JP2009064769A - 燃料電池用セルおよび燃料電池 - Google Patents

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Abstract

【課題】単位セルの部品点数を減らし、ガスシール性を向上させる。
【解決手段】燃料電池用セルは、電解質膜に燃料極と空気極を有する接合体12と接合体12の各極に反応ガスを供給する第1,第2のガス拡散層14からなる膜電極接合体10を、一対のセパレータ(不図示)により挟持してなる。また燃料電池用セルは、接合体12と第1,第2のガス拡散層14とが積層され発電可能な発電領域と、発電領域の周囲に設けられガス等を流通させるマニホールド開口部18が形成されたマニホールド領域とを有し、第1,第2のガス拡散層14のいずれか一方は、マニホールド領域まで延出し、周縁部14cにはマニホールド開口部18の周囲に形成されるガスケット体16成形用液状樹脂が含浸され気密的にシールされる。第1,第2のガス拡散層14の境界部14bの気孔率は、発電領域部14a、周縁部14cの気孔率に比べ小さい。
【選択図】図1

Description

本発明は、燃料電池用セルおよび燃料電池、特に、マニホールド開口部を気密シールしつつ発電領域への液体樹脂含浸を抑制し、且つアノードおよびカソードにおける第1及び第2のガス拡散部材によるクロスリークや短絡を防止しつつ積層厚みの薄層化が可能な燃料電池用セルおよび燃料電池に関する。
例えば、固体高分子型燃料電池は、図19に示すように、固体高分子膜からなる電解質膜92を燃料極96と空気極94との2枚の電極で挟んだ接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)を、さらに2枚のセパレータ90に挟持してなるセルを最小単位とし、通常、このセルを複数積み重ねて燃料電池スタック(FCスタック)とし、高圧電圧を得るようにしている。
固体高分子型燃料電池の発電の仕組みは、一般に、燃料極(アノード側電極)96に燃料ガス、例えば水素含有ガスが、一方、空気極(カソード側電極)94には酸化剤ガス、例えば主に酸素(O2)を含有するガスあるいは空気が供給される。水素含有ガスは、燃料ガス流路を通って燃料極96に供給され、電極の触媒の作用により電子と水素イオン(H+)に分解される。電子は外部回路を通って、燃料極96から空気極94に移動し、電流を作り出す。一方、水素イオン(H+)は電解質膜92を通過して空気極94に達し、酸素および外部回路を通ってきた電子と結合し、反応水(H2O)になる。水素(H2)と酸素(O2)および電子の結合反応と同時に発生する熱は、冷却水によって回収される。
近年、単位セルの部品点数を少なく構成可能な接合体とガス拡散層とが一体型成形された燃料電池用構成部材が提案されている(例えば、特許文献1)。図20に示すように、この燃料電池用構成部材は、電解質膜1と電解質膜1の両面に電極を構成する触媒担持層2a,3aを介して一体成形されたガス拡散層2,3とからなるMEAを有し、さらにガス拡散層2,3の周縁部分から内側に向かって一定幅で液状ゴムまたは合成樹脂からなる含浸帯域部2b,3bが設けられ、さらに含浸帯域部2b,3bの外表面を全体を包むように弾性材製ガスケット体4が一体成形されている。
また、特許文献2における膜電極接合体は、図21に示すように、電解質膜1の両面に補強層5が設けられ、各補強層5の一部にそれぞれ触媒層2a,3aが積層されて形成され、さらにガス拡散層2,3が積層されて形成されている。一方、膜電極接合体のマニホールド開口部11は、電解質膜1の両面に補強層5が設けられ、さらに各補強層5には接着層8、スペーサ層6および含浸部7が積層されて形成され、マニホールド開口部11に対して面内内側方向および面内外側方向の含浸部7表面上にシール部9が形成されている。したがって、図21に示すように、接合体の外周部に接着層8とスペーサ層6を形成し、さらにアノードおよびカソードのそれぞれのガス拡散層2,3の外周部をマニホールド領域までそれぞれ延長し且つ該外周部に封止材料を含浸させ含浸部7を形成することによって、成型時の圧縮応力によりガス拡散層が接合体に食い込むことを抑制し、これにより防止し且つ電解質膜の破損発生を抑制した膜電極接合体が提案されている。
特開2006−236957号公報 特開2007−42348号公報
単にマニホールド領域までガス拡散層を延長し、延長されたガス拡散層の周縁部に樹脂や封止材料を含浸させたとしても、上記樹脂や封止材料が確実に含浸されなければガスシール性が低下するおそれがあり、一方、ガス拡散層の発電領域にまで上記樹脂や封止材料が含浸された場合には、発電領域の接合体に供給するガス供給面積が減少するため、燃料電池の発電効率が減少するおそれがある。また、特許文献2において提案された単位セルの構成では、接着層やスペーサ層を有するため、単位セルあたりの部品点数が多くなるとともに、多層積層であることから、単位セルの厚みが増し、セルをスタック形成した燃料電池も大型化するおそれがある。
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、単位セルの部品点数を減らすことができ、且つガスシール性を向上させ、小型化が可能な燃料電池用セルおよび燃料電池を提供する。
上記目的を達成するために、本発明の燃料電池用セルおよび燃料電池は以下の特徴を有する。
(1)電解質膜に燃料極と空気極を有する接合体と、前記燃料極に燃料ガスを供給する第1のガス拡散部材と、前記空気極に酸化剤ガスを供給する第2のガス拡散部材と、前記第1のガス拡散部材と接合体と第2の拡散部材とを挟持する一対のセパレータと、から構成される燃料電池用セルであって、前記接合体が位置する発電領域と、前記発電領域の周囲に設けられ燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷媒を流通させるマニホールド開口部が形成されたマニホールド領域と、を有し、前記第1のガス拡散部材または前記第2のガス拡散部材の少なくとも一方は、前記マニホールド領域まで延出し且つ液状樹脂が含浸され気密的にシールされ、前記第1のガス拡散部材および前記第2のガス拡散部材における前記発電領域と前記マニホールド領域との境界部の気孔率は、少なくとも前記第1のガス拡散部材および前記第2のガス拡散部材における発電領域およびマニホールド領域の気孔率に比べ相対的に小さい燃料電池用セルである。
第1のガス拡散部材および第2のガス拡散部材における境界部では、含浸液状樹脂の発電領域への進入防止に適し且つガス通過しにくい気孔率を有するので、マニホールド領域ではガスシール性が確保され、且つ発電領域ではガス拡散面積が維持されるとともに発電領域におけるガス拡散性が向上する。
(2)上記(1)に記載の燃料電池用セルにおいて、前記第1のガス拡散部材または前記第2のガス拡散部材のいずれか一方は、前記マニホールド領域まで延出し且つ液状樹脂が含浸され気密的にシールされている燃料電池用セルである。
第1のガス拡散部材または第2のガス拡散部材のいずれか一方は、マニホールド領域まで延出させることにより、マニホールド領域におけるアノードとカソードとの間のガスリークおよび短絡を防ぐことができる。液状樹脂は、延出されたガス拡散部材に含浸されるため、特許文献2のような接着層がなくとも、機械的に結合されガスシール性が向上する。
(3)上記(1)または(2)に記載の燃料電池用セルにおいて、前記第1のガス拡散部材および前記第2のガス拡散部材における前記発電領域と前記マニホールド領域との境界部の気孔率は、前記第1のガス拡散部材および前記第2のガス拡散部材におけるマニホールド領域の気孔率より小さい燃料電池用セルである。
上記構成により、第1,第2のガス拡散部材における発電領域にまで液体樹脂が含浸することを抑制することができる。
(4)上記(1)から(3)のいずれか1つに記載の燃料電池用セルにおいて、さらに、前記接合体は、前記マニホールド領域まで延出し且つ気密的にシールする液体樹脂と接着される燃料電池用セルである。
接合体は、一般にマニホールド領域を気密的にシールする液状樹脂と親和性が高いため、マニホールド領域まで延出された接合体が、マニホールド領域を気密的にシールする液状樹脂と接着することによって、燃料電池用セルの接着信頼性がより確保される。したがって、特許文献2のような接着層がなくとも、より機械的に燃料電池セルが結合されガスシール性が向上する。
(5)上記(1)から(4)のいずれか1つに記載の燃料電池用セルにおいて、前記第1の拡散部材および第2の拡散部材は、前記燃料極と空気極にそれぞれ設けられているガス拡散層である燃料電池用セルである。
単位セルの部品点数を減らすことができ、且つマニホールド領域におけるガスシール性を向上させることができる。
(6)上記(1)から(4)のいずれか1つに記載の燃料電池用セルにおいて、前記セパレータは、前記接合体側表面が平滑面であるフラットセパレータであり、前記第1の拡散部材および第2の拡散部材は、前記燃料極と空気極にそれぞれ設けられている各ガス拡散層と前記フラットセパレータとの間にそれぞれ配置される多孔体流路層である燃料電池用セルである。
多孔体流路層は、金属製であることからガス拡散層に比べ、マニホールド領域において液状樹脂を含浸させることにより、特に加熱時のマニホールド領域の強度は向上する。これにより、成型時の押圧およびガス圧によるマニホールド領域の変形が抑制され、さらにガスシール性が向上する。
(7)上記(1)から(6)のいずれか1つに記載の燃料電池用セルにおいて、前記第1のガス拡散部材および第2のガス拡散部材の境界部における気孔径は20μm以下である燃料電池用セルである。
一般に、燃料電池用セルにおいて、液状樹脂が流通不可能な気孔径は20μm以下であると言われており、第1のガス拡散部材および第2のガス拡散部材の境界部における気孔径を20μm以下にすることにより、境界部において液状樹脂の含浸を抑制することができるため、良好な成形加工が可能となる。
(8)上記(6)に記載の燃料電池用セルにおいて、多孔体流路層は、前記発電領域、前記マニホールド領域、前記発電領域と前記マニホールド領域との境界部において気孔率の異なるラスカットメタルまたはエキスパンドメタルである燃料電池用セルである。
上記ラスカットメタル、エキスパンドメタルは、所望の気孔率に可変可能に加工することができ、且つ所望の厚みに形成可能なものであり、また、金属製であるため、集電体としても機能させることができる。
(9)上記(1)から(8)のいずれか1つに記載の燃料電池用セルにおいて、前記マニホールド領域には、前記前記第1のガス拡散部材と接合体と第2の拡散部材とを一体化させ且つ前記マニホールド開口部の周囲を気密的にシールするガスケットが設けられ、前記第1のガス拡散部材または第2のガス拡散部材のいずれか一方の前記マニホールド領域に拡大した周縁部は、前記ガスケットの厚み方向の中央に位置する燃料電池用セルである。
ガスケットの厚み方向の中央に第1,第2のガス拡散部材のいずれか一方の周縁部を位置させることにより、単位セルをスタック形成する際にガスケットに上下からかかる押圧に対し、ガスケットを形成する樹脂による反力が均等に働くため、押圧によるガスケットの歪みを抑制することができる。これにより、単位セルを積層した場合の燃料電池のガスシール性はより向上する。
(10)上記(1)から(9)のいずれか1つに記載の燃料電池用セルを積層してなる燃料電池である。
部品点数を削減したセルを積層するため燃料電池を小型化することができ、且つガスシール性が向上し、また燃料電池あたりの発電効率も向上させることできる。
本発明によれば、単位セルの部品点数を減らすことができ、且つガスシール性を向上させ、また、燃料電池用セルあたりの発電効率を向上させることができる。
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。
[第1の実施の形態]
本実施の形態の燃料電池用セル(以下「単位セル」ともいう)は、図1に示すように、電解質膜に燃料極と空気極を有する接合体12と、接合体12における燃料極および空気極のそれぞれに燃料ガス、酸化剤ガスを供給する第1,第2のガス拡散層14とからなる膜電極接合体10Aを、後述する一対のセパレータ(図示せず)によって挟持してなる。本実施の形態において、本発明の第1,第2のガス拡散部材はガス拡散層である。
さらに、本実施の形態の燃料電池用セルは、接合体12と第1,第2のガス拡散層14とが積層され発電可能な発電領域と、前記発電領域の周囲に設けられさらに燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷媒を流通させるマニホールド開口部18が形成されたマニホールド領域と、を有し、第1,第2のガス拡散層14のいずれか一方は、マニホールド領域まで拡大し、ガス拡散層14の一方の周縁部14cは液状樹脂が含浸されて気密的にシールされる。さらに、マニホールド開口部18の周囲には、液体樹脂を硬化させて形成され弾性を有するガスケット体16が形成され、周縁部14cは、ガスケット体16の芯材としても機能している。
本実施の形態の燃料電池用セルでは、上述した第1,第2のガス拡散層14における前記発電領域と前記マニホールド領域との境界部14bの気孔率は、少なくとも第1,第2のガス拡散層14における発電領域部14aの気孔率およびマニホールド領域における周縁部14cの気孔率に比べ、相対的に小さい。さらに、第1,第2のガス拡散層14における境界部14bの気孔率は、第1,第2のガス拡散層14におけるマニホールド領域の周縁部14cの気孔率より小さいことが好ましい。さらに好ましくは、第1,第2のガス拡散層14における上記発電領域とマニホールド領域との間の境界部14bの気孔径は、液状樹脂が通過不能な気孔径であって、例えば20μm以下である。これにより、境界部14bにおいて、マニホールド領域を形成するために含浸される液状樹脂が発電領域まで進入することを抑制することができる。
また、上記第1,第2のガス拡散層14の発電領域部14aにおける気孔径は、20μmを超えて、且つガス流通性を確保可能な気孔径が選択される。一方、第1,第2のガス拡散層14の周縁部14cの気孔径も、20μmを超え、且つマニホールドを形成するための液体樹脂の含浸可能な気孔径が選択される。
次に、上記接合体における電解質膜として、例えばナフィオン(Nafion;登録商標、デュポン社製)などのフッ素系膜、炭化水素系膜(HC膜)を用いることができる。また燃料極、空気極は、電極触媒が炭素系担持体に担持されてなり、電極触媒としては、白金または白金を含有する合金からなる触媒、また白金を含有する合金、さらに白金とともに含有可能な金属としては、鉄、コバルト、ニッケル、クロム、銅、バナジウムなどが挙げられ、この電極触媒が炭素系担持体に担持されている。
第1,第2のガス拡散層14として、例えば、例えばペーパー、クロス、高クッションペーパー、多孔質の金属を用いることができ、また撥水性を有するカーボン粒子の集合体からなるカーボン粒子層であってもよい。カーボン粒子としては、例えばカーボンブラック、黒鉛、膨張黒鉛などが挙げられるが、電子伝導性に優れ、比表面積が大きいオイルファーネスブラック、チャネルブラック、ランプブラック、サーマルブラック、アセチレンブラック等のカーボンブラックが好適に用いることができる。また、燃料電池におけるフラッティング現象等を防ぐために、第1,第2のガス拡散層14には、撥水剤を付与され、撥水剤としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリヘキサフルオロプロピレン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)等のフッ素系の高分子材料、ポリプロピレン、ポリエチレン等が挙げられる。
上記ガスケット体16を形成するための液体樹脂として、例えば、熱硬化型シリコン系樹脂、熱可塑性樹脂を用いることができる。
本実施の形態において、上記第1,第2のガス拡散層14におけるマニホールド領域まで拡大した周縁部cにおいて、上記撥水剤を付与せず、気孔径を維持させ、含浸させる液体樹脂の親和性を向上させてもよい。
[第2の実施の形態]
図2には、第2の実施形態における燃料電池用セルの膜電極接合体10Bの構成が示されている。上述した図1に示す第1の実施の形態における膜電極接合体10Aでは、一方のガス拡散層14のみその端部が、マニホールド領域まで延出しているが、第2の実施の形態における膜電極接合体10Bでは、第1、第2のガス拡散層14の端部がそれぞれマニホールド領域まで延出し且つ第1、第2のガス拡散層14の周縁部14cは互いに重層しないように形成されている以外は、第2の実施の形態の膜電極接合体10Bの構成は、第1の実施の形態の膜電極接合体10Aの構成と同じである。
なお、上記第1、第2の実施の形態において、第1、第2のガス拡散層14の延出した周縁部14cは互いに重層しないように形成されているが、電解質膜が同様に延出または図示しないフィルム質を両拡散層間に配置され、電気絶縁性が確保できている場合には、両ガス拡散層14の周縁部14cが互いに重なって形成されていてもよい。
[第3の実施の形態]
図3には、第3の実施形態における燃料電池用セルの膜電極接合体10Cの構成が示されている。上述した図1に示す第1の実施の形態における膜電極接合体10Aでは、接合体12の端部は発電領域を超え境界部までしか延出していないが、第3の実施の形態における膜電極接合体10Cでは、接合体12の両端部がそれぞれ境界部を超えマニホールド領域まで延出している以外は、第3の実施の形態の膜電極接合体10Cの構成は、第1の実施の形態の膜電極接合体10Aの構成と同じである。
[第4の実施の形態]
図4には、第4の実施形態における燃料電池用セルの膜電極接合体10Dの構成が示されている。上述した図2に示す第2の実施の形態における膜電極接合体10Bでは、接合体12の端部は発電領域を超え境界部までしか延出していないが、第4の実施の形態における膜電極接合体10Dでは、接合体12の両端部がそれぞれ境界部を超えマニホールド領域まで延出している以外は、第4の実施の形態の膜電極接合体10Dの構成は、第2の実施の形態の膜電極接合体10Bの構成と同じである。
上記第3,4の実施の形態によれば、接合体12は、一般にマニホールド領域を気密的にシールする液状樹脂と親和性が高いため、マニホールド領域まで延出された接合体が、前記液状樹脂と接着することによって、燃料電池用セルの接着信頼性がより確保される。
[第5の実施の形態]
次に、図5に用いて第5の実施の形態の燃料電池用セルについて説明する。なお、上記第1,第2,第3,第4の実施の形態と同じ構成には同じ符号を付し、その説明を省略する。
本実施の形態の燃料電池用セルは、図5に示すように、電解質膜に燃料極と空気極を有する接合体12と、接合体12における燃料極および空気極のそれぞれに燃料ガス、酸化剤ガスを供給する第1,第2のガス拡散層14と第1,第2のガス拡散層14のそれぞれに積層された第1,第2の多孔体流路層24とからなる膜電極接合体20Aを、後述する一対のセパレータ(図示せず)によって挟持してなる。本実施の形態において、本発明の第1,第2のガス拡散部材は多孔体流路層である。
さらに、本実施の形態の燃料電池用セルは、接合体12と第1,第2のガス拡散層14とが積層され発電可能な発電領域と、前記発電領域の周囲に設けられさらに燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷媒を流通させるマニホールド開口部18が形成されたマニホールド領域と、を有し、第1,第2の多孔体流路層24のいずれか一方は、マニホールド領域まで延出し、多孔体流路層24の一方の周縁部24cは液状樹脂が含浸されて気密的にシールされる。さらに、マニホールド開口部18の周囲には、液体樹脂を硬化させて形成され弾性を有するガスケット体16が形成され、周縁部24cは、ガスケット体16の芯材としても機能している。
本実施の形態の燃料電池用セルでは、上述した第1,第2の多孔体流路層24における前記発電領域と前記マニホールド領域との境界部24bの気孔率は、少なくとも第1,第2の多孔体流路層24における発電領域部24aの気孔率およびマニホールド領域における周縁部24cの気孔率に比べ、相対的に小さい。さらに、第1,第2の多孔体流路層24における境界部24bの気孔率は、第1,第2の多孔体流路層24におけるマニホールド領域の周縁部24cの気孔率より小さいことが好ましい。さらに好ましくは、第1,第2の多孔体流路層24における上記発電領域とマニホールド領域との間の境界部24bの気孔径は、液状樹脂が通過不能な気孔径であって、例えば20μm以下である。これにより、境界部24bにおいてガスシール性が確保され、また、マニホールド領域を形成するために含浸される液状樹脂が発電領域まで進入することを抑制することができる。
また、上記第1,第2の多孔体流路層24の発電領域部24aにおける気孔径は、20μmを超えて、且つガス流通性および排水性を確保可能な気孔径が選択される。一方、第1,第2の多孔体流路層24の周縁部24cの気孔径も、20μmを超え、且つマニホールドを形成するための液体樹脂の含浸可能な気孔径が選択される。
多孔体流路層24は、例えば、図11に示すようなラスカットメタルまたはエキスパンドメタルを用いることができる。
ここで、本実施の形態において、「ラスカットメタル」とは、平板状の薄肉金属板に対して、順次千鳥配置の切れ目を加工するとともに加工した切れ目を押し曲げることによって、網目状の小径の貫通孔が形成されたものである。また、「エキスパンドメタル」とは、平板状の薄肉金属板に対して、順次千鳥配置の切れ目を加工するとともに加工した切れ目を押し曲げることによって網目状の小径の貫通孔が形成され、さらに、圧延加工されて略平板状とされたものである。エキスパンドメタルは略平板状に成形されるため、例えば、最終成形後の製品において不必要な曲がりや凹凸などを除去するための工程を設ける必要がなく、製造コストを低減することができる。
また、本実施の形態の多孔体流路層24において、集電体を兼ねる場合には、後述する金属セパレータに用いる金属材料であればいかなるものでも用いることができるが、燃料電池の製造時に上述したセルを積層圧縮する際の圧力に抗し所定のガス流通を可能とするある程度の剛性を有する材料が好ましく、例えば、チタン、ステンレス材、アルミニウムが好ましい。なお、ステンレス材やアルミニウム材を用いる場合には、必要に応じ後述する溝加工、ラスカット加工の後に表面処理を行い、表面に耐蝕性、導電性を付与することが好ましい。
[第6の実施の形態]
図6には、第6の実施形態における燃料電池用セルの膜電極接合体20Bの構成が示されている。上述した図5に示す第5の実施の形態における膜電極接合体20Aでは、一方の多孔体流路層24のみその端部が、マニホールド領域まで延出しているが、第6の実施の形態における膜電極接合体20Bでは、第1、第2の多孔体流路層24の端部がそれぞれマニホールド領域まで延出し且つ第1、第2の多孔体流路層24の周縁部24cは互いに重層しないように形成されている以外は、第6の実施の形態の膜電極接合体20Bの構成は、第5の実施の形態の膜電極接合体20Aの構成と同じである。
なお、上記第5,第6の実施の形態において、第1、第2の多孔体流路層24の延出した周縁部24cは互いに重層しないように形成されているが、周縁部24cにおける液体樹脂含浸性が高く十分にガスシールされている場合には、両多孔体流路層24の周縁部24cが互いに重なって形成されていてもよい。これらの構成では、多孔体流路間が、MEA接合体12の厚さ分クリアランスとして確保できるため、双方が接触しないように成形またはいずれか一方のマニホール部分に絶縁処理を予め施しておけば、必ず膜やフィルムは必要ない。
[第7の実施の形態]
図7には、第7の実施形態における燃料電池用セルの膜電極接合体20Cの構成が示されている。上述した図5に示す第5の実施の形態における膜電極接合体20Aでは、接合体12の端部は発電領域を超え境界部までしか延出していないが、第7の実施形態における燃料電池用セルの膜電極接合体20Cでは、接合体12の両端部がそれぞれ境界部を超えマニホールド領域まで延出している以外は、第7の実施形態における燃料電池用セルの膜電極接合体20Cの構成は、第5の実施の形態における膜電極接合体20Aの構成と同じである。
[第8の実施の形態]
図8には、第8の実施形態における燃料電池用セルの膜電極接合体20Dの構成が示されている。上述した図6に示す第6の実施の形態における膜電極接合体20Bでは、接合体12の端部は発電領域を超え境界部までしか延出していないが、第8の実施形態における燃料電池用セルの膜電極接合体20Dでは、接合体12の両端部がそれぞれ境界部を超えマニホールド領域まで延出している以外は、第8の実施形態における燃料電池用セルの膜電極接合体20Dの構成は、第6の実施の形態における膜電極接合体20Bの構成と同じである。
上記第7,8の実施の形態によれば、接合体12は、一般にマニホールド領域を気密的にシールする液状樹脂と親和性が高いため、マニホールド領域まで延出された接合体が、前記液状樹脂と接着することによって、燃料電池用セルの接着信頼性がより確保される。
[第9の実施の形態]
次に、図9に用いて第9の実施の形態の燃料電池用セルについて説明する。なお、上記第1から第8の実施の形態と同じ構成には同じ符号を付し、その説明を省略する。
本実施の形態では、図9に示すように、第1,第2の多孔体流路層24A,24Bのそれぞれの周縁部24cは、マニホールド領域において互いに重層することなく、異なる方向に延伸成形されている。そして、図9に示すように、第1,第2の多孔体流路層24A,24Bのそれぞれの発電領域部24aに、接合体12とその両面にガス拡散層14が形成されたプレ膜電極接合体を位置決めし、前記プレ膜電極接合体を第1,第2の多孔体流路層24A,24Bにより挟み込むことによって、膜電極接合体30が形成される。なお、本実施の形態の膜電極接合体30の断面構造は、図5に示す膜電極接合体20Aの構成と同一である。
本実施の形態によれば、アノード側とカソード側の第1,第2の多孔体流路層24A,24Bを上述のように形成しているため、アノードとカソード間の短絡やガスリークを防止することができ、生産性も向上する。なお、第1,第2の多孔体流路層24A,24Bのそれぞれが上述と逆のカソード側とアノード側であってもよい。
さらに、上述のような第1,第2の多孔体流路層24A,24Bとして、例えばラスカットメタルを用いる場合、図12に示すようなラスカット装置50を用いて形成することができる。
図12に示すラスカット装置50は、ラスカットを施す金属板26が送られる端部側に、上下稼働する切り込み用ラスカット刃52aと固定刃52bとからなるラスカット刃52が設けられている。また、固定刃52bは、ラスカット装置50の金属板26が送られる端部側に固定され、さらに固定刃52bの外側には、切り込みが形成されたラスカットメタル54が形成されている。したがって、ラスカット装置50の金属板26の送り量と切り込み用ラスカット刃52aの降下量を調整することによって、ラスカットメタルの各領域の気孔率を変えることができる。すなわち、図9に示す多孔体流路層24Aを例に取って説明すると、まず周縁部24cを形成する際には、例えば気孔径20μmを超え且つ液体樹脂含浸可能な開口率になるように、金属板26の送り量と切り込み用ラスカット刃52aの降下量を調整し、次いで境界部24bを形成する際には、例えば気孔径20μm以下になるように金属板26の送り量と切り込み用ラスカット刃52aの降下量を調整し、さらに、発電領域部24aを形成する場合には、例えば気孔径20μmを超え且つガス流通性および排水性を確保可能な開口率になるように金属板26の送り量と切り込み用ラスカット刃52aの降下量を調整して形成してゆき、さらに境界部24b、周縁部24cを上述同様に開口率を可変調整して形成することによって、異なる気孔率を有する領域を含む多孔体流路層24Aを形成することができる。
なお、本実施の形態では、気孔率の異なる領域を有する多孔体流路層24A,24Bのラスカットの方向は一方方向になっているがこれに限るものではなく、上記ラスカット装置50にて、発電領域部24aとその両端に境界部24bが形成されたラスカットメタルと、一対の周縁部24cが形成されたラスカットメタルとを別々に作製し、この2種類のラスカットメタルをラスカット方向が異なるように溶接して多孔体流路層24A,24Bとしてもよい。
[第10の実施の形態]
次に、図10に用いて第10の実施の形態の燃料電池用セルについて説明する。なお、上記第1から第9の実施の形態と同じ構成には同じ符号を付し、その説明を省略する。
本実施の形態では、図10に示すように、一方の多孔体流路層24の周縁部24cの端部に液体樹脂を含浸してガスケット体16を形成した際に、周縁部24cの端部がガスケット体16の厚み方向の中央に位置するように、周縁部24cを予め変形させておく。中央に位置する多孔体流路層24の周縁部24cが補強層として機能し、単位セルをスタック形成する際に、ガスケット体16に上下からかかる押圧に対し、ガスケット体16を形成する樹脂による反力を均等に働かせることができ、その結果、押圧によるガスケット体16の歪みを抑制することができる。これにより、単位セルを積層した場合の燃料電池のガスシール性はより向上する。
図10では、多孔体流路層24の周縁部24cを変形させてガスケット体16の補強層としているが、これに限るものではなく、例えば図1に示すようなガス拡散層14の周縁部14cを変形させて、補強層としてもよい。なお、ラスカットメタル等により形成された多孔体流路層24の厚みは例えば0.2mmから0.3mmあり、図1に示すガス拡散層14の厚み、例えば100μmから280μmに比べ厚いことから、補強層としては好適である。さらに、多孔体流路層24をラスカットメタルにより形成する場合、上述したラスカット装置50(図12)におけるラスカット加工時に始点と終点においてさらに曲げ加工を行い変形させることにより、上述した変形した周縁部24cを形成することができる。
上記第1から第10の実施の形態において、液体樹脂を含浸させて膜電極接合体を一体成形する方法の一例を、図13を用いて説明する。図13には、金型を用いた射出成形、例えば、リキッドインジェクションモールディング(LIM)成形の例が示されている。なお、後述するLIM材60として、熱硬化型シリコン系樹脂、熱可塑性樹脂を用いることができ、また、第1から第10の実施の形態における膜電極接合体10A〜10D,20A〜20D,30,40を、ここでは説明の便宜上「膜電極接合体70」と総称する。
まず、射出ユニット54に、例えばガスケット形成用の上述した材料からなるLIM材60を計量するとともに、膜電極接合体70の周縁部を固定具62により固定して膜電極接合体70を金型内に設置し、そののち減圧用配管58を介して金型内を減圧させ、金型内のエアーを抜く(S110)。次に、金型内が所望の減圧状態になった時点で減圧動作を停止し、射出ユニット54のピストン55を動作させて、射出用配管56,56a,56bを介してガスケット形成用金型部分80a,80bにそれぞれLIM材60を射出充填する(S120)。次いで、ガスケット形成用金型部分80a,80bにそれぞれLIM材60を射出充填が完了した後、LIM材60加熱硬化させる(S130)。これにより、ガスケット一体型の膜電極接合体が形成される。
次に、単位セル構造の一例を図14に示す。図14に示す単位セルは、図5に示す膜電極接合体20Aが一対のフラットセパレータ22により挟持されている。ここで、フラットセパレータ22は、膜電極接合体20A(図5)側表面が平滑面である。
燃料電池のセパレータとして、近年、耐久性の観点から金属セパレータが用いられるようになってきているが、この金属セパレータは耐蝕性および帯電性の両立が必須となる。この上記耐蝕性および帯電性を両立させるものとしてチタン製のセパレータが候補に挙げられている。しかし、チタンは、剛性が高く、ステンレスのようにプレス加工が容易でないため、流路をプレス以外の方法で形成する必要が生じる。そこで、チタン製セパレータをフラットセパレータとし、このフラットセパレータとガス拡散層との間に多孔体により流路を形成する構成が案出され、この多孔体流路として、上述したラスカットメタルまたはエキスパンドメタルを擬似的多孔体流路層として用いる。
上記単位セルでは、図5に示す膜電極接合体20Aを用いて説明したが、これに限るものではなく、図6,図9,図10に示す膜電極接合体20B,30,40のいずれを用いてもよい。
また、単位セル構造の他の一例を図15に示す。図15に示す単位セルは、図7に示す膜電極接合体20Cが一対のフラットセパレータ22により挟持されている。ここで、フラットセパレータ22は、膜電極接合体20C(図7)側表面が平滑面である。なお、上記単位セルでは、図7に示す膜電極接合体20Cを用いて説明したが、これに限るものではなく、図8に示す膜電極接合体20Dを用いてもよい。
また、他の単位セルの構造の一例を図16に示す。図16に示す単位セルは、図1に示す膜電極接合体10Aが一対のセパレータ28により挟持されている。一対のセパレータ28には、反応ガス流路34が形成され、さらに反応ガス流路34が形成されている面の反対面に冷媒流路(図示せず)が形成されている。セパレータ28としては、例えばステンレス材やアルミニウム材などの金属材料により形成される。
上記他の単位セルでは、図1に示す膜電極接合体10Aを用いて説明したが、これに限るものではなく、図2に示す膜電極接合体10Bを用いてもよい。
また、単位セル構造の他の一例を図17に示す。図17に示す単位セルは、図3に示す膜電極接合体10Cが一対のフラットセパレータ22により挟持されている。ここで、フラットセパレータ22は、膜電極接合体10C(図3)側表面が平滑面である。なお、上記単位セルでは、図3に示す膜電極接合体10Cを用いて説明したが、これに限るものではなく、図4に示す膜電極接合体10Dを用いてもよい。
また、上述した第5から第10の実施の形態の膜電極接合体20A〜20D,30,40における多孔体流路層24,24A,24Bの境界部24e,24fを、予め図18A,図18Bに示すように封止してもよい。これにより、ガスケットを成形する際に、多孔体流路層24,24A,24Bに必要以上に液状樹脂が含浸されることを防止することができ有効電極面積を確保することができる。また、封止する場合、プレスにより境界部24eを形成してもよく、またロウ付けや溶接またはスクリーン印刷等により予め別の樹脂を含浸させて境界部24fを形成してもよい。また、多孔体流路層におけるマニホールド開口部が形成されていない辺側においても、上述同様、プレス、ロウ付けや溶接またはスクリーン印刷等により予め別の樹脂の含浸により封止部を形成することが望ましい。これにより、必要以上に、液状樹脂が含浸されることを防止することができ有効電極面積を確保することができる。
さらに、上述した単位セルを積層して、燃料電池を形成する。これにより、部品点数を削減したセルを積層するため燃料電池を小型化することができ、且つガスシール性が向上し、また燃料電池あたりの発電効率も向上させることできる。
本発明の燃料電池用セルおよび燃料電池は、燃料電池を用いる用途であれば、いかなる用途にも有効であるが、特に車両用の燃料電池に供することができる。
本発明の燃料電池用セルにおける膜電極接合体の構成の一例を説明する断面図である。 発明の燃料電池用セルにおける他の膜電極接合体の構成の一例を説明する断面図である。 発明の燃料電池用セルにおける他の膜電極接合体の構成の一例を説明する断面図である。 発明の燃料電池用セルにおける他の膜電極接合体の構成の一例を説明する断面図である。 発明の燃料電池用セルにおける他の膜電極接合体の構成の一例を説明する図である。 発明の燃料電池用セルにおける他の膜電極接合体の構成の一例を説明する断面図である。 発明の燃料電池用セルにおける他の膜電極接合体の構成の一例を説明する断面図である。 発明の燃料電池用セルにおける他の膜電極接合体の構成の一例を説明する断面図である。 発明の燃料電池用セルにおける他の膜電極接合体の構成の一例を説明する断面図である。 発明の燃料電池用セルにおける他の膜電極接合体の製造例を説明する図である。 多孔体流路層に用いるガス拡散部材の一例を示す斜視図である。 多孔体流路層に用いるガス拡散部材の製造するためのラスカット装置の構成を示す概略図である。 ガスケット一体型膜電極接合体の製造方法の工程の一例を説明する図である。 本発明における燃料電池用セルの構造の一例を示す断面図である。 本発明における他の燃料電池用セルの構造の一例を示す断面図である。 本発明における他の燃料電池用セルの構造の一例を示す断面図である。 本発明における他の燃料電池用セルの構造の一例を示す断面図である。 封止部形成の一例を説明する図である。 封止部形成の他の例を説明する図である。 燃料電池のセルの構成および発電時のメカニズムを説明する図である。 従来の燃料電池用構成部材の構成の一例を示す一部断面図である。 従来の膜電極接合体の構造の一例を示す一部断面図である。
符号の説明
10A,10B,10C,10D,20A,20B,20C,20D,30,40 膜電極接合体、12 接合体、14 ガス拡散層、14a,24a 発電領域部、14b,24b 境界部、14c、24c 周縁部、16 ガスケット体、18 マニホールド開口部、24,24A,24B 多孔体流路層。

Claims (10)

  1. 電解質膜に燃料極と空気極を有する接合体と、前記燃料極に燃料ガスを供給する第1のガス拡散部材と、前記空気極に酸化剤ガスを供給する第2のガス拡散部材と、前記第1のガス拡散部材と接合体と第2の拡散部材とを挟持する一対のセパレータと、から構成される燃料電池用セルであって、
    前記接合体が位置する発電領域と、前記発電領域の周囲に設けられ燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷媒を流通させるマニホールド開口部が形成されたマニホールド領域と、を有し、
    前記第1のガス拡散部材または前記第2のガス拡散部材の少なくとも一方は、前記マニホールド領域まで延出し且つ液状樹脂が含浸され気密的にシールされ、
    前記第1のガス拡散部材および前記第2のガス拡散部材における前記発電領域と前記マニホールド領域との境界部の気孔率は、少なくとも前記第1のガス拡散部材および前記第2のガス拡散部材における発電領域およびマニホールド領域の気孔率に比べ相対的に小さいことを特徴とする燃料電池用セル。
  2. 請求項1に記載の燃料電池用セルにおいて、
    前記第1のガス拡散部材または前記第2のガス拡散部材のいずれか一方は、前記マニホールド領域まで延出し且つ液状樹脂が含浸され気密的にシールされていることを特徴とする燃料電池用セル。
  3. 請求項1または請求項2に記載の燃料電池用セルにおいて、
    前記第1のガス拡散部材および前記第2のガス拡散部材における前記発電領域と前記マニホールド領域との境界部の気孔率は、前記第1のガス拡散部材および前記第2のガス拡散部材におけるマニホールド領域の気孔率より小さいことを特徴とする燃料電池用セル。
  4. 請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の燃料電池用セルにおいて、
    さらに、前記接合体は、前記マニホールド領域まで延出し且つ気密的にシールする液体樹脂と接着されることを特徴とする燃料電池用セル。
  5. 請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の燃料電池用セルにおいて、
    前記第1の拡散部材および第2の拡散部材は、前記燃料極と空気極にそれぞれ設けられているガス拡散層であることを特徴とする燃料電池用セル。
  6. 請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の燃料電池用セルにおいて、
    前記セパレータは、前記接合体側表面が平滑面であるフラットセパレータであり、
    前記第1の拡散部材および第2の拡散部材は、前記燃料極と空気極にそれぞれ設けられている各ガス拡散層と前記フラットセパレータとの間にそれぞれ配置される多孔体流路層であることを特徴とする燃料電池用セル。
  7. 請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の燃料電池用セルにおいて、
    前記第1のガス拡散部材および第2のガス拡散部材の境界部における気孔径は20μm以下であることを特徴とする燃料電池用セル。
  8. 請求項6に記載の燃料電池用セルにおいて、
    多孔体流路層は、前記発電領域、前記マニホールド領域、前記発電領域と前記マニホールド領域との境界部において気孔率の異なるラスカットメタルまたはエキスパンドメタルであることを特徴とする燃料電池用セル。
  9. 請求項1から請求項8のいずれか1項に記載の燃料電池用セルにおいて、
    前記マニホールド領域には、前記前記第1のガス拡散部材と接合体と第2の拡散部材とを一体化させ且つ前記マニホールド開口部の周囲を気密的にシールするガスケットが設けられ、
    前記第1のガス拡散部材または第2のガス拡散部材のいずれか一方の前記マニホールド領域に拡大した周縁部は、前記ガスケットの厚み方向の中央に位置することを特徴とする燃料電池用セル。
  10. 請求項1から請求項9のいずれか1項に記載の燃料電池用セルを積層してなる燃料電池。
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