JP2006252818A - 燃料電池とその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ガスシール性と耐クリープ性の両方を同時に満足できるシール構造を有する燃料電池とその製造方法の提供。
【解決手段】（１） 接着剤シールが少なくとも２重の多重シールライン４０から構成されている燃料電池であって、
反応ガスと接する側のシールライン４１が耐クリープ性を有する接着剤４３から形成され、反応ガスと接しない側のシールライン４２が耐ガスリーク性を有する接着剤４４から形成されている、燃料電池１０とその製造方法。
（２） 耐ガスリーク性を有する接着剤４４がエポキシ変成シリコーン樹脂系接着剤であり、耐クリープ性を有する接着剤が付加硬化型シリコーン樹脂系接着剤である。
（３） 耐クリープ性を有する接着剤４３と耐ガスリーク性を有する接着剤４４を、１．０〜３．０対１の塗布量割合でセパレータに塗布した。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池とその製造方法に関し、とくに燃料電池のシール構造とその製造方法に関する。

特開２００３−１２３７９８号公報は、接着剤シールとガスケットシールの少なくとも一方のシールラインを、異種流体間部位で二重化した燃料電池のシール構造を開示している。また、特開２００３−１２３７９８号公報は、二重シールラインを各々のシールラインが接する流体に対して耐食性をもつ材料から構成した燃料電池のシール構造を開示している。
特開２００３−１２３７９８号公報

しかし、従来のシール構造を適用した燃料電池にはつぎの課題がある。
ガスシール性と耐クリープ性の両立については考慮されていないので、シール性を十分にすれば耐クリープ性が不十分になるおそれがあり、耐クリープ性を十分にすればシール性が不十分になるおそれがある。耐クリープ性が低下すれば、シール性の低下や電気抵抗の増加が起こり、耐シール性が低下すれば、反応ガスの混合、外気への流出のおそれが生じる。

本発明の目的は、ガスシール性と耐クリープ性の両方を同時に満足できるシール構造を有する燃料電池とその製造方法を提供することにある。

上記課題を解決する、そして上記目的を達成する、本発明は、つぎのとおりである。
（１） 接着剤シールが少なくとも２重の多重シールラインから構成されている燃料電池であって、
反応ガスと接する側のシールラインが耐クリープ性を有する接着剤から形成され、反応ガスと接しない側のシールラインが耐ガスリーク性を有する接着剤から形成されている、燃料電池。
（２） 前記耐ガスリーク性を有する接着剤がエポキシ変成シリコーン樹脂系接着剤であり、前記耐クリープ性を有する接着剤が付加硬化型シリコーン樹脂系接着剤である（１）記載の燃料電池。
（３） 前記耐クリープ性を有する接着剤と前記耐ガスリーク性を有する接着剤を、１．０〜３．０対１の塗布量割合でセパレータに塗布した（１）または（２）記載の燃料電池。
（４） 接着剤シールが少なくとも２重の多重シールラインから構成されている燃料電池の製造方法であって、
反応ガスと接する側のシールラインを耐クリープ性を有する接着剤から形成する工程と、
反応ガスと接しない側のシールラインを耐ガスリーク性を有する接着剤から形成する工程と、を有する燃料電池の製造方法。
（５） 前記耐ガスリーク性を有する接着剤がエポキシ変成シリコーン樹脂系接着剤であり、前記耐クリープ性を有する接着剤が付加硬化型シリコーン樹脂系接着剤である（４）記載の燃料電池の製造方法。
（６） 前記耐クリープ性を有する接着剤と前記耐ガスリーク性を有する接着剤を、１．０〜３．０対１の塗布量割合でセパレータに塗布する（４）または（５）記載の燃料電池の製造方法。

上記（１）、（２）の燃料電池によれば、接着剤シールが少なくとも２重の多重シールラインから構成されており、反応ガスと接する側のシールラインが耐クリープ性を有する接着剤から形成され、反応ガスと接しない側のシールラインが耐ガスリーク性を有する接着剤から形成されているので、耐ガスリーク性を有する接着剤によってガスシール性が得られるとともに耐クリープ性を有する接着剤によって耐クリープ性が得られ、その結果、ガスシール性と耐クリープ性の両方を同時に満足できる。
上記（３）の燃料電池によれば、耐クリープ性を有する接着剤と前記耐ガスリーク性を有する接着剤を、１．０〜３．０対１の塗布量割合でセパレータに塗布したので、耐クリープ性重視の燃料電池が得られる。 上記（４）、（５）の燃料電池の製造方法によれば、反応ガスと接する側のシールラインを耐クリープ性を有する接着剤から形成する工程と、反応ガスと接しない側のシールラインを耐ガスリーク性を有する接着剤から形成する工程と、を有するので、耐ガスリーク性を有する接着剤によってガスシール性が得られるとともに耐クリープ性を有する接着剤によって耐クリープ性が得られ、その結果、ガスシール性と耐クリープ性の両方を同時に満足できる。
上記（６）の燃料電池によれば、耐クリープ性を有する接着剤と前記耐ガスリーク性を有する接着剤を、１．０〜３．０対１の塗布量割合でセパレータに塗布するので、耐クリープ性重視の燃料電池が得られる。

以下に、本発明の燃料電池とその製造方法を、図１〜図６を参照して説明する。
図１、図２は本発明の実施例１を示しており、図３は本発明の実施例２を示している。図４〜図６は本発明の何れの実施例にも適用可能である。本発明の全実施例に共通な構成部分には、本発明の全実施例にわたって同符号を付してある。
まず、本発明の燃料電池とその製造方法の、全実施例に共通な構成部分とその作用、効果を図１、図２、図４〜図６を参照して説明する。

本発明の燃料電池は、たとえば固体高分子電解質型燃料電池１０である。燃料電池１０は、たとえば燃料電池自動車に搭載される。ただし、自動車以外に用いられてもよく、たとえば、家庭用などの定置型の燃料電池であってもよい。
固体高分子電解質型燃料電池（セル）１０は、図４〜図６に示すように、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）とセパレータ１８との積層体からなる。
膜−電極アッセンブリは、イオン交換膜からなる電解質膜１１とこの電解質膜の一面に配置された触媒層からなる電極（アノード、燃料極）１４および電解質膜の他面に配置された触媒層からなる電極（カソード、空気極）１７とからなる。膜−電極アッセンブリとセパレータ１８との間には、アノード側、カソード側にそれぞれ拡散層１３、１６が設けられる。
膜−電極アッセンブリとセパレータ１８を重ねてセルモジュール１９（１セルモジュールの場合は、セル１０はセルモジュール１９と同じになる）を構成し、セルモジュール１９を積層してセル積層体とし、セル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル２０、インシュレータ２１、エンドプレート２２を配置し、両端のエンドプレート２２をセル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材（たとえば、テンションプレート２４）にボルト・ナット２５にて固定し、燃料電池スタック２３を構成する。一端のエンドプレートに設けた調整ネジにてその内側に設けたバネを介してセル積層体にセル積層方向の締結荷重をかける。

セパレータ１８は、カーボンセパレータ、メタルセパレータ、導電性樹脂セパレータ、メタルセパレータと樹脂フレームとの組合せ、等からなり、その何れであってもよい。
セパレータ１８には、発電領域において、アノード１４に燃料ガス（水素）を供給するための燃料ガス流路２７が形成され、カソード１７に酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための酸化ガス流路２８が形成されている。また、セパレータ１８には冷媒（通常、冷却水）を流すための冷媒流路２６も形成されている。セパレータ１８には、非発電領域において、燃料ガスマニホールド３０、酸化ガスマニホールド３１、冷媒マニホールド２９が形成されている。燃料ガスマニホールド３０は燃料ガス流路２７と連通しており、酸化ガスマニホールド３１は酸化ガス流路２８と連通しており、冷媒マニホールド２９は冷媒流路２６と連通している。
燃料ガス、酸化ガス、冷媒は、セル内において互いにシールされている。各セルモジュール１９（または各セル１０）のＭＥＡを挟む２つのセパレータ１８間は、第１のシール（たとえば、接着剤）３３によってシールされており、隣接するセルモジュール１９同士の間は、第２のシール（たとえば、ガスケット）３２によってシールされている。ただし、第２のシール３２は接着剤で形成されてもよい。第２のシール３２が接着剤で形成される場合は、第１のシール３３も第２のシール３２も接着剤で形成されることとなる。

各セル１０の、アノード１４側では、水素を水素イオン（プロトン）と電子に変換する電離反応が行われ、水素イオンは電解質膜１１中をカソード１７側に移動し、カソード１７側では酸素と水素イオンおよび電子（隣りのＭＥＡのアノードで生成した電子がセパレータを通してくる、またはセル積層方向一端のセルのアノードで生成した電子が外部回路を通して他端のセルのカソードにくる）から水が生成され、次式にしたがって発電が行われる。
アノード側：Ｈ₂ →２Ｈ⁺ ＋２ｅ^-
カソード側：２Ｈ⁺ ＋２ｅ^- ＋（１／２）Ｏ₂ →Ｈ₂ Ｏ

図１、図２に示すように、燃料電池１０は、接着剤からなるシール３３（またはシール３２も接着剤からなる場合はシール３３、３２）が、シールラインの全線または一部において、セパレータ面方向に、少なくとも２重の（「少なくとも２重」であるから、３重、４重であってもよい）多重シールライン４０（「多重」とは「複数重」の意味）から構成されている。また、多重は、セパレータ面方向に多重の意味であって、セパレータ面と直交する方向に、すなわちセル積層方向に、多重の意味ではない。また、「複数重」の数は一定であってもよいし、セパレータの部位によって変化してもよい。「複数重」の数が変化するとは、シールラインの一部が二重で、他の部位で３重、４重であってもよいということである。

シールライン４０は、
（イ）マニホールド３０、３１、２９とセルの外部との間の第１のシールライン４０ａ、
（ロ）発電領域のガス流路２７、２８の存在する領域とセルの外部との間の第２のシールライン４０ｂ、
（ハ）マニホールド３０、３１、２９間の第３のシールライン４０ｃ、
（ニ）ガスマニホールド３０、３１と発電領域のガス流路２７、２８の存在する領域との間の第４のシールライン４０ｄ、および
（ホ）その他のシールライン、
を含む。
望ましくは、第１のシールライン４０ａ、第２のシールライン４０ｂは２重シールラインからなり、第３のシールライン４０ｃは３重シールラインからなり、第４のシールライン４０ｄは３重または２重のシールラインからなる。

少なくとも２重のシールラインからなる多重シールライン４０のうち、反応ガス（燃料ガスまたは酸化ガス）と接する側のシールライン４１は、耐クリープ性を有する接着剤４３から形成され、反応ガスと接しない側のシールライン４２は、耐ガスリーク性を有する接着剤４４から形成されている。
ガスマニホールド３０、３１と発電領域のガス流路２７、２８の存在する領域との間の第４のシールライン４０ｄが３重シールラインからなる場合は、中央が耐クリープ性を有する接着剤４３で、その両側が耐ガスリーク性を有する接着剤４４であり、ガスマニホールド３０，３１と発電領域のガス流路２７、２８の存在する領域との間の第４のシールライン４０ｄが２重シールラインからなる場合は、何れか一方が耐クリープ性を有する接着剤４３で、残りが耐ガスリーク性を有する接着剤４４である。

クリープとは、接着剤がスタック締結荷重を受けている間に、塑性・弾性の伸縮変形をすることである。接着剤のクリープ量が大きくなると、初期締結力が弛緩してモジュール間の接触抵抗が大きくなるなどの問題が生じる。
耐クリープ性を有する接着剤４３とは、クリープが少ない接着剤のことである。耐クリープ性を有する接着剤４３は、たとえば、付加硬化型シリコーン樹脂系接着剤である。耐クリープ性を有する接着剤４３は、クリープが少ない、また、反応ガスと化学反応を起こしにくく化学反応による劣化を生じにくいという長所を有するが、伸縮が少なく一対のセパレータ間の距離の変化に追従しにくいので、リーク漏れが多いという短所を有する。
耐ガスリーク性を有する接着剤４４とは、反応ガスのリーク漏れが少ない接着剤のことである。耐ガスリーク性を有する接着剤４４は、たとえば、エポキシ変成シリコーン樹脂系接着剤である。耐ガスリーク性を有する接着剤４４は、リーク漏れが少ないという長所を有するが、クリープが発生しやすい、気体と反応して劣化を生じるおそれがあるという短所を有する。

耐クリープ性を有する接着剤４３と耐ガスリーク性を有する接着剤４４は、１．０〜３．０対１の塗布量割合で、さらに望ましくは、２対１の塗布量割合で、セパレータ１８に塗布されている。セパレータ間の隙間が同じであるとすると、耐クリープ性を有する接着剤４３のシールラインの幅と耐ガスリーク性を有する接着剤４４のシールラインの幅は、１．０〜３．０対１の割合、さらに望ましくは２対１の割合、となる。
耐クリープ性を有する接着剤４３と耐ガスリーク性を有する接着剤４４とは、セパレータ面方向に互いに接していてもよいし、セパレータ面方向に互いに離れていてもよい。

本発明の全実施例に共通する燃料電池の製造方法は、接着剤シール３３（またはシール３２も接着剤からなる場合はシール３３、３２）が少なくとも２重の多重シールライン４０から構成されている燃料電池１０の製造方法である。
本発明の燃料電池１０の製造方法は、反応ガスと接する側のシールライン４１を耐クリープ性を有する接着剤４３から形成する第１の工程と、反応ガスと接しない側のシールライン４２を耐ガスリーク性を有する接着剤４４から形成する第２の工程と、を有する。
望ましくは、第１の工程を行った後第２の工程を行うのが、それに限るものではなく、第２の工程を行った後第１の工程を行ってもよいし、第１の工程と第２の工程とを同時に行ってもよい。
塗布後、セルの一対のセパレータを重ねて加熱し、流動状であった接着剤４３、４４を乾燥、固化し、セルモジュールを作製する。

耐ガスリーク性を有する接着剤４４は、たとえばエポキシ変成シリコーン樹脂系接着剤である。耐クリープ性を有する接着剤４３は、たとえば付加硬化型シリコーン樹脂系接着剤である。
接着剤の塗布時に、耐クリープ性を有する接着剤４３と耐ガスリーク性を有する接着剤４４を、１．０〜３．０対１の塗布量割合で、さらに望ましくは２対１の塗布量割合で、セパレータ１８に塗布する。

つぎに、本発明の燃料電池１０とその製造方法の、全実施例に共通する部分の作用・効果を説明する。
本発明の燃料電池１０では、接着剤シール３３（ガスケットシール３２を接着剤シールとした場合は、３３、３２）が少なくとも２重の多重シールライン４０から構成されており、反応ガスと接する側のシールライン４１が耐クリープ性を有する接着剤４３から形成され、反応ガスと接しない側のシールライン４２が耐ガスリーク性を有する接着剤４４から形成されているので、耐ガスリーク性を有する接着剤４４によってガスシール性が得られるとともに、耐クリープ性を有する接着剤４３によって耐クリープ性が得られ、その結果、ガスシール性と耐クリープ性の両方を同時に満足できる、すなわち、ガスシール性と耐クリープ性を両立できる燃料電池が得られる。
耐クリープ性を有する接着剤４３と耐ガスリーク性を有する接着剤４４を、１．０〜３．０対１の塗布量割合でセパレータ１８に塗布した場合は、耐クリープ性重視の燃料電池が得られる。

本発明の燃料電池１０の製造方法が、反応ガスと接する側のシールライン４１を耐クリープ性を有する接着剤４３から形成する工程と、反応ガスと接しない側のシールライン４２を耐ガスリーク性を有する接着剤４４から形成する工程と、を有するので、耐ガスリーク性を有する接着剤４４によってガスシール性が得られるとともに、耐クリープ性を有する接着剤４３によって耐クリープ性が得られ、その結果、ガスシール性と耐クリープ性の両方を同時に満足できる、すなわち、ガスシール性と耐クリープ性を両立できる燃料電池が得られる。
耐クリープ性を有する接着剤４３と耐ガスリーク性を有する接着剤４４を、１．０〜３．０対１の塗布量割合でセパレータ１８に塗布した場合は、耐クリープ性重視の燃料電池が得られる。

つぎに、本発明の各実施例に特有な部分を説明する。
本発明の実施例１では、図１、図２に示すように、第１のシールライン４０ａ、第２のシールライン４０ｂは２重シールラインからなり、第３のシールライン４０ｃは３重シールラインからなり、第４のシールライン４０ｄは２重のシールラインからなる。
第４のシールライン４０ｄは、図１、図２の例では、ガスマニホールド側にある耐クリープ性を有する接着剤４３と、発電領域側にある耐ガスリーク性を有する接着剤４４とを有する。
本発明の実施例１の作用・効果については、耐クリープ性を有する接着剤４３が、付加硬化型シリコーン樹脂系接着剤などからなる場合、反応ガス（たとえば、燃料ガス）と化学反応しにくいので、接着剤４３の劣化が生じにくく、かつ接着剤４４も片側を接着剤４３によって反応ガスから遮断されているため劣化が生じにくく、長期にわたって、耐クリープ性、耐ガスリーク性が安定する。

本発明の実施例２では、図３に示すように、第１のシールライン４０ａ、第２のシールライン４０ｂは２重シールラインからなり、第３のシールライン４０ｃは３重シールラインからなり、第４のシールライン４０ｄは３重のシールラインからなる。
第４のシールライン４０ｄは、図３の例では、３重のシールラインの中央のシールラインが耐ガスリーク性を有する接着剤４４から構成され、その両側のシールラインが耐クリープ性を有する接着剤４３から構成されている。
本発明の実施例２の作用・効果については、耐クリープ性を有する接着剤４３が付加硬化型シリコーン樹脂系接着剤などから構成され、この耐クリープ性を有する接着剤４３は反応ガス（たとえば、燃料ガス）と化学反応しにくいので、第４のシールライン４０ｄにおいて、接着剤４３も、そして両側を接着剤４３によって遮断された中央の接着剤４４も、ガス反応による劣化が生じにくく、長期にわたって、耐クリープ性と耐ガスリーク性が安定する。実施例２では、第４のシールライン４０ｄにおいて、中央の接着時４４は両側をガスから遮断されているので、片側のみを遮断された実施例１に比べて、さらに耐クリープ性と耐ガスリーク性が安定する。

本発明の実施例１の燃料電池の正面図である。 本発明の実施例１の燃料電池の一部の拡大正面図である。 本発明の実施例２の燃料電池の正面図である。 本発明の燃料電池の概略側面図である。 本発明の燃料電池の一部の断面図である。 従来の燃料電池のセパレータの、シールライン形成前の、正面図である。

符号の説明

１０ （固体高分子電解質型）燃料電池
１１ 電解質膜
１３、１６ 拡散層
１４ アノード
１７ カソード
１８ セパレータ
１９ モジュール
２０ ターミナル
２１ インシュレータ
２２ エンドプレート
２３ 燃料電池スタック
２４ 締結部材（テンションプレート）
２５ ボルト・ナット
２６ 冷媒流路（流体流路）
２７ 燃料ガス流路（流体流路）
２８ 酸化ガス流路（流体流路）
２９ 冷媒マニホールド（流体マニホールド）
３０ 燃料ガスマニホールド（流体マニホールド）
３１ 酸化ガスマニホールド（流体マニホールド）
３２ ガスケット
３３ 接着剤
４０ 多重シールライン
４１ 反応ガスと接する側のシールライン
４２ 反応ガスと接しない側のシールライン
４３ 耐クリープ性を有する接着剤（たとえば、付加硬化型シリコーン樹脂系接着剤）
４４ 耐ガスリーク性を有する接着剤（たとえば、エポキシ変成シリコーン樹脂系接着剤）

Claims (6)

1. 接着剤シールが少なくとも２重の多重シールラインから構成されている燃料電池であって、
   反応ガスと接する側のシールラインが耐クリープ性を有する接着剤から形成され、反応ガスと接しない側のシールラインが耐ガスリーク性を有する接着剤から形成されている、燃料電池。
2. 前記耐ガスリーク性を有する接着剤がエポキシ変成シリコーン樹脂系接着剤であり、前記耐クリープ性を有する接着剤が付加硬化型シリコーン樹脂系接着剤である請求項１記載の燃料電池。
3. 前記耐クリープ性を有する接着剤と前記耐ガスリーク性を有する接着剤を、１．０〜３．０対１の塗布量割合でセパレータに塗布した請求項１または請求項２記載の燃料電池。
4. 接着剤シールが少なくとも２重の多重シールラインから構成されている燃料電池の製造方法であって、
   反応ガスと接する側のシールラインを耐クリープ性を有する接着剤から形成する工程と、
   反応ガスと接しない側のシールラインを耐ガスリーク性を有する接着剤から形成する工程と、を有する燃料電池の製造方法。
5. 前記耐ガスリーク性を有する接着剤がエポキシ変成シリコーン樹脂系接着剤であり、前記耐クリープ性を有する接着剤が付加硬化型シリコーン樹脂系接着剤である請求項４記載の燃料電池の製造方法。
6. 前記耐クリープ性を有する接着剤と前記耐ガスリーク性を有する接着剤を、１．０〜３．０対１の塗布量割合でセパレータに塗布する請求項４または請求項５記載の燃料電池の製造方法。

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