JP5920594B2

JP5920594B2 - 燃料電池

Info

Publication number: JP5920594B2
Application number: JP2013086911A
Authority: JP
Inventors: 研二佐藤; 裕樹岡部
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2013-04-17
Filing date: 2013-04-17
Publication date: 2016-05-18
Anticipated expiration: 2033-04-17
Also published as: JP2014211991A

Description

本発明は、燃料電池セルを複数積層して構成された燃料電池に関するものである。

従来から、複数の燃料電池セルを積層したセル積層体を締め付けて一体化したスタックからなる燃料電池が知られている。各燃料電池セルは、一対の電極が電解質膜の両側に配置された膜電極接合体（ＭＥＡ：ＭｅｍｂｒａｎｅＥｌｅｃｔｒｏｄｅＡｓｓｅｍｂｌｙ）と、膜電極接合体に対して燃料ガスもしくは酸化ガスを提供するとともに電気化学反応によって生じた電気を集電するためのアノード側及びカソード側のガス拡散層（ＧＤＬ：ＧａｓＤｉｆｆｕｓｉｏｎＬａｙｅｒ）を配置した電極体（ＭＥＧＡ）と、この電極体を挟持するように配置され、直線状もしくは蛇行状のガス流路を有する一対のセパレータとを備えている。また、一対のセパレータ間には、主として内部を密閉することを目的としたシール材を形成し、ＭＥＧＡの周縁部がシールされている。そして、各セパレータに形成されたガス流路を介して酸化ガス又は燃料ガスが各電極に供給されることで、燃料電池セルの発電が行われる。なお、セパレータには、金属板の中央部に反応ガスを通すためのガス流路を形成したセパレータや、ガス流路を金属多孔体から形成して、ガス流路をセパレータから分離したいわゆるフラットタイプ型のセパレータがある。

上記のような燃料電池において、十分な電力を得るために、ＭＥＡの面積をセパレータ又は金属多孔体に形成されたガス流路の面積よりも大きくする必要がある。このため、ガス流路の外周端から面方向外側に形成されたＭＥＧＡの外周端までは、ガス流路が設けられていない部分となっている（下記特許文献１参照）。このガス流路が設けられていない部分であるＭＥＧＡの外周部において、ヨレやシワの発生を抑制するため、ガス流路とは別にセパレータ表面に凸部を形成することが有効である。この凸部を形成することで、隣接する燃料電池セルのＭＥＧＡの外周部をバックアップすることができ、ヨレやシワの発生を防止することができる。

特開２０１２−２４３５８０号公報

ところで、上記のような凸部をＭＥＧＡ外周部に形成した場合は、燃料電池セル２の断面を上方から下方に向かって見たときに、凸部９５、ＭＥＧＡ９６，シール材９７の順に積層された部分があり、この凸部９５内部には空間が存在している（図６参照）。

この凸部９５、ＭＥＧＡ９６，シール材９７の順に積層された部分において、積層方向上向きに圧力がかかることがある。例えば、セル積層体を締め付けて一体化させるために必要な締結荷重による圧力がかかる場合や、シール材９７が高温で運転している燃料電池から熱の影響を受けて線膨張することによる圧力がかかる場合がある。このような圧力がかかることにより、ＭＥＧＡ９６が凸部９５内に屈曲し、ＭＥＡが破損されてしまうおそれがあった（図７参照）。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、ＭＥＧＡの外周部まで形成された凸部にＭＥＧＡが屈曲することを抑制することができ、かつ、隣接する燃料電池セルにおけるＭＥＧＡの外周部をバックアップすることができる燃料電池を提供することにある。

上記課題を解決するために本発明に係る燃料電池は、膜電極接合体と前記膜電極接合体の両側に配置されたガス拡散層とを有する電極体と、前記電極体を挟持する第１及び第２セパレータと、前記第１及び第２セパレータ間外周部を封止するシール材と、前記電極体の両側に配置されたガス流路と、を備えた燃料電池セルが複数積層されてなる燃料電池であって、前記第１セパレータ側における前記ガス流路の外周端が前記電極体の外周端よりも面方向内側に位置し、前記第１セパレータのうち前記燃料電池セルの積層方向から見て当該第１セパレータ側における前記ガス流路の外周端と前記電極体の外周端との間に凸部を備え、前記凸部の内部及び前記凸部と前記膜電極接合体との間に前記シール材が充填されていることを特徴とする。

このようにガス流路の外周端と電極体の外周端との間における第１セパレータに凸部を形成し、凸部内及び凸部と膜電極接合体との間にシール材を充填することで、電極体が凸部へ屈曲することを抑制することができる。

また本発明に係る燃料電池において、前記凸部は、前記積層方向に隣接する前記燃料電池セルに当接することも好ましい。

このように、凸部が積層方向に隣接する燃料電池セルに当接することで、隣接する燃料電池セルの電極部における外周部をバックアップすることができる。

また本発明に係る燃料電池において、前記凸部側の前記ガス拡散層は、その外周端が前記凸部よりも面内方向内側に位置するように形成され、前記シール材は、前記積層方向から見て前記凸部から前記膜電極接合体まで充填されていることも好ましい。

このように、凸部側のガス拡散層の外周端が、凸部よりも面内方向内側に形成されている場合において、シール材が積層方向に見て凸部から膜電極接合体まで充填されているため、膜電極接合体及びガス拡散層が凸部へ屈曲することを抑制することができる。

また本発明に係る燃料電池において、前記第１セパレータ及び前記第２セパレータに、前記電極体に反応ガスを供給するための流路が形成され、前記凸部側の前記ガス拡散層は、その外周端が前記凸部よりも面内方向内側に位置するように形成され、前記シール材は、前記積層方向から見て前記凸部から前記膜電極接合体まで充填されていることも好ましい。

このように、凸部側のガス拡散層が、凸部よりも面内方向内側に形成されている場合において、シール材が積層方向に見て凸部から膜電極接合体まで充填されているため、膜電極接合体及びガス拡散層が凸部へ屈曲することを抑制することができる。

本発明によれば、ＭＥＧＡの外周部まで形成された凸部にＭＥＧＡが屈曲することを抑制することができ、かつ、隣接する燃料電池セルのＭＥＧＡの外周部をバックアップすることができる。

本発明の実施形態における燃料電池の概略構成を示す側面図である。（Ａ）図１に示す燃料電池が備える燃料電池セルの平面図である。（Ｂ）図２（Ａ）のＡ−Ａ線断面図である。本発明の第２実施形態における燃料電池が備える燃料電池セルの断面図である。本発明の第３実施形態における燃料電池が備える燃料電池セルの断面図である。（Ａ）本発明の第４実施形態における燃料電池が備える燃料電池セルの平面図である。（Ｂ）図５（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。従来の燃料電池が備える燃料電池セルの断面図である。従来の燃料電池が備える燃料電池セルの断面図である。

以下、本発明を実施形態について添付図面を参照しながら説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。

図１に本発明の実施形態における燃料電池１の概略構成を示す。図示するように構成される燃料電池セル２は、順次積層されてセル積層体３を構成している。また、このセル積層体３等で構成される燃料電池スタックは、例えばスタック両端を一対のエンドプレート７で挟まれ、さらにこれらエンドプレート７どうしを繋ぐようにテンションプレート８からなる拘束部材が配置された状態で積層方向への荷重がかけられて締結されている。以下に示す実施形態においては、燃料電池セルを積層する方向が「積層方向」に、積層方向に略垂直な方向が「面方向」に、それぞれ対応している。

なお、このような燃料電池スタック等で構成される燃料電池１は、例えば燃料電池車両（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hybrid Vehicle）の車載発電システムにおいて利用可能なものであるがこれに限られることはなく、各種移動体（例えば船舶や飛行機など）やロボットなどといった自走可能なものに搭載される発電システム、さらには定置の発電システムにおいても利用することが可能である。

図２は、図１に示す燃料電池１が備える燃料電池セル２を示している。図２（Ａ）は、燃料電池セル２の平面図である。図２（Ｂ）は、図２（Ａ）のＡ−Ａ線断面図である。図２に示すように、燃料電池セル２は、膜電極接合体（ＭＥＡ）１０、ガス拡散層（ＧＤＬ）１１ａ、１１ｂ、シール材１３、多孔体流路４０、セパレータ２０ａ，２０ｂ等で構成されている。セパレータ２０ａ，２０ｂには、マニホールド１５ａ、１５ｂ、１６ａ、１６ｂ、１７ａ、１７ｂ及びディンプル７０が形成され、セパレータ２０ｂにはガス流路３６が形成されている。

ＭＥＡ１０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）と、電解質膜を両面から挟む一対の電極（アノード側拡散電極及びカソード側拡散電極）とで構成されている。電解質膜は、各電極よりも大きく形成されている。この電解質膜には、各電極が例えばホットプレス法により接合されている。

ＭＥＡ１０を構成する各電極は、その表面に付着された白金などの触媒を担持した例えば多孔質のカーボン素材（拡散層）で構成されている。一方の電極（アノード）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）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ＭＥＡ１０内で電気化学反応が生じて燃料電池セル２の起電力が得られるようになっている。

ＧＤＬ１１ａ、１１ｂは、ＭＥＡ１０の両側に配置されている。ＧＤＬ１１ａ、１１ｂは、ＭＥＡ１０に対して燃料ガスもしくは酸化ガスを提供するとともに電気化学反応によって生じた電気を集電するためのアノード側及びカソード側の層で構成されている。膜電極拡散層接合体（ＭＥＧＡ）３０は、ＭＥＡ１０とこれを挟持するＧＤＬ１１ａ、１１ｂとで構成される。

シール材１３は、セパレータ２０ａ，２０ｂ間に形成され、シール材１３を介してセパレータ２０ａとセパレータ２０ｂとが接着されている。また、シール材１３は、セパレータ２０ａ、２０ｂ間外周部を封止している。このため、シール材１３は、ＭＥＧＡ３０や多孔体流路４０を外部から封止している。また、シール材１３は、ディンプル７０内部等にも充填されている（詳細は後述する）。シール材１３としては、隣接する部材との化学的な結合により接着する接着剤などを用いることができる。例えば本実施形態ではシール材１３として弾性によって物理的にシールする部材を採用しているが、この代わりに上述した接着剤のような化学結合によってシールする部材を採用することもできる。なお、セパレータ２０ｂと隣接する燃料電池セル２のセパレータ２０ａとの間には、酸化ガスや水素ガス等の漏れを抑制するためのガスケット（図示せず）が設けられている。

多孔体流路４０は、ＧＤＬ１１ａとセパレータ２０ａとの間に配置される。多孔体流路４０は、ＭＥＧＡ３０に燃料ガスもしくは酸化剤ガスを提供するとともに電気化学反応によって生じた電気を集電するための金属多孔体から構成されている。

セパレータ２０（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。本実施形態のセパレータ２０（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。

また、セパレータ２０ａ，２０ｂの長手方向の端部付近（本実施形態の場合であれば、図１中向かって左側に示す一端部の近傍）には、酸化ガスの入口側のマニホールド１５ａ、水素ガスの出口側のマニホールド１６ｂ、および冷却水の入口側のマニホールド１７ａが形成されている。例えば本実施形態の場合、これらマニホールド１５ａ，１６ｂ，１７ａはセパレータ２０ａ，２０ｂに設けられた略矩形ないしは台形、あるいは両端が半円形状の長細矩形の透孔によって形成されている。さらに、セパレータ２０ａ，２０ｂのうち反対側の端部には、酸化ガスの出口側のマニホールド１５ｂ、水素ガスの入口側のマニホールド１６ａ、および冷却水の出口側のマニホールド１７ｂが形成されている。本実施形態の場合、これらマニホールド１５ｂ，１６ａ，１７ｂも略矩形ないしは台形、あるいは両端が半円形状の長細矩形の透孔によって形成されている。

また、セパレータ２０ｂの両面には、複数の凹部によって構成される溝状の流路が形成されている。これら流路は、例えば板状のメタルによって基材が形成されている本実施形態のセパレータ２０ｂの場合であればプレス成形によって形成することができる。このようにして形成される溝状の流路は、酸化ガスのガス流路３６や冷却水流路３７を構成している。具体的に説明すると、セパレータ２０ｂの電極側となる内側の面には酸化ガスのガス流路３６が形成され、その裏面（外側の面）には冷却水流路３７が形成されている。

ガス流路３６は、図２（Ａ）に示すように、セパレータ２０ｂの短手方向及び長手方向の端部付近を除いた領域に形成されている。そして、図２（Ｂ）に示すように、積層方向から見たときに、ＭＥＧＡ３０は、このガス流路３６が形成されている領域よりも、面方向外側に拡大して形成されている。つまり、ガス流路３６の外周端８０よりも面方向外側に、ＭＥＧＡ３０の外周端９０が位置している。本発明においては、ガス流路３６の外周端８０とＭＥＧＡ３０の外周端９０との間における範囲をＭＥＧＡ外周部Ｄと定義している。

ディンプル７０（７０ａ、７０ｂ）は、セパレータ２０ａ，２０ｂの長手方向の両端部より内側の領域、換言すれば、ガス流路３５とマニホールド１５ａ、１６ｂ、１７ａとの間、ガス流路３５とマニホールド１５ｂ、１６ａ、１７ｂとの間に形成されている。ディンプル７０（７０ａ、７０ｂ）は、平面視において略円形状を有し、セパレータ２０ａ、２０ｂ表面から突出して複数配列されている。なお、ディンプル７０の形状や個数等については、セパレータ２０ａ、２０ｂの形状や厚みによって様々なものが選択されうる。

ディンプル７０（７０ａ、７０ｂ）の設けられている位置について、以下詳細に説明する。図２（Ｂ）に示すように、ディンプル７０ａは、積層方向に見た時に、セパレータ２０ａにおけるＭＥＧＡ外周部Ｄの範囲に、セパレータ２０ａ表面から下方に突出して形成されている。ディンプル７０ａの上面は、積層方向に隣接する燃料電池セル２に当接するようになっている。また、多孔体流路４０は、ディンプル７０ａが設けられている位置よりも、面方向内側に形成されている。そして、ディンプル７０ａの内部及び積層方向に見たときのディンプル７０ａからＭＥＡ１０までの間にはシール材１３が充填されている。すなわち、積層方向下方から順に、ディンプル７０ａ、シール材１３、ＭＥＧＡ３０の順に積層されるようになっている。ディンプル７０ｂは、セパレータ２０ｂにおけるＭＥＧＡ３０の外周端９０よりも面方向外側の位置に形成されている。また、ディンプル７０ｂは、セパレータ２０ｂ表面から上方に突出して形成されている。ディンプル７０ｂの上面は積層方向に隣接する燃料電池セル２に当接するようになっている、なお、ディンプル７０ｂ内部には、シール材１３が充填されている。

本実施形態では、セパレータ２０ｂにおけるＭＥＧＡ外周部Ｄの範囲にディンプル７０を形成せずに、セパレータ２０ａにおけるＭＥＧＡ外周部Ｄの範囲にディンプル７０を形成している。そして、ディンプル７０の内部及びディンプル７０からＭＥＡ１０までの間にはシール材１３を充填している。このように構成することにより、ＭＥＧＡ３０が、ディンプル７０へ屈曲することを抑制することができる。また、セパレータ２０ａに形成されたディンプル７０が、隣接する燃料電池セル２に当接するように構成されているので、ディンプル７０が隣接する燃料電池セル２のＭＥＧＡ外周部Ｄをバックアップすることができる。なお、ディンプル７０の屈曲を抑制するための別の手法として、締結荷重を低下させて稼働する方法をとることも考えられるが、締結荷重を低下させた場合には、燃料電池セル２間の摩擦力が低くなる。このため、燃料電池１を車両に搭載した場合には、車両衝突時に燃料電池セル２のずれを回避することができない。また、ディンプル７０の屈曲を抑制する別の手法として、狭いピッチで形成することで屈曲しにくくなっているセパレータ２０ａ、２０ｂのガス流路と同様の構造を、ＭＥＧＡ外周部Ｄの溝流路において作成することも考えられる。しかしながら、狭いピッチの溝流路の作成には、製造コストが高くなってしまう。このような従来の手法と比較して、本実施形態は、締結荷重を低下させることなく、低コストでディンプル７０の屈曲を抑制することができるという効果がある。

以下、本発明における他の実施形態について説明する。なお、第１の実施形態と同様の構成部材については、同一の番号を付して適宜その説明を省略する。図３は、第２の実施形態における燃料電池１を構成する燃料電池セル２であって、図２（Ａ）のＡ−Ａ線断面図に対応するものである。

第２の実施形態では、セパレータ２０ａ側に形成されているＧＤＬ１１ａの外周端１１０を、ディンプル７０ａよりも面方向内側に形成している点が第１の実施形態と異なっている。つまり、ＭＥＧＡ外周部Ｄの範囲においては、ＭＥＡ１０とＧＤＬ１１ｂによって形成されている。また、第１の実施形態においては、ＭＥＡ１０がＧＤＬ１１ａ、１１ｂより面方向外側まで形成されているが、第２の実施形態においては、ＭＥＡ１０とＧＤＬ１１ｂは、同じ大きさで形成されている点が異なっている。なお、シール材１３は、ＭＥＧＡ外周部Ｄの範囲において、ディンプル７０（７０ａ）内部及び積層方向から見てディンプル７０（７０ａ）からＭＥＡ１０まで充填されている。

ＧＤＬ１１ａが片面のみの場合には、特にＭＥＧＡ３０がディンプル７０へ屈曲しやすい構造となるが、本実施形態においては、ディンプル７０の内部及び積層方向に見てディンプル７０からＭＥＡ１０までの間においてシール材１３が充填されているため、ＭＥＧＡ３０が、ディンプル７０へ屈曲することを抑制することができる。また、製造工程において、ＭＥＡ１０のみ大きくすることはコストが高くなるが、ＭＥＡ１０とＧＤＬ１１ａ、１１ｂとを同じ大きさにした場合には、製造コストを抑えることができる。

図４は、第３の実施形態における燃料電池１を構成する燃料電池セル２であって、図２（Ａ）のＡ−Ａ線断面図に対応するものである。本実施形態では、セパレータ２０ａに、各電極に酸化ガス又は燃料ガスを供給する溝流路を形成し、セパレータ２０ａ側に形成されているＧＤＬ１１ａの外周端１１１が、ディンプル７０（７０ａ）よりも内側に形成されている点が第１の実施形態と異なっている。なお、セパレータ２０ａに溝流路を形成したため、セパレータ２０ａ、２０ｂ間には、ＭＥＡ１０とＧＤＬ１１ａ、１１ｂとシール部材１３とが形成されている。シール材１３は、ＭＥＧＡ外周部Ｄの範囲において、ディンプル７０（７０ａ）内部及び積層方向から見てディンプル７０（７０ａ）からＭＥＡ１０まで充填されている。

図５は、第４の実施形態における燃料電池１を構成する燃料電池セル２を示している。図５（Ａ）は、燃料電池セル２の平面図である。図５（Ｂ）は、図５（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。本実施形態では、ディンプル７０が溝（長ディンプル）で形成されている点が、第１の実施形態と異なっている。長ディンプル７０は、平面視でセパレータ２０ａの長手方向の両端部付近に、セパレータ２０ａの長辺と略平行に形成されている。また、積層方向から見たときに、長ディンプル７０は、セパレータ２０ａのＭＥＧＡ外周部Ｄの範囲に設けられている。このように、長ディンプル７０の場合においても、ディンプル７０内部及び積層方向に見てディンプル７０からＭＥＡ１０までの間にシール材１３が充填されているので、ＭＥＧＡ３０が、ディンプル７０へ屈曲することを抑制することができる。

以上、本発明の実施例を説明したが、これは本発明の説明のための例示であって、本発明の範囲をこの実施例にのみ限定する趣旨ではない。本発明は、他の種々の実施例でも実施することが可能である。

１：燃料電池
２：燃料電池セル
１０：膜電極接合体（ＭＥＡ）
１１ａ、１１ｂ：ガス拡散層（ＧＤＬ）
３０：膜電極拡散層接合体（ＭＥＧＡ）
３６：ガス流路
１３：シール材
２０ａ，２０ｂ：セパレータ
４０：多孔体流路
７０：ディンプル

Claims

膜電極接合体と前記膜電極接合体の両側に配置されたガス拡散層とを有する電極体と、前記電極体を挟持する第１及び第２セパレータと、前記第１及び第２セパレータ間外周部を封止するシール材と、前記電極体の両側に配置されたガス流路と、を備えた燃料電池セルが複数積層されてなる燃料電池であって、
前記第１セパレータ側における前記ガス流路の外周端が前記電極体の外周端よりも面方向内側に位置し、
前記第１セパレータのうち前記燃料電池セルの積層方向から見て当該第１セパレータ側における前記ガス流路の外周端と前記電極体の外周端との間に凸部を備え、
前記凸部は、前記第１セパレータの長手方向両端部に複数設けられると共に、前記第１セパレータの長辺に沿って延在して設けられ、
前記凸部の内部及び前記凸部と前記膜電極接合体との間に前記シール材が充填されていることを特徴とする燃料電池。
前記凸部は、前記積層方向に隣接する前記燃料電池セルに当接することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
前記凸部側の前記ガス拡散層は、その外周端が前記凸部よりも面内方向内側に位置するように形成され、
前記シール材は、前記積層方向から見て前記凸部から前記膜電極接合体まで充填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。
前記第１セパレータ及び前記第２セパレータに前記ガス流路が形成され、
前記凸部側の前記ガス拡散層は、その外周端が前記凸部よりも面内方向内側に位置するように形成され、
前記シール材は、前記積層方向から見て前記凸部から前記膜電極接合体まで充填されていることを特徴とする請求項１又は３のいずれか１項に記載の燃料電池。