JP2004139905A - Fuel cell and manufacturing method of the same - Google Patents

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JP2004139905A JP2002304978A JP2002304978A JP2004139905A JP 2004139905 A JP2004139905 A JP 2004139905A JP 2002304978 A JP2002304978 A JP 2002304978A JP 2002304978 A JP2002304978 A JP 2002304978A JP 2004139905 A JP2004139905 A JP 2004139905A
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separator
stack
heating
laminate
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Atsushi Miyazawa
宮澤 篤史
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a manufacturing method of a fuel cell for improving the airtightness of a fuel cell stack even if the shapes of separators are not uniform, and improving power generating property by lowering contact resistance. <P>SOLUTION: The manufacturing method of the solid polymer fuel cell is composed of three processes on the whole which are a first process (S1) of forming a separator member of which thermosetting resin is in a half-cured state, a second process (S2) of forming the fuel cell stack (lamination body) by laminating a plurality of unit cells using the separator member in the half-cured state formed at S1, and a third process (S3) of curing the thermosetting resin by heating the stack while pressing the laminated surfaces of the fuel cell stack. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電解質を備えた燃料電池の中でも特に固体高分子型燃料電池及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
固体高分子型燃料電池は、運転温度が室温〜100℃程度と低く、起動時間が短く、高出力密度で小型軽量であることから電動車両の電源として鋭意研究開発されている。
【0003】
固体高分子型燃料電池の動作原理は以下の通りである。燃料(水素)ガスは、燃料極(アノード)で触媒による酸化反応によって水素イオン(H+、プロトン)と電子に分かれる。水素イオンは、水和状態(H+・xH2O)で周囲に数個の水分子を伴って高分子電解質中を燃料極から酸化剤極(カソード)へ移動する。一方、電子は電子導電性の電極を移動して外部の負荷回路を経てカソードへと移動する。外部回路を移動してきた電子と、高分子電解質中を移動してきた水素イオンは、外部から供給される空気中の酸素によってカソードで還元反応して水を生成する。
【0004】
固体高分子型燃料電池で使用する固体高分子電解質は、湿潤状態でなければ良好な水素イオン伝導性を発揮しない。またアノードで解離した水素イオンは、水和状態で電解質中をカソードへ移動するため、電解質膜のアノード表面付近では、水が不足する状態となり、連続して発電を維持するためには水を補給する必要がある。通常、この水の補給は、アノードに供給する水素ガスを加湿することで行われている。また、カソードへ供給する空気を加湿する場合もある。
【0005】
この固体高分子型燃料電池は、負荷出力時の単位セルの電圧が1V程度と低いため、車両駆動用電源とする場合には、通常数百セルを積層した積層体(燃料電池スタックと呼ばれる)を構成して、セル間の直列接続による数百Vの出力電圧が利用されている。
【0006】
固体高分子型燃料電池の単位セルは、水素イオン伝導性電解質の膜の両面にアノード電極及びカソード電極が形成された膜・電極複合体(MEA)と、アノード電極の外側に配され水素ガス流路を有する第1のセパレータと、カソード電極の外側に配され酸化剤ガス流路を有する第2のセパレータとを備えて構成されている。
【0007】
そして、複数の単位セルを積層して積層体を構成する場合、積層体の両端には、エンドプレートと呼ばれるプレートが配置され、両エンドプレート間を複数のタイロッドにて締め付けるか、ベルトなどを用いて積層体に荷重をかける構造をとっている。
【0008】
このような燃料電池用のセパレータやその製造方法に関する従来技術としては、例えば、特許文献1記載の技術が知られている。この従来技術によれば、第1のセパレータ及び第2のセパレータをそれぞれハーフセパレータと呼び、各ハーフセパレータを多孔質炭素層と緻密質炭素層からなる傾斜炭素板で構成している。そして、各セルのMEAを第1のセパレータと第2のセパレータとで挟むと共に、隣接するセル間のセパレータの対向面を導電性の黒鉛ペーストを塗布して重ね合わせている。
【0009】
このセパレータに用いる傾斜炭素板を製作する場合、一面側にガス流路が形成された多孔質炭素板の他面側に熱硬化性樹脂の薄膜を形成し、薄膜が形成された多孔質炭素板を加熱処理して前記薄膜をシール性のある緻密質炭層層に変成していた。
【0010】
【特許文献1】
特許2860209号(段落番号0039〜0040、図4)
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記従来技術においては、黒鉛粉/樹脂の複合材を成形したセパレータを含むセルを多数積層してスタックを形成する場合、セパレータの反りや厚さ精度の不十分などにより、セパレータやMEAに過大な応力が加わり信頼性がが低下するという問題点があった。
【0012】
また、セパレータの局所的な歪みがスタック圧縮後にも保持され、ガスケットによるガスシール性が不十分になるという問題点があった。
【0013】
更に、セパレータの平面度の不均一は、セパレータとMEAの電極ガス拡散層との接触抵抗を大きくし、結果として発電性能が低下するという問題点があった。
【0014】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記問題点を解決するため、電解質体と、該電解質体の対向する両主面に配置される燃料極及び酸化剤極と、前記電解質体並びに前記燃料極及び酸化剤極の外側に配置され、かつそれぞれに反応ガス流路を備えた第1および第2のセパレータからなる単位セルを複数積層して積層体を構成した燃料電池において、前記単位セルを積層する際に、前記セパレータに含まれる熱硬化性樹脂の硬化度が半硬化状態であることを要旨とする。
【0015】
【発明の効果】
本発明によれば、セパレータが完全に硬化する前に積層するので、各セルを構成する部材間及び隣接するセル同士のなじみがよくなり、冷却水及び反応ガスのシール性が向上するとともに、接触抵抗の低下により燃料電池発電性能が向上する。
【0016】
【発明の実施の形態】
次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図1は、本発明に係る固体高分子型燃料電池の実施形態における積層体(燃料電池スタック)の構造を説明する組み立て図である。
本実施形態では、寸法が300〔mm〕×200〔mm〕×1.8〔mm〕のセパレータ13,14を用いて図1のように積層した。
【0017】
一つの単位セル24は、両面にガス拡散層16が形成された電解質膜15を上下からガスケット21と共にアノード側セパレータ13およびカソード側セパレータ14で挟んで構成される。本実施形態では50セルを積層して燃料電池スタックを構成した。
【0018】
アノード側セパレータ13の上面には、燃料電池スタックを冷却するための冷却水流路17が形成され、電解質膜15と対向するアノードセパレータ13の下面には、水素リッチな燃料ガスを流すための図示しないアノード側燃料ガス流路が形成されている。電解質膜15と対向するカソード側セパレータ14の上面には、空気等の酸化剤ガスを流すためのカソード側酸化剤ガス流路18が形成されている。
【0019】
複数セルを積層した両端部には、アノード側セパレータ13、カソード側セパレータ14と向かい合う形でそれぞれ電流取り出し板12が配置され、更にこの外側にインシュレータ(断熱板)11が配置される。更に外側からエンドプレート10が配置される。
【0020】
図中上方のエンドプレート10には、ガス導入口22と、冷却水導入口23が設けられ、図中下方のエンドプレート10には、同様なガス導出口と冷却水導出口が設けられている。
【0021】
各構成部材には、締め付けボルト貫通穴19があり、締め付けボルト20の締め付けによって、両端のエンドプレート10が燃料電池スタックに面圧を加える形態を取っている。
【0022】
図2は、図1に示した固体高分子型燃料電池の製造方法の概略を説明する概略フローチャートである。
図2において、本発明に係る固体高分子型燃料電池の製造方法は、概略3つの工程からなり、熱硬化性樹脂が半硬化状態のセパレータ部材を成形する第1の工程(S1)と、S1で形成された半硬化状態のセパレータ部材を用いて単位セルを複数積層して燃料電池スタック(積層体)とする第2の工程(S2)と、燃料電池スタックの積層面に圧力を加えながら該スタックを加熱して、熱硬化性樹脂を硬化させる第3の工程(S3)とを備えている。
【0023】
次に、セパレータの成形材料に用いる熱硬化性樹脂の特性について説明する。熱硬化性樹脂は、熱を加えて硬化させるものであるが、物の形を成形する際に完全硬化させない程度(半硬化状態)に加熱した後、常温に戻して再び加熱すると、再び加熱した時点で一旦軟化し(図4(c)のT1期間)、その加熱した温度を維持すると再び硬化する特性がある。
【0024】
本発明では、この特性を利用して半硬化状態のセパレータを用いて常温でスタックを積層した後に、スタックを加熱することで、セパレータを積層する際に生じるシール性や接触性の悪化を防止するものである。
【0025】
本発明では、まず、セパレータを加熱成形する際に従来のように完全硬化をさせず半硬化状態で成形し、この半硬化状態のセパレータを用いて燃料電池スタックを仮組みする。
【0026】
次いで、仮組みしたスタックを加温するために、セパレータの冷却水流路に温水を流したり、水素ガス流路または酸化剤ガス流路(以下、併せてガス流路と呼ぶ)に加温ガスを流す。この加温により、セパレータが軟化したら、セパレータ同士のなじみを良くするため増し締めを行い、ここでシール性や接触性の向上を計る。なお、増し締めは必ずしも行わなくてもなじみがよくなる効果はある。
【0027】
そして引き続き温水(加温ガス)を流しつづけ、セパレータを完全に硬化させる。これにより、成形したセパレータに反りや歪みがあっても、セパレータを含む単位セルを複数積層する際に生じるシール性や接触性の悪化を防止することができる。
【0028】
本実施形態に用いたセパレータは、黒鉛粉100重量部に対して、熱硬化性樹脂の1つであるノボラック型フェノール樹脂19重量部、硬化剤としてヘキサミン(ヘキサメチレンテトラミン)1重量部および内部離型剤1.2重量部を主成分としたものを、圧縮成形にて2分間成形したものを用いた。成形後は成形時と同様の温度にて30分間後加熱を行って半硬化状態のセパレータ部材とした。
【0029】
なお、本発明における熱硬化性樹脂はフェノール樹脂に限らず、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、メラミン樹脂、尿素樹脂、ポリアクリロニトリル樹脂、ポリイミド樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ジアリルフタレート樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、ポリカルボジイミド樹脂のうちの少なくとも1つ以上を組成内に有するものであり、これらの硬化および硬化促進に必要な各種添加剤も含まれる。
【0030】
また、黒鉛は天然黒鉛および人造黒鉛のどちらでも使用することが可能で、その形状も塊状・燐片状・針状・球状のいずれも適宜使用することが可能である。内部離型剤は公知の炭化水素系、脂肪族系、脂肪族アミド系、エステル系、アルコール系、金属石鹸、シリコーン等のいずれも少なくとも1つ以上を使用することが可能である。
【0031】
積層前のセパレータを構成する熱硬化性樹脂の硬化度は、種々の機械的物性・電気抵抗・熱物性の測定にて知ることが出来る。また使用する樹脂の種類や成形時の温度・圧力によって硬化反応の速度は大きく異なる。また、成形後のセパレータのハンドリング性も重要であることからこれらを考慮して硬化度を適宜調整することができる。本実施形態では、熱分析(示差走査熱量測定;DSC)により成形時の温度における樹脂の反応進行度、及び成形後の室温におけるセパレータ材の曲げ強度の変化より、硬化度が完全硬化時の約75%のものを半硬化状態のセパレータ部材として燃料電池スタックの組立に用いた。なお、熱硬化性樹脂の硬化度は30〜98%の間であれば積層体組立て時のセパレータの取り扱い易さと密着性を両立させることができる。
【0032】
次に、図3の詳細フローチャートと、図4のタイムチャートを参照して、本発明に係る固体高分子型燃料電池の製造方法を詳細に説明する。図4のタイムチャートは、(a)燃料電池スタックの積層面にかかる面圧の時間変化、(b)セパレータ部材温度の時間変化、(c)完全硬化時を100%とするセパレータ部材の曲げ強度の時間変化をそれぞれ示している。
【0033】
また、図2と図3との対応は、S1(第1の工程)がS10〜S14、S2(第2の工程)がS20、S3(第3の工程)がS30〜S44にそれぞれ対応している。
【0034】
まず、図3のS10において、黒鉛粉と熱硬化性樹脂(ノボラック型フェノール樹脂)を混練し、更に硬化剤(ヘキサミン)、内部離型材を追加して、加熱混練してセパレータ用の成形材料を得る。次いでS12で、成形材料を加熱した金型で圧縮成型して、2分間保持する。
【0035】
次いでS14で、離型後、S12の成形温度と同じ温度を30分間維持するアニールを行った後、常温まで冷却して、熱硬化性樹脂が半硬化状態のセパレータ部材を得る。
【0036】
次に、S20では、こうして得られた半硬化状態のセパレータ部材を使用して、図1の様に燃料電池スタックを組み立てる(仮り組み)。
【0037】
次に、S30では、エンドプレートを締め付けて、スタック積層面に0.5MPaの面圧を加圧する。本実施形態では初期の締め付けが0.5MPaであるが、ガスケットが機能する最低必要面圧以上で圧縮すれば良い。
【0038】
次いで、S32で、燃料電池スタックの冷却水流路に80℃の温水を流量10L/分で5分間循環させて、燃料電池スタックを加熱する。尚、温水温度、流量は、80℃、10L/分でなくとも必要に応じた温度を適宜決定し、必要流量で循環するのが良い。この加熱により、燃料電池スタックを構成するセパレータ部材は、図4(c)の期間T1で示すように、一時的に軟化する。
【0039】
燃料電池の加温によるセパレータの一時的な軟化によってスタックの締め付けが減少する場合がある。この場合、加温する温度でセパレータが軟化した時に0.5MPaの面圧でセパレータの流路・ガスケット用溝が変形しすぎて、面圧が低下しないようにセパレータの事前硬化調整があらかじめ必要であるが、本実施形態では面圧の時間による低下に対しては0.5MPaを維持するように逐次締め付けを調整した。
【0040】
次に、S34で、燃料電池スタックの温度が80℃になったところで締め付けボルトにて更に荷重をかけ、スタック積層面の面圧が0.8MPaとなるように設定した。S36で、温水循環に加えて、燃料電池のカソード側の空気導入口より温度80℃湿度90%(スタック温度に対する相対湿度)の加湿空気を流量3L/分で導入し、10分間維持した。この期間を図4(c)にT2で示す。これにより、セパレータ部材の硬化が進み、セパレータ部材の強度が上がる。なお、空気の温度、湿度、流量はこれのみに限定されるものではない。
【0041】
S36で燃料電池のガス流路に加湿したガスを導入することにより、構成部材の電解質膜を湿潤させることができる。実際の燃料電池作動環境では電解質膜は湿潤し、膨潤するため膜の状態も考慮した積層を行うことができる。本実施形態では、S36において加湿ガスを流したがS32の温水循環と同時に加湿ガスの供給を実施してもかまわない。
【0042】
またS34で、スタックの積層面の面圧を0.8MPaとしたが、必要に応じて面圧を決定すれば良く、場合によっては、S30で設定した面圧をS34で継続してもかまわない。
【0043】
次に、S38で、締め付けボルトを増し締めして、スタック積層面に1.2MPaの面圧を加圧する。次いでS40で、80℃の温水の循環と、温度80℃及び湿度90%の加湿ガスの供給とを15分保持した(図4のT3)。この後、S42で温水の循環と加湿ガスの供給とを停止し、S44で燃料電池スタックを常温まで放冷した。
【0044】
次に、図5を参照して、本実施の形態による固体高分子型燃料電池と、従来の製造方法による固体高分子型燃料電池の比較例との出力特性予測を示す。
【0045】
比較例は、実施の形態と同じ成分の熱硬化性樹脂を用い、熱プレスによって成形したセパレータを180℃で2時間の熱処理により樹脂を完全に硬化させた後に、燃料電池スタックを組み立てた。組み立ての際はスタックを加温することなく、面圧1.2MPaで締め付けた。
【0046】
図5において、実線が実施形態の特性であり、破線が比較例の特性である。実施形態と比較例の両スタックのI−V特性に接触抵抗分の性能差が生じ、特に電流密度が高い領域で本実施形態による燃料電池が比較例よりも高い出力電圧を示している。
【0047】
以上説明した本実施形態によれば、熱硬化性樹脂が半硬化状態のセパレータ部材を用いて燃料電池スタックを積層し、積層後に加熱して熱硬化性樹脂を硬化させるようにしたので、セパレータ同士及びセパレータと電解質膜とのシール性を向上させるとともに、接触抵抗を減じて燃料電池性能を向上させることができるという効果がある。
【0048】
尚、本実施形態では、燃料電池スタックを積層後に加熱して完全硬化させる工程も製造工程に含めたので、加熱状態を正確に制御することができる。
【0049】
次に、本実施形態の変形例を説明する。上記の実施形態では、スタック積層後の加熱温度を80℃一定として完全硬化させたが、時間と共に加熱温度を変えてもよい。この時、加熱温度に応じて、スタック積層面の荷重を変化させてもよい。また、燃料電池スタックを冷却水流路、及びガス流路を使用して内部から加熱したが、温風、スチーム等を利用してスタックを外部から加熱することもできる。
【0050】
上記の実施形態では、スタックの締め付け荷重を段階的に目標値まで増加させた例を示したが、工程を簡易化した変形例として、半硬化状態のセパレータを用いて積層したスタックを最初から目標荷重(上記実施形態の場合、1.2MPa)で締め付けた後に、スタックを加熱してもよい。
【0051】
このような変形例の場合には、燃料電池スタックの製造時に加熱工程を行わなくても、燃料電池システムを車載後に加熱することもできる。この加熱は、実際に燃料電池に発電させて車両の試運転を行うことで、燃料電池スタックの温度を運転温度まで上昇させ、セパレータの半硬化状態の熱硬化性樹脂を一時軟化→完全硬化を行わせることもできる。これにより、より簡易な方法で本発明の目的とであるセパレータを積層する際に生じるシール性や接触性の悪化を防止することができる。
【0052】
以上説明した本発明によれば、燃料電池の積層体を構成する際に、セパレータを構成する成分の1つである熱硬化性樹脂の硬化度が半硬化状態とすることにより、隣接セル間のセパレータ同士、及びセル内のセパレータと電解質膜との密着性が向上し、冷却水流路やガス流路のシール性を改善できると共に、接触抵抗を減じて高い出力電圧及び高い発電効率が得られるという効果がある。
【0053】
また、本発明によれば、半硬化状態のセパレータを用いて積層体を積層後に、積層体を加熱することにより、積層状態に応じたわずかな変形や応力緩和が起こり、セパレータの信頼性を維持することができるとともに、速やかにセパレータを硬化させることができる。
【0054】
また、本発明によれば、前記半硬化状態における熱硬化性樹脂の硬化度は、30〜98%であることとしたので、積層体組立時のセパレータの取り扱い易さとセパレータの密着性とを両立させることができる。
【0055】
また、本発明によれば、複数の単位セルを積層した後に、積層体の積層面に加える荷重を段階的に増加させることにより、セパレータの信頼性を維持しながら高い密着性を得ることができる。
【0056】
また、本発明によれば、複数の単位セルを積層した後の積層体の加熱は、積層体の冷却水流路の加熱、積層体のガス流路の加熱、または積層体の外部からの加熱の少なくとも一つにより行うようにしたので、効果的な積層体の加熱を行うことができる。
【0057】
また、本発明によれば、積層体加熱時のガス流路の加熱は、加湿ガスにより行うことにより、固体高分子膜を加湿状態でセパレータを硬化させることができ、燃料電池の運転状態における電解質膜の湿潤による膨張力を緩和することができる。
【0058】
また、本発明によれば、積層体の加熱時に、加熱する温度に応じて積層体の積層面に加える荷重を変えることにより、加熱時に一時的に軟化したセパレータの必要以上の変形を防止することができる。
【0059】
また、本発明によれば、積層体の加熱時期は、燃料電池を車両に搭載した後とすることで、燃料電池搭載後の試運転時にセパレータの完全硬化も同時に行うことができ、燃料電池積層体の製造工程を減少させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る固体高分子型燃料電池の積層体(スタック)構造を説明する組み立て図である。
【図2】本発明に係る固体高分子型燃料電池の製造方法の実施形態における組み立て手順を示す概略流れ図である。
【図3】本発明に係る固体高分子型燃料電池の製造方法の実施形態における組み立て手順を示す詳細流れ図である。
【図4】本発明に係る固体高分子型燃料電池の製造方法を説明するタイムチャートであり、(a)面圧の時間変化、(b)温度の時間変化、(c)セパレータ強度の時間変化をそれぞれ示す。
【図5】本発明に係る固体高分子型燃料電池の実施形態と比較例との接触抵抗特性を説明するI−V特性図である。
【符号の説明】
10…エンドプレート
11…インシュレーター
12…電流取り出し板
13…アノード側セパレータ
14…カソード側セパレータ
15…電解質膜
16…ガス拡散層
17…冷却水流路
18…カソード側酸化剤ガス流路
19…締め付けボルト貫通穴
20…締め付けボルト
21…ガスケット
22…ガス導入口
23…冷却水導入口
24…単位セル
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a polymer electrolyte fuel cell among fuel cells provided with an electrolyte, and a method for manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
BACKGROUND ART A polymer electrolyte fuel cell has been intensively researched and developed as a power source for an electric vehicle because of its low operating temperature of room temperature to about 100 ° C., short startup time, high power density, and small size and light weight.
[0003]
The operating principle of the polymer electrolyte fuel cell is as follows. Fuel (hydrogen) gas is separated into hydrogen ions (H +, protons) and electrons by a catalytic oxidation reaction at a fuel electrode (anode). Hydrogen ions move from the fuel electrode to the oxidizer electrode (cathode) in the polymer electrolyte with several water molecules around in the hydrated state (H + .xH2O). On the other hand, the electrons move through the electron conductive electrode and move to the cathode via an external load circuit. The electrons that have moved through the external circuit and the hydrogen ions that have moved through the polymer electrolyte undergo a reduction reaction at the cathode with oxygen in the air supplied from the outside to produce water.
[0004]
The solid polymer electrolyte used in the polymer electrolyte fuel cell does not exhibit good hydrogen ion conductivity unless it is in a wet state. In addition, hydrogen ions dissociated at the anode move to the cathode in the electrolyte in a hydrated state.Therefore, there is a shortage of water near the anode surface of the electrolyte membrane, and water is supplied to maintain power generation continuously. There is a need to. Normally, this water is supplied by humidifying the hydrogen gas supplied to the anode. In some cases, the air supplied to the cathode is humidified.
[0005]
This polymer electrolyte fuel cell has a low unit cell voltage of about 1 V at the time of load output. Therefore, when used as a vehicle drive power supply, a stack of several hundred cells is usually stacked (called a fuel cell stack). And an output voltage of several hundred volts by series connection between cells is used.
[0006]
A unit cell of a polymer electrolyte fuel cell includes a membrane-electrode assembly (MEA) in which an anode electrode and a cathode electrode are formed on both surfaces of a hydrogen ion conductive electrolyte membrane, and a hydrogen gas flow disposed outside the anode electrode. A first separator having a passage, and a second separator having an oxidizing gas passage disposed outside the cathode electrode.
[0007]
When a stack is formed by stacking a plurality of unit cells, a plate called an end plate is arranged at both ends of the stack, and the end plates are tightened with a plurality of tie rods or a belt or the like is used. To apply a load to the laminate.
[0008]
As a conventional technique relating to such a fuel cell separator and a method for manufacturing the same, for example, a technique described in Patent Document 1 is known. According to this conventional technique, the first separator and the second separator are each called a half separator, and each half separator is constituted by a gradient carbon plate composed of a porous carbon layer and a dense carbon layer. Then, the MEA of each cell is sandwiched between the first separator and the second separator, and the opposing surfaces of the separators between adjacent cells are coated with a conductive graphite paste and overlapped.
[0009]
When manufacturing a graded carbon plate used for this separator, a thin film of a thermosetting resin is formed on the other surface of the porous carbon plate having a gas flow path formed on one surface, and the porous carbon plate on which the thin film is formed. Was subjected to a heat treatment to transform the thin film into a dense coal bed having a sealing property.
[0010]
[Patent Document 1]
Patent No. 2860209 (paragraph numbers 0039 to 0040, FIG. 4)
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above-mentioned conventional technology, when a stack is formed by laminating a large number of cells including a separator formed of a graphite powder / resin composite material, the separator or the MEA is excessively large due to warpage of the separator or insufficient thickness accuracy. There is a problem that a high stress is applied and the reliability is reduced.
[0012]
In addition, there is a problem that the local distortion of the separator is retained even after the stack is compressed, and the gas sealing performance of the gasket becomes insufficient.
[0013]
Further, the non-uniformity of the flatness of the separator increases the contact resistance between the separator and the electrode gas diffusion layer of the MEA, resulting in a problem that the power generation performance is reduced.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the present invention provides an electrolyte body, a fuel electrode and an oxidizer electrode disposed on both main surfaces facing the electrolyte body, and an outer side of the electrolyte body and the fuel electrode and the oxidizer electrode. In a fuel cell in which a plurality of unit cells each comprising a first and a second separator provided with a reaction gas flow path are stacked to form a stacked body, when stacking the unit cells, the separator The point is that the degree of curing of the thermosetting resin contained in the composition is in a semi-cured state.
[0015]
【The invention's effect】
According to the present invention, since the separators are laminated before being completely cured, the familiarity between the members constituting each cell and between adjacent cells is improved, and the sealing properties of the cooling water and the reaction gas are improved, and the contact is improved. The fuel cell power generation performance is improved by the reduction in resistance.
[0016]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is an assembly diagram for explaining the structure of a stack (fuel cell stack) in an embodiment of a polymer electrolyte fuel cell according to the present invention.
In the present embodiment, the separators 13 and 14 having dimensions of 300 [mm] × 200 [mm] × 1.8 [mm] are used for lamination as shown in FIG.
[0017]
One unit cell 24 is formed by sandwiching an electrolyte membrane 15 having gas diffusion layers 16 formed on both surfaces thereof together with a gasket 21 between an anode-side separator 13 and a cathode-side separator 14 from above and below. In this embodiment, a fuel cell stack is formed by stacking 50 cells.
[0018]
A cooling water flow path 17 for cooling the fuel cell stack is formed on the upper surface of the anode-side separator 13, and a hydrogen-rich fuel gas (not shown) is flown on the lower surface of the anode separator 13 facing the electrolyte membrane 15. An anode side fuel gas flow path is formed. On the upper surface of the cathode-side separator 14 facing the electrolyte membrane 15, a cathode-side oxidant gas channel 18 for flowing an oxidant gas such as air is formed.
[0019]
At both ends where a plurality of cells are stacked, a current extraction plate 12 is arranged so as to face the anode-side separator 13 and the cathode-side separator 14, respectively, and further, an insulator (heat insulation plate) 11 is arranged outside this. Further, an end plate 10 is arranged from the outside.
[0020]
The upper end plate 10 in the figure is provided with a gas inlet 22 and a cooling water inlet 23, and the lower end plate 10 in the figure is provided with a similar gas outlet and a cooling water outlet. .
[0021]
Each component has a fastening bolt through hole 19, and the end plates 10 at both ends apply a surface pressure to the fuel cell stack by fastening the fastening bolt 20.
[0022]
FIG. 2 is a schematic flowchart illustrating the outline of the method for manufacturing the polymer electrolyte fuel cell shown in FIG.
In FIG. 2, the method for producing a polymer electrolyte fuel cell according to the present invention comprises approximately three steps, a first step (S1) of forming a separator member in which a thermosetting resin is in a semi-cured state; A second step (S2) of stacking a plurality of unit cells by using the semi-cured separator member formed in the above to form a fuel cell stack (stack), and applying a pressure to the stack surface of the fuel cell stack. A third step (S3) of heating the stack to cure the thermosetting resin.
[0023]
Next, the characteristics of the thermosetting resin used for the molding material of the separator will be described. The thermosetting resin is cured by applying heat, but when heated to an extent that it is not completely cured (semi-cured state) when the shape of the product is formed, the temperature is returned to normal temperature and then heated again, and then heated again. At the time, it has the property of softening once (period T1 in FIG. 4C) and hardening again when the heated temperature is maintained.
[0024]
In the present invention, the stack is heated at room temperature using a semi-cured separator by utilizing this property, and then the stack is heated, thereby preventing the deterioration of the sealing property and the contact property caused when the separator is stacked. Things.
[0025]
In the present invention, first, when the separator is heat-formed, the separator is not completely cured as in the related art, but is formed in a semi-cured state, and the fuel cell stack is temporarily assembled using the semi-cured separator.
[0026]
Next, in order to heat the temporarily assembled stack, hot water is supplied to the cooling water flow path of the separator, or the heated gas is supplied to the hydrogen gas flow path or the oxidizing gas flow path (hereinafter, collectively referred to as a gas flow path). Shed. When the separator is softened by this heating, retightening is performed to improve the familiarity between the separators, and the sealing property and the contact property are measured here. In addition, there is an effect that familiarity is improved without necessarily performing retightening.
[0027]
Then, the hot water (heating gas) is continuously flown to completely cure the separator. Thereby, even if the formed separator has warpage or distortion, it is possible to prevent deterioration of the sealing property and the contact property that occur when a plurality of unit cells including the separator are stacked.
[0028]
The separator used in the present embodiment is composed of 19 parts by weight of a novolak type phenol resin, one part of a thermosetting resin, 1 part by weight of hexamine (hexamethylenetetramine) as a curing agent, and 100 parts by weight of graphite powder with respect to 100 parts by weight of graphite powder. A mold mainly composed of 1.2 parts by weight of a mold agent was molded by compression molding for 2 minutes. After molding, post-heating was performed for 30 minutes at the same temperature as during molding to obtain a semi-cured separator member.
[0029]
The thermosetting resin in the present invention is not limited to a phenol resin, but may be an epoxy resin, a silicone resin, a melamine resin, a urea resin, a polyacrylonitrile resin, a polyimide resin, an unsaturated polyester resin, a diallyl phthalate resin, a polyvinyl chloride resin, or a polyvinyl chloride resin. It has at least one or more of the carbodiimide resins in the composition, and includes various additives necessary for curing and accelerating the curing.
[0030]
As the graphite, either natural graphite or artificial graphite can be used, and the shape thereof can be any of a lump, a scale, a needle, and a sphere. As the internal release agent, at least one of known hydrocarbons, aliphatics, aliphatic amides, esters, alcohols, metal soaps, silicones and the like can be used.
[0031]
The degree of curing of the thermosetting resin constituting the separator before lamination can be known by measuring various mechanical properties, electric resistance, and thermophysical properties. The curing reaction speed varies greatly depending on the type of resin used and the temperature and pressure during molding. In addition, since the handleability of the separator after molding is also important, the degree of curing can be appropriately adjusted in consideration of these matters. In the present embodiment, the degree of curing is about the time of complete curing from the degree of the reaction progress of the resin at the temperature at the time of molding and the change in the bending strength of the separator material at room temperature after molding by thermal analysis (differential scanning calorimetry; DSC). 75% was used as a semi-cured separator member in assembling a fuel cell stack. In addition, if the degree of cure of the thermosetting resin is between 30 and 98%, both ease of handling and adhesion of the separator during assembly of the laminate can be achieved.
[0032]
Next, a method for manufacturing a polymer electrolyte fuel cell according to the present invention will be described in detail with reference to a detailed flowchart in FIG. 3 and a time chart in FIG. The time chart of FIG. 4 shows (a) the time change of the surface pressure applied to the stacking surface of the fuel cell stack, (b) the time change of the separator member temperature, and (c) the bending strength of the separator member when 100% is set when completely cured. , Respectively, with time.
[0033]
The correspondence between FIGS. 2 and 3 is that S1 (first step) corresponds to S10 to S14, S2 (second step) corresponds to S20, and S3 (third step) corresponds to S30 to S44. I have.
[0034]
First, in S10 of FIG. 3, graphite powder and a thermosetting resin (novolak-type phenol resin) are kneaded, a hardener (hexamine) and an internal release material are added, and the mixture is heated and kneaded to form a molding material for a separator. obtain. Next, in S12, the molding material is compression-molded with a heated mold and held for 2 minutes.
[0035]
Next, in S14, after releasing, the mold is annealed at the same temperature as the molding temperature of S12 for 30 minutes, and then cooled to room temperature to obtain a separator member in which the thermosetting resin is in a semi-cured state.
[0036]
Next, in S20, the fuel cell stack is assembled as shown in FIG. 1 using the thus obtained semi-cured separator member (temporary assembly).
[0037]
Next, in S30, the end plate is tightened to apply a surface pressure of 0.5 MPa to the stack lamination surface. In this embodiment, the initial tightening is 0.5 MPa, but it is sufficient that the gasket is compressed at a minimum required surface pressure or more.
[0038]
Next, in S32, the fuel cell stack is heated by circulating hot water of 80 ° C. in the cooling water flow path of the fuel cell stack at a flow rate of 10 L / min for 5 minutes. The hot water temperature and the flow rate are not necessarily 80 ° C. and 10 L / min, but may be appropriately determined as needed and circulated at the required flow rate. Due to this heating, the separator member constituting the fuel cell stack is temporarily softened as shown by a period T1 in FIG. 4C.
[0039]
Temporary softening of the separator due to heating of the fuel cell may reduce the tightening of the stack. In this case, when the separator is softened at the heating temperature, the passage for the gasket and the groove for the gasket are excessively deformed at the surface pressure of 0.5 MPa, and the pre-curing adjustment of the separator is necessary in advance so that the surface pressure does not decrease. However, in the present embodiment, the tightening is sequentially adjusted so as to maintain 0.5 MPa with respect to the decrease in the surface pressure with time.
[0040]
Next, in S34, when the temperature of the fuel cell stack reached 80 ° C., a further load was applied with a fastening bolt, and the surface pressure of the stack stacking surface was set to 0.8 MPa. In S36, in addition to the hot water circulation, humidified air at a temperature of 80 ° C. and a humidity of 90% (relative humidity with respect to the stack temperature) was introduced at a flow rate of 3 L / min from the air inlet on the cathode side of the fuel cell and maintained for 10 minutes. This period is indicated by T2 in FIG. Thereby, the curing of the separator member proceeds, and the strength of the separator member increases. The temperature, humidity, and flow rate of air are not limited to these.
[0041]
By introducing the humidified gas into the gas flow path of the fuel cell in S36, the electrolyte membrane of the constituent member can be wetted. In an actual fuel cell operating environment, the electrolyte membrane becomes wet and swells, so that lamination can be performed in consideration of the state of the membrane. In the present embodiment, the humidification gas is supplied in S36, but the supply of the humidification gas may be performed simultaneously with the circulation of the hot water in S32.
[0042]
In S34, the surface pressure of the stacking surface of the stack is set to 0.8 MPa. However, the surface pressure may be determined as needed. In some cases, the surface pressure set in S30 may be continued in S34. .
[0043]
Next, in S38, the tightening bolts are further tightened to apply a surface pressure of 1.2 MPa to the stack lamination surface. Next, in S40, the circulation of the hot water at 80 ° C. and the supply of the humidified gas at a temperature of 80 ° C. and a humidity of 90% were maintained for 15 minutes (T3 in FIG. 4). Thereafter, the circulation of the hot water and the supply of the humidified gas were stopped in S42, and the fuel cell stack was allowed to cool to room temperature in S44.
[0044]
Next, with reference to FIG. 5, a prediction of the output characteristics of the polymer electrolyte fuel cell according to the present embodiment and a comparative example of the polymer electrolyte fuel cell according to the conventional manufacturing method will be shown.
[0045]
In the comparative example, a fuel cell stack was assembled after using a thermosetting resin having the same components as in the embodiment and completely curing the resin by heat treatment at 180 ° C. for 2 hours using a hot press. At the time of assembly, the stack was tightened at a surface pressure of 1.2 MPa without heating.
[0046]
In FIG. 5, the solid line is the characteristic of the embodiment, and the broken line is the characteristic of the comparative example. A performance difference corresponding to the contact resistance occurs between the IV characteristics of both stacks of the embodiment and the comparative example, and the fuel cell according to the present embodiment shows a higher output voltage than the comparative example particularly in a region where the current density is high.
[0047]
According to the present embodiment described above, the fuel cell stack is laminated using the separator member in which the thermosetting resin is in a semi-cured state, and after the lamination, the thermosetting resin is heated to cure the thermosetting resin. In addition, the sealing performance between the separator and the electrolyte membrane can be improved, and the contact resistance can be reduced to improve the fuel cell performance.
[0048]
In the present embodiment, the step of heating and completely curing the fuel cell stack after lamination is also included in the manufacturing process, so that the heating state can be accurately controlled.
[0049]
Next, a modified example of the present embodiment will be described. In the above-described embodiment, the heating temperature after the stack lamination is fixed at 80 ° C., and the curing is completed, but the heating temperature may be changed with time. At this time, the load on the stack lamination surface may be changed according to the heating temperature. Although the fuel cell stack is heated from the inside using the cooling water flow path and the gas flow path, the stack can be heated from the outside using hot air, steam, or the like.
[0050]
In the above embodiment, the example in which the tightening load of the stack is increased stepwise to the target value is shown. However, as a modified example in which the process is simplified, the stack stacked using the semi-cured separator is targeted from the beginning. After tightening with a load (1.2 MPa in the above embodiment), the stack may be heated.
[0051]
In the case of such a modification, the fuel cell system can be heated after the fuel cell system is mounted on the vehicle, without performing the heating step when the fuel cell stack is manufactured. In this heating, the temperature of the fuel cell stack is raised to the operating temperature by causing the fuel cell to actually generate power and performing a test run of the vehicle, and the thermosetting resin in the semi-cured state of the separator is temporarily softened → completely cured. It can also be done. Thereby, it is possible to prevent the deterioration of the sealing property and the contact property that occur when the separators, which are the object of the present invention, are laminated by a simpler method.
[0052]
According to the present invention described above, when forming a fuel cell stack, by setting the degree of curing of the thermosetting resin, which is one of the components constituting the separator, to a semi-cured state, the distance between adjacent cells can be improved. It is said that the adhesion between the separators and between the separator in the cell and the electrolyte membrane is improved, the sealing property of the cooling water flow path and the gas flow path can be improved, and the contact resistance is reduced to obtain a high output voltage and a high power generation efficiency. effective.
[0053]
Further, according to the present invention, after laminating the laminated body using the semi-cured separator, by heating the laminated body, slight deformation or stress relaxation according to the laminated state occurs, and the reliability of the separator is maintained. And at the same time, the separator can be quickly cured.
[0054]
Further, according to the present invention, the degree of cure of the thermosetting resin in the semi-cured state is 30 to 98%, so that both ease of handling of the separator during assembly of the laminate and adhesion of the separator are compatible. Can be done.
[0055]
Further, according to the present invention, after stacking a plurality of unit cells, by increasing the load applied to the stacking surface of the stack in a stepwise manner, it is possible to obtain high adhesion while maintaining the reliability of the separator. .
[0056]
Further, according to the present invention, the heating of the laminated body after laminating a plurality of unit cells includes heating the cooling water flow path of the laminated body, heating the gas flow path of the laminated body, or heating the laminated body from outside. Since the heating is performed by at least one, effective heating of the laminate can be performed.
[0057]
Further, according to the present invention, the heating of the gas flow path at the time of heating the laminate can be performed with the humidified gas, whereby the solid polymer membrane can be cured in the humidified state, and the electrolyte in the operating state of the fuel cell can be cured. The expansion force due to the wetting of the film can be reduced.
[0058]
Further, according to the present invention, at the time of heating the laminate, by changing the load applied to the lamination surface of the laminate according to the heating temperature, it is possible to prevent the separator temporarily softened at the time of heating from being deformed more than necessary. Can be.
[0059]
Further, according to the present invention, by heating the fuel cell stack after the fuel cell is mounted on the vehicle, the fuel cell stack can be completely cured at the same time as the test operation after the fuel cell mounting. Manufacturing process can be reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an assembly diagram for explaining a stack structure of a polymer electrolyte fuel cell according to the present invention.
FIG. 2 is a schematic flowchart showing an assembling procedure in an embodiment of a method for manufacturing a polymer electrolyte fuel cell according to the present invention.
FIG. 3 is a detailed flowchart showing an assembling procedure in an embodiment of the method for manufacturing a polymer electrolyte fuel cell according to the present invention.
FIG. 4 is a time chart for explaining a method of manufacturing a polymer electrolyte fuel cell according to the present invention, wherein (a) a time change of a surface pressure, (b) a time change of a temperature, and (c) a time change of a separator strength. Are respectively shown.
FIG. 5 is an IV characteristic diagram illustrating contact resistance characteristics between the embodiment of the polymer electrolyte fuel cell according to the present invention and a comparative example.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... End plate 11 ... Insulator 12 ... Current extraction plate 13 ... Anode side separator 14 ... Cathode side separator 15 ... Electrolyte membrane 16 ... Gas diffusion layer 17 ... Cooling water channel 18 ... Cathode side oxidant gas channel 19 ... Fastening bolt penetration Hole 20: fastening bolt 21: gasket 22: gas inlet 23: cooling water inlet 24: unit cell

Claims (9)

電解質体と、該電解質体の両主面に配置される燃料極及び酸化剤極と、前記電解質体並びに前記燃料極及び酸化剤極の外側に配置され、かつそれぞれにガス流路を備えた第1および第2のセパレータからなる単位セルを複数積層して積層体を構成した燃料電池において、
前記単位セルを複数積層する際に、前記セパレータに含まれる熱硬化性樹脂の硬化度が半硬化状態であることを特徴とする燃料電池。
An electrolyte body, a fuel electrode and an oxidant electrode disposed on both main surfaces of the electrolyte body, and a second electrode disposed outside the electrolyte body and the fuel electrode and the oxidant electrode, and each having a gas flow path. In a fuel cell in which a stacked body is configured by stacking a plurality of unit cells including the first and second separators,
A fuel cell, wherein the thermosetting resin contained in the separator is in a semi-cured state when a plurality of the unit cells are stacked.
前記単位セルを複数積層した後に、前記積層体を加熱して前記熱硬化性樹脂を更に硬化させることを特徴とする請求項1記載の燃料電池。2. The fuel cell according to claim 1, wherein after the plurality of unit cells are stacked, the stacked body is heated to further harden the thermosetting resin. 3. 前記半硬化状態における熱硬化性樹脂の硬化度は、30〜98%であることを特徴とする請求項1記載の燃料電池。The fuel cell according to claim 1, wherein the degree of cure of the thermosetting resin in the semi-cured state is 30 to 98%. 前記単位セルを複数積層した後に、前記積層体の積層面に加える荷重を段階的に増加させることを特徴とする請求項1記載の燃料電池。2. The fuel cell according to claim 1, wherein a load applied to a stacking surface of the stack is increased stepwise after stacking a plurality of the unit cells. 前記積層体の加熱は、該積層体の冷却水流路の加熱、該積層体のガス流路の加熱、または該積層体の外部からの加熱の少なくとも一つにより行われることを特徴とする請求項2記載の燃料電池。The heating of the laminate is performed by at least one of heating a cooling water flow path of the laminate, heating a gas flow path of the laminate, or heating the laminate from outside. 2. The fuel cell according to 2. 前記燃料電池が固体高分子型であり、前記ガス流路の加熱は、加湿ガスにより行うことを特徴とする請求項5記載の燃料電池。6. The fuel cell according to claim 5, wherein the fuel cell is a solid polymer type, and the gas flow path is heated by a humidified gas. 前記積層体の加熱時に、加熱する温度に応じて前記積層体の積層面に加える荷重を変えることを特徴とする請求項2記載の燃料電池。3. The fuel cell according to claim 2, wherein a load applied to a stacking surface of the stack is changed according to a heating temperature when the stack is heated. 前記積層体の加熱時期は、燃料電池を車両に搭載した後であることを特徴とする請求項2記載の燃料電池。3. The fuel cell according to claim 2, wherein the heating time of the stack is after the fuel cell is mounted on a vehicle. 電解質体と、該電解質体の両主面に配置される燃料極及び酸化剤極と、前記電解質体並びに前記燃料極及び酸化剤極の外側に配置され、かつそれぞれにガス流路を備えた第1および第2のセパレータからなる単位セルを複数積層して積層体を構成した燃料電池の製造方法において、
前記セパレータが含む熱硬化性樹脂が半硬化状態で前記セパレータを成形する第1の工程と、
第1の工程で形成された前記セパレータを含む単位セルを複数積層して積層体とする第2の工程と、
前記積層体の積層面に圧力を加えながら該積層体を加熱して前記熱硬化性樹脂を硬化させる第3の工程と、
を備えたことを特徴とする燃料電池の製造方法。
An electrolyte body, a fuel electrode and an oxidant electrode disposed on both main surfaces of the electrolyte body, and a second electrode disposed outside the electrolyte body and the fuel electrode and the oxidant electrode, and each having a gas flow path. In a method of manufacturing a fuel cell in which a plurality of unit cells each including a first and a second separator are stacked to form a stacked body,
A first step of molding the separator in a semi-cured state of the thermosetting resin included in the separator,
A second step of stacking a plurality of unit cells including the separator formed in the first step to form a laminate,
A third step of heating the laminate while applying pressure to the laminate surface of the laminate to cure the thermosetting resin;
A method for manufacturing a fuel cell, comprising:
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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