JP2016152109A - 燃料電池セルおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池セルを複数積層した燃料電池スタックにおいて、各燃料電池セルの中央側でシール不良が生じることを抑制する。
【解決手段】燃料電池セルは、膜電極接合体と、膜電極接合体の両面に配置された一対のガス拡散層と、を有する発電体と、発電体の面に沿った平面方向における発電体の外周部に配置される樹脂フレームと、発電体および樹脂フレームの両面側に配置される一対のセパレータと、を備える。樹脂フレームは、厚みが略一定の平坦部と、厚みが平坦部よりも薄い薄肉部と、を備える。薄肉部は、平面方向における樹脂フレームの外周の少なくとも一部を含む所定範囲に位置する。一対のセパレータは、薄肉部と密接している。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池セルと、燃料電池セルの製造方法と、に関する。

従来の燃料電池セルは、例えば、特許文献１、２に記載されているように、膜電極接合体と、膜電極接合体の外周部に配置された樹脂フレームと、膜電極接合体および樹脂フレームの両面側に配置される一対のセパレータと、を備える。

特開２０１０−１９８８１８号公報 特開２００８−２３５１５９号公報 特開２０１２−１９５３１１号公報 特開２００５−１７４７１４号公報 国際公開 ＷＯ２０１０／６１７１１号公報 特開２０１２−８４４６８号公報

前記従来の燃料電池セルを製造する際には、膜電極接合体の外周部に接着層を介して樹脂フレームを配置し、その一体物の端部を、搬送ロボットのハンド部によって把持した状態で搬送し、熱プレスを行うのが一般的である。熱プレスされた部分はプレス方向に厚みが小さくなるために、把持されている端部は、熱プレスされずに、熱プレスされた中央側に比べて厚みが大きなものとなる。こうした燃料電池セルを複数、重ね合わせて積層方向に加圧して燃料電池スタックを製造した場合、製造された燃料電池スタックには、中央側に比べて厚みが大きな燃料電池セルの端部のみに荷重が加わり、中央側でシール不良が生じる問題が発生した。

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、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態は、膜電極接合体と、前記膜電極接合体の両面に配置された一対のガス拡散層と、を有する発電体と、前記発電体の面に沿った平面方向における前記発電体の外周部に配置される樹脂フレームと、前記発電体および前記樹脂フレームの両面側に配置される一対のセパレータと、を備える燃料電池セルである。この燃料電池セルは、前記樹脂フレームは、厚みが略一定の平坦部と、前記厚みが前記平坦部よりも薄い薄肉部と、を備え、前記薄肉部は、前記平面方向における前記樹脂フレームの外周の少なくとも一部を含む所定範囲に位置し、前記一対のセパレータは、前記薄肉部と密接していてよい。この形態の燃料電池セルによれば、樹脂フレームにおける外周の少なくとも一部を含む所定範囲は、厚みの薄い薄肉部となっており、薄肉部は一対のセパレータと密接していることから、少なくとも前記所定範囲とセパレータとが重なり合った部分は、燃料電池セルの中央側に比べて厚みが大きくなることはない。したがって、燃料電池セルを複数積層した燃料電池スタックにおいて、少なくとも前記所定範囲とセパレータとが重なり合った部分のみに荷重が加わることはなく、各燃料電池セルの中央側でシール不良が生じることを抑制できる。

（２）前記形態の燃料電池セルにおいて、前記薄肉部に前記セパレータの密接した部分が、搬送用の把持部となってもよい。この燃料電池セルによれば、燃料電池セルの中央側でのシール不良をより抑制できる。

（３）本発明の他の形態は、燃料電池セルの製造方法である。この燃料電池セルの製造方法は、膜電極接合体および前記膜電極接合体の両面に配置された一対のガス拡散層を有する発電体と、セパレータと、樹脂フレームと、を用意する工程と、前記樹脂フレームを、前記発電体の面に沿った平面方向における前記発電体の外周部に配置し、前記セパレータを前記発電体および前記樹脂フレームの表面に配置する工程と、前記配置された前記発電体、前記樹脂フレーム、および前記セパレータを、所定の部分を把持して搬送する工程と、前記把持した状態で、前記発電体、前記樹脂フレーム、および前記セパレータをプレスする工程と、を備えてよい。前記樹脂フレームを用意するに際し、前記把持される所定の部分に対応した部分が他の部分より薄肉である樹脂フレームを用意し、前記薄肉の部分を前記セパレータと密着させてよい。この形態の燃料電池セルの製造方法によれば、前記形態の燃料電池セルと同様の効果を奏し、製造した燃料電池セルを複数積層した燃料電池スタックにおいて、各燃料電池セルの中央側でシール不良が生じることがない。

本発明は、燃料電池セル、および燃料電池セルの製造方法以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、燃料電池セルを複数積層した燃料電池スタックや、燃料電池セルの製造方法における各工程を備える燃料電池の製造方法の形態等で実現できる。

本発明の一実施形態としての燃料電池セルの要部端面図である。 燃料電池セルの平面構成の概略を示す説明図である。 図２におけるＢ−Ｂ線矢視端面図である。 燃料電池セルの製造方法を示す工程図である。 加熱プレス機を用いた加熱加圧の様子を示す説明図である。 燃料電池スタックの要部端面図である。 参考例の加熱プレス機を用いた加熱加圧の様子を示す説明図である。 変形例３の燃料電池セルの要部端面図である。

次に、本発明の実施形態を説明する。
Ａ．燃料電池セルの構成：
図１は、本発明の一実施形態としての燃料電池セルの要部端面図である。図示するように、燃料電池セル１００は、発電体である膜電極ガス拡散層接合体（以下、「ＭＥＧＡ」と呼ぶ）１０と、ＭＥＧＡ１０を挟持するセパレータ２０，３０と、セパレータ２０，３０の間におけるＭＥＧＡ１０の周縁の外側部分に配置された樹脂フレーム４０と、を備えている。ＭＥＧＡは、「Membrane Electrode Gas diffusion layer Assembly」の略語である。

ＭＥＧＡ１０は、電解質膜（電解質層）１２を含んでおり、電解質膜１２の一方の面には、触媒電極層（アノード）１４とガス拡散層１５とがこの順に形成されている。電解質膜１２の他方の面には、触媒電極層（カソード）１６とガス拡散層１７とがこの順に形成されている。電解質膜１２としては、フッ素系樹脂などの固体高分子材料で形成された膜、例えばナフィオン（登録商標）を用いることができる。触媒電極層１４、１６としては、カーボン粒子に白金などの触媒を担持させた触媒層を用いることができる。ガス拡散層１５、１７は、カーボンクロスや、カーボンペーパなどのガス透過性および導電性を有する材料で形成されている。

セパレータ２０は、ＭＥＧＡ１０におけるアノード側ガス拡散層１５の表面に積層される。セパレータ２０において、ＭＥＧＡ１０におけるアノード側ガス拡散層１５との当接面には、アノード側ガス拡散層１５の表面に沿って燃料ガスとしての水素を流すための燃料ガス流路２２が形成されている。セパレータ３０は、ＭＥＧＡ１０におけるカソード側ガス拡散層１７の表面に積層される。セパレータ３０において、ＭＥＧＡ１０におけるカソード側ガス拡散層１７との当接面には、カソード側ガス拡散層１７の表面に沿って酸化剤ガスとしての空気を流すための酸化剤ガス流路３２が形成されている。本実施例では、セパレータ２０，３０として、金属プレートを用いるものとした。セパレータ２０，３０として、ガス不透過で導電性を有する他の部材を用いるものとしてもよい。セパレータ３０の樹脂フレーム４０とは反対側の表面には、ガスケット６０が形成されている。ガスケット６０の材料としては、ゴムや熱可塑性エラストマーを用いることができる。

以後の説明では、各図に示したように、ＭＥＧＡ１０に対するセパレータ２０，３０の積層方向（図１の上下方向）をＺ方向と呼び、積層方向に垂直な方向、すなわち燃料電池セル１００の面方向をＸＹ平面方向と呼ぶ。

樹脂フレーム４０は、板状であり、セパレータ２０とセパレータ３０との間に配置される。樹脂フレーム４０のＸＹ平面方向における中央部分は中抜きされており、この中抜きされた部分にＭＥＧＡ１０が配設される。すなわち、樹脂フレーム４０は、ＸＹ平面方向におけるＭＥＧＡ１０の周縁の外側部分（すなわち外周部）に配置されている。ＭＥＧＡ１０は、ＸＹ平面方向において、電解質膜１２とアノード側の触媒電極層１４およびガス拡散層１５が、カソード側の触媒電極層１６およびガス拡散層１７よりも外側に露出した形状をしており、樹脂フレーム４０は、この電解質膜１２の露出部分を支持する。樹脂フレーム４０は、エポキシ、ナイロン、フェノールなどの熱硬化性樹脂、もしくは、ポリプロピレン、ポリエチレンなどの熱可塑性樹脂製である。

樹脂フレーム４０とセパレータ２０，３０との間、および、樹脂フレーム４０と電解質膜１２の露出部分との間は、接着層５０、５２によって接着される。接着層５０、５２としては、接着性を付与した熱可塑性接着樹脂、例えば、シランカップリング剤を配合したり、カルボン酸などの極性基を導入した、ポリプロピレンやポリエチレンなどの変性ポリオレフィンなどを用いることができる。

図２は、燃料電池セル１００の平面構成の概略を示す説明図である。図中には、一方のセパレータ２０（あるいは３０）の平面図が示されている。図示においては、ガスケット６０（図１）は省略されている。図示するように、燃料電池セル１００は、外形が矩形状であり、図中の２点鎖線で囲った部分が、ＭＥＧＡ１０が存在する領域１０Ａである。この領域１０Ａには、酸化剤ガス流路３２（図１）が形成されている。裏面には、燃料ガス流路２２が形成されている。

ＸＹ平面方向における燃料電池セル１００の外縁付近には、６つの貫通孔７１〜７６が形成されている。貫通孔７１〜７６は、複数の燃料電池セル１００が積層されることで、燃料ガス、酸化剤ガス、冷却媒体が流れる供給または排出用のマニホールドをそれぞれ構成する。燃料ガス用の貫通孔７１、７２は図示しない分配路を介して燃料ガス流路２２（図１）に連結され、酸化剤ガス用の貫通孔７３、７４は図示しない分配路を介して酸化剤ガス流路３２（図１）に連結され、冷却媒体用の貫通孔７５、７６は図示しない分配路を介して冷却媒体流路７８（図１）に連結される。先に説明した図１は、図２におけるＡ−Ａ線矢視断面図に相当する。

図３は、図２におけるＢ−Ｂ線矢視断面図である。図３に示される部分は、燃料電池セル１００のＸＹ平面方向における四隅（四方のかど）の一つに該当し、ＸＹ平面方向におけるＭＥＧＡ１０の外側部分で、ＭＥＧＡ１０は存在しない部分である。図示するように、燃料電池セル１００の４隅周辺では、樹脂フレーム４０の両面側（Ｚ方向の外側面）にセパレータ２０，３０がそれぞれ積層された構成となっている。

樹脂フレーム４０は、Ｚ軸方向の厚みｔ１が一定である平坦部４２と、Ｚ軸方向の厚みｔ２が平坦部４２の厚みｔ１よりも小さい薄肉部４４とを有している。薄肉部４４は、樹脂フレーム４０のＸＹ平面方向の外周の少なくとも一部ＷＯを含む所定範囲Ｗに位置し、本実施形態では、四隅部分に該当する。平坦部４２は、樹脂フレーム４０におけるＸＹ平面方向の薄肉部４４を除いた部分であり、本実施形態では、樹脂フレーム４０のＸＹ平面方向の中央側の部分と、外周の四隅を除いた部分である。平坦部４２の厚みｔ１は例えば１［ｍｍ］であり、薄肉部４４の厚みｔ２は例えば０．５［ｍｍ］である。このため、厚みｔ１と厚みｔ２との差Δｔ（＝ｔ１−ｔ２）は、０．５［ｍｍ］となっている。所定範囲Ｗは、製造工程において、プレスされない部分である。

樹脂フレーム４０とセパレータ２０，３０との間は、接着層５０によって接着されており、これによって、燃料電池セル１００の４隅周辺では、セパレータ２０，３０は、樹脂フレーム４０のＺ方向の両面側に密接している。本実施形態では、セパレータ２０，３０と樹脂フレーム４０の平坦部４２との間の接着層５０は、後述する熱プレスによって接着性を発揮しているが、セパレータ２０，３０と樹脂フレーム４０の薄肉部４４との間の接着層５０は、熱プレスがなされず接着性を発揮しない状態となっている。セパレータ２０，３０と薄肉部４４との間は、接着層５０による接着性は付与されないが、密接した状態ではある。薄肉部４４と、薄肉部４４の両面に密接したセパレータ２０，３０の部分とによって、搬送用把持部８０が構成される。すなわち、これらの部分が、製造工程において燃料電池セル１００を搬送する際の搬送用把持部８０として機能する。

Ｂ．燃料電池セルの製造方法：
図４は、燃料電池セル１００の製造方法を示す工程図である。図示するように、まず、ＭＥＧＡ１０と、セパレータ２０，３０と、樹脂フレーム４０と、を用意する（工程１）。次いで、前記用意したＭＥＧＡ１０と、セパレータ２０，３０と、樹脂フレーム４０と、を積層する（工程２）。詳しくは、図１に示した位置関係となるように、ＭＥＧＡ１０と、セパレータ２０，３０と、樹脂フレーム４０と、を積層する。図１に示すように、ＭＥＧＡ１０と樹脂フレーム４０との間には前述した接着層５２を介在させ、セパレータ２０，３０と樹脂フレーム４０との間には前述した接着層５２を介在させるようにして、前記積層を行う。

次いで、工程２によって得られた積層物を、後述する加熱プレス機の位置まで搬送する（工程３）。この搬送は、多指ハンド部を有する搬送ロボットによって行われる。搬送ロボットは、搬送用把持部８０を多指ハンド部によって把持して、積層物を加熱プレス機まで搬送する。

続いて、加熱プレス機を動作させて、前記積層物を加熱するとともに加圧することによって、接着層５０，５２を溶融させて、ＭＥＧＡ１０と樹脂フレーム４０との間、およびセパレータ２０，３０と樹脂フレーム４０との間を接合する（工程４）。

図５は、加熱プレス機を用いた加熱、加圧の様子を示す説明図である。図示するように、加熱プレス機ＨＰは、Ｚ方向の下側に配置される加熱プレス下板ＨＰ１と、Ｚ方向の上側に配置される加熱プレス上板ＨＰ２と、を備える。加熱プレス下板ＨＰ１と加熱プレス上板ＨＰ２との間に、工程２によって得られた積層物９０が配置される。図５に示した積層物９０は、図３に示した４隅部分に対応しており、搬送用把持部８０が多指ハンド部ＨＡによって把持されている。積層物９０は多指ハンド部ＨＡによって把持された状態で、加熱プレス機ＨＰによって加熱、加圧される。詳しくは、加熱プレス下板ＨＰ１および加熱プレス上板ＨＰ２は、平面方向における四隅が削られた平板であり、多指ハンド部ＨＡによって把持された搬送用把持部８０を除いた部分を加熱するとともに、Ｚ軸方向に加圧する。すなわち、搬送用把持部８０を加熱、加圧することはない。換言すれば、搬送用把持部８０、すなわち、樹脂フレーム４０の薄肉部４４にセパレータ２０，３０が密接した部分は、プレスされることはない。なお、積層物９０を多指ハンド部ＨＡによって把持し、その状態で加熱、加圧するのは、加熱の際の熱容量を低減して加熱時間を短縮するためである。

図４に戻って、工程４の実行後、燃料電池セルの製造を終了する。以上のようにして製造された燃料電池セルは、その後に、複数、積層されて、燃料電池スタックとなる。

図６は、燃料電池スタックの要部断面図である。図示するように、燃料電池スタック２００は、複数の燃料電池セル１００が積層された構造を有している。燃料電池セル１００は、先に説明した燃料電池セルの製造方法によって製造されたものである。燃料電池スタック２００の両端部には、一対のエンドプレート（図示せず）が配置されており、締結部材（図示せず）を用いて締結することにより、複数の燃料電池セル１００の積層方向（Ｚ方向）に荷重がかけられている。

Ｃ．実施形態の効果：
以上のように構成された燃料電池セル１００によれば、樹脂フレーム４０の四隅における外周の一部Ｗ０を含む所定範囲Ｗ（図３）は、厚みの薄い薄肉部４４となっており、薄肉部４４は一対のセパレータ２０、３０と密接していることから、所定範囲Ｗとセパレータとが重なり合った部分は、燃料電池セル１００の中央側に比べて厚みが大きくなることはない。したがって、燃料電池セル１００を複数積層した燃料電池スタック２００において、各燃料電池セルの中央側でシール不良が生じることを抑制できる。

図７は、参考例の加熱プレス機を用いた加熱、加圧の様子を示す説明図である。図７（ａ）は加熱、加圧前の状態であり、図７（ｂ）は加熱、加圧後の状態である。この参考例の積層物は、樹脂フレーム９４０の両面側に接着層９５０を介して一対のセパレータ９２０、９３０が配置されたもので、樹脂フレーム９４０の厚みｔ１１は一定となっている。樹脂フレーム９４０の四隅付近が多指ハンド部ＨＡによって把持された状態で、加熱プレス下板ＨＰ１と加熱プレス上板ＨＰ２とによって、加熱、加圧される。

樹脂フレーム９４の四隅付近は多指ハンド部ＨＡによって把持されていることから加熱、加圧されない。このために、加熱、加圧後の積層物において、図７（ｂ）に示すように、樹脂フレーム９４の四隅付近の厚みｔ２２（＝ｔ１１）は、加熱、加圧されたその他の部分（中央側の部位、および外周の四隅を除いた部位）の厚みｔ２１に比べて大きくなる。この加熱プレス工程を経て製造された複数の燃料電池セルを積層して荷重を掛けてスタッキングした場合には、燃料電池セルの四隅付近が最厚部位であるため、四隅付近で荷重を受けることになる。このために、参考例の燃料電池スタックでは、中央側の部位、外周の四隅を除いた部位、およびガスケットに適正に荷重が掛からなくなり、発電性能の低下およびシール不良が発生した。

図６中の破線の部分ＰＲ１，ＰＲ２が、燃料電池スタック２００において荷重を掛けたい部分であるが、本実施形態では、適正に荷重を掛けることができ、シール不良が発生することはない。これに対して、参考例では、中央側に荷重が掛からないために、中央側の部分ＰＲ２、および４隅でない外周部分である部分ＰＲ１に適正な荷重を掛けることができず、発電性能の低下およびシール不良が発生した。

Ｄ．変形例：
以上、本発明のいくつかの実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形が可能である。

・変形例１：
上記実施形態では、セパレータ２０，３０と樹脂フレーム４０の薄肉部４４との間には、加熱プレスされずに接着性が発揮されないながらも接着層５０が介在する構成としたが、これに替えて、薄肉部４４の部分には接着層が介在しない構成としてもよい。この場合にも、セパレータ２０，３０と薄肉部４４との間は密接した状態とする。この構成によって、上記実施形態と同一の効果を奏する。さらに、平坦部４２の部分、薄肉部４４の部分ともに接着層が介在しない構成としてもよい。この場合には、樹脂フレーム４０の材料を調整して、少なくとも一部分に接着性を有するようにすればよい。

・変形例２：
上記実施形態では、燃料電池セル１００を製造する際に、平坦部４２と薄肉部４４とを備える樹脂フレーム４０を用意し、加熱プレス工程を経て製造された後の燃料電池セルにおいても、平坦部４２と薄肉部４４との間に厚みの差が残る構成としたが、これに換えて、燃料電池セル１００を製造する際に、平坦部４２と薄肉部４４とを備える樹脂フレーム４０を用意し、加熱プレス工程を経て製造された後の燃料電池セルにおいては、平坦部４２と薄肉部４４との間の厚みの差が値０となるように、燃料電池セルを製造する方法としてもよい。すなわち、加熱プレス工程を経て製造された後の燃料電池セルにおいて、平坦部４２と薄肉部４４との間の厚みの差が値０以上となれば、平坦部４２と薄肉部４４の各厚みｔ１，ｔ２はいずれの値でもよい。

・変形例３：
上記実施形態では、樹脂フレーム４０における、ガスケット６０の下側に対応した部分には、凹部４０ａ（図１）が形成されていた。これに対して、図８に示すように、変形例３の燃料電池セル１００Ｘでは、樹脂フレーム４０Ｘにおける、ガスケット６０の下側に対応した部分は、平坦、すなわち凹部がない構成とされている。この変形例３の構成によっても、第１実施形態と同様な効果を奏することができる。

・変形例４：
上記実施形態では、薄肉部４４は、樹脂フレーム４０におけるＸＹ平面方向の四隅部分としたが、これに換えて、隅と隅を結ぶ各辺の途中部分を含む所定範囲としてもよい。要は、樹脂フレームのＸＹ平面方向の外周の少なくとも一部を含む所定範囲であれば、いずれの範囲とすることもできる。この場合、加熱プレス機は、薄膜部に対応した部分が削れた構成とする。

本発明は、上述の実施形態や変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、前述した実施形態および各変形例における構成要素の中の、独立請求項で記載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。

１０…膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ）
１２…電解質膜
１４…触媒電極層
１５…アノード側ガス拡散層
１６…触媒電極層
１７…カソード側ガス拡散層
２０…セパレータ
２２…燃料ガス流路
３０…セパレータ
３２…酸化剤ガス流路
４０…樹脂フレーム
４２…平坦部
４４…薄肉部
５０，５２…接着層
６０…ガスケット
７１，７３，７５，７８…貫通孔
８０…搬送用把持部
９０…積層物
９４…樹脂フレーム
１００…燃料電池セル
２００…燃料電池スタック
Ｗ…所定範囲
ＨＡ…多指ハンド部
ＨＰ…加熱プレス機
ＨＰ１…加熱プレス下板
ＨＰ２…加熱プレス上板

Claims (3)

1. 膜電極接合体と、前記膜電極接合体の両面に配置された一対のガス拡散層と、を有する発電体と、
   前記発電体の面に沿った平面方向における前記発電体の外周部に配置される樹脂フレームと、
   前記発電体および前記樹脂フレームの両面側に配置される一対のセパレータと、
   を備える燃料電池セルであって、
   前記樹脂フレームは、厚みが略一定の平坦部と、前記厚みが前記平坦部よりも薄い薄肉部と、を備え、
   前記薄肉部は、前記平面方向における前記樹脂フレームの外周の少なくとも一部を含む所定範囲に位置し、
   前記一対のセパレータは、前記薄肉部と密接する、燃料電池セル。
2. 請求項１に記載の燃料電池セルであって、
   前記薄肉部に前記セパレータの密接した部分が、搬送用の把持部となる、燃料電池セル。
3. 燃料電池セルの製造方法であって、
   膜電極接合体および前記膜電極接合体の両面に配置された一対のガス拡散層を有する発電体と、セパレータと、樹脂フレームと、を用意する工程と、
   前記樹脂フレームを、前記発電体の面に沿った平面方向における前記発電体の外周部に配置し、前記セパレータを前記発電体および前記樹脂フレームの表面に配置する工程と、
   前記配置された前記発電体、前記樹脂フレーム、および前記セパレータを、所定の部分を把持して搬送する工程と、
   前記把持した状態で、前記発電体、前記樹脂フレーム、および前記セパレータをプレスする工程と、
   を備え、
   前記樹脂フレームを用意するに際し、前記把持される所定の部分に対応した部分が他の部分より薄肉である樹脂フレームを用意し、前記薄肉の部分を前記セパレータと密着させる、燃料電池セルの製造方法。

Images