JP2017111870A

JP2017111870A - 燃料電池

Info

Publication number: JP2017111870A
Application number: JP2015243251A
Authority: JP
Inventors: 丈明齋藤; Takeaki Saito
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2015-12-14
Filing date: 2015-12-14
Publication date: 2017-06-22

Abstract

【課題】膜の膨らみを伴う電解質膜の変形を抑制する燃料電池の提供。
【解決手段】電解質膜２１の両膜面に電極触媒層を接合した膜電極接合体２６を、中央に開口領域を有する枠状のシール部材で保持し、開口領域において電極触媒層に接合するガス拡散層２４の外周壁面２４ａと、シール部材における開口領域の側の周縁部位の内周壁面３１ａとの間に、吸水と吸水に伴う膨潤を起こす性状を有する吸水部材４０を配設する燃料電池セル１０。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池に関する。

燃料電池は、電解質膜の両膜面にアノード、カソードの電極触媒層を接合した膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly／ＭＥＡ）を備え、アノードに燃料ガスの供給を受け、カソードに酸化ガスの供給を受けて発電する。ＭＥＡは、ガスの拡散透過を図るガス拡散層で挟持されたＭＥＧＡ（Membrane-Electrode＆Gas Diffusion Layer Assembly）としての形態で用いられ、熱可塑性の枠状の樹脂シートをシール部材として介在させて、セパレータに挟持される。こうした接合構造において、樹脂シートの枠内周壁とガス拡散層の周壁との間に、所定の機械的強度を有する充填材を充填することで、樹脂シートから電解質膜を剥がれにくくする手法が提案されている（例えば、特許文献１）。

特開２０１５−１２５９２５号公報

ところで、電解質膜は、燃料電池の発電運転中に生じる生成水による膨潤や発電運転に伴う熱による伸縮を繰り返すことで、膜の膨らみを伴う変形を起こし得る。上記の特許文献で提案された充填材は、機械的強度を有するとは言え、樹脂シートの枠内周壁とガス拡散層の周壁との間を埋めているに過ぎないため、膜の膨らみを伴う変形の抑制効果はさほど高くない。よって、電解質膜において膜の膨らみを伴う変形が繰り返されると、その変形部位に機械的ストレスが蓄積し、膜強度の低下をもたらしかねない。こうしたことから、膜の膨らみを伴う電解質膜の変形を抑制することが要請されるに到った。

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、電解質膜の両膜面に電極触媒層を接合した膜電極接合体と、中央に開口領域を有する枠状をなし、前記開口領域を取り囲む周縁部位が前記膜電極接合体の一方の膜面における前記膜電極接合体の周縁領域に重なるようにして前記膜電極接合体を保持するシール部材と、ガス透過性を有する導電性部材からなり、前記開口領域において前記電極触媒層に接合するガス拡散層と、前記開口領域の側の前記周縁部位の内周壁面と前記ガス拡散層の外周壁面との間に配設され、吸水と吸水に伴う膨潤を起こす性状を有する吸水部材とを備える。この形態の燃料電池によれば、吸水に伴う膨潤を起こす吸水部材により、膜電極接合体、延いては電解質膜に面圧を加えることで、膜の膨らみを伴う電解質膜の変形を抑制できる。

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能である。例えば、燃料電池の製造方法や製造装置の形態でも実現することができる。

実施形態の燃料電池を構成する燃料電池セルの概略構成を分解視して示す説明図である。図１における２−２線に沿って燃料電池セルの要部部位を断面視して概略的に示す説明図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面に基づき説明する。図１は実施形態の燃料電池１００を構成する燃料電池セル１０の概略構成を分解視して示す説明図であり、図２は図１における２−２線に沿って燃料電池セル１０の要部部位を断面視して概略的に示す説明図である。図１では、燃料電池セル１０を構成するセパレータ４１、４２を示していないが、燃料電池１００は、図２に示すセパレータ４１、４２で挟持した燃料電池セル１０を複数積層したスタック構造とされている。

燃料電池セル１０は、図２に示すように、膜電極接合体２０（以下、単に、ＭＥＡとも称する）を、カソード側ガス拡散層２４とアノード側ガス拡散層２５で挟持して、ＭＥＧＡ２６を構成し、このＭＥＧＡ２６をシール部材たる樹脂シート３０で保持する。膜電極接合体２０は、電解質膜２１の両側にカソード２２とアノード２３の両電極を備える。電解質膜２１は、固体高分子材料、例えば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。アノード２３およびカソード２２は、例えば白金、あるいは白金合金等の触媒を担持した導電性粒子、例えばカーボン粒子（以下、触媒担持カーボン粒子と称する）を、プロトン伝導性を有するアイオノマーで被覆して形成された電極触媒層であり、電解質膜２１の両膜面に接合されてＭＥＡを形成する。通常、アイオノマーは、電解質膜２１と同質の固体高分子材料である高分子電解質樹脂（例えばフッ素系樹脂）であり、その有するイオン交換基によりプロトン伝導性を有する。

カソード側ガス拡散層２４とアノード側ガス拡散層２５の両ガス拡散層は、ガス透過性を有する導電性部材、例えば、カーボンペーパやカーボンクロス等のカーボン多孔質体や、金属メッシュや発泡金属等の金属多孔質体によって形成される。この両ガス拡散層は、対応する電極（カソード２２またはアノード２３）に接合され、膜電極接合体２０と共にＭＥＧＡ２６を構成する。本実施形態の燃料電池セル１０では、図１に示すように、膜電極接合体２０およびＭＥＧＡ２６は共に矩形形状とされ、図２に示すように、アノード２３は電解質膜２１とほぼ同寸とされ、カソード２２はアノード２３より縦横とも狭小とされている。そして、燃料電池セル１０は、アノード側ガス拡散層２５をアノード２３の全面に接合し、カソード側ガス拡散層２４をカソード２２のほぼ全面に接合して、ＭＥＧＡ２６を形成する。なお、ガス拡散層と樹脂シート３０との関係については、後述する。

この他、燃料電池セル１０は、電解質膜２１のカソード２２の側の膜面に、接着層２７を有する。この接着層２７は、膜電極接合体２０の電解質膜２１のカソード側の周縁領域において、後述の樹脂シート３０に対する接着性を有する適宜な接着剤を塗布して形成される。そして、接着層２７は、接着剤の乾燥を経て、樹脂シート３０に電解質膜２１、延いては膜電極接合体２０を接着する。燃料電池セル１０は、図２に示すように、接着層２７を、膜電極接合体２０の端部の側からカソード２２の周縁に重なるまで備える。

樹脂シート３０は、熱可塑性樹脂を用いて枠状をなすよう型成形され、その中央の開口領域３１をＭＥＧＡ２６の保持領域とする。樹脂シート３０は、開口領域３１を取り囲む周縁部位を段差状とし、段差部３２をＭＥＧＡ受け座とする。そして、この段差部３２にＭＥＧＡ２６をセットすることで、段差部３２は、図２に示すように、膜電極接合体２０の一方の膜面であるカソード２２の側において、膜電極接合体２０の周縁領域に接着層２７を介在して重なる。この状態で、樹脂シート３０はＭＥＧＡ２６を保持する。こうして保持された状態において、ＭＥＧＡ２６のカソード側ガス拡散層２４は、開口領域３１（図１参照）において膜電極接合体２０のカソード２２に接合する。

樹脂シート３０は、段差部３２を含め、この段差部３２を取り囲む枠体部位３３を三層構造とし、コア部３０ｃの表裏に表層部３０ａ，３０ｂを有する。表層部３０ａ，３０ｂは、燃料電池セル製造の過程において溶融し、その後の養生を経て硬化することで、段差部３２においては、膜電極接合体２０の接着層２７に接着してシールを図り、枠体部位３３においては、後述のセパレータ４１、４２に接着してシールを図る。上記したようにＭＥＧＡ２６を保持した状態で、樹脂シート３０は、図２に示すように、開口領域３１を取り囲む段差部３２の内周壁面３１ａを、カソード側ガス拡散層２４の外周壁面２４ａに対向させ、この間隙には、後述の吸水部材４０が配設されている。また、樹脂シート３０は、段差部３２の段差壁面３２ａをカソード側ガス拡散層２４の外周壁面に対向させる。この他、樹脂シート３０は、図１に示すように、枠体部位３３に、燃料ガスの供給孔３４ａと排出孔３４ｂの他、冷却水の供給孔３５ａと排出孔３５ｂ、エアーの供給孔３６ａと排出孔３６ｂとを備える。なお、これら給排孔は既存構成と同じであることから、給排孔の機能等についての説明は省略する。

セパレータ４１は、カソード側ガス拡散層２４に積層して、セル内エアー流路４１ａを形成し、セパレータ４２は、アノード側ガス拡散層２５に積層して、セル内燃料ガス流路４２ａを形成する。これらセパレータ４１、４２は、ガス不透過な導電性部材、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンや、焼成カーボン、あるいはステンレス鋼などの金属材料により形成されている。そして、セパレータ４１は、カソード側ガス拡散層２４と樹脂シート３０および吸水部材４０に接触した上で、樹脂シート３０の表層部３０ａにより樹脂シート３０に固定される。こうして固定されたセパレータ４１は、吸水部材４０を膜電極接合体２０の側に押し付ける。セパレータ４２は、カソード側ガス拡散層２４と樹脂シート３０に接触した上で、樹脂シート３０の表層部３０ｂにより樹脂シート３０に固定される。なお、セル内流路の機能等についての説明は省略する。

セパレータ４１により膜電極接合体２０に向けて押し付けられる吸水部材４０は、例えば高吸水性セルロース材料等の吸水と吸水に伴う膨潤を起こす性状を有する有機材料から形成され、段差部３２の内周壁面３１ａとカソード側ガス拡散層２４の外周壁面２４ａとの間に配設される。例えば、樹脂シート３０の開口領域３１を取り囲む段差部３２にＭＥＧＡ２６を既述したようにセットした状態で、段差部３２の内周壁面３１ａとカソード側ガス拡散層２４の外周壁面２４ａとの間隙に、上記の吸水部材を液状の状態で充填する。その後、セパレータ４１を装着して、この状態で、液状の吸水部材を固形化（硬化）させることで、吸水部材４０が形成・配設される。或いは、段差部３２には、カソード側ガス拡散層２４が未接合のＭＥＧＡ２６をセットした状態で、段差部３２の内周壁面３１ａと接着層２７との角部位に上記の吸水部材を高粘度の液状の状態で配設する。その後、液状の吸水部材が残るようにしてカソード側ガス拡散層２４を膜電極接合体２０に接合し、次いで、セパレータ４１を装着する。これ以降は、既述したように、液状の吸水部材を固形化（硬化）させることで、吸水部材４０が形成・配設される。

以上説明したように、本実施形態の燃料電池１００を構成する燃料電池セル１０は、吸水と吸水に伴う膨潤を起こす性状を有する吸水部材４０を、樹脂シート３０における開口領域３１を取り囲む段差部３２の内周壁面３１ａと、開口領域３１においてカソード２２に接合したカソード側ガス拡散層２４の外周壁面２４ａとの間に備える。この吸水部材４０は、燃料電池１００の発電運転中に生成される生成水を吸水して膨潤することで、段差部３２の内周壁面３１ａとカソード側ガス拡散層２４の外周壁面２４ａとの間において、膜電極接合体２０、延いては電解質膜２１に面圧を加える。この結果、本実施形態の燃料電池１００を構成する燃料電池セル１０によれば、膜の膨らみを伴う電解質膜２１の変形を高い実効性で抑制できる。また、吸水部材４０は、吸水に伴う膨潤を起こして膜電極接合体２０に面圧を加えるので、吸水部材４０を、セパレータ４１に接触するよう段差部３２の内周壁面３１ａとカソード側ガス拡散層２４の外周壁面２４ａとの間に形成するに当たり、吸水部材４０の寸法を大きくしておく必要が無い。よって、本実施形態の燃料電池１００を構成する燃料電池セル１０によれば、セパレータ４１の組み付け性が高まる。

本実施形態の燃料電池１００を構成する燃料電池セル１０は、セル構成において従来の既存構成と同一である。よって、本実施形態によれば、段差部３２の内周壁面３１ａとカソード側ガス拡散層２４の外周壁面２４ａとの間に、高吸水性セルロース材料を用いて吸水部材４０を形成するだけで、膜の膨らみを伴う電解質膜２１の変形抑制と、変形抑制に伴う耐久性の向上とをもたらすことができる。

本実施形態の燃料電池１００を構成する燃料電池セル１０は、図２に示すように、吸水部材４０の一部部位をセル内エアー流路４１ａに露出させている。よって、吸水部材４０は、カソード側ガス拡散層２４からの生成水吸水に加え、セル内エアー流路４１ａを通過するエアーに含まれている生成水を吸水して、膨潤を起こす。また、生成水の吸水が過多となった場合には、生成水をセル内エアー流路４１ａに押し出すこともできる。

本発明は、上述の実施形態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、或いは、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、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

上記した実施形態では、カソード２２をアノード２３より縦横とも狭小としたので、カソード２２は、吸水部材４０にまで達しているものの、樹脂シート３０の段差部３２に達しない。この形態の他、カソード２２を、アノード２３と同様に電解質膜２１とほぼ同寸法として、カソード２２を樹脂シート３０の段差部３２に達するようにしてもよい。

上記した実施形態では、樹脂シート３０の段差部３２における段差壁面３２ａとカソード側ガス拡散層２４の外周壁面との間を空所とするが、ここに、吸水部材４０を配設するようにしてもよい。

上記した実施形態では、吸水部材４０を高吸水性セルロース材料を用いて形成したが、アクリル酸重合体部分ナトリウム塩架橋物を用いてもよい。また、吸水部材４０を形成するに当たり、セル製造過程で液状の吸水部材を段差部３２の内周壁面３１ａと接着層２７との角部位に配設したが、カソード側ガス拡散層２４を外周壁面２４ａの回りで取り囲む枠状に予め賦形された吸水部材４０を用いてもよい。この場合には、断面寸法を、段差部３２の内周壁面３１ａとカソード側ガス拡散層２４の外周壁面２４ａとの間の寸法、および膜電極接合体２０の接着層２７からセパレータ４１との間の寸法に規定すればよい。よって、賦形済みの吸水部材４０を用いる場合であっても、形状寸法を大きくしておく必要が無いので、セパレータ４１の組み付け性が高まる。

１０…燃料電池セル
２０…膜電極接合体
２１…電解質膜
２２…カソード
２３…アノード
２４…カソード側ガス拡散層
２４ａ…外周壁面
２５…アノード側ガス拡散層
２６…ＭＥＧＡ
２７…接着層
３０…樹脂シート
３０ａ…表層部
３０ｂ…表層部
３０ｃ…コア部
３１…開口領域
３１ａ…内周壁面
３２…段差部
３２ａ…段差壁面
３３…枠体部位
３４ａ…供給孔
３４ｂ…排出孔
３５ａ…供給孔
３５ｂ…排出孔
３６ａ…供給孔
３６ｂ…排出孔
４０…吸水部材
４１…セパレータ
４１ａ…セル内エアー流路
４２…セパレータ
４２ａ…セル内燃料ガス流路
１００…燃料電池

Claims

燃料電池であって、
電解質膜の両膜面に電極触媒層を接合した膜電極接合体と、
中央に開口領域を有する枠状をなし、前記開口領域を取り囲む周縁部位が前記膜電極接合体の一方の膜面における前記膜電極接合体の周縁領域に重なるようにして前記膜電極接合体を保持するシール部材と、
ガス透過性を有する導電性部材からなり、前記開口領域において前記電極触媒層に接合するガス拡散層と、
前記開口領域の側の前記周縁部位の内周壁面と前記ガス拡散層の外周壁面との間に配設され、吸水と吸水に伴う膨潤を起こす性状を有する吸水部材とを備える、燃料電池。