JP5604404B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、固体高分子電解質膜の両側に電極が設けられるとともに、前記電極を構成するガス拡散層の外周端部には、樹脂を含浸させた樹脂含浸部が設けられる電解質膜・電極構造体と、前記電解質膜・電極構造体の両面に配置されるセパレータとを備え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（電極触媒層）とガス拡散層（多孔質カーボン）とからなるアノード電極及びカソード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。この燃料電池は、所定の数だけ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。

この種の電解質膜・電極構造体では、ガス拡散層が多孔質である。従って、アノード電極に供給された燃料ガス及びカソード電極に供給された酸化剤ガスは、各ガス拡散層の外周端部から外部に漏洩する場合がある。

このため、例えば、特許文献１に開示されている固体高分子形燃料電池では、図７に示すように、ガス拡散層要素１が膜電極接合体２の両側に組み合わせて構成されている。膜電極接合体２は、高分子電解質膜３を有するとともに、前記高分子電解質膜３の両面には、触媒層４が形成されている。

ガス拡散層要素１は、例えば、カーボン製の通気性導電材料からなるシート状多孔質基材５と、前記多孔質基材５の周縁部の細孔内に含浸された、例えば、ポリカーボネート系樹脂等の熱可塑性樹脂からなる封止用樹脂６とを含んでいる。封止用樹脂６の含浸は、周縁部に積層配置されたフィルム状封止用樹脂にレーザ光を照射して該フィルム状封止用樹脂を溶融させることにより行われ、これによって封止部７が形成されている。

特開２００８−１３５２９５号公報

上記の特許文献１では、通常、固体高分子形燃料電池（ＭＥＡ）がセパレータ間に挟持されるとともに、複数の前記固体高分子形燃料電池が積層されることにより、燃料電池スタックとして使用されている。燃料電池スタックには、所望の発電性能及びシール性能を確保するために、積層方向に所定の締め付け荷重が付与されている。

その際、封止部７の内方に設けられる発電部（拡散層非含浸部）８と、前記封止部７を含む拡散層含浸部９とは、それぞれのヤング率が異なっている。すなわち、拡散層含浸部９では、発電部８に比べてヤング率が高くなっている。従って、固体高分子形燃料電池に荷重が付与されると、拡散層含浸部９が高分子電解質膜３に押し付けられる。これにより、高分子電解質膜３は、拡散層含浸部９に押し付けられる外周縁部で荷重が高まって薄肉化してしまい、前記高分子電解質膜３の耐久性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、燃料電池の締め付け時に、樹脂含浸部に配置される固体高分子電解質膜に過剰な荷重が付与されることがなく、前記固体高分子電解質膜の耐久性の低下を確実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、固体高分子電解質膜の両側に電極が設けられるとともに、前記電極を構成するガス拡散層の外周端部には、樹脂を含浸させた樹脂含浸部が設けられる電解質膜・電極構造体と、前記電解質膜・電極構造体の両面に配置されるセパレータとを備える燃料電池に関するものである。

そして、セパレータには、電解質膜・電極構造体に接する面に、樹脂含浸部を収容する凹部が形成されるとともに、前記樹脂含浸部は、前記凹部を形成するセパレータ内面に直接当接することにより、燃料電池が締め付けられた際、前記樹脂含浸部における締め代は、発電部における締め代よりも小さな寸法に設定されている。

また、この燃料電池では、固体高分子電解質膜は、電極の外周端部よりも電極面方向外方に突出する寸法に設定されるとともに、樹脂含浸部は、前記固体高分子電解質膜の外周端部からガス拡散層の内部まで延在する額縁形状を有する含浸用樹脂部材の一部であることが好ましい。

さらに、この燃料電池では、前記燃料電池が締め付けられた状態で、ガス拡散層の外周には、含浸用樹脂部材とセパレータとの間に隙間が形成されることが好ましい。

本発明によれば、セパレータには、電解質膜・電極構造体の樹脂含浸部に対応して凹部が形成されている。このため、燃料電池が締め付けされた際、樹脂含浸部における締め代は、発電部における締め代よりも小さな寸法に設定されている。従って、発電部では、発電性能を確保するために必要な面圧を確保する一方、樹脂含浸部では、固体高分子電解質膜に過剰な締め付け力がかかることを抑制することができる。これにより、所望の発電性能を有するとともに、樹脂含浸部による固体高分子電解質膜の耐久性の低下を良好に抑制することが可能になる。

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・電極構造体のアノード電極側の正面説明図である。 前記電解質膜・電極構造体とカソード側セパレータ及びアノード側セパレータとの締め付け前の一部断面説明図である。 前記電解質膜・電極構造体の製造方法の説明図である。 ＭＥＡ厚さと発電部面圧及び含浸部周辺面圧との関係説明図である。 特許文献１に開示された固体高分子形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を挟持するカソード側セパレータ１４及びアノード側セパレータ１６とを備える。

カソード側セパレータ１４及びアノード側セパレータ１６は、例えば、カーボンセパレータで構成される。なお、カソード側セパレータ１４及びアノード側セパレータ１６は、カーボンセパレータに代えて、例えば、金属薄板により構成してもよい。

図２に示すように、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１８と、前記固体高分子電解質膜１８を挟持するカソード電極２０及びアノード電極２２とを有する。固体高分子電解質膜１８は、フッ素系電解質の他、ＨＣ（炭化水素）系電解質が使用される。

カソード電極２０は、固体高分子電解質膜１８の一方の面１８ａに配置されるとともに、アノード電極２２は、前記固体高分子電解質膜１８の他方の面１８ｂに配置される。固体高分子電解質膜１８の外周縁部は、カソード電極２０の外周端部及びアノード電極２２の外周端部の外方に延在する。

カソード電極２０は、固体高分子電解質膜１８の面１８ａに接合される電極触媒層２０ａと、前記電極触媒層２０ａに積層されるガス拡散層２０ｂとを設ける。アノード電極２２は、固体高分子電解質膜１８の面１８ｂに接合される電極触媒層２２ａと、前記電極触媒層２２ａに積層されるガス拡散層２２ｂとを設ける。

カソード電極２０を構成する電極触媒層２０ａの外周端部２０ａｅは、アノード電極２２を構成する電極触媒層２２ａの外周端部２２ａｅと同一位置で終端する寸法に設定される。なお、外周端部２０ａｅと外周端部２２ａｅとは、互いに異なる位置で終端してもよい。

電極触媒層２０ａ、２２ａは、カーボンブラックに白金粒子を担持した触媒粒子を形成し、イオン導伝性バインダーとして高分子電解質を使用し、この高分子電解質の溶液中に前記触媒粒子を均一に混合して作製された触媒ペーストを、固体高分子電解質膜１８の両面に印刷、塗布又は転写することによって構成される。ガス拡散層２０ｂ、２２ｂは、カーボンペーパ等からなるとともに、電極触媒層２０ａ、２２ａの外周端部２０ａｅ、２２ａｅよりも外方で終端する。

図１〜図３に示すように、電解質膜・電極構造体１２は、固体高分子電解質膜１８の面１８ａ、１８ｂの外周縁部に接合されるとともに、カソード電極２０及びアノード電極２２の先端部に含浸される額縁形状の含浸用樹脂部材２４、２６を備える。

含浸用樹脂部材２４、２６は、ガス拡散層２０ｂ、２２ｂの外周縁部に電極触媒層２０ａ、２２ａの外周端部内方まで延在して（電極触媒層２０ａ、２２ａと重なり部を有して）含浸される樹脂含浸部２４ａ、２６ａを有する。含浸用樹脂部材２４、２６としては、例えば、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）やＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）等の樹脂材料を採用することができる。

図２に示すように、カソード側セパレータ１４は、電解質膜・電極構造体１２に接する外周縁部に、樹脂含浸部２４ａを含む含浸部周辺（後述する）を収容する凹部１４ｃを設ける。アノード側セパレータ１６は、電解質膜・電極構造体１２に接する外周縁部に、樹脂含浸部２６ａを含む含浸部周辺（後述する）を収容する凹部１６ｃを設ける。凹部１４ｃ、１６ｃの内方端面位置は、樹脂含浸部２４ａ、２６ａの内周端部位置から距離Ｌだけ離間する。

燃料電池１０が積層された状態（締め付けられた状態）で、ガス拡散層２０ｂ、２２ｂの外周には、含浸用樹脂部材２４、２６とカソード側セパレータ１４及びアノード側セパレータ１６との間に、それぞれ隙間Ｓが形成される。カソード側及びアノード側で、同一の隙間Ｓに設定することが好ましい。

隙間Ｓが設けられることにより、電解質膜・電極構造体１２の発電部と周辺部との間で曲がりが発生することを防止することができる。しかも、カソード側セパレータ１４とアノード側セパレータ１６とで含浸用樹脂部材２４、２６を直接挟持することにより、面圧が必要以上に高くなることを阻止する。

なお、含浸用樹脂部材２４、２６及び固体高分子電解質膜１８は、ガス拡散層２０ｂ、２２ｂの外周端部と同一の位置で終端していてもよい。また、ガス拡散層２０ｂ、２２ｂの外周縁部とカソード側セパレータ１４及びアノード側セパレータ１６との間には、シールを配置してもよい。

図１に示すように、燃料電池１０の矢印Ａ方向（図１中、水平方向）の一端縁部には、積層方向である矢印Ｂ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、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔３２ａ、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３４ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。

燃料電池１０の矢印Ａ方向の他端縁部には、矢印Ｂ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３４ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔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、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。

カソード側セパレータ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３０ａと酸化剤ガス出口連通孔３０ｂとに連通する酸化剤ガス流路３６が設けられる。

アノード側セパレータ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３４ａと燃料ガス出口連通孔３４ｂとに連通する燃料ガス流路３８が形成される。互いに隣接するカソード側セパレータ１４の面１４ｂとアノード側セパレータ１６の面１６ｂとの間には、冷却媒体入口連通孔３２ａと冷却媒体出口連通孔３２ｂとに連通する冷却媒体流路４０が形成される。

カソード側セパレータ１４の面１４ａ、１４ｂには、このカソード側セパレータ１４の外周端部を周回して、第１シール部材４２が設けられるとともに、アノード側セパレータ１６の面１６ａ、１６ｂには、このアノード側セパレータ１６の外周端部を周回して、第２シール部材４４が設けられる。

第１及び第２シール部材４２、４４には、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２に示すように、電解質膜・電極構造体１２は、カソード電極２０及びアノード電極２２間に固体高分子電解質膜１８を挟んだ発電部４６と、樹脂含浸部２４ａ、２６ａを含む領域を覆う含浸部周辺４８とを有する。発電部４６と含浸部周辺４８との境界部位では、カソード側セパレータ１４及びアノード側セパレータ１６の各段部にＲを設けてもよい。

燃料電池１０では、この燃料電池１０が積層された際、含浸部周辺４８における締め代は、発電部４６における締め代よりも小さな寸法に設定される。具体的には、図４に示すように、燃料電池１０の組立前において、電解質膜・電極構造体１２の発電部４６の厚さＴａｍ、カソード側セパレータ１４の前記発電部４６の厚さＴａｃ、アノード側セパレータ１６の前記発電部４６の厚さＴａａ、前記電解質膜・電極構造体１２の含浸部周辺４８の厚さＴｂｍ、前記カソード側セパレータ１４の前記含浸部周辺４８の厚さＴｂｃ及びアノード側セパレータ１６の前記含浸部周辺４８の厚さＴｂａは、Ｔａｍ＋Ｔａｃ＋Ｔａａ＞Ｔｂｍ＋Ｔｂｃ＋Ｔｂａの関係に設定される。

より好ましくは、燃料電池１０が締め付けられた状態のセル厚さＴｃｅｌｌ、発電部４６のガス拡散層２０ｂ、２２ｂの締め付け時のヤング率Ｅａ、及び樹脂含浸部２４ａ、２６ａの前記ガス拡散層２０ｂ、２２ｂの締め付け時のヤング率Ｅｂを加えて、Ｔａｍ＋Ｔａｃ＋Ｔａａ−Ｔｃｅｌｌ＞（Ｔｂｍ＋Ｔｂｃ＋Ｔｂａ−Ｔｃｅｌｌ）×Ｅｂ÷Ｅａの関係に設定される。

次に、電解質膜・電極構造体１２を製造する方法について、以下に説明する。

先ず、図５に示すように、電解質膜・電極構造体１２が作製される。具体的には、固体高分子電解質膜１８の両方の面１８ａ、１８ｂには、電極触媒層２０ａ、２２ａが塗布される。そして、固体高分子電解質膜１８の面１８ａ側に、すなわち、電極触媒層２０ａにガス拡散層２０ｂが配置されるとともに、前記固体高分子電解質膜１８の面１８ｂに、すなわち、電極触媒層２２ａにガス拡散層２２ｂが配置される。これらが一体に積層されてホットプレス処理されることにより、電解質膜・電極構造体要素１２ａが作製される。

次いで、電解質膜・電極構造体要素１２ａには、含浸用樹脂部材２４、２６が配置される。含浸用樹脂部材２４、２６は、固体高分子電解質膜１８の外周端部からガス拡散層２０ｂ、２２ｂの外周縁部の内部まで延在し、さらに電極触媒層２０ａ、２２ａの外周端部内方まで延在している。

そして、含浸用樹脂部材２４、２６は、荷重が付与された状態で、例えば、レーザ溶着、赤外線溶着やインパルス溶着等により加熱溶融される。このため、加熱溶融された含浸用樹脂部材２４、２６は、ガス拡散層２０ｂ、２２ｂの外周縁部に電極触媒層２０ａ、２２ａの外周端部内方まで延在して含浸されることにより、樹脂含浸部２４ａ、２６ａが形成される。これにより、電解質膜・電極構造体１２が製造される。

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。

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３４ａ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３２ａ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からカソード側セパレータ１４の酸化剤ガス流路３６に導入され、矢印Ａ方向に移動して電解質膜・電極構造体１２のカソード電極２０に供給される。一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔３４ａからアノード側セパレータ１６の燃料ガス流路３８に導入される。燃料ガスは、燃料ガス流路３８に沿って矢印Ａ方向に移動し、電解質膜・電極構造体１２のアノード電極２２に供給される。

従って、電解質膜・電極構造体１２では、カソード電極２０に供給される酸化剤ガスと、アノード電極２２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、カソード電極２０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Ｂ方向に排出される。同様に、アノード電極２２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３４ｂに沿って矢印Ｂ方向に排出される。

また、冷却媒体入口連通孔３２ａに供給された冷却媒体は、カソード側セパレータ１４とアノード側セパレータ１６との間の冷却媒体流路４０に導入された後、矢印Ａ方向に流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体１２を冷却した後、冷却媒体出口連通孔３２ｂから排出される。

この場合、図２に示すように、燃料電池１０の圧縮時（締め付け時）には、発電部４６の締め代は、Ｔａｍ＋Ｔａｃ＋Ｔａａ−Ｔｃｅｌｌとなる一方、含浸部周辺４８の締め代は、Ｔｂｍ＋Ｔｂｃ＋Ｔｂａ−Ｔｃｅｌｌとなる。そして、発電部４６では、固体高分子電解質膜１８の両方の面１８ａ、１８ｂにガス拡散層２０ｂ、２２ｂが設けられる一方、含浸部周辺４８では、前記ガス拡散層２０ｂ、２２ｂに樹脂含浸部２４ａ、２６ａが設けられている。

このため、発電部４６の締め代と含浸部周辺４８の締め代とが同一寸法であると、前記含浸部周辺４８に前記発電部４６よりも高い面圧が発生する。同一の締め代では、含浸部周辺部面圧＝発電部面圧×Ｅｂ÷Ｅａとなるからである。

ここで、含浸部周辺４８では、締め代を小さくすることにより、使用状態での面圧を小さくする必要があるとともに、発電が行われないため、面圧を発電部４６の面圧よりも小さくすることが望まれる。

そこで、Ｔａｍ＋Ｔａｃ＋Ｔａａ−Ｔｃｅｌｌ＞（Ｔｂｍ＋Ｔｂｃ＋Ｔｂａ−Ｔｃｅｌｌ）×Ｅｂ÷Ｅａの関係に設定されることにより、締め付け時において、発電部面圧＞含浸部周辺面圧に設定することができる。すなわち、図６に示すように、電解質膜・電極構造体１２の厚さ（ＭＥＡ厚さ）と面圧との関係から、所望の発電部面圧及び含浸部周辺面圧に対応する発電部締め代及び含浸部周辺面圧締め代が算出される。

従って、発電部４６では、発電性能を確保するために必要な面圧を確保する一方、含浸部周辺４８では、固体高分子電解質膜１８にかかる面圧を抑制することができる。これにより、本実施形態では、所望の発電性能を有するとともに、含浸部周辺４８での固体高分子電解質膜１８の損傷等を良好に抑制することが可能になるという効果が得られる。

１０…燃料電池 １２…電解質膜・電極構造体
１４、１６…セパレータ １４ｃ、１６ｃ…凹部
１８…固体高分子電解質膜 ２０…カソード電極
２０ａ、２２ａ…電極触媒層 ２０ａｅ、２２ａｅ…外周端部
２０ｂ、２２ｂ…ガス拡散層 ２２…アノード電極
２４、２６…含浸用樹脂部材 ２４ａ、２６ａ…樹脂含浸部
３０ａ…酸化剤ガス入口連通孔 ３０ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
３２ａ…冷却媒体入口連通孔 ３２ｂ…冷却媒体出口連通孔
３４ａ…燃料ガス入口連通孔 ３４ｂ…燃料ガス出口連通孔
３６…酸化剤ガス流路 ３８…燃料ガス流路
４０…冷却媒体流路 ４６…発電部
４８…含浸部周辺

Claims (3)

1. 固体高分子電解質膜の両側に電極が設けられるとともに、前記電極を構成するガス拡散層の外周端部には、樹脂を含浸させた樹脂含浸部が設けられる電解質膜・電極構造体と、
   前記電解質膜・電極構造体の両面に配置されるセパレータと、
   を備える燃料電池であって、
   前記セパレータには、前記電解質膜・電極構造体に接する面に、前記樹脂含浸部を収容する凹部が形成されるとともに、
   前記樹脂含浸部は、前記凹部を形成するセパレータ内面に直接当接することにより、前記燃料電池が締め付けられた際、前記樹脂含浸部における締め代は、発電部における締め代よりも小さな寸法に設定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、前記固体高分子電解質膜は、前記電極の外周端部よりも電極面方向外方に突出する寸法に設定されるとともに、
   前記樹脂含浸部は、前記固体高分子電解質膜の外周端部から前記ガス拡散層の内部まで延在する額縁形状を有する含浸用樹脂部材の一部であることを特徴とする燃料電池。
3. 請求項２記載の燃料電池において、前記燃料電池が締め付けられた状態で、前記ガス拡散層の外周には、前記含浸用樹脂部材と前記セパレータとの間に隙間が形成されることを特徴とする燃料電池。

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