JP2019029134A

JP2019029134A - 燃料電池

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Publication number: JP2019029134A
Application number: JP2017145589A
Authority: JP
Inventors: 公聖吉田; Masatoshi Yoshida; 荒木　康; Yasushi Araki; 康荒木; 彰太前田; Shota Maeda
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-07-27
Filing date: 2017-07-27
Publication date: 2019-02-21
Anticipated expiration: 2037-07-27
Also published as: JP6897394B2

Abstract

【課題】シール性能が改善された燃料電池を提供する。【解決手段】燃料電池は、流体が流通する貫通孔を有する樹脂シートと、前記樹脂シートの面に端部が接着された膜電極接合体と、前記貫通孔を包囲するように前記面上に設けられたシール部材とを有し、前記樹脂シートは、前記シール部材と接触する部位に沿って架橋構造を有する。【選択図】図６

Description

本発明は、燃料電池に関する。

例えば特許文献１には、燃料電池の各単セルにおいて、樹脂により構成されたガスケット構造体上に、ガスなどをシールするための凸部（リップ）が設けられた構成が開示されている。

特開２００７−６６７６６号公報

上記の構成によると、ガスケット構造体が凸部から押圧されることにより圧縮永久歪みを生じ、シール性能が不十分となるおそれがある。

そこで本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、シール性能が改善された燃料電池を提供することを目的とする。

本発明の燃料電池は、流体が流通する貫通孔を有する樹脂シートと、前記樹脂シートの面に端部が接着された膜電極接合体と、前記貫通孔を包囲するように前記面上に設けられたシール部材とを有し、前記樹脂シートは、前記シール部材と接触する部位に沿って架橋構造を有する。

本発明によれば、燃料電池のシール性能を改善することができる。

燃料電池の一例を示す斜視図である。単セルの一例を示す分解斜視図である。単セルの断面図である。比較例における樹脂シートの圧縮永久歪みの発生の様子を示す図である。比較例における樹脂シートの圧縮永久歪みの発生のメカニズムを示す図である。第１実施例における樹脂シートを示す断面図である。第１実施例における樹脂シートの一例を示す平面図である。第２実施例における樹脂シートを示す断面図である。第２実施例における樹脂シートの一例を示す平面図である。第３実施例における樹脂シートを示す断面図である。第３実施例における樹脂シートの一例を示す平面図である。

図１は、燃料電池１の一例を示す斜視図である。燃料電池１は、例えば燃料電池車に用いられるが、その用途に限定はない。

燃料電池１は、例えば固体高分子形であり、複数の単セル２が積層された積層体３と、一対のエンドプレート８と、テンションプレート９と、一対のプレッシャプレート１２とを有する。単セル２は、燃料ガス（例えば水素）と酸化剤ガス（例えば空気中の酸素）が供給され、燃料ガスと酸化剤ガスの化学反応により発電する。なお、単セル２の構成は後述する。

一対のエンドプレート８は、積層体３をその積層方向の両端において締結する。一端のエンドプレート８には、カソード側入口マニホルド１５ａ、カソード側出口マニホルド１５ｂ、アノード側入口マニホルド１６ａ、アノード側出口マニホルド１６ｂ、冷却媒体入口マニホルド１７ａ、及び冷却媒体出口マニホルド１７ｂが開口している。

カソード側入口マニホルド１５ａには、各単セル２に供給される酸化剤ガスが流通する。カソード側出口マニホルド１５ｂには、各単セル２から排出された酸化剤オフガスが流通する。アノード側入口マニホルド１６ａには、各単セル２に供給される燃料ガスが流通する。アノード側出口マニホルド１６ｂには、各単セル２から排出された燃料オフガスが流通する。冷却媒体入口マニホルド１７ａには、各単セル２に供給される冷却水などの冷却媒体が流通する。冷却媒体出口マニホルド１７ｂには、各単セル２から排出された冷却媒体が流通する。

テンションプレート９は、一対のエンドプレート８の間を結合する。一対のプレッシャプレート１２は、不図示の複数の弾性体を積層体３の積層方向において挟持する。

図２は、単セル２の一例を示す分解斜視図であり、図３は単セル２の断面図である。より具体的には、図３は、図２のＡ−Ａ線に沿った断面を示す。

単セル２は、積層体３の積層方向に沿って配置されたＭＥＧＡ（Membrane-Electrode-Gas diffusion layer Assembly）２０、樹脂シート２１、多孔体流路２２、及びセパレータ２３，２４を有する。

セパレータ２３，２４は、例えば金属板などにより構成され、矩形状の外形を有する。セパレータ２３，２４は、接着層２４９により互いに接着され、セパレータ２３は、接着層２３９により樹脂シート２１に接着されている。このため、積層体３内において、セパレータ２３は、隣接する単セル２のＭＥＧＡ２０のアノード側に配置され、セパレータ２４は、同一の単セル２のＭＥＧＡ２０のカソード側に配置される。

セパレータ２３は、厚み方向に貫通する貫通孔２３１〜２３６を有する。貫通孔２３１，２３５，２３４はセパレータ２３の一方の端部に設けられ、貫通孔２３３，２３６，２３２はセパレータ２３の他方の端部に設けられている。

また、セパレータ２４は、貫通孔２４１〜２４６と、波板形状の流路部２４０を有する。貫通孔２４１，２４５，２４４はセパレータ２４の一方の端部に設けられ、貫通孔２４３，２４６，２４２はセパレータ２４の他方の端部に設けられている。

流路部２４０の一方の面には、冷却媒体が流通する溝状の冷却媒体流路２４０ａが形成され、流路部２４０の他方の面には、燃料ガスが流通する溝状の燃料ガス流路２４０ｂが形成されている。流路部２４０は、例えばプレス金型による曲げ加工により形成される。冷却媒体流路２４０ａ及び燃料ガス流路２４０ｂは、例えば直線状に形成されてもよいし、蛇行するように形成されてもよい。なお、セパレータ２４は、金属に限定されず、例えばカーボン成型により形成されてもよい。

セパレータ２３の貫通孔２３１〜２３６は、セパレータ２４の貫通孔２４１〜２４６にそれぞれ重なる。貫通孔２３１，２４１は、アノード側入口マニホルド１６ａの一部であり、積層体３の積層方向に沿って燃料ガスが流通する。貫通孔２３２，２４２は、アノード側出口マニホルド１６ｂの一部であり、積層体３の積層方向に沿って燃料オフガスが流通する。

貫通孔２４１，２４２は燃料ガス流路２４０ｂに接続されている。燃料ガスは、貫通孔２４１から燃料ガス流路２４０ｂを経由してＭＥＧＡ２０に供給される。また、燃料オフガスは、ＭＥＧＡ２０から燃料ガス流路２４０ｂを経由して貫通孔２４２に排出される。

貫通孔２３３，２４３は、カソード側入口マニホルド１５ａの一部であり、積層体３の積層方向に沿って酸化剤ガスが流通する。貫通孔２３４，２４４は、カソード側出口マニホルド１５ｂの一部であり、積層体３の積層方向に沿って酸化剤オフガスが流通する。

酸化剤ガスは、貫通孔２３３から多孔体流路２２を経由してＭＥＧＡ２０に供給される。また、酸化剤オフガスは、ＭＥＧＡ２０から多孔体流路２２を経由して貫通孔２３４に排出される。

貫通孔２３６，２４６は、冷却媒体入口マニホルド１７ａの一部であり、積層体３の積層方向に沿って冷却媒体が流通する。貫通孔２３５，２４５は、冷却媒体出口マニホルド１７ｂの一部であり、積層体３の積層方向に沿って冷却媒体が流通する。

冷却媒体は、貫通孔２４６から冷却媒体流路２４０ａを経由して貫通孔２４５に流れ込む。これにより、冷却媒体は燃料電池１を冷却する。

ＭＥＧＡ２０には、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）２００と、ＭＥＡ２００を挟持する一対の拡散層（GDL: Gas Diffusion Layer）２０１，２０２とが含まれる。ＭＥＡ２００には、図示を省略するが、電解質膜と、電解質膜を挟持するアノード電極及びカソード電極とが含まれる。

電解質膜は、例えば、湿潤状態で良好なプロトン電導性を示すイオン交換樹脂膜により構成される。このようなイオン交換樹脂膜としては、例えば、ナフィオン（登録商標）などの、イオン交換基としてスルホン酸基を有するフッ素樹脂系のものが挙げられる。

アノード電極及びカソード電極は、それぞれ、触媒電極層であり、触媒担持導電性粒子により構成された、ガス拡散性を有する多孔質層として形成されている。例えば、アノード電極及びカソード電極は、白金担持カーボンの分散溶液である触媒インクの乾燥塗膜として形成される。

アノード電極には一方のガス拡散層２０１を介し燃料ガスが供給され、カソード電極には他方のガス拡散層２０２を介し酸化剤ガスが供給される。ガス拡散層２０１，２０２は、例えば、カーボンペーパーなどの基材に撥水性のマイクロポーラス層を積層することにより形成される。なお、マイクロポーラス層としては、例えばＰＴＦＥ（polytetrafluoroethylene）などの撥水性樹脂とカーボンブラックなどの導電性材料から形成される。ＭＥＡ２００は、酸化剤ガス及び燃料ガスを用いた電気化学反応により発電する。

樹脂シート２１は一例として矩形状の外形を有し、中央部には開口２１０が設けられ、端部には、厚み方向に貫通する貫通孔２１１〜２１６が設けられている。開口２１０は、ＭＥＧＡ２０に対応する位置に設けられ、その縁にはＭＥＡ２００の端部が接着層２０３を介し接着される。つまり、ＭＥＡ２００の端部は、樹脂シート２１の一方の面２１ｓに接着されている。これにより、ＭＥＡ２００は樹脂シート２１に固定される。

また、開口２１０内では、ガス拡散層２０２に多孔体流路２２が積層されている。多孔体流路２２としては、例えば発泡焼結体や３Ｄファインメッシュなどの三次元的な微細格子構造を備える素材が用いられる。多孔体流路２２には酸化剤ガス及び酸化剤オフガスが流通する。酸化剤ガスは多孔体流路２２からガス拡散層２０２に流れ、酸化剤オフガスはガス拡散層２０２から多孔体流路２２に流れる。

貫通孔２１１，２１５，２１４は、樹脂シート２１の一方の端部に設けられ、貫通孔２１３，２１６，２１２は、樹脂シート２１の他方の端部に設けられている。貫通孔２１１〜２１６は、セパレータ２３，２４の貫通孔２３１〜２３６，２４１〜２４６にそれぞれ重なる。

貫通孔２１１は、アノード側入口マニホルド１６ａの一部であり、積層体３の積層方向に沿って燃料ガスが流通する。貫通孔２１２は、アノード側出口マニホルド１６ｂの一部であり、積層体３の積層方向に沿って燃料オフガスが流通する。

貫通孔２１３は、カソード側入口マニホルド１５ａの一部であり、積層体３の積層方向に沿って酸化剤ガスが流通する。貫通孔２１４は、カソード側出口マニホルド１５ｂの一部であり、積層体３の積層方向に沿って酸化剤オフガスが流通する。

貫通孔２１６は、冷却媒体入口マニホルド１７ａの一部であり、積層体３の積層方向に沿って冷却媒体が流通する。貫通孔２１５は、冷却媒体出口マニホルド１７ｂの一部であり、積層体３の積層方向に沿って冷却媒体が流通する。

このように、貫通孔２１１〜２１６には、流体の一例である燃料ガス、酸化剤ガス、及び冷却媒体が流通する。このため、貫通孔２１１〜２１６を包囲するように、樹脂シート２１の一方の面２１ｓ上には、ガスケット２５０，２５３〜２５６が設けられている。ガスケット２５０，２５３〜２５６は、シール部材の一例であり、貫通孔２１１〜２１６の周囲の空間をシールする。

ガスケット２５０，２５３〜２５６は、隣接する単セル２に向かって突出した突起状の断面を有するフレーム状の部材である。ガスケット２５０，２５３〜２５６は、例えばゴムにより構成され、その底部は樹脂シート２１の一方の面２１ｓに接着されている。つまり、ガスケット２５０，２５３〜２５６は、ＭＥＡ２００の端部が接着された面２１ｓ上に設けられている。このため、ガスケット２５０，２５３〜２５６は、積層体３内において、隣接する単セル２のセパレータ２４と接触することにより圧縮されてシール性能を発揮する。

ガスケット２５０は、面２１ｓを正面視したとき、貫通孔２１１，２１２及びＭＥＧＡ２０を取り囲む。このため、貫通孔２１１，２１２及びＭＥＧＡ２０から燃料ガス及び燃料オフガスが積層体３の外部に漏れることが抑制される。

ガスケット２５３は、面２１ｓを正面視したとき、貫通孔２１３を取り囲む。このため、貫通孔２１３から酸化剤ガスが積層体３の外部に漏れることが抑制される。

ガスケット２５４は、面２１ｓを正面視したとき、貫通孔２１４を取り囲む。このため、貫通孔２１４から酸化剤オフガスが積層体３の外部に漏れることが抑制される。

ガスケット２５５は、面２１ｓを正面視したとき、貫通孔２１５を取り囲む。このため、貫通孔２１５から冷却媒体が積層体３の外部に漏れることが抑制される。

ガスケット２５６は、面２１ｓを正面視したとき、貫通孔２１６を取り囲む。このため、貫通孔２１６から冷却媒体が積層体３の外部に漏れることが抑制される。

しかし、仮に、樹脂シート２１がガスケット２５０，２５３〜２５６から押圧されることにより圧縮永久歪みが生ずると、ガスケット２５０，２５３〜２５６のシール線圧が低下するため、燃料電池１のシール性能が不十分となるおそれがある。

図４は、比較例における樹脂シート２１の圧縮永久歪みの発生の様子を示す図である。符号Ｇａ〜Ｇｅは、時系列に従った樹脂シート２１及びガスケット２５０のＡ−Ａ線（図２参照）の断面の写真を示す。

符号Ｇａ〜Ｇｅの写真を見ると、ガスケット２５０の下部の樹脂シート２１が、押圧により基準線Ｌの左側から右側に流動する様子がわかる。なお、このような現象は、全てのガスケット２５０，２５３〜２５６と樹脂シート２１の間にみられる。

図５は、比較例における樹脂シート２１の圧縮永久歪みの発生のメカニズムを示す図である。より具体的には、図５は、図２のＡ−Ａ線の断面を示す。

ガスケット２５０の上部には、隣接する単セル２のセパレータ２４からシール線圧Ｓが加えられるため、ガスケット２５０の下部から樹脂シート２１に圧力Ｐが加えられる。このため、樹脂シート２１は、符号ｄで示されるように、ガスケット２５０と接触する部位２１ａが圧力Ｐに応じて左右に流動することにより、圧縮永久歪みが生ずる。つまり、樹脂シート２１のうち、ガスケット２５０下の部分が左右に逃げることにより、その部分の肉厚が薄くなる（つまり、樹脂シート２１がへたってしまう）。なお、これは、各ガスケット２５０，２５３〜２５６において同様に発生する。

ガスケット２５０，２５３〜２５６は、樹脂シート２１の圧縮永久歪みによりシール線圧が低下するため、貫通孔２１１〜２１６の周囲の空間を十分にシールすることができなくなるおそれがある。これに対し、実施例では、樹脂シート２１に流動を抑制するための架橋構造が形成されている。

（第１実施例）
図６は、第１実施例における樹脂シート２１を示す断面図である。また、図７は、第１実施例における樹脂シート２１の一例を示す平面図である。なお、図６において、図５と共通する構成には同一の符号を付し、その説明は省略する。

樹脂シート２１は、ガスケット２５０と接触する部位２１ａ（以下、「接触部」と表記）に沿って架橋構造を有する。より具体的には、樹脂シート２１の接触部２１ａの両側に、厚み方向の全体にわたって架橋構造を有する架橋部２１ｂが設けられている。

架橋部２１ｂは、例えば紫外線硬化樹脂または熱硬化性樹脂などから形成された樹脂シート２１に対し、紫外線または熱を樹脂シート２１の該当部分に十分に照射することにより得られる。例えば紫外線硬化樹脂の場合、紫外線を照射された部分において、水素ラジカルとポリマー側にラジカルが発生し、ポリマー側のラジカルが二重結合を形成することにより架橋される。

紫外線硬化樹脂としては、例えばウレタンアクリレート、アクリル樹脂アクリレート、及びエポキシアクリレートなどが挙げられる。また、熱硬化性樹脂としては、フェノール樹脂、ユリア樹脂、メラニン樹脂、エポキシ樹脂、シリコン樹脂、不飽和ポリエステル、及びポリウレタンなどが挙げられる。

接触部２１ａでは、符号Ｘａで示されるように、ポリマーが架橋されていないが、架橋部２１ｂでは、符号Ｘｂで示されるように、ポリマーが三次元的に網状に架橋されている。このため、接触部２１ａは、ガスケット２５０の圧力Ｐを受けて左右に流動しようとしても、その両側の架橋部２１ｂによって阻まれるため、流動が抑制される。

この架橋部２１ｂは、全てのガスケット２５０，２５３〜２５６との接触部２１ａに沿って、その両側に設けられている。このため、各ガスケット２５０，２５３〜２５６からの圧力Ｐによる接触部２１ａの左右への流動が、その両側の架橋部２１ｂにより効果的に抑制される。

したがって、接触部２１ａの圧縮永久歪みの発生が抑制され、ガスケット２５０のシール線圧Ｓが低下することが抑制されるため、燃料電池１のシール性能が改善される。なお、架橋部２１ｂの幅は、例えばガスケット２５０，２５３〜２５６のサイズなどに応じて適切に決定される。また、架橋部２１ｂの厚さは、樹脂シート２１の厚さと同一である必要がなく、接触部２１ａの流動を抑制できれば、樹脂シート２１の厚さより薄くてもよい。

（第２実施例）
図８は、第２実施例における樹脂シート２１を示す断面図である。図９は、第２実施例における樹脂シート２１の一例を示す平面図である。なお、図８及び図９において、図６及び図７と共通する構成には同一の符号を付し、その説明は省略する。

本例の架橋部２１ｃは、ガスケット２５０の下部に形成されている。より具体的には、本例では、第１実施例の接触部２１ａに相当する部分である架橋部２１ｃが架橋され、他部分は架橋されていない。架橋部２１ｃには、樹脂シート２１の厚み方向の全体にわたって、ポリマーが三次元的に網状に架橋された架橋構造が形成されている。このため、架橋部２１ｃは、樹脂シート２１の他部分より硬く、ガスケット２５０の圧力Ｐを受けても流動しにくい。これにより、圧縮永久歪みの発生が抑制されるため、ガスケット２５０のシール線圧Ｓが低下することが抑制される。

この架橋部２１ｃは、樹脂シート２１において、全てのガスケット２５０，２５３〜２５６と接触する接触部２１ａに沿って設けられている。このため、接触部２１ａは、各ガスケット２５０，２５３〜２５６から圧力Ｐにより流動することがない。

したがって、接触部２１ａの圧縮永久歪みの発生が抑制され、ガスケット２５０のシール線圧Ｓが低下することが抑制されるため、燃料電池１のシール性能が改善される。なお、架橋部２１ｃの幅は、例えばガスケット２５０，２５３〜２５６のサイズなどに応じて適切に決定される。また、架橋部２１ｃの厚さは、樹脂シート２１の厚さと同一である必要がなく、接触部２１ａの流動を抑制できれば、樹脂シート２１の厚さより薄くてもよい。

（第３実施例）
図１０は、第３実施例における樹脂シート２１を示す断面図である。また、図１１は、第３実施例における樹脂シート２１の一例を示す平面図である。より具体的には、図１０には、セパレータ２３，２４間にガスケット２５０が圧縮されたときの図２のＡ−Ａ線の断面が示されている。なお、図１１において、図７と共通する構成には同一の符号を付し、その説明は省略する。

積層体３において、ガスケット２５０によりシールされた内側の領域、つまり貫通孔２１１，２１２が設けられた領域の圧力Ｐｉｎは、外側の領域が受ける大気圧より高い。このため、符号ｄで示されるように、接触部２１ａが内側に向かって流動しようとしても、圧力Ｐｉｎによる樹脂シート２１の圧縮による力Ｆが流動方向とは反対方向に作用することにより抑制される場合が考えられる。

このような場合、第１実施例のように接触部２１ａの両側に架橋部２１ｂを設けると、接触部２１ａの流動を無駄に抑制することになる。そこで、本例では、樹脂シート２１の接触部２１ａの外側だけに、上記の架橋部２１ｂ，２１ｃと同様の架橋構造の架橋部２１ｄが形成されている。このため、燃料電池１の製造において、架橋部２１ｄの形成工程を第１実施例より簡単化することが可能となる。

この架橋部２１ｄは、全てのガスケット２５０，２５３〜２５６との接触部２１ａに沿って、その外側、つまり、ガスケット２５０，２５３〜２５６から見て貫通孔２１１〜２１６とは反対側に設けられている。このため、各ガスケット２５０，２５３〜２５６からの圧力Ｐによる接触部２１ａの外側への流動が架橋部２１ｄにより効果的に抑制される。

したがって、接触部２１ａの圧縮永久歪みの発生が抑制され、ガスケット２５０のシール線圧Ｓが低下することが抑制されるため、燃料電池１のシール性能が改善される。なお、架橋部２１ｄの幅は、例えばガスケット２５０，２５３〜２５６のサイズなどに応じて適切に決定される。また、架橋部２１ｄの厚さは、樹脂シート２１の厚さと同一である必要がなく、接触部２１ａの流動を抑制できれば、樹脂シート２１の厚さより薄くてもよい。

このように、樹脂シート２１は、ガスケット２５０，２５３〜２５６と接触する接触部２１ａに沿った架橋構造を有する。このため、ガスケット２５０，２５３〜２５６からの圧力を受けて樹脂シート２１に圧縮永久歪みが生ずることが抑制され、ガスケット２５０，２５３〜２５６のシール線圧を十分に維持することができる。したがって、燃料電池１のシール性能が改善される。

上述した実施形態は本発明の好適な実施の例である。但し、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施可能である。

１燃料電池
２１樹脂シート
２１ａ接触部
２１ｂ〜２１ｃ架橋部
２００ＭＥＡ
２１１〜２１６貫通孔
２５０，２５３〜２５６ガスケット

Claims

流体が流通する貫通孔を有する樹脂シートと、
前記樹脂シートの面に端部が接着された膜電極接合体と、
前記貫通孔を包囲するように前記面上に設けられたシール部材とを有し、
前記樹脂シートは、前記シール部材と接触する部位に沿って架橋構造を有することを特徴とする燃料電池。