(57)【要約】【課題】発電性能の低下を抑制すること。【解決手段】ＭＥＡ１０とＭＥＡ１０を挟んで配置されたアノードガス拡散層１６ａ及びカソードガス拡散層１６ｃとを含むＭＥＧＡ２０と、ＭＥＧＡ２０の周囲に配置されたシール部材４０と、ＭＥＧＡ２０及びシール部材４０を挟持するアノード側セパレータ１８ａ及びカソード側セパレータ１８ｃと、を備え、カソード側セパレータ１８ｃは、ＭＥＧＡ２０とは反対側の面にＭＥＡ１０を冷却する空気が流通する冷媒流路２４を有し、シール部材４０は、冷媒流路２４の下流側でカソード側セパレータ１８ｃに接する部分の熱伝導率が冷媒流路２４の上流側でカソード側セパレータ１８ｃに接する部分の熱伝導率よりも大きい及び／又は冷媒流路２４の下流側でカソードガス拡散層１６ｃに接する部分の熱伝導率が冷媒流路２４の上流側でカソードガス拡散層１６ｃに接する部分の熱伝導率よりも大きい、燃料電池。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜電極接合体と前記膜電極接合体を挟んで配置されたアノードガス拡散層及びカソードガス拡散層とを含む膜電極ガス拡散層接合体と、
前記膜電極ガス拡散層接合体の周囲に配置されたシール部材と、
前記膜電極ガス拡散層接合体及び前記シール部材を挟持するアノード側セパレータ及びカソード側セパレータと、を備え、
前記カソード側セパレータは、前記膜電極ガス拡散層接合体とは反対側の面に前記膜電極接合体を冷却する冷媒が流通する冷媒流路を有し、
前記シール部材は、前記冷媒流路の下流側で前記カソード側セパレータに接する部分の熱伝導率が前記冷媒流路の上流側で前記カソード側セパレータに接する部分の熱伝導率よりも大きい、及び／又は、前記冷媒流路の下流側で前記カソードガス拡散層に接する部分の熱伝導率が前記冷媒流路の上流側で前記カソードガス拡散層に接する部分の熱伝導率よりも大きい、燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
膜電極ガス拡散層接合体の周囲にフレームが配置され、膜電極ガス拡散層接合体とフレームとをアノード側セパレータ及びカソード側セパレータで挟持した燃料電池が知られている（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１５−１９５１８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
カソード側セパレータは、膜電極接合体を冷却する冷媒が流通する冷媒流路を有する。膜電極接合体は電気化学反応によって発熱することから、冷媒流路を流れる冷媒はこの発熱によって温度が上昇する。このため、冷媒流路の上流側での冷媒の温度に比べて、下流側での冷媒の温度は高くなる。
【０００５】
膜電極接合体は、適切な温度範囲内にある場合に発電性能が良好となり、適切な温度範囲よりも低くても高くても発電性能は低下してしまう。冷媒流路を流れる冷媒の温度は上流側で低く、下流側で高くなることから、膜電極接合体のうちの冷媒流路の上流側に位置する部分は適切な温度範囲よりも低くなり、下流側に位置する部分は適切な温度範囲よりも高くなることがある。この場合、発電性能が低下してしまう。
【０００６】
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、発電性能の低下を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、膜電極接合体と前記膜電極接合体を挟んで配置されたアノードガス拡散層及びカソードガス拡散層とを含む膜電極ガス拡散層接合体と、前記膜電極ガス拡散層接合体の周囲に配置されたシール部材と、前記膜電極ガス拡散層接合体及び前記シール部材を挟持するアノード側セパレータ及びカソード側セパレータと、を備え、前記カソード側セパレータは、前記膜電極ガス拡散層接合体とは反対側の面に前記膜電極接合体を冷却する冷媒が流通する冷媒流路を有し、前記シール部材は、前記冷媒流路の下流側で前記カソード側セパレータに接する部分の熱伝導率が前記冷媒流路の上流側で前記カソード側セパレータに接する部分の熱伝導率よりも大きい、及び／又は、前記冷媒流路の下流側で前記カソードガス拡散層に接する部分の熱伝導率が前記冷媒流路の上流側で前記カソードガス拡散層に接する部分の熱伝導率よりも大きい、燃料電池である。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、発電性能の低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、実施例１に係る燃料電池を構成する単セルの分解斜視図である。
【図２】図２は、図１のＡ−Ａ間の断面図である。
【図３】図３は、実施例２に係る燃料電池を構成する単セルの断面図である。
【図４】図４は、実施例２におけるカソード側セパレータの斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。
【実施例１】
【００１１】
実施例１の燃料電池は、反応ガスとして燃料ガス（例えば水素）と酸化剤ガス（例えば空気）の供給を受けて発電する固体高分子形燃料電池であり、多数の単セルを積層したスタック構造を有する。図１は、実施例１に係る燃料電池を構成する単セル１００の分解斜視図である。
【００１２】
図１のように、実施例１の単セル１００は、アノード側セパレータ１８ａ、膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ：Membrane Electrode Gas diffusion layer Assembly）２０、及びカソード側セパレータ１８ｃを備える。ＭＥＧＡ２０の周囲にはシール部材４０が配置されている。言い換えると、ＭＥＧＡ２０はシール部材４０の内側に配置されている。ＭＥＧＡ２０及びシール部材４０は、アノード側セパレータ１８ａとカソード側セパレータ１８ｃによって挟持されている。
【００１３】
アノード側セパレータ１８ａは、ガス遮断性及び電子伝導性を有する部材によって形成され、例えばカーボンを圧縮してガス不透過とした緻密性カーボンなどのカーボン部材やステンレス鋼などの金属部材によって形成されている。アノード側セパレータ１８ａには孔ａ１及び孔ａ２が設けられ、シール部材４０には孔ｓ１及び孔ｓ２が設けられ、カソード側セパレータ１８ｃの両側に配置された周縁部材７０には孔ｃ１及び孔ｃ２が設けられている。周縁部材７０は、例えば熱可塑性樹脂又は熱硬化性樹脂などの絶縁部材である。孔ａ１と孔ｓ１と孔ｃ１は連通し、水素を供給する供給マニホールドを画定する。孔ａ２と孔ｓ２と孔ｃ２は連通し、水素を排出する排出マニホールドを画定する。アノード側セパレータ１８ａのＭＥＧＡ２０側の面には、供給マニホールドから排出マニホールドに向かって延在し、ＭＥＧＡ２０に供給される水素が流れる燃料ガス流路２６が設けられている。なお、周縁部材７０はカソード側セパレータ１８ｃと同じ材料によって形成されていてもよい。すなわち、カソード側セパレータ１８ｃは周縁部材７０を含んでいてもよい。
【００１４】
カソード側セパレータ１８ｃの中央部分の少なくともＭＥＧＡ２０に対向する部位は、ガス遮断性及び電子伝導性を有する部材によって形成されている。カソード側セパレータ１８ｃは、例えばプレス成型による曲げ加工によって凹凸形状が形成されたステンレス鋼などの金属部材からなる。カソード側セパレータ１８ｃには、厚み方向の凹凸形状によって、それぞれ空気が流れる酸化剤ガス流路２２と冷媒流路２４が形成されている。酸化剤ガス流路２２と冷媒流路２４は、カソード側セパレータ１８ｃの一端から他端に向かって直線状に延在し、互いに隣り合って配置されている。酸化剤ガス流路２２及び冷媒流路２４を流れる空気は、カソード側セパレータ１８ｃの一端側である空気供給口から他端側である空気排出口に向かって流れる。
【００１５】
酸化剤ガス流路２２は、カソード側セパレータ１８ｃのＭＥＧＡ２０側の面に設けられてＭＥＧＡ２０側に開口した凹部３０によって形成されている。したがって、酸化剤ガス流路２２を流れる空気は、ＭＥＧＡ２０に供給されて主に発電に用いられる。冷媒流路２４は、カソード側セパレータ１８ｃのＭＥＧＡ２０とは反対側の面に設けられてＭＥＧＡ２０とは反対側に開口した凹部３２によって形成されている。したがって、冷媒流路２４を流れる空気は、ＭＥＧＡ２０の冷却に主に用いられる。このように、実施例１の燃料電池は、空冷式の燃料電池である。
【００１６】
図２は、図１のＡ−Ａ間の断面図である。図２のように、ＭＥＧＡ２０は、電解質膜１２、アノード触媒層１４ａ、カソード触媒層１４ｃ、アノードガス拡散層１６ａ、及びカソードガス拡散層１６ｃを備える。アノード触媒層１４ａは電解質膜１２の一方の面に設けられ、カソード触媒層１４ｃは電解質膜１２の他方の面に設けられている。これにより、膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）１０が形成されている。電解質膜１２は、例えばスルホン酸基を有するフッ素系樹脂材料又は炭化水素系樹脂材料で形成された固体高分子膜であり、湿潤状態において良好なプロトン伝導性を有する。アノード触媒層１４ａ及びカソード触媒層１４ｃは、例えば電気化学反応を進行する触媒（白金又は白金−コバルト合金など）を担持したカーボン粒子（カーボンブラックなど）と、スルホン酸基を有する固体高分子であって湿潤状態で良好なプロトン伝導性を有するアイオノマーと、を含む。
【００１７】
アノードガス拡散層１６ａとカソードガス拡散層１６ｃは、ＭＥＡ１０の両側にＭＥＡ１０を挟んで設けられている。アノードガス拡散層１６ａ及びカソードガス拡散層１６ｃは、ガス透過性及び電子伝導性を有する部材によって形成されていて、例えばカーボンクロス又はカーボンペーパなどの多孔質カーボン製部材によって形成されている。なお、ＭＥＡ１０とアノードガス拡散層１６ａ及びカソードガス拡散層１６ｃとの間に、ＭＥＡ１０内に含まれる水分量の調整を目的とした撥水層を備えていてもよい。
【００１８】
シール部材４０は、枠部材４２と、接着剤４４から接着剤４８と、を含んで構成されている。枠部材４２は、ＭＥＧＡ２０の周囲を囲んで設けられている。接着剤４４は、枠部材４２、アノード側セパレータ１８ａ、及びＭＥＡ１０に接着し、燃料ガス流路２６の周囲を囲んで設けられている。これにより、燃料ガス流路２６を流れる水素は外部に漏れないように封止されている。なお、接着剤４４は、アノードガス拡散層１６ａ及びカソードガス拡散層１６ｃに接着していてもよい。
【００１９】
接着剤４６は、カソード側セパレータ１８ｃに設けられた冷媒流路２４の上流側（空気供給口側）に設けられ、枠部材４２、カソード側セパレータ１８ｃ、及びカソードガス拡散層１６ｃに接着している。接着剤４８は、カソード側セパレータ１８ｃに設けられた冷媒流路２４の下流側（空気排出口側）に設けられ、枠部材４２、カソード側セパレータ１８ｃ、及びカソードガス拡散層１６ｃに接着している。接着剤４６及び接着剤４８は、カソード側セパレータ１８ｃの凹部３２（図１参照）にてカソード側セパレータ１８ｃと枠部材４２とを接着している。一方、カソード側セパレータ１８ｃの凹部３０（図１参照）では、カソード側セパレータ１８ｃと枠部材４２とは離間しているため、接着剤４６及び接着剤４８により接着されていない。なお、カソード側セパレータ１８ｃの両側に配置された周縁部材７０（図１参照）は、枠部材４２に直接接合されていてもよいし、接着剤で接着されていてもよい。
【００２０】
接着剤４４及び接着剤４６は、例えばシランカップリング剤が配合されたポリプロピレン又はポリエチレン、ポリオレフィンに官能基を導入した変形ポリオレフィンなどの熱可塑性樹脂であるが、熱硬化性樹脂であってもよい。接着剤４８は、例えば変形オレフィン系樹脂などの熱可塑性樹脂又は熱硬化性樹脂に伝熱性フィラーが添加されたものである。伝熱性フィラーとして、例えば窒化アルミニウム、アルミナ、窒化ホウ素、酸化亜鉛、酸化マグネシウム、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ：Carbon Nanotube）、ダイヤモンド、グラファイト、又はグラフェンなどが挙げられる。接着剤４８は、このような伝熱性フィラーを少なくとも１種含むことで、接着剤４４及び接着剤４６よりも熱伝導率が大きくなっている。
【００２１】
枠部材４２は、例えばポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ：Polyethylene Naphthalate）などの樹脂で形成されている。なお、枠部材４２は、絶縁性を有していれば、その他の絶縁性部材で形成されていてもよい。枠部材４２が絶縁性を有することで、アノードとカソードの間の絶縁性が確保されている。
【００２２】
実施例１によれば、図２のように、冷媒流路２４の下流側（空気排出口側）でカソード側セパレータ１８ｃに接着する接着剤４８は、伝熱性フィラーを含有し、熱伝導率が大きくなっている。すなわち、ＭＥＧＡ２０の周囲に配置されたシール部材４０は、冷媒流路２４の下流側（空気排出口側）でカソード側セパレータ１８ｃに接する部分の熱伝導率が上流側（空気供給口側）でカソード側セパレータ１８ｃに接する部分の熱伝導率よりも大きくなっている。且つ、シール部材４０は、冷媒流路２４の下流側でカソードガス拡散層１６ｃに接する部分の熱伝導率が上流側でカソードガス拡散層１６ｃに接する部分の熱伝導率よりも大きくなっている。これにより、図２のように、冷媒流路２４の下流側において、カソード触媒層１４ｃで電気化学反応によって発生した熱の放熱経路として、カソードガス拡散層１６ｃからカソード側セパレータ１８ｃに直接放熱する経路（黒矢印Ｉ）に加え、カソードガス拡散層１６ｃから接着剤４８を経由してカソード側セパレータ１８ｃに放熱する経路（黒矢印ＩＩ）及び接着剤４８から直接外部に放熱する経路（黒矢印ＩＩＩ）が生じる。冷媒流路２４を流れる空気はカソード触媒層１４ｃでの発熱によって温度が上昇するため、ＭＥＡ１０のうちの冷媒流路２４の下流側に位置する部分の温度が上昇し、その結果、発電性能が低下することがある。しかしながら、実施例１では、図２で説明したように、冷媒流路２４の下流側において、カソード触媒層１４ｃで発生した熱の放熱経路が増えるため、ＭＥＡ１０のうちの冷媒流路２４の下流側に位置する部分の温度の上昇が抑えられる。よって、発電性能の低下を抑制できる。
【００２３】
なお、実施例１において、カソード側の接着剤４８の代わりに又は接着剤４８に加えて、アノード側の接着剤４４のうちの冷媒流路２４の下流側に位置する部分に伝熱性フィラーを添加させてもよい。アノード側の接着剤４４は、図２に示すように、カソードガス拡散層１６ｃに接している。これにより、ＭＥＡ１０のうちの冷媒流路２４の下流側に位置する部分において、カソード触媒層１４ｃで発生する熱を効果的に放熱させて温度上昇を抑制できる。このように、シール部材４０は、冷媒流路２４の下流側でカソード側セパレータ１８ｃに接する部分の熱伝導率が上流側でカソード側セパレータ１８ｃに接する部分の熱伝導率より大きい、及び、冷媒流路２４の下流側でカソードガス拡散層１６ｃに接する部分の熱伝導率が上流側でカソードガス拡散層１６ｃに接する部分の熱伝導率よりも大きい、ことの少なくとも一方を満たせばよい。
【００２４】
なお、実施例１では、シール部材４０は、枠部材４２と接着剤４４から接着剤４８との複数の部材で構成されている場合を例に示したが、１つの部材で形成されていてもよい。この場合、アノード側及びカソード側の両方において、シール部材４０のうちの冷媒流路２４の下流側に位置する部分の熱伝導率が上流側に位置する部分の熱伝導率よりも大きくなる。
【実施例２】
【００２５】
図３は、実施例２に係る燃料電池を構成する単セル２００の断面図である。図３のように、実施例２の単セル２００では、カソード側において冷媒流路２４の下流側（空気排出口側）に設けられた接着剤５０は、アノード側に設けられた接着剤４４と同じく、伝熱性フィラーを含有しない樹脂からなる。一方、カソード側において冷媒流路２４の上流側（空気供給口側）に設けられた接着剤５２は、断熱性フィラーを含有する樹脂からなる。断熱性フィラーとして、例えば中空ガラスビーズなどが挙げられる。接着剤５２は、このような断熱性フィラーを含むことで、接着剤４４及び接着剤５０よりも熱伝導率が小さくなっている。
【００２６】
また、カソード側セパレータ１８ｃには、冷媒流路２４の上流側に位置する部分に貫通孔６０が設けられている。図４は、実施例２におけるカソード側セパレータ１８ｃの斜視図である。図４のように、貫通孔６０は、冷媒流路２４の上流側において、冷媒流路２４を形成する凹部３２の底面を貫通して設けられている。貫通孔６０は、例えば複数の冷媒流路２４の全てに設けられているが、一部にのみ設けられている場合でもよい。また、各冷媒流路２４において複数の貫通孔６０が設けられていてもよい。また、貫通孔６０は、カソード側セパレータ１８ｃの両側に配置された周縁部材７０のうちの冷媒流路２４の上流側に相当する部分に設けられていてもよい。その他の構成は、実施例１と同じであるため説明を省略する。
【００２７】
実施例２によれば、図３のように、冷媒流路２４の上流側（空気供給口側）でカソード側セパレータ１８ｃに接着する接着剤５２は、断熱性フィラーを含有し、熱伝導率が小さくなっている。すなわち、ＭＥＧＡ２０の周囲に配置されたシール部材４０は、冷媒流路２４の上流側（空気供給口側）でカソード側セパレータ１８ｃに接する部分の熱伝導率が下流側（空気排出口側）でカソード側セパレータ１８ｃに接する部分の熱伝導率よりも小さくなっている。且つ、シール部材４０は、冷媒流路２４の上流側でカソードガス拡散層１６ｃに接する部分の熱伝導率が下流側でカソードガス拡散層１６ｃに接する部分の熱伝導率よりも小さくなっている。これにより、冷媒流路２４の上流側において、カソード触媒層１４ｃで電気化学反応によって発生した熱がカソードガス拡散層１６ｃから接着剤５２を介してカソード側セパレータ１８ｃに放熱することが抑制される。ＭＥＡ１０のうちの冷媒流路２４の上流側に位置する部分は、冷媒流路２４を流れる空気によって温度が低下し、その結果、発電性能が低下することがある。しかしながら、実施例２では、冷媒流路２４の上流側において、カソード触媒層１４ｃで発生した熱が接着剤５２を介してカソード側セパレータ１８ｃに放熱することが抑制されるため、ＭＥＡ１０のうちの冷媒流路２４の上流側に位置する部分の温度の低下が抑えられる。よって、発電性能の低下を抑制できる。
【００２８】
また、実施例２によれば、冷媒流路２４の上流側において、カソード側セパレータ１８ｃに貫通孔６０が設けられている。これにより、冷媒流路２４の上流側において、カソードガス拡散層１６ｃを介してカソード側セパレータ１８ｃに伝わった熱が、発電領域から発電領域の外側に伝わることが抑制される。よって、ＭＥＡ１０のうちの冷媒流路２４の上流側に位置する部分の温度の低下を更に抑制できる。
【００２９】
なお、実施例２において、カソード側において冷媒流路２４の下流側に設けられる接着剤に、実施例１の伝熱性フィラーを含有する接着剤４８を用いてもよい。
【００３０】
なお、実施例１及び実施例２では、空冷式の燃料電池の場合を例に説明したが、水冷式の燃料電池の場合でもよい。しかしながら、空冷式の燃料電池では、冷媒流路の上流域と下流域とでの冷媒の温度分布が大きくなり易い。このため、本発明を空冷式の燃料電池に適用することが好ましい。
【００３１】
以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【符号の説明】
【００３２】
１０  膜電極接合体
１２  電解質膜
１４ａ  アノード触媒層
１４ｃ  カソード触媒層
１６ａ  アノードガス拡散層
１６ｃ  カソードガス拡散層
１８ａ  アノード側セパレータ
１８ｃ  カソード側セパレータ
２０  膜電極ガス拡散層接合体
２２  酸化剤ガス流路
２４  冷媒流路
２６  燃料ガス流路
３０、３２  凹部
４０  シール部材
４２  枠部材
４４〜５２  接着剤
６０  貫通孔
７０  周縁部材
【図１】
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【図２】
2019033000.tif 000004
【図３】
2019033000.tif 000005
【図４】
2019033000.tif 000006