JP2007115445A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】シール性及び生産性を向上することが可能な燃料電池を提供する。
【解決手段】電極１５の両側にメタルセパレータ１６，１６を配設してなる燃料電池１１であって、電極１５の外周部をラミネート構造樹脂２１で構成し、両側のメタルセパレータ１６，１６の外周部をラミネート構造樹脂３５，３５で構成する。電極１５の外周部を構成するラミネート構造樹脂２１に両側のメタルセパレータ１６，１６の外周部を構成する各ラミネート構造樹脂３５，３５を重ね合わせることで、例えば溶着でこれらラミネート構造樹脂３５，２１，３５同士を接合することが可能になる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電極の両側にセパレータを配設して構成される燃料電池に関する。

近年、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池をエネルギ源とした燃料電池自動車等が注目されている。

このような燃料電池では、通常、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応によって発電するセルを所要数積層した燃料電池スタックが用いられることになるが、セルの構造は、電解質膜及びその両側に配置された一対の電極とを有するＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）と、このＭＥＡを挟持する一対のセパレータとで構成される。そして、セルは、各セパレータに形成されたガス流路を介して酸化ガス又は燃料ガスが各電極に供給されることで発電するようになっている。

上記したセパレータとして金属製のメタルセパレータを用いることが行われており、このようなメタルセパレータの外周部を樹脂にて覆い、シール性を付与するために、樹脂同士を接着剤で接着したり、ガスケットを用いたりする技術が開示されている（例えば特許文献１参照）。
特開２００５−１５８４４１号公報

ところで、上記のように、シール性を付与するために接着剤を用いたり、ガスケットを用いたりするのでは、十分なシール性を得られない可能性があり、又、生産性も悪いという問題があった。

そこで、本発明は、シール性及び生産性を向上可能な燃料電池を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の燃料電池は、電極の両側にセパレータが配設されてなる燃料電池であって、前記電極の外周部と両側の前記セパレータの外周部とがそれぞれラミネート構造樹脂で構成されてなることを特徴とする。

かかる構成とすることによって、電極の外周部を構成するラミネート構造樹脂に両側のセパレータの外周部を構成する各ラミネート構造樹脂を重ね合わせることで、例えば溶着でこれらラミネート構造樹脂同士を接合することが可能になる。したがって、接着剤やガスケットが不要になるため、シール性及び生産性を向上可能となる。ラミネート構造とは、例えば、性能の異なった薄い材料を層状に貼り合わせる等して一体化した構造のことである。

この場合、前記ラミネート構造樹脂内に、金属薄板（補強部材）が設けられているのが好ましい。

かかる構成とすることによって、ラミネート構造樹脂の強度を向上させることができ、例えば溶着時や燃料電池運転中の変形を抑えることができる。したがって、シール性及び生産性をさらに向上可能となる。

また、この場合、前記電極のラミネート構造樹脂と、両側の前記セパレータのラミネート構造樹脂とが加熱溶着されているのが好ましい。

かかる構成とすることによって、電極の外周部を構成するラミネート構造樹脂に両側のセパレータの外周部を構成する各ラミネート構造樹脂を重ね合わせて、加熱溶着でこれらラミネート構造樹脂同士を接合することができる。したがって、接着剤やガスケットが不要になるため、シール性及び生産性を向上することができる。

さらに、この場合、前記電極のラミネート構造樹脂と前記セパレータのラミネート構造樹脂とに、互いに嵌合する位置決め用の凹凸が形成されているのが好ましい。

かかる構成とすることによって、電極の外周部を構成するラミネート構造樹脂に両側のセパレータの外周部を構成する各ラミネート構造樹脂を重ね合わせて、加熱溶着する際に、これらラミネート構造樹脂同士の位置決めを容易に行うことができる。したがって、さらに、生産性を向上することができる。

加えて、この場合に、前記電極のラミネート構造樹脂と、両側の前記セパレータのラミネート構造樹脂とが部分的に加熱溶着されているのが好ましい。

かかる構成とすることによって、リサイクルの際にこの部分的に加熱溶着された部分を除去すれば分解可能となり、リサイクル性が向上する。

さらに、この場合に、前記電極のラミネート構造樹脂の両側に設けられた低温溶着層と、両側の前記セパレータのラミネート構造樹脂の前記電極側にそれぞれ設けられた低温溶着層とが加熱溶着されているのが好ましい。

かかる構成とすることによって、電極のラミネート構造樹脂の両側に設けられた低温溶着層と、両側のセパレータのラミネート構造樹脂の電極側にそれぞれ設けられた低温溶着層とを加熱溶着するため、シール性及び生産性をさらに向上することができる。

本発明によれば、シール性及び生産性を向上させることが可能となる。

次に、本発明に係る燃料電池の第１実施形態を図１を参照しつつ説明する。

図１は、燃料ガス及び酸化ガスの供給を受けて発電する単一のセル（燃料電池）１１を示すものであり、第１実施形態のセル１１は、図示は略すが、厚さ方向に所要数積層され燃料電池スタックとされて使用されるものである。なお、この燃料電池スタックは、燃料電池自動車の車載発電システムや船舶、航空機、電車あるいは歩行ロボット等のあらゆる移動体用の発電システム、さらには、建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システム等に適用可能である。

セル１１は、電解質膜１２と、その両側に形成された一対の電極触媒層１３，１３と、これら電極触媒層１３，１３のそれぞれの電解質膜１２とは反対側に形成された一対の拡散層１４，１４とを有する薄板形状のＭＥＡ（電極）１５と、このＭＥＡ１５の厚さ方向の両側に配設された薄板形状の一対のメタルセパレータ１６，１６とで構成される。なお、セパレータは、メタルセパレータに限らず、カーボンセパレータでもよい。

ＭＥＡ１５は、上記した電解質膜１２と一対の電極触媒層１３，１３と一対の拡散層１４，１４とで構成されるＭＥＡ本体２０を有しており、このＭＥＡ本体２０は、中央の電解質膜１２が、一対の電極触媒層１３，１３及び一対の拡散層１４，１４の外周部よりも外側に全周にわたって突出しており、このＭＥＡ本体２０の外周部には、ラミネート構造樹脂２１が全周にわたって設けられている。

つまり、ＭＥＡ１５の外周部はラミネート構造樹脂２１で構成されている。ここで、ラミネート構造とは、性能の異なった薄い材料を層状に貼り合わせる等して一体化した構造のことである。

ラミネート構造樹脂２１は、電解質膜１２の突出する部分の外周面および厚さ方向の両面と、一対の電極触媒層１３，１３の外周面と、一対の拡散層１４，１４の外周面及び両面の外周側の一部とに一体化されるように、ＭＥＡ本体２０の全周にわたって形成された基材樹脂層２３と、ＭＥＡ本体２０の全周を囲むように基材樹脂層２３の中間部に内装された金属薄板２４と、基材樹脂層２３の厚さ方向の両面の外周部側にＭＥＡ本体２０の全周を囲むように設けられた低温溶着層２５，２５とを有している。

つまり、それぞれが薄い材料である基材樹脂層２３、金属薄板２４及び低温溶着層２５，２５の複数を積層状態とすることでラミネート構造樹脂２１が形成されている。

なお、基材樹脂層２３は、ＭＥＡ本体２０及び金属薄板２４がセットされた金型へ樹脂を射出するインサート成形によって形成されることで、ＭＥＡ本体２９及び金属薄板２４と接合され一体化されている。

ここで、基材樹脂層２３はシリコン樹脂等のインサート成形に適した樹脂材料（母材）からなり、金属薄板２４は、アルミニウム、チタン、ステンレス等、基材樹脂層２３の母材よりも高強度で該基材樹脂層２３を補強し得る金属材料からなり、両側の低温溶着層２５，２５は、基材樹脂層２３よりも低温で溶着可能な例えばポリプロピレン等の樹脂材料からなっている。基材樹脂層２３の厚さ方向の両面および外周面は、それぞれ設けられた低温溶着層２５，２５の各面と面一となっている。

一対のメタルセパレータ１６，１６は、それぞれ、その主要部分を構成する金属製のセパレータ本体３０を有している。このセパレータ本体３０には、そのＭＥＡ１５と対向する対向面に、燃料ガス及び酸化ガスのいずれか対応する一方を流すための凹形状のガス流路溝３１が形成されており、逆側の面に、冷却液を流すための凹形状の冷却液流路溝３２が形成されている。

また、セパレータ本体３０の外周部には、全周にわたって板状に突出するフランジ部３３が厚さ方向においてガス流路溝３１の形成面側に偏って形成されている。

そして、セパレータ本体３０のフランジ部３３を含むように、セパレータ本体３０の外周部には、ラミネート構造樹脂３５が全周にわたって設けられている。つまり、メタルセパレータ１６の外周部はラミネート構造樹脂３５で構成されている。

ここで、メタルセパレータ１６のラミネート構造樹脂３５は、フランジ部３３の外周面および厚さ方向の両面に一体化されるように、セパレータ本体３０の全周にわたって形成された基材樹脂層３７と、セパレータ本体３０の全周を囲むように、厚さ方向において基材樹脂層３７のフランジ部３３よりも冷却液流路溝３２の形成面側に偏って内装された金属薄板３８と、基材樹脂層３７の厚さ方向のガス流路溝３１の形成面側且つ外周部側にセパレータ本体３０の全周を囲むように設けられた低温溶着層３９とを有している。

つまり、それぞれが薄い材料である基材樹脂層３７、金属薄板３８及び低温溶着層３９の複数を積層状態とすることでラミネート構造樹脂３５が形成されている。

なお、基材樹脂層３７はセパレータ本体３０及び金属薄板３８がセットされた金型へ樹脂を射出するインサート成形で形成されることで、セパレータ本体３０及び金属薄板３８と一体化されている。

ここで、基材樹脂層３７はシリコン樹脂等のインサート成形に適した樹脂材料からなり、金属薄板３８は、アルミニウム、チタン、ステンレス等、基材樹脂層２３の母材よりも高強度で該基材樹脂層２３を補強し得る金属材料からなり、低温溶着層３９は、基材樹脂層３７よりも低温で溶着可能な例えばポリプロピレン等の樹脂材料からなっている。

しかも、基材樹脂層３７は基材樹脂層２３と同一材料からなり、金属薄板３８は金属薄板２４と同一材料からなり、低温溶着層３９は低温溶着層２５と同一材料からなっている。また、基材樹脂層３７の厚さ方向の一方の面および外周面は、低温溶着層３９の各面と面一となっている。

そして、上記のように形成されたＭＥＡ１５の両側に、ＭＥＡ１５側にそれぞれのガス流路溝３１を対向させるように一対のメタルセパレータ１６，１６を配置する。すると、ＭＥＡ１５のラミネート構造樹脂２１の厚さ方向の一側に、一方のメタルセパレータ１６のラミネート構造樹脂３５が全周にわたって重なり合うとともに、ＭＥＡ１５のラミネート構造樹脂２１の厚さ方向の他側に、他方のメタルセパレータ１６のラミネート構造樹脂３５が全周にわたって重なり合うことになる。

その結果、ＭＥＡ１５のラミネート構造樹脂２１の厚さ方向一側の低温溶着層２５に、一方のメタルセパレータ１６のラミネート構造樹脂３５の低温溶着層３９が全周にわたって重なり合うとともに、ＭＥＡ１５のラミネート構造樹脂２１の厚さ方向他側の低温溶着層２５に、他方のメタルセパレータ１６のラミネート構造樹脂３５の低温溶着層３９が全周にわたって重なり合うことになる。

このようにして重ね合わせられたＭＥＡ１５のラミネート構造樹脂２１および両側のメタルセパレータ１６，１６のラミネート構造樹脂３５，３５の全周を、図１に矢印で示すように両側のラミネート構造樹脂３５，３５の外側から加熱しつつ押圧することで、ＭＥＡ１５のラミネート構造樹脂２１の一方の低温溶着層２５に、一方のメタルセパレータ１６のラミネート構造樹脂３５の低温溶着層３９が全周にわたって溶着することになり、ＭＥＡ１５のラミネート構造樹脂２１の他方の低温溶着層２５に、他方のメタルセパレータ１６のラミネート構造樹脂３５の低温溶着層３９が全周にわたって溶着することになる。

これによって、ＭＥＡ１５を一対のメタルセパレータ１６，１６で挟持して構成されるセル１１が形成される。そして、図示は略すが、このようなセル１１が、厚さ方向に複数（数１０〜数１００枚）積層され、積層方向の両側から別途挟持されて燃料電池スタックを構成する。

このような第１実施形態によれば、ＭＥＡ１５の外周部を構成するラミネート構造樹脂２１に両側のメタルセパレータ１６，１６の外周部を構成する各ラミネート構造樹脂３５，３５を重ね合わせ、加熱溶着すると、ＭＥＡ１５のラミネート構造樹脂２１の両側に設けられた低温溶着層２５，２５と、両側のメタルセパレータ１６，１６のラミネート構造樹脂３５，３５のＭＥＡ１５側にそれぞれ設けられた低温溶着層３９とを加熱溶着することになって、これらラミネート構造樹脂３５，２１，３５を接合し一体化することができる。したがって、接着剤やガスケットが不要になるため、シール性を十分に確保することができ、生産性を向上することができる。

また、ラミネート構造樹脂２１に金属薄板２４が、ラミネート構造樹脂３５に金属薄板３８がそれぞれ設けられているため、ラミネート構造樹脂２１，３５の強度を向上させることができ、溶着時の変形を抑えることができる。したがって、シール性及び生産性のさらなる向上が可能となる。

次に、本発明に係る燃料電池の第２実施形態を図２を参照しつつ第１実施形態との相違部分を中心に説明する。なお、第１実施形態と同様の部分は同一の符号を付し、その説明は略す。

第２実施形態では、ＭＥＡ１５の外周部を構成するラミネート構造樹脂２１に、厚さ方向の両面それぞれからＭＥＡ本体２０の全周を囲むように枠状に凹む一対の凹部４１，４１が基材樹脂層２３に形成されており、これら凹部４１，４１は金属薄板２４の手前まで凹んでいる。なお、各凹部４１，４１のそれぞれの底面に低温溶着層２５が形成されている。

また、メタルセパレータ１６，１６のラミネート構造樹脂３５，３５には、それぞれ、厚さ方向においてガス流路溝３１の形成面側に偏って基材樹脂層３７が薄く形成されるように、冷却液流路溝３２の形成面側に段部４３が形成されている。加えて、メタルセパレータ１６，１６のラミネート構造樹脂３５，３５には、それぞれ、厚さ方向のガス流路溝３１の形成面側からセパレータ本体３０の全周を囲むように枠状に突出する凸部４４が形成されていて、凸部４４の裏側には凸部４４の内側範囲で凹む裏側凹部４５が形成されている。

ここで、凸部４４の形状に合わせて金属薄板３８は、ハット型断面をなすように屈曲する形状をなしており、また、凸部４４の先端面に低温溶着層３９が形成されている。なお、メタルセパレータ１６，１６のラミネート構造樹脂３５，３５のそれぞれの凸部４４及び裏側凹部４５は、射出成形と同時に形成してもよいし、射出成形後にプレスすることで形成してもよい。後者の場合は、金属薄板３８もこのプレス成形時に屈曲させられる。

そして、上記のように形成されたＭＥＡ１５の両側に、ＭＥＡ１５側にそれぞれのガス流路溝３１を対向させるようにして一対のメタルセパレータ１６，１６を配置する際に、ＭＥＡ１５の一側の凹部４１に一方のメタルセパレータ１６の凸部４４を嵌合させるとともに、ＭＥＡ１５の他側の凹部４１に他方のメタルセパレータ１６の凸部４４を嵌合させる。

すると、ＭＥＡ１５のラミネート構造樹脂２１の一側に、一方のメタルセパレータ１６のラミネート構造樹脂３５が全周にわたって位置を合わせて重なり合うとともに、ＭＥＡ１５のラミネート構造樹脂２１の他側に、他方のメタルセパレータ１６のラミネート構造樹脂３５が全周にわたって位置を合わせて重なり合うことになる。

その結果、ＭＥＡ１５の一方の凹部４１の低温溶着層２５に、一方のメタルセパレータ１６の凸部４４の低温溶着層３９が全周にわたって位置を合わせて重なり合うとともに、ＭＥＡ１５の他方の凹部４１の低温溶着層２５に、他方のメタルセパレータ１６の凸部４４の低温溶着層３９が全周にわたって位置を合わせて重なり合うことになる。

このようにして重ね合わせられたＭＥＡ１５のラミネート構造樹脂２１および両側のメタルセパレータ１６，１６のラミネート構造樹脂３５，３５の全周を、図２に矢印で示すように両側のラミネート構造樹脂３５，３５の裏側凹部４５，４５の外側から加熱しつつ押圧することで、ＭＥＡ１５の一方の凹部４１の低温溶着層２５に、一方のメタルセパレータ１６の凸部４４の低温溶着層３９が全周にわたって溶着することになり、ＭＥＡ１５の他方の凹部４１の低温溶着層２５に、他方のメタルセパレータ１６の凸部４４の低温溶着層３９が全周にわたって溶着することになる。

これによって、ＭＥＡ１５を一対のメタルセパレータ１６，１６で挟持して構成されるセル１１が形成される。そして、このようなセル１１が、第１実施形態と同様に、厚さ方向に複数積層され、積層方向の両側から別途挟持されて燃料電池スタックを構成する。

なお、このようなセル１１の積層時に、隣り合うセル１１，１１同士の段部４３による隙間を埋めるように別途のスペーサ４７が介装されて位置決め精度が高められる。

このような第２実施形態によれば、第１実施形態の効果に加えて、ＭＥＡ１５の外周部を構成するラミネート構造樹脂２１に両側のメタルセパレータ１６，１６の外周部を構成する各ラミネート構造樹脂３５，３５を重ね合わせて加熱溶着する際に、両側のメタルセパレータ１６，１６のラミネート構造樹脂３５，３５の凸部４４，４４を、ＭＥＡ１５のラミネート構造樹脂２１の凹部４１，４１に嵌合させることで、これらラミネート構造樹脂３５，２１，３５同士の位置決めを容易に行うことができ、また曲がりを防止することができる。したがって、さらに、生産性を向上することができる。

なお、上記とは逆に、メタルセパレータ１６，１６のラミネート構造樹脂３５，３５に凹部を形成し、ＭＥＡ１５のラミネート構造樹脂２１に、凹部に嵌合する凸部を形成しても良い。

つまり、ＭＥＡ１５のラミネート構造樹脂２１と、メタルセパレータ１６，１６のラミネート構造樹脂３５，３５とに、互いに嵌合する位置決め用の凹凸が形成されていれば良い。また、凹凸は、枠状でなくても良く、例えば円筒形状の凹凸を複数所定の間隔で形成しても良い。

次に、本発明に係る燃料電池の第３実施形態を図３及び図４を参照しつつ第１実施形態との相違部分を中心に説明する。なお、第１実施形態と同様の部分は同一の符号を付し、その説明は略す。

第３実施形態において、両側のメタルセパレータ１６，１６のラミネート構造樹脂３５，３５のそれぞれの外周部には、基材樹脂層３７が厚さ方向においてガス流路溝３１の形成面側つまりＭＥＡ１５の接合側に偏って薄く形成されるように、冷却液流路溝３２の形成面側に段部５０が全周にわたって枠状に形成されている。

そして、ＭＥＡ１５のラミネート構造樹脂２１と、両側のメタルセパレータ１６，１６のラミネート構造樹脂３５，３５とを加熱溶着してセル１１を形成する際に、セル１１の全周にわたって溶着する第１実施形態とは相違して、両側に段部５０が形成されることで薄肉となった部分に部分的にスポット溶着を行い、所定の間隔で複数箇所を溶着させる。

つまり、ＭＥＡ１５の両側に、ＭＥＡ１５側にそれぞれのガス流路溝３１を対向させるように一対のメタルセパレータ１６，１６を配置すると、第１実施形態と同様に、ＭＥＡ１５のラミネート構造樹脂２１の厚さ方向一側の低温溶着層２５に、一方のメタルセパレータ１６のラミネート構造樹脂３５の低温溶着層３９が全周にわたって重なり合うとともに、ＭＥＡ１５のラミネート構造樹脂２１の厚さ方向他側の低温溶着層２５に、他方のメタルセパレータ１６のラミネート構造樹脂３５の低温溶着層３９が全周にわたって重なり合うことになる。

そして、このようにして重ね合わせられたＭＥＡ１５のラミネート構造樹脂２１および両側のメタルセパレータ１６，１６のラミネート構造樹脂３５，３５を、図３に矢印で示すようにラミネート構造樹脂３５，３５の段部５０の位置において両側からスポット的に加熱しつつ押圧することで、ＭＥＡ１５の一方の低温溶着層２５に、一方のメタルセパレータ１６の低温溶着層３９がスポット的に溶着することになり、ＭＥＡ１５の他方の低温溶着層２５に、他方のメタルセパレータ１６の低温溶着層３９がスポット的に溶着することになる。

このようにして形成されるスポット溶着部５１を全周にわたって所定の間隔で形成することで、ＭＥＡ１５を一対のメタルセパレータ１６，１６で挟持して構成されるセル１１が形成される。そして、このようなセル１１が、第１実施形態と同様に、厚さ方向に複数積層され、積層方向の両側から別途挟持されて燃料電池スタックを構成する。

このような第３実施形態によれば、第１実施形態の効果に加えて、セル１１の白金やメタルセパレータ１６のリサイクルの際に、上記のように部分的に加熱溶着されたスポット溶着部５１を除去すれば分解可能となり、リサイクル性が向上する。しかも、スポット溶着部５１は、両側の段部５０により薄肉とされた部分に形成されるため、例えば図４に示す切断線Ｃに沿った切断による除去が容易となって、リサイクル性がさらに向上する。

本発明に係る燃料電池の第１実施形態を示す正断面図である。 本発明に係る燃料電池の第２実施形態を示す正断面図である。 本発明に係る燃料電池の第３実施形態を示す正断面図である。 同第３実施形態を示す部分平面図である。

符号の説明

１１…セル（燃料電池）、１５…ＭＥＡ（電極）、１６…メタルセパレータ、２１，３５…ラミネート構造樹脂、２４，３８…金属薄板、２５，３９…低温溶着層、４１…凹部、４４…凸部。

Claims (6)

1. 電極の両側にセパレータが配設されてなる燃料電池であって、
   前記電極の外周部と両側の前記セパレータの外周部とがそれぞれラミネート構造樹脂で構成されている燃料電池。
2. 請求項１に記載の燃料電池において、
   前記ラミネート構造樹脂内に、金属薄板が設けられている燃料電池。
3. 請求項１又は２に記載の燃料電池において、
   前記電極のラミネート構造樹脂と両側の前記セパレータのラミネート構造樹脂とが加熱溶着されてなる燃料電池。
4. 請求項３に記載の燃料電池において、
   前記電極のラミネート構造樹脂と前記セパレータのラミネート構造樹脂とに、互いに嵌合する位置決め用の凹凸が形成されている燃料電池。
5. 請求項３又は４に記載の燃料電池において、
   前記電極のラミネート構造樹脂と両側の前記セパレータのラミネート構造樹脂とが部分的に加熱溶着されてなる燃料電池。
6. 請求項３乃至５のいずれか一項に記載の燃料電池において、
   前記電極のラミネート構造樹脂の両側に設けられた低温溶着層と、両側の前記セパレータのラミネート構造樹脂の前記電極側にそれぞれ設けられた低温溶着層とが加熱溶着されてなる燃料電池。
   
   

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