JP2010009823A - 燃料電池構成部品およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】この発明は、通気性導電体に対するガスケット成分の不要な含浸を抑止することができる構成を備えた燃料電池構成部品を提供することを目的とする。
【解決手段】ＭＥＡ２０、ガス拡散層２４、多孔質体層３０、セパレータ４０は、ガスケット５０で一体化される。フィルム６０が、ガスケット５０と、多孔質体層３０、セパレータ４０との界面に設けられている。フィルム６０は、ガスケット５０の材料が溶融状態にある場合にこの溶融材料が透過しない程度の密閉性を有する膜である。
【選択図】図２

Description

この発明は、燃料電池を構成する際に用いることができる燃料電池構成部品に関する。

従来、例えば、特開２００７−１４１７９２号公報に開示されているように、膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly：MEA）の外周部にガスケットを一体成型した、燃料電池構成部品が知られている。この燃料電池構成部品は、熱可塑性樹脂などのガスケット材料を用いた射出成型を行うことにより、ＭＥＡに対してガスケットを一体成型している。

近年では、上記従来の技術にかかるＭＥＡ/ガスケット一体部品のように、燃料電池の構成部品に対してガスケットを一体に形成する技術が検討されている。その中で、燃料電池発電用の反応ガス（水素ガスや酸化ガス）を燃料電池セル面内に流すための部材を、ガスケットの一体化成型によって、ＭＥＡやセパレータと一体化するという技術が検討されている。反応ガスを流すための部材とは、具体的には、ガス拡散層や多孔質体層である。これらの層には、通気性と導電性が要求される。以下、ガス拡散層および多孔質体層をまとめて、「通気性導電体」とも称す。

燃料電池を構成するための部材には、ＭＥＡ、通気性導電体のほかにも、隣接するＭＥＡを仕切り集電板としても機能するセパレータがある。これらの種々の部材の組み合わせにより、例えば、「通気性導電体/セパレータ/ガスケット一体部品」、「ＭＥＡ/通気性導電体/セパレータ/ガスケット一体部品」といった、様々なガスケット一体成型タイプの燃料電池構成部品が提供される。

特開２００７−１４１７９２号公報 特開２００７−１８８８３４号公報 特開２００７−１４９４７２号公報

通気性導電体を含む部材をガスケット材料で一体成型する際には、通気性導電体に対するガスケット材料の含浸の程度が問題となる。つまり、ガスケット材料が通気性導電体の内部まで不必要に深く含浸することは、好ましくない。ガスケット材料の含浸の深さ、つまり含浸量を高精度に制御するためには、例えば、高度な流速制御技術を駆使するという方法がある。また、通気性導電体内部の所定の位置に事前に目止めを行う方法もある。しかしながら、これらの方法は、製造工程の煩雑化や工程数の増加が避けられないという課題がある。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、通気性導電体に対するガスケット成分の不要な含浸を抑止することができる構成を備えた燃料電池構成部品およびその製造方法を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池構成部品であって、
燃料電池発電用ガスを通過させる気孔を内部に備え、かつ、電気伝導性の材料を用いて形成された通気性導電体と、
前記通気性導電体に重ねられた、膜電極接合体または／およびセパレータと、
前記通気性導電体の端部に備えられた膜と、
前記通気性導電体における前記膜が備えられた前記端部を含む外周部に沿って溶融状態の材料が成型されることにより形成され、前記通気性導電体と、前記膜電極接合体または／および前記セパレータとを、直接的に、または、前記膜を介して間接的に一体化するガスケットと、
を備え、
前記膜が、溶融状態における前記ガスケットの材料を透過させない膜であることを特徴とする。

また、第２の発明は、第１の発明において、
前記膜が、前記燃料電池発電用ガスに対して実質的に不透過性を有することを特徴とする。

また、第３の発明は、前記膜電極接合体と前記セパレータのうち少なくとも前記セパレータが前記通気性導電体に重ねられた第１または第２の発明において、
前記通気性導電体には前記セパレータが重ねられており、
前記ガスケットが前記セパレータの表面の一部を露出するように形成され、
前記膜が、電気絶縁性を備え、かつ、前記ガスケットから露出する前記セパレータの表面の、一部または全部を覆うことを特徴とする。

第４の発明は、上記の目的を達成するため、
燃料電池発電用ガスを通過させる気孔を内部に備えかつ電気伝導性の材料を用いて形成された通気性導電体に、膜電極接合体または／およびセパレータを重ねた状態で、該通気性導電体の外周部にガスケットを成型することによりそれらを一体化する燃料電池構成部品の製造方法であって、
前記通気性導電体の端部に、溶融状態における前記ガスケットの材料を透過させない膜を設ける工程と、
前記通気性導電体と、前記膜電極接合体または／および前記セパレータとを、直接的に、または、前記膜を介して間接的に一体化するように、前記通気性導電体における前記膜が備えられた前記端部を含む外周部に沿って前記ガスケットを成型する工程と、
を含むことを特徴とする。

第１の発明によれば、通気性導電体とガスケットとの界面に含浸阻害用の膜が設けられるので、ガスケット形成時に、この膜によって通気性導電体に対するガスケット材料の不要な含浸を抑止することができる。

第２の発明によれば、通気性導電体の端部に、燃料電池発電用ガスの透過を妨げるシールを施すことができる。これにより、燃料電池発電用ガスがリークするのを確実に防止することができる。

第３の発明によれば、セパレータの露出部を電気的に絶縁することができる。従って、第３の発明にかかる燃料電池構成部品を多数重ねて燃料電池スタックを構成する際に、隣接する燃料電池構成部品が電気的にショートしてしまうことを防止することができる。

第４の発明によれば、通気性導電体とガスケットとの界面に含浸阻害用の膜が設けられた状態で、ガスケット成型工程を行うことができる。従って、この膜によって通気性導電体に対するガスケット材料の不要な含浸を抑止することができる。

実施の形態１．
［実施の形態１の構成］
図１は、本発明の実施の形態１にかかる燃料電池構成部品１０の平面図である。燃料電池構成部品１０は、図１の紙面を貫通する方向に膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly:ＭＥＡ）２０、ガス拡散層２４、多孔質体層３０およびセパレータ４０が重ねられて、これらがガスケット５０によって一体化されたものである。燃料電池構成部品１０が、図１の紙面を貫通する方向に多数積層されて挟持されることにより、１つの燃料電池スタックを形成することができる。

セパレータ４０は、貫通穴４６、４７、４８、４９を備えている。燃料電池構成部品１０が積層された際には、貫通穴４６、４７、４８、４９が図１の紙面奥行方向に連通して、各種マニホールドが形成される。

図１には、燃料電池構成部品１０のガスケット５０、５４が模式的に図示されている。ガス拡散層２４の端部２４ａには、ガスケット５０の材料が含浸している。但し、燃料電池構成部品１０の平面方向に見た（平面視の）ガスケットのパターンは、図１に示したパターンに限定されるものではない。シーリングすべき部位や要求されるシーリング性の程度などに合わせて、適宜にガスケットを変更、追加すればよい。例えば、セパレータ４０における貫通穴４６、４７の周縁部にも、適宜にガスケットを形成すればよい。実施の形態１では、ガスケットの平面視のパターンについてはこれ以上の説明は省略する。

図２は、燃料電池構成部品１０を図１のＡ−Ａ線に沿って切断した切断面を示す。図２に示すように、ＭＥＡ２０、ガス拡散層２４、多孔質体層３０およびセパレータ４０が、ガスケット５０によって一体化されている。

ＭＥＡ２０は、プロトン伝導性の固体高分子電解質膜２１の両面に、電極触媒層２２が設けられたものである。ＭＥＡ２０の両面には、さらにガス拡散層２４が設けられている。そして、図２紙面右側（図１から見て紙面裏面側）に向かって、さらに、多孔質体層３０、セパレータ４０、他の多孔質体層３０が、重ねられている。

ガス拡散層２４、多孔質体層３０は、水素ガスや空気を燃料電池セルの面内に供給するために備えられた通気性導電体である。ガス拡散層２４、多孔質体層３０は、それぞれ、水素ガスや空気を通過させる気孔を内部に備え、かつ、電気伝導性の材料を用いて形成されたものである。ガス拡散層２４は、例えばカーボンシートやカーボン不織布により、多孔質体層３０は、例えば発泡金属やエキスパンドメタルにより、それぞれ形成される。一般に、多孔質体層は、ガス拡散層に比して細孔径や空孔率が大きく（言い換えれば、ガス拡散層に比してより粗い構造）、平面方向へのガス流通性が相対的に高い部材を用いて形成される。

セパレータ４０は、３枚のプレート４１、４２、４３が重ねられて構成されている。プレート４１、４２、４３には、それぞれ所定のパターンの貫通穴が形成されている。プレート４１、４２、４３が重ねられることにより、ガス導入口４４、４５などのガス流路が形成される。図示しないが、セパレータ４０内のガス導入口４４、４５などのガス流路は、貫通穴４６〜４８に接続し、マニホールドから分配された反応ガスを多孔質体層３０へと供給する。なお、複数のプレートを用いてセパレータを構成する技術は、例えば特開２００７−１８８８３４号にも開示されているように既に公知である。従って、これ以上の説明は省略する。

燃料電池構成部品１０は、ガスケット５０、５４を備えている。ガスケット５０は、弾性を有する樹脂材料、つまりゴムで形成されている。ガスケット５０は、図１にも示すように、ＭＥＡ２０を囲うように、ＭＥＡ２０の外周部に接して形成される。このとき、ガスケット５０は、材料の一部がガス拡散層２４の端部２４ａに含浸するように形成されている。

実施の形態１では、燃料電池構成部品１０に、フィルム６０、６２が備えられている。フィルム６０は、多孔質体層３０とガスケット５０との界面に設けられている。フィルム６０は、ガスケット５０の材料のゴムが溶融状態のときに、この溶融ゴムを透過させない程度に密閉性の高い膜とする。フィルム６０により、ガスケット５０の材料であるゴムが、多孔質体層３０の気孔内へと侵入することが阻害される。よって、フィルム６０によって多孔質体層３０に対するガスケット材料の不要な含浸を抑止することができる。

また、実施の形態１では、フィルム６０、６２は、水素ガスや空気に対してガス不透過性を有する膜とする。これにより、フィルム６０によって、多孔質体層３０の端部に、燃料電池発電用ガスの透過を妨げるシールを施すことができる。その結果、燃料電池発電用ガスがリークするのを確実に防止することができる。

また、フィルム６０、６２は多孔質体層３０の端部を覆いながら、セパレータ４０の貫通穴４８の位置まで連続的に貼り付けられている。実施の形態１では、フィルム６０、６２を、電気絶縁性を備えた材料で形成された膜とする。これにより、フィルム６０によって、セパレータ４０の露出部を電気的に絶縁することができる。従って、燃料電池構成部品１０を多数重ねて燃料電池スタックを構成する際に、隣接する燃料電池構成部品１０が電気的にショートしてしまうことを防止することができる。

実施の形態１では、具体的には、フィルム６０、６２は、ＰＰ（ポリプロピレン）、ＰＥ（ポリエチレン）、ポリエステル系フィルム、フッ素系フィルムなどとすることができる。

フィルム６０は、多孔質体層３０の端部表面からセパレータ４０表面にかけて、熱圧着により貼り付けられる。これにより、フィルム６０は、セパレータ４０に対して多孔質体層３０を固定している。なお、熱圧着の代わりに、接着剤を用いてフィルム６０を貼り付けても良い。言い換えれば、実施の形態１では、ガスケット５０の形成前の時点で、セパレータ４０と多孔質体層３０とがフィルム６０によってサブＡＳＳＹ（サブアッセンブリ）化されている。これにより、ガスケット５０形成工程時における、ハンドリング性向上効果や、部材間の積層位置ズレを防止する効果が得られる。

なお、燃料電池構成部品１０は、セパレータ４０におけるＭＥＡ２０が備えられていない側の面に、他の多孔質体層３０を備えている。この多孔質体層３０も、フィルム６２によってセパレータ４０に固定されている。

なお、ガスケット５０、５４は、それぞれ、ガスケットリップ５２、５４を備えている。また、実施の形態１では、ガスケット５０が、ガス拡散層２４の表面よりも高さＨだけ突出したサブリップ５３を備えている。

なお、ここで、燃料電池構成部品１０の製造方法の一例を述べる。先ず、セパレータ４０と多孔質体層３０をフィルム６０、６２で一体化する（ステップＳ１）。次いで、ＭＥＡ２０を２枚のガス拡散層２４で挟み込んで、ステップ１で一体化した構成に乗せ、金型内に収納する（ステップＳ２）。この金型には、予め、ガスケット５０、５４に対応する位置に凹部が設けられており、この凹部に対してガスケット材料を供給可能な樹脂通路が形成されている。このような金型は、例えば特開２００７−１８８８３４号公報など各種文献に開示されており公知のため、詳細な説明は省略する。ステップＳ２の状態で、射出成型により、ガスケット５０、５４を形成する（ステップＳ３）。このとき、多孔質体層３０へのガスケット材料の含浸が阻害され、ガス拡散層２４の端部に対してガスケット材料が含浸する。ガスケット成型後に、金型から一体化後の部品を取り出し、燃料電池構成部品１０の構成を得る（ステップＳ４）。

なお、実施の形態１では、多孔質体層３０の外周を囲うようにフィルム６０が連続的に設けられているものとする。つまり、実施の形態１では、図１の平面図において、ガスケット５０がガス拡散層２４の外周を囲っているのと同様に、フィルム６０が、ガス拡散層２４の下層の多孔質体層３０の外周を連続的に囲っている。

［実施の形態１に対する比較例］
図５は、実施の形態１に対する比較例を示す図である。図２と同様の位置を簡略に示している。この比較例では、フィルム６０が設けられていない。このため、ガスケット２５０の形成時に、ガスケット材料であるゴムが多孔質体層３０内部に不必要に深く含浸してしまうおそれがある。

また、ガスケット２５０は、多孔質体層３０の端部からのガスリークを防止するという役割も担っている。つまり、多孔質体層３０の端部にガスケット材料が程よく含浸しているならば、多孔質体層３０の外周端部が封止されてガスリークが防止される。しかしながら、ガスケット材料のゴムの含浸量を、精度良くコントロールすることは容易ではない。例えば、高度な流速制御技術を駆使するという方法や、通気性導電体の所定の位置に事前に目止めを行う方法などがあるものの、これらの方法では、製造工程の煩雑化や工程数の増加が避けられない。含浸量の制御が十分でないと、含浸量が不足（含浸が浅すぎる）したり、多孔質体層３０の外周の一部に含浸もれが生じてこの部位の封止が損なわれたりするおそれがある。

この点、実施の形態１によれば、ガスケット材料の含浸に全面的に頼る上記比較例とは異なり、フィルム６０を用いている。よって、含浸量制御やガスシール確保といった要望を、十分に満たすことができる。

［実施の形態１の変形例］
（第１変形例）
実施の形態１では、ＭＥＡ２０、ガス拡散層２４、多孔質体層３０およびセパレータ４０が、ガスケット５０によって一体化された。つまり、実施の形態１によれば、「ＭＥＡ/通気性導電体/セパレータ/ガスケット一体部品」が提供されている。しかしながら、本発明はこれに限られるものではない。ＭＥＡ２０は除いて、ガス拡散層２４、多孔質体層３０およびセパレータ４０を、ガスケット５０によって一体化してもよい。つまり、「通気性導電体/セパレータ/ガスケット一体部品」であってもよい。この場合にも、フィルム６０によって、実施の形態１と同様の効果を享受することができる。

（第２変形例）
また、セパレータ４０を除いて、ＭＥＡ２０、ガス拡散層２４、多孔質体層３０を、ガスケット５０によって一体化してもよい。つまり、「ＭＥＡ/通気性導電体/ガスケット一体部品」であってもよい。この場合にも、フィルム６０を、ガスケット５０と、ガス拡散層２４や多孔質体層３０との間に介在させることにより、実施の形態１と同様の効果を享受することができる。

なお、実施の形態１では、ガス拡散層と多孔質体層という２つの通気性導電体を含む燃料電池を前提として、説明を行った。しかしながら、本発明はこれに限られるものではなく、多孔質体層を介在させないタイプの燃料電池（具体的には、セパレータに溝型のガス流路が設けられたタイプの燃料電池）に対しても適用可能である。この場合にも、ガス拡散層における含浸を抑止すべき部位に、フィルム６０を貼り付ければよい。

（第３変形例）
実施の形態１では、電気絶縁性のフィルム６０を、マニホールド用の貫通穴４８の縁まで連続的に設けている。しかしながら本発明はこれに限られるものではない。フィルム６０は必ずしも電気絶縁性を有していなくともよい。また、フィルム６０は、貫通穴４８の縁まで延びていなくとも良く、図２においてガスケット５０の内側で終端していてもよい。

なお、このような変形が施された場合、ガスケット５０はセパレータ４０の表面に直接接触する。つまり、ガスケット５０が、セパレータ４０と、他の部材（ＭＥＡ２０やガス拡散層２４、多孔質体層３０）を、直接的に一体化している。これに対し、実施の形態１の場合には、ガスケット５０が、セパレータ４０と、他の部材（ＭＥＡ２０やガス拡散層２４、多孔質体層３０）とを、フィルム６０を介して間接的に一体化しているということができる。

なお、実施の形態１では、セパレータ４０の両面に多孔質体層３０を重ね、フィルム６０、６２でそれぞれ固定している。しかしながら、本発明はこれに限られるものではなく、図２における紙面右側に位置する多孔質体層３０を省略してもよい。また、実施の形態１では、フィルム６０が、ガスケット材料の含浸を阻害する性質と、燃料電池発電用の反応ガスに対するガス不透過性という、２つの機能を有する。しかしながら、本発明はこれに限られるものではなく、上記のガス不透過性は、必須ではない。また、フィルム６０は、必ずしも単一の材料からなる１層の膜に限定されない。異種材料を積層して形成した１つの膜（換言すれば、多層膜）を、フィルム６０として用いることができる。

なお、実施の形態１ではサブリップ５３を設けたが、本発明はこれに限られるものではない。サブリップ５３を設けなくとも良い。

実施の形態２．
［実施の形態２の構成］
図３および図４を用いて、実施の形態２を説明する。図３は、実施の形態２にかかる、燃料電池構成部品１１０を示す。燃料電池構成部品１１０は、燃料電池構成部品１０からフィルム６０、６２を取り除いたものである。なお、燃料電池構成部品１１０では、多孔質体層３０が、溶接や、樹脂による接着などによって、セパレータ４０に固定される。

燃料電池構成部品１１０は、燃料電池スタックを構成する際に、図４に示すように多数積層される。このとき、燃料電池構成部品１１０が備えるサブリップ５３が、個々の燃料電池構成部品１１０の位置決めのために活躍する。つまり、２つの燃料電池構成部品１１０が重ねられる際に、一方の燃料電池構成部品１１０の多孔質体層３０が、他方の燃料電池構成部品１１０のサブリップ５３内側領域へと嵌め込まれる。これにより、個々の燃料電池構成部品１１０の、平面方向に対するずれを防止することができる。

なお、サブリップ５３の高さＨは、向かい合わせになる多孔質体層３０の厚さよりも小さくされる。

［実施の形態２の比較例］
図６〜８は、実施の形態２に対する比較例３１０を示す。図６は比較例３１０の平面図、図７は図６のＸ−Ｘ線に沿う比較例３１０の断面図である。比較例３１０は、サブリップを備えていない。

図８は、比較例３１０を重ねて燃料電池スタックを構成する際に発生する積層ずれ問題を示す図である。ある基準面に合わせて、複数の比較例３１０の位置をそろえようとした場合、比較例３１０ａのように平面方向に積層ずれが生じてしまう。これに起因して、不良発生、歩留まり低下が生ずる。また、この問題を回避すべく、燃料電池構成部品を慎重に積層すると、工数の増加を招き生産性が低下する。

これに対し、実施の形態２によれば、サブリップ５３を側面としガス拡散層２４を底面とした凹部に対して、セパレータ４０上に凸部を形成する多孔質体層３０が嵌め込まれる。このような嵌合によって積層ずれが防止されるので、組み付け性を大幅に向上することができる。

本発明の実施の形態１の燃料電池構成部品を示す平面図である。 実施の形態１の燃料電池構成部品の、図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。 本発明の実施の形態２の燃料電池構成部品の断面を示す図である。 実施の形態２の燃料電池構成部品が積層される様子を示す図である。 実施の形態１に対する比較例を示す図である。 実施の形態２に対する比較例を示す図である。 実施の形態２に対する比較例を示す図である。 実施の形態２に対する比較例を示す図である。

符号の説明

１０、１１０ 燃料電池構成部品
２０ 膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly：ＭＥＡ）
２１ 固体高分子電解質膜 ２２ 電極触媒層
２４ ガス拡散層 ２４ａ 端部
３０ 多孔質体層
４０ セパレータ
４１、４２、４３ プレート
４４、４５ ガス導入口
４６、４７、４８、４９ 貫通穴
５０、５４ ガスケット ５２、５６ ガスケットリップ
５３ サブリップ ６０、６２ フィルム

Claims (4)

1. 燃料電池発電用ガスを通過させる気孔を内部に備え、かつ、電気伝導性の材料を用いて形成された通気性導電体と、
   前記通気性導電体に重ねられた、膜電極接合体または／およびセパレータと、
   前記通気性導電体の端部に備えられた膜と、
   前記通気性導電体における前記膜が備えられた前記端部を含む外周部に沿って溶融状態の材料が成型されることにより形成され、前記通気性導電体と、前記膜電極接合体または／および前記セパレータとを、直接的に、または、前記膜を介して間接的に一体化するガスケットと、
   を備え、
   前記膜が、溶融状態における前記ガスケットの材料を透過させない膜であることを特徴とする燃料電池構成部品。
2. 前記膜が、前記燃料電池発電用ガスに対して実質的に不透過性を有することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池構成部品。
3. 前記膜電極接合体と前記セパレータのうち少なくとも前記セパレータが前記通気性導電体に重ねられた請求項１または２に記載の燃料電池構成部品であって、
   前記ガスケットが前記セパレータの表面の一部を露出するように形成され、
   前記膜が、電気絶縁性を備え、かつ、前記ガスケットから露出する前記セパレータの表面の、一部または全部を覆うことを特徴とする燃料電池構成部品。
4. 燃料電池発電用ガスを通過させる気孔を内部に備えかつ電気伝導性の材料を用いて形成された通気性導電体に、膜電極接合体または／およびセパレータを重ねた状態で、該通気性導電体の外周部にガスケットを成型することによりそれらを一体化する燃料電池構成部品の製造方法であって、
   前記通気性導電体の端部に、溶融状態における前記ガスケットの材料を透過させない膜を設ける工程と、
   前記通気性導電体と、前記膜電極接合体または／および前記セパレータとを、直接的に、または、前記膜を介して間接的に一体化するように、前記通気性導電体における前記膜が備えられた前記端部を含む外周部に沿って前記ガスケットを成型する工程と、
   を含むことを特徴とする燃料電池構成部品の製造方法。

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