JP6874403B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池に関する。

膜電極接合体と、膜電極接合体を挟持するセパレータと、膜電極接合体とセパレータとの間に設けられ、反応ガスを流通させるガス流路形成体と、を備えた燃料電池が知られている。ガス流路形成体として、例えば複数のガス流路と、隣り合うガス流路の間に位置する複数の導水路と、複数のガス流路と複数の導水路とを連通させる連通路と、を有するガス流路形成体が知られている（例えば、特許文献１）。

国際公開第２０１４／０１３７４７号

しかしながら、膜電極接合体とセパレータとの間にガス流路形成体が設けられた燃料電池では、ガス流路形成体のガス流路を流れる反応ガスがガス流路形成体の外側に流れ出ることがある。ガス流路形成体の外側に流れ出た反応ガスは発電に用いられないことから、発電性能が低下してしまう。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、ガス流路を流れる反応ガスがガス流路形成体の外側に流れ出ることを抑制することを目的とする。

本発明は、膜電極接合体と、前記膜電極接合体を挟持する第１セパレータ及び第２セパレータと、前記膜電極接合体と前記第１セパレータとの間に配置され、前記膜電極接合体側の第１面に設けられて反応ガスが流れる直線状の複数の第１流路と、前記第１セパレータ側の第２面に前記複数の第１流路の間に位置して設けられて前記複数の第１流路に生じた生成水が流れ込む直線状の複数の第２流路と、前記複数の第１流路と前記複数の第２流路とを連通させる連通孔と、を有するガス流路形成体と、を備え、前記ガス流路形成体は、前記複数の第１流路及び前記複数の第２流路のうち隣接する第１流路と第２流路との間のそれぞれにおいて複数の前記連通孔が設けられ、前記隣接する第１流路と第２流路の間に設けられた前記複数の連通孔は前記複数の第１流路及び前記複数の第２流路が延在する延在方向で近接配置された前記連通孔を１組とする連通孔群が前記延在方向において間隔を空けて複数設けられるように設けられ、前記ガス流路形成体は、前記複数の第１流路のうちの前記複数の第１流路と前記複数の第２流路とが並んだ配列方向で最も端に位置する２つの最外流路の少なくとも一方において前記第１面から前記第２面に貫通して前記最外流路と前記ガス流路形成体の前記配列方向における外側とを連通させる連通孔を有さない、燃料電池である。

本発明によれば、ガス流路形成体のガス流路を流れる反応ガスがガス流路形成体の外側に流れ出ることを抑制できる。

図１は、実施例１に係る燃料電池を構成する単セルの分解斜視図である。 図２（ａ）は、実施例１に係る燃料電池を構成する単セルの平面図、図２（ｂ）は、図２（ａ）の領域Ａにおけるガス流路形成体の拡大斜視図、図２（ｃ）は、図２（ａ）の領域Ｂの拡大図である。 図３（ａ）は、図２（ａ）のＣ−Ｃ間の断面図、図３（ｂ）は、図２（ａ）のＤ−Ｄ間の断面図である。 図４（ａ）は、実施例１の変形例１に係る燃料電池を構成する単セルの平面図、図４（ｂ）は、実施例１の変形例２に係る燃料電池を構成する単セルの平面図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。

実施例１の燃料電池は、反応ガスとして燃料ガス（例えば水素）と酸化剤ガス（例えば空気）との供給を受けて発電する固体高分子形燃料電池であり、多数の単セルを積層したスタック構造を有する。図１は、実施例１に係る燃料電池を構成する単セルの分解斜視図である。

図１のように、単セル１００は、アノード側セパレータ３０、膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ：Membrane Electrode Gas diffusion layer Assembly）２２、ガス流路形成体６０、及びカソード側セパレータ３２を備える。ＭＥＧＡ２２は、例えばエポキシ樹脂やフェノール樹脂などからなる樹脂フレーム７０の内側に配置されている。ＭＥＧＡ２２、樹脂フレーム７０、及びガス流路形成体６０は、アノード側セパレータ３０とカソード側セパレータ３２とによって挟持されている。ガス流路形成体６０は、ＭＥＧＡ２２とカソード側セパレータ３２との間に配置されている。ここで、カソード側セパレータ３２は特許請求の範囲の第１セパレータの一例であり、アノード側セパレータ３０は第２セパレータの一例である。

図２（ａ）は、実施例１に係る燃料電池を構成する単セルの平面図、図２（ｂ）は、図２（ａ）の領域Ａにおけるガス流路形成体の拡大斜視図、図２（ｃ）は、図２（ａ）の領域Ｂの拡大図である。なお、図２（ａ）は、カソード側セパレータ３２側から見た単セル１００の平面図であり、カソード側セパレータ３２を透視してガス流路形成体６０などを図示している。

図２（ａ）のように、アノード側セパレータ３０、樹脂フレーム７０、及びカソード側セパレータ３２を貫通する各種マニホールドが設けられている。具体的には、燃料ガス用の燃料ガス供給マニホールド８０及び燃料ガス排出マニホールド８２、酸化剤ガス用の酸化剤ガス供給マニホールド８４及び酸化剤ガス排出マニホールド８６、冷媒用の冷媒供給マニホールド８８及び冷媒排出マニホールド９０が設けられている。

図２（ｂ）のように、ガス流路形成体６０は、断面形状が略波形となるように形成されている。ガス流路形成体６０の一方の面には、直線状に延びた溝状であって、酸化剤ガスが流通する複数のカソードガス流路４２が形成されている。カソードガス流路４２は、ＭＥＧＡ２２側に突出した凸部６２の間に形成されている。ガス流路形成体６０の他方の面には、直線状に延びた溝状の複数の導水路４４が形成されている。導水路４４は、カソード側セパレータ３２側に突出した凸部６４の間に形成されている。カソードガス流路４２と導水路４４とは、同じ方向に延びていて、交互に配列されている。すなわち、導水路４４は、複数のカソードガス流路４２のうちの隣り合うカソードガス流路４２の間に設けられている。ここで、カソードガス流路４２は特許請求の範囲における第１流路の一例であり、導水路４４は第２流路の一例である。

ガス流路形成体６０は、カソードガス流路４２と導水路４４とを連通させる連通孔４６を有する。連通孔４６は、カソード側セパレータ３２側に突出した凸部６４にカソードガス流路４２の延在方向に交差する方向に延びた溝３８が形成されることで形成されている。溝３８は凸部６４に対してプレス成型を行うことで形成される。

図２（ａ）及び図２（ｂ）のように、酸化剤ガス供給マニホールド８４に供給された酸化剤ガスは、ガス流路形成体６０のカソードガス流路４２を流通した後、酸化剤ガス排出マニホールド８６から排出される。したがって、カソードガス流路４２及び導水路４４は、酸化剤ガス供給マニホールド８４側から酸化剤ガス排出マニホールド８６側に向かって直線状に延びている。なお、燃料ガスは、燃料ガス供給マニホールド８０から燃料ガス排出マニホールド８２へと、酸化剤ガスの流通方向と交差する方向に流れる。冷媒は、冷媒供給マニホールド８８から冷媒排出マニホールド９０へと、酸化剤ガスの流通方向と交差する方向に流れる。

図２（ａ）及び図２（ｃ）のように、樹脂フレーム７０のうちの酸化剤ガス供給マニホールド８４に接続された領域には、酸化剤ガス供給マニホールド８４からガス流路形成体６０に酸化剤ガスを導くための複数の溝７４が設けられている。同様に、樹脂フレーム７０のうちの酸化剤ガス排出マニホールド８６に接続された領域には、ガス流路形成体６０から酸化剤ガス排出マニホールド８６に酸化剤ガスを導くための複数の溝７４が設けられている。

ガス流路形成体６０を樹脂フレーム７０の内側に配置するために、製造公差を考慮して、ガス流路形成体６０と樹脂フレーム７０との間には空隙７２が形成されることがある。空隙７２を流通する酸化剤ガスは発電に用いられないことから、樹脂フレーム７０とガス流路形成体６０との間の空隙７２は狭いことが好ましく、空隙７２がないことが最も好ましい。樹脂フレーム７０とガス流路形成体６０との間の空隙７２が大きいと、酸化剤ガス供給マニホールド８４から溝７４を介して供給される酸化剤ガスがガス流路形成体６０に流れ込み難くなり、空隙７２を流通する酸化剤ガス（破線矢印）の量が増えてしまうためである。

図３（ａ）は、図２（ａ）のＣ−Ｃ間の断面図、図３（ｂ）は、図２（ａ）のＤ−Ｄ間の断面図である。なお、図３（ａ）は、図２（ｂ）のＣ−Ｃ間に相当する部分の断面であり、図３（ｂ）は、図２（ｂ）のＤ−Ｄ間に相当する部分の断面である。また、図３（ａ）及び図３（ｂ）では、アノードガス流路４０とカソードガス流路４２が同じ方向に延びているとして図示しているが、これはアノードガス流路４０とカソードガス流路４２の両方を図示するためであり、実際は交差する方向に延びている。

図３（ａ）及び図３（ｂ）のように、ＭＥＧＡ２２は、電解質膜１２、アノード触媒層１４、カソード触媒層１６、アノードガス拡散層１８、及びカソードガス拡散層２０を備える。電解質膜１２の一方の面にアノード触媒層１４が設けられ、他方の面にカソード触媒層１６が設けられている。これにより、膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）１０が形成されている。

電解質膜１２は、スルホン酸基を有するフッ素系樹脂材料又は炭化水素系樹脂材料で形成された固体高分子膜であり、湿潤状態において良好なプロトン伝導性を有する。アノード触媒層１４及びカソード触媒層１６は、電気化学反応を進行する触媒（例えば白金や、白金−コバルト合金）を担持したカーボン粒子（例えばカーボンブラック）と、スルホン酸基を有する固体高分子であり、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を有するアイオノマーと、を含む。

ＭＥＡ１０の両側面にアノードガス拡散層１８及びカソードガス拡散層２０が設けられている。アノードガス拡散層１８及びカソードガス拡散層２０は、ガス透過性及び電子伝導性を有する部材によって形成されており、例えばカーボンクロスやカーボンペーパなどの多孔質カーボン製部材によって形成されている。

ＭＥＧＡ２２を挟持してアノード側セパレータ３０及びカソード側セパレータ３２が設けられている。アノード側セパレータ３０及びカソード側セパレータ３２は、ガス遮断性及び電子伝導性を有する部材によって形成されており、例えばカーボンを圧縮してガス不透過とした緻密性カーボンなどのカーボン部材やプレス成型したステンレス鋼などの金属部材によって形成されている。

アノード側セパレータ３０は、断面形状が略波形となるように形成されていて、アノードガス拡散層１８に供給される燃料ガスが流通するガス流路を形成するための凹凸を有する。アノードガス拡散層１８とアノード側セパレータ３０との間に、燃料ガスが流通する複数のアノードガス流路４０が形成されている。

カソード側セパレータ３２は、断面形状が略平坦となるように形成されている。カソード側セパレータ３２とカソードガス拡散層２０との間にガス流路形成体６０が設けられている。ガス流路形成体６０は、ガス遮断性及び電子伝導性を有する部材によって形成されており、例えばカーボンを圧縮してガス不透過とした緻密性カーボンなどのカーボン部材やプレス成型したステンレス鋼などの金属部材によって形成されている。

ガス流路形成体６０は、上述したように、断面形状が略波形になるように形成されていて、カソードガス流路４２及び導水路４４を形成するための凹凸を有する。カソードガス流路４２は、カソードガス拡散層２０側に突出した凸部６２の間に形成されている。したがって、カソードガス流路４２は、カソードガス拡散層２０とガス流路形成体６０との間に形成されている。導水路４４は、カソード側セパレータ３２側に突出した凸部６４の間に形成されている。したがって、導水路４４は、カソード側セパレータ３２とガス流路形成体６０との間に形成されている。凸部６４には、カソードガス流路４２と導水路４４とを連通させる連通孔４６が形成されている。

カソードガス流路４２と導水路４４とが連通孔４６で連通することで、ＭＥＡ１０で燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応によって生成され、カソードガス流路４２に排出された生成水が、カソードガス流路４２から導水路４４に移動することができる。このため、カソードガス流路４２に水が滞留することが抑制され、その結果、発電性能が低下することが抑制される。

図２（ｂ）、図３（ａ）、及び図３（ｂ）のように、ガス流路形成体６０は、複数のカソードガス流路４２と複数の導水路４４とが並んだ方向（以下、流路配列方向と称す）で最も外側に位置するカソードガス流路４２である最外流路４８においてガス流路形成体６０のカソードガス拡散層２０側の面からカソード側セパレータ３２側の面に貫通して最外流路４８とガス流路形成体６０の流路配列方向における外側とを連通させる連通孔が設けられていない。

カソードガス流路４２と導水路４４とを連通させる連通孔４６が設けられていることで、カソードガス流路４２から導水路４４に生成水が移動することに加え、カソードガス流路４２を流れる酸化剤ガスも流路配列方向に流れるようになる（図２（ｂ）及び図３（ａ）の矢印）。上述したように、ガス流路形成体６０を樹脂フレーム７０の内側に配置するために、製造公差を考慮して、ガス流路形成体６０と樹脂フレーム７０との間に空隙７２が形成されることがある。この場合、例えばカソードガス流路４２からなる最外流路４８にガス流路形成体６０の外部に接続する連通孔が設けられている場合では、カソードガス流路４２を流通する酸化剤ガスがガス流路形成体６０の外側に流れ出て、空隙７２を流通することが起こり得る。ガス流路形成体６０の外側に流れ出た酸化剤ガスは発電に用いられないことから、発電性能が低下してしまう。

しかしながら、実施例１では、複数のカソードガス流路４２と複数の導水路４４とを連通させる連通孔４６は設けられているが、最外流路４８においてガス流路形成体６０のカソードガス拡散層２０側の面からカソード側セパレータ３２側の面に貫通して最外流路４８とガス流路形成体６０の流路配列方向における外側とを連通させる連通孔は設けられていない。これにより、カソードガス流路４２に生成水が滞留することを抑制できることに加えて、カソードガス流路４２を流れる酸化剤ガスがガス流路形成体６０の外側に流れ出ることを抑制できる。したがって、発電性能の低下を抑制できる。

カソードガス流路４２を流れる酸化剤ガスがガス流路形成体６０の外側に流れ出ることを抑制する点から、流路配列方向の両端に位置する最外流路４８の両方においてガス流路形成体６０の外側と連通する連通孔が設けられていない場合が好ましいが、片方にのみ連通孔が設けられていない場合でもよい。

図２（ｂ）のように、カソードガス流路４２から導水路４４に生成水を効率的に移動させる点から、連通孔４６は千鳥状に配置されていることが好ましい。すなわち、連通孔４６は、カソード側セパレータ３２側に突出した凸部６４に所定ピッチ毎に設けられ、且つ、隣接する凸部６４では１／２ピッチをずらして設けられていることが好ましい。

なお、実施例１では、カソード側セパレータ３２とカソードガス拡散層２０との間にガス流路形成体６０が設けられている場合を例に示したが、この場合に限られない。アノード側セパレータ３０が略平坦な断面形状を有し、アノード側セパレータ３０とアノードガス拡散層１８との間にガス流路形成体６０が設けられていてもよいし、アノード側及びカソード側の両方にガス流路形成体６０が設けられていてもよい。また、実施例１では、アノード及びカソードの両方にガス拡散層を備える場合を例に示したが、ガス拡散層はアノード及びカソードの一方にのみ設けられていてもよいし、アノード及びカソードの両方ともガス拡散層を備えなくてもよい。

図４（ａ）は、実施例１の変形例１に係る燃料電池を構成する単セルの平面図、図４（ｂ）は、実施例１の変形例２に係る燃料電池を構成する単セルの平面図である。ガス流路形成体６０、ＭＥＡ１０、アノード側セパレータ３０、及びカソード側セパレータ３２に関する構成は実施例１と同じであって、図４（ａ）のように、実施例１の変形例１の燃料電池を構成する単セル１１０では、ガス流路形成体６０の側面のうちの酸化剤ガス供給マニホールド８４及び酸化剤ガス排出マニホールド８６に相対する側面以外の側面６６ａ、６６ｂと樹脂フレーム７０との間の空隙７２に埋込部材７６が埋め込まれている。埋込部材７６は、例えばガス流路形成体６０の側面６６ａ、６６ｂそれぞれの一部に設けられている。埋込部材７６は、ガス流路形成体６０の側面６６ａ、６６ｂと樹脂フレーム７０との間を完全に塞ぐように設けられていてもよいし、ガス流路形成体６０の側面６６ａ、６６ｂと樹脂フレーム７０との間の隙間を狭めるように設けられていてもよい。埋込部材７６は、弾性を有する部材で形成されていることが好ましく、例えばブチルゴム系を主成分として形成されている。埋込部材７６が設けられることで、酸化剤ガス供給マニホールド８４側から酸化剤ガス排出マニホールド８６側に向かって空隙７２を酸化剤ガスが流通することが抑制される。なお、ガス流路形成体６０の側面６６ａ、６６ｂそれぞれに複数の埋込部材７６が設けられていてもよい。

図４（ｂ）のように、実施例１の変形例２の燃料電池を構成する単セル１２０では、埋込部材７６はガス流路形成体６０の側面６６ａ、６６ｂの全体にわたって設けられている。これにより、酸化剤ガス供給マニホールド８４側から酸化剤ガス排出マニホールド８６側に向かって空隙７２を酸化剤ガスが流通することを効果的に抑制できる。なお、ガス流路形成体６０の側面６６ａ、６６ｂの全体にわたって埋込部材７６を設けたとしても、ガス流路形成体６０の側面６６ａ、６６ｂを埋込部材７６で完全に覆うことは難しいことから、実施例１で説明したように、最外流路４８とガス流路形成体６０の外側とを連通させる連通孔を設けないようにする。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０ 膜電極接合体
１２ 電解質膜
１４ アノード触媒層
１６ カソード触媒層
１８ アノードガス拡散層
２０ カソードガス拡散層
２２ 膜電極ガス拡散層接合体
３０ アノード側セパレータ
３２ カソード側セパレータ
３８ 溝
４０ アノードガス流路
４２ カソードガス流路
４４ 導水路
４６ 連通孔
４８ 最外流路
６０ ガス流路形成体
６２、６４ 凸部
６６ａ、６６ｂ 側面
７０ 樹脂フレーム
７２ 空隙
７４ 溝
７６ 埋込部材
８４ 酸化剤ガス供給マニホールド
８６ 酸化剤ガス排出マニホールド
１００〜１２０ 単セル

Claims (1)

1. 膜電極接合体と、
   前記膜電極接合体を挟持する第１セパレータ及び第２セパレータと、
   前記膜電極接合体と前記第１セパレータとの間に配置され、前記膜電極接合体側の第１面に設けられて反応ガスが流れる直線状の複数の第１流路と、前記第１セパレータ側の第２面に前記複数の第１流路の間に位置して設けられて前記複数の第１流路に生じた生成水が流れ込む直線状の複数の第２流路と、前記複数の第１流路と前記複数の第２流路とを連通させる連通孔と、を有するガス流路形成体と、を備え、
   前記ガス流路形成体は、前記複数の第１流路及び前記複数の第２流路のうち隣接する第１流路と第２流路との間それぞれにおいて複数の前記連通孔が設けられ、前記隣接する第１流路と第２流路の間に設けられた前記複数の連通孔は前記複数の第１流路及び前記複数の第２流路が延在する延在方向で近接配置された前記連通孔を１組とする連通孔群が前記延在方向において間隔を空けて複数設けられるように設けられ、
   前記ガス流路形成体は、前記複数の第１流路のうちの前記複数の第１流路と前記複数の第２流路とが並んだ配列方向で最も端に位置する２つの最外流路の少なくとも一方において前記第１面から前記第２面に貫通して前記最外流路と前記ガス流路形成体の前記配列方向における外側とを連通させる連通孔を有さない、燃料電池。

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