JP5838922B2 - 燃料電池セル - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池スタックに用いられる燃料電池セルに関する。

一般に、燃料電池スタックは、燃料電池セルを複数積層することによって構成されている。各燃料電池セルは、膜電極接合体を両側から２つのセパレータで挟持した構造を有している。２つのセパレータ間は、膜電極接合体の外側に設けられたシール部により、電気的に絶縁されている（特許文献１参照）。

特開２００３−７７４９９号公報

前記構造の燃料電池スタックでは、燃料電池セルが積層ズレを起こすことがある。積層ズレとは、積層方向に垂直な方向へのずれのことである。積層ズレが生じると、燃料電池セル毎に加重を受ける面積が変化するので、膜電極接合体にかかる加重が変化してしまう。その結果、膜電極接合体毎の接触抵抗やガス拡散性にバラツキが生じ、燃料電池スタックの発電性能が低下するという問題があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、燃料電池スタックの発電性能を向上することを目的とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。本発明の一形態は、
複数の燃料電池セルを積層してなる燃料電池スタックであって、前記燃料電池セルを積層する際に積層方向に垂直な方向へ発生しうる位置ズレを防止するための位置ずれ防止機構を有しない燃料電池スタックに用いられる前記燃料電池セルであって、
膜電極接合体と、
前記膜電極接合体を挟持する第１と第２のセパレータと、
前記第１と第２のセパレータの間に挟まれ、前記膜電極接合体の外周を覆うシール部と
を備え、
前記燃料電池セルを積層方向に見たときに、前記シール部の前記第１のセパレータに対する接触面の外周が、前記シール部の前記第２のセパレータに対する接触面の外周に対して、前記積層された燃料電池セル間のズレ量より内側となるように形成された、燃料電池セル。
その他、本発明は、以下の形態として実現することも可能である。

本発明の形態は、
複数の燃料電池セルを積層してなる燃料電池スタックに用いられる前記燃料電池セルであって、
膜電極接合体と、
前記膜電極接合体を挟持する第１と第２のセパレータと、
前記第１と第２のセパレータの間に挟まれ、前記膜電極接合体の外周を覆うシール部と
を備え、
前記燃料電池セルを積層方向に見たときに、前記シール部の前記第１のセパレータに対する接触面の外周が、前記シール部の前記第２のセパレータに対する接触面の外周に対して、前記積層された燃料電池セル間のズレ量より内側となるように形成されたことを特徴としている。

この燃料電池セルによれば、燃料電池スタックとして積層されたときに、積層方向に垂直な方向に積層ズレが生じたとしても、燃料電池セルが受ける締結加重を燃料電池セル毎に異なった大きさとなることを抑えることができる。これにより、膜電極接合体毎の接触抵抗やガス拡散性のバラツキを抑えることができ、燃料電池スタックの発電性能を向上することができる。

本発明は、上記形態のほか、種々の形態にて実現され得る。例えば、本発明の燃料電池セルが複数積層された燃料電池スタック、この燃料電池スタックを備える燃料電池システムとして実現される。

本発明の第１実施例としての燃料電池セルを有する燃料電池スタックを示す説明図である。 燃料電池セルを積層方向に見たときの外周の位置関係を示す説明図である。 従来例の燃料電池スタックにおいて各燃料電池セルが力を受ける範囲を示す説明図である。 本実施例の燃料電池スタックにおいて各燃料電池セルが力を受ける範囲を示す説明図である。 第２実施例における燃料電池セルを示す説明図である。 第３実施例における燃料電池セルを示す説明図である。 第４実施例における燃料電池セルを示す説明図である。

以下、本発明の実施態様に係る燃料電池について、図面を参照しつつ、実施例に基づいて説明する。

Ａ．第１実施例：
Ａ−１．燃料電池スタックの構成：
図１は、本発明の第１実施例としての燃料電池セルを有する燃料電池スタックを示す説明図である。図示するように、燃料電池スタック１００は、複数の燃料電池セル１０が積層されたスタック構造を有している。詳しくは、複数の燃料電池セル１０が積層されたセル群の両端は一対のエンドプレート９０、９２で挟まれて、これらエンドプレート９０、９２同士を繋ぐようにテンションプレート９４、９６からなる拘束部材が配置されている。こうして、セル群は、積層方向Ｙへの荷重がかけられて締結されている。この締結加重は面内のいずれの箇所でも一定となる。

各燃料電池セル１０は、電解質を含むＭＥＡ（膜電極接合体、Membrane Electrode Assembly）３０と、ＭＥＡ３０を両側から挟持してサンドイッチ構造を形成する一対のセパレータ２０ａ、２０ｂ等で構成されている。ＭＥＡ３０および各セパレータ２０ａ、２０ｂはおよそ矩形の板状に形成されている。また、ＭＥＡ３０はその外形が各セパレータ２０ａ、２０ｂの外形よりも小さくなるように形成されている。

ＭＥＡ３０は、高分子材料のイオン交換膜からなる高分子電解質膜（以下、単に電解質膜ともいう）３１と、電解質膜３１を両面から挟んだ一対の電極（アノード側拡散電極およびカソード側拡散電極）３２ａ、３２ｂとで構成されている。電解質膜３１は、各電極３２ａ、３２ｂよりも大きく形成されている。この電解質膜３１には、その周縁部３１ａを残した状態で各電極３２ａ、３２ｂが、例えばホットプレス法により接合されている。

電極３２ａ、３２ｂは、触媒層３３ａ、３３ｂとガス拡散層３４ａ、３４ｂとを有する。触媒層３３ａ、３３ｂは、触媒としての白金または白金と他の金属からなる合金を有する層である。ガス拡散層３４ａ、３４ｂは、ガス拡散性の導電性部材、例えばカーボン繊維からなる糸で製織したカーボンクロス（カーボン繊維織布）によって形成される。各電極３２ａ、３２ｂの触媒層３３ａ、３３ｂ側の面が電解質膜３１に接している。後述するガス流路によって一方の電極（アノード）３２ａには燃料ガス（反応ガス）としての水素ガス、他方の電極（カソード）３２ｂには空気や酸化剤などの酸化ガス（反応ガス）が供給され、これら２種類の反応ガスによりＭＥＡ３０内で電気化学反応が生じて燃料電池セル１０の起電力が得られるようになっている。

セパレータ２０ａ、２０ｂはガス不透過性の導電性材料で構成されている。導電性材料としては、例えばカーボンや導電性を有する硬質樹脂のほか、アルミニウムやステンレス等の金属（メタル）が挙げられる。本実施例のセパレータ２０ａ、２０ｂの基材は板状のメタルで形成されているものであり（メタルセパレータ）、この基材の電極３２ａ、３２ｂ側の面には耐食性に優れた膜（例えば金メッキで形成された皮膜）が形成されている。以下、図中上側のセパレータ２０ａを「第１セパレータ」と呼び、図中下側のセパレータ２０ｂを「第２セパレータ」と呼ぶ。

第１セパレータ２０ａのＭＥＡ３０側の面には水素ガスを流す水素ガス流路４０が形成され、第２セパレータ２０ｂのＭＥＡ３０側の面には酸化ガスを流す酸化ガス流路４２が形成されている。これら流路の構成は省略するが、種々の形態を取りうる。さらに、図示はしないが、冷却水流路もＭＥＡ３０に沿うように備えられており、燃料電池セル１０は冷却される。

各燃料電池セル１０における第１セパレータ２０ａと第２セパレータ２０ｂの間には、その周縁部をシールするためのシール部材５０が設けられている。シール部材５０は、ゴムや樹脂、または接着剤を材料とする絶縁シールであり、第１セパレータ２０ａと第２セパレータ２０ｂの間に挟まれ、ＭＥＡ３０の外周を覆うように配置されることで、ＭＥＡ３０を周囲と電気的に絶縁し、また、第１セパレータ２０ａと第２セパレータ２０ｂの間の短絡を防止する。

シール部材５０は、ＭＥＡ３０の配置用の中抜き穴を有する板状に形成されている。すなわち、シール部材５０は、ＭＥＡ３０の外周付近から周縁部まで空隙なく充填される。シール部材５０の周縁部は、従来例では第１および第２セパレータ２０ａ、２０ｂの面に対して垂直に立っているのに対し、垂直方向から傾いた形状となっている。すなわち、積層方向Ｙに沿った平面による断面が三角形となる切り欠き部Ｋをシール部材５０の周縁部に形成することで、前述したように周辺部を垂直方向から傾いた形状としている。本実施例では、図中の上側が切り欠き部Ｋの深い側（三角形の底辺側）となっている。これにより、燃料電池セル１０を積層方向Ｙに見たときに、シール部材５０の第１セパレータ２０ａに対する接触面の外周５０ａが、シール部材５０の第２セパレータ２０ｂに対する接触面の外周５０ｂから所定距離Ｌだけ内側に位置することになる。

図２は、燃料電池セル１０を積層方向Ｙに見たときの前述した外周の位置関係を示す説明図である。図中の最も大きい矩形（厳密には角はＲ加工がなされているが大まかには矩形である）が第１セパレータ２０ａおよび第２セパレータ２０ｂの外周であり、また、シール部材５０の第２セパレータ２０ｂに対する接触面（図中の左下がりのハッチで示される領域）の外周５０ｂである。この図からも、シール部材５０の第１セパレータ２０ａに対する接触面（図中の右下がりのハッチで示される領域）の外周５０ａは、シール部材５０の第２セパレータ２０ｂに対する接触面（図中の左下がりのハッチで示される領域）の外周５０ｂに対して、所定距離Ｌだけ内側に位置することが分かる。

図１に戻って、隣接する燃料電池セル１０と燃料電池セル１０との間は、ゴムシール部４３でシールがなされる。

燃料電池スタック１００は、燃料電池セル１０を２００個〜４００個積層して作成される。このため、作成の際に、積層方向Ｙに垂直な方向（図中のＸ方向）の積層ズレがしばしば発生する。図示の例では、図中に示した４個の燃料電池セル１０のうちの最上段の燃料電池セル１０Ａは積層ズレのない基準燃料電池セルであり、上から２段目の燃料電池セル１０Ｂと上から４段目の燃料電池セル１０Ｄは基準燃料電池セル１０Ａに対して積層ズレ量Ｓだけすれており、上から３段目の燃料電池セル１０Ｃは基準燃料電池セル１０Ａに対してズレがない状態となっている。

前述した所定距離Ｌ、すなわち、シール部材５０の外周５０ｂと外周５０ａとの間の所定距離Ｌは、積層ズレ量Ｓよりも長くなるように設計されている。すなわち、本実施例では、燃料電池セル１０を積層する際に発生しうる最大の積層ズレを実験的に予め計測しておき、その得られた最大の積層ズレを積層ズレ量Ｓとし、積層ズレ量Ｓより所定距離Ｌが長くなるようにシール部材５０の形状が定められている。かかる結果によって、燃料電池セル１０を積層方向Ｙに見たときに、シール部材５０の第１セパレータ２０ａに対する接触面の外周５０ａが、シール部材５０の第２セパレータ２０ｂに対する接触面の外周５０ｂに対して、積層ズレ量Ｓより内側となるように形成される。

Ａ−２．実施例の作用効果：
以上のように構成された燃料電池スタック１００の作用効果を説明するに際し、まず、従来例の燃料電池セルによって作成した燃料電池スタックの作用を説明する。

図３は、従来例の燃料電池スタックにおいて各燃料電池セルが力を受ける範囲を示す説明図である。図示するように、従来例の燃料電池スタック９００では、各燃料電池セル９１０のシール部材９５０の周縁部９５０ａが、第１および第２セパレータ９２０ａ、９２０ｂの面に対して垂直に立っている。なお、図示では、各燃料電池セル９１０の間は隙間が空いているが、これは図示の便宜のためのもので、実際は図１と同様に、積層によって隙間はない状態である。いま、一部の燃料電池セル９１０に積層方向に垂直な方向Ｘの積層ズレが生じ、各燃料電池セル９１０が図示するような位置関係となったとする。積層方向Ｙの上から下には、一定の締結加重が掛かっていることから、各燃料電池セル９１０が力を受けるＸ方向の範囲ＺＸは、上側に位置する燃料電池セル９１０との位置関係から一定とはならない。図示の例では、一番下側の燃料電池セル９１０が力を受けるＸ方向の範囲ＺＮが、他の燃料電池セル９１０が力を受けるＸ方向の範囲ＺＮよりも短くなっている。このために、燃料電池セル９１０によっては加重を受ける面積が変化するので、ＭＥＡ９３０にかかる加重が変化してしまう。その結果、ＭＥＡ９３０毎の接触抵抗やガス拡散性にバラツキが生じ、燃料電池スタック９００の発電性能が低下する。

図４は、本実施例の燃料電池スタック１００において各燃料電池セル１０が力を受ける範囲ＺＸを示す説明図である。各燃料電池セル１０の位置関係は、図３の従来例のものと同一であるとする。図示するように、各燃料電池セル１０が力を受けるＸ方向の範囲ＺＸは、シール部材５０の第１セパレータ２０ａに対する接触面の外周５０ａで囲まれる範囲となり、各燃料電池セル１０にＸ方向の積層ズレが生じたとしても、常に一定となる。このため、燃料電池セル１０毎に加重を受ける面積が変化することがなくなるので、ＭＥＡ３０の接触抵抗やガス拡散性のバラツキを抑えることができ、燃料電池スタック１００の発電性能を向上することができる。

Ｂ．第２実施例：
図５は、第２実施例における燃料電池セルを示す説明図である。第２実施例における燃料電池セル２１０は、第１実施例と同様に、燃料電池セル２１０を積層してなる燃料電池スタックに用いられるものである。第２実施例における燃料電池セル２１０は、第１実施例における燃料電池セル１０と比べて、切り欠き部Ｋ２の形状が異なる。第２実施例における燃料電池セル２１０のその他の構成は、第１実施例における燃料電池セル１０の構成と同一であるので、同一の構成要素については、図５において、図１と同一の符合を付し、その説明を省略する。

シール部材の周縁部に形成される切り欠き部Ｋ（図１）は第１実施例では三角形となっていたが、第２実施例の切り欠き部Ｋ２は台形となっている。台形の上底、下底のうちの長い方の辺が第１セパレータ２２０ａ側となり、短い方の辺が第１セパレータ２２０ｂ側となっている。かかる構成によれば、シール部材２５０の第２セパレータ２２０ｂに対する接触面の外周２５０ｂが、第２セパレータ２０ｂの外周の内側となる。その上で、シール部材２５０の第１セパレータ２２０ａに対する接触面の外周２５０ａが、外周２５０ｂから所定距離Ｌだけ内側に位置することになる。所定距離Ｌは、第１実施例と同様に積層ズレ量Ｓより長い。

以上のように構成された第２実施例によれば、第１実施例と同様に、燃料電池セル２１０を積層方向Ｙに見たときに、シール部材２５０の第１セパレータ２２０ａに対する接触面の外周２５０ａが、シール部材２５０の第２セパレータ２２０ｂに対する接触面の外周２５０ｂに対して、積層ズレ量より内側となるように形成される。このために、第１実施例と同様に、ＭＥＡ２３０の接触抵抗やガス拡散性のバラツキを抑えることができ、燃料電池スタックの発電性能を向上することができる。

Ｃ．第３実施例：
図６は、第３実施例における燃料電池セルを示す説明図である。第３実施例における燃料電池セル３１０は、第１実施例や第２実施例と比べて、切り欠き部Ｋ３の形状が異なる。第３施例における切り欠き部Ｋ３は、その高さｈが第１セパレータ２２０ａと第２セパレータ２２０ｂの間の距離２２０ｈよりも短い長方形の形状をしている。これによって、第１実施例や第２実施例では、シール部材の周縁部が傾いて形成されているのに対して、第３実施例では、シール部材の周縁部は垂直の面が段差を持って連なった構成となる。かかる構成によっても、シール部材３５０の第１セパレータ３２０ａに対する接触面の外周３５０ａが、シール部材３５０の第２セパレータ３２０ｂに対する接触面の外周３５０ｂに対して、積層ズレ量より内側となるように形成される。したがって、第３実施例によれば、第１実施例と同様に、ＭＥＡ３３０の接触抵抗やガス拡散性のバラツキを抑えることができ、燃料電池スタックの発電性能を向上することができる。

Ｄ．第４実施例：
図７は、第４実施例における燃料電池セルを示す説明図である。第１実施例ないし第３実施例では、シール部材５０、２５０、３５０は、ゴム、樹脂、または接着剤によって１層で構成していたが、第４実施例では、スペーサ４５５をシール部材４５０の間に設けて、２層以上からなる構成としている。詳しくは、スペーサ４５５は、シール部材４５０の間に、セパレータ４２０ａ、４２０ｂと平行に配置されている。スペーサ４５５は、ゴムや樹脂等を材料として、シール部材４５０より剛性の高いものとなっている。かかる構成によって、第１ないし第３実施例と同様に、燃料電池スタックの発電性能を向上することができ、さらには、スペーサによって、ガス導入機能や、セル剛性を向上させることができる。

Ｅ．変形例：
なお、この発明は上記の各実施例や各変形例に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

・変形例１：
前記各実施例および各変形例では、積層ズレ量Ｓは、燃料電池セルを複数積層して作成する際に生じるものとして規定していたが、これに限るものではない。車体搭載後においても積層ズレは発生しうる。このズレ量は、法規によって許容ズレ量として定められている。すなわち、ガス漏れしない範囲までのズレ量として法規によって定められている。このため、前記各実施例および各変形例において、この許容ズレ量を積層ズレ量Ｓとし、積層ズレ量Ｓより前述した所定距離Ｌが長くなるようにシール部材５０の形状を定める構成としてもよい。この構成によっても、各実施例および各変形例と同様に、燃料電池スタックの発電性能を向上することができる。

・変形例２：
前記各実施例および各変形例では、第１セパレータをアノード側に、第２セパレータをカソード側に配置する構成としたが、これに換えて、第１セパレータをカソード側に、第２セパレータをアノード側に配置する構成とすることもできる。

・変形例３：
前記各実施例および各変形例では、燃料電池に固体高分子型燃料電池を用いたが、リン酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、固体酸化物形燃料電池等、種々の燃料電池に本発明を適用してもよい。

１０…燃料電池セル
２０ａ…第１セパレータ
２０ｂ…第２セパレータ
３０…ＭＥＡ（膜電極接合体）
３１…電解質膜
３１ａ…周縁部
３２ａ…電極
３３ａ…触媒層
３４ａ…ガス拡散層
４０…水素ガス流路
４２…酸化ガス流路
４３…ゴムシール部
５０…シール部材
５０ａ…外周
５０ｂ…外周
９０…エンドプレート
９４…テンションプレート
１００…燃料電池スタック

Claims (1)

1. 複数の燃料電池セルを積層してなる燃料電池スタックであって、前記燃料電池セルを積層する際に積層方向に垂直な方向へ発生しうる位置ズレを防止するための位置ずれ防止機構を有しない燃料電池スタックに用いられる前記燃料電池セルであって、
   膜電極接合体と、
   前記膜電極接合体を挟持する第１と第２のセパレータと、
   前記第１と第２のセパレータの間に挟まれ、前記膜電極接合体の外周を覆うシール部と
   を備え、
   前記燃料電池セルを積層方向に見たときに、前記シール部の前記第１のセパレータに対する接触面の外周が、前記シール部の前記第２のセパレータに対する接触面の外周に対して、前記積層された燃料電池セル間のズレ量より内側となるように形成された、燃料電池セル。

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