JP2018073523A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】接着剤が用いられる燃料電池において、接着剤中の気泡を低減する。【解決手段】電解質膜と電極触媒層とを含む膜部材と、膜部材の一方の面に接する第１ガス拡散層と、第１ガス拡散層に接する第１セパレータと、膜部材の他方の面に接し、端部が膜部材の周縁部よりも内側に配置された第２ガス拡散層と、膜部材の他方の面の周縁部上に形成された接着剤層と、枠形状を有する樹脂フレームであって、内周縁部に貫通孔を有し、内周縁部が接着剤層に接する樹脂フレームと、第２ガス拡散層及び樹脂フレームに接して配置され、膜部材の周縁部側へ突出する突出部を有する第２セパレータと、を備える燃料電池。突出部は、樹脂フレームの貫通孔を貫通して接着剤層に接する。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池に関する。

接着剤が塗布されたセパレータによって膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）を挟んだ燃料電池が知られている（例えば、特許文献１）。

特開２００５−３３２７３８号公報

特許文献１記載の燃料電池は、ＭＥＡを接着剤が塗布されたセパレータで挟んで加熱・加圧する際に、接着剤にかかる加圧の方向を調整し、接着剤中に残存する気泡を接着剤外に逃げやすくすることによって、接着剤中に気泡が存在することによるシール性の低下を抑制している。しかし、加圧がセパレータの面方向において均一でない場合等には、接着剤の厚さが不均一になるおそれがあった。このような場合には、接着剤中の気泡の除去の程度が面方向においてばらつき、その結果、燃料電池のシール性が低下するおそれがあった。そのため、接着剤が用いられる燃料電池において、接着剤中の気泡を低減しつつ気泡の除去の程度のばらつきを低減することが可能な技術が望まれていた。

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。

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、電解質膜と電極触媒層とを含む膜部材と；前記膜部材の一方の面に接する第１ガス拡散層と；前記第１ガス拡散層に接する第１セパレータと；前記膜部材の他方の面に接し、端部が前記膜部材の周縁部よりも内側に配置された第２ガス拡散層と；前記膜部材の前記他方の面の前記周縁部上に形成された接着剤層と；枠形状を有する樹脂フレームであって、内周縁部に貫通孔を有し、前記内周縁部が前記接着剤層に接する樹脂フレームと；前記第２ガス拡散層及び前記樹脂フレームに接して配置され、前記膜部材の前記周縁部側へ突出する突出部を有する第２セパレータと、を備え；前記突出部は、前記樹脂フレームの貫通孔を貫通して前記接着剤層に接する。このような燃料電池であれば、第２セパレータの突出部が、樹脂フレームの貫通孔を貫通して接着剤層に接することで、樹脂フレームと膜部材の周縁部との間に接着剤層が存在するための一定のクリアランスが確保されるので、樹脂フレームと膜部材との間の接着剤層の厚さが均一になり、接着剤層中の気泡を低減しつつ気泡の除去の程度のばらつきを低減することができる。

本発明は、上述した燃料電池以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、燃料電池の製造方法等の形態で実現することができる。

本発明の一実施形態における燃料電池の構成を示す概略構成図。 樹脂フレームの平面図。 燃料電池の製造方法を示す工程図。 ステップＳ１０の様子を示す図。 ステップＳ２０の様子を示す図。 ステップＳ３０の様子を示す図。 ステップＳ４０の様子を示す図。

Ａ．実施形態：
Ａ１．燃料電池の構成：
図１は、本発明の一実施形態としての燃料電池スタック８００の構成を示す説明図である。図１には、燃料電池スタック８００の断面構成の一部が示されている。燃料電池スタック８００は、複数の燃料電池７００を積層方向に一定の荷重を掛けた状態で締結部材（不図示）によって締結することにより一体化したスタック構造を有する。各燃料電池７００は、いわゆる固体高分子型燃料電池である。なお、燃料電池７００を「単セル」とも呼ぶ。

燃料電池７００は、膜部材２０２と、アノード側ガス拡散層２０４と、カソード側ガス拡散層２０６と、接着剤層４００と、樹脂フレーム３００と、アノード側セパレータ５００と、カソード側セパレータ６００と、を備える。

膜部材２０２は、電解質膜２２と電極触媒層を含む。本実施形態では、膜部材２０２は、矩形状の電解質膜２２の両面にそれぞれ隣接して形成された電極触媒層である、矩形状のアノード側電極触媒層２４とカソード側電極触媒層２６とを備える。電解質膜２２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を有する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。本実施形態では、膜部材２０２のアノード側電極触媒層２４が形成される面を「一方の面」とも呼び、膜部材２０２のアノード側電極触媒層２４が形成される側を「アノード側」とも呼ぶ。また、膜部材２０２のカソード側電極触媒層２６が形成される面を「他方の面」とも呼び、膜部材２０２のカソード側電極触媒層２６が形成される側を「カソード側」とも呼ぶ。本実施形態では、アノード側電極触媒層２４は、平面視において、電解質膜２２とほぼ同じ大きさの矩形状に形成されている。カソード側電極触媒層２６は、電解質膜２２よりも一回り小さな矩形状に形成されており、カソード側電極触媒層２６の端部が電解質膜２２の端部よりも内側に配置されている。このため、電解質膜２２の端部（膜部材２０２のカソード側の面の周縁部２０２ｓ）は、アノード側電極触媒層２４と電解質膜２２とカソード側電極触媒層２６とが積層された状態において、カソード側電極触媒層２６の外側に露出する。アノード側電極触媒層２４と、電解質膜２２と、カソード側電極触媒層２６とを合わせて膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）とも呼ぶ。

接着剤層４００は、膜部材２０２のカソード側の面の周縁部２０２ｓ上に形成された層である。本実施形態では、接着剤層４００は、カソード側電極触媒層２６の外側に露出した電解質膜２２上であって、カソード側電極触媒層２６の端部全周に隣接して設けられている。本実施形態において、接着剤層４００は、膜部材２０２の周縁部２０２ｓと、後述する突出部６０５と、樹脂フレーム３００の膜部材２０２側の面と、カソード側電極触媒層２６の端部と、カソード側ガス拡散層２０６の端部と、に接しており、それぞれを接着する。接着剤層４００は、膜部材２０２の周縁部２０２ｓ上に接着剤層４００の材料となる接着剤が塗布された後、積層方向に加熱・加圧されることによって形成される。なお、接着剤層４００の材料となる接着剤は予め気泡を含んでいるが、本実施形態の接着剤層４００からは、この気泡がほぼ除去されている。接着剤層４００の厚さは、例えば、１５〜２５μｍであり、本実施形態では、２０μｍである。接着剤層４００の材料となる接着剤としては、熱硬化型の接着剤や、ＵＶ（紫外線）硬化型の接着剤が用いられ、例えば、ポリイソブチレン（ＰＩＢ：Polyisobutylene）を含む接着剤が用いられる。なお、接着剤としては、ＰＩＢを含む接着剤に代えてブチルゴム等のＵＶ硬化型の弾力性を有するエストラマー系の材料の接着剤等の種々の接着剤が用いられてもよい。

アノード側ガス拡散層２０４は、膜部材２０２のアノード側の面に接し、カソード側ガス拡散層２０６は、膜部材２０２のカソード側の面に接する。アノード側ガス拡散層２０４及びカソード側ガス拡散層２０６は、電極反応に用いられる反応ガスを電解質膜２２の面方向に沿って拡散させる層であり、多孔質の拡散層用部材により構成されている。拡散層用部材としては、炭素繊維や黒鉛繊維、発砲金属など、導電性及びガス拡散性を有する多孔質の層状の部材が用いられる。アノード側ガス拡散層２０４は、平面視において、電解質膜２２及びアノード側電極触媒層２４とほぼ同じ大きさの矩形状に形成されている。カソード側ガス拡散層２０６は、カソード側電極触媒層２６とほぼ同じ大きさの矩形状に形成されており、カソード側ガス拡散層２０６の端部は、膜部材２０２の周縁部２０２ｓよりも内側に配置されている。このため、膜部材２０２の周縁部２０２ｓは、アノード側ガス拡散層２０４と、アノード側電極触媒層２４と、電解質膜２２と、カソード側電極触媒層２６と、カソード側ガス拡散層２０６が積層された状態において、カソード側電極触媒層２６及びカソード側ガス拡散層２０６の外側に露出する。膜部材２０２、アノード側ガス拡散層２０４、カソード側ガス拡散層２０６を合わせて、膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ｇａｓｓ−ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ−ｌａｙｅｒ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）２００とも呼ぶ。また、アノード側ガス拡散層２０４を「第１ガス拡散層」とも呼び、カソード側ガス拡散層２０６を「第２ガス拡散層」とも呼ぶ。

図２は、樹脂フレーム３００の平面図である。樹脂フレーム３００は、枠形状の樹脂部材である。樹脂フレーム３００は、内周縁部３０２ｓに複数の貫通孔３０５を有する。貫通孔３０５は、積層方向に貫通する孔である。樹脂フレーム３００は、更に、開口部３０３と、マニホールド孔３１１、３１２、３１３、３１４、３１５、３１６を備える。樹脂フレーム３００の内周縁部３０２ｓは、膜部材２０２の周縁部２０２ｓに接し、樹脂フレーム３００の開口部３０３には接着剤層４００を介してＭＥＧＡ２００が位置する。マニホールド孔３１１、３１３、３１４、３１６はガスの流路であり、マニホールド孔３１２、３１５は冷媒の流路である。本実施形態では、樹脂フレーム３００は、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート、Polyethylene naphthalate）の両面に熱可塑性のＰＰ（ポリプロピレン）が積層された３層樹脂部材が用いられ、樹脂フレーム３００は、ＰＰによってアノード側セパレータ５００及びカソード側セパレータ６００と接着されている。樹脂フレーム３００としては、例えば、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、ＰＥ（ポリエチレン、polyethylene）、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタラート、Polyethylene terephthalate）等や、複数の樹脂が積層された樹脂部材が用いられてもよい。

図１に戻り、アノード側セパレータ５００は、アノード側ガス拡散層２０４に接する。アノード側セパレータ５００は、ＭＥＧＡ２００のアノードに対して燃料ガスとしての水素ガスを供給するための流路５０２を有する。カソード側セパレータ６００は、カソード側ガス拡散層２０６及び樹脂フレーム３００に接して配置されている。カソード側セパレータ６００は、ＭＥＧＡ２００のカソードに対して酸化ガスとしての空気を供給するための流路６０２を有する。

アノード側セパレータ５００及びカソード側セパレータ６００は、それぞれ、隣接する単セルのセパレータとの間に、冷媒としての水の流路５０４、６０４を有する。アノード側セパレータ５００及びカソード側セパレータ６００は、ステンレスやチタン、あるいはそれらの合金からなる金属板をプレス成型することによって形成されている。

カソード側セパレータ６００は、膜部材２０２の周縁部２０２ｓ側に突出する突出部６０５を備える。突出部６０５は、面方向の大きさが、樹脂フレーム３００の貫通孔３０５に嵌りあう大きさに形成されている。また、本実施形態では、カソード側セパレータ６００は、複数の突出部６０５を備えており、各突出部６０５は、ＭＥＧＡ２００に接着剤層４００を介して樹脂フレーム３００及びカソード側セパレータ６００が積層された際に、樹脂フレーム３００の貫通孔３０５の位置に対応する位置に形成されている。突出部６０５は、樹脂フレーム３００の貫通孔３０５を貫通して接着剤層４００に接する。樹脂フレーム３００と膜部材２０２との間に位置する突出部６０５の周囲には接着剤層４００が存在している。突出部６０５は、樹脂フレーム３００と膜部材２０２との間に接着剤層４００を形成するための一定のクリアランスを確保する。なお、クリアランスを均一に確保する観点から、突出部６０５は、図１に示すように、樹脂フレーム３００の貫通孔３０５及び接着剤層４００を貫通して、膜部材２０２の周縁部２０２ｓに接することが好ましい。アノード側セパレータ５００を「第１セパレータ」とも呼び、カソード側セパレータ６００を「第２セパレータ」とも呼ぶ。

Ａ２．燃料電池の製造方法：
図３は、燃料電池７００の製造方法を示す工程図である。燃料電池７００を製造する際には、まず、膜部材２０２が用意される（ステップＳ１０）。

図４は、ステップＳ１０の様子を示す図である。本実施形態では、ステップＳ１０において、アノード側ガス拡散層２０４が形成された膜部材２０２が用意される。本実施形態では、電解質膜２２の一方の面に電解質膜２２と同様の大きさのアノード側電極触媒層２４が形成され、電解質膜２２の他方の面に電解質膜２２よりも一回り小さい大きさのカソード側電極触媒層２６が形成された膜部材２０２を用意して、膜部材２０２のアノード側電極触媒層２４側にアノード側ガス拡散層２０４を配置して熱プレスする。こうすることにより、アノード側ガス拡散層２０４が形成された膜部材２０２を用意することができる。

次に、膜部材２０２のカソード側の面の周縁部２０２ｓ上に、接着剤層４００が形成される（ステップＳ２０）。図５は、ステップＳ２０の様子を示す図である。接着剤層４００は、スクリーン印刷等の種々の塗工方法を用いて、膜部材２０２のカソード側の面の周縁部２０２ｓ上に接着剤を塗布することにより形成することができる。塗布される接着剤層４００の積層方向の厚さは、例えば、４５〜５５μｍであり、本実施形態では５０μｍである。ステップＳ２０では、接着剤層４００は未硬化な状態であり、気泡を含んでいる。

次に、樹脂フレーム３００の内周縁部３０２ｓが接着剤層４００と接するように、樹脂フレーム３００が接着剤層４００上に配置される（ステップＳ３０）。図６は、ステップＳ３０の様子を示す図である。ステップＳ３０では、樹脂フレーム３００の内周縁部３０２ｓが接着剤層４００と接することにより、図６に示すように、接着剤層４００上に貫通孔３０５が位置するようになる。本実施形態では、ステップＳ３０において、更に、カソード側ガス拡散層２０６が膜部材２０２のカソード側電極触媒層２６上に配置される。このようにして、樹脂フレーム３００が配置されたＭＥＧＡ２００を得る。

次に、樹脂フレーム３００が配置されたＭＥＧＡ２００がアノード側セパレータ５００及びカソード側セパレータ６００で挟持されて、加熱・加圧される（ステップＳ４０）。図７は、ステップＳ４０の様子を示す図である。ステップＳ４０では、ＭＥＧＡ２００のアノード側にアノード側セパレータ５００が配置され、カソード側にカソード側セパレータ６００が配置されて、アノード側セパレータ５００及びカソード側セパレータ６００上から、樹脂フレーム３００が配置されたＭＥＧＡ２００が加熱・加圧される。ステップＳ４０では、カソード側セパレータ６００の突出部６０５が、樹脂フレーム３００の貫通孔３０５に嵌るように配置されて、加熱・加圧が行われる。また、ステップＳ４０では、接着剤層４００の積層方向の厚さが予め定められた厚さ（定寸）になるように制御されて、加熱・加圧が行われる。この予め定められた厚さは、接着剤層４００中の気泡が除去される厚さである。なお、突出部６０５の積層方向の高さは、この厚さに対応するように形成されていることが好ましい。ステップＳ４０において、加熱温度は例えば１４０〜１８０℃の温度であり、圧力は３０〜４５ｋＮである。ステップＳ４０では、加圧によって突出部６０５が貫通孔３０５を貫通して接着剤層４００に接するとともに、加熱によって接着剤層４００が硬化する。接着剤層４００は、ステップＳ２０において塗布された厚さよりも薄くなるとともに膜部材２０２の周縁部２０２ｓと、突出部６０５と、樹脂フレーム３００の膜部材２０２側の面と、カソード側電極触媒層２６の端部と、カソード側ガス拡散層２０６の端部と、に接してそれぞれを接着する。ステップＳ４０が終了すると、接着剤層４００の積層方向の厚さは、ステップＳ２０において塗布された厚さよりも薄くなる。本実施形態では、ステップＳ４０が終了すると、図１に示すように、突出部６０５は貫通孔３０５及び接着剤層４００を貫通して電解質膜２２に接し、接着剤層４００の厚さは、樹脂フレーム３００と膜部材２０２の周縁部２０２ｓとの間における突出部６０５の積層方向の高さと等しくなる。また、本実施形態では、接着剤層４００の厚さは、ステップＳ２０において塗布された厚さよりも、積層方向において約３０μｍ薄くなる。この接着剤層４００の厚さは、ステップＳ２０で塗布された接着剤中の気泡がほぼ消失する厚さであり、塗布された接着剤の厚さと、加圧後の接着剤の厚さ及び加圧後の接着剤層４００中の気泡の有無と、の関係を実験によって求めておくことで、予め定めることができる。以上のようにして、樹脂フレーム３００が、接着剤層４００を介して膜部材２０２に固定されて一体化された燃料電池７００が得られる。この燃料電池７００を積層することで、燃料電池スタック８００を製造することができる。

以上で説明した燃料電池７００では、カソード側セパレータ６００の突出部６０５が、樹脂フレーム３００の貫通孔３０５を貫通して接着剤層４００に接することで、樹脂フレーム３００と膜部材２０２の周縁部２０２ｓとの間に接着剤層４００が存在するための一定のクリアランスが確保されるので、樹脂フレーム３００と膜部材２０２との間の接着剤層４００の厚さを均一にすることができ、接着剤層４００中の気泡を低減するとともに気泡の除去の程度のばらつきを低減することができる。その結果、燃料電池７００のシール性の低下を抑制することができる。

また、ＭＥＧＡ２００のアノード側にアノード側セパレータ５００を配置しカソード側にカソード側セパレータ６００を配置して、樹脂フレーム３００が積層されたＭＥＧＡ２００を加熱・加圧する工程において、突出部６０５を樹脂フレーム３００の貫通孔３０５を貫通して接着剤層４００に接触させることで接着剤層４００中の気泡を低減することができるので、接着剤層４００中の気泡を低減するための工程を別途設けることなく、燃料電池７００のシール性を高めることができる。

また、本実施形態では、接着剤層４００は、ＭＥＧＡ２００のアノード側にアノード側セパレータ５００を配置しカソード側にカソード側セパレータ６００を配置して、樹脂フレーム３００が積層されたＭＥＧＡ２００を加熱・加圧する工程において硬化されるため、接着剤層４００を硬化するための工程を省略することができる。

Ｂ．変形例：
上述の実施形態において、接着剤層４００及び樹脂フレーム３００は、膜部材２０２のカソード側に配置されている。そして、カソード側セパレータ６００の突出部６０５が、貫通孔３０５を貫通して接着剤層４００に接している。これに対し、接着剤層４００及び樹脂フレーム３００を膜部材２０２のアノード側に配置してもよい。この場合には、アノード側セパレータ５００が突出部を備えることとし、カソード側ガス拡散層２０６を電解質膜２２とほぼ同じ大きさに形成して、周縁部が膜部材２０２の周縁部２０２ｓよりも内側に位置するようにアノード側ガス拡散層２０４を形成してもよい。すなわち、アノード側ガス拡散層２０４が「第２ガス拡散層」であり、カソード側ガス拡散層２０６が「第１ガス拡散層」であり、アノード側セパレータ５００が「第２セパレータ」であり、カソード側セパレータ６００が「第１セパレータ」であり、アノード側セパレータ５００が「第２セパレータ」であってもよい。

上述の実施形態において、カソード側電極触媒層２６は電解質膜２２よりも一回り小さい大きさの矩形状に形成されており、カソード側電極触媒層２６の周縁部は膜部材２０２（電解質膜２２）の周縁部よりも内側に配置されている。これに対し、カソード側電極触媒層２６は電解質膜２２と同じ大きさに形成されていてもよい。この場合には、突出部６０５は、膜部材２０２のカソード側電極触媒層２６に接してもよい。

上述の実施形態において、アノード側ガス拡散層２０４とカソード側ガス拡散層２０６の少なくとも一方は、微細多孔質層（ＭＰＬ：Micro Porous Layer、ＭＰＬ）を含んでいてもよい。この場合には、例えば、アノード側ガス拡散層２０４は、電解質膜２２と接する面側にＭＰＬを含んでいてもよい。

上述の実施形態では、樹脂フレーム３００は、ＰＥＮの両面に熱可塑性のＰＰが積層された３層樹脂部材が用いられ、樹脂フレーム３００は、ＰＰによってカソード側セパレータ６００と接着されている。これに対し、樹脂フレーム３００は、両面に熱可塑性の樹脂が積層された樹脂層によって構成されていなくともよい。この場合には、樹脂フレーム３００は、カソード側セパレータ６００と、接着剤によって接着されてもよい。

上述の実施形態では、ステップＳ１０（図３、図４）において、アノード側ガス拡散層２０４が形成された膜部材２０２が用意されている。これに対し、アノード側ガス拡散層２０４は、ステップＳ４０において加熱・加圧が行われる前に膜部材２０２に接するように形成されればよく、他の工程において形成されてもよい。

上述の実施形態では、カソード側セパレータ６００は複数の突出部６０５を備えており、突出部６０５は膜部材２０２の周縁部２０２ｓに接している。これに対し、カソード側セパレータ６００の複数の突出部６０５のうち、少なくとも一つが膜部材２０２の周縁部２０２ｓに接してもよい。また、突出部６０５は、貫通孔３０５を貫通してその周囲が接着剤層４００に接していれば、膜部材２０２の周縁部２０２ｓに接していなくともよい。

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、上述した課題を解決するために、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、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。

２２…電解質膜
２４…アノード側電極触媒層
２６…カソード側電極触媒層
２００…ＭＥＧＡ
２０２…膜部材
２０２ｓ…周縁部
２０４…アノード側ガス拡散層
２０６…カソード側ガス拡散層
３００…樹脂フレーム
３０２ｓ…内周縁部
３０３…開口部
３０５…貫通孔
３１１、３１２、３１３、３１４、３１５、３１６…マニホールド孔
４００…接着剤層
５００…アノード側セパレータ
５０２、５０４…流路
６００…カソード側セパレータ
６０２、６０４…流路
６０５…突出部
７００…燃料電池
８００…燃料電池スタック

Claims (1)

1. 燃料電池であって、
   電解質膜と電極触媒層とを含む膜部材と、
   前記膜部材の一方の面に接する第１ガス拡散層と、
   前記第１ガス拡散層に接する第１セパレータと、
   前記膜部材の他方の面に接し、端部が前記膜部材の周縁部よりも内側に配置された第２ガス拡散層と、
   前記膜部材の前記他方の面の前記周縁部上に形成された接着剤層と、
   枠形状を有する樹脂フレームであって、内周縁部に貫通孔を有し、前記内周縁部が前記接着剤層に接する樹脂フレームと、
   前記第２ガス拡散層及び前記樹脂フレームに接して配置され、前記膜部材の前記周縁部側へ突出する突出部を有する第２セパレータと、を備え、
   前記突出部は、前記樹脂フレームの貫通孔を貫通して前記接着剤層に接する、
   燃料電池。

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