JP2020087784A

JP2020087784A - 燃料電池積層体

Info

Publication number: JP2020087784A
Application number: JP2018222257A
Authority: JP
Inventors: 遼太坂之井; Ryota Sakanoi; 和雄菖蒲; Kazuo Shobu; 吉田　慎; Shin Yoshida; 慎吉田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-11-28
Filing date: 2018-11-28
Publication date: 2020-06-04
Anticipated expiration: 2038-11-28
Also published as: JP7103188B2

Abstract

【課題】位置決めピンを用いて位置決めした際に燃料電池セルが短絡することを抑制することが可能な燃料電池積層体を提供することである。【解決手段】本発明の一態様にかかる燃料電池積層体は、セパレータ２０、３０と、当該セパレータ２０、３０の間に配置されたシール部材４０と、を備える燃料電池セル１０が複数積層されて構成されている。セパレータ２０、３０の各々は、セパレータ２０、３０を積層方向に貫通し、積層時に位置決めに用いられる位置決め孔５０を有し、セパレータ２０、３０の位置決め孔５０の周辺部２３、３３には絶縁処理が施されている。【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池積層体に関する。

燃料電池積層体は、複数の燃料電池セルが積層されて構成されている。各々の燃料電池セルは、一対のセパレータと、当該一対のセパレータの間に配置された膜電極ガス拡散層接合体とを備える。また、膜電極ガス拡散層接合体の周囲にはシール部材が配置されており、一対のセパレータは、シール部材を介して接着されている。

特許文献１には、複数の発電セルを積層して燃料電池スタックを構成する際に、積層方向に延在する位置決めピンを用いて複数の発電セルを位置決めする技術が開示されている。

特開２０１８−１５６８２０号公報

上述のように、燃料電池積層体は、複数の燃料電池セルが積層されて構成されている。特許文献１に開示されている技術では、複数の燃料電池セルを積層する際に、各々の燃料電池セルの位置ずれを抑制するために、各々の燃料電池セルを構成しているセパレータに位置決め孔を設け、この位置決め孔に位置決めピンを通すことで位置決めをしている。

しかしながら、各々のセパレータに形成される位置決め孔にはある程度のばらつきがあるため、位置決めピンと位置決め孔との位置関係を完全に一致させることは困難である。このため、位置決め孔に位置決めピンを通すときに、セパレータの位置決め孔の周辺部と位置決めピンとが干渉し、燃料電池セルを構成しているセパレータが変形する場合がある。このようにセパレータが変形すると、他のセパレータと接触して短絡するという問題がある。

このような課題に鑑み本発明の目的は、位置決めピンを用いて位置決めした際にセパレータ同士が短絡することを抑制することが可能な燃料電池積層体を提供するところにある。

本発明の一態様にかかる燃料電池積層体は、第１及び第２のセパレータと、当該第１及び第２のセパレータの間に配置されたシール部材と、を備える燃料電池セルが複数積層されて構成された燃料電池積層体であって、前記第１及び第２のセパレータの各々は、前記第１及び第２のセパレータを積層方向に貫通し、積層時に位置決めに用いられる位置決め孔を有し、前記第１及び第２のセパレータの前記位置決め孔の周辺部には絶縁処理が施されている。

上述のように、本発明の一態様にかかる燃料電池積層体では、セパレータの位置決め孔の周辺部に対して絶縁処理を施している。このように、絶縁処理を施した場合は、位置決め孔に位置決めピンを通した際に位置決め孔の周辺部と位置決めピンとが干渉してセパレータが変形したとしても、セパレータ同士が短絡することを抑制することができる。すなわち、絶縁処理を施しているので、セパレータ同士が接触しても電気的な絶縁を維持することができる。したがって、位置決めピンを用いて位置決めした際にセパレータ同士が短絡することを抑制することができる。

本発明により、位置決めピンを用いて位置決めした際にセパレータ同士が短絡することを抑制することが可能な燃料電池積層体を提供することができる。

実施の形態にかかる燃料電池積層体を説明するための図である。実施の形態にかかる燃料電池セルの分解斜視図である。実施の形態にかかる燃料電池セルの位置決め孔付近の断面図である。従来技術にかかる燃料電池セルの位置決め孔付近の断面図である。従来技術にかかる燃料電池セルの位置決め孔付近の断面図である。従来技術にかかる燃料電池セルの位置決め孔付近の断面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１は、実施の形態にかかる燃料電池積層体を説明するための図である。図１に示すように、燃料電池積層体１は、複数の燃料電池セル１０、エンドプレート１１、１６、絶縁板１２、１５、及び集電板１３、１４を備える。これらの部材は、エンドプレート１１、絶縁板１２、集電板１３、複数の燃料電池セル１０、集電板１４、絶縁板１５、及びエンドプレート１６の順に積層方向に積層されている。

図２は、本実施の形態にかかる燃料電池セル１０の分解斜視図である。図２に示すように、本実施の形態にかかる燃料電池セル１０は、セパレータ２０、３０と、セパレータ２０とセパレータ３０との間に配置されたシール部材４０と、を備える。シール部材４０の中央部には、膜電極ガス拡散層接合体４５（ＭＥＧＡ：Membrane Electrode Gas diffusion layer Assembly）が配置されている。ＭＥＧＡ４５は、シール部材４０に接着されている。セパレータ２０、３０は、例えばチタン等の金属材料を用いて構成することができる。セパレータ２０をアノード側のセパレータとした場合、セパレータ３０がカソード側のセパレータとなる。逆に、セパレータ２０をカソード側のセパレータとした場合、セパレータ３０がアノード側のセパレータとなる。

図２に示すように、セパレータ２０、３０、及びシール部材４０には、位置決め孔５０が形成されている。セパレータ２０、３０、及びシール部材４０を組み合わせる際には、位置決め孔５０に位置決めピン５５（図３参照）を通すことで、これらの部材の面内方向（積層方向と垂直な方向）の位置決めを行っている。

具体的には、本実施の形態にかかる燃料電池セル１０を作製する際は、セパレータ２０を配置し、その後、ＭＥＧＡ４５が接着されたシール部材４０を、セパレータ２０の上に積層する。その後、シール部材４０の上にセパレータ３０を積層する。セパレータ２０、シール部材４０、及びセパレータ３０を積層する際は、位置決め孔５０に位置決めピン５５（図３参照）を通すことで、これらの部材の面内方向の位置決めを行っている。

そして、これらの部材を積層した後、セパレータ２０とセパレータ３０とをそれぞれ、金型を用いて狭持して加熱・加圧することで、セパレータ２０とセパレータ３０とをシール部材４０を介して熱圧着する。このような工程により、燃料電池セル１０が作製される。

また、本実施の形態にかかる燃料電池積層体１は、上述のようにして作製した燃料電池セル１０を複数積層することで作製することができる。このとき、各々のセパレータ２０、３０に形成された位置決め孔５０に位置決めピン５５（図３参照）を通すことで、各々の燃料電池セル１０の面内方向の位置決めを行ってもよい。

すなわち、本実施の形態では、セパレータ２０、３０、及びシール部材４０に形成されている位置決め孔５０は、燃料電池セル１０を形成する際に、セパレータ２０、３０、及びシール部材４０の位置決めに用いることができる。更に、本実施の形態では、各々の燃料電池セル１０を積層して燃料電池積層体１を形成する際に、セパレータ２０、３０、及びシール部材４０に形成されている位置決め孔５０を用いて、各々の燃料電池セル１０の位置決めを行ってもよい。

図３は、本実施の形態にかかる燃料電池セルの位置決め孔付近の断面図である。図３に示すように、燃料電池セル１０は、セパレータ２０、３０を積層方向に貫通し、積層時に位置決めに用いられる位置決め孔５０を有する。上述のように、セパレータ２０、シール部材４０、及びセパレータ３０を積層する際は、位置決め孔５０に位置決めピン５５を通すことで、これらの部材の面内方向の位置決めを行っている。

そして本実施の形態では、各々の燃料電池セル１０が備えるセパレータ２０、３０の位置決め孔５０の周辺部２３、３３に対して絶縁処理を施している。すなわち、図３の断面図に示すように、セパレータ２０の位置決め孔５０の周辺部２３を絶縁処理して絶縁部２５を形成している。同様に、セパレータ３０の位置決め孔５０の周辺部３３を絶縁処理して絶縁部３５を形成している。

このように本実施の形態では、セパレータ２０、３０の位置決め孔５０の周辺部２３、３３に対して絶縁処理を施して絶縁部２５、３５を形成している。したがって、位置決め孔５０に位置決めピン５５を通した際に、セパレータ２０、３０の周辺部２３、３３と位置決めピン５５とが干渉して、セパレータ２０、３０が変形した場合であっても、セパレータ同士が短絡することを抑制することができる。すなわち、絶縁処理を施して絶縁部２５、３５を形成しているので、セパレータ同士が接触しても電気的な絶縁を維持することができる。

図４〜図６は、従来技術にかかる燃料電池セルの位置決め孔付近の断面図である。図４〜図６に示す燃料電池セル１１０においても、セパレータ１２０、１３０、及びシール部材１４０が配置されている。なお、図４〜図６に示す従来技術では、各々の構成要素を１００番台の符号で示している。

図４に示す従来技術においても、燃料電池セル１１０は、セパレータ１２０、１３０を積層方向に貫通し、積層時に位置決めに用いられる位置決め孔１５０を有する。燃料電池セル１１０を形成する際は、位置決め孔１５０に位置決めピン１５５を通すことで、セパレータ１２０、シール部材１４０、及びセパレータ１３０の面内方向の位置決めを行っている。

図４に示すように、位置決め孔１５０に位置決めピン１５５を通した際に、セパレータ１２０、１３０の周辺部１２３、１３３と位置決めピン１５５とが互いに干渉しないことが理想的である。しかしながら、実際には、図５に示すように、位置決め孔１５０に位置決めピン１５５を通した際に、セパレータ１２０、１３０の周辺部１２３、１３３が位置決めピン１５５と干渉して、セパレータ１２０、１３０が変形する場合がある。このように、セパレータ１２０、１３０が変形すると、セパレータ同士が短絡するという問題があった。

また、図６に示すように、このようにセパレータ１２０、１３０が変形した燃料電池セル１１０_１、１１０_２を積層すると、複数の燃料電池セル１１０_１、１１０_２間において短絡が生じる場合もある。すなわち、図６に示すように、燃料電池セル１１０_１のセパレータ１３０が上側に変形している場合は、燃料電池セル１１０_１と燃料電池セル１１０_２とを積層した際に、燃料電池セル１１０_１のセパレータ１３０が燃料電池セル１１０_２のセパレータ１２０、１３０と接触してセパレータ同士が短絡する場合がある。

このような問題を解決するために本実施の形態にかかる発明では、図３に示したように、セパレータ２０、３０の位置決め孔５０の周辺部２３、３３に絶縁処理を施して絶縁部２５、３５を形成している。このように、絶縁部２５、３５を形成した場合は、セパレータ２０、３０の周辺部２３、３３と位置決めピン５５とが干渉してセパレータ２０、３０が変形したとしても（図５、図６参照）、セパレータ同士が短絡することを抑制することができる。すなわち、絶縁処理を施して絶縁部２５、３５を形成しているので、セパレータ同士が接触しても電気的な絶縁を維持することができる。したがって、位置決めピンを用いて位置決めした際にセパレータ同士が短絡することを抑制することができる。

セパレータ２０、３０に施す絶縁処理としては、例えば、加熱をして酸化皮膜を形成する処理、直流電流を流して酸化皮膜を形成する処理、また、セパレータ２０、３０に絶縁材料を塗布する処理等が挙げられる。

例えば、熱処理を用いる場合は、セパレータ２０、３０の位置決め孔５０の周辺部２３、３３を局所的に加熱する。これにより、周辺部２３、３３の金属が部分的に酸化されて、表面に酸化皮膜（絶縁部２５、３５）が形成される。例えば、レーザを用いることで、周辺部２３、３３を局所的に加熱することができる。例えば、セパレータ２０、３０にチタンを用いた場合は、酸化皮膜として酸化チタンが形成される。

また、電流を用いる場合は、例えば、セパレータ２０、３０の位置決め孔５０の周辺部２３、３３に局所的に電流を流す。これにより、周辺部２３、３３の金属が部分的に酸化されて、表面に酸化皮膜（絶縁部２５、３５）が形成される。

また、絶縁材料を塗布する場合は、例えば、セパレータ２０、３０の位置決め孔５０の周辺部２３、３３に局所的に絶縁材料を塗布する。これにより、周辺部２３、３３の金属が部分的に絶縁材料で覆われて絶縁部２５、３５が形成される。例えば、絶縁材料には樹脂材料などを用いることができる。

なお、本実施の形態では、セパレータ２０、３０に施す絶縁処理は、上述の絶縁処理に限定されることはなく、セパレータ２０、３０の位置決め孔５０の周辺部２３、３３に絶縁部２５、３５を形成することができる処理であればどのような処理を用いてもよい。

以上、本発明を上記実施の形態に即して説明したが、本発明は上記実施の形態の構成にのみ限定されるものではなく、本願特許請求の範囲の請求項の発明の範囲内で当業者であればなし得る各種変形、修正、組み合わせを含むことは勿論である。

１燃料電池積層体
１０燃料電池セル
１１、１６エンドプレート
１２、１５絶縁板
１３、１４集電板
２０セパレータ
２３周辺部
２５絶縁部
３０セパレータ
３３周辺部
３５絶縁部
４０シール部材
４５ＭＥＧＡ
５０位置決め孔
５５位置決めピン

Claims

第１及び第２のセパレータと、当該第１及び第２のセパレータの間に配置されたシール部材と、を備える燃料電池セルが複数積層されて構成された燃料電池積層体であって、
前記第１及び第２のセパレータの各々は、前記第１及び第２のセパレータを積層方向に貫通し、積層時に位置決めに用いられる位置決め孔を有し、
前記第１及び第２のセパレータの前記位置決め孔の周辺部には絶縁処理が施されている、
燃料電池積層体。