JP4887600B2 - 燃料電池、その分解方法およびそのセパレータ - Google Patents
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Description
電解質の両面に電極が配置された電極アセンブリと、
前記電極アセンブリを両面から挟持し一方の電極側に酸化ガス通路を形成し他方の電極側に燃料ガス通路を形成する一対のセパレータと、
前記一対のセパレータによって形成される間隙のうちの前記電極アセンブリの周囲に設けられたシール材と、
前記一対のセパレータの少なくとも一方を破断するときに利用する破断用ガイドと、
を備えたものである。
図1は、第1実施例の燃料電池10の概略構成を表す説明図で(a)は平面図、(b)は(a)のA−A断面図である。
EA2の外周に設けられたシール材8と、片方のセパレータ6を破断するときに利用する破断用ガイドとしての凹部11とを備えている。この燃料電池10は、単セルと呼ばれるものであり起電力が0.6〜0.8V程度である。このため、例えば車両の駆動モータの供給電源として使用する場合には、多数の燃料電池10を緊密に積層することで数百Vの直流電源とする。
図10は、第2実施例の燃料電池20の概略構成を表す説明図で(a)は平面図、(b)は(a)のC−C断面図である。
図14は、第3実施例の燃料電池30の概略構成を表す断面図である。この断面図は、第1実施例の図1(b)と同様、燃料電池を厚さ方向に切断したときに現れる断面を表す。
図17は、第4実施例の燃料電池40の概略構成を表す断面図である。この断面図は、第1実施例の図1(b)と同様、燃料電池を厚さ方向に切断したときに現れる断面を表す。
第5実施例は、破断用ガイドを有さない以外は第1実施例と同様の構成を備えた燃料電池50の分解を助長する一例である。ここでは、燃料電池50の構成や発電動作についての説明は、破断用ガイドを有さない以外は第1実施例と同じであるため同じ構成要素については同じ符号を付してその説明を省略する。ただし、セパレータ6,7はカーボン製ではなく金属製とする。燃料電池50を解体する必要が生じたときの解体手順について図21及び図22に基づいて説明する。図21及び図22は燃料電池50を加圧ローラで処理するときの様子を表す斜視図及び側面図である。図22に示すように、一対の加圧ローラ52,52は、それぞれヒータ58を内蔵しており、支持台54に固定された回転軸56の周りに回転可能に取り付けられている。両支持台54は、図示しないボールネジ機構によって接近・離間可能となっている。まず、燃料電池50のセパレータ6,7の外面のうちシール材8に対応する箇所(トレースラインT)を一対の加圧ローラ52,52で挟み込む。このとき、トレースラインTのうち四隅の一つを開始点とし、この開始点を挟み込む。続いて、支持台54,54を接近させることにより、この開始点に所定の圧力を加える。所定の圧力は、セパレータ6,7に互いに離れるような反りを発生させる大きさに設定されている。また、各加圧ローラ52のヒータ58に通電して所定の温度に加熱する。所定の温度は、シール材8の軟化温度以上又は溶融温度以上であって固体電解質膜3の耐熱温度未満に設定されている。そして、トレースラインTに沿って一対の加圧ローラ52,52の間に燃料電池50を送り込んでいく。すると、燃料電池50のうち加圧ローラ52,52の間を通過した部分は、加熱されてシール材8が軟化又は溶融することによりシール材8の接着力が低下すると共に、加圧されてセパレータ6,7に互いに離れるような反りが発生する。この結果、一対のセパレータ6,7の外縁は全周にわたって互いに離れた状態になる。その後、作業者はセパレータ6,7を取り外してMEA2(軟化又は溶融したシール材8が付着しているもの)を取り出して回収する。
第6実施例は、燃料電池50の解体を第5実施例とは別の方法により助長する一例である。燃料電池50を解体する必要が生じたときの解体手順について図24に基づいて説明する。図24は燃料電池50を切断刃102で処理するときの様子を表す断面図である。まず、切断工具としての切断刃102を、セパレータ6,7の間隙のうちセパレータ6と固体電解質膜3との間のシール材8へ差し込むことによりこのシール材8を切断する。続いて、切断刃102を引き抜き、今度はセパレータ6,7の間隙のうちセパレータ7と固体電解質膜3との間のシール材8へ差し込むことによりこのシール材8を切断する。そして、この作業を燃料電池50の全周にわたって行う。この結果、一対のセパレータ6,7は全周にわたってシール材8と切り離された状態になる。その後、作業者はセパレータ6,7を取り外してMEA2を取り出して回収する。
第7実施例は、第2実施例の一変形例である。図29は第7実施例の燃料電池90の概略構成を表す断面図、図30はこの燃料電池90を組み立てる前の断面図である。なお、図29は、図1(a)のA−A断面図である図1(b)と同様にして切断したときの断面図である。
燃料電池のセパレータ6,7の周縁部分に肉厚を薄くした薄肉部を形成し、第1実施例の破断用ガイドとしての凹部11、13,15,17,18や第2実施例の破断用ガイド21,22,25,26を薄肉部に設けてもよいし、第3実施例の破断用ガイド31,37,38をセパレータ6の薄肉部とセパレータ7の薄肉部との間に設置してもよい。こうすれば、一層セパレータ6,7を破断しやすくなる。例えば、図32のようにセパレータ6,7のうちMEA2と対向する面側を端に向かって徐々に薄くなるような形状の薄肉部6p,7pを採用してもよいし、図33のようにセパレータ6,7のうちMEA2と対向する面側を燃料ガス通路6gや酸化ガス通路7gの最外部(肉厚が厚い部分)と段差を付けて薄肉化した薄肉部6q,7qを採用してもよいし、図34のようにセパレータ6,7のうちMEA2と対向する面とは反対側に段差を付けて薄肉化した薄肉部6r,7rを採用してもよい。ただし、複数の燃料電池をスタックしたときのセパレータ同士の接触面積を減らさないためには図32の薄肉部6p,7pか図33の薄肉部6q,7qを採用するのが好ましい。なお、セパレータ6,7のいずれか一方のみに薄肉部を設けてもよい。また、図32において、凹部11、13,15,17,18や破断用ガイド21,22,31,37,38を設けることなく、薄肉部6p,7pそのものを破断用ガイドとしてもよい。この場合、薄肉部6p,7pを上下から圧縮するような外力を付与することによりこの薄肉部6p,7pを破断させることになる。この点は、図33の薄肉部6q,7qや図34の薄肉部6r,7rについても同様である。
Claims (73)
- 電解質の両面に電極が配置された電極アセンブリと、
前記電極アセンブリを両面から挟持し一方の電極側に酸化ガス通路を形成し他方の電極側に燃料ガス通路を形成する一対のセパレータと、
前記一対のセパレータによって形成される間隙のうちの前記電極アセンブリの周囲に設けられたシール材と、
前記一対のセパレータの少なくとも一方を破断するときに利用する破断用ガイドと、
を備え、
前記破断用ガイドは、前記セパレータの外周に沿って連続的又は断続的に設けられた凹部である、燃料電池。 - 前記破断用ガイドは、前記一対のセパレータの少なくとも一方を前記電極の外側で且つ前記シール材の内側の位置で破断するときに利用するものである、請求項1記載の燃料電池。
- 前記破断用ガイドは、前記一対のセパレータの少なくとも一方のセパレータのうち前記シール材と接する面に形成されている、請求項1又は2のいずれか記載の燃料電池。
- 前記破断用ガイドは、前記一対のセパレータの少なくとも一方のセパレータに形成された薄肉部に設けられ、前記薄肉部は、前記セパレータのうち前記電極アセンブリと対向する面側を削った形状である、請求項1〜3のいずれか記載の燃料電池。
- 前記破断用ガイドは、前記一対のセパレータの少なくとも一方に設けられ該セパレータのうち前記電極アセンブリと対向する面以外の面に形成されている、請求項1〜3のいずれか記載の燃料電池。
- 前記破断用ガイドは、前記一対のセパレータの少なくとも一方に設けられ該セパレータのうち前記電極アセンブリと対向する面とは反対側の面に形成されている、請求項5記載の燃料電池。
- 前記破断用ガイドは、前記セパレータの外周に沿って断続的に設けられた凹部であり、前記凹部は、開口形状が多角形で少なくとも一つの頂角が90°未満である、請求項1〜6のいずれか記載の燃料電池。
- 前記凹部は、前記セパレータの厚さ方向に切断したときの断面形状がくさび形である、請求項1〜7のいずれか記載の燃料電池。
- 前記凹部は、前記セパレータの厚さ方向に切断したときの断面形状が略V字、略U字又は略半円である、請求項1〜7のいずれか記載の燃料電池。
- 前記凹部は、前記セパレータに設けられた冷媒通路を兼用している、請求項1〜9のいずれか記載の燃料電池。
- 電解質の両面に電極が配置された電極アセンブリと、
前記電極アセンブリを両面から挟持し一方の電極側に酸化ガス通路を形成し他方の電極側に燃料ガス通路を形成する一対のセパレータと、
前記一対のセパレータによって形成される間隙のうちの前記電極アセンブリの周囲に設けられたシール材と、
前記一対のセパレータの少なくとも一方を破断するときに利用する破断用ガイドと、
を備え、
前記破断用ガイドは、前記一対のセパレータの少なくとも一方に前記セパレータの外周に沿って連続的又は断続的に設けられ、該セパレータとは硬度が異なる異質材料で形成されている、燃料電池。 - 前記破断用ガイドは、前記セパレータに略凹凸なく形成されている、請求項11記載の燃料電池。
- 前記破断用ガイドは、前記セパレータの外周に沿って断続的に設けられ、前記セパレータの表面に露出している露出部の形状が多角形で少なくとも一つの頂角が90°未満である、請求項11又は12記載の燃料電池。
- 前記破断用ガイドは、前記セパレータの厚さ方向に切断したときの断面形状がくさび形である、請求項11〜13のいずれか記載の燃料電池。
- 前記異質材料は、前記セパレータと略同等の導電性を有する、請求項11〜14のいずれか記載の燃料電池。
- 前記異質材料は、前記セパレータよりも高硬度の材料である、請求項11〜15のいずれか記載の燃料電池。
- 前記異質材料は、前記セパレータよりも低硬度の材料である、請求項11〜15のいずれか記載の燃料電池。
- 電解質の両面に電極が配置された電極アセンブリと、
前記電極アセンブリを両面から挟持し一方の電極側に酸化ガス通路を形成し他方の電極側に燃料ガス通路を形成する一対のセパレータと、
前記一対のセパレータによって形成される間隙のうちの前記電極アセンブリの周囲に設けられたシール材と、
前記一対のセパレータの少なくとも一方を破断するときに利用する破断用ガイドと、
を備え、
前記破断用ガイドは、前記一対のセパレータによって形成される間隙のうちの前記電極の外周側に設けられ、該間隙を狭める押圧力が加えられたとき該間隙が所定幅より狭まるのを阻止する阻止部材である、燃料電池。 - 前記阻止部材は、前記セパレータの外周に沿って燃料ガスや酸化ガスの給排の妨げにならないように形成されている、請求項18記載の燃料電池。
- 前記阻止部材は、絶縁材料で形成されている、請求項18又は19記載の燃料電池。
- 前記阻止部材は、前記セパレータの外周側に押されると上下部位が前記一対のセパレータに密着して前記シール材の漏れを防止する、請求項18〜20のいずれか記載の燃料電池。
- 前記阻止部材は、前記セパレータの厚さ方向に切断したときの断面形状が略円形であり、前記一対のセパレータは、前記セパレータの端部に向かって前記間隙が徐々に狭くなる徐変部を有している、請求項18〜21のいずれか記載の燃料電池。
- 前記阻止部材は、前記セパレータの外周に沿って配置された丸棒部材又は球状部材である、請求項22記載の燃料電池。
- 電解質の両面に電極が配置された電極アセンブリと、
前記電極アセンブリを両面から挟持し一方の電極側に酸化ガス通路を形成し他方の電極側に燃料ガス通路を形成する一対のセパレータと、
前記一対のセパレータによって形成される間隙のうちの前記電極アセンブリの周囲に設けられたシール材と、
前記一対のセパレータの少なくとも一方を破断するときに利用する破断用ガイドと、
を備え、
前記破断用ガイドは、前記一対のセパレータの少なくとも一方に設けられ前記シール材の外周位置又はその近傍から前記セパレータの端部に向かって前記一対のセパレータの間隙が徐々に広がるように形成された傾斜面である、燃料電池。 - 前記傾斜面は、尖端がこう配を有する破断用工具を前記一対のセパレータの間隙内に挿入する際のスペースを確保するものである、請求項24記載の燃料電池。
- 前記傾斜面は、傾斜角が前記破断用工具のこう配角度以上である、請求項25記載の燃料電池。
- 前記破断用ガイドは、前記傾斜面と、前記一対のセパレータの他方に設けられ前記破断用工具の先端が内方向へ水平に動くのをガイドする水平面とによって構成される、請求項24〜26のいずれか記載の燃料電池。
- 電解質の両面に電極が配置された電極アセンブリと、
前記電極アセンブリを両面から挟持し一方の電極側に酸化ガス通路を形成し他方の電極側に燃料ガス通路を形成する一対のセパレータと、
前記一対のセパレータによって形成される間隙のうちの前記電極アセンブリの周囲に設けられたシール材と、
前記一対のセパレータの少なくとも一方を破断するときに利用する破断用ガイドと、
を備え、
前記破断用ガイドは、前記一対のセパレータの少なくとも一方のセパレータに設けられた薄肉部である、燃料電池。 - 前記薄肉部は、前記セパレータのうち前記電極アセンブリと対向する面側を削った形状である、請求項28記載の燃料電池。
- 前記電解質は、固体電解質である、請求項1〜29のいずれか記載の燃料電池。
- 電解質の両面に電極が配置された電極アセンブリと、前記電極アセンブリを両面から挟持し一方の電極側に酸化ガス通路を形成し他方の電極側に燃料ガス通路を形成する一対のセパレータと、前記一対のセパレータによって形成される間隙のうちの前記電極アセンブリの周囲に設けられたシール材と、を備えた燃料電池を分解する方法であって、
前記一対のセパレータの少なくとも一方のセパレータの外面又は前記一対のセパレータの間隙に前記燃料電池の外側から内側に向かって外力を付与することにより前記燃料電池の分解を助長するステップを含む、燃料電池分解方法。
- 前記ステップでは、前記一対のセパレータの少なくとも一方が前記電極の外側で且つ前記シール材の内側の位置に前記外力を付与する、請求項31記載の燃料電池分解方法。
- 前記ステップは請求項1〜30のいずれか記載の燃料電池の分解を助長するステップであり、該ステップでは前記破断用ガイドを利用して前記セパレータの少なくとも一方を破断する、請求項31又は32記載の燃料電池分解方法。
- 前記ステップは請求項1〜17のいずれか記載の燃料電池の分解を助長するステップであり、該ステップでは破断用工具で前記破断用ガイドに外力を加えることにより前記セパレータの少なくとも一方を破断する、請求項31又は32記載の燃料電池分解方法。
- 前記ステップは請求項1〜10のいずれか記載の燃料電池の分解を助長するステップであり、該ステップでは破断用工具の尖端を前記凹部の底部分に当てて該底部分に外力を加えることにより前記セパレータの少なくとも一方を破断する、請求項31又は32記載の燃料電池分解方法。
- 前記ステップでは、前記破断用工具の尖端を前記凹部の底部分に当てて該底部分を作用点とし、前記破断用工具の腹を前記凹部の開口縁に当てて該開口縁を支点とし、前記破断用工具の基端に力を加えて該基端を力点として、テコの原理により前記作用点に外力を加える、請求項35記載の燃料電池分解方法。
- 前記ステップは請求項1〜10のいずれか記載の燃料電池の分解を助長するステップであり、該ステップでは尖端がこう配を有する破断用工具を用意し該尖端を前記凹部の開口から挿入していき該凹部に拡開する方向の外力を加えることにより前記セパレータの少なくとも一方を破断する、請求項31又は32記載の燃料電池分解方法。
- 前記ステップは請求項16記載の燃料電池の分解を助長するステップであり、該ステップでは破断用工具で前記破断用ガイドに外力を加えることにより該破断用ガイドを前記セパレータの厚さ方向へ押し込んで該セパレータを破断する、請求項31又は32記載の燃料電池分解方法。
- 前記ステップは請求項17記載の燃料電池の分解を助長するステップであり、該ステップでは破断用工具の尖端を前記破断用ガイドに当てて該破断用ガイドに外力を加えることにより該破断用工具の尖端を前記セパレータの厚さ方向へ進入させて該破断用ガイドを突破させながら該セパレータを破断する、請求項31又は32記載の燃料電池分解方法。
- 前記ステップは請求項18〜23のいずれか記載の燃料電池の分解を助長するステップであり、該ステップでは前記セパレータのうち前記阻止部材の内側の領域に対し前記間隙が狭まる方向に外力を加えることにより前記セパレータの少なくとも一方を破断する、請求項31又は32記載の燃料電池分解方法。
- 前記ステップは請求項24〜27のいずれか記載の燃料電池の分解を助長するステップであり、該ステップでは前記セパレータのうち前記シール材の内側の領域に対し前記間隙が狭まる方向に外力を加えた状態で前記破断用ガイドに沿って破断用工具の尖端を前記間隙の奥へ挿入していくことにより前記セパレータの少なくとも一方を破断する、請求項31又は32記載の燃料電池分解方法。
- 前記ステップでは、前記破断用工具を2つ用意し前記セパレータの互いに対向する方向からそれぞれ挿入する、請求項41記載の燃料電池分解方法。
- 前記ステップでは、前記破断用ガイドに沿って前記破断用工具の尖端を前記間隙に挿入した状態で該破断用工具を捻ることにより前記セパレータの少なくとも一方を破断する、請求項41又は42記載の燃料電池分解方法。
- 前記ステップでは、前記一対のセパレータの間隙に切断工具を前記燃料電池の外側から挿入することにより外力を付与する、請求項31又は32記載の燃料電池分解方法。
- 前記ステップでは、前記一対のセパレータの間隙に配置されている前記シール材を前記切断工具により切断する、請求項44記載の燃料電池分解方法。
- 前記ステップでは、前記一対のセパレータを両側から挟んで加圧しながら加圧位置を移動させることにより該一対のセパレータに互いに離れるような反りを発生させる、請求項31又は32記載の燃料電池分解方法。
- 前記一対のセパレータは金属製である、請求項46記載の燃料電池分解方法。
- 前記ステップでは、前記一対のセパレータを両側から挟んで加圧すると共に前記シール材を加熱して軟化又は溶融させながら加圧加熱位置を外周に沿って移動させる、請求項46又は47記載の燃料電池分解方法。
- 前記ステップでは、一対の加圧ローラによって前記一対のセパレータを両側から挟んで加圧しながら加圧位置を移動させる、請求項46〜48のいずれか記載の燃料電池分解方法。
- 前記ステップでは、ヒータ機能を備えた一対の加圧ローラによって前記一対のセパレータを両側から挟んで加圧すると共に前記シール材を加熱して軟化又は溶融させながら加圧位置を外周に沿って移動させる、請求項46〜49のいずれか記載の燃料電池分解方法。
- 前記電解質は、固体電解質である、請求項31〜50いずれか記載の燃料電池分解方法。
- 電解質の両面に電極が配置された電極アセンブリを両面から挟持するセパレータであって、
周縁部に該セパレータを破断するときに利用する破断用ガイド、
を備え、
前記破断用ガイドは、前記セパレータの外周に沿って連続的又は断続的に設けられた凹部である、セパレータ。 - 前記破断用ガイドは、前記電極の外側で且つ前記電極アセンブリの周囲に設けられるシール材の内側の位置で破断するときに利用するものである、請求項52記載のセパレータ。
- 前記破断用ガイドは、前記電極アセンブリの周囲に設けられるシール材と接する面に形成されている、請求項52又は53記載のセパレータ。
- 前記破断用ガイドは、他の部分よりも肉厚が薄い薄肉部に設けられ、前記薄肉部は、前記セパレータのうち前記電極アセンブリと対向する面側を削った形状である、請求項52〜54のいずれか記載のセパレータ。
- 前記破断用ガイドは、前記電極アセンブリと対向する面以外の面に形成されている、請求項52又は53記載のセパレータ。
- 前記破断用ガイドは、前記電極アセンブリと対向する面とは反対側の面に形成されている、請求項56記載のセパレータ。
- 前記破断用ガイドは、前記セパレータの外周に沿って断続的に設けられた凹部であり、前記凹部は、開口形状が多角形で少なくとも一つの頂角が90°未満である、請求項52〜57のいずれか記載のセパレータ。
- 前記凹部は、セパレータの厚さ方向に切断したときの断面形状がくさび形である、請求項52〜58のいずれか記載のセパレータ。
- 前記凹部は、セパレータの厚さ方向に切断したときの断面形状が略V字、略U字又は略半円である、請求項52〜58のいずれか記載のセパレータ。
- 前記凹部は、前記燃料電池を冷却するための冷媒通路を兼用している、請求項52〜60のいずれか記載のセパレータ。
- 電解質の両面に電極が配置された電極アセンブリを両面から挟持するセパレータであって、
周縁部に該セパレータを破断するときに利用する破断用ガイド、
を備え、
前記破断用ガイドは、前記セパレータの外周に沿って連続的又は断続的に設けられ、該セパレータとは硬度が異なる異質材料で形成されたものである、セパレータ。 - 前記破断用ガイドは、表面に略凹凸なく形成されている、請求項62記載のセパレータ。
- 前記破断用ガイドは、前記セパレータの外周に沿って断続的に設けられ、表面に露出している露出部の形状が多角形で少なくとも一つの頂角が90°未満である、請求項62又は63記載のセパレータ。
- 前記破断用ガイドは、セパレータの厚さ方向に切断したときの断面形状がくさび形である、請求項62〜64のいずれか記載のセパレータ。
- 前記異質材料は、セパレータと略同等の導電性を有する、請求項62〜65のいずれか記載のセパレータ。
- 前記異質材料は、セパレータよりも高硬度の材料である、請求項62〜66のいずれか記載のセパレータ。
- 前記異質材料は、セパレータよりも低硬度の材料である、請求項62〜66のいずれか記載のセパレータ。
- 電解質の両面に電極が配置された電極アセンブリを両面から挟持するセパレータであって、
周縁部に該セパレータを破断するときに利用する破断用ガイド、
を備え、
前記破断用ガイドは、前記電極アセンブリの周囲に設けられるシール材の外周位置又はその近傍から端部に向かって前記一対のセパレータの間隔が徐々に広がるように形成された傾斜面である、セパレータ。 - 前記傾斜面は、尖端がこう配を有する破断用工具を端部から前記電極アセンブリの周囲に設けられるシール材に向かって挿入する際のスペースを確保するものである、請求項69記載のセパレータ。
- 前記傾斜面は、傾斜角が前記破断用工具のこう配角度以上である、請求項70記載のセパレータ。
- 電解質の両面に電極が配置された電極アセンブリを両面から挟持するセパレータであって、
周縁部に該セパレータを破断するときに利用する破断用ガイド、
を備え、
前記破断用ガイドは、他の部分に比べて肉厚が薄い薄肉部であり、前記薄肉部は、前記セパレータのうち前記電極アセンブリと対向する面側を削った形状である、セパレータ。 - 前記電解質は、固体電解質である、請求項52〜72いずれか記載のセパレータ。
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