JP2010165473A - 燃料電池及び燃料電池用シール構造の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】目止め材の発電領域方向への浸入を抑制することを目的とする。
【解決手段】燃料電池１０であって、発電領域１０１を有する膜電極接合体１００と、多数の空隙を有し、前記膜電極接合体の両面に配置される反応ガス流路形成部２００とを備え、前記反応ガス流路形成部２００は、前記発電領域１０１に隣接する発電領域隣接部分と、前記反応ガス流路形成部の端部近傍に周状に設けられ、目止め材２１５が充填された充填部分２１０と、前記発電領域隣接部分と前記充填部分との間に周状に設けられ、前記発電領域隣接部分よりも低い空隙率を有する低空隙率を有する低空隙率部分２２０と、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池に関し、特に燃料電池に用いられるガス流路部材に関する。

燃料電池によっては、反応ガスを拡散させるための多孔体などのガス流路部材を用い、その外縁方向への反応ガスのリークを抑制するために、ガス流路部材の外縁部にシール部を設ける場合がある。このシール部を形成する際に、シール部を形成するシール材がガス流路部材を通って発電領域に広がると、燃料電池の発電効率を低下させる。シール部形成時におけるシール材の広がりを抑制するために、ガス流路部材の外縁部に樹脂製の目止め材を含浸させるものが知られている（例えば特許文献１）。

特開２００８−１４７１０３号公報

しかし、目止め材が発電領域に浸入すると、反応ガスの拡散を妨げ、燃料電池の発電効率が低下する。従来は、目止め材の充填時における、目止め材の発電領域方向への浸入については十分に考慮されていなかった。

本発明は上記課題の少なくとも１つを解決し、ガス流路部材の、目止め材の発電領域方向への浸入を抑制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、以下の形態または適用例として実現することが可能である。

［適用例１］
燃料電池であって、発電領域を有する膜電極接合体と、多数の空隙を有し、前記膜電極接合体の両面に配置される反応ガス流路形成部とを備え、前記反応ガス流路形成部は、前記発電領域に隣接する発電領域隣接部分と、前記反応ガス流路形成部の端部近傍に周状に設けられ、目止め材が充填された充填部分と、前記発電領域隣接部分と前記充填部分との間に周状に設けられ、前記発電領域隣接部分よりも低い空隙率を有する低空隙率を有する低空隙率部分と、を有する、燃料電池。
この適用例によれば、空隙率が低い部分は、目止め材の浸入に対する抵抗が高いため、目止め材の発電領域方向への浸入を抑制することが可能となる。
［適用例２］
適用例１に記載の燃料電池において、前記反応ガス流路形成部は、さらに、前記充填部分の外縁側に設けられ、前記発電領域部分よりも低い空隙率を有する第２の低空隙率部分を有する、燃料電池。
この適用例によれば、目止め材が反応ガス流路形成部の外縁方向にも浸入し難いので、目止め材を反応ガス流路形成部の厚さ方向に、十分に充填させることが可能となる。
［適用例３］
適用例１または適用例２に記載の燃料電池において、前記低空隙率部分は、前記反応ガス流路形成部が圧縮されて形成されている、燃料電池。
この適用例によれば、低空隙率の部分を容易に形成することが可能となる。
［適用例４］
適用例１から適用例３のいずれかに記載の燃料電池において、前記反応ガス流路形成部は、エキスパンドメタルで形成されている、燃料電池。
この適用例によれば、反応ガス流路形成部は、エキスパンドメタルで形成されているので、所謂焼結多孔体よりも製造が容易である。また、反応ガス流路の圧縮も容易である。
［適用例５］
燃料電池用シール構造の製造方法であって、（１）多数の空隙を有する反応ガス流路形成部を準備する工程と、（２）前記反応ガス流路形成部の燃料電池の発電領域よりも外側の周状の部分において、前記反応ガス流路形成部を圧縮して低空隙率部分を形成する工程と、（３）前記反応ガス流路形成部の前記低空隙率部分の外側の周状の部分に目止め材を充填する工程と、を備える、燃料電池用シール構造の製造方法。
この適用例によれば、空隙率が低い部分により、目止め材の発電領域方向への浸入を抑制することが可能となる。
［適用例６］
適用例５に記載の燃料電池用シール構造の製造方法において、
前記工程（３）の目止め材の充填の方向は、前記工程（２）における前記反応ガス流路形成部を圧縮する時の圧縮の方向と反対方向である、燃料電池用シール構造の製造方法。
この適用例によれば、多孔体が圧縮されて空隙率が低い部分側から目止め材が充填されるので、目止め材が広がることを抑制することが可能となる。

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、燃料電池用シール構造の製造方法の他、燃料電池のシール構造、燃料電池の製造方法等、様々な形態で実現することができる。

図１は、本実施例に係る燃料電池の断面の一部を示す説明図である。図１では、燃料電池ユニット１０が一組、描かれている。燃料電池ユニット１０が複数、積層されることにより、燃料電池スタック（図示せず）が形成される。燃料電池ユニット１０は、発電部２０と、セパレータ３０と、を備える。

発電部２０は、膜電極接合体１００と、ガス拡散層１３０と、反応ガス流路形成部２００と、シール部４００とを備える。膜電極接合体１００は、電解質膜１１０と、触媒層１２０と、を備える。電解質膜１１０は、アノード極で生成されたプロトンを、カソード極に移動させるための膜である。電解質膜１１０として、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸ポリマなどのフッ素系樹脂や炭化水素系樹脂からなるプロトン伝導性のイオン交換膜を用いることが可能である。電解質膜１１０の両面には、触媒層１２０が形成されている。触媒として、例えば、白金触媒や、あるいは白金と他の金属とからなる白金合金触媒を用いることが可能である。触媒は、例えばカーボン粒子上に担持され、電解質膜１１０の表面に塗布されて、触媒層１２０を形成している。なお、触媒層１２０が塗布されている領域が発電領域１０１となる。

ガス拡散層１３０は、膜電極接合体１００の両面に配置されている。ガス拡散層１３０として、例えば、カーボン不織布を用いたカーボンクロスやカーボンペーパーを用いることが可能である。

反応ガス流路形成部２００は、ガス拡散層１３０の外側に配置されている。反応ガス流路形成部２００は、空隙を有する構造を備えていることが好ましい。反応ガス流路形成部２００として、例えば、エキスパンドメタルや各種の多孔体を用いることが可能である。図２は、反応ガス流路形成部に用いられるエキスパンドメタルの一例を示す斜視図である。図２の矢印は、反応ガスの移動の様子を示している。

図１に示す反応ガス流路形成部２００の端部には目止め材充填部２１０が形成され、目止め材２１５が充填されている。目止め材充填部２１０の両側には、低空隙率部２２０、２３０が形成されている。ここで、反応ガス流路形成部２００の空隙率に対し、相対的に空隙率が小さく形成されている部分を、『低空隙率部』と呼ぶ。低空隙率部２２０、２３０の形成方法については後述する。

シール部４００は、膜電極接合体１００の外縁部に形成されており、膜電極接合体１００を支持する。また、シール部４００は、セパレータ３０に密着し、反応ガスの漏れを抑制する。シール部４００は、例えば、液状ゴムを硬化させることにより形成されている。

セパレータ３０は、アノード側プレート３００と、カソード側プレート３１０と、中間プレート３２０を備える。アノード側プレート３００やカソード側プレート３１０は、例えば、金属製の平板を用いて形成することが可能である。中間プレート３２０は、例えば、金属製あるいは樹脂製の平板を用いて形成することが可能である。各プレート３００、３１０、３２０は、端部に開口部３０１、３１１、３２１が形成されている。開口部３０１、３１１、３２１は、反応ガスや冷媒を供給し、あるいは排出するための、マニホールド４０を形成している。

図３は、反応ガス流路形成部の断面図を示す説明図である。図３は、図１に示す反応ガス流路形成部２００を拡大して模式的に示したものである。反応ガス流路形成部２００は、端部において、目止め材充填部２１０が形成されており、目止め材２１０充填部の両側には、低空隙率部２２０、２３０が形成されている。図３に示す低空隙率部２２０、２３０の下部には、凹部２２２、２３２が形成されている。

図４は、反応ガス流路形成部の平面図を示す説明図である。反応ガス流路形成部２００は、略四角形の形状を有している。目止め材充填部２１０は、反応ガス流路形成部２００の端部において、額縁状の形状に形成されている。低空隙率部２２０、２３０は、目止め材充填部２１０を内側と外側から挟むように、額縁状の形状を有している。

図５は、反応ガス流路形成部の端部を拡大して示す説明図である。図５では、凹部２２２、２３２に充填物２２４、２３４が挿入されている。充填物２２４、２３４は、例えば、樹脂や金属などを用いて形成することが可能である。なお、反応ガス流路形成部２００は、充填物２２４、２３４を備えない構成であってもよい。

図６は、反応ガス流路形成部に低空隙率部を形成する工程の一例を示す説明図である。図６（Ａ）に示す工程では、略直方体形状の反応ガス流路形成部２００を準備する。反応ガス流路形成部２００としては、例えば、エキスパンドメタルを用いることが可能である。エキスパンドメタルは、金属製の平板に千鳥状に切れ込みを入れ、交互に押し延ばしながら網目を形成することにより、容易に形成することが可能である。

図６（Ｂ）に示す工程では、反応ガス流路形成部２００を挟むように、第１の圧縮治具５００と、第２の圧縮治具５１０とを配置する。第１の圧縮治具５００は、略四角形の形状をした平板である。第２の圧縮治具５１０は、略四角形の形状をした平板であり、外縁部に突起５１２を備えている。突起５１２は、額縁形状を有しており、２重に形成されている。なお、突起５１２は、第２の圧縮治具５１０の反応ガス流路形成部２００側に設けられている。

図６（Ｃ）に示す工程では、反応ガス流路形成部２００の一方の面に第１の圧縮治具５００を配置し、他方の面から第２の圧縮治具５１０の突起５１２を圧入させる。これにより、突起５１２が圧入される方向において、反応ガス流路形成部２００が圧縮され、当該部分の空隙率が減少する。図６（Ｄ）は、突起５１２が反応ガス流路形成部２００にちょうど埋没する状態まで、反応ガス流路形成部２００に突起５１２を圧入させた状態を示している。

図６（Ｅ）に示す工程では、反応ガス流路形成部２００の両面から第１の圧縮治具５００と、第２の圧縮治具５１０を取り除く。突起５１２が挿入された後の痕跡が凹部２２２、２３２である。このように、突起５１２を圧入することにより、反応ガス流路形成部２００の端部、凹部２２２、２３２と反対側において、低空隙率部２２０、２３０を容易に形成することが可能となる。

図７は、目止め材を充填する工程の一例を示す説明図である。図７（Ａ）に示す工程では、第１の転写用治具６００に目止め材２１５を配置する。第１の転写用治具６００は、略四角形の形状をした平板である。目止め材２１５は、第１の転写用治具６００の端部に、額縁状に配置されている。この配置位置は、第１の転写用治具６００と反応ガス流路形成部２００（図６）とを合わせたときに、反応ガス流路形成部２００の２つの低空隙率部２２０、２３０の間に来る、位置である。ここで、目止め材２１５として、例えば、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、ＵＶ硬化性樹脂などを用いることが可能である。

図７（Ｂ）に示す工程では、第１の転写用治具６００の目止め材２１５の配置側に、反応ガス流路形成部２００（図６）を配置する。このとき、低空隙率部２２０、２３０の間と、目止め材２１５とが対向するように、反応ガス流路形成部２００を配置する。こうすると、目止め材２１５を低空隙率部２２０、２３０側から充填することが可能となる。次に、反応ガス流路形成部２００の凹部２２２、２３２側に第２の転写用治具６１０を配置する。なお、第２の転写用治具６１０の配置を、第１の転写用治具６００の配置よりも先に行っても良い。

図７（Ｃ）に示す工程では、第１の転写用治具６００を反応ガス流路形成部２００方向に移動させ、目止め材２１５を、低空隙率部２２０、２３０の間に充填（転写）する。このとき、目止め材２１５として、熱可塑性樹脂を用いる場合には、目止め材２１５加熱して柔らかくしておくことが好ましい。図７（Ｄ）は、第１の転写用治具６００と、反応ガス流路形成部２００とが接するまで、第１の転写用治具６００を移動させた状態を示している。目止め材２１５として熱可塑性樹脂を用いる場合には、冷却して硬化させる。

図７（Ｅ）に示す工程では、反応ガス流路形成部２００の両面から第１の転写用治具６００と、第２の転写用治具６１０を取り除く。これにより、目止め材２１５が充填された反応ガス流路形成部２００を形成することが可能となる。

図８は、燃料電池にシール材を形成する工程の一例を示す説明図である。図８（Ａ）に示す工程では、セパレータ３０と発電部２０を配置する。具体的には、カソード側プレート３１０の上に中間プレート３２０、アノード側プレート３００を順に配置してセパレータ３０を形成する。アノード側プレート３００の上に、反応ガス流路形成部２００、ガス拡散層１３０、膜電極接合体１００、ガス拡散層１３０、反応ガス流路形成部２００を順次配置する。

図８（Ｂ）に示す工程では、セパレータ３０と発電部２０に、金型７００に配置し、液状ゴムを充填する。まず、セパレータ３０と発電部２０に、金型７００を配置する。これにより、金型７００と、セパレータ３０及び発電部２０との間には、キャビティ７１０が形成される。次に、キャビティ７１０に液状ゴムを流し込む。このとき、反応ガス流路形成部２００の端部の空隙には、液状ゴムが流れ込むが、目止め材充填部２１０が液状ゴムの浸入を抑制するため、発電領域１０１には、液状ゴムは流れ込まない。すなわち、目止め材充填部２１０は、液状ゴムが発電領域１０１方向に浸入しないように、液状ゴムの浸入を阻止する役割を果たしている。次に、液状ゴムを硬化させてシール部４００を形成する。次に、金型を開けて、図１に示す燃料電池ユニット１０を取り出す。

図９は、本実施例の効果の一例を示す説明図である。目止め材充填部２１０の両側は、低空隙率部２２０、２３０であるので、目止め材２１５の浸透に対する抵抗が高くなっている。そのため、目止め材２１５は、反応ガス流路形成部２００の面方向には充填されずに、充填抵抗の低い厚み方向に充填されていく。これにより、目止め材充填部２１０が、反応ガス流路形成部２００の面方向には広がらず、厚み方向に充填された、反応ガス流路形成部２００を形成することが可能となる。

図１０は、本実施例の他の効果の一例を示す説明図である。図１０（Ａ）は、本実施例であり、図１０（Ｂ）は比較例である。比較例では、目止め材２１５が反応ガス流路形成部２００の面方向に広がり、発電領域１０１まで達している。そのため、目止め材により、反応ガスの発電領域１０１への移動が妨げられるため、燃料電池の発電効率が低下する恐れがある。一方、本実施例では、目止め材２１５が反応ガス流路形成部２００の面方向に広がっておらず、発電領域１０１まで達していない。そのため、目止め材２１５による反応ガスの発電領域１０１への移動は妨げられない。その結果、燃料電池の発電効率の低下を抑制できる。

また、比較例では、目止め材２１５が反応ガス流路形成部２００の厚さ方向に十分に充填されない恐れがある。この場合、図８に示す液状ゴムの充填工程において、液状ゴムが発電領域１０１に浸入し、燃料電池の発電効率が低下する恐れがある。一方、本実施例では、目止め材２１５が反応ガス流路形成部２００の厚さ方向に十分に充填されているので、図８に示す液状ゴムの充填工程において、液状ゴムが発電領域１０１に浸入し難く、燃料電池の発電効率の低下を抑制することが可能となる。

変形例：
図１１は、反応ガス流路形成部に低空隙率部を形成する工程の他の一例を示す説明図である。図（Ａ）に示す工程では、略直方体形状の反応ガス流路形成部２００を準備する。図６（Ａ）に示す工程と同じである。

図１１（Ｂ）に示す工程では、反応ガス流路形成部２００の下側に、第１の圧縮治具５００を配置し、反応ガス流路形成部２００の充填材５２０を配置する。充填材５２０は、額縁形状を有し、２重に形成されている。充填材５２０は、金属や樹脂で形成された部材であり、図８に示すシールの形成工程において、液状ゴムを通過させない程度に緻密に形成されていることが好ましい。

図１１（Ｃ）に示す工程では、充填材５２０を、反応ガス流路形成部２００中に圧入する。これにより、充填材５２０圧入方向において、反応ガス流路形成部２００が圧縮され、当該部分の空隙率が減少する。図１１（Ｄ）は、充填材５２０が反応ガス流路形成部２００にちょうど埋没させ、第１の圧縮治具５００を取り除いた状態を示している。この変形例は、充填材５２０が図３に示す凹部２２２、２３２に挿入されたものと同様の構成である。この変形例によれば、凹部２２２、２３２に充填材５２０が挿入されているため、シール部４００の形成工程（図８）において、液状ゴムの浸入をより抑制することが可能となる。

図１２は、目止め材を充填する工程の他の一例を示す説明図である。図１２（Ａ）に示す工程では、反応ガス流路形成部２００の下側に第２の転写用治具６１０を配置し、２つの低空隙率部２２０、２３０の間に目止め材２１５を配置する。目止め材としては、熱可塑性の樹脂が好ましい。

図１２（Ｂ）に示す工程では、目止め材２１５を加熱して柔らかくし、目止め材２１５を厚さ方向に充填していく。目止め材の充填位置の両側は、低空隙率部２２０、２３０となっているので、目止め材２１５は、反応ガス流路形成部２００の面方向には広がり難く、厚さ方向に充填されやすい。図１２（Ｃ）に示す工程では、反応ガス流路形成部２００の上側に第１の転写用治具６００を配置し、目止め材２１５を反応ガス流路形成部２００の中に十分に充填させる。図１２（Ｄ）に示す工程では、反応ガス流路形成部２００の両面から第１の転写用治具６００と、第２の転写用治具６１０を取り除く。この工程によれば、目止め材２１５の位置合わせが容易となる。目止め材２１５として熱可塑性樹脂を用いる場合には、冷却して硬化させる。

本実施例では、低空隙率部２２０、２３０は、目止め材充填部２１０の両側に形成しているが、内側の低空隙率部２２０のみ形成し、外側の低空隙率部２３０を形成しないようにしてもよい。このように低空隙率部を形成すれば、目止め材２１５を反応ガス流路形成部２００に充填する工程（図６）において、目止め材２１５の発電領域１０１への浸入を抑制することが可能となる。

本実施例では、反応ガス流路形成部２００として、エキスパンドメタルを用いたが、例えば金属製の焼結多孔体であってもよい。エキスパンドメタルと同様に、圧縮により、空隙率を減少させることが可能である。

以上、いくつかの実施例に基づいて本発明の実施の形態について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。

本実施例に係る燃料電池の断面の一部を示す説明図である。 反応ガス流路形成部に用いられるエキスパンドメタルの一例を示す斜視図である。 反応ガス流路形成部の断面図を示す説明図である。 反応ガス流路形成部の平面図を示す説明図である。 反応ガス流路形成部の端部を拡大して示す説明図である。 反応ガス流路形成部に低空隙率部を形成する工程の一例を示す説明図である。 目止め材を充填する工程の一例を示す説明図である。 燃料電池にシール材を形成する工程の一例を示す説明図である。 本実施例の効果の一例を示す説明図である。 本実施例の他の効果の一例を示す説明図である。 反応ガス流路形成部に低空隙率部を形成する工程の他の一例を示す説明図である。 目止め材を充填する工程の他の一例を示す説明図である。

１０…燃料電池ユニット
２０…発電部
３０…セパレータ
４０…マニホールド
１００…膜電極接合体
１０１…発電領域
１１０…電解質膜
１２０…触媒層
１３０…ガス拡散層
２００…反応ガス流路形成部
２１０…目止め材充填部
２１５…目止め材
２２０、２３０…低空隙率部
２２２、２３２…凹部
２２４、２３４…充填物
３００…アノード側プレート
３０１、３１１、３２１…開口部
３１０…カソード側プレート
３２０…中間プレート
４００…シール部
５００…第１の圧縮治具
５１０…第２の圧縮治具
５１２…突起
５２０…充填材
６００…第１の転写用治具
６１０…第２の転写用治具
７００…金型
７１０…キャビティ

Claims (6)

1. 燃料電池であって、
   発電領域を有する膜電極接合体と、
   多数の空隙を有し、前記膜電極接合体の両面に配置される反応ガス流路形成部とを備え、
   前記反応ガス流路形成部は、
   前記発電領域に隣接する発電領域隣接部分と、
   前記反応ガス流路形成部の端部近傍に周状に設けられ、目止め材が充填された充填部分と、
   前記発電領域隣接部分と前記充填部分との間に周状に設けられ、前記発電領域隣接部分よりも低い空隙率を有する低空隙率を有する低空隙率部分と、
   を有する、
   燃料電池。
2. 請求項１に記載の燃料電池において、
   前記反応ガス流路形成部は、さらに、前記充填部分の外縁側に設けられ、前記発電領域部分よりも低い空隙率を有する第２の低空隙率部分を有する、燃料電池。
3. 請求項１または請求項２に記載の燃料電池において、
   前記低空隙率部分は、前記反応ガス流路形成部が圧縮されて形成されている、燃料電池。
4. 請求項１から請求項３のいずれかに記載の燃料電池において、
   前記反応ガス流路形成部は、エキスパンドメタルで形成されている、燃料電池。
5. 燃料電池用シール構造の製造方法であって、
   （１）多数の空隙を有する反応ガス流路形成部を準備する工程と、
   （２）前記反応ガス流路形成部の燃料電池の発電領域よりも外側の周状の部分において、前記反応ガス流路形成部を圧縮して低空隙率部分を形成する工程と、
   （３）前記反応ガス流路形成部の前記低空隙率部分の外側の周状の部分に目止め材を充填する工程と、
   を備える、燃料電池用シール構造の製造方法。
6. 請求項５に記載の燃料電池用シール構造の製造方法において、
   前記工程（３）の目止め材の充填の方向は、前記工程（２）における前記反応ガス流路形成部を圧縮する時の圧縮の方向と反対方向である、燃料電池用シール構造の製造方法。

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