(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜の両側に、それぞれ電極触媒層とガス拡散層とを有する電極が設けられるとともに、前記ガス拡散層の外周端部から外方に前記固体高分子電解質膜の外周端部が突出する電解質膜・電極構造体と、
前記固体高分子電解質膜の外周を周回して設けられるとともに、前記電極の表面と段差なく且つ同一面上に連続する樹脂製枠部材と、
を備える燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体であって、
前記樹脂製枠部材は、前記固体高分子電解質膜の外周端部に直接接合される第１樹脂材と、
前記第１樹脂材の外面に接合されるとともに、該第１樹脂材よりも融点が高い第２樹脂材と、
を備え、
前記固体高分子電解質膜の外周端部は、前記樹脂製枠部材の外周端部の内側に配置されるとともに、
前記固体高分子電解質膜の外周端部と前記樹脂製枠部材の外周端部との間の領域は、前記第１樹脂材同士が直接接合されることを特徴とする燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体。
【請求項２】
固体高分子電解質膜の両側に、それぞれ電極触媒層とガス拡散層とを有する電極が設けられるとともに、前記ガス拡散層の外周端部から外方に前記固体高分子電解質膜の外周端部が突出する電解質膜・電極構造体と、
前記固体高分子電解質膜の外周を周回して設けられるとともに、前記電極の表面と段差なく且つ同一面上に連続する樹脂製枠部材と、
を備える燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体の製造方法であって、
第１樹脂材と前記第１樹脂材よりも融点が高い第２樹脂材とを接合し、一対の前記樹脂製枠部材を作製する工程と、
各樹脂製枠部材の前記第１樹脂材により、前記固体高分子電解質膜の外周端部を直接挟持した状態で、前記第１樹脂材の融点よりも高温で且つ前記第２樹脂材の融点未満の温度を付与することによって、一対の前記樹脂製枠部材と前記固体高分子電解質膜とを一体に接合する工程と、
を有し、
前記固体高分子電解質膜の外周端部は、前記樹脂製枠部材の外周端部の内側に配置されるとともに、
前記固体高分子電解質膜の外周端部と前記樹脂製枠部材の外周端部との間の領域は、前記第１樹脂材同士が直接接合されることを特徴とする燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体の製造方法。
【請求項３】
請求項２記載の製造方法において、前記樹脂製枠部材には、それぞれ燃料ガス、酸化剤ガス及び冷媒体を流通させる複数の連通孔が貫通形成されることを特徴とする燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子電解質膜の両側に、それぞれ電極触媒層とガス拡散層とを有する電極が設けられるとともに、前記ガス拡散層の外周端部から外方に前記固体高分子電解質膜の外周端部が突出する電解質膜・電極構造体と、前記固体高分子電解質膜の外周を周回して設けられる樹脂製枠部材とを備える燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる固体高分子電解質膜を採用している。この燃料電池は、固体高分子電解質膜の両側に、それぞれ触媒層（電極触媒層）とガス拡散層（多孔質カーボン）とからなるアノード電極及びカソード電極を配設した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持している。この燃料電池は、所定の数だけ積層して燃料電池スタックを構成するとともに、例えば、車載用燃料電池スタックとして燃料電池電気自動車に採用されている。
【０００３】
通常、燃料電池スタックでは、多数の電解質膜・電極構造体が積層されており、コストを抑制するために、前記電解質膜・電極構造体を安価に構成することが要請されている。従って、特に高価な固体高分子電解質膜の使用量を削減するとともに、構成の簡素化を図るため、種々の提案がなされている。
【０００４】
例えば、特許文献１に開示されている膜電極組立体が知られている。この膜電極組立体では、図４に示すように、シーリング端部を有する第１のガス拡散支持体１ａ、第１の電気触媒被覆組成物２ａ、高分子膜３、第２の電気触媒被覆組成物２ｂ、及び、シーリング端部を有する第２のガス拡散支持体１ｂを含んで一体化されたＭＥＡを構成している。
【０００５】
一体化されたＭＥＡは、熱可塑性ポリマーである流体不浸透性のシール４を含むとともに、第１のガス拡散支持体１ａ及び第２のガス拡散支持体１ｂのシーリング端部の中に熱可塑性ポリマーが含浸されている。シール４は、第１のガス拡散支持体１ａ及び第２のガス拡散支持体１ｂの両方の周囲領域、並びに高分子膜３を包み込んでいる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特表２００５−５１６３５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、ＭＥＡでは、燃料ガスと酸化剤ガスとの混合を確実に防止するため、ガス拡散層の外形寸法よりも大きな外形寸法の固体高分子電解質膜を有する場合がある。その際、上記の特許文献１を適用して、固体高分子電解質膜の外周縁部に熱可塑性ポリマーを射出成形すると、ガス拡散層の外周端部を超えて延在する固体高分子電解質膜の外周部は、射出成形時の樹脂流れによって移動し、表面に露出するおそれがある。
【０００８】
また、ガス拡散層の角部に対応する固体高分子電解質膜の部分に負荷が集中し、該部分が破損し易いという問題がある。しかも、ＭＥＡの薄型化を図る際に、薄肉化による成形後の樹脂材に反り等が発生するおそれがある。
【０００９】
本発明は、この種の問題を解決するものであり、固体高分子電解質膜の外周端部を周回して薄肉状の樹脂製枠部材を強固且つ容易に接合するとともに、前記樹脂製枠部材の変形を良好に抑制することが可能な燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体及びその製造方法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】
【００１０】
本発明は、固体高分子電解質膜の両側に、それぞれ電極触媒層とガス拡散層とを有する電極が設けられるとともに、前記ガス拡散層の外周端部から外方に前記固体高分子電解質膜の外周端部が突出する電解質膜・電極構造体と、前記固体高分子電解質膜の外周を周回して設けられるとともに、前記電極の表面と段差なく且つ同一面上に連続する樹脂製枠部材とを備える燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体及びその製造方法に関するものである。
【００１１】
この燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体では、樹脂製枠部材は、固体高分子電解質膜の外周端部に直接接合される第１樹脂材と、前記第１樹脂材の外面に接合されるとともに、該第１樹脂材よりも融点が高い第２樹脂材とを備えている。
【００１２】
そして、この燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体では、固体高分子電解質膜の外周端部は、樹脂製枠部材の外周端部の内側に配置されるとともに、前記固体高分子電解質膜の外周端部と前記樹脂製枠部材の外周端部との間の領域は、第１樹脂材同士が直接接合されている。
【００１３】
さらに、この燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体の製造方法は、第１樹脂材と前記第１樹脂材よりも融点が高い第２樹脂材とを接合し、一対の樹脂製枠部材を作製する工程と、各樹脂製枠部材の前記第１樹脂材により、固体高分子電解質膜の外周端部を直接挟持した状態で、前記第１樹脂材の融点よりも高温で且つ前記第２樹脂材の融点未満の温度を付与することによって、一対の前記樹脂製枠部材と前記固体高分子電解質膜とを一体に接合する工程とを有している。
【００１４】
そして、固体高分子電解質膜の外周端部は、樹脂製枠部材の外周端部の内側に配置されるとともに、前記固体高分子電解質膜の外周端部と前記樹脂製枠部材の外周端部との間の領域は、第１樹脂材同士が直接接合されている。
【００１５】
また、この製造方法では、樹脂製枠部材には、それぞれ燃料ガス、酸化剤ガス及び冷媒体を流通させる複数の連通孔が貫通形成されることが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、樹脂製枠部材は、低融点の第１樹脂材と高融点の第２樹脂材とが接合されるとともに、一対の前記第１樹脂材が、固体高分子電解質膜の外周端部に直接接合（ホットプレス等）されている。このため、樹脂製枠部材と固体高分子電解質膜とが接合される際に、高融点の第２樹脂材が溶融されることがなく、前記樹脂製枠部材が変形することを確実に阻止することができる。
【００１７】
従って、固体高分子電解質膜の外周端部を周回して薄肉状の樹脂製枠部材を強固且つ容易に接合するとともに、前記樹脂製枠部材の変形を良好に抑制することが可能になる。これにより、樹脂製枠部材を歩留まりよく、しかも組立工数の削減により効率的に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施形態に係る樹脂枠付き電解質膜・電極構造体が組み込まれる固体高分子型燃料電池の要部分解斜視説明図である。
【図２】前記燃料電池の、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面説明図である。
【図３】前記樹脂枠付き電解質膜・電極構造体の製造方法の説明図である。
【図４】特許文献１に開示されている膜電極組立体の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
図１及び図２に示すように、本発明の実施形態に係る樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０は、固体高分子型燃料電池１２に組み込まれる。燃料電池１２は、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０を第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６により挟持して構成されるとともに、複数積層された燃料電池スタックとして、例えば、燃料電池電気自動車（図示せず）に搭載される。
【００２０】
図１に示すように、燃料電池１２の矢印Ｃ方向（鉛直方向）の上端縁部には、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔１８ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔２０ａ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔２２ａが、矢印Ｂ方向に配列して設けられる。
【００２１】
燃料電池１２の矢印Ｃ方向の下端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔２２ｂ、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔２０ｂ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔１８ｂが、矢印Ｂ方向に配列して設けられる。
【００２２】
第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した縦長形状の金属板により構成される。
【００２３】
第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６は、平面が矩形状を有するとともに、金属製薄板を波形状にプレス加工することにより、断面凹凸形状に成形される。なお、第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６は、例えば、カーボンセパレータにより構成してもよい。
【００２４】
第１セパレータ１４の樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０に向かう面１４ａには、酸化剤ガス入口連通孔１８ａと酸化剤ガス出口連通孔１８ｂとに連通する酸化剤ガス流路２４が、鉛直方向に沿って設けられる。
【００２５】
第２セパレータ１６の樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０に向かう面１６ａには、燃料ガス入口連通孔２２ａと燃料ガス出口連通孔２２ｂとに連通する燃料ガス流路２６が、鉛直方向に沿って設けられる。
【００２６】
互いに隣接する燃料電池１２を構成する第１セパレータ１４の面１４ｂと、第２セパレータ１６の面１６ｂとの間には、冷却媒体入口連通孔２０ａと冷却媒体出口連通孔２０ｂとを連通する冷却媒体流路２８が、鉛直方向に沿って設けられる。
【００２７】
第１セパレータ１４の面１４ａ、１４ｂには、第１シール部材３０が、一体的又は個別に設けられるとともに、第２セパレータ１６の面１６ａ、１６ｂには、第２シール部材３２が、一体的又は個別に設けられる。第１シール部材３０及び第２シール部材３２は、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン、又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材を使用する。
【００２８】
図２に示すように、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０は、電解質膜・電極構造体３４と樹脂製枠部材３６とを備える。電解質膜・電極構造体３４は、例えば、炭化水素系又はパーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜３８と、前記固体高分子電解質膜３８を挟持するカソード電極４０及びアノード電極４２とを備える。
【００２９】
カソード電極４０及びアノード電極４２は、同一の表面積（外形寸法）を有するとともに、固体高分子電解質膜３８は、前記カソード電極４０及び前記アノード電極４２よりも大きな表面積（外形寸法）を有する。固体高分子電解質膜３８の外周端部３８ｅｎｄは、カソード電極４０の外周端部４０ｅｎｄ及びアノード電極４２の外周端部４２ｅｎｄから外方に突出する。
【００３０】
カソード電極４０及びアノード電極４２は、固体高分子電解質膜３８の両方の面３８ａ、３８ｂに接合される電極触媒層４０ａ、４２ａと、前記電極触媒層４０ａ、４２ａに積層されるガス拡散層（多孔質拡散層）４０ｂ、４２ｂとを有する。ガス拡散層４０ｂ、４２ｂは、電極触媒層４０ａ、４２ａよりも大きな表面積を有するが、同一の表面積に設定してもよい。
【００３１】
樹脂製枠部材３６は、固体高分子電解質膜３８の外周端部３８ｅｎｄの両面に直接接合される一対の第１樹脂材４４ａ、４４ｂと、前記第１樹脂材４４ａ、４４ｂの外面に接合されるとともに、該第１樹脂材４４ａ、４４ｂよりも融点が高い一対の第２樹脂材４６ａ、４６ｂとを備える。
【００３２】
第１樹脂材４４ａと第２樹脂材４６ａとにより第１樹脂枠シート３６ａが構成される一方、第１樹脂材４４ｂと第２樹脂材４６ｂとにより第２樹脂枠シート３６ｂが構成される。固体高分子電解質膜３８の外周端部３８ｅｎｄと樹脂製枠部材３６の外周端部３６ｅｎｄとの間の領域は、第１樹脂材４４ａ、４４ｂ同士が直接接合される。
【００３３】
第１樹脂材４４ａ、４４ｂは、熱可塑性樹脂のシート材であり、例えば、融点が１３５℃程度であることが好ましい。第１樹脂材４４ａ、４４ｂは、具体的には、ＰＰ（ポリプロピレン）やＡＢＳ（アクリルニトリルブタジエンスチレン）等が採用される。第２樹脂材４６ａ、４６ｂは、熱可塑性樹脂のシート材であり、例えば、融点が１４５℃程度であることが好ましい。第２樹脂材４６ａ、４６ｂは、具体的には、上記のＰＰやＡＢＳのグレード違いによる融点を変えた材料等が採用される。第１樹脂材４４ａ、４４ｂ及び第２樹脂材４６ａ、４６ｂは、融点の大小関係が異なればよく、上記の材料に限定されない。
【００３４】
樹脂製枠部材３６の一方の面は、カソード電極４０の表面と段差なく同一面上に連続するとともに、前記樹脂製枠部材３６の他方の面は、アノード電極４２の表面と段差なく同一面上に連続する。第１樹脂材４４ａ、４４ｂの厚さは、第２樹脂材４６ａ、４６ｂの厚さよりも小さく設定されることが好ましい。
【００３５】
このように構成される燃料電池１２において、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０を製造する方法について、以下に説明する。
【００３６】
先ず、図３中、（ａ）に示すように、それぞれ矩形状に形成された第１樹脂材４４ａ、４４ｂと第２樹脂材４６ａ、４６ｂとが用意される。次いで、図３中、（ｂ）に示すように、第１樹脂材４４ａと第２樹脂材４６ａとは、前記第１樹脂材４４ａの融点以上の温度で、ホットプレスにより前記第１樹脂材４４ａが溶融されて一体化されて第１接合シート５０ａが得られる。同様に、第１樹脂材４４ｂと第２樹脂材４６ｂとは、ホットプレスにより前記第１樹脂材４４ｂが溶融されて一体化されて第２接合シート５０ｂが得られる。
【００３７】
一方、図３中、（ｃ）及び図２に示すように、固体高分子電解質膜３８の両方の面３８ａ、３８ｂには、電極触媒層４０ａ、４２ａが設けられる。具体的には、電極触媒層４０ａ、４２ａは、カーボンブラックに白金粒子を担持した触媒粒子を形成し、イオン導伝性バインダーとして高分子電解質を含む溶液を使用し、この高分子電解質の溶液中に前記触媒粒子を均一に混合して作製された触媒ペーストを有する。
【００３８】
そして、電極触媒層４０ａ、４２ａには、多孔質のカーボンからなるガス拡散層４０ｂ、４２ｂがホットプレスにより一体化される。このため、電解質膜・電極構造体３４が得られる。
【００３９】
さらに、第１接合シート５０ａ及び第２接合シート５０ｂは、カソード電極４０及びアノード電極４２の外形形状に対応して額縁状にトリミングされる。従って、第１樹脂枠シート３６ａ及び第２樹脂枠シート３６ｂが形成される。第１樹脂枠シート３６ａ及び第２樹脂枠シート３６ｂは、電解質膜・電極構造体３４の両面に配置される。
【００４０】
ここで、第１樹脂枠シート３６ａは、第１樹脂材４４ａが電解質膜・電極構造体３４のカソード電極４０に対向する一方、第２樹脂枠シート３６ｂは、第１樹脂材４４ｂが前記電解質膜・電極構造体３４のアノード電極４２に対向する。
【００４１】
次に、図３中、（ｄ）では、第１樹脂枠シート３６ａ及び第２樹脂枠シート３６ｂが、電解質膜・電極構造体３４を構成する固体高分子電解質膜３８の外周端部３８ｅｎｄの両面を直接挟持した状態で、例えば、ホットプレス等により一体化される。
【００４２】
その際、第１樹脂材４４ａ、４４ｂの融点よりも高温で且つ第２樹脂材４６ａ、４６ｂの融点未満の温度を付与することによって、前記第１樹脂材４４ａ、４４ｂが溶融し、第１樹脂枠シート３６ａ及び第２樹脂枠シート３６ｂと固体高分子電解質膜３８とが一体に接合される。これにより、樹脂製枠部材３６が得られる。
【００４３】
そして、図３中、（ｅ）に示すように、樹脂製枠部材３６には、酸化剤ガス入口連通孔１８ａ、冷却媒体入口連通孔２０ａ、燃料ガス入口連通孔２２ａ、酸化剤ガス出口連通孔１８ｂ、冷却媒体出口連通孔２０ｂ及び燃料ガス出口連通孔２２ｂがトリミングにより貫通形成される。従って、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０が製造される。
【００４４】
この場合、本実施形態では、樹脂製枠部材３６は、低融点の第１樹脂材４４ａ、４４ｂと高融点の第２樹脂材４６ａ、４６ｂとが接合されるとともに、一対の前記第１樹脂材４４ａ、４４ｂが、固体高分子電解質膜３８の外周端部３８ｅｎｄの両面に直接接合（ホットプレス等）されている。このため、樹脂製枠部材３６と固体高分子電解質膜３８とが接合される際に、高融点の第２樹脂材４６ａ、４６ｂが溶融されることがなく、前記樹脂製枠部材３６が変形することを確実に阻止することができる。
【００４５】
従って、固体高分子電解質膜３８の外周端部３８ｅｎｄを周回して薄肉状の樹脂製枠部材３６を強固且つ容易に接合するとともに、前記樹脂製枠部材３６の変形を良好に抑制することが可能になる。これにより、樹脂製枠部材３６を歩留まりよく、しかも組立工数の削減により効率的に製造することができるという効果が得られる。
【００４６】
さらにまた、固体高分子電解質膜３８の外周端部３８ｅｎｄと樹脂製枠部材３６の外周端部３６ｅｎｄとの間の領域は、第１樹脂材４４ａ、４４ｂ同士が直接接合されている。このため、第１樹脂枠シート３６ａと第２樹脂枠シート３６ｂとは、強固且つ確実に接合され、樹脂製枠部材３６と電解質膜・電極構造体３４との接合硬度が良好に向上するという利点がある。
【００４７】
このように構成される燃料電池１２の動作について、以下に説明する。
【００４８】
先ず、図１に示すように、酸化剤ガス入口連通孔１８ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔２２ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔２０ａに純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。
【００４９】
このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔１８ａから第１セパレータ１４の酸化剤ガス流路２４に導入される。酸化剤ガスは、矢印Ｃ方向下方に移動しながら、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０を構成するカソード電極４０に供給される。
【００５０】
一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔２２ａから第２セパレータ１６の燃料ガス流路２６に導入される。この燃料ガスは、矢印Ｃ方向下方に移動しながら、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０を構成するアノード電極４２に供給される。
【００５１】
従って、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０では、カソード電極４０に供給される酸化剤ガスと、アノード電極４２に供給される燃料ガスとが、電極触媒層４０ａ、４２ａ内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。
【００５２】
次いで、カソード電極４０に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔１８ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。一方、アノード電極４２に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔２２ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。
【００５３】
また、冷却媒体入口連通孔２０ａに供給された冷却媒体は、第１及び第２セパレータ１４、１６間の冷却媒体流路２８に導入され、矢印Ｃ方向下方に流通する。この冷却媒体は、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０を冷却した後、冷却媒体出口連通孔２０ｂに排出される。
【符号の説明】
【００５４】
１０…樹脂枠付き電解質膜・電極構造体        １２…燃料電池
１４、１６…セパレータ                      １８ａ…酸化剤ガス入口連通孔
１８ｂ…酸化剤ガス出口連通孔                ２０ａ…冷却媒体入口連通孔
２０ｂ…冷却媒体出口連通孔                  ２２ａ…燃料ガス入口連通孔
２２ｂ…燃料ガス出口連通孔                  ２４…酸化剤ガス流路
２６…燃料ガス流路                          ２８…冷却媒体流路
３４…電解質膜・電極構造体                  ３６…樹脂製枠部材
３６ａ、３６ｂ…樹脂枠シート                ３８…固体高分子電解質膜
４０…カソード電極                          ４２…アノード電極
３６ｅｎｄ、３８ｅｎｄ、４０ｅｎｄ、４２ｅｎｄ…外周端部
４０ａ、４２ａ…電極触媒層                  ４０ｂ、４２ｂ…ガス拡散層
４４ａ、４４ｂ、４６ａ、４６ｂ…樹脂材      ５０ａ、５０ｂ…接合シート
【図１】
0005703186.tif 000002
【図２】
0005703186.tif 000003
【図３】
0005703186.tif 000004
【図４】
0005703186.tif 000005