JP2022121027A - 燃料電池セル、燃料電池装置及び燃料電池装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 膜電極接合体とガス拡散層とが熱圧着されずにガス拡散層の位置ずれが防止された燃料電池セル、燃料電池装置及び燃料電池装置の製造方法を提供する。【解決手段】 燃料電池50は、電解質膜16の両面に触媒層12が形成されてできる膜電極接合体11と、膜電極接合体11の両面に配置されるガス拡散層14と、両面のガス拡散層14を介して膜電極接合体11を挟み込む一対のセパレータ17と、セパレータ17のガス拡散層14との接触面に形成される複数の条溝18と、各条溝18の間に条溝18に沿って形成される凸条部19と、セパレータ17に配置されて触媒層12及びガス拡散層14を囲むガスケット21と、ガス拡散層14の両長手辺に形成されてセパレータ17側に突出する一対のガイド部22と、両最外部に配置された凸条部19の端部の角縁部24に嵌合されるとともに先端が各条溝18を塞がない範囲までガイド部22を延長するガイド屈曲部22aと、を備える。【選択図】 図2
Description
本発明の実施形態は、膜電極接合体にガス拡散層が積層されるセル、燃料電池装置及びその製造方法に関する。
燃料電池装置は、燃料電池セル又は単セルと呼ばれる積層体が多数枚積層されて構成される。
燃料電池セルは、アノード側のセパレータ、アノード側のガス拡散層(GDL:Gas Diffusion Layer)、膜電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)、カソード側のGDL、カソード側のセパレータが順に積層されて構成される。
燃料電池セルは、アノード側のセパレータ、アノード側のガス拡散層(GDL:Gas Diffusion Layer)、膜電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)、カソード側のGDL、カソード側のセパレータが順に積層されて構成される。
GDLは、MEAの電極面部分の大きさに合わせて成形されるため、他のプレートとは異なり外周部に設けられた位置決めピンでは留められず、位置ずれが発生しやすい。そこで、従来では、組み付け性を向上させるため、MEAとGDLとを一体化し、積層時はMEAの外周部を位置決めピンで留めて位置決めしている。
MEAとGDLとの一体化には、例えばMEAとGDLとを熱圧着することでMEAの触媒層に含まれる高分子電解質(ionomer)の粘着性を高めて接合する方法が用いられている。
MEAとGDLとの一体化には、例えばMEAとGDLとを熱圧着することでMEAの触媒層に含まれる高分子電解質(ionomer)の粘着性を高めて接合する方法が用いられている。
しかしながら、上述した従来の技術では、熱圧着によりMEAの熱変形又は物性変性が発生して期待した発電性能が得られない恐れがあるという課題があった。また、位置決めのためにガスケットを用いる場合、熱圧着しても必要箇所に十分な接合がなされていないこともあった。
本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、膜電極接合体とガス拡散層とが熱圧着されずにガス拡散層の位置ずれが防止された燃料電池セル、燃料電池装置及び燃料電池装置の製造方法を提供することを目的とする。
本実施形態に係る燃料電池セルは、電解質膜の両面に触媒層が形成されてできる膜電極接合体と、前記膜電極接合体の両面に配置されるガス拡散層と、前記両面の前記ガス拡散層を介して前記膜電極接合体を挟み込む一対のセパレータと、前記セパレータの前記ガス拡散層との接触面に形成される複数の条溝と、各前記条溝の間に前記条溝に沿って形成される凸条部と、前記セパレータに配置されて前記触媒層及び前記ガス拡散層を囲むガスケットと、前記ガス拡散層の両長手辺に形成されて前記セパレータ側に突出する一対のガイド部と、両最外部に配置された前記凸条部の端部の角縁部に嵌合されるとともに先端が前記各条溝を塞がない範囲まで前記ガイド部を延長するガイド屈曲部と、を備えるものである。
また、本実施形態に係る燃料電池装置の製造方法は、複数の凸条部が面上に形成されたセパレータの位置合わせ孔を位置決めピンに挿入して前記セパレータを配置する工程と、前記凸条部が設けられた前記面上にガス拡散層を積層する工程と、前記ガス拡散層の両長手辺に形成されて前記セパレータ側に突出する一対のガイド部を両最外部に配置された前記凸条部の長手辺外側に嵌合する工程と、前記両最外部の前記凸条部の端部の角縁部に、先端が前記各条溝を塞がない範囲まで前記ガイド部を延長するガイド屈曲部を嵌合する工程と、電解質膜の両面に触媒層が形成されてできる膜電極接合体の前記位置合わせ孔を前記位置決めピンに挿入して前記膜電極接合体を配置する工程と、を含むものである。
本発明により、膜電極接合体とガス拡散層とが熱圧着されずにガス拡散層の位置ずれが防止された燃料電池セル、燃料電池装置及び燃料電池装置の製造方法が提供される。
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
まず、図1を用いて、実施形態に係る燃料電池装置(以下、単に「燃料電池」という)50及びこの燃料電池50を構成する燃料電池セル10について概説する。
図1は、本発明の実施形態に係る燃料電池50の斜視図である。図1では、燃料電池50から1つの燃料電池セル10、いわゆる単セル10を取り出した分解斜視図も図示している。
図1は、本発明の実施形態に係る燃料電池50の斜視図である。図1では、燃料電池50から1つの燃料電池セル10、いわゆる単セル10を取り出した分解斜視図も図示している。
燃料電池50は、図1に示されるように、積層された複数の単セル10を有する。
この単セル10の積層体は、エンドプレート51に積層方向両端部から挟まれ、このエンドプレート51が図示しない連結バーで互いにボルト留めされることで一体的に固定される。また、同様に図示を省略するがこれにさらに供給連通孔及び燃料ガス排出連通孔が設けられて燃料電池50が構成される。電気自動車等で求められる大容量の燃料電池50では、単セル10が数十以上積層される。
なお、実施形態に係る単セル10は、燃料電池50が水冷式であっても、空冷式であっても適用可能である。
この単セル10の積層体は、エンドプレート51に積層方向両端部から挟まれ、このエンドプレート51が図示しない連結バーで互いにボルト留めされることで一体的に固定される。また、同様に図示を省略するがこれにさらに供給連通孔及び燃料ガス排出連通孔が設けられて燃料電池50が構成される。電気自動車等で求められる大容量の燃料電池50では、単セル10が数十以上積層される。
なお、実施形態に係る単セル10は、燃料電池50が水冷式であっても、空冷式であっても適用可能である。
実施形態に係る単セル10は、膜電極接合体(MEA;Membrane Electrode Assembly)11がガス拡散層(GDL:Gas Diffusion Layer)14を介在させてセパレータ17に挟まれる配置構造を有する。
MEA11は、触媒を担持する燃料極で構成される燃料極触媒層及び触媒を担持する空気極で構成される空気極触媒層が電解質膜16に片面ずつ配置されて構成される。
MEA11及びセパレータ17には、位置合わせ孔13,23が設けられる。この位置合わせ孔13,23に位置決めピン15が挿入されて、MEA11とセパレータ17との位置決めがなされる。
MEA11は、触媒を担持する燃料極で構成される燃料極触媒層及び触媒を担持する空気極で構成される空気極触媒層が電解質膜16に片面ずつ配置されて構成される。
MEA11及びセパレータ17には、位置合わせ孔13,23が設けられる。この位置合わせ孔13,23に位置決めピン15が挿入されて、MEA11とセパレータ17との位置決めがなされる。
なお、実施形態でいう「MEA」にはGDL14は含まれないものとする。
また、GDL14及びセパレータ17は、それぞれ燃料極触媒層側に配置されるものを燃料GDL及びアノードセパレータ、空気極触媒層側に配置されるものを空気GDL及びカソードセパレータとよぶが、本実施形態では特には区別しない。つまり、以下で説明するGDL14及びセパレータ17の構造的特徴は、燃料極側でも空気極側でも適宜備えられる。また、ここでいうセパレータ17には、エンドプレート51も含まれうる。
また、GDL14及びセパレータ17は、それぞれ燃料極触媒層側に配置されるものを燃料GDL及びアノードセパレータ、空気極触媒層側に配置されるものを空気GDL及びカソードセパレータとよぶが、本実施形態では特には区別しない。つまり、以下で説明するGDL14及びセパレータ17の構造的特徴は、燃料極側でも空気極側でも適宜備えられる。また、ここでいうセパレータ17には、エンドプレート51も含まれうる。
また、図2は、図1で示した単セル10のうち、GDL14のセパレータ17への嵌合箇所を拡大して示す図である。
また、図3は、GDL14との接触面側からみたセパレータ17を示す図である。
セパレータ17は、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、チタン鋼板等の金属板又はカーボンで構成される。
また、図3は、GDL14との接触面側からみたセパレータ17を示す図である。
セパレータ17は、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、チタン鋼板等の金属板又はカーボンで構成される。
セパレータ17のGDL14との接触面には、図2及び図3に示されるように、複数の条溝18と、これら条溝18に沿って各条溝18の間に凸条部19と、がいずれも例えばプレス加工などによって形成される。この条溝18には酸化剤ガスや水素ガス、水蒸気などの気体が流れる。
GDL14は、カーボンペーパ、カーボンクロス等からなる多孔性の柔軟性のあるシート状部材である。GDL14はセパレータ17に条状に供給される水素ガス及び酸化剤ガスを拡散させてMEA11に均一に供給する。
GDL14は、カーボンペーパ、カーボンクロス等からなる多孔性の柔軟性のあるシート状部材である。GDL14はセパレータ17に条状に供給される水素ガス及び酸化剤ガスを拡散させてMEA11に均一に供給する。
また、セパレータ17とMEA11との間には、ガスケット21が触媒層12及びGDL14を囲むように配置され反応空間28の気密性を確保する。
実施形態に係る単セル10では、特に、条溝18及び凸条部19で構成された気体流路範囲20とガスケット21との隙間を利用してGDL14の位置決めをする。
具体的には、GDL14は、気体流路範囲20と同程度の大きさに成形される。また、図2に示されるように、GDL14の両長手辺には、一対のガイド部22がセパレータ17側に突出するように形成される。
実施形態に係る単セル10では、特に、条溝18及び凸条部19で構成された気体流路範囲20とガスケット21との隙間を利用してGDL14の位置決めをする。
具体的には、GDL14は、気体流路範囲20と同程度の大きさに成形される。また、図2に示されるように、GDL14の両長手辺には、一対のガイド部22がセパレータ17側に突出するように形成される。
このガイド部22は、GDL14がセパレータ17に配置されたときに、気体流路範囲20の両最外部に配置された凸条部(以下、「最外凸条部」という)19aに外側から接触してGDL14のセパレータ17における短手方向の位置を決めるガイドになる。
なお、このガイド部22は必ずしも、一対両者のガイド部22で同時に凸条部19に接触していなくてもよい。すなわち、ガイド部22どうしの間隔は、気体流路範囲20よりも短手方向に僅かに広く、GDL14が短手方向に僅かにずれることを許容するものであってもよい。また、ガイド部22の形成には、掘削形成が容易であるが、端縁の折り曲げや、別部材の接着であってもよい。また、ガイド部22は必ずしも最外凸条部19aの長手方向全域に設けなくてもよい。
また、図2及び図3に示されるように、ガスケット21の内周側には、最外凸条部19aに向けて突出する突起21aが設けられていることが多い。GDL14は剛性の低いシートであるため、凸条部19の角縁部24を利用した位置決めに加えて、このガスケット21の突起21aも利用することが好ましい。そこで、ガイド部22には、この突起21aに嵌合するように、凹部26が設けられていることが望ましい。GDL14の嵌合箇所を増やすことで、一方から他方へ順次位置決めすることができるため、作業が容易になるとともにより正確になる。
また、ガイド部22は、ガイド部22と一体的に形成されたガイド屈曲部22aにより延長される。
ここで、図4は、セパレータ17上にGDL14のガイド部22を表示させた図である。
ガイド屈曲部22aは、図4に示されるように、最外凸条部19aの端部の角縁部24に嵌合されるとともに先端が各条溝18を塞がない範囲までガイド部22を延長する。
ここで、図4は、セパレータ17上にGDL14のガイド部22を表示させた図である。
ガイド屈曲部22aは、図4に示されるように、最外凸条部19aの端部の角縁部24に嵌合されるとともに先端が各条溝18を塞がない範囲までガイド部22を延長する。
具体的には、例えば、最外凸条部19aの端部は円弧部19a1と直線部19a2とで構成されていた場合、ガイド屈曲部22aは、円弧部19a1の外側側面を覆い、その先端は、直線部19a2の途中に配置される。このガイド屈曲部22aにより、GDL14はセパレータ17においける長手方向の位置決めが可能になるとともに最外凸条部19aの角縁部24も汚損から保護される。
また、ガイド屈曲部22aの先端を直線部19a2の途中で止めておくことで、セパレータ17によるガイド屈曲部22aへの圧力などでガイド屈曲部22aが変形しても、供給されて流入してくる気体の流通を阻害しない構造になる。
なお、ガイド屈曲部22aは、気体流路範囲20の4角に合わせて4か所設けられてもよく、気体流路範囲20の対角線の角部のみに設けられるなどしてもよい。
なお、ガイド屈曲部22aは、気体流路範囲20の4角に合わせて4か所設けられてもよく、気体流路範囲20の対角線の角部のみに設けられるなどしてもよい。
また、図5は実施形態に係る単セル10の中央部を短手方向に沿って切断した断面図である。ただし、図5では、触媒層12の図示は省略している。
GDL14のガイド部22の幅は、図5に示されるように、ガスケット21とセパレータ17の凸条部19との間隙厚以下に設計されることが望ましい。このガスケット21と凸条部19との隙間にガイド部22を嵌め込むことで、この間隙の圧力損失が大きくなる。よって、MEA11の触媒層以外の部分へのガスの流出による発電性能の低下を抑制することができる。
GDL14のガイド部22の幅は、図5に示されるように、ガスケット21とセパレータ17の凸条部19との間隙厚以下に設計されることが望ましい。このガスケット21と凸条部19との隙間にガイド部22を嵌め込むことで、この間隙の圧力損失が大きくなる。よって、MEA11の触媒層以外の部分へのガスの流出による発電性能の低下を抑制することができる。
ガイド部22の天面22bは、図5に示されるように、セパレータ17の平坦面に当接していることが望ましい。ガイド部22の天面22bを当接させることで、反応空間28内の気密性が高められ、気体の流出を抑制することができるからである。
また、さらに気体の流出の低減効果を期待する場合、ガイド部22高さを凸条部19高さよりも高くして密着性を高めることもできる。
ただし、GDL14の位置決めとしての機能のみを期待する場合、ガイド部22の高さに制約はない。
また、さらに気体の流出の低減効果を期待する場合、ガイド部22高さを凸条部19高さよりも高くして密着性を高めることもできる。
ただし、GDL14の位置決めとしての機能のみを期待する場合、ガイド部22の高さに制約はない。
次に、図6のフローチャートを用いて、燃料電池50の製造方法について説明する。
以下、各ステップは「S」と略記する。図面についても同様に略記する。
燃料電池50の製造においては、図6に示されるように、まず、位置決めピン15を例えば2本離隔して設置する(S11)。
以下、各ステップは「S」と略記する。図面についても同様に略記する。
燃料電池50の製造においては、図6に示されるように、まず、位置決めピン15を例えば2本離隔して設置する(S11)。
次に、複数の凸条部19が形成された面をセパレータ17の位置合わせ孔23を位置決めピン15に挿入してセパレータ17を配置する(S12)。
そして、凸条部19が設けられた面上にGDL17を積層する(S13)。
そして、凸条部19が設けられた面上にGDL17を積層する(S13)。
次に、一対のガイド部22を両最外凸条部19aの長手辺外側に嵌合してGDL14の位置決めをする(S14)。
このとき、ガイド屈曲部22aを両方の最外凸条部19aの端部の角縁部24に嵌合して、長手方向の位置決めもする。
次に、MEA11の位置合わせ孔13を位置決めピン15に挿入してMEA11を配置する(S15)。
そして、GDL14のガイド部22がない面をMEA11に接触させるようにGLD14を積層させる(S16)。
このとき、ガイド屈曲部22aを両方の最外凸条部19aの端部の角縁部24に嵌合して、長手方向の位置決めもする。
次に、MEA11の位置合わせ孔13を位置決めピン15に挿入してMEA11を配置する(S15)。
そして、GDL14のガイド部22がない面をMEA11に接触させるようにGLD14を積層させる(S16)。
次に、セパレータ17の位置合わせ孔23を位置決めピン15に挿入してGDL14に積層させる(S17)。
そして、ステップS14と同様に、ガイド屈曲部22aを含むガイド部22でGDL14の位置決めをして(S18)、単セル10の製造を終了する(END)。
そして、ステップS14と同様に、ガイド屈曲部22aを含むガイド部22でGDL14の位置決めをして(S18)、単セル10の製造を終了する(END)。
以上のように、実施形態に係る燃料電池50又は単セル10によれば、MEA11とGDL17とを熱圧着させずにGDL17の位置ずれを防止することができる。
熱圧着が不要になることで、直接的な工数及びコストが削減されることに加えて、部組にあたりジグの準備、熱圧着のためのホットプレス機等も不要になる。
また、熱圧着によるMEA11の触媒層12の物性変化を抑えることができるため、高分子電解質の熱分解等の物性変化を防止することができる。
さらに、MEA11の熱変形も防止できるため、MEA11を構成している電解質膜16及びPEN等の補強材の熱変形を防止することができる。
熱圧着が不要になることで、直接的な工数及びコストが削減されることに加えて、部組にあたりジグの準備、熱圧着のためのホットプレス機等も不要になる。
また、熱圧着によるMEA11の触媒層12の物性変化を抑えることができるため、高分子電解質の熱分解等の物性変化を防止することができる。
さらに、MEA11の熱変形も防止できるため、MEA11を構成している電解質膜16及びPEN等の補強材の熱変形を防止することができる。
本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。
実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
例えば、セパレータにおいて、気体の流方向が長手になる形状の単セルで説明したが、流方向が短手であってもよい。
10…燃料電池セル(単セル)、11…膜電極接合体(MEA)、12…触媒層、13…MEAの位置合わせ孔、14…ガス拡散層(GDL)、15…位置決めピン、17…セパレータ、18…条溝、19(19a)…凸条部、19a(19a1,19a2)…最外凸条部(円弧部,直線部)、20…気体流路範囲、21(21a)…ガスケット(突起)、22(22a,22b)…ガイド部(ガイド屈曲部,ガイド部の天面)、23…GDLの位置合わせ孔、24…角縁部、26…凹部、28…反応空間、50…燃料電池、51…エンドプレート。
Claims (6)
- 電解質膜の両面に触媒層が形成されてできる膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の両面に配置されるガス拡散層と、
前記両面の前記ガス拡散層を介して前記膜電極接合体を挟み込む一対のセパレータと、
前記セパレータの前記ガス拡散層との接触面に形成される複数の条溝と、
各前記条溝の間に前記条溝に沿って形成される凸条部と、
前記セパレータに配置されて前記触媒層及び前記ガス拡散層を囲むガスケットと、
前記ガス拡散層の両長手辺に形成されて前記セパレータ側に突出する一対のガイド部と、
両最外部に配置された前記凸条部の端部の角縁部に嵌合されるとともに先端が前記各条溝を塞がない範囲まで前記ガイド部を延長するガイド屈曲部と、を備えることを特徴とする燃料電池セル。 - 前記両最外部に配置された前記凸条部の前記端部は円弧部と直線部とで構成され、
前記ガイド屈曲部の前記先端は、前記直線部の途中に配置される請求項1に記載の燃料電池セル。 - 前記ガスケットに設けられて前記両最外部の前記凸条部に向けて突出する突起と、
前記ガイド部に設けられて前記突起に嵌合する凹部と、を備える請求項1又は2に記載の燃料電池セル。 - 前記ガイド部の天面と前記セパレータの平坦面とが当接している請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の燃料電池セル。
- 請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の燃料電池セルを備える燃料電池装置。
- 複数の凸条部が面上に形成されたセパレータの位置合わせ孔を位置決めピンに挿入して前記セパレータを配置する工程と、
前記凸条部が設けられた前記面上にガス拡散層を積層する工程と、
前記ガス拡散層の両長手辺に形成されて前記セパレータ側に突出する一対のガイド部を両最外部に配置された前記凸条部の長手辺外側に嵌合する工程と、
前記両最外部の前記凸条部の端部の角縁部に、先端が前記各条溝を塞がない範囲まで前記ガイド部を延長するガイド屈曲部を嵌合する工程と、
電解質膜の両面に触媒層が形成されてできる膜電極接合体の前記位置合わせ孔を前記位置決めピンに挿入して前記膜電極接合体を配置する工程と、を含む燃料電池装置の製造方法。
Priority Applications (1)
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JP2021018153A JP2022121027A (ja) | 2021-02-08 | 2021-02-08 | 燃料電池セル、燃料電池装置及び燃料電池装置の製造方法 |
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- 2021-02-08 JP JP2021018153A patent/JP2022121027A/ja active Pending
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