JP6870597B2 - 燃料電池セル - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池セルに関する。

従来、このような分野の技術として、膜電極ガス拡散層接合体と、膜電極ガス拡散層接合体の外周に配置された樹脂枠と、膜電極ガス拡散層接合体及び樹脂枠を挟持する一対のセパレータとを備える燃料電池セルが知られている。樹脂枠は、中間に位置するコア層と、該コア層の表面及び裏面に配置された一対の接着層とからなる３層構造である。

このような構造を有する燃料電池セルの製造過程において、ホットプレス機で接着層の接着材料を溶融させた状態でセパレータを接着層に押圧し、その後に接着材料を硬化させることによりセパレータを接着層と接着させる。しかし、セパレータを接着層に押圧する際に、セパレータによる接着層への押し込みによって接着層を構成する接着材料が押し潰されて周囲に流れてしまうので、セパレータと接着層との接着部分の厚みが不均一になり、セパレータと接着層との接着性を確保し難い問題があった。

この問題を解決するために、種々な技術が提案されている。例えば下記特許文献１に記載の燃料電池セルでは、一対のセパレータに樹脂枠に向かう方向に突出する凸部をそれぞれ設け、該凸部がコア層に当接することでセパレータによる接着層への押し込み量を抑制し、更に凸部の設置によってセパレータと接着層との接着面積を大きくすることにより、セパレータと接着層との接着性を確保する。

特開２０１７−１３９１７８号公報

上述特許文献１に記載の燃料電池セルによれば、セパレータと接着層との接着性確保に対して一定の効果を得られるが、セパレータに設けられた凸部の先端面がコア層と当接した場合、該先端面における接着層との接着部分の厚みが薄くなる可能性があり、更なる改善が期待されている。

本発明は、このような技術課題を解決するためになされたものであって、セパレータと接着層との接着性を確保できる燃料電池セルを提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池セルは、膜電極ガス拡散層接合体と、前記膜電極ガス拡散層接合体の外周に配置されるとともに、コア層と該コア層を挟む一対の接着層とを有する樹脂枠と、前記膜電極ガス拡散層接合体及び前記樹脂枠を挟持する一対のセパレータと、を備える燃料電池セルであって、各セパレータにおける前記樹脂枠に対向する領域のうちの一部には、前記樹脂枠と当接して一体化された凸部が形成されており、前記樹脂枠の前記コア層における前記凸部に対向する領域のうちの一部には、前記コア層を貫通する貫通孔が形成されており、前記貫通孔には、前記接着層と同じ接着材料が充填されていることを特徴としている。

本発明に係る燃料電池セルでは、各セパレータにおける樹脂枠に対向する領域のうちの一部に樹脂枠と当接して一体化された凸部が形成されており、樹脂枠のコア層における凸部に対向する領域のうちの一部に貫通孔が形成されており、貫通孔に接着層と同じ接着材料が充填されている。このため、セパレータ押圧時に接着層を構成する接着材料が凸部によって周囲に押し流されたとしても、セパレータの凸部が貫通孔に充填された接着材料と接着されるので、セパレータと接着層との接着部分の厚みの不均一を抑制し、セパレータと接着層との接着性を確保することができる。

本発明によれば、セパレータと接着層との接着性を確保することができる。

実施形態に係る燃料電池セルを備えた燃料電池システムの概略構成図である。 図１に示す燃料電池セルの部分拡大断面図である。 燃料電池セルをアノード側セパレータ側から見た概略平面図である。 図３のＡ−Ａ線に沿う模式断面図である。 アノード側セパレータ、カソード側セパレータと樹脂枠との接着を説明する模式断面図である。

以下、図面を参照して本発明に係る燃料電池セルの実施形態について説明する。各図では、燃料電池セルの積層方向を積層方向Ｘ、鉛直方向を鉛直方向Ｙ、積層方向Ｘ及び鉛直方向Ｙに垂直な水平方向を水平方向Ｚとする。

図１は実施形態に係る燃料電池セルを備えた燃料電池システムの概略構成図である。燃料電池システム１は、燃料電池としての燃料電池スタック１００を備えている。燃料電池スタック１００は、エンドプレート１０Ａと、絶縁板２０Ａと、集電板３０Ａと、複数の燃料電池セル４０と、集電板３０Ｂと、絶縁板２０Ｂと、エンドプレート１０Ｂとが、この順に積層されたスタック構造を有している。複数の燃料電池セル４０は、積層方向Ｘの両側にあるエンドプレート１０Ａ，１０Ｂによって所定の圧縮荷重で締結されている。

燃料電池スタック１００には、高圧水素を貯蔵した水素タンク２から、シャットバルブ２ａ、レギュレータ２ｃ、配管２ｂを介して、燃料ガスとしての水素が供給されている。燃料電池スタック１００において利用されなかった燃料ガス（アノードオフガス）は、排出配管２ｄを介して燃料電池スタック１００の外部に排出される。なお、燃料電池システム１は、アノードオフガスを配管２ｂ側に再循環させる再循環機構を有するものとしても良い。

また、燃料電池スタック１００には、エアポンプ３及び配管３ａを介して、酸化剤ガスとしての空気が供給されている。燃料電池スタック１００において利用されなかった酸化剤ガス（カソードオフガス）は、排出配管３ｂを介して燃料電池スタック１００の外部に排出される。なお、燃料ガス及び酸化剤ガスは、反応ガスとも呼ばれる。

更に、燃料電池スタック１００には、該燃料電池スタック１００を冷却するため、ウォーターポンプ４ｂ及び配管４ａを介して、ラジエータ４により冷却された冷却媒体が供給されている。燃料電池スタック１００から排出された冷却媒体は、配管４ｃを介してラジエータ４に循環される。冷却媒体としては、例えば、水、エチレングリコール等の不凍水、空気などが用いられる。本実施形態では、冷却媒体として水（「冷却水」とも呼ぶ）が用いられる。

図２は図１に示す燃料電池セルの部分拡大断面図である。燃料電池セル４０は、発電モジュールとしての膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ：Membrane Electrode Gas diffusion layer Assembly）４１と、ＭＥＧＡ４１の外周に配置された樹脂枠４２と、ＭＥＧＡ４１及び樹脂枠４２とを挟持する一対のセパレータ（アノード側セパレータ４３、カソード側セパレータ４４）とを備えている。

ＭＥＧＡ４１は、積層方向Ｘから見たときに矩形状を呈しており、膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）４１ａと、積層方向Ｘに沿ってＭＥＡ４１ａの両側に配置された一対のガス拡散層４１ｂ，４１ｃとを備えている。ＭＥＡ４１ａは、電解質膜４１ａ１と、積層方向Ｘに沿って電解質膜４１ａ１の両側に配置された電極４１ａ２，４１ａ３とを有する。電解質膜４１ａ１は積層方向Ｘから見たときに矩形状を呈する。電極４１ａ２はアノード側電極であり、電極４１ａ３はカソード側電極である。

アノード側セパレータ４３は、ＭＥＧＡ４１側の面に筋状の複数の燃料ガス流路４５を備え、ＭＥＧＡ４１と反対側の面に筋状の複数の冷却媒体分配流路４６を備えている。カソード側セパレータ４４は、ＭＥＧＡ３０側の面に筋状の複数の酸化剤ガス流路４７を備えている。

アノード側セパレータ４３及びカソード側セパレータ４４は、ガス遮断性及び電気伝導性を有する部材によって構成されている。これらのセパレータ４３，４４は、例えば、カーボン粒子を圧縮してガス不透過とした緻密質カーボン等のカーボン製部材や、プレス成形したステンレス鋼やチタン鋼などの金属部材によって形成されている。本実施形態では、アノード側セパレータ４３及びカソード側セパレータ４４は、チタン鋼を所定の形状にプレス成形することによってそれぞれ形成されている。

図３は燃料電池セルをアノード側セパレータ側から見た概略平面図であり、図３において破線で示すのはシールラインの中心線である。図３に示すように、アノード側セパレータ４３における水平方向Ｚの一端縁部（図３では右側縁部）には、燃料ガス入口マニホールド４３ａと、冷却媒体出口マニホールド４３ｂと、酸化剤ガス出口マニホールド４３ｃとが鉛直方向Ｙに沿って上から順に配置されている。一方、アノード側セパレータ４３における水平方向Ｚの他端縁部（図３では左側縁部）には、酸化剤ガス入口マニホールド４３ｄと、冷却媒体入口マニホールド４３ｅと、燃料ガス出口マニホールド４３ｆと、が鉛直方向Ｙに沿って上から順に並んで配置されている。

燃料ガス用の配管２ｂ（図１）を介して供給された燃料ガスは、燃料ガス入口マニホールド４３ａによって各燃料電池セル４０の燃料ガス流路４５（図２）に分配される。その後、燃料ガス流路４５において利用されなかった燃料ガスが、燃料ガス出口マニホールド４３ｆによって集められ、排出配管２ｄ（図１）を介して燃料電池スタック１００の外部に排出される。一方、酸化剤ガス用の配管３ａ（図１）を介して供給された酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口マニホールド４３ｄによって各燃料電池セル４０の酸化剤ガス流路４７（図２）に分配される。その後、酸化剤ガス流路４７において利用されなかった酸化剤ガスが酸化剤ガス出口マニホールド４３ｃによって集められ、排出配管３ｂ（図１）を介して燃料電池スタック１００の外部に排出される。

また、冷却媒体入口マニホールド４３ｅと、冷却媒体分配流路４６と、冷却媒体出口マニホールド４３ｂとは、互いに連通して、冷却媒体流路１１０を構成する。冷却媒体用の配管４ａ（図１）を介して供給された冷却媒体は、冷却媒体入口マニホールド４３ｅによって、各燃料電池セル４０の冷却媒体分配流路４６に分配される。その後、冷却媒体は、冷却媒体出口マニホールド４３ｂによって集められ、配管４ｃ（図１）を介して燃料電池スタック１００の外部に排出される。

各マニホールド４３ａ〜４３ｆの開口は、それぞれ矩形状を呈する。なお、カソード側セパレータ４４及び樹脂枠４２にも同様の形状のマニホールドが設けられている。そして、アノード側セパレータ４３、カソード側セパレータ４４及び樹脂枠４２にそれぞれ設けられた各マニホールド４３ａ〜４３ｆは、燃料電池スタック１００内を積層方向Ｘに貫通する流路を形成する。

図４は図３のＡ−Ａ線に沿う模式断面図である。図４に示すように、樹脂枠４２は、中間位置に配置されたコア層４２１と、該コア層４２１を挟む一対の接着層とを有する。この一対の接着層は、コア層４２１の表面に配置された第１接着層４２２、コア層４２１の裏面に配置された第２接着層４２３である。そして、第１接着層４２２はアノード側セパレータ４３に面し、第２接着層４２３はカソード側セパレータ４４に面している。

第１接着層４２２及び第２接着層４２３に用いられる接着材料として、シランカップリング剤が配合されたポリプロピレンやポリエチレン、ポリオレフィンに官能基を導入した変性ポリオレフィン等の熱可塑性樹脂であっても良く、或いはポリイソブチレンやエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂であっても良い。なお、本実施形態では、第１接着層４２２及び第２接着層４２３の接着材料は、それぞれ熱硬化性樹脂である。

コア層４２１は、熱可塑性樹脂によって形成されている。このコア層４２１は、例えば、ポリエチレンナフタレーン（ＰＥＮ）やポリプロピレンによって形成される。コア層４２１は、第１接着層４２２にアノード側セパレータ４３、及び第２接着層４２３にカソード側セパレータ４４をそれぞれ接着する接着過程における温度（すなわち、セル化温度）において、第１接着層４２２及び第２接着層４２３よりも融点が高く設定されている。

図４に示すように、アノード側セパレータ４３における樹脂枠４２に対向する領域のうちの一部には、該樹脂枠４２と当接して一体化された凸部４３１が形成されている。具体的には、凸部４３１は、断面台形状を呈しており、樹脂枠４２に向かって突出している。この凸部４３１は、先端面４３１ａが樹脂枠４２のコア層４２１と当接した状態で、樹脂枠４２の第１接着層４２２にめり込んでおり、樹脂枠４２と一体的に形成されている。

同様に、カソード側セパレータ４４における樹脂枠４２に対向する領域のうちの一部には、該樹脂枠４２と当接して一体化された凸部４４１が形成されている。凸部４４１は、断面台形状を呈しており、樹脂枠４２に向かって突出している。この凸部４４１は、先端面４４１ａが樹脂枠４２のコア層４２１と当接した状態で、樹脂枠４２の第２接着層４２３にめり込んでおり、樹脂枠４２と一体的に形成されている。

アノード側セパレータ４３の凸部４３１とカソード側セパレータ４４の凸部４４１とは、樹脂枠４２を挟んで積層方向Ｘに対称に配置されている。そして、凸部４３１，４４１は、各マニホールド４３ａ〜４３ｆに沿って連なるように形成されている。換言すれば、凸部４３１，４４１は、各マニホールド４３ａ〜４３ｆに沿って途切れることなく連続して形成されている。

図４に示すように、樹脂枠４２のコア層４２１における凸部４３１，４４１に対向する領域のうちの一部には、コア層４２１を貫通する貫通孔４２１ａが形成されている。そして、貫通孔４２１ａには、第１接着層４２２及び第２接着層４２３と同じ接着材料が充填されている。積層方向Ｘにおいて、貫通孔４２１ａの一端はアノード側セパレータ４３の凸部４３１によって塞がれており、貫通孔４２１ａの他端はカソード側セパレータ４４の凸部４４１によって塞がれている。すなわち、アノード側セパレータ４３の凸部４３１とカソード側セパレータ４４の凸部４４１とは、貫通孔４２１ａ内に充填された接着材料によって互いに接着されている。なお、図４中のＬはセパレータと樹脂枠とのシールラインである。

アノード側セパレータ４３、樹脂枠４２及びカソード側セパレータ４４は、例えば図５に示す方法で接着することができる。まず、凸部４３１が設けられたアノード側セパレータ４３、凸部４４１が設けられたカソード側セパレータ４４、貫通孔４２１ａが設けられた樹脂枠４２をそれぞれ用意する。このとき、貫通孔４２１ａには、第１接着層４２２及び第２接着層４２３と同じ接着材料が充填される。

次に、図５（ａ）に示すように、積層方向Ｘに沿ってアノード側セパレータ４３、樹脂枠４２及びカソード側セパレータ４４の順にこれらの部品を配置する。このとき、アノード側セパレータ４３の凸部４３１の先端面４３１ａが貫通孔４２１ａの一端（図５（ａ）では上端）と対向するように、アノード側セパレータ４３と樹脂枠４２との位置合わせを行う。同様に、カソード側セパレータ４４の凸部４４１の先端面４４１ａが貫通孔４２１ａの他端（図５（ａ）では下端）と対向するように、カソード側セパレータ４４と樹脂枠４２との位置合わせを行う。

そして、図５（ａ）に示す予定されるシールラインＬにおいて、樹脂枠４２の水平方向Ｚの両端部はコア層４２１及び第１接着層４２２、第２接着層４２３を有する３層構造となっており、これらの両端部間の中間部分は第１接着層４２２と第２接着層４２３とを含む接着層のみの単層構造となっている。

続いて、図示しないホットプレス機を用いて所定の荷重Ｆでアノード側セパレータ４３及びカソード側セパレータ４４を樹脂枠４２に押圧しながら、樹脂枠４２の第１接着層４２２及び第２接着層４２３の一部を加熱してこれらの接着層を構成する接着材料を溶融させる。このとき、セル化温度を第１接着層４２２及び第２接着層４２３に用いられた接着材料の溶融温度よりも高く、且つコア層４２１に用いられた材料の溶融温度よりも低く設定されている。このため、第１接着層４２２及び第２接着層４２３の接着材料が溶融し軟化するが、コア層４２１は溶融しない。

第１接着層４２２及び第２接着層４２３の接着材料が溶融し軟化すると、アノード側セパレータ４３の凸部４３１は、第１接着層４２２の内部に徐々に押し込まれる。そして、凸部４３１の先端面４３１ａがコア層４２１と当接するまで、アノード側セパレータ４３は第１接着層４２２の内部に押し続けられる。同様に、カソード側セパレータ４４の凸部４４１は、第２接着層４２３の内部に押し込まれる。そして、凸部４４１の先端面４４１ａがコア層４２１と当接するまで、カソード側セパレータ４４は第２接着層４２３の内部に押し続けられる。

次に、第１接着層４２２及び第２接着層４２３の接着材料を硬化させることで、アノード側セパレータ４３及びカソード側セパレータ４４を樹脂枠４２と接着させる。これによって、アノード側セパレータ４３の凸部４３１及びカソード側セパレータ４４の凸部４４１は、それぞれ樹脂枠４２と一体化される。

本実施形態の燃料電池セル４０では、アノード側セパレータ４３における樹脂枠４２に対向する領域のうちの一部に樹脂枠４２と当接して一体化された凸部４３１と、カソード側セパレータ４４における樹脂枠４２に対向する領域のうちの一部に樹脂枠４２と当接して一体化された凸部４４１とがそれぞれ形成されている。樹脂枠４２のコア層４２１における凸部４３１，４４１に対向する領域のうちの一部に貫通孔４２１ａが形成されており、該貫通孔４２１ａに第１接着層４２２及び第２接着層４２３と同じ接着材料が充填されている。このため、セパレータ４３，４４の押圧時に凸部４３１，４４１によって接着層４２２，４２３の接着材料が周囲に押し流されたとしても、セパレータ４３，４４の凸部４３１，４４１が貫通孔４２１ａに充填された接着材料によって樹脂枠４２と接着される。

そして、凸部４３１，４４１の先端面４３１ａ，４４１ａのうち、貫通孔４２１ａに接する部分は、貫通孔４２１ａに充填された接着材料によって接着されるので、従来のように先端部における接着層との接着部分の厚みが薄くなるのを防止することができる。その結果、セパレータ４３，４４と接着層４２２，４２３との接着部分の厚みの不均一を抑制し、セパレータ４３，４４と接着層４２２，４２３との接着性を確保することができる。

また、上述したように予定されるシールラインＬにおいて、樹脂枠４２における水平方向Ｚの両端部はコア層４２１及び第１接着層４２２、第２接着層４２３を有する３層構造、両端部間の中間部分は第１接着層４２２と第２接着層４２３とを含む接着層のみの単層構造となっている。このため、セル化によって一体的に形成された樹脂枠４２及びアノード側セパレータ４３、カソード側セパレータ４４では、仮にセル化時に接着層４２２，４２３がセパレータ４３，４４の押圧で押し潰されても、セルとして必要な厚みは上記３層構造のコア層４２１で確保でき、且つ上記単層構造で接着性（シール性ともいう）を確保することができる。その結果、セルとしての厚さ品質の確保及び接着性の両立を図ることができる。

更に、本実施形態の燃料電池セル４０によれば、樹脂枠４２のコア層４２１に貫通孔４２１ａを設けるだけでセパレータ４３，４４と接着層４２２，４２３との接着性を確保できるので、従来技術と比べて燃料電池セル４０の製造が簡単になる。

以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。

１ 燃料電池システム
２ 水素タンク
３ エアポンプ
４ ラジエータ
４０ 燃料電池セル
４１ ＭＥＧＡ（膜電極ガス拡散層接合体）
４２ 樹脂枠
４３ アノード側セパレータ
４４ カソード側セパレータ
４５ 燃料ガス流路
４６ 冷却媒体分配流路
４７ 酸化剤ガス流路
４２１ コア層
４２１ａ 貫通孔
４２２ 第１接着層
４２３ 第２接着層
４３１，４４１ 凸部
４３１ａ，４４１ａ 先端面

Claims (1)

1. 膜電極ガス拡散層接合体と、
   前記膜電極ガス拡散層接合体の外周に配置されるとともに、コア層と該コア層を挟む一対の接着層とを有する樹脂枠と、
   前記膜電極ガス拡散層接合体及び前記樹脂枠を挟持する一対のセパレータと、
   を備える燃料電池セルであって、
   各セパレータにおける前記樹脂枠に対向する領域のうちの一部には、前記樹脂枠と当接して一体化された凸部が形成されており、
   前記樹脂枠の前記コア層における前記凸部に対向する領域のうちの一部には、前記コア層を貫通する貫通孔が形成されており、
   前記貫通孔には、前記接着層と同じ接着材料が充填されていることを特徴とする燃料電池セル。

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