JP6274608B2

JP6274608B2 - 燃料電池

Info

Publication number: JP6274608B2
Application number: JP2012058096A
Authority: JP
Inventors: 基柳沼; 敏和小高
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2012-03-15
Filing date: 2012-03-15
Publication date: 2018-02-07
Anticipated expiration: 2032-03-15
Also published as: JP2013191474A; US20150072264A1; WO2013136806A1; US9843063B2; EP2826088B1; CA2867228A1; CN104170133B; CA2867228C; EP2826088A1; CN104170133A

Description

本発明は、高分子電解質形燃料電池（以下、「ＰＥＦＣ」という。）等の燃料電池に関する。

この種の燃料電池に関連する従来技術として、「膜−電極接合体」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に開示された膜−電極接合体は、膜-膜補強部材接合体、アノード触媒層（第１触媒層）、カソード触媒層（第２触媒層）、アノードガス拡散層（第１ガス拡散層）、及びカソードガス拡散層（第２ガス拡散層）を有したものである。

膜−膜補強部材接合体は、高分子電解質膜と、全体として高分子電解質膜の周縁に沿って延在するように、その高分子電解質膜の主面の上に配置された１以上の膜片状の第１膜補強部材と、全体として高分子電解質膜の周縁に沿って延在し、かつ、高分子電解質膜の厚み方向から見て、その内縁と第１膜補強部材の内縁とが互いに一致しないように、第１膜補強部材の上に配置された１以上の膜片状の第２膜補強部材とを備えたものである。なお、第１膜補強部材、及び第２膜補強部材は主に合成樹脂によって構成される。

アノード触媒層は、第１膜補強部材に形成された開口を埋めるようにして、高分子電解質膜の主面を覆うように形成されており、同様に、カソード触媒層は、高分子電解質膜の主面を覆うように形成されている。アノードガス拡散層はアノード触媒層と第１膜補強部材の主面の一部を覆うように配置され、カソードガス拡散層はカソード触媒層と第１膜補強部材の主面の一部を覆うように配置されている。

上記の構成とすることにより、ガス拡散層の端部が接触することによる高分子電解質膜の破損を防止し、かつ、第１膜補強部材の端部による高分子電解質膜の破損をより確実に抑制し、耐久性を向上させようとしたものである。

ＷＯ２００８／１２６３５０号公報

ところで近年、燃料電池の小型化を図るために、ガス拡散層の材料にはカーボン材料に代わって金属多孔体材料の使用が検討されている。ガス拡散層として金属多孔体材料を使用しつつ、上記特許文献１に開示されたように、ガス拡散層が第１膜補強部材を覆うように配置されると、ガス拡散層と第１膜補強部材とが重なる部分（高分子電解質膜の周縁部分）に過剰な面圧が作用してしまい、触媒層が形成された高分子電解質膜の面圧を適正化することが困難であるという課題が未解決のままである。

そこで本発明は、高分子電解質膜の周縁部分に過剰な面圧がかかることを防止することにより、高分子電解質膜の面圧を適正化でき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に係る燃料電池は、高分子電解質膜の両側に積層した各触媒層の表面に、多孔体をそれぞれ有する膜電極接合体と、この膜電極接合体との間にガス流路を区画形成するセパレータとを有し、かつ、前記高分子電解質膜は、前記各触媒層より延出する周縁部分を有し、前記周縁部分の両面を枠体でそれぞれ挟持している燃料電池において、前記多孔体は、互いに弾性率の異なる第一、第二の多孔体からなり、前記第一の多孔体が前記セパレータに、かつ、前記第二の多孔体が前記触媒層にそれぞれ隣接して積層形成されており、前記第一の多孔体には、前記枠体に重なるように延出した外延部が形成されており、前記第一の多孔体の前記外延部と前記枠体との間に弾性体が介挿されており、前記弾性体の圧縮弾性率は、前記セパレータに隣接する多孔体及び前記枠体の圧縮弾性率より低いことを特徴としている。

本発明によれば、上記セパレータに隣接する多孔体の外延部と、枠体との間に介挿された弾性体が、多孔体の外延部と枠体との間に作用する面圧を受けて、この部分に過剰な面圧が作用することを防止して、触媒層が形成される電解質膜の面圧を適正化する。

本発明の第一の実施形態に係る燃料電池を積層させてなる燃料電池スタックの斜視図である。（Ａ）は、本発明の第一の実施形態に係る燃料電池の一部をなす枠体と膜電極接合体の平面図、（Ｂ）は、（Ａ）に示すＩ‐Ｉ線に沿う断面図である。図２に包囲線ＩＩで示す部分に相当する燃料電池の部分の詳細を示す部分拡大図である。本発明の第二の実施形態に係る燃料電池の部分拡大図であり、上記した図２の包囲線Ｉで示す部分に相当している。本発明の第三の実施形態に係る燃料電池の部分拡大図であり、上記した図２の包囲線Ｉで示す部分に相当している。本発明の第四の実施形態に係る燃料電池の部分拡大図であり、上記した図２の包囲線Ｉで示す部分に相当している。

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積層させてなる燃料電池スタックの斜視図、図２（Ａ）は、本発明の第一の実施形態に係る燃料電池の一部をなす枠体と膜電極接合体の平面図、（Ｂ）は、（Ａ）に示すＩ‐Ｉ線に沿う断面図、図３は、図２に包囲線ＩＩで示す部分に相当する燃料電池の部分の詳細を示す部分拡大図である。
なお、図３では、セパレータとシール材を追記して示している。

燃料電池スタックＡは、本発明の第一の実施形態に係る燃料電池Ｂ１を複数積層してなるものであり、それは、それらの燃料電池Ｂ１を一対のエンドプレート１０，１０間に積層させ、かつ、それらのエンドプレート１０，１０により、それら燃料電池Ｂ１どうしを挟圧した構成のものである。

燃料電池Ｂ１は、図３に示す一対のセパレータ１５，１５（一方は図示していない）間に、それぞれ発電用ガスを流通させるためのガス流通路１５ｂを区画形成するようにして、膜電極接合体Ｃと枠体（以下、「フレーム」という。）２０を介設したものである。
なお、フレームに代えてガスケットを枠体として採用することができる。
「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２０は樹脂製のものであり、本実施形態においては、図１に示す燃料電池Ｂ１の積層方向αから見た正面視において横長方形にし、かつ、後記する膜電極接合体Ｃよりも厚い一定の板厚ｔにして形成されており、これの中央部分に膜電極接合体Ｃを配置している。
また、上記膜電極接合体Ｃの外壁面に当接するフレーム２０の内壁面は平坦に形成されている。

上記フレーム２０の両側部には、図２（Ａ）に示すように、水素含有ガス又は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部Ｍ１，Ｍ２が形成されている。
一側部のマニホールド部Ｍ１はマニホールド孔Ｈ１〜Ｈ３からなる。
それらマニホールド孔Ｈ１〜Ｈ３は、酸素含有ガス供給用（Ｈ１）、冷却流体供給用（Ｈ２）及び水素含有ガス供給用（Ｈ３）のものであり、図１に示す積層方向αにそれぞれの流路をなしている。

他方のマニホールド部Ｍ２はマニホールド孔Ｈ４〜Ｈ６からなる。
各マニホールド孔Ｈ４〜Ｈ６は、水素含有ガス排出用（Ｈ４）、冷却流体排出用（Ｈ５）及び酸素含有ガス排出用（Ｈ６）のものであり、上記した積層方向αにそれぞれの流路をなしている。なお、供給用と排出用は一部又は全部が逆の位置関係でもよい。

上記フレーム２０の上下面には、セパレータ１５の下面１５ａとの間にシール１１，１１が、また、その内周縁部に弾性体４０，４０がそれぞれ延在形成されている。

膜電極接合体Ｃは、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）とも呼称されるものであり、図３に示すように、例えば固体高分子からなる電解質膜５０を、一対の触媒層６０，７０により挟持し、触媒層６０，７０の表面にガス拡散層１００を被覆形成した構造を有している。電解質膜５０の外周はフレーム２０で囲繞されている。

ガス拡散層１００は、互いに弾性率の異なる第一，第二の多孔体８０，９０から構成されている。
第一，第二の多孔体８０，９０は、図２，３に示すように、第二の多孔体９０が電解質膜５０に隣接しているとともに、第一の多孔体８０がセパレータ１５に隣接するように積層形成されている。

第二の多孔体９０は、これの側面９０ｂが触媒層６０，７０の側壁面（境界面）Ｃａと面一にし、かつ、その上面９０ａを、フレーム２０の上面２０ａよりも高くなるようにして形成されている。

図３に示すように、第一の多孔体８０は、フレーム２０の内縁部に向けて延出されており、この延出した部分を外延部８０ａとしている。
すなわち、図３に示すように、フレーム２０の上面２０ａとの間に間隙をもって、外延部８０ａを延出させている。
その延出した外延部８０ａと、フレーム２０の上面２０ａとの間に上記した弾性体４０を配設している。

弾性体４０は、カーボン材料、ばね、エラストマー、ゴム、接着剤又はそれらの複合体により形成しているとともに、第一の多孔体８０及びフレーム２０の圧縮弾性率より低い弾性率にし、かつ、本実施形態においては第一の多孔体８０の外延部８０ａ下面に接着剤ａを介して一体的に形成されている。
また、フレーム２０の上面２０ａとセパレータ１５の下面１５ａの間であって、上記弾性体４０の外側にシール材１１が配設されている。

本実施形態においては、第一の多孔体８０の圧縮弾性率を、第二の多孔体９０の圧縮弾性率より大きくしている。
第一の多孔体８０は、鉄、ステンレス鋼、アルミニウム及びアルミニウム合金、チタン及びチタン合金、クロム及びクロム合金、ニッケル及びニッケル合金、マグネシウム及びマグネシウム合金のうちのいずれか１種類以上の金属で形成している。また、第一の多孔体８０は金網、パンチングメタル、エッチングメタル、及びエキスパンドメタル等で構成される。
また、第二の多孔体９０はカーボン材料で形成している。

以上の構成からなる燃料電池Ｂ１によれば、次の効果を得ることができる。
・弾性体４０が、多孔体の外延部８０ａとフレーム２０との間に作用する面圧を受けて、この部分に過剰な面圧が作用することを防止して、触媒層６０、７０が形成される電解質膜５０の面圧を適正化する。
・第一の多孔体８０の外延部８０ａは、フレーム２０の内縁部に向けて延出されており、第一の多孔体８０の端部が電解質膜に接触して電解質膜が破損することを防止する。また、第一の多孔体８０の外延部８０ａは、カソードとアノードとの差圧、又は電解質膜５０の膨潤・収縮によるフレーム２０の変動を抑制するので、触媒層６０、７０とフレーム２０との境界面における電解質膜５０への応力集中を緩和している。

また、第一の多孔体８０の圧縮弾性率を、第二の多孔体９０の圧縮弾性率より大きくしているので、弾性体４０による面圧吸収をより効果的に行なわせることができる。
弾性体４０を、第一の多孔体８０及びフレーム２０の圧縮弾性率より低い弾性率にしているので、スタック時において多孔体の外延部８０ａとフレーム２０との間に過剰な面圧が作用することを防止することができる。

弾性体４０を、第一の多孔体８０と一体に形成しているので、スタッキング時の位置決めを行いやすくすることができるとともに、弾性体４０の面圧吸収や変動吸収の効果を上げることができる。

次に、図４〜６を参照して、第二〜第四の実施形態に係る燃料電池について説明する。図４〜６は、第二〜第四の実施形態に係る燃料電池の部分拡大図であり、それぞれ上記した図２の包囲線ＩＩで示す部分に相当している。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。

図４に示す第二の実施形態に係る燃料電池Ｂ２は、弾性体４０が接着材ａを介してフレーム２０に一体的に固定されているものである。
また、フレーム２０の側縁部に弾性体４０と同等のものを一体に形成したものを採用することができる。弾性体４０を、フレーム２０と一体に形成しているので、スタッキング時の位置決めを行いやすくすることができる。

図５に示す第三の実施形態に係る燃料電池Ｂ３は、第二の多孔体９０の側面９０ｂに、接着材ｓを介して弾性体４０を一体に固定したものである。弾性体４０を、第二の多孔体９０と一体に形成しているので、スタッキング時の位置決めを行いやすくすることができる。

図６に示す第四の実施形態に係る燃料電池Ｂ４は、フレーム２０の電解質膜５０を挟む上下内辺縁部に、内方に突出した鍔部２０ｂ，２０ｃを全周にわたり形成しているとともに、第二の多孔体９０，９０の側面９０ｂ，９０ｂに鍔部９０ｃ，９０ｃを形成している。

すなわち、第二の多孔体９０，９０の鍔部９０ｃ，９０ｃと、これに当接対向するフレーム２０の鍔部２０ｂ，２０ｃとにより、フレーム２０と第二の多孔体９０の側面９０ｂとの間に弾性体嵌合凹部βを区画形成するとともに、その弾性体嵌合凹部に弾性体４０，４０を嵌合している。

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。

１５セパレータ
２０枠体（フレーム）
５０電解質膜
６０，７０触媒層
８０，９０多孔体（第一，第二の多孔体）
Ｃ膜電極接合体

Claims

高分子電解質膜の両側に積層した各触媒層の表面に、多孔体をそれぞれ有する膜電極接合体と、この膜電極接合体との間にガス流路を区画形成するセパレータとを有し、かつ、前記高分子電解質膜は、前記各触媒層より延出する周縁部分を有し、前記周縁部分の両面を枠体でそれぞれ挟持している燃料電池において、
前記多孔体は、互いに弾性率の異なる第一、第二の多孔体からなり、
前記第一の多孔体が前記セパレータに、かつ、前記第二の多孔体が前記触媒層にそれぞれ隣接して積層形成されており、
前記第一の多孔体には、前記枠体に重なるように延出した外延部が形成されており、
前記第一の多孔体の前記外延部と前記枠体との間に弾性体が介挿されており、
前記弾性体の圧縮弾性率は、前記セパレータに隣接する多孔体及び前記枠体の圧縮弾性率より低い
ことを特徴とする燃料電池。
前記第一の多孔体の圧縮弾性率は、前記第二の多孔体の圧縮弾性率より大きい請求項１に記載の燃料電池。
前記弾性体は、少なくとも前記第一の多孔体、前記第二の多孔体又は前記枠体と接着材を介して一体に固定されている請求項１又は２に記載の燃料電池。
前記弾性体は、カーボン材料、ばね、エラストマー、ゴム、接着剤又はそれらの複合体である請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池。
前記第一の多孔体は、鉄、ステンレス鋼、アルミニウム及びアルミニウム合金、チタン及びチタン合金、クロム及びクロム合金、ニッケル及びニッケル合金、マグネシウム及びマグネシウム合金のうちのいずれか１種類以上の金属からなる請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池。
前記第二の多孔体は、カーボン材料からなる請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池。