JPWO2017221699A1 - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

電解質膜と、上記電解質膜の一方面に位置するカソードと、上記電解質膜の他面に位置するアノードと、上記カソードの上記電解質膜と異なる面に位置するカソード側シール材と、上記アノードの上記電解質膜と異なる面に位置するアノード側シール材と、上記カソード側シール材の上記カソードと異なる面に位置するカソード側セパレータと、上記アノード側シール材の上記アノードと異なる面に位置するアノード側セパレータと、を含み、上記アノード側セパレータは、上記アノード側シール材と積層される面に突起部を有する、または、上記カソード側セパレータは、上記カソード側シール材と積層される面に突起部を有する燃料電池を用いる。

Description

本発明は、燃料電池を構成するセパレータに関する。特に、セパレータの２枚のプレート間が、繊維シートと樹脂とを含むシート材料から形成された燃料電池に関するものである。

燃料電池は、水素を含有する燃料ガスと、空気など酸素を含有する酸化剤ガスとを電気化学的に反応させる。このことで、燃料電池は、電力と熱とを同時に発生させる。図９は、従来の燃料電池である高分子電解質型燃料電池の単セルの基本構成を示す分解斜視図である。基本的には、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜１、及び、高分子電解質膜１の両面に形成された一対の電極、すなわち、アノード７とカソード６から構成される。

これらの電極は、白金族金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とし、高分子電解質膜１の表面に形成される燃料側触媒層３および酸化剤側触媒層２と、および、それらの外面にそれぞれ配置される通気性と電子導電性を併せ持つ酸化剤側ガス拡散層４，燃料側ガス拡散層５とを含む。

高分子電解質膜１と酸化剤側触媒層２と燃料側触媒層３との接合対は、Ｃａｔａｌｙｓｔ Ｃｏａｔｅｄ Ｍｅｍｂｒａｎｃｅ ＣＣＭ（以降、「ＣＣＭ」とする）と呼ばれる。

酸化剤側触媒層２，燃料側触媒層３に供給されるガスの外部へのリークおよび燃料ガスと酸化剤ガスとの混合を防止するために、アノード７とカソード６の周囲には、高分子電解質膜１を挟んでシール部材１１が配置されている。周縁部がシール部材１１で挟持されたＣＣＭまたはこれに燃料側ガス拡散層５および酸化剤側ガス拡散層４を接合した接合体は、電解質膜電極接合体（以降、「ＭＥＡ」とする）と呼ばれる。

ＭＥＡ１２の両側には、ＭＥＡ１２を機械的に挟み込んで固定するとともに、隣接するＭＥＡ１２を互いに電気的に直列に接続するための導電性のセパレータ１０がそれぞれ配置される。各々のセパレータ１０においてＭＥＡ１２と接触する部分には、アノード７に燃料ガスを、カソード６に酸化剤ガスなどの反応ガスを供給し、生成水又は余剰ガスを運び去るための燃料側流路溝８、酸化剤側流路溝９が形成される役割を有することもある。

ＭＥＡ１２は、発電機能を有する最小単位であり、一対のセパレータ１０で挟持されることにより、単電池モジュールを構成する。セパレータ１０としては、耐食性に優れる材料が適し、例えばステンレス鋼が用いられる。一方、特許文献１では、車載用の燃料電池の機械的強度、軽量性を確保する観点から、セパレータ１０に、繊維シートと樹脂との複合材であるプリプレグを使用することを提案している。

特開２００５−３３９９５４号公報

プリプレグは、繊維シートに樹脂を含浸することにより得られ、生産性に優れるとともに、耐衝撃性に優れた部材を形成する。しかし、繊維シートを構成する繊維間に完全に樹脂を含浸することは困難であり、繊維間に微細な空隙が形成されやすい。そのため、プリプレグによりガスシール性を必要とする部材を形成すると、水素や空気が、空隙を介して燃料電池の外部へリークすることがある。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、繊維シートと樹脂との複合材を燃料電池用シール部材として用いる場合に、燃料電池の外部へのガスリークを抑制した高分子電解質型燃料電池を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、電解質膜と、上記電解質膜の一方面に位置するカソードと、上記電解質膜の他面に位置するアノードと、上記カソードの上記電解質膜と異なる面に位置するカソード側シール材と、上記アノードの上記電解質膜と異なる面に位置するアノード側シール材と、上記カソード側シール材の上記カソードと異なる面に位置するカソード側セパレータと、上記アノード側シール材の上記アノードと異なる面に位置するアノード側セパレータと、を含み、上記アノード側セパレータは、上記アノード側シール材と積層される面に突起部を有する、または、上記カソード側セパレータは、上記カソード側シール材と積層される面に突起部を有する燃料電池を用いる。

以上のように、本発明によれば、突起部が繊維シートと接し、繊維シートを押圧することにより、繊維間の微細な空隙が低減し、外部へのリークを低減する燃料電池を提供することができる。

図１は、実施の形態１における燃料電池の分解斜視図である。 図２は、実施の形態１における燃料電池のセパレータ側からみたセパレータ、ブリッジプレート、ガス拡散層の平面配置および、ガス拡散層側から見たセパレータが有する突起部の配置の模式図である。 図３は、図２のＡ−Ａ線の部分断面図である。 図４は、図２のＢ−Ｂ線の部分断面図である。 図５は、実施の形態１における燃料電池の部分断面図（図２のＢ−Ｂ線の断面図）である。 図６は、実施の形態２における燃料電池のセパレータと外側シール部材の接合前の部分配置の模式図である。 図７は、実施の形態３における燃料電池のセパレータ側から見たセパレータとブリッジプレートとガス拡散層と外側シール部材の配置の模式図である。 図８は、実施の形態３における外側シール部材の部分模式図である。 図９は、従来の燃料電池の基本構成を示す分解斜視図である。

以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。図９と同じ符号の要素は、再度の説明を省略する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１にかかる燃料電池の一例である燃料電池１００の構造を、一部を分解して模式的に示す斜視図である。図１に示すように、燃料電池１００は、単電池モジュール２００（セル）を挟持する一対のセパレータ３００Ａと３００Ｂを具備する。

＜単電池モジュール２００＞
単電池モジュール２００は、燃料ガスと酸化剤ガスとが反応し、電気化学的に反応させ、電力と熱とを同時に発生させるものである。単電池モジュール２００は、中央の配置されたＣＣＭ３０と、ＣＣＭ３０の両側にそれぞれ燃料側触媒層３２Ａ（図では隠れている）と酸化剤側触媒層３２Ｂを覆うように配置された燃料側ガス拡散層４０Ａおよび酸化剤側ガス拡散層４０Ｂとを具備している。

燃料側ガス拡散層４０Ａおよび酸化剤側ガス拡散層４０Ｂは、それぞれの電極に燃料ガス又は酸化剤ガスなどの反応ガスを供給し、生成水又は余剰ガスを運び去るものである。

ＣＣＭ３０は、中央領域３１Ｘと、中央領域３１Ｘを囲む周縁部３１Ｙとを有する電解質膜３１と、中央領域３１Ｘの下側の表面に接合された燃料側触媒層３２Ａと、中央領域３１Ｘの上側の表面に接合された酸化剤側触媒層３２Ｂと、を有する。

燃料側触媒層３２Ａは、アノード（燃料極）として機能し、酸化剤側触媒層３２Ｂはカソード（酸化剤極）として機能する。

ＣＣＭ３０の燃料側触媒層３２Ａに燃料ガス、酸化剤側触媒層３２Ｂに酸化剤ガスを供給すると、アノード側では、水素分子を水素イオンと電子に分解するアノード反応（式１）が起こる。カソード側では、酸素と水素イオンと電子から水を生成するカソード反応（式２）が起こる。全体として式３の反応をし、発電が行われる。

Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻・・・・（式１）
２Ｈ^＋＋（１／２）Ｏ_２→Ｈ_２Ｏ・・・・（式２）
Ｈ_２＋（１／２）Ｏ_２→Ｈ_２Ｏ・・・・（式３）
図１の例では、一対のシール部材６０Ａ、６０Ｂは、それぞれが２層のパーツで構成されている。すなわち、シール部材６０Ａ、６０Ｂは、それぞれ、外側シール部材１５Ａ、外側シール部材１５Ｂと、内側シール部材２０Ａ、内側シール部材２０Ｂとを具備する。このように、シール部材６０Ａ，６０Ｂを２層以上のパーツで構成する場合、全てのパーツを、繊維シートと、繊維シートに含浸された樹脂とを含む材料で形成する必要はない。

シール部材６０Ａにおいて、外側シール部材１５Ａは、セパレータ３００Ａに接触または接合される。内側シール部材２０Ａは、スペーサとなるブリッジプレート５０Ａ、５０Ｂを介して、セパレータ３００Ａに対向するように配置され、電解質膜３１の周縁部３１Ｙと接触または接合される。

他方のシール部材６０Ｂにおいても、同様に、外側シール部材１５Ｂはセパレータ３００Ｂに接触または接合され、内側シール部材２０Ｂは、ブリッジプレート５０Ｃ、５０Ｄを介して、セパレータ３００Ｂに対向するように配置され、電解質膜３１の周縁部３１Ｙと接触または接合される。

内側シール部材２０Ａ、２０Ｂは、燃料ガスまたは酸化剤ガスが、電解質膜３１をクロスリークするのを防止するために、電解質膜３１の周縁部３１Ｙのできるだけ多くの面を覆っていることが望ましい。

一方、外側シール部材１５Ａ、外側シール部材１５Ｂは、それぞれ一対のブリッジプレート５０Ａ、ブリッジプレート５０Ｂまたはブリッジプレート５０Ｃ、ブリッジプレート５０Ｄを収容するためのスペースであるループ１４を内側に有している。

ブリッジプレート５０Ａ〜５０Ｄは、燃料側ガス拡散層４０Ａ及び燃料側触媒層３２Ａで構成されるアノード７０Ａ、または、酸化剤側ガス拡散層４０Ｂ及び酸化剤側触媒層３２Ｂで構成されるカソード７０Ｂを、マニホールド３１０Ａ、３２０Ａ、３１０Ｂ、３２０Ｂが配置された一対の端部側から挟むように対で配置される。各々のブリッジプレート５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ、５０Ｄの表面には凹凸が形成されており、所定のマニホールド３１０Ａ、３２０Ａ、３１０Ｂ、３２０Ｂから供給されたガスが、ブリッジプレート５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ、５０Ｄとセパレータ３００Ａ、３００Ｂとで形成される隙間を通過して燃料側触媒層３２Ａおよび酸化剤側触媒層３２Ｂに到達できるようになっている。

アノード７０Ａを構成する燃料側触媒層３２Ａの触媒金属としては、Ｐｔ−Ｒｕ合金等を用いることができる。カソード７０Ｂを構成する酸化剤側触媒層３２Ｂの触媒金属としては、Ｐｔ、Ｐｔ−Ｃｏ合金等を用いることができる。触媒金属は、導電性粉体に担持してもよい。導電性粉体としては、例えばカーボンブラックを用いることができる。

燃料側ガス拡散層４０Ａおよび酸化剤側ガス拡散層４０Ｂには、導電性多孔質基材を用いることができる。導電性多孔質基材は、カーボンブラック、黒鉛、炭素繊維などの炭素質材料から形成することが好ましい。燃料側ガス拡散層４０Ａおよび酸化剤側ガス拡散層４０Ｂには、溝またはリブを設けてガス流路を形成してもよい。流路の形状は特に限定されず、パラレル型、サーペンタイン型などに形成すればよい。

電解質膜３１は、水素イオン伝導性を有する高分子電解質のシートであればよいが、高分子電解質は、耐熱性と化学的安定性に優れることが望ましい。高分子電解質としては、パーフルオロカーボンスルホン酸系高分子等が挙げられる。パーフルオロカーボンスルホン酸系高分子としては、例えばＮａｆｉｏｎ（登録商標）が挙げられる。アノードおよびカソードに含まれる高分子電解質にも、上記の材料を用いることができる。

＜セパレータ３００Ａと３００Ｂ＞
セパレータ３００Ａと３００Ｂは、単電池モジュール２００を機械的に挟み込んで固定する。さらに、セパレータ３００Ａと３００Ｂは、隣接する単電池モジュール２００を、お互いに電気的に直列に接続するためのものである。セパレータ３００Ａと３００Ｂは、アノード７０Ａおよびカソード７０Ｂにガスを供給し、生成する水と余剰ガスを運び去る経路としての役割も有する。

セパレータ３００Ａと３００Ｂは、気密性、電子伝導性および電気化学的安定性を有すればよく、材質は特に限定されない。セパレータ３００Ａと３００Ｂの内面（燃料側ガス拡散層４０Ａと酸化剤側ガス拡散層４０Ｂに対向する面）には、ガス流路を形成してもよい。

図２、図３、図４、図５は、本発明の実施の形態１における燃料電池１００を説明するための図である。具体的には、図２は燃料電池１００をセパレータ３００Ｂ側からみた平面図であり、ブリッジプレート５０Ｃ、５０Ｄの存在する位置を破線で、酸化剤側ガス拡散層４０Ｂの存在する位置を２点破線で示している。

図２の楕円枠Ｃにはセパレータ３００Ｂを、酸化剤側ガス拡散層４０Ｂ側から見て、セパレータ３００Ｂに具備されている突起部３０１Ｂを図示している。なお、突起部３０１Ｂの個数は一例であるが、これに限ったものではない。

突起部３０１の位置は、マニホールド３１０Ｂより内側にあった方が、好ましい。なぜなら、マニホールド３１０Ｂと他の部分との気密性を確保するためである。

突起部３０１の範囲は、外側シール部材１５Ｂとセパレータ３００Ｂとが接合する位置の、全体にあるのがこの好ましい。長方形形状のセパレータ３００Ｂの全周に、突起部３０１があるのが好ましい。

突起部３０１の高さは、外部シール剤１５Ｂの厚さの１０分の１から３分の１程度が好ましい。

突起部３０１は、繊維を押えるため、先端に平面を有する柱状体がよい。つまり、突起部３０１は、立方体、直方体、円柱台、四角柱台、円錐台、四角錘台などが好ましい。

図３は、図２のＡ−Ａ断面図である。外側シール部材１５Ｂとセパレータ３００Ｂが接合する位置に、セパレータ３００Ｂに突起部３０１Ｂが配置されている。同様に、外側シール部材１５Ａとセパレータ３００Ａが接する位置に、セパレータ３００Ａに突起部３０１Ａが配置されている。図３において、突起部３０１Ｂと突起部３０１Ａとの配置関係は、図３の配置に限定されるものではない。

図４および図５は、図２のＢ−Ｂ線の部分断面図であり、図４はセパレータ３００Ｂと外側シール部材１５Ｂが接合される前の状態を、図５は、セパレータ３００Ｂと外側シール部材１５Ｂが接合された後の状態を示している。

図４で、外側シール部材１５Ｂは、燃料電池１００の内側から外側に向かう第一の方向の繊維束１６Ｂと、第一の方向と垂直に交わる第二の方向の繊維束１７Ｂと、繊維束１６Ｂと繊維束１７Ｂとを含浸する樹脂１８Ｂとから構成されている。ただし、交わる角度は、垂直が好ましいが、垂直に限定されない。

突起部３０１Ｂの幅Ｗ１と第一方向の複数の繊維束１６Ｂの幅Ｗ２との関係は、幅Ｗ１は、幅Ｗ２以上が好ましい。

かかる構成によれば、燃料電池１００を組み立てる過程で、単電池モジュール２００を１対のセパレータ３００Ａとセパレータ３００Ｂで挟持し加熱、加圧した時、図５に示すように、突起部３０１Ｂが繊維束１６Ｂを確実に押圧する。このことにより、繊維間に存在する微細な空隙が押し出されて低減することとなる。結果、燃料電池１００内に供給された燃料ガスまたは酸化剤ガスの一部が、燃料電池１００の内側から外側へと通りリークしてしまう現象を低減することができる。

（実施の形態２）
図６を用いて実施の形態２の燃料電池１００ａを説明する。図６は、燃料電池１００ａにおいて、図４と同じ位置の断面図であり、図４より広い範囲を示している。図６は、実施の形態２における燃料電池１００ａのセパレータ３００Ｂが有する突起部２０１Ｂと、外側シール部材１５Ｂの有する繊維束１６Ｂとの配置を示す断面図である。記載しない事項は実施の形態１と同様である。図６において、図４と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。

隣接する突起部２０１ＢのピッチＷＢ１が、繊維束１６Ｂ間のピッチＷＢ２と一致する。さらに、突起部２０１Ｂの配置が、繊維束１６Ｂの配置と一致すると好ましい。このことにより、繊維間に存在する微細な空隙をより確実に低減することができる。

突起部２０１Ｂと繊維束１６Ｂとの重複する部分の長さは、特に限定されないが、繊維束１６Ｂの幅Ｗ２の５０％以上が好適である。

（実施の形態３）
図７と図８を用いて実施の形態３の燃料電池１００ｃを説明する。図７は、実施の形態３における燃料電池側のセパレータ３００Ｂから外側シール部材１５Ｂをみた配置平面図を示している。

図８は、図７の領域Ｄの部分の外側シール部材１５Ｂの部分平面図である。外側シール部材１５Ｂの有する繊維束１６Ｃおよび１７Ｃの一部を二点破線で示している。外側シール部材１５Ｂの有する繊維束１６Ｃの配向方向が、外側シール部材１５Ｂが有するループ１４（開口）の内側から外側へと向かう方向（図８の矢印）に対して、角度θ１が４５°の角度を成す。外側シール部材１５Ｂの有する繊維束１７Ｃの配向方向が、繊維束１６Ｂの方向に対して垂直な方向を成している。つまり、角度θ２も４５℃である。なお、角度θ１、θ２は、３０°〜６０°であることが好ましい。角度θ１、θ２は燃料電池の外周の辺に対する角度であるとも言える。なお、図８の繊維の配向方向と、図６の繊維の方向とは、異なる。別の実施の形態である。

かかる構成によれば、繊維間に微細な空隙が存在しても、ループ１４の内側から外側までの距離が長くなることで、より確実にリークが低減できることを特徴としている。ここで、距離が長くなるとは、繊維に沿う距離である。

（全体として）
上記実施の形態は組み合わせることができる。

上記は、カソード側、アノード側の少なくとも１方において、実施されればよい。両方で実施されると好ましい。

つまり、本実施の形態では、外側シール部材１５Ｂを用いて説明したが、これは例示であって、外側シール部材１５Ａにも適用できる。さらに、内側シール部材２０Ａ、２０Ｂなどが繊維シートを有するシール部材である場合にも適用できる。

本発明の燃料電池は、家庭用コージェネレーションシステム用電源や、ポータブル電源、車両用電源として用いることができる。

１ 高分子電解質膜
２ 酸化剤側触媒層
３ 燃料側触媒層
４ 酸化剤側ガス拡散層
５ 燃料側ガス拡散層
６ カソード
７ アノード
８ 燃料側流路溝
９ 酸化剤側流路溝
１０ セパレータ
１１ シール部材
１４ ループ
１５Ａ 外側シール部材
１５Ｂ 外側シール部材
１６Ｂ，１６Ｃ 繊維束
１７Ｂ，１７Ｃ 繊維束
１８Ｂ 樹脂
２０Ａ 内側シール部材
２０Ｂ 内側シール部材
３０ ＣＣＭ
３１ 電解質膜
３１Ｘ 中央領域
３１Ｙ 周縁部
３２Ａ 燃料側触媒層
３２Ｂ 酸化剤側触媒層
４０Ａ 燃料側ガス拡散層
４０Ｂ 酸化剤側ガス拡散層
５０Ａ ブリッジプレート
５０Ｃ ブリッジプレート
６０Ａ シール部材
６０Ｂ シール部材
７０Ａ アノード
７０Ｂ カソード
Ｗ１，Ｗ２ 幅
ＷＢ１，ＷＢ２ ピッチ
１００，１００ａ，１００ｂ 燃料電池
２００ 単電池モジュール
２０１Ｂ 突起部
３００Ａ セパレータ
３００Ｂ セパレータ
３０１Ａ 突起部
３０１Ｂ 突起部
３１０Ａ マニホールド

Claims (6)

1. 電解質膜と、
   前記電解質膜の一方面に位置するカソードと、
   前記電解質膜の他面に位置するアノードと、
   前記カソードの前記電解質膜と異なる面に位置するカソード側シール材と、
   前記アノードの前記電解質膜と異なる面に位置するアノード側シール材と、
   前記カソード側シール材の前記カソードと異なる面に位置するカソード側セパレータと、前記アノード側シール材の前記アノードと異なる面に位置するアノード側セパレータと、を含み、
   前記アノード側セパレータは、前記アノード側シール材と積層される面に突起部を有する、または、前記カソード側セパレータは、前記カソード側シール材と積層される面に突起部を有する燃料電池。
2. 前記カソード側シール材または前記アノード側シール材は、繊維と樹脂を含む請求項１記載の燃料電池。
3. 前記繊維は、複数の繊維が集まった第一繊維束と第二繊維束とを有し、
   前記第一繊維束が配向する第一方向と前記第二繊維束が配向する第二方向とは異なる請求項２記載の燃料電池。
4. 前記突起部、前記第一繊維束、前記第二繊維束は、それぞれ複数あり、
   前記複数の突起部のピッチは、前記複数の第一繊維束、または、前記複数の前記第二繊維束のピッチと等しい請求項３記載の燃料電池。
5. 前記第一方向と前記第二方向とは、垂直である請求項３または４に記載の燃料電池。
6. 前記第一方向、または、前記第二方向は、燃料電池の外周の辺に対して、３０度から６０度の角度をなす請求項３から５のいずれか１項に記載の燃料電池。