JP5756388B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、段差型ＭＥＡの外周に樹脂製枠部材が設けられた樹脂枠付き電解質膜・電極構造体と、セパレータとが積層され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、一方のガス拡散層が固体高分子電解質膜よりも小さな表面積に設定されるとともに、他方のガス拡散層が前記固体高分子電解質膜と同一の表面積に設定される、所謂、段差型ＭＥＡを構成する場合がある。

通常、燃料電池スタックでは、多数の電解質膜・電極構造体が積層されており、コストを抑制するために、前記電解質膜・電極構造体を安価に構成することが要請されている。従って、特に高価な固体高分子電解質膜の使用量を削減するとともに、構成の簡素化を図るため、種々の提案がなされている。

例えば、特許文献１に開示されている膜電極組立体は、図６に示すように、高分子電解質膜１、前記電解質膜１の一方の面側に設けられる第１の電極層２ａ、前記第１の電極層２ａの該電解質膜１とは反対側に設けられる第１のガス拡散層３ａ、前記電解質膜１の他方の面側に設けられる第２の電極層２ｂ、及び前記第２の電極層２ｂの該電解質膜１とは反対側に設けられる第２のガス拡散層３ｂを含む膜電極接合体４を備えている。膜電極接合体４には、電解質膜１の外周縁の全部並びに第１のガス拡散層３ａ及び第２のガス拡散層３ｂの外周縁の少なくとも一部であって、該電解質膜１の側を包囲するように樹脂枠５が設けられている。

第１のガス拡散層３ａ及び第１の電極層２ａは、前記第１のガス拡散層３ａの外周縁全体が電解質膜１の外周縁の範囲内に収まるとともに、前記第１の電極層２ａの外周縁全周に亘って該第１の電極層２ａの外周縁と前記電解質膜１の外周縁との間に該電解質膜１の表面領域が残るように、該電解質膜１の表面上に配置されている。

第２のガス拡散層３ｂは、電解質膜１の外周縁全周に亘って表面領域とは反対側の少なくとも一部にまで延在しており、さらに樹脂枠５は、該表面領域の少なくとも一部に固着している。第２のガス拡散層３ｂは、電解質膜１の外周縁全周に亘って表面領域とは反対側の少なくとも一部にまで延在している。

特開２００８−４１３３７号公報

上記の特許文献１では、膜電極組立体がセパレータ間に挟持されることにより、燃料電池が構成されるとともに、複数の前記燃料電池が積層されて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、第１のガス拡散層３ａ及び第２のガス拡散層３ｂの弾性係数は、一般的に０．０１ＧＰａ〜０．０４ＧＰａ程度であるのに対して、樹脂枠５の弾性係数は、一般的に２ＧＰａ〜４ＧＰａ程度である。

このため、第１のガス拡散層３ａ及び第１の電極層２ａの外方に露呈する電解質膜１の表面領域に樹脂枠５の内周縁部が重なっている段差部では、他の部位、特に前記樹脂枠５の内部空間の発電部に比べて相当に高い面圧が付与されてしまう。従って、段差部における電解質膜１に過剰な荷重がかかってしまい、前記電解質膜１の膜破損等が発生し易いという問題がある。

本発明は、この種の問題を解決するものであり、固体高分子電解質膜の外周を周回して樹脂製枠部材が設けられるとともに、段差型ＭＥＡの段差部に過剰な荷重が付与されること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、それぞれ電極触媒層とガス拡散層とを有する第１電極及び第２電極が、固体高分子電解質膜の両側に設けられ、前記第１電極は、前記第２電極よりも外形寸法が小さく設定される一方、前記固体高分子電解質膜の外周を周回し、該固体高分子電解質膜の端部と接合するとともに、前記第１電極の外周端及び前記第２電極の外周端とも接合して樹脂製枠部材が設けられる樹脂枠付き電解質膜・電極構造体と、前記樹脂枠付き電解質膜・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。

この燃料電池では、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体は、樹脂製枠部材の内部空間に位置し、第１電極及び第２電極間に固体高分子電解質膜を挟んだ発電部と、前記第１電極の外方に位置し、前記第２電極及び前記樹脂製枠部材間に前記固体高分子電解質膜を挟んだ段差部とを有している。そして、燃料電池が締め付けられた際、段差部は、両側をセパレータにより挟持されるとともに、前記段差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、燃料電池が締め付けられた際、樹脂製枠部材と第２電極に接するセパレータとの間には、隙間が形成されることが好ましい。

本発明によれば、段差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、段差部では、固体高分子電解質膜にかかる面圧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、段差部での固体高分子電解質膜の破損等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樹脂枠付き電解質膜・電極構造体のアノード電極側の正面説明図である。 前記樹脂枠付き電解質膜・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。 ＭＥＡ厚さと発電部面圧及び段差部面圧との関係説明図である。 特許文献１に開示された膜電極組立体の説明図である。

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、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１２と、前記樹脂枠付き電解質膜・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、金属薄板をプレス成形した金属セパレータにより構成してもよい。

図２に示すように、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１２は、段差型ＭＥＡ１２ａを備えるとともに、前記段差型ＭＥＡ１２ａ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（第１電極）２０及びアノード電極（第２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、全周に亘って固体高分子電解質膜１８及びアノード電極２２よりも小さな表面積を有する。なお、カソード電極２０は、アノード電極２２よりも大きな表面積を有していてもよい。固体高分子電解質膜１８の外周縁部は、小さい方の電極、例えば、カソード電極２０の外周よりも全周に亘って突出していればよく、大きい方の電極、例えば、アノード電極２２の端部と同一位置に配置されていなくてもよい。

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、前記固体高分子電解質膜１８の外周端縁部１８ａｅを額縁状に露呈させる。アノード電極２２は、固体高分子電解質膜１８の他方の面１８ｂに配置される。

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。

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、前記ガス拡散層２０ｂの平面寸法は、前記ガス拡散層２２ｂの平面寸法よりも小さく設定される。

図１〜図３に示すように、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１２は、固体高分子電解質膜１８の外周を周回するとともに、カソード電極２０及びアノード電極２２に接合される樹脂製枠部材２４を備える。樹脂製枠部材２４は、例えば、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）やＰＰＡ（ポリフタルアミド）等で構成される他、弾性を有する高分子材料を用いてもよい。

樹脂製枠部材２４は、内部に段付き開口部（内部空間）を設けており、内方に配置される第１内周端部２４ａと、前記第１内周端部２４ａよりも外方に配置される第２内周端部２４ｂとを有する。樹脂製枠部材２４は、第１内周端部２４ａと第２内周端部２４ｂとの間に薄肉部２４ｃを設ける。第１内周端部２４ａには、カソード電極２０の外周端部が接合されるとともに、第２内周端部２４ｂには、アノード電極２２の外周端部が接合される。

図２に示すように、カソード側セパレータ１４は、樹脂製枠部材２４に接する外周縁部に寸法Ｌ１だけ肉薄な薄肉部１４ｃを設ける一方、アノード側セパレータ１６は、前記樹脂製枠部材２４に対向する外周縁部に寸法Ｌ２だけ肉薄な薄肉部１６ｃを設ける。燃料電池１０が積層された状態（締め付けられた状態）で、樹脂製枠部材２４とアノード側セパレータ１６の薄肉部１６ｃとの間には、隙間Ｓが形成される。カソード側セパレータ１４とアノード側セパレータ１６とで樹脂製枠部材２４を直接挟持することにより、面圧が高くなることを阻止するためである。

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の樹脂枠付き電解質膜・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の樹脂枠付き電解質膜・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。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は、燃料電池１０が積層された際、締め付け荷重の一部を受け持つ。

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、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１２は、樹脂製枠部材２４の内部空間に位置し、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、前記カソード電極２０の外方に位置し、前記アノード電極２２及び前記樹脂製枠部材２４の薄肉部２４ｃ間に前記固体高分子電解質膜１８を挟んだ段差部４８とを有する。

燃料電池１０では、この燃料電池１０が積層された際、段差部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、樹脂枠付き電解質膜・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、前記樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１２の段差部４８の厚さＴｂｍ、前記カソード側セパレータ１４の前記段差部４８の厚さＴｂｃ及びアノード側セパレータ１６の前記段差部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を加えて、Ｔａｍ＋Ｔａｃ＋Ｔａａ−Ｔｃｅｌｌ＞２×（Ｔｂｍ＋Ｔｂｃ＋Ｔｂａ−Ｔｃｅｌｌ）の関係に設定される。

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方向に移動して段差型ＭＥＡ１２ａ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、段差型ＭＥＡ１２ａのアノード電極２２に供給される。

従って、各段差型ＭＥＡ１２ａ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２０ａ、２２ａ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、段差型ＭＥＡ１２ａ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、段差部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、段差部４８では、前記固体高分子電解質膜１８の面１８ｂにのみ前記ガス拡散層２２ｂが設けられている。

段差部４８は、発電部４６に比べて弾性係数が大きい。このため、発電部４６の締め代と段差部４８の締め代とが同一寸法であると、前記段差部４８に前記発電部４６よりも高い面圧が発生する。例えば、ガス拡散層２０ｂ、２２ｂの厚さに対応して段差部面圧＝２×発電部面圧となるため、段差部４８の締め代を小さくする必要がある。さらに、段差部４８では、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＞２×（Ｔｂｍ＋Ｔｂｃ＋Ｔｂａ−Ｔｃｅｌｌ）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＞段差部面圧に設定することができる。すなわち、図５に示すように、段差型ＭＥＡ１２ａ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段差部面圧に対応する発電部締め代及び段差部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、段差部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、所望の発電性能を有するとともに、段差部４８での固体高分子電解質膜１８の破損（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。

なお、本実施形態では、カソード側セパレータ１４及びアノード側セパレータ１６に段差である薄肉部１４ｃ、１６ｃが設けられているが、これに限定されるものではない。例えば、カソード側セパレータ１４の発電部４６と段差部４８との間に段差がなく平坦に構成する一方、樹脂製枠部材２４の前記カソード側セパレータ１４と接する面側に段差を設けてもよい。

１０…燃料電池 １２…樹脂枠付き電解質膜・電極構造体
１２ａ…段差型ＭＥＡ １４…カソード側セパレータ
１６…アノード側セパレータ １８…固体高分子電解質膜
２０…カソード電極 ２０ａ、２２ａ…電極触媒層
２０ｂ、２２ｂ…ガス拡散層 ２２…アノード電極
２４…樹脂製枠部材 ２４ａ、２４ｂ…内周端部
２４ｃ…薄肉部 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
４２、４４…シール部材 ４６…発電部
４８…段差部

Claims (2)

1. それぞれ電極触媒層とガス拡散層とを有する第１電極及び第２電極が、固体高分子電解質膜の両側に設けられ、前記第１電極は、前記第２電極よりも外形寸法が小さく設定される一方、前記固体高分子電解質膜の外周を周回し、該固体高分子電解質膜の端部と接合するとともに、前記第１電極の外周端及び前記第２電極の外周端とも接合して樹脂製枠部材が設けられる樹脂枠付き電解質膜・電極構造体と、
   前記樹脂枠付き電解質膜・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、
   前記樹脂枠付き電解質膜・電極構造体は、前記樹脂製枠部材の内部空間に位置し、前記第１電極及び前記第２電極間に前記固体高分子電解質膜を挟んだ発電部と、
   前記第１電極の外方に位置し、前記第２電極及び前記樹脂製枠部材間に前記固体高分子電解質膜を挟んだ段差部と、
   を有し、
   前記燃料電池が締め付けられた際、前記段差部は、両側を前記セパレータにより挟持されるとともに、
   前記段差部における締め代は、前記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、前記燃料電池が締め付けられた際、前記樹脂製枠部材と前記第２電極に接する前記セパレータとの間には、隙間が形成されることを特徴とする燃料電池。

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