JP6493185B2

JP6493185B2 - 燃料電池

Info

Publication number: JP6493185B2
Application number: JP2015238288A
Authority: JP
Inventors: 祥夫岡田; 順朗野々山
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2015-12-07
Filing date: 2015-12-07
Publication date: 2019-04-03
Anticipated expiration: 2035-12-07
Also published as: JP2017107645A

Description

本発明は、燃料電池に関する。

特許文献１には、電解質膜の両面に形成された触媒層を有する膜電極接合体と、膜電極接合体の一方の面に配置された平面寸法の小さいガス拡散層と、平面寸法の小さいガス拡散層の外周に隙間を空けて配置された樹脂枠と、を備え、その隙間に充填材が充填されている燃料電池が記載されている。

特開２０１５−１２５９２５号公報

特許文献１の充填材は、隙間を埋めているが、ガス拡散層や樹脂枠の表面まで達していないので、充填材を介して膜電極接合体に面圧を掛けることができない。そのため、膜電極接合体が隙間に侵入するような変形を抑制出来ず、膜電極接合体の電解質膜が、裂けるおそれがある。

本発明は、上述の課題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、燃料電池が提供される。この燃料電池は、膜電極接合体と、前記膜電極接合体の両面に配置された２つのガス拡散層であって、前記２つのガス拡散層のうちの一方のガス拡散層は、前記膜電極接合体よりも小さく、平面視において前記一方のガス拡散層の外周が、前記膜電極接合体の外周よりも内側にある、２つのガス拡散層と、前記一方のガス拡散層の外周に隙間をあけて配置された樹脂フレーム部材と、前記一方のガス拡散層の両面のうちの前記膜電極接合体と反対側の面において前記樹脂フレーム部材と前記一方のガス拡散層とを跨ぐように配置された保護フィルムと、前記樹脂フレーム部材と前記ガス拡散層と前記膜電極接合体と前記保護フィルムとの間に形成される隙間を埋める接着剤と、を備える。
この形態によれば、接着剤は、樹脂フレーム部材とガス拡散層と膜電極接合体と保護フィルムの間に形成される隙間を埋めているので、接着剤を介して膜電極接合体（電解質膜）に面圧を掛けることができる。その結果、電解質膜の変形を抑制し、膜裂けを抑制出来る。

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、燃料電池の他、燃料電池スタック、燃料電池の製造方法、燃料電池スタックの製造方法等の形態で実現することができる。

燃料電池スタックの概略構成を示す断面図。ＭＥＡと樹脂フレーム部材の接合体をカソード側から見た平面図。図２から充填部材の図示を省略した図。図１の領域Ｘを拡大して示す説明図。充填部材を接着剤側から見た平面図。充填部材の断面図。発電ユニットの製造工程を示す説明図。比較例の発電ユニットを示す説明図。第２の実施形態の発電ユニット及びその製造工程を示す説明図。

・第１の実施形態：
図１は、燃料電池スタック１０の概略構成を示す断面図である。燃料電池スタック１０は、複数の発電ユニット１００が直列に配置される構成を有している。発電ユニット１００は、それぞれが燃料電池（単セル）である。それぞれの発電ユニット１００は、膜電極接合体１１０と、カソード側ガス拡散層１２０と、アノード側ガス拡散層１３０と、樹脂フレーム部材１４０と、セパレータプレート１５０，１６０と、充填部材１９５と、を備える。

膜電極接合体１１０（ＭｅｍｂｒａｎｅａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｄｅＡｓｓｅｍｂｌｙ１１０、以下「ＭＥＡ１１０」と呼ぶ。）は、電解質膜の２つの面に触媒層を有する構成を有している。ＭＥＡ１１０の詳しい構成については、後述する。カソード側ガス拡散層１２０は、ＭＥＡ１１０のカソード側の触媒層に接するように配置され、アノード側ガス拡散層１３０は、ＭＥＡ１１０のアノード側の触媒層に接するように配置されている。樹脂フレーム部材１４０は、ＭＥＡ１１０の外縁を支持する部材であり、ＭＥＡ１１０と、カソード側ガス拡散層１２０と、アノード側ガス拡散層１３０との外縁の全周を取り巻くように配置されている。セパレータプレート１５０，１６０は、ＭＥＡ１１０と、カソード側ガス拡散層１２０と、アノード側ガス拡散層１３０と、樹脂フレーム部材１４０と、を挟むように配置されている。上述した樹脂フレーム部材１４０は、セパレータプレート１５０，１６０の間をシールするシール部材としても機能する。充填部材１９５は、保護フィルム１９０と、接着剤１８０とを備える。保護フィルム１９０は、カソード側ガス拡散層１２０のＭＥＡ１１０と反対側において、樹脂フレーム部材１４０とカソード側ガス拡散層１２０とを跨ぐように配置されている。接着剤１８０は、樹脂フレーム部材１４０とカソード側ガス拡散層１２０との間の隙間に充填されており、樹脂フレーム部材１４０と保護フィルム１９０とを固定し、カソード側ガス拡散層１２０と保護フィルム１９０とを固定している。

セパレータプレート１５０，１６０は、凹凸を有する金属製の板状部材である。セパレータプレート１５０と、カソード側ガス拡散層１２０との間には、カソードガス流路１５５が形成され、セパレータプレート１６０と、アノード側ガス拡散層１３０との間には、アノードガス流路１６５が形成され、セパレータプレート１５０と、セパレータプレート１６０との間には、冷媒流路１７５が形成されている。本実施形態では、セパレータプレート１５０の凸部の頂部１５０ｔと、セパレータプレート１６０の凸部の頂部１６０ｔとが接触するように、セパレータプレート１５０，１６０が形成、配置されている。ここで、セパレータプレート１５０の凸部は、セパレータプレート１５０のうち、隣接する発電ユニット１００のセパレータプレート１６０に突き出ている部分を意味する。セパレータプレート１６０の凸部は、セパレータプレート１６０のうち、隣接する発電ユニット１００のセパレータプレート１５０に突き出ている部分を意味する。図示しないが、セパレータプレート１５０の凸の頂部１５０ｔがセパレータプレート１６０の凸部と凸部の間の凹部の底１６０ｂと接触し、セパレータプレート１６０の凸部の頂部１６０ｔがセパレータプレート１５０の凸部と凸部の間の凹部の底１５０ｂと接触するように、セパレータプレート１５０，１６０を形成、配置してもよい。

図２は、ＭＥＡ１１０と樹脂フレーム部材１４０の接合体をカソード側から見た平面図である。図３は、図２から充填部材１９５の図示を省略した図である。樹脂フレーム部材１４０は、ＭＥＡ１１０を、ＭＥＡ１１０の外縁から支持している。樹脂フレーム部材１４０の中央には、開口部１４０ｋが形成されており、開口部１４０ｋの内部側に、ＭＥＡ１１０のカソード側ガス拡散層１２０が見えている。カソード側ガス拡散層１２０は、ＭＥＡ１１０よりも小さく、平面視においてカソード側ガス拡散層１２０の外周（外縁１２０ｏ）が、ＭＥＡ１１０の外周よりも内側にある。図３に示すように、開口部１４０ｋと、カソード側ガス拡散層１２０の外縁１２０ｏとの間には隙間１８６があり、この隙間１８６には、接着剤１８０（図１）が充填されている。また、樹脂フレーム部材１４０とカソード側ガス拡散層１２０とを跨ぐように、保護フィルム１９０が配置されている。なお、図２では、接着剤１８０は、保護フィルム１９０に隠れて見えない状態である。

図４は、図１の領域Ｘを拡大して示す説明図である。但し、図４では、図１で記載したセパレータプレート１５０，１６０の図示を省略している。ＭＥＡ１１０は、電解質膜１１１と、カソード側触媒層１１２と、アノード側触媒層１１４とを備える。電解質膜１１１は、プロトン伝導性を有する高分子樹脂であり、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸ポリマで形成されている。

カソード側触媒層１１２と、アノード側触媒層１１４は、触媒担持粒子とアイオノマとを含む。触媒担持粒子とは、カーボン粒子などの担体に、触媒として白金あるいは白金の合金を担持したものである。アイオノマは、プロトン伝導性を有する高分子樹脂であり、電解質膜１１１と同様に、パーフルオロカーボンスルホン酸ポリマで形成されている。

アノード側触媒層１１４は電解質膜１１１のアノード側の面の全領域にわたって塗工され、一方、カソード側触媒層１１２は電解質膜１１１のカソード側の面のうちの一部の矩形領域（発電領域）のみに塗工されることが好ましい。この理由は、アノード側触媒層１１４は、カソード側触媒層１１２に比べて単位面積当たりの触媒量が少なくて良い（典型的には１／２以下であり、例えば約１／３）ので、電解質膜１１１の全領域に触媒を塗工しても過度の無駄とはならない上に、塗工工程が簡単になるからである。反対に、カソード側触媒層１１２は、アノード側触媒層１１４に比べて単位面積当たりの触媒量が多いので、一部の小さな領域のみに塗工することによって無駄な触媒を低減できるからである。

カソード側ガス拡散層１２０は、基材層１２２と、マイクロポーラス層１２４とを備える。アノード側ガス拡散層１３０は、基材層１３２と、マイクロポーラス層１３４とを備える。基材層１２２，１３２は、例えば、カーボンペーパーやカーボン不織布で形成されている。マイクロポーラス層１２４，１３４は、微細カーボン粉末とフッ素樹脂（ポリテトラフルオロエチレン）とを混練して形成され、それぞれ、基材層１２２，１３２のＭＥＡ１１０側に塗工される。カソード側ガス拡散層１２０は、マイクロポーラス層１２４がカソード側触媒層１１２と接するように配置され、アノード側ガス拡散層１３０は、マイクロポーラス層１３４がアノード側触媒層１１４と接するように配置される。なお、マイクロポーラス層１２４，１３４は、省略しても良い。

アノード側ガス拡散層１３０の大きさは、ＭＥＡ１１０の電解質膜１１１の大きさとほぼ同じ大きさに形成されている。一方、カソード側ガス拡散層１２０の大きさは、平面視でＭＥＡ１１０の電解質膜１１１の大きさよりも小さく形成されている。また、カソード側ガス拡散層１２０は、平面視でカソード側触媒層１１２よりも小さい形状に形成されており、カソード側触媒層１１２の領域内にカソード側ガス拡散層１２０が収まるように配置されることが好ましい。この理由は、カソード側ガス拡散層１２０の基材層１２２がカーボンペーパーで形成されている場合に、カソード側ガス拡散層１２０の端部が、カソード側触媒層１１２が存在しない電解質膜１１１の位置に来ると、カーボンペーパーの繊維が電解質膜１１１に突き刺さり、電解質膜１１１の損傷やクロスリークの原因となる可能性があるからである。

樹脂フレーム部材１４０は、電解質膜１１１の端部と接触するように配置されている。この樹脂フレーム部材１４０の表面と、カソード側ガス拡散層１２０の表面とに跨がるように、保護フィルム１９０が配置されている。保護フィルム１９０は、耐水性、耐酸性を有する樹脂性のフィルムであり、例えば、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）で形成されている。樹脂フレーム部材１４０とカソード側ガス拡散層１２０との隙間には、接着剤１８０が充填されている。接着剤１８０は、樹脂フレーム部材１４０，カソード側ガス拡散層１２０，保護フィルム１９０と接着可能な材料で構成されていればよく、例えば、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）のような熱可塑性樹脂を含む熱可塑性接着剤で形成されている。

接着剤１８０とＭＥＡ１１０との境界は、ガスシールライン１８１を構成しており、反応ガスのリークを抑制している。樹脂フレーム部材１４０と保護フィルム１９０との間には、接着剤１８０が侵入して接着部１８３が形成され、樹脂フレーム部材１４０と保護フィルム１９０とが固定される。カソード側触媒層１１２と保護フィルム１９０との間には、接着剤１８０が侵入して接着部１８４が形成され、カソード側触媒層１１２と保護フィルム１９０とが固定される。また、接着剤１８０は、硬化する。したがって、燃料電池スタック１０の全体に面圧を印加すると、硬化した接着剤１８０を介してＭＥＡ１１０に面圧が掛かるので、ＭＥＡ１１０（電解質膜１１１）が、変形することはなく、電解質膜１１１の膜破れを抑制できる。

図５は、充填部材１９５を接着剤１８０側から見た平面図である。図６は、充填部材１９５の断面図であり、図５のＡ−Ａ断面図である。充填部材１９５は、保護フィルム１９０と、接着剤１８０とを備える。保護フィルム１９０は、外周１９０ｏが樹脂フレーム部材１４０の開口部１４０ｋ（図２）よりも少し大きく、内部の開口部１９０ｋがカソード側ガス拡散層１２０の外縁１２０ｏよりも少し小さい額縁形状をしたフィルム状の部材である。保護フィルム１９０の外周１９０ｏと開口部１９０ｋとの間のほぼ中央に、額縁形状の接着剤１８０を備える。組み付け前の接着剤１８０の幅Ｗは、カソード側ガス拡散層１２０の外縁１２０ｏと、樹脂フレーム部材１４０の開口部１４０ｋとの間隔よりも少し狭いことが好ましい。接着剤１８０の高さＨは、カソード側ガス拡散層１２０の厚さよりも少し大きいことが好ましい。

充填部材１９５は、シート状のフィルムからプレス等により額縁状の保護フィルム１９０を形成し、保護フィルム１９０に熱可塑性接着剤を用いて接着剤１８０を形成することにより形成可能である。熱可塑性接着剤は、室温では、固体なので、額縁形状の接着剤１８０を形成しやすい。

図７は、発電ユニット１００の製造工程を示す説明図である。ＭＥＡ１１０の両面にカソード側ガス拡散層１２０とアノード側ガス拡散層１３０を配置したものと、樹脂フレーム部材１４０と、を準備する。具体的には、まず、押し出し法により矩形状の電解質膜１１１を形成する。そして、電解質膜１１１の両面にカソード側触媒層１１２とアノード側触媒層１１４とをそれぞれ転写法により形成してＭＥＡ１１０を形成する。また、ＭＥＡ１１０の両面にカソード側ガス拡散層１２０とアノード側ガス拡散層１３０を配置する。その後、ＭＥＡ１１０のカソード側に開口部１４０ｋを有する樹脂フレーム部材１４０を配置する。

次に、接着剤１８０が、カソード側ガス拡散層１２０と樹脂フレーム部材１４０との隙間１８６に挿入されるように、別途形成した充填部材１９５を配置する。次いで、加熱プレス機２００を用いて充填部材１９５を加熱し、接着剤１８０を溶融させる。接着剤１８０の一部は、保護フィルム１９０と樹脂フレーム部材１４０との間、及び保護フィルム１９０とカソード側ガス拡散層１２０との間に侵入し、それぞれ接着部１８３，１８４を形成する。その後、冷却することにより接着剤１８０は硬化し、隙間１８６を埋めるとともに、保護フィルム１９０と樹脂フレーム部材１４０との間、及び保護フィルム１９０とカソード側ガス拡散層１２０との間を接着し固定する。また、接着剤１８０は、電解質膜１１１やカソード側触媒層１１２とも接着し、シールライン１８１（図４）を形成する。

図８は、比較例の発電ユニット１０１を示す説明図である。比較例の発電ユニット１０１では、樹脂フレーム部材１４０とＭＥＡ１１０の電解質膜１１１とが、接着剤１８７により接着されている。比較例の発電ユニット１０１では、カソード側ガス拡散層１２０と樹脂フレーム部材１４０との隙間１８６が、接着剤１８７により十分に埋められていない。この構成では、燃料電池スタック１０の面圧が接着剤１８７を介してＭＥＡ１１０に掛からないので、ＭＥＡ１１０（電解質膜１１１）が隙間に向かって突き出るように変形し、破損するおそれがある。

第１の実施形態によれば、接着剤１８０が、カソード側ガス拡散層１２０と樹脂フレーム部材１４０とＭＥＡ１１０と保護フィルム１９０との間に形成される隙間１８６を十分に埋めているので、接着剤１８０を介してＭＥＡ１１０に面圧を掛けることができる。その結果、ＭＥＡ１１０（電解質膜１１１）が隙間１８６に向かって変形して破損することを起こり難くできる。

また、第１の実施形態によれば、接着剤１８０は、保護フィルム１９０によりカバーされているので、硬化した接着剤１８０が、カソード側ガス拡散層１２０、あるいは、樹脂フレーム部材１４０が為す平面よりも外側（図４では上方）に大きく突出することがない。したがって、燃料電池スタック１０を形成したときに、望ましくない過度の凹凸が生じないという利点がある。

・第２の実施形態：
図９は、第２の実施形態の発電ユニット１０２及びその製造工程を示す説明図である。第１の実施形態の発電ユニット１００では、樹脂フレーム部材１４０は、ＭＥＡ１１０のカソード側の面に接する形状を有していたが、第２の実施形態の発電ユニット１０２では、樹脂フレーム部材１４０は、ＭＥＡ１１０の面に接しておらず、ＭＥＡ１１０の外周よりも外側に配置される点が異なる。そのため、隙間１８６は、樹脂フレーム部材１４０とカソード側ガス拡散層１２０の間と、樹脂フレーム部材１４０とＭＥＡ１１０との間だけでなく、更に、樹脂フレーム部材１４０とアノード側ガス拡散層１３０の間にも生じる。

第２の実施形態において、発電ユニット１０２は、以下のように形成される。ＭＥＡ１１０の形成工程は、図７で説明したのと同様である。次に、ＭＥＡ１１０にカソード側ガス拡散層１２０とアノード側ガス拡散層１３０とを配置し、その周囲に樹脂フレーム部材１４０を配置する。その後、接着剤１８０が、カソード側ガス拡散層１２０と樹脂フレーム部材１４０との隙間１８６に挿入されるように、別途形成した充填部材１９５を配置する。次いで、加熱プレス機２００を用いて充填部材１９５を加熱し、接着剤１８０を溶融させる。接着剤１８０の一部は、保護フィルム１９０と樹脂フレーム部材１４０との間及び保護フィルム１９０とカソード側ガス拡散層１２０との間に侵入し、それぞれ接着部１８３，１８４を形成する。また、接着剤１８０は、樹脂フレーム部材１４０とアノード側ガス拡散層１３０の間の一部をも埋める。その後、接着剤１８０を冷却し硬化させる。

第２の実施形態においても、接着剤１８０が、カソード側ガス拡散層１２０と樹脂フレーム部材１４０とＭＥＡ１１０と保護フィルム１９０との間に形成される隙間１８６を埋めているので、燃料電池スタック１０の面圧を、接着剤１８０を介してＭＥＡ１１０に掛けることができ、ＭＥＡ１１０（電解質膜１１１）が隙間１８６に向かって変形して破損することを起こり難くできる。

第１、第２の実施形態では、接着剤１８０として、熱可塑性樹脂を含む熱可塑性接着剤を用いたが、エポキシ樹脂、フェノール樹脂のような熱硬化性樹脂や、ポリイソブチレン（ＰＩＢ）のような紫外線硬化性樹脂を含む接着剤を用いても良い。

以上、いくつかの実施例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…燃料電池スタック
１００…発電ユニット
１０１…発電ユニット
１０２…発電ユニット
１１０…膜電極接合体
１１１…電解質膜
１１２…カソード側触媒層
１１４…アノード側触媒層
１２０…カソード側ガス拡散層
１２０ｏ…（カソード側ガス拡散層の）外縁
１２２…基材層
１２４…マイクロポーラス層
１３０…アノード側ガス拡散層
１３２…基材層
１３４…マイクロポーラス層
１４０…樹脂フレーム部材
１４０ｋ…開口部
１５０…セパレータプレート
１５０ｂ…底
１５０ｔ…頂部
１５５…カソードガス流路
１６０…セパレータプレート
１６０ｂ…底
１６０ｔ…頂部
１６５…アノードガス流路
１７５…冷媒流路
１８０…接着剤
１８１…ガスシールライン
１８３…接着部
１８４…接着部
１８６…隙間
１８７…接着剤
１９０…保護フィルム
１９０ｋ…（保護フィルムの）開口部
１９０ｏ…（保護フィルムの）外周
１９５…充填部材
２００…加熱プレス機
Ｈ…高さ
Ｗ…幅
Ｘ…領域

Claims

燃料電池であって、
膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の両面に配置された２つのガス拡散層であって、前記２つのガス拡散層のうちの一方のガス拡散層は、前記膜電極接合体よりも小さく、平面視において前記一方のガス拡散層の外周が、前記膜電極接合体の外周よりも内側にある、２つのガス拡散層と、
前記一方のガス拡散層の外周に隙間をあけて配置された樹脂フレーム部材と、
前記一方のガス拡散層の両面のうちの前記膜電極接合体と反対側の面において前記樹脂フレーム部材と前記一方のガス拡散層とを跨ぐように配置された保護フィルムと、
前記樹脂フレーム部材と前記ガス拡散層と前記膜電極接合体と前記保護フィルムとの間に形成される隙間を埋める接着剤と、
を備える、燃料電池。