JP2009252420A - 燃料電池及び燃料電池用の樹脂フレーム - Google Patents

Abstract

【課題】メタルセパレータと樹脂フレーム間の生成水等の侵入を防止することができる燃料電池を提供する。
【解決手段】膜電極接合体を挟んで対向する樹脂フレームと樹脂フレームを挟んで対向するメタルセパレータとを含む燃料電池であって、樹脂フレームは、外縁部及び内縁部の少なくとも一部にメタルセパレータ側に突出する突起部を有する燃料電池である。
【選択図】図５

Description

本発明は、燃料電池及び燃料電池用の樹脂フレームに関する。

環境問題や資源問題への対策の一つとして、酸素や空気等の酸化ガスと、水素やメタン等の還元性ガス（燃料ガス）あるいはメタノール等の液体燃料等とを原料として電気化学反応により化学エネルギーを電気エネルギーに変換して発電する燃料電池が注目されている。

単位燃料電池（単セル）は、電解質膜の一方の面に燃料極（アノード触媒層）と、もう一方の面に空気極（カソード触媒層）とが電解質膜を挟んで対向するように設けられた膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）をメタルセパレータ等のセパレータで挟んだものから形成される。単セルは複数積層されて燃料電池スタックとされる。セパレータには、流体流路が形成され、発電領域に、ＭＥＡ対向面に燃料ガス流路、酸化ガス流路、ＭＥＡ対向面と反対側面に冷媒流路が形成され、非発電領域に、燃料ガスマニホールド、酸化ガスマニホールド、冷媒マニホールドが形成されている。燃料ガスが燃料ガスマニホールド、燃料ガス流路に流され、酸化ガスが酸化ガスマニホールド、酸化ガス流路に流され、冷媒が冷媒マニホールド、冷媒流路に流される。流体流路はまわりから接着剤またはガスケット等のシール材によって外部からシールされる。

燃料電池の発電時には、燃料極に供給する原料を水素ガス、空気極に供給する原料を空気とした場合、燃料極において、水素ガスから水素イオンと電子とが発生する。電子は外部端子から外部回路を通じて空気極に到達する。空気極において、供給される空気中の酸素と、電解質膜を通過した水素イオンと、外部回路を通じて空気極に到達した電子により、水（生成水）が生成する。このように燃料極及び空気極において化学反応が起こり、電荷が発生して電池として機能することになる。この燃料電池は、発電に使用される原料のガスや液体燃料が豊富に存在すること、また、その発電原理より排出される物質が水であること等より、クリーンなエネルギー源として様々な検討がされている。

セパレータとしてメタルセパレータを使用した場合、図７に従来の燃料電池の単セル６０の一部の周辺端部の断面図を示すように、一般に、隣接する単セル６０間の電気接触抵抗を低減するためにセパレータ基材６４のＭＥＡ６６との対向面（ＭＥＡ対向面）の反対側の面に例えば貴金属コート６８が形成され、メタルセパレータ７８とＭＥＡ６６との電気接触抵抗を低減するとともに原料ガス（燃料ガス、酸化ガス）及び生成水中の酸性成分等によるセパレータ基材６４の腐食を抑制するためにセパレータ基材６４のＭＥＡ対向面に耐食コートとして、例えば貴金属コート６８及びカーボンコート７０が形成される。また、セパレータ基材６４の外周部の両面には樹脂コート７６が形成される。貴金属コート６８、カーボンコート７０、樹脂コート７６等の表面処理コートが形成されたメタルセパレータ７８は、接着剤等を用いた接着層７２により樹脂フレーム７４とシールされる。また、隣接する単セル６０は、ガスケット等によりシールされる。

しかし、このような表面処理コートをセパレータ基材に施したメタルセパレータを用いた場合、図８に図７における点線部分、すなわち樹脂フレーム７４のＭＥＡ６６側の端部（内縁部）において、樹脂コート７６に起因する段差のために樹脂フレーム７４とメタルセパレータ７８との間に隙間が生じ、生成水等が侵入することがある。生成水等が侵入すると、メタルセパレータ７８に浸透し、セパレータ基材６４が腐食する可能性がある。

例えば特許文献１には、発電部と枠部との接合部からのガスリークの発生を防止するために、平板型の固体電解質を挟むように燃料極と空気極の各電極を形成して発電部を形成し、この発電部の外周側に接合材を用いて枠部を接合する接合部を備えた固体電解質型燃料電池において、接合部における発電部と枠部との少なくとも一方に、接合材の内側と外側との少なくとも一方を覆う凹部もしくは凸部を設けた固体電解質型燃料電池が記載されている。

また、特許文献２には、燃料電池に温度サイクルがかかっても、接着剤と樹脂フレームまたはメタルセパレータとの接合面の剥がれや接着剤層の破損を生じさせないために、樹脂フレームとメタルセパレータとを接着剤を介して接合したの接合面と平行な方向における接着剤の変形を規制する凹凸形状を樹脂フレームとメタルセパレータのうち少なくとも一方の部材に設けた燃料電池が記載されている。

特開２００５−５０６９２号公報 特開２００６−１９２０４号公報

しかし、特許文献１，２のような構造では、メタルセパレータと樹脂フレーム間の生成水等の侵入を防止することができない。

本発明は、メタルセパレータと樹脂フレーム間の生成水等の侵入を防止することができる燃料電池及び燃料電池用の樹脂フレームである。

本発明は、膜電極接合体を挟んで対向する樹脂フレームと前記樹脂フレームを挟んで対向するメタルセパレータとを含む燃料電池であって、前記樹脂フレームは、外縁部及び内縁部の少なくとも一部に前記メタルセパレータ側に突出する突起部を有する燃料電池である。

また、前記燃料電池において、前記メタルセパレータの外周部及びマニホールド内周部の少なくとも一部に樹脂コートを備えることが好ましい。

また、前記燃料電池において、前記突起部の高さは、前記樹脂コートの厚み以上であることが好ましい。

また、本発明は、膜電極接合体を挟んで対向する樹脂フレームと前記樹脂フレームを挟んで対向するメタルセパレータとを含む燃料電池用の樹脂フレームであって、前記樹脂フレームは、外縁部及び内縁部の少なくとも一部に前記メタルセパレータ側に突出する突起部を有する燃料電池用の樹脂フレームである。

また、前記燃料電池用の樹脂フレームにおいて、前記メタルセパレータの外周部及びマニホールド内周部の少なくとも一部に樹脂コートを備え、前記突起部の高さは、前記樹脂コートの厚み以上であることが好ましい。

本発明では、樹脂フレームが外縁部及び内縁部の少なくとも一部にメタルセパレータ側に突出する突起部を有することにより、メタルセパレータと樹脂フレーム間の生成水等の侵入を防止することができる燃料電池及び燃料電池用の樹脂フレームを提供することができる。

本発明の実施の形態について以下説明する。本実施形態は本発明を実施する一例であって、本発明は本実施形態に限定されるものではない。

＜燃料電池及び燃料電池用の樹脂フレーム＞
図１に、本実施形態に係る固体高分子電解質型の燃料電池１０の一例の概略側面図を示す。また、図２に、本実施形態に係る燃料電池１０におけるＭＥＡ（膜電極接合体）４０の一例の概略断面図を示す。図１における各単セル１９は、図２に示すＭＥＡ４０と、セパレータとの積層体から構成される。

図２に示すように、ＭＥＡ４０は、電解質膜１１と、電解質膜１１の一方の表面に配置された触媒層１２を含む燃料極（アノード）１４と、電解質膜１１の他方の表面に配置された触媒層１５を含む空気極（カソード）１７とから構成される。触媒層１２及び１５とセパレータ（図２において図示せず）との間には、通気性を有するガス拡散層１３，１６がアノード側、カソード側にそれぞれ設けられる。

ＭＥＡ４０とＭＥＡ４０の拡散層１３，１６の両外側を挟持するセパレータとを重ねて単セル１９を構成し、図１のように、単セル１９を積層してセル積層体３８とし、セル積層体３８のセル積層方向両端に、ターミナル２０、インシュレータ２１、エンドプレート２２を配置し、セル積層体３８をセル積層方向に締め付け、セル積層体３８の外側でセル積層方向に延びる締結部材（例えば、テンションプレート）２４、ボルト・ナット２５等にて固定して、燃料電池スタック２３を構成する。なお、セル積層体３８における単セル１９の積層数は１層以上であれば良く特に制限はない。

図３に単セル１９の一例の上面概略図を示す。単セル１９は、中央部にガス流路と冷媒流路と電極が存在し発電を行う発電領域５１を有し、その周囲に位置し発電を行わない非発電領域５２を有する。セパレータは金属製セパレータ（以下、メタルセパレータという）１８である。図４に単セル１９を分解した概略斜視図を示すように、単セル１９において、ＭＥＡ４０とメタルセパレータ１８との間で、非発電領域５２の部位に、枠状の（発電領域５１に対応する領域が中抜きされた）樹脂フレーム３６が設けられており、ＭＥＡ４０は２枚の樹脂フレーム３６で挟まれ、その２枚の樹脂フレーム３６が２枚のメタルセパレータ１８で挟まれる。メタルセパレータ１８と樹脂フレーム３６には、非発電領域５２において、燃料ガスマニホールド３０、酸化ガスマニホールド３１、冷媒マニホールド２９がそれぞれ形成されている。なお、非発電領域５２における燃料ガスマニホールド３０、酸化ガスマニホールド３１及び冷媒マニホールド２９の配置位置は、図３，４の位置に限定されるものではない。

図５に、図３におけるＡ−Ａ断面概略図を示す。メタルセパレータ１８により、発電領域５１において、ＭＥＡ４０のアノード側に燃料ガス（通常は水素）を供給するための燃料ガス流路２７が形成され、ＭＥＡ４０のカソード側に酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための酸化ガス流路２８が形成されている。また、メタルセパレータ１８には冷媒（通常は冷却水）を流すための冷媒流路２６も形成されている。図３，４の燃料ガスマニホールド３０は図５の燃料ガス流路２７と連通しており、酸化ガスマニホールド３１は酸化ガス流路２８と連通しており、冷媒マニホールド２９は冷媒流路２６と連通している。マニホールド３０，３１，２９と発電領域の流体流路２７，２８，２６は、それぞれ図示しない連通路を介して、連通しており、連通路にも流体が流れる。通常、単セル１９において、冷媒流路２６、燃料ガス流路２７及び酸化ガス流路２８は、複数個並列に形成される。

本実施形態に係るメタルセパレータ１８には、隣接する単セル１９間の電気接触抵抗を低減するためにセパレータ基材４７のＭＥＡ４０との対向面（ＭＥＡ対向面）の反対側の面に例えば貴金属コート４２が形成され、メタルセパレータ１８とＭＥＡ４０との電気接触抵抗を低減するとともに原料ガス（燃料ガス、酸化ガス）及び生成水中の酸性成分等によるセパレータ基材４７の腐食を抑制するためにセパレータ基材４７のＭＥＡ対向面に例えば貴金属コート４２及びカーボンコート４４が形成される。また、セパレータ基材４７の外周部の少なくとも一部には樹脂コート４８が形成される。図５の例ではセパレータ基材４７の外周部の両面に樹脂コート４８が形成されている。樹脂コート４８が形成された部分には貴金属コート４２は形成されず、メタルセパレータ１８のＭＥＡ対向面において接着層４６に接触する接着部にはカーボンコート４４は形成されない。表面処理コートのうち樹脂コート４８は、セパレータ基材４７の上記マニホールド及び連通路を構成する内周部分にも形成されることが望ましい。

ＭＥＡ４０を挟んだ一対の樹脂フレーム３６間は接着剤等を用いた接着層４９によりシールされる。一方、貴金属コート４２、カーボンコート４４、樹脂コート４８等の表面処理コートが形成されたメタルセパレータ１８は、接着剤等を用いた接着層４６により樹脂フレーム３６とシールされる。

本実施形態において、樹脂フレーム３６は、その外縁部及び内縁部の少なくとも一部にメタルセパレータ１８側に突出する突起部５０を有する。図５の例では、樹脂フレーム３６の外縁部及び内縁部に突起部５０が形成されている。

このように、樹脂フレーム３６が、その外縁部及び内縁部の少なくとも一部にメタルセパレータ１８側に突出する突起部５０を有することにより、外縁部及び内縁部において樹脂フレーム３６とメタルセパレータ１８との間に隙間が生じることを防止し、生成水等の侵入を抑制することができる。

図６に図５における点線部分、すなわち樹脂フレーム３６のＭＥＡ４０側の端部（内縁部）の拡大図を示す。樹脂コート４８に起因する段差がメタルセパレータ１８の樹脂フレーム３６側の表面に生じても、メタルセパレータ１８側に突出する突起部５０により樹脂フレーム３６とメタルセパレータ１８とが接触するため、内縁部において樹脂フレーム３６とメタルセパレータ１８との間に隙間がほとんど生じることなく、生成水等の侵入を抑制することができ、セパレータ基材４７の腐食を防止することができる。この場合、単セル１９を積層して図１のようなスタック構造とする場合、この突起部５０において締結荷重を受けることになる。

突起部５０は、生成水等の侵入を抑制するように樹脂フレーム３６の外縁部及び内縁部の少なくとも一部に形成されればよいが、生成水等の侵入をより抑制するためには、外縁部と内縁部の両方に形成されることが好ましい。なお、枠状の樹脂フレーム３６において、発電領域５１に対応する領域が中抜きされた部分及びマニホールドの領域が中抜きされた部分を内縁部という。

図６の突起部５０の高さｔ２は、樹脂コート４８の厚みｔ１以上であることが好ましく、樹脂コート４８の厚みｔ１より大きいことがより好ましい。通常、樹脂コート４８の厚みｔ１は１０〜３０μｍ程度であるが、突起部５０の高さｔ２はｔ１以上、例えばｔ１＋１０μｍ程度とすることができる。これにより、生成水等の侵入をより確実に抑制することができる。

本実施形態において、セパレータ基材４７を構成する材料は、例えば、ステンレス鋼、アルミニウムまたはその合金、チタンまたはその合金、マグネシウムまたはその合金、銅またはその合金、ニッケルまたはその合金、鋼等である。セパレータ基材４７の厚みは、例えば０．１〜０．２ｍｍである。

貴金属コート４２は、接触抵抗を下げるために、例えば、金により構成される。貴金属コート４２の厚みは、例えば数百ｎｍである。

カーボンコート４４等の耐食コートの厚みは、例えば３０μｍ程度である。

樹脂フレーム３６を構成する材料は、例えば、フッ素系樹脂等である。

接着層４６，４９は、例えば、シリコーン、オレフィン、エポキシ、アクリルなどの樹脂等の接着剤等を含んで構成され、塗布時には液状で、接着剤の両側の部材で押されて拡げられ、塗布後に乾燥または熱により固化される。

樹脂コート５０は、例えば、ポリイミド系樹脂、ポリアミド系樹脂、ポリアミドイミド系樹脂、エポキシ系樹脂等が挙げられる。このうち、密着強度に優れる点からポリイミド系樹脂、ポリアミドイミド系樹脂が好ましい。

隣接する単セル１９の間には、隣り合うメタルセパレータ１８間にシール材が配置され、それぞれのシール材は燃料ガスマニホールド３０、酸化ガスマニホールド３１及び冷媒マニホールド２９を流れる各種流体（燃料ガス、酸化ガス、冷媒）を相互にかつ外部から分離した状態で、これらの流体をシールする。シール材は、発電領域５１（流体流路２６，２７，２８の存在する領域）まわり、および連通路を除いてマニホールド２９，３０，３１まわりに、形成される。シール材は接着剤であっても、ガスケット等であっても良く、容易に単セル１９の取り外し分解が可能であるためガスケットが好ましい。ガスケットは、例えば、シリコーン系ゴム、フッ素系ゴム、ＥＰＤＭ（エチレンプロピレンジエンゴム）等である。

燃料電池１０の各単セル１９において、例えば、燃料極１４に供給する燃料ガスを水素ガス、空気極１７に供給する酸化ガスを空気として運転した場合、燃料極１４の触媒層１２において、
２Ｈ₂ → ４Ｈ⁺＋４ｅ^-
で示される反応式（水素酸化反応）を経て、水素ガス（Ｈ₂）から水素イオン（Ｈ⁺）と電子（ｅ^-）とが発生する。電子（ｅ^-）は拡散層１３から外部回路を通り、空気極１７の拡散層１６から触媒層１５に到達する。触媒層１５において、供給される空気中の酸素（Ｏ₂）と、電解質膜１１を通過した水素イオン（Ｈ⁺）と、外部回路を通じて触媒層１５に到達した電子（ｅ^-）により、
４Ｈ⁺＋Ｏ₂＋４ｅ^- → ２Ｈ₂Ｏ
で示される反応式（酸素還元反応）を経て、水が生成する。このように燃料極１４及び空気極１７において化学反応が起こり、電荷が発生して電池として機能することになる。そして、一連の反応において排出される成分は水であるので、クリーンな電池が構成されることになる。

本実施形態に係る燃料電池は、例えば、携帯電話、携帯用パソコン等のモバイル機器用小型電源、自動車用電源、家庭用電源等として用いることができる。

本発明の実施形態に係る燃料電池の一例の概略側面図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池におけるＭＥＡ（膜電極接合体）の一例の概略断面図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池における単セルの一例の概略上面図を示す。 本発明の実施形態に係る燃料電池における単セルの一例を分解した概略斜視図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池における図３の単セルのＡ−Ａ線の概略断面図である。 図５における点線部分の拡大図である。 従来の燃料電池における単セルの一例の概略断面図である。 図７における点線部分の拡大図である。

符号の説明

１０ 燃料電池、１１ 電解質膜、１２，１５ 触媒層、１３，１６ 拡散層、１４ 燃料極（アノード）、１７ 空気極（カソード）、１８，７８ メタルセパレータ、１９，６０ 単セル、２０ ターミナル、２１ インシュレータ、２２ エンドプレート、２３ 燃料電池スタック、２４ 締結部材、２５ ボルト・ナット、２６ 冷媒流路（冷却水流路）、２７ 燃料ガス流路、２８ 酸化ガス流路、２９ 冷媒マニホールド、３０ 燃料ガスマニホールド、３１ 酸化ガスマニホールド、３６，７４ 樹脂フレーム、３８ セル積層体、４０，６６ ＭＥＡ、４２，６８ 貴金属コート、４４，７０ カーボンコート、４６，４９，７２ 接着層、４７，６４ セパレータ基材、４８，７６ 樹脂コート、５０ 突起部、５１ 発電領域、５２ 非発電領域。

Claims (5)

1. 膜電極接合体を挟んで対向する樹脂フレームと前記樹脂フレームを挟んで対向するメタルセパレータとを含む燃料電池であって、
   前記樹脂フレームは、外縁部及び内縁部の少なくとも一部に前記メタルセパレータ側に突出する突起部を有することを特徴とする燃料電池。
2. 請求項１に記載の燃料電池であって、
   前記メタルセパレータの外周部及びマニホールド内周部の少なくとも一部に樹脂コートを備えることを特徴とする燃料電池。
3. 請求項１または２に記載の燃料電池であって、
   前記突起部の高さは、前記樹脂コートの厚み以上であることを特徴とする燃料電池。
4. 膜電極接合体を挟んで対向する樹脂フレームと前記樹脂フレームを挟んで対向するメタルセパレータとを含む燃料電池用の樹脂フレームであって、
   前記樹脂フレームは、外縁部及び内縁部の少なくとも一部に前記メタルセパレータ側に突出する突起部を有することを特徴とする燃料電池用の樹脂フレーム。
5. 請求項４に記載の燃料電池用の樹脂フレームであって、
   前記メタルセパレータの外周部及びマニホールド内周部の少なくとも一部に樹脂コートを備え、前記突起部の高さは、前記樹脂コートの厚み以上であることを特徴とする燃料電池用の樹脂フレーム。

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