JP2020061250A - 燃料電池セル - Google Patents

Abstract

【課題】樹脂シートの端面に当接するように紫外線硬化接着剤が塗布されても、燃料電池セルの各構成要素が熱圧縮される際に、紫外線硬化接着剤により燃料電池セパレータの流路断面積が縮小されるのを防ぐことができる燃料電池セルを提供する。【解決手段】燃料電池セル１０は、ＭＥＡ２１と、接着層１４ｂを表面に有する樹脂シート１４と、カソード側セパレータ１２とにより構成され、樹脂シート１４は、紫外線硬化接着剤１６によってＭＥＡ２１と接着されるものであり、紫外線硬化接着剤１６は、樹脂シート１４の端面１４ｔに当接するように塗布されるものであり、カソード側セパレータ１２は、樹脂シート１４と当接する部分で、かつＭＥＡ２１に近接する部分に、樹脂シート１４側に突出する凸部１２ｂを有する。【選択図】図２

Description

本発明は、膜電極接合体と樹脂シートとを接着剤で接合する燃料電池セルに関する。

この種の燃料電池セルとして、一対の燃料電池セパレータと、一対の燃料電池セパレータの間に挟まれる膜電極接合体と、熱可塑性樹脂層を表面に有する樹脂シートとを備え、膜電極接合体と樹脂シートとを紫外線硬化接着剤によって接着するものが開示されている（特許文献１参照）。

特開２０１６−２０１１８３号公報

特許文献１に記載の燃料電池セルにおいては、膜電極接合体と樹脂シートとの接着強度を高めるために、樹脂シートの端面にも紫外線硬化接着剤が当たるように接着する必要がある。しかしながら、膜電極接合体と樹脂シートとの構造体を一対の燃料電池セパレータで挟んで熱圧着する際に、樹脂シートが発電領域側に膨張してしまうことで紫外線硬化接着剤が燃料電池セパレータに形成されている流路内に押し出されてしまう。紫外線硬化接着剤が押し出されると、流路断面積が紫外線硬化接着剤によって狭められてしまうおそれがあるという問題がある。

具体的には、図７（ａ）、図７（ｂ）および図７（ｃ）に示すように、燃料電池セル１は、膜電極接合体２と、熱可塑性樹脂層を表面に有する樹脂シート３と、膜電極接合体２の表裏に接合された一対のガス拡散層４と、一対の燃料電池セパレータ５とにより構成されている。これらの構成要素を熱圧着する際に、図７（ｂ）および図７（ｃ）に示すように、紫外線硬化接着剤Ｓが燃料電池セパレータ５の流路内に押し出されてしまう。

燃料電池セル１の各構成要素が熱圧着される際に、図７（ｄ）の紙面左側に示す状態から、図７（ｄ）の紙面右側に示すように、樹脂シート３が矢印ａ方向に膨張してしまう。樹脂シート３が膨張すると、樹脂シート３は矢印ａ方向に動き、樹脂シート３の端面とガス拡散層４の端面との間の紫外線硬化接着剤Ｓを押圧することになる。紫外線硬化接着剤Ｓが押圧されると、紙面の上側、即ち燃料電池セパレータ５の流路内に突出してしまい、燃料電池セパレータ５の流路が狭められてしまうおそれがあるという問題がある。

本発明は、このような問題を解決するためになされたもので、樹脂シートの端面に当接するように紫外線硬化接着剤が塗布されても、燃料電池セルの各構成要素が熱圧縮される際に、紫外線硬化接着剤により燃料電池セパレータの流路断面積が縮小されるのを防ぐことができる燃料電池セルを提供することを課題とする。

本発明に係る燃料電池セルは、膜電極接合体と、熱可塑性樹脂層を表面に有する樹脂シートと、燃料電池セパレータとにより構成される燃料電池セルであって、前記樹脂シートは、紫外線硬化接着剤によって前記膜電極接合体と接着されるものであり、前記紫外線硬化接着剤は、前記樹脂シートの端面に当接するように塗布されるものであり、前記燃料電池セパレータは、前記樹脂シートと当接する部分で、かつ前記膜電極接合体に近接する部分に、前記樹脂シート側に突出する凸部を有する、ことを特徴とする。

本発明に係る燃料電池セルは、燃料電池セパレータが、樹脂シートと当接する部分で、かつ膜電極接合体に近接する部分に樹脂シート側に突出する凸部を有している。燃料電池セパレータが凸部を有していると、紫外線硬化接着剤が樹脂シートの端面に当接するように塗布されていても、燃料電池セルの各構成要素が熱圧縮される際に、紫外線硬化接着剤により燃料電池セパレータの流路断面積が縮小されることが防止される。

即ち、燃料電池セルの各構成要素が熱圧縮される際に、燃料電池セパレータの凸部により、樹脂シートが膜電極接合体に近接する方向に膨張することが阻止される。その結果、樹脂シートの端面に当接するように塗布された紫外線硬化接着剤が樹脂シートにより押圧されることがなく、紫外線硬化接着剤の流路内への突出が阻止され、燃料電池セパレータの流路断面積の縮小が防止される。

本発明によれば、樹脂シートの端面に当接するように紫外線硬化接着剤が塗布されても、燃料電池セルの各構成要素が熱圧縮される際に、紫外線硬化接着剤により燃料電池セパレータの流路断面積が縮小されるのを防ぐことができる燃料電池セルを提供することができる。

本発明の実施形態に係る燃料電池セルの分解斜視図。 本発明の実施形態に係る燃料電池セルの図であり、図２（ａ）は、燃料電池セルの平面図および部分拡大図を示し、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＣ−Ｃで切断した部分拡大断面図を示す。 本発明の実施形態に係る燃料電池セルのカソード側セパレータの凸部の拡大断面図。 本発明の実施形態に係る燃料電池セルの図であり、図４（ａ）は、燃料電池セルの平面図および部分拡大図を示し、図４（ｂ）は、図４（ａ）のＤ−Ｄで切断した部分拡大断面図を示す。 本発明の実施形態に係る燃料電池セルの図であり、図５（ａ）は、図４（ｂ）のＥ−Ｅで切断した断面図を示し、図５（ｂ）は、図４（ｂ）のＦ−Ｆで切断した断面図を示す。 本発明の実施形態に係る燃料電池セルのセル化工程の説明図。 従来の燃料電池セルの図であり、図７（ａ）は、燃料電池セルの平面図および部分拡大図を示し、図７（ｂ）は、図７（ａ）のＡ−Ａで切断した拡大断面図を示し、図７（ｃ）は、図７（ｂ）のＢ−Ｂで切断した断面図を示し、図７（ｄ）は、燃料電池セルを加熱接合する際の樹脂シートの動きを説明する説明図を示す。

本発明に係る燃料電池セルを適用した実施形態に係る燃料電池セル１０について図面を参照して説明する。

燃料電池セル１０は、図１に示すように、膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ：Membrane Electrode ＆ Gas Diffusion Layer Assembly、以下ＭＥＧＡという。）１１と、カソード側セパレータ１２と、アノード側セパレータ１３と、樹脂シート１４と、図２（ａ）に示すガスケット１５と、図２（ｂ）に示す紫外線硬化接着剤１６とにより構成されている。

燃料電池セル１０は、複数個が積層されることにより、図示しない燃料電池スタックが製造される。なお、本実施形態のカソード側セパレータ１２およびアノード側セパレータ１３は、本発明に係る燃料電池セルの燃料電池セパレータを構成する。

ＭＥＧＡ１１は、図２（ｂ）に示すように、膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly、以下ＭＥＡという。)２１と、カソード側ガス拡散層（ＧＤＬ：Gas Diffusion Layer、以下ＧＤＬという。）２２と、アノード側ＧＤＬ２３とにより構成されている。

ＭＥＡ２１は、電解質膜３１と、カソード側触媒層３２と、アノード側触媒層３３との接合体で構成されている。電解質膜３１は、パーフルオロスルホン酸（ＰＦＳＡ）アイオノマーなどの固体高分子材料である高分子電解質樹脂で形成されており、イオン伝導性を有する高分子膜を電解質とするイオン交換膜からなる。電解質膜は、電子および気体の流通を阻止するとともに、プロトンをアノード側触媒層からカソード側触媒層に移動させる機能を有している。

電解質膜３１は、図２（ｂ）に示すように、紫外線硬化接着剤１６により樹脂シート１４と接着され、カソード側触媒層３２は、紫外線硬化接着剤１６により樹脂シート１４と接着されている。

カソード側触媒層３２は、白金や白金合金などの触媒を担持した導電性の担体からなり、例えば、触媒担持カーボン粒子などのカーボン粒子を、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からなる。なお、アイオノマーは、電解質膜と同質のフッ素系樹脂などの固体高分子材料である高分子電解質樹脂からなり、イオン交換基によりプロトン伝導性を有する。カソード側触媒層は、プロトンと電子と酸素から水を生成する機能を有している。

アノード側触媒層３３は、カソード側触媒層３２と同様の材料で形成されているが、カソード側触媒層と異なり、水素ガス（Ｈ_２）をプロトンと電子に分解する機能を有している。

カソード側ＧＤＬ２２は、ガス透過性および導電性を有する材料、例えば、カーボンペーパーなどの炭素繊維や黒鉛繊維などの多孔質の繊維基材で形成されている。カソード側ＧＤＬ２２は、カソード側触媒層３２の外側に接合されており、酸化剤ガスとしての空気を拡散させて均一にし、カソード側触媒層３２に行き渡らせる機能を有している。

アノード側ＧＤＬ２３は、カソード側ＧＤＬ２２と同様に、ガス透過性および導電性を有する材料、例えば、カーボンペーパーなどの炭素繊維や黒鉛繊維などの多孔質の繊維基材で形成されている。アノード側ＧＤＬ２３は、アノード側触媒層３３の外側に接合されており、燃料ガスとしての水素ガスを拡散させて均一にし、アノード側触媒層３３に行き渡らせる機能を有している。

カソード側セパレータ１２は、鉄鋼板、ステンレス鋼板およびアルミニウム板などの金属板で形成されている。カソード側セパレータ１２は、カソード側ＧＤＬ２２および樹脂シート１４の接着領域１４ｃに接着されており、カソード側ＧＤＬ２２の表面に沿って酸化剤ガスとしての空気を流す酸化剤ガス流路１２ａが形成されている。カソード側セパレータ１２の表面は、チタン（Ｔｉ）薄膜が形成され、チタン薄膜に炭素層が形成されている。なお、酸化剤ガス流路１２ａは、図４（ｂ）に示される。

カソード側セパレータ１２には、図２(ｂ)、図３、図４（ｂ）および図５（ａ）に示すように、樹脂シート１４に当接する部分で、かつＭＥＡ２１に近接する部分に、樹脂シート１４側に突出する凸部１２ｂが形成されている。

具体的には、凸部１２ｂは、樹脂シート１４のカソード側ＧＤＬ２２の端面２２ｔに対向する端面１４ｔから距離Ｌ１（ｍｍ）だけ離隔した位置に、直径Ｄ（μｍ）で、高さ約５０μｍで形成されており、凸部１２ｂの頂部は樹脂シート１４の後述するコア材１４ａに当接している。なお、凸部１２ｂの高さは、樹脂シート１４の後述する接着層１４ｂの厚さ以上の厚さに形成され、樹脂シート１４のコア材１４ａが凸部１２ｂにより直接固定されるように構成されている。

また、ＭＥＡ２１の端面２１ｔは樹脂シート１４の端面１４ｔから距離Ｌ２（ｍｍ）の位置にあり、凸部１２ｂは、ＭＥＡ２１に近接している。なお、距離Ｌ１、距離Ｌ２、直径Ｄは、カソード側セパレータ１２、樹脂シート１４の構造、大きさ、材質などの設定諸元や実験値などのデータに基づいて適宜選択される。

アノード側セパレータ１３は、カソード側セパレータ１２と同様、鉄鋼板、ステンレス鋼板およびアルミニウム板などの金属板で形成されている。アノード側セパレータ１３は、アノード側ＧＤＬ２３および樹脂シート１４の接着領域１４ｃに接合されており、アノード側ＧＤＬ２３の表面に沿って燃料ガスとしての水素を流す燃料ガス流路１３ａが形成されている。アノード側セパレータ１３の表面は、カソード側セパレータ１２の表面と同様、表面にチタン（Ｔｉ）薄膜が形成され、チタン薄膜に炭素層が形成されている。なお、燃料ガス流路１３ａは、図５（ａ）、図５（ｂ）に示される。

樹脂シート１４は、図２（ｂ）および図３に示すように、合成樹脂で枠状に形成されたコア材１４ａと、コア材１４ａの表面および裏面に形成された各接着層１４ｂを有する３層構造で構成されており、カソード側セパレータ１２およびアノード側セパレータ１３を接着するとともに、ＭＥＧＡ１１を構成する膜電極接合体２１と紫外線硬化接着剤１６を介して接合されている。
樹脂シート１４は、具体的には、図３に示すように、コア材１４ａの厚みが約１６０μｍ、各接着層１４ｂの厚みがそれぞれ約５０μｍで形成されている。

樹脂シート１４は、燃料極の水素ガス（Ｈ_２）や空気極の酸素ガス（Ｏ_２）が、微量ながら電解質膜を通過してしまうという、いわゆるクロスリークや触媒電極同士の電気的短絡を防ぐための機能を有している。

接着層１４ｂは、電解質膜よりも高い剛性、弾性や粘性を有する接着部材からなる。接着部材としては、例えばエポキシ樹脂からなる接着剤が挙げられる。なお、本実施形態の接着層１４ｂは、本発明に係る燃料電池セルの熱可塑性樹脂層に対応する。

ガスケット１５は、ゴムや熱可塑性エラストマーなどの弾性を有する材料で形成されており、図２（ａ）に示すように、カソード側セパレータ１２の酸化剤ガス流路１２ａ側に接着されている。

ガスケット１５は、複数個の燃料電池セル１０を積層した際に、隣接する他の燃料電池セル１０の表面に当接し、二つの燃料電池セル１０の間を封止するように構成されている。

ガスケット１５は、燃料電池セル１０を複数積層して燃料電池セルを製造する際に、隣接する燃料電池セル１０同士が密着して、かつ、温度変化などの環境変化で燃料電池セルが膨張、収縮するのに追従して、隣接する燃料電池セルと離れないようにする密着性を有している。
ガスケット１５が密着性を有することにより、燃料ガス、酸化剤ガスや冷却媒体の各流路からの漏洩が阻止される。

紫外線硬化接着剤１６は、図２（ｂ）、図５（ａ）および図５（ｂ）に示すように、樹脂シート１４のカソード側ＧＤＬ２２の端面２２ｔと対向する端面１４ｔに当接するように塗布されている。紫外線硬化接着剤１６は、カソード側ＧＤＬ２２の端面２２ｔと樹脂シート１４の端面１４ｔとの間に介在し、硬化することでＭＥＡ２１および樹脂シート１４の気密性が確保されている。

紫外線硬化接着剤１６は、紫外線を照射することにより硬化するＵＶ（紫外線）硬化型の接着剤からなる。紫外線硬化接着剤１６は、例えば、エポキシ樹脂などのカチオン重合性樹脂からなるＵＶ硬化性の接着剤で構成されている。

紫外線硬化接着剤１６は、例えば、スクリーン印刷法やディスペンサで塗布する方法で樹脂シート１４などの塗布領域に塗布される。塗布後、塗布領域に所定の紫外線が照射されると、照射条件に応じた時間経過により徐々に硬化が進み流動性を有する状態から流動性を殆ど有さない状態になり硬化が完了する。
次いで、本実施形態に係る燃料電池セル１０を構成するセル化工程について、図面を参照して簡単に説明する。

本実施形態に係る燃料電池セル１０は、図６に示すように、セル化工程を経て完成する。セル化工程は、ＵＶ硬化樹脂塗布、積層、ＵＶ硬化、積層、加熱の各工程により構成されている。各工程は順に行われ、比較的に高速で燃料電池セル１０が生産される。完成した燃料電池セル１０は、燃料電池セル１０を複数個積層して燃料電池スタックを製造するスタック化工程などの次工程に送られる。

ＵＶ硬化樹脂塗布の工程においては、前工程で製造されたＭＥＧＡ１１の所定の領域に対し、紙面から見て裏側の面に紫外線硬化接着剤１６が塗布装置ＴＳにより塗布される。積層の工程においては、前工程で製造された樹脂シート１４と、紫外線硬化接着剤１６が塗布されたＭＥＧＡ１１とが積層され積層体Ｓ１が形成される。

ＵＶ硬化の工程においては、紫外線照射装置ＳＳにより、樹脂シート１４とＭＥＧＡ１１との積層体における紫外線硬化接着剤１６が塗布された所定の領域に向けて紫外線が照射される。紫外線照射により、紫外線硬化接着剤１６が照射条件に応じた時間経過を経て硬化し、樹脂シート１４とＭＥＧＡ１１との積層体Ｓ１が完成する。

次の積層の工程においては、完成した積層体Ｓ１を、前工程で製造されたカソード側セパレータ１２およびアノード側セパレータ１３により挟み込んで、積層体Ｓ１、カソード側セパレータ１２およびアノード側セパレータ１３の積層体Ｓ２が形成される。

積層体Ｓ２は、加熱の工程において、上型ＵＫと、下型ＳＫとにより加圧されるとともに加熱され熱圧縮される、いわゆるホットプレスが行われる。ホットプレスにより、積層体Ｓ１、カソード側セパレータ１２およびアノード側セパレータ１３が接合されて燃料電池セル１０が完成する。

以上のように構成された実施形態に係る燃料電池セル１０の効果について説明する。
本実施形態に係る燃料電池セル１０は、カソード側セパレータ１２が、樹脂シート１４と当接する部分で、かつＭＥＡ２１に近接する部分に樹脂シート１４側に突出する凸部１２ｂを有している。即ち、凸部１２ｂの位置は、いわゆる水素極のアノード側セパレータ１３と空気極のカソード側セパレータ１２で樹脂シート１４を直接挟み込んでいる場所の中で、ＭＥＡ２１からなる電極端部に最も近い位置に設けられているので、樹脂シート１４の凸部１２ｂによる拘束力が最大限発揮されるという効果が得られる。

本実施形態に係る燃料電池セル１０は、カソード側セパレータ１２が凸部１２ｂを有しているので、紫外線硬化接着剤１６が樹脂シート１４の端面１４ｔに当接するように塗布されていても、燃料電池セル１０の各構成要素が熱圧縮される際に、紫外線硬化接着剤１６によりカソード側セパレータ１２の酸化剤ガス流路１２ａの断面積が縮小されることが防止されるという効果が得られる。

即ち、本実施形態に係る燃料電池セル１０は、燃料電池セル１０の各構成要素が熱圧縮される際に、カソード側セパレータ１２の凸部１２ｂにより、樹脂シート１４がＭＥＡ２１に近接する方向に膨張して動いてしまうことが阻止される。その結果、樹脂シート１４の端面１４ｔに当接するように塗布された紫外線硬化接着剤１６が樹脂シート１４により押圧されることがなくなり、紫外線硬化接着剤１６の酸化剤ガス流路１２ａ内への突出が阻止され、カソード側セパレータ１２の流路断面積の縮小が防止されるという効果が得られる。

以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。

１０・・・燃料電池セル、１１・・・ＭＥＧＡ、１２・・・カソード側セパレータ（燃料電池セパレータ）、１２ａ・・・酸化剤ガス流路、１２ｂ・・・凸部、１３・・・アノード側セパレータ（燃料電池セパレータ）、１３ａ・・・燃料ガス流路、１４・・・樹脂シート、１４ａ・・・コア材、１４ｂ・・・接着層（熱可塑性樹脂層）、１４ｃ・・・接着領域、１４ｔ、２２ｔ・・・端面、１５・・・ガスケット、１６・・・紫外線硬化接着剤、２１・・・ＭＥＡ（膜電極接合体）、２２・・・カソード側ＧＤＬ、２３・・・アノード側ＧＤＬ、３１・・・電解質膜、３２・・・カソード側触媒層、３３・・・アノード側触媒層

Claims (1)

1. 膜電極接合体と、熱可塑性樹脂層を表面に有する樹脂シートと、燃料電池セパレータとにより構成される燃料電池セルであって、
   前記樹脂シートは、紫外線硬化接着剤によって前記膜電極接合体と接着されるものであり、
   前記紫外線硬化接着剤は、前記樹脂シートの端面に当接するように塗布されるものであり、
   前記燃料電池セパレータは、前記樹脂シートと当接する部分で、かつ前記膜電極接合体に近接する部分に、前記樹脂シート側に突出する凸部を有する、ことを特徴とする燃料電池セル。

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