JP6900913B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池に関する。

膜電極接合体の外周を囲んでフレーム部材が配置され、膜電極接合体とフレーム部材を一対のセパレータで挟持した燃料電池が知られている。このような燃料電池において、燃料ガスの漏れを抑制するために、カソードセパレータとフレーム部材の間に、カソードセパレータの凹凸の延在方向に延び且つ凹凸を横断する方向に延びた細長片を有する金属フレームを設けることが知られている（例えば、特許文献１）。

特表２０１４−５２６７８８号公報

特許文献１に記載の燃料電池では、カソードセパレータに設けた凹凸によって酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス流路が形成されている。カソードセパレータに形成された酸化剤ガス流路の出入口は、燃料電池の外部に開放されている。このため、酸化剤ガス流路の出口が鉛直下方向から傾いている場合、酸化剤ガス流路から排出される液水が隣の単セルに向かって流れ落ち、隣接する単セルのカソードセパレータ間が液水で繋がって短絡することがある。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、隣接する単セルのカソードセパレータ間が液水で繋が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、前記膜電極接合体の外周を囲んで配置されたフレーム部材と、前記膜電極接合体及び前記フレーム部材を挟持する一対のセパレータと、を備える単セルが複数積層された燃料電池であって、前記単セルの前記一対のセパレータのうちのカソードセパレータは、前記膜電極接合体との間に酸化剤ガスが流れる複数の酸化剤ガス流路を有し、前記複数の酸化剤ガス流路の出口は、重力方向に交差する第１方向を向いて前記燃料電池の外部に開放されていて、前記フレーム部材は、前記複数の酸化剤ガス流路の出口側で前記カソードセパレータよりも突出し且つ前記複数の酸化剤ガス流路の出口が並んだ重力方向に交差する第２方向で前記カソードセパレータよりも外側まで延在した延在部と、前記延在部に前記第２方向に延びて設けられ、前記複数の酸化剤ガス流路の出口から離れ且つ重力方向上側に突起した突起部と、を含む、燃料電池である。

本発明によれば、隣接する単セルのカソードセパレータ間が液水で繋が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は、実施例１に係る燃料電池の一部の斜視図である。 図３は、実施例２に係る燃料電池の一部の斜視図である。

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）の供給を受けて発電する固体高分子形燃料電池であり、単セルを複数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。なお、図１では、後述する壁部５０の図示を省略している。

図１のように、実施例１の単セル１５０は、カソードセパレータ１８ｃ、膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ：Membrane Electrode Gas diffusion layer Assembly）２０、フレーム部材４０、及びアノードセパレータ１８ａを備える。フレーム部材４０は、ＭＥＧＡ２０の外周を囲んで配置されている。フレーム部材４０は、例えばエポキシ樹脂又はフェノール樹脂などの樹脂で形成されている。カソードセパレータ１８ｃはＭＥＧＡ２０及びフレーム部材４０の一方の面に配置され、アノードセパレータ１８ａはＭＥＧＡ２０及びフレーム部材４０の他方の面に配置されている。したがって、ＭＥＧＡ２０及びフレーム部材４０は、カソードセパレータ１８ｃ及びアノードセパレータ１８ａによって挟持されている。

ＭＥＧＡ２０は、電解質膜１２、カソード触媒層１４ｃ、アノード触媒層１４ａ、カソードガス拡散層１６ｃ、及びアノードガス拡散層１６ａを備える。カソード触媒層１４ｃは電解質膜１２の一方の面に設けられ、アノード触媒層１４ａは電解質膜１２の他方の面に設けられている。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、例えば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。カソード触媒層１４ｃ及びアノード触媒層１４ａは、例えば電気化学反応を進行する触媒（白金又は白金−コバルト合金など）を担持したカーボン粒子（カーボンブラックなど）と、スルホン酸基を有する固体高分子であって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。

カソードガス拡散層１６ｃとアノードガス拡散層１６ａは、ＭＥＡ１０の両側に設けられ、ＭＥＡ１０を挟持している。カソードガス拡散層１６ｃ及びアノードガス拡散層１６ａ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いて、例えばカーボンクロス又は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。

カソードセパレータ１８ｃ及びアノードセパレータ１８ａ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いる。カソードセパレータ１８ｃは、例えばプレス成型による曲げ加工によって凹凸形状が形成されたステンレス鋼、アルミニウム、又はチタンなどの金属部材によって形成されている。アノードセパレータ１８ａは、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又はステンレス鋼、アルミニウム、又はチタンなどの金属部材によって形成されている。

カソードセパレータ１８ｃの両側に配置された周縁部材７０に孔ｃ１及びｃ２が設けられ、フレーム部材４０に孔ｓ１及びｓ２が設けられ、アノードセパレータ１８ａに孔ａ１及びａ２が設けられている。孔ｃ１と孔ｓ１と孔ａ１は連通し、水素を供給する供給マニホールドを画定する。孔ｃ２と孔ｓ２と孔ａ２は連通し、水素を排出する排出マニホールドを画定する。アノードセパレータ１８ａのＭＥＧＡ２０側の面には、供給マニホールドから排出マニホールドに向かって延在し、ＭＥＧＡ２０に供給される水素が流れる複数の燃料ガス流路２６が設けられている。なお、周縁部材７０は、例えば熱可塑性樹脂又は熱硬化性樹脂などの絶縁部材で形成されている。

カソードセパレータ１８ｃは、厚み方向の凹凸形状を有し、それぞれ空気が流れる複数の酸化剤ガス流路２２及び複数の冷媒流路２４が設けられている。酸化剤ガス流路２２と冷媒流路２４は、カソードセパレータ１８ｃの一端から他端に向かって直線状に延在し、互いに隣り合って配置されている。酸化剤ガス流路２２及び冷媒流路２４を流れる空気は、カソードセパレータ１８ｃの一端側である空気供給口から他端側である空気排出口に向かって流れる。

酸化剤ガス流路２２は、カソードセパレータ１８ｃのＭＥＧＡ２０側の面に設けられてＭＥＧＡ２０側に開口した凹部３０によって形成されている。したがって、酸化剤ガス流路２２を流れる空気は、ＭＥＧＡ２０に供給されて発電に用いられる。冷媒流路２４は、カソードセパレータ１８ｃのＭＥＧＡ２０とは反対側の面に設けられてＭＥＧＡ２０とは反対側に開口した凹部３２によって形成されている。したがって、冷媒流路２４を流れる空気は、ＭＥＧＡ２０の冷却に用いられる。このように、実施例１の燃料電池は、冷却に空気を用いた空冷式の燃料電池である。

ＭＥＧＡ２０とカソードセパレータ１８ｃ及びアノードセパレータ１８ａとは、例えば鉛直方向に積層されている。したがって、酸化剤ガス流路２２及び冷媒流路２４は、鉛直方向に交差する方向（例えば鉛直方向に直交する方向）に延在している。よって、酸化剤ガス流路２２の入口２２ａ及び出口２２ｂ、並びに、冷媒流路２４の入口２４ａ及び出口２４ｂは、鉛直方向から傾いて（例えば鉛直方向に対して垂直に）配置されている。また、酸化剤ガス流路２２の入口２２ａ及び出口２２ｂ、並びに、冷媒流路２４の入口２４ａ及び出口２４ｂは、燃料電池の外部に他の部材を介することなく直接開放されている。なお、酸化剤ガス流路２２及び冷媒流路２４が鉛直方向に交差する方向に延在していれば、ＭＥＧＡ２０とカソードセパレータ１８ｃ及びアノードセパレータ１８ａとは鉛直方向から傾いて積層されていてもよい。

ここで、図１に加えて、図２を用いて、フレーム部材４０について説明する。図２は、実施例１に係る燃料電池１００の一部の斜視図である。図１及び図２のように、フレーム部材４０は、酸化剤ガス流路２２の出口２２ｂ側及び冷媒流路２４の出口２４ｂ側でカソードセパレータ１８ｃよりも突出した延在部４２を有する。ここで、ＭＥＧＡ２０とカソードセパレータ１８ｃ及びアノードセパレータ１８ａとが積層された方向を第１方向、複数の酸化剤ガス流路２２の出口２２ｂ及び複数の冷媒流路２４の出口２４ｂが並んだ方向を第２方向、第１方向及び第２方向に交差する方向を第３方向とする。延在部４２は、第３方向でカソードセパレータ１８ｃよりも外側に突出し、且つ、第２方向でカソードセパレータ１８ｃよりも外側に延在している。

延在部４２に突起部４４が設けられている。突起部４４は、酸化剤ガス流路２２の出口２２ｂから離れ且つ酸化剤ガス流路２２の出口２２ｂに対向して第２方向に延びている。突起部４４は、例えば延在部４２のカソードセパレータ１８ｃ側とは反対側の端部に設けられている。突起部４４は、重力方向上側に向かって突起している。なお、重力方向上側に向かって突起しているとは、重力と正反対の方向に向かって突起している場合に限られず、重力と正反対の方向から傾いて突起している場合も含む。突起部４４の高さは、酸化剤ガス流路２２及び冷媒流路２４を流れる空気の圧力損失の増大を抑える点から、酸化剤ガス流路２２及び冷媒流路２４の高さの１／５以下である場合が好ましく、１／１０以下である場合がより好ましく、１／２０以下である場合が更に好ましい。

フレーム部材４０が延在部４２と突起部４４を含むことで、酸化剤ガス流路２２の出口２２ｂが鉛直下方向から傾いて配置されている場合、図２の黒矢印のように、酸化剤ガス流路２２から排出される生成水などの液水は、延在部４２を第２方向に向かって流れるようになる。延在部４２は第２方向でカソードセパレータ１８ｃの外側にまで延在しているため、延在部４２を流れた液水はカソードセパレータ１８ｃが設けられていない領域で鉛直下方向に流れ落ちるようになる。

例えば、フレーム部材４０が延在部４２を有さない場合、酸化剤ガス流路２２から排出される液水は、酸化剤ガス流路２２の出口２２ｂからそのまま鉛直下方向に流れ落ちるようになる。この場合において、酸化剤ガス流路２２の出口２２ｂが鉛直下方向から傾いて配置されていると、隣接する単セル１５０のカソードセパレータ１８ｃ間が酸化剤ガス流路２２から排出される液水で繋がって短絡することがある。隣接する単セル１５０のカソードセパレータ１８ｃ間が短絡すると電食が発生する恐れがある。

一方、実施例１によれば、図１及び図２のように、フレーム部材４０は、酸化剤ガス流路２２の出口２２ｂ側でカソードセパレータ１８ｃよりも突出し且つ複数の酸化剤ガス流路２２の出口２２ｂが並んだ第２方向でカソードセパレータ１８ｃよりも外側に延在した延在部４２を含む。延在部４２には、酸化剤ガス流路２２の出口２２ｂから離れ且つ重力方向上側に突起した突起部４４が第２方向に延びて設けられている。これにより、酸化剤ガス流路２２の出口２２ｂが鉛直下方向から傾いて配置されている場合、酸化剤ガス流路２２から排出される液水は、延在部４２を介して、カソードセパレータ１８ｃが設けられていない領域で鉛直下方向に流れ落ちるようになる。よって、隣接する単セル１５０のカソードセパレータ１８ｃ間が液水で繋がることを抑制できる。

図２のように、延在部４２よりも第２方向で外側に、延在部４２と離間した壁部５０が第１方向に延在して設けられていてもよい。壁部５０は、例えば樹脂などの絶縁部材で形成されている。壁部５０が設けられることで、延在部４２を流れる液水が延在部４２から鉛直下方向に流れ落ちる際に広範囲に広がることを抑制できる。

図３は、実施例２に係る燃料電池の一部の斜視図である。図３のように、実施例２の燃料電池２００では、フレーム部材４０の延在部４２は、カソードセパレータ１８ｃ側から突起部４４側に向かうに従い、ＭＥＧＡ２０及びフレーム部材４０を挟持する一対のセパレータであるカソードセパレータ１８ｃ側からアノードセパレータ１８ａ側に向かって傾斜している。また、延在部４２は、第２方向においてカソードセパレータ１８ｃの中央側からカソードセパレータ１８ｃの外側に向かうに従い、ＭＥＧＡ２０及びフレーム部材４０を挟持する一対のセパレータであるカソードセパレータ１８ｃ側から他方のアノードセパレータ１８ａ側に向かって傾斜している。その他の構成は、実施例１と同じであるため説明を省略する。

実施例２によれば、延在部４２は、カソードセパレータ１８ｃ側から突起部４４側に向かうに従い、ＭＥＧＡ２０及びフレーム部材４０を挟持する一対のセパレータであるカソードセパレータ１８ｃ側からアノードセパレータ１８ａ側に向かって傾斜している。これにより、ＭＥＧＡ２０とカソードセパレータ１８ｃ及びアノードセパレータ１８ａとが鉛直方向に積層されている場合に、延在部４２をカソードセパレータ１８ｃ側から突起部４４側に向かって重力方向下側に傾斜させることができる。よって、酸化剤ガス流路２２から排出される液水を突起部４４側にスムーズに流すことができる。これにより、酸化剤ガス流路２２から排出される液水は、延在部４２に滞留することが抑制されて、延在部４２をカソードセパレータ１８ｃの外側に向かって流れるようになる。

また、実施例２によれば、延在部４２は、第２方向においてカソードセパレータ１８ｃの中央側からカソードセパレータ１８ｃの外側に向かうに従い、ＭＥＧＡ２０及びフレーム部材４０を挟持する一対のセパレータであるカソードセパレータ１８ｃ側から他方のアノードセパレータ１８ａ側に向かって傾斜している。これにより、ＭＥＧＡ２０とカソードセパレータ１８ｃ及びアノードセパレータ１８ａとが鉛直方向に積層されている場合に、延在部４２をカソードセパレータ１８ｃの中央側からカソードセパレータ１８ｃの外側に向かって重力方向下側に傾斜させることができる。よって、酸化剤ガス流路２２から排出される液水をカソードセパレータ１８ｃの外側に向かってスムーズに流すことができる。

実施例２において、隣接する単セル１５０のうちの重力方向で上側に位置する単セル１５０の延在部４２は、重力方向で下側に位置する単セル１５０のカソードセパレータ１８ｃに重ならないように傾斜している場合が好ましい。言い換えると、隣接する単セル１５０のうちの重力方向で下側に位置する単セル１５０の酸化剤ガス流路２２の出口２２ｂ及び冷媒流路２４の出口２４ｂは、重力方向で上側に位置する単セル１５０の延在部４２で覆われないことが好ましい。これにより、重力方向で下側に位置する単セル１５０の酸化剤ガス流路２２及び冷媒流路２４を流れる空気の圧力損失の増大を抑えることができる。

なお、実施例１及び実施例２では、酸化剤ガス流路２２の出口２２ｂが燃料電池の外部に直接大気開放されている場合を例に示したが、これに限られる訳ではない。酸化剤ガス流路２２の出口２２ｂが内部マニホールドに連通せずに燃料電池の外部に開放されていれば、例えば酸化剤ガス流路２２の出口２２ｂを覆うように外部排出マニホールドを備えていてもよい。なお、酸化剤ガス流路２２の入口２２ａを覆うように外部供給マニホールドを備えていてもよい。

実施例１及び実施例２の燃料電池においては、ＭＥＧＡ２０及びフレーム部材４０の鉛直方向上側にカソードセパレータ１８ｃが配置されて、ＭＥＧＡ２０及びフレーム部材４０の鉛直方向下側にアノードセパレータ１８ａが配置される構成を示したが、これに限定されない。ＭＥＧＡ２０及びフレーム部材４０の鉛直方向上側にアノードセパレータ１８ａが配置されて、ＭＥＧＡ２０及びフレーム部材４０の鉛直方向下側にカソードセパレータ１８ｃが配置されていてもよい。この場合にも、フレーム部材４０は、酸化剤ガス流路２２の出口２２ｂ側でカソードセパレータ１８ｃよりも突出し且つ複数の酸化剤ガス流路２２の出口２２ｂが並んだ方向でカソードセパレータ１８ｃよりも外側に延在した延在部４２と、延在部４２に設けられ、複数の酸化剤ガス流路２２の出口２２ｂから離れ且つ重力方向上側に突出した突起部４４を備える。この構成によれば、酸化剤ガス流路２２の出口２２ｂから排出された液水が鉛直下方向に流れ落ちた場合にも、隣接する単セル１５０のカソードセパレータ１８ｃ間が液水で繋がることを抑制できる。

なお、実施例１及び実施例２では、空冷式の燃料電池の場合を例に示したが、水冷式の燃料電池の場合でもよい。

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
１４ａ アノード触媒層
１４ｃ カソード触媒層
１６ａ アノードガス拡散層
１６ｃ カソードガス拡散層
１８ａ アノードセパレータ
１８ｃ カソードセパレータ
２０ 膜電極ガス拡散層接合体
２２ 酸化剤ガス流路
２２ａ 酸化剤ガス流路の入口
２２ｂ 酸化剤ガス流路の出口
２４ 冷媒流路
２４ａ 冷媒流路の入口
２４ｂ 冷媒流路の出口
２６ 燃料ガス流路
３０、３２ 凹部
４０ フレーム部材
４２ 延在部
４４ 突起部
５０ 壁部
７０ 周縁部材
１００ 燃料電池
１５０ 単セル
２００ 燃料電池

Claims (1)

1. 膜電極接合体と、前記膜電極接合体の外周を囲んで配置されたフレーム部材と、前記膜電極接合体及び前記フレーム部材を挟持する一対のセパレータと、を備える単セルが複数積層された燃料電池であって、
   前記単セルの前記一対のセパレータのうちのカソードセパレータは、前記膜電極接合体との間に酸化剤ガスが流れる複数の酸化剤ガス流路を有し、
   前記複数の酸化剤ガス流路の出口は、重力方向に交差する第１方向を向いて前記燃料電池の外部に開放されていて、
   前記フレーム部材は、前記複数の酸化剤ガス流路の出口側で前記カソードセパレータよりも突出し且つ前記複数の酸化剤ガス流路の出口が並んだ重力方向に交差する第２方向で前記カソードセパレータよりも外側まで延在した延在部と、前記延在部に前記第２方向に延びて設けられ、前記複数の酸化剤ガス流路の出口から離れ且つ重力方向上側に突起した突起部と、を含む、燃料電池。

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