(57)【要約】【課題】発電体【解決手段】燃料電池に用いられる発電体であって、電解質膜と、電解質膜の一方の面に配置される第１の触媒層と、電解質膜の他方の面に配置される第２の触媒層と、第１の触媒層の外側に配置される第１のガス拡散層と、第２の触媒層の外側に配置される第２のガス拡散層とを備える膜電極接合体と、膜電極接合体の周縁に配置されるフレームと、膜電極接合体とフレームとを接着する接着剤と、を備え、第１のガス拡散層は電解質膜と同一の大きさに形成され、第２のガス拡散層は電解質膜よりも小さく形成されると共に、フレームは、電解質膜と第２のガス拡散層とによって形成される段差に対応する段差部を有し、段差部は、第１のガス拡散層と対向する面と、電解質膜または第２の触媒層と対向する面とで構成される接着面を備え、接着面は、フレームを構成する面のうち、他の部材と接着されない非接着面よりも親水性が高い。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池に用いられる発電体であって、
電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に配置される第１の触媒層と、前記電解質膜の他方の面に配置される第２の触媒層と、前記第１の触媒層の外側に配置される第１のガス拡散層と、前記第２の触媒層の外側に配置される第２のガス拡散層と、を備える膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の周縁に配置されるフレームと、
前記膜電極接合体と前記フレームとを接着する接着剤と、
を備え、
前記第１のガス拡散層は前記電解質膜と同一の大きさに形成され、前記第２のガス拡散層は前記電解質膜よりも小さく形成されると共に、
前記フレームは、前記電解質膜と前記第２のガス拡散層とによって形成される段差に対応する段差部を有し、
前記段差部は、前記第１のガス拡散層と対向する面と、前記電解質膜または前記第２の触媒層と対向する面とで構成される接着面を備え、
前記接着面は、前記フレームを構成する面のうち、他の部材と接着されない非接着面よりも親水性が高い、
発電体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に用いられる発電体に関する。
【背景技術】
【０００２】
電解質として高分子電解質膜（以下、単に「電解質膜」と称する）を用いる燃料電池では、膜電極接合体ＭＥＧＡ（Membrane Electrode and Gas Diffusion Layer Assembly）を種々の方法で作製している。例えば、電解質膜と触媒層とで構成されるＣＣＭ（Catalyst Coated Membrane）の両面にガス拡散層を積層したり、触媒層とガス拡散層とで構成されるガス拡散電極ＧＤＥ（ Gas Diffusion Electrode）を電解質膜の両面に積層して作製することがある。
【０００３】
このような構成のＭＥＧＡは薄く曲がりやすいため、ＭＥＧＡの周縁を取り囲むフレームをＭＥＧＡの周縁に接着剤にて接着して一体化されたフレーム付きの膜電極接合体（以下、「ＭＥＧＡフレーム」とも称する）が提案されている。ＭＥＧＡフレームにおいて、ＭＥＧＡおよびフレームの製品公差や、フレームとＭＥＧＡを一体化する際の製造公差等により、ＭＥＧＡとフレームとの間の隙間が大きくなることがある。
【０００４】
図４、５は、従来のＭＥＧＡフレームの構成を示す説明図である。従来のＭＥＧＡフレーム１００ｐは、ＭＥＧＡ２００とフレーム３００ｐとを接着剤４００にて接着して製造される。図４にＡ部分として示すように、ＣＣＭ２０２が接着剤で覆われず露出していると、電解質膜の膨張と収縮の繰り返しによって電解質膜が裂けることがある。そのため、このようにＣＣＭ２０２が露出したＭＥＧＡフレーム１００ｐを用いて燃料電池を構成すると、反応ガスのクロスリークが生じるおそれがある。
【０００５】
一方、ＣＣＭ２０２が露出しないように接着剤４００の量を増やすと、図５に示すように余剰の接着剤４００がＭＥＧＡとフレームとの隙間から溢れることがある。図５では、フレーム３００ｐ下面の延長線を破線Ｈで示しており、図示するように、余剰の接着剤がはみ出している。このように、余剰の接着剤がはみ出していると、余剰の接着剤４００が治具に付着して生産性を低下させたり、流路に流れ込んで圧損を上昇させるおそれがあった。これは、ＧＤＥを電解質膜の両面に重ねて作製されるＭＥＧＡにも共通する問題であった。そこで、特許文献１には、接着剤溜まりとなる空所が形成されているフレームを備えるＭＥＧＡフレームが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−１２９３４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に記載されたＭＥＧＡフレームは、２枚のフレームにてＭＥＧＡを挟持する構成であり、２枚のフレームの接着部位に形成された隙間から接着剤がはみ出ることを抑制するために、余剰な接着剤が溜まりうる空所を設けている。しかしながら、図４に示すように１枚のフレームを接着剤にてＭＥＧＡに接着する場合には、余剰な接着剤が溜まりうる空所を設けたとしても、接着剤がその空所に誘導されず溢れるという問題があった。そのため、接着剤による生産性の低下、流路の圧損上昇を低減することが可能な技術が望まれていた。そのほか、従来のＭＥＧＡフレームにおいては、低コスト化、省資源化、製造の容易化、性能の向上等が望まれていた。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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。
【０００９】
（１）本発明の一形態によれば、燃料電池に用いられる発電体が提供される。この燃料電池に用いられる発電体は、電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に配置される第１の触媒層と、前記電解質膜の他方の面に配置される第２の触媒層と、前記第１の触媒層の外側に配置される第１のガス拡散層と、前記第２の触媒層の外側に配置される第２のガス拡散層と、を備える膜電極接合体と、前記膜電極接合体の周縁に配置されるフレームと、前記膜電極接合体と前記フレームとを接着する接着剤と、を備えてよい。前記第１のガス拡散層は前記電解質膜と同一の大きさに形成され、前記第２のガス拡散層は前記電解質膜よりも小さく形成されてよい。前記フレームは、前記電解質膜と前記第２のガス拡散層とによって形成される段差に対応する段差部を有してよい。前記段差部は、前記第１のガス拡散層と対向する面と、前記電解質膜または前記第２の触媒層と対向する面とで構成される接着面を備えてよい。前記接着面は、前記フレームを構成する面のうち、他の部材と接着されない非接着面よりも親水性が高くてよい。
【００１０】
この形態の燃料電池に用いられる発電体によると、フレームの段差部における接着面が、フレームを構成する面のうち、他の部材と接着されない非接着面よりも親水性が高いため、膜電極接合体とフレームとを液状接着剤にて接着する場合に、余剰な接着剤が親水性の接着面に沿って流れ込む。したがって、余剰の接着剤が膜電極接合体とフレームとの隙間から溢れ、余剰接着剤が治具に付着して生産性を低下させたり、流路に流れ込んで圧損を上昇させるおそれを低減することができる。ここで、他の部材とは、膜電極接合体だけでなく、燃料電池を構成する際にフレームと接着されるセパレータ等の発電体に含まれない部材を含む。
【００１１】
また、このような形態によれば、低コスト化、省資源化、製造の容易化、性能の向上等の種々の課題の少なくとも１つを解決することができる。
【００１２】
なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能である。例えば、燃料電池、燃料電池システム、車両、電力供給方法などの種々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】本発明の一実施形態であるＭＥＧＡフレームを用いた燃料電池の構成を示す説明図である。
【図２】本実施形態のＭＥＧＡフレームの構成を示す説明図である。
【図３】本実施形態のＭＥＧＡフレームの製造工程を示す説明図である。
【図４】従来のＭＥＧＡフレームの構成を示す説明図である。
【図５】従来のＭＥＧＡフレームの構成を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
Ａ．実施形態：
（Ａ１）燃料電池の構成：
図１は、本発明の一実施形態であるＭＥＧＡフレームを用いた燃料電池の構成を示す説明図である。図１では、燃料電池８００の断面構成の一部を図示している。燃料電池８００は、ＭＥＧＡフレーム１００と、アノード側セパレータ５００と、カソード側セパレータ６００と、からなる積層体を複数備え、これら複数の積層体が積層された構造を有する。なお、図１では、図示の便宜上、１組の積層体のみ表している。燃料電池８００は、いわゆる固体高分子型燃料電池であり、燃料ガスとして供給される水素ガスと、酸化剤ガスとして供給される空気とを用いて発電を行う。また、燃料電池８００内には、冷却媒体としての水が循環され、燃料電池８００内の温度が、発電に適切な温度に調整される。
【００１５】
燃料電池８００において、アノード側セパレータ５００に形成された流路を介してアノード側に水素ガスが供給され、カソード側セパレータ６００に形成された流路を介してカソード側に空気が供給され、アノード側セパレータ５００とカソード側セパレータ６００とで形成される流路を水が循環する。
【００１６】
図２は、本実施形態のＭＥＧＡフレームの構成を示す説明図である。図２では、ＭＥＧＡフレーム１００の断面構成の一部を図示している。ＭＥＧＡフレーム１００は、ＭＥＧＡ２００とフレーム３００とを接着剤４００にて接着して製造される。ＭＥＧＡフレーム１００は平面視矩形に形成され、フレーム３００は平面視矩形に形成されたＭＥＧＡの周縁を取囲む枠状に形成されている。
【００１７】
図２に示すように、ＭＥＧＡ２００は、ＣＣＭ２０２とアノード側ガス拡散層２０４とカソード側ガス拡散層２０６とを備え、ＣＣＭ２０２は電解質膜２２とアノード側触媒層２４とカソード側触媒層２６とを備える。アノード側ガス拡散層２０４はＣＣＭ２０２と同一の大きさの矩形状に形成され、カソード側ガス拡散層２０６はＣＣＭ２０２より一回り小さい矩形状に形成されている。すなわち、ＭＥＧＡ２００の断面形状を見ると、その端部は段状になっている。
【００１８】
電解質膜２２は、固体高分子材料、例えばパーフルオロカーボンスルホン酸を備えるフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性を有するイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。カソード側触媒層２６およびアノード側触媒層２４は、いずれも白金や白金合金等の触媒を担持した触媒担持カーボンを含んでいる。カソード側ガス拡散層２０６およびアノード側ガス拡散層２０４は、いずれも多孔質の拡散層用基材で構成されている。このような拡散層用基材として、例えば、カーボンペーパーやカーボンクロスやガラス状カーボン等のカーボン多孔質体や、金属メッシュや発泡金属等の金属多孔質体を用いることができる。
【００１９】
フレーム３００は、ＭＥＧＡ２００と接着される部分、すなわち平面視における内枠部分に、ＭＥＧＡ２００の外周に形成された段差に対応する段差が形成されている（図２）。フレーム３００における段差は、アノード側ガス拡散層２０４と対向する第１の面３０２とＣＣＭ２０２と接着される面を含む第２の面３０４とを備える。第１の面３０２は、ＣＣＭ２０２とアノード側ガス拡散層２０４の端面に対して所定の角度の傾きを有する。本実施形態において、その角度は、ＣＣＭ２０２とアノード側ガス拡散層２０４の端面に対して第１の面３０２が平行になる角度を０度として、４５度である。本実施形態において、第１の面３０２と第２の面３０４とは、フレーム３００構成する面のうち、他の部材（アノード側セパレータ５００、カソード側セパレータ６００、ＭＥＧＡ２００）と接着されない非接着面に比較して親水性が高い。
【００２０】
フレーム３００は、熱可塑性のＰＰ（polypropylene）で形成されている。本実施形態において、特に、３００ｎｍ以上の波長領域で高い透過率を示すＰＰを用いている。熱可塑性の樹脂としては、その他、例えば、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、ＰＥ（polyethylene）、ＰＥＴ（Polyethylene terephthalate）等を用いることもできる。また、フレーム３００は、熱硬化性樹脂で形成されてもよい。
【００２１】
本実施形態において、フレーム３００は射出成形にて作製されるが、溶融押し出し成形にて作製されてもよい。溶融押し出し成形にて作製する場合には、押し出し後に圧縮成形するなどして、段差部の斜面を形成する。フレーム３００の第１の面３０２と第２の面３０４は、プラズマ処理によりフレーム３００の非接着面より高い親水性が付与される。なお、フレーム３００への親水性の付与は、プラズマ処理に限定されず、ＵＶ（紫外線）処理、ホーニング処理等周知の他の方法によって行われてもよい。
【００２２】
本実施形態では、接着剤４００としてＵＶ（紫外線）硬化型の液状接着剤であって、３００ｎｍ以上の波長領域で硬化に必要なラジカル、カチオン、アニオン等を生成しうるものを用いる。例えば、樹脂種として、エポキシ樹脂、ポリイソブチレン、シリコーンを用いることができる。上記の通り、フレーム３００は、３００ｎｍ以上の波長領域で高い透過率を示すＰＰで作製されているため、このような液状接着剤を用いれば、フレーム３００の上から光（紫外線）を照射しても接着剤を硬化させることができる。
【００２３】
図３は、本実施形態のＭＥＧＡフレーム１００の製造工程を示す説明図である。ＭＥＧＡフレーム１００を製造する際は、まず、ＭＥＧＡ２００と、フレーム３００と、液状接着剤４００とを用意する。次に、図３に示すように、ＭＥＧＡ２００の露出したＣＣＭ２０２上に、液状の接着剤４００を塗布し、フレーム３００を積層する。このとき、フレーム３００の第１の面３０２と第２の面３０４は、フレーム３００の非接着面よりも親水性が高いため、図２に示すように、余剰の接着剤が第２の面３０４、第１の面３０２に沿って誘導され、フレーム３００とアノード側ガス拡散層２０４との間に形成される隙間に接着剤が流入する。その後、接着剤４００の硬化に必要な光（紫外線）をフレーム３００の上から照射して、接着剤４００を硬化させる。これにより、図２に示すようなＭＥＧＡフレーム１００が作製される。
【００２４】
本実施形態のＭＥＧＡフレーム１００によれば、第１の面３０２と第２の面３０４が、フレーム３００のフレーム３００の非接着面より高い親水性が付与されているため、フレーム３００とＭＥＧＡ２００との接着時に液状の接着剤４００が第２の面３０４、第１の面３０２に沿って、フレーム３００とアノード側ガス拡散層２０４との隙間に流れ込む。したがって、接着剤４００がその隙間よりはみ出すことが抑制され、余剰接着剤が治具に付着することによる生産性の低下、および余剰接着剤が流路に流れ込むことによる圧損の上昇を低減することができる。
【００２５】
また、本実施形態では、ＵＶ硬化型の液状接着剤を用いているため接着剤４００を硬化させるのに要する時間が短い。したがって、例えば、熱硬化型の接着剤を用いる場合に比べて、ＭＥＧＡフレームを製造する時間を短縮することができ、生産性を上げることができる。また、ＵＶ硬化型の液状接着剤を用いているため、ＭＥＧＡフレームの製造時に加熱によりフレームが変形するのを抑制することができる。また、本実施形態では、フレーム３００の光透過率が高い領域で硬化する接着剤４００を用いているため、接着剤４００の硬化に使用する光量を低減することができ、低コスト化することができる。また、ＭＥＧＡフレーム１００の製造時に液状の接着剤４００を用いているため、ＭＥＧＡ２００やフレーム３００の寸法ばらつきがあった場合にも、ばらつきを吸収して、ＣＣＭ２０２を補強することができる。
【００２６】
Ｂ．変形例：
この発明は上記の実施形態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。
（Ｂ１）変形例１：
上記実施形態では、フレーム３００の第１の面３０２は、ＣＣＭ２０２とアノード側ガス拡散層２０４の端面に対して４５度の傾きを有するが、その角度に限定されず、０度以上９０度未満の範囲で変更してもよい。例えば、角度が０度の場合には、フレームの形状は、図４に示すような形状になる。このような場合も、アノード側ガス拡散層２０４と対向する第１の面３０２とＣＣＭ２０２と接着される面を含む第２の面３０４とを、フレーム３００の非接着面に比較して親水性が高くなるように作製することにより、余剰の接着剤のはみ出しを低減することができる。
【００２７】
（Ｂ２）変形例２：
上記実施形態においては、ＭＥＧＡ２００として、ＣＣＭ２０２の外側にアノード側ガス拡散層２０４とカソード側ガス拡散層２０６とが積層された構成を例示したが、電解質膜の両面にＧＤＥを積層する構成でも、電解質膜、触媒層、ガス拡散層をそれぞれ順に積層する構成でもよい。電解質膜の両面にＧＤＥを積層する構成の場合には、電解質膜が露出することになり、電解質膜上に液状の接着剤を塗布して、フレームと一体化すればよい。このようにしても、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００２８】
（Ｂ３）変形例３：
上記実施形態においては、カソード側ガス拡散層２０６がアノード側ガス拡散層２０４よりも一回り小さく形成されたものを例示したが、逆に、アノード側ガス拡散層２０４がカソード側ガス拡散層２０６よりも一回り小さく形成されてもよい。このようにしても、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００２９】
（Ｂ４）変形例４：
上記実施形態では、ＭＥＧＡ２００に接着剤４００を塗布してフレーム３００とＭＥＧＡ２００とを接着する方法を例示したが、フレーム３００に塗布してもよい。さらに、ＭＥＧＡ２００を作製する前にＣＣＭ２０２に接着剤４００を塗布し、アノード側ガス拡散層２０４、カソード側ガス拡散層２０６、フレーム３００を同時に積層して接合してもよい。同様に、電解質膜に接着剤を塗布し、ＧＤＥ、フレームを同時に積層して接合してもよい。このようにしても、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００３０】
（Ｂ５）変形例５：
上記実施形態においては、接着剤４００としてＵＶ硬化型の液状接着剤を用いているが、熱硬化型、湿気硬化型、反応型ホットメルト型、ホットメルト型等、種々の周知の液状接着剤を用いることができる。このようにしても、余剰の接着剤のはみ出しを低減することができる。
【００３１】
（Ｂ６）変形例６：
上記実施形態において、フレーム３００全体を同一のＰＰで製造しており、フレーム３００の光透過率が高い領域で硬化する接着剤４００を用いているが、少なくともフレーム３００のＭＥＧＡ２００と接合する部分を、接着剤４００を硬化させる光を透過可能にすればよい。
【符号の説明】
【００３２】
２２…電解質膜
２４…アノード側触媒層
２６…カソード側触媒層
２０４…アノード側ガス拡散層
２０６…カソード側ガス拡散層
３００…フレーム
３０２…第１の面
３０４…第２の面
４００…接着剤
５００…アノード側セパレータ
６００…カソード側セパレータ
８００…燃料電池
【図１】
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【図２】
2015115131.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2015115131.tif 000007