JP5024606B2 - 燃料電池とその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、膜−電極接合体の両面に拡散層を備えた燃料電池とその製造方法に関するものである。

燃料電池には、電解質膜の両側に一対の電極としての触媒層を接合した膜−電極接合体と、この膜−電極接合体の両側に配置される拡散層とを備えたものがある。また、このような燃料電池の製造方法において、拡散層、触媒層、電解質膜、触媒層、及び拡散層を、それぞれの溶液を塗布して未乾燥の状態で積層した後、乾燥させて一体化する技術がある（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−１４２０２号公報

しかしながら、上記技術では、膜−電極接合体と拡散層とがいわゆるホットプレスにより接合されて相互に固着されることになるため、例えば発電時の水の生成や発熱に起因して、膜−電極接合体の電解質膜と拡散層との間に含水膨張量や熱膨張量の相違が生じると、これら電解質膜と拡散層との間に介在する触媒層に応力（ストレス）がかかり、破損を生じる可能性があった。

そこで、本発明は、触媒層に作用する応力を軽減することができる燃料電池とその製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の燃料電池は、電解質膜の両面に一対の電極としての触媒層を接合した膜−電極接合体と、この膜−電極接合体の両面に配置される拡散層と、を備えた燃料電池であって、前記膜−電極接合体と前記拡散層との接触面のうち面方向に沿う面の少なくとも一部に非接合部を有するものである。

かかる構成によれば、非接合部において触媒層と拡散層との間のすべり及び離間が許容されることになる。よって、例えば発電に伴う水の生成や発熱に起因して、膜−電極接合体の電解質膜と拡散層との間に含水膨張量や熱膨張量の相違が生じても、電解質膜と拡散層との間に介在する触媒層に作用する応力の軽減が可能となる。

この場合、前記膜−電極接合体と前記拡散層との接触面の一部に接合部を有し、残部は前記非接合部でも良い。

かかる構成によれば、膜−電極接合体と拡散層との接触面の全面が非接合とされているわけではなく、接触面の一部が接合されているため、膜−電極接合体と拡散層とのモジュール化が可能となり、取り扱い性を向上させることができる。

本発明の燃料電池システムは、酸化ガスと燃料ガスの供給を受けて発電するセルの積層方向外側に集電板を備えた燃料電池と、該燃料電池の運転条件を制御する制御部と、を有する燃料電池システムであって、前記集電板にセル面内の電流分布を検出する電流分布検出手段が、前記セルの積層方向端部側の集電板に隣接するセルに形成された酸化ガス流路の入口側及び出口側にそれぞれ対応して設けられ、前記制御部は、前記電流分布検出手段によって検出された電流分布に基づいて、前記燃料電池の運転条件を制御する。

かかる構成によれば、拡散層の表面の凹凸あるいは毛羽立ち等によって当該拡散層が両面に積層される膜−電極接合体へのダメージ（攻撃性）を抑制することができる。

例えば、制御部において、検知された電流値と正常時の電流値とを比較し、電流分布特性が正常であれば、ガス供給量、ガス加湿量、及び燃料電池温度等の運転条件に問題がないと判断できる。検知された電流分布と正常時の電流分布との間に差がある場合、差の大小または検知した電流分布に応じて、ガス供給量、ガス加湿量、及び燃料電池温度等の運転条件のいずれかを制御する。
また、電池性能の安定性や信頼性を向上させるには、セル積層方向一端部側から供給された反応ガスが、セル積層方向他端部側のセルにまで良好に配流されていることが重要であるところ、上記構成によれば、当該セルへの配流状態の良否を検知することができる。例えば、電流分布検出手段によって検出された電流分布が正常であれば、燃料電池全体における反応ガスの配流状態に問題がないことが検知される。

かかる構成によれば、非接合部において触媒層と拡散層との間のすべり及び離間が許容される燃料電池の製造が可能となる。

前記積層工程では、前記膜−電極接合体と前記拡散層との接触面の一部に予め接着剤を塗布しておいてもよい。

かかる構成によれば、膜−電極接合体と拡散層とのモジュール化が可能となり、燃料電池の製造過程における取り扱い性を向上させることができる。

前記拡散層の表面のうち前記膜−電極接合体との接触面を予め平滑化処理しておく工程を有し、前記積層工程では、前記平滑化処理された拡散層を前記膜−電極接合体の両面に積層してもよい。

本発明によれば、触媒層に作用する応力を軽減することが可能となり、触媒層ひいては燃料電池の耐久性を向上させることができる。

本発明に係る燃料電池の第１実施形態を、図１から図４を参照しつつ説明する。第１実施形態の燃料電池１は、固体高分子型のもので、図１に示すように、基本単位であるセル２が複数積層されたスタック本体３と、スタック本体３を支持するフレーム５とを備えている。セル２の積層方向に沿うスタック本体３の一端には、ターミナルプレート７が配置され、その外側に絶縁プレート８が配置されている。さらにその外側には、フレーム５を構成するエンドプレート９ａが配置されている。

また、スタック本体３の他端には、ターミナルプレート７が配置され、その外側に絶縁プレート８が配置され、さらにその外側にはプレッシャプレート１３が配置されている。各ターミナルプレート７には、出力端子６が設けられている。プレッシャプレート１３の外側には、フレーム５を構成するエンドプレート９ｂが、プレッシャプレート１３から離間して配置されており、プレッシャプレート１３とエンドプレート９ｂとの間には、バネ部材１４が介装されている。

スタック本体３の両側に配置された２枚のエンドプレート９ａ，９ｂの間には、セル２の積層方向に沿って複数のテンションプレート１１が架設されている。各テンションプレート１１は、両方の端部を各エンドプレート９ａ，９ｂにボルト１２によってそれぞれ固定されており、２枚のエンドプレート９ａ，９ｂとともにフレーム５を構成している。

２枚のエンドプレート９ａ，９ｂが複数のテンションプレート１１を介して連結される際、バネ部材１４には圧縮力が導入されており、バネ部材１４はスタック本体３に対してセル２の積層方向に付勢力を作用させている。複数のセル２は、この付勢力によって締結されている。バネ部材１４の付勢力に対する反力はテンションプレート１１が負担しており、これによってテンションプレート１１には張力が作用している。

セル２は、図２に示すように、固体高分子材料のイオン交換膜からなる電解質膜１５ａを一対の電極である触媒層１５ｂで挟んだＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ：膜−電極接合体）１５と、ＭＥＡ１５を挟む一対の拡散層１６と、ＭＥＡ１５および一対の拡散層１６をさらに挟む一対のセパレータ１７とを備えている。

電解質膜１５ａは、含水性をもつ炭化フッ素系や炭化水素系等の高分子材料により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、具体的にはパーフルオロスルホン酸系の樹脂（ナフィオン膜）で形成されている。触媒層１５ｂは、電解質膜１５ａよりも一回り小さい大きさとされ、電気化学反応を促進する例えば白金や白金合金等の触媒を有している。

拡散層１６は、ガス透過性及び電子伝導性を有する部材によって構成されており、例えば、カーボン繊維を主成分とするカーボンペーパーによって形成される。セパレータ１７の基材は例えばカーボン製であり、これに所定の樹脂を所定量含浸させることによりなるガス不透過のカーボン基複合セパレータとされていて、さらに導電性を有している。

各セパレータ１７には、図示は略すが、拡散層１６を介して各触媒層１５ｂに酸化ガス（通常は空気）を供給するための酸化ガス流路、水素ガスを供給するための水素ガス流路及び冷媒（通常は水）を流通させるための冷媒流路等が形成されている。

各セル２に供給された酸化ガスは、一方のセパレータ１７とこれに隣接する拡散層１６との間に画成された酸化ガス流路に流入しこの拡散層１６を介してこれに隣接する一方の電極としての触媒層１５ｂに接し、各セル２に供給された水素ガスは、他方のセパレータ１７とこれに隣接する拡散層１６との間に画成された水素ガス流路に流入しこの拡散層１６を介してこれに隣接する他方の電極としての触媒層１５ｂに接する。双方の触媒層１５ｂにそれぞれ接した酸化ガスおよび水素ガスは、電解質膜１５ａにおいて電気化学反応を起こし、起電力と熱と水とを発生させる。

各セル２において発生した起電力は、ターミナルプレート７に設けられた出力端子６から取り出すことができる。各セル２において発生した熱は、冷媒流路を通じて各セル２に供給された冷媒によって回収される。酸化ガスと水素ガスとが反応することによって生成した水は、酸化ガス流路を通じて残った酸化ガスとともに系外に排出される。

第１実施形態では、セル２の製造を次のように行う。まず、図３に示すように、電解質膜１５ａ上に触媒層１５ｂを形成してＭＥＡ１５を作製する。例えば、触媒としての白金又は白金合金を担持したカーボン粉を作製し、この触媒を担持したカーボン粉を適宜の有機溶剤に分散させ、ナフィオン溶液（例えばＡｌｄｒｉｃｈ Ｃｈｅｍｉｃａｌ社製 Ｎａｆｉｏｎ Ｓｏｌｕｔｉｏｎ）を適宜添加することでペーストを作製し、このペーストを電解質膜１５ａ上にスクリーン印刷等の方法で塗布することで触媒層１５ｂを形成する。

あるいは、上記触媒を担持したカーボン粉を含有するペーストを膜成形してシートを作製し、このシートを電解質膜１５ａ上にプレスすることによって触媒層１５ｂを形成する。いずれにしても電解質膜１５ａ上に触媒層１５ｂが固着される。

次に、図４に示すようにＭＥＡ１５の両側に一対の拡散層１６を配置する。このとき、ＭＥＡ１５と一対の拡散層１６とを、これらの間を一切接合せずに積層する。つまりＭＥＡ１５及び一対の拡散層１６は互いに一切固着されずに積層されているのみである。その後、図２に示すように両側の拡散層１６をさらに一対のセパレータ１７で挟んでセル２が作製されることになる。

以上に述べた第１実施形態によれば、ＭＥＡ１５と一対の拡散層１６との接触面の全面が一切固着（接合）しておらず、接触面全てが非接合部１００とされているので、当該非接合部１００において、これらＭＥＡ１５と拡散層１６との間のすべり及び離間が許容されることになる。よって、例えば発電に伴う水の生成や発熱に起因してＭＥＡ１５の電解質膜１５ａと拡散層１６とに含水膨張量や熱膨張量の相違等が生じても、触媒層１５ｂに作用する応力を軽減することができる。

すなわち、電解質膜１５ａは、発電に伴い生成された水の含水により急速に膨張するうえに、発電に伴い発生する熱により急激な温度上昇も生じて熱膨張も加わる。一方、拡散層１６は、含水膨張はなく、熱膨張もほとんどないため、双方に膨張量の不整合が生じる。

ここで、ＭＥＡ１５は電解質膜１５ａと触媒層１５ｂとが接合されて固着していることから、触媒層１５ｂと拡散層１６とが接合されて固着していると、上記した膨張量の不整合をこれらの中間層である触媒層１５ｂで吸収する必要性を生じるが、低温始動時（特に氷点下始動時）には、材料の硬化、氷結により柔軟性が失われるので、最弱部位でもある触媒層１５ｂに応力が過大に作用して破損の虞が生じる。このような傾向は、特に氷点下始動を繰り返した場合に顕著となる。

これに対し、第１実施形態に係る燃料電池１では、ＭＥＡ１５と一対の拡散層１６との間を接合せずに積層しているのみであるため、かかる非接合部１００においてＭＥＡ１５の触媒層１５ｂと拡散層１６との間の面方向のすべりが許容されることになる。したがって、触媒層１５ｂに生じる破損を抑制することが可能となり、燃料電池１としての耐久性を向上させることができる。

また、氷点下への冷却過程及び氷点下始動時に発生する生成水の氷結により、セル２内に面直方向に霜柱状に氷が形成されることがあり、この場合も、触媒層１５ｂと拡散層１６とが接合されて固着していると、氷の押し上げる力が最弱部位である触媒層１５ｂに集中し、やはり破損の虞を生じてしまうところ、第１実施形態では、ＭＥＡ１５と拡散層１６との間を接合せずに積層しているのみであるため、かかる非接合部１００においてＭＥＡ１５の触媒層１５ｂと拡散層１６との間の面直方向の離間が許容されるので、当該非接合部１００に上記霜柱状の氷結を許容する空間を形成することが可能となる。

したがって、この点からも触媒層１５ｂに生じる破損を抑制することができ、燃料電池１としての耐久性を向上させることができる。なお、この場合、ＭＥＡ１５の触媒層１５ｂと拡散層１６との間の面直方向の離間で一時的に導通不良が生じて性能が低下する可能性はあるものの、氷点突破後には再接触することになるので、通常通りの発電特性を得ることができる。

さらに、ＭＥＡ１５と拡散層１６とをホットプレスしないため、ＭＥＡ１５の電解質膜１５ａに対する熱的および機械的なダメージも軽減し、耐久性の更なる向上が図られる。

次に、本発明に係る燃料電池の第２実施形態を、主に図５及び図６を参照しつつ第１実施形態との相違部分を中心に説明する。

第１実施形態においては、ＭＥＡ１５と拡散層１６とがこれらの間を全面的に接合せずに積層のみしているが、第２実施形態では、これらの接触面の一部を接合して固着状態の接合部１１０（図６参照）とし、残部については接合せずに積層のみした非接合部１００としている。

つまり、ＭＥＡ１５は、上記したように電解質膜１５ａの両面にこれよりも一回り小さい触媒層１５ｂが固着されて構成されているが、図５及び図６に示すように、各拡散層１６を触媒層１５ｂよりも一回り大きく形成し、各拡散層１６における、電解質膜１５ａの触媒層１５ｂよりも外側に突出する部分と対向する面に、それぞれ接着剤２０を数箇所、具体的には各角部の内側４箇所に点状に塗布する。

これにより、ＭＥＡ１５の両面に拡散層１６を積層する際に、拡散層１６が接着剤２０で電解質膜１５ａに接合し、接着剤２０の部分のみ固着状態の接合部１１０となる。ここで、使用する接着剤２０としては、触媒層１５ｂを構成する材料と同化可能な接着剤が用いられ、具体的には、上述の触媒層１５ｂの作製時にも用いられたナフィオン溶液を点状に塗布する。

なお、接着剤２０の塗布量及び塗布面積等の塗布条件は、冷却固着後に、ＭＥＡ１５の触媒層１５ｂと拡散層１６との間のすべり及び離間を許容して触媒層１５ｂの破損を抑制することが可能であって、セル２の組み付け又は分解作業時にＭＥＡ１５及び拡散層１６を積層状態で一体に取り扱うことが可能な程度の軽い接着力をＭＥＡ１５と拡散層１６との間の接合部１１０に持たせるように適宜設定される。

以上に述べた第２実施形態によれば、ＭＥＡ１５と拡散層１６とが接着剤２０で一部接着されている、言い換えれば、ＭＥＡ１５と拡散層１６とが接合部１１０を介在させることでモジュール化されているので、これらＭＥＡ１５と拡散層１６とを一体に取り扱うことが可能となり、組み付け作業や分解作業時の取り扱い性を向上させることができる。

また、触媒層１５ｂを構成する材料と同じナフィオン溶液を接着剤２０として用いるため、セル２の性能に与える影響を抑制することができる。勿論、セル２の性能への影響を抑制することができる接着剤であれば、ナフィオン溶液以外の他の接着剤を用いても良い。

次に、本発明に係る燃料電池の第３実施形態を、第１実施形態との相違部分を中心に説明する。

第３実施形態においては、第１実施形態と同様に、ＭＥＡ１５と拡散層１６とを、これらの間を全面的に接合せずに積層のみしているが、第３実施形態では、積層前に予め拡散層１６をホットプレス（平滑化処理）している。

つまり、拡散層１６はカーボン繊維を主成分とするカーボンペーパーからなるため、拡散層１６の表面に凹凸を生じたり、カーボン繊維が拡散層１６の表面から毛羽立ったりして、そのまま積層するとカーボン繊維がＭＥＡ１５に突き刺さってＭＥＡ１５にダメージを与えたり、ＭＥＡ１５に対してアンカー効果を生じてしまうことになるため、かかる不具合を抑制するべく、予め拡散層１６を両面からプレス機で面状に挟むようにホットプレスしておく。

これにより、拡散層１６の表面のうちＭＥＡ１５との接触面を平滑化することができる。このように、本実施形態では、予めホットプレスした拡散層１６をＭＥＡ１５に積層してセル２を形成する。勿論、第１実施形態と同様、拡散層１６とＭＥＡ１５とをホットプレスで接合することはしない。ただし、第２実施形態と同様に、拡散層１６とＭＥＡ１５との間を一部接着しても良い。

以上に述べた第３実施形態によれば、拡散層１６が予めホットプレスされることで平滑化されるため、拡散層１６の表面の凹凸あるいは毛羽立ちによってＭＥＡ１５に与えるダメージ（攻撃性）を抑制することができる。

しかも、拡散層１６の表面の毛羽立ちがＭＥＡ１５に突き刺さることで発生するアンカー効果を抑制することが可能であるため、ＭＥＡ１５の触媒層１５ｂと拡散層１６との間のすべり及び離間を良好に許容することができる。

なお、平滑化処理は、拡散層１６の凹凸および毛羽立ちを抑制することができるのであれば、面状のホットプレスに限定されることなく、冷間プレスであっても良い。さらに、面状のプレスに限定されることなく、ローラ間に挟んでローラを転動させるローラプレス等であっても良い。

本発明の燃料電池の第１実施形態を示す側面図である。 図１の燃料電池を構成するセルの側断面図である。 図１の燃料電池を構成するＭＥＡの側面図である。 図１の燃料電池を構成するＭＥＡ及び拡散層の側面図である。 本発明の燃料電池の第２実施形態を構成するＭＥＡ及び拡散層の分解図である。 図５のＭＥＡ及び拡散層の側面図である。

符号の説明

１…燃料電池、２…セル、１５…ＭＥＡ（膜−電極接合体）、１５ａ…電解質膜、１５ｂ…触媒層、１６…拡散層、１７…セパレータ、１００…非接合部、１１０…接合部。

Claims (6)

1. 電解質膜の両面に一対の電極としての触媒層を接合した膜−電極接合体と、この膜−電極接合体の両面に配置される拡散層と、を備えた燃料電池であって、
   前記触媒層と前記拡散層との接触面全てが非接合部とされている燃料電池。
2. 請求項１に記載の燃料電池において、
   前記電解質膜は、前記触媒層よりも外側に突出する突出部を有し、この突出部と前記拡散層との間の一部に接合部を有する燃料電池。
3. 請求項１又は２に記載の燃料電池において、
   前記拡散層は、前記触媒層との接触面が積層前に予め平滑化処理されたものである燃料電池。
4. 電解質膜の両面に一対の電極としての触媒層を接合した膜−電極接合体と、この膜−電極接合体の両面に配置される拡散層と、を備えた燃料電池の製造方法であって、
   前記触媒層と前記拡散層とを、これらの接触面の全てを接合せずに積層する積層工程を有する燃料電池の製造方法。
5. 請求項４に記載の燃料電池の製造方法において、
   前記電解質膜が前記触媒層よりも外側に突出する突出部を有するものであり、
   前記積層工程では、前記突出部と前記拡散層との間の一部に予め接着剤を塗布しておく燃料電池の製造方法。
6. 請求項４又は５に記載の燃料電池の製造方法において、
   前記拡散層の表面のうち前記触媒層との接触面を予め平滑化処理しておく工程を有し、
   前記積層工程では、前記平滑化処理された拡散層を前記膜−電極接合体の両面に積層する燃料電池の製造方法。

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