JP2017147134A

JP2017147134A - 燃料電池セル

Info

Publication number: JP2017147134A
Application number: JP2016028661A
Authority: JP
Inventors: 智暁内山; Tomoaki Uchiyama
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-02-18
Filing date: 2016-02-18
Publication date: 2017-08-24

Abstract

【課題】燃料電池セルにおいて、膜電極接合体の変形を抑制可能な技術を提供する。【解決手段】燃料電池セルは、膜電極接合体と、膜電極接合体に隣接するガス拡散層と、ガス拡散層に隣接するセパレータと、を備える。セパレータは、ガス拡散層と接触する接触部分と、接触しない非接触部分とを有し、非接触部分が、反応ガスが流れるセパレータ溝部を構成し、セパレータ溝部は、第１の溝部と第１の溝部よりも幅の広い第２の溝部とを含み、ガス拡散層の第２の溝部に対向する部分の弾性率が、ガス拡散層の第１の溝部に対向する弾性率よりも高い。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池セルに関する。

燃料電池セルは、例えば、特許文献１に記載されているような波形状のセパレータを備えている。

特開２０１４−１２７２６１号公報

燃料電池セルは、生成水により膜電極接合体が湿潤することで膨張し、乾燥することで収縮する。これにより膜電極接合体は、引張応力がかかり変形する場合がある。膜電極接合体が、特許文献１に記載されたような波形状のセパレータにて挟持されている場合には、セパレータと接触している箇所は面圧が高く、変形に有利だが、セパレータとの接点からの距離が長い箇所は面圧が低く、この変形に対して不利となる。そのため、波形状のセパレータにてガス流路を形成する場合に、ガス入口からガス流路が複数に分岐すると、この分岐前後で溝幅が広くなり特に変形に対して不利となる。そのため、溝幅の広い部分と狭い部分とを有するセパレータを用いた燃料電池セルにおいて、膜電極接合体の変形を抑制可能な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。

（１）本発明の一形態によれば、燃料電池セルが提供される。この燃料電池セルは、膜電極接合体と、；前記膜電極接合体に隣接するガス拡散層と；前記ガス拡散層に隣接するセパレータと、を備え；前記セパレータは、前記ガス拡散層と接触する接触部分と、接触しない非接触部分とを有し；前記非接触部分が、反応ガスが流れるセパレータ溝部を構成し；前記セパレータ溝部は、第１の溝部と前記第１の溝部よりも幅の広い第２の溝部とを含み；前記ガス拡散層の前記第２の溝部に対向する部分の弾性率が、前記ガス拡散層の前記第１の溝部に対向する部分の弾性率よりも高い。この形態の燃料電池セルによれば、膜電極接合体の変形を抑制することが可能になる。また、ガス拡散層の全体ではなく、一部のみ弾性率を高くしているので、ガス拡散性の大幅な低下を抑制できる。

なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池セルを複数積層した燃料電池スタックや燃料電池としての形態の他、燃料電池セルの製造方法としての形態で実現することができる。

本発明の第１実施形態としての燃料電池セルの断面図である。セパレータをアノード側触媒層側から示す平面図である。セパレータ溝部の分岐前後箇所の拡大図である。セパレータ溝部の分岐前後箇所の断面の斜視図である。ガス拡散層の製造方法の概要を表わす工程図である。ガス拡散層の製造方法の概要を表わす工程図である。

Ａ．第１実施形態：
図１は、本発明の第１実施形態としての燃料電池セル１００の概略構造を示す断面図である。図１には、後述する図２のＡ−Ａ断面の一部を示している。燃料電池セル１００は、反応ガスとして水素と酸素の供給を受けて発電する固体高分子型の燃料電池セルである。燃料電池セル１００は、膜電極接合体１０と、一対のガス拡散層２０と、一対のセパレータ３０と、を備える。

膜電極接合体１０は、電解質膜１１と、電解質膜１１の両面にそれぞれ隣接して形成されたアノード側触媒層１２ａ及びカソード側触媒層１２ｂと、を備える。電解質膜１１は湿潤状態において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はフッ素系樹脂のイオン交換膜によって構成される。アノード側触媒層１２ａ及びカソード側触媒層１２ｂは水素と酸素の化学反応を促進する触媒と、触媒を担持したカーボン粒子とを備える。

ガス拡散層２０は、膜電極接合体１０のアノード側触媒層１２ａ側の面とカソード側触媒層１２ｂ側の面とにそれぞれ隣接して設けられている。ガス拡散層２０は、電極反応に用いられる反応ガスを電解質膜１１の面方向に沿って拡散させる層であり、多孔質の拡散層用基材により構成されている。拡散層用基材としては、炭素繊維基材や黒鉛繊維基材、発砲金属など、導電性及びガス拡散性を有する多孔質の基材が用いられる。ガス拡散層２０の膜電極接合体１０側には、撥水処理が施されている。

セパレータ３０は、各ガス拡散層２０の膜電極接合体１０側とは反対側の面にそれぞれ隣接して設けられている。本実施形態のセパレータ３０は、波状のセパレータであり、ガス拡散層２０と接触する接触部分３１と、接触しない非接触部分３２と、を有する。非接触部分３２は。ガス拡散層２０との間で反応ガスが流れるセパレータ溝部３３を構成する。セパレータ３０は例えば、ステンレスやチタン、あるいはそれらの合金からなる金属板をプレス成型することによって形成されている。

図２は、セパレータ３０をアノード側触媒層１２ａ側から見た平面図である。セパレータ３０は、水素ガスがセパレータ溝部３３に流入する水素入口３４と、水素ガスがセパレータ溝部３３から排出する水素出口３５と、を備える。水素入口３４と水素出口３５との間には、反応ガスが流れるセパレータ溝部３３が形成されている。セパレータ溝部３３は水素入口３４付近においてより多くのセパレータ溝部３３に分岐し、水素出口３５付近において分岐したセパレータ溝部３３が合流している。セパレータ溝部３３の構成は、カソード側触媒層１２ｂ側においても同様である。

図３は、セパレータ溝部３３の分岐前後箇所の拡大図であり、図４は、図３をＢ−Ｂラインで切断した断面の斜視図である。セパレータ溝部３３は、その分岐前後で溝幅を確保するため、直線部分の溝幅ａ１よりも溝幅の広い溝幅ａ２の部分を備える。以下ではセパレータ溝部３３の溝幅ａ１の部分を第１の溝部３３ａといい、溝幅ａ２の部分を第２の溝部３３ｂという。

本実施形態におけるガス拡散層２０（図１参照）は、弾性率の異なる第１部分２１と、第２部分２２と、を備える。第２部分２２は、セパレータ溝部３３の第２の溝部３３ｂに対向する部分であり、第１部分２１は、セパレータ溝部３３の第１の溝部３３ａに対向する部分である。本実施形態では、第２部分２２の樹脂バインダ量（含有量）を第１部分２１よりも多くすることで、第２部分２２の弾性率を第１部分２１より高くしている。本実施形態において、弾性率とは、せん断試験により測定した横弾性係数（ＭＰａ＝Ｎ／ｍｍ²）である。

図５は、本実施形態のガス拡散層２０の製造方法の概要を表わす工程図である。ガス拡散層２０を作製する際には、まず、拡散層用基材の、セパレータ３０からの面圧が低い部分である第２部分２２にセパレータ３０側からＰＴＦＥ樹脂溶液を塗布する（ステップＳ２００）。

次に、拡散層用基材の膜電極接合体１０側に撥水ペーストを塗布する（ステップＳ２１０）。撥水ペーストは、例えば、カーボン粒子とＰＴＦＥ樹脂などの撥水性物質とを含有するペーストを用いることができる。次に、拡散層用基材の焼成を行なう（ステップＳ２２０）。焼成されると、ガス拡散層２０が作製される。このように作製されたガス拡散層２０は、第２部分２２の樹脂バインダ量が第１部分２１を含む他の部分よりも多くなり、第２部分２２の弾性率が第１部分２１よりも高くなる。

以上で説明した本実施形態の燃料電池セル１００によれば、セパレータ溝部３３の溝幅ａ２に対向する部分である第２部分２２の樹脂のバインダ量を、第１部分２１よりも多くすることで、弾性率を高くしているので、第２部分２２に対向する膜電極接合体１０部分に加わるセパレータ３０からの面圧を、第１部分２１に対向する膜電極接合体１０部分に加わる面圧と同程度にすることができる。この結果、膜電極接合体１０の変形を抑制することが可能になる。また、ガス拡散層２０の全面ではなく、一部のみ弾性率を高くしているため、全面の樹脂バインダ量を多くするよりもガス拡散性の低下を抑制することができる。

Ｂ．第２実施形態：
第２実施形態では、ガス拡散層２０の製造方法が第１実施形態と異なり、燃料電池セル１００の構成は第１実施形態と同じである。

図６は、第２実施形態におけるガス拡散層２０の製造方法の概要を表わす工程図である。本実施形態においてガス拡散層２０を作製する際には、まず、拡散層用基材の膜電極接合体１０側に撥水ペーストを塗布する（ステップＳ３００）。次に、拡散層用基材の焼成を行なう（ステップＳ３１０）。

次に、焼成した拡散層用基材を２ＭＰａで５分間、平板でプレスすることにより、厚みを調整する。このとき、拡散層用基材の、セパレータ３０からの面圧が低い部分である第２部分２２のプレス圧を他の部分よりも低くする（ステップＳ３２０）。拡散層用基材のプレス圧が低い部分は樹脂バインダの破壊が起こりにくく、他の部分よりも剛性が保たれる。

以上で説明した本実施形態の燃料電池セル１００によれば、セパレータ溝部３３の溝幅ａ２に対向する部分である第２部分２２のプレス圧を、第１部分２１よりも低くすることで、ガス拡散層２０の第２部分２２の剛性を他の部分よりも高くすることができる。そのため、第２部分２２に対向する膜電極接合体１０部分に加わるセパレータ３０からの面圧を、第１部分２１に対向する膜電極接合体１０部分に加わる面圧と同程度にすることができる。この結果、膜電極接合体１０の変形を抑制することが可能になる。

Ｃ．変形例：
＜変形例１＞
上記実施形態において、弾性率は、せん断試験により測定した弾性率（横弾性係数）としたが、その代わりに、引張試験により測定した弾性率（縦弾性係数）、または曲げ試験により測定した弾性率（縦弾性係数）、のどちらかを用いてもよい。いずれも単位はＭＰａ＝Ｎ／ｍｍ²である。また、弾性率の指標の代わりに破壊強度を用いてもよく、（１）せん断試験により測定した破壊強度と、（２）引張試験により測定した破壊強度と、（３）曲げ試験により測定した破壊強度と、のいずれか１つとしてもよい。

＜変形例２＞
上記実施形態において、第２部分は、セパレータ溝部３３の第２の溝部３３ｂに対向する部分を含む一定の領域であってもよい。例えば、図２において、セパレータ溝部３３が直線状の部分が集中する中央の領域に対向する部分を第１部分とし、セパレータ溝部３３が分岐した部分や屈曲した部分が集中する左右の領域に対向する部分を第２部分として、その第２部分の弾性率を高めてもよい。

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、上述した課題を解決するために、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…膜電極接合体
１１…電解質膜
１２ａ…アノード側触媒層
１２ｂ…カソード側触媒層
２０…ガス拡散層
２１…第１部分
２２…第２部分
３０…セパレータ
３１…接触部分
３２…非接触部分
３３…セパレータ溝部
３３ａ…第１の溝部
３３ｂ…第２の溝部
３４…水素入口
３５…水素出口
1００…燃料電池セル
ａ１，ａ２…溝幅

Claims

燃料電池セルであって、
膜電極接合体と、
前記膜電極接合体に隣接するガス拡散層と、
前記ガス拡散層に隣接するセパレータと、を備え、
前記セパレータは、前記ガス拡散層と接触する接触部分と、接触しない非接触部分とを有し、
前記非接触部分が、反応ガスが流れるセパレータ溝部を構成し、
前記セパレータ溝部は、第１の溝部と前記第１の溝部よりも幅の広い第２の溝部とを含み、
前記ガス拡散層の前記第２の溝部に対向する部分の弾性率が、前記ガス拡散層の前記第１の溝部に対向する部分の弾性率よりも高い、燃料電池セル。