JP2009009797A - 燃料電池用積層構造体および燃料電池用セパレータの製造方法、燃料電池用セパレータ、燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】セパレータなどの部材間の良好な接着性と所定の空間形状の確保とを実現する。
【解決手段】アノード側セパレータ２８ａとカソード側セパレータ２６ｂとの間に、流体流路を確保するためのスペーサ４２と、アノード側セパレータ２８ａとカソード側セパレータ２６ｂとを接着させるための熱可塑性樹脂４４とを挟持する工程と、熱可塑性樹脂４４を軟化させ、アノード側セパレータ２８ａとカソード側セパレータ２６ｂとを接着させる工程と、を含む。スペーサ４２を抜き取ることにより、所望の流体流路４６が形成される。スペーサ４２を抜き取ることに代えて、予め流体流路が形成されたスペーサを用いることも好適である。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池に関し、特に、複数の部材を積層させてなる積層構造体を備える燃料電池に関する。

従来の燃料電池の最小単位に相当する、単セルの構成について説明する。図６に例示するように、カソード触媒層１２とアノード触媒層１４を、電解質膜１０を挟んで互いに対向するように設け、いわゆる膜電極接合体（ＭＥＡ）３０が構成されている。

また、カソード触媒層１２の外側にはカソード拡散層１６が、アノード触媒層１４の外側にはアノード拡散層１８が、それぞれ設けられている。なお、以下の説明において、カソード触媒層１２およびカソード拡散層１６を総称して酸化極（またはカソード極）３２と記す場合もある。また、アノード触媒層１４およびアノード拡散層１８を総称して燃料極（またはアノード極）３４と記す場合もある。

さらに、カソード拡散層１６の外側には、酸化ガス流路２０および冷媒流路２２が形成されたカソード側セパレータ１２６が、アノード拡散層１８の外側には、燃料ガス流路２４および冷媒流路２２が形成されたアノード側セパレータ１２８が、それぞれ設けられており、これらを例えば、接着剤などを用いて一体化させて、単セル４０が形成される。

なお、図６では図示していないが、カソード側セパレータ１２６の内側および／またはアノード側セパレータ１２８の内側に、樹脂フレームを適用した構成とすることも可能である。このような樹脂フレームは一般に、ステンレス鋼やアルミニウム合金などの金属材料を使用したいわゆるメタルセパレータを用いる場合において、例えばセパレータの外周部分の非発電領域において好適に使用されるものであり、例えば炭素材料を適用したいわゆるカーボンセパレータなどの場合には省略し、図６に示すような構成とすることが可能である。

このようにして得られた単セル４０を、所望の起電力が得られるように複数枚積層させた燃料電池（燃料電池スタックとも称する）がさまざまな分野において適用されている。燃料電池は一般に、酸化極３２側に純酸素や空気等の酸化ガスを、燃料極３４側に純水素や改質ガス等の燃料ガスを、それぞれ供給すると、酸化極３２側と燃料極３４側とにおいて化学反応が起こり、電荷が発生して電池として機能することになる。この燃料電池は、発電に使用される原料のガスや液体燃料が豊富に存在すること、また、その発電原理より、排出される物質が水であること等から、クリーンなエネルギー源として様々な検討がされている。

ところで、燃料電池における発電性能の向上のために、構成する各部材の設計に際し、高い精度が要求されることも少なくない。例えば、燃料ガスや酸化ガスなどの流体流路においては、流通する反応ガスの流量の制御や単セル内での各流路における圧力損失の調整等、電池性能を最大限に発揮させるためのさまざまな検討がなされており、その流路形状についても、これらの検討に基づく高度な寸法調整が求められる場合がある。

例えば、特許文献１には、燃料ガスプレートと酸化ガスプレートとの間に中間プレートを挟みこみ接着させた、所望の流路形状を有する燃料電池セパレータが開示されている。

特開２００４−６１０４号公報

従来、燃料電池における各部材の接着には、高温安定性の観点から、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂系の接着剤が用いられる場合が多い。このような、熱硬化性樹脂系の接着剤は一般に、塗布時には流動性を有する液状である。

図７に例示するように、液状の接着剤１４４を用いて接着を行なうと（図７（ａ））、塗布した接着剤が硬化するまでに流動し、流体流路１４６の一部に狭窄や閉塞をもたらすおそれがあった（図７（ｂ））。また、このような接着剤の移動を抑制するために、塗布量を少なくしようとすると、接着不良となる懸念もあった。このような懸念のため、成形した単セルや燃料電池において、燃料電池の製造を量産化した場合であっても、検品が必要となり、製造コスト低減の妨げとなる場合があった。一方、接着剤の流動性を低下させるために粘度を上昇させると、硬化時間が長くなり、作業効率が低下するおそれがあった。

本発明は、例えばセパレータなど、複数の部材間を接着し、積層構造体を形成する場合において、良好な接着性と、流体流路などの所望の空間形状の確保とを同時に実現可能とすることを目的とする。

本発明の構成は以下のとおりである。

（１）第１の部材と第２の部材との間に、所定の空間を確保するためのスペーサと、第１の部材と第２の部材とを接着させるための熱可塑性樹脂とを挟持する工程と、前記熱可塑性樹脂を軟化させ、前記第１の部材と前記第２の部材とを接着させる工程と、を含む、燃料電池用積層構造体の製造方法。

（２）第１のセパレータ部材と第２のセパレータ部材との間に、流体流路を確保するためのスペーサと、前記第１のセパレータ部材と前記第２のセパレータ部材とを接着させるための熱可塑性樹脂とを挟持する工程と、前記熱可塑性樹脂を軟化させ、前記第１のセパレータ部材と前記第２のセパレータ部材とを接着させる工程と、を含む、燃料電池用セパレータの製造方法。

（３）上記（２）に記載の製造方法において、前記スペーサには、予め流体流路が形成されている、燃料電池用セパレータの製造方法。

（４）上記（２）または（３）に記載の製造方法において、前記熱可塑性樹脂が、所定の形状に成形された樹脂シートである、燃料電池用セパレータの製造方法。

（５）上記（２）から（４）のいずれか１つに記載の方法により作製された燃料電池用セパレータ。

（６）第１のセパレータ部材と第２のセパレータ部材との間に、所定の厚みを有するスペーサを挟持し、固定させた流体流路規定部分と、前記第１のセパレータ部材と前記第２のセパレータ部材との間に、熱可塑性樹脂を挟持し、接着させた接着部分と、を有する、燃料電池用セパレータ。

（７）燃料極と、電解質膜と、酸化極とを順に積層させた電極部分の両面を、一対のセパレータで挟持した単セルを含み、前記セパレータの少なくとも一方が、上記（５）または（６）に記載の燃料電池用セパレータである、燃料電池。

本発明によれば、部材間の良好な接着性と所定の空間形状の確保とを同時に実現することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態について、図面に基づいて説明する。なお、各図面において同様の構成については同じ符号を付し、その説明を省略する。

図１は、本発明の実施の形態における燃料電池１００の構成の概略について示す断面図である。図１に示す燃料電池１００は、カソード側セパレータ２６ａおよびアノード側セパレータ２８ａで挟持された第１の単セル５０ａ、カソード側セパレータ２６ｂおよびアノード側セパレータ２８ｂで挟持された第２の単セル５０ｂをそれぞれ積層させたことを除き、図６を用いて説明した従来の燃料電池と同様の構成を有している。

図１において、単セル５０ａの一部を構成するアノード側セパレータ２８ａと、単セル５０ａに隣り合う単セル５０ｂの一部を構成し、アノード側セパレータ２８ａに近接するカソード側セパレータ２６ｂとの間に所定の流体流路４６が形成された、セパレータ積層体３６が形成されている。図１に示すセパレータ積層体３６の構成につき、図２を用いて、さらに説明する。

図２は、図１に示すセパレータ積層体３６を作製する方法の一例について説明する断面拡大図である。なお、図２に示すセパレータ積層体３６の形状は、図１に示した領域６０部分の形状に相当する。

まず、所定の厚みを有するスペーサ４２と、熱可塑性樹脂４４とをそれぞれ準備し、アノード側セパレータ２８ａとカソード側セパレータ２６ｂとの間（本実施の形態では、カソード側セパレータ２６ｂ上、アノード側セパレータ２８ａの下）の所定の位置で挟持させる（図２（ａ））。

図２（ａ）において、スペーサ４２は、アノード側セパレータ２８ａとカソード側セパレータ２６ｂとの間に、例えば流体流路など、所定の空間を確保するために設けられるものである。ここでいう流体とは、燃料ガスや酸化ガスなどの反応ガスであっても良く、冷却水などの冷却媒体であっても良い。

一方、熱可塑性樹脂４４は、アノード側セパレータ２８ａとカソード側セパレータ２６ｂとを接着させるために設けられるものである。熱可塑性樹脂４４の形状に特に制限はないが、スペーサ４２部分を除く、接着が必要な部分全体にわたり設けることが好適である。このため、例えば接着させる各セパレータ表面の形状に応じて、熱可塑性樹脂を予め膜状に成形した樹脂シートを用意し、これを用いると、接着時に熱可塑性樹脂部分どうしの位置ずれを防止することが可能となるため、作業性が向上し、好適である。このとき用いられる樹脂シート４４は、一連のものであっても良く、場合によっては数パーツに分割した形状であってもよい。

また、熱可塑性樹脂または樹脂シート４４は一般に、その種類によっては次に説明する工程により軟化させるとわずかに変形する場合があるため、本構成を例えば図２（ａ）に示すような平板状の部材間の接着に用いる場合には、例えばスペーサ４２の厚みと同程度、またはスペーサ４２の厚みよりもやや厚くすることができる。同様に、スペーサ４２と熱可塑性樹脂４４との間に、接着時には閉塞し、スペーサ４２の位置が安定する程度のわずかな空間を設けておいても良い（図２（ａ）参照のこと）。このように、選択する熱可塑性樹脂の特性に応じて、樹脂シート４４の形状を適宜設計することが可能である。

次に、アノード側セパレータ２８ａとカソード側セパレータ２６ｂとの間に挟持した熱可塑性樹脂または樹脂シート４４を軟化させ、アノード側セパレータ２８ａとカソード側セパレータ２６ｂとを接着させる（図２（ｂ））。熱可塑性樹脂を軟化させる方法としてはいかなる手段を用いるものでも良く、例えば赤外線などの電磁波の照射によるものであっても良いが、具体的には加熱による軟化とともに各セパレータ間で所定の圧力による押圧挟持を行なうことが可能なヒータープレートが好適である。

次に、スペーサ４２を抜き取り、流体流路４６を形成させる（図２（ｃ））。スペーサ４２の抜き取りは、いかなる方法であっても良いが、例えば流体流路４６に連通するマニホールドからの反応ガスや冷却媒体等の流体の供給により、またはスペーサ４２を直接吸引することにより抜き取ることも好適である。実施の形態において、例えば少なくとも熱可塑性樹脂４４と接触するスペーサ４２の表面に予めフッ素加工等を施すことにより、熱可塑性樹脂４４に対する接着性を低下させ、スペーサ４２の抜き取りを容易にすることも好適である。また、場合によっては、物理的手段によりスペーサ４２を小片にした後に抜き取る態様とすることも可能である。

図２（ｂ）において、スペーサ４２に要求される特性としては、カソード側セパレータ２６ｂとアノード側セパレータ２８ａとの間の押圧接着時に変形しない程度の耐押圧性を有することである。本実施の形態によれば、スペーサ４２が熱可塑性樹脂４４により所望の位置で固定されるため、確実に位置決めすることが可能となる。

一方、熱可塑性樹脂４４に対しては、少なくとも燃料電池の動作温度において軟化しないことなど、動作温度・環境温度における耐熱・耐寒性が要求される。一方、接着させる他の部材の性質によっては、熱可塑性樹脂４４の融点または軟化点が高すぎることは好ましくない。また、熱可塑性樹脂４４が流体流路の一部を構成する場合には、スペーサ４８と同様、流通する流体の種類に応じた物理的・化学的特性が要求される。かかる場合において、好適な熱可塑性樹脂４４材料としては、１２０〜２００℃程度の融点を有するポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）、ポリアミド、ポリオレフィンなどを挙げることが可能であるが、これに限らない。燃料電池の環境条件による膨張や収縮などの体積変化がほとんどなく、また接着させた部材間の剥離を生じ難いものであればいかなるものを使用しても良い。

なお、図２において、スペーサ４２と熱可塑性樹脂４４とは、接着時にはほぼ同じ厚み寸法を有しているが（図２（ｂ））、他の実施の形態として、図３（ａ）に例示するような関係を有するスペーサ４９および熱可塑性樹脂４４を用いることも可能である。つまり、スペーサの厚み寸法は、流体流路など、所望する空間形状に応じて作製されるのに対し、熱可塑性樹脂からなる接着シートの厚み寸法は、スペーサの形状には必ずしも依存せず、少なくとも所定の接着性能を有していれば良いことを意味している。

また、図２に示すような、スペーサ４２を抜き取ることにより流体流路４６を形成させることに代えて、例えば図３（ｂ）に例示するような、予め流体流路４６が形成されているスペーサ４８を用いることも好適である。本実施の形態によれば、スペーサ４８を抜き取る工程が不要となるため、好適である。

なお、図３（ｂ）に例示する実施の形態において、スペーサ４８に対しては、単セルおよび燃料電池スタック形成のための所定の耐押圧性のほか、形成された流体流路４６を流通する流体の種類および環境条件に応じて、例えば耐熱性、耐寒性、耐水性、耐水蒸気性、耐酸性など、種々の物理的および化学的特性もあわせて必要となる。また、スペーサ４８（流体流路４６）の配置箇所によっては、導電性または絶縁性などもあわせて必要となる。かかる場合において、好適なスペーサ４８材料としては、例えば、ステンレス鋼（ＳＵＳ）、アルミニウム、チタン、タングステンなどの金属基材や、１２０〜２００℃程度の融点を有するポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）、ポリアミド、ポリオレフィンなどの樹脂基材を挙げることが可能であるが、これに限らない。例えば金属基材の表面に絶縁被覆を施したものや、樹脂基材の表面に金属薄膜を塗工したものなど、必要に応じて種々の材料を用いることが可能である。

図４は、図１および２に示すセパレータ積層体３６を構成する各部材のより具体的な実施の形態について示した概略図である。図４（ａ）には、カソード側セパレータ２６ｂが、図４（ｂ）には、樹脂シート４４が、図４（ｃ）には、アノード側セパレータ２８ａが、それぞれ示されており、各部材には、燃料電池において流通させる各流体を供給／排出させる各マニホールド（酸化ガス供給マニホールド２０ａ、酸化ガス排出マニホールド２０ｂ、冷媒供給マニホールド２２ａ、冷媒排出マニホールド２２ｂ、燃料ガス供給マニホールド２４ａ、燃料ガス排出マニホールド２４ｂ）が、各部材をそれぞれ貫通するように設けられている。

図４（ａ）に示すカソード側セパレータ２６ｂの一方面であって、セパレータ積層体３６形成時に図４（ｃ）に示すアノード側セパレータ２８ａと向かい合う側の面には、冷媒流路２２が、また、カソード側セパレータ２６ｂの他方面であって、ここでは図示しないカソード拡散層と向かい合う側の面には、酸化ガス流路２０が、それぞれ設けられている。カソード側セパレータ２６ｂの面方向に沿って、冷却媒体および酸化ガスが、それぞれ矢印に示すように流通する。なお、図４（ａ）において、冷媒流路２２および酸化ガス流路２０における詳細な流路構造については省略した。

一方、図４（ｃ）に示すアノード側セパレータ２８ａの一方面であって、セパレータ積層体３６形成時に図４（ａ）に示すカソード側セパレータ２６ｂと向かい合う側の面には、冷媒流路２２が、また、アノード側セパレータ２８ａの他方面であって、ここでは図示しないアノード拡散層と向かい合う側の面には、燃料ガス流路２４が、それぞれ設けられている。カソード側セパレータ２８ａの面方向に沿って、冷却媒体および燃料ガスが、それぞれ矢印に示すように流通する。なお、冷媒流路２２および燃料ガス流路２４における詳細な流路構造については省略した。

図４（ｂ）に示す樹脂シート４４を、カソード側セパレータ２６ｂとアノード側セパレータ２８ａとの間に挟み込み積層させる（図２（ｂ）参照）。熱可塑性樹脂からなる樹脂シート４４は、各マニホールドに相当する部分と同様に、冷媒流路に対応する内側部分６２もまた開口している。このとき、図４（ａ）〜（ｃ）の各部材を順に積層させたものの両端を、例えばヒータープレートにより挟持し、所定の圧力と熱とを均一に印加することにより、樹脂シート４４は軟化し、接着性が発現する。ヒータープレートによる加圧を保持した状態のまま加熱をやめ、所定時間または所定の温度まで冷却または放冷することにより、カソード側セパレータ２６ｂとアノード側セパレータ２８ａは接着する。

図５は、図４（ａ）に示すカソード側セパレータ２６ｂの一方面上であって、酸化ガス供給マニホールド２０ａの近傍に、所定の流体流路形状を確保するためのスペーサ４２と樹脂シート４４とが設けられた様子を示したものであり、図４（ｂ）の領域５２を拡大したものに相当する。カソード側セパレータ２６ｂと、ここでは図示しないアノード側セパレータ２８ａとを、樹脂シート４４を介して接着させた後、スペーサ４２を抜き取ることにより、カソード側セパレータ２６ｂとアノード側セパレータ２８ａとの間に流体流路４６が形成される。本実施の形態では、図５の矢印に示すように酸化ガス供給マニホールド２０ａから導入された酸化ガスが流体流路（酸化ガス流路）４６を経由し、カソード側セパレータ２６ｂを貫通する開口部２０ｃを介してカソード側セパレータ２６ｂの図示しない裏側に酸化ガスが流入する。

本実施の形態によれば、セパレータ間の良好な接着性と所定のガス流路形状の確保による所望のガス流通性とを同時に実現することが可能になる。

以上、本発明の実施の形態において、例えば図１に示すような積層構造を有するセパレータ積層体３６の構成を例にして説明したが、これに限らない。例えば、樹脂フレームを熱可塑性樹脂で形成し、メタルセパレータと拡散層またはＭＥＧＡ（ＭＥＡ−拡散層接合体）との間を、樹脂フレームを介して接着させる構成など、隣り合う各部材間を、所定の空間形状を確保しつつ熱可塑性樹脂により接着固定させる他の積層構造体に適用することも可能である。

本発明は、燃料電池およびこれを構成する単セルにおいて好適に利用することが可能である。

本発明の実施の形態における燃料電池の構成の概略について示す断面図である。 図１に示す積層体の製造工程の一例を説明する図である。 図１に示す積層体の変形例を示す断面概略図である。 図１に示す積層体を構成する各部材について説明する図である。 図４（ａ）に示すカソード側セパレータ２６（ｂ）上に配設されたスペーサ部分の構成の概略について説明する拡大図である。 従来の単セルの構成の概略について説明する断面図である。 液状の接着剤を用いた部材間の接着について説明する図である。

符号の説明

１０ 電解質膜、１２ カソード触媒層、１４ アノード触媒層、１６ カソード拡散層、１８ アノード拡散層、２０ 酸化ガス流路、２０ａ 酸化ガス供給マニホールド、２０ｂ 酸化ガス排出マニホールド、２０ｃ 開口部、２２ 冷媒流路、２２ａ 冷媒供給マニホールド、２２ｂ 冷媒排出マニホールド、２４ 燃料ガス流路、２４ａ 燃料ガス供給マニホールド、２４ｂ 燃料ガス排出マニホールド、２６ａ，２６ｂ，１２６ カソード側セパレータ、２８ａ，２８ｂ，１２８ アノード側セパレータ、３０ 膜電極接合体（ＭＥＡ）、３２ 酸化極、３４ 燃料極、３６，５６ 積層体、４０，５０ａ，５０ｂ 単セル、４２，４８，４９ スペーサ、４４ 熱可塑性樹脂（樹脂シート）、４６，１４６ 流体流路、５２，６０ 領域、６２ 内側部分、１００ 燃料電池、１４４ 接着剤。

Claims (7)

1. 第１の部材と第２の部材との間に、所定の空間を確保するためのスペーサと、第１の部材と第２の部材とを接着させるための熱可塑性樹脂とを挟持する工程と、
   前記熱可塑性樹脂を軟化させ、前記第１の部材と前記第２の部材とを接着させる工程と、
   を含むことを特徴とする燃料電池用積層構造体の製造方法。
2. 第１のセパレータ部材と第２のセパレータ部材との間に、流体流路を確保するためのスペーサと、前記第１のセパレータ部材と前記第２のセパレータ部材とを接着させるための熱可塑性樹脂とを挟持する工程と、
   前記熱可塑性樹脂を軟化させ、前記第１のセパレータ部材と前記第２のセパレータ部材とを接着させる工程と、
   を含むことを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法。
3. 請求項２に記載の製造方法において、
   前記スペーサには、予め流体流路が形成されていることを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法。
4. 請求項２または３に記載の製造方法において、
   前記熱可塑性樹脂が、所定の形状に成形された樹脂シートであることを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法。
5. 請求項２から４のいずれか１項に記載の方法により作製された燃料電池用セパレータ。
6. 第１のセパレータ部材と第２のセパレータ部材との間に、所定の厚みを有するスペーサを挟持し、固定させた流体流路規定部分と、
   前記第１のセパレータ部材と前記第２のセパレータ部材との間に、熱可塑性樹脂を挟持し、接着させた接着部分と、
   を有することを特徴とする燃料電池用セパレータ。
7. 燃料極と、電解質膜と、酸化極とを順に積層させた電極部分の両面を、一対のセパレータで挟持した単セルを含み、
   前記セパレータの少なくとも一方が、請求項５または６に記載の燃料電池用セパレータであることを特徴とする燃料電池。

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