JP2019102146A

JP2019102146A - 燃料電池単セル

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Publication number: JP2019102146A
Application number: JP2017228532A
Authority: JP
Inventors: 順朗野々山; Junro Nonoyama; 一成茂木; Kazunari Mogi
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-11-29
Filing date: 2017-11-29
Publication date: 2019-06-24
Anticipated expiration: 2037-11-29
Also published as: JP6891777B2

Abstract

【課題】作業の煩雑さを低減可能な燃料電池単セルを提供する。【解決手段】燃料電池スタックを構成するための燃料電池単セルであって、膜電極接合体を含む発電体と、発電体の周囲に接合された枠状の樹脂シートと、を有する発電体プレートと、発電体プレートを挟持するように略長方形状の一対のセパレータと、を備え、一対のセパレータは、一対の短辺または一対の長辺にそれぞれ設けられた第１凹部を有し、樹脂シートは、一対のセパレータと発電体プレートの積層方向から見たときに、第１凹部と対向する位置において、第１凹部よりも第１凹部の内周側に延伸している第２凹部を有し、第２凹部の内周の少なくとも一部に凸部が設けられている。【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池単セルに関する。

燃料電池単セルにおいて、締結部材に沿って積層することで燃料電池スタックを構成するものが知られている。特許文献１に記載の燃料電池単セルでは、各セパレータの端部の締結部材が嵌められる部分である凹部には、絶縁性を有する樹脂等からなる緩衝部材が設けられている。燃料電池単セルを積層する際には、緩衝部材が締結部材と接触して締結部材と燃料電池単セルの位置を規制するので、積層時の位置ずれを低減することができる。

特開２０１３−２１１２４０号公報

しかし、別部材として各セパレータに緩衝部材を設ける場合、セパレータに緩衝部材を取り付ける作業が煩雑になる。そのため、作業の煩雑さを低減可能な燃料電池単セルが望まれていた。

本発明は、上述の課題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、燃料電池スタックを構成するための燃料電池単セルが提供される。この燃料電池単は、膜電極接合体を含む発電体と、前記発電体の周囲に接合された枠状の樹脂シートと、を有する発電体プレートと；前記発電体プレートを挟持するように略長方形状の一対のセパレータと、を備え；前記一対のセパレータは、一対の短辺または一対の長辺にそれぞれ設けられた第１凹部を有し；前記樹脂シートは、前記一対のセパレータと前記発電体プレートの積層方向から見たときに、前記第１凹部と対向する位置において、前記第１凹部よりも前記第１凹部の内周側に延伸している第２凹部を有し；前記第２凹部の内周の少なくとも一部に凸部が設けられている。この形態の燃料電池単セルによれば、第２凹部に設けられた凸部と複数の燃料電池単セルを積層する際に第１凹部に挿入されるガイド部材とが接触してガイド部材に対する燃料電池単セルの位置を規制する。この凸部は、樹脂シートの第２凹部に設けられているので、従来に比べて、積層時の作業を簡略化できる。そのため、作業の煩雑さを低減できる。

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、燃料電池単セルを複数積層した燃料電池スタックや燃料電池としての形態の他、燃料電池単セルの製造方法としての形態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単セルの説明図である。燃料電池単セルを複数枚積層した場合における断面図である。図１のＡ部分の拡大図である。燃料電池単セルを積層する一例の説明図である。他の実施形態における図１のＡ部分の拡大図である。更に他の実施形態における図１のＡ部分の拡大図である。更に他の実施形態における図１のＡ部分の拡大図である。

Ａ．第１実施形態：
図１は、本発明の一実施形態における燃料電池単セル１００の説明図である。燃料電池単セル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型の燃料電池スタックを構成するための燃料電池単セルである。燃料電池単セル１００は、発電体１０と樹脂シート２０とを有する発電体プレート２５を挟持する一対のセパレータ４０ａ、４０ｂとを備える。図１には互いに直交するｘ軸、ｙ軸、ｚ軸を示している。これらの軸は図２以降に示した軸に対応している。

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（ＭｅｍｂｒａｎｅＥｌｅｃｔｒｏｄｅＡｓｓｅｍｂｌｙ））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（ＭｅｍｂｒａｎｅＥｌｅｃｔｒｏｄｅＧａｓｓ−ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ−ｌａｙｅｒＡｓｓｅｍｂｌｙ））ともいう。

樹脂シート２０は、膜電極接合体を含む発電体１０の周囲に配置された枠状の樹脂部材である。樹脂シート２０は、絶縁性の樹脂で形成されていることが好ましい。本実施形態では、例えばポリプロピレン（ＰＰ）が用いられる。ただし、樹脂シート２０として、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）やポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）等の他の種々の樹脂部材も利用可能である。樹脂シート２０の曲げ剛性は０．００２Ｐａ・ｍ³以上が好ましく、０．００４Ｐａ・ｍ³以上がより好ましい。また、樹脂シート２０の曲げ剛性は０．０９Ｐａ・ｍ³以下が好ましく、０．０４Ｐａ・ｍ³以下がより好ましい。また、本実施形態において、樹脂シート２０の厚さは０．１〜０．３ｍｍ程度である。

一対のセパレータ４０ａ、４０ｂは、発電体プレート２５を挟持する略長方形状の部材である。セパレータ４０ａ、４０ｂ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。本実施形態では、以下、セパレータ４０ａとセパレータ４０ｂとをまとめてセパレータ４０という。

樹脂シート２０およびセパレータ４０はマニホールド孔３０を有する。マニホールド孔３０は、反応ガスまたは冷却水が流通する。セパレータ４０は、一対の短辺にそれぞれ設けられた第１凹部５０ａを有する。また、樹脂シート２０は、一対のセパレータ４０と発電体プレート２５の積層方向（ｚ軸方向）から見たときにおいて第１凹部５０ａと対向する位置に第２凹部５０ｂを有する。積層方向から見たときにおいて対向する位置とは、平面方向（ｘ軸方向およびｙ軸方向）の位置がほぼ同じであることをいう。本実施形態では、以下、第１凹部５０ａと第２凹部５０ｂとをまとめて凹部５０という。なお、凹部５０は一対の長辺にそれぞれ設けられていてもよい。

図２は、燃料電池単セル１００を複数枚積層した場合における断面図である。隣り合う燃料電池単セル１００間において、一方の燃料電池単セル１００のセパレータ４０ａと、他方の燃料電池単セル１００のセパレータ４０ｂとの間には、ガスケット４５が設けられている。ガスケット４５は、例えばシリコーンゴムにより形成される。隣り合う燃料電池単セル１００間にはマニホールド孔３０から冷却水が流通する冷却流路が形成されており、この冷却流路は、ガスケット４５によってシールされている。

図２に示すように、本実施形態において、樹脂シート２０の長辺（ｘ軸方向）における端部は、それぞれ、セパレータ４０ａ、４０ｂの長辺（ｘ軸方向）の端部よりも延伸している。なお、短辺（ｙ軸方向）における端部においても同様に、樹脂シート２０がセパレータ４０よりも延伸していてもよい。

図３は、図１の樹脂シート２０と一対のセパレータ４０とを接合した場合におけるＡ部分の拡大図である。燃料電池単セル１００は、樹脂シート２０とセパレータ４０とを貫通するセル化基準部７０を有している。セル化基準部７０は、樹脂シート２０とセパレータ４０の積層方向において対向する位置にそれぞれ設けられた孔である。セル化基準部７０は、例えば、樹脂シート２０とセパレータ４０とを積層する際に、位置決めピンが挿入される。これにより、樹脂シート２０とセパレータ４０とを積層して燃料電池単セル１００を成型する際に位置ずれが生じることを抑制できる。

図３に示すように、樹脂シート２０にはハッチングを付しており、第２凹部５０ｂは第１凹部５０ａよりも第１凹部５０ａの内周側に延伸している。本実施形態において、第２凹部５０ｂは、第２凹部５０ｂの内周の−ｙ軸側のｘ軸方向に延伸する辺Ｌ１に凸部６０を有している。凸部６０は、樹脂シート２０と同じ部材で形成されている。凸部６０は、対向する第２凹部５０ｂの辺Ｌ２の部位よりも曲げ剛性が低い。

図４は、本実施形態の燃料電池単セル１００を積層する一例の説明図である。図４では、図３に示したＡ部分の拡大図を用いて説明する。本実施形態では、積層レール８０を用いて燃料電池単セル１００をガイドしつつ積層する。積層レール８０を「ガイド部材」とも呼ぶ。図４の例では、積層レール８０は、断面が矩形状である長尺部材である。燃料電池単セル１００の凹部５０に積層レール８０を嵌合させることで、燃料電池単セル１００を積層する際に位置ずれが生じることを抑制できる。なお、積層レール８０は締結部材であってもよい。

図４に示すように、凹部５０に積層レール８０を嵌合させると、燃料電池単セル１００の凸部６０は、積層レール８０から矢印方向に力Ｆを受け、対向する辺Ｌ２は、積層レール８０に押し付けられる。そのため、外部から力を加えて積層レール８０に燃料電池単セル１００を押し付ける事なく、積層レール８０と凹部５０との間、より具体的には積層レール８０と第２凹部５０ｂの辺Ｌ２との間に隙間が生じることを抑制できる。また、凸部６０はしなやかに撓み、塑性変形しにくいため、スムーズに積層レール８０を滑らせることができる。

以上で説明した本実施形態の燃料電池単セル１００によれば、第２凹部５０ｂに設けられた凸部６０と複数の燃料電池単セルを積層する際に第１凹部５０ａに挿入される積層レール８０とが接触して積層レール８０に対する燃料電池単セル１００の位置を規制する。凸部６０は、樹脂シート２０の第２凹部５０ｂに設けられているので、従来に比べて、積層時の作業を簡略化できる。そのため、作業の煩雑さを低減できる。

Ｂ．他の実施形態：
図５は、他の実施形態における図１の樹脂シート２０と一対のセパレータ４０とを接合した場合におけるＡ部分の拡大図である。上記実施形態において、凸部６０は、第２凹部５０ｂのｘ軸方向の辺Ｌ１に１つのみ設けられている。この代わりに、図５に示すように、凸部６０ｘは、第２凹部５０ｂの辺Ｌ１に複数設けられていてもよい。また、凸部６０ｙは、第２凹部５０ｂの辺Ｌ３に設けられていてもよい。なお、凸部６０は第２凹部５０ｂの少なくとも一辺に設けられていればよく、辺Ｌ１に設けられていなくてもよい。

図６は、更に他の実施形態における図１の樹脂シート２０と一対のセパレータ４０とを接合した場合におけるＡ部分の拡大図である。上記実施形態において、凸部６０が設けられている第２凹部５０ｂに対応する位置の第１凹部５０ａは何も設けられていない。この代わりに、図６に示すように、凸部６０が設けられている第２凹部５０ｂに対応する位置の第１凹部５０ａは、凸部６０ａが設けられていてもよい。

図７は、更に他の実施形態における図１の樹脂シート２０と一対のセパレータ４０とを接合した場合におけるＡ部分の拡大図である。図３〜図６の実施形態において、凹部５０は辺を持つ略矩形形状である。この代わりに、図７に示すように、凹部５１は、円弧形状でもよい。これらの実施形態から理解できるように、樹脂シート２０の凹部５０（または５１）の少なくとも一部に凸部６０が設けられていることが好ましい。

本発明は、上述の実施形態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…樹脂シート
２５…発電体プレート
３０…マニホールド孔
４０、４０ａ、４０ｂ…セパレータ
４５…ガスケット
５０、５１…凹部
５０ａ…第１凹部
５０ｂ…第２凹部
６０、６０ａ、６０ｘ、６０ｙ…凸部
７０…セル化基準部
８０…積層レール
１００…燃料電池単セル
Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３…辺

Claims

燃料電池スタックを構成するための燃料電池単セルであって、
膜電極接合体を含む発電体と、前記発電体の周囲に接合された枠状の樹脂シートと、を有する発電体プレートと、
前記発電体プレートを挟持するように略長方形状の一対のセパレータと、を備え、
前記一対のセパレータは、一対の短辺または一対の長辺にそれぞれ設けられた第１凹部を有し、
前記樹脂シートは、前記一対のセパレータと前記発電体プレートの積層方向から見たときに、前記第１凹部と対向する位置において、前記第１凹部よりも前記第１凹部の内周側に延伸している第２凹部を有し、
前記第２凹部の内周の少なくとも一部に凸部が設けられている、燃料電池単セル。