JP2021140880A

JP2021140880A - 燃料電池セル

Info

Publication number: JP2021140880A
Application number: JP2020035408A
Authority: JP
Inventors: 理恵高見; Rie Takami
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2020-03-03
Filing date: 2020-03-03
Publication date: 2021-09-16

Abstract

【課題】燃料電池セルの発電時に発生する生成水の影響によるシール性能の低下を低減できる燃料電池セルを提供する。【解決手段】膜電極を含む膜電極接合体と、前記膜電極接合体を挟む二つのセパレータと、前記二つのセパレータ同士を接着させる枠状のシール用接着積層体と、前記シール用接着積層体を前記膜電極接合体に接着する接着剤と、を備える燃料電池セルであって、前記接着剤の表面の少なくとも一部には撥水性が付与されていることを特徴とする燃料電池セル。【選択図】図２

Description

本開示は、燃料電池セルに関する。

電解質膜を含む電極のカソード側の周縁領域を露出するように設けられた膜電極接合体と、膜電極接合体を挟む二枚のセパレータと、二枚のセパレータに挟持され電極の周縁領域に接着されたシール用接着積層体とを備えた燃料電池セルが知られている。シール用接着積層体は、例えばポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）で形成された樹脂製のコア層と、その両面に設けられており短絡防止のために絶縁性を有する例えばポリプロピレン（ＰＰ）で形成された接着層とから成る３層シート構造を成しており、両接着層はそれぞれ対応するセパレータに接着されている。

燃料電池においては、電極とセパレータとを接着しているシール用接着積層体は、シール用接着積層体の層端面及び当該層端面に隣接するシール用接着積層体の周縁面が接着剤によって膜電極に接着されている。シール用接着積層体のうち接着剤と接している接着層はＰＰ製であるので一般に接着性が悪く、燃料電池の特性上、電極が収縮すると、接着剤に対して接着層の層端面での接着が剥がれ、剥がれた箇所を起点に電極に亀裂が生じることがある。また、シール用接着積層体を電極に積層したときに接着剤がはみ出すと、燃料電池のガス流路を狭めてガス圧損が発生する。
これに対し特許文献１では、シール用接着積層体は、ＰＰ−ＰＥＮ−ＰＰの３層構造を有するものにし、接着剤は電極膜とシール用接着積層体の空間を埋めるように配置された燃料電池セルが開示されている。
また、特許文献２には、セル内の生成水を排出するために一部で撥水性接着剤を用いること、及び、好適な撥水性接着剤の例としてシリコーン樹脂が記載されている。

特開２０１９−１０２３７０号公報特開２００９−０１６１４１号公報

発電時に発生する生成水によってシール用接着積層体の接着層は接着強度が低下し、燃料電池としてのシール性が低下する。燃料電池セルのシール性については、発電時に生成水が発生するため、液水の存在環境下において耐久性を確保する必要性がある反面、水があると接着強度は低下するという問題がある。

本開示は、上記実情に鑑みてなされたものであり、燃料電池セルの発電時に発生する生成水の影響によるシール性能の低下を低減できる燃料電池セルを提供することを主目的とする。

本開示においては、膜電極を含む膜電極接合体と、前記膜電極接合体を挟む二つのセパレータと、前記二つのセパレータ同士を接着させる枠状のシール用接着積層体と、前記シール用接着積層体を前記膜電極接合体に接着する接着剤と、を備える燃料電池セルであって、
前記接着剤の表面の少なくとも一部には撥水性が付与されていることを特徴とする燃料電池セルを提供する。

本開示は、燃料電池セルの発電時に発生する生成水の影響によるシール性能の低下を低減できる燃料電池セルを提供することができる。

図１は、燃料電池セルである単セルの分解斜視図である。図２は、燃料電池の単セルの部分断面図である。

本開示による燃料電池セルの実施例を説明するに際して、図１を参照して、燃料電池セルの基本的な構造について説明する。図１は燃料電池セルである単セル６０の分解斜視図である。燃料電池は、単セル６０が複数積層されることで構成される。この燃料電池は、反応ガスとして燃料ガス（例えば水素）と酸化剤ガス（例えば酸素）の供給を受けて発電する固体高分子型燃料電池である。単セル６０は、膜電極接合体２０と、膜電極接合体２０を両側から挟むアノード側セパレータ３３ａ及びカソード側セパレータ３３ｃとを含む。膜電極接合体２０は、電極のアノード側とカソード側にそれぞれアノード側ガス拡散層２２ａとカソード側ガス拡散層２２ｃを有しているので膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ）とも称される。膜電極接合体２０の周縁領域には、詳しくは後述するが、形状が略枠状であり、電気的な絶縁性を有し、シール機能を奏するシール用接着積層体４０が設けられている。

アノード側セパレータ３３ａの２つの短辺の一方側には孔ａ１〜ａ３が形成され、他方側には孔ａ４〜ａ６が形成されている。同様に、カソード側セパレータ３３ｃの２つの短辺の一方側には孔ｃ１〜ｃ３が形成され、他方側には孔ｃ４〜ｃ６が形成されている。シール用接着積層体４０の２つの短辺の一方側には孔ｓ１〜ｓ３が形成され、他方側には孔ｓ４〜ｓ６が形成されている。孔ａ１、ｓ１及びｃ１は連通してカソード入口マニホールドを画定している。同様に、孔ａ２、ｓ２及びｃ２は冷媒出口マニホールドを、孔ａ３、ｓ３及びｃ３はアノード出口マニホールドを、孔ａ４、ｓ４及びｃ４はアノード入口マニホールドを、孔ａ５、ｓ５及びｃ５は冷媒入口マニホールドを、孔ａ６、ｓ６及びｃ６はカソード出口マニホールドをそれぞれ画定している。

膜電極接合体２０に対向するアノード側セパレータ３３ａの面には、アノード入口マニホールドとアノード出口マニホールドとを連通して燃料ガスが流れるアノード流路３４ａが形成されている。同様に、膜電極接合体２０に対向するカソード側セパレータ３３ｃの面には、カソード入口マニホールドとカソード出口マニホールドとを連通して酸化剤ガスが流れるカソード流路３４ｃが形成されている。アノード側セパレータ３３ａのアノード流路３４ａとは反対側の面、及びカソード側セパレータ３３ｃのカソード流路３４ｃとは反対側の面には、冷媒入口マニホールドと冷媒出口マニホールドとを連通し冷媒が流れる冷媒流路３５ａ及び３５ｃがそれぞれ形成されている。

図２は、本開示による燃料電池セルの一実施例を示す図であって、燃料電池の単セルの一部を拡大して示す。図２（ａ）は燃料電池セルの膜電極接合体とシール用接着積層体との接着構造を示す断面図であり、図２（ｂ）は、（ａ）に示す接着構造を二つのセパレータで挟んだ燃料電池セルを示す断面図である。なお、図２では、一つの単セル６０のみを図示し、その他の単セルについては省略してある。膜電極接合体２０は、詳細を省略するが、一般的には上述したように、アノード側ガス拡散層（ＡｎＧＤＬ）２２ａ及びカソード側ガス拡散層（ＣａＧＤＬ）２２ｃと、両拡散層に挟まれて接合された電極（膜電極）１０を含むことができる。拡散層２２ａ，２２ｃは、ガス透過性及び導電性を有する材料、例えば炭素繊維や黒鉛繊維などの多孔質の繊維基材で形成することができ、電極１０は、略矩形状の電解質膜と、電解質膜のアノード側とカソード側の面にそれぞれ形成された触媒層を含むことができる。電解質膜は、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す、例えばフッ素系のイオン交換膜のような固体高分子薄膜から形成され、触媒層は、例えば白金（Ｐｔ）などを担持したカーボン担体とプロトン伝導性を有するアイオノマとを、電解質膜に塗布することにより形成することができる。

カソード側拡散層２２ｃは、その端部が電極１０の端縁部１０ｅよりも、シール用接着積層体４０が画定する枠の内側の位置に設けられている。カソード側拡散層２２ｃは、電極１０の中央領域１０ｃに重なるが、電極１０の周縁領域１０ｐには重ならず、周縁領域１０ｐを露出するように設けられている。したがって、膜電極接合体２０の周縁部には、段部２５が形成される。なお、アノード側拡散層２２ａは、電極１０の中央領域１０ｃのみならず周縁領域１０ｐにも重なるように設けられている。

シール用接着積層体４０は、クロスリークや電極１０の触媒電極同士の電気的短絡を防ぐための部材である。シール用接着積層体４０は、枠状であり樹脂製のコア層４１と、コア層４１の両面に設けられた二つの接着層、即ち、第１接着層４２と第２接着層４３とを含む。第１接着層４２及び第２接着層４３は、コア層４１と同様に、コア層４１の両面に枠状に設けられている。シール用接着積層体４０は、電極１０とはその平面からオフセットした位置で電極１０と平行に延びている。枠状のシール用接着積層体４０の内側周縁部分と電極１０の周縁領域１０ｐとの間には接着剤５０が配置されて、両者を接着している。

コア層４１は、単セル６０の製造工程での熱圧着時の温度条件下でも構造が変化しない材料により形成されている。具体的には、コア層４１の材料は、例えばＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）、ＰＥＳ（ポリエーテルサルホン）、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタラート）等である。接着層４２，４３は、コア層４１とアノード側セパレータ３３ａ及びカソード側セパレータ３３ｃとを接着してシール性を確保するために、他の物質との接着性が高く、熱圧着時の温度条件下で軟化し、コア層４１よりも粘度及び融点が低い性質を有する。具体的には、接着層４２，４３は、ポリエステル系や変性オレフィン系の熱可塑性樹脂であるが、変性エポキシ樹脂である熱硬化性樹脂であってもよい。

図２（ｂ）に示すように、単セル６０のアノード側セパレータ３３ａ及びカソード側セパレータ３３ｃは、膜電極接合体２０を挟持した一対のセパレータの一例であり、シール用接着積層体４０をも狭持している。アノード側セパレータ３３ａ及びカソード側セパレータ３３ｃは、ガス遮断性及び導電性を有する材料によって形成され、プレス成形されたステンレス鋼や、チタンやチタン合金といった金属によって形成される薄板状部材、又は緻密質カーボン等のカーボン製部材によって形成してもよい。

シール用接着積層体４０において、２つの接着層４２，４３は、それぞれアノード側セパレータ３３ａ及びカソード側３３ｃと接着する部分にのみに設けられている。コア層４１の一方の面（図において上側の反電極側に向いた面）に設けられた第１接着層４２は、カソード側セパレータ３３ｃと接着している。コア層４１の他方の面（図において下側の電極側に向いた面）に設けられた第２接着層４３は、アノード側セパレータ３３ａと接着している。シール用接着積層体４０は、一対のセパレータ３３ａ及び３３ｃにより挟持されている。

シール用接着積層体４０において、接着剤５０と接着される枠内側領域では、コア層４１、第１接着層４２及び第２接着層４３の枠内側端縁部４１ｅ，４２ｅ，４３ｅが共通のストレートな面となるように面一に形成されている。コア層４１、第１接着層４２及び第２接着層４３の枠内側端縁部４１ｅ，４２ｅ，４３ｅと接着層４３の枠内側端縁部４３ｅに繋がって延びている枠内側周縁部４３ｐは、接着領域Ｒとなり、接着剤５０を介して電極１０の周縁領域１０ｐと接着されている。
なお、図示しないが、コア層４１と接着層４２，４３の枠内側端縁部４１ｅ，４２ｅ，４３ｅが段差構造に形成されていてもよい。即ち、特に、第２接着層４３の枠内側端縁部４３ｅは、コア層４１の枠内側端縁部４１ｅよりも枠外側方向に後退した位置にあってもよい。コア層４１の枠内側端縁部４１ｅと当該枠内側端縁部４１ｅに繋がって延びている枠内側周縁部は、二つの接着層４２，４３の枠内側端縁部４２ｅ，４３ｅ間で電極１０側に露出した、コア層４１の接着領域Ｒとなっていてもよい。したがって、コア層４１の枠内側端縁部４１ｅ及び枠内側周縁部と、接着層４２，４３の枠内側端縁部４２ｅ，４３ｅとは、接着剤５０が適用されたとき、電極１０の周縁領域１０ｐに接着されていてもよい。

接着剤５０は、例えば熱硬化性樹脂であるが、紫外線硬化性樹脂であってもよい。接着剤５０の塗布前の状態は、例えば、ゲル状、ジェル状、クリーム状の何れであってもよい。
接着剤５０の表面の少なくとも一部には撥水性（撥水性部又は撥水性膜）５１が付与されている。撥水性５１は、接着剤５０の表面の少なくとも一部に付与されていればよいが、シール性能の低下をより低減する観点から、接着剤５０の表面全体に付与されていてもよい。
発電時に発生する生成水の影響によりシール用接着積層体４０のセパレータとの接着強度が低下してしまうため、本開示においては、構造的にシール用接着積層体４０近辺に水を近づけないようにするため、生成水の発生する膜電極接合体２０上の接着剤５０に部分的に撥水処理を施すことによって、生成水の流れＦがシール用接着積層体４０のシール部分へ流入することを抑制することができる。
換言すると、膜電極接合体２０とシール用接着積層体４０の空間を埋めるように配置された接着剤５０がある部分に撥水性（撥水性部又は撥水性膜）５１を付与する事で一対のセパレータとシール用接着積層体４０が接着されるシール部分に水が接触する可能性を低くする。これにより、発電時に発生する生成水の影響によるシール性能の低下を低減できる。

接着剤５０の表面への撥水性５１の付与方法は、特に限定されず、例えば、接着剤５０の表面へＳｉを塗布することにより撥水性を付与することができる。
Ｓｉを塗布するタイミングは、特に限定されないが、例えば、ＭＥＧＡ製造工程中において、接着剤５０をＵＶで硬化する工程の直後に、硬化した接着剤５０の表面へＳｉを塗布してもよい。この場合、接着剤５０は膜電極接合体２０上に塗布されるため、接着剤５０の膜電極接合体２０と接する側は硬化度が低くＳｉが残存しやすいが、シール用接着積層体４０と接する側は硬化度が高くＳｉが残存しにくい。そのため、接着剤５０のシール用接着積層体４０と接する側の表面に未硬化の接着剤５０を薄く再塗布した後、再度シール用接着積層体４０と接する側の表面にＳｉを塗布してもよい。これにより、接着剤５０のシール用接着積層体４０と接する側の表面のＳｉ濃度を高めることができ、撥水性を向上させることができる。

以上、本開示による燃料電池セルに関して、好ましい実施形態について詳述したが、本開示は係る特定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開示の要旨の範囲内において、種々の変形、変更が可能であることは明らかである。

１０電極（膜電極）１０ｅ電極端縁部
１０ｃ電極中央領域１０ｐ電極周縁領域
２０膜電極接合体
２２ａアノード側ガス拡散層２２ｃカソード側ガス拡散層
２５段部
３３ａアノード側セパレータ３３ｃカソード側セパレータ
３４ａアノード流路３４ｃカソード流路
３５ａ，３５ｃ冷媒流路
４０シール用接着積層体
４１コア層４１ｅコア層枠内側端縁部
４２第１接着層４２ｅ第１接着層枠内側端縁部
４３第２接着層４３ｅ第２接着層枠内側端縁部
４３ｐ第２接着層枠内側周縁部
５０接着剤
５１撥水性（撥水性部又は撥水性膜）
６０単セル
ａ１〜ａ３，ａ４〜ａ６アノード側セパレータ３３ａの孔
ｃ１〜ｃ３，ｃ４〜ｃ６カソード側セパレータ３３ｃの孔
ｓ１〜ｓ３，ｓ４〜ｓ６シール用接着積層体４０の孔
Ｒ接着領域
Ｆ生成水の流れ

Claims

膜電極を含む膜電極接合体と、前記膜電極接合体を挟む二つのセパレータと、前記二つのセパレータ同士を接着させる枠状のシール用接着積層体と、前記シール用接着積層体を前記膜電極接合体に接着する接着剤と、を備える燃料電池セルであって、
前記接着剤の表面の少なくとも一部には撥水性が付与されていることを特徴とする燃料電池セル。