JP5003823B2 - シール構造および該シール構造を備えた燃料電池 - Google Patents
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Description
特開2006−107862号公報に記載のスタック型燃料電池は、シール材として接着剤を使用したシール構造を備えており、金属セパレータの接着剤塗布面に対して表面処理を行わず、セパレータの基材に直接接着剤を塗布することで、接着剤の接着性を向上させている。
図1は、本発明の第1参考例に係るシール構造を示す断面図である。
図2は、本発明の第2参考例に係るシール構造を示す断面図である。
図3は、本発明の第3参考例に係るシール構造を示す断面図である。
図4は、本発明の第4参考例に係るシール構造を示す断面図である。
図5は、本発明の第5参考例に係るシール構造を示す断面図、図6は、第5参考例に係るシール構造の変形例を示す断面図、図7は、第5参考例に係るシール構造の他の変形例を示す断面図、図8は、第5参考例に係るシール構造の更に他の変形例を示す断面図である。
図9は、本発明の第6参考例に係るシール構造を示す断面図である。
図10は、本発明の第7参考例に係るシール構造を示す断面図、図11は、硬質炭素皮膜にクラックを生じさせる工程を示す工程図である。
図12は、第1実施形態に係るシール構造を示す断面図である。
第1実施形態に係るシール構造は、第1参考例と同様に、第1構成部品73と第2構成部品74の間をシール材79で密着させるものであるが、第1構成部品73および第2構成部品74が、各々、基材4,5および硬質炭素皮膜77,78に加えて、それらの間に介在する中間層75、76を備えており、該中間層75、76が、柱状結晶構造を有しており、その結晶の間に、前記溝部を構成する隙間80が形成されている点で、上述の参考例と異なる。
図17は、本発明の第2実施形態に係る燃料電池のシール構造を示す断面図である。
金属基材層102は、セパレータ95を構成する導電部材の主層であり、導電性および機械的強度の確保に寄与する。
導電性炭素層103は、導電性炭素を含む層である。この層の存在によって、セパレータ95)を構成する導電部材の導電性を確保しつつ、金属基材層102のみの場合と比較して耐食性が改善されるとともに、シール材との密着性を向上させることができる。なお、本実施形態では、導電性炭素層をシール材と密着させる硬質炭素皮膜に適用しているが、硬質炭素皮膜をシール材と接する部位にのみ設けるのであれば、硬質炭素皮膜において導電性は不要であるため、かならずしも導電性を備える必要はない。
上述した導電部材を製造する方法は、特に制限はなく、従来公知の手法を適宜参照することにより製造することが可能である。以下、導電部材を製造するための一例を示す。また、セパレータ95を構成する導電部材の各構成要素の材質などの諸条件については、上述した通りであるため、ここでは説明を省略する。
電解質層は、例えば、固体高分子電解質膜97から構成される。この固体高分子電解質膜97は、燃料電池の運転時にアノード触媒層98aで生成したプロトンを膜厚方向に沿ってカソード触媒層98cへと選択的に透過させる機能を有する。また、固体高分子電解質膜97は、アノード側に供給される燃料ガスとカソード側に供給される酸化剤ガスとを混合させないための隔壁としての機能をも有する。
触媒層(アノード触媒層98a,カソード触媒層98c)は、実際に電池反応が進行する層である。具体的には、アノード触媒層98aでは水素の酸化反応が進行し、カソード触媒層98cでは酸素の還元反応が進行する。
ガス拡散層(アノードガス拡散層99a,カソードガス拡散層99c)は、セパレータのガス流路96a,96cを介して供給されたガス(燃料ガスまたは酸化剤ガス)の触媒層98a,98cへの拡散を促進する機能、および電子伝導パスとしての機能を有する。
シール材は、特に限定されないが、例えば、熱硬化性樹脂を適用できる。熱硬化性樹脂には、例えばオレフィン樹脂、ウレタン樹脂、シリコーン樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂または不飽和ポリエステル等が使用できる。
図18は、本発明の第3実施形態に係る固体高分子形燃料電池(PEFC)のシール構造を示す断面図である。
図19は、第4実施形態に係る燃料電池用セパレータの斜視図、図20は、図19のXX-XX線に沿う断面図、図21は、接触抵抗を示すグラフである。
また、好ましい実施形態において、当該Rは、好ましくは1.4〜2.0であり、より好ましくは1.4〜1.9であり、さらに好ましくは1.5〜1.8である。このR値が1.3以上であれば、積層方向の導電性が十分に確保された導電性硬質炭素皮膜120が得られる。また、R値が2.0以下であれば、グラファイト成分の減少を抑制することができる。さらに、導電性硬質炭素皮膜120自体の内部応力の増大をも抑制でき、下地である基材111との密着性を一層向上できる。
図21は、接触面圧を1MPaとした条件下での硬質炭素皮膜の接触抵抗を示すグラフである。図21に示すように、酸洗処理によって生成した酸化皮膜の接触抵抗が100〜1000mΩ・cm2であるのに対し、絶縁性硬質炭素皮膜130の接触抵抗は、5000〜11000mΩ・cm2であり、絶縁性硬質炭素皮膜130は酸化皮膜に比べて、優れた絶縁性を有する。なお、導電性硬質炭素皮膜120の接触抵抗は、20mΩ・cm2以下である。
しかし、従来の燃料電池用セパレータでは、セパレータが冷却水によって冷却されているとき、外周部分に外気が触れて結露が生じる場合があり、セパレータと他の機器または他の物品とが、結露による水を介して電気的に接続する虞があった。また、セパレータを流れる水、または燃料電池スタック内で生成された水等がセパレータの外周部に付着したときも同様であった。特に、構成上、セパレータの外周部分は他の機器等に接触し易く、付着した水を介しての電気的接続、または直接接触することによる電気的接続が生じる虞があった。
外周部分の表面に不動態皮膜を形成した場合、一応の絶縁性を得ることができるが、図21を用いて説明した通り、その絶縁性は十分でなかった。
図22は、第5実施形態の燃料電池用セパレータの断面図である。
図23は、第5実施形態の変形例に係る燃料電池用セパレータの断面図である。
図23に示すように、絶縁性硬質炭素皮膜230Aで覆われた領域と導電性硬質炭素皮膜220Aで覆われた領域との境界の位置は、セパレータ200Aの両面において、面方向にずれていてもよい。
図24は、第6実施形態の燃料電池用セパレータの断面図である。
図25は、燃料電池スタックの概略断面図である。
図26は、燃料電池用セパレータの製造方法を示すフロー図、図27は、基材の積層を説明する断面図、図28は、絶縁性硬質炭素皮膜を成膜したときの断面図である。以下の説明で参照する図面においては、上述した部材を一部簡略化して示す。
また、上記実施形態の各要素ならびに上記実施形態を適宜組み合わせたものも、本発明の技術的範囲に包含される。例えば、第1実施形態に係る溝部を、第1〜5参考例および第2〜6実施形態に係るシール構造、燃料電池用セパレータ、燃料電池、または車両に適用したものは、本発明の技術的範囲に包含される。
また、当該シール構造を有する燃料電池は、簡素な構造で生産性に優れることから、モバイル用、定置用、自動車用を問わず、多くの用途において好適に利用できる。
Claims (13)
- 対峙する面にシール面を有する構成部品と、前記シール面の間に介在して、前記シール面を密着させるシール材と、を備え、
前記シール面の一方または両方に、硬質炭素皮膜と、該硬質炭素皮膜と前記構成部品の基材との間に介在する中間層と、が形成されており、
前記中間層の結晶間には隙間が形成されており、該隙間に前記シール材が入り込んでいることを特徴とする燃料電池シール構造。 - 前記硬質炭素皮膜が形成されたシール面に、前記硬質炭素皮膜が不在となる部分と前記中間層の隙間とから構成される溝部を形成したことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池シール構造。
- 前記中間層は、膜厚方向へ成長させた柱状結晶構造を有しており、
前記隙間は、前記中間層の柱状結晶間の隙間からなることを特徴とする請求項1または2に記載の燃料電池シール構造。 - 前記シール面に形成された前記硬質炭素皮膜及び中間層の幅が、前記シール材の幅よりも広いことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の燃料電池シール構造。
- 前記構成部品は、対峙する面の少なくとも一方に、凸部または凹部を有しており、
該凸部の先端面または凹部の底面に、前記硬質炭素皮膜及び中間層が形成されたシール面が設けられていることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の燃料電池シール構造。 - 前記構成部品は、隣接する二つの燃料電池用セパレータ、または、膜電極接合体および該膜電極接合体に隣接する燃料電池用セパレータであり、
前記セパレータは、前記硬質炭素皮膜及び中間層が形成されたシール面を有することを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の燃料電池シール構造。 - 前記シール面に形成された硬質炭素皮膜が、導電性を有することを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の燃料電池シール構造。
- 前記構成部品は、面方向に広がる一の面、および該一の面の外周縁から厚さ方向に延設された外周端面を有する扁平形状の基材と、少なくとも前記外周端面を覆う絶縁性硬質炭素皮膜と、を有する燃料電池用セパレータであることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の燃料電池シール構造。
- 前記一の面には、流路溝が形成されており、
前記一の面の前記流路溝を含む領域が、導電性硬質炭素皮膜によって覆われていることを特徴とする請求項8に記載の燃料電池シール構造。 - 前記絶縁性硬質炭素皮膜が、前記外周端面と、前記一の面における、前記導電性硬質炭素皮膜によって覆われた領域の周囲の領域と、を覆うことを特徴とする請求項9に記載の燃料電池シール構造。
- 前記導電性硬質炭素皮膜が、前記一の面の全体を覆うことを特徴とする請求項9に記載の燃料電池シール構造。
- 前記シール材は、前記一の面上に、前記導電性硬質炭素皮膜によって覆われた領域の周囲を囲むように配置されており、
前記絶縁性硬質炭素皮膜は、前記外周端面と、前記一の面の外周縁から前記シール材までの範囲の前記一の面と、を覆うことを特徴とする請求頃10に記載の燃料電池シール構造。 - 請求項1〜12のいずれか1項に記載の燃料電池シール構造を有する燃料電池。
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