JP6977520B2 - 燃料電池セル - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池セルに関する。

電解質膜を含む電極のカソード側の周縁領域を露出するように設けられた膜電極接合体と、膜電極接合体を挟む二枚のセパレータと、二枚のセパレータに挟持され電極の周縁領域に接着されたシール用接着積層体とを備えた燃料電池セルが知られている。シール用接着積層体は、例えばポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）で形成された樹脂製のコア層と、その両面に設けられており短絡防止のために絶縁性を有する例えばポリプロピレン（ＰＰ）で形成された接着層とから成る３層シート構造を成しており、両接着層はそれぞれ対応するセパレータに接着されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１７−１０３１２６号公報

燃料電池においては、電極とセパレータとを接着しているシール用接着積層体は、シール用接着積層体の層端面及び当該層端面に隣接するシール用接着積層体の周縁面が接着剤によって膜電極に接着されている。シール用接着積層体のうち接着剤と接している接着層はＰＰ製であるので一般に接着性が悪く、燃料電池の特性上、電極が収縮すると、接着剤に対して接着層の層端面での接着が剥がれ、剥がれた箇所を起点に電極に亀裂が生じることがある。また、電極を極力小さくすると、シール用接着積層体と接着剤との接触面積が小さくなり、塗布量のバラツキに起因して接着剤の量が多くなる場合、シール用接着積層体を電極に積層したときに接着剤がシール用接着積層体からはみ出し、燃料電池のガス流路を狭めてガス圧損が発生する。

本発明の目的は、シール用接着積層体と、当該シール用接着積層体を電極に接着するための接着剤との接触面積を広く確保して、シール用接着積層体の電極への接着性を向上させた燃料電池セルを提供することである。

上記課題を解決する本発明の燃料電池セルは、膜電極を含む膜電極接合体と、該膜電極接合体を挟む二つのセパレータと、該二つのセパレータ同士を接着させる枠状のシール用接着積層体と、該シール用接着積層体を前記膜電極接合体に接着する接着剤と、を備えている燃料電池セルであって、前記シール用接着積層体は、ポリエチレンナフタレートで形成されているコア層と、該コア層を挟むポリプロピレンで形成されている二つの接着層からなる３層構造を有し、前記コア層の前記膜電極側に配されている一方の前記接着層の枠内側端縁部が前記コア層の枠内側端縁部よりも枠外側方向に後退しており、前記コア層は、前記二つの接着層の枠内側端縁部間で露出した枠内側の接着領域で前記接着剤に接着されており、前記接着領域の接着面積は、当該接着領域を枠外側方向に見たときの投影面積よりも広い面積となっていることを特徴とする。

この燃料電池セルによれば、枠状のシール用接着積層体において、二つの接着層の枠内側端縁部間で露出して接着剤に接着されているコア層の接着領域の接着面積は、当該接着領域を枠外側方向に見たときの投影面積よりも広い面積となっている。接着性の良いポリエチレンナフタレートで形成されているコア層は、二つの接着層間で垂直な層端だけで接着剤と接着されている場合と比べて、大きな面積で接着剤と接触する。したがって、シール用接着積層体の全体と接着剤との接着力が向上する。

接着性の良いポリエチレンナフタレートで形成されているコア層と接着剤との接触面積を、電極の面積を変えることなく、より大きくすることができるため、シール用接着積層体の接着剤、延いては電極との接着力が向上するので、燃料電池の特性上、電極が伸縮しても、コア層が接着剤から剥れることに起因した電極の亀裂を防止することができるとともに、接着剤の塗布量が多くなっても、接着剤のシール用接着積層体からのはみ出しに起因したセパレータ内のガス流路を流れるガスの通りを妨げることによる圧損が発生するのを防止可能とする燃料電池セルを提供することができる。

図１は、燃料電池セルである単セルの分解斜視図である。 図２は、燃料電池の単セルの部分断面図である。 図３は、燃料電池の単セルに用いられるシール用接着積層体の枠内側構造の例を示す断面図である。 図４は、比較例の説明図である。

本発明による燃料電池セルの実施例を説明するに際して、図１を参照して、燃料電池セルの基本的な構造について説明する。図１は燃料電池セルである単セル６０の分解斜視図である。燃料電池は、単セル６０が複数積層されることで構成される。この燃料電池は、反応ガスとして燃料ガス（例えば水素）と酸化剤ガス（例えば酸素）の供給を受けて発電する固体高分子型燃料電池である。単セル６０は、膜電極接合体２０と、膜電極接合体２０を両側から挟むアノード側セパレータ３３ａ及びカソード側セパレータ３３ｃとを含む。膜電極接合体２０は、電極のアノード側とカソード側にそれぞれアノード側ガス拡散層２２ａとカソード側ガス拡散層２２ｃを有しているので膜電極ガス拡散層接合体とも称される。膜電極接合体２０の周縁領域には、詳しくは後述するが、形状が略枠状であり、電気的な絶縁性を有し、シール機能を奏するシール用接着積層体４０が設けられている。

アノード側セパレータ３３ａの２つの短辺の一方側には孔ａ１〜ａ３が形成され、他方側には孔ａ４〜ａ６が形成されている。同様に、カソード側セパレータ３３ｃの２つの短辺の一方側には孔ｃ１〜ｃ３が形成され、他方側には孔ｃ４〜ｃ６が形成されている。シール用接着積層体４０の２つの短辺の一方側には孔ｓ１〜ｓ３が形成され、他方側には孔ｓ４〜ｓ６が形成されている。孔ａ１、ｓ１及びｃ１は連通してカソード入口マニホールドを画定している。同様に、孔ａ２、ｓ２及びｃ２は冷媒出口マニホールドを、孔ａ３、ｓ３及びｃ３はアノード出口マニホールドを、孔ａ４、ｓ４及びｃ４はアノード入口マニホールドを、孔ａ５、ｓ５及びｃ５は冷媒入口マニホールドを、孔ａ６、ｓ６及びｃ６はカソード出口マニホールドをそれぞれ画定している。

膜電極接合体２０に対向するアノード側セパレータ３３ａの面には、アノード入口マニホールドとアノード出口マニホールドとを連通して燃料ガスが流れるアノード流路３４ａが形成されている。同様に、膜電極接合体２０に対向するカソード側セパレータ３３ｃの面には、カソード入口マニホールドとカソード出口マニホールドとを連通して酸化剤ガスが流れるカソード流路３４ｃが形成されている。アノード側セパレータ３３ａのアノード流路３４ａとは反対側の面、及びカソード側セパレータ３３ｃのカソード流路３４ｃとは反対側の面には、冷媒入口マニホールドと冷媒出口マニホールドとを連通し冷媒が流れる冷媒流路３５ａ及び３５ｃがそれぞれ形成されている。

図２は、本発明による燃料電池セルの一実施例を示す図であって、燃料電池の単セルの一部を拡大して示す。図２（ａ）は燃料電池セルの膜電極接合体とシール用接着積層体との接着構造を示す断面図であり、図２（ｂ）は、（ａ）に示す接着構造を二つのセパレータで挟んだ燃料電池セルを示す断面図である。なお、図２では、一つの単セル６０のみを図示し、その他の単セルについては省略してある。膜電極接合体２０は、詳細を省略するが、一般的には上述したように、アノード側ガス拡散層（ＡｎＧＤＬ）２２ａ及びカソード側ガス拡散層（ＣａＧＤＬ）２２ｃと、両拡散層に挟まれて接合された電極（膜電極）１０を含むことができる。拡散層２２ａ，２２ｃは、ガス透過性及び導電性を有する材料、例えば炭素繊維や黒鉛繊維などの多孔質の繊維基材で形成することができ、電極１０は、略矩形状の電解質膜と、電解質膜のアノード側とカソード側の面にそれぞれ形成された触媒層を含むことができる。電解質膜は、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す、例えばフッ素系のイオン交換膜のような固体高分子薄膜から形成され、触媒層は、例えば白金（Ｐｔ）などを担持したカーボン担体とプロトン伝導性を有するアイオノマとを、電解質膜に塗布することにより形成することができる。

カソード側拡散層２２ｃは、その端部が電極１０の端縁部１０ｅよりも、シール用接着積層体４０が画定する枠の内側の位置に設けられている。カソード側拡散層２２ｃは、電極１０の中央領域１０ｃに重なるが、電極１０の周縁領域１０ｐには重ならず、周縁領域１０ｐを露出するように設けられている。したがって、膜電極接合体２０の周縁部には、段部２５が形成される。なお、アノード側拡散層２２ａは、電極１０の中央領域１０ｃのみならず周縁領域１０ｐにも重なるように設けられている。

シール用接着積層体４０は、クロスリークや電極１０の触媒電極同士の電気的短絡を防ぐための部材である。シール用接着積層体４０は、枠状であり樹脂製のコア層４１と、コア層４１の両面に設けられた二つの接着層、即ち、第１接着層４２と第２接着層４３とを含む。第１接着層４２及び第２接着層４３は、コア層４１と同様に、コア層４１の両面に枠状に設けられている。シール用接着積層体４０は、電極１０とはその平面からオフセットした位置で電極１０と平行に延びている。枠状のシール用接着積層体４０の内側周縁部分と電極１０の周縁領域１０ｐとの間には接着剤５０が配置されて、両者を接着している。

コア層４１は、後述する単セル６０の製造工程での熱圧着時の温度条件下でも構造が変化しない材料により形成されている。具体的には、コア層４１の材料は、例えばＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）、ＰＥＳ（ポリエーテルサルホン）、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタラート）等である。接着層４２，４３は、コア層４１とアノード側セパレータ３３ａ及びカソード側セパレータ３３ｃとを接着してシール性を確保するために、他の物質との接着性が高く、熱圧着時の温度条件下で軟化し、コア層４１よりも粘度及び融点が低い性質を有する。具体的には、接着層４２，４３は、ポリエステル系や変性オレフィン系の熱可塑性樹脂であるが、変性エポキシ樹脂である熱硬化性樹脂であってもよい。

図２（ｂ）に示すように、単セル６０のアノード側セパレータ３３ａ及びカソード側セパレータ３３ｃは、膜電極接合体２０を挟持した一対のセパレータの一例であり、シール用接着積層体４０をも狭持している。アノード側セパレータ３３ａ及びカソード側セパレータ３３ｃは、ガス遮断性及び導電性を有する材料によって形成され、プレス成形されたステンレス鋼や、チタンやチタン合金といった金属によって形成される薄板状部材、又は緻密質カーボン等のカーボン製部材によって形成してもよい。

シール用接着積層体４０において、２つの接着層４２，４３は、それぞれアノード側セパレータ３３ａ及びカソード側３３ｃと接着する部分にのみに設けられている。コア層４１の一方の面（図において上側の反電極側に向いた面）に設けられた第１接着層４２は、カソード側セパレータ３３ｃと接着している。コア層４１の他方の面（図において下側の電極側に向いた面）に設けられた第２接着層４３は、アノード側セパレータ３３ａと接着している。シール用接着積層体４０は、一対のセパレータ３３ａ及び３３ｃにより挟持されている。

シール用接着積層体４０において、接着剤５０と接着される枠内側領域では、コア層４１と接着層４２，４３が段差構造に形成されている。即ち、特に、第２接着層４３の枠内側端縁部４３ｅは、コア層４１の枠内側端縁部４１ｅよりも枠外側方向に後退した位置にある。コア層４１の枠内側端縁部４１ｅと当該枠内側端縁部４１ｅに繋がって延びている枠内側周縁部４１ｐは、二つの接着層４２，４３の枠内側端縁部４２ｅ，４３ｅ間で電極１０側に露出した、コア層４１の接着領域Ｒとなっている。したがって、コア層４１の枠内側端縁部４１ｅ及び枠内側周縁部４１ｐと、接着層４２，４３の枠内側端縁部４２ｅ，４３ｅとは、接着剤５０が適用されたとき、電極１０の周縁領域１０ｐに接着される。

接着剤５０は、例えば熱硬化性樹脂であるが、紫外線硬化性樹脂であってもよい。接着剤５０の塗布前の状態は、例えば、ゲル状、ジェル状、クリーム状の何れであってもよい。第２接着層４３の枠内側端縁部４３ｅがコア層４１の枠内側端縁部４１ｅよりも枠外側方向に後退した位置にあるので、接着剤５０が塗布されるスペースが充分広くなっており、接着剤５０の塗布量にバラツキがあって多い量が塗布される場合であっても、接着剤５０は、第１接着層４２を超えてはみ出ることがなく、図２（ｂ）でカソード側拡散層２２ｃと第１接着層４２の端縁を結ぶ点線で示す塗布限界線Ｌ内に納まるものとなる。したがって、はみ出た接着剤５０が、セパレータ３３ｃ内で酸化剤ガスが流れるカソード流路３４ｃにはみ出して当該流路３４ｃを狭めることがなく、カソード流路３４ｃを流れる酸化剤ガスの流れＦに圧損が生じるのを防止することができる。

図３は、シール用接着積層体４０の枠内側構造の例を示した断面図である。図３（ａ）は、図２に示したシール用接着積層体４０の枠内側構造を取り出して示している。コア層４１の接着領域Ｒの接着面積Ｓａは、当該接着領域Ｒを枠内側周縁部４１ｐの面に垂直方向に見たときの投影面積Ｓｐと、当該接着領域Ｒを枠外側方向に見たときの投影面積Ｓｅ（コア層４１の枠内側層端を正面にして枠外側方向に見たときの層厚ｔｃに対応した層端面積）との和である。この接着領域Ｒの接着面積Ｓａは、枠内側端縁部４１ｅの投影面積Ｓｅよりも広い面積となっているので、接着剤５０は、接着性の良いポリエチレンナフタレートから形成されているコア層４１に対して広い範囲で接着される。このように、コア層４１が接着剤５０と接触する接触面積を広くすることで、電極１０に対してシール用接着積層体４０をより高い接着力で接着させることができる。

図３（ｂ）〜図３（ｄ）を参照して、シール用接着積層体の変形例を説明する。図３（ａ）に示した段差構造の形態以外に、例えば図３（ｂ）〜（ｄ）のような形態が考えられる。図３（ｂ）に示す形態は、コア層４１の層端が、一部の枠内側周縁部４１ｐ１と傾斜面４１ｓ１とを有する構造となっている。接着領域Ｒの接着面積Ｓａ１は、枠内側周縁部４１ｐ１の面積Ｓｐ１と傾斜面４１ｓ１の面積Ｓｓ１との和であるが、当該接触面積Ｓａ１は当該接着領域Ｒを枠外側方向に見たときの投影面積Ｓｅよりも広い面積となっているので、接着剤５０は、接着性の良いポリエチレンナフタレートから形成されているコア層４１に対して広い範囲で接着される。このように、コア層４１が接着剤５０と接触する接触面積を広くすることで、電極１０に対してシール用接着積層体４０をより高い接着力で接着させることができる。

図３（ｃ）に示す形態は、コア層４１の層端が、一部の枠内側端縁部４１ｅ２と傾斜面４１ｓ２を有する構造となっている。接着領域Ｒの接着面積Ｓａ２は、枠内側周縁部４１ｅ２の面積Ｓｅ２と傾斜面４１ｓ２の面積Ｓｓ２との和であるが、当該接触面積Ｓａ２は当該接着領域Ｒを枠外側方向に見たときの投影面積Ｓｅよりも広い面積となっている。更に、図３（ｄ）に示す形態は、コア層４１の層端構造が、傾斜面４１ｓ３によってのみ形成されている。接着領域Ｒの接着面積Ｓａ３は、傾斜面４１ｓ３の面積Ｓｓ３であるが、当該接触面積Ｓａ３は当該接着領域Ｒを枠外側方向に見たときの投影面積Ｓｅよりも広い面積となっている。コア層４１の層端構造は、その他、種々の変形例も考えられる。接着性を良好にするために、接着領域Ｒを粗面に形成することもできる。いずれも、接着面積Ｓａは、内側端縁部から枠外側方向に見た投影面積Ｓｅよりも広く設定されている。したがって、接着剤５０は、接着性の良いポリエチレンナフタレートから形成されているコア層４１に対して広い範囲で接着される。したがって、電極１０に対してシール用接着積層体４０をより高い接着力で接着させることができる。

次に、本実施例とは異なる比較例で起こり得る問題について説明する。図４は、本発明による燃料電池セルに対する比較例の説明図である。なお、比較例については本実施例と同一の構成については同一の符号を付することにより重複する説明を省略する。

図４に示す燃料電池の単セル７０は、図４（ａ）に示すように、シール用接着積層体８０のコア層４１と第１接着層４２及び第２接着層４３の枠内側端縁部４１ｅ，４２ｅ，４３ｅが共通のストレートな面となるように面一に形成されている。したがって、接着剤５０は、シール用接着積層体８０のコア層４１についてはその端縁部４１ｅでのみ接着されている。コア層４１が接着性の良いＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）であっても、充分な接着力が得られない可能性がある。

燃料電池の特性として電極１０に収縮が生じて、電極１０とセパレータ３３ａ，３３ｃで挟まれているシール用接着積層体８０との間で引っ張り力Ｔが生じることがある。引っ張り力Ｔが生じると、図４（ｂ）に示すように、シール用接着積層体８０の各端縁部４１ｅ，４２ｅ，４３ｅが接着剤５０から剥がれる可能性がある。このような剥がれが生じると、剥がれた箇所を起点Ｐとして電極１０に亀裂Ｃｒが生じる可能性がある。

更に、接着剤５０の塗布量にバラツキがあって、塗布量が多くなると、図４（ｃ）に示すように、カソード側ガス拡散層２２ｃと単セル７０の枠内側端縁部との間で接着剤５０がはみ出ることがある。例えばカソード側セパレータ３３ｃ内部のカソード流路３４ｃに接着剤のはみ出し５０ａが生じると、カソード流路３４ｃの流路が狭くなってカソード流路３４ｃを流れるガスの流れＦ’に圧損が生じ、燃料電池の性能の低下を引き起こす可能性がある。

以上、本発明による燃料電池セルに関して、好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形、変更が可能であることは明らかである。

１０ 電極（膜電極） １０ｅ 端縁部
１０ｃ 中央領域 １０ｐ 周縁領域
２０ 膜電極接合体
２２ａ アノード側ガス拡散層 ２２ｃ カソード側ガス拡散層
２５ 段部
３３ａ アノード側セパレータ ３３ｃ カソード側セパレータ
３４ａ アノード流路 ３４ｃ カソード流路
３５ａ，３５ｃ 冷媒流路
４０，８０ シール用接着積層体
４１ コア層 ４１ｅ，４１ｅ２ 枠内側端縁部
４１ｐ 枠内側周縁部 ４１ｐ１ 枠内側周縁部
４１ｓ１，４１ｓ２，４１ｓ３ 傾斜面
４２ 第１接着層 ４２ｅ 枠内側端縁部
４３ 第２接着層 ４３ｅ 枠内側端縁部
５０ 接着剤 ５０ａ 接着剤のはみ出し
６０，７０ 単セル
ａ１〜ａ３，ａ４〜ａ６ アノード側セパレータ３３ａの孔
ｃ１〜ｃ３，ｃ４〜ｃ６ カソード側セパレータ３３ｃの孔
ｓ１〜ｓ３，ｓ４〜ｓ６ シール用接着積層体４０の孔
Ｒ 接着領域 Ｌ 塗布限界線
Ｓａ，Ｓａ１，Ｓａ２，Ｓａ３ 接着面積
Ｓｐ，Ｓｅ 投影面積 Ｓｐ１，Ｓｓ１，Ｓｅ２，Ｓｓ２，Ｓｓ３ 面積
Ｔ 引っ張り力 Ｐ 起点
Ｃｒ 亀裂 Ｆ，Ｆ’ ガスの流れ

Claims (1)

1. 膜電極を含む膜電極接合体と、該膜電極接合体を挟む二つのセパレータと、該二つのセパレータ同士を接着させる枠状のシール用接着積層体と、該シール用接着積層体を前記膜電極接合体に接着する接着剤と、を備えている燃料電池セルであって、
   前記シール用接着積層体は、ポリエチレンナフタレートで形成されているコア層と、該コア層を挟むポリプロピレンで形成されている二つの接着層からなる３層構造を有し、
   前記コア層の前記膜電極側に配されている一方の前記接着層の枠内側端縁部が前記コア層の枠内側端縁部よりも枠外側方向に後退しており、
   前記コア層は、前記二つの接着層の枠内側端縁部間で露出した枠内側の接着領域で前記接着剤に接着されており、
   前記二つの接着層は、該二つの接着層の枠内側端縁部において前記接着剤に接着されており、
   前記接着領域の接着面積は、当該接着領域を枠外側方向に見たときの投影面積よりも広い面積となっていること
   を特徴とする燃料電池セル。

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