JP4765594B2

JP4765594B2 - 燃料電池

Info

Publication number: JP4765594B2
Application number: JP2005354352A
Authority: JP
Inventors: 友和林
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-12-08
Filing date: 2005-12-08
Publication date: 2011-09-07
Anticipated expiration: 2025-12-08
Also published as: JP2007157605A

Description

本発明は燃料電池に関する。

単位燃料電池（単セル）１は、図５に示すように、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ）とセパレータ２とを積層して構成される。単位燃料電池１を複数積層して（積層方向は任意）積層型燃料電池が構成される。セパレータ２のＭＥＡに対向する側の面にガス流路３が形成され、背面には冷媒流路４が形成される。ＭＥＡを挟んで対向するセパレータ間は接着剤５によってシールされ、隣り合うセルのセパレータ間はガスケット６によってシールされる。
冷媒（冷却液）マニホールド７の周りは、冷媒マニホールド７からセル面内の冷媒流路４に冷媒を導入、または冷媒流路４から冷媒マニホールド７に冷媒を排出するため、冷媒マニホールド７と冷媒流路４の間の冷媒連通路８のガスケット６は切れていて存在しない。このため、接着剤シール部のうち、セパレータ２を介した反対面にガスケット６がある部分（図５のＢ部）では、複数の単セルを積層して所定荷重を印加して締結した際にガスケット６による反力がかかるが、セパレータ２を介した反対側面にガスケット６が無い部分（図５のＣ部）では、ガスケット６による反力（荷重伝達）がかからないため、Ｃ部でガス圧を接着剤５のみで受けることになり、セパレータ２が変形しやすいもの（たとえば、カーボンセパレータや０．１ｍｍ程度のメタルセパレータ）であると、ガス圧によるセパレータ２の変形によって接着剤５とセパレータ２とが剥離することによりリークが生じるおそれがある。
特開２００２−１２４２７５号公報は、メタルセパレータの表裏に接着剤と冷媒シールをセル積層方向に重なるように設けた燃料電池を開示している。

しかし、特開２００２−１２４２７５号公報開示の燃料電池には、つぎの問題点がある。
冷媒の流れを確保するため、冷媒マニホールドとセル面内冷媒流路との間の冷媒連通路に、冷媒シールは設けられていない。したがって、接着剤シール部のうち、セパレータを介した反対面に冷媒連通路がある部分では、冷媒シールによる反力がかからないため、接着剤のみでガス圧を受けることになる。したがって、接着剤シール部のうち冷媒シールの反力がかからない部分のシール安定性は低いままである。
特開２００２−１２４２７５号公報

本発明の目的は、シール材によるシール安定性を従来より高めることができる燃料電池を提供することにある。

上記目的を達成する本発明はつぎの通りである。
（１）セルモジュールの膜−電極アッセンブリを挟む２つのセパレータ間が第１のシール材によってシールされ、隣接する前記セルモジュール同士の間が第２のシール材によってシールされる燃料電池であって、
前記セパレータの前記第１のシール材との接触部分が、該セパレータの裏側に前記第２のシール材が存在する第１の部分と、該セパレータの裏側に前記第２のシール材が存在しない第２の部分とを有しており、
前記セパレータの前記第２の部分と前記第１のシール材との接着強度を、前記セパレータの前記第１の部分と前記第１のシール材との接着強度より大とした、燃料電池。
（２）前記第２の部分の接着強度の変更は、前記シール材が接着される前記燃料電池構成材の表面に前記第１の部分と異なる表面処理を施すことによって行われる（１）記載の燃料電池。
（３）前記表面処理は粗面化処理である（２）記載の燃料電池。
（４）前記燃料電池構成材の前記第２の部分に対応する金型部分を局部的に粗くしておき成形時に前記金型部分の粗面を前記第２の部分に転写して該第２の部分を粗面化する（３）記載の燃料電池。
（５）前記表面処理はプラズマ処理である（２）記載の燃料電池。

上記（１）〜（５）の燃料電池では、燃料電池構成材の第２の部分とシール材との接着強度を、燃料電池構成材の第１の部分とシール材との接着強度より大としているので、燃料電池構成材の第２の部分とシール材との接着強度を燃料電池構成材の第１の部分とシール材との接着強度より大としていない場合（従来）に比べて、第２の部分のシール安定性を高めることができる。
上記（３）の燃料電池では、粗面化処理を施すことでシール材との接着面積が増加する。そのため、シール材との接着強度を大にすることができる。

以下に、本発明の燃料電池を、図１〜図４を参照して説明する。
本発明実施例の燃料電池は、たとえば固体高分子電解質型燃料電池１０である。燃料電池１０は、たとえば、燃料電池自動車に搭載される。ただし、自動車以外に用いられてもよい。

固体高分子電解質型燃料電池（セル）１０は、図２〜図４に示すように、膜―電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly）とセパレータ１８とを積層して構成される。膜−電極アッセンブリは、イオン交換膜からなる電解質膜１１とこの電解質膜の一面に配置された触媒層からなる電極（アノード、燃料極）１４および電解質膜の他面に配置された触媒層からなる電極（カソード、空気極）１７とからなる。膜−電極アッセンブリとセパレータ１８との間には、アノード側、カソード側にそれぞれ拡散層１３、１６が、設けられる。

セパレータ１８には、発電領域において、アノード１４に燃料ガス（水素）を供給するための燃料ガス流路２７が形成され、カソード１７に酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための酸化ガス流路２８が形成されている。また、セパレータ１８には、冷媒（ＬＬＣ、冷却水）を流すための冷媒流路２６も形成されている。セパレータ１８には、非発電領域において、燃料ガスマニホールド３０、酸化ガスマニホールド３１、冷媒マニホールド２９が形成されている。燃料ガスマニホールド３０は燃料ガス流路２７と連通しており、酸化ガスマニホールド３１は酸化ガス流路２８と連通しており、冷媒マニホールド２９は冷媒流路２６と連通している。

膜−電極アッセンブリとセパレータ１８を重ねてセルモジュール１９（１セルモジュールの場合は、セル１０はセルモジュール１９と同じになる）を構成し、セルモジュール１９を積層してセル積層体とし、セル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル２０、インシュレータ２１、エンドプレート２２を配置し、両端のエンドプレート２２をセル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材（たとえば、テンションプレート２４）にボルト・ナット２５にて固定し、燃料電池スタック２３を構成する。一端のエンドプレートに設けた調整ネジにてその内側に設けたバネを介してセル積層体にセル積層方向の締結荷重をかける。

各セル１０の、アノード１４側では、水素を水素イオン（プロトン）と電子に変換する電離反応が行われ、水素イオンは電解質膜１１中をカソード１７側に移動し、カソード１７側では酸素と水素イオンおよび電子（隣りのＭＥＡのアノードで生成した電子がセパレータを通してくる、またはセル積層方向一端のセルのアノードで生成した電子が外部回路を通して他端のセルのカソードにくる）から水を生成され、次式にしたがって発電が行われる。
アノード側：Ｈ2 →２Ｈ⁺ ＋２ｅ^-
カソード側：２Ｈ⁺ ＋２ｅ^- ＋（１／２）Ｏ2 →Ｈ2Ｏ

セパレータ１８は、カーボンセパレータ、メタルセパレータ、導電性樹脂セパレータ等からなり、メタルセパレータからなる場合、メタルセパレータとＭＥＡとの間に樹脂フレームを介装してもよい（メタルセパレータとＭＥＡとの間に樹脂フレームが介装されている場合、セパレータはメタルセパレータと樹脂フレームの両方を含む意である）（図２では、セパレータ１８がメタルセパレータからなり樹脂フレーム３４がＭＥＡとの間に介装される場合を示している）。以下、本発明実施例では、セパレータ１８がメタルセパレータからなり、メタルセパレータとＭＥＡとの間に樹脂フレーム３４が介装される場合を例にとって説明する。

燃料ガス、酸化ガス、冷媒は、セル内において互いにシールされている。
各セルモジュール１９のＭＥＡを挟む２つのセパレータ１８間は、図２に示すように、第１のシール材（接着剤）３３によってシールされている。以下、燃料電池構成材の第１のシール材３３との接触部分（第１のシール材３３によってシールされている部分）を接着剤シール部４２という。第１のシール材３３は、アノード側メタルセパレータ１８ａとアノード側樹脂フレーム３４ａとの間と、アノード側樹脂フレーム３４ａとカソード側樹脂フレーム３４ｂとの間と、カソード側樹脂フレーム３４ｂとカソード側メタルセパレータ１８ｂとの間とに設けられる。
隣接するセルモジュール１９同士の間は、第２のシール材（ガスケット）３２によってシールされている。
燃料電池構成材の表面２面のそれぞれに配置された第１、第２のシール材３２、３３は、積層方向に沿って実質的に正反対の位置に配置される。
燃料電池スタック２３にかけられるセル積層方向の締結荷重により、第１、第２のシール材３２、３３にセル積層方向のシール荷重がかかる。

図１（ｂ）に示すように、冷媒マニホールド２９の周りは、冷媒マニホールド２９から冷媒流路２６に冷媒を導入、または冷媒流路２６から冷媒マニホールド２９に冷媒を排出するため、冷媒マニホールド２９と冷媒流路２６の間の冷媒連通路４１の第２のシール材３２は切れていて存在しない。そのため、接着剤シール部４２は、第２のシール材３２の反力（荷重伝達）がかかる第１の部分４２ａと、第２のシール材３２の反力（荷重伝達）がかからない第２の部分４２ｂとを有する。ここで、「反力」は、隣接する燃料電池セル１０からの締結荷重を受ける際の反力である。

接着剤シール部４２の表面（セパレータ１８の第１のシール材３３との接触面だけでなく樹脂フレーム３４の第１のシール材３３との接触面も含む）には、図３の斜線部にて示すように、第２の部分４２ｂに限定して、第１のシール材３３との接着強度を、第１の部分４２ａの第１のシール材３３との接着強度よりも上げる、表面処理が施されている。表面処理は、図２に示すように、アノード側メタルセパレータ１８ａのＭＥＡ側面と、アノード側樹脂フレーム３４ａのアノード側メタルセパレータ側面と、アノード側樹脂フレーム３４ａのＭＥＡ側面と、カソード側樹脂フレーム３４ｂのＭＥＡ側面と、カソード側樹脂フレーム３４ｂのカソード側メタルセパレータ側面と、カソード側メタルセパレータ１８ｂのＭＥＡ側面とに、施されている。

表面処理は、第１のシール材３３との接触面積を増加させる、粗面化処理である。ただし、表面処理は、粗面化処理に限定されるものではなく、プライマー処理、プラズマ処理、コロナ処理、化成処理（リン酸処理）等であってもよい。表面処理が粗面化処理であるため、粗面化処理しない場合に比べて、第２の部分４２ｂは粗面化される。
粗面化処理は、サンドブラスト、ショットブラスト、等にて行われる。また、粗面化処理は、樹脂フレーム３４が型成形品である場合には、樹脂フレーム３４の第２の部分４２ｂに対応する金型部分を局部的に粗くしておき成形時に金型部分の粗面を樹脂フレーム３４の第２の部分４２ｂに転写して該第２の部分４２ｂを粗面化することにより、行われていてもよい。

つぎに、本発明実施例の作用・効果を説明する。
本発明実施例では、燃料電池構成材の接着剤シール部４２の表面に、第２のシール材３２の反力がかからない第２の部分４２ｂに限定して、第１のシール材３３との接着強度を、第２のシール材３２の反力がかかる第１の部分４２ａの第１のシール材３３との接着強度よりも上げる表面処理を施したので、表面処理を施していない場合に比べて、第２の部分４２ｂのシール安定性を高めることができる。
また、第２の部分４２ｂに限定して表面処理を施すので、第１、第２の部分４２ａ、４２ｂの全て、または、メタルセパレータ１８、樹脂フレーム３４の全面に表面処理を施す場合に比べて、低コストである。

表面処理が粗面化処理であるので、メタルセパレータ１８、樹脂フレーム３４にガス導入部など厚みが薄くもろい部位がある場合、メタルセパレータ１８、樹脂フレーム３４の全面に粗面化処理を施してしまうと、割れ、反りなどの問題が起こるおそれがあるが、本発明では第２の部分４２ｂに限定して粗面化処理を施すため、メタルセパレータ１８、樹脂フレーム３４の全面に粗面化処理を施す場合に比べて、メタルセパレータ１８、樹脂フレーム３４の割れ、反りなどの問題が起こりにくい。

粗面化処理がサンドブラスト、ショットブラストにて行われる場合、型成形された樹脂フレーム３４の表面（ウェルドが発生している場合には特にウェルド部）に残存している離型剤を、ブラスト処理によって除去できる。そのため、粗面化とあわせて飛躍的にシール安定性を上げることができる。

本発明実施例の燃料電池の、セパレータの（ａ）正面図および（ｂ）背面図である。図１のＡ−Ａ’断面図である。本発明実施例の燃料電池の、セパレータに表面処理を施す部分を斜線にて示した、セパレータの正面図である。燃料電池スタックの概略側面図である。従来の、燃料電池の部分拡大断面図である。

符号の説明

１０（固体高分子電解質型）燃料電池
１１電解質膜
１４電極（アノード、燃料極）
１７電極（カソード、空気極）
１８セパレータ
１９セルモジュール
２０ターミナル
２１インシュレータ
２２エンドプレート
２３燃料電池スタック
２４締結部材（テンションプレート）
２５ボルト
２６冷媒流路
２７燃料ガス流路
２８酸化ガス流路
２９冷媒マニホールド
３０燃料ガスマニホールド
３１酸化ガスマニホールド
３２第２のシール材（ガスケット）
３３第１のシール材（接着剤）
３４、３４ａ、３４ｂ樹脂フレーム
４１冷媒連通路
４２接着剤シール部
４２ａ接着剤シール部の第１の部分
４２ｂ接着剤シール部の第２の部分

Claims

セルモジュールの膜−電極アッセンブリを挟む２つのセパレータ間が第１のシール材によってシールされ、隣接する前記セルモジュール同士の間が第２のシール材によってシールされる燃料電池であって、
前記セパレータの前記第１のシール材との接触部分が、該セパレータの裏側に前記第２のシール材が存在する第１の部分と、該セパレータの裏側に前記第２のシール材が存在しない第２の部分とを有しており、
前記セパレータの前記第２の部分と前記第１のシール材との接着強度を、前記セパレータの前記第１の部分と前記第１のシール材との接着強度より大とした、燃料電池。
前記第２の部分の接着強度の変更は、前記シール材が接着される前記燃料電池構成材の表面に前記第１の部分と異なる表面処理を施すことによって行われる請求項１記載の燃料電池。
前記表面処理は粗面化処理である請求項２記載の燃料電池。
前記燃料電池構成材の前記第２の部分に対応する金型部分を局部的に粗くしておき成形時に前記金型部分の粗面を前記第２の部分に転写して該第２の部分を粗面化する請求項３記載の燃料電池。
前記表面処理はプラズマ処理である請求項２記載の燃料電池。