(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜とその両側に設けられたアノード及びカソードからなる単位電池がセパレーターを介して積層されてなり、前記固体高分子電解質膜は前記アノード及び前記カソードに挟まれた発電領域と、前記アノード及び前記カソードに挟まれていない非発電領域とを有し、前記固体高分子電解質膜は前記非発電領域に面する前記セパレーターの表面の溝に収容されたOリング状のシール性枠体に挟持されている燃料電池に用いられる固体高分子電解質膜であって、前記固体高分子電解質膜の前記非発電領域のうち前記シール性枠体と接触する部分に常温硬化タイプの防湿コーティング液を塗設することにより形成された防湿コーティング層が設けられていることを特徴とする固体高分子電解質膜。
【請求項２】
請求項１に記載の固体高分子電解質膜において、前記防湿コーティング層の厚さが３〜10μmであることを特徴とする固体高分子電解質膜。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の固体高分子電解質膜において、前記防湿コーティング層は、塗布法、スプレー法、ディッピング法、印刷法のいずれかの方法により形成されていることを特徴とする固体高分子電解質膜。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子電解質型燃料電池（PEFC）に用いる固体高分子電解質膜に関し、特に、シール性に優れ、燃料ガス（水素）、酸化剤ガス（空気）、加湿水及び冷媒の漏れを防止できる固体高分子電解質膜に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、一般に固体高分子電解質膜とその両側に設けられたアノード及びカソードからなる単位電池を、セパレーターを介して積層してなる。このようないわゆる積層型の燃料電池は、燃料ガス、酸化ガス及び冷媒を分断すると共に各々を単位電池内部へ導く流路をもち且つ電子伝達機能を併せもつカーボン系セパレーター、セパレーター表面の流路凸部と接触し電子を電極部とセパレーター間で伝達させると同時に燃料ガス或いは酸化剤ガスを拡散させるカーボン繊維系拡散層、燃料ガスの化学反応を起こさせプロトンと電子を発生させるアノード極（触媒電極部）、酸素とプロトンと電子から水を生成するカソード極（触媒電極部）、またプロトンをイオン伝導させる電解質膜（加湿状態）から構成される。
【０００３】
反応ガスは、燃料ガスと酸化剤ガスからなり、セパレーターのアノード側には燃料ガスが供給され、カソード側には酸化剤ガスが供給される。このような反応ガスの供給の結果、電気化学的反応の進行に伴い電子が発生し、この電子を外部回路に取り出すことにより、電気エネルギーを発生する。
【０００４】
ここで、燃料ガス、酸化剤ガス、冷媒は各々独立して設計した通路を通らせなければならないが、これを達成するためには、各系を仕切るシール技術が重要となる。シール部位としては、スタック（単位電池を基本ユニットとして多段に積層したもの）の構造により多少異なるが、一例としては、燃料ガス、酸化剤ガス、加湿水及び冷媒を各セルに供給するためにスタックを貫通して設けた連通口部の周囲、ＭＥＡ（電解膜十触媒電極層十拡散層）の外周、セパレーター面を冷却するためにセパレーター面に沿って流す冷媒流路面外周、また各セパレーターの表裏の外周などがある。
【０００５】
シール技術としては、(1)フッ素系やシリコーン系、エチレンプロピレン系などの有機ゴム等の弾性材料（シート状、Ｏリング状、接着硬化タイプの液状硬化型材料など）からなる枠体を用いて圧縮積層し弾性材料の反発力でシールする方法、(2)無機系シート（黒鉛その他セラミック系繊維シートなど）で圧縮し絞め殺しの状態でシールする方法、(3)加締めやメカニカルシールなどがある。
【０００６】
好ましいシールの材質及び形状は、セパレーター及びＭＥＡの強度、表面状態に依存するが、燃料電池を自動車に搭載する場合には寸法が限られるため小型化が必要である。特にスタックを構成する各セルを薄板化する事が必要となり、必然的にＭＥＡとセパレーターを薄くする必要が生じる。この場合、シールが直接接触しているセパレーターなどは、主にカーボン系の脆い材料でできているため厚さを薄くするとスタック積層時には破壊されやすくなる。その為、シール方法としては有機ゴムなど柔らかく適度に反発力のあるシール材でシールする上記(1)の方法が適当である。
【０００７】
しかしながら、セパレーターを破損しない範囲の加圧状態でシール性を確保しようとすると、ＭＥＡ（実際にシール材と接触するのは電解膜）の表面状態、つまり皺、うねり、折れ曲がり、面粗度等の影響が非常に大きくなる。
【０００８】
ＭＥＡに使用される電解膜は空気中の水分量に応じ急激に膨張又は収縮するという問題があり、特にシールと接する部位は電極層、拡散層が無く電解膜のみが露出しており、皺が発生しやすい。その為、シールの材料、構造によらず良好なシール性を確保する事が非常に難しくなる。また、皺を発生させずにＭＥＡを組付ける為には、厳密に湿度管理された環境を準備する必要があり生産性に難がある。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明は、厳密な湿度管理を要さず容易に取り扱うことができ、セパレーターとの間で十分なガスシール性が得られる固体高分子電解質膜を提供することを目的とする。
【００１０】
【発明を解決するための手段】
上記問題に鑑み鋭意研究の結果、本発明者らは、固体高分子電解質膜の非発電領域に常温硬化タイプの防湿コーティング液の塗設によって防湿コーティングを施すことにより、発電性能に影響を与えることなく、空気中の水分量に応じ急激に膨張又は収縮せず、容易に取り扱うことのできる固体高分子電解質膜が得られることを見出し、本発明に想到した。
【００１１】
すなわち、本発明の固体高分子電解質膜は、固体高分子電解質膜とその両側に設けられたアノード及びカソードからなる単位電池がセパレーターを介して積層されてなり、前記固体高分子電解質膜は前記アノード及び前記カソードに挟まれた発電領域と、前記アノード及び前記カソードに挟まれていない非発電領域とを有し、前記固体高分子電解質膜は前記非発電領域に面する前記セパレーターの表面の溝に収容されたOリング状のシール性枠体に挟持されている燃料電池に用いられるもので、前記固体高分子電解質膜の前記非発電領域のうち前記シール性枠体と接触する部分に常温硬化タイプの防湿コーティング液を塗設することにより形成された防湿コーティング層が設けられていることを特徴とする。
【００１２】
本発明の固体高分子電解質膜は、発電が行われない非発電領域（通常、固体高分子電解質膜の外縁部）に防湿コーティング層を設けているため、空気中の水分量よる膨張又は収縮が無くなり、皺の発生が防止でき、その結果、シール面の平滑性が高まり、シール性が向上する。また、電解膜全体が固体高分子電解質からなる為、発電領域と非発電領域での膨張、収縮の差が小さく、応力が発生しにくい。また、防湿コーティング層の設置により機械的強度が付加され、電極層や拡散層が無い電解膜の露出部分での破損や、連通口（冷媒、燃料ガス、酸化剤ガス）ヘの電解膜のはみ出しが無くなる。
【発明の実施の形態】
以下、順を追って、本発明の固体高分子電解質膜を詳細に説明する。
【００１３】
本発明の固体高分子電解質膜は、アノード及びカソードに挟まれた発電領域と、アノード及びカソードに挟まれていない非発電領域とからなり、前記非発電領域の少なくとも一部に常温硬化タイプの防湿コーティング液を塗設することにより形成された防湿コーティング層を有するものである。本発明においては、電池反応に関わる発電領域以外に防湿コーティング層を備えているので、発電性能を低下させることなくシール性を向上できる。
【００１４】
固体高分子電解質膜を構成するベースフィルムは、電気化学的反応により生成したＨ+ イオン及び電子の伝導性がある物質であれば、いかなる材料からなるものでもよい。本発明に用いるベースフィルムとしては、例えば、フッ素系、ハイドロカーボン系、リン酸含浸タイプ等のポリマーフィルムを例示できる。固体高分子電解質膜の薄肉化の観点からは、ナフィオン１１７等のパーフルオロスルホン酸からなる導電性ポリマーのフィルムを用いることが好ましい。ベースフィルムの膜厚は一般に10〜80μm、好ましくは15〜50μmである。
【００１５】
防湿コーティング剤としては、常温硬化タイプであれば特に限定なく公知のものを使用できる。固体高分子電解質膜との密着性の観点からは、固体高分子電解質膜と同系統の成分（相溶性の高い成分）を主成分とする防湿コーティング剤を用いることが好ましく、たとえば固体高分子電解質膜としてパーフルオロスルホン酸膜を用いる場合は、フッ素系樹脂を主成分とする防湿コーティング剤を用いることが好ましい。また、防湿コーティング剤に、枠材との接着性を高める為の成分を添加することも好ましい。
【００１６】
防湿コーティング剤は、加熱処理を必要としない常温硬化タイプの溶剤系又は水溶性のコーティング剤が好ましい。
【００１７】
本発明においては、固体高分子電解質膜の非発電領域に相当する領域の少なくとも一部に、当該防湿コーティング剤を用いて、防湿コーティング層を形成することにより、電解質膜の吸湿を防止する。防湿コーティング層の厚さは、１〜30μｍが好ましく、特に３〜10μｍが好ましい。防湿コーティング層は、ベースフィルムの両面に設けることが好ましいが、片面のみに設けても良い。
【００１８】
燃料電池の構造により異なるが、一般には非発電領域は固体高分子電解質膜の外縁部に設けられる。固体高分子電解質膜はこの防湿コーティング層を設けた部位をもってシール性を有する枠体により挟持される。
【００１９】
本発明の一実施例による固体高分子電解質膜は、図１(a)に示すように、正方形の固体高分子電解質膜の外縁部に非発電領域が設けられており、非発電領域全体に防湿コーティング層11が設けられている。点線で囲まれた領域13はアノード及びカソードを配置する位置であり、発電領域に相当する。防湿コーティング層は非発電領域すべてに設ける必要はなく、部分的に非発電領域が露出していても良い。例えば、図１(b)のように、非発電領域を、最外縁の防湿コーティング層が設けられた部位と、中間外縁の防湿コーティング剤未処理部位とから構成してもよい。また、発電性能に影響を与えない範囲であれば、図１(c)のように、防湿コーティング層は発電部位にはみだしていても良い。なお図１では形状を正方形としたが、固体高分子電解質膜はいかなる形状でもよく、例えば、燃料ガス等を各セルに供給するためにスタックを貫通する連通孔を設ける場合は、固体高分子電解質膜において連通口に相当する位置に開口部を設けてもよい。また、防湿コーティング層を設ける位置も固体高分子電解質膜の外周部に特定されず、例えば連通口用の開口部を外縁部以外に設けた場合、その開口部周辺に防湿コーティング層を形成しても良い。
【００２０】
図２に示すように、当該固体高分子電解質膜１をセパレーター22に組み付けて使用する。シール性を確保するため、固体高分子電解質膜１の外縁部をセパレーター22で挟圧して、各種供給ガスの混合が生じない構造とする。固体高分子電解質膜の片面にはアノード23が、もう一方の面にはカソード24がそれぞれ活性部位に対応する位置に設けられており、さらに燃料ガス或いは酸化剤ガスを拡散させるカーボン繊維系拡散層25が両面に設けられている。各セパレーターの周辺部には、図２の拡大図に示すようにシール性を有する枠材21が取り付けられている。固体高分子電解質膜１外縁の防湿コーティング層11が設けられた非発電領域は、シール性を有する枠材21により挟持されており、もってセパレーターとの間で十分なガスシール性が確保されている。
【００２１】
本発明の固体高分子電解質膜の製造方法は特に限定されないが、例えば次のような方法により製造することができる。
【００２２】
先ず、固体高分子電解質膜の原料樹脂を溶融状態でダイ41から押出して、押出し成形等によりベースフィルムを作成する。次いで、ベースフィルムの非発電領域に相当する部位に、防湿コーティング剤をスプレーする。図３(a)においては、発電領域に防湿コーティング剤が付着しないように、スプレーを移動させて防湿コーティングを行っているが、発電領域を鉄板等でマスキングしたり、発電領域をテーピングしたりしておけば、固体高分子電解質膜全体にスプレーしても良い。また、スプレー法以外にも、塗布法、ディッピング法、印刷法等公知の方法により、防湿コーティング層を形成しても良い。
【００２３】
防湿コーティング層形成後、防湿コーティング剤の硬化条件に応じて硬化させた後、巻取りロール42で巻き取る。硬化に十分な時間が必要な場合は、巻取りロールまでの距離を十分にとる。最後に打ち抜き又は裁断により、固体高分子電解質膜を所望の形状にする（図３(b)）。
【００２４】
【実施例】
以下、本発明を実施例をあげて説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００２５】
下記一般式により表されるパーフルオロスルホン酸膜(厚さ50μm、50mm×50mm)に、表１に示す４種類の防湿コーティング剤を用いて外縁部に防湿コーティング層を形成し、実施例１及び２、並びに参考例１及び２の固体高分子電解質膜を作成した。なお、パーフルオロスルホン酸膜の耐熱性が、参考例１及び２の防湿コーティング剤の推奨硬化条件温度(140℃、200℃)より低いため、参考例１及び２では膜に影響のない温度(100℃)で加熱硬化させた。
【００２６】
【化１】
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【００２７】
【表１】
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【００２８】
【表２】
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【００２９】
得られた固体高分子電解質膜について、耐湿性試験を行った。結果を表３に示す。また、シール性確認試験を行った。図４に示すように、固体高分子電解質膜をシール21とともにセパレーターに相当する治具31ａ、31ｂに組み付け、治具を水中に没し、治具の加圧孔32に取り付けたコネクター及びチューブ（図示なし）を介してＨｅガスにて加圧し、治具31ａ、31ｂの間からの気泡の発生及び加圧ライン中に設けたフローメーターによりガス漏れの有無を判定した。90℃×200時間加熱劣化処理後のサンプルについてのシール性確認試験の結果を表４に示す。
【００３０】
【表３】
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【００３１】
【表４】
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【００３２】
実施例中、実施例１及び２、参考例１のコーティング剤については、未処理の比較例１と比較して耐湿性改善の効果がみられた。参考例２については、耐湿性が殆ど改善されなかったが、これは膜の硬化条件が、推奨硬化条件温度(200℃)よりはるかに低かったため、防湿コーティング層の硬化が不十分であったことに起因すると考えられる。
【００３３】
また、固体高分子電解質膜のシール性について、実施例１及び２、並びに参考例１及び２は、封止圧力以上の耐シール性を有していたのに対し、比較例１では封止圧力で漏れが発生した。
【００３４】
このように、本発明の固体高分子電解質膜は、優れた耐湿性及びガスシール性を有するものである。
【００３５】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明の固体高分子電解質膜は、アノード及びカソードに挟まれていない非発電領域を有し、前記非発電領域の少なくとも一部に、常温硬化タイプの防湿コーティング液を塗設することにより形成された防湿コーティング層を設けているため、耐湿性及びガスシール性を向上できる。かかる特徴を有する本発明の固体高分子電解質膜は積層型燃料電池用の固体高分子電解質膜として極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の固体高分子電解質膜の一例を表す平面図である。
【図２】  本発明の固体高分子電解質膜をセパレーターに装着した状態を示す断面図である。
【図３】  本発明の固体高分子電解質膜の製造工程を示した模式図である。
【図４】  実施例においてシール性確認試験で用いた装置の断面図である。
【符号の説明】
１・・・固体高分子電解質膜
11・・・防湿コーティング層
12・・・ベースフィルム
13・・・発電領域
21・・・シール性枠体
22・・・セパレーター
23・・・アノード
24・・・カソード
25・・・カーボン繊維系拡散層
31ａ、31ｂ・・・セパレーター相当治具
32・・・加圧孔
41・・・ダイ
42・・・巻取りロール
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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