JP5907054B2

JP5907054B2 - 燃料電池の製造方法

Info

Publication number: JP5907054B2
Application number: JP2012272975A
Authority: JP
Inventors: 耕太郎池田; 輝長谷川
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2012-12-14
Filing date: 2012-12-14
Publication date: 2016-04-20
Anticipated expiration: 2032-12-14
Also published as: JP2014120249A

Description

本発明は、燃料電池に関する。

燃料電池は、一般的に、電解質膜の両面に、燃料電池反応を促進するための触媒を担持させた電極（触媒電極）が配置された発電体である膜電極接合体（ＭｅｍｂｒａｎｅＥｌｅｃｔｒｏｄｅＡｓｓｅｍｂｌｙ、以下、ＭＥＡ）を備える。ＭＥＡの両面には、反応ガスを拡散させて触媒電極全体に行き渡らせるためのガス拡散層が配置される。ガス拡散層が配置されたＭＥＡ（膜電極ガス拡散層接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−ＥｌｅｃｔｒｏｄｅＧａｓＤｉｆｆｕｓｉｏｎＬａｙｅｒＡｓｓｅｍｂｌｙ、以下、ＭＥＧＡ））は、一対のセパレータにより挟持される。一対のセパレータ間のＭＥＧＡの外周には、反応ガスの漏洩（いわゆるクロスリーク）、および、電極同士の電気的短絡、を抑制するためのシール部が形成される。

特許文献１には、燃料電池セルを構成するＭＥＧＡの外周側に配置されて一対のセパレータ間をシールするシール構造体に定寸止め部が形成されており、この定寸止め部がスタック組み立て時において一対のセパレータを介して加わる圧縮荷重を受け止めることにより、一対のセパレータ間の間隔を規定する構造が記載されている。

特開２００６−２２８５９０号公報

しかし、特許文献１に記載されたシール構造体は、セパレータに密接してシール機能を発揮するシールリップの内周側および外周側の少なくとも一方に定寸止め部が一体形成された構造であり、また、ゴム状弾性体により構成された構造であるため、コストが高く、また、量産性の点で十分ではなかった。このため、より単純な構造で、シール機能を発揮するとともにセパレータ間の間隔を規定することが可能な技術が望まれていた。また、低コスト化や量産性の向上等が望まれていた。

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。
本発明の一形態は、燃料電池の製造方法である。この燃料電池の製造方法は、（ａ）膜電極ガス拡散層接合体と、前記膜電極ガス拡散層接合体の外周部に配置されるシール部材と、前記膜電極ガス拡散層接合体および前記シール部材を挟持する一対のセパレータと、を用意する工程と；（ｂ）前記膜電極ガス拡散層接合体および前記シール部材の両側に前記一対のセパレータを配置し、あらかじめ定めた温度で前記一対のセパレータを介して前記膜電極ガス拡散層接合体および前記シール部材に荷重を掛けることにより、前記一対のセパレータと前記膜電極ガス拡散層接合体とを接合させるとともに、前記一対のセパレータと前記シール部材を接着させる工程と；を備える。前記シール部材は、前記温度において構造が変化しない熱可塑性樹脂で構成されるコア層と、前記コア層の前記一対のセパレータに接する両側の表層に形成され、前記一対のセパレータと前記コア層とを接着する一対のスキン層と、を備える。前記一対のセパレータで挟持される前の前記シール部材の厚さは、前記一対のセパレータで挟持される前の前記膜電極ガス拡散層接合体の厚さよりも小さい。この形態の燃料電池の製造方法によれば、膜電極ガス拡散層接合体およびシール部材を一対のセパレータで挟持して一体化形成する際に、一対のセパレータ間の間隔がコア層で規定される寸法となるまで、荷重の大きさを規定せずに荷重を掛けることができる。この結果、一対のセパレータ間の間隔が一定となるように規定した燃料電池を短時間で一体化形成することが可能となる。また、膜電極ガス拡散層接合体およびシール部材を一対のセパレータで挟持して一体化形成する際に、膜電極ガス拡散層接合体が一対のセパレータに接触し、かつ、膜電極ガス拡散層接合体に一対のセパレータを介して確実に荷重がかかる状態となるので、膜電極ガス拡散層接合体と一対のセパレータとの接合性を高めることができる。これにより、膜電極ガス拡散層接合体と一対のセパレータとの接合性を要因とする発電特性の低下を抑制し、発電特性の改善を図ることが可能である。
上記形態の燃料電池の製造方法において、前記膜電極ガス拡散層接合体の応力―歪み曲線に基づいて前記一対のセパレータで挟持する際の荷重に応じて規定される前記膜電極ガス拡散層接合体の圧縮時の厚さをＸｓとし、前記一対のセパレータと前記コア層とを接着するために要する前記スキン層の厚さをＹｓとした場合に、前記コア層の厚さＹｃは、（Ｘｓ−２・Ｙｓ）の±５％の範囲内にあるようにしてもよい。この形態の燃料電池の製造方法によれば、膜電極ガス拡散層接合体およびシール部材を一対のセパレータで挟持して一体化形成する際に、コア層の厚さにより、一対のセパレータで挟持された膜電極ガス拡散層接合体の厚さを規定することができ、結果として、膜電極ガス拡散層接合体に与える荷重を制御することが可能となる。
その他、本発明は、以下の形態としても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、膜電極ガス拡散層接合体と；前記膜電極ガス拡散層接合体の外周部に配置されたシール部材と；前記膜電極ガス拡散層接合体および前記シール部材を挟持する一対のセパレータと；を備える。前記シール部材は、熱可塑性樹脂で構成されるコア層と；前記コア層の前記一対のセパレータに接する両側の表層に形成され、前記一対のセパレータと前記コア層とを接着する一対のスキン層と；を備える。前記一対のセパレータで挟持される前の前記シール部材の厚さは、前記一対のセパレータで挟持される前の前記膜電極ガス拡散層接合体の厚さよりも小さい。この形態の燃料電池によれば、膜電極ガス拡散層接合体およびシール部材を一対のセパレータで挟持して一体化形成する際に、一対のセパレータ間の間隔がコア層で規定される寸法となるまで、荷重の大きさを規定せずに荷重を掛けることができる。この結果、一対のセパレータ間の間隔が一定となるように規定した燃料電池を短時間で一体化形成することが可能となる。また、膜電極ガス拡散層接合体およびシール部材を一対のセパレータで挟持して一体化形成する際に、膜電極ガス拡散層接合体が一対のセパレータに接触し、かつ、膜電極ガス拡散層接合体に一対のセパレータを介して確実に荷重がかかる状態となるので、膜電極ガス拡散層接合体と一対のセパレータとの接合性を高めることができる。これにより、膜電極ガス拡散層接合体と一対のセパレータとの接合性を要因とする発電特性の低下を抑制し、発電特性の改善を図ることが可能である。

（２）上記形態の燃料電池において、前記膜電極ガス拡散層接合体の応力―歪み曲線に基づいて前記一対のセパレータで挟持する際の荷重に応じて規定される前記膜電極ガス拡散層接合体の圧縮時の厚さをＸｓとし、前記一対のセパレータと前記コア層とを接着するために要する前記スキン層の厚さをＹｓとした場合に、前記コア層の厚さＹｃは、（Ｘｓ−２・Ｙｓ）の±５％の範囲内にあるようにしてもよい。この形態の燃料電池によれば、膜電極ガス拡散層接合体およびシール部材を一対のセパレータで挟持して一体化形成する際に、コア層の厚さにより、一対のセパレータで挟持された膜電極ガス拡散層接合体の厚さを規定することができ、結果として、膜電極ガス拡散層接合体に与える荷重を制御することが可能となる。

本発明は、燃料電池以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、燃料電池の製造方法や燃料電池を備える燃料電池システム、燃料電池を備える車両等の形態で実現することができる。

本発明の一実施形態としての燃料電池を構成する燃料電池セルの概略構成を示す断面模式図である。燃料電池セルの製造方法について示す説明図である。ＭＥＧＡに対して圧縮方向に加圧した場合の荷重と膜厚との関係を示すグラフである。

図１は本発明の一実施形態としての燃料電池を構成する燃料電池セルの概略構成を示す断面模式図である。この燃料電池セル１００は、反応ガスとしての燃料ガス（例えば水素）および酸化剤ガス（例えば酸素）の供給を受けて発電する固体高分子形の燃料電池である。なお、燃料電池は、通常、複数の燃料電池セル１００を積層したスタック構造とされる。

燃料電池セル１００は、ＭＥＡ（膜電極接合体）１０の一方の面にアノード側ガス拡散層２２ａ、他方の面にカソード側ガス拡散層２２ｃが配置されたＭＥＧＡ（膜電極ガス拡散層接合体）２０と、ＭＥＧＡ２０の外周部に配置されたシール部材４０と、ＭＥＧＡ２０およびシール部材４０を挟持するアノード側セパレータ３０ａおよびカソード側セパレータ３０ｃと、を備える。なお、アノード側セパレータ３０ａとカソード側セパレータ３０ｃを、特に区別しない場合には、単に「セパレータ３０」ともいう。

ＭＥＡ１０は、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す固体高分子薄膜である電解質膜１１の両面に、燃料電池反応を促進するための触媒を担持させたアノード側触媒層１２ａおよびカソード側触媒層１２ｃが設けられた発電体である。電解質膜１１は、例えば、ナフィオン（登録商標）などのフッ素系のイオン交換膜によって構成することができる。アノード側触媒層１２ａおよびカソード側触媒層１２ｃ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ーとを含む触媒インクを、電解質膜１１に塗布することにより形成することができる。

ＭＥＧＡ２０は、ＭＥＡ１０のアノード側触媒層１２ａが設けられている面側にアノード側ガス拡散層２２ａを、カソード側触媒層１２ｃが設けられている面側にカソード側ガス拡散層２２ｃを備えている。アノード側ガス拡散層２２ａおよびカソード側ガス拡散層２２ｃは、ガス透過性を有するとともに導電性を有し、また、バネ性を有する材料で形成されている。この材料としては、例えば、カーボンペーパーやカーボンクロス、ステンレス繊維製ペーパ等が利用される。

一対のセパレータ３０は、ＭＥＧＡ２０およびシール部材４０を挟持している。本実施形態では、セパレータ３０は、ガス遮断性および電子伝導性を有する部材、本実施形態では、プレス成形されたステンレス鋼によって形成されている。なお、セパレータ３０は、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や、緻密質カーボン等のカーボン製部材によって形成することもできる。

シール部材４０は、クロスリークおよび電極同士の電気的短絡を防ぐための部材である。シール部材４０は、コア層４１の両面にスキン層４２を備えた単純な３層シート構造を有している。コア層４１は熱可塑性樹脂で構成され、後述するようにして燃料電池セル１００を形成する際の温度条件において構造が変化しない性質を有する。スキン層４２は、コア層４１とセパレータ３０とを接着してシール性を確保するために接着性が高いという性質を有する。スキン層４２としては、少なくとも、他の物質との接着性が高いという性質を有していればよく、コア層４１に比べて粘度・融点が低いことが好ましい。スキン層４２としては、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、エラストマー等の種々の材料を用いて構成することができる。本実施形態では、コア層４１としてポリプロピレンを用いている。また、スキン層４２として、変性ポリオレフィンであるアドマー（登録商標）を用いている。

なお、図示は省略されているが、燃料ガス流路はアノード側ガス拡散層２２ａとアノード側セパレータ３０ａの間に、酸化剤ガス流路はカソード側ガス拡散層２２ｃとカソード側セパレータ３０ｃとの間にそれぞれ形成されている。燃料ガス流路は水素ガスの流路であり、酸化剤ガス流路は酸素ガスの流路である。

図２は燃料電池セルの製造方法について示す説明図である。前提として、まず、ＭＥＧＡ２０と、シール部材４０と、アノード側セパレータ３０ａおよびカソード側セパレータ３０ｃと、を用意する。ＭＥＧＡ２０は、例えば、ＭＥＡ１０のカソード側触媒層１２ｃの面にカソード側拡散層２２ｃを配置し、アノード側触媒層１２ａの面にアノード側ガス拡散層２２ａを配置して、例えば１００℃から１６０℃の温度で熱圧着することにより作製される。ＭＥＡ１０は、例えば、白金を担持したカーボン担体とアイオノマーとを溶媒に混合して生成した触媒インクを、電解質膜１１の両側の面に塗布して、カソード側触媒層１２ｃおよびアノード側触媒層１２ａを形成することにより、作製される。なお、シール部材４０としては、熱圧着前のＭＥＧＡ２０の厚さＸｒよりも小さい厚さＹａの部材が用いられる。

そして、図２に示すように、用意したＭＥＧＡ２０およびシール部材４０を、アノード側セパレータ３０ａおよびカソード側セパレータ３０ｃで挟持して熱圧着することにより、図１に示した燃料電池セル１００が作製される。

あらかじめ設定したセル化温度で、アノード側セパレータ３０ａおよびカソード側セパレータ３０ｃの間に荷重を掛けていく。セル化温度は、シール部材４０のコア層４１の軟化温度（融点）よりも低い温度に設定される。なお、セル化温度は、スキン層４２の軟化温度（融点）よりも高い温度に設定されることが好ましい。コア層４１の軟化温度よりも低い温度とするのは、後述するように、シール部材４０によりセパレータ間の間隔を規定するための構造体としてコア層４２を機能させるために、熱圧着時においてコア層４１の構造が変化しない状態とするためである。また、スキン層４２の軟化温度よりも高い温度とするのは、後述するように、スキン層４２とセパレータ３０との接触性を高めて、接着性およびシール性を高めるためである。例えば、上記したように、コア層４１を１６０℃のポリプロピレンとし、スキン層４２を融点１４０℃のアドマーとした場合、セル化温度は１４５℃〜１５５℃に設定する。

ここで、一対のセパレータ３０間に荷重を掛けていくと、荷重の大きさに応じてＭＥＧＡ２０が圧縮されて、セパレータ３０間の間隔が狭まっていく。ただし、一対のセパレータ３０がシール部材４０に接する間隔となるまで荷重が掛けられた後は、それ以上の荷重を掛けても、セパレータ３０間の間隔の変化量が急激に減少してほほ変動しない状態、いわゆる、「ドンつき」の状態となる。したがって、一対のセパレータ３０間には、セパレータ３０間の間隔がほぼ変動しないドンつきの状態となるまで、荷重の大きさを管理することなく、単純に荷重を掛けることが可能となる。

そして、「ドンつき」状態とした荷重を維持したまま、セル化温度を下げる。このとき、荷重を解放したとしてもセパレータ３０間の間隔が変化せず、スキン層４２による接着が担保できる温度まで低下したら、荷重を解放する。これにより、一対のセパレータ３０間の間隔、すなわち、ＭＥＧＡ２０の厚さＸｓ（図１参照）が、シール部材４０の厚さＹａによって規定された燃料電池セル１００を得ることが可能となる。

以上で説明したように、本実施形態の燃料電池セル１００は、ＭＥＧＡ２０の厚さＸｒよりも小さい厚さＹａのシール部材４０を、ＭＥＧＡ２０の外周に配置し、一対のセパレータ３０で両側から熱圧着することにより、ＭＥＧＡ２０およびシール部材４０が一対のセパレータ３０で挟持された構造を有している。そして、シール部材４０は、シール部材の構造を規定するコア層４１と、セパレータ３０との接着性を確保し、接着後におけるセル内部のシール性を確保するスキン層４２と、で構成される単純な３層シート構造である。これにより、熱圧着によって圧縮されたＭＥＧＡの厚さ、すなわち、熱圧着後のセパレータ間の間隔を、単純な構造のシール部材によって規定することが可能となる。

また、熱圧着時において、ドンつき状態となるまでセパレータ間に荷重を掛けていくことができるので、熱圧着後のセパレータ間の間隔を規定した燃料電池セルを、一定荷重で熱圧着する場合に比べて短時間で作製することが可能となる。この結果、燃料電池セルの量産性および低コスト化が可能となる。

ところで、シール部材４０のコア層４１の厚さは、以下で説明するように設定することができる。図３は、ＭＥＧＡに対して圧縮方向に加圧した場合の荷重と膜厚との関係を示すグラフである。図３に示すように、ＭＥＧＡの膜厚は荷重に応じたひずみ量の分だけ圧縮された厚さに変化する特性を有している。したがって、例えば、熱圧着時においてＭＥＧＡ２０に掛かかる荷重をＦｓに設定したとすると、熱圧着後のＭＥＧＡ２０の膜厚（セル化後膜厚）Ｘｓは、式（１）に示すように、熱圧着前のＭＥＧＡ２０の膜厚（セル化前膜厚）Ｘｒと、あらかじめ実測することにより取得したＭＥＧＡ２０の応力―歪み曲線に基づいて求められたひずみ量Ｘｄとの差で表される。
Ｘｓ＝Ｘｒ−Ｘｄ …（１）
また、熱圧着によって作製された燃料電池セル１００において、ＭＥＧＡ２０のセル化後膜厚Ｘｓはシール部材４０の厚さＹａとほぼ等しくなるので、ひずみ量Ｘｄは、式（２）で表される。
Ｘｄ＝Ｘｒ−Ｘｓ＝Ｘｒ−Ｙａ …（２）
ここで、上記したようにシール部材４０はコア層４１とスキン層４２の３層シート構造であり、シール部材４０の厚さＹａは、コア層４１の厚さをＹｃ、スキン層４２の厚さをＹｓとすると、式（３）で表される。なお、スキン層４２の厚さＹｓは接着性を得るために必要とされる厚さであり、実験によりあらかじめ決定される。
Ｙａ＝Ｙｃ＋２・Ｙｓ …（３）
式（１）に式（２）および式（３）を代入することにより、コア層４１の厚さＹｃは、式（４）で表される。
Ｘｓ＝Ｘｒ−（Ｘｒ−Ｙａ）
＝Ｘｒ−（Ｘｒ−（Ｙｃ＋２・Ｙｓ））
＝Ｙｃ＋２・Ｙｓ
Ｙｃ＝Ｘｓ−２・Ｙｓ …（４）

式（４）からわかるように、コア層４１の厚さＹｃは、ＭＥＧＡ２０についてあらかじめ実測して得られた圧縮荷重に対する膜厚の変化の特性（図３参照）から設定されるセル化後膜厚Ｘｓと、スキン層４２に要求される厚さＹｓとに従って設定することができる。ただし、式（４）は厳密に成立する必要はなく、コア層４１の厚さＹｃは式（４）で与えられる値の±５％の範囲に設定しても良い。

また、式（４）は式（５）のように変形される。
Ｘｓ＝Ｙｃ＋２・Ｙｓ …（５）
ここで、スキン層４２の厚さＹｓは上記したように接着のために規定される一定の寸法であり、通常は、コア層の厚さＹｃに比べて非常に薄い。したがって、式（５）からわかるように、ＭＥＧＡ２０のセル化後膜厚Ｘｓは、ほぼ、コア層４１の厚さＹｃによって規定される、と言える。したがって、コア層４１の厚さＹｃを制御することにより、ＭＥＧＡ２０のセル化後膜厚Ｘｓを制御することが可能である。また、図３で説明したように、ＭＥＧＡ２０のセル化後膜厚Ｘｓは荷重に応じて変化するため、コア層４１の厚さＹｃによってＭＥＧＡ２０に掛かる荷重を制御することが可能である。

上記実施形態では、シール部材４０のコア層４１を構成する熱可塑性樹脂４１としてポリエチレンを用いている。これに対して、ポリエチレンテレフタラート、ポリ塩化ビニル、ポリプロピレン、ポリ酢酸ビニル、ＡＳ樹脂、ＡＢＳ樹脂、アクリル樹脂等の種々の熱可塑性樹脂を用いてもよい。また、上記実施形態では、スキン層４２を構成する酸変性熱可塑性樹脂として、アドマーを用いている。これに対して、モディック（登録商標）、ニュクレル（登録商標）、ハイミラン（登録商標）等の酸変性熱可塑性樹脂を用いてもよい。また、酸変性熱可塑性樹脂ではなく、コア層４１の熱硬化性樹脂よりも融点が低く、接着性を有する熱可塑性樹脂を用いてもよい。また、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリエステル樹脂等のコア層４１の熱硬化性樹脂よりも融点が低く、接着性を有する熱可塑性樹脂種々の熱硬化性樹脂を用いてもよい。また、熱可塑性あるいは熱硬化性の種々のエラストマー樹脂を用いてもよい。

上記実施形態では、燃料電池は、固体高分子形燃料電池である。これに対し燃料電池は、固体高分子形燃料電池に限らず、他の種々のタイプの燃料電池であってもよい。

本発明は、上述の実施形態や変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１０…ＭＥＡ
１１…電解質膜
１２ａ…アノード側触媒層
１２ｃ…カソード側触媒層
２０…ＭＥＧＡ
２２…ガス拡散層
２２ａ…アノード側ガス拡散層
２２ｃ…カソード側ガス拡散層
３３…セパレータ
３３ａ…アノード側セパレータ
３３ｃ…カソード側セパレータ
４０…シール部材
４１…コア層
４２…スキン層
１００…燃料電池セル

Claims

燃料電池の製造方法であって、
（ａ）膜電極ガス拡散層接合体と、前記膜電極ガス拡散層接合体の外周部に配置されるシール部材と、前記膜電極ガス拡散層接合体および前記シール部材を挟持する一対のセパレータと、を用意する工程と、
（ｂ）前記膜電極ガス拡散層接合体および前記シール部材の両側に前記一対のセパレータを配置し、あらかじめ定めた温度で前記一対のセパレータを介して前記膜電極ガス拡散層接合体および前記シール部材に荷重を掛けることにより、前記一対のセパレータと前記膜電極ガス拡散層接合体とを接合させるとともに、前記一対のセパレータと前記シール部材を接着させる工程と、
を備え、
前記シール部材は、熱可塑性樹脂で構成されるコア層と、前記コア層の前記一対のセパレータに接する両側の表層に形成され、前記一対のセパレータと前記コア層とを接着する一対のスキン層と、を備え、
前記一対のセパレータで挟持される前の前記シール部材の厚さは、前記一対のセパレータで挟持される前の前記膜電極ガス拡散層接合体の厚さよりも小さく、
前記温度は、前記コア層の軟化温度よりも低い
ことを特徴とする燃料電池の製造方法。
請求項１記載の燃料電池の製造方法であって、
前記膜電極ガス拡散層接合体の応力―歪み曲線に基づいて前記一対のセパレータで挟持する際の荷重に応じて規定される前記膜電極ガス拡散層接合体の圧縮時の厚さをＸｓとし、前記一対のセパレータと前記コア層とを接着するために要する前記スキン層の厚さをＹｓとした場合に、前記コア層の厚さＹｃは、（Ｘｓ−２・Ｙｓ）の±５％の範囲内にあることを特徴とする燃料電池の製造方法。