JP5786419B2

JP5786419B2 - 燃料電池セル

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Publication number: JP5786419B2
Application number: JP2011083533A
Authority: JP
Inventors: 屋　隆了; 隆了屋; 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: 2011-04-05
Filing date: 2011-04-05
Publication date: 2015-09-30
Anticipated expiration: 2031-04-05
Also published as: US20130183606A1; EP2696414B1; US10256486B2; CN103098277B; CA2812907A1; CN103098277A; EP2696414A1; JP2012221619A; CA2812907C; EP2696414A4; WO2012137773A1

Description

本発明は、例えば固体高分子型の燃料電池セルに関する。

この種の燃料電池セルとして、特許文献１に「燃料電池用セパレータおよびそれを備えた燃料電池」とした名称において開示された構成のものがある。
特許文献１に開示された燃料電池は、発電体に対し突出して接触する接触部を有することによって、上記発電体に反応ガスを供給するための反応ガス流路を画定する流路画定部材と、その反応ガス流路の一部において、上記流路画定部材から発電体側に突出する凸部とを備え、上記凸部の突出距離を上記接触部の突出距離に比べて短くしたものである。

特願２０１０‐２０５６６９号公報

しかしながら、特許文献１に記載の燃料電池においては、反応ガス圧の変動に起因して発電体のカソードとアノードとの間に圧力差（以下、「差圧」と称する。）が生じるが、凸部の突出距離を上記接触部の突出距離に比べて短くしているので、上記差圧によって発電体が変形し、反応ガス流路が閉塞するおそれがあるという課題が未解決のままである。

そこで本発明は、差圧が繰り返し生じるときにも、反応ガスの流通断面積を減少させることなく疲労耐性を向上させることが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、膜電極接合体を形成した枠体を一対のセパレータ間に挟持することにより、その膜電極接合体の両側部であって枠体の両面側に水素含有ガスと酸素含有ガスの各流通領域を形成しているとともに、各流通領域に複数の突起を所要の間隔にして配設することによりガス流路を区画形成している燃料電池セルにおいて、上記複数の突起により区画形成されるガス流路が、上記複数の突起を枠体の両側で正対しないように配置している。

本発明によれば、ガスの流通領域における断面積の減少を伴わずに、応力発生部の断面係数を大きくすることができる。
差圧の入力時における応力発生箇所と分布をずらすことができるので、応力振幅を小さくすることができ、構造上の疲労耐性を増大させることができる。

本発明の第一の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。本発明の第一の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。同上の燃料電池セルを、図４に示すＩ‐Ｉ線に沿う断面にして示す部分断面図である。本発明の第二の実施形態に係る燃料電池セルの一部を断面にして示す部分断面図である。（Ａ）は、本発明の第三の実施形態に係る燃料電池セルの一部を断面にして示す部分断面図、同図（Ｂ）は、本発明の第四の実施形態に係る燃料電池セルの一部を断面にして示す部分断面図である。本発明の第五の実施形態に係る燃料電池セルの一部を断面に示す部分断面図である。本発明の第六の実施形態に係る燃料電池セルの一部を断面にして示す部分断面図である。本発明の第七の実施形態に係る燃料電池セルの一部を断面にして示す部分断面図である。

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、本発明の第一の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。また、図３は、本発明の第一の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である。
なお、一例に係る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。

図１，２に示すように、燃料電池スタック１０は、集電板１３，１４及び複数の燃料電池セルＡ１を一対のエンドプレート１１，１２間に積層させ、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。

燃料電池セルＡ１は、枠体（以下、「フレーム」という。）２０を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、その膜電極接合体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の両側部には、水素含有ガス又は酸素含有ガスの供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とが形成されている。

図３に示すように、一側部のマニホールド部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なしている。

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）のものであり、積層方向αにそれぞれの流路をなしている。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。

次に、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、例えば固体高分子から成る電解質膜を、アノードとカソード（いずれも図示しない）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、アノードとカソードの各表面に、カーボンペーパや多孔質体等から成るガス拡散層がそれぞれ積層されている。

上記した膜電極接合体３０は、アノードに水素含有ガスが、また、カソード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、上記のガス拡散層を設けることなく、電解質層とアノードとカソード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。図５は、本発明の第一の実施形態に係る燃料電池セルを、図４に示すＩ‐Ｉ線に沿う断面にして示す部分断面図である。なお、図において示す矢印は差圧、（ア），（イ）は、差圧によって生ずる曲げモーメントを示している。

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は、フレーム２０とセパレータ４０，４１との各間、すなわち、フレーム２０のアノード側及びカソード側（両面側）にそれぞれ形成されており、互いに同形同大の円錐台形にした突起２１が所要の間隔にしてそれぞれ複数配設されている。
なお、突起２１の底面（基部）から上底（上部）にかけての比率は適宜設定することができる。

突起２１は、図５にも示すように、フレーム２０とこれに対向するセパレータ４０，４１とを離間させるとともに、各ディフューザ部Ｄに所要の間隔にして配設することにより水素含有ガス流路Ｓ１，酸素含有ガス流路Ｓ２を区画形成している。
以下、水素含有ガス流路Ｓ１，酸素含有ガス流路Ｓ２を、単に「ガス流路Ｓ１，Ｓ２」という。

本実施形態においては、上記突起２１を、上記各ディフューザ部Ｄに区画形成されるガス流路Ｓ１，Ｓ２がフレーム２０の両面側で正対しないように配置している。
「正対」とは、フレーム２０の両面側に同形同大の円錐台形にした上記突起２１どうしを同一の配置、換言すると、互いに対向して配置することにより、当該両面に同形のガス流路が形成されることをいう。

本実施形態においては、図５に示すように、アノード側（一面側）のガス流路Ｓ１に、カソード側（他面側）の突起２１が、また、カソード側（他面側）のガス流路Ｓ２に、アノード側（一面側）の突起２１が対向して配置されている。
換言すると、水素含有ガスと酸素含有ガスの各流通領域の突起２１が互いに対向しないように配設している。

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されているとともに、これらの両端部に、フレーム２０の各マニホールド孔Ｈ１〜Ｈ６と同形同大のマニホールド孔Ｈ１〜Ｈ６が互いに対向して形成されている。

これにより、セパレータ４０，４１は、膜電極接合体３０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。

図６は、本発明の第二の実施形態に係る燃料電池セルの一部を断面にして示す部分断面図である。
本発明の第二の実施形態に係る燃料電池セルＡ２は、上記した燃料電池セルＡ１と突起２１の配置間隔を異ならせたものである。

すなわち、燃料電池セルＡ１の突起２１の配置間隔を広くしたものであり、換言すると、ガス流路Ｓ１，Ｓ２を上記燃料電池セルＡ１の突起２１の配置間隔よりも幅広の寸法Ｗ１に形成した構成のものであり、フレーム２０Ａの一面側の突起２１の基部２１ａと、他面側の突起２１の角部２１ｂとの間に所要の間隔Ｗ２をもたせている。
なお、所要の間隔Ｗ２は、発生する曲げモーメント等を勘案して設定すればよい。

本実施形態によれば、両ガスの流通部分の断面積の減少を伴わず若しくは最小限にしつつ、部分的に板厚を増加させて断面係数を大きくし、発生する応力を低減させることができる。
また、フレーム２０Ａの板厚を増加できない箇所であっても、梁長寸法を短縮できるため、発生する応力を抑制できる。

図７（Ａ）は、本発明の第三の実施形態に係る燃料電池セルの一部を断面にして示す部分断面図、同図（Ｂ）は、本発明の第四の実施形態に係る燃料電池セルの一部を断面にして示す部分断面図である。

図７（Ａ）に示す本発明の第三の実施形態に係る燃料電池セルＡ３は、上記した突起２１と同等の突起４０ｂ，４１ｂを、一対のセパレータ４０Ａ，４１Ａに一体に形成した点で上記燃料電池セルＡ１，Ａ２と相違している。

同図に示すフレーム２０Ｂは、例えば射出成形によって上記した膜電極接合体３０と一体に形成されており、本実施形態においては、燃料電池セルＡ３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を配置したものであり、これには、上記した突起を配置していない。

セパレータ４０Ａは、上記したディフューザ部Ｄに対応する領域に複数の突起４０ｂを一体に形成している。
突起４０ｂは、互いに同形同大の円錐台形にし、かつ、所要の間隔にして複数配設されている。
セパレータ４１Ａは、上記したディフューザ部Ｄに対応する領域に複数の突起４１ｂを一体に形成している。
突起４１ｂは、突起４０ｂと同形同大の円錐台形にし、かつ、所要の間隔にして複数配設されている。

本実施形態においては、アノード側（一面側）のガス流路Ｓ１に、カソード側（他面側）の突起４１ｂが、また、カソード側（他面側）のガス流路Ｓ２に、アノード側（一面側）の突起４０ｂが対向して配置されている。

図７（Ｂ）に示す本発明の第四の実施形態に係る燃料電池セルＡ４は、上記した燃料電池セルＡ３と突起４０ｂ，４１ｂの配置間隔を異ならせたものである。

すなわち、燃料電池セルＡ３の突起４０ｂ，４１ｂの配置間隔を広くしたものであり、換言すると、ガス流路Ｓ１，Ｓ２を上記燃料電池セルＡ３の突起４０ｂ，４１ｂの配置間隔よりも幅広の寸法に形成した構成のものであり、フレーム２０Ｂの一面側の突起４０ｂの基部と、他面側の突起４１ｂの角部との間に所要の間隔Ｗ２をもたせている。
なお、所要の間隔Ｗ２は、発生する曲げモーメント等を勘案して設定すればよいことは、上記した燃料電池セルＡ２と同様である。

図８は、本発明の第五の実施形態に係る燃料電池セルの一部を断面にして示す部分断面図である。なお、上述したいずれかの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。

本発明の第五の実施形態に係る燃料電池セルＡ５は、フレーム２０Ｃを周囲に形成した上記した膜電極接合体３０を、図６に示すセパレータ４１と、図７（Ａ）に示すセパレータ４０Ａと同等のもの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（図８には図示しない）を形成した構成のものである。

フレーム２０Ｃ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Ａ５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。

このフレーム２０Ｃは、上記したディフューザ部Ｄのカソード側にのみ、互いに同形同大の円錐台形にした突起２１を所要の間隔にして複数配設し、かつ、アノード側を平坦面にして形成したものである。
本実施形態においては、セパレータ４０Ａの突起４０ｂを、フレーム２０Ｃの突起２１とセパレータ４１で区画形成されるガス流路Ｓ２に対向する位置に配置している。

図９は、本発明の第六の実施形態に係る燃料電池セルの一部を断面にして示す部分断面図である。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。

本発明の第六の実施形態に係る燃料電池セルＡ６は、図７（Ａ），（Ｂ）に示すフレーム２０Ｂと同等のものを周囲に形成した膜電極接合体３０（図９には図示しない）を、セパレータ４０Ｂと、図７（Ｂ）に示すセパレータ４１Ａと同等のものに挟持した構成のものである。
セパレータ４０Ｂは、上記したディフューザ部Ｄに対応する領域に複数の突起４０ｃを一体に形成している。
突起４０ｃは、互いに同形同大の円錐台形にし、かつ、所要の間隔にして複数配設されており、上記した突起４０ｂ（４１ｂ）に対してフレーム２０Ｂに当接する当接面２０ｃ´の面積を増大させたものである。
本実施形態においては、セパレータ４０Ｂの突起４０ｃと、セパレータ４１Ａの突起４１ｂとを対向させて配置している。

図１０は、本発明の第七の実施形態に係る燃料電池セルの一部を断面にして示す部分断面図である。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。

本発明の第七の実施形態に係る燃料電池セルＡ７は、フレーム２０Ｄを周囲に形成した膜電極接合体３０（図１０には図示しない）を、図６に示す一対のセパレータ４０，４１間と同等のものに挟持した構成のものである。

フレーム２０Ｄ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Ａ７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（図示しない）が配置されている。

このフレーム２０Ｄは、これのアノード側の面とカソード側の面にそれぞれ異なる大きさの突起２２，２３を複数配設した構成のものである。
突起２２，２３は円錐台形に形成されており、突起２２のセパレータ４０との当接面２２ａの面積を、突起２３のセパレータ４１との当接面２３ａの面積よりも大きくしているとともに、突起２２と突起２３とを対向させて配設している。

上記した各実施形態に係る燃料電池セルＡ１〜Ａ７によれば、次の効果を得ることができる。
・上述した燃料電池セルＡ１によれば、両ガスの流通領域における断面積の減少を伴わずに、応力発生箇所の断面係数を大きくすることができる。
・差圧の入力時における応力発生箇所と分布をずらすことができるので、応力振幅を小さくすることができ、構造上の疲労耐性を増大させることができる。
・フレームの厚みを均一化するように突起を一体に突設したときには、そのフレームをなす樹脂の流動性を損なうことがなく、例えばウエルドの発生を防止することができる。

・図６に示す燃料電池セルＡ２によれば、ガスの流通領域の断面積の減少を伴うことなく、又は最小限にしつつ、フレーム２０Ａの板厚を部分的に増加させて断面係数を大きくすることができ、発生する応力を低減させることができる。
・また、板厚が増加できない箇所も梁長寸法を短縮できるため、発生応力を抑制することができる。
・フレームの厚みを均一化するように突起を一体に突設したときには、そのフレームをなす樹脂の流動性を損なうことがなく、例えばウエルドの発生を防止することができる。

図７（Ａ），（Ｂ）に示す燃料電池セルＡ３，Ａ４によれば、差圧の入力時における応力発生部分の分布をずらすことができるとともに、応力振幅が小さくなるので構造上の疲労耐性を増大させることができる。

図８に示す燃料電池セルＡ５によれば、ガスの流通領域の断面積の減少を伴うことなく、又は最小限にしつつ、フレーム２０Ａの板厚を部分的に増加させて断面係数を大きくすることができ、発生する応力を低減させることができる。
また、差圧の入力時における応力発生箇所と分布をずらすことができるので、応力振幅を小さくすることができ、構造上の疲労耐性を増大させることができる。

図９，１０に示す燃料電池セルＡ６，Ａ７によれば、差圧の入力時における応力発生部分の分布をずらすことができるとともに、応力振幅が小さくなるので構造上の疲労耐性を増大させることができる。
また、差圧の大小と、その入力位置が近いので発生する応力を総裁できるために効果的である。

なお、本発明は上述した実施形態に限るものではなく、次のような変形実施が可能である。
上記した各実施形態においては、突起として円錐台形のものを例示したが、円柱形，角柱形，楕円柱形その他、公知の形のものを採用することができる。

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。

２０，２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄ枠体（フレーム）
２１，２２，２３，４０ｂ，４１ｂ，４０ｃ突起
３０膜電極接合体
４０，４１、４０Ａ，４０Ｂセパレータ
Ａ１〜Ａ７燃料電池セル
Ｄ流通領域（ディフューザ部）
Ｓ１，Ｓ２ガス流路

Claims

中央部分に膜電極接合体が配置されたフレームを一対のセパレータ間に挟持することで、上記膜電極接合体の両側部のフレームの一方の面側に水素含有ガスの流通領域が形成され、他方の面側に酸素含有ガスの流通領域が形成されており、
上記フレームの両面に形成された流通領域のそれぞれに、複数の突起を所要の間隔で配設することによりガス流路を区画形成している燃料電池セルにおいて、
上記フレームの両面の流通領域のそれぞれに区画形成されるガス流路が、フレームの両面側で正対しないように、上記複数の突起を配置していることを特徴とする燃料電池セル。
上記複数の突起をフレームに一体的に形成していることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池セル。
上記複数の突起を、一対のセパレータの少なくとも一方のものに一体的に形成していることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池セル。
上記複数の突起を、一対のセパレータの双方に一体的に形成していることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池セル。
一方のセパレータの突起と他方のセパレータの突起がセパレータにそれぞれ当接する面積を互いに異ならせていることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池セル。
一方のセパレータの突起と他方のセパレータの突起が互いに対向して配置されていることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池セル。
フレームの両面に形成された突起がセパレータに当接する面積を双方で異ならせたことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池セル。
フレームの両面に形成された突起が互いに対向して配置され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。
上記フレームが樹脂を射出成形により形成されており、
上記フレームの厚みを均一化するように枠体の両面に突起を一体に突設していることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の燃料電池セル。