JP4945936B2

JP4945936B2 - 燃料電池

Info

Publication number: JP4945936B2
Application number: JP2005188180A
Authority: JP
Inventors: 和孝飯塚; 友陽笹岡
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-06-28
Filing date: 2005-06-28
Publication date: 2012-06-06
Anticipated expiration: 2025-06-28
Also published as: JP2007012300A

Description

本発明は、膜電極接合体を挟んで積層されるセパレータを備えた燃料電池に関する。

酸化しやすい水素などの燃料ガスと空気中の酸素とを反応させて得られる化学エネルギーを電気エネルギーに変換する燃料電池が知られている。一般に燃料電池は、上述した化学反応をおこす電池用モジュール（電池セル）を複数個利用して形成される。例えば、平板状の電池セルを複数積層した燃料電池が従来から知られている。

平板状の電池セルは、板状の膜電極接合体（ＭＥＡ）の両面に、導電性材料（例えば、金属）などで構成されるセパレータを配置した積層構造となっている。例えば、特許文献１には、膜電極接合体の両面に二枚の樹脂フレームが積層され、さらにその外側から二枚のメタルセパレータで挟み込んだ積層構造が開示されている（特許文献１の第３図参照）。

膜電極接合体、樹脂フレーム、メタルセパレータを積層させて電池セルを形成するにあたり、各層を接着剤によって接着させる形成技術が知られている。例えば、膜電極接合体を挟んで二枚の樹脂フレームが接着剤によって接着され、さらに、樹脂フレームとメタルセパレータが周縁部に塗布された接着剤によって接着される。また、電池セルと電池セルの間に設けられるガスケットが接着剤によってセパレータに固定される技術も知られている（特許文献２参照）。

ちなみに、上述した接着剤による固定技術に対して、金属セパレータの周縁部に樹脂フレームとガスケットを射出成形する技術も知られている（特許文献３，４参照）。

特開２００４−１６５１２５号公報特開２００３−５６７０４号公報特開２００３−２２３９０３号公報特開２００３−３２３９００号公報

シール部材（ガスケット、接着剤）によって電池セルを形成する場合には、シール耐久性の確保が重要となる。ところが、電池セル内で化学反応の結果発生した生成水には、酸やフッ素イオンなどが含まれており、酸やフッ素イオンなどを含んだ生成水が、例えば、樹脂フレームとメタルセパレータの接着界面を劣化させ、シール耐久性を確保できなくなる場合がある。あるいは、極端な場合には、生成水の影響によってメタルセパレータが腐食することも考えられる。

防食などの対策として、貴金属をコートする技術が知られている。セパレータの表面を貴金属コートすることにより、防食の効果を高めることができる。しかし、貴金属コートは高価であり、また、シール性（例えば、接着性）に関しては、貴金属コートは不活性であり初期シール（接着）は確保できるものの、シール（接着）耐久性の面で必ずしも万全の対策とは言えない。

本発明は、このような背景において成されたものであり、その目的は、上記課題を解決したセパレータを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の好適な態様である燃料電池は、反応ガスを供給して電気エネルギーを生成する膜電極接合体と、膜電極接合体を挟んで積層されるセパレータと、を有する燃料電池であって、前記セパレータは、その表面の少なくとも一部に樹脂性皮膜が形成され、前記膜電極接合体と前記セパレータ間にシール部材が配置され、前記シール部材が配置されるセパレータ領域に前記樹脂性皮膜が形成される、ことを特徴とする。

上記構成では、セパレータの表面の少なくとも一部に樹脂性皮膜が形成される。樹脂性皮膜は、例えば、セパレータ表面のうちの非発電領域に対応する領域に形成されることが好ましい。一例として、セパレータ表面の周縁領域に樹脂性皮膜を形成することが好ましい。樹脂性皮膜により、例えば、セパレータの防食効果を高めることができる。このため、樹脂性皮膜により、高価な貴金属コートを利用することなく、安価に防食機能を実現することができる。また、例えば、セパレータのシール部材配置面（接着剤塗布面）に樹脂性皮膜を形成しておき、樹脂性皮膜の上からシール部材を配置することにより、シール（接着）耐久性を確保することも可能になる。

望ましくは、前記膜電極接合体と前記セパレータ間に中間部材を配置し、前記セパレータと前記中間部材の間にシール部材を配置する構成であって、前記シール部材が配置されるセパレータ領域に前記樹脂性皮膜が形成されることを特徴とする。望ましくは、前記セパレータは、その周縁部の少なくとも一部にマニホールドとして機能する孔を備え、当該孔が設けられた周縁部に前記樹脂性皮膜が形成される、ことを特徴とする。

また上記目的を達成するために、本発明の好適な態様である製造方法は、燃料電池のセパレータの製造方法であって、シール部材が配置されるセパレータの表面の領域に樹脂性粉末を電着させる電着工程を含み、シール部材が配置されるセパレータの表面の領域に、前記電着させた樹脂性粉末により樹脂性皮膜を形成する、ことを特徴とする。

上記構成では、シール部材が配置されるセパレータの表面の領域に樹脂性粉末を電着させている。電着によって、樹脂性粉末は、均一かつ緻密にセパレータの表面にコートされて樹脂性皮膜を形成する。このため、例えば、樹脂性皮膜の防食効果やシール（接着）耐久性がさらに高められる。

望ましくは、前記電着工程は、樹脂性粉末の一部分をイオン化して得られる陽イオン性樹脂をシール部材が配置されるセパレータの表面の領域に電着させる工程である、ことを特徴とする。望ましくは、セパレータの表面に電着させた樹脂性粉末をセパレータの表面に焼き付ける焼付工程を含む、ことを特徴とする。

本発明により、改良されたセパレータが提供される。これにより、例えば、高い防食性を実現でき、さらに、シール耐久性を確保することが可能になる。

以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の好適な実施形態を説明するための図であり、図１には、本実施形態の燃料電池を構成する電池セル１０の周縁部９０の断面図が示されている。複数の電池セル１０が積層されて燃料電池が形成される。各電池セル１０は、膜電極接合体（ＭＥＡ）と樹脂フレーム１８Ｃ，１８Ｄとセパレータ１８を積層した構造である。そこで、まず電池セル１０の全体構成について説明する。

図２は、本実施形態の燃料電池を構成する電池セルの分解斜視図である。ちなみに、図２に示す分解斜視図は、上記特許文献１の第３図と同じである。図２に示す分解斜視図は、本実施形態における電池セルの積層状態を説明するための図であり、各層の形状などについてはあくまでも一例にすぎず、本発明に係る電池セルの各層の形状などは図２に示すものに限定されない。

図２に示すように、ＭＥＡはセパレータ１８で挟まれる。セパレータ１８でＭＥＡを挟む際、樹脂フレーム１８Ｃ，１８Ｄをメタルセパレータ１８Ａ，１８ＢのＭＥＡ側にそれぞれ配置して、メタルセパレータ１８Ａ、樹脂フレーム１８Ｃ、ＭＥＡ、樹脂フレーム１８Ｄ、メタルセパレータ１８Ｂの順に積層される。

燃料電池発電部対応部２９は、樹脂フレーム１８Ｃ，１８Ｄが中抜きされているので、メタルセパレータ１８Ａ、ＭＥＡ、メタルセパレータ１８Ｂの順で積層されており、樹脂フレーム１８Ｃ，１８Ｄの部分は、メタルセパレータ１８Ａ、樹脂フレーム１８Ｃ、樹脂フレーム１８Ｄ、メタルセパレータ１８Ｂの順で積層されている。

メタルセパレータ１８Ａの燃料電池発電部対応部２９のＭＥＡ側の面には燃料ガス流路２７が形成されており、ＭＥＡ側と反対側の面には冷却水流路２６が形成されている。同様に、メタルセパレータ１８Ｂの燃料電池発電部対応部２９のＭＥＡ側の面には酸化ガス流路２８が形成されており、ＭＥＡ側と反対側の面には冷却水流路２６が形成されている。燃料ガス流路２７と酸化ガス流路２８とは、ＭＥＡを挟んで互いに対応している。

メタルセパレータ１８Ａ，１８Ｂの燃料ガス流路２７と酸化ガス流路２８は、各々、燃料電池発電部対応部２９を挟んで対向する一対の対向部３０，３１間方向に折り返し屈曲させることにより、流路が長くなるようにしてある。燃料ガス流路２７への燃料ガス入口２７ｃと燃料ガス出口２７ｄは、セパレータの燃料電池発電部対応部２９を挟んで互いに反対側に位置している。同様に、酸化ガス流路２８への酸化ガス入口２８ｃと酸化ガス出口２８ｄとは、セパレータの燃料電池発電部対応部２９を挟んで互いに反対側に位置している。

メタルセパレータ１８Ａ，１８Ｂと樹脂フレーム１８Ｃ，１８Ｄの、燃料電池発電部対応部２９を挟んで対向する対向部３０，３１には、マニホールド部が形成されている。マニホールド部には、冷却水マニホールド３２、燃料ガスマニホールド３３、空気マニホールド３４が形成されている。ちなみに、燃料電池発電部対応部２９を挟んで互いに対向する対向部３０，３１の一方（符号３０）には、入り側の冷却水マニホールド３２ａ、出側の燃料ガスマニホールド３３ｂ、入り側の空気マニホールド３４ａが設けられ、他方（符号３１）には、出側の冷却水マニホールド３２ｂ、入り側の燃料ガスマニホールド３３ａ、出側の空気マニホールド３４ｂが設けられる。

樹脂フレーム１８Ｃ，１８Ｄには、マニホールド部とガス流路部とを連通するガス流路連通部３７が形成されている。ガス流路連通部３７には、ガスの流れの方向を、いったん対向部３０，３１を結ぶ方向と直交する方向に向けるとともに、ガス流路部との間のガスの流入・流出を対向部３０、３１を結ぶ方向と直交する方向に均一化させるガス整流部３５，３６が形成されている。

図２において、樹脂フレーム１８Ｃ，１８Ｄが中抜きされていない周縁部であってマニホールド部が形成された部分において電池セルを切断した断面が図１の断面に相当する。以下、図１に戻り、本実施形態の燃料電池を構成する電池セル１０を説明する。

図１（ａ）は、マニホールド部５０が形成された電池セル１０の周縁部９０の断面図である。電池セル１０は、膜電極接合体（ＭＥＡ）と樹脂フレーム１８Ｃ，１８Ｄとセパレータ１８を積層した構造であり、ＭＥＡを挟んで二枚の樹脂フレーム１８Ｃ，１８Ｄが互いに接着剤によって接着され、さらに、樹脂フレーム１８Ｃ，１８Ｄとセパレータ１８が接着剤によって接着される。また、電池セル１０と電池セル１０の間に設けられるガスケット４０がセパレータ１８に取り付けられる。なお、図２を利用して説明したとおり、樹脂フレーム１８Ｃ，１８Ｄが中抜きされた部分（図１において周縁部９０以外の部分）においては、ＭＥＡを挟んで二枚のセパレータ１８が積層されている。

図１（ｂ）は、図１（ａ）におけるマニホールド部５０近傍の拡大図であり、ＭＥＡと樹脂フレーム１８Ｃ，１８Ｄとセパレータ１８の積層状態が示されている。二枚の樹脂フレーム１８Ｃ，１８Ｄは、ＭＥＡを挟んで接着剤６０によって接着されている。なお、ＭＥＡは、高分子化合物からなる高分子電解質膜の両面にアノード電極およびカソード電極の触媒層を張り合わせたものであり、そのうちの高分子電解質膜が、二枚の樹脂フレーム１８Ｃ，１８Ｄの間の接着剤６０側に突出しいる。これにより、高分子電解質膜が接着剤６０によって固定される。

セパレータ１８は、例えばステンレスで形成され、接着剤６０によって樹脂フレーム１８Ｄに固定される。なお、図示省略しているが、図の下方において、樹脂フレーム１８Ｃにも、接着剤６０を介してセパレータ１８が固定される。樹脂フレーム１８Ｄに接着されるセパレータ１８（樹脂フレーム１８Ｃに接着されるセパレータ１８についても）には、表面に樹脂コート１００が形成されており、この樹脂コート１００を介して接着剤６０が塗布されている。

樹脂コート１００は、セパレータ１８の表面の少なくとも一部に形成されるが、図１（ｂ）に示すように、マニホールド部５０が設けられた周縁部９０に形成されることが望ましい。また、樹脂コート１００は、セパレータ１８の平面部のみではなく、マニホールド部５０を形成するエッジ部にも形成される。このため、図１（ｂ）に示すように、樹脂コート１００の断面はコの字状になっている。

なお、図１（ｂ）には、図１（ａ）におけるマニホールド部５０の左側部分の拡大図のみを示しているが、図１（ａ）において、マニホールド部５０を挟んで対向する右側部分においても、セパレータ１８の平面部およびエッジ部を含むセパレータ１８の全体に樹脂コート１００が形成される。つまり、セパレータ１８には、平面部およびエッジ部を含む周縁部９０の全体に亘って、樹脂コート１００が形成されている。また、本実施形態において、樹脂フレーム１８Ｃと樹脂フレーム１８Ｄは必須の部材ではなく、樹脂フレーム１８Ｃと樹脂フレーム１８Ｄを省略した構成も可能である。つまり、ＭＥＡとセパレータ１８の間に接着剤６０を配置して、接着剤６０が配置されるセパレータ１８の表面領域に樹脂コート１００が形成される構成も可能である。

本実施形態において、樹脂コート１００は、セパレータ１８の表面に電着によって形成される。以下、図１に示した部分には図１の符号を付して、電着による樹脂コート１００の形成方法について説明する。

図３は、本実施形態におけるセパレータ１８の表面処理方法を説明するための図であり、セパレータ１８の表面に樹脂コート１００を形成するための電着処理の原理説明図である。

本実施形態では、樹脂粉末の一部分をＮＨ⁺でイオン化して得られる陽イオン性樹脂（ＮＨ⁺−樹脂）１１０をセパレータ１８の周縁部に電着させる。つまり、陽イオン性樹脂１１０が存在する溶液中で、セパレータ１８に負極電圧を印加して対極７０に正極電圧を印加することにより、セパレータ１８側に陽イオン性樹脂１１０が引き寄せ、セパレータ１８の表面に陽イオン性樹脂１１０を付着させる。電着処理により、セパレータ１８の周縁部の表面には、均一かつ緻密に樹脂粉末がコートされる。

さらに、本実施形態では、セパレータ１８の表面に電着させた樹脂粉末をセパレータ１８の表面に焼き付ける焼付処理を実行する。例えば、摂氏１５０度から２５０度程度、望ましくは２００度程度の温度で、セパレータ１８の表面に付着した樹脂粉末を溶かすことにより、樹脂のコートをさらに均一かつ緻密にした後、樹脂を硬化させ、セパレータ１８の表面に樹脂コート１００が形成される。

電着処理のみであっても樹脂の緻密なコートが可能であるが、焼付処理で樹脂を溶かすことにより、樹脂と樹脂の間に存在したごく僅かな孔が完全に塞がれ、極めて緻密で均一な樹脂コート１００が形成される。

このように、セパレータ１８の周縁部に、極めて緻密で均一な樹脂コート１００が形成される結果、酸やフッ素イオンなどを含んだ生成水によるセパレータ１８の腐食や接着界面の劣化を抑え、極めて高い防食効果を発揮し、また、極めて高い接着耐久性を確保することが可能になる。

防食などの対策として、貴金属などをコートする技術が知られている。そこで、本実施形態における樹脂コート１００と他のコートとの比較について説明する。

図４は、セパレータ１８の表面処理の比較例を示す図であり、図１（ｂ）に示す本実施形態との比較例を示している。図４（ａ）には、金コート２００とカーボンコート２１０を利用した第一比較例が示されている。つまり、図１（ｂ）における樹脂コート１００を金コート２００に換え、さらに金コート２００と接着剤６０との間にカーボンコート２１０を施した比較例である。また、図４（ｂ）には、セパレータ１８の表面処理を省略した第二比較例が示されている。

初期接着強度に関して、本実施形態の樹脂コート（図１（ｂ））と第一比較例の金カーボンコート（図４（ａ））とを比較すると、所定条件下において、本実施形態の樹脂コートの方が約２倍もの強度を有していることが確認された。

また、接着耐久性に関して、本実施形態の樹脂コート（図１（ｂ））と第一比較例の金カーボンコート（図４（ａ））とを比較すると、温水耐久試験（燃料電池から発生する生成水を模擬したテストピース試験）により、本実施形態の樹脂コートの方が約８倍もの強度を有していることが確認された。

さらに、防食性に関して、燃料電池の生成水を模擬した酸性溶液と加速的な腐食性を評価するための塩素とを含んだ温水による評価を行い、次のような結果が得られた。

まず、第一比較例の金カーボンコート（図４（ａ））では、金コート２００によってコートされた平面部とエッジ部の両方に腐食発生が確認された。ちなみにカーボンコート２１０には腐食が確認されなかったが、カーボンコート２１０では、工法的にエッジ部をコートすることが不可能であるため、エッジ部の腐食を抑えることができない。また、セパレータ１８の表面処理を省略した第二比較例（図４（ｂ））では、ステンレス性のセパレータ１８の平面部とエッジ部の両方に腐食発生が確認された。これに対し、本実施形態の樹脂コート（図１（ｂ））では、平面部とエッジ部の両方において腐食が確認されなかった。

このように、本実施形態の樹脂コート（図１（ｂ））は、初期接着強度、接着耐久性、防食性のいずれにおいても極めて高い評価が得られた。

なお、本実施形態の樹脂コートは、金コートやカーボンコートなどと併用されてもよい。例えば、セパレータ１８の全体に金コートを施した後、周縁部９０にのみ、金コートを覆うように樹脂コート１００を形成してもよい。また、セパレータ１８の周縁部９０には樹脂コート１００のみを形成し、セパレータ１８とＭＥＡが向き合う部分において金コートやカーボンコートを施してもよい。

以上説明したように、図１に示す本実施形態では、接着の界面が樹脂コート１００と接着剤６０になるため隙間腐食が起こりにくい。また、樹脂コート１００は、セパレータ１８に電気化学的に吸着するため緻密であり、セパレータ１８と樹脂コート１００との間の隙間腐食が起こりにくい。このため、接着耐久シール性も向上する。また、金コートに比べて樹脂コート１００は安価である。

なお、図１に示す本実施形態において、ガスケット４０が接着剤６０によってセパレータ１８に接着されてもよい。ガスケット４０が接着される平面部にも樹脂コート１００が形成されているため、ガスケット４０の接着耐久性などを確保することができる。また、セパレータ１８は、ステンレスの他、チタン、鉄、アルミニウムなどで形成されてもよい。接着剤６０としては、シリコン系、エポキシ変性シリコン系などが利用される。そして、電着処理される樹脂は、エポキシ系、ウレタン系、アクリル系、ポリイミド系のいずれでもよい。

以上、本発明の好適な実施形態を説明したが、上述した実施形態はあらゆる点で単なる例示にすぎず、本発明の範囲を限定するものではない。

本発明に係る電池セルの周縁部の断面図である。本実施形態の燃料電池を構成する電池セルの分解斜視図である。セパレータの表面処理方法を説明するための図である。セパレータの表面処理の比較例を示す図である。

符号の説明

１０電池セル、１８セパレータ、１８Ｃ，１８Ｄ樹脂フレーム、６０接着剤、１００樹脂コート。

Claims

反応ガスを供給して電気エネルギーを生成する膜電極接合体と、
膜電極接合体を挟んで積層されるセパレータと、
を有する燃料電池であって、
前記セパレータは、その表面の少なくとも一部に樹脂性皮膜が形成され、
前記膜電極接合体と前記セパレータ間にシール部材が配置され、
前記シール部材が配置されるセパレータ領域に前記樹脂性皮膜が形成される、
ことを特徴とする燃料電池。
請求項１に記載の燃料電池において、
前記膜電極接合体と前記セパレータ間に中間部材を配置し、前記セパレータと前記中間部材の間にシール部材を配置する構成であって、
前記シール部材が配置されるセパレータ領域に前記樹脂性皮膜が形成される、
ことを特徴とする燃料電池。
請求項１または２に記載の燃料電池において、
前記セパレータは、その周縁部の少なくとも一部にマニホールドとして機能する孔を備え、当該孔が設けられた周縁部に前記樹脂性皮膜が形成される、
ことを特徴とする燃料電池。
燃料電池のセパレータの製造方法であって、
シール部材が配置されるセパレータの表面の領域に樹脂性粉末を電着させる電着工程を含み、
シール部材が配置されるセパレータの表面の領域に、前記電着させた樹脂性粉末により樹脂性皮膜を形成する、
ことを特徴とするセパレータの製造方法。
請求項４に記載の製造方法において、
前記電着工程は、樹脂性粉末の一部分をイオン化して得られる陽イオン性樹脂をシール部材が配置されるセパレータの表面の領域に電着させる工程である、
ことを特徴とするセパレータの製造方法。
請求項５に記載の製造方法において、
セパレータの表面に電着させた樹脂性粉末をセパレータの表面に焼き付ける焼付工程を含む、
ことを特徴とするセパレータの製造方法。