(57)【要約】【課題】膜電極接合体の外周縁部に形成された接着剤層と支持フレームとの接着性を向上させる。【解決手段】燃料電池単セルは、膜電極接合体と、膜電極接合体の一方の面の外周縁部に枠状に形成された接着剤層と、枠形状を有し、枠形状の内周縁部が接着剤層と接触した状態で膜電極接合体の外周に配置された支持フレームと、を備える。支持フレームにおいて、内周縁部の端面と膜電極接合体に対向配置される面とのなす内角が鈍角である。【選択図】図２
2018116761.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池単セルであって、
膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の一方の面の外周縁部に枠状に形成された接着剤層と、
枠形状を有し、前記枠形状の内周縁部が前記接着剤層と接触した状態で前記膜電極接合体の外周に配置された支持フレームと、
を備え、
前記支持フレームにおいて、前記内周縁部の端面と前記膜電極接合体に対向配置される面とのなす内角が鈍角である、燃料電池単セル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池単セルに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、膜電極接合体と、膜電極接合体の一側面上には外周縁部が残るようにしつつ膜電極接合体の両側面上にそれぞれ配置されたガス拡散層と、外周縁部を覆うように形成された接着剤層と、接着剤層上に固定された支持フレームと、支持フレーム及びガス拡散層の両側面上にそれぞれ配置されたセパレータと、を備える燃料電池単セルが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１６−１６２６５１公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記燃料電池単セルでは、接着剤層上に固定された支持フレームは、両側面上に配置されたセパレータで挟持されるのに対して、膜電極接合体は、温度や湿度等によって面方向に伸縮する。このため、支持フレームに対して、その面方向に膜電極接合体の伸縮に応じた力が発生し、この力によって支持フレームが接着剤層から剥離されてしまい、剥離発生箇所を起点に膜電極接合体に亀裂を生じさせてしまうおそれがあった。
【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、燃料電池単セルが提供される。この燃料電池単セルは、膜電極接合体と、前記膜電極接合体の一方の面の外周縁部に枠状に形成された接着剤層と、枠形状を有し、前記枠形状の内周縁部が前記接着剤層と接触した状態で前記膜電極接合体の外周に配置された支持フレームと、を備える。前記支持フレームにおいて、前記内周縁部の端面と前記膜電極接合体に対向配置される面とのなす内角が鈍角である。
この形態の燃料電池単セルによれば、支持フレームの内周縁部の端面と膜電極接合体に対向配置される面とのなす内角が鈍角であるので、接着剤層に接する端面の面積を大きくすることができ、支持フレームの接着剤層に対する接着性を向上させることができる。また、支持フレームの内周縁部の端面と膜電極接合体に対向配置される面とのなす内角が鈍角であるので、仮に、膜電極接合体の伸縮に応じて接着剤層に対して支持フレームの位置が変化したとしても、支持フレームが接着剤層に突き刺さり難い。このため、支持フレームが接着剤層に突き刺さった箇所を起点として、膜電極接合体に亀裂が生じることを抑制することができる。
【０００７】
なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、燃料電池単セルや、フレーム部材を有する膜電極接合体、フレーム部材を有する膜電極ガス拡散層接合体、燃料電池単セルの製造方法、膜電極接合体の製造方法、膜電極ガス拡散層接合体の製造方法等の態様で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の一実施形態における燃料電池単セルを分解して示す概略斜視図。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線矢視断面を拡大して示す説明図。
【図３】支持フレームが一体化された発電体の製造方法の概略を示す説明図。
【図４】第１比較例としての支持フレームを示す説明図。
【図５】第２比較例としての支持フレームを示す説明図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図１は、本発明の一実施形態における燃料電池単セル１００を分解して示す概略斜視図である。燃料電池単セル１００は、反応ガスとして水素と酸素の供給を受けて発電する固体高分子型の燃料電池セルである。燃料電池単セル１００は、発電体１０と、発電体１０の外周に配置された枠状の樹脂部材である支持フレーム２０と、発電体１０及び支持フレーム２０の両側に配置された一対のセパレータ４０，５０と、を備える。
【００１０】
一対のセパレータ４０，５０は、膜電極接合体を含む発電体１０と支持フレーム２０とを挟持する。セパレータ４０，５０は、例えば、ステンレス鋼やチタン、あるいはそれらの合金からなる金属板をプレス成型することによって形成されている。
【００１１】
支持フレーム２０およびセパレータ４０，５０はマニホールド孔３０を有する。マニホールド孔３０は、反応ガスまたは冷却水が流通する。セパレータ４０，５０の発電体１０側の面には、反応ガスが流通する流路（不図示）が形成されており、発電体１０とは反対側の円には、冷却水が流通する流路（不図示）が形成されている。
【００１２】
図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線矢視断面を拡大して示す説明図である。発電体１０は、膜電極接合体１２と、膜電極接合体１２の両面に積層されたガス拡散層１４，１６と、を備えている。一方のガス拡散層１４は、平面視において膜電極接合体１２と同様の大きさの矩形状を有している。他方のガス拡散層１６は、平面視において、膜電極接合体１２よりも一回り小さい大きさの矩形状に形成されている。膜電極接合体１２は、ガス拡散層１４，１６が積層された状態で、ガス拡散層１６の外周側に突出した枠形状の外周縁部１８を有している。
【００１３】
膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）１２は、電解質膜（図示せず）と、電解質膜の両面にそれぞれ隣接して形成された触媒層（図示せず）とを備える。外周縁部１８では、触媒層は形成されていても形成されていなくても良い。電解質膜は湿潤状態において良好なプロトン伝導性を示す固体高分子薄膜である。電解質膜は、例えば、フッ素系樹脂のイオン交換膜によって構成される。触媒層は水素と酸素の化学反応を促進する触媒と、触媒を担持したカーボン粒子とを備える。
【００１４】
ガス拡散層１４，１６は、電極反応に用いられる反応ガスを電解質膜の面方向に沿って拡散させる層であり、多孔質の拡散層用基材により構成されている。拡散層用基材としては、炭素繊維基材や黒鉛繊維基材、発砲金属など、導電性及びガス拡散性を有する多孔質の基材が用いられる。なお、膜電極接合体１２及びガス拡散層１４，１６を合わせて、膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ｇａｓｓ−ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ−ｌａｙｅｒ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）ともいう。
【００１５】
支持フレーム２０には、絶縁性の樹脂部材が用いられる。例えば、熱可塑性のポリプロピレン（ＰＰ：ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅ）が用いられる。但し、これに限定されるものではなく、例えば、ポリエチレン（ＰＥ：ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ）、ポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ：Ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ  ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ）、フェノール樹脂、エポキシ樹脂等や、複数の樹脂が積層された樹脂部材、例えば、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ：Ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ  ｎａｐｈｔｈａｌａｔｅ）の両面にＰＰが積層された３層樹脂部材が用いられてもよい。
【００１６】
支持フレーム２０は、支持フレーム２０の内周縁部が膜電極接合体１２の外周縁部１８に枠状に形成された接着剤層６０を介して膜電極接合体１２に接着されて、発電体１０と一体化されている。具体的には、支持フレーム２０の内周縁部の端面２４及び膜電極接合体１２に対向配置される面２２の部分が接着剤層６０の外周縁側と接触した状態で膜電極接合体１２と重なるように接着されている。接着剤層６０に接触する面２２と端面２４とのなす内角θは鈍角である。この角度θは、１３０°〜１６０°の範囲とすることが好ましい。
【００１７】
図３は、支持フレーム２０が一体化された発電体１０の製造方法の概略を示す説明図である。まず、一方の面にガス拡散層１４が熱プレスされた膜電極接合体１２、ガス拡散層１６、及び、内周縁部の端面２４と膜電極接合体１２に対向配置される面２２とのなす内角θが鈍角である枠状の支持フレーム２０（図２）を用意する。そして、図３の上段に示すように、膜電極接合体１２の他方の面（ガス拡散層１６が形成された面とは反対の面）の外周縁部１８の予め定めた枠状の領域に接着剤を塗布することにより接着剤層６０を形成する。次に、図３の中段に示すように、支持フレーム２０の内周縁部が枠状の接着剤層６０の外周縁部と接触した状態で重なるように、支持フレーム２０を接着剤層６０に押し付けて配置し、接着剤層６０を硬化させる。ここで、接着剤層６０を構成する接着剤としては、例えば、ＵＶ（紫外線）硬化型の接着剤を用いることができ、接着剤層６０に予め定められた波長のＵＶ照射をすることで、接着剤層６０を硬化させることができる。そして、図３の下段に示すように、ガス拡散層１６の外周縁部が接着剤層６０の内周縁部と接触した状態で重なるように配置し、常温でプレスする。これにより、支持フレーム２０が一体化された発電体１０（図２）を作製することができる。なお、ガス拡散層１６は、接着剤層６０を硬化させる前に、接着剤層６０に押し付けて配置するようにしてもよい。なお、接着剤としては、硬化後もタック性（粘着性）を有するポリイソブチレン（ＰＩＢ：Ｐｏｌｙｉｓｏｂｕｔｙｌｅｎｅ）を含む接着剤であることが好ましい。また、接着剤には、ＰＩＢを含む接着剤に代えてブチルゴム等のＵＶ硬化型の弾力性を有するエストラマー系の材料の接着剤や、熱硬化性の接着剤等の種々の接着剤を使用してもよい。
【００１８】
上記のように、支持フレーム２０の内周縁部は、接着剤層６０に接触する面２２と端面２４とのなす内角θは鈍角となっている（図２）。これにより、以下で説明する効果を得ることができる。
【００１９】
図４は、第１比較例としての支持フレーム２０ｒａを示す説明図である。図４は図２に対応する断面で示されている。また、図４は、支持フレーム２０ｒａの内周縁部において、端面２４ｒａと膜電極接合体１２に対向配置される面２２とのなす内角θが直角の場合を示している。
【００２０】
第１比較例の支持フレーム２０ｒａ（図４）は、従来の枠状の支持フレームに相当する。この場合、課題で説明したように、支持フレーム２０ｒａに対して加わる膜電極接合体１２の伸縮に応じた力（図３の矢印方向）によって、支持フレーム２０ｒａが接着剤層６０から剥離してしまう可能性がある。この際、上記の力は直角の角部に集中し、角部を起点として剥離が発生するとともに、この剥離発生箇所を起点として膜電極接合体１２に亀裂を生じさせてしまう可能性がある。特に、通常、支持フレームに用いられる樹脂部材（ＰＰ，ＰＥ，ＰＥＴ等）は、接着剤層６０に対して接着性が低く剥離し易い傾向にある。これに対して、実施形態の支持フレーム２０（図２）では、内周縁部の端面２４と膜電極接合体１２に対向配置される面２２とのなす内角θが鈍角であるため、端面２４の面積が比較例の支持フレーム２０ｒａの端面２４ｒａの面積に比べて大きくなり、支持フレーム２０の接着剤層６０に対する接着性が向上する。これにより、支持フレーム２０に対して加わる膜電極接合体１２の伸縮に応じた力によって、支持フレーム２０が接着剤層６０から剥離してしまうことを抑制し、剥離の際に剥離発生箇所を起点に膜電極接合体に亀裂を生じさせてしまうことを抑制することができる。
【００２１】
図５は、第２比較例としての支持フレーム２０ｒｂを示す説明図である。図５は図２に対応する断面で示されている。また、図５は、支持フレーム２０ｒｂの内周縁部において、端面２４ｒｂと膜電極接合体１２に対向配置される面２２とのなす内角θが鋭角の場合を示している。
【００２２】
第２比較例の支持フレーム２０ｒｂ（図５）のように、内周縁部の端面２４ｒｂと膜電極接合体１２に対向配置される面２２とのなす内角θが鋭角であっても、第１比較例の支持フレーム２０ｒａ(図３）の端面２４ｒａに比べて、端面２４ｒｂ図４の面積は大きくなるので、支持フレーム２０ｒｂの接着剤層６０に対する接着性は向上する。しかしながら、この場合、仮に、支持フレーム２０ｒｂに対して加わる膜電極接合体１２の伸縮に応じた力によって、支持フレーム２０ｒｂが接着剤層６０から剥離してしまった場合に、膜電極接合体の伸縮によって、支持フレーム２０ｒｂの鋭角な角部が接着剤層６０に突き刺さり、突き刺さった箇所を起点として膜電極接合体に亀裂を生じさせてしまう可能性がある。これに対して、実施形態の支持フレーム２０(図２）では、内周縁部の端面２４と膜電極接合体１２に対向配置される面２２とのなす内角θは鈍角であるので、支持フレーム２０の鈍角な面を有する内周縁部が接着剤層６０に突き刺さり難い。このため、支持フレーム２０が突き刺さった箇所を起点として膜電極接合体１２に亀裂を生じさせてしまうことを抑制することができる。
【００２３】
なお、上記の支持フレーム２０の内周縁部の端面２４と膜電極接合体１２に対向配置される面２２とのなす内角θが鈍角であるとしたが、この鈍角の角部に、端面２４と面２２とが滑らかに繋がれるＲ等の面取りが行なわれていてもよい。
【００２４】
本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部または全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部または全部を達成するために、適宜、差し替えや組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
【符号の説明】
【００２５】
１０…発電体（膜電極ガス拡散層接合体）
１２…膜電極接合体
１４…ガス拡散層
１６…ガス拡散層
１８…外周縁部
２０…支持フレーム
２０ｒａ…支持フレーム
２０ｒｂ…支持フレーム
２２…面（膜電極接合体に対向配置される面）
２４…端面
２４ｒａ…端面
２４ｒｂ…端面
３０…マニホールド孔
４０，５０…セパレータ
６０…接着剤層
１００…燃料電池単セル
【図１】
2018116761.tif 000003
【図２】
2018116761.tif 000004
【図３】
2018116761.tif 000005
【図４】
2018116761.tif 000006
【図５】
2018116761.tif 000007