(57)【要約】【課題】膜電極接合体の乾燥収縮により膜裂けを抑制する。【解決手段】燃料電池であって、膜電極接合体と、前記膜電極接合体の２つの面にそれぞれ配置される第１と第２のガス拡散層と、前記膜電極接合体の一方の面の外縁部に設けられるシール部であって、前記第１のガス拡散層との間において、前記膜電極接合体を常湿で弛んだ状態とするように、配置されるシール部と、前記膜電極接合体と、前記第１、第２のガス拡散層と、前記シール部とを挟持する一対のセパレータプレートと、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池であって、
膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の２つの面にそれぞれ配置される第１と第２のガス拡散層と、
前記膜電極接合体の一方の面の外縁部に設けられるシール部であって、前記第１のガス拡散層との間において、前記膜電極接合体を常湿で弛んだ状態とするように、配置されるシール部と、
前記膜電極接合体と、前記第１、第２のガス拡散層と、前記シール部とを挟持する一対のセパレータプレートと、
を備える、燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池において、
前記膜電極接合体は長方形であり、
前記隙間は、前記長方形の短辺と平行に形成されている、燃料電池。
【請求項３】
燃料電池の製造方法であって、
大きさの異なる第１と第２のガス拡散層を準備する工程と、
前記第１と第２のガス拡散層の間に膜電極接合体を配置する工程と、
前記膜電極接合体の一方の面の外縁部に、前記第１のガス拡散層との間において、前記膜電極接合体を常湿で弛んだ状態とするように、シール部を配置する工程と、
一対のセパレータプレートで、前記膜電極接合体と、前記第１、第２のガス拡散層と、前記シール部とを挟持して燃料電池をユニット化する工程と、
を備える、燃料電池の製造方法。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池の製造方法において、さらに、
前記膜電極接合体の相対湿度を０％として前記膜電極接合体を乾燥収縮させる工程と、
ユニット化した前記燃料電池の相対湿度を常湿に戻す工程と、
を備え、
前記シール部を配置する工程は、前記膜電極接合体が乾燥収縮した状態で行われる、燃料電池の製造方法。
【請求項５】
請求項４に記載の燃料電池の製造方法において、さらに、
前記燃料電池を作製するときの相対湿度から相対湿度０％にしたときの前記膜電極接合体の寸法変化量だけ、前記膜電極接合体の長手方向の長さを前記第２のガス拡散層の長手方向の長さよりも長くするように決定する工程を備える、燃料電池の製造方法。
【請求項６】
請求項３に記載の燃料電池の製造方法において、さらに、
予め、前記膜電極接合体を湿潤・乾燥させるサイクル数と、前記膜電極接合体が裂ける応力と、の関係を測定する工程と、
前記関係から膜電極接合体の耐用年数内の湿潤・乾燥のサイクル数で前記膜電極接合体が裂けない応力の値を求める工程と、
前記応力により生じる前記膜電極接合体の歪み量だけ、前記膜電極接合体の長手方向の長さを前記膜電極接合体の長手方向の長さよりも長くするように決定する工程と、
を備える、燃料電池の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池に関し、特に燃料電池の周縁部の構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
セパレータと、積層部材と、シール部材と、を備えている燃料電池が知られている（特許文献１）この燃料電池において、シール部材は、セパレータと積層部材の端部と一体に成形されている。積層部材は、セパレータの一の側に配置された電解質膜と、電解質膜とセパレータとの間に配置される拡散層と、を少なくとも含む。電解質膜の一の面の周縁部は、セパレータの一の側の面に接触している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−１２３８８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
自動車等に用いられる燃料電池は、運転状態、停止状態が繰り返され、電解質膜が湿潤し、あるいは乾燥する。電解質膜が乾燥すると乾燥収縮する。このとき引っ張り応力が掛かり、電解質膜の状態によっては、電解質膜が裂ける虞があった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
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、以下の形態として実現することが可能である。
【０００６】
（１）本発明の一形態によれば、燃料電池が提供される。この形態の燃料電池は、膜電極接合体と、前記膜電極接合体の２つの面にそれぞれ配置される第１と第２のガス拡散層と、前記膜電極接合体の一方の面の外縁部に設けられるシール部であって、前記第１のガス拡散層との間において、前記膜電極接合体を常湿で弛んだ状態とするように、配置されるシール部と、前記膜電極接合体と、前記第１、第２のガス拡散層と、前記シール部とを挟持する一対のセパレータプレートと、を備える。この形態の燃料電池によれば、膜電極接合体に弛みを有しており、弛みは、第１のガス拡散層とシールとの間の隙間に入り込み、乾燥時に、膜電極接合体に乾燥収縮が生じても、隙間に入り込んだ弛みが伸ばされることにより、膜電極接合体に応力が発生することを抑制し、膜電極接合体の乾燥収縮により裂けを抑制することが可能となる。
【０００７】
（２）上記形態の燃料電池において、前記膜電極接合体は長方形であり、前記隙間は、前記長方形の短辺と平行に形成されていてもよい。膜電極接合体の長辺と平行な方向の乾燥収縮量は、短辺と平行な方向の乾燥収縮量よりも大きい。シール部と第１のガス拡散層との隙間は、４辺の全てに存在する。この形態の燃料電池によれば、膜電極接合体の弛みが入り込む隙間は、膜電極接合体の長方形の短辺と平行に形成されているので、膜電極接合体の長辺と平行な方向の乾燥収縮量が大きく、湿潤時にその分弛みが大きくなっても、大きくなる弛みを隙間に吸収することが可能となる。
【０００８】
（３）本発明の一形態によれば、燃料電池の製造方法が提供される。この形態の燃料電池の製造方法は、大きさの異なる第１と第２のガス拡散層を準備する工程と、前記第１と第２のガス拡散層の間に膜電極接合体を配置する工程と、前記膜電極接合体の一方の面の外縁部に、前記第１のガス拡散層との間において、前記膜電極接合体を常湿で弛んだ状態とするように、シール部を配置する工程と、一対のセパレータプレートで、前記膜電極接合体と、前記第１、第２のガス拡散層と、前記シール部とを挟持して燃料電池をユニット化する工程と、を備える。この形態の燃料電池の製造方法によれば、ユニット化後に膜電極接合体に弛みを有する燃料電池を製造することができる。乾燥時に、膜電極接合体に乾燥収縮が生じても、弛みが伸ばされることにより、膜電極接合体に応力が発生することを抑制し、膜電極接合体の乾燥収縮により裂けを抑制することが可能となる。
【０００９】
（４）上記形態の燃料電池の製造方法において、さらに、前記膜電極接合体の相対湿度を０％として前記膜電極接合体を乾燥収縮させる工程と、ユニット化した前記燃料電池の相対湿度を常湿に戻す工程と、を備え、前記シール部を配置する工程は、前記膜電極接合体が乾燥収縮した状態で行われてみよい。この形態の燃料電池の製造方法によれば、燃料電池を作製したときに膜電極接合体に弛みがあっても、相対湿度０％としたときにちょうど膜電極接合体の弛みがなくなるので、乾燥収縮時に膜電極接合体に掛かる応力を低減する膜電極接合体ことが可能となる。
【００１０】
（５）上記形態の燃料電池の製造方法において、さらに、前記燃料電池を作製するときの相対湿度から相対湿度０％にしたときの前記膜電極接合体の寸法変化量だけ、前記膜電極接合体の長手方向の長さを前記第２のガス拡散層の長手方向の長さよりも長くするように決定する工程を備えてもよい。この形態の燃料電池の製造方法によれば、膜電極接合体の端部と第２のガス拡散層の端部との位置を合わせることが可能となる。
【００１１】
（６）上記形態の燃料電池の製造方法において、さらに、予め、前記膜電極接合体を湿潤・乾燥させるサイクル数と、前記膜電極接合体が裂ける応力と、の関係を測定する工程と、  前記関係から膜電極接合体の耐用年数内の湿潤・乾燥のサイクル数で前記膜電極接合体が裂けない応力の値を求める工程と、前記応力により生じる前記膜電極接合体の歪み量だけ、前記膜電極接合体の長手方向の長さを前記膜電極接合体の長手方向の長さよりも長くするように決定する工程と、を備えてもよい。この形態の燃料電池の製造方法によれば、燃料電池の耐用年数内での膜電極接合体の裂けを抑制することが可能となる。
【００１２】
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、燃料電池の他、燃料電池の製造方法、等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１の実施形態の燃料電池の単セルの端部の断面を模式的に示す図である。
【図２】第１の実施形態の燃料電池の単セルを第１のガス拡散層側から見たときの平面図である。
【図３】膜電極接合体の相対湿度と歪みとの関係を示すグラフである。
【図４】膜電極接合体に掛ける乾湿サイクルの回数と、膜電極接合体が裂ける応力との関係を示すグラフである。
【図５】膜電極接合体の歪みと膜電極接合体に掛かる応力との関係を示すグラフである。
【図６】本実施例における単セルの第１の製造方法の製造工程を示す説明図である。
【図７】本実施例における単セルの第３の製造方法の製造工程を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
第１の実施形態
図１は、第１の実施形態の燃料電池の単セルの端部の断面を模式的に示す図である。単セル１０は、膜電極接合体１００と、第１のガス拡散層１１０と、第２のガス拡散層１２０と、第１のセパレータプレート１３０と、第２のセパレータプレート１４０と、シール部１５０と、を備える。膜電極接合体１００は、触媒層と、電解質膜の両面にそれぞれ形成された触媒層とを備える。電解質膜は、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸ポリマのようなプロトン伝導性を有する電解質膜で形成されている。触媒層は、触媒を担持したカーボンとアイオノマを含んでいる。触媒として、白金触媒や白金合金触媒を用いることができる。カーボンとして、カーボン粒子やカーボンナノチューブを用いることが出来る。アイオノマとしては、パーフルオロカーボンスルホン酸ポリマを用いることができる。
【００１５】
第１のガス拡散層１１０と、第２のガス拡散層１２０は、反応ガスを拡散するための多孔質の部材であり、それぞれ膜電極接合体１００の各面に配置されている。第１のガス拡散層１１０、第２のガス拡散層１２０として、例えばカーボン不織布を用いたカーボンクロスやカーボンペーパーを用いることが可能であり、本実施例ではカーボンペーパーを用いたカーボンクロスを用いている。なお、第１のガス拡散層１１０、第２のガス拡散層１２０としては、カーボンクロスやカーボンペーパーの他、金属製や樹脂製の多孔体を用いることも可能である。本実施例では、第１のガス拡散層１１０の長手方向大きさは、膜電極接合体１００の長手方向の大きさよりも小さく形成されている。第１のガス拡散層１１０の長手方向大きさは、膜電極接合体１００の長手方向の大きさとほぼ同じ大きさである。
【００１６】
膜電極接合体１００の第１のガス拡散層１１０側の外縁部には、シール部１５０が形成されている。シール部１５０は、アノードガスの外部へのリークを抑制するために、設けられている樹脂製の部材である。本実施例では、シール部１５０は、第１のガス拡散層１１０との間に隙間１６０が形成されるように、設けられている。
【００１７】
膜電極接合体１００は、湿潤状態により、膨潤したり、乾燥収縮したりする。膨潤した状態の膜電極接合体１００は、弛み１００ａを有しており、弛み１００ａは、隙間１６０に入り込んでいる。一方、乾燥収縮した状態では、弛み１００ａが真っすぐになることで乾燥収縮による応力を緩和し、膜電極接合体１００の裂けを抑制する。なお、図１では、弛み１００ａを誇張して描いている。
【００１８】
第１のガス拡散層１１０とシール部１５０の外側には、第１のセパレータプレート１３０が配置され、第２のガス拡散層１２０の外側には、第２のセパレータプレート１４０が配置される。第１のセパレータプレート１３０、第２のセパレータプレート１４０は、凹凸形状を有している。第１のセパレータプレート１３０と第１のガス拡散層１１０との間には、第１の反応ガス流路１３５が形成され、第２のセパレータプレート１４０と第２のガス拡散層１２０との間には、第２の反応ガス流路１４５が形成されている。
【００１９】
図２は、第１の実施形態の燃料電池の単セルを第１のガス拡散層側から見たときの平面図である。なお、図２では、第１のセパレータプレート１３０の記載を省略している。なお、第２のセパレータプレート１４０は、裏側にあるので、見えない状態である。単セル１０は、長手方向の長さがＬ１、短手方向の長さがＬ２の長方形形状をしている。単セル１０の周部に、額縁状のシール部１５０が配置されている。シール部１５０の内側には、第１のガス拡散層１１０が配置されている。このとき、第１のガス拡散層１１０の長手方向の両端部とシール部１５０との間には隙間１６０が形成されており、隙間１６０には、弛緩した膜電極接合体１００が見えている。なお、第１のガス拡散層１１０の短手方向の両端部とシール部１５０との間にも、隙間が形成されている。ただし、第１のガス拡散層１１０の短手方向の両端部とシール部１５０との間の隙間が形成されない構成であっても良い。
【００２０】
図３は、膜電極接合体１００の相対湿度と歪みとの関係を示すグラフである。図３の横軸は膜電極接合体１００の相対湿度ＲＨ（％）であり、縦軸は、収縮乾燥時の膜電極接合体の長さを１００％としたときの歪みＳ（％）である。したがって、相対湿度が０％のときの歪みは０（％）となる。一般に、膜電極接合体１００は湿潤すると、長さが長くなる。収縮乾燥時の膜電極接合体１００の長さＬ０とし、相対湿度Ｒｔ％のときの膜電極接合体１００の長さをＬｔとすると、ＳとＬ０とＬｔの間には、以下の関係がある。
ΔＬｔ＝Ｌｔ−Ｌ０  …（１）
Ｓｔ＝（ΔＬｔ／Ｌ０）×１００（％）  …（２）
【００２１】
したがって、膜電極接合体１００の相対湿度０％にしたときの大きさを第２のガス拡散層１２０とほぼ同じ大きさとし、作製時の膜電極接合体１００の大きさを、第２のガス拡散層１２０の大きさよりも歪みΔＬｔだけ大きく作製する。そして、膜電極接合体１００と第２のガス拡散層の端部とを揃え、余った膜電極接合体１００を弛ませて単セルを作製しておく。こうすれば、膜電極接合体１００の相対湿度が０％となって膜電極接合体１００が乾燥収縮して第２のガス拡散層１２０とほぼ同じ大きさとなっても、膜電極接合体１００には、応力が掛かり難くなる。その結果、膜電極接合体１００の裂けを抑制することができる。
【００２２】
第２の実施形態：
膜電極接合体１００は乾燥すると収縮し、膜電極接合体１００に応力が掛かる。ここで、膜電極接合体１００は、膨張・収縮が繰り返されると、経年劣化する。そのため、製造直後において膜電極接合体１００を裂くのに必要な応力よりも小さな応力しか掛かっていない状態でも膜電極接合体１００が裂ける場合がある。第２の実施形態は、耐用年数内での膜電極接合体１００の裂けを抑制する。
【００２３】
図４は、膜電極接合体に掛ける乾湿サイクルの回数と、膜電極接合体１００が裂ける応力との関係を示すグラフである。図４の横軸は、膜電極接合体に掛ける乾湿サイクルの回数であり、縦軸は、膜電極接合体１００が裂ける応力である。なお、この測定では、湿潤時に弛みの無い状態で測定している。単セル１０の乾湿サイクルの回数と膜電極接合体１００が裂ける応力との関係を予め実験により求めておく。そして、耐用年数内に実行される乾湿サイクルの回数Ｎを実験等により求め、そのサイクルの回数Ｎから、耐用年数がちょうど経過したときの膜電極接合体１００が裂ける応力δｆを求めることができる。
【００２４】
図５は、膜電極接合体に掛かる応力と膜電極接合体に裂けが生じる歪みとの関係を示すグラフである。図５の横軸は、膜電極接合体に裂けが生じる歪みであり、縦軸は、膜電極接合体１００に掛かる応力である。膜電極接合体１００に大きな応力が掛かると、変形し、大きな歪みが生じる。図４のグラフより求められた応力δｆから、図５のグラフを用いて歪みＳｔ（％）を算出することができる。
【００２５】
第２の実施形態では、図３を用いて歪みＳｔになる相対湿度Ｒｔを求める。そして、相対湿度Ｒｔの状態で、膜電極接合体１００の大きさを第２のガス拡散層１２０よりも歪みＳｔだけ大きく形成し、セル化する。その結果、膜電極接合体が、相対湿度０％となっても、膜電極接合体１００の大きさは、第２のガス拡散層１２０の大きさに収まり、δｆ以上の応力がかからない。したがって、乾湿サイクルが繰り返され、膜電極接合体が経年劣化しても、耐用年数内であれば、δｆ以上の応力が掛からないので、耐用年数内での膜電極接合体１００の裂けを抑制することが可能となる。
【００２６】
第１の製造方法：
図６は、本実施例における単セルの第１の製造方法の製造工程を示す説明図である。第１の製造方法は、第１の実施形態に対応する製造方法である。工程（Ａ）では、常湿で膜電極ガス拡散層接合体１７０を製造する。膜電極ガス拡散層接合体１７０は、膜電極接合体１００と、第１のガス拡散層１１０と、第２のガス拡散層１２０とを一体にしたものである。ただし、膜電極接合体１００と、第１のガス拡散層１１０との間、及び膜電極接合体１００と、第２のガス拡散層１２０との間は、接着剤等で接着されていない。常湿とは、相対湿度（６５±２０）％である（ＪＩＳ規格  ＪＩＳ  Ｚ  ８７０３）。なお、常湿の時の温度は、（２０±１５）℃である。
【００２７】
工程（Ｂ）では、膜電極接合体１００の相対湿度を０％にする。その結果、膜電極接合体１００は乾燥収縮する。相対湿度を０％とする方法としては、真空にする、あるいは、窒素などの水分を含まない気体で置換する等の方法が上げられる。また、相対湿度は、厳密に０％でなくても、数パーセント（例えば５％）以下の低相対湿度であってもよい。なお、膜電極接合体１００と第１、第２のガス拡散層１１０、１２０との端部とを揃える場合には、予め膜電極接合体１００を長めにしておき、膜電極接合体１００の相対湿度を０％にしたときに、第１、第２のガス拡散層１１０、１２０の端部からはみ出た膜電極接合体１００を切り取っても良い。また、シール部１５０の角部１５０ａあるいは、ガス拡散層の角部１１０ａなど、応力集中が予想される部分については、面取りをしておいてもよい。また、締結やリークに問題がなければ、膜電極接合体１００が、シール部１５０あるいは第２のガス拡散層１２０の端部の内側に入っていてもよい。
【００２８】
工程（Ｃ）では、膜電極接合体１００の外縁部にシール部１５０を配置し、さらに、膜電極ガス拡散層接合体１７０及びシール部１５０を挟持するように第１、第２のセパレータプレート１３０、１４０を配置し、加熱プレスしてセル化する。
【００２９】
工程（Ｄ）では、膜電極接合体１００の相対湿度を常湿に戻す。これにより、膜電極接合体１００は膨潤する。膜電極接合体１００の端部は、シール部１５０により固定されており、中央部は、第１のガス拡散層１１０と第２のガス拡散層１２０により挟まれているので、膜電極接合体１００の膨潤して伸びた部分は、弛み１００ａとして、シール部１５０と第１のガス拡散層１１０との間の隙間１６０に侵入する。
【００３０】
膜電極接合体１００が乾燥収縮した場合には、隙間１６０に侵入した弛み１００ａが元の侵入していない状態に戻ることにより、応力を緩和するので、膜電極接合体１００の裂けを抑制することが可能となる。
【００３１】
第２の製造方法：
第２の製造方法は、第１の製造方法と同様に、第１の実施形態に対応する製造方法であり、第１の製造方法の変形である。第１の製造方法では、まず常湿で膜電極ガス拡散層接合体１７０を作製したが、第２の実施例では、最初から相対湿度０％の状態で膜電極ガス拡散層接合体１７０を作製する。すなわち、第１の実施例の工程（Ａ）を除いた、工程（Ｂ）〜（Ｄ）の工程のみを含んでいる。膜電極接合体１００と第１、第２のガス拡散層１１０、１２０との端部とを揃える場合、第１の製造方法では、工程（Ａ）で、一旦、膜電極接合体１００を大きめに切り、工程（Ｂ）でさらに膜電極接合体１００を切ることになる。第２の製造方法によれば、膜電極接合体１００を切る工程は、工程（Ｂ）の１回だけであり、膜電極接合体１００を切る手間を省きる。また、第１の製造方法において、膜電極接合体１００を２回目に切った時に生じる切れ端は、再利用が困難であり、第２の製造方法を用いることで、膜電極接合体１００の無駄を削減することが可能となる。
【００３２】
第３の製造方法：
図７は、本実施例における単セルの第３の製造方法の製造工程を示す説明図である。第３の製造方法は、第２の実施形態に対応する製造方法である。工程（Ａ）では、弛ませるべき歪みＳｔ（％）と、この歪みＳｔ（％）となる相対湿度Ｒｔ（％）を求める。具体的には、耐用年数における乾湿サイクルの回数を求め、図４に示す膜電極接合体に掛ける乾湿サイクルの回数と、膜電極接合体が裂ける応力との関係から応力δｆを算出する。そして、図５に示す膜電極接合体の歪みと膜電極接合体に掛かる応力との関係を用いて、膜電極接合体１００の歪みＳｔ（％）を算出する。さらに、図３に示す膜電極接合体の相対湿度と歪みとの関係を用いて、相対湿度Ｒｔ（％）を求める。
【００３３】
工程（Ｂ）では、膜電極接合体１００を作製する。この工程（Ｂ）は、常湿で行っても良い。工程（Ｃ）では、膜電極接合体１００の相対湿度を、工程（Ａ）で求めた相対湿度Ｒｔ（％）に下げる。これにより、膜電極接合体１００は、収縮する。
【００３４】
工程（Ｄ）では、膜電極接合体１００の外縁部にシール部１５０を配置し、さらに、膜電極ガス拡散層接合体１７０及びシール部１５０を挟持するように第１、第２のセパレータプレート１３０、１４０を配置し、加熱プレスしてセル化する。
【００３５】
工程（Ｅ）では、膜電極接合体１００の相対湿度を常湿に戻す。これにより、膜電極接合体１００は膨潤する。膜電極接合体１００の端部は、シール部１５０により固定されており、中央部は、第１のガス拡散層１１０と第２のガス拡散層１２０により挟まれているので、膜電極接合体１００の膨潤して伸びた部分は、弛み１００ａとして、シール部１５０と第１のガス拡散層１１０との間の隙間１６０に侵入する。
【００３６】
膜電極接合体１００が乾燥収縮した場合には、隙間１６０に侵入した弛み１００ａが元の侵入していない状態に戻ることにより、応力を緩和する。このとき、耐用年数内であれば、膜電極接合体１００に掛かる応力は、δｆ以下となるので、耐用年数内における膜電極接合体１００の裂けを抑制することが可能となる。
【００３７】
以上、いくつかの実施形態に基づいて本発明の実施の形態について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。
【符号の説明】
【００３８】
１０…単セル
１００…膜電極接合体
１００ａ…弛み
１１０…第１のガス拡散層
１１０ａ…角部
１２０…第２のガス拡散層
１３０…第１のセパレータプレート
１３５…第１の反応ガス流路
１４０…第２のセパレータプレート
１４５…第２の反応ガス流路
１５０…シール部
１５０ａ…角部
１６０…隙間
１７０…膜電極ガス拡散層接合体
Ｌｔ／Ｌ０…Δ
Ｎ…回数
ＲＨ…相対湿度
Ｒｔ…相対湿度
δｆ…応力
【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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【図６】
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【図７】
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