WO2013141079A1 - 燃料電池 - Google Patents

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桂太 入月
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日産自動車株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to an improvement in a fuel cell such as a polymer electrolyte fuel cell (PEFC).
  • a fuel cell such as a polymer electrolyte fuel cell (PEFC).
  • PEFC polymer electrolyte fuel cell
  • Patent Document 1 As this type of fuel cell, for example, there is one described in Patent Document 1.
  • the fuel cell described in Patent Document 1 includes a membrane electrode assembly in which an insulating member is integrated on the outer periphery, and a separator that forms a gas flow path between the membrane electrode assembly.
  • This fuel cell has a structure in which the flat portions of the insulating member and the separator are joined together with an adhesive member.
  • the present invention has been made paying attention to the above-described conventional problems, and in a fuel cell including a membrane electrode assembly and a separator having a frame on the outer peripheral portion, the sealing performance between the frame and the separator can be improved. It aims at providing the fuel cell which can be performed.
  • the fuel cell according to the present invention includes a membrane electrode assembly having a frame on the outer periphery, and separators disposed on both sides of the frame and the membrane electrode assembly.
  • a ridge portion and a groove portion into which the top portion of the ridge portion enters are relatively formed in opposite portions of the frame and the separator, and the top portion of the ridge portion is immersed in the adhesive injected into the groove portion.
  • the groove portion and the ridge portion are bonded to each other in the state, and the above configuration is used as means for solving the conventional problems.
  • the sealing performance between the frame and the separator can be greatly enhanced.
  • FIGS. 1 and 2 are diagrams for explaining an embodiment of a fuel cell and a fuel cell stack according to the present invention.
  • the fuel cell FC shown in FIGS. 1 and 2 includes a membrane electrode assembly 2 having a frame 1 on the outer periphery, and separators 3 and 3 disposed on both sides of the frame 1 and the membrane electrode assembly 2.
  • 1 is a cross-sectional view based on the line AA in FIG.
  • the membrane electrode assembly 2 is generally called MEA (Membrane Electrode Assembly), and an electrolyte layer made of a solid polymer, for example, is sandwiched between a cathode layer (air electrode layer) and an anode layer (fuel electrode layer). It has a structure. Although not shown, the cathode layer and the anode layer have a structure in which a catalyst layer and an appropriate number of gas diffusion layers are laminated.
  • MEA Membrane Electrode Assembly
  • the frame 1 is made of resin and is integrally formed on the outer peripheral portion of the membrane electrode assembly 2 by injection molding or the like.
  • the frame 1 has a rectangular shape with the membrane electrode assembly 2 in the center.
  • the frame 1 has three manifold holes (not shown) arranged at both ends, and a region from each manifold hole group to the membrane electrode assembly 2 serves as a reaction gas flow region.
  • Each separator 3 is made of stainless steel as a more preferred embodiment, and has a rectangular shape corresponding to the frame 1 and the membrane electrode assembly 2.
  • Each separator 3 has a central portion corresponding to the membrane electrode assembly 2 formed in a wave shape in a cross section in the short side direction. This wave shape is continuous in the long side direction as shown in the figure.
  • each separator 3 has a corrugated convex portion in contact with the membrane electrode assembly 2 at the central portion corresponding to the membrane electrode assembly 2, and a cathode gas (air) and an anode gas (hydrogen) in the corrugated concave portion. Gas) gas flow paths are respectively formed. Further, as shown in FIG. 2, each separator 3 has manifold holes H1 to H6 communicating with the manifold holes of the frame 1 at both ends.
  • the manifold holes H1 to H3 on one side shown on the left side of FIG. 2 are for cathode gas supply (H1), coolant supply (H2) and anode gas discharge (H3), and communicate with each other in the stacking direction.
  • the flow path is formed.
  • the other manifold holes H4 to H6 shown on the right side of FIG. 2 are for anode gas supply (H4), coolant discharge (H5) and cathode gas discharge (H6), and communicate with each other in the stacking direction.
  • H4 to H4 shown on the right side of FIG. 2 are for anode gas supply (H4), coolant discharge (H5) and cathode gas discharge (H6), and communicate with each other in the stacking direction.
  • the positional relationship between these supply and discharge can be selected as appropriate.
  • gas seals are provided between the edges of the frame 1 and each separator 3 and around the manifold holes H1 to H6. Further, in a state where a plurality of fuel cells FC are stacked, a gas seal is also provided between the fuel cells FC, that is, between the adjacent separators 3. In this embodiment, the coolant is circulated between the adjacent separators 3.
  • the gas seal described above separates the circulation regions of the cathode gas, the anode gas, and the coolant between the individual layers, and at the periphery of the manifold holes H1 to H6 so that a predetermined fluid flows between the layers. Openings are made at appropriate locations in the section.
  • a plurality of fuel cells FC having the above-described configuration are stacked to form a fuel cell stack FS as shown in FIG.
  • the fuel cell stack FS has a current collector plate 4A and a spacer 5 at one end (the right end in FIG. 3) in the stacking direction with respect to the stack S of the fuel cells FC.
  • An end plate 6A is provided via
  • the end plate 6B is provided also in the other end part of the lamination direction via the current collecting plate 4B.
  • the fuel cell stack FS is provided with fastening plates 7A and 7B on both sides (upper and lower surfaces in FIG. 3) on the long side of the fuel cell FC with respect to the stack S, and on the short side. Reinforcing plates 8A and 8B are provided on both sides.
  • the fastening plates 7A and 7B and the reinforcing plates 8A and 8B are connected to both end plates 6A and 6B by bolts B.
  • the fuel cell stack FS has a case-integrated structure as shown in FIG. 3 (B), and the stack S is restrained and pressurized in the stacking direction so that each fuel cell FC has a predetermined contact surface pressure. In order to maintain good gas sealing properties and conductivity.
  • the fuel cell FC of the present invention includes the membrane electrode assembly 2 having the frame 1 and the separators 3 and 3 as described above, and a ridge portion and a ridge at opposite portions of the frame 1 and the separator 3.
  • a groove part into which the top part of the part enters is formed relatively, and an adhesive is injected into the groove part to bond the groove part and the protrusion part.
  • This seal configuration is provided along the gas seal provided between the frame 1 and the edge of each separator 3 described above.
  • the groove 1G is formed in the frame 1 and the protrusion 3R is formed in the separator 3 at the opposing portions of the frame 1 and the separator 3.
  • an inward (downward in FIG. 1) recess 3A is formed in the separator 3, and a protrusion 3R is formed at the center of the bottom of the recess 3A.
  • the groove 1G of the frame 1 and the recess 3A of the separator 3 have substantially equal width dimensions.
  • the groove 1G of the frame 1 can be provided at the same time when the frame 1 is injection molded. Further, the protrusion 3R and the recess 3A of the separator 3 can be provided at the same time when the separator 3 is formed by press working or the like.
  • the fuel cell FC injects the adhesive 10 into the groove 1G of the frame 1 and makes the groove 1G and the protrusion 3R be in a state where the top of the protrusion 3R of the separator 3 is immersed in the adhesive 10.
  • the frame 1 and the separator 3 are bonded together.
  • a space 11 that is hermetically partitioned by the adhesive 10 is formed between the frame 1 and the separator 3 at least on the protrusion 3R side of the membrane electrode assembly 2 side. In the illustrated example, spaces 11 are formed on both sides of the ridge 3R.
  • the fuel cell FC and the fuel cell stack FS having the above-described configuration bond the groove 1G and the protrusion 3R with the top of the protrusion 3A immersed in the adhesive 10 injected into the groove 1G.
  • the interface between the both is complicated. Thereby, the fuel cell FC can greatly enhance the sealing performance between the frame 1 and the separator 3.
  • the space 11 that is hermetically partitioned by the adhesive 10 is formed between the frame 1 and the separator 3 on the membrane electrode assembly 2 side of the protrusion 3R.
  • the nature is further enhanced. That is, in the fuel cell FC, when the reaction gas enters between the frame 1 and the separator 3 from the power generation region (region of the membrane electrode assembly 2) indicated by an arrow in FIG. It flows into the space 11. As a result, the gas pressure acts on the surface of the adhesive 10, and the so-called self-seal function in which the adhesive 10 is pressurized by the gas pressure works, and the reaction gas leaks from the adhesive 10 to the outside. Stop completely.
  • the adhesive 10 may be provided in the groove 1G, the operation of injecting the adhesive 10 becomes very easy, and the adhesive 10 flows out to other parts. Since there is no worry, the adhesive 10 having a low viscosity can be used. As a result, it is possible to improve productivity and reduce costs.
  • the protrusion 1R is formed on the frame 1
  • the groove 3G is formed on the separator 3
  • the top of the protrusion 1R is immersed in the adhesive 10 injected into the groove 3G.
  • the groove 3G and the protrusion 1R are bonded together. Also, spaces 11 that are hermetically partitioned by the adhesive 10 are formed on both sides of the ridge 1R.
  • the configuration of the fuel cell according to the present invention is not limited to the above embodiments, and details of each configuration can be appropriately changed without departing from the gist of the present invention. Moreover, in each embodiment shown in FIG.1 and FIG.4, although the structure which provided the protrusion part and the groove part relatively in the flame

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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

燃料電池
　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。
日本国特開２０１０－１２３３７７号公報
　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。
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１に示す燃料電池の分解状態の平面図である。 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。 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。
　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

Claims (5)

  1. 　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。
  2. 　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。
  3. 　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。
  4. 　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。
  5. 　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。
PCT/JP2013/056790 2012-03-21 2013-03-12 燃料電池 WO2013141079A1 (ja)

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