JP2004103255A

JP2004103255A - 燃料電池

Info

Publication number: JP2004103255A
Application number: JP2002259217A
Authority: JP
Inventors: Yosuke Fujii; 藤井　洋介; Seiji Sugiura; 杉浦　誠治; Shigetoshi Sugita; 杉田　成利
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2002-09-04
Filing date: 2002-09-04
Publication date: 2004-04-02
Anticipated expiration: 2022-09-04
Also published as: JP4121340B2; CA2441623C; EP1441405A2; EP1441405A3; US7572538B2; EP1441405B1; DE60334969D1; CA2441623A1; US20040121215A1

Abstract

【課題】反応ガス流路以外に反応ガスが流れることを阻止し、簡単な構成で、所望の発電性能を確保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および第２金属セパレータ１４、１６で挟持する。電解質膜・電極構造体１２では、ガス拡散層４２ａがガス拡散層４２ｂよりも大きな表面積を有しており、シール部材６０が前記ガス拡散層４２ａの外周縁部４５に対応して配置される。このシール部材６０は、固体高分子電解質膜３６と第１金属セパレータ１４との間に挿入されるシール本体部６２と、ガス拡散層４２ｂと前記第１金属セパレータ１４との間に挿入され、かつ酸化剤ガス流路４６の一部を形成する流路形成部６４とを一体的に設けている。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電解質を一対の電極間に配設した電解質・電極構造体が、一対のセパレータで挟持される燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極およびカソード側電極を対設した電解質（電解質膜）・電極構造体を、セパレータによって挟持することにより構成されている。この種の燃料電池は、通常、電解質・電極構造体およびセパレータを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が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】
この場合、電解質膜・電極構造体とセパレータとのシール性を向上させることが望まれており、例えば、特許文献１に開示された燃料電池が知られている。この燃料電池は、図６に示すように、電解質膜・電極構造体１と、第１および第２セパレータ２、３とを備えている。電解質膜・電極構造体１は、固体高分子電解質膜４と、この固体高分子電解質膜４を挟持するアノード側電極５およびカソード側電極６とを備えており、前記アノード側電極５が前記カソード側電極６よりも大きな表面積に設定されている。
【０００５】
第２セパレータ３の内面側には、カソード側電極６を囲むようにして固体高分子電解質膜４に密接し、第１シール７ａが取り付けられている。さらに、第１および第２セパレータ２、３間には、第１シール７ａを囲むようにして第２シール７ｂが取り付けられている。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００２−２５５８７号公報（図７）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、第１および第２セパレータ２、３は、通常、カーボン系材料で構成されているが、前記カーボン系材料では、強度等の要因で薄肉化が図れないという不具合が指摘されている。そこで、最近、カーボン製セパレータよりも強度に優れかつ薄肉化が容易な金属薄板製のセパレータ（以下、金属セパレータともいう）を用い、この金属セパレータにプレス加工を施して所望の反応ガス流路を成形することにより、該金属セパレータの厚さの減少を図って燃料電池全体を小型化かつ軽量化する工夫がなされている。
【０００８】
この種の金属セパレータを上記の従来技術に係る燃料電池に組み込む際、図７に示す構成が採用される。この燃料電池では、電解質膜・電極構造体１が第１および第２金属セパレータ２ａ、３ａにより挟持されている。第１金属セパレータ２ａには、カソード側電極６に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路８ａが形成される一方、第２金属セパレータ３ａには、アノード側電極５に燃料ガスを供給するための燃料ガス流路８ｂが形成されている。アノード側電極５およびカソード側電極６は、カーボンペーパー等からなるガス拡散層５ａ、６ａ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５ａ、６ａの表面に一様に塗布されてなる電極触媒層５ｂ、６ｂとをそれぞれ有する。
【０００９】
しかしながら、上記の構成では、第１シール７ａと、第１金属セパレータ２ａがカソード側電極６に接する部分との間に、発電に関係しない空間９が形成されており、この空間９には、酸化剤ガス流路８ａから酸化剤ガスが進入し易い。これにより、空間９に発電に使用されない酸化剤ガスが流れてしまい、電極面に前記酸化剤ガスを有効に供給することができず、燃料電池の発電性能が低下するという問題がある。
【００１０】
さらに、第１シール７ａから発電機能部（実際に発電に用いられる部分）までの距離Ｈが比較的長尺化してしまう。従って、燃料電池全体の面積に対する発電面積の比率が小さくなり、所望の発電能力を維持するために前記燃料電池全体が大型化するというおそれがある。
【００１１】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、反応ガス流路以外に反応ガスが流れることを有効に阻止し、簡単かつコンパクトな構成で、所望の発電性能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。
【００１２】
【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、電解質を一対の電極間に配設した電解質・電極構造体が、一対の金属セパレータで挟持されるとともに、前記電極は、前記電解質に対向する面に電極触媒層を設けたガス拡散層を備えている。そして、一方のガス拡散層は、他方のガス拡散層よりも大きな表面積を有し、前記他方のガス拡散層の外周部から外方に突出する前記一方のガス拡散層の外周縁部と金属セパレータとの間に、シール部材が介装されている。
【００１３】
このシール部材は、他方のガス拡散層の外周縁部と金属セパレータとの間に挿入され、かつ反応ガス流路の一部を形成する流路形成部を一体的に設けている。このため、シール部材は、電解質からガス拡散層にわたって一体的に接触しており、このガス拡散層から反応ガスが漏洩することを確実に阻止することができる。
【００１４】
しかも、シール部材自体が反応ガス流路を構成しており、前記シール部材と前記金属セパレータとの間には、反応に関係しない空間が形成されることがなく、この空間に反応ガスが不要に流れることを阻止する。これにより、反応ガスを効率的に使用して発電性能を良好に向上させることが可能になる。
【００１５】
また、本発明の請求項２に係る燃料電池では、反応ガス流路が、少なくとも一部に屈曲する流路部を有しており、シール部材は、前記屈曲する流路部内に配置されて金属セパレータとガス拡散層とに接触する流路境界シール部を一体的に設けている。この流路境界シール部の両側には、反応ガスを互いに逆方向に移動させる流路溝が気密に形成されている。
【００１６】
従って、反応ガスの流体圧力に差が発生し易い屈曲する流路部では、前記反応ガスがショートカットすることを有効に阻止することができる。これにより、反応ガスの漏れを確実に阻止し、発電面全面に反応ガスを均一に供給して燃料電池の発電性能を良好に維持することが可能になる。
【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、電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）１２が、第１および第２金属セパレータ１４、１６に挟持されて構成される。燃料電池１０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供給連通孔３０ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔３２ｂ、および燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔３４ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。
【００１９】
燃料電池１０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供給連通孔３４ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔３２ａ、および酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔３０ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。
【００２０】
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てなる固体高分子電解質膜３６と、前記固体高分子電解質膜３６を挟持するアノード側電極３８およびカソード側電極４０とを備える。
【００２１】
アノード側電極３８およびカソード側電極４０は、図２に示すように、カーボンペーパー等からなるガス拡散層（多孔質カーボン部材）４２ａ、４２ｂ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４２ａ、４２ｂの表面に一様に塗布されてなる電極触媒層４４ａ、４４ｂとをそれぞれ有する。電極触媒層４４ａ、４４ｂは、互いに固体高分子電解質膜３６を介装して対向するように、前記固体高分子電解質膜３６の両面に接合されている。
【００２２】
アノード側電極３８は、カソード側電極４０よりも大きな表面積を有している。アノード側電極３８を構成するガス拡散層４２ａは、カソード側電極４０を構成するガス拡散層４２ｂの外周部から外方に突出する外周縁部４５を設ける。
【００２３】
図１に示すように、第１金属セパレータ１４の電解質膜・電極構造体１２側の面１４ａには、折り返し型の酸化剤ガス流路（反応ガス流路）４６が設けられる。この酸化剤ガス流路４６は、図３に示すように、複数本の酸化剤ガス流路溝４８を備え、この酸化剤ガス流路溝４８は、水平方向（矢印Ｂ方向）に蛇行しながら重力方向（矢印Ｃ方向）に向かって設けられる。酸化剤ガス流路溝４８は、酸化剤ガス供給連通孔３０ａと酸化剤ガス排出連通孔３０ｂとに連通するとともに、矢印Ｂ方向に一往復半だけ蛇行する流路構造を採用している。
【００２４】
第２金属セパレータ１６の電解質膜・電極構造体１２側の面１６ａには、図４に示すように、燃料ガス供給連通孔３４ａと燃料ガス排出連通孔３４ｂとに連通する燃料ガス流路（反応ガス流路）５０が形成される。この燃料ガス流路５０は、水平方向に蛇行しながら重力方向に向かって延在する複数本の燃料ガス流路溝５２を備える。
【００２５】
図１および図２に示すように、第１金属セパレータ１４の面１４ｂと第２金属セパレータ１６の面１６ｂとの間には、冷却媒体供給連通孔３２ａと冷却媒体排出連通孔３２ｂとに連通する冷却媒体流路５４が形成される。この冷却媒体流路５４は、矢印Ｂ方向に延在する複数本の冷却媒体流路溝５６を備える。
【００２６】
図２に示すように、第１金属セパレータ１４の平坦面１４ｃには、シール部材６０が配置され、あるいは、焼き付け等によって設けられている。平坦面１４ｃは、面１４ａよりも内方に所定の距離だけ離間して設けられている。シール部材６０は、アノード側電極３８を構成するガス拡散層４２ａの外周縁部４５に対応して、固体高分子電解質膜３６と第１金属セパレータ１４の平坦面１４ｃとの間に配置されるシール本体部６２を備える。シール本体部６２には、ガス拡散層４２ｂの外周縁部と第１金属セパレータ１４の平坦面１４ｃとの間に介装される流路形成部６４が一体的に形成される。
【００２７】
シール本体部６２は、固体高分子電解質膜３６の外周縁部と、酸化剤ガス供給連通孔３０ａおよび酸化剤ガス排出連通孔３０ｂとを囲繞する。流路形成部６４は、シール本体部６２よりも薄肉状に成形されており、ガス拡散層４２ｂの外周縁部を周回するように設けられている。この流路形成部６４は、図２に示すように、第１金属セパレータ１４の酸化剤ガス流路溝４８の一部を形成する。
【００２８】
図１および図３に示すように、シール部材６０は、シール本体部６２に一体的に成形され、酸化剤ガス流路４６の折り返し部（屈曲する流路部）内に配置される２つの流路境界シール部６６を設ける。図５に示すように、流路境界シール部６６は、ガス拡散層４２ｂと第１金属セパレータ１４の平坦面１４ｃとの間に介装される。流路境界シール部６６の両側には、酸化剤ガスが互いに逆方向に移動する酸化剤ガス流路溝４８が気密に形成される。
【００２９】
図４および図５に示すように、第２金属セパレータ１６の平坦面１６ｃとガス拡散層４２ａとの間には、燃料ガス流路５０の折り返し部（屈曲する流路部）内に対応して流路境界シール部６８が介装される。この流路境界シール部６８の両側には、燃料ガスが互いに逆方向に移動する燃料ガス流路溝５２が気密に形成される。
【００３０】
図１および図２に示すように、第１および第２金属セパレータ１４、１６間には、シール部材６０のシール本体部６２に対向する位置にシール部材７０が介装される。冷却媒体流路５４は、このシール部材７０を介して冷却媒体供給連通孔３２ａおよび冷却媒体排出連通孔３２ｂに連通し、かつ気密に保持される。
【００３１】
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。
【００３２】
まず、図１に示すように、燃料ガス供給連通孔３４ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤ガス供給連通孔３０ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給される。さらに、冷却媒体供給連通孔３２ａ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。
【００３３】
このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給連通孔３０ａから第１金属セパレータ１４の酸化剤ガス流路４６に導入され、矢印Ｂ方向に蛇行しながら電解質膜・電極構造体１２を構成するカソード側電極４０に沿って移動する。一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔３４ａから第２金属セパレータ１６の燃料ガス流路５０に導入され、矢印Ｂ方向に蛇行しながら電解質膜・電極構造体１２を構成するアノード側電極３８に沿って移動する。
【００３４】
従って、各電解質膜・電極構造体１２では、カソード側電極４０に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極３８に供給される燃料ガスとが、電極触媒層４４ａ、４４ｂ内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。
【００３５】
次いで、アノード側電極３８に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔３４ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。同様に、カソード側電極４０に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔３０ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。
【００３６】
また、冷却媒体供給連通孔３２ａに供給された冷却媒体は、第１および第２金属セパレータ１４、１６間の冷却媒体流路５４に導入された後、矢印Ｂ方向に沿って流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体１２を冷却した後、冷却媒体排出連通孔３２ｂから排出される。
【００３７】
この場合、本実施形態では、図２に示すように、ガス拡散層４２ａがガス拡散層４２ｂよりも大きな表面積を有しており、このガス拡散層４２ｂ側にシール部材６０が配置される。このシール部材６０は、ガス拡散層４２ａの外周縁部４５に対応して固体高分子電解質膜３６と第１金属セパレータ１４の平坦面１４ｃとの間に介装されるシール本体部６２を有している。そして、シール本体部６２には、ガス拡散層４２ｂの外周縁部と第１金属セパレータ１４の平坦面１４ｃとの間に挿入され、かつ酸化剤ガス流路溝４８の一部を形成する流路形成部６４が一体的に設けられている。
【００３８】
このように、シール部材６０は、固体高分子電解質膜３６からガス拡散層４２ｂの外周縁部にわたって一体的に接触しており、このガス拡散層４２ｂから酸化剤ガスが漏洩することを確実に阻止することができる。
【００３９】
しかも、シール部材６０自体が酸化剤ガス流路溝４８を構成している。従って、シール部材６０と第１金属セパレータ１４との間には、反応に関係しない空間が形成されることがなく、この空間に酸化剤ガスが流れることを阻止することができる。これにより、酸化剤ガスを効率的に使用することが可能になり、燃料電池１０の発電性能を良好に向上させることができるという効果が得られる。
【００４０】
さらに、第１金属セパレータ１４は、シール部材６０の流路形成部６４が配置される部分から発電機能部（実際に発電に用いられる部分）として使用することが可能になる。このため、従来に比べて、発電に用いられない部分が有効に削減され、所望の発電機能を維持した状態で燃料電池１０全体を有効に小型化かつ軽量化することができるという利点がある。
【００４１】
また、図１および図５に示すように、シール部材６０には、酸化剤ガス流路４６の折り返し部に対応して流路境界シール部６６が一体的に設けられている。従って、流路境界シール部６６の両側には、酸化剤ガスが互いに逆方向に移動する酸化剤ガス流路溝４８を気密に形成することが可能になる。
【００４２】
このため、酸化剤ガスの流体圧力に差が発生し易い折り返し部では、酸化剤ガスがショートカットすることを有効に阻止することが可能になる。これにより、酸化剤ガスの漏れを確実に阻止し、発電面全面に酸化剤ガスを均一に供給して、燃料電池１０の発電性能を良好に維持することができるという効果が得られる。
【００４３】
なお、燃料ガス流路５０においても同様に、流路境界シール部６８が設けられており、燃料ガスのショートカットを阻止して発電面全面に燃料ガスを均一に供給することが可能になる。
【００４４】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池では、一方のガス拡散層の外周縁部と金属セパレータとの間にシール部材が介装されるとともに、このシール部材は、他方のガス拡散層の外周縁部と前記金属セパレータとの間に挿入され、かつ反応ガス流路の一部を形成する流路形成部を一体的に設けている。このため、シール部材は、電解質からガス拡散層にわたって一体的に接触しており、このガス拡散層から反応ガスが漏洩することを確実に阻止することができる。
【００４５】
しかも、シール部材自体が反応ガス流路を構成しており、前記シール部材と前記金属セパレータとの間に反応に関係しない空間が形成されることがなく、この空間に反応ガスが不要に流れることを阻止する。これにより、反応ガスを効率的に使用して発電性能を良好に向上させることが可能になる。
【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第１金属セパレータの正面説明図である。
【図４】前記燃料電池を構成する第２金属セパレータの正面説明図である。
【図５】前記燃料電池の折り返し部の断面説明図である。
【図６】従来技術に係る燃料電池の要部断面説明図である。
【図７】別の従来技術に係る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…電解質膜・電極構造体
１４、１６…金属セパレータ　　　　３０ａ…酸化剤ガス供給連通孔
３０ｂ…酸化剤ガス排出連通孔　　　３２ａ…冷却媒体供給連通孔
３２ｂ…冷却媒体排出連通孔　　　　３４ａ…燃料ガス供給連通孔
３４ｂ…燃料ガス排出連通孔　　　　３６…固体高分子電解質膜
３８…アノード側電極　　　　　　　４０…カソード側電極
４２ａ、４２ｂ…ガス拡散層　　　　４４ａ、４４ｂ…電極触媒層
４６…酸化剤ガス流路　　　　　　　４８…酸化剤ガス流路溝
５０…燃料ガス流路　　　　　　　　５２…燃料ガス流路溝
５４…冷却媒体流路　　　　　　　　５６…冷却媒体流路溝
６０、７０…シール部材　　　　　　６２…シール本体部
６４…流路形成部　　　　　　　　　６６、６８…流路境界シール部

Claims

電解質を一対の電極間に配設した電解質・電極構造体が、一対の金属セパレータで挟持され、前記一対の金属セパレータに形成されたそれぞれの反応ガス流路を通って前記一対の電極に反応ガスを供給するとともに、
前記電極は、前記電解質に対向する面に電極触媒層を設けたガス拡散層を備え、一方のガス拡散層は、他方のガス拡散層よりも大きな表面積を有する燃料電池であって、
前記他方のガス拡散層の外周部から外方に突出する前記一方のガス拡散層の外周縁部と前記金属セパレータとの間に介装されるシール部材を備え、
前記シール部材は、前記他方のガス拡散層の外周縁部と前記金属セパレータとの間に挿入され、かつ前記反応ガス流路の一部を形成する流路形成部を一体的に設け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、前記反応ガス流路は、少なくとも一部に屈曲する流路部を有しており、
前記シール部材は、前記屈曲する流路部内に配置されて前記金属セパレータと前記ガス拡散層とに接触する流路境界シール部を一体的に設けるとともに、前記流路境界シール部の両側には、前記反応ガスを互いに逆方向に移動させる流路溝が気密に形成されることを特徴とする燃料電池。