JP2005216598A - 固体高分子膜型燃料電池セルおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 電解質膜への拡散層およびセパレータの接合を同時に可能とする固体高分子膜型燃料電池セルおよびその製造方法を提供する。
【解決手段】 一対の押え治具１２間に、アノード側セパレータ７、拡散層６、固体高分子膜５、拡散層６およびカソード側セパレータ７をこの順に配列し、これら燃料電池セル構成部材を加熱手段により加熱しつつ押え治具１２により積層方向に圧縮し、固体高分子膜５とその両側の拡散層６とを熱圧着若しくは接着剤により接着させるとともに、各拡散層６と隣接するセパレータ７の流路７Ｂ部分の前記接触表面７Ｆとを接着剤により熱接着させるようにした。
【選択図】 図２

Description

本発明は、固体高分子膜型燃料電池セルおよびその製造方法に関するものである。

従来から電解質接合体の両面に触媒層を形成し、その表面に拡散層およびセパレータを積層して一体化させることで連続的に固体高分子膜型燃料電池セルを製造する製造方法が提案されている（特許文献１参照）。

これは、拡散層一体化工程において、塗布された電解質溶液を乾燥させた拡散層を、電解質膜上へ触媒層を形成してホットロールにより一体化させた触媒層・電解質接合体の両面に配置してホットロールにより拡散層を接合し、次に、単セル一体化工程において、セパレータ・セル枠接合体を、前記触媒層・電解質接合体および拡散層一体化物の両面に載置し、ホットロールによりセル枠部分で接着して一体化することにより、単セルを連続的に得るようにしている。
特開２００１−２３６９７１号公報

しかしながら、上記従来例では、拡散層一体化工程と単セル一体化工程との２工程により、拡散層およびセパレータを順次ホットロール若しくはホットプレスにより熱圧着および接着する、即ち、固体高分子膜および拡散層の圧着と固体高分子膜およびセパレータ・セル枠の接着とを別々に行っており、製造工程が長いという解決課題があった。

そこで本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、電解質膜への拡散層およびセパレータの接合を同時に可能とする固体高分子膜型燃料電池セルおよびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、固体高分子膜の両側に夫々拡散層を介在させてアノードガスを供給する流路を備えたアノード側セパレータとカソードガスを供給する流路を備えたカソード側セパレータとを接合して形成する固体高分子膜型燃料電池セルの製造方法であり、前記アノード側セパレータおよびカソード側セパレータの流路部分の拡散層との接触表面に接着剤を塗布し、一対の押え治具間に、前記アノード側セパレータ、拡散層、固体高分子膜、拡散層およびカソード側セパレータをこの順に配列し、これら燃料電池セル構成部材を加熱手段により加熱しつつ押え治具により積層方向に圧縮し、固体高分子膜とその両側の拡散層とを熱圧着若しくは接着剤により接着させるとともに、各拡散層と隣接するセパレータの流路部分の前記接触表面とを熱接着させるようにした。

したがって、本発明では、一対の押え治具間に、アノード側セパレータ、拡散層、固体高分子膜、拡散層およびカソード側セパレータをこの順に配列し、これら燃料電池セル構成部材を加熱手段により加熱しつつ押え治具により積層方向に圧縮し、固体高分子膜とその両側の拡散層とを熱圧着若しくは接着剤により接着させるとともに、各拡散層と隣接するセパレータの流路部分の前記接触表面とを接着剤により熱接着させるため、固体高分子膜と拡散層の圧着若しくは接着と拡散層とセパレータの間の接着とが同時に実施でき、燃料電池セルの各構成部材をホットプレスにより一度に一体化させることができる。また、拡散層はセパレータの流路部分の接触表面と隙間無く確実に接合させることができ、両者の電気的接続も良好となる。

以下、本発明の固体高分子膜型燃料電池セルおよびその製造方法を一実施形態に基づいて説明する。図１および図２は、本発明を適用した固体高分子膜型燃料電池セルおよびその製造方法の第１実施形態を示し、図１は固体高分子膜型燃料電池セルの製造工程の概要を説明する工程図、図２はホットプレス工程の詳細図である。

図１において、固体高分子膜型燃料電池セルの製造工程は、電解質膜製造工程１と、拡散層製造工程２と、セパレータ製造工程３と、これらの製造工程で製造された電解質膜５、拡散層６およびセパレータ７等の燃料電池構成部品を組合せて一体化するホットプレス工程４と、ホットプレス工程４へ各製造工程からの燃料電池構成部品を供給する搬送手段５Ａ〜７Ａとを備える。

前記電解質膜製造工程１は、パーフルオロエチレンスルホン酸樹脂膜５（以下、電解質膜という）の両面に予め所定のピッチで白金を主体とする触媒をコーティングして触媒層８としたＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）フィルム９（触媒層を含んだ複合膜）が用いられ、その両面を保護シートで覆った状態でリールにロール状に巻かれて投入される。そして、ＭＥＡフィルム９は、ロール状態から巻戻して巻端からＭＥＡフィルム９を搬送手段５Ａにより保護シートと共に送出し、図示しない途中部分において保護シートを剥離して、図２に示す状態で、ホットプレス工程４に投入される。

ＭＥＡフィルム９には、例えば、その両側に搬送穴を配列して、この搬送穴に搬送手段の搬送ローラ外周に設けた送り突起を順次係合させ、搬送ローラ同士を同期して回転させることで、ＭＥＡフィルム９の膜面をたるむことなく搬送するようにしてもよい。また、ＭＥＡフィルム９の少なくとも一方の縁には、所定のピッチ毎に位置決めマークを付けることが望ましい。この位置決めマークの所定のピッチは、燃料電池セルとして組立てられる際に、隣接する燃料電池セルと適切な間隔が保持できるスパーンに設定され、ＭＥＡフィルム９の両面に所定間隔でコーティングして形成した白金等の触媒層８の位置と対応させる。

なお、供給される電解質膜５に触媒８がコーティングされていないＭＥＡフィルム９の場合には、前記位置決めマークに対応して触媒を塗布等によりコーティングしてホットロールにより電解質膜５と触媒とを一体化させて電解質膜５上に触媒層８を形成してから搬送手段５Ａによりホットプレス工程４へ搬送する。若しくは、ガス拡散層６の表面に触媒層を形成し、ガス拡散層６の電解質膜５への接合時に、前記位置決めマークに対応して触媒層を電解質膜５に接触させて接合するようにする。

また、電解質膜５は、燃料電池セルとしてホットプレス工程４における組立完了時に分離される中央部分と搬送ローラに係合する搬送穴を備える縁部分とに分割して貼付けるようにしてもよい。このＭＥＡフィルム９では、燃料電池セルとして組立完了時に分離される中央部分に貼付いた保護シートのみを剥がして回収し、搬送穴を備える縁部分に貼付いた保護シートは剥がすことなく、搬送手段５Ａによりホットプレス工程４に供給する。このように、搬送穴を備える縁部分に貼付いた保護シートをＭＥＡフィルム９上に残すことにより、搬送時にＭＥＡフィルム９に加えられる負荷により搬送穴が破損するのを防止することができる。また、搬送されるＭＥＡフィルム９の伸びを防止することができ、ＭＥＡフィルム９の位置決め精度を向上できる。

前記拡散層製造工程２は、セパレータ７より供給されるガスを透過・拡散させるＧＤＬ６（Ｇａｓ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｌａｙｅｒ＝ガス拡散層）を製造する工程である。ＧＤＬ６は、カーボンクロスやカーボンペーパを撥水処理して形成するものであり、周縁の枠体６Ｂと一体化させて搬送手段６Ａにより、図２に示す状態で、ホットプレス工程４に投入される。周縁の枠体６Ｂは、電気的絶縁材料で形成することが望ましいが、ＭＥＡフィルム９自体に絶縁性があるため、必ずしも絶縁材料で構成しなくてもよい。

ＧＤＬ６はＭＥＡフィルム９と圧着する場合には、ＭＥＡフィルム９側で乾燥後の電解質溶液のアンカ効果により、ホットプレス工程４においてＭＥＡフィルム９に熱圧着することができる。また、ＭＥＡフィルム９に接着する場合には、フェノール系やエポキシ系等の熱硬化樹脂を主体とする接着剤を全面でなく四隅等部分的に塗布した後に、搬送手段６Ａによりホットプレス工程４に投入する。このように部分的に塗布することでホットプレス工程４での加熱圧縮で、接着剤がＭＥＡフィルム９とＧＤＬ６との間で硬化して両者を部分的に接着することができ、ＧＤＬ６のガス拡散性（透過性）を犠牲にすることを防止できる。

前記セパレータ製造工程３は、図２に示すように、ＧＤＬ６と接触する面（ＭＥＡフィルムと対面する面）に、アノードガス（水素を含有する燃料ガス）及びカソードガス（酸素を含有する酸化ガス）等の反応ガスを供給するの流路７Ｂを多数形成したセパレータ７を製造する。セパレータ７は、グラファイト粉とプラスチック粉とを混合して金型による加熱プレスにより圧縮成形したり膨張黒鉛シートをプレス成形したりすることで形成する。また、金属によっても形成でき、電気抵抗が小さくガス透過性が低く、機械的強度があり薄くできるが、酸化雰囲気と還元雰囲気の両方に晒されることから耐食性金属を用いたり金属メッキ等の表面処理が施される。また、セパレータ７の他方の面にも、冷却水が流される冷却溝７Ｃ、若しくは、隣接して配置される燃料電池セルの反応ガスを供給する流路７Ｄが多数形成される。

なお、反応ガスの流路となる流路７Ｂは少なくともセパレータ７の一方の面に備えられていれば良く、燃料電池の動作温度を安定させるため、片側の面に冷却水などの熱媒体を流すことができる溝７Ｃを備えても良い。両セパレータ７の周縁にはシール溝７Ｅが形成され、このシール溝７Ｅは図示しない反応ガスや冷却水のマニホールドを囲んで配置され、シール溝７Ｅ内にはシール用のガスケット１０を挿入して、反応ガスや冷却水が流路７Ｂ部分およびマニホールドから外部へ洩れ出ることを防止するように構成する。

また、セパレータ７のＧＤＬ６と対面する側の流路７Ｂを形成する溝同士を区画している壁の先端面７Ｆには、フェノール系やエポキシ系等の熱硬化性樹脂を主体とする接着剤を塗布した後、搬送手段７Ａによりホットプレス工程４へ投入される。前記接着剤は、ホットプレス工程４において、流路の壁先端面７ＦとＧＤＬ６とが接触して加熱プレスされた際に、硬化して両者を熱接着させる。

前記ホットプレス工程４は、前記各製造工程で製造されたＭＥＡフィルム９、拡散層６およびセパレータ７等の燃料電池構成部品を組合せてホットプレスにより加熱しつつプレスすることで、ＭＥＡフィルム９と拡散層６とを熱圧着若しくは熱接着させ、拡散層６とセパレータ７とを熱接着させて一体化させる。ホットプレスの押し治具１２Ａは、図２に示すように、平面でセパレータ７に接触するよう構成し、図示しないが内部に電熱ヒータ等の加熱手段を備え、例えば、８０℃〜１５０℃の温度に保たれている。そして、ホットプレスの押し治具１２Ａは、図示の待機位置から矢印に示すように、図示しない加圧装置により、セパレータ７同士を保持して互いに近接する方向に付勢して、ＭＥＡフィルム９と両側のＧＤＬ６およびセパレータ７を圧接させる動作位置に移動する。

ＭＥＡフィルム９と両側のＧＤＬ６とは、ホットプレスされると、ＭＥＡフィルム９側で乾燥後の電解質溶液のアンカ効果により、両者は熱圧着により接合することができる。また、熱硬化樹脂を主体とする接着剤が部分的に塗布されたＧＤＬ６においては、上記熱圧着に加えて、ホットプレスによる加熱圧縮で、接着剤がＭＥＡフィルム９とＧＤＬ６との間で硬化して両者を部分的に熱接着させて接合することができる。

また、ＧＤＬ６とセパレータ７とは、セパレータ７のＧＤＬ６と対面する側の流路７Ｂを形成する溝同士を区画している壁の先端面７Ｆに塗布した熱硬化性樹脂を主体とする接着剤により、ホットプレスによる加熱圧縮で、接着剤がＧＤＬ６とセパレータ７の流路間の壁先端面７Ｆとの間で硬化して両者を熱接着させて接合することができる。

したがって、一回のホットプレスにより、ＭＥＡフィルム９とＧＤＬ６は、互いが熱圧着更には熱接着により接合でき、ＧＤＬ６とセパレータ７は、互いが熱接着により接合でき、燃料電池セルとして全体を一体化させることができる。

前記ホットプレス工程４の押え治具１２は、図２に示すものの他に、例えば、図３に示すように、セパレータ７の背面の流路７Ｃ（７Ｄ）形状と一致して流路７Ｃ（７Ｄ）の底部に嵌合する突条１３を備える押え治具１２Ｂに形成することもできる。このセパレータ７の破損を防止するための押え治具１２Ｂにおいては、セパレータ７の背面に流路７Ｃ（７Ｄ）が形成されたものであっても、セパレータ７の全表面を支えるようにしているため、セパレータ７を全体的に均一に押圧することができ、特に脆い黒鉛で形成されたセパレータ７であっても、薄肉部等で破損されるのを抑制することが一層容易となる。

図３に示す押え治具１２Ｃは、夫々のセパレータ７背面の流路７Ｃ（７Ｄ）の底部に嵌合する突条１３を形成したものであり、両側の背面に流路７Ｃ（７Ｄ）が形成されたセパレータ７を備える燃料電池セルに対して、特に脆い黒鉛で形成されたセパレータ７であっても、薄肉部等で破損されるのを効果的に抑制するようにしたものである。

なお、上記実施形態において、押え治具１２自体にセパレータ７側形状の凹凸を補完する表面形状、例えば、流路７Ｃ（７Ｄ）形状を補完する突条１３を備えるものについて説明したが、図示しないが、押え治具１２とセパレータ７との間に、セパレータ７側形状の凹凸を補完する表面形状を備える部材を介在させるようにしてもよい。

本実施形態においては、以下に記載する効果を奏することができる。

（ア）固体高分子膜５の両側に夫々拡散層６を介在させてアノードガスを供給する流路７Ｂを備えたアノード側セパレータ７とカソードガスを供給する流路７Ｂを備えたカソード側セパレータ７とを接合して形成する固体高分子膜型燃料電池セルの製造方法において、前記アノード側セパレータ７およびカソード側セパレータ７の流路７Ｂ部分の拡散層６との接触表面７Ｆに接着剤を塗布し、一対の押え治具１２間に、前記アノード側セパレータ７、拡散層６、固体高分子膜５、拡散層６およびカソード側セパレータ７をこの順に配列し、これら燃料電池セル構成部材を加熱手段により加熱しつつ押え治具１２により積層方向に圧縮し、固体高分子膜５とその両側の拡散層６とを熱圧着若しくは接着剤により接着させるとともに、各拡散層６と隣接するセパレータ７の流路７Ｂ部分の前記接触表面７Ｆとを接着剤により熱接着させるため、固体高分子膜５と拡散層６の圧着若しくは接着と拡散層６とセパレータ７の間の接着とが同時に実施でき、燃料電池セルの各構成部材をホットプレスにより一度に一体化させることができる。

（イ）接着剤は、熱硬化樹脂を主体とするものであるため、固体高分子膜５と拡散層６の熱圧着と同時に硬化させて熱接着させることができ、２液性の接着剤に比較して短時間で硬化でき、短時間で燃料電池セルを製造することができる。

（ウ）固体高分子膜５として、その両面に触媒層８を備える複合膜（ＭＥＡフィルム）９を用いる場合には、固体高分子膜５に触媒を塗布し乾燥させる工程を無くすることができ、燃料電池セルの製造工程を簡素化できる。

（エ）押え治具１２とセパレータ７との間に、当接するセパレータ７側形状の凹凸を補完する表面形状を備える部材を介在させるか、若しくは、押え治具１２自体にセパレータ７側形状の凹凸を補完する表面形状として、セパレータ７を積層方向に押圧するようにすると、セパレータ７を背面全面で支えることができ、弾性の高い材料からなる拡散層（ＧＤＬ）６と特に脆い材料の黒鉛からなるセパレータ７等の組合せであっても、セパレータ７の破損や変形を防止することができる。

（オ）得られる燃料電池セルは、一対の押え治具１２間に、アノード側セパレータ７、拡散層６、固体高分子膜５、拡散層６およびカソード側セパレータ７をこの順に配列して、これら燃料電池セル構成部材を加熱手段により加熱しつつ押え治具１２により積層方向に圧縮して、固体高分子膜５とその両側の拡散層６とを熱圧着若しくは接着剤により接着するとともに、各拡散層６と隣接するセパレータ７の流路７Ｂ部分の接触表面７Ｆとを接着剤により接着したため、拡散層６はセパレータ７の流路７Ｂ部分の接触表面７Ｆと隙間無く確実に接合させることができ、両者の電気的接続も良好となる。

本発明の一実施形態を示す固体高分子膜型燃料電池セルの製造工程の概要を説明する工程図。 同じくホットプレス工程の詳細断面図。 ホットプレス工程の押え治具の別の実施例を示す断面図。 ホットプレス工程の押え治具の更に別の実施例を示す断面図。

符号の説明

１ 電解質膜製造工程
２ 拡散層製造工程
３ セパレータ製造工程
４ ホットプレス工程
５ 電解質膜
６ 拡散層、ＧＤＬ
７ セパレータ
８ 触媒層
９ ＭＥＡフィルム
１０ ガスケット
１２ 押え治具
１３ 突条

Claims (7)

1. 固体高分子膜の両側に夫々拡散層を介在させてアノードガスを供給する流路を備えたアノード側セパレータとカソードガスを供給する流路を備えたカソード側セパレータとを接合して形成する固体高分子膜型燃料電池セルの製造方法であり、
   前記アノード側セパレータおよびカソード側セパレータの流路部分の拡散層との接触表面に接着剤を塗布し、
   一対の押え治具間に、前記アノード側セパレータ、拡散層、固体高分子膜、拡散層およびカソード側セパレータをこの順に配列し、
   これら燃料電池セル構成部材を加熱手段により加熱しつつ押え治具により積層方向に圧縮し、
   固体高分子膜とその両側の拡散層とを熱圧着させるとともに、各拡散層と隣接するセパレータの流路部分の前記接触表面とを熱接着させることを特徴とする固体高分子膜型燃料電池セルの製造方法。
2. 固体高分子膜の両側に夫々拡散層を介在させてアノードガスを供給する流路を備えたアノード側セパレータとカソードガスを供給する流路を備えたカソード側セパレータとを接合して形成する固体高分子膜型燃料電池セルの製造方法であり、
   前記拡散層の固体高分子膜に対面する側に接着剤を塗布し、
   前記アノード側セパレータおよびカソード側セパレータの流路部分の拡散層との接触表面に接着剤を塗布し、
   一対の押え治具間に、前記アノード側セパレータ、拡散層、固体高分子膜、拡散層およびカソード側セパレータをこの順に配列し、
   これら燃料電池セル構成部材を加熱手段により加熱しつつ押え治具により積層方向に圧縮し、
   固体高分子膜とその両側の拡散層とを熱接着させるとともに、各拡散層と隣接するセパレータの流路部分の前記接触表面とを熱接着させることを特徴とする固体高分子膜型燃料電池セルの製造方法。
3. 前記接着剤は、熱硬化樹脂を主体とするものであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の固体高分子膜型燃料電池セルの製造方法。
4. 前記固体高分子膜は、その両面に触媒層を備える複合膜であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一つに記載の固体高分子膜型燃料電池セルの製造方法。
5. 前記押え治具は、当接するセパレータ側形状の凹凸を補完する表面形状を備える部材を介在させてセパレータを積層方向に押圧するものであることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一つに記載の固体高分子膜型燃料電池セルの製造方法。
6. 前記押え治具は、当接するセパレータ側形状の凹凸を補完する表面形状を備えるものであることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一つに記載の固体高分子膜型燃料電池セルの製造方法。
7. 一対の押え治具間に、アノード側セパレータ、拡散層、固体高分子膜、拡散層およびカソード側セパレータをこの順に配列し、これら燃料電池セル構成部材を加熱手段により加熱しつつ押え治具により積層方向に圧縮して、固体高分子膜とその両側の拡散層とを熱圧着若しくは接着剤により接着するとともに、各拡散層と隣接するセパレータの流路部分の接触表面とを接着剤により接着したことを特徴とする固体高分子膜型燃料電池セル。

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