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公開番号2022175654
公報種別公開特許公報(A)
公開日2022-11-25
出願番号2021082268
出願日2021-05-14
発明の名称燃料電池
出願人トヨタ自動車株式会社
代理人個人,個人,個人
主分類H01M 8/0273 20160101AFI20221117BHJP(基本的電気素子)
要約【課題】ひずみ応力の発生を抑制することができる燃料電池を提供する。
【解決手段】膜電極ガス拡散層接合体と、樹脂フレームと、第1セパレータと、第2セパレータを備え、前記樹脂フレームは、前記膜電極ガス拡散層接合体を配置可能な開口部と当該開口部を囲む骨格部と、を有し、前記第2セパレータは前記樹脂フレームとの当接部位かつ前記骨格部の内周縁部に対向する領域の四隅に凸部を備え、前記第2セパレータは前記凸部が前記樹脂フレームに食い込んだ状態で前記樹脂フレームと当接するか、又は、前記第2セパレータは前記樹脂フレームとの当接部位かつ前記骨格部の内周縁部に対向する領域の四隅に接着剤を備え、前記第2セパレータは前記接着剤を介して前記樹脂フレームと接合していることを特徴とする燃料電池。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項1】
燃料電池であって、
前記燃料電池は、膜電極ガス拡散層接合体と、樹脂フレームと、第1セパレータと、第2セパレータを備え、
前記膜電極ガス拡散層接合体は、第1ガス拡散層、第1触媒層、電解質膜、第2触媒層、及び、第2ガス拡散層をこの順に有し、
前記膜電極ガス拡散層接合体は、略長方形状であり、
前記樹脂フレームは、前記膜電極ガス拡散層接合体の外周に配置され、且つ、前記第1セパレータと前記第2セパレータとの間に配置され、
前記樹脂フレームは、前記膜電極ガス拡散層接合体を配置可能な開口部と当該開口部を囲む骨格部と、を有し、
前記第2セパレータは前記樹脂フレームとの当接部位かつ前記骨格部の内周縁部に対向する領域の四隅に凸部を備え、前記第2セパレータは前記凸部が前記樹脂フレームに食い込んだ状態で前記樹脂フレームと当接するか、又は、
前記第2セパレータは前記樹脂フレームとの当接部位かつ前記骨格部の内周縁部に対向する領域の四隅に接着剤を備え、前記第2セパレータは前記接着剤を介して前記樹脂フレームと接合していることを特徴とする燃料電池。
続きを表示(約 230 文字)【請求項2】
前記第2セパレータは前記樹脂フレームとの当接部位かつ前記骨格部の内周縁部に対向する領域の四隅に凸部を備え、且つ、
前記第2セパレータは前記樹脂フレームとの当接部位かつ前記骨格部の内周縁部に対向する領域の四隅に接着剤を備え、
前記第2セパレータは前記凸部が前記樹脂フレームに食い込んだ状態で前記樹脂フレームと当接し、且つ、前記第2セパレータは前記接着剤を介して前記樹脂フレームと接合している、請求項1に記載の燃料電池。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本開示は、燃料電池に関する。
続きを表示(約 2,300 文字)【背景技術】
【0002】
燃料電池(FC)は、1つの単セル(以下、セルと記載する場合がある)又は複数の単セルを積層した燃料電池スタック(以下、単にスタックと記載する場合がある)で構成され、水素等の燃料ガスと酸素等の酸化剤ガスとの電気化学反応によって電気エネルギーを取り出す発電装置である。なお、実際に燃料電池に供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスは、酸化・還元に寄与しないガスとの混合物である場合が多い。特に酸化剤ガスは酸素を含む空気である場合が多い。
なお、以下では、燃料ガスや酸化剤ガスを、特に区別することなく単に「反応ガス」あるいは「ガス」と呼ぶ場合もある。また、単セル、及び、単セルを積層した燃料電池スタックのいずれも、燃料電池と呼ぶ場合がある。
この燃料電池の単セルは、通常、膜電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)を備える。
膜電極接合体は、固体高分子型電解質膜(以下、単に「電解質膜」あるいは「膜」とも呼ぶ)の両面に、それぞれ、触媒層及びガス拡散層(GDL、以下単に拡散層と記載する場合がある)が順に形成された構造を有している。そのため、膜電極接合体は、膜電極ガス拡散層接合体(MEGA)と称される場合がある。
単セルは、必要に応じて当該膜電極ガス拡散層接合体の両面を挟持する2枚のセパレータを有する。セパレータは、通常、ガス拡散層に接する面に反応ガスの流路としての溝が形成された構造を有している。なお、このセパレータは電子伝導性を持ち、発電した電気の集電体としても機能する。
燃料電池の燃料極(アノード)では、ガス流路及びガス拡散層から供給される燃料ガスとしての水素(H

)が触媒層の触媒作用によりプロトン化し、電解質膜を通過して酸化剤極(カソード)へと移動する。同時に生成した電子は、外部回路を通って仕事をし、カソードへと移動する。カソードに供給される酸化剤ガスとしての酸素(O

)は、カソードの触媒層でプロトンおよび電子と反応し、水を生成する。生成した水は、電解質膜に適度な湿度を与え、余剰な水はガス拡散層を透過して、系外へと排出される。
【0003】
燃料電池において、燃料ガスや酸化剤ガスの漏洩を防止するために、膜電極接合体とシール部材とを一体的に形成する技術が提案されている。
例えば特許文献1では、燃料電池スタックにおいて、シールガスケット一体型MEAの電解質膜とシール部材の剥離を防止する技術が開示されている。
【0004】
特許文献2では、接着剤が用いられる燃料電池において、接着剤中の気泡を低減する燃料電池が開示されている。
【0005】
特許文献3では、外部リークを防止する優れたガスシール性と、優れた電気絶縁性を兼ね備えた燃料電池が開示されている。
【0006】
特許文献4では、枠部材のうちセパレータのバッファ部に対向する部位の剛性を高めることができ、製造コストの低廉化を図ることができる枠付き電解質膜・電極構造体の製造方法、枠付き電解質膜・電極構造体及び燃料電池が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
特開2008-034156号公報
特開2018-073523号公報
特開2016-085892号公報
特開2020-119885号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
燃料電池を搭載するスペースの都合上、燃料電池を直方体とすることが一般的である。それによって膜電極接合体も四角形となり、上記特許文献1で備えられる樹脂フレームも膜電極接合体の外周に沿わせた形となるため開口部のある四角形となる。燃料電池が低温となり樹脂フレームが低温にさらされたとき、熱収縮による変形でひずみ応力が開口部の4隅部分で集中的に発生することで樹脂フレームが裂ける課題が発生する。
【0009】
本開示は、上記実情に鑑みてなされたものであり、ひずみ応力の発生を抑制することができる燃料電池を提供することを主目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0010】
本開示の燃料電池は、燃料電池であって、
前記燃料電池は、膜電極ガス拡散層接合体と、樹脂フレームと、第1セパレータと、第2セパレータを備え、
前記膜電極ガス拡散層接合体は、第1ガス拡散層、第1触媒層、電解質膜、第2触媒層、及び、第2ガス拡散層をこの順に有し、
前記膜電極ガス拡散層接合体は、略長方形状であり、
前記樹脂フレームは、前記膜電極ガス拡散層接合体の外周に配置され、且つ、前記第1セパレータと前記第2セパレータとの間に配置され、
前記樹脂フレームは、前記膜電極ガス拡散層接合体を配置可能な開口部と当該開口部を囲む骨格部と、を有し、
前記第2セパレータは前記樹脂フレームとの当接部位かつ前記骨格部の内周縁部に対向する領域の四隅に凸部を備え、前記第2セパレータは前記凸部が前記樹脂フレームに食い込んだ状態で前記樹脂フレームと当接するか、又は、
前記第2セパレータは前記樹脂フレームとの当接部位かつ前記骨格部の内周縁部に対向する領域の四隅に接着剤を備え、前記第2セパレータは前記接着剤を介して前記樹脂フレームと接合していることを特徴とする。
(【0011】以降は省略されています)

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