JP2009176621A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】二重シール間の空間にエアが溜まるのを抑制できる燃料電池を提供する。
【解決手段】セパレータ２２Ａ，２２Ｂ間を二重シールする外側シール部５１と内側シール部５２との間に仕切り７０を設け、仕切り７０によって、外側シール部５１と内側シール部５２との間の空間８０内のエアを空間８０外に逃がすように構成した。外側シール部５１及び内側シール部５２は、液状の接着剤が硬化したものであるとよい。仕切り７０は、エアを逃がすために二つの仕切り部位７１，７２によって構成するとよく、樹脂又は金属材料により形成するとよい。
【選択図】図４

Description

本発明は、積層された構成部品間を二重シールした燃料電池に関するものである。

従来、固体高分子型の燃料電池として、例えば特許文献１に記載のものが知られている。この燃料電池の単セルは、電解質膜及びこれを挟持する一対の電極からなる膜−電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）と、ＭＥＡを挟持する一対のセパレータと、で構成されている。また、別の単セルとして、セパレータが樹脂フレームを介してＭＥＡを挟持するものも知られている。さらに、一般には、単セルを複数積層し、その積層方向に所定の圧縮荷重を付与して、燃料電池スタックを構成している。

燃料電池の構成部品間は、酸化ガス、燃料ガス及び冷却水が混合しないように、気密にシールする必要がある。特許文献１のシール構造は、電解質膜とセパレータとの間を二つのシール部材によりシールするものである。このシール部材間の空間は水蒸気の流路として構成されており、それにより電解質膜の加湿量を制御できるようにしている。ただし、特許文献１には、シール部材の種類について何ら開示されていない。

シール部材としては、一般に、予め固形のガスケットのほか、液状の接着剤を固化させたものが知られている。例えば、樹脂フレームがない単セルでは、一対のセパレータ間に接着剤を充填して、これらの間を接着することでシールしている。この場合、接着剤は、シールの目的以外にスペーサとしての役割も担うことになる。
特開２００２−１９８０７０号公報

ところが、特許文献１のような二重シール構造において、シール部材として接着剤を用いる場合、接着剤寸法は成り行きで決まるので、シール部材間にエアをかむ可能性がある。この状態で接着剤の硬化のために熱をかけると、エアの熱膨張によって接着剤の塗布が切れ、シール性が低下するおそれがある。

そこで、本発明は、二重シール間の空間にエアが溜まるのを抑制できる燃料電池を提供することをその目的としている。

上記目的を達成するべく、本発明の燃料電池は、複数の構成部品を積層してなり、その複数の構成部品のうち少なくとも一部の構成部品間をシール構造で二重シールしたものにおいて、シール構造は、第１のシール部と、第１のシール部よりも内側にある第２のシール部とを有し、第１のシール部と第２のシール部との間には仕切りがあり、仕切りは第１のシール部と第２のシール部との間の空間内のエアを空間外に逃がすように構成されているものである。

この構成によれば、第１及び第２のシール部によって二重シールされた空間内のエアが、仕切りによって空間外に抜けるようになる。これにより、この空間にエアが溜まるのを抑制でき、空間内のエアの膨張に起因したシール部の損傷を抑制できる。

ここで、第１のシール部及び第２のシール部は、接着剤が硬化したものであることが好ましく、特に本発明は、接着剤を硬化のために熱をかける場合に好適である。本発明によれば、上記のとおり、仕切りがあるので、接着剤を所定の位置に正確に塗布し易い上、塗布後に接着剤の二重シール間にエアを溜めずに済む。

より好ましくは、仕切りは、二つの仕切り部位を有し、空間内のエアが二つの仕切り部位の間を流れて空間外に逃げるようにしたものであるとよい。こうすることで、簡易な構造で、空間内のエアを外部に逃がすことができる。

より好ましくは、二つの仕切り部位は、断面が略三角形であるとよい。こうすることで、二つの仕切り部位の間の距離をできるだけ短くすることができ、相対的に接着剤のためのスペースを広くとることができる。

より好ましくは、仕切りは、シール構造によってシールされる二つの構成部品の少なくとも一方と同一材料で形成されるとよい。

好ましくは、複数の構成部品には、膜−電極接合体と、膜−電極接合体を挟持する一対のセパレータとが含まれ、シール構造は、膜−電極接合体とセパレータとの間又は一対のセパレータ間を二重シールするとよい。

好ましくは、燃料電池は、膜−電極接合体と膜−電極接合体を挟持する一対のセパレータとを含む単セルを複数積層してなり、シール構造は、隣接する一方の単セルのセパレータと他方の単セルのセパレータとの間を二重シールするとよい。

本発明の燃料電池によれば、二重シール間の空間にエアが溜まるのを抑制でき、シール性を確保することができる。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態に係る燃料電池について説明する。ここでは、車両に好適な固体高分子型の燃料電池を例に説明する。この種の燃料電池は、車両に好適であるが、これに限らず、例えば船舶、飛行機及びロボットといった自走式の移動体に搭載することもできるし、定置型の電源としても用いることが可能である。

図１及び図２に示すように、スタック構造の燃料電池１は、基本単位である単セル２を複数積層してなるセル積層体３を有し、セル積層体３は、積層方向に所定の圧縮荷重を付与される。セル積層体３の両端に位置する単セル２の外側には、それぞれ順次、集電板５ａ、５ｂ、絶縁板６ａ、６ｂ及びエンドプレート７ａ、７ｂが配置される。テンションプレート８、８がエンドプレート７ａ、７ｂ間に架け渡され、これらにボルト９で固定され、セル積層体３等の積層状態が拘束される。また、エンドプレート７ｂと絶縁板６ｂとの間には、複数の弾性体１２を一対のプレート１１、１１で保持する弾性モジュール１０が設けられ、調整ネジ１３によってセル積層体３への圧縮荷重を調整できるようになっている。

燃料ガス、酸化ガス及び冷媒は、エンドプレート７ａの供給口１５ａ，１６ａ及び１７ａに接続した供給管１８からセル積層体３内のマニホールド２０ａに供給される。その後、燃料ガス、酸化ガス及び冷媒は、セル積層方向に延在するマニホールド２０ａを流れると共に単セル２の平面方向にも流れる。最終的に、燃料ガス、酸化ガス及び冷媒は、セル積層体３内のマニホールド２０ｂから、エンドプレート７の排出口１５ｂ，１６ｂ及び１７ｂに接続した排出管１９へと流れ、燃料電池１外に排出される。

なお、供給管１８、排出管１９及びマニホールド２０ａ，２０ｂは、燃料ガス、酸化ガス及び冷媒の各流体に対応して設けられているが、図２では同一符号を付して説明を省略している。また、燃料ガスとは水素を含む水素ガスであり、酸化ガスとは酸素や空気を代表とする酸化剤を含有するガスである。燃料ガス及び酸化ガスは、反応ガスと総称されることがある。冷媒は、例えば冷却水である。

図３に示すように、単セル２は、ＭＥＡ２０（膜―電極アッセンブリ）及び一対のセパレータ２２Ａ，２２Ｂを備える。

ＭＥＡ２０は、イオン交換膜からなる電解質膜３０と、電解質膜３０を挟んだ一対の電極３２Ａ，３２Ｂと、で構成される。電極３２Ａ，３２Ｂは、例えば多孔質のカーボン素材からなる拡散層に、例えば白金からなる触媒層が結着されたものである。電極３２Ａの拡散層は、セパレータ２２Ａの燃料ガス流路４０に面しており、燃料ガスを通過させる機能と、触媒層及びセパレータ２２Ａを電気的に導通させる機能と、を有する。一方、電極３２Ｂの拡散層は、セパレータ２２Ｂの酸化ガス流路４２に面しており、酸化ガスを通過させる機能と、触媒層及びセパレータ２２Ｂを電気的に導通させる機能と、を有する。

燃料ガス流路４０が電極３２Ａに燃料ガスを供給し、酸化ガス流路４２が電極３２Ｂに酸化ガスを供給することにより、ＭＥＡ２０内で電気化学反応が生じ、起電力が得られる。また、この電気化学反応により、電極３２Ｂ側に水が生成されると共に発熱する。そして、冷媒流路（４４Ａ，４４Ｂ）に冷媒が流れることで、単セル２の熱が低減され、燃料電池１の運転温度が所定の範囲に保たれる。なお、冷媒流路は、セパレータ２２Ａの裏面の冷媒流路４４Ａとセパレータ２２Ｂの裏面の冷媒流路４４Ｂとが連通することで構成される。

セパレータ２２Ａ，２２Ｂは、ガス不透過の導電性材料で構成される。導電性材料としては、カーボンや、導電性を有する硬質樹脂の他、アルミニウムやステンレス等の金属が挙げられる。本実施形態では、セパレータ２２Ａ，２２Ｂは、カーボンからなり、平面視矩形状に形成される。セパレータ２２Ａ、２２Ｂは、外周縁部に、単セル２の発電がされない非発電領域を有している。非発電領域には、図示省略したが、燃料ガス、酸化ガス及び冷媒の各入口マニホールド（マニホールド２０ａの一部）及び各出口マニホールド（マニホールド２０ｂの一部）が貫通形成されている。そして、この非発電領域に、図４に示す二重シール構造５０が設けられている。

二重シール構造５０は、燃料電池１の単セル２を構成する構成部材間、例えば、ＭＥＡ２０とセパレータ２２Ａとの間、ＭＥＡ２０とセパレータ２２Ｂとの間、及びセパレータ２２Ａとセパレータ２２Ｂとの間の少なくとも一つに設けることができる。ＭＥＡ２０とセパレータ２２Ａ又はセパレータ２２Ｂとの間に設ける場合には、電解質膜３０又は電極３２Ａとセパレータ２２Ａとの間に、また、電解質膜３０又は電極３２Ｂとセパレータ２２Ｂとの間に、二重シール構造５０を設けることができる。

さらに、二重シール構造５０は、燃料電池１を構成する構成部材間、例えば、単セル２と単セル２との間（つまり、一方の単セル２のセパレータ２２Ａと他方の単セル２のセパレータ２２Ｂとの間）、いわゆるエンドセルとなる単セル２と集電板５ａとの間、及び、いわゆるエンドセルとなる単セル２と集電板５ｂとの間の少なくとも一つに設けることができる。以下では、単セル２におけるセパレータ２２Ａとセパレータ２２Ｂとの間に二重シール構造５０を設けた例について説明する。

図４（ａ）に示すように、二重シール構造５０は、外側シール部５１（第１のシール部）と内側シール部５２（第２のシール部）とからなる。外側シール部５１及び内側シール部５２は、液状の接着剤が硬化してなるものであり、例えば断面方形に形成される。外側シール部５１は、内側シール部５２よりも多くの接着剤が充填されることで形成されており、燃料電池１の内部平面（セル積層方向に直交する平面）において内側シール部５２よりも外側に位置している。一例を示すと、外側シール部５１の外側面５３は単セル２の外周側にあり、内側シール部５２の内側面５４はＭＥＡ２０側にある。なお、外側シール部５１と内側シール部５２とに用いる接着剤は互いに異なっていてもよいし、同じでもよい。

セパレータ２２Ａとセパレータ２２Ｂとは、互いに対向する面にそれぞれ塗布面６１Ａ，６１Ｂを有している。塗布面６１Ａ，６１Ｂは、内側よりも外側の方が塗布面６１Ａ，６１Ｂ間の距離が大きくなるように、段違いに形成されている。このため、外側シール部５１の接着厚さは、内側シール部５２の接着厚さよりも厚い。塗布面６１Ａ，６１Ｂの総幅Ｗ１は、例えば５ｍｍであり、本発明は、総幅Ｗ１が５ｍｍを越えるような広範囲な塗布範囲を有する場合に好適である。

仕切り７０は、外側シール部５１及び内側シール部５２との間に設けられている。仕切り７０は、二つの仕切り部位７１，７２からなり、樹脂または金属材料で形成される。仕切り７０は、下地、つまりここではセパレータ２２Ａと同じ材料によって形成することができる。仕切り７０をセパレータ２２Ａと別体で構成してもよいが、仕切り７０をセパレータ２２Ａに二重シール構造５０とは別の接着剤で固定することが望ましい。そのため、仕切り７０をセパレータ２２Ａと一体に構成した方がコストを低減でき、作業性を高めることができる。

仕切り部位７１，７２は、並列して延在しており、いずれも同じ断面形状からなる。仕切り部位７１，７２の断面形状は、仕切り部位７１,７２を互いに接近させることができる形状であることが好ましく、ここでは、略三角形となっている。このため、仕切り部位７１，７２間には略逆三角形の隙間ができている。また、仕切り部位７１，７２の頂点は、セパレータ２２Ｂの塗布面６１Ｂに対し非接触となっている。このように、仕切り部位７１，７２の頂点に平坦部を設けない構造にすることで、図５に示すような頂点を平坦部とする構造に比べて、仕切り部位７１，７２間の距離Ｗ２をできるだけ短くできるので、塗布範囲の総幅Ｗ１において、二重シール構造５０の接着剤のためのスペースを広くとることができる。なお、仕切り部位７１，７２の「略三角形」には、セパレータ２２Ｂ側の三角形の頂点にＲ（円弧）をつけた三角形も含まれる。

仕切り７０は、外側シール部５１と内側シール部５２との間の空間８０内のエアが仕切り部位７１，７２間の略逆三角形の隙間を流れて、空間８０外に逃がすことができるように構成されている。この一例を図４（ｂ）に示すと、空間８０内のエアは、矢印８４で示すように交差部８６に向かって流れ、交差部８６から矢印８８で示すようにＭＥＡ２０側に向かって流れて、空間８０外に抜かれるようになっている。なお、図４（ｂ）に示すように、内側シール部５２は二つのシール区分５２ａ，５２ｂからなり、仕切り７０と同様の構造の仕切り９０によって、交差部８６からのエアがシール区分５２ａ，５２ｂ間の空間を流れるようになっている。

以上説明した本実施形態の作用効果について説明する。先ず、図６及び図７を参照して、比較例に係るシール構造について説明する。

図６（ａ）に示すように、セパレータ２２Ａ，２２Ｂ間を一重シールするために、塗布範囲の総幅Ｗ１の中央に接着剤１００を塗布すると、図６（ｂ）に示すように、接着剤１００が塗布範囲を内側に越えてはみ出るおそれがある。また、図６（ｂ）に示すように、接着剤１００を塗布範囲に十分に充填できなかったり、塗布面６１Ａ，６１Ｂの段違いによってエアをかみ込むおそれがあり。このように、一重シールでは、必要範囲に接着剤１００を正確に塗布し難く、また、かみ込んだエアの膨張によりシール性を確保できなくなるおそれがある。特に、接着剤１００によるシール構造では、接着剤１００はスペーサとしての機能するため、未充填の部位が存在すると、燃料電池１のスタック締結荷重（圧縮荷重）により、セパレータ２２Ａ，２２Ｂが変形するおそれがある。

図７（ａ）に示すように、セパレータ２２Ａ，２２Ｂ間を二重シールするために、塗布範囲の総幅Ｗ１の内側と外側とにそれぞれ接着剤１１０，１１２を塗布すると、図７（ｂ）に示すように、接着剤１１０，１１２間の空間にエアが溜まる部位が生じ得る。この状態で接着剤１１０，１１２の硬化のために熱をかけると、エアの熱膨張によって、図７（ｃ）に示すように、接着剤１１０，１１２による塗布ラインが切れてしまうおそれがある。

このような比較例に対し、本実施形態によれば、仕切り７０があるので、二重シール用に接着剤を所定の位置に正確に塗布し易い。また、仕切り７０によって、外側シール部５１と内側シール部５２との間の空間８０内のエアを外部に逃がすことができるので、空間８０内にエアが溜まるのを抑制できる。これにより、接着剤の塗布後に硬化のために熱をかけても、外側シール部５１と内側シール部５２の損傷を抑制でき、シール性を確保することができる。

なお、本実施形態の二重シール構造５０として、外側シール部５１及び内側シール部５２をいずれも接着剤から構成したが、一方又は両方を予め固形のガスケットで構成したものも本実施形態を適用することが可能である。

実施形態に係る燃料電池の斜視図である。 実施形態に係る燃料電池の一部を断面的に示す断面図である。 実施形態に係る燃料電池のセル積層体の一部を示す断面図である。 実施形態に係る燃料電池の二重シール構造を示す図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）はセパレータ２２Ｂを省略して示す（ａ）の平面図である。 比較例に係る燃料電池の二重シール構造を示す断面図である。 別の比較例に係る燃料電池のシール構造を示す図であり、（ａ）はシール前の断面図、（ｂ）はシール後の断面図である。 また別の比較例に係る燃料電池の二重シール構造を示す図であり、（ａ）はシール前の断面図、（ｂ）はシール後の断面図、（ｃ）はセパレータ２２Ｂを省略して示す（ｂ）の平面図である。

符号の説明

１…燃料電池、２…単セル、２０…ＭＥＡ（膜−電極接合体）、２２Ａ…セパレータ、２２Ｂ…セパレータ、５０…シール構造、５１…外側シール部（第１のシール部）、５２…内側シール部（第２のシール部）、７０…仕切り、７１，７２…仕切り部位、８０…空間

Claims (7)

1. 複数の構成部品を積層してなり、その複数の構成部品のうち少なくとも一部の構成部品間をシール構造で二重シールした燃料電池であって、
   前記シール構造は、第１のシール部と、前記第１のシール部よりも内側にある第２のシール部と、を有し、
   前記第１のシール部と前記第２のシール部との間には、仕切りがあり、
   前記仕切りは、前記第１のシール部と前記第２のシール部との間の空間内のエアを当該空間外に逃がすように構成されている、燃料電池。
2. 前記第１のシール部及び前記第２のシール部は、接着剤が硬化したものである、請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記仕切りは、二つの仕切り部位を有し、前記空間内のエアが前記二つの仕切り部位の間を流れて当該空間外に逃げるようにした、請求項２に記載の燃料電池。
4. 前記二つの仕切り部位は、断面が略三角形である、請求項３に記載の燃料電池。
5. 前記仕切りは、前記シール構造によってシールされる二つの構成部品の少なくとも一方と同一材料で形成されている、請求項２ないし４のいずれか一項に記載の燃料電池。
6. 前記複数の構成部品には、膜−電極接合体と、当該膜−電極接合体を挟持する一対のセパレータと、が含まれ、
   前記シール構造は、前記膜−電極接合体と前記セパレータとの間又は前記一対のセパレータ間を二重シールする、請求項２ないし５のいずれか一項に記載の燃料電池。
7. 当該燃料電池は、膜−電極接合体と当該膜−電極接合体を挟持する一対のセパレータとを含む単セルを複数積層してなり、
   前記シール構造は、隣接する一方の単セルのセパレータと他方の単セルのセパレータとの間を二重シールする、請求項２ないし５のいずれか一項に記載の燃料電池。

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