(57)【要約】【課題】  単体でのハンドリング性を良好なものとし、これを通して、燃料電池の製造の簡素化を図り得る燃料電池用の固体高分子電解質膜を提供する。【解決手段】  燃料電池用の固体高分子電解質膜２０は、燃料電池の製造に際してロール状に巻回した状態から順次繰り出されながら使用に供される。この固体高分子電解質膜は、繰り出し方向（Ｘ方向）と略平行をなす一対の縁辺２０ａの各々に設けられ、かつ、一対の電極の間に介装される領域をなす本体部２２の肉厚寸法よりも大きい寸法を有する膨出部２３を含んでいる。膨出部は、巻き癖によって本体部が繰り出し方向に丸まることを防止する形状保持力を本体部に付与する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の製造に際してロール状に巻回した状態から順次繰り出されながら使用に供される燃料電池用の固体高分子電解質膜において、
前記繰り出し方向と略平行をなす一対の縁辺の各々に設けられ、かつ、一対の電極の間に介装される領域をなす本体部の肉厚寸法よりも大きい寸法を有する膨出部を含み、
前記膨出部は、巻き癖によって前記本体部が前記繰り出し方向に丸まることを防止する形状保持力を前記本体部に付与することを特徴とする燃料電池用の固体高分子電解質膜。
【請求項２】
前記繰り出し方向に直交する方向と略平行をなす一対の縁辺の各々に設けられ、かつ、前記本体部の肉厚寸法よりも大きい寸法を有する補強部をさらに含み、
前記補強部は、前記本体部が前記繰り出し方向と略直交する方向に丸まることを防止する形状保持力を前記本体部に付与することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用の固体高分子電解質膜。
【請求項３】
前記膨出部は、前記本体部を構成する材料と同一材料から、前記本体部と一体的に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用の固体高分子電解質膜。
【請求項４】
前記補強部は、前記本体部を構成する材料とは異なる材料から形成されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池用の固体高分子電解質膜。
【請求項５】
前記膨出部は、セパレータとの間でシール手段を構成することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用の固体高分子電解質膜。
【請求項６】
前記補強部は、セパレータとの間でシール手段を構成することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池用の固体高分子電解質膜。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の製造に際してロール状に巻回した状態から順次繰り出されながら使用に供される燃料電池用の固体高分子電解質膜に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、固体高分子型燃料電池の単セルは、陽イオン交換膜としての固体高分子電解質膜を一対の電極により挟み込み、さらにその外側を一対のセパレータにより挟持して構成されている（例えば、特許文献１参照。）。固体高分子電解質膜は、その抵抗による電圧降下を抑制するため、薄膜に形成されている。薄膜である固体高分子電解質膜は、形状を保持する力がほとんどないため、ハンドリング性が悪い。
【０００３】
特許文献１では、固体高分子電解質膜を一対の電極で挟み込んだものを多孔質の補強部材でさらに囲繞し、一体化電極を構成している。複数の部品からなる全体によって、固体高分子電解質膜のハンドリング性を改善している。
【０００４】
しかしながら、特許文献１では、固体高分子電解質膜単体でのハンドリング性については考慮されておらず、固体高分子電解質膜単体での変形を十分に抑制することはできない。
【特許文献１】特開２００３−１４２１２７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、上記従来技術に伴う課題を解決するためになされたものであり、単体でのハンドリング性を良好なものとし、これを通して、燃料電池の製造の簡素化を図り得る燃料電池用の固体高分子電解質膜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】
【０００６】
上記目的を達成するための本発明は、燃料電池の製造に際してロール状に巻回した状態から順次繰り出されながら使用に供される燃料電池用の固体高分子電解質膜において、
前記繰り出し方向と略平行をなす一対の縁辺の各々に設けられ、かつ、一対の電極の間に介装される領域をなす本体部の肉厚寸法よりも大きい寸法を有する膨出部を含み、
前記膨出部は、巻き癖によって前記本体部が前記繰り出し方向に丸まることを防止する形状保持力を前記本体部に付与することを特徴とする燃料電池用の固体高分子電解質膜である。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、本体部は、膨出部から付与される形状保持力により、繰り出し方向に丸まることが防止されているため、固体高分子電解質膜は、本来の形状である平坦形状を保持し、単体でのハンドリング性が良好なものとなる。これを通して、燃料電池の製造の簡素化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【０００９】
図１は、本発明の実施形態の係る燃料電池用の固体高分子電解質膜２０を適用した固体高分子型燃料電池の単セル１０を示す断面図である。図２（Ａ）は、ロール状に巻回した状態の固体高分子電解質膜２０が、燃料電池の製造に際して繰り出されている状態を示す斜視図、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）の２Ｂ−２Ｂ線に沿う断面図である。なお、図２（Ａ）に付したＸ軸は、ロール状に巻回した状態から繰り出される固体高分子電解質膜２０の繰り出し方向を示し、Ｙ軸は、繰り出し方向（Ｘ方向）と直交する方向を示している。
【００１０】
燃料電池は、単セル１０を多数積層して燃料電池スタックの形態で、例えば、自動車の駆動源として使用される。
【００１１】
単セル１０は、水の電気分解の逆の原理を利用し、水素と酸素とを反応させて水を得る過程で電気を得ることができる電池である。単セル１０は、陽イオン交換膜としての固体高分子電解質膜２０と、触媒層が形成された一対の電極３１、３２と、一対のセパレータ４１、４２と、を有する。単セル１０は、固体高分子電解質膜２０を一対の電極３１、３２により挟み込み、さらにその外側を一対のセパレータ４１、４２により挟持して構成されている。電極３１側のセパレータ４１には、冷却水を流通させるための流路溝４３と、燃料ガス（水素）を流通させるための流路溝４４とが形成されている。電極３２側のセパレータ４２には、冷却水を流通させるための流路溝４５と、酸化剤ガス（空気）を流通させるための流路溝４６とが形成されている。流路溝４３〜４６の形状および配置は、ガスの拡散性、圧力損失、生成水の排出性、冷却性能等を考慮する必要があり、微細で複雑な構成を有している。
【００１２】
固体高分子電解質膜２０は、水素イオンを移動させる機能を有する高分子膜である。固体高分子電解質膜２０は、その抵抗による電圧降下を抑制するため、薄膜（例えば、数十μｍ〜１００μｍ程度）に形成されている。
【００１３】
図２（Ａ）に示すように、成形された固体高分子電解質膜２０は芯材２１にロール状に巻回した状態で保存ないし保管され、燃料電池の製造に際しては、順次繰り出されながら使用に供されている。
【００１４】
図２（Ｂ）にも示すように、固体高分子電解質膜２０は、繰り出し方向（Ｘ方向）と略平行をなす一対の縁辺２０ａの各々に設けられ、かつ、一対の電極３１、３２の間に介装される領域をなす本体部２２の肉厚寸法よりも大きい寸法を有する膨出部２３を含んでいる。図示例の膨出部２３は、縁辺２０ａの端部に設けられ、断面円形状を有している。単セル１０を組み立てる際には、本体部２２は、一対の電極３１、３２に挟み込まれ、膨出部２３は、電極３１、３２からはみ出して一対のセパレータ４１、４２の間に配置されることになる（図１を参照）。本体部２２表面からの膨出部２３の高さｈは、各電極３１、３２の厚さよりも大きく設定されている。後述するが、膨出部２３にガスシール機能を発揮させるためである。
【００１５】
膨出部２３は、巻き癖によって本体部２２が繰り出し方向（Ｘ方向）に丸まることを防止する形状保持力を本体部２２に付与する。すなわち、固体高分子電解質膜２０をロール状に巻回した状態で保存している間に、本体部２２は、巻き癖が付き易い。このため、固体高分子電解質膜２０を繰り出したとき、巻き癖によって、本体部２２には繰り出し方向（Ｘ方向）に丸まろうとする力が作用する。一方、膨出部２３は、本体部２２の肉厚寸法よりも大きい寸法を有しているので、本体部２２に比べると巻き癖が付き難く、本来の形状である平坦形状を保持しようとする力つまり形状保持力が強い。固体高分子電解質膜２０を繰り出したとき、膨出部２３が形状保持力を本体部２２に付与する。この結果、本体部２２は、当該本体部２２に作用する丸まろうとする力に抗して、繰り出し方向（Ｘ方向）に丸まることが防止される。
【００１６】
図３は、膨出部２３を備える固体高分子電解質膜２０を成形する成形装置５０を示す図である。
【００１７】
膨出部２３は、本体部２２を構成する材料と同一材料から、本体部２２と一体的に形成することが好ましい。膨出部２３を備える固体高分子電解質膜２０の成形を容易に行い得るからである。
【００１８】
成形装置５０は、上ローラ５１と、下ローラ５２とを有し、各ローラ５１、５２には、本体部２２を成形するための小径部５１ａ、５２ａと、膨出部２３を形成するための断面半円弧形状をなす環状溝部５１ｂ、５２ｂとが形成されている。固体高分子電解質膜２０の素材を、矢印で示すように相互に押圧された上下のローラ５１、５２の間を通過させることにより、本体部２２と膨出部２３とが同一材料から一体的に形成された固体高分子電解質膜２０が成形される。
【００１９】
図４（Ａ）〜（Ｅ）は、膨出部２３を備える固体高分子電解質膜２０に補強部２４をさらに成形する手順の説明に供する概念図である。なお、図４においては、理解の容易のため、膨出部２３および補強部２４を縁辺２０ａ、２０ｂから離して示してある。
【００２０】
固体高分子電解質膜２０は、繰り出し方向（Ｘ方向）に直交する方向（Ｙ方向）と略平行をなす一対の縁辺２０ｂの各々に設けられ、かつ、本体部２２の肉厚寸法よりも大きい寸法を有する補強部２４をさらに含んでいる。図示例の補強部２４は、縁辺２０ｂの両面に設けられ、断面半円形状を有している（図４（Ｃ）を参照）。単セル１０を組み立てる際には、補強部２４は、膨出部２３と同様に、電極３１、３２からはみ出して一対のセパレータ４１、４２の間に配置されることになる。本体部２２表面からの補強部２４の高さｈは、各電極３１、３２の厚さよりも大きく設定されている。後述するが、補強部２４にガスシール機能を発揮させるためである。
【００２１】
補強部２４は、本体部２２が繰り出し方向（Ｘ方向）と略直交する方向（Ｙ方向）に丸まることを防止する形状保持力を本体部２２に付与する。すなわち、薄肉の本体部２２は、形状を保持する力がほとんどないため、繰り出し方向（Ｘ方向）に直交する方向（Ｙ方向）に丸まる虞がある。一方、補強部２４は、本体部２２の肉厚寸法よりも大きい寸法を有しているので、本体部２２に比べると、本来の形状である平坦形状を保持しようとする力つまり形状保持力が強い。固体高分子電解質膜２０を繰り出したとき、補強部２４が形状保持力を本体部２２に付与する。この結果、本体部２２は、繰り出し方向（Ｘ方向）と略直交する方向（Ｙ方向）に丸まることが防止される。
【００２２】
補強部２４は、本体部２２を構成する材料とは異なる材料から形成されている。補強部２４の機能に適した材料、補強部２４の成形方法に適した材料を自由に選択できるようにするためである。補強部２４の形成材料は特に限定されないが、例えば、射出成形することができ、さらに弾性変形が可能なシリコンゴムを好適に使用できる。
【００２３】
図４を参照して、補強部２４を成形する成形装置は、補強部２４の素材を射出成形する成形金型５５と、固体高分子電解質膜２０を所定の長さで切断するカッタ５６とを有する。成形金型５５内で、Ｙ方向と略平行をなす一対の縁辺２０ｂの各々に補強部２４が射出成形される。
【００２４】
補強部２４を成形する際には、まず、繰り出された固体高分子電解質膜２０を成形金型５５内に搬入する（図４（Ａ））。本体部２２は、膨出部２３から付与される形状保持力により、繰り出し方向（Ｘ方向）に丸まることが防止されている。このため、繰り出した固体高分子電解質膜２０を成形金型５５内に容易に搬入できる。次いで、補強部２４の素材を射出成形して補強部２４を成形する（図４（Ｂ）（Ｃ））。そして、カッタ５６により、固体高分子電解質膜２０を所定の長さで切断する（図４（Ｄ））。
【００２５】
矩形形状をなす切断片２５には、Ｘ方向と略平行をなす一対の縁辺２０ａの各々に膨出部２３が設けられ、Ｙ方向と略平行をなす一対の縁辺２０ｂの各々に補強部２４が設けられている（図４（Ｅ））。切断片２５は、膨出部２３が付与する形状保持力によりＸ方向に丸まることが防止され、補強部２４が付与する形状保持力によりＹ方向に丸まることが防止され、本来の形状である平坦形状を保持している。したがって、固体高分子電解質膜２０単体でのハンドリング性が良好となり、この後に実施される、電極３１、３２との接合作業や、セパレータ４１、４２との組み付け作業を行い易くなる。
【００２６】
図１を参照して、本実施形態の固体高分子電解質膜２０にあっては、膨出部２３は、セパレータ４１、４２との間でシール手段２６を構成している。膨出部２３は、電極３１、３２からはみ出した部分において一対のセパレータ４１、４２が圧接し、弾性変形している。同様に、本実施形態の固体高分子電解質膜２０にあっては、補強部２４も、セパレータ４１、４２との間でシール手段を構成している。補強部２４は、電極３１、３２からはみ出した部分において一対のセパレータ４１、４２が圧接し、弾性変形している。
【００２７】
膨出部２３および補強部２４がセパレータ４１、４２に圧接することにより、ガスシールが行われる。固体高分子電解質膜２０単体でのハンドリング性を高める部材（膨出部２３および補強部２４）が、同時に、流路溝４４、４６を流れるガスをシールする機能を発揮することから、シールするためだけの部材を別途設ける形態に比較して、部品点数の削減、製造工程の簡素化を図ることができる。
【００２８】
以上のように、本実施形態によれば、燃料電池の製造に際してロール状に巻回した状態から順次繰り出されながら使用に供される燃料電池用の固体高分子電解質膜２０において、繰り出し方向（Ｘ方向）と略平行をなす一対の縁辺２０ａの各々に設けられ、かつ、一対の電極３１、３２の間に介装される領域をなす本体部２２の肉厚寸法よりも大きい寸法を有する膨出部２３を含み、膨出部２３は、巻き癖によって本体部２２が繰り出し方向（Ｘ方向）に丸まることを防止する形状保持力を本体部２２に付与するので、固体高分子電解質膜２０は、本来の形状である平坦形状を保持し、単体でのハンドリング性が良好なものとなる。これを通して、燃料電池の製造の簡素化を図ることができる。
【００２９】
繰り出し方向（Ｘ方向）に直交する方向（Ｙ方向）と略平行をなす一対の縁辺２０ｂの各々に設けられ、かつ、本体部２２の肉厚寸法よりも大きい寸法を有する補強部２４をさらに含み、補強部２４は、本体部２２が繰り出し方向（Ｘ方向）と略直交する方向（Ｙ方向）に丸まることを防止する形状保持力を本体部２２に付与するので、固体高分子電解質膜２０は、本来の形状である平坦形状をさらに保持し、単体でのハンドリング性がさらに良好なものとなる。これを通して、燃料電池の製造の簡素化を図ることができる。
【００３０】
膨出部２３は、本体部２２を構成する材料と同一材料から、本体部２２と一体的に形成されているので、膨出部２３を備える固体高分子電解質膜２０の成形を容易に行い得る。
【００３１】
補強部２４は、本体部２２を構成する材料とは異なる材料から形成されているので、補強部２４の機能に適した材料、補強部２４の成形方法に適した材料を自由に選択できる。
【００３２】
膨出部２３は、セパレータ４１、４２との間でシール手段２６を構成し、補強部２４は、セパレータ４１、４２との間でシール手段を構成しているので、固体高分子電解質膜２０単体でのハンドリング性を高める部材（膨出部２３および補強部２４）が、同時に、ガスをシールする機能を発揮することから、シールするためだけの部材を別途設ける形態に比較して、部品点数の削減、製造工程の簡素化を図ることができる。
【００３３】
（変形例）
図５（Ａ）〜（Ｃ）は、膨出部２３の形状の変形例を示す図である。
【００３４】
膨出部２３は、本体部２２の丸まり防止機能やガスシール機能を考慮して適宜の形状を採用することができる。例えば、若干の隙間を隔てて膨出部２３を２重に形成する形態（図５（Ａ））、断面矩形形状の膨出部２３を形成する形態（図５（Ｂ））、２個の膨出部２３を連接してなるダブルクリップを形成する形態（図５（Ｃ））などを例示できる。補強部２４に関しても同様に、本体部２２の丸まり防止機能やガスシール機能を考慮して適宜の形状を採用することができる。
【００３５】
電極３１、３２からはみ出す固体高分子電解質膜２０におけるはみ出し部は一対のセパレータ４１、４２の間の略中央部分に位置する。このため、ガスシール機能を兼ね備える膨出部２３や補強部２４を形成する場合には、膨出部２３や補強部２４の断面形状は、本体部２２を中心にして対称形状であることが好ましい。各セパレータ４１、４２との間で均一な押し付け力を確保するためである。電極３１、３２の厚さ寸法が異なる場合には、均一な押し付け力を確保するために、膨出部２３や補強部２４の断面形状を、本体部２２を中心にして非対称形状にしても良い。
【００３６】
なお、ガスシール機能を備える膨出部２３や補強部２４について説明したが、本体部２２の丸まり防止機能のみを備える膨出部２３や補強部２４としても良い。この場合には、本体部２２の表面または裏面のいずれか一方にのみ、膨出部２３や補強部２４を形成することもできる。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明は、燃料電池用の固体高分子電解質膜を製造する用途に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】図１は、本発明の実施形態の係る燃料電池用の固体高分子電解質膜を適用した固体高分子型燃料電池の単セルを示す断面図である。
【図２】図２（Ａ）は、ロール状に巻回した状態の固体高分子電解質膜が、燃料電池の製造に際して繰り出されている状態を示す斜視図、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）の２Ｂ−２Ｂ線に沿う断面図である。
【図３】膨出部を備える固体高分子電解質膜を成形する成形装置を示す図である。
【図４】図４（Ａ）〜（Ｅ）は、膨出部を備える固体高分子電解質膜に補強部をさらに成形する手順の説明に供する概念図である。
【図５】図５（Ａ）〜（Ｃ）は、膨出部の形状の変形例を示す図である。
【符号の説明】
【００３９】
１０      単セル、
２０      固体高分子電解質膜、
２０ａ    繰り出し方向と略平行をなす一対の縁辺、
２０ｂ    繰り出し方向に直交する方向と略平行をなす一対の縁辺、
２１      芯材、
２２      本体部、
２３      膨出部、
２４      補強部、
２５      切断片、
２６      シール手段、
３１、３２    電極、
４１、４２    セパレータ、
５０      成形装置、
５１      上ローラ、
５１ａ、５２ａ    小径部、
５１ｂ、５２ｂ    環状溝部、
５２      下ローラ、
５５      成形金型、
５６      カッタ、
Ｘ        固体高分子電解質膜の繰り出し方向、
Ｙ        繰り出し方向（Ｘ方向）と直交する方向。
【図１】
2005243293.tif 000003
【図２】
2005243293.tif 000004
【図３】
2005243293.tif 000005
【図４】
2005243293.tif 000006
【図５】
2005243293.tif 000007