JP5907441B2

JP5907441B2 - 燃料電池

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Publication number: JP5907441B2
Application number: JP2014509158A
Authority: JP
Inventors: 桂太入月; 陽介福山
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2012-04-06
Filing date: 2013-04-01
Publication date: 2016-04-26
Anticipated expiration: 2033-04-01
Also published as: WO2013151019A1; JPWO2013151019A1; EP2835852A4; CA2868969C; CA2868969A1; CN104205453A; US20150079495A1; EP2835852A1; EP2835852B1; US9496574B2; CN104205453B

Description

本発明は、例えば固体高分子形の燃料電池に関する。

この種の従来技術として、「固体高分子形燃料電池」とした名称において特許文献１に開示されたものがある。
特許文献１に開示された固体高分子形燃料電池は、高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜の一方の面に設けられる電極触媒層と、導電性を備え、発電用ガスを遮断するためのセパレータと、上記電極触媒層とセパレータとの間に配置され、その電極触媒層と共に電極を形成する電極部材とを備え、その電極部材は、電極触媒層に対して直接接触する第１の接触部と、前記セパレータに対して直接接触する第２の接触部と、前記ガスが流れるガス拡散路とを備え、さらに上記電極部材は、多数の開孔が形成されるとともに、波形形状に折り曲げた導電性の板状部材から構成されているものである。

ＷＯ２０１０／０６１７０３号公報

上記した特許文献１に記載の「固体高分子形燃料電池」では、導電性の多孔質部材を採用することで発電用ガスの輸送抵抗は低減することが可能になったが、アクティブ領域内において発電用ガスがその流れ方向に対して交差する方向に流れるために配流がばらついてしまう。

そこで本発明は、発電用ガスの輸送抵抗の低減とともに、その発電用ガスの流れに交差する方向への発電用ガスの流れを規制して、アクティブ領域内の配流ばらつきを低減させられる燃料電池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、電解質膜の両側に触媒層を接合した膜電極接合体を有するとともに、その膜電極接合体の両側に二種類の発電用ガスを流通させるためのガス流通空間をそれぞれ形成するようにして一対のセパレータを配設したものであり、上記膜電極接合体の両側に区画形成された両ガス流通空間のうち、少なくとも一方のものに、波形状に折り曲げられ且つ膜電極接合体と電気的に接続される導電性多孔質基材を配置し、かつ、そのガス流通空間を発電用ガスの流通方向で複数のガス流通路に分割するためのガス流通路分割部材を配置している。

この構成においては、ガス流通空間を流通する発電用ガスは、ガス流通路を流通することにより、発電用ガスの流通方向と交差する発電用ガスの流れを規制し、配流性を低下させることがない。また、波形状に折り曲げた導電性多孔質基材を配置していることにより、発電用ガスの輸送抵抗を低減させている。

本発明によれば、その発電用ガスの流通方向に交差する発電用ガスの流れを規制して、アクティブ領域内の配流ばらつきとともに、発電用ガスの輸送抵抗を低減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を適用した燃料電池スタックの斜視図である。同上の燃料電池スタックの分解斜視図である。（Ａ）本発明の第一の実施形態に係る燃料電池の一方のセパレータの構造を示す正面図である。（Ｂ）本発明の第一の実施形態に係る燃料電池のフレームの構造を示す正面図である。図３（Ａ）に示す本発明の第一の実施形態に係る燃料電池の一方のセパレータと、図３（Ｂ）に示す本発明の第一の実施形態に係る燃料電池のフレームと、もう一方のセパレータと導電性多孔質基材とを配設させた燃料電池であって、図３（Ａ）のＩ‐Ｉ線に沿う断面の一部を拡大して示す部分拡大断面図である。（Ａ）は、導電性多孔質基材の一例である金網の圧延加工をする前の状態、（Ｂ）は、金網の圧延加工をした後の状態を示す説明図である。第二の実施形態に係る燃料電池の上記した図３（Ａ）に示すＩ‐Ｉ線に沿う断面の一部に相当する部分拡大断面図である。（Ａ）は、本発明の第三の実施形態に係る燃料電池の一方のセパレータの構造を示す正面図、（Ｂ）は、その燃料電池のセパレータと、もう一方のセパレータとフレームと導電性多孔質基材とを配設させた燃料電池であって、図７（Ａ）に示すＩ‐Ｉ線に沿う断面の一部に相当する部分拡大断面図である。第四の実施形態に係る燃料電池の上記した図３（Ａ）に示すＩ‐Ｉ線に沿う断面の一部に相当する部分拡大断面図である。第五の実施形態に係る燃料電池の上記した図３（Ａ）に示すＩ‐Ｉ線に沿う断面の一部に相当する部分拡大断面図である。第六の実施形態に係る燃料電池の上記した図３（Ａ）に示すＩ‐Ｉ線に沿う断面の一部に相当する部分拡大断面図である。第七の実施形態に係る燃料電池の上記した図３（Ａ）に示すＩ‐Ｉ線に沿う断面の一部に相当する部分拡大断面図である。第八の実施形態に係る燃料電池の上記した図３（Ａ）に示すＩ‐Ｉ線に沿う断面の一部に相当する部分拡大断面図である。第九の実施形態に係る燃料電池の上記した図３（Ａ）に示すＩ‐Ｉ線に沿う断面の一部に相当する部分拡大断面図である。

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を適用した燃料電池スタックの斜視図、図２は、その燃料電池スタックの分解斜視図である。

燃料電池スタックＢは、図１，２に示すように、一対のエンドプレート２０，２１間に、集電板８，１１及び本発明の第一の実施形態に係る複数の燃料電池Ａ１を積層させ、かつ、それらのエンドプレート２０，２１により、上記燃料電池Ａ１どうしを挟圧するようにして締結板３０，３２及び補強板４０，４０によって締結したものである。

本実施形態において示すエンドプレート２０は合成樹脂製のものであり、それは、所要の厚みを有し、かつ、水平方向（発電用ガスの流通方向）αに長い横長方形にして形成されている。
このエンドプレート２０の中心には、集電板８の電極８ａを外部に突出させるための電極孔２０Ａが形成されている。

また、上記水平方向αにおける両側部には、後述する水素含有ガス、酸素含有ガス、又は冷却流体の供給・排出を行うためのマニホールド孔６０ａ〜６０ｃ、マニホールド孔６０ｄ〜６０ｆに対向して、カソード流入側開口２０ａ，冷却水流入側開口２０ｂ及びアノード流出側開口２０ｃ、及びアノード流入側開口２０ｄ，冷却水流出側開口２０ｅ及びカソード流出側開口２０ｆが配列形成されている。

エンドプレート２０の上辺縁２０ｇと下辺縁２０ｈには、詳細を後述する締結板３０，３０の締結用係止片３１，３１を取り付けるための取付け凹部２２と取付け凹部２３とが形成されている。

エンドプレート２０の上記した水平方向αにおける辺縁２０ｉ，２０ｊには、詳細を後述する補強板４０，４０の係止片４１，４１を取り付けるための取付け凹部２４，２４が形成されている。

エンドプレート２１は、上記したエンドプレート２０と同形同大に形成されており、その中心に電極孔２１Ａを形成しているとともに、各辺縁には、上記したエンドプレート２０に形成している凹部２２〜２４と同じ凹部（図示しない）を形成している。なお、上述したエンドプレート２０につ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。

締結板３０は、平面視において横長方形に形成されており、辺縁３０ａ，３０ｂには、所要の長さと一定の幅にした締結用係止片３１，３１が図示下向きに折曲形成されている。
締結板３２は、上記締結板３０と同じ横長方形に形成されているとともに、辺縁には、所要の長さと一定の幅にした締結用係止片３１，３１が図示上向きに折曲形成されている。

補強板４０は、互いに積層した複数の燃料電池Ａ１の撓みを防止するためのものであり、側面視において横長方形に形成されており、図示上下辺縁には、これらの辺縁の全長にわたり一定の幅にして係止用締結片４１，４１が形成されている。
なお、図１，２において示す９はボルト、１０はスペーサである。

図３（Ａ）は、本発明の第一の実施形態に係る燃料電池の一方のセパレータの構造を示す正面図、（Ｂ）は、本発明の第一の実施形態に係る燃料電池のフレームの構造を示す正面図、図４は、図３（Ａ）に示す本発明の第一の実施形態に係る燃料電池の一方のセパレータと、図３（Ｂ）に示す本発明の第一の実施形態に係る燃料電池のフレームと、もう一方のセパレータと導電性多孔質基材とを配設させた燃料電池であって、図３（Ａ）のＩ‐Ｉ線に沿う断面の一部を拡大して示す部分拡大断面図である。また、図５（Ａ）は、導電性多孔質基材の一例である金網の圧延加工をする前の状態、（Ｂ）は、金網の圧延加工をした後の状態を示す説明図である。

本発明の第一の実施形態に係る燃料電池Ａ１は、フレーム６０に配した膜電極接合体５０の両側に、二種類の発電用ガスを流通させるためのガス流通空間εをそれぞれ形成するようにして一対のセパレータ７０，７０を配設した構成のものである。
「発電用ガス」は、水素含有ガスと酸素含有ガスである。

フレーム６０は樹脂製のものであり、本実施形態においては、燃料電池Ａ１の積層方向β（図１参照）から見た正面視において横長方形にし、かつ、ほぼ一定の板厚にして形成されたものであり、これの中央部分に膜電極接合体５０を配置している。

膜電極接合体５０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５１を、例えば白金担持触媒等の触媒層５２，５３を積層したものである。

フレーム６０であって上記膜電極接合体５０の両側部には、図３（Ｂ）に示すように、水素含有ガス、酸素含有ガス、又は冷却流体の供給・排出を行うためのマニホールド孔６０ａ〜６０ｃ、マニホールド孔６０ｄ〜６０ｆが形成されている。

マニホールド孔６０ａ〜６０ｃは、それぞれ水素含有ガス供給用、冷却流体排出用及び酸素含有ガス排出用のものである。
マニホールド孔６０ｄ〜６０ｆは、酸素含有ガス供給用、冷却流体供給用及び水素含有ガス排出用のものである。

セパレータ７０，７０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、上記フレーム６０と同形同大の横長方形のものであり、上記マニホールド孔６０ａ〜６０ｃ，６０ｄ〜６０ｆに対向する位置に、同等のマニホールド孔７０ａ〜７０ｃ，７０ｄ〜７０ｆ、７０ａ〜７０ｃ，７０ｄ〜７０ｆが形成されている。

このセパレータ７０は、上記した膜電極接合体５０に対向する中央部分を凹凸形状に加工した複数のガス流通路分割部材（以下、「リブ」という。）７１を、発電用ガスの流通方向（上記した水平方向）αとほぼ平行に形成している。これにより、ガス流通空間εを発電用ガスの流通方向αとほぼ平行な複数のガス流通路ε１に分割している。

上記したリブ７１の形成ピッチは均一でも不均一でもよく、また、発電用ガスの分配性の許す限り、なるべく広く、例えば２ｍｍ以上に設定するとよい。
「アクティブ領域７６」は、膜電極接合体５０に対向する領域のことである。
上記セパレータ７０，７０の表面側には、マニホールド孔７０ｃ，７０ｄからアクティブ領域７６にかけて、酸素含有ガス又は水素含有ガスの流通領域であるディフューザ部７５が形成されている。

本実施形態においては、膜電極接合体５０の両側に区画形成された両ガス流通空間ε，εの双方にそれぞれ導電性多孔質基材８０を配設している。
導電性多孔質基材８０は、ガス流通路ε１に対向する部分を波形状に折り曲げた折曲げ部８０ａを備えており、折曲げ部８０ａを各ガス流通路ε１に収容配置している。
本実施形態においては、ガス流通路ε１内に二つの折曲げ部８０ａ，８０ａを収容した例について示しているが、これに限るものではない。

上記の導電性多孔質基材８０は、曲げ（引張り）強度１０ＭＰａ以上の織ったり編んだりした網、線材同士を固定させた網、多孔プレート、エキスパンドメタル等を用いることができる。
本実施形態においては、図５（Ａ）に示す金網Ｗを、同図（Ｂ）に示すように、板厚を潰す方向に圧延加工された金網Ｗａにより導電性多孔質基材８０を形成されている。
金網Ｗａの圧延率としては、同図（Ｂ）に示すように５０％程度（ｔ／２）でよいが、圧延率は大きい方がよい。

圧延加工された金網を採用することにより、燃料電池Ａ１を構成する部材の厚みを低減させることができ、これにより積層される燃料電池Ａ１のピッチを低減することができる。また、加工硬化や密度増加により金網強度が増大し、さらには、金網Ｗａの平面度が良くなることで、膜電極接合体への金網凹凸に起因する機械的入力やセル面圧ばらつきを低減することができる。
なお、上記の導電性多孔質基材８０の折曲げ部８０ａの波形加工は、三角波、サイン波、コルゲート等にすることができる。

以上の構成からなる燃料電池Ａ１では、次の効果を得ることができる。
・発電用ガスがガス流通空間εを流れる際に、リブ７１がないと、発電用ガスは、供給用マニホールド孔と排出用マニホールド孔との間の最短ルートを流れるために、発電用ガスがアクティブ領域内全体に拡散されずに配流ばらつきが生じてしまう。しかし、リブ７１によって、ガス流通空間εが発電用ガスの流通方向αとほぼ平行な複数のガス流通路ε１に分割されるので、ガス流れ交差方向へのガスの流れを抑制して、アクティブ領域内の配流ばらつきを低減させられる。
・導電性多孔質基材８０によって電子移動させるので、発電用ガスの輸送抵抗が低減する。
・リブ７１間のピッチが大きいほど、流路比率が上がるため発電用ガスの輸送抵抗の低減代を大きくすることができる。

次に、図６，７を参照して、第二，第三の実施形態に係る燃料電池について説明する。図６は、第二の実施形態に係る燃料電池の上記した図３（Ａ）に示すＩ‐Ｉ線に沿う断面の一部に相当する部分拡大断面図、図７（Ａ）は、本発明の第三の実施形態に係る燃料電池の一方のセパレータの構造を示す正面図、（Ｂ）は、その燃料電池のセパレータと、もう一方のセパレータとフレームと導電性多孔質基材とを配設させた燃料電池であって、図７（Ａ）に示すＩ‐Ｉ線に沿う断面の一部に相当する部分拡大断面図である。なお、図６，７において、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。

図６に示す第二の実施形態に係る燃料電池Ａ２は、上記した燃料電池Ａ１と同等の基本構造になっているが、上記したセパレータ７０，７０に代えて、平板なセパレータ７０Ａ，７０Ａを用いているとともに、導電性部材からなる断面正方形のガス流通路分割部材１００，１００を、セパレータ７０Ａ，７０Ａに接合したものである。
本実施形態においては、ガス流通路分割部材１００，１００により、ガス流通空間ε内にガス流通路ε１を分割形成している。

図７に示す第三の実施形態に係る燃料電池Ａ３は、セパレータの構成が上記した燃料電池Ａ１と相違している。

セパレータ７０Ｂ，７０Ｂは、膜電極接合体５０に対向する中央部分（アクティブ領域７６）を凹凸形状に長孔エンボス加工した複数のリブ７２（ガス流通路分割部材）を、発電用ガスの流通方向αとほぼ平行に形成したものである。これにより、ガス流通空間εを発電用ガスの流通方向とほぼ平行な複数のガス流通路ε１に分割している。

次に、図８〜１０を参照して、第四〜第六の実施形態に係る燃料電池について説明する。図８〜１０は、第四〜六の実施形態に係る燃料電池の上記した図３（Ａ）に示すＩ‐Ｉ線に沿う断面の一部に相当する部分拡大断面図である。
図８に示す第四の実施形態に係る燃料電池Ａ４は、上記した平板なセパレータ７０Ａ，７０Ａを用いているとともに、ガス流通空間ε内に波形状に折り曲げた折曲げ部８０ｂを備えた導電性多孔質基材８０を用いている。そして、上記したリブ７１に相当する部分ａの導電性多孔質基材８０の開口率を部分ａ以外の部分の開口率よりも小さくしてガス流通路分割部材を構成したものである。この構成により、上記したリブ７１に相当するものを加工する必要がない。
また、上記したリブ７１に相当する部分ａを樹脂モールドしてもよい。

図９に示す第五の実施形態に係る燃料電池Ａ５は、上記した平板なセパレータ７０Ａ，７０Ａを用いているとともに、導電性多孔質基材８０，８０とセパレータ７０Ａ，７０Ａとの間に、流路分割部材１１０を介挿したものである。
流路分割部材１１０は、導電性多孔質基材からなるものであり、その開口率は導電性多孔質基材８０の開口率よりも小さい。また、流路分割部材１１０は、上記したリブ７１に相当する部分に、波形状に折り曲げた折曲げ部１１０ａ（ガス流通路分割部材）を形成したものである。換言すると、リブ７１に相当する部分の開口率を小さくしている。

図１０に示す第六の実施形態に係る燃料電池Ａ６は、平板なセパレータ７０Ａ，７０Ａを用いているとともに、上記したリブ７１に相当する部分の密度を大きくした導電性多孔質基材８０，８０の折曲げ部８０ｃを採用したものである。すなわち、折曲げ部８０ｃは、折曲げ部８０ａに対して、波が続く方向（γ方向）の長さを短くすることにより、リブ７１に相当する部分における導電性多孔質基材の充填量を増やしている。

次に、図１１を参照して、第七の実施形態に係る燃料電池について説明する。図１１は、第七の実施形態に係る燃料電池の上記した図３（Ａ）に示すＩ‐Ｉ線に沿う断面の一部に相当する部分拡大断面図である。なお、上述した各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。

第七の実施形態に係る燃料電池Ａ７は、両ガス流通空間ε，εに配置した導電性多孔質基材８０，８０と膜電極接合体５０との間に、それぞれ支持体１２０，１２０を介挿した構成のものである。
支持体１２０は、導電性多孔質基材からなるものであり、上記図５において説明した金網Ｗａを採用している。

なお、金網に限らず、表面が金属で被覆されていれば、他の非導電性多孔質基材を用いてもよい。
具体例としては、金属製の金網、多孔プレート、パンチングメタル、エキスパンドメタル等とともに、樹脂網に金属メッキを施したものを例として挙げることができる。

上記した支持体１２０を採用することにより、次の効果を得ることができる。
・波形金網の折曲げ部８０ａの接点は、接触面積が小さいため組付け時の面圧等により膜電極接合体５０に対して大きな局所応力が発生し、膜電極接合体５０が破損する恐れがあるが、支持体を介挿することにより、その応力を低減させることができる。

・波形金網を採用すると、比較的電気抵抗の大きい膜電極接合体５０内部において、最大で波ピッチに対して半分の距離を面内方向に電子が移動する必要が生じるが、支持体１２０を介挿することにより、支持体表層部、及び支持体の内部にて電子を移動させることができるため、燃料電池全体の電気抵抗を低減できる。

図１２，１３を参照して、第八，九の実施形態に係る燃料電池について説明する。図１２，１３は、第八，九の各実施形態に係る燃料電池の上記した図３（Ａ）に示すＩ‐Ｉ線に沿う断面の一部に相当する部分拡大断面図である。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。

第八の実施形態に係る燃料電池Ａ８は、導電性多孔質基材８０，８０の折曲げ部８０ａ，８０ａとセパレータ７０，７０、及びリブ７１，７１と導電性多孔質基材８０，８０とをそれぞれ例えば抵抗溶接やスポット溶接して固定したものである。図中、溶接した部分を「ｂ」で示している。
本実施形態においては、上記した膜電極接合体に対して支持体１２０から付加される応力を緩和する中間層１３０を、上記支持体１２０と膜電極接合体５０との間に介説している。
中間層１３０としては、例えばカーボン材等のＭＰＬ（マイクロポーラス層）のような保護層である。このような中間層（保護層）を設けることにより、支持体が金網等の場合、線材が織られている等により表面の凹凸が大きく、それが触媒層や膜電極接合体に食い込んで破損するのを防ぐクッション材の機能を担わせることができる。

第九の実施形態に係る燃料電池Ａ９は、導電性多孔質基材８０，８０の折曲げ部８０ａ，８０ａとセパレータ７０，７０、及びリブ７１，７１と導電性多孔質基材８０，８０とをそれぞれ溶接して固定するとともに、その導電性多孔質基材８０，８０と支持体１２０，１２０ともそれぞれ溶接して固定した構成のものである。図中、溶接した部分を「ｃ」で示している。

上記した燃料電池Ａ８，Ａ９によれば、次の効果を得ることができる。
・接点を一体化することで電気抵抗を低減することができる。
・特に導電性多孔質基材とセパレータの熱接合において、二つの部品を重ねた状態で荷重を加えて溶接する工程となるため、波型金網の厚さや平面度ばらつきが低減される。これは、剛性の高いセパレータのリブ７１の高さに矯正されるためである。

・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。

５０膜電極接合体
５１電解質膜
５２，５３触媒層
７０セパレータ
７１ガス流通路分割部材
８０導電性多孔質基材
１２０支持体
ε ガス流通空間
ε１ガス流通路

Claims

電解質膜の両側に触媒層を接合した膜電極接合体を有するとともに、その膜電極接合体の両側に二種類の発電用ガスを流通させるためのガス流通空間をそれぞれ形成するようにして一対のセパレータを配設した燃料電池において、
上記膜電極接合体の両側に区画形成された両ガス流通空間のうち、少なくとも一方のものに、波形状に折り曲げられ且つ膜電極接合体と電気的に接続される導電性多孔質基材を配置し、かつ、そのガス流通空間を発電用ガスの流通方向で複数のガス流通路に分割するためのガス流通路分割部材を配置していることを特徴とする燃料電池。
ガス流通路分割部材は、セパレータを凹凸形状に加工して形成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
上記導電性多孔質基材と膜電極接合体との間に、支持体を配置し、支持体を介して膜電極接合体と導電性多孔質基材とが電気的に接続され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。
支持体を、両ガス流通空間にそれぞれ配設していることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池。
上記導電性多孔質基材と支持体は、金属製又は表面が金属で被覆されてなることを特徴とする請求項３又は４に記載の燃料電池。
上記導電性多孔質基材と支持体は、板厚を潰す方向に圧延加工された金網により形成されていることを特徴とする請求項３〜５のいずれか１項に記載の燃料電池。
上記導電性多孔質基材は、支持体又はセパレータ若しくはそれら双方に固定されていることを特徴とする請求項３〜６のいずれか１項に記載の燃料電池。
膜電極接合体に対して支持体から付加される応力を緩和する中間層を、上記支持体と膜電極接合体との間に配置し、上記支持体及び中間層を介して膜電極接合体と導電性多孔質基材とが電気的に接続されていることを特徴とする請求項３〜７のいずれか１項に記載の燃料電池。