JP2014120226A - Fuel battery cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池セルに関する。 The present invention relates to a fuel battery cell.
燃料電池の発電単位である燃料電池セルは、電解質膜を2つの電極で挟持した膜電極接合体と、反応ガスの流路を備えるセパレータとが一体に構成された構造を有する。膜電極接合体とセパレータの間には、反応ガスが電解質膜の周縁部から漏出しないように樹脂フレームが介在されている。特許文献1には、二枚の樹脂フレームで膜電極接合体を支持し、二枚の樹脂フレームを一対のセパレータで挟持する構成が記載されている。 A fuel cell that is a power generation unit of a fuel cell has a structure in which a membrane electrode assembly in which an electrolyte membrane is sandwiched between two electrodes and a separator having a reaction gas flow path are integrally formed. A resin frame is interposed between the membrane electrode assembly and the separator so that the reaction gas does not leak from the peripheral edge of the electrolyte membrane. Patent Document 1 describes a configuration in which a membrane electrode assembly is supported by two resin frames and the two resin frames are sandwiched between a pair of separators.
しかしながら、特許文献1に記載された技術では、二枚の樹脂フレームを用いることから、部品点数が多く、生産性の低下を招く課題があった。そのほか、燃料電池としての発電効率の向上や、低コスト化、小型化、省資源化等が望まれていた。 However, in the technique described in Patent Document 1, since two resin frames are used, there is a problem that the number of parts is large and productivity is lowered. In addition, improvement in power generation efficiency as a fuel cell, cost reduction, size reduction, and resource saving have been desired.
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.
本発明の一形態によれば、燃料電池セルが提供される。この燃料電池セルは、第1セパレータと第2セパレータとの間に一の樹脂フレームを介在させて、前記樹脂フレームの第1面部と前記第1面部に対応する位置にある第2面部にそれぞれ接着剤を配置することで、前記第1セパレータと前記樹脂フレームとの間、および前記第2セパレータと前記樹脂フレームとの間をそれぞれ接着したものである。前記樹脂フレームは、前記第1面部に設けられ、前記接着剤を内在させるための第1凹部と;前記第2面部に設けられ、前記接着剤を内在させるための第2凹部と;前記第1面部と前記第2面部との間の周縁に位置し、前記第2面部側に拡がる斜面部と;を備える。さらに、前記第1凹部を形成するフランジの平坦部において前記第1セパレータと対向する範囲の全体に対して、前記第2凹部を形成するフランジの平坦部において前記第2セパレータと対向する範囲の少なくとも一部が、面方向においてオーバーラップした位置関係にある。 According to one aspect of the present invention, a fuel battery cell is provided. The fuel battery cell is bonded to a first surface portion of the resin frame and a second surface portion at a position corresponding to the first surface portion with a resin frame interposed between the first separator and the second separator. By disposing an agent, the first separator and the resin frame are bonded and the second separator and the resin frame are bonded to each other. The resin frame is provided on the first surface portion and includes a first recess for containing the adhesive; and a second recess provided on the second surface portion for containing the adhesive; and the first And a slope portion that is located at a peripheral edge between the surface portion and the second surface portion and extends toward the second surface portion. Further, at least a range of the flat portion of the flange that forms the second concave portion that faces the second separator in the flat portion of the flange that forms the first concave portion of the flat portion of the flange that forms the second concave portion. Some are in a positional relationship overlapping in the surface direction.
ここで、「面方向」とは、樹脂フレームの第1面部や第2面部の面方向と一致した方向である。「オーバーラップ」とは、完全に重なった状態を意味し、一部分だけ重なる場合を含まない。この形態の燃料電池セルによれば、第1凹部を接着剤が溢れた場合に、斜面部で接着剤を保持することができる。このために、第1凹部を形成するフランジの平坦部に必ず接着剤を介在させることができる。従来、樹脂フレームを1枚とすると、フレームの積層方向の位置は成り行きになって、樹脂フレームのフランジの平坦部とセパレータの間に接着剤が介在しない場合があった。これに対して、本発明の形態では、前述したように、フランジの平坦部に必ず接着剤を介在させることができることから、樹脂フレームを1枚とすることができる。したがって、部品点数が少なくなって、低コスト化と生産性の向上とを図ることができる。 Here, the “surface direction” is a direction that coincides with the surface direction of the first surface portion and the second surface portion of the resin frame. The term “overlap” means a state where they are completely overlapped, and does not include a case where only a part overlaps. According to the fuel battery cell of this embodiment, when the adhesive overflows in the first recess, the adhesive can be held by the slope portion. For this reason, an adhesive can always be interposed in the flat portion of the flange forming the first recess. Conventionally, when the number of resin frames is one, the positions of the frames in the stacking direction are random, and the adhesive may not be interposed between the flat portion of the flange of the resin frame and the separator. On the other hand, in the embodiment of the present invention, as described above, since the adhesive can always be interposed in the flat portion of the flange, one resin frame can be provided. Therefore, the number of parts can be reduced, and cost reduction and productivity improvement can be achieved.
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能である。例えば、前記形態の燃料電池セルを備える燃料電池スタック、この燃料電池スタックを搭載する車両等で実現することができる。 The present invention can be realized in various forms. For example, it is realizable with a fuel cell stack provided with the fuel cell of the above-mentioned form, a vehicle carrying this fuel cell stack, and the like.
次に、本発明の実施形態を説明する。
1.第1実施形態:
(1)全体の構成:
図1は、本発明の一実施形態としての燃料電池スタックの要部端面図である。図示するように、燃料電池スタック200は、複数の燃料電池セル100が積層された構造を有している。燃料電池セル100は、膜電極ガス拡散層接合体(以下、「MEGA」と呼ぶ)10と、MEGA10を挟持するセパレータ20,30と、セパレータ20,30の間におけるMEGA10の周縁の外側に配置された樹脂フレーム40と、を備えている。MEGAは、「Membrane Electrode Gas diffusion layer Assembly」の略語である。なお、以後の説明では、燃料電池セル100の積層方向(図1の上下方向)をY方向と呼び、積層方向に垂直な方向、すなわち燃料電池セル100の面方向(図1の左右方向)をX方向と呼ぶ。
Next, an embodiment of the present invention will be described.
1. First embodiment:
(1) Overall configuration:
FIG. 1 is an end view of a main part of a fuel cell stack as one embodiment of the present invention. As illustrated, the
MEGA10は、電解質膜(電解質層)12を含んでおり、電解質膜12の一方の面には、触媒電極層(アノード)14とガス拡散層15とがこの順に形成されており、電解質膜12の他方の面には、触媒電極層(カソード)16とガス拡散層17とがこの順に形成されている。なお、電解質膜12としては、フッ素系樹脂などの固体高分子材料で形成された膜、例えばナフィオン(登録商標)を用いることができる。また、触媒電極層14、16としては、カーボン粒子に白金などの触媒を担持させた触媒層を用いることができる。ガス拡散層15、17は、カーボンクロスや、カーボンペーパなどのガス透過性および導電性を有する材料で形成されている。
The MEGA 10 includes an electrolyte membrane (electrolyte layer) 12, and a catalyst electrode layer (anode) 14 and a
セパレータ20は、MEGA10におけるアノード側ガス拡散層15の表面に積層される。そして、セパレータ20において、MEGA10におけるアノード側ガス拡散層15との当接面には、アノード側ガス拡散層15の表面に沿って燃料ガスとしての水素を流すための燃料ガス流路22が形成されている。また、セパレータ30は、MEGA10におけるカソード側ガス拡散層17の表面に積層される。そして、セパレータ30において、MEGA10におけるカソード側ガス拡散層17との当接面には、カソード側ガス拡散層17の表面に沿って酸化剤ガスとしての空気を流すための酸化剤ガス流路(図示せず)が形成されている。本実施例では、セパレータ20,30として、金属プレートを用いるものとした。セパレータ20,30として、ガス不透過で導電性を有する他の部材を用いるものとしてもよい。また、セパレータ30の樹脂フレーム40とは反対側の表面には、ガスケット60が形成されている。
The
樹脂フレーム40は、板状であり、セパレータ20とセパレータ30との間に配置される。樹脂フレーム40のX方向における中央部分は中抜きされており、この中抜きされた部分にMEGA10が配設される。すなわち、樹脂フレーム40は、セパレータ20とセパレータ30との間におけるMEGA10の外周部に設けられている。MEGA10は、X方向において、触媒電極層14,16やガス拡散層15,17よりも電解質膜12が外側に露出した形状をしており、樹脂フレーム40は、この電解質膜12の露出部分を挟持する。樹脂フレーム40は、エポキシ、ナイロン、フェノールなどの熱硬化性樹脂、もしくは、ポリプロピレン、ポリエチレンなどの熱可塑性樹脂製である。
The
樹脂フレーム40とセパレータ20,30との間は、樹脂フレーム40の上面部における外周部分に配置された接着層52と、樹脂フレーム40の下面部における外周部分に配置された接着層54とによって接着される。この樹脂フレーム40の外周部分の構成は、本発明の特徴部分であり、後ほど詳述する。接着層52,54としては、接着性を付与した熱可塑性接着樹脂、例えば、シランカップリング剤を配合したり、カルボン酸などの極性基を導入した、ポリプロピレンやポリエチレンなどの変性ポリオレフィンや、熱硬化性の接着樹脂、例えば、シリコーン、ポリイソブチレン、エポキシ、ウレタンなどを用いることができる。
The
また、樹脂フレーム40における接着層52,54よりもX方向における内側部分には、燃料ガス用、酸化剤ガス用、および冷却媒体用の各マニホールドを構成するための孔部70が設けられている。セパレータ20,30にも、孔部70に対応する位置に孔部24,34が設けられており、セパレータ20の孔部24、樹脂フレーム40の孔部70,およびセパレータ30の孔部34によって、燃料電池スタック200の積層方向、すなわちX方向に延びるマニホールドが構成される。各マニホールドを流れる、燃料ガス、酸化剤ガス、および冷却媒体は、各MEGA10に分配される。
Further,
(2)特徴部分の構成:
図2は、樹脂フレーム40の外周部分とその周囲を示す説明図である。図示するように、樹脂フレーム40の上面部42の外周部分には上側凹部42aが形成されており、樹脂フレーム40の下面部44の外周部分には下側凹部44aが形成されている。セパレータ20を接着させるための接着層52は、上側凹部42aを含む領域に配置される。セパレータ30を接着させるための接着層54は、下側凹部44aを含む領域に配置される。樹脂フレーム40の上面部42と下面部44との間の周縁部46は、下面部44側に徐々に拡がる傾斜面を構成する。また、マニホールドとしての孔部70を構成するための壁面48も、下面部44側に徐々に拡がる傾斜面を構成する。
(2) Structure of characteristic part:
FIG. 2 is an explanatory view showing the outer peripheral portion of the
一般に、工業製品を構成する部品は寸法公差を有する。このため、上側のセパレータ20と樹脂フレーム40との間の距離は、その寸法誤差によって変化する。図3は、セパレータ20と樹脂フレーム40との間の距離が最大となるケースと、その距離が最小となるケースとを比較して示す説明図である。図中、破線で示したセパレータ20Xの位置が前記最大ケース時を示し、実線で示したセパレータ20の位置が前記最小ケース時を示す。いま、接着層52を形成する接着剤の塗布量を一定としたとすると、その最小ケース時から最大ケース時までの間のセパレータ20の位置によって、接着層52の範囲が変化する。本実施形態では、最大ケース時には、図中の破線で囲んだ領域BAが接着層52の範囲となるように、セル断面の設計を行う。すなわち、最大ケース時には、接着剤は、上側凹部42aを溢れ出て、上側凹部42aを形成するフランジ42b、42cの平坦部T1、T2の範囲で留まるようにする。一方、最小ケース時には、実線で示した接着層52となるように、セル断面の設計を行う。すなわち、最小ケース時には、接着剤は、上側凹部42aを溢れ出て、フランジ42b、42cの平坦部T1、T2を超え、周縁部46、壁面48の傾斜面を伝って、その傾斜面の範囲で留まるようにする。
In general, parts constituting industrial products have dimensional tolerances. For this reason, the distance between the
すなわち、本実施形態の燃料電池スタック200では、セパレータ20と樹脂フレーム40との間の距離が最大となるケース時であっても、接着剤は、フランジ42b、42cの平坦部T1、T2の範囲を満たす。一方、その距離が最小となるケース時であっても、接着剤は、壁面48の範囲に留まり、壁面48の範囲をはみ出することはない。したがって、燃料電池スタック200に備えられる燃料電池セル100によれば、樹脂フレーム40とセパレータ20、30との間を強固に接着することができる。また、この接着に用いられる接着剤が、予定している範囲からはみ出すことを防止することができることから、流路の閉塞や、作業性の悪化を防止することができる。
That is, in the
図2に戻って、樹脂フレーム40の上側凹部42aを形成する外側フランジ42bおよび内側フランジ42cと、樹脂フレーム40の下側凹部44aを形成する外側フランジ44bおよび内側フランジ44cとの間には、次の位置関係がある。まず、外側におけるフランジ42bとフランジ44bの位置関係について説明する。
Returning to FIG. 2, the
図2に示すように、外側フランジ42bの平坦部T1の全体が、セパレータ20と対向している。すなわち、X方向において、外側フランジ42bの平坦部T1の全体と、セパレータ20の一部とが重複している。この重複している部分は、図中の範囲aとなる。一方、外側フランジ44bの平坦部T3の一部が、セパレータ30と対向している。すなわち、X方向においては、外側フランジ44bの平坦部T3の一部とセパレータ30の一部とが重複している。この重複している部分は、図中の範囲bとなる。そして、X方向において、範囲aの全体は、範囲bの少なくとも一部とオーバーラップした位置関係にある。ここで、「オーバーラップ」とは、完全に重なった状態を意味し、一部分だけ重なる場合を含まない。
As shown in FIG. 2, the entire flat portion T <b> 1 of the
なお、内側におけるフランジ42cとフランジ44cとの間にも、外側のフランジ42bとフランジ44bのとの間の位置関係と同様に、内側フランジ42cの平坦部T2においてセパレータ20と対向する範囲の全体に対して、内側フランジ44cの平坦部T4においてセパレータ30と対向する範囲の少なくとも一部が、X方向においてオーバーラップした位置関係にある。
Note that, similarly to the positional relationship between the
セパレータ20における樹脂フレーム40の上側凹部42aと対向する位置には、凹部26が設けられている。この凹部26には、上側に隣接する燃料電池セル100に備えられるガスケット60が介在する。ガスケット60によってシール性が高められる。
A
以上のように構成された燃料電池セル10では、上面部42が[発明の概要]の欄に記載した「第1面部」に対応し、下面部44が[発明の概要]の欄に記載した「第2面部」に対応し、上側凹部42aが[発明の概要]の欄に記載した「第1凹部」に対応し、下側凹部44aが[発明の概要]の欄に記載した「第2凹部」に対応し、周縁部46または壁面48が[発明の概要]の欄に記載した「斜面部」に対応する。
In the
(3)作用、効果:
以上のように構成された本実施形態の燃料電池セル100によれば、上側凹部42aを接着剤が溢れた場合に、斜面となっている周縁部46で接着剤を保持することができる。このために、上側凹部42aを形成するフランジ42bの平坦部T1に必ず接着剤を介在させることができる。従来、樹脂フレームを1枚とすると、フレームの積層方向の位置は成り行きになって、樹脂フレームのフランジの平坦部とセパレータの間に接着剤が介在しない場合があった。このため、従来、燃料電池セルを複数積層した際にセパレータが傾いて、燃料電池セルが変形するなどしてガスケットクリアランスが不安定となり、シール性が低下していた。これに対して、本実施形態では、前述したように、フランジ42bの平坦部T1に必ず接着剤を介在させることができることから、燃料電池セル100を積層した際に、隣り合うセルのフランジ42b同士で確実に締結荷重を伝達することができ、セルの変形を抑制でき、ガスケットクリアランスを一定にすることができる。この結果、樹脂フレーム40を1枚とすることができる。したがって、部品点数が少なくなって、低コスト化と生産性の向上とを図ることができる。
(3) Action and effect:
According to the
また、本実施形態の燃料電池セル100では、図2を用いて説明したように、X方向において、範囲aの全体は、範囲bの少なくとも一部とオーバーラップした位置関係にあることから、次の効果がある。図4は、樹脂フレームの形状が好ましくない比較例を示す説明図である。この比較例では、範囲aの全体は、範囲bxに対してオーバーラップしていない。このために、比較例では、図中の破線の○印の部分でせん断方向に大きな加重がかかり、フレーム割れの虞があった。これに対して、本実施形態では、範囲aの全体は、範囲bの少なくとも一部とオーバーラップした位置関係にあることから、前述したような大きな加重がかかることがない。したがって、燃料電池セル100は、フレーム割れを防止することができる。
Further, in the
2.第2実施形態:
図5は、第2実施形態の燃料電池セルにおける樹脂フレーム1040の外周部分とその周囲を示す説明図である。第2実施形態の燃料電池セルは、樹脂フレーム1040の外周部分が第1実施形態のそれと相違するだけであり、残余の構成は第1実施形態と同一である。この構成においては、範囲a2の全体は、範囲b2の全体とオーバーラップした位置関係にある。したがって、第2実施形態の燃料電池セルは、第1実施形態の燃料電池セル100と同様に、部品点数を少なくして低コスト化と生産性の向上を図ることができ、また、フレーム割れを防止することができる。
2. Second embodiment:
FIG. 5 is an explanatory view showing an outer peripheral portion of the
3.第3実施形態:
図6は、第3実施形態の燃料電池セルにおける樹脂フレーム2040の外周部分とその周囲を示す説明図である。第3実施形態の燃料電池セルは、第2実施形態の燃料電池セルと比較して、セパレータ2030の形状が相違するだけで、残余の構成は第2実施形態と同一である。セパレータ2030は、対向するセパレータ20を水平方向に反転した形状であり、ガスケット60の配設部位に下側凹部2036を備える。こうした構成の第3実施形態の燃料電池セルは、第1および第2実施形態の燃料電池セルと同様に、部品点数を少なくして低コスト化と生産性の向上を図ることができ、また、フレーム割れを防止することができる。
3. Third embodiment:
FIG. 6 is an explanatory view showing the outer peripheral portion of the resin frame 2040 and the periphery thereof in the fuel battery cell of the third embodiment. The fuel cell of the third embodiment is the same as that of the second embodiment except that the shape of the
4.変形例:
この発明は上記の実施形態や変形例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。
4). Variations:
The present invention is not limited to the above-described embodiments and modifications, and can be implemented in various modes without departing from the gist thereof. For example, the following modifications are possible.
前記各実施形態および各変形例では、燃料電池に固体高分子型燃料電池を用いたが、リン酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、固体酸化物形燃料電池等、種々の燃料電池に本発明を適用してもよい。 In each of the above-described embodiments and modifications, the polymer electrolyte fuel cell is used as the fuel cell, but various fuel cells such as a phosphoric acid fuel cell, a molten carbonate fuel cell, and a solid oxide fuel cell are used. The present invention may be applied.
なお、前述した実施形態および各変形例における構成要素の中の、独立請求項で記載された要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。 It should be noted that elements other than those described in the independent claims among the constituent elements in the above-described embodiment and each modification are additional elements and can be omitted as appropriate.
10…膜電極ガス拡散層接合体(MEGA)
12…電解質膜
14…触媒電極層
15…ガス拡散層
17…ガス拡散層
20…セパレータ
22…燃料ガス流路
24…孔部
26…凹部
30…セパレータ
34…孔部
40…樹脂フレーム
42…上面部
42a…上側凹部
42b…フランジ
42c…フランジ
44…下面部
44a…下側凹部
44b…フランジ
44c…フランジ
46…周縁部
48…壁面
52…接着層
54…接着層
60…ガスケット
70…孔部
100…燃料電池セル
200…燃料電池スタック
1040…樹脂フレーム
2030…セパレータ
2036…下側凹部
2040…樹脂フレーム
T1…平坦部
T2…平坦部
T3…平坦部
T4…平坦部
10 ... Membrane electrode gas diffusion layer assembly (MEGA)
DESCRIPTION OF
Claims (1)
前記樹脂フレームは、
前記第1面部に設けられ、前記接着剤を内在させるための第1凹部と、
前記第2面部に設けられ、前記接着剤を内在させるための第2凹部と、
前記第1面部と前記第2面部との間の周縁に位置し、前記第2面部側に拡がる斜面部と
を備え、
前記第1凹部を形成するフランジの平坦部において前記第1セパレータと対向する範囲の全体に対して、前記第2凹部を形成するフランジの平坦部において前記第2セパレータと対向する範囲の少なくとも一部が、面方向においてオーバーラップした位置関係にある、燃料電池セル。 By placing one resin frame between the first separator and the second separator and disposing the adhesive on the first surface portion of the resin frame and the second surface portion at a position corresponding to the first surface portion, respectively. A fuel battery cell in which the first separator and the resin frame, and the second separator and the resin frame are bonded to each other;
The resin frame is
A first recess provided in the first surface portion for containing the adhesive;
A second recess provided in the second surface portion for allowing the adhesive to reside;
A sloped portion located on the periphery between the first surface portion and the second surface portion and extending toward the second surface portion;
At least a part of the range facing the second separator in the flat portion of the flange forming the second recess, with respect to the entire range facing the first separator in the flat portion of the flange forming the first recess. However, the fuel cell unit is in an overlapping positional relationship in the plane direction.
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