JP2019106252A

JP2019106252A - 燃料電池スタックの製造方法

Info

Publication number: JP2019106252A
Application number: JP2017236813A
Authority: JP
Inventors: 敦巳山本; Atsumi Yamamoto
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-12-11
Filing date: 2017-12-11
Publication date: 2019-06-27

Abstract

【課題】各セルの圧損ばらつきを効率的に低減でき、各燃料電池スタックで圧損がばらつくことを確実に抑制することのできる燃料電池スタックの製造方法を提供する。【解決手段】曲げ弾性率の大きいＭＥＧＡ２（ガス拡散層７がない場合には、ＭＥＡ４）と流路断面積の小さいセパレータ３、もしくは、曲げ弾性率の小さいＭＥＧＡ２（ガス拡散層７がない場合には、ＭＥＡ４）と流路断面積の大きいセパレータ３を組み合わせて燃料電池セル１を製造する。【選択図】図４

Description

本発明は、燃料電池スタックの製造方法に関する。

例えば、固体高分子型燃料電池のセル（燃料電池セルや単セル、単電池ということもある）は、イオン透過性の電解質膜と、該電解質膜を挟持するアノード側触媒層（電極層）およびカソード側触媒層（電極層）とからなる膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）を備えている。ＭＥＡの両側には、燃料ガスもしくは酸化剤ガスを提供するとともに電気化学反応によって生じた電気を集電するためのガス拡散層（ＧＤＬ：Gas Diffusion Layer）が形成されている。ＧＤＬが両側に配置されたＭＥＡは、膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ：Membrane Electrode & Gas Diffusion Layer Assembly）と称され、ＭＥＧＡは、一対のセパレータにより挟持されている。ここで、ＭＥＧＡが燃料電池の発電部であり、ガス拡散層がない場合には、ＭＥＡが燃料電池の発電部となる。

燃料電池（燃料電池スタックということもある）は、前記した如くの構成を有するセルを複数枚重ね合わせて（積層して）構成される。

この種の燃料電池スタックにおいて、燃料電池スタック内に積層されている各セルの圧損がばらつくと、各セルへの燃料ガスもしくは酸化剤ガスの配流分布が不均一になり、セル性能低下や劣化の加速が生じる。

このような各セルの圧損ばらつきを低減するため、例えば、各セルの圧損を測定し、測定結果としてのセルの圧損をランク分けし、規格範囲内にセル圧損ばらつきを低減する方法（下記特許文献１参照）、各セルの圧損を測定し、圧損測定後に後加工（例えば、圧損が大きいセルについては、セパレータの溝の長さを短くして圧損を低減させる加工）を加えることでセル圧損ばらつきを低減する方法（下記特許文献２参照）が既に提案されている。

特開２００９−２６６４５８号公報特開２００９−１４６５７２号公報

しかし、前者の方法では、セル製造後にランク分けするため、スタック毎の圧損平均値が異なり、スタック毎の品質が安定しない。また、後者の方法では、後加工が必要となるため、工数や費用が増加する。

また、前記した如くの燃料電池スタックにおいては、セルの流路断面を塞ぐＭＥＧＡ（ガス拡散層がない場合には、ＭＥＡ）の食い込み量は、ＭＥＧＡの曲げ弾性率と相関があると考えられる。つまり、ＭＥＧＡの曲げ弾性率が大きいほど、セパレータへのＭＥＧＡの食い込み量が少ないため、圧損が小さい。また、セパレータのガス流路の流路断面積が大きいほど、圧損が小さい。そのため、曲げ弾性率が大きいＭＥＧＡと流路断面積が大きいセパレータとが積層されたセルは、セル全体の圧損が小さく、逆に、曲げ弾性率が小さいＭＥＧＡと流路断面積が小さいセパレータとが積層されたセルは、セル全体の圧損が大きくなり、燃料電池スタック全体で見ると、各燃料電池スタックで圧損が異なる可能性がある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、各セルの圧損ばらつきを効率的に低減でき、各燃料電池スタックで圧損がばらつくことを確実に抑制することのできる燃料電池スタックの製造方法を提供することにある。

前記課題を解決すべく、本発明による燃料電池スタックの製造方法は、ＭＥＧＡないしＭＥＡがガス流路を有する一対のセパレータで挟持された燃料電池セルを複数積層して形成される燃料電池スタックの製造方法であって、前記ＭＥＧＡないしＭＥＡの曲げ弾性率を測定し、該曲げ弾性率の大きいＭＥＧＡないしＭＥＡと小さいＭＥＧＡないしＭＥＡとにランク分けする工程と、前記セパレータの流路断面積を測定し、該流路断面積の大きいセパレータと小さいセパレータとにランク分けする工程と、を含み、前記曲げ弾性率の大きいＭＥＧＡないしＭＥＡと前記流路断面積の小さいセパレータ、もしくは、前記曲げ弾性率の小さいＭＥＧＡないしＭＥＡと前記流路断面積の大きいセパレータを組み合わせて、前記燃料電池セルを複数作製し、該複数の燃料電池セルを積層して前記燃料電池スタックを製造することを特徴としている。

本発明によれば、曲げ弾性率の大きいＭＥＧＡないしＭＥＡと流路断面積の小さいセパレータ、もしくは、曲げ弾性率の小さいＭＥＧＡないしＭＥＡと流路断面積の大きいセパレータを組み合わせて燃料電池セルを製造するため、各セルの圧損ばらつきを効率的に低減でき、各燃料電池スタックで圧損がばらつくことを確実に抑制することができる。

燃料電池スタックの要部断面図である。燃料電池スタックの外観斜視図である。（Ａ）は、セパレータのガス流路の流路断面積とＭＥＧＡの食い込み量との関係を説明する図、（Ｂ）は、ＭＥＧＡの曲げ弾性率と圧損との関係を説明する図である。本発明による燃料電池スタックの製造方法の概略を示すフローチャートである。製造順でのＭＥＧＡの曲げ弾性率の推移を説明する図である。製造順でのセパレータのガス流路の流路断面積の推移を説明する図である。本発明による燃料電池スタックの製造方法によって製造された燃料電池スタックの製造順での圧損の推移を説明する図である。従来方法によって製造された燃料電池スタックの製造順での圧損の推移を説明する図である。

以下、本発明の構成を図面に示す実施形態の一例に基づいて詳細に説明する。以下では、一例として、燃料電池車に搭載される燃料電池またはこれを含む燃料電池システムに本発明を適用した場合を例示して説明するが、適用範囲がこのような例に限られることはない。

［燃料電池スタックの構成］
まず、図１および図２を参照して、本発明による燃料電池スタック（燃料電池）の製造方法の適用対象として固体高分子型燃料電池を例にとってその構成を概説する。

図１は、燃料電池スタック（燃料電池）１０の要部を断面視した図である。図１に示すように、燃料電池スタック１０には、基本単位であるセル（単電池）１が複数積層されている。各セル１は、酸化剤ガス（例えば空気）と、燃料ガス（例えば水素）と、の電気化学反応により起電力を発生する固体高分子型燃料電池である。セル１は、ＭＥＧＡ２と、ＭＥＧＡ２を区画するように、ＭＥＧＡ２に接触するセパレータ（燃料電池用セパレータ）３とを備えている。なお、本実施形態では、ＭＥＧＡ２は、一対のセパレータ３、３により、挟持されている。

ＭＥＧＡ２は、膜電極接合体（ＭＥＡ）４と、この両面に配置されたガス拡散層７、７とが、一体化されたものである。膜電極接合体４は、電解質膜５と、電解質膜５を挟むように接合された一対の電極６、６と、からなる。電解質膜５は、固体高分子材料で形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜からなり、電極６は、たとえば、白金などの触媒を担持した例えば多孔質のカーボン素材により形成される。電解質膜５の一方側に配置された電極６がアノードとなり、他方側の電極６がカソードとなる。ガス拡散層７は、例えばカーボンペーパ若しくはカーボンクロス等のカーボン多孔質体、または、金属メッシュ若しくは発泡金属等の金属多孔質体などのガス透過性を有する導電性部材によって形成される。

本実施形態では、ＭＥＧＡ２が、燃料電池１０の発電部であり、セパレータ３は、ＭＥＧＡ２のガス拡散層７に接触している。また、ガス拡散層７が省略されている場合には、膜電極接合体４が発電部であり、この場合には、セパレータ３は、膜電極接合体４に接触している。したがって、燃料電池１０の発電部は、膜電極接合体４を含むものであり、セパレータ３に接触する。

セパレータ３は、導電性やガス不透過性などに優れた金属を基材とする板状の部材であって、その一面側がＭＥＧＡ２のガス拡散層７と当接し、他面側が隣接する他のセパレータ３の他面側と当接している。

本実施形態では、各セパレータ３は、波形状ないし凹凸状に形成されている。セパレータ３の形状は、波の形状が等脚台形をなし、かつ波の頂部が平坦で、この頂部の両端が等しい角度をなして角張っている。つまり、各セパレータ３は、表側から見ても裏側から見ても、ほぼ同じ形状である。ＭＥＧＡ２の一方のガス拡散層７には、セパレータ３の頂部が面接触し、ＭＥＧＡ２の他方のガス拡散層７には、セパレータ３の頂部が面接触している。

一方の電極（すなわちアノード）６側のガス拡散層７とセパレータ３との間に画成されるガス流路２１は、燃料ガスが流通する流路であり、他方の電極（すなわちカソード）６側のガス拡散層７とセパレータ３との間に画成されるガス流路２２は、酸化剤ガスが流通する流路である。セル１を介して対向する一方のガス流路２１に燃料ガスが供給され、ガス流路２２に酸化剤ガスが供給されると、セル１内で電気化学反応が生じて起電力が生じる。

さらに、あるセル１と、それに隣接するもうひとつのセル１とは、アノードとなる電極６とカソードとなる電極６とを向き合わせて配置されている。また、あるセル１のアノードとなる電極６に沿って配置されたセパレータ３の背面側の頂部と、もうひとつのセル１のカソードとなる電極６に沿って配置されたセパレータ３の背面側の頂部とが、面接触している。隣接する２つのセル１間で面接触するセパレータ３、３の間に画成される空間２３には、セル１を冷却する冷媒としての水が流通する。

前記セル１を複数積層して形成される燃料電池スタック１０は、例えば、スタックケース（図示省略）に収容されるとともに、スタック両端（セル積層方向両端）を一対のエンドプレート９、９で挟まれ、さらにこれらエンドプレート９、９同士を繋ぐようにテンションプレート（図示省略）からなる拘束部材が配置された状態で積層方向への荷重が付与されて締結される。テンションプレートは、両エンドプレート９、９間を架け渡すようにして設けられているもので、例えば一対が当該燃料電池スタック１０の両側に対向するように配置されて各エンドプレート９、９に接続され、積層方向に所定の締結力（圧縮荷重）を作用させた状態を維持する。

［燃料電池スタックの製造方法］
次に、図３〜図７を参照して、前記した燃料電池スタック（燃料電池）１０の製造方法を説明する。

前記したように、燃料電池スタック１０内に積層されている各セル１の圧損（言い換えれば、燃料ガスもしくは酸化剤ガスがガス流路２１、２２を流れる際の流路抵抗）がばらつくと、各セル１への燃料ガスもしくは酸化剤ガス（セル１間）の配流分布が不均一になり、セル性能低下や劣化の加速が生じる。

ここで、セル１の圧損は、図３（Ａ）に示すように、セパレータ３のガス流路の流路断面積とＭＥＧＡ２（ガス拡散層７がない場合には、ＭＥＡ４）からの食い込み量に依存する。また、図３（Ｂ）に示すように、ＭＥＧＡ２（ガス拡散層７がない場合には、ＭＥＡ４）の曲げ弾性率と圧損には、相関（詳しくは、ほぼ反比例の関係）があることが確認されている。したがって、ＭＥＧＡ２（ガス拡散層７がない場合には、ＭＥＡ４）の曲げ弾性率は、食い込み量と相関（詳しくは、ほぼ反比例の関係）があると考えられる。すなわち、曲げ弾性率が高いと、食い込みにくく、曲げ弾性率が低いと、食い込みやすい関係があると考えられる。

そこで、本実施形態では、セル１の流路断面を塞ぐＭＥＧＡ２の食い込み量は、ＭＥＧＡ２の曲げ弾性率と相関があることに着目し、あらかじめ曲げ弾性率とセル１の流路断面積を測定し、それらをランク分けすることで、セル圧損ばらつきの低減とスタック毎の圧損平均の安定を図る。

詳細には、図４に示すように、まず、各セル１を構成するＭＥＧＡ２およびセパレータ３をそれぞれ用意する（Ｓ１１、Ｓ２１）。

次いで、各ＭＥＧＡ２の曲げ弾性率および各セパレータ３の流路断面積をそれぞれ測定する（Ｓ１２、Ｓ２２）。

ＭＥＧＡ２の曲げ弾性率を測定すると、ロット間とロット内のばらつきが生じる（図５参照）。また、セパレータ３の流路断面積を測定したときでも、ロット間とロット内のばらつきが生じる（図６参照）。

そこで、Ｓ１２、Ｓ２２で測定した値に基づき、あらかじめ設定した閾値で（例えば、その閾値に対する大小比較によって）、各ＭＥＧＡ２および各セパレータ３をそれぞれランク分け（ランク別に分類）する（Ｓ１３、Ｓ２３）。

本例では、各ＭＥＧＡ２について、曲げ弾性率が大、中、小の三つのランク（階級）に分類するとともに、各セパレータ３について、流路断面積が大、中、小の三つのランク（階級）に分類している。

なお、ここでは、Ｓ１２、Ｓ２２で測定した値を比較し、ＭＥＧＡ２およびセパレータ３をそれぞれ三つのランクに分類しているが、例えば、ＭＥＧＡ２およびセパレータ３を、曲げ弾性率が大、小および流路断面積が大、小の二つのランクに分類してもよいし、三つより多くのランクに分類してもよいことは勿論である。

次に、圧損が目標値になるように（すなわち、圧損測定時に流す流体が通過できるガス流路の流路断面積がおおよそ一定になるように）、ランク分けされた各ＭＥＧＡ２と各セパレータ３を組み合わせて、セル化する（Ｓ３１、Ｓ３２、Ｓ３３）。

本例では、曲げ弾性率が大に分類されたＭＥＧＡ２と流路断面積が小に分類されたセパレータ３とを組み合わせてセル化し（Ｓ３１）、曲げ弾性率が中に分類されたＭＥＧＡ２と流路断面積が中に分類されたセパレータ３とを組み合わせてセル化し（Ｓ３２）、曲げ弾性率が小に分類されたＭＥＧＡ２と流路断面積が大に分類されたセパレータ３とを組み合わせてセル化している（Ｓ３３）。

そして、エンドプレート９等を使用し、同じランクから組み合わせたセル１を順次積層してスタック化する（Ｓ３４、Ｓ３５、Ｓ３６）。

このようにランク毎に積層することにより、ロット内、ロット間の物性値等がばらついても、圧損ばらつきを低減でき、圧損ばらつきが規格内の燃料電池スタック１０を製造できるとともに、燃料電池スタック１０毎の圧損平均もほぼ同じになるため、燃料電池スタック１０間の品質を安定させることができる（図７参照）。

なお、上記したようなランク分けをせずに積層した場合（つまり、従来方法によって燃料電池スタックを製造した場合）は、図８に示すように、圧損が大きくばらつく。また、燃料電池スタックの圧損平均値もばらつくことになり、品質が安定しないことが確認されている。

以上で説明したように、本実施形態の燃料電池スタック１０の製造方法では、曲げ弾性率の大きいＭＥＧＡ２（ガス拡散層７がない場合には、ＭＥＡ４）と流路断面積の小さいセパレータ３、もしくは、曲げ弾性率の小さいＭＥＧＡ２（ガス拡散層７がない場合には、ＭＥＡ４）と流路断面積の大きいセパレータ３を組み合わせて燃料電池セル１を製造するため、各セル１の圧損ばらつきを効率的に低減でき、各燃料電池スタック１０で圧損がばらつくことを確実に抑制することができる。

以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。

１…セル（燃料電池セル）、２…膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ）、３…セパレータ、４…膜電極接合体（ＭＥＡ）、５…電解質膜、６…電極、７…ガス拡散層、９…エンドプレート、１０…燃料電池スタック（燃料電池）、２１、２２…ガス流路、２３…水が流通する空間

Claims

ＭＥＧＡないしＭＥＡがガス流路を有する一対のセパレータで挟持された燃料電池セルを複数積層して形成される燃料電池スタックの製造方法であって、
前記ＭＥＧＡないしＭＥＡの曲げ弾性率を測定し、該曲げ弾性率の大きいＭＥＧＡないしＭＥＡと小さいＭＥＧＡないしＭＥＡとにランク分けする工程と、
前記セパレータの流路断面積を測定し、該流路断面積の大きいセパレータと小さいセパレータとにランク分けする工程と、を含み、
前記曲げ弾性率の大きいＭＥＧＡないしＭＥＡと前記流路断面積の小さいセパレータ、もしくは、前記曲げ弾性率の小さいＭＥＧＡないしＭＥＡと前記流路断面積の大きいセパレータを組み合わせて、前記燃料電池セルを複数作製し、該複数の燃料電池セルを積層して前記燃料電池スタックを製造する、燃料電池スタックの製造方法。