JP2005268151A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単且つコンパクトな構成で、反応ガスを電極反応面全体に均一に供給するとともに、前記反応ガスの流量の変化に迅速に追従することができ、安定した発電性能を維持することを可能にする。
【解決手段】第２金属セパレータ１８に一体化される第２シール部材５８は、面１８ａに外側突起６０ａと内側突起６２ａとを設ける。外側突起６０ａと内側突起６２ａとの間には、所定の位置に連結突起６７ａ、６７ｂを設けることによって両端が閉塞され、入口貫通孔５５ａ及び入口バッファ部５４ａにのみ連通する燃料ガス貯留室６６が形成される。この燃料ガス貯留室６６は、電極反応面６４の外方に配置されており、入口貫通孔５５ａから面１８ａに供給される燃料ガスの一部を貯留している。
【選択図】図４

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、一対のセパレータにより挟持して積層するとともに、前記セパレータと前記電解質膜・電極構造体との間には、電極反応面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路が設けら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固体高分子電解質膜を採用している。この燃料電池は、固体高分子電解質膜の両側に、それぞれ電極触媒と多孔質カーボンからなるアノード側電極及びカソード側電極を対設した電解質膜・電極構造体を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持する単セルにより構成されている。通常、燃料電池では、この単セルを所定の数だけ積層したスタックが使用されている。

この種の燃料電池において、アノード側電極には、燃料ガス（反応ガス）、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）が供給される一方、カソード側電極には、酸化剤ガス（反応ガス）、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。アノード側電極に供給された燃料ガスは、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。

燃料電池では、各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。

その際、燃料電池の発電性能を高く維持するために、燃料ガス及び酸化剤ガスをそれぞれの電極反応面全体にわたって均一に供給することが望まれている。従って、各反応ガス流路に沿ってそれぞれ所定の反応ガスを円滑且つ均一に流す必要があり、従来から種々の工夫がなされている。

例えば、特許文献１に開示されている高分子電解質型燃料電池では、図７に示すように、セパレータ板１を備えており、このセパレータ板１には、酸化剤ガスの入口側マニホールド孔２ａ及び出口側マニホールド孔２ｂと、燃料ガスの入口側マニホールド孔３ａ及び出口側マニホールド孔３ｂとが貫通して内部マニホールドを構成している。

セパレータ板１の中央部には、マニホールド孔２ａ、２ｂを連結するガス流路４が設けられるとともに、このガス流路４は、平行する４本の溝で構成されている。ガス流路４のマニホールド孔２ａ、２ｂと繋がる部分には、サブマニホールド５ａ、５ｂが形成されており、前記ガス流路４及び前記サブマニホールド５ａ、５ｂは、電極反応面６の内部に位置して配設されている。

サブマニホールド５ａ、５ｂは、ガス流路４の溝幅よりも大きく構成されており、電極の略全長に沿う長さに設定されている。ガス流路４は、サーペンタイン流路を構成しており、マニホールド孔２ａに供給される酸化剤ガスは、サブマニホールド５ａに供給され、さらにガス流路４に沿って蛇行しながら移行した後、サブマニホールド５ｂからマニホールド孔２ｂに排出されている。

これにより、ガス供給の均一化を図り、電極面６内での発電分布をなくして、燃料電池の安定性と高効率化が可能になる、としている。

特開２００３−２８２０９９号公報（図１）

ところで、上記の特許文献１では、電極反応面６内にサブマニホールド５ａ、５ｂ及びガスの流路４が配置されている。このため、前記サブマニホールド５ａに供給された酸化剤ガスの一部は、電極反応面６内で反応に使用され、残余の酸化剤ガスがガス流路４の４本の溝に供給されている。

従って、マニホールド孔２ａから供給される酸化剤ガスの流れが瞬間的に不安定になる際、例えば、高出力（高負荷）が要求される際には、サブマニホールド５ａに供給される酸化剤ガスの流量を即座に増加させることができない。これにより、セパレータ板１に流入される酸化剤ガス流量の変化に迅速に追従することができないという問題が指摘されている。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単且つコンパクトな構成で、反応ガスを電極反応面全体に均一に供給するとともに、前記反応ガスの流量の変化に迅速に追従することができ、安定した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、一対のセパレータにより挟持して積層するとともに、前記セパレータと前記電解質膜・電極構造体との間には、電極反応面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路が設けられる燃料電池である。

この燃料電池では、少なくとも一方のセパレータの面内に、電極反応面外に位置して反応ガス流路に連通し且つ反応ガスを貯留可能な反応ガス貯留室が設けられている。

また、一方のセパレータは、金属プレートにシール部材が一体成形された金属セパレータであり、前記一方のセパレータに設けられた前記シール部材は、電解質膜・電極構造体に接する内側凸状シールと、他方のセパレータに接する外側凸状シールとを備えるとともに、前記内側凸状シールと前記外側凸状シールとの間に、前記反応ガス貯留室が設けられることが好ましい。従って、金属プレートに一体成形されたシール部材により反応ガス貯留室が形成されるため、簡単且つコンパクトな構成で、前記反応ガス貯留室を設けることができる。

さらに、セパレータには、積層方向に貫通して少なくとも反応ガス連通孔が形成されるとともに、前記反応ガス連通孔は、反応ガス流路及び反応ガス貯留室に連通することが好ましい。このため、反応ガス連通孔を設けた内部マニホールド型セパレータを、簡単且つコンパクトに構成することができる。

本発明では、電極反応面外に位置して反応ガス貯留室が設けられるため、反応ガス流路に供給される反応ガスの流量が不足し易い場合には、前記反応ガス貯留室から前記反応ガス流路に前記反応ガスを補給することができる。

これにより、電極反応面に供給される反応ガスの流量が瞬間的に不安定になっても、前記反応ガスを迅速且つ確実に補給して前記電極反応面全体に前記反応ガスを均一に供給することが可能になる。従って、外部負荷（出力）の変動にも良好に対応することができ、安定した発電性能を維持することが可能になる。

図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池１０を構成する発電セル（単セル）の１２要部分解斜視説明図であり、図２は、複数の発電セル１２を水平方向（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を第１及び第２金属セパレータ１６、１８により挟持して構成される。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。なお、第１及び第２金属セパレータ１６、１８に代替して、例えば、カーボンセパレータを採用してもよい。

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、シリコンゴム、フロロシリコンゴム、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に連通するための第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に連通するための第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、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及び入口貫通孔５５ａを介して面１８ｂから燃料ガス入口連通孔２４ａに連通するとともに、出口バッファ部５４ｂ及び出口貫通孔５５ｂを介して面１８ｂから燃料ガス出口連通孔２４ｂに連通する。

図１及び図５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（外側凸状シール）６０ａと、この外側突起６０ａから内方に所定の距離だけ離間する内側突起（内側凸状シール）６２ａ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６２ａは、後述する固体高分子電解質膜８０の外周縁部に接して燃料ガス流路５０を閉塞している（図２参照）。

第２金属セパレータ１８の面１８ａには、電解質膜・電極構造体１４の電極反応面６４の外方に位置して燃料ガス流路５０に連通し、且つ燃料ガスを貯留可能な燃料ガス貯留室（反応ガス貯留室）６６が設けられる。燃料ガス貯留室６６は、外側突起６０ａと内側突起６２ａとの間に設けられるとともに、前記外側突起６０ａと前記内側突起６２ａとを所定の位置で連結する連結突起６７ａ、６７ｂによって両端が閉塞され、入口貫通孔５５ａ及び入口バッファ部５４ａにのみ連通している。

図５に示すように、第２シール部材５８は、外側突起６０ｂと、この外側突起６０ｂの内方に離間して冷却媒体流路３４を囲繞する内側突起６２ｂとを、第２金属セパレータ１８の面１８ｂに設ける。第２金属セパレータ１８の面１８ｂには、冷却媒体入口連通孔２２ａと入口バッファ部５６ａとの間、及び冷却媒体出口連通孔２２ｂと出口バッファ部５６ｂとの間に、それぞれ複数、例えば、３本の凸状部材６８ａ、６８ｂが一体成形される。

面１８ｂには、冷却媒体入口連通孔２２ａと第１金属セパレータ１６の入口バッファ部３６ａとの間、及び冷却媒体出口連通孔２２ｂと前記第１金属セパレータ１６の出口バッファ部３６ｂとの間に対応して、それぞれ複数、例えば、５本の凸状部材７０ａ、７０ｂが一体成形される。凸状部材６８ａ、６８ｂ、７０ａ及び７０ｂは、第２シール部材５８の一部を構成しており、これらが第１シール部材４０に圧接することにより入口連結流路７２ａ及び出口連結流路７２ｂが構成される。

冷却媒体入口連通孔２２ａと冷却媒体流路３４とは、入口連結流路７２ａを介して連結されるとともに、冷却媒体出口連通孔２２ｂと前記冷却媒体流路３４とは、出口連結流路７２ｂを介して連結される。

図６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から入口連結流路７２ａを介して冷却媒体入口連通孔２２ａに連通する一方、出口バッファ部３６ｂ、５６ｂから出口連結流路７２ｂを介して冷却媒体出口連通孔２２ｂに連通する。

図１に示すように、電解質膜・電極構造体１４は、矢印Ｂ方向両端部の中央部を内方に切り欠いて構成されている。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８０と、前記固体高分子電解質膜８０を挟持するカソード側電極８２及びアノード側電極８４とを備える。アノード側電極８４は、カソード側電極８２よりも小さな表面積に設定されている。

カソード側電極８２及びアノード側電極８４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８０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、面１８ｂ側で燃料ガス入口連通孔２４ａから入口貫通孔５５ａを通って面１８ａ側に移動し、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８４に供給される。なお、面１８ａ側に移動した燃料ガスの一部は、燃料ガス貯留室６６に充填される。

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に導入される。この酸化剤ガスは、矢印Ｂ方向に往復移動しながら、電解質膜・電極構造体１４を構成するカソード側電極８２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８４に供給される燃料ガスと、カソード側電極８２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８４に供給されて消費された燃料ガスは、出口バッファ部５４ｂから出口貫通孔５５ｂを通り面１８ｂ側に移動し、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８２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６に示すように、入口連結流路７２ａから入口バッファ部３６ａ、５６ａを経由して第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、出口連結流路７２ｂから出口バッファ部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、本実施形態では、図４に示すように、第２シール部材５８を構成する外側突起６０ａと内側突起６２ａとの間に、連結突起６７ａ、６７ｂを介して両端が閉塞され且つ入口貫通孔５５ａ及び入口バッファ部５４ａにのみ連通する燃料ガス貯留室６６が設けられるとともに、この燃料ガス貯留室６６は、電極反応面６４の外方に配置されている。

このため、入口貫通孔５５ａから面１８ａ側に供給される燃料ガスは、一部が燃料ガス貯留室６６に充填される一方、残余の部分が燃料ガス流路５０に供給されて、この燃料ガス流路５０に沿って移動しながらアノード側電極８４に供給されている。従って、燃料ガス貯留室６６が電極反応面６４の外方に存在するため、通常運転時には、この燃料ガス貯留室６６に充填されている燃料ガスは、アノード側電極８４によって消費されることはない。

そこで、例えば、外部負荷（出力）の変動によって燃料ガス流路５０に供給される燃料ガスの流量が不足し易い場合には、燃料ガス貯留室６６に充填されている燃料ガスが、入口バッファ部５４ａから前記燃料ガス流路５０に即座に放出される。

これにより、電極反応面６４に供給される燃料ガスの流量が瞬間的に不安定になっても、燃料ガス貯留室６６から前記燃料ガス流路５０に前記燃料ガスを迅速且つ確実に補給することができ、前記電極反応面６４全体に該燃料ガスを均一に供給することが可能になる。従って、本実施形態では、外部負荷の変動にも良好に対応することができ、安定した発電性能を確実に維持することが可能になるという効果が得られる。

しかも、燃料ガス貯留室６６は、第２金属セパレータ１８に一体化された第２シール部材５８を構成する外側突起６０ａと内側突起６２ａとの間に形成されている。このため、第２金属セパレータ１８全体を簡単且つコンパクトに構成することができるとともに、燃料ガス貯留室６６の容量を確実に維持すること可能になる。

なお、本実施形態では、反応ガス貯留室として燃料ガス貯留室６６を設ける場合について説明したが、これに限定されるものではなく、酸化剤ガス貯留室を構成してもよい。

本発明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金属セパレータの一方の面からの正面説明図である。 前記第２金属セパレータの他方の面から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。 特許文献１に開示されているセパレータ板の説明図である。

符号の説明

１０…燃料電池 １２…発電セル
１６、１８…金属セパレータ 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
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
５０…燃料ガス流路 ６０ａ、６０ｂ…外側突起
６２ａ、６２ｂ…内側突起 ６４…電極反応面
６６…燃料ガス貯留室 ６７ａ、６７ｂ…連結突起
６８ａ、６８ｂ、７０ａ、７０ｂ…凸状部材
７２ａ…入口連結流路 ７２ｂ…出口連結流路
８０…固体高分子電解質膜 ８２…カソード側電極
８４…アノード側電極

Claims (3)

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、一対のセパレータにより挟持して積層するとともに、前記セパレータと前記電解質膜・電極構造体との間には、電極反応面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路が設けられる燃料電池であって、
   少なくとも一方のセパレータの面内には、前記電極反応面外に位置して前記反応ガス流路に連通し且つ前記反応ガスを貯留可能な反応ガス貯留室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、前記一方のセパレータは、金属プレートにシール部材が一体成形された金属セパレータであり、
   前記一方のセパレータに設けられた前記シール部材は、前記電解質膜・電極構造体に接する内側凸状シールと、
   他方のセパレータに接する外側凸状シールと、
   を備えるとともに、
   前記内側凸状シールと前記外側凸状シールとの間に、前記反応ガス貯留室が設けられ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、前記セパレータには、積層方向に貫通して少なくとも反応ガス連通孔が形成されるとともに、
   前記反応ガス連通孔は、前記反応ガス流路及び前記反応ガス貯留室に連通することを特徴とする燃料電池。
   
   

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