JP2006269333A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】発電状態を正確に検出可能な燃料電池を提供する。
【解決手段】ＭＥＡ１３を挟持するアノードセパレータ７、カソードセパレータ８を有する単位セル１を積層した燃料電池１において、単位セル１の電圧を検出する電圧モニターの端子を接続する突起部２８、２９をカソードセパレータ８に設け、隣接する単位セル１の電圧を検出する場合に、電圧モニターの端子を接続する突起部２８、２９が単位セル１の積層方向に重ならないように取り付ける。
【選択図】 図３

Description

本発明は燃料電池用に関するものであり、特に燃料電池用セパレータに関するものである。

燃料電池システムは、燃料が有する化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する装置であり、電解質膜を挟んで設けられた一対の電極のうちアノードに水素を含有する燃料ガスを供給するとともに、他方のカソードに酸素を含有する酸化剤ガスを供給し、これら一対の電極の電解質膜側表面で生じる下記の電気化学反応を利用して電極から電気エネルギーを取り出すものである。各電極では下記（１）（２）反応が行われる。

アノード：Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^-・・・式（１）
カソード：２Ｈ⁺＋２ｅ^-＋（１／２）Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ・・・式（２）
アノードに供給する燃料ガスは、水素貯蔵装置から直接供給する方法、例えばガソリンやアルコール、天然ガス等の燃料を改質した水素含有ガスを供給する方法が知られている。水素貯蔵装置としては、高圧ガスタンク、液化水素タンク、水素吸蔵合金タンク等がある。カソードに供給する燃料ガスとしては、一般的に空気が利用されている。

両極のセパレータとしてグラファイトや樹脂と黒鉛粉末を主成分とした複合材料をプレス成形したカーボン系セパレータを使用していたが、特に移動体への燃料電池の積載を目的とする場合には、小型化とそれに伴う出力密度向上のために、従来のカーボンセパレータを薄型化する試みや、薄型化の容易な金属セパレータの開発が行われている。

薄型を狙ったカーボンセパレータではその厚みが２ｍｍ以下、金属セパレータの場合、板厚さは一般的に０．０５〜０．５ｍｍ程度で使用される場合が多い。

従来、単位セルを多数積層し、隣接する単位セルにセル電圧モニターを接続し、単位セルの電圧を検出するものが特許文献１に記載されている。
特開２００４−０７９１９２号公報

しかし、上記の発明では、隣接する単位セルのプレートに取り付けた電圧端子が、振動などによって他の導電体に接触して短絡するという問題点があった。

本発明は以上の問題を鑑みて実施されるものであり、極めてピッチの小さいセルの積層体において、燃料電池の発電状態を検出する時の短絡の発生を防止することを目的とする。

本発明では、電解質膜を有する膜電極複合体と、膜電極複合体を挟持するセパレータと、備えた単位セルを積層して構成する燃料電池において、セパレータは、単位セルの発電状態を検出する端子を取り付け可能な複数の突起部を備え、単位セルの発電状態を検出する場合に、端子を単位セルの積層方向に重ならない突起部にそれぞれ取り付ける。

また、電解質膜を有する膜電極複合体と、膜電極複合体を挟持するセパレータと、を備えた単位セルを積層して構成する燃料電池において、セパレータは、単位セルの発電状態を検出する端子を取り付け可能な複数の突起部を備え、端子を取り付ける突起部と端子を取り付けない突起部とが単位セルの積層方向で重ならないようにする。

本発明によると、燃料電池の発電状態を検出するための端子と他の導電性部材との接触を防止することができる。

本発明の第１実施形態の燃料電池は単位セル１を例えば１００枚程度積層して構成される。ここでは単位セル１について図１の概略構成図を用いて説明する。

単位セル１は、プロトン伝導性の固体高分子電解質膜（以下、電解質膜とする）２と、電解質膜２を挟持するアノード触媒層３とカソード触媒層４と、アノード触媒層３の外側に設けたアノードガス拡散層５と、カソード触媒層４の外側に設けたカソードガス拡散層６と、を備える。また、アノードガス拡散層５の外側に設けられ、後述する水素流路１１を有するアノードセパレータ７と、カソードガス拡散層６の外側に設けられ、後述する空気流路１２を有するカソードセパレータ８を備える。また、単位セル１を冷却する冷却水が流れる冷却水流路（図示せず）を備える。以下において、電解質膜２とアノード触媒層３とカソード触媒層４とアノードガス拡散層５とカソードガス拡散層６とＭＥＡ１３（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）とする。なお、水素、空気または冷却水がリークしないようにエッジシール（図示せず）などを備える。

アノードセパレータ７、カソードセパレータ８は基板となるＳＵＳ３１６上に金メッキを施した金属プレートを圧縮プレス、または打ち抜き加工によって形成される。また、エッチング加工によってＳＵＳ３１６を加工しても良い。なお、基板としてはＳＵＳ３１６以外の材料、例えばその他のステンレス、銅、アルミニウム、チタンなどの金属材料を用いても良く、これらの金属材料に金メッキなどの耐食性を有する表面処理を行っても良い。また、金属材料に限られず、例えば黒鉛などを用いたカーボンセパレータを用いても良い。

アノードセパレータ７について図２を用いて説明する。図２は単位セル１を構成する電解質膜２側から見たアノードセパレータ７の正面図である。アノードセパレータ７は、電解質膜２と向かい合う面に水素が流れる水素流路１１を備え、水素流路１１に例えば水素ボンベ（図示せず）から水素を供給する水素導入マニホールド２０と、単位セル１における発電反応に使用されなかった水素を水素流路１１から排出する水素排出マニホールド２１を備える。水素流路１１と水素導入マニホールド２０、水素排出マニホールド２１はそれぞれディフューザー２２、２３によって連通する。

また、アノードセパレータ７は、カソードセパレータ８に設けた後述する空気流路１２に空気を導入する空気導入マニホールド２４と、単位セル１における発電反応に使用されなかった空気を空気流路１２から排出する空気排出マニホールド２５と、を備える。さらに、冷却水流路１０に冷却水を導入するための冷却水導入マニホールド２６と、冷却水流路１０から冷却水を排出するための冷却水排出マニホールド２７と、を備える。

カソードセパレータ８について図３を用いて説明する。図３は単位セル１を構成する電解質膜２側から見たカソードセパレータ８の正面図である。カソードセパレータ８は、電解質膜２と向かい合う面に空気が流れる空気流路１２を備え、空気流路１２と空気導入マニホールド２４、空気排出マニホールド２５はそれぞれディヒューザー３０、３１によって連通する。なお、カソードセパレータ８はアノードセパレータ７と同様に、水素導入マニホールド２０と水素排出マニホールド２１と冷却水導入マニホールド２６と冷却水排出マニホールド２７と、を備える。

水素流路１１と空気流路１２は例えば直線形状の流路であり、単位セル１を構成する場合に水素流路１１と空気流路１２とが平行となるように配設される。また水素流路１１と空気流路１２は直線形状に限られず、直線部と折り返し部からなるサーペンタイン形状などでもよい。

また、カソードセパレータ８は、単位セル１を積層した場合に燃料電池の側面を構成するカソードセパレータ８の面（以下、側面とする）８ａに単位セル１の発電状態を検出する電圧モニターの端子（図示せず）を接続するための突起部２８、２９を備える。突起部２８、２９はカソードセパレータ８の側面８ａから突出しており、突起部２８と突起部２９の間には所定の間隔を設ける。突起部２８、２９の突出量は１ｍｍ〜１０ｍｍとする。これはカソードセパレータ８に金属セパレータを用いると、カソードセパレータ８の単位セル１積層方向の厚さが薄いために振動などによって隣接する単位セル１の突起部２８、２９が接触し、短絡するのを防止するためであり、電圧モニターの端子が外れず、さらに短絡を防止する突出量とする。突起部２８、２９には電圧モニターの端子が外れにくいように例えば波形部などを設けることが望ましい。

隣接する単位セル１間の電圧を測定する場合に、カソードセパレータ８に端部に突起部２８、２９を設け、一方の単位セル１には電圧モニターの端子を突起部２８に接続し、もう一方の単位セル１には電圧モニターの端子を突起部２９に接続する。隣接する単位セル１間の電圧を検出する場合に、電圧モニターの端子を突起部２８、２９に交互に接続することで、電圧モニターの端子間の接触を防止することができる。

また、電圧モニターの端子を接続しない突起部２８、２９を切断しても良い。さらに電圧モニターの端子を接続しない突起部２８、２９を絶縁部材によって被膜しても良い。これにより、突起部２８、２９の接触による単位セル１の短絡をさらに防止することができる。

カソードセパレータ８の同一の側面８ａに突起部２８、２９を設けたが、例えば図４に示すようにカソードセパレータ４０の１つの側面４０ａに１つの突起部４１を設け、異なる側面４０ｂにもう一方の突起部４２を設けても良い。また、突起部の数は２つに限られることはなく、例えば３つなど複数の突起部を有すればよい。なお、図４において図３と同一の構成であるものには同一の番号を付している（以下、同様とする）。

また、カソードセパレータ８に電圧モニターの端子と接続するための突起部２８、２９を設けたが、アノードセパレータ７に設けても良い。

本発明の第１実施形態の効果について説明する。

カソードセパレータ８に突起部２８、２９を設け、隣接する単位セル１の電圧を検出する場合に電圧モニターの端子を一方の単位セル１の突起部２８と、もう一方の単位セル１の突起部２９とに接続する。これにより、隣接する単位セル１に接続した電圧モニターの端子間の接触を防止することができ、単位セル１の電圧を正確に検出することができる。

次に本発明の第２実施形態について図５、図６を用いて説明する。この実施形態では、カソードセパレータ５０、アノードセパレータが第１実施形態と異なっており、ここではカソードセパレータ５０について説明する。その他の構成については第１実施形態と同じ構成なので、ここでの説明は省略する。

図５はカソードセパレータ５０を単位セルを構成する電解質膜２側から見た正面図である。この実施形態は同一形状のセパレータをアノードセパレータとカソードセパレータとして使用する。ここではカソードセパレータ５０について説明し、アノードセパレータについては説明を省略する。

カソードセパレータ５０の１つの側面（第１の面）５０ａに突起部（第１の突起部）５１を設け、側面５０ａと対峙する、つまり側面５０ａの反対側に位置する側面（第２の面）５０ｃに突起部（第２の突起部）５２を設ける。突起部５１と突起部５２との位置関係は、突起部５１を側面５０ａの端部に設け、突起部５２をカソードセパレータ５０の中心点（図５中、Ｏ点）に対する点対称とならない側面５０ｃの端部に設ける。すなわち、単位セルの積層方向の中心軸に対してカソードセパレータ５０を１８０°回転させた場合に、回転後の突起部５１と回転前の突起部５２とが重ならないように突起部５１、５２を設ける。

図６は単位セルを複数積層した積層体６０の概略構成図である。図６においては水素導入マニホールド２０などを省略する。この実施形態では単位セルを複数積層し、積層した単位セルの或る所定の数を１つのブロック５３としてブロック５３の電圧を検出する。単位セルを積層する場合に、電圧モニターの端子を接続するカソードセパレータ５０（以下において、電圧モニターの端子を接続するカソードセパレータ５０については添え字ｅを付す）の突起部５１ｅ、５２ｅの向きが、他のカソードセパレータ５０（以下において、電圧モニターの端子を接続しないカソードセパレータ５０については添え字ｆを付す）の突起部５１ｆ、５２ｆの向きと反対方向となるように積層する。すなわちカソードセパレータ５０ｆに対してカソードセパレータ５０ｅを、Ｏ点を中心に１８０°回転させて積層する。

また、アノードセパレータの突起部と突起部５１ｆ，５２ｆとは単位セルの積層方向に重なるように積層する。

つまり、単位セルを積層した場合に、突起部５１ｅ、５２ｅと、突起部５１ｆ、５２ｆとアノードセパレータの突起部とは、単位セルの積層方向に重ならないように積層体６０を構成する。これにより電圧モニターの端子を例えば突起部５１ｅに接続する場合に、電圧モニターの端子を接触させることなく各ブロック５３の発電状態を検出することができる。

なお、突起部５１ｅ、５２ｅは、単位セルを積層したときに、突起部５１ｅ、５２ｅが突起部５１ｆ、５２ｆまたはアノードセパレータの突起部と積層方向に重ならないように配置すればよく、図５の形状に限られるものではない。

本発明の第２実施形態の効果について説明する。

複数の単位セルを１つのブロック５３として、ブロック５３間の電圧を電圧モニターによって検出する場合に、突起部５１ｅと、突起部５１ｆ、５２ｆとアノードセパレータの突起部と、が単位セルの積層方向に重ならないようにカソードセパレータ５０ｅを配置し、積層体６０を構成する。これにより電圧モニターの端子を接続する突起部５１ｅの間隔を十分に取ることができ、電圧モニターの端子がそれぞれ接触することなくブロック５３の電圧を検出することができる。また、電圧モニターの端子とアノードセパレータの突起部との接触を防止することができ、ブロック５３の電圧をより正確に検出することができる。

同一形状のセパレータをアノードセパレータ７またはカソードセパレータ８として使用することができ、コストを削減することができる。

次に本発明の第３実施形態について図７を用いて説明する。この実施形態は第２実施形態からアノードセパレータ６５の形状が異なっており、ここではアノードセパレータ６５について説明する。図７はアノードセパレータ６５を単位セルを構成する電解質膜２側から見た正面図である。

アノードセパレータ６５は、側面６５ａに突起部６６を設ける。なお、この突起部６６は図５に示すカソードセパレータ５０の突起部５１、５２と単位セルの積層方向に重ならない位置とする。その他の構成については第１実施形態の図２に示すアノードセパレータ７と同じ構成なので、ここでの説明は省略する。なお、アノードセパレータ６５の中心点を図７中にＯ点として示す。

図８は単位セルを積層した積層体６７の概略構成図である。図８においては水素導入マニホールドなどを省略する。また、図８では電圧モニターの端子を接続するカソードセパレータ５０とアノードセパレータ６５に添え字ｅを付す。この実施形態では電圧モニターの端子を接続する単位セルのカソードセパレータ５０とアノードセパレータ６５の向きを、電圧モニターの端子を接続しない単位セルのカソードセパレータ５０とアノードセパレータ６５の向きと反対方向となるように積層体６７を構成する。すなわち電圧モニターの端子を接続しないカソードセパレータ５０、アノードセパレータ６５に対してカソードセパレータ５０ｅ、アノードセパレータ６５ｅを、Ｏ点を中心にそれぞれ１８０°回転させて積層する。

これにより、単位セルの電圧を検出する際に突起部５１ｅと突起部６６ｅに電圧モニターの端子を接続し、電圧モニターの端子の接触させることなく単位セルの電圧を検出することができる。

なお、積層した単位セルの或る所定の数を１つのブロックとして、ブロック間の電圧を検出する場合にもこの実施形態のアノードセパレータ６５、カソードセパレータ５０を使用することで、比較的少ない単位セルを１つのブロックとして電圧モニターの端子の接触させることなく電圧を検出することができる。

本発明の第３実施形態の効果について説明する。

この実施形態では、アノードセパレータ６５の側面６５ａに突起部６６を設け、突起部６６の位置をカソードセパレータ５０の突起部５１、５２と単位セルの積層方向に重ならない位置とする。単位セルを積層した積層体６７において、電圧を検出する単位セルの方向をその他の単位セルの方向と反対方向として積層する。これによって電圧モニターの端子を接続する場合に電圧モニターの端子が接触することを防止し、単位セルの電圧を正確に検出することができる。

次に本発明の第４実形態について図９を用いて説明する。図９（ａ）はＭＥＡ１４の単位セル８０積層方向の正面図であり、図９（ｂ）は図９（ａ）のＡ−Ａ断面図である。

この実施形態では、水素と空気中の酸素が発電反応を起こす発電領域７０以外の電解質膜２の主面を覆う樹脂部材７１を備える（以下、第１実施形態のＭＥＡ１３と、樹脂部材７１を含めてここではＭＥＡ１４とする）。発電領域７０は、アノード触媒層３、アノードガス拡散層５、カソード触媒層４、カソードガス拡散層６を配置する領域を示す。

樹脂部材７１は、耐熱性、耐酸性、耐スチーム性の樹脂で構成され、燃料電池の作動環境下においても劣化しない部材であればよい。これにより、発電領域７０以外の酸性を示す電解質膜２の露出を防止し、単位セル８０の劣化を抑制することができる。また、樹脂部材７１は電気的に絶縁性能を有する樹脂である。

また、樹脂部材７１は突出部７２、７３を備え、突出部７２、７３はカソードセパレータ８の突起部２８、２９と略同一の形状である。つまり、ＭＥＡ１４の外形状（外縁）は、カソードセパレータ８の外形状（例えば、図２に示すカソードセパレータ８の外縁）と略同一形状であり、単位セル８０の積層方向に対して、カソードセパレータ８の突起部２８、２９と突出部７２、７３とが重なるように樹脂部材７１を構成する。

図１０はこの実施形態の単位セル８０を積層した燃料電池の概略分解図である。単位セル８０の積層方向に対して突起部２８、２９を有するカソードセパレータ８の外形状と重なるように突出部７２、７３を有する絶縁性の樹脂部材７１を設ける、つまり突起部２８、２９と突出部７２、７３とが単位セル８０の積層方向に重なるように積層するので、振動などにより突起部２８、２９が振動、または変形した場合でも隣接する単位セル８０における突起部２８、２９の接触を防止することができ、単位セル８０の電圧を正確に検出することができる。なお、突出部７２、７３を突起部２８、２９よりも大きくしても良い。これにより隣接する単位セル８０において突起部２８、２９の接触を更に防止することができる。

本発明の第４実施形態の効果について説明する。

電解質膜２に突出部７２、７３を有する樹脂部材７１を設け、樹脂部材７１の外形状を突起部２８、２９を有するカソードセパレータ８の外形状と略同一形状とする。これにより単位セル８０を積層した場合に隣接する単位セル８０間の突起部２８、２９の接触を突出部７２、７３によって防止し、単位セル８０の電圧を正確に検出することができる。

樹脂部材７１を耐熱性、耐酸性、耐スチーム性の絶縁樹脂で構成し、電解質膜２の主面を覆うので、単位セル８０の劣化を抑制することができる。また、電解質膜２に樹脂部材７１を設けることで、単位セル８０を積層した場合にＭＥＡ１４の強度を高くすることができる。

本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内でなしうるさまざまな変更、改良が含まれることは言うまでもない。

燃料電池を搭載した燃料電池車両に利用することができる。

本発明の第１実施形態の単位セルの概略構成図である。 本発明の第１実施形態のアノードセパレータの概略構成図である。 本発明の第２実施形態のカソードセパレータの概略構成図である。 本発明のカソードセパレータの変更例を示す概略構成図である。 本発明の第２実施形態のカソードセパレータの概略構成図である。 本発明の第２実施形態の単位セルを積層した積層体の概略構成図である。 本発明の第３実施形態のアノードセパレータの概略構成図である。 本発明の第３実施形態の単位セルを積層した積層体の概略構成図である。 本発明の第４実施形態のＭＥＡの概略構成図である。 本発明の第４実施形態の燃料電池の概略分解図である。

符号の説明

１、８０ 単位セル
２ 電解質膜
７、６５ アノードセパレータ
８、４０、５０ カソードセパレータ
１３、１４ ＭＥＡ（膜電極複合体）
２８、２９、４１、４２ 突起部
５０ａ 側面（第１の面）
５０ｂ 側面（第２の面）
５１ 突起部（第１の突起部）
５２ 突起部（第２の突起部）
７１ 樹脂部材（絶縁樹脂部材）
７２、７３ 突出部

Claims (4)

1. 電解質膜を有する膜電極複合体と、
   前記膜電極複合体を挟持するセパレータと、備えた単位セルを積層して構成する燃料電池において、
   前記セパレータは、前記単位セルの発電状態を検出する端子を取り付け可能な複数の突起部を備え、
   前記単位セルの前記発電状態を検出する場合に、前記端子を前記単位セルの積層方向に重ならない前記突起部にそれぞれ取り付けることを特徴とする燃料電池。
2. 電解質膜を有する膜電極複合体と、
   前記膜電極複合体を挟持するセパレータと、を備えた単位セルを積層して構成する燃料電池において、
   前記セパレータは、前記単位セルの発電状態を検出する端子を取り付け可能な複数の突起部を備え、
   前記端子を取り付ける前記突起部と前記端子を取り付けない前記突起部とが前記単位セルの積層方向で重ならないこと特徴とする燃料電池。
3. 前記セパレータは、２つの前記突起部を有し、
   第１の突起部は、前記セパレータの前記単位セルの積層方向と平行な第１の面に設け、
   第２の突起部は、前記第１の面と対峙する第２の面に設け、
   前記単位セルの積層方向と平行な前記セパレータの中心線を軸として１８０°回転した場合に、回転前の前記第１の突起部と回転後の前記第２の突起部とは重ならない位置に前記第１の突起部と前記第２の突起部とを設けることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
4. 前記膜電極複合体の発電領域以外の前記電解質膜の主面上に形成し、前記突起部と略同一形状の突出部を有する電気的絶縁部材を備え、
   前記突起部と前記突出部とが、前記単位セルの積層方向で重なることを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の燃料電池。

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