JP5643146B2

JP5643146B2 - 燃料電池

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Publication number: JP5643146B2
Application number: JP2011085540A
Authority: JP
Inventors: 真弘福田; 福島　保秀; 保秀福島; 真巳栗本; 洋平片岡
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2011-04-07
Filing date: 2011-04-07
Publication date: 2014-12-17
Anticipated expiration: 2031-04-07
Also published as: US20120258379A1; CN102738493B; CN102738493A; US9240609B2; JP2012221693A; DE102012205546A1

Description

本発明は、電解質膜の両側に電極が設けられる電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層される燃料電池に関する。

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる固体高分子電解質膜を採用している。この燃料電池では、固体高分子電解質膜の両側に、それぞれ電極触媒層と多孔質カーボンからなるアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）（ＭＥＡ）を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持することにより単位セルが構成されている。通常、この単位セルを所定数だけ積層した燃料電池スタックが、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用されている。

上記のセパレータは、アノード側電極に対向して燃料ガスを流通させる燃料ガス流路が形成されるアノード側セパレータと、カソード側電極に対向して酸化剤ガスを流通させる酸化剤ガス流路が形成されるカソード側セパレータとを有している。そして、アノード側セパレータとカソード側セパレータとが互いに重なり合うことにより、冷却媒体を流通させる冷却媒体用流路が形成されている。

このため、特に車載用燃料電池スタックを構成する際には、相当に多数の電解質膜・電極構造体、アノード側セパレータ及びカソード側セパレータを個別に用意しなければならない。従って、各部品の取り扱い作業が煩雑化するとともに、燃料電池スタックの組み立て作業性が低下し、前記燃料電池スタックを効率的に製造することができないという問題がある。

そこで、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池が知られている。この燃料電池は、図１３に示すように、燃料極に燃料ガスを供給するための燃料ガス流路１を有して多孔質材料で形成された第１セパレータプレート２と、酸化剤極に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路３を有して多孔質材料で形成された第２セパレータプレート４とを備えている。

第１セパレータプレート２と第２セパレータプレート４とが貼り合わされることにより、これらの間には、冷却水流路５が形成されている。第１セパレータプレート２及び第２セパレータプレート４の側面には、接着シート６が貼り付けられるとともに、貼り合わせ面には、接着剤が塗布されていない。

これにより、冷却水５の水が燃料ガス流路１及び酸化剤ガス流路３に移動する際に、撥水性の接着剤がその移動を妨げるのを回避できる、としている。

特開２００９−１７６４９０号公報

ところで、上記の特許文献１では、水の移動が妨げられることを回避するために、第１セパレータプレート２及び第２セパレータプレート４の側面にのみ接着シート６が貼り付けられている。従って、第１セパレータプレート２と第２セパレータプレート４との接着強度が低くなり、前記第１セパレータプレート２と前記第２セパレータプレート４とが剥離し易いという問題がある。

なお、特許文献１では、第１セパレータプレート２と第２セパレータプレート４とが、貼り合わせ面にのみ接着剤を塗布する実施形態が開示されている。しかしながら、単に貼り合わせ面にのみ接着剤が塗布されるだけであり、十分な接着強度が得られないおそれがある。すなわち、第１セパレータプレート２及び第２セパレータプレート４の側面には、接着シートが設けられておらず、接着強度が低下するという問題がある。

本発明は、この種の問題を解決するものであり、簡単な構成で、セパレータ同士又は電解質膜・電極構造体同士を容易且つ確実に接着することができ、燃料電池全体を効率的に製造することが可能な燃料電池を提供することを目的とする。

本発明は、電解質膜の両側に電極が設けられた電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層される燃料電池に関するものである。

この燃料電池では、互いに隣接するセパレータは、一方の前記セパレータの外周縁部に、他方の前記セパレータの平坦な外周縁部から離間する段差部を設けることにより、互いに隣接する前記セパレータの各外周縁部間には、ホットメルト接着シートである接着剤が充填されて接着剤層が形成され、前記接着剤層は、前記段差部から各セパレータの外周端面を覆って設けられるとともに、前記接着剤層を構成し、各セパレータの前記外周端面を覆う端面接着剤層は、他方の前記セパレータの前記外周端面において、前記段差部側の端部を覆い、且つ前記端部とは反対側の端部より内側に離間する外周端面内で終端している。

また、この燃料電池では、セパレータは、金属セパレータであるとともに、互いに隣接する前記セパレータ間には、冷却媒体をセパレータ面方向に流通させる冷却媒体流路が形成されることが好ましい。

本発明によれば、互いに隣接するセパレータの各外周縁部間には、段差部を介して接着剤層が形成されるため、接着剤による接着強度が良好に向上する。しかも、接着剤層は、段差部から各セパレータの外周端面を覆って設けられている。従って、互いに隣接するセパレータは、各外周縁部間に形成された段差部及び各外周端面に接着剤層が設けられるため、所望の接着強度を確実に得ることが可能になる。

これにより、簡単な構成で、セパレータ同士を容易且つ確実に接着することができ、燃料電池全体を効率的に製造することが可能になる。

本発明の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視説明図である。前記燃料電池の、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面図である。前記金属セパレータの正面説明図である。前記燃料電池の、図１中、ＩＶ−ＩＶ線断面図である。前記燃料電池を構成する電解質膜・電極構造体の正面説明図である。前記金属セパレータの製造装置の要部斜視説明図である。前記製造装置の動作説明図である。前記製造装置の動作説明図である。他の製造装置の要部斜視説明図である。前記製造装置の動作説明図である。本発明に関連する燃料電池の要部分解斜視説明図である。前記燃料電池の、図１１中、ＸＩＩ−ＸＩＩ線断面図である。特許文献１に開示されている燃料電池の要部説明図である。

図１及び図２に示すように、本発明の実施形態に係る燃料電池１０は、金属セパレータ１２と電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）１４とが交互に積層される。

図２に示すように、電解質膜・電極構造体１４は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜１６と、前記固体高分子電解質膜１６を挟持するアノード側電極１８及びカソード側電極２０とを備える。アノード側電極１８及びカソード側電極２０は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層（図示せず）と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成される電極触媒層（図示せず）とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜１６の両面に形成される。

固体高分子電解質膜１６は、アノード側電極１８及びカソード側電極２０と同一の表面積、又はこれらよりも大きな表面積に設定される。固体高分子電解質膜１６の外周端縁部には、樹脂製の額縁部（額縁状枠部材）２２が、例えば、射出成形により一体成形される。樹脂材としては、例えば、汎用プラスチックの他、エンジニアリングプラスチックやスーパーエンジニアリングプラスチック等が採用される。

図１に示すように、額縁部２２の矢印Ｃ方向の一端縁部（上端縁部）には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔２４ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔２６ａ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔２８ａが、矢印Ｂ方向（水平方向）に配列して設けられる。

額縁部２２の矢印Ｃ方向の他端縁部（下端縁部）には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔２８ｂ、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔２６ｂ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔２４ｂが、矢印Ｂ方向に配列して設けられる。

金属セパレータ１２の外周部は、酸化剤ガス入口連通孔２４ａ、冷却媒体入口連通孔２６ａ、燃料ガス入口連通孔２８ａ、燃料ガス出口連通孔２８ｂ、冷却媒体出口連通孔２６ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔２４ｂの内側に配置される。

金属セパレータ１２は、後述するように、アノードセパレータ３２とカソードセパレータ３４とを一体に接着して構成される。アノードセパレータ３２は、電解質膜・電極構造体１４のアノード側電極１８に対向する一方、カソードセパレータ３４は、前記電解質膜・電極構造体１４のカソード側電極２０に対向する。アノードセパレータ３２及びカソードセパレータ３４は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した薄板状の金属板により構成される。

図３に示すように、金属セパレータ１２を構成するアノードセパレータ３２には、波形状にプレス加工して断面凹凸形状を有する燃料ガス流路３６が形成される。燃料ガス流路３６は、矢印Ｃ方向に延在しており、燃料ガスを鉛直上方向から鉛直下方向に向かって流動させる。

図１に示すように、金属セパレータ１２を構成するカソードセパレータ３４には、波形状にプレス加工して断面凹凸形状を有する酸化剤ガス流路３８が形成される。酸化剤ガス流路３８は、酸化剤ガスを矢印Ｃ方向に流通させる。カソードセパレータ３４には、酸化剤ガス流路３８の上下両側に、それぞれ複数の冷却媒体供給孔部４０ａと冷却媒体排出孔部４０ｂとが形成される。

金属セパレータ１２の内部には、冷却媒体供給孔部４０ａ及び冷却媒体排出孔部４０ｂに連通して冷却媒体を矢印Ｃ方向に流通させる冷却媒体流路４２が形成される（図１及び図４参照）。冷却媒体流路４２は、燃料ガス流路３６の裏面形状と酸化剤ガス流路３８の裏面形状との重なり形状により構成される。

図２に示すように、金属セパレータ１２では、カソードセパレータ３４の外周縁部に、アノードセパレータ３２の外周縁部から離間する段差部３４ａが設けられる。カソードセパレータ３４の外周縁部と、アノードセパレータ３２の外周縁部との間には、段差部３４ａを介して接着剤層４３が形成される。なお、段差部３４ａは、接着が必要な辺にのみ設ければよい。

接着剤層４３は、接着剤、例えば、ホットメルト接着シート６４（後述する）により構成されるとともに、前記接着剤層４３は、段差部３４ａからカソードセパレータ３４及びアノードセパレータ３２の各外周端面を覆って設けられる。接着剤層４３は、アノードセパレータ３２の外周端面の下端位置から上方に距離Ｓだけ離間する。ホットメルト接着シートとしては、例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）とウレタン系粘着剤とからなる有機接着剤が使用される。

図１に示すように、額縁部２２には、シール部材４４が一体成形される。シール部材４４としては、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材が用いられる。

シール部材４４は、図５に示すように、カソード側電極２０側の面に、酸化剤ガス入口連通孔２４ａ及び酸化剤ガス出口連通孔２４ｂを酸化剤ガス流路３８に連通するとともに、冷却媒体入口連通孔２６ａ、燃料ガス入口連通孔２８ａ、燃料ガス出口連通孔２８ｂ及び冷却媒体出口連通孔２６ｂを周回して、前記酸化剤ガス流路３８から遮蔽する第１シール部４４ａを設ける。

シール部材４４は、図１に示すように、アノード側電極１８側の面に、燃料ガス入口連通孔２８ａ及び燃料ガス出口連通孔２８ｂを燃料ガス流路３６に連通するとともに、酸化剤ガス入口連通孔２４ａ、冷却媒体入口連通孔２６ａ、冷却媒体出口連通孔２６ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔２４ｂを周回して、前記燃料ガス流路３６から遮蔽する第２シール部４４ｂを設ける。

このように構成される燃料電池１０では、図１に示すように、酸化剤ガス入口連通孔２４ａに供給された酸素含有ガス等の酸化剤ガスは、金属セパレータ１２の酸化剤ガス流路３８に供給される。酸化剤ガスは、電解質膜・電極構造体１４のカソード側電極２０に沿って矢印Ｃ方向に流通した後、酸化剤ガス出口連通孔２４ｂに排出される。

一方、燃料ガス入口連通孔２８ａに供給された水素含有ガス等の燃料ガスは、金属セパレータ１２の燃料ガス流路３６に供給される。燃料ガスは、燃料ガス流路３６に沿って矢印Ｃ方向に流通した後、燃料ガス出口連通孔２８ｂに排出される。

従って、電解質膜・電極構造体１４では、カソード側電極２０に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極１８に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。

また、冷却媒体入口連通孔２６ａに供給された純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体は、図４に示すように、金属セパレータ１２を構成するカソードセパレータ３４に形成されている複数の冷却媒体供給孔部４０ａから前記金属セパレータ１２の内部に導入される。

金属セパレータ１２の内部には、冷却媒体流路４２が形成されている。このため、冷却媒体は、冷却媒体流路４２に沿って矢印Ｃ方向に流通した後、複数の冷却媒体排出孔部４０ｂから冷却媒体出口連通孔２６ｂに排出される（図１参照）。

次いで、金属セパレータ１２を製造する作業について、以下に説明する。

図６及び図７に示すように、製造装置５０は、第１型部材５２と第２型部材５４とを備える。第１型部材５２及び第２型部材５４は、加熱機能を有するヒートシーラを構成する。

第１型部材５２は、金属セパレータ１２の外形形状に対応して矩形の枠形状を有するとともに、一方の接着対象体であるアノードセパレータ３２の外周を周回して配置される。第２型部材５４は、金属セパレータ１２の外形形状に対応して矩形の枠形状を有するとともに、他方の接着対象体であるカソードセパレータ３４の外周を周回して配置される。

第２型部材５４は、カソードセパレータ３４及びアノードセパレータ３２の外周外方に、第１型部材５２側に突出するスカート部５６を有し、前記スカート部５６の下端内面には、内方に突出する膨出部５８が形成される。図８に示すように、第１型部材５２と第２型部材５４とが型締めされた状態で、カソードセパレータ３４及びアノードセパレータ３２の外周端面に端面接着剤層４３ａを形成するための空間部６０が設けられる。膨出部５８は、アノードセパレータ３２の下端位置から上方に距離Ｓだけ離間した位置で、前記アノードセパレータ３２の外周端面に接触する。

第１型部材５２は、第１セットダイ６２ａに装着されるとともに、第２型部材５４は、第２セットダイ６２ｂに装着される。第１セットダイ６２ａ及び第２セットダイ６２ｂは、互いに進退自在に構成される。

このように構成される製造装置５０では、図７に示すように、第１型部材５２と第２型部材５４とが互いに離間した状態で、これらの間にアノードセパレータ３２及びカソードセパレータ３４が積層されて配置される。アノードセパレータ３２とカソードセパレータ３４との間には、段差部３４ａに対応してホットメルト接着シート６４が配置される。

次いで、図８に示すように、第１型部材５２と第２型部材５４とが、所定の温度に加熱されるとともに、所定の加圧力で型締めされる。このため、アノードセパレータ３２及びカソードセパレータ３４は、互いに密着する方向に加圧及び加熱され、ホットメルト接着シート６４が段差部３４ａから空間部６０に流動して硬化する。従って、段差部３４ａを介して接着剤層４３が形成されるとともに、前記接着剤層４３は、空間部６０に形成される端面接着剤層４３ａを一体に有する。

この場合、本実施形態では、互いに隣接するアノードセパレータ３２及びカソードセパレータ３４の各外周縁部間には、段差部３４ａを介して接着剤層４３が形成されている。このため、接着剤であるホットメルト接着シート６４による接着強度が良好に向上する。

しかも、接着剤層４３は、段差部３４ａからアノードセパレータ３２及びカソードセパレータ３４の外周端面（端面接着剤層４３ａ）を覆って設けられている。従って、互いに隣接するアノードセパレータ３２及びカソードセパレータ３４は、各外周縁部間に形成された段差部３４ａ及び各外周端面に接着剤層４３が一体に設けられている。このため、金属セパレータ１２は、所望の接着強度を確実に得ることが可能になる。

これにより、簡単な構成で、アノードセパレータ３２及びカソードセパレータ３４同士を容易且つ確実に接着することができ、燃料電池１０全体を効率的に製造することが可能になるという効果が得られる。

また、製造装置５０では、膨出部５８が、アノードセパレータ３２の下端位置から上方に距離Ｓだけ離間した位置で、前記アノードセパレータ３２の外周端面に接触している。従って、空間部６０から外部に接着剤が漏れることがない。

なお、本実施形態では、カソードセパレータ３４に段差部３４ａを設けているが、これに限定されるものではない。例えば、アノードセパレータ３２に段差部を設けてもよい。

さらに、製造装置５０の他、例えば、図９及び図１０に示す製造装置６５を使用することもできる。この製造装置６５は、第１型部材６６と第２型部材６８とを備えるとともに、前記第１型部材６６及び前記第２型部材６８は、略直線形状を有する。

第１型部材６６と第２型部材６８とは、金属セパレータ１２のの接着が必要な辺毎に、一辺ずつ接着作業を行う。第２型部材６８は、スカート部５６及び膨出部５８を設けており、製造装置５０と同様に（但し、各辺毎に）接着処理が遂行される。

図１１は、本発明に関連する燃料電池７０の要部分解斜視説明図である。なお、本実施形態に係る燃料電池１０と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。

燃料電池７０は、第１電解質膜・電極構造体７２、金属セパレータ７４、第２電解質膜・電極構造体７６及び金属セパレータ１２を積層して構成される。第１電解質膜・電極構造体７２及び第２電解質膜・電極構造体７６は、固体高分子電解質膜１６の外周端縁部を埋設して樹脂製の額縁部（額縁状枠部材）７８、８０を設ける。

図１２に示すように、額縁部７８、８０は、それぞれの外周端縁部に厚さ方向（積層方向）（矢印Ａ方向）に膨出する肉厚部７８ａ、８０ａを有する。額縁部７８の肉厚部７８ａには、額縁部８０から離間する段差部８２が設けられ、額縁部７８、８０間には、前記段差部８２を介して接着剤層８４が形成される。

接着剤層８４は、ホットメルト接着シート６４により構成されるとともに、前記接着剤層８４は、段差部８２から額縁部７８、８０の各外周端面（端面接着剤層８４ａ）を覆って設けられる。

金属セパレータ７４は、単一の金属プレートで構成されており、この金属プレートの両面には、燃料ガス流路３６と酸化剤ガス流路３８とが表裏の形状に形成される。金属プレートは、冷却媒体流路を設けておらず、所謂、間引き冷却構造を採用する。この金属プレートは、互いに接合される第１及び第２電解質膜・電極構造体７２、７６間に挟持される。

このように構成される燃料電池７０では、互いに隣接する額縁部７８、８０の各外周縁部間には、段差部８２を介して接着剤層８４が形成されている。このため、接着剤であるホットメルト接着シート６４による接着強度が良好に向上する。

しかも、接着剤層８４は、段差部８２から額縁部７８、８０の各外周端面（端面接着剤層８４ａ）を覆って設けられている。従って、互いに隣接する第１及び第２電解質膜・電極構造体７２、７６は、各外周縁部間に形成された段差部８２及び各外周端面に接着剤層８４が一体に設けられている。このため、所望の接着強度を確実に得ることが可能になる。

これにより、簡単な構成で、第１及び第２電解質膜・電極構造体７２、７６同士を容易且つ確実に接着することができ、燃料電池７０全体を効率的に製造することが可能になる等、上記の本実施形態と同様の効果が得られる。

なお、燃料電池７０では、額縁部７８に段差部８２を設けているが、これに限定されるものではない。例えば、額縁部８０に段差部を設けてもよく、又は、額縁部７８及び前記額縁部８０の両方に段差部を設けてもよい。

１０、７０…燃料電池１２、７４…金属セパレータ
１４、７２、７６…電解質膜・電極構造体１６…固体高分子電解質膜
１８…アノード側電極２０…カソード側電極
２２、７８、８０…額縁部２４ａ…酸化剤ガス入口連通孔
２４ｂ…酸化剤ガス出口連通孔２６ａ…冷却媒体入口連通孔
２６ｂ…冷却媒体出口連通孔２８ａ…燃料ガス入口連通孔
２８ｂ…燃料ガス出口連通孔３２…アノードセパレータ
３４…カソードセパレータ３４ａ、８２…段差部
３６…燃料ガス流路３８…酸化剤ガス流路
４０ａ…冷却媒体供給孔部４０ｂ…冷却媒体排出孔部
４２…冷却媒体流路４３、８４…接着剤層
５０、６５…製造装置７８ａ、８０ａ…肉厚部

Claims

電解質膜の両側に電極が設けられた電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層される燃料電池であって、
互いに隣接する前記セパレータは、一方の前記セパレータの外周縁部に、他方の前記セパレータの平坦な外周縁部から離間する段差部を設けることにより、互いに隣接する前記セパレータの各外周縁部間には、ホットメルト接着シートである接着剤が充填されて接着剤層が形成され、
前記接着剤層は、前記段差部から各セパレータの外周端面を覆って設けられるとともに、
前記接着剤層を構成し、各セパレータの前記外周端面を覆う端面接着剤層は、他方の前記セパレータの前記外周端面において、前記段差部側の端部を覆い、且つ前記端部とは反対側の端部より内側に離間する外周端面内で終端することを特徴とする燃料電池。
請求項１記載の燃料電池において、前記セパレータは、金属セパレータであるとともに、
互いに隣接する前記セパレータ間には、冷却媒体をセパレータ面方向に流通させる冷却媒体流路が形成されることを特徴とする燃料電池。