(57)【要約】【課題】燃料電池の分解時において構成部材が破壊されずに再利用することができ、また燃料電池の再組み立てを容易にすることのできる技術を提供する。【解決手段】燃料電池は、ガス拡散層７６，７７と、ガス拡散層７６，７７とガス拡散層以外の燃料電池の構成部材との間に介挿されたガス封止層８０と、を備える。ガス封止層８０は、燃料電池を分解するためにガス拡散層７６，７７とガス封止層８０とを分離させるときに、ガス封止層８０が、ガス封止層８０とガス拡散層７６，７７の境界に設けられた所定の同伴部材８４と共にガス拡散層７６，７７から分離されるように構成されていることを特徴とする。【選択図】図１１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池であって、
ガス拡散層と、
前記ガス拡散層と前記ガス拡散層以外の燃料電池の構成部材との間に介挿されたガス封止層と、
を備え、
前記ガス封止層は、前記燃料電池を分解するために前記ガス拡散層と前記ガス封止層とを分離させるときに、前記ガス封止層が、前記ガス封止層と前記ガス拡散層の境界に設けられた所定の同伴部材と共に前記ガス拡散層から分離されるように構成されていることを特徴とする、燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池であって、
前記同伴部材は、前記ガス拡散層の一部分であって、前記ガス封止層と共に前記ガス拡散層の他の部分から分離するように予め加工された部分である、燃料電池。
【請求項３】
請求項１記載の燃料電池であって、
前記同伴部材は、前記ガス封止層と前記ガス拡散層の境界に設けられた粒状部材である、燃料電池。
【請求項４】
請求項１ないし３記載の燃料電池であって、
前記燃料電池は、セパレータを備え、
前記ガス封止層は、前記セパレータと前記ガス拡散層との間に形成され、前記燃料電池を分解するときには、前記セパレータと共にガス拡散層から分離するように構成されている、燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の分解、再組付けに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、製造時や点検時等に、燃料電池スタックの組み付けや分解を行う。主に組み付け時では、燃料電池スタックの構成部材であるセパレータや膜―電極接合体（以下、「ＭＥＡ」とも呼ぶ。ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）等を所定の位置に正確に積層することのできる技術が求められている。また、燃料電池の分解時では、構成部材が破壊されることなく分離することができ、再組み立て時に構成部材を再利用することのできる技術が重要となっている。燃料電池の構成部材を正確な位置に積層することができ、構成部材の組み立て性を向上させることを目的とする技術としては、例えば、以下のようなものがある（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−２１６８５４号公報
【特許文献２】特開２００５−１５８３２５号公報
【特許文献３】特開２００５−７８８２７号公報
【特許文献４】特開２００１−３３８６７３号公報
【特許文献５】特開２００２−１２４２７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、燃料電池の分解時において構成部材が破壊されずに再利用することができ、また燃料電池の再組み立てを容易にすることのできる技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的の少なくとも一部を達成するために、本発明の一形態による燃料電池は、
燃料電池であって、ガス拡散層と、前記ガス拡散層と前記ガス拡散層以外の燃料電池の構成部材との間に介挿されたガス封止層と、を備え、
前記ガス封止層は、前記燃料電池を分解するために前記ガス拡散層と前記ガス封止層とを分離させるときに、前記ガス封止層が、前記ガス封止層と前記ガス拡散層の境界に設けられた所定の同伴部材と共に前記ガス拡散層から分離されるように構成されていることを特徴とする。
【０００６】
以上のように構成された燃料電池によれば、燃料電池の分解時に、ガス拡散層がガス封止層によって破壊されることがないので、燃料電池の再組み立て時にガス拡散層を再利用することができる。
【０００７】
前記同伴部材は、前記ガス拡散層の一部分であって、前記ガス封止層と共に前記ガス拡散層の他の部分から分離するように予め加工された部分である、こととしてもよい。
【０００８】
このような構成とすれば、燃料電池の分解時に、ガス拡散層の予め加工された部分がガス拡散層の他の部分から分離するので、ガス拡散層がガス封止層によって破壊されるのを抑制することができる。さらに、ガス拡散層の予め加工された部分が、再組み立て時のガイドの役割を担うため、再組み立てを容易にすることができる。
【０００９】
前記同伴部材は、前記ガス封止層と前記ガス拡散層の境界に設けられた粒状部材である、こととしてもよい。
【００１０】
このような構成とすれば、粒状部材の存在によってガス封止層のアンカー効果を抑制することができるので、燃料電池の分解時に、ガス拡散層がガス封止層によって破壊されるのを抑制することができる。
【００１１】
前記燃料電池は、セパレータを備え、前記ガス封止層は、前記セパレータと前記ガス拡散層との間に形成され、前記燃料電池を分解するときには、前記セパレータと共にガス拡散層から分離するように構成されている、こととしてもよい。
【００１２】
このような構成としても、ガス拡散層がガス封止層によって破壊されるのを抑制することができる。
【００１３】
なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能である。例えば、燃料電池、燃料電池システム、それらを搭載した自動車、またはそれらの製造方法等の形態で実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて説明する。
【００１５】
Ａ．燃料電池の概略構成：
図１は、本発明の一実施例としての燃料電池の断面を示す概略図である。本実施例の燃料電池は、固体高分子型燃料電池であり、セルアセンブリ７０と、セパレータＳＰと、を交互に複数積層したスタック構造を有している。セルアセンブリ７０は、発電積層体７１と、シール部７２と、によって構成されており、１つの電池として機能する。シール部７２には、水素、空気、冷媒などの供給および排出を行うための貫通孔であるマニホールド孔が設けられており、図１では、空気供給用のマニホールド孔Ｍ３と、空気排出用のマニホールド孔Ｍ４が図示されている。発電積層体７１は、ＭＥＡ７３（膜―電極接合体、Membrane Electrode Assembly）と、ＭＥＡ７３を挟持するガス拡散層７６，７７と、ガス拡散層７６，７７をさらに挟持するガス流路形成部７８，７９と、によって形成されている。ＭＥＡ７３は、電解質膜７４と、電解質膜７４の両面に形成された電極触媒層７５（アノード電極層７５ａおよびカソード電極層７５ｃ）と、を備える。セパレータＳＰは、アノード側プレートＳＰａと、カソード側プレートＳＰｃと、それら２枚のプレートに挟持された中間プレートＳＰｉと、を備える三層構造のセパレータである。なお、図１に示す燃料電池全体の構造は単なる一例であり、本発明は他の構造の燃料電池にも適用可能である。
【００１６】
ガス拡散層７６，７７と、セパレータＳＰと、シール部７２と、ガス流路形成部７８，７９との間の隙間には、ガスの流路外の流れを防止するために、ガス封止層８０が設けられている。ここで、「ガスの流路外の流れ」とは、ガスがガス流路形成部７８，７９の周囲に沿って流れることを意味する。ガスの流路外の流れが多いと、ガス流路形成部７８，７９の内部を通過するガス量が減るので、発電効率が低下する。本実施例では、ガス封止層８０とガス拡散層７６，７７との境界部分が、燃料電池の分解時に分解しやすいように工夫されている。以下では、実施例の構成を説明する前に比較例の構成を説明する。
【００１７】
Ｂ．比較例：
図２は、比較例の燃料電池を分解する様子を示す模式図である。図２（Ａ）は、燃料電池の分解前の状態を示しており、図１におけるガス封止層８０の近傍を拡大した図に相当する。
【００１８】
ガス拡散層７６，７７は、例えば、カーボンクロスやカーボンペーパーによって形成される。ガス拡散層７６，７７の表面には、電極触媒層７５で発生した水を素早く送り出すための撥水処理が施されていることが好ましい。ガス流路形成部７８，７９は、例えば、金属メッシュなどの金属製多孔質体、あるいは、カーボン製の多孔質体によって形成される導電性の薄板状部材であり、本実施例では、金属製の多孔質体を用いている。以下、ガス流路形成部７８，７９は金属多孔体７８，７９とも呼ぶ。
【００１９】
膜積層体６９は、電解質膜７４と、電極触媒層７５と、ガス拡散層７６，７７とにより構成されている。シール部７２は、この膜積層体６９を囲む外周枠であり、例えばシリコンゴム、ブチルゴム、フッ素ゴムなどの絶縁性樹脂材料によって形成され、膜積層体６９と隙間なく接合されている。そのためシール部７２は、膜積層体６９の両面間のガスシール性を確保することができる。
【００２０】
ガス封止層８０は、ガス拡散層７６と、アノード側プレートＳＰａと、金属多孔体７８と、シール部７２とで形成される隙間に充填されている。ガス封止層８０としては、弾性を有する種々の部材を用いることができ、例えば、熱可塑性樹脂に軟化剤を添加したゲル状のもので形成することができる。電解質膜７４は発電による湿潤と、停止後の乾燥とにより膨張と収縮を繰り返すため、ガス封止層８０の硬度が高いと、電解質膜７４に大きな応力が掛かることがある。したがってガス封止層８０としては、低硬度の樹脂を用いることが好ましい。
【００２１】
ところで、燃料電池は、締結部材（図示せず）によって積層方向に大きな圧縮応力を掛けた状態で組み立てられている。この圧縮応力により、ゲル状のガス封止層８０がガス拡散層７６，７７の孔質部に入り込み、ガス封止層８０とガス拡散層７６，７７の表面部分とが一体となってしまい、アンカー効果が発生する。「アンカー効果」とは、ある材料が他の材料表面の凹凸や空隙に侵入して、接着性を増す効果のことをいう。アンカー効果は、特にゲル状の材料で顕著である。以下、本明細書において、ガス封止層８０がガス拡散層７６，７７に入り込んだ部分をアンカー効果部８１とも呼ぶ。
【００２２】
図２（Ｂ）は、燃料電池を分解した状態を示している。燃料電池の製造工程において、ガス封止層８０は金属多孔体７８，７９に接着するように形成され、その後、セパレータＳＰと金属多孔体７８，７９とはスポット溶接で接合される。したがって、燃料電池を分解する際には、それらが一体となってガス拡散層７６，７７等から分離する構成となっている。ここで、前述したアンカー効果によって、ガス封止層８０とガス拡散層７６，７７とはアンカー効果部８１において一体となっている。したがって、燃料電池を分解する場合に、ガス拡散層７６，７７のアンカー効果部８１が、ガス封止層８０に固着した状態でガス拡散層７６，７７から引き剥がされてしまう。その結果、ガス拡散層７６，７７の表面は、図２（Ｂ）に示すように剥離するように破壊されてしまい、燃料電池の再組み立てができないという問題が生じる。
【００２３】
Ｃ．第１実施例：
図３は、第１実施例における燃料電池を分解する様子を示す模式図である。図２に示した比較例との違いは、ガス封止層８０とガス拡散層７６，７７との境界に、粒状部材８３を設けた点であり、他の構成は比較例と同じである（図３（Ａ））。粒状部材８３をガス封止層８０とガス拡散層７６，７７との境界に設けると、ガス封止層８０とガス拡散層７６，７７との接触面積が減少し、そのことによってアンカー効果の発生を抑制することができる。したがって、ガス封止層８０とガス拡散層７６，７７とを分離する際に、ガス拡散層７６，７７の表面が剥離し、破壊されてしまうことを防ぐことが可能となる（図３（Ｂ））。なお、粒状部材８３としては、例えばシリコンビーズ等の球状離型材を用いることが可能である。
【００２４】
図４は、ガス封止層８０とガス拡散層７６，７７との境界に粒状部材８３を設ける工程を示すフローチャートである。図５から図１０までは、その工程の概略を示す説明図である。なお、図５から図１０までにおいて、（Ｂ）で示した図面は、（Ａ）で示した図面のＢ−Ｂ断面を示している。ステップＳ１０では、まず金属多孔体７８，７９を準備し（図５）、ステップＳ２０では、金属多孔体７８，７９の周囲にガス封止層８０を形成させる（図６）。金属多孔体７８，７９の周囲にガス封止層８０を形成させる方法としては、例えば、まず金型でガス封止層８０を所定の形状に成形しておいてから、金属多孔体７８，７９とガス封止層８０とをプレスすることによって接合してもよい。その際、金属多孔体７８，７９とガス封止層８０とが接している部分は、ガス封止層８０のアンカー効果によって一体化し、ガス封止層８０と金属多孔体７８とは接着した状態となる。ステップＳ３０では、周囲にガス封止層８０が形成された金属多孔体７８，７９を、セパレータＳＰにスポット溶接し、接合させる（図７）。なお、実際のセパレータＳＰは、アノード側プレートＳＰａと、中間プレートＳＰｉと、カソード側プレートＳＰｃとの三層構造となっているが、説明のため省略して描いている。
【００２５】
ステップＳ４０では、ガス封止層８０以外の部材にマスク８２を施し（図８）、ステップＳ５０では、ガス封止層８０の表面部分にシリコンビーズ等の粒状部材８３を刷毛等で散布する（図９（Ｃ））。ステップＳ６０では、マスク８２を外し、セパレータＳＰと金属多孔体７８とガス封止層８０とからなる構造体を、膜積層体６９とシール部７２とからなる構造体に接合させる（図１０）。以上のような工程によれば、図３（Ａ）に示したように、ガス封止層８０とガス拡散層７６，７７との間に粒状部材８３を設けることができる。
【００２６】
このように、第１実施例では、ガス封止層８０とガス拡散層７６，７７との間に粒状部材８３を設けたので、燃料電池を分解する際に、ガス拡散層７６，７７の表面が剥離して破壊されてしまうことを防止することが可能である。
【００２７】
Ｄ．第２実施例：
図１１は、第２実施例における燃料電池を分解する様子を示す模式図である。図３に示した第１実施例との違いは、ガス拡散層７６，７７のうち、ガス封止層８０と接している部分が、ガス封止層８０と共にガス拡散層７６，７７の他の部分から分離するように予め加工されているという点だけであり、他の構成は第１実施例と同じである（図１１（Ａ））。以下、ガス拡散層７６，７７のうち、分離するように加工されている部分を「ガス拡散加工部８４」とも呼ぶ。
【００２８】
比較例の場合と同様に、ガス封止層８０のアンカー効果によって、ガス封止層８０とガス拡散層７６，７７の一部分とは一体となる。しかし、ガス封止層８０と一体となるガス拡散加工部８４は、予め所定の部分で切断されるように加工されているため、ガス拡散層７６，７７が破壊されることなく、所定の部分で分離することが可能となる（図１１（Ｂ））。
【００２９】
図１２は、第２実施例におけるガス拡散層７６，７７を示す平面図である。図１２（Ａ）は、ガス拡散加工部８４を加工した様子を示している。ガス拡散層７６，７７の外周部分は、シール部７２によって挟まれるため（図１１（Ａ））、ガス拡散加工部８４は、シール部７２には挟まれない内周部に形成することが好ましい（図１２（Ａ））。ガス拡散加工部８４を加工する方法としては、例えば、ガス拡散層７６，７７の加工する所定の部分に、予めミシン目状に切れ目を入れておくことが好ましい。すると、ガス拡散加工部８４は、燃料電池を組み立てる際にはガス拡散層７６，７７の他の部分からは分離することがなく、燃料電池を分解する際に、図１２（Ｂ）で示すようにミシン目状に入れた切れ目から分離することが可能となる。
【００３０】
このように、ガス拡散層７６，７７の所定部分に、ガス拡散加工部８４を加工しても、第１実施例と同様に、燃料電池の分解の際のガス拡散層の破壊を防止することが可能である。さらに、燃料電池の再組み立て時には、ガス拡散加工部８４と、分離後のガス拡散層７６，７７とがガイドの役割を果たし、元の位置に正確に部材を積層することが可能となる。
【００３１】
Ｅ．第３実施例：
図１３は、第３実施例における燃料電池を分解する様子を示す模式図である。図１１で示した第２実施例との違いは、ガス拡散層７６，７７が複数の薄層の積層体として構成されており、そのうちの一部の薄層によってガス拡散加工部８４が構成されているという点だけであり、他の構成は第２実施例と同じである（図１３（Ａ））。このガス拡散加工部８４は、ガス封止層８０のアンカー効果の影響を受けている薄層によって構成されていることが好ましい。
【００３２】
このように、ガス拡散層７６，７７を構成する複数の薄層のうちの一部の薄層をガス拡散加工部８４として利用しても、第２実施例と同様に、燃料電池の分解の際のガス拡散層の破壊を防止することが可能である（図１３（Ｂ））。さらに、燃料電池の再組み立て時には、第２実施例と同様に、ガス拡散加工部８４と、分離後のガス拡散層７６，７７とがガイドの役割を果たし、元の位置に正確に部材を積層することが可能となる。
【００３３】
Ｆ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００３４】
Ｆ１．変形例１：
上記実施例では、ガス拡散層７６，７７としてカーボンペーパー等を用いていたが、この代わりに、繊維状の他の部材を用いることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の一実施例としての燃料電池の断面を示す概略図である。
【図２】比較例の燃料電池を分解する様子を示す模式図である。
【図３】第１実施例における燃料電池を分解する様子を示す模式図である。
【図４】ガス封止層とガス拡散層との境界に粒状部材を設ける工程を示すフローチャートである。
【図５】ガス封止層とガス拡散層との境界に粒状部材を設ける工程の概略を示す説明図である。
【図６】ガス封止層とガス拡散層との境界に粒状部材を設ける工程の概略を示す説明図である。
【図７】ガス封止層とガス拡散層との境界に粒状部材を設ける工程の概略を示す説明図である。
【図８】ガス封止層とガス拡散層との境界に粒状部材を設ける工程の概略を示す説明図である。
【図９】ガス封止層とガス拡散層との境界に粒状部材を設ける工程の概略を示す説明図である。
【図１０】ガス封止層とガス拡散層との境界に粒状部材を設ける工程の概略を示す説明図である。
【図１１】第２実施例における燃料電池を分解する様子を示す模式図である。
【図１２】第２実施例におけるガス拡散層を示す平面図である。
【図１３】第３実施例における燃料電池を分解する様子を示す模式図である。
【符号の説明】
【００３６】
６９…膜積層体
７０…セルアセンブリ
７１…発電積層体
７２…シール部
７４…電解質膜
７５…電極触媒層
７５ａ…アノード電極層
７５ｃ…カソード電極層
７６，７７…ガス拡散層
７８，７９…ガス流路形成部（金属多孔体）
８０…ガス封止層
８１…アンカー効果部
８２…マスク
８３…粒状部材
８４…ガス拡散加工部
Ｍ３…マニホールド孔
Ｍ４…マニホールド孔
ＳＰ…セパレータ
ＳＰａ…アノード側プレート
ＳＰｃ…カソード側プレート
ＳＰｉ…中間プレート
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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