JP5802648B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、電解質膜の両側に、それぞれ電極触媒層及びガス拡散層を積層した電極が設けられる電解質膜・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。

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の一方側にアノード電極が配設され、且つ、前記電解質膜の他方の側にカソード電極が配設された電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、一対のセパレータによって挟持した単位セルを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の単位セルを積層することにより、車載用燃料電池スタックとして使用されている。

燃料電池では、波状にプレス成形された金属セパレータが使用されるとともに、前記金属セパレータの面内に、アノード電極に燃料ガスを流すための燃料ガス流路（以下、反応ガス流路ともいう）と、カソード電極に酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路（以下、反応ガス流路ともいう）とが設けられている。さらに、各発電セル毎又は複数の発電セル毎に、冷却媒体を流すための冷却媒体流路が金属セパレータの面方向に沿って設けられている。

この場合、冷却媒体流路は、燃料ガス流路の裏面形状と酸化剤ガス流路の裏面形状とが重なり合って構成されている。従って、金属薄板を波形状に形成したセパレータに燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路を構成する場合、各波形状流路の裏面形状同士が互いに位相を異ならせて重なって、冷却媒体流路が形成されている。

例えば、特許文献１に開示されている燃料電池では、燃料ガス流路を形成する第１中空状凸部又は酸化剤ガス流路を形成する第２中空状凸部の少なくとも一方を屈曲させることにより、前記第１中空状凸部と前記第２中空状凸部の頂面同士を一部離間させ、連通路を形成されている。このため、連通路は、冷却水を流通させることができ、燃料電池を効率よく冷却することが可能になる、としている。

特開２００３−３３８３００号公報

ところで、燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路を構成する各波形状流路は、水平方向に延在して設けられる場合がある。例えば、高さ方向に制限されるスペースに燃料電池を収容する際には、横長形状の燃料電池を採用する必要がある。従って、燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路は、燃料ガス及び酸化剤ガスを水平方向に流通させることが好ましい。

このため、各波形状流路には、下方に湾曲又は屈曲した後に上方に向かう凹状部が存在している。従って、特に重力方向下方に配置されている凹状部には、水が滞留し易くなり、例えば、セパレータから金属イオンが溶出するとともに、電極の貴金属が溶出するおそれがある。これにより、溶出イオンが電解質膜に取り込まれ、前記電解質膜が劣化する一方、電極性能が低下するという問題がある。

しかも、一般的に電極端部は、電極中央部に比べて電解質膜への引張力及び剪断応力が大きくなり易い。このため、発電による電解質膜の強度低下に伴って損傷を受け易くな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、反応ガス流路内の重力方向最端部に対応して電解質膜が劣化することを容易且つ確実に抑制することができ、前記電解質膜の耐久性の向上を図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、それぞれ電極触媒層及びガス拡散層を積層した電極が設けられる電解質膜・電極構造体と、セパレータとは、電極面が重力方向に沿った立位姿勢で水平方向に沿って積層されるとともに、酸化剤ガス又は燃料ガスである反応ガスを前記電極面に沿って水平方向に流通させる反応ガス流路が設けられる燃料電池に関するものである。

この燃料電池では、反応ガス流路は、それぞれ水平方向に波状に延在するとともに、重力方向に配列される複数の波形状流路部を備え、複数の前記波形状流路部の中、重力方向下方の最端部に配置される前記波形状流路部の一部は、電極触媒層の平面領域から重力方向下方の外方に突出している。

本発明によれば、複数の波形状流路部の中、重力方向下方の最端部に配置される前記波形状流路部の一部は、電極触媒層の平面領域から重力方向下方の外方に突出している。このため、重力方向下方の最端部では、反応領域外の部分が存在して劣化を引き起こす反応が緩やかになり、固体高分子電解質膜の劣化を抑制することが可能になる。従って、固体高分子電解質膜の耐久性が向上する。

しかも、電極触媒層が設けられていない平面領域で、反応ガスの消費量が減少するため、流通する反応ガス流量が増加し、波形状流路部の滞留水を良好に排水することができる。これにより、簡単な構成で、特に反応ガス流路内の重力方向下方に滞留し易い生成水を、容易且つ確実に前記反応ガス流路から排出することが可能になる。

本発明の第１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。 前記燃料電池の、図１中、ＩＩＩ−ＩＩＩ線断面説明図である。 前記燃料電池を構成するカソード側セパレータの正面説明図である。 前記燃料電池を構成するアノード側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の一部断面説明図である。 前記燃料電池の他の一部断面説明図である。 前記燃料電池を構成するカソード側セパレータの正面説明図である。 前記燃料電池を構成するアノード側セパレータの正面説明図である。

図１〜図３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、矢印Ａ方向に複数積層されて燃料電池スタックを構成する。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、これらは、電極面が重力方向に沿った立位姿勢で水平方向に沿って積層される。

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、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薄板プレートにより構成される。薄板プレート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。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より構成してもよい。

図１に示すように、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、横長形状を有するとともに、短辺が重力方向（矢印Ｃ方向）に向かい且つ長辺が水平方向（矢印Ｂ方向）に向かう（水平方向の積層）ように構成される。

燃料電池１０の長辺方向（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、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供給連通孔１８ａと、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排出連通孔２０ｂとが設けられる。

燃料電池１０の長辺方向の他端縁部には、矢印Ａ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供給連通孔２０ａと、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔１８ｂとが設けられる。

燃料電池１０の短辺方向（矢印Ｃ方向）の両端縁部一方には、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２つの冷却媒体供給連通孔２２ａが設けられる。燃料電池１０の短辺方向の両端縁部他方には、冷却媒体を排出するための２つの冷却媒体排出連通孔２２ｂが設けられる。

電解質膜・電極構造体１２は、例えば、フッ素系又は炭化水素系の固体高分子電解質膜２４と、前記固体高分子電解質膜２４を挟持するカソード電極２６及びアノード電極２８とを備える。

図２及び図３に示すように、カソード電極２６、アノード電極２８は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層２６ａ、２８ａ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２６ａ、２８ａの表面に一様に塗布されて形成される電極触媒層２６ｂ、２８ｂとを有する。電極触媒層２６ｂ、２８ｂは、固体高分子電解質膜２４の両面に振り分け形成され、発電領域ＧＦが形成される。

ガス拡散層２６ａ、２８ａの平面寸法（表面積）は、固体高分子電解質膜２４の平面寸法（表面積）よりも小さな寸法に設定されるとともに、互いに同一の平面寸法を有する。電極触媒層２６ｂ、２８ｂの平面寸法は、ガス拡散層２６ａ、２８ａの平面寸法（表面積）よりも小さな寸法に設定されるとともに、互いに同一の平面寸法を有する。

なお、電解質膜・電極構造体１２は、カソード電極２６の平面寸法がアノード電極２８の平面寸法よりも小さな、又は、前記カソード電極２６の平面寸法が前記アノード電極２８の平面寸法よりも大きな、所謂、段差ＭＥＡを構成してもよい。

図４に示すように、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、酸化剤ガス供給連通孔１８ａと酸化剤ガス排出連通孔１８ｂとを連通する酸化剤ガス流路３０が形成される。酸化剤ガス流路３０は、それぞれ水平方向に波状に延在するとともに、重力方向に配列される複数の波形状流路部３０ａを備える。酸化剤ガス流路３０は、重力方向に同期的に変化する形状を包含する形状であればよく、例えば、ジグザグ形状や矩形状でもよい。

複数の波形状流路部３０ａの中、重力方向最端部に配置される波形状流路部３０ａｅ１、３０ａｅ２の一部は、電極触媒層２６ｂ、２８ｂの平面領域、すなわち、発電領域ＧＦから重力方向外方に突出する。波形状流路部３０ａｅ１は、重力方向最下端に配置され、下方に湾曲（又は屈曲）する流路部分の下部側に沿って発電領域ＧＦの下端位置が設定される。波形状流路部３０ａｅ２は、重力方向最上端に配置され、上方に湾曲（又は屈曲）する流路部分の上部側に沿って発電領域ＧＦの上端位置が設定される。

酸化剤ガス流路３０の入口近傍及び出口近傍には、それぞれ複数のエンボスを有する入口バッファ部３２ａ及び出口バッファ部３２ｂが設けられる。入口バッファ部３２ａと酸化剤ガス供給連通孔１８ａとは、複数本の入口接続通路３３ａにより連通する。出口バッファ部３２ｂと酸化剤ガス排出連通孔１８ｂとは、複数本の出口接続通路３３ｂにより連通する。

図５に示すように、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、燃料ガス供給連通孔２０ａと燃料ガス排出連通孔２０ｂとを連通する燃料ガス流路３４が形成される。燃料ガス流路３４は、それぞれ水平方向に波状に延在するとともに、重力方向に配列される複数の波形状流路部３４ａを備える。燃料ガス流路３４は、重力方向に同期的に変化する形状を包含する形状であればよく、例えば、ジグザグ形状や矩形状でもよい。アノード側とカソード側とで、波形状流路部３０ａの位相と波形状流路部３４ａの位相とが同一であることが好ましい。但し、波形状流路部３０ａの位相と波形状流路部３４ａの位相とは、互いにずれていてもよい。

複数の波形状流路部３４ａの中、重力方向最端部に配置される波形状流路部３４ａｅ１、３４ａｅ２の一部は、電極触媒層２６ｂ、２８ｂの平面領域、すなわち、発電領域ＧＦから重力方向外方に突出する。波形状流路部３４ａｅ１は、重力方向最下端に配置され、下方に湾曲（又は屈曲）する流路部分の下部側に沿って発電領域ＧＦの下端位置が設定される。波形状流路部３４ａｅ２は、重力方向最上端に配置され、上方に湾曲（又は屈曲）する流路部分の上部側に沿って発電領域ＧＦの上端位置が設定される。

燃料ガス流路３４の入口近傍及び出口近傍には、それぞれ複数のエンボスを有する入口バッファ部３６ａ及び出口バッファ部３６ｂが設けられる。入口バッファ部３６ａと燃料ガス供給連通孔２０ａとは、複数本の入口接続通路３７ａにより連通する。出口バッファ部３６ｂと燃料ガス排出連通孔２０ｂとは、複数本の出口接続通路３７ｂにより連通する。

アノード側セパレータ１６の面１６ｂとカソード側セパレータ１４の面１４ｂとの間には、冷却媒体供給連通孔２２ａ、２２ａと冷却媒体排出連通孔２２ｂ、２２ｂとに連通する冷却媒体流路３８が形成される（図１参照）。冷却媒体流路３８は、電解質膜・電極構造体１２の電極範囲に亘って冷却媒体を流通させるとともに、前記冷却媒体流路３８の入口近傍及び出口近傍には、それぞれ入口バッファ部４０ａ及び出口バッファ部４０ｂが設けられる。

入口バッファ部４０ａと冷却媒体供給連通孔２２ａとは、複数本の入口接続通路４１ａにより連通する。出口バッファ部４０ｂと冷却媒体排出連通孔２２ｂとは、複数本の出口接続通路４１ｂにより連通する。

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の外周端縁部を周回して第１シール部材４２が一体成形される。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の外周端縁部を周回して第２シール部材４４が一体成形される。第１シール部材４２及び第２シール部材４４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等の弾性を有するシール部材が用いられる。

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、酸化剤ガス供給連通孔１８ａには、酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス供給連通孔２０ａには、水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、一対の冷却媒体供給連通孔２２ａには、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、酸化剤ガス供給連通孔１８ａからカソード側セパレータ１４の酸化剤ガス流路３０に導入される。図４に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路３０に沿って矢印Ｂ方向（水平方向）に移動し、電解質膜・電極構造体１２のカソード電極２６に供給される。

一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔２０ａからアノード側セパレータ１６の燃料ガス流路３４に供給される。燃料ガスは、図５に示すように、燃料ガス流路３４に沿って水平方向（矢印Ｂ方向）に移動し、電解質膜・電極構造体１２のアノード電極２８に供給される（図１参照）。

従って、電解質膜・電極構造体１２では、カソード電極２６に供給される酸化剤ガスと、アノード電極２８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、電解質膜・電極構造体１２のカソード電極２６に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔１８ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。一方、電解質膜・電極構造体１２のアノード電極２８に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔２０ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。

また、一対の冷却媒体供給連通孔２２ａに供給された冷却媒体は、図１に示すように、カソード側セパレータ１４及びアノード側セパレータ１６間の冷却媒体流路３８に導入される。冷却媒体は、一旦矢印Ｃ方向（重力方向）内方に沿って流動した後、矢印Ｂ方向（水平方向）に移動して電解質膜・電極構造体１２を冷却する。この冷却媒体は、矢印Ｃ方向外方に移動した後、一対の冷却媒体排出連通孔２２ｂに排出される。

この場合、第１の実施形態では、図４に示すように、酸化剤ガス流路３０を構成する複数の波形状流路部３０ａの中、重力方向最端部に配置される波形状流路部３０ａｅ１、３０ａｅ２の一部は、電極触媒層２６ｂ、２８ｂの平面領域、すなわち、発電領域ＧＦから重力方向外方に突出している。同様に、図５に示すように、燃料ガス流路３４を構成する複数の波形状流路部３４ａの中、重力方向最端部に配置される波形状流路部３４ａｅ１、３４ａｅ２の一部は、電極触媒層２６ｂ、２８ｂの平面領域、すなわち、発電領域ＧＦから重力方向外方に突出している。

このため、波形状流路部３０ａｅ１、３０ａｅ２及び波形状流路部３４ａｅ１、３４ａｅ２では、反応領域外の部分が存在している。従って、電極端部における劣化を引き起こす反応が緩やかになり、発電による強度低下を抑制して固体高分子電解質膜２４の劣化を抑制することが可能になる。これにより、固体高分子電解質膜２４の耐久性が良好に向上するという効果が得られる。

しかも、電極触媒層２６ｂ、２８ｂが設けられていない平面領域で、燃料ガス及び酸化剤ガスの消費量が減少するため、流通する燃料ガス及び酸化剤ガスの流量が増加する。特に、重力方向最下端に配置され、生成水が滞留し易い波形状流路部３０ａｅ１、３４ａｅ１では、滞留水を良好に排水することができる。このため、簡単な構成で、酸化剤ガス流路３０及び燃料ガス流路３４内の重力方向下方に滞留し易い生成水を、容易且つ確実に前記酸化剤ガス流路３０及び前記燃料ガス流路３４から排出することが可能になる。従って、固体高分子電解質膜２４は、溶出イオンを取り込むことがなく、劣化を抑制するとともに、電極性能の低下を確実に阻止することができる。

図６及び図７に示すように、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池５０は、電解質膜・電極構造体１２をカソード側セパレータ５２とアノード側セパレータ５４とで挟持する。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。また、図６は、第１の実施形態の図２と同一の断面図であり、図７は、第１の実施形態の図３と同一の断面図である。

図６〜図８に示すように、カソード側セパレータ５２には、酸化剤ガス流路３０が形成されるとともに、前記酸化剤ガス流路３０を構成する重力方向最下端の波形状流路部３０ａｅ１は、上方に湾曲（又は屈曲）する流路部分の上部側に沿って発電領域ＧＦの下端位置が設定される。酸化剤ガス流路３０を構成する重力方向最上端の波形状流路部３０ａｅ２は、下方に湾曲（又は屈曲）する流路部分の下部側に沿って発電領域ＧＦの上端位置が設定される。

図６、図７及び図９に示すように、アノード側セパレータ５４には、燃料ガス流路３４が形成されるとともに、前記燃料ガス流路３４を構成する重力方向最下端の波形状流路部３４ａｅ１は、上方に湾曲（又は屈曲）する流路部分の上部側に沿って発電領域ＧＦの下端位置が設定される。燃料ガス流路３４を構成する重力方向最上端の波形状流路部３４ａｅ２は、下方に湾曲（又は屈曲）する流路部分の下部側に沿って発電領域ＧＦの上端位置が設定される。

このように構成される第２の実施形態では、固体高分子電解質膜２４の耐久性が向上するとともに、良好な排水性を確保することができる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

１０、５０…燃料電池 １２…電解質膜・電極構造体
１４、１６、５２、５４…金属セパレータ １８ａ…酸化剤ガス供給連通孔
１８ｂ…酸化剤ガス排出連通孔 ２０ａ…燃料ガス供給連通孔
２０ｂ…燃料ガス排出連通孔 ２２ａ…冷却媒体供給連通孔
２２ｂ…冷却媒体排出連通孔 ２４…固体高分子電解質膜
２６…カソード電極 ２６ａ、２８ａ…ガス拡散層
２６ｂ、２８ｂ…電極触媒層
２８…アノード電極 ３０…酸化剤ガス流路
３４…燃料ガス流路 ３８…冷却媒体流路
３０ａ、３０ａｅ１、３０ａｅ２、３４ａ、３４ａｅ１、３４ａｅ２…波形状流路部

Claims (1)

1. 電解質膜の両側に、それぞれ電極触媒層及びガス拡散層を積層した電極が設けられる電解質膜・電極構造体と、セパレータとは、電極面が重力方向に沿った立位姿勢で水平方向に沿って積層されるとともに、酸化剤ガス又は燃料ガスである反応ガスを前記電極面に沿って水平方向に流通させる反応ガス流路が設けられる燃料電池であって、
   前記反応ガス流路は、それぞれ水平方向に波状に延在するとともに、重力方向に配列される複数の波形状流路部を備え、
   複数の前記波形状流路部の中、重力方向下方の最端部に配置される前記波形状流路部の一部は、前記電極触媒層の平面領域から重力方向下方の外方に突出することを特徴とする燃料電池。
   

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