JP6094766B2

JP6094766B2 - 燃料電池セル

Info

Publication number: JP6094766B2
Application number: JP2014225164A
Authority: JP
Inventors: 渡辺　祐介; 祐介渡辺
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2014-11-05
Filing date: 2014-11-05
Publication date: 2017-03-15
Anticipated expiration: 2034-11-05
Also published as: DE102015117108B4; US20160126571A1; CA2908255A1; US10403920B2; JP2016091807A; CN105591122A; CN105591122B; DE102015117108A1; CA2908255C; KR101819797B1; KR20160053781A

Description

本発明は、燃料電池セルに関する。

固体高分子型燃料電池は、イオン透過性の電解質膜の両面に触媒層およびガス拡散層が順に積層された膜電極接合体を有し、この膜電極接合体をガス流路層とセパレータで挟持した燃料電池セルを複数組み合わせて燃料電池スタックを形成する。アノード（負極）では、水素を含有する燃料ガスが供給され、下式（１）に示す電気化学反応により燃料ガスからプロトンを生成する。生成されたプロトンは電解質膜を通ってカソード（正極）へ移動する。他方のカソード（正極）では、酸素を含有する酸化剤ガスが供給され、アノード（負極）から移動してきたプロトンと反応して下式（２）に示す電気化学反応により水（以下、生成水とも称する）を生成する。これら一対の電極構造体の電解質膜側の表面で生じる電気化学反応を利用して電極から電気エネルギを取り出す。アノード反応：Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^-…（１）、カソード反応：２Ｈ⁺＋２ｅ^-＋（１／２）Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ …（２）

上記燃料電池セルでは、膜電極接合体とセパレータとの間に、ガス拡散層の表面に沿って発電に供する反応ガスを流すためのガス流路を形成する流路形成部材として、多孔体が配置される場合がある。

そして、このような燃料電池セルに関し、種々の技術が提案されている。例えば、下記特許文献１に記載された燃料電池セルでは、燃料電池セルに形成されたマニホールド（貫通孔）内に多孔体を張り出して配置している。

特開２０１３−１８７０３０号公報

ところで、上述した電気化学反応によりカソード極では水が生成され、この水が燃料電池セルに形成されたマニホールドを通じて排出される。上記特許文献１に記載された燃料電池セルでは、多孔体が当該マニホールド内に張り出された状態で配置されているため、マニホールドを通じて排出される水が、再度多孔体に吸収されるおそれがある。マニホールド内に張り出している多孔体に水が吸収されてしまうと、排水性ひいては発電性能が低下するおそれがあった。

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、膜電極接合体とセパレータとの間に配置される多孔体にマニホールドから排出される水が吸収されることを抑制することができ、排水性を向上させることが可能な燃料電池セル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セルは、電解質膜の両面にアノード電極とカソード電極とを積層した膜電極接合体と、前記膜電極接合体のカソード側に対向して配置され、前記カソード電極に酸化ガスを流すためのガス流路を形成する多孔体流路と、前記膜電極接合体と前記多孔体流路を挟持する一対のセパレータと、を備え、前記セパレータは、前記セパレータの厚さ方向に貫通して前記膜電極接合体の外側に形成され、前記多孔体流路から排出されたカソードオフガスが流通するカソードオフガス排出用貫通孔を有し、前記多孔体流路は、前記厚さ方向に見たときに、前記カソードオフガス排出用貫通孔における前記膜電極接合体側から前記カソードオフガス排出用貫通孔内に張り出す張出部位を有し、該張出部位における前記セパレータの長手方向の長さが前記カソードオフガス排出用貫通孔の前記膜電極接合体側の一辺より短いことを特徴とする。

本発明に係る燃料電池セルでは、多孔体流路は、セパレータの厚さ方向に見たときに、カソードオフガス排出用貫通孔における膜電極接合体側からカソードオフガス排出用貫通孔内に張り出す張出部位を有し、当該張出部位におけるセパレータの長手方向の長さがカソードオフガス排出用貫通孔の膜電極接合体側の一辺より短くなっている。このように多孔体流路からカソードオフガス排出用貫通孔内に張り出していない部分が形成されるため、当該張り出していない部分に多孔体流路から排出された水が流れやすくなり、排出された水が多孔体流路に再度吸収されることを抑制することができる。その結果、燃料電池セルの排水性を向上させることが可能となる。

また本発明に係る燃料電池セルでは、前記セパレータは、前記セパレータの長辺に沿って並設された複数のカソードオフガス排出用貫通孔を有しており、前記複数のカソードオフガス排出用貫通孔のうち、前記セパレータの長手方向の両端部側に配置されるカソードオフガス排出用貫通孔内に張り出す前記張出部位の前記長手方向の長さが、前記カソードオフガス排出用貫通孔の前記膜電極接合体側の一辺より短いことも好ましい。

また本発明に係る燃料電池セルでは、前記張出部位における前記長手方向の長さは、前記カソードオフガス排出用貫通孔の前記膜電極接合体側の一辺より１ｍｍ以上短いことも好ましい。

また本発明に係る燃料電池セルでは、前記張出部位は、前記カソードオフガス排出用貫通孔の前記膜電極接合体側の一辺から前記膜電極接合体の外側方向に１ｍｍ以上突出していることも好ましい。

本発明によれば、膜電極接合体とセパレータとの間に配置される多孔体に、マニホールドから排出される水が吸収されることを抑制することができ、排水性を向上させることが可能な燃料電池セルを提供することができる。

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平面図である。図１に示す円Ｗの拡大図である。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断面図である。

以下添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。本発明は以下の好ましい実施形態により説明されるが、本発明の範囲を逸脱すること無く、多くの手法により変更を行うことができ、本実施形態以外の他の実施形態を利用することができる。従って、本発明の範囲内における全ての変更が特許請求の範囲に含まれる。

まず、図１〜図３を参照しながら本実施形態に係る燃料電池セル１について説明する。図１は、燃料電池セル１の概略構成を示す平面図である。図２は、図１に示す円Ｗの拡大図である。図３（Ａ）は、図１のＡ−Ａ断面図であり、図３（Ｂ）は、図１のＢ−Ｂ断面図である。

なお、図１〜図３に示す燃料電池セル１を基本単位として複数積層することで燃料電池スタック（図示略）を形成する。積層された燃料電池セル１は、電気的に直列に接続され、燃料極（アノード極）側には水素等の燃料ガスが、酸素極（カソード極）側には酸素や空気等の酸化剤ガスがそれぞれ供給され、電気化学反応により、発電が行われる。

図１〜図３に示すように、燃料電池セル１は、膜電極ガス拡散層接合体１０と、多孔体流路２０ａ、２０ｃと、セパレータ３０ａ、３０ｃと、シーリングプレート４０と、シール材５０と、を備えている。以下、セパレータ３０ａ、３０ｃを総称して、セパレータ３０とも言う。

膜電極ガス拡散層接合体１０は、膜電極接合体１０ｍの両面にガス拡散層１０ａ、１０ｃを接合してなる。膜電極接合体１０ｍは、電解質膜の両面に電極（アノード及びカソード）を接合してなる。本実施形態では、電解質膜として、ナフィオン（登録商標）を用いるものとした。電解質膜として、プロトン伝導性を有する他の固体高分子膜を用いるものとしてもよい。また、本実施形態では、ガス拡散層１０ａ、１０ｃとして、カーボンクロスを用いるものとした。ガス拡散層１０ａ、１０ｃとして、カーボンペーパー等、導電性及びガス透過性を有する他の部材を用いるものとしても良い。なお、本実施形態では、膜電極ガス拡散層接合体１０において、アノード側のガス拡散層１０ａの大きさは、カソード側のガス拡散層１０ｃの大きさよりも大きいものとしたが、ガス拡散層１０ａ、１０ｃの大きさは適宜選択され得るものである。膜電極ガス拡散層接合体１０は、図３に示したように、燃料電池セル１の中央部に配置される。

多孔体流路２０ａは、膜電極ガス拡散層接合体１０におけるアノード側のガス拡散層１０ａの表面に積層される。多孔体流路２０ａは、多孔体からなり、アノード側のガス拡散層１０ａの表面に沿って燃料ガスとしての水素を流すためのガス流路を形成する。また、多孔体流路２０ｃは、膜電極ガス拡散層接合体１０におけるカソード側のガス拡散層１０ｃの表面に積層される。多孔体流路２０ｃは、多孔体流路２０ａと同様に多孔体からなり、カソード側のガス拡散層１０ｃの表面に沿って酸化剤ガスとしての空気を流すためのガス流路を形成する。本実施形態では、多孔体流路２０ａ、２０ｃとして、例えばエキスパンドメタル等の多孔体が用いられるが、導電性を有する他の多孔体を用いるものとしても良い。

セパレータ３０ａは、多孔体流路２０ａの表面に積層される。また、セパレータ３０ｃは、多孔体流路２０ｃの表面に積層される。本実施形態では、セパレータ３０として、金属プレートを用いるものとした。セパレータ３０として、ガス不透過で導電性を有する他の部材を用いるものとしても良い。なお、本実施形態では、セパレータ３０の短辺に沿った方向（図１及び図２では上下方向）を「セパレータ３０の短手方向」と称し、セパレータ３０の長辺に沿った方向（図１及び図２では左右方向）を「セパレータ３０の長手方向」と称することとする。また、燃料電池セル１の積層方向（図３では上下方向）を「セパレータ３０の厚さ方向」と称することとする。

図１に示したように、セパレータ３０は、矩形の外形形状を有している。そして、セパレータ３０には、セパレータ３０の厚さ方向に貫通する複数の貫通孔が形成されている。すなわち、セパレータ３０には、燃料電池セル１の外部から供給された空気を多孔体流路２０ｃに導入するための複数の空気導入用貫通孔３２ａが、一方の長辺（図示した下辺）に沿って並設されている。

また、セパレータ３０には、多孔体流路２０ｃから排出されたカソードオフガスを燃料電池セル１の外部に排出するための複数のカソードオフガス排出用貫通孔３２ｂが、他方の長辺（図示した上辺）に沿って並設されている。

また、セパレータ３０には、燃料電池セル１の外部から供給された水素を多孔体流路２０ａに導入するための水素導入用貫通孔３４ａと、燃料電池セル１の外部から供給された冷却水を冷却水流路に導入するための複数の冷却水導入用貫通孔３６ａとが、一方の短辺（図示した左辺）に沿って形成されている。

また、セパレータ３０には、多孔体流路２０ａから排出されたアノードオフガスを燃料電池セル１の外部に排出するためのアノードオフガス排出用貫通孔３４ｂと、冷却水流路から排出された冷却水を燃料電池セル１の外部に排出するための複数の冷却水排出用貫通孔３６ｂとが、他方の短辺（図示した右辺）に沿って形成されている。本実施形態では、上述した各貫通孔は、矩形形状を有するものとした。そして、各貫通孔の周囲には、セパレータ３０（セパレータ３０ｃ）の表面にゴム製のガスケット６０を配置することによって（図３参照）、図１に示したように、シールラインＳＬが形成されている。

シール材５０は、セパレータ３０ａとセパレータ３０ｃとの間における膜電極ガス拡散層接合体１０の外周部、及び、セパレータ３０ａとセパレータ３０ｃとの間における各貫通孔の周囲に形成されている。このシール材５０は、流動性を有する液状シール材（例えば液状ゴム）を硬化することによって形成される。流動性を有する液状シール材としては、例えば熱硬化前には常に流動性を有する熱硬化性のシール材や、加熱時に粘土が低下して流動性を発現する熱可塑性の半硬化状態のシール材が用いられる。このため、シール材５０と多孔体流路２０ｃとの間には、シール材５０を形成する際に、液状シール材の多孔体流路２０ｃへの流入を防止するためのシーリングプレート４０が配置されている。本実施形態では、シーリングプレート４０として、例えばチタンプレートが用いられるが、その他の材料を適用することも可能である。

なお、本実施形態では、膜電極接合体１０ｍに対してアノード側に配置される多孔体流路２０ａの大きさは、アノード側のガス拡散層１０ａの大きさとほぼ同じであるものとした。また、膜電極接合体１０ｍに対してカソード側に配置される多孔体流路２０ｃの長辺の長さは、膜電極接合体１０ｍの長辺の長さよりも短く、多孔体流路２０ｃの短辺の長さは、セパレータ３０における空気導入用貫通孔３２ａとカソードオフガス排出用貫通孔３２ｂとの間隔よりも長いものとした。

図２を参照しながら多孔体流路２０ｃ及びシーリングプレート４０の大きさについて更に説明する。図２は、図１の円Ｗの拡大図であって、カソードオフガス排出用貫通孔３２ｂ内に張り出している多孔体流路２０ｃ及びシーリングプレート４０について説明するための図である。

図２に示すように、多孔体流路２０ｃは、セパレータ３０の厚さ方向（燃料電池セル１の厚さ方向）から見たときに、膜電極接合体１０ｍ側からカソードオフガス排出用貫通孔３２ｂ内に張り出す張出部位２０１を有し、当該張出部位２０１におけるセパレータ３０の長手方向の長さ（図２に示すＤ２）が、カソードオフガス排出用貫通孔３２ｂの膜電極接合体１０ｍ側の一辺３２１ｂの長さ（図２に示すＤ１）よりも短くなるように形成されている。なお、図１に示すように、セパレータの長辺に沿って並設された複数のカソードオフガス排出用貫通孔３２ｂのうち、セパレータの長手方向の両端部側に配置されるカソードオフガス排出用貫通孔３２ｂｂ内に、上記のような、カソードオフガス排出用貫通孔３２ｂｂの膜電極接合体１０ｍ側の一辺３２１ｂの長さよりも短い張出部位２０１が形成されている。つまり平面視で見たときに、本実施形態における張出部位２０１は複数形成されている。

上記張出部位２０１の大きさについて更に説明する。図２に示すように、張出部位２０１におけるセパレータ３０の長手方向の長さ、すなわちＤ２の大きさは、Ｄ１の大きさよりも１ｍｍ以上短いことが好ましい。また本実施形態では、張出部位２０１は、カソードオフガス排出用貫通孔３２ｂの膜電極接合体１０ｍ側の一辺３２１ｂから膜電極接合体１０ｍから離れる方向（膜電極接合体１０ｍの外側方向（図２では上側））に１ｍｍ以上突出していることが好ましい。言い換えれば、燃料電池セル１を平面視でみたときに、カソードオフガス排出用貫通孔３２ｂ内に突出していない部分（図２の円ＩＶ）にくぼみを有し、当該くぼみの大きさがセパレータ３０の長手方向に長さ１ｍｍ以上（図２のＸが１ｍｍ以上）及びセパレータ３０の短手方向に長さ１ｍｍ以上（図２のＹが１ｍｍ以上）、であることが好ましい。

なお、図１に示すように、多孔体流路２０ｃは、空気導入用貫通孔３２ａ内にも同様に張り出している、具体的には、多孔体流路２０ｃは、セパレータ３０の厚さ方向から見たときに、膜電極接合体１０ｍ側から空気導入用貫通孔３２ａ内に張り出す張出部位２０１を有し、当該張出部位２０１におけるセパレータ３０の長手方向の長さが、空気導入用貫通孔３２ａにおける膜電極接合体１０ｍ側の一辺の長さよりも短くなるように形成されている。また、図１に示すように、セパレータの長辺に沿って並設された複数の空気導入用貫通孔３２ａのうち、セパレータの長手方向の両端部側に配置される空気導入用貫通孔３２ａａ内に、上記のような、空気導入用貫通孔３２ａａにおける膜電極接合体１０ｍ側の一辺３２１ｂの長さよりも短い張出部位２０１が形成されている。

また、空気導入用貫通孔３２ａａ内に突出している張出部位２０１におけるセパレータ３０の長手方向の長さ、空気導入用貫通孔３２ａにおける膜電極接合体１０ｍ側の一辺の長さよりも１ｍｍ以上短いことが好ましい。また、空気導入用貫通孔３２ａａ内に突出している張出部位２０１は、空気導入用貫通孔３２ａの膜電極接合体１０ｍ側の一辺から膜電極接合体１０ｍから離れる方向（膜電極接合体１０ｍの外側方向（図１では下側））に１ｍｍ以上突出していることが好ましい。

また、図２に示すように、シーリングプレート４０も、セパレータ３０の厚さ方向から見たときに、膜電極接合体１０ｍ側からカソードオフガス排出用貫通孔３２ｂ内に張り出しており、当該張り出し部分におけるセパレータ３０の長手方向の長さ（図２に示すＤ２）が、カソードオフガス排出用貫通孔３２ｂの膜電極接合体１０ｍ側の一辺３２１ｂの長さ（図２に示すＤ１）よりも短くなるように形成されている。更に、本実施形態では、シーリングプレート４０の張り出している部分は、セパレータ３０の厚さ方向から見たときに、多孔体流路２０ｃよりも、カソードオフガス排出用貫通孔３２ｂ内に張り出すように形成されている。

なお、図１に示すように、シーリングプレート４０は、空気導入用貫通孔３２ａ内にも同様に張り出している。すなわち、シーリングプレート４０は、セパレータ３０の厚さ方向から見たときに、膜電極接合体１０ｍ側から空気導入用貫通孔３２ａ内に張り出しており、当該張り出し部分におけるセパレータ３０の長手方向の長さが、空気導入用貫通孔３２ａ内の膜電極接合体１０ｍ側の一辺の長さよりも短くなるように形成されている。更に、シーリングプレート４０の張り出している部分は、セパレータ３０の厚さ方向から見たときに、多孔体流路２０ｃよりも、空気導入用貫通孔３２ａ内に張り出すように形成されている。

以上のように本実施形態では、多孔体流路２０ｃは、セパレータ３０の厚さ方向に見たときに、カソードオフガス排出用貫通孔３２ｂにおける膜電極接合体１０ｍ側からカソードオフガス排出用貫通孔３２ｂ内に張り出す張出部位２０１を有し、当該張出部位２０１におけるセパレータ３０の長手方向の長さがカソードオフガス排出用貫通孔３２ｂの膜電極接合体１０ｍ側の一辺３２１ｂより短くなっている。このように多孔体流路２０ｃからカソードオフガス排出用貫通孔３２ｂ内に張り出していない部分を形成しているため、当該張り出していない部分に多孔体流路２０ｃから排出された水が流れやすくなり、排出された水が多孔体流路２０ｃに再度吸収されることを抑制することができる。その結果、燃料電池セル１の排水性を向上させることが可能となる。

また本実施形態では、セパレータ３０の厚さ方向に見たときに、セパレータ３０の長辺に沿って並設された複数のカソードオフガス排出用貫通孔３２ｂのうち、セパレータ３０の長手方向の両端部側に配置されるカソードオフガス排出用貫通孔３２ｂ内に、多孔体流路２０ｃの端部が張り出す張出部位２０１を有し、当該張出部位２０１におけるセパレータ３０の長手方向の長さが、カソードオフガス排出用貫通孔３２ｂの膜電極接合体１０ｍ側の一辺より短くなっている。これにより、多孔体流路２０ｃからカソードオフガス排出用貫通孔３２ｂ内に張り出していない部分が複数形成され、当該張り出していない部分に多孔体流路２０ｃから排出された水が流れやすくなり、排出された水が多孔体流路２０ｃに再度吸収されることをより一層抑制することができる。その結果、燃料電池セル１の排水性をより一層向上させることが可能となる。

以上、具体例を参照しつつ本発明の実施形態について説明した。しかし、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。すなわち、これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。前述した各具体例が備える各要素およびその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。

１…燃料電池セル
１０…膜電極ガス拡散層接合体
１０ｍ…膜電極接合体
２０ａ、２０ｃ…多孔体流路
３０ａ、３０ｃ…セパレータ
３２ａ…空気導入用貫通孔
３２ｂ…カソードオフガス排出用貫通孔
３４ａ…水素導入用貫通孔
３４ｂ…アノードオフガス排出用貫通孔
３６ａ…冷却水導入用貫通孔
３６ｂ…冷却水排出用貫通孔
４０…シーリングプレート
５０…シール材
６０…ガスケット
２０１…張出部位

Claims

燃料電池セルであって、
電解質膜の両面にアノード電極とカソード電極とを積層した膜電極接合体と、
前記膜電極接合体のカソード側に対向して配置され、前記カソード電極に酸化ガスを流すためのガス流路を形成する多孔体流路と、
前記膜電極接合体と前記多孔体流路を挟持する一対のセパレータと、を備え、
前記セパレータは、前記セパレータの厚さ方向に貫通して前記膜電極接合体の外側に形成され、前記多孔体流路から排出されたカソードオフガスが流通するカソードオフガス排出用貫通孔を有し、
前記多孔体流路は、前記厚さ方向に見たときに、前記カソードオフガス排出用貫通孔における前記膜電極接合体側から前記カソードオフガス排出用貫通孔内に張り出す張出部位を有し、該張出部位における前記セパレータの長手方向の長さが前記カソードオフガス排出用貫通孔の前記膜電極接合体側の一辺より短いことを特徴とする燃料電池セル。
前記セパレータは、前記セパレータの長辺に沿って並設された複数のカソードオフガス排出用貫通孔を有しており、
前記複数のカソードオフガス排出用貫通孔のうち、前記セパレータの長手方向の両端部側に配置されるカソードオフガス排出用貫通孔内に張り出す前記張出部位の前記長手方向の長さが、前記カソードオフガス排出用貫通孔の前記膜電極接合体側の一辺より短いことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池セル。
前記張出部位における前記長手方向の長さは、前記カソードオフガス排出用貫通孔の前記膜電極接合体側の一辺より１ｍｍ以上短いことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池セル。
前記張出部位は、前記カソードオフガス排出用貫通孔の前記膜電極接合体側の一辺から前記膜電極接合体の外側方向に１ｍｍ以上突出していることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃料電池セル。