JP2006331700A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】接着剤におけるリークパスの発生を防止する。
【解決手段】シーリングプレート７２を支持する支持凸部１０ｆを複数に分割し、各支持凸部１０ｆ間にガス流通路を形成する。これによって、シーリングプレート７２上に接着剤を付けてセパレータ同士を接着した場合において、シーリングプレート７２の先端とセパレータの段差部１０ｄとの間にガス溜まりが生じるのを防止できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電解質層を拡散層で挟み込んだ膜−電極接合体の周辺部を一対のセパレータの周辺部に接着剤によって、挟み込み固定する燃料電池に関する。

燃料電池は、固体高分子膜等の電解質層とこれを挟持するカーボンクロスやカーボンペーパ等の拡散層からなる膜−電極接合体（ＭＥＡ）を一対のセパレータによって挟持した燃料電池セル（ＦＣセル）を単一セルとして形成される。この単一燃料電池セルでは、アノードガスとしての水素ガスが負極側拡散層と負極側のセパレータとの間隙として形成される水素ガス流路に供給され、カソードガスとしての酸素ガス（通常は酸素を含有するガスとしての空気）が正極側拡散層と正極側のセパレータとの間隙として形成される酸素ガス流路へ供給される。そして、供給された水素ガスおよび酸素ガスはそれぞれ、負極側拡散層および正極側拡散層のそれぞれの拡散層へと拡散する。負極側拡散層へと至った水素ガスは、さらに固体高分子電解質膜に塗布された触媒層と接触して、プロトンと電子に解離する。解離したプロトンは固体高分子膜を通過し、正極側へと移動し、正極側の酸素と反応して水を生成し、この反応によって発電が行われる。１つの燃料電池セルによる発電電圧は小さいため、上記セルを複数積層化することで直列接続のセルモジュール、セルスタックとして燃料電池の全体を構成するのが通常である。

図７には、背景技術に係る燃料電池の要部断面図が示されている。燃料電池は、第１セパレータ１０と第２セパレータ２０との間にＭＥＡ３０を挟持した燃料電池セル４０を複数有している。ここで、第１セパレータ１０と第２セパレータ２０とはその周辺部において接着剤２２で接合され、この間にＭＥＡ３０の周辺部が挟まれて固定された構造となっている。接着剤２２は、燃料電池セル４０に供給される流体（ガス、冷却剤）の流路であるマニホールド８０をシールするシール材としての機能も有する。また、燃料電池セル４０同士をさらに接着剤２２で接合し、セルモジュールとする。なお、ガスや冷媒を通すためのマニホールド８０は、複数の燃料電池セル４０を貫通孔として第１および第２セパレータ１０，２０に形成されている。

また、図８に示すように、第１セパレータ１０の外周部分には、相対するセパレータ２０に接着剤で接着されるシール部１０ａが設けられており、その内側が対向する拡散層にガスを供給するためのガス流通部１０ｂとなっている。このガス流通部１０ｂは、シール部１０ａに対し凹んだ凹部となっており、凸条や凸部によって、ＭＥＡの拡散層を支持するようになっている。

そして、シール部１０ａの中にマニホールド８０が形成されている。ここで、マニホールド８０ａは、冷却用の液体ＬＬＣ用の流路であり、マニホールド８０ｂ、８０ｃは酸素ガス用の流路であり、ガス流通部１０ｂと連通される。

ここで、マニホールド８０ｂ、８０ｃと、ガス流通部１０ｂとの連通を確保するためには、接着剤が連通部に充填されるのを防止しなければならない。そこで、シーリングプレート７２が設けられる。このシーリングプレート７２は、シール部１０ａと、ガス流通部１０ｂの接続部分に設けられ、ガス流通部１０ｂに設けられた凸部分に保持されることで、マニホールド８０ｂ、８０ｃとガス流通部１０ｂとの連通部分に接着剤が侵入することを阻止している。

図９には、図８における冷媒が流通されるマニホールド８０ａの近傍のシール部１０ａとガス流通部１０ｂとの接続部分の断面図が示されている。第１セパレータ１０には、段差部１０ｄが設けられ、ガス流通部１０ｂ側がシール部１０ａより低くなっている。そして、シーリングプレート７２の先端部分の下方には、比較的大きな支持凸部１０ｆが形成されており、この支持凸部１０ｆに瞬間接着剤を塗布し、シーリングプレート７２を固定している。また、シーリングプレート７２の外側端面と、段差部１０ｄの端部壁の間には、若干の間隙（空間１０ｃ）が形成される。

そして、シーリングプレート７２の上面に接着剤２２を介し第２セパレータ２０が接続される。シーリングプレート７２によって、第１セパレータ１０のガス流通部１０ｂ側には、接着剤が侵入されるのが防止される。そこで、マニホールド８０ｂ、８０ｃについては、ガス流通部１０ｂと連通状態が維持される。なお、第１セパレータ１０のガス流通部１０ｂが酸素ガス供給用のマニホールドに接続される場合には、第２セパレータ２０のガス流通部が水素ガス供給用のマニホールドに接続される。

なお、シーリングプレートをセパレータ間に配置することについては、特許文献１などに示されている。

特開２００４−１８５８１１号公報

ここで、接着剤２２としては、比較的粘度の高いもの（例えば、シリコン系接着剤）が使用される。そこで、図９に示すように、シーリングプレート７２の端面と、空間１０ｃの端部壁の間の間隙には接着剤２２が入り込むことができず、接着剤２２を塗ったときに、空間１０ｃに空気が残留する。接着剤２２を硬化させるために加熱したときには、空気が膨張するため、図に示すように、マニホールド８０側の端面に空気が抜け、接着剤２２中にリークパスが生じる場合がある。

このリークパスは、ガス流通部１０ｂを、冷媒用のマニホールド８０ｂや異なるガス用のマニホールドとを連通させてしまったりする場合もあり、このリークパスの発生を防止することが望まれる。

本発明は、電解質層を拡散層で挟み込んだ膜−電極接合体の周辺部を、一対のセパレータの周辺部によって接着剤を介し挟み込み固定する燃料電池であって、前記セパレータは、その中央部に形成され、拡散層への流体を流通する流体流通部と、隣接するセパレータに接着剤で固定されるシール部と、このシール部に設けられ、複数種類の流体を別々に流通する複数の流体流通用マニホールドと、前記流体流通部と、その流体流通部の流体が流通される特定のマニホールドとを接続する流体連通部と、を含み、前記セパレータの流体連通部を直接覆い、他方のセパレータとの間に配置される接着剤が流体連通路に侵入するのを防止するシーリングプレートを設けるとともに、前記セパレータのシール部における前記シーリングプレートが配置される部分には、シーリングプレートの周辺部をその周縁端から所定の間隙をあけて収容するように、シーリングプレートより大きな凹部を設け、このシーリングプレートの周縁端と、凹部の終端壁との間の間隙を前記流体流通部または前記流体連通部が連通されるマニホールドに連通させる連通路を設けることを特徴とする。

また、前記連通路は、シーリングプレートを直接支持する前記流体流通部が形成されるセパレータに凹みとして形成され、前記間隙と前記流体流通部とを接続することが好適である。

また、前記連通路は、前記シーリングプレートの周辺部を収容する凹部の底面にシーリングプレートの周縁部に沿って凹みとして設けられることが好適である。

また、前記連通路は、シーリングプレートに凹みとして設けられることが好適である。

このように、本発明によれば、シーリングプレートの周縁端と、凹部の終端壁との間の間隙を前記流体流通部または前記流体連通部が連通されるマニホールドに連通させる連通路を設けており、従って接着剤塗布時において前記間隙がガス溜まりになることを防止して、不測のリークパスが生じることを防止することができる。

以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。

図１は、実施形態に係る燃料電池における第１セパレータ１０の一部構成を示す図である。第１セパレータ１０の周辺部分には、シール部１０ａが形成され、その中に冷媒用のマニホールド８０ａや、空気用のマニホールド８０ｂが形成されている。第１セパレータ１０は、多数積層され、このマニホールド８０ａ、８０ｂは、積層方向の貫通孔となる。また、空気用のマニホールド８０ｂは、第１セパレータ１０の内側に位置するガス流通部１０ｂと連通している。ガス流通部１０ｂには、多数の支持凸部１０ｅがあり、この支持凸部１０ｅの存在しない部分をガス（この場合は空気）が流通する。

また、ガス流通部１０ｂの段差部１０ｄの近傍には、比較的大きな支持凸部１０ｆが複数互いに離隔して設けられている。従って、複数の支持凸部１０ｆ同士の間には、ガス通路が形成される。なお、段差部１０ｄの内側が凹部となっている。

また、図１においては、シーリングプレート７２の記載を省略したが、シーリングプレート７２は、図７に示したものと同一であり、支持凸部１０ｅ、１０ｆに接着される。

図２、図３には、第１セパレータ１０と第２セパレータ２０が接着剤で接着された状態における図１に一点鎖線で示したＡ−Ａ断面図、Ｂ−Ｂ断面図がそれぞれ示されている。このように、第１セパレータ１０のシール部１０ａおよびシーリングプレート７２上に接着剤２２を介し第２セパレータ２０が接続される。シーリングプレート７２によって、接着剤２２がその下方の第１セパレータ１０のガス流通部１０ｂに侵入するのが防止されており、シーリングプレート７２の下方にガス流通部１０ｂと、マニホールド８０ｂ、８０ｃとの連通部が形成される。

そして、接着剤２２は、シーリングプレート７２の外側の端面と第１セパレータ１０の段差壁面との間の空間１０ｃに侵入する。図７の従来例では、空気がこの部分に閉じこめられるため、接着剤２２がほとんどこの空間１０ｃに侵入しないが、本実施形態では、支持凸部１０ｆが複数に分割され互いに離隔して配置されているため、この空間１０ｃは、第１セパレータ１０のガス流通部１０ｂと連通している。そこで、接着剤２２がこの空間１０ｃ内にまで至っている。そして、押しのけられた空気は、ガス流通部１０ｂに逃げる。

従って、接着剤２２の塗布工程において、ガス溜まりは発生せず、その後の加熱によっても、マニホールド８０ａに連通するリークパスが生じることを防止することができる。

本実施形態における燃料電池を製造する場合には、まず第１および第２セパレータ１０，２０およびＭＥＡを用意する。この例では、第１セパレータ１０は、酸素ガスをＭＥＡの拡散層へ供給する燃料電池としては正極側の空気が流通するガス流通部１０ｂを形成する。一方、第２セパレータ２０は、水素ガスをＭＥＡの拡散層へ供給する燃料電池としては負極側の空気が流通するガス流通部を形成する。

第１および第２セパレータ１０，２０を接着する場合には、まず第１および第２セパレータ１０，２０の所定位置に、瞬間接着剤によってシーリングプレート７２を接着する。この状態で、第１および第２セパレータ１０，２０の周辺部のシール部１０ａに接着剤２２を塗布し、ＭＥＡの周縁をそこに挟み込み、その後加熱することで、接着剤２２を固化させる。なお、加熱は、通常所定数の第１および第２セパレータ１０，２０およびＭＥＡを積層した燃料電池モジュールを加熱することによって行う。

このようにして、燃料電池モジュールが形成され、この際に上述したように、接着剤塗布におけるガス溜まりの発生を防止して、リークパスが形成されることを効果的に防止することができる。

図４（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）には、第１セパレータ１０の支持凸部１０ｆはそのままとして、シーリングプレート７２にガス流通溝７２ａを設けている。このように、シーリングプレート７２にガス流通溝７２ａを設けても、上述の実施例と同様に、接着剤２２によってフタされる空間１０ｃをガス流通部１０ｂと連通することができ、同様の作用効果が得られる。

図５には、さらに他の実施形態を示してある。この実施形態では、シーリングプレート７２の先端部の下側に当たる支持凸部１０ｆについて、凹部１０ｈを形成している。従って、シーリングプレート７２の先端部の周りに空間７４が形成されている。この空間７４は、ガス流通部１０ｂおよびマニホールド８０ｂに連通している。従って、接着剤２２の塗布工程において、空間７４がガス溜まりになることはなく、ガスリークパスが形成されることを防止できる。

図６には、図５の実施形態についての変形例が示してある。この例では、シーリングプレート７２が比較的大きく形成されており、そのシーリングプレート７２の周囲に凹部１０ｈによる空間７４が形成され、この空間７４がガス流通部１０ｂおよびマニホールド８０ｂ、８０ｃに接続されている。

実施形態に係るセパレータの要部構成を示す図である。 実施形態に係るセパレータの接続部分の要部構成を示す断面図である。 実施形態に係るセパレータの接続部分の要部構成を示す断面図である。 他の実施形態の構成を示す図である。 さらに他の実施形態の構成を示す図である。 さらに他の実施形態の構成を示す図である。 従来例の燃料電池モジュールの構成を示す断面図である。 従来例のシーリングプレートの設置部分の構成を示す図である。 従来例のシーリングプレートの設置部分の構成を示す断面図である。

符号の説明

１０ 第１セパレータ、１０ａ シール部、１０ｂ ガス流通部、１０ｃ 空間、１０ｄ 段差部、１０ｅ 支持凸部、１０ｆ 支持凸部、１０ｈ 凹部、２０ 第２セパレータ、２２ 接着剤、３０ ＭＥＡ、４０ 燃料電池セル、７２ シーリングプレート、７２ａ ガス流通溝、７４ 空間、８０ａ，８０ｂ，８０ｃ マニホールド。

Claims (4)

1. 電解質層を拡散層で挟み込んだ膜−電極接合体の周辺部を、一対のセパレータの周辺部によって接着剤を介し挟み込み固定する燃料電池であって、
   前記セパレータは、
   その中央部に形成され、拡散層への流体を流通する流体流通部と、
   隣接するセパレータに接着剤で固定されるシール部と、
   このシール部に設けられ、複数種類の流体を別々に流通する複数の流体流通用マニホールドと、
   前記流体流通部と、その流体流通部の流体が流通される特定のマニホールドとを接続する流体連通部と、
   を含み、
   前記セパレータの流体連通部を直接覆い、他方のセパレータとの間に配置される接着剤が流体連通路に侵入するのを防止するシーリングプレートを設けるとともに、
   前記セパレータのシール部における前記シーリングプレートが配置される部分には、シーリングプレートの周辺部をその周縁端から所定の間隙をあけて収容するように、シーリングプレートより大きな凹部を設け、
   このシーリングプレートの周縁端と、凹部の終端壁との間の間隙を前記流体流通部または前記流体連通部が連通されるマニホールドに連通させる連通路を設けることを特徴とする燃料電池。
2. 請求項１に記載の燃料電池において、
   前記連通路は、
   シーリングプレートを直接支持する前記流体流通部が形成されるセパレータに凹みとして形成され、前記間隙と前記流体流通部とを接続することを特徴とする燃料電池。
3. 請求項１に記載の燃料電池において、
   前記連通路は、前記シーリングプレートの周辺部を収容する凹部の底面にシーリングプレートの周縁部に沿って凹みとして設けられることを特徴とする燃料電池。
4. 請求項１に記載の燃料電池において、
   前記連通路は、シーリングプレートに凹みとして設けられることを特徴とする燃料電池。
   

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