JP2018181662A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】セパレータ同士が導通することを抑制可能な技術を提供する。【解決手段】燃料電池であって、膜電極接合体を含む発電体の周囲に接合された枠状の樹脂フレームと、樹脂フレームを挟持する第１セパレータおよび第２セパレータと、樹脂フレームと第１セパレータと第２セパレータとを貫通するように設けられ、反応ガスが流通するガス流路と、反応ガスをガス流路から発電体に流通させるガス導入路と、を備え、樹脂フレームは、コア層と、コア層の一方の面上に配置され、第１セパレータに接着される第１接着層と、コア層の他方の面上に配置され、第２セパレータに接着される第２接着層と、を有し、ガス導入路は、樹脂フレームの第２接着層側に形成され、内部に反応ガスが流通可能な溝と、溝のガス流路側の端部に、ガス流路から反応ガスを導入するガス導入部と、を有する。【選択図】図４

Description

本発明は、燃料電池に関する。

燃料電池に用いられる樹脂フレームとして、表裏が接着層で被覆されたものが知られている。樹脂フレームには、例えば、特許文献１に記載されているように、樹脂フレームを貫通するように反応ガスが流れるガス流路（ガス孔）が形成されている。

特開２０１５−２０１３４１号公報

ガス流路から膜電極接合体に反応ガスを導入するためにセパレータの間に形成されたガス導入路に、異物が付着する場合がある。この場合、異物によって２つのセパレータが導通し、短絡が発生するおそれがある。そのため、セパレータ同士が導通することを抑制可能な技術が望まれていた。

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。

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、膜電極接合体を含む発電体の周囲に接合された枠状の樹脂フレームと；前記樹脂フレームを挟持する第１セパレータおよび第２セパレータと；前記樹脂フレームと前記第１セパレータと前記第２セパレータとを貫通するように設けられ、反応ガスが流通するガス流路と；前記反応ガスを前記ガス流路から前記発電体に流通させるガス導入路と、を備え；前記樹脂フレームは、コア層と、前記コア層の一方の面上に配置され、前記第１セパレータに接着される第１接着層と、前記コア層の他方の面上に配置され、前記第２セパレータに接着される第２接着層と、を有し；前記ガス導入路は、前記樹脂フレームの前記第２接着層側に形成され、内部に前記反応ガスが流通可能な溝と、前記溝の前記ガス流路側の端部に、前記ガス流路から前記反応ガスを導入するガス導入部と、を有する。この形態の燃料電池によれば、ガス流路から反応ガスが取り入れられるガス導入部が、樹脂フレームの第２接着層側に形成された溝の端部に設けられているため、異物がガス流路からガス導入路に入り込んでもセパレータ同士が導通することを抑制できる。

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、燃料電池の製造方法、この燃料電池を含んで構成される燃料電池システム等の態様で実現することが可能である。

本発明の一実施形態における燃料電池を分解して示す説明図である。 図１の樹脂フレーム、第１セパレータ、第２セパレータを接合した場合におけるＡ部分の拡大図である。 図２をＩＩＩ−ＩＩＩラインで切断した断面図である。 図２をＩＶ−ＩＶラインで切断した断面図である。 図１の樹脂フレーム、第１セパレータ、第２セパレータを接合した場合におけるＢ部分の拡大図である。 図５をＶＩ−ＶＩラインで切断した断面図である。 第１変形例における燃料電池の断面図である。 第２変形例における燃料電池の断面図である。

Ａ．実施形態：
図１は、本発明の一実施形態における燃料電池１００を分解して示す説明図である。燃料電池１００は、反応ガスとして水素と酸素の供給を受けて発電する固体高分子形の燃料電池である。燃料電池１００が複数積層されることにより、燃料電池スタックが構成される。燃料電池スタックも、広義の燃料電池である。燃料電池１００は、発電体１０と樹脂フレーム２０とを挟持する一対の第１セパレータ４０および第２セパレータ５０と、ガス流路３０〜３３と、冷媒流路３４を備える。

発電体１０は、電解質膜（図示せず）と、電解質膜の両面にそれぞれ隣接して形成された触媒層（図示せず）と、ガス拡散層（図示せず）とを備える。電解質膜は湿潤状態において良好なプロトン伝導性を示す固体高分子薄膜である。電解質膜は、例えば、フッ素系樹脂のイオン交換膜によって構成される。触媒層は水素と酸素の化学反応を促進する触媒と、触媒を担持したカーボン粒子とを備える。この電解質膜、触媒層を合わせて、膜電極接合体（ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ））ともいう。

ガス拡散層は、それぞれ触媒層側の面に隣接して設けられている。ガス拡散層は、電極反応に用いられる反応ガスを電解質膜の面方向に沿って拡散させる層であり、多孔質の拡散層用基材により構成されている。拡散層用基材としては、炭素繊維基材や黒鉛繊維基材、発砲金属など、導電性及びガス拡散性を有する多孔質の基材が用いられる。この電解質膜、触媒層、ガス拡散層を合わせて、膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ｇａｓｓ−ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ−ｌａｙｅｒ Ａｓｓｅｍｂｌｙ））ともいう。

樹脂フレーム２０は、発電体１０の周囲に接合された枠状の樹脂部材である。ガス流路３０〜３３は、樹脂フレーム２０と第１セパレータ４０および第２セパレータ５０とを貫通し、反応ガスが流通する。本実施形態において、反応ガスは、第１セパレータ４０側より第２セパレータ５０側へと流通する。燃料電池１００は、図中のＡ部分およびＢ部分に、後述するガス導入路を備え、ガス導入路を通じて反応ガスを各ガス流路３０、３２から発電体１０に流通させる。冷媒流路３４は、樹脂フレーム２０と第１セパレータ４０および第２セパレータ５０とを貫通し、冷却水が流通する。

一対の第１セパレータ４０および第２セパレータ５０は、膜電極接合体を含む発電体１０と樹脂フレーム２０とを挟持する。第１セパレータ４０および第２セパレータ５０は例えば、ステンレス鋼やチタン、あるいはそれらの合金からなる金属板をプレス成型することによって形成されている。本実施形態において、第１セパレータ４０は、カソード側のセパレータであり、第２セパレータ５０は、アノード側のセパレータである。水素ガスは、ガス流路３０から後述する第２セパレータ５０側のガス導入路に流入し、発電体１０の第２セパレータ５０側の面を通った後に、ガス流路３１から排出される。また、酸素ガスは、ガス流路３２から後述する第１セパレータ４０側のガス導入路に流入し、発電体１０の第１セパレータ４０側の面を通った後に、ガス流路３３から排出される。

図２は、図１の樹脂フレーム２０、第１セパレータ４０、第２セパレータ５０を接合した場合におけるＡ部分の拡大図である。より具体的には、水素ガスの流入するガス流路３０付近の拡大図である。図２に示すように、ガス流路３０からガス導入路に反応ガスを導入するガス導入部６２は、ガス流路３０近傍に設けられている。ガス流路３０の「近傍」とは、ガス流路３０周縁の発電体１０側の部分であり、例えば、ガス流路３０から５ｍｍ以内、より好ましくは２ｍｍ以内であることが好ましい。ガス導入部６２は後述するガス導入路６０の端部である。

図３は、図２をＩＩＩ−ＩＩＩラインで切断した断面図である。図３に示すように、第１セパレータ４０は、第２セパレータ５０よりもガス流路３０に向かう方向（＋ｘ軸方向）に伸びている。

樹脂フレーム２０は、コア層２１と、第１接着層２２と、第２接着層２３と、を有する３層構造である。コア層２１は樹脂製であり、本実施形態では、例えばポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）が用いられる。ただし、コア層２１として、ポリプロピレン、ポリエチレン等の他の種々の熱可塑性樹脂部材も利用可能である。

第１接着層２２は、コア層２１の一方の面上に配置され、第１セパレータ４０に接着されている。第２接着層２３は、コア層２１の他方の面上に配置され、第２セパレータ５０に接着されている。第１接着層２２および第２接着層２３は、接着性を付与した熱可塑性接着樹脂が用いられる。本実施形態では、例えば、シリコーン系樹脂が用いられる。ただし、第１接着層２２および第２接着層２３として、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、ポリイソブチレン、エポキシ、ウレタン等の他の種々の樹脂部材も利用可能である。

図４は、図２をＩＶ−ＩＶラインで切断した断面図である。具体的には、燃料電池１００をガス導入部６２（ガス導入路６０）上で切断した断面図である。ガス導入路６０は、反応ガスをガス流路３０から発電体１０に流通させる。ガス導入路６０は、内部に反応ガスが流通可能な溝６１と、ガス流路３０から反応ガスを導入するガス導入部６２を有する。

溝６１は、樹脂フレーム２０の第２接着層２３側に第２セパレータ５０から離間するように設けられている。本実施形態では、溝６１は、第２接着層２３の表面からコア層２１の表面まで達する深さを有している。ガス導入部６２は、溝６１のガス流路３０側の端部に設けられている。本実施形態では、ガス導入部６２よりもガス流路３０側には、第２接着層２３が残されている。なお、他の実施形態では、ガス導入部６２よりもガス流路３０側には第２接着層２３が残されていなくてもよい。

図４に示すように、水素ガスは矢印方向に流通する。水素ガスは、ガス流路３０からガス導入路６０を経て、発電体１０（図示せず）へ供給される。より具体的には、水素ガスは、ガス流路３０からガス導入部６２に流入し、溝６１を流通し、発電体１０のアノード側へ供給される。

図５は、図１の樹脂フレーム２０、第１セパレータ４０、第２セパレータ５０を接合した場合におけるＢ部分の拡大図である。より具体的には、酸素ガスの流入するガス流路３２付近の拡大図である。ガス流路３２付近の構成は、上述した図２のガス流路３０付近の構成と同様である。

図６は、図５をＶＩ−ＶＩラインで切断した断面図である。図６に示すように、酸素ガスは矢印方向に流入する。酸素ガスは、ガス流路３２からガス導入路６０を経て、発電体１０（図示せず）へ供給される。より具体的には、酸素ガスは、ガス流路３２からガス導入部６２に流入し、その後、樹脂フレーム２０の第１接着層２２側に第１セパレータ４０から離間するように設けられた溝６１を流通した後に、樹脂フレーム２０を貫く貫通口２４を通じて発電体１０のカソード側へ供給される。

以上で説明した本実施形態の燃料電池１００によれば、ガス流路３０、３２から反応ガスが取り入れられるガス導入部６２が、樹脂フレーム２０の第２接着層２３側に形成された溝６１の端部に設けられている。そのため、異物がガス流路３０からガス導入路６０に入り込んでも、異物によって第１セパレータ４０と第２セパレータ５０とが導通することを抑制できる。

また、本実施形態では、第１セパレータ４０は、第２セパレータ５０よりもガス流路３０側に延びているため、ガス流路３０付近の異物が燃料電池１００内に引き込まれることを抑制できる。特に本実施形態では、ガス導入部６２が第２接着層２３側に設けられているため、仮に異物が第１セパレータ４０側の隙間に引き込まれたとしても、第１接着層２２によって燃料電池１００内への引き込みを抑制することができる。

なお、ガス流路３０、３２側、換言すれば、反応ガスが発電体１０に流入する側のガス導入路６０の構造について上述したが、ガス流路３１、３３側、換言すれば、反応ガスが発電体１０からから排出される側のガス排出路の構造についても、上述したガス導入路６０の構造と同様である。

Ｂ．変形例：
＜第１変形例＞
図７は、第１変形例における燃料電池１００Ａの断面図である。上記実施形態において、溝６１は、第２接着層２３の表面からコア層２１の表面まで達する深さを有している。これに対して、図７に示すように、溝６１は、第２接着層２３の表面からコア層２１を突き抜けて第１接着層２２まで到達してもよい。つまり、第１接着層２２が第１セパレータ４０と離間しないよう、溝６１は、第１セパレータ４０に到達しない深さで形成されていればよい。

＜第２変形例＞
図８は、第２変形例における燃料電池１００Ｂの断面図である。上記実施形態において、溝６１は、第２接着層２３の表面からコア層２１の表面まで達する深さを有している。これに対して、図８に示すように、溝６１は、コア層２１に到達しない深さで形成されていてもよい。

＜第３変形例＞
上記実施形態において、第１セパレータ４０は、第２セパレータ５０よりもガス流路３０方向に伸びている。これに対して、第１セパレータ４０は第２セパレータ５０と同程度の長さでもよい。

＜第４変形例＞
上記実施形態において、ガス流路３０周縁における、第１セパレータ４０および第２セパレータ５０の端部は、それぞれ、樹脂フレーム２０からｚ軸方向に離間し、ガス流路３０の内部に向かって突き出す形状になっている。これに対して、ガス流路３０周縁における、第１セパレータ４０および第２セパレータ５０の端部は樹脂フレーム２０から離間していなくてもよいし、ガス流路３０の内部に向かって突き出していなくてもよい。

本発明は、上述の実施形態や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、変形例中の技術的特徴は、上述した課題を解決するために、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。

１０…発電体
２０…樹脂フレーム
２１…コア層
２２…第１接着層
２３…第２接着層
２４…貫通口
３０〜３３…ガス流路
３４…冷媒流路
４０…第１セパレータ
５０…第２セパレータ
６０…ガス導入路
６１…溝
６２…ガス導入部
１００、１００Ａ、１００Ｂ…燃料電池

Claims (1)

1. 燃料電池であって、
   膜電極接合体を含む発電体の周囲に接合された枠状の樹脂フレームと、
   前記樹脂フレームを挟持する第１セパレータおよび第２セパレータと、
   前記樹脂フレームと前記第１セパレータと前記第２セパレータとを貫通するように設けられ、反応ガスが流通するガス流路と、
   前記反応ガスを前記ガス流路から前記発電体に流通させるガス導入路と、を備え、
   前記樹脂フレームは、コア層と、前記コア層の一方の面上に配置され、前記第１セパレータに接着される第１接着層と、前記コア層の他方の面上に配置され、前記第２セパレータに接着される第２接着層と、を有し、
   前記ガス導入路は、前記樹脂フレームの前記第２接着層側に形成され、内部に前記反応ガスが流通可能な溝と、前記溝の前記ガス流路側の端部に、前記ガス流路から前記反応ガスを導入するガス導入部と、を有する、燃料電池。

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