JP2005317252A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】 電解質膜等の破損を防止することができる燃料電池を提供すること。
【解決手段】 電解質膜１２の両面に電極１５、１８が配置された膜−電極アッセンブリと、膜−電極アッセンブリの両端に配されるとともに、電極に流体を供給するための流通溝１９ａ、２０ａを有し、流通溝から外部に通ずる流通路１９ｂ、２０ｂを有し、かつ、周縁部に接合面１９ｃ、２０ｃを有する１対のセパレータ１９、２０と、１対のセパレータの接合面を接着剤により接着する接着層２１と、を備え、セパレータは、流通溝と流通路の間に、過剰な接着剤を収容する収容部１９ｄ、２０ｄを有し、電極の端部は、収容部に配されており、接着層は、少なくとも電解質膜ないし電極の端部を覆うように配されることを特徴とする。
【選択図】 図２

Description

本発明は、燃料電池に関し、特に、電解質膜等の破損を防止することができる燃料電池のシール構造に関する。

固体高分子電解質型燃料電池は、一般的に二つの電極（燃料極と空気極）で固体高分子電解質膜を挟んだ膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly）を１対のセパレータで挟持したセルを有する。セパレータには、燃料ガス、空気ガスの少なくとも一つを電極に供給するガス流通溝が設けられており、当該ガス流通溝からプレッシャプレートの出入口孔に通ずるガス流通路（マニホールド）が設けられている。そして、セパレータ間のシールには接着剤が用いられ、ＭＥＡの固体高分子電解質膜の周縁部分がセパレータ間の接合面（シール面）に延在し、ＭＥＡが接着剤によってセパレータに固定される。固体高分子電解質膜の周縁部分が延在するのは、セパレータ間でのＭＥＡのズレを防止するためである。

このような燃料電池では、セパレータの接合面（シール面）に接着剤を塗布し、ＭＥＡをセパレータ間に挟んだ後、加熱・圧着・硬化の工程を経て、単セルが形成される。この際、セパレータの端部から接着剤がはみ出すくらいまで、接合面に接着剤を行き渡らせる必要がある。ＭＥＡの厚さのバラツキを吸収し、はみ出し不足によるシール不良を防止し、セパレータ間の電気短絡を防止するためである。しかし、ガス流通溝やガス流通路周辺部に接着剤がはみ出して硬化すると、はみ出し部分によって流路の流路断面積が縮小し、場合によっては閉塞し、電池性能に悪影響を与えるおそれがある。

このような課題を解決するために、セパレータのシール面の内周側部分や外周側部分にシール材料溜まりの窪みを形成した燃料電池のシール構造が提案されている。これによれば、シール材に過大な荷重がかかる領域では、余剰シール材料が窪みに入り込み、逆にシール材にかかる荷重が少ない場合はシール材が窪みに入り込まないことによって、シール面圧が均一化する。また、余剰シール材料が窪みに入ることにより、シール材料のガス流通溝へのはみ出しが無くなるか抑制され、はみ出しシール材料による流路断面積の減少や流路の閉塞が生じなくなる（特許文献１参照）。

特開２００２−３６７６３１号公報

電解質が固体高分子電解質膜の場合、電解質の性能を維持するために、燃料ガスには上記の反応に必要な量以上の水分を含ませて供給し、空気ガスにも水分を含ませて供給する必要がある。ＭＥＡの固体高分子電解質膜の周縁部分がセパレータのガス流通溝に露出していると、固体高分子電解質膜が膨潤、乾燥を繰り返してゆくうちに、固体高分子電解質膜が破損してしまう場合があり、破損部分が生じると燃料ガスと空気ガスが混合して、電池性能に悪影響を与える。

また、ＭＥＡに供給される燃料ガスと空気ガスは圧力が一定ではなく、圧力の変動によって電解質膜の露出部分が撓みを繰り返すことによって、電解質膜が破損してしまう場合がある。

さらに、燃料電池を搭載した自動車では、路面の起伏による走行中の振動によって、膜厚の薄い電解質膜の露出部分が撓みを繰り返すことによって、電解質膜が破損してしまう場合がある。

また、セルの外周部に接着剤のはみ出し部分（バリ）が発生すると、セルを積層したセル積層体を締結する締結部材や位置決め部材に抵触する場合があるため、バリ取り作業が必要であった。

本発明の第１の目的は、電解質膜等の破損を防止することができる燃料電池を提供することである。

本発明の第２の目的は、電解質膜の破損を防止し、かつ、バリ取り作業が不要な燃料電池を提供することである。

本発明においては、燃料電池において、電解質膜の両面に電極が配置された膜−電極アッセンブリと、前記膜−電極アッセンブリの両端に配されるとともに、前記電極に流体を供給するための流通溝を有し、前記流通溝から外部に通ずる流通路を有し、かつ、周縁部に接合面を有する１対のセパレータと、前記１対のセパレータの接合面を接着剤により接着する接着層と、を備え、前記セパレータは、前記流通溝と前記流通路の間に、過剰な前記接着剤を収容する収容部を有し、前記電極の端部は、前記収容部に配されており、前記接着層は、少なくとも前記電解質膜ないし前記電極の端部を覆うように配されることを特徴とする。

また、本発明の前記燃料電池において、前記電解質膜は、前記接合面にまで延在しており、前記接着層は、前記セパレータと前記電解質膜の間に配されることことが好ましい。

また、本発明の前記燃料電池において、前記一対のセパレータの一方又は両方は、前記流通路側の縁部に、過剰な前記接着剤を収容する第２の収容部を有することが好ましい。

また、本発明の前記燃料電池において、前記一対のセパレータの一方又は両方は、外部側の縁部に、過剰な前記接着剤を収容する第３の収容部を有することが好ましい。

本発明（請求項１及び２）によれば、セパレータの収容部を流通溝と流通路の間に設けることで、収容部に接着剤が流れ込んで、セル内の流通溝の閉塞を防ぐことができ、収容部に流れ込んだ接着剤がＭＥＡの周縁部を覆うことで、電解質膜及び電極のたわみが防止され、電解質膜及び電極の破損を防止することができる。

本発明（請求項３及び４）によれば、セパレータの外部側や流通路側の縁部に余剰な接着剤を収容するための収容部を設けることで、セパレータの外周や流通路への接着剤のはみ出しが防止され、また、収容部まで接着剤をはみ出させることで、接合面（シール面）を完全に覆うことができる。接合面を完全に覆うことで、セパレータ間の電気短絡を防止することができる。さらに、収容部に接着剤が収容されることで、接着剤のはみ出し部分の発生を防止できるので、バリ取り作業の手間を省け、工数の短縮が可能であり、コストの低下も期待できる。

本発明（請求項１−４）によれば、接合面の塗布幅をシール性や接着強度に必要な分だけ設けることで、接着剤塗範囲削減により、接着剤使用量が低減され、コストの低下も期待できる。

（実施形態１）
本発明の実施形態１に係る燃料電池について図面を用いて説明する。図１は、本発明の実施形態１に係る燃料電池の構成を模式的に示した積層方向の断面図である。図２は、本発明の実施形態１に係る燃料電池のセルの細部の構成を模式的に示した部分断面図である。図３は、本発明の実施形態１に係る燃料電池の第１のセパレータの細部の構成を模式的に示した部分底面図である。

この燃料電池１は、固体高分子電解質型燃料電池であり、例えば、燃料電池自動車に搭載される。ただし、自動車以外に用いられてもよい。

燃料電池１は、セル積層体１０と、第１のターミナル３０と、第２のターミナル３１と、第１のインシュレータ４０と、第２のインシュレータ４１と、第１のプレッシャプレート５０と、第２のプレッシャプレート５１と、締結部材６０と、を有する（図１参照）。

セル積層体１０は、セル１１の積層体よりなる（図１参照）。セル１１は、イオン交換膜からなる電解質膜１２と、この電解質膜１２の一面に配置された触媒層１３及び拡散層１４からなる電極１５（アノード、燃料極）と、電解質膜１２の他面に配置された触媒層１６及び拡散層１７からなる電極１８（カソード、空気極）と、から構成された膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly）を有するとともに、ＭＥＡの両外側に、電極１５に燃料ガス（水素）を供給・排気するための第１の流通溝１９ａが形成された第１のセパレータ１９と、カソードに酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給・排気するための第２の流通溝２０ａが形成された第２のセパレータ２０と、を有する（図２参照）。電解質膜１２は、電極１５、１８の領域よりも広く、接合面１９ｃ、２０ｃの間まで延在している。なお、電極１５、１８同士が短絡しなければ、電解質膜１２の領域と電極１５、１８の領域が同じ（電解質膜の周縁部が延在しないもの）であってもよい。電極１５、１６の端部、及び電解質膜１２の延在部分は接着層２１で覆われている。セル１１の積層方向の一端に第１のターミナル３０、第１のインシュレータ４０が配置され、セル１１の積層方向の他端に第２のターミナル３１、第２のインシュレータ４１が配置されている（図１参照）。

第１のセパレータ１９は、第１の流通溝１９ａから第１のプレッシャプレート５０の出入口孔５０ａに通ずる第１の流通路１９ｂ（マニホールド部）を有する（図２参照）。第１の流通路１９ｂの周囲には、第２のセパレータ２０と接合するための接合面１９ｃを有する。接合面１９ｃは、セパレータ間をシールする面になり、セル１１の周囲全長にわたって連続して延びている。例えば、セル１１の形状が矩形状の場合、その矩形の４辺の全長にわたって連続して延びている。なお、第１の流通路１９ｂの第１の流通溝１９ａ側の接合面１９ｃと外部側の接合面１９ｃとは平面的に繋がっている（図３参照）。接合面１９ｃの周囲には、過剰な接着剤（接着層２１）のはみ出し部分を収容するための収容部１９ｄ、１９ｅ、１９ｆを有する。収容部１９ｄは、接合面１９ｃの第１の流通溝１９ａ側であってＭＥＡの電解質膜１２の周縁部分（若しくは電極１５、１８）の形状に沿って配されており、収容部１９ｅは、第１の流通路１９ｂ側の縁部に配されており、収容部１９ｆは、外部側の縁部に配されている。なお、収容部１９ｄ、１９ｅ、１９ｆの形状については、図２のように矩形状（段差）に限らず、三角形状でも、多角形状でも、湾曲状のグルーブであってもよいし、あるいはチャンファやＲ形状のリセスでもよい。また、収容部１９ｄ、１９ｅ、１９ｆの深さは、例えば、接合面１９ｃから０．０２〜１ｍｍ程度である。

第２のセパレータ２０は、電解質膜１２を介して第１のセパレータ１９と対向して配され、第２の流通溝２０ａから第１のプレッシャプレート５０の出入口孔５０ａに通ずる第２の流通路２０ｂ（マニホールド部）を有する（図２参照）。第２の流通路２０ｂの周囲には、接着層２１を介して第１のセパレータ１９と接合するための接合面２０ｃを有する。接合面２０ｃは、セパレータ間をシールする面になり、セル１１の周囲全長にわたって連続して延びている。例えば、セル１１の形状が矩形状の場合、その矩形の４辺の全長にわたって連続して延びている。なお、第２の流通路２０ｂの第２の流通溝２０ａ側の接合面２０ｃと外部側の接合面２０ｃとは平面的に繋がっている（図３の第１のセパレータ１９と同様）。接合面２０ｃの周囲には、過剰な接着剤（接着層２１）のはみ出し部分を収容するための収容部２０ｄ、２０ｅ、２０ｆを有する。収容部２０ｄは、接合面２０ｃの第２の流通溝２０ａ側に配されており、収容部２０ｅは、第２の流通路２０ｂ側の縁部に配されており、収容部２０ｆは、接合面１９ｃの外部側の縁部に配されている。なお、なお、収容部２０ｄ、２０ｅ、２０ｆの形状については、図２のように矩形状（段差）に限らず、三角形状でも、多角形状でも、湾曲状のグルーブであってもよいし、あるいはチャンファやＲ形状のリセスでもよい。また、第１のセパレータ１９と、これに隣接するセル１１の第２のセパレータ２０とは、直接当接しているが、一体のものであってもよい。

第１のターミナル３０、及び第２のターミナル３１は、セル積層体１０で発電した電気を外側に取り出すための集電体である（図１参照）。第１のターミナル３０は、セル積層体１０の積層方向の一端と電気的に直接接続するための金具ないし端子であり、出入口孔５０ａを挿入するための開口部（図示せず）を有する。第２のターミナル３１は、セル積層体の１０の積層方向の他端と電気的に直接接続するための金具ないし端子である。

第１のインシュレータ４０は、第１のターミナル３０と第１のプレッシャプレート５０との間を絶縁する絶縁体であり、出入口孔５０ａを挿入するための開口部（図示せず）を有する。第２のインシュレータ４１は、第２のターミナル３１と第２のプレッシャプレート５１との間を電気的に絶縁する絶縁体である。

第１のプレッシャプレート５０、及び第２のプレッシャプレート５１は、セル積層体１０の積層方向の両端から押付けて挟持するためのプレートであり、軽量化のためにアルミニウムが用いられ、締結部材６０を介して締結される（図１参照）。第１のプレッシャプレート５０は、締結部材６０を挿通するための孔（図示せず）を有し、流体（燃料ガス、空気ガス、水分）の複数の出入口孔５０ａを有し、当該出入口孔５０ａは、第１のターミナル３０及び第１のインシュレータ４０の開口部（図示せず）を挿通して、セル積層体１０（第１の流通路１９ｂ、第２の流通路２０ｂ）と流路として接続する。第２のプレッシャプレート５１は、締結部材６０を挿通するための孔（図示せず）を有する。

締結部材６０は、第１のプレッシャプレート５０、及び第２のプレッシャプレート５１を締結するための部材であり、セル積層体１０の外側で積層方向に配置され、第１のプレッシャプレート５０の孔（図示せず）及び、第２のプレッシャプレート５１の孔（図示せず）を挿通した両端でナット６１と螺合する（図１参照）。

接着層２１は、第１のセパレータ１９と第２のセパレータ２０を接合するための接着剤よりなり、セパレータ１９、２０間、電解質膜１２とセパレータ１９、２０間、流通路１９ｂ、２０ｂと流通溝１９ａ、１９ｂ間、及び流通路１９ｂ、２０ｂと外部間、をシールする。接着層２１は、接合面１９ｃ、２０ｃの間（ないしその近傍の収容部１９ｄ、１９ｅ、１９ｆ、２０ｄ、２０ｅ、２０ｆ）に配されており（図２参照）、それを挟むセパレータ１９、２０間を電気的に絶縁しており、電気絶縁材、例えば、樹脂の接着剤からなる。

実施形態１によれば、流通溝１９ａ、２０ａと接合面１９ｃ、２０ｃの間に収容部１９ｄ、２０ｄを設けることで、過剰な接着剤（接着層２１）が収容部１９ｄ、２０ｄに収容され、接着剤（接着層２１）が電解質膜１２の延在部分（ないし電極１５、１８の端部）を覆うので、電解質膜１２（ないし電極１５、１８の端部）の破損を防止することができる。つまり、接合面１９ｃ、２０ｃからはみ出す接着剤（接着層２１）を積極的に利用することで、電解質膜１２等の破損を防止することができる。これと同時に、過剰な接着剤（接着層２１）が収容部１９ｄ、２０ｄに収容されることで、流通溝１９ａ、２０ａへの接着剤（接着層２１）の流入が防止され、流通溝１９ａ、２０ａの閉塞を防ぐことができる。また、収容部１９ｅ、１９ｆ、２０ｅ、２０ｆを設けることで、接合面１９ｃ、２０ｃからはみ出す過剰な接着剤（接着層２１）を収容することができるので、流通路１９ｂ、２０ｂへの接着剤のはみ出しを防ぎ、流通の妨げになることはない。また、収容部１９ｄ、１９ｅ、１９ｆ、２０ｄ、２０ｅ、２０ｆを設けることで、接着面積の管理、隣接するセパレータ間の電気短絡のおそれのある面の縮小等が可能となる。

（実施形態２）
次に、実施形態２に係る燃料電池について図面を用いて説明する。図４は、本発明の実施形態２に係る燃料電池のセルの細部の構成を模式的に示した部分断面図である。実施形態２に係る燃料電池のセルの構成は、実施形態１のような収容部２０ｅ、２０ｆ（図２参照）を設けていない。第１のセパレータ１９の収容部１９ｅ、１９ｆが設けられていれば、第２のセパレータ２０の第２の流通路２０ｂの周囲と外部側に収容部を設けなくても、実施形態１と同様の効果を得ることができる。なお、第１のセパレータ１９の第１の流通路１９ｂの周囲と外部側に収容部を設けずに、第２のセパレータ２０の第２の流通路２０ｂの周囲と外部側に収容部を設けるような構成にしてもよい。

（実施形態３）
次に、実施形態３に係る燃料電池について図面を用いて説明する。図５は、本発明の実施形態３に係る燃料電池のセルの細部の構成を模式的に示した部分断面図である。実施形態３に係る燃料電池の第１のセパレータ１９では、セルの積層の際に必要な位置決め面へのはみ出しを防止したい部位（位置決め部位１９ｇ）に、収容部１９ｆの範囲を大きく取るようにすることもできる。これにより、セル積層体（セパレータの端面）と位置決めピン７０との接触面を確実に確保することができる。

本発明の実施形態１に係る燃料電池のセル積層体の細部の構成を模式的に示した部分断面図である。 本発明の実施形態１に係る燃料電池のセルの細部の構成を模式的に示した部分断面図である。 本発明の実施形態１に係る燃料電池の第１のセパレータの細部の構成を模式的に示した部分底面図である。 本発明の実施形態２に係る燃料電池のセルの細部の構成を模式的に示した部分断面図である。 本発明の実施形態３に係る燃料電池のセルの細部の構成を模式的に示した部分断面図である。

符号の説明

１ 燃料電池
１０ セル積層体
１１ セル
１２ 電解質膜
１３ 触媒層
１４ 拡散層
１５ 電極
１６ 触媒層
１７ 拡散層
１８ 電極
１９ 第１のセパレータ
１９ａ 第１の流通溝
１９ｂ 第１の流通路
１９ｃ 接合面
１９ｄ、１９ｅ、１９ｆ 収容部
１９ｇ 位置決め部位
２０ 第２のセパレータ
２０ａ 第２の流通溝
２０ｂ 第２の流通路
２０ｃ 接合面
２０ｄ、２０ｅ、２０ｆ 収容部
２１ 接着層
３０ 第１のターミナル
３１ 第２のターミナル
４０ 第１のインシュレータ
４１ 第２のインシュレータ
５０ 第１のプレッシャプレート
５０ａ 出入口孔
５１ 第２のプレッシャプレート
６０ 締結部材
６１ ナット

Claims (4)

1. 電解質膜の両面に電極が配置された膜−電極アッセンブリと、
   前記膜−電極アッセンブリの両端に配されるとともに、前記電極に流体を供給するための流通溝を有し、前記流通溝から外部に通ずる流通路を有し、かつ、周縁部に接合面を有する１対のセパレータと、
   前記１対のセパレータの接合面を接着剤により接着する接着層と、
   を備え、
   前記セパレータは、前記流通溝と前記流通路の間に、過剰な前記接着剤を収容する収容部を有し、
   前記電極の端部は、前記収容部に配されており、
   前記接着層は、少なくとも前記電解質膜ないし前記電極の端部を覆うように配されることを特徴とする燃料電池。
2. 前記電解質膜は、前記接合面にまで延在しており、
   前記接着層は、前記セパレータと前記電解質膜の間に配されることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
3. 前記一対のセパレータの一方又は両方は、前記流通路側の縁部に、過剰な前記接着剤を収容する第２の収容部を有することを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池。
4. 前記一対のセパレータの一方又は両方は、外部側の縁部に、過剰な前記接着剤を収容する第３の収容部を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一に記載の燃料電池。

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