JP7020266B2 - 燃料電池、及び燃料電池の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は燃料電池、及び燃料電池の製造方法に関する。
燃料電池は、複数の燃料電池セルが積層されて構成されている。各々の燃料電池セルは、一対のセパレータと、当該一対のセパレータの間に配置された膜電極ガス拡散層接合体とを備える。また、膜電極ガス拡散層接合体の周囲にはシール部材が配置されており、一対のセパレータは、シール部材を介して接着されている。
特許文献1には、一対のセパレータがシール部材を介して接着されている燃料電池セルが開示されている。
特開2014-120368号公報
背景技術で説明したように、燃料電池は、複数の燃料電池セルが積層されて構成されている。また、各々の燃料電池セルの積層方向の端部には、燃料電池セルで発電された電力を集電する集電体が設けられている。この集電体は、セパレータと集電板とをシール部材を介して接着することで形成される場合がある。このように、セパレータと集電板とをシール部材を介して接着することで集電体を形成した場合は、集電板とセパレータとシール部材とで形成される空間が閉空間となる。
しかしながら、集電体の内部に閉空間が存在すると、燃料電池を動作させた際に集電体の温度が上昇し、この温度上昇によって閉空間内の圧力が上昇する。このように閉空間内の圧力が上昇すると、集電体をシールしているシール部材が剥離して、ガス漏れや冷却媒体漏れが発生する恐れがある。
上記課題に鑑み本発明の目的は、集電体をシールしているシール部材の剥離を抑制することが可能な燃料電池、及び燃料電池の製造方法を提供することである。
本発明の一態様にかかる燃料電池は、複数の燃料電池セルが積層されて構成された燃料電池であって、前記燃料電池セルの積層方向の端部には前記燃料電池セルで発電された電力を集電する集電体が設けられている。前記集電体は、セパレータと集電板とがシール部材を介して接着されている構造を有し、前記集電板と前記セパレータと前記シール部材とで形成される空間は閉空間となる。前記集電体は、前記閉空間における圧力が上昇した際に前記閉空間から外部に気体を排出する通気構造を有する。
本発明にかかる燃料電池では、集電体に形成された閉空間内の圧力が上昇した際に、閉空間から外部に気体を排出する通気構造を形成している。このように通気構造を形成することで、燃料電池の動作時に集電体の温度が上昇して閉空間内の圧力が高くなった際に、閉空間から外部に気体を排出することができる。よって、閉空間内の圧力の上昇を抑えることができるので、集電体をシールしているシール部材の剥離を抑制することができる。
上述の燃料電池において、前記通気構造は、前記セパレータの一部が前記シール部材と接着していない非接着部を設けることで形成してもよい。また、前記通気構造は、前記シール部材の一部に通気孔を設けることで形成してもよい。このように構成することで、集電体に通気構造を容易に形成することができる。
上述の燃料電池において、前記セパレータと前記集電板との間には、前記セパレータと前記集電板とを電気的に接続する厚さ調整板を設けてもよい。このように厚さ調整板を設けることで、セパレータと集電板とを電気的に接続することができる。
上述の燃料電池において、前記集電板は前記積層方向において前記セパレータと接触するように突出している突出部を備えるように構成してもよい。このように集電板に突出部を設けた場合は、上述の厚さ調整板を設ける必要がないので、部品点数を少なくすることができる。また、セパレータと集電板との間に厚さ調整板を配置する際の位置決めが不要になるので、製造工程を簡略化することができる。
上述の燃料電池において、前記集電体は矩形状であり、前記集電体の長手方向の両端部には、アノードガスおよびカソードガスが通過する連通孔がそれぞれ設けられており、前記通気構造は、前記集電体の長手方向に伸びる辺の一部に形成されていてもよい。集電体の長手方向に伸びる辺は、集電体の長手方向の両端部よりも広いスペースがあるので、このような位置に通気構造を形成することが好ましい。
本発明の一態様にかかる燃料電池の製造方法は、セパレータと集電板との間にシール部材を配置する工程と、前記セパレータと前記集電板とをそれぞれ第1の金型と第2の金型とで狭持して、前記セパレータと前記集電板とを前記シール部材を介して熱圧着する工程と、を備える。前記集電板、前記セパレータ、及び前記シール部材は閉空間を形成しており、前記熱圧着する工程において前記セパレータと前記シール部材とが熱圧着されない領域を設けることで、前記閉空間における圧力が上昇した際に前記閉空間から外部に気体を排出する通気構造を形成する。
本発明にかかる燃料電池の製造方法では、集電体に形成された閉空間内の圧力が上昇した際に、閉空間から外部に気体を排出する通気構造を形成している。このように通気構造を形成することで、燃料電池の動作時に集電体の温度が上昇して閉空間内の圧力が高くなった際に、閉空間から外部に気体を排出することができる。よって、閉空間内の圧力の上昇を抑えることができるので、集電体をシールしているシール部材の剥離を抑制することができる。
上述の燃料電池の製造方法において、前記第1の金型が前記セパレータに接触しない領域を設けることで、前記セパレータが前記シール部材と熱圧着されない領域を形成してもよい。また、前記シール部材および前記セパレータの少なくとも一方に非接着処理を施すことで、前記セパレータが前記シール部材と熱圧着されない領域を形成してもよい。このような方法を用いることで、集電体に通気構造を容易に形成することができる。
本発明により、集電体をシールしているシール部材の剥離を抑制することが可能な燃料電池、及び燃料電池の製造方法を提供することができる。
実施の形態にかかる燃料電池を説明するための図である。 実施の形態にかかる燃料電池が備える燃料電池セルの平面図である。 実施の形態にかかる燃料電池が備える燃料電池セルの断面図である。 実施の形態にかかる燃料電池が備える集電体の平面図である。 実施の形態にかかる燃料電池が備える集電体の断面図である。 実施の形態にかかる燃料電池が備える集電体の分解斜視図である。 実施の形態にかかる燃料電池が備える集電体の断面図である。 実施の形態にかかる燃料電池が備える集電体の断面図である。 実施の形態にかかる燃料電池が備える集電体の製造方法を説明するための断面図である。 実施の形態にかかる燃料電池が備える集電体の製造方法を説明するための断面図である。 実施の形態にかかる燃料電池が備える集電体の他の構成例を示す断面図である。 実施の形態にかかる燃料電池が備える集電体の他の構成例を示す断面図である。
以下、図面を参照して実施の形態について説明する。
図1は、実施の形態にかかる燃料電池を説明するための図である。図1に示すように、燃料電池1は、複数の燃料電池セル10、エンドプレート11、16、絶縁板12、15、及び集電体13、14を備える。これらの部材は、エンドプレート11、絶縁板12、集電体13、複数の燃料電池セル10、集電体14、絶縁板15、及びエンドプレート16の順にz軸方向に積層されている。
燃料電池1には、配管101を介してアノードガスが供給される。例えば、アノードガスは水素ガスである。燃料電池1に供給されたアノードガスは、複数の燃料電池セル10に供給される。そして、燃料電池セル10で使用されなかったアノードガスは、配管102を介して排出される。
燃料電池1には、配管103を介してカソードガスが供給される。例えば、カソードガスは酸素(空気)である。燃料電池1に供給されたカソードガスは、複数の燃料電池セル10に供給される。そして、燃料電池セル10で使用されなかったカソードガスは、配管104を介して排出される。
また、燃料電池1には、各々の燃料電池セル10を冷却するための冷却媒体が配管105を介して供給される。例えば、冷却媒体には水を用いることができる。各々の燃料電池セル10を通過した冷却媒体は配管106を介して排出される。例えば、配管105と配管106との間にはポンプ(不図示)が設けられており、このポンプを用いることで、冷却媒体を配管105、燃料電池1、配管106、ポンプ(不図示)の順に循環させることができる。
図2は、本実施の形態にかかる燃料電池を構成する燃料電池セル(単セル)の平面図である。図3は、図2に示す燃料電池セル10の切断線III-IIIにおける断面図である。図3に示すように、燃料電池セル10は、アノード側セパレータ30とカソード側セパレータ50とがシール部材40を介して接着されている。アノード側セパレータ30およびカソード側セパレータ50は、例えばチタン等の金属材料を用いて構成することができる。
図2に示すように、燃料電池セル10は矩形状であり、燃料電池セル10の長手方向の両端部には、連通孔31、35、51、55、61、65が形成されている。例えば、連通孔31はアノードガス供給用連通孔であり、連通孔35はアノードガス排気用連通孔であり、連通孔51はカソードガス供給用連通孔であり、連通孔55はカソードガス排気用連通孔であり、連通孔61は冷却媒体供給用連通孔であり、連通孔65は冷却媒体排出用連通孔である。
複数の燃料電池セル10が積層された際、各々の連通孔31、51、61はそれぞれ、各々の燃料電池セル10にアノードガス、カソードガス、及び冷却媒体を供給するための流路(z軸方向に伸びる流路)として機能する。また、複数の燃料電池セル10が積層された際、各々の連通孔35、55、65はそれぞれ、各々の燃料電池セル10から不使用のアノードガス及びカソードガス、並びに使用後の冷却媒体を排出するための流路(z軸方向に伸びる流路)として機能する。
各々の連通孔31、35、51、55の周囲には、ガスケット33、37、53、57が設けられている。ガスケット33、37、53、57を設けることで、隣接する燃料電池セル10間において各々の連通孔31、35、51、55がシールされる。また、各々の連通孔31、35、51、55、61、65の周囲のシール領域32、36、52、56、62、66において、アノード側セパレータ30とカソード側セパレータ50とがシール部材40を介して接着されている。これにより、燃料電池セル10内において各々の連通孔31、35、51、55、61、65の周囲(燃料電池セル10内におけるアノードガス、カソードガスの流路を除く)がシールされる。
アノード側セパレータ30の表面には、各々の連通孔31、35、51、55、61、65を取り囲むように、ガスケット22が設けられている。また、ガスケット22の周囲のシール領域21において、アノード側セパレータ30とカソード側セパレータ50とがシール部材40を介して接着されている(図3参照)。
なお、冷却媒体は各々の燃料電池セル10間を流れるため、図2に示すアノード側セパレータ30の表面において、連通孔61、65の周囲にはガスケットが設けられてない。
図2、図3に示す燃料電池セル10の中央部には、アノード側セパレータ30とカソード側セパレータ50とで狭持された膜電極ガス拡散層接合体45(MEGA:Membrane Electrode Gas diffusion layer Assembly)が設けられている。MEGA45は、電解質膜の両面に電極が配置された膜電極接合体と、当該膜電極接合体の両面に配置されたガス拡散層とを備えており、発電モジュールとして機能する。
連通孔31から供給されたアノードガスは、アノードガスの流路38を通り、一部がMEGA45に供給され、残りのガスが連通孔35から排出される。また、連通孔51から供給されたカソードガスは、カソードガスの流路58(図3参照)を通り、一部がMEGA45に供給され、残りのガスが連通孔55から排出される。このように、MEGA45にアノードガス及びカソードガスがそれぞれ供給されることで、電力が生成される。
図3に示すように、アノード側セパレータ30およびカソード側セパレータ50は、シール部材40を介して接着されている。シール部材40は3層構造であり、コア層41、接着層42、及び接着層43を備える。コア層41は接着層42、43よりも厚く構成されている。したがって、コア層41は接着層42、43よりも硬い。例えば、コア層41は、ポリエチレンナフタレート(PEN)等の熱可塑性樹脂を用いて構成することができる。
接着層42、43は、加熱しながら圧力を印加(熱圧着)することでセパレータと接着する材料で構成されている。つまり、接着層42、43は、加熱されることで溶融してセパレータと接着する。例えば、接着層42、43は、ポリプロピレン等の熱可塑性樹脂を用いて構成することができる。接着層42はアノード側セパレータ30と接着され、接着層43はカソード側セパレータ50と接着される。
アノード側セパレータ30の表面には、ガスケット22が設けられている。ガスケット22は、燃料電池セル10が積層された際、各々の燃料電池セル10間をシールする。
なお、上述の説明では、各々の燃料電池セル10のz軸方向プラス側をアノード側とし、z軸方向マイナス側をカソード側とした場合を示したが、本実施の形態では、z軸方向プラス側をカソード側とし、z軸方向マイナス側をアノード側としてもよい。この場合は、各構成要素の「アノード」と「カソード」が逆になる。なお、以下の説明では、アノード側セパレータ30及びカソード側セパレータ50を、単にセパレータ30、50と記載する。
図1に示したように、各々の燃料電池セル10の積層方向の端部には集電体13、14が設けられている。集電体13、14は、各々の燃料電池セル10で発電された電力を集電し、端子(不図示)を介して外部に電力を出力する。以下、集電体13について詳細に説明する。
図4は、本実施の形態にかかる燃料電池の集電体13の平面図である。図5は、図4に示す集電体13の切断線V-Vにおける断面図である。図5に示すように、集電体13は、セパレータ30と集電板70とがシール部材40を介して接着されて構成されている。集電板70は、金属材料を用いて構成されている。
ここで、図3と図5とを比較すると、図3に示す燃料電池セル10では、セパレータ30とセパレータ50とがシール部材40を介して接着されているのに対して、図5に示す集電体13では、セパレータ30と集電板70とがシール部材40を介して接着されている。つまり、燃料電池セル10および集電体13を形成する際、セパレータ30およびシール部材40を共通の部品として使用することができる。
図4に示すように、集電体13は矩形状であり、集電体13の長手方向の両端部には、連通孔31、35、51、55、61、65が形成されている。例えば、連通孔31はアノードガス供給用連通孔であり、連通孔35はアノードガス排気用連通孔であり、連通孔51はカソードガス供給用連通孔であり、連通孔55はカソードガス排気用連通孔であり、連通孔61は冷却媒体供給用連通孔であり、連通孔65は冷却媒体排出用連通孔である。各々の連通孔31、35、51、55、61、65は、セパレータ30と集電板70とを貫通するように形成されている。集電体13に形成されている各々の連通孔31、35、51、55、61、65は、図2に示した燃料電池セル10に形成されている各々の連通孔31、35、51、55、61、65と連通している。
各々の連通孔31、35、51、55の周囲には、ガスケット33、37、53、57が設けられている。ガスケット33、37、53、57を設けることで、隣接する燃料電池セル10との間において各々の連通孔31、35、51、55がシールされる。また、各々の連通孔31、35、51、55、61、65の周囲のシール領域32、36、52、56、62、66において、セパレータ30と集電板70とがシール部材40を介して接着されている。これにより、集電体13内において各々の連通孔31、35、51、55、61、65の周囲がシールされる。
セパレータ30の表面には、各々の連通孔31、35、51、55、61、65を取り囲むように、ガスケット22が設けられている。また、ガスケット22の周囲のシール領域21において、セパレータ30と集電板70とがシール部材40を介して接着されている(図5参照)。
また、集電体13と燃料電池セル10とが積層された際、連通孔61から連通孔65に冷却媒体が流れる。セパレータ30の表面には冷却媒体の流路38が形成されている。
図5に示すように、セパレータ30および集電板70は、シール部材40を介して接着されている。燃料電池セル10(図3参照)と同様に、シール部材40は3層構造であり、コア層41、接着層42、及び接着層43を備える。コア層41は接着層42、43よりも厚く構成されている。したがって、コア層41は接着層42、43よりも硬い。例えば、コア層41は、ポリエチレンナフタレート(PEN)等の熱可塑性樹脂を用いて構成することができる。
接着層42、43は、加熱しながら圧力を印加(熱圧着)することでセパレータ30および集電板70と接着する材料で構成されている。つまり、接着層42、43は、加熱されることで溶融してセパレータ30および集電板70と接着する。例えば、接着層42、43は、ポリプロピレン等の熱可塑性樹脂を用いて構成することができる。接着層42はセパレータ30と接着され、接着層43は集電板70と接着される。
セパレータ30と集電板70との間には、セパレータ30と集電板70とを電気的に接続する厚さ調整板48が設けられている。厚さ調整板48は、例えば金属材料を用いて構成することができる。
図6の分解斜視図に示すように、集電体13を形成する際は、セパレータ30と集電板70との間にシール部材40を配置する。シール部材40の中央部には厚さ調整板48を配置する。その後、セパレータ30と集電板70とをそれぞれ金型で狭持して、セパレータ30と接着層42、及び集電板70と接着層43をそれぞれ熱圧着する。
ここで、集電板70の内部にはアノードガスおよびカソードガスが流れないので、セパレータ30と集電板70とシール部材40とで形成される空間は、図5に示すように閉空間80(密閉された空間)となる。
このように、集電体13の内部に閉空間80が存在すると、燃料電池を動作させた際に集電体13の温度が上昇し、この温度上昇によって閉空間80内の圧力が上昇する。このように閉空間80内の圧力が上昇すると、集電体13をシールしているシール部材40が剥離して、ガス漏れや冷却媒体漏れが発生する恐れがある。
このような問題を考慮し、本実施の形態にかかる燃料電池では、図4に示すように、集電体13に形成された閉空間80内の圧力が上昇した際に、閉空間80から外部に気体を排出する通気構造81を形成している。このように通気構造81を形成することで、燃料電池の動作時に集電体13の温度が上昇して閉空間80内の圧力が高くなった際に、閉空間80から外部に気体を排出することができる。よって、閉空間80内の圧力の上昇を抑えることができるので、シール部材40が剥離して、ガス漏れや冷却媒体漏れが発生することを抑制することができる。
図4に示す例では、集電体13の長手方向(y軸方向)に伸びる辺の一部に通気構造81を形成している。具体的には、集電体13の長手方向(y軸方向)に伸びる2つの辺の各々に通気構造81を形成している。図4に示すように、集電体13の長手方向(y軸方向)の端部の各々には連通孔31、35、51、55、61、65が密集して形成されている。したがって、比較的スペースのある、集電体13の長手方向(y軸方向)に伸びる辺に通気構造81を形成することが好ましい。なお、通気構造を形成する場所、及び数は任意に決定することができる。
図7は、図4に示す集電体13の切断線VII-VIIにおける断面図であり、通気構造81が形成されている付近の断面図である。図7に示すように、通気構造81は、セパレータ30の一部がシール部材40と接着されていない非接着部44を設けることで形成することができる。すなわち、図7に示すように、接着層42の一部に、接着層42とセパレータ30とが接着していない非接着部44を設ける。このように非接着部44を設けることで、図8に示すように、閉空間80内の圧力が上昇した際に、セパレータ30とシール部材40との間に通気孔82が形成され、この通気孔82を通して、閉空間80から外部に気体を排出することができる。
例えば、非接着部44は次のようにして形成することができる。図9は、本実施の形態にかかる燃料電池が備える集電体の製造方法を説明するための断面図である。上述のように、集電体13を形成する際は、セパレータ30と集電板70との間にシール部材40を配置する(図6参照)。その後、図9に示すように、セパレータ30と集電板70とをそれぞれ金型91と金型92とで狭持して、セパレータ30と接着層42、及び集電板70と接着層43をそれぞれ熱圧着する。
このとき、図9に示すように、金型91に凹部93を設け、金型91とセパレータ30とが接触しない領域を設ける。凹部93が形成されている領域では、セパレータ30と接着層42とが熱圧着されないので、この領域に非接着部44を形成することができる。
また、接着層42およびセパレータ30の少なくとも一方に非接着処理を施すことで、セパレータ30と接着層42とが熱圧着されない領域(非接着部44)を形成することができる。換言すると、接着層42とセパレータ30とが接触する界面に非接着処理を施すことで、セパレータ30と接着層42とが熱圧着されない領域(非接着部44)を形成することができる。
例えば、非接着処理は、接着層42とセパレータ30とが接触する界面に界面活性剤を塗布することで施すことができる。非接着処理を施した場合は、図10に示すように、金型91とセパレータ30とが当接するように構成してもよい。すなわち、図9に示したように、金型91に凹部93を設けなくてもよい。
なお、非接着処理を施すことで非接着部を形成する場合は、接着層43と集電板70との界面に非接着処理を施すようにしてもよい。この場合は、集電板70とシール部材40との間に通気構造81を形成することができる。
また、本実施の形態にかかる燃料電池では、図11に示す集電体13_1のように、シール部材40の一部に通気孔85を設けることで通気構造81を形成してもよい。図11に示す例では、シール部材40のコア層41に通気孔85を形成しているが、例えば、シール部材40の一部を切り欠くことで通気構造を形成してもよい。すなわち、シール部材40の一部をx軸方向に伸びる方向に切り欠くことで、セパレータ30と集電板70との間にシール部材40が設けられない領域(通気構造)を形成することができる。
図12は、本実施の形態にかかる燃料電池が備える集電体の他の構成例を示す断面図である。図5に示した構成では、セパレータ30と集電板70との間に、セパレータ30と集電板70とを電気的に接続する厚さ調整板48を設けていた。これに対して、図12に示す集電体13_2では、集電板71に突出部72を設け、この突出部72がセパレータ30と接触するように構成している。集電板71は金属材料で構成されているので、突出部72がセパレータ30と接触することで、セパレータ30と集電板70とが電気的に接続される。
図12に示す構成では、突出部72がセパレータ30と接触するように構成しているので、図5に示した厚さ調整板48を設ける必要がない。よって、部品点数を少なくすることができる。また、セパレータ30と集電板70との間に厚さ調整板48を配置する際の位置決めが不要になるので、製造工程を簡略化することができる。
以上、本発明を上記実施の形態に即して説明したが、本発明は上記実施の形態の構成にのみ限定されるものではなく、本願特許請求の範囲の請求項の発明の範囲内で当業者であればなし得る各種変形、修正、組み合わせを含むことは勿論である。
1 燃料電池
10 燃料電池セル
11、16 エンドプレート
12、15 絶縁板
13、13_1、13_2、14 集電体
21 シール領域
22 ガスケット
30 セパレータ(アノード側セパレータ)
31、35、51、55、61、65 連通孔
33、37、53、57 ガスケット
32、36、52、56、62、66 シール領域
38、58 流路
40 シール部材
41 コア層
42、43 接着層
44 非接着部
45 MEGA
48 厚さ調整板
50 セパレータ(カソード側セパレータ)
70、71 集電板
72 突出部
80 閉空間
81 通気構造
82、85 通気孔
91、92 金型
93 凹部

Claims (7)

  1. 複数の燃料電池セルが積層されて構成された燃料電池であって、
    前記燃料電池セルの積層方向の端部には前記燃料電池セルで発電された電力を集電する集電体が設けられており、
    前記集電体は、セパレータと集電板とがシール部材を介して接着されている構造を有し、
    前記集電板と前記セパレータと前記シール部材とで形成される空間は閉空間であり、
    前記集電体は、前記閉空間における圧力が上昇した際に前記閉空間から外部に気体を排出する通気構造を有
    前記通気構造は、前記セパレータの一部が前記シール部材と接着していない非接着部を設けることで形成されている、
    燃料電池。
  2. 前記セパレータと前記集電板との間には、前記セパレータと前記集電板とを電気的に接続する厚さ調整板が設けられている、請求項1に記載の燃料電池。
  3. 前記集電板は前記積層方向において前記セパレータと接触するように突出している突出部を備える、請求項1に記載の燃料電池。
  4. 前記集電体は矩形状であり、前記集電体の長手方向の両端部には、アノードガスおよびカソードガスが通過する連通孔がそれぞれ設けられており、
    前記通気構造は、前記集電体の長手方向に伸びる辺の一部に形成されている、
    請求項1乃至のいずれか一項に記載の燃料電池。
  5. セパレータと集電板との間にシール部材を配置する工程と、
    前記セパレータと前記集電板とをそれぞれ第1の金型と第2の金型とで狭持して、前記セパレータと前記集電板とを前記シール部材を介して熱圧着する工程と、を備え、
    前記集電板、前記セパレータ、及び前記シール部材は閉空間を形成しており、
    前記熱圧着する工程において前記セパレータと前記シール部材とが熱圧着されない領域を設けることで、前記閉空間における圧力が上昇した際に前記閉空間から外部に気体を排出する通気構造を形成する、
    燃料電池の製造方法。
  6. 前記第1の金型が前記セパレータに接触しない領域を設けることで、前記セパレータが前記シール部材と熱圧着されない領域を形成する、請求項に記載の燃料電池の製造方法。
  7. 前記シール部材および前記セパレータの少なくとも一方に非接着処理を施すことで、前記セパレータが前記シール部材と熱圧着されない領域を形成する、請求項に記載の燃料電池の製造方法。
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