JP2016012444A - 燃料電池及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成及び工程で、段差電解質膜・電極構造体と樹脂枠部材との剥がれ等を確実に抑制することを可能にする。【解決手段】枠付き段差電解質膜・電極構造体１２は、段差ＭＥＡ１２ａと樹脂枠部材２４とを接合して構成される。樹脂枠部材２４の内周突部２４ａと段差ＭＥＡ１２ａの外周縁部との間には、枠形状の接着シート２６が設けられるとともに、前記接着シート２６の内周縁部は、第２ガス拡散層２２ｂの外周縁部の表面と電極厚さ方向に重なり合う重なり部位２６ａを有している。【選択図】図２

Description

本発明は、段差電解質膜・電極構造体と樹脂枠部材とが接合された枠付き段差電解質膜・電極構造体を備える燃料電池及びその製造方法に関する。

一般的に、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる固体高分子電解質膜を採用している。燃料電池は、固体高分子電解質膜の両側に、それぞれ触媒層（電極触媒層）とガス拡散層（多孔質カーボン）とからなるアノード電極及びカソード電極を配設した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を備えている。そして、電解質膜・電極構造体は、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持されている。燃料電池は、所定の数だけ積層して燃料電池スタックを構成するとともに、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用されている。

電解質膜・電極構造体では、一方のガス拡散層が固体高分子電解質膜よりも小さな表面積に設定されるとともに、他方のガス拡散層が前記固体高分子電解質膜と同一の表面積に設定される、所謂、段差ＭＥＡを構成する場合がある。その際、比較的高価な固体高分子電解質膜の使用量を削減させるとともに、薄膜状で強度が低い前記固体高分子電解質膜を保護するために、樹脂枠部材を組み込んだ枠付き段差ＭＥＡが採用されている。

例えば、特許文献１に開示されている電解質膜−電極接合体が知られている。この電解質膜−電極接合体では、図８に示すように、膜１の一方の側には、アノード触媒層２ａとアノードガス拡散層２ｂとが配置されている。膜１の他方の側には、カソード触媒層３ａとカソードガス拡散層３ｂとが配置されている。これによって、段差ＭＥＡ４が構成されている。

アノードガス拡散層２ｂは、カソードガス拡散層３ｂよりも大きな面積に設定されており、前記カソードガス拡散層３ｂ側の膜１の外周部とガスケット構造体５とは、接着層６を介して接合されている。

特開２００７−６６７６６号公報

ところで、上記の特許文献１では、カソードガス拡散層３ｂ側の膜１の外周縁部（平面）とガスケット構造体５の内周薄肉部５ａの平面とが、額縁形状の接着層６を介して接合されている。このため、段差ＭＥＡ４とガスケット構造体５との接着強度が低下し易く、前記段差ＭＥＡ４の端部剥がれや破損が惹起されるという問題がある。

本発明は、この種の問題を解決するものであり、簡単な構成及び工程で、段差電解質膜・電極構造体と樹脂枠部材との剥がれ等を確実に抑制することが可能な燃料電池及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池は、段差電解質膜・電極構造体と、樹脂枠部材とが接合される枠付き段差電解質膜・電極構造体を備えている。段差電解質膜・電極構造体は、固体高分子電解質膜の一方の面に、第１触媒層及び第１ガス拡散層を有する第１電極が配設され、且つ前記固体高分子電解質膜の他方の面に、第２触媒層及び第２ガス拡散層を有する第２電極が配設されている。第１ガス拡散層の平面寸法は、第２ガス拡散層の平面寸法よりも大きな寸法に設定されている。樹脂枠部材は、固体高分子電解質膜の外周を周回する枠形状を有しており、段部を介し薄肉状に形成されて第２ガス拡散層側に突出する内周突部が設けられている。

そして、樹脂枠部材の内周突部と段差電解質膜・電極構造体の外周縁部との間には、枠形状の接着シートが設けられるとともに、前記接着シートの内周縁部は、第２ガス拡散層の外周縁部の表面と電極厚さ方向に重なり合う重なり部位を有している。

また、燃料電池では、接着シートの重なり部位は、第２ガス拡散層の外周縁部に含浸されることが好ましい。

さらに、本発明に係る燃料電池の製造方法は、段差電解質膜・電極構造体及び樹脂枠部材を個別に作製する工程と、枠形状を有し、内周の開口寸法が第２ガス拡散層の外形寸法よりも小さな接着シートを作製する工程とを有している。さらに、この製造方法は、樹脂枠部材の内周突部と段差電解質膜・電極構造体の外周縁部とを、接着シートにより接着する工程を有している。

さらにまた、この製造方法では、接着シートの内周縁部を第２ガス拡散層の外周縁部に含浸させる工程を有することが好ましい。

本発明によれば、枠形状の接着シートは、樹脂枠部材の内周突部と段差電解質膜・電極構造体の外周縁部との間に介装されるとともに、内周縁部が第２ガス拡散層の外周縁部の表面と電極厚さ方向に重なり合っている。このため、樹脂枠部材と段差電解質膜・電極構造体とは、接着シートを介して強固且つ確実に接着される。

従って、簡単な構成及び工程で、段差電解質膜・電極構造体と樹脂枠部材との剥がれ等を確実に抑制することが可能になる。

本発明の第１の実施形態に係る固体高分子型燃料電池の要部分解斜視説明図である。 前記燃料電池の、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面説明図である。 前記燃料電池を構成する枠付き段差電解質膜・電極構造体のアノード電極側の正面説明図である。 前記枠付き段差電解質膜・電極構造体を製造する方法の説明図である。 前記枠付き段差電解質膜・電極構造体を製造する方法の説明図である。 前記枠付き段差電解質膜・電極構造体を製造する方法の説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る固体高分子型燃料電池の要部断面説明図である。 特許文献１に開示された電解質膜−電極接合体の説明図である。

図１及び図２に示すように、本発明の第１の実施形態に係る固体高分子型燃料電池１０は、矢印Ａ方向（例えば、水平方向）に複数積層されることにより、例えば、車載用燃料電池スタックが構成される。

燃料電池１０は、枠付き段差電解質膜・電極構造体１２を第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６で挟持する。第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属板や、カーボン部材等で構成される。

図２に示すように、枠付き段差電解質膜・電極構造体１２は、段差ＭＥＡ（段差電解質膜・電極構造体）１２ａを備える。段差ＭＥＡ１２ａは、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜（陽イオン交換膜）１８と、前記固体高分子電解質膜１８を挟持するカソード電極（第１電極）２０及びアノード電極（第２電極）２２とを有する。固体高分子電解質膜１８は、フッ素系電解質の他、ＨＣ（炭化水素）系電解質が使用される。

アノード電極２２は、固体高分子電解質膜１８及びカソード電極２０よりも小さな平面寸法を有する。なお、カソード電極２０は、固体高分子電解質膜１８及びアノード電極２２よりも小さな平面寸法を有していてもよい。その際、アノード電極２２は、第１電極となる一方、カソード電極２０は、第２電極となる。

カソード電極２０は、固体高分子電解質膜１８の一方の面１８ａに配置されるとともに、アノード電極２２は、前記固体高分子電解質膜１８の他方の面１８ｂに配置される。

カソード電極２０は、固体高分子電解質膜１８の面１８ａに接合される第１電極触媒層（第１触媒層）２０ａと、前記第１電極触媒層２０ａに積層される第１ガス拡散層２０ｂとを有する。第１電極触媒層２０ａと第１ガス拡散層２０ｂとは、同一の平面寸法に、すなわち、固体高分子電解質膜１８と同一の平面寸法に設定される。

アノード電極２２は、固体高分子電解質膜１８の面１８ｂに接合される第２電極触媒層（第２触媒層）２２ａと、前記第２電極触媒層２２ａに積層される第２ガス拡散層２２ｂとを有する。第２電極触媒層２２ａは、第２ガス拡散層２２ｂよりも大きな平面寸法（又は第２ガス拡散層２２ｂと同一の平面寸法）に設定される。第１電極触媒層２０ａは、第２電極触媒層２２ａよりも大きな平面寸法を有しているが、前記第１電極触媒層２０ａと前記第２電極触媒層２２ａとは、同一の平面寸法に設定されてもよい。

第１電極触媒層２０ａ及び第２電極触媒層２２ａは、カーボンブラックに白金粒子を担持した触媒粒子を形成し、例えば、イオン導電性バインダーとして高分子電解質を使用する。この高分子電解質の溶液中に触媒粒子を均一に混合して作製された触媒ペーストを、固体高分子電解質膜１８の両方の面１８ａ、１８ｂに印刷、塗布又は転写することによって構成される。

第１ガス拡散層２０ｂ及び第２ガス拡散層２２ｂは、カーボンブラック及びＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）粒子を含む下地層（中間層）をカーボンペーパに塗布して形成される。下地層は、カーボンペーパと同じ平面寸法に設定されている。なお、下地層は、必要に応じて設ければよい。第１ガス拡散層２０ｂの平面寸法は、第２ガス拡散層２２ｂの平面寸法よりも大きな寸法に設定される。

図１及び図２に示すように、枠付き段差電解質膜・電極構造体１２は、段差ＭＥＡ１２ａに接合（接着）される樹脂枠部材２４を備える。樹脂枠部材２４は、例えば、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＰＰＡ（ポリフタルアミド）、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）、ＰＥＳ（ポリエーテルサルフォン）、ＬＣＰ（リキッドクリスタルポリマー）、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）、シリコーンゴム、フッ素ゴム、ＥＰＤＭ（エチレンプロピレンゴム）又はｍ−ＰＰＥ（変性ポリフェニレンエーテル樹脂）等で構成される。

樹脂枠部材２４は、枠形状を有しており、段部を介して薄肉状に形成されてアノード電極２２の外周側に突出し、固体高分子電解質膜１８の外周縁部１８ｂｅに当接する内周突部２４ａを有する。固体高分子電解質膜１８の外周縁部１８ｂｅは、アノード電極２２を構成する第２ガス拡散層２２ｂの外周端から外方に延在する。

内周突部２４ａは、内周壁面２４ｂから内方に所定の長さを有して延在し、固体高分子電解質膜１８の外周縁部１８ｂｅから第２電極触媒層２２ａの先端縁部を覆って配置される。段差ＭＥＡ１２ａの先端と内周壁面２４ｂとの間には、所定の隙間が形成される。

固体高分子電解質膜１８の外周縁部１８ｂｅと樹脂枠部材２４の内周突部２４ａとの間には、枠形状の接着シート２６が設けられる。図２及び図３に示すように、接着シート２６の内周縁部は、第２ガス拡散層２２ｂの外周縁部の表面と積層方向（電極厚さ方向）に重なり合う重なり部位２６ａを有する。接着シート２６は、第２電極触媒層２２ａと直接接する重なり部位を有する。接着シート２６の外周端部は、固体高分子電解質膜１８及びカソード電極２０の先端部と略同一位置に配置される。

接着シート２６は、例えば、熱可塑性又は熱硬化性の接着剤が使用される。第１の実施形態では、接着シート２６は、エステル系、アクリル系又はウレタン系のホットメルトシートにより構成される。ホットメルトシートは、加熱により溶融し、冷却により固化して接着力を得るシート状の接着剤である。

図１に示すように、燃料電池１０の矢印Ｂ方向（図１中、水平方向）の一端縁部には、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス入口連通孔３０ａ、冷却媒体入口連通孔３２ａ及び燃料ガス出口連通孔３４ｂが設けられる。酸化剤ガス入口連通孔３０ａは、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給する一方、冷却媒体入口連通孔３２ａは、冷却媒体を供給する。燃料ガス出口連通孔３４ｂは、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出する。酸化剤ガス入口連通孔３０ａ、冷却媒体入口連通孔３２ａ及び燃料ガス出口連通孔３４ｂは、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。

燃料電池１０の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給する燃料ガス入口連通孔３４ａ、冷却媒体を排出する冷却媒体出口連通孔３２ｂ、及び酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス出口連通孔３０ｂが設けられる。燃料ガス入口連通孔３４ａ、冷却媒体出口連通孔３２ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔３０ｂは、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。

第２セパレータ１６の枠付き段差電解質膜・電極構造体１２に向かう面１６ａには、酸化剤ガス入口連通孔３０ａと酸化剤ガス出口連通孔３０ｂとに連通する酸化剤ガス流路３６が設けられる。

第１セパレータ１４の枠付き段差電解質膜・電極構造体１２に向かう面１４ａには、燃料ガス入口連通孔３４ａと燃料ガス出口連通孔３４ｂとに連通する燃料ガス流路３８が形成される。第１セパレータ１４の面１４ｂと第２セパレータ１６の面１６ｂとの間には、冷却媒体入口連通孔３２ａと冷却媒体出口連通孔３２ｂとに連通する冷却媒体流路４０が形成される。

図１及び図２に示すように、第１セパレータ１４の面１４ａ、１４ｂには、この第１セパレータ１４の外周端部を周回して、第１シール部材４２が一体化される。第２セパレータ１６の面１６ａ、１６ｂには、この第２セパレータ１６の外周端部を周回して、第２シール部材４４が一体化される。

図２に示すように、第１シール部材４２は、枠付き段差電解質膜・電極構造体１２を構成する樹脂枠部材２４の内周突部２４ａに当接する第１凸状シール４２ａと、第２セパレータ１６の第２シール部材４４に当接する第２凸状シール４２ｂとを有する。第２シール部材４４は、セパレータ面に沿って平面状に延在する平面シールを構成する。なお、第２凸状シール４２ｂに代えて、第２シール部材４４に凸状シール（図示せず）を設けてもよい。

第１シール部材４２及び第２シール部材４４には、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材等の弾性を有するシール部材が用いられる。

図１に示すように、第１セパレータ１４には、燃料ガス入口連通孔３４ａを燃料ガス流路３８に連通する供給孔部４６と、前記燃料ガス流路３８を燃料ガス出口連通孔３４ｂに連通する排出孔部４８とが形成される。

次いで、枠付き段差電解質膜・電極構造体１２を製造する製造方法について、以下に説明する。

先ず、図４に示すように、段差ＭＥＡ１２ａが作製される一方、図５に示すように、金型（図示せず）を用いて射出成形されることにより、樹脂枠部材２４が成形される。樹脂枠部材２４は、肉薄形状の内周突部２４ａを一体に有する。

次に、ホットメルトシートからなる接着シート２６が、平板な枠状に形成される。そこで、樹脂枠部材２４の内周突部２４ａ上に接着シート２６が配置されるとともに、段差ＭＥＡ１２ａが、前記接着シート２６を介装して前記内周突部２４ａに配置される。

図５に示すように、接着シート２６の外周端部は、固体高分子電解質膜１８及びカソード電極２０の外周端部と略同一位置に設定されるとともに、前記接着シート２６の内周突部２６ｅは、第２ガス拡散層２２ｂの外周端部２２ｂｅよりも内方の位置に設定される。

この状態で、図６に示すように、接着シート２６が加熱溶融（ホットメルト）されるとともに、荷重（プレス等）が付与される。なお、接着シート２６による接着方式は、ホットプレスやロールプレスが採用され、さらに片面加熱や両面加熱のいずれを用いてもよい。

このため、内周突部２４ａと固体高分子電解質膜１８とが接着されるとともに、接着シート２６の内周縁部は、第２ガス拡散層２２ｂの外周縁部の表面と積層方向に重なり合う重なり部位２６ａを形成する。従って、枠付き段差電解質膜・電極構造体１２が製造される。

図２に示すように、枠付き段差電解質膜・電極構造体１２は、第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６により挟持される。第１セパレータ１４は、樹脂枠部材２４の内周突部２４ａに当接し、第２セパレータ１６と共に枠付き段差電解質膜・電極構造体１２に荷重を付与する。さらに、燃料電池１０は、所定数だけ積層されて燃料電池スタックが構成されるとともに、図示しないエンドプレート間に締め付け荷重が付与される。

このように構成される燃料電池１０の動作について、以下に説明する。

先ず、図１に示すように、酸化剤ガス入口連通孔３０ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔３４ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔３２ａに純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。

このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔３０ａから第２セパレータ１６の酸化剤ガス流路３６に導入され、矢印Ｂ方向に移動して段差ＭＥＡ１２ａのカソード電極２０に供給される。一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔３４ａから供給孔部４６を通って第１セパレータ１４の燃料ガス流路３８に導入される。燃料ガスは、燃料ガス流路３８に沿って矢印Ｂ方向に移動し、段差ＭＥＡ１２ａのアノード電極２２に供給される。

従って、各段差ＭＥＡ１２ａでは、カソード電極２０に供給される酸化剤ガスと、アノード電極２２に供給される燃料ガスとが、第１電極触媒層２０ａ及び第２電極触媒層２２ａ内で電気化学反応により消費されて発電が行われる。

次いで、カソード電極２０に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。同様に、アノード電極２２に供給されて消費された燃料ガスは、排出孔部４８を通り燃料ガス出口連通孔３４ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。

また、冷却媒体入口連通孔３２ａに供給された冷却媒体は、第１セパレータ１４と第２セパレータ１６との間の冷却媒体流路４０に導入された後、矢印Ｂ方向に流通する。この冷却媒体は、段差ＭＥＡ１２ａを冷却した後、冷却媒体出口連通孔３２ｂから排出される。

この場合、第１の実施形態では、図２に示すように、枠形状の接着シート２６は、樹脂枠部材２４の内周突部２４ａと段差ＭＥＡ１２ａの外周縁部１８ｂｅとの間に介装されている。そして、接着シート２６の内周縁部には、第２ガス拡散層２２ｂの外周縁部の表面と積層方向に重なり合う重なり部位２６ａが設けられている。

このため、樹脂枠部材２４と段差ＭＥＡ１２ａとは、互いの１つの面同士が接着される構成に比べ、接着シート２６を介して強固且つ確実に接着される。従って、簡単な構成及び工程で、段差ＭＥＡ１２ａと樹脂枠部材２４との剥がれ等を確実に抑制することが可能になるという効果が得られる。

図７は、本発明の第２の実施形態に係る固体高分子型燃料電池５０の要部断面説明図である。なお、上記の第１の実施形態に係る燃料電池１０と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。

燃料電池５０では、固体高分子電解質膜１８の外周縁部１８ｂｅと樹脂枠部材２４の内周突部２４ａとの間には、枠形状の接着シート５２が設けられる。接着シート５２の内周縁部は、第２ガス拡散層２２ｂの外周縁部の表面と積層方向に重なり合う重なり部位５２ａを有するとともに、前記重なり部位５２ａは、前記第２ガス拡散層２２ｂの前記外周縁部に含浸される。なお、含浸工程は、例えば、図６に示す接着工程で行うことができる。概略的には、接着シート５２が加熱溶融（ホットメルト）されるとともに、荷重（プレス等）が付与される。

このように、第２の実施形態では、接着シート５２により樹脂枠部材２４と段差ＭＥＡ１２ａとを強固且つ確実に接着することができる。これにより、簡単な構成及び工程で、段差ＭＥＡ１２ａと樹脂枠部材２４との剥がれ等を確実に抑制することが可能になる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

１０、５０…燃料電池 １２…枠付き段差電解質膜・電極構造体
１２ａ…段差ＭＥＡ １４、１６…セパレータ
１８…固体高分子電解質膜 ２０…カソード電極
２０ａ、２２ａ…電極触媒層 ２０ｂ、２２ｂ…ガス拡散層
２２…アノード電極 ２４…樹脂枠部材
２４ａ、２６ｅ…内周突部 ２６、５２…接着シート
２６ａ、５２ａ…重なり部位 ３０ａ…酸化剤ガス入口連通孔
３０ｂ…酸化剤ガス出口連通孔 ３２ａ…冷却媒体入口連通孔
３２ｂ…冷却媒体出口連通孔 ３４ａ…燃料ガス入口連通孔
３４ｂ…燃料ガス出口連通孔 ３６…酸化剤ガス流路
３８…燃料ガス流路 ４０…冷却媒体流路
４２、４４…シール部材

Claims (4)

1. 固体高分子電解質膜の一方の面に、第１触媒層及び第１ガス拡散層を有する第１電極が配設され、且つ前記固体高分子電解質膜の他方の面に、第２触媒層及び第２ガス拡散層を有する第２電極が配設されるとともに、前記第１ガス拡散層の平面寸法は、前記第２ガス拡散層の平面寸法よりも大きな寸法に設定される段差電解質膜・電極構造体と、
   前記固体高分子電解質膜の外周を周回する枠形状を有しており、段部を介し薄肉状に形成されて前記第２ガス拡散層側に突出する内周突部が設けられる樹脂枠部材と、
   が接合される枠付き段差電解質膜・電極構造体を備える燃料電池であって、
   前記樹脂枠部材の前記内周突部と前記段差電解質膜・電極構造体の外周縁部との間には、枠形状の接着シートが設けられるとともに、
   前記接着シートの内周縁部は、前記第２ガス拡散層の外周縁部の表面と電極厚さ方向に重なり合う重なり部位を有することを特徴とする燃料電池。
2. 請求項１記載の燃料電池において、前記接着シートの前記重なり部位は、前記第２ガス拡散層の前記外周縁部に含浸されることを特徴とする燃料電池。
3. 固体高分子電解質膜の一方の面に、第１触媒層及び第１ガス拡散層を有する第１電極が配設され、且つ前記固体高分子電解質膜の他方の面に、第２触媒層及び第２ガス拡散層を有する第２電極が配設されるとともに、前記第１ガス拡散層の平面寸法は、前記第２ガス拡散層の平面寸法よりも大きな寸法に設定される段差電解質膜・電極構造体と、
   前記固体高分子電解質膜の外周を周回する枠形状を有しており、段部を介し薄肉状に形成されて前記第２ガス拡散層側に突出する内周突部が設けられる樹脂枠部材と、
   が接合される枠付き段差電解質膜・電極構造体を備える燃料電池の製造方法であって、
   前記段差電解質膜・電極構造体及び前記樹脂枠部材を個別に作製する工程と、
   枠形状を有し、内周の開口寸法が前記第２ガス拡散層の外形寸法よりも小さな接着シートを作製する工程と、
   前記樹脂枠部材の前記内周突部と前記段差電解質膜・電極構造体の外周縁部とを、前記接着シートにより接着する工程と、
   を有することを特徴とする燃料電池の製造方法。
4. 請求項３記載の製造方法において、前記接着シートの内周縁部を前記第２ガス拡散層の外周縁部に含浸させる工程を有することを特徴とする燃料電池の製造方法。

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