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技術 燃料電池

出願人 本田技研工業株式会社
発明者 鈴木征治石田堅太郎
出願日 2012年12月25日 (7年6ヶ月経過) 出願番号 2012-281274
公開日 2014年7月7日 (5年11ヶ月経過) 公開番号 2014-127261
状態 特許登録済
技術分野 燃料電池(本体)
主要キーワード 薄板プレート 断面凹凸形状 線断面説明図 裏面形状 重力方向下方 出口バッファ 入口バッファ 外周端縁
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (10)

課題

反応ガス流路内重力方向最端部に対応して電解質膜劣化することを容易且つ確実に抑制することができ、前記電解質膜の耐久性の向上を図ることを可能にする。

解決手段

燃料電池10は、固体高分子電解質膜24をカソード側セパレータ14及びアノード側セパレータ16で挟持する。燃料電池10を構成する酸化剤ガス流路は、水平方向に波状に延在する複数の波形状流路部30aを備える。複数の波形状流路部30aの中、重力方向最下端部に配置される波形状流路部30ae1の一部は、電極触媒層26b、28bの平面領域、すなわち、発電領域GFから重力方向下方に突出している。

概要

背景

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一方側にアノード電極が配設され、且つ、前記電解質膜の他方の側にカソード電極が配設された電解質膜・電極構造体MEA)を、一対のセパレータによって挟持した単位セルを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の単位セルを積層することにより、車載用燃料電池スタックとして使用されている。

燃料電池では、波状プレス成形された金属セパレータが使用されるとともに、前記金属セパレータの面内に、アノード電極に燃料ガスを流すための燃料ガス流路(以下、反応ガス流路ともいう)と、カソード電極に酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路(以下、反応ガス流路ともいう)とが設けられている。さらに、各発電セル毎又は複数の発電セル毎に、冷却媒体を流すための冷却媒体流路が金属セパレータの面方向に沿って設けられている。

この場合、冷却媒体流路は、燃料ガス流路の裏面形状と酸化剤ガス流路の裏面形状とが重なり合って構成されている。従って、金属薄板波形状に形成したセパレータに燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路を構成する場合、各波形状流路の裏面形状同士が互いに位相を異ならせて重なって、冷却媒体流路が形成されている。

例えば、特許文献1に開示されている燃料電池では、燃料ガス流路を形成する第1中空状凸部又は酸化剤ガス流路を形成する第2中空状凸部の少なくとも一方を屈曲させることにより、前記第1中空状凸部と前記第2中空状凸部の頂面同士を一部離間させ、連通路を形成されている。このため、連通路は、冷却水流通させることができ、燃料電池を効率よく冷却することが可能になる、としている。

概要

反応ガス流路内重力方向最端部に対応して電解質膜が劣化することを容易且つ確実に抑制することができ、前記電解質膜の耐久性の向上をることを可能にする。燃料電池10は、固体高分子電解質膜24をカソード側セパレータ14及びアノード側セパレータ16で挟持する。燃料電池10を構成する酸化剤ガス流路は、水平方向に波状に延在する複数の波形状流路部30aを備える。複数の波形状流路部30aの中、重力方向最下端部に配置される波形状流路部30ae1の一部は、電極触媒層26b、28bの平面領域、すなわち、発電領域GFから重力方向下方に突出している。

目的

本発明は、この種の問題を解決するものであり、反応ガス流路内の重力方向最端部に対応して電解質膜が劣化することを容易且つ確実に抑制することができ、前記電解質膜の耐久性の向上を図ることが可能な燃料電池を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

電解質膜の両側に、それぞれ電極触媒層及びガス拡散層を積層した電極が設けられる電解質膜・電極構造体と、セパレータとは、電極面が重力方向に沿った立位姿勢で水平方向に沿って積層されるとともに、酸化剤ガス又は燃料ガスである反応ガスを前記電極面に沿って水平方向に流通させる反応ガス流路が設けられる燃料電池であって、前記反応ガス流路は、それぞれ水平方向に波状に延在するとともに、重力方向に配列される複数の波形状流路部を備え、複数の前記波形状流路部の中、重力方向最端部に配置される前記波形状流路部の一部は、前記電極触媒層の平面領域から重力方向外方に突出することを特徴とする燃料電池。

請求項2

請求項1記載の燃料電池において、複数の前記波形状流路部の中、重力方向最下端に配置される前記波形状流路部の一部は、前記電極触媒層の平面領域から重力方向下方に突出することを特徴とする燃料電池。

技術分野

0001

本発明は、電解質膜の両側に、それぞれ電極触媒層及びガス拡散層を積層した電極が設けられる電解質膜・電極構造体と、セパレータとが積層される燃料電池に関する。

背景技術

0002

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一方側にアノード電極が配設され、且つ、前記電解質膜の他方の側にカソード電極が配設された電解質膜・電極構造体(MEA)を、一対のセパレータによって挟持した単位セルを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の単位セルを積層することにより、車載用燃料電池スタックとして使用されている。

0003

燃料電池では、波状プレス成形された金属セパレータが使用されるとともに、前記金属セパレータの面内に、アノード電極に燃料ガスを流すための燃料ガス流路(以下、反応ガス流路ともいう)と、カソード電極に酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路(以下、反応ガス流路ともいう)とが設けられている。さらに、各発電セル毎又は複数の発電セル毎に、冷却媒体を流すための冷却媒体流路が金属セパレータの面方向に沿って設けられている。

0004

この場合、冷却媒体流路は、燃料ガス流路の裏面形状と酸化剤ガス流路の裏面形状とが重なり合って構成されている。従って、金属薄板波形状に形成したセパレータに燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路を構成する場合、各波形状流路の裏面形状同士が互いに位相を異ならせて重なって、冷却媒体流路が形成されている。

0005

例えば、特許文献1に開示されている燃料電池では、燃料ガス流路を形成する第1中空状凸部又は酸化剤ガス流路を形成する第2中空状凸部の少なくとも一方を屈曲させることにより、前記第1中空状凸部と前記第2中空状凸部の頂面同士を一部離間させ、連通路を形成されている。このため、連通路は、冷却水流通させることができ、燃料電池を効率よく冷却することが可能になる、としている。

先行技術

0006

特開2003−338300号公報

発明が解決しようとする課題

0007

ところで、燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路を構成する各波形状流路は、水平方向に延在して設けられる場合がある。例えば、高さ方向に制限されるスペースに燃料電池を収容する際には、横長形状の燃料電池を採用する必要がある。従って、燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路は、燃料ガス及び酸化剤ガスを水平方向に流通させることが好ましい。

0008

このため、各波形状流路には、下方に湾曲又は屈曲した後に上方に向かう凹状部が存在している。従って、特に重力方向下方に配置されている凹状部には、水が滞留し易くなり、例えば、セパレータから金属イオン溶出するとともに、電極の貴金属が溶出するおそれがある。これにより、溶出イオンが電解質膜に取り込まれ、前記電解質膜が劣化する一方、電極性能が低下するという問題がある。

0009

しかも、一般的に電極端部は、電極中央部に比べて電解質膜への引張力及び剪断応力が大きくなり易い。このため、発電による電解質膜の強度低下に伴って損傷を受け易くなるという問題がある。

0010

本発明は、この種の問題を解決するものであり、反応ガス流路内重力方向最端部に対応して電解質膜が劣化することを容易且つ確実に抑制することができ、前記電解質膜の耐久性の向上を図ることが可能な燃料電池を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

0011

本発明は、電解質膜の両側に、それぞれ電極触媒層及びガス拡散層を積層した電極が設けられる電解質膜・電極構造体と、セパレータとは、電極面が重力方向に沿った立位姿勢で水平方向に沿って積層されるとともに、酸化剤ガス又は燃料ガスである反応ガスを前記電極面に沿って水平方向に流通させる反応ガス流路が設けられる燃料電池に関するものである。

0012

この燃料電池では、反応ガス流路は、それぞれ水平方向に波状に延在するとともに、重力方向に配列される複数の波形状流路部を備え、複数の前記波形状流路部の中、重力方向最端部に配置される前記波形状流路部の一部は、電極触媒層の平面領域から重力方向外方に突出している。

0013

また、この燃料電池では、複数の波形状流路部の中、重力方向最下端に配置される前記波形状流路部の一部は、電極触媒層の平面領域から重力方向下方に突出することが好ましい。

発明の効果

0014

本発明によれば、複数の波形状流路部の中、重力方向最端部に配置される前記波形状流路部の一部は、電極触媒層の平面領域から重力方向外方に突出している。このため、重力方向最端部では、反応領域外の部分が存在して劣化を引き起こす反応が緩やかになり、固体高分子電解質膜の劣化を抑制することが可能になる。従って、固体高分子電解質膜の耐久性が向上する。

0015

しかも、電極触媒層が設けられていない平面領域で、反応ガスの消費量が減少するため、流通する反応ガス流量が増加し、波形状流路部の滞留水を良好に排水することができる。これにより、簡単な構成で、特に反応ガス流路内の重力方向下方に滞留し易い生成水を、容易且つ確実に前記反応ガス流路から排出することが可能になる。

図面の簡単な説明

0016

本発明の第1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。
前記燃料電池の、図1中、II−II線断面説明図である。
前記燃料電池の、図1中、III−III線断面説明図である。
前記燃料電池を構成するカソード側セパレータの正面説明図である。
前記燃料電池を構成するアノード側セパレータの正面説明図である。
本発明の第2の実施形態に係る燃料電池の一部断面説明図である。
前記燃料電池の他の一部断面説明図である。
前記燃料電池を構成するカソード側セパレータの正面説明図である。
前記燃料電池を構成するアノード側セパレータの正面説明図である。

実施例

0017

図1図3に示すように、本発明の第1の実施形態に係る燃料電池10は、矢印A方向に複数積層されて燃料電池スタックを構成する。燃料電池10は、電解質膜・電極構造体12と、前記電解質膜・電極構造体12を挟持するカソード側セパレータ14及びアノード側セパレータ16とを備え、これらは、電極面が重力方向に沿った立位姿勢で水平方向に沿って積層される。

0018

カソード側セパレータ14及びアノード側セパレータ16は、例えば、鋼板ステンレス鋼板アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した薄板プレートにより構成される。薄板プレートを波形状にプレス加工することにより、断面凹凸形状成形される。なお、カソード側セパレータ14及びアノード側セパレータ16は、カーボンセパレータにより構成してもよい。

0019

図1に示すように、カソード側セパレータ14及びアノード側セパレータ16は、横長形状を有するとともに、短辺が重力方向(矢印C方向)に向かい且つ長辺が水平方向(矢印B方向)に向かう(水平方向の積層)ように構成される。

0020

燃料電池10の長辺方向(矢印B方向)の一端縁部には、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18aと、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20bとが設けられる。

0021

燃料電池10の長辺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20aと、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔18bとが設けられる。

0022

燃料電池10の短辺方向(矢印C方向)の両端縁部一方には、矢印A方向に互いに連通して、冷却媒体を供給するための2つの冷却媒体供給連通孔22aが設けられる。燃料電池10の短辺方向の両端縁部他方には、冷却媒体を排出するための2つの冷却媒体排出連通孔22bが設けられる。

0023

電解質膜・電極構造体12は、例えば、フッ素系又は炭化水素系の固体高分子電解質膜24と、前記固体高分子電解質膜24を挟持するカソード電極26及びアノード電極28とを備える。

0024

図2及び図3に示すように、カソード電極26、アノード電極28は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層26a、28a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26a、28aの表面に一様に塗布されて形成される電極触媒層26b、28bとを有する。電極触媒層26b、28bは、固体高分子電解質膜24の両面に振り分け形成され、発電領域GFが形成される。

0025

ガス拡散層26a、28aの平面寸法(表面積)は、固体高分子電解質膜24の平面寸法(表面積)よりも小さな寸法に設定されるとともに、互いに同一の平面寸法を有する。電極触媒層26b、28bの平面寸法は、ガス拡散層26a、28aの平面寸法(表面積)よりも小さな寸法に設定されるとともに、互いに同一の平面寸法を有する。

0026

なお、電解質膜・電極構造体12は、カソード電極26の平面寸法がアノード電極28の平面寸法よりも小さな、又は、前記カソード電極26の平面寸法が前記アノード電極28の平面寸法よりも大きな、所謂、段差MEAを構成してもよい。

0027

図4に示すように、カソード側セパレータ14の電解質膜・電極構造体12に向かう面14aには、酸化剤ガス供給連通孔18aと酸化剤ガス排出連通孔18bとを連通する酸化剤ガス流路30が形成される。酸化剤ガス流路30は、それぞれ水平方向に波状に延在するとともに、重力方向に配列される複数の波形状流路部30aを備える。酸化剤ガス流路30は、重力方向に同期的に変化する形状を包含する形状であればよく、例えば、ジグザグ形状矩形状でもよい。

0028

複数の波形状流路部30aの中、重力方向最端部に配置される波形状流路部30ae1、30ae2の一部は、電極触媒層26b、28bの平面領域、すなわち、発電領域GFから重力方向外方に突出する。波形状流路部30ae1は、重力方向最下端に配置され、下方に湾曲(又は屈曲)する流路部分の下部側に沿って発電領域GFの下端位置が設定される。波形状流路部30ae2は、重力方向最上端に配置され、上方に湾曲(又は屈曲)する流路部分の上部側に沿って発電領域GFの上端位置が設定される。

0029

酸化剤ガス流路30の入口近傍及び出口近傍には、それぞれ複数のエンボスを有する入口バッファ部32a及び出口バッファ部32bが設けられる。入口バッファ部32aと酸化剤ガス供給連通孔18aとは、複数本入口接続通路33aにより連通する。出口バッファ部32bと酸化剤ガス排出連通孔18bとは、複数本の出口接続通路33bにより連通する。

0030

図5に示すように、アノード側セパレータ16の電解質膜・電極構造体12に向かう面16aには、燃料ガス供給連通孔20aと燃料ガス排出連通孔20bとを連通する燃料ガス流路34が形成される。燃料ガス流路34は、それぞれ水平方向に波状に延在するとともに、重力方向に配列される複数の波形状流路部34aを備える。燃料ガス流路34は、重力方向に同期的に変化する形状を包含する形状であればよく、例えば、ジグザグ形状や矩形状でもよい。アノード側とカソード側とで、波形状流路部30aの位相と波形状流路部34aの位相とが同一であることが好ましい。但し、波形状流路部30aの位相と波形状流路部34aの位相とは、互いにずれていてもよい。

0031

複数の波形状流路部34aの中、重力方向最端部に配置される波形状流路部34ae1、34ae2の一部は、電極触媒層26b、28bの平面領域、すなわち、発電領域GFから重力方向外方に突出する。波形状流路部34ae1は、重力方向最下端に配置され、下方に湾曲(又は屈曲)する流路部分の下部側に沿って発電領域GFの下端位置が設定される。波形状流路部34ae2は、重力方向最上端に配置され、上方に湾曲(又は屈曲)する流路部分の上部側に沿って発電領域GFの上端位置が設定される。

0032

燃料ガス流路34の入口近傍及び出口近傍には、それぞれ複数のエンボスを有する入口バッファ部36a及び出口バッファ部36bが設けられる。入口バッファ部36aと燃料ガス供給連通孔20aとは、複数本の入口接続通路37aにより連通する。出口バッファ部36bと燃料ガス排出連通孔20bとは、複数本の出口接続通路37bにより連通する。

0033

アノード側セパレータ16の面16bとカソード側セパレータ14の面14bとの間には、冷却媒体供給連通孔22a、22aと冷却媒体排出連通孔22b、22bとに連通する冷却媒体流路38が形成される(図1参照)。冷却媒体流路38は、電解質膜・電極構造体12の電極範囲に亘って冷却媒体を流通させるとともに、前記冷却媒体流路38の入口近傍及び出口近傍には、それぞれ入口バッファ部40a及び出口バッファ部40bが設けられる。

0034

入口バッファ部40aと冷却媒体供給連通孔22aとは、複数本の入口接続通路41aにより連通する。出口バッファ部40bと冷却媒体排出連通孔22bとは、複数本の出口接続通路41bにより連通する。

0035

カソード側セパレータ14の面14a、14bには、このカソード側セパレータ14の外周端縁部を周回して第1シール部材42が一体成形される。アノード側セパレータ16の面16a、16bには、このアノード側セパレータ16の外周端縁部を周回して第2シール部材44が一体成形される。第1シール部材42及び第2シール部材44としては、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等の弾性を有するシール部材が用いられる。

0036

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。

0037

先ず、図1に示すように、酸化剤ガス供給連通孔18aには、酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス供給連通孔20aには、水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、一対の冷却媒体供給連通孔22aには、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。

0038

このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給連通孔18aからカソード側セパレータ14の酸化剤ガス流路30に導入される。図4に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路30に沿って矢印B方向(水平方向)に移動し、電解質膜・電極構造体12のカソード電極26に供給される。

0039

一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔20aからアノード側セパレータ16の燃料ガス流路34に供給される。燃料ガスは、図5に示すように、燃料ガス流路34に沿って水平方向(矢印B方向)に移動し、電解質膜・電極構造体12のアノード電極28に供給される(図1参照)。

0040

従って、電解質膜・電極構造体12では、カソード電極26に供給される酸化剤ガスと、アノード電極28に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費されて発電が行われる。

0041

次いで、電解質膜・電極構造体12のカソード電極26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18bに沿って矢印A方向に排出される。一方、電解質膜・電極構造体12のアノード電極28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20bに沿って矢印A方向に排出される。

0042

また、一対の冷却媒体供給連通孔22aに供給された冷却媒体は、図1に示すように、カソード側セパレータ14及びアノード側セパレータ16間の冷却媒体流路38に導入される。冷却媒体は、一旦矢印C方向(重力方向)内方に沿って流動した後、矢印B方向(水平方向)に移動して電解質膜・電極構造体12を冷却する。この冷却媒体は、矢印C方向外方に移動した後、一対の冷却媒体排出連通孔22bに排出される。

0043

この場合、第1の実施形態では、図4に示すように、酸化剤ガス流路30を構成する複数の波形状流路部30aの中、重力方向最端部に配置される波形状流路部30ae1、30ae2の一部は、電極触媒層26b、28bの平面領域、すなわち、発電領域GFから重力方向外方に突出している。同様に、図5に示すように、燃料ガス流路34を構成する複数の波形状流路部34aの中、重力方向最端部に配置される波形状流路部34ae1、34ae2の一部は、電極触媒層26b、28bの平面領域、すなわち、発電領域GFから重力方向外方に突出している。

0044

このため、波形状流路部30ae1、30ae2及び波形状流路部34ae1、34ae2では、反応領域外の部分が存在している。従って、電極端部における劣化を引き起こす反応が緩やかになり、発電による強度低下を抑制して固体高分子電解質膜24の劣化を抑制することが可能になる。これにより、固体高分子電解質膜24の耐久性が良好に向上するという効果が得られる。

0045

しかも、電極触媒層26b、28bが設けられていない平面領域で、燃料ガス及び酸化剤ガスの消費量が減少するため、流通する燃料ガス及び酸化剤ガスの流量が増加する。特に、重力方向最下端に配置され、生成水が滞留し易い波形状流路部30ae1、34ae1では、滞留水を良好に排水することができる。このため、簡単な構成で、酸化剤ガス流路30及び燃料ガス流路34内の重力方向下方に滞留し易い生成水を、容易且つ確実に前記酸化剤ガス流路30及び前記燃料ガス流路34から排出することが可能になる。従って、固体高分子電解質膜24は、溶出イオンを取り込むことがなく、劣化を抑制するとともに、電極性能の低下を確実に阻止することができる。

0046

図6及び図7に示すように、本発明の第2の実施形態に係る燃料電池50は、電解質膜・電極構造体12をカソード側セパレータ52とアノード側セパレータ54とで挟持する。なお、第1の実施形態に係る燃料電池10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。また、図6は、第1の実施形態の図2と同一の断面図であり、図7は、第1の実施形態の図3と同一の断面図である。

0047

図6図8に示すように、カソード側セパレータ52には、酸化剤ガス流路30が形成されるとともに、前記酸化剤ガス流路30を構成する重力方向最下端の波形状流路部30ae1は、上方に湾曲(又は屈曲)する流路部分の上部側に沿って発電領域GFの下端位置が設定される。酸化剤ガス流路30を構成する重力方向最上端の波形状流路部30ae2は、下方に湾曲(又は屈曲)する流路部分の下部側に沿って発電領域GFの上端位置が設定される。

0048

図6図7及び図9に示すように、アノード側セパレータ54には、燃料ガス流路34が形成されるとともに、前記燃料ガス流路34を構成する重力方向最下端の波形状流路部34ae1は、上方に湾曲(又は屈曲)する流路部分の上部側に沿って発電領域GFの下端位置が設定される。燃料ガス流路34を構成する重力方向最上端の波形状流路部34ae2は、下方に湾曲(又は屈曲)する流路部分の下部側に沿って発電領域GFの上端位置が設定される。

0049

このように構成される第2の実施形態では、固体高分子電解質膜24の耐久性が向上するとともに、良好な排水性を確保することができる等、上記の第1の実施形態と同様の効果が得られる。

0050

10、50…燃料電池12…電解質膜・電極構造体
14、16、52、54…金属セパレータ18a…酸化剤ガス供給連通孔
18b…酸化剤ガス排出連通孔20a…燃料ガス供給連通孔
20b…燃料ガス排出連通孔22a…冷却媒体供給連通孔
22b…冷却媒体排出連通孔24…固体高分子電解質膜
26…カソード電極26a、28a…ガス拡散層
26b、28b…電極触媒層
28…アノード電極30…酸化剤ガス流路
34…燃料ガス流路38…冷却媒体流路
30a、30ae1、30ae2、34a、34ae1、34ae2…波形状流路部

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