(57)【要約】【課題】燃料電池におけるガス拡散層の側でのガスシール性を高める。【解決手段】燃料電池１２は、内部にセル内冷媒流路６４を形成するセパレーター６０と電池セル５０とを対向するエンドプレートの間で交互に積層させ、その積層方向に沿って締結されている。電池セル５０を挟んで隣り合うセパレーター６０は、一方のセパレーター６０が有するガスケット６７を締結力に基づく力で電池セル５０のＭＥＡ５２に押し付ける。他方のセパレーター６０は、その有する弾性部材６８で上記一方のセパレーター６０のガスケット６７による押し付け力をＭＥＡ５２とアノードガス拡散層５６とを介して受ける。この弾性部材６８は、セル内冷媒流路６４に冷媒圧送圧力で圧送される冷媒により凸とされた上で、ガスケット６７による押し付け力を冷媒の圧送圧力で受ける。【選択図】図２
2010244913.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸素含有ガスの供給を受けて発電する電池セルと、冷媒が圧送されて通過する冷媒流路を有するセパレーターとを交互に積層した燃料電池であって、
前記電池セルは、
電解質膜と膜両面に接合した触媒電極とを含む膜電極接合体と、
該膜電極接合体の一方の面に接合され、前記燃料ガスをアノード側の前記触媒電極に拡散供給するアノードガス拡散層と、
前記膜電極接合体の他方の面に接合され、前記酸素含有ガスをカソード側の前記触媒電極に拡散供給するカソードガス拡散層とを備え、
前記セパレーターは、一方のセパレーター表面の側の第１シール部材と、他方のセパレーター表面の側の第２シール部材とを前記冷媒流路を挟んで背中合わせに備え、
前記第１シール部材は、前記一方のセパレーター表面から延びて前記膜電極接合体に当接して前記膜電極接合体にシールのための力を及ぼし、
前記第２シール部材は、前記冷媒流路を通過する冷媒の圧力を受けて前記他方のセパレーター表面から突出した凸部の凸形状を維持しつつ、前記他方のセパレーター表面に接合する前記アノードガス拡散層または前記カソードガス拡散層を前記凸部にて押し付ける
燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料ガスと酸素含有ガスの供給を受けて発電する電池セルと、冷媒が圧送されて通過する冷媒流路を有するセパレーターとを交互に積層した燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、アノードに供給された燃料ガス中の燃料、例えば水素と、カソードに供給された酸素含有ガス中の酸素との電気化学反応を進行させて発電する。電解質膜と膜両面に接合した触媒電極とを含む膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly／ＭＥＡ）のアノード・カソードの両電極面にはガス拡散層が接合されているので、両電極面にはガスが拡散供給される。
【０００３】
こうしたガス供給に当たり、電極面に接合したガス拡散層の側でのシールが不可欠であり、ガスシール技術が種々提案されている（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−３２４１１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記特許文献では、セパレーター表面に設けたシール部材をＭＥＡに押し付けて当該シール部材が位置する側のシールを図っており、この際、シール部材の押し付け力は、ＭＥＡを挟んで対向するガス拡散層に及ぶことになる。つまり、ガス拡散層自体で、シール部材の押し付け力を受けることになる。ところで、ガス拡散層はガスの拡散供給を図るため一般に多孔質であることから剛性が低い。このため、上記したような押し付け力をガス拡散層が受ける場合、シール部材の押し付け側におけるシール線圧の不足や不安定化を招くことが危惧される。
【０００６】
本発明は、上記した課題を踏まえ、燃料電池におけるガス拡散層の側でのガスシール性を高めることをその目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記した目的の少なくとも一部を達成するために、本発明では、以下の構成を採用した。
【０００８】
[適用：燃料電池]
燃料ガスと酸素含有ガスの供給を受けて発電する電池セルと、冷媒が圧送されて通過する冷媒流路を有するセパレーターとを交互に積層した燃料電池であって、
前記電池セルは、
電解質膜と膜両面に接合した触媒電極とを含む膜電極接合体と、
該膜電極接合体の一方の面に接合され、前記燃料ガスをアノード側の前記触媒電極に拡散供給するアノードガス拡散層と、
前記膜電極接合体の他方の面に接合され、前記酸素含有ガスをカソード側の前記触媒電極に拡散供給するカソードガス拡散層とを備え、
前記セパレーターは、一方のセパレーター表面の側の第１シール部材と、他方のセパレーター表面の側の第２シール部材とを前記冷媒流路を挟んで背中合わせに備え、
前記第１シール部材は、前記一方のセパレーター表面から延びて前記膜電極接合体に当接して前記膜電極接合体にシールのための力を及ぼし、
前記第２シール部材は、前記冷媒流路を通過する冷媒の圧力を受けて前記他方のセパレーター表面から突出した凸部の凸形状を維持しつつ、前記他方のセパレーター表面に接合する前記アノードガス拡散層または前記カソードガス拡散層を前記凸部にて押し付ける
ことを要旨とする。
【０００９】
上記構成の燃料電池では、電池セルとセパレーターとを交互に積層した状態において、前記セパレーターは第１シール部材と第２シール部材とを前記冷媒流路を挟んで背中合わせに備えることから、電池セルを挟んで隣り合うセパレーターにおいては向き合うことになる。こうして向き合った第１シール部材と第２シール部材において、一方のセパレーターにおける第１シール部材は、前記一方のセパレーター表面から延びて前記膜電極接合体に当接して前記膜電極接合体にシールのための力を及ぼす。その一方、他方のセパレーターにおける前記第２シール部材は、前記冷媒流路を通過する冷媒の圧力を受けて前記他方のセパレーター表面から突出した凸部の凸形状を維持しつつ、前記他方のセパレーター表面に接合する前記アノードガス拡散層または前記カソードガス拡散層を前記凸部にて押し付ける。このため、上記構成の燃料電池では、冷媒の圧力を受けてセパレーター表面から突出した凸部の凸形状を維持する第２シール材にて、そのセパレーター表面に接合するガス拡散層を押し潰しながら、一方のセパレーターの第１シール部材による押し付け力を冷媒の圧力で受けることになる。よって、第１シール部材がその頂上で膜電極接合体に接する場合のシール線圧が高まると共に、冷媒の圧力を受けて凸の第２シール材にて押し潰された箇所のガス拡散層の剛性は高まる。この結果、上記構成の燃料電池によれば、膜電極接合体に当接する第１シール部材が存在する側のガス拡散層（アノードガス拡散層とカソードガス拡散層のいずれか一方）のガスシールを高い信頼性で確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施例としての燃料電池システム１０の概略構成を示す説明図である。
【図２】燃料電池の要部を拡大して模式的に断面視して示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態について、その実施例を図面に基づき説明する。図１は本発明の実施例としての燃料電池システム１０の概略構成を示す説明図、図２は燃料電池の要部を拡大して模式的に断面視して示す説明図である。
【００１２】
燃料電池システム１０は、燃料電池１２を備え、この燃料電池１２を冷却系２０にて冷却する。冷却系２０は、ラジエーター３０から燃料電池１２への冷媒の循環を図る循環経路２２と、当該経路における燃料電池１２のイン側バルブ２１ａとアウト側バルブ２１ｂと、ラジエーター３０のバイパス経路２４と、バイパス経路合流点の三方流量調整弁２６と、循環ポンプ２８と、イオン交換器４０を有するバイパス経路３２とを備える。そして、この冷却系２０は、ラジエーター３０にて熱交換した冷媒を循環経路２２を経て燃料電池１２の後述のセル内冷媒流路６４（図２参照）に導き、燃料電池１２を所定温度に冷却する。この場合、燃料電池１２の運転時（発電運転時）における循環ポンプ２８の駆動量、即ち冷媒の循環供給量や、三方流量調整弁２６によるラジエーターパイパス流量は、燃料電池温度や発電状況に基づいて、図示しない制御装置にて定められる。なお、バイパス経路３２の経路合流点に三方流量調整弁を組み込んで、イオン交換器４０への流量を燃料電池温度や発電状況に基づいて定めるようにすることもできる。燃料電池システム１０は、上記した冷却系２０の他、燃料電池１２へのガス供給を図る水素ガス供給系や空気供給系を備えるが、本発明の要旨とは直接関連しないので、その説明は省略する。
【００１３】
燃料電池１２は、図２に示すように、発電単位となる電池セル５０とセパレーター６０とを交互に積層して備え、電池セル５０をその両側のセパレーター６０で挟持している。電池セル５０は、電解質膜の両側にアノードとカソードの両電極を接合させた膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly／ＭＥＡ）５２と、その両側に接合したカソードガス拡散層５４とアノードガス拡散層５６とを備える。この両ガス拡散層は、ガス透過性および電子伝導性を有する部材によって構成されており、例えば、カーボンペーパーなどの炭素材料や、発泡金属、金属メッシュなどの金属部材によって形成され、電気化学反応に供されるガス（水素ガス、空気）をＭＥＡ５２まで拡散供給する。本実施例の電池セル５０では、一方のガス拡散層、例えばアノードガス拡散層５６をＭＥＡ５２のシールに利用する都合上、このアノードガス拡散層５６についてはその形成範囲がＭＥＡ５２の端部近傍まで達するようにされ、カソードガス拡散層５４についてはＭＥＡ５２の端部手前までに控えられている。
【００１４】
セパレーター６０は、いわゆる三層セパレーターと称され、第１プレート６１と第２プレート６２との間に中間プレート６３を介在させ、これらプレートを接合して構成される。そして、本実施例では、電池セル５０のカソードガス拡散層５４に接合される第２プレート６２は、その外表面に凸状断面のガスケット６７を備え、アノードガス拡散層５６に接合される第１プレート６１は、その外表面から凸となるよう突出した弾性部材６８を備える。この弾性部材６８は、耐熱性を有するゴム等の部材から形成されている。そして、弾性部材６８は、第１プレート６１に形成された貫通孔６９にセパレーターの内側から、即ち第１プレート６１と第２プレート６２との間の中間プレート６３が形成するセル内冷媒流路６４の側から装着され、既述したように第１プレート６１の外表面から凸に突出する。この場合、ガスケット６７と弾性部材６８は、同じセパレーター６０においてはセル内冷媒流路６４を挟んで背中合わせに位置し、電池セル５０を挟んで隣り合うセパレーター６０においては向き合うことになる。
【００１５】
上記したセパレーター６０の製造手順について簡単に説明する。まず、第１プレート６１の貫通孔６９に弾性部材６８を装着する。次いで、弾性部材６８を装着済みの第１プレート６１と第２プレート６２とで中間プレート６３を挟持し、これらプレートを溶接等の手法で接合・固定する。これにより、第１プレート６１と第２プレート６２の間にセル内冷媒流路６４が形成され、このセル内冷媒流路６４は、ガスケット６７の凸部内側と繋がることになる。中間プレート６３の挟持に際して、或いはプレートの接合・固定後に、第２プレート６２に弾性部材６８をガスケット６７と背中合わせとなる位置に接着する。このセパレーター６０は、上記したセル内冷媒流路６４を形成するほか、アノードガス拡散層５６に水素ガスを供給するセル内ガス流路とカソードガス拡散層５４に空気を供給するセル内ガス流路をも形成するが、これらセル内ガス流路は本発明の要旨と直接関係しないので、その説明は省略する。
【００１６】
燃料電池１２は、上記のように得られたセパレーター６０と電池セル５０とを対向するエンドプレートの間で交互に積層させ、その積層方向に沿って締結力を及ぼすことで製造される。こうして得られた燃料電池１２では、電池セル５０を挟んで隣り合うセパレーター６０は、一方のセパレーター６０が有するガスケット６７を上記した締結力に基づく力で電池セル５０のＭＥＡ５２に押し付ける。他方のセパレーター６０は、その有する弾性部材６８で上記一方のセパレーター６０のガスケット６７による押し付け力をＭＥＡ５２とアノードガス拡散層５６とを介して受ける。
【００１７】
ところで、上記した構成を有する燃料電池システム１０では、その発電運転時において、循環ポンプ２８により冷媒が循環経路２２を経て燃料電池１２のそれぞれの電池セル５０のセパレーター６０に圧送される。こうして圧送された冷媒は、セル内冷媒流路６４を発電運転期間に亘って常時通過し、弾性部材６８をアノードガス拡散層５６の側に冷媒圧送圧力で凸とする。このため、電池セル５０を挟んで隣り合うセパレーター６０のうちの上記の他方のセパレーター６０は、冷媒圧送圧力で凸となった弾性部材６８にてアノードガス拡散層５６を押し潰しながら、一方のセパレーター６０のガスケット６７による押し付け力を冷媒の圧送圧力で受けることになる。この結果、ガスケット６７がその頂上でＭＥＡ５２に接する場合のシール線圧が高まるので、カソードガス拡散層５４の側のガスシール性とその信頼性を向上させることができる。この場合、弾性部材６８にて押し潰された箇所のアノードガス拡散層５６は、剛性が高くなるので、このアノードガス拡散層５６にあってもガスケット６７のシール線圧向上に寄与する。よって、冷媒の圧送圧力が何らかの原因で変動しても、シール線圧の確保、延いてはカソードガス拡散層５４の側のガスシール性の確保を図ることができる。
【００１８】
また、本実施例の燃料電池システム１０では、発電運転の停止に際して、図１に示す循環経路２２でのバルブ開閉を次のように行う。まず、運転停止がなされると、循環ポンプ２８の運転を継続したままアウト側バルブ２１ｂを閉弁し、当該バルブの停止後にイン側バルブ２１ａを閉弁する。こうしてアウト側・イン側の両バルブの閉弁後に循環ポンプ２８を停止する。こうしたバルブ・ポンプ制御により、システムの運転停止の間においても、燃料電池１２におけるそれぞれのセパレーター６０のセル内冷媒流路６４に、上記した冷媒圧送圧力で冷媒を封止して、弾性部材６８をこの冷媒圧送圧力で凸としておくことができる。このため、本実施例の燃料電池システム１０によれば、システムの運転停止の間におけるガスケット６７によるシール線圧の維持と、これに伴うカソードガス拡散層５４の側のガスシール性の確保とを図ることができる。
【００１９】
本発明は上記した実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において、種々の態様で実施可能である。例えば、アノードガス拡散層５６の形成範囲を控えた上で、ガスケット６７をセル内冷媒流路６４の側に設け、弾性部材６８を第２プレート６２の側に設けることもできる。また、図２に示すセパレーター６０は、図における上方側において第１プレート６１に弾性部材６８を備え、第２プレート６２にガスケット６７を備えてカソードガス拡散層５４をシールするが、図における下方側においては、第１プレート６１にガスケット６７を備え、第２プレート６２に弾性部材６８を備えるようにすることもできる。こうすれば、アノードガス拡散層５６の側においても高い信頼性でガスシールを図ることができる。
【符号の説明】
【００２０】
１０…燃料電池システム
１２…燃料電池
２０…冷却系
２１ａ…イン側バルブ
２１ｂ…アウト側バルブ
２２…循環経路
２４…バイパス経路
２６…三方流量調整弁
２８…循環ポンプ
３０…ラジエーター
３２…バイパス経路
４０…イオン交換器
５０…電池セル
５４…カソードガス拡散層
５６…アノードガス拡散層
６０…セパレーター
６１…第１プレート
６２…第２プレート
６３…中間プレート
６４…セル内冷媒流路
６７…ガスケット
６８…弾性部材
６９…貫通孔
【図１】
2010244913.tif 000003
【図２】
2010244913.tif 000004