(57)【要約】【課題】  異種材料よりなる複数の部材間を高い接着力にて接着可能にすること。【解決手段】  燃料電池を構成する部材のうち異種材料よりなる複数の部材として、カバープレート（第１の部材）５とターミナルプレート（第２の部材）７とが接着層を介して接着されてなる燃料電池であって、カバープレート５に対する接着性に優れた第１の接着剤層３０と、ターミナルプレート７に対する接着性に優れた第２の接着剤層３１とにより構成された接着層２５によって、カバープレート５とターミナルプレート７とが互いに接着されている。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池を構成する部材のうち異種材料よりなる複数の部材が接着層を介して接着された接着体であって、
前記異種材料よりなる部材間に複数の接着層が介在してなる接着体。
【請求項２】
第１の部材と、第１の接着剤層と、第２の接着剤層と、前記第１の部材とは異なる材種の第２の部材とがこの順で積層されてなり、前記第１の接着剤層と前記第１の部材との結合力は、該第１の接着剤層と前記第２の部材との結合力よりも大であるとともに、前記第２の接着剤層と前記第２の部材との結合力は、該第２の接着剤層と前記第１の部材との結合力よりも大である、請求項１に記載の接着体。
【請求項３】
前記結合力は水素結合力である、請求項２に記載の接着体。
【請求項４】
前記結合力は共有結合力である、請求項２に記載の接着体。
【請求項５】
前記結合力は電気的結合力である、請求項２に記載の接着体。
【請求項６】
前記結合力は機械的結合力である、請求項２に記載の接着体。
【請求項７】
前記第１の部材は、少なくとも前記第１の接着剤層側の面に流体溝を有しないカバープレートであり、
前記第２の部材は、ターミナルプレートである、請求項２〜６のいずれかに記載の接着体。
【請求項８】
前記第１の部材は、セパレータであり、
前記第２の部材は、フレームである、請求項２から６のいずれかに記載の接着体。
【請求項９】
前記第１の部材は、セパレータであり、
前記第２の部材は、前記第１の部材とは異種材料からなる他のセパレータである、請求項２〜６のいずれかに記載の接着体。
【請求項１０】
前記ターミナルプレート及び前記カバープレートは、互いに連通するマニホールドを有し、
前記第１の接着剤層及び前記第２の接着剤層は、前記マニホールドの周縁において前記ターミナルプレートと前記カバープレートとを接着する、請求項７に記載の接着体。
【請求項１１】
請求項１から１０のいずれかに記載の接着体を有する燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池と、該燃料電池を構成する部材のうち異種材料よりなる複数の部材が接着層を介して接着された接着体の構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば固体高分子電解質型の燃料電池は、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）とセパレータとからなる単セルを積層して構成される。積層された単セルの両端にはターミナルが固定される。このターミナルは、単セルに固定されるカバープレートと、端子を有するターミナルプレートとを備えた構造となっている。カバープレートとターミナルプレートには反応ガスや冷媒を流すためのマニホールドが形成され、カバープレートとターミナルプレートとは、マニホールドから面内に反応ガスや冷媒が流入しないように接着剤にて接合される。
【特許文献１】特開平７−２６３０１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
例えばカバープレートがカーボン材、ターミナルプレートが金属（銅など）により構成されている場合、これらカバープレートとターミナルプレートは異種材料にて構成されているため、単一の接着剤による接合では、燃料電池の厳しい環境下、すなわち、運転・停止の連続による温度変化や冷媒への接液といった環境下、あるいは１０年以上に渡る長い使用期間という環境下では、十分な接合強度が得られない虞がある。
【０００４】
特に、ターミナルプレートには、酸化被膜等の形成に伴うカバープレートとの接触抵抗の増大や、冷却水または反応ガスとの接触部における電池環境での腐食等を抑制すべく、化学的・電気的安定性を向上させるための表面処理（例えば、Ａｕめっき等）が施されている場合が多く、かかる場合には、接着性を確保するための官能基が少なく、良好な接着性が得られ難い。
【０００５】
すなわち、以上のような接着体に対しては、特異性の接着材料が必要となるが、かかる場合にはその背反として、他の被着体に対しての接着性が劣る等、あらゆる被着体への万能な接着力が必ずしも得られない場合がある。
【０００６】
本発明は、上記事情に鑑みて成されたものであり、異種材料よりなる複数の部材間を高い接着力にて接着可能にすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明においては、上記の課題を解決するために、以下の手段を採用した。すなわち、本発明の接着体は、燃料電池を構成する部材のうち異種材料よりなる複数の部材が接着層を介して接着された接着体であって、前記異種材料よりなる部材間に複数の接着層が介在してなる。
【０００８】
このような構成によれば、異種材料のそれぞれに対して高い接着力を有する接着層を選択することが可能となる。一般に接着層同士は良好な接着力を有するから、相互に接着すべき部材間に複数の接着層を介在させることにより、これら異種材料よりなる部材は互いに高い接着力にて接着される。
【０００９】
接着層は、２層で構成されているものの他、３層以上で構成されてもよい。例えば、２層構造の接着層において、接着層間の接着性が十分に得られない場合や、より強い接着力を必要とする場合には、これら２種の接着層間の結合力を高めるべく、双方に対して良好な接着性を有する第３あるいは第４以上の接着層を介在させても良い。
【００１０】
上記接着体においては、第１の部材と、第１の接着剤層と、第２の接着剤層と、前記第１の部材とは異なる材種の第２の部材とがこの順で積層されてなり、前記第１の接着剤層と前記第１の部材との結合力は、該第１の接着剤層と前記第２の部材との結合力よりも大であるとともに、前記第２の接着剤層と前記第２の部材との結合力は、該第２の接着剤層と前記第１の部材との結合力よりも大であってもよい。この結合力には、例えば水素結合力、共有結合力、電気的結合力、機械的結合力（アンカー効果等）、あるいはこれら結合力の２種以上の組合せがある。
【００１１】
このような構成によれば、第１の接着剤層は第１の部材に対しては高い接着力を有し、第２の接着剤層は第２の部材に対しては高い接着力を有する。これにより、第１の部材と第２の部材とは、第１の接着剤層及び第２の接着剤層を介して接合することが可能である。
【００１２】
上記接着体において、前記第１の部材は、少なくとも前記第１の接着剤層側の面に流体溝を有しないカバープレートであり、前記第２の部材は、ターミナルプレートであってもよい。また、前記第１の部材は、セパレータであり、前記第２の部材は、フレームであってもよい。さらに、前記第１の部材は、セパレータであり、前記第２の部材は、前記第１の部材とは異種材料からなる他のセパレータであってもよい。
【００１３】
以上の構成によれば、異種材料により構成されるカバープレートとターミナルプレート、セパレータとフレーム、およびセパレータ同士が強固に接着される。
【００１４】
上記接着体において、前記ターミナルプレート及び前記カバープレートは、互いに連通するマニホールドを有し、前記第１の接着剤層及び前記第２の接着剤層は、前記マニホールドの周縁において前記ターミナルプレートと前記カバープレートとを接着するものでもよい。
【００１５】
このような構成によれば、カバープレートとターミナルプレートとの間の面内にマニホールドからの反応ガスや冷媒が流入することが抑制される。
【００１６】
本発明の燃料電池は、上記いずれかの構成からなる接着体を有してなる。
【００１７】
このような構成によれば、運転・停止の連続による温度変化や冷媒への接液、あるいは長い使用期間という厳しい使用環境に晒されても、その構成部材うち異種材料からなる部材間を高い接着力で接着することができる。
【００１８】
なお、互いに接着される異種材料の部材としては、カバープレートとターミナルプレートのほか、単セルを構成するセパレータとフレームや互いに異種材料からなるセパレータ同士、燃料電池が複数の単セルが積層された燃料電池スタックである場合における隣り合う単セル間の互いに異種材料からなるセパレータ同士であってもよい。
【００１９】
これら互いに異種材料からなる複数の部材に、導電性や耐腐食性向上等のためのコーティング（表面処理）が施されている場合には、かかるコーティングによって部材間の接着性が低下してしまう場合があるため、本発明はこのような部材間の接着に特に好適な技術である。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、異種材料よりなる部材間を複数の接着層を介して接着することで、例えば燃料電池のような厳しい環境下に晒されても、十分な接合強度を維持することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
次に、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下においては、固体高分子電解質型の燃料電池を用いて説明するが、本発明は下記の実施形態に限定されるものではない。
【００２２】
図１に示すように、固体高分子型の燃料電池１は、基本単位である多数の単セル２を積層したスタック本体３を有している。燃料電池１は、スタック本体３の両端に位置する単セル２の外側に、順次、カバープレート（第１の部材）５，５’、ターミナルプレート（第２の部材）７，７’、絶縁プレート８，８’およびエンドプレート９，９’を積層して構成されている。符号６はターミナルプレート７に設けられた端子である。
【００２３】
燃料電池１は、例えば、両エンドプレート９、９’間を架け渡すようにして設けられたテンションプレート１１が各エンドプレート９、９’にボルト１２で固定されることで、セル積層方向に所定の圧縮力がかかった状態となっている。なお、スタック本体３の一端側のエンドプレート９’と絶縁プレート８’との間には、プレッシャプレート１３とばね機構１４とが設けられており、単セル２にかかる荷重の変動が吸収されるようになっている。
【００２４】
単セル２は、いずれも図示省略するが、イオン交換膜からなる電解質膜およびこれを両面から挟んだ一対の電極からなるＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）と、ＭＥＡを外側から挟持する一対のセパレータと、で構成されている。各セパレータは、基材をカーボンまたはメタルにより形成されて導電性を有している。
【００２５】
各セパレータは、各電極に酸化ガス（酸素ガス、通常は空気）または燃料ガス（水素ガス）を供給するための流体流路を有している。このような構成により、単セル２のＭＥＡ内による電気化学反応が生じて、起電力が得られる。なお、この電気化学反応は発熱反応であることから、セパレータには、燃料電池冷却用の冷媒が流れる流体流路が設けられている。
【００２６】
燃料電池１内には、燃料ガスマニホールド２０、酸化ガスマニホールド２０、および冷媒マニホールド２０がセル積層方向に貫通形成されている（実際には、これらは別体であるが同一符号を付して説明を省略している。）。これら各流体流路用のマニホールド２０は、エンドプレート９、絶縁プレート８、ターミナルプレート７、カバープレート５、および各単セル２のセパレータをセル積層方向に貫通することで燃料電池１内に形成されている。
【００２７】
各流体（燃料ガス、酸化ガス、冷媒）は、燃料電池１の一端にあるエンドプレート９に設けた各流体配管２１から入口側の各マニホールド２０ａに供給され、セパレータに形成した各流体流路を流れる。そして最終的に、各流体は、出口側の各マニホールド２０ｂからエンドプレート９に設けた各流体配管２２へと排出される。なお、燃料電池１の他端側のエンドプレート９’、絶縁プレート８’、ターミナルプレート７’、およびカバープレート５’にはマニホールドは設けられていない。
【００２８】
本実施形態において、カバープレート５，５’のセル積層方向内側を向く面には、上記冷媒が流れる流体流路５ａが形成されており、該流体流路５ａを流れる冷媒によって燃料電池１を冷却するようになっているが、カバープレート５，５’のセル積層方向外側を向く面、つまり、後述する第１の接着剤層３０側の面には、何ら流体流路（流体溝）は形成されていない。
【００２９】
図２は、図１のＡ−Ａ断面図である。カバープレート５は、カーボン材、ターミナルプレート７は金属（銅など）により構成されている。カバープレート５とターミナルプレート７との面内にマニホールド２０から流体が流入しないように、カバープレート５のうちマニホールド２０の周縁の領域（図の斜線部）に接着剤が塗布されてターミナルプレート７に接合される。また、接着剤で囲まれる領域は導電性ペーストが塗布される。
【００３０】
図３は、カバープレート５とターミナルプレート７の接着構造を模式的に示した図である。同図に示すように、カバープレート５とターミナルプレート７との間には、マニホールドの周縁に位置して２層構造からなる接着層２５が形成されている。この２層構造の接着層２５は、カバープレート５側の第１の接着剤層３０と、ターミナルプレート７側の第２の接着剤層３１とにより構成されている。
【００３１】
第１の接着剤層３０としては、ターミナルプレート７に対しては良好な接着性を得ることができなくてもよいが、少なくともカーボン材により構成されたカバープレート５に対しては高い接着力を有する接着剤（例えば、エラストマー系、エポキシ系等）を採用する。第２の接着剤層３１としては、カバープレート５に対しては良好な接着力を得ることができなくてもよいが、少なくとも金属により構成されたターミナルプレート７に対しては高い接着力を有する接着剤（例えば、シアノアクリレート系、エラストマー系等）を採用する。
【００３２】
換言すると、第１の接着剤層３０とカバープレート５との結合力は、第１の接着剤層３０とターミナルプレート７との結合力よりも高い。また、第２の接着剤層３１とターミナルプレート７との結合力は、第２の接着剤層３１とカバープレート５との結合力よりも高い。なお、結合力として水素結合力、共有結合力、電気的結合力、機械的結合力（アンカー効果等）、あるいはこれら結合力の２種以上の組合せにより接着する接着剤を採用することが可能である。
【００３３】
第１の接着剤層３０と第２の接着剤層３１とは、接着剤同士であるから良好な接着性を有する。
【００３４】
以上のように構成されていることで、カバープレート５は第１の接着剤層３０と良好な接着力を有し、第１の接着剤層３０は第２の接着剤層３１と良好な接着力を有し、第２の接着剤層３１はターミナルプレート７と良好な接着力を有する。したがって、カバープレート５とターミナルプレート７とが十分な強度で接着される。よって、燃料電池の厳しい環境下においても、十分な接合強度を得ることができる。
【００３５】
なお、燃料電池１の他端側のカバープレート５’、ターミナルプレート７’については、マニホールドが設定されていないため、必ずしも上記の接着構造を採用する必要はないが、本実施形態の接着構造を採用することで、上記と同様に強固な接着力を得ることができる。
【００３６】
＜変形例＞
上記実施形態の変形例として、図４に示したように、部分的に２種の接着剤による接着層を形成するようにしてもよい。
【００３７】
同図のターミナルプレート３７は、カーボン材の部位３７ａと金属の部位３７ｂとを備えている。カーボン材の部位３７ａとカバープレート５との間は、第１の接着剤層３０による１層のみの接着層とし、金属の部位３７ｂとカバープレート５との間を、第１の接着剤層３０と、金属の部位３７ｂに塗布された第２の接着剤層３１とにより２層の接着層とする。このように、部分的に異なる材料により構成されたターミナルプレート３７への応用も可能である。
【００３８】
＜他の実施形態＞
本発明は、燃料電池を構成する部材のうち異種材料の部材間を接着する用途であれば、上記実施形態に限定されるものではない、例えば、図５に示したように、単セル２を構成するセパレータ同士を接合するために、本発明を適用してもよい。同図の形態では、金属製のセパレータ（第１の部材）３８と樹脂製のフレーム（第２の部材）３９とを接着する際に、第１の接着剤層４０と、第２の接着剤層４１とを用いる。
【００３９】
第１の接着剤層４０としては、フレーム３９に対しては良好な接着性を得ることができなくてもよいが、少なくとも金属により構成されたセパレータ３８に対しては高い接着力を有する接着剤を採用する。他方、第２の接着剤層４１としては、セパレータ３８に対しては良好な接着力を得ることができなくても、少なくとも樹脂により構成されたフレーム４１に対しては高い接着力を有する接着剤を採用する。
【００４０】
このように構成されていることで、セパレータ３８は第１の接着剤層４０と良好な接着力を有し、第１の接着剤層４０は第２の接着剤層４１と良好な接着力を有し、第２の接着剤層４１はフレーム３９と良好な接着力を有する。したがって、セパレータ３８とフレーム３９とを十分な強度で接着することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の一実施形態として示した燃料電池の断面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ断面図である。
【図３】カバープレートとターミナルプレートとの接着構造を模式的に示した断面図である。
【図４】カバープレートと、２種の異種材料により構成されたターミナルプレートとの接着構造を模式的に示した断面図である。
【図５】単セルを構成するセパレータとフレームとの接着状態を示した断面図である。
【符号の説明】
【００４２】
１…燃料電池本体、２…単セル、５…カバープレート（第１の部材）、７…ターミナルプレート（第２の部材）、２５…接着層、３０…第１の接着剤層、３１…第２の接着剤層、３８…セパレータ（第１の部材）、３９…フレーム（第２の部材）、４０…第１の接着剤層、４１…第２の接着剤層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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