JP2022128190A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】本開示は、燃料電池スタックの積層体を構成するセル間の接着部の樹脂が外側へ漏れ出す樹脂移動を抑制し、シール不良の発生を抑制した燃料電池スタックを提供する。
【解決手段】本開示における燃料電池スタックは、電解質膜と電解質膜を挟んで一方の面に配置されるアノードと他方の面に配置されるカソードとで構成される電解質膜－電極接合体と、電解質膜－電極接合体の両外側に配置される一対のセパレータと、を接着部によって接合する燃料電池セルを複数段積層して構成される燃料電池スタックであって、接着部は、少なくとも一部に繊維を含有する樹脂を備え、セパレータの接着部との接着面の表面粗さを規定値以上とする。
【選択図】図２

Description

本開示は、燃料電池スタックに関する。

特許文献１は、ガスのクロスリークや外部リーク、ショートカットを、簡単な構造および製造方法で防ぐことができ、同時に耐久性を改善させて小型化、薄型化を実現することができる、燃料電池モジュール及び燃料電池スタックを開示する。
この燃料電池モジュール及び燃料電池スタックは、高分子電解質膜と、高分子電解質膜の第１面に設けられたアノード電極と、高分子電解質膜の第２面に設けられたカソード電極と、電極－膜接合体と、アノード面およびカソード面からそれぞれ挟み込む一対のセパレータとの間に、少なくとも一部に繊維を含有する樹脂で構成された接着部によって互いに接着された燃料電池モジュールで構成した燃料電池スタックと、を備える。

特開２０１７－１４７２３６号公報

本開示は、燃料電池スタックの積層体を構成するセル間の接着部の樹脂が外側へ漏れ出す樹脂移動を抑制し、シール不良の発生を抑制した燃料電池スタックを提供する。

本開示における燃料電池スタックは、電解質膜と電解質膜を挟んで一方の面に配置されるアノードと他方の面に配置されるカソードとで構成される電解質膜－電極接合体と、電解質膜－電極接合体の両外側に配置される一対のセパレータと、を接着部によって接合する燃料電池セルを複数段積層して構成される燃料電池スタックであって、接着部は、少なくとも一部に繊維を含有する樹脂を備え、セパレータの接着部との接着面の表面粗さを規定値以上とする。

本開示における燃料電池スタックは、接着部が少なくとも一部に繊維を含有する樹脂を備える。これにより、繊維が接着部の樹脂との摩擦により、樹脂が流動することを抑制する方向に作用する。また、接着面のセパレータの表面粗さを規定値以上にすることで、セパレータと接着部との界面の樹脂移動抵抗を向上させる。これら作用により、樹脂がシール面外へ漏れ出す樹脂移動を抑制し、シール不良の発生を抑制することができる。

実施の形態に係る燃料電池スタックの断面図 実施の形態に係る燃料電池セルの断面図 燃料電池セルにおいて、アノード側セパレータ上に接着部を設置した状態を説明する概略構成図 燃料電池セルにおいて、カソード側セパレータ上に接着部を設置した状態を説明する概略構成図 加熱プレス前における、燃料電池セルの接着部の部分拡大図 加熱プレス後における、燃料電池セルの接着部の部分拡大図 セパレータ表面の部分拡大図 表面粗さの概念図 セパレータの表面粗さと樹脂移動量の関係を示す特性図 燃料電池スタックの製造方法を説明するフローチャート

（本開示の基礎となった知見等）
発明者らが本開示に想到するに至った当時、接着部を用いた燃料電池のセルを複数積層化し、燃料電池スタックとする技術は、積層方向を鉛直方向として加熱プレスを用いる手法であった。
そうした状況下において、発明者らは、より多数のセルを積層し、燃料電池スタックとする際には、加熱プレス時の燃料電池スタックの積層方向の両端部と中央部で高温保持される時間に差が生じていることに着目した。
即ち、燃料電池スタックの両端部は、熱源に近いため樹脂が軟化点を超えた温度で長時間保持される。樹脂が移動できる時間が長くなると、接着部の樹脂がシール面外に移動し（以降、樹脂移動とする）、樹脂量が不足して接着面のセパレータの微細な凹凸によって生じる空隙を充填することができず、樹脂で充填されなかった空隙によってシール性が損なわれ、シール不良になる。一方中央部は、熱源から離れているため樹脂移動できる時間が短くなり、シールに必要な接着部の樹脂量が不足することがない。よって、これら燃料電池スタックの積層体のセル間でシールに必要な接着部の樹脂量のバラツキが生じやすく、両端部でシール不良になるという課題があることを発見した。
そして、発明者らは、その課題を解決するために、高温保持される際の樹脂の移動を抑制することを課題とし、本開示の主題を構成するに至った。

そこで本開示は、電解質膜と電解質膜を挟んで一方の面に配置されるアノードと他方の面に配置されるカソードとで構成される電解質膜－電極接合体と、電解質膜－電極接合体の両外側に配置される一対のセパレータと、を接着部によって接合する燃料電池セルを複数段積層して構成される燃料電池スタックであって、接着部は、少なくとも一部に繊維を含有する樹脂を備え、セパレータの接着部との接着面の表面粗さを規定値以上とすることを特徴とする燃料電池スタックを提供する。

以下、図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明、または、実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が必要以上に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。
なお、添付図面および以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために提供されるのであって、これらにより特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図していない。

（実施の形態）
以下、図１～図１０を用いて、実施の形態を説明する。

［１．構成］
［１－１．燃料電池スタックの構成］
図１は、実施の形態に係る燃料電池スタックの断面図である。燃料電池スタック３００は、燃料電池セル１００を複数段積層して構成され、両端に集電部２０４が設けられる。一方の端に絶縁部２０２とタンバン２０１が配設され、他端にタンバン２０１と絶縁部２０２が配設される。また一方の端に設けた集電部２０４に隣接して締結バネ２０３が配設される。

［１－２．燃料電池セルの構成］
次に、図２を用いて燃料電池セルの構成を説明する。図２は実施の形態に係る燃料電池スタック３００を構成する燃料電池セルの断面図である。燃料電池セル１００は、電解質膜１０９を挟んで一方の面に配置されるアノード１０５と他方の面に配置されるカソード１０６とを備える。アノード１０５の電解質膜１０９側とは反対側には、アノードＧＤＬ１０７（ＧＡＳ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｌａｙｅｒ：ガス拡散層、以下同じ）が設けられる。またカソード１０６の電解質膜１０９側とは反対側には、カソードＧＤＬ１０８が設けられる。燃料電池セル１００は、アノード１０５と、アノードＧＤＬ１０７と、電解質膜１０９と、カソード１０６と、カソードＧＤＬ１０８から構成される電解質膜－電極接合体１１０と、その両外側に配置される一対のアノード側セパレータ１０１とカソード側セパレータ１０２、および、電解質膜－電極接合体１１０とセパレータを接合する接着部１１１と、を備える。接着部１１１は、少なくとも一部に繊維を含有する樹脂を備える。

ここで電解質膜１０９には、例えばスルホン酸基を有するパーフルオロカーボンスルホン酸系の高分子電解質膜を用いる。
またアノード１０５とカソード１０６には、白金を担持したカーボン粒子をカーボン製フェルト上に塗布形成したものを用いる。アノード側セパレータ１０１、および、カソード側セパレータ１０２は、ガス透過性のない導電性部材である圧縮カーボンによって構成されてよい。

図３は、実施の形態に係る燃料電池スタック３００を構成する燃料電池セル１００において、アノード側セパレータ１０１上に接着部１１１を設置した状態を説明する概略構成図である。アノード側セパレータ１０１は、燃料ガスを供給するアノード燃料ガス入口１ａと、アノード燃料ガス供給流路１０３とを連通したアノード燃料ガス入口接続溝４ａとを備える。またアノード側セパレータ１０１は、アノード燃料ガス供給流路１０３と、余剰の燃料ガスを排出するアノード燃料ガス出口１ｂとを連通したアノード燃料ガス出口接続溝４ｂを備える。
そしてアノード燃料ガス供給流路１０３を囲むようにアノード側セパレータ１０１の上に額縁状に設置した接着部１１１が配設される。接着部１１１は、少なくとも一部に繊維を含有する樹脂を備える。
アノード側セパレータ１０１の接着部１１１側表面、具体的には後述する図７のアノード側セパレータの接着面１２０は、後述するように粗面１１４を備える。

図４は、実施の形態に係る燃料電池スタック３００を構成する燃料電池セル１００において、カソード側セパレータ１０２上に接着部１１１を設置した状態を説明する概略構成図である。カソード側セパレータ１０２は、燃料ガスを供給するカソード燃料ガス入口３ａと、カソード燃料ガス供給流路１０４とを連通したカソード燃料ガス入口接続溝５ａとを備える。またカソード側セパレータ１０２は、カソード燃料ガス供給流路１０４と、余剰の燃料ガスを排出するカソード燃料ガス出口３ｂとを連通したカソード燃料ガス出口接続溝５ｂを備える。
そしてカソード燃料ガス供給流路１０４を囲むようにカソード側セパレータ１０２の上に額縁状に設置した接着部１１１が配設される。接着部１１１は、少なくとも一部に繊維を含有する樹脂を備える。
カソード側セパレータ１０２の接着部１１１側表面、具体的には後述する図７のカソード側セパレータの接着面１２５は、後述するように粗面１１４を備える。
燃料電池スタック３００は、電解質膜１０９と電解質膜１０９を挟んで一方の面に配置されるアノード１０５と他方の面に配置されるカソード１０６とで構成される電解質膜－電極接合体１１０と、その両外側に配置されるアノード側セパレータ１０１と、カソード側セパレータ１０２と、を接着部１１１によって接合した燃料電池セル１００を複数段積層して構成される。

具体的には、本実施の形態に係る燃料電池スタック３００は、電解質膜と電解質膜を挟んで一方の面に配置されるアノードと他方の面に配置されるカソードとで構成される電解質膜－電極接合体と、電解質膜－電極接合体の両外側に配置される一対のセパレータと、を接着部によって接合する燃料電池セルを複数段積層して構成される燃料電池スタックであって、接着部は、少なくとも一部に繊維を含有する樹脂を備え、セパレータの接着部との接着面の表面粗さを規定値以上とする。
規定値は、例えば３０ｎｍである。より好ましくは、規定値は５０ｎｍである。さらにより好ましくは、規定値は７０ｎｍである。表面粗さについては［４．セパレータの接着面の表面粗さ］で詳細に記述する。

［２．燃料電池スタックの製造方法］
図１０は、燃料電池スタック３００の製造方法を説明するフローチャートである。
まず電解質膜-電極接合体１１０と、アノード側セパレータ１０１と、カソード側セパレータ１０２と、接着部１１１と、で燃料電池セル１００（図２参照）を組む（ステップＳ１００）。次に不図示の加熱プレス装置に燃料電池セル１００を複数段積層し、燃料電池スタック３００とする準備を整える（ステップＳ１０１）。このとき加熱プレス装置においては、積層された燃料電池セル１００の積層方向で全体を圧縮する向きに力を掛けるように、複数の燃料電池セル１００が配置される。燃料電池スタック３００は、仮固定される（ステップＳ１０２）。そして加熱プレス装置に積層された複数の燃料電池セル１００は、締結力を加えられながら所定の温度まで加熱される。加熱温度は、例えば摂氏１６０度である。締結加熱の時間を計測し、所定時間Ｔ１が経過したかどうかを判定する（ステップＳ１０４）。Ｔ１は例えば６０分である。締結加熱の時間がＴ１以上になったならば（ステップＳ１０４：Ｙｅｓ）、燃料電池スタック３００を冷却させ、冷却させたのち組みあがった燃料電池スタック３００を加熱プレス装置から取り外す（ステップＳ１０５）。締結加熱の時間がＴ１未満の場合、加熱締結を続ける（ステップＳ１０４：Ｎｏ）。

［３．繊維を含有する樹脂を備える接続部の挙動］
図５と図６を用いて、繊維１１２を備える接着部１１１が加熱締結されたときに、どのような挙動を示すか説明する。
図５は、加熱プレス前における、燃料電池セル１００の接着部の部分拡大図である。加熱プレス装置による締結圧は、図上Ｚ方向の上下から燃料電池セル１００を圧縮する方向に加えられる。加熱プレス前において接着部１１１は、アノード側セパレータ１０１と、カソード側セパレータ１０２の間に挟まれた形で配置される。加熱された場合、接着部１１１を構成する樹脂の流動性が高い場合には、アノード側セパレータ１０１とカソード側セパレータ１０２の間から流れ出してしまい、冷却後、シール不良の原因となりうる。

図６は、加熱プレス後における、燃料電池セル１００の接着部１１１の部分拡大図である。本実施の形態においては、接着部１１１は、少なくとも一部に繊維１１２を含有する樹脂を備え、繊維１１２は、熱収縮性を有する。繊維１１２が存在することで、摩擦により、接着部１１１を構成する樹脂の樹脂移動を抑制し得る。また接着部１１１が加熱されると、繊維１１２が収縮し、接着部１１１全体を収縮させる方向（図６の破線矢印方向）に収縮力が作用する。

［４．セパレータの接着面の表面粗さ］
図７は、セパレータ表面の部分拡大図である。燃料電池セル１００の接着部１１１と当接するアノード側セパレータの接着面１２０は、基準面１１３に対して、粗面１１４を有しており、その表面粗さは規定値以上、例えば７０ｎｍ以上に処理されている。燃料電池セル１００の接着部１１１と当接するカソード側セパレータの接着面１２５は、基準面１１３に対して、粗面１１４を有しており、その表面粗さは規定値以上、例えば７０ｎｍ以上に処理されている。
ここで表面粗さは、図８において、輪郭曲線１１５を粗さ曲線と仮定し、高さ方向の算術平均粗さＲａを用いる。算術平均粗さＲａは、測定箇所の平均線１１６の方向に基準長さｎだけ抜き取り、この抜き取り部分の平均線１１６の方向にＸ軸を、縦倍率の方向にＹ軸を取り、粗さ曲線をＹ＝Ｆ（Ｘ）で表したとき、Ｒａ＝（１/ｎ）・ΣＹｉで求められる値を表したものである。すなわち、図８の平均線１１６と輪郭曲線１１５との間の面積の算術平均面積１１７を基準長さｎで割った値として表すことができる。

接着部１１１と当接するアノード側セパレータの接着面１２０の表面粗さを規定値以上、例えば７０ｎｍ以上としたアノード側セパレータ１０１、および、カソード側セパレータの接着面１２５の表面粗さを規定値以上、例えば７０ｎｍ以上としたカソード側セパレータ１０２を用いることで、アノード側セパレータ１０１およびカソード側セパレータ１０２と、接続部１１１との界面の樹脂移動抵抗が向上する。
図９は、セパレータの表面粗さと樹脂移動量の関係を示す特性図である。
アノード側セパレータ１０１およびカソード側セパレータ１０２と接着部１１１との間の樹脂移動量と、アノード側セパレータ１０１およびカソード側セパレータ１０２と接着部１１１との界面の表面粗さの関係は、反比例であり、接続部１１１の樹脂移動量の閾値Ａの場合、交点Ｂは７０ｎｍとなる。このため、接着部１１１と当接するアノード側セパレータの接着面１２０とカソード側セパレータの接着面１２５の表面粗さを７０ｎｍ以上とすることで、接続部１１１との界面の樹脂移動抵抗を向上させ、樹脂移動量を減少させることができることがわかる。

なお表面粗さＲａについて７０ｎｍ以上にすると樹脂移動抵抗が十分な大きさになるというのは、例示であり、樹脂の種類や、加熱締結の加熱温度、締結力等によって樹脂移動量が適正になるＲａの下限値は変化することは言うまでもない。

［５．効果等］
本実施の形態に係る燃料電池スタック３００は、電解質膜と電解質膜を挟んで一方の面に配置されるアノードと他方の面に配置されるカソードとで構成される電解質膜－電極接合体と、電解質膜－電極接合体の両外側に配置される一対のセパレータと、を接着部によって接合する燃料電池セルを複数段積層して構成される燃料電池スタックであって、接着部は、少なくとも一部に繊維を含有する樹脂を備え、セパレータの接着部との接着面の表面粗さを規定値以上とする。
接着部１１１が一部に繊維１１２を有することで、摩擦により、接着部１１１を構成する樹脂移動を抑制し得る。また、セパレータの表面粗度を規定値以上にすることで、セパレータと接着部１１１との界面の樹脂移動抵抗を向上させる。そのため、接着部１１１の樹脂が、加熱締結時にシール面外へ漏れ出してしまう樹脂移動を抑制し、シール不良の発生が抑制された燃料電池スタックを提供することができる。

本実施の形態に係る燃料電池スタック３００における接着部が備える繊維は、熱収縮性を有した繊維である。
燃料電池スタック３００は、セル間の接着部１１１の一部に含まれる繊維１１２が熱収縮し、接着部１１１の樹脂幅が収縮する方向に作用する。そのため、樹脂がシール面外へ漏れ出す樹脂移動を抑制し、シール不良の発生を抑制した燃料電池スタックを提供することができる。

本実施の形態に係る燃料電池スタック３００におけるセパレータの表面粗さが７０ｎｍ以上である。
これにより、樹脂移動抵抗を向上させ、樹脂移動量を減少させることができる。これら作用により、樹脂がシール面外へ漏れ出す樹脂移動を抑制し、シール不良の発生が抑制された燃料電池スタックを提供することができる。

［６．その他の実施の形態］
以上のように、本出願において開示する技術の例示として、実施の形態を説明した。しかしながら、本開示における技術は、これに限定されず、変更、置き換え、付加、省略などを行った実施の形態にも適用できる。また、上記実施の形態で説明した各構成要素を組み合わせて、新たな実施の形態とすることも可能である。

接着部１１１の樹脂は、熱硬化性樹脂であっても、熱可塑性樹脂であってもよい。ただし、熱可塑性樹脂を接続部１１１として用いた場合、燃料電池スタック３００の発電時の発熱により、接着部１１１が軟化しやすくなるため、熱硬化性樹脂を用いることは硬化後の耐熱性の点で優位である。また、含有する繊維１１２は、ガラス繊維が好ましく、より好ましくは、ガラス繊維にエポキシ樹脂を含浸させたプリプレグが耐熱温度、線膨張係数などの点で好ましい。ただし、繊維１１２の強度、厚み、線膨張係数および含有物質に応じてアラミド繊維やカーボン繊維などの他の繊維を用いることができる。また繊維１１２を含有する樹脂と他の樹脂を多層に積層した構成や、部分的に組成の異なる構成であってもよい。こうすることで、部分的に接着強度の向上や熱伝導性の抑制を行うことができる。

また、実施の形態において、燃料電池セル１００を積層して積層体を構成する場合は、燃料電池セル１００同士の間にさらに接続部１１１を設けて一体に接合してもよい。
また、実施の形態において、燃料電池スタック３００の締結および加熱は、加熱後に１０ｋＮ程度まで締結を行うことが好ましい。これにより、加熱時に接続部に流動性を付与しながら、所定の締結力を付与することができるため、電解質膜－電極接合体１１０とアノード側セパレータ１０１およびカソード側セパレータ１０２との間の接触抵抗を下げることができる。

なお、上述の実施の形態は、本開示における技術を例示するためのものであるから、特許請求の範囲またはその均等の範囲において種々の変更、置き換え、付加、省略などを行うことができる。

本開示は、電解質膜-電極接合体とセパレータとを接着部を介して接合する燃料電池スタックであって、加熱により流動性を獲得し得る接着部を有する燃料電池スタックに適用可能である。

１ａ アノード燃料ガス入口
１ｂ アノード燃料ガス出口
２ａ 冷却水入口
２ｂ 冷却水出口
３ａ カソード燃料ガス入口
３ｂ カソード燃料ガス出口
４ａ アノード燃料ガス入口接続溝
４ｂ アノード燃料ガス出口接続溝
５ａ カソード燃料ガス入口接続溝
５ｂ カソード燃料ガス出口接続溝
１００ 燃料電池セル
１０１ アノード側セパレータ
１０２ カソード側セパレータ
１０３ アノード燃料ガス供給流路
１０４ カソード燃料ガス供給流路
１０５ アノード
１０６ カソード
１０７ アノードＧＤＬ
１０８ カソードＧＤＬ
１０９ 電解質膜
１１０ 電解質膜－電極接合体
１１１ 接着部
１１２ 繊維
１１３ 基準面
１１４ 粗面
１１５ 輪郭曲線
１１６ 平均線
１１７ 算術平均面積
１２０ アノード側セパレータの接着面
１２５ カソード側セパレータの接着面
２０１ タンバン
２０２ 絶縁部
２０３ 締結バネ
２０４ 集電部
３００ 燃料電池スタック

Claims (3)

1. 電解質膜と前記電解質膜を挟んで一方の面に配置されるアノードと他方の面に配置されるカソードとで構成される電解質膜－電極接合体と、
   前記電解質膜－電極接合体の両外側に配置される一対のセパレータと、を接着部によって接合する燃料電池セルを複数段積層して構成される燃料電池スタックであって、
   前記接着部は、少なくとも一部に繊維を含有する樹脂を備え、
   前記セパレータの前記接着部との接着面の表面粗さを規定値以上とすることを特徴とする燃料電池スタック。
2. 前記繊維は、熱収縮性を有した繊維であることを特徴とする、
   請求項１に記載の燃料電池スタック。
3. 前記セパレータの表面粗さが７０ｎｍ以上であることを特徴とする、
   請求項１または請求項２に記載の燃料電池スタック。

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