JP4213515B2

JP4213515B2 - 高分子電解質型燃料電池

Info

Publication number: JP4213515B2
Application number: JP2003139282A
Authority: JP
Inventors: 修酒井; 栄一安本
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-05-16
Filing date: 2003-05-16
Publication date: 2009-01-21
Anticipated expiration: 2023-05-16
Also published as: JP2004342516A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、民生用コジェネレーションシステムや移動体用、モバイル用のエネルギー源などとして有用な燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
水素イオン伝導性高分子膜を電解質として用いる固体高分子型燃料電池は、電解質が水素イオンを選択的に輸送し、水素などの燃料ガスと空気などの酸化ガスを白金などの触媒層を有するガス拡散電極によって電気化学的に反応させ、電気と熱とを同時に発生させるものである。
固体高分子型燃料電池の発電部は、水素イオン伝導性電解質膜と、その両面に密着して配置された、白金族金属触媒を担持したカーボン粉末およびそれを被覆するように混合された高分子電解質を主成分とする触媒層と、触媒層の外面に密着して配置された、ガス透過性と導電性を兼ね備えた一対のガス拡散層とからなる。このガス拡散層と触媒層によりガス拡散電極が構成される。以上の電解質膜、触媒層、およびガス拡散層を一体化したものが電解質膜電極接合体（以下、ＭＥＡという）と呼ばれる。ＭＥＡの周縁部には、ガス漏洩を回避するためにガスケットが配される。
【０００３】
ガス拡散電極の外側には、ＭＥＡを機械的に固定するとともに、隣接するＭＥＡ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水や余剰のガスを運び去るためのガス流路を設けたセパレータ板が配置される。セパレータ板はカーボン材料を用いるのが一般的である。ガス流路はセパレータ板と別に設けることもできるが、セパレータ板の表面に溝を設けてガス流路とする方式が一般的である。
【０００４】
多くの燃料電池は、上記のような構造の単電池を数多く重ねた積層構造をとっている。上記のような固体高分子型燃料電池スタックでは、セパレータ板やガス拡散層等の積層する構成部品間の接触抵抗を低減するため、またガスのシール性を維持するため、電池全体を積層方向に恒常的に締め付けられる。
アノード側へ供給する燃料としては純水素が好適であるが、インフラや貯蔵などの面での課題がある。そのため、炭化水素等の水素含有の化合物から触媒反応によって水素ガスを生成する改質器を用いて燃料電池へ水素を主成分とする燃料ガスを供給することが多い。改質器により、メタン、ブタン、天然ガス等の炭化水素、メタノールなどのアルコール類、さらにはジメチルエーテルやガソリンなどから水素ガスを生成することが可能である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
種々の燃料電池の中でも固体高分子型燃料電池は、１００℃以下という低い動作温度から比較的起動停止が容易な発電システムと言える。発電部であるスタックの起動は、熱回収及びスタックの温度調節のために循環させている冷却水からの熱移動により、７０℃から８０℃程度の定常温度にまで昇温させてから燃料ガス及び酸化剤ガス（空気を用いるのが一般的である）を供給して発電を開始する。定常温度にまで至らない低温状態では、触媒層やガス拡散層の空隙が凝縮水により閉塞され、ガス拡散性の低下によりスタックの発電特性は著しく低下する。また、アノード側に供給する燃料ガスを水素含有の化合物から改質反応によって生成する場合は、燃料ガス中に微量ながら一酸化炭素（ＣＯ）が含有される。ＣＯは、白金触媒表面に吸着する性質を有しており、アノード側供給ガスにＣＯが含まれていると、電池部のアノード側触媒層の白金触媒に吸着し、本来反応すべき水素分子の白金表面での円滑な酸化反応を阻害し、燃料電池の出力を低減する。これをＣＯ被毒と呼んでいる。ＣＯ被毒は低温であるほど顕著となるため、ＣＯ被毒を回避するためにもスタックが定常温度にまで昇温してから燃料ガス及び酸化剤ガスをスタックに供給し発電を開始するのが好ましい。
【０００６】
よって、固体高分子型燃料電池を用いた発電システムの起動時間をより短くするためには、スタックの定常温度までの昇温時間をより短くすることが必要不可欠である。スタックの昇温時間をより短くするためには、スタック本体から周囲への放熱を抑制する必要がある。スタックの側面は、熱伝導率の大きなカーボンを主成分とするセパレータ板の側面が露出しているため、起動時においてスタックが保持するべき熱量が散逸しやすい。また、これを抑えるために断熱板等をスタック側面に接着して放熱を抑制することも多く用いられている（特許文献１参照）。しかし、断熱板はセパレータ板の側面との密着性は十分とは言えず、また長時間の発電において断熱板の剥離が進行するという問題があった。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００２−２３１２７３号公報
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記のような課題を鑑みて本発明は、ＭＥＡ周縁部のガスケットをセパレータ板の外周サイズより大きくし、かつセパレータ板より大きくした部分から一体にセパレータ板の側面を覆う構造とするものである。これによりセパレータ板の側面を熱伝導性の小さな樹脂、エラストマーまたはゴムからなるガスケットで覆うことにより、スタックからの放熱を抑制して、固体高分子型燃料電池の起動時間を短縮しようとするものである。つまり、ＭＥＡの構成部材であるガスケットがスタック側面からの放熱を抑制する断熱材を兼ねる形態となる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の高分子電解質型燃料電池は、水素イオン伝導性高分子電解質膜、前記水素イオン伝導性高分子電解質膜を挟む一対の電極、前記電極の周縁部において前記水素イオン伝導性高分子電解質膜を挟む一対のガスケット、一方の電極に燃料ガスを供給するガス流路を有するアノード側セパレータ板、および他方の電極に酸化剤ガスを供給するガス流路を有するカソード側セパレータ板からなる単電池を複数積層した高分子電解質型燃料電池であって、前記ガスケットは、平板状のガスケット本体と、前記ガスケット本体の外周部から垂直に伸びるリブとを有し、前記リブは、隣接するガスケットのリブと相互に密着しており、アノード側ガスケットのリブおよびカソード側ガスケットのリブの一方が、先端に形成した突部を有し、他方が、先端に形成された凹部または切欠部を有し、前記突部と、前記凹部または切欠部とが嵌合して、前記アノード側セパレータ板および前記カソード側セパレータ板の側面を完全に被覆していることを特徴とする。
【００１０】
本発明の好ましい実施の形態においては、前記ガスケットは、周縁部に相互に連なってセパレータ板の側面を覆うように伸びたリブを有し、このリブにより前記セパレータ板を嵌合する凹部を形成している。
以下に図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【００１１】
参考形態
本参考形態の燃料電池の断面図を図１に示す。図２はそのアノード側ガスケットの平面図である。
ＭＥＡは、高分子電解質膜１１、並びにこれを挟むアノード１２およびカソード１３からなる。電極の外周部に露出する高分子電解質膜１１は、一対のガスケット２２および２３により挟まれている。アノード側セパレータ板１４は、アノード１２へ燃料ガスを供給するためのガス流路１６を有し、反対側には冷却水の流路を構成する溝１８を有する。カソード側セパレータ板１５は、カソード１３へ酸化剤ガスを供給するためのガス流路１７を有し、反対側には冷却水の流路を構成する溝１９を有する。
【００１２】
アノード側ガスケット２２は、図２に示すように、平板状のガスケット本体２４と、その四辺の外周部から垂直に伸び、相互に連なったリブ２６から構成されている。ガスケット本体２４は、セパレータ板よりリブ２６の厚みだけサイズを大きくした他は従来のガスケットと同様な構造であり、電極を嵌合される切欠部３１を中心部に有し、その周囲には各一対の燃料ガス用マニホールド孔３２、酸化剤ガス用マニホールド孔３３、および冷却水用マニホールド孔３４、並びに燃料電池を締結するためのボルトを通すための４個の穴３５を有する。
【００１３】
以上のように構成されたアノード側ガスケット２２は、そのセパレータ板側に、リブ２６により凹部が形成され、この凹部にアノード側セパレータ板１４を嵌合することにより、ガスケット２２とセパレータ板１４が一体に組み立てられる。
カソード側ガスケット２３は、同様にガスケット本体にリブ２７を有し、リブ２７により形成される凹部にセパレータ板１５を嵌合することにより、ガスケット２３とセパレータ板１５が一体に組み立てられる。
【００１４】
図示の例では、隣接するガスケット２２および２３のリブ２６および２７が相互に密着してセパレータ板１４および１５の側面を完全に被覆するようにしたが、セパレータ板の側面の一部が露出することがあってもよい。隣接するガスケットのリブが密着することによりセパレータ板側面が完全に覆われることとなり断熱効果は最も大きくなる。
ガスケットの材料としては、フッ素系ゴムやシリコンゴムなどの弾性体が好ましいが、本発明の効果を示すものであれば無論これらに限るものではない。また単一の材料ではなく、例えば硬質の樹脂材料に上記のような弾性体をコーティングしたものでもよい。
【００１５】
実施の形態１
本実施の形態の燃料電池を図３に示す。
ＭＥＡおよびセパレータ板は参考形態と同様である。本実施の形態では、アノード側ガスケット４２の周縁部に形成したリブ４６と、カソード側ガスケット４３の周縁部に形成したリブ４７とが異なる他は実施の形態１と同様である。すなわち、アノード側ガスケット４２のリブ４６は、先端部が外周側で若干伸びている突部４８を有する。一方、カソード側ガスケット４３のリブ４７は、外周部側に切欠部４９を有する。突部をリブの中央に設ければ、これに対応して他方のリブには突部に嵌合する凹部を設ける。
【００１６】
ガスケット４２および４３が上記のような構造を有するから、燃料電池を組み立てた際には、隣接するガスケット４２のリブ先端の突部４８と、ガスケット４３のリブ先端の切欠部４９とが嵌合する。このようにリブの先端に段差を設けて相互に嵌合する構造にすると、ＭＥＡと、ガスケットを嵌合したセパレータ板とを積層する際、位置決めが容易となって組立性が向上する。また、突部と切欠部の寸法に余裕をもたせても、セパレータ板の側面は完全に覆うことができる。
また、セパレータ板の側面が露出している従来のスタックでは、異物の付着などにより、隣接するＭＥＡ間での短絡が発生するおそれがある。これに対して、上記のように絶縁体であるガスケットでセパレータ板の側面を覆うことにより前記のような短絡を防止する効果が付与される。さらに、本来のＭＥＡ構成部材であるガスケットによってセパレータ板の側面を覆うようにしているから、部品点数を低減することが可能である。
【００１７】
実施の形態２
上記の例では、アノード側セパレータ板とカソード側セパレータ板とを組み合わせて両者間に冷却水の流路を形成する複合セパレータ板をＭＥＡ間に挿入した。この複合セパレータ板の代わりに、一方の面に燃料ガスの流路を有し、他方の面に酸化剤ガスの流路を有し、アノード側セパレータ板とカソード側セパレータ板とを兼ねる単一のセパレータ板を一部に用いることもできる。そのようなセパレータ板に対しては、アノード側ガスケットとカソード側ガスケットにより１つのセパレータ板の側面を覆うようにすることができる。
【００１８】
図４は参考形態であり、アノード側ガスケットとカソード側ガスケットとを一体にしたガスケット５６により、アノード側セパレータ板とカソード側セパレータ板とを兼ねる単一のセパレータ板５４の周縁部を被覆するようにした例を示している。
図５も参考形態であり、アノード側ガスケットとカソード側ガスケットとを一体にしたガスケット６６により、アノード側セパレータ板とカソード側セパレータ板とを兼ねる単一のセパレータ板５４の周縁部を被覆するようにした例を示している。この例では、隣接するガスケット同士を係合できるように、突部６８と切欠部６９を設けている。
【００１９】
【実施例】
以下、本発明の実施例を説明する
【００２０】
《参考例１》
２０ｃｍ角の高分子電解質膜、および１２ｃｍ角の電極を用いて実施の形態１の構造を有する６０セル積層の燃料電池を組み立てた。セル積層体は、集電板および絶縁板を介してエンドプレートで挟み、スタッドボルトおよび荷重バネを用いて締結した。ガスケットは、フッ素系ゴムから作り、ガスケット本体部分の厚みは２００μｍ、リブの幅は２．５ｍｍ、リブの高さは本体部分の厚みを含めて２．５ｍｍとした。ガスケットに設けられたマニホールド孔やボルト穴と重ね合わされる箇所の高分子電解質膜はあらかじめ除去した。セパレータ板は２０ｃｍ角、２．５ｍｍ厚であり、図１のように上述のガスケットに嵌合する構造である。
この燃料電池の冷却水路に７０℃の温水を毎分２．５Ｌの流量で供給し、燃料電池から排出される温水温度の経時変化を計測し、スタックが昇温する速度を評価することでスタックの断熱性能を評価した。この結果を図６に示す。本参考例の燃料電池では、出口温水が６８℃に達するまでの時間は３６分であった。
【００２１】
《実施例１》
本実施例では実施の形態１の構造を採用した。アノード側ガスケット４２は、そのリブ４６が、高さ０．５ｍｍの突部４８を有し、カソード側ガスケット４３は、そのリブ４７が、外周側に深さ０．５ｍｍの切欠部４９を設けた他は参考例１と同様である。
この燃料電池に対して参考例１と同様に、冷却水路に７０℃の温水を供給して燃料電池から排出される温水温度の経時変化でスタックの断熱性能を評価した。この結果を図６に併せて示す。本実施例の燃料電池では、出口温水が６８℃に達するまでの時間は３４分であった。
【００２２】
《比較例》
ガスケットをセパレータ板と同じ外形寸法のシート状とした他は参考例１と同じである。
この燃料電池に対して、冷却水路に７０℃の温水を供給して燃料電池から排出される温水温度の経時変化でスタックの断熱性能を評価した。この結果を図６に示す。この燃料電池では、出口温水が６８℃に達するまでの時間は５２分であった。
参考例１及び実施例１の燃料電池に比べて比較例の燃料電池が昇温に長時間を要したのは、スタック側面において熱伝導性の大きなセパレータ板の側面が露出しているために、スタック外への放熱が大きくなった結果であると考えられる。
【００２３】
【発明の効果】
本発明によれば、高分子電解質型燃料電池積層体の断熱性が向上し、起動時間を大幅に短縮する。また、異物の付着等による隣接するＭＥＡの短絡を防止することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の参考形態における燃料電池の要部の断面図である。
【図２】同燃料電池のガスケットの平面図である。
【図３】本発明の実施の形態１における燃料電池の要部の断面図である。
【図４】本発明の参考形態における燃料電池の要部の断面図である。
【図５】本発明の参考形態における変形例の燃料電池の要部の断面図である。
【図６】本発明の実施例、参考例および比較例の燃料電池から排出される水の経時変化を示す図である。

Claims

水素イオン伝導性高分子電解質膜、前記水素イオン伝導性高分子電解質膜を挟む一対の電極、前記電極の周縁部において前記水素イオン伝導性高分子電解質膜を挟む一対のガスケット、一方の電極に燃料ガスを供給するガス流路を有するアノード側セパレータ板、および他方の電極に酸化剤ガスを供給するガス流路を有するカソード側セパレータ板からなる単電池を複数積層した高分子電解質型燃料電池積層体であって、
前記ガスケットは、平板状のガスケット本体と、前記ガスケット本体の外周部から垂直に伸びるリブとを有し、
前記リブは、隣接するガスケットのリブと相互に密着しており、
アノード側ガスケットのリブおよびカソード側ガスケットのリブの一方が、先端に形成された突部を有し、他方が、先端に形成された凹部または切欠部を有し、
前記突部と、前記凹部または切欠部とが嵌合して、前記アノード側セパレータ板および前記カソード側セパレータ板の側面を完全に被覆している、高分子電解質型燃料電池。
前記ガスケット本体と前記リブにより、前記アノード側セパレータ板またはカソード側セパレータ板と嵌合する凹部が形成されている、請求項１記載の高分子電解質型燃料電池。