JP2006147256A - Fuel battery unit cell and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池単セル及びその製造方法に関し、詳細には、アノードセパレータとカソードセパレータを1枚のセパレータで構成した新規な燃料電池単セルの構造及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a fuel cell single cell and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a structure of a novel fuel cell single cell in which an anode separator and a cathode separator are formed of a single separator, and a method for manufacturing the same.
例えば、高分子電解質膜の両面に水素と酸素を供給して起電力を発生させる燃料電池では、単位体積当たりの起電力をより一層高めるために、金属製の薄板をプレス加工してガス流路を形成する、いわゆる薄板金属セパレータの開発がなされている。 For example, in a fuel cell in which hydrogen and oxygen are supplied to both surfaces of a polymer electrolyte membrane to generate electromotive force, a metal thin plate is pressed to form a gas flow path in order to further increase the electromotive force per unit volume. A so-called thin metal separator that forms a thin film has been developed.
かかる薄板金属セパレータを用いた燃料電池としては、例えば、接合体(固体高分子電解質膜)を挟んでその一方の面に、凹凸形状の流路を形成した第1セパレータを配置し、他方の面に、やはり凹凸形状の流路を形成した2枚のセパレータで板ばねを挟んだ積層構造とした第2セパレータを配置することで形成した燃料電池単セルの複数個を積層した構造としている(例えば、特許文献1参照)。 As a fuel cell using such a thin metal separator, for example, a first separator having a concavo-convex channel is disposed on one side of a bonded body (solid polymer electrolyte membrane), and the other side. In addition, a structure in which a plurality of fuel cell single cells formed by arranging a second separator having a laminated structure in which a leaf spring is sandwiched between two separators each having an uneven channel is laminated (for example, , See Patent Document 1).
この他、薄板金属セパレータを用いた燃料電池としては、厚みの薄い金属板をプレス加工して凹凸形状のガス流路を形成した金属セパレータを、イオン交換膜からなる電解質の両面に配置することにより形成した燃料電池単セルの複数個を積層した構造としている。
ところで、特許文献1及び特許文献2に記載の燃料電池では、高分子電解質膜とセパレータ間のシールが充分でないと、微小の燃料ガスがこれら高分子電解質膜とセパレータ間から漏れ、必要な起電力を確保することが困難になる。そのため、必要な起電力を得るためには、これら高分子電解質膜とセパレータ間を充分にシールする必要がある。
By the way, in the fuel cells described in
また、これら燃料電池では、高分子電解質膜を挟み込むようにしてセパレータを積層配置するため、外形基準で積層した場合、積層位置がずれ、スタック全体が大型化する。また、高分子電解質膜の起電力を発生するアクティブ領域に位置ずれが生じ、実質上のアクティブ領域がロスし、起電力が小さくなってしまう。 Moreover, in these fuel cells, since the separators are stacked and disposed so as to sandwich the polymer electrolyte membrane, when stacked on the basis of the outer shape, the stacking position is shifted, and the entire stack becomes large. In addition, a position shift occurs in the active region that generates the electromotive force of the polymer electrolyte membrane, the active region is substantially lost, and the electromotive force is reduced.
そこで、本発明は、高分子電解質膜とセパレータとの位置ずれを無くして起電力の低下を抑制し、また、燃料ガス及び酸化剤ガスのガス漏れを防止することのできる燃料電池単セル及びその製造方法を提供することを目的とする。 Accordingly, the present invention provides a fuel cell single cell capable of suppressing a decrease in electromotive force by eliminating positional displacement between the polymer electrolyte membrane and the separator, and preventing gas leakage of fuel gas and oxidant gas, and the same An object is to provide a manufacturing method.
本発明に係る燃料電池単セルは、少なくとも高分子電解質膜を有した膜電極接合体と、高分子電解質膜のアノード側に配置されるアノードセパレータと、高分子電解質膜のカソード側に配置されるカソードセパレータとを備える。そして、アノードセパレータとカソードセパレータを1枚のセパレータから構成し、二つ折りにして膜電極接合体を挟み込んだ構造としている。 A fuel cell unit cell according to the present invention includes a membrane electrode assembly having at least a polymer electrolyte membrane, an anode separator disposed on the anode side of the polymer electrolyte membrane, and a cathode side of the polymer electrolyte membrane. A cathode separator. The anode separator and the cathode separator are composed of a single separator, and are folded in half to sandwich the membrane electrode assembly.
本発明の燃料電池単セルによれば、アノードセパレータとカソードセパレータを1枚のセパレータから構成し、二つ折りにして膜電極接合体を挟み込んだ構造としているので、これらの間の位置ずれを防止することができる。したがって、膜電極接合体のアクティブ領域とアノードセパレータ及びカソードセパレータに形成される流路との位置が一致することから必要な起電力を確保することができる。また、この位置ずれの無い燃料電池単セルを複数積層して燃料電池スタックを形成した場合、積層ずれが生じないため、スタック全体が大型にならない。 According to the fuel cell single cell of the present invention, the anode separator and the cathode separator are constituted by a single separator, and the membrane electrode assembly is sandwiched between the two separators. be able to. Therefore, since the positions of the active region of the membrane electrode assembly and the flow paths formed in the anode separator and the cathode separator coincide with each other, a necessary electromotive force can be ensured. In addition, when a fuel cell stack is formed by stacking a plurality of fuel cell single cells having no positional shift, stacking does not occur, and the entire stack does not become large.
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。 Hereinafter, specific embodiments to which the present invention is applied will be described in detail with reference to the drawings.
「燃料電池スタックの概略構成」
先ず、燃料電池スタックの全体構成について簡単に説明する。図1は燃料電池スタックの全体構成を示す斜視図である。
"Schematic configuration of fuel cell stack"
First, the overall configuration of the fuel cell stack will be briefly described. FIG. 1 is a perspective view showing the overall configuration of the fuel cell stack.
燃料電池スタック1は、図1に示すように、燃料ガス(H2)と酸化剤ガス(O2)の反応により起電力を生じる単位電池としての燃料電池単セル2を所定数だけ積層した積層体3とされ、その積層体3の両端に燃料ガス及び酸化剤ガスを各燃料電池単セル2に供給するためのガス導入用プレート4と、各燃料電池単セル2を流れた燃料ガス及び酸化剤ガスを積層体3から排出するためのガス排出用プレート5とからなる。
As shown in FIG. 1, the
ガス導入用プレート4には、燃料電池単セル2のセパレータに形成された燃料ガス流路に燃料ガスを導入させるための燃料ガス導入口6と、セパレータに形成された酸化剤ガス流路に酸化剤ガスを導入させるための酸化剤ガス導入口7とが形成されている。一方、ガス排出用プレート5には、各燃料電池単セル2を流れた燃料ガスを積層体3から排出させるための燃料ガス排出口8と、酸化剤ガスを積層体3から排出させるための酸化剤ガス排出口9とが形成されている。
The gas introduction plate 4 includes a fuel
なお、この燃料電池スタック1は、各燃料電池単セル2のセパレータに形成された冷媒流路に冷却水を流通させるための冷却水導入口及び冷却水を排出するための冷却水排出口(何れも図示は省略する)を有している。
The
燃料電池単セル2は、図2に示すように、膜電極接合体10(MEA:membrane electrode assembly)と、この膜電極接合体10の両面にそれぞれ配置されるアノードセパレータ11とカソードセパレータ12とから構成される。
As shown in FIG. 2, the fuel cell single cell 2 includes a membrane electrode assembly 10 (MEA: membrane electrode assembly) and an
膜電極接合体10は、例えば水素イオンを通す高分子電解質膜である固体高分子電解質膜13と、アノード触媒とガス拡散層からなるアノード電極14と、カソード触媒とガス拡散層からなるカソード電極15とからなる。かかる膜電極接合体10は、アノード電極14とカソード電極15によって、固体高分子電解質膜13をその両側から挟み込んだ積層構造とされている。また、この膜電極接合体10においては、固体高分子電解質膜13の両端に、例えばポリエチレンテレフタレート(PET)からなる補強板16が当該固体高分子電解質膜13を挟み込むようにして設けられている。
The
アノードセパレータ11とカソードセパレータ12は、1枚のセパレータから構成され、その1枚のセパレータを二つ折りにして膜電極接合体10を挟み込んだ後、一端側をかしめ、その後切断することで分割されている。そのアノードセパレータ11は、厚みの薄い導電性を備えた金属板からなり、固体高分子電解質膜13のアノード側に配置されている。カソードセパレータ12は、アノードセパレータ11と同様に金属薄板からなり、固体高分子電解質膜13のカソード側に配置されている。
The
これらアノードセパレータ11とカソードセパレータ12は、その一端側を補強板16に対してかしめることによりかしめ部17を形成し、これらセパレータと膜電極接合体10との間をシールしている。また、アノードセパレータ11とカソードセパレータ12は、他端側を補強板16に対してシール部材(リップ部材)18でシールすることにより、これらセパレータと膜電極接合体10との間をシールしている。
The
アノードセパレータ11には、発電に寄与するアクティブ領域(アノード電極14と接する中央部分の領域)に、燃料ガス(水素H2)を流通させる燃料ガス流路19が凹凸形状(いわゆるコルゲート形状)として形成されている。カソードセパレータ12には、同じくアクティブ領域に、酸化剤ガス(酸素O2)を流通させる酸化剤ガス流路(図示は省略する)が凹凸形状として形成されている。
In the
このように構成された燃料電池スタック1においては、燃料ガスは、図1に示すように、燃料ガス導入口6より導入されて各アノードセパレータ11に形成された燃料ガス流路19を流れた後、燃料ガス排出口8より排出される。また、酸化剤ガスは、酸化剤ガス導入口7より導入されて各カソードセパレータ12に形成された酸化剤ガス流路を流れた後、酸化剤ガス排出口9より排出される。
In the
以上のように、本実施の形態の燃料電池単セル2によれば、アノードセパレータ11とカソードセパレータ12を1枚のセパレータから構成し、その1枚のセパレータを二つ折りにして膜電極接合体10を挟み込んだ構造としているので、それらアノードセパレータ11、膜電極接合体10及びカソードセパレータ12の積層位置ずれが生じない。また、アノードセパレータ11、膜電極接合体10、カソードセパレータ12間の積層位置ずれが生じないことから、アクティブ領域のずれを防止することができ、燃料電池単セル2自体の起電力を高めることができる。
As described above, according to the fuel cell single cell 2 of the present embodiment, the
また、本実施の形態の燃料電池単セル2によれば、二つ折りにした部分にかしめ部17を形成しているので、このかしめ部17によってアノードセパレータ11、膜電極接合体10、カソードセパレータ12間をシールすることができ、燃料ガス及び酸化剤ガスなどの漏れを防止することができる。
Further, according to the fuel cell single cell 2 of the present embodiment, the
また、本実施の形態の燃料電池単セル2によれば、アノードセパレータ11とカソードセパレータ12の二つ折りにした部分(折曲部)の一部を切断したので、アノードセパレータ11とカソードセパレータ12を電気的に分離することができる。
In addition, according to the single fuel cell 2 of the present embodiment, since the
「燃料電池単セルの製造方法」
次に、上述のように構成された燃料電池単セル2の製造方法について説明する。先ず、図3に示すように、アノードセパレータ11とカソードセパレータ12を一体化して1枚のセパレータ20を形成する。すなわち、セパレータ2枚分とした金属薄板からなる長尺状のセパレータ20に、アノードセパレータ11となるアクティブ領域に凹凸形状をプレス加工して燃料ガス流路19を形成すると共にカソードセパレータ12となるアクティブ領域に凹凸形状をプレス加工して酸化剤ガス流路21を形成する。燃料ガス流路19と酸化剤ガス流路21の加工は、同一のプレス加工工程で形成する。
"Manufacturing method of fuel cell single cell"
Next, the manufacturing method of the fuel cell single cell 2 comprised as mentioned above is demonstrated. First, as shown in FIG. 3, the
次に、これらセパレータ20の長手方向両端にシール部材18をそれぞれ形成する。シール部材18は、例えば、膜電極接合体10を挟み込む内側の面に断面三角形状をなす凸条として形成する。
Next,
次に、このセパレータ20を、二等分する位置(図3中二点鎖線で示す位置)で二つ折りに折り曲げ、図4に示すように、アノードセパレータ11とカソードセパレータ12を対向配置させる。この折り曲げ工程では、膜電極接合体10の厚み寸法とほぼ同じ長さの対向距離となるように、セパレータ20を二つ折りにしてアノードセパレータ11とカソードセパレータ12を対向配置させる。
Next, the
次いで、図5に示すように、二つ折りにした折曲部22を残してアノードセパレータ11とカソードセパレータ12を略90度にそれぞれ開く。そして、図6に示すように、膜電極接合体10の端部10Aを、前記折曲部22の空間部23内に挿入して突き当てる。この突き当て工程では、膜電極接合体10の端部10Aが折曲部22に突き当たることで位置決めされ、それらアノードセパレータ11、膜電極接合体10及びカソードセパレータ12との相対位置関係が自ずと決まる。
Next, as shown in FIG. 5, the
次に、開いたアノードセパレータ11とカソードセパレータ12を図6中矢印Xで示す方向に閉じ、これらアノードセパレータ11とカソードセパレータ12で膜電極接合体10を挟み込む。この挟持工程では、アノードセパレータ11及びカソードセパレータ12に形成されたシール部材18のそれぞれが膜電極接合体10の補強板16に密着し、それらの間をシールする。
Next, the opened
次に、膜電極接合体10をアノードセパレータ11とカソードセパレータ12で挟み込んだ挟持工程後に、図7に示すように、折曲部22の一部をかしめてかしめ部17を形成する。折曲部22の一部をかしめることで、アノードセパレータ11と膜電極接合体10間およびカソードセパレータ12と膜電極接合体10間がシールされる。
Next, after the sandwiching step in which the
そして最後に、かしめ部17から離れた位置の折曲部22の一部を、図7中二点鎖線で示す位置で切断する。この切断工程では、一体化されたセパレータ20が切断されるため、アノードセパレータ11とカソードセパレータ12とに分離される。この切断工程を行うことで、図2に示した本実施の形態の燃料電池単セル2が製造される。
Finally, a part of the
本実施の形態の製造方法によれば、アノードセパレータ11とカソードセパレータ12を1枚のセパレータ20で形成しているため、アノードセパレータ11とカソードセパレータ12をそれぞれ別々に作成する必要はなく、部品点数の削減並びに製造工程を大幅に低減させることができる。
According to the manufacturing method of the present embodiment, since the
また、本実施の形態の製造方法によれば、二つ折りにした折曲部22に膜電極接合体10の端部10Aを突き当てるようにしたので、アノードセパレータ11と膜電極接合体10とカソードセパレータ12との積層位置ずれを防止することができると共にアクティブ領域の位置ずれも防止できる。
Also, according to the manufacturing method of the present embodiment, the
また、本実施の形態の製造方法によれば、二つ折り工程後に、折曲部22を残してアノードセパレータ11とカソードセパレータ12を開いているので、その後に行う膜電極接合体10の端部10Aを折曲部22に挿入して突き当てる突き当て工程を容易なものとすることができる。
Further, according to the manufacturing method of the present embodiment, after the bi-folding process, the
また、本実施の形態の製造方法によれば、挟持工程後に、折曲部22をかしめるようにしているので、このかしめによりアノードセパレータ11と膜電極接合体10間およびカソードセパレータ12と膜電極接合体10間をシールすることができる。
In addition, according to the manufacturing method of the present embodiment, the
また、本実施の形態の製造方法によれば、挟持工程後に、折曲部22の一部を切断したので、これらアノードセパレータ11とカソードセパレータ12を分離させることができる。
In addition, according to the manufacturing method of the present embodiment, since the
以上、本発明を適用した具体的な実施の形態について説明したが、本実施の形態は、上述の実施の形態に制限されることなく種々の変更が可能である。 The specific embodiment to which the present invention is applied has been described above, but the present embodiment is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made.
図8は、二つ折りにした部分に絶縁部材24を設けたセパレータの一例を示す斜視図である。このセパレータ20は、アノードセパレータ11とカソードセパレータ12の間にゴムなどからなる絶縁部材24を介在させて一体化したセパレータである。二つ折りにした部分を絶縁部材24で形成すれば、アノードセパレータ11とカソードセパレータを電気的に分離することができるから挟持工程後に、折曲部22の一部を切断する切断工程を無くすことができる。
FIG. 8 is a perspective view showing an example of a separator in which an insulating
図9は、燃料電池単セルの他の製造方法の一例を示す概略工程図である。この例では、長尺条のセパレータ20を円柱形状に巻回した原反25から連続してセパレータ20を送り出し、その送り出したセパレータ20に燃料ガス流路と酸化剤ガス流路を形成する。その後、セパレータ20を二つ折りに折り曲げ、その折り曲げたアノードセパレータ11とカソードセパレータ12間に膜電極接合体10を挿入する。その後、アノードセパレータ11とカソードセパレータ12で膜電極接合体10を挟み込み、折曲部をかしめた後、その折曲部の一部を切断する。
FIG. 9 is a schematic process diagram showing an example of another method for manufacturing a fuel cell single cell. In this example, the
この図9に示すように、原反25からセパレータ25を連続して繰り出し、そのセパレータ25に流路加工などを随時加工して行くことで、燃料電池単セル2を効率良く製造することが可能となる。 As shown in FIG. 9, the fuel cell single cell 2 can be efficiently manufactured by continuously feeding the separator 25 from the raw fabric 25 and processing the separator 25 with a flow path as needed. It becomes.
1…燃料電池スタック
2…燃料電池単セル
10…膜電極接合体
11…アノードセパレータ
12…カソードセパレータ
13…固体高分子電解質膜
14…アノード電極
15…カソード電極
17…かしめ部
18…シール部材
19…燃料ガス流路
20…セパレータ
21…酸化剤ガス流路
22…折曲部
24…絶縁部材
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記高分子電解質膜のアノード側に配置されるアノードセパレータと、
前記高分子電解質膜のカソード側に配置されるカソードセパレータとを備え、
前記アノードセパレータと前記カソードセパレータを1枚のセパレータから構成し、二つ折りにして前記膜電極接合体を挟み込んでなる
ことを特徴とする燃料電池単セル。 A membrane electrode assembly having at least a polymer electrolyte membrane;
An anode separator disposed on the anode side of the polymer electrolyte membrane;
A cathode separator disposed on the cathode side of the polymer electrolyte membrane,
The fuel cell single cell, wherein the anode separator and the cathode separator are composed of a single separator and are folded in two to sandwich the membrane electrode assembly.
前記二つ折りにした折曲部にかしめ部が形成されてなる
ことを特徴とする燃料電池単セル。 The fuel cell single cell according to claim 1,
A caulking portion is formed in the folded portion that is folded in half. A fuel cell single cell.
前記二つ折りにした折曲部の一部が切断されてなる
ことを特徴とする燃料電池単セル。 The fuel cell unit cell according to claim 1 or 2,
A fuel cell single cell, wherein a part of the folded portion that is folded in half is cut.
前記二つ折りにした折曲部に絶縁部材が設けられた
ことを特徴とする燃料電池単セル。 A fuel cell single cell according to any one of claims 1 to 3,
An insulating member is provided in the folded portion that is folded in half. A fuel cell unit cell.
前記セパレータを二つ折りに折り曲げ、前記アノードセパレータと前記カソードセパレータを対向配置させる二つ折り工程と、
少なくとも高分子電解質膜を有した膜電極接合体の端部を、前記二つ折りにした折曲部に挿入して突き当てる突き当て工程と、
前記膜電極接合体を前記アノードセパレータと前記カソードセパレータで挟み込む挟持工程とからなる
ことを特徴とする燃料電池単セルの製造方法。 A separator forming step of forming a single separator by integrating the anode separator disposed on the anode side of the polymer electrolyte membrane and the cathode separator disposed on the cathode side;
Folding step of folding the separator in half, and arranging the anode separator and the cathode separator to face each other;
An abutting step of inserting and abutting the end portion of the membrane electrode assembly having at least the polymer electrolyte membrane into the folded portion that is folded in half;
The manufacturing method of the fuel cell single cell characterized by including the clamping process which clamps the said membrane electrode assembly with the said anode separator and the said cathode separator.
前記二つ折り工程後に、前記折曲部を残して該アノードセパレータと該カソードセパレータを開くセパレータ開き工程を備えた
ことを特徴とする燃料電池単セルの製造方法。 It is a manufacturing method of the fuel cell single cell according to claim 5,
A fuel cell single cell manufacturing method comprising: a separator opening step of opening the anode separator and the cathode separator while leaving the bent portion after the bi-folding step.
前記挟持工程後に、前記折曲部をかしめるかしめ工程を備えた
ことを特徴とする燃料電池単セルの製造方法。 A method for producing a fuel cell single cell according to claim 5 or 6,
A method of manufacturing a fuel cell single cell, comprising a step of caulking the bent portion after the clamping step.
前記挟持工程後に、前記折曲部の一部を切断する切断工程を備えた
ことを特徴とする燃料電池単セルの製造方法。 It is a manufacturing method of the fuel cell single cell according to claim 7,
The manufacturing method of the fuel cell single cell provided with the cutting process which cut | disconnects a part of said bending part after the said clamping process.
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Legal Events
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Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20071029 |
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