JP5694113B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、固体高分子電解質膜の両面に、第１触媒層及び第１ガス拡散層を有する第１電極と、第２触媒層及び第２ガス拡散層を有する第２電極とが配設される電解質膜・電極構造体と、セパレータとが積層される燃料電池に関する。

一般的に、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる固体高分子電解質膜を採用している。この燃料電池は、固体高分子電解質膜の両側に、それぞれ触媒層（電極触媒）とガス拡散層（多孔質カーボン）とからなるアノード電極及びカソード電極を配設した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持している。通常、この燃料電池を所定数だけ積層した燃料電池スタックが、例えば、車載用燃料電池スタックとして燃料電池電気自動車に使用されている。

この種の電解質膜・電極構造体では、一方のガス拡散層が固体高分子電解質膜よりも小さな表面積に設定されるとともに、他方のガス拡散層が前記固体高分子電解質膜と同一の表面積に設定される、所謂、段差型ＭＥＡを構成する場合がある。

例えば、特許文献１に開示されている電解質膜−電極接合体では、図７に示すように、電解質膜１と前記電解質膜１の一方の側に配置されたカソード触媒層２ａと、前記電解質膜１の他方の側に配置されたアノード触媒層２ｂと、前記電解質膜１の両側に配置されるガス拡散層３ａ、３ｂとを備えている。

アノード側のガス拡散層３ｂは、電解質膜１の面積と同等で、且つ、カソード側のガス拡散層３ａの面積よりも大きく構成されている。この電解質膜・電極接合体（ＭＥＡ）のエッジ領域には、ガスケット構造体４が配置されており、ガス拡散層３ａ側の電解質膜１の外周部と前記ガスケット構造体４とは、接着層５を介して接合されている。

特開２００７−６６７６６号公報

ところで、上記の特許文献１では、加工精度及び組立精度の関係から、ガス拡散層３ａの外周端面３ａｅとガスケット構造体４の内方側の内周端面４ａｅとの間には、隙間が形成され易い。このため、ガス拡散層３ａとガスケット構造体４との隙間からのガス透過が増加してしまい、特に電解質膜１の劣化が著しくなるという問題がある。

さらに、燃料電池では、セパレータに反応ガス流路の入口及び出口に連通してバッファ部が設けられる場合がある。バッファ部は、電極面の外方に設けられており、反応ガスを拡散させて反応ガス流路に均一に流通させる機能を有している。

そこで、電解質膜−電極接合体では、通常、バッファ部に対応する部分にカソード触媒層２ａ及びアノード触媒層２ｂが設けられていない。従って、バッファ部に対応する電解質膜１の先端側では、ガス透過が増加し易くなり、前記電解質膜１の劣化が著しくなるという問題がある。

本発明は、この種の問題を解決するものであり、容易且つ簡単な構成で、固体高分子電解質膜の損傷を可及的に阻止し、良好な発電性能を確保することが可能な燃料電池を提供することを目的とする。

本発明は、固体高分子電解質膜の一方の面に、第１触媒層及び第１ガス拡散層を有する第１電極と、前記固体高分子電解質膜の他方の面に、第２触媒層及び第２ガス拡散層を有する第２電極とが、配設される電解質膜・電極構造体と、セパレータとが積層されるとともに、前記第１ガス拡散層の平面は、前記第２ガス拡散層の平面よりも大きな寸法に且つ前記固体高分子電解質膜の平面と同一の寸法に設定される燃料電池に関するものである。

この燃料電池は、セパレータの第１電極に対向する面には、一方の反応ガスを流通させる反応ガス流路と、前記反応ガス流路の入口及び出口に連通するバッファ部とが形成されるとともに、第１触媒層は、前記バッファ部に対応する部分を含んで第１ガス拡散層の外周端部全体にわたって設けられている。

そして、第２電極の外周端部は、固体高分子電解質膜の外周端部よりも内方に配置され、且つ、第２触媒層の外周端部は、第２ガス拡散層の外周端部よりも内方に配置されるとともに、燃料電池は、一端が前記第２触媒層の外周縁部と前記第２ガス拡散層との間に配置され、他端が前記固体高分子電解質膜の外周端部と同一位置に配置される額縁状フィルム部材を備えている。

本発明によれば、第１ガス拡散層の平面は、固体高分子電解質膜の平面と同一の寸法に設定されるとともに、第１触媒層は、バッファ部に対応する部分を含んで前記第１ガス拡散層の外周端部全体にわたって、すなわち、前記固体高分子電解質膜の外周端部全体にわたって、設けられている。

このため、電解質膜・電極構造体には、第１触媒層の端部に対応して隙間が形成されることがなく、固体高分子電解質膜のガス透過を可及的に抑制することができる。これにより、容易且つ簡単な構成で、固体高分子電解質膜の損傷を可及的に阻止し、良好な発電性能を確保することが可能になる。

しかも、第１ガス拡散層の平面は、固体高分子電解質膜の平面と同一の寸法に設定されている。従って、第１電極自体が固体高分子電解質膜の全面を支持することにより、固体高分子電解質膜の変形を良好に抑制することができる。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視説明図である。 前記燃料電池の、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面説明図である。 前記燃料電池を構成する電解質膜・電極構造体の一部断面説明図である。 前記電解質膜・電極構造体のカソード電極側の正面図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視説明図である。 前記燃料電池を構成する電解質膜・電極構造体の一部断面説明図である。 特許文献１に開示された電解質膜−電極接合体の説明図である。

図１及び図２に示すように、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池１０は、電解質膜・電極構造体１２と、この電解質膜・電極構造体１２を挟持する第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６とを備える。第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属板や、カーボン部材等で構成されている。

電解質膜・電極構造体１２は、後述する酸化剤ガス用入口バッファ部及び出口バッファ部に対応して突出部１２ａ、１２ｂを一体に有する。突出部１２ａ、１２ｂは、連結流路部としてバッファ部の一部の領域を構成する。なお、突出部１２ａ、１２ｂは、必要に応じて設ければよく、不要にすることもできる。電解質膜・電極構造体１２は、固体高分子電解質膜１８と、前記固体高分子電解質膜１８を挟持するカソード電極（第１電極）２０及びアノード電極（第２電極）２２とを備える。

カソード電極２０は、アノード電極２２よりも大きな表面積を有するとともに、固体高分子電解質膜１８と同一の表面積を有する。固体高分子電解質膜１８には、アノード電極２２の外周から外部に露呈する面に額縁状補強シート部材２４が配設される。

図３に示すように、カソード電極２０は、固体高分子電解質膜１８の一方の面１８ａに当接する第１触媒層（電極触媒層）２０ａ及び第１ガス拡散層２０ｂを設ける。アノード電極２２は、固体高分子電解質膜１８の他方の面１８ｂに当接し、且つ前記固体高分子電解質膜１８の外周を額縁状に露呈させる第２触媒層（電極触媒層）２２ａ及び第２ガス拡散層２２ｂを設ける。なお、第１及び第２触媒層２０ａ、２２ａは、複数の層から構成してもよい。

第１ガス拡散層２０ｂの平面は、第２ガス拡散層２２ｂの平面よりも大きな寸法に且つ固体高分子電解質膜１８の平面と同一の寸法に設定される。図４中、斜線で示すように、第１触媒層２０ａは、突出部１２ａ、１２ｂを含んで第１ガス拡散層２０ｂの外周端部全体にわたって、すなわち、固体高分子電解質膜１８の外周端部全体にわたって、設けられる。

図３に示すように、第２触媒層２２ａの外周端部２２ａｅは、第２ガス拡散層２２ｂの外周端部２２ｂｅよりも内方に配置される。補強シート部材２４は、一端２４ａが第２触媒層２２ａの外周縁部と第２ガス拡散層２２ｂとの間に配置され、他端２４ｂが固体高分子電解質膜１８の外周端部と同一位置に配置される。

この補強シート部材２４は、額縁状を有するとともに、ガス不透過性を有する材料、例えば、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド樹脂）やＰＥＥＫ系（ポリエーテルエーテルケトン）等のエンプラ乃至スーパーエンプラにより構成される。また、補強シート部材２４の材料として、ポリイミド、エチレンテトラフルオロエチレン、ポリ二フッ化ビニリデン、ポリエステル、ポリアミド、コポリアミド、ポリアミドエラストマー、ポリウレタン、ポリウレタンエラストマー、シリコーン、熱可塑性エラストマー、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）及びポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）等が使用される。

図１に示すように、燃料電池１０の矢印Ｂ方向（図１中、水平方向）の一端縁部には、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔３０ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔３２ａ及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔３４ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。

燃料電池１０の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔３４ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔３２ｂ及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔３０ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。

第１セパレータ１４の電解質膜・電極構造体１２に向かう面１４ａには、酸化剤ガス入口連通孔３０ａと酸化剤ガス出口連通孔３０ｂとに連通する酸化剤ガス流路（反応ガス流路）３６が設けられる。

酸化剤ガス流路３６の入口３６ａ側及び出口３６ｂ側には、それぞれ入口バッファ部３７ａ及び出口バッファ部３７ｂが連通する。入口バッファ部３７ａ及び出口バッファ部３７ｂは、酸化剤ガスを拡散させて前記酸化剤ガスの流れを円滑化且つ均一化させる機能を有しており、例えば、複数のエンボスにより構成される。電解質膜・電極構造体１２には、連結流路部として入口バッファ部３７ａの一部の領域を構成する突出部１２ａと、連結流路部として出口バッファ部３７ｂの一部の領域を構成する突出部１２ｂとが、必要に応じて設けられる。

第２セパレータ１６の電解質膜・電極構造体１２に向かう面１６ａには、燃料ガス入口連通孔３４ａと燃料ガス出口連通孔３４ｂとに連通する燃料ガス流路３８が形成される。第１セパレータ１４の面１４ｂと第２セパレータ１６の面１６ｂとの間には、冷却媒体入口連通孔３２ａと冷却媒体出口連通孔３２ｂとに連通する冷却媒体流路４０が形成される。

図１及び図２に示すように、第１セパレータ１４の面１４ａ、１４ｂには、この第１セパレータ１４の外周端部を周回して、第１シール部材４２が一体化されるとともに、第２セパレータ１６の面１６ａ、１６ｂには、この第２セパレータ１６の外周端部を周回して、第２シール部材４４が一体化される。

図２に示すように、第２シール部材４４は、補強シート部材２４と第２セパレータ１６との間に介装される第１凸状シール４４ａと、第１セパレータ１４と前記第２セパレータ１６との間に介装される第２凸状シール４４ｂとを有する。第１シール部材４２は、平面シールを構成する。なお、第２凸状シール４４ｂに代えて、第１シール部材４２に第２凸状シール（図示せず）を設けてもよい。

第１及び第２シール部材４２、４４には、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材が用いられる。

図１に示すように、第２セパレータ１６には、燃料ガス入口連通孔３４ａを燃料ガス流路３８に連通する供給孔部４６と、前記燃料ガス流路３８を燃料ガス出口連通孔３４ｂに連通する排出孔部４８とが形成される。

このように構成される燃料電池１０の動作について、以下に説明する。

先ず、図１に示すように、酸化剤ガス入口連通孔３０ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔３４ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔３２ａに純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。

このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔３０ａから第１セパレータ１４の酸化剤ガス流路３６に導入され、矢印Ｂ方向に移動して電解質膜・電極構造体１２のカソード電極２０に供給される。一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔３４ａから供給孔部４６を通って第２セパレータ１６の燃料ガス流路３８に導入される。燃料ガスは、燃料ガス流路３８に沿って矢印Ｂ方向に移動し、電解質膜・電極構造体１２のアノード電極２２に供給される。

従って、各電解質膜・電極構造体１２では、カソード電極２０に供給される酸化剤ガスと、アノード電極２２に供給される燃料ガスとが、第１触媒層２０ａ及び第２触媒層２２ａ内で電気化学反応により消費されて発電が行われる。

次いで、カソード電極２０に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。同様に、アノード電極２２に供給されて消費された燃料ガスは、排出孔部４８を通り燃料ガス出口連通孔３４ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。

また、冷却媒体入口連通孔３２ａに供給された冷却媒体は、第１セパレータ１４と第２セパレータ１６との間の冷却媒体流路４０に導入された後、矢印Ｂ方向に流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体１２を冷却した後、冷却媒体出口連通孔３２ｂから排出される。

この場合、第１の実施形態では、固体高分子電解質膜１８の両面に、それぞれ表面積の異なるアノード電極２２及びカソード電極２０が配設される、所謂、段差ＭＥＡを構成する電解質膜・電極構造体１２を備えている。この電解質膜・電極構造体１２では、第１ガス拡散層２０ｂの平面は、固体高分子電解質膜１８の平面と同一の寸法に設定されるとともに、第１触媒層２０ａは、入口バッファ部３７ａ及び出口バッファ部３７ｂに対応する部分を含んで前記第１ガス拡散層２０ｂの外周端部全体にわたって、すなわち、前記固体高分子電解質膜１８の外周端部全体にわたって、設けられている。

このため、電解質膜・電極構造体１２には、第１触媒層２０ａの端部に、バッファ部を含め、特に突出部１２ａ、１２ｂに対応する部位にも触媒層が設けられているため、固体高分子電解質膜１８のガス透過を可及的に抑制することができる。これにより、容易且つ簡単な構成で、固体高分子電解質膜１８の外周端部における前記固体高分子電解質膜１８の損傷を可及的に阻止し、良好な発電性能を確保することが可能になるという効果が得られる。従来は、バッファ部の接着層と触媒層の端部との間に隙間が発生して損傷の発生起点となっていたが、この隙間が形成されることがなく、ガス透過が抑制可能になる。

しかも、第１ガス拡散層２０ｂの平面は、固体高分子電解質膜１８の平面と同一の寸法に設定されている。従って、カソード電極２０自体が、固体高分子電解質膜１８の全面を支持することにより、前記固体高分子電解質膜１８の変形を良好に抑制することができる。

さらに、固体高分子電解質膜１８には、アノード電極２２の外周から外部に露呈する面に額縁状補強シート部材２４が配設されている。そして、補強シート部材２４は、一端２４ａが第２触媒層２２ａの外周端部全体を覆って第２ガス拡散層２２ｂとの間に配置され、他端２４ｂが固体高分子電解質膜１８の外周端部と同一位置に配置されている（図３参照）。

このため、アノード電極２２は、強固な補強シート部材２４に固定されるとともに、固体高分子電解質膜１８は、全面にわたって確実に補強され、前記補強シート部材２４が前記固体高分子電解質膜１８の露出部分を覆ってガスの透過を抑制するため、前記固体高分子電解質膜１８の耐久性が向上するという利点がある。

その上、カソード電極２０側には、補強シート部材２４が用いられていない。すなわち、第１触媒層２０ａの外周縁部及び第２触媒層２２ａの外周縁部が、それぞれ補強シート部材２４に覆われることがない。従って、ガス拡散性が低下することを有効に抑制することができ、固体高分子電解質膜１８は、外周端部がガス混在環境に長時間にわたって曝されることがなく、前記固体高分子電解質膜１８の劣化を抑制することが可能になる。

図５は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池５０の要部分解斜視説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池１０と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。

燃料電池５０は、電解質膜・電極構造体５２と、この電解質膜・電極構造体５２を挟持する第１セパレータ５４及び第２セパレータ５６とを備える。電解質膜・電極構造体５２は、後述する燃料ガス用入口バッファ部及び出口バッファ部に対応し、連結流路部としてバッファ部の一部の領域を構成する突出部５２ａ、５２ｂを、必要に応じて一体に有する。

電解質膜・電極構造体５２は、固体高分子電解質膜１８と、前記固体高分子電解質膜１８を挟持するアノード電極（第１電極）５８及びカソード電極（第２電極）６０とを備える。アノード電極５８は、カソード電極６０よりも大きな表面積を有するとともに、固体高分子電解質膜１８と同一の表面積を有する。アノード電極５８とカソード電極６０との大小関係は、第１の実施形態とは逆である。固体高分子電解質膜１８には、カソード電極６０の外周から外部に露呈する面に額縁状補強シート部材２４が配設される。

図６に示すように、アノード電極５８は、固体高分子電解質膜１８の一方の面１８ａに当接する第１触媒層（電極触媒層）５８ａ及び第１ガス拡散層５８ｂを設ける。カソード電極６０は、固体高分子電解質膜１８の他方の面１８ｂに当接し、且つ前記固体高分子電解質膜１８の外周を額縁状に露呈させる第２触媒層（電極触媒層）６０ａ及び第２ガス拡散層６０ｂを設ける。

第１ガス拡散層５８ｂの平面は、第２ガス拡散層６０ｂの平面よりも大きな寸法に且つ固体高分子電解質膜１８の平面と同一の寸法に設定される。第１触媒層５８ａは、突出部５２ａ、５２ｂを含んで第１ガス拡散層５８ｂの外周端部全体にわたって、すなわち、固体高分子電解質膜１８の外周端部全体にわたって、設けられる。

第２触媒層６０ａの外周端部６０ａｅは、第２ガス拡散層６０ｂの外周端部６０ｂｅよりも内方に配置される。補強シート部材２４は、一端２４ａが第２触媒層６０ａの外周端部全体を覆って第２ガス拡散層６０ｂとの間に配置され、他端２４ｂが固体高分子電解質膜１８の外周端部と同一位置に配置される。

図５に示すように、第１セパレータ５４の電解質膜・電極構造体５２に向かう面５４ａには、燃料ガス入口連通孔３４ａと燃料ガス出口連通孔３４ｂとに連通する燃料ガス流路（反応ガス流路）３８が形成される。

燃料ガス流路３８の入口３８ａ側及び出口３８ｂ側には、それぞれ入口バッファ部３９ａ及び出口バッファ部３９ｂが連通する。入口バッファ部３９ａ及び出口バッファ部３９ｂは、燃料ガスを拡散させて前記燃料ガスの流れを円滑化且つ均一化させる機能を有しており、例えば、複数のエンボスにより構成される。電解質膜・電極構造体５２には、連結流路部として入口バッファ部３９ａの一部の領域を構成する突出部５２ａと、連結流路部として出口バッファ部３９ｂの一部の領域を構成する突出部５２ｂとが設けられる。

第２セパレータ５６の電解質膜・電極構造体１２に向かう面５６ａには、酸化剤ガス入口連通孔３０ａと酸化剤ガス出口連通孔３０ｂとに連通する酸化剤ガス流路３６が設けられる。第１セパレータ５４の面５４ｂと第２セパレータ５６の面５６ｂとの間には、冷却媒体入口連通孔３２ａと冷却媒体出口連通孔３２ｂとに連通する冷却媒体流路４０が形成される。

このように構成される第２の実施形態では、第１ガス拡散層５８ｂの平面は、固体高分子電解質膜１８の平面と同一の寸法に設定されるとともに、第１触媒層５８ａは、入口バッファ部３９ａ及び出口バッファ部３９ｂに対応する部分を含んで前記第１ガス拡散層５８ｂの外周端部全体にわたって、すなわち、前記固体高分子電解質膜１８の外周端部全体にわたって、設けられている。

これにより、容易且つ簡単な構成で、固体高分子電解質膜１８の損傷を可及的に阻止し、良好な発電性能を確保することが可能になる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

１０、５０…燃料電池 １２、５２…電解質膜・電極構造体
１２ａ、１２ｂ、５２ａ、５２ｂ…突出部
１４、１６、５４、５６…セパレータ １８…固体高分子電解質膜
２０、６０…カソード電極
２０ａ、２２ａ、５８ａ、６０ａ…触媒層
２０ｂ、２２ｂ、５８ｂ、６０ｂ…ガス拡散層
２２、５８…アノード電極 ２４…補強シート部材
３０ａ…酸化剤ガス入口連通孔 ３０ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
３２ａ…冷却媒体入口連通孔 ３２ｂ…冷却媒体出口連通孔
３４ａ…燃料ガス入口連通孔 ３４ｂ…燃料ガス出口連通孔
３６…酸化剤ガス流路 ３７ａ、３９ａ…入口バッファ部
３７ｂ、３９ｂ…出口バッファ部 ３８…燃料ガス流路
４０…冷却媒体流路

Claims (1)

1. 固体高分子電解質膜の一方の面に、第１触媒層及び第１ガス拡散層を有する第１電極と、前記固体高分子電解質膜の他方の面に、第２触媒層及び第２ガス拡散層を有する第２電極とが、配設される電解質膜・電極構造体と、セパレータとが積層されるとともに、前記第１ガス拡散層の平面は、前記第２ガス拡散層の平面よりも大きな寸法に且つ前記固体高分子電解質膜の平面と同一の寸法に設定される燃料電池であって、
   前記セパレータの前記第１電極に対向する面には、一方の反応ガスを流通させる反応ガス流路と、
   前記反応ガス流路の入口及び出口に連通するバッファ部と、
   が形成されるとともに、
   前記第１触媒層は、前記バッファ部に対応する部分を含んで前記第１ガス拡散層の外周端部全体にわたって設けられ、
   前記第２電極の外周端部は、前記固体高分子電解質膜の外周端部よりも内方に配置され、且つ、第２触媒層の外周端部は、前記第２ガス拡散層の外周端部よりも内方に配置されるとともに、
   前記燃料電池は、一端が前記第２触媒層の外周縁部と前記第２ガス拡散層との間に配置され、他端が前記固体高分子電解質膜の外周端部と同一位置に配置される額縁状フィルム部材を備えることを特徴とする燃料電池。

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