JP2010225484A - 燃料電池、および、燃料電池の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の製造工程で、作業工数を減少させること。
【解決手段】燃料電池であって、電解質膜と、第１電極と、第２電極とを有する膜電極接合体を少なくとも含む発電体と、第１電極に反応ガスを供給するための流路を形成するプレス部を備え、発電体に対向して配置されるプレスセパレータと、発電体を、プレスセパレータと共に挟持し、プレスセパレータに対向して配置される平坦なフラットセパレータと、絶縁性のマイクロビーズを含み、プレスセパレータとフラットセパレータとの間であって、発電体における各部材の積層方向に対して略垂直であり各部材の面に沿った面方向における発電体の外側に塗工され、プレスセパレータとフラットセパレータとを接合させる第１接着剤と、を備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池に関する。

燃料電池は、電解質膜、電極を含む発電体を、セパレータで挟持して構成される（下記特許文献１参照）。

特開２００２−３５２８４５号公報

上記燃料電池の製造工程で作業工数を減少させたいという要望があった。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、燃料電池の製造工程で、作業工数を減少させることを目的とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

[適用例１]
燃料電池であって、電解質膜と、第１電極と、第２電極とを有する膜電極接合体を少なくとも含む発電体と、前記第１電極に反応ガスを供給するための流路を形成するプレス部を備え、前記発電体に対向して配置されるプレスセパレータと、前記発電体を、前記プレスセパレータと共に挟持し、前記プレスセパレータに対向して配置される平坦なフラットセパレータと、絶縁性のマイクロビーズを含み、前記プレスセパレータと前記フラットセパレータとの間であって、前記発電体における各部材の積層方向に対して略垂直であり各部材の面に沿った面方向における前記発電体の外側に塗工され、前記プレスセパレータと前記フラットセパレータとを接合させる第１接着剤と、を備えることを要旨とする。

上記構成の燃料電池によれば、燃料電池の製造工程で、作業工数や部品点数を減少させることができる。

[適用例２]
適用例１に記載の燃料電池において、前記発電体の外周部を被覆すると共に、前記発電体と、前記プレスセパレータ、または、前記フラットセパレータとの間の隙間を埋めるように配置される第２接着剤を備えることを特徴とする燃料電池。

このようにすれば、発電体において、第１電極側と第２電極側との間で、反応ガスのリークが生じることを抑制することができる。

[適用例３]
適用例１または適用例２に記載の燃料電池において、前記発電体は、前記第２電極に反応ガスを供給するための流路を形成し、前記フラットセパレータと当接する多孔体部材を備えることを特徴とする燃料電池。

このようにすれば、第２電極での有効発電面積を向上させることができ、燃料電池の発電効率を向上させることができる。

[適用例４]
適用例３に記載の燃料電池において、前記発電体は、前記膜電極接合体の前記第１電極側に配置される第１ガス拡散層と、前記膜電極接合体の前記第２電極側に配置され、前記多孔体部材と当接する第２ガス拡散層と、を備え、前記第１ガス拡散層は、前記膜電極接合体よりも前記面方向の面積が小さく形成され、前記膜電極接合体は、前記第２ガス拡散層よりも前記面方向の面積が小さく形成され、前記第２ガス拡散層は、前記多孔体部材よりも前記面方向の面積が小さく形成され、前記発電体は、前記第１ガス拡散層、前記膜電極接合体、前記第２ガス拡散層、および、前記多孔体部材によって、階段状に形成されることを特徴とする燃料電池。

このようにすれば、生産性を向上させることができる。

[適用例５]
適用例１ないし適用例４のいずれかに記載の燃料電池において、前記第１電極は、アノードであり、前記第２電極は、カソードであることを特徴とする燃料電池。

このようにすれば、燃料電池の発電効率を向上させることができる。

[適用例６]
燃料電池の製造方法であって、少なくとも、電解質膜と、第１電極と、第２電極とを含む発電体と、凹凸形成され、反応ガスが流通する流路を形成するプレス部を備えるプレスセパレータと、平坦なフラットセパレータと、絶縁性のマイクロビーズを含む接着剤と、を用意する工程と、前記フラットセパレータ上に、前記発電体を配置する工程と、
前記フラットセパレータ上であって、前記発電体の外側に前記接着剤を塗工する工程と、
塗工した前記接着剤と前記プレスセパレータとを接着させる工程と、
を備えることを特徴とする燃料電池の製造方法。

上記構成の燃料電池の製造方法によれば、作業工数や部品点数を減少させることができる。

なお、本発明は、上記した装置発明の態様に限ることなく、方法発明としての態様で実現することも可能である。

実施例における燃料電池ＦＣの概略構成図を示す図である。 燃料電池ＦＣのセル積層体ＡＳを示す斜視図である。 燃料電池セルＣＥの概略構成を示す図である。 燃料電池セルＣＥの製造方法を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき説明する。
Ａ．実施例：
Ａ１．燃料電池ＦＣの構成：
図１は、実施例における燃料電池ＦＣの概略構成図を示す図である。燃料電池ＦＣは、比較的小型で発電効率に優れる固体高分子型燃料電池であり、図１に示すように、燃料電池セルＣＥと、ターミナルＴＭと、インシュレータＩＳと、エンドプレートＥＰと、を備える。具体的には、燃料電池ＦＣは、インシュレータＩＳ、ターミナルＴＭ、複数の燃料電池セルが積層されて成るセル積層体ＡＳ、ターミナルＴＭ、インシュレータＩＳの順に積層された積層体をエンドプレートＥＰで挟持することによって構成したスタック構造となっている。燃料電池ＦＣにおいて、これら構成部材は、板状部材であり、これら板状部材を積層する方向を積層方向とも呼ぶ。また、板状部材において、積層方向に略垂直な面に沿った方向を面方向とも呼ぶ。

図２は、燃料電池ＦＣのセル積層体ＡＳを示す斜視図である。燃料電池ＦＣ（セル積層体ＡＳ）は、図２に示すように、積層方向に貫通する複数のマニホールドを備えている。具体的には、各燃料電池セルＣＥに酸化ガスを供給するための酸化ガス供給マニホールドＯＩと、各燃料電池セルＣＥから排出される酸化ガスを収集するための酸化ガス排出マニホールドＯＯと、各燃料電池セルＣＥに燃料ガスを供給するための燃料ガス供給マニホールドＨＩと、各燃料電池セルＣＥから排出される燃料ガスを収集するための燃料ガス排出マニホールドＨＯと、を備えている。なお、燃料電池ＦＣにおいて、燃料ガスとしては水素を、酸化ガスとしては空気（酸素）を用いている。

図３は、燃料電池セルＣＥの概略構成を示す図である。具体的には、図３は、図２のＡ−Ａ断面のうち、１つの燃料電池セルＣＥを抜き出して示した図である。燃料電池セルＣＥは、図３に示すように、発電体１０と、フラットセパレータ２０と、メタルセパレータ３０と、ガスケット４０と、接着剤Ｓ１と、接着剤Ｓ２と、を備える。

発電体１０は、板状なＭＥＡ（膜−電極接合体、Membrane Electrode Assembly）１２と、ＭＥＡ１２を挟持する一対のガス拡散層１４，１６と、板状な多孔体部材１８と、を備える。図３に示すように、発電体１０は、多孔体部材１８上に、ガス拡散層１６が配置され、ガス拡散層１６上にＭＥＡ１２が配置され、ＭＥＡ１２上にガス拡散層１４が配置されて構成される。

ＭＥＡ１２は、電解質膜を、カソードおよびアノードで挟持して成る。電解質膜は、固体高分子材料、例えばパーフルオロカーボンスルホン酸を備えるフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。カソードおよびアノードは、電気化学反応を促進する触媒、例えば、白金、あるいは白金と他の金属から成る合金を備えている。図３に示すＭＥＡ１２において、上側にアノードが配置され、下側にカソードが配置されている。

ガス拡散層１４，１６は、導電性多孔質体によって構成されており、例えばカーボンクロスやカーボンペーパによって形成される。このガス拡散層１４，１６は、多孔体部材１８よりも平均細孔径が小さな多孔質体によって構成されている。そのため、ガス拡散層１４，１６を設けることによって、カソードまたはアノードに対するガス供給効率を向上させると共に、電解質膜を保護することができる。

多孔体部材１８は、導電性多孔質の薄板状部材であり、本実施例では、チタン製の発泡金属から構成されている。なお、多孔体部材１８は、例えば、金属メッシュ、パンチングメタル、カーボン製多孔質体等によって形成されていてもよい。多孔体部材１８は、ガス拡散層１６およびフラットセパレータ２０と接触するように配置されており、内部に形成される多数の細孔から成る空間は、電気化学反応に供される酸化ガスが通過するセル内酸化ガス流路として機能する。

発電体１０において、ガス拡散層１４は、ＭＥＡ１２よりも、面方向の面積が小さく形成され、ＭＥＡ１２は、ガス拡散層１６よりも面方向の面積が小さく形成され、ガス拡散層１６は、多孔体部材１８よりも面方向の面積が小さく形成されている。そして、発電体１０は、図３に示すように、ガス拡散層１４、ＭＥＡ１２、ガス拡散層１６、および、多孔体部材１８によって、階段状に形成されている。

フラットセパレータ２０は、薄板状で平坦なセパレータであり、ＭＥＡ１２のカソード側であって、発電体１０に対向するように配置される。メタルセパレータ３０は、薄板状であり、プレス部３０Ａを備え、メタルセパレータ３０と共に発電体１０を挟持するように配置される。すなわち、フラットセパレータ２０とメタルセパレータ３０とは、発電体１０を挟み、対向するように配置される。プレス部３０Ａは、プレスによって凹凸状に形成され、燃料ガスをガス拡散層１４に供給するための燃料ガス供給流路として機能する。なお、燃料電池セルＣＥが積層された場合において、フラットセパレータ２０とプレス部３０Ａとの間は、燃料電池セルＣＥを冷却するための冷媒が流れる冷媒流路として機能する。

また、接着剤Ｓ１は、発電体１０において、ＭＥＡ１２およびガス拡散層１６の外周部を被覆すると共に、発電体１０（ＭＥＡ１２）とメタルセパレータ３０との間の隙間を埋めるように配置されている。

接着剤Ｓ２は、絶縁性のマイクロビーズ６０を含み、面方向において発電体１０の外側であって、フラットセパレータ２０とメタルセパレータ３０との間に配置され、各マニホールドを形成する共に、フラットセパレータ２０とメタルセパレータ３０とを接着させる。接着剤Ｓ２は、マイクロビーズ６０を含んでいるので強度が高い。図３では、接着剤Ｓ２が、酸化ガス排出マニホールドＯＯまたは酸化ガス供給マニホールドＯＩを形成している様子が示されている。

ガスケット４０は、燃料電池セルＣＥが積層された場合において、フラットセパレータ２０とメタルセパレータ３０との間に、上述した各マニホールドを形成するためのシール部材である。図３では、ガスケット４０が、酸化ガス排出マニホールドＯＯまたは酸化ガス供給マニホールドＯＩを形成している様子が示されている。

Ａ２．燃料電池セルＣＥの製造方法
図４は、燃料電池セルＣＥの製造方法を示すフローチャートである。本実施例では、燃料電池セルＣＥを以下のようにして製造する。すなわち、発電体１０、フラットセパレータ２０、メタルセパレータ３０、接着剤Ｓ１、および、接着剤Ｓ２を用意する（ステップＳ１０）。フラットセパレータ２０上に、発電体１０を配置する（ステップＳ２０）。発電体１０のＭＥＡ１２の外周部を被覆するように接着剤Ｓ１を塗工する（ステップＳ３０）。面方向において発電体１０の外側であって、フラットセパレータ２０上に接着剤Ｓ２を塗工する（ステップＳ４０）。発電体１０および接着剤Ｓ１，Ｓ２上にメタルセパレータ３０を配置し、所定の押圧力をかけて、メタルセパレータ３０と接着剤Ｓ１および接着剤Ｓ２とを接着させる（ステップＳ５０）。メタルセパレータ３０上にガスケット４０を配置する（ステップＳ６０）。以上の工程により燃料電池セルＣＥを製造する。

以上のように、本実施例の燃料電池ＦＣでは、フラットセパレータ２０とメタルセパレータ３０との間の接合を、マイクロビーズ６０を含む接着剤Ｓ２を用いて行うようにしている。このようにすれば、セパレータ間の接合を樹脂フレーム等のスペーサーを用いることなく行うことができ、燃料電池ＦＣ製造時において作業工程を減少させることができると共に、部品点数の削減を行うことができる。また、接着剤Ｓ２は、マイクロビーズ６０を含むことで強度が高いので、セパレータが変形すること等を抑制することができ、燃料電池セルＣＥにおいて、ガスケット４０の保持力を向上させることができる。

本実施例の燃料電池ＦＣでは、プレス部３０Ａが形成されたメタルセパレータ３０を用いるようにしている。このようにすれば、アノード側に、多孔体部材を用いることなく、ガス拡散層１４に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給流路を形成することができ、部品点数の削減を行うことができる。

本実施例の燃料電池ＦＣでは、フラットセパレータ２０とメタルセパレータ３０との間の接合に、マイクロビーズ６０を含有する接着剤Ｓ２を用いるようにしている。このようにすれば、フラットセパレータ２０とメタルセパレータ３０との間の絶縁を確保することができる。

本実施例の燃料電池ＦＣは、発電体１０の外周部を被覆すると共に、発電体１０と、メタルセパレータ３０との間の隙間を埋めるように配置される接着剤Ｓ１を備えている。このようにすれば、発電体１０において、アノード側とカソード側との間で、反応ガスのリークが生じることを抑制することができる。

本実施例の燃料電池ＦＣでは、カソード側のセパレータとしてフラットセパレータ２０を用いると共に、ガス拡散層１６に酸化ガスを供給するための酸化ガス供給流路を形成する多孔体部材１８を用いるようにしている。このようにすれば、ＭＥＡ１２において、カソードでの有効発電面積を向上させることができ、燃料電池ＦＣの電流密度（発電効率）を向上させることができる。

本実施例の燃料電池ＦＣでは、発電体１０を、ガス拡散層１４、ＭＥＡ１２、ガス拡散層１６、および、多孔体部材１８によって、階段状に形成するようにしている。このようにすれば、ワーク反転等の必要が無くなり生産性を向上させることができる。

本実施例の燃料電池セルＣＥの製造方法では、一対のセパレータのうち、一つのセパレータにフラットセパレータ２０を用いて燃料電池セルＣＥを製造するようにしている。このようにすれば、フラットセパレータ２０には、メタルセパレータ等に生じ得るソリ等の変形が生じにくいので、燃料電池セルＣＥを積層する際等に、吸着治具等を用いることを抑制することができ、作業工数や製造コストを抑制することができる。また、燃料電池セルＣＥを積層する際において、積層誤差をある程度許容することも可能となる。

本実施例において、メタルセパレータ３０は、特許請求の範囲におけるプレスセパレータに該当し、接着剤Ｓ２は、特許請求の範囲における第１接着剤に該当し、接着剤Ｓ１は、特許請求の範囲における第２接着剤に該当し、ガス拡散層１４は、特許請求の範囲における第１ガス拡散層に該当し、ガス拡散層１６は、特許請求の範囲における第２ガス拡散層に該当する。

Ｂ．変形例：
なお、上記各実施例における構成要素の中の、独立クレームでクレームされた要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。また、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば以下のような変形も可能である。

Ｂ１．変形例１：
上記実施例の燃料電池ＦＣでは、ＭＥＡ１２において、フラットセパレータ２０側にカソードが配置され、メタルセパレータ３０側にアノードが配置されているが、本発明は、これに限られるものではない。例えば、ＭＥＡ１２において、フラットセパレータ２０側にアノードを配置し、メタルセパレータ３０側にカソードを配置するようにしてもよい。このようにすれば、ＭＥＡ１２において、アノードでの有効発電面積を向上させることができる。

Ｂ２．変形例２：
上記実施例の燃料電池ＦＣでは、接着剤Ｓ１は、発電体１０（ＭＥＡ１２）とメタルセパレータ３０との間の隙間を埋めるように塗工されているが、本発明は、これに限られるものではない。例えば、接着剤Ｓ１は、発電体１０（ＭＥＡ１２）とフラットセパレータ２０との間の隙間を埋めるように塗工されていてもよい。このようにすれば、発電体１０において、アノード側とカソード側との間で、反応ガスのリークが生じることを抑制することができる。

１０…発電体
１２…ＭＥＡ
１４…ガス拡散層
１６…ガス拡散層
１８…多孔体部材
２０…フラットセパレータ
３０…メタルセパレータ
３０Ａ…プレス部
４０…ガスケット
６０…マイクロビーズ
−電極接合体…膜
ＦＣ製造時…燃料電池
Ｓ１…接着剤
Ｓ２…接着剤
ＦＣ…燃料電池
ＣＥ…燃料電池セル
ＯＩ…酸化ガス供給マニホールド
ＨＩ…燃料ガス供給マニホールド
ＴＭ…ターミナル
ＯＯ…酸化ガス排出マニホールド
ＨＯ…燃料ガス排出マニホールド
ＥＰ…エンドプレート
ＩＳ…インシュレータ
ＡＳ…セル積層体

Claims (6)

1. 燃料電池であって、
   電解質膜と、第１電極と、第２電極とを有する膜電極接合体を少なくとも含む発電体と、
   前記第１電極に反応ガスを供給するための流路を形成するプレス部を備え、前記発電体に対向して配置されるプレスセパレータと、
   前記発電体を、前記プレスセパレータと共に挟持し、前記プレスセパレータに対向して配置される平坦なフラットセパレータと、
   絶縁性のマイクロビーズを含み、前記プレスセパレータと前記フラットセパレータとの間であって、前記発電体における各部材の積層方向に対して略垂直であり各部材の面に沿った面方向における前記発電体の外側に塗工され、前記プレスセパレータと前記フラットセパレータとを接合させる第１接着剤と、
   を備えることを特徴とする燃料電池。
2. 請求項１に記載の燃料電池において、
   前記発電体の外周部を被覆すると共に、前記発電体と、前記プレスセパレータ、または、前記フラットセパレータとの間の隙間を埋めるように配置される第２接着剤を備えることを特徴とする燃料電池。
3. 請求項１または請求項２に記載の燃料電池において、
   前記発電体は、
   前記第２電極に反応ガスを供給するための流路を形成し、前記フラットセパレータと当接する多孔体部材を備えることを特徴とする燃料電池。
4. 請求項３に記載の燃料電池において、
   前記発電体は、
   前記膜電極接合体の前記第１電極側に配置される第１ガス拡散層と、
   前記膜電極接合体の前記第２電極側に配置され、前記多孔体部材と当接する第２ガス拡散層と、を備え、
   前記第１ガス拡散層は、前記膜電極接合体よりも前記面方向の面積が小さく形成され、
   前記膜電極接合体は、前記第２ガス拡散層よりも前記面方向の面積が小さく形成され、
   前記第２ガス拡散層は、前記多孔体部材よりも前記面方向の面積が小さく形成され、
   前記発電体は、前記第１ガス拡散層、前記膜電極接合体、前記第２ガス拡散層、および、前記多孔体部材によって、階段状に形成されることを特徴とする燃料電池。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の燃料電池において、
   前記第１電極は、アノードであり、前記第２電極は、カソードであることを特徴とする燃料電池。
6. 燃料電池の製造方法であって、
   少なくとも、電解質膜と、第１電極と、第２電極とを含む発電体と、凹凸形成され、反応ガスが流通する流路を形成するプレス部を備えるプレスセパレータと、平坦なフラットセパレータと、絶縁性のマイクロビーズを含む接着剤と、を用意する工程と、
   前記フラットセパレータ上に、前記発電体を配置する工程と、
   前記フラットセパレータ上であって、前記発電体の外側に前記接着剤を塗工する工程と、
   塗工した前記接着剤と前記プレスセパレータとを接着させる工程と、
   を備えることを特徴とする燃料電池の製造方法。

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