IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2022.1.31 β版

知財求人 - 知財ポータルサイト「IP Force」

▶ 本田技研工業株式会社の特許一覧

<>
  • 特開-燃料電池 図1
  • 特開-燃料電池 図2
< >
(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】P2024030464
(43)【公開日】2024-03-07
(54)【発明の名称】燃料電池
(51)【国際特許分類】
   H01M 8/2418 20160101AFI20240229BHJP
   H01M 8/10 20160101ALN20240229BHJP
【FI】
H01M8/2418
H01M8/10 101
【審査請求】有
【請求項の数】3
【出願形態】OL
(21)【出願番号】P 2022133389
(22)【出願日】2022-08-24
(71)【出願人】
【識別番号】000005326
【氏名又は名称】本田技研工業株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100077665
【弁理士】
【氏名又は名称】千葉 剛宏
(74)【代理人】
【識別番号】100116676
【弁理士】
【氏名又は名称】宮寺 利幸
(74)【代理人】
【識別番号】100191134
【弁理士】
【氏名又は名称】千馬 隆之
(74)【代理人】
【識別番号】100136548
【弁理士】
【氏名又は名称】仲宗根 康晴
(74)【代理人】
【識別番号】100136641
【弁理士】
【氏名又は名称】坂井 志郎
(74)【代理人】
【識別番号】100180448
【弁理士】
【氏名又は名称】関口 亨祐
(72)【発明者】
【氏名】堀合 洸大朗
(72)【発明者】
【氏名】麦島 丈弘
(72)【発明者】
【氏名】長▲崎▼ 仁志
【テーマコード(参考)】
5H126
【Fターム(参考)】
5H126AA22
5H126BB06
5H126CC06
(57)【要約】      (修正有)
【課題】発電電力を安定して取り出すことができる平面配列型燃料電池を提供する。
【解決手段】燃料電池10は、アノード電極22と電気的に絶縁される第1セパレータ16と、アノード電極22に接続され、第1セパレータ16と電気的に絶縁された状態で第1セパレータ16の内部を通る第1導電部材40と、カソード電極24と電気的に絶縁される第2セパレータ18と、カソード電極24に接続され、第2セパレータ18と電気的に絶縁された状態で第2セパレータ18の内部を通る第2導電部材42と、を備える。
【選択図】図1
【特許請求の範囲】
【請求項1】
複数のアノード電極部に分割されるアノード電極と、複数のカソード電極部に分割されるカソード電極と、前記アノード電極と前記カソード電極との間に配置される電解質膜と、前記電解質膜に複数形成され、前記アノード電極部と前記カソード電極部とを接続するインナーコネクタ部とを有する燃料電池であって、
前記アノード電極と電気的に絶縁され、前記電解質膜に向く前記アノード電極の面とは反対側の前記アノード電極の面に向く第1セパレータと、
前記アノード電極に接続され、前記第1セパレータと電気的に絶縁された状態で前記第1セパレータの内部を通り、前記アノード電極に向く前記第1セパレータの面以外から露出する第1導電部材と、
前記カソード電極と電気的に絶縁され、前記電解質膜に向く前記カソード電極の面とは反対側の前記カソード電極の面に向く第2セパレータと、
前記カソード電極に接続され、前記第2セパレータと電気的に絶縁された状態で前記第2セパレータの内部を通り、前記カソード電極に向く前記第2セパレータの面以外から露出する第2導電部材と、
を備える燃料電池。
【請求項2】
請求項1に記載の燃料電池であって、
前記第1導電部材は、前記アノード電極に向く前記第1セパレータの面とは反対側の前記第1セパレータの面である第1面から露出し、
前記第2導電部材は、前記カソード電極に向く前記第2セパレータの面とは反対側の前記第2セパレータの面である第2面から露出する、燃料電池。
【請求項3】
請求項2に記載の燃料電池であって、
発電電力を取り出すための複数の発電タブをさらに備え、
前記複数の発電タブの1つは、前記第1導電部材と接続された状態で前記第1面に接合され、
前記複数の発電タブの他の1つは、前記第2導電部材と接続された状態で前記第2面に接合される、燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、燃料電池に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、より多くの人々が手ごろで信頼でき、持続可能かつ先進的なエネルギーへのアクセスを確保できるようにするため、エネルギーの効率化に貢献する燃料電池に関する研究開発が行われている。また、地球環境に与える負荷を軽減するため、自動車の排気ガス規制が一段と進んでいる。そのため、自動車等の移動体において、内燃機関に代替して燃料電池を搭載することが試みられている。燃料電池が搭載された移動体では、CO2、SOxおよびNOX等が排出されないため、地球環境に与える負荷が軽減される。
【0003】
燃料電池は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する。燃料電池として、1枚の電解質膜の面方向に複数のセルブロックが形成された平面配列型の燃料電池が知られている(特許文献1参照)。
【0004】
平面配列型の燃料電池では、電解質膜に形成されたインナーコネクタ部によって、複数のセルブロックが直列に接続される。したがって、平面配列型の燃料電池では、1枚の電解質膜で高電圧の電力を得ることができるといったメリットがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】国際公開第2017/047342号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
平面配列型の燃料電池では、電解質膜の一方の面に向くアノード電極が複数のアノード電極部に分割される。アノード電極部同士の短絡を防ぐために、電解質膜を向くアノード電極の面とは反対側の面に向く金属のセパレータの表面は絶縁部材で被膜される。同様に、電解質膜の他方の面に向くカソード電極が複数のカソード電極部に分割される。カソード電極部同士の短絡を防ぐために、電解質膜を向くカソード電極の面とは反対側の面に向く金属のセパレータの表面は絶縁部材で被膜される。一般に、金属のセパレータは、発電電力を取り出すための導体として用いられている。
【0007】
しかし、金属のセパレータが発電電力を取り出すための導体として用いられると、絶縁部材が破壊されることが懸念された。よって、発電電力を安定して取り出すことが課題として挙がった。
【0008】
本発明は、上述した課題を解決することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0009】
本発明の態様は、複数のアノード電極部に分割されるアノード電極と、複数のカソード電極部に分割されるカソード電極と、前記アノード電極と前記カソード電極との間に配置される電解質膜と、前記電解質膜に複数形成され、前記アノード電極部と前記カソード電極部とを接続するインナーコネクタ部とを有する燃料電池であって、前記アノード電極と電気的に絶縁され、前記電解質膜に向く前記アノード電極の面とは反対側の前記アノード電極の面に向く第1セパレータと、前記アノード電極に接続され、前記第1セパレータと電気的に絶縁された状態で前記第1セパレータの内部を通り、前記アノード電極に向く前記第1セパレータの面以外から露出する第1導電部材と、前記カソード電極と電気的に絶縁され、前記電解質膜に向く前記カソード電極の面とは反対側の前記カソード電極の面に向く第2セパレータと、前記カソード電極に接続され、前記第2セパレータと電気的に絶縁された状態で前記第2セパレータの内部を通り、前記カソード電極に向く前記第2セパレータの面以外から露出する第2導電部材と、を備える。
【発明の効果】
【0010】
本発明の態様によれば、第1セパレータおよび第2セパレータは電気的に浮いた状態である。したがって、金属により形成される第2セパレータ(または第1セパレータ)に水分が浸透しても、水分を介した電気化学反応による第2セパレータ(または第1セパレータ)の腐食を抑制することができる。その結果、アノード電極と電気的に絶縁される第1セパレータおよびカソード電極と電気的に絶縁される第2セパレータの絶縁破壊が抑制され、発電電力を安定して取り出すことができる。
【図面の簡単な説明】
【0011】
図1図1は、燃料電池の一部を示す断面図である。
図2図2は、比較例の燃料電池の一部を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0012】
図1は、燃料電池10の一部を示す断面図である。燃料電池10は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する。燃料ガスは、水素を含有するガスである。酸化剤ガスは、酸素を含有するガスである。酸化剤ガスは、空気であってもよい。燃料電池10では、複数の単位セル12が積層される。各単位セル12は同等の構造を有する。図1では、複数の単位セル12のうちの1つが示されている。
【0013】
単位セル12は、膜電極接合体14と、第1セパレータ16と、第2セパレータ18とを有する。膜電極接合体14は、MEAと略称される場合がある。膜電極接合体14は、電解質膜20と、アノード電極22と、カソード電極24とを含む。膜電極接合体14は、第1セパレータ16と第2セパレータ18との間に配置される。
【0014】
第1セパレータ16は、電解質膜20に向くアノード電極22の面とは反対側のアノード電極22の面に向く。第1セパレータ16は、金属により形成される。少なくともアノード電極22に向く第1セパレータ16の面は、第1絶縁膜部材26により被覆される。本実施形態では、第1セパレータ16の第1面16F以外の第1セパレータ16の表面が第1絶縁膜部材26により被覆されている。第1セパレータ16の第1面16Fは、アノード電極22の面に向く第1セパレータ16の面とは反対側の第1セパレータ16の面である。アノード電極22に向く第1セパレータ16の面には、複数の燃料ガス流路28が形成される。複数の燃料ガス流路28は、第1セパレータ16の面方向に間隔をあけて延びている。
【0015】
第2セパレータ18は、電解質膜20に向くカソード電極24の面とは反対側のカソード電極24の面に向く。第2セパレータ18は、金属により形成される。少なくともカソード電極24に向く第2セパレータ18の面は、第2絶縁膜部材30により被覆される。本実施形態では、第2セパレータ18の第2面18F以外の第2セパレータ18の表面が第2絶縁膜部材30により被覆されている。第2セパレータ18の第2面18Fは、カソード電極24の面に向く第2セパレータ18の面とは反対側の第2セパレータ18の面である。カソード電極24に向く第2セパレータ18の面には、複数の酸化剤ガス流路32が形成される。複数の酸化剤ガス流路32は、第2セパレータ18の面方向に間隔をあけて延びている。
【0016】
電解質膜20は、例えば、水分を含んだパーフルオロスルホン酸の薄膜等の固体高分子電解質膜(陽イオン交換膜)である。電解質膜20は、フッ素系電解質膜であってもよいし、HC(炭化水素)系電解質膜であってもよい。電解質膜20は、アノード電極22とカソード電極24とに挟持される。
【0017】
アノード電極22は、電解質膜20の一方の面に向く。アノード電極22は、アノード触媒層およびガス拡散層を含んでもよい。アノード触媒層は、燃料ガス中の水素の酸化反応に対する触媒を含む層である。アノード触媒層は、電解質膜20の一方の面に接合される。ガス拡散層は、燃料ガス流路28から供給される燃料ガスを拡散させてアノード触媒層に供給するための層である。ガス拡散層は、電解質膜20に向くアノード触媒層の面とは反対の触媒層の面に接合される。
【0018】
カソード電極24は、電解質膜20の他方の面に向く。カソード電極24は、カソード触媒層およびガス拡散層を含んでもよい。カソード触媒層は、酸素の還元反応に対する触媒を含む層である。カソード触媒層は、電解質膜20の他方の面に接合される。ガス拡散層は、酸化剤ガス流路32から供給される酸化剤ガスを拡散させてカソード触媒層に供給するための層である。ガス拡散層は、電解質膜20に向くカソード触媒層の面とは反対の触媒層の面に接合される。
【0019】
アノード触媒層およびカソード触媒層は、触媒金属が担持された炭素粒子を含んでもよい。触媒金属として、白金、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、パラジウム、オスニウム、タングステン、鉛、鉄、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、アルミニウム等の金属が挙げられる。2種以上の金属が組み合わされてもよい。アノード触媒層およびカソード触媒層は、ガスとの接触面積を大きくするために、多孔性の構造であってもよい。ガス拡散層は、炭素粒子を含んでもよい。ガス拡散層は、ガスを効率よく拡散させるために、多孔性の構造であってもよい。
【0020】
本実施形態では、単位セル12に複数のセルブロック12BLが形成される。図1では、理解を容易にするために、セルブロック12BLの一部が破線で囲まれている。各セルブロック12BLは、構成要素として、1つのアノード電極部22PTと、1つのカソード電極部24PTと、それら電極部の間に配置された電解質膜20とを含む。
【0021】
アノード電極部22PTは、アノード電極22の一部分である。アノード電極部22PTは、分割溝34によって形成される。つまり、アノード電極22は、分割溝34によって複数のアノード電極部22PTに分割される。分割溝34は、アノード電極22の第1辺縁から、第1辺縁とは反対側の第2辺縁まで、燃料ガス流路28に沿って延びる。アノード電極部22PTは、分割溝34の延伸方向を長辺、2つの分割溝34間を短辺とする矩形状であってもよい。
【0022】
カソード電極部24PTは、カソード電極24の一部分である。カソード電極部24PTは、分割溝36によって形成される。つまり、カソード電極24は、分割溝36によって複数のカソード電極部24PTに分割される。分割溝36は、カソード電極24の第1辺縁から、第1辺縁とは反対側の第2辺縁まで、酸化剤ガス流路32に沿って延びる。カソード電極部24PTは、分割溝36の延伸方向を長辺、2つの分割溝36間を短辺とする矩形状であってもよい。
【0023】
複数のセルブロック12BLは、インナーコネクタ部38によって直列に接続される。インナーコネクタ部38は、アノード電極部22PTと、カソード電極部24PTとを電気的に接続する。この場合、インナーコネクタ部38は、隣り合うセルブロック12BLの一方のアノード電極部22PTと、当該隣り合うセルブロック12BLの他方のカソード電極部24PTとを接続する。インナーコネクタ部38は、電解質膜20に形成される。インナーコネクタ部38は、例えば、電解質膜20の局部を加熱して局部を炭化させることによって形成される。インナーコネクタ部38は、プロトン伝導性樹脂由来の導電性炭化物であってもよい。プロトン伝導性樹脂として、芳香族ポリアリーレンエーテルケトン類、芳香族ポリアリーレンエーテルスルホン類等の炭化水素系ポリマーにスルホン酸基を導入した芳香族系高分子化合物が挙げられる。
【0024】
本実施形態では、燃料電池10は、第1導電部材40と、第2導電部材42と、複数の発電タブ44とをさらに備える。
【0025】
第1導電部材40および第2導電部材42は、導電性をもつ部材である。第1導電部材40および第2導電部材42は、例えば、黒鉛により形成される。
【0026】
第1導電部材40は、アノード電極22に接続される。この場合、第1導電部材40は、アノード電極22を構成する複数のアノード電極部22PTのうちの1つに接続される。第1導電部材40が接続されるアノード電極部22PTは、直列に接続された複数のセルブロック12BLのうち、終端に接続されるセルブロック12BLのアノード電極部22PTである。
【0027】
第1導電部材40は、第1セパレータ16と電気的に絶縁された状態で第1セパレータ16の内部を通り、第1セパレータ16の第1面16Fから露出する。この場合、第1導電部材40は、第1セパレータ16の貫通孔16Hを通る。貫通孔16Hは、第1セパレータ16の厚み方向に沿って延び、第1セパレータ16の第1面16Fと、その第1面16Fと反対側の面とに開口する。貫通孔16Hの内面は第1絶縁膜部材26により被覆される。
【0028】
第2導電部材42は、カソード電極24に接続される。この場合、第2導電部材42は、カソード電極24を構成する複数のカソード電極部24PTのうちの1つに接続される。第2導電部材42が接続されるカソード電極部24PTは、直列に接続された複数のセルブロック12BLのうち、先端に接続されるセルブロック12BLのカソード電極部24PTである。なお、第2導電部材42が接続されるカソード電極部24PTは、終端に接続されるセルブロック12BLのカソード電極部24PTであってもよい。この場合、第1導電部材40が接続されるアノード電極部22PTは、先端に接続されるセルブロック12BLのカソード電極部24PTになる。
【0029】
第2導電部材42は、第2セパレータ18と電気的に絶縁された状態で第2セパレータ18の内部を通り、第2セパレータ18の第2面18Fから露出する。この場合、第2導電部材42は、第2セパレータ18の貫通孔18Hを通る。貫通孔18Hは、第2セパレータ18の厚み方向に沿って延び、第2セパレータ18の第2面18Fと、その第2面18Fと反対側の面とに開口する。貫通孔18Hの内面は第2絶縁膜部材30により被覆される。
【0030】
発電タブ44は、単位セル12で得られる発電電力を取り出すための導体である。発電タブ44は、金属板であってもよい。複数の発電タブ44の1つは、第1導電部材40と電気的かつ機械的に接続された状態で、接合部材46によって第1セパレータ16の第1面16Fに接合される。複数の発電タブ44の他の1つは、第2導電部材42と電気的かつ機械的に接続された状態で、接合部材46によって第2セパレータ18の第2面18Fに接合される。接合部材46は、シール性を保持する接着剤であってもよい。
【0031】
発電タブ44は、単位セル12と交互に積層される。すなわち、本実施形態の燃料電池10は、発電タブ44の層と単位セル12の層とが繰り返し積層された層構造を有する。
【0032】
図2は、比較例の燃料電池100の一部を示す断面図である。図2では、実施形態の構成要素と同等の構成要素に同一の符号が付されている。比較例の燃料電池100では、第1セパレータ16および第2セパレータ18が、発電電力を取り出すための導体として採用される。
【0033】
すなわち、比較例の燃料電池100では、発電タブ44が取り除かれる。また、第1セパレータ16の表面の概ね全体が第1絶縁膜部材26により被覆され、第2セパレータ18の表面の概ね全体が第2絶縁膜部材30により被覆される。さらに、第1導電部材40に代えて第1導電部材50が備えられ、第2導電部材42に代えて第2導電部材52が備えられる。
【0034】
第1導電部材50は、第1セパレータ16とアノード電極22とを電気的に接続する。第1導電部材50の一部は第1セパレータ16の凹部に嵌め込まれ、第1導電部材50の他の一部は末端のアノード電極部22PTに接続される。第2導電部材52は、第2セパレータ18とカソード電極24とを電気的に接続する。第2導電部材52の一部は第2セパレータ18の凹部に嵌め込まれ、第2導電部材52の他の一部は先端のカソード電極部24PTに接続される。
【0035】
比較例の燃料電池100では、第2絶縁膜部材30が破壊され得る。すなわち、第1絶縁膜部材26または第2絶縁膜部材30に極微小な欠陥が存在すると、燃料ガスまたは酸化剤ガス中に含まれる水分が欠陥から浸透する傾向にある。正極のカソード電極24と接続される第2セパレータ18に水分が浸透した場合、水分を介した電気化学反応によって、金属により形成される第2セパレータ18が腐食する。例えば、第2セパレータ18が銅により形成される場合、銅がイオン化して溶出し、腐食する。この場合、水分の導電率が上昇し、最終的にスパークが発生する。その結果、第2絶縁膜部材30が破壊される。
【0036】
これに対し、本実施形態の燃料電池10では、第1セパレータ16はアノード電極22と電気的に絶縁される。一方、アノード電極22と電気的に接続される第1導電部材40は、第1セパレータ16と電気的に絶縁された状態で第1セパレータ16の内部を通り、第1セパレータ16の外部に配置された発電タブ44に接続される。同様に、第2セパレータ18はカソード電極24と電気的に絶縁される。一方、カソード電極24と電気的に接続される第2導電部材42は、第2セパレータ18と電気的に絶縁された状態で第2セパレータ18の内部を通り、第2セパレータ18の外部に配置された発電タブ44に接続される。
【0037】
つまり、本実施形態の燃料電池10では、第1セパレータ16および第2セパレータ18は電気的に浮いた状態である。したがって、金属により形成される第2セパレータ18(または第1セパレータ16)に水分が浸透しても、水分を介した電気化学反応による第2セパレータ18(または第1セパレータ16)の腐食を抑制することができる。その結果、第1絶縁膜部材26および第2絶縁膜部材30の破壊が抑制され、発電電力を安定して取り出すことができる。
【0038】
上記の実施形態は、下記のように変形してもよい。
【0039】
例えば、アノード電極22に向く面以外の第1セパレータ16の面に第1導電部材40が露出していれば、第1導電部材40が露出する第1セパレータ16の面は、第1面16Fでなくてもよい。この場合、発電タブ44がなくてもよい。或いは、発電タブ44に代えて、絶縁膜により表面が被覆された導線が第1導電部材40に接続されてもよい。
【0040】
同様に、カソード電極24に向く面以外の第2セパレータ18の面に第2導電部材42が露出していれば、第2導電部材42が露出する第2セパレータ18の面は、第2面18Fでなくてもよい。この場合、発電タブ44がなくてもよい。或いは、発電タブ44に代えて、絶縁膜により表面が被覆された導線が第2導電部材42に接続されてもよい。
【0041】
以上に基づいて把握される発明を以下に記載する。
【0042】
(1)本発明は、複数のアノード電極部(22PT)に分割されるアノード電極(22)と、複数のカソード電極部(24PT)に分割されるカソード電極(24)と、前記アノード電極(22)と前記カソード電極(24)との間に配置される電解質膜(20)と、前記電解質膜(20)に複数形成され、前記アノード電極部(22PT)と前記カソード電極部(24PT)とを接続するインナーコネクタ部(38)とを有する燃料電池(10)であって、前記アノード電極(22)と電気的に絶縁され、前記電解質膜(20)に向く前記アノード電極(22)の面とは反対側の前記アノード電極(22)の面に向く第1セパレータ(16)と、前記アノード電極(22)に接続され、前記第1セパレータ(16)と電気的に絶縁された状態で前記第1セパレータ(16)の内部を通り、前記アノード電極(22)に向く前記第1セパレータ(16)の面以外から露出する第1導電部材(40)と、前記カソード電極(24)と電気的に絶縁され、前記電解質膜(20)に向く前記カソード電極(24)の面とは反対側の前記カソード電極(24)の面に向く第2セパレータ(18)と、前記カソード電極(24)に接続され、前記第2セパレータ(18)と電気的に絶縁された状態で前記第2セパレータ(18)の内部を通り、前記カソード電極(24)に向く前記第2セパレータ(18)の面以外から露出する第2導電部材(42)と、を備える。
【0043】
本発明によれば、第1セパレータおよび第2セパレータは電気的に浮いた状態である。したがって、金属により形成されるセパレータ(第1セパレータまたは第2セパレータ)に水分が浸透しても、水分を介した電気化学反応によるセパレータの腐食を抑制することができる。その結果、アノード電極と電気的に絶縁される第1セパレータおよびカソード電極と電気的に絶縁される第2セパレータの絶縁破壊が抑制され、発電電力を安定して取り出すことができる。
【0044】
(2)本発明は燃料電池(10)であって、前記第1導電部材(40)は、前記アノード電極(22)に向く前記第1セパレータ(16)の面とは反対側の前記第1セパレータ(16)の面である第1面(16F)から露出し、前記第2導電部材(42)は、前記カソード電極(24)に向く前記第2セパレータ(18)の面とは反対側の前記第2セパレータ(18)の面である第2面(18F)から露出してもよい。これにより、セパレータの側面から導電部材を露出する場合等に比べて、発電電力を取り出し易くなる。
【0045】
(3)本発明は燃料電池(10)であって、発電電力を取り出すための複数の発電タブ(44)をさらに備え、前記複数の発電タブ(44)の1つは、前記第1導電部材(40)と接続された状態で前記第1面(16F)に接合され、前記複数の発電タブ(44)の他の1つは、前記第2導電部材(42)と接続された状態で前記第2面(18F)に接合されてもよい。これにより、電解質膜、アノード電極、カソード電極、第1セパレータおよび第2セパレータを含む単位セルと、発電タブとを交互に積層し易くなる。
【0046】
なお、本発明は、上述した開示に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得る。
【符号の説明】
【0047】
10…燃料電池 12…単位セル
12BL…セルブロック 14…膜電極接合体
16…第1セパレータ 18…第2セパレータ
20…電解質膜 22…アノード電極
22PT…アノード電極部 24…カソード電極
24PT…カソード電極部 26…第1絶縁膜部材
28…燃料ガス流路 30…第2絶縁膜部材
32…酸化剤ガス流路 34、36…分割溝
38…インナーコネクタ部 40…第1導電部材
42…第2導電部材 44…発電タブ
46…接合部材
図1
図2