JP5163106B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、セパレータを含む積層構造の電池セルを備えた燃料電池に関する。

水素を含有した燃料ガスと酸素を含有した酸化ガスとを反応させて得られる化学エネルギーを電気エネルギーに変換する燃料電池が知られている。燃料電池は、例えば、車両などに搭載され、車両駆動用のモータの電力源などとして利用される。

化学反応後に生じる生成水などによる腐食を防ぐために、燃料電池に利用される部品は耐食性が必要とされる。例えば、燃料電池に利用されるセパレータ（燃料電池セパレータ）には、耐食性を高めるための表面処理が施される。そのため、従来から、燃料電池セパレータの表面処理に関する様々な技術が提案されている。例えば、特許文献１には、セパレータの耐食性を高めるためにセパレータの表面に樹脂コートを形成する技術が記載されている。

また、生成水などによる腐食を防ぐために、例えばゴム状の弾性材料からなるガスケットを利用する技術も知られている。例えば、特許文献２には、セパレータに接着剤を塗布し、その上にガスケットを押し付けて接着する技術が記載されている。ちなみに、特許文献３には、ガスケット成形時にセパレータが損傷することを抑制するために、ガスケットとセパレータとの間に緩衝層を設ける技術が記載されている。

特開２００７−１２３００号公報 特開２００７−５０２６号公報 特開２００２−１６０２５７号公報

上述のように、セパレータの表面に樹脂コートを形成する技術や、接着剤を塗布してセパレータの表面にガスケットを設ける技術が知られている。

このような状況のもと、本願の発明者は、樹脂コートの形成と接着剤の塗布とを組み合わせたセパレータの表面処理について研究開発を重ねてきた。本発明は、その研究開発の過程において成されたものであり、その目的は、セパレータに塗布される接着剤を有効に利用する技術を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の好適な態様である燃料電池は、セパレータを含む積層構造の電池セルを備えた燃料電池であって、前記セパレータは、その表面の少なくとも一部に樹脂コートが形成され、前記樹脂コートの欠陥部を含む前記セパレータの表面に接着剤が塗布されることを特徴とする。

上記態様によれば、樹脂コートの欠陥部が接着剤によって覆われる。そのため、接着剤が樹脂コートの欠陥部を覆う保護的なコートとして機能する。もちろん、接着剤を介してセパレータにガスケットなどを設けてもよい。

望ましい態様において、電池セルと電池セルとの間をシールするセル間ガスケットを各電池セルの外側に備え、樹脂コートが形成された前記セパレータの表面に前記接着剤を介してセル間ガスケットが成形されることを特徴とする。

望ましい態様において、前記接着剤は、前記セル間ガスケットが成形される前記セパレータのガスケット成形面に加え、当該ガスケット成形面の裏側である前記セパレータの内側面にも塗布されることを特徴とする。

望ましい態様において、前記接着剤は、１つの電池セルに含まれる２つのセパレータのうち、前記セル間ガスケットが成形される第１セパレータに加え、前記セル間ガスケットが成形されない第２セパレータにも塗布されることを特徴とする。

望ましい態様において、前記接着剤は、前記セル間ガスケットが接触する前記第２セパレータのガスケット接触面に加え、当該ガスケット接触面の裏側である前記第２セパレータの内側面にも塗布されることを特徴とする。

望ましい態様において、１つの電池セルに含まれる２つのセパレータの間に、当該電池セルに含まれる膜電極接合体と各セパレータとの間をシールする液状シール材を備えることを特徴とする。

望ましい態様において、１つの電池セルに含まれる２つのセパレータの間に、当該電池セルに含まれる膜電極接合体と各セパレータとの間をシールする膜電極接合体セパレータ間ガスケットを備えることを特徴とする。

本発明により、セパレータに塗布される接着剤を有効に利用する技術が提供される。例えば、本発明の好適な態様によれば、接着剤が樹脂コートの欠陥部を覆う保護的なコートとして機能する。

以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の好適な実施形態を説明するための図であり、図１には、本発明に係る燃料電池を構成する電池セル１００の部分断面図が示されている。電池セル１００は、膜電極接合体（ＭＥＡ）２０を２枚の拡散層３０で挟持し、さらに拡散層３０の外側に２枚のセパレータ１０ａ，１０ｂを配置した積層構造であり、全体として平板状に形成される。そして、平板状の電池セル１００が複数積層されて燃料電池が形成される。

図１は、平板状に形成される電池セル１００の周縁部分における断面図である。膜電極接合体（MEA:Membrane Electrode Assembly）２０は、例えば、高分子化合物からなる高分子電解質膜の両面にアノード電極およびカソード電極の触媒層を張り合わせたものである。そして、膜電極接合体２０の両面（図１の上下）には、２枚の拡散層３０が積層される。２枚の拡散層３０のうちの一方は燃料ガス用の拡散層３０であり他方は酸化ガス用の拡散層３０である。さらに、２枚の拡散層３０を挟み込むように、２枚のセパレータ１０ａ，１０ｂが積層されている。

２枚のセパレータ１０ａ，１０ｂの間には、ＭＥＡセパレータ間ガスケット６０が挿入されている。ＭＥＡセパレータ間ガスケット６０は、膜電極接合体（ＭＥＡ）２０と各セパレータ１０との間をシールする。

セパレータ１０（１０ａ，１０ｂ）は、導電性を備えた部材によって構成される。例えば、ＳＵＳ材やカーボンによってセパレータ１０が形成される。本実施形態においては、セパレータ１０の表面に樹脂コートが形成される。樹脂コートは、セパレータ１０の表面の少なくとも一部に形成される。特に、図１に示される電池セル１００の周縁部分に樹脂コートを形成することが望ましい。

樹脂コートは、セパレータ１０の表面に例えば電着処理によって形成される。つまり、電着処理によりセパレータ１０の周縁部分の表面に均一かつ緻密に樹脂粉末を付着させ、必要に応じて焼付け処理などを施してセパレータ１０の表面に付着した樹脂粉末を溶かすことにより、樹脂のコートをさらに均一かつ緻密にした後、樹脂を硬化させてセパレータ１０の表面に樹脂コートが形成される。なお、電着処理される樹脂は、例えば、エポキシ系、ウレタン系、アクリル系、ポリイミド系のいずれでもよい。

セル間ガスケット５０は、複数の電池セル１００が積層された際に、電池セル１００と電池セル１００との間をシールする。セル間ガスケット５０は、例えば金型などを利用してセパレータ１０ａの表面に成形される。

図１においては、セル間ガスケット５０が成形されるセパレータ１０ａの表面部分であるガスケット成形面に接着剤４０が塗布される。接着剤４０は、セパレータ１０ａとセル間ガスケット５０の接触面よりも広く塗布されることが望ましい。そして、接着剤４０を介して、セパレータ１０ａのガスケット成形面にセル間ガスケット５０が接着される。

ガスケット成形面に塗布される接着剤４０は、セル間ガスケット５０をセパレータ１０ａに接着させる機能に加えて、セパレータ１０ａの表面に形成された樹脂コートの欠陥部を覆う保護的なコートとして機能する。

セル間ガスケット５０の成形時に金型から受ける面圧により、ガスケット成形面に樹脂コートの欠陥が発生する場合がある。例えば樹脂コートの損傷（欠損）などが発生する場合がある。本実施形態においては、樹脂コートの欠陥が比較的発生し易いガスケット成形面に接着剤４０が塗布される。そのため、仮に、ガスケット成形面に樹脂コートの欠陥が発生した場合においても、接着剤４０によって樹脂コートの欠陥部分が覆われて、セパレータ１０ａの表面が保護される。これにより、例えば、生成水などによるセパレータ１０ａの腐食が抑制され、セパレータ１０ａの耐食性が高められる。

接着剤４０は、セパレータ１０ａとの接着性に加えてセル間ガスケット５０との接着性が良好な材料によって形成されることが望ましい。接着剤４０は、例えば化学的安定性の高い樹脂材料を使用して生成される。例えば、ポリイミド（ＰＩ）樹脂やポリアミド・イミド（ＰＡＩ）樹脂などの樹脂系の接着剤４０が好適である。

図２は、セパレータ１０ａの内側面に接着剤４０を塗布した実施形態を示す図であり、図２には、図１と同様に、平板状に形成される電池セル１００の周縁部分における断面図が示されている。

図２に示す電池セル１００は、セパレータ１０ａの内側面にも接着剤４０を塗布した点において、図１に示す電池セル１００とは異なる。つまり、図２においては、セパレータ１０ａのガスケット成形面に加え、ガスケット成形面の裏側であるセパレータ１０ａの内側面にも接着剤４０が塗布されている。なお、接着剤４０以外の他の構成は、図１に示す電池セル１００と同じであるため、図２においては説明を省略する。

セル間ガスケット５０の成形時に金型から受ける面圧により、ガスケット成形面に加えて、ガスケット成形面の裏側であるセパレータ１０ａの内側面にも樹脂コートの欠陥が比較的発生し易い。

図２に示す実施形態においては、樹脂コートの欠陥が比較的発生し易いセパレータ１０ａの内側面にも接着剤４０が塗布される。そのため、仮に、セパレータ１０ａの内側面に樹脂コートの欠陥が発生した場合においても、接着剤４０によって樹脂コートの欠陥部分が覆われて、セパレータ１０ａの表面が保護される。また、セパレータ１０ａの内側面に塗布された接着剤４０は、セパレータ１０ａとＭＥＡセパレータ間ガスケット６０とを接着させる役割も担っている。

図３は、電池セル１００内に液状シール材７０を設けた実施形態を示す図であり、図３には、図１と同様に、平板状に形成される電池セル１００の周縁部分における断面図が示されている。

図１におけるＭＥＡセパレータ間ガスケット６０に換えて、図３においては、２枚のセパレータ１０ａ，１０ｂの間に、液状シール材７０が挿入されている。そして、液状シール材７０によって、膜電極接合体（ＭＥＡ）２０と各セパレータ１０との間がシールされている。なお、液状シール材７０以外の他の構成は、図１に示す電池セル１００と同じであるため、図３においては説明を省略する。

図３に示す実施形態においては、ガスケット成形面の裏側であるセパレータ１０ａの内側面に液状シール材７０が接触しているため、仮に、セパレータ１０ａの内側面に樹脂コートの欠陥が発生した場合においても、液状シール材７０によって樹脂コートの欠陥部分が覆われて、セパレータ１０ａの表面が保護される。

図４は、セパレータ１０ｂに接着剤４０を塗布した実施形態を示す図であり、図４には、図１と同様に、平板状に形成される電池セル１００の周縁部分における断面図が示されている。

図４に示す電池セル１００は、セル間ガスケット５０が成形されないセパレータ１０ｂにも接着剤４０を塗布した点において、図１に示す電池セル１００とは異なる。接着剤４０以外の他の構成は、図１に示す電池セル１００と同じであるため、図４においては説明を省略する。

セル間ガスケット５０が成形されないセパレータ１０ｂも取り扱い時の傷付きなどにより樹脂コートの欠陥を生じる可能性が否定できない。そこで、図４に示す実施形態においては、セパレータ１０ｂのガスケット接触面に接着剤４０が塗布される。セパレータ１０ｂのガスケット接触面には、図示しない他の電池セル１００のセル間ガスケット５０が接触する。

セパレータ１０ｂのガスケット接触面に接着剤４０が塗布されることにより、仮に、セパレータ１０ｂの接触面に樹脂コートの欠陥が発生した場合においても、接着剤４０によって樹脂コートの欠陥部分が覆われて、セパレータ１０ｂの表面が保護される。また、接着剤４０が塗布されることにより、セパレータ１０ｂのガスケット接触面を平滑化できるため、ガスケット接触面とセル間ガスケット５０との間のシール性が向上する。

また、図４に示す構成に加えて、セパレータ１０ａとセパレータ１０ｂの各々の内側面に接着剤４０を塗布して、図５に示す構成としてもよい。図５に示す電池セル１００は、ＭＥＡセパレータ間ガスケット６０と各セパレータ１０との間にも接着剤４０が塗布されているため、ＭＥＡセパレータ間ガスケット６０と各セパレータ１０との間のシール性を向上させることができる。

また、図４におけるＭＥＡセパレータ間ガスケット６０に換えて、液状シール材７０を利用して図６に示す構成を実現してもよい。図６に示す電池セル１００は、セパレータ１０ａの内側面とセパレータ１０ｂの内側面に液状シール材７０が接触しているため、仮に、これらの内側面に樹脂コートの欠陥が発生した場合においても、液状シール材７０によって樹脂コートの欠陥部分が覆われて、内側面が保護される。

さらに、図６に示す構成に加えて、セパレータ１０ａとセパレータ１０ｂの各々の内側面に接着剤４０を塗布して、図７に示す構成としてもよい。図７に示す電池セル１００は、液状シール材７０と各セパレータ１０との間にも接着剤４０が塗布されているため、液状シール材７０と各セパレータ１０との間のシール性を向上させることができる。

図１から図７を利用して説明した実施形態においては、樹脂コートの形成と接着剤の塗布とを組み合わせてセパレータの表面が処理されている。

これに対し、セパレータの表面を貴金属により皮膜する場合には、貴金属の安定性が高い故に、樹脂系の接着剤と反応、接着性を確保する官能基を有さない傾向が高い。そのため、セパレータの表面を貴金属によって皮膜する場合には、ガスケット材料との間で長期の接着シール性を確保するのが困難である。さらに、貴金属の表面処理はコストアップを招くなどの問題がある。

また、セパレータ表面をガスケット材料で被覆する場合には、ガスケットに用いるゴム系の材料は、起点からの欠陥の進展のし易さを意味する引き裂き強度が弱い傾向にあり、成形時の欠陥や取り扱い時の傷などを起点としてガスケット材料に亀裂が発生し易いなどの問題がある。

上述した本発明の実施形態においては、樹脂コートの形成と接着剤の塗布とを組み合わせた表面処理であるため、セパレータの表面を貴金属やガスケット材料により被覆する場合における問題を回避することができる。

以上、本発明の好適な実施形態を説明したが、上述した実施形態やその作用効果は、あらゆる点で単なる例示にすぎず、本発明の範囲を限定するものではない。本発明は、その本質を逸脱しない範囲で各種の変形形態を包含する。

本発明に係る燃料電池を構成する電池セルの部分断面図である。 セパレータの内側面に接着剤を塗布した実施形態を示す図である。 電池セル内に液状シール材を設けた実施形態を示す図である。 セル間ガスケットが成形されないセパレータに接着剤を塗布した実施形態を示す図である。 ＭＥＡセパレータ間ガスケットと各セパレータとの間に接着剤が塗布された実施形態を示す図である。 セル間ガスケットが成形されないセパレータに接着剤を塗布して電池セル内に液状シール材を設けた実施形態を示す図である。 液状シール材と各セパレータとの間に接着剤を塗布した実施形態を示す図である。

符号の説明

１０ セパレータ、２０ 膜電極接合体（ＭＥＡ）、３０ 拡散層、４０ 接着剤、５０ セル間ガスケット、６０ ＭＥＡセパレータ間ガスケット、７０ 液状シール材、１００ 電池セル。

Claims (7)

1. セパレータを含む積層構造の電池セルを備えた燃料電池であって、
   前記セパレータは、その表面の少なくとも一部に樹脂コートが形成され、
   前記樹脂コートの欠陥部を含む前記セパレータの表面に接着剤が塗布される、
   ことを特徴とする燃料電池。
2. 請求項１に記載の燃料電池において、
   電池セルと電池セルとの間をシールするセル間ガスケットを各電池セルの外側に備え、
   樹脂コートが形成された前記セパレータの表面に前記接着剤を介してセル間ガスケットが成形される、
   ことを特徴とする燃料電池。
3. 請求項２に記載の燃料電池において、
   前記接着剤は、前記セル間ガスケットが成形される前記セパレータのガスケット成形面に加え、当該ガスケット成形面の裏側である前記セパレータの内側面にも塗布される、
   ことを特徴とする燃料電池。
4. 請求項２または３に記載の燃料電池において、
   前記接着剤は、１つの電池セルに含まれる２つのセパレータのうち、前記セル間ガスケットが成形される第１セパレータに加え、前記セル間ガスケットが成形されない第２セパレータにも塗布される、
   ことを特徴とする燃料電池。
5. 請求項４に記載の燃料電池において、
   前記接着剤は、前記セル間ガスケットが接触する前記第２セパレータのガスケット接触面に加え、当該ガスケット接触面の裏側である前記第２セパレータの内側面にも塗布される、
   ことを特徴とする燃料電池。
6. 請求項２から５のいずれか１項に記載の燃料電池において、
   １つの電池セルに含まれる２つのセパレータの間に、当該電池セルに含まれる膜電極接合体と各セパレータとの間をシールする液状シール材を備える、
   ことを特徴とする燃料電池。
7. 請求項２から５のいずれか１項に記載の燃料電池において、
   １つの電池セルに含まれる２つのセパレータの間に、当該電池セルに含まれる膜電極接合体と各セパレータとの間をシールする膜電極接合体セパレータ間ガスケットを備える、
   ことを特徴とする燃料電池。

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