JP4083600B2

JP4083600B2 - 燃料電池

Info

Publication number: JP4083600B2
Application number: JP2003062009A
Authority: JP
Inventors: ▲隆▼ 鴻村; 洋一浅野; 力岩澤; 亮一郎 ▲高▼橋
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2003-03-07
Filing date: 2003-03-07
Publication date: 2008-04-30
Anticipated expiration: 2023-03-07
Also published as: JP2004273262A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電解質をアノード側電極とカソード側電極とで挟んで構成される発電部を備え、複数の前記発電部が平面状に配設される燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
通常、固体高分子形燃料電池は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる電解質膜（電解質）を採用している。この電解質膜の両側に、それぞれカーボンを主体とする基材に貴金属系の電極触媒層を接合したアノード側電極およびカソード側電極を設けた電解質膜・電極構造体（発電部）を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持した単位セルを備えている。通常、この単位セルは、所定数だけ積層することにより燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
この種の燃料電池において、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（以下、水素含有ガスともいう）は、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子は外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。なお、カソード側電極には、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（以下、酸素含有ガスともいう）が供給されているために、このカソード側電極において、水素イオン、電子および酸素が反応して水が生成される。
【０００４】
ところで、他の燃料電池では、複数の単位セルを平面状に１列または複数列に配設し、各単位セル同士を電気的に直列に接続した平面形燃料電池が採用されている。例えば、図７に示す平面形燃料電池（特許文献１参照）では、電解質層１ａ〜１ｄを挟んで空気極（カソード極）２ａ〜２ｄと燃料極（アノード極）３ａ〜３ｄとを対設した複数個の単位セル４ａ〜４ｄを、同じ極が同じ面に並ぶように平面に配列している。単位セル４ａ〜４ｄは、導電性のＺ字状接続板５ａ〜５ｃにより接続されて、各単位セル４ａ〜４ｄが電気的に直列に接続されている。
【０００５】
具体的には、Ｚ字状接続板５ａが単位セル４ａの空気極２ａと単位セル４ｂの燃料極３ｂとを接続し、Ｚ字状接続板５ｂが単位セル４ｂの空気極２ｂと単位セル４ｃの燃料極３ｃとを接続し、Ｚ字状接続板５ｃが単位セル４ｃの空気極２ｃと単位セル４ｄの燃料極３ｄとを接続している。単位セル４ａの燃料極３ａは、陰極側電流端子６ａに接続される一方、単位セル４ｄの空気極２ｄは、陽極側電流端子６ｂに接続されている。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００２−５６８５５号公報（図１）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の特許文献１では、各単位セル４ａ〜４ｄを電気的に直列に接続するために、専用のＺ字状接続板５ａ〜５ｃが用いられており、前記Ｚ字状接続板５ａ〜５ｃは、空気極２ａ〜２ｄと燃料極３ａ〜３ｄとに跨っている。このため、空気極２ａ〜２ｄと燃料極３ａ〜３ｄとの間におけるシール構造等の信頼性を確保することが困難になるという問題が指摘されている。
【０００８】
しかも、燃料電池の厚さ方向（矢印Ｔ方向）の寸法が拡大してしまい、燃料電池全体の小型化を図ることができないという問題がある。さらに、各単位セル４ａ〜４ｄは、基本的に独立した部品であり、基準となる面がないために前記単位セル４ａ〜４ｄ同士の位置精度が得られないという問題がある。
【０００９】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、複数の発電部を電気的に直列に接続するとともに、簡単かつコンパクトな構成で、シート性の向上を図って所望の電圧を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。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係る燃料電池では、電解質をアノード側電極とカソード側電極とで挟んで構成される複数の発電部が平面状に配設されるとともに、前記各発電部は、アノード側電極とカソード側電極とが前記電解質の異なる面に配置されている。
【００１１】
そして、隣接する第１および第２の発電部において、前記第１の発電部のカソード側電極に接続された第１導電性拡散層の第１端部は、前記第２の発電部のアノード側電極に接続された第２導電性拡散層の第２端部に近接している。第１および第２端部は、少なくとも電解質の両側（電解質に補強用フィルムが設けられている場合には、電解質および補強用フィルムの両側）に配置され、前記第１および第２端部は、少なくとも前記電解質を挟んで重なり合う重合部位を有しており、前記重合部位同士は、少なくとも前記電解質（および補強用フィルム）を貫通する導電性リベット部材により電気的に接続される。
【００１２】
従って、隣接する発電部同士は、第１および第２導電性拡散層と導電性リベット部材とによりカソード側電極とアノード側電極とが接続され、全体として複数の発電部が電気的に直列に接続される。
【００１３】
さらに、第２の発電部のカソード側電極に接続された第１導電性拡散層の第１端部は、前記第２の発電部に隣接する第３の発電部のアノード側電極に接続された第２導電性拡散層の第２端部に近接している。第１および第２端部は、少なくとも電解質の両側に配置されており、前記第１および第２端部同士が、前記電解質を貫通する導電性リベット部材により電気的に結合される。これにより、第２の発電部と第３の発電部とは、電気的に接続され、第１の発電部、第２の発電部および第３の発電部は、電気的に直列に接続される。
【００１４】
このように、第１および第２導電性拡散層に設けられて互いに近接する方向に突出する第１および第２端部同士を、導電性リベット部材により結合するだけでよく、従来の専用のＺ字状接続板が不要になる。これにより、構成が簡素化されて経済的であるとともに、シール構造等の信頼性が有効に向上する。しかも、燃料電池全体の構成が簡素化される他、燃料電池の小型化が容易に図られる。
【００１６】
さらに、本発明の請求項３に係る燃料電池では、複数の発電部が平面状に配設されるＭＥＡユニットと、前記ＭＥＡユニットを挟持する第１および第２電気絶縁性セパレータとを備える。第１電気絶縁性セパレータは、発電部に対向する面に燃料ガスを供給するための燃料ガス流路を設けるとともに、第２電気絶縁性セパレータは、前記発電部材に対向する面に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路を設ける。これにより、燃料電池全体の小型化が容易に図られるとともに、前記燃料電池を経済的に構成することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池１０の要部分解斜視説明図であり、図２は、前記燃料電池１０の要部断面説明図である。
【００１８】
燃料電池１０は、ＭＥＡ（Membrane and Electrode Assembly）ユニット１２と、このＭＥＡユニット１２の両面に配置される第１および第２セパレータ１４、１６とを備える。
【００１９】
燃料電池１０の矢印Ｂ方向の一端縁部には、積層方向である矢印Ａ方向に連通して、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１８ａと、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とが、矢印Ｃ方向一端側に配列して設けられる。燃料電池１０の矢印Ｂ方向の一端縁部には、矢印Ａ方向に連通して、燃料ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔１８ｂと、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔２０ｂとが、矢印Ｃ方向他端側に配列して設けられる。
【００２０】
ＭＥＡユニット１２は、例えば、パーフルオロスルホン酸ポリマーの薄膜である固体高分子電解質膜２２を備える。この固体高分子電解質膜２２を共通の電解質として、複数の電解質膜・電極構造体（発電部）２４（１）〜２４（ｎ）が構成される。この電解質膜・電極構造体２４（１）〜２４（ｎ）は、図１に示すように、固体高分子電解質膜２２の面内に、矢印Ｂ方向および矢印Ｃ方向に所定の数ずつ配列して設けられる。
【００２１】
図３に示すように、固体高分子電解質膜２２の両面２２ａ、２２ｂには、電極（後述する）が設けられていない部分に対応して補強用フィルム、例えば、シリコンフィルム２６ａ、２６ｂが設けられる。この固体高分子電解質膜２２には、所定の位置に複数の孔部２７が形成される。
【００２２】
電解質膜・電極構造体２４（１）は、固体高分子電解質膜２２の一方の面２２ａに設けられるカソード側電極２８と、前記固体高分子電解質膜２２の他方の面２２ｂに設けられるアノード側電極３０とを備える。カソード側電極２８およびアノード側電極３０は、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子を固体高分子電解質膜２２の面２２ａ、２２ｂに塗布して構成されている。カソード側電極２８には、第１導電性拡散層３２が設けられるとともに、アノード側電極３０には、第２導電性拡散層３４が設けられる。
【００２３】
電解質膜・電極構造体２４（２）〜２４（ｎ）は、上記の電解質膜・電極構造体２４（１）と同様に構成されており、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。
【００２４】
図３および図４に示すように、電解質膜・電極構造体２４（１）の第１導電性拡散層３２は、カソード側電極２８の外周から隣接する電解質膜・電極構造体２４（２）に向かって突出する第１端部３２ａを設ける。電解質膜・電極構造体２４（２）の第２導電性拡散層３４は、アノード側電極３０の外周から隣接する電解質膜・電極構造体２４（１）に向かって突出する第２端部３４ａを設ける。
【００２５】
第１および第２端部３２ａ、３４ａは、固体高分子電解質膜２２およびシリコンフィルム２６ａ、２６ｂを挟んで重なり合う重合部位を有しており、この重合部位同士は、前記固体高分子電解質膜２２および前記シリコンフィルム２６ａ、２６ｂを貫通する導電部材、例えば、導電性リベット部材３６により電気的に接続される。リベット部材３６は、外周面にシール材３８が塗布されており、固体高分子電解質膜２２の両面を気密に遮断する。このリベット部材３６は、かしめ処理が施されることにより、第１および第２端部３２ａ、３４ａ側にフランジ部３６ａ、３６ｂが形成される。
【００２６】
図２および図４に示すように、電解質膜・電極構造体２４（２）の第１導電性拡散層３２は、隣接する電解質膜・電極構造体２４（３）側に向かって突出する第１端部３２ａを設ける。電解質膜・電極構造体２４（３）の第２導電性拡散層３４は、隣接する電解質膜・電極構造体２４（２）側に向かって突出する第２端部３４ａを設ける。第１および第２端部３２ａ、３４ａの重合部位同士は、リベット部材３６を介して電気的に結合される。以下、電解質膜・電極構造体２４（３）〜２４（ｎ）も同様にして電気的に直列に接続される。
【００２７】
第１および第２セパレータ１４、１６は、非導電性の伝熱材補強プラスチック製成形体で構成される。図１および図５に示すように、第１セパレータ１４のＭＥＡユニット１２に対向する面１４ａには、矢印Ｃ方向一端側に矢印Ｂ方向に延在して供給マニホールド４０が形成されるとともに、矢印Ｃ方向他端側に矢印Ｂ方向に延在して排出マニホールド４２が形成される。供給マニホールド４０は、凹部形状を有しており、燃料ガス入口連通孔１８ａに連通する。排出マニホールド４２は、同様に凹部形状を有しており、燃料ガス出口連通孔１８ｂに連通する。
【００２８】
面１４ａには、供給マニホールド４０から排出マニホールド４２に向かって燃料ガスを供給するための燃料ガス流路４４が形成される。この燃料ガス流路４４は、矢印Ｃ方向に延在して供給マニホールド４０と排出マニホールド４２とに連通する複数本の流路溝を備えている。面１４ａには、電解質膜・電極構造体２４（１）〜２４（ｎ）の各アノード側電極３０を収容するための矩形状溝部４６が形成されるとともに、所定の位置に複数のシール付きねじ孔４８が形成される。
【００２９】
面１４ａには、燃料ガス入口連通孔１８ａ、燃料ガス出口連通孔１８ｂ、供給マニホールド４０、排出マニホールド４２および燃料ガス流路４４を覆ってシール５０が焼き付け等により設けられる。第１セパレータ１４は、−（マイナス）側の端子５２が電解質膜・電極構造体２４（１）のアノード側電極３０に接続可能に設けられる。
【００３０】
図６に示すように、第２セパレータ１６のＭＥＡユニット１２に対向する面１６ａには、酸化剤ガス入口連通孔２０ａに連通して矢印Ｂ方向に延在する供給マニホールド５４と、酸化剤ガス出口連通孔２０ｂに連通して矢印Ｂ方向に延在する排出マニホールド５６とが形成される。供給マニホールド５４と排出マニホールド５６とは、矢印Ｃ方向に延在する複数本の流路溝を備えた酸化剤ガス流路５８を介して連通する。
【００３１】
面１６ａには、酸化剤ガス入口連通孔２０ａ、酸化剤ガス出口連通孔２０ｂ、供給マニホールド５４、排出マニホールド５６および酸化剤ガス流路５８を覆ってシール５９が焼き付け等により設けられる。
【００３２】
面１６ａには、電解質膜・電極構造体２４（１）〜２４（ｎ）の各カソード側電極２８に対応して矩形状の溝部６０が形成される。面１６ａには、所定の位置にシール付き孔部６２が形成されており、図１に示すように、前記シール付き孔部６２からＭＥＡユニット１２の孔部２７を貫通して第２セパレータ１６のシール付きねじ孔４８に締結ねじ６４が螺合して燃料電池１０が一体化される。第２セパレータ１６には、電解質膜・電極構造体２４（ｎ）のカソード側電極２８に接続可能な＋（プラス）側の端子６６が設けられる。
【００３３】
図１に示すように、第２セパレータ１６の面１６ａとは反対側の面１６ｂには、矢印Ｃ方向に延在してリブ７０が設けられ、前記リブ７０間には、冷却媒体流路７２が形成される。
【００３４】
このように構成される燃料電池１０を製造する作業について、以下に説明する。
【００３５】
まず、固体高分子電解質膜２２の両方の面２２ａ、２２ｂにシリコンフィルム２６ａ、２６ｂが貼り付けられる。このシリコンフィルム２６ａ、２６ｂには、発電部である電解質膜・電極構造体２４（１）〜２４（ｎ）に対応した切り抜き部が形成されている。なお、シリコンフィルム２６ａ、２６ｂに代替して、ポリイミド等の薄膜を用いてもよい。
【００３６】
次に、固体高分子電解質膜２２の面２２ａには、カソード側電極触媒が塗布される一方、前記固体高分子電解質膜２２の面２２ｂには、アノード側電極触媒が塗布される。これにより、固体高分子電解質膜２２を挟んでカソード側電極２８とアノード側電極３０とが対向して設けられ、所定数の電解質膜・電極構造体２４（１）〜２４（ｎ）を形成したＭＥＡユニット１２が製造される。
【００３７】
そこで、ＭＥＡユニット１２の両面には、電解質膜・電極構造体２４（１）〜２４（ｎ）に対応して第１および第２導電性拡散層３２、３４が配置される。図３に示すように、電解質膜・電極構造体２４（１）の第１導電性拡散層３２と、電解質膜・電極構造体２４（２）の第２導電性拡散層３４とは、それぞれの第１および第２端部３２ａ、３４ａが固体高分子電解質膜２２を挟んで重なり合っており、この重合部位にリベット部材３６が挿入される。
【００３８】
リベット部材３６の貫通部位では、貫通孔と前記リベット部材３６の外周面との間にシリコンゴム等のシール材３８が充填され、燃料ガスと酸化剤ガスとを確実に遮断する。さらに、リベット部材３６にかしめ処理が施され、フランジ部３６ａ、３６ｂが第１および第２端部３２ａ、３４ａに圧接する。このため、電解質膜・電極構造体２４（１）のカソード側電極２８と、電解質膜・電極構造体２４（２）のアノード側電極３０とは、電気的に結合される。
【００３９】
同様に、電解質膜・電極構造体２４（２）〜２４（ｎ）が電気的に結合され、全ての発電部である電解質膜・電極構造体２４（１）〜２４（ｎ）は、電気的に直列に接続される（図４中、矢印参照）。
【００４０】
このように、本実施形態では、隣接する電解質膜・電極構造体２４（１）、２４（２）の第１および第２導電性拡散層３２、３４が、カソード側電極２８およびアノード側電極３０の外周から互いに近接する方向に突出する第１および第２端部３２ａ、３４ａを設ける。そして、第１および第２端部３２ａ、３４ａの重合部位同士は、固体高分子電解質膜２２およびシリコンフィルム２６ａ、２６ｂを貫通するリベット部材３６により電気的に結合される。
【００４１】
従って、従来の専用のＺ字状接続板が不要になり、特に多数の電解質膜・電極構造体２４（１）〜２４（ｎ）を配置する際に、経済的であるとともに、シール構造等の信頼性が有効に向上する。しかも、燃料電池１０全体の構成が簡素化されて、燃料電池１０の小型化が容易に図られるという効果が得られる。
【００４２】
次いで、第１および第２セパレータ１４、１６間にＭＥＡユニット１２が挟持された状態で、燃料電池１０全体を固定するための貫通孔が一体的に形成される。この貫通孔は、具体的には、第１セパレータ１４のシール付きねじ孔４８、ＭＥＡユニット１２の孔部２７および第２セパレータ１６のシール付き孔部６２に相当する。その際、ＭＥＡユニット１２の平面性が維持されるため、第１および第２セパレータ１４、１６により前記ＭＥＡユニット１２を挟持した状態で、孔開け処理が所定の位置に高精度に遂行されるという利点がある。
【００４３】
なお、シール付き孔部６２およびシール付きねじ孔４８には、例えば、液状のシリコンゴム等を貫通孔に充填することにより、所望のシール性を維持することができる。
【００４４】
そこで、シール付き孔部６２に締結ねじ６４が挿入されて、この締結ねじ６４の先端がシール付きねじ孔４８に螺合する。これにより、第１セパレータ１４、ＭＥＡユニット１２および第２セパレータ１６が一体的に締め付け固定され、燃料電池１０が得られる。
【００４５】
次に、上記の燃料電池１０の動作について説明する。
【００４６】
まず、図１に示すように、酸化剤ガス入口連通孔２０ａに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１８ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。また、冷却媒体流路７２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。
【００４７】
このため、酸化剤ガスは、図６に示すように、第２セパレータ１６の面１６ａに形成される供給マニホールド５４に一旦導入された後、酸化剤ガス流路５８に供給される。酸化剤ガスは、複数の流路溝を介して矢印Ｃ方向に移動し、電解質膜・電極構造体２４（１）〜２４（ｎ）の各カソード側電極２８に供給される。未使用の酸化剤ガスは、排出マニホールド５６から酸化剤ガス出口連通孔２０ｂに排出される。
【００４８】
一方、燃料ガスは、図５に示すように、第１セパレータ１４の面１４ｂに形成される供給マニホールド４０に導入され、この供給マニホールド４０に連通する燃料ガス流路４４に供給される。この燃料ガス流路４４では、燃料ガスが矢印Ｃ方向に移動しながら、電解質膜・電極構造体２４（１）〜２４（ｎ）の各アノード側電極３０に供給される。未使用の燃料ガスは、排出マニホールド４２を通って燃料ガス出口連通孔１８ｂから排出される。
【００４９】
従って、電解質膜・電極構造体２４（１）〜２４（ｎ）では、各カソード側電極２８に供給される酸化剤ガスと、各アノード側電極３０に供給される燃料ガスとが電気化学反応により消費され、発電が行われる。これにより、端子５２、６６間には、全ての発電部である電解質膜・電極構造体２４（１）〜２４（ｎ）が電気的に直列に接続され、所望の電圧を発生させることができる。
【００５０】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池では、第１および第２導電性拡散層の互いに近接する方向に突出する第１および第２端部同士を、導電性リベット部材により結合するだけでよく、従来の専用のＺ字状接続板が不要になる。これにより、構成が簡素化されて経済的であるとともに、シール構造等の信頼性が有効に向上する。しかも、燃料電池全体の構成が簡素化される他、燃料電池の小型化が容易に図られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明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２】前記燃料電池の要部断面説明図である。
【図３】前記燃料電池を構成するＭＥＡユニットの接続状態を示す説明図である。
【図４】前記ＭＥＡユニットの正面図である。
【図５】前記燃料電池を構成する第１セパレータの正面図である。
【図６】前記燃料電池を構成する第２セパレータの正面図である。
【図７】特許文献１に係る平面形燃料電池の要部断面説明図である。
【符号の説明】
１０…燃料電池１２…ＭＥＡユニット
１４、１６…セパレータ１８ａ…燃料ガス入口連通孔
１８ｂ…燃料ガス出口連通孔２０ａ…酸化剤ガス入口連通孔
２０ｂ…酸化剤ガス出口連通孔２２…固体高分子電解質膜
２４（１）〜２４（ｎ）…電解質膜・電極構造体
２６ａ、２６ｂ…シリコンフィルム２８…カソード側電極
３０…アノード側電極３２、３４…導電性拡散層
３２ａ、３４ａ…端部３６…リベット部材
４０、５４…供給マニホールド４２、５６…排出マニホールド
４４…燃料ガス流路５０、５９…シール
５２、６６…端子５８…酸化剤ガス流路

Claims

電解質をアノード側電極とカソード側電極とで挟んで構成される発電部を備え、複数の前記発電部が平面状に配設される燃料電池であって、
前記発電部は、前記電解質の一方の面にアノード側電極が配置され、かつ該電解質の他方の面にカソード側電極が配置されるとともに、
前記発電部の両面を挟持する第１および第２導電性拡散層を備え、
第１の発電部のカソード側電極に接続された第１導電性拡散層は、前記カソード側電極の外周から前記第１の発電部に隣接する第２の発電部に近接する方向に突出する第１端部を設け、
前記第２の発電部のアノード側電極に接続された第２導電性拡散層は、前記アノード側電極の外周から前記第１の発電部に近接する方向に突出する第２端部を設け、
前記第１および第２端部は、少なくとも前記電解質を挟んで重なり合う重合部位を有しており、
前記重合部位同士は、少なくとも前記電解質を貫通する導電性リベット部材により電気的に接続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の発電部と前記第２の発電部との間には、前記カソード側電極が設けられていない部分に第１フィルタが配置されるとともに、前記アノード側電極が設けられていない部分に第２フィルタが配置されることを特徴とする燃料電池。
請求項１または２記載の燃料電池において、複数の前記発電部が平面状に配設されるＭＥＡユニットと、
前記ＭＥＡユニットを挟持する第１および第２電気絶縁性セパレータと、
を備え、
前記第１電気絶縁性セパレータは、前記発電部に対向する面に燃料ガスを供給するための燃料ガス流路を設けるとともに、
前記第２電気絶縁性セパレータは、前記発電部材に対向する面に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路を設けることを特徴とする燃料電池。