(57)【要約】【課題】燃料電池において、水による膨潤性を有する電解質膜の膨潤収縮時における電解質膜と接着剤との剥離を抑制する。【解決手段】水による膨潤性を有する炭化水素系高分子電解質膜４３０の両面に、それぞれ電極を形成したＭＥＧＡにおける電極が形成されていない非電極形成部に、接着剤によって樹脂フレーム４４を接着したＭＥＧＡユニットを、セパレータ４１を介在させて、複数積層させたスタック構造を有する燃料電池において、ＭＥＧＡは、樹脂フレーム４４と接着される非電極形成部の表面に、水による膨潤性を有するとともに、膨潤収縮時の接着剤４５との密着性、および、炭化水素系高分子電解質膜４３０との密着性が、炭化水素系高分子電解質膜４３０と接着剤４５との密着性よりも高いパーフルオロ系高分子電解質層（ナフィオン層４３８）を備えるようにする。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水による膨潤性を有する所定の電解質膜の両面に、それぞれ電極を形成した膜電極接合体と、該膜電極接合体における前記電極が形成されていない非電極形成部に、所定の接着剤によって接着された樹脂製のフレーム部材と、を備える膜電極接合体ユニットの両面にセパレータを有する燃料電池であって、
前記膜電極接合体は、前記フレーム部材と接着される前記非電極形成部の表面に、水による膨潤性を有するとともに、膨潤収縮時の前記接着剤との密着性、および、前記電解質膜との密着性が、前記電解質膜と前記接着剤との密着性よりも高い中間層を備える、
燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池であって、
前記中間層の膨潤性は、前記電解質膜の膨潤性よりも低い、
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、
前記電解質膜は、炭化水素系高分子電解質膜であり、
前記中間層は、スルホン酸基を有する、
燃料電池。
【請求項４】
請求項３記載の燃料電池であって、
前記中間層は、パーフルオロ系高分子電解質からなる層である、
燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
水素と酸素との電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。この燃料電池には、プロトン伝導性を有する電解質膜の両面に、それぞれアノード（水素極）とカソード（酸素極）とを配置した膜電極接合体とセパレータとを交互に積層させたスタック構造を有するものがある（以下、このようなスタック構造を有する燃料電池を、燃料電池スタックとも呼ぶ）。この燃料電池スタックでは、膜電極接合体とセパレータとの間に、水素等のガスの漏洩を防止するためのガスケットが挟み込まれる（例えば、下記特許文献１参照）。
【０００３】
図５は、燃料電池の一例を示す説明図である。この燃料電池スタックでは、電解質膜１の発電領域となる中央部の両面に、それぞれアノード２ａ、および、カソード２ｃを形成し、アノード２ａ、および、カソード２ｃが形成されていない周縁部に、接着剤によって、樹脂製のフレーム部材３を接着する。そして、接着剤によって、樹脂製のフレーム部材３とセパレータ４とを接着する。この場合、樹脂製のフレーム部材３と、接着剤とが、ガスケットとして機能する。
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−１５５７４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
図５に示した燃料電池において、電解質膜１として、水による膨潤性を有する電解質膜が用いられる場合がある。この場合、特に、電解質膜１の膨潤性が高い場合には、例えば、電解質膜１が、水素と酸素のとの電気化学反応によって生成された生成水を吸収して膨潤したり、乾燥して収縮したりする時に、応力によって、電解質膜１と接着剤との密着性が弱くなり、剥離するおそれがあった。そして、この剥離が生じると、ガスケットとしての機能が低下し、水素等のガスが漏洩するおそれがあった。
【０００６】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池において、水による膨潤性を有する電解質膜の膨潤収縮時における電解質膜と接着剤との剥離を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明では、以下の構成を採用した。
本発明の燃料電池は、
水による膨潤性を有する所定の電解質膜の両面に、それぞれ電極を形成した膜電極接合体と、該膜電極接合体における前記電極が形成されていない非電極形成部に、所定の接着剤によって接着された樹脂製のフレーム部材と、を備える膜電極接合体ユニットの両面にセパレータを有する燃料電池であって、
前記膜電極接合体は、前記フレーム部材と接着される前記非電極形成部の表面に、水による膨潤性を有するとともに、膨潤収縮時の前記接着剤との密着性、および、前記電解質膜との密着性が、前記電解質膜と前記接着剤との密着性よりも高い中間層を備えることを要旨とする。
【０００８】
こうすることによって、電解質膜に接着剤を直接的に塗布して接着するよりも、密着性を向上させることができる。したがって、水による膨潤性を有する電解質膜の膨潤収縮時における電解質膜と接着剤との剥離を抑制することができる。なお、密着性は、例えば、熱水浸漬等の試験によって評価可能である。
【０００９】
上記燃料電池において、
前記中間層の膨潤性は、前記電解質膜の膨潤性よりも低いことが好ましい。
【００１０】
こうすることによって、電解質膜の膨潤収縮によって発生する応力を、中間層によって吸収、緩和することができる。したがって、上述した電解質膜と接着剤との剥離を、さらに抑制することができる。
【００１１】
上記いずれかの燃料電池において、
前記電解質膜は、炭化水素系高分子電解質膜であり、
前記中間層は、スルホン酸基を有するものとしてもよい。
【００１２】
炭化水素系高分子電解質膜は、フッ素系高分子電解質膜と比較して、ガス透過性が低い、耐熱性が高い、低温でのプロトン伝導性が高い等の優れた性質を有している。また、炭化水素系高分子電解質膜は、スルホン酸基を有しており、他のスルホン酸基を有する膜との密着性が良好である。本発明によって、高効率の燃料電池を構成することができる。
【００１３】
上記燃料電池において、
前記中間層は、パーフルオロ系高分子電解質からなる層であるものとすることが好ましい。
【００１４】
炭化水素系高分子電解質膜とパーフルオロ系高分子電解質との密着性は、炭化水素系高分子電解質膜と他の膜との密着性よりも良好であるからである。なお、パーフルオロ系高分子電解質としては、例えば、ナフィオン（登録商標）が挙げられる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき以下の順序で説明する。
Ａ．燃料電池スタックの構成：
Ｂ．燃料電池モジュールの構成：
Ｃ．燃料電池スタックの製造工程：
Ｄ．変形例：
【００１６】
Ａ．燃料電池スタックの構成：
図１は、本発明の一実施例としての燃料電池スタック１００の概略構成を示す側面図である。この燃料電池スタック１００は、水素と酸素との電気化学反応によって発電する単セルを複数積層させたスタック構造を有する。各単セルは、概ね、プロトン伝導性を有する電解質膜を挟んで、アノードと、カソードとを配置した構成となっている（図示省略）。単セルの積層数は、燃料電池スタック１００に要求される出力に応じて任意に設定可能である。本実施例の燃料電池スタック１００は、固体高分子型燃料電池であり、電解質膜として、炭化水素系高分子電解質膜を用いるものとした。炭化水素系高分子電解質膜は、フッ素系高分子電解質膜と比較して、ガス透過性が低い、耐熱性が高い、低温でのプロトン伝導性が高い等の優れた性質を有している。
【００１７】
燃料電池スタック１００は、一端から、エンドプレート１０、絶縁板２０、集電板３０、複数の燃料電池モジュール４０、集電板５０、絶縁板６０、エンドプレート７０の順に積層することによって構成されている。これらには、燃料電池スタック１００内に、水素や、空気や、冷却水を流すための図示しない供給口や、排出口が設けられている。水素は、図示しない水素タンクから供給される。また、空気や、冷却水は、図示しないポンプによって加圧されて供給される。燃料電池モジュール４０は、後述するように、セパレータ４１と、電解質膜等を備えるＭＥＧＡユニット４２とによって構成されている。この燃料電池モジュール４０については、後述する。
【００１８】
なお、図示は省略しているが、燃料電池スタック１００には、スタック構造のいずれかの箇所における接触抵抗の増加等による電池性能の低下を抑制するために、スタック構造の積層方向に、押圧力が加えられている。
【００１９】
エンドプレート１０、７０は、剛性を確保するため、鋼等の金属によって形成されている。絶縁板２０、６０は、ゴムや、樹脂等の絶縁性部材によって形成されている。集電板３０、５０は、緻密質カーボンや、銅板などのガス不透過な導電性部材によって形成されている。集電板３０、５０には、それぞれ図示しない出力端子が設けられており、燃料電池スタック１００で発電した電力を出力可能となっている。
【００２０】
Ｂ．燃料電池モジュールの構成：
図２は、燃料電池モジュール４０の分解斜視図である。燃料電池モジュール４０は、セパレータ４１と、ＭＥＧＡユニット４２とを積層させることによって構成されている。図示は省略したが、セパレータ４１には、燃料ガスや、酸化剤ガスや、冷却水を流すための流路が形成されている。ＭＥＧＡユニット４２は、電解質膜の両面に電極を形成したＭＥＧＡ４３の両面に樹脂製のフレーム部材４４（以下、樹脂フレーム４４と呼ぶ）を接着剤によって接着したものである。ＭＥＧＡユニット４２は、本発明における膜電極接合体ユニットに相当する。ＭＥＧＡ４３については、後から詳述する。
【００２１】
図３は、燃料電池モジュール４０の端部の断面図である。本実施例のＭＥＧＡ４３は、炭化水素系高分子電解質膜４３０の両面に、それぞれ電極を形成したものである。ＭＥＧＡ４３の一方の面には、アノードとして、アノード側触媒層４３２ａと、アノード側ガス拡散層４３４ａと、アノード側金属多孔体層４３６ａとが、この順序で積層されている。ＭＥＧＡ４３の他方の面には、カソードとして、カソード側触媒層４３２ｃと、カソード側ガス拡散層４３４ｃと、カソード側金属多孔体層４３６ｃとが、この順序で積層されている。
【００２２】
このＭＥＧＡ４３において、電極が形成されていない周縁部（非電極形成部）の炭化水素系高分子電解質膜４３０の表面には、パーフルオロ系高分子電解質層としてのナフィオン層４３８が形成されている。炭化水素系高分子電解質膜４３０と、ナフィオン層４３８とは、ともにスルホン酸基を有しており、互いに結合しやすい性質を有している。
【００２３】
燃料電池モジュール４０において、ナフィオン層４３８と、樹脂フレーム４４とは、接着剤４５によって接着されている。また、樹脂フレーム４４と、セパレータ４１とが、接着剤４６によって接着されている。本実施例では、接着剤４５，４６として、エポキシ変成シリコンを主剤とする接着剤を用いるものとした。
【００２４】
なお、接着剤４５とナフィオン層４３８との密着性は、接着剤４５と炭化水素系高分子電解質膜４３０との密着性よりも高い。また、炭化水素系高分子電解質膜４３０と、ナフィオン層４３８とは、ともに水による膨潤性を有している。そして、ナフィオン層４３８の膨潤性は、炭化水素系高分子電解質膜４３０の膨潤性よりも低い。
【００２５】
Ｃ．燃料電池スタックの製造工程：
図４は、燃料電池スタック１００の製造工程を示す説明図である。まず、炭化水素系高分子電解質膜４３０の両面の所定の領域に、アノード、および、カソードを形成し（ステップＳ１００）、ＭＥＧＡ４３を作成する。
【００２６】
次に、ＭＥＧＡ４３の非電極形成領域に、ナフィオン層４３８を形成する（ステップＳ１１０）。本実施例では、ナフィオン層４３８は、炭化水素系高分子電解質膜４３０が可塑する溶剤を含むナフィオン溶液をスプレー塗工することによって形成するものとした。ナフィオン溶液をローラや刷毛で塗布することによって、ナフィオン層４３８を形成するものとしてもよい。
【００２７】
次に、ナフィオン層４３８を形成した領域に、接着剤４５によって、樹脂フレーム４４を接着し、ＭＥＧＡユニット４２を作製する（ステップＳ１２０）。
【００２８】
次に、ＭＥＧＡユニット４２と、セパレータ４１とを、接着剤４６によって、交互に接着しつつ積層する（ステップＳ１３０）。
【００２９】
そして、これらの積層方向の両端に、集電板３０，５０と、絶縁板２０，６０と、エンドプレート１０，６０とをそれぞれ配置する（ステップＳ１４０）。
【００３０】
以上の工程によって、燃料電池スタック１００が製造される。
【００３１】
以上説明した本実施例の燃料電池スタック１００では、ＭＥＧＡユニット４２において、炭化水素系高分子電解質膜４３０と、接着剤との間に、ナフィオン層４３８を備えている。このナフィオン層４３８は、水による膨潤性を有するとともに、膨潤収縮時の接着剤との密着性、および、炭化水素系高分子電解質膜４３０との密着性が、炭化水素系高分子電解質膜４３０と接着剤との密着性よりも高いので、炭化水素系高分子電解質膜４３０に接着剤を直接的に塗布して接着するよりも、密着性を向上させることができる。したがって、水による膨潤性を有する電解質膜の膨潤収縮時における電解質膜と接着剤との剥離を抑制することができる。
【００３２】
また、ナフィオン層４３８の膨潤性は、炭化水素系高分子電解質膜４３０の膨潤性よりも低いので、炭化水素系高分子電解質膜４３０の膨潤収縮によって発生する応力を、ナフィオン層４３８によって吸収、緩和することができる。
Ｄ．変形例：
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形例が可能である。
【００３３】
Ｄ１．変形例１：
上記実施例では、電解質膜として、炭化水素系高分子電解質膜を用いるものとしたが、これに限られない。水による膨潤性を有する他の電解質膜を用いるものよしてもよい。
【００３４】
Ｄ２．変形例２：
上記実施例では、電解質膜と接着剤と間に配置される中間層として、ナフィオン層を用いるものとしたが、これに限られない。中間層として、他のパーフルオロ系高分子電解質層を用いるようにしてもよい。一般に、水による膨潤性を有するとともに、膨潤収縮時の接着剤との密着性、および、電解質膜との密着性が、電解質膜と接着剤との密着性よりも高い中間層を用いればよい。
【００３５】
Ｄ３．変形例３：
上記実施例では、本発明を適用した燃料電池の一例として、複数のＭＥＧＡユニット４２とセパレータ４１とを交互に積層させた燃料電池スタック１００について説明したが、１つのＭＥＧＡユニット４２を２枚のセパレータ４１によって挟持した燃料電池（単電池）としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の一実施例としての燃料電池スタック１００の概略構成を示す側面図である。
【図２】燃料電池モジュール４０の分解斜視図である。
【図３】燃料電池モジュール４０の端部の断面図である。
【図４】燃料電池スタック１００の製造工程を示す説明図である。
【図５】燃料電池の一例を示す説明図である。
【符号の説明】
【００３７】
１００…燃料電池スタック
１０，７０…エンドプレート
２０，６０…絶縁板
３０，５０…集電板
４０…燃料電池モジュール
４１…セパレータ
４２…ＭＥＧＡユニット
４３…ＭＥＧＡ
４４…フレーム部材（樹脂フレーム）
４５，４６…接着剤
４３０…炭化水素系高分子電解質膜
４３２ａ…アノード側触媒層
４３２ｃ…カソード側触媒層
４３４ａ…アノード側ガス拡散層
４３４ｃ…カソード側ガス拡散層
４３６ａ…アノード側金属多孔体層
４３６ｃ…カソード側金属多孔体層
４３８…ナフィオン層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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