JP5988104B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池に関する。

例えば、固体高分子型燃料電池は、電解質膜の両面に配置された一対の電極触媒層（燃料極（アノード）触媒層、酸素極（カソード）触媒層）を含む膜−電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly、以下単にＭＥＡともいう）を挟持した一対のセパレータを有する燃料電池セルが複数積層されて構成される。燃料極側には水素等の燃料ガスが、酸素極側には酸素を含む酸化剤ガスがそれぞれ供給され、供給されたガスと電解質と電極触媒層との三相界面における電気化学反応により発電が行われる。

この燃料電池において、ＭＥＡを挟持するセパレータとしては多様な構造のものが存在しており、一例を挙げれば、プレス型セパレータまたはフラット型セパレータと呼ばれるものが用いられている。プレス型セパレータは、例えばプレス加工により反応ガスを供給するための溝が形成されたセパレータであり、フラット型セパレータは、反応ガスの供給や排出をするための溝が形成されていない平坦なセパレータである。このようなプレス型セパレータとフラット型セパレータとは、中央部分にＭＥＡを挟持し、さらにその周囲部分において絶縁性のあるシール部材を挟持した状態で燃料電池セルを構成している。

このようにＭＥＡおよび絶縁シール部材を挟んで対向した一対のセパレータにおいては、これらセパレータ間での短絡を防止する必要があり、また、寸法精度を向上させる必要もある。従来、これらの要求を同時に満たす構造として、プレス型セパレータとフラット型セパレータとの間に挟まれるように設けられた絶縁シール部材の外周端が、いずれかのセパレータ（例えばフラット型セパレータ）の外周部（フランジ部）の外側端の少なくとも一部よりも外側となるように形成されたものがある（例えば特許文献１参照）。

特開２０１２−０５４１１８号公報

しかしながら、上述のごとき従来構造の燃料電池においては、燃料電池セルと燃料電池セルとの間が貼り付いてしまい（図８参照）、その結果、セル積層方向の変位がセル積層体のある箇所に集中してしまい（変位集中）、当該箇所が開いてしまう現象（口開き）が生じる場合がある（図９参照）。そうすると、氷点下でのシール不良、衝突時のセルずれに起因するフランジの変形といった問題が生じるおそれがある。

そこで、本発明は、シール露出部と隣接するセルの貼り付きを抑止し、変位集中による氷点下シール不良、衝突時セルずれによるフランジ変形を抑制することができるようにした燃料電池を提供することを目的とする。

かかる課題を解決するべく本発明者は種々の検討を行った。従来構造の燃料電池においては、セル−セル接触部（セルとセルとが接触する部位）であるセパレータのフランジ部にゴム部材が介在しており、このゴム部材を介してセルどうしが接触することに起因して中途半端に貼り付き現象が生じている。ゴム部材は、セパレータ間での短絡を防止し、寸法精度を向上させることに資するものであり、セルを積層するためには実質的に不可欠といえるが、それと同時に、セパレータのフランジ部に貼り付く（タックする）ことによって積層体のある箇所に変位集中を生じさせるものでもある。また、燃料電池において、セル中央部（ＭＥＡからなる発電面がある部分）に大きな荷重を作用させるとＭＥＡの破れやＧＤＬ（ガス拡散層）の食い込み等が生じるおそれがあることもあって、当該中央部よりもセル外周部に大きな荷重を作用させていることから、このような貼り付き現象を回避することが難しい。

貼り付きを生じさせ難くするための方策の一つとしては、セル積層体の締結圧力を弱めることが考えられる。ところが、弱い圧力だと、貼り付きの発生を抑えられるとしても、氷点下でシール部材が収縮し、いずれかの部位で開きが生じ、ガス漏れに至るおそれがあることから、このような現象を抑えようとすればある程度の荷重が欠かせない。しかし、そうすると、ゴム部材がセパレータに貼り付く（タックする）ことから免れない。さらには、衝突時のセルずれを抑えるという観点からすれば、ある程度の摩擦力を確保しうる荷重が必要になるということもある。

上述のごとき実情の下、検討を重ねた本発明者は、かかる課題の解決に結び付く知見を得るに至った。本発明はかかる知見に基づくもので、電解質膜の両面に電極が配置された膜−電極接合体と、該膜−電極接合体を挟持する一対のセパレータと、を有する燃料電池セルが複数積層されてなる燃料電池であって、
燃料電池セルは、
一対のセパレータ間の外周部に設けられたシール部材と、
いずれか一方のセパレータの端部がシール部材の端部よりも面内側に位置することによって該一方のセパレータの端部よりも外側に位置する当該シール部材の露出部と、
を有し、
隣接する燃料電池セルと燃料電池セルとは、セパレータの外周部の一部が互いに接触した状態で積層されており、
シール部材の露出部と、隣接する燃料電池セルのセパレータとの間には、当該露出部と当該セパレータの少なくとも一部を離間させる隙間が形成されていることを特徴とする。

この燃料電池においては、シール部材の露出部と、隣接する燃料電池セルのセパレータとの間に隙間が形成され、当該露出部と当該セパレータの少なくとも一部が離間した状態となっている。このため、セル積層体において、シール部材の露出部と隣接する部分におけるセルどうしの貼り付き現象（タック）が抑制される。したがって、セル積層方向の変位がセル積層体のある箇所に集中してしまう現象（変位集中）、当該箇所が開いてしまう現象（口開き）を抑え、氷点下でのシール不良、衝突時のセルずれに起因するフランジの変形といった問題を抑制することができる。

上述の燃料電池においては、一対のセパレータが、溝を有するプレス型セパレータと、溝を覆うようにプレス型セパレータに宛がわれるフラット型セパレータとで構成されており、プレス型セパレータに、隙間を形成する段部が設けられていてもよい。

あるいは、上述の燃料電池において、一対のセパレータが、溝を有するプレス型セパレータと、溝を覆うようにプレス型セパレータに宛がわれるフラット型セパレータとで構成されており、フラット型セパレータに、隙間を形成する段部が設けられていてもよい。

あるいは、上述の燃料電池において、シール部材の露出部に、隙間を形成する段部が設けられていてもよい。

本発明によれば、シール露出部と隣接するセルの貼り付きを抑止し、変位集中による氷点下シール不良、衝突時セルずれによるフランジ変形を抑制することができる。

本発明の実施形態における燃料電池セルの概略構成を示す図である。 燃料電池のプレス型セパレータの一例を示す平面図である。 燃料電池のフラット型セパレータの一例を示す平面図である。 燃料電池のセル積層体の構造例を示す図である。 本発明の第１の実施形態を示す、図２中のV-V線におけるセル積層体の部分断面図である。 本発明の第２の実施形態を示す、セル積層体の部分断面図である。 本発明の第３の実施形態を示す、セル積層体の部分断面図である。 従来のセル積層体におけるシール露出部近傍の構造例を参考として示す部分断面図である。 従来の燃料電池のセル積層体の構造例を参考として示す図である。

図１〜図７に本発明の実施形態を示す。以下に説明する実施形態においては、まず、燃料電池１を構成する燃料電池セル（発電モジュール）２およびセル積層体３の概略構成について説明し、その後、ゴム材１３、プレス型セパレータ４０、フラット型セパレータ６０等の構造についてさらに詳細に説明する。

図１等に本発明の一実施形態における燃料電池１の概略構成を示す。燃料電池１を構成する一部材であるセル積層体３は、燃料電池セル２が順次積層されることによって構成されている。このセル積層体３は、その両端を一対のエンドプレート８で挟まれ、さらにこれらエンドプレート８同士を繋ぐようにテンションプレート９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。なお、本実施形態においては、燃料電池セル２を積層する方向を「積層方向」として説明する。

燃料電池セル２は、ＭＥＡ（膜−電極接合体）１１と、ＭＥＡ１１を挟持する一対のセパレータ（例えば、後述するプレス型セパレータ４０とフラット型セパレータ６０）、一対のセパレータ間に形成されるシール部材としての絶縁性を備えたゴム材１３、燃料電池セル２間に形成されるガスケット１４等で構成されている（図１、図４等参照）。ＭＥＡ１１、一対のセパレータはおよそ矩形の板状に形成されている。ＭＥＡ１１はその外形が一対のセパレータの外形よりも小さくなるように形成されている。

ＭＥＡ１１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およ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。

ＭＥＡ１１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ＭＥＡ１１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。

本実施形態のゴム材１３は、接着成分を含んでおり、ＭＥＡ１１の周縁部に配置され、ＭＥＡ１１や一対のセパレータを接着するシール部材として機能する。ただし、これは好適な一例に過ぎず、この他、接着成分を含まないゴム等の部材であっても、高温環境下におかれると未架橋の低分子が表面に移動し、貼り付きが生じることがある。また、樹脂のシール部材を用い、該シール部材を接着剤等を介して配置した場合、接着剤のはみ出しによる貼り付きが生じることもある。したがって、これらのような接着成分を含まないゴム等の部材や樹脂部材をシール部材として利用することもできる。あるいは、この他、例えば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シール部材として用いることもできる。要は、接着成分含有の有無に拘わらず貼り付きが生じる可能性がある部材をシール部材として用いることが可能である。

また、隣接する燃料電池セル２と燃料電池セル２との間には、燃料電池セル２間をシールし、酸化ガスや水素ガス等の漏れを抑制するガスケット１４が設けられている。ガスケット１４の材料としては、隣接する部材との物理的な密着により流体を封止する弾性体や、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。

プレス型セパレータ４０とフラット型セパレータ６０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。本実施形態のプレス型セパレータ４０とフラット型セパレータ６０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）、この基材の各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。

プレス型セパレータ４０、フラット型セパレータ６０の長手方向の端部付近（本実施形態の場合であれば、図２、図３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１５ａ，１６ｂ，１７ｂは、略矩形ないしは台形の孔によって形成されている。さらに、第１、第２セパレータ４０、６０のうちこれらと反対側の端部には、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、および冷却水の入口側のマニホールド１７ａ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，１７ａも略矩形ないしは台形の孔によって形成されている。

プレス型セパレータ４０は、その両面にプレスによって溝状の流路が複数形成されているもので、ＭＥＡ１１のカソード側に対向するように配置されている（図４参照）。プレスによって形成された流路は、酸化ガスのガス流路３４や冷却水流路３６を構成している。より具体的に説明すると、プレス型セパレータ４０の電極３２ｂ側となる内側の面には酸化ガスのガス流路３４が複数形成され、その裏面（外側の面）には冷却水流路３６が複数形成されている（図４等参照）。なお、図４に示すセル積層体３はプレス型セパレータ４０、フラット型セパレータ６０、ＭＥＡ１１、ガスケット１４等が繰り返し積層されているものであり、符号は図中の最上段のプレス型セパレータ４０等にのみ付している。

フラット型セパレータ６０は、ＭＥＡ１１のアノード側に対向するように配置されているもので、該ＭＥＡ１１側の表面は溝のない略平坦な平板によって形成されている（図４等参照）。なお、本実施形態でいうフラット型セパレータには、プレス加工が施されていないものの他、プレス型セパレータよりも軽度にプレス加工が施されているものも含まれる。また、軽度にプレス加工が施されているとは、プレス型セパレータ４０よりも狭い領域にプレス加工が施されている場合、浅くプレス加工が施されている場合、プレス加工されている数が少ない場合等を意味する。このようにフラット側セパレータ６０は、プレス加工が施されていないか、またはプレス型セパレータ４０よりも軽度にプレス加工が施されているものであるため、プレス型セパレータ４０よりも寸法公差が小さくすることが可能である。

なお、上述のごとき燃料電池セル２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とし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、さらには定置の燃料電池としても用いることが可能である。

続いて、燃料電池セル２のゴム材１３、プレス型セパレータ４０、フラット型セパレータ６０等の構造についてさらに詳細に説明する（図４〜図７等参照）。

＜第１の実施形態＞
上述したように、本実施形態の燃料電池１においては、一対のセパレータ（プレス型セパレータ４０、フラット型セパレータ６０）間にゴム材１３が設けられている（図５等参照）。ゴム材１３は、セパレータ（プレス型セパレータ４０、フラット型セパレータ６０）の外周部に配置されており、該ＭＥＡ１１や一対のセパレータ（プレス型セパレータ４０、フラット型セパレータ６０）をシールしている。

なお、本明細書でいう「セパレータの外周部」には、ＭＥＡ１１の周縁部のほか、各マニホールド（１５ａ，１５ｂ，１６ａ，１６ｂ，１７ａ，１７ｂ）の周りの部分も含まれる（図２等参照）。本実施形態の燃料電池１では、隣接する燃料電池セル２と燃料電池セル２とが、セパレータ（プレス型セパレータ４０、フラット型セパレータ６０）の外周部の一部が互いに接触した状態で積層される（図４、図５参照）。

また、本実施形態におけるフラット型セパレータ６０は、その長手方向における端部６０ａが、ゴム材１３の端部（図中、符号１３ａで示す）よりも内側に位置する形状および大きさとなっている（図５等参照）。このため、ゴム材１３の一部は、当該フラット型セパレータ６０の端部６０ａよりも外側に位置しており、隣接する燃料電池セル２のセパレータ（本実施形態の場合、隣接する燃料電池セル２のプレス型セパレータ４０）に接触しうる露出部１３ｂとなっている（図５参照）。

ここで、本実施形態では、ゴム材１３の露出部１３ｂと、隣接する燃料電池セル２のセパレータ（本実施形態の場合、プレス型セパレータ４０）との間に、当該露出部１３と当該セパレータ（プレス型セパレータ４０）の少なくとも一部とを離間させる隙間１０を形成している（図５等参照）。隙間１０は、セル積層体３において、ゴム材１３の露出部１３ｂとセパレータ（プレス型セパレータ４０）とが貼り付く（タックする）ことを抑制する。これによれば、セル積層方向の変位がセル積層体３のある箇所に集中してしまう現象（変位集中）、当該箇所が開いてしまう現象（口開き）が抑えられることから、氷点下でのシール不良、衝突時のセルずれに起因するフランジ（セパレータの外周部、あるいはプレス型セパレータ４０のうちゴム材１３の端部１３ａよりも外側に突出している部分など）の変形といった問題を抑制することが可能となる（図４、図８、図９参照）。

このような隙間１０の具体的構造は特に限定されるものではないが、一例を挙げれば、プレス型セパレータ４０に設けられた段部４０ｂによって形成されるものであってもよい。この場合の段部４０ｂは、対向するゴム材１３の露出部１３ｂから後退するようにプレス型セパレータ４０の一部に設けられた段差によって形成されている（図５参照）。

＜第２の実施形態＞
本実施形態の燃料電池１において、プレス型セパレータ４０は、その長手方向における端部４０ａが、ゴム材１３の端部１３ａよりも内側に位置する形状および大きさとなっている（図６参照）。このため、ゴム材１３の一部は、当該プレス型セパレータ４０の端部４０ａよりも外側に位置しており、隣接する燃料電池セル２のセパレータ（本実施形態の場合、隣接する燃料電池セル２のフラット型セパレータ６０）に接触しうる露出部１３ｂとなっている（図６参照）。

ここで、本実施形態では、ゴム材１３の露出部１３ｂと、隣接する燃料電池セル２のセパレータ（本実施形態の場合、フラット型セパレータ６０）との間に、当該露出部１３ｂと当該セパレータ（フラット型セパレータ６０）の少なくとも一部とを離間させる隙間１０を形成している（図６参照）。隙間１０は、セル積層体３において、ゴム材１３の露出部１３ｂとセパレータ（フラット型セパレータ６０）とが貼り付く（タックする）ことを抑制する。

本実施形態における隙間１０は、フラット型セパレータ６０に設けられた段部６０ｂによって形成されている。段部６０ｂは、対向するゴム材１３の露出部１３ｂから後退するようにフラット型セパレータ６０の一部に設けられた段差によって形成されている（図６参照）。

＜第３の実施形態＞
本実施形態の燃料電池１において、フラット型セパレータ６０は、その長手方向における端部６０ａが、ゴム材１３の端部１３ａよりも内側に位置する形状および大きさとなっている（図６参照）。このため、ゴム材１３の一部は、当該フラット型セパレータ６０の端部６０ａよりも外側に位置しており、隣接する燃料電池セル２のセパレータ（本実施形態の場合、隣接する燃料電池セル２のプレス型セパレータ４０）に接触しうる露出部１３ｂとなっている（図７参照）。

ここで、本実施形態では、ゴム材１３の露出部１３ｂと、隣接する燃料電池セル２のセパレータ（本実施形態の場合、プレス型セパレータ４０）との間に、当該露出部１３ｂと当該セパレータ（プレス型セパレータ４０）の少なくとも一部とを離間させる隙間１０を形成している（図７参照）。隙間１０は、セル積層体３において、ゴム材１３の露出部１３ｂとセパレータ（プレス型セパレータ４０）とが貼り付く（タックする）ことを抑制する。

本実施形態における隙間１０は、ゴム材１３に設けられた段部１３ｃによって形成されている。段部１３ｃは、対向するプレス型セパレータ４０の表面から後退するように当該ゴム材１３の露出部１３ｂに設けられた段差によって形成されている（図７参照）。この段差は、傾斜面のみで形成されていてもよいし（図７参照）、傾斜面に水平面が組み合わされる等して形成されていてもよい。

なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば上記においては、隙間１０を、それぞれ、プレス型セパレータ４０に設けられた段部４０ｂによって形成した形態（第１の実施形態）、フラット型セパレータ６０に設けられた段部６０ｂによって形成した形態（第２の実施形態）、ゴム材１３に設けられた段部１３ｃによって形成した形態（第３の実施形態）を説明したが、もちろん、これら各形態を組み合わせて隙間１０を形成することが可能である。

また、上述した実施形態では、プレス型セパレータ４０とフラット型セパレータ６０とで燃料電池セル２が構成される燃料電池１について説明したが、プレス型セパレータ４０のみが組み合わされた燃料電池１においても本発明を適用することが可能である。

本発明は、電解質膜の両面に電極が配置された膜−電極接合体と、該膜−電極接合体を挟持する一対のセパレータと、を有する燃料電池セルが複数積層されてなる燃料電池に適用して好適なものである。

１：燃料電池
２：燃料電池セル
３：セル積層体
１０：隙間
１１：ＭＥＡ（膜−電極接合体）
１３：ゴム材（シール部材）
１３ａ：端部
１３ｂ：露出部
１３ｃ：ゴム材に設けられた段部
４０：プレス型セパレータ
４０ａ：（プレス型セパレータの長手方向における）端部
４０ｂ：プレス型セパレータに設けられた段部
６０：フラット型セパレータ
６０ａ：（フラット型セパレータの長手方向における）端部
６０ｂ：フラット型セパレータに設けられた段部

Claims (3)

1. 電解質膜の両面に電極が配置された膜−電極接合体と、該膜−電極接合体を挟持する一対のセパレータと、を有する燃料電池セルが複数積層されてなる燃料電池であって、
   前記燃料電池セルは、
   前記一対のセパレータ間の外周部に設けられたシール部材と、
   いずれか一方のセパレータの端部が前記シール部材の端部よりも面内側に位置することによって該一方のセパレータの端部よりも外側に位置する当該シール部材の露出部と、
   を有し、
   隣接する前記燃料電池セルと燃料電池セルとは、前記セパレータの外周部の一部が互いに接触した状態で積層されており、
   前記シール部材の露出部と、隣接する前記燃料電池セルの前記セパレータとの間には、当該露出部と当該セパレータの少なくとも一部を離間させる隙間が形成されており、
   前記一対のセパレータが、溝を有するプレス型セパレータと、前記溝を覆うように前記プレス型セパレータに宛がわれるフラット型セパレータとで構成されており、
   前記プレス型セパレータに、前記隙間を形成する段部が設けられていることを特徴とする燃料電池。
2. 電解質膜の両面に電極が配置された膜−電極接合体と、該膜−電極接合体を挟持する一対のセパレータと、を有する燃料電池セルが複数積層されてなる燃料電池であって、
   前記燃料電池セルは、
   前記一対のセパレータ間の外周部に設けられたシール部材と、
   いずれか一方のセパレータの端部が前記シール部材の端部よりも面内側に位置することによって該一方のセパレータの端部よりも外側に位置する当該シール部材の露出部と、
   を有し、
   隣接する前記燃料電池セルと燃料電池セルとは、前記セパレータの外周部の一部が互いに接触した状態で積層されており、
   前記シール部材の露出部と、隣接する前記燃料電池セルの前記セパレータとの間には、当該露出部と当該セパレータの少なくとも一部を離間させる隙間が形成されており、
   前記一対のセパレータが、溝を有するプレス型セパレータと、前記溝を覆うように前記プレス型セパレータに宛がわれるフラット型セパレータとで構成されており、
   前記フラット型セパレータに、前記隙間を形成する段部が設けられていることを特徴とする燃料電池。
3. 前記シール部材の前記露出部に、前記隙間を形成する段部が設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池。
   

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