特開 2023-35732 燃料電池セル

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023035732

(43)【公開日】2023-03-13

(54)【発明の名称】燃料電池セル

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/0247 20160101AFI20230306BHJP

   H01M 8/0276 20160101ALI20230306BHJP

【ＦＩ】

H01M8/0247

H01M8/0276

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021142802

(22)【出願日】2021-09-01

(71)【出願人】

【識別番号】000002082

【氏名又は名称】スズキ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001380

【氏名又は名称】弁理士法人東京国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】根岸 史幸

【テーマコード（参考）】

5H126

【Ｆターム（参考）】

5H126AA12

5H126AA13

5H126DD02

5H126DD05

(57)【要約】

【課題】 発電に寄与しないガスを低減させた燃料電池セルを提供する。
【解決手段】 燃料電池セル１０は、電解質膜１１ａの両面に触媒層１１ｂが形成されてできる膜電極接合体１１と、膜電極接合体１１の両面に配置されるＧＤＬ２１と、両面のＧＤＬ２１を介して膜電極接合体１１を挟み込むとともにＧＤＬ２１との接触面にガス流路１８を有する一対のセパレータ１７と、セパレータ１７上に輪形状に配置されてＧＤＬ２１の周囲を囲むセルシール１９と、ＧＤＬ２１とセルシール１９との間においてガス流路１８の流路方向αに沿って形成される隙間溝２６と、隙間溝２６と触媒層１１ｂの端辺との間に流路方向αに沿って設けられてセパレータ１７からＧＤＬ２１に向けて突出してＧＤＬ２１を押圧する凸条部２８と、を備える。
【選択図】 図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

電解質膜の両面に触媒層が形成されてできる膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の両面に配置されて前記触媒層を覆うガス拡散層と、
前記両面の前記ガス拡散層を介して前記膜電極接合体を挟み込むとともに前記ガス拡散層との接触面にガス流路を有する一対のセパレータと、
前記セパレータ上に輪形状に配置されて前記ガス拡散層の周囲を囲むセルシールと、
前記ガス拡散層と前記セルシールとの間において前記ガス流路の流路方向に沿って形成される隙間溝と、
前記隙間溝と前記触媒層の端辺との間に前記流路方向に沿って設けられて前記セパレータから前記ガス拡散層に向けて突出して前記ガス拡散層を押圧する凸条部と、を備えることを特徴とする燃料電池セル。

【請求項2】

前記セルシールは前記隙間溝の開口端部を封止する請求項１に記載の燃料電池セル。

【請求項3】

前記凸条部は前記ガス拡散層の前記流路方向の両端部まで延在する請求項１又は請求項２に記載の燃料電池セル。

【請求項4】

前記凸条部の前記流路方向に直行する断面は、三角または半円である請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池セル。

【請求項5】

アノード側の前記凸条部とカソード側の前記凸条部とは、押圧時の荷重中心が上面視でずれて配置される請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池セル。

【請求項6】

前記隙間溝の一壁面を構成している前記ガス拡散層の端辺に不透過層を形成する請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の燃料電池セル。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、燃料ガスを膜電極接合体で電気化学反応させて発電する燃料電池セルに関する。

【背景技術】

【0002】

燃料電池装置は、単セルと呼ばれる燃料電池セルが多数積層されて構成されている。単セルは、アノード側のセパレータ、アノード側のガス拡散層（ＧＤＬ:Gas Diffusion Layer）、膜電極接合体（ＭＥＡ:Membrane Electrode Assembly）、カソード側のＧＤＬ、カソード側のセパレータが順に積層されて構成される。アノード側のセパレータに供給される水素ガスは、単セルの外部のポンプで加圧されて燃料電池装置内を循環する。また、カソード側のセパレータに供給される酸素などの酸化剤ガスは、単セルの外部のコンプレッサで流量を上げて供給される。これらのガスの電気化学反応で生成された生成水の一部は、供給されてくる水素ガスに押し出されて単セルの外部へ排出されている。

【0003】

ところで、セパレータには、これらのガスの漏出を防止するため、ＧＤＬを囲むように輪形状のセルシールが配置されている。セルシールの材料には、熱可塑性樹脂又はゴム材料等が用いられる。
しかし、熱可塑性樹脂製のセルシールは、組付け時の加熱及び加圧により熱変形を発生させてセパレータに形成されたガス流路を塞ぐことがあった。そこで、燃料電池装置の用途又は種類によっては、セパレータに耐熱性の高いゴム材料が用いられている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１０－２２５４７７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、ゴム製のセルシールでは、加熱及び加圧をしても極わずかしか熱変形しない。このため、セルシールとＧＤＬそれぞれの公差により生じる僅かな隙間が埋まらずに残るという課題があった。
ガス拡散層からこの隙間に流れ込んだガスは発電に寄与しないまま排出されるため、燃料電池装置の発電性能が低下する。十分な圧力でＭＥＡにガスを供給するため及び生成水を単セルから排出するために、余分なエネルギーが必要になるためである。

【0006】

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、発電に寄与しないガスを低減させた燃料電池セル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】

【0007】

本実施形態に係る燃料電池セルは、電解質膜の両面に触媒層が形成されてできる膜電極接合体と、前記膜電極接合体の両面に配置されて前記触媒層を覆うガス拡散層と、前記両面の前記ガス拡散層を介して前記膜電極接合体を挟み込むとともに前記ガス拡散層との接触面にガス流路を有する一対のセパレータと、前記セパレータ上に輪形状に配置されて前記ガス拡散層の周囲を囲むセルシールと、前記ガス拡散層と前記セルシールとの間において前記ガス流路の流路方向に沿って形成される隙間溝と、前記隙間溝と前記触媒層の端辺との間に前記流路方向に沿って設けられて前記セパレータから前記ガス拡散層に向けて突出して前記ガス拡散層を押圧する凸条部と、を備えるものである。

【発明の効果】

【0008】

本発明により、発電に寄与しないガスを低減させた燃料電池セルが提供される。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本発明の実施形態に係る燃料電池装置セルを積層させた燃料電池装置の斜視図。

【図2】実施形態に係る燃料電池セルのセパレータの上面図。

【図3】実施形態に係る燃料電池セルを図２のＩＩ－ＩＩ線で切断した側面断面図。

【図4】実施形態の変形例に係るセパレータ端部の部分上面図。

【図5】実施形態の第２の変形例に係るセパレータ端部の部分上面図。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。

【0011】

まず、図１を用いて、実施形態に係る燃料電池装置５０及びこの燃料電池装置５０を構成する燃料電池セル１０について概説する。

燃料電池装置５０は、図１に示されるように、積層された複数の単セル１０を有する。
この単セル１０の積層体は、積層方向両端部からこの積層体を挟むエンドプレート５１が図示しない連結バーで互いにボルト留めされることで、一体的に固定される。

【0012】

また、図２は、実施形態に係る単セル１０のセパレータ１７の上面図である。
なお、図２において、セパレータ１７にはセルシール１９が設けられているとともに、ＧＤＬ２１も破線（想像線）で表示している。
各単セル１０には、図２に示されるように、その積層体を連通するガス供給口１２及びガス排出口１３が設けられて燃料電池装置５０が構成される。燃料電池自動車等で求められる大容量の燃料電池装置５０では、単セル１０が数十以上積層される。 なお、実施形態に係る単セル１０は、燃料電池装置５０が水冷式であっても、空冷式であっても適用可能である。

【0013】

実施形態に係る単セル１０は、膜電極接合体（ＭＥＡ；Membrane Electrode Assembly）１１がガス拡散層（ＧＤＬ：Gas Diffusion Layer）２１を介在させてセパレータ１７に挟まれる配置構造を有する。
ＭＥＡ１１は、電極触媒層（以下、単に「触媒層」という）１１ｂが電解質膜１１ａに片面ずつ配置されて構成される。触媒層１１ｂは、触媒を担持するアノード側及びカソード側それぞれの電極で構成される。

【0014】

なお、実施形態でいう「ＭＥＡ」にはＧＤＬ２１は含まれないものとする。
また、ＧＤＬ２１及びセパレータ１７は、一般に、それぞれ燃料極触媒層側に配置されるものをアノードＧＤＬ及びアノードセパレータ、空気極触媒層側に配置されるものをカソードＧＤＬ及びカソードセパレータとよぶが、本実施形態では特には区別しない。つまり、以下で説明するセパレータ１７及びセルシール１９の構造的特徴は、燃料極側でも空気極側でも適宜備えられる。また、ここでいうセパレータ１７には、エンドプレート５１も含まれうる。

【0015】

セパレータ１７は、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、チタン鋼板等の金属板又はカーボンで構成される。
セパレータ１７とＧＤＬ２１との接触面には、ガス流路１８となる多数の条形状の凹凸がプレス加工などによって長手方向に沿って形成される。このガス流路１８にはガス供給口１２からセパレータ１７の面上に供給された酸化剤ガス又は水素ガスに加え、これらのガスの電気化学反応で生成された水蒸気が流れる。

【0016】

ＧＤＬ２１は、カーボンペーパ、カーボンクロス等からなる多孔質な柔軟性のあるシート状部材である。ＧＤＬ２１は各ガス流路１８を流れる各種ガスを拡散させてＭＥＡ１１に均一に供給する。このＧＤＬ２１は、セパレータ１７上に輪形状に配置されたセルシール１９によって周囲を囲まれている。ゴム製のセルシール１９は、セパレータ１７に粘着又は接着するとともにＭＥＡ１１に密着し、反応空間３０（図３）の気密性を確保する。つまり、セルシール１９によって、ＧＤＬ２１から単セル１０の外部に水素ガスなどのガスが流出することが防止されている。電気化学反応で生成された生成水及び反応しなかったガスは、ガス排出口１３から排出される。
なお、図２において、対角線上にある一方の、ガス供給口１２及びガス排出口１３は、セルシール１９で周囲を囲まれて、反応空間３０から孤立している。これらのガス供給口１２及びガス排出口１３は、セパレータ１７の裏側においては、反応空間３０に接続され、水素ガス又は酸素ガスの供給又は排出をしている。

【0017】

また、図３は、実施形態に係る単セル１０を図２のＩＩ－ＩＩ線で切断した側面断面図である。ＧＤＬ２１は、図２及び図３に示されるように、ガス流路１８の延在範囲よりも大きくカットされ、この延在範囲全体を完全に覆うように設けられる。
また、触媒層１１ｂは、図３に示されるように、ガス流路１８の延在範囲と同程度又は流路方向に直行する方向に僅かに狭く設計される。

【0018】

ＧＤＬ２１の外形サイズは、セルシール１９の内周サイズに一致していることが望ましい。しかし、実際には、公差によりＧＤＬ２１はセルシール１９の内周より僅かに小さくなることが多い。よって、ＧＤＬ２１とセルシール１９との間には、ガス流路１８の流路方向αに沿って隙間溝２６が生じる。

【0019】

この隙間溝２６は、熱可塑性樹脂製のセルシール１９を用いる場合には、製造過程においてセルシール１９が熱変形して広がることで喪失する隙間である。しかし、実施形態に係るセルシール１９はゴム製なため、この隙間は埋められずに残ってガスの一部が流入する隙間溝２６となってしまう。隙間溝２６に流入したガスは触媒層１１ｂに接触することがないため、電気化学反応に寄与せずにガス排出口１３から排出される。よって、隙間溝２６に流入するガスの圧力分だけ、ガスを多く供給させて圧力を規定値に維持する必要があるため、余分なエネルギーが必要になる。

【0020】

そこで、実施形態に係る単セル１０では、隙間溝２６と触媒層１１ｂの端辺との間にガス流路１８の流路方向αに沿って凸条部２８が設けられる。凸条部２８は、ガス流路１８の流入端部及び流出端部を超えてＧＤＬ２１の両端辺まで延在させることが望ましい。
また、図３に示される断面視では、凸条部２８は、セパレータ１７からＧＤＬ２１に向けて突出してＧＤＬ２１を押圧する。
凸条部２８によるＧＤＬ２１の押圧箇所ではＧＤＬ２１内を流動するガスの圧力損失が大きくなるため、ＧＤＬ２１から隙間溝２６へのガスの流入が抑制される。

【0021】

なお、図３に示されるＩＩ－ＩＩ線（図２）による凸条部２８の断面は、三角形又は半円形をしていることが望ましい。
例えば凸条部２８が矩形の場合、凸条部２８でＧＤＬ２１を押圧する際、押圧箇所に荷重が集中して、その分だけＧＤＬ２１のその他の箇所にかかる荷重が低減する。このように荷重が偏在して、触媒層１１ｂとＧＤＬ２１の設計していた荷重値より下がると単セル１０内の接触抵抗が増加し出力が低下する。また、押圧箇所に荷重が集中すると、ＧＤＬ２１からセルシール１９にかかる荷重も低減して、セルシール１９の気密性が低下する。セルシール１９の気密性が低下すると、水素ガスが漏出するおそれがあり安全性が低下する。

【0022】

同様の観点から、荷重の集中を防止するため、アノード側の凸条部２８とカソード側の凸条部２８とは、押圧時の荷重中心が上面視で重ならないようにずらされて配置される。ただし、凸条部２８で押圧することでＧＤＬ２１の押圧箇所の剛性が高まることを利用するため、アノード側の凸条部２８とカソード側の凸条部２８とは、離れすぎない位置に配置することが望ましい。アノード側の凸条部２８とカソード側の凸条部２８との配置位置関係は、押圧箇所及びその周辺の押圧箇所の荷重値に注目して決定される。

【0023】

また、凸条部２８の高さは、約２００μｍ～３００μｍ程のＧＤＬ２１の厚みの１／１０～１／２０程度の高さで、押圧箇所のＧＤＬ２１への荷重値に注目して調整される。
また、凸条部２８の本数及び横幅についても、押圧箇所のＧＤＬ２１への荷重値に注目して調整される。凸条部２８の形成には、例えば、セパレータ１７の厚みに凸条部２８の高さを加えた厚さの板から切削して成形させる方法やプレスで成形する方法が用いられる。

【0024】

なお、ＧＤＬ２１の端辺は、隙間溝２６の一壁面を構成している。一壁面に樹脂などを塗布することでガスの不透過層２９を形成させてもよい。不透過層２９を設けることで、凸条部２８による効果と同様に、ＧＤＬ２１で拡散したガスの隙間溝２６への流入を阻止することができる。

【0025】

また、図４は、実施形態の変形例に係る単セル１０ａ（１０）のセパレータ１７端部の部分上面図である。なお、図４及び後述する図５においても図２と同様に、セパレータ１７上にセルシール１９及び破線表示のＧＤＬ２１も併せて表示している。
隙間溝２６へのガスの流入防止効果を高めるために、図４に示されるように、隙間溝２６の開口端部３１の一方をセルシール１９ａ（１９）により封止することが望ましい。セパレータ１７にＧＤＬ２１を敷設する際、ＧＤＬ２１をスライドさせてその一辺をセルシール１９ａに密着させることで、開口端部３１の一方は封止される。

【0026】

なお、封止する開口端部３１は、ガスの流入側であることが望ましい。ただし、ガスの流出側の開口端部３１を封止しても一定の圧力損失によるガスの隙間溝２６への流入の抑制を期待することができる。なお、ガス流路１８を形成している凹凸の凸部１８ａの端部をセルシール１９ａに密着させることによっても隙間溝２６の開口端部３１を封止することができる。

【0027】

また、図５は、実施形態の第２の変形例に係る単セル１０ｂ（１０）のセパレータ１７端部の部分上面図である。
ガス供給口１２から隙間溝２６ａ（２６）へのガスの流入を防止するため、図５に示されるように、隙間溝２６ａを蛇行させてもよい。具体的は、セルシール１９ｂ（１９）とＧＤＬ２１ａ（２１）とのそれぞれの対向面に凹凸を設けることで、隙間溝２６ａを蛇行形状にする。隙間溝２６ａを蛇行させることで、ガス供給口１２から隙間溝２６ａに流入しようとするガスには圧力損失が発生するため、ガスの隙間溝２６ａへの流入が抑制される。

【0028】

以上のように、実施形態に係る単セル１０によれば、隙間溝２６への水素ガスの流入量を抑制することができるため、生成水を押し出すために昇圧させている水素ガスの流量を削減することができる。また、酸化剤ガスの流量も削減することができるため、コンプレッサの電力消費を抑えることができる。よって、単セル１０によれば、発電に寄与しないガスを低減させることができる。

【0029】

本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。
実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

【0030】

例えば、実施形態ではセパレータのガス流路がセパレータの長手方向に沿う例で説明したが、ガス流路の向きや形状は特に限定されない。
また、実施形態ではセルシールがゴム製である例で説明したが、本発明はセルシールの材質を問わず隙間溝が発生してしまう多様な単セルに適用可能である。

【符号の説明】

【0031】

１０（１０ａ，１０ｂ）…燃料電池セル（単セル）、１１…膜電極接合体（ＭＥＡ）、１１ａ（１１）…電解質膜、１１ｂ（１１）…触媒層、１２…ガス供給口、１３…ガス排出口、１４…位置合わせ孔、１５…位置決めピン、１７…セパレータ、１８（１８ａ）
…ガス流路(ガス流路の凸部)、１９（１９ａ，１９ｂ）…セルシール、２１（２１ａ）…ガス拡散層（ＧＤＬ）、２６（２６ａ）…隙間溝、２８…凸条部、２９…不透過層、３０…反応空間、３１…開口端部、５０…燃料電池装置、５１…エンドプレート、α…流路方向、ＧＡＳ…ガス（酸化剤ガス，水素ガス，水蒸気）。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】