JP5133006B2

JP5133006B2 - 燃料電池の製造方法

Info

Publication number: JP5133006B2
Application number: JP2007203301A
Authority: JP
Inventors: 聡寺田; 泰介小此木
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2007-08-03
Filing date: 2007-08-03
Publication date: 2013-01-30
Anticipated expiration: 2027-08-03
Also published as: JP2009037975A

Description

本発明は、燃料電池の内部から反応ガス等が漏出することを防止するための燃料電池用シール組成物及び燃料電池用シールと、該燃料電池用シールを備えた燃料電池及びその製造方法に関する。

燃料電池は、通常、電解質・電極接合体を１組のセパレータで挟持することで構成された単セルを備える。このような構成の単セルにおいて、セパレータの両面縁部にはシールが形成される。燃料電池の運転に際しては、前記電解質・電極接合体を構成するアノード側電極に対して水素を含んだ燃料ガスが供給されるとともに、カソード側電極に対して酸素を含んだ酸化剤ガスが供給される。前記シールは、これら燃料ガス及び酸化剤ガスが燃料電池の外部に漏出することを防止するためのものである。

この種のシール（シール組成物）としては、例えば、特許文献１の、特に、段落［０００８］に記載されるように、シリコーン樹脂が広汎に採用されている。シリコーン樹脂は弾性に富み、燃料電池の運転・運転停止に伴うスタックの膨張・収縮に容易に追従するからである。

しかしながら、シリコーン樹脂は、耐酸性が十分であるとは言い難い。一方、前記電解質・電極接合体を構成する電解質膜は概して酸性度が高く、このため、該電解質膜の近傍のシリコーン樹脂が劣化して弾性が低下する懸念があることが指摘されている。

そこで、耐酸性を向上させるべく、特許文献２、３には、フィラーとして補強用のシリカやシリコーン樹脂を所定の組成比で配合してシール組成物とすることが提案されている。

特開平１１−１２９３９６号公報特開２００２−３１３３７３号公報特開２００２−３０９０９２号公報

しかしながら、補強用の無機材や樹脂を添加した場合、圧縮永久歪が残留し易いシールとなる。換言すれば、シール性能が経時的に低下するために耐久性が乏しくなるので、シールとしての寿命を確保することが困難である。

このように、耐酸性と耐久性とは二律背反の関係にあり、両特性を同時に向上させることは困難である。

本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、耐酸性に優れ、しかも、耐久性が良好な燃料電池用シール組成物及び燃料電池用シールと、該燃料電池用シールを備える燃料電池及びその製造方法を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明に係る燃料電池用シール組成物は、付加反応型のシリコーンゴムと、硬化遅延剤とを含有することを特徴とする。

硬化遅延剤が配合された燃料電池用シール組成物では、シリコーンゴムの硬化速度が小さくなる。従って、この燃料電池用シール組成物をセパレータに塗布し、さらに、該燃料電池用シール組成物を硬化させれば、シール組成物同士が堅牢に接合し合い、しかも、シールすべき部位の形状に合致し、このためにシール線圧に影響されることのない優れたシール性能を発揮することが可能となるシールを得ることができる。

その上、シール性能が優れているために、圧縮永久歪に対する耐久性が若干小さいシリコーンゴム、換言すれば、耐酸性に優れるものを使用することもできる。すなわち、本発明においては、１分子中に少なくとも２個のアルケニル基を有する第１直鎖状ポリシロキサンと、
アルケニル基を有するシリコーン樹脂と、
ヒュームドシリカと、
１分子中に少なくとも２個のＳｉＨ基を有する第２直鎖状ポリシロキサンと、
付加反応触媒と、
を含有するシリコーンゴムを選定することも可能となる。

また、前記硬化遅延剤の好適な例としては、硫黄、リン、窒素、錫のいずれか１種を含み且つ前記付加反応触媒に対して触媒毒として作用する化合物、前記付加反応触媒に対して触媒毒として作用するアルキン系化合物、アセチルアルコール、マレイン酸エステル又はその誘導体のいずれかを挙げることができる。

この中、アセチルアルコール、マレイン酸エステル又はその誘導体が特に好適である。この場合、燃料電池用シール組成物中の硬化遅延剤の割合は、０．０１〜５重量％であることが好ましい。０．０１重量％未満では、硬化を遅延する効果に乏しい。また、５重量％よりも多いと、燃料電池用シール組成物を硬化することが容易でなくなる。

そして、本発明に係る燃料電池用シールは、上記した燃料電池用シール組成物からなることを特徴とする。

すなわち、この燃料電池用シールでは、シール線圧に影響されることなく長期間にわたって優れたシール性能が維持される。しかも、フィラーである無機材ないし樹脂が添加されたシリコーンゴムを選定した場合、シール性能を維持したまま耐酸性を向上させることも可能である。

また、本発明は、アノード側電極とカソード側電極とが電解質を介して配設される電解質・電極接合体が１組のセパレータ間に介装された単セルを具備する燃料電池であって、
前記アノード側電極及び前記カソード側電極は、ガス拡散層を有し、
前記セパレータ同士の間、又は前記セパレータと前記電解質・電極接合体との間にシールが設けられ、
且つ前記シールの一部が前記ガス拡散層に進入していることを特徴とする。

このように、シールの一部がガス拡散層に進入することにより、いわゆるアンカー効果が発現する。すなわち、シールが離脱し難くなり、結局、優れたシール性能を長期間にわたって維持することができる。

さらに、本発明は、アノード側電極とカソード側電極とが電解質を介して配設される電解質・電極接合体が１組のセパレータ間に介装された単セルを具備する燃料電池の製造方法であって、
請求項１〜５のいずれか１項に記載された燃料電池用シール組成物を前記セパレータに設ける工程と、
前記燃料電池用シール組成物を、塑性変形が可能な状態を維持して硬化する工程と、
前記セパレータ間に前記電解質・電極接合体を介装する工程と、
前記燃料電池用シール組成物を、塑性変形が不可能となるまで硬化してシールを形成する工程と、
を有することを特徴とする。なお、本発明における前記「燃料電池用シール組成物を前記セパレータに設ける工程」には、塗布は勿論のこと、噴霧、圧着、射出等、燃料電池用シール組成物をセパレータに設けるあらゆる手段を含めるものとする。

このような過程を経ることで、シール組成物同士が堅牢に接合し合うとともにシールすべき部位の形状に合致し、このためにシール線圧に影響されることのない優れたシール性能を発揮するシールを設けることができる。

本発明によれば、硬化遅延剤を配合してシリコーンゴムの硬化を遅延させ、スタックを形成した後に該シリコーンゴムの硬化を終了させてシールするようにしているので、シール組成物同士が堅牢に接合し合い、しかも、シールすべき部位の形状に合致したシールを得ることができる。このようなシールでは、シール線圧に影響されることのない優れたシール性能が発現可能である。

しかも、圧縮永久歪に対する耐久性が若干小さく耐酸性に優れるシリコーンゴムを使用することもできる。この場合、耐久性と耐酸性の双方が良好なシールが得られる。

以下、本発明に係る燃料電池用シール組成物、燃料電池用シール、該燃料電池用シールを備えた燃料電池について、その製造方法との関係で好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明においては、燃料電池用シール組成物、燃料電池用シールのそれぞれを、シール組成物、シールと表記することもある。

図１及び図２は、それぞれ、本実施の形態に係る燃料電池が具備するスタック１０の要部分解斜視説明図、要部縦断面説明図である。

このスタック１０は、アノード側電極１２とカソード側電極１４とが電解質１６を介して配設された電解質・電極接合体１８と、この電解質・電極接合体１８を挟持する第１セパレータ２０、第２セパレータ２２とで構成される単セル２４を備える。本実施の形態において、これら第１セパレータ２０及び第２セパレータ２２は、ＳＵＳ３０４やＳＵＳ３１６等のステンレスで構成されている。

この中、アノード側電極１２及びカソード側電極１４は、それぞれ、電解質１６側に臨むガス拡散層と、該ガス拡散層に接合された電極触媒層とを有する。このようなアノード側電極１２及びカソード側電極１４の構成は公知であることから、ここでは図示を省略するとともにその詳細な説明を省略する。

一方、図１及び図２において、第１セパレータ２０及び第２セパレータ２２の各左上隅角部には、酸化剤ガスを流通させるための第１ガス入口通路３０が設けられており、その対角位置である右下隅角部には、使用済の酸化剤ガスを流通させるための第１ガス出口通路３２が設けられている。同様に、右上隅角部には燃料ガスを通過させるための第２ガス入口通路３４が設けられており、その対角位置である左下隅角部には、使用済の燃料ガスを通過させるための第２ガス出口通路３６が設けられている。第１セパレータ２０及び第２セパレータ２２には、さらに、第１ガス入口通路３０から第２ガス入口通路３４に向かって延在する冷媒入口通路３８が設けられる一方、第２ガス出口通路３６から第１ガス出口通路３２に向かって延在する冷媒出口通路４０が設けられている。

そして、第１セパレータ２０におけるアノード側電極１２に対向する面には、該アノード側電極１２に燃料ガスを供給・排出するために山部と谷部を交互に形成した波状の燃料ガス通過部４２が湾曲して延在している。図２に示すように、燃料ガス通過部４２の頂面は、アノード側電極１２から離間している。これにより燃料ガス通過部４２とアノード側電極１２との間に中空部４４が形成され、燃料ガスはこの中空部４４を介して流通される。

一方、第２セパレータ２２には、第１セパレータ２０の燃料ガス通過部４２に対し反対側に突出する波状の酸化剤ガス通過部４６が設けられており、該酸化剤ガス通過部４６の各頂面は、第１セパレータ２０に指向して突出している。これにより該頂面がカソード側電極１４から離間することに伴って酸化剤ガス通過部４６とカソード側電極１４との間に中空部４８が形成され、この中空部４８には、酸化剤ガスが流通される。

また、第１セパレータ２０の燃料ガス通過部４２と第２セパレータ２２の酸化剤ガス通過部４６の頂面が互いに反対側に突出しているため、燃料ガス通過部４２、酸化剤ガス通過部４６の頂面同士は互いに離間している。この離間によって連通路５０が形成され、冷媒入口通路３８から導入された冷媒は、この連通路５０を流通して冷媒出口通路４０に至る。

第１セパレータ２０及び第２セパレータ２２の各々には、冷媒入口通路３８から分岐して連通路５０に向かう分岐路５２と、連通路５０からの冷媒を冷媒出口通路４０に集束するための集束路５４が設けられている。

そして、第１セパレータ２０及び第２セパレータ２２の両面において、第１ガス入口通路３０、第１ガス出口通路３２、第２ガス入口通路３４、第２ガス出口通路３６、冷媒入口通路３８、冷媒出口通路４０、分岐路５２、集束路５４の周囲には、第１シール５６、第２シール５８がそれぞれ設けられている。

なお、これら第１シール５６及び第２シール５８は、後述するように、第１セパレータ２０に設けられたシール組成物と、第２セパレータ２２に設けられたシール組成物とが重ね合わせられた後に硬化されることによって形成される。従って、図２に示すように、実際のスタック１０においては、これら第１シール５６及び第２シール５８は一体的に接合しているが、便宜上、第１セパレータ２０に設けられたシール組成物が硬化した分を第１シール５６と指称し、第２セパレータ２２に設けられたシール組成物が硬化した分を第２シール５８と指称するとともに、図２において第１シール５６と第２シール５８との間に破線を付し、両者の一体化前の境界部位を示している。

ここで、前記シール組成物は、付加反応型のシリコーンゴムと、硬化遅延剤とを含有する。

この場合、シリコーンゴムは、１分子中に少なくとも２個のアルケニル基を有する第１直鎖状ポリシロキサンと、アルケニル基を有するシリコーン樹脂と、ヒュームドシリカと、１分子中に少なくとも２個のＳｉＨ基を有する第２直鎖状ポリシロキサンと、付加反応触媒とを含有する。以下の説明においては、第１直鎖状ポリシロキサン、シリコーン樹脂、ヒュームドシリカ、第２直鎖状ポリシロキサン、付加反応触媒の各々をＡ成分、Ｂ成分、Ｃ成分、Ｄ成分、Ｅ成分と表記することもある。

先ず、Ａ成分である第１直鎖状ポリシロキサンは、下記の組成式（１）に示されるものである。
Ｒ¹ _xＳｉＯ_(4-x)/2 …（１）

式（１）中、Ｒ¹は互いに同一又は異種の炭素数１〜１０、好ましくは１〜８の非置換又は置換一価炭化水素基であり、ｘは１．５〜２．８、好ましくは１．８〜２．５の範囲の正数である。ここで、上記Ｒ¹で示されるケイ素原子に結合した非置換又は置換の一価炭化水素基としては、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基、イソブチル基、ｔｅｒｔ−ブチル基、ペンチル基、ネオペンチル基、ヘキシル基、シクロヘキシル基、オクチル基、ノニル基、デシル基等のアルキル基、フェニル基、トリル基、キシリル基、ナフチル基等のアリール基、ベンジル基、フェニルエチル基、フェニルプロピル基等のアラルキル基、ビニル基、アリル基、プロペニル基、イソプロペニル基、ブテニル基、ヘキセニル基、シクロヘキセニル基、オクテニル基等のアルケニル基や、これらの基の水素原子の一部又は全部をフッ素、臭素、塩素等のハロゲン原子、シアノ基等で置換したもの、例えば、クロロメチル基、クロロプロピル基、ブロモエチル基、トリフロロプロピル基、シアノエチル基等が挙げられる。この場合、全Ｒ¹の９０モル％以上、特に９５モル％以上がメチル基であることが好ましく、さらには、アルケニル基を除いたＲ¹のうち、９５〜１００モル％、特に９８〜１００モル％がメチル基であることが好ましい。また、Ｒ¹のうち少なくとも２個はアルケニル基である。アルケニル基としては、炭素数２〜８のものが好ましく、炭素数２〜６のものがさらに好ましく、ビニル基が特に好ましい。

なお、アルケニル基の含有量は、直鎖状ポリシロキサン中５．０×１０^-6ｍｏｌ／ｇ〜５．０×１０^-3ｍｏｌ／ｇとすることが好ましい。５．０×１０^-6ｍｏｌ／ｇより少ないとゴム硬度が低く、十分なシール性を得ることが容易ではない。また５．０×１０^-3ｍｏｌ／ｇより多いと、架橋密度が高くなるために脆性が大きくなる。より好ましいアルケニル基の含有量は、１．０×１０^-5ｍｏｌ／ｇ〜１．０×１０^-3ｍｏｌ／ｇである。

アルケニル基は、分子鎖末端のケイ素原子に結合していてもよいし、分子鎖途中のケイ素原子に結合していてもよい。又は、両ケイ素原子に結合していてもよい。

第１直鎖状ポリシロキサンは、基本的には直鎖状構造のものであるが、部分的には分岐状構造、環状構造等であってもよい。

Ｂ成分のシリコーン樹脂は、Ｒ₃ＳｉＯ_1/2単位及びＳｉＯ₂単位を主成分とする。ここで、Ｒは非置換又は置換の一価炭化水素基であり、炭素数１〜１０、特に１〜８のものが好ましい。すなわち、Ｒで示される非置換又は置換の一価炭化水素基の好適な例としては、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基、イソブチル基、ｔｅｒｔ−ブチル基、ペンチル基、ネオペンチル基、ヘキシル基、シクロヘキシル基、オクチル基、ノニル基、デシル基等のアルキル基、フェニル基、トリル基、キシリル基、ナフチル基等のアリール基、ベンジル基、フェニルエチル基、フェニルプロピル基等のアラルキル基、ビニル基、アリル基、プロペニル基、イソプロペニル基、ブテニル基、ヘキセニル基、シクロヘキセニル基、オクテニル基等のアルケニル基や、これらの基の水素原子の一部又は全部をフッ素、臭素、塩素等のハロゲン原子、シアノ基等で置換したもの、例えばクロロメチル基、クロロプロピル基、ブロモエチル基、トリフロロプロピル基、シアノエチル基等が挙げられる。

Ｂ成分は、上記したようなＲ₃ＳｉＯ_1/2単位及びＳｉＯ₂単位のみからなるものであってもよいし、必要に応じてＲ₂ＳｉＯ_2/2単位やＲＳｉＯ_2/2単位（Ｒは上記の通り）をこれらの合計量としてＢ成分の全重量に対し５０モル％以下、より好ましくは４０モル％以下の範囲で含んでもよい。この場合、Ｒ₃ＳｉＯ_1/2単位とＳｉＯ₂単位とのモル比［Ｒ₃ＳｉＯ_1/2単位／ＳｉＯ₂単位］が０．５〜１．５、特に０．５〜１．３であることが好ましい。このモル比が０．５より小さいと耐酸性が低下し、一方、１．５より大きいと、圧縮永久歪が大きくなるとともに、前記Ａ成分及び後述するＣ成分との相溶性が低下するために配合が困難になる。

Ｂ成分は、１×１０^-4〜５×１０^-3ｍｏｌ／ｇのビニル基を含有することが好ましい。１×１０^-4ｍｏｌ／ｇより少ないと十分な耐酸性を得ることが容易ではなく、５×１０^-3ｍｏｌ／ｇより多いと固くなるために脆性を示す傾向があるからである。より好ましいビニル基の量は、２×１０^-4〜３×１０^-3ｍｏｌ／ｇである。

このようなＢ成分は、適当なクロロシランやアルコキシシランを周知の方法で加水分解することによって製造することができる。

Ｃ成分のヒュームドシリカは、シリコーンゴムに十分な強度を与える成分である。ヒュームドシリカとしては、ＢＥＴ法による比表面積が１５０〜４００ｍ²／ｇであるものが好ましい。１５０ｍ²／ｇより小さいものは耐酸性が十分でない場合があり、４００ｍ²／ｇより大きいものは圧縮永久歪が概して大きいからである。ＢＥＴ法による比表面積が１５０〜３５０ｍ²／ｇであるものがより好ましい。

ヒュームドシリカはそのまま用いても特に差し支えはないが、表面疎水化処理剤で予め処理したものや、シリコーンオイルとの混練時に表面処理剤を添加して処理したものを使用することが好ましい。なお、表面処理剤としては、アルキルアルコキシシラン、アルキルクロロシラン、アルキルシラザン、シランカップリング剤、チタネート系処理剤、脂肪酸エステル等の公知のものが挙げられる。勿論、これらの中の１種を用いてもよいし、２種以上を同時又は異なるタイミングで用いるようにしてもよい。

Ｄ成分の第２直鎖状ポリシロキサンは、ケイ素原子と結合する水素原子（ＳｉＨ基）を１分子中に少なくとも２個、好ましくは３個以上有するオルガノハイドロジェンポリシロキサンである。このＤ成分における分子中のＳｉＨ基は、前記Ａ成分及び前記Ｂ成分中のケイ素原子に結合したアルケニル基に対して、ヒドロシリル化付加反応によって架橋する。これにより、シール組成物が硬化する。すなわち、Ｄ成分は、シール組成物を硬化させるための硬化剤として作用する。

このオルガノハイドロジェンポリシロキサンとしては、下記の組成式（２）に示されるものが選定される。
Ｒ² _yＨ_zＳｉＯ_(4-y-z)/2 …（２）

式（２）中、Ｒ²は炭素数１〜１０の置換又は非置換の一価炭化水素基である。また、ｙは０．７〜２．１、ｚは０．００１〜１．０であり、且つｙ＋ｚは０．８〜３．０を満足する正数である。ｙは０．８〜２．０、ｚは０．０１〜１．０、ｙ＋ｚは１．０〜２．５であることがより好ましい。

このような条件を満足し、且つ１分子中に少なくとも２個、好ましくは３〜１００個、より好ましくは３〜５０個のケイ素原子結合水素原子を有するものが好適に用いられる。

ここで、Ｒ²の一価炭化水素基としては、Ｒ¹で例示したものと同様のものを挙げることができるが、脂肪族不飽和基を有さないものが好ましい。また、オルガノハイドロジェンポリシロキサンの分子構造は、直鎖状を基本とするが、部分的に環状、分岐状、三次元網状を含むものであってもよい。ケイ素原子に結合する水素原子（ＳｉＨ基）は、分子鎖末端、分子鎖の途中のいずれに位置していてもよく、両方に位置するものであってもよい。この場合、１分子中のケイ素原子の数（又は重合度）は２〜３００個、特に４〜１５０個程度の室温（２５℃）で液状のものが好適に用いられる。

オルガノハイドロジェンポリシロキサンとしては、１，１，３，３−テトラメチルジシロキサン、メチルハイドロジェンシクロポリシロキサン、メチルハイドロジェンシロキサン・ジメチルシロキサン環状共重合体、両末端トリメチルシロキシ基封鎖メチルハイドロジェンポリシロキサン、両末端トリメチルシロキシ基封鎖ジメチルシロキサン・メチルハイドロジェンシロキサン共重合体、両末端ジメチルハイドロジェンシロキシ基封鎖ジメチルポリシロキサン、両末端ジメチルハイドロジェンシロキシ基封鎖ジメチルシロキサン・メチルハイドロジェンシロキサン共重合体、両末端トリメチルシロキシ基封鎖メチルハイドロジェンシロキサン・ジフェニルシロキサン共重合体、両末端トリメチルシロキシ基封鎖メチルハイドロジェンシロキサン・ジフェニルシロキサン・ジメチルシロキサン共重合体、両末端ジメチルハイドロジェンシロキシ基封鎖メチルハイドロジェンシロキサン・ジメチルシロキサン・ジフェニルシロキサン共重合体、（ＣＨ₃）₂ＨＳｉＯ_1/2単位と（ＣＨ₃）₃ＳｉＯ_1/2単位とＳｉＯ_4/2単位とからなる共重合体、（ＣＨ₃）₂ＳｉＯ_1/2単位とＳｉＯ_4/2単位とからなる共重合体、（ＣＨ₃）₂ＨＳｉＯ_1/2単位とＳｉＯ_4/2単位と（Ｃ₆Ｈ₅）₃ＳｉＯ_1/2単位とからなる共重合体などが挙げられる。

オルガノハイドロジェンポリシロキサンのケイ素原子と結合する水素原子（ＳｉＨ基）と前記Ａ成分及び前記Ｂ成分中のケイ素原子に結合したアルケニル基の総量とのモル比は、Ｓｉ−Ｈ／アルケニル基＝０．８〜５．０であることが好ましい。この数値範囲を外れると、圧縮永久歪が大きくなる傾向がある。より好ましいモル比は、１．０〜３．０である。

Ｅ成分の付加反応触媒としては、白金黒、塩化第２白金、塩化白金酸、塩化白金酸と一価アルコールとの反応物、塩化白金酸とオレフィン類との錯体、白金ビスアセトアセテート等の白金系触媒、パラジウム系触媒、ロジウム系触媒等が挙げられる。なお、この付加反応触媒の配合量は触媒量とすることができ、通常、白金族金属としてＡ成分及びＢ成分の合計量に対して０．５〜１０００ｐｐｍ、特に１〜５００ｐｐｍ程度である。

シール組成物には、上記のＡ〜Ｅ成分の他、必要に応じ、充填剤、導電剤、耐熱剤等を添加するようにしてもよい。

一方、硬化遅延剤としては、硫黄、リン、窒素、錫のいずれか１種を含み且つ前記付加反応触媒に対して触媒毒として作用する化合物、前記付加反応触媒に対して触媒毒として作用するアルキン系化合物、アセチルアルコール、マレイン酸エステル又はその誘導体のいずれかが好適である。

とりわけ、アセチルアルコール、マレイン酸エステル又はその誘導体であることが好ましい。この場合、シール組成物の全重量を１００重量％とするとき、硬化遅延剤の割合は０．０１〜５重量％であることが好ましい。０．０１重量％未満では、硬化を遅延する効果に乏しい。また、５重量％よりも多いと、シール組成物を硬化することが容易でなくなるからである。

本実施の形態において、電解質・電極接合体１８の縦方向寸法及び横方向寸法は、第１セパレータ２０の燃料ガス通過部４２、第２セパレータ２２の酸化剤ガス通過部４６に比して若干大きく設定されている。このため、図２に示すように、第１シール５６の一部がアノード側電極１２に押圧されて該アノード側電極１２の形状に沿った形状で硬化する一方、第２シール５８の一部がカソード側電極１４に押圧されて該カソード側電極１４の形状に沿った形状で硬化する。結局、第１シール５６、第２シール５８の一部は、アノード側電極１２、カソード側電極１４にそれぞれ当接する。

さらに、第１シール５６におけるアノード側電極１２に当接した部位では、該第１シール５６の一部がアノード側電極１２のガス拡散層に進入し、同様に、第２シール５８におけるカソード側電極１４に当接した部位では、該第２シール５８の一部がカソード側電極１４のガス拡散層に進入している。結局、第１シール５６又は第２シール５８におけるガス拡散層に臨む側の部位は、その一部がガス拡散層に噛み込んでいる。

このように構成された燃料電池を運転するに際しては、該燃料電池が所定の温度まで昇温された後、第２ガス入口通路３４を介して水素含有ガス等の燃料ガスが中空部４４からアノード側電極に供給されるとともに、第１ガス入口通路３０を介して空気等の酸化剤ガスが中空部４８からカソード側電極に供給される。これらの反応ガスの存在下に、各電極１２、１４において電極反応が生じる。この燃料電池の運転の際に、単セル２４、すなわち、電解質・電極接合体１８、第１セパレータ２０、第２セパレータ２２は、冷媒入口通路３８及び分岐路５２を介して供給され、連通路５０を通過する冷媒（冷却水等）によって冷却される。

使用済の燃料ガスおよび酸素含有ガスは、それぞれ、第２ガス出口通路３６、第１ガス出口通路３２を介してスタック１０の外部に排出される。また、分岐路５２から連通路５０を介して流通することで単セル２４を冷却した冷媒は、集束路５４を介して冷媒出口通路４０に収集され、最終的に、該冷媒出口通路４０を流通してスタック１０の外部に排出される。

前記第１シール５６及び前記第２シール５８は、シール組成物同士が堅牢に接合し合い、しかも、シールすべき部位の形状に合致している。このため、シール線圧に影響されることのない優れたシール性能を示す。従って、上記のように燃料電池を運転している間、反応ガスや冷媒が外部に漏洩することが有効に回避される。

また、第１シール５６及び第２シール５８の一部がガス拡散層に噛み込んでいるため、シール性能が一層大きくなるとともに、第１セパレータ２０又は第２セパレータ２２と電解質・電極接合体１８との間の接合強度も大きくなる。

このスタック１０は、次のようにして製造することができる。

はじめに、プライマーが予め塗布された第１セパレータ２０又は第２セパレータ２２の各々に対し、上記したシール組成物を設ける。なお、シール組成物を設ける手法としては、例えば、射出成形、トランスファー成形、コンプレッション成形等が挙げられる。

次に、前記シール組成物を加熱することで若干硬化させる。すなわち、該シール組成物が流動性を示し塑性変形が可能な状態を維持する程度で加熱を停止する。この予備硬化に際しては、例えば、１５０℃を４０秒〜１分間保持する加熱条件とすればよい。このシール組成物では、硬化遅延剤が配合されているためにそれ以上の硬化が抑制される。

予備硬化終了後のシール組成物は、外力が付与された際に容易に変形を起こす。この状態が維持されている間、第１セパレータ２０と第２セパレータ２２の間に電解質・電極接合体１８を介装して単セル２４を構成し、さらに、単セル２４同士を積層してスタック１０を形成する。

上記したように、シール組成物は未だ硬化が終了していないので、この積層に伴う外力付与により、シールすべき部位の形状に合致する形状まで変形して互いに付着し合う。また、シール組成物において、アノード側電極１２又はカソード側電極１４におけるガス拡散層に臨む側では、該シール組成物の一部がガス拡散層に浸透する。

次に、シール組成物を再加熱することにより、流動性が喪失するまで硬化させる。すなわち、シール組成物の硬化を終了させ、第１シール５６及び第２シール５８とする。勿論、これら第１シール５６及び第２シール５８は硬化物であるので、塑性変形させることはできない。なお、この再加熱においては、例えば、２００℃で２時間程度保持すればよい。

以上により、シール組成物同士が堅牢に接合し合い、しかも、シールすべき部位の形状に合致し、このためにシール線圧に影響されることのない優れたシール性能を有する第１シール５６及び第２シール５８を備えたスタック１０が得られるに至る。

その上、上記したシリコーンゴムには、補強用の樹脂等が配合されている。このため、耐酸性を向上させることも可能である。

さらに、シール組成物のうち、ガス拡散層に浸透した分がそのまま硬化して第１シール５６又は第２シール５８となるために、これら第１シール５６又は第２シール５８の一部がガス拡散層に入り込み、そのアンカー効果によって第１シール５６又は第２シール５８が著しく離脱し難くなるという利点が得られる。

信越化学工業社製のＫＥ−１９５０Ａ／Ｂ（２液硬化型の付加反応型ジメチルシリコーンゴム）に対し、アセチルアルコール系化合物である３−メチル−１−ブチン−３−オールを硬化遅延剤として添加し、シール組成物とした。シール組成物中の硬化遅延剤の割合は、０．００５重量％となるようにした。このシール組成物を、ＳＵＳ３０４やＳＵＳ３１６の如きステンレス製のセパレータに射出成形し、１５０℃を１分間保持することで予備硬化した。

次に、このセパレータ同士の間に電解質・電極接合体を介装して単セルを形成し、さらに、所定数の単セルを積層してスタックを設けた。その後、該スタックを２００℃で２時間程度保持することで前記シール組成物を硬化させ、シールを得た。そして、このシールにおけるタック（べたつきの度合い）を評価した。

その後、単セル同士を引き離す方向にスタックを引っ張って分解し、乖離面を観察して、シールが破壊されたことによる乖離であるか、シールがセパレータないし電解質・電極接合体から離脱したことによる乖離であるかを調べた。シールが破壊された場合を凝集破壊率１００％とするとともに、シールがセパレータないし電解質・電極接合体から離脱した場合を凝集破壊率０％とし、両形態が混在していた場合にはシールがセパレータないし電解質・電極接合体から離脱した分を面積率として求めてこの値を１００％から差し引いた値を求めた。これを実施例１とする。

また、硬化遅延剤の割合を種々変更したことを除いては実施例１と同様にして、タックを評価するとともに凝集破壊率を求めた。各々を実施例２〜５及び比較例１、２とする。

結果を併せて図３に示す。この図３から、硬化遅延剤を適切な割合で添加することにより、べたつきがなく且つ接合力が強固で離脱し難いシールを形成できることが明らかである。

本実施の形態に係る燃料電池が具備するスタックの要部分解斜視説明図である。図１のスタックの要部縦断面説明図である。実施例１〜５及び比較例１、２の各シールの特性を示す図表である。

符号の説明

１０…スタック１２…アノード側電極
１４…カソード側電極１６…電解質
１８…電解質・電極接合体２０、２２…セパレータ
２４…単セル３０、３４…ガス入口通路
３２、３６…ガス出口通路３８…冷媒入口通路
４０…冷媒出口通路４２…燃料ガス通過部
４６…酸化剤ガス通過部５６、５８…シール

Claims

アノード側電極とカソード側電極とが電解質を介して配設される電解質・電極接合体が１組のセパレータ間に挟持された単セルを具備する燃料電池の製造方法であって、
燃料電池用シール組成物を前記セパレータに設ける工程と、
前記燃料電池用シール組成物を、塑性変形が可能な状態を維持して硬化する工程と、
前記セパレータ間に前記電解質・電極接合体を挟持する工程と、
前記燃料電池用シール組成物を、塑性変形が不可能となるまで硬化してシールを形成する工程と、
を有し、
前記燃料電池用シール組成物は、付加反応型のシリコーンゴムと、硬化遅延剤とを含有することを特徴とする燃料電池の製造方法。
請求項１記載の製造方法において、
前記アノード側電極及び前記カソード側電極は、ガス拡散層を有し、
前記セパレータ同士の間、又は前記セパレータと前記電解質・電極接合体との間に前記シールが設けられており、
前記セパレータ間に前記電解質・電極接合体を挟持する工程で、前記燃料電池用シール組成物の一部を前記ガス拡散層に進入させ、その後、該燃料電池用シール組成物を硬化して、一部が前記ガス拡散層に進入した前記シールを得ることを特徴とする燃料電池の製造方法。