JP2007234315A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単且つ経済的な構成で、液絡を可及的に阻止して所望の絶縁性を確保することを可能にする。
【解決手段】単位セル１２を構成する第１及び第２セパレータ２４、２６は、電気絶縁材で構成されるとともに、前記第２セパレータ２６のカソード側電極３２に向かう面２６ａには、酸化剤ガス流路５０と電極集電部５２とが設けられる。この電極集電部５２は、導電部材５４ａ、５４ｂに電気的に接続され、前記導電部材５４ａ、５４ｂは、第２セパレータ２６を貫通して第１セパレータ２４に設けられる導電部材４３ａ、４３ｂに電気的に接続される。
【選択図】図２

Description

本発明は、固体高分子電解質膜の両側に一対の電極が設けられた電解質膜・電極構造体と、セパレータとが積層される複数の単位セルを備えるとともに、少なくとも反応ガス又は冷却媒体を積層方向に流通させる流体連通孔が前記積層方向に貫通して形成さ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（電極触媒層）と多孔質カーボン（拡散層）からなるアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・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位セルを構成している。通常、燃料電池では、この単位セルを所定の数（数十〜数百）だけ積層した燃料電池スタックが使用されている。

上記の燃料電池では、積層されている各単位セルのアノード側電極及びカソード側電極に、それぞれ反応ガスである燃料ガス及び酸化剤ガスを供給するとともに、１又は複数の単位セル毎に冷却媒体を供給するため、内部マニホールド型の燃料電池を採用する場合が多い。

この内部マニホールド型では、単位セルの積層方向に貫通する反応ガス連通孔及び冷却媒体連通孔を備えている。そして、電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路（酸化剤ガス流路及び燃料ガス流路）の出入口に反応ガス連通孔が連通する一方、単位セル間に沿って冷却媒体を供給する冷却媒体流路の出入口に冷却媒体連通孔が連通している。

ところで、セパレータは、カーボンセパレータや金属セパレータ等の導電材料で構成されている。このため、燃料電池の発電により発生した生成水や冷却媒体等に電流が伝わり、燃料電池の外部に電気が流れ出してしまう、いわゆる、液絡が発生するという問題がある。

そこで、例えば、特許文献１には、プレートの導電性流体用のマニホールドに絶縁性ゴム等のグロメット（筒部材）を挿入することにより、電流が前記マニホールド内の導電性流体を経てマニホールド間に流れることを阻止する技術が開示されている。

特開昭５７−９４５８１号公報（図２）

しかしながら、上記の特許文献１では、各セパレータ毎のマニホールドにグロメットを挿入しなければならず、前記グロメットの組み付け作業が相当に煩雑化するとともに、経済的ではないという問題がある。特に、多数の単位セルが積層される燃料電池スタックでは、この種の問題が顕著になっている。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単且つ経済的な構成で、液絡を可及的に阻止して所望の絶縁性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。

本発明は、固体高分子電解質膜の両側に一対の電極が設けられた電解質膜・電極構造体と、セパレータとが積層される複数の単位セルを備えるとともに、少なくとも反応ガス又は冷却媒体を積層方向に流通させる流体連通孔が、前記積層方向に貫通して形成される燃料電池に関するものである。

そして、セパレータは、電気絶縁材で構成されるとともに、前記セパレータの電極に向かうセパレータ面内には、電極集電部と、隣接する単位セルの電極集電部同士を電気的に接続する電気接続部とが設けられている。

また、セパレータには、冷却媒体をセパレータ面内に流す冷却媒体流路が形成されるとともに、前記冷却媒体流路を囲繞して冷却媒体シールが設けられ、電気接続部は、前記冷却媒体シールの外方に配設されることが好ましい。

さらに、電極集電部は、セパレータに金属蒸着処理又は金属メッキ処理されて構成されることが好ましい。さらにまた、電極集電部は、セパレータを貫通して設けられる導電部材を備えることが好ましい。また、導電部材には、互いに嵌合して位置決めする凹凸部位が設けられることが好ましい。

さらに、セパレータの電極に向かうセパレータ面内には、電極集電部及び電気接続部を囲繞する短絡防止シールが設けられることが好ましい。

本発明によれば、セパレータが電気絶縁材で構成されるため、反応ガス中の水分（生成水等）や冷却媒体を確実に絶縁することができ、反応ガス連通孔や冷却媒体連通孔に絶縁構造、例えば、グロメットを採用する必要がない。これにより、簡単且つ経済的な構成で、液絡を可及的に阻止して所望の絶縁性を確保することが可能になる。

しかも、セパレータのセパレータ面内には、隣接する単位セルの電極集電部同士を電気的に接続する電気接続部が設けられている。従って、複数の単位セルからの集電が良好且つ確実に遂行される。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池１０の一部断面側面説明図であり、図２は、前記燃料電池１０を構成する単位セル１２の分解斜視図である。

燃料電池１０は、複数の単位セル１２が水平方向（矢印Ａ方向）に積層された積層体１４を備え、前記積層体１４の積層方向両端部には、第１及び第２ターミナルプレート１６ａ、１６ｂと、第１及び第２絶縁プレート１８ａ、１８ｂと、第１及び第２エンドプレート２０ａ、２０ｂとが、順次、設けられる。なお、燃料電池１０は、図示しないが、例えば、締め付けボルト等により締め付け保持される。

単位セル１２は、互いに積層される電解質膜・電極構造体２２と、第１及び第２セパレータ２４、２６とを備える。電解質膜・電極構造体２２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２８と、該固体高分子電解質膜２８を挟持するアノード側電極３０及びカソード側電極３２とを備える。アノード側電極３０及びカソード側電極３２は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層（図示せず）と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子を前記ガス拡散層の表面に一様に塗布して形成される電極触媒層（図示せず）とを有する。

図２に示すように、単位セル１２の矢印Ｃ方向（鉛直方向）の一端縁部（上端縁部）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（流体連通孔）３４ａ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔（流体連通孔）３６ａが、矢印Ｂ方向に配列して設けられる。

単位セル１２の矢印Ｃ方向の他端縁部（下端縁部）には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔（流体連通孔）３４ｂ、及び燃料ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔（流体連通孔）３６ｂが、矢印Ｂ方向に配列して設けられる。

単位セル１２の矢印Ｂ方向（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、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔（流体連通孔）３８ａが複数、例えば、４箇所に設けられる。単位セル１２の矢印Ｂ方向の他端縁部には、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔（流体連通孔）３８ｂが、複数、例えば、４箇所に設けられる。

第１セパレータ２４は、電気絶縁材、例えば、耐熱樹脂であるＡＢＳ（アクリルニトリル ブタジエン スチレン）、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）又はＰＳ（ポリスチレン）で構成される。図３に示すように、第１セパレータ２４の電解質膜・電極構造体２２に向かう面２４ａには、燃料ガス入口連通孔３６ａと燃料ガス出口連通孔３６ｂとに連通し、矢印Ｂ方向に折り返しながら矢印Ｃ方向に延在するサーペインタイン形状の燃料ガス流路４０が設けられる。

第１セパレータ２４の面２４ａには、電解質膜・電極構造体２２の発電領域に対応し燃料ガス流路４０を覆って電極集電部４２が設けられる。この電極集電部４２は、面２４ａに導電性金属、例えば、金や金合金を用いて金属蒸着処理や金属メッキ処理されることにより形成される他、金属薄板を貼り付けて形成される。第１セパレータ２４には、電極集電部４２に電気的に接続されるとともに、この第１セパレータ２４を貫通して導電部材（電気接続部）４３ａ、４３ｂが設けられる。導電部材４３ａ、４３ｂは、酸化剤ガス入口連通孔３４ａと燃料ガス入口連通孔３６ａとの間、及び燃料ガス出口連通孔３６ｂと酸化剤ガス出口連通孔３４ｂとの間に配置される。

第１セパレータ２４の面２４ａには、電極集電部４２及び導電部材４３ａ、４３ｂを囲繞する短絡防止シール４４が設けられる。この短絡防止シール４４は、絶縁ゴムシールで個別に、又は第１セパレータ２４と一体に構成されている。短絡防止シール４４は、燃料ガス流路４０を燃料ガス入口連通孔３６ａと燃料ガス出口連通孔３６ｂとに連通させるとともに、前記燃料ガス流路４０を酸化剤ガス入口連通孔３４ａ、酸化剤ガス出口連通孔３４ｂ、冷却媒体入口連通孔３８ａ及び冷却媒体出口連通孔３８ｂから液密に遮断する。

図２に示すように、第１セパレータ２４の面２４ａとは反対の面２４ｂには、冷却媒体入口連通孔３８ａと冷却媒体出口連通孔３８ｂとに連通し、矢印Ｂ方向に延在する直線状の冷却媒体流路４６が設けられる。面２４ｂには、冷却媒体流路４６を囲繞して冷却媒体シール４８が一体又は個別に設けられる。この冷却媒体シール４８は、冷却媒体流路４６を冷却媒体入口連通孔３８ａと冷却媒体出口連通孔３８ｂとに連通するとともに、前記面２４ｂに露呈する導電部材４３ａ、４３ｂは、前記冷却媒体シール４８の外方に配設される。

第２セパレータ２６は、第１セパレータ２４と同様に、電気絶縁材で構成される。第２セパレータ２６の電解質膜・電極構造体２２に向かう面２６ａには、酸化剤ガス入口連通孔３４ａと酸化剤ガス出口連通孔３４ｂとに連通し、矢印Ｂ方向に折り返しながら矢印Ｃ方向に延在するサーペインタイン形状の酸化剤ガス流路５０が設けられる。

第２セパレータ２６の電解質膜・電極構造体２２に向かう面２６ａには、電解質膜・電極構造体２２の発電領域に対応し酸化剤ガス流路５０を覆って電極集電部５２が設けられる。第２セパレータ２６には、電極集電部５２に電気的に接続されるとともに、この第２セパレータ２６を貫通して導電部材（電気接続部）５４ａ、５４ｂが設けられる。導電部材５４ａ、５４ｂは、酸化剤ガス入口連通孔３４ａと燃料ガス入口連通孔３６ａとの間、及び燃料ガス出口連通孔３６ｂと酸化剤ガス出口連通孔３４ｂとの間に配置され、導電部材４３ａ、４３ｂと積層方向に重なり合う（図４参照）。

第２セパレータ２６の面２６ａには、電極集電部５２及び導電部材５４ａ、５４ｂを囲繞する短絡防止シール５６が一体又は個別に設けられる。この短絡防止シール５６は、絶縁ゴムシールで構成されており、酸化剤ガス流路５０を酸化剤ガス入口連通孔３４ａと酸化剤ガス出口連通孔３４ｂとに連通させるとともに、前記酸化剤ガス流路５０を燃料ガス入口連通孔３６ａ、燃料ガス出口連通孔３６ｂ、冷却媒体入口連通孔３８ａ及び冷却媒体出口連通孔３８ｂから液密に遮断する。

第２セパレータ２６の面２６ａとは反対の面２６ｂには、冷却媒体入口連通孔３８ａと冷却媒体出口連通孔３８ｂとに連通し、矢印Ｂ方向に延在する直線状の冷却媒体流路４６が設けられる。この第２セパレータ２６の面２６ｂは、上記の第１セパレータ２４の面２４ｂと同様に構成されており、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。なお、面２６ｂには、冷却媒体シールを設けなくてもよい。

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。

図２に示すように、燃料電池１０を構成する各単位セル１２では、酸化剤ガス入口連通孔３４ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔３６ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔３８ａに純水やエチレングリコール等の冷却媒体が供給される。

酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔３４ａから第２セパレータ２６の酸化剤ガス流路５０に導入される。このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路５０に沿って蛇行しながら、電解質膜・電極構造体２２のカソード側電極３２を鉛直下方向に移動する。

一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔３６ａから第１セパレータ２４の燃料ガス流路４０に導入される（図３参照）。従って、燃料ガスは、燃料ガス流路４０に沿って蛇行しながら、電解質膜・電極構造体２２のアノード側電極３０を鉛直下方向に移動する。

これにより、電解質膜・電極構造体２２では、カソード側電極３２に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極３０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、発電が行われる。

次いで、カソード側電極３２に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔３４ｂに排出される（図２参照）。同様に、アノード側電極３０に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔３６ｂに排出される（図３参照）。

一方、冷却媒体入口連通孔３８ａに供給された冷却媒体は、第１及び第２セパレータ２４、２６間に形成された冷却媒体流路４６に導入される。この冷却媒体流路４６では、冷却媒体が矢印Ｂ方向に移動する。従って、冷却媒体は、電解質膜・電極構造体２２の発電領域全面にわたって冷却した後、冷却媒体出口連通孔３８ｂに排出される。

この場合、第１の実施形態では、第１及び第２セパレータ２４、２６は、電気絶縁材で構成されるとともに、前記第１及び第２セパレータ２４、２６と固体高分子電解質膜２８とには、矢印Ａ方向に貫通して酸化剤ガス入口連通孔３４ａ、燃料ガス入口連通孔３６ａ、酸化剤ガス出口連通孔３４ｂ、燃料ガス出口連通孔３６ｂ、冷却媒体入口連通孔３８ａ及び冷却媒体出口連通孔３８ｂが形成されている。

従って、これらの連通孔の内壁面は、電気絶縁材で構成されるため、生成水等の水分や冷却媒体を絶縁するために絶縁構造、例えば、グロメットを用いる必要がない。これにより、簡単且つ経済的な構成で、液絡を可及的に阻止して、所望の絶縁性を確保することが可能になるという効果が得られる。

さらに、第１及び第２セパレータ２４、２６では、アノード側電極３０及びカソード側電極３２に向かう面２４ａ、２６ａに発電領域に対応して電極集電部４２、５２が設けられている。そして、第１セパレータ２４には、電極集電部４２に電気的に接続され、この第１セパレータ２４を貫通する導電部材４３ａ、４３ｂが設けられる一方、第２セパレータ２６には、電極集電部５２に電気的に接続されるとともに、この第２セパレータ２６を貫通する導電部材５４ａ、５４ｂが設けられている。

図４に示すように、隣接する単位セル１２を構成する第１及び第２セパレータ２４、２６は、矢印Ａ方向に積層される際に、導電部材４３ａ、４３ｂと導電部材５４ａ、５４ｂとは、互いに積層方向に接触して電気的に接続されている。従って、複数の単位セル１２からの集電は、良好且つ確実に遂行され、所望の集電効率を得ることができるという利点がある。

さらにまた、冷却媒体流路４６は、冷却媒体シール４８に囲繞されるとともに、この冷却媒体流路４６が設けられる面２４ｂに露呈する導電部材４３ａ、４３ｂは、前記冷却媒体シール４８の外方に配設されている。このため、冷却媒体流路４６、冷却媒体入口連通孔３８ａ及び冷却媒体出口連通孔３８ｂを含めて冷却媒体に接する全ての部分は、第２セパレータ２６を構成する電気絶縁材で形成されている。これにより、燃料電池１０から排出される冷却媒体を確実に絶縁することができ、前記燃料電池１０の外部に電気が流れて液絡が惹起されることを確実に阻止することが可能になるという効果がある。

図５は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池６０の一部拡大断面説明図である。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。

燃料電池６０を構成する単位セル６２は、電解質膜・電極構造体２２を挟持する第１及び第２セパレータ６４、６６を備える。第１セパレータ６４は、アノード側電極３０に向かう面６４ａに電極集電部４２を設けるとともに、この電極集電部４２に電気的に接続される導電部材（電気接続部）６８が、前記第１セパレータ６４を貫通して設けられる。

第２セパレータ６６は、カソード側電極３２に向かう面６６ａに電極集電部５２を設け、この電極集電部５２に電気的に接続される導電部材（電気接続部）７０が、前記第２セパレータ６６を貫通して設けられる。導電部材６８、７０は、隣接する単位セル６２間で互いに嵌合して位置決めする凹凸部位７２を構成する。

この凹凸部位７２は、例えば、導電部材６８の面６４ｂ側に突出する凸部７４と、導電部材７０の面６６ｂ側に設けられる凹部７６とを備える。凹部７６に凸部７４が嵌合することにより、互いに隣接する単位セル６２同士の位置決めが行われる。

このように構成される第２の実施形態では、隣接する単位セル６２同士が、導電部材６８、７０を介して電気的に接続されるとともに、前記導電部材６８、７０に構成される凹凸部位７２の嵌合作用下に、前記単位セル６２同士を正確且つ迅速に位置決めすることができるという効果が得られる。

なお、凹凸部位７２は、上記の構成に限定されるものではなく、導電部材６８側に凹部を設ける一方、導電部材７０側に凸部を設けてもよい。

また、第１及び第２の実施形態では、導電部材４３ａ、５４ａが、酸化剤ガス入口連通孔３４ａと燃料ガス入口連通孔３６ａとの間に設けられるとともに、導電部材４３ｂ、５４ｂが、酸化剤ガス出口連通孔３４ｂと燃料ガス出口連通孔３６ｂとの間に設けられているが、これに限定されるものではない。すなわち、電気接続部の設置箇所及び設置個数は、セパレータ構造等によって種々変更可能である。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の一部断面側面説明図である。 前記燃料電池を構成する単位セルの分解斜視説明図である。 前記燃料電池を構成する第１セパレータの説明図である。 前記燃料電池の一部拡大断面説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池の一部拡大断面説明図である。

符号の説明

１０、６０…燃料電池 １２、６２…単位セル
２２…電解質膜・電極構造体 ２４、２６、６４、６６…セパレータ
２８…固体高分子電解質膜 ３０…アノード側電極
３２…カソード側電極 ３４ａ…酸化剤ガス入口連通孔
３４ｂ…酸化剤ガス出口連通孔 ３６ａ…燃料ガス入口連通孔
３６ｂ…燃料ガス出口連通孔 ３８ａ…冷却媒体入口連通孔
３８ｂ…冷却媒体出口連通孔 ４０…燃料ガス流路
４２、５２…電極集電部
４３ａ、４３ｂ、５４ａ、５４ｂ、６８、７０…導電部材
４４、５６…短絡防止シール ４６…冷却媒体流路
４８…冷却媒体シール ５０…酸化剤ガス流路
７２…凹凸部位 ７４…凸部
７６…凹部

Claims (6)

1. 固体高分子電解質膜の両側に一対の電極が設けられた電解質膜・電極構造体と、セパレータとが積層される複数の単位セルを備えるとともに、少なくとも反応ガス又は冷却媒体を積層方向に流通させる流体連通孔が、前記積層方向に貫通して形成される燃料電池であって、
   前記セパレータは、電気絶縁材で構成されるとともに、
   前記セパレータの前記電極に向かうセパレータ面内には、電極集電部と、
   隣接する前記単位セルの前記電極集電部同士を電気的に接続する電気接続部と、
   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、前記セパレータには、前記冷却媒体をセパレータ面内に流す冷却媒体流路が形成されるとともに、
   前記冷却媒体流路を囲繞して冷却媒体シールが設けられ、
   前記電気接続部は、前記冷却媒体シールの外方に配設さ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、前記電極集電部は、前記セパレータに金属蒸着処理又は金属メッキ処理されて構成されることを特徴とする燃料電池。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記電極集電部は、前記セパレータを貫通して設けられる導電部材を備えることを特徴とする燃料電池。
5. 請求項４記載の燃料電池において、前記導電部材には、互いに嵌合して位置決めする凹凸部位が設けられることを特徴とする燃料電池。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記セパレータの前記電極に向かうセパレータ面内には、前記電極集電部及び前記電気接続部を囲繞する短絡防止シールが設けられることを特徴とする燃料電池。

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