JP4266338B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、電解質膜の両側に電極を配設した電解質膜・電極構造体を備え、前記電解質膜・電極構造体を第１及び第２金属セパレータにより挟持する発電セルを積層するとともに、前記第１金属セパレータの一方の面には、電極面に沿って反応ガスを供給するサーペンタイン型反応ガス流路が形成される一方、前記第１金属セパレータの他方の面には、前記発電セル間に沿って冷却媒体を供給する冷却媒体流路の少なくとも一部が形成される燃料電池に関する。

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、セパレータによって挟持した発電セルを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の発電セルを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。

この発電セルにおいて、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、電解質膜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、電子及び酸素が反応して水が生成される。

上記の燃料電池では、セパレータの面内に、アノード側電極に対向して燃料ガスを流すための燃料ガス流路（反応ガス流路）と、カソード側電極に対向して酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路（反応ガス流路）とが設けられている。また、発電セル間には、冷却媒体を流すための冷却媒体流路がセパレータの面方向に沿って設けられている。燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路は、一般的にセパレータの積層方向に貫通する流路入口連通孔から流路出口連通孔に向かって設けられる複数本の流路溝を備えるとともに、この流路溝は、サーペンタイン型溝形状で構成される場合がある。

例えば、特許文献１に開示されている燃料電池のガス通路板では、図７に示すように、例えば、酸化剤ガス側のガス通路板１が、カーボンや金属により構成される溝部材２を備えている。ガス通路板１の上部側には、酸化剤ガスの入口マニホールド３が設けられる一方、前記ガス通路板１の下部側には、酸化剤ガスの出口マニホールド４が形成されている。

溝部材２には、入口マニホールド３に連通する入口側通流溝５ａと、出口マニホールド４に連通する出口側通流溝５ｂと、前記入口側通流溝５ａと前記出口側通流溝５ｂとを連通する中間通流溝６とが設けられている。入口側通流溝５ａ及び出口側通流溝５ｂは、複数の突起７ａを介して格子状に形成される一方、中間通流溝６は、複数回折り返した曲折形状に形成され、複数本の直線状溝部８と、折り返し部位に複数の突起７ｂにより形成された格子状溝部９とを備えている。

このように構成される燃料電池のガス通路板１では、入口側通流溝５ａ及び出口側通流溝５ｂがバッファ部を構成しており、供給ガスの電極への接触面積が広くなるとともに、この供給ガスが自由に移動することができる一方、中間通流溝６では、複数本の直線状溝部８を介して反応ガスを高速でむらなく通流させることができる、としている。

特開平１０−１０６５９４号公報（図１）

上記のガス通路板１では、実際上、入口マニホールド３から出口マニホールド４に至る複数本の蛇行する流路（サーペンタイン流路）１ａが形成されている。その際、特に流路１ａの折り返し部位で流体の圧力差が大きくなり易く、溝部材２が薄板状金属製プレートで構成されている場合、前記溝部材２の剛性が不足し易い。このため、溝部材２では、局所的に電解質膜・電極構造体（図示せず）を保持する面圧が不十分になるおそれがある。

この面圧の不足は、反応ガスと冷却媒体との差圧により顕著になって、導電機能が低下したり、反応ガスが流路１ａに沿って流れずに電極の外周部分を通過してしまうおそれがある。いわゆる、ショートカットの発生であり、これによって発電性能の低下が惹起される。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、蛇行する反応ガス流路が設けられる金属セパレータに面圧不足部位が発生することがなく、簡単な構成で、所望の発電性能を維持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。

本発明に係る燃料電池では、電解質膜の両側に電極を配設した電解質膜・電極構造体を備え、前記電解質膜・電極構造体を第１及び第２金属セパレータにより挟持する発電セルを積層し、スタックを構成している。

第１金属セパレータの一方の面には、電極面に沿って反応ガスを供給するサーペンタイン型反応ガス流路が形成される一方、前記第１金属セパレータの他方の面には、発電セル間に沿って冷却媒体を供給する冷却媒体流路の少なくとも一部が形成され、且つ前記冷却媒体流路を囲繞してセパレータ面方向に平坦な平坦シールが設けられている。そして、第１金属セパレータの他方の面には、反応ガス流路の折り返し部位の外側に、前記第２金属セパレータの電極接触面の裏側を保持し且つ平坦シールよりもセパレータ厚さ方向の高さが高い裏受け部材が設けられている。

また、第２金属セパレータの電極接触面側には、電極面に沿って反応ガスを供給するサーペンタイン型反応ガス流路が形成され、前記第２金属セパレータの前記反応ガス流路の折り返し部位は、電極に接触する前記電極接触面を有するとともに、裏受け部材は、前記第２金属セパレータの前記電極接触面とは反対の裏面に接触して該電極接触面を保持する膨出部を備えることが好ましい。

さらに、裏受け部材は、第１金属セパレータの外周端部を覆って両面に設けられる平坦シールと一体的に形成されることが好ましい。

さらにまた、裏受け部材は、第１金属セパレータの外周端部を覆って両面に設けられる平坦シールと冷却媒体流路との間隙に配設されることが好ましい。

本発明によれば、第１金属セパレータの他方の面に、反応ガス流路の折り返し部位に対応して裏受け部材が設けられるため、特に薄肉状の金属セパレータにおいて、面圧不足部位が発生することがない。従って、反応ガスが電極反応面の外周から折り返し部位へ流入又は折り返し部位から外周へ流出して、いわゆる、ショートカットが発生することを確実に阻止することができる。これにより、発電に利用されない反応ガスを良好に削減することが可能になり、簡単な構成で、効率的且つ経済的に所望の発電性能を維持することができる。

また、裏受け部材は、第２金属セパレータの電極接触面の裏面を保持するため、前記第２金属セパレータと第１金属セパレータとの間で、良好な剛性を確保することが可能になる。このため、第１及び第２金属セパレータは、局所的な面圧不足部位が発生することがなく、ショートカットを可及的に阻止することができる。

さらに、裏受け部材は、第１金属セパレータの外周端部を覆って両面に設けられるシール部材と一体的に形成されるため、シール部材全体の製造作業が簡素化される。さらにまた、裏受け部材は、シール部材と冷却媒体流路との間隙に充填される固形シールであり、任意の個所を確実に閉塞することが可能になる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池１０を構成する発電セル１２の要部分解斜視説明図であり、図２は、複数の発電セル１２を矢印Ａ方向に積層してスタック化された前記燃料電池１０の、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面説明図である。

図１に示すように、発電セル１２は、電解質膜・電極構造体１４が、第１及び第２金属セパレータ１６、１８に挟持されている。第１及び第２金属セパレータ１６、１８は、薄板状金属プレート、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、あるいはめっき処理鋼板等により構成される。

発電セル１２の矢印Ｂ方向（図１中、水平方向）の一端縁部には、積層方向である矢印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、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔２２ｂ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔２４ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。

発電セル１２の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔２４ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔２２ａ、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、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。

第１金属セパレータ１６の電解質膜・電極構造体１４に向かう一方の面１６ａには、例えば、矢印Ｂ方向に１往復半だけ折り返す蛇行流路である酸化剤ガス流路（サーペンタイン型反応ガス流路）２６が設けられる。酸化剤ガス流路２６は、第１金属セパレータ１６を波形状に成形することにより設けられる複数の溝部２８を備えるとともに、入口バッファ部３２ａ及び出口バッファ部３２ｂを介して酸化剤ガス入口連通孔２０ａ及び酸化剤ガス出口連通孔２０ｂに連通する。入口バッファ部３２ａ及び出口バッファ部３２ｂは、例えば、エンボス加工やディンプル加工により設けられる。

図３に示すように、第１金属セパレータ１６の他方の面１６ｂには、酸化剤ガス流路２６の形状に対応して冷却媒体流路３４の一部を構成する溝部３４ａが設けられる。溝部３４ａは、エンボス等の入口バッファ部３６ａ及び出口バッファ部３６ｂを介して冷却媒体入口連通孔２２ａ及び冷却媒体出口連通孔２２ｂに連通する。

第１金属セパレータ１６の面１６ａ、１６ｂには、この第１金属セパレータ１６の外周端部を周回して、第１シール部材４０が焼き付けや射出成形等により一体化される。第１シール部材４０は、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン、又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材を使用する。

第１シール部材４０は、平坦状に構成されており、図１に示すように、面１６ａでは、酸化剤ガス入口連通孔２０ａ及び酸化剤ガス出口連通孔２０ｂを酸化剤ガス流路２６に連通する第１平坦シール４０ａを設ける。第１シール部材４０は、図３に示すように、面１６ｂでは、冷却媒体入口連通孔２２ａ及び冷却媒体出口連通孔２２ｂを冷却媒体流路３４に連通する第２平坦シール４０ｂを設ける。第２平坦シール４０ｂは、第１平坦シール４０ａよりも長尺に構成される（図２参照）。

図３に示すように、第２平坦シール４０ｂには、酸化剤ガス流路２６の折り返し部位２６ａ、２６ｂに対応する部位（溝部３４ａが矢印Ｃ方向に延在する部位）に、裏受け部材４２ａ、４２ｂが一体的に形成される。図２及び図３に示すように、裏受け部材４２ａ、４２ｂは、第２平坦シール４０ｂと同一平面状に形成される薄肉部４４ａ、４４ｂと、隣接する発電セル１２の第２金属セパレータ１８に向かって膨出する肉厚部４６ａ、４６ｂとを有する。

肉厚部４６ａ、４６ｂは、複数の発電セル１２が積層されて燃料電池１０に締め付け荷重が付与された状態で、前記肉厚部４６ａ、４６ｂが接触する第２金属セパレータ１８に面圧不足部位が発生しないように、予め高さ寸法が設定されている。燃料電池１０全体に締め付け荷重が付与された際、肉厚部４６ａ、４６ｂを圧縮させて所望の反力を発生させるためである。

図４に示すように、第２金属セパレータ１８の電解質膜・電極構造体１４に向かう面１８ａには、燃料ガス入口連通孔２４ａと燃料ガス出口連通孔２４ｂとに連通し、矢印Ｂ方向に１往復半だけ折り返す蛇行流路を構成する燃料ガス流路（サーペンタイン型反応ガス流路）５０が形成される。燃料ガス流路５０は、第２金属セパレータ１８を波形状に成形することにより設けられる複数の溝部５２を備える。燃料ガス流路５０は、入口バッファ部５４ａ及び出口バッファ部５４ｂを介して燃料ガス入口連通孔２４ａ及び燃料ガス出口連通孔２４ｂに連通する。

図１に示すように、第２金属セパレータ１８の面１８ａとは反対の面１８ｂには、燃料ガス流路５０の形状に対応して冷却媒体流路３４の一部を構成する溝部３４ｂが設けられる。溝部３４ｂは、入口バッファ部５６ａ及び出口バッファ部５６ｂを介して冷却媒体入口連通孔２２ａ及び冷却媒体出口連通孔２２ｂに連通する。

第２金属セパレータ１８の面１８ａ、１８ｂには、この第２金属セパレータ１８の外周端部を周回して、第２シール部材５８が一体化される。この第２シール部材５８は、上記の第１シール部材４０と同一の材料で構成される。図４に示すように、第２シール部材５８は、外側突起６０と、この外側突起６０から内方に所定の距離だけ離間する内側突起６２とを、第２金属セパレータ１８の面１８ａに設ける。この内側突起６２は、後述する固体高分子電解質膜７０の外周縁部に接して燃料ガス流路５０を閉塞している。

図１に示すように、第２シール部材５８は、外側突起６４と、この外側突起６４の内方に離間して冷却媒体流路３４を囲繞する内側突起６６とを、第２金属セパレータ１８の面１８ｂに設ける。

図５に示すように、第１及び第２金属セパレータ１６、１８が互いに重ね合わされることにより、溝部３４ａ、３４ｂを介して冷却媒体流路３４が形成される。この冷却媒体流路３４は、入口バッファ部３６ａ、５６ａ及び出口バッファ部３６ｂ、５６ｂを介して冷却媒体入口連通孔２２ａ及び冷却媒体出口連通孔２２ｂに連通する。

図１及び図２に示すように、電解質膜・電極構造体１４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７０と、前記固体高分子電解質膜７０を挟持するカソード側電極７２及びアノード側電極７４とを備える。アノード側電極７４は、カソード側電極７２よりも小さな表面積に設定されている。

カソード側電極７２及びアノード側電極７４は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、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の表面に一様に塗布された電極触媒層とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜７０の両面に接合されている。

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、燃料ガス入口連通孔２４ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給されるとともに、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。さらに、冷却媒体入口連通孔２２ａに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、燃料ガスは、図１及び図４に示すように、燃料ガス入口連通孔２４ａから入口バッファ部５４ａを通って第２金属セパレータ１８の燃料ガス流路５０に導入される。この燃料ガスは、矢印Ｂ方向に往復移動しながら、電解質膜・電極構造体１４を構成するアノード側電極７４に供給される。一方、酸化剤ガスは、図１に示すように、酸化剤ガス入口連通孔２０ａから入口バッファ部３２ａを通って第１金属セパレータ１６の酸化剤ガス流路２６に導入され、矢印Ｂ方向に往復移動しながら、電解質膜・電極構造体１４を構成するカソード側電極７２に供給される。

従って、電解質膜・電極構造体１４では、アノード側電極７４に供給される燃料ガスと、カソード側電極７２に供給される酸化剤ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。

次いで、アノード側電極７４に供給されて消費された燃料ガスは、出口バッファ部５４ｂを通り燃料ガス出口連通孔２４ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される（図１及び図４参照）。同様に、カソード側電極７２に供給されて消費された酸化剤ガスは、出口バッファ部３２ｂを通り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（図１参照）。

また、冷却媒体入口連通孔２２ａに供給された冷却媒体は、図５に示すように、入口バッファ部３６ａ、５６ａから第１及び第２金属セパレータ１６、１８間の冷却媒体流路３４に導入される。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体１４を冷却した後、出口バッファ部３６ｂ、５６ｂを通って冷却媒体出口連通孔２２ｂに排出される。

この場合、第１の実施形態では、図３に示すように、第２平坦シール４０ｂには、酸化剤ガス流路２６の折り返し部位２６ａ、２６ｂに対応する部位に裏受け部材４２ａ、４２ｂが一体的に形成されている。この裏受け部材４２ａ、４２ｂは、第２平坦シール４０ｂと同一平面状に形成される薄肉部４４ａ、４４ｂと、隣接する発電セル１２の第２金属セパレータ１８に向かって膨出する肉厚部４６ａ、４６ｂとを有している（図２参照）。

ここで、第２金属セパレータ１８には、図２に示すように、比較的長尺な距離Ｌにわたって非保持範囲が存在している。具体的には、第２金属セパレータ１８に第２シール部材５８を成形する際に、この第２金属セパレータ１８を保持する金型の寸法に対応する平坦部距離Ｌ１、前記第２金属セパレータ１８を波状に加工することによる２つの傾斜距離Ｌ２、及び電解質膜・電極構造体１４のアノード側電極７４を確実に押えるための保持範囲Ｌ３が必要である。このため、非保持範囲の距離Ｌは、Ｌ＝Ｌ１＋２Ｌ２＋Ｌ３となり、該非保持範囲の剛性が大幅に低下してしまう。

そこで、第１の実施形態では、第２金属セパレータ１８が電解質膜・電極構造体１４のアノード側電極７４と接触する部位の裏面側に、裏受け部材４２ａ、４２ｂを配設することにより、特に薄肉状の前記第２金属セパレータ１８に、局所的に面圧不足部位が発生することがない。従って、第２金属セパレータ１８が面圧不足により変形し、燃料ガス（及び酸化剤ガス）が電極反応面の外周から折り返し部位２６ａ、２６ｂへ流入又は折り返し部位２６ａ、２６ｂから外周へ流出して、いわゆる、ショートカットが発生することを確実に阻止することができる。特に、燃料ガスの圧力差が大きくなり易い折り返し部位２６ａ、２６ｂでのショートカットの発生が良好に阻止される。

これにより、発電に利用されない燃料ガス（及び酸化剤ガス）を良好に削減することが可能になり、簡単な構成で、効率的且つ経済的に所望の発電性能を維持することができるという効果が得られる。

また、裏受け部材４２ａ、４２ｂは、第１金属セパレータ１６の外周端部を覆って両面に設けられる第１シール部材４０と一体的に形成されている。このため、第１シール部材４０全体の製造作業が有効に簡素化される。

図６は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池を構成する第１金属セパレータ８０の正面説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池１０を構成する第１金属セパレータ１６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。

第１金属セパレータ８０は、両方の面８０ａ、８０ｂに第１シール部材４０が一体化される。第１シール部材４０を構成する第２平坦シール４０ｂと、冷却媒体流路３４を構成する溝部３４ａの矢印Ｃ方向に延在する部位との間には、裏受け部材８２ａ、８２ｂが配設される。

裏受け部材８２ａ、８２ｂは、第１シール部材４０とは別体に構成されており、第２平坦シール４０ｂと同一平面状に形成される薄肉部８４ａ、８４ｂと、隣接する発電セル１２の第２金属セパレータ１８に向かって膨出する肉厚部８６ａ、８６ｂとを有するとともに、好ましくは、第１シール部材４０と同一の材質で形成される。

このように構成される第２の実施形態では、裏受け部材８２ａ、８２ｂの面圧保持作用下に、反応ガスが電極反応面の外周から折り返し部位へ流入又は折り返し部位から外周へ流出し、ショートカットが発生することを確実に阻止することができる。これにより、簡単な構成で、効率的且つ経済的な発電が遂行される等、第１の実施形態と同様の効果が得られる。しかも、裏受け部材８２ａ、８２ｂは、任意の位置に選択的に配置することができ、作業性及び汎用性の向上が容易に図られる。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池を構成する発電セル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。 前記発電セルを構成する第１金属セパレータの正面説明図である。 前記発電セルを構成する第２金属セパレータの正面説明図である。 前記第１及び第２金属セパレータ間に形成される冷却媒体流路の斜視説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池を構成する第１金属セパレータの正面説明図である。 特許文献１に開示されている燃料電池のガス通路板の正面説明図である。

符号の説明

１０…燃料電池 １２…発電セル
１４…電解質膜・電極構造体 １６、１８、８０…金属セパレータ
１６ａ、１６ｂ、１８ａ、１８ｂ、８０ａ、８０ｂ…面
２０ａ…酸化剤ガス入口連通孔 ２０ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
２２ａ…冷却媒体入口連通孔 ２２ｂ…冷却媒体出口連通孔
２４ａ…燃料ガス入口連通孔 ２４ｂ…燃料ガス出口連通孔
２６…酸化剤ガス流路 ２８、３４ａ、３４ｂ、５２…溝部
３２ａ、３６ａ、５４ａ、５６ａ…入口バッファ部
３２ｂ、３６ｂ、５４ｂ、５６ｂ…出口バッファ部
３４…冷却媒体流路 ４０、５８…シール部材
４０ａ、４０ｂ…平坦シール
４２ａ、４２ｂ、８２ａ、８２ｂ…裏受け部材
４４ａ、４４ｂ、８４ａ、８４ｂ…薄肉部
４６ａ、４６ｂ、８６ａ、８６ｂ…肉厚部
５０…燃料ガス流路 ６０、６４…外側突起
６２、６６…内側突起 ７０…固体高分子電解質膜
７２…カソード側電極 ７４…アノード側電極

Claims (4)

1. 電解質膜の両側に電極を配設した電解質膜・電極構造体を備え、前記電解質膜・電極構造体を第１及び第２金属セパレータにより挟持する発電セルを積層するとともに、前記第１金属セパレータの一方の面には、電極面に沿って反応ガスを供給するサーペンタイン型反応ガス流路が形成される一方、前記第１金属セパレータの他方の面には、前記発電セル間に沿って冷却媒体を供給する冷却媒体流路の少なくとも一部が形成され、且つ前記冷却媒体流路を囲繞してセパレータ面方向に平坦な平坦シールが設けられる燃料電池であって、
   前記第１金属セパレータの他方の面には、前記反応ガス流路の折り返し部位の外側に、前記第２金属セパレータの電極接触面の裏側を保持し且つ前記平坦シールよりもセパレータ厚さ方向の高さが高い裏受け部材が設けられることを特徴とする燃料電池。
2. 請求項１記載の燃料電池において、前記第２金属セパレータの前記電極接触面側には、電極面に沿って反応ガスを供給するサーペンタイン型反応ガス流路が形成され、前記第２金属セパレータの前記反応ガス流路の折り返し部位は、前記電極に接触する前記電極接触面を有するとともに、
   前記裏受け部材は、前記第２金属セパレータの前記電極接触面とは反対の裏面に接触して該電極接触面を保持する膨出部を備えることを特徴とする燃料電池。
3. 請求項１又は２記載の燃料電池において、前記裏受け部材は、前記第１金属セパレータの外周端部を覆って両面に設けられる前記平坦シールと一体的に形成されることを特徴とする燃料電池。
4. 請求項１又は２記載の燃料電池において、前記裏受け部材は、前記第１金属セパレータの外周端部を覆って両面に設けられる前記平坦シールと前記冷却媒体流路との間隙に配設されることを特徴とする燃料電池。

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