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JP2007018924A - 燃料電池 - Google Patents

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Abstract

【課題】絶縁シートの両側に配置された端部シール部材が互いに接触するのに伴って燃料電極と空気電極とが電気的に短絡してしまうのを抑制する。
【解決手段】電解質層10およびその周囲に設けられた絶縁シート4の一方の面に、燃料電極11A、燃料ガス流路が形成された多孔質カーボン板3A、および、セパレータ1Aを配置し、電解質層10および絶縁シート4の他方の面に空気電極11B、空気流路が形成された多孔質カーボン板3B、および、セパレータ1Bを配置し、多孔質カーボン板3A,3Bの側面のうち、流路開口部が形成されていない側面に端部シール部材2A,2Bを配置した燃料電池において、端部シール部材2A,2Bが膨張黒鉛からなり、絶縁シート4を端部シール部材2A,2Bの外縁より外側に突出させた。
【選択図】図1

Description

本発明は、例えばりん酸型の燃料電池に関し、特には、単電池の端部シール部材の構成に関する。
詳細には、本発明は、電解質層およびその周囲に設けられた絶縁シートの一方の面に、燃料電極、燃料ガス流路が形成された多孔質部材、および、セパレータを配置し、電解質層および絶縁シートの他方の面に空気電極、空気流路が形成された多孔質部材、および、セパレータを配置し、多孔質部材の側面のうち、流路開口部が形成されていない側面に端部シール部材を配置した燃料電池に関し、特には、電解質層および絶縁シートの一方の側に配置された端部シール部材と電解質層および絶縁シートの他方の側に配置された端部シール部材とが接触するのに伴って燃料電極と空気電極とが電気的に短絡してしまうのを抑制することができる燃料電池に関する。
図8は従来の燃料電池の単位セルを示した図である。詳細には、図8(A)は従来の燃料電池の単位セルの斜視図、図8(B)は従来の燃料電池の単位セルの正面図である。
図8に示すように、従来の燃料電池の単位セルでは、セルロース繊維からなる紙に熱硬化性樹脂を含浸し、乾燥後積層してプレスし、更に焼成して作成したガス不透過性および電解質に対する耐食性を満たしたセパレータ1A,1Bの間に、ガス流路を画定する多孔質カーボン板3A,3Bおよび燃料電極(図示せず)並びに空気電極(図示せず)が狭持されている。燃料電極(図示せず)および空気電極(図示せず)の周辺には、燃料電極と空気電極とを電気的に絶縁するための絶縁シート4が配置されている。燃料ガス流路を画定する多孔質カーボン板3Aのガス流路に平行な外縁部および空気流路を画定する多孔質カーボン板3Bのガス流路に平行な外縁部には、それぞれのガスが対極に漏洩しないように端部シール部材2A,2Bが配置されている。
端部シール部材2A,2Bには、ガス不透過性と共に、電解質に対する耐食性が求められる。また、ガス流路の高さを確保する必要もあることから、2mm程度の厚さも必要である。これらの条件を満たす安価な材料として、特開2001−23654号公報に記載された燃料電池では、膨張黒鉛シートが用いられている。従来においては、膨張黒鉛シートは、大判のシートから抜き加工によって長方形の形状に抜き出され、樹脂フィルム等を用いた熱融着によりセパレータ1A,1Bに貼り付けられている。
ところが、膨張黒鉛シートが大判のシートから抜き加工によって長方形の形状に抜き出される場合には、膨張黒鉛シートの両面のうち、一方の面にバリができてしまうおそれがある。
一方、(例えば図8では絶縁シート4の上側の)燃料電極と、(例えば図8では絶縁シート4の下側の)空気電極とは絶縁シート4によって電気的に絶縁されており、燃料電極側(例えば図8の上側)の端部シール部材2Aと、空気電極側(例えば図8の下側)の端部シール部材2Bとは接触しないように設計されている。
ところが、例えばフッ素樹脂のシート等が用いられる絶縁シート4は、燃料電池の運転中にセルの温度が上昇すると、収縮する場合がある。上述したように膨張黒鉛シート製の端部シール部材2A,2Bにバリが存在している場合には、絶縁シート4が収縮した時に、図8中に符号5で示すように、燃料電極側(例えば図8の上側)の端部シール部材2Aのバリと、空気電極側(例えば図8の下側)の端部シール部材2Bのバリとが接触し、電気的に短絡してしまうおそれがある。単セル内で燃料電極と空気電極とが電気的に短絡してしまうと、短絡箇所において発熱が生じたり、短絡電流によって発電性能が低下したりするおそれがある。
特開2001−23654号公報
前記問題点に鑑み、本発明は、絶縁シートの両側に配置された端部シール部材が互いに接触するのに伴って燃料電極と空気電極とが電気的に短絡してしまうのを抑制することができる燃料電池を提供することを目的とする。
詳細には、本発明は、燃料電池単セルの端部シール部材に膨張黒鉛シートを用いた場合に、端部シール部材のバリによって燃料電極と空気電極とが電気的に短絡してしまうのを防止することができる燃料電池を提供することを目的とする。
請求項1に記載の発明によれば、電解質層およびその周囲に設けられた絶縁シートの一方の面に、燃料電極、燃料ガス流路が形成された多孔質部材、および、セパレータを配置し、前記電解質層および前記絶縁シートの他方の面に空気電極、空気流路が形成された多孔質部材、および、セパレータを配置し、前記多孔質部材の側面のうち、流路開口部が形成されていない側面に端部シール部材を配置した燃料電池において、前記端部シール部材が膨張黒鉛からなり、前記絶縁シートを前記端部シール部材の外縁より外側に突出させたことを特徴とする燃料電池が提供される。
請求項2に記載の発明によれば、電解質層およびその周囲に設けられた絶縁シートの一方の面に、燃料電極、燃料ガス流路が形成された多孔質部材、および、セパレータを配置し、前記電解質層および前記絶縁シートの他方の面に空気電極、空気流路が形成された多孔質部材、および、セパレータを配置し、前記多孔質部材の側面のうち、流路開口部が形成されていない側面に端部シール部材を配置した燃料電池において、前記端部シール部材が膨張黒鉛からなり、燃料電池の角部に位置する前記端部シール部材の角部が面取りされていることを特徴とする燃料電池が提供される。
請求項1に記載の燃料電池では、燃料ガス流路が形成された多孔質部材およびその多孔質部材の外側に配置された端部シール部材と、空気流路が形成された多孔質部材およびその多孔質部材の外側に配置された端部シール部材との間に絶縁シートが配置され、絶縁シートの外縁が、絶縁シートの両側に配置された端部シール部材の外縁より外側に突出せしめられている。つまり、燃料電池の運転中の温度上昇に伴って絶縁シートが収縮した時においても、絶縁シートの両側に配置された端部シール部材の間に絶縁シートが介在せしめられているように、絶縁シートの外縁が、絶縁シートの両側に配置された端部シール部材の外縁より外側に突出せしめられている。
そのため、請求項1に記載の燃料電池によれば、絶縁シートの両側に配置された端部シール部材が互いに接触してしまうのを回避することができる。詳細には、絶縁シートの両側に配置された端部シール部材にバリが存在している場合であっても、絶縁シートの両側に配置された端部シール部材が互いに接触してしまうのを確実に回避することができる。
その結果、請求項1に記載の燃料電池によれば、絶縁シートの両側に配置された端部シール部材が互いに接触するのに伴って燃料電極と空気電極とが電気的に短絡してしまうのを抑制することができる。換言すれば、燃料電池単セルの端部シール部材に膨張黒鉛シートを用いた場合に、端部シール部材のバリによって燃料電極と空気電極とが電気的に短絡してしまうのを防止することができる。
請求項2に記載の燃料電池では、燃料ガス流路が形成された多孔質部材およびその多孔質部材の外側に配置された端部シール部材と、空気流路が形成された多孔質部材およびその多孔質部材の外側に配置された端部シール部材との間に絶縁シートが配置され、燃料電池の角部に位置する端部シール部材の角部が面取りされている。換言すれば、バリが存在するおそれのある端部シール部材の角部が面取りされている。
詳細には、請求項2に記載の燃料電池では、端部シール部材の抜き加工時に端部シール部材の角部にバリが発生した場合であっても、その後に、端部シール部材の角部が面取りされ、そのバリが除去される。
そのため、請求項2に記載の燃料電池によれば、絶縁シートの両側に配置された端部シール部材が互いに接触してしまうのを回避することができる。詳細には、端部シール部材の抜き加工時に端部シール部材にバリが発生した場合であっても、絶縁シートの両側に配置された端部シール部材が互いに接触してしまうのを確実に回避することができる。
その結果、請求項2に記載の燃料電池によれば、絶縁シートの両側に配置された端部シール部材が互いに接触するのに伴って燃料電極と空気電極とが電気的に短絡してしまうのを抑制することができる。換言すれば、燃料電池単セルの端部シール部材に膨張黒鉛シートを用いた場合に、端部シール部材のバリによって燃料電極と空気電極とが電気的に短絡してしまうのを防止することができる。
以下、本発明の燃料電池の第1の実施形態について説明する。図1は第1の実施形態の燃料電池の単位セルを示した図である。詳細には、図1(A)は第1の実施形態の燃料電池の単位セルの斜視図、図1(B)は第1の実施形態の燃料電池の単位セルの正面図である。図2は図1(A)に示した単位セルをその前側面に平行な面によって切断した断面を詳細に示した断面図、図3は図1(A)に示した単位セルをその右側面に平行な面によって切断した断面を詳細に示した断面図である。
図1〜図3に示すように、第1の実施形態の燃料電池の単位セルでは、セルロース繊維からなる紙に熱硬化性樹脂を含浸し、乾燥後積層してプレスし、更に焼成して作成したガス不透過性および電解質に対する耐食性を満たしたセパレータ1A,1Bの間に、燃料ガス流路を画定する多孔質カーボン板3Aおよび燃料電極11A並びに空気流路を画定する多孔質カーボン板3Bおよび空気電極11Bが、狭持されている。燃料電極11Aおよび空気電極11Bの周辺には、燃料電極11Aと空気電極11Bとを電気的に絶縁するための絶縁シート4が配置され、絶縁シート4の内側には、電解質層10が配置されている。燃料ガス流路を画定する多孔質カーボン板3Aの燃料ガス流路に平行な外縁部には、燃料ガスが対極に漏洩しないように端部シール部材2Aが配置されている。また、空気流路を画定する多孔質カーボン板3Bの空気流路に平行な外縁部には、空気が対極に漏洩しないように端部シール部材2Bが配置されている。
つまり、第1の実施形態の燃料電池の単位セルでは、燃料ガス流路を画定するために多孔質材料によって形成された多孔質カーボン板3Aおよびその多孔質カーボン板3Aの外側に配置された端部シール部材2Aが、絶縁シート4の一方の側(例えば図1の上側)に配置されている。また、空気流路を画定するために多孔質材料によって形成された多孔質カーボン板3Bおよびその多孔質カーボン板3Bの外側に配置された端部シール部材2Bが、絶縁シート4の他方の側(例えば図1の下側)に配置されている。また、図2において、12Aは燃料電極11Aを構成する電極触媒層を示しており、13Aは燃料電極11Aを構成する電極基材を示している。更に、図3において、12Bは空気電極11Bを構成する電極触媒層を示しており、13Bは空気電極11Bを構成する電極基材を示している。
端部シール部材2A,2Bには、ガス不透過性と共に、電解質に対する耐食性が求められる。また、ガス流路の高さを確保する必要もあることから、2mm程度の厚さも必要である。これらの条件を満たす安価な材料として、第1の実施形態の燃料電池では、膨張黒鉛シートが用いられている。詳細には、第1の実施形態の燃料電池では、例えば厚さ2.5mm、かさ密度0.65g/ccの膨張黒鉛シートが端部シール部材2A,2Bとして用いられている。
第1の実施形態の燃料電池では、膨張黒鉛シートが、大判のシートから抜き加工によって長方形の形状に抜き出され、樹脂フィルム等を用いた熱融着によりセパレータ1A,1Bに貼り付けられている。詳細には、例えば厚さ50μmのデュポン社製四フッ化エチレン−六フッ化プロピレン共重合樹脂(FEP)(融点250〜280℃)シートが、セパレータ1A,1Bと端部シール部材2A,2Bとの間に挿入され、約290℃の温度で1.0kg/cmの圧力をかけて圧力保持時間10分の条件で熱融着せしめられ、それにより、セパレータ1A,1Bと端部シール部材2A,2Bとが一体化せしめられている。
ところが、端部シール部材2A,2Bとして、膨張黒鉛シートが大判のシートから抜き加工によって長方形の形状に抜き出される場合には、膨張黒鉛シートの両面のうち、一方の面にバリができてしまうおそれがある。
一方、(例えば図1では絶縁シート4の上側の)燃料電極11Aと、(例えば図1では絶縁シート4の下側の)空気電極11Bとは絶縁シート4によって電気的に絶縁されており、燃料電極11Aの側(例えば図1の上側)の端部シール部材2Aと、空気電極11Bの側(例えば図1の下側)の端部シール部材2Bとは接触しないように設計されている。ところが、絶縁シート4は、燃料電池の運転中にセルの温度が上昇すると、収縮する場合がある。
そこで、第1の実施形態の燃料電池では、燃料電池の運転中の温度上昇に伴って絶縁シート4が収縮した場合においても、絶縁シート4の上側の端部シール部材2Aのバリと絶縁シート4の下側の端部シール部材2Bのバリとが接触することがないように、図1に示すように、絶縁シート4の外縁が、絶縁シート4の上側の端部シール部材2Aおよび絶縁シート4の下側の端部シール部材2Bの外縁より外側に突出せしめられている。
つまり、第1の実施形態の燃料電池では、燃料電池の運転中の温度上昇に伴って絶縁シート4が収縮した時においても、絶縁シート4の上側の端部シール部材2Aと絶縁シート4の下側の端部シール部材2Bとの間に絶縁シート4が介在せしめられているように、絶縁シート4の外縁が、絶縁シート4の上側の端部シール部材2Aおよび絶縁シート4の下側の端部シール部材2Bの外縁より外側に突出せしめられている。
詳細には、第1の実施形態の燃料電池では、絶縁シート4として例えばPTFEシートが用いられ、絶縁シート4の外寸が、燃料電極11Aおよび空気電極11Bの外寸より例えば各5mmずつ大きくされている。更に詳細には、絶縁シート4がセル端部から例えば2〜3mmはみ出すように、絶縁シート4の寸法が設定されている。
そのため、第1の実施形態の燃料電池によれば、絶縁シート4の両側に配置された端部シール部材2A,2Bが互いに接触してしまうのを回避することができる。詳細には、絶縁シート4の上側の端部シール部材2Aおよび絶縁シート4の下側の端部シール部材2Bにバリが存在している場合であっても、絶縁シート4の両側に配置された端部シール部材2A,2Bが互いに接触してしまうのを確実に回避することができる。
その結果、第1の実施形態の燃料電池によれば、絶縁シート4の両側に配置された端部シール部材2A,2Bが互いに接触するのに伴って燃料電極11Aと空気電極11Bとが電気的に短絡してしまうのを抑制することができる。換言すれば、燃料電池単セルの端部シール部材2A,2Bに膨張黒鉛シートを用いた場合に、端部シール部材2A,2Bのバリによって燃料電極11Aと空気電極11Bとが電気的に短絡してしまうのを防止することができる。
第1の実施形態の燃料電池では、図1に示した単セルを複数積層した後、面圧0.3MPaにおいて締め付けを行った。第1の実施形態の燃料電池では、端部シール部材2A,2Bのバリが多少観察されたが、全て絶縁シート4によって接触を免れていることがわかった。
図4は燃料電極11Aと空気電極11Bとの間に0.1Vを2分間印加した際の短絡電流を四端子法で測定した結果を本発明の第1の実施形態の燃料電池と従来の燃料電池とで比較して示した図である。図4に示すように、本発明の第1の実施形態の燃料電池によれば、短絡電流を非常に小さくすることができ、短絡箇所の発熱や短絡電流による発電性能の低下を抑制することができた。
以下、本発明の燃料電池の第2の実施形態について説明する。図5は第2の実施形態の燃料電池の単位セルを示した図である。詳細には、図5(A)は第2の実施形態の燃料電池の単位セルの斜視図、図5(B)は第2の実施形態の燃料電池の単位セルの正面図である。図6は図5(A)に示した単位セルをその前側面に平行な面によって切断した断面を詳細に示した断面図、図7は図5(A)に示した単位セルをその右側面に平行な面によって切断した断面を詳細に示した断面図である。
図5〜図7に示すように、第2の実施形態の燃料電池の単位セルでは、セルロース繊維からなる紙に熱硬化性樹脂を含浸し、乾燥後積層してプレスし、更に焼成して作成したガス不透過性および電解質に対する耐食性を満たしたセパレータ1A,1Bの間に、燃料ガス流路を画定する多孔質カーボン板3Aおよび燃料電極11A並びに空気流路を画定する多孔質カーボン板3Bおよび空気電極11Bが、狭持されている。燃料電極11Aおよび空気電極11Bの周辺には、燃料電極11Aと空気電極11Bとを電気的に絶縁するための絶縁シート4が配置され、絶縁シート4の内側には、電解質層10が配置されている。燃料ガス流路を画定する多孔質カーボン板3Aの燃料ガス流路に平行な外縁部には、燃料ガスが対極に漏洩しないように端部シール部材2Aが配置されている。また、空気流路を画定する多孔質カーボン板3Bの空気流路に平行な外縁部には、空気が対極に漏洩しないように端部シール部材2Bが配置されている。
つまり、第2の実施形態の燃料電池の単位セルでは、燃料ガス流路を画定するために多孔質材料によって形成された多孔質カーボン板3Aおよびその多孔質カーボン板3Aの外側に配置された端部シール部材2Aが、絶縁シート4の一方の側(例えば図5の上側)に配置されている。また、空気流路を画定するために多孔質材料によって形成された多孔質カーボン板3Bおよびその多孔質カーボン板3Bの外側に配置された端部シール部材2Bが、絶縁シート4の他方の側(例えば図5の下側)に配置されている。
端部シール部材2A,2Bには、ガス不透過性と共に、電解質に対する耐食性が求められる。また、ガス流路の高さを確保する必要もあることから、2mm程度の厚さも必要である。これらの条件を満たす安価な材料として、第2の実施形態の燃料電池では、膨張黒鉛シートが用いられている。詳細には、第2の実施形態の燃料電池では、例えば厚さ2.5mm、かさ密度0.65g/ccの膨張黒鉛シートが端部シール部材2A,2Bとして用いられている。
第2の実施形態の燃料電池の製造工程においては、端部シール部材2A,2Bとしての膨張黒鉛シートが、大判のシートから抜き加工によって長方形の形状に抜き出され、次いで、その角部に約3mm程度の面取り部6が形成される。つまり、第2の実施形態の燃料電池では、抜き加工時にバリが発生するおそれが高い端部シール部材2A,2Bの角部が面取り加工されるようになっている。面取り加工された端部シール部材2A,2Bは、次いで、樹脂フィルム等を用いた熱融着によりセパレータ1A,1Bに貼り付けられる。詳細には、例えば厚さ50μmのデュポン社製四フッ化エチレン−六フッ化プロピレン共重合樹脂(FEP)(融点250〜280℃)シートが、セパレータ1A,1Bと端部シール部材2A,2Bとの間に挿入され、約290℃の温度で1.0kg/cmの圧力をかけて圧力保持時間10分の条件で熱融着せしめられ、それにより、セパレータ1A,1Bと端部シール部材2A,2Bとが一体化せしめられる。
すなわち、第2の実施形態の燃料電池では、絶縁シート4の上側の端部シール部材2Aの角部および絶縁シート4の下側の端部シール部材2Bの角部が例えば約3mm程度面取りされている。換言すれば、抜き加工に伴ってバリが発生するおそれがあり、また、燃料電池の運転中の温度上昇に伴う絶縁シート4の収縮量が最も大きくなる位置に対応している端部シール部材2A,2Bの角部が、面取りされている。
詳細には、第2の実施形態の燃料電池の製造工程においては、端部シール部材2A,2Bの抜き加工時に端部シール部材2A,2Bの角部にバリが発生した場合であっても、その後に、端部シール部材2A,2Bの角部が面取りされ、そのバリが除去される。
そのため、第2の実施形態の燃料電池によれば、絶縁シート4の両側に配置された端部シール部材2A,2Bが互いに接触してしまうのを回避することができる。詳細には、端部シール部材2A,2Bの抜き加工時に端部シール部材2A,2Bにバリが発生した場合であっても、絶縁シート4の上側に配置された端部シール部材2Aと絶縁シート4の下側に配置された端部シール部材2Bとが互いに接触してしまうのを確実に回避することができる。
その結果、第2の実施形態の燃料電池によれば、絶縁シート4の両側に配置された端部シール部材2A,2Bが互いに接触するのに伴って燃料電極11Aと空気電極11Bとが電気的に短絡してしまうのを抑制することができる。換言すれば、燃料電池単セルの端部シール部材2A,2Bに膨張黒鉛シートを用いた場合に、端部シール部材2A,2Bのバリによって燃料電極11Aと空気電極11Bとが電気的に短絡してしまうのを防止することができる。
第2の実施形態の燃料電池では、図5に示した単セルを複数積層した後、面圧0.3MPaにおいて締め付けを行った。第2の実施形態の燃料電池では、端部シール部材2A,2Bのバリおよび絶縁シート4の収縮が多少観察されたが、絶縁シート4によって、端部シール部材2A,2Bが互いに接触するのを免れていることがわかった。
第2の実施形態の燃料電池においても、図4に示したように燃料電極11Aと空気電極11Bとの間に0.1Vを2分間印加した際の短絡電流を四端子法で測定した。その結果、第2の実施形態の燃料電池によれば、第1の実施形態の燃料電池と同様に、短絡電流を非常に小さくすることができ、短絡箇所の発熱や短絡電流による発電性能の低下を抑制することができた。
第1の実施形態の燃料電池の単位セルを示した図である。 図1(A)に示した単位セルをその前側面に平行な面によって切断した断面を詳細に示した断面図である。 図1(A)に示した単位セルをその右側面に平行な面によって切断した断面を詳細に示した断面図である。 燃料極と空気極との間に0.1Vを2分間印加した際の短絡電流を四端子法で測定した結果を本発明の第1の実施形態の燃料電池と従来の燃料電池とで比較して示した図である。 第2の実施形態の燃料電池の単位セルを示した図である。 図5(A)に示した単位セルをその前側面に平行な面によって切断した断面を詳細に示した断面図である。 図5(A)に示した単位セルをその右側面に平行な面によって切断した断面を詳細に示した断面図である。 従来の燃料電池の単位セルを示した図である。
符号の説明
1A,1B セパレータ
2A,2B 端部シール部材
3A,3B 多孔質カーボン板
4 絶縁シート

Claims (2)

  1. 電解質層およびその周囲に設けられた絶縁シートの一方の面に、燃料電極、燃料ガス流路が形成された多孔質部材、および、セパレータを配置し、前記電解質層および前記絶縁シートの他方の面に空気電極、空気流路が形成された多孔質部材、および、セパレータを配置し、前記多孔質部材の側面のうち、流路開口部が形成されていない側面に端部シール部材を配置した燃料電池において、
    前記端部シール部材が膨張黒鉛からなり、前記絶縁シートを前記端部シール部材の外縁より外側に突出させたことを特徴とする燃料電池。
  2. 電解質層およびその周囲に設けられた絶縁シートの一方の面に、燃料電極、燃料ガス流路が形成された多孔質部材、および、セパレータを配置し、前記電解質層および前記絶縁シートの他方の面に空気電極、空気流路が形成された多孔質部材、および、セパレータを配置し、前記多孔質部材の側面のうち、流路開口部が形成されていない側面に端部シール部材を配置した燃料電池において、
    前記端部シール部材が膨張黒鉛からなり、燃料電池の角部に位置する前記端部シール部材の角部が面取りされていることを特徴とする燃料電池。
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