JP7040303B2

JP7040303B2 - 燃料電池セル

Info

Publication number: JP7040303B2
Application number: JP2018111261A
Authority: JP
Inventors: 誠安達; 友和林; 恒政西田; 研二佐藤; 卓也栗原; 幸弘柴田; 修保高
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-06-11
Filing date: 2018-06-11
Publication date: 2022-03-23
Anticipated expiration: 2038-06-11
Also published as: JP2019215971A

Description

本発明は、接着層を有する燃料電池セルに関する。

この種の燃料電池セルとして、電解質膜をカソード側触媒層およびアノード側触媒層で挟持した膜電極接合体と、膜電極接合体を挟持するカソード側拡散層およびアノード側拡散層のうち、何れか一方の拡散層が電解質膜よりも小さく形成されたものが開示されている（特許文献１参照）。この燃料電池セルは、さらに、小さく形成された一方の拡散層の外周端面の外側であって、電解質膜とカソード側触媒層およびアノード側触媒層とカソード側拡散層およびアノード側拡散層との積層方向において電解質膜に対応する位置に配置されたシール部材と、シール部材と小さく形成された一方の拡散層の外周端面との間に支持層としての接着層を備えている。

特開２０１７－１２６４４８号公報

しかしながら、特許文献１に記載の燃料電池セルは、製造上、接着層と何れかの触媒層との間に隙間ができ易い。このような隙間ができると、隙間と対応する位置の膜電極接合体が露出してしまう。露出した部分には、薄い膜電極接合体が支持されないため、運転と休止の繰り返しの中で応力が集中した際に、膜電極接合体が裂けたり、水や水蒸気の侵入により膜（接合体）が膨潤・収縮し、疲労破壊する問題がある。

本発明は、このような問題を解決するためになされたもので、膜電極接合体を露出し難くすることで、応力の集中を防ぎ、水を侵入し難くし、膜電極接合体の膜裂けが起き難い燃料電池セルを提供することを課題とする。

本発明に係る燃料電池セルは、電解質膜をカソード側およびアノード側からなる一対の触媒層で挟持した膜電極接合体と、前記膜電極接合体を挟持し、一方の拡散層が前記膜電極接合体よりも小さいカソード側およびアノード側からなる一対の拡散層と、前記膜電極接合体よりも小さい前記一方の拡散層の端部と対向する端部を有する樹脂シートとを備え、前記一方の拡散層の端部と前記樹脂シートの端部との間に接着層を有する燃料電池セルであって、前記一対の触媒層のうち何れか一方の触媒層の端部は、前記一方の拡散層の端部よりも平面方向で内側に位置しており、前記一対の拡散層の積層方向の間において、前記接着層と前記一方の触媒層とが重なる領域を有していることを特徴とする。

本発明に係る燃料電池セルは、膜電極接合体と、一方の拡散層が膜電極接合体よりも小さいカソード側およびアノード側からなる一対の拡散層と、一方の拡散層の端部と対向する端部を有する樹脂シートとを備え、一方の拡散層の端部と樹脂シートの端部との間に接着層を有し、一方の触媒層の端部は、一方の拡散層の端部よりも平面方向で内側に位置しており、一対の拡散層の積層方向の間において、接着層と一方の触媒層とが重なる領域を有している。この構成により、接着層と一方の触媒層との間に隙間ができ難くなり、膜電極接合体が露出し難くなる。その結果、応力が集中した際に膜電極接合体が裂けることや、燃料電池セル内で生ずる水の侵入により膜電極接合体が膨潤収縮して疲労破壊することが起き難くなる。

本発明によれば、膜電極接合体を露出し難くすることで、応力集中や水の浸入による膜電極接合体の膜裂けが起き難い燃料電池セルを提供することができる。

本発明の実施形態に係る燃料電池セルの部分断面図。本発明の実施形態に係る燃料電池セルの接着工程を示す工程図。本発明の実施形態に係る燃料電池セルの部分断面図であり、図３（ａ）は、ＭＥＡをセットした状態を示し、図３（ｂ）は、ＭＥＡの端部に接着剤を塗工した状態を示し、図３（ｃ）は、樹脂シートを設置した状態を示し、図３（ｄ）は、カソード側ガス拡散層を設置した状態を示す。従来の燃料電池セルの部分断面図。

本発明に係る燃料電池セルを適用した実施形態に係る燃料電池セル１０について図面を参照して説明する。

燃料電池セル１０は、図１に示すように、膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly、以下ＭＥＡという。)１１と、カソード側ガス拡散層（ＧＤＬ：Gas Diffusion Layer、以下ＧＤＬという。）１２と、アノード側ＧＤＬ１３と、樹脂シート１４と、接着層１５と、カソード側セパレータ１６と、アノード側セパレータ１７とにより構成されている。なお、本実施形態に係るカソード側ＧＤＬ１２とアノード側ＧＤＬ１３は、本発明に係る燃料電池セルにおける一対の拡散層に対応する。

ＭＥＡ１１は、電解質膜２１と、カソード側触媒層２２と、アノード側触媒層２３との接合体で構成されている。電解質膜２１は、パーフルオロスルホン酸（ＰＦＳＡ）アイオノマーなどの固体高分子材料である高分子電解質樹脂で形成されており、イオン伝導性を有する高分子膜を電解質とするイオン交換膜からなる。電解質膜２１は、電子および気体の流通を阻止するとともに、プロトンをアノード側触媒層２３からカソード側触媒層２２に移動させる機能を有している。

カソード側触媒層２２は、白金や白金合金などの触媒を担持した導電性の担体からなり、例えば、触媒担持カーボン粒子などのカーボン粒子を、プロトン伝導性を有するアイオノマーで被覆して形成された電極触媒層からなる。なお、アイオノマーは、電解質膜と同質のフッ素系樹脂などの固体高分子材料である高分子電解質樹脂からなり、その有するイオン交換基によりプロトン伝導性を有する。カソード側触媒層２２は、プロトンと電子と酸素から水を生成する機能を有している。カソード側触媒層２２の端部２２ａはカソード側ＧＤＬ１２の端部１２ａよりも平面方向で内側、即ち図１の紙面の右側に位置している。

アノード側触媒層２３は、カソード側触媒層２２と同様の材料で形成されているが、カソード側触媒層２２と異なり、水素ガス（Ｈ_２）をプロトンと電子に分解する機能を有している。なお、本実施形態に係るカソード側触媒層２２とアノード側触媒層２３は、本発明に係る燃料電池セルにおける一対の触媒層に対応する。

カソード側ＧＤＬ１２は、ガス透過性および導電性を有する材料、例えば、カーボンペーパーなどの炭素繊維や黒鉛繊維などの多孔質の繊維基材で形成されている。カソード側ＧＤＬ１２は、カソード側触媒層２２の外側に接合されており、酸化剤ガスとしての空気を拡散させて均一にし、カソード側触媒層２２に行き渡らせる機能を有している。カソード側ＧＤＬ１２は、ＭＥＡ１１よりも小さく形成されており、カソード側ＧＤＬ１２の端部１２ａは、ＭＥＡ１１の端部１１ａよりも図１の紙面の右側に位置している。

カソード側ＧＤＬ１２は、カソード側触媒層２２側に形成されたマイクロポーラス層(ＭＰＬ：Micro Porous Layer、以下ＭＰＬという。)１２ｂを有している。ＭＰＬ１２ｂは、いわゆるＭＰＬペーストからなり、具体的には、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などの撥水性樹脂とカーボンブラックなどの導電性材料を主成分とするコーティング薄膜からなる。ＭＰＬ１２ｂは、水素（Ｈ）ガスを流通させるとともに、電解質膜２１に、より多くの水分（Ｈ_２Ｏ）を保持する機能やＭＥＡ１１中の余分な水分を効率よく排出する機能を有している。

アノード側ＧＤＬ１３は、カソード側ＧＤＬ１２と同様に、ガス透過性および導電性を有する材料、例えば、カーボンペーパーなどの炭素繊維や黒鉛繊維などの多孔質の繊維基材で形成されている。アノード側ＧＤＬ１３は、アノード側触媒層２３の外側に接合されており、燃料ガスとしての水素ガスを拡散させて均一にし、アノード側触媒層２３に行き渡らせる機能を有している。アノード側ＧＤＬ１３は、カソード側ＧＤＬ１２と同様、ＭＰＬペーストからなるＭＰＬ１３ａを有している。

樹脂シート１４は、合成樹脂からなり、枠状に形成され、電解質膜２１と接合されている。樹脂シート１４は、燃料極の水素ガス（Ｈ_２）や空気極の酸素ガス（Ｏ_２）が、微量ながら電解質膜を通過してしまうという、いわゆるクロスリークや触媒電極同士の電気的短絡を防ぐための機能を有している。

接着層１５は、電解質膜２１よりも高い剛性や高い弾性を有する液状接着部材からなる。液状接着部材としては、例えばエポキシ樹脂からなる接着剤が挙げられる。接着層１５は、後述する接着工程を経てカソード側ＧＤＬ１２の端部１２ａと樹脂シート１４の端部１４ａとの間、積層方向におけるカソード側ＧＤＬ１２とカソード側触媒層２２との間、積層方向における樹脂シート１４と電解質膜２１との間に形成されている。

カソード側セパレータ１６は、鉄鋼板、ステンレス鋼板およびアルミニウム板などの金属板で形成されている。カソード側セパレータ１６は、カソード側ＧＤＬ１２および樹脂シート１４に接合されており、カソード側ＧＤＬ１２の表面に沿って酸化剤ガスとしての空気を流す酸化剤ガス流路１６ａが形成されている。カソード側セパレータ１６の表面は、チタン（Ｔｉ）薄膜が形成され、チタン薄膜に炭素層が形成されている。

アノード側セパレータ１７は、カソード側セパレータ１６と同様、鉄鋼板、ステンレス鋼板およびアルミニウム板などの金属板で形成されている。アノード側セパレータ１７は、アノード側ＧＤＬ１３および樹脂シート１４に接合されており、アノード側ＧＤＬ１３の表面に沿って燃料ガスとしての水素を流す燃料ガス流路１７ａが形成されている。アノード側セパレータ１７の表面は、カソード側セパレータ１６の表面と同様、表面にチタン（Ｔｉ）薄膜が形成され、チタン薄膜に炭素層が形成されている。

次いで、燃料電池セル１０の接着層１５の接着工程について、図面を参照して説明する。

接着層１５の接着工程は、図２に示すように、ＭＥＡをセットする工程と、ＭＥＡに接着剤を塗工する工程と、樹脂シートを設置する工程と、拡散層を設置する工程とを含んで構成されている。各工程は順に行われる。

ＭＥＡをセットする工程においては、図３（ａ）に示すように、ＭＥＡ１１およびアノード側ＧＤＬ１３とが図示しないテーブルなどの載置台にセットされる（ステップＳ１）。アノード側ＧＤＬ１３が載置台に接する側に位置し、ＭＥＡ１１の予め小さく形成されたカソード側触媒層２２が上側に位置する。

ＭＥＡに接着剤を塗工する工程においては、図３（ｂ）に示すように、ＭＥＡ１１を構成するカソード側触媒層２２の端部２２ａを含みカソード側触媒層２２および電解質膜２１の外周部分に接着剤が塗工され、接着層１５が形成される（ステップＳ２）。接着層１５はカソード側触媒層２２の外周部分と所定の範囲でオーバーラップしている。

樹脂シート１４を設置する工程においては、図３（ｃ）に示すように、樹脂シート１４の端部１４ａから内側の領域と、アノード側ＧＤＬ１３の端部１３ｂから内側の領域とがオーバーラップするように、樹脂シート１４が、塗工された接着層１５の上に設置される（ステップＳ３）。これにより、接着層１５は、積層方向で樹脂シート１４と重なる領域１５ｂを有している。なお、接着剤を硬化する必要がある場合は、この工程において硬化するようにしても良い。

拡散層を設置する工程においては、図３（ｄ）に示すように、樹脂シート１４の端部１４ａとカソード側ＧＤＬ１２の端部１２ａとが、間隔Ｌ１を開けて対向する位置であって、カソード側ＧＤＬ１２の端部１２ａとカソード側触媒層２２の端部２２ａとの間隔がＬ２になる位置に、カソード側ＧＤＬ１２を設置する。この場合には、接着層１５がはみ出てもよい。

この設置により、接着層１５は、カソード側ＧＤＬ１２と重なり、さらに、接着層１５は、積層方向におけるカソード側ＧＤＬ１２とアノード側ＧＤＬ１３との間で、カソード側触媒層２２と重なる領域１５ａを有している。なお、接着剤を硬化する必要がある場合は、この工程において硬化するようにしても良い。

以上のように構成された実施形態に係る燃料電池セル１０の効果について説明する。

本実施形態に係る燃料電池セル１０は、膜電極接合体１１と、膜電極接合体１１よりも小さいカソード側ＧＤＬ１２と、アノード側ＧＤＬ１３と、カソード側ＧＤＬ１２の端部１２ａに対向する端部１４ａを有する樹脂シート１４とを備えている。燃料電池セル１０は、さらに、カソード側ＧＤＬ１２の端部１２ａと樹脂シート１４の端部１４ａとの間に接着層１５を有し、カソード側触媒層２２の端部２２ａは、カソード側ＧＤＬ１２の端部１２ａよりも平面方向で内側に位置しており、カソード側ＧＤＬ１２とアノード側ＧＤＬ１３との間であって、カソード側ＧＤＬ１２とカソード側触媒層２２との積層方向の間で、接着層１５がカソード側触媒層２２と重なる領域１５ａを有している。

この構成により、接着層１５がカソード側触媒層２２と重なる領域１５ａを有しているので、接着層１５とカソード側触媒層２２との間に隙間ができ難くなり、膜電極接合体１１が露出し難くなるという効果が得られる。その結果、応力が集中した際に膜電極接合体が裂けることや、燃料電池セル１０内で生ずる水の侵入により膜電極接合体１１が膨潤収縮して疲労破壊することが起き難くなる。したがって、侵入した水のカソード側触媒層２２またはアノード側触媒層２３との接触により、膜電極接合体１１とカソード側触媒層２２またはアノード側触媒層２３との間に亀裂が生ずることが起き難くなるという効果が得られる。

本実施形態に係る燃料電池セル１０は、図４に示す従来の燃料電池セル１００の構造における問題を解消することができるという効果が得られる。

従来の燃料電池セル１００は、ＭＥＡ１１１と、ＭＰＬ１１２ａを有するカソード側ＧＤＬ１１２と、ＭＰＬ１１３ａを有するアノード側ＧＤＬ１１３と、樹脂シート１１４と、接着層１１５と、カソード側セパレータ１１６と、アノード側セパレータ１１７とにより構成されている。

従来の燃料電池セル１００は、第１の方法または第２の方法により作製される。第１の方法においては、まず、樹脂シート１１４とＭＥＡ１１１を接着する部分に接着剤が塗布され、樹脂シート１１４とＭＥＡ１１１が結合される。その後、樹脂シート１１４とカソード側ＧＤＬ１１２との間の隙間に接着剤が充填される。第２の方法においては、まず、接着剤がＭＥＡ１１１の端部に塗布され、接着剤が塗布された端部に樹脂シート１１４およびカソード側ＧＤＬ１１２が置かれる。

第１の方法では、工程が複数となり、さらに樹脂シート１１４とＭＥＡ１１１との間の狭い隙間に液状の接着剤を充填する作業は、比較的に時間を要する作業となり、燃料電池セル１００の作製に時間を要するという問題がある。

また、第２の方法では、接着剤の塗工を１度で行うことができ工程が簡便になるが、樹脂シート１１４またはカソード側ＧＤＬ１１２の何れから設置するにせよ、カソード側ＧＤＬ１１２とＭＥＡ１１１を構成するカソード側触媒層１２２との間に接着剤が入り込むか（ａ）、または、接着層１１５の端とカソード側ＧＤＬ１１２の間に隙間ができてしまう（ｂ）。

（ａ）の場合、接着剤が接するカソード側触媒層１２２とカソード側ＧＤＬ１１２のＭＰＬ１１２ａの面は一般的に表面が粗いために、接着剤とカソード側ＧＤＬ１１２、ＭＥＡ１１１との接着性が悪く、カソード側触媒層１２２とカソード側ＧＤＬ１１２の部分に応力が生じた際に、カソード側ＧＤＬ１１２やＭＥＡ１１１が接着剤から剥離してしまうという問題がある。カソード側ＧＤＬ１１２やＭＥＡ１１１が接着剤から剥離してしまうと、ＭＥＡ１１１が単独の部材となり、裂けやすくなってしまうという問題がある。

（ｂ）の場合、ＭＥＡ１１１が接着剤にも、カソード側触媒層１２２にも被覆されない状態で露出してしまうという問題がある。この場合もＭＥＡ１１１が単独の部材となり、裂けやすくなってしまうという問題がある。さらに、ＭＥＡ１１１が露出しており、未拘束の状態で燃料電池セル１００により構成される燃料電池の発電中は、外気の湿度が変化するため、水や水蒸気の侵入によりＭＥＡ１１１が膨潤および収縮し、ＭＥＡ１１１が裂けることがあるという問題がある。

本実施形態に係る燃料電池セル１０は、従来の燃料電池セル１００の構造における上記の各問題を解消することができるという効果が得られる。

本実施形態に係る燃料電池セル１０においては、カソード側ＧＤＬ１２とカソード側触媒層２２との間で、接着層１５がカソード側触媒層２２と重なる領域１５ａを有している構造で構成した場合について説明した。この場合は、カソード側ＧＤＬ１２、接着層１５、カソード側触媒層２２、電解質膜２１の順に積層されている。

しかしながら、本発明に係る燃料電池セルにおいては、実施形態に係る燃料電池セル１０の構造以外の他の構造で構成するようにしても良い。即ち、カソード側触媒層２２と電解質膜２１との間で、接着層１５がカソード側触媒層２２と重なる領域１５ａを有している構造で構成してもよい。この場合は、カソード側ＧＤＬ１２、カソード側触媒層２２、接着層１５、電解質膜２１の順に積層されている。

また、本実施形態に係る燃料電池セル１０においては、図１に示すように、紙面の上から、カソード側セパレータ１６、カソード側ＧＤＬ１２、カソード側触媒層２２、電解質膜２１、アノード側触媒層２３、アノード側ＧＤＬ１３およびとアノード側セパレータ１７の順に積層された構造で構成した場合について説明した。

しかしながら、本発明に係る燃料電池セルにおいては、実施形態に係る燃料電池セル１０の構造以外の他の構造で構成するようにしても良い。即ち、紙面の上から、カソード側セパレータ１６に代えてアノード側セパレータ１７、カソード側ＧＤＬ１２に代えてアノード側ＧＤＬ１３、カソード側触媒層２２に代えてアノード側触媒層２３、電解質膜２１、アノード側触媒層２３に代えてカソード側触媒層２２、アノード側ＧＤＬ１３に代えてカソード側ＧＤＬ１２、アノード側セパレータ１７に代えてカソード側セパレータ１６の順で構成するようにしてもよい。

この場合は、アノード側ＧＤＬ１３がＭＥＡ１１よりも小さく形成され、アノード側触媒層２３の端部が、平面方向でアノード側ＧＤＬ１３の端部１３ｂよりも内側に位置する。また、アノード側ＧＤＬ１２とアノード側触媒層２３との積層方向の間で、接着層１５がアノード側触媒層２３と重なる領域１５ａを有している。この場合も、実施形態に係る燃料電池セル１０と同様の効果が得られる。

以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態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精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。

１０・・・燃料電池セル、１１・・・ＭＥＡ（膜電極接合体）、１１ａ，１２ａ，１３ｂ，１４ａ，２２ａ・・・端部、１２・・・カソード側ＧＤＬ（一対の拡散層）、１２ｂ，１３ａ・・・ＭＰＬ、１３・・・アノード側ＧＤＬ（一対の拡散層）、１４・・・樹脂シート、１５・・・接着層、１５ａ，１５ｂ・・・重なる領域、１６・・・カソード側セパレータ、１６ａ・・・酸化剤ガス流路、１７・・・アノード側セパレータ、１７ａ・・・燃料ガス流路、２１・・・電解質膜、２２・・・カソード側触媒層（一対の触媒層）、２３・・・アノード側触媒層（一対の触媒層）

Claims

電解質膜をカソード側およびアノード側からなる一対の触媒層で挟持した膜電極接合体と、前記膜電極接合体を挟持し、一方の拡散層が前記膜電極接合体よりも小さいカソード側およびアノード側からなる一対の拡散層と、前記膜電極接合体よりも小さい前記一方の拡散層の端部に対して前記拡散層の面内と平行な方向に対向する端部を有するシール部材である樹脂シートとを備え、前記一方の拡散層の端部と前記樹脂シートの端部との間に接着層を有する燃料電池セルであって、
前記一対の触媒層のうち何れか一方の触媒層の端部は、前記一方の拡散層の端部よりも平面方向で内側に位置しており、前記一対の拡散層の積層方向の間において、前記接着層と前記一方の触媒層とが重なる領域を有していることを特徴とする燃料電池セル。