(57)【要約】【課題】ガス拡散層が枠体に乗り上げる構造でも、枠体内縁部に発生する繊維の突出が高分子電解質膜と接触しない形状にすることを目的とする。【解決手段】ガス拡散層７が、膜触媒層枠接合体５と対向する面に枠体４の内縁に略平行な複数の第１溝８を有すると共に、第１溝８によってくびれた部分で屈曲しており、屈曲により屈曲部分から突出する繊維１０が、第１溝８によって形成される空間に収まっていて高分子電解質膜１に当接していない、単電池モジュール９を積層した構成により、屈曲により屈曲部分から突出した繊維が、第１溝によって形成される空間に収まっていて高分子電解質膜と接触しないため、高分子電解質膜の繊維の突き刺しが発生せず、ガスのクロスリークが増大することは無くなり、電池の初期性能及び耐久性能を確保できる固体高分子電解質形燃料電池を提供することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子電解質膜の両面に触媒層が設けられ前記高分子電解質膜の外縁が前記触媒層の外縁よりも外側に突出している膜触媒層接合体と、内縁が前記触媒層の外縁よりも内周側に位置するように前記触媒層の外周部と前記高分子電解質膜の外周部の上に重ねられ前記膜触媒層接合体の外周部を両側から挟む一対の枠体と、を有する膜触媒層枠接合体と、
前記膜触媒層枠接合体を両側から挟む一対のセパレータと、
前記一対のセパレータと前記膜触媒層枠接合体との間に配置され、前記枠体の内周部を覆う一対のガス拡散層と、
を備え、
前記ガス拡散層が、前記膜触媒層枠接合体と前記一対のセパレータとによって挟まれて屈曲している、単電池モジュールであって、
前記ガス拡散層は、前記膜触媒層枠接合体と対向する面に前記枠体の内縁に略平行な複数の第１溝を有すると共に、前記第１溝によってくびれた部分で屈曲しており、
前記屈曲により屈曲部分から突出する繊維が、前記第１溝によって形成される空間に収まっていて前記高分子電解質に当接していない、前記単電池モジュールを積層してなる、固体高分子電解質形燃料電池。
【請求項２】
前記第１溝は、Ｕ字形状であることを特徴とする請求項１に記載の固体高分子電解質形燃料電池。
【請求項３】
前記第１溝は、Ｖ字形状であることを特徴とする請求項１に記載の固体高分子電解質形燃料電池。
【請求項４】
前記ガス拡散層は、多層構造を有しており、
前記第１溝は、前記ガス拡散層における前記膜触媒層枠接合体と対向する層に形成されている、請求項１から３のいずれか１項に記載の固体高分子電解質形燃料電池。
【請求項５】
前記ガス拡散層は、前記一対のセパレータと対向する面に前記第１溝によってくびれた部分が更にくびれるように前記枠体の内縁に略平行な複数の第２溝を有する、請求項１から３のいずれか１項に記載の固体高分子電解質形燃料電池。
【請求項６】
前記第２溝は、Ｕ字形状であることを特徴とする請求項５に記載の固体高分子電解質形燃料電池。
【請求項７】
前記第２溝は、Ｖ字形状であることを特徴とする請求項５記載の固体高分子電解質形燃料電池。
【請求項８】
前記ガス拡散層は、多層構造を有しており、
前記第２溝は、前記ガス拡散層における前記一対のセパレータと対向する層に形成されている、請求項５から７のいずれか１項に記載の固体高分子電解質形燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、自動車などの移動体、発電システム、家庭用コージェネレーションシステムなどの駆動電源として使用される固体高分子電解質形燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、発電効率が高く、環境への負荷も小さいことから、分散型エネルギーシステムとして、今後の普及が見込まれている。そして、燃料電池のなかでも、プロトン伝導性を有する高分子電解質膜を用いた固体高分子電解質形燃料電池は、出力密度が高く、その作動温度が低く、小型化が可能であることから、自動車などの移動体、分散型発電システム、家庭用のコージェネレーションシステムなどに利用されることが期待されている。
【０００３】
固体高分子電解質形燃料電池は、水素を含有する燃料ガスと空気などの酸素を含有する酸化剤ガスとを電気化学的に反応させることにより、電力と熱とを同時に発生させる装置である。
【０００４】
また、固体高分子電解質形燃料電池は、高分子電解質膜と、当該電解質膜の両面に形成された一対の電極層とを一対の板状の導電性セパレータで挟んで構成された単電池モジュールを備える。そして、この単電池モジュールが複数個積層され、ボルトなどの締結部材で加圧締結することにより、固体高分子電解質形燃料電池が構成されている。
【０００５】
単電池モジュールに形成されている電極層の一方は、アノード電極層であり、他方はカソード電極層である。アノード電極層及びカソード電極層は、高分子電解質膜の両面に形成される白金等の触媒層と、当該触媒層上に形成される多孔質で導電性を有するガス拡散層からなる。
【０００６】
更に、単電池モジュールのハンドリング性を向上させるため、又は高分子電解質膜とセパレータとの間をシールするため、その外周部が、額縁状に成形された樹脂製の枠体で保持されている。また、ガス拡散層は、炭素繊維からなる織布、あるいは不織布で構成されており、主に裁断加工された状態で触媒層上に配置されている。
【０００７】
そのため、ガス拡散層周縁部である裁断加工部周辺で、繊維の突出が起こりやすく、突出した繊維が高分子電解質膜と接触することで、高分子電解質膜の繊維の突き刺しが起こる。そして、その突き刺しが、ガスのクロスリーク増大を引起こし、電池の初期特性、及び耐久性能を著しく低下させるといった課題があった。
【０００８】
このような課題を解決する手段として下記に示すような内容が報告されている（例えば特許文献１）。図９は、特許文献１の膜電極接合体とセパレータ２６が締結した状態であり、その周縁部を示す断面図である。
【０００９】
図９に示すように、高分子電解質膜１８の厚さ方向から見て、その外縁が枠体２３の内縁よりも外側に位置するように配置され、高分子電解質膜１８上に、触媒層２０及び枠体２３上に設けられたガス拡散層２１が備えられた燃料電池において、ガス拡散層２１の周縁部が枠体２３上に乗り上げるように構成されている。
【００１０】
上記構成により、枠体２３とガス拡散層２１の周縁部が接触するようになり、周縁部で突出した繊維２４が高分子電解質膜１８と直接接触することを抑えることができるため、
ガス拡散層２１の周縁部で高分子電解質膜１８の周縁部で突出した繊維２４の突き刺しは起こらない。これにより、ガスのクロスリークが増大することなく、電池の初期性能、及び耐久性能を確保することが出来る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２０１４−１７９２５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
特許文献１に示された構成では、拡散層２１の周縁部と高分子電解質膜１８との間に額縁状に成形された樹脂製の枠体２３があることにより、周縁部で突出した繊維２４が直接高分子電解質膜１８との接触を防止することはできる。
【００１３】
しかしながら、図９に示すように、特許文献１に示された構成では、枠体２３の内縁部に乗り上げたガス拡散層２１に厚みがあるため、枠体２３で屈曲して乗り上げたガス拡散層２１に繊維２５の突出が生じて、この乗り上げ部で繊維２５が高分子電解質膜１８と接触することにより、高分子電解質膜１８の繊維２５の突き刺しが起こる。
【００１４】
その結果、ガスのクロスリークを増大させてしまう恐れがあった。従って、ガス拡散層２１が枠体２３に乗り上げる構造では、ガス拡散層周縁部２１の周縁部の繊維２４の突出が高分子電解質膜１８と接触しないようにするだけでなく、枠体内縁部で突出する繊維２５が高分子電解質膜１８と接触しない形状にする必要があった。
【００１５】
本発明は、上記従来技術の課題を解決するもので、ガス拡散層が枠体に乗り上げる構造でも、枠体内縁部で突出する繊維が高分子電解質膜と接触しないようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の固体高分子電解質形燃料電池は、ガス拡散層が、膜触媒層枠接合体と対向する面に枠体の内縁に略平行な複数の第１溝を有すると共に、第１溝によってくびれた部分で屈曲しており、屈曲により屈曲部分から突出する繊維が、第１溝によって形成される空間に収まっていて高分子電解質膜に当接していないように形成されている。
【００１７】
これによって、応力の集中が第１溝部で起こり、第１溝部が開いて、この部分でガス拡散層が屈曲しやすくなる。ここで繊維の突出が起こるが、屈曲により屈曲部分から突出した繊維が、第１溝によって形成される空間に収まっていて高分子電解質膜と接触しないため、高分子電解質膜の繊維の突き刺しが起こらない。これにより、ガスのクロスリークが増大することは無くなり、電池の初期性能及び耐久性能を確保することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の固体高分子電解質形燃料電池によれば、ガス拡散層は枠体の内縁に接触している溝がくびれた部分で屈曲しやすくなり、この部分で突出した繊維は高分子電解質膜と接触しなくなるため、高分子電解質膜の繊維の突き刺しを防ぎ、ガスのクロスリーク増大を抑えるため、電池の初期性能及び耐久性能を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施の形態１に係る固体高分子電解質形燃料電池の単電池モジュールの周縁部の断面を模式的に示した模式図
【図２】本発明の実施の形態１に係る固体高分子電解質形燃料電池のガス拡散層周縁部の溝形状を現す断面を模式的に示した模式図
【図３】本発明の実施の形態１に係る固体高分子電解質形燃料電池のガス拡散層周縁部の他の溝形状を現す断面を模式的に示した模式図
【図４】本発明の実施の形態１に係る固体高分子電解質形燃料電池の多層構造をしたガス拡散層周縁部の断面を模式的に示した模式図
【図５】本発明の実施の形態２に係る固体高分子電解質形燃料電池の単電池モジュールの周縁部の断面を模式的に示した模式図
【図６】本発明の実施の形態２に係る固体高分子電解質形燃料電池のガス拡散層周縁部の溝形状を現す断面を模式的に示した模式図
【図７】本発明の実施の形態２に係る固体高分子電解質形燃料電池のガス拡散層周縁部の溝形状を現す断面を模式的に示した模式図
【図８】本発明の実施の形態２に係る固体高分子電解質形燃料電池の多層構造をしたガス拡散層周縁部を現す断面を模式的に示した模式図
【図９】先行特許文献の膜電極接合体とセパレータの締結する前の状態であり、その周縁部を示す断面図
【発明を実施するための形態】
【００２０】
第１の発明は、高分子電解質膜の両面に触媒層が設けられ高分子電解質膜の外縁が触媒層の外縁よりも外側に突出している膜触媒層接合体と、内縁が触媒層の外縁よりも内周側に位置するように触媒層の外周部と高分子電解質膜の外周部の上に重ねられ膜触媒層接合体の外周部を両側から挟む一対の枠体と、を有する膜触媒層枠接合体と、膜触媒層枠接合体を両側から挟む一対のセパレータと、前記一対のセパレータと前記膜触媒層枠接合体との間に配置され、前記枠体の内周部を覆う一対のガス拡散層と、を備え、ガス拡散層が、膜触媒層枠接合体と一対のセパレータとによって挟まれて屈曲している、単電池モジュールであって、ガス拡散層は、膜触媒層枠接合体と対向する面に枠体の内縁に略平行な複数の第１溝を有すると共に、第１溝によってくびれた部分で屈曲しており、屈曲により屈曲部分から突出する繊維が第１溝によって形成される空間に収まっていて高分子電解質膜に当接していない単電池モジュールを積層してなる固体高分子電解質形燃料電池である。
【００２１】
これにより、屈曲部分で高分子電解質膜の繊維の突き刺しを防ぐことができ、ガスのクロスリークが増大することが無くなる。これにより、電池の初期性能及び耐久性能を確保することができる。
【００２２】
第２の発明は、特に第１の発明の第１溝をＵ字形状にすることにより、くびれた部分でより屈曲しやすくなり、この部分で突出した繊維は高分子電解質膜と接触しにくくなるため、高分子電解質膜の繊維の突き刺しを防ぐことができ、ガスのクロスリークが増大することが無くなる。これにより、電池の初期性能及び耐久性能を確保することができる。
【００２３】
第３の発明は、特に第１の発明の第１溝をＶ字形状にすることにより、くびれた部分でより屈曲しやすくなり、この部分で突出した繊維は高分子電解質膜と接触しにくくなるため、高分子電解質膜の繊維の突き刺しを防ぐことができ、ガスのクロスリークが増大することが無くなる。これにより、電池の初期性能及び耐久性能を確保することができる。
【００２４】
第４の発明は、特に第１〜３のいずれか１つの発明のガス拡散層が多層構造を有していることにより、硬度の異なるガス拡散層で構成することができるため、単層構造の場合よりも、くびれた部分でより屈曲しやすくできる。
【００２５】
この部分で突出した繊維は高分子電解質膜と接触しにくくなるため、高分子電解質膜の繊維の突き刺しを防ぐことができ、ガスのクロスリークが増大することが無くなる。これにより、電池の初期性能及び耐久性能を確保することができる。
【００２６】
第５の発明は、特に第１〜３のいずれか１つの発明のガス拡散層が一対のセパレータと対向する面に第１溝に枠体の内縁に略平行な複数の第２溝を有することにより、第１溝を設けただけの場合よりも、くびれた部分でさらに屈曲しやすくなり、この部分で突出した繊維は高分子電解質膜と接触しにくくなるため、高分子電解質膜の繊維の突き刺しを防ぐことができ、ガスのクロスリークが増大することが無くなる。これにより、電池の初期性能及び耐久性能を確保することができる。
【００２７】
第６の発明は、特に第５の発明の第２の溝形状がＵ字形状であることにより、くびれた部分でさらに屈曲しやすくなり、この部分で突出した繊維は高分子電解質膜と接触しにくくなるため、高分子電解質膜の繊維の突き刺しを防ぐことができ、ガスのクロスリークが増大することが無くなる。これにより、電池の初期性能及び耐久性能を確保することができる。
【００２８】
第７の発明は、特に第５の発明の第２溝の形状がＶ字形状であることにより、くびれた部分でさらに屈曲しやすくなり、この部分で突出した繊維は高分子電解質膜と接触しにくくなるため、高分子電解質膜の繊維の突き刺しを防ぐことができ、ガスのクロスリークが増大することが無くなる。これにより、電池の初期性能及び耐久性能を確保することができる。
【００２９】
第８の発明は、ガス拡散層が多層構造を有していることにより、硬度の異なるガス拡散層で構成することができるため、単層構造の場合よりも、くびれた部分でさらに屈曲しやすくできる。この部分で突出した繊維は高分子電解質膜と接触しにくくなるため、高分子電解質膜の繊維の突き刺しを防ぐことができ、ガスのクロスリークが増大することが無くなる。これにより、電池の初期性能及び耐久性能を確保することができる。
【００３０】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る固体高分子電解質形燃料電池の単電池モジュール９の周縁部の断面を模式的に示した模式図である。図２、図３は、本発明の実施の形態１に係る固体高分子電解質形燃料電池のガス拡散層周縁部の溝形状を現す断面を模式的に示した模式図である。図４は、本発明の実施の形態１に係る固体高分子電解質形燃料電池の多層構造をしたガス拡散層周縁部を現す断面を模式的に示した模式図である。
【００３１】
膜触媒層枠接合体５は、高分子電解質膜１と、その高分子電解質膜１を挟んだ一対の触媒層２からなる膜触媒層接合体３と、高分子電解質膜１の外周部上に配置され、内縁が触媒層２の外縁よりも内周側に位置するように触媒層２の外周部と高分子電解質膜１の外周部の上に両側から挟む一対の枠体４からなる。
【００３２】
さらに、単電池モジュール９は、膜触媒層枠接合体５と、膜触媒層枠接合体５を両側から挟む一対のセパレータ６と、一対のセパレータ６と膜触媒層枠接合体５との間に配置され、枠体４の内周部を覆う一対のガス拡散層７を備える。
【００３３】
ガス拡散層７は、膜触媒層枠接合体５と対向する面に枠体４の内縁に平行な複数の第１溝８を有している。そして、枠体４が触媒層２に乗り上げるように配置され、ガス拡散層７は、枠体４の内縁に接触している形態になっている。
【００３４】
上記のように構成された本実施の形態の固体高分子電解質形燃料電池について、以下、作用を説明する。
【００３５】
まず、枠体４の内縁に平行な複数の第１溝８を有する構造とすることにより、枠体４の
内側に接触しているガス拡散層７は、第１溝８がくびれた部分で屈曲しやすくなる。ここで屈曲した第１溝８で繊維１０の突出が起こるが、突出した繊維１０は高分子電解質膜１と接触せず、ガスのクロスリークが増大することは無くなる。そして、電池の初期性能及び耐久性能を確保することができる。
【００３６】
以上のように本実施の形態においては、膜触媒層枠接合体５と対向するガス拡散層７に第１溝８を有することにより、枠体４の内側に接触している第１溝８がくびれる。これにより枠体４の内縁に接触しているくびれ部分で屈曲した繊維１０の突出が起こりやすくなり、突出した繊維１０は高分子電解質膜１と接触しなくなる。
【００３７】
なお、このとき、第１溝８の形状は、図２に示すようなＵ字形状１１や、図３に示すようなＶ字形状１２にすることができる。さらに、図４に示すように、ガス拡散層７を、第１溝８を有する多層構造にすることもできる。
【００３８】
例えば、硬度の異なるペーパーＡ７ａ、ペーパーＢ７ｂ、で構成されたものとすることができる。ペーパーＡ７ａは、ペーパーＢ７ｂよりも硬度が高い。また、ペーパー以外でもどちらか一方をフェルトで構成することもできるし、カーボンとＰＴＦＥで構成された層にすることもできる。
【００３９】
（実施の形態２）
次に本発明の実施の形態２における固体高分子電解質形燃料電池について説明する。
【００４０】
図５は、本発明の実施の形態２に係る固体高分子電解質形燃料電池の単電池モジュール９の周縁部の断面を模式的に示した模式図である。図６、図７は、本発明の実施の形態２に係る固体高分子電解質形燃料電池のガス拡散層周縁部の溝形状を現す断面を模式的に示した模式図である。図８は、本発明の実施の形態２に係る固体高分子電解質形燃料電池の多層構造をしたガス拡散層周縁部を現す断面を模式的に示した模式図である。
【００４１】
なお、本実施の形態において、図１に示す実施の形態１と同一または相当部には、同一の符号を付して、重複する説明は省略する。
【００４２】
図５は、膜触媒層枠接合体５と対向する面に枠体４の内縁に平行な複数の第１溝８を有しているガス拡散層７が、一対のセパレータ６と対向する面に枠体４の内縁に略平行な複数の第２溝１３を有している形態になっている。
【００４３】
上記のように構成された本実施の形態の固体高分子電解質形燃料電池について、以下、作用を説明する。
【００４４】
まず、枠体４の内縁に平行な複数の第２溝１３を有する構造とすることにより、枠体４の内側に接触しているガス拡散層７は、第１溝８と第２溝１３で屈曲し、第２溝１３が狭まると同時に第１溝８が広がる。
【００４５】
これにより、この部分でガス拡散層７が屈曲しやすくなる。ここで屈曲した第１溝８と第２溝１３で繊維１０の突出が起こるが、突出した繊維１０は高分子電解質膜１と接触せず、ガスのクロスリークが増大することは無くなる。そして、電池の初期性能及び耐久性能を確保することができる。
【００４６】
以上のように本実施の形態においては、セパレータ６と対向するガス拡散層７に第２溝１３を有することにより、枠体４の内側に接触している第１溝８と第２溝１３でくびれる。これにより枠体４の内縁に接触している部分で屈曲した繊維１０の突出が起こる。突出
した繊維１０は高分子電解質膜１と接触しなくなる。
【００４７】
なお、このとき、第２溝１３の形状は、図６に示すようなＵ字形状１１や、図７に示すようなＶ字形状１２にすることができる。さらに、図８に示すようにガス拡散層７を、第１溝８、及び第２溝１３を有する多層構造にすることもできる。
【００４８】
ペーパーＣ７ｃは、ペーパーＤ７ｄよりも硬度が高い。例えば多層構造で硬度が異なるペーパーＣ７ｃ、ペーパーＤ７ｄ、で構成されたものとすることができる。またペーパー以外でもどちらか一方をフェルトで構成することもできるし、カーボンとＰＴＦＥで構成された層にすることもできる。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明の固体高分子電解質形燃料電池は、高分子電解質膜の繊維の突き刺しを防ぎ、ガスのクロスリーク増大を抑えるため、電池の初期性能及び耐久性能を確保することができるので、例えば、自動車などの移動体、発電システム、家庭用コージェネレーションシステムなどの駆動電源の用途に適している。
【符号の説明】
【００５０】
１  高分子電解質膜
２  触媒層
３  膜触媒層接合体
４  枠体
５  膜触媒層枠接合体
６  セパレータ
７  ガス拡散層
７ａ  ペーパーＡ
７ｂ  ペーパーＢ
７ｃ  ペーパーＣ
７ｄ  ペーパーＤ
８  第１溝
９  単電池モジュール
１０  繊維
１１  Ｕ字形状
１２  Ｖ字形状
１３  第２溝
【図１】
2016152190.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2016152190.tif 000007
【図６】
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【図７】
2016152190.tif 000009
【図８】
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【図９】
2016152190.tif 000011