JP4147773B2

JP4147773B2 - 燃料電池

Info

Publication number: JP4147773B2
Application number: JP2001520493A
Authority: JP
Inventors: 修長井
Original assignee: Nok Corp
Current assignee: Nok Corp
Priority date: 1999-09-01
Filing date: 2000-08-30
Publication date: 2008-09-10
Anticipated expiration: 2020-08-30
Also published as: EP1220345A4; WO2001017048A1; CA2371937C; EP1220345A1; CA2371937A1; EP1220345B1; DE60044535D1; AU6864600A; US6720103B1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料と酸化物による化学的エネルギーを電気的エネルギーに連続的に変換する電気化学電池である燃料電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、燃料電池は、対向一対の集電極（セパレータ）間に、高分子電解質膜、触媒層および反応電極層をそれぞれ積層した膜・電極接合体（以下、ＭＥＡという）を配置して単セルを構成し、大容量の電気を発生させるため、このような単セルを数十枚から数百枚積み重ねたスタックで構成されている。
【０００３】
燃料電池は、電池全体の大きさをなるべく小さくするため、特に厚み方向の寸法を小さくすることが好ましい。このため、各構成部品の厚みを薄くすることが望まれている。
【０００４】
セパレータの材質には、カーボン、金属等の電気の流れ易いものが選択され、耐腐食性の点からはカーボンが用いられる。その厚みは薄い程よく、約２ｍｍ以下、好ましくは約１ｍｍ以下であることが望ましい。このような厚さのカーボン製セパレータは、伸び特性がないため、撓みなどの過度の変形により破壊され易い。
【０００５】
セパレータと接して用いられる正、負の反応電極層は、燃料である水素と酸素とが通過でき、耐腐食性のある多孔質カーボンからなる。その厚みは、約１ｍｍ以下、好ましくは約５００μｍ以下、更に好ましくは約３００μｍ以下と薄く、また多孔質であるため、圧縮などの変形に耐える性質に乏しい。
【０００６】
高分子電解質膜はイオン交換膜であり、その厚みは約１ｍｍ以下、好ましくは約５００μｍ以下、更に好ましくは約２００μｍ以下と薄く、しかも架橋されており、その上湿潤状態（ゲル状態）で使用されるため、これの強度も小さい。
【０００７】
このように単セルを構成するこのような厚みを有する各部品材料は、伸びなどが少なくて、変形に対して破壊し易く、そのためにセルの組立時に乱暴に取扱うと各部品が破壊するようになる。また、シールを確実にするため、強い力で燃料電池を締め付けると、弱い部品から破壊を起すおそれがある。
【０００８】
このようにして構成される個々の単セルでは、集電極間の距離を一定に保持し、高分子電解質膜の乾燥を抑えるべく水蒸気が蒸発しないように防止することが要求される。従来、そうした乾燥防止に関して所要のシール性を確保するために、ガスケットを使用する技術（特開平７−１５３４８０号公報，特開平７−２２６２２０号公報、特開平９−２３１９８７号公報等）や、ゴム板に発泡スポンジ層を積層させたものをガスケットとして利用する技術（特開平６−９６７８３号公報，特開平７−３１２２２３号公報等）などが提案されている。
【０００９】
また、単セルの製造に関しては、セル構成要素の組立・分解が容易であることが望まれるが、通常、発電効率を重視するために、そうした組立・分解作業性を多少犠牲にして、接着剤で硬化固定して組み立てる構造が一般的である。
【００１０】
しかしながら、高分子電解質膜の乾燥防止のためにシール性を確保するべく提案された上記いずれの先行技術にあっても、製造工程等が大幅に増大してコストアップは避けられないし、また燃料電池としての耐用期間を通して満足すべき特性が得られるとは言い難い。更に、単セルの各要素を接着硬化させて固定する構造は、初期の段階では所要の特性を発揮するが、長期使用に当ってセル部品が劣化すると、それを交換することが極めて困難といった不具合がある。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、単セルにおける所要のシール性を確保して高分子電解質膜の乾燥を防止することにより安定した発電効率を維持でき、しかも分解・組立作業性に優れて劣化部品の交換が容易であり、大幅な製造コストの低減を実現できる燃料電池を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明にかかる燃料電池は、対向一対のセパレータ間に、高分子電解質膜、触媒層および反応電極層をそれぞれ積層した膜・電極接合体を配置して単セルを構成し、この単セルの複数を積層したスタックでなっているものであって、膜・電極接合体を所定の厚さ寸法を有するスペーサシートを両面から挟み込んでいる対向一対の樹脂製のガスケットシートで挟みつけて保持すると共に、対向一対のガスケットシートのそれぞれ外面またはセパレータのそれぞれ内面にゴム硬化物よりなるガスケットを凸形状に一体成形して、これらガスケットをセパレータのそれぞれ内面またはガスケットシートのそれぞれ外面に密着させて所要のシール性を確保している。
【００１３】
以上の構成により、膜・電極接合体を一対のガスケットシートによって保持しているため、単セルの製造において、膜・電極接合体を面圧を一定にした状態で容易かつ正確に位置決めすることができ、単セル組立時の作業効率と取扱い性が格段に向上する。また、ガスケットによってセパレータ間では所要のシール性が確保され、燃料電池として使用期間が長期間にわたっても、その間のシール性が安定して維持されるので、高分子電解質膜における水蒸気の蒸発による乾燥が防止され、安定した発電効率が得られる。さらに、ガスケットシートとスペーサシートとが、それぞれ所定の寸法の厚みで形成されているため、上下セパレータで挟み付けたときにも上下セパレート間が一定の間隔を保ったままストップし、もろい材料からなるＭＥＡが破損するのを防止するといった効果も奏する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明にかかる燃料電池の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１５】
第１図は、数十枚から数百枚積み重ねて燃料電池を構成する最小単位の単セルの第１の実施形態を示す断面図である。単セル１は、対向一対の平面矩形状に形成されたセパレータ２，３を有し、セパレータ２，３間に同じく平面矩形状に形成された高分子電解質膜５、触媒層を表面または内部に存在させた反応電極層４，４′等からなる膜・電極接合体（ＭＥＡ）を配置している。
【００１６】
ＭＥＡの保持は、この外面から十分な寸法で鍔出しされた平面矩形状の高分子電解質膜５によって行われている。高分子電解質膜５の鍔出しされた部分５′は、定寸形成された、例えば枠状あるいは細長い板状のスペーサシート５ａと共に、枠状に打ち抜き成形された対向一対の弾性のある樹脂製ガスケットシート６，７の挟み付け部６′，７′で上下から挟みつけられ、柔かく保持されている。すなわち、ＭＥＡは高分子電解質膜５の鍔出し部５′とスペーサシート５ａを介して上、下方向から一対のガスケットシート６，７によって圧着状態で保持されている。このとき、ガスケットシート６，７の内端部を出張らせた挟み付け部６′−７′間の間隔は、高分子電解質膜５の厚さより小さくすることで、鍔出し部５′の保持を可能とする。
【００１７】
ガスケットシート６，７のそれぞれ外端部の外面には、ゴム硬化物を用いて成形された断面凸形状のガスケット８，９が一体化されている。これらガスケット８，９をセパレータ２，３の内面２ａ，３ａに密着させることにより、ＭＥＡにおいて高分子電解質膜の水蒸気の蒸発による乾燥を防止すべく所要のシール性を確保するようになっている。ガスケットは、セパレータの内面側に形成させることもできる。
【００１８】
断面凸形状に形成されるガスケットは、例えばその基部の幅が約１〜３ｍｍ、全体の高さが約０．３〜１．５ｍｍ程度に設定される。ガスケットの頂部を断面凸形状にすることは、対向シール面（被シール面）との接触面積が小さくなり、少ない締付圧での確実なシールを確保させる。この際、ガスケット頂部の開き角度を約４０〜６０゜に設定すると、シール性が向上するので好ましい。また、硬さ（ＪＩＳＡ）が６０以下と柔かい材料が用いられているため、少ない締付圧でもシール面を均一になじみ易くシールすることを可能としている。このような確実なシールにより、セル内部からの水蒸気や液体のセル外部への漏洩を有効に遮断することができる。
【００１９】
なお、このように基部の幅および高さが小さくかつ低硬度の材料からなるガスケットは、それ単体では形状が一定せず、組立時の取扱いが極めて困難であり、正確な位置にガスケットを配することも困難であるので、ガスケットシートと一体化に接合することにより、柔かいガスケットを補強して取扱い易くしている。
【００２０】
このようなガスケット−ガスケットシート一体化物を用いることにより、単セルの製造を段階的に行なうことができる。まず、このようなガスケット−ガスケットシート一体化物２枚を、ガスケットが対向するように位置させ、枠状のガスケットシート四辺の内周縁部近くに形成された挟み込み部に高分子電解質膜の鍔出し部を挟み込むようにして熱圧着することで、上記一体化物とＭＥＡとを一体化させる。このとき、同時にスペーサシートを挟み込んでもよい。その後、上下２枚のセパレータと積層して、単セルを形成させる。
【００２１】
このようにして製造される単セルは、いずれも強度の弱い反応電極層、高分子電解質膜およびガスケットが損傷を受けることなく、正確な位置で積層される。
【００２２】
以上の構成をとっている本例の燃料電池にあっては、次のように作用する。ＭＥＡは高分子電解質膜５およびスペーサシート５ａを介して圧着された２枚のガスケットシート６，７によって保持されている。そのため、単セル１毎の製造において、ＭＥＡを面圧を一定にした状態で容易かつ正確に位置決めすることができ、単セル組立時の作業効率と取扱い性が格段に向上する。また、ガスケット８，９によってセパレータ２，３間では所要のシール性が確保され、燃料電池として耐用期間が長期使用にわたっても、その間のシール性が安定して維持されるので、高分子電解質膜における水蒸気の蒸発による乾燥が防止され、安定した発電効率が得られる。
【００２３】
また、ガスケットシート６，７とスペーサシート５ａとが、それぞれ所定の寸法の厚みで形成されているため、上下セパレータ２，３で挟み付けたときにも上下セパレート間が一定の間隔を保ったままストップし、もろい材料からなるＭＥＡが破損するのを防止している。
【００２４】
第２図は、燃料電池を組立てたときの単セルシール部要部の縦断面図を示している。組立時には、ガスケットシートの端部６ａ，７ａ（出張らせた挟み付け部６′，７′に相当）で高分子電解質膜の鍔出し部５′を挟むようにして圧着または熱圧着されており、同時にガスケットシートの変形しない部分も６ｂ−７ｂおよび６ｃ−７ｃ間の対向面が圧着される。なお、ガスケットシートとしては、約１ｍｍ以下、好ましくは約２００μｍ以下、更に好ましくは約５０μｍ以下のポリエステルフィルム、ポリアミドフィルム、ポリイミドフィルム、ポリエチレンナフタレートフィルム等が用いられる。
【００２５】
次に、より具体的な例について説明する。
【００２６】
ＭＥＡを保持するため、厚さ０．２ｍｍの高分子電解質膜５および板厚０．７ｍｍのステンレス鋼材製スペーサシート５ａを用い、高分子電解質膜５を所要の形状に打ち抜き加工してＭＥＡの電解質膜を挟みつけ、熱圧着して一体化した。
【００２７】
また、ガスケットシート６，７の成形素材として、ポリエステルフィルム（三菱化学製品ダイアホイルＳ１００−１００）を用い、これを所要の大きさの枠状に打ち抜き加工した。
【００２８】
更に、ガスケットシート６，７の外端部のそれぞれ外面にガスケット８，９を、射出成形法あるいはＬＩＭ成形法で一体成形した。このガスケット８，９の素材であるゴム硬化物には、好ましくは熱可塑性樹脂フィルムとの接着性を備えたゴムを使用することができる。ガスケット８，９の成形材料としては、硬さ（ＪＩＳＡ）が６０以下、好ましくは20〜40であって、所要のシール性を確保できるゴム硬化物であれば任意のものを使用することができる。
【００２９】
ゴムとしては、一般的な形態のゴムに加えて、液状ゴムも使用することができる。一般的な形態のゴムとしては、例えばエチレンプロピレン系ゴム、フッ素ゴム、水素化ニトリルゴム等の高飽和型ゴム、水素化スチレンブタジエン共重合体、水素化スチレンイソプレン共重合体等の高飽和型熱可塑性エラストマー等が使用される。また、液状ゴムとしては、液状シリコーンゴム、液状ニトリルゴム、液状エチレンプロピレン系ゴム、液状フッ素ゴム等が用いられる。これらのゴムは、セパレータ、電極、高分子電解質膜などの強度の低いシート状物と一体化されて用いられるので、成形圧の低い液状ゴムが好んで用いられる。
【００３０】
ガスケット８，９の成形材料として、液状ゴムを用いた一例を挙げると、未硬化時の粘度が５０００〜１００００Ｐａ・ｓ（２５℃）で、硬化後の硬度（ＪＩＳＡ）が４０の液状シリコーンゴム（信越化学工業株式会社製Ｘ−３４−１２７７Ａ／Ｂ）を使用し、成形金型の温度を１４０℃に設定して１５０秒間加熱保持し、ガスケットシート６，７の外端部表面にガスケット８，９を一体成形した。
【００３１】
第３図は、ガスケット８，９がガスケットシート挟み込み部６′，７′とスペーサシート５ａとの間に形成された態様を示している。この態様では、セルが組み立てられたとき、ガスケット８，９によってガスケットシート６，７およびセパレータ２，３が圧迫され、シールされるので、高分子電解質膜５側からのスペーサシート５ａ側への酸の移動が効果的に抑えられ、スペーサシート５ａの酸による腐食が防止される。
【００３２】
第４図は、ガスケット８，９をセパレータ２，３の内面２ａ，３ａ側に形成させた態様を示している。この場合にも、酸によるスペーサシートの腐食が効果的に抑えられる。
【００３３】
【発明の効果】
本発明にかかる燃料電池は、膜・電極接合体（ＭＥＡ）を一対のガスケットシートによって間接的に保持しているため、単セルの製造において、膜・電極接合体を面圧を一定にした状態で容易かつ正確に位置決めすることができ、単セル組立時の作業効率と取扱性が格段に向上し、分解・組立作業性に優れて劣化部品の交換が容易であることから経済的であり、大幅な製造コストの低減を実現できる利点がある。
【００３４】
また、ガスケットによってセパレータ間では所要のシール性が確保され、燃料電池として耐用期間が長期使用にわたっても、その間のシール性が安定して維持されるので、高分子電解質膜における水蒸気の蒸発による乾燥が防止され、安定した発電効率を得るのに有効である。
【００３５】
さらに、ガスケットシートとスペーサシートとが、それぞれ所定の寸法の厚みで形成されているため、上下セパレータで挟み付けたときにも上下セパレート間が一定の間隔を保ったままストップし、もろい材料からなるＭＥＡが破損するのを防止している。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１図は、本発明に係わる燃料電池の第１の実施形態の単セルの主要な部分を示す縦断面図である。
【図２】第２図は、燃料電池を組立てたときの単セルシール部要部の縦断面図である。
【図３】第３図は、ガスケットがガスケットシート挟み込み部とスペーサとの間に形成された態様の単セルの主要な部分を示す縦断面図である。
【図４】第４図は、ガスケットをセパレータの内面側に形成させた態様の単セルの主要部分を示す縦断面図である。
【符号の説明】
１，１０単セル
２，３セパレータ
４，４′ ＭＥＡ（膜・電極接合体）
５，５′ 高分子電解質膜
５ａスペーサシート
６，６′，７，７′ ガスケットシート
８，９ガスケット

Claims

対向一対のセパレータ間に、高分子電解質膜、触媒層および反応電極層をそれぞれ積層した膜・電極接合体を配置して単セルを構成し、この単セルの複数を積層したスタックでなっている燃料電池であって、膜・電極接合体を所定の厚さ寸法を有するスペーサシートを両面から挟み込んでいる対向一対の樹脂製のガスケットシートで挟みつけて保持すると共に、対向一対のガスケットシートのそれぞれ外面またはセパレータのそれぞれ内面にゴム硬化物よりなるガスケットを凸形状に一体成形して、これらガスケットをセパレータのそれぞれ内面またはガスケットシートのそれぞれ外面に密着させて所要のシール性を確保していることを特徴とする燃料電池。
セパレータ間を所定の隙間寸法に確保するため、所定の厚さ寸法を有する高分子電解質膜を膜・電極接合体の外側に鍔出しして設け、その高分子電解質膜を両面から対向一対のガスケットシートで挟み込むことによって膜・電極接合体を保持している請求項１記載の燃料電池。
鍔出しして設けられた高分子電解質膜を挟み込むように、対向一対のガスケットシートの端部が出張って形成されている請求項２記載の燃料電池。
スペーサシートをガスケットシート挟み込み部とガスケットとの間に位置させた請求項１記載の燃料電池。
ガスケットをガスケットシート挟み込み部とスペーサシートとの間に形成させた請求項１記載の燃料電池。
ガスケットがガスケットシートと一体化されている請求項１記載の燃料電池。
スペーサと一体成形されたガスケットが用いられた請求項１記載の燃料電池。
ガスケットが硬さ（ＪＩＳＡ）６０以下のゴム硬化物である請求項１記載の燃料電池。
ゴム硬化物が液状シリコーンゴム、液状ニトリルゴム、液状エチレンプロピレン系ゴムまたは液状フッ素ゴムの硬化物である請求項８記載の燃料電池。