JP2017152281A - 燃料電池セルの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】接着剤と膜電極接合体（ＭＥＡ）との間に発生する隙間の為に電解質膜が変形し、電解質膜に損傷を与えることを防止する燃料電池の製造方法の提供。
【解決手段】ＭＥＡ２０と、第１の面の側の第１ガス拡散層３０と、第２の面の側の第２ガス拡散層４０と、第１の面の側で第１ガス拡散層の外周に設けられる部材であって、第１ガス拡散層の外周端から隙間を開けて配置された板状シール部材８０と、板状シール部材をＭＥＡに接着する接着剤８２であって、第１ガス拡散層とＭＥＡとの間から、隙間のＭＥＡ側の部分を経て、板状シール部材とＭＥＡの少なくとも一部分の間に至る範囲に配置された接着剤と、を備える燃料電池セルの製造方法。方法、接着剤を加熱して硬化する工程であって、板状シール部材も併せて加熱される工程を備え、板状シール部材は、加熱された際に接着剤を変形・屈曲しない範囲内の線膨張係数を有する燃料電池セルの製造方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池セルの製造方法に関する。

一般に、燃料電池は、複数の燃料電池セルを積層したスタック構造を有している。各燃料電池セルは、膜電極接合体の両面にガス拡散層を配置した膜電極ガス拡散層接合体と、膜電極ガス拡散層接合体を挟む２枚のセパレータとを有する。この燃料電池セルでは、２枚のセパレータの間における膜電極ガス拡散層接合体の周縁部は、ゴムや樹脂などのシール部材によってシールされる。具体的に、特許文献１には、膜電極接合体の一方の面に配置されたガス拡散層のサイズを、膜電極接合体の他方の面に配置されたガス拡散層のサイズよりを小さくし、その小さいガス拡散層の外周に板状のシール部材を配置し、シール部材を接着剤によって接着した構成が開示されている。

特開２０１３−２５１２５３号公報 特開２０１３−２３９３１６号公報

前記先行技術では、板状シール部材とガス拡散層とが別体であることから、両者の間にはどうしても隙間が発生する。このため、板状シール部材を膜電極接合体に接着する際には、その隙間に接着剤を塗布する必要があった。この場合に、接着剤が変形、屈曲してしまうことがあった。接着剤が変形、屈曲してしまうと、接着剤と膜電極接合体との間に隙間ができ、隙間のために電解質膜が変形し、膜裂けが発生する虞があった。このため、板状シール部材とガス拡散層との間に渡す接着剤を変形、屈曲させない技術が望まれていた。

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、電解質膜の両面に電極を備える膜電極接合体と、前記膜電極接合体の第１の面の側に配置された第１のガス拡散層と、前記膜電極接合体の前記第１の面とは反対の第２の面の側に配置された第２のガス拡散層と、前記膜電極接合体の前記第１の面の側における前記第１のガス拡散層の外周に設けられる板状のシール部材であって、前記第１のガス拡散層の外周端から隙間を開けて配置された板状シール部材と、前記板状シール部材を前記膜電極接合体に接着する接着剤であって、前記第１のガス拡散層と前記膜電極接合体との間から、前記隙間の前記膜電極接合体側の部分を経て、前記板状シール部材と前記膜電極接合体の少なくとも一部分の間に至る範囲に配置された接着剤と、を備える燃料電池セルを製造する方法である。この方法は、前記接着剤を加熱して硬化する工程であって、前記板状シール部材も併せて加熱される工程を備え、前記板状シール部材は、前記加熱された際に前記接着剤を変形・屈曲しない範囲内の線膨張係数を有する。

この形態の燃料電池セルの製造方法によれば、接着剤を加熱して硬化する工程において、板状シール部材も併せて加熱されるが、板状シール部材は、前記加熱された際に前記接着剤を変形・屈曲しない範囲内の線膨張係数を有する。板状シール部材が熱膨張した際に、板状シール部材の熱膨張に伴って接着剤に応力が加わる。従来、この応力によって、接着剤が変形・屈曲することがあったが、この形態の燃料電池セルの製造方法によれば、接着剤が変形・屈曲しないことから、接着剤と膜電極接合体との間に隙間ができることはない。したがって、隙間のために電解質膜が変形し、電解質膜に損傷を与えることを防止できる。

本発明の一実施形態としての燃料電池セルの製造方法を採用して作製した燃料電池セルの要部断面図である。 燃料電池セルの製造方法の前半を示す説明図である。 燃料電池セルの製造方法の後半を示す説明図である。 板状シール部材を示す説明図である。 本実施形態と参考例１と比較して、工程４において接着剤に変形が生じるか否かを示す表である。 参考例１における接着剤２８２の変形の様子を示す説明図である。 本実施形態と参考例２と比較して、工程６において接着剤に変形が生じるか否かを示す表である。 実施形態の変形例としての燃料電池セルの要部断面図である。

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製造方法を採用して作製した燃料電池セル１００の要部断面図である。図示するように、燃料電池セル１００は、膜電極ガス拡散層接合体１０と、膜電極ガス拡散層接合体１０を挟持する一対のセパレータ５０，６０と、セパレータ５０，６０の間における膜電極ガス拡散層接合体１０の周縁部に接着された板状シール部材８０と、を備えている。

膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ：Membrane Electrode Gas diffusion layer Assembly）１０は、膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）２０と、ＭＥＡ２０の両面に配置された一対のガス拡散層３０，４０と、を備えている。

ＭＥＡ２０は、電解質膜２１の両面に触媒電極層（カソード２２およびアノード２３）を接合してなる。電解質膜２１として、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。カソード２２およびアノード２３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。なお、本実施形態では、カソード２２の平面方向のサイズは、アノード２３の平面方向のサイズより小さくい。

一対のガス拡散層３０，４０のうちのカソード２２の表面（第１の面）の側に配置された拡散層３０を、以下、カソード側ガス拡散層３０と呼ぶ。一対のガス拡散層３０，４０のうちのアノード２３の表面（第２の面）の側に配置された拡散層４０を、以下、アノード側ガス拡散層４０と呼ぶ。カソード側ガス拡散層３０、アノード側ガス拡散層４０として、カーボンクロスを用いるものとした。カソード側ガス拡散層３０、アノード側ガス拡散層４０として、カーボンペーパー等、導電性およびガス透過性を有する他の部材を用いるものとしてもよい。カソード側ガス拡散層３０は、［発明の概要］の欄に記載した本発明の一形態における「第１のガス拡散層」に相当する。アノード側ガス拡散層４０は、［発明の概要］の欄に記載した本発明の一形態における「第２のガス拡散層」に相当する。

カソード側ガス拡散層３０、ＭＥＡ２０、およびアノード側ガス拡散層４０の積層方向Ｙにおけるカソード側ガス拡散層３０側の向きを、以下、「−Ｙ向き」と呼ぶ。積層方向Ｙにおけるアノード側ガス拡散層４０側の向きを、以下、「＋Ｙ向き」と呼ぶ。

積層方向Ｙに垂直な平面方向に見たときに、カソード側ガス拡散層３０は、アノード側ガス拡散層４０が接合された領域よりも内側の領域に接合されている。その上、ＭＥＡ２０は、カソード側ガス拡散層３０およびアノード側ガス拡散層４０の全面に接合されており、また、ＭＥＡ２０の−Ｙ向き側の表面において、カソード側ガス拡散層３０が接合された領域（ほぼ近くの領域）から外側部分（カソード２２の部分）が露出している。ＭＥＡ２０のこの露出した部分の−Ｙ向きの側における、カソード側ガス拡散層３０外周に、板状シール部材８０が配置されている。本明細書では、「外周」とは、最も外側の端部だけではなく、ある程度、内側まで入った部分も含む範囲を意味する。さらに、板状シール部材８０は、板状シール部材８０から隙間Ｓを開けて配置されている。

セパレータ５０は、ＭＥＧＡ１０におけるカソード側ガス拡散層３０の表面に積層される。セパレータ５０の平面方向のサイズは、カソード側ガス拡散層３０の平面方向のサイズよりも大きい。このため、積層方向Ｙに見た平面視において、セパレータ５０は、カソード側ガス拡散層３０よりも外側に突出した構成となっている。このセパレータ５０（以下、「カソード側セパレータ５０」とも呼ぶ）において、ＭＥＧＡ１０におけるカソード側ガス拡散層３０との当接面には、カソード側ガス拡散層３０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５２が形成されている。もう一方のセパレータ６０は、ＭＥＧＡ１０におけるアノード側ガス拡散層４０の表面に積層される。このセパレータ６０（以下、「アノード側セパレータ６０」とも呼ぶ）において、ＭＥＧＡ１０におけるアノード側ガス拡散層４０との当接面には、アノード側ガス拡散層４０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６２が形成されている。本実施例では、セパレータ５０，６０として、金属プレートを用いるものとした。セパレータ５０，６０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。

板状シール部材８０は、板形状で、内側に大きな穴が空いた枠体である。板状シール部材８０は、ＭＥＡ２０の外周の−Ｙ向きの側の面とカソード側セパレータ５０との間に接着され、セパレータ５０，６０の間を密封する。板状シール部材８０としては、例えば、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）を用いることができる。板状シール部材８０のＭＥＡ２０への接着は、カソード側ガス拡散層３０とＭＥＡ２０との間から、隙間Ｓの＋Ｙ向き側の部分を経て、板状シール部材８０とＭＥＡ２０の外周端近くまでの範囲に塗布された接着剤８２によってなされる。接着剤８２としては、ＰＩＢ（ポリイソプチレン）、エポキシ系等を用いることができる。

本実施形態では、前述したように、カソード２２の平面方向のサイズがアノード２３の平面方向のサイズよりも小さいことから、ＭＥＡ２０のーＹ向き側の表面の外周は、カソード２２が存在しなくて電解質膜２１が露出している。この露出した部分に接着剤８２は塗布される。この電解質膜２１が露出した部分もＭＥＡ２０の一部である。

Ｂ．燃料電池セルの製造方法：
図２および図３は、前述した燃料電池セル１００の製造方法を示す説明図である。図２および図３に示すように、燃料電池セル１００の製造方法は、工程１から工程６までの６つの工程によって構成される。各工程１〜６はこの順に実行される。各工程１〜６について、順に説明する。

［工程１］
図２に示す工程１は、準備工程である。電解質膜２１の両面にカソード２２およびアノード２３が付き、アノード２３側にアノード側ガス拡散層４０が接合された積層物を準備する。

［工程２］
工程２は、打ち抜き工程である。工程１で準備された積層物を、矢印ＰＲ方向に打ち抜く。

［工程３］
工程３は、接着剤塗布工程である。工程２で得られた積層物に接着剤８２を塗布する。詳しくは、工程２で得られた積層物のカソード２２の外周に接着剤８２を塗布する。すなわち、カソード２２の周端面２２Ｔから所定の寸法ｕだけ内側に入った位置までの外周部分に接着剤８２を塗布する。

［工程４］
図３に示す工程４は、板状シール部材接着工程である。工程３で得られた積層物に板状シール部材８０を接着する。詳しくは、積層方向Ｙに見たときに、接着剤８２の塗布範囲において、カソード２２の周端面２２Ｔよりも外側部分に板状シール部材８０の内側端面８０Ｔが位置するように、板状シール部材８０は接着される。

上記接着は、接着剤８２を加熱して硬化することによって行う。このとき、接着剤８２だけではなく、隣接する板状シール部材８０も併せて加熱される。このため、板状シール部材８０が熱膨張して、隣接する接着剤８２を変形・屈曲させる虞がある。

図４は、板状シール部材８０を示す説明図である。前述したように、板状シール部材８０は、板形状で、内側に大きな穴８０ａが空いた枠体である。加熱時には、板状シール部材８０の端部８０ｂを指示することで固定する。すなわち、加熱時においては、この端部８０ｂが固定端となり、穴８０側の端部８０ｃが開放端となる。本実施形態では、加熱前においては、固定端（端部８０ｂ）から開放端（端部８０ｃ）までの長さは２０ｍｍである。

図５は、本実施形態と参考例１と比較して、工程４において接着剤に変形が生じるか否かを示す表である。板状シール部材８０の加熱前の温度は約５０℃である。前述したように、板状シール部材８０の材料はＰＥＮであり、その線膨張率は４０×１０^−６／℃である。本実施形態では、接着剤８２はＰＩＢを採用するものとする。本実施形態の工程４では、板状シール部材８０の温度変化が約３０℃となるように加熱がなされる。この場合に、板状シール部材８０の熱膨張量は０．０２４［ｍｍ］となる。詳しくは、０．０２×３０×４０×１０^−６＝２４×１０^−６［ｍ］という計算によって、０．０２４［ｍｍ］という熱膨張量が求まる。本実施形態では、板状シール部材８０の熱膨張量が０．０２４［ｍｍ］と小さいため、接着剤８２は変形しない。

一方、図５の参考例１によれば、板状シール部材の材質をＰＰ（ポリプロピレン）とした。その他の条件は、本実施形態と同一とした場合、ＰＰの線膨張率は１２０×１０^−６／℃であることから、ＰＰ製の板状シール部材の熱膨張量は０．０７２［ｍｍ］となる。この結果、参考例１によれば、板状シール部材の熱膨張量は０．０７２［ｍｍ］と大きいため、接着剤は変形する。

図６は、参考例１における接着剤２８２の変形の様子を示す説明図である。図中の接着剤２８２は、隙間Ｓ（図１）付近を示すものであり、ＰＰ製の板状シール部材２８０は、熱膨張量が大きく、接着剤８２を変形させる。変形の結果、図中に示すように湾曲して、接着剤８２と膜電極接合体２２０との間に隙間が発生する。すなわち、本実施形態の工程４によれば、図６に示すような、接客剤の変形、屈曲を発生させることがない。

［工程５］
図３の工程５は、ガス拡散層接合工程である。工程４で得られた積層物にカソード側ガス拡散層３０を接合する。詳しくは、板状シール部材８０の内側の穴にカソード側ガス拡散層３０が入るように、カソード側ガス拡散層３０を接合する。このとき、板状シール部材８０の穴の壁面である内側端面８０Ｔとカソード側ガス拡散層３０の外周端３０Ｔとの間には、隙間Ｓができる。

［工程６］
工程６は、セル化工程である。工程５で得られた積層物を一対のセパレータ５０，６０で挟んで、ホットプレスする。

図７は、本実施形態と参考例２と比較して、工程６において接着剤に変形が生じるか否かを示す表である。本実施形態の工程６では、加熱温度を１５０℃、加熱時間を１０ｍｉｎとした。これによって、板状シール部材８０の温度変化は約１３０℃となる。前述したように、板状シール部材８０の材料はＰＥＮであり、その線膨張率は４０×１０^−６／℃である。本実施形態では、接着剤８２はエポキシ系を採用するものとする。この場合に、板状シール部材８０の熱膨張量は０．１０４［ｍｍ］となる。詳しくは、０．０２×１３０×４０×１０^−６＝１０４×１０^−６［ｍ］という計算によって、０．１０４［ｍｍ］という熱膨張量が求まる。工程６のセル化工程では、板状シール部材８０の熱膨張量が０．１０４［ｍｍ］と大きいが、接着剤８２の変形は生じなかった。これは、エポキシ系の接着剤は固く、板状シール部材８０の熱膨張に耐えたものと予想される。

参考例２は、本実施形態と比較して、接着剤８２をＰＩＢとしたことが異なる。接着剤８２をＰＩＢとした場合、接着剤に変形が生じた。すなわち、ＰＩＢの接着剤では、板状シール部材８０の０．１０４［ｍｍ］といった大きな熱膨張量に耐えることができず、変形が発生したものと考えられる。

したがって、本実施形態の最適な例としては、板状シール部材８０の材質をＰＥＮとし、接着剤８２の材質をエポキシ系等とすることが好ましい。この例では、工程４の加熱と工程６の加熱との双方においても、接着剤８２の変形は生じない。本実施形態において、板状シール部材８０の材質をＰＥＮとし、接着剤８２の材質をＰＩＢとすることもできるが、この場合には、工程６では、板状シール部材８０の加熱温度を下げる必要がある。例えば、工程４と同様な温度変化を約３０℃とした上で、セル化が実現可能な構成に換える必要がある。

Ｃ．実施形態の効果：
以上の構成された本実施形態の燃料電池セル１００の製造方法では、接着剤８２を加熱して硬化する工程において、板状シール部材８０も併せて加熱されるが、板状シール部材８０は、加熱された際に接着剤８２を変形・屈曲しない範囲内の線膨張係数を有する。板状シール部材８０が熱膨張した際に、板状シール部材８０の熱膨張に伴って接着剤８２に応力が加わる。従来、この応力によって、接着剤が変形・屈曲することがあったが、本実施形態によれば、接着剤８２が変形・屈曲しないことから、接着剤８２と膜電極接合体２０との間に隙間ができることはない。したがって、隙間のために電解質膜２１が変形し、電解質膜２１に損傷を与えることを防止できる。

Ｄ．変形例：
・変形例１：
前記実施形態では、板状シール部材８０はＰＥＮとしたが、ＰＥＮに限る必要がない。板状シール部材の加熱温度、板状シール部材８０の固定端と開放端との間の距離や、接着剤８２の材質によって、加熱された際に接着剤８２を変形・屈曲しない範囲内の線膨張係数を有する樹脂材料であれば、板状シール部材８０は他の樹脂に換えることができる。

・変形例２：
図８は、上記実施形態の変形例としての燃料電池セルの要部断面図である。この変形例の燃料電池セル３００は、第１実施例における燃料電池セル１００と比べて、カソード３２２の長さが相違する。第１実施形態では、カソード側ガス拡散層３０の外周端３０Ｔから隙間Ｓ側に少し延びただけであったが、これに対して、第２実施形態では、カソード３２２の長さはより長く、隙間Ｓを超えて、板状シール部材８０の下方まで達している。変形例における燃料電池セル３００のその他の構成は、第１実施例における燃料電池セル１００の構成と同一であるので、同一の構成要素については、図８において、図１と同一の符合を付し、その説明を省略する。この構成においても、上記実施形態の燃料電池セルの製造方法を採用することができる。

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、前述した各実施形態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
２０…膜電極接合体
２１…電解質膜
２２…カソード
２２Ｔ…周端面
２３…アノード
３０…カソード側ガス拡散層
３０Ｔ…外周端
４０…アノード側ガス拡散層
５０…カソード側セパレータ
５２…酸化剤ガス流路
６０…アノード側セパレータ
６２…燃料ガス流路
８０…板状シール部材
８０Ｔ…内側端面
８０ａ…穴
８０ｂ…端部
８０ｃ…端部
８２…接着剤
１００…燃料電池セル
３００…燃料電池セル
３２２…カソード
Ｓ…隙間
Ｙ…積層方向

Claims (1)

1. 電解質膜の両面に電極を備える膜電極接合体と、
   前記膜電極接合体の第１の面の側に配置された第１のガス拡散層と、
   前記膜電極接合体の前記第１の面とは反対の第２の面の側に配置された第２のガス拡散層と、
   前記膜電極接合体の前記第１の面の側における前記第１のガス拡散層の外周に設けられる板状のシール部材であって、前記第１のガス拡散層の外周端から隙間を開けて配置された板状シール部材と、
   前記板状シール部材を前記膜電極接合体に接着する接着剤であって、前記第１のガス拡散層と前記膜電極接合体との間から、前記隙間の前記膜電極接合体側の部分を経て、前記板状シール部材と前記膜電極接合体の間に至る範囲に配置された接着剤と、
   を備える燃料電池セルを製造する方法であって、
   前記接着剤を加熱して硬化する工程であって、前記板状シール部材も併せて加熱される工程を備え、
   前記板状シール部材は、前記加熱された際に前記接着剤を変形・屈曲しない範囲内の線膨張係数を有する、燃料電池セルの製造方法。

Images