JP2009037863A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池において短絡が発生する可能性を低減する技術を提供する。
【解決手段】燃料電池１００は、複数の膜電極接合体１０とセパレータ４０とが交互に積層されたいわゆるスタック構造を有している。複数の膜電極接合体１０のそれぞれの外周縁には、流体の漏洩を防止するための外周シール枠部２１が設けられている。セパレータ４０を挟んで隣り合う外周シール枠部２１同士は、連結シール部２２によって互いに連結されている。
【選択図】図４

Description

この発明は、燃料電池に関する。

燃料電池は、一般に、電解質膜の両面に電極を配置した発電体（膜電極接合体）を、セパレータによって挟持した構成を有する。膜電極接合体の外周縁には、流体の漏洩を防止するためのシール部が設けられいる。シール部は通常、セパレータによって挟持されるため、絶縁性部材によって構成することによってセパレータ間において短絡が発生することを防止する（特許文献１等）。

特開２００２−３０５００６号公報 ＷＯ２００２／０４３１７２号公報 特開２００４−２１３９３０号公報 特開２００５−２３５６１３号公報 特開２００４−１５８３４１号公報

しかし、燃料電池の製造工程や使用時において、セパレータと膜電極接合体及びシール部との配置位置がずれてしまう場合がある。すると、シール部を挟んで隣り合うセパレータの外周縁同士が互いの方向へと屈曲して接触してしまい、短絡を引きおこす可能性がある。しかし、これまでこうした問題に対して十分な工夫がなされてこなかったのが実情であった。

本発明は、燃料電池において短絡が発生する可能性を低減する技術を提供することを目的とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

［適用例１］複数の膜電極接合体とセパレータとが交互に積層された燃料電池であって、前記複数の膜電極接合体のそれぞれの外周縁には、流体の漏洩を防止するためのシール部が設けられており、前記セパレータを挟んで隣り合うシール部同士は、連結シール部によって互いに連結されている燃料電池。

この構成によれば、セパレータの少なくとも一端の一部が連結シール部によって被覆されるために、セパレータが位置ずれを引きおこす可能性を低減することができる。また、連結シール部によって隣り合うセパレータ同士が接触することを抑制することができる。従って、燃料電池における短絡の発生の可能性を低減できる。

［適用例２］適用例１記載の燃料電池であって、前記複数の膜電極接合体は、前記連結シール部によって連結された帯状体を形成しており、前記帯状体は、前記連結シール部で折り曲げて葛折りにされた状態で配置されている燃料電池。

この構成によれば、連結シール部によって短絡の発生を抑制できるとともに、膜電極接合体とシール部と連結シール部とを一体的に形成することが出来るため、燃料電池の生産性を向上することができる燃料電池。

［適用例３］適用例２記載の燃料電池であって、前記連結シール部に隣接した位置に設けられ、前記連結シール部で包まれていない前記セパレータの端面を包む第２の連結シール部を有する燃料電池。

この構成によれば、第２の連結シール部によって、さらに、セパレータの位置ずれ及びセパレータ同士の接触が発生する可能性を低減することができる。従って、燃料電池における短絡の発生を抑制することができる。

［適用例４］適用例１ないし適用例３のいずれかに記載の燃料電池であって、さらに、前記複数の膜電極接合体と前記セパレータとが交互に積層された積層体を積層方向から挟持する２枚のエンドプレートと、前記積層体と前記エンドプレートとの間に配置されるターミナルプレートと、前記エンドプレートと前記ターミナルプレートの間に配置される絶縁部材とを備え、前記絶縁部材と前記シール部とが前記シール部と同一のシール部材で連結されている燃料電池。

この構成によれば、連結シール部材によってセパレータ同士の短絡を抑制するとともに、絶縁部材とシール部とを連結するシール部材によって、エンドプレートとターミナルプレートとの短絡も抑制することができる。

なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池、その燃料電池を備えた燃料電池システム、その燃料電池システムを搭載した車両等の形態で実現することができる。

A．第１実施例：
図１（Ａ）〜（Ｃ）は本発明の一実施例としての燃料電池の製造工程を説明するための模式図である。本実施例の燃料電池は、反応ガスとして水素と酸素の供給を受けて発電を行う固体高分子型燃料電池である。なお、燃料電池としては固体高分子型燃料電池に限られず、任意の種々のタイプの燃料電池に本発明を適用することが可能である。

図１（Ａ）は、第１工程として、本実施例の燃料電池に用いられる膜電極接合体１０の準備工程を示している。膜電極接合体１０は、電解質膜１１の両面にそれぞれ、アノード電極層１２及びカソード電極層１３を配置した発電体である。なお、２つの電極層１２，１３は、電解質膜１１の外周縁が２つの電極層１２，１３の外周縁より突出するように配置されている。

電解質膜１１は、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示すフッ素系樹脂等の高分子材料によって構成することができる。２つの電極層１２，１３は、電解質膜１１と接する面には、燃料電池反応を促進するための触媒層（図示せず）が設けられており、電解質膜１１と接しない外面には、供給された反応ガスを触媒層全体に行き渡らせるためのガス拡散層（図示せず）が設けられている。触媒としては、例えば、白金（Ｐｔ）を採用することができ、ガス拡散層としては、例えば、カーボンペーパを採用することができる。

図１（Ｂ）は、第２工程として、複数の膜電極接合体１０を一列に配列する工程を示している。膜電極接合体１０は、アノード電極層１２側の面を上側とするものと、カソード電極層１３側の面を上側とするものとを交互に並べていく。このように配列された状態で、次の第３工程において膜電極接合体１０の外周縁にシール部２０を成形する。なお、図には、シール部２０が設けられる領域を破線で示してある。

図１（Ｃ）は、第３工程として、膜電極接合体１０の外周縁にシール部２０を成形する工程を示している。シール部２０は、電解質膜１１の外周縁及び２つの電極層１２，１３の外周縁を被覆するように設けられる。これによってシール部２０は、膜電極接合体１０と一体的に成形される。また、シール部２０は、複数の膜電極接合体１０のそれぞれを連結するように成形される。即ち、この工程では、複数の膜電極接合体１０がシール部２０によって連結された帯状体３０が形成される。なお、シール部２０は、例えば、シリコンゴムやフッ素系ゴムによって構成することが可能である。

帯状体３０の両端には、後述するエンドプレートと同程度の面積を有するようにシール部２０が延長されて設けられたインシュレータ部２５が設けられている。なお、図１（Ｃ）には帯状体３０の一端のインシュレータ部２５のみが図示されており、他端のインシュレータ部２５は図示を省略してある。このインシュレータ部２５は、燃料電池として組み付けられた際に、エンドプレートとターミナルプレートの間の絶縁層として機能する。

ここで、シール部２０のうち、膜電極接合体１０の外周縁に設けられた部位を「外周シール枠部２１」と呼び、外周シール枠部２１が一体的に成形された膜電極接合体１０のそれぞれを「シール一体型膜電極接合体１０ｓ」と呼ぶ。具体的には、外周シール枠部２１は、シール部２０のうち、後述する工程においてセパレータによって挟持される部位である。また、シール部２０のうち、外周シール枠部２１同士又は外周シール枠部２１とインシュレータ部２５によって挟まれた部位を「連結シール部２２」と呼ぶ。

図２は、帯状体３０を構成する複数のシール一体型膜電極接合体１０ｓのうちの任意の１つを拡大して示す概略図である。なお、図２は、シール一体型膜電極接合体１０ｓのアノード電極層１２側の面を示しているが、カソード電極層１３側も同様の構成である。

シール一体型膜電極接合体１０ｓの外周シール枠部２１には、燃料電池において流体の供給・排出を担うマニホールド孔３１〜３６が、貫通孔として設けられている。具体的には、水素及び酸素の供給用マニホールド孔３１，３３が、水素及び酸素の排出用マニホールド孔３２，３４と、アノード電極層１２を挟んで、それぞれ対向する位置に設けられている。また、冷媒供給用マニホールド孔３５が、水素及び酸素の供給用マニホールド孔３１，３３に挟まれるように設けられており、同様に、冷媒排出用マニホールド孔３６が、水素及び酸素の排出用マニホールド孔３２，３４に挟まれて設けられている。なお、マニホールド孔３１〜３６は、他の構成・配置であっても良い。

外周シール枠部２１の両面には、２つの電極層１２，１３及び各マニホールド孔３１〜３６をそれぞれ囲むシールライン２３が設けられている。シールライン２３は、プレス成形によりリップ（突起部）として設けられるものとしても良い。シールライン２３は、燃料電池として組み付けられた際に、後述するセパレータによって押圧されることによって、シールライン２３によって囲まれた領域から外部へと流体が漏洩することを防止する。

図３は、第４工程として、燃料電池の積層工程を示す模式図である。図３には、燃料電池の各構成部材の概略断面図が示されている。この工程では、帯状体３０は、連結シール部２２で折り曲げられて葛折りにされ、シール一体型膜電極接合体１０ｓ及びインシュレータ部２５が積層された状態へと加工される。

この際に、シール一体型膜電極接合体１０ｓ同士の間にはセパレータ４０が挿入されるとともに、セパレータ４０と２つの電極層１２，１３の間には、ガス流路部材５０が配置される。また、インシュレータ部２５と、それに隣り合うシール一体型膜電極接合体１０ｓとの間には、カソード電極層１３側にセパレータ４０とガス流路部材５０とが挿入され、インシュレータ部２５側には、ターミナルプレート６０が挿入・配置される。

セパレータ４０は、アノード側に配置されるアノードプレート４１と、カソード側に配置されるカソードプレート４３と、２つのプレートに挟持される中間プレート４２とを備える、いわゆる３層式セパレータである。セパレータ４０としては、導電性を有する薄い金属板などで構成することができる。これによって、セパレータ４０は、発電された電気の集電機能を実現する。

セパレータ４０には、シール一体型膜電極接合体１０ｓと同様に、マニホールド孔３１〜３６が設けられている。中間プレート４２及びアノードプレート４１には、水素供給用マニホールド孔３１からアノード電極層１２へと連通する水素供給用の流路と、アノード電極層１２から水素排出用マニホールド孔３２へと連通する水素排出用の流路とが設けられている（いずれも図示せず）。同様に、中間プレート４２及びカソードプレート４３には、酸素の供給用及び排出用の流路が設けられている（図示せず）。これによって、セパレータ４０は、各シール一体型膜電極接合体１０ｓに対する反応ガスの供給・排出機能を実現する。中間プレート４２には、さらに、冷媒の供給用マニホールド孔３５と排出用マニホールド孔３６とを連通する冷媒流路が発電領域全体に渡って設けられている（図示せず）。これにより、セパレータ４０は、燃料電池の冷却機能を実現している。

ガス流路部材５０は、セパレータ４０から供給された反応ガスを各電極層１２，１３の全体へと行き渡らせるためのものである。ガス流路部材５０としては、導電性を有する多孔質部材や、いわゆるエキスパンドメタルなどで構成することが出来る。なお、ガス流路部材５０は、各電極層１２，１３とセパレータ４０とに同時に接するように配置されることによって、発電された電気の導電パスとして機能する。

図４は、完成した燃料電池１００の構成を示す概略断面図である。葛折りにされた帯状体３０は、積層方向から第１と第２のエンドプレート７１，７２によって挟持される。２枚のエンドプレート７１，７２は、帯状体３０の積層方向に所定の荷重を掛けた状態で、締結部材８０によって締結される。なお、第１のエンドプレート７１には、帯状体３０に設けられたマニホールド孔３１〜３６と連結するように、マニホールド孔３１〜３６が設けられており、燃料電池外部の流体用配管と接続する。

帯状体３０の連結シール部２２は、燃料電池１００の側面（積層方向に沿った面）に配置される。また、帯状体３０の両端に設けられたインシュレータ部２５は、ターミナルプレート６０と各エンドプレート７１，７２によって挟持されつつ、連結シール部２２によってシール一体型膜電極接合体１０ｓの外周シール枠部２１と連結された状態となる。

このような構成とすることによって、セパレータ４０及びターミナルプレート６０の少なくともその一端の一部が連結シール部２２によって被覆された（包まれた）状態となる。従って、セパレータ４０及びターミナルプレート６０の位置ずれの発生の可能性が低減される。また、セパレータ４０同士の間及びターミナルプレート６０とエンドプレート７１，７２との間には外周シール枠部２１及び連結シール部２２、インシュレータ部２５が存在する状態となる。そのため、セパレータ４０同士及びターミナルプレート６０とエンドプレート７１，７２とが接触することによる短絡の発生が抑制される。

ところで、従来の燃料電池におけるセパレータは、変形によるセパレータ同士の接触を抑制するために、所定の剛性を有することが好ましい。しかし、本実施例の構成によれば、上述したように、シール部２０によってセパレータ４０同士の接触が抑制されているため、セパレータ４０の剛性を低くすることが可能である。即ち、本実施例の構成によれば、セパレータ４０を薄板化することができ、燃料電池の小型化が可能である。

また、外周シール枠部２１及び連結シール部２２、インシュレータ部２５は、シール部２０として一体的に形成されているため、燃料電池１００を構成する部品点数を削減することが可能である。さらに、複数の膜電極接合体１０に対して一括してシール部２０を成形するため、製造工程の短縮も可能である。即ち、本実施例の構成によれば、燃料電池の生産性を向上することが可能である。

B．第２実施例：
図５は、第２実施例の燃料電池に用いられる帯状体３０Ａの一部分を示す概略図である。図５は、シール部２０にカットライン２６，２７が設けられている点以外は、図２とほぼ同じである。この帯状体３０Ａは、第１実施例の帯状体３０と同様に、第１工程〜第３工程（図１）によって製造される。

第２実施例の帯状体３０Ａは、第１実施例の帯状体３０とは異なり、シール部２０に切り込みであるカットライン２６，２７が設けられている。カットライン２６は、連結シール部２２の中央において、帯状体３０Ａの両側端面３８，３９のそれぞれから、帯状体３０Ａが葛折りされる際の折り目（一点鎖線で図示）の方向に沿ってカットライン２７と交差するまで切り込まれている。カットライン２７は、帯状体３０の両側端面３８，３９に沿った方向に連結シール部２２を横断する２本の平行な切り込みとして設けられている。

即ち、１つの連結シール部２２は、カットライン２６，２７によって５つの部位に区分けされる。ここで、連結シール部２２のうち、外周シール枠部２１同士を連結している部位を「連結部２２ｍ」と呼び、残りの４つの部位を「切断部２２ｃ」と呼ぶ。

図６は、第１実施例の第４工程（図３）と同様に、帯状体３０Ａを連結シール部２２で折り曲げて葛折りされた積層体を構成した後の状態を示している。即ち、第１実施例と同様に、帯状体３０Ａのシール一体型膜電極接合体１０ｓ同士の間には、セパレータ４０とガス流路部材５０とが介装されている。また、インシュレータ部２５とシール一体型膜電極接合体１０ｓの間には、セパレータ４０とガス流路部材５０とターミナルプレート６０とが介装されている。

ここで、帯状体３０Ａの連結シール部２２には、カットライン２６，２７が設けられているため、切断部２２ｃは、連結部２２ｍと同じ方向（積層方向）に折り曲げられることなく、膜電極接合体の面に沿った方向へと延びたままの状態となる。そこで、次工程として、切断部２２ｃを連結部２２ｍとは逆の方向（図中の矢印の方向）に折り曲げて、セパレータ４０を挟んで隣り合う切断部２２ｃ同士を接着剤によって接着する。

図７は、完成した燃料電池１００Ａの構成を示す概略断面図である。図７は、上述した連結シール部２２の切断部２２ｃ同士を接着した接着シール部２２ｇが設けられている点以外は、図４とほぼ同じである。図８は、燃料電池１００Ａの接着シール部２２ｇの構成を示す概略斜視図である。

図７及び図８に示すように、第２実施例の燃料電池１００Ａの構成によれば、連結シール部２２の連結部２２ｍ及び接着シール部２２ｇによってセパレータ４０の対向する２つの端の一部が被覆される。第１実施例の燃料電池１００（図４）では、連結シール部２２は、セパレータ４０の一辺の端面全体を包んでいた。一方、第２実施例の燃料電池１００Ａでは、連結シール部２２が、セパレータ４０の一辺の端面の一部を覆うとともに、接着シール部２２ｇが、連結シール部２２によって覆われていない一辺の端面の一部を覆っている。従って、第１実施例の燃料電池１００よりも、さらに、セパレータ４０の位置ずれの発生の可能性が低減されている。また、セパレータ同士の接触による短絡の発生が抑制されている。

なお、この第２実施例の接着シール部２２ｇは、連結シール部２２によって包まれていないセパレータの端面を包むとともに、セパレータ４０を挟んで隣り合うシール部２０を連結する第２の連結シール部として解釈することが可能である。

C．第３実施例：
図９は、第３実施例としての燃料電池１００Ｂの構成を示す概略断面図である。図９は、インシュレータ部２５に面圧保持部２９が設けられている点以外は、図４とほぼ同じである。

ところで、燃料電池では、発電を継続すると、電解質膜の膨潤や構成部材の熱膨張によって締結荷重が増加することが知られている。従って、インシュレータ部２５のうち、燃料電池の積層方向に沿って発電領域が投影される領域（「インシュレータ部発電領域」と呼ぶ）では、締結荷重の増加に伴って圧縮応力が増加する。

なお、図中では、便宜上、インシュレータ部２５と各エンドプレート７１，７２及びターミナルプレート６０との間に空隙を設けて図示してある。しかし、この空隙の間隔は、実際には非常に微小であるため、インシュレータ部２５は、エンドプレート７１，７２及びターミナルプレート６０と、インシュレータ部発電領域において容易に接触し、当該領域内において圧縮応力が発生する。

第１実施例の燃料電池１００では、比較的剛性の低いシール部２０と同一材料によってインシュレータ部２５が形成されているため、インシュレータ部２５は、上記圧縮応力によるクリープひずみや変形を引きおこす可能性が高い。すると、燃料電池の電極面における面圧が低下し、燃料電池の発電効率が低下するおそれがある。

そこで、第３実施例の燃料電池１００Ｂでは、インシュレータ部２５のインシュレータ部発電領域にシール部２０よりも剛性の高い材料を用いた面圧保持部２９を設けることによって、インシュレータ部２５の歪み・変形の発生を抑制する。面圧保持部２９は、例えば、エポキシ系樹脂やフェノール系樹脂などの樹脂材料によって構成することができる。

このように、第３実施例の構成によれば、外周シール枠部２１と連結シール部２２と面圧保持部２９を含むインシュレータ部２５とを一体的に成形することによって、製造工程を短縮し生産性を向上させることができる。また、面圧保持部２９によって、インシュレータ部２５の劣化を抑制することができる。

D．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

D1．変形例１：
上記実施例において、外周シール枠部２１と、連結シール部２２と、インシュレータ部２５は、シール部２０として一括して成形されていたが、それぞれ別個に成形されるものとしても良い。即ち、帯状体を構成して葛折りに組み付けなくとも良い。燃料電池として組み付けられた際に、セパレータを挟んで隣り合う外周シール枠部が、連結シール部によって連結されていれば良い。

D2．変形例２：
上記実施例において、単体の帯状体３０を１つの燃料電池１００，１００Ａとして組み付けていたが、２つ以上の帯状体３０を組み合わせて１つの燃料電池を構成するものとしても良い。

第１実施例の燃料電池に用いられる帯状体の製造工程を説明するための模式図。 第１実施例の帯状体に含まれるシール一体型膜電極接合体の構成を示す概略図。 第１実施例の燃料電池の組み付け工程を説明するための概略図。 第１実施例の燃料電池の構成を示す概略図。 第２実施例の帯状体に含まれるシール一体型膜電極接合体の構成を示す概略図。 第２実施例の燃料電池の組み付け工程を説明するための概略図。 第２実施例の燃料電池の構成を示す概略図。 第２実施例の燃料電池の接着シール部の構成を説明するための概略斜視図。 第３実施例の燃料電池の構成を説明するための概略図。

符号の説明

１０…膜電極接合体
１０ｓ…シール一体型膜電極接合体
１１…電解質膜
１２…アノード電極層
１３…カソード電極層
２０…シール部
２１…外周シール枠部
２２…連結シール部
２２ｃ…切断部
２２ｇ…接着シール部
２２ｍ…連結部
２３…シールライン
２５…インシュレータ部
２５…面圧保持部
２６，２７…カットライン
２６…カットライン
２７…カットライン
２９…面圧保持部
３０,３０Ａ…帯状体
３１〜３６…マニホールド孔
３８，３９…側端面
４０…セパレータ
４１…アノードプレート
４２…中間プレート
４３…カソードプレート
５０…ガス流路部材
６０…ターミナルプレート
７１，７２…エンドプレート
８０…締結部材
１００，１００Ａ，１００Ｂ…燃料電池

Claims (4)

1. 複数の膜電極接合体とセパレータとが交互に積層された燃料電池であって、
   前記複数の膜電極接合体のそれぞれの外周縁には、流体の漏洩を防止するためのシール部が設けられており、
   前記セパレータを挟んで隣り合うシール部同士は、連結シール部によって互いに連結されている、燃料電池。
2. 請求項１記載の燃料電池であって、
   前記複数の膜電極接合体は、前記連結シール部によって連結された帯状体を形成しており、
   前記帯状体は、前記連結シール部で折り曲げて葛折りにされた状態で配置されている、燃料電池。
3. 請求項２記載の燃料電池であって、さらに、
   前記連結シール部に隣接した位置に設けられ、前記連結シール部で包まれていない前記セパレータの端面を包む第２の連結シール部を有する、燃料電池。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の燃料電池であって、さらに、
   前記複数の膜電極接合体と前記セパレータとが交互に積層された積層体を積層方向から挟持する２枚のエンドプレートと、
   前記積層体と前記エンドプレートとの間に配置されるターミナルプレートと、
   前記エンドプレートと前記ターミナルプレートの間に配置される絶縁部材と、
   を備え、
   前記絶縁部材と前記シール部とが前記シール部と同一のシール部材で連結されている、燃料電池。

Images