特開 2023-157263 燃料電池

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023157263

(43)【公開日】2023-10-26

(54)【発明の名称】燃料電池

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/0247 20160101AFI20231019BHJP

   H01M 8/0273 20160101ALI20231019BHJP

   H01M 8/2483 20160101ALI20231019BHJP

   H01M 8/10 20160101ALI20231019BHJP

【ＦＩ】

H01M8/0247

H01M8/0273

H01M8/2483

H01M8/10

H01M8/10 101

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022067053

(22)【出願日】2022-04-14

(71)【出願人】

【識別番号】000241500

【氏名又は名称】トヨタ紡織株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100105957

【弁理士】

【氏名又は名称】恩田 誠

(74)【代理人】

【識別番号】100068755

【弁理士】

【氏名又は名称】恩田 博宣

(72)【発明者】

【氏名】犬飼 亮弘

(72)【発明者】

【氏名】李 凡

(72)【発明者】

【氏名】堀内 洋志

【テーマコード（参考）】

5H126

【Ｆターム（参考）】

5H126AA08

5H126AA12

5H126AA15

5H126BB06

5H126EE03

5H126EE11

5H126GG18

(57)【要約】

【課題】ガス流路のガスの流れを確保しつつ、接着面からの膜電極接合体の剥離を抑制できる燃料電池を提供する。
【解決手段】燃料電池は、開口部２１を有する枠部材１９と、枠部材１９における開口部２１の周縁部に接着されて開口部２１を覆う膜電極接合体２０と、枠部材１９及び膜電極接合体２０を挟む一対のセパレータとを備える。膜電極接合体２０を挟んだ両端部には、ガス孔が形成される。枠部材１９及び膜電極接合体２０と、セパレータとの間には、上記両端部のガス孔のうちの一方から他方へガスを流すガス流路が形成される。枠部材１９における開口部２１の周縁部は、膜電極接合体２０が接着される接着面２３を有する。セパレータにおけるガス流路と対応する部分であって且つ接着面２３と対応する部分には、接着面２３の延びる方向に間隔をあけて並ぶ複数の凸部３４が形成される。複数の凸部３４は、開口部２１側から見たときに連続して配置される。
【選択図】図５

【特許請求の範囲】

【請求項1】

中央部に開口部を有する樹脂製の枠部材と、前記枠部材における前記開口部の周縁部に接着されて前記開口部を覆う膜電極接合体と、前記枠部材及び前記膜電極接合体を挟む一対のセパレータと、を備え、
前記膜電極接合体を挟んだ両端部には、ガス孔がそれぞれ形成され、
前記枠部材及び前記膜電極接合体と、前記セパレータとの間には、前記両端部にそれぞれ形成された前記ガス孔のうちの一方から供給されたガスを、前記膜電極接合体を通過させて他方へ流すガス流路が形成された燃料電池であって、
前記枠部材における前記開口部の周縁部は、前記膜電極接合体の外周縁に沿って延びるとともに前記膜電極接合体が接着される接着面を有しており、
前記セパレータにおける前記ガス流路と対応する部分であって且つ前記接着面と対応する部分には、前記接着面の延びる方向に間隔をあけて並ぶ複数の凸部が形成され、
複数の前記凸部は、前記開口部側から見たときに、連続して配置されていることを特徴とする燃料電池。

【請求項2】

複数の前記凸部は、複数の列をなして配置されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。

【請求項3】

複数の前記凸部は、それぞれ前記接着面の延びる方向に対して傾斜して延びていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池。

【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】

従来、燃料電池として、例えば、特許文献１に示すものが知られている。こうした燃料電池は、樹脂枠付きＭＥＡ（電解質膜・電極構造体）を、第１セパレータ及び第２セパレータによって挟持された構成になっている。樹脂枠付きＭＥＡは、ＭＥＡの外周端部を樹脂枠部材に対して例えば接着剤で接着することによって形成される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１７－２１９７５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ところで、上述のような燃料電池においては、ＭＥＡで発電が行われると、ＭＥＡが収縮する。このため、樹脂枠部材とＭＥＡとの接着部分にＭＥＡの収縮に伴う引っ張り力が作用する。したがって、樹脂枠部材におけるＭＥＡの接着部分からＭＥＡが剥離するおそれがあるという問題がある。

【課題を解決するための手段】

【0005】

以下、上記課題を解決するための手段及びその作用効果について記載する。
上記課題を解決する燃料電池は、中央部に開口部を有する樹脂製の枠部材と、前記枠部材における前記開口部の周縁部に接着されて前記開口部を覆う膜電極接合体と、前記枠部材及び前記膜電極接合体を挟む一対のセパレータと、を備え、前記膜電極接合体を挟んだ両端部には、ガス孔がそれぞれ形成され、前記枠部材及び前記膜電極接合体と、前記セパレータとの間には、前記両端部にそれぞれ形成された前記ガス孔のうちの一方から供給されたガスを、前記膜電極接合体を通過させて他方へ流すガス流路が形成された燃料電池であって、前記枠部材における前記開口部の周縁部は、前記膜電極接合体の外周縁に沿って延びるとともに前記膜電極接合体が接着される接着面を有しており、前記セパレータにおける前記ガス流路と対応する部分であって且つ前記接着面と対応する部分には、前記接着面の延びる方向に間隔をあけて並ぶ複数の凸部が形成され、複数の前記凸部は、前記開口部側から見たときに、連続して配置されていることを要旨とする。

【0006】

通常、膜電極接合体において発電が行われると、膜電極接合体が収縮するため、膜電極接合体が当該収縮による引っ張り力によって接着面から剥離し易くなる。この点、上記構成によれば、燃料電池を複数積層して燃料電池スタックを形成した際に、燃料電池の積層方向に作用する荷重が複数の凸部を介して膜電極接合体及び接着面に作用する。この場合、複数の凸部は開口部側から見たときに連続して配置されているため、接着面の延びる方向の全体にわたって上記荷重が作用する。このため、膜電極接合体の収縮による引っ張り力が作用しても接着面から膜電極接合体が剥離することを抑制できる。加えて、複数の凸部は、接着面の延びる方向に間隔をあけて並んで配置されている。このため、ガス流路を流れるガスは、接着面と対応する領域において、凸部同士の間を流れる。したがって、複数の凸部は、ガス流路のガスの流れを妨げない。よって、ガス流路のガスの流れを確保しつつ、接着面からの膜電極接合体の剥離を抑制できる。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】一実施形態の燃料電池の分解斜視図。

【図2】図１の燃料電池の発電ユニットを示す分解斜視図。

【図3】図１の燃料電池の平面模式図。

【図4】図３の要部拡大断面図。

【図5】接着面と凸部との位置関係を示す要部拡大平面模式図。

【図6】変更例の燃料電池における接着面と凸部との位置関係を示す要部拡大平面模式図。

【発明を実施するための形態】

【0008】

以下、燃料電池の一実施形態を図面に従って説明する。
＜燃料電池１１の構成＞
図１に示すように、燃料電池１１は、矩形板状をなすとともに複数積層されて燃料電池スタック（図示略）を構成する。燃料電池１１は、矩形板状の発電ユニット１２と、発電ユニット１２を挟む矩形シート状をなす一対のガス拡散層１３と、矩形板状をなす一対のセパレータ１４とを備えている。すなわち、燃料電池１１は、一対のガス拡散層１３と、発電ユニット１２と、一対のセパレータ１４とを積層した構造になっている。

【0009】

以下の説明では、燃料電池１１における長辺方向、短辺方向、及び厚さ方向は、それぞれ長辺方向Ｘ、短辺方向Ｙ、及び厚さ方向Ｚとする。長辺方向Ｘ、短辺方向Ｙ、及び厚さ方向Ｚは、互いに直交する方向である。

【0010】

図１に示すように、一対のガス拡散層１３のうち、一方（カソード側）は第１ガス拡散層１５とされるとともに、他方（アノード側）は第２ガス拡散層１６とされている。一対のセパレータ１４のうち、一方（カソード側）は第１セパレータ１７とされるとともに、他方（アノード側）は第２セパレータ１８とされている。

【0011】

＜発電ユニット１２＞
図１及び図２に示すように、発電ユニット１２は、矩形板状をなす樹脂製の枠部材１９と、枠部材１９に支持される矩形シート状をなす膜電極接合体２０（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）とを備えている。枠部材１９は、中央部に矩形状の開口部２１を有している。枠部材１９における開口部２１の周縁部には、他の部位よりも薄肉に形成されて膜電極接合体２０の周縁部を支持する矩形環状の支持部２２が形成されている。

【0012】

そして、支持部２２における第１ガス拡散層１５側の面上に膜電極接合体２０の周縁部が支持されることで、開口部２１全体が膜電極接合体２０によって覆われる。支持部２２は、第１ガス拡散層１５側の面に、膜電極接合体２０の外周縁に沿って延びるとともに膜電極接合体２０の周縁部が接着される矩形環状の接着面２３を有している。接着面２３は、支持部２２における第１ガス拡散層１５側の面上の中央部に沿って矩形環状に延びている。接着面２３には、接着剤によって膜電極接合体２０の周縁部が接着される。

【0013】

図１～図４に示すように、一対のガス拡散層１３は、枠部材１９の開口部２１と長辺方向Ｘ及び短辺方向Ｙが一致するように配置されている。第１ガス拡散層１５は、長辺方向Ｘ及び短辺方向Ｙの長さが開口部２１よりも若干長くなっている。第２ガス拡散層１６は、長辺方向Ｘ及び短辺方向Ｙの長さが開口部２１と同じになっている。一対のセパレータ１４は、一対のガス拡散層１３の外側から発電ユニット１２を厚さ方向Ｚに挟んでいる。

【0014】

燃料電池１１は、膜電極接合体２０の厚さ方向Ｚの一方側（カソード側）の部分に酸素を含む酸化剤ガスが供給され且つ膜電極接合体２０の厚さ方向Ｚの他方側（アノード側）の部分に水素を含む燃料ガスが供給される。これにより、燃料電池１１は、酸化剤ガス及び燃料ガスの膜電極接合体２０での電気化学反応に基づき発電を行う。

【0015】

＜燃料電池１１の流路構成＞
燃料電池１１における膜電極接合体２０を長辺方向Ｘに挟んだ両端部、すなわち枠部材１９及び一対のセパレータ１４における膜電極接合体２０を長辺方向Ｘにおいて挟んだ両端部には、短辺方向Ｙに並ぶ矩形状の貫通孔が３つずつ形成されている。

【0016】

燃料電池１１における長辺方向Ｘの一端部の３つの上記貫通孔は、ガス孔の一例としての燃料ガス供給孔２４、冷却媒体排出孔２５、及びガス孔の一例としての酸化剤ガス排出孔２６とされている。燃料電池１１における長辺方向Ｘの他端部の３つの上記貫通孔は、ガス孔の一例としての酸化剤ガス供給孔２７、冷却媒体供給孔２８、及びガス孔の一例としての燃料ガス排出孔２９とされている。

【0017】

燃料ガス供給孔２４は、燃料電池スタック（図示略）において燃料ガスが供給される入口側燃料ガスマニホールドを構成する。燃料ガス排出孔２９は、燃料電池スタック（図示略）において燃料ガスが排出される出口側燃料ガスマニホールドを構成する。酸化剤ガス供給孔２７は、燃料電池スタック（図示略）において酸化剤ガスが供給される入口側酸化剤ガスマニホールドを構成する。酸化剤ガス排出孔２６は、燃料電池スタック（図示略）において酸化剤ガスが排出される出口側酸化剤ガスマニホールドを構成する。上記各マニホールドは、燃料電池スタック（図示略）を構成した際の燃料電池１１の積層方向（厚さ方向Ｚ）に延びる。

【0018】

枠部材１９及び膜電極接合体２０と、第１セパレータ１７との間には、酸化剤ガス供給孔２７から供給された酸化剤ガスを、長辺方向Ｘにおいて膜電極接合体２０を通過させて酸化剤ガス排出孔２６へ流す酸化剤ガス流路３０（ガス流路）が形成される。酸化剤ガス流路３０は、第１セパレータ１７における膜電極接合体２０側の面に形成された複数の溝によって構成される。

【0019】

枠部材１９及び膜電極接合体２０と、第２セパレータ１８との間には、燃料ガス供給孔２４から供給された燃料ガスを、長辺方向Ｘにおいて膜電極接合体２０を通過させて燃料ガス排出孔２９へ流す燃料ガス流路３１が形成される。燃料ガス流路３１は、第２セパレータ１８における膜電極接合体２０側の面に形成された複数の溝によって構成される。

【0020】

燃料電池スタック（図示略）を形成するべく燃料電池１１を複数積層した場合に積層方向（厚さ方向Ｚ）で隣り合う２つの燃料電池１１のうちの一方の第１セパレータ１７と他方の第２セパレータ１８との間には、冷却媒体流路（図示略）が形成される。冷却媒体流路（図示略）は、冷却媒体供給孔２８から供給された冷却媒体を冷却媒体排出孔２５へ流す。

【0021】

図２～図５に示すように、矩形環状の支持部２２のうち、長辺方向Ｘの一方側の辺部は第１辺部３２とされるとともに、長辺方向Ｘの他方側の辺部は第２辺部３３とされている。第１辺部３２及び第２辺部３３は、共に短辺方向Ｙに延びている。したがって、第１辺部３２及び第２辺部３３のそれぞれの接着面２３も共に短辺方向Ｙに延びている。

【0022】

第１セパレータ１７の膜電極接合体２０側の面における酸化剤ガス流路３０と対応する部分であって且つ第１辺部３２及び第２辺部３３のそれぞれの接着面２３と厚さ方向Ｚで対応する部分には、短辺方向Ｙに間隔をあけて並ぶ複数の凸部３４が形成されている。本例における複数の凸部３４は、複数（本例では二つ）の列をなして配置されている。本例における各凸部３４は、厚さ方向Ｚから見て楕円形状をなしている。

【0023】

二列で長辺方向Ｘに並ぶそれぞれの列の複数の凸部３４は、短辺方向Ｙに等間隔となるように配置されている。二列で長辺方向Ｘに並ぶそれぞれの列の複数の凸部３４は、互いに半ピッチ分だけずれて配置されている。二列に並んで配置された複数の凸部３４は、開口部２１側から見たとき、すなわち長辺方向Ｘから見たときに、連続して配置されている。つまり、二列に並んで配置された複数の凸部３４は、長辺方向Ｘから見たときに、凸部３４同士の間に隙間が形成されないように配置されている。

【0024】

複数の凸部３４によって形成された長辺方向Ｘに並ぶ二つの列のうち開口部２１側の一方の列を形成する複数の凸部３４は、それぞれ厚さ方向Ｚで接着面２３と部分的に重なるように配置されている。複数の凸部３４によって形成された長辺方向Ｘに並ぶ二つの列のうち開口部２１側とは反対側の他方の列を形成する複数の凸部３４は、厚さ方向Ｚで接着面２３と重ならないように配置されている。

【0025】

＜燃料電池１１の作用＞
次に、燃料電池１１の作用について説明する。
図３及び図４に示すように、燃料電池１１によって発電が行われる場合には、酸化剤ガス供給孔２７から酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス供給孔２４から燃料ガスが供給される。燃料電池１１において酸化剤ガス供給孔２７から酸化剤ガスが供給されると、当該酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路３０を通って酸化剤ガス排出孔２６へ流れる過程で第１ガス拡散層１５によって拡散されながら膜電極接合体２０のカソード側の面に供給される。

【0026】

一方、燃料電池１１において燃料ガス供給孔２４から燃料ガスが供給されると、当該燃料ガスは、燃料ガス流路３１を通って燃料ガス排出孔２９へ流れる過程で第２ガス拡散層１６によって拡散されながら膜電極接合体２０のアノード側の面に供給される。そして、燃料電池１１では、膜電極接合体２０におけるカソード側の面に供給された酸化剤ガスと、膜電極接合体２０におけるアノード側の面に供給された燃料ガスとの膜電極接合体２０での電気化学反応に基づいて発電される。

【0027】

燃料電池１１で発電が行われると、膜電極接合体２０は、全体的に収縮する。すると、この膜電極接合体２０の収縮による引っ張り力によって、膜電極接合体２０における第１辺部３２及び第２辺部３３のそれぞれの接着面２３との接着部分が開口部２１側に引っ張られる。このため、膜電極接合体２０が接着面２３から開口部２１側にずれて剥離するおそれがある。

【0028】

この点、燃料電池１１を複数積層して燃料電池スタック（図示略）を形成した際には、燃料電池１１の積層方向（厚さ方向Ｚ）に作用する圧縮荷重が複数の凸部３４を介して膜電極接合体２０及び接着面２３に作用する。この場合、複数の凸部３４は長辺方向Ｘにおいて開口部２１側から見たときに連続して配置されているため、接着面２３の延びる方向である短辺方向Ｙの全体にわたって上記圧縮荷重が作用する。このため、膜電極接合体２０の収縮による引っ張り力が作用しても接着面２３から膜電極接合体２０が開口部２１側にずれて剥離することが抑制される。

【0029】

加えて、複数の凸部３４は、接着面２３の延びる方向である短辺方向Ｙに間隔をあけて並んで配置されている。このため、酸化剤ガス流路３０を流れる酸化剤ガスは、接着面２３と対応する領域において、凸部３４同士の間を流れる。したがって、複数の凸部３４は、酸化剤ガス流路３０を酸化剤ガスが流れることを妨げない。よって、酸化剤ガス流路３０の酸化剤ガスの流れが確保されつつ、接着面２３からの膜電極接合体２０の剥離が抑制される。

【0030】

＜実施形態の効果＞
以上詳述した実施形態によれば、次のような効果が発揮される。
（１）燃料電池１１において、第１セパレータ１７における酸化剤ガス流路３０と対応する部分であって且つ接着面２３と対応する部分には、接着面２３の延びる方向に間隔をあけて並ぶ複数の凸部３４が形成されている。複数の凸部３４は、開口部２１側から見たときに、連続して配置されている。

【0031】

通常、膜電極接合体２０において発電が行われると、膜電極接合体２０が収縮するため、膜電極接合体２０が当該収縮による引っ張り力によって接着面２３から剥離し易くなる。この点、上記構成によれば、燃料電池１１を複数積層して燃料電池スタックを形成した際に、燃料電池１１の積層方向に作用する圧縮荷重が複数の凸部３４を介して膜電極接合体２０及び接着面２３に作用する。この場合、複数の凸部３４は開口部２１側から見たときに連続して配置されているため、接着面２３の延びる方向の全体にわたって上記圧縮荷重が作用する。このため、膜電極接合体２０の収縮による引っ張り力が作用しても接着面２３から膜電極接合体２０が剥離することを抑制できる。加えて、複数の凸部３４は、接着面２３の延びる方向に間隔をあけて並んで配置されている。このため、酸化剤ガス流路３０を流れる酸化剤ガスは、接着面２３と対応する領域において、凸部３４同士の間を流れる。したがって、複数の凸部３４は、酸化剤ガス流路３０の酸化剤ガスの流れを妨げない。よって、酸化剤ガス流路３０の酸化剤ガスの流れを確保しつつ、接着面２３からの膜電極接合体２０の剥離を抑制できる。

【0032】

（２）燃料電池１１において、複数の凸部３４は、二つの列をなして配置されている。
上記構成によれば、複数の凸部３４を介して膜電極接合体２０及び接着面２３に対してより広い範囲にわたって上記圧縮荷重を作用させることができる。このため、接着面２３からの膜電極接合体２０の剥離をより一層効果的に抑制できる。

【0033】

（変更例）
上記実施形態は、以下のように変更して実施することができる。また、上記実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。

【0034】

・図６に示すように、凸部３４は、凸部３５に変更してもよい。すなわち、複数の凸部３５は、それぞれ接着面２３の延びる方向である短辺方向Ｙに対して傾斜して延びるように構成してもよい。この場合、複数の凸部３５は、細長い矩形状をなすとともに、短辺方向Ｙに一列に等間隔で平行に並んで配置されている。さらにこの場合、複数の凸部３５は、それぞれ厚さ方向Ｚから見て接着面２３を跨いで延びている。すなわち、複数の凸部３５は、それぞれ厚さ方向Ｚにおいて接着面２３と重なるように配置されている。また、複数の凸部３５は、開口部２１側から見たとき、すなわち長辺方向Ｘから見たときに、連続して配置されている。つまり、一列に並んで配置された複数の凸部３４は、長辺方向Ｘから見たときに、凸部３５同士の間に隙間が形成されないように配置されている。このように構成すれば、簡単な構成で、酸化剤ガス流路３０の酸化剤ガスの流れを確保することと、接着面２３からの膜電極接合体２０の剥離を抑制することとをバランスよく両立できる。

【0035】

・上記図６における複数の凸部３５は、二列以上の列をなすように配置してもよい。
・複数の凸部３４によって形成された長辺方向Ｘに並ぶ二つの列は、共に厚さ方向Ｚで接着面２３と重なるように配置してもよい。

【0036】

・各凸部３４の厚さ方向Ｚから見た形状は、楕円形状に限らず、真円形状、多角形状、星形状、十字形状など、任意の形状に変更してもよい。
・第１辺部３２及び第２辺部３３のいずれか一方と対応する位置にある複数の凸部３４を省略してもよい。

【0037】

・複数の凸部３４は、一列の列をなすように配置してもよいし、三列以上の列をなすように配置してもよい。
・複数の凸部３４は、第２セパレータ１８の膜電極接合体２０側の面における燃料ガス流路３１（ガス流路）と対応する部分であって且つ第１辺部３２及び第２辺部３３のそれぞれの接着面２３と厚さ方向Ｚで対応する部分に形成してもよい。この場合、第１辺部３２及び第２辺部３３のいずれか一方と対応する位置にある複数の凸部３４を省略してもよい。

【符号の説明】

【0038】

１１…燃料電池
１２…発電ユニット
１３…ガス拡散層
１４…セパレータ
１５…第１ガス拡散層
１６…第２ガス拡散層
１７…第１セパレータ
１８…第２セパレータ
１９…枠部材
２０…膜電極接合体
２１…開口部
２２…支持部
２３…接着面
２４…ガス孔の一例としての燃料ガス供給孔
２５…冷却媒体排出孔
２６…ガス孔の一例としての酸化剤ガス排出孔
２７…ガス孔の一例としての酸化剤ガス供給孔
２８…冷却媒体供給孔
２９…ガス孔の一例としての燃料ガス排出孔
３０…ガス流路の一例としての酸化剤ガス流路
３１…ガス流路の一例としての燃料ガス流路
３２…第１辺部
３３…第２辺部
３４，３５…凸部
Ｘ…長辺方向
Ｙ…短辺方向
Ｚ…厚さ方向

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】