JP5114899B2

JP5114899B2 - 固体高分子型燃料電池

Info

Publication number: JP5114899B2
Application number: JP2006246524A
Authority: JP
Inventors: 洋龍井
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2006-09-12
Filing date: 2006-09-12
Publication date: 2013-01-09
Anticipated expiration: 2026-09-12
Also published as: JP2008071506A

Description

本発明は、固体高分子型燃料電池に関するものである。

固体高分子型燃料電池は、水素を含む燃料ガスと空気などの酸素を含む酸化剤ガスをガス拡散電極によって電気化学的に反応させるもので、電気と熱とを同時に発生させるものである。このような固体高分子型燃料電池の基本的な単電池の構成を示す分解断面図を図７に示した。なお、水素などの燃料ガスの関与する側をアノードと呼び、図では符号の後にａを付け表し、空気などの酸化剤ガスの関与する側をカソードと呼び、図では符号の後にｃを付け表した。

図７に於いて、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜１０１の両面には、白金系の金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする触媒反応層を密着して配置する。さらに触媒反応層の外面には、ガス通気性と導電性を兼ね備えた一対の拡散層をこれに密着して配置する。この拡散層と触媒反応層により電極１０４ａ，１０４ｃを構成する。膜電極接合体１０５は、電極１０４ａ，１０４ｃと高分子電解質膜１０１とで形成している。膜電極接合体は一般的にＭＥＡと称せられる。

膜電極接合体１０５外側には、膜電極接合体１０５を機械的に固定するとともに、隣接する膜電極接合体同士を互いに電気的に直列に接続し、さらに電極に反応ガスを供給し、かつ反応により発生したガスや余剰のガスを運び去るためのガス流路１０６ａ，１０６ｃを膜電極接合体１０５に接する面に形成した導電性セパレータ１０７ａ，１０７ｃを配置する。膜電極接合体１０５と導電性セパレータ１０７ａ，１０７ｃとの間には、供給した燃料ガスや酸化剤ガスが外部にリークしたり、両ガスが互いに混合したりしないようにする膜電極接合体ガスケット１１０ａ，１１０ｃが備えられている。

膜電極接合体１０５と一対のセパレータ１０７ａ，１０７ｃを組み合わせて単電池を作成する際、膜電極接合体１０５の電極１０４ａ，１０４ｃとセパレータ１０７ａ，１０７ｃのガス流路１０６ａ，１０６ｃに位置ずれが生じると電気化学反応に有効な反応面積が小さくなってしまう。また、場合によっては膜電極接合体ガスケット１１０ａ，１１０ｃの位置がずれ、ガスが漏れてしまうことも考えられる。

そこで、従来の固体高分子型燃料電池では、膜電極接合体１０５とセパレータ１０７ａ，１０７ｃの反応面以外の場所に設けた貫通穴に位置決めピン１１１を貫通させ、反対側から止め輪部品１１２で位置決めピン１１１の抜け防止とすることにより膜電極接合体１０５と一対のセパレータ１０７とを一体化している（例えば、特許文献１参照）。
特開２０００−１２０６７号公報

しかしながら、上記従来の固体高分子型燃料電池では、以下のような課題があった。すなわち、位置決めピン等の締結部品を用いることにより、部品点数や製造コストの増大、製造リードタイムの長期化を引き起こすことが懸念されるという課題があった。

本発明の固体高分子型燃料電池は、前記従来の課題を解決するものであり、部品点数や製造コストの増大、製造リードタイムの長期化を招くことなく、膜電極接合体と一対のセパレータとを比較的正確に位置決めして一体化でき、安定したシール性能と出力を実現できる固体高分子型燃料電池を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、固体高分子電解質膜と前記固体高分子電解質膜を挟んで配された触媒反応層を有する一対の電極とを有する膜電極接合体と、前記膜電極接合体の外周を保持し前記膜電極接合体と一体化された枠体と、前記膜電極接合体の前記電極の一方に水素を含む燃料ガスを供給しかつ他方に酸素を含む酸化剤ガスを供給する手段を具備した導電性の一対のセパレータとを有し、前記枠体の一部には複数の突起を有し、前記セパレータには前記突起と嵌合する穴を有する単電池を少なくともひとつ有し、前記枠体の一方の面には、前記セパレータの厚さより長い積層位置決め用突起を備え、一対の前記セパレータのうち前記位置決め用突起が備えられている前記枠体の前記一方の面と接するセパレータには、前記位置決め用突起よりも大きい貫通穴を有し、他方のセパレータには前記位置決め用突起と嵌合する穴を有する単電池を複数積層した固体高分子型燃料電池とする。

これにより、膜電極接合体と一体化された枠体の突起と、セパレータの穴とが嵌合することにより位置を決めることができるようになり、膜電極接合体とセパレータを一体化することができる。

本発明の固体高分子型燃料電池は、部品点数や製造コストの増大、製造リードタイムの長期化を招くことなく、膜電極接合体と一対のセパレータとを比較的正確に位置決めして一体化でき、安定したシール性能と出力を実現できる固体高分子型燃料電池を提供することができる。

請求項１に記載の発明は、固体高分子電解質膜と前記固体高分子電解質膜を挟んで配された触媒反応層を有する一対の電極とを有する膜電極接合体と、前記膜電極接合体の外周を保持し前記膜電極接合体と一体化された枠体と、前記膜電極接合体の前記電極の一方に水素を含む燃料ガスを供給しかつ他方に酸素を含む酸化剤ガスを供給する手段を具備した導電性の一対のセパレータとを有し、前記枠体の一部には複数の突起を有し、前記セパレータには前記突起と嵌合する穴を有する単電池を少なくともひとつ有し、前記枠体の一方の面には、前記セパレータの厚さより長い積層位置決め用突起を備え、一対の前記セパレータのうち前記位置決め用突起が備えられている前記枠体の前記一方の面と接するセパレータには、前記位置決め用突起よりも大きい貫通穴を有し、他方のセパレータには前記位置決め用突起と嵌合する穴を有する単電池を複数積層した固体高分子型燃料電池とする。これにより、部品点数や製造コストの増大、製造リードタイムの長期化を招くことなく、膜電極接合体と一対のセパレータとを比較的正確に位置決めして一体化でき、安定したシール性能と出力を実現できる固体高分子型燃料電池を提供することができる。

請求項２に記載の発明は、固体高分子電解質膜と前記固体高分子電解質膜を挟んで配された触媒反応層を有する一対の電極とを有する膜電極接合体と、前記膜電極接合体の外周を保持し前記膜電極接合体と一体化された枠体と、前記膜電極接合体の前記電極の一方に水素を含む燃料ガスを供給しかつ他方に酸素を含む酸化剤ガスを供給する手段を具備した導電性の一対のセパレータとを有し、前記枠体の一部には先端が鍵爪状になった複数の突起を有し、前記セパレータには前記突起に対応する複数の段差付穴を有する単電池を少なくともひとつ有する固体高分子型燃料電池とするものであり、これにより部品点数や製造コストの増大、製造リードタイムの長期化を招くことなく、膜電極接合体と一対のセパレータとを比較的正確に位置決めして一体化でき、安定したシール性能と出力を実現できる固体高分子型燃料電池を提供することができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の発明において、枠体の一方の面に、前記突起に加えて前記セパレータの厚さより長い積層位置決め用突起を備え、一対の前記セパレータのうち前記位置決め用突起と接するセパレータに、前記位置決め用突起よりも大きい貫通穴を有し、他方のセパレータに、前記位置決め用突起と嵌合する穴を有することにより、一体化した単電池を複数積層する際に、各単電池の位置を規制することが比較的容易にできる。

これにより、複数の単電池を積層した際にも、単電池間の安定したシール性能を実現する固体高分子型燃料電池を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明するが、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。なお、従来例と同一の部分については、同一符号を付してその説明を省略する。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１における固体高分子型燃料電池の単電池の斜視分解図であり、図２は同単電池の主要部の部分断面図である。

図１に示すように、単電池１は一対の電極１０４で高分子電解質膜１０１を挟んで構成した膜電極接合体１０５と、膜電極接合体１０５をインサート成形して膜電極接合体１０５の周囲に形成したポリプロピレン製の枠体２とを、一対のアノード側セパレータ３ａとカソード側セパレータ３ｃとで挟み込んで構成されている。アノード側セパレータ３ａおよびカソード側セパレータ３ｃ、および枠体２には、外部から水素を含む燃料ガスを導入するための燃料ガス入口マニホールド４と、発電に使用されなかった燃料ガスを外部に排出するための燃料ガス出口マニホールド５と、酸素を含む酸化剤ガスを外部から導入するための酸化剤ガス入口マニホールド６と、発電に使用されなかった酸化剤ガスを外部に排出するための酸化剤ガス出口マニホールド７とが各セパレータ３ａ，３ｃおよび枠体２の外周近傍に貫通して設けられている。また、アノード側セパレータ３ａの膜電極接合体１０５と接する面には、燃料ガス入口マニホールド４と燃料ガス出口マニホールド５とを結び、電極１０４に燃料ガスを供給するためのガス流路８ａが設けられている。同様にカソード側セパレータ３ｃの膜電極接合体１０５と接する面には、酸化剤ガス入口マニホールド６と酸化剤ガス出口マニホールド７とを結び、電極１０４に酸化剤ガスを供給するためのガス流路８ｃが設けられている。ガス流路８ａ，８ｃは、電極１０４に対して可能な限り均一にガスを供給するために、複数本の流路を蛇行させて形成している。なお、単電池に供給する燃料ガスおよび酸化剤ガスは、高分子電解質膜１０１の水素イオン伝導性を発揮させるために加湿して常に高分子電解質膜１０１を湿潤状態に保つようにしているが、ガス中の水蒸気が凝縮して、あるいは発電に伴って生成した水がガス流路８ａ，８ｃにたまって流路を閉塞し、ガスの流れを阻害しないように上方から導入して下方から排出されるようにガス流路８ａ，８ｃを構成した。

また、アノード側セパレータ３ａのガス流路８ａ側には、燃料ガスが外部に漏れず、かつ酸化剤ガスと循環水とがこの面に進入しないように考慮したフッ素ゴム製の膜電極接合体ガスケット９ａが設けられている。同様にカソード側セパレータ３ｃのガス流路８ｃ側には、酸化剤ガスが外部に漏れず、かつ燃料ガスと循環水がこの面に浸入しないように考慮した膜電極接合体ガスケット９ｃが設けられている。なお、この膜電極接合体ガスケット９ａ，９ｃは、枠体２とセパレータ３ａ，３ｃとにより圧縮されてシール性を発揮する。

また、枠体２の外周近傍には、高さがセパレータ３ａ，３ｃの厚み以下の突起１０が形成されており、セパレータ３ａ，３ｃには突起１０と対応する位置に突起１０が圧入される穴１１が形成されている。

なお、突起１０および穴１１は、膜電極接合体ガスケット９ａ，９ｃの外側に位置するように配慮して、複数設けてあり、また、突起１０の先端は、先端に面取りを施してある。

また、単電池１の出力は小さいため、必要な電気および熱の出力を得るためには、単電池１を複数、直列に積層する必要があるが、アノード側セパレータ３ａとカソード側セパレータ３ｃ、および枠体２とには、発電とともに発生する熱を、単電池１を複数積層した際に取り去るための循環水をアノード側セパレータ３ａおよびカソード側セパレータ３ｃの膜電極接合体１０５と接する面と反対の面に形成した循環水流路１２に導入，排出するための循環水入口マニホールド１３と循環水出口マニホールド１４が、外周近傍に貫通して設けられており、カソード側セパレータ３ｃの循環水流路１２側の面には、循環水が外部に漏れず、かつ酸化剤ガスおよび燃料ガスがこの面に侵入しないように考慮したセパレータガスケット１５が設けられている。

また、セパレータ３ａ，３ｃおよび枠体２の四隅には、単電池１を複数積層した際に、複数の単電池を一体化し、締結力を加えるための締結ロッドを通す貫通穴１６が膜電極接合体ガスケット９ａ，９ｃおよびセパレータガスケット１５の外側に位置するように配慮して設けられている。

以上のように構成した固体高分子型燃料電池について、以下その作用について説明する。

膜電極接合体１０５と枠体２とが一体になったものを、一対のセパレータ３ａ，３ｃで挟み込み、単電池１を構成するが、その際、セパレータ３ａおよび３ｃの両側から締結力を加えることにより、枠体２の突起１０がセパレータ３ａ，３ｃの穴１１に圧入される。

これにより、膜電極接合体１０５と枠体２、およびセパレータ３ａ，３ｃとが一体となる。

また、膜電極接合体１０５を枠体２と一体化することによって、単電池１を組み立てる際にセパレータ３ａ，３ｃに対する膜電極接合体１０５の位置出しが容易になり、また、枠体２の突起１０と穴１１により、ガス流路８ａ，８ｃと電極１０４の位置関係、および膜電極接合体ガスケット９ａ，９ｃと各マニホールドとの位置関係が正確に規制することが可能である。

さらに、膜電極接合体ガスケット９ａ，９ｃは、枠体２とセパレータ３ａ，３ｃとの比較的硬いもので挟まれるため、膜電極接合体とセパレータとで挟み込むよりもシール性能を高めることもできる。

（実施の形態２）
図３は本発明の実施の形態２における固体高分子型燃料電池の単電池の斜視分解図であり、図４は同単電池の主要部の部分断面図である。

図３，４に示すように、本実施の形態の固体高分子型燃料電池は、実施の形態１で示した固体高分子型燃料電池の突起の形状、および前記突起が嵌合する穴の形状が、先端が鍵状になった突起１７と、段差付穴１８とである点で先の実施の形態と異なる。

この構成により、膜電極接合体１０５および枠体２と、一対のセパレータ３ａ，３ｃとが組み合わされた状態で積層方向に押圧されると、突起１７の先端鍵状部が段差付穴１８にはまり込むことで、正確な位置関係で膜電極接合体１０５と枠体２、およびセパレータ３ａ，３ｃとを一体にすることが可能である。

さらに、膜電極接合体１０５と枠体２との一体品と、セパレータ３ａ，３ｃとを容易に分解することができるため、膜電極接合体１０５の交換やセパレータ３ａ，３ｃの交換といったメンテナンス性の向上が可能である。

（実施の形態３）
図５は本発明の実施の形態３における固体高分子型燃料電池の単電池の斜視分解図であり、図６は同単電池を二個積層した際の主要部の部分断面図である。

図５，図６に示すように、本実施の形態の固体高分子型燃料電池は、先の実施の形態で示した突起および穴に加え、枠体２のカソード側セパレータ３ｃと接する面にカソード側セパレータ３ｃの厚さよりも長く、隣接する単電池１のアノード側セパレータ３ａに達する長さの位置決め用突起１９と、カソード側セパレータ３ｃに位置決め用突起１９が貫通する貫通穴２０と、アノード側セパレータ３ａに位置決め用突起１９が嵌合する嵌合穴２１とを設けた点で先の実施の形態の固体高分子型燃料電池と異なる。

これにより、膜電極接合体１０５と枠体３との一体品と、セパレータ３ａ，３ｃとを一体化した単電池１を複数積層した際に、位置決め用突起１９が当該単電池１を構成するカソード側セパレータ３ｃの貫通穴２０を貫通して、隣接する単電池１のアノード側セパレータ３ａの嵌合穴２１に嵌合することにより、複数の単電池の位置関係がずれることなく積層することが可能である。

以上のように、本発明にかかる固体高分子型燃料電池は、ポータブル電源、電気自動車用電源、定置型コージェネレーションシステム等の用途に適用できる。

本発明の実施の形態１における固体高分子型燃料電池の単電池の斜視分解図同実施の形態の単電池の主要部断面図本発明の実施の形態２における固体高分子型燃料電池の単電池の斜視分解図同実施の形態の単電池の主要部断面図本発明の実施の形態３における固体高分子型燃料電池の単電池の斜視分解図同実施の形態の単電池を二個積層した固体高分子型燃料電池の主要部断面図従来の固体高分子型燃料電池の単電池の分解断面図

符号の説明

１単電池
２枠体
３ａアノード側セパレータ
３ｃカソード側セパレータ
４燃料ガス入口マニホールド
５燃料ガス出口マニホールド
６酸化剤ガス入口マニホールド
７酸化剤ガス出口マニホールド
８ａ，８ｃガス流路
９ａ，９ｃ膜電極接合体ガスケット
１０突起
１１穴
１２循環水流路
１３循環水入口マニホールド
１４循環水出口マニホールド
１５セパレータガスケット
１６貫通穴
１７突起
１８段差付穴
１９位置決め用突起
２０貫通穴
２１嵌合穴
１０１高分子電解質膜（固体高分子電解質膜）
１０４電極
１０５膜電極接合体

Claims

固体高分子電解質膜と前記固体高分子電解質膜を挟んで配された触媒反応層を有する一対の電極とを有する膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の外周を保持し前記膜電極接合体と一体化された枠体と、
前記膜電極接合体の前記電極の一方に水素を含む燃料ガスを供給しかつ他方に酸素を含む酸化剤ガスを供給する手段を具備した導電性の一対のセパレータと、
を有し、
前記枠体の一部には複数の突起を有し、前記セパレータには前記突起と嵌合する穴を有する単電池を少なくともひとつ有し、
前記枠体の一方の面には、前記セパレータの厚さより長い積層位置決め用突起を備え、一対の前記セパレータのうち前記位置決め用突起が備えられている前記枠体の前記一方の面と接するセパレータには、前記位置決め用突起よりも大きい貫通穴を有し、他方のセパレータには前記位置決め用突起と嵌合する穴を有する単電池を複数積層した、
固体高分子型燃料電池。
固体高分子電解質膜と前記固体高分子電解質膜を挟んで配された触媒反応層を有する一対の電極とを有する膜電極接合体と、前記膜電極接合体の外周を保持し前記膜電極接合体と一体化された枠体と、前記膜電極接合体の前記電極の一方に水素を含む燃料ガスを供給しかつ他方に酸素を含む酸化剤ガスを供給する手段を具備した導電性の一対のセパレータとを有し、
前記枠体の一部には先端が鍵爪状になった複数の突起を有し、前記セパレータには前記突起に対応する複数の段差付穴を有する単電池を少なくともひとつ有する固体高分子型燃料電池。
前記枠体の一方の面には、前記セパレータの厚さより長い積層位置決め用突起を備え、一対の前記セパレータのうち前記位置決め用突起が備えられている前記枠体の前記一方の面と接するセパレータには、前記位置決め用突起よりも大きい貫通穴を有し、他方のセパレータには前記位置決め用突起と嵌合する穴を有する単電池を複数積層したことを特徴とする請求項２に記載の固体高分子型燃料電池。