JP2017123301A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】連通孔に異物が混入した場合、セパレータ間が通電し、短絡することを防止する。【解決手段】燃料電池は、膜電極接合体と、膜電極接合体の両側に積層された第１および第２のガス拡散層と、を有する発電モジュールと、発電モジュールの第１のガス拡散層側の面に沿って配置されるセパレータと、セパレータの発電モジュール側の面における発電モジュールの外側に配置される板状のシール部材と、を備える。セパレータは、発電モジュールと対向する位置より外側の位置に開口を備える。板状のシール部材は、開口と連通し、発電モジュールに反応ガスを分配するためのマニホールドを構成するマニホールド孔と、第１のガス拡散層が配置される内部空間とマニホールド孔とを連通する連通孔と、を備える。セパレータの発電モジュール側の面における連通孔と対向する範囲に、絶縁性の材料が被覆されている。【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池に関する。

一般に、燃料電池は、膜電極接合体の両面にガス拡散層を配置した発電モジュールと、発電モジュールを挟む２枚のセパレータと、を有する。２枚のセパレータの間における発電モジュールの外側は、樹脂製のシール部材によって密封される（特許文献１、２を参照）。特許文献１には、シール部材としての樹脂枠部材に、ガス拡散層が配置される内部空間と連通する開口部を形成した構成が開示されている。

特開２０１４−６３７２７号公報 特開２０１３−２５１２５３号公報

上述した先行技術において、一対のセパレータ間を貫くマニホールドと前記開口部とが連通孔によって繋がった構成とすることができる。この構成では、連通孔の上下面がセパレータで覆われた構造となる。この構造において、連通孔に異物が混入した場合、セパレータ間が通電し、短絡する虞があった。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態は、燃料電池である。この燃料電池は、膜電極接合体と、前記膜電極接合体の両側に積層された第１および第２のガス拡散層と、を有する発電モジュールと、前記発電モジュールの前記第１のガス拡散層側の面に沿って配置されるセパレータと、前記セパレータの前記発電モジュール側の面における前記発電モジュールの外側に配置される板状のシール部材と、を備える。前記セパレータは、前記発電モジュールと対向する位置より外側の位置に開口を備える。前記板状のシール部材は、前記開口と連通し、前記発電モジュールに反応ガスを分配するためのマニホールドを構成するマニホールド孔と、前記第１のガス拡散層が配置される内部空間と前記マニホールド孔とを連通する連通孔と、を備える。前記セパレータの前記発電モジュール側の面における前記連通孔と対向する範囲に、絶縁性の材料が被覆されている。

この形態の燃料電池によれば、第１のガス拡散層が配置される内部空間とマニホールド孔との間が連通孔によって結ばれ、セパレータの発電モジュール側の面における連通孔と対向する範囲に、絶縁性の材料が被覆されていることから、連通孔に異物が混入した場合に、セパレータが対となる他のセパレータと短絡することを防止できる。

本発明の一実施形態における燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。 セルのアノード側セパレータをＭＥＧＡとは反対側から見た概略平面図である。 図２に示したアノード側セパレータのＡ−Ａ断面を示す説明図である。 薄膜層を形成する方法を示す説明図である。 第２実施形態における燃料電池セルの断面を示す説明図である。 第３実施形態における燃料電池セルの断面を示す説明図である。

Ａ．第１実施形態：
図１は、本発明の第１実施形態における燃料電池システム１０の概略構成を示す説明図である。燃料電池システム１０は、燃料電池としての燃料電池スタック１００を備えている。燃料電池スタック１００は、エンドプレート１１０と、絶縁板１２０と、集電板１３０と、複数の燃料電池セル（以下、単に「セル」とも呼ぶ）１４０と、集電板１３０と、絶縁板１２０と、エンドプレート１１０と、が、この順に積層されたスタック構造を有している。なお、セル１４０の積層方向は、本実施形態では鉛直方向Ｙに垂直な方向Ｘとなっている。鉛直方向Ｙおよび積層方向Ｘに垂直な図中の表裏方向は前後方向Ｚである。前後方向Ｚは、本実施形態の燃料電池システム１０を車両に搭載したときの車両の前後方向と一致する方向であることから、そのように呼ぶ。

燃料電池スタック１００には、高圧水素を貯蔵した水素タンク１５０から、シャットバルブ１５１、レギュレータ１５２、配管１５３を介して、燃料ガスとしての水素が供給される。燃料電池スタック１００において利用されなかった燃料ガス（アノードオフガス）は、排出配管１６３を介して燃料電池スタック１００の外部に排出される。なお、燃料電池システム１０は、アノードオフガスを配管１５３側に再循環させる再循環機構を有するとしてもよい。燃料電池スタック１００には、また、エアポンプ１６０および配管１６１を介して、酸化剤ガスとしての空気が供給される。燃料電池スタック１００において利用されなかった酸化剤ガス（カソードオフガス）は、排出配管１５４を介して燃料電池スタック１００の外部に排出される。なお、燃料ガスおよび酸化剤ガスは、反応ガスとも呼ばれる。

さらに、燃料電池スタック１００には、燃料電池スタック１００を冷却するため、ウォーターポンプ１７１および配管１７２を介して、ラジエータ１７０により冷却された冷却媒体が供給される。燃料電池スタック１００から排出された冷却媒体は、配管１７３を介してラジエータ１７０に循環する。冷却媒体としては、例えば、水、エチレングリコール等の不凍水、空気などが用いられる。本例では、冷却媒体として水（「冷却水」とも呼ぶ）が用いられる。

燃料電池スタック１００に備えられる各セル１４０は、発電モジュールとしての膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ：Membrane Electrode Gas diffusion layer Assembly）３０と、ＭＥＧＡ３０を挟持する一対のセパレータ４０，５０と、を備えている。ＭＥＧＡ３０は、膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）３１と、ＭＥＡ３１の両面に配置された一対のガス拡散層３２，３３と、を備えている。一方のセパレータ５０、すなわち、アノード側セパレータ５０は、ＭＥＧＡ３０側の面に筋状の複数の燃料ガス流路溝５２を備え、ＭＥＧＡ３０と反対側の面に筋状の複数の冷却媒体流路溝５４を備える。他方のセパレータ４０、すなわち、カソード側セパレータ４０は、ＭＥＧＡ３０側の面に筋状の複数の酸化剤ガス流路溝４２を備える。

各セル１４０は、さらに、アノード側セパレータ５０とカソード側セパレータ４０の間におけるＭＥＧＡ３０の面方向（図中のＹ−Ｚ方向）の外側（外周）に配置される板状シール部材８０を備えている。板状シール部材８０は、板形状で、内側に大きな孔が空き、周囲に後述する６つのマニホールド用の孔が空いた枠体である。板状シール部材８０は、内側の孔にＭＥＧＡ３０が配置された状態で、アノード側セパレータ５０とカソード側セパレータ４０の間を密封する。板状シール部材８０としては、例えば、ＰＥ，ＰＰ，ＰＥＴ，ＰＥＮ等の樹脂を用いることができる。板状シール部材８０の接着は、両面に塗布された接着層８１，８２によってなされる。接着層８１，８２を構成する接着剤としては、ＥＰＤＭ、エポキシ系、ＰＩＢ等を用いることができる。接着層８１，８２は、絶縁性、撥水性を有する。

図２は、セル１４０のアノード側セパレータ５０をＭＥＧＡ３０とは反対側から見た概略平面図である。図２において、表裏方向が積層方向Ｘであり、上下方向が鉛直方向Ｙであり、左右方向が前後方向Ｚである。アノード側セパレータ５０およびカソード側セパレータ４０は、ガス遮断性および電子伝導性を有する部材によって構成されており、例えば、カーボン粒子を圧縮してガス不透過とした緻密質カーボン等のカーボン製部材や、プレス成形したステンレス鋼やチタン鋼などの金属部材によって形成されている。本実施形態では、セパレータ４０，５０はメタルプレスセパレータである。

アノード側セパレータ５０の前後方向Ｚの一端縁部には、燃料ガス入口マニホールド６２と、冷却媒体出口マニホールド７８と、酸化剤ガス入口マニホールド７２と、が鉛直方向Ｙに沿って上から順に配置されている。これに対して、他端縁部には、酸化剤ガス出口マニホールド７４と、冷却媒体入口マニホールド７６と、燃料ガス出口マニホールド６４と、が鉛直方向Ｙに沿って上から順に並んで配置されている。燃料ガス入口マニホールド６２および燃料ガス出口マニホールド６４と、酸化剤ガス入口マニホールド７２および酸化剤ガス出口マニホールド７４と、冷却媒体入口マニホールド７６および冷却媒体出口マニホールド７８と、は前後方向Ｚの両側の外縁部分で互いに対向するように配置されている。各マニホールド６２、６４、７２、７４、７６、７８が、［発明の概要］の欄に記載した本発明の一形態における「マニホールド孔」に相当する。

燃料ガス用の配管１５３（図１）を介して供給された燃料ガスは、燃料ガス入口マニホールド６２によって各セル１４０の燃料ガス流路溝５２（図１）に分配される。その後、燃料ガス流路溝５２において利用されなかった燃料ガスが、燃料ガス出口マニホールド６４によって集められ、排出配管１６３（図１）を介して燃料電池スタック１００の外部に排出される。また、酸化剤ガス用の配管１６１（図１）を介して供給された酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口マニホールド７２によって各セル１４０の酸化剤ガス流路溝４２（図１）に分配される。その後、酸化剤ガス流路溝４２において利用されなかった酸化剤ガスが酸化剤ガス出口マニホールド７４によって集められ、排出配管１５４（図１）を介して燃料電池スタック１００の外部に排出される。

アノード側セパレータ５０のＭＥＧＡ３０とは反対側から見た平面において、冷却媒体入口マニホールド７６と、冷却媒体流路溝５４と、冷却媒体出口マニホールド７８とは、前後方向Ｚに互いに連通して、冷却媒体流路面１９０を構成する。冷却媒体用の配管１７２（図１）を介して供給された冷却媒体は、冷却媒体入口マニホールド７６によって、各セル１４０の冷却媒体流路溝５４に分配される。その後、冷却媒体は、冷却媒体出口マニホールド７８によって集められ、配管１７３（図１）を介して燃料電池スタック１００の外部に排出される。

なお、各マニホールド６２，６４，７２，７４，７６，７８は開口が略矩形状である。各マニホールド６２，６４，７２，７４，７６，７８は燃料電池スタック１００の積層方向Ｘに伸びる形状を有している。

アノード側セパレータ５０のＭＥＧＡ３０側の面（すなわち、図２の裏面）の面方向（図中のＹ−Ｚ方向）の外側には、前述したように板状シール部材８０が接着されているが、この板状シール部材８０は、複数本の連通孔９０を備えている。各連通孔９０は、前後方向Ｚに伸び、燃料ガス入口マニホールド６２と、ＭＥＧＡ３０のアノード側ガス拡散層３３が配置される内部空間ＳＰ（図１）とを連通する。すなわち、連通孔９０は、板状シール部材８０内を通じて、燃料ガス入口マニホールド６２から排出された燃料ガスをアノード側ガス拡散層３３に導く流路の役目をする。連通孔９０は、図中には３本、記載されているが、本数は、３本に限る必要はなく、他の本数（１本でも可）とすることができる。

図３は、図２に示したアノード側セパレータ５０のＡ−Ａ断面を示す説明図である。図示するように、アノード側セパレータ５０とカソード側セパレータ４０との間には、前述した板状シール部材８０が配置されている。板状シール部材８０は、図１を用いて先に説明したように、両面に配置された接着層８１，８２によってセパレータ４０，５０に接着されている。また、板状シール部材８０は、図２を用いて先に説明したように、複数本の連通孔９０を備える。連通孔９０が伸びる方向である前後方向Ｚは、図３において、表裏方向である。

連通孔９０の開口は、略矩形状である。連通孔９０における積層方向Ｘの両側の内壁は、各セパレータ４０，５０のＭＥＧＡ３０側の面４０ａ，５０ａによって構成される。これらの面４０ａ，５０ａにおける連通孔９０と対向する範囲に、薄膜層８１ａ，８２ａが被覆されている。これによって、連通孔９０におけるセパレータ４０，５０側の壁面は、薄膜層８１ａ，８２ａによって覆われることになる。なお、図３に示した断面形状は、連通孔９０の主要部の構成であり、連通孔９０における、アノード側ガス拡散層３３が配置される内部空間ＳＰに近い側の部分では、口径のサイズが小さくなって内部空間ＳＰに接続される。

前述したように、各セパレータ４０，５０と板状シール部材８０との間は、ＥＰＤＭ、エポキシ系、ＰＩＢ等の接着剤によって接着されている。これら接着剤は、セパレータ４０，５０と板状シール部材８０との間に塗布後、熱と荷重を付与することで、接着機能を発揮する（図４参照）。本実施形態では、製造時に付与する熱量、荷重、接着時間を、セパレータ４０，５０と板状シール部材８０との間を単に接着するだけの場合に比べて大きくし、接着剤が、板状シール部材８０とセパレータ４０，５０の間の部分（接着層８１，８２となる部分）から周囲へ溶け出し、連通孔９０の両側から流れ出てきた接着剤がつながって、薄膜層８１ａ，８２ａを形成するようにした。この結果、薄膜層８１ａ，８２ａは、板状シール部材８０と同じ材料で形成される。本実施形態では、薄膜層８１ａ，８２ａの厚さが数十μｍとなるように、熱量、荷重、接着時間を調整した。こうして形成された薄膜層８１ａ，８２ａは、絶縁性、撥水性を有する。

アノード側ガス拡散層３３と燃料ガス出口マニホールド６４との間、酸化剤ガス入口マニホールド７２とカソード側拡散層３２との間、およびカソード側拡散層３２と酸化剤ガス出口マニホールド７４との間にも、図示しない連通孔が設けられている。これらの連通孔は、上述した燃料ガス入口マニホールド６２とアノード側ガス拡散層３３との間に設けた連通孔９０と同様の構成であり、セパレータ４０，５０と対向する面に薄膜層（図示せず）が被覆されている。

以上詳述したように、本実施形態の燃料電池スタック１００によれば、アノード側ガス拡散層３３が配置される内部空間と燃料ガス入口マニホールド６２との間が、板状シール部材８０に設けられた連通孔９０によって結ばれ、セパレータ４０，５０のＭＥＧＡ３０側の面４０ａ，５０ａにおける連通孔９０と対向する範囲に、薄膜層８１ａ，８２ａが被覆されている。このため、連通孔９０に異物が侵入した場合に、セパレータ４０，５０の間が通電し、短絡することを防止できる。

また、燃料電池スタック１００によれば、薄膜層８１ａ，８２ａは撥水性を有することから、燃料電池スタック１００排水性を向上することができる。さらに、燃料電池スタック１００によれば、薄膜層８１ａ，８２ａは、板状シール部材８０を接着する接着層８１，８２と同じ材料とし、板状シール部材８０とセパレータ４０，５０とを接合する工程において、薄膜層８１ａ，８２ａが形成される構成としたことから、部品点数を増加することなく薄膜層８１ａ，８２ａを形成することができる。このために、部品点数の削減、生産性の向上を図ることができる。

Ｂ．第２実施形態：
図５は、第２実施形態における燃料電池セル２４０の断面を示す説明図である。この断面は、図３に示したＡ−Ａ断面と同じ位置の断面を示すものである。第２実施形態の燃料電池セル２４０は、第１実施形態の燃料電池セル１４０（図３）と比較して、薄膜層２８１ａ，２８２ａの構成が相違し、残余の点で一致する。第２実施形態において第１実施形態と同一の構成要素については、第１実施形態と同一の符号を付けて説明を省略する。

薄膜層２８１ａ，２８２ａは、第１実施形態における薄膜層８１ａ，８２ａに対応するものである。第１実施形態では、薄膜層８１ａ，８２ａは、連通孔９０におけるセパレータ４０，５０と対向する面だけに配置されていたが、これに対して、第２実施形態では、連通孔２９０におけるセパレータ４０，５０と対向する面だけではなく、セパレータ４０，５０の互いに対向する面の全体に、薄膜層２８１ａ，２８２ａが被覆されている。本実施形態では、薄膜層２８１ａ，２８２ａとして、絶縁性、撥水性を有する薄シートが用いられている。これにより、板状シール部材８０の接着層８１，８２は、薄膜層２８１ａ，２８２ａを介在してセパレータ４０，５０と接合されている。

以上のように構成された第２実施形態の燃料電池セル２４０は、第１実施形態の燃料電池セル１４０と同様に、連通孔２９０に異物が侵入した場合に、セパレータ４０，５０の間が通電し、短絡することを防止できる。

Ｃ．第３実施形態：
図６は、第３実施形態における燃料電池セル３４０の断面を示す説明図である。この断面は、図３に示したＡ−Ａ断面と同じ位置の断面を示すものである。第３実施形態の燃料電池セル３４０は、第１実施形態の燃料電池セル１４０（図３）と比較して、シール部材３８０の構成が相違し、残余の点で一致する。第３実施形態において第１実施形態と同一の構成要素については、第１実施形態と同一の符号を付けて説明を省略する。

シール部材３８０は、第１実施形態における板状シール部材８０と接着層８１，８２と薄膜層８１ａ，８２ａとに対応するもので、１部品によって構成される。シール部材３８０は、絶縁性、撥水性を有する材料によって形成されており、連通孔３９０を有する。連通孔３９０は、第１実施形態の連通孔９０と同様に、アノード側ガス拡散層３３が配置される内部空間と燃料ガス出口マニホールド６４とを連通する。また、シール部材３８０は、各セパレータ４０，５０のＭＥＧＡ１０側の面における連通孔３９０と対向する範囲を被覆する。

以上のように構成された第３実施形態の燃料電池セル３４０は、第１実施形態の燃料電池セル１４０と同様に、連通孔３９０に異物が侵入した場合に、セパレータ４０，５０の間が通電し、短絡することを防止できる。

Ｄ．変形例：
前記各実施形態およびそれらの変形例では、カソード側セパレータ４０のＭＥＧＡ３０側の面における連通孔と対向する範囲と、アノード側セパレータ５０のＭＥＧＡ３０側の面における連通孔と対向する範囲との両方が絶縁性の材料によって被覆された。これに対して、変形例として、上記２つの範囲のうちのいずれか一方のみが絶縁性の材料によって被覆される構成としてもよい。

本発明は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、前述した各実施形態における構成要素の中の、独立請求項で記載された要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。

１０…燃料電池システム
３０…膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ）
３１…膜電極接合体（ＭＥＡ）
３２…カソード側拡散層
３３…アノード側ガス拡散層
４０…カソード側セパレータ
４２…酸化剤ガス流路溝
５０…アノード側セパレータ
５２…燃料ガス流路溝
５４…冷却媒体流路溝
６２…燃料ガス入口マニホールド
６４…燃料ガス出口マニホールド
７２…酸化剤ガス入口マニホールド
７４…酸化剤ガス出口マニホールド
７６…冷却媒体入口マニホールド
７８…冷却媒体出口マニホールド
８０…板状シール部材
８１，８２…接着層
８１ａ，８２ａ…薄膜層
９０…連通孔
１００…燃料電池スタック
１１０…エンドプレート
１２０…絶縁板
１３０…集電板
１４０…燃料電池セル
１５０…水素タンク
１５１…シャットバルブ
１５２…レギュレータ
１５３…配管
１５４…排出配管
１６０…エアポンプ
１６１…配管
１６３…排出配管
１７０…ラジエータ
１７１…ウォーターポンプ
１７２…配管
１７３…配管
１９０…冷却媒体流路面
２４０…燃料電池セル
２８１ａ，２２ａ…薄膜層
２９０…連通孔
３４０…燃料電池セル
３８０…シール部材
３９０…連通孔
ＳＰ…内部空間
Ｘ…積層方向
Ｙ…鉛直方向
Ｚ…前後方向

Claims (1)

1. 燃料電池であって、
   膜電極接合体と、前記膜電極接合体の両側に積層された第１および第２のガス拡散層と、を有する発電モジュールと、
   前記発電モジュールの前記第１のガス拡散層側の面に沿って配置されるセパレータと、
   前記セパレータの前記発電モジュール側の面における前記発電モジュールの外側に配置される板状のシール部材と、
   を備え、
   前記セパレータは、
   前記発電モジュールと対向する位置より外側の位置に開口を備え、
   前記板状のシール部材は、
   前記開口と連通し、前記発電モジュールに反応ガスを分配するためのマニホールドを構成するマニホールド孔と、
   前記第１のガス拡散層が配置される内部空間と前記マニホールド孔とを連通する連通孔と、
   を備え、
   前記セパレータの前記発電モジュール側の面における前記連通孔と対向する範囲に、絶縁性の材料が被覆された、
   燃料電池。

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