JPWO2013191181A1 - 燃料電池セル - Google Patents

Abstract

【課題】周囲を枠体に保持された膜電極接合体に面圧が作用しても、膜電極接合体と枠体との接合部位が破損することを防止できる燃料電池セルを提供する。【課題を解決するための手段】燃料電池セル１は、膜電極接合体１０、枠体２０、一対のセパレータ３０、および支持部材４０を有している。膜電極接合体は、アノード１２とカソード１３とを電解質膜１１に対向するように接合して形成している。枠体は、膜電極接合体の周囲を保持する。一対のセパレータは、膜電極接合体を保持した枠体を挟持する。支持部材は、枠体の縁部に沿って超えるように突出し膜電極接合体を支持する。【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池セルに関する。

近年、環境負荷の少ない電源として燃料電池が注目されている。燃料電池は、たとえば供給された水素ガスおよび酸素ガスで化学反応を起こし、発生した化学エネルギーを電気エネルギーに変換する。燃料電池は、化学反応により生成される物質が原理的に水であることから、地球環境への悪影響がほとんど無い。

燃料電池は、複数の燃料電池セルを積層した状態で締結され、水素ガスおよび酸素ガスが供給される。したがって、燃料電池セルは、その積層方向に沿って一定の面圧が付与される。一方、燃料電池セルに設けられた膜電極接合体（ＭＥＡ：ｍｅｍｂｒａｎｅ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ａｓｓｅｍｂｌｙ）は、その強度が比較的弱い。

したがって、膜電極接合体に面圧が作用すると、膜電極接合体が破損する可能性がある。そこで、燃料電池セルの拡散層に補強材を設けることにより、その燃料電池セルの曲げ応力に対する剛性を向上させる構成がある（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００６−３１０１０４号公報

しかしながら、上記特許文献１の構成では、燃料電池セルの拡散層に補強材を設けることから、製造工程が煩雑になり、製造コストも増大する。また、膜電極接合体の周囲を枠体で保持することで取り扱い性を高めるとともに、燃料電池セルの曲げ応力に対する剛性を向上させ膜電極接合体の損傷を防止することが要請されている。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、簡便な構成により、膜電極接合体に面圧が作用しても、膜電極接合体と枠体との接合部位が破損することを防止できる燃料電池セルの提供を目的とする。

上記目的を達成する本発明に係る燃料電池セルは、膜電極接合体、枠体、一対のセパレータ、および支持部材を有している。膜電極接合体は、アノードとカソードとを電解質膜に対向するように接合して形成している。枠体は、膜電極接合体の周囲を保持する。一対のセパレータは、膜電極接合体を保持した枠体を挟持する。本発明に係る燃料電池セルは、支持部材が、枠体の縁部に沿って超えるように突出し膜電極接合体を支持していることに特徴を有している。

上記のように構成した本発明の燃料電池セルでは、支持部材が、枠体の縁部に沿って超えるように突出し膜電極接合体を支持している。したがって、本発明の燃料電池セルによれば、膜電極接合体に面圧が作用しても、その面圧は支持部材を介して枠体に分散され、膜電極接合体と枠体との接合部位に過剰な負荷が掛からない。すなわち、周囲を枠体に保持された膜電極接合体に面圧が作用しても、膜電極接合体と枠体との接合部位が容易に破損しない。

本実施形態に係る燃料電池セルを示す斜視図である。 燃料電池セルを構成部材毎に分解して示す斜視図である。 燃料電池セルの枠体と複数の支持部材および膜電極接合体の一部を図１の３−３線の位置における断面で示す斜視図である。 図３に示す燃料電池セルから膜電極接合体を除いた斜視図である。 燃料電池セルを図１の５−５線の位置における断面で示す斜視図である。 燃料電池セルに複数の支持部材を設けたことによる作用を示す図である。

以下、添付した図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。図面における各部材の大きさや比率は、説明の都合上誇張され実際の大きさや比率とは異なる場合がある。

図１は、燃料電池セル１を示す斜視図である。図２は、燃料電池セル１を構成部材毎に分解して示す斜視図である。図３は、燃料電池セル１の枠体２０と複数の支持部材４０および膜電極接合体１０の一部を図１の３−３線の位置における断面で示す斜視図である。図４は、図３に示す燃料電池セル１から膜電極接合体１０を除いた斜視図である。図５は、燃料電池セル１の一部を図１の５−５線の位置における断面で示す斜視図である。

燃料電池セル１は、概説すれば、アノード１２とカソード１３とを電解質膜１１に対向するように接合して形成した膜電極接合体１０、膜電極接合体１０の周囲を保持する枠体２０、膜電極接合体１０を保持した枠体２０を挟持する一対のセパレータ３０を有している。さらに、燃料電池セル１は、枠体２０の縁部に沿って超えるように突出し膜電極接合体１０を支持する複数の支持部材４０を有している。以下、燃料電池セル１の膜電極接合体１０、枠体２０、一対のセパレータ３０、複数の支持部材４０の構成について、図１〜図５を参照しながら順に詳細に説明する。

膜電極接合体１０は、図２および図５に示すように、アノード１２とカソード１３を電解質膜１１に対向するように接合して形成している。電解質膜１１は、たとえば、固体の高分子材料からなり、薄板状に形成している。固体高分子材料には、たとえば、水素イオンを伝導し、湿潤状態で良好な電気伝導性を有するフッ素系樹脂を用いる。アノード１２は、電極触媒層、撥水層、およびガス拡散層を積層して構成し、電解質膜１１よりも若干小さい薄板状に形成している。カソード１３は、電極触媒層、撥水層、およびガス拡散層を積層して構成し、アノード１２と同様の大きさで薄板状に形成している。カソード１３およびアノード１２の電極触媒層は、導電性の担体に触媒成分が担持された電極触媒と高分子電解質を含んでいる。カソード１３およびアノード１２のガス拡散層は、たとえば、充分なガス拡散性および導電性を有する炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロス、カーボンペーパ、またはカーボンフェルトから形成している。上述した膜電極接合体１０は、一般的にＭＥＡ（ｍｅｍｂｒａｎｅ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ａｓｓｅｍｂｌｙ）と称されている。

枠体２０は、図２および図３に示すように、膜電極接合体１０の外周を保持する。枠体２０は、たとえば、電気絶縁性を有する樹脂からなり、内部に開口した保持部２０ｇで膜電極接合体１０の外周を保持した状態で、長方形の板状に一体成形している。内部に開口した保持部２０ｇの縁が、枠体２０の縁部に相当する。枠体２０の支持部２０ｈは、後述する一対のセパレータ３０の第２セパレータ３２の端子部３２ｃを支持している。枠体２０は、その長手方向の一端に、カソードガス供給口２０ａ、冷却流体供給口２０ｂ、およびアノードガス供給口２０ｃを、それぞれ貫通孔で形成している。枠体２０は、長手方向の他端に、アノードガス排出口２０ｄ、冷却流体排出口２０ｅ、およびカソードガス排出口２０ｆを、それぞれ貫通孔で形成している。

枠体２０において、カソードガス供給口２０ａまたはカソードガス排出口２０ｆから膜電極接合体１０に向かう方向に、円柱形状に形成され凸部からなるリブ２０ｍをマトリクス状に設けている。

枠体２０の２０ｍは、燃料電池セル１を積層して配設したときに、その周囲にカソードガスの流路を確保するためのものである。すなわち、枠体２０のカソードガス供給口２０ａから供給されたカソードガスは、２０ｍに沿って、膜電極接合体１０に流通する。リブ２０ｍは、枠体２０に一体形成している。枠体２０において、枠体２０のカソードガス排出口２０ｆから膜電極接合体１０に向かう方向についても、リブ２０ｍを形成している。

一対のセパレータ３０は、図２および図５に示すように、膜電極接合体１０を保持した枠体２０を挟持する。一対のセパレータ３０は、膜電極接合体１０を保持した枠体２０の一面側に接合した第１セパレータ３１と、枠体２０の一面に対向した他面側に接合し端子部３２ｃを備えた第２セパレータ３２からなる。

第１セパレータ３１は、膜電極接合体１０を保持した枠体２０の一面側に接合している。第１セパレータ３１は、導電性材料を有する金属からなり、アノード１２よりも大きい薄板状に形成している。第１セパレータ３１は、燃料電池セル１と接合した側面から見た場合、後述する流路をなすように凹状と凸状を段違いに複数設けて形成している。すなわち、第１セパレータ３１は、複数の凹凸状の形状が一定の間隔で並ぶようにプレス成形により形成している。第１セパレータ３１は、膜電極接合体１０のアノード１２側に設けているが、カソード１３側に設けてもよい。側面から第１セパレータ３１を見た場合、複数の凹凸状の形状のうちのアノード１２と接触する側の領域が、そのアノード１２にアノードガスを供給するためのアノードガス流路３１ａに相当する。第１セパレータ３１に係る複数の凹凸状の形状のうち、アノード１２と接触しない側の領域が、燃料電池セル１を冷却するための冷却水を流す冷却水流路３１ｂに相当する。

第２セパレータ３２は、枠体２０の一面に対向した他面側に接合し端子部３２ｃを備えている。第２セパレータ３２は、第１セパレータ３１と同様に、導電性材料を有する金属からなり、カソード１３よりも大きい薄板状に形成している。端子部３２ｃに、図示せぬ電圧測定コネクタを係止し、膜電極接合体１０で生成された電力の電圧を測定する。端子部３２ｃは、枠体２０の支持部２０ｈの少なくとも一部に対面するように膜電極接合体１０の外側に向かう方向に突出している。第２セパレータ３２は、第１セパレータ３１と同様に、燃料電池セル１と接合した側面から見た場合、後述する流路をなすように凹状と凸状を段違いに複数設けて形成している。すなわち、第２セパレータ３２は、複数の凹凸状の形状が一定の間隔で並ぶようにプレス成形により形成している。第２セパレータ３２は、膜電極接合体１０のカソード１３側に設けているが、アノード１２側に設けてもよい。

また、第２セパレータ３２は、複数の凹凸状の形状のうちのカソード１３と接触する側の領域が、そのカソード１３にカソードガスを供給するためのカソードガス流路３２ａに相当する。第２セパレータ３２に係る複数の凹凸状の形状のうち、カソード１３と接触しない側の領域が、燃料電池セル１を冷却するための冷却水を流す冷却水流路３２ｂに相当する。すなわち、隣接する燃料電池セル１において、一の燃料電池セル１の第１セパレータ３１の冷却水流路３１ｂと、他の燃料電池セル１の第２セパレータ３２に設けられた冷却水流路３２ｂが、互いに対向することになる。したがって、隣接する燃料電池セル１において、第１セパレータ３１の冷却水流路３１ｂと、第２セパレータ３２に設けられた冷却水流路３２ｂは、１つの冷却水流路を形成する。

複数の支持部材４０は、図３および図４に示すように、枠体２０の縁部に沿って超えるように突出し膜電極接合体１０を支持している。支持部材４０は、膜電極接合体１０を補強する爪として作用する。枠体２０の縁部は、内部に開口した保持部２０ｇの縁に相当する。支持部材４０は、たとえば、電気絶縁性を有する樹脂を用いて、矩形状に形成され凸部からなる。支持部材４０は、膜電極接合体１０を支持するように、枠体２０の縁部に沿って所定の間隔で複数設けている。枠体２０に支持部材４０を設けることにより、膜電極接合体１０に面圧が作用しても、その面圧は支持部材４０を介して枠体２０に分散され、膜電極接合体１０と枠体２０との接合部位に過剰な負荷が掛からない。

支持部材４０は、矩形状からなる枠体２０の縁部のうちの対向する縁部に沿って複数形成している。たとえば、枠体２０に長方形状に開口された保持部２０ｇの長手方向の両端に、支持部材３０を形成している。支持部材４０は、水素含有ガスまたは酸素含有ガスが流通する流路に並行して複数形成している。すなわち、支持部材４０は、水素含有ガスまたは酸素含有ガスの流通を妨げることなく、水素含有ガスまたは酸素含有ガスを整流している。

支持部材４０は、アノード１２またはカソード１３のいずれか一方の面に複数設ける。たとえば、図４に示すように、支持部材４０をカソード１３の面に複数設ける。これは、アノード１２側からカソード１３側に向かう方向に一方的に面圧が作用する構成の場合に適用される。支持部材４０をカソード１３側の面に複数設けることにより、アノード１２側からカソード１３側に向かう方向に面圧が作用しても、その面圧が作用している面の反対側から、支持部材４０により膜電極接合体１０を支持する。

支持部材４０は、枠体２０に一体に形成している。したがって、膜電極接合体１０に押圧された支持部材４０が枠体２０から容易に剥離したり、容易に破断することがない。

支持部材４０で膜電極接合体１０を強固に支持する必要がある場合には、支持部材４０を膜電極接合体１０に接着や溶着等により接合してもよい。このように構成すれば、特に、燃料電池セル１が、アノード１２側からカソード１３側に向かう方向、およびカソード１３側からアノード１２側に向かう方向のいずれにも面圧が作用する構成でも、支持部材４０をアノード１２側の面およびカソード１３側のいずれかの面のみに設ければよい。

燃料電池セル１に複数の支持部材４０を設けたことによる作用について、図６を参照しながら説明する。

図６は、燃料電池セル１に複数の支持部材４０を設けたことによる作用を示す図である。

枠体２０と膜電極接合体１０との接合部において、その接合部が劈開する直前の最大荷重（Ｎ／ｍｍ）を、常温から高温にかけて３つの温度で測定した。菱形で示す従来例は、枠体２０と膜電極接合体１０との接合部において、本実施形態に係る支持部材４０が無い構成における最大荷重の測定結果である。丸形で示す本実施形態（ＴＤ）は、枠体２０と膜電極接合体１０との接合部において、支持部材４０が枠体２０の縁部から膜電極接合体１０に向かう方向に所定の距離だけ突出して設けられた構成における最大荷重の測定結果である。図中の注釈のＴＤは、Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ（トランスバースダイレクション）を表している。四角形で示す本実施形態（ＭＤ）は、枠体２０と膜電極接合体１０との接合部において、支持部材４０が枠体２０の縁部から膜電極接合体１０に向かう方向に所定の距離だけ突出した状態である。その状態で、支持部材４０が枠体２０の縁部に沿って所定の距離だけ延在して設けられた構成における最大荷重の測定結果である。図中の注釈のＭＤは、Ｍａｃｈｉｎｅ Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ（マシンダイレクション）を表している。

枠体２０と膜電極接合体１０との接合部が劈開する直前の最大荷重（Ｎ／ｍｍ）は、菱形で示す従来例、丸形で示す本実施形態（ＴＤ）、および四角形で示す本実施形態（ＭＤ）ともに、温度に対する顕著な依存性は見られない。一方、丸形で示す本実施形態（ＴＤ）および四角形で示す本実施形態（ＭＤ）は、菱形で示す従来例と比較して、枠体２０と膜電極接合体１０との接合部における最大荷重（Ｎ／ｍｍ）が向上している。特に、四角形で示す本実施形態（ＭＤ）は、菱形で示す従来例と比較して、枠体２０と膜電極接合体１０との接合部における最大荷重（Ｎ／ｍｍ）が著しく向上している。

上述した本実施形態の燃料電池セル１によれば、以下の効果を奏する。

燃料電池セル１では、複数の支持部材４０を枠体２０の縁部に沿って超えるように突出させて、複数の支持部材４０で膜電極接合体１０を支持している。

このように構成した燃料電池セル１によれば、複数の支持部材４０が、枠体２０の縁部に沿って超えるように突出し膜電極接合体１０を支持している。したがって、燃料電池セル１によれば、膜電極接合体１０に面圧が作用しても、その面圧は支持部材４０を介して枠体２０に分散され、膜電極接合体１０と枠体２０との接合部位に過剰な負荷が掛からない。すなわち、周囲を枠体２０に保持された膜電極接合体１０に面圧が作用しても、膜電極接合体１０と枠体２０との接合部が容易に破損しない。

さらに、燃料電池セル１では、支持部材３０を矩形状からなる枠体２０の縁部のうちの対向する縁部に沿って複数形成する構成としてもよい。

このように構成した燃料電池セル１によれば、たとえば、枠体２０に長方形状に開口された保持部２０ｇの長手方向の両端に、支持部材３０を形成する。したがって、保持部２０ｇの長手方向の両端で膜電極接合体１０を強固に支持することができる。

さらに、燃料電池セル１では、支持部材４０を水素含有ガスまたは酸素含有ガスが流通する流路に並行して複数形成する構成としてもよい。

このように構成した燃料電池セル１によれば、支持部材４０は、水素含有ガスまたは酸素含有ガスの流通を妨げることない。さらに、このように構成した燃料電池セル１によれば、水素含有ガスまたは酸素含有ガスを整流することができる。

さらに、燃料電池セル１では、支持部材４０をアノード１２またはカソード１３のいずれか一方の面に複数設ける構成としてもよい。

このように構成した燃料電池セル１によれば、たとえば、アノード１２側からカソード１３側に向かう方向に一方的に面圧が作用する構成では、支持部材４０を面圧が作用する面の反対側に相当するカソード１３側に複数設けて、膜電極接合体１０と枠体２０との接合部位に過剰な負荷が掛からないようにする。一方、たとえば、カソード１３側からアノード１２側に向かう方向に一方的に面圧が作用する構成では、支持部材４０を面圧が作用する面の反対側に相当するアノード１２側に複数設けて、膜電極接合体１０と枠体２０との接合部位に過剰な負荷が掛からないようにする。さらに、アノード１２側からカソード１３側に向かう方向、およびカソード１３側からアノード１２側に向かう方向のいずれにも面圧が作用する構成では、支持部材４０をアノード１２側の面およびカソード１３側の面に複数設ける。

さらに、燃料電池セル１では、支持部材４０を枠体２０に一体に形成する構成としてもよい。

このように構成した燃料電池セル１によれば、支持部材４０を枠体２０に一体に形成することから、膜電極接合体１０に押圧された支持部材４０が枠体２０から容易に剥離したり、容易に破断することがない。さらに、このように構成した燃料電池セル１によれば、枠体２０を膜電極接合体１０の外周を保持するように射出成型により製造する場合、枠体２０と同時に支持部材４０も一体に形成することができることから、量産性に優れている。

さらに、燃料電池セル１では、支持部材４０を膜電極接合体１０に接合する構成としてもよい。

このように構成した燃料電池セル１によれば、支持部材４０で膜電極接合体１０を接着や溶着等により強固に支持することができる。この構成によれば、特に、燃料電池セル１が、アノード１２側からカソード１３側に向かう方向、およびカソード１３側からアノード１２側に向かう方向のいずれにも面圧が作用する構成でも、支持部材４０をアノード１２側の面およびカソード１３側のいずれかの面のみに設ければよい。

そのほか、本発明は、特許請求の範囲に記載された構成に基づき様々な改変が可能であり、それらについても本発明の範疇である。尚、本実施形態では、複数の支持部材４０を設けているが、その支持部材４０を単数とすることもできる。本出願は、２０１２年６月１８日に出願された日本特許出願番号２０１２−１３７１９８号に基づいており、その開示内容は、参照され、全体として、組み入れられている。

１ 燃料電池セル、
１０ 膜電極接合体、
１１ 電解質膜、
１２ アノード、
１３ カソード、
２０ 枠体、
２０ａ カソードガス供給口、
２０ｂ 冷却流体供給口、
２０ｃ アノードガス供給口、
２０ｄ アノードガス排出口、
２０ｅ 冷却流体排出口、
２０ｆ カソードガス排出口、
２０ｇ 保持部、
２０ｈ 支持部、
２０ｍ リブ、
３０ セパレータ、
３１ 第１セパレータ、
３１ａ アノードガス流路、
３１ｂ 冷却水流路、
３２ 第２セパレータ、
３２ａ カソードガス流路、
３２ｂ 冷却水流路、
３２ｃ 端子部、
４０ 支持部材。

【０００２】
、燃料電池セルの曲げ応力に対する剛性を向上させ膜電極接合体の損傷を防止することが要請されている。
［０００７］
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、簡便な構成により、膜電極接合体に面圧が作用しても、膜電極接合体と枠体との接合部位が破損することを防止できる燃料電池セルの提供を目的とする。
課題を解決するための手段
［０００８］
上記目的を達成する本発明に係る燃料電池セルは、膜電極接合体、枠体、一対のセパレータ、および支持部材を有している。膜電極接合体は、アノードとカソードとを電解質膜に対向するように接合して形成している。枠体は膜電極接合体の周囲を保持し、水素含有ガスまたは酸素含有ガスが流通する流路に接する。一対のセパレータは、膜電極接合体を保持した枠体を挟持する。本発明に係る燃料電池セルは、支持部材が、枠体の流路が形成される一方の面に設けられ、枠体の縁部に沿って枠体を超えるように突出し膜電極接合体を支持していることに特徴を有している。
発明の効果
［０００９］
上記のように構成した本発明の燃料電池セルでは、支持部材が、枠体の縁部に沿って超えるように突出し膜電極接合体を支持している。したがって、本発明の燃料電池セルによれば、膜電極接合体に面圧が作用しても、その面圧は支持部材を介して枠体に分散され、膜電極接合体と枠体との接合部位に過剰な負荷が掛からない。すなわち、周囲を枠体に保持された膜電極接合体に面圧が作用しても、膜電極接合体と枠体との接合部位が容易に破損しない。
図面の簡単な説明
［００１０］
［図１］本実施形態に係る燃料電池セルを示す斜視図である。
［図２］燃料電池セルを構成部材毎に分解して示す斜視図である。
［図３］燃料電池セルの枠体と複数の支持部材および膜電極接合体の一部を図１の３−３線の位置における断面で示す斜視図である。
［図４］図３に示す燃料電池セルから膜電極接合体を除いた斜視図である。
［図５］燃料電池セルを図１の５−５線の位置における断面で示す斜視図である

上記目的を達成する本発明に係る燃料電池セルは、膜電極接合体、枠体、一対のセパレータ、および支持部材を有している。膜電極接合体は、アノードとカソードとを電解質膜に対向するように接合して形成している。枠体は膜電極接合体の周囲を保持し、水素含有ガスまたは酸素含有ガスが流通する流路に接する。一対のセパレータは、膜電極接合体を保持した枠体を挟持する。本発明に係る燃料電池セルは、互いに離間した複数の支持部材が、枠体の流路が形成される一方の面に設けられ、枠体の縁部に沿って枠体が形成する枠の中心方向に向けて枠体を超えるように突出し膜電極接合体を支持することに特徴を有している。

Claims (6)

1. アノードとカソードとを電解質膜に対向するように接合して形成した膜電極接合体と、
   前記膜電極接合体の周囲を保持する枠体と、
   前記膜電極接合体を保持した前記枠体を挟持する一対のセパレータと、
   前記枠体の縁部に沿って超えるように突出し前記膜電極接合体を支持する支持部材と、を有することを特徴とする燃料電池セル。
2. 前記支持部材は、矩形状からなる前記枠体の前記縁部のうちの対向する前記縁部に沿って、複数形成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池セル。
3. 前記支持部材は、水素含有ガスまたは酸素含有ガスが流通する流路に並行して、複数形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池セル。
4. 前記支持部材は、アノードまたはカソードのいずれか一方の面に、複数設け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セル。
5. 前記支持部材は、前記枠体に一体に形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池セル。
6. 前記支持部材は、前記膜電極接合体に接合されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池セル。