燃料电池组的制作方法

1.本公开涉及燃料电池组。


背景技术：

2.燃料电池(fc)是在将多个单电池(以下，存在记载为单元的情况)层叠而成的燃料电池组(以下，存在仅记载为电池堆的情况)中通过作为燃料气体的氢(h2)与作为氧化剂气体的氧(o2)的电化学反应而取出电能的发电装置。此外，以下，存在不特别地区别燃料气体、氧化剂气体而简称为“反应气体”或者“气体”的情况。
3.该燃料电池的单电池通常由膜电极接合体(mea：membrane electrode assembly)、和根据需要夹持该膜电极接合体的两面的两片隔离件构成。
4.膜电极接合体具有以下构造，即，在具有质子(h

)传导性的固体高分子型电解质膜(以下，也简称为“电解质膜”)的两面分别按顺序形成有催化剂层和气体扩散层。
5.隔离件通常具有在与气体扩散层相接的面形成有作为反应气体的流路的槽的构造。此外，该隔离件也作为发电的电气的集电体发挥功能。
6.在燃料电池的燃料极(阳极)，从气体流路和气体扩散层供给的氢通过催化剂层的催化剂作用而质子化，通过电解质膜并向氧化剂极(阴极)移动。同时生成的电子通过外部电路来做功，并向阴极移动。向阴极供给的氧在阴极上与质子及电子进行反应，生成水。
7.生成的水向电解质膜给予适度的湿度，多余的水透过气体扩散层并被向系统外排出。
8.对于在燃料电池车辆(以下存在记载为车辆的情况)上车载使用的燃料电池组，实施了各种研究。
9.在燃料电池组中，一般而言，采用在单电池的层叠方向上贯通的反应气体连通孔、所谓的歧管。在这样的歧管型燃料电池组中，特别是在通过发电反应生成的生成水滞留于反应气体出口歧管(出口侧反应气体连通孔)的情况下，存在当气体的扫气时生成水向单电池逆流、和在冰点下时生成水冻结致使燃料电池组的预热时间加长等风险，从而需要减少滞留水。
10.例如在专利文献1中，公开有能够使结露水沿着反应气体连通孔直接在重力方向上可靠地落下，从而能够尽量地阻止发电单元间的液体缠结的产生的燃料电池组。
11.另外，在专利文献2中公开有能够减少作业的繁琐的燃料电池单电池。
12.另外，在专利文献3中公开有能够抑制在单元内阴极面侧产生的水分存积于垫圈安装槽，因而能够抑制由于该水分的存积致使电气的产生效率降低的燃料电池用垫圈。
13.专利文献1：日本特开2010
‑
192291号公报
14.专利文献2：日本特开2019
‑
102146号公报
15.专利文献3：日本特开2006
‑
004799号公报
16.在上述专利文献1所记载的技术中，即使能够借助由气体的扫气形成的送风和重力使滞留水落下，也存在滞留水因表面张力而残存的风险。另外，在电池堆的层叠方向与重
力方向偏离时，存在不能使滞留水充分地落下的风险。
17.另外，专利文献2所记载的树脂片具有向歧管侧的突出部，但没有排水孔。因此，在专利文献2所记载的燃料电池单电池中，液体水容易在歧管附近滞留。
18.而且，若液体水残留于歧管内，则产生由气体的扫气时的送风量减少导致的扫气时间加长、和由冰点下时的滞留水冻结导致的燃料电池组的预热时间加长等问题。


技术实现要素：

19.本公开是鉴于上述实际情况而完成的，其主要目的在于提供一种能够减少歧管内的液体水的残留量，抑制由气体的扫气时的送风量减少导致的扫气时间加长，抑制由冰点下时的滞留水冻结导致的燃料电池组的预热时间加长等的燃料电池组。
20.在本公开中，提供一种燃料电池组，上述燃料电池组是将多个单电池层叠而成的层叠体，其中，上述单电池具备：在电解质膜的两面配置有一对电极的膜电极接合体、夹持该膜电极接合体的两片隔离件、以及配置于两片该隔离件之间且配置于该膜电极接合体的周围来使该隔离件彼此粘合的框状的树脂片，其特征在于，上述隔离件具有使反应气体沿该隔离件的面方向流动的反应气体流路、和用于使该反应气体沿上述单电池的层叠方向流通的反应气体供给孔和反应气体排出孔，上述树脂片具有以上述隔离件的各上述反应气体供给孔与各上述反应气体排出孔连通的方式对位配置的反应气体供给孔和反应气体排出孔，上述燃料电池组具有各上述反应气体供给孔连通后的反应气体入口歧管、和各上述反应气体排出孔连通后的反应气体出口歧管，上述燃料电池组在相互邻接的各单电池的各隔离件之间、且在上述反应气体入口歧管的周缘部以及上述反应气体出口歧管的周缘部具有垫圈，上述树脂片具有：第1突出部，沿该树脂片的面方向突出，并占有上述反应气体入口歧管所占据的第1区域的一部分；和第2突出部，向该树脂片的面方向突出，并占有上述反应气体出口歧管所占据的第2区域的一部分，
21.上述树脂片在从由上述第1突出部和上述第2突出部构成的群中选出的至少一种突出部的规定的位置具备至少一个排水孔。
22.也可以构成为：在本公开的燃料电池组的基础上，上述垫圈具有用于平行地层叠上述单电池的定尺寸部，
23.上述垫圈具有以上述定尺寸部与上述树脂片的上述突出部对位的方式延伸的延伸部。
24.根据本公开，能够提供可以减少歧管内的液体水的残留量的燃料电池组。
附图说明
25.图1是燃料电池的单电池的分解立体图。
26.图2是表示本公开的燃料电池的单电池的反应气体排出孔附近的一个例子的面方向的局部剖视图。
27.图3是表示本公开的燃料电池组的反应气体出口歧管附近的一个例子的层叠方向的局部剖视图。
28.图4是表示用于本公开的垫圈的反应气体排出孔附近的该垫圈的一个例子的面方向的剖视图。
29.图5是表示本公开的燃料电池组的反应气体出口歧管附近的另一个例子的层叠方向的局部剖视图。
30.附图标记说明
31.20
…
膜电极接合体；22a
…
阳极侧气体扩散层；22c
…
阴极侧气体扩散层；33
…
隔离件；33a
…
阳极侧隔离件；33c
…
阴极侧隔离件；34a
…
阳极流路；34c
…
阴极流路；35a、35c
…
制冷剂流路；36
…
反应气体排出孔(反应气体出口歧管)；40
…
树脂片；41
…
突出部；42
…
排水孔；50
…
垫圈(定尺寸部)；51
…
延伸部；52
…
排水孔；60
…
单电池；70
…
燃料电池组；a1～a3、a4～a6
…
阳极侧隔离件33a的孔；c1～c3、c4～c6
…
阴极侧隔离件33c的孔；s1～s3、s4～s6
…
树脂片40的孔。
具体实施方式
32.在本公开中，提供一种燃料电池组，上述燃料电池组是将多个单电池层叠而成的层叠体，其中，所述单电池具备：在电解质膜的两面配置有一对电极的膜电极接合体、夹持该膜电极接合体的两片隔离件、以及配置于两片该隔离件之间且配置于该膜电极接合体的周围来使该隔离件彼此粘合的框状的树脂片，其特征在于，上述隔离件具有使反应气体沿该隔离件的面方向流动的反应气体流路、和用于使该反应气体沿上述单电池的层叠方向流通的反应气体供给孔和反应气体排出孔，上述树脂片具有以上述隔离件的各上述反应气体供给孔与各上述反应气体排出孔连通的方式对位配置的反应气体供给孔和反应气体排出孔，上述燃料电池组具有各上述反应气体供给孔连通后的反应气体入口歧管、和各上述反应气体排出孔连通后的反应气体出口歧管，上述燃料电池组在相互邻接的各单电池的各隔离件之间、且在上述反应气体入口歧管的周缘部以及在上述反应气体出口歧管的周缘部的各周缘部具有垫圈，上述树脂片具有：第1突出部，沿该树脂片的面方向突出，并占有上述反应气体入口歧管所占据的第1区域的一部分；和第2突出部，沿该树脂片的面方向突出，并占有上述反应气体出口歧管所占据的第2区域的一部分，上述树脂片在从由上述第1突出部和上述第2突出部构成的群中选出的至少一种突出部的规定的位置具备至少一个排水孔。
33.当在冰点下环境中车辆停止时，为了对液体水进行排水，需要实施气体的扫气处理。液体水存在因毛细管力而滞留于单电池间的垫圈近旁的空间的情况。而且，在气体的扫气处理结束后，存在将滞留于垫圈近旁的空间的液体水从垫圈近旁的空间向歧管内挤出而在歧管内产生液体泄漏的情况。
34.液体泄漏的液体水向隔离件的气体流路、和排气排水阀等移动，若该液体泄漏的液体水在车辆停止中冻结，则存在车辆的冰点下启动变得困难的问题。
35.通过减少气体的扫气流量并使得歧管内的压力与垫圈近旁的空间的压力相等，能够防止上述问题，但存在气体的扫气时间需要变长的问题。
36.这里，具体而言，可以认为在歧管内产生液体水的液体泄漏的原因是由以下的理由引起的。
37.(1)在电池堆的发电时，液体水的一部分因毛细管力而向各单电池间的垫圈近旁(歧管周缘部)的空间移动，液体水逐渐积存于垫圈近旁的空间。
38.(2)在气体的扫气前，歧管内的压力p1与垫圈近旁的空间(未充满液体水的空间)的压力p2相等(p1＝p2)。
39.(3)在气体的扫气前半部分，通过气体的扫气歧管内的压力从p1增加到p1

，歧管内的压力p1

大于垫圈旁边的压力p2(p1

＞p2)。
40.(4)在气体的扫气后半部分，压缩气体，从而垫圈近旁的空间的压力p2增加并变为p2

，歧管内的压力p1

与垫圈近旁的空间的压力p2

相等(p1

＝p2

)。
41.(5)在气体的扫气结束后，因气体的扫气结束而歧管内的压力从p1

降低至p1
‑
，歧管内的压力p1
‑
小于垫圈近旁的空间的压力p2

(p1
‑
＜p2

)。由此，垫圈近旁的空间的气体膨胀，将垫圈近旁的空间的液体水挤出而产生液体泄漏。
42.本研究者发现了通过在树脂片的突出部设置排水孔，能够减少歧管内的液体水的残留量。
43.本公开的燃料电池组层叠多个燃料电池的单电池而构成。
44.并不特别地限定单电池的层叠数，例如，可以是2～数百个，也可以是2～200个。
45.燃料电池组也可以在单电池的层叠方向的两端具备端板。
46.燃料电池的单电池具备在电解质膜的两面配置有一对电极的膜电极接合体、夹持该膜电极接合体的两片隔离件、以及配置于两片该隔离件之间并使该隔离件彼此粘合的框状的树脂片。
47.一对电极的一方是氧化剂极，另一方是燃料极。
48.氧化剂极包括氧化剂极催化剂层和气体扩散层。
49.燃料极包括燃料极催化剂层和气体扩散层。
50.氧化剂极催化剂层和燃料极催化剂层例如也可以具备促进电化学反应的催化剂金属、具有质子传导性的电解质、以及具有电子传导性的碳粒子等。
51.作为催化剂金属，例如能够使用白金(pt)、和由pt与其他金属构成的合金(例如混合了钴、和镍等的pt合金)等。
52.作为电解质，也可以是氟类树脂等。作为氟类树脂，例如也可以使用全氟磺酸溶液等。
53.上述催化剂金属担载于碳粒子上，在各催化剂层，担载有催化剂金属的碳粒子(催化剂粒子)与电解质也可以混合存在。
54.用于担载催化剂金属的碳粒子(担载用碳粒子)例如也可以使用通过对一般出售的碳粒子(碳粉末)进行加热处理来提高自身的疏水性的疏水化碳粒子等。
55.气体扩散层也可以是具有透气性的导电性部件等。
56.作为导电性部件，例如能够举出碳布和碳纸等碳多孔体、和金属网及发泡金属等金属多孔体等。
57.电解质膜也可以是固体高分子电解质膜。作为固体高分子电解质膜，例如能够举出包含水分的全氟磺酸的薄膜等氟类电解质膜、和烃类电解质膜等。作为电解质膜，例如也可以是全氟磺酸膜(杜邦公司制)等。
58.隔离件具有使反应气体沿该隔离件的面方向流动的反应气体流路、和用于使该反应气体沿单电池的层叠方向流通的反应气体供给孔及反应气体排出孔。
59.反应气体供给孔能够举出燃料气体供给孔、和氧化剂气体供给孔等。
60.反应气体排出孔能够举出燃料气体排出孔、和氧化剂气体排出孔等。
61.隔离件也可以具有用于使制冷剂向单电池的层叠方向流通的制冷剂供给孔和制
冷剂排出孔。
62.隔离件也可以在与气体扩散层连接的面具有反应气体流路。另外，隔离件也可以在与和气体扩散层连接的面相反的一侧的面具有用于将电池堆温度保持恒定的制冷剂流路。
63.隔离件也可以是不透气的导电性部件等。作为导电性部件，例如也可以是将碳压缩而成为不透气的致密质碳、和冲压成型的金属板等。另外，隔离件也可以具备集电功能。
64.燃料电池组具有各反应气体供给孔连通后的反应气体入口歧管、和各反应气体排出孔连通后的反应气体出口歧管。
65.反应气体入口歧管能够举出阳极入口歧管和阴极入口歧管等。
66.反应气体出口歧管能够举出阳极出口歧管和阴极出口歧管等。
67.燃料电池组也可以具有各制冷剂供给孔连通后的制冷剂入口歧管、和各制冷剂排出孔连通后的制冷剂出口歧管。
68.树脂片是配置于单电池具备的两片隔离件(阳极侧隔离件和阴极侧隔离件)之间并且膜电极接合体的周围的框状的树脂部件。
69.另外，树脂片是用于防止交叉泄漏、膜电极接合体的催化剂层彼此的电短路的树脂部件。
70.树脂片也可以包括框状的树脂制的芯层、和设置于芯层的两面的框状的两个粘合层、即第1粘合层和第2粘合层。
71.第1粘合层和第2粘合层与芯层相同，在芯层的两面设置为框状。
72.树脂片在从膜电极接合体的平面偏移的位置与膜电极接合体平行地延伸。也可以在框状的树脂片的内侧周缘部分与膜电极接合体的周缘区域之间配置粘合剂来将二者粘合。
73.粘合剂例如可以是热固化性树脂，也可以是紫外线固化性树脂。粘合剂的涂覆前的状态例如也可以是冻胶状、凝胶状、乳状的任意一个。
74.芯层也可以由即使在单电池的制造工序中的热压时的温度条件下构造也不会变化的材料形成。具体而言，芯层的材料例如是pen(聚萘二甲酸乙二醇酯)、pes(聚醚砜)、pet(聚对苯二甲酸乙酯)等。
75.第1粘合层和第2粘合层为了将芯层与阳极侧隔离件及阴极侧隔离件粘合来确保密封性，也可以具有与其他物质的粘合性较高、在热压时的温度条件下软化、并且与芯层相比粘度和熔点较低的性质。具体而言，第1粘合层和第2粘合层可以是聚酯系和改性烯烃系等热塑性树脂，也可以是作为改性环氧树脂的热固化性树脂。
76.在树脂片中，第1粘合层和第2粘合层也可以分别仅设置于与阳极侧隔离件及阴极侧隔离件粘合的部分。设置于芯层的一个面的第1粘合层也可以与阴极侧隔离件粘合。设置于芯层的另一面的第2粘合层也可以与阳极侧隔离件粘合。而且，树脂片由一对隔离件夹持。
77.树脂片具有以隔离件的各反应气体供给孔与各反应气体排出孔连通的方式对位配置的反应气体供给孔和反应气体排出孔。
78.树脂片具有：第1突出部，沿该树脂片的面方向突出，并占有反应气体入口歧管所占据的第1区域的一部分；和第2突出部，沿该树脂片的面方向突出，并占有反应气体出口歧
管所占据的第2区域的一部分。
79.并不特别地限定树脂片的突出部的形状，但树脂片通常为了避免由隔离件彼此的接触引起的短路，在面方向上延伸得比隔离件稍长，从而防止由产生了隔离件的长度的偏差的情况下的隔离件彼此的接触引起的短路。因此，树脂片的突出部可以朝向歧管的中心延伸为同心圆状，另外，也可以延伸为歧管的面积变小。
80.树脂片在从由第1突出部和第2突出部构成的群中选出的至少一种突出部的规定的位置至少具备一个排水孔即可。对于生成水而言，与反应气体入口歧管相比，主要在反应气体出口歧管更多，因此可以在作为反应气体出口歧管侧的突出部的第2突出部的规定的位置具备排水孔，也可以在第1突出部与第2突出部双方的突出部的规定的位置具备排水孔。
81.并不特别地限定排水孔的数量，具有一个以上即可，也可以隔着规定的间隔具有多个。
82.并不特别地限定排水孔的位置。例如，当在树脂片的膜电极接合体侧设置有由隔离件形成的制冷剂流路和反应气体流路的情况下，排水孔可以设置于单电池的外周侧，也可以也设置于膜电极接合体侧。另一方面，当在树脂片的膜电极接合体侧没有设置由隔离件形成的制冷剂流路和反应气体流路的情况下，通常，生成水从膜电极接合体侧流过来，因此排水孔也可以设置于膜电极接合体侧。
83.燃料电池组在相互邻接的各单电池的各隔离件之间、并且在上述反应气体入口歧管的周缘部、以及在上述反应气体出口歧管的周缘部的各周缘部具有垫圈。
84.垫圈也可以具有用于平行地层叠单电池的定尺寸部。
85.垫圈也可以具有以定尺寸部与树脂片的突出部对位的方式延伸的延伸部。
86.延伸部也可以具备与设置于树脂片的突出部的规定的位置的排水孔对位的排水孔。
87.延伸部具备的排水孔的数量可以与突出部具备的排水孔的数量相同，也可以不同，但从减少歧管内的液体水的残留量的观点出发，也可以相同。
88.参照图1，对本公开的燃料电池的单电池的基本的构造进行说明。
89.图1是单电池60的分解立体图。燃料电池组通过层叠多个单电池60而构成。该燃料电池组是接受作为反应气体的燃料气体(例如氢)和氧化剂气体(例如氧)的供给来发电的固体高分子型燃料电池。
90.单电池60包括膜电极接合体20、和从两侧夹着膜电极接合体20的阳极侧隔离件33a及阴极侧隔离件33c。
91.膜电极接合体20在电极的阳极侧和阴极侧分别具有阳极侧气体扩散层22a和阴极侧气体扩散层22c，因此也被称为膜电极气体扩散层接合体(mega)。
92.在膜电极接合体20的周缘区域设置有树脂片(密封用粘合层叠体)40，上述树脂片(密封用粘合层叠体)40的形状为框状，具有电绝缘性，并起到密封功能。
93.在阳极侧隔离件33a的两个短边的一侧形成有孔a1～a3，在另一侧形成有孔a4～a6。同样，在阴极侧隔离件33c的两个短边的一侧形成有孔c1～c3，在另一侧形成有孔c4～c6。
94.在树脂片40的两个短边的一侧形成有孔s1～s3，在另一侧形成有孔s4～s6。孔a1、
s1以及c1连通来划定阴极入口歧管。同样，孔a2、s2以及c2划定制冷剂出口歧管，孔a3、s3以及c3划定阳极出口歧管，孔a4、s4以及c4划定阳极入口歧管，孔a5、s5以及c5划定制冷剂入口歧管，孔a6、s6以及c6划定阴极出口歧管。
95.在与膜电极接合体20对置的阳极侧隔离件33a的面形成有将阳极入口歧管与阳极出口歧管连通来供燃料气体流动的阳极流路34a。同样，在与膜电极接合体20对置的阴极侧隔离件33c的面形成有将阴极入口歧管与阴极出口歧管连通来供氧化剂气体流动的阴极流路34c。在阳极侧隔离件33a的与阳极流路34a相反的一侧的面、和阴极侧隔离件33c的与阴极流路34c相反的一侧的面分别形成有将制冷剂入口歧管与制冷剂出口歧管连通并供制冷剂流动的制冷剂流路35a和35c。
96.图2是表示本公开的燃料电池的单电池的反应气体排出孔附近的一个例子的面方向的局部剖视图。
97.如图2所示，在燃料电池的单电池60的反应气体排出孔36附近，按顺序层叠有树脂片40、隔离件33以及垫圈50。树脂片40具有突出部41，上述突出部41向面方向突出，并占据反应气体排出孔(反应气体出口歧管)36所占据的第2区域的一部分。在突出部41设置有排水孔42。此外，为了方便，省略了mea的记载。另外，图2所示的垫圈50示出了不具有延伸部、并且也不具有排水孔的情况下的垫圈的一个例子。
98.图3是表示本公开的燃料电池组的反应气体出口歧管附近的一个例子的层叠方向的局部剖视图。
99.图3是具有图2所示的单电池的燃料电池组的一个例子。
100.如图3所示，燃料电池组70的反应气体出口歧管36附近具有多个按顺序层叠有阳极侧隔离件33a、树脂片40、阴极侧隔离件33c以及垫圈50的单电池60。树脂片40具有突出部41，上述突出部41沿面方向突出，并占据反应气体出口歧管36所占据的第2区域的一部分。在突出部41设置有排水孔42。此外，为了方便，省略了mea的记载。另外，图3所示的垫圈50示出了不具有延伸部、并且也没有排水孔的情况下的垫圈的一个例子。
101.图4是表示用于本公开的垫圈的反应气体排出孔附近的该垫圈的一个例子的面方向的剖视图。
102.如图4所示，垫圈(定尺寸部)50具有延伸部51，上述延伸部51沿面方向突出，并占据反应气体排出孔(反应气体出口歧管)36所占据的第2区域的一部分。在延伸部51设置有排水孔52。因此，图4是表示具有延伸部、并且具有排水孔的情况下的垫圈的一个例子。
103.图5是表示本公开的燃料电池组的反应气体出口歧管附近的另一个例子的层叠方向的局部剖视图。
104.图5是具有拥有延伸部、并且具有排水孔的情况下的垫圈的燃料电池组的一个例子。
105.如图5所示，燃料电池组70的反应气体出口歧管36附近具有多个按顺序层叠有阳极侧隔离件33a、树脂片40、阴极侧隔离件33c以及垫圈50的单电池。树脂片40具有突出部41，上述突出部41向面方向突出，并占据反应气体出口歧管36占据的第2区域的一部分。在突出部41设置有排水孔42。另外，垫圈(定尺寸部)50具有延伸部51，上述延伸部51沿面方向突出，并与突出部41对位配置。在延伸部51设置有与突出部41的排水孔42对位配置的排水孔52。此外，为了方便，省略了mea的记载。