JP6544229B2 - 燃料電池セル - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池セルに関する。

一般に、燃料電池は、複数の燃料電池セル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、膜電極接合体の両面にガス拡散層を配置した膜電極ガス拡散層接合体と、膜電極ガス拡散層接合体を挟む２枚のセパレータとを有する。この燃料電池セルでは、２枚のセパレータの間における膜電極ガス拡散層接合体の周縁部は、ゴムや樹脂などのシール部材によってシールされる。具体的に、特許文献１には、膜電極接合体の一方の面に配置されたガス拡散層のサイズを、膜電極接合体の他方の面に配置されたガス拡散層のサイズよりを小さくし、その小さいガス拡散層の外周に板状のシール部材を配置し、シール部材を接着剤によって接着した構成が開示されている。

特開２０１３−２５１２５３号公報

前記先行技術では、板状シール部材とガス拡散層とが別体であることから、両者の間にはどうしても隙間が発生する。発電時等の電解質膜が収縮、膨潤する場合に、その隙間に向けて電解質膜が変形して、電解質膜が破断する虞があった。このため、シール部材とガス拡散層との間に隙間が生じる構成において、電解質膜の変形を抑制できる技術が望まれていた。

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。
本発明の第１の形態は、
燃料電池セルであって、
膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の第１の面の側に配置された第１のガス拡散層と、
前記膜電極接合体の前記第１の面とは反対の第２の面の側に配置された第２のガス拡散層と、
前記膜電極接合体の前記第１の面の外周に設けられる板状のシール部材であって、前記第１のガス拡散層の外周端から隙間を開けて配置された板状シール部材と、
前記板状シール部材を接着する接着剤であって、前記第１のガス拡散層と前記膜電極接合体との間から前記隙間を経て前記板状シール部材と前記膜電極接合体の間に至る範囲に配置された接着剤と、
を備え、
前記接着剤は、
前記隙間に対応した部分については、前記第１のガス拡散層の外周端から離れるにつれて、前記第１の面から前記第２の面に至る向きに傾斜し、
前記膜電極接合体は、
前記隙間に対応した部分については、前記接着剤と離間せず、かつ、前記第１のガス拡散層の外周端から離れるにつれて前記接着剤とともに前記第１の面から前記第２の面に至る向きに傾斜し、
前記板状シール部材に対応した部分については、前記隙間に対応した部分よりも、前記第１の面から前記第２の面に至る向きに落ち込んでいる、
燃料電池セルである。
また、本発明は、以下の形態として実現することも可能である。

（１）本発明の一形態は、燃料電池セルである。この燃料電池セルは、膜電極接合体と、前記膜電極接合体の第１の面の側に配置された第１のガス拡散層と、前記膜電極接合体の前記第１の面とは反対の第２の面の側に配置された第２のガス拡散層と、前記膜電極接合体の前記第１の面の外周に設けられる板状のシール部材であって、前記第１のガス拡散層の外周端から隙間を開けて配置された板状シール部材と、前記板状シール部材を接着する接着剤であって、前記第１のガス拡散層と前記膜電極接合体との間から前記隙間を経て前記板状シール部材と前記膜電極接合体の間に至る範囲に配置された接着剤と、を備える。前記接着剤は、前記隙間に対応した部分については、前記第１のガス拡散層の外周端から離れるにつれて、前記第１の面から前記第２の面に至る向きに傾斜する。

この形態の燃料電池セルによれば、板状シール部材を接着する接着剤の両側が、第１のガス拡散層と膜電極接合体の間と、板状シール部材と膜電極接合体の間とによって拘束され、その拘束された間である、膜電極接合体と板状シール部材との隙間に対応した部分については、膜電極体の第１の面から第２の面に至る向きに傾斜する。接着剤の傾斜した部分では、接着剤が曲がることにより引っ張られた結果、Ｙ方向への変位に対する応力が高まる。Ｙ方向への変位に対する応力が高まるということは、Ｙ方向に関して接着剤の強度が高まるということである。このため、この形態の燃料電池セルによれば、発電時等の電解質膜が収縮、膨潤する場合において、上記の隙間周辺で、電解質膜が変形することを抑制できる。

本発明の一実施形態としての燃料電池セルの要部断面図である。 燃料電池セルの製造方法の前半を示す説明図である。 燃料電池セルの製造方法の後半を示す説明図である。 参考例としての燃料電池セルの要部断面図である。

Ａ．燃料電池セルの構成：
図１は、本発明の一実施形態としての燃料電池セル１００の要部断面図である。図示するように、燃料電池セル１００は、膜電極ガス拡散層接合体１０と、膜電極ガス拡散層接合体１０を挟持する一対のセパレータ５０，６０と、セパレータ５０，６０の間における膜電極ガス拡散層接合体１０の周縁部に接着された板状シール部材８０と、を備えている。

膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ：Membrane Electrode Gas diffusion layer Assembly）１０は、膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）２０と、ＭＥＡ２０の両面に配置された一対のガス拡散層３０，４０と、を備えている。

ＭＥＡ２０は、電解質膜２１の両面に触媒電極層（カソード２２およびアノード２３）を接合してなる。電解質膜２１として、フッ素系樹脂などの固体高分子材料で形成された膜、例えばナフィオン（登録商標）を用いることができる。カソード２２およびアノード２３としては、カーボン粒子に白金などの触媒を担持させた触媒層を用いることができる。なお、本実施形態では、カソード２２の平面方向のサイズは、アノード２３の平面方向のサイズより小さくい。

一対のガス拡散層３０，４０のうちのカソード２２の表面（第１の面）に配置された拡散層３０を、以下、カソード側ガス拡散層３０と呼ぶ。一対のガス拡散層３０，４０のうちのアノード２３の表面（第２の面）に配置された拡散層４０を、以下、アノード側ガス拡散層４０と呼ぶ。カソード側ガス拡散層３０、アノード側ガス拡散層４０として、カーボンクロスを用いるものとした。カソード側ガス拡散層３０、アノード側ガス拡散層４０として、カーボンペーパー等、導電性およびガス透過性を有する他の部材を用いるものとしてもよい。カソード側ガス拡散層３０は、［発明の概要］の欄に記載した本発明の一形態における「第１のガス拡散層」に相当する。アノード側ガス拡散層４０は、［発明の概要］の欄に記載した本発明の一形態における「第２のガス拡散層」に相当する。

カソード側ガス拡散層３０、ＭＥＡ２０、およびアノード側ガス拡散層４０の積層方向Ｙにおけるカソード側ガス拡散層３０側の向きを、以下、「＋Ｙ方向」と呼ぶ。積層方向におけるアノード側ガス拡散層４０側の向きを、以下、「−Ｙ方向」と呼ぶ。

カソード側ガス拡散層３０は、積層方向Ｙから見た平面視において、アノード側ガス拡散層４０が接合された領域よりも内側の領域に接合されている。つまり、ＭＥＡ２０は、カソード側ガス拡散層３０およびアノード側ガス拡散層４０の全面に接合されており、また、ＭＥＡ２０の＋Ｙ側の表面において、カソード側ガス拡散層３０が接合された領域から外側部分が露出している。ＭＥＡ２０のこの露出した部分の外周に、板状シール部材８０が配置されている。本明細書では、「外周」とは、最も外側の端部だけではなく、ある程度、内側まで入った部分も含む範囲を意味する。さらに、板状シール部材８０は、カソード側ガス拡散層３０の外周端３０Ｔから隙間Ｓを開けて配置されている。

セパレータ５０は、ＭＥＧＡ１０におけるカソード側ガス拡散層３０の表面に積層される。セパレータ５０の平面方向のサイズは、カソード側ガス拡散層３０の平面方向のサイズよりも大きい。このため、積層方向Ｙから見た平面視において、セパレータ５０は、カソード側ガス拡散層３０よりも外側に突出した構成となっている。このセパレータ５０（以下、「カソード側セパレータ５０」とも呼ぶ）において、ＭＥＧＡ１０におけるカソード側ガス拡散層３０との当接面には、カソード側ガス拡散層３０の表面に沿って酸化剤ガスとしての空気を流すための酸化剤ガス流路５２が形成されている。もう一方のセパレータ６０は、ＭＥＧＡ１０におけるアノード側ガス拡散層４０の表面に積層される。このセパレータ６０（以下、「アノード側セパレータ６０」とも呼ぶ）において、ＭＥＧＡ１０におけるアノード側ガス拡散層４０との当接面には、アノード側ガス拡散層４０の表面に沿って燃料ガスとしての水素を流すための燃料ガス流路６２が形成されている。本実施例では、セパレータ５０，６０として、金属プレートを用いるものとした。セパレータ５０，６０として、ガス不透過で導電性を有する他の部材を用いるものとしてもよい。

板状シール部材８０は、板形状で、内側に大きな穴が空いた枠体である。板状シール部材８０は、ＭＥＡ２０の外周の＋Ｙ方向側の面とカソード側セパレータ５０との間に接着され、セパレータ５０，６０の間を密封する。板状シール部材８０としては、例えば、ＰＥ，ＰＰ，ＰＥＴ，ＰＥＮ等の樹脂を用いることができる。板状シール部材８０の接着は、カソード側ガス拡散層３０とＭＥＡ２０との間からＭＥＡ２０の外周端近く（図示せず）までの範囲に塗布された接着剤８２によってなされる。接着剤８２としては、ＥＰＤＭ、エポキシ系、ＰＩＢ等を用いることができる。

本実施形態では、前述したように、カソード２２の平面方向のサイズがアノード２３の平面方向のサイズよりも小さいことから、ＭＥＡ２０の＋Ｙ方向側の表面の外周は、カソード２２が存在しなくて電解質膜２１が露出している。この露出した部分に接着剤８２の一部は塗布される。この電解質膜２１が露出した部分もＭＥＡ２０の一部である。

板状シール部材８０が接着されるＭＥＡ２０の外周部分は、ＭＥＡ２０の中心付近と比べて、−Ｙ方向に落ち込んでいる。接着剤８２の塗布範囲を、カソード側ガス拡散層３０とＭＥＡ２０との間の部分８２Ａと、カソード側ガス拡散層３０と板状シール部材８０との隙間Ｓに対応した部分８２Ｂと、カソード側ガス拡散層３０とＭＥＡ２０との間の部分８２Ｃとに区分けしたとすると、上記のＭＥＡ２０の外周部分（部分８２Ａに相当する）の落ち込みによって、部分８２Ｂについては、カソード側ガス拡散層３０の外周端３０Ｔから離れるにつれて（図中では、右から左に至るにつれて）、−Ｙ方向に傾斜している。

Ｂ．燃料電池セルの製造方法：
図２および図３は、燃料電池セル１００の製造方法を示す説明図である。図２および図３に示すように、燃料電池セル１００の製造方法は、工程１から工程６までの６つの工程によって構成される。各工程１〜６はこの順に実行される。各工程１〜６について、順に説明する。

［工程１］
図２に示す工程１は、準備工程である。電解質膜２１の両面にカソード２２およびアノード２３が付き、アノード２３側にアノード側ガス拡散層４０が接合された積層物を準備する。

［工程２］
工程２は、打ち抜き工程である。工程１で準備された積層物を、矢印ＰＲ方向に打ち抜く。

［工程３］
工程３は、接着剤塗布工程である。工程２で得られた積層物に接着剤８２を塗布する。詳しくは、工程２で得られた積層物のカソード２２の外周に接着剤８２を塗布する。すなわち、カソード２２の周端面２２Ｔから所定の寸法ｕだけ内側に入った位置までの外周部分に接着剤８２を塗布する。

［工程４］
図３に示す工程４は、板状シール部材接着工程である。工程３で得られた積層物に板状シール部材８０を接着する。詳しくは、積層方向Ｙから見たときに、接着剤８２の塗布範囲において、カソード２２の周端面２２Ｔよりも外側部分に板状シール部材８０の内側端面８０Ｔが位置するように、板状シール部材８０は接着される。

［工程５］
工程５は、ガス拡散層接合工程である。工程４で得られた積層物にカソード側ガス拡散層３０を接合する。詳しくは、板状シール部材８０の内側の穴にカソード側ガス拡散層３０に入るように、カソード側ガス拡散層３０を接合する。このとき、板状シール部材８０の穴の壁面である内側端面８０Ｔとカソード側ガス拡散層３０の外周端３０Ｔとの間には、隙間ｖができる。

［工程６］
工程６は、セル化工程である。工程５で得られた積層物を一対のセパレータ５０，６０で挟んで、プレスする。プレスすることによって、カソード側セパレータ５０に押されて、ＭＥＡ２０およびアノード側ガス拡散層４０の外周部が曲がり、前述した接着剤８２の特徴的な形状（部分８２Ｂにおいて傾斜している形状、図１参照）を有する燃料電池セル１００が製造される。

Ｃ．実施形態効果：
以上の構成された本実施形態の燃料電池セル１００では、接着剤８２の両端が、カソード側ガス拡散層３０とＭＥＡ２０の間と、板状シール部材８０とＭＥＡ２０の間とによって拘束され、その拘束された両端の間である、ＭＥＡ２０と板状シール部材８０との隙間Ｓに対応した部分８２Ｂ（図１）については、−Ｙ方向に傾斜する。接着剤８２の傾斜した部分では、接着剤８２が曲がることにより引っ張られた結果、Ｙ方向への変位に対する応力が高まる。Ｙ方向への変位に対する応力が高まるということは、Ｙ方向に関して接着剤８２の強度が高まるということである。特に本実施形態では、セル化時に、荷重を掛けることで接着剤８２の傾斜部分を作成していることから、接着剤８２には曲げ応力がかかっており、特にその効果は大きい。このため、燃料電池セル１００によれば、発電時等の電解質膜が収縮、膨潤する場合に、隙間Ｓの周辺で、電解質膜２１が変形することを抑制できる。

図４は、参考例としての燃料電池セル９００の要部断面図である。参考例において、各構成要素には９００番台の符号を付した。燃料電池セル９００において、各符号の下２桁が第１の実施形態と同一である構成要素は、第１の実施形態の各構成要素と同一の機能を有する。燃料電池セル９００は、第１実施形態の燃料電池セル１００と比較して、ＭＥＡ９２０の外周部分は−Ｙ方向に落ち込んでおらず、カソード側ガス拡散層９３０と板状シール部材９８０との隙間ＳＳに対応した接着剤部分９８２Ｂについては、積層方向Ｙに垂直な平面方向に沿っている。

この参考例の燃料電池セル９００では、発電時等の電解質膜９１１が収縮、膨潤する場合に、電解質膜９１１が、図中破線に示すように隙間ＳＳに向けて変形して、破断する虞があった。これに対して、前記実施形態の燃料電池セル１００では、前述したように、隙間Ｓの周辺での電解質膜９２１の変形を抑制できることから、電解質膜の上記破断を防止することができる。

本発明は、上述の実施形態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、前述した各実施形態における構成要素の中の、独立請求項で記載された要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。

１０…膜電極ガス拡散層接合体
２１…電解質膜
２２…カソード
２２Ｔ…周端面
２３…アノード
３０…カソード側ガス拡散層
３０Ｔ…外周端
４０…アノード側ガス拡散層
５０…カソード側セパレータ
５２…酸化剤ガス流路
６０…アノード側セパレータ
６２…燃料ガス流路
８０…板状シール部材
８０Ｔ…内側端面
８２…接着剤
８２Ａ〜８２Ｃ…部分
１００…燃料電池セル
９００…燃料電池セル
９１１…電解質膜
９８２Ｂ…接着剤部分
Ｓ…隙間
Ｙ…積層方向

Claims (1)

1. 燃料電池セルであって、
   膜電極接合体と、
   前記膜電極接合体の第１の面の側に配置された第１のガス拡散層と、
   前記膜電極接合体の前記第１の面とは反対の第２の面の側に配置された第２のガス拡散層と、
   前記膜電極接合体の前記第１の面の外周に設けられる板状のシール部材であって、前記第１のガス拡散層の外周端から隙間を開けて配置された板状シール部材と、
   前記板状シール部材を接着する接着剤であって、前記第１のガス拡散層と前記膜電極接合体との間から前記隙間を経て前記板状シール部材と前記膜電極接合体の間に至る範囲に配置された接着剤と、
   を備え、
   前記接着剤は、
   前記隙間に対応した部分については、前記第１のガス拡散層の外周端から離れるにつれて、前記第１の面から前記第２の面に至る向きに傾斜し、
   前記膜電極接合体は、
   前記隙間に対応した部分については、前記接着剤と離間せず、かつ、前記第１のガス拡散層の外周端から離れるにつれて前記接着剤とともに前記第１の面から前記第２の面に至る向きに傾斜し、
   前記板状シール部材に対応した部分については、前記隙間に対応した部分よりも、前記第１の面から前記第２の面に至る向きに落ち込んでいる、
   燃料電池セル。

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