JP5765307B2

JP5765307B2 - 燃料電池の製造方法

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Publication number: JP5765307B2
Application number: JP2012195839A
Authority: JP
Inventors: 隆梶原; 耕太郎池田; 忠利杉浦
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2012-09-06
Filing date: 2012-09-06
Publication date: 2015-08-19
Anticipated expiration: 2032-09-06
Also published as: JP2014053124A

Description

この発明は、燃料電池の製造方法に関し、特に単セルの製造方法に関する。

燃料電池の単セルの外周をシールする方法が開示されている（特許文献１）。この方法は、膜電極接合体の外側を一対のセバレータで挟持し、シール部となる空隙に熱硬化性シール材を充填し、加熱加圧体で挟み込んでプレスすることで熱硬化性シール材を硬化させて熱圧着する。

特開２００９−８０９７７号公報

しかし、熱硬化性シール材を硬化させる場合、高温で長時間の加圧が行われる。その結果、ガス拡散層は、熱により形状が変化して弾性が消失して加圧前の状態に戻りにくくなる。かかる場合、単セルの積層時に、単セルに対する締結圧が十分に単セルの膜電極接合体に掛からず、燃料電池の性能低下が生じる虞があった。また、長時間の加熱プレスは単セルを製造するときの加熱プレス装置の占有時間を長くするため、生産性が低下する、という問題もあった。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、燃料電池の製造方法が提供される。この形態の燃料電池の製造方法は、（ａ）膜電極接合体の両面に第１と第２のガス拡散層をそれぞれ配置して膜電極ガス拡散層接合体を形成する工程と、（ｂ）前記膜電極ガス拡散層接合体を一対のセパレータプレートで挟持する工程と、（ｃ）前記一対のセパレータプレートの間であって、前記膜電極ガス拡散層接合体の周縁部に熱硬化シール材を配置する工程と、（ｄ）前記一対のセパレータプレートの間を、加圧しながら加熱プレスして、前記熱硬化シールを半硬化させる工程であって、前記加圧を開放したときに、前記熱硬化シール材と前記一対のセパレータプレートとの間の接着が剥がれない程度に前記熱硬化シールを半硬化させる工程と、（ｅ）前記一対のセパレータプレートの間を、加圧せずに前記加熱プレス時の温度よりも低い温度で加熱して前記熱硬化シールをさらに硬化させる工程と、を備える。この形態の燃料電池の製造方法によれば、加熱プレス時のガス拡散層の形状の変化を抑制することができる。また、熱硬化シール材の硬化を、熱硬化シールを半硬化させる加熱プレス工程と、前記熱硬化シールをさらに硬化させる加熱工程に分けて実行するので、加熱プレス機の占有時間を少なくして、生産性を向上させることができる。

（２）上記形態の燃料電池の製造方法において、前記工程（ｄ）における加熱プレス時の温度は、前記ガス拡散層および前記膜電極接合体の耐熱温度よりも高く、前記工程（ｅ）における硬化時の温度は、前記耐熱温度よりも低く、前記工程（ｄ）は、前記加熱プレスの開始後、前記第１と第２のガス拡散層の弾性が消失する前に終了してもよい。この燃料電池の製造方法によれば、工程（ｄ）の加熱プレス時のガス拡散層の弾性の消失を抑制し、工程（ｅ）において、ガス拡散層や膜電極接合体の劣化を抑制できる。

（３）上記形態の燃料電池の製造方法において、前記第１のガス拡散層の大きさは、前記膜電極接合体の大きさと同じであり、前記第２のガス拡散層の大きさは、前記膜電極接合体の大きさよりも小さく、前記膜電極接合体が前記第２のガス拡散層の外周からはみ出るように配置されており、前記熱硬化シール材は、前記第２のガス拡散層と前記膜電極接合体の大きさの差を埋めるように段付形状に配置されてもよい。この燃料電池の製造方法によれば、熱硬化シール材は、前記第２のガス拡散層と前記膜電極接合体の大きさの差を埋めるように段付形状に配置されるので、膜電極接合体の面に沿った方向の反応ガスのリークを抑制できる。

なお、本発明は種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池の製造方法の他、燃料電池のシール方法、等の形態で実現することができる。

本実施例の燃料電池の単セルを示す説明図である。比較例の膜電極ガス拡散層接合体ＭＥＧＡと２枚のセパレータプレートを接合する方法の一例を示す説明図である。熱硬化シール材１５０の硬化時間と硬化温度の関係を示す説明図である。硬化温度を１５０℃としたときの硬化時間と熱硬化シール材の引張りせん断強度との関係を示す説明図である。硬化時間とガス拡散層の弾性の消失の大きさとの関係を示す説明図である。本実施例における膜電極ガス拡散層接合体ＭＥＧＡと２枚のセパレータプレートを接合する方法の一例を示す説明図である。

図１は、本実施例の燃料電池の単セルを示す説明図である。単セル１０は、膜電極接合体１００と、第１のガス拡散層１１０と、第２のガス拡散層１２０と、第１のセパレータプレート１３０と、第２のセパレータプレート１４０と、熱硬化シール材１５０と、を備える。膜電極接合体１００は電解質膜と触媒層とを含んでいる。電解質膜はプロトン伝導性を有する高分子膜、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸ポリマで構成されている。触媒層は電解質膜の両面にそれぞれ形成されており、触媒を担持したカーボンを含んでいる。触媒として、白金触媒や白金合金触媒を用いることができる。また、カーボンとして、カーボン粒子やカーボンナノチューブを用いることが出来る。

第１のガス拡散層１１０と第２のガス拡散層１２０は、反応ガスを拡散するための多孔質の部材であり、それぞれ膜電極接合体１００の各面に配置されている。第１のガス拡散層１１０、第２のガス拡散層１２０として、例えばカーボン不織布を用いたカーボンクロスやカーボンペーパーを用いることが可能であり、本実施例ではカーボンペーパーを用いたカーボンクロスを用いている。なお、第１のガス拡散層１１０、第２のガス拡散層１２０としては、カーボンクロスやカーボンペーパーの他、金属製や樹脂製の多孔体を用いることも可能である。

第１のガス拡散層１１０は、平面方向の大きさが膜電極接合体１００とほぼ同じである。一方、第２のガス拡散層１２０は、平面方向の大きさが膜電極接合体１００よりも小さい。そのため、膜電極接合体１００の外縁は、第２のガス拡散層１２０からはみ出ている。膜電極接合体１００と、第１のガス拡散層１１０と、第２のガス拡散層１２０と、を合わせて、「膜電極ガス拡散層接合体ＭＥＧＡ」とも呼ぶ。

膜電極ガス拡散層接合体ＭＥＧＡは、第１のセパレータプレート１３０と、第２のセパレータプレート１４０により挟持されている。第１のセパレータプレート１３０は、長方形をした平板である。第１のセパレータプレート１３０は、第１のガス拡散層１１０と接触する部分が凹凸形状となっており、第１のセパレータプレート１３０の凹凸形状と第１のガス拡散層１１０との隙間に反応ガス（例えば空気）が流れる。同様に、第２のセパレータプレート１４０も、長方形をした平板である。第２のセパレータプレート１４０も、第２のガス拡散層１２０と接触する部分が凹凸形状となっており、第２のセパレータプレート１４０の凹凸形状と第２のガス拡散層１２０との隙間に反応ガス（例えば水素）が流れる。第１のセパレータプレート１３０と、第２のセパレータプレート１４０とは接触しており、電気的に導通している。また、第１のセパレータプレート１３０と、第２のセパレータプレート１４０との隙間は、冷媒が流れる冷媒流路となっている。

熱硬化シール材１５０は、熱硬化性樹脂で形成されたシール材であり、膜電極ガス拡散層接合体ＭＥＧＡの外周外側であって、第１のセパレータプレート１３０と第２のセパレータプレート１４０との間に形成されている。上述したように、第１のガス拡散層１１０は第２のガス拡散層１２０（膜電極接合体１００）よりも小さいため、熱硬化シール材１５０は段付構造となっている。この段付構造は、膜電極接合体１００の為す平面に沿った方向の反応ガスのリークをより抑制し易くする。

図２は、比較例の膜電極ガス拡散層接合体ＭＥＧＡと２枚のセパレータプレートを接合する方法の一例を示す説明図である。比較例では、膜電極ガス拡散層接合体ＭＥＧＡの両面に第１のセパレータプレート１３０と、第２のセパレータプレート１４０とをそれぞれ配置する。次に、膜電極ガス拡散層接合体ＭＥＧＡの外周外側であって、第１のセパレータプレート１３０と、第２のセパレータプレート１４０との間に熱硬化シール材１５０を充填する。その次に、膜電極ガス拡散層接合体ＭＥＧＡと、第１のセパレータプレート１３０と、第２のセパレータプレート１４０とを、加熱プレス装置２１０、２２０の間に挟み、１５０℃で３０の間、加熱プレスを行う。

この方法で加熱プレスを行うと、第１、第２のガス拡散層１１０、１２０が加熱プレスにより圧縮変形して弾性が消失する。その結果、加熱プレスの終了後に第１、第２のガス拡散層１１０、１２０の圧縮は、元の圧縮されていない状態に戻りにくい。このような第１、第２のガス拡散層１１０、１２０の圧縮が元の状態に戻っていない単セル１０を積層した場合、単セル１０の膜電極接合体１００に締結圧が十分に掛からないため、単セル１０の発電性能が低下する虞がある。

図３は、熱硬化シール材１５０の硬化時間と硬化温度の関係を示す説明図である。一般に、硬化時間を短くしようとすると、硬化温度を上げれば良いことがわかる。ただし、硬化温度を上げすぎると、電解質膜が熱により乾燥して収縮し、燃料電池の発電性能を低下させる虞がある。例えば、硬化時間を１０分以下にしようとすれば、硬化温度を１７０℃にしなければならず、このような高温では、電解質膜の熱による乾燥が起こり得る。逆に、硬化温度を低くすれば、電解質膜や第１、第２のガス拡散層１１０、１２０の弾性の消失は起こり難いが、硬化時間、すなわち加熱プレス装置２１０、２２０の占有時間が長くなり、生産性を下げる。

図４は、硬化温度を１５０℃としたときの硬化時間と熱硬化シール材の引張りせん断強度との関係を示す説明図である。この図から、熱硬化シール材１５０の引張りせん断強度は、硬化時間が短くても、第１、第２のガス拡散層１１０、１２０の反力よりも大きいことがわかる。ここで、第１、第２のガス拡散層１１０、１２０の反力とは、加熱プレスにより圧縮された第１、第２のガス拡散層１１０、１２０が元の状態（圧縮開放状態）に戻ろうとする力であり、この力は、熱硬化シール材と、第１のセパレータプレート１３０あるいは第２のセパレータプレート１４０との接着を剥がそうとする。第１、第２のガス拡散層１１０、１２０の反力よりも、熱硬化シール材１５０の引張りせん断強度の方が大きければ、熱硬化シール材１５０と、第１のセパレータプレート１３０あるいは第２のセパレータプレート１４０との間は第１、第２のガス拡散層１１０、１２０の反力によって剥がれない。あるいは、熱硬化シール材１５０が、第１、第２のガス拡散層１１０、１２０の反力によってせん断されることはない。

図５は、硬化時間とガス拡散層の可塑性との関係を示す説明図である。加熱プレスにより圧縮された第１、第２のガス拡散層１１０、１２０は、熱と圧力によって弾性が消失し、加熱プレスを終了しても、もとの圧縮されていない状態に戻りにくくなる。図５では、加熱プレスにより圧縮された第１、第２のガス拡散層１１０、１２０の可塑性（圧縮の開放により元の状態にもどるときの戻りにくさ）を、以下の式で求めてグラフに記載している。
（ガス拡散層の可塑性）＝［（圧縮前のガス拡散層の厚さ）−（圧縮解放後のガス拡散層の厚さ）］／（圧縮前のガス拡散層の厚さ）
ガス拡散層１１０、１２０の弾性の消失が大きいほど、第１、第２のガス拡散層１１０、１２０は、元の圧縮されていない状態に戻り難い。すなわち、「可塑性」は大きい。図５から、硬化温度が高いほど、ガス拡散層１１０、１２０の可塑性は早く大きくなることがわかる。すなわち、硬化温度が高いほど、第１、第２のガス拡散層１１０、１２０は早く弾性が消失する、と言える。

図４、図５の結果から、最初に比較的高温で短時間の加熱プレスを行って、第１、第２のガス拡散層１１０、１２０の反力よりも熱硬化シール材１５０の引張りせん断強度の方が大きくなるように、熱硬化シール材１５０を半硬化させる。その次に、第１、第２のガス拡散層１１０、１２０の弾性が消失しないように、比較的低温で長時間、プレスを掛けずに加熱処理を行って、熱硬化シール材１５０を完全に硬化させると良いことが分かった。

図６は、本実施例における膜電極ガス拡散層接合体ＭＥＧＡと２枚のセパレータプレートを接合する方法の一例を示す説明図である。図２に示したのと同じ方法で加熱プレスを行った。なお、図２に示した比較例とは、硬化温度と硬化時間が異なっており、本実施例では、硬化温度１６０℃で、３０秒間加熱プレスを行った。すなわち、硬化温度は図２に示した比較例よりも１０℃高いが、硬化時間は、比較例の１／６０である。なお、１６０℃で３０秒間という値は、これ以上高温にしたり、長時間にしたりした場合には、電解質膜が乾燥するなどの悪影響があったことから、実験的に求められた値である。なお、この硬化温度は、電解質膜やガス拡散層１１０、１２０の耐熱温度（１２０℃〜１３０℃）よりも高くてもよい。３０秒という短い時間であれば、硬化温度が耐熱温度を超しても電解質膜が乾燥したり、ガス拡散層１１０、１２０の弾性が消失するなどして劣化する悪影響は発生しなかった。

プレス状態が解除されると、第１、第２のガス拡散層１１０、１２０の弾性は消失していないので、反力により元の状態に戻ろうとしてセパレータプレート１３０、１４０を押し上げる。そのため、完全硬化後に単セル１０を積層したとき、図２の方法に較べて単セルの発電性能を向上させることが出来る。なお、半硬化状態でも第１、第２のガス拡散層１１０、１２０の反力よりも熱硬化シール材１５０の引張りせん断強度の方が大きい。その結果、熱硬化シール材１５０と、第１のセパレータプレート１３０あるいは第２のセパレータプレート１４０との間は剥がれない。

次に、加熱装置２２０、２３０を用いて、１２０℃で６０分間加熱をして、熱硬化シール材１５０を完全に硬化させた。ここで、１２０℃は電解質膜や第１、第２のガス拡散層１１０、１２０の耐熱温度よりも低い温度である。したがって、１２０℃の加熱処理は第１、第２のガス拡散層１１０、１２０の弾性を消失させず、電解質膜を過度に乾燥させない。また、加熱プレス処理を行う加熱プレス装置２００、２１０と、加熱処理を行う加熱装置２２０、２３０と、を異なる装置とすることが出来る。また、加熱プレスの時間は３０秒と短時間なので、加熱プレス装置２００、２２０を占有する時間が短い。また、加熱装置２２０、２３０は、プレスを行わないので、例えばベルトコンベアを使った連続処理が可能である。すなわち、単セル１０の生産性を向上させることができる。

以上、いくつかの実施形態に基づいて本発明の実施の形態について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。

１０…単セル
１００…膜電極接合体
１１０…ガス拡散層
１１０…第１のガス拡散層
１２０…第２のガス拡散層
１３０…第１のセパレータプレート
１４０…第２のセパレータプレート
１５０…熱硬化シール材
２００…加熱プレス装置
２１０…加熱プレス装置
２２０…加熱装置
２３０…加熱装置
ＭＥＧＡ…膜電極ガス拡散層接合体

Claims

燃料電池の製造方法であって、
（ａ）膜電極接合体の両面に第１と第２のガス拡散層をそれぞれ配置して膜電極ガス拡散層接合体を形成する工程と、
（ｂ）前記膜電極ガス拡散層接合体を一対のセパレータプレートで挟持する工程と、
（ｃ）前記一対のセパレータプレートの間であって、前記膜電極ガス拡散層接合体の周縁部に熱硬化シール材を配置する工程と、
（ｄ）前記一対のセパレータプレートの間を、加圧しながら加熱プレスして、前記熱硬化シールを半硬化させる工程であって、前記加圧を開放したときに、前記熱硬化シール材と前記一対のセパレータプレートとの間の接着が剥がれない程度に前記熱硬化シールを半硬化させる工程と、
（ｅ）前記一対のセパレータプレートの間を、加圧せずに前記加熱プレス時の温度よりも低い温度で加熱して前記熱硬化シールをさらに硬化させる工程と、
を備える、燃料電池の製造方法。
請求項１に記載の燃料電池の製造方法において、
前記工程（ｄ）における加熱プレス時の温度は、前記ガス拡散層および前記膜電極接合体の耐熱温度よりも高く、
前記工程（ｅ）における硬化時の温度は、前記耐熱温度よりも低く、
前記工程（ｄ）は、前記加熱プレスの開始後、前記第１と第２のガス拡散層の弾性が消失する前に終了する、燃料電池の製造方法。
請求項１または２に記載の燃料電池の製造方法において、
前記第１のガス拡散層の大きさは、前記膜電極接合体の大きさと同じであり、
前記第２のガス拡散層の大きさは、前記膜電極接合体の大きさよりも小さく、前記膜電極接合体が前記第２のガス拡散層の外周からはみ出るように配置されており、
前記熱硬化シール材は、前記第２のガス拡散層と前記膜電極接合体の大きさの差を埋めるように段付形状に配置される、燃料電池の製造方法。