JPWO2011087013A1

JPWO2011087013A1 - 燃料電池

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Publication number: JPWO2011087013A1
Application number: JP2011549983A
Authority: JP
Inventors: 優小田; 大谷　輝幸; 輝幸大谷; 杉浦　誠治; 誠治杉浦; 田中　健一; 健一田中; 相馬　浩; 浩相馬
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2010-01-14
Filing date: 2011-01-12
Publication date: 2013-05-20
Anticipated expiration: 2031-01-12
Also published as: EP2525429A1; EP2525429B1; CN102687325B; EP2525429A4; JP5587347B2; US20120282539A1; WO2011087013A1; US9559376B2; CN102687325A

Abstract

燃料電池（１０）は、電解質膜・電極構造体（１２）を第１セパレータ（１４）及び第２セパレータ（１６）により挟持される。電解質膜・電極構造体（１２）は、固体高分子電解質膜（２６）、カソード側電極（２８）及びアノード側電極（３０）を備える。固体高分子電解質膜（２６）の端部は、ガス拡散層（３０ａ、２８ａ）の端部から外方に突出するとともに、前記固体高分子電解質膜（２６）の端部両面は、第１保護フイルム（３２）及び第２保護フイルム（３３）に挟持される。第１保護フイルム（３２）の厚さは、第２保護フイルム（３３）の厚さよりも肉薄に設定される。

Description

本発明は、電解質膜の両側に一対のガス拡散層が配設される電解質膜・電極構造体を備え、前記電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層される燃料電池に関する。

一般的に、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる固体高分子電解質膜を採用している。この燃料電池は、固体高分子電解質膜の両側に、それぞれ触媒層（電極触媒）とガス拡散層（多孔質カーボン）とからなるアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持している。通常、この燃料電池を所定数だけ積層した燃料電池スタックが、例えば、車載用として使用されている。

上記の電解質膜・電極構造体では、薄膜状の固体高分子電解質膜が使用されている。このため、固体高分子電解質膜に付与される反応ガスの差圧等のよる機械的ストレスにより、前記固体高分子電解質膜が破損するおそれがある。

そこで、例えば、特開２００６−３１８９４０号公報に開示されている燃料電池が知られている。この燃料電池は、図７に示すように、燃料電池セル１とこの燃料電池セル１を挟持する第１及び第２セパレータ２、３とを備えている。燃料電池セル１は、固体高分子電解質膜４と、前記固体高分子電解質膜４を挟んで配設されるカソード電極５ａ及びアノード電極６ａとを有している。

カソード電極５ａ及びアノード電極６ａには、第１ガス拡散層５ｂ及び第２ガス拡散層６ｂが配設されている。アノード電極６ａ及び第２ガス拡散層６ｂは、固体高分子電解質膜４よりも表面積が小さいとともに、カソード電極５ａ及び第１ガス拡散層５ｂは、前記アノード電極６ａ及び前記第２ガス拡散層６ｂよりも小さな表面積を有している。

第１セパレータ２と固体高分子電解質膜４との間には、カソード電極５ａを囲むように第１のシールＳ１が介装されている。第１セパレータ２と第２セパレータ３との間に、アノード電極６ａを囲むように第２のシールＳ２が介装されている。

上記の燃料電池セル１では、段差部、バッファ部、ガス導入部及びガス排出部が発電部として使用されていないため、この種の部位では、ガス拡散機能を有する必要はない。ところが、第１ガス拡散層５ｂ及び第２ガス拡散層６ｂは、それぞれバッファ部まで延在するとともに、前記第２ガス拡散層６ｂは、段差部まで延在して設けられている。

通常、第１及び第２ガス拡散層５ｂ、６ｂは、多孔質カーボンクロス又は多孔質カーボンペーパ等の高価な多孔質層で形成されている。このため、燃料電池セル１は、経済的ではなく、燃料電池全体のコストが高騰する。

しかも、第１及び第２ガス拡散層５ｂ、６ｂは、拡散機能を確保するために、比較的肉厚に形成されている。従って、バッファ部やガス導入部及びガス排出部において、十分な流路高さを確保することが困難になる。これにより、圧損が増大し、電極部の流路へのガス分配性が低下する。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、電解質膜を確実に保護するとともに、反応ガス用の流路高さを良好に確保することが可能な燃料電池を提供することを目的とする。

本発明は、電解質膜の両側に一対のガス拡散層が配設される電解質膜・電極構造体を備え、前記電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層される燃料電池に関するものである。

そして、電解質膜・電極構造体は、電解質膜の端部がガス拡散層の端部から外方に突出するとともに、前記電解質膜の前記端部両面は、第１保護フイルム及び第２保護フイルムに挟持され、且つ、前記第１保護フイルムの厚さは、前記第２保護フイルムの厚さよりも肉薄に設定されている。

本発明によれば、ガス拡散層の端部から外方に突出する電解質膜の端部両面は、第１保護フイルム及び第２保護フイルムに挟持されて確実に保護される。さらに、第１保護フイルムの厚さは、第２保護フイルムの厚さよりも肉薄に設定されるため、前記第１保護フイルム側のバッファ部、反応ガス導入部及び反応ガス排出部の反応ガス流路高さを良好に確保することができる。さらに、発電部流路での流量分配を均一に近づけることができ、発電性能が向上する。これにより、所望の発電性能を維持しつつ、燃料電池全体の薄型化が容易に図られる。

しかも、ガス拡散層は、発電に使用される領域にのみ設けることができる。従って、ガス拡散機能が不要な部位にまで、高価なガス拡散層を形成することがなく、経済的且つ効率的である。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視説明図である。前記燃料電池の、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面説明図である。前記燃料電池を構成する電解質膜・電極構造体の正面説明図である。前記燃料電池を構成する第２セパレータの正面説明図である。前記電解質膜・電極構造体の製造方法の説明図である。本発明の第２の実施形態に係る燃料電池の断面説明図である。特開２００６−３１８９４０号公報に開示されている燃料電池の断面説明図である。

図１に示すように、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池１０は、電解質膜・電極構造体１２を第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６により挟持する。

燃料電池１０の長辺方向（矢印Ｃ方向）の上端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔２０ａ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔２２ａが設けられる。

燃料電池１０の長辺方向（矢印Ｃ方向）の下端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔２２ｂ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔２０ｂが設けられる。

燃料電池１０の短辺方向（矢印Ｂ方向）の一端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔２４ａが設けられるとともに、前記燃料電池１０の短辺方向の他端縁部には、前記冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔２４ｂが設けられる。

図１〜図３に示すように、電解質膜・電極構造体１２は、縦長形状を有し、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜２６と、前記固体高分子電解質膜２６を挟持するカソード側電極２８及びアノード側電極３０とを備える。

図３に示すように、電解質膜・電極構造体１２の短辺側の１辺（上辺）には、酸化剤ガス入口連通孔２０ａ及び燃料ガス入口連通孔２２ａ側に突出する一対の上部突出部１２ａが設けられるとともに、前記電解質膜・電極構造体１２の短辺側の他の１辺（下辺）には、酸化剤ガス出口連通孔２０ｂ及び燃料ガス出口連通孔２２ｂ側に突出する一対の下部突出部１２ｂが設けられる。なお、上部突出部１２ａ及び下部突出部１２ｂの個数は、連通孔の個数に対応して増加可能である。

図２に示すように、カソード側電極２８は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層２８ａと、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層２８ａの表面に一様に塗布されて形成される電極触媒層２８ｂとを有する。アノード側電極３０は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層３０ａと、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層３０ａの表面に一様に塗布されて形成される電極触媒層３０ｂとを有する。

電極触媒層２８ｂ、３０ｂは、固体高分子電解質膜２６の両面に同一の範囲内に形成される。ガス拡散層２８ａ、３０ａは、固体高分子電解質膜２６の両面に同一の範囲内に形成されるとともに、前記ガス拡散層２８ａ、３０ａの各端面位置は、電極触媒層２８ｂ、３０ｂの各端面位置と積層方向に一致する。

固体高分子電解質膜２６は、ガス拡散層２８ａ、３０ａの端部から外方に突出する外周端縁面２６ａ、２６ｂを有する。外周端縁面２６ａ、２６ｂには、第１保護フイルム３２と、第２保護フイルム３３とが接合される。第１及び第２保護フイルム３２、３３は、額縁状を有するとともに、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド樹脂）、ＰＥＥＫ系（ポリエーテルエーテルケトン）、ＰＥＮ（ポリエーテルニトリル）等のエンプラ乃至スーパーエンプラにより構成される。

第１保護フイルム３２の外周端面３２ａは、固体高分子電解質膜２６の外周よりも内方に配置され、前記固体高分子電解質膜２６の一方の外周端縁面２６ａの一部が露呈する。第２保護フイルム３３の外周端面３３ａは、固体高分子電解質膜２６の外周端面と同一位置に設定される。第１保護フイルム３２の厚さＴ１は、第２保護フイルム３３の厚さＴ２よりも肉薄に設定される（Ｔ１＜Ｔ２）。

第２保護フイルム３３は、好ましくは、カソード側電極２８の厚さと略同じ厚さに設定される。すなわち、第２保護フイルム３３の表面からカソード側電極２８を構成するガス拡散層２８ａの表面にわたって段差がなく、同一高さに設定される（図２参照）。なお、第１保護フイルム３２の外周端面３２ａは、第２保護フイルム３３の外周端面３３ａと同一位置に設定されてもよい。

第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６は、例えば、カーボンセパレータにより構成される。なお、第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した縦長形状の金属板により構成してもよい。

図１に示すように、第１セパレータ１４の電解質膜・電極構造体１２に向かう面１４ａには、酸化剤ガス入口連通孔２０ａと酸化剤ガス出口連通孔２０ｂとを連通する酸化剤ガス流路３４が形成される。酸化剤ガス流路３４は、矢印Ｃ方向に延在する複数の流路溝部３４ａを有する。酸化剤ガス流路３４の入口近傍及び出口近傍には、入口バッファ部３６ａ及び出口バッファ部３６ｂが設けられる。

入口バッファ部３６ａと酸化剤ガス入口連通孔２０ａとの間には、複数の入口連結通路３８ａが形成される。出口バッファ部３６ｂと酸化剤ガス出口連通孔２０ｂとの間には、複数の出口連結通路３８ｂが形成される。

図４に示すように、第２セパレータ１６の電解質膜・電極構造体１２に向かう面１６ａには、燃料ガス入口連通孔２２ａと燃料ガス出口連通孔２２ｂとを連通する燃料ガス流路４０が形成される。燃料ガス流路４０は、矢印Ｃ方向に延在する複数の流路溝部４０ａを有するとともに、前記燃料ガス流路４０の入口近傍及び出口近傍には、それぞれ複数のエンボス４１ａ、４１ｂを有する入口バッファ部４２ａ及び出口バッファ部４２ｂが設けられる。

第２セパレータ１６は、燃料ガス入口連通孔２２ａ及び燃料ガス流路４０を連通する複数の供給孔部４４ａと、燃料ガス出口連通孔２２ｂ及び前記燃料ガス流路４０を連通する複数の排出孔部４４ｂとを有する。

第１セパレータ１４の面１４ｂと第２セパレータ１６の面１６ｂとの間には、冷却媒体入口連通孔２４ａと冷却媒体出口連通孔２４ｂとを連通する冷却媒体流路４６が形成される。冷却媒体流路４６は、矢印Ｂ方向に延在する複数の流路溝部４６ａを有するとともに、前記冷却媒体流路４６の入口近傍及び出口近傍には、それぞれ複数のエンボスを有する入口バッファ部４８ａ及び出口バッファ部４８ｂが設けられる。

図１及び図２に示すように、第１セパレータ１４の面１４ａ、１４ｂには、この第１セパレータ１４の外周端縁部を周回して両面に第１シール部材５０が、個別に又は一体に設けられる。第２セパレータ１６の面１６ａ、１６ｂには、この第２セパレータ１６の外周端縁部を周回して両面に第２シール部材５２が、個別に又は一体に設けられる。

第１シール部材５０は、電解質膜・電極構造体１２の外周外方を周回するとともに、酸化剤ガス入口連通孔２０ａ及び酸化剤ガス出口連通孔２０ｂと酸化剤ガス流路３４とを連通する突起部５０ａを有する。

第２シール部材５２は、図２及び図４に示すように、電解質膜・電極構造体１２を構成する固体高分子電解質膜２６の外周端縁面２６ａに沿って当接する内側シール部（内側シール部材）５２ａと、前記電解質膜・電極構造体１２の外方を周回し、第１セパレータ１４と第２セパレータ１６との間に配置される外側シール部（外側シール部材）５２ｂとを有する。

この燃料電池１０において、電解質膜・電極構造体１２を製造する方法について、図５を参照しながら以下に説明する。

先ず、図５中、（ａ）に示すように、固体高分子電解質膜２６の両面には、額縁状の第１保護フイルム３２と第２保護フイルム３３とが配置される。そして、第１保護フイルム３２は、固体高分子電解質膜２６の一方の外周端縁面２６ａに対応して、例えば、アクリル系（フッ素系でもよい）接着剤により貼り付けられる。第２保護フイルム３３は、固体高分子電解質膜２６の他方の外周端縁面２６ｂに対応して、例えば、アクリル系（フッ素系でもよい）接着剤により貼り付けられる（図５中、（ｂ）参照）。

次に、図５中、（ｃ）に示すように、固体高分子電解質膜２６の両面には、フイルムの開口部分に触媒ペーストを塗布することにより、電極触媒層３０ｂ、２８ｂが形成される。電極触媒層３０ｂ、２８ｂは、例えば、イオン導電性成分と、Ｐｔを担持したカーボン粒子からなる触媒粒子とを、一定の割合で混合して触媒ペーストを作成する。さらに、この触媒ペーストを固体高分子電解質膜２６の両面にスクリーン印刷した後、前記触媒ペーストを乾燥させることにより形成される。

そして、図５中、（ｄ）に進み、電極触媒層３０ｂ、２８ｂにガス拡散層３０ａ、２８ａが接合される。具体的には、ガス拡散層３０ａ、２８ａは、電極触媒層３０ｂ、２８ｂに対してホットプレスにより一体化される。なお、ガス拡散層３０ａ、２８ａの周縁部に、アクリル系接着剤を塗布して前記ガス拡散層３０ａ、２８ａを接着してもよい。これにより、電解質膜・電極構造体１２が製造される（図５中、（ｅ）参照）。

次いで、燃料電池１０の動作について、以下に説明する。

図１に示すように、酸化剤ガス入口連通孔２０ａには、酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔２２ａには、水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔２４ａには、純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。

このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔２０ａから第１セパレータ１４の入口連結通路３８ａを通って酸化剤ガス流路３４に導入される。この酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路３４に沿って矢印Ｃ方向（重力方向）に移動し、電解質膜・電極構造体１２のカソード側電極２８に供給される。

一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔２２ａから供給孔部４４ａを通って第２セパレータ１６の面１６ａ側に移動する。燃料ガスは、図４に示すように、燃料ガス流路３６に沿って重力方向（矢印Ｃ方向）に移動し、電解質膜・電極構造体１２のアノード側電極３０に供給される（図１参照）。

従って、電解質膜・電極構造体１２では、カソード側電極２８に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極３０に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費されて発電が行われる。

次いで、電解質膜・電極構造体１２のカソード側電極２８に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔２０ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。一方、電解質膜・電極構造体１２のアノード側電極３０に供給されて消費された燃料ガスは、排出孔部４４ｂを通って第２セパレータ１６の面１６ｂ側に導出される。面１６ｂ側に導出された燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔２２ｂに排出される。

また、冷却媒体入口連通孔２４ａに供給された冷却媒体は、図１に示すように、冷却媒体流路４６に導入される。このため、冷却媒体入口連通孔２４ａから冷却媒体流路４６に供給される冷却媒体は、矢印Ｂ方向に移動して燃料電池１０を冷却した後、冷却媒体出口連通孔２４ｂに排出される。

この場合、第１の実施形態では、図２に示すように、電解質膜・電極構造体１２は、固体高分子電解質膜２６の端部が、ガス拡散層３０ａ、２８ａの端部から外方に突出している。そして、固体高分子電解質膜２６の端部両面である外周端縁面２６ａ、２６ｂに、第１保護フイルム３２及び第２保護フイルム３３が接合されている。

このため、固体高分子電解質膜２６の外周端縁面２６ａ、２６ｂは、第１保護フイルム３２及び第２保護フイルム３３に挟持されて確実に保護される。特に、第２保護フイルム３３の外周端面３３ａは、固体高分子電解質膜２６の外周端面と同一の位置まで延在しており、前記固体高分子電解質膜２６を一層確実に補強することができる。

また、第１保護フイルム３２の厚さＴ１は、第２保護フイルム３３の厚さＴ２よりも肉薄に設定されている。第２保護フイルム３３は、固体高分子電解質膜２６の補強機能を有するため、第１保護フイルム３２は、最小限の厚さに設定可能であるからである。

従って、第１保護フイルム３２側の入口バッファ部４２ａ、出口バッファ部４２ｂ及び燃料ガス流路４０の流路高さを良好に確保することができる。しかも、燃料ガス流路４０の発電部流路での流量分配を均一に近づけることが可能になり、発電性能が向上する。これにより、所望の発電性能を維持しつつ、燃料電池１０全体の薄型化が容易に図られる。

なお、レイアウトによっては、例えば、セパレータの両側にそれぞれ反応ガス流路（燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路）が設けられる構成（冷媒体流路が間引かれる構成）では、第１保護フイルム側にセパレータを介して隣接する第２保護フイルム側の流路を、前記第１保護フイルム側に張り出すことにより、前記第２保護フイルム側の反応ガス流路高さ（深さ）を良好に確保することができる。

さらに、ガス拡散層３０ａ、２８ａは、発電部のみに設けられており、ガス拡散機能を必要としない入口バッファ部４２ａ、３６ａや、ガス導入部及びガス導出部には、第１及び第２保護フイルム３２、３３が設けられている。従って、比較的高価なカーボンペーパやカーボンクロス等の使用量が大幅に削減され、燃料電池１０全体の製造費が良好に削減される。

しかも、ガス拡散層３０ａ、２８ａは、長方形状に設定されるため、例えば、ロール形状のカーボンペーパに下地層を連続且つ全面に塗布した後、所定の長さ毎に切断するだけで、容易に製造することができる。これにより、ガス拡散層３０ａ、２８ａの生産性の向上が図られるとともに、形状が一挙に簡素化されて材料歩留まりが良好に向上し、経済的である。

図６は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池６０の断面説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池１０と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。

燃料電池６０は、電解質膜・電極構造体６２を備える。電解質膜・電極構造体６２を構成するアノード側電極３０の端面位置は、カソード側電極２８の端面位置よりも距離Ｓだけ外方に突出している。

従って、第２の実施形態では、アノード側電極３０の端面位置とカソード側電極２８の端面位置とが、固体高分子電解質膜２６を挟んで積層方向（矢印Ａ方向）に互いにずれている。これにより、特に、固体高分子電解質膜２６に剪断応力が集中することを確実に阻止することが可能になる。

なお、上記の構成に代えて、カソード側電極２８の端面位置を、アノード側電極３０の端面位置よりも距離Ｓだけ外方に突出して構成してもよい。

Claims

電解質膜（２６）の両側に一対のガス拡散層（２８ａ、３０ａ）が配設される電解質膜・電極構造体（１２）を備え、前記電解質膜・電極構造体（１２）とセパレータ（１４、１６）とが積層される燃料電池（１０）であって、
前記電解質膜・電極構造体（１２）は、前記電解質膜（２６）の端部が前記ガス拡散層（２８ａ、３０ａ）の端部から外方に突出するとともに、
前記電解質膜（２６）の前記端部両面は、第１保護フイルム（３２）及び第２保護フイルム（３３）に挟持され、且つ、前記第１保護フイルム（３２）の厚さは、前記第２保護フイルム（３３）の厚さよりも肉薄に設定されることを特徴とする燃料電池。
請求項１記載の燃料電池において、前記第１保護フイルム（３２）の外周は、前記電解質膜（２６）の外周よりも内方に配置され、前記電解質膜（２６）の一方の外周端縁面が露呈することを特徴とする燃料電池。
請求項２記載の燃料電池において、前記第１保護フイルム（３２）の外方に露呈する前記電解質膜（２６）の一方の外周端縁面と一方のセパレータ（１６）との間に配設される内側シール部材（５２ａ）と、
前記電解質膜・電極構造体（１２）の外方を周回し、一対のセパレータ（１４、１６）間に配設される外側シール部材（５２ｂ）と、
を備えることを特徴とする燃料電池。
請求項１記載の燃料電池において、前記第１保護フイルム（３２）は、前記セパレータ（１６）に設けられるバッファ部（４２ｂ）に対向して配設されることを特徴とする燃料電池。
請求項１記載の燃料電池において、前記一対のガス拡散層（２８ａ、３０ａ）の端面位置は、前記電解質膜（２６）を挟んで積層方向に互いにずれていることを特徴とする燃料電池。