JP5741920B2

JP5741920B2 - 燃料電池セル

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Publication number: JP5741920B2
Application number: JP2011085524A
Authority: JP
Inventors: 屋　隆了; 隆了屋; 杉野　学; 学杉野; 上原　茂高; 茂高上原; 阿部　光高; 光高阿部
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2011-04-07
Filing date: 2011-04-07
Publication date: 2015-07-01
Anticipated expiration: 2031-04-07
Also published as: CA2832445A1; CN103443980A; EP2696415A1; CN103443980B; US9496568B2; CA2832445C; EP2696415B1; WO2012137820A1; EP2696415A4; JP2012221690A; US20140023954A1

Description

本発明は、アノードとカソードに対して水素含有ガスと酸素含有ガスを互いに分離して流出入させることによる発電を行なう燃料電池セルに関する。

従来、この種の燃料電池セルとして特許文献１に開示された構成のものがある。図８は、特許文献１において開示された従来の燃料電池セルの要部を示す断面図である。
特許文献１に開示された燃料電池セルは、固体高分子電解質膜１の一方の面に配置されたアノード２と、その固体高分子電解質膜１の他方の面に配置されたカソード３とを接合した膜電極接合体４と、上記アノード２に水素含有ガスを供給するためのガス流路を形成したアノード側セパレータ５と、上記カソード３に酸素含有ガスを供給するためのガス流路を形成したカソード側セパレータ６とにより上記膜電極接合体４を挟持した構成のものである。

固体高分子電解質膜１は、上記アノード側セパレータ５に一体化され、アノード２の電極縁端より面方向の外側において、その固体高分子電解質膜１に当接する第１支持部材７と、上記カソード側セパレータ６に一体化され、上記カソード３の電極縁端より面方向の外側にて固体高分子電解質膜１に当接する第２支持部材８によって挟持されているとともに、上記アノード側セパレータ５の周縁に形成された凹部５ａに嵌着されたＯリング９を介在させることによってガスシールを施した構成になっている。

特開２００８−１７１７８３号公報

ところで、上記特許文献１に記載の燃料電池セルにおいては、アノード２に送給される燃料ガスを高圧送給しているために、そのアノード２とカソード３との間に圧力差（以下、「差圧」という。）が生じ、それらアノード２とカソード３の間に介在する固体高分子電解質膜１及び第１，２支持部材７，８は上記差圧に起因する荷重を受けることになる。

しかしながら、特許文献１に記載の燃料電池セルにおいては、第１，２支持部材７，８の周囲に空間Ｓ１，Ｓ２が区画形成された構成になっているとともに、それら第１，２支持部材７，８とＯリング９とに距離があるために、上記した差圧発生時に第１，２支持部材７，８とともに固体高分子電解質膜１が差圧の発生の度毎に大きく変形する。

すなわち、差圧の発生の度毎に生じる変形により、第１，２支持部材７，８の基端部には繰り返し応力が生じ、それら第１，２支持部材７，８の基端部付近や固体高分子電解質膜１に曲げ応力，せん断が繰り返し作用して破損する虞がある。

そこで本発明は、水素含有ガスと酸素含有ガスとの差圧に起因する応力による破損を防止できる燃料電池セルの提供を目的としている。

上記課題を解決するための本発明は、アノードとカソードとを電解質膜の両側に接合した膜電極接合体を一体的に形成した枠体を一対のセパレータの各挟持片で挟持しており、それらアノードとカソードに対して水素含有ガスと酸素含有ガスを互いに分離して流出入させる燃料電池セルにおいて、上記両セパレータの各挟持片の挟持終端の位置を互いに正対しないように偏移させていることを特徴としている。
上記の構成によれば、上記両セパレータの各挟持片の挟持終端の位置を互いに正対しないように偏移させているので、枠体に作用する最大応力・せん断力を分散させられる。

本発明によれば、水素含有ガスと酸素含有ガスとの差圧に起因して作用する応力を分散させて、破損を防止することができる。

本発明の一実施形態に係る燃料電池セルを用いた一例に係る燃料電池スタックの外観斜視図である。同上の燃料電池スタックを分解して示す分解斜視図である。本発明の一実施形態に係る燃料電池セルを分解して示す斜視図である。同上の燃料電池セルの平面図である。図４に示すＩ‐Ｉ線に沿う部分断面図である。図５に包囲線ＩＩで示す部分の拡大図である。図４に示すＩ‐Ｉ線に沿う部分に相当する部分断面図である。特許文献１において開示された従来の燃料電池セルの要部を示す断面図である。

以下に、本発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池セルを用いた一例に係る燃料電池スタックの外観斜視図、図２は、その燃料電池スタックを分解して示す分解斜視図である。なお、本発明の一実施形態に係る燃料電池セルを用いた燃料電池スタックは、例えば車両に搭載される固体高分子電解質型燃料電池である。

一例に係る燃料電池スタック１０は、一対のエンドプレート１１，１２間に、集電板１３，１４及び本発明の一実施形態に係る燃料電池セルＡ１を複数積層させ、かつ、それらのエンドプレート１１，１２により、それらの燃料電池セルＡ１どうしを挟圧するようにして締結板１５，１６及び補強板１７，１７によって締結した構成のものである。なお、１９は、スペーサである。
本実施形態においては、上記エンドプレート１１，１２、締結板１５，１６及び補強板１７，１７は、互いにボルト１８等により締結しているが、これに限るものではない。

図３は、本発明の一実施形態に係る燃料電池セルを分解して示す斜視図、図４は、その燃料電池セルの平面図、図５は、図４に示すＩ‐Ｉ線に沿う部分断面図、図６は、図５に包囲線ＩＩで示す部分の拡大図である。

燃料電池セルＡ１は、樹脂製の枠体（以下、「フレーム」という。）２０を周囲に形成した膜電極接合体３０を、一対のセパレータ４０，４１間に挟持することにより、膜電極接合体３０に対向する領域に発電部Ｇを形成した構成のものである。

発電部Ｇの両側には、水素含有ガス又は酸素含有ガスの供給及び排出を行うためのマニホールド部Ｍ，Ｍと、各マニホールド部Ｍから発電部Ｇに至る水素含有ガス又は酸素含有ガスの流通領域であるディフューザ部Ｄ，Ｄを備えたものとなっている。

ディフューザ部Ｄは、フレーム２０と両側のセパレータ４０，４１との間、つまりアノード３２側及びカソード３３側にそれぞれ形成されている。

一方のマニホールド部Ｍはマニホールド孔Ｈ１〜Ｈ３からなる。それらマニホールド孔Ｈ１〜Ｈ３は、酸素含有ガス供給用（Ｈ１）、冷却流体供給用（Ｈ２）及び水素含有ガス供給用（Ｈ３）のものであり、積層方向αにそれぞれの流路を形成する。
他方のマニホールド部Ｍはマニホールド孔Ｈ４〜Ｈ６からなる。各マニホールド孔Ｈ４〜Ｈ６は、水素含有ガス排出用（Ｈ４）、冷却流体排出用（Ｈ５）及び酸素含有ガス排出用（Ｈ６）であり、積層方向αにそれぞれの流路を形成する。なお、供給用と排出用は一部又は全部が逆の位置関係でもよい。

まず、膜電極接合体３０について説明する。
膜電極接合体３０は、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly)とも呼称されるものであり、図６に示すように、例えば固体高分子から成る電解質膜３１を、アノード３２とカソード３３により挟持した構造を有している。
なお、本実施形態においては、アノード３２とカソード３３の各表面に、カーボンペーパや多孔質体等から成るガス拡散層３４（３４）がそれぞれ積層されている。

上記の膜電極接合体３０は、アノード３２に水素含有ガスが、また、カソード３３に酸素含有ガスがそれぞれ送給されることにより、電気化学反応による発電を行なう。なお、膜電極接合体３０としては、上記のガス拡散層３４を設けることなく、電解質層３１とアノード３２とカソード３３により構成したものとしてもよい。

次に、フレーム２０について説明する。
フレーム２０は、例えば射出成形によって上記した膜電極接合体３０と一体的に形成されており、本実施形態においては、燃料電池セルＡ１の積層方向αから見た正面視において横長方形にし、かつ、ほぼ一定の板厚に形成されているとともに、その中央部分に上記した膜電極接合体３０が配置されている。

ディフューザ部Ｄには、フレーム２０とこれに対向するセパレータ４０，４１とを離間させておくための円柱台形にした突起２１が所要の間隔にして複数配設されている。
なお、当該突起２１は、フレーム２０に突設することに限るものではなく、セパレータ４０，４１に形成し、また、フレーム２０とセパレータ４０，４１双方に適宜振り分けて形成してもよい。

次に、上記図３，４とともに、図５をも参照してセパレータ４０，４１について説明する。
セパレータ４０，４１は、それぞれステンレス等の金属板をプレス成形したものであり、膜電極接合体３０に対向する中央部分が、図３，４に示すように、β方向に連続した凹凸形状に形成してある。

これにより、セパレータ４０，４１は、膜電極接合体２０に対向する凹凸形状部分４０ａ，４１ａでは、各凸部分が膜電極接合体３０に接触するとともに、各凹部分が水素含有ガス（酸素含有ガス）の流路となっている。

セパレータ４０，４１は、これらの両端部に、フレーム２０の各マニホールド孔Ｈ１〜Ｈ６の同形同大のマニホールド孔Ｈ１〜Ｈ６が互いに対向する位置に形成されているともに、上記両セパレータ４０，４１の各挟持片４２，４３の挟持終端４２ａ，４２ａ、４３ａ，４３ａの位置を互いに正対しないように偏移させている。

本実施形態における「正対しないように偏移させる」とは、フレーム２０を挟む両側に位置する挟持終端４２ａ，４３ａ、４２ａ，４３ａが、平面視において互いに重なり合わないようにβ方向に位置ずれさせている状態をいう。

換言すると、中心軸線Ｏから両端部に向けて延出する挟持片４２，４３の長さＬ１，Ｌ２を各々長短設定することにより、挟持片４２，４３の終端部４２ａ，４３ａ、４２ａ，４３ａを互いに対向しない位置となるようにしている。

本実施形態においては、セパレータ４０の挟持片４２の長さＬ１を、セパレータ４１の挟持片００の長さＬ２よりも長く設定している。具体的には、セパレータ４０の挟持片４２の終端４２ａと、セパレータ４１の挟持片４３の終端４３ａとの間に所要の間隔Ｌ３が設けられるようにしている。

上述した燃料電池セルＡ１によれば、差圧が発生したときの応力発生箇所が一点に集中することを回避できるため、曲げ疲労に対する寿命を延長することができる。なお、図５において示す矢印は差圧、（ア），（イ）は差圧による応力を示している。同図からも明らかなように、差圧が発生したときの応力発生箇所が一点に集中していないことが明らかである。

次に、図７を参照して第二の実施形態に係る燃料電池セルＡ２について説明する。図７は、図４に示すＩ‐Ｉ線に沿う部分に相当する部分断面図である。なお、上述した実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略する。

第二の実施形態に係る燃料電池セルＡ２は、第一の実施形態に係る燃料電池セルＡ１と、膜電極接合体５０とセパレータ６０，６１の構成が相違しているので、その相違点について説明する。
膜電極接合体５０は、例えば固体高分子から成る電解質層３１を、アノード３２とカソード３３により挟持し、かつ、それらアノード３２とカソード３３の各表面に、カーボンペーパや多孔質体等から成るガス拡散層３４，３５がそれぞれ積層されている。

本実施形態においては、カソード３３側のガス拡散層３５がアノード３２側のガス拡散層３４よりも長尺に形成されているとともに、そのアノード３２側のガス拡散層３４の両端部から外側に同じ長さだけ突出させている。

セパレータ６０，６１は、これらの両端部に、フレーム２０の各マニホールド孔Ｈ１〜Ｈ６の同形同大のマニホールド孔Ｈ１〜Ｈ６（いずれも図示しない）が互いに対向する位置に形成されているともに、上記両セパレータ６０，６１の各挟持片６２，６３の挟持終端６２ａ，６２ａ、６３ａ，９３ａの位置を互いに正対しないように偏移させ、かつ、挟持長が比較的に長いセパレータ６０の挟持片６２を、上記ガス拡散層３５とフレーム２０に当接させている。

上記した第二の実施形態に係る燃料電池セルＡ２によれば、差圧発生時に強度の低い部位が曲げの起点にならず、また、応力発生箇所が一点に集中しないため、曲げ疲労に対する寿命を延命できる。なお、図７において示す矢印は差圧、（ア），（イ）は差圧による応力を示している。同図からも明らかなように、差圧が発生したときの応力発生箇所が一点に集中していないことが明らかである。

以上詳細に説明したが、いずれにしても、上記各実施形態において説明した各構成は、それら各実施形態にのみ適用することに限らず、一の実施形態において説明した構成を、他の実施形態に準用若しくは適用し、さらには、それを任意に組み合わせることができるものであることを附記する。

２０枠体（フレーム）
３０，５０膜電極接合体
３１電解質膜
３２アノード
３３カソード
３４，３５ガス拡散層
４０，４１、６０，６１セパレータ
４２，４３、６２，６３挟持片
４２ａ，４３ａ挟持終端
６２ａ，６３ａ挟持終端
Ａ１，Ａ２燃料電池セル

Claims

電解質膜の一方の面側にアノードが接合され、他方の面側にカソードが接合された膜電極接合体と、
該膜電極接合体と一体的に形成された枠体と、
上記膜電極接合体及び枠体を挟持する一対のセパレータと、を備え、
上記一対のセパレータと上記枠体との間に水素ガス又は酸素ガスの流通領域であるディフューザ部が形成され、
上記水素含有ガスと酸素含有ガスとを、上記セパレータで分離して流出入させる燃料電池セルであって、
上記一対のセパレータの挟持片の挟持終端の位置が、膜電極接合体上をガスが流れる方向に、互いに正対しないように偏移し、かつ、いずれか一方の挟持片の挟持終端が、上記ディフューザ部のガス流路に対向する位置にあることを特徴とする燃料電池セル。
一方のセパレータに形成された挟持片の長さが、他方のセパレータに形成された挟持片の長さよりも長いことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池セル。
上記膜電極接合体が、アノード表面とカソード表面とにガス拡散層を有するものであり、いずれか一方のガス拡散層が他方のガス拡散層よりも長尺に形成され、かつ、該ガス拡散層が長尺に形成された側のセパレータに形成された挟持片が、上記ガス拡散層と枠体とに当接していることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池セル。
電解質膜の一方の面側にアノードが接合され、他方の面側にカソードが接合された膜電極接合体と、
該膜電極接合体と一体的に形成された枠体と、
第１セパレータと第２セパレータとで上記膜電極接合体及び枠体を挟持する一対のセパレータを備え、
上記第１セパレータと上記膜電極接合体及び上記枠体との間に第１のガス流路が形成され、上記第２セパレータと上記膜電極接合体及び上記枠体との間に第２のガス流路が形成されており、
上記第１セパレータには、上記膜電極接合体上をガスが流れる方向が長手方向である第１の面を上記膜電極接合体に当接させて該膜電極合体を挟持する第１挟持片が形成され、
上記第２セパレータには、上記第１挟持片と対向する位置に設けられ、上記膜電極接合体上をガスが流れる方向が長手方向である第２の面を上記膜電極接合体に当接させて、上記第１挟持片と共に上記膜電極接合体を挟持する第２挟持片が形成され、
上記膜電極接合体上をガスが流れる方向における上記第１の面の端部の位置と、上記膜電極接合体上をガスが流れる方向における上記第２の面の端部の位置とは、互いに上記膜電極接合体上をガスが流れる方向にずれており、かつ、上記膜電極接合体上をガスが流れる方向における上記第１の面の端部は、上記第２のガス流路に対向する位置にあることを特徴とする燃料電池セル。
上記第１の面の長手方向の長さが、上記第２の面の長手方向の長さよりも長いことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池セル。
上記膜電極接合体は、ガス拡散層を有しており、
上記枠体は、上記膜電極接合体の外周縁を支持する支持部を有しており、
上記第１の面は、上記ガス拡散層と上記支持部とに当接していることを特徴とする請求項４又は５に記載の燃料電池セル。
上記枠体は、上記膜電極接合体の外周縁を支持する支持部を有しており、
上記第１の面は上記膜電極接合体と上記枠体の支持部とに当接しており、
上記膜電極接合体上をガスが流れる方向における上記第１の面の端部が、上記枠体の支持部上に位置していることを特徴とする請求項４又は５に記載の燃料電池セル。
上記膜電極接合体上をガスが流れる方向における上記第２の面の端部が、上記膜電極接合体上に位置していることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池セル。