JP5061755B2 - Fuel cell - Google Patents
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Description
本発明は、電解質膜と、この電解質膜の両側に積層配置するセパレータとを有し、これら電解質膜およびセパレータを有する燃料電池構成部品相互間に、これら各燃料電池構成部品相互を接着するとともにシール機能を備えるシール材を設けた燃料電池に関する。 The present invention has an electrolyte membrane and separators disposed on both sides of the electrolyte membrane, and these fuel cell components are bonded and sealed between the electrolyte membrane and the fuel cell components having the separator. The present invention relates to a fuel cell provided with a sealing material having a function.
一般に、燃料電池は、反応ガスである水素などの燃料ガスと空気などの酸化剤ガスを電気化学的に反応させることにより、燃料の持つ化学エネルギを直接電気エネルギに変換する装置である。このような燃料電池として、例えば下記特許文献1には、電解質膜を備える膜・電極接合体およびセパレータからなる燃料電池構成部品相互間に、接着剤からなるシール材を設ける点が記載されている。
ところで、上記した従来の燃料電池のように、シール材として接着剤を使用するものでは、接着剤を硬化させる時間が必要である。また、被着部品(燃料電池構成部品)相互に接触させ、該接触を保持した状態で接着剤を硬化させる必要がある。しかしながら、従来の燃料電池では、膜・電極接合体とその両側の一対のセパレータからなる単セル(単位電池)を複数積層して燃料電池スタックを構成する製造時について考慮した燃料電池となっていなかった。 By the way, in the case of using an adhesive as a sealing material like the above-described conventional fuel cell, time for curing the adhesive is required. In addition, it is necessary to cure the adhesive in a state where the adherent parts (fuel cell constituent parts) are brought into contact with each other and the contact is maintained. However, the conventional fuel cell is not a fuel cell that takes into account the manufacturing time when a fuel cell stack is configured by laminating a plurality of single cells (unit cells) composed of a membrane / electrode assembly and a pair of separators on both sides thereof. It was.
そこで、本発明は、電解質膜と、電解質膜の両側に積層配置するセパレータとを接着機能を備えたシール材を用いて積層する場合であっても、短時間で積層固定できるようにした燃料電池を提供することを目的としている。 Accordingly, the present invention provides a fuel cell in which an electrolyte membrane and separators stacked on both sides of the electrolyte membrane can be laminated and fixed in a short time even when they are laminated using a sealing material having an adhesive function. The purpose is to provide.
本発明は、電解質膜及びこの電解質膜の両側に位置するガス拡散層を有する膜電極接合体と、この膜電極接合体の両側に積層配置するセパレータとを、燃料電池構成部品として、該燃料電池構成部品相互間に、これら各燃料電池構成部品相互を接着するとともにシール機能を備えるシール材を設けた燃料電池であって、前記セパレータは、他の燃料電池構成部品に向けて突出する凸部と該凸部に囲まれた凹部とを有し、前記シール材は、前記凹部を囲む前記凸部に対応する位置もしくは前記凹部を囲む前記凸部より内側に設け、前記各燃料電池構成部品は、前記凹部を囲む前記凸部より外側に突出する外周端部を有して、この外周端部相互間に隙間を設けたことを最も主要な特徴とする。 The present invention relates to a fuel cell comprising, as a fuel cell component , a membrane electrode assembly having an electrolyte membrane and gas diffusion layers located on both sides of the electrolyte membrane, and a separator disposed on both sides of the membrane electrode assembly. A fuel cell in which the fuel cell components are bonded to each other and provided with a sealing material having a sealing function, and the separator includes a convex portion protruding toward another fuel cell component. A concave portion surrounded by the convex portion, and the sealing material is provided at a position corresponding to the convex portion surrounding the concave portion or inside the convex portion surrounding the concave portion, and each fuel cell component is a peripheral edge projecting outwardly from the convex portion surrounding the recess, and most important, characterized in that a gap is provided between the outer peripheral end mutual this.
本発明によれば、積層固定前の各燃料電池構成部品を、外周端部相互間の隙間を利用して、積層固定後の各燃料電池構成部品相互の間隔より広い状態で支持し、この支持した状態で各燃料電池構成部品に対して積層方向に荷重を付与することで、互いに対向する燃料電池構成部品の一方側に設けたシール材を他方側の燃料電池構成部品に一括して接触させて硬化させることができ、電解質膜およびその両側に位置するセパレータを複数積層する場合であっても、短時間で積層作業を行うことができる燃料電池を得ることができる。 According to the present invention, each fuel cell component before stacking and fixing is supported in a state wider than the interval between the fuel cell components after stacking and fixing using the gap between the outer peripheral ends. In this state, by applying a load to each fuel cell component in the stacking direction, the sealing material provided on one side of the fuel cell components facing each other is brought into contact with the fuel cell component on the other side in a lump. Even in the case where a plurality of electrolyte membranes and separators located on both sides thereof are laminated, a fuel cell that can be laminated in a short time can be obtained .
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
まず、本発明の後述する全実施形態にわたって共通するかまたは類似する部分の燃料電池である燃料電池スタック1の構成を、図1〜図3を参照して説明する。本発明の燃料電池スタック1は、固体高分子電解質型燃料電池スタックであり、例えば自動車に搭載される。ただし、自動車以外に用いてもよい。 First, the structure of the fuel cell stack 1 which is a fuel cell of a part common to or similar to all the embodiments described later of the present invention will be described with reference to FIGS. The fuel cell stack 1 of the present invention is a solid polymer electrolyte fuel cell stack, and is mounted on, for example, an automobile. However, you may use other than a motor vehicle.
図1は燃料電池スタック1の斜視図、図2は、図1の燃料電池スタック1の側面図である。この燃料電池スタック1は、1V程度の起電圧を生じる単位電池である単セル3を所定数積層して構成してあり、全体としてほぼ直方体形状を呈している。後述するが、これら積層した複数の単セル3は、例えば四隅に配した締結具であるテンションロッド5をスタック内部に貫通させて締結している。
FIG. 1 is a perspective view of the fuel cell stack 1, and FIG. 2 is a side view of the fuel cell stack 1 of FIG. This fuel cell stack 1 is configured by laminating a predetermined number of
図3は単セル3の構造を一部示す断面図である。この単セル3は、イオン交換膜からなる電解質膜7の外周縁部を除く両主面のアノード側およびカソード側それぞれに撥水層,触媒層(図示せず)およびガス拡散層9が配された膜・電極接合体(MEA)11と、MEA11に燃料ガス(水素)および酸化剤ガス(酸素、通常は空気)を供給するためのガス流路13を備えた一対のセパレータ15とを、シール材としての接着シール剤17により接合した構造である。接着シール剤17は、単セル3に流れる燃料ガス,酸化剤ガスの漏洩および混合を防止する役割も持つ。
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a part of the structure of the
上記したMEA11およびセパレータ15により燃料電池構成部品を構成しており、前記した接着シール剤17は、各燃料電池構成部品相互を接着するとともにシール機能を備えていることになる。
The above-described
MEA11における電解質膜7は、固体高分子材料、例えばフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であって湿潤状態で良好な電気伝導性を示し、外周部の全周にわたりガス拡散層9よりも外側に突出している。また、電解質膜7は厚さが数十μmと極めて薄いため、取り扱い性を向上させるために、上記した外側への突出した部位の両側に、樹脂材料からなる補強材18を貼り付けている。
The
そして、この補強材18を備えるMEA11の外周端部11aとセパレータ15の外周端部15aとの間および、互いに隣接する単セル3における各セパレータ15の外周端部15a相互間に、隙間Sを設けている。
A gap S is provided between the outer
ガス拡散層9は、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスや、カーボンペーパ、あるいはカーボンフエルトなど、充分なガス拡散性および導電性を有する多孔質部材によって構成される。
The
撥水層は例えばポリエチレンフルオロエチレンと炭素材を含む層であり、触媒層は白金が担持されたカーボンブラック用からなる。触媒層は、ガス拡散層9に担持されて電極を形成するか、電解質膜7の表面に、触媒としての白金または白金と他の金属からなる合金を担持して形成する。
The water repellent layer is a layer containing, for example, polyethylene fluoroethylene and a carbon material, and the catalyst layer is made of carbon black on which platinum is supported. The catalyst layer is supported by the
セパレータ15は、充分な導電性と強度と耐食性とを有する材料によって形成する。代表的な例としては、金属材料や、樹脂とカーボンとの混合材料が挙げられるが、ここでは樹脂とカーボンとの混合材料とする。
The
このセパレータ15の両面には、凸部15bおよび凸部15bに囲まれた凹部15cをそれぞれ有し、凹部15cの最も外側の部位に前記した接着シール剤17を配置している。なお、この接着シール剤17を配置している凹部15cは環状に形成してあり、したがって接着シール剤17も環状となっている。また、接着シール剤17を配置した部位よりも内側の凹部15cは、燃料ガス、酸化剤ガスをそれぞれ分流するための前記したガス流路13や、ガス流路13の反対面に冷却水を流すための冷却水流路19となる。
Both surfaces of the
燃料電池スタック1は、図1,図2に示すように、前述の単セル3を複数個積層して積層方向両端に、集電板21およびエンドプレート23を順次配置している。これら複数の単セル3、集電板21およびエンドプレート23からなる積層体を積層方向に荷重を付与して締め付け、この締め付け状態で該積層体の内部に貫通して設けた貫通孔に前記したテンションロッド5を挿通し、テンションロッド5の端部にナット25を螺合締結する。
As shown in FIGS. 1 and 2, the fuel cell stack 1 includes a plurality of the
テンションロッド5は剛性を備えた材料、例えば金属材料によって形成し、単セル3同士の電気的短絡を防止するため、表面には絶縁処理を施している。
The
集電板21は、緻密質カーボンや銅板などガス不透過な導電性部材によって形成し、エンドプレート23は、剛性を備えた絶縁材料によって形成する。また、2枚の集電板21にはそれぞれ出力端子21aを設けており、燃料電池スタック1で生じた起電力を出力端子21aから外部負荷に出力する。
The
上記したテンションロッド5による燃料電池スタック1の締付方法は、テンションロッド5を積層体の内部に貫通させる必要はなく、スタック外部でエンドプレート23同士をテンションロッド5により締め付けるようにしてもよい。
The above-described method of tightening the fuel cell stack 1 with the
また、上記した燃料電池スタック1の一方の端部のエンドプレート23には、図1に示すように、燃料ガス入口27および同出口29、酸化剤ガス入口31および同出口33、冷却水(冷却媒体)入口35および同出口37を、それぞれ備えている。これら各入口に連通する燃料ガス,酸化剤ガスおよび冷却水の単セル3への各分配流路および、各出口に連通する燃料ガス,酸化剤ガスおよび冷却水の単セル3からの各集合流路を、一方の端部側のエンドプレート23,集電板21および複数積層した単セル3を貫通して形成する。
Further, as shown in FIG. 1, an
上記した各分配流路および各集合流路は、前記したセパレータ15のアノード側およびカソード側の各ガス流路13,13、冷却水流路19の各対応する流路にそれぞれ連通している。
Each distribution channel and each collecting channel described above communicate with the corresponding ones of the
上記した燃料電池スタック1において、アノード側に供給された燃料ガス(水素含有ガス)は、触媒層にて水素イオン化され、適度に加湿された電解質膜7を介してカソード側の触媒層へと移動する。
In the fuel cell stack 1 described above, the fuel gas (hydrogen-containing gas) supplied to the anode side is hydrogen ionized in the catalyst layer and moves to the catalyst layer on the cathode side through the
そ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として利用される。カソード側のガス拡散層9には、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスあるいは空気が供給されているために、このカソード側の触媒層において、前記水素イオン、前記電子および酸素ガスが反応して水が生成される。
Electrons generated in the meantime are taken out to an external circuit and used as direct current electric energy. Since the
上記燃料ガスと酸化剤ガスの反応熱により、燃料電池スタック1の温度も昇温するわけだが、高分子イオン交換膜の耐熱温度を上回らぬよう、燃料電池スタック1を冷却する必要があり、該冷却のために、セパレータ15におけるガス供給面の裏面に形成した冷却水流路19に冷却水を供給することで燃料電池スタック1の温度制御を行っている。
Although the temperature of the fuel cell stack 1 is also raised by the reaction heat of the fuel gas and the oxidant gas, it is necessary to cool the fuel cell stack 1 so as not to exceed the heat resistance temperature of the polymer ion exchange membrane. For cooling, the temperature of the fuel cell stack 1 is controlled by supplying cooling water to a
このような燃料電池スタック1の燃料電池構成部品相互間には、供給されたガスおよび冷却水が燃料電池スタック1の外部へ漏洩しない、かつ、燃料電池スタック1内にて混合しないように、シール剤である前記した接着シール剤17を設けている。
A seal is provided between the fuel cell components of the fuel cell stack 1 so that the supplied gas and cooling water do not leak to the outside of the fuel cell stack 1 and are not mixed in the fuel cell stack 1. The above-described
なお、以下の実施形態において、正面図とは、ストレート流路における流路方向からの図とするが、流路形状やセパレータの形状及び配置方向を限定するものではない。 In the following embodiments, the front view is a view from the flow path direction in the straight flow path, but does not limit the flow path shape, the shape of the separator, and the arrangement direction.
[第1の実施形態]
次に、上記したような1つの単セル3を積層して接合固定する組立装置について説明する。図4は、この組立装置の一例を一部示す正面断面図、図5は図4の組立装置の概略を示す分解斜視図である。この組立装置は、燃料電池構成部品であるMEA11および2枚のセパレータ15を単セル3として積層する際の土台となる下面プレート39と、単セル3の上部側に配置する上面プレート41とを備え、下面プレート39上には、MEA11およびセパレータ15の外周側を囲むように、その外周端部11a,15aの近傍位置にロッド43を立設している。ロッド43は、図5では円柱形状としているが、角柱形状としても構わない。
[First Embodiment]
Next, an assembly apparatus for laminating and fixing one
なお、以下の説明では、セパレータ15およびMEA11を単に電池構成部品38と呼ぶことがある。
In the following description, the
図5では、ロッド43を、下面プレート39上に載置する最下部のセパレータ15の周囲に3本設けており、ここでの3本のロッド43は、矩形状を呈するセパレータ15やMEA11の周囲4辺のうち3辺に対応して設置している。
In FIG. 5, three
これら各ロッド43の上部は上面プレート41に設けた摺動孔41aに移動可能に挿入される。また、上面プレート41の四隅には、後述する図9(b)に示してあるボルト45を挿入するボルト挿入孔41bを、下面プレート39の四隅には、ボルト45を螺合締結するためのねじ孔39aを、それぞれ形成している。
The upper portions of these
また、ロッド43の外周にはコイルスプリング47を装着しており、該コイルスプリング47の中心に挿入したロッド43の先端(上端)は、図5に示すように圧縮されていない自然状態のコイルスプリング47の上端から突出している
そして、図4に示すように、上記したコイルスプリング47の中心軸方向に沿って形成されているコイル隙間49に、部品引掛部材となる部品引掛爪51をそれぞれ挿入配置している。ここで部品引掛爪51は、最下部のセパレータ15の上に順次積層する各電池構成部品38をそれぞれ支持するために、これら各電池構成部品38に対応して設けている。すなわち図4では、部品引掛爪51を、最下部のセパレータ15の上に順次積層するMEAとセパレータ15にそれぞれ対応して設けている。
Further, a
なお、図5では、1つのコイルスプリング47に対し部品引掛爪51を1枚のみ示してあり、また図5のコイルスプリング47は、図4のコイルスプリング47に対して巻き数を多くしているが、実際には図4のコイルスプリング47と同等のものである。
5 shows only one
上記した部品引掛爪51は、図5に示すように長方形の板材で構成されるとともに、ロッド43を挿入する切欠部51aを設けている。切欠部51aは、長方形の短辺部側の一側部が開口し、この開口側が電池構成部品38側に位置するよう設定している。また、この切欠部51aは、その幅Lをコイルスプリング47の外径より狭くすることで、部品引掛爪51を上記したコイル隙間49にてコイルスプリング47に保持されるようにしている。
As shown in FIG. 5, the
このような部品引掛爪51は、前述したように最下部のセパレータ15の上に積層する複数の電池構成部品38のすべてに対応して設置してあり、切欠部51aの開口側の先端部上に電池構成部品38の外周端部15a,11aを載置して電池構成部品38を支持する。
Such a
上記したロッド43,コイルスプリング47および部品引掛爪51により部品間距離可変制御機構を構成する。また、下面プレート39と上面プレート41とで、燃料電池構成部品を上下から加圧挟持して荷重を付与する荷重付与機構を構成する。
The
接着シール剤17は、最下部のセパレータ15における外周端部15aの内側(中心側)近傍の凹部15cのMEA11に対向する側に環状となるよう塗布するとともに、この凹部15cに対応する位置のMEA11(補強材18)の上面にも同様にして環状となるよう塗布してある。
The
下面プレート39上に載置してある、接着シール剤17を塗布済みのセパレータ15の上に、接着シール剤17を塗布済みのMEA11を積層する際に、このMEA11を、コイルスプリング47のコイル隙間49に挿入してある部品引掛爪51の先端上に載置する。同様にして、上記のMEA11の上に積層するセパレータ15を、コイルスプリング47のコイル隙間49に挿入してある上部の部品引掛爪51の先端上に載置する。
When the
ここで、図4に示すように、最下部のセパレータ15に塗布してある接着シール剤17の上端面と、MEA11の被着面(下部の補強材18の下面)との距離Hが、H>0となるように、コイルスプリング47のばね定数および部品引掛爪51の剛性を決定する。
Here, as shown in FIG. 4, the distance H between the upper end surface of the
上述したように、電池構成部品38を複数枚積層していくため、複数枚積層後のコイルスプリング47のコイル隙間49は、電池構成部品38や部品引掛爪51の自重によって下面プレート39近傍が圧縮されて密の傾向であり、逆に上面プレート41近傍が疎の傾向である。このため、最もコイルスプリング47のピッチ(コイル隙間49)が密となる下端部で、H>0となるようにコイルスプリング47のばね定数および部品引掛爪51の剛性を決定する。
As described above, since a plurality of
なお、コイルスプリング47を使わずに、各電池構成部品38を上記した距離HがH>0となる状態で支持する支持機構を設け、この支持機構による各電池構成部品38間の距離を変位センサにより測定しながら可変制御をするという構造であっても構わない。
A support mechanism for supporting each
図6は、電解質膜7の両主面に配してあるガス拡散層9の圧縮特性について示している。ガス拡散層9は前述したように多孔質材料であり、荷重に対し圧縮性を備えている。また、ガス拡散層9はセパレータ15と接触し電子の移動が行われるため、この接触面の接触抵抗値を低減させることで燃料電池スタック1の出力効率を向上させるこができる。接触抵抗は付与荷重に感度があり、セパレータ15の材質や、ガス拡散層9の材質などにもよるが、0.5〜2.0MPaの接触面圧となるように燃料電池スタック1に対する所定荷重F(図7)を決定する。
FIG. 6 shows the compression characteristics of the
図6では、同図(a)のように、ガス拡散層9がセパレータ15に接触した状態から、同図(b)のように荷重fを付与した際に寸法tだけ圧縮されることを示している。なお、このとき接着シール剤17も、セパレータ15の凹部15cに接触して潰された状態となる。
FIG. 6 shows that the
図7は、前記図4に示した各電池構成部品38の組立装置へのセット状態から、上面プレート41を用いて燃料電池スタック1に対し所定荷重Fを付与した状態を示す。図7における所定荷重Fは、図6に示した荷重fと、コイルスプリング47を圧縮させるために必要な荷重pとの和(F=f+p)である。
FIG. 7 shows a state in which a predetermined load F is applied to the fuel cell stack 1 using the
上面プレート41がコイルスプリング47および電池構成部品38(本例では最上部のセパレータ15)を押していく過程で、接着シール剤17とその上方に位置する被着部品(電池構成部品38)の被着面との距離HがH=0、すなわち接着シール剤17とその上方に位置する被着部品とが接触した状態になり、さらにガス拡散層9が圧縮量tだけ潰された時点で、付与荷重がFに到達して所定荷重付与状態となる。
In the process in which the
なお、上記荷重を付与していく過程で、接着シール剤17とガス拡散層9は、セパレータ15に対していずれか一方が先に接触しても、また同時に接触しても構わない。
In the process of applying the load, either the
上記図7のように所定荷重Fを付与した状態で、前述したボルト45などを用いて上面プレート41と下面プレート39とを締結し、オーブンなどで熱を付与し接着シール剤17を硬化させる。接着シール剤17が硬化したら、部品引掛爪51が電池構成部品38に接触しない位置まで部品引掛爪51を後退させ、上面プレート41と下面プレート39との締結を解除して燃料電池スタック1の単セル3が完成する。
In the state where the predetermined load F is applied as shown in FIG. 7, the
図8〜図10は、上記した組立装置を用いた単セル3もしくは、単セル3を複数積層したモジュール体の組立方法を示している。なお、図8〜図10は、単に組立方法を説明するための図であり、積層する電池構成部品38の数については単セル3に対応する数とは必ずしも一致していない。
8 to 10 show a method of assembling a
まず、図8(a)に示すように、1つの電池構成部品38(ここではセパレータ15)をシール剤塗布台53上に載置し、シール剤塗布台53の下方からシール剤塗布台53に設けた図示しない多数の小孔を通して空気を吸引することで、セパレータ15を吸引拘束して固定する。その後、ディスペンサ55にて接着シール剤17を所定位置に塗布する。
First, as shown in FIG. 8A, one battery component 38 (here, the separator 15) is placed on the
なお、本例ではディスペンサ55を用いた塗布方法であるが、例えばスクリーン印刷型塗布装置を用いるなど、塗布の方法は問わない。
In this example, the application method using the
上記図8(a)の方法にて、モジュール化を行う電池構成部品38の全て(ただし、最上部の電池構成部品38を除く)に、接着シール剤17をあらかじめ塗布しておく(シール材塗布工程)。
The
次に、図8(b)に示すように、部品引掛爪51をすべて後退位置として、切欠部51aの開口側の先端側を電池構成部品38に対して接触しない離反した後退位置とした上で、下面プレート39上の各ロッド43に囲まれた中央部位に最下部の電池構成部品38(セパレータ15)を載置する。
Next, as shown in FIG. 8B, all the
その後、図8(c)のように、最下部の部品引掛爪51を前進移動させて、その部品引掛爪51の先端上に、上記の電池構成部品38(セパレータ15)の上に積層する電池構成部品38(MEA11)を載置する。
Thereafter, as shown in FIG. 8C, the lowermost
以後同様に、上記前進させた部品引掛爪51の上部に位置する部品引掛爪51を前進させた状態で、既に載置してある電池構成部品38(MEA11)の上に積層する電池構成部品38を、対応する部品引掛爪51上に載置する作業を繰り返し行うことで、図9(a)のように所定数の電池構成部品38の積層作業を完了する(部品積層工程)。
Thereafter, in the same manner, the
その後、図5で示したように、上面プレート41を、その摺動孔41aにロッド43を挿入させて図4と同様の状態とする。
After that, as shown in FIG. 5, the
この状態で図9(b)に示すように、油圧プレス57により前述の所定荷重Fを付与し、該所定荷重Fを付与した状態でボルト45を締結する。そして、この締結状態で図10(a)のようにオーブン59に投入し、熱付与を行うことで接着シール剤17を硬化させる(シール材硬化工程)。
In this state, as shown in FIG. 9B, the aforementioned predetermined load F is applied by the
図10(b)は、図10(a)のオーブン59で加熱する代わりに、ホットプレス61を用いる方法を示している。この場合には、ホットプレス61により所定荷重Fを加えた状態で熱付与を行って接着シール剤17を硬化させる。
FIG. 10B shows a method using a
本実施形態では、接着シール剤17が硬化完了した時点で単セル3もしくは単セル3を複数積層したモジュール体が完成するが、図10(a),(b)のいずれの工程でも、所定荷重Fを開放する前に、部品引掛爪51が電池構成部品38に対し離反して接触しない、前記図8(b)と同様な位置まで部品引掛爪51を後退移動させる。
In the present embodiment, when the
そして、部品引掛爪51を後退移動させた状態で、図10(a)の場合はさらにオーブン59から取り出した状態で、ボルト45を外して所定荷重Fを開放することで、電池構成部品38の積層体からなる前述したモジュール体が完成する。
Then, in a state where the
最後に、上記したモジュール体の両端部に、前記図1,図2に示した集電板21およびエンドプレート23を順次配置し、最後にテンションロッド5を用いて締結し、これにより単セル3もしくは、単セル3を複数積層したモジュール体を備える燃料電池スタック1が完成する。
Finally, the
ところで、昨今の燃料電池スタックの開発において、生産性の向上という課題が掲げられている。生産性を向上させる方策の一つに、燃料電池構成部品の積層時間の短縮化がある。前述したように、燃料電池構成部品間にはシール材が設けられている。このシール材全てが圧縮ガスケットであるとすると、圧縮ガスケットを含む各構成部品全てを独立して積層していかなくてはならず、莫大な時間を要してしまう。 By the way, in the recent development of fuel cell stacks, a problem of improving productivity has been raised. One way to improve productivity is to reduce the stacking time of fuel cell components. As described above, the sealing material is provided between the fuel cell components. If all of the sealing materials are compression gaskets, all the components including the compression gaskets must be laminated independently, which requires enormous time.
そこで、上記した本実施形態のように、燃料電池スタック1中に使用するシール材に接着シール剤17を用いることで、各燃料電池構成部品相互を一括して接合することができ、モジュール体ひいては燃料電池スタック1の製造時間を短縮化することができる。
Therefore, by using the
以上より本実施形態によれば、電池構成部品38の外周端部11a,15a相互間の隙間Sを利用して電池構成部品38を引掛け支持し、この支持した状態で各電池構成部品38に対して積層方向に荷重を付与することで、各電池構成部品38相互間の接着シール剤17を一括して硬化させることができ、電解質膜7を備えるMEA11およびその両側に位置するセパレータ15を複数積層する場合であっても、一度に接着シール剤17を圧縮して接着固定することが可能となり、短時間で効率よく積層作業を実施することができる。
As described above, according to the present embodiment, the
この際、各電池構成部品38相互間に設定してある接着シール剤17のすべてを同時に硬化させた状態で荷重付与を解除できるので、接着シール剤17の未硬化部分の発生を防止してシール部の途切れ部分の発生を回避し、シール性を高めることができ、信頼性の高いモジュール体を得ることができる。
At this time, since the application of load can be released in a state where all of the
なお、反りを持つセパレータを矯正しながら接着シール剤を塗布し、被接着体となるMEAと接触させた後に接着シール剤が未硬化の状態で矯正を開放すると、該部品間に反りに伴う浮きが生じ、その浮きにより接着シール剤に張力が発生し、接着シール剤に引き切れが発生する。しかしながら、本実施形態では、荷重を付与している時間を充分に掛けたとしても、一枚ずつ積層する方法に比べ、確実にシールできる上に、大幅に積層時間を短縮できる。 In addition, if the adhesive sealant is applied while correcting the separator having warpage, and the adhesive sealant is uncured after being brought into contact with the MEA to be bonded, the correction will be lifted between the parts. The tension is generated in the adhesive sealant due to the floating, and the adhesive sealant is broken. However, in this embodiment, even when a sufficient time for applying the load is taken, the stacking time can be greatly shortened as compared to the method of laminating one by one.
また、上記した各電池構成部品38を積層方向から見て多角形とし、前記隙間Sを、この多角形の各辺に設け、この各隙間Sに対応して部品引掛爪51を設置することで、各電池構成部品38をより安定して支持することが可能となり、積層作業が効率化する。
Further, each
[第2の実施形態]
図11は、本発明の第2の実施形態を示す単セル3Aの一部を示す断面図である。この単セル3Aは、MEA11の外周端部11aをセパレータ15の外周端部15aよりも外側に突出させて突出部11bを設けている。その他の構造および単セル3A(複数の単セル3Aを積層してなるモジュール体も含む)の製造方法は、第1の実施形態と同様である。
[Second Embodiment]
FIG. 11 is a cross-sectional view showing a part of the
このように、第2の実施形態では、複数の電池構成部品38のうち少なくとも1つの電池構成部品38の外周端部を他の電池構成部品38の外周端部よりも外側に突出させた構造とすることで、部品引掛爪51による引掛け代を突出部11bを設けた分大きくとることができて電池構成部品38がより安定化し、特に単セル3を多数積層して接合する際には、単セル3を複数有して部品重量が増大することから部品安定化のために有効である。
Thus, in the second embodiment, the structure in which the outer peripheral end portion of at least one
また、第2の実施形態では、MEA11の外周端部11aを他の燃料電池構成部品であるセパレータ15の外周端部15aよりも外側に突出させて突出部11bを設けたので、MEA11の両側に位置するセパレータ15の外周端部15a同士の接触を回避して、これら相互間の電気的短絡を防止することができ、燃料電池として信頼性が向上する。
In the second embodiment, since the outer
さらに、上記第2の実施形態において、MEA11の突出部11bは、外周部の全周にわたり設けてもよいが、部品引掛爪51に対応する外周部の一部にのみ設け、該突出部11bを設けた部位以外の外周端部11aを、積層方向(図11の上下方向)から見て他の燃料電池構成部品であるセパレータ15の外周端部15aと同形状となるように、つまり、MEA11とセパレータ15は、積層方向から見てMEA11の突出部11b以外は互いに重なる形状であって外形が同等となるようにすることで、MEA11とセパレータ15とを積層する際の互いの位置決めを容易に行うことができ、位置決めピンなどの発電機能に不要な部位をセル面内に設けることなく、電池構成部品38の相対位置合わせを正確に実施することが可能となる。
Further, in the second embodiment, the protrusion 11b of the
[第3の実施形態]
図12は、本発明の第3の実施形態を示す単セル3Bの一部を示す断面図である。この単セル3Bは、第1の実施形態や第2の実施形態における樹脂とカーボンとの混合材料からなるセパレータ15に代えて、ステンレス鋼板などからなる金属製のセパレータ63としている。
[Third Embodiment]
FIG. 12 is a cross-sectional view showing a part of a unit cell 3B showing the third embodiment of the present invention. This single cell 3B is made of a
この金属製のセパレータ63は、プレス成形によって凹凸形状に形成してあり、最外周側の環状の凸部63aとMEA11(補強材18)との間に接着シール剤17を介装している。
The
また、上記した単セル3Bにおけるセパレータ63は、隣接する他の単セル3Bのセパレータ63と溶接部65により接合固定して燃料電池構成部品としてのセパレータ接合体64としている。そして、各セパレータ63の外周端部63b同士を、前記した溶接部65により互いに接合固定することで、セパレータ接合体64の外周端部64aとし、該外周端部64aとMEA11の外周端部11aとの間に前記した隙間Sを形成している。
Further, the
この場合、接着シール剤17を設けた位置より内側のセパレータ接合体64とMEA11との間の空間がガス流路13となる。また、互いに接合固定した2枚のセパレータ63相互間の空間は、冷却水流路19となる。
In this case, the space between the
上記図12における溶接部65は、外周端部64aに沿った1本の直線状とするだけでなく、例えば図13(a)の平面図で示すような2本の直線状の溶接部65Aとしてもよく、また図13(b)の平面図で示すようなジグザグ形状や波形状の溶接部65Bとしてもよい。
The welded
このように、第3の実施形態は、セパレータ63を金属とすることで、樹脂とカーボンの混合材料からなるセパレータ15に比較して高剛性となり、前記図4,図5に示した組立装置を利用して積層する際の部品引掛爪51による支持安定性が向上して組立作業性が向上する。
As described above, in the third embodiment, by using the
また、各単位セル3B相互の互いに対向するセパレータ63同士を接合してセパレータ接合体64としておくことで、剛性がさらに高まり、組立作業性がより向上し、またこのセパレータ63同士の接合を溶接により行うことで、接合部位の剛性も高まり、組立作業性向上に寄与することができる。
Further, by joining the
さらに、上記した互いに対向するセパレータ63同士は外周端部63bが接合固定されているので、該外周端部63b同士を接合した構造の外周端部64aとMEA11の外周端部11aとの間に隙間Sを形成でき、この隙間Sに前記図4,図5に示した組立装置の部品引掛爪51を挿入して、外周端部64aを引掛けることができる。
Furthermore, since the outer
[第4の実施形態]
図14は、本発明の第4の実施形態を示す単セル3Cの一部を示す断面図である。この実施形態は、図12の第3の実施形態に対し、セパレータ63同士を互いに接合することによって形成される空間のうち最も外周端部63bに近い部位、すなわち外周端部63bに隣接する空間に、セパレータ63と同材料のステンレス鋼や樹脂材料の充填材67を充填している。
[Fourth Embodiment]
FIG. 14 is a cross-sectional view showing a part of a unit cell 3C showing the fourth embodiment of the present invention. This embodiment is different from the third embodiment of FIG. 12 in a portion that is closest to the outer
このように図14の実施形態によれば、2枚のセパレータ63相互間に複数の空間が形成され、この複数の空間のうち最も外周端部63bに近い位置に、充填材67を充填しているので、セパレータ63同士を単に接合した図12のセパレータ接合体64よりも、剛性がさらに向上して組立作業性もより向上する。
As described above, according to the embodiment of FIG. 14, a plurality of spaces are formed between the two
[第5の実施形態]
図15は、本発明の第5の実施形態を示す単セル3Dの一部を含む断面図である。この実施形態は、図12の実施形態に対し、セパレータ63のMEA11に向けて突出する凸部63aの外側の側面63cを、凸部63aの内側の側面63dよりも、凸部63aのMEA11に対向する平坦面63eに対してより平行に近い傾斜角度となるように、傾斜が緩やかとなるよう設定している。なお、この外側の側面63cの傾斜角度θは、5〜30度程度である。
[Fifth Embodiment]
FIG. 15 is a cross-sectional view including a part of a
そして、接着シール剤17は、上記した外側の側面63cと平坦面63eとの境界部位である外側角部63gに設けている。なお、図15の接着シール剤17は、セパレータ63上に塗布したものを圧縮された(潰された)状態として示し、MEA11(補強材18)上に塗布したものを圧縮されていない(潰されていない)状態としてそれぞれ示している。
The
上記した第5の実施形態によれば、接着シール剤17を、セパレータ63の外周端部63b側の凸部63aにおける外側角部63gに設けたので、接着シール剤17より内側に形成されるガス拡散層9を備える発電エリアを広く確保できるとともに、接着シール剤17を圧縮して潰した際に、余剰接着シール剤が発電エリア側へ移動するのを防ぎ、発電への悪影響を防止することができる。
According to the fifth embodiment described above, since the
また、接着シール剤17を設けた凸部63aの外側の側面63cを、同凸部63aの内側の側面63dよりも、凸部63aのMEA11に対向する平坦面63eに対してより平行に近い角度に設定したので、部品の寸法ばらつきなどにより、接着シール剤17の塗布位置が狙い位置よりも外周の側面63c側へとずれた場合であっても、接着シール剤17の相手側接着面(補強材18)との距離を近い状態に確保することができ、接着シール剤17は相手側接着面に接触しやすい状態となり、シール性不良発生割合を低減できる。
Further, the angle of the
[第6の実施形態]
図16は、本発明の第6の実施形態を示す単セル3Eの一部を含む断面図である。この実施形態は、図15の実施形態に対し、接着シール剤17を設けた凸部63aの外側の側面63cを、凸部63aのMEA11に対向する平坦面63eに対して直角に設定している。
[Sixth Embodiment]
FIG. 16 is a cross-sectional view including a part of a
このように第6の実施形態では、接着シール剤17を設けた凸部63aの外側の側面63cは、凸部63aのMEA11に対向する平坦面63eに対して直角に設定しているので、塗布した接着シール剤17を圧縮して潰した場合に、側面63cの外側が大きく広がり開口していることから、余剰接着シール剤をこの広がった外側方向へ容易に移動させることができ、発電エリアへの余剰接着剤の移動を確実に阻止することができ、信頼性の向上につながる。
As described above, in the sixth embodiment, the
なお、図15,図16の各実施形態においても、図14の実施形態のように、セパレータ63同士を互いに接合することによって形成される空間のうち最も外周端部63bに近い部位、すなわち外周端部63bに隣接する空間に、セパレータ63と同材料のステンレス鋼や樹脂材料の充填材を充填してもよい。
In each of the embodiments of FIGS. 15 and 16, as in the embodiment of FIG. 14, the portion closest to the outer
逆に、図14の実施形態において、図15,図16の各実施形態のような凸部63aの外側の側面63cとしてもよく、その際、接着シール剤17を図15,図16の各実施形態のように外側角部63gに設けてもよい。
On the contrary, in the embodiment of FIG. 14, the
[第7の実施形態]
図17,図18は、本発明の第7の実施形態に係わるもので、この実施形態は、図12に示した単セル3Bを4つ積層してモジュール化した例を示している。すなわち、ここではセパレータ接合体64を5枚、MEA11を4枚として、これら各電池構成部品38を接着シール剤17を用いて一括接着し、図18に示すようなモジュール体69を製造している。
[Seventh Embodiment]
17 and 18 relate to the seventh embodiment of the present invention, and this embodiment shows an example in which four single cells 3B shown in FIG. 12 are stacked to form a module. That is, here, five
このように第7の実施形態によれば、電解質膜7を備えるMEA11と、このMEA11の両側に積層配置するセパレータ63とからなる単セル3Bを、複数積層する構造とすれば、一括接合を行う接着層が増える分だけ、より生産性を向上させることができる。
As described above, according to the seventh embodiment, when a single cell 3B composed of the
なお、図17,図18では、図12の単セル3Bについて説明したが、図3,図4の単セル3や図14,図15,図16の各単セル3C,3D,3Eについても同様に適用できる。
17 and 18, the single cell 3B in FIG. 12 has been described, but the same applies to the
また、特に図3,図4の単セル3については、図17,図18の例とは別に、予め単セル3を一つずつ個別に製造しておき、これら各単セル3それぞれを互いに一括接着して複数の単セル3からなるモジュール体を製造するようにしてもよい。
In particular, for the
なお、本発明は、以上に説明した各実施形態に限ることはなく、これら各実施形態に対し、安易に想像可能な代替案についても、本発明の意図を逸脱しない範囲内にて適用可能であることは言うまでもない。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and alternatives that can be easily imagined can be applied to these embodiments without departing from the spirit of the present invention. Needless to say.
S 隙間
1 燃料電池スタック(燃料電池)
7 電解質膜(燃料電池構成部品)
11 MEA(燃料電池構成部品)
11a MEAの外周端部
11b 外周端部の突出部
15,63 セパレータ(燃料電池構成部品)
15a,63b セパレータの外周端部
63a セパレータの凸部
63c 凸部の外側の側面
63d 凸部の内側の側面
63e 凸部の平坦面
63f セパレータの凹部
63g 凸部における外側角部
17 接着シール剤(シール材)
19 冷却水流路(セパレータ相互間の空間)
64 セパレータ接合体(燃料電池構成部品)
64a セパレータ接合体の外周端部
65 セパレータ相互の溶接部
67 充填材
S Gap 1 Fuel cell stack (fuel cell)
7 Electrolyte membrane (fuel cell components)
11 MEA (fuel cell component)
11a MEA outer peripheral end portion 11b Outer peripheral
15a, 63b Separator outer
19 Cooling water flow path (space between separators)
64 Separator assembly (fuel cell component)
64a Peripheral end of
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