JP2011150853A - 固体高分子型燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単且つ経済的な構成で、電解質膜の下端部近傍に水が集中して滞留することを阻止することができ、前記電解質膜の膨潤による劣化を可及的に阻止することを可能にする。
【解決手段】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により挟持して構成される。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。第１セパレータ１４は、酸化剤ガス流路３４を設ける一方、第２セパレータ１６は、燃料ガス流路４０を設ける。燃料ガス流路４０の下端位置と酸化剤ガス流路３４の下端位置とは、重力方向に異なる位置に設定される。
【選択図】図１

Description

本発明は、電解質膜の両側に一対の電極を配設した電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層される固体高分子型燃料電池に関する。

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側に、それぞれ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、一対のセパレータによって挟持した発電ユニットを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数（例えば、数百）の発電ユニットを積層することにより、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用されている。

上記の燃料電池では、燃料ガス流路を介してアノード側電極に供給された燃料ガス（例えば、主に水素を含有するガス）と、酸化剤ガス流路を介してカソード側電極に供給された酸化剤ガス（例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気）との電気化学反応により、電力が得られている。

このため、燃料電池の発電時に、カソード側電極には水が生成される一方、アノード側電極には前記水が逆拡散により透過する。従って、酸化剤ガス流路及び燃料ガス流路は、特にそれぞれの下流側に結露水が滞留し易く、電極部と水滞留部とが重なる領域、通常、電極端部では、電解質膜が著しく膨潤してカソード側電極への燃料ガスのクロスリークが増大し、前記電解質膜が劣化するおそれがある。

そこで、例えば、特許文献１に開示された燃料電池のセルが知られている。この燃料電池のセルは、電解質膜と、該電解質膜の一面に接合されて空気が供給されるカソード極と、該電解質膜の他面に接合されて燃料が供給されるアノード極とを有する膜電極接合体と、該カソード極側に空気室を形成するとともに、該アノード極側に燃料室を形成するように該膜電極接合体を挟持する対をなす導電性材料製のセパレータとを備えている。

そして、空気室及び燃料室の少なくとも一方の出口には、連通面積が絞られた絞り部が設けられている。例えば、空気室では、出口で空気の流速が大きくなり、空気室内の水滴を好適に排除するため、セルでは、動作条件が異なっても、カソード極への空気の供給が阻害され難く、これによってカソード極全体が好適に反応し、セル電圧が安定する、としている。

特開２００７−２３４３５２号公報

しかしながら、上記の特許文献１では、空気室及び燃料室の少なくとも一方の出口に絞り部が設けられるため、この絞り部で圧損が増大し、燃料電池システムとしての効率が低下してしまう。しかも、構成が複雑化し、製造コストが高騰するという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単且つ経済的な構成で、電極発電部の端部近傍に水が集中して滞留することを阻止することができ、前記電極発電部の端部近傍に対応した電解質膜の膨潤による劣化を可及的に阻止することが可能な固体高分子型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・電極構造体とセパレータとが積層されるとともに、前記アノード側電極と一方のセパレータとの間には、重力方向に燃料ガスを流通させる燃料ガス流路が形成され、前記カソード側電極と他方のセパレータとの間には、前記重力方向に酸化剤ガスを流通させる酸化剤ガスが形成される固体高分子型燃料電池に関するものである。

この固体高分子型燃料電池は、燃料ガス流路の下端位置と、酸化剤ガス流路の下端位置とは、重力方向に異なる位置に設定されている。

また、電解質膜・電極構造体は、電極を構成する触媒塗布領域の下端位置が、燃料ガス流路の下端位置及び酸化剤ガス流路の下端位置よりも上方に離間する位置に設定されることが好ましい。

本発明によれば、燃料ガス流路の下端位置と、酸化剤ガス流路の下端位置とは、重力方向に異なるため、それぞれの水滞留位置が前記重力方向にずれている。従って、電極発電部の端部近傍に水が集中して滞留することを抑制することができ、簡単且つ経済的な構成で、前記電解質膜の膨潤による劣化を可及的に阻止することが可能になる。

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・電極構造体の触媒塗布領域と酸化剤ガス流路及び燃料ガス流路との関係説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視説明図である。

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により挟持して構成される。

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、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。アノード側電極３０は、カソード側電極２８よりも小さな表面積を有する、所謂、段差型ＭＥＡを構成している。

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の両面に形成される。電極触媒層２８ｂ、３０ｂのいずれか一方は、後述するように、固体高分子電解質膜２６の両面に所定の触媒塗布領域Ｈ内に形成される（図３参照）。すなわち、電極触媒層２８ｂ、３０ｂの下端位置は、重力方向に互いにずれており、一方が触媒塗布領域Ｈ内に形成され、他方が前記触媒塗布領域Ｈ外（下方）に形成される。具体的には、アノード側電極３０を構成する電極触媒層３０ｂは、触媒塗布領域Ｈ外に形成され、カソード側電極２８を構成する電極触媒層２８ｂは、前記触媒塗布領域Ｈ内に形成されることが好ましい。

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される。第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６は、平面が矩形状を有し、且つ縦長形状を有するとともに、金属製薄板を波形状にプレス加工することにより、断面凹凸形状に成形される。なお、第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６は、金属セパレータに代えて、例えば、カーボンセパレータ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（重力方向）に延在する複数の波状流路溝部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、それぞれ複数のエンボスを有する入口バッファ部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波状流路溝部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。燃料ガスの流れ方向と酸化剤ガスの流れ方向とは、同じ方向に設定される。

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。

図５に示すように、燃料ガス流路４０の下端位置４０ｂと酸化剤ガス流路３４の下端位置３４ｂとは、重力方向（矢印Ｃ方向）の位置が異なる。第１の実施形態では、燃料ガス流路４０の下端位置４０ｂは、酸化剤ガス流路３４の下端位置３４ｂよりも下方に距離ｈ１だけ突出する位置に設定される。酸化剤ガス流路３４の下端位置３４ｂは、電解質膜・電極構造体１２の触媒塗布領域Ｈの下端位置よりも下方に距離ｈ２だけ突出する位置に設定される。

具体的には、触媒塗布領域Ｈの上端位置は、酸化剤ガス流路３４及び燃料ガス流路４０の上端位置と同一位置に設定される。一方、触媒塗布領域Ｈの下端位置は、酸化剤ガス流路３４の下端位置３４ｂ及び前記燃料ガス流路４０の下端位置４０ｂよりも上方に設定される。

図１に示すように、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、波状流路溝部３４ａ、４０ａの裏面形状であり、これらが重なり合うことによって、矢印Ｂ方向に延在する流路溝部（図示せず）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の外周縁部に沿って当接する突起部５２ａを有する。

このように構成される燃料電池１０の動作について、以下に説明する。

先ず、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４０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、一方の燃料電池１０を構成する第１セパレータ１４と、他方の燃料電池１０を構成する第２セパレータ１６との間に形成された冷却媒体流路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５に示すように、燃料ガス流路４０の下端位置４０ｂは、酸化剤ガス流路３４の下端位置３４ｂよりも下方に距離ｈ１だけ突出している。このため、酸化剤ガス流路３４及び燃料ガス流路４０の下流側に形成され易い各水滞留部が、重力方向の同一高さ位置に重なることを確実に阻止することができる。

従って、電解質膜・電極構造体１２では、電極発電部の端部近傍に、各水滞留部に対応して水が集中して滞留することを抑制することが可能になる。これにより、固体高分子電解質膜２６が著しく膨潤することがなく、多量の燃料ガスがカソード側電極２８にクロスリークすることを確実に阻止することができる。

このため、簡単且つ経済的な構成で、固体高分子電解質膜２６の劣化を可及的に阻止することが可能になる。従って、燃料電池１０の発電性能の低下を抑制することができるという効果が得られる。

さらに、図５に示すように、酸化剤ガス流路３４の下端位置３４ｂは、電解質膜・電極構造体１２の触媒塗布領域Ｈの下端位置よりも下方に距離ｈ２だけ突出している。これにより、酸化剤ガス流路３４の下端位置３４ｂと触媒塗布領域Ｈの下端位置とがずれるため、水の滞留を抑制することができる。従って、酸化剤ガス流路３４の下端位置３４ｂに形成され易い水滞留部が、触媒塗布領域Ｈに重なることを確実に阻止することが可能になり、固体高分子電解質膜２６の著しい膨潤を良好に阻止することができる。

また、電極触媒層２８ｂ、３０ｂの下端位置は、重力方向に互いにずれており、一方が触媒塗布領域Ｈ内に形成され、他方が前記触媒塗布領域Ｈ外（下方）に形成されている。具体的には、アノード側電極３０を構成する電極触媒層３０ｂは、触媒塗布領域Ｈ外に形成され、カソード側電極２８を構成する電極触媒層２８ｂは、前記触媒塗布領域Ｈ内に形成されている。このため、固体高分子電解質膜２０の表裏に水が集中することを有効に防止することが可能になる。

図６は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池６０の要部分解斜視説明図である。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を第１セパレータ６４及び第２セパレータ６６により挟持して構成される。電解質膜・電極構造体６２は、固体高分子電解質膜２６をカソード側電極２８及びアノード側電極３０により挟持する。カソード側電極２８とアノード側電極３０とは、同一の表面積に設定されるとともに、固体高分子電解質膜２６は、前記カソード側電極２８及び前記アノード側電極３０よりも大きな表面積に設定される。

燃料ガス流路４０の下端位置４０ｂと酸化剤ガス流路３４の下端位置３４ｂとは、重力方向（矢印Ｃ方向）の位置が異なる。第２の実施形態では、酸化剤ガス流路３４の下端位置３４ｂは、燃料ガス流路４０の下端位置４０ｂよりも下方に距離ｈ１だけ突出して構成される。

この第２の実施形態では、酸化剤ガス流路３４及び燃料ガス流路４０の下流側に形成され易い各水滞留部が、重力方向の同一高さ位置に重なることを確実に阻止することができる。このため、固体高分子電解質膜２６が著しく膨潤することがなく、簡単且つ経済的な構成で、前記固体高分子電解質膜２６の劣化を可及的に阻止することができる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

なお、第１及び第２の実施形態では、酸化剤ガス流路３４及び燃料ガス流路４０が波状に構成されているが、直線状に構成してもよい。

１０、６０…燃料電池 １２、６２…電解質膜・電極構造体
１４、１６、６４、６６…セパレータ ２０ａ…酸化剤ガス入口連通孔
２０ｂ…酸化剤ガス出口連通孔 ２２ａ…燃料ガス入口連通孔
２２ｂ…燃料ガス出口連通孔 ２４ａ…冷却媒体入口連通孔
２４ｂ…冷却媒体出口連通孔 ２６…固体高分子電解質膜
２８…カソード側電極 ２８ａ、３０ａ…ガス拡散層
２８ｂ、３０ｂ…電極触媒層 ３０…アノード側電極
３４…酸化剤ガス流路 ３４ａ、４０ａ…波状流路溝部
３４ｂ、４０ｂ…下端位置 ３６ａ、４２ａ…入口バッファ部
３６ｂ、４２ｂ…出口バッファ部 ４０…燃料ガス流路
４６…冷却媒体流路 ５０、５２…シール部材

Claims (2)

1. 電解質膜の両側に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・電極構造体とセパレータとが積層されるとともに、前記アノード側電極と一方のセパレータとの間には、重力方向に燃料ガスを流通させる燃料ガス流路が形成され、前記カソード側電極と他方のセパレータとの間には、前記重力方向に酸化剤ガスを流通させる酸化剤ガスが形成される固体高分子型燃料電池であって、
   前記燃料ガス流路の下端位置と、前記酸化剤ガス流路の下端位置とは、前記重力方向に異なる位置に設定されることを特徴とする固体高分子型燃料電池。
2. 請求項１記載の固体高分子型燃料電池において、前記電解質膜・電極構造体は、電極を構成する触媒塗布領域の下端位置が、前記燃料ガス流路の下端位置及び前記酸化剤ガス流路の下端位置よりも上方に離間する位置に設定されることを特徴とする固体高分子型燃料電池。

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