(57)【要約】【課題】電解質膜の面に垂直な方向への電解質膜の膨張を抑制し、流路溝のエッジ部に集中する応力を緩和する。【解決手段】高分子電解質型の燃料電池に用いられる高分子電解質膜である。高分子電解質膜内の面方向に沿って、多孔質の補強材を含む補強材層が形成されているとともに、セパレータのガス流路溝に対応する位置において、面方向に垂直な方向に沿って、多孔質の補強材を含む垂直補強部が形成されている。【選択図】図１
2010211991.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子電解質型の燃料電池に用いられる高分子電解質膜であって、
前記高分子電解質膜内の面方向に沿って、多孔質の補強材を含む補強材層が形成されているとともに、セパレータのガス流路溝に対応する位置において、前記面方向に垂直な方向に沿って、前記多孔質の補強材を含む垂直補強部が形成されている
ことを特徴とする高分子電解質膜。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高分子電解質型の燃料電池に用いられる高分子電解質膜に関する。
【背景技術】
【０００２】
図３は、従来の高分子電解質膜を用いた燃料電池モジュールの概略構成を示す断面模式図である。図３（Ａ）に示すように、この燃料電池モジュール１０は、ＭＥＡ（膜電極接合体、Membrance Electrode Assembly）１００をアノード側のＧＤＬ（ガス拡散層）１１０およびカソード側のＧＤＬ１２０で挟持し、さらに、アノード側のセパレータ１３０およびカソード側のセパレータ１４０で挟持する構造を有している。ＭＥＡ１００は、高分子電解質膜（以下、単に「電解質膜」とも呼ぶ）１０２の両面に、図示しないアノード電極およびカソード電極となる触媒電極層が形成されている。アノード側のセパレータ１３０には、反応ガスとしての水素を供給する流路溝１３０ａが設けられている。カソード側のセパレータ１４０には、反応ガスとしての酸素を供給する流路溝１４０ａが設けられている。
【０００３】
電解質膜１０２内には、その面方向に沿って多孔質の補強材１０４が含有されている。なお、このような電解質膜１０２は、例えば、多孔質な補強材１０４を電解質溶液に浸漬して、細孔部に電解質を含浸させることにより作製することができる。
【０００４】
ここで、電解質膜の面方向に沿って設けられている補強材は、電解質膜の含水率が増加して膨潤状態となった場合に、その面方向に沿った電解質膜の膨張による寸法変化を抑制する効果は大きいが、図３（Ｂ）に示すように、その面に垂直な方向に沿った電解質膜の膨張による寸法変化を抑制する効果は小さい。このため、流路溝１３０ａ，１４０ａのエッジ部分（図中黒丸で示した部分）に応力が集中し、この部分が起点となって劣化や破損が発生しやすくなり、耐久性が低下する、という問題が発生している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−３４０２４１号公報
【特許文献２】特開２００５−１８３０７２号公報
【特許文献３】特開２００３−１３２９０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、電解質膜の含水率の増加によって発生する電解質膜の面に垂直な方向への電解質膜の膨張を抑制し、流路溝のエッジ部に集中する応力を緩和することができる技術を提供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、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００８】
［適用例１］
高分子電解質型の燃料電池に用いられる高分子電解質膜であって、
前記高分子電解質膜内の面方向に沿って、多孔質の補強材を含む補強材層が形成されているとともに、セパレータのガス流路溝に対応する位置において、前記面方向に垂直な方向に沿って、前記多孔質の補強材を含む垂直補強部が形成されている
ことを特徴とする高分子電解質膜。
適用例１の高分子電解質膜によれば、流路溝に対応する位置に、面方向に垂直な方向に沿って、多孔質の補強材を含む垂直補強部が形成されているので、電解質膜の含水率の増加によって発生する電解質膜の面に垂直な方向への電解質膜の膨張を抑制し、ガス流路溝のエッジ部に集中する応力を緩和することができる。
【０００９】
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、高分子電解質膜、これを備える膜電極接合体、膜電極接合体を備える燃料電池などの種々の形態で実現することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の第１実施例としての高分子電解質膜を用いた燃料電池モジュール１０Ａの概略構成を示す断面模式図である。
【図２】本発明の第２実施例としての高分子電解質膜を用いた燃料電池モジュール１０Ｂの概略構成を示す断面模式図である。
【図３】従来の高分子電解質膜を用いた燃料電池モジュールの概略構成を示す断面模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の実施の形態を、実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．第１実施例：
Ｂ．第２実施例：
Ｃ．変形例：
【００１２】
Ａ．第１実施例：
図１は、本発明の第１実施例としての高分子電解質膜を用いた燃料電池モジュール１０Ａの概略構成を示す断面模式図である。この燃料電池モジュール１０Ａは、ＭＥＡ１００Ａが、図３に示した従来例の電解質膜１０２ではなく電解質膜１０２Ａを用いて構成されている点を除いて、従来例の燃料電池モジュール１０と同じである。そこで、以下では、実施例における電解質膜１０２Ａの構成についてのみ説明を加えることとする。
【００１３】
実施例の電解質膜１０２Ａ内には、従来例の電解質膜１０２と同様に（図３参照）、その面方向に沿った多孔質の補強材部分１０４ａと、流路溝１３０ａ，１４０ａに対応する位置に、電解質膜の面に垂直な方向に沿った補強材部分１０４ｂを有する補強材１０４Ａが含有されている。なお、このような電解質膜１０２Ａは、例えば、上記補強材１０４Ａを電解質溶液に浸漬して、細孔部に電解質を含浸させることにより作製することができる。
【００１４】
本実施例では、流路溝１３０ａ，１４０ａに対応する位置に、垂直方向の電解質膜の膨張を抑制するための補強材部分１０４ｂが設けられているので、電解質膜の膨張を抑制することにより電解質膜の寸法変化を抑制することが可能である。
【００１５】
なお、補強材部分１０４ｂは、カソード側で生成された水をアノード側へ拡散しやすくするために、電解質膜を薄くした場合にも効果的である。
【００１６】
Ｂ．第２実施例：
図２は、本発明の第２実施例としての高分子電解質膜を用いた燃料電池モジュール１０Ｂの概略構成を示す断面模式図である。この燃料電池モジュール１０Ｂは、ＭＥＡ１００Ｂが、図１に示した第１実施例の電解質膜１０２Ａではなく電解質膜１０２Ｂを用いて構成されている点を除いて第１実施例の燃料電池モジュール１０Ａと同じである。そこで、以下では、実施例における電解質膜１０２Ｂについてのみ説明を加えることとする。
【００１７】
実施例の電解質膜１０２Ｂ内には、従来例の電解質膜１０２と同様に（図３参照）、その面方向に沿った多孔質の補強材部分１０４ａと、流路溝１３０ａ，１４０ａに対応する位置に、第１実施例の補強材１０４Ａと同様に、電解質膜の面に垂直な方向に沿った補強材部分１０４ｃを有する補強材１０４Ｂが含有されている。ただし、この補強材１０４Ｂは、面方向に沿った補強材部分１０４ａがカソード側にほぼ偏り、面に垂直な方向に沿った補強材部分１０４ｃがアノード側にほぼ偏った構造を有している。なお、このような電解質膜１０２Ｂも、例えば、上記補強材１０４Ｂを電解質溶液に浸漬して、細孔部に電解質を含浸させることにより作製することができる。
【００１８】
本実施例においても、アノード側の流路溝１３０ａに対応する位置に、垂直方向の電解質膜の膨張を抑制するための補強材部分１０４ｃが設けられているので、アノード側の流路溝１３０ａにおける電解質膜の膨張を抑制することにより電解質膜の寸法変化を抑制することが可能である。また、面方向に沿った補強材部分１０４ａが、電解質膜１０２Ｂの中でカソード側のＧＤＬ１２０側にほぼ偏って配置されているので、カソード側の流路溝１４０ａにおける面に垂直方向の膨張を結果的に抑制することができ、電解質膜の寸法変化を抑制することが可能である。
【００１９】
なお、補強材部分１０４ｃは、カソード側で生成された水をアノード側へ拡散しやすくするために電解質膜を薄くした場合にも効果的である。
【００２０】
Ｃ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００２１】
上記第２実施例では、面方向に沿った補強材部分１０４ａをカソード側に偏らせた補強材１０４Ｂを用いた電解質膜１０２Ｂを例に示したが、アノード側に偏らせるようにしてもよい。
【符号の説明】
【００２２】
１０…燃料電池モジュール
１０Ａ…燃料電池モジュール
１０Ｂ…燃料電池モジュール
１００…ＭＥＡ（膜電極接合体、Membrance Electrode Assembly）
１０２…電解質膜
１０２Ａ…電解質膜
１０２Ｂ…電解質膜
１０４Ａ…補強材
１０４Ｂ…補強材
１０４ａ…補強材部分
１０４ｂ…補強材部分
１０４ｃ…補強材部分
１１０，１２０…ガス拡散層（ＧＤＬ）
１３０，１４０…セパレータ
１３０ａ，１４０ａ…流路溝
【図１】
2010211991.tif 000003
【図２】
2010211991.tif 000004
【図３】
2010211991.tif 000005