(57)【要約】【課題】  電解質膜の破断がより生じにくい電気化学デバイス（燃料電池スタック等）を提供する。【解決手段】燃料電池スタック等の電気化学デバイスに、電解質膜１１の端部が、電解質膜より弾性率が低く且つ降伏伸度が大きな材料からなる部材２０の内周部分に固定され、当該部材２０の外周部分が、シール部材１８、１９を介してセパレータ１８、１９によって挟持される構成を採用しておく。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
１対の板状部材と、
電解質膜と、
前記電解質膜より弾性率が低く且つ降伏伸度が大きな材料からなる、その内周部分に前記電解質膜の外周部分が固定された環状部材と、
対向するように前記１対の板状部材間に配置された、前記環状部材の外周部分を挟持する１対のシール部材と
を備えることを特徴とする電気化学デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解質膜を備えた電気化学デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
電解質膜を備えた一般的な電気化学デバイス（燃料電池、電気化学的水素ポンプ等）は、図３（ａ）、図３（ｂ）に示したような構成を有する構造体（燃料電池セル等）を、各セパレータに電解質膜側への圧力がかかる形で、複数個、図における上下方向に積層したものとなっている。
【０００３】
なお、図３（ａ）に示したタイプの構造体（電解質膜の端部／外周部分とセパレータとの間に、単一のシール部材が設けられている構造体）を積層した電気化学デバイスとしては、電解質膜とほぼ同サイズのシール部材（電解質膜の縁からはみ出さないサイズのシール部材）を用いたもの（例えば、特許文献１参照。）と、電解質膜の縁からはみ出すサイズのシール部材（シート状ガスケット）が用いられているもの（例えば、特許文献２参照。）とが知られている。
【０００４】
また、図３（ｂ）に示したタイプの構造体を積層した電気化学デバイスとしては、セパレータ・シール部材間の界面のシール性を良くするために、第１シール部材として、軟らかい材料からなる部材を採用し、積層方向の定形性を確保するために、第２シール部材として、高硬度の部材を採用したもの（例えば、特許文献３参照。）と、電解質膜の端部にしわがあってもセパレータ・シール部材間の界面を良好にシールできるようにするために、第２シール部材として、第１シール部材よりも低硬度の部材を採用したもの（例えば、特許文献４参照。）とが、知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平５−１０１８３７号公報
【特許文献２】特許第３０６８３６５号明細書
【特許文献３】特開２０００−１８２６３９号公報
【特許文献４】特開２００３−１４７５６４号公報
【特許文献５】特開２００７−０５９２３２号公報
【特許文献６】特開２００２−３１３３７１号公報
【特許文献７】特開２００６−０６６１６０号公報
【特許文献８】特開２００８−２９３６６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記したように、電解質膜を備えた従来の電気化学デバイスは、各電解質膜の端部（外周部分）を、１種或いは２種のシール部材を介してセパレータに挟持させたものとなっている。そのため、従来の電気化学デバイスは、各電解質膜の端部が面内方向（膜面に平行な方向）に殆ど動けないものとなっているのであるが、電解質膜の面内方向の寸法（及び膜厚）は、電解質膜の状態（電解質膜内の水分量等）により比較的に大きく変化する。
【０００７】
そして、端部が固定された状態で電解質膜の寸法が変化する（電解質膜の各部が膨張・収縮しようとする）と、電解質膜の特定の部分（通常、シール部材近傍の部分）に比較的に大きな応力が発生するが、電解質膜の特定の部分に比較的に大きな応力が発生した場合、電解質膜が破断してしまうことがあり得る。
【０００８】
そこで、本発明の課題は、電解質膜の破断がより生じにくい電気化学デバイスを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明の電気化学デバイスは、
１対の板状部材と、電解質膜と、前記電解質膜より弾性率が低く且つ降伏伸度が大きな材料からなる、その内周部分に前記電解質膜の外周部分が固定された環状部材と、対向するように前記１対の板状部材間に配置された、前記環状部材の外周部分を挟持する１対のシール部材とを、備える。
【００１０】
すなわち、本発明の電気化学デバイスは、電解質膜の外周部分を、シール部材を介して板状部材に挟持させた構成ではなく、一対のシール部材に挟持された『弾性変形し易く且つ寸法が大きく変化しても塑性変形し難い材料（“電解質膜より弾性率が低く且つ降伏伸度が大きな材料”）からなる環状部材』の内周部分に、電解質膜の外周部分を固定した構成を有している。なお、本発明において、“環状部材の内周部分”とは、環状部材の内周側の、“環状部材の外周部分”に含まれる部分を含まない部分（環状部材の外周部分ではない部分や、当該部分の内周側の部分）のことである。
【００１１】
従って、本発明の電気化学デバイスでは、電解質膜の状態が変わった場合、環状部材（主として、環状部材の、シール部材にて挟持されていない部分）が変形することにより、電解質膜の面内方向の寸法変化が大きくなる。そして、電解質膜の寸法変化が大きくなれば、その分、電解質膜内に発生する応力の大きさが小さくなるのであるから、本発明の電気化学デバイスは、電解質膜の寸法が変わらない（電解質膜の端部が固定されている）従来の電気化学デバイスよりも、電解質膜の破断が生じにくいデバイスとなっていることになる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、電解質膜の破断がより生じにくい電気化学デバイスを提供することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１実施形態に係る電気化学デバイス（燃料電池スタック）の要部構成図である。
【図２】本発明の第２実施形態に係る電気化学デバイス（燃料電池スタック）の要部構成図である。
【図３】電解質膜を備えた従来の電気化学デバイスの概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１５】
《第１実施形態》
本発明の第１実施形態に係る電気化学デバイスは、燃料電池セルを積層した、いわゆる燃料電池スタックである。
【００１６】
図１に、第１実施形態に係る電気化学デバイス（燃料電池スタック）が備える燃料電池セル１の構成を示す。
【００１７】
図示してあるように、燃料電池セル１は、電解質膜１１の一方の面の中央部に、電解質膜１１よりも小サイズのアノード触媒層１２を設け、電解質膜１１の他方の面の中央部に
、アノード触媒層１２とほぼ同サイズのカソード触媒層１３を設けたＭＥＡ（膜・電極接合体）１０を備えている。なお、このＭＥＡ１０は、電解質膜１１として、Nafion 112（Nafionは、デュポン社の登録商標）を用いたものとなっている。
【００１８】
燃料電池セル１は、アノードガス用のガス拡散層１４、カソードガス用のガス拡散層１５、アノードガス用のガス流路が形成されているセパレータ１６、カソードガス用のガス流路が形成されているセパレータ１７も備えている。
【００１９】
さらに、燃料電池セル１は、電解質膜１１（Nafion 112）よりも弾性率が高い材料（エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリカーボネート等）からなるシール部材１８及びシール部材１９を備えている。シール部材１８は、ガス拡散層１４よりも若干厚い（図における上下方向の長さが長い）、セパレータ１６（１７）の外周部分（縁の部分）を一周する形状の部材である。また、図から明らかなように、このシール部材１８の開口部（シール部材１８の内周側の側面により形成される部分）の形状は、電解質膜１１（ＭＥＡ１０）よりも一回り大きなもの（電解質膜１１が通るもの）となっている。
【００２０】
シール部材１９も、シール部材１８と同様の形状を有する部材である。ただし、シール部材１９は、ほぼ“電解質膜１０の厚さ＋取付部材２０（詳細は後述）の厚さ”分、シール部材１８よりも厚いものとなっている。
【００２１】
燃料電池セル１は、電解質膜１１よりも弾性率が低く且つ降伏伸度が大きい材料（ポリ塩化ビニル（軟質性）、ポリプロピレン、ポリエチレン等）からなる取付部材２０も備えている。この取付部材２０も、シール部材１８と同様の形状を有する部材である。ただし、取付部材２０は、その開口部のサイズが、電解質膜１１（ＭＥＡ１０）のサイズよりも一回り小さい部材となっている。
【００２２】
そして、本実施形態に係る電気化学デバイスは、ＭＥＡ１０の外周部分（電解質膜１１の外周部分）に取付部材２０の内周部分を接着剤で固定した部材を複数個用意し、用意した複数個の部材を他の各種部材と組み合わせることによりエンドプレート間に複数の燃料電池セル１が挟まれた積層体を組み立てた上で、当該積層体のエンドプレート間を複数組のボルト・ナットにより締め付けることにより製造したものとなっている。
【００２３】
以上の説明から明らかなように、本実施形態に係る電気化学デバイスは、電解質膜１１の外周部分を、シール部材１８、１９を介してセパレータ１６，１７に挟持させた構成ではなく、シール部材１８、１９に挟持された『電解質膜１１より弾性率が低く且つ降伏伸度が大きな材料』（つまり、電解質膜１１よりも弾性変形し易く、寸法変化により塑性変形し難い材料）からなる取付部材２０の内周部分に、電解質膜１１の外周部分を固定した構成を有している。
【００２４】
従って、この電気化学デバイスでは、電解質膜１１の状態（含有水分量等）が変わった場合、取付部材２０（主として、取付部材２０の、シール部材１８、１９により挟持されていない部分）が変形することにより、電解質膜１１の面内方向の寸法変化が大きくなる。そして、電解質膜１１の寸法変化が大きくなれば、その分、電解質膜１１内に発生する応力の大きさが小さくなるのであるから、本実施形態に係る電気化学デバイスは、電解質膜１１の端部が固定されているが故に電解質膜１１の寸法が変わり得ない従来の電気化学デバイスよりも、電解質膜１１の破断が生じにくいデバイスとなっていることになる。
【００２５】
《第２実施形態》
本発明の第２実施形態に係る電気化学デバイスも、燃料電池セルを積層した、いわゆる燃料電池スタックである。
【００２６】
図２に、第２実施形態に係る電気化学デバイス（燃料電池スタック）が備える燃料電池セル２の構成を示す。
【００２７】
この図２と図１とを比較すれば明らかなように、燃料電池セル２は、燃料電池１のシール部材１９、取付部材２０を、シール部材１９′、取付部材２０′に置き換えたものとなっている。
【００２８】
燃料電池セル２が備えるシール部材１９′は、シール部材１９を薄くしたものに相当する部材（本実施形態では、シール部材１８と材料及び形状が同一の部材）である。
【００２９】
取付部材２０′は、電解質膜１１よりも弾性率が低く且つ降伏伸度が大きい材料（ポリ塩化ビニル（軟質性）、ポリプロピレン、ポリエチレン等）からなる部材である。この取付部材２０′は、上記した取付部材２０をより厚くした上で、その内周側の側面（開口部を形成している側面）に、電解質膜１１の外周部分（縁）を嵌め込むための溝を形成したものに相当する部材となっている。
【００３０】
そして、本実施形態に係る電気化学デバイスは、取付部材２０′の溝にＭＥＡ１０の外周部分（電解質膜の外周部分）を嵌め込んで接着した部材を複数個用意し、用意した複数個の部材を他の各種部材と組み合わせることによりエンドプレート間に複数の燃料電池セル２が挟まれた積層体を組み立てた上で、当該積層体のエンドプレート間を複数組のボルト・ナットにより締め付けることにより製造したものとなっている。
【００３１】
以上、説明したように、本実施形態に係る電気化学デバイスも、シール部材１８、１９′に挟持された『電解質膜１１より弾性率が低く且つ降伏伸度が大きな材料』からなる取付部材２０′の内周部分に電解質膜１１の外周部分を固定したもの（電解質膜１１の外周部分が、シール部材１８、１９′によって直接的に挟持されないようにしたもの）となっている。
【００３２】
従って、この電気化学デバイスでも、電解質膜１１の状態（含有水分量等）が変わった場合、取付部材２０′が変形することにより、電解質膜１１の面内方向の寸法が実際に変わることになる。そして、電解質膜１１の寸法が実際に変われば、その分、電解質膜１１内に発生する応力の大きさが小さくなるのであるから、本実施形態に係る電気化学デバイスも、電解質膜１１の端部が固定されているが故に電解質膜１１の寸法が変わり得ない従来の電気化学デバイスよりも、電解質膜１１の破断が生じにくいデバイスとなっていることになる。
【００３３】
《変形形態》
上記した各実施形態の電気化学デバイスは、各種の変形を行うことが出来る。例えば、各実施形態の電気化学デバイスは、いわゆる燃料電池スタックであったが、各実施形態の電気化学デバイスを、電気化学的水素ポンプ等に変形することが出来る。
【００３４】
また、電解質膜１１として、Nafion 112ではない電解質膜を使用しても良いことや、各実施形態の電気化学デバイスを、スタック構造を有さないデバイス（燃料電池セル１又は２のみからなるデバイス）に変形しても良いことなどは、当然のことである。
【符号の説明】
【００３５】
１、２・・・燃料電池セル
１０・・・ＭＥＡ
１１・・・電解質膜
１２・・・アノード触媒層
１３・・・カソード触媒層
１４、１５・・・ガス拡散層
１６、１７・・・セパレータ
１８、１９、１９′・・・シール部材
２０、２０′・・・取付部材
【図１】
2010287358.tif 000003
【図２】
2010287358.tif 000004
【図３】
2010287358.tif 000005