JP2005243487A - セパレータ、電解質膜電極接合体、セル、および燃料電池ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】 誤作業を防止することを考慮したセパレータ、電解質膜・電極接合体、および該セルを搭載した燃料電池ユニットを提供する。
【解決手段】 ＭＥＡ２０を構成するアノード触媒層２２の面をセパレータ１０の中央部１４と対向させて、ＭＥＡ２０とセパレータ１０とを組み合わせる。アノード触媒層２２の面はセパレータ１０の中央部１４に形成されるアノード流路を覆うように設けられる。すなわち、アノード流路を流れる燃料が電解質膜２１に接触せずにアノード触媒層２２に接触するように、ＭＥＡ２０はセパレータ１０に取り付けられる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、燃料電池ユニットを構成するセルに関し、特にセルを構成するセパレータおよび電解質膜・電極接合体に関する。

ＤＭＦＣ型燃料電池における電解質膜・電極接合体（ＭＥＡ）は電解質膜の両面にアノード触媒層とカソード触媒層とを接合する構造を有する。複数枚のＭＥＡを互いに固定するとともに電気的に直列に接続するためにセパレータの有する面に所定のＭＥＡを配設する。例えばセパレータの有する面のうち、燃料を供給するための流路が形成される面には、ＭＥＡを構成する燃料極が配設される。セパレータの有する面に所定のＭＥＡを配設した一つのユニットをＤＭＦＣセルと称す。所望の電圧、電流を得るために、複数枚のＤＭＦＣセル積層することでＤＭＦＣセルスタックを構成する。

燃料電池のセルスタックを構成するセルを積層する技術として、単セルおよびセパレータ板の貫通孔に円筒状の中間アダプタに順次はめ込むことで単位ブロックを形成し、中間アダプタの貫通孔に通されるシャフトを用いて複数個の単位ブロックを積層することで積層体を形成し、さらに積層体を締め付けることで燃料電池を製造するといった技術があった（特許文献１参照。）。
特開２００１−５７２２６号公報（第３頁、第１図）

セパレータの両面にＭＥＡを接合する作業、または、複数枚のセルを積層することでセルスタックを組み立てる作業において、次に示す問題点がある。

第１の問題点としてセパレータの有する両面に誤った電極を接合する誤作業が生じるという問題点がある。例えば正極を接合しなければならないセパレータの面に誤って負極を接合する場合がある。

第２の問題点としてＤＭＦＣセルスタックを組み立てる作業において、複数枚のＤＭＦＣセルを誤って積層する場合が生じるという問題点がある。

そこで、本発明は、誤作業を防止することを考慮したセパレータ、電解質膜電極接合体、セルおよび該セルを搭載した燃料電池ユニットを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に係る発明におけるセパレータでは、電解質膜電極接合体の電極に接合するセパレータにおいて、本体と、本体に設けられ、電極と接合することで形成される流路と、本体において、流路の周辺に設けられた第１の孔部と、本体において、流路の周辺に設けられるとともに、第１の孔部の形状と異なる形状を有する第２の孔部とを具備することを特徴とする。

また、請求項３に係る発明における電解質膜電極接合体では、電解質膜と、電解質膜の有する第１の面に接合される第１の電極と、電解質膜の有する第２の面に接合される第２の電極とを具備し、第１の電極が具備する所定のコーナにコーナカットを形成することを特徴とする。

また、請求項５に係る発明におけるセルでは、電解質膜電極接合体と電解質膜電極接合体の電極に接合するセパレータとから構成されるセルにおいて、セパレータは、本体と、本体に設けられ、電極と接合することで形成される流路と、本体において、流路の周辺に設けられた第１の孔部と、本体において、流路の周辺に設けられるとともに、第１の孔部の形状と異なる形状を有する第２の孔部とを具備し、電解質膜電極接合体は、電解質膜と、電解質膜の有する第１の面に接合される第１の電極と、電解質膜の有する第２の面に接合される第２の電極とを具備し、第１の電極が具備する所定のコーナにコーナカットを形成することを特徴とする。

また、請求項６に係る発明における燃料電池ユニットでは、セパレータとセパレータの面に接合する電解質膜電極接合体とから構成されるセルを有する燃料電池ユニットにおいて、セパレータは、プレートと、プレートの上面に設けられる溝とを具備し、電解質膜電極接合体は、電解質膜と、電解質膜の第１の面に接合され、所定のコーナがカットされた第１の電極とを具備し、溝を覆うように第１の電極の面が接合することで形成される流路を有するセルと、を具備することを特徴とする。

本発明によれば、セルおよびセルスタックの組み立て時における誤作業を防ぐことが可能となり、該セルを搭載した燃料電池ユニットの電力生成能力を向上させることが可能となる。

以下本発明に係る実施の形態を、図面を参照して説明する。

図１はセパレータを表す斜視図である。

セパレータ１０の本体は中央部１１と周辺部１２とで構成される。中央部１１には溝状の流路１３が形成される。セパレータ１０の本体の形状はプレート状である。流路１３は中央部１１の表面に溝を形成することで設けられる。流路１３はセパレータ１０の両面夫々に、後述にて説明するアノード流路およびカソード流路として設けられる。

周辺部１２には孔部が形成される。セパレータ１０の長軸沿いの周辺部１２には第１の孔部１４が形成される。第１の孔部１４は後述にて説明するセルユニットを組み立てる際にネジ止めを行うために用いられる。セパレータ１０の短軸沿いの周辺部１２には第２の孔部１５が形成される。第２の孔部１５は後述にて説明するカソード触媒層に燃料を供給するために設けられる。

周辺部１２のコーナには第３の孔部１６と第４の孔１７部とが形成される。第３の孔部１６と第４の孔部１７はセパレータ１０の対角線上に夫々位置する。第３の孔部１６および第４の孔部１７は後述にて説明するセルスタックを組み立てる際に使用される。第３の孔部１６と第４の孔部１７は精度を有し、夫々形状の異なる孔部である。次にセパレータ１０の面に配設される電解質膜・電極接合体について説明する。

図２は、電解質膜・電極接合体（ＭＥＡ）を表す斜視図である。

ＭＥＡ２０は電解質膜２１の両面にアノード触媒層２２とカソード触媒層２３とを接合することで構成される。電解質膜２１はプロトン導電膜である。電解質膜２１が有する面のうち、アノード触媒層２２またはカソード触媒層２３と接合する面の大きさは、セパレータ１０の中央部１１の大きさと略同様の大きさである。また、アノード触媒層２２とカソード触媒層２３の形状はＭＥＡ２０の形状よりも小さい形状である。

アノード触媒層２２の所定のコーナをカットすることでＣカット２２ａが形成される。またアノード触媒層２２ではなくカソード触媒層２３の所定のコーナをカットすることでＣカットを形成する。Ｃカットの形成については後述をもって詳細に説明する。次にセパレータ１０とＭＥＡ２０とを組み合わせることで構成されるセルについて説明する。

図３はセパレータとＭＥＡとを組み合わせることで構成されるセルについて説明する図である。

例えばＭＥＡ２０を構成するアノード触媒層２２の面をセパレータ１０の中央部１４と対向させて、ＭＥＡ２０とセパレータ１０とを組み合わせる。アノード触媒層２２の面はセパレータ１０の中央部１４に形成されるアノード流路を覆うように設けられる。すなわち、アノード流路を流れる燃料が電解質膜２１に接触せずにアノード触媒層２２に接触するように、ＭＥＡ２０はセパレータ１０に取り付けられる。セパレータ１０にＭＥＡ２０を組み合わせた一つのユニットはセルと呼ばれる。

さらに、後述にて説明するが、セル同士を組み合わせる際、カソード触媒層２１の面をセパレータ１０のカソード流路が形成されている中央部と対向させて組み合わされる。ここで、カソード触媒層２１の面はセパレータ１０の中央部に形成されるカソード流路を覆うように形成されている。すなわち、カソード触媒層２１がカソード流路を覆う状態を保つ条件を満たしつつ、カソード触媒層２１の所定のコーナをカットすることでＣカット２１ａが形成される。

アノード触媒層２２またはカソード触媒層２３の所定のコーナにＣカットを形成することで、アノード触媒層２２およびカソード触媒層２３の識別を容易に行うことが可能となる。従って、セパレータ１０にＭＥＡ２０を取り付ける際、例えば、カソード触媒層２１の面をセパレータ１０のアノード流路が形成されている中央部に誤って取り付けるといった誤作業を防ぐことが可能となる。また、カソード触媒層２１のみならずアノード触媒層２２においても、アノード触媒層２２がアノード流路を覆う状態を保つ条件を満たしつつ、アノード触媒層２２の所定のコーナをカットすることでＣカット２１ａが形成してもよい。ここで、カソード触媒層２１のコーナに形成されるＣカット数と異なる数を有するＣカットをアノード触媒層２２に形成すると、カソード触媒層２１とアノード触媒層２２とを識別することが可能となる。次にセルのスタックについて説明する。

図４は、セルのスタックについて説明する図である。

セルスタックは組み立てジグ３０に設けられる第１の位置決めガイド３１および第２の位置決めガイド３２を用いて形成される。複数枚のセル４０を第１の位置決めガイド３１と第２の位置決めガイド３２に沿って積層していく。

第１の位置決めガイド３１はセルスタック１０のコーナに形成される第３の孔部１６の精度に適合するガイドであり、さらに、第２の位置決めガイド３２は第４の孔部１７の精度に適合するガイドである。

複数枚のセル４０を第１の位置決めガイド３１と第２の位置決めガイド３２とを用いて積層するに伴って、セパレータ１０の周辺部に形成される第２の孔部１５の積層によりカソード触媒層に燃料を供給するため燃料流路が形成される。

上述にて説明したとおりに組み立てられたセルスタックおよび該セルスタックに燃料および空気を供給する補機を燃料電池ユニットに搭載する。

上述で説明したとおり、第３の孔部１６の精度に適合した第１の位置決めガイド３１および第４の孔部１７の精度に適合した第２の位置決めガイド３２を用いてセルをスタックしていくことで、セルを積層した際の位置合わせ精度を確保することが可能となり、第２の孔部１５の積層により形成される燃料流路から燃料が流出するといった問題を解消できる。

また、セパレータ１０の対角線上に第３の孔部１６と該第３の孔部１６の有する精度と異なる精度を有する第４の孔部１７を設けることで、セル４０の積層間違いを防止することが可能となる。

また、上述にて説明したとおりにセルスタックを組み立てることで、燃料流路から燃料が流出するといった問題が解消されたセルスタックを燃料電池ユニットに搭載することが可能となり、該燃料電池ユニットの電力生成能力を向上することが可能となる。

本発明は上記実施形態をそのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示されている全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

セパレータを表す斜視図。 電解質膜・電極接合体（ＭＥＡ）を表す斜視図。 セパレータとＭＥＡとを組み合わせることで構成されるセルについて説明する図。 セルのスタックについて説明する図。

符号の説明

１０…セパレータ、１３…流路、２０…電解質膜・電極接合体、
２１…電解質膜、２２…アノード触媒層、２３…カソード触媒層、
３０…組み立てジグ、３１…第１の位置決めガイド、
３２…第２の位置決めガイド、４０…セル、

Claims (7)

1. 電解質膜電極接合体の電極に接合するセパレータにおいて、
   本体と、
   前記本体に設けられ、前記電極と接合することで形成される流路と、
   前記本体において、前記流路の周辺に設けられた第１の孔部と、
   前記本体において、前記流路の周辺に設けられるとともに、前記第１の孔部の形状と異なる形状を有する第２の孔部と、
   を具備することを特徴とするセパレータ。
2. 前記第１の孔部と前記第２の孔部は夫々、前記本体の有する所定のコーナに配される孔部であることを特徴とする請求項１記載のセパレータ。
3. 電解質膜と、
   前記電解質膜の有する第１の面に接合される第１の電極と、
   前記電解質膜の有する第２の面に接合される第２の電極とを具備し、
   前記第１の電極が具備する所定のコーナにコーナカットを形成することを特徴とする電解質膜電極接合体。
4. 前記第２の電極が具備するコーナに、前記第１の電極が具備するコーナカットの数と異なる数のコーナカットを形成することを特徴とする請求項３記載の電解質膜電極接合体。
5. 電解質膜電極接合体と前記電解質膜電極接合体の電極に接合するセパレータとから構成されるセルにおいて、
   前記セパレータは、
   本体と、
   前記本体に設けられ、前記電極と接合することで形成される流路と、
   前記本体において、前記流路の周辺に設けられた第１の孔部と、
   前記本体において、前記流路の周辺に設けられるとともに、前記第１の孔部の形状と異なる形状を有する第２の孔部とを具備し、
   前記電解質膜電極接合体は、
   電解質膜と、
   前記電解質膜の有する第１の面に接合される第１の電極と、
   前記電解質膜の有する第２の面に接合される第２の電極とを具備し、
   前記第１の電極が具備する所定のコーナにコーナカットを形成することを特徴とするセル。
6. セパレータと前記セパレータの面に接合する電解質膜電極接合体とから構成されるセルを有する燃料電池ユニットにおいて、
   前記セパレータは、
   プレートと、
   前記プレートの上面に設けられる溝とを具備し、
   前記電解質膜電極接合体は、
   電解質膜と、
   前記電解質膜の第１の面に接合され、所定のコーナがカットされた第１の電極とを具備し、
   前記溝を覆うように前記第１の電極の面が接合することで形成される流路を有するセルと、
   を具備することを特徴とする燃料電池ユニット。
7. 前記電解質膜電極接合体は、
   前記電解質膜の有する第２の面に接合される第２の電極とを具備し、
   前記第２の電極が具備するコーナに、前記第１の電極が具備するコーナカットの数と異なる数のコーナカットを形成することを特徴とする請求項６記載の燃料電池ユニット。
   

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