JPWO2013141079A1 - 燃料電池 - Google Patents
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Abstract
外周部にフレーム1を有する膜電極接合体2と、フレーム1及び膜電極接合体2の両面側に配置されるセパレータ3を備え、フレーム1及びセパレータ3の相対向部分に、突条部3Rと、突条部3Rの頂部が入り込む溝部1Gを相対的に形成すると共に、溝部1Gに注入した接着剤10に突条部3Rの頂部を没入状態にして溝部1Gと突条部3Rを接着した燃料電池FCとしたことにより、フレーム1とセパレータ3との間のシール性を大幅に高めた。
Description
本発明は、固体高分子型燃料電池(PEFC)などの燃料電池の改良に関する。
この種の燃料電池としては、例えば、特許文献1に記載されているものがある。特許文献1に記載の燃料電池は、外周部に絶縁部材を一体化した膜電極接合体と、膜電極接合体との間にガス流路を形成するセパレータを備えている。この燃料電池は、絶縁部材及びセパレータの互いの平坦部同士を接着部材で接合した構造になっている。
しかしながら、上記したような従来の燃料電池にあっては、絶縁部材とセパレータとの間において、一定のシール性を確保することはできるものの、双方の平坦部同士で接合した構造であるため、必ずしもシール性が充分ではないという問題点があり、このような問題点を解決することが課題であった。
本発明は、上記従来の課題に着目して成されたもので、外周部にフレームを有する膜電極接合体及びセパレータを備えた燃料電池において、フレームとセパレータとの間のシール性を高めることができる燃料電池を提供することを目的としている。
本発明に係る燃料電池は、外周部にフレームを有する膜電極接合体と、フレーム及び膜電極接合体の両面側に配置されるセパレータを備えている。そして、燃料電池は、フレーム及びセパレータの相対向部分に、突条部と、突条部の頂部が入り込む溝部を相対的に形成すると共に、溝部に注入した接着剤に突条部の頂部を没入状態にして溝部と突条部を接着した構成としており、上記構成をもって従来の課題を解決するための手段としている。
本発明によれば、外周部にフレームを有する膜電極接合体及びセパレータを備えた燃料電池において、フレームとセパレータとの間のシール性を大幅に高めることができる。
図1〜図3は、本発明に係る燃料電池及び燃料電池スタックの一実施形態を説明する図である。図1及び図2に示す燃料電池FCは、外周部にフレーム1を有する膜電極接合体2と、フレーム1及び膜電極接合体2の両面側に配置されるセパレータ3,3を備えている。なお、図1は、図2中のA−A線に基づく断面図である。
膜電極接合体2は、一般に、MEA(Membrane Electrode Assembly)と呼ばれるものであって、例えば固体高分子から成る電解質層をカソード層(空気極層)とアノード層(燃料極層)とで挟持した構造を有している。カソード層及びアノード層は、図示を省略したが、触媒層や適数のガス拡散層を積層した構造である。
フレーム1は、樹脂製であって、射出成形等によって膜電極接合体2の外周部に一体成形してあり、図示例では膜電極接合体2を中央にして矩形状を成している。フレーム1は、両端部に、各々三個ずつのマニホールド穴(図示せず)が配列してあり、各マニホールド穴群から膜電極接合体2に至る領域が反応用ガスの流通領域となる。
各セパレータ3は、より好適な実施形態としてステンレス製であって、フレーム1及び膜電極接合体2に対応した矩形状を成している。各セパレータ3は、膜電極接合体2に対応する中央部分が、短辺方向の断面において波形状に形成してある。この波形状は図示の如く長辺方向に連続している。
これにより、各セパレータ3は、膜電極接合体2に対応する中央部分では、波形の凸部分が膜電極接合体2に接触すると共に、波形の凹部分でカソードガス(空気)及びアノードガス(水素ガス)のガス流路をそれぞれ形成する。また、各セパレータ3は、図2に示すように、両端部に、フレーム1の各マニホールド穴と連通するマニホールド穴H1〜H6を有している。
図2の左側に示す一方側のマニホールド穴H1〜H3は、カソードガス供給用(H1)、冷却液供給用(H2)及びアノードガス排出用(H3)であり、積層方向に互いに連通して夫々の流路を形成する。また、図2の右側に示す他方側のマニホールド穴H4〜H6は、アノードガス供給用(H4)、冷却液排出用(H5)及びカソードガス排出用(H6)であり、積層方向に互いに連通して夫々の流路を形成する。なお、これらの供給及び排出の位置関係は適宜選択することができる。
さらに、燃料電池FCは、フレーム1と各セパレータ3の縁部同士の間や、マニホールド穴H1〜H6の周囲に、ガスシールが設けてある。また、燃料電池FCを複数枚を積層した状態では、燃料電池FC同士すなわち隣接するセパレータ3同士の間にもガスシールを設ける。この実施形態では、隣接するセパレータ3間に冷却液を流通させる構造である。
上記のガスシールは、個々の層間において、カソードガス、アノードガス及び冷却液の夫々の流通域を気密的に分離すると共に、その層間に所定の流体が流れるように、マニホールド穴H1〜H6の周縁部の適当な箇所に開口を設ける。
上記構成を備えた燃料電池FCは、複数枚を積層して、図3に示すような燃料電池スタックFSを構成する。燃料電池スタックFSは、図3(A)に示すように、燃料電池FCの積層体Sに対し、その積層方向の一端部(図3中で右側端部)に、集電板4A及びスペーサ5を介してエンドプレート6Aが設けてある。また、積層方向の他端部にも、集電板4Bを介してエンドプレート6Bが設けてある。さらに、燃料電池スタックFSは、積層体Sに対し、燃料電池FCの長辺側となる両面(図3中で上下面)に、締結板7A,7Bが設けてあると共に、短辺側となる両面に、補強板8A,8Bが設けてある。
そして、燃料電池スタックFSは、各締結板7A,7B及び補強板8A,8BをボルトBにより両エンドプレート6A,6Bに連結する。このようにして、燃料電池スタックFSは、図3(B)に示すようなケース一体型構造となり、積層体Sをその積層方向に拘束・加圧して個々の燃料電池FCに所定の接触面圧を加え、ガスシール性や導電性等を良好に維持する。
ここで、本発明の燃料電池FCは、先述の如くフレーム1を有する膜電極接合体2と、セパレータ3,3を備え、フレーム1及びセパレータ3の相対向部分に、突条部と、突条部の頂部が入り込む溝部を相対的に形成すると共に、溝部に接着剤を注入して溝部と突条部を接着した構成になっている。このシール構成は、先述したフレーム1と各セパレータ3の縁部同士の間に設けたガスシールに沿って設ける。
この実施形態における燃料電池FCでは、図1に示すように、フレーム1及びセパレータ3の相対向部分において、フレーム1に溝部1Gを形成すると共に、セパレータ3に突条部3Rを形成している。また、図示例では、セパレータ3に内向き(図1では下向き)の凹部3Aを形成し、この凹部3Aの底部中央に突条部3Rが形成してある。フレーム1の溝部1Gとセパレータ3の凹部3Aは、ほぼ等しい幅寸法である。
フレーム1の溝部1Gは、当該フレーム1を射出成形する際に、同時に設けることができる。また、セパレータ3の突条部3Rや凹部3Aは、当該セパレータ3をプレス加工等で成形する際に、同時に設けることができる。
そして、燃料電池FCは、フレーム1の溝部1Gに接着剤10を注入すると共に、セパレータ3の突条部3Rの頂部を接着剤10に没入させた状態にして、溝部1Gと突条部3Rを接着し、フレーム1とセパレータ3とを接合している。このとき、燃料電池FCは、フレーム1とセパレータ3との間において、突条部3R少なくとも膜電極接合体2側に、接着剤10により気密的に仕切られた空間11が形成される。図示例では、突条部3Rの両側に空間11,11が形成されている。
上記の構成を備えた燃料電池FC及び燃料電池スタックFSは、溝部1Gに注入した接着剤10に突条部3Aの頂部を没入状態にして溝部1Gと突条部3Rを接着しているので、双方を平坦部同士で接着するシール構造に比べて、双方の界面が複雑なものとなる。これにより、燃料電池FCは、フレーム1とセパレータ3との間のシール性を大幅に高めることができる。
また、上記の燃料電池FCでは、フレーム1とセパレータ3との間において、突条部3Rの膜電極接合体2側に、接着剤10により気密的に仕切られた空間11を形成したので、シール性がより一層高められる。つまり、燃料電池FCは、図1中に矢印で示す発電領域(膜電極接合体2の領域)から、フレーム1とセパレータ3との間に反応用ガスが侵入すると、その反応用ガスは内側の空間11に流入する。これにより、ガス圧が接着剤10の表面に作用することとなり、そのガス圧により接着剤10が加圧される、いわゆるセルフシール機能が働き、接着剤10から外側への反応用ガスの漏出を完全に阻止する。
さらに、上記の燃料電池FCでは、溝部1Gに接着剤10を設ければ良いので、接着剤10の注入作業が非常に容易なものとなり、また、接着剤10が他の部分に流出するような心配がないので、粘性の低い接着剤10を使用することもできる。これにより、生産性の向上や低コスト化などを図ることも可能になる。
図4に示す燃料電池FCは、フレーム1に突条部1Rを形成すると共に、セパレータ3に溝部3Gを形成し、溝部3Gに注入した接着剤10に突条部1Rの頂部を没入状態にして溝部3Gと突条部1Rを接着した構成である。また、突条部1Rの両側には、接着剤10により気密的に仕切られた空間11が形成されている。
上記の燃料電池FCにあっても、先の実施形態と同様に、双方を平坦部同士で接着する構造に対して、双方の界面が複雑なものとなり、フレーム1とセパレータ3との間のシール性を大幅に高めることができる。
なお、本発明に係る燃料電池は、その構成が上記各実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で各構成の細部を適宜変更することが可能である。また、図1及び図4に示す各実施形態では、フレームと一方のセパレータとに突条部及び溝部を相対的に設けた構成を例示したが、当然のことながら、フレームと他方のセパレータとの間にも同等の構成を設けることができる。
FC 燃料電池
FS 燃料電池スタック
1 フレーム
1G 溝部
1R 突条部
2 膜電極接合体
3 セパレータ
3R 突条部
3G 溝部
10 接着剤
11 空間
FS 燃料電池スタック
1 フレーム
1G 溝部
1R 突条部
2 膜電極接合体
3 セパレータ
3R 突条部
3G 溝部
10 接着剤
11 空間
【0002】
レーム及び膜電極接合体の両面側に配置されるセパレータを備えている。そして、燃料電池は、フレーム及びセパレータの相対向部分に、突条部と、突条部の頂部が入り込む溝部を相対的に形成すると共に、溝部に注入した接着剤に突条部の頂部を没入状態にして溝部と突条部を接着し、フレームとセパレータとの間において、突条部の少なくとも膜電極接合体側に、溝部に注入した接着剤により突条部と溝部との間が気密的に仕切られた空間を形成した構成としており、上記構成をもって従来の課題を解決するための手段としている。
発明の効果
[0007]
本発明によれば、外周部にフレームを有する膜電極接合体及びセパレータを備えた燃料電池において、フレームとセパレータとの間のシール性を大幅に高めることができる。
図面の簡単な説明
[0008]
[図1]本発明に係る燃料電池の一実施形態を説明する断面図である。
[図2]図1に示す燃料電池の分解状態の平面図である。
[図3]図1に示す燃料電池を積層して成る燃料電池スタックを説明する分解斜視図(A)及び組立後の斜視図(B)である。
[図4]本発明に係る燃料電池の他の実施形態を説明する断面図である。
発明を実施するための形態
[0009]
図1〜図3は、本発明に係る燃料電池及び燃料電池スタックの一実施形態を説明する図である。図1及び図2に示す燃料電池FCは、外周部にフレーム1を有する膜電極接合体2と、フレーム1及び膜電極接合体2の両面側に配置されるセパレータ3,3を備えている。なお、図1は、図2中のA−A線に基づく断面図である。
[0010]
膜電極接合体2は、一般に、MEA(Membrane Electrode Assembly)と呼ばれるものであって、例えば固体高分子から成る電解質層をカソード層(空気極層)とアノード層(燃料極層)とで挟持した構造を有している。カソード層及びアノード層は、図示を省略したが、触媒層や適数のガス拡散層を積層した構造である。
[0011]
フレーム1は、樹脂製であって、射出成形等によって膜電極接合体2の外周部に一体成形してあり、図示例では膜電極接合体2を中央にして矩形状を
レーム及び膜電極接合体の両面側に配置されるセパレータを備えている。そして、燃料電池は、フレーム及びセパレータの相対向部分に、突条部と、突条部の頂部が入り込む溝部を相対的に形成すると共に、溝部に注入した接着剤に突条部の頂部を没入状態にして溝部と突条部を接着し、フレームとセパレータとの間において、突条部の少なくとも膜電極接合体側に、溝部に注入した接着剤により突条部と溝部との間が気密的に仕切られた空間を形成した構成としており、上記構成をもって従来の課題を解決するための手段としている。
発明の効果
[0007]
本発明によれば、外周部にフレームを有する膜電極接合体及びセパレータを備えた燃料電池において、フレームとセパレータとの間のシール性を大幅に高めることができる。
図面の簡単な説明
[0008]
[図1]本発明に係る燃料電池の一実施形態を説明する断面図である。
[図2]図1に示す燃料電池の分解状態の平面図である。
[図3]図1に示す燃料電池を積層して成る燃料電池スタックを説明する分解斜視図(A)及び組立後の斜視図(B)である。
[図4]本発明に係る燃料電池の他の実施形態を説明する断面図である。
発明を実施するための形態
[0009]
図1〜図3は、本発明に係る燃料電池及び燃料電池スタックの一実施形態を説明する図である。図1及び図2に示す燃料電池FCは、外周部にフレーム1を有する膜電極接合体2と、フレーム1及び膜電極接合体2の両面側に配置されるセパレータ3,3を備えている。なお、図1は、図2中のA−A線に基づく断面図である。
[0010]
膜電極接合体2は、一般に、MEA(Membrane Electrode Assembly)と呼ばれるものであって、例えば固体高分子から成る電解質層をカソード層(空気極層)とアノード層(燃料極層)とで挟持した構造を有している。カソード層及びアノード層は、図示を省略したが、触媒層や適数のガス拡散層を積層した構造である。
[0011]
フレーム1は、樹脂製であって、射出成形等によって膜電極接合体2の外周部に一体成形してあり、図示例では膜電極接合体2を中央にして矩形状を
【0002】
レーム及び膜電極接合体の両面側に配置されるセパレータを備えている。そして、燃料電池は、フレーム及びセパレータの相対向部分に、突条部と、突条部の頂部が入り込む溝部を相対的に形成すると共に、溝部に注入した接着剤に突条部の頂部を没入状態にして溝部と突条部を接着し、前記溝部の位置であり且つフレームとセパレータとの間において、突条部の少なくとも膜電極接合体側に、空間を形成した構成としており、上記構成をもって従来の課題を解決するための手段としている。
発明の効果
[0007]
本発明によれば、外周部にフレームを有する膜電極接合体及びセパレータを備えた燃料電池において、フレームとセパレータとの間のシール性を大幅に高めることができる。
図面の簡単な説明
[0008]
[図1]本発明に係る燃料電池の一実施形態を説明する断面図である。
[図2]図1に示す燃料電池の分解状態の平面図である。
[図3]図1に示す燃料電池を積層して成る燃料電池スタックを説明する分解斜視図(A)及び組立後の斜視図(B)である。
[図4]本発明に係る燃料電池の他の実施形態を説明する断面図である。
発明を実施するための形態
[0009]
図1〜図3は、本発明に係る燃料電池及び燃料電池スタックの一実施形態を説明する図である。図1及び図2に示す燃料電池FCは、外周部にフレーム1を有する膜電極接合体2と、フレーム1及び膜電極接合体2の両面側に配置されるセパレータ3,3を備えている。なお、図1は、図2中のA−A線に基づく断面図である。
[0010]
膜電極接合体2は、一般に、MEA(Membrane Electrode Assembly)と呼ばれるものであって、例えば固体高分子から成る電解質層をカソード層(空気極層)とアノード層(燃料極層)とで挟持した構造を有している。カソード層及びアノード層は、図示を省略したが、触媒層や適数のガス拡散層を積
レーム及び膜電極接合体の両面側に配置されるセパレータを備えている。そして、燃料電池は、フレーム及びセパレータの相対向部分に、突条部と、突条部の頂部が入り込む溝部を相対的に形成すると共に、溝部に注入した接着剤に突条部の頂部を没入状態にして溝部と突条部を接着し、前記溝部の位置であり且つフレームとセパレータとの間において、突条部の少なくとも膜電極接合体側に、空間を形成した構成としており、上記構成をもって従来の課題を解決するための手段としている。
発明の効果
[0007]
本発明によれば、外周部にフレームを有する膜電極接合体及びセパレータを備えた燃料電池において、フレームとセパレータとの間のシール性を大幅に高めることができる。
図面の簡単な説明
[0008]
[図1]本発明に係る燃料電池の一実施形態を説明する断面図である。
[図2]図1に示す燃料電池の分解状態の平面図である。
[図3]図1に示す燃料電池を積層して成る燃料電池スタックを説明する分解斜視図(A)及び組立後の斜視図(B)である。
[図4]本発明に係る燃料電池の他の実施形態を説明する断面図である。
発明を実施するための形態
[0009]
図1〜図3は、本発明に係る燃料電池及び燃料電池スタックの一実施形態を説明する図である。図1及び図2に示す燃料電池FCは、外周部にフレーム1を有する膜電極接合体2と、フレーム1及び膜電極接合体2の両面側に配置されるセパレータ3,3を備えている。なお、図1は、図2中のA−A線に基づく断面図である。
[0010]
膜電極接合体2は、一般に、MEA(Membrane Electrode Assembly)と呼ばれるものであって、例えば固体高分子から成る電解質層をカソード層(空気極層)とアノード層(燃料極層)とで挟持した構造を有している。カソード層及びアノード層は、図示を省略したが、触媒層や適数のガス拡散層を積
Claims (5)
- 外周部にフレームを有する膜電極接合体と、
フレーム及び膜電極接合体の両面側に配置されるセパレータを備え、
フレーム及びセパレータの相対向部分に、突条部と、突条部の頂部が入り込む溝部を相対的に形成すると共に、溝部に注入した接着剤に突条部の頂部を没入状態にして溝部と突条部を接着したことを特徴とする燃料電池。 - フレームとセパレータとの間において、突条部の少なくとも膜電極接合体側に、接着剤により気密的に仕切られた空間を形成したことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池。
- フレームに溝部を形成すると共に、セパレータに突条部を形成したことを特徴とする請求項1又は2に記載の燃料電池。
- フレームに突条部を形成すると共に、セパレータに溝部を形成したことを特徴とする請求項1又は2に記載の燃料電池。
- 請求項1〜4のいずれか1項に記載の燃料電池を複数枚積層して成ることを特徴とする燃料電池スタック。
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