JP6403541B2 - セパレータ−シール部材接合体及びその製造方法 - Google Patents
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Description
セパレータと、前記セパレータ上に設けられたシール部材とを備えた、セパレータ−シール部材接合体であって、
前記セパレータは、凸状に形成された電極部に設けられた溝状の流路と、前記電極部に設けられた凹部と、を備え、
前記シール部材は、前記電極部の周縁を囲むように設けられたメインシール部材と、前記メインシール部材から分岐して形成され、前記メインシール部材と前記電極部の周縁との間の隙間通路を仕切る仕切り部材と、を備え、
前記凹部は、前記仕切り部材の延長線上の、前記電極部の縁付近に形成され、
前記仕切り部材の一部は、前記凹部に配置される。
前記セパレータは、凸状に形成された電極部に設けられた溝状の流路と、前記電極部に設けられた凹部と、を備え、前記シール部材は、前記電極部の周縁を囲むように設けられたメインシール部材と、前記メインシール部材から分岐して形成され、前記メインシール部材と前記電極部の周縁との間の隙間通路を仕切る仕切り部材と、を備え、前記凹部は、前記仕切り部材の延長線上の、前記電極部の縁付近に形成されてもよい。
<燃料電池の構成>
図1に、実施形態1におけるセパレータ−シール部材接合体を用いた高分子電解質型燃料電池(以下、「燃料電池」と称する。)の基本構成(単電池)の要部概略断面図を示す。燃料電池100は、図1に示すように、主として膜電極接合体(MEA:Menbrane Electrode Assembly)1と、膜電極接合体1を挟持する一対のセパレータ−シール部材接合体110、120とを含む構成の単電池を具備する。なお、本明細書では、セパレータ上にシール部材が接合されたものをセパレータ−シール部材接合体と称している。
アノード側: H2 → 2H+ +2e−
カソード側: 2H+ +2e− +(1/2)O2 → H2O
具体的には、MEA1のアノード3側では、水素を水素イオンと電子にする反応が行われ、水素イオンは電解質膜2中をカソード4側に移動する。MEA1のカソード4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、セル積層体の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セル積層体の他端のセルのカソードにくる)から水を生成する反応が行われる。
図2は、単位セル27ごとに直列に積層させたセルスタック200の模式図である。図2に示すように、セルスタック200は、正負極を直列に積層した積層体20と、積層体20の積層方向の両端面に配置された端板21および集電板22とを備える。積層体20と、端板21と、集電板22とは、ボルト19で締結されている。
実施形態1におけるセパレータ−シール部材接合体の構成について説明する。なお、以降の説明では、アノード3側に配置されるセパレータ−シール部材接合体110を用いて説明する。カソード4側に配置されるセパレータ−シール部材接合体120については、セパレータ−シール部材接合体110と構成が同じであるため省略する。
セパレータ−シール部材接合体110の製造方法のフローを図7により概略的に説明する。
実施形態1におけるセパレータ−シール部材接合体110では、メインシール部材17と、仕切り部材38とを一体で形成することができるため、製造上の手間が改善できる。また、セパレータ−シール部材接合体110は、仕切り部材38によって反応ガスが隙間通路49に回り込むことを有効に抑制することができる。そのため、セパレータ−シール部材接合体110では、反応ガスが隙間通路49通って、MEA1の外部に漏れることを抑制し、発電性能を向上させることができる。さらに、セパレータ−シール部材接合体110では、余剰のシール部材を電極部41に設けられた凹部130(第1の領域39及び第2の領域40)に逃がすことができるため、意図しない場所(例えば、流路43や電極面等)へのバリの発生を抑制することができる。このように、セパレータ−シール部材接合体110では、バリを発生させる位置を制御することができるため、電極面に生じたバリによる抵抗の増加を抑制でき、発電性能の低下を抑制することできる。さらに、セパレータ−シール部材接合体110では、キャビティプレート33の押圧時において、電極面に生じたバリに応力が集中し、セパレータ11が破損することを抑制することができる。
本開示の実施形態2におけるセパレータ−シール部材接合体について、図17及び図18を用いて説明する。
本開示の実施形態3におけるセパレータ−シール部材接合体について、図19及び図20を用いて説明する。
本開示の実施形態4におけるセパレータ−シール部材接合体について、図21及び図22を用いて説明する。
本開示の実施形態5におけるセパレータ−シール部材接合体について、図23を用いて説明する。
本開示のセパレータ−シール部材接合体の変形例1について図24及び図25を用いて説明する。
図24及び図25は、余剰のシール材料の逃がし溝である凹部130において、第1の領域39d、39fのみを設けたセパレータ−シール部材接合体110e、110fの概略図である。図24及び図25に示すように、セパレータ−シール部材接合体110e、110fでは、第2の領域を設けず、第1の領域39e、39fのみを設けた構成としている。このような構成により、セパレータ−シール部材接合体110e、110fでは、電極部41の電極面における発電面積をより多く確保することができ、発電性能を向上させることができる。例えば、セパレータ−シール部材接合体110e、110fは、余剰のシール材料の量を少なくし、メインシール部材17の体積を小さく設計する場合などに有益である。
本開示のセパレータ−シール部材接合体の変形例2について図26及び図27を用いて説明する。
図26及び図27は、第2の領域40g又は第1の領域39hを曲面に形成したセパレータ−シール部材接合体110g、110hの概略図である。図26及び図27に示すように、セパレータ−シール部材接合体110g、110hでは、第2の領域40g又は第1の領域39hの角に丸み(アール)を大きく取ることによって、曲面を形成している。このような構成により、セパレータ−シール部材接合体110g、110hでは、加硫工程において、加熱及び加硫が行われる際に、加熱によるシール材料の線膨張によって生じる局所的荷重を回避することができ、セパレータ11の破損を防ぐことができる。
1 膜電極接合体(MEA)
2 高分子電解質膜
3 アノード
4 カソード
5 アノード触媒層
6 カソード触媒層
7 ガス拡散層(アノード側)
8 ガス拡散層(カソード側)
9 アノード側隙間
10 カソード側隙間
11 アノード側セパレータ
12 カソード側セパレータ
13 燃料ガス流路(アノード側)
14 酸化剤ガス流路(カソード側)
15、16 冷却流体流路
17 メインシール部材(アノード側)
18 メインシール部材(カソード側)
19 ボルト
20 積層体
21 端板
22 集電板
23、24 ガス出入口配管
25、26 冷却流体出入口配管
27 単位セル
28 逃がし部
29 仕切り部材成型溝
30 メインシール部材成型溝
31 連絡溝
32 サイドリップ成型溝
33 キャビティプレート
34 導入口
35 熱板
36 シリンダー
37 サイドリップ
38 仕切り部材(アノード側)
39 第1の領域
40 第2の領域
41 電極部
42 マニホールドシール部材
43 流路
44 マニホールド(燃料ガス)
45 マニホールド(冷却流体)
46 マニホールド(酸化剤ガス)
47 セパレータ−シール部材接合体の部分拡大図
48 仕切り部材(カソード側)
49 隙間通路
50 シール成型溝
51 シール部材流入溝
52 シール材料
53 縁
110 セパレータ−シール部材接合体(アノード側)
120 セパレータ−シール部材接合体(カソード側)
130 凹部(アノード側)
140 凹部(カソード側)
170 シール部材(アノード側)
180 シール部材(カソード側)
Claims (7)
- セパレータと、前記セパレータ上に設けられたシール部材とを備えた、セパレータ−シール部材接合体であって、
前記セパレータは、凸状に形成された電極部に設けられた溝状の流路と、前記電極部に設けられた凹部と、を備え、
前記シール部材は、前記電極部の周縁を囲むように設けられたメインシール部材と、前記メインシール部材から分岐して形成され、前記メインシール部材と前記電極部の周縁との間の隙間通路を仕切る仕切り部材と、を備え、
前記凹部は、前記仕切り部材の延長線上の、前記電極部の縁付近に形成され、
前記仕切り部材の一部は、前記凹部に配置された、セパレータ−シール部材接合体。 - 前記凹部は、第1の領域と、前記第1の領域よりも前記仕切り部材から離れる方向に位置する第2の領域と、を有し、
前記第2の領域の深さは、前記第1の領域の深さよりも大きくなるように構成された、請求項1に記載のセパレータ−シール部材接合体。 - 前記凹部の深さは、前記仕切り部材から離れる方向に向かって大きくなるように構成された、
請求項2に記載のセパレータ−シール部材接合体。 - 前記シール部材が、熱硬化性弾性体、熱可塑性弾性体または熱可塑性樹脂である、請求項1〜3のいずれか1項に記載のセパレータ−シール部材接合体。
- 前記シール部材が、少なくともフッ素ゴムを含む材料で構成されている、請求項4に記載のセパレータ−シール部材接合体。
- セパレータと、前記セパレータ上に設けられたシール部材とを備えた、セパレータ−シール部材接合体の製造方法であって、
前記シール部材を形成するシール材料を配合する配合工程と、
配合された前記シール材料を混練する混練工程と、
混練された前記シール材料に加硫を促進する促進剤を導入する促進剤導入工程と、
前記促進剤が導入された前記シール材料を、メインシール部材成型溝と、前記メインシール部材成型溝と連結された仕切り部材成型溝と、を備えるキャビティプレートに射出する射出工程と、
前記シール材料が射出された前記キャビティプレートを、凸状に形成された電極部の縁付近に凹部を設けたセパレータに対して押圧しつつ加熱及び加硫を行う加硫工程と、
を含み、
前記加硫工程において、前記仕切り部材成型溝から溢れた余剰のシール材料を、前記キャビティプレートに設けられたシール材料流入溝を通じて、前記セパレータの電極部に設けられた前記凹部に流入させる、セパレータ−シール部材接合体の製造方法。 - 請求項1〜5のいずれか一項に記載のセパレータ−シール部材接合体を備えた燃料電池。
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