JP2023135773A

JP2023135773A - 燃料電池スタック

Info

Publication number: JP2023135773A
Application number: JP2022041034A
Authority: JP
Inventors: 公聖吉田; Masatoshi Yoshida
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2022-03-16
Filing date: 2022-03-16
Publication date: 2023-09-29

Abstract

【課題】セル間のシール材の切断時に切断用の刃物のセパレータへの接触の発生を抑制することができる燃料電池スタックを提供する。【解決手段】単セルを複数積層したセル積層体を有し、隣り合う単セル間のシールに粘着層を用い、当該単セルの締結解除時に隣り合う当該単セル間のシール材を破壊して解除する燃料電池スタックであって、前記シール材は、第１粘着層と、第１セパレータガード層と、ゴム層と、第２セパレータガード層と、第２粘着層をこの順に有し、前記第１セパレータガード層及び前記第２セパレータガード層は、無機材料を含む、燃料電池スタック。【選択図】図２

Description

本開示は、燃料電池スタックに関する。

燃料電池については、様々な研究がなされている。
例えば特許文献１では、燃料電池であって、積層された複数の単セルと、隣接する２つの単セルの間に配置されるガスケットであって、閉じた中空部を有するガスケットと、前記中空部にガスを充填して、前記ガスケットを膨らませ、あるいは前記中空部からガスを排気して前記ガスケットを萎ませるための吸排気管と、を備える、燃料電池が開示されている。
特許文献２では、架橋性含フッ素ゴム組成物の硬化物とシリコーンゴム成形品とを、安定な界面で一体成形することができ、両方のゴムの特性を有するゴム物品、及び簡単で安価なその製造方法が開示されている。

特開２０１１－０１４４８６号公報特開２０２０－２０３４４４号公報

従来は、単セル（以下セルと称する場合がある）間のシールにガスケットを用いていたが、コストを下げる観点から粘着層を用いることが検討されている。セル間のシール材を従来のゴムガスケットから粘着層に変更すると、シール材自体の接着力により従来方法では締結解除できず、シール材を切断しなければならなくなる。
セル間のシール材に粘着層を用いた燃料電池スタックにおいて、粘着層とセルとを解体する際に、セルを無傷な状態で取り出したいが、セル間のシール材の切断時に切断用の刃物によりセパレータに、シール性を害する傷をつける虞がある。

本開示は、上記実情に鑑みてなされたものであり、セル間のシール材の切断時に切断用の刃物のセパレータへの接触の発生を抑制することができる燃料電池スタックを提供することを主目的とする。

本開示においては、単セルを複数積層したセル積層体を有し、隣り合う単セル間のシールに粘着層を用い、当該単セルの締結解除時に隣り合う当該単セル間のシール材を破壊して解除する燃料電池スタックであって、
前記シール材は、第１粘着層と、第１セパレータガード層と、ゴム層と、第２セパレータガード層と、第２粘着層をこの順に有し、
前記第１セパレータガード層及び前記第２セパレータガード層は、無機材料を含む、燃料電池スタックを提供する。

本開示の燃料電池スタックは、セル間のシール材の切断時に切断用の刃物のセパレータへの接触の発生を抑制することができる。

図１は、従来の燃料電池スタックの一例を示す断面模式図である。図２は、本開示の第１実施形態の燃料電池スタックの一例を示す断面模式図である。図３は、本開示の第２実施形態の燃料電池スタックの一例を示す断面模式図である。

以下、本開示による実施の形態を説明する。なお、本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって本開示の実施に必要な事柄（例えば、本開示を特徴付けない燃料電池スタックの一般的な構成および製造プロセス）は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本開示は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。
また、図における寸法関係（長さ、幅、厚さ等）は実際の寸法関係を反映するものではない。
本明細書において数値範囲を示す「～」とは、その前後に記載された数値を下限値及び上限値として含む意味で使用される。
また、数値範囲における上限値と下限値は任意の組み合わせを採用できる。

本開示においてはゴム層と粘着層間を切れなくする手段として、ゴム層と粘着層との界面に、セパレータガード層を設ける。切断刃物では切れないセパレータガード層を設けることで、シール材のゴム層の切断時に切断刃物がゴム層の外側に出ないようにすることができる。
セパレータガード層により切断用の刃物とのセパレータの接触が回避でき、接触による傷を防ぐことができる。

本開示の燃料電池スタックは、単セルを複数積層したセル積層体を有し、隣り合う単セル間のシールに粘着層を用い、当該単セルの締結解除時に隣り合う当該単セル間のシール材を破壊して解除する。
本開示においては、単セル及び燃料電池スタックのいずれも燃料電池と称する場合がある。

単セル間のシール材を破壊して解除する方法は、例えば、シール材の切断用の刃物等を用いてシール材を切断する方法等が挙げられる。

シール材は、第１粘着層と、第１セパレータガード層と、ゴム層と、第２セパレータガード層と、第２粘着層をこの順に有する。
第１粘着層と、第２粘着層はまとめて粘着層と称する。
粘着層は、隣り合う単セル間に配置され、隣り合う単セルのシール材として用いられる。
第１粘着層と、第２粘着層は、同じ材料で構成されていてもよく、異なる材料で構成されていてもよい。
粘着層は、ポリエステル系及び変性オレフィン系等の熱可塑性樹脂であってもよく、変性エポキシ樹脂である熱硬化性樹脂であってもよい。
粘着層の形状は、枠状であってもよい。粘着層のシールラインとなる枠は、セパレータのシールラインリブと位置合わせされていてもよい。
粘着層は、セパレータのシールラインリブ上に配置されていてもよく、例えば、反応ガスマニホールドを構成する孔を囲うように孔の周囲部をシールしてもよく、セパレータの周縁部を囲いシールしてもよい。ここでいう反応ガスマニホールドは、燃料ガスマニホールドであってもよく、酸化剤ガスマニホールドであってもよく、両方のマニホールドであってもよい。
粘着層の厚みは特に限定されず、１０～１００μｍであってもよい。
第１粘着層と、第２粘着層は、同じ厚みであってもよく、異なる厚みであってもよい。

第１セパレータガード層と、第２セパレータガード層はまとめてセパレータガード層と称する。
セパレータガード層は、無機材料を含む。
無機材料は、例えば金、銀、チタン等の冷却水に対して耐性のある金属材料、ガラス、セラミック、及び、炭素材料からなる群より選ばれる少なくとも一種であってもよい
無機材料の形状は、例えばメッシュ状、シート状、ビーズ状等が挙げられる。
第１セパレータガード層と、第２セパレータガード層は、同じ無機材料で構成されていてもよく、異なる無機材料で構成されていてもよい。
セパレータガード層の厚みは特に限定されず、１～１０μｍであってもよい。
第１セパレータガード層と、第２セパレータガード層は、同じ厚みであってもよく、異なる厚みであってもよい。

ゴム層の材料としては、例えば、ＥＰＤＭ（エチレンプロピレンジエンゴム）、フッ素系ゴム、シリコン系ゴム等が挙げられる。
ゴム層は、１層構造であってもよく、第１硬層と、軟層と、第２硬層をこの順に有する３層構造であってもよい。
第１硬層及び第２硬層は、軟層よりも硬い。
第１硬層及び第２硬層は、まとめて硬層と称する。
第１硬層と、第２硬層は、同じ材料で構成されていてもよく、異なる材料で構成されていてもよい。
硬層のＪＩＳ規格ＪＩＳＫ６２５３－３のゴム硬さ指標が６０°以上であってもよい。
軟層のＪＩＳ規格ＪＩＳＫ６２５３－３のゴム硬さ指標が４０°以下であってもよい。
３層構造のゴム層の形成方法は、例えば、ゴム層の両表面を硬化させることにより３層構造のゴム層を形成してもよい。硬化方法は、例えば、紫外線照射、薬品塗布等の方法が挙げられる。
３層構造のゴム層の別の形成方法は、例えば、硬層と軟層で種類の異なる材料を用いてこれらを積層することにより形成してもよい。
３層構造のゴム層の別の形成方法は、例えば、硬層と軟層でゴム密度（発泡率）の異なる材料を用いてこれらを積層することにより形成してもよい。
ゴム層の厚みは特に限定されず、１００～１０００μｍであってもよい。
硬層の厚みは特に限定されず、５～９９０μｍであってもよい。
第１硬層と、第２硬層は、同じ厚みであってもよく、異なる厚みであってもよい。
軟層の厚みは特に限定されず、５～９９０μｍであってもよい。

セル積層体は、単セルを複数個積層した積層体である。
セル積層体における単セルの積層数は特に限定されず、２～数百個であってもよい。

燃料電池の単セルは、通常、膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ）を備える。
膜電極ガス拡散層接合体は、アノード側ガス拡散層及び、アノード触媒層及び、電解質膜及び、カソード触媒層及び、カソード側ガス拡散層をこの順に有する。

カソード（酸化剤極）は、カソード触媒層及びカソード側ガス拡散層を含む。
アノード（燃料極）は、アノード触媒層及びアノード側ガス拡散層を含む。
カソード触媒層及びアノード触媒層をまとめて触媒層と称する。
触媒層は、例えば、電気化学反応を促進する触媒金属、プロトン伝導性を有する電解質、及び、電子伝導性を有する担体等を備えていてもよい。
触媒金属としては、例えば、白金（Ｐｔ）、及び、Ｐｔと他の金属とから成る合金（例えばコバルト、及び、ニッケル等を混合したＰｔ合金）等を用いることができる。
電解質としては、フッ素系樹脂等であってもよい。フッ素系樹脂としては、例えば、ナフィオン溶液等を用いてもよい。
上記触媒金属は担体上に担持されており、各触媒層では、触媒金属を担持した担体（触媒担持担体）と電解質とが混在していてもよい。
触媒金属を担持するための担体は、例えば、一般に市販されているカーボンなどの炭素材料等が挙げられる。

カソード側ガス拡散層及びアノード側ガス拡散層をまとめてガス拡散層と称する。
ガス拡散層は、ガス透過性を有する導電性部材等であってもよい。
導電性部材としては、例えば、カーボンクロス、及びカーボンペーパー等のカーボン多孔質体、並びに、金属メッシュ、及び、発泡金属などの金属多孔質体等が挙げられる。

電解質膜は、固体高分子電解質膜であってもよい。固体高分子電解質膜としては、例えば、水分が含まれたパーフルオロスルホン酸の薄膜等のフッ素系電解質膜、及び、炭化水素系電解質膜等が挙げられる。電解質膜としては、例えば、ナフィオン膜（デュポン社製）等であってもよい。

単セルは、膜電極ガス拡散層接合体を挟持する一対のセパレータを備える。一対のセパレータは、一方がアノードセパレータであり、もう一方がカソードセパレータである。本開示では、アノードセパレータとカソードセパレータとをまとめてセパレータという。
セパレータは、反応ガス及び冷媒等の流体を単セルの積層方向に流通させるための供給孔及び排出孔等の孔を有していてもよい。冷媒としては、低温時の凍結を防止するために例えばエチレングリコールと水との混合溶液を用いることができる。
供給孔は、燃料ガス供給孔、酸化剤ガス供給孔、及び、冷媒供給孔等が挙げられる。
排出孔は、燃料ガス排出孔、酸化剤ガス排出孔、及び、冷媒排出孔等が挙げられる。
セパレータは、ガス拡散層に接する面に反応ガス流路を有していてもよい。また、セパレータは、ガス拡散層に接する面とは反対側の面に燃料電池の温度を一定に保つための冷媒流路を有していてもよい。
セパレータは、反応ガス流路、冷媒流路等の流路を構成するリブを有していてもよい。
セパレータは、少なくとも冷媒流路側の面に供給孔及び排出孔等の孔を囲い粘着層のシールラインと位置合わせされたシールラインリブを有していてもよい。
アノードセパレータは、アノード側ガス拡散層に接する面に燃料ガス流路を有していてもよい。また、アノードセパレータは、アノード側ガス拡散層に接する面とは反対側の面に燃料電池の温度を一定に保つための冷媒流路を有していてもよい。
カソードセパレータは、カソード側ガス拡散層に接する面に酸化剤ガス流路を有していてもよい。また、カソードセパレータは、カソード側ガス拡散層に接する面とは反対側の面に燃料電池の温度を一定に保つための冷媒流路を有していてもよい。
セパレータは、ガス不透過の導電性部材等であってもよい。導電性部材としては、例えば、熱硬化樹脂、熱可塑樹脂、及び、樹脂繊維等の樹脂材、カーボン粉末、及び、カーボン繊維等のカーボン材を圧縮してガス不透過とした緻密質カーボン、及び、プレス成形した金属（例えば、鉄、アルミニウム、及び、ステンレス等）板等であってもよい。また、セパレータが集電機能を備えるものであってもよい。
セパレータの形状は、長方形、横長６角形、横長８角形、円形、及び、長丸形状等であってもよい。

本開示においては、燃料ガス、及び、酸化剤ガスをまとめて反応ガスと称する。アノードに供給される反応ガスは、燃料ガスであり、カソードに供給される反応ガスは酸化剤ガスである。燃料ガスは、主に水素を含有するガスであり、水素であってもよい。酸化剤ガスは、酸素を含有するガスであり、酸素、空気、及び、乾燥空気等であってもよい。

単セルは樹脂フレームを備える。
樹脂フレームは、膜電極ガス拡散層接合体の外周に配置され、且つ、カソードセパレータとアノードセパレータとの間に配置される。
樹脂フレームは、骨格部と、開口部と、孔を有していてもよい。
骨格部は、膜電極ガス拡散層接合体と接続する樹脂フレームの主要部分である。
開口部は、膜電極ガス拡散層接合体の保持領域であり、膜電極ガス拡散層接合体を収納するために骨格部の一部を貫通する領域である。開口部は、樹脂フレームにおいて、膜電極ガス拡散層接合体の周囲（外周部）に骨格部が配置される位置に配置されていればよく、樹脂フレームの中央に有していてもよい。
樹脂フレームの孔は、反応ガス、及び、冷媒等の流体を単セルの積層方向に流通させる。樹脂フレームの孔は、セパレータの孔と連通するように位置合わせされて配置されていてもよい。
樹脂フレームは、枠状のコア層と、コア層の両面に設けられた枠状の二つのシェル層、即ち、第１シェル層と第２シェル層とを含んでいてもよい。
第１シェル層及び第２シェル層は、コア層と同様に、コア層の両面に枠状に設けられていてもよい。

コア層は、ガスシール性、絶縁性を有する構造部材であればよく、燃料電池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てもよい。具体的には、コア層の材料は、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ＰＣ（ポリカーボネート）、ＰＰＳ（ポリフェニレンスルファイド）、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタラート）、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）、ＰＡ（ポリアミド）、ＰＩ（ポリイミド）、ＰＳ（ポリスチレン）、ＰＰＥ（ポリフェニレンエーテル）、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）、シクロオレフィン、ＰＥＳ（ポリエーテルサルホン）、ＰＰＳＵ（ポリフェニルスルホン）、ＬＣＰ（液晶ポリマー）、エポキシ樹脂等の樹脂等であってもよい。コア層の材料は、ＥＰＤＭ（エチレンプロピレンジエンゴム）、フッ素系ゴム、シリコン系ゴム等のゴム材であってもよい。
コア層の厚さは、絶縁性を担保する観点から、５μｍ以上であってもよく、３０μｍ以上であってもよく、セル厚さを低減する観点から、１００μｍ以下であってもよく、９０μｍ以下であってもよい。

第１シェル層及び第２シェル層は、コア層とアノードセパレータ及びカソードセパレータ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、コア層よりも粘度及び融点が低い性質を有していてもよい。具体的には、第１シェル層及び第２シェル層は、ポリエステル系及び変性オレフィン系等の熱可塑性樹脂であってもよく、変性エポキシ樹脂である熱硬化性樹脂であってもよい。
第１シェル層を構成する樹脂と第２シェル層を構成する樹脂とは、同種の樹脂であってもよく、異なる種類の樹脂であってもよい。コア層の両面にシェル層を設けることで、樹脂フレームと２つのセパレータとの間の加熱プレスによる接着が容易になる。
第１シェル層及び第２シェル層のそれぞれのシェル層の厚さは、接着性を担保する観点から、５μｍ以上であってもよく、３０μｍ以上であってもよく、セル厚さを低減する観点から、１００μｍ以下であってもよく、４０μｍ以下であってもよい。

樹脂フレームにおいて、第１シェル層及び第２シェル層は、それぞれアノードセパレータ及びカソードセパレータと接着する部分にのみに設けられていてもよい。コア層の一方の面に設けられた第１シェル層は、カソードセパレータと接着していてもよい。コア層の他方の面に設けられた第２シェル層は、アノードセパレータと接着していてもよい。そして、樹脂フレームは、一対のセパレータにより挟持されてもよい。

燃料電池スタックは、各供給孔が連通した入口マニホールド、及び、各排出孔が連通した出口マニホールド等の各孔が連通したマニホールドを有していてもよい。
入口マニホールドは、燃料ガス入口マニホールド、酸化剤ガス入口マニホールド、及び、冷媒入口マニホールド等が挙げられる。
出口マニホールドは、燃料ガス出口マニホールド、酸化剤ガス出口マニホールド、及び、冷媒出口マニホールド等が挙げられる。
本開示においては、燃料ガス入口マニホールド、及び、燃料ガス出口マニホールドをまとめて燃料ガスマニホールドという。
本開示においては、酸化剤ガス入口マニホールド、及び、酸化剤ガス出口マニホールドをまとめて酸化剤ガスマニホールドという。
本開示においては、燃料ガスマニホールド、及び、酸化剤ガスマニホールドをまとめて反応ガスマニホールドという。
本開示においては、冷媒入口マニホールド、及び、冷媒出口マニホールドをまとめて冷媒マニホールドという。

図１は、従来の燃料電池スタックの一例を示す断面模式図である。
図１で示すように従来の燃料電池スタックは、一対のセパレータ１０と一対のセパレー１０に挟持される膜電極ガス拡散層接合体１１を備える単セル１００を有し、隣り合う単セル１００間にシール材７０が配置されている。
シール材７０は、第１粘着層２０と、１層構造のゴム層６０と、第２粘着層２１をこの順に有する。
従来の燃料電池スタックは、セパレータガード層がないため、単セル１００間のシール材７０の切断ラインＣに沿った切断時に切断用の刃物がセパレータ１０の特にシールラインリブ部分に接触してセパレータ１０を傷つける恐れがある。

図２は、本開示の第１実施形態の燃料電池スタックの一例を示す断面模式図である。
図２で示すように本開示の第１実施形態の燃料電池スタックは、一対のセパレータ１０と一対のセパレー１０に挟持される膜電極ガス拡散層接合体１１を備える単セル１００を有し、隣り合う単セル１００間にシール材５０が配置されている。
シール材５０は、第１粘着層２０と、第１セパレータガード層２２と、１層構造のゴム層４０と、第２セパレータガード層２３と、第２粘着層２１をこの順に有する。
本開示の第１実施形態の燃料電池スタックは、シール材５０が、第１セパレータガード層２２と、第２セパレータガード層２３を有するため、単セル１００間のシール材５０の切断ラインＣに沿った切断時に、セパレータ１０が第１セパレータガード層２２と、第２セパレータガード層２３により保護され、切断用の刃物とセパレータ１０の接触が回避でき、切断用の刃物のセパレータ１０への接触によるセパレータ１０の傷の発生を抑制することができる。

図３は、本開示の第２実施形態の燃料電池スタックの一例を示す断面模式図である。
図３で示すように本開示の第２実施形態の燃料電池スタックは、一対のセパレータ１０と一対のセパレー１０に挟持される膜電極ガス拡散層接合体１１を備える単セル１００を有し、隣り合う単セル１００間にシール材５１が配置されている。
シール材５１は、第１粘着層２０と、第１セパレータガード層２２と、３層構造のゴム層４１と、第２セパレータガード層２３と、第２粘着層２１をこの順に有する。
ゴム層４１は、第１硬層３０と、軟層３１と、第２硬層３２をこの順に有する。
本開示の第２実施形態の燃料電池スタックは、シール材５１が、第１セパレータガード層２２と、第２セパレータガード層２３を有し、且つ、ゴム層４１が、第１硬層３０と、軟層３１と、第２硬層３２の３層構造のため、単セル１００間のシール材５１の切断ラインＣに沿った切断時に、切断用の刃物は軟層３１を必然的に通り、セパレータ１０が第１セパレータガード層２２と、第２セパレータガード層２３により保護されるため、切断用の刃物とセパレータ１０の接触が回避でき、切断用の刃物のセパレータ１０への接触によるセパレータ１０の傷の発生を抑制することができる。

１０セパレータ
１１膜電極ガス拡散層接合体
２０第１粘着層
２１第２粘着層
２２第１セパレータガード層
２３第２セパレータガード層
３０第１硬層
３１軟層
３２第２硬層
４０、４１、６０ゴム層
５０、５１、７０シール材
１００単セル
Ｃ切断ライン

Claims

単セルを複数積層したセル積層体を有し、隣り合う単セル間のシールに粘着層を用い、当該単セルの締結解除時に隣り合う当該単セル間のシール材を破壊して解除する燃料電池スタックであって、
前記シール材は、第１粘着層と、第１セパレータガード層と、ゴム層と、第２セパレータガード層と、第２粘着層をこの順に有し、
前記第１セパレータガード層及び前記第２セパレータガード層は、無機材料を含む、燃料電池スタック。