JP2010165567A - 燃料電池セルの製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】ガスケットを射出成形する際に注入された樹脂の樹脂圧に対して電解質膜の端部が持ち上げられてガスケットの端面に臨み、これがガスのクロスリーク路を形成してクロスリーク耐久を低下させるという課題を簡易な製造方法にて解決することのできる、燃料電池の製造方法を提供する。
【解決手段】成形型内に順に、セパレータ7と、第1のガス透過層4’、6’と、膜電極接合体3と、第2のガス透過層4,6と、が積層姿勢で収容され、この積層姿勢において、電解質膜1が第2のガス透過層よりも側方へ張り出し、セパレータ7が電解質膜1よりも側方へ張り出しており、張り出している箇所1aの上面に電解質膜1よりも弾性率が高く、熱収縮量の少ない熱収縮材9が接着されている工程、高温雰囲気の成形型内において、張り出している箇所1aの端部を第1のガス透過層側に変形させて密着させ、ガスケット8を成形する工程、からなる。
【選択図】図2

Description

本発明は、燃料電池セルの製造方法に関するものである。
固体高分子型燃料電池の燃料電池セルは、イオン透過性の電解質膜と、該電解質膜を挟持するアノード側およびカソード側の触媒層とから膜電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)が形成され、このMEAとこれを挟持するアノード側およびカソード側のガス拡散層(GDL)とから電極体(MEGA:Membrane Electrode & Gas Diffusion Layer Assembly)が形成され、電極体に燃料ガスもしくは酸化剤ガスを提供するとともに電気化学反応によって生じた電気を集電するための多孔体からなるガス流路層とセパレータが電極体の両側に配されて構成されている。実際の燃料電池スタックは、所要電力に応じた基数の燃料電池セルが積層され、スタッキングされることによって形成されている。
上記構成の燃料電池セルにおいては、膜電極接合体に供給される燃料ガスや酸化剤ガス、さらにはセルの昇温を抑止するための冷却水などの流体をシールするためのガスケットが電極体および多孔体の周縁に形成されている。このガスケットは燃料電池セルごとに形成されており、電極体および多孔体の周縁にガスケットを有した燃料電池セルを所定の基数だけ積層した後にスタッキングがおこなわれている。このガスケットの成形は一般に射出成形や圧縮成形にておこなわれている。たとえば射出成形の場合を取り上げると、成形型のキャビティ内にセパレータを収容し、次いでガス流路となるアノード側もしくはカソード側の一方の金属多孔体を収容し、次いで電極体を収容し、次いでアノード側もしくはカソード側の他方の金属多孔体を収容した姿勢で、電極体および金属多孔体の周縁のガスケット成形用キャビティに樹脂を注入するものである。
上記するセパレータは、たとえばチタンやステンレスからなる2枚のプレートの間に流路が形成されたプレートが介層された3層構造のものや、中間層を樹脂製の枠材とし、2枚のプレートの一方から多数のディンプルや流路を画成するリブを突出させて冷却水流路を形成するものなどがある。この3層構造のセパレータは、当該セル自体のアノード側もしくはカソード側のいずれか一方のセパレータであると同時に、積層姿勢において隣接するセルのアノード側もしくはカソード側の他方のセパレータとなるものである。すなわち、この3層構造セパレータを有する燃料電池セルのセル構成部材は、一つの3層構造セパレータと、アノード側およびカソード側の金属多孔体(ガス流路層)と、電極体と、からなり、複数の燃料電池セルが積層された姿勢において、任意の燃料電池セルは、その両端にアノード側およびカソード側のセパレータを有することとなる。
ところで、ガス拡散層や触媒層に対して電解質膜の端部は側方に張り出しており、ガスケットが成形された際の姿勢においては、電解質膜の張り出し端部がガスケットの内部に埋め込まれた構造を呈するのが一般的である。このような構造を適用する理由として、その一つは、両極のガス拡散層や金属多孔体(ガス流路層)が接触して短絡するのを防止することである。また、他の理由は、一方の極(たとえばカソード極)から他方の極(たとえばアノード極)へ電解質膜の側端をガスが回り込んでクロスリークするのを防止するために、ある程度の張り出し長さを確保し、この張り出し部をガスケット内に埋設させた構造を適用しているというものである。
たとえば、成形型内に一つの3層構造セパレータと、金属多孔体とガス拡散層と膜電極接合体を収容して型閉めし、膜電極接合体の側方に画成されたガスケット用のキャビティ内に樹脂を注入してガスケットを成形する場合において、成形型内で膜電極接合体側に流れてきた樹脂の圧力により、側方に張り出した電解質膜の端部が上方に持ち上げられ、これがガスのクロスリーク路を形成してクロスリーク耐久を低下させるという課題が生じていた。
これを図7とその一部を拡大した図8に基づいて説明する。図7は、固定型S1と可動型S2のキャビティ内に電極体eとガス流路層となる多孔体f1、f2、および一つの3層構造セパレータgが収容され、ガスケット用の樹脂が注入されている状況を説明したものである。まず、電解質膜aとこれを挟持するカソード側およびアノード側の触媒層b1、b2とから膜電極接合体cが形成され、この膜電極接合体cをカソード側およびアノード側のガス拡散層d1、d2が挟持して電極体eが形成されたものを用意する。なお、各部材を成形型内へ収容するに際して、膜電極接合体とガス拡散層が予め一体に形成されていてもよいし、双方が分離されていて、それぞれを順に成形型内に収容するものであってもよい。ここで、電解質膜aの端部a1は電極体eの側方に張り出している。また、セパレータgは、2枚のステンレス製もしくはチタン製のプレートg1、g2と、このプレート間に介在してガスや冷却水などの流体用の流路を画成する中間層g3と、から構成されており、成形型内に、セパレータg、多孔体f2、電極体e、多孔体f1が積層姿勢を成した状態で型閉めされる。なお、この収容された構成部材のユニットで一つの燃料電池セルが形成されるものである。ここで、この3層構造のセパレータgは、それが組み込まれる燃料電池セルのアノード側の多孔体f2に燃料ガス(流れ方向Z1)を提供するためのガス流通孔g3aと、セルが積層された姿勢において隣接するセルのカソード側の多孔体に酸化剤ガス(流れ方向Z2)を提供するためのガス流通孔g3bを備えている。
型閉めの後に、注入孔Hを介してガスケット成形用のキャビティC内に樹脂が注入される(Y方向)。樹脂が注入されると、キャビティC内で水平方向に張り出した電解質膜aの端部a1には、図8で示すようにその樹脂圧が作用し、該端部a1は上方に持ち上げられてキャビティCの上面に当接する。
この姿勢でガスケットが成形されて燃料電池セルが製造されると、電解質膜aはその端部a1がガスケットの上面に臨んだ状態となってしまう(端部a1が外部に臨む)。このような燃料電池セルを所定の基数だけ接着させることなく積み重ね、スタッキングすることにより、従来の燃料電池は形成されている。燃料電池セル同士を接着させないことにより、たとえば発電不良となった燃料電池セルを抜き出して他の燃料電池セルと入れ替えるといったメンテナンスが可能となる。したがって、一つの燃料電池セルに着目した際に、その構成部材であるアノード側およびカソード側の金属多孔体の一方には3層構造のセパレータがガスケットの射出成形の際に接着しており、他方の金属多孔体には積層姿勢において隣接する燃料電池セルのセパレータが接着されることなく当接した状態となっている。
燃料電池セル同士が接着されることなく積み重ねられているのみの構造であるため、上記するようにそのメンテナンスは可能となる一方で、当該燃料電池セルと隣接セルのセパレータとの間に外部に連通する隙間が生じることは避けられない。それに加えて、上記のごとく電解質膜の端部が外部に臨んだ状態となっていることから、電解質膜が外部に通じる状態が形成されることとなり、このことは、ガスのクロスリーク路が形成されることを意味するものであり、燃料電池のクロスリーク耐久低下の一因となるものである。
なお、本出願人によってなされた従来の公開技術として特許文献1を挙げることができ、当該文献には、射出成形に際して、成形型内で電解質膜の端部を押圧部材でセパレータ側に押圧した姿勢で射出成形する技術が開示されている。
上記する公開技術によれば、図7,8で示すガスのクロスリーク路の形成が効果的に抑制される。しかしその一方で、キャビティ内に押圧部材が介在することで注入された樹脂の樹脂流れが阻害されること、押圧部材に作用する樹脂の注入圧に対して該押圧部材の所期の姿勢を保持しながら膜端部をセパレータ側に十分に押さえ付けることが困難であることなどに鑑み、本発明者等は更なる改良を試みてこれらの課題を改善できる技術思想に到達した。
特開2008−123885号公報
本発明は、上記する問題に鑑みてなされたものであり、燃料電池セルを構成する膜電極接合体とガス透過層の周縁にガスケットを射出成形して燃料電池セルを製造する方法に関し、注入された樹脂の樹脂圧に対して電解質膜の端部が持ち上げられてガスケットの端面に臨み、これがガスのクロスリーク路を形成して燃料電池のクロスリーク耐久を低下させるという課題を簡易な製造方法にて解決することのできる、燃料電池セルの製造方法を提供することを目的とする。
前記目的を達成すべく、本発明による燃料電池セルの製造方法は、電解質膜とその両側の触媒層とからなる膜電極接合体と、該膜電極接合体の両側に配されたガス透過層と、積層されたセルを画成するとともに双方のセルに燃料ガスと酸化剤ガスのいずれか一方を提供するセパレータと、からなる燃料電池セルの製造方法であって、成形型内に順に、前記セパレータと、第1のガス透過層と、膜電極接合体と、第2のガス透過層と、が積層姿勢で収容され、この積層姿勢において、電解質膜が第2のガス透過層よりも側方へ張り出し、セパレータが電解質膜よりも側方へ張り出しており、該電解質膜の少なくとも張り出している箇所の端部領域の上面に、該電解質膜よりも弾性率が高く、かつ電解質膜に比して熱収縮量の少ない熱収縮材が接着されている、第1の工程と、高温雰囲気下の成形型内において、収容された膜電極接合体の側方からガスケット成形用の樹脂を注入し、この際に、電解質膜の前記張り出している箇所の端部領域が前記第1のガス透過層側に変形して該第1のガス透過層に密着し、この姿勢で、膜電極接合体およびガス透過層の周縁にガスケットを成形して燃料電池セルを形成する第2の工程と、からなるものである。
本発明の製造方法にて製造される燃料電池セルのセル構造は、膜電極接合体のアノード側とカソード側の双方に拡散層基材と集電層からなるガス拡散層を具備する形態、アノード側とカソード側のいずれか一方は集電層のみを具備する(拡散層基材が廃された)形態の双方を含んでいる。また、本明細書では、これらのいずれの形態も電極体と称呼している。また、いわゆるフラットタイプのセパレータと電極体の間に、ガス流路層(エキスパンドメタル等の金属多孔体)が配されたセル構造の他にも、電極体の両側にガス流路溝が形成されたセパレータが直接配された従来一般のセル構造を含むものである。さらに、「ガス透過層」とは、ガス拡散層とガス流路層の双方を含む意味である。したがって、ガス流路層を具備しないセル形態においては「ガス透過層」は「ガス拡散層」を意味するものであり、ガス拡散層とガス流路層の双方を具備するセル形態においては「ガス透過層」は「ガス拡散層」と「ガス流路層」の双方もしくはいずれか一方を意味するものである。
本発明の燃料電池セルの製造方法は、たとえば既述する3層構造のセパレータと、アノード側およびカソード側の金属多孔体と、膜電極接合体およびガス拡散層(電極体)を成形型内に収容して該膜電極接合体等の周縁に射出成形にてガスケットを形成することで燃料電池セルを製造する方法に関し、電極体を構成する触媒層やセパレータと当接しないガス透過層(第2のガス透過層)に比して側方に張り出している、電解質膜の該側方へ張り出している箇所の少なくとも端部領域を、ガスケット成形時の型内の高温雰囲気下で下方に(第1のガス透過層側)たとえば湾曲状に変形させることにより、電解質膜の端部を第1のガス透過層に密着させて、該電解質膜と第1のガス透過層の間に注入樹脂が浸入するのを抑止し、もって、注入樹脂が浸入して電解質膜の張り出している箇所が上方へ持ち上げられるのを効果的に防止するものである。
上記効果を奏するべく、電解質膜の側方へ張り出している箇所のうち、少なくともその端部領域の上面に、電解質膜よりも弾性率の高い熱収縮材をたとえば接着剤等を介して接着させておく。ガスケット成形時の高温雰囲気下においては、水分を含有する(あるいは保湿雰囲気の)電解質膜中の水分が蒸発することで、電解質膜は熱収縮する。また、相対的に弾性率の高い熱収縮材も熱収縮するが、電解質膜の上面では、弾性率が高く、該電解質膜よりも相対的に熱収縮量の少ない熱収縮材が接着されていることから、電解質膜の下面は何等の拘束もなく自由に熱収縮する一方で、上面は相対的に熱収縮量が少なく、かつ高弾性率を有する熱収縮材によって、電解質膜の収縮が抑制される方向に引張力が作用することとなる。この熱収縮材による引張力により、電解質膜の張り出している箇所の少なくとも端部は、相対的に収縮量の多い下面側に湾曲状に変形するというメカニズムである。下方に湾曲状に変形した電解質膜の端部が第1のガス透過層の表面と密着することにより、電解質膜と第1のガス透過層の間に注入樹脂が浸入することが抑止され、結果として、浸入樹脂によって電解質膜の側方へ張り出している箇所が上方に持ち上げられることもなくなり、従来技術のごときクロスリーク路の形成も抑止される。
ところで、上記方法を適用する代わりに、予め電解質膜の張り出している箇所の端部領域を下方へ変形させておく方策(くせ付け)も考えられるが、この場合には、一つの燃料電池セルにおいて、たとえば枠縁状の該張り出している箇所のすべてをくせ付けする必要があって非常に手間取ること、および、通常はたとえば200〜400基程度の燃料電池セルから一つの燃料電池スタックが形成されることから、これら多数の燃料電池セルのすべてに上記するくせ付けをおこなう必要が生じること、より、製造時間が極めて長期となることは理解に易く、製造コストの高騰が必至であることから、この方策は得策とは言い難い。
ここで、上記する熱収縮材としては、従来の燃料電池で使用されているポリマーフィルムを適用するのが好ましい。たとえば、ガス拡散層の毛羽が電解質膜へ突き刺ささることを防止するべく、触媒層から電解質膜に亘って配設されるPEN等のポリマーフィルムは、電解質膜に比して弾性率が格段に高く、しかも、ポリマー素材ゆえに、高温雰囲気下で高分子が規則性をもって並び、全体として熱収縮するものであることから、本発明の熱収縮材に好適である。
なお、電解質膜がその水分を失うことによる熱収縮量は、その含水量によっても変化するが、本発明者等によれば、たとえば、10〜30%程度の水分が失われることによる電解質膜の熱収縮量に対して、たとえば型内が100〜130℃程度の高温雰囲気下におけるポリマーフィルムの熱収縮量は、格段に少ないという知見が得られている。さらにナフィオン(Nafion)(登録商標、デュポン社製)等からなる電解質膜は、その弾性率が温度依存性を有するものであり、温度が高くなるにつれて低下する傾向にあるものの、たとえば上記型内温度において、たとえば数10MPa程度の弾性率を有している一方で、ポリイミドなどのポリマーは数GPaもの弾性率を有しており、双方の弾性率の隔たりは極めて大きい。
上記する本発明の燃料電池セルの製造方法によれば、電解質膜の側方に張り出している箇所の上面に、ポリマーフィルム等の、電解質膜に比して高い弾性率を有し、電解質膜に比して熱収縮量の少ない熱収縮材を接着させておくだけの簡易な改良により、電解質膜の張り出している箇所がガスケット成形用の注入樹脂にて上方に持ち上げられ、これがガスのクロスリーク路を形成することが効果的に抑止される。
なお、この製造方法によって製造された燃料電池セルが所定基数積層され、スタッキングされることによって燃料電池スタックが製造される。この燃料電池スタックは、家庭用の定置型燃料電池や車載用燃料電池など、その適用分野は他方面に亘るが、特に、近時その生産が拡大しており、車載機器により一層の高性能と低い製造コストを要求する電気自動車やハイブリッド車に好適である。
以上の説明から理解できるように、本発明の燃料電池セルの製造方法によれば、電解質膜の側方に張り出している箇所の上面に、電解質膜に比して高い弾性率を有し、電解質膜に比して熱収縮量の少ない熱収縮材を接着させておくだけの簡易な改良により、電解質膜の張り出している箇所がたとえばガスケット成形時の樹脂圧によって持ち上げられ、これが外部に臨んでガスのクロスリーク路を形成するといった課題を効果的に解消することができる。
本発明の燃料電池セルの製造方法の第1の工程を説明した縦断面図であって、成形型内に収容する前のセパレータと第1、第2のガス透過層と膜電極接合体の積層姿勢を説明した図である。 本発明の燃料電池セルの製造方法の第1の工程、および第2の工程を説明した縦断面図である。 (a)は図2の一部を拡大した図であり、(b)は(a)の一部をさらに拡大した図であって、電解質膜の張り出している箇所の端部が下方へ湾曲状に変形するメカニズムを説明した図である。 燃料電池セルを積層する前の状態を説明した縦断面図である。 図4のV部の拡大図である。 燃料電池セルを積層し、スタッキングされた状態を説明した縦断面図である。 従来の方法によって、成形型内でガスケットを成形している状況を説明した縦断面図である。 図7において、電解質膜の張り出し端部が樹脂圧によって上方に持ち上げられている状況を説明した拡大図である。
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図1は、本発明の燃料電池セルの製造方法の第1の工程を説明した縦断面図であって、成形型内に収容する前のセパレータと第1、第2のガス透過層と膜電極接合体の積層姿勢を説明した図であり、図2は、本発明の燃料電池セルの製造方法の第1の工程、および第2の工程を説明した縦断面図であり、図3aは、図2の一部を拡大した図であり、図3bは、図3aの一部をさらに拡大した図であって、電解質膜の張り出している箇所の端部が下方へ湾曲状に変形するメカニズムを説明した図である。なお、図1は、積層される部材を仮に組み付けたものであるが、実際には、成形型内に順に収容され、積層されて図1の積層姿勢が形成されるものである。
図1で示す燃料電池セルは、電解質膜1と、カソード側およびアノード側の触媒層2,2’と、から膜電極接合体3が形成され、これをカソード側およびアノード側のガス拡散層4,4’(ガス透過層)が挟持して電極体5が形成され、これをカソード側およびアノード側のガス流路層6,6’(ガス透過層、金属多孔体)が挟持し、さらに、アノード側のガス流路層6’側に3層構造のセパレータ7が配されて構成される。なお、カソード側の金属多孔体6とガス拡散層4とから第2のガス透過層が形成され、アノード側の金属多孔体6'とガス拡散層4’とから第1のガス透過層が形成されている。さらに、電解質膜1の側方へ張り出している箇所1aの上面には、ポリマーフィルムからなる熱収縮材9が接着されている。
ここで、膜電極接合体3を構成する電解質膜1は、たとえば、スルホン酸基やカルボニル基を持つフッ素系イオン交換膜、置換フェニレンオキサイドやスルホン化ポリアリールエーテルケトン、スルホン化ポリアリールエーテルスルホン、スルホン化フェニレンスルファイドなどの非フッ素系のポリマーなどから形成される。
また、触媒層2,2’は、触媒が担持された導電性担体(粒子状のカーボン担体など)と、電解質と、分散溶媒(有機溶媒)と、を混合して触媒溶液(触媒インク)を生成し、これを電解質膜1やガス拡散層4,4’等の基材に塗工ブレードにて層状に引き伸ばして塗膜を形成し、温風乾燥炉等で乾燥することで触媒層が形成される。ここで、触媒溶液を形成する電解質は、プロトン伝導性ポリマーである、有機系の含フッ素高分子を骨格とするイオン交換樹脂、例えばパーフルオロカーボンスルフォン酸樹脂、スルホン化ポリエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリエーテルエーテルスルホン、スルホン化ポリスルホン、スルホン化ポリスルフィド、スルホン化ポリフェニレン等のスルホン化プラスチック系電解質、スルホアルキル化ポリエーテルエーテルケトン、スルホアルキル化ポリエーテルスルホン、スルホアルキル化ポリエーテルエーテルスルホン、スルホアルキル化ポリスルホン、スルホアルキル化ポリスルフィド、スルホアルキル化ポリフェニレンなどのスルホアルキル化プラスチック系電解質などを挙げることができる。なお、市販素材としては、ナフィオン(Nafion)(登録商標、デュポン社製)やフレミオン(Flemion)(登録商標、旭硝子株式会社製)などを挙げることができる。また、分散溶媒としては、メタノール、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノール、エチレングリコール、ジエチレングリコール等のアルコール類、アセトン、メチルエチルケトン、ジメチルホルムアミド、ジメチルイミダゾリジノン、ジメチルスルホキシド、ジメチルアセトアミド、N−メチルピロリドン、プロピレンカーボネート、酢酸エチルや酢酸ブチルなどのエステル類、芳香族系あるいはハロゲン系の種々の溶媒を挙げることができ、さらには、これらを単独で、もしくは混合液として使用することができる。さらに、触媒が担持された導電性担体に関し、この導電性担体としては、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバーなどの炭素材料のほか、炭化ケイ素などに代表される炭素化合物などを挙げることができ、この触媒(金属触媒)としては、たとえば、白金や白金合金、パラジウム、ロジウム、金、銀、オスミウム、イリジウムなどのうちのいずれか一種を使用することができ、好ましくは白金または白金合金を使用するのがよい。さらに、この白金合金としては、たとえば、白金と、アルミニウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、ガリウム、ジルコニウム、モリブデン、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、バナジウム、タングステン、レニウム、オスミウム、イリジウム、チタンおよび鉛のうちの少なくとも一種との合金を挙げることができる。
また、ガス拡散層4,4’は、拡散層基材と集電層(MPL)からなるものであり、拡散層基材としては、電気抵抗が低く、集電を行えるものであれば特に限定されるものではないが、たとえば、導電性無機物質を主とするものを挙げることができ、この導電性無機物質としては、ポリアクリロニトリルからの焼成体、ピッチからの焼成体、黒鉛及び膨張黒鉛等の炭素材やこれらのナノカーボン材料、ステンレススチール、モリブデン、チタン等を挙げることができる。また、拡散層基材の導電性無機物質の形態は特に限定されるものではなく、たとえば繊維状あるいは粒子状で用いられるが、ガス透過性の点から無機導電性繊維であって、特に炭素繊維が好ましい。無機導電性繊維を用いた拡散層基材としては、織布あるいは不織布いずれの構造のものも使用することができ、カーボンペーパーやカーボンクロスなどを挙げることができる。織布としては、紋織、平織など、特に限定されるものではなく、不織布としては、抄紙法、ウォータージェットパンチ法によるものなどが挙げられる。さらに、この炭素繊維としては、フェノール系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維、ポリアクリロニトリル(PAN)系炭素繊維、レーヨン系炭素繊維などを挙げることができる。さらに、集電層はアノード側、カソード側の触媒層2,2’から電子を集める電極の役割を果たすものであり、導電性材料である、白金、パラジウム、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、金、銀、銅及びこれらの化合物または合金、導電性炭素材料などから形成できる。
また、金属多孔体6,6’は、エキスパンドメタルや金属発泡焼結体などから形成でき、たとえば、チタンやステンレス、銅、ニッケル等の耐食性に優れた金属素材の発泡焼結体からガス流路層が形成されるものである。
また、3層構造のセパレータ7は、ステンレスやチタンからなる金属プレート71,72と、その間に、金属素材で冷却水流路やガス流路が形成された中間層73が介層されたものである。なお、樹脂素材の枠材を中間層とし、2枚の金属プレートの一方のプレートから多数のディンプル、もしくは流路画成用のリブが突出された形態であってもよい。なお、図示するセパレータ7では、自身が構成要素となる燃料電池セルのアノード側の多孔体6'に燃料ガスを供給するためのガス流路73aと、セルの積層姿勢において隣接するセルのカソード側の多孔体6に酸化剤ガスを供給するためのガス流路73bが形成されており、さらには、不図示の冷却水流路が中間層73に形成されている。
さらに、熱収縮材9を形成するポリマーフィルムとしては、ガスケットを射出成形する際の成形型内の高温雰囲気下(たとえば100〜130℃程度)で、電解質膜1がその水分を失う際の熱収縮量に比してその熱収縮量が相対的に少なく、しかも、電解質膜1に比して高い弾性率を有するものであれば特に限定されないが、一例として、ポリテトラフルオロエチレン、PVDF(二フッ化ポリビニル)、ポリエチレン、ポリエチレンナフタレート(PEN)、ポリカーボネート、ポリフェニレンエーテル(PPE)、ポリプロピレン、ポリエステル、ポリアミド、コポリアミド、ポリアミドエラストマ、ポリイミド、ポリウレタン、ポリウレタンエラストマ、シリコーン、シリコンゴム、シリコンベースのエラストマなどを挙げることができる。
次に、本発明の製造方法を概説する。まず、図2で示すように、固定型S1と可動型S2とからなる成形型内に、ガスケットが成形される前の燃料電池セルを組み付ける。この組み付け姿勢において、カソード側の金属多孔体6やガス拡散層4に比して、電解質膜1はその端部が張り出している。また、セパレータ7は電解質膜1よりも側方に張り出している。
次いで、成形型を型閉めし、固定型S1に開設された注入孔Hを介して、樹脂をガスケット成形用キャビティC内に注入する(Y方向)。この射出成形時の成形型内温度は、およそ100〜130℃程度となっている。なお、注入される樹脂としては、ブチル系ゴムやウレタン系ゴム、シリコーンRTVゴム、耐メタノール性を有するエポキシ系樹脂、エポキシ変性シリコーン樹脂、シリコーン樹脂、フッ素樹脂、炭化水素樹脂などを挙げることができる。
成形型内の高温雰囲気により、電解質膜1の張り出している箇所1aの少なくとも端部は、図2とその拡大図である図3aで示すように下方にたとえば湾曲状に変形して(Z方向)、ガス拡散層4’表面に密着する。
このように、張り出している箇所1aが下方に変形するメカニズムを図3bを参照して説明する。
電解質膜1の張り出している箇所1aの上面1a1に、電解質膜1よりも弾性率の高い熱収縮材9をたとえば接着剤等を介して接着させておくことにより、ガスケット成形時の高温雰囲気下においては、保湿雰囲気の電解質膜1中の水分が蒸発することで、電解質膜1は熱収縮する。この熱収縮の際に、相対的に弾性率の高い熱収縮材9も熱収縮するが、電解質膜1の上面1a1では、弾性率が高く、該電解質膜1よりも相対的に熱収縮量(δ3)の少ない熱収縮材9が接着されていることから、電解質膜1の下面1a2は何等の拘束もなく自由に熱収縮する一方(熱収縮量:δ1)で、上面1a1は相対的に熱収縮量が少なく(この熱収縮量:δ3は、上面1a1側の熱収縮量:δ2よりも少ない)、かつ高弾性率を有する熱収縮材9によって、電解質膜1の収縮が抑制される方向に引張力Pが作用することとなる。この熱収縮材9による引張力Pにより、電解質膜1の下面1a2に比して上面1a1の熱収縮量が抑えられる結果、電解質膜1の張り出している箇所1aの少なくとも端部は、相対的に収縮量の多い下面1a2側にたとえば湾曲状に変形するというものである。
図7で示す従来の製造方法と異なり、本発明の製造方法では、電解質膜1の張り出している箇所1aがアノード側のガス拡散層4’に密着しているため、膜電極接合体3の側方から流れてきた樹脂が電解質膜1とガス拡散層4’の間に浸入することが抑止され、したがって、浸入樹脂によってこの張り出している箇所1aが上方に持ち上げられることはない。すなわち、電解質膜1の張り出している箇所1aが下方のガス拡散層4’に密着した姿勢で、キャビティC内に樹脂が充填され、ガスケットが成形される。
この射出成形により、セパレータ7の表面上にガスケットが直接成形されることから、セパレータとガスケットの密着領域は十分に接着され、したがって、これらの界面が外部に流体連通することはない。このことから、この界面側に配向する電解質膜1の張り出している箇所1aも同様に外部に連通することはなく、図8で示すように、ガスケットのうち、セパレータと接着しない側の表面に電解質膜の端部が臨んでこれが外部と流体連通し、ガスのクロスリーク路を形成するという問題は生じ得ない。
図4は、図2で示す第2の工程にて製造された2つの燃料電池セル10,10を示しており、より具体的には、これらが積層される前の状態を示している。ここで、図4中のV部の拡大図を図5に示している。同図からも明らかなように、張り出している箇所1aの端部がガス拡散層4’に密着した姿勢でガスケット8が成形されるため、張り出している箇所1aとガス拡散層4’の間の隙間Gには樹脂が浸入していない。
なお、たとえば300基の燃料電池セル10,…を積層して燃料電池スタックを形成する場合には、図2の方法でそれぞれの燃料電池セルを製造し、各燃料電池セル10のセパレータを具備しない側に積層姿勢で隣接する燃料電池セル10のセパレータ7を上載するようにして300基の燃料電池セル10,…を積層し、スタッキングが実行される。
図6は、複数の燃料電池セル10,…が積層され、スタッキングされた後の2つの燃料電池セル10,10を取り出して図示したものである。なお、射出成形されてできたガスケット8にマニホールドMが形成され、無端のシールリブ8aがマニホールドMを囲繞するようにガスケット8の上面(セパレータ7の存在しない面)に形成される。
図6から明らかなように、積層姿勢の各燃料電池セル10,…がスタッキングされた際に、任意の燃料電池セル10は、自身の構成部材であるセパレータ7と隣接する燃料電池セル10のセパレータ7がその両側に配される構造となる。スタッキングされることによってマニホールドM周りのシールリブ8aが隣接する燃料電池セル10のセパレータ7にて潰され、シール構造が形成される。
図示するマニホールドMは燃料ガスが流入するマニホールドであり、供給された燃料ガスは3層構造セパレータ7の中間層73からプレート71に亘って形成された供給ガス流路73aを介してアノード側の多孔体6’に供給される(Z1方向)。一方、ガスケット8の他の断面には酸化剤ガスが流入する別途のマニホールドが形成されており、この別途のマニホールドを介して酸化剤ガスが流入し、セパレータ7の中間層73からプレート72に亘って形成された供給ガス流路73bを介して隣接セルのカソード側の多孔体6に供給される(Z2方向)。
上記する本発明の燃料電池セルの製造方法によれば、射出成形時の樹脂が電解質膜の張り出している箇所とガス透過層の間に浸入することで上方に持ち上げられ、該張り出している箇所がセパレータと接着していない側のガスケットの端面に臨んで外部と流体連通し、ガスのクロスリーク路となることが効果的に抑止される。しかも、電解質膜の張り出している箇所の上面に、相対的に高弾性率で熱収縮量の少ない熱収縮材を接着しておくだけの極めて簡易な改良によってクロスリーク耐久の高い燃料電池を製造するものであることから、その製造効率も高く、需要増に伴う燃料電池の大量生産に好適である。
なお、実際に電気自動車等に車載される燃料電池システムは、燃料電池(燃料電池スタック)と、水素ガスや空気を収容する各種タンク、これらのガスを燃料電池に提供するためのブロア、燃料電池を冷却するためのラジエータ、燃料電池で生成された電力を蓄電するバッテリ、この電力で駆動する駆動モータ等から大略構成されるものである。
以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。
1…電解質膜、1a…張り出している箇所、2…カソード側の触媒層、2’…アノード側の触媒層、3…膜電極接合体、4…カソード側のガス拡散層(ガス透過層)、4’…アノード側のガス拡散層(ガス透過層)、5…電極体、6…カソード側の金属多孔体(ガス透過層、ガス流路層)、6’…アノード側の金属多孔体(ガス透過層、ガス流路層)、7…セパレータ、71、72…プレート、73…中間層、8…ガスケット、9…熱収縮材(ポリマーフィルム)、10…燃料電池セル、M…マニホールド、S1…固定型、S2…可動型、H…注入孔、C…キャビティ

Claims (3)

  1. 電解質膜とその両側の触媒層とからなる膜電極接合体と、該膜電極接合体の両側に配されたガス透過層と、積層されたセルを画成するとともに双方のセルに燃料ガスと酸化剤ガスのいずれか一方を提供するセパレータと、からなる燃料電池セルの製造方法であって、
    成形型内に順に、前記セパレータと、第1のガス透過層と、膜電極接合体と、第2のガス透過層と、が積層姿勢で収容され、この積層姿勢において、電解質膜が第2のガス透過層よりも側方へ張り出し、セパレータが電解質膜よりも側方へ張り出しており、該電解質膜の少なくとも張り出している箇所の端部領域の上面に、該電解質膜よりも弾性率が高く、かつ電解質膜に比して熱収縮量の少ない熱収縮材が接着されている、第1の工程と、
    高温雰囲気下の成形型内において、収容された膜電極接合体の側方からガスケット成形用の樹脂を注入し、この際に、電解質膜の前記張り出している箇所の端部領域が前記第1のガス透過層側に変形して該第1のガス透過層に密着し、この姿勢で、膜電極接合体およびガス透過層の周縁にガスケットを成形して燃料電池セルを形成する第2の工程と、からなる、燃料電池セルの製造方法。
  2. 前記熱収縮材がポリマーフィルムからなる、請求項1に記載の燃料電池セルの製造方法。
  3. 前記ガス透過層が、ガス拡散層、もしくは、金属多孔体からなるガス流路層、もしくは、ガス拡散層と金属多孔体からなるガス流路層の積層体、のいずれか一方からなる、請求項1または2に記載の燃料電池セルの製造方法。
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