JP4416038B2

JP4416038B2 - 燃料電池

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Publication number: JP4416038B2
Application number: JP2008040401A
Authority: JP
Inventors: 和孝飯塚; 千智加藤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2008-02-21
Filing date: 2008-02-21
Publication date: 2010-02-17
Anticipated expiration: 2028-02-21
Also published as: DE112009000381T5; CN101946348B; WO2009104504A1; JP2009199888A; US20110236786A1; CN101946348A

Description

本発明は、固体高分子型の燃料電池に関するものである。

固体高分子型燃料電池のセルは、イオン透過性の電解質膜と、該電解質膜を挟持するアノード電極層およびカソード電極層と、から膜電極接合体（ＭＥＡ：ＭｅｍｂｒａｎｅＥｌｅｃｔｒｏｄｅＡｓｓｅｍｂｌｙ）を形成し、この外側にセパレータが配されて単セルを形成している。なお、電極層の外側にガス流れの促進と集電効率を高めるためのガス拡散層（ＧＤＬ）が設けられて膜電極接合体（ＭＥＧＡ：ＭｅｍｂｒａｎｅＥｌｅｃｔｒｏｄｅ＆ＧａｓＤｉｆｆｕｓｉｏｎＬａｙｅｒＡｓｓｅｍｂｌｙ）を成し、このガス拡散層の外側にセパレータが配される形態もある。このセパレータは、セル間を画成するとともに、凹凸形状を有することでガス流路として作用し、集電作用をも備えるものであるが、昨今のセル構造においては、ガス流路層をフラットタイプのセパレータと別体に設けたセル構造も開発されている。実際の燃料電池は、これらの単セルが発電能力に応じて所定段数積層されてスタックが形成されている。

上記する燃料電池では、アノード電極に燃料ガスとして水素ガス等が提供され、カソード電極には酸化剤ガスとして酸素や空気が提供され、各電極では固有のガス流路層にて面内方向にガスが流れ、次いでガス拡散層にて拡散されたガスが電極触媒に導かれて電気化学反応がおこなわれるものである。

ところで、燃料電池のセル構造では、上記するＭＥＡもしくはＭＥＧＡの周縁にガスシール作用を付与するためのガスケットが形成されており、たとえば特許文献１に開示の燃料電池（ここでは、膜電極アッセンブリ）を挙げることができる。この膜電極アッセンブリにおけるガスケットの構造を図８，９を参照して説明する。電解質膜ａ（または膜電極接合体）とこれを挟持するガス拡散層ｂ１、ｂ２の端部に、２重の突起ｃ１、ｃ２を備えたガスケットｃを設け、これらをセパレータｄ１、ｄ２で挟み込みながら２重突起ｃ１、ｃ２を潰すことにより、各種ガスのシール性を高めることとしている。なお、図８は、ガスケットｄ１、ｄ２で２重突起ｃ１、ｃ２を潰す前の状態を示しており、図９は、潰した後の状態を示している。

しかし、上記する従来技術には以下の課題が存在する。その一つは、図９に示すごとく、セパレータｄ１、ｄ２とガスケットｃ（の突起ｃ１）との間に隙間ｅが存在することで、ガス拡散層ｂ１、ｂ２を矢印の方向に流れたガスは、電解質膜ａに提供されずに、相対的に圧力損失の低い上記隙間ｅに流れてしまうことである（これを、一般にパスカットと称することもある）。

その他の課題として、ガス拡散層ｂ１、ｂ２は圧縮後においてもその厚みにばらつきがあり、本発明者等によれば、±３５μｍ程度ものばらつきが生じ得ることが特定されているが、この厚みのばらつきに起因する課題であり、圧縮後のガス拡散層の厚みが厚すぎる場合と薄すぎる場合とで、以下のようなそれぞれに固有の課題が存在する。

まず、ガス拡散層の厚みが厚すぎる場合に関し、上記する突起ｃ１に作用する反力が大きくなることは理解に易いが、これによって相対的に電極（電解質膜ａおよびガス拡散層ｂ１，ｂ２）に作用する荷重は小さくなる。その結果、セパレータｄ１、ｄ２とガス拡散層ｂ１、ｂ２との接触抵抗が高められ、発電性能の低下の原因となるものである。さらには、突起ｃ２に作用する反力が所望の値よりも小さくなることから、ガスシール性が低下する原因にもなる。

一方、ガス拡散層の厚みが薄すぎる場合には、突起ｃ１に作用する反力が小さくなる結果、ガスシール性が低下し、突起ｃ１とセパレータｄ１、ｄ２の間をガスがリークし易くなる。また、相対的に突起ｃ２に作用する反力が大きくなることで電極は短絡し易くなり、突起ｃ２が破断に至る可能性が高くなるというものである。

燃料電池を構成するセルごとの性能やガスのシール性は上記するガス拡散層のばらつきに左右されると言っても過言ではないが、その一方で、上記ばらつきを許容して所望のシール性を担保するのは非常に困難である。また、上記のごとくその部位ごとにばらつきのあるガスケットを使用した場合には、燃料電池をスタックとして一体とした際の圧力、すなわち、膜電極接合体に作用する圧力にばらつきが存在することとなり、このことは面内均一な発電を阻害し、燃料電池の発電性能の低下に直結するものである。

さらに、図８，９のセル構造に対し、これに、既述するセパレータから分離したガス流路層を具備した構造を図１０に示す。同図において、電解質膜ａとこれを挟持するガス拡散層ｂ１、ｂ２と、さらにこれを挟持するガス流路層ｆ１，ｆ２と、からなり、これらの周縁に突起ｃ１とマニホールドＭの周囲に形成されたシール用突起ｃ２を備えたガスケットｃを設け、これらをセパレータｄ１、ｄ２で挟み込みながら突起ｃ１、ｃ２を潰すものである。なお、同図はガス流路となるマニホールドＭが形成された箇所で切断された縦断面を示している。

図１０で示すセル構造においても、ガス流路層ｆ１、ｆ２とガスケットｃ（の突起ｃ１）の間に隙間ｅが存在することにより、図中の矢印で示すごとくマニホールドＭを介し、セパレータｄ２間を流れたガスは、ガス流路層ｆ２に提供されずに、相対的に圧力損失の低い上記隙間ｅに流れてしまうことになる。

特表２００６−５２９０４９号公報

本発明は、上記する問題に鑑みてなされたものであり、ガスケットに従来のような加工誤差（ばらつき）が存在する場合でも、高いガスシール性能を有し、さらには、パスカットされることなくガスを膜電極接合体に提供することのできるシール構造を備えた燃料電池を提供することを目的とする。

前記目的を達成すべく、本発明による燃料電池は、少なくとも電解質膜とこれを挟持するアノード電極層およびカソード電極層とからなる膜電極接合体と、該膜電極接合体を挟持するガス流路層と、ガス流路層を挟持するセパレータと、からなり、該膜電極接合体および該ガス流路層の周縁に形成され、ガス流路となるマニホールドを備えたガスケットと、からなる燃料電池であって、前記ガスケットのうち、マニホールドの周囲には第１のシール用突条が形成されており、前記ガス流路層の端部には切欠きが形成されており、前記ガスケットの端部は、該切欠きを閉塞するとともに、ガス流路層表面から突出して前記第１のシール用突条と同レベルまたはそれ以下の高さを有する１以上の第２のシール用突条を備えており、前記セパレータが第１のシール用突条および第２のシール用突条を押しつぶした姿勢で前記ガス流路層に当接され、前記第２のシール用突条とセパレータによって１以上の線状シール構造が形成されているものである。

本発明の燃料電池は、膜電極接合体（ガス拡散層を含んでもよい）を挟持するガス流路層とそれらの周縁に形成されるガスシール用のガスケットとの密着性を高めることで効果的にガスを膜電極接合体に提供することができ、さらには、ガス拡散層等の製造誤差をも許容して膜電極接合体に面内均一な圧力を作用させ、もって発電効率と発電性能に優れた燃料電池に関するものである。

そのための構成として、ガス流路層の端部に切欠きを形成しておき、ガスケットの端部をこの切欠き上に載置することで該切欠きを閉塞するとともに、この切欠き上に載置されたガスケットの端部にガス流路層表面から突出する１以上のシール用突条（第２のシール用突条）を形成しておくものである。

ガスケットには、ガスを提供し、もしくは排気するためのマニホールドが形成されており、このマニホールドの周囲には公知のガスシール用のシール用突条（第１のシール用突条）が形成されている。

上記する第２のシール用突条は、ガス流路層表面から突出するものであり、かつ、第１のシール用突条と同レベルかまたはそれ以下の高さを有するものである。第２のシール用突条に作用する圧力は直接的に膜電極接合体に作用することとなるため、仮にこれが第１のシール用突条よりも高くなると、膜電極接合体に過度の圧力が作用してしまい、膜電極接合体を損傷させたり、面内均一な発電を阻害する要因となるからである。

上記するように、この第２のシール用突条は、一条であってもよいし、複数条であってもよい。たとえば２条の第２のシール用突条を形成する場合には、平面視がたとえば矩形のガス流路層の外周縁に枠縁状に切欠きを形成しておき、この切欠き上に、間隔をおいて、２条の無端矩形状の第２のシール用突条を載置する形態となる。

アノード側およびカソード側から２つのセパレータでガス流路層を挟持し、さらにスタック形成時の圧力が加わることにより、このセパレータが第１のシール用突条および第２のシール用突条を押しつぶした姿勢でガス流路層に当接されるとともに、第２のシール用突条とセパレータの間には、１以上の線状シール構造が形成される。

上記する本発明の燃料電池によれば、ガス流路層とガスケットとの間の密着性が高められ、既述する従来構造のごとくパスカットを生じる隙間が生じることはなくなる。さらに、ガス流路層の端部に形成された切欠き上に１条以上の突条が載置され、これがマニホールド周囲のシール用突条とともにセパレータとの間でシール構造を形成するため、ガスシール性が一層高められるものである。

また、本発明による燃料電池の他の実施の形態は、少なくとも電解質膜とこれを挟持するアノード電極層およびカソード電極層とからなる膜電極接合体と、該膜電極接合体を挟持するガス流路層と、ガス流路層を挟持するセパレータと、からなり、該膜電極接合体および該ガス流路層の周縁に形成され、ガス流路となるマニホールドを備えたガスケットと、からなる燃料電池であって、前記ガスケットのうち、マニホールドの周囲には第１のシール用突条が形成されており、前記ガス流路層の端部には切欠きが形成されており、前記ガスケットの端部は、該切欠きを閉塞するとともに、ガス流路層表面と同レベルもしくは該表面から突出する複数の第２のシール用突条を相互に交差した姿勢で備えており、前記セパレータが第１のシール用突条を押しつぶした姿勢で前記ガス流路層に当接され、前記相互に交差した第２のシール用突条とセパレータによって面状シール構造が形成されているものである。

本実施の形態は、線状に第２のシール用突条を形成する代わりに、第２のシール用突条を相互に交差させてたとえば碁盤目形状とし、この碁盤目状の２のシール用突条をガス流路層の端部の切欠き上に載置するものである。

第２のシール用突条が相互に交差していることにより、仮に、第２のシール用突条とガス流路層との高さが同レベルであったとしても（したがって、スタック形成時の圧力が第２のシール用突条に作用しない）、第２のシール用突条が相互に交差することでこれとセパレータとの間のガス流れに対する圧力損失は極めて高くなり、ガス流路層からのガスリークが効果的に抑止される。

上記する燃料電池は、ガスシール性に優れ、発電効率、発電性能に優れていることより、近時その生産が拡大しており、発電性能の高い車載用燃料電池を急務の課題としているハイブリッド車や電気自動車等に好適である。

以上の説明から理解できるように、本発明の燃料電池によれば、ガス流路層とガスケットとの間の密着性が高められ、ガスシール性が高められた燃料電池を得ることができる。さらには、ガス拡散層に製造誤差がある場合でも、これを許容して、膜電極接合体に面内均一なスタック形成時の圧力を作用させることができ、発電性能に優れた燃料電池を得ることができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は膜電極接合体をガス流路層が挟持したセル構造の平面図であり、図２は図１のII−II矢視図であり、図３は図２のIII部の拡大図である。図４は図２の断面図にカソード側のセパレータが取り付けられた状態を示した断面図である。なお、図示する線状シール用突条（第２のシール用突条）はマニホールド周囲のシール用突条（第１のシール用突条）よりも高さの低いものであるが、双方が同じ高さであってもよいことは勿論のことである。

図１，２に示すセル構造は、イオン交換膜である電解質膜１（ＭＥＡ）と、これを挟持するアノード側、カソード側のガス拡散層２，２（ＧＤＬ）と、から形成される膜電極接合体（ＭＥＡ）と、この膜電極接合体を挟持する導電性多孔体であるガス流路層３，３と、からなり、その周縁にたとえばゴム等の樹脂製のガスケット５が一体に形成されている。なお、図１の理解を助けるために、図１では図２で示すガスケット５の図示を省略している。

電解質膜１は、高分子材料であるフッ素系膜、ＨＣ膜などからなり、ガス拡散層２は、白金やその合金からなる触媒をカーボン等に担持させた多孔質素材であり、カーボンペーパーやカーボンクロスから形成される。また、ガスケット５は、膜電極接合体（ＭＥＧＡ）を成形型内に収容し、所望の樹脂を成形型内に射出するインサート成形にて形成することができる。

図示する実施例において、ガス流路層３は多孔質のラスメタルからなるもので、たとえばアノード側のラスメタルの端部がカソード側に屈曲し、さらに屈曲してマニホールド６側に延びることでガスケット５の補強材３２となっている。ガス流路層３が比較的硬質のラスメタルから形成されることにより、かかる補強材としての兼用が可能となっている。

図１の平面図で示すように、ガスケットの補強材３２には、水素ガス、酸素ガス（または空気）を供給するための孔（マニホールド６）と、反応後のガスを排気するための孔（マニホールド６）がそれぞれに対応する基数だけ穿孔されており、実際の燃料電池では、単セルが発電能力に応じた基数だけ積層され、対応する孔が積層方向に繋がることでガス供給用もしくは排気用のマニホールド６が形成される。

図２で示すように、ガス流路層３の端部には切欠き３１が形成されており、この切欠き３１上に、ガスケット５の端部に形成された線状シール用突条５２が載置され、この突起５２が切欠き３１と完全に密着してこれを閉塞する。一方、ガスケット５のマニホールド６の周囲箇所には別途のシール用突条５１が形成されている。図１に戻り、このシール用突条５２は、平面視矩形の膜電極接合体の端辺に沿って矩形輪郭の無端状に形成され、シール用突条５１は、各マニホールド６の周囲でこれを囲繞するように形成される。

図３は、図２のIII部を拡大した図であるが、同図で示すように、切欠き３１上に載置された線状シール用突条５２はガス流路層３の上面よりもｈ１だけ突出しており、ｈ１よりも高いｈ２だけ突出するシール用突条５１よりも低く形成されている。シール用突条５１が相対的に高く形成されていることにより、マニホールド６の周囲のシール性をより高めることができ、さらには、線状シール用突条５２の下方の膜電極接合体に過大な圧力が作用しないこととなる。なお、このｈ１の設定範囲としては、ガスシール性と膜電極接合体に作用する圧力との関係から、０≦ｈ１≦５０μｍ程度とするのが好ましい。ここで、線状シール用突条５２が一条の場合には、ｈ１は０より大きく設定しておくのが望ましく、２条以上の構造の場合にはガス流れに対する圧力損失が高くなることより、ｈ１を０に設定すること、すなわち、ガス流路層３の上面と同レベルに設定することも可能となる。

図４は、図２で示す構造のガス流路層３，３をセパレータ４，４で挟持した状態を示している。ここで、図示するセパレータ４は、フラットタイプの当該セル用セパレータ４１と隣接セル用セパレータ４３の間に、酸素ガスを当該セル用セパレータ４１に分配し、水素ガスを隣接セル用セパレータ４３に分配するためのガス分配層４２が介在した構造を呈している。なお、このセパレータ４は、メタル製やカーボン製のセパレータである。

たとえば、酸素ガス供給用のマニホールド６を介して提供された酸素ガスは図示の矢印の方向で流れ、ガス流路層３に提供された後に膜電極接合体に拡散供給される。

図４からも明らかなように、ガス流路層３の端部に形成された切欠き３１上の線状シール用突条５２が該切欠き３１と密着し、この姿勢で線状シール用突条５２がセパレータ４にて押圧されて押し潰されることにより、ガスがパスカットする隙間が形成されることはなく、供給ガスの全てが効果的にガス流路層３を介して膜電極接合体に提供される。

図５は切欠き３１上に載置されるシール用突条の他の実施の形態を示した平面図であり、図６はこのVI−VI矢視図である。さらに、図７は、図６の構成にカソード側のセパレータが取り付けられた状態を示した図である。

図示するシール用突条５３は、線状のシール用突条が交互に交差して碁盤目状（溝５４が形成されている）を呈しており、これが、図１の線状シール用突条５２と同様の平面配置で形成されるものである。図２で示すシール用突条５２が線状であるのに対し、このシール用突条５３は碁盤目状のシール用突条５３の多数のフラット頂面でセパレータ４と当接しており、すなわち、線状に対して面状に当接していることから、面状シール用突条５３を形成するものである。

なお、図６では、この面状シール用突条５３がガス流路層３の上面から若干突出した形態が示されているが、該突条５３とガス流路層３とが同レベルであってもよい。面状シール用突条５３が碁盤目状を呈していることより、これがセパレータ４との当接面で圧力を受けていない状態であっても、かかる碁盤目状の接触構造にてガス流れに対する圧力損失は高くなり、したがって、セパレータ４と面状シール用突条５３の接触面を介したガスリークは抑止されるからである。

上記するシール構造を呈する単セルが発電能力に応じた基数だけ積層されてスタックを形成し、さらに該スタックの外周にターミナルプレート、インシュレータおよびエンドプレートが設けられ、このエンドプレート間で所望の圧力をかけて一体とすることにより、燃料電池が製造される。

この燃料電池は、上記するシール構造を呈していることにより、発電効率と発電性能に優れた燃料電池となる。かかる燃料電池は、航空機、船舶、移動ロボットなどの移動体用として、さらには家屋等の定置用として、多様な用途に適用可能であるが、中でも、発電性能の高い車載用燃料電池を急務の課題としているハイブリッド車や電気自動車等への適用に好適である。

以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。

膜電極接合体をガス流路層が挟持したセル構造の平面図である。図１のII−II矢視図である。図２のIII部の拡大図である。図２の断面図にカソード側のセパレータが取り付けられた状態を示した断面図である。ガスケットの他の実施の形態を示した図であり、膜電極接合体の端部とガスケットの接続部を拡大した平面図である。図５のVI−VI矢視図である。図６の断面図にカソード側のセパレータが取り付けられた状態を示した断面図である。従来の膜電極接合体端部のガスケットによるシール構造を形成する前の説明した断面図である。従来の膜電極接合体端部のガスケットによるシール構造を説明した断面図である。従来の膜電極接合体端部のガスケットによるシール構造の他の実施の形態の断面図である。

符号の説明

１…電解質膜（ＭＥＡ）、２…ガス拡散層（ＧＤＬ）、３…ガス流路層、３１…切欠き、３２…補強材、４…セパレータ、４１…当該セル用セパレータ、４２…ガス分配層、４３…隣接セル用セパレータ、５，５Ａ…ガスケット、５１…シール用突条（第１のシール用突条）、５２…線状シール用突条（第２のシール用突条）５３…面状シール用突条（第２のシール用突条）、５４…溝、６…マニホールド

Claims

少なくとも電解質膜とこれを挟持するアノード電極層およびカソード電極層とからなる膜電極接合体と、該膜電極接合体を挟持するガス流路層と、ガス流路層を挟持するセパレータと、からなり、該膜電極接合体および該ガス流路層の周縁に形成され、ガス流路となるマニホールドを備えたガスケットと、からなる燃料電池であって、
前記ガスケットのうち、マニホールドの周囲には第１のシール用突条が形成されており、
前記ガス流路層の端部には切欠きが形成されており、前記ガスケットの端部は、該切欠きを閉塞するとともに、ガス流路層表面から突出して前記第１のシール用突条と同レベルまたはそれ以下の高さを有し、かつ、該第１のシール用突条と同方向に突出する１以上の第２のシール用突条を前記切欠き上となる位置に備えており、
前記セパレータが第１のシール用突条および第２のシール用突条を押しつぶした姿勢で前記ガス流路層に当接され、前記第２のシール用突条とセパレータによって１以上の線状シール構造が形成されている、燃料電池。
少なくとも電解質膜とこれを挟持するアノード電極層およびカソード電極層とからなる膜電極接合体と、該膜電極接合体を挟持するガス流路層と、ガス流路層を挟持するセパレータと、からなり、該膜電極接合体および該ガス流路層の周縁に形成され、ガス流路となるマニホールドを備えたガスケットと、からなる燃料電池であって、
前記ガスケットのうち、マニホールドの周囲には第１のシール用突条が形成されており、
前記ガス流路層の端部には切欠きが形成されており、前記ガスケットの端部は、該切欠きを閉塞するとともに、ガス流路層表面と同レベルもしくは該表面から突出する複数の第２のシール用突条を相互に交差した姿勢で、かつ前記切欠き上となる位置に備えており、
前記セパレータが第１のシール用突条を押しつぶした姿勢で前記ガス流路層に当接され、前記相互に交差した第２のシール用突条とセパレータによって面状シール構造が形成されている、燃料電池。