(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の外周部を第１のフレームと第２のフレームで挟持した固体高分子型燃料電池の単セルモジュールにおいて、
前記第１のフレームと前記第２のフレームの一方の表面に前記電解質膜を貫通して他方のフレームまで達する溶着部が形成され、前記溶着部は、前記第１のフレーム、前記第２のフレーム及び前記電解質膜を溶着するとともに、前記電解質膜の外周に点在してなり、かつ、前記溶着部より内側の前記第１のフレームと前記第２のフレームの表面にシール部材をそれぞれ配置してなること、
を特徴とする、固体高分子型燃料電池の単セルモジュール。
【請求項２】
前記溶着部は、
前記第１のフレームの材料、前記第２のフレームの材料及び前記電解質膜の材料とが混在してなる、請求項１に記載の固体高分子型燃料電池の単セルモジュール。
【請求項３】
前記溶着部は、第３のフレームで覆われてなる、請求項１に記載の固体高分子型燃料電池の単セルモジュール。
【請求項４】
前記第１のフレーム、前記第２のフレーム、及び、前記第３のフレームの材料のうち、少なくとも２つのフレームの材料は、同じ樹脂材料である、
請求項３に記載の固体高分子型燃料電池の単セルモジュール。
【請求項５】
超音波溶着を用いて、前記第１のフレーム、前記第２のフレーム及び前記電解質膜の溶融接合を行う、請求項１に記載の固体高分子型燃料電池の単セルモジュール。
【請求項６】
レーザを用いて、前記第１のフレーム、前記第２のフレーム及び前記電解質膜の溶融接合を行う、請求項１に記載の固体高分子型燃料電池の単セルモジュール。
【請求項７】
前記溶融接合に用いるレーザ光は、前記第１のフレーム又は前記第２のフレームを透過し、前記電解質膜で吸収される波長を有する、
請求項６に記載の固体高分子型燃料電池の単セルモジュール。
【請求項８】
電解質膜の外周部を第１のフレームと第２のフレームで挟持し、これらのフレームを挟む一対のセパレータを有する複数の単電池モジュールを積層して組み立てられる固体高分子型燃料電池であって、
前記第１のフレームと前記第２のフレームの一方の表面に前記電解質膜を貫通して他方のフレームまで達する溶着部が形成され、前記溶着部は、前記第１のフレーム、前記第２のフレーム及び前記電解質膜を溶着するとともに、前記電解質膜の外周に点在してなり、かつ、前記溶着部より内側の前記第１のフレームと前記第２のフレームの表面にシール部材をそれぞれ配置してなること、
を特徴とする、固体高分子型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、樹脂により形成されたフレームで電解質膜を支持し、シール部材を備えたセパレータで挟持した固体高分子型燃料電池の単セルモジュール、および当該単セルモジュールを有する固体高分子型燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は発電反応を起こす電解質膜に触媒層を接合し、それらをセパレータで挟んだものを一つの単セルモジュールとして、必要な個数のモジュールを積み上げ構成されている。電解質膜は、主に樹脂製の枠状のフレーム部材に固定されている。このフレーム部材により、セパレータで挟み組み立てる際のハンドリング性向上や、非発電部の電解質材料の使用量を削減することができる。【０００３】
燃料電池を動作させるためには、電解質膜の両面に形成した電極の一方に燃料ガス（水素ガス）、他方に酸素（空気）を供給しなければならず、一方のガスが他方に流入すると、正常な電気化学反応が行われず、充分な発電特性を得ることができない。そのため、電解質膜の枠体との固定部において、ガスシール性を有していなければならない。【０００４】
従来の電解質膜のフレーム部材への固定方法としては、超音波を用いて樹脂製のフレーム部材に電解質膜を溶着しているものがある（例えば、特許文献１参照）。図５Ａ、図５Ｂは、特許文献１に記載された従来の電解質膜の枠体への固定方法を示す図である。図５Ａ、図５Ｂにおいて、電解質膜２０の両面をフレーム部材１００で挟み込み、フレーム部材１００に設けた突出部１１２同士を超音波溶着により電解質膜２０を介して溶着させることで、電解質膜２０をフレーム部材１００に固定している。【０００５】
また、従来の電解質膜のフレーム部材への固定方法として、電解質膜にあらかじめ貫通孔を設けておき、貫通孔にフレーム樹脂を充填し、フレーム部材に固定しているものもある（例えば、特許文献２照）。図６は、特許文献２に記載された従来の電解質膜の枠体への固定方法を示す図である。図６において、電解質膜２の両面を熱で軟化させたフレーム部材５で挟み込み、加圧することで、電解質膜２に予め設けておいた貫通孔に軟化したフレーム部材５の材料が充填され、貫通孔を介して両面のフレーム部材５が溶着することで、電解質膜２をフレーム部材５に固定している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平７−２３５３１４号公報
【特許文献２】特開２００９−１２３３８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１及び２の構成では、発電領域近傍又は電解質膜のフレーム部への固定部近傍において、電解質膜に高温の熱履歴と、燃料電池の運転・停止に伴う電解質膜の乾湿寸法変化により局所的な応力の集中が生じてしまい、充分な耐久性及びガスシール性が確保できない。【０００８】
具体的には、特許文献１では、超音波溶着を用いて電解質膜をフレーム部材に固定しているが、超音波溶着を行う際に、溶着時に与える熱及び振動により、溶着部近傍の電解質膜の厚みが薄くなってしまう。電解質膜が薄くなると膜を解してのガスリークが起こりやすくなり、充分な発電性能、耐久性が得られない。【０００９】
更に、特許文献１の構成では、薄くなった電解質膜部分に酸化剤ガスが暴露され、より電解質膜劣化が起こり、ガスリークの要因となる。また、薄くなった電解質膜部分に、発電のために供給される加湿された燃料ガス及び酸化剤ガスが暴露し、加湿ガスの水蒸気を電解質膜が吸収し膨潤収縮することで、機械的応力が蓄積し、分子の構造を壊し、電解質膜を破壊する。そして、薄くなった電解質膜部分に発電の際に生じる生成水が到達し、電解質膜が吸収し膨潤収縮することで、機械的応力が蓄積し、分子構造を壊し、電解質膜を破壊することになる。【００１０】
また、特許文献２の構成では、熱で軟化させたフレーム部材を電解質膜に押し当て、電解質膜とフレーム部材を密着させているのみで、燃料電池の発電・停止に伴う、電解質膜の膨潤・収縮により、電解質膜がフレーム部材から剥離する。特許文献２において、電解質膜がフレーム部材から剥離することで、電解質膜とフレーム部材の間にガスが通じることのできる空間が生じ、貫通穴部や電解質膜端部を迂回したガスが対極に回りこんで、充分な発電性能が得られない。【００１１】
更に、燃料電池の運転・停止に伴う電解質膜の寸法変化による、貫通孔の周囲への応力の集中により、電解質膜に機械的ダメージが生じ、充分な耐久性を確保することができない。【００１２】
本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、充分な耐久性及びガスシール性を有する、固体高分子型燃料電池の単セルモジュール及び固体高分子型燃料電池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】
【００１３】
上記目的を達成するために、本発明の単セルモジュールは、第１のフレームと第２のフレームが電解質膜を解して溶融接合され且つ溶融接合箇所よりも発電領域側にシール部材を配したセパレータで挟み込んだ構造とする。【００１４】
本構成によって、電解質膜のフレーム部材への固定を溶融接合箇所で行い、溶着箇所より発電領域側に設けたシール部材により、ガスシール性を確保する。ガスリークの起こりやすい溶融接合箇所よりシール部材を発電領域側に設けることで、溶融接合箇所にガスが到達することがなく、ガスシール性を確保することができる。また、シール部材を一定以上に圧縮させた状態でセパレータと電解質膜構造体を積層させることで、燃料電池の運転・停止に伴う乾湿の電解質膜の厚み寸法が変化した場合においても、所定以上のシール部圧力を維持することができ、電解質膜の厚み状態およびその変動によらず、ガスシール性を確保することができる。【００１５】
また、本発明の単セルモジュールは、第１のフレームと第２のフレームの溶融接合箇所に、電解質膜材料が混在した構造とする。【００１６】
本構成によって、フレーム部材と電解質膜の一体性が向上し、電解質膜のフレーム部材への固定機能が向上する。【００１７】
また、本発明の単セルモジュールは、電解質膜端部に通じる第１のフレームと第２のフレームの境界部及び溶融溶着部を第３のフレームで覆う構造とする。【００１８】
電解質膜は長期に大気に暴露させると劣化する。本構成によって、大気に通じる第１のフレームと第２のフレームの境界部を第３のフレームで封止することで、電解質膜端部の大気への暴露が低減でき、電解質膜の耐久性を維持することができる。【００１９】
更に、電解質膜材料の混在した第１のフレームと第２のフレームの溶融接合箇所において、電解質膜が大気に暴露しないように、第３のフレームで覆うことで、溶融接合箇所に存在する電解質膜の劣化を防止することができる。【００２０】
また、本発明の単セルモジュールは、第１のフレーム、第２のフレームの少なくともどちらか一方は、第３のフレームの材料と同種の材料とする。【００２１】
本構成によって、第３のフレームと第１のフレームまたは第３のフレームと第２のフレーム間の接合がより強固になり、フレーム部材の剛性を向上させ、電解質膜構造体のハンドリング性や寸法精度を向上することができる。【００２２】
また、本発明の単セルモジュールは、電解質膜の両面から第１のフレームと第２のフレームで挟み込み、一方のフレーム部材側から、超音波溶接ホーンを当接させ、電解質膜をフレーム部材に超音波溶着方法を用いて固定する。【００２３】
本構成により、溶融接合界面にのみが加熱され溶融溶着ができ、周囲への熱影響を最小限に抑えることができ、電解質膜構造体の耐久性を維持することができる。【００２４】
また、本発明の単セルモジュールは、電解質膜の両面から第１のフレームと第２のフレームで挟み込み、一方のフレーム部材側から、溶融溶着部にレーザ光を照射し、電解質膜をフレーム部材にレーザ溶融接合法を用いて固定する。【００２５】
本構成により、電解質膜とフレーム部材を非接触で溶融接合が可能となり、溶融溶着部に不純物が混入することを防ぐことが可能となり、電解質膜構造体の耐久性を維持することができる。【００２６】
また、本発明の単セルモジュールは、電解質膜の両面から第１のフレームと第２のフレームで挟み込み、一方のフレーム側から、フレーム部材に対しては主に透過し、電解質膜で吸収される波長のレーザ光を照射を溶融溶着部に照射し、電解質膜をフレーム部材にレーザ溶融接合法を用いて固定する。【００２７】
本構成により、溶融接合界面にのみが加熱され溶融溶着ができ、周囲への熱影響を最小限に抑えることができ、電解質膜構造体の耐久性を維持することができる。【００２８】
また、本発明の燃料電池システムは、上記単セルモジュールを積層させたスタックユニットである。【００２９】
本構成により、ガスシール性と耐久性に優れた燃料電池システムとすることができる。
【発明の効果】
【００３０】
以上のように、本発明の固体高分子型燃料電池の単セルモジュール及び固体高分子型燃料電池によれば、単セルモジュール内でのガスリークを抑制し、燃料電池の特性を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の実施の形態における燃料電池の模式図
【図２】本発明の実施の形態における単セルモジュールの断面図
【図３】本発明の実施の形態における電解質膜構造体の上視図
【図４Ａ】本発明の実施の形態における電解質膜構造体の組立工程模式図
【図４Ｂ】本発明の実施の形態における電解質膜構造体の組立工程模式図
【図４Ｃ】本発明の実施の形態における電解質膜構造体の組立工程模式図
【図５Ａ】特許文献１記載の単電池構造の断面模式図
【図５Ｂ】特許文献１記載の単電池構造の断面模式図
【図６】特許文献２記載の従来の電解質膜構造体の断面模式図
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００３３】
（実施の形態）
図１は本発明の固体高分子型燃料電池の模式構成図を示す。
【００３４】
燃料電池２００は、例えば水素を含有する燃料ガス２１１と、空気など酸素を含有する酸化剤ガス２１２を電気化学的に反応させることで、電力、熱、及び水を同時に発生させるものである。
【００３５】
燃料電池２００は、アノード及びカソードの一対の極を備える単セルモジュール１が複数個直列に接続された構造を有するスタック３００と、燃料ガス２１１から水素を取り出す燃料処理器４００と、燃料処理器４００にて取り出された水素を含む燃料ガスを加湿するアノード加湿器４１１と、酸化剤ガス２１２に対して加湿を行うカソード加湿器４１２と、燃料ガス２１１と酸化剤ガス２１２を夫々供給するポンプ４１３ａ，４１３ｂを備える。
【００３６】
この燃料電池２００には、燃料処理器４００、アノード加湿器４１１、ポンプ４１３ａにより燃料ガス２１１を単セルに供給する燃料供給装置が構成されている。また、カソード加湿器４１２とポンプ４１３ｂとにより、酸化剤ガスをスタック３００の単セルに供給する酸化剤供給装置が構成されている。
【００３７】
なお、このような燃料供給装置や酸化剤供給装置は、燃料や酸化剤の供給を行う機能を備えていればその他様々な形態を採用し得るが、本実施形態においては、スタック３００が備える複数の単セルに対して、共通して燃料ガス２１１や酸化剤ガス２１２を供給する供給装置であれば、後述する本実施形態の効果を好適に得ることができる。
【００３８】
また、燃料電池２００には、発電の際にスタック３００にて発生される熱を効率的に除去する冷却水２１３を循環供給するためのポンプ４１３ｃと、この冷却水２１３（例えば、導電性を有さない液体、例えば純水が用いられる）により除去された熱を、水道水などの流体と熱交換するための熱交換器４１４と、熱交換された水道水を貯留させる貯湯タンク４１５が備えられている。更に、燃料電池２００には、このようなそれぞれの構成部を互いに関連付けて発電のための運転制御を行う運転制御装置５００と、スタック３００にて発電された電気を取り出す電気出力部６００が備えられている。
【００３９】
このスタック３００は、単セルモジュール１（図２参照）を複数個積層し、集電板７０１、絶縁板７０２、端板７０３で両側から所定の荷重で締結して構成されている。それぞれの集電板７０１には、電流取り出し端子部（図示せず）が設けられており、発電時にここから電流、すなわち電気が取り出される。
【００４０】
それぞれの絶縁板７０２は、集電板７０１と端板７０３の間を絶縁するとともに、ガスや冷却水の導入口（図示せず）、排出口（図示せず）が設けられている場合もある。それぞれの端板７０３は、複数枚積層された単セルモジュール１と集電板７０１、絶縁板７０２を加圧手段（図示せず）によって所定の荷重で締結し、保持されている。
【００４１】
図２は、本発明の実施の形態の電解質膜構造体１１をシール部材７付きセパレータ６で挟み込んだ、単セルモジュール１の断面図である。図３は、本発明の実施の形態の電解質膜構造体１１の第２のフレーム部材５２側からの上視図である。
【００４２】
図２において、電解質膜構造体１１は電解質膜２の端部を樹脂製の枠状の第１のフレーム部材５１と樹脂製の枠状の第２のフレーム部材５２で挟み込み、電解質膜２を介して、第１のフレーム部材５１と第２のフレーム部材５２が溶融溶着部８で接合され、前記第１のフレーム部材５１と第２のフレーム部材５２の境界部及び溶融溶着部８を第２のフレーム部材５２の外側から、第３のフレーム部材５３で覆う構成としている。電解質膜構造体１１の両面には、燃料ガス及び酸化剤ガスを触媒に均一に行き渡らせるためのガス拡散層４を配置し、ガス流路６１を具備したシール部材７付きセパレータ６で挟み込むことで、単セルモジュール１を構成している。
【００４３】
本実施の形態では、ガス拡散層４が第１のフレーム部材５１及び第２のフレーム部材５２に乗り上げ、セパレータ６との空間に充填されているが、第１のフレーム部材５１及び第２のフレーム部材５２との間に、空間がなければ、ガス拡散層４で充填しなくてもよい。
【００４４】
第１のフレーム部材５１及び第２のフレーム部材５２とセパレータ６との間に空間がある場合、燃料ガス及び酸化剤ガスがガス流路６１を通過せず、第１のフレーム部材５１及び第２のフレーム部材５２とセパレータ６との間の空間を通過してしまい、発電領域１２に燃料ガス及び酸化剤ガスが行き渡らず、充分な発電性能を得ることができない。第１のフレーム部材５１及び第２のフレーム部材５２とセパレータ６との間に、ガス拡散層４を充填することで、燃料ガス及び酸化剤ガスがガス流路６１を通過させることができ、所定の発電性能を得ることができる。
【００４５】
また、ガス拡散層４の第１のフレーム部材５１及び第２のフレーム部材５２とセパレータ６との間に位置する領域の厚みを、第１のフレーム部材５１及び第２のフレーム部材５２とセパレータ６の間隔より厚くしておくことで、電解質膜構造体１１をセパレータ６で挟持する際に、ガス拡散層４が圧縮され、第１のフレーム部材５１及び第２のフレーム部材５２を電解質膜２に密着させることができる。
【００４６】
第１のフレーム部材５１及び第２のフレーム部材５２を電解質膜２に密着させることで、電解質膜２と第１のフレーム部材５１及び電解質膜２と第２のフレーム部材５２の間に、燃料ガス及び酸化剤ガスが侵入することを低減でき、ガスバリア性を向上できると共に、電解質膜２が燃料ガス及び酸化剤ガスにより劣化することが抑制でき、燃料電池の性能を長期に確保することが出来る。
【００４７】
本実施の形態では、電解質膜２の両面に端部を除き均一に触媒層電極３を形成している。触媒層電極３の端部には、第１のフレーム部材５１及び第２のフレーム部材５２の一部が覆いかぶさる配置とした。こうすることで、電解質膜２の触媒層電極３が形成されていない領域に、酸化剤ガスが暴露することを低減することができ、酸化剤ガスによる電解質膜の劣化を抑制することが可能となる。
【００４８】
単セルモジュール１を形成した際に、セパレータ６に設けられたシール部材７は、電解質膜構造体１１に形成された溶融溶着部８よりも発電領域側に配置され、且つ触媒層電極３の領域よりも外側に配置した。
【００４９】
単セルモジュール１とした際に、セパレータ６に設けられたシール部材７は、第１のフレーム部材５１及び第２のフレーム部材５２と当接し、圧縮される。
【００５０】
圧縮によりシール部材７の反力が発生し、シール部材７と第１のフレーム部材５１及び第２のフレーム部材５２、第１のフレーム部材５１及び第２のフレーム部材５２と電解質膜２の間の密着度が向上し、ガスバリア性を確保することが出来る。
【００５１】
触媒層電極３は燃料ガス及び空気ガスが拡散し、発電反応を起こすために、多孔質構造となっている。そのため、触媒層電極３とシール部材当接触部７１が重なった場合、シール部材７の反力だけでは触媒層電極３の多孔質部を遮蔽することができず、ガスリークの原因となる。
【００５２】
第１のフレーム部材５１側に具備されたシール部材７及び第２のフレーム部材５２側に具備されたシール部材７は、電解質膜構造体１１を挟んで、向かい合う位置に配置し、両極に設けられたシール部材７は共に、触媒層電極３と重ならない配置としたが、シール部材７同士が向い合う位置に配置しなくても良く、シール部材７の反力が充分に得られればよい。また、少なくとも一方のシール部材７が触媒層電極３にかかっていなければ、触媒層電極３にかからないシール部材７側で充分なガスバリア性が確保できればよい。
【００５３】
向かい合う位置に配置した場合、電解質膜構造体１１にかかるシール部材７の反力が対向し、電解質膜構造体１１に応力を与えることがなく、両極においてシール部材７が触媒層電極３にかからなければ、よりガスバリア性を確保できてよい。
【００５４】
本実施の形態において、溶融溶着部８よりも発電領域１２側にシール部材７を設けることで、溶融溶着部８を形成する際の、超音波溶着時の熱及び振動による電解質膜２の変形部が燃料ガス、酸化剤ガスや水分に晒されることを抑制することができ、ガスリーク低減することができ、燃料電池の発電性能を維持することができる。
【００５５】
また、水分を吸収することによる膨潤収縮を低減することができ、機械的応力の集中を防ぎ、電解質膜構造が壊れることを抑止することができ、燃料電池性能を長期に維持することができる。
【００５６】
図３において、電解質膜２の四辺を囲うように、第１のフレーム部材５１、第２のフレーム部材５２と第３のフレーム部材５３を備えており、電解質膜２の電解質膜端部２１の近傍に、所定の溶融溶着部間隔８２で溶融溶着部８が設けられている。
【００５７】
本実施の形態では、第１のフレーム部材５１には、中心部に発電領域１２となる開口が設けられている。第１のフレーム部材５１と第２のフレーム部材５２に設けた開口は同じ大きさとしたが、違う大きさでも良く、同じ大きさとした場合、発電領域１２に用いることの出来る領域が大きくなり、電解質膜の利用率がよい。電解質膜２は発電領域１２よりも大きく且つ第１のフレーム部材５１と第２のフレーム部材５２で挟持した際に、第１のフレーム部材５１及び第２のフレーム部材５２からはみ出さない大きさであればよい。
【００５８】
第１のフレーム部材５１ないし第３のフレーム部材５３は、燃料電池の発電反応に必要な燃料ガスもしくは酸化剤ガスを供給するマニホールド９を具備している。
【００５９】
シール部材当接触部７１が、発電領域１２の全領域及びガスケット９を囲うように、セパレータ６に設けられたシール部材７を配置した。
【００６０】
本実施の形態では、電解質膜２を介しての第１のフレーム部材５１と第２のフレーム部材５２の溶融溶着部８の形成を超音波溶着により行っている。第２のフレーム部材５２にも、中心部に発電領域１２となる開口が設けられている。超音波溶着を用いた電解質膜２を介しての第１のフレーム部材５１と第２のフレーム部材５２の溶融溶着部８の形成において、第１のフレーム部材料と第２のフレーム部材料と電解質膜が混在する溶融溶着部８を形成することができる。
【００６１】
フレーム部材料と電解質膜材料が混在する溶融溶着部８を形成することで、第１のフレーム部材５１および第２のフレーム部材５２と電解質膜２の固定性をより向上することができ、乾湿寸法変化による電解質膜２への応力の集中を避けることができ、電解質膜２の長期耐久性を向上することができる。
【００６２】
本実施の形態では、第１のフレーム部材５１と第２のフレーム部材５２の境界面及び溶融溶着部８の加工痕を覆うように、第３のフレーム部材５３を形成し、電解質膜構造体１１を組み立てる。
【００６３】
図４Ａ、図４Ｂ、図４Ｃに電解質膜構造体の組立模式図を示す。予め第１のフレーム部材５１と第２のフレーム部材５２を射出成形を用いて作製し、第１のフレーム部材５１に触媒層電極３を塗布した電解質膜２を配置した後、第２のフレーム部材５２を配置する（図４Ａ）。第２のフレーム部材５２の外側から超音波ホーン８１を所定の位置に当接させ、溶融溶着部８を形成する（図４Ｂ）。第１のフレーム部材５１及び第２のフレーム部材５２と一体化した電解質膜２を、射出成型機の金型に配置し、第３のフレーム部材５３を形成する（図４Ｃ）。
【００６４】
本実施の形態では、スポット状の溶融溶着部８を形成した。本実施の形態において、溶融溶着部８の形成は、超音波接合を用いた。超音波接合には精電舎工業社製の超音波接合機（ΣＧ６２０Ｓ）を用いた。フレーム部材に当接させる超音波加工工具は、先端がφ０．５ｍｍのものを用いた。フレーム部材を超音波接合する際の、接合加工条件としては２８．５ｋＨｚの振動数で、振幅は４０μｍ、加圧力３０Ｎで、０．２５秒の加工時間で良好な接合が得られた。
【００６５】
本実施の形態の溶融溶着部８の形成においては、レーザを用いた溶融接合法を用いてもよい。レーザを用いた場合、非接触で溶融溶着部８を形成することが可能となり、フレーム部材と電解質膜が混在する溶融溶着部８に、電解質膜２の劣化の原因となるコンタミが混入することを防止でき、長期に性能を保証することが可能となる。
【００６６】
また、溶融接合に用いるレーザ光はフレーム部材や電解質膜に吸収される波長のものを選択すればよいが、フレーム部材を透過し、電解質膜に吸収される波長のレーザ光を用いることが好ましい。これにより、フレーム部材を透過したレーザ光が電解質膜で吸収され、レーザ光照射部が高温となり、その熱によりレーザ光が照射された電解質膜部を挟持するフレーム部材を溶融させ、溶融接合が可能となる。
【００６７】
また、溶融接合時に投入するエネルギーを最も小さくすることができるため、溶融時間を短縮することができ、より生産性を向上することができる。さらに、溶融溶着部を小さくすることが可能となり、電解質膜への熱影響を小さくすることが可能となり、電解質膜の性能を長期に確保することが可能となる。
【００６８】
本実施の形態では、溶融溶着部８とシール部材７の間隔は約２ｍｍとした。溶融溶着部８とシール部材７の間隔をより狭小にすることで、発電に寄与しない領域の電解質膜量を削減できるが、超音波接合時の熱や振動により、加工部の周囲の電解質膜２を変形させるため、電解質膜２の変形した領域がシール部材７より発電面に対して内側にこないように配置するとよい。
【００６９】
本実施の形態では、第１のフレーム部材５１と第２のフレーム部材５２の境界面を覆うフレーム部材と溶融溶着部８の加工痕を覆うフレーム部材を一体として、第３のフレーム部材５３を形成している。この状態で、第１のフレーム部材５１と第２のフレーム部材５２の境界面を覆うフレーム部材と溶融溶着部の加工痕を覆うフレーム部材を分離した部材として形成しても良いが、一体で形成した場合、電解質膜構造体１１の剛性がより向上し、ハンドリング性などがよくなる。
【００７０】
また、図４Ｂに示すように、第２のフレーム部材５２側から、超音波接合を行っているが、第１のフレーム部材５１側から超音波接合を行っても良く、その場合は第３のフレーム部材５３において、第１のフレーム部材５１と第２のフレーム部材５２の境界部を覆うフレーム部材と溶融溶着部８の加工痕を覆うフレーム部材を分離すればよい。
【００７１】
本実施の形態では、第１のフレーム部材５１、第２のフレーム部材５２と第３のフレーム部材５３を同一の樹脂材料で形成した。図４に示すように、第１のフレーム部材５１及び第２のフレーム部材５２に、直接、第３のフレーム部材５３を射出成形するため、同一の樹脂材料を用いた場合、フレーム部材間の接合力が高まり、電解質膜構造体１１の一体性が向上し、ハンドリング性がよくなる。
【００７２】
また、本実施の形態では、第１のフレーム部材５１と第２のフレーム部材５２のフレーム部材料として、熱可塑性樹脂を用いており、特に第１のフレーム部材５１及び第２のフレーム部材５２は燃料電池の発電環境に晒されることから、変性ＰＰＥ、変性ＰＰＥやＰＰＳなどの材料を用いることがより好ましい。
【００７３】
本実施の形態では、スポット状の溶融溶着部８を形成しているが、線上の溶融接合箇所を形成しても良く、また間欠でなくてもよい。
【００７４】
スポット状の溶融溶着部８とした場合、電解質膜構造体１１の組立時間が短くなり、生産性を向上することが出来る。また、連続的または断続的な溶融溶着部８を形成した場合、電解質膜２のフレーム部材への固定強度を向上することができる。
【００７５】
溶融溶着部の形状は、組立環境や燃料電池の運転条件などにより、最適な形状を選択すればよい。
【００７６】
また、本実施の形態では、電解質膜２は製膜時の設備動作の影響を受けない、縦方向と横方向で等方的な特性を持つ電解質膜２を用いたため、発電領域全周において溶融溶着部間隔８２を等間隔とした。電解質膜２により縦方向と横方向で異方性を持つものもあり、異方性を持つ電解質膜２においては、縦方向と横方向のそれぞれの特性に合せた間隔に調整するとよく、更に等間隔に溶融溶着部８を形成した場合、電解質膜２が乾燥収縮もしくは湿潤膨張による溶融溶着部８への応力の集中を均等にすることができてよい。
【００７７】
また、本実施の形態では、シール部材７と電解質膜端部２１を出来る限り近づけることで、発電に寄与しない電解質膜量を削減している。シール部材７と電解質膜端部２１の間隔は、乾燥により収縮した電解質膜２がシール部材７より内側に到達しなければよく、溶融溶着部間隔８２が広い場合、溶融接合されていない箇所の電解質膜２の変位は大きくなるため、シール部材７と電解質膜端部２１の間隔を大きくすれば良い。シール部材７と電解質膜端部２１の間隔を大きくした場合、電解質膜端部２１を迂回して、一方のガスが他方の電極にリークする際のリーク経路長を長くすることがでるため、ガスリークを低減できてよい。
【００７８】
２０１３年３月２１日出願の特願２０１３−０５７６０８の日本出願に基づく優先権を主張する。本日本出願に含まれる明細書、図面および要約書の開示内容は、すべて本願に援用される。
【産業上の利用可能性】
【００７９】
本発明によれば、電解質膜の寸法変化に影響を受けることなく、ガスシール性の高い単セルモジュールを形成することができる。この電解質膜構造体及び単セルモジュールを用いることで、電気特性が高く、高耐久性を有する高分子型燃料電池が得られる。また、剛性の高い電解質膜構造体を形成することが出来るため、単セルモジュールおよびスタックを組み立てる際のハンドリング性をよくすることができる。
【符号の説明】
【００８０】
１  単セルモジュール 
１１  電解質膜構造体 
１２  発電領域 
２，２０  電解質膜 
２１  電解質膜端部 
３  触媒層電極 
４  ガス拡散層 
５，１００  フレーム部材 
５１  第１のフレーム部材 
５２  第２のフレーム部材 
５３  第３のフレーム部材 
６  セパレータ 
６１  ガス流路 
７  シール部材 
８  溶融溶着部 
８１  超音波ホーン 
８２  溶融溶着部間隔 
１１２  突出部 
２００  燃料電池 
２１１  燃料ガス 
２１２  酸化剤ガス 
２１３  冷却水 
３００  スタック 
４００  燃料処理器 
４１１  アノード加湿器 
４１２  カソード加湿器 
４１３ａ  ポンプ 
４１３ｂ  ポンプ 
４１３ｃ  ポンプ 
４１４  熱交換器 
４１５  貯湯タンク 
５００  運転制御装置 
６００  電気出力部 
【要約】
ガスシール性及び耐久性が向上した固体高分子型燃料電池の単セルモジュール及び固体高分子型燃料電池。電解質膜の外周部をフレームで挟持し、一方のフレームの表面に電解質膜を貫通して他方のフレームまで達する溶着部を形成する。当該溶着部は電解質膜の外周に点在している。更に、溶着部よりも発電領域側にシール部材を具備する。ガスシール性を確保するシール部材で電解質膜の変形がなく、ガスシール性及び耐久性を確保することができる。【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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