(57)【要約】      （修正有）【課題】応力が発生した場合の破損を抑制することができる電解質膜を備える燃料電池を提供する。【解決手段】燃料電池１００は、固体高分子電解質層３０を備え、固体高分子電解質層３０は、少なくとも２つの固体高分子電解質膜３１ａ，３１ｂを含み、２つの固体高分子電解質膜３１ａ，３１ｂは絶縁性を有する接合部材３２によって接合され、固体高分子電解質膜３１ａ，３１ｂの収縮方向における接合部材３２の伸張可能量は、含水率が低下する際の２つの固体高分子電解質膜３１ａ，３１ｂの収縮変化量の合計と同等以上である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質層を備え、
前記固体高分子電解質層は、少なくとも２つの固体高分子電解質膜を含み、
前記２つの固体高分子電解質膜は、絶縁性を有する接合部材によって接合され、
前記固体高分子電解質膜の収縮方向における前記接合部材の伸張可能量は、含水率が低下する際の前記２つの固体高分子電解質膜の収縮変化量の合計と同等以上であることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記２つの固体高分子電解質膜は、矩形であり、
前記２つの固体高分子電解質膜は、同一面上に配置され、
前記接合部材は、前記２つの固体高分子電解質膜の対向する側部のそれぞれを互いに接合していることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記固体高分子電解質層に含まれる電解質膜は、正方形状であることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池。
【請求項４】
前記固体高分子電解質膜の膨張方向における前記接合部材の収縮可能量は、熱膨張する際の前記２つの固体高分子電解質膜の膨張変化量の合計と同等以上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池。
【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を備える燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、一般的には水素及び酸素を燃料として電気エネルギーを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れかつ高いエネルギー効率が実現できることから、今後のエネルギー供給システムとして広く開発が進められてきている。
【０００３】
一般に、固体高分子電解質を備える固体高分子型燃料電池が知られている。この固体高分子型燃料電池は、比較的低温での作動が可能であり小型化軽量化が容易であることから、さかんに開発がなされている。しかしながら、固体高分子電解質は、十分な機械的強度を有していないといった課題も併せ持っている。そこで、ポリイミド不織布を基材とし、この基材の細孔中にプロトン導電性樹脂を充填することによって電解質膜を製造する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。この技術によれば、機械的強度に優れた電解質膜を製造することができる。
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−１８５９７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１の技術では、電解質膜の変形を抑制することができるが、電解質膜に応力が発生した場合に電解質膜が破損する可能性がある。
【０００６】
本発明は、応力が発生した場合の破損を抑制することができる電解質膜を備える燃料電池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】
【０００７】
本発明に係る燃料電池は、固体高分子電解質層を備え、固体高分子電解質層は少なくとも２つの固体高分子電解質膜を含み、２つの固体高分子電解質膜は絶縁性を有する接合部材によって接合され、固体高分子電解質膜の収縮方向における接合部材の伸張可能量は、含水率が低下する際の２つの固体高分子電解質膜の収縮変化量の合計と同等以上であることを特徴とするものである。
【０００８】
本発明に係る燃料電池においては、発電が停止した後に２つの固体高分子電解質膜が乾燥して収縮しても、２つの固体高分子電解質膜にかかる応力が接合部材によって吸収される。その結果、固体高分子電解質層の破損を防止することができる。また、接合部材が絶縁性を有することから、アノード側とカソード側との短絡を防止することができる。
【０００９】
２つの固体高分子電解質膜は矩形であり、２つの固体高分子電解質膜は同一面上に配置され、接合部材は２つの固体高分子電解質膜の対向する側部のそれぞれを互いに接合していてもよい。この場合、接合部材は、固体高分子電解質膜の収縮変化を効率よく吸収することができる。また、固体高分子電解質層に含まれる電解質膜は、正方形状であってもよい。この場合、電解質膜に発生する応力が集中することを抑制することができる。したがって、接合部材は、固体高分子電解質膜の収縮変化をより効率よく吸収することができる。
【００１０】
固体高分子電解質膜の膨張方向における接合部材の収縮可能量は、熱膨張する際の２つの固体高分子電解質膜の膨張変化量の合計と同等以上であってもよい。この場合、発電による温度上昇に伴って２つの固体高分子電解質膜が熱膨張によって膨張しても、２つの固体高分子電解質膜にかかる応力が接合部材によって吸収される。その結果、固体高分子電解質層の破損を防止することができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、固体高分子電解質膜にかかる応力が接合部材によって吸収される。その結果、固体高分子電解質層の破損を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。
【実施例１】
【００１３】
図１は、本発明の第１実施例に係る燃料電池１００の模式的断面図である。図１に示すように、燃料電池１００は、電解質層３０上に触媒層４０およびガス拡散層５０が順に積層され、電解質層３０下に触媒層２０およびガス拡散層１０が順に積層された構造を有する。電解質層３０は、電解質膜３１ａ，３１ｂおよび接合部材３２を備える。電解質膜３１ａ，３１ｂは、例えば、プロトン導電性を有する固体高分子からなる。接合部材３２の詳細は、後述する。電解質層３０の層厚は、例えば、１０μｍ〜１００μｍ程度である。
【００１４】
触媒層２０，４０は、例えば、白金を担持したカーボン等から構成される。触媒層２０，４０の層厚は、例えば、１μｍ〜１００μｍ程度である。ガス拡散層１０，５０は、カーボンペーパ等の導電性材料から構成される。ガス拡散層１０，５０の層厚は、例えば、５０μｍ〜５００μｍ程度である。本実施例においては、電解質層３０の上面側がカソードとして機能し、電解質層３０の下面側がカソードとして機能する。なお、図１においては１つのセル構造のみが図示されているが、実際の燃料電池においては、上記セルがセパレータを介して複数積層されたスタック構造を有する。
【００１５】
続いて、燃料電池１００の動作の概要について説明する。水素を含有する燃料ガスは、ガス拡散層１０を介して触媒層２０に供給される。燃料ガス中の水素は、触媒層２０においてプロトンに変換される。変換されたプロトンは、電解質膜３１ａ，３１ｂを伝導して触媒層４０に到達する。一方、酸素を含有する酸化剤ガスは、ガス拡散層５０を介して触媒層４０に供給される。その後、酸化剤ガス中の酸素と触媒層４０に到達したプロトンとから水が発生するとともに電力が発生する。発生した電力は、図示しないセパレータ等を介して回収される。
【００１６】
次に、電解質層３０の詳細について説明する。図２は、電解質層３０の平面図である。図２に示すように、電解質層３０においては、矩形の電解質膜３１ａ，３１ｂが所定の間隔で同一面上に配置されている。また、電解質膜３１ａと電解質膜３１ｂとが対向するそれぞれの側部は、接合部材３２によって互いに接合されている。
【００１７】
接合部材３２は、絶縁性を有しかつ電解質膜３１ａ，３１ｂの含水率低下による収縮を吸収する材料から構成される。すなわち、電解質膜３１ａ，３１ｂの収縮方向における接合部材３２の伸張可能量は、含水率が低下する際の電解質膜３１ａ，３１ｂの収縮変化量の合計と同等以上となる。具体的には、電解質膜３１ａ，３１ｂの収縮方向における接合部材３２の伸張可能量は、電解質膜３１ａ，３１ｂの含水率が燃料電池１００の発電中の値から燃料電池１００の非発電中に電解質膜３１ａ，３１ｂが外気と平衡した場合の値まで低下する際の電解質膜３１ａ，３１ｂの収縮変化量の合計と同等以上となる。
【００１８】
この場合、燃料電池１００による発電が停止した後に電解質膜３１ａ，３１ｂが乾燥して収縮しても、電解質膜３１ａ，３１ｂにかかる応力が接合部材３２によって吸収される。その結果、電解質膜３１ａ，３１ｂの破損を防止することができる。また、接合部材３２が絶縁性を有することから、アノード側とカソード側との短絡を防止することができる。
【００１９】
接合部材３２としては、ヤング率が１ＭＰａ〜１０ＭＰａ程度の伸縮可能な絶縁性材料を用いることができる。また、接合部材３２は、耐酸性を有しかつ１００℃程度の高温条件下において劣化しない材料であることが好ましい。具体的には、接合部材３２として、シリコンゴム、フッ素ゴム、ＥＰＤＭ（エチレンプロピレンゴム）等を用いることができる。なお、接合部材３２として用いることができる材料は上記材料に限定されるものではない。絶縁性を有しかつ含水率が低下する際の電解質膜３１ａ，３１ｂの収縮変化量の合計以上の伸張可能量を備えている材料であれば、接合部材３２に適用することができる。
【００２０】
なお、接合部材３２の幅は、電解質膜３１ａ，３１ｂの収縮変化量を吸収できる程度に大きいことを必要とする。例えば、最大伸び率が４００％である接合部材３２を使用しかつ最大収縮率が１０％である電解質膜３１ａ，３１ｂを使用した場合、接合部材３２の幅は、電解質膜３１ａの幅と電解質膜３１ｂの幅との合計の６．６％以上であるであることが必要である。このことは、下記式（１）によって導出することができる。なお、式（１）においてＸに３をかけているのは、接合部材３２の最大伸び率が４００％であるからである。また、Ｘが接合部材３２の幅の半分であるのは、接合部材３２が電解質膜３１ａ，３１ｂの両方向に伸張するからである。
０．１×Ａ  ＝  ３Ｘ  （１）
Ａ：電解質膜３１ａ，３１ｂの合計の幅
Ｘ：接合部材３２の幅の半分
【００２１】
また、接合部材３２は、燃料電池１００の発電に伴う温度上昇に起因する電解質膜３１ａ，３１ｂの熱膨張変化を吸収してもよい。すなわち、電解質膜３１ａ，３１ｂの熱膨張方向における接合部材３２の収縮可能量は、熱膨張する際の電解質膜３１ａ，３１ｂの変化量の合計と同等以上となっていてもよい。具体的には、電解質膜３１ａ，３１ｂの熱膨張方向における接合部材３２の収縮可能量は、電解質膜３１ａ，３１ｂの温度が燃料電池１００の発電開始の値から燃料電池１００の発電中の電解質膜３１ａ，３１ｂの最高値まで上昇する際の電解質膜３１ａ，３１ｂの熱膨張変化量の合計と同等以上となる。
【００２２】
この場合、燃料電池１００の温度が発電によって上昇して電解質膜３１ａ，３１ｂが熱膨張によって膨張しても、電解質膜３１ａ，３１ｂにかかる応力が接合部材３２によって吸収される。その結果、電解質膜３１ａ，３１ｂの破損を防止することができる。
【００２３】
図３は、電解質層３０の他の例である電解質層３０ａについて説明するための図である。図３に示すように、電解質層３０ａにおいては、４枚の矩形の電解質膜３１ｃ，３１ｄ，３１ｅ，３１ｆが同一面上に１列に所定の間隔で配置されている。また、電解質膜３１ｃ〜３１ｆ同士が対向するそれぞれの側部は、接合部材３２によって互いに接合されている。
【００２４】
図４は、電解質層３０のさらに他の例である電解質層３０ｂについて説明するための図である。図４に示すように、電解質層３０ｂにおいては、４枚の矩形の電解質膜３１ｇ，３１ｈ，３１ｉ，３１ｊが同一面上に行と列とに２枚ずつ所定の間隔で配置されている。また、電解質膜３１ｇ〜３１ｊ同士が対向するそれぞれの側部は、接合部材３２によって互いに接合されている。
【００２５】
上記図３および図４に示す構成とすることにより、燃料電池１００による発電が停止した後に各電解質膜が乾燥して収縮しても、各電解質膜にかかる応力が接合部材３２によって吸収される。また、燃料電池１００の温度が発電によって上昇して各電解質膜が熱膨張によって膨張しても、各電解質膜にかかる応力が接合部材３２によって吸収される。その結果、各電解質膜の破損を防止することができる。なお、図３および図４に示す構成においても、接合部材３２の幅は、電解質膜３１ａ，３１ｂの収縮変化量を吸収できる程度に大きいことを必要とする。
【００２６】
なお、上記電解質層３０，３０ａ，３０ｂは、各電解質膜を形成した後に射出成形法によって接合部材３２によって接合することによって作製することができる。各電解質膜は、１枚の電解質膜を切断して形成してもよく、１枚ずつ個別に形成してもよい。また、電解質層３０，３０ａ，３０ｂは、１枚の電解質膜に接合部材を含浸させることによって作製することもできる。また、各電解質膜の形状は、正方形であることが好ましい。各電解質膜の収縮変化および膨張変化に起因する応力集中を抑制することができるからである。さらに、電解質層３０における電解質膜の数は特に限定されるものではない。
【００２７】
本実施例においては、電解質層３０，３０ａ，３０ｂが固体高分子電解質層に相当し、電解質膜３１ａ〜３１ｊが固体高分子電解質膜に相当する。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の第１実施例に係る燃料電池の模式的断面図である。
【図２】電解質層の平面図である。
【図３】電解質層の他の例について説明するための図である。
【図４】電解質層のさらに他の例について説明するための図である。
【符号の説明】
【００２９】
３０，３０ａ，３０ｂ  電解質層
３１ａ〜３１ｊ  電解質膜
３２  接合部材
１００  燃料電池
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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