(57)【要約】【課題】マニホルド部の剛性を向上し、反りが生じることを抑制可能な燃料電池用単セル及びこれを備えた燃料電池を提供する。【解決手段】電解質の一方の面にアノード電極１４が配けられ、他方の面にカソード電極１７が配けられた電解質−電極接合体と、電解質−電極接合体の両側に配設された枠状部材２１及び２２と、枠状部材２１及び２２の電解質−電極接合体と対向する面とは反対側の面に配設されたセパレータ２３及び２４とを備え、枠状部材２１及び２２は、基材により形成されている基材部と、基材よりも剛性が高い材料で形成されている高剛性部とを備えてなる燃料電池用単セル２５である。【選択図】図４
2008130479.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質の一方の面にアノード電極が配けられ、他方の面にカソード電極が配けられた電解質−電極接合体と、当該電解質−電極接合体の両側に配設された枠状部材と、当該各々の枠状部材の当該電解質−電極接合体と対向する面とは反対側の面に配設されたセパレータと、を備えてなる燃料電池用単セルであって、
前記枠状部材は、基材により形成されている基材部と、当該基材よりも剛性が高い材料で形成されている高剛性部とを備えてなる燃料電池用単セル。
【請求項２】
前記高剛性部は、略板状部材を有してなる請求項１記載の燃料電池用単セル。
【請求項３】
前記略板状部材が、金属を含む請求項２記載の燃料電池用単セル。
【請求項４】
前記高剛性部は、繊維状のフィラーを含む請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の燃料電池用単セル。
【請求項５】
前記高剛性部は、球状のフィラーを含む請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の燃料電池用単セル。
【請求項６】
前記枠状部材は、マニホルドが形成されてなり、前記高剛性部が当該マニホルドの外周部に形成されてなる請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の燃料電池用単セル。
【請求項７】
前記基材よりも剛性が高い材料は、前記基材よりも熱伝導率が高い材料を含む請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の燃料電池用単セル。
【請求項８】
請求項１ないし請求項７のいずれか一項に記載の燃料電池用単セルを備えてなる燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用単セル及びこれを備えた燃料電池の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、一般的な燃料電池として、例えば、電解質膜と、該電解質膜の一方の面に配置されたアノード電極と、他方の面に配置されたカソード電極と、を有する膜−電極接合体（ＭＥＡ：Membrane  Electrode  Assembly、以下、単に「ＭＥＡ」という）の両側に、枠状部材を介してセパレータを配設した構造を備えた単セルを構成し、この単セルを積層してなるセル積層体の当該単セルの積層方向両端に、ターミナル、インシュレータ、プレッシャプレート及びエンドプレート等を配置してスタックを構成し、スタックをセル積層方向に締め付けて固定したものがある。（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
このような燃料電池で使用されるセパレータは、通常、ＭＥＡの発電部に対応する領域にガス流路が形成されており、その両側にマニホルド部が形成されている。このため、ＭＥＡの発電部に対応する領域は、前記ガス流路の存在により断面二次モーメントが大きくなるため、曲げ剛性が高くなるが、マニホルド部が形成されている領域は、ＭＥＡの発電部に対応する領域に比べ、凹凸（エンボス）形状が少なく且つマニホルドが開口されているため、曲げ剛性が低くなり、反りやすくなる。
【０００４】
また、燃料電池では、例えば、車両の急速暖機運転等でスタックの温度が急上昇すると、スタック長が伸びることがあるが、マニホルド内に氷が形成されていた場合、氷によってこの部分が拘束され、スタック長が伸びることが抑制される。このため、剛性が低いと、氷が形成されている部分と、氷が形成されてない部分との界面に亀裂が生じやすくなり、仮に亀裂が生じると、ここからガスが漏れる虞もある。ここで、特にメタルセパレータでは、セルの面方向の熱伝導率が低く、例えば、氷点下からの急速暖機運転等により、冷却水が昇温した際に、マニホルド部の温度が上昇し難く、セル面内の温度差が大きくなり、マニホルド内に形成されている氷が溶けにくい。したがって、マニホルド部の剛性を向上させることが必要とされている。
【０００５】
また、ＭＥＡの両側に配設される一対のフレーム同士の間隔を一定とするために、当該フレームに多数のスペーサを配設した燃料電池の単電池が紹介されている。この単電池では、前記フレーム同士の間隔を一定とすることで、電池モジュールに作用する押圧荷重に耐え得る剛性を持たせている。（例えば、特許文献２参照）。
【０００６】
そしてまた、流路及びマニホルドを形成したセパレータ基板と、２枚のフレームとにより、セパレータを構成した固体高分子形燃料電池も紹介されている。この固体高分子形燃料電池では、樹脂層をゴム層で挟んだ三層構造を有するフレームを用いることで、ガスシール性を向上させている。（例えば、特許文献３参照）。
【０００７】
また、セパレータのうち、ＭＥＡの発電部に対応する領域を導電性領域とし、当該導電性領域以外を絶縁性樹脂領域とすることで、セパレータと電極との接触点の面内均一性を向上し、高電流密度で出力した際にも高電圧が得られる燃料電池用セパレータも紹介されている。この燃料電池用セパレータでは、前記絶縁性樹脂領域を、絶縁性樹脂にフィラーを添加した樹脂組成物から形成することで、セパレータの強度並びに寸法安定性を向上させている。（例えば、特許文献４参照）。
【特許文献１】特開２００６−１９２０４号公報
【特許文献２】特開２００４−６４１９号公報
【特許文献３】特開２００４−１６５０４３号公報
【特許文献４】特開２００２−３５８９８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、前述した特許文献２に記載された燃料電池の単電池では、フレームに多数のスペーサを配設しているが、このスペーサは、ＭＥＡの両側に配設される一対のフレーム同士の間隔を一定にすることで、電池モジュールに作用する押圧荷重に耐え得る剛性を持たせるために配設されるものであり、スタックの温度上昇に伴いスタック長が伸びる領域と、スタック長が伸びることが抑制される領域との界面に亀裂が生じることを抑制するためにマニホルド部の剛性を向上させるものではなく、また、そのような発想も開示されていない。
【０００９】
また、特許文献３に記載された固体高分子形燃料電池は、樹脂層をゴム層で挟んだ三層構造を有するフレームを用いているが、当該ゴム層はガスケットを構成するものであり、スタックの温度上昇に伴いスタック長が伸びる領域と、スタック長が伸びることが抑制される領域との界面に亀裂が生じることを抑制するためにマニホルド部の剛性を向上させるものではない。また、そのような発想も開示されていない。
【００１０】
そしてまた、特許文献４に記載された燃料電池用セパレータは、ＭＥＡの発電部に対応する領域を導電性領域とし、当該導電性領域以外を絶縁性樹脂領域としたものであり、ＭＥＡの両側に、枠状部材を介してセパレータを配設した構造は備えていない。
【００１１】
本発明は、このような事情に鑑みなされたものであり、マニホルド部の剛性を向上し、反りが生じることを抑制可能な燃料電池用単セル及びこれを備えた燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この目的を達成するため本発明は、電解質の一方の面にアノード電極が配けられ、他方の面にカソード電極が配けられた電解質−電極接合体と、当該電解質−電極接合体の両側に配設された枠状部材と、当該各々の枠状部材の当該電解質−電極接合体と対向する面とは反対側の面に配設されたセパレータと、を備えてなる燃料電池用単セルであって、前記枠状部材は、基材により形成されている基材部と、当該基材よりも剛性が高い材料で形成されている高剛性部とを備えてなる燃料電池用単セルを提供するものである。
【００１３】
この構成を備えた燃料電池用単セルは、枠状部材が、基材により形成されている基材部と、当該基材よりも剛性が高い材料で形成されている高剛性部とを備えているため、基材のみで形成されている従来の枠状部材に比べ、剛性を向上させることができる。ここで、前記各々のセパレータは、当該枠状部材にそれぞれ配設されているため、枠状部材の剛性が向上することで、当該セパレータが補強されることになり、単セルの剛性を向上させることができる。
【００１４】
前記高剛性部は、略板状部材を有していてもよく、この場合、前記略板状部材は金属を含むことができる。また、略板状部材は、金属層であってもよい。この略板状部材は、前記基材からなる層に積層されていてもよく、基材からなる層同士の間に配設されていてもよい。
【００１５】
また、前記高剛性部は、繊維状のフィラーを含んでいてもよい。この場合、当該高剛性部は、繊維状のフィラーから構成されてもよく、当該繊維状のフィラーが含まれている層と、前述した略板状部材とから構成されてもよい。また、前記繊維状のフィラーは、前記略板状部材の中に含まれていてもよい。
【００１６】
そしてまた、前記高剛性部は、球状のフィラーを含んでいてもよい。この場合、当該高剛性部は、球状のフィラーから構成されてもよく、当該球状のフィラーが含まれている層と、前述した略板状部材とから構成されてもよい。この球状のフィラーは、前記略板状部材の中に含まれていてもよい。また、高剛性部は、前記球状のフィラーが含まれている層と、繊維状のフィラーが含まれている層と、略板状部材とから構成されてもよい。
【００１７】
また、本発明にかかる燃料電池用単セルは、前記枠状部材にマニホルドが形成されており、前記高剛性部が当該マニホルドの外周部に形成された構成を備えることもできる。
【００１８】
そしてまた、前記基材よりも剛性が高い材料は、前記基材よりも熱伝導率が高い材料を含むことができる。このようにすることで、前記利点に加え、例えば、氷点下からの急速暖機運転等により冷却水が昇温した際に、マニホルド部の温度が上昇し易くなるため、セル面内の温度差を緩和することができる。なお、前記基材よりも剛性が高い材料が、複数種の材料からなる場合、この複数種の材料のうち、少なくとも一種の熱伝導率が、前記基材の熱伝導率よりも高ければよい。
【００１９】
また、本発明は、前述した本発明にかかる燃料電池用単セルを備えてなる燃料電池を提供するものである。この構成を備えた燃料電池は、単セルの剛性が向上されているため、通常の状態の際は勿論のこと、例えば、急速暖機運転等でスタックの温度が急上昇した場合であっても、単セルが反ることを抑制することができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明にかかる燃料電池用単セルは、枠状部材の剛性を向上させることで、単セル自身の剛性を向上させることができるため、通常の状態の際は勿論のこと、例えば、急速暖機運転等でスタックの温度が急上昇した場合であっても、単セルが反ることを抑制することができ、高性能で信頼性の高い燃料電池用単セルを提供することができる。
【００２１】
本発明にかかる燃料電池は、単セルの剛性が向上されており、例えば、急速暖機運転等でスタックの温度が急上昇した場合であっても、単セルが反ることを抑制することができる。この結果、高性能で信頼性の高い燃料電池を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
次に、本発明の好適な実施の形態にかかる燃料電池用単セル及びこの単セルを備えた燃料電池について図面を参照して詳細に説明する。なお、以下に記載される実施の形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をこれらの実施の形態にのみ限定するものではない。したがって、本発明は、その要旨を逸脱しない限り、様々な形態で実施することができる。
【００２３】
図１は、本発明の実施の形態にかかる燃料電池用単セルの分解斜視図、図２は、図１に示す燃料電池用単セルの構成要素である枠状部材の平面図、図３は、図２に示すIII−III線に沿った拡大断面図、図４は、本発明の実施の形態にかかる燃料電池用単セルの一部を示す断面図、図５は、本発明の実施の形態にかかる燃料電池用単セルを備えた燃料電池のセル積層方向を上下方向とした姿勢での全体概略図である。なお、前記各図では、各部材の厚さやサイズ、拡大・縮小率等は、説明を判りやすくするため、実際のものとは一致させずに記載した。
【００２４】
本実施の形態で説明する燃料電池は、固体高分子電解質型燃料電池であり、例えば、燃料電池自動車等に搭載することができるが、自動車以外に用いられてもよい。
【００２５】
図１〜図５に示すように、本実施の形態にかかる単セル２５は、ＭＥＡ（膜−電極接合体）１０と、ＭＥＡ１０の一方の面に配置された枠状部材２１と、ＭＥＡ１０の他方の面に配設された枠状部材２２と、枠状部材２１のＭＥＡ１０が配設されている側とは反対側の面に配設されたセパレータ２３と、枠状部材２２のＭＥＡ１０が配設されている側とは反対側の面に配設されたセパレータ２４と、を重ねて形成した構成を備えている。
【００２６】
ＭＥＡ１０は、イオン交換膜からなる電解質膜１１と、電解質膜１１の一方の面に配置されると共に、触媒層１２及び拡散層１３からなるアノード電極（燃料極）１４と、電解質膜１１の他方の面に配置されると共に、触媒層１５及び拡散層１６からなるカソード電極（酸化剤極）１７とを備えて構成されている。
【００２７】
枠状部材２１は、ＭＥＡ１０のアノード電極１４側に配設されており、枠状部材２２は、ＭＥＡ１０のカソード電極１７側に配設されている。この枠状部材２１及び２２は、ＭＥＡ１０の発電部がセパレータ２３及び２４に対し露出するように中抜きされており、その両側に、マニホルド部４０Ａ及び４０Ｂが形成されている。マニホルド部４０Ａには、入り側の冷却水マニホルド４１IN、出側の燃料ガスマニホルド４２OUT、入り側の空気マニホルド４３INが設けられている。一方、マニホルド部４０Ｂには、出側の冷却水マニホルド４１OUT、入り側の燃料ガスマニホルド４２IN、出側の空気マニホルド４３OUTが設けられている。また、枠状部材２１及び２２には、マニホルド部４０Ａ及び４０Ｂと、セパレータ２３及び２４に各々形成されたガス流路部５３及び５４とを連通するガス流路連通部４７が形成されている。
【００２８】
また、この枠状部材２１及び２２は、特に図３及び図４に示すように、マニホルド部４０Ａ及び４０Ｂが、第１の基材部１０１と、高剛性部材１０２と、第２の基材部１０３とを順に配設した三層構造を備えている。すなわち、枠状部材２１及び２２は、第１の基材部１０１と第２の基材部１０３との間に、高剛性部材１０２をインサートした構成を備えている。なお、本実施の形態では、高剛性部材１０２が、高剛性部を形成している。
【００２９】
第１の基材部１０１及び第２の基材部１０３は、基材である樹脂から形成され、高剛性部材１０２は、第１の基材部１０１及び第２の基材部１０３（すなわち、基材）よりも剛性が高い材料（例えば、金属等）から形成されている。この枠状部材２１及び２２は、例えば、第１の基材部１０１及び第２の基材部１０３よりも剛性が高い材料から形成された略板状の高剛性部材１０２の周りに樹脂をインサート成形することにより得ることができる。このように、枠状部材２１及び２２が、基材（本実施の形態では樹脂）により形成されている第１の基材部１０１及び第２の基材部１０３と、基材よりも剛性が高い材料（本実施の形態では金属）で形成されている高剛性部材１０２とを備えて構成されているため、基材のみで形成されている従来の枠状部材に比べ、剛性を向上させることができる。
【００３０】
ここで、後に説明するセパレータ２３及び２４は、枠状部材２１及び２２の中抜き部分（ＭＥＡ１０の発電部）に対応する領域の一方の面に、燃料ガス流路５３Ａが形成され、他方の面に酸化ガス流路５４Ａが形成されているため、この領域における断面二次モーメントが大きくなり、曲げ剛性が高くなる剛性が比較的高くなる。一方、セパレータ２３及び２４のマニホルド部が形成されている領域は、燃料ガス流路５３Ａ及び酸化ガス流路５４Ａが形成されている領域に比べ、凹凸（エンボス）形状が少なく且つ各マニホルドが開口されているため、曲げ剛性が低くなり、反りやすくなる。したがって、本実施の形態では、セパレータ２３及び２４の剛性が低い領域である、枠状部材２１及び２２のマニホルド部４０Ａ及び４０Ｂに高剛性部材１０２を配設し、単セル２５の剛性が面内で均一となるようバランスよく向上するようにした。すなわち、セパレータ２３及び２４の剛性が低い領域を、枠状部材２１及び２２の剛性が高い領域で支持することで、単セル２５の剛性が面内で均一になるようにした。
【００３１】
セパレータ２３及び２４は、不透過性を有し、例えば、ステンレス板に導電性金属をメッキ（例えば、ニッケルメッキ）したものから構成することができる。これらのセパレータ２３及び２４は、隣接するセル間の導電通路を構成している。セパレータ２３のＭＥＡ１０と対向する面（ＭＥＡ１０側を向く面）には、燃料ガス流路５３Ａが形成されたガス流路部５３が形成されている。セパレータ２３のガス流路部５３が形成されている面とは反対側の面には、冷却水流路５５が形成されている。また、セパレータ２４のＭＥＡ１０と対向する面には、酸化ガス流路５４Ａが形成されたガス流路部５４が形成され、セパレータ２４のガス流路部５４が形成されている面とは反対側の面には、冷却水流路５６が形成されている。また、セパレータ２３及び２４にも前述した入り側の冷却水マニホルド４１IN、出側の燃料ガスマニホルド４２OUT、入り側の空気マニホルド４３IN、出側の冷却水マニホルド４１OUT、入り側の燃料ガスマニホルド４２IN、出側の空気マニホルド４３OUTが形成されている。
【００３２】
なお、燃料ガス流路５３Ａと酸化ガス流路５４Ａとは、ＭＥＡ１０を挟んで互いに対応している。また、セパレータ２３に形成された冷却水流路５５と、セパレータ２４に形成された冷却水流路５６は、セル積層方向に隔てられることなく連通している。
【００３３】
枠状部材２１とセパレータ２３、及び、枠状部材２２とセパレータ２４は、シール用の接着剤により接着して固定してもよく、枠状部材２１（２２）とセパレータ２３（２４）を射出成形等により、別途接着剤を設けることなく固定（溶着）してもよい。また、ＭＥＡ１０を挟んで配置された枠状部材２１と枠状部材２２は、接着剤１１０によりシールされ固定されている。
【００３４】
この単セル２５の構造を複数備えた燃料電池１は、ＭＥＡ１０の両側に枠状部材２１及び２２が配設され、これらの枠状部材２１及び２２のＭＥＡ１０が配設されている面とは反対側の面に、セパレータ２３及び２４が各々配設された構造を複数備え、セル積層方向両端に、ターミナル３０、インシュレータ３１、エンドプレート３２を配置してスタック３３を構成し、スタック３３をセル積層方向に締め付け、スタック３３の外側でセル積層方向に延びる締結部材３４（たとえば、テンションプレート、スルーボルトなど）とボルト３５またはナットで固定したものからなる。
【００３５】
この構成を備えた燃料電池１は、マニホルド内に氷が形成されていた場合であっても、単セル２５の剛性が面内でバランスよく向上しているため、車両の急速暖機運転等でスタック３３の温度が急上昇した際に、セパレータ２３及び２４や、枠状部材２１及び２２に反りが生じたり、亀裂が生じることを抑制することができる。したがって、高性能で信頼性の高い燃料電池１となる。
【００３６】
なお、本実施の形態では、枠状部材２１及び２２のマニホルド部４０Ａ及び４０Ｂの構成を、第１の基材部１０１と、高剛性部材１０２と、第２の基材部１０３とを順に配設してなる三層構造とした場合について説明したが、これに限らず、枠状部材２１及び２２の全体を前記三層構造から構成してもよい。また、高剛性部材１０２は、燃料電池１の発電に悪影響を及ぼさない限り、例えば、図６に示すように、ＭＥＡ１０と対向する面側に配設してもよく、図７に示すように、セパレータ２３（２４）と対向する面側に配設してもよい。
【００３７】
また、本実施の形態では、略板状の高剛性部材１０２を配設した場合について説明したが、これに限らず、図８に示すように、高剛性部材１０２は、第１の基材部１０１（第２の基材部１０３）に複数点在していてもよい。また、高剛性部材１０２の形状は、例えば、ハニカム構造等、所望により任意に選択することができる。
【００３８】
そしてまた、図９に示すように、高剛性部材１０２に加え、繊維状のフィラー１０５を配設してもよい。この場合は、高剛性部材１０２と繊維状のフィラー１０５とで、高剛性部を形成することになる。また、図１０に示すように、高剛性部材１０２に加え、球状のフィラー１０６を配設してもよい。この場合は、高剛性部材１０２と球状のフィラー１０６とで、高剛性部を形成することになる。このようにすることで、枠状部材２１及び２２の剛性をさらに向上させることができる。
【００３９】
さらにまた、図１１に示すように、高剛性部材１０２に代えて繊維状のフィラー１０５を配設してもよく、図１２に示すように、高剛性部材１０２に代えて球状のフィラー１０６を配設してもよい。また、繊維状のフィラー１０５や、球状のフィラー１０６は、高剛性部材１０２に混在させてもよい。さらにまた、繊維状のフィラー１０５及び球状のフィラー１０６の両方を使用してもよい。
【００４０】
そしてまた、本実施の形態では、高剛性部材１０２として、第１の基材部１０１及び第２の基材部１０３よりも剛性が高い材料から形成されたものを使用した場合について説明したが、これに限らず、高剛性部材１０２として、第１の基材部１０１及び第２の基材部１０３よりも剛性が高いことに加え、第１の基材部１０１及び第２の基材部１０３よりも熱伝導率が高いという性質を有する材料を使用することもできる。高剛性部材１０２を形成する材料として、このような材料を用いることで、前記利点に加え、セルの面方向の熱伝導率を向上させることができ、例えば、マニホルド内に氷が形成されていても、氷点下からの急速暖機運転等により冷却水が昇温した際に、マニホルド部の温度が上昇し易くなり、マニホルド内に形成されている氷を溶けやすくすることができる。また、セル面内の温度差を緩和することもできる。これは、特にメタルセパレータが配設されている際に有効である。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の実施の形態にかかる燃料電池用単セルの分解斜視図である。
【図２】図１に示す燃料電池用単セルの構成要素である枠状部材の平面図である。
【図３】図２に示すIII−III線に沿った拡大断面図である。
【図４】本発明の実施の形態にかかる燃料電池用単セルの一部を示す断面図である。
【図５】本発明の実施の形態にかかる燃料電池用単セルを備えた燃料電池のセル積層方向を上下方向とした姿勢での全体概略図である。
【図６】本発明の他の実施の形態にかかる図２に示すIII−III線に沿った断面に対応する図である。
【図７】本発明の他の実施の形態にかかる図２に示すIII−III線に沿った断面に対応する図である。
【図８】本発明の他の実施の形態にかかる図２に示すIII−III線に沿った断面に対応する図である。
【図９】本発明の他の実施の形態にかかる図２に示すIII−III線に沿った断面に対応する図である。
【図１０】本発明の他の実施の形態にかかる図２に示すIII−III線に沿った断面に対応する図である。
【図１１】本発明の他の実施の形態にかかる図２に示すIII−III線に沿った断面に対応する図である。
【図１２】本発明の他の実施の形態にかかる図２に示すIII−III線に沿った断面に対応する図である。
【符号の説明】
【００４２】
１…燃料電池、１０…ＭＥＡ、２１、２２…枠状部材、２３、２４…セパレータ、２５…単セル、１０１…第１の基材部、１０２…高剛性部材、１０３…第２の基材部、１０５…繊維状のフィラー、１０６…球状のフィラー
【図１】
2008130479.tif 000003
【図２】
2008130479.tif 000004
【図３】
2008130479.tif 000005
【図４】
2008130479.tif 000006
【図５】
2008130479.tif 000007
【図６】
2008130479.tif 000008
【図７】
2008130479.tif 000009
【図８】
2008130479.tif 000010
【図９】
2008130479.tif 000011
【図１０】
2008130479.tif 000012
【図１１】
2008130479.tif 000013
【図１２】
2008130479.tif 000014