JP3115434U - Fuel cell - Google Patents
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Abstract
【課題】 第1金属板及び第2金属板により構成される燃料電池セルの周縁領域を封止するに際し、封止工程を簡素化できる燃料電池セルを提供する。
【解決手段】 板状の固体高分子電解質1と、この固体高分子電解質1の両側に配置された第1電極板及2び第2電極板3と、これら電極板2,3の更に外側に配置された第1金属板4及び第2金属板5とを備え、これら第1・第2金属板4,5の周縁領域4a,5aが絶縁層を間に介在させた状態で封止される燃料電池セルであって、周縁領域4a,5aをシール性及び絶縁性を有する封止材料11を用いて封止してある。封止材料は、エポキシ系樹脂であることが好ましい。
【選択図】 図2
PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell capable of simplifying a sealing process when sealing a peripheral region of a fuel cell constituted by a first metal plate and a second metal plate.
SOLUTION: A plate-shaped solid polymer electrolyte 1, a first electrode plate 2 and a second electrode plate 3 arranged on both sides of the solid polymer electrolyte 1, and further outside these electrode plates 2 and 3. The first metal plate 4 and the second metal plate 5 are disposed, and the peripheral regions 4a and 5a of the first and second metal plates 4 and 5 are sealed with an insulating layer interposed therebetween. In the fuel cell, the peripheral regions 4a and 5a are sealed with a sealing material 11 having sealing properties and insulating properties. The sealing material is preferably an epoxy resin.
[Selection] Figure 2
Description
本考案は、板状の固体高分子電解質と、この固体高分子電解質の両側に配置された第1電極板及び第2電極板と、これら電極板の更に外側に配置された第1金属板及び第2金属板とを備え、これら第1・第2金属板の周縁領域が絶縁層を間に介在させた状態で封止される燃料電池セルに関するものである。 The present invention provides a plate-shaped solid polymer electrolyte, a first electrode plate and a second electrode plate disposed on both sides of the solid polymer electrolyte, a first metal plate disposed further outside these electrode plates, and The present invention relates to a fuel cell that includes a second metal plate and is sealed with a peripheral region of the first and second metal plates interposing an insulating layer therebetween.
かかる燃料電池セルとして、特開2005−150008号公報に開示されるセル構造が公知である。この燃料電池セルは、板状の薄膜電極組成体と、この薄膜電極組成体の両側に配置された第1金属板及び第2金属板により構成され、全体的に薄型構造を実現している。また、第1・第2金属板の周縁領域は、電気的に絶縁された状態でカシメ加工により封止されている。カシメ加工により周縁領域を封止する場合には、第1・第2金属板のうち一方の金属板の周縁領域をほぼ180゜内側に折り曲げて、他方の金属板の周縁領域に密着させる加工を行なうことで封止するものである。 As such a fuel cell, a cell structure disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-150008 is known. This fuel cell is composed of a plate-shaped thin film electrode composition and a first metal plate and a second metal plate disposed on both sides of the thin film electrode composition, and realizes a thin structure as a whole. Moreover, the peripheral area | region of the 1st, 2nd metal plate is sealed by the crimping process in the state electrically insulated. When sealing the peripheral area by caulking, a process is performed in which the peripheral area of one of the first and second metal plates is bent inward by approximately 180 ° and closely adhered to the peripheral area of the other metal plate. It is sealed by performing.
しかしながら、かかるカシメ封止加工は、加工工程や金型構成が複雑になるという問題がある。そこで、本考案は上記実情に鑑みてなされたものであり、その課題は、第1・第2金属板の周縁領域が絶縁層を間に介在させた状態で封止される燃料電池セルの周縁領域を封止するに際し、封止工程を簡素化できる燃料電池セルを提供することである。 However, the caulking sealing process has a problem that the processing process and the mold configuration are complicated. Therefore, the present invention has been made in view of the above circumstances, and the problem is that the peripheral area of the fuel cell that is sealed with the peripheral area of the first and second metal plates interposing the insulating layer therebetween. In sealing a region, it is to provide a fuel cell that can simplify the sealing process.
上記課題を解決するため本考案に係る燃料電池セルは、
板状の固体高分子電解質と、この固体高分子電解質の両側に配置された第1電極板及び第2電極板と、これら電極板の更に外側に配置された第1金属板及び第2金属板とを備え、これら第1・第2金属板の周縁領域が絶縁層を間に介在させた状態で封止される燃料電池セルであって、
前記周縁領域をガス遮蔽性及び絶縁性を有する封止材料を用いて封止してあることを特徴とするものである。
In order to solve the above problems, the fuel cell according to the present invention is:
Plate-shaped solid polymer electrolyte, first electrode plate and second electrode plate disposed on both sides of the solid polymer electrolyte, and first metal plate and second metal plate disposed further outside these electrode plates And the peripheral region of these first and second metal plates is sealed with an insulating layer interposed therebetween,
The peripheral region is sealed with a sealing material having gas shielding properties and insulating properties.
この構成による燃料電池セルは、第1・第2金属板の周縁領域が絶縁層を間に介在させた状態で封止される。また、周縁領域を封止するに際して、ガス遮蔽性及び絶縁性を有する封止材料を用いて封止する。かかる封止材料を用いて封止するので、周縁領域をカシメ加工するための金型は不要となり、簡素な工程で周縁領域を封止することができる。封止材料は、ガス遮蔽性及び絶縁性を有していればよく、例えば、適宜の樹脂材料を用いることができる。その結果、燃料電池セルの周縁領域を封止するに際し、封止工程を簡素化できる燃料電池セルを提供することができる。
本考案において、前記ガス遮蔽性は、水素ガスに対する遮蔽性であることが好ましい。これにより、セル内部に注入された燃料ガスである水素ガスが封止部から漏洩することを防止することができる。
The fuel cell according to this configuration is sealed with the peripheral regions of the first and second metal plates interposing the insulating layer therebetween. Further, when sealing the peripheral region, sealing is performed using a sealing material having gas shielding properties and insulating properties. Since sealing is performed using such a sealing material, a mold for caulking the peripheral region is unnecessary, and the peripheral region can be sealed with a simple process. The sealing material should just have gas-shielding property and insulation, for example, an appropriate resin material can be used. As a result, it is possible to provide a fuel cell that can simplify the sealing process when sealing the peripheral region of the fuel cell.
In the present invention, the gas shielding property is preferably a shielding property against hydrogen gas. Thereby, it can prevent that hydrogen gas which is the fuel gas inject | poured inside the cell leaks from a sealing part.
本考案に係る前記封止材料は、エポキシ系樹脂であることが好ましい。エポキシ系樹脂を用いることで、所望の封止強度を確保することができる。 The sealing material according to the present invention is preferably an epoxy resin. By using an epoxy resin, a desired sealing strength can be ensured.
本考案において、前記封止材料を用いて、前記絶縁層を形成することが好ましい。絶縁層を封止材料で形成することで、絶縁層を構成するための専用の部材が不要になるので、コストダウンを図ることができる。 In the present invention, the insulating layer is preferably formed using the sealing material. By forming the insulating layer with a sealing material, a dedicated member for configuring the insulating layer is not necessary, and thus the cost can be reduced.
第1金属板と第2金属板のうち、一方の金属板の周縁領域が他方の周縁領域よりも突出した形状とし、一方の周縁領域と他方の周縁領域にまたがるように封止材料を塗布してあることが好ましい。 Of the first metal plate and the second metal plate, the peripheral region of one metal plate has a shape protruding from the other peripheral region, and a sealing material is applied so as to straddle one peripheral region and the other peripheral region. It is preferable.
第1・第2金属板の形状を上記のように構成すれば、封止材料を塗布するだけで周縁領域を封止することができる。これにより、封止工程を簡素化することができる。 If the shape of the first and second metal plates is configured as described above, the peripheral region can be sealed only by applying a sealing material. Thereby, a sealing process can be simplified.
本考案に係る燃料電池セルの好適な実施形態を図面を用いて説明する。図1は、本考案の燃料電池セルの一例を示す組み立て斜視図であり、図2は、本考案の燃料電池セルの一例を示す縦断面図である。 A preferred embodiment of a fuel cell according to the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is an assembled perspective view showing an example of the fuel battery cell of the present invention, and FIG. 2 is a longitudinal sectional view showing an example of the fuel battery cell of the present invention.
本考案の燃料電池セルは、図1、図2に示すように、板状の固体高分子電解質1と、その固体高分子電解質1の一方側に配置されたカソード側電極板2と、他方側に配置されたアノード側電極板3とを備えるものである。また、カソード側電極板2の更に外側にはカソード側金属板4(第1金属板に相当)が配置され、アノード側電極板3の更に外側にはアノード側金属板5(第2金属板に相当)が配置される。本実施形態では、アノード側金属板5に、エッチングにより燃料の流路溝9が形成され、アノード側金属板5の周縁領域5aとカソード側金属板4の周縁領域4aは樹脂封止が行われる領域でもある。また、説明の便宜上、金属板4,5の周縁領域4a,5a以外の領域を中央領域4b,5bと称することにする。
As shown in FIGS. 1 and 2, a fuel cell of the present invention includes a plate-shaped
固体高分子電解質1としては、従来の固体高分子膜型電池に用いられるものであれば何れでもよいが、化学的安定性及び導電性の点から、超強酸であるスルホン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体からなる陽イオン交換膜が好適に用いられる。このような陽イオン交換膜としては、ナフィオン(登録商標)が好適に用いられる。その他、例えば、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素樹脂からなる多孔質膜に上記ナフィオンや他のイオン伝導性物質を含浸させたものや、ポリエチレンやポリプロピレン等のポリオレフィン樹脂からなる多孔質膜や不織布に上記ナフィオンや他のイオン伝導性物質を担持させたものでもよい。
The
固体高分子電解質1の厚みは、薄くするほど全体の薄型化に有効であるが、イオン伝導機能、強度、ハンドリング性などを考慮すると、10〜300μmが使用可能であるが、25〜50μmが好ましい。
The thinner the
電極板2,3は、ガス拡散層としての機能を発揮して、燃料ガスや、酸化ガス及び水蒸気の供給・排出を行なうと同時に、集電の機能を発揮するものが使用できる。電極板2,3としては、同一又は異なるものが使用でき、その基材には電極触媒作用を有する触媒を担持させることが好ましい。触媒は、固体高分子電解質1と接する内面2b,3bに少なくとも担持させるのが好ましい。
The
電極基材としては、例えば、カーボンペーパー、カーボン繊維不織布などの繊維質カーボン、導電性高分子繊維の集合体などの電導性多孔質材が使用できる。一般に、電極板2,3は、このような電導性多孔質材にフッ素樹脂等の撥水性物質を添加して作製されるものであって、触媒を担持させる場合、白金微粒子などの触媒とフッ素樹脂等の撥水性物質とを混合し、これに溶媒を混合して、ペースト状或いはインク状とした後、これを固体高分子電解質膜と対向すべき電極基材の片面に塗布して形成される。
As the electrode base material, for example, conductive carbon materials such as carbon paper, fibrous carbon such as carbon fiber nonwoven fabric, and aggregates of conductive polymer fibers can be used. In general, the
一般に、電極板2,3や固体高分子電解質1は、燃料電池に供給される還元ガスと酸化ガスに応じた設計がなされる。本考案では、酸化ガスとして空気が用いられると共に、還元ガスとして水素ガスを用いるのが好ましい。また、還元ガスの代わりに、メタノールやジメチルエーテル等を用いることもできる。
In general, the
例えば、水素ガスと空気を使用する場合、空気が自然供給される側のカソード側電極板2では、酸素と水素イオンの反応が生じて水が生成するため、かかる電極反応に応じた設計をするのが好ましい。特に、低作動温度、高電流密度及び高ガス利用率の運転条件では、特に水が生成する空気極において水蒸気の凝縮による電極多孔体の閉塞(フラッディング)現象が起こりやすい。したがって、長期にわたって燃料電池の安定な特性を得るためには、フラッディング現象が起こらないように電極の撥水性を確保することが有効である。
For example, when hydrogen gas and air are used, the cathode-
触媒としては、白金、パラジウム、ルテニウム、ロジウム、銀、ニッケル、鉄、銅、コバルト及びモリブデンから選ばれる少なくとも1種の金属か、又はその酸化物が使用でき、これらの触媒をカーボンブラック等に予め担持させたものも使用できる。 As the catalyst, at least one metal selected from platinum, palladium, ruthenium, rhodium, silver, nickel, iron, copper, cobalt and molybdenum, or an oxide thereof can be used. A supported one can also be used.
電極板2,3の厚みは、薄くするほど全体の薄型化に有効であるが、電極反応、強度、ハンドリング性などを考慮すると、50〜500μmが好ましい。電極板2,3と固体高分子電解質1とは、予め接着、融着等を行って積層一体化しておいてもよいが、単に積層配置されているだけでもよい。このような積層体は、薄膜電極組立体10(Membrane Electrode Assembly:MEA)として入手することもでき、これを使用してもよい。
The thickness of the
カソード側電極板2の表面にはカソード側金属板4が配置され、アノード側電極板3の表面にはアノード側金属板5が配置される。アノード側金属板5には燃料の注入口5c及び排出口5dが設けられ、更に本実施形態では、アノード側金属板5に流路溝9が設けられている。
A cathode side metal plate 4 is disposed on the surface of the cathode
カソード側金属板4には、空気中の酸素を供給するための多数の開口孔4cが設けられている。開口孔4cは、カソード側電極板2が露出可能であれば、その個数、形状、大きさ、形成位置などは何れでもよい。但し、空気中の酸素の供給効率と、カソード側電極板2からの集電効果などを考慮すると、開口孔4cの面積はカソード側電極板2の面積の10〜50%であるのが好ましく、特に20〜40%であるのが好ましい。カソード側金属板4の開口孔4cは、例えば規則的又はランダムに複数の円孔やスリット等を設けたり、または金属メッシュによって開口孔を設けてもよい。
The cathode side metal plate 4 is provided with a large number of opening holes 4c for supplying oxygen in the air. As long as the cathode
金属板4,5としては、電極反応に悪影響がないものであれば何れの金属も使用でき、例えばステンレス板、ニッケル、銅、銅合金などが挙げられる。但し、伸び、重量、弾性率、強度、耐腐食性、プレス加工性、エッチング加工性などの観点から、ステンレス板、ニッケルなどが好ましい。
As the
アノード側金属板5に設けられる流路溝9は、電極板3との接触により水素ガス等の流路が形成できるものであれば何れの平面形状や断面形状でもよい。本実施形態では、注入口5cと排出口5dとを連続する一本の流路溝9により接続しており、その流路溝9は、金属板5の幅方向に沿って周期的に折り返すジグザグ状に形成されている。流路密度、燃料電池セル積層時の積層密度、屈曲性などを考慮して、種々の形態の流路溝9を採用することができる。
The
なお、このような金属板5の流路溝9の一部を電極板3の外面に形成してもよい。電極板3の外面に流路溝を形成する方法としては、加熱プレスや切削などの機械的な方法でもよいが、微細加工を好適に行う上で、レーザ照射によって溝加工を行うことが好ましい。レーザ照射を行う観点からも、電極板2,3の基材としては、繊維質カーボンの集合体が好ましい。
A part of the
金属板5の流路溝9に連通する注入口5c及び排出口5dは、それぞれ1個又は複数を形成することができる。なお、金属板4,5の厚みは、薄くするほど全体の薄型化に有効であるが、強度、伸び、重量、弾性率、ハンドリング性などを考慮すると、0.1〜1mmが好ましい。金属板5に流路溝9を形成する方法としては、加工の精度や容易性から、エッチングが好ましい。エッチングによる流路溝9では、幅0.1〜10mm、深さ0.05〜1mmが好ましい。また、流路溝9の断面形状は、略四角形、略台形、略半円形、V字形などが好ましい。
One or a plurality of
金属板4への開口孔4cの形成、金属板5への注入口5c及び排出口5dの形成についても、エッチングを利用するのが好ましい。エッチングは、例えばドライフィルムレジストなどを用いて、金属表面に所定形状のエッチングレジストを形成した後、金属板4,5の種類に応じたエッチング液を用いて行うことが可能である。また、2種以上の金属の積層板を用いて、金属ごとに選択的にエッチングを行うことで、流路溝9の断面形状をより高精度に制御することができる。
Etching is also preferably used for forming the opening hole 4 c in the metal plate 4 and forming the
本考案では、金属板4,5の周縁領域4a,5aは、電気的に絶縁した状態で封止されている。電気的な絶縁は、絶縁材料を用いて行うこともできるが、図1,2の実施形態では、固体高分子電解質1の周縁領域1aを介在させることで行っている。固体高分子電解質1の平面面積は、第1金属板4と第2金属板5の平面面積よりも少し大きくなるように形成される。第1・第2金属板4,5の平面面積は同じである。従って、第1・第2金属板4,5の間に固体高分子電解質1を挟持させたときに、その周縁領域1aは金属板4,5から突出する形になる。
In the present invention, the
また、電極板2,3よりも外側の領域にある固体高分子電解質1を周縁領域4a,5aにより挟持した状態となっている。このような構造によると、電極板2,3の一方から他方へのガス等の流入を効果的に防止することができる。また、第1金属板4と第2金属板5の間で固体高分子電解質1を挟持させているので、絶縁層として機能させることができる。
Further, the
組み立てられた燃料電池セルの周辺領域は、ガス遮蔽性及び絶縁性を有する樹脂11により封止される。ガス遮蔽性を有することで、セル内部に注入された水素ガスが封止部から漏洩することを防止することができる。樹脂封止は、完全に固体高分子電解質1の周縁領域1aを覆う形で行なわれる。樹脂としては、例えば、エポキシ系樹脂を使用することができ、機械的な封止強度を確保することができる。封止材料としては、水素ガスを透過せず絶縁性を有するものであれば何でもよい。樹脂封止を形成する方法としては、樹脂を塗布する形で行なってもよいし、金型を用いて樹脂成型を行なって形成してもよい。樹脂成型を行う場合、インジェクションのように大きな圧力を作用させないで金型内に樹脂注入を行なってもよい。これにより、金型構成を簡素化することができる。
The peripheral region of the assembled fuel cell is sealed with a
<封止構造の別実施形態>
次に、燃料電池セルの周縁領域の封止構造の種々の別実施形態を説明する。
<Another embodiment of the sealing structure>
Next, various other embodiments of the sealing structure of the peripheral region of the fuel cell will be described.
図3は、金属板4,5の周縁領域4a,5aの間に、絶縁材料6(絶縁層に相当)を挟持した構成例である。また、固体高分子電解質1の端部を2つの絶縁材料6により挟持する形にもなっている。絶縁材料6を設けることで、電極板2,3の一方から他方へのガス等の流入を効果的に防止することができる。絶縁材料6の厚みとしては、薄型化の観点から、0.1mm以下が好ましい。なお、絶縁材料をコーティングすることにより、更なる薄型化が可能である(例えば絶縁材料6の厚み1μmも可能)。絶縁材料6としては、シート状の樹脂、ゴム、熱可塑性エラストマー、セラミックスなどが使用できるが、シール性を高める上で、樹脂、ゴム、熱可塑性エラストマーなどが好ましく、特にポリプロピレン、ポリエチレン、ポリエステル、フッ素樹脂、ポリイミドが好ましい。絶縁材料6は、金属板4,5の周縁に直接あるいは粘着剤を介して貼着したり、塗布したりして、予め金属板4,5に一体化しておくことも可能である。樹脂11による封止は、図示するように燃料電池セルの周縁領域全体を覆う形で行なわれる。また、樹脂封止の表面11aは、金属板4,5の中央領域4b,5bの高さに合わせておくことで、機器に組み込むときのスペース効率がよくなる。
FIG. 3 shows a configuration example in which an insulating material 6 (corresponding to an insulating layer) is sandwiched between the
図4は、図2と同様に金属板4,5の周縁領域4a,5aで固体高分子電解質1の周縁領域1aを挟持しているが、周縁領域1aは、金属板4,5から突出しない形である。樹脂封止は他と同様に行なわれる。また、樹脂封止の表面11aは、金属板4,5の中央領域4b,5bの高さと異ならせてもよいし、見栄えを良くするため同じ高さに合わせておくことが好ましい。
In FIG. 4, the
図5は、金属板4,5の周縁領域4a,5aで固体高分子電解質1の端部を挟持すると共に、固体高分子電解質1の更に外側に両面テープ12(封止材料に相当)を用いて封止している。
In FIG. 5, the end portions of the
図6は、第1金属板4の周縁領域4aを第2金属板5の周縁領域5aよりも突出した形状としており、周縁領域4aと周縁領域5aにまたがるように封止材料11を塗布している。この構成によれば、簡素な工程で周縁領域の封止を行なうことができる。
In FIG. 6, the
燃料電池を構成する場合、図1,2に示すような燃料電池セルを1個又は複数個使用することができるが、固体高分子電解質1、一対の電極板2,3、及び一対の金属板4,5で単位セルを構成し、この単位セルを複数積層したり、同一面に配列して使用することも可能である。このようにすると、ボルト及びナットの締結部品で相互結合して、セル部品に一定の圧力を加えなくても、高出力の燃料電池を提供することができる。
When configuring a fuel cell, one or a plurality of fuel cells as shown in FIGS. 1 and 2 can be used, but the
燃料電池として使用の際、金属板5の燃料の注入口5c及び排出口5dには、直接、燃料供給用のパイプを接合することも可能であるが、燃料電池の薄型化を行う上で、厚みが小さく、金属板5の表面に平行なパイプを有するジョイント機構を設けるのが好ましい。例えば、注入口5cにジョイント用の金属製ピンを金属板5に対して取り付けることができる。この取り付けは、カシメや圧入により行うことができる。このピンに対して、パイプを圧入して取り付けることができる。
When used as a fuel cell, it is possible to join a fuel supply pipe directly to the
燃料電池セルを構成する部材である金属板4,5及び固体高分子電解質1は、矩形状に形成されているが、その四隅はR形状に形成されている。四隅にRをつけることで取り扱い易い形状にしている。
The
<別実施形態>
燃料電池セルの構成は本実施形態に示す構造のものに限定されるものではない。例えば、カソード側金属板4は空気を取り込むための開口孔4cを多数有する形状をしているが、カソード側金属板4をアノード側金属板5と同様の形状に形成してもよい。
<Another embodiment>
The configuration of the fuel cell is not limited to the structure shown in the present embodiment. For example, the cathode side metal plate 4 has a shape having a large number of opening holes 4 c for taking in air, but the cathode side metal plate 4 may be formed in the same shape as the anode
1 固体高分子電解質
1a 周縁領域
2 カソード側電極板
3 アノード側電極板
4 カソード側金属板(第1金属板)
4a 周縁領域
4b 中央領域
5 アノード側金属板(第2金属板)
5a 周縁領域
5b 中央領域
10 薄膜電極組成体
11 樹脂
12 両面テープ
DESCRIPTION OF
4a
5a
Claims (5)
前記周縁領域をガス遮蔽性及び絶縁性を有する封止材料を用いて封止してあることを特徴とする燃料電池セル。 Plate-shaped solid polymer electrolyte, first electrode plate and second electrode plate disposed on both sides of the solid polymer electrolyte, and first metal plate and second metal plate disposed further outside these electrode plates And the peripheral region of these first and second metal plates is sealed with an insulating layer interposed therebetween,
The fuel cell, wherein the peripheral region is sealed with a sealing material having gas shielding properties and insulating properties.
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