JP2022180898A

JP2022180898A - 枠体

Info

Publication number: JP2022180898A
Application number: JP2021087657A
Authority: JP
Inventors: 健介土井; Kensuke Doi; 洋志堀内; Hiroshi Horiuchi; 豪人森下; Takehito Morishita
Original assignee: Toyota Boshoku Corp
Current assignee: Toyota Boshoku Corp
Priority date: 2021-05-25
Filing date: 2021-05-25
Publication date: 2022-12-07

Abstract

【課題】接着部に対して接着剤をスクリーン印刷によって精度よく塗布することができる枠体を提供する。【解決手段】枠体１９は、燃料電池１１の四角板状をなす膜電極接合体２０の周縁を支持するとともに合成樹脂によって構成されている。枠体１９は、中央部に形成された四角形状の開口部２２と、開口部２２の周縁部を構成し且つ膜電極接合体２０の周縁を接着可能な四角環状の接着部２３と、接着部２３よりも外周側に配置されて一対のセパレータ１４によって挟まれ且つ接着部２３よりも厚肉に形成された四角環状の外周部２１と、を備えている。接着部２３を構成する四つの辺部のうちの少なくとも一つには、外周部２１側に向かうに連れて厚肉に形成された傾斜部４１が設けられている。【選択図】図４

Description

本発明は、燃料電池の膜電極接合体を支持する枠体に関する。

従来、燃料電池として、例えば、特許文献１に示すものが知られている。こうした燃料電池は、複数積層されて例えば車載用燃料電池スタックを構成する。燃料電池は、段差電解質膜・電極構造体を支持した樹脂製枠部材と、これらを挟持する第１セパレータ及び第２セパレータと、を備えている。段差電解質膜・電極構造体は、固体高分子電解質膜と、固体高分子電解質膜を挟持するアノード電極及びカソード電極と、を備えている。

樹脂製枠部材は、段部を介して最外周部よりも薄肉に形成されて内側に突出する内周突部を有している。段差電解質膜・電極構造体は、外周縁部に段差部を有している。そして、樹脂製枠部材の内周突部の内側平面に接着剤を塗布した後、樹脂製枠部材の段部に段差電解質膜・電極構造体の段差部を重ね合わせることにより、樹脂製枠部材に段差電解質膜・電極構造体が接着される。

特開２０１４－１３７９３６号公報

ところで、上述のような樹脂製枠部材では、接着剤を塗布する内周突部の内側平面と、段部とのなす角度が直角になっている。このため、内周突部の内側平面にスクリーン印刷によって接着剤を塗布する場合には、印刷版を樹脂製枠部材に対して沿わせることが困難になる。したがって、樹脂製枠部材の内周突部の内側平面にスクリーン印刷によって接着剤を塗布することが困難になる。すなわち、樹脂製枠部材の内周突部の内側平面に対して接着剤をスクリーン印刷によって精度よく塗布することができないという問題がある。

以下、上記課題を解決するための手段及びその作用効果について記載する。
上記課題を解決する枠体は、燃料電池の四角板状をなす膜電極接合体の周縁を支持する合成樹脂製の枠体であって、中央部に形成された四角形状の開口部と、前記開口部の周縁部を構成し、且つ前記膜電極接合体の周縁を接着可能な四角環状の接着部と、前記接着部よりも外周側に配置されて一対のセパレータによって挟まれ、且つ前記接着部よりも厚肉に形成された四角環状の外周部と、を備え、前記接着部を構成する四つの辺部のうちの少なくとも一つには、前記外周部側に向かうに連れて厚肉に形成された傾斜部が設けられていることを要旨とする。

この構成によれば、スクリーン印刷によって接着剤を接着部に塗布する場合に、スクリーン版を枠体に対して容易に沿わせることができる。このため、接着部に対して接着剤をスクリーン印刷によって精度よく塗布することができる。

一実施形態の燃料電池の分解斜視図。図１の燃料電池の発電ユニットを示す分解斜視図。図１の燃料電池の平面模式図。図３の４－４線矢視断面図。（ａ）は実施例の枠体の接着部にスクリーン印刷によって接着剤を塗布する際のスクリーン版の枠体に対する接触状態を示す断面模式図、（ｂ）は比較例の枠体の接着部にスクリーン印刷によって接着剤を塗布する際のスクリーン版の枠体に対する接触状態を示す断面模式図。

以下、枠体の一実施形態を図面に従って説明する。
図１に示すように、燃料電池１１は、矩形板状をなし、複数積層されて燃料電池スタックを構成するものである。なお、以下の説明においては、燃料電池１１の長辺方向をＸ方向、燃料電池１１の短辺方向をＹ方向、燃料電池１１の厚さ方向をＺ方向とする。Ｘ方向、Ｙ方向、及びＺ方向は、互いに直交する方向である。

燃料電池１１は、矩形板状の発電ユニット１２と、発電ユニット１２を挟む矩形板状をなす一対のガス拡散層１３と、発電ユニット１２及び一対のガス拡散層１３を挟む矩形板状をなす一対の金属製のセパレータ１４と、を備えている。すなわち、燃料電池１１は、一対のガス拡散層１３と、発電ユニット１２と、一対のセパレータ１４とを積層した構造になっている。

一対のガス拡散層１３のうち、一方（カソード側）は第１ガス拡散層１５とされ、他方（アノード側）は第２ガス拡散層１６とされている。一対のセパレータ１４のうち、一方（カソード側）は第１セパレータ１７とされ、他方（アノード側）は第２セパレータ１８とされている。

図１及び図２に示すように、発電ユニット１２は、矩形板状をなす合成樹脂製の枠体１９と、枠体１９に支持される矩形板状（四角板状）をなす膜電極接合体２０（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）とを備えている。枠体１９の中央部には、矩形状（四角形状）の開口部２２が形成されている。

枠体１９の第１ガス拡散層１５側の面における開口部２２の周縁部には、他の部位よりも薄肉に形成されて膜電極接合体２０の周縁を支持した状態で接着可能な矩形環状（四角環状）の接着部２３が形成されている。すなわち、接着部２３は、開口部２２の周縁部を構成して膜電極接合体２０の周縁を支持している。

枠体１９は、接着部２３よりも外周側に、接着部２３よりも厚肉に形成された矩形環状の外周部２１を備えている。すなわち、外周部２１は、枠体１９における接着部２３よりも外周側に配置されて一対のセパレータ１４によって挟まれている。

図１～図４に示すように、第１ガス拡散層１５は、Ｘ方向及びＹ方向の長さが開口部２２よりも若干長くなっている。第２ガス拡散層１６は、Ｘ方向及びＹ方向の長さが開口部２２と同じになっている。一対のセパレータ１４は、一対のガス拡散層１３の外側から発電ユニット１２をＺ方向に挟んでいる。

燃料電池１１は、膜電極接合体２０のＺ方向の一方側（カソード側）の部分に酸素を含む発電用のガスの一例としての酸化剤ガスが供給され且つ膜電極接合体２０のＺ方向の他方側（アノード側）の部分に水素を含む燃料ガスが供給される。これにより、燃料電池１１は、酸化剤ガス及び燃料ガスの膜電極接合体２０での電気化学反応に基づき発電を行う。

燃料電池１１におけるＹ方向の両端部、すなわち枠体１９及び一対のセパレータ１４における開口部２２をＹ方向に挟んだ両端部には、酸化剤ガス孔２６がＸ方向に並んで２つずつ貫通して形成されている。燃料電池１１におけるＹ方向の両端部のうち、一方の端部に形成された酸化剤ガス孔２６は酸化剤ガス供給孔２７とされ、他方の端部に形成された酸化剤ガス孔２６は酸化剤ガス排出孔２８とされている。

発電ユニット１２と第１セパレータ１７との間には、酸化剤ガス供給孔２７から供給された酸化剤ガスを、開口部２２を通過させて酸化剤ガス排出孔２８へ流す酸化剤ガス流路２９が形成されている。酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス流路２９は、Ｙ方向に延びている。すなわち、酸化剤ガス流路２９における酸化剤ガスの流れ方向は、Ｙ方向における酸化剤ガス供給孔２７から酸化剤ガス排出孔２８へ向かう方向となる。

燃料電池１１におけるＸ方向の両端部、すなわち枠体１９及び一対のセパレータ１４における開口部２２をＸ方向に挟んだ両端部には、燃料ガス孔３０及び冷却媒体孔３１がＹ方向に並んで貫通して形成されている。つまり、燃料電池１１における開口部２２をＸ方向に挟んだ両端部のうち、一方の端部には１つの燃料ガス孔３０及び１つの冷却媒体孔３１がＹ方向に並んで形成され、他方の端部には１つの燃料ガス孔３０及び１つの冷却媒体孔３１がＹ方向に並んで形成されている。

燃料電池１１における開口部２２をＸ方向に挟んだ両端部において、燃料ガス孔３０と冷却媒体孔３１とのＹ方向における並び順は互いに逆になっている。燃料電池１１におけるＸ方向の両端部のうち、一方の端部に形成された燃料ガス孔３０及び冷却媒体孔３１はそれぞれ燃料ガス供給孔３２及び冷却媒体供給孔３３とされ、他方の端部に形成された燃料ガス孔３０及び冷却媒体孔３１はそれぞれ燃料ガス排出孔３４及び冷却媒体排出孔３５とされている。

発電ユニット１２と第２セパレータ１８との間には、燃料ガス供給孔３２から供給された燃料ガスを、開口部２２を通過させて燃料ガス排出孔３４へ流す燃料ガス流路３６が形成されている。燃料電池１１を複数積層した場合における第１セパレータ１７と第２セパレータ１８との間には、冷却媒体供給孔３３から供給された冷却媒体を冷却媒体排出孔３５へ流す冷却媒体流路（図示略）が形成される。なお、枠体１９における酸化剤ガス孔２６、燃料ガス孔３０、及び冷却媒体孔３１は、全て外周部２１に形成されている。

図２～図４に示すように、枠体１９における接着部２３は、矩形環状をなしているため、四つの辺部によって構成されている。これら四つの辺部は、第１辺部３７、第２辺部３８、第３辺部３９、及び第４辺部４０とされている。第１辺部３７は、酸化剤ガス供給孔２７側に位置してＸ方向に延びている。第２辺部３８は、酸化剤ガス排出孔２８側に位置してＸ方向に延びている。

第３辺部３９は、燃料ガス供給孔３２及び冷却媒体供給孔３３側に位置してＹ方向に延びている。第４辺部４０は、燃料ガス排出孔３４及び冷却媒体排出孔３５側に位置してＹ方向に延びている。第１辺部３７と第２辺部３８とは、対をなしており、開口部２２を挟んでＹ方向で互いに対向している。第３辺部３９と第４辺部４０とは、対をなしており、開口部２２を挟んでＸ方向で互いに対向している。

したがって、接着部２３は、互いに異なる方向で対向する二対の辺部によって構成されている。そして、本実施形態では、第１辺部３７と第２辺部３８とが対向する方向であるＹ方向が酸化剤ガスの流れ方向となっている。第１辺部３７及び第２辺部３８には、外周部２１側に向かうに連れて厚肉に形成された傾斜部４１がそれぞれ設けられている。

すなわち、傾斜部４１は、第１辺部３７及び第２辺部３８のそれぞれにおける外周部２１側の端部に設けられている。つまり、傾斜部４１は、第１辺部３７と外周部２１との間と、第２辺部３８と外周部２１との間と、にそれぞれ配置されている。傾斜部４１は、接着部２３からの高さが外周部２１側に向かうに連れて高くなる傾斜面４２を有している。

第１辺部３７と傾斜面４２とのなす角度Ａは、鈍角になっている。第２辺部３８と傾斜面４２とのなす角度も角度Ａと同じになっている。本実施形態における角度Ａは、一例として、１３５°程度に設定されている。第３辺部３９及び第４辺部４０には、傾斜部４１が設けられていない。

膜電極接合体２０の周縁は、第１辺部３７、第２辺部３８、第３辺部３９、及び第４辺部４０によって支持された状態で、第１辺部３７及び第２辺部３８に対して接着剤Ｓによって接合されている。この場合、接着剤Ｓは、第１辺部３７及び第２辺部３８に対してスクリーン印刷によって塗布される。

次に、第１辺部３７及び第２辺部３８に対して接着剤Ｓをスクリーン印刷によって塗布する際の作用について説明する。
図５（ａ）に示すように、第１辺部３７及び第２辺部３８に対して接着剤Ｓをスクリーン印刷によって塗布する場合には、枠体１９の真上にスクリーン版４３を張った状態で枠体１９に対向して配置する。スクリーン版４３は、例えば合成樹脂製の糸をメッシュ状に編んだものによって構成される。スクリーン版４３は、第１辺部３７及び第２辺部３８と対応する領域以外の網目が塞がれている。

そして、スクリーン版４３の上面に接着剤Ｓを供給した後、スキージ（へら）をスクリーン版４３の上面に押し付けながら移動させる。すると、スクリーン版４３における第１辺部３７及び第２辺部３８と対応する領域の網目のみを接着剤Ｓが通過するため、第１辺部３７及び第２辺部３８にのみ接着剤Ｓが塗布される。

このとき、図５（ａ）に示すように、上述した実施例（本実施形態）の枠体１９の第１辺部３７及び第２辺部３８のそれぞれには、傾斜部４１が設けられている。このため、スキージ（へら）をスクリーン版４３の上面に押し付けながら移動させる際には、スクリーン版４３が第１辺部３７、第２辺部３８、傾斜部４１、及び外周部２１のそれぞれの形状に対して追従する。

したがって、枠体１９の第１辺部３７及び第２辺部３８に対して接着剤Ｓが確実且つ精度よく塗布される。この結果、実施例の枠体１９では、第１辺部３７及び第２辺部３８に対して膜電極接合体２０の周縁を接着剤Ｓによって接合した際における第１辺部３７及び第２辺部３８のそれぞれと膜電極接合体２０の周縁との間のシール性が十分に確保される。

因みに、実施例（本実施形態）の枠体１９から傾斜部４１を省略した構成である比較例の枠体では、図５（ｂ）に示すように、傾斜部４１が存在しないため、第１辺部３７及び第２辺部３８と、外周部２１と、のそれぞれの間に直角の段差４４が形成される。このため、上述した実施例の枠体１９と同様にして比較例の枠体の第１辺部３７及び第２辺部３８にスクリーン印刷によって接着剤Ｓを塗布しようとしても、直角の段差４４の存在によりスクリーン版４３が第１辺部３７及び第２辺部３８に対して追従できなくなる。

したがって、比較例の枠体では、スクリーン印刷によって第１辺部３７及び第２辺部３８に対して接着剤Ｓを塗布することが困難になる。この結果、比較例の枠体では、第１辺部３７及び第２辺部３８に対して膜電極接合体２０の周縁を接着剤Ｓによって接合した際における第１辺部３７及び第２辺部３８のそれぞれと膜電極接合体２０の周縁との間のシール性が十分に確保されなくなってしまう。

次に、燃料電池１１の作用について説明する。
図１～図４に示すように、燃料電池１１によって発電が行われる場合には、酸化剤ガス供給孔２７から酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス供給孔３２から燃料ガスが供給される。

燃料電池１１において酸化剤ガス供給孔２７から酸化剤ガスが供給されると、当該酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路２９を通って酸化剤ガス排出孔２８へ流れる過程で第１ガス拡散層１５によって拡散されながら膜電極接合体２０のカソード側の面に供給される。このとき、枠体１９における第３辺部３９及び第４辺部４０には、傾斜部４１が設けられていない。

このため、膜電極接合体２０における酸化剤ガスの流れ方向（図３における上から下に向かう方向）の両側部（図３における左右の両端部）と、外周部２１との間に隙間が形成されない。このため、酸化剤ガス流路２９を流れる酸化剤ガスが膜電極接合体２０の脇を流れることがなくなる。すなわち、酸化剤ガス流路２９を流れる酸化剤ガスは、膜電極接合体２０の存在しない領域を流れることなく酸化剤ガス排出孔２８へ向かって流れる。

一方、燃料電池１１において燃料ガス供給孔３２から燃料ガスが供給されると、当該燃料ガスは、燃料ガス流路３６を通って燃料ガス排出孔３４へ流れる過程で第２ガス拡散層１６によって拡散されながら膜電極接合体２０のアノード側の面に供給される。

そして、燃料電池１１では、膜電極接合体２０におけるカソード側の面に供給された酸化剤ガスと、膜電極接合体２０におけるアノード側の面に供給された燃料ガスとの膜電極接合体２０での電気化学反応に基づいて発電される。この場合、上述したように、酸化剤ガス流路２９を流れる酸化剤ガスが膜電極接合体２０から外れて流れることがないので、燃料電池１１によって効率よく発電がなされる。

因みに、枠体１９における第３辺部３９及び第４辺部４０に傾斜部４１を設けると、次のようになる。すなわち、膜電極接合体２０における酸化剤ガスの流れ方向（図３における上から下に向かう方向）の両側部（図３における左右の両端部）と、第３辺部３９及び第４辺部４０に設けたそれぞれの傾斜部４１（傾斜面４２）との間に隙間ができてしまう。

このため、酸化剤ガス流路２９を流れる酸化剤ガスの一部は、膜電極接合体２０の存在しない上記隙間を流れる。上記隙間を流れる酸化剤ガスは燃料電池１１の発電に寄与しないので、燃料電池１１の発電効率が低下してしまう。

以上詳述した実施形態によれば、次のような効果が発揮される。
（１）枠体１９は、燃料電池１１の矩形板状をなす膜電極接合体２０の周縁を支持するとともに合成樹脂によって構成されている。枠体１９は、中央部に形成された矩形状の開口部２２と、開口部２２の周縁部を構成し且つ膜電極接合体２０の周縁を接着可能な矩形環状の接着部２３と、矩形環状の外周部２１と、を備えている。外周部２１は、接着部２３よりも外周側に配置されて一対のセパレータ１４によって挟まれ且つ接着部２３よりも厚肉に形成されている。接着部２３を構成する第１辺部３７、第２辺部３８、第３辺部３９、及び第４辺部４０のうちの少なくとも一つには、外周部２１側に向かうに連れて厚肉に形成された傾斜部４１が設けられている。

この構成によれば、スクリーン印刷によって接着剤Ｓを接着部２３に塗布する場合に、スクリーン版４３を枠体１９に対して容易に沿わせることができる。このため、接着部２３に対して接着剤Ｓをスクリーン印刷によって精度よく塗布することができる。

（２）枠体１９は、第１辺部３７及び第２辺部３８が互いに対向するＹ方向が燃料電池１１の酸化剤ガスの流れ方向である場合、互いにＸ方向で対向する第３辺部３９及び第４辺部４０に傾斜部４１を設けない。

この構成によれば、膜電極接合体２０における酸化剤ガスの流れ方向の両側部（Ｘ方向の両端部）と傾斜部４１との間に隙間が形成されないので、酸化剤ガスが膜電極接合体２０の脇を流れることを抑制できる。このため、酸化剤ガスが膜電極接合体２０の脇を流れることに起因する燃料電池１１の発電効率の低下を抑制できる。

（３）枠体１９において、傾斜部４１は、互いに対向する第１辺部３７及び第２辺部３８にそれぞれ設けられている。
この構成によれば、第１辺部３７及び第２辺部３８に対してスクリーン印刷によってそれぞれ接着剤Ｓを精度よく塗布できるので、接着部２３に対して膜電極接合体２０をバランスよく接合することができる。

（変更例）
上記実施形態は、以下のように変更して実施することができる。また、上記実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。

・傾斜部４１は、必ずしも接着部２３を構成する四つの辺部における互いに異なる方向で対向する二対の辺部のうちのいずれか一方の一対の辺部に設けられている必要はない。すなわち、傾斜部４１は、互いに対向せずに隣り合う二つの辺部に設けるようにしてもよい。例えば、傾斜部４１は、第１辺部３７及び第４辺部４０にそれぞれ設けるようにしてもよいし、第２辺部３８及び第３辺部３９にそれぞれ設けるようにしてもよい。

・第１辺部３７及び第２辺部３８が互いに対向するＹ方向が燃料電池１１の酸化剤ガスの流れ方向である場合に、互いにＸ方向で対向する第３辺部３９及び第４辺部４０に傾斜部４１を設けるようにしてもよい。あるいは、例えば、第３辺部３９及び第４辺部４０が互いに対向するＸ方向が燃料電池１１の酸化剤ガスの流れ方向である場合に、互いにＹ方向で対向する第１辺部３７及び第２辺部３８に傾斜部４１を設けるようにしてもよい。

・傾斜部４１は、第１辺部３７及び第２辺部３８に設けずに、第３辺部３９及び第４辺部４０に設けるようにしてもよい。
・傾斜部４１は、第１辺部３７、第２辺部３８、第３辺部３９、及び第４辺部４０のうち、全てに設けるようにしてもよいし、いずれか三つに設けるようにしてもよいし、いずれか二つに設けるようにしてもよいし、いずれか一つに設けるようにしてもよい。

１１…燃料電池
１２…発電ユニット
１３…ガス拡散層
１４…セパレータ
１５…第１ガス拡散層
１６…第２ガス拡散層
１７…第１セパレータ
１８…第２セパレータ
１９…枠体
２０…膜電極接合体
２１…外周部
２２…開口部
２３…接着部
２６…酸化剤ガス孔
２７…酸化剤ガス供給孔
２８…酸化剤ガス排出孔
２９…酸化剤ガス流路
３０…燃料ガス孔
３１…冷却媒体孔
３２…燃料ガス供給孔
３３…冷却媒体供給孔
３４…燃料ガス排出孔
３５…冷却媒体排出孔
３６…燃料ガス流路
３７…第１辺部
３８…第２辺部
３９…第３辺部
４０…第４辺部
４１…傾斜部
４２…傾斜面
４３…スクリーン版
４４…段差
Ａ…角度
Ｓ…接着剤

Claims

燃料電池の四角板状をなす膜電極接合体の周縁を支持する合成樹脂製の枠体であって、
中央部に形成された四角形状の開口部と、
前記開口部の周縁部を構成し、且つ前記膜電極接合体の周縁を接着可能な四角環状の接着部と、
前記接着部よりも外周側に配置されて一対のセパレータによって挟まれ、且つ前記接着部よりも厚肉に形成された四角環状の外周部と、
を備え、
前記接着部を構成する四つの辺部のうちの少なくとも一つには、前記外周部側に向かうに連れて厚肉に形成された傾斜部が設けられていることを特徴とする枠体。
四つの前記辺部における互いに異なる方向で対向する二対の前記辺部のうちの一方の一対の前記辺部同士が対向する方向が前記燃料電池の発電用のガスの流れ方向である場合には、他方の一対の前記辺部に前記傾斜部を設けないことを特徴とする請求項１に記載の枠体。
前記傾斜部は、四つの前記辺部における互いに異なる方向で対向する二対の前記辺部のうちのいずれか一方の一対の前記辺部に設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の枠体。