JP5928979B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）などの燃料電池の改良に関する。

この種の燃料電池にとしては、特許文献１に記載された膜−電極接合体がある。特許文献１の膜−電極接合体は、膜−膜補強部材接合体、アノード触媒層（第１触媒層）、カソード触媒層（第２触媒層）、アノードガス拡散層（第１ガス拡散層）、及びカソードガス拡散層（第２ガス拡散層）を有している。

膜−膜補強部材接合体は、高分子電解質膜と、全体として高分子電解質膜の周縁に沿って延在するように、その高分子電解質膜の主面の上に配置された１以上の膜片状の第１膜補強部材と、全体として高分子電解質膜の周縁に沿って延在し、且つ、高分子電解質膜の厚み方向から見て、その内縁と第１膜補強部材の内縁とが互いに一致しないように、第１膜補強部材の上に配置された１以上の膜片状の第２膜補強部材とを備えている。なお、第１膜補強部材、及び第２膜補強部材は，主に合成樹脂によって構成される。

アノード触媒層は、第１膜補強部材に形成された開口を埋めるようにして、高分子電解質膜の主面を覆うように形成されており、同様に、カソード触媒層は、高分子電解質膜の主面を覆うように形成されている。アノードガス拡散層は、アノード触媒層と第１膜補強部材の主面の一部を覆うように配置され、カソードガス拡散層は、カソード触媒層と第１膜補強部材の主面の一部を覆うように配置されている。

膜−膜補強部材接合体は、上記の構成とすることにより、ガス拡散層の端部が接触することによる高分子電解質膜の破損を防止し、且つ、第１膜補強部材の端部による高分子電解質膜の破損をより確実に抑制し、耐久性を向上させようとしたものである。

ＷＯ２００８／１２６３５０号公報

ところで、近年、燃料電池の小型化を図るために、ガス拡散層の材料にはカーボン材料に代わって金属多孔体材料の使用が検討されている。ガス拡散層として金属多孔体材料を使用しつつ、上記特許文献１に開示されたように、ガス拡散層が第１膜補強部材を覆うように配置すると、ガス拡散層と第１膜補強部材とが重なる部分（高分子電解質膜の周縁部分）に過剰な面圧が作用してしまい、触媒層が形成された高分子電解質膜の面圧を適正化することが困難であるという課題が未解決のままである。

本発明は、上記従来の課題に着目して成されたもので、高分子電解質膜の周縁部分に過剰な面圧がかかることを防止することにより、高分子電解質膜を含む膜電極構造体の発電領域に加わる面圧を適正化できる燃料電池を提供することを目的としている。

本発明に係る燃料電池は、電解質膜の両側に触媒層を有し、その表面側に三層以上の多孔体を備えた膜電極接合体と、電解質膜の外周を囲繞する枠体と、膜電極接合体との間にガス流路を区画形成するセパレータを備えている。そして、燃料電池は、三層の多孔体のうちのセパレータに隣接する第一多孔体の外延部、及び第一多孔体に隣接する第二多孔体の外縁部に、枠体と重なるように延出した夫々の延出部を設け、枠体とセパレータとの間に第一及び第二の多孔体の延出部を重ねて介挿した構成としており、上記構成を従来の課題を解決するための手段としている。

上記の燃料電池においては、枠体とセパレータとの間に介挿した第一及び第二の多孔体の延出部のうちの第二多孔体の延出部が、第一多孔体の延出部と枠体との間に作用する面圧を受けて膜電極接合体の発電領域（触媒層が形成される領域）に作用する面圧を適正化できる。

本発明によれば、第一多孔体の延出部と枠体との間に過剰に面圧がかかることを防止することにより、膜電極接合体の発電領域（触媒層が形成される領域）に加わる面圧を適正化できる。

本発明の燃料電池の一実施形態を説明する片側省略の断面図（Ａ）、及び本発明と従来構造の面圧を比較するグラフ（Ｂ）である。 図１に示す燃料電池の全体の断面図（Ａ）、及び燃料電池を構成する枠体及び電解質膜の平面図（Ｂ）である。 本発明の燃料電池の他の実施形態を説明する片側省略の断面図である。

以下、図面に基づいて、本発明の燃料電池の一実施形態を説明する。
図１（Ａ）及び図２（Ａ）に示す燃料電池Ｃは、電解質膜（高分子電解質膜）１の両側に電極層であるカソード層２及びアノード層３を有する膜電極接合体Ｍと、電解質膜１の外周を囲繞する枠体４と、膜電極接合体Ｍとの間に夫々のガス流路Ｇ，Ｇを区画形成するセパレータ５，５を備えている。なお、図１（Ａ）は、カソード層２のみを示しており、実際には、電解質膜１の反対側（図中で下側）にアノード層（３）がある。

膜電極接合体Ｍは、いわゆるＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly)であって、この実施形態ではガス拡散層を含むものとなっている。すなわち、膜電極接合体Ｍのカソード層２及びアノード層３は、いずれも、電解質膜１に隣接する触媒層６を有すると共に、その表面側に、ガス拡散層として機能する三層以上の多孔体を備えている。この多孔体の詳細については後述する。

枠体４は、フレーム若しくはガスケットとして機能する樹脂製の部材である。この枠体４は、図２（Ｂ）に示すように平面矩形状を成すと共に、電解質膜１よりも厚い所定の板厚を有し、中央部に電解質膜１が露出するように同電解質膜１に一体成形してある。

また、枠体４は、図２中左側となる一方の短辺側に、カソードガス（酸素含有ガス）、冷却液及びアノードガス（水素含有ガス）の供給孔Ｈ１〜Ｈ３を有し、他方の短辺側に、これら流体の排出孔Ｈ４〜Ｈ６を有している。なお、供給及び排出の位置関係は適宜変更することができる。

セパレータ５は、集電体を兼用するものであって、図示を省略したが、枠体４に対応する平面矩形状を成すと共に、枠体４と同様の供給孔及び排出孔が形成してある。このセパレータ５は、膜電極接合体Ｍに重合した状態で先述のガス流路Ｇを形成する。なお、この実施形態の燃料電池Ｃは、複数枚を積層した際に、各供給孔（Ｈ１〜Ｈ３）および排出孔（Ｈ４〜Ｈ６）が積層方向に連続して夫々の流路を形成し、また、隣接する燃料電池Ｃとの間（セパレータ５同士の間）に冷却液を流通させる。

上記のセパレータ５と膜電極接合体Ｍとの間には、図１に一部を示すシール材７を介装する。このシール材７は、枠体４の外周部や、供給孔Ｈ１〜Ｈ３及び排出孔Ｈ４〜Ｈ６の周囲に設けてあり、この際、各孔Ｈ１〜Ｈ６の周囲には、対応する層へのガスの流通を妨げないように開放部分を設けている。

上記の燃料電池Ｃは、先述の如く電極層（カソード層２及びアノード層３）の表面側に、少なくとも三層の多孔体１１，１２，１３を備えている。三層の多孔体１１，１２，１３のうちのセパレータ５に隣接する第一多孔体１１及びこれに隣接する第二多孔体１２は、夫々の外縁部に、枠体４の内縁部と重なるように延出した延出部１１Ａ，１２Ａを有している。そして、燃料電池Ｃは、枠体４とセパレータ５との間に第一及び第二の多孔体１１，１２の延出部１１Ａ，１２を介挿した構成になっている。

第一多孔体１１の延出部１１Ａは、枠体４の内縁部と重なるように延出しているので、第一多孔体１１の端部が電解質膜１に接触して電解質膜１が破損することを防止する。また、第一多孔体の延出部１１Ａは、カソードとアノードとの差圧、又は電解質膜１の膨潤・収縮による枠体４の変動を抑制するので、触媒層６と枠体４との境界面における電解質膜１への応力集中を緩和している。

なお、この実施形態では、第二多孔体１２が、本体と同一の厚さの延出部１２Ａを有する構成を例示したが、第二多孔体１２が複数の層で形成される場合には、複数の層のうちの一つの層だけに延出部１２Ａを設けても良い。

ここで、上記の燃料電池Ｃでは、第一多孔体１１の圧縮弾性率が、その他の多孔体１２，１３の圧縮弾性率よりも大きいものとしている。

また、第一多孔体１１には、望ましい実施形態として、鉄、ステンレス鋼、アルミニウム及びアルミニウム合金、チタン及びチタン合金、クロム及びクロム合金、ニッケル及びニッケル合金、マグネシウム及びマグネシウム合金のうちのいずれか１種類以上の金属を用いることができる。また、第一多孔体１１は金網、パンチングメタル、エッチングメタル、及びエキスパンドメタル等で構成される。

さらに、燃料電池Ｃでは、望ましい実施形態として、第二多孔体１２及びこれに隣接する第三多孔体１３が、カーボン材料で形成してあり、より望ましい実施形態として、シート状カーボン材料を用いることができる。なお、第二多孔体１２と第三多孔体１３が同じ材料で一体に形成されても良い。

上記構成を備えた燃料電池Ｃは、複数枚を積層すると共に、その両側にエンドプレートを配置し、積層方向に所定荷重を加えつつ両エンドプレートを連結することにより、燃料電池スタックを構成する。この状態において、各燃料電池Ｃには、所定の面圧が付与されることとなる。

このとき、上記燃料電池Ｃでは、第二多孔体１２すなわち枠体４に直接接触する延出部１２Ａを有する第二多孔体１２が、弾性体としての役割を果し、第一多孔体１１の延出部１１Ａと枠体４との間に作用する面圧を受ける。

より具体的には、図１（Ｂ）に示すように、延出部１２Ａを含む第二多孔体１２の無い従来構造では、第一多孔体１１の延出部１１Ａと枠体４との間における面圧が高くなる。すなわち、面圧の片辺りが生じる。これに対して、本発明の燃料電池Ｃでは、延出部１２Ａを有する第二多孔体１２が第一多孔体１１の延出部１１Ａと枠体４との間の面圧の片辺りを吸収するので、膜電極接合体Ｍの発電領域に加わる面圧が従来構造よりも高い値に適正化されることが明らかである。

これにより、上記燃料電池Ｃは、第一多孔体１１の延出部１１Ａと枠体４との間に過剰に面圧がかかることを防止して、膜電極接合体Ｍの発電領域（触媒層６が形成される領域）に加わる面圧を適正化できる。したがって、上記燃料電池Ｃを積層して成る燃料電池スタックにおいては、個々の燃料電池Ｃの発電領域に適切な面圧が付与されて効率の良い発電が行われるので、全体的な発電性能を高めることができる。

また、上記燃料電池Ｃは、第一多孔体１１の圧縮弾性率をその他の多孔体１２，１３の圧縮弾性率よりも大きいものとしており、このように第一多孔体１１を他よりも剛体とすることにより、第二多孔体１２による面圧吸収及び変動吸収の弾性機能をさらに高めることができる。

さらに、上記燃料電池Ｃは、第一多孔体１１の材料として先述の金属を用いることにより、第二多孔体１２による面圧吸収や変動吸収をより効果的に行うことができる。

さらに、上記燃料電池Ｃは、第二多孔体１２及び第三多孔体１３の材料にカーボン材料を用いることにより、第二多孔体１２による面圧吸収及び変動吸収の弾性機能をさらに高めることができる。また、上記のカーボン材料としてシート状カーボン材料を用いることにより、第二多孔体１２の弾性機能の向上に加えて製造の容易化を図ることもできる。

なお、第二多孔体１２の弾性率を、第三多孔体１３の弾性率よりも小さくしてもよい。第二多孔体１２を第三多孔体１３よりも軟らかくすることで、延出部１２Ａを有する第二多孔体１２による面圧の吸収機能をより一層高め、第一多孔体１１の延出部１１Ａと枠体４との間の面圧の片当りを防止しつつ、膜電極接合体Ｍの発電領域に加わる面圧を適正化する。

図３は、本発明の燃料電池の他の実施形態を説明する図である。なお、先の実施形態と同一の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。

図示例の燃料電池Ｃにおいては、各種パラメータを説明する都合上、第二及び第三の多孔体１２，１３を複数層として表している。すなわち、燃料電池Ｃは、各多孔体１１〜１３のうち、第二多孔体１２を構成する各多孔体をｋで表し、延出部１１Ａ，１２Ａが無い部分である第三多孔体１３を構成する各多孔体をｋ＋ｌ〜ｌ（ｋ≧２）で表している。

なお、図３において、第一多孔体１１と第二多孔体１２の間や、第三多孔体１３に隙間があり、その隙間に縦の二点が付してあるが、これは複数の層を含むことを意味している。

そして、燃料電池Ｃは、第三多孔体１３を構成する各多孔体の弾性率をＥｉ（ｉ＝ｋ＋１〜ｌ）とし、第三多孔体１３を構成する各多孔体の厚さをｔｉ（ｉ＝ｋ＋１〜ｌ）とし、面圧をＰとしたときに、枠体の厚さｔｇが、次式を満たすものとしている。

上記の燃料電池Ｃは、各多孔体１１から１３のうち、延出部１１Ａ，１２Ａが無い多孔体、すなわち図示例では第三多孔体１３を構成する各多孔体の厚さ及び圧縮弾性率や、枠体４の厚さを上記式に基づいて設計することで、第一多孔体１１の延出部１１Ａと枠体４との間に過剰に面圧がかかることを防止すると共に、膜電極接合体Ｍの発電領域に加わる面圧を適正化することができる。

また、燃料電池Ｃは、第二多孔体１２を構成する各多孔体を２〜ｋ（ｋ≧２）で表し、第二多孔体１２を構成する各多孔体の弾性率Ｅｈ（ｈ＝２〜ｋ）と、前記第三多孔体１３を構成する各多孔体の弾性率Ｅｉ（ｉ＝ｋ＋１〜ｌ）との関係が、Ｅｉ≧Ｅｈであるものとしている。

上記の燃料電池Ｃは、第二多孔体１２を第三多孔体１３よりも軟らかくすることで、延出部１２Ａを有する第二多孔体１２による面圧の吸収機能をより一層高め、第一多孔体１１の延出部１１Ａと枠体４との間の面圧の片当りを防止しつつ、膜電極接合体Ｍの発電領域に加わる面圧を適正化する。

さらに、燃料電池Ｃは、前記第二多孔体１２を構成する各多孔体の電子導電率σｈと、第一多孔体１３を構成する各多孔体の電子導電率σｉとの関係が、σｉ≧σｈであるものとしている。

上記の燃料電池Ｃは、第三多孔体１３を構成する各多孔体の電子導電率σｉを大きく（一般的に弾性率は高い）し、これに対して、第二多孔体１２を構成する各多孔体の電子導電率σｈを小さく（一般的に弾性率は低い）することで、面圧の適正化の機能を確保したうえで、抵抗を低減することができ、電池性能のさらなる向上を実現することができる。

なお、本発明に係る燃料電池は、その構成が上記の各実施形態に限定されるものではなく、一実施形態において説明した構成を、他の実施形態に準用若しくは適用することができると共に、構成の細部を適宜変更することができる。

Ｃ 燃料電池
Ｇ ガス流路
Ｍ 膜電極接合体
１ 電解質膜
２ カソード層（電極層）
３ アノード層（電極層）
４ 枠体
５ セパレータ
１１ 第一多孔体
１１Ａ 延出部
１２ 第二多孔体
１２Ａ 延出部
１３ 第三多孔体

Claims (9)

1. 電解質膜の両側に触媒層を有し、その表面側に三層以上の多孔体を備えた膜電極接合体と、
   電解質膜の外周を囲繞する枠体と、
   膜電極接合体との間にガス流路を区画形成するセパレータを備えると共に、
   三層の多孔体のうちのセパレータに隣接する第一多孔体の外縁部、及び第一多孔体に隣接する第二多孔体の外縁部に、枠体と重なるように延出した夫々の延出部を設け、
   枠体とセパレータとの間に第一及び第二の多孔体の延出部を重ねて介挿したことを特徴とする燃料電池。
   
2. 第一多孔体の圧縮弾性率が、その他の多孔体の圧縮弾性率よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
3. 第一多孔体が、鉄、ステンレス鋼、アルミニウム及びアルミニウム合金、チタン及びチタン合金、クロム及びクロム合金、ニッケル及びニッケル合金、マグネシウム及びマグネシウム合金のうちのいずれか１種類以上の金属であることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池。
4. 第二多孔体及びこれに隣接する第三多孔体が、カーボン材料で形成してあることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池。
5. 前記カーボン材料が、シート状カーボン材料であることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池。
6. 第三多孔体は複数層で構成され、第三多孔体を構成する各多孔体をｋ＋ｌ〜ｌ（ｋ≧２）で表し、第三多孔体を構成する各多孔体の弾性率をＥｉ（ｉ＝ｋ＋１〜ｌ）とし、第三多孔体を構成する各多孔体の厚さをｔｉ（ｉ＝ｋ＋１〜ｌ）とし、面圧をＰとしたときに、枠体の厚さｔｇが、次式
   

   

   を満たすことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池。
7. 第二多孔体は複数層で構成され、第二多孔体を構成する各多孔体の弾性率Ｅｈと、前記第三多孔体を構成する各多孔体の弾性率Ｅｉとの関係が、Ｅｉ≧Ｅｈであることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池。
8. 前記第二多孔体を構成する各多孔体の電子導電率σｈと、第三多孔体を構成する各多孔体の電子導電率σｉとの関係が、
   σｉ≧σｈであることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池。
9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の燃料電池を複数枚積層して成ることを特徴とする燃料電池スタック。

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