(57)【要約】【課題】  セパレータとシール部材との剥離を抑制することができる燃料電池を提供する。【解決手段】  燃料電池（１００）は、膜−電極接合体（１０）と、膜−電極接合体の外周部に配置されたシール部材（２０）と、膜−電極接合体およびシール部材を挟持する一対のセパレータ（３０，４０）と、自然長の状態または自然長から伸びた状態で一対のセパレータ同士を繋ぐバネ部材（５０）と、を備えることを特徴とするものである。燃料電池によれば、一対のセパレータが膜−電極接合体から反力を受けた場合に、バネ部材によって、一対のセパレータが互いに引き合う方向に力を受ける。それにより、セパレータとシール部材との剥離を抑制することができる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜−電極接合体と、
前記膜−電極接合体の外周部に配置されたシール部材と、
前記膜−電極接合体および前記シール部材を挟持する一対のセパレータと、
自然長の状態または前記自然長から伸びた状態で前記一対のセパレータ同士を繋ぐバネ部材と、を備えることを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、膜−電極接合体と、膜−電極接合体の外周部に配置されたシール部材と、膜−電極接合体およびシール部材を挟持する一対のセパレータと、を備える。このような燃料電池は、製造時において、一対のセパレータに対して押圧力が加えられる。特許文献１には、燃料電池の製造時に、一対のセパレータ間に自然長より縮んだ状態のバネを挿入することを特徴とする燃料電池の製造方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−９９１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に係る技術では、自然長より縮んだ状態のバネが一対のセパレータ間に挿入されていることから、製造時に印加していた荷重が除去された場合、バネからの反力によって、セパレータがシール部材から剥離するおそれがある。また、製造時に印加していた荷重が除去された場合、膜−電極接合体は荷重印加前の厚さに復元しようとする。この場合、膜−電極接合体から受ける反力によって、セパレータがシール部材から剥離するおそれがある。
【０００５】
本発明は、セパレータとシール部材との剥離を抑制することができる燃料電池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】
【０００６】
本発明に係る燃料電池は、膜−電極接合体と、膜−電極接合体の外周部に配置されたシール部材と、膜−電極接合体およびシール部材を挟持する一対のセパレータと、自然長の状態または自然長から伸びた状態で一対のセパレータ同士を繋ぐバネ部材と、を備えることを特徴とするものである。
【０００７】
本発明に係る燃料電池によれば、一対のセパレータが膜−電極接合体から反力を受けた場合に、バネ部材によって、一対のセパレータが互いに引き合う方向に力を受ける。それにより、セパレータとシール部材との剥離を抑制することができる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、セパレータとシール部材との剥離を抑制することができる燃料電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１（ａ）は、実施例１に係る燃料電池の外周部近傍の模式的断面図である。図１（ｂ）は、実施例２に係る燃料電池スタックの外周部近傍の模式的断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明を実施するための形態を説明する。
【実施例１】
【００１１】
本発明の実施例１に係る燃料電池１００について説明する。図１（ａ）は、燃料電池１００の外周部近傍の模式的断面図である。燃料電池１００は、膜−電極接合体１０と、シール部材２０と、一対のセパレータ（アノードセパレータ３０およびカソードセパレータ４０）と、バネ部材５０と、を備える。膜−電極接合体１０は、電解質膜１１と、一対の触媒層（アノード触媒層１２およびカソード触媒層１３）と、一対のガス拡散層（アノードガス拡散層１４およびカソードガス拡散層１５）と、を備える。
【００１２】
電解質膜１１としては、例えばプロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜を用いることができる。プロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜として、例えばパーフルオロスルホン酸膜を用いることができる。なお、本実施例において、電解質膜１１は、一対の触媒層および一対のガス拡散層から面方向に延在した部分を有している。
【００１３】
アノード触媒層１２は、電解質膜１１の一方の面に配置されている。アノード触媒層１２の触媒は、水素のプロトン化を促進させる。カソード触媒層１３は、電解質膜１１の他方の面に配置されている。カソード触媒層１３の触媒は、プロトンと酸素との反応を促進させる。例えば、アノード触媒層１２およびカソード触媒層１３は、白金担持カーボン等を含んでいる。
【００１４】
アノードガス拡散層１４は、アノード触媒層１２を覆うように配置されている。カソードガス拡散層１５は、カソード触媒層１３を覆うように配置されている。アノードガス拡散層１４は、水素を含むアノードガスを拡散させて、アノード触媒層１２に供給する機能を有する。カソードガス拡散層１５は、酸素を含むカソードガスを拡散させて、カソード触媒層１３に供給する機能を有する。アノードガス拡散層１４およびカソードガス拡散層１５としては、例えばカーボンペーパ、カーボンクロス等のカーボン繊維を用いることができる。
【００１５】
シール部材２０は、膜−電極接合体１０の外周部に配置されている。本実施例においてシール部材２０は、電解質膜１１の延在部分を挟み込んでいる。シール部材２０としては、燃料電池１００からのガス漏洩を抑制するシール機能を有するものであれば特に限定されない。本実施例においては、シール部材２０として接着剤を用いる。この場合、シール部材２０は、シール機能とともに、一対のセパレータと膜−電極接合体１０とを接着させる機能を有する。
【００１６】
アノードセパレータ３０およびカソードセパレータ４０は、アノードガス拡散層１４、カソードガス拡散層１５およびシール部材２０を挟持するように配置されている。アノードセパレータ３０は、アノード側に配置され、カソードセパレータ４０はカソード側に配置されている。アノードセパレータ３０およびカソードセパレータ４０の材質は、特に限定されず、金属等の導電性材料を用いることができる。
【００１７】
アノードセパレータ３０のアノードガス拡散層１４側の面には、アノードガス流路６０が形成されている。アノードセパレータ３０のアノードガス拡散層１４と反対側の面には、冷媒流路６２が形成されている。カソードセパレータ４０のカソードガス拡散層１５側の面には、カソードガス流路６１が形成されている。カソードセパレータ４０のカソードガス拡散層１５と反対側の面には、冷媒流路６２が形成されている。アノードガス流路６０、カソードガス流路６１および冷媒流路６２は、セパレータに形成された溝によって構成されている。
【００１８】
また、アノードセパレータ３０は、バネ部材５０が係合するための係合部３１を有している。カソードセパレータ４０は、バネ部材５０が係合するための係合部４１を有している。本実施例においては、アノードセパレータ３０およびカソードセパレータ４０は、シール部材２０よりも外側に延在した部分を有している。このシール部材２０よりも外側に延在した部分は、反対側のセパレータ方向に突出した部分と、この突出部分の先端から膜−電極接合体１０方向に突出した内側突出部分と、を有している。係合部３１はアノードセパレータ３０の内側突出部分であり、係合部４１はカソードセパレータ４０の内側突出部分である。
【００１９】
バネ部材５０は、一対のセパレータとシール部材２０とによって囲まれた空間に配置されている。バネ部材５０は、自然長の状態または自然長以上に伸びた状態でアノードセパレータ３０の係合部３１およびカソードセパレータ４０の係合部４１に係合している。すなわち、バネ部材５０は、自然長の状態または自然長から伸びた状態で一対のセパレータ同士を繋いでいる。
【００２０】
燃料電池１００は、例えば以下の方法で製造される。まず、硬化前のシール部材２０が配置された膜−電極接合体１０を一対のセパレータで挟持するとともに、バネ部材５０を一対のセパレータに配置する配置工程を実施する。なお、配置工程において各部材の配置順序は限定されない。例えば、膜−電極接合体１０を一対のセパレータで挟持した後に、シール部材２０およびバネ部材５０を配置してもよい。
【００２１】
次いで、一対のセパレータに対して膜−電極接合体１０側へ押圧力を印加する押圧工程を実施する。押圧力は、シール部材２０が硬化するまで印加される。シール部材２０が硬化した後には、押圧力を除去する除去工程を実施する。以上の工程によって、燃料電池１００は製造される。なお、バネ部材５０は、少なくともシール部材２０が硬化した後に自然長以上の長さを有するように伸長させておく。
【００２２】
燃料電池１００は、発電時に以下のように作動する。まず、アノードガス流路６０を流動したアノードガスは、アノードガス拡散層１４に流入する。アノードガス拡散層１４に流入したアノードガスは、アノードガス拡散層１４を拡散後、アノード触媒層１２に到達する。アノード触媒層１２において、アノードガス中の水素はプロトンと電子とに分離する。プロトンは、電解質膜１１を伝導して、カソード触媒層１３に到達する。電子は、燃料電池１００の外部に取り出される。燃料電池１００の外部に取り出された電子は、負荷の仕事に供された後に、カソード触媒層１３に到達する。
【００２３】
カソードガス流路６１を流動したカソードガスは、カソードガス拡散層１５に流入する。カソードガス拡散層１５に流入したカソードガスは、カソードガス拡散層１５を拡散後、カソード触媒層１３に到達する。カソード触媒層１３においては、カソードガス中の酸素と電解質膜１１を伝導したプロトンと外部から伝導した電子とによって水が生成される。以上のように、燃料電池１００は発電時に作動する。
【００２４】
ここで、燃料電池１００の除去工程後に一対のセパレータが膜−電極接合体１０から反力を受ける場合がある。また、燃料電池１００の運転中に膜−電極接合体１０が膨潤した場合にも、一対のセパレータは膜−電極接合体１０から反力を受ける。本実施例に係る燃料電池１００によれば、一対のセパレータが膜−電極接合体１０から反力を受けた場合に、バネ部材５０によって、一対のセパレータが互いに引き合う方向に力を受ける。それにより、一対のセパレータとシール部材２０との剥離を抑制することができる。その結果、シール部材２０に要求される接着強度を低くすることができることから、シール部材２０の材質選択の余地が広がる。
【００２５】
なお、アノードセパレータ３０とカソードセパレータ４０とは電気的に絶縁されていることが好ましい。例えば、バネ部材５０の材質として絶縁性を有する材質を用いることによって、アノードセパレータ３０とカソードセパレータ４０とを電気的に絶縁することができる。絶縁性を有する材質としては、エンジニアリングプラスチック等が用いられる。また、この場合、耐熱温度が比較的高いものが好ましい。燃料電池１００の耐熱性が高くなるからである。なお、アノードセパレータ３０とカソードセパレータ４０との間の絶縁は、１Ｖ程度の電圧で絶縁破壊されない程度の絶縁であればよい。
【００２６】
また、バネ部材５０に絶縁処理を施してもよい。この場合、バネ部材５０の材質として導電性を有する材質を用いてもよい。導電性を有する材質としては、例えばＳＵＳ、Ｔｉ等の耐食性に優れた材料が好ましい。燃料電池１００の耐食性が高くなるからである。
【００２７】
また、バネ部材５０とセパレータの係合部３１，４１との間に、絶縁部材を配置してもよい。絶縁部材としては、ゴム、樹脂、絶縁性接着剤、電解質膜等を用いることができる。なお、絶縁部材は、アノードセパレータ３０の係合部３１とバネ部材５０との間、またはカソードセパレータ４０の係合部４１とバネ部材５０との間に配置されていればよい。
【００２８】
また、バネ部材５０の最も伸びた状態の全長は、一対のセパレータとシール部材２０とが剥離するような一対のセパレータ間の距離以下であることが好ましい。この場合、セパレータとシール部材２０との剥離をより抑制することができる。
【実施例２】
【００２９】
続いて、本発明の実施例２に係る燃料電池スタック２００について説明する。図１（ｂ）は、燃料電池スタック２００の外周部近傍の模式的断面図である。燃料電池スタック２００は、複数の燃料電池１００ａと、隣接する燃料電池１００ａ間に配置されたシール部材２１と、隣接する燃料電池１００ａ同士を繋ぐバネ部材５１と、を備える。燃料電池１００ａは、アノードセパレータ３０およびカソードセパレータ４０の代わりに、それぞれアノードセパレータ３０ａおよびカソードセパレータ４０ａを備える点において、実施例１に係る燃料電池１００と異なる。
【００３０】
アノードセパレータ３０ａは、膜−電極接合体１０側とは反対側に、バネ部材５１が係合するための係合部３２を備える点において、アノードセパレータ３０と異なる。カソードセパレータ４０ａは、膜−電極接合体１０側とは反対側に、バネ部材５１が係合するための係合部４２を備える点において、カソードセパレータ４０と異なる。本実施例において、係合部３２，４２は、それぞれ係合部３１，４１と同様の形状を有している。
【００３１】
バネ部材５１は、係合部３２，４２に係合することによって、隣接する燃料電池１００ａを結合させている。具体的には、バネ部材５１は、自然長の状態または自然長から伸びた状態で隣接する燃料電池１００ａを繋いでいる。
【００３２】
シール部材２１としては、隣接する燃料電池１００ａ間から冷媒が漏洩することを抑制するシール機能を有するものであれば特に限定されない。本実施例においては、シール部材２１として、接着剤を用いる。この場合、シール部材２１は、シール機能とともに、隣接する燃料電池１００ａ同士を結合させる機能を有する。
【００３３】
本実施例に係る燃料電池スタック２００によれば、バネ部材５０を備えることから、膜−電極接合体１０から反力を受けた場合におけるセパレータとシール部材２０との剥離を抑制できる。その結果、シール部材２０に要求される接着強度を低くすることができることから、シール部材２０の材質選択の余地が広がる。特に、燃料電池１００ａの積層時には、実施例１に係る燃料電池１００の場合の押圧力に比較して各燃料電池１００ａに大きな押圧力を印加する場合がある。このような場合においても、シール部材２０に要求される接着強度を低くすることができる。また、バネ部材５１によって隣接する燃料電池１００ａが結合されていることから、シール部材２１に要求される接着強度を低くすることができる。よって、シール部材２１の材質選択の余地を広くすることができる。
【符号の説明】
【００３４】
１０  膜−電極接合体
１１  電解質膜
１２  アノード触媒層
１３  カソード触媒層
１４  アノードガス拡散層
１５  カソードガス拡散層
２０，２１  シール部材
３０  アノードセパレータ
３１，３２  係合部
４０  カソードセパレータ
４１，４２  係合部
５０，５１  バネ部材
６０  アノードガス流路
６１  カソードガス流路
６２  冷媒流路
１００  燃料電池
２００  燃料電池スタック
【図１】
2010251069.tif 000003