(57)【要約】【課題】この発明は、燃料電池の構造に関し、多孔体流路とセパレータとを一体化することにより、燃料電池の生産性を向上させることのできる燃料電池およびその製造方法を提供することを目的とする。【解決手段】電解質膜の両面に電極が配置されたＭＥＡ３０と、ＭＥＡ３０の面に対向して設けられた多孔体流路２４、２６と、ＭＥＡ３０との間に多孔体流路２４、２６を挟むように設けられたセパレータ２８と、多孔体流路２４、２６に含浸された樹脂により構成される樹脂５０と、を備え、多孔体流路２４、２６とセパレータ２８とが樹脂５０の接着力により一体化されている。【選択図】図１
2010040169.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両面に電極が配置された膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の面に対向して設けられた多孔体流路と、
前記膜電極接合体との間に前記多孔体流路を挟むように設けられたセパレータと、
前記多孔体流路に含浸された接着剤と、を備え、
前記多孔体流路と前記セパレータとが前記接着剤により一体化されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記接着剤は、前記多孔体流路を流れる反応ガスの主要な流れに沿った前記多孔体流路の側部に含浸されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記多孔体流路は、所定の厚みを有する矩形形状であり、
前記多孔体流路の一辺に沿って設けられた反応ガスの導入口と、対向する一辺に沿って設けられた反応ガスの排出口と、を備え、
前記接着剤は、前記導入口から前記排出口へ向かう反応ガスの主要な流れ方向に平行な前記多孔体流路の二辺の外縁部に含浸されていることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池。
【請求項４】
前記接着剤は、前記多孔体流路の外縁部全周に含浸されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項５】
前記接着剤は合成樹脂であることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項記載の燃料電池。
【請求項６】
電解質膜の両面に電極が配置された膜電極接合体と、多孔体流路と、セパレータと、を準備する工程と、
前記多孔体流路の外縁部に接着剤を含浸する工程と、
前記接着剤により、前記多孔体流路と前記セパレータとを一体化する工程と、
前記多孔体流路と一体化されたセパレータと、前記膜電極接合体とを交互に積層する工程と、
を備えることを特徴とする燃料電池の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池に関し、特に、燃料電池の内部構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電解質膜を挟んでアノードとカソードとが配置された構造を有している。アノードに水素を含むアノードガスが接触し、カソードに空気などの酸素を含むカソードガスが接触することによって、両電極で電気化学反応が起こり、両電極間に電圧が発生する仕組みになっている。
【０００３】
このような燃料電池においては、種々の構造が提案されている。例えば特開２００４−２７３３５９号公報には、金属多孔体と金属基体とを固層拡散処理により一体化する技術が開示されている。この技術によれば、より具体的には、金属多孔体と金属基体とを積層して加圧した状態で、高温で所定時間熱処理が実施され、固層拡散を生じさせて接合一体化される。この一体化された多孔体部材を燃料電池のセパレータ兼用反応ガス拡散流路として使用すると、金属多孔体と金属セパレータとの接触抵抗が大幅に低減されるため、発電効率を向上させることが可能となる。また、燃料電池を構成する部品の点数を削減することができ、組み付け性を向上させることができる。
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−２７３３５９号公報
【特許文献２】特開２００５−３２５４７号公報
【特許文献３】特開２００５−２９８０６号公報
【特許文献４】特開２００５−１８３２１０号公報
【特許文献５】特開２００４−１１９１２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、金属多孔体は強度が低いため、上述した固層拡散処理によって高温に晒されると、金属多孔体の形状が変形してしまうおそれがある。そこで、固層拡散処理に代えて、金属多孔体と金属セパレータとを接着層を介して接合する構成が考えられるが、多孔体の性質上、接着面積を十分に確保することができず、金属多孔体と接着層との界面において剥離が生じてしまうおそれがある。このため、上述した従来の技術によっては、安定して金属多孔体と金属セパレータを接合することが困難であった。
【０００６】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、多孔体流路とセパレータとを一体化することにより、燃料電池の生産性を向上させることのできる燃料電池およびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池であって、
電解質膜の両面に電極が配置された膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の面に対向して設けられた多孔体流路と、
前記膜電極接合体との間に前記多孔体流路を挟むように設けられたセパレータと、
前記多孔体流路に含浸された接着剤と、を備え、
前記多孔体流路と前記セパレータとが前記接着剤により一体化されていることを特徴とする。
【０００８】
また、第２の発明は、第１の発明において、
前記接着剤は、前記多孔体流路を流れる反応ガスの主要な流れに沿った前記多孔体流路の側部に含浸されていることを特徴とする。
【０００９】
また、第３の発明は、第１または２の発明において、
前記多孔体流路は、所定の厚みを有する矩形形状であり、
前記多孔体流路の一辺に沿って設けられた反応ガスの導入口と、対向する一辺に沿って設けられた反応ガスの排出口と、を備え、
前記接着剤は、前記導入口から前記排出口へ向かう反応ガスの主要な流れ方向に平行な前記多孔体流路の二辺の外縁部に含浸されていることを特徴とする。
【００１０】
また、第４の発明は、第１の発明において、
前記接着剤は、前記多孔体流路の外縁部全周に含浸されていることを特徴とする。
【００１１】
また、第５の発明は、第１乃至４の何れか１つの発明において、
前記接着剤は合成樹脂であることを特徴とする。
【００１２】
また、第６の発明は、燃料電池の製造方法であって、
電解質膜の両面に電極が配置された膜電極接合体と、多孔体流路と、セパレータと、を準備する工程と、
前記多孔体流路の外縁部に接着剤を含浸する工程と、
前記接着剤により、前記多孔体流路と前記セパレータとを一体化する工程と、
前記多孔体流路と一体化されたセパレータと、前記膜電極接合体とを交互に積層する工程と、
を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
第１の発明によれば、多孔体流路に含浸された接着剤の接着力により、多孔体流路とセパレータとが一体化される。このため、本発明によれば、燃料電池の生産時の組み付け性を向上させることができる。
【００１４】
また、多孔体流路の周囲には隙間があるため、反応ガスの一部が該隙間を横流れしてしまうおそれがある。第２または３の発明によれば、反応ガスの主要な流れに沿った多孔体流路の側部に接着剤が含浸されるので、反応ガスが該隙間に流れ出てしまうことを抑制することができ、反応ガスの利用率を向上させることができる。
【００１５】
第４の発明によれば、多孔体流路の外縁部全周に接着剤が含浸されるので、反応ガスが該多孔体流路外部に流れ出てしまうことを抑制することができ、反応ガスの利用率を向上させることができる。
【００１６】
第５の発明によれば、接着剤には合成樹脂、すなわち熱可塑性樹脂材または熱硬化性樹脂材が使用される。このため、本発明によれば、多孔体流路に効果的に含浸配置することができ、また、セパレータと該多孔体流路とを確実に接着することができる。
【００１７】
第６の発明によれば、多孔体流路とセパレータとが接着剤の接着力により一体化された後に、膜電極接合体とセパレータとが交互に積層され燃料電池スタックが形成される。このため、本発明によれば、組み付け時の多孔体流路の取り扱いが容易となり、また、積層される部品の点数が削減されるので、生産性を効果的に向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、図面に基づいてこの発明の実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。なお、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１９】
実施の形態１．
［実施の形態１の構成］
図１は、燃料電池スタック１０の一部を積層方向に切断した断面の詳細図である。燃料電池スタック１０は、固体高分子分離膜を備えた固体高分子型の燃料電池（ＰＥＭＦＣ）であり、主として燃料電池自動車などに搭載されるものである。図１に示すとおり、燃料電池スタック１０は単位セル２０を複数積層したスタック構造を有している。単位セル２０は、発電体２２、カソードガスおよびアノードガスが流れる多孔体流路２４および２６、隣接する発電体２２を隔離するセパレータ２８によって構成されている。発電体２２は、電解質膜を挟んでアノードとカソードが配置された膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly，以下、「ＭＥＡ」と称す）３０の外側に、図示しないガス拡散層をシールガスケットで囲んで一体として形成されている。
【００２０】
セパレータ２８は、３つの金属の薄板を積層して形成される三層積層型のセパレータである。より具体的には、多孔体流路２４と接触するカソードプレート３２と、多孔体流路２６と接触するアノードプレート３４と、これらのプレートの中間に挟まれ、主として冷却水の流路となる中間プレート３６とから構成されている。これらのプレートにはステンレス鋼、チタンなどの導電性の金属材料が使用される。
【００２１】
多孔体流路２４および２６は、ステンレス鋼やチタン、或いはチタン合金などの発砲焼結金属や、金属メッシュなどの内部に多数の細孔を備えた多孔体によって形成されている。多孔体流路２４および２６は所定方向へ反応ガスを流すことを主目的としているため、反応ガスの流れの圧力損失を抑え、排水性を構造させるように、比較的気孔率の大きい多孔体が使用される。より具体的には、気孔率が９５％程度の多孔体が使用され、当該多孔体流路２４および２６に導入された反応ガスは内部の細孔を通過しＭＥＡ３０のアノードおよびカソードに供給される。
【００２２】
また、多孔体流路２４は、燃料電池スタック１０の内部に設けられた入口側マニホールド４０、および出口側マニホールド４２と接続されている。入口側マニホールド４０、および出口側マニホールド４２は、単位セル２０の積層方向に延在している。ここで、上述した多孔体流路２４は、入口側マニホールド４０と出口側マニホールド４２の間に介在するように設けられている。より具体的には、入口側マニホールド４０は、カソードプレート３２に設けられた複数の貫通孔４４を介して多孔体流路２４に連通している。同様に、出口側マニホールド４２は、カソードプレート３２に設けられた複数の貫通孔４６を介して多孔体流路２４に連通している。
【００２３】
したがって、上述した構成によれば、入口側マニホールド４０へ送られたカソードガスは、各単位セル２０の貫通孔４４から多孔体流路２４に導入され、当該多孔体流路２４の内部を流通しカソード面へ均一に送られる。そして、反応後のカソードガスは、カソードオフガスとして多孔体流路２４を通過し、貫通孔４６から出口側マニホールド４２へ排出され、更にカソードオフガス流路へ送られて、燃料電池スタック１０の外部に排出される。
【００２４】
同様に、燃料電池スタック１０には、図示しないアノードガスの入口側マニホールドと出口側マニホールドが設けられている。アノードガスは、入口側マニホールドから各単位セル２０のアノードへ送られ、出口側マニホールドを経由して、アノードオフガス流路から排出される。
【００２５】
［実施の形態１の特徴的構成］
次に、図１および図２を参照して、本実施の形態の特徴的構成について説明する。図２は、図１中の単位セル積層方向からみた燃料電池スタック１０の一部を示す模式図である。図２に示すとおり、多孔体流路２４の外縁部の各辺には、樹脂５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、５０ｄが含浸されている（以下、これらを特に区別しないときは、単に「樹脂５０」と称す）。樹脂５０の幅は、カソードプレート３２に設けられた複数の貫通孔４４、４６が、樹脂５０で囲まれた領域の内側となる範囲で設定される。尚、同様に、樹脂５０は多孔体流路２６の外縁部の全周に配置されている。
【００２６】
また、図１に示すとおり、多孔体流路２４、２６は、樹脂５０によりセパレータ２８に接着される。より具体的には、先ず、多孔体流路２４の外縁部に樹脂５０が含浸される。樹脂には熱可塑性接着剤または熱硬化性接着剤が使用される。次いで、セパレータ２８のカソードプレート３２側に多孔体流路２４が重ねられた状態で所定の面圧がかけられ、セパレータ２８と多孔体流路２４とが樹脂５０の接着力により一体化される。同様に、セパレータ２８のアノードプレート３４側には、多孔体流路２６が接着される。次いで、当該セパレータ２８と、発電体２２とが複数積層されることにより、燃料電池スタック１０が形成される。
【００２７】
以上のような構成を有する燃料電池スタック１０においては、燃料電池スタック製造時の利点が大きい。すなわち、通常ガス流路に使用される多孔体は非常に薄くて強度が低い。このため、スタック製造の多孔体流路を積層する工程において、該多孔体流路に破損等が生じてしてしまう可能性がある。
【００２８】
この点、本実施の形態１の燃料電池スタック１０においては、上述したとおり、積層工程の前に多孔体流路２４および２６とセパレータ２８とが接着され一体化される。このため、積層工程において多孔体流路２４および２６の取り扱いが容易となり、また、積層される部品の点数を削減することができ、生産性を飛躍的に向上させることができる。
【００２９】
また、本実施の形態１の燃料電池スタック１０においては、反応ガスの利用率を向上させる利点もある。一般的な燃料電池においては、多孔体流路の周囲が発電体のシールガスケットに設けられたリップ部により密閉され、反応ガスが多孔体流路周囲に流出することを抑制することとしている。しかしながら、当該リップ部と多孔体流路との間には多少の隙間が存在するため、反応ガスの流出を完全に抑えることができず、一部の反応ガスが当該隙間に横流れすることによりガス利用率が低下していた。
【００３０】
この点、本実施の形態１の燃料電池スタック１０においては、図２に示すとおり、多孔体流路２４の外縁部全周に樹脂５０が含浸されている。このため、貫通孔４４から導入されたカソードガスは、多孔体流路２４の周囲に流出することなくすべて多孔体流路２４内部を通過して発電反応に寄与することとなり、反応ガスの利用率を向上させることができる。アノードガスに関しても、同様の理由により利用率を向上させることができる。
【００３１】
ところで、上述した実施の形態１においては、多孔体流路２４、２６の外縁部四辺に樹脂５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、５０ｄを含浸させることとしているが、含浸される樹脂の配置はこれに限られない。すなわち、多孔体流路の内部の反応ガスの流れは、主に貫通孔４４から貫通孔４６の方向となる。このため、少なくとも多孔体流路２４、２６の反応ガスの流れ方向に略平行な樹脂５０ａおよび５０ｂが含浸されれば、反応ガスの横流れを効果的に抑制することができ、ガス利用率を向上させることができる。
【００３２】
また、含浸される樹脂の配置は、多孔体流路２４および２６とセパレータ２８とが接着され一体化されるのであれば、多孔体流路２４および２６の外縁部の一部でもよい。これにより、少なくとも、上述した生産性の向上を図ることができる。
【００３３】
また、上述した実施の形態１においては、矩形形状の多孔体流路２４、２６が使用されているが、多孔体流路の形状は特にこれに限定されない。すなわち、本発明の範囲を逸脱しない範囲において、種々の形状の多孔体流路を使用することができる。
【００３４】
尚、上述した実施の形態１においては、ＭＥＡ３０が前記第１の発明における「膜電極接合体」に、樹脂５０が前記第１の発明における「接着剤」に、それぞれ相当している。
【００３５】
その他．
次に、図３を参照して、本発明に関連した燃料電池スタックの構成およびその効果について説明する。尚、図３に示す燃料電池スタック６０において、図１に示す燃料電池スタック１０と共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。
【００３６】
図３は、燃料電池スタック６０の一部を積層方向に切断した断面の詳細図である。燃料電池スタック６０は、図１に示す燃料電池スタック１０同様に、固体高分子分離膜を備えた固体高分子型の燃料電池（ＰＥＭＦＣ）である。図３に示すとおり、多孔体流路２４および２６の外縁部には樹脂６２が配置されている。より具体的には、多孔体流路２４および２６の外縁部全周に樹脂が含浸される。樹脂にはフェノール系の樹脂材料（接着力なし）が使用される。
【００３７】
以上のような構成を有する燃料電池スタック６０においては、反応ガスの利用率を向上させる利点がある。一般的な燃料電池においては、多孔体流路の周囲が発電体のシールガスケットに設けられたリップ部により密閉され、反応ガスが多孔体流路周囲に流出することを抑制することとしている。しかしながら、当該リップ部と多孔体流路との間には多少の隙間が存在するため、反応ガスの流出を完全に抑えることができず、一部の反応ガスが当該隙間に横流れすることによりガス利用率が低下していた。
【００３８】
そこで、燃料電池スタック６０においては、図３に示すとおり、多孔体流路２４の外縁部全周に樹脂６２を含浸することとしている。これにより、貫通孔４４から導入されたカソードガスは、当該隙間に流出することなくすべて多孔体流路２４内部を通過して発電反応に寄与することとなり、反応ガスの利用率を向上させることができる。アノードガスに関しても、同様の理由により利用率を向上させることができる。
【００３９】
ところで、上述した燃料電池スタック６０においては、多孔体流路２４、２６の外縁部全周に樹脂６２を配置することとしているが、含浸される樹脂の配置はこれに限られない。すなわち、多孔体流路の内部の反応ガスの流れは、主に貫通孔４４から貫通孔４６の方向となる。このため、少なくとも多孔体流路２４、２６の反応ガスの流れ方向に略平行な二辺の外縁部に樹脂が含浸されれば、反応ガスの横流れを効果的に抑制することができ、ガス利用率を向上させることができる。
【００４０】
また、上述した燃料電池スタック６０においては、矩形形状の多孔体流路２４、２６が使用されているが、多孔体流路の形状は特にこれに限定されない。すなわち、本発明の範囲を逸脱しない範囲において、種々の形状の多孔体流路を使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の実施形態１の燃料電池の一部を積層方向に切断した断面の模式図である。
【図２】本発明の実施形態１の燃料電池の一部を積層方向から見た断面の模式図である。
【図３】本発明に関連した燃料電池の一部を積層方向に切断した断面の模式図である。
【符号の説明】
【００４２】
１０、６０  燃料電池スタック
２０  単位セル
２２  発電体
２４、２６  多孔体流路
２８  セパレータ
３０  ＭＥＡ(Membrane Electrode Assembly)
３２  カソードプレート
３４  アノードプレート
３６  中間プレート
４０  入口側マニホールド
４２  出口側マニホールド
４４、４６  貫通孔
５０、６２  樹脂
【図１】
2010040169.tif 000003
【図２】
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【図３】
2010040169.tif 000005