(57)【要約】【課題】電解質膜が膨張または収縮した場合に、電解質膜の内部に発生する応力を低減することのできる技術を提供する。【解決手段】燃料電池の電解質膜７４は、平面状電解質膜部７４ｐと、前記平面状電解質膜部７４ｐの外延部分に形成された応力吸収部（７４ｂ、７４ｈ）と、前記応力吸収部より外側に形成され、前記電解質膜とセパレータとの間をシールするためのシール部材に固定された固定部７４ｓと、を備える。前記応力吸収部は、前記電解質膜の膜厚方向に膨らんだ膨らみ部７４ｂを有し、前記膨らみ部は内部に中空孔７４ｈを有していることを特徴とする。【選択図】図２
2008293663.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質材料で形成された電解質膜を有する燃料電池であって、
前記電解質膜は、
平面状電解質膜部と、
前記平面状電解質膜部の外延部分に形成された応力吸収部と、
前記応力吸収部より外側に形成され、前記電解質膜とセパレータとの間をシールするためのシール部材に固定された固定部と、
を備え、
前記応力吸収部は、前記電解質膜の膜厚方向に膨らんだ膨らみ部を有し、前記膨らみ部は内部に中空孔を有していることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池であって、
前記膨らみ部は内部に多数の中空孔を有する、
燃料電池。
【請求項３】
請求項１または２記載の燃料電池であって、
前記中空孔は、前記電解質膜の劣化を抑制するガスを含む、
燃料電池。
【請求項４】
請求項１ないし３記載の燃料電池であって、
前記応力吸収部は、前記平面状電解質膜部の外延部分のコーナー部のみに形成されている、
燃料電池。
【請求項５】
外延部分の少なくとも一部に膨らみ部を有する電解質膜を生産する方法であって、
（ａ）電解質膜材料で形成された複数の薄膜を準備する工程と、
（ｂ）前記複数の薄膜を積層する際に、前記積層される複数の薄膜の間に気体を送り込んで前記積層される複数の薄膜の所定部分を膨張させつつ積層を実行することによって、膨らみ部を有する電解質膜を生成する工程と、
を備える電解質膜の生産方法。
【請求項６】
外延部分の少なくとも一部に膨らみ部を有する電解質膜を生産する方法であって、
（ａ）電解質膜材料で形成された複数の薄膜を準備する工程と、
（ｂ）前記複数の薄膜の間の所定部分に発泡剤を介挿して、前記複数の薄膜を積層させる工程と、
（ｃ）前記発泡剤を発泡化させることによって、膨らみ部を有する電解質膜を生成する工程と、
を備える電解質膜の生産方法。
【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電解質膜の構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池の構成材料として用いられている膜―電極接合体（以下、「ＭＥＡ」とも呼ぶ。ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）は、電解質である固体高分子膜（以下、「電解質膜」とも呼ぶ。）の両側に、白金等の触媒を含む電極層を形成したものである。ＭＥＡの周囲には、ＭＥＡ両面間のガスシール性を確保するために、シール部と呼ばれる外枠が形成されている。
【０００３】
しかしＭＥＡは、燃料電池の発電時に発生する水による加湿と、発電停止後の乾燥とにより、膨張と収縮とを繰り返す。したがって、周囲をシール部によって固定されているＭＥＡでは、ＭＥＡの内部に応力が蓄積しクラックが発生することがある。ＭＥＡにクラックが発生すると、やがて穴が開き、水素ガスと酸素ガスがクロスリークし、発電特性が著しく低下するという問題があった。
【０００４】
【特許文献１】特開平７−２４９４１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、電解質膜が膨張または収縮した場合に、電解質膜の内部に発生する応力を低減することのできる技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明の燃料電池は、
電解質材料で形成された電解質膜を有する燃料電池であって、
前記電解質膜は、
平面状電解質膜部と、
前記平面状電解質膜部の外延部分に形成された応力吸収部と、
前記応力吸収部より外側に形成され、前記電解質膜とセパレータとの間をシールするためのシール部材に固定された固定部と、
を備え、
前記応力吸収部は、前記電解質膜の膜厚方向に膨らんだ膨らみ部を有し、前記膨らみ部は内部に中空孔を有していることを特徴とする。
【０００７】
以上のように構成された燃料電池によれば、電解質膜の外延部分に応力吸収部である膨らみ部が形成されているので、電解質膜が膨張または収縮した場合に、電解質膜の内部に発生する応力を低減することができる。
【０００８】
前記膨らみ部は内部に多数の中空孔を有することとしてもよい。
【０００９】
前記中空孔は、前記電解質膜の劣化を抑制するガスを含むこととしてもよい。
【００１０】
このような構成とすれば、電解質膜が劣化してクラックが発生し易くなる傾向を緩和することができる。
【００１１】
前記応力吸収部は、前記平面状電解質膜部の外延部分のコーナー部のみに形成されていることとしてもよい。
【００１２】
電解質膜の外延部分のコーナー部は応力が集中しやすい傾向にある。したがって、このような構成としても、電解質膜が膨張または収縮した場合に、電解質膜の内部に発生する応力を十分に低減することができる。
【００１３】
本発明による電解質膜の生産方法は、
外延部分の少なくとも一部に膨らみ部を有する電解質膜を生産する方法であって、
（ａ）電解質膜材料で形成された複数の薄膜を準備する工程と、
（ｂ）前記複数の薄膜を積層する際に、前記積層される複数の薄膜の間に気体を送り込んで前記積層される複数の薄膜の所定部分を膨張させつつ積層を実行することによって、膨らみ部を有する電解質膜を生成する工程と、を備えることを特徴とする。
【００１４】
このような製造方法とすれば、電解質膜の所定の部分を膨張させることができるため、電解質膜の内部に発生する応力を低減することのできる電解質膜の膨らみ部を形成することができる。
【００１５】
本発明による電解質膜の生産方法は、
外延部分の少なくとも一部に膨らみ部を有する電解質膜を生産する方法であって、
（ａ）電解質膜材料で形成された複数の薄膜を準備する工程と、
（ｂ）前記複数の薄膜の間の所定部分に発泡剤を介挿して、前記複数の薄膜を積層させる工程と、
（ｃ）前記発泡剤を発泡化させることによって、膨らみ部を有する電解質膜を生成する工程と、を備えることを特徴とする。
【００１６】
このような製造方法とすれば、電解質膜の膨らみ部を形成し、その膨らみ部の内部に多孔質体を形成することができる。
【００１７】
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、それらを搭載した自動車、またはそれらの製造方法等の形態で実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて説明する。
【００１９】
Ａ．第１実施例：
図１は、本発明の一実施例としての燃料電池の断面を示す概略図である。本実施例の燃料電池は、固体高分子型燃料電池であり、セルアセンブリ７０と、セパレータＳＰと、を交互に複数積層したスタック構造を有している。セルアセンブリ７０は、発電積層体７１と、シール部７２と、によって構成されており、１つの電池として機能する。シール部７２には、水素、空気、冷媒などの供給および排出を行うための貫通孔であるマニホールド孔が設けられている。なお図１では、空気供給用のマニホールド孔Ｍ３と、空気排出用のマニホールド孔Ｍ４が図示されている。発電積層体７１は、ＭＥＡ７３（膜―電極接合体、Membrane Electrode Assembly）と、ＭＥＡ７３を挟持するガス拡散層７６，７７と、ガス拡散層７６，７７をさらに挟持するガス流路形成部７８，７９と、によって形成されている。ＭＥＡ７３は、電解質膜７４と、電解質膜７４の両面に形成された電極層（アノード電極層７５ａおよびカソード電極層７５ｃ）と、を備える。セパレータＳＰは、アノード側プレートＳＰａと、カソード側プレートＳＰｃと、それら２枚のプレートに挟持された中間プレートＳＰｉと、を備える三層構造のセパレータである。なお、図１に示す燃料電池全体の構造は単なる一例であり、本発明は他の構造の燃料電池にも適用可能である。
【００２０】
図２は、電解質膜７４とシール部７２との構成を示す概略図である。図２（Ａ）は、電解質膜７４の膜面に対して垂直な方向から示しており、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）のＸ―Ｘ断面を示している。電解質膜７４は、フッ素系樹脂等の固体高分子材料により形成されたプロトン伝導性の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。電解質膜７４のうちで、平面状に形成されている中央部分７４ｐを「平面状電解質膜部７４ｐ」と呼び、シール部７２によって固定されている部分７４ｓを「固定部７４ｓ」とも呼ぶ。本実施例では、平面状電解質膜部７４ｐの外延部分に、膜面方向に伸縮可能な膨らんだ部分７４ｂ（以下、「膨らみ部７４ｂ」とも呼ぶ）が形成されている。膨らみ部７４ｂは、内部に中空孔７４ｈを有しており、電解質膜７４の膜面方向の伸縮を吸収できる構造となっている（以下に詳述する）。なお、本明細書において「膜面方向」とは、電解質膜７４の膜面に対して平行な方向を意味し、「膜厚方向」とは、電解質膜７４の膜面に対して垂直な方向を意味する。本実施例では、平面状電解質膜部７４ｐの外延部分を一周するように、膨らみ部７４ｂが形成されている。
【００２１】
シール部７２は、電解質膜７４を囲む外周枠であり、例えばシリコンゴム、ブチルゴム、フッ素ゴムなどの絶縁性樹脂材料によって形成され、電解質膜７４と隙間なく接合されている。そのためシール部７２は、電解質膜７４の両面間のガスシール性を確保することができ、さらに電解質膜７４の固定部７４ｓを保持し、固定する機能も有している。またシール部７２には、マニホールド孔Ｍ１〜Ｍ６が設けられている。
【００２２】
図３は、比較例と第１実施例とにおいて電解質膜７４が伸縮する様子を示す説明図である。図３（Ａ）〜（Ｃ）に示す比較例では、平面状電解質膜部７４ｐの外延部分に、応力を緩和するための曲げ部７４ｆが形成されている。電解質膜７４は、燃料電池の発電時に発生する水による加湿と、発電停止後の乾燥とにより、膨張と収縮とを繰り返す。そして電解質膜７４上の固定部７２ｓは、シール部７２（図１）によって固定されている。したがって、電解質膜７４が膨張したときには、電解質膜７４は膜面方向に圧縮応力が負荷され、電解質膜７４が収縮したときには、電解質膜７４は膜面方向に引張応力が負荷される。比較例の電解質膜７４に圧縮応力が負荷された場合には、曲げ部７４ｆは曲率半径Ｒｆが小さくなるように変形し、その変形によって、圧縮応力を吸収することができる（図３（Ａ））。逆に、電解質膜７４に引張応力が負荷された場合には、曲げ部７４ｆは曲率半径Ｒｆが大きくなるように変形し、その変形によって、引張応力を吸収することができる（図３（Ｃ））。
【００２３】
図３（Ｄ）〜（Ｆ）は、第１実施例における膨らみ部７４ｂの伸縮する様子を示している。電解質膜７４に圧縮応力が負荷された場合には、膨らみ部７４ｂの内部の中空孔７４ｈが膜面方向につぶれることにより、圧縮応力を吸収することができる（図３（Ｄ））。逆に、電解質膜７４に引張応力が負荷された場合には、中空孔７４ｈが膜厚方向につぶれることにより、引張応力を吸収することができる（図３（Ｆ））。
【００２４】
本実施例の電解質膜７４を後述するような製造方法で作成すると、その膨らみ部７４ｂの肉厚は、比較例の曲げ部７４ｂの膜厚のおよそ半分となる。そのため、圧縮応力が負荷された場合には、膨らみ部７４ｂの変形部分の曲率半径Ｒｂは、曲げ部７４ｆの変形部分の曲率半径Ｒｆよりも大きくなる。さらに、膨らみ部７４ｂの肉厚は小さいため、膨らみ部７４ｂの変形部分の内側と外側との曲率半径Ｒｂの差は、比較例の曲げ部７４ｆの変形部分の内側と外側との曲率半径Ｒｆの差よりも小さくなる。したがって、本実施例では、比較例に比べて、変形部分に発生する応力集中を低減することができるため、クラックの起点が発生しにくくなり、電解質膜７４の耐久性を向上させることができる。また、本実施例の膨らみ部７４ｂは、電解質膜７４が二重構造となっているため、仮に膨らみ部７４ｂの上下の膜部分のどちらか一方にクラックが発生してしまった場合であっても、他方の膜部分で保持することができ、クラックの進展を抑制することができる。また、たとえ膨らみ部７４ｂの上下の膜部分の一方のクラックが進展して破断してしまったとしても、他方の残った膜部分によって電解質膜７４の全体の破断を防止することができる。
【００２５】
なお、中空孔７４ｈの中には、電解質膜７４の劣化、例えば硬化や分解、を抑制することのできる気体（以下、「膜劣化抑制ガス」とも呼ぶ）を封入することが好ましい。膜劣化抑制ガスとしては、例えば電解質膜７４がフッ素系高分子の場合には、四フッ化メタン（ＣＦ4）や三フッ化メタン（ＣＨＦ3）などを用いることができる。こうすれば、電解質膜７４の変形箇所となる膨らみ部７４ｂが、膜劣化抑制ガスに触れることになるので、電解質膜７４の劣化を抑制することができる。また、膜劣化抑制ガスは、電解質膜７４を透過しにくい性質を有するものが好ましい。さらに、膜劣化抑制ガスを封入する圧力は、燃料電池の発電温度域において、電解質膜７４に過度の応力をかけない程度の低圧が好ましい。
【００２６】
図４は、第１実施例における膨らみ部７４ｂを有する電解質膜７４の製造に使われる圧着プレートの一例を示す説明図である。図４（Ａ）は、上部圧着プレート１００と、下部圧着プレート２００とを、プレートの面に対して垂直な方向から示した図である。上部圧着プレート１００と、下部圧着プレート２００とには、それぞれ中空部形成溝１５０が外延部を一周するように形成されており、両プレートの端部には、後述するノズル１７０を逃がすためのノズル逃がし溝１６０が設けられている。図４（Ｂ）は、上部圧着プレート１００のＸ―Ｘ断面と、下部圧着プレート２００のＹ―Ｙ断面とを示した図である。上部圧着プレート１００は、圧着面に対して反対側に曲面状に反った形状を有しており、下部圧着プレート２００とは、一部分ずつしか接触しないような構成となっている。
【００２７】
図５は、第１実施例における膨らみ部７４ｂを有する電解質膜７４の製造工程を示すフローチャートである。図６は、その製造工程の概略を示す説明図である。
ステップＳ１０では、電解質膜材料で形成された電解質薄膜３００を準備し、ステップＳ２０では、電解質薄膜３００を、上部圧着プレート１００と、下部圧着プレート２００とにそれぞれセットする（図６（Ａ））。これらの電解質薄膜３００は、最終的な電解質膜７４の半分の厚みを有する薄膜である。ステップＳ３０では、ノズル１７０によって電解質薄膜３００に気体を送り込み、電解質薄膜３００を中空部形成溝１５０に沿った形状で膨らませ、中空孔７４ｈを形成させる（図６（Ａ））。ステップＳ４０では、ノズルを圧着進行方向に逃がしつつ、上部圧着プレート１００によって電解質薄膜３００を圧着していく（図６（Ｂ））。なお、上部圧着プレート１００は、曲面状に反った形状を有しているため、ノズル１７０で気体を送り込みつつ、徐々に圧着を進めることが可能となっている。そしてノズル逃がし溝１６０からノズル１７０を逃しつつ、電解質薄膜３００の中空孔７４ｈ以外のすべての部分を上部圧着プレート１００により圧着する（図６（Ｃ））。またノズル１７０から送り込む気体として膜劣化抑制ガスを用いれば、中空孔７４ｈの内部を膜劣化抑制ガスで満たすことができる。
【００２８】
以上のような工程によれば、図１、図２に示したような膨らみ部７４ｂを有する電解質膜７４を製造することができる。なお、膨らみ部７４ｂの肉厚は、電解質薄膜３００の膜厚と等しいため、膨らみ部７４ｂの肉厚は、電解質膜７４の膜厚の半分となっている。なお図６において、圧着後の電解質薄膜３００の間に境界線が破線によって描かれているが、これは説明のために描いたものであって、実際には電解質薄膜３００の間の境界は圧着により消滅する。
【００２９】
このように、第１実施例では、電解質膜７４上に、膨らみ部７４ｂが形成されているので、電解質膜７４が膨張または収縮した場合に、電解質膜７４の内部に発生する応力を低減することができる。
【００３０】
Ｂ．第２実施例：
図７は、第２実施例における電解質膜７４の膨らみ部７４ｂの構成を示す断面図である。図３（Ｄ）〜（Ｆ）に示した第１実施例との違いは、膨らみ部７４ｂの内部が、中空孔７４ｈを多数含む多孔質体７４ｍとなっている点だけであり、他の構成は第１実施例と同じである。多孔質体７４ｍは、内部に多数の中空孔７４ｈを有しているため、弾性に優れる。したがって、膨らみ部７４ｂが電解質膜７４の膜面方向に発生する応力を吸収するために変形した場合には、多孔質体７４ｍは膨らみ部７４ｂの変形とともに変形することができる（図７（Ａ）、（Ｃ））。多孔質体７４ｍは、２枚の電解質薄膜３００の間に、発泡剤を介挿することで形成することができる。また第１実施例と同様に、多孔質体７４ｍの内部にも前述した膜劣化抑制ガスを封入し、膜の劣化を抑制することが好ましい。
【００３１】
図８は、第２実施例における膨らみ部７４ｂを有する電解質膜７４の製造工程を示すフローチャートである。図９は、その製造工程の概略を示す説明図である。ステップＳ１００では、電解質膜材料で形成された電解質薄膜３００を準備し、ステップＳ１１０では、電解質薄膜３００の表面であって、膨らみ部７４ｂを形成する予定の箇所に発泡剤入りの電解質材料３１０（以下、単に「発泡剤３１０」とも呼ぶ）を塗布する（図９（Ａ））。ステップＳ１２０では、膨らみ部７４ｂの形状に型抜きしたプレス４００，５００の間に発泡剤３１０を挟んだ状態で２枚の電解質薄膜３００を設置し（図９（Ｂ））、圧着しつつ発泡剤３１０に熱を加えて発泡させる（図９（Ｃ））。
【００３２】
以上のような工程によれば、第２実施例における膨らみ部７４ｂを有する電解質膜７４を製造することができる（図９（Ｄ））。なお、ステップＳ１２０において発泡剤３１０を発泡させつつ、ノズルを用いて膜劣化抑制ガスを多孔質体７４ｍに送り込めば、膜劣化抑制ガスを多孔質体７４ｍに封入することができる。なお図９においても、圧着後の電解質薄膜３００の間に境界線が破線によって描かれているが、これは説明のために描いたものであって、実際には電解質薄膜３００の間の境界は圧着により消滅する。
【００３３】
このように、膨らみ部７４ｂの内部を、中空孔７４ｈを多数含む多孔質体７４ｍとしても、第１実施例と同様に、電解質膜７４が膨張または収縮した場合に、電解質膜７４の内部に発生する応力を低減することができる。
【００３４】
Ｃ．第３実施例：
図１０は、第３実施例における電解質膜７４とシール部７２との構成を示す概略図である。上記第１、第２実施例では、平面状電解質膜部７４ｐの外延部分を一周するように膨らみ部７４ｂを形成させていたが、第３実施例では、膨らみ部７４ｂを平面状電解質膜部７４ｐの外延部分のコーナー部のみに形成させている。コーナー部は他の部位に比べて応力が集中しやすい傾向にあるため、コーナー部に応力を吸収することのできる膨らみ部７４ｂを形成させることによっても、応力を効率よく吸収することができる。
【００３５】
Ｄ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例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。
【００３６】
Ｄ１．変形例１：
上記実施例では、２枚の電解質薄膜３００の間に、中空孔７４ｈや多孔質体７４ｍを形成させていたが、この代わりに、３枚以上の電解質薄膜３００の間に中空孔７４ｈや多孔質体７４ｍを形成させるようにしてもよい。
Ｄ２．変形例２：
上記実施例では、膨らみ部７４ｂの表面上には何も形成されていないが、この代わりに、膨らみ部７４ｂの表面上にアノード電極層７４ａまたはカソード電極層７４ｃが形成されていることとしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】第１実施例における燃料電池の断面を示す概略図である。
【図２】第１実施例における電解質膜７４とシール部７２との構成を示す概略図である。
【図３】比較例と第１実施例とにおいて電解質膜７４が伸縮する様子を示す説明図である。
【図４】第１実施例における膨らみ部７４ｂを有する電解質膜７４の製造に使われる圧着プレートの一例を示す説明図である。
【図５】第１実施例における膨らみ部７４ｂを有する電解質膜７４の製造工程を示すフローチャートである。
【図６】第１実施例における膨らみ部７４ｂを有する電解質膜７４の製造工程の概略を示す説明図である。
【図７】第２実施例における電解質膜７４の膨らみ部７４ｂの構成を示す断面図である。
【図８】第２実施例における膨らみ部７４ｂを有する電解質膜７４の製造工程を示すフローチャートである。
【図９】第２実施例における膨らみ部７４ｂを有する電解質膜７４の製造工程の概略を示す説明図である。
【図１０】第３実施例における電解質膜７４とシール部７２との構成を示す概略図である。
【符号の説明】
【００３８】
７０…セルアセンブリ
７１…発電積層体
７２…シール部
７４…電解質膜
７４ｐ…平面状電解質膜部
７４ｓ…固定部
７４ｂ…膨らみ部
７４ｆ…曲げ部
７４ｈ…中空孔
７４ｍ…多孔質体
７５ａ…アノード電極層
７５ｃ…カソード電極層
７６、７７…ガス拡散層
７８、７９…ガス流路形成部
１００…上部圧着プレート
２００…下部圧着プレート
１５０…中空部形成溝
１６０…ノズル逃がし溝
１７０…ノズル
３００…電解質薄膜
３１０…発泡剤
４００…プレス
Ｍ１〜Ｍ６…マニホールド孔
ＳＰ…セパレータ
ＳＰａ…アノード側プレート
ＳＰｃ…カソード側プレート
ＳＰｉ…中間プレート
【図１】
2008293663.tif 000003
【図２】
2008293663.tif 000004
【図３】
2008293663.tif 000005
【図４】
2008293663.tif 000006
【図５】
2008293663.tif 000007
【図６】
2008293663.tif 000008
【図７】
2008293663.tif 000009
【図８】
2008293663.tif 000010
【図９】
2008293663.tif 000011
【図１０】
2008293663.tif 000012