JP2017107643A

JP2017107643A - 燃料電池

Info

Publication number: JP2017107643A
Application number: JP2015238253A
Authority: JP
Inventors: 憲之鈴木; Noriyuki Suzuki; 哲中澤; Satoru Nakazawa
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2015-12-07
Filing date: 2015-12-07
Publication date: 2017-06-15
Anticipated expiration: 2035-12-07
Also published as: JP6520672B2

Abstract

【課題】樹脂フレーム部材と補強型電解質膜との剥離を抑制する。
【解決手段】燃料電池は、電解質膜１１２ｃ，１１２ａの内部に多孔性の補強膜１１４を有する補強型電解質膜１１５と、前記補強型電解質膜１１５の端部に配置された樹脂フレーム部材１４０と、を備え、前記補強型電解質膜１１５の少なくとも一方の面の端部において、前記補強膜１１４が前記電解質膜１１２ｃから露出しており、前記補強膜１１４が露出した領域において前記樹脂フレーム部材１４０と前記補強膜１１４が密着固定されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池に関する。

特許文献１には、電解質膜と、電解質膜の端部に配置された樹脂枠部材と、を備える燃料電池が記載されている。この燃料電池では、電解質膜の端部と樹脂枠部材とは、電解質膜に接着剤を含浸させた含浸部位により一体化されている。

特開２０１４−２２９３６６号公報

電解質膜が湿ったり乾燥したりすると、電解質膜が伸縮する。かかる場合、含浸部位において接着されている樹脂枠部材が電解質膜から剥離するおそれがある。

本発明は、上述の課題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）本発明の一形態によれば、燃料電池が提供される。この燃料電池は、電解質膜の内部に多孔性の補強膜を有する補強型電解質膜と、前記補強型電解質膜の端部に配置された樹脂フレーム部材と、を備え、前記補強型電解質膜の少なくとも一方の面の端部において、前記補強膜が前記電解質膜から露出しており、前記補強膜が露出した領域において前記樹脂フレーム部材と前記補強膜が密着固定されている。この形態によれば、樹脂フレーム部材が配置される補強型電解質膜の領域は、補強膜が露出している。補強膜は、電解質膜よりも乾湿の影響を受けにくいため、補強膜が露出した領域においては、補強型電解質膜の伸縮が減少する。その結果、樹脂フレーム部材が補強型電解質膜から剥離することを抑制できる。

（２）上記形態において、前記樹脂フレーム部材と、前記補強膜との間に接着層を備えても良い。この形態によれば、接着層が補強膜の多孔に浸み込む結果、樹脂フレーム部材と補強型電解質膜との間の密着力が上がり、樹脂フレーム部材が補強型電解質膜から剥離することを抑制できる。

（３）上記形態において、前記樹脂フレーム部材の樹脂が、露出している前記補強膜の孔に浸透していてもよい。この形態によれば、樹脂フレーム部材の樹脂が補強膜の孔に浸透するので、樹脂フレーム部材と補強型電解質膜との間の密着力が上がり、樹脂フレーム部材が補強型電解質膜から剥離することを抑制できる。

なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池の他、燃料電池スタック、燃料電池の製造方法、燃料電池スタックの製造方法等の形態で実現することができる。

燃料電池スタックの概略構成を示す断面図。ＣＣＭと樹脂フレーム部材の接合体をカソード側から見た平面図。図１の領域Ｘを拡大して示す説明図。ＣＣＭの製造工程を示す説明図。第２の実施形態における領域Ｘを拡大して示す説明図。比較例１の領域Ｘを拡大して示す説明図。比較例２の領域Ｘを拡大して示す説明図。浸漬試験の結果を示す説明図。

・第１の実施形態：
図１は、燃料電池スタック１０の概略構成を示す断面図である。燃料電池スタック１０は、複数の発電ユニット１００が直列に配置される構成を有している。発電ユニット１００は、それぞれが燃料電池（単セル）である。それぞれの発電ユニット１００は、触媒層接合電解質膜１１０と、カソード側ガス拡散層１２０と、アノード側ガス拡散層１３０と、樹脂フレーム部材１４０と、セパレータプレート１５０，１６０と、を備える。

触媒層接合電解質膜１１０（ＣａｔａｌｙｓｔＣｏａｔｅｄＭｅｍｂｒａｎｅ１１０、以下「ＣＣＭ１１０」と呼ぶ。）は、電解質膜の２つの面に触媒層を有する構成を有している。ＣＣＭ１１０の詳しい構成については、後述する。カソード側ガス拡散層１２０は、ＣＣＭ１１０のカソード側の触媒層に接するように配置され、アノード側ガス拡散層１３０は、ＣＣＭ１１０のアノード側の触媒層に接するように配置されている。樹脂フレーム部材１４０は、ＣＣＭ１１０の外縁を支持する部材であり、ＣＣＭ１１０と、カソード側ガス拡散層１２０と、アノード側ガス拡散層１３０との外縁の全周を取り巻くように配置されている。セパレータプレート１５０，１６０は、ＣＣＭ１１０と、カソード側ガス拡散層１２０と、アノード側ガス拡散層１３０と、樹脂フレーム部材１４０と、を挟むように配置されている。上述した樹脂フレーム部材１４０は、セパレータプレート１５０，１６０の間をシールするシール部材としても機能する。

セパレータプレート１５０，１６０は、凹凸を有する金属製の板状部材である。セパレータプレート１５０と、カソード側ガス拡散層１２０との間には、カソードガス流路１５５が形成され、セパレータプレート１６０と、アノード側ガス拡散層１３０との間には、アノードガス流路１６５が形成され、セパレータプレート１５０と、セパレータプレート１６０との間には、冷媒流路１７５が形成されている。本実施形態では、セパレータプレート１５０の凸部の頂部１５０ｔと、セパレータプレート１６０の凸部の頂部１６０ｔとが接触するように、セパレータプレート１５０，１６０が形成、配置されている。ここで、セパレータプレート１５０の凸部は、セパレータプレート１５０のうち、隣接する発電ユニット１００のセパレータプレート１６０に突き出ている部分を意味する。セパレータプレート１６０の凸部は、セパレータプレート１６０のうち、隣接する発電ユニット１００のセパレータプレート１５０に突き出ている部分を意味する。図示しないが、セパレータプレート１５０の凸の頂部１５０ｔがセパレータプレート１６０の凸部と凸部の間の凹部の底１６０ｂと接触し、セパレータプレート１６０の凸部の頂部１６０ｔがセパレータプレート１５０の凸部と凸部の間の凹部の底１５０ｂと接触するように、セパレータプレート１５０，１６０を形成、配置してもよい。

図２は、ＣＣＭ１１０と樹脂フレーム部材１４０の接合体をカソード側から見た平面図である。樹脂フレーム部材１４０は、ＣＣＭ１１０の外縁から支持している。なお、図２に示す破線は、ＣＣＭ１１０の外縁を示す。樹脂フレーム部材１４０の中央には、開口部１４０ｋが形成されており、開口部１４０ｋの内部側に、補強膜１１４と電解質膜１１２ｃとカソード側ガス拡散層１２０とが見えている。

図３は、図１の領域Ｘを拡大して示す説明図である。但し、図３では、図１で記載したセパレータプレート１５０，１６０の図示を省略している。ＣＣＭ１１０は、補強型電解質膜１１５と、カソード側触媒層１１６と、アノード側触媒層１１８とを備える。補強型電解質膜１１５は、電解質膜１１２ｃ，１１２ａと、補強膜１１４と、を備える。補強膜１１４は、樹脂で形成されている多孔性の膜である。補強膜１１４としては、延伸ポリテトラフルオロエチレンや、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリイミド等の多孔質の高分子樹脂を延伸して作成された膜を用いることが可能である。電解質膜１１２ｃ，１１２ａは、プロトン伝導性を有する高分子樹脂であり、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸ポリマで形成されている。補強型電解質膜１１５のカソード側の外縁（図３では、左側）は、補強膜１１４が電解質膜１１２ｃで覆われておらず露出している。

アノード側触媒層１１８は電解質膜１１２ａの全領域にわたって塗工され、一方、カソード側触媒層１１６は電解質膜１１２ｃのうちの一部の矩形領域（発電領域）のみに塗工されることが好ましい。この理由は、アノード側触媒層１１８は、カソード側触媒層１１６に比べて単位面積当たりの触媒量が少なくて良い（典型的には１／２以下であり、例えば約１／３）ので、電解質膜１１２ａの全領域に触媒を塗工しても過度の無駄とはならない上に、塗工工程が簡単になるからである。反対に、カソード側触媒層１１６は、アノード側触媒層１１８に比べて単位面積当たりの触媒量が多いので、一部の小さな領域のみに塗工することによって無駄な触媒を低減できるからである。このようなカソード側触媒層１１６とアノード側触媒層１１８の塗工の仕方は、後述する第２の実施形態においても同様である。

カソード側ガス拡散層１２０は、基材層１２２と、マイクロポーラス層１２４とを備える。アノード側ガス拡散層１３０は、基材層１３２と、マイクロポーラス層１３４とを備える。基材層１２２，１３２は、例えば、カーボンペーパーやカーボン不織布で形成されている。マイクロポーラス層１２４，１３４は、微細カーボン粉末とフッ素樹脂（ポリテトラフルオロエチレン）とを混練して形成され、それぞれ、基材層１２２，１３２のＣＣＭ１１０側に塗工される。カソード側ガス拡散層１２０は、マイクロポーラス層１２４がカソード側触媒層１１６と接するように配置され、アノード側ガス拡散層１３０は、マイクロポーラス層１３４がアノード側触媒層１１８と接するように配置される。なお、マイクロポーラス層１２４，１３４は、省略しても良い。

アノード側ガス拡散層１３０の大きさは、ＣＣＭ１１０の電解質膜１１２ａの大きさとほぼ同じ大きさに形成されている。一方、カソード側ガス拡散層１２０の大きさは、平面視でＣＣＭ１１０の電解質膜１１２ｃの大きさよりも小さく形成されている。また、カソード側ガス拡散層１２０は、平面視でカソード側触媒層１１６よりも小さい形状に形成されており、カソード側触媒層１１６の領域内にカソード側ガス拡散層１２０が収まるように配置されることが好ましい。この理由は、カソード側ガス拡散層１２０の基材層１２２がカーボンペーパーで形成されている場合に、カソード側ガス拡散層１２０の端部が、カソード側触媒層１１６が存在しない電解質膜１１２ｃの位置に来ると、カーボンペーパーの繊維が電解質膜１１２ｃに突き刺さり、電解質膜１１２ｃの損傷やクロスリークの原因となる可能性があるからである。

樹脂フレーム部材１４０は、電解質膜１１２ｃから露出した補強膜１１４と、接着層１８０により接着されている。接着層１８０は、接着剤として例えばポリイソブチレンを含んでいる。ポリイソブチレンは紫外線（ＵＶ）が照射されると硬化する性質を有しているので、紫外線でイソブチレンを硬化させて、ＣＣＭ１１０と樹脂フレーム部材１４０とを接着できる。この場合に、樹脂フレーム部材１４０は、ポリプロピレン等の紫外線を透過できる樹脂材料で形成されていることが好ましい。また、樹脂フレーム部材１４０は、ポリプロピレンの代わりに、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）で形成されていても良い。なお、樹脂フレーム部材１４０は、単層構造に限られず、樹脂シートの両面に粘着性を有する層、例えば接着層を備える３層構造であってもよい。

図４は、ＣＣＭ１１０の製造工程を示す説明図である。まず、押し出し法により、矩形形状の電解質膜前駆体１１１ｃ，１１１ａを形成する。カソード側の電解質膜前駆体１１１ｃは、アノード側の電解質膜前駆体１１１ａよりも小さく形成される。電解質膜前駆体１１１ｃ，１１１ａは、側鎖末端にフッ化スルフリル基（−ＳＯ_２Ｆ）を有する。側鎖末端にフッ化スルフリル基（−ＳＯ_２Ｆ）を有する電解質膜前駆体を「Ｆ型電解質」と呼ぶ。Ｆ型電解質は、側鎖末端にスルホン酸基（−ＳＯ_３Ｈ）を有するＨ型電解質に比べると柔軟なので、後述する工程で、補強膜１１４に容易に含浸させることができる。なお、側鎖末端にフッ化スルフリル基の代わりに塩化スルフリル基（−ＳＯ_２Ｃｌ）などのハロゲン化スルフリル基を有する材料を用いてもよい。

次の溶融含浸工程では、２つの電解質膜前駆体１１１ｃ，１１１ａの間に補強膜１１４を配置する。補強膜１１４の大きさは、電解質膜前駆体１１１ａの大きさとほぼ同じ大きさである。したがって、カソード側においては、補強膜１１４の大きさは、電解質膜前駆体１１１ｃの大きさよりも大きい。次いで、電解質膜前駆体１１１ｃ，１１１ａと補強膜１１４を、１００℃〜２８０℃に加熱して押圧する。これにより、補強膜１１４に電解質膜前駆体１１１ｃ，１１１ａが含浸する。カソード側においては、補強膜１１４の大きさは、電解質膜前駆体１１１ｃの大きさよりも大きいので、ＣＣＭ１１０の外縁部に相当する領域１１４ａにおいては、補強膜１１４の上に電解質膜前駆体１１１ｃが無く、補強膜１１４が露出する。

次の加水分解工程では、アルカリ溶液（例えば水酸化ナトリウムの水溶液）を用いて、電解質膜前駆体１１１ｃ，１１１ａのハロゲン化スルフリル基（フッ化スルフリル基、塩化スルフリル基）を、加水分解し、スルホン酸基（−ＳＯ_３Ｈ）基に置換する。これにより、電解質膜前駆体１１１ｃ，１１１ａからパーフルオロカーボンスルホン酸ポリマの電解質膜１１２ｃ，１１２ａが形成される。

触媒転写工程では、カソード側触媒層１１６とアノード側触媒層１１８とを転写用基材（図示せず）に形成し、電解質膜１１２ｃ，１１２ａ上にそれぞれ転写する。

フレーム接着工程では、ＣＣＭ１１０の露出した補強膜１１４に、接着層１８０を介して樹脂フレーム部材１４０を接着する。

第１の実施形態によれば、補強型電解質膜１１５の端部においては、補強膜１１４が電解質膜１１２ｃから露出しており、露出した領域において樹脂フレーム部材１４０と接着され、密着固定されている。補強膜１１４自体は、電解質膜に比べて乾湿の影響を受けにくいため、補強膜１１４が露出した領域においては、補強型電解質膜１１５の伸縮が減少する。その結果、樹脂フレーム部材１４０が補強型電解質膜１１５から剥離することを抑制できる。

また、補強膜１１４は、多孔性なので、接着層１８０の接着剤が、補強膜１１４の孔に浸入し、硬化する。その結果、アンカー効果により、樹脂フレーム部材１４０が補強型電解質膜１１５から剥離し難くなる。また、接着層１８０の接着剤が、補強膜１１４の孔に浸入することにより、生成水の補強型電解質膜１１５への遮蔽効果が増し、補強型電解質膜１１５の伸縮負荷が減少し、剥離を抑制できる。また、接着層１８０の接着剤がカソード側ガス拡散層１２０と電解質膜１１２ｃとの間に浸入すると、カソード側ガス拡散層１２０を電解質膜１１２ｃから浮かせるおそれがあるが、本実施形態では、接着層１８０の接着剤が補強膜１１４の孔に浸入する結果、接着剤がカソード側ガス拡散層１２０と電解質膜１１２ｃとの間に浸入し難くなり、カソード側ガス拡散層１２０が電解質膜１１２ｃから浮かせ難くなる。本実施形態では、カソード側のみ補強膜１１４を露出させたが、アノード側についても補強膜１１４を露出させても良い。この場合、露出した補強膜１１４の領域にも別の樹脂フレーム部材を配置し、接着層を介して樹脂フレーム部材と露出した補強膜１１４の領域（アノード側）とを密着固定し、２つの樹脂フレーム部材を接着するようにしてもよい。

・第２の実施形態：
図５は、第２の実施形態における領域Ｘ（図１）を拡大して示す説明図である。第１の実施形態では、樹脂フレーム部材１４０は、接着層１８０を介して、露出した補強膜１１４に接着されていたが、第２の実施形態では、樹脂フレーム部材１４０は、加熱プレスにより、補強膜１１４に熱圧着され、樹脂フレーム部材１４０を構成する樹脂材料が、補強膜１１４に浸透している点が異なる。加熱プレスは、例えば、１２０〜１８０℃の温度及び０．３〜０．８ＭＰａの圧力下で４〜８分間実行される。これにより、樹脂フレーム部材１４０を構成する樹脂が、補強膜１１４の孔に浸透する。その結果、アンカー効果により、樹脂フレーム部材１４０が補強型電解質膜１１５から剥離し難くなる。

図６は、比較例１の領域Ｘ（図１）を拡大して示す説明図である。比較例１では、補強膜１１４は、電解質膜１１２ｃから露出しておらず、樹脂フレーム部材１４０は、電解質膜１１２ｃに接着層１８０で接着されている。

図７は、比較例２の領域Ｘ（図１）を拡大して示す説明図である。比較例２では、補強膜１１４は、電解質膜１１２ｃから露出しておらず、樹脂フレーム部材１４０は、電解質膜１１２ｃに熱圧着されている。

図８は、浸漬試験の結果を示す説明図である。サンプルＳ１〜Ｓ４は、第１の実施形態（図３）、第２の実施形態（図５）、比較例１（図６）、比較例２（図７）の構造をそれぞれ有する。これらの４種類のサンプルをそれぞれ５つ作成し、８０℃の水に浸漬し、１００時間後の剥離の有無を調べた。サンプルＳ１，Ｓ２では、５つのサンプル全てで剥離は見られなかったが、サンプルＳ３では、３つのサンプルで剥離が見られ、サンプルＳ４では、５つのサンプルすべてで剥離が見られた。以上のように、第１、第２の実施形態によれば、樹脂フレーム部材１４０が補強型電解質膜１１５から剥離し難くなることが確認された。

以上、いくつかの実施例に基づいて本発明の実施の形態について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。

１０…燃料電池スタック
１００…発電ユニット
１１０…触媒層接合電解質膜（ＣＣＭ）
１１１ａ…電解質膜前駆体
１１１ｃ…電解質膜前駆体
１１２ａ…電解質膜
１１２ｃ…電解質膜
１１４…補強膜
１１４ａ…領域
１１５…補強型電解質膜
１１６…カソード側触媒層
１１８…アノード側触媒層
１２０…カソード側ガス拡散層
１２２…基材層
１２４…マイクロポーラス層
１３０…アノード側ガス拡散層
１３２…基材層
１３４…マイクロポーラス層
１４０…樹脂フレーム部材
１４０ｋ…開口部
１５０…セパレータプレート
１５０ｂ…底
１５０ｔ…頂部
１５５…カソードガス流路
１６０…セパレータプレート
１６０ｂ…底
１６０ｔ…頂部
１６５…アノードガス流路
１７５…冷媒流路
１８０…接着層
Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４…サンプル
Ｘ…領域

Claims

燃料電池であって、
電解質膜の内部に多孔性の補強膜を有する補強型電解質膜と、
前記補強型電解質膜の端部に配置された樹脂フレーム部材と、
を備え、
前記補強型電解質膜の少なくとも一方の面の端部において、前記補強膜が前記電解質膜から露出しており、前記補強膜が露出した領域において前記樹脂フレーム部材と前記補強膜が密着固定されている、燃料電池。
請求項１に記載の燃料電池において、
前記樹脂フレーム部材と、前記補強膜との間に接着層を備える、燃料電池。
請求項１に記載の燃料電池において、
前記樹脂フレーム部材の樹脂が、露出している前記補強膜の孔に浸透している、燃料電池。