JP2014082034A - Fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池に関する。 The present invention relates to a fuel cell.
燃料電池は、通常、膜電極接合体と、膜電極接合体を狭持する2枚のセパレータと、を備え、膜電極接合体を狭持しているセパレータ同士の間には、反応ガスや冷媒などの流体の漏洩を防止するシール部が形成される。シール部のシール不良は、燃料電池の性能低下の原因となるため、燃料電池の製造後には、シール部についての適切な検査が容易かつ確実に実施されることが望ましい。例えば、特許文献1には、膜電極接合体を狭持するセパレータ同士を接着する接着剤によって形成されたシール部の検査のために、X線の照射による燃料電池の内部の撮像を行う技術が開示されている。 A fuel cell usually includes a membrane electrode assembly and two separators that sandwich the membrane electrode assembly, and a reactive gas or refrigerant is interposed between the separators that sandwich the membrane electrode assembly. A seal portion for preventing leakage of fluid such as is formed. Since a seal failure in the seal portion causes a decrease in the performance of the fuel cell, it is desirable that an appropriate inspection of the seal portion be performed easily and reliably after the fuel cell is manufactured. For example, Patent Document 1 discloses a technique for imaging the inside of a fuel cell by X-ray irradiation in order to inspect a seal portion formed by an adhesive that bonds separators sandwiching a membrane electrode assembly. It is disclosed.
しかし、特許文献1に記載された検査方法では、撮影画像に現れにくいシール部の実質的な劣化状態を検出することが困難であるという問題がある。撮影画像に現れにくい実質的な劣化状態としては、例えば、シール部の化学的腐食に伴うシール部の強度不足やシール不良、接着不良などがある。また、特許文献1の技術では、X線を照射するための装置が必要であり、検査のためのコストが高くなってしまうという問題がある。 However, the inspection method described in Patent Document 1 has a problem that it is difficult to detect a substantial deterioration state of the seal portion that is difficult to appear in a captured image. Examples of the substantial deterioration state that is difficult to appear in the photographed image include insufficient strength of the seal portion, poor seal, and poor adhesion due to chemical corrosion of the seal portion. Further, the technique of Patent Document 1 requires a device for irradiating X-rays, and there is a problem that the cost for inspection becomes high.
ところで、燃料電池の製造後の検査においては、任意の数のサンプルを分解してシール部の検査を行う抜き取り検査を行うことができる。しかし、抜き取り検査では、全ての燃料電池について、シール部の製造不良を確実に検出することができなかった。 By the way, in the inspection after manufacturing the fuel cell, it is possible to perform a sampling inspection in which an arbitrary number of samples are disassembled to inspect the seal portion. However, in the sampling inspection, it was not possible to reliably detect defective manufacturing of the seal portion for all fuel cells.
また、燃料電池のシール部は、燃料電池の運転中には反応ガスや冷媒などの流体に曝されるため、経年劣化を生じやすい。そのため、シール部の検査は、燃料電池の製造時に限らず、燃料電池の使用開始後の所定の定期的なタイミングで、燃料電池の個体ごとに、容易かつ確実に実施できることが望ましい。そのほか、燃料電池のシール部の検査については、検査のための設備の小型化や低コスト化、検査工程の簡易化、効率化等が要求されてきた。しかし、これまで、こうした要求に対して十分な工夫がなされてこなかった。 Further, since the seal portion of the fuel cell is exposed to a fluid such as a reaction gas or a refrigerant during the operation of the fuel cell, it tends to deteriorate over time. Therefore, it is desirable that the inspection of the seal portion can be easily and reliably performed for each individual fuel cell not only at the time of manufacturing the fuel cell but at a predetermined periodic timing after the start of use of the fuel cell. In addition, for the inspection of the seal portion of the fuel cell, it has been required to reduce the size and cost of the equipment for the inspection, to simplify the inspection process, and to improve the efficiency. However, until now, no sufficient ingenuity has been made to meet these requirements.
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、以下の形態として実現することが可能である。 SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the invention can be implemented as the following forms.
(1)本発明の一形態によれば、燃料電池が提供される。この燃料電池は;膜電極接合体と;前記膜電極接合体の両側に配置される第1と第2のセパレータと;前記膜電極接合体が配置されている発電領域の外周において、前記第1と第2のセパレータのうちの少なくとも一方の表面に接着され、前記発電領域に供給される流体の漏洩を防止するシール部と;前記第1または第2のセパレータの表面のうちの前記流体に曝される部位に接着され、前記シール部の接着状態の評価のために試験的に外力が付与される接着試験部と;を備える。この形態の燃料電池によれば、接着試験部に対する接着状態の評価結果を指標として、シール部の接着状態の不良を容易かつ確実に検査できる。 (1) According to one aspect of the present invention, a fuel cell is provided. The fuel cell includes: a membrane electrode assembly; first and second separators disposed on both sides of the membrane electrode assembly; and an outer periphery of a power generation region in which the membrane electrode assembly is disposed. And a seal that is adhered to at least one surface of the second separator and prevents leakage of fluid supplied to the power generation region; exposed to the fluid on the surface of the first or second separator; And an adhesion test part to which an external force is applied as a test for evaluation of the adhesion state of the seal part. According to the fuel cell of this embodiment, it is possible to easily and reliably inspect the adhesion state of the seal portion using the evaluation result of the adhesion state with respect to the adhesion test portion as an index.
(2)上記形態の燃料電池は、前記膜電極接合体の両側に配置されている前記第1と第2のセパレータを有する複数の発電体が積層された積層体を備え;前記積層体は、前記発電領域の外周において、前記積層体を積層方向に貫通している、前記流体のマニホールドを有し;前記シール部は、前記マニホールドからの前記流体の漏洩を防止し;前記接着試験部は、前記マニホールド内に設けられているものとしても良い。この形態の燃料電池によれば、接着試験部がマニホールド内に設けられているため、試験のために接着試験部に対して付与する外力を、燃料電池の外部から容易に付与することができる。 (2) The fuel cell of the above aspect includes a stacked body in which a plurality of power generators having the first and second separators disposed on both sides of the membrane electrode assembly are stacked; An outer periphery of the power generation region, the fluid manifold penetrating the laminated body in the laminating direction; the seal portion prevents leakage of the fluid from the manifold; It may be provided in the manifold. According to the fuel cell of this aspect, since the adhesion test part is provided in the manifold, an external force applied to the adhesion test part for the test can be easily applied from the outside of the fuel cell.
(3)上記形態の燃料電池において、前記シール部は、前記積層体において、前記発電体同士の間に配置され、前記第1または第2のセパレータに接着されているシールガスケットを含み;前記接着試験部は、前記シールガスケットの接着状態の評価のためのガスケット接着試験部を含むものとしても良い。この形態の燃料電池によれば、発電体同士の間に接着して配置されているシールガスケットの接着状態についての評価試験を容易かつ確実に実施することができる。 (3) In the fuel cell of the above aspect, the seal portion includes a seal gasket disposed between the power generators in the stacked body and bonded to the first or second separator; The test part may include a gasket adhesion test part for evaluating the adhesion state of the seal gasket. According to the fuel cell of this embodiment, it is possible to easily and reliably carry out the evaluation test on the adhesion state of the seal gasket that is disposed between the power generators.
(4)上記形態の燃料電池において、前記接着試験部は、曝される前記流体の種類ごとに設けられていても良い。この形態の燃料電池によれば、曝される流体の種類ごとにシール部の劣化状態を容易かつ確実に検出することができる。 (4) In the fuel cell of the above aspect, the adhesion test section may be provided for each type of fluid to be exposed. According to the fuel cell of this embodiment, it is possible to easily and reliably detect the deterioration state of the seal portion for each type of fluid to be exposed.
(5)上記形態の燃料電池において、前記接着試験部は;前記第1のセパレータと前記シール部との間の接着界面における接着状態の評価のために設けられた第1の接着試験部と;前記第2のセパレータと前記シール部との間の接着界面における接着状態の評価のために設けられた第2の接着試験部と;を含むものとしても良い。この形態の燃料電池によれば、第1のセパレータとシール部との間の接着界面と、第2のセパレータとシール部との間の接着界面と、の両方について、シール部の接着状態を容易かつ確実に検査することができる。即ち、シール部の有する接着界面ごとの接着状態を容易かつ確実に検査することができる。 (5) In the fuel cell according to the above aspect, the adhesion test section includes: a first adhesion test section provided for evaluating an adhesion state at an adhesion interface between the first separator and the seal section; And a second adhesion test portion provided for evaluating an adhesion state at an adhesion interface between the second separator and the seal portion. According to the fuel cell of this embodiment, the adhesion state of the seal part is easy for both the adhesion interface between the first separator and the seal part and the adhesion interface between the second separator and the seal part. And it can be inspected reliably. That is, it is possible to easily and reliably inspect the adhesion state for each adhesion interface of the seal portion.
(6)上記形態の燃料電池において、前記接着試験部は、前記セパレータの表面から突起する複数の突起部として形成されていても良い。この形態の燃料電池によれば、接着試験部が突起部として形成されているため、接着試験部に引っ張り方向の外力を付与しやすくなり、シール部の接着性の試験が容易に実施できる。また、接着試験部としての突起部が複数設けられているため、シール部の接着状態の試験を、その突起部の数だけ実施することができる。 (6) In the fuel cell of the above aspect, the adhesion test portion may be formed as a plurality of protrusions protruding from the surface of the separator. According to the fuel cell of this embodiment, since the adhesion test part is formed as a protrusion, it is easy to apply an external force in the pulling direction to the adhesion test part, and the adhesion test of the seal part can be easily performed. In addition, since a plurality of protrusions are provided as adhesion test parts, the test of the adhesion state of the seal part can be performed by the number of the protrusions.
(7)上記形態の燃料電池において、前記接着試験部は、前記シール部と同じ材料で構成されているとともに、前記シール部と同じ接着方法で、前記シール部と同じ面に接着されていても良い。この形態の燃料電池によれば、シール部の接着状態が、接着試験部の接着状態に、より反映されるため、シール部の接着性の検査精度を向上させることができる。 (7) In the fuel cell of the above aspect, the adhesion test part may be made of the same material as the seal part, and may be adhered to the same surface as the seal part by the same adhesion method as the seal part. good. According to the fuel cell of this embodiment, since the adhesion state of the seal portion is more reflected in the adhesion state of the adhesion test portion, it is possible to improve the inspection accuracy of the adhesion of the seal portion.
上述した本発明の各形態の有する複数の構成要素はすべてが必須のものではなく、上述の課題の一部又は全部を解決するため、あるいは、本明細書に記載された効果の一部又は全部を達成するために、適宜、前記複数の構成要素の一部の構成要素について、その変更、削除、新たな他の構成要素との差し替え、限定内容の一部削除を行うことが可能である。また、上述の課題の一部又は全部を解決するため、あるいは、本明細書に記載された効果の一部又は全部を達成するために、上述した本発明の一形態に含まれる技術的特徴の一部又は全部を上述した本発明の他の形態に含まれる技術的特徴の一部又は全部と組み合わせて、本発明の独立した一形態とすることも可能である。 A plurality of constituent elements of each aspect of the present invention described above are not indispensable, and some or all of the effects described in the present specification are to be solved to solve part or all of the above-described problems. In order to achieve the above, it is possible to appropriately change, delete, replace with another new component, and partially delete the limited contents of some of the plurality of components. In order to solve part or all of the above-described problems or to achieve part or all of the effects described in this specification, technical features included in one embodiment of the present invention described above. A part or all of the technical features included in the other aspects of the present invention described above may be combined to form an independent form of the present invention.
本発明は、燃料電池以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、燃料電池の検査方法や検査装置、当該装置の制御方法、その制御方法を実現するコンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを記録した一時的でない記録媒体等の形態で実現することができる。また、検査のための被検査部が予め設けられている燃料電池の製造方法や製造装置、その製造装置の制御方法、その制御方法を実現するコンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを記録した一時的でない記録媒体等の形態で実現することができる。 The present invention can also be realized in various forms other than the fuel cell. For example, the present invention can be realized in the form of a fuel cell inspection method and inspection apparatus, a control method for the apparatus, a computer program for realizing the control method, a non-temporary recording medium on which the computer program is recorded, and the like. Also, a method and apparatus for manufacturing a fuel cell in which a part to be inspected for inspection is provided in advance, a control method for the manufacturing apparatus, a computer program for realizing the control method, and a non-temporary record in which the computer program is recorded It can be realized in the form of a medium or the like.
A.第1実施形態:
図1は、本発明の第1実施形態としての燃料電池の構成を示す概略断面図である。なお、図1では、燃料電池100に含まれる任意の単セル110と、当該単セル110に隣接するセパレータ20,30の一部を図示してあり、他の部位の図示は、便宜上、省略してある。また、図1中の一点鎖線は、図示された切断面の切断方向が変わる境界線を示している。
A. First embodiment:
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a configuration of a fuel cell as a first embodiment of the present invention. In FIG. 1, an
この燃料電池100は、反応ガスとして水素(燃料ガス)と酸素(酸化剤ガス)の供給を受けて発電する固体高分子形燃料電池である。燃料電池100は、発電体である複数の単セル110が積層された積層構造(スタック構造)を有する。各単セル110は、膜電極接合体10と、第1と第2のセパレータ20,30と、ゴム層40と、を備える。膜電極接合体10は、電解質膜1と、電解質膜1の両面に配置された第1と第2の電極2,3と、を備える。
The
電解質膜1は、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示すフッ素樹脂系のイオン交換膜である。第1と第2の電極2,3は、触媒を担持した導電性粒子(例えば、白金担持カーボン)と、電解質膜1と同様な電解質樹脂と、を含む薄膜によって構成することができる。第1と第2の電極2,3には、供給された反応ガスを拡散させるためのガス拡散層が積層されるものとしても良い。なお、本実施形態の燃料電池100では、第1の電極2が水素の供給を受けてアノード(燃料極)として機能し、第2の電極3が、酸素の供給を受けてカソード(酸化剤極)として機能する。
The electrolyte membrane 1 is a fluororesin-based ion exchange membrane that exhibits good proton conductivity in a wet state. The first and
第1と第2のセパレータ20,30は、金属板などの導電性を有する板状基材によって構成することができる。第1と第2のセパレータ20,30はそれぞれ、膜電極接合体10の第1と第2の電極2,3と電気的に導通するように配置され、集電板として機能する。第1と第2のセパレータ20,30にはそれぞれ、プレス加工などによって形成された厚み方向の凹凸によって、ガスケット配置部22,32と、ガス流路溝23,33と、冷媒流路溝24,34と、が形成されている。
The 1st and
ガスケット配置部22,32は、第1と第2のセパレータ20,30のそれぞれの外周縁部において互いに対応する位置に形成されている。ガスケット配置部22,32は、膜電極接合体10が配置されている側に向かって、隣接する単セル110同士の接触界面から落ち込む段差部として形成されている。これによって、燃料電池100を構成したときには、隣接する単セル110同士の間に、第1と第2のセパレータ20,30のガスケット配置部22,32に挟まれた、シールガスケット50を配置するための空間が形成される。
The
ここで、燃料電池100は、単セル110の積層体をその積層方向に沿って貫通し、各単セル110の内部に設けられた流体流路に接続される、反応ガスおよび冷媒の流通するマニホールド60を有している。各単セル110のガスケット配置部22,32には、マニホールド60を構成するマニホールド孔21,31が貫通孔として形成されている。なお、マニホールド60は、各流体ごとに供給用と排出用とが形成されるが、それらの具体的な形成位置については後述する。
Here, the
シールガスケット50は、第1のセパレータ20のガスケット配置部22に面接触する台座部51と、台座部51から突起して単セル110を構成したときに第2のセパレータ30のガスケット配置部32に接触する突起部52と、を有している。シールガスケット50は、無端枠状のゴム部材によって構成され、各流体のマニホールド60と、発電領域(単セル110において膜電極接合体10が配置される領域)と、を囲むように配置される。なお、本実施形態の単セル110では、シールガスケット50の台座部51は、接着層53によって、第1のセパレータ20のガスケット配置部22に接着されて、各単セル110と一体化されている。
The
ガス流路溝23,33および冷媒流路溝24,34は、第1と第2にセパレータ20,30の発電領域の波板状の凹凸によって形成されている。より具体的には、ガス流路溝23,33は、第1と第2のセパレータの電極2,3と対向する面の凹部として形成されている。また、冷媒流路溝24,34は、その反対側の面において、ガス流路溝23,33によって形成された凸部に挟まれた凹部として形成されている。即ち、各単セル110において、ガス流路溝23,33と冷媒流路溝24,34とは交互に配列されて形成されている。
The gas
なお、第1のセパレータ20に形成されたガス流路溝23は、単セル110を構成したときに開口部が第1の電極2によって覆われ、発電領域における水素の流路を構成する。また、第2のセパレータ30に形成されたガス流路溝33は、単セル110を構成したときに開口部が第2の電極3によって覆われ、発電領域における酸素の流路を構成する。第1と第2のセパレータ20,30の冷媒流路溝24,34は、燃料電池100を構成したときに互いに対向しあい、各単セル110の間において発電領域における冷媒の流路を構成する。
Note that the
ゴム層40は、第1と第2のセパレータ20,30の間における膜電極接合体10の外周の領域に配置されており、流体の漏洩を防止するシール部として機能する。ゴム層40は、両面に、接着層(プライマー層)42を有しており、第1と第2のセパレータ20,30同士を電気的に絶縁しつつ一体的に接着する。なお、ゴム層40は膜電極接合体10の外周縁部を包含することにより、膜電極接合体10の外周縁部において、燃料電池反応に用いられる前の反応ガスが供給された電極とは反対の電極へと移動してしまう、いわゆる、クロスリークの発生を抑制する。
The
なお、ゴム層40は、例えば、以下の樹脂部材によって構成することができる。
<ゴム層40の材料例>
フッ素ゴム(FKM)/シリコン系の樹脂部材/エチレン・プロピレン・ジエンゴム(EPDM)/ウレタン/ニトリルゴム(NBR)/スチレン・ブタジエンゴム(SBR)/イソプレンゴム(IR)/天然ゴム 等
In addition, the
<Example of material of
Fluoro rubber (FKM) / Silicon resin member / Ethylene / propylene / diene rubber (EPDM) / Urethane / Nitrile rubber (NBR) / Styrene / butadiene rubber (SBR) / Isoprene rubber (IR) / Natural rubber, etc.
ゴム層40は、第1と第2のセパレータ20,30のガスケット配置部22,32に狭持されている部位に、マニホールド60を構成する貫通孔であるマニホールド孔41を有している。なお、本実施形態の燃料電池100の全ての単セル110では、ゴム層40のマニホールド孔41内に、ゴム層40の接着性の試験を行うための接着試験部(図示は省略)が配置さていれるが、その詳細については後述する。また、ゴム層40には、反応ガスのマニホールド60と発電領域の水素流路または酸素流路とを接続する反応ガスのための連通流路が形成されるが、その図示および説明は省略する。
The
図2は、燃料電池100の任意の単セル110を第1のセパレータ20の側から、燃料電池100の積層方向に沿ってみたときの概略正面図である。なお、図2では、図1で説明した各構成部に同じ符号を付してある。また、図2では、発電領域11を一点鎖線で図示してある。さらに、図2では、シールガスケット50の図示を省略する替わりに、シールガスケット50によって形成されるシールラインSLを二点鎖線で図示してある。
FIG. 2 is a schematic front view of an
燃料電池100は、マニホールド60として、水素の供給用および排出用のマニホールド61,62と、酸素の供給用および排出用のマニホールド63,64と、冷媒の供給用および排出用のマニホールド65,66と、を有している。各流体の供給用マニホールド61,63,65は、発電領域11を挟んで、それぞれの排出用マニホールド62,64,66と対角または対向する位置に形成されている。なお、シールガスケット50によって形成されるシールラインSLは、反応ガスの各マニホールド61〜64をそれぞれ囲むように形成されるとともに、冷媒用のマニホールド65,66と発電領域11とをともに囲むように形成される。
The
ところで、燃料電池100の運転中には、各マニホールド61〜66においては、ゴム層40が流体に曝されることになる。そのため、各マニホールド61〜66内においては、その流体によって、ゴム層40やその接着層42の構成部材の経年劣化が促進され、ゴム層40と、第1と第2のセパレータ20,30との間の接着性が低下してしまう可能性がある。特に、水素供給用マニホールド61には、高濃度の水素が高圧力で流入するため、経年劣化が促進されやすい。
By the way, during the operation of the
そこで、本実施形態の単セル110には、水素供給用マニホールド61内にゴム層40の接着状態を評価するための指標となる接着試験部45が配置されている。具体的に、接着試験部45は、第2のセパレータ30のマニホールド孔31の内周縁を、第1のセパレータ20のマニホールド孔21の内周縁よりも水素供給用マニホールド61内に突出するように形成された延長部35の上に接着されている。
Therefore, in the
図3は、接着試験部45の形成部位(図2のX−X切断)における単セル110の概略断面図である。接着試験部45は、ゴム層40の水素供給用マニホールド61を構成するマニホールド孔41内において、第2のセパレータ30の延長部35の上の2つの並列に配列された突起部として形成されている。接着試験部45は、ゴム層40と同じ材料によって形成されるとともに、ゴム層40の接着層42と同じ接着剤によって形成された接着層46によって、延長部35に接着されている。なお、詳細は後述するが、接着試験部45は、ゴム層40の形成工程において、ゴム層40とともに形成される。
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of the
このように、接着試験部45はゴム層40とともに形成され、水素供給用マニホールド61においてゴム層40とともに水素に曝されるため、接着試験部45の接着状態をゴム層40の接着状態の指標とすることができる。従って、接着試験部45の接着状態を評価することにより、その評価結果に基づいて、ゴム層40と第1と第2のセパレータ20,30との間の接着状態を評価することができる。
Thus, since the
図4(A)〜(C)は、接着試験部45に対して実施される接着状態の評価試験を説明するための模式図である。図4(A)〜(C)にはそれぞれ、第2のセパレータ30の延長部35に接着された接着試験部45を模式的に図示してある。図4(A)は評価試験中の接着試験部45を示しており、図4(B),(C)はそれぞれ評価試験において破断された接着試験部45を示している。
4A to 4C are schematic diagrams for explaining an adhesion state evaluation test performed on the
接着試験部45の接着状態の評価試験では、接着試験部45に対して試験的に外力を付与し、接着試験部45を第2のセパレータ30から脱落させる(図4(A))。具体的には、突起部として形成されている接着試験部45を突起方向に引っ張る外力を、接着試験部45が破断して第2のセパレータ30から脱落するまで付与する。
In the evaluation test of the adhesion state of the
接着試験部45の破断が、接着試験部45の根元の接着層46において発生した場合には、接着試験部45の接着性が著しく低下していると評価することができる(図4(B))。従って、この場合には、ゴム層40の接着性についても低下していると評価することができる。これに対して、接着試験部45の破断が、接着層46より上の接着試験部45の本体部位において発生した場合には、接着試験部45の接着性は良好であると評価することができる(図4(C))。従って、この場合には、ゴム層40の接着性についても良好な状態であると評価することができる。
When the fracture of the
このように、本実施形態の燃料電池100においては、各単セル110について、接着試験部45に対する接着性の評価試験を行うことにより、全ての単セル110についてのゴム層40の接着状態の検査を実施することができる。従って、各単セル110のゴム層40におけるシール性の低下などの劣化を容易かつ確実に検出することができる。
As described above, in the
また、本実施形態の単セル110には、接着試験部45が2つの並列な突起部として形成されている。1回の評価試験では1個の突起部が破断されるため、本実施形態の単セル110であれば、2回の評価試験を実施することができる。即ち、ゴム層40の接着状態の評価試験を、異なる2回のタイミングで行うことができる。例えば、単セル110の製造後における製造不良の検査のタイミングと、燃料電池100の使用を開始した後の所定の定期検査のタイミングとに、ゴム層40の接着性の評価試験を実施することができる。
Moreover, the
ところで、前記したように、本実施形態の接着試験部45は、単セル110の製造工程において、ゴム層40とともに同時に形成される。具体的な単セル110の製造工程の一例を以下に説明する。
By the way, as described above, the
図5は、本実施形態の単セル110の製造工程の手順を示すフローチャートである。ステップS10では、第1と第2のセパレータ20,30を準備する。ステップS20では、第2のセパレータ30に膜電極接合体10を配置するとともに、ゴム層40および接着試験部45を形成する。具体的には、第2のセパレータ30の表面に、ゴム層40の接着層42を形成するための接着剤などのプライマーを塗布し、第2のセパレータ30の上にゴム層40の金型を配置する。ここで、金型はゴム層40を形成するためのキャビティと、接着試験部45を形成するためのキャビティと、を有している。この金型内に樹脂部材を流入させて射出成形(インジェクション成形)を行うとともに、当該樹脂部材を加硫して、ゴム層40と接着試験部45とが形成される。
FIG. 5 is a flowchart showing a procedure of manufacturing steps of the
ステップS30では、接着剤が塗布された第1のセパレータ20が、第2のセパレータ30に接着されている膜電極接合体10およびゴム層40の上に配置され、ホットプレスにより、ゴム層40と接着される。ステップS40では、第1のセパレータ20の面上に、接着剤が塗布されるとともに、シールガスケット50を成形するための金型が配置され、シールガスケット50が射出成形によって形成される。これらの一連の工程によって、単セル110が完成する。
In step S30, the
以上のように、本実施形態の燃料電池100によれば、各単セル110の水素供給用マニホールド61内に、ゴム層40とともに形成された、ゴム層40の接着状態の指標となる接着試験部45が形成されている。従って、各単セル110を分解することなく、ゴム層40の接着状態を容易かつ確実に検査することができる。
As described above, according to the
B.第2実施形態:
図6は、本発明の第2実施形態としての燃料電池において積層される単セル110Aの構成を示す概略図である。図6は、酸素供給用マニホールド63内および冷媒供給用マニホールド65内に第2のセパレータ30の延長部35および接着試験部45が追加されている点以外は、図2とほぼ同じである。なお、第2実施形態の燃料電池の構成は、以下に説明する点以外は、第1実施形態の燃料電池100とほぼ同じである。
B. Second embodiment:
FIG. 6 is a schematic diagram showing a configuration of
第2実施形態の単セル110Aでは、第1実施形態で説明したのと同様な接着試験部45が、水素供給用マニホールド61内に加えて、酸素供給用マニホールド63内と、冷媒供給用マニホールド65内とに設けられている。ここで、ゴム層40の経年劣化は、曝される流体の種類に応じて異なる場合がある。しかし、第2実施形態の燃料電池であれば、接着層42が曝される流体の種類ごとに、ゴム層40の接着状態の評価試験を行うことができる。従って、燃料電池におけるゴム層40の経年劣化を、より確実に検出することができる。
In the
C.第3実施形態:
図7は、本発明の第3実施形態としての燃料電池の構成を説明するための概略図である。図7(A)〜(C)にはそれぞれ、第3実施形態の燃料電池を構成する3種類の単セル111,112,113の概略断面図を図示してある。なお、第3実施形態の燃料電池の構成は、以下に説明する点以外は、第1実施形態の燃料電池100と同様である。第3実施形態の燃料電池では、3種類の単セル111〜113が組み合わされて積層されている。3種類の単セル111〜113にはそれぞれ、異なる接着界面の接着状態を評価対象とする接着試験部が形成されている。
C. Third embodiment:
FIG. 7 is a schematic diagram for explaining a configuration of a fuel cell as a third embodiment of the present invention. FIGS. 7A to 7C are schematic cross-sectional views of three types of
第1の単セル111では、第1の実施形態で説明した単セル110と同様に、水素供給用マニホールド61内に設けられた第2のセパレータ30の延長部35に、接着試験部45が接着されている(図7(A))。第2の単セル112では、第2のセパレータ30の延長部35と同様な、水素供給用マニホールド61内に突出するように形成された第1のセパレータ20の延長部25に接着試験部45が接着されている(図7(B))。なお、この第2の単セル112は、第1のセパレータ20にゴム層40および接着試験部45が形成された後に、第2のセパレータ30がゴム層40に接着されることによって形成されるものとしても良い。
In the
第3の単セル113では、第2の単セル112における第1のセパレータ20の延長部25に、シールガスケット50と第1のセパレータ20との接着状態の指標となる接着試験部55が接着層56を介して接着されている。この接着試験部55は、ゴム層40の接着試験部45と同様に、並列に配置された2つの突起部として形成されている。シールガスケット50の接着試験部55は、第1のセパレータ20に対するシールガスケット50の射出成形の際に、シールガスケット50とともに成形される。即ち、接着試験部55は、シールガスケット50と同じ材料で形成されており、同じ接着剤で形成された接着層56によって第1のセパレータ20の延長部25に接着されている。
In the third
このように、第3実施形態の燃料電池では、3種類の単セル111〜113のそれぞれに設けられた接着試験部45,55の接着状態を指標として、第1のセパレータ20とゴム層40およびシールガスケット50の接着状態と、第2のセパレータ30とゴム層40との接着状態の評価をすることができる。即ち、燃料電池のシール部として流体に曝されるゴム層40およびシールガスケット50の有する接着界面ごとに、その接着状態を評価することができる。
Thus, in the fuel cell according to the third embodiment, the
D.変形例:
D1.変形例1:
上記実施形態では、各接着試験部45,55は、各単セル110のマニホールド60内に形成されていた。しかし、各接着試験部45,55は、マニホールド60内に設けられていなくても良い。各接着試験部45,55は、燃料電池に供給される流体に曝される場所であって、接着状態の評価試験の際に、試験的に外力を付与できる場所に形成されていれば良い。ただし、接着試験部45,55がマニホールド60内に形成されていれば、接着状態の評価試験において外力を付与しやすく、外部からの視認も容易であるため好ましい。
D. Variations:
D1. Modification 1:
In the above embodiment, the
D2.変形例2:
上記実施形態では、燃料電池を構成する全ての単セル110,110A,111〜113に接着試験部45または接着試験部55が形成されていたが、接着試験部45,55は燃料電池を構成する全ての単セル110,110A,111〜113に形成されていなくても良い。接着試験部45,55は、所定の積層位置における単セル110,110A,111〜113にのみ形成されていても良い。
D2. Modification 2:
In the above embodiment, the
D3.変形例3:
上記実施形態では、接着試験部45,55は、並列に配列された2つの突起部として形成されていたが、接着試験部45,55は他の構成を有しているものとしても良い。例えば、接着試験部45,55は、1個の突起部として形成されても良いし、並列に配列された3個以上の突起部として形成されても良い。また、接着試験部45,55は突起部以外の形状を有していても良い。ただし、接着試験部45,55が突起部として形成されていれば、評価試験において、引っ張り方向の外力を付与しやすくなるため好ましい。
D3. Modification 3:
In the above-described embodiment, the
D4.変形例4:
上記実施形態では、接着試験部45,55は、セパレータ20,30に対する接着状態の評価対象となるゴム層40やシールガスケット50と、同じ材料で構成されるとともに、同じ接着方法で、第1または第2のセパレータ20,30の同じ面に接着されていた。しかし、接着試験部45,55は、セパレータ20,30に対する接着状態の評価対象となるゴム層40やシールガスケット50と、異なる材料で構成されていても良いし、異なる接着方法で接着されていても良いし、異なる面に接着されていても良い。また、上記実施形態では、接着試験部45,55は、ゴム層40やシールガスケット50の形成工程において同時に形成されていた。しかし、接着試験部45,55は、ゴム層40やシールガスケット50とは異なる工程で形成されても良い。ただし、接着試験部45,55は、ゴム層40やシールガスケット50と同じ条件で形成され接着されている方が、ゴム層40やシールガスケット50の接着状態についてのより確実な指標となり得るため好ましい。
D4. Modification 4:
In the above-described embodiment, the
D5.変形例5:
上記実施形態では、ゴム層40やシールガスケット50、接着試験部45,55は接着剤などの別部材を用いて形成された接着層42,53,46,56を有していた。しかし、別部材を用いて形成された接着層42,53,46,56は省略されても良い。この場合には、単セルの製造工程において、ゴム層40やシールガスケット50、接着試験部45,55の構成部材を溶融させてセパレータ20,30に接着させるものとしても良い。
D5. Modification 5:
In the embodiment described above, the
D6.変形例6:
上記第1実施形態では、接着試験部45を破断させる評価試験を説明したが(図4)、接着状態の評価試験は、他の方法によって行われるものとしても良い。評価試験では、接着試験部45の接着状態を評価できればよく、接着試験部45を必ずしも破断させる必要はない。
D6. Modification 6:
In the first embodiment, the evaluation test for breaking the
D7.変形例7:
上記第2実施形態では、各供給用マニホールド61,63,65内にそれぞれ接着試験部45が形成されていた。しかし、第2実施形態の接着試験部45は、各供給用マニホールド61,63,65内に加えて、各排出用マニホールド62,64,66内に設けられるものとしても良いし、各排出用マニホールド62,64,66内のみに設けられるものとしても良い。
D7. Modification 7:
In the second embodiment, the
D8.変形例8:
上記第3実施形態では、各接着界面ごとの接着試験部45,55が、異なる種類の単セル111〜113に設けられていた。しかし、第3実施形態の各接着試験部45,55は、同一の単セルにおいて、互いに干渉しない部位にそれぞれ形成されるものとしても良い。
D8. Modification 8:
In the said 3rd Embodiment, the
本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, examples, and modifications, and can be realized with various configurations without departing from the spirit thereof. For example, the technical features in the embodiments, examples, and modifications corresponding to the technical features in each embodiment described in the summary section of the invention are to solve some or all of the above-described problems, or In order to achieve part or all of the above effects, replacement or combination can be performed as appropriate. Further, if the technical feature is not described as essential in the present specification, it can be deleted as appropriate.
1…電解質膜
2…第1の電極
3…第2の電極
10…膜電極接合体
11…発電領域
20…第1のセパレータ
21…マニホールド孔
22…ガスケット配置部
23…ガス流路溝
24…冷媒流路溝
25…延長部
30…第2のセパレータ
31…マニホールド孔
32…ガスケット配置部
33…ガス流路溝
34…冷媒流路溝
35…延長部
40…ゴム層
41…マニホールド孔
42…接着層
45…接着試験部
46…接着層
50…シールガスケット
51…台座部
52…突起部
53…接着層
55…接着試験部
56…接着層
60…マニホールド
61…水素供給用マニホールド
62…水素排出用マニホールド
63…酸素供給用マニホールド
64…酸素排出用マニホールド
65…冷媒供給用マニホールド
66…冷媒排出用マニホールド
100…燃料電池
110,110A,111〜113…単セル
SL…シールライン
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ...
Claims (7)
膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の両側に配置される第1と第2のセパレータと、
前記膜電極接合体が配置されている発電領域の外周において、前記第1と第2のセパレータのうちの少なくとも一方の表面に接着され、前記発電領域に供給される流体の漏洩を防止するシール部と、
前記第1または第2のセパレータの表面のうちの前記流体に曝される部位に接着され、前記シール部の接着状態の評価のために試験的に外力が付与される接着試験部と、
を備える、燃料電池。 A fuel cell,
A membrane electrode assembly;
First and second separators disposed on both sides of the membrane electrode assembly;
A seal portion that is bonded to the surface of at least one of the first and second separators on the outer periphery of the power generation region where the membrane electrode assembly is disposed, and prevents leakage of fluid supplied to the power generation region When,
An adhesion test portion that is adhered to a portion of the surface of the first or second separator that is exposed to the fluid, and to which an external force is experimentally applied for evaluating the adhesion state of the seal portion;
A fuel cell comprising:
前記膜電極接合体の両側に配置されている前記第1と第2のセパレータを有する複数の発電体が積層された積層体を備え、
前記積層体は、前記発電領域の外周において、前記積層体を積層方向に貫通している、前記流体のマニホールドを有し、
前記シール部は、前記マニホールドからの前記流体の漏洩を防止し、
前記接着試験部は、前記マニホールド内に設けられている、燃料電池。 The fuel cell according to claim 1, wherein
A laminate in which a plurality of power generators having the first and second separators disposed on both sides of the membrane electrode assembly are laminated;
The laminated body has a manifold for the fluid that penetrates the laminated body in the laminating direction at the outer periphery of the power generation region,
The seal portion prevents leakage of the fluid from the manifold;
The adhesion test section is a fuel cell provided in the manifold.
前記シール部は、前記積層体において、前記発電体同士の間に配置され、前記第1または第2のセパレータに接着されているシールガスケットを含み、
前記接着試験部は、前記シールガスケットの接着状態の評価のためのガスケット接着試験部を含む、燃料電池。 The fuel cell according to claim 2, wherein
The seal portion includes a seal gasket that is disposed between the power generators in the laminate and is bonded to the first or second separator,
The adhesion test section includes a gasket adhesion test section for evaluating an adhesion state of the seal gasket.
前記接着試験部は、曝される前記流体の種類ごとに設けられている、燃料電池。 A fuel cell according to any one of claims 1 to 3,
The adhesion test section is provided for each type of fluid to be exposed.
前記接着試験部は、
前記第1のセパレータと前記シール部との間の接着界面における接着状態の評価のために設けられた第1の接着試験部と、
前記第2のセパレータと前記シール部との間の接着界面における接着状態の評価のために設けられた第2の接着試験部と、を含む、燃料電池。 A fuel cell according to any one of claims 1 to 4, wherein
The adhesion test section
A first adhesion test section provided for evaluating an adhesion state at an adhesion interface between the first separator and the seal section;
And a second adhesion test portion provided for evaluating an adhesion state at an adhesion interface between the second separator and the seal portion.
前記接着試験部は、前記セパレータの表面から突起する複数の突起部として形成されている、燃料電池。 A fuel cell according to any one of claims 1 to 5, wherein
The adhesion test portion is a fuel cell formed as a plurality of protrusions protruding from the surface of the separator.
前記接着試験部は、前記シール部と同じ材料で構成されているとともに、前記シール部と同じ接着方法で、前記シール部と同じ面に接着されている、燃料電池。 The fuel cell according to any one of claims 1 to 6, wherein
The adhesion test part is made of the same material as the seal part, and is adhered to the same surface as the seal part by the same adhesion method as the seal part.
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