(57)【要約】【課題】機械的強度を備えると共に、燃料電池に組み込まれた際に、金属イオンが溶出することを抑制することが可能な燃料電池用構造部材、及びこの燃料電池用構造部材が組み込まれた燃料電池を提供する。【解決手段】セパレータ３０ＡとＭＥＡ２０の一方の面との間、セパレータ３０ＢとＭＥＡ２０の他方の面との間に配設され、ガラス基材を含む機械的強度付与材が含有されてなる樹脂から構成され、露出穴１１及び貫通穴１７Ａ〜１７Ｆの外周部１２と、当該外周部以外の非外周領域１３を有し、外周部１２における樹脂に対する前記ガラス基材の含有量が、非外周領域１３における樹脂に対するガラス基材の含有量よりも少ない燃料電池用構造部材１０及びこれを備えた燃料電池１００である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体流路が形成されてなるセパレータと電解質部材との間に配設され、且つ開口が形成されてなる燃料電池用構造部材であって、
ガラス基材を含む機械的強度付与材が含有されてなる樹脂から構成され、
前記開口の外周部と、当該外周部以外の領域と、を有し、
前記外周部における前記樹脂に対する前記ガラス基材の含有量が、前記外周部以外の領域における前記樹脂に対する前記ガラス基材の含有量よりも少ない燃料電池用構造部材。
【請求項２】
前記外周部における前記機械的強度付与材は、ＳｉＯ2をさらに含む請求項１記載の燃料電池用構造部材。
【請求項３】
前記外周部における前記樹脂がエポキシ樹脂であり、前記外周部以外の領域における前記樹脂がフェノール樹脂である請求項１または請求項２のいずれか一項に記載の燃料電池用構造部材。
【請求項４】
前記樹脂がエポキシ樹脂である請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の燃料電池用構造部材。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の燃料電池用構造部材が組み込まれてなる燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体流路が形成されてなるセパレータと電解質部材との間に配設され、且つ前記電解質部材の発電部を露出させるための露出穴やマニホルド等の開口が形成されてなる燃料電池用構造部材、及びこの燃料電池用構造部材が組み込まれてなる燃料電池の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、燃料ガス流路、酸化剤ガス流路、および冷却水流路が形成されてなるセパレータと、電解質部材（例えば、ＭＥＡ）との間に、樹脂製のフレーム（燃料電池用構造部材）を配設した構成を有する燃料電池が種々紹介されている。このような燃料電池は、小型化、軽量化等の要求から、セパレータの肉薄化が要求されているが、肉薄化されたセパレータを使用した燃料電池であっても、十分な機械的強度を備えている必要がある。そこで、熱可塑性樹脂等にグラスファイバを添加した材料で前記フレームを構成することで、優れた機械的強度を確保する技術が紹介されている。
【０００３】
しかしながら、熱可塑性樹脂等にグラスファイバを添加した材料でフレームを形成すると、燃料電池に組み込まれた際に、このフレームの表面からグラスファイバが露出し、生成水と接触してグラスファイバ成分である金属イオン（例えば、Ｓｉ、Ａｌ、Ｃａ、Ｂａ、Ｚｎ等）が外部に溶出する虞がある。そして、このようにフレームから金属イオンが外部に溶出すると、前記燃料電池の発電性能を低下させる虞がある。
【０００４】
そこで、機械的強度付与材が添加されてなる樹脂から構成される構造部材本体と、前記構造部材本体の表面に配設され、前記機械的強度付与材が露出することを防止する保護層とを備えた燃料電池用構造部材（フレーム）が紹介されている。この燃料電池用構造部材は、前記保護層の存在によって、当該燃料電池用構造部材の表面から機械的強度付与材が露出することを抑制している。（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
また、所定の電解質膜の両面に、それぞれアノード及びカソードを配置した積層体を、セパレータを介在させて複数積層させたスタック構造を有し、前記積層体の外周に、当該積層体の表面に供給される反応ガスの漏洩を防止するためのシール部材を一体的に備えてなる燃料電池が紹介されている。この燃料電池では、前記シール部材の外周部の少なくとも一部に、前記シール部材よりも剛性が高い高剛性部材が配設することで、反応ガス供給時のシール部材の変形によるシール性能の低下を抑制している。（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００６−３３８９２２号公報
【特許文献２】特開２００７−１９３９７１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、引用文献１に記載された燃料電池用構造部材は、保護層に機械的強度付与材が含有されていない、あるいは、含有されていたとしても微量であるため、当該保護層の機械的強度は、構造部材本体の機械的強度よりも低下するため、保護層の機械的強度を向上させることが望まれる。
【０００７】
また、引用文献２に記載された燃料電池は、熱可塑性樹脂等にグラスファイバを添加した材料でフレームを形成することについては記載されていない。
【０００８】
本発明は、このような事情に鑑みなされたものであり、機械的強度を備えると共に、燃料電池に組み込まれた際に、金属イオンが溶出することを抑制することが可能な燃料電池用構造部材、及びこの燃料電池用構造部材が組み込まれた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】
【０００９】
この目的を達成するため本発明は、流体流路が形成されてなるセパレータと電解質部材との間に配設され、且つ開口が形成されてなる燃料電池用構造部材であって、ガラス基材を含む機械的強度付与材が含有されてなる樹脂から構成され、前記開口の外周部と、当該外周部以外の領域と、を有し、前記外周部における前記樹脂に対する前記ガラス基材の含有量が、前記外周部以外の領域における前記樹脂に対する前記ガラス基材の含有量よりも少ない燃料電池用構造部材を提供するものである。
【００１０】
この構成を備えた燃料電池用構造部材は、ガラス基材を含む機械的強度付与材が含有されてなる樹脂から構成されているため、機械的強度を向上することができる。
【００１１】
また、本発明にかかる燃料電池用構造部材は、開口（電解質部材の発電部を露出させるための露出穴やマニホルド等）の外周部における前記樹脂に対する前記ガラス基材の含有量が、前記外周部以外の領域における前記樹脂に対する前記ガラス基材の含有量よりも少ないため、燃料電池に組み込まれた際に、仮に、燃料電池の発電により生じる生成水中に、前記ガラス機材から金属イオン（例えば、Ｓｉ、Ａｌ、Ｃａ、Ｂａ、Ｚｎ等）を溶出させる物質（例えば、フッ酸等）が含まれていたとしても、この生成水に曝され易い領域である前記外周部から金属イオンが溶出することを抑制することができる。
【００１２】
なお、前記外周部は、前記外周部以外の領域よりも、機械的強度付与材であるガラス基材の含有量が少ないため、当該外周部以外の領域に比べ機械的強度は劣るが、燃料電池用構造部材に大きな加重がかかり、仮に、前記外周部に亀裂が生じたとしても、隣接する前記外周部以外の領域の機械的強度が高いため、前記亀裂が広がることを抑制することができる。したがって、前記亀裂に起因するガスリーク等の発生を抑制することができる。
【００１３】
前記開口の外周部を、ガラス基材及びＳｉＯ2を含む機械的強度付与材が含有されてなる樹脂から構成することで、適切な機械的強度を確保し、且つ、当該外周部から金属イオンが溶出することをさらに抑制することができる。
【００１４】
なお、ＳｉＯ2は、上記理由のように、ガラス基材よりも金属イオンの溶出量を抑えることができるが、ガラス基材よりも機械的強度を向上させることが困難である。したがって、前記機械的強度付与材が、ガラス基材及びＳｉＯ2を含む際には、燃料電池用構造部材として必要な機械的強度を確保し、且つ、金属イオンの溶出を抑制できる含有比となるよう、樹脂に含有させることが好ましい。
【００１５】
なお、外周部以外の領域は、外周部に比べ、生成水に曝されることが少ない、あるいは生成水に曝されることがないため、当該外周部よりもガラス基材の含有量を多くしても、金属イオンが溶出する虞は殆どない。
【００１６】
さらにまた、本発明にかかる燃料電池用構造部材は、前記外周部を構成する樹脂として、エポキシ樹脂を用い、前記外周部以外の領域を構成する樹脂として、フェノール樹脂を用いることができる。そしてまた、本発明にかかる燃料電池用構造部材は、前記外周部及び前記外周部以外の領域を構成する樹脂として、エポキシ樹脂を用いることもできる。ここで、フェノール樹脂はアンモニアを含有しており、生成水に曝されると、このアンモニアが溶出し、例えば冷却水に混入する虞がある。仮に、アンモニアが冷却水に混入した場合、導電率が上昇し、電池性能を低下させる虞がある。したがって、前記外周部を構成する樹脂として、エポキシ樹脂を用いることが好ましい。
【００１７】
また、本発明は、本発明にかかる燃料電池用構造部材が組み込まれてなる燃料電池を提供するものである。この構成を備えた燃料電池は、構成要素である燃料電池用構造部材の機械的強度が向上され、且つ燃料電池用構造部材に含有されている機械的強度付与材の成分が外部に溶出することを抑制することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明にかかる燃料電池用構造部材は、機械的強度を確保すると共に、燃料電池用構造部材を燃料電池に組み込んだ際に、前記機械的強度付与材の成分が外部に溶出することを抑制することができるため、燃料電池の性能に悪影響を及ぼすことがない。この結果、信頼性の高い燃料電池用構造部材を提供することができる。
【００１９】
また、本発明にかかる燃料電池は、構成要素である燃料電池用構造部材の機械的強度が向上され、且つ燃料電池用構造部材に含有されている機械的強度付与材の成分が外部に溶出することを抑制することができる。この結果、最適な電圧を確保することができ、優れた発電性能を発揮することができると共に、信頼性を向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
次に、本発明の好適な実施の形態にかかる燃料電池用構造部材、及びこの燃料電池用構造部材を備えた燃料電池について図面を参照して説明する。なお、以下に記載される実施の形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をこれらの実施の形態にのみ限定するものではない。したがって、本発明は、その要旨を逸脱しない限り、様々な形態で実施することができる。
【００２１】
図１は、本発明の実施の形態にかかる燃料電池用構造部材の概要を示す平面図、図２は、図１に示すII−II線に沿った断面図、図３は、図１に示す燃料電池用構造部材が配設された単セルの概要を示す分解斜視図、図４は、図３に示す単セルを積層方向に沿って切断した一部を示す断面図、図５は、図３に示す単セルを複数積層してなる燃料電池を模式的に示す正面図である。なお、前記各図では、説明を判り易くするため、各部材の厚さやサイズ、拡大・縮小率等は、実際のものとは一致させずに記載した。
【００２２】
図１〜図４に示すように、本実施の形態にかかる燃料電池用構造部材１０は、その中央部分に、後に詳述する燃料電池１００（図５参照）の構成要素である単セル４０に配設されているＭＥＡ（膜−電極接合体：Membrane  Electrode  Assembly）２０を露出させるための露出穴１１が貫通形成されている。また、燃料電池用構造部材１０の露出穴１１の両側には、マニホルド形成用の複数の貫通穴１７Ａ〜１７Ｆが形成されている。貫通穴１７Ａ、１７Ｂ、１７Ｃは、各々、カソードガス供給用、冷媒供給用、アノードガス供給用のマニホルドを形成するためのものであり、１７Ｄ、１７Ｅ、１７Ｆは、各々、カソードガス排出用、冷媒排出用、アノードガス排出用のマニホルドを形成するためのものである。
【００２３】
この燃料電池用構造部材１０は、特に図１に示すように、露出穴１１と、貫通穴１７Ａ〜１７Ｆの外周部（図１に示す網掛け領域）１２と、外周部１２以外の非外周領域１３から形成されている。
【００２４】
また、同一の燃料電池用構造部材１０において、組成の異なる外周部１２及び非外周領域１３を形成する方法は、特に限定されるものではない。
【００２５】
また、外周部１２については、エポキシ樹脂に対するガラス基材の含有比（重量％）は、使用するガラス基材の種類や性状等により任意に決定すればよいが、燃料電池用構造部材１０として好適な機械的強度を確保し、且つ外周部１２から金属イオンが溶出することを抑制可能であることを考慮して決定することが望まれる。
【００２６】
次に、本実施の形態にかかる燃料電池用構造部材１０が組み込まれる燃料電池１００について図面を参照して説明する。
【００２７】
本実施の形態にかかる燃料電池１００は、特に図５に示すように、ＭＥＡ２０と、ＭＥＡ２０の両面に各々配置された燃料電池用構造部材１０（樹脂フレーム）と、燃料電池用構造部材１０のＭＥＡ２０が配設されている側とは反対側の各々の面にそれぞれ配設されたセパレータ３０Ａ及び３０Ｂと、を重ねて形成した単セル４０を備え、この単セル４０を複数積層し、セル積層方向両端に、ターミナル４１、インシュレータ４２、エンドプレート４３を配置してスタック４４を構成し、スタック４４をセル積層方向に締め付け、スタック４４の外側でセル積層方向に延びる締結部材４５（例えば、テンションプレート、スルーボルト等）とボルト４６またはナットで固定したものからなる。
【００２８】
ＭＥＡ２０は、特に図４に示すように、イオン交換膜からなる電解質膜２１と、電解質膜２１の一方の面に配置されると共に、触媒層２２及び拡散層２３からなるアノード電極（燃料極）２４と、電解質膜２１の他方の面に配置されると共に、触媒層２５及び拡散層２６からなるカソード電極（酸化剤極）２７を備えて構成されている。このＭＥＡ２０の発電部は、その両側に燃料電池用構造部材１０が積層された際に、燃料電池用構造部材１０に形成された露出穴１１からセパレータ３０Ａ及び３０Ｂに対し露出される。
【００２９】
セパレータ３０Ａは、不透過性を有し、例えば、ステンレス板に導電性金属をメッキ（例えば、ニッケルメッキ）したものから構成することができる。このセパレータ３０Ａは、隣接するセル間の導電通路を構成している。セパレータ３０ＡのＭＥＡ２０と対向する面（ＭＥＡ２０側を向く面）には、燃料ガス流路３１Ａが形成されている。セパレータ３０Ａの燃料ガス流路３１Ａが形成されている面とは反対側の面には、冷却水流路３２Ａが形成されている。また、セパレータ３０Ａには、燃料電池用構造部材１０に形成された貫通穴１７Ａ〜１７Ｆが形成されている。
【００３０】
一方、セパレータ３０Ｂは、セパレータ３０Ａと同様の部材から構成することができ、隣接するセル間の導電通路を構成している。セパレータ３０ＢのＭＥＡ２０と対向する面には、酸化ガス流路３１Ｂが形成され、セパレータ３０Ｂの酸化ガス流路３１Ｂが形成されている面とは反対側の面には、冷却水流路３２Ｂが形成されている。また、セパレータ３０Ａにも、燃料電池用構造部材１０に形成された貫通穴１７Ａ〜１７Ｆが形成されている。
【００３１】
燃料ガス流路３１Ａと酸化ガス流路３１Ｂとは、ＭＥＡ２０を挟んで互いに対応している。また、セパレータ３０Ａに形成された冷却水流路３２Ａと、セパレータ３０Ｂに形成された冷却水流路３２Ｂは、単セル４０が積層された際に、セル積層方向に隔てられることなく連通している。
【００３２】
この構成を備えた燃料電池１００は、特に図示しないが、燃料ガス入口から供給された燃料ガス（水素）が燃料ガス流路を流通し、酸化ガス入口から供給された酸化剤ガス（空気）が酸化ガス流路を流通すると、各単セル４０において以下の電気化学反応が生じる。すなわち、
アノード電極側では、    Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-
カソード電極側では、    （１／２）Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ-→Ｈ2Ｏ
燃料電池全体としては、    Ｈ2＋（１／２）Ｏ2→Ｈ2Ｏ
【００３３】
この時、電気反応により生じたＨ2Ｏ（生成水）には、ガラス基材を溶出させる成分（例えば、フッ酸等）が含有されるが、燃料電池用構造部材１０の生成水に曝されやすい領域である外周部１２に含有されるガラス基材の量が、非外周領域１３に含有されるガラス基材の量よりも少なく構成されているため、外周部１２からガラス基材の成分が金属イオンとして溶出する量を低減させることができる。したがって、燃料電池１００の性能に悪影響を及ぼすことがなく、最適な電圧を確保することができ、優れた発電性能を発揮することができると共に、信頼性を向上することができる。さらにまた、外周部１２及び非外周領域１３共に、樹脂にガラス基材を含有した材料で形成されているため、樹脂のみで形成した場合に比べ、優れた機械的強度を有しており、外周部１２には、ガラス基材の他、ＳｉＯ2が含有されているため、ガラス基材の含有量低下による機械的強度の低下を補うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の実施の形態にかかる燃料電池用構造部材の概要を示す平面図である。
【図２】図１に示すII−II線に沿った断面図である。
【図３】図１に示す燃料電池用構造部材が配設された単セルの概要を示す分解斜視図である。
【図４】図３に示す単セルを積層方向に沿って切断した一部を示す断面図である。
【図５】図３に示す単セルを複数積層してなる燃料電池を模式的に示す正面図である。
【符号の説明】
【００３５】
１０…燃料電池用構造部材、  １２…外周部、  １３…非外周領域、  ２０…ＭＥＡ、３０Ａ、３０Ｂ…セパレータ  ４０…単セル、  １００…燃料電池
【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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