JP2013229206A

JP2013229206A - 燃料電池

Info

Publication number: JP2013229206A
Application number: JP2012101015A
Authority: JP
Inventors: Tomonori Yanai; 智紀谷内; Masaki Kamakura; 正樹鎌倉
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2012-04-26
Filing date: 2012-04-26
Publication date: 2013-11-07

Abstract

【課題】セパレータ間からの流体の漏洩の有無および漏洩箇所を簡易かつ迅速に検査することができる、燃料電池を提供する。
【解決手段】
セパレータ１３の一端面２９には、セパレータ１３の周方向における同一位置に、同一のＶ字状の切れ込み３０がセパレータ１３の厚さ方向の全幅にわたって形成されている。セパレータ１３の切れ込み３０は、セルスタック構造において、その積層方向に延びる１本の凹溝となる。そのため、セパレータ１３間からの窒素ガスの漏洩の有無および漏洩箇所の検査の際に、セパレータ１３の切れ込み３０に界面活性剤が注入されると、その界面活性剤は、凹溝内を流れて、その全域に行き渡る。そして、界面活性剤は、凹溝内からセパレータ１３間に流入し、セパレータ１３間のガスケット２８の表面に沿って流れる。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池に関する。

燃料電池自動車に搭載される燃料電池は、複数の単位セルが積み重ねられたセルスタック構造を有している。各単位セルは、電解質膜の一方面および他方面にそれぞれアノード（燃料極）およびカソード（酸素極）を接合してなる膜／電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）をセパレータで挟み込むことにより構成されている。

アノード側の各セパレータの膜／電極接合体と接触する部分には、凹溝が燃料流路として形成されている。カソード側の各セパレータの膜／電極接合体と接触する部分には、凹溝が空気流路として形成されている。各単位セルにおいて、燃料流路および空気流路にそれぞれ液体燃料および空気が流れることにより、膜／電極接合体に燃料および空気が供給されて、電気化学反応（発電反応）が生じ、その電気化学反応による起電力が発生する。

また、膜／電極接合体を挟まずに対向するセパレータ間には、凹溝が冷却水流路として形成されている。冷却水流路を冷却水が流れることにより、燃料電池が冷却される。

膜／電極接合体を挟んで対向するセパレータ間には、ガスケットがその周縁部の全周にわたって設けられ、そのガスケットにより、膜／電極接合体を収容する空間が取り囲まれている。また、膜／電極接合体を挟まずに対向するセパレータ間にも、ガスケットがその周縁部の全周にわたって設けられ、そのガスケットにより、冷却水流路が取り囲まれている。これにより、セパレータ間からの燃料、空気および冷却水などの流体の漏洩が防止されている。

燃料電池の製造時には、セパレータ間からの流体の漏洩の有無が検査される。その手法として、たとえば、シール部分に石鹸水を塗布し、流路に気体を供給して、シール部分からの気体の漏洩を観察することにより、流体の漏洩の有無および漏洩箇所を検査する方法が提案されている。

特開平９−８２３５２号公報

この方法では、各セパレータ間のガスケットに石鹸水を塗布しなければならず、流体の漏洩の検査に手間および時間がかかる。

本発明の目的は、セパレータ間からの流体の漏洩の有無および漏洩箇所を簡易かつ迅速に検査することができる、燃料電池を提供することである。

前記の目的を達成するため、本発明に係る燃料電池は、膜／電極接合体と、前記膜／電極接合体の両側に前記膜／電極接合体と対向して配置され、流体が流通する流路が少なくとも前記膜／電極接合体側の面に形成されたセパレータとを単位セルとして、前記単位セルが複数積層されたセルスタック構造を有している。互いに隣接する前記セパレータ間には、ガスケットが前記流路の周囲をその全周にわたって取り囲むように形成されている。各前記セパレータの周縁部には、その周方向の同一位置に同一形状の切れ込みが前記セパレータの厚さ方向の全幅にわたって形成されている。そして、前記燃料電池は、前記セルスタック構造を前記単位セルの積層方向の両側から挟み込み、前記積層方向の両端に配置される前記セパレータに形成された前記切れ込みと前記積層方向に対向する流下防止壁部を備えている。

各セパレータの切れ込みは、セルスタック構造において、その積層方向に延びる１本の凹溝となる。そのため、セパレータ間からの流体の漏洩の有無を検査するときには、凹溝（切れ込み）に界面活性剤を注入すれば、界面活性剤が凹溝内を流れて、凹溝内の全域に界面活性剤が行き渡る。凹溝の端部には、流下防止壁部が対向しており、流下防止壁部により、凹溝の端部からの界面活性剤の流出が防止される。そのため、凹溝内の界面活性剤は、凹溝からセパレータ間に流入し、セパレータ間のガスケットの表面に沿って流れる。その結果、各ガスケットの表面の全周に界面活性剤を速やかに行き渡らせることができる。

そして、流路に窒素ガスなどの流体を供給することにより、セパレータ間からの流体の漏洩の有無および漏洩箇所を検査することができる。

よって、セパレータ間からの流体の漏洩の有無および漏洩箇所を簡易かつ迅速に検査することができる。

また、界面活性剤は、凹溝内およびセパレータ間を流れ、セパレータの周面における凹溝外の部分に付着しない。そのため、検査により、セパレータ間からの流体の漏洩箇所が特定されたときに、その漏洩箇所をマーカでマーキングすることができる。

本発明によれば、セパレータ間からの流体の漏洩の有無および漏洩箇所を簡易かつ迅速に検査することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池のセルの分解斜視図である。図２は、燃料電池を組み立てる際に使用される締結治具を図解的に示す斜視図である。図３Ａは、燃料電池における流体のリークチェック（漏洩検査）の手順を示すフローチャート（その１）である。図３Ｂは、燃料電池における流体のリークチェック（漏洩検査）の手順を示すフローチャート（その２）である。

以下では、本発明の実施の形態について、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池セルの分解斜視図である。

燃料電池１は、所定数（たとえば、１００〜２００）のセル２が一方向に積層された、いわゆるセルスタック構造を有している。複数のセル２は、その積層方向の両側から出力端子付の集電板３（図２参照）によって挟まれ、さらにその両外側からエンドプレート４（図２参照）によって挟まれている。

各セル２は、膜／電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode
Assembly）１１と、膜／電極接合体１１の両側に配置されるガス拡散層（ＧＤＬ：Gas Diffusion
Layer）１２と、ガス拡散層１２の外側に配置されるセパレータ１３とを備えている。

膜／電極接合体１１は、アノード（燃料極）およびカソード（酸素極）が固体高分子膜を挟んで互いに対向した構造を有している。膜／電極接合体１１は、たとえば、六角形板状をなしている。

ガス拡散層１２は、その表面に直交する方向から見た平面視で膜／電極接合体１１とほぼ同じ形状に形成されている。

セパレータ１３は、セル２の積層方向（以下、単に「積層方向」という。）に厚さを有する矩形薄板状をなしている。セパレータ１３には、積層方向の一方側の一方面１４および他方側の他方面１５の中央部に、それぞれ凹溝（図示せず）が形成されている。アノード側のセパレータ１３の一方面１４の凹溝は、燃料流路として形成されている。アノード側のガス拡散層１２は、アノード側のセパレータ１３の一方面１４の中央部に接触し、凹溝を積層方向から閉塞する。また、カソード側のセパレータ１３の他方面１５の凹溝は、空気流路として形成されている。カソード側のガス拡散層１２は、カソード側のセパレータ１３の他方面１５の中央部に接触し、凹溝を積層方向から閉塞する。アノード側のセパレータ１３の他方面１５の凹溝およびその他方面１５と対向するカソード側のセパレータ１３の一方面１４の凹溝は、積層方向に互いに重なって、各セル２間に、冷却水流路を形成する。

セパレータ１３の周縁部には、燃料入口１６、燃料出口１７、空気入口１８、空気出口１９、冷却水入口２０および冷却水出口２１が厚さ方向に貫通して形成されている。

燃料入口１６、燃料出口１７、空気入口１８および空気出口１９は、それぞれセパレータ１３の角部に形成されている。具体的には、セパレータ１３を一方面１４側から見て、セパレータ１３の右下角部、左上角部、右上角部および左下角部に、それぞれ燃料入口１６、燃料出口１７、空気入口１８および空気出口１９が形成されている。燃料入口１６および燃料出口１７は、ほぼ同じ開口面積を有する略台形状をなしている。空気入口１８および空気出口１９は、ほぼ同じ開口面積を有する略台形状をなしている。燃料入口１６および燃料出口１７の開口面積は、空気入口１８および空気出口１９の開口面積よりも大きい。

冷却水入口２０は、２つ形成されている。２つの冷却水入口２０は、燃料出口１７と空気出口１９との間において、セパレータ１３の一辺に沿って並べて形成され、それぞれその一辺に沿う方向に長い矩形状をなしている。

冷却水出口２１は、２つ形成されている。２つの冷却水出口２１は、燃料入口１８と空気入口１８との間において、セパレータ１３の一辺に沿って並べて形成され、それぞれその一辺に沿う方向に長い矩形状をなしている。

そして、セパレータ１３の一方面１４には、シール部２２，２３，２４，２５，２６，２７がそれぞれ燃料入口１６、燃料出口１７、空気入口１８、空気出口１９、冷却水入口２０および冷却水出口２１の周縁に沿って、それらを個別に取り囲むように設けられている。そして、シール部２２，２３，２４，２５，２６，２７は、互いに隣接する部分が接続されることにより、一体をなし、全体として、セパレータ１３の一方面１４の周縁部に配置され、その中央部に形成されている流路の周囲を全周にわたって取り囲む環状のガスケット２８をなしている。

ガスケット２８は、セルスタック構造において、ガスケット２８が設けられたセパレータ１３の一方面１４と対向するセパレータ１４の他方面１５に押圧されている。これにより、それらのセパレータ１３間において、ガスケット２８に囲まれる空間は、ガスケット２８によって封止されている。

また、セルスタック構造において、燃料入口１６は、積層方向に重なり、各燃料入口１６の間は、シール部２２によって封止される。これにより、燃料電池１には、セルスタック構造を積層方向に貫通する燃料導入路が形成されている。また、セルスタック構造において、燃料出口１７は、積層方向に重なり、各燃料出口１７の間は、シール部２３によって封止される。これにより、燃料電池１には、セルスタック構造を積層方向に貫通する燃料導出路が形成されている。燃料導入路および燃料導出路は、各セル２の燃料流路と連通している。

セルスタック構造において、空気入口１８は、積層方向に重なり、各空気入口１８の間は、シール部２４によって封止される。これにより、燃料電池１には、セルスタック構造を積層方向に貫通する空気導入路が形成されている。また、セルスタック構造において、空気出口１９は、積層方向に重なり、各空気出口１９の間は、シール部２５によって封止される。これにより、燃料電池１には、セルスタック構造を積層方向に貫通する空気導出路が形成されている。空気導入路および空気導出路は、各セル２の空気流路と連通している。

さらに、セルスタック構造において、冷却水入口２０は、積層方向に重なり、各冷却水入口２０の間は、シール部２６によって封止される。これにより、燃料電池１には、セルスタック構造を積層方向に貫通する冷却水導入路が形成されている。また、セルスタック構造において、冷却水出口２１は、積層方向に重なり、各冷却水出口２１の間は、シール部２７によって封止される。これにより、燃料電池１には、セルスタック構造を積層方向に貫通する冷却水導出路が形成されている。冷却水導入路および冷却水導出路は、各セル２間の冷却水流路と連通している。

燃料導入路には、燃料の一例として、ヒドラジンが供給される。空気導入路には、空気が供給される。燃料導入路に供給されるヒドラジンは、燃料導入路から各セル２の燃料流路に流入し、各燃料流路を流れる。その一方で、空気導入路に供給される空気は、空気導入路から各セルの空気流路に流入し、各空気流路を流れる。これにより、各セル２では、電気化学反応が生じ、その電気化学反応による起電力が発生する。

すなわち、アノードにおいて、反応式（１）で示される反応が生じ、窒素ガス（Ｎ_２）、水（Ｈ_２Ｏ）および電子（ｅ⁻）が生成される。電子は、外部回路（図示せず）を介して、カソードに移動する。具体的には、電子は、アノード側のセパレータ１３を伝導し、外部回路を介して、集電板３に流れ込み、集電板３からカソード側のセパレータ１３を伝導してカソードに達する。一方、カソードでは、反応式（２）で示される反応が生じ、アニオン（ＯＨ⁻）が生成される。アニオンは、膜／電極接合体１１の固体高分子膜を透過して、アノードに移動する。
ＮＨ_２ＮＨ_２＋４ＯＨ⁻→Ｎ_２＋４Ｈ_２Ｏ＋４ｅ⁻ ・・・（１）
Ｏ_２＋２Ｈ_２Ｏ＋４ｅ⁻→４ＯＨ⁻ ・・・（２）

この結果、各セル２のアノードとカソードとの間に、電気化学反応による起電力が発生する。

冷却水導入路には、冷却水が供給される。冷却水導入路に供給される冷却水は、冷却水導入路から各セル２間の冷却水流路に流入し、各冷却水流路を流れる。これにより、燃料電池１が冷却される。

そして、各セパレータ１３の一端面２９には、セパレータ１３の周方向における同一位置に、同一のＶ字状の切れ込み３０がセパレータ１３の厚さ方向の全幅にわたって形成されている。セパレータ１３の一端面２９における切れ込み３０の位置は、その一端面２９が延びる方向の中央よりも少し一方側に片寄っている（オフセットしている）。具体的には、燃料出口１７および空気入口１８は、一端面２９に沿って並んで形成され、燃料出口１７の開口面積は、空気入口１８の開口面積よりも大きい。そのため、燃料出口１７と空気入口１８との間の部分は、一端面２９が延びる方向の中央よりも少し空気入口１８側に片寄っている。そして、これに対応して、燃料出口１７および空気入口１８をそれぞれ取り囲むシール部２３，２４の境界部分（接続部分）は、一端面２９が延びる方向の中央よりも少し空気入口１８側に片寄っている。切れ込み３０は、一端面２９が延びる方向において、シール部２３，２４の境界部分と同じ位置に形成されている。

ガスケット２８の外周縁は、シール部２３，２４の境界部分において、一端面２９側に向けて開放される略Ｖ字状をなしている。そのため、シール部２３，２４の境界部分と一端面２９との間の間隔は、シール部２３，２４の境界部分の両側部分と一端面２９との間の間隔よりも大きくなっている。そして、切れ込み３０は、シール部２３，２４の境界部分と一端面２９との間に形成されている。これにより、切れ込み３０を深く形成することができる。その結果、後述するリークチェックにおいて、切れ込み３０に界面活性剤が注入されるときの流量を大きくすることができるので、各ガスケット２８の表面の全周に界面活性剤を速やかに行き渡らせることができる。

図２は、燃料電池を組み立てる際に使用される締結治具を図解的に示す斜視図である。
燃料電池１の組立てには、締結治具３１が用いられる。

締結治具３１は、燃料電池１（セル２、集電板３、エンドプレート４）がセットされる載置台３２と、載置台３２上の一端部に設けられた油圧ジャッキ３３とを備えている。

載置台３２は、油圧ジャッキ３３が相対的に上方に位置するように、傾斜して設けられている。

油圧ジャッキ３３は、油圧により、載置台３２の下り傾斜方向と平行な方向に圧力を与えることができる。

図３Ａ，３Ｂは、燃料電池における流体のリークチェック（漏洩検査）の手順を示すフローチャートである。

燃料電池１のリークチェックでは、まず、締結治具３１の載置台３２上の最も下方となる位置に、エンドプレート４がセットされる（ステップＳ１）。エンドプレート４は、図２に示されるように、積層方向から見て、セル２のセパレータ１３および集電板３よりもサイズが大きい矩形状をなしている。

次に、集電板３がエンドプレート４に対して載置台３２の傾斜方向（以下、単に「傾斜方向」という。）の上方に隣接するようにセットされる（ステップＳ２）。なお、集電板３は、積層方向から見て、セパレータ１３と同一形状をなし、図示されないが、集電板３の一端面にも、セパレータ１３の切れ込み３０と対応する位置に同一形状の切れ込みが形成されている。集電板３は、その切れ込みが形成されている一端面を上方に向けてセットされる。

その後、集電板３に対して傾斜方向の上方に、２０個のセル２がセットされる（ステップＳ３〜Ｓ６）。

具体的には、セパレータ１３が一端面２９を上方に向けてセットされる（ステップＳ３）。このセパレータ１３に対して傾斜方向の上方に、ガス拡散層（ＧＤＬ）１２、膜／電極接合体（ＭＥＡ）１１およびガス拡散層１２がこの順にセットされる（ステップＳ４）。その後、セパレータ１３が一端面２９を上方に向けてセットされる（ステップＳ５）。ステップＳ２〜Ｓ５の手順を１セットとして、その手順が２０回繰り返されることにより、２０個のセル２がセットされる。なお、各セパレータ１３は、一方面１４を同一方向に向けてセットされる。

２０個のセル２がセットされると、油圧ジャッキ３３により、集電板３、エンドプレート４および２０個のセル２の積層構造物に圧力が加えられる（ステップＳ７：油圧プレス）。これにより、ガスケット２８がセパレータ１３の他方面１５に押圧される。

その後、図３Ｂに示されるように、燃料入口１６、空気入口１８および冷却水入口２０に窒素ガスが供給される（ステップＳ８）。このとき、燃料出口１７、空気出口１９および冷却水出口２１は、閉塞されている。これにより、窒素ガスは、燃料入口１６、空気入口１８および冷却水入口２０から各セル２の燃料流路および空気流路ならびに各セル２間の冷却水流路に流入する。その結果、燃料流路、空気流路および冷却水流路内には、たとえば、１気圧の窒素ガスが封入される。

その後、燃料流路、空気流路および冷却水流路内の圧力の低下が生じた場合、各セパレータ１３間のいずれかのガスケット２８によるシールが不良であり、そのシールが不良な部分から窒素ガス（流体）の漏洩が生じていると予想される。

そこで、燃料流路、空気流路および冷却水流路内の圧力の低下が生じた場合には（ステップＳ９のＹＥＳ）、傾斜方向の最上方のセパレータ１３の切れ込み３０に界面活性剤が注入される（ステップＳ１０）。

集電板３の切れ込みおよび各セパレータ１３の切れ込み３０は、それらの積層方向に延びる１本の凹溝をなしている。そのため、傾斜方向の最上方のセパレータ１３の切れ込み３０に界面活性剤が注入されると、界面活性剤は、重力により、凹溝内を流れて、凹溝内の全域に行き渡る。このとき、積層方向の最下方に配置されるエンドプレート４は、凹溝を積層方向の下方から閉塞し、凹溝の下端からの界面活性剤の流下を防止する流下防止壁部として機能する。

そして、凹溝内からセパレータ１３間に界面活性剤が流入し、界面活性剤がセパレータ１３間のガスケット２８の表面に沿ってその重力および表面張力によって流れる。その結果、各ガスケット２８の表面の全周に界面活性剤が速やかに行き渡る。

ガスケット２８における窒素ガスの漏洩箇所では、気泡が発生する。気泡が発生している箇所が確認されると（ステップＳ１１）、セパレータ１３の端面における気泡発生箇所の近傍の部分がマーカでマーキングされる（ステップＳ１２）。

その後、油圧ジャッキ３３による加圧が解除されて、マーキングされたセパレータ１３を含むセル２が交換される。そして、油圧ジャッキ３３により、集電板３、エンドプレート４および２０個のセル２の積層構造物に圧力が加えられ（ステップＳ７）、燃料入口１６、空気入口１８および冷却水入口２０に窒素ガスが供給されて（ステップＳ８）、燃料流路、空気流路および冷却水流路内の圧力の低下の有無が再び調べられる（ステップＳ９）。

燃料流路、空気流路および冷却水流路内の圧力の低下がなければ（ステップＳ９のＮＯ）、所定数のセル２が締結治具３１の載置台３２上にセットされたか否か、つまり燃料電池１を構成するすべてのセル２が載置台３２上にセットされたか否かが確認される（ステップＳ１３）。

載置台３２上に所定数のセル２がセットされていない場合には（ステップＳ１３のＮＯ）、ステップＳ３の手順に戻り、載置台３２上に２０個のセル２が追加してセットされる。

こうして、ステップＳ３〜Ｓ１３の手順が繰り返されて、載置台３２上に所定数のセル２がセットされ、各ガスケット２８からの窒素ガスの漏洩がないことが確認されると、集電板３およびエンドプレート４が載置台３２上にセットされる。その後、油圧ジャッキ３３により、セル２、集電板３およびエンドプレート４の積層構造物に圧力が加えられる。そして、その状態でセル２、集電板３およびエンドプレート４の積層構造物が締結具で締結されることにより、燃料電池１が完成する。

以上のように、各セパレータ１３の切れ込み３０は、セルスタック構造において、その積層方向に延びる１本の凹溝となる。そのため、傾斜方向の最上方のセパレータ１３の切れ込み３０に注入される界面活性剤は、凹溝内を流れて、凹溝内の全域に行き渡る。凹溝の端部には、エンドプレート４が対向しており、エンドプレート４により、凹溝の端部からの界面活性剤の流出が防止される。そのため、凹溝内の界面活性剤は、凹溝内からセパレータ１３間に流入し、セパレータ１３間のガスケット２８の表面に沿って流れる。その結果、各ガスケット２８の表面の全周に界面活性剤を速やかに行き渡らせることができる。

そして、燃料流路、空気流路および冷却水流路に窒素ガスを供給することにより、セパレータ１３間からの窒素ガスの漏洩の有無および漏洩箇所を検査することができる。

よって、セパレータ１３間からの窒素ガスの漏洩の有無および漏洩箇所を簡易かつ迅速に検査することができる。

また、界面活性剤は、凹溝内およびセパレータ１３間を流れ、セパレータ１３の周面における凹溝外の部分に付着しない。そのため、検査により、セパレータ１３間からの窒素ガスの漏洩箇所が特定されたときに、セパレータ１３における漏洩箇所の近傍の部分にマーカでマーキングすることができる。

また、セパレータ１３の一端面２９における切れ込み３０の位置は、その一端面２９が延びる方向の中央よりも少し一方側に片寄っている。そのため、各セパレータ１３が互いに対向するように、セパレータ１３を締結治具３１の載置台３２上にセットすれば、セパレータ１３の一方面１４を確実に同一方向に向けることができる。よって、セパレータ１３の一方面１４および他方面１５の向きを間違えることがなく、燃料電池１の組立てに要する手間および時間を短縮することができる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、他の形態で実施することもできる。

たとえば、締結治具３１の載置台３２上に２０個のセル２がセットされる度に、セパレータ１３間からの窒素ガスの漏洩の有無および漏洩箇所の検査が行われるとしたが、２０個よりも少ない数のセル２がセットされる度に、その検査が行われてもよいし、２０個よりも多い数のセル２がセットされる度に、その検査が行われてもよい。

また、セパレータ１３の一端面２９に１つの切れ込み３０が形成された構成を取り上げたが、セパレータ１３の端面に２つ以上の切れ込み３０が形成されてもよい。この場合、セルスタック構造において、その積層方向に延びる２本以上の凹溝が形成される。リークチェックにおいて、各凹溝に界面活性剤を注入することにより、各ガスケット２８の表面の全周に界面活性剤を一層速やかに行き渡らせることができる。

その他、前述の構成には、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。

１燃料電池
２セル（単位セル）
４エンドプレート（流下防止壁部）
１１膜／電極接合体
１３セパレータ
２８ガスケット
３０切れ込み

Claims

膜／電極接合体と、前記膜／電極接合体の両側に前記膜／電極接合体と対向して配置され、流体が流通する流路が少なくとも前記膜／電極接合体側の面に形成されたセパレータとを単位セルとして、前記単位セルが複数積層されたセルスタック構造を有する燃料電池であって、
互いに隣接する前記セパレータ間には、ガスケットが前記流路の周囲をその全周にわたって取り囲むように形成され、
各前記セパレータの周縁部には、その周方向の同一位置に同一形状の切れ込みが前記セパレータの厚さ方向の全幅にわたって形成され、
前記セルスタック構造を前記単位セルの積層方向の両側から挟み込み、前記積層方向の両端に配置される前記セパレータに形成された前記切れ込みと前記積層方向に対向する流下防止壁部を備える、燃料電池。