JP3660205B2 - Fuel cell and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、固体高分子電解質膜とその両側のアノード側拡散電極とカソード側拡散電極とで構成された電極膜構造体を、一対のセパレータで挟持した燃料電池及びその製造方法に係るものであり、特に、セパレータ間で電極膜構造体を確実にシールすることができる燃料電池及びその製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
燃料電池の中には、固体高分子電解質膜とその両側のアノード側拡散電極とカソード側拡散電極とで構成された電極膜構造体を、一対のセパレータで挟持して構成されたものがある。アノード側拡散電極の反応面に燃料ガス(例えば、水素ガス)を供給すると、ここで水素がイオン化され、固体高分子電解質膜を介してカソード側拡散電極側に移動する。この間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギーとして利用される。カソード電極においては酸化ガス(例えば、酸素を含む空気)が供給されているため、水素イオン、電子、及び酸素が反応して水が生成される。
【0003】
この一例を図12によって説明すると、図において1は固体高分子電解質膜を示し、この固体高分子電解質膜1を両側からガス拡散電極(アノード側拡散電極とカソード側拡散電極)2,3で挟持して燃料電池セル4が構成されている。この燃料電池セル4の両面には燃料電池セル4の反応面に対応する位置に開口部を有するシート状のガスケット5が配置され、このガスケット5,5を介して各燃料電池セル4の周縁を包み込み、かつ、外側押さえ6を介して燃料電池セル4の周縁を押さえた状態で、セパレータ7,7により燃料電池セル4を両側から挟持して構成されている(特開平6−325777号公報参照)。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の燃料電池にあっては、前記ガスケット5によりセパレータ7とガス拡散電極2,3との間の空間部分が外部と遮断されるため、燃料ガス及び酸化ガスが外部に漏れることはなく、かつ、両者が混合することもないため、無駄のない発電を行なうことができる点で優れているが、セパレータ7及びガス拡散電極2,3の厚さ方向において各々寸法のバラツキは避けられないため、ここに一定寸法のガスケット5を用いて両者を締結した場合に、シール反力が各部位で異なってしまう。そのため、セパレータ7とガス拡散電極2,3との間で全周に渡って均一なシール性を確保することができないという問題がある。
【0005】
均一なシール性を確保するためにはセパレータ7及びガス拡散電極2,3の寸法精度を厳密に管理しなければならずコストアップにつながるという問題がある。
また、ガスケット5の面圧がガス拡散電極2,3の周囲でバラツキを起こしセパレータ7に偏った曲げ応力が作用してしまうという問題がある。
【0006】
とりわけ、車両用燃料電池として使用される場合に、ガスケット5の面圧のバラツキに対してもセパレータ7に作用する曲げ応力を所定の大きさ以下となるようにセパレータ7の厚さ寸法を確保すると、燃料電池を積層して形成された燃料電池スタックが大型化してしまい車室空間を狭めてしまうという問題がある。
そこで、この発明は、電極膜構造体とセパレータとのシール性を向上できる燃料電池及びその製造方法を提供するものである。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項1に記載した発明は、固体高分子電解質膜(例えば、実施形態における固体高分子電解質膜18)とその両側のアノード側拡散電極(例えば、実施形態におけるアノード電極22及び第2拡散層26)とカソード側拡散電極(例えば、実施形態におけるカソード電極20及び第1拡散層24)とで構成された電極膜構造体(例えば、実施形態における燃料電池セル12)を、一対のセパレータ(例えば、実施形態における第1セパレータ14及び第2セパレータ16)で挟持して構成された燃料電池において、固体高分子電解質膜の周囲にはアノード側拡散電極外周及びカソード側拡散電極外周からはみ出すはみ出し部(例えば、実施形態におけるはみ出し部18a)を設け、前記セパレータ面内の外周部分であって、前記固体高分子電解質膜のはみ出し部に対応する位置に各々溝部(例えば、実施形態における溝部28)を設け、この溝部に塗布された液状シール(例えば、実施形態における液状シールS)を前記固体高分子電解質膜のはみ出し部に密着させた状態で一対のセパレータにより電極膜構造体を挟持し、上記液状シールの塗布径をCとした場合に、上記はみ出し部の幅寸法eを(3/2)・Cに設定したことを特徴とする。
【0008】
このように構成することで、前記固体高分子電解質膜の周囲に設けたはみ出し部に直接的に密着する液状シールが固体高分子電解質膜とセパレータとの間で形状変化して前記シール寸法のバラツキに追従し、溝内部において一定の面圧を確保した状態で両者間に隙間なく介在して両者間の気密性を確保することができる。
【0009】
請求項2に記載した発明は、固体高分子電解質膜とその両側のアノード側拡散電極とカソード側拡散電極とで構成された電極膜構造体を、一対のセパレータで挟持して構成された燃料電池の製造方法において、前記セパレータ面内の外周部に形成された溝部内に液状シールを塗布径Cで塗布し、硬化前の液状シールを固体高分子電解質膜の周囲に設けられアノード側拡散電極及びカソード側拡散電極の周囲からはみ出すはみ出し部に密着させた状態で、一対のセパレータで電極膜構造体を挟持し、これらセパレータにより挟持された状態で液状シールの潰れにより、液状シールの塗布径Cの(3/2)倍以上の固体高分子電解質膜への密着幅を確保し、その後加熱して液状シールを硬化したことを特徴とする。
【0010】
このように構成することにより、液状シールの最適な潰れ寸法を前記はみ出し部上において確保することができる。
請求項3に記載した発明は、上記はみ出し部の幅寸法が0.9mm以上であることを特徴とする。
このように構成することで、シール性を確保しつつ、固体高分子電解質膜の幅寸法を最小限に押さえることができる。
【0011】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施形態を図面と共に説明する。
図1はこの発明の実施形態の燃料電池を示す分解斜視図である。この燃料電池10は燃料電池セル(電極膜構造体)12とこれを挟持する第1セパレータ14及び第2セパレータ16を備え、これらが複数組積層されて車両用の燃料電池スタックが構成されるものである。
燃料電池セル12は、固体高分子電解質膜18と、この固体高分子電解質膜18を挟んで配設されるカソード電極20及びアノード電極22とを有するとともに、前記カソード電極20及び前記アノード電極22には、例えば、多孔質層である多孔質カーボンクロス又は多孔質カーボンペーパーからなる第1ガス拡散層24及び第2ガス拡散層26が配設されている。ここで、固体高分子電解質膜18としては、ペルフルオロスルホン酸ポリマーを用いている。また、カソード電極20、アノード電極22はPtを主体としたものである。尚、上記カソード電極20と第1ガス拡散層24とでカソード側拡散電極が構成され、上記アノード電極22と第2ガス拡散層24とでアノード側拡散電極が構成される。
【0012】
固体高分子電解質膜18には、これを挟んで配設されるカソード電極20及びアノード電極22の外周からはみ出すはみ出し部18aが設けられ、このはみ出し部18aに対応する位置に両側から第1及び第2セパレータ14,16に塗布された後述する液状シールSが直接密着するようになっている。
【0013】
図3に示すように、第1セパレータ14は、その平面内であって外周縁部に位置する横方向両端上部側に、水素含有ガス等の燃料ガスを通過させるための入口側燃料ガス連通孔36aと、酸素含有ガス又は空気である酸化剤ガスを通過させるための入口側酸化剤ガス連通孔38aとを備えている。
第1セパレータ14の横方向両端中央側には、純水やエチレングリコールやオイル等の冷却媒体を通過させるための入口側冷却媒体連通孔40aと、使用後の前記冷却媒体を通過させるための出口側冷却媒体連通孔40bとが設けられている。
また、第1セパレータ14の平面内であって外周縁部に位置する横方向両端下部側に、燃料ガスを通過させるための出口側燃料ガス連通孔36bと、酸化剤ガスを通過させるための出口側酸化剤ガス連通孔38bとが、入口側燃料ガス連通孔36a及び入口側酸化剤ガス連通孔38aと対角位置になるように設けられている。
【0014】
図1に示すように、第1セパレータ14のカソード電極20に対向する面14aには、入口側酸化剤ガス連通孔38aに近接して複数本、例えば、6本のそれぞれ独立した第1酸化剤ガス流路溝42が、水平方向に蛇行しながら重力方向に向かって設けられている。第1酸化剤ガス流路溝42は、3本の第2酸化剤ガス流路溝44に合流し、この第2酸化剤ガス流路溝44が出口側酸化剤ガス連通孔38bに近接して終端している。
【0015】
図3に示すように、第1セパレータ14には、この第1セパレータ14を貫通するとともに、一端が面14aとは反対側の面14bで入口側酸化剤ガス連通孔38aに連通する一方、他端が前記面14a側で第1酸化剤ガス流路溝42に連通する第1酸化剤ガス連結流路46と、一端が前記面14b側で出口側酸化剤ガス連通孔38bに連通する一方、他端が前記面14a側で第2酸化剤ガス流路溝44に連通する第2酸化剤ガス連結流路48とが、前記第1セパレータ14を貫通して設けられている。
【0016】
図4、図5に示すように、第2セパレータ16の平面内であって外周縁部に位置する横方向両端側には、第1セパレータ14と同様に、入口側燃料ガス連通孔36a、入口側酸化剤ガス連通孔38a、入口側冷却媒体連通孔40a、出口側冷却媒体連通孔40b、出口側燃料ガス連通孔36b及び出口側酸化剤ガス連通孔38bが形成されている。
【0017】
前記第2セパレータ16の面16aには、入口側燃料ガス連通孔36aに近接して複数本、例えば、6本の第1燃料ガス流路溝60が形成される。この第1燃料ガス流路溝60は、水平方向に蛇行しながら重力方向に向かって延在し、3本の第2燃料ガス流路溝62に合流してこの第2燃料ガス流路溝62が出口側燃料ガス連通孔36bの近傍で終端している。
第2セパレータ16には、入口側燃料ガス連通孔36aを面16b側から第1燃料ガス流路溝60に連通する第1燃料ガス連結流路64と、出口側燃料ガス連通孔36bを前記面16b側から第2燃料ガス流路溝62に連通する第2燃料ガス連結流路66とが、前記第2セパレータ16を貫通して設けられている。
【0018】
図2、図5に示すように、第2セパレータ16の面16bには、後述する液状シールSで囲まれる範囲内に、入口側冷却媒体連通孔40a及び出口側冷却媒体連通孔40bに近接して冷却媒体流路を構成する複数本の主流路溝72a、72bが形成されている。主流路溝72a、72b間には、それぞれ複数本に分岐する分岐流路溝74が水平方向に延在して設けられている。
第2セパレータ16には、入口側冷却媒体連通孔40aと主流路溝72aとを連通する第1冷却媒体連結流路76と、出口側冷却媒体連通孔40bと主流路溝72bとを連通する第2冷却媒体連結流路78とが、前記第2セパレータ16を貫通して設けられている。
【0019】
ここで、図4に示すように、前記固体高分子電解質膜18のはみ出し部18aに対応する位置にはこの固体高分子電解質膜1を挟持する第2セパレータ16のアノード電極22に対向する面16aに溝部28が設けられ、この溝部28に液状シールSが塗布されている。また、この第2セパレータ16の面16aの入口側燃料ガス連通孔36a、入口側酸化剤ガス連通孔38a、入口側冷却媒体連通孔40a、出口側冷却媒体連通孔40b、出口側燃料ガス連通孔36b及び出口側酸化剤ガス連通孔38bの周囲にも溝部30が形成され、この溝部30にも液状シールSが塗布されている。ここで、前記入口側冷却媒体連通孔40aと出口側冷却媒体連通孔40bとの周囲の溝部30は、各々第1冷却媒体連結流路76、第2冷却媒体連結流路78を囲むように形成されている。
【0020】
また、前記第2セパレータ16と共に燃料電池セル12を挟持する第1セパレータ14のカソード電極20に対向する面14aにも、図1に示すように前記第2セパレータ16の面16aの溝部28及び溝部30に対応する位置に、溝部28及び溝部30が形成され、各溝部28,30には液状シールSが塗布されている。したがって、図2、図6に示すように、これら燃料電池セル12を挟持する第1セパレータ14と第2セパレータ16との溝部28,30に塗布された液状シールSが、溝部28の液状シールSにあっては互いに固体高分子電解質膜18のはみ出し部18aを両側から向かい合う位置で挟持して直接密着し、燃料電池セル12の周囲をシールし、溝部30の液状シールSにあっては互いに密着して各連通孔36a,36b,38a,38b,40a、40bの周囲をシールするようになっている。
【0021】
図5に示すように、前記第2セパレータ16の面16bには、複数の燃料電池10を積層した際に前記第1セパレータ14の面14bに対向する位置であって、分岐流路溝74の周囲を取り囲む溝部34が設けられ、この溝部34に液状シールSが塗布されている。また、この第2セパレータ16の面16bの入口側燃料ガス連通孔36a、入口側酸化剤ガス連通孔38a、入口側冷却媒体連通孔40a、出口側冷却媒体連通孔40b、出口側燃料ガス連通孔36b及び出口側酸化剤ガス連通孔38bの周囲にも溝部35が形成され、この溝部35にも液状シールSが塗布されている。
【0022】
ここで、前記入口側燃料ガス連通孔36aと出口側燃料ガス連通孔36bとの周囲の溝部35は、各々第1燃料ガス連結流路64、第2燃料ガス連結流路66を囲むように形成されている。また、入口側酸化剤ガス連通孔38aと出口側酸化剤ガス連通孔38bとの周囲の溝部35は前記第1セパレータ14の面14bの入口側酸化剤ガス連通孔38aと出口側酸化剤ガス連通孔38bとを囲むように設けられている。
【0023】
このようにして、燃料電池10を積層した場合に、第1セパレータ14の面14bと第2セパレータ16の面16bとを重合すると、入口側燃料ガス連通孔36a、入口側酸化剤ガス連通孔38a、入口側冷却媒体連通孔40a、出口側冷却媒体連通孔40b、出口側燃料ガス連通孔36b及び出口側酸化剤ガス連通孔38bの周囲と分岐流路溝74の周囲で第2セパレータ16側の液状シールSが第1セパレータ14の面14bに密着することで、第1セパレータ14と第2セパレータ16との水密性を確保している。
【0024】
このように構成される第1の実施形態に係る燃料電池10の動作について、以下に説明する。
燃料電池10には、燃料ガス、例えば、炭化水素を改質した水素を含むガスが供給されるとともに、酸化剤ガスとして空気または酸素含有ガス(以下、単に空気ともいう)が供給され、さらにその発電面を冷却するために、冷却媒体が供給される。燃料電池10の入口側燃料ガス連通孔36aに供給された燃料ガスは、図2に示すように、第1燃料ガス連結流路64を介して面16b側から面16a側に移動し、この面16a側に形成されている第1燃料ガス流路溝60に供給される。
【0025】
第1燃料ガス流路溝60に供給された燃料ガスは、第2セパレータ16の面16aに沿って水平方向に蛇行しながら重力方向に移動する。その際、燃料ガス中の水素含有ガスは、第2ガス拡散層26を通って単位燃料電池セル12のアノード側電極22に供給される。そして、未使用の燃料ガスは、第1燃料ガス流路溝60に沿って移動しながらアノード側電極22に供給される一方、未使用の燃料ガスが第2燃料ガス流路溝62を介して第2燃料ガス連結流路66に導入され、面16b側に移動した後に図1に示す出口側燃料ガス連通孔36bに排出される。
【0026】
また、燃料電池スタック10内の入口側酸化剤ガス連通孔38aに供給された空気は、第1セパレータ14の入口側酸化剤ガス連通孔38aに連通する第1酸化剤ガス連結流路46を介して第1酸化剤ガス流路溝42に導入される。第1酸化剤ガス流路溝42に供給された空気は、水平方向に蛇行しながら重力方向に移動する間、この空気中の酸素含有ガスが
第1ガス拡散層24からカソード側電極20に供給される。一方、未使用の空気は、第2酸化剤ガス流路溝44を介して第2酸化剤ガス連結流路48から図1に示す出口側酸化剤ガス連通孔38bに排出される。これにより、燃料電池10で発電が行われ、例えば、図示しないモータに電力が供給されることになる。
【0027】
さらにまた、燃料電池10に供給された冷却媒体は、図1に示す入口側冷却媒体連通孔40aに導入された後、図5に示すように、第2セパレータ16の第1冷却媒体連結流路76を介して面16b側の主流路溝72aに供給される。冷却媒体は、主流路溝72aから分岐する複数本の分岐流路溝74を通って単位燃料電池セル12の発電面を冷却した後、主流路溝72bに合流する。そして、使用後の冷却媒体は、第2冷却媒体連結流路78を通って出口側冷却媒体連通孔40bから排出される。
【0028】
ここで前記液状シールSは熱硬化型フッ素系あるいは熱硬化型シリコンからなり、塗布した状態で断面形状が変化しない程度の粘度(粘度1000〜9000Pa・sの範囲、例えば、5000Pa・s)を有し、塗布後にある程度の弾性を保持して硬化するものであり、非接着性、接着性のいずれをも使用可能である。ここで上記粘度を上記のように設定したのは、1000pa.sより小さいと塗布した際に形状を維持できず、9000pa.sより大きいと高粘度過ぎて塗布できないからである。
尚、メインテナンス等で交換の必要がある部分、例えば第1セパレータ14の面14bと第2セパレータ16の面16bとの間の液状シールSは非接着性のものを使用することが望ましい。具体的に液状シールSの塗布径は0.2mm〜6mm、好ましくは0.4mm〜4mm、例えば0.6mmに設定し、シール荷重0.5(これより小さいとシール性が低下)〜2(これより大きいとへたり発生)N/mm程度とすることができる。ここで、上記液状シールSの塗布径を上記のように設定したのは、塗布径が0.2mmより小さいと高粘度なので切れてしまって塗布できず、6mmより大きいと積層した場合に締め付け力が大きくなり過ぎてしまうからである。
また、前記溝部28,30,34,35は幅2mm、深さ0.2mm程度に設定されている。これら溝部28,30,34,35内において、塗布後において液状シールSが潰れることで、シール断面積を拡大してシール部分における寸法誤差を吸収し、均一に密着することが可能となる。
【0029】
ここで、図7に示すように、固体高分子電解質膜18のはみ出し部18aに密着する液状シールSは塗布時において断面円形をしており、前述したように塗布径C(=0.6mm)となっているが、図8に示すように第1、第2セパレータ14,16により燃料電池セル12を挟持した状態で液状シールSは潰れ、その潰れた部分が固体高分子電解質膜18のはみ出し部18aの全体に亙って密着するようになっている。
ここで上記液状シールSの密着幅が大きすぎると前記はみ出し部18aがその分だけ余分に必要となるため反応に関与しない固体高分子電解質膜18の面積が増加することとなりコストアップにつながり、一方、上記密着幅が小さすぎるとシール性が確保できない。
よって、この実施形態では、上記液状シールSの塗布径をCとしたときに、はみ出し部18aの幅寸法eを(3/2)・Cとして、シール性に問題がないような液状シールSの密着幅を確保している。
【0030】
実験によれば、液状シールSの塗布径を、均一塗布が可能な最小の塗布径C=0.6mmとして、図8に示す溝28の深さをd、カソード電極20及び第1拡散層24の幅寸法b(アノード側の寸法も同様)とした場合にb+dの寸法を各種用意し、ガスシール用のテストピースを用いてシール性を確認した。また、液状シールSには粘度5000Pa・sの熱硬化性フッ素系のものを用いた。
図9に示すステンレス製(SUS316)の板材fとガス加圧口付きのステンレス製(SUS316)の板材iから成る治具の各表面に塗布径0.6mmで熱硬化性フッ素系の液状シールSを直接塗布した。そして、図10に示すように塗布した液状シールの間に中央部を開口させた固体高分子電解質膜18と治具外周にシール間隙(b+dに相当)調整用のスペーサg(フィルム、鉄板など)を同時に挟み込み、液状シールSを150℃で2時間加熱し硬化させた。
図11に示すように、硬化後スペーサgを取り外し、シール荷重1N/mmを与え、荷重が保持できるようにボルトjで固定し、次に、室温雰囲気中でヘリウムガスボンベHBの配管に接続し、ガス圧200kPaで加圧し、流量計Fでガス漏れ量を測定した。
尚、上記固体高分子電解質膜18は、外形寸法420×420mm、開口内径300×300mm、厚さ50μm、ペルフルオロスルホン酸ポリマー製のものを使用した。
上記スペーサgの厚さ(μm)を変化させ、これにより図8に示した液状シールSの密着幅E(mm)を変化させた場合のガス漏れ量(cc/min)の結果を表1に示す。
【0031】
【表1】
【0032】
実験の結果、0.9mm以上、つまり少なくとも塗布径の3/2倍の液状シールSの密着幅Eを確保できれば、ガス漏れ量を0とできることが判明した。したがって、このような液状シールSの密着幅Eを付与できるように、少なくとも固体高分子電解質膜18のはみ出し部18aの幅寸法e(最小値e=E)を確保すれば良いのである。
【0033】
その結果、製造にあたっては、前記第1セパレータ14、第2セパレータ16面内の外周部に形成された溝部28内に液状シールSを塗布径Cで塗布し、硬化前の液状シールSを固体高分子電解質膜18のはみ出し部18a(幅寸法e)に密着させ、各セパレータ14,16で燃料電池セル12を挟持し、これらセパレータ14,16により挟持された状態で液状シールSの潰れにより、液状シールSの塗布径Cの(3/2)倍以上の固体高分子電解質膜18への密着幅Eを確保し、その後加熱して液状シールSを硬化すればよい。尚、上記液状シールSの密着幅Eを設定するにあたっては、スペーサを各セパレータ14,16間に挟持して設定することができる。その結果、製造時において上記液状シールSの密着幅Eを最適に設定できるため製造が容易となる。
【0034】
上記実施形態によれば、前記固体高分子電解質膜18の周囲に設けたはみ出し部18aに直接的に密着する液状シールSが固体高分子電解質膜18と第1,第2セパレータ14,16との間で形状変化してシール寸法のバラツキに追従し、各溝部28,30,34,35内において一定の面圧を確保した状態で両者間に隙間なく介在して両者間の気密性を確保することができるため、第1,第2セパレータ14,16と燃料電池セル12との間で全周に渡って均一なシール反力が得られ、均一なシール性を確保することができるという効果がある。
したがって、液状シールSによる寸法誤差に対する追従性の良さから、第1,第2セパレータ14,16や燃料電池セル12のとりわけ厚さ方向での寸法管理を厳密に行なう必要がなく、寸法精度管理が容易となりコストダウンを図ることができる。
【0035】
また、第1、第2セパレータ14,16の溝部28に塗布された液状シールSは、溝部28内で一定の幅を維持した状態で、前記固体高分子電解質膜18のはみ出し部18aに密着して、シール寸法に応じて変形することができるため、第1,第2セパレータ14,16により燃料電池セル12を挟持するだけで、シール部分における気密性を確保できる。
【0036】
そして、第1、第2セパレータ14,16と固体高分子電解質膜18のはみ出し部18aとの間のシール寸法のバラツキを液状シールSが吸収することにより、各セパレータ14,16に偏った力が作用するのを防止できるため、各セパレータ14,16の薄肉化を図ることができ、全体として軽量かつ小型化することができる。よって配置スペースに制限があり、できる限り各セパレータ14,16を薄型化する必要がある車両用として用いられた場合に好適である。
【0037】
また、液状シールSを固体高分子電解質膜18に対して直接的に密着させるため、例えば、燃料電気セル12の周囲に額縁状の枠体を設ける場合に比較して部品点数、組付け工数を削減できる点で有利である。そして、固体高分子電解質膜18に対する液状シールSの面圧も均一になり、固体高分子電解質膜18が偏った力を受けることもない。尚、前述したように固体高分子電解質膜18が波を打ったような場合でもこれに合わせて変形できるため、固体高分子電解質膜18にしわが発生するようなこともない。
【0038】
そして、液状シールSを溝部28、30、34、35に塗布するため、溝部に合わせて液状シールSの断面積が拡大し、これにより液状シールSの圧縮量に対する面圧変動を穏やかにできる。したがって、各液状シールS間の間隔寸法のバラツキによる応力差を小さくできる。
【0039】
更に、液状シールSの塗布径Cに対して、この液状シールSの密着幅Eを許容する前記固体高分子電解質膜18のはみ出し部18aの幅寸法eを最適に設定しているため、最小限のはみ出し部18aにより無駄なく、確実にシールすることができる。
【0040】
【発明の効果】
以上説明してきたように、請求項1、請求項3に記載した発明によれば、前記固体高分子電解質膜の周囲に設けたはみ出し部に直接的に密着する液状シールが固体高分子電解質膜とセパレータとの間で形状変化して前記シール寸法のバラツキに追従し、溝部内において一定の面圧を確保した状態で両者間に隙間なく介在して両者間の気密性を確保することができるため、セパレータと電極膜構造体との間で全周に渡って均一なシール反力が得られ、均一なシール性を確保することができるという効果がある。したがって、液状シールによる寸法誤差に対する追従性の良さから、セパレータや電極膜構造体の寸法管理を厳密に行なう必要がなく、寸法精度管理が容易となりコストダウンを図ることができるという効果がある。また、固体高分子電解質膜のはみ出し部の幅寸法を液状シールが確実にシールできる最小限に設定できるため、反応に寄与しない前記はみ出し部を最小限に押さえることができると共にシール性を高めることができる効果がある。
【0041】
請求項2に記載した発明によれば、製造時に液状シールの最適な密着幅を前記はみ出し部上において確保することができるため、製造が行ない易いという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】 この発明の実施形態の分解斜視図である。
【図2】 図1のA−A断面図である。
【図3】 この発明の実施形態の第1セパレータの図1のB矢視図である。
【図4】 この発明の実施形態の第2セパレータの図1のC矢視図である。
【図5】 この発明の実施形態の第2セパレータの図1のD矢視図である。
【図6】 この発明の実施形態の図2の要部拡大図である。
【図7】 電極膜構造体に液状シールを塗布した状態を示す断面図である。
【図8】 電極膜構造体をセパレータで挟持した状態を示す断面図である。
【図9】 実験用の治具を示す斜視図である。
【図10】 実験用の治具をセットした状態を示す説明図である。
【図11】 実験状態を示す説明図である。
【図12】 従来技術の断面図である。
【符号の説明】
12 燃料電池セル(電極膜構造体)
14 第1セパレータ
16 第2セパレータ
18 固体高分子電解質膜
18a はみ出し部
20 カソード電極
22 アノード電極
24 第1ガス拡散層
26 第2ガス拡散層
28 溝部
S 液状シール[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell in which an electrode membrane structure composed of a solid polymer electrolyte membrane and anode-side diffusion electrodes and cathode-side diffusion electrodes on both sides thereof is sandwiched between a pair of separators, and a method for manufacturing the same. In particular, the present invention relates to a fuel cell capable of reliably sealing an electrode membrane structure between separators and a method for manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
Some fuel cells have a structure in which an electrode membrane structure composed of a solid polymer electrolyte membrane and anode-side diffusion electrodes and cathode-side diffusion electrodes on both sides thereof is sandwiched between a pair of separators. When fuel gas (for example, hydrogen gas) is supplied to the reaction surface of the anode side diffusion electrode, hydrogen is ionized here and moves to the cathode side diffusion electrode side through the solid polymer electrolyte membrane. Electrons generated during this time are taken out to an external circuit and used as direct current electric energy. Since an oxidizing gas (for example, air containing oxygen) is supplied to the cathode electrode, hydrogen ions, electrons, and oxygen react to generate water.
[0003]
An example of this will be described with reference to FIG. 12. In the figure, 1 indicates a solid polymer electrolyte membrane, and the solid polymer electrolyte membrane 1 is sandwiched between gas diffusion electrodes (anode side diffusion electrode and cathode side diffusion electrode) 2 and 3 from both sides. Thus, the fuel battery cell 4 is configured. Sheet-
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
In the above conventional fuel cell, the
[0005]
In order to ensure uniform sealing performance, the dimensional accuracy of the
Further, there is a problem that the surface pressure of the
[0006]
In particular, when used as a fuel cell for a vehicle, if the thickness dimension of the
Accordingly, the present invention provides a fuel cell capable of improving the sealing performance between the electrode membrane structure and the separator and a method for manufacturing the fuel cell.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the invention described in claim 1 is directed to a solid polymer electrolyte membrane (for example, the solid
[0008]
With this configuration, the liquid seal that directly adheres to the protruding portion provided around the solid polymer electrolyte membrane changes in shape between the solid polymer electrolyte membrane and the separator, resulting in variations in the seal size. The airtightness between the two can be ensured by interposing with no gap between them while ensuring a constant surface pressure inside the groove.
[0009]
According to a second aspect of the present invention, there is provided a fuel cell comprising an electrode membrane structure composed of a solid polymer electrolyte membrane and anode-side diffusion electrodes and cathode-side diffusion electrodes on both sides thereof, sandwiched by a pair of separators. In this manufacturing method, a liquid seal is applied at a coating diameter C in a groove formed in the outer peripheral portion in the separator surface, and the liquid seal before curing is provided around the solid polymer electrolyte membrane, and the anode side diffusion electrode and The electrode membrane structure is sandwiched between a pair of separators in a state of being in close contact with the protruding portion that protrudes from the periphery of the cathode side diffusion electrode. It is characterized in that the adhesion width to the solid polymer electrolyte membrane of (3/2) times or more is secured and then heated to cure the liquid seal.
[0010]
By comprising in this way, the optimal crushing dimension of a liquid seal can be ensured on the said protrusion part.
The invention described in
By comprising in this way, the width dimension of a solid polymer electrolyte membrane can be suppressed to the minimum, ensuring sealing performance.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 is an exploded perspective view showing a fuel cell according to an embodiment of the present invention. The
The
[0012]
The solid
[0013]
As shown in FIG. 3, the
An inlet-side cooling
Further, an outlet-side fuel
[0014]
As shown in FIG. 1, on the
[0015]
As shown in FIG. 3, the
[0016]
As shown in FIGS. 4 and 5, the inlet-side fuel
[0017]
In the
The
[0018]
As shown in FIGS. 2 and 5, the
The
[0019]
Here, as shown in FIG. 4, a
[0020]
Further, as shown in FIG. 1, a
[0021]
As shown in FIG. 5, the
[0022]
Here, the
[0023]
In this way, when the
[0024]
The operation of the
The
[0025]
The fuel gas supplied to the first fuel
[0026]
The air supplied to the inlet-side oxidant
[0027]
Furthermore, after the cooling medium supplied to the
[0028]
Here, the liquid seal S is made of thermosetting fluorine-based or thermosetting silicon, and has a viscosity (viscosity in the range of 1000 to 9000 Pa · s, for example, 5000 Pa · s) that does not change the cross-sectional shape when applied. In addition, it retains a certain degree of elasticity after application and cures, and both non-adhesive and adhesive properties can be used. Here, the viscosity was set as described above to be 1000 pa. If it is smaller than s, the shape cannot be maintained when applied, and 9000 pa. If it is larger than s, it is too viscous to be applied.
It should be noted that it is desirable to use a non-adhesive liquid seal S between parts that need to be replaced for maintenance, for example, the
The
[0029]
Here, as shown in FIG. 7, the liquid seal S that is in close contact with the protruding
Here, if the adhesion width of the liquid seal S is too large, the protruding
Therefore, in this embodiment, when the application diameter of the liquid seal S is C, the width dimension e of the protruding
[0030]
According to the experiment, the application diameter of the liquid seal S is set to the minimum application diameter C = 0.6 mm that can be applied uniformly, and the depth of the
A thermosetting fluorine-based liquid seal S having a coating diameter of 0.6 mm on each surface of a jig made of a stainless steel (SUS316) plate material f and a stainless steel (SUS316) plate material i with a gas pressure port shown in FIG. Was applied directly. Then, as shown in FIG. 10, a solid
As shown in FIG. 11, after curing, the spacer g is removed, a seal load of 1 N / mm is applied, the bolt j is fixed so that the load can be maintained, and then connected to the pipe of the helium gas cylinder HB in a room temperature atmosphere. The gas was pressurized with a gas pressure of 200 kPa, and the gas leak amount was measured with a flow meter F.
The solid
Table 1 shows the results of gas leakage (cc / min) when the thickness (μm) of the spacer g is changed and the contact width E (mm) of the liquid seal S shown in FIG. Show.
[0031]
[Table 1]
[0032]
As a result of the experiment, it was found that the amount of gas leakage can be reduced to 0 if the contact width E of the liquid seal S is 0.9 mm or more, that is, at least 3/2 times the coating diameter. Therefore, at least the width dimension e (minimum value e = E) of the protruding
[0033]
As a result, in manufacturing, the liquid seal S is applied with a coating diameter C in the
[0034]
According to the above embodiment, the liquid seal S that directly adheres to the protruding
Therefore, it is not necessary to strictly manage the dimensions of the first and
[0035]
Further, the liquid seal S applied to the
[0036]
Then, the liquid seal S absorbs the variation in the seal size between the first and
[0037]
Moreover, in order to make the liquid seal S adhere directly to the solid
[0038]
Then, since the liquid seal S is applied to the
[0039]
Further, since the width dimension e of the protruding
[0040]
【The invention's effect】
As described above, according to the first and third aspects of the invention, the liquid seal that is in direct contact with the protruding portion provided around the solid polymer electrolyte membrane is a solid polymer electrolyte membrane. Since the shape changes with the separator to follow the variation in the seal dimensions, it is possible to ensure airtightness between the two by interposing no gap between them while ensuring a constant surface pressure in the groove. A uniform sealing reaction force is obtained over the entire circumference between the separator and the electrode film structure, and there is an effect that uniform sealing performance can be ensured. Therefore, it is not necessary to strictly manage the dimensions of the separator and the electrode film structure because of the good followability to dimensional errors due to the liquid seal, and there is an effect that the dimensional accuracy management can be facilitated and the cost can be reduced. In addition, since the width dimension of the protruding portion of the solid polymer electrolyte membrane can be set to the minimum that can be reliably sealed by the liquid seal, the protruding portion that does not contribute to the reaction can be minimized and the sealing performance can be improved. There is an effect that can be done.
[0041]
According to the second aspect of the present invention, since the optimum adhesion width of the liquid seal can be ensured on the protruding portion at the time of manufacturing, there is an effect that the manufacturing is easily performed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an exploded perspective view of an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line AA of FIG.
FIG. 3 is a view of the first separator according to the embodiment of the present invention as seen in the direction of arrow B in FIG.
FIG. 4 is a view of the second separator according to the embodiment of the present invention as seen from the direction of the arrow C in FIG.
FIG. 5 is a view of the second separator according to the embodiment of the present invention as viewed in the direction of arrow D in FIG.
6 is an enlarged view of a main part of FIG. 2 according to the embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a cross-sectional view showing a state in which a liquid seal is applied to the electrode film structure.
FIG. 8 is a cross-sectional view showing a state in which an electrode film structure is sandwiched between separators.
FIG. 9 is a perspective view showing an experimental jig.
FIG. 10 is an explanatory view showing a state where an experimental jig is set.
FIG. 11 is an explanatory diagram showing an experimental state.
FIG. 12 is a cross-sectional view of the prior art.
[Explanation of symbols]
12 Fuel cell (electrode membrane structure)
14
Claims (3)
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