JP2004319461A - 燃料電池用電解質膜構造、燃料電池用電解質膜−電極接合体構造、及び燃料電池 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 高分子電解質膜63を一対の電極層71,71で挟んでなる電解質膜−電極接合体と、前記電解質膜−電極接合体を挟持する、ガス流路35,41を有した一対のセパレータ30,36とを備え、前記電解質膜−電極接合体の周縁部と前記一対のセパレータ30,36との間に、前記高分子電解質膜63と前記一対のセパレータ30,36との間および前記一対のセパレータ30,36間をシールするためのシール構造が設けられている高分子電解質型燃料電池において、前記シール構造が、前記周縁部を覆うようにして挟持する弾性率が2000MPa以上2000000MPa以下の枠体20と、前記枠体と前記一対のセパレータとの間に配置された弾性率が0MPaより大きく200MPa以下の弾性体50,55とを備えている。
【選択図】 図17
Description
本発明の実施の形態1に係る高分子電解質型燃料電池は、高分子電解質膜の周縁部に、当該周縁部を継ぎ目無く覆うようにして挟持する高剛性の枠体を形成してこれを電解質膜構造とし、この電解質膜構造を、弾性体を介してセパレータで挟持してシール構造を形成することにより、ガスのクロスリークを防止することができるものである。なお、このような高剛性の枠体を形成する最も簡便な方法は、高分子電解質膜の周縁部を高剛性の樹脂で封着被覆することである。すなわち、高分子電解質膜をインサート部品としたインサート成型を行うことにより、このような枠体を容易に製造することができる。
図11は、本発明の実施例1に係る高分子電解質型燃料電池が備える枠体のアノード側の面の構成を示す平面図である。また図12は、同じく枠体のカソード側の面の構成を示す平面図である。
前述した12セルスタックの水素マニフォルドに、コージェネレーション用燃料電池の常用圧力の3倍である圧力30kPaの窒素ガス供給源を接続し、カソード側から漏れ出てくるガス量を計測するクロスリーク試験。
前述した上記12セルスタックの水素マニフォルドへの供給ガス圧を漸次増大させ、カソード側から漏れ出てきた時点での供給元圧を測定するクロスリーク試験。
実施の形態1では枠体とセパレータとの間に弾性体を配置した。これに対し、実施の形態2は、弾性のあるセパレータを用いることによって実施の形態1におけるゴムシートのような弾性体が不要である高分子電解質型燃料電池である。具体的には、膨張黒鉛などに樹脂を配合してプレス成形したような成形セパレータ(弾性率は150MPa程度)を用いることにより、セパレータ自身に弾性を持たせる。この場合、枠体に高強度(望ましくは弾性率10000MPa以上)の材料を用い、例えば枠体にビード(3角リブ)を設けてセパレータに食い込むような構造とすることにより、スタック組み立て時の締結力を低減しながら必要な変位量を確保することができるなどの、材料的、形状的な工夫を施すことが好ましい。
図20は本発明の実施例2に係る高分子電解質型燃料電池の水マニフォルド近傍の構成を示す部分断面図であり、図21は同じく空気マニフォルド近傍の構成を示す部分断面図である。なお、図20および図21はそれぞれ、実施の形態1における図17および図18に示す場合と同様の部位のスタックの断面図である。また、図20では、図17と同様に、説明の便宜上、アノードセパレータ30およびカソードセパレータ36に設けられている冷却水流路および冷却水面のシール構造については省略されている。
実施の形態3は、実施の形態1で述べたセパレータと弾性体とをインサート成型によって一体化することにより得られる高分子電解質型燃料電池である。
図36は、本発明の実施例3に係る高分子電解質型燃料電池が備える枠体のカソード側の面に圧接されるカソードセパレータの要部の構成を示す平面図である。また、図37は、実施の形態1における図17に示す場合と同様の部位の構成を示す部分断面図である。この図37は、図36のZ−Z線に想到する部位のスタックの断面図となる。なお、図37では、図17と同様に、説明の便宜上、アノードセパレータ30およびカソードセパレータ36に設けられている冷却水流路および冷却水面のシール構造については省略されている。
実施の形態4に係る高分子電解質型燃料電池は、実施の形態1で述べた枠体と弾性体とを一体化することにより得られる。すなわち、実施の形態1で述べた電解質膜をインサート部品とした枠体のインサート成型の後工程として、電解質膜がインサートされた枠体をインサート部品として、弾性体をインサート成型する。
図22は、本発明の実施例4に係る高分子電解質型燃料電池が備える枠体のアノード側の面の構成を示す平面図である。また図23は、同じく枠体のカソード側の面の構成を示す平面図である。なお、実施例4においても、各マニフォルド、ボルト孔などが実施の形態1の場合と同様に設けられているため、同一符号を付して説明を省略する。
実施例5は、実施例4の場合とは異なる二色成形工法により得られる高分子電解質型燃料電池である。
実施の形態4においては、基本的に枠体と弾性体とが共通成分を有しており、成形によって両者が融着することを前提としている。しかしながら、特に電池の大面積化に伴い、枠体および弾性体に相当の流動性が必要な場合、化学的安定性その他の要請をも考慮に入れると、上記のような理想的な材料選定が不可能なことがある。実施の形態5は、そのような場合にも枠体と弾性体とが剥離する等の不具合が起きないように工夫されたものである。
図27は本発明の実施例6に係る高分子電解質型燃料電池が備える枠体および弾性体の構成を示す平面図である。また、図28は、図27のZ−Z線矢視図である。なお、実施例6においても、枠体および弾性体には各マニフォルド、ボルト孔などが実施例1の場合と同様に設けられているため、同一符号を付して説明を省略する(便宜上枠体に形成されている各マニフォルド、ボルト孔の符号のみを付してある)。
実施の形態6は、実施の形態4、5の場合と異なり、別ピースの枠体一対に高分子電解質膜を挟持したものをインサート部品とし、一括して弾性体材料でインサート成形することにより得られるものである。この工法は、枠体として適用可能な樹脂材料に二重成形性が乏しい場合、または、必要な金型温度が高分子電解質膜のインサート成形(通常金型温度130度以下で行われる)の許容範囲を超え、枠体材料による高分子電解質膜のインサート成形が困難な場合などに有効である。すなわち、例えば特に薄肉成形のために型温度を上げたい場合、または後収縮を起こしやすい材料(通常、金型温度が高いほどこの度合いは小さい)を適用したい場合などに有効である。この工法を用いることにより材料の選定範囲が広がるため好ましい。また、この工法では枠体材料は樹脂材料に限定されることはなく、金属板、セラミック板等が適用可能となる。従って、電池の大型化に伴って枠体が大面積化したことにより薄肉成型が困難となるような場合等であってもこの工法を用いることにより本発明を実施することが可能となる。
図29は本発明の実施例7に係る高分子電解質型燃料電池が備える枠体および弾性体の構成を示す平面図である。また、図30は、図29のZ−Z線矢視図である。なお、実施例7においても、枠体および弾性体には各マニフォルド、ボルト孔などが実施例1の場合と同様に設けられているため、同一符号を付して説明を省略する(便宜上枠体に形成されている各マニフォルド、ボルト孔の符号のみを付してある)。
実施例7では、前述したように、枠体20となる一色目の材料としてガラスフィラー添加液晶ポリマーを採用したが、他のものを採用することも可能である。そこで、実施例8として、液晶ポリマーに換えて、プレス打ちぬきした後フッ素コート処理を行った厚み0.25mmのSUS316金属板を用いた場合についても、常用クロスリーク試験および限界クロスリーク試験を実施した。
実施例7および実施例8において、弾性体の成形においても、選定材料の成形に必要な金型温度が、高分子電解質膜にダメージを与えるおそれがある温度域である場合がある。実施の形態7では、このような場合を考慮している。具体的には、別ピース型の枠体の表裏にわたるよう、部分的に貫通または表面の全面を被覆する等の様式で弾性体を成形し、この一対の弾性体で高分子電解質膜の周縁部を挟持して、セル締結力により高分子電解質膜の周囲およびセパレータ/ガスケット間のシールを行う。したがって、一の枠体とセパレータとの間、他の枠体とセパレータとの間、および一の枠体と他の枠体との間のそれぞれに弾性体が配置されることになる。本実施の形態の構成を必要とする場合としては、例えば車載用に比して長期運転が必要なコージェネレーション用スタックを製作する場合であって、シール材の長期的安定性の観点からフッ素系エラストマー(その好ましい金型温度は一般的に150度超)を選定したいとき等がある。この場合、弾性体の垂れ込み防止の観点から枠体材料は極力機械的強度(特に弾性率)が高いことが必要で、GF(ガラスフィラー入り)のスーパーエンプラ等が好ましい。
図31は本発明の実施例9に係る高分子電解質型燃料電池が備える枠体および弾性体の構成を示す平面図である。また、図32は、図31のZ−Z線矢視図であって、(a)、(b)は当該構成を作製する手順を示す断面図である。なお、実施例9においても、枠体および弾性体には各マニフォルド、ボルト孔などが実施例1の場合と同様に設けられているため、同一符号を付して説明を省略する(便宜上枠体に形成されている各マニフォルド、ボルト孔の符号のみを付してある)。
本実施の形態に係るシール構造としては、図33および図34に示すものも考えられる。図33は本発明の実施例10に係る高分子電解質型燃料電池が備える枠体および弾性体の変形例の構成を示す平面図である。また、図34は、図33のZ−Z線矢視図であって、(a)、(b)は当該構成を作製する手順を示す断面図である。
20a,20b 枠体
21 空気マニフォルド
22 水素マニフォルド
23 水マニフォルド
24 ボルト孔
25 MEA
26 開口部
30 アノードセパレータ
31 空気マニフォルド
32 水素マニフォルド
33 水マニフォルド
34 ボルト孔
35 水素流路
36 カソードセパレータ
37 空気マニフォルド
38 水素マニフォルド
39 水マニフォルド
40 ボルト孔
41 空気流路
50 ゴムシート
51 空気マニフォルド
52 開口部
53 水マニフォルド
54 ボルト孔
55 ゴムシート
56 開口部
57 水素マニフォルド
58 水マニフォルド
59 ボルト孔
61 第1成形部
62 第2成形部
63 高分子電解質膜
64 凹部
70 触媒層
71 ガス拡散電極
81 弾性体
82 溝
84 溝
85 弾性体
86 溝
90 弾性体
90a,90b 弾性体
91 ビード
91a,91b ビード
92a,92b 傾斜部
93a,93b リブ
Claims (18)
- 一対の電極層で挟まれて燃料電池用電解質膜−電極接合体を構成する燃料電池用電解質膜と、
前記燃料電池用電解質膜の周縁部を覆うようにして挟持する、弾性率が2000MPa以上2000000MPa以下の枠体とを備え、
前記燃料電池用電解質膜−電極接合体がガス流路を有した一対のセパレータにより挟持され、前記枠体と前記一対のセパレータとの間に、弾性率が0MPaより大きく200MPa以下の弾性体が配置されることにより、前記燃料電池用電解質膜と前記一対のセパレータとの間および前記一対のセパレータ間がシールされるように構成されている、燃料電池用電解質膜構造。 - 燃料電池用電解質膜を一対の電極層で挟んでなり、前記燃料電池用電解質膜−電極接合体がガス流路を有した一対のセパレータにより挟持されるように構成されている燃料電池用電解質膜−電極接合体と、
前記燃料電池用電解質膜の周縁部を覆うようにして挟持する、弾性率が2000MPa以上2000000MPa以下の枠体とを備え、
前記枠体と前記一対のセパレータとの間に、弾性率が0MPaより大きく200MPa以下の弾性体が配置されることにより、前記燃料電池用電解質膜と前記一対のセパレータとの間および前記一対のセパレータ間がシールされるように構成されている、燃料電池用電解質膜−電極接合体構造。 - 燃料電池用電解質膜を一対の電極層で挟んでなり、ガス流路を有した一対のセパレータにより挟持されるように構成されている燃料電池用電解質膜−電極接合体と、
前記燃料電池用電解質膜の周縁部を覆うようにして挟持する、弾性率が2000MPa以上2000000MPa以下の枠体とを備え、
前記枠体には、弾性率が0MPaより大きく200MPa以下の弾性体が設けられており、
前記枠体と前記弾性体とにより、前記燃料電池用電解質膜と前記一対のセパレータとの間および前記一対のセパレータ間がシールされるように構成されている、燃料電池用電解質膜−電極接合体構造。 - 前記枠体と前記弾性体とは一体化されている、請求項3に記載の燃料電池用電解質膜−電極接合体構造。
- 前記枠体と前記弾性体とは融着されている、請求項4に記載の燃料電池用電解質膜−電極接合体構造。
- 前記弾性体は、前記枠体の表面の全面を覆うようにして配置されている、請求項4に記載の燃料電池用電解質膜−電極接合体構造。
- 前記枠体が前記弾性体により投錨されている、請求項4に記載の燃料電池用電解質膜−電極接合体構造。
- 前記枠体には少なくとも一つのアンダーカットが設けられており、当該アンダーカットに前記弾性体が充填されている、請求項4に記載の燃料電池用電解質膜−電極接合体構造。
- 燃料電池用電解質膜を一対の電極層で挟んでなる燃料電池用電解質膜−電極接合体と、前記燃料電池用電解質膜−電極接合体を挟持する、ガス流路を有した一対のセパレータとを備え、前記燃料電池用電解質膜−電極接合体の周縁部と前記一対のセパレータとの間に、前記燃料電池用電解質膜と前記一対のセパレータとの間および前記一対のセパレータ間をシールするためのシール構造が設けられている燃料電池において、
前記シール構造は、前記周縁部を覆うようにして挟持する弾性率が2000MPa以上2000000MPa以下の枠体と、前記枠体と前記一対のセパレータとの間に配置された弾性率が0MPaより大きく200MPa以下の弾性体とを備えることを特徴とする燃料電池。 - 前記セパレータと前記弾性体とは一体化されている、請求項9に記載の燃料電池。
- 前記弾性体と前記枠体とは一体化されている、請求項9に記載の燃料電池。
- 前記弾性体と前記枠体とは融着されている、請求項11に記載の燃料電池。
- 前記弾性体は、前記枠体の表面の全面を覆うようにして配置されている、請求項11に記載の燃料電池。
- 前記枠体が前記弾性体により投錨されている、請求項11に記載の燃料電池。
- 前記枠体には少なくとも一つのアンダーカットが設けられており、当該アンダーカットに前記弾性体が充填されている、請求項11に記載の燃料電池。
- 燃料電池用電解質膜を一対の電極層で挟んでなる燃料電池用電解質膜−電極接合体と、前記燃料電池用電解質膜−電極接合体を挟持する、ガス流路を有した一対のセパレータとを備え、前記燃料電池用電解質膜−電極接合体の周縁部と前記一対のセパレータとの間に、前記燃料電池用電解質膜と前記一対のセパレータとの間および前記一対のセパレータ間をシールするように構成されている燃料電池において、
前記周縁部を覆うようにして挟持する弾性率が2000MPa以上2000000MPa以下の枠体を備え、
当該枠体は、弾性率が0MPaより大きく200MPa以下である前記一対のセパレータにより挟持されていることを特徴とする燃料電池。 - 燃料電池用電解質膜を一対の電極層で挟んでなる燃料電池用電解質膜−電極接合体と、前記燃料電池用電解質膜−電極接合体を挟持する、ガス流路を有した一対のセパレータとを備え、前記燃料電池用電解質膜−電極接合体の周縁部と前記一対のセパレータとの間に、前記燃料電池用電解質膜と前記一対のセパレータとの間および前記一対のセパレータ間をシールするためのシール構造が設けられている燃料電池において、
前記シール構造は、弾性率が2000MPa以上2000000MPa以下の第1の枠体および第2の枠体と、弾性率が0MPaより大きく200MPa以下の弾性体とを備え、前記第1の枠体と一方の前記セパレータとの間、前記第2の枠体と他方の前記セパレータとの間、および前記第1の枠体と前記第2の枠体との間に前記弾性体が配置され、前記第1の枠体と前記第2の枠体との間に配置されている弾性体が前記周縁部を覆うようにして挟持していることを特徴とする燃料電池。 - 前記弾性体は、前記第1の枠体および前記第2の枠体の表面の全面を覆うようにして配置されている、請求項17に記載の燃料電池。
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