JP5907053B2 - 燃料電池セル - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池セルに関する。

燃料電池の発電単位である燃料電池セルは、電解質膜を２つの電極で挟持した膜電極接合体と、反応ガスの流路を備えるセパレータとが一体に構成された構造を有する。膜電極接合体とセパレータの間には、反応ガスが電解質膜の周縁部から漏出しないように樹脂フレームが介在されている。特許文献１には、二枚の樹脂フレームで膜電極接合体を支持し、二枚の樹脂フレームを一対のセパレータで挟持する構成が記載されている。

特開２００６−１９２０４号公報

しかしながら、特許文献１に記載された技術では、二枚の樹脂フレームを用いることから、部品点数が多く、生産性の低下を招く課題があった。そのほか、燃料電池としての発電効率の向上や、低コスト化、小型化、省資源化等が望まれていた。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

本発明の一形態によれば、燃料電池セルが提供される。この燃料電池セルは、第１セパレータと第２セパレータとの間に一の樹脂フレームを介在させて、前記樹脂フレームの第１面部と前記第１面部に対応する位置にある第２面部にそれぞれ接着剤を配置することで、前記第１セパレータと前記樹脂フレームとの間、および前記第２セパレータと前記樹脂フレームとの間をそれぞれ接着したものである。前記樹脂フレームは、前記第１面部に設けられ、前記接着剤を内在させるための第１凹部と；前記第２面部に設けられ、前記接着剤を内在させるための第２凹部と；前記第１面部と前記第２面部との間の周縁に位置し、前記第２面部側に拡がる斜面部と；を備える。さらに、前記第１凹部を形成するフランジの平坦部において前記第１セパレータと対向する範囲の全体に対して、前記第２凹部を形成するフランジの平坦部において前記第２セパレータと対向する範囲の少なくとも一部が、面方向においてオーバーラップした位置関係にある。

ここで、「面方向」とは、樹脂フレームの第１面部や第２面部の面方向と一致した方向である。「オーバーラップ」とは、完全に重なった状態を意味し、一部分だけ重なる場合を含まない。この形態の燃料電池セルによれば、第１凹部を接着剤が溢れた場合に、斜面部で接着剤を保持することができる。このために、第１凹部を形成するフランジの平坦部に必ず接着剤を介在させることができる。従来、樹脂フレームを１枚とすると、フレームの積層方向の位置は成り行きになって、樹脂フレームのフランジの平坦部とセパレータの間に接着剤が介在しない場合があった。これに対して、本発明の形態では、前述したように、フランジの平坦部に必ず接着剤を介在させることができることから、樹脂フレームを１枚とすることができる。したがって、部品点数が少なくなって、低コスト化と生産性の向上とを図ることができる。

なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能である。例えば、前記形態の燃料電池セルを備える燃料電池スタック、この燃料電池スタックを搭載する車両等で実現することができる。

本発明の一実施形態としての燃料電池スタックの要部端面図である。 樹脂フレームの外周部分とその周囲を示す説明図である。 セパレータと樹脂フレームとの間の距離が最大となるケースとその距離が最小となるケースとを比較して示す説明図である。 比較例を示す説明図である。 第２実施形態の燃料電池セルにおける樹脂フレームの外周部分とその周囲を示す説明図である。 第３実施形態の燃料電池セルにおける樹脂フレームの外周部分とその周囲を示す説明図である。

次に、本発明の実施形態を説明する。
１．第１実施形態：
（１）全体の構成：
図１は、本発明の一実施形態としての燃料電池スタックの要部端面図である。図示するように、燃料電池スタック２００は、複数の燃料電池セル１００が積層された構造を有している。燃料電池セル１００は、膜電極ガス拡散層接合体（以下、「ＭＥＧＡ」と呼ぶ）１０と、ＭＥＧＡ１０を挟持するセパレータ２０，３０と、セパレータ２０，３０の間におけるＭＥＧＡ１０の周縁の外側に配置された樹脂フレーム４０と、を備えている。ＭＥＧＡは、「Membrane Electrode Gas diffusion layer Assembly」の略語である。なお、以後の説明では、燃料電池セル１００の積層方向（図１の上下方向）をＹ方向と呼び、積層方向に垂直な方向、すなわち燃料電池セル１００の面方向（図１の左右方向）をＸ方向と呼ぶ。

ＭＥＧＡ１０は、電解質膜（電解質層）１２を含んでおり、電解質膜１２の一方の面には、触媒電極層（アノード）１４とガス拡散層１５とがこの順に形成されており、電解質膜１２の他方の面には、触媒電極層（カソード）１６とガス拡散層１７とがこの順に形成されている。なお、電解質膜１２としては、フッ素系樹脂などの固体高分子材料で形成された膜、例えばナフィオン（登録商標）を用いることができる。また、触媒電極層１４、１６としては、カーボン粒子に白金などの触媒を担持させた触媒層を用いることができる。ガス拡散層１５、１７は、カーボンクロスや、カーボンペーパなどのガス透過性および導電性を有する材料で形成されている。

セパレータ２０は、ＭＥＧＡ１０におけるアノード側ガス拡散層１５の表面に積層される。そして、セパレータ２０において、ＭＥＧＡ１０におけるアノード側ガス拡散層１５との当接面には、アノード側ガス拡散層１５の表面に沿って燃料ガスとしての水素を流すための燃料ガス流路２２が形成されている。また、セパレータ３０は、ＭＥＧＡ１０におけるカソード側ガス拡散層１７の表面に積層される。そして、セパレータ３０において、ＭＥＧＡ１０におけるカソード側ガス拡散層１７との当接面には、カソード側ガス拡散層１７の表面に沿って酸化剤ガスとしての空気を流すための酸化剤ガス流路（図示せず）が形成されている。本実施例では、セパレータ２０，３０として、金属プレートを用いるものとした。セパレータ２０，３０として、ガス不透過で導電性を有する他の部材を用いるものとしてもよい。また、セパレータ３０の樹脂フレーム４０とは反対側の表面には、ガスケット６０が形成されている。

樹脂フレーム４０は、板状であり、セパレータ２０とセパレータ３０との間に配置される。樹脂フレーム４０のＸ方向における中央部分は中抜きされており、この中抜きされた部分にＭＥＧＡ１０が配設される。すなわち、樹脂フレーム４０は、セパレータ２０とセパレータ３０との間におけるＭＥＧＡ１０の外周部に設けられている。ＭＥＧＡ１０は、Ｘ方向において、触媒電極層１４，１６やガス拡散層１５，１７よりも電解質膜１２が外側に露出した形状をしており、樹脂フレーム４０は、この電解質膜１２の露出部分を挟持する。樹脂フレーム４０は、エポキシ、ナイロン、フェノールなどの熱硬化性樹脂、もしくは、ポリプロピレン、ポリエチレンなどの熱可塑性樹脂製である。

樹脂フレーム４０とセパレータ２０，３０との間は、樹脂フレーム４０の上面部における外周部分に配置された接着層５２と、樹脂フレーム４０の下面部における外周部分に配置された接着層５４とによって接着される。この樹脂フレーム４０の外周部分の構成は、本発明の特徴部分であり、後ほど詳述する。接着層５２，５４としては、接着性を付与した熱可塑性接着樹脂、例えば、シランカップリング剤を配合したり、カルボン酸などの極性基を導入した、ポリプロピレンやポリエチレンなどの変性ポリオレフィンや、熱硬化性の接着樹脂、例えば、シリコーン、ポリイソブチレン、エポキシ、ウレタンなどを用いることができる。

また、樹脂フレーム４０における接着層５２，５４よりもＸ方向における内側部分には、燃料ガス用、酸化剤ガス用、および冷却媒体用の各マニホールドを構成するための孔部７０が設けられている。セパレータ２０，３０にも、孔部７０に対応する位置に孔部２４，３４が設けられており、セパレータ２０の孔部２４、樹脂フレーム４０の孔部７０，およびセパレータ３０の孔部３４によって、燃料電池スタック２００の積層方向、すなわちＸ方向に延びるマニホールドが構成される。各マニホールドを流れる、燃料ガス、酸化剤ガス、および冷却媒体は、各ＭＥＧＡ１０に分配される。

（２）特徴部分の構成：
図２は、樹脂フレーム４０の外周部分とその周囲を示す説明図である。図示するように、樹脂フレーム４０の上面部４２の外周部分には上側凹部４２ａが形成されており、樹脂フレーム４０の下面部４４の外周部分には下側凹部４４ａが形成されている。セパレータ２０を接着させるための接着層５２は、上側凹部４２ａを含む領域に配置される。セパレータ３０を接着させるための接着層５４は、下側凹部４４ａを含む領域に配置される。樹脂フレーム４０の上面部４２と下面部４４との間の周縁部４６は、下面部４４側に徐々に拡がる傾斜面を構成する。また、マニホールドとしての孔部７０を構成するための壁面４８も、下面部４４側に徐々に拡がる傾斜面を構成する。

一般に、工業製品を構成する部品は寸法公差を有する。このため、上側のセパレータ２０と樹脂フレーム４０との間の距離は、その寸法誤差によって変化する。図３は、セパレータ２０と樹脂フレーム４０との間の距離が最大となるケースと、その距離が最小となるケースとを比較して示す説明図である。図中、破線で示したセパレータ２０Ｘの位置が前記最大ケース時を示し、実線で示したセパレータ２０の位置が前記最小ケース時を示す。いま、接着層５２を形成する接着剤の塗布量を一定としたとすると、その最小ケース時から最大ケース時までの間のセパレータ２０の位置によって、接着層５２の範囲が変化する。本実施形態では、最大ケース時には、図中の破線で囲んだ領域ＢＡが接着層５２の範囲となるように、セル断面の設計を行う。すなわち、最大ケース時には、接着剤は、上側凹部４２ａを溢れ出て、上側凹部４２ａを形成するフランジ４２ｂ、４２ｃの平坦部Ｔ１、Ｔ２の範囲で留まるようにする。一方、最小ケース時には、実線で示した接着層５２となるように、セル断面の設計を行う。すなわち、最小ケース時には、接着剤は、上側凹部４２ａを溢れ出て、フランジ４２ｂ、４２ｃの平坦部Ｔ１、Ｔ２を超え、周縁部４６、壁面４８の傾斜面を伝って、その傾斜面の範囲で留まるようにする。

すなわち、本実施形態の燃料電池スタック２００では、セパレータ２０と樹脂フレーム４０との間の距離が最大となるケース時であっても、接着剤は、フランジ４２ｂ、４２ｃの平坦部Ｔ１、Ｔ２の範囲を満たす。一方、その距離が最小となるケース時であっても、接着剤は、壁面４８の範囲に留まり、壁面４８の範囲をはみ出することはない。したがって、燃料電池スタック２００に備えられる燃料電池セル１００によれば、樹脂フレーム４０とセパレータ２０、３０との間を強固に接着することができる。また、この接着に用いられる接着剤が、予定している範囲からはみ出すことを防止することができることから、流路の閉塞や、作業性の悪化を防止することができる。

図２に戻って、樹脂フレーム４０の上側凹部４２ａを形成する外側フランジ４２ｂおよび内側フランジ４２ｃと、樹脂フレーム４０の下側凹部４４ａを形成する外側フランジ４４ｂおよび内側フランジ４４ｃとの間には、次の位置関係がある。まず、外側におけるフランジ４２ｂとフランジ４４ｂの位置関係について説明する。

図２に示すように、外側フランジ４２ｂの平坦部Ｔ１の全体が、セパレータ２０と対向している。すなわち、Ｘ方向において、外側フランジ４２ｂの平坦部Ｔ１の全体と、セパレータ２０の一部とが重複している。この重複している部分は、図中の範囲ａとなる。一方、外側フランジ４４ｂの平坦部Ｔ３の一部が、セパレータ３０と対向している。すなわち、Ｘ方向においては、外側フランジ４４ｂの平坦部Ｔ３の一部とセパレータ３０の一部とが重複している。この重複している部分は、図中の範囲ｂとなる。そして、Ｘ方向において、範囲ａの全体は、範囲ｂの少なくとも一部とオーバーラップした位置関係にある。ここで、「オーバーラップ」とは、完全に重なった状態を意味し、一部分だけ重なる場合を含まない。

なお、内側におけるフランジ４２ｃとフランジ４４ｃとの間にも、外側のフランジ４２ｂとフランジ４４ｂのとの間の位置関係と同様に、内側フランジ４２ｃの平坦部Ｔ２においてセパレータ２０と対向する範囲の全体に対して、内側フランジ４４ｃの平坦部Ｔ４においてセパレータ３０と対向する範囲の少なくとも一部が、Ｘ方向においてオーバーラップした位置関係にある。

セパレータ２０における樹脂フレーム４０の上側凹部４２ａと対向する位置には、凹部２６が設けられている。この凹部２６には、上側に隣接する燃料電池セル１００に備えられるガスケット６０が介在する。ガスケット６０によってシール性が高められる。

以上のように構成された燃料電池セル１０では、上面部４２が［発明の概要］の欄に記載した「第１面部」に対応し、下面部４４が［発明の概要］の欄に記載した「第２面部」に対応し、上側凹部４２ａが［発明の概要］の欄に記載した「第１凹部」に対応し、下側凹部４４ａが［発明の概要］の欄に記載した「第２凹部」に対応し、周縁部４６または壁面４８が［発明の概要］の欄に記載した「斜面部」に対応する。

（３）作用、効果：
以上のように構成された本実施形態の燃料電池セル１００によれば、上側凹部４２ａを接着剤が溢れた場合に、斜面となっている周縁部４６で接着剤を保持することができる。このために、上側凹部４２ａを形成するフランジ４２ｂの平坦部Ｔ１に必ず接着剤を介在させることができる。従来、樹脂フレームを１枚とすると、フレームの積層方向の位置は成り行きになって、樹脂フレームのフランジの平坦部とセパレータの間に接着剤が介在しない場合があった。このため、従来、燃料電池セルを複数積層した際にセパレータが傾いて、燃料電池セルが変形するなどしてガスケットクリアランスが不安定となり、シール性が低下していた。これに対して、本実施形態では、前述したように、フランジ４２ｂの平坦部Ｔ１に必ず接着剤を介在させることができることから、燃料電池セル１００を積層した際に、隣り合うセルのフランジ４２ｂ同士で確実に締結荷重を伝達することができ、セルの変形を抑制でき、ガスケットクリアランスを一定にすることができる。この結果、樹脂フレーム４０を１枚とすることができる。したがって、部品点数が少なくなって、低コスト化と生産性の向上とを図ることができる。

また、本実施形態の燃料電池セル１００では、図２を用いて説明したように、Ｘ方向において、範囲ａの全体は、範囲ｂの少なくとも一部とオーバーラップした位置関係にあることから、次の効果がある。図４は、樹脂フレームの形状が好ましくない比較例を示す説明図である。この比較例では、範囲ａの全体は、範囲ｂｘに対してオーバーラップしていない。このために、比較例では、図中の破線の○印の部分でせん断方向に大きな加重がかかり、フレーム割れの虞があった。これに対して、本実施形態では、範囲ａの全体は、範囲ｂの少なくとも一部とオーバーラップした位置関係にあることから、前述したような大きな加重がかかることがない。したがって、燃料電池セル１００は、フレーム割れを防止することができる。

２．第２実施形態：
図５は、第２実施形態の燃料電池セルにおける樹脂フレーム１０４０の外周部分とその周囲を示す説明図である。第２実施形態の燃料電池セルは、樹脂フレーム１０４０の外周部分が第１実施形態のそれと相違するだけであり、残余の構成は第１実施形態と同一である。この構成においては、範囲ａ２の全体は、範囲ｂ２の全体とオーバーラップした位置関係にある。したがって、第２実施形態の燃料電池セルは、第１実施形態の燃料電池セル１００と同様に、部品点数を少なくして低コスト化と生産性の向上を図ることができ、また、フレーム割れを防止することができる。

３．第３実施形態：
図６は、第３実施形態の燃料電池セルにおける樹脂フレーム２０４０の外周部分とその周囲を示す説明図である。第３実施形態の燃料電池セルは、第２実施形態の燃料電池セルと比較して、セパレータ２０３０の形状が相違するだけで、残余の構成は第２実施形態と同一である。セパレータ２０３０は、対向するセパレータ２０を水平方向に反転した形状であり、ガスケット６０の配設部位に下側凹部２０３６を備える。こうした構成の第３実施形態の燃料電池セルは、第１および第２実施形態の燃料電池セルと同様に、部品点数を少なくして低コスト化と生産性の向上を図ることができ、また、フレーム割れを防止することができる。

４．変形例：
この発明は上記の実施形態や変形例に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

前記各実施形態および各変形例では、燃料電池に固体高分子型燃料電池を用いたが、リン酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、固体酸化物形燃料電池等、種々の燃料電池に本発明を適用してもよい。

なお、前述した実施形態および各変形例における構成要素の中の、独立請求項で記載された要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。

１０…膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ）
１２…電解質膜
１４…触媒電極層
１５…ガス拡散層
１７…ガス拡散層
２０…セパレータ
２２…燃料ガス流路
２４…孔部
２６…凹部
３０…セパレータ
３４…孔部
４０…樹脂フレーム
４２…上面部
４２ａ…上側凹部
４２ｂ…フランジ
４２ｃ…フランジ
４４…下面部
４４ａ…下側凹部
４４ｂ…フランジ
４４ｃ…フランジ
４６…周縁部
４８…壁面
５２…接着層
５４…接着層
６０…ガスケット
７０…孔部
１００…燃料電池セル
２００…燃料電池スタック
１０４０…樹脂フレーム
２０３０…セパレータ
２０３６…下側凹部
２０４０…樹脂フレーム
Ｔ１…平坦部
Ｔ２…平坦部
Ｔ３…平坦部
Ｔ４…平坦部

Claims (1)

1. 第１セパレータと第２セパレータとの間に一の樹脂フレームを介在させて、前記樹脂フレームの第１面部と前記第１面部に対応する位置にある第２面部にそれぞれ接着剤を配置することで、前記第１セパレータと前記樹脂フレームとの間、および前記第２セパレータと前記樹脂フレームとの間をそれぞれ接着した燃料電池セルであって、
   前記樹脂フレームは、
   前記第１面部に設けられ、前記接着剤を内在させるための第１凹部と、
   前記第２面部に設けられ、前記接着剤を内在させるための第２凹部と、
   前記第１面部と前記第２面部との間の周縁に位置し、前記第２面部側に拡がる斜面部と
   を備え、
   前記第１凹部を形成するフランジの平坦部において前記第１セパレータと対向する範囲の全体は、前記第２凹部を形成するフランジの平坦部において前記第２セパレータと対向する範囲の少なくとも一部によって、面方向において包含される位置関係にある、燃料電池セル。

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