JP6053649B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体と、前記電解質膜・電極構造体の外形寸法よりも大きな外形寸法を有するセパレータとが積層される燃料電池に関する。

一般的に、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる固体高分子電解質膜を採用している。この燃料電池は、固体高分子電解質膜の両側に、それぞれ触媒層（電極触媒層）とガス拡散層（多孔質カーボン）とからなるアノード電極及びカソード電極を配設した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を備えている。電解質膜・電極構造体は、一対のセパレータ（バイポーラ板）間に挟持されることにより、燃料電池を構成している。この燃料電池は、所定の数だけ積層されて、例えば、車載用燃料電池スタックとして燃料電池電気自動車に搭載されている。

燃料電池では、ガス漏れ等を防止するために、燃料ガス及び酸化剤ガスを気密に保持するとともに、冷却機能を維持するために、冷却媒体を液密に保持する必要がある。このため、種々のシール構造が採用されている。

例えば、特許文献１に開示されている燃料電池では、電解質膜の両側に第１の電極と該第１の電極よりも大きな表面積を有する第２の電極とを配設した電解質膜・電極構造体を備えている。電解質膜・電極構造体は、第１及び第２のセパレータ間に配設されて発電セルを構成している。

第１及び第２のセパレータには、第１及び第２のシール部材が設けられている。そして、第２のシール部材の第１の電極に対向する一方の面には、電解質膜と前記第２のセパレータとの間に配置される内側シールと、前記第１及び第２のセパレータ間に配置される外側シールとが設けられている。

一方、第２のシール部材の一方の面とは反対の他方の面、又は第１のシール部材の第２の電極に対向する面とは反対の他方の面には、冷却媒体流路をシールし且つ外側シールに対応して冷却媒体シールが設けられている。さらに、内側シール、外側シール及び冷却媒体シールは、積層方向の荷重に対して積層方向のシール線圧が略同一に設定されている。

特許第４７３３９１５号公報

ところで、セパレータには、セパレータ面に沿って平面状に延在する平面シール（ベースシール）が設けられるとともに、前記平面シールから内側シール、外側シール及び冷却媒体シール（以下、凸状シールともいう）が一体成形されている。その際、所望のシール性を得るために、平面シールから凸状シールの先端までの高さ、すなわち、実質シール高さを確保しなければならない。

従って、セパレータ全体の厚さ方向の寸法を良好に短尺化させるためには、平面シールを高さ方向に対して可及的に薄肉状に構成する必要がある。しかしながら、平面シールを薄肉化することにより、セパレータにシール部材を良好に成形することができないおそれがある。

本発明は、この種の問題を解決するものであり、所望のシール性を確保してセパレータ全体の薄肉化を図るとともに、シール部材を良好且つ確実に成形することが可能な燃料電池を提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池では、電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体と、前記電解質膜・電極構造体の外形寸法よりも大きな外形寸法を有するセパレータとが積層されている。電解質膜・電極構造体を挟んで互いに対向するセパレータ間には、該電解質膜・電極構造体の外周縁部に接触する内側シール部材と、該電解質膜・電極構造体の外周端部から外方に位置して前記セパレータ間に配置される外側シール部材とが設けられている。

互いに隣接するセパレータ間には、セパレータ面に沿って冷却媒体を流通させる冷却媒体流路が形成されている。冷却媒体流路を形成する一方のセパレータには、前記セパレータ面に沿って平面状に延在し且つ内側シール部材及び外側シール部材よりも高さ方向に肉薄なベースシールが形成されている。

ベースシールには、積層方向から見て、内側シール部材と重なり合う位置に設けられた内側凸部及び外側シール部材と重なり合う位置に設けられた外側凸部が、冷却媒体流路側に突出形成されている。そして、内側凸部と外側凸部との間には、該内側凸部及び該外側凸部よりも高さ方向に肉薄な中間凸部が、冷却媒体流路側に突出形成されている。

また、この燃料電池では、冷却媒体流路を形成する他方のセパレータには、セパレータ面に沿って平面状に延在し且つ内側シール部材及び外側シール部材よりも高さ方向に肉薄なベースシールが形成されることが好ましい。他方のセパレータのベースシールには、中間凸部に対向して凸部が突出形成されている。

さらに、この燃料電池では、中間凸部の長手方向の中央に対応する位置に成形用ゲートが配置されることが好ましい。

さらにまた、この燃料電池では、一方のセパレータ又は他方のセパレータの冷却媒体流路側のベースシール高さは、反対面の反応ガス流路側のベースシール高さよりも低く設定されることが好ましい。

本発明によれば、ベースシールには、内側凸部及び外側凸部が突出形成されるとともに、前記内側凸部と前記外側凸部との間に、中間凸部が突出形成されている。このため、中間凸部は、成形用ランナーとして使用することにより、シール成形性が向上し、ベースシールの高さ（厚さ）を可及的に小さく設定することができる。

これにより、所望のシール性を確保してセパレータ全体の薄肉化を図るとともに、シール部材を良好且つ確実に成形することが可能になる。

本発明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。 前記燃料電池を構成する第１金属セパレータの正面説明図である。

図１及び図２に示すように、本発明の実施形態に係る燃料電池１０は、矢印Ａ方向（例えば、水平方向）に複数積層されることにより、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用される。

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を挟持する第１金属セパレータ１４及び第２金属セパレータ１６とを備える。第１金属セパレータ１４及び第２金属セパレータ１６は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板等で構成されるが、カーボンセパレータにより構成してもよい。

電解質膜・電極構造体１２は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜１８と、前記固体高分子電解質膜１８を挟持するアノード電極２０及びカソード電極２２とを備える。固体高分子電解質膜１８は、フッ素系電解質の他、ＨＣ（炭化水素）系電解質が使用される。

アノード電極２０は、カソード電極２２よりも小さな平面寸法を有する。なお、カソード電極２２は、アノード電極２０よりも小さな平面寸法を有していてもよく、また、前記カソード電極２２と前記アノード電極２０とは、同一の平面寸法を有してもよい。

図２に示すように、アノード電極２０は、固体高分子電解質膜１８の一方の面１８ａに配置され、且つ前記固体高分子電解質膜１８の外周を額縁状に露呈させる第１電極触媒層２０ａ及び第１ガス拡散層２０ｂを設ける。第１ガス拡散層２０ｂの平面は、第１電極触媒層２０ａの平面より大きく設定されるが、同一寸法であってもよい。カソード電極２２は、固体高分子電解質膜１８の他方の面１８ｂに配置される第２電極触媒層２２ａ及び第２ガス拡散層２２ｂを設ける。なお、第１電極触媒層２０ａ及び第２電極触媒層２２ａは、複数の層から構成してもよい。

第２ガス拡散層２２ｂの平面は、第１ガス拡散層２０ｂの平面よりも大きく設定されるとともに、前記第２ガス拡散層２２ｂは、第２電極触媒層２２ａの外周から突出して固体高分子電解質膜１８の他方の面１８ｂ全体を覆う。なお、第１電極触媒層２０ａと第２電極触媒層２２ａとは、同一の平面寸法を有してもよく、また、一方が他方よりも大きな平面寸法を有してもよい。

第１ガス拡散層２０ｂ及び第２ガス拡散層２２ｂは、カーボンペーパ等からなる。第１電極触媒層２０ａ及び第２電極触媒層２２ａは、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が、第１ガス拡散層２０ｂ及び第２ガス拡散層２２ｂの表面に一様に塗布されて形成される。

図１に示すように、燃料電池１０の矢印Ｂ方向（図１中、水平方向）の一端縁部には、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス入口連通孔２４ａ、冷却媒体入口連通孔２６ａ及び燃料ガス出口連通孔２８ｂが設けられる。酸化剤ガス入口連通孔２４ａは、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給する。冷却媒体入口連通孔２６ａは、冷却媒体を供給するとともに、燃料ガス出口連通孔２８ｂは、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出する。酸化剤ガス入口連通孔２４ａ、冷却媒体入口連通孔２６ａ及び燃料ガス出口連通孔２８ｂは、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。

燃料電池１０の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガス入口連通孔２８ａ、冷却媒体出口連通孔２６ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔２４ｂが設けられる。燃料ガス入口連通孔２８ａは、燃料ガスを供給し、冷却媒体出口連通孔２６ｂは、冷却媒体を排出し、酸化剤ガス出口連通孔２４ｂは、酸化剤ガスを排出する。燃料ガス入口連通孔２８ａ、冷却媒体出口連通孔２６ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔２４ｂは、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。

第２金属セパレータ１６の電解質膜・電極構造体１２に向かう面１６ａには、酸化剤ガス入口連通孔２４ａと酸化剤ガス出口連通孔２４ｂとに連通する酸化剤ガス流路３０が設けられる。

図３に示すように、第１金属セパレータ１４の電解質膜・電極構造体１２に向かう面１４ａには、燃料ガス入口連通孔２８ａと燃料ガス出口連通孔２８ｂとに連通する燃料ガス流路３２が形成される。燃料ガス入口連通孔２８ａと燃料ガス流路３２とは、複数本の入口連結路３３ａを介して連通する一方、燃料ガス出口連通孔２８ｂと前記燃料ガス流路３２とは、複数本の出口連結路３３ｂを介して連通する。入口連結路３３ａと出口連結路３３ｂとは、蓋体３５ａと蓋体３５ｂとにより覆われている。

図１に示すように、互いに隣接する第１金属セパレータ１４の面１４ｂと第２金属セパレータ１６の面１６ｂとの間には、冷却媒体入口連通孔２６ａと冷却媒体出口連通孔２６ｂとに連通する冷却媒体流路３４が形成される。

図１及び図２に示すように、第１金属セパレータ１４の面１４ａ、１４ｂには、この第１金属セパレータ１４の外周端部を周回して、第１シール部材３６が一体化される。第２金属セパレータ１６の面１６ａ、１６ｂには、この第２金属セパレータ１６の外周端部を周回して、第２シール部材３８が一体化される。

第１シール部材３６及び第２シール部材３８には、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。

図２に示すように、第１シール部材３６は、第１金属セパレータ１４の面１４ａに一体化される第１平面シール（ベースシール）３６ａと、前記第１金属セパレータ１４の面１４ｂに一体化される第２平面シール（ベースシール）３６ｂとを一体に有する。第１平面シール３６ａは、面１４ａに沿って平面状に延在し、高さ方向の厚さｔ１を有する。第２平面シール３６ｂは、面１４ｂに沿って平面状に延在し、高さ方向の厚さｔ２を有する。厚さｔ１＞厚さｔ２に設定することにより、冷却媒体面のシール高さを低くすることができ、燃料電池１０の薄肉化が可能になる。

第１平面シール３６ａには、電解質膜・電極構造体１２を構成する固体高分子電解質膜１８の外周縁部に、直接、接触する内側シール部材３６ａ１が一体に設けられる。すなわち、内側シール部材３６ａ１は、アノード電極２０の第１ガス拡散層２０ｂの外周端部から外方に露呈する固体高分子電解質膜１８の外周縁部を周回して接触する枠形状を有する（図３参照）。内側シール部材３６ａ１の高さ方向の厚さｔ３は、第１平面シール３６ａの厚さｔ１及び第２平面シール３６ｂの厚さｔ２よりも大きな寸法に設定される。

図１及び図２に示すように、第２平面シール３６ｂには、積層方向から見て、内側シール部材３６ａ１と重なり合う位置に設けられた内側凸部３６ｂ１と、前記積層方向から見て後述する外側シール部材３８ａ１と重なり合う位置に設けられた外側凸部３６ｂ２とが一体に設けられる。第２平面シール３６ｂには、内側凸部３６ｂ１と外側凸部３６ｂ２との間に位置して中間凸部３６ｂｔが、冷却媒体流路３４側に突出形成される。図１に示すように、中間凸部３６ｂｔは、第１金属セパレータ１４の面１４ｂの上下に、それぞれ長手方向（矢印Ｂ方向）に沿って直線状に延在する。中間凸部３６ｂｔの長手方向中央に対応する位置３７には、成形用ゲートが配置される。

図２に示すように、内側凸部３６ｂ１及び外側凸部３６ｂ２は、高さ方向に同一の厚さｔ４を有する。中間凸部３６ｂｔは、高さ方向に厚さ沿って厚さｔ５を有する。中間凸部３６ｂｔは、内側凸部３６ｂ１及び外側凸部３６ｂ２よりも高さ方向に肉薄に構成される（ｔ４＞ｔ５）。

第２シール部材３８は、第２金属セパレータ１６の面１６ａに一体化される第１平面シール（ベースシール）３８ａと、前記第２金属セパレータ１６の面１６ｂに一体化される第２平面シール（ベースシール）３８ｂとを一体に有する。第１平面シール３８ａは、面１６ａに沿って平面状に延在し、高さ方向の厚さｔ６を有する。第２平面シール３８ｂは、面１６ｂに沿って平面状に延在し、高さ方向の厚さｔ７を有する。厚さｔ６＞厚さｔ７に設定することにより、冷却媒体面のシール高さを低くすることができ、燃料電池１０の薄肉化が可能になる。

第１平面シール３８ａには、電解質膜・電極構造体１２を構成する固体高分子電解質膜１８の外周端部から外方に位置して、第１シール部材３６の第１平面シール３６ａに、直接、接触する外側シール部材３８ａ１が一体に設けられる。外側シール部材３８ａ１は、第１平面シール３６ａの外周縁部に沿って周回する（図１参照）。

外側シール部材３８ａ１の高さ方向の厚さｔ８は、第１平面シール３８ａの厚さｔ６及び第２平面シール３８ｂの厚さｔ７よりも大きな寸法に設定される。なお、外側シール部材３８ａ１は、第１シール部材３６の第１平面シール３６ａに一体成形して第１平面シール３８ａに直接接触してもよい。

図１及び図２示すように、第２平面シール３８ｂには、積層方向に沿って中間凸部３６ｂｔに対向する凸部３８ｂｔが突出形成される。凸部３８ｂｔの高さ方向の厚さｔ９は、中間凸部３６ｂｔの厚さｔ５と同等の寸法に設定される（図２参照）。図１に示すように、凸部３８ｂｔは、第２金属セパレータ１６の面１６ｂの上下に、それぞれ長手方向（矢印Ｂ方向）に沿って直線状に延在する。

図２に示すように、凸部３８ｂｔの幅寸法ｈ１は、中間凸部３６ｂｔの幅寸法ｈ２よりも小さな寸法に設定される（ｈ１＜ｈ２）。凸部３８ｂｔと中間凸部３６ｂｔとの間には、隙間ｓが形成される。位置３７の周辺は、成形用ゲートにより盛り上がる場合があり、凸部３８ｂｔ及び中間凸部３６ｂｔの端部同士が当たらないように隙間ｓを設定し、荷重を受け待たないようにすることが好ましい。

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、酸化剤ガス入口連通孔２４ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔２８ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔２６ａに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、酸化剤ガス入口連通孔２４ａから第２金属セパレータ１６の酸化剤ガス流路３０に導入され、矢印Ｂ方向に移動して電解質膜・電極構造体１２のカソード電極２２に供給される（図１参照）。

一方、燃料ガスは、図３に示すように、燃料ガス入口連通孔２８ａから第１金属セパレータ１４の入口連結路３３ａを通って燃料ガス流路３２に供給される。燃料ガスは、燃料ガス流路３２に沿って矢印Ｂ方向に移動し、電解質膜・電極構造体１２のアノード電極２０に供給される。

従って、各電解質膜・電極構造体１２では、アノード電極２０に供給される燃料ガスと、カソード電極２２に供給される酸化剤ガスとが、第１電極触媒層２０ａ内及び第２電極触媒層２２ａ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、カソード電極２２に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔２４ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。同様に、アノード電極２０に供給されて消費された燃料ガスは、図３に示すように、出口連結路３３ｂから燃料ガス出口連通孔２８ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。

また、冷却媒体入口連通孔２６ａに供給された冷却媒体は、第１金属セパレータ１４と第２金属セパレータ１６との間の冷却媒体流路３４に導入された後、矢印Ｂ方向に流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体１２を冷却した後、冷却媒体出口連通孔２６ｂから排出される。

この場合、本実施形態では、図２に示すように、第１金属セパレータ１４に設けられる第１シール部材３６は、ベースシールである第２平面シール３６ｂに、内側凸部３６ｂ１及び外側凸部３６ｂ２が突出形成されている。そして、内側凸部３６ｂ１と外側凸部３６ｂ２との間には、中間凸部３６ｂｔが突出形成されている。このため、中間凸部３６ｂｔは、成形用ランナーとして成形材料を供給するのに使用することにより、シール成形性が向上し、第２平面シール３６ｂの高さ（厚さｔ２）を可及的に小さく設定することができる。

これにより、所望のシール性を確保して第１金属セパレータ１４全体の薄肉化を図るとともに、第１シール部材３６を良好且つ確実に成形することが可能になるという効果が得られる。

一方、第２シール部材３８では、第２平面シール３８ｂに積層方向に沿って中間凸部３６ｂｔに対向する凸部３８ｂｔが突出形成されている。凸部３８ｂｔは、成形用ランナーとして成形材料を供給するのに使用することにより、成形性が向上し、第２平面シール３８ｂの高さ（厚さｔ７）を可及的に小さく設定することができる。

これにより、所望のシール性を確保して第２金属セパレータ１６全体の薄肉化を図るとともに、第２シール部材３８を良好且つ確実に成形することが可能になるという効果が得られる。しかも、凸部３８ｂｔは、中間凸部３６ｂｔに当接することができる。このため、第２平面シール３６ｂ、３８ｂの荷重を確実に受けることが可能になるという効果が得られる。

なお、本実施形態では、燃料電池１０は、単一の電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）１２を第１金属セパレータ１４及び第２金属セパレータ１６で挟持して構成されているが、これに限定されるものではない。例えば、２枚のＭＥＡと３枚のセパレータとを備え、前記セパレータと前記ＭＥＡとを交互に積層する燃料電池であってもよい。

１０…燃料電池 １２…電解質膜・電極構造体
１４、１６…金属セパレータ １８…固体高分子電解質膜
２０…アノード電極 ２０ａ、２２ａ…電極触媒層
２０ｂ、２２ｂ…ガス拡散層 ２２…カソード電極
２４ａ…酸化剤ガス入口連通孔 ２４ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
２６ａ…冷却媒体入口連通孔 ２６ｂ…冷却媒体出口連通孔
２８ａ…燃料ガス入口連通孔 ２８ｂ…燃料ガス出口連通孔
３０…酸化剤ガス流路 ３２…燃料ガス流路
３４…冷却媒体流路 ３６、３８…シール部材
３６ａ、３６ｂ、３８ａ、３８ｂ…平面シール
３６ａ１…内側シール部材 ３６ｂ１…内側凸部
３６ｂ２…外側凸部 ３６ｂｔ…中間凸部
３８ａ１…外側シール部材 ３８ｂｔ…凸部

Claims (4)

1. 電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体と、前記電解質膜・電極構造体の外形寸法よりも大きな外形寸法を有するセパレータとが積層されるとともに、前記電解質膜・電極構造体を挟んで互いに対向する前記セパレータ間には、該電解質膜・電極構造体の外周縁部に接触する内側シール部材と、該電解質膜・電極構造体の外周端部から外方に位置して前記セパレータ間に配置される外側シール部材とが設けられる燃料電池であって、
   互いに隣接する前記セパレータ間には、セパレータ面に沿って冷却媒体を流通させる冷却媒体流路が形成されるとともに、前記冷却媒体流路を形成する一方の前記セパレータには、前記セパレータ面に沿って平面状に延在し且つ前記内側シール部材及び前記外側シール部材よりも高さ方向に肉薄なベースシールが形成され、
   前記ベースシールには、積層方向から見て、前記内側シール部材と重なり合う位置に設けられた内側凸部及び前記外側シール部材と重なり合う位置に設けられた外側凸部が、前記冷却媒体流路側に突出形成されるとともに、
   前記内側凸部と前記外側凸部との間には、該内側凸部及び該外側凸部よりも高さ方向に肉薄な中間凸部が、前記冷却媒体流路側に突出形成されることを特徴とする燃料電池。
2. 請求項１記載の燃料電池において、前記冷却媒体流路を形成する他方の前記セパレータには、前記セパレータ面に沿って平面状に延在し且つ前記内側シール部材及び前記外側シール部材よりも高さ方向に肉薄なベースシールが形成され、
   他方の前記セパレータの前記ベースシールには、前記中間凸部に対向して凸部が突出形成されることを特徴とする燃料電池。
3. 請求項１又は２記載の燃料電池において、前記中間凸部の長手方向の中央に対応する位置に成形用ゲートが配置されることを特徴とする燃料電池。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池において、一方の前記セパレータ又は他方の前記セパレータの前記冷却媒体流路側のベースシール高さは、反対面の反応ガス流路側のベースシール高さよりも低く設定されることを特徴とする燃料電池。

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