JP7188192B2 - 燃料電池、およびその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池、およびその製造方法に関する。
燃料電池(燃料電池スタックということもある)は、通常、複数の燃料電池セル(単セルともいい、以下では、単にセルということがある)を積層したスタック構造を有している。各燃料電池セルは、イオン透過性の電解質膜と、該電解質膜を挟持するアノード側触媒層(電極触媒層)およびカソード側触媒層(電極触媒層)とからなる膜電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)を備えている。MEAの両側には、燃料ガスもしくは酸化剤ガスを提供するとともに電気化学反応によって生じた電気を集電するためのガス拡散層(GDL:Gas Diffusion Layer)が形成されている。GDLが両側に配置された膜電極接合体は、膜電極ガス拡散層接合体(MEGA:Membrane Electrode & Gas Diffusion Layer Assembly)と称され、MEGAは、一対のセパレータにより挟持されている。各セパレータは、例えばプレス加工によって波形状ないし凹凸状に成形されており、アノード側触媒層(電極触媒層)に燃料ガスを供給する流路と、カソード側触媒層(電極触媒層)に酸化剤ガスを供給する流路とを有している。また、MEAとGDLとの間に、樹脂製のマイクロポーラス層(MPL:Micro Porous Layer)が介在されているものもある。
また、かかる燃料電池(燃料電池セル)において、MEGAの周縁部(外周部)に枠状の樹脂シート(樹脂フレームや樹脂枠ともいう)を配置した樹脂シート付きのMEGAが知られている。
例えば特許文献1には、電解質膜の両面に電極触媒層が形成された膜電極接合体と、前記膜電極接合体の一方の面の外周縁部に枠状に形成された接着剤層と、枠形状を有する樹脂フレーム部材(樹脂シート)であって、前記樹脂フレーム部材の内周縁部が前記接着剤層の外周縁部と接触した状態で重なるように積層された樹脂フレーム部材と、前記樹脂フレーム部材の内周縁部よりも内側に配置されたガス拡散層であって、前記ガス拡散層の外周縁部が前記接着剤層の内周縁部と接触した状態で重なるように積層されたガス拡散層と、を備える樹脂フレーム部材(樹脂シート)付きのMEGAが開示されている。前記ガス拡散層は、前記ガス拡散層の外周縁部に設けられた樹脂製で枠状のマイクロポーラス層を有し、前記マイクロポーラス層は前記接着剤層の内周縁部と接触しており、前記マイクロポーラス層の内周端は前記接着剤層の内周端よりも内側に突出して延びている。
特許文献1に所載の従来技術によれば、マイクロポーラス層が、ガス拡散層の外周端から内側に向かって接着剤層の内周端よりも内側に突出して延びるように形成されているので、接着剤層にガス拡散層を押圧する圧力の応力に対するガス拡散層の強度を向上させることができ、接着剤層に積層されたガス拡散層の折れや曲り等の変形の発生を抑制することができる。
特開2017-188346号公報
ところで、MEGAの周縁部に樹脂シートを配置する場合、上記特許文献1等にも記載されているように、通常は、例えば、アノード側GDL(An-GDL)-アノード側MPL(An-MPL)-アノード側電極触媒層-電解質膜-カソード側電極触媒層(または、アノード側GDL(An-GDL)-アノード側MPL(An-MPL)-アノード側電極触媒層-電解質膜-カソード側電極触媒層-カソード側MPL(Ca-MPL))がそれぞれ同じ寸法で積層されており、その最上層のカソード側電極触媒層に接着剤(例えば紫外線(UV)硬化型)を塗布して接着剤層を形成し、その接着剤層を介して樹脂シートをカソード側GDL(Ca-GDL)とともにMEAに接合している(図7(A)参照)。あるいは、例えば、アノード側GDL(An-GDL)-アノード側MPL(An-MPL)-アノード側電極触媒層-電解質膜がそれぞれ同じ寸法で積層されており(つまり、電解質膜の外周縁部にはカソード側電極触媒層が形成されておらず)、その最上層の電解質膜に接着剤(例えば紫外線(UV)硬化型)を塗布して接着剤層を形成し、その接着剤層を介して樹脂シートをMEAに接合している(図7(B)参照)。
しかし、上記特許文献1等に記載の従来技術においては、次のような解決すべき課題がある。
すなわち、燃料電池は、発電によりセル内が湿潤と乾燥とを繰り返し、電解質膜にひずみが生じる。電解質膜は、自身の補強層および電極触媒層・MPL・GDLそれぞれの接合強度により寸法変化が抑制されているが、ひずみが蓄積すると、それぞれの接合強度で電解質膜の寸法変化を抑えきれなくなる。その結果、電解質膜に蓄積したひずみが電極触媒層や電解質膜に付着している接着剤(接着剤層)にも作用し、樹脂シートとの間で剥離が発生する可能性がある。
また、接着剤(接着剤層)が付着している電極触媒層や電解質膜、およびその下層の電極触媒層やMPLは、発電に寄与しておらず、材料コストや製品コストが高騰する要因となっている。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、樹脂シートの接合性(接合力)を高められるとともに、材料コストや製品コストの削減にも寄与し得る燃料電池、およびその製造方法を提供することにある。
前記課題を解決すべく、本発明による燃料電池は、基本的に、電解質膜の両面に電極触媒層が形成された膜電極接合体と、前記膜電極接合体の一方側に配置され、前記膜電極接合体の外側に突出した突出部を有するガス拡散層と、前記突出部において前記膜電極接合体の外側に設けられた接着剤層と、前記接着剤層と接触するように積層され、前記接着剤層を介して前記ガス拡散層と接着される樹脂シートと、を備えることを特徴としている。
好ましい態様では、前記樹脂シートの内端は前記膜電極接合体の外端よりも外側に配在され、少なくとも前記樹脂シートの内縁部が前記接着剤層と接触している。
他の好ましい態様では、前記膜電極接合体の他方側、かつ、前記樹脂シートの内側に配置された別途のガス拡散層をさらに備える。
別の好ましい態様では、前記別途のガス拡散層は、前記膜電極接合体の外側に突出した別途の突出部を有し、前記別途の突出部において前記膜電極接合体の外側にも前記接着剤層が設けられている。
別の好ましい態様では、前記電解質膜の他方面に形成された電極触媒層の外端は前記電解質膜および前記別途のガス拡散層の外端よりも内側に配在され、前記接着剤層は、前記電解質膜と前記別途のガス拡散層とに接触してそれらを接着している。
別の好ましい態様では、前記膜電極接合体と前記ガス拡散層との間、または、前記膜電極接合体と前記別途のガス拡散層との間の少なくとも一方に、マイクロポーラス層が設けられている。
別の好ましい態様では、前記膜電極接合体の一方側に配置された前記ガス拡散層はアノード側ガス拡散層であり、前記膜電極接合体の他方側に配置された前記別途のガス拡散層はカソード側ガス拡散層である。
他の好ましい態様では、前記接着剤層は、ホットメルト接着剤で構成されている。
本発明による燃料電池のより具体的な好ましい態様では、電解質膜の両面に電極触媒層が形成された膜電極接合体と、前記膜電極接合体の一方側に配置され、前記膜電極接合体の外側に突出した突出部を有するアノード側ガス拡散層と、前記膜電極接合体の他方側に配置されたカソード側ガス拡散層と、少なくとも前記突出部において前記膜電極接合体の外側に設けられた接着剤層と、前記カソード側ガス拡散層の外側において、前記接着剤層と接触するように積層され、前記接着剤層を介して前記アノード側ガス拡散層と接着される樹脂シートと、を備えることを特徴としている。
好ましい態様では、前記膜電極接合体と前記アノード側ガス拡散層との間、および、前記膜電極接合体と前記カソード側ガス拡散層との間に、マイクロポーラス層が設けられている。
また、本発明による燃料電池の製造方法は、電解質膜の両面に電極触媒層が形成された膜電極接合体を樹脂シートで保持する燃料電池の製造方法であって、ガス拡散層の外縁部を露出させるように、該ガス拡散層に電極触媒層を形成する工程と、前記電極触媒層に電解質膜をラミネートする工程と、前記ガス拡散層において露出した外縁部に接着剤を塗布して接着剤層を形成する工程と、前記接着剤層と接触するように樹脂シートをラミネートし、前記接着剤層を介して前記ガス拡散層と前記樹脂シートを接着する工程と、を少なくとも含むことを特徴としている。
好ましい態様では、別途のガス拡散層の外縁部を露出させるように、該別途のガス拡散層に別途の電極触媒層を塗布する工程と、前記別途のガス拡散層において露出した外縁部に接着剤を塗布して別途の接着剤層を形成する工程と、前記樹脂シートが前記別途のガス拡散層の外側に位置するように、前記電解質膜における前記電極触媒層側とは反対側に前記別途の電極触媒層を配置して接合する工程と、をさらに含む。
本発明による燃料電池の製造方法のより具体的な好ましい態様では、電解質膜の両面に電極触媒層が形成された膜電極接合体を樹脂シートで保持する燃料電池の製造方法であって、アノード側ガス拡散層の外縁部を露出させるように、該アノード側ガス拡散層に該アノード側ガス拡散層よりも一回り小さい大きさのアノード側電極触媒層を塗布する工程と、前記アノード側電極触媒層に電解質膜をラミネートする工程と、前記アノード側ガス拡散層の外縁部に接着剤を塗布して接着剤層を形成する工程と、前記接着剤層と接触するように樹脂シートをラミネートし、前記接着剤層を介して前記アノード側ガス拡散層と前記樹脂シートを接着する工程と、カソード側ガス拡散層の外縁部を露出させるように、該カソード側ガス拡散層に該カソード側ガス拡散層よりも一回り小さい大きさのカソード側電極触媒層を塗布する工程と、前記カソード側ガス拡散層の外縁部に接着剤を塗布して別途の接着剤層を形成する工程と、前記樹脂シートが前記カソード側ガス拡散層の外側に位置するように、前記電解質膜における前記アノード側電極触媒層側とは反対側に前記カソード側電極触媒層を配置して接合する工程と、を含むことを特徴としている。
本発明によれば、ガス拡散層(例えばアノード側ガス拡散層)が、膜電極接合体の外側に突出した突出部を有し、樹脂シートが、ガス拡散層の突出部において膜電極接合体の外側に設けられた接着剤層を介してガス拡散層と接着されており、樹脂シートとガス拡散層を直接(膜電極接合体を介することなく)接着剤層でつなぐことで、樹脂シートの接合性(接合力)を高められるともに、発電に寄与しない電極触媒層や電解質膜を削減できるため、材料コストや製品コストを削減することもできる。
燃料電池(燃料電池スタック)の一般部の断面図である。 燃料電池(燃料電池セル)の周縁部の拡大断面図である。 燃料電池(燃料電池セル)の製造工程の一例を示すフローチャートである。 図3のアノード側電極部材組付工程(S10a)を概略的に示す断面図である。 図3のカソード側電極部材組付工程(S10c)を概略的に示す断面図である。 図3の電極部材接合工程(S9)を概略的に示す断面図である。 従来技術による燃料電池(燃料電池セル)の周縁部の拡大断面図であり、(A)は、MEAの電極触媒層に接着剤を塗布した例、(B)は、MEAの電解質膜に接着剤を塗布した例を示す図である。
以下、本発明の構成を図面に示す実施形態の一例に基づいて詳細に説明する。以下では、一例として、燃料電池車に搭載される燃料電池またはこれを含む燃料電池システムに本発明を適用した場合を例示して説明するが、適用範囲がこのような例に限られることはない。
[燃料電池(燃料電池スタック)の構成]
図1は、燃料電池(燃料電池スタック)100の一般部を断面視した図である。図1に示すように、燃料電池100には、基本単位であるセル(単電池)1が複数積層されている。各セル1は、酸化剤ガス(例えば空気)と、燃料ガス(例えば水素)と、の電気化学反応により起電力を発生する固体高分子型燃料電池である。セル1は、膜電極ガス拡散層接合体(MEGA)2と、MEGA2を区画するように、MEGA2に接触するセパレータ3とを備えている。なお、本実施形態では、MEGA2は、一対のセパレータ3、3により、挟持されている。
MEGA2は、膜電極接合体(MEA)4と、この両面に配置されたガス拡散層(GDL)7、7とが、一体化されたものである。MEA4は、電解質膜5と、電解質膜5を挟むように接合された一対の電極触媒層6、6と、からなる。電解質膜5は、固体高分子材料で形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜からなり、電極触媒層6は、例えば、白金や白金合金などの触媒を担持した例えば多孔質のカーボン素材により形成される。電解質膜5の一方側(面)に配置された電極触媒層6がアノードとなり(以下、アノード側電極触媒層6aとする)、他方側(面)の電極触媒層6がカソードとなる(以下、カソード側電極触媒層6cとする)。GDL7は、例えばカーボンペーパ若しくはカーボンクロス等のカーボン多孔質体、または、金属メッシュ若しくは発泡金属等の金属多孔質体などのガス透過性を有する導電性部材によって形成される。
また、本実施形態では、MEA4(の電極触媒層6、6)とガス拡散層7、7の間に、一対のマイクロポーラス層(MPL)8、8が介在されている。MPL8は、樹脂製で、GDL7の孔よりも小さな径の微細な孔で構成された微細多孔質部材によって形成される。なお、このMPL8は省略してもよい。
本実施形態では、MEGA2が、燃料電池100の発電部であり、セパレータ3は、MEGA2のGDL7に接触している。
セパレータ3は、導電性やガス不透過性などに優れた金属(例えば、SUS、チタン、アルミ、銅、ニッケル等の金属)を基材とする板状の部材であって、その一面側がMEGA2のGDL7と当接し、他面側が隣接する他のセパレータ3の他面側と当接している。
本実施形態では、各セパレータ3は、(断面形状が)波形状ないし凹凸状に形成されている。セパレータ3の形状は、波の形状が等脚台形をなし、かつ波の頂部がほぼ平坦で、この頂部の両端が等しい角度をなして角張っている。つまり、各セパレータ3は、表側から見ても裏側から見ても、ほぼ同じ形状である。MEGA2の一方のGDL7には、セパレータ3の頂部が面接触し、MEGA2の他方のGDL7には、セパレータ3の頂部が面接触している。
一方の電極触媒層6(アノード側電極触媒層6a)側のGDL7(以下、アノード側ガス拡散層(An-GDL)7aとする)とセパレータ3との間に画成されるガス流路21は、燃料ガスが流通する流路であり、他方の電極触媒層6(カソード側電極触媒層6c)側のGDL7(以下、カソード側ガス拡散層(Ca-GDL)7cとする)とセパレータ3との間に画成されるガス流路22は、酸化剤ガスが流通する流路である。セル1を介して対向する一方のガス流路21に燃料ガスが供給され、ガス流路22に酸化剤ガスが供給されると、セル1内で電気化学反応が生じて起電力が生じる。
さらに、あるセル1と、それに隣接するもうひとつのセル1とは、アノードとなる電極触媒層6とカソードとなる電極触媒層6とを向き合わせて配置されている。また、あるセル1のアノードとなる電極触媒層6に沿って配置されたセパレータ3の背面側の頂部と、もうひとつのセル1のカソードとなる電極触媒層6に沿って配置されたセパレータ3の背面側の頂部とが、面接触している。隣接する2つのセル1間で面接触するセパレータ3、3の間に画成される空間23には、セル1を冷却する冷媒としての水が流通する。
図2は、燃料電池100(の燃料電池セル1)の要部である周縁部を断面視した図である。なお、図2では、セパレータを省略して示している。前記した燃料電池100を構成する各セル1は、図2に示すように、MEGA2の周縁部(外周部)に枠状の樹脂シート10が一体化されている。つまり、本実施形態においては、MEGA2は、枠状の樹脂シート10の内周縁部がMEGA2の一方面の外周縁部に接着剤層15を介して接着された構造を有している。そして、前記MEGA2および樹脂シート10は、図2で図示しない一対のセパレータによって挟持されている。
詳しくは、MEGA2は、例えば概略矩形状を有しており、MEA4のアノード側の面(図2の下面)に矩形状のAn-GDL7aが(アノード側マイクロポーラス層(An-MPL)8aを介して)積層され、MEA4のカソード側の面(図2の上面)に矩形状のCa-GDL7cが(カソード側マイクロポーラス層(Ca-MPL)8cを介して)積層されている。MEA4は、矩形状の電解質膜5のアノード側の面に矩形状のアノード側電極触媒層6aが形成され、電解質膜5のカソード側の面に矩形状のカソード側電極触媒層6cが形成されている。
本実施形態において、アノード側電極触媒層6aは、平面視において(積層方向で視たときに)、電解質膜5と同等の大きさの矩形状に形成されている。一方、カソード側電極触媒層6cは、平面視において、電解質膜5よりも一回り小さい大きさの矩形状に形成されており、電解質膜5(のカソード側の面)の外周縁部は、カソード側電極触媒層6cが形成されておらず、当該カソード側電極触媒層6cから露出している。この電解質膜5(のカソード側の面)の外周縁部は、後述する接着剤層15と接触することになる。
ただし、カソード側電極触媒層6cは、電解質膜5と同様の大きさの矩形状に形成し、アノード側電極触媒層6a-電解質膜5-カソード側電極触媒層6cをそれぞれ同じ寸法で積層してもよい(図7(A)参照)。
また、An-GDL7aは、平面視において、MEA4よりも一回り大きい矩形状に形成されている。このため、An-GDL7aは、MEA4のアノード側の面(図2の下面)に配置された状態において、MEA4の外側(外周)に突出した突出部70aを有している。一方、Ca-GDL7cは、平面視において、MEA4(の電解質膜5)よりも一回り大きく、もしくは、それと同等、かつ、An-GDL7aよりも一回り小さい大きさの矩形状に形成されている。このため、Ca-GDL7cは、MEA4を構成するカソード側電極触媒層6c(およびその上層のCa-MPL8c)の外側(外周)に突出した突出部70cを有している。これにより、図2に示す断面において、MEGA2の外周縁部は、MEA4の両面に配置されたAn-GDL7a(の突出部70a)およびCa-GDL7c(の突出部70c)が外側に突出し、中央に配されたMEA4が内側に窪んだ段付き形状となっている。
一方、MEGA2の周縁部(外周部)において当該MEGA2(のMEA4)を保持する樹脂シート10は、平面視において、その内部開口(換言すれば、その内周端)10aがAn-GDL7a(の外周端)よりも一回り小さく、かつ、Ca-GDL7c(の外周端)と同等、もしくは、それよりも僅かに大きい矩形枠状に形成されている。そのため、樹脂シート10は、MEA4のカソード側(図2の上側)から、その内周縁部がAn-GDL7aの外周縁部に重なるようにして、Ca-GDL7cの外側(外周)に(換言すれば、Ca-GDL7cの外周を囲うように)配置される。
前記樹脂シート10をMEGA2に接着固定するための接着剤層15は、本実施形態では、前記したMEGA2の段付きの外周縁部、すなわち、An-GDL7aの突出部70a、Ca-GDL7cの突出部70c、およびMEA4(およびMEA4の両面に形成されたAn-MPL8a、Ca-MPL8c)の外周端で画成される領域に形成されている。換言すれば、接着剤層15は、An-GDL7aの突出部70aにおいてMEA4(およびAn-MPL8a)の外側(すなわち、MEA4の外周端とAn-GDL7aの外周端との間の枠状部分(図示例では、その全面))と、Ca-GDL7cの突出部70cにおいてMEA4(およびCa-MPL8c)の外側(すなわち、MEA4の外周端とCa-GDL7cの外周端との間の枠状部分(図示例では、その全面))とにわたって、形成されている。接着剤層15においてアノード側の部分、すなわち、An-GDL7aの突出部70aにおいてMEA4(およびAn-MPL8a)の外側に配在される部分(以下、アノード側接着剤層部16ということがある)は、主に、An-GDL7aの外周縁部(突出部70a)と樹脂シート10の内周縁部との間に介装されてそれらを接着する部分である。また、接着剤層15においてカソード側の部分、すなわち、Ca-GDL7cの突出部70cにおいてMEA4(およびCa-MPL8b)の外側に配在される部分(以下、カソード側接着剤層部17ということがある)は、主に、Ca-GDL7cの外周縁部(突出部70c)とMEA4を構成する電解質膜5(のカソード側の面)の外周縁部との間に介装されてそれらを接着する部分である。
したがって、前記樹脂シート10は、その内周縁部が前記接着剤層15の外周縁部であるアノード側接着剤層部16に接触した状態で重なるように積層されて、An-GDL7aの外周縁部(突出部70a)に接着されている。また、前記Ca-GDL7cは、その外周縁部が前記接着剤層15の内周縁部であるカソード側接着剤層部17に接触した状態で重なるように積層されて、MEA4の電解質膜5(のカソード側の面)の外周縁部に接着されている。前記接着剤層15(を構成する接着剤)は、MEA4(の電解質膜5)と樹脂シート10との間に形成される隙間にも進入しており、前記接着剤層15において、アノード側接着剤層部16の内周部分とカソード側接着剤層部17の外周部分とは、MEA4(の電解質膜5)と樹脂シート10との間に形成される隙間を介して一体に繋がっている。
なお、本実施形態において、前記樹脂シート10は、樹脂製の矩形の枠体11の両面に接着層12、12が施された構成を有しており、例えばその両面に施された接着層12、12を介してセパレータに接着されている。なお、枠体11の両面に接着層12、12が形成された樹脂シート10を、三層樹脂シートあるいは三層シートということもある。
前記樹脂シート10を構成する枠体11は、例えば、熱可塑性のポリプロピレン(PP:polypropylene)、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、ポリエチレン(PE:polyethylene)、ポリエチレンテレフタラート(PET:Polyethylene terephthalate)等や、複数の樹脂が積層された樹脂部材、例えば、ポリエチレンナフタレート(PEN:Polyethylene naphthalate)の両面にPPが積層された三層樹脂部材、あるいは、熱硬化性樹脂などによって形成されている。また、前記樹脂シート10を構成する接着層12は、酢酸ビニル系樹脂、ポリビニルアルコール系樹脂、エチレン酢酸ビニル系樹脂、塩化ビニル系樹脂、アクリル系樹脂、ポリアミド系樹脂、セルロース系樹脂、ポリビニルピロリドン系樹脂、ポリスチレン系樹脂、シアノアクリレート系樹脂、ポリビニルアセタール系樹脂などの接着性を付与した熱可塑性樹脂からなる接着剤で構成されている。
また、前記接着剤層15を構成する接着剤は、従来知られたものを適用でき、例えば、ポリイソブチレン系樹脂、エポキシ系樹脂、アクリル系樹脂などのラジカル重合性樹脂を用いた紫外線(UV)硬化型の接着剤、熱可塑性樹脂を用いたホットメルト接着剤などを使用できる。ただし、発電機能への影響、詳しくは白金触媒被毒の観点から、前記接着剤層15を構成する接着剤としては、ホットメルト接着剤が好ましい。このような接着剤層15を構成する接着剤は、例えばディスペンサを用いたスクリーン印刷によって、An-GDL7a(の突出部70a)上やCa-GDL7c(の突出部70c)上に塗布することができる。
このように、本実施形態では、主に、An-GDL7aよりも小さいサイズでAn-MPL8a・アノード側電極触媒層6a・電解質膜5を塗布・積層(ラミネート)し、それらの周囲に接着剤(例えば、ホットメルト接着剤)を塗布して接着剤層15(のアノード側接着剤層部16)を形成し、その接着剤層15(のアノード側接着剤層部16)上に樹脂シート10を積層(ラミネート)し、An-GDL7aと樹脂シート10とを直接接着剤層15でつなぐ、換言すれば、An-GDL7aと樹脂シート10との間を直接接着剤層15で埋めるようにして、樹脂シート10付きのMEGA2を有するセル1が形成される。
図示は省略するが、前記した樹脂シート10付きのMEGA2を有するセル1を複数積層したセル積層体において、セル積層方向両端に、ターミナル、インシュレータ、エンドプレートを配置し、セル積層方向に締め付け(加圧)・固定することで、スタック構造の燃料電池(燃料電池スタック)100が作製される。
[燃料電池(燃料電池セル)の製造工程]
次に、前記した燃料電池100を構成するセル1の製造方法について説明する。図3は、燃料電池(燃料電池セル)の製造工程の一例を示したフローチャートである。また、図4~図6はそれぞれ、燃料電池(燃料電池セル)の製造工程の、アノード側電極部材組付工程(S10a)、カソード側電極部材組付工程(S10c)、電極部材接合工程(S9)を概略的に示したものである。
図3に示すように、セル1の製造工程は、主に、MPLペースト調合工程(S1)、電極触媒インク調合工程(S2)、アノード側構成部品をあらかじめ組み付けるアノード側電極部材組付工程(S10a)、カソード側構成部品をあらかじめ組み付けるカソード側電極部材組付工程(S10c)、S10aで作製されたアノード側電極部材とS10cで作製されたカソード側電極部材を接合する電極部材接合工程(S9)で構成されている。
まず、MPLペースト調合工程(S1)、電極触媒インク調合工程(S2)では、アノード側電極部材組付工程(S10a)およびカソード側電極部材組付工程(S10c)で使用するMPLペースト、および、電極触媒インクを調合する。
MPLペースト調合工程(S1)では、導電性材料、バインダー、分散剤、溶剤等を混合分散させたペースト状部材を作製する。導電性材料としては、カーボン、例えば、カーボンブラックが用いられる。バインダーとしては、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等のフッ素系の高分子材料や、ポリプロピレン、ポリエチレン等の樹脂部材が用いられる。溶剤としては、特に制限されず、水、メタノール、エタノール等の種々の液剤が用いられる。分散剤である界面活性剤も、特に制限されず、エステル型やエーテル型、エステル・エーテル型等の種々の非イオン系界面活性剤等の種々の界面活性剤が用いられる。
具体例としては、カーボン、PTFEディスパーション、水、界面活性剤、増粘剤を、プラネタリーミキサーを用いて分散させ、濾過・脱泡してペースト状にした後、そのペースト状部材(例えば、剪断応力60Pa at 562s-1)をMPLペースト塗布工程(S3a、S3c)に搬送する。
また、電極触媒インク調合工程(S2)では、白金や白金合金などの触媒を担持した触媒担持カーボンを含むインク状部材を作製する。
具体例としては、白金担持カーボン、アイオノマー液、水、アルコールを超音波ホモジを用いて分散させ、レヴィアスターを用いて混合し、フィルミックスを用いて乳化させ、濾過・脱泡してインク状にした後、そのインク状部材(例えば、剪断応力40Pa at 562s-1)を電極触媒インク塗布工程(S4a、S4c)に搬送する。
アノード側電極部材組付工程(S10a)において、MPLペースト塗布工程(S3a)では、あらかじめ用意したアノード側ガス拡散層基材(An-GDL基材)(An-GDLの元となる例えば長尺状の基材)の表面に、S1で調合したMPLペーストを矩形状にパターン塗布してAn-MPL8a(例えば、厚み40μm、寸法290mm×390mm、面内透気度30m3/(Pa・sec))を形成する。このパターン塗布には、例えば間欠ダイ塗工法を用いることができる。なお、このパターン塗布の代わりに、連続塗布したMPLペーストを裁断してAn-MPL8aを形成し、その裁断後のAn-MPL8aをAn-GDL基材上にラミネートしていく方法を用いてもよい。
次いで、電極触媒インク塗布工程(S4a)では、S3aで形成したAn-MPL8aの表面に、S2で調合した電極触媒インクを、An-MPL8aと同等の大きさの矩形状にパターン塗布してアノード側電極触媒層6a(例えば、厚み5μm、寸法290mm×390mm)を形成する。このパターン塗布には、例えば間欠ダイ塗工法を用いることができる。なお、このパターン塗布の代わりに、連続塗布した電極触媒インクを裁断してアノード側電極触媒層6aを形成し、その裁断後のアノード側電極触媒層6aをAn-GDL基材上にラミネートしたAn-MPL8a上にラミネートしていく方法を用いてもよい。
次に、電解質膜ラミネート工程(S5)では、S4aで形成したアノード側電極触媒層6aの表面に、An-MPL8aおよびアノード側電極触媒層6aと同等の大きさの矩形状に形成(例えば、あらかじめ長尺状の基材から裁断して形成)された電解質膜5(例えば、厚み7μm、寸法290mm×390mm)をラミネート(例えば、熱圧ラミネート)する。
GDL基材裁断工程(S6a)では、An-MPL8a、アノード側電極触媒層6a、電解質膜5が表面に積層されたAn-GDL基材を、平面視において電解質膜5等よりも一回り大きい大きさの矩形状に裁断してAn-GDL7a(例えば、寸法300mm×400mm)を形成する。これにより、An-GDL7aの表面において電解質膜5等の外側(外周縁部)に、露出部分である突出部70a(例えば、内寸290mm×390mm、外寸300mm×400mm、幅10mmの枠状部分)が形成されることになる。
接着剤塗布工程(S7a)では、裁断後のAn-GDL7aの表面において電解質膜5等の外側(外周縁部)、つまり、An-GDL7aの突出部70a(の全面)に、接着剤を枠形状ないし額縁形状に塗布してアノード側接着剤層部16(例えば、厚み50μm、幅10mm)を形成する。この接着剤塗布は、例えば所定速度で走査するディスペンサを用いて、ホットメルト接着剤をAn-GDL7aの表面に塗布することによって行うことができる。
樹脂シートラミネート工程(S8)では、S7aで形成されたアノード側接着剤層部16の表面に、矩形枠状に形成された樹脂シート10(詳しくは、樹脂製の枠体11の両面に接着層12、12が形成されたシート状部材)(例えば、内形寸法(つまり、内部開口10aの寸法)292mm×392mm)を、その内周縁部が略均一の幅で重なるように位置合わせしながらラミネートして一体化する。
前述したS3a~S8によって、アノード側の電極部材を構成する各構成部品を組み付けるアノード側電極部材組付工程(S10a)が完了する。
一方、カソード側電極部材組付工程(S10c)において、MPLペースト塗布工程(S3c)では、前述したMPLペースト塗布工程(S3a)と同様に、あらかじめ用意したカソード側ガス拡散層基材(Ca-GDL基材)(Ca-GDLの元となる例えば長尺状の基材)の表面に、S1で調合したMPLペーストを矩形状にパターン塗布してCa-MPL8c(例えば、厚み20μm、寸法286mm×386mm、面内透気度50m3/(Pa・sec))を形成する。ここでは、Ca-MPL8bは、平面視においてAn-MPL8aよりも一回り小さい大きさの矩形状に形成される。
次いで、電極触媒インク塗布工程(S4c)では、前述した電極触媒インク塗布工程(S4a)と同様に、S3cで形成したCa-MPL8cの表面に、S2で調合した電極触媒インクをCa-MPL8cと同等の大きさの矩形状にパターン塗布してカソード側電極触媒層6c(例えば、厚み10μm、寸法286mm×386mm)を形成する。
GDL基材裁断工程(S6c)では、前述したGDL基材裁断工程(S6a)と同様に、Ca-MPL8c、カソード側電極触媒層6cが表面に積層されたCa-GDL基材を、平面視においてカソード側電極触媒層6c等よりも一回り大きい大きさの矩形状に裁断してCa-GDL7c(例えば、寸法292mm×392mm)を形成する。ここでは、Ca-GDL7cは、平面視においてAn-GDL7aよりも一回り小さく、かつ、An-GDL7a上に積層された電解質膜5等よりも一回り大きく、さらに、樹脂シート10の内部開口10aと同様の大きさの矩形状に形成される。これにより、Ca-GDL7cの表面においてカソード側電極触媒層6c等の外側(外周縁部)に、露出部分である突出部70c(例えば、内寸286mm×386mm、外寸292mm×392mm、幅6mmの枠状部分)が形成されることになる。
接着剤塗布工程(S7c)では、前述した接着剤塗布工程(S7a)と同様に、裁断後のCa-GDL7cの表面においてカソード側電極触媒層6c等の外側(外周縁部)、つまり、Ca-GDL7cの突出部70c(の全面)に、接着剤(例えば、ホットメルト接着剤)を枠形状ないし額縁形状に塗布してカソード側接着剤層部17(例えば、厚み30μm、幅6mm)を形成する。
前述したS3c、S4c、S6c、S7cによって、カソード側の電極部材を構成する各構成部品を組み付けるカソード側電極部材組付工程(S10c)が完了する。
アノード側電極部材組付工程(S10a)およびカソード側電極部材組付工程(S10c)の完了後、電極部材接合工程(S9)では、例えばカソード側電極部材組付工程(S10c)後のカソード側の電極部材の上下を反転し、樹脂シート10(の内部開口10a)の内側にCa-GDL7cを配置(内挿)する(換言すれば、樹脂シート10がCa-GDL7cの外側に位置する)とともに、An-GDL7a上に積層された電解質膜5とCa-GDL7c上に積層されたカソード側電極触媒層6c(並びに、An-GDL7aに塗布・形成されたアノード側接着剤層部16(の内周部分)とCa-GDL7cに塗布・形成されたカソード側接着剤層部17(の外周部分))を重ね合わせるようにして、An-GDL7aとCa-GDL7cとを位置合わせしながら積層方向でプレス(例えば、熱間プレス)する。このとき、Ca-GDL7c上に積層されたカソード側電極触媒層6cの外周端は、An-GDL7a上に積層された電解質膜5およびAn-GDL7aの外周端よりも内側に配在されることになる。これにより、アノード側接着剤層部16とカソード側接着剤層部17とが一体とされて接着剤層15を構成するとともに、双方の電極部材が接合されて一体化される。
なお、図示は省略するが、前記の各工程を経て作製した樹脂シート10付きのMEGA2を、一対のセパレータ3、3により挟持することで、燃料電池100を構成するセル1が作製される。
なお、以下の表1は、上述した各工程におけるMPLペースト、電極触媒インクの物性や、各層の厚み、寸法等の一例をまとめて示したものである。
Figure 0007188192000001
このように、本実施形態の製造方法では、主に、An-GDL7aよりも小さいサイズでAn-MPL8a・アノード側電極触媒層6a・電解質膜5を塗布・積層(ラミネート)し、それらの周囲に接着剤(例えば、ホットメルト接着剤)を塗布して接着剤層15(のアノード側接着剤層部16)を形成し、その接着剤層15(のアノード側接着剤層部16)上に樹脂シート10を積層(ラミネート)し、An-GDL7aと樹脂シート10とを直接接着剤層15でつなぐ、換言すれば、An-GDL7aと樹脂シート10との間を直接接着剤層15で埋めることで、樹脂シート10付きのMEGA2を有するセル1を作製する。
以上で説明したように、本実施形態においては、GDL7(例えばAn-GDL7a)が、MEA4の外側に突出した突出部を有し、樹脂シート10が、GDL7の突出部においてMEA4の外側に設けられた接着剤層15を介してGDL7と接着されており、樹脂シート10とGDL7を直接(MEA4を介することなく)接着剤層15でつなぐことで、樹脂シート10の接合性(接合力)を高められるともに、発電に寄与しない電極触媒層6や電解質膜5を削減できるため、材料コストや製品コストを削減することもできる。
なお、上述した実施形態では、MEA4の周囲の全面、換言すれば、An-GDL7aの突出部70aにおいてMEA4(およびAn-MPL8a)の外周と、Ca-GDL7cの突出部70cにおいてMEA4(およびCa-MPL8c)の外周との全面に、接着剤層15が形成されているが、前記接着剤層15は、MEA4の外周の表面の一部(幅方向の一部)のみに形成してもよい。
また、上述した実施形態では、MEA4の周囲全体(全周)にわたって接着剤層15が形成され、その接着剤層15を介して樹脂シート10がAn-GDL7a(の突出部70a)に接着されているが、前記接着剤層15は、MEA4の周囲の一部のみに形成してもよい。
また、上述した実施形態では、樹脂シート10がAn-GDL7a(の突出部70a)に接着されている構成であるが、Ca-GDL7cをAn-GDL7aよりも一回り大きい大きさに形成し、樹脂シート10をCa-GDL7c(の突出部70c)に接着する構成としてもよい。
以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。
1…燃料電池セル(セル)
2…膜電極ガス拡散層接合体(MEGA)
3…セパレータ
4…膜電極接合体(MEA)
5…電解質膜
6…電極触媒層
6a…アノード側電極触媒層
6c…カソード側電極触媒層
7…ガス拡散層(GDL)
7a…アノード側ガス拡散層(An-GDL)
7c…カソード側ガス拡散層(Ca-GDL)
8…マイクロポーラス層(MPL)
8a…アノード側マイクロポーラス層(An-MPL)
8c…カソード側マイクロポーラス層(Ca-MPL)
10…樹脂シート
10a…内部開口
11…枠体
12…接着層
15…接着剤層
16…アノード側接着剤層部
17…カソード側接着剤層部
21、22…ガス流路
23…水が流通する空間
70a…アノード側ガス拡散層の突出部
70c…カソード側ガス拡散層の突出部
100…燃料電池(燃料電池スタック)

Claims (14)

  1. 電解質膜の両面に電極触媒層が形成された膜電極接合体と、
    前記膜電極接合体の一方側に配置されたガス拡散層であって、前記膜電極接合体の外側に突出した突出部を有するガス拡散層と、
    前記膜電極接合体と前記ガス拡散層との間に設けられたマイクロポーラス層と、
    前記突出部において前記膜電極接合体および前記マイクロポーラス層の外側に設けられた接着剤層と、
    前記接着剤層と接触するように積層され、前記接着剤層を介して前記ガス拡散層と接着される樹脂シートと、を備える、燃料電池。
  2. 前記樹脂シートの内端は前記膜電極接合体の外端よりも外側に配在され、少なくとも前記樹脂シートの内縁部が前記接着剤層と接触している、請求項1に記載の燃料電池。
  3. 前記膜電極接合体の他方側であって前記膜電極接合体を挟んで前記ガス拡散層とは反対側、かつ、前記樹脂シートの内側に配置された別途のガス拡散層をさらに備える、請求項1または2に記載の燃料電池。
  4. 前記別途のガス拡散層は、前記膜電極接合体の外側に突出した別途の突出部を有し、
    前記別途の突出部において前記膜電極接合体の外側にも前記接着剤層が設けられている、請求項3に記載の燃料電池。
  5. 前記電解質膜の他方面に形成された電極触媒層の外端は前記電解質膜および前記別途のガス拡散層の外端よりも内側に配在され、前記接着剤層は、前記電解質膜と前記別途のガス拡散層とに接触してそれらを接着している、請求項3または4に記載の燃料電池。
  6. 記膜電極接合体と前記別途のガス拡散層との間、マイクロポーラス層が設けられている、請求項3から5のいずれか一項に記載の燃料電池。
  7. 前記膜電極接合体の一方側に配置された前記ガス拡散層はアノード側ガス拡散層であり、前記膜電極接合体の他方側に配置された前記別途のガス拡散層はカソード側ガス拡散層である、請求項3から6のいずれか一項に記載の燃料電池。
  8. 前記接着剤層は、ホットメルト接着剤で構成されている、請求項1から7のいずれか一項に記載の燃料電池。
  9. 電解質膜の両面に電極触媒層が形成された膜電極接合体と、
    前記膜電極接合体の一方側に配置されたアノード側ガス拡散層であって、前記膜電極接合体の外側に突出した突出部を有するアノード側ガス拡散層と、
    前記膜電極接合体の他方側に配置されたカソード側ガス拡散層と、
    前記膜電極接合体と前記アノード側ガス拡散層との間、または、前記膜電極接合体と前記カソード側ガス拡散層との間に設けられたマイクロポーラス層と、
    少なくとも前記突出部において前記膜電極接合体および前記マイクロポーラス層の外側に設けられた接着剤層と、
    前記カソード側ガス拡散層の外側において、前記接着剤層と接触するように積層され、前記接着剤層を介して前記アノード側ガス拡散層と接着される樹脂シートと、を備える、燃料電池。
  10. 前記膜電極接合体と前記アノード側ガス拡散層との間、および、前記膜電極接合体と前記カソード側ガス拡散層との間に、マイクロポーラス層が設けられている、請求項9に記載の燃料電池。
  11. 電解質膜の両面に電極触媒層が形成された膜電極接合体を樹脂シートで保持する燃料電池の製造方法であって、
    ガス拡散層の外縁部を露出させるように、該ガス拡散層に電極触媒層を形成する工程と、
    前記電極触媒層に電解質膜をラミネートする工程と、
    前記ガス拡散層において露出した外縁部に接着剤を塗布して接着剤層を形成する工程と、
    前記接着剤層と接触するように樹脂シートをラミネートし、前記接着剤層を介して前記ガス拡散層と前記樹脂シートを接着する工程と、を少なくとも含む、燃料電池の製造方法。
  12. 別途のガス拡散層の外縁部を露出させるように、該別途のガス拡散層に別途の電極触媒層を塗布する工程と、
    前記別途のガス拡散層において露出した外縁部に接着剤を塗布して別途の接着剤層を形成する工程と、
    前記別途の電極触媒層が前記電解質膜を挟んで前記電極触媒層とは反対側に位置するとともに前記別途のガス拡散層が前記電解質膜を挟んで前記ガス拡散層とは反対側に位置し、前記別途の接着剤層が前記接着剤層と接するように、かつ、前記樹脂シートが前記別途のガス拡散層の外側に位置するように、前記電解質膜における前記電極触媒層側とは反対側に前記別途の電極触媒層を配置して接合する工程と、をさらに含む、請求項11に記載の燃料電池の製造方法。
  13. 電解質膜の両面に電極触媒層が形成された膜電極接合体を樹脂シートで保持する燃料電池の製造方法であって、
    アノード側ガス拡散層の外縁部を露出させるように、該アノード側ガス拡散層に該アノード側ガス拡散層よりも一回り小さい大きさのアノード側電極触媒層を塗布する工程と、
    前記アノード側電極触媒層に電解質膜をラミネートする工程と、
    前記アノード側ガス拡散層の外縁部に接着剤を塗布して接着剤層を形成する工程と、
    前記接着剤層と接触するように樹脂シートをラミネートし、前記接着剤層を介して前記アノード側ガス拡散層と前記樹脂シートを接着する工程と、
    カソード側ガス拡散層の外縁部を露出させるように、該カソード側ガス拡散層に該カソード側ガス拡散層よりも一回り小さい大きさのカソード側電極触媒層を塗布する工程と、
    前記カソード側ガス拡散層の外縁部に接着剤を塗布して別途の接着剤層を形成する工程と、
    前記カソード側電極触媒層が前記電解質膜を挟んで前記アノード側電極触媒層とは反対側に位置するとともに前記カソード側ガス拡散層が前記電解質膜を挟んで前記アノード側ガス拡散層とは反対側に位置し、前記別途の接着剤層が前記接着剤層と接するように、かつ、前記樹脂シートが前記カソード側ガス拡散層の外側に位置するように、前記電解質膜における前記アノード側電極触媒層側とは反対側に前記カソード側電極触媒層を配置して接合する工程と、を含む、燃料電池の製造方法。
  14. 電解質膜の両面に電極触媒層が形成された膜電極接合体と、
    前記膜電極接合体の一方側に配置され、前記膜電極接合体の外側に突出した突出部を有するガス拡散層と、
    前記突出部において前記膜電極接合体の外側に設けられた接着剤層と、
    前記接着剤層と接触するように積層され、前記接着剤層を介して前記ガス拡散層と接着される樹脂シートと、を備え、
    前記樹脂シートの内端は前記膜電極接合体の外端よりも外側に配在され、少なくとも前記樹脂シートの内縁部が前記接着剤層と接触している、燃料電池。
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