JP7302532B2

JP7302532B2 - 燃料電池セル

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Publication number: JP7302532B2
Application number: JP2020093474A
Authority: JP
Inventors: 雄太池畑
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2020-05-28
Filing date: 2020-05-28
Publication date: 2023-07-04
Anticipated expiration: 2040-05-28
Also published as: US11502313B2; JP2021190265A; US20210376338A1; CN113745610A; CN113745610B

Description

本発明は、電解質膜の両面に少なくとも触媒層が接合された接合体と、接合体を挟み込むように配置された一対のセパレータとを有する燃料電池セルに関する。

従来から、固体高分子型燃料電池は、複数の燃料電池セルを積層した構造を有している。燃料電池セルは、イオン透過性の電解質膜と、電解質膜を挟むように接合されたアノード触媒層およびカソード触媒層とからなる膜電極接合体を備えている（たとえば特許文献１参照）。膜電極接合体の両側には、燃料ガスもしくは酸化剤ガスを提供するとともに電気化学反応によって生じた電気を集電するためのガス拡散層が形成されている。膜電極接合体の両側にガス拡散層が配置された接合体は、膜電極ガス拡散層接合体（Membrane Electrode & Gas Diffusion Layer Assembly（ＭＥＧＡ））と称され、一対のセパレータにより挟持されている。

膜電極接合体では、アノード触媒層には水素ガスが供給され、カソード触媒層には酸化剤ガス（空気）が供給され、アノード触媒層で水素をプロトンに酸化し、カソードで酸素を水に還元して発電する。

特開２０１７－１２６４４８号公報

しかしながら、特許文献１に示す燃料電池セルでは、膜電極接合体内における水の生成とその水の移動により、電解質膜は、乾燥および湿潤を繰り返す。これにより、電解質膜は、面方向（電解質膜の厚さ方向と直交する方向）に膨潤および収縮し易くなる。電解質膜の面方向の変形が制限されていない部分が膨潤すると、この部分は膨らむように変形し、繰り返し曲げ応力が作用することが想定される。この結果、電解質膜の寿命が低下するおそれがある。

本発明は、このような点を鑑みてなされたものであり、本発明として、電解質膜の膨潤および収縮に起因して電解質膜に作用する応力を低減することができる燃料電池セルを提供する。

前記課題を鑑みて、本発明に係る燃料電池セルは、電解質膜の両面に触媒層が接合された接合体と、前記接合体を挟み込むように配置された一対のセパレータと、を少なくとも備え、前記接合体の一方面側に水素ガスを供給し、その他方面側に酸化剤ガスを供給することにより、前記接合体で発電する燃料電池セルであって、前記各セパレータには、前記接合体側に複数の凸条部を形成することにより、前記凸条部の間に水素ガスまたは酸化剤ガスが流れるガス流路が形成されており、前記電解質膜には、前記凸条部と対向する位置に、前記凸条部が延在する方向に沿って複数の貫通孔が形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、電解質膜には、前記凸条部と対向する位置に、凸条部が延在する方向に沿って複数の貫通孔が形成されている。したがって、燃料電池セルの発電時に、電解質膜が、その面方向（電解質膜の厚さ方向と直交する方向）に膨潤および収縮したとしても、その変形を複数の貫通孔で吸収することができる。この結果、電解質膜の膨潤および収縮に起因して電解質膜に作用する応力を低減することができる。また、凸条部と対向する位置に、貫通孔を形成することにより、ガス流路を通過する水素ガスと酸化剤ガスとが貫通孔を通過することを抑えつつ、貫通孔に向かうガスを触媒層で反応させることができる。このため、貫通孔へのガスの通過に起因して燃料電池セルの発電効率が低下することを抑えることができる。

より好ましい態様としては、前記接合体は、前記電解質膜を挟むように前記触媒層が形成された矩形状の発電領域を有しており、前記発電領域は、長辺と短辺を有した領域であり、複数の前記凸条部は、前記発電領域の長辺方向に沿って配置されている。

この態様によれば、発電領域の長辺方向は、その短辺方向に比べて、電解質膜が膨潤および収縮し易いところ、複数の前記凸条部は、発電領域の長辺方向に沿って配置されているので、複数の貫通孔も長辺方向に沿って形成される。これにより、電解質膜の膨潤および収縮に起因した変形を効率良く抑えることができる。

さらに好ましい態様としては、前記接合体は、前記発電領域と、前記発電領域を周回するように形成された非発電領域とを有しており、前記燃料電池セルは、前記非発電領域において、前記発電領域を周回するように前記接合体に接着された樹脂フレームを備えており、前記電解質膜のうち、前記樹脂フレームの内周縁に沿った内側に、複数の貫通孔がさらに形成されている。

この態様によれば、樹脂フレームの内周縁に沿った内側の位置において、電解質膜は、膨潤および収縮により変形し易いところ、この位置に複数の貫通孔が形成されているので、電解質膜の膨潤および収縮に起因した変形を効率良く抑えることができる。

より好ましい態様としては、前記貫通孔の孔径は、５０μｍ以下である。この態様によれば、貫通孔の孔径を５０μｍ以下とすることにより、これらの貫通孔に水素ガスおよび酸化剤ガスが通過することを抑えることができる。

本発明の実施形態に係る燃料電池セルの分解斜視図である。図１に示す燃料電池セルを積層した燃料電池の斜視図である。図１に示す燃料電池セルの接合体を含む発電アセンブリの平面図である。図１に示すＭＥＧＡの平面図である。図３に示すＡ－Ａ線に沿った矢視方向の断面図である。図５に示すＣ部の燃料電池の要部拡大図である。図３に示すＢ－Ｂ線に沿った単セルの矢視方向の断面図である。図５に示す燃料電池の変形例を示す図６に対応する図である。

１．燃料電池１について
本実施形態に係る燃料電池１では、基本単位である燃料電池セル（以下、「単セル」という）１０が複数積層されている。単セル１０は、エアに含まれる酸素ガスと、燃料ガスである水素ガスと、の電気化学反応により起電力を発生する固体高分子型燃料電池である。エア（酸化剤ガス）は、大気のことであり、たとえばコンプレッサにより圧縮されたエアが燃料電池１に供給され、高圧タンクに充填された水素ガスが、燃料電池に供給される。

図１～図３に示すように、燃料電池１を構成する単セル１０は、発電アセンブリ１７と、発電アセンブリ１７を挟み込むように配置された一対のセパレータ１２、１２とを備えている。発電アセンブリ１７は、電極－ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ）１１と、ＭＥＧＡ１１の外周を囲う樹脂フレーム１４とを備えている。単セル１０は、ＭＥＧＡ１１の一方面側に水素ガスを供給し、その他方面側にエアを供給することにより、ＭＥＧＡ１１で発電する。

ＭＥＧＡ１１は、図５および図６に示すように、電解質膜１１ａと、この両面に接合された触媒層１１ｂ、１１ｃと、触媒層１１ｂ、１１ｃに接合されたガス拡散層１１ｄ、１１ｄと、を備えている。

ここで、本実施形態でいうＭＥＧＡ１１が、本発明でいう「接合体」に相当するが、たとえば、ガス拡散層１１ｄ、１１ｄを有さない単セルの場合には、電解質膜１１ａに触媒層１１ｂ、１１ｃを接合したもの（いわゆる膜電極接合体）が、本発明でいうところの「接合体」に相当する。

さらに、本実施形態では、ＭＥＧＡ１１のうち、電解質膜１１ａを挟むように触媒層１１ｂ、１１ｃが形成された矩形状の領域が、単セル１０の発電領域２５となっている（図３および図５参照）。発電領域２５は、長辺と短辺を有した領域であり、図３および図４では、発電領域２５の長辺方向Ｌと短辺方向Ｓとを示しており、後述する長辺方向Ｌに沿ってセパレータ１２の凸条部１５ｆが発電領域２５に接触している。

ＭＥＧＡ１１は、この発電領域２５と、発電領域２５を周回するように、形成された非発電領域２６とを有している。ＭＥＧＡ１１は、非発電領域２６の接着領域２７で、樹脂フレーム１４に接着されている。

ここで、ＭＥＧＡ１１の各構成を説明する。電解質膜１１ａを含むＭＥＧＡ１１には、貫通孔２１、２２が形成されており、貫通孔２１、２２の詳細は後述する。電解質膜１１ａは、固体高分子材料で形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜からなる。電解質膜１１ａとしては、パーフルオロスルホン酸ポリマーの薄膜などを挙げるとことができ、この他にも、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン－ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、テトラフルオロエチレン－パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）などのフッ素樹脂が高い撥水性を有するため好ましく用いられる。電解質膜１１ａの厚さは、たとえば、１μｍ～１００μｍの範囲であり、好ましくは、１０～５０μｍである。

触媒層１１ｂ、１１ｃは、触媒が担持されたカーボン粒子と、プロトンの伝導路となる高分子電解質（アイオノマ）とを含有している。アイオノマとしては、プロトン伝導性を有した高分子電解質であり、フルオロアルキルエーテル側鎖とパーフルオロアルキル主鎖を有するフルオロアルキル共重合体のパーフルオロ系プロトン交換樹脂が好ましく用いられる。カーボン粒子としては、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、またはメソポーラスカーボン等の炭素材料を挙げることができる。触媒としては、白金や白金合金、パラジウム等の触媒金属を挙げることができる。本実施形態では、電解質膜１１ａの一方面側に配置された触媒層１１ｂが単セル１０のアノード触媒層となり、他方面側の触媒層１１ｃが単セル１０のカソード触媒層となる。触媒層１１ｂ、１１ｃの厚さは、たとえば、０．１μｍ～５０μｍの範囲であり、好ましくは、１～１０μｍである。

ガス拡散層１１ｄは、たとえばカーボンペーパ若しくはカーボンクロス等のカーボン多孔質体、または、金属メッシュ若しくは発泡金属等の金属多孔質体などのガス透過性を有する導電性部材によって形成される。ガス拡散層１１ｄの厚さは、たとえば、３０μｍ～５００μｍの範囲であり、好ましくは、１００～２５０μｍである。

樹脂フレーム１４は、熱可塑性樹脂または熱硬化性樹脂からなるフレーム本体となる主層と、その両面に熱可塑性樹脂からなる接着層が形成された３層シート構造である。樹脂フレーム１４の接着層が、溶融する（軟化）することにより、樹脂フレームは、セパレータ１２、１２に融着される。樹脂フレーム１４には、ＭＥＧＡ１１の発電領域２５とその周りの非発電領域２６の一部とを含む領域を周回するように、中央に開口部が形成されている。樹脂フレーム１４は、ＭＥＧＡ１１の一方の面（具体的には、電解質膜１１ａの表面）に融着されている。これにより、ＭＥＧＡ１１の発電領域２５は、一対のセパレータ１２、１２により挟み込むように接合される。

本実施形態では、樹脂フレーム１４の両側には、水素ガス、エア（酸化剤ガス）、および冷却水を、ＭＥＧＡ１１またはその近傍に個別に供給するとともに、供給された水素ガス、エア、および冷却水を、ＭＥＧＡ１１またはその近傍から排出するための６つのマニホールド開口（流通口）が形成されている。

具体的には、樹脂フレーム１４の一方側には、水素ガスが流通する水素流通口１４ａと、冷却水が流通する冷却水流通口１４ｂと、エアが流通するエア流通口１４ｃとが、順に設けられている。また、樹脂フレーム１４の他方側には、エアが流通するエア流通口１４ｄと、冷却水が流通する冷却水流通口１４ｅと、水素ガスが流通する水素流通口１４ｆとが、順に設けられている。

各流体が流れる一対のマニホールド開口（流通口）は、一方がＭＥＧＡ１１またはその近傍への供給用の流通口となっており、他方がＭＥＧＡ１１またはその近傍からの排出用の流通口となっている。たとえば、一方の水素流通口１４ａがＭＥＧＡ１１への供給用の流通口となっており、他方の水素流通口１４ｆがＭＥＧＡ１１からの排出用の流通口となっている。水素流通口１４ａと、水素流通口１４ｆとは、樹脂フレーム１４の対角に配置されているので、水素ガスを、発電領域２５の対角に流通させることができる。

セパレータ１２は、平面視において矩形状であり、ステンレス鋼、チタン、チタン合金などの金属製の薄板材または箔材から成形された部材であり、厚さが、たとえば、１０μｍ～２００μｍである。セパレータ１２の素材となる薄板材または箔材は、冷間圧延等により形成されている。セパレータ１２は、上述した薄板材または箔材から、プレス成形により所定の形状に成形される。さらに、このプレス成形されたものを、セパレータ１２の基材とし、この表面に、炭素皮膜等がさらに形成されていてもよい。なお、炭素皮膜は、セパレータ１２をプレスにより成形する前に、成膜されていてもよく、プレスにより成形後に、成膜されてもよい。

各セパレータ１２は、導電性やガス不透過性等に優れた金属を基材とする板状の部材であって、等脚台形の波形の形状を有し、その一方面側がＭＥＧＡ１１（ガス拡散層１１ｄ）と当接し、他方面側が隣接する他のセパレータ１２の他方面側と当接している。

各セパレータ１２には、ＭＥＧＡ１１側に複数の凸条部１５ｆ、１５ｆ…を形成することにより、凸条部１５ｆ、１５ｆの間に水素ガスまたはエアが流れるガス流路（ガス流路溝）１５ａ、１５ｂが形成されている。また、各セパレータ１２の凸条部１５ｆの裏面側（反対側）には、冷却水が流れる流路１５ｃが形成されている。本実施形態では、凸条部１５ｆは、ＭＥＧＡ１１の発電領域２５の長辺方向Ｌに沿って配置されている。より具体的には、各凸条部１５ｆは、ＭＥＧＡ１１に非接着の状態で接触している。

このように構成することにより、一方（アノード側）のセパレータ１２とＭＥＧＡ１１との間には、水素ガスのガス流路１５ａが形成され、他方（カソード側）のセパレータ１２とＭＥＧＡ１１との間には、エアのガス流路１５ｂが形成される。隣接する２つの単セル１０間で面接触するセパレータ１２、１２の間には、単セル１０を冷却する冷媒（例えば、水）の流路１５ｃが形成されている。ガス流路１５ａに燃料ガスが供給され、ガス流路１５ｂにエアが供給されると、単セル１０内で電気化学反応が生じて起電力が生じる。この電気化学反応では、アノード側の触媒層１１ｂにて生成されたプロトン（Ｈ^＋）と水とが水和状態で電解質膜１１ａを透過してカソード側の触媒層１１ｃにて生成水が生成される。

さらに、セパレータ１２は、平面視において発電アセンブリ１７と同じ長方形状に形成され、長辺方向の両側には、樹脂フレーム１４と同様に、６つのマニホールド開口（流通口）が形成されている。これらの流通口は、樹脂フレーム１４の流通口に対応した位置に、対応する各流通口と同じ大きさに形成されている。図１では、樹脂フレーム１４の流通口に対応する、セパレータ１２の流通口には、樹脂フレーム１４の流通口と同じ符号を付している。

具体的には、セパレータ１２の一方側には、水素ガスが流通する水素流通口１４ａと、冷却水が流通する冷却水流通口１４ｂと、エアが流通するエア流通口１４ｃとが、順に形成されている。また、セパレータ１２の他方側には、エアが流通するエア流通口１４ｄと、冷却水が流通する冷却水流通口１４ｅと、水素ガスが流通する水素流通口１４ｆとが、順に形成されている。

このようにして、各流体が流れるマニホールド開口（流通口）は、一方がＭＥＧＡ１１またはその近傍への供給用の流通口となっており、他方がＭＥＧＡ１１またはその近傍からの排出用の流通口となっている。これにより、各流通口を介して、水素ガス、エア、冷却水のそれぞれを単セル１０に供給し、単セル１０内の対応した流路１５ａ、１５ｂ、１５ｃに流し、各流通口を介して単セル１０から排出することができる。

本実施形態では、図１～図４に示すように、電解質膜１１ａには、凸条部１５ｆと対向する位置に、セパレータ１２の凸条部１５ｆが延在する方向に沿って複数の貫通孔（第１貫通孔）２１、２１、…が形成されている。複数の貫通孔２１は、無孔質膜である電解質膜１１ａに、穿設することにより形成される。本実施形態では、図５および図６に示すように、各貫通孔２１は、電解質膜１１ａのみならず、触媒層１１ｂ、１１ｃおよびガス拡散層１１ｄ、１１ｄを貫通している。また、凸条部１５ｆと対向する位置には、ガス拡散層１１ｄが形成されており、貫通孔２１、２１、…を塞ぐように、凸条部１５ｆがガス拡散層１１ｄに接触している。

さらに、電解質膜１１ａのうち、樹脂フレーム１４の内周縁１４ｇに沿った内側に、複数の貫通孔（第２貫通孔）２２、２２、…がさらに形成されている。具体的には、複数の貫通孔２２、２２、…は、発電領域２５を囲むように、非発電領域２６のうち、樹脂フレーム１４に拘束されていない位置に形成されている。

本実施形態では、貫通孔２１、２２の孔形状は円形であるが、この形状に限定されるものではない。貫通孔２１、２２の孔径（直径）は、５０μｍ以下であり、より好ましくは、３９μｍ以下である。さらに、貫通孔２１、２２の孔径は、加工性の観点から１μｍ以上であることが好ましく、より好ましくは、１５μｍ以上である。さらに、本実施形態では、貫通孔２２の孔径は、貫通孔２１の孔径よりも大きい。なお、図５および図６において、貫通孔２１、２２は、その位置を明確に示すべく、模式的に大きく描いている。

このように、貫通孔２１、２２を５０μｍ以下とすることにより、これらの貫通孔２１、２２に水素ガスおよびエアが通過することを抑えることができる。また、非発電領域２６に形成された貫通孔２２の孔径は、発電領域２５に形成された貫通孔２１の孔径よりも大きいので、貫通孔２１、２２による発電の影響を抑えることができる。このような貫通孔２１、２２は、例えば、ＭＥＧＡ１１にレーザー光を照射することにより形成してもよく、針などで機械的に穿設してもよい。

本実施形態によれば、貫通孔２１、２１、…を設けることにより、単セル１０の発電時に、電解質膜１１ａが、その面方向（電解質膜１１ａの厚さ方向と直交する方向）に膨潤および収縮したとしても、その変形を複数の貫通孔２１、２１、…で吸収することができる。この結果、電解質膜１１ａの膨潤および収縮に起因して電解質膜１１ａに作用する応力を低減することができる。

さらに、凸条部１５ｆと対向する位置に貫通孔２１を形成することにより、ガス流路１５ａ、１５ｂを通過する水素ガスとエアとが貫通孔２１を通過することを抑えつつ、貫通孔２１に向かう水素ガスとエアを触媒層１１ｂ、１１ｃで反応させることができる。このため、貫通孔２１への水素ガスとエアの通過に起因して単セル１０の発電効率が低下することを抑えることができる。

さらに本実施形態では、複数の凸条部１５ｆは、発電領域２５の長辺方向Ｌに沿って配置されているため、複数の貫通孔２１、２１、…も発電領域２５の長辺方向Ｌに沿って形成される。これにより、発電領域２５の長辺方向Ｌは、その短辺方向Ｓに比べて、電解質膜１１ａが膨潤および収縮し易いところ、電解質膜１１ａの膨潤および収縮に起因した変形を効率良く抑えることができる。

このように、電解質膜１１ａの膨潤および収縮に起因して電解質膜１１ａに作用する応力を低減することができるのであれば、図８に示すように、電解質膜１１ａと触媒層１１ｂ、１１ｃを貫通するように貫通孔２１が形成されていてもよく、電解質膜１１ａのみに貫通孔２１が形成されていてもよい。

さらに、樹脂フレーム１４の内周縁１４ｇに沿った内側の位置において、電解質膜１１ａは、膨潤および収縮により変形し易いところ、この位置に複数の貫通孔２２、２２、…が形成されているので、電解質膜１１ａの膨潤および収縮に起因した変形を効率良く抑えることができる。なお、このような効果を発現できるのであれば、貫通孔２２、２２、…を設けず、貫通孔２１、２１、…のみを設けてもよい。

以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態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精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。

１０：燃料電池セル、１１：ＭＥＧＡ（接合体）、１１ａ：電解質膜、１１ｂ，１１ｃ：触媒層、１４：樹脂フレーム、１２：セパレータ、１５ａ，１５ｂ：ガス流路、１５ｆ：凸条部、２１，２２：貫通孔、２５：発電領域、２６：非発電領域、Ｌ：長辺方向

Claims

電解質膜の両面に触媒層が接合された接合体と、前記接合体を挟み込むように配置された一対のセパレータと、を少なくとも備え、前記接合体の一方面側に水素ガスを供給し、その他方面側に酸化剤ガスを供給することにより、前記接合体で発電する燃料電池セルであって、
前記各セパレータには、前記接合体側に複数の凸条部を形成することにより、前記凸条部の間に水素ガスまたは酸化剤ガスが流れるガス流路が形成されており、
前記電解質膜には、前記凸条部と対向する位置に、前記凸条部が延在する方向に沿って複数の貫通孔が形成されており、
前記接合体は、前記電解質膜を挟むように前記触媒層が形成された矩形状の発電領域を有しており、
前記発電領域は、長辺と短辺を有した領域であり、
複数の前記凸条部は、前記発電領域の長辺方向に沿って配置されており、
前記接合体は、前記発電領域と、前記発電領域を周回するように形成された非発電領域とを有しており、
前記燃料電池セルは、前記非発電領域において、前記発電領域を周回するように前記接合体に接着された樹脂フレームを備えており、
前記電解質膜のうち、前記樹脂フレームの内周縁に沿った内側に、複数の貫通孔がさらに形成されていることを特徴とする燃料電池セル。
前記貫通孔の孔径は、５０μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池セル。