JP6863260B2 - 燃料電池の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池の製造方法に関する。

積層された複数の単セルの間が接着剤で接着された燃料電池が知られている。このような燃料電池の製造方法として、接着剤の硬化時間を短縮するために、燃料電池内部の流路に高温の流体を流して燃料電池を内部から加熱することで接着剤を硬化させる方法が知られている（例えば、特許文献１）。

特開２００６−１３４７３１号公報

しかしながら、特許文献１に記載の方法では、燃料電池内部の流路に高温の流体を流し始めてから接着剤が硬化するまでの間に、高温の流体が流路から燃料電池外部に流出する恐れがあり、その結果、接着剤による接着が良好に行われない恐れがある。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、接着剤による接着を良好に行うことを目的とする。

本発明は、マニホールドを形成する第１貫通孔と前記第１貫通孔の周囲の部分及び発電領域に対応する領域の周囲の部分の少なくとも一方に形成された突起部とをそれぞれ有するアノードセパレータ及びカソードセパレータが、互いの前記突起部が反対側に突出し且つ互いの前記突起部の間に形成される空間が前記マニホールドに導入される流体を前記発電領域に流す流路に連通するように接合された複数のセパレータ組立体を準備する工程と、複数の膜電極接合体の外周縁部に配置された枠状で且つ前記マニホールドを形成する第２貫通孔を有する複数の絶縁フレームに前記突起部が熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂を含む接着剤を介して接するように、前記複数の膜電極接合体及び前記複数の絶縁フレームと前記複数のセパレータ組立体とを交互に積層して積層体を形成する工程と、前記突起部が変形するように前記積層体を積層方向に押圧する工程と、前記突起部が変形した状態で前記流路に前記熱硬化性樹脂の硬化温度又は前記熱可塑性樹脂の融点以上の高温流体を流す工程と、を備える燃料電池の製造方法である。

本発明によれば、接着剤による接着を良好に行うことができる。

図１（ａ）及び図１（ｂ）は、実施例１に係る燃料電池の製造方法を示す平面図である。 図２（ａ）から図２（ｅ）は、実施例１に係る燃料電池の製造方法を示す断面図（その１）である。 図３（ａ）及び図３（ｂ）は、実施例１に係る燃料電池の製造方法を示す断面図（その２）である。 図４（ａ）及び図４（ｂ）は、実施例１に係る燃料電池の製造方法を示す断面図（その３）である。 図５は、別の形状をした突起部を有するセパレータ組立体の断面図である。 図６は、実施例２に係る燃料電池の製造方法を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。

図１（ａ）及び図１（ｂ）は、実施例１に係る燃料電池の製造方法を示す平面図である。図２（ａ）から図４（ｂ）は、実施例１に係る燃料電池の製造方法を示す断面図である。図２（ａ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ間の断面図である。図２（ｂ）から図２（ｅ）は、図１（ｂ）のＡ−Ａ間からＤ−Ｄ間の断面図である。図３（ａ）及び図３（ｂ）は、図１（ｂ）のＡ−Ａ間及びＢ−Ｂ間に相当する箇所の断面図である。図４（ａ）及び図４（ｂ）は、図１（ｂ）のＣ−Ｃ間及びＤ−Ｄ間に相当する箇所の断面図である。実施例で説明する燃料電池は、反応ガスとして燃料ガス（例えば水素）と酸化剤ガス（例えば空気）との供給を受けて発電する固体高分子形燃料電池であり、多数の単セルを積層したスタック構造を有する。燃料電池は、例えば燃料電池自動車又は電気自動車などに搭載される。

図１（ａ）及び図２（ａ）のように、電解質膜１２の一方の面の全面にアノード触媒層１４ａを形成し、他方の面に外周縁部２２を露出させてカソード触媒層１４ｃを形成する。アノード触媒層１４ａ及びカソード触媒層１４ｃは、例えば触媒インクをスプレー塗工することで形成する。これにより、膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）１０が形成される。なお、アノード触媒層１４ａ及びカソード触媒層１４ｃの形成は、転写法又はダイコータ法などで行ってもよい。

電解質膜１２は、スルホン酸基を有するフッ素系樹脂材料又は炭化水素系樹脂材料で形成された固体高分子膜であり、湿潤状態において良好なプロトン伝導性を有する。アノード触媒層１４ａ及びカソード触媒層１４ｃは、電気化学反応を進行する触媒（例えば白金又は白金−コバルト合金）を担持したカーボン粒子（例えばカーボンブラック）と、スルホン酸基を有する固体高分子であり湿潤状態で良好なプロトン伝導性を有するアイオノマーと、を含む。

次いで、アノード触媒層１４ａの外側にアノードガス拡散層１６ａを配置し、カソード触媒層１４ｃの外側にカソードガス拡散層１６ｃを配置する。そして、例えば熱圧着によって、アノードガス拡散層１６ａをアノード触媒層１４ａに、カソードガス拡散層１６ｃをカソード触媒層１４ｃに接合させる。これにより、膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ：Membrane Electrode Gas diffusion layer Assembly）２０が形成される。アノードガス拡散層１６ａ及びカソードガス拡散層１６ｃは、ガス透過性及び電子伝導性を有する部材によって形成されていて、例えばカーボンクロス又はカーボンペーパなどの多孔質カーボン製部材によって形成されている。

次いで、電解質膜１２の外周縁部２２に、熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂を含む接着剤７４が両主面に設けられた枠状の絶縁フレーム６０を、接着剤７４を介して配置する。絶縁フレーム６０は、接着剤７４の硬化温度又は融点よりも高い融点を有する。絶縁フレーム６０は、例えばゴム又はエラストマー樹脂などの弾性を有する樹脂部材によって形成されているが、弾性を有さない絶縁部材によって形成されていてもよい。接着剤７４の例としては、マレイン酸変性ポリプロピレン又はマレイン酸変性ポリオレフィンと接着成分とを含むものが挙げられる。接着成分として、無水マレイン酸を含む酸無水物、アクリル酸又はメタクリル酸を含むカルボン酸、若しくはビニルアルコール又はエチルヘキシルアクリレートを含むアルコール類などが挙げられる。また、接着剤７４は、シランカップリング剤、エポキシ樹脂、又はウレタン樹脂などが添加されていてもよい。

なお、実施例１では、図１（ａ）及び図２（ａ）のときには、絶縁フレーム６０は電解質膜１２に接着していない場合を例に示すが、絶縁フレーム６０が例えば紫外線硬化型樹脂を含む接着剤などによって電解質膜１２に接着している場合でもよい。

絶縁フレーム６０には、貫通孔６２〜７２が設けられている。貫通孔６２は、ＭＥＡ１０に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給マニホールドの一部を構成し、貫通孔７２は、ＭＥＡ１０に供給された酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス排出マニホールドの一部を構成する。貫通孔６４は、ＭＥＡ１０に冷媒を供給する冷媒供給マニホールドの一部を構成し、貫通孔７０は、ＭＥＡ１０に供給された冷媒を排出する冷媒排出マニホールドの一部を構成する。貫通孔６８は、ＭＥＡ１０に燃料ガスを供給する燃料ガス供給マニホールドの一部を構成し、貫通孔６６は、ＭＥＡ１０に供給された燃料ガスを排出する燃料ガス排出マニホールドの一部を構成する。

図１（ｂ）及び図２（ｂ）から図２（ｅ）のように、アノードセパレータ１８ａ及びカソードセパレータ１８ｃを接合させてセパレータ組立体４０を形成する。アノードセパレータ１８ａ及びカソードセパレータ１８ｃは、ガス遮断性及び電子伝導性を有する部材によって形成されていて、例えばプレス成型したステンレス鋼などの金属部材によって形成されている。アノードセパレータ１８ａとカソードセパレータ１８ｃの接合は、例えばレーザ溶接により行う。

アノードセパレータ１８ａ及びカソードセパレータ１８ｃには、貫通孔４２〜５２が設けられている。貫通孔４２は、酸化剤ガス供給マニホールドの一部を構成し、貫通孔５２は、酸化剤ガス排出マニホールドの一部を構成する。貫通孔４４は、冷媒供給マニホールドの一部を構成し、貫通孔５０は、冷媒排出マニホールドの一部を構成する。貫通孔４８は、燃料ガス供給マニホールドの一部を構成し、貫通孔４６は、燃料ガス排出マニホールドの一部を構成する。

アノードセパレータ１８ａ及びカソードセパレータ１８ｃの貫通孔４２〜５２の周囲の部分及び発電領域に対応する領域２４の周囲の部分は突起部５４及び５６となっている。図１（ｂ）において、突起部５４及び５６が形成されている部分を破線で示している。アノードセパレータ１８ａとカソードセパレータ１８ｃは、それぞれの突起部５４と５６が反対側に突出してその間に空間５８ａ〜５８ｄが形成されるように接合されている。突起部５４及び５６は、貫通孔４２〜５２を完全に囲むように貫通孔４２〜５２の周囲を延在している。また、突起部５４及び５６は、貫通孔４２、４６、４８、５２、及び領域２４をまとめて囲むようにアノードセパレータ１８ａ及びカソードセパレータ１８ｃの外周部を延在している。なお、図１（ｂ）における各貫通孔と領域２４との間に接続された点線は、各マニホールドに導入される流体を発電領域に流す流路又は発電領域を流れた流体を各マニホールドに流す流路を示している。

図２（ｂ）が示すように、空間５８ａは、貫通孔４４によって形成される冷媒供給マニホールドと貫通孔５０によって形成される冷媒排出マニホールドとの間を冷媒が流れる流路２６に連通している。図２（ｃ）が示すように、空間５８ｂは、貫通孔４２によって形成される酸化剤ガス供給マニホールドと貫通孔５２によって形成される酸化剤ガス排出マニホールドとの間を酸化剤ガスが流れる流路２８に連通している。流路２８は、カソードセパレータ１８ｃを貫通する孔２９を介して延びている。図２（ｄ）が示すように、空間５８ｃは、貫通孔４８によって形成される燃料ガス供給マニホールドと貫通孔４６によって形成される燃料ガス排出マニホールドとの間を燃料ガスが流れる流路３０に連通している。流路３０は、アノードセパレータ１８ａを貫通する孔３１を介して延びている。空間５８ｄは、空間５８ａに接続されて、流路２６に連通している。

図３（ａ）から図４（ｂ）のように、セパレータ組立体４０の突起部５４及び５６が接着剤７４を介して絶縁フレーム６０に接するように、複数のＭＥＧＡ２０及び複数の絶縁フレーム６０と複数のセパレータ組立体４０とを交互に積層して積層体８０を形成する。これにより、絶縁フレーム６０に設けられた貫通孔６２〜７２とアノードセパレータ１８ａ及びカソードセパレータ１８ｃに設けられた貫通孔４２〜５２とが連通し、酸化剤ガス供給マニホールド、冷媒供給マニホールド、燃料ガス排出マニホールド、燃料ガス供給マニホールド、冷媒排出マニホールド、及び酸化剤ガス排出マニホールドが形成される。

積層体８０を積層方向から押圧して、突起部５４及び５６を変形（例えば弾性変形）させる。その後、突起部５４及び５６が変形した状態を維持しながら、酸化剤ガス供給又は排出マニホールド、冷媒供給又は排出マニホールド、及び燃料ガス供給又は排出マニホールドから流路２６〜３０に高温流体を流す。高温流体の温度は、接着剤７４が熱硬化性樹脂を含む場合は熱硬化性樹脂の硬化温度以上の温度とし、接着剤７４が熱可塑性樹脂を含む場合は熱可塑性樹脂の融点以上の温度とする。高温流体の温度は、電解質膜１２及び絶縁フレーム６０の強度を低下させ難い温度であることが好ましく、例えば１５０℃以下である場合が好ましく、１４０℃以下である場合がより好ましく、１３０℃以下である場合が更に好ましい。流体としては、触媒を劣化させないものを用いることが好ましく、例えば空気、窒素、水素、水、又はフロリナート（登録商標）を用いることが好ましい。

接着剤７４が熱硬化性樹脂を含む場合、流路２６〜３０に熱硬化性樹脂の硬化温度以上の高温流体を流すことで、絶縁フレーム６０と突起部５４及び５６とを接着剤７４で接着させることができる。すなわち、複数のＭＥＧＡ２０と複数のセパレータ組立体４０とを接着剤７４で接着させることができる。接着剤７４が熱可塑性樹脂を含む場合、流路２６〜３０に熱可塑性樹脂の融点以上の高温流体を流し、その後、突起部５４及び５６が変形した状態のまま熱可塑性樹脂の融点よりも低い温度に冷却する。接着剤７４の冷却は、流路２６〜３０に熱可塑性樹脂の融点よりも低い低温流体を流すことで行ってもよい。これにより、絶縁フレーム６０と突起部５４及び５６とを接着剤７４で接着させることができる。すなわち、複数のＭＥＧＡ２０と複数のセパレータ組立体４０とを接着剤７４で接着させることができる。なお、高温流体を流すことにより、電解質膜１２と絶縁フレーム６０とを接着剤７４で接着させてもよい。

以上のように、実施例１によれば、図１（ｂ）及び図２（ｂ）から図２（ｅ）のように、突起部５４及び５６をそれぞれ有するアノードセパレータ１８ａとカソードセパレータ１８ｃが接合された複数のセパレータ組立体４０を準備する。セパレータ組立体４０は、突起部５４と５６が反対側に突出し且つ突起部５４と５６の間の空間５８ａ〜５８ｄが流路２６〜３０に連通するように、アノードセパレータ１８ａとカソードセパレータ１８ｃとが接合されている。図３（ａ）から図４（ｂ）のように、複数のＭＥＡ１０の外周縁部２２に配置された絶縁フレーム６０に突起部５４及び５６が接着剤７４を介して接するように、複数のＭＥＡ１０及び複数の絶縁フレーム６０と複数のセパレータ組立体４０とを交互に積層して積層体８０を形成する。そして、突起部５４及び５６が変形するまで積層体８０を積層方向に押圧し、突起部５４及び５６が変形した状態で流路２６〜３０に接着剤７４の硬化温度又は融点以上の高温流体を流す。

このように、積層体８０を積層方向に押圧して突起部５４及び５６が変形した状態（例えば弾性変形した状態）とすることで、突起部５４及び５６の反力によって、各マニホールドから流路２６〜３０に流れる高温流体を封止することができる。したがって、この状態で流路２６〜３０に接着剤７４の硬化温度又は融点以上の高温流体を流すことで、高温流体が燃料電池外部に流出することが抑制される。よって、複数のＭＥＡ１０と複数のセパレータ組立体４０とを接着剤７４によって良好に接着させることができる。なお、高温流体を流路２６〜３０に流すときの圧力は比較的低い。このため、アノードセパレータ１８ａ及びカソードセパレータ１８ｃが絶縁フレーム６０に接着されていなくても、突起部５４及び５６の反力によって高温流体を十分に封止することができる。

図２（ｂ）から図２（ｅ）では、突起部５４及び５６は、１つの山なりの形状をしている場合を例に示したが、その他の形状をしていてもよい。図５は、別の形状をした突起部を有するセパレータ組立体の断面図である。図５のようにセパレータ組立体４０ａの突起部５４ａ及び５６ａは、中央に位置する山部５５と、山部５５の両脇に位置する山部５５よりも低い山部５７と、を含む構成をしていてもよい。山部５５が絶縁フレーム６０との接着部分、山部５７が伸縮部分となり、接着部分と伸縮部分とを分けることができる。

なお、複数のＭＥＧＡ２０と複数のセパレータ組立体４０とを接着剤７４で接着させた後において、冷媒供給マニホールド及び冷媒排出マニホールドと空間５８ａとの間での流路２６の高さは空間５８ａの高さよりも低くなっている。同様に、酸化剤ガス供給マニホールド及び酸化剤ガス排出マニホールドと空間５８ｂとの間での流路２８の高さは空間５８ｂの高さよりも低くなっている。燃料ガス供給マニホールド及び燃料ガス排出マニホールドと空間５８ｃとの間での流路３０の高さは空間５８ｃの高さよりも低くなっている。

図６は、実施例２に係る燃料電池の製造方法を示す図である。まず、実施例１で説明した製造工程を実施して積層体８０を形成する。その後、図６のように、積層方向に押圧されて突起部５４及び５６が変形した状態の積層体８０を容器９０内に収容する。容器９０は、例えば恒温恒圧槽である。容器９０内には、接着剤７４の硬化温度又は融点以上の温度に調整された高温流体が封入されている。容器９０内の圧力は大気圧よりも高くなるように調整されていて、例えば積層体８０の流路２６〜３０を高温流体が流れたときの流路２６〜３０内の圧力と同程度の圧力（例えば圧力差が５ｋＰａ以下）となるように調整されている。

容器９０内の圧力を高くして、容器９０内に封入された高温流体を突起部５４及び５６が変形した状態の積層体８０のマニホールドから流路２６〜３０に流す。これにより、積層体８０を構成する複数の絶縁フレーム６０と複数のセパレータ組立体４０とが接着剤７４で接着される。

高温流体が流路２６〜３０を流れる場合、流路２６〜３０内の圧力は大気圧よりも高くなり易い。この場合、実施例１では、流路２６〜３０内の圧力と積層体８０の外側の大気圧との圧力差が大きくなることで、接着部において高温流体が十分に封止されずに燃料電池外部に流出する恐れがある。一方、実施例２では、積層体８０を容器９０内に収容し、容器９０内の圧力を高温流体が流れたときの流路２６〜３０内の圧力と同程度になるように調整して、流路２６〜３０に高温流体を流している。これにより、流路２６〜３０内の圧力と積層体８０の外側の圧力との圧力差が小さくなり、高温流体が燃料電池外部に流出することを抑制できる。

また、実施例２によれば、積層体８０を高温流体が封入された容器９０内に収容しているため、積層体８０全体の温度を均一に上げることが効果的にできる。

また、図６のように、積層体８０の高温流体が排出されるマニホールドに接続された配管９２に調圧弁９４を配置し、高温流体が流れたときの流路２６〜３０内の圧力と容器９０内の圧力とが同程度になるように、調圧弁９４によって流路２６〜３０内の圧力を調整してもよい。

実施例２において、容器９０内の圧力を高めて容器９０に封入された高温流体を流路２６〜３０に流す場合に限られず、配管９２に吸引ポンプを配置し、吸引ポンプによって流路２６〜３０を介して高温流体を吸引排気してもよい。

なお、実施例１及び実施例２において、高温流体を導入するマニホールドは、供給マニホールドであってもよいし、排出マニホールドであってもよい。また、実施例１及び実施例２において、アノードセパレータ１８ａ及びカソードセパレータ１８ｃの突起部５４及び５６は、貫通孔４２〜５２の周囲の部分と発電領域に対応する領域２４の周囲の部分のそれぞれに形成されていたが、これに限定されない。貫通孔４２〜５２の周囲の部分及び発電領域に対応する領域２４の周囲の部分の少なくとも一方に形成されていてもよい。

なお、実施例１及び実施例２において、流路２６〜３０を流れた高温流体が積層体８０から排出されたときの温度を測定し、この温度から接着剤７４の温度を推定することで、接着剤７４による接着の開始及び／又は終了を判定してもよい。また、積層体８０から排出されたときの高温流体の圧力を測定し、この圧力値から接着剤７４による接着が正常に行われているかを判断してもよい。また、燃料電池の製造が終了した後に、流路２６〜３０に流体を流して、接着剤７４による接着が正常に行われてリークがないかをチェックしてもよい。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０ 膜電極接合体
１２ 電解質膜
１４ａ アノード触媒層
１４ｃ カソード触媒層
１６ａ アノードガス拡散層
１６ｃ カソードガス拡散層
１８ａ アノードセパレータ
１８ｃ カソードセパレータ
２０ 膜電極ガス拡散層接合体
２２ 外周縁部
２４ 領域
２６〜３０ 流路
２９、３１ 孔
４０、４０ａ セパレータ組立体
４２〜５２ 貫通孔
５４、５４ａ、５６、５６ａ 突起部
５５、５７ 山部
５８ａ〜５８ｄ 空間
６０ 絶縁フレーム
６２〜７２ 貫通孔
７４ 接着剤
８０ 積層体
９０ 容器
９２ 配管
９４ 調圧弁

Claims (1)

1. マニホールドを形成する第１貫通孔と前記第１貫通孔の周囲の部分及び発電領域に対応する領域の周囲の部分の少なくとも一方に形成された突起部とをそれぞれ有するアノードセパレータ及びカソードセパレータが、互いの前記突起部が反対側に突出し且つ互いの前記突起部の間に形成される空間が前記マニホールドに導入される流体を前記発電領域に流す流路に連通するように接合された複数のセパレータ組立体を準備する工程と、
   複数の膜電極接合体の外周縁部に配置された枠状で且つ前記マニホールドを形成する第２貫通孔を有する複数の絶縁フレームに前記突起部が熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂を含む接着剤を介して接するように、前記複数の膜電極接合体及び前記複数の絶縁フレームと前記複数のセパレータ組立体とを交互に積層して積層体を形成する工程と、
   前記突起部が変形するように前記積層体を積層方向に押圧する工程と、
   前記突起部が変形した状態で前記流路に前記熱硬化性樹脂の硬化温度又は前記熱可塑性樹脂の融点以上の高温流体を流す工程と、を備える燃料電池の製造方法。

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