口連通孔３０ａと酸化剤ガス出口連通孔３０ｂとを連通する第２酸化剤ガス流路６６が形成される。

第２酸化剤ガス流路６６は、矢印Ｃ方向に延在する複数の波状流路溝を有する。第２酸化剤ガス流路６６の入口（上端部）及び出口（下端部）近傍には、入口バッファ部６８及び出口バッファ部７０が設けられる。入口バッファ部６８及び出口バッファ部７０は、それぞれ複数のエンボス６８ａ及び７０ａを有する。入口バッファ部６８と酸化剤ガス入口連通孔３０ａとは、複数の連通路７２ａを介して連通するとともに、出口バッファ部７０と酸化剤ガス出口連通孔３０ｂとは、複数の連通路７２ｂを介して連通する。

第３金属セパレータ２０の面２０ｂには、図１に示すように、冷却媒体入口連通孔３４ａと冷却媒体出口連通孔３４ｂとを連通する冷却媒体流路４４が形成される。冷却媒体流路４４は、第１燃料ガス流路３６及び第２酸化剤ガス流路６６の裏面形状（波形状）の重ね合わせにより形成される。

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７４が一体成形される。第２金属セパレータ１８の面１８ａ、１８ｂには、この第２金属セパレータ１８の外周端縁部を周回して第２シール部材７６が一体成形されるとともに、第３金属セパレータ２０の面２０ａ、２０ｂには、この第３金属セパレータ２０の外周端縁部を周回して第３シール部材７８が一体成形される。

第１〜第３シール部材７４、７６、７８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及び第２金属セパレータ１８には、各アノード側電極８２に対向して第１燃料ガス流路３６及び第２燃料ガス流路５８が形成されるとともに、前記第１燃料ガス流路３６の下流側（下部側）には、出口バッファ部４０が形成され、前記第２燃料ガス流路５８の下流側（下部側）には、出口バッファ部６２が形成される。

第１及び第２電解質膜・電極構造体１６ａ、１６ｂ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８０と、前記固体高分子電解質膜８０を挟持するアノード側電極８２及びカソード側電極８４とを備える。アノード側電極８２及びカソード側電極８４は、固体高分子電解質膜８０よりも小さな表面積を有する。

図３に示すように、第１電解質膜・電極構造体１６ａでは、固体高分子電解質膜８０の両面において、入口バッファ部３８及び出口バッファ部４０に対向する外周縁部８０ａと、入口バッファ部５２及び出口バッファ部５４に対向する外周縁部８０ｂとが外部に露呈する。

第２電解質膜・電極構造体１６ｂでは、固体高分子電解質膜８０の両面において、入口バッファ部６０及び出口バッファ部６２に対向する外周縁部８０ａと、入口バッファ部６８及び出口バッファ部７０に対向する外周縁部８０ｂとが外部に露呈する。

図２及び図３に示すように、アノード側電極８２及びカソード側電極８４は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層８２ａ、８４ａ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８２ａ、８４ａの表面に一様に塗布されて形成される電極触媒層８２ｂ、８４ｂとを有する。電極触媒層８２ｂ、８４ｂは、固体高分子電解質膜８０の両面に形成される。アノード側電極８２及びカソード側電極８４の端部位置は、固体高分子電解質膜８０を挟んで同一位置に設定される（図３参照）。

固体高分子電解質膜８０には、例えば、外周縁部８０ｂにのみ、補強フイルム８６が接着により設けられる。補強フイルム８６は、ガス拡散層８４ａよりも薄膜であり、額縁状を有するとともに、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド樹脂）やＰＥＥＫ系（ポリエーテルエーテルケトン）等のエンプラ乃至スーパーエンプラにより構成される。なお、固体高分子電解質膜８０では、外周縁部８０ａにのみ補強フイルム８６を設けてもよい。以下の実施形態においても、同様である。

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３０ａに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３２ａに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３４ａに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３０ａから第２金属セパレータ１８の第１酸化剤ガス流路５０及び第３金属セパレータ２０の第２酸化剤ガス流路６６に導入される（図５及び図６参照）。この酸化剤ガスは、第１酸化剤ガス流路５０に沿って矢印Ｃ方向（重力方向）に移動し、第１電解質膜・電極構造体１６ａのカソード側電極８４に供給されるとともに、第２酸化剤ガス流路６６に沿って矢印Ｃ方向に移動し、第２電解質膜・電極構造体１６ｂのカソード側電極８４に供給される（図１参照）。

一方、燃料ガスは、図１に示すように、燃料ガス入口連通孔３２ａから第１金属セパレータ１４の第１燃料ガス流路３６及び第２金属セパレータ１８の第２燃料ガス流路５８に導入される。この燃料ガスは、第１燃料ガス流路３６に沿って矢印Ｃ方向に移動し、第１電解質膜・電極構造体１６ａのアノード側電極８２に供給されるとともに、第２燃料ガス流路５８に沿って矢印Ｃ方向に移動し、第２電解質膜・電極構造体１６ｂのアノード側電極８２に供給される。

従って、第１及び第２電解質膜・電極構造体１６ａ、１６ｂでは、カソード側電極８４に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極８２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、カソード側電極８４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３０ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。同様に、アノード側電極８２に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔３２ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。

また、冷却媒体入口連通孔３４ａ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と第３金属セパレータ２０との間に形成された冷却媒体流路４４に導入された後、矢印Ｂ方向に流通する。この冷却媒体は、第１及び第２電解質膜・電極構造体１６ａ、１６ｂを冷却した後、冷却媒体出口連通孔３４ｂに排出される。

この場合、第１の実施形態では、図３に示すように、第１電解質膜・電極構造体１６ａを構成する固体高分子電解質膜８０は、入口バッファ部５２及び出口バッファ部５４に対向する外周縁部８０ｂにのみ、補強フイルム８６が接着により設けられている。さらに、補強フイルム８６は、ガス拡散層８４ａよりも薄膜に構成されている。

従って、固体高分子電解質膜８０の外周縁部の強度を向上させつつ、第１電解質膜・電極構造体１６ａを挟んで対向する燃料ガスの入口バッファ部３８及び酸化剤ガスの入口バッファ部５２は、深さ方向の寸法（流路深さ）を大きく設定することができる。このため、燃料ガスを第１燃料ガス流路３６に沿って発電流路面内に均一に分配するとともに、酸化剤ガスを第１酸化剤ガス流路５０に沿って発電流路面内に均一に分配することが可能になる。これにより、発電性能の向上と固体高分子電解質膜８０の耐久性の向上とが、容易に遂行されるという効果が得られる。

しかも、発電面内での燃料ガス及び酸化剤ガスの流配が均一化されるため、同一の発電面内の流配では、バッファ形状を小型化することができる。従って、燃料電池ユニット１２及び複数の前記燃料電池ユニット１２が積層される燃料電池（スタック）１０は、容易に小型化及び軽量化が可能になる。

なお、第２電解質膜・電極構造体１６ｂでは、上記の第１電解質膜・電極構造体１６ａと同様の効果が得られる。

図７は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池９０を構成する燃料電池ユニット９２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。

燃料電池ユニット９２は、第１金属セパレータ９４、電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）１６及び第２金属セパレータ９６を設ける。各燃料電池ユニット９２は、両側に冷却媒体流路４４が形成される（各燃料電池ユニット９２毎に冷却媒体流路４４を有する）。図７及び図８に示すように、電解質膜・電極構造体１６では、固体高分子電解質膜８０の両面において、入口バッファ部６０及び出口バッファ部６２に対向する外周縁部８０ａと、入口バッファ部６８及び出口バッファ部７０に対向する外周縁部８０ｂとが外部に露呈する。

電解質膜・電極構造体１６を構成する固体高分子電解質膜８０は、入口バッファ部６８及び出口バッファ部７０に対向する外周縁部８０ａにのみ、補強フイルム８６が接着により設けられている。さらに、補強フイルム８６は、ガス拡散層８４ａよりも薄膜に構成されている。

このように構成される第２の実施形態では、電解質膜・電極構造体１６を挟んで対向する燃料ガスの入口バッファ部６０及び酸化剤ガスの入口バッファ部６８は、深さ方向の寸法（流路深さ）を大きく設定することができる。このため、燃料ガス及び酸化剤ガスは、それぞれ発電流路面内に均一に分配することが可能になり、発電性能の向上と固体高分子電解質膜８０の耐久性の向上とが、容易に遂行される等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

なお、補強フイルム８６とガス拡散層８４ａとは、重なり部を有していてもよい。

１０、９０…燃料電池 １２、９２…燃料電池ユニット
１４、１８、２０、９４、９６…金属セパレータ
１６ａ、１６ｂ…電解質膜・電極構造体 ３０ａ…酸化剤ガス入口連通孔
３０ｂ…酸化剤ガス出口連通孔 ３２ａ…燃料ガス入口連通孔
３２ｂ…燃料ガス出口連通孔 ３４ａ…冷却媒体入口連通孔
３４ｂ…冷却媒体出口連通孔 ３６、５８…燃料ガス流路
３８、５２、６０、６８…入口バッファ部
４０、５４、６２、７０…出口バッファ部
４４…冷却媒体流路 ５０、６６…酸化剤ガス流路
７４、７６、７８…シール部材 ８０…固体高分子電解質膜
８０ａ、８０ｂ…外周縁部 ８２…アノード側電極
８２ａ、８４ａ…ガス拡散層 ８２ｂ、８４ｂ…電極触媒層
８４…カソード側電極 ８６…補強フイルム

Claims (3)

1. 電解質膜の両側に一対の電極が設けられる電解質膜・電極構造体と金属セパレータとが積層され、前記金属セパレータの前記電解質膜・電極構造体に向かう面には、反応ガスを電極面に沿って流通させる反応ガス流路が形成されるとともに、前記反応ガス流路の上流及び下流に入口バッファ部及び出口バッファ部が連通する燃料電池であって、
   一対の前記電極は、前記電解質膜の両面に、少なくとも前記入口バッファ部又は前記出口バッファ部に対向する該電解質膜の外周縁部を外部に露呈して設けられる触媒層及びガス拡散層を備え、
   外部に露呈する前記電解質膜の一方の外周縁部のみに、前記ガス拡散層よりも薄膜な補強フイルムが設けられるとともに、
   少なくとも前記入口バッファ部又は前記出口バッファ部では、前記電解質膜・電極構造体を挟持する一方の前記金属セパレータが前記電解質膜に当接し、他方の前記金属セパレータが前記補強フイルム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、一対の前記ガス拡散層は、各端面位置が前記電解質膜を挟んで同一位置に設定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、前記補強フイルムは、前記電解質膜の一方の外周縁部に接着されることを特徴とする燃料電池。

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