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技術 燃料電池

出願人 日産自動車株式会社
発明者 佐藤和之入月桂太柳沼基
出願日 2012年6月1日 (8年2ヶ月経過) 出願番号 2012-126374
公開日 2013年12月12日 (6年7ヶ月経過) 公開番号 2013-251203
状態 拒絶査定
技術分野 燃料電池(本体) 無消耗性電極
主要キーワード 非反応領域 エッチングメタル 外縁領域 発電用ガス 樹脂枠 反り変形 マイクロポーラス層 樹脂フレーム
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2013年12月12日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (6)

課題

金属製の多孔体を用いながら、その多孔体の内側領域に枠体をなす樹脂が浸入することを防止して、発電性能の低下を防ぐ。

解決手段

電解質膜の両側に積層した各電極触媒層の表面に、第一,第二の多孔体80,90を順次積層形成した膜電極接合体Cと、この膜電極接合体Cとの間にガス流路区画形成するセパレータとを有しており、上記第一の多孔体80がセパレータに、かつ、第二の多孔体が電極触媒層60,70にそれぞれ隣接して積層形成された燃料電池であって、上記膜電極接合体Cを樹脂製の枠体20で囲繞しているとともに、少なくとも上記第一の多孔体80を金属で形成し、かつ、その第一の多孔体80の外縁領域bの少なくとも一部を内側領域aの空隙率より小さくしている。

概要

背景

この種の燃料電池として、「固体高分子形燃料電池用補強された膜電極組立体の製造方法」とした名称において特許文献1に開示された構成のものがある。
特許文献1に開示された固体高分子形燃料電池用の補強された膜電極組立体の製造方法は、アノード側とカソード側とでガス拡散層の大きさが異なる膜電極接合体を用意し、該膜電極接合体の外周縁型成形により樹脂枠を設けるに際し、該型成形に用いられる上部型および下部型のそれぞれに突起部または凹部および凸部を設け、当該樹脂枠材料のガス拡散層及び/又は電極層への侵入を最小限に抑制し、かつ、大きなガス拡散層等の外周縁部の反り変形を防止しようとしたものである。

概要

金属製の多孔体を用いながら、その多孔体の内側領域に枠体をなす樹脂が浸入することを防止して、発電性能の低下を防ぐ。電解質膜の両側に積層した各電極触媒層の表面に、第一,第二の多孔体80,90を順次積層形成した膜電極接合体Cと、この膜電極接合体Cとの間にガス流路区画形成するセパレータとを有しており、上記第一の多孔体80がセパレータに、かつ、第二の多孔体が電極触媒層60,70にそれぞれ隣接して積層形成された燃料電池であって、上記膜電極接合体Cを樹脂製の枠体20で囲繞しているとともに、少なくとも上記第一の多孔体80を金属で形成し、かつ、その第一の多孔体80の外縁領域bの少なくとも一部を内側領域aの空隙率より小さくしている。

目的

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
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請求項1

電解質膜の両側に積層した各電極触媒層の表面に、第一,第二の多孔体を順次積層形成した膜電極接合体と、この膜電極接合体との間にガス流路区画形成するセパレータとを有しており、上記第一の多孔体がセパレータに、かつ、第二の多孔体が電極触媒層にそれぞれ隣接して積層形成されている燃料電池であって、上記膜電極接合体を樹脂製の枠体で囲繞しているとともに、少なくとも上記第一の多孔体を金属で形成し、かつ、その第一の多孔体の外縁領域の少なくとも一部を内側領域の空隙率より小さくしていることを特徴とする燃料電池。

請求項2

電解質膜の両側に積層した各電極触媒層の表面に、第一,第二の多孔体を順次積層形成した膜電極接合体と、この膜電極接合体との間にガス流路を区画形成するセパレータとを有しており、上記第一の多孔体がセパレータに、かつ、第二の多孔体が電極触媒層にそれぞれ隣接して積層形成されている燃料電池であって、上記膜電極接合体を樹脂製の枠体で囲繞しているとともに、少なくとも上記第一の多孔体を金属で形成し、かつ、その第一の多孔体の膜電極接合体に対向する反応領域から外縁側非反応領域を有し、この非反応領域の少なくとも一部を反応領域の空隙率より小さくしていることを特徴とする燃料電池。

請求項3

第一の多孔体は、鉄、ステンレス鋼アルミニウム及びアルミニウム合金チタン及びチタン合金クロム及びクロム合金ニッケル及びニッケル合金マグネシウム及びマグネシウム合金のうち、いずれか1種類以上の金属により形成されている請求項1又は2に記載の燃料電池。

請求項4

空隙率を圧延により小さくしている請求項1〜3のいずれか1項に記載の燃料電池。

請求項5

空隙率を溶接により小さくしている請求項1〜4のいずれか1項に記載の燃料電池。

請求項6

空隙率を第一の多孔体とは異なる材料を用いて低下させている請求項1〜5のいずれか1項に記載の燃料電池。

請求項7

第一の多孔体とは異なる材料が、カーボンエラストマーゴム又は接着剤である請求項6に記載の燃料電池。

技術分野

0001

本発明は、高分子電解質形燃料電池(以下、「PEFC」という。)等の燃料電池に関する。

背景技術

0002

この種の燃料電池として、「固体高分子形燃料電池用補強された膜電極組立体の製造方法」とした名称において特許文献1に開示された構成のものがある。
特許文献1に開示された固体高分子形燃料電池用の補強された膜電極組立体の製造方法は、アノード側とカソード側とでガス拡散層の大きさが異なる膜電極接合体を用意し、該膜電極接合体の外周縁型成形により樹脂枠を設けるに際し、該型成形に用いられる上部型および下部型のそれぞれに突起部または凹部および凸部を設け、当該樹脂枠材料のガス拡散層及び/又は電極層への侵入を最小限に抑制し、かつ、大きなガス拡散層等の外周縁部の反り変形を防止しようとしたものである。

先行技術

0003

特開2011−40290号公報

発明が解決しようとする課題

0004

しかしながら、特許文献1に開示された当該製造方法においては、カーボンGDLを用いた膜電極接合体の樹脂フレーム成型時において、金型に突起を設けてカーボンGDLを押さえ、潰すことで樹脂の浸入を防いでいるが、金属多孔体GDLは剛性が高く、製造時に金型で押さえて潰すことができないという問題がある。

0005

そこで本発明は、金属製の多孔体を用いながら、その多孔体の内側領域にフレームをなす樹脂が浸入することを防止して、発電性能の低下を防ぐことができる燃料電池の提供を目的としている。

課題を解決するための手段

0006

上記課題を解決するための本発明は、電解質膜の両側に積層した各電極触媒層の表面に、第一,第二の多孔体を順次積層形成した膜電極接合体と、この膜電極接合体との間にガス流路区画形成するセパレータとを有しており、上記第一の多孔体がセパレータに、かつ、第二の多孔体が電極触媒層にそれぞれ隣接して積層形成されている燃料電池であって、上記膜電極接合体を樹脂製の枠体で囲繞しているとともに、少なくとも上記第一の多孔体を金属で形成し、かつ、その第一の多孔体の外縁領域の少なくとも一部を内側領域の空隙率より小さくしている。

0007

第一の多孔体を金属で形成しているとともに、その第一の多孔体の外縁領域の少なくとも一部を内側領域の空隙率より小さくしているので、その多孔体の内側領域に枠体をなす樹脂が浸入することを防止して、発電性能の低下を防いでいる。

発明の効果

0008

本発明によれば、金属製の多孔体を用いながら、その多孔体の内側領域に枠体をなす樹脂が浸入することを防止して、発電性能の低下を防ぐことができる。

図面の簡単な説明

0009

本発明の第一の実施形態に係る燃料電池を積層させてなる燃料電池スタックの斜視図である。
図2(A)は、本発明の第一の実施形態に係る燃料電池の一部をなす枠体と膜電極接合体の平面図、(B)は、その本発明の第一の実施形態に係る燃料電池の、(A)に示すI‐I線に相当する部分に沿う断面図である。
図2に示すII‐II線に沿う拡大断面図である。
(A),(B)は、第一,第二の他例に係る膜電極接合体を示す部分断面図である。
第三の他例に係る膜電極接合体を示す部分断面図である。

実施例

0010

以下に、本発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。図1は、本発明の第一の実施形態に係る燃料電池を積層させてなる燃料電池スタックの斜視図、図2(A)は、本発明の第一の実施形態に係る燃料電池の一部をなす枠体と膜電極接合体の平面図、(B)は、その本発明の第一の実施形態に係る燃料電池の、(A)に示すI‐I線に相当する部分に沿う断面図、図3は、図2に包囲線IIで示す部分に相当する燃料電池の詳細を示す部分拡大図であり、セパレータ30,31に代えて上下金型1,2とともに示している。

0011

燃料電池スタックAは、本発明の第一の実施形態に係る燃料電池B1を複数積層してなるものであり、それは、それらの燃料電池B1を一対のエンドプレート10,10間に積層させ、かつ、それらのエンドプレート10,10により、それら燃料電池B1どうしを挟圧した構成のものである。

0012

図2(B)に示すように、燃料電池B1は、膜電極接合体Cを中央部分に配置した枠体(以下、「フレーム」という。)20を、これの両面側にそれぞれ発電用ガス流通させるためのガス流通路α1,α2(図3参照)を区画形成するようにして、一対のセパレータ30,31間に介設したものである。
本実施形態においては、後記するガス拡散層80,80が「ガス流通路α1,α2」として機能している。
「発電用ガス」は、水素含有ガス酸素含有ガスである。

0013

フレーム20は樹脂製のものであり、本実施形態においては、図1に示す燃料電池B1の積層方向αから見た正面視において横長方形にしたものであり、膜電極接合体Cとほぼ同じ厚みにして形成されている。

0014

上記フレーム20の両側部には、図2(A)に示すように、水素含有ガス又は酸素含有ガス又は冷却流体の供給・排出を行うためのマニホールド部M1,M2が形成されている。
一側部のマニホールド部M1はマニホールド孔H1〜H3からなる。
それらマニホールド孔H1〜H3は、酸素含有ガス供給用(H1)、冷却流体供給用(H2)及び水素含有ガス供給用(H3)のものであり、図1に示す積層方向αにそれぞれの流路をなしている。

0015

他方のマニホールド部M2はマニホールド孔H4〜H6からなる。
各マニホールド孔H4〜H6は、水素含有ガス排出用(H4)、冷却流体排出用(H5)及び酸素含有ガス排出用(H6)のものであり、上記した積層方向αにそれぞれの流路をなしている。なお、供給用と排出用は一部又は全部が逆の位置関係でもよい。

0016

膜電極接合体Cは、MEA(Membrane Electrode Assembly)とも呼称されるものであり、図3に示すように、例えば固体高分子からなる電解質膜50を、一対の電極触媒層60,70により挟持しているとともに、それら電極触媒層60,70の各表面にガス拡散層100,100を被覆形成した構造を有している。

0017

ガス拡散層100は、第一,第二の多孔体80,90から構成されており、それらのうちの第二の多孔体90が電解質膜50に隣接しているとともに、第一の多孔体80がセパレータに隣接するように積層形成されている。

0018

第一の多孔体80は金網状に形成されており、平面視において膜電極接合体Cよりもやや大きく形成されている。
本実施形態において示す第一の多孔体80は、鉄、ステンレス鋼アルミニウム及びアルミニウム合金チタン及びチタン合金クロム及びクロム合金ニッケル及びニッケル合金マグネシウム及びマグネシウム合金のうちのいずれか1種類以上の金属により形成している。
また、第一の多孔体80としては、上記した金網状に形成したものに限らず、パンチングメタルエッチングメタル、及びエキスパンドメタル等で構成してもよい。
また、第二の多孔体90はカーボン材料で形成されている。

0019

本実施形態においては、第一の多孔体80を上記したいずれかの金属で形成しているとともに、その第一の多孔体80の外縁領域の少なくとも一部を内側領域の空隙率より小さくしている。

0020

具体的には、第一の多孔体80のうち、膜電極接合体Cに対向する領域(以下、「反応領域a」という。)と、膜電極接合体Cに対向しない領域(以下、「非反応領域b」という。)を有し、その非反応領域bの少なくとも一部を反応領域aの空隙率より小さくしている。
本実施形態においては、「内側領域」と「反応領域a」とが、また、「外縁領域」と「非反応領域b」とがそれぞれ一致している。
なお、本実施形態においては、外縁領域と非反応領域bとが一致している例について説明したが、必ずしも一致していなくともよい。例えば、当該外縁領域が反応領域aに位置していてもよい。

0021

本実施形態においては、空隙率を第一の多孔体80とは異なる材料を用いて低下させている。具体的には、非反応領域bに対向する第一の多孔体80の外縁領域に切れ目なく接着剤110を充填連成することにより、非反応領域bを反応領域aの空隙率より小さくしている。
第一の多孔体とは異なる材料としては、上記の接着剤を用いることに限らず、カーボン、材料、エラストマー又はゴムを採用してもよい。

0022

以上の構成からなる燃料電池B1によれば、次の効果を得ることができる。
・膜電極接合体を樹脂製の枠体(フレーム)で囲繞しているとともに、第一の多孔体を金属で形成し、かつ、その第一の多孔体の外縁領域の少なくとも一部を内側領域の空隙 率より小さくしているので、成型をする際、空隙率をより小さくした外縁領域によって、その多孔体の内側領域にフレームをなす樹脂が浸入することを防止して、発電性能の低 下を防ぐことができる。

0023

・非反応領域bに対向する第一の多孔体80の外縁領域に接着剤110を充填することにより、非反応領域bを反応領域aの空隙率より小さくしているので、反応領域を狭める ことがなく、発電性能の低下を効果的に防ぐことができる。

0024

次に、第一〜第三の他例に係る膜電極接合体について、図4,5を参照して説明する。図4(A),(B)は、第一,第二の他例に係る膜電極接合体を示す部分断面図、図5は、第三の他例に係る膜電極接合体を示す部分断面図である。なお、上述した実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略する。

0025

第一の他例に係る膜電極接合体C1は、金網製の第一の多孔体80の外縁領域(非反応領域)の空隙率を圧延により小さくしたものである。
具体的には、金網製の第一の多孔体80の外縁領域を圧延により空隙率を小さくした空隙率部片80a,80aを、外面側(セパレータ側)に偏移させて形成している。この場合、フレーム20の樹脂成型を行なう前に当該空隙率を小さくする加工を行なうことができる。

0026

第二の他例に係る膜電極接合体C2は、金網製の第一の多孔体80の外縁領域(非反応領域)の空隙率を圧延により小さくしたものである点で、上記第一の他例に係る膜電極接合体C1と同様である。

0027

本例においては、第一の多孔体80の外縁領域を圧延により空隙率を小さくした空隙率部片80a,80aを、内面側(電極触媒層側)に偏移させて形成している。
なお、上記図4(A),(B)に示すような空隙率部片80a,80aを、レーザー溶接等により形成してもよい。この場合にも、フレーム20の樹脂成型を行なう前に当該空隙率を小さくする加工を行なうことができる。

0028

第三の他例に係る膜電極接合体C3は、金網製の第一の多孔体80の外縁領域(非反応領域)の空隙率を、マイクロポーラス層120を第一の多孔体80に塗り込むことにより小さくしたものである。この場合にも、フレーム20の樹脂成型を行なう前に当該空隙率を小さくする加工を行なうことができる。

0029

20枠体(フレーム)
50電解質膜
60,70電極触媒層
80,90 第一,第二の多孔体
a 内側領域(反応領域)
b外縁領域(非反応領域)
C 膜電極接合体

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