(57)【要約】【課題】ガスケットの熱変形を抑制し、かつ、一対のガスケット間の短絡を防止し、かつ、部品点数の増大を抑えたガスケット付膜電極接合体を提供する。【解決手段】電解質膜８を有する膜電極接合体４と、電解質膜８の周辺部分を両面から挟んで互いに固着された一対のガスケット５、６とを備えており、当該一対のガスケットは、金属材料からなる金属ガスケット５と、絶縁性を有する絶縁ガスケット６とによって構成されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜を有する膜電極接合体と、
前記電解質膜の周辺部分を両面から挟んで互いに固着された一対のガスケットと
を備えており、
前記一対のガスケットは、金属材料からなる金属ガスケットと、絶縁性を有する絶縁ガスケットとによって構成されている、
ことを特徴とするガスケット付膜電極接合体。
【請求項２】
前記電解質膜が前記金属ガスケットおよび前記絶縁ガスケットのそれぞれに溶着されることにより、前記金属ガスケットと前記絶縁ガスケットとが互いに固着されている、
請求項１に記載のガスケット付膜電極接合体。
【請求項３】
前記金属ガスケットは、耐酸性の材料を含んでいる、
請求項１に記載のガスケット付膜電極接合体。
【請求項４】
前記金属ガスケットは、ステンレス鋼を含んでいる、
請求項３に記載のガスケット付膜電極接合体。
【請求項５】
前記絶縁ガスケットは、ガラス転移温度が１００℃以上の材料を含んでいる、
請求項１に記載のガスケット付膜電極接合体。
【請求項６】
前記絶縁ガスケットは、ポリエチレンナフタレートを含んでいる、
請求項５に記載のガスケット付膜電極接合体。
【請求項７】
請求項１に記載のガスケット付膜電極接合体と、
前記ガスケット付膜電極接合体の両側の面に当接するようにそれぞれ配置され、当該ガスケット付膜電極接合体に対向する面にガス流路が形成された一対の流路形成部材とを
を備えている燃料電池。
【請求項８】
電解質膜を有する膜電極接合体の両側の面に、金属材料からなる金属ガスケット、および絶縁性を有する絶縁ガスケットをそれぞれ配置する配置工程と、
前記電解質膜を前記金属ガスケットおよび前記絶縁ガスケットのそれぞれに溶着させることにより、前記金属ガスケットと前記絶縁ガスケットとを互いに固着する固着工程
を含む、ことを特徴とする
ガスケット付膜電極接合体の製法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスケット付膜電極接合体、それを用いた燃料電池、およびガスケット付膜電極接合体の製法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、固体高分子形燃料電池は、電解質膜などの薄い膜が積層された膜電極接合体を備えている。この膜電極接合体は、シート状で柔軟であるため取扱いが難しい。そのため、あらかじめ膜電極接合体がガスケットに固定されたもの、すなわち、ガスケット付膜電極接合体を構成している方が、取扱いが容易になる。
【０００３】
たとえば、特許文献１に記載されている燃料電池は、ガスケット付膜電極接合体と、当該ガスケット付膜電極接合体を両面から挟む一対のセパレータとを備えている。各セパレータにおいて、ガスケット付膜電極接合体に対向する側の面にそれぞれガス流路が形成されている。
【０００４】
このガスケット付膜電極接合体は、膜電極接合体と、一対の樹脂製のガスケットとを備えている。膜電極接合体と一対の樹脂製のガスケットとが熱圧着などによって一体化されることにより、ガスケット付膜電極接合体が構成される。このガスケット付膜電極接合体では、膜電極接合体を構成する電解質膜の周辺部分は、上記の一対の樹脂製ガスケットによって挟着されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−１２３９５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、上記のガスケット付膜電極接合体では、上記の燃料電池の発電時に発生する熱によって上記一対の樹脂製ガスケットが変形してセパレータのガス流路を塞ぎ、それによってガスがガス流路から外部へ洩れるおそれがある。
【０００７】
そこで、ガスケットとして、熱によって変形しにくい一対の金属製ガスケットによって膜電極接合体を挟着することが考えられる。このような一対の金属製ガスケットは、導電性を有するので、互いに絶縁された状態で配置される必要がある。しかし、金属製ガスケットを成形するときにその表面に微小の凸部（バリなど）が生じるおそれがあり、電解質膜は、非常に薄い（５０μｍ程度）ので、この微小のバリなどの凸部が電解質膜を貫通して一対の金属製ガスケット間で短絡するおそれがある。
【０００８】
また、金属製ガスケットの微小の凸部による短絡を防止するために、当該微小の凸部を有する表面を樹脂フィルムで被覆すれば、部品点数が増大するという問題がある。
【０００９】
本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、ガスケットの熱変形を抑制し、かつ、一対のガスケット間の短絡を防止し、かつ、部品点数の増大を抑えたガスケット付膜電極接合体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】
【００１０】
上記課題を解決するためのものとして、本発明のガスケット付膜電極接合体は、電解質膜を有する膜電極接合体と、前記電解質膜の周辺部分を両面から挟んで互いに固着された一対のガスケットとを備えており、前記一対のガスケットは、金属材料からなる金属ガスケットと、絶縁性を有する絶縁ガスケットとによって構成されていることを特徴としている。
【００１１】
かかる構成によれば、絶縁ガスケットは金属製の金属ガスケットに固着されている。そのため、発電時において絶縁ガスケットが熱によって軟化した場合でも、金属ガスケットの剛性によって絶縁ガスケットの熱変形を抑えることができる。それによって、ガスケット付膜電極接合体の両側の面にガス流路を有するセパレータなどの流路形成部材が配置された燃料電池では、絶縁ガスケットが熱変形して流路形成部材のガス流路を塞ぐことによってガス漏れを生じるおそれを低減することが可能である。
【００１２】
また、金属ガスケットは、電解質膜を介して絶縁性を有する絶縁ガスケットに固着されているので、当該金属ガスケットの表面の微小の凸部が電解質膜を貫通しても、一対のガスケット間で短絡が生じない。したがって、金属ガスケットの表面を被覆する樹脂フィルムも不要になり、部品点数の増大を抑えることが可能である。
【００１３】
前記電解質膜が前記金属ガスケットおよび前記絶縁ガスケットのそれぞれに溶着されることにより、前記金属ガスケットと前記絶縁ガスケットとが互いに固着されているのが好ましい。
【００１４】
かかる構成によれば、金属ガスケットと前記絶縁ガスケットとを接着するための接着材が不要になる。これによって、部品点数の増大をさらに抑えることが可能になる。
【００１５】
前記金属ガスケットは、耐酸性の材料を含んでいるのが好ましい。
【００１６】
電解質膜は一般的に強酸性を有しているが、上記のような耐酸性材料を含む金属ガスケットは、電解質膜に含まれる酸によって腐食されることを抑制することが可能である。
【００１７】
前記金属ガスケットは、ステンレス鋼を含んでいるのが好ましい。
【００１８】
ステンレス鋼を含む金属ガスケットは、酸による腐食に強く、かつ、剛性が高いという利点を有する。
【００１９】
前記絶縁ガスケットは、ガラス転移温度が１００℃以上の材料を含んでいるのが好ましい。
【００２０】
かかる構成によれば、発電時における絶縁ガスケットの熱変形を確実に抑制することが可能である。
【００２１】
前記絶縁ガスケットは、ポリエチレンナフタレートを含んでいるのが好ましい。
【００２２】
ポリエチレンナフタレートを含む絶縁ガスケットは、熱変形しにくく、絶縁性が高く、かつ、電解質膜が熱溶着しやすい利点を有する。
【００２３】
本発明の燃料電池は、前記ガスケット付膜電極接合体と、前記ガスケット付膜電極接合体の両側の面に当接するようにそれぞれ配置され、当該ガスケット付膜電極接合体に対向する面にガス流路が形成された一対の流路形成部材とを備えていることを特徴とする。
【００２４】
上記のガスケット付膜電池接合体を備えているので、発電時における絶縁ガスケットの熱変形を抑えることができる。それによって、絶縁ガスケットが熱変形して流路形成部材のガス流路を塞ぐことによってガス漏れを生じるおそれを低減することが可能である。しかも、一対のガスケット間の短絡を防止し、かつ、部品点数の増大を抑えることが可能である。
【００２５】
本発明のガスケット付膜電極接合体の製法は、上記のガスケット付膜電極接合体の製法であって、前記金属ガスケットと前記絶縁ガスケットとを、前記電解質膜を用いて互いに溶着することを特徴とする。
【００２６】
この製法では、金属ガスケットと前記絶縁ガスケットとを接着材を用いることなく固着すことが可能である。これによって、部品点数の増大を抑えることが可能である。
【発明の効果】
【００２７】
以上説明したように、本発明のガスケット付膜電極接合体およびそれを用いた燃料電池によれば、ガスケットの熱変形を抑制することができる。しかも、一対のガスケット間の短絡を防止することができる。さらに、部品点数の増大を抑えることができる。
【００２８】
また、本発明のガスケット付膜電極接合体の製法によれば、部品点数の増大を抑えることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明のガスケット付膜電極接合体を備えた固体高分子形燃料電池の基本構成を示す概略的に示す燃料電池の要部を拡大した断面図である。
【図２】図１のガスケット付膜電極接合体の断面図である。
【図３】図１の燃料電池の分解断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
つぎに、図面を参照しながら、本発明のガスケット付膜電極接合体およびそれを備えた燃料電池についてさらに詳細に説明する。
【００３１】
図１〜３に示される燃料電池１は、固体高分子型燃料電池であり、薄板状のガスケット付膜電極接合体２と、ガスケット付膜電極接合体２の両側の面に配置された一対のセパレータ３とを備えている。燃料電池１は、例えば、財団法人日本自動車研究所（ＪＡＲＩ）の標準セルとして用いられる。ガスケット付膜電極接合体２および一対のセパレータ３の形状については、本発明ではとくに限定しないが、例えば、それぞれ矩形の平板形状を呈している。
【００３２】
ガスケット付膜電極接合体２は、シート状の膜電極接合体４と、当該膜電極接合体４の両側の面にそれぞれ配置された互いに異なる材料からなる一対のガスケット、すなわち、金属ガスケット５および絶縁ガスケット６とを備えている。
【００３３】
膜電極接合体４（ｍｅｍｂｒａｎｅ  ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  ａｓｓｅｍｂｌｙ（ＭＥＡ））は、電解質膜８と、当該電解質膜８の両面にそれぞれ形成された一対の触媒層９と、さらに、それぞれの触媒層９に積層されたガス拡散性を有する一対の拡散層１０とを備えている。電解質膜８の面積は、触媒層９および拡散層１０の面積よりも広くなるように設定されている。すなわち、電解質膜８の周辺部分は、触媒層９から外側にはみ出している。
【００３４】
電解質膜８は、水素イオン（Ｈ＋）を透過する性質を有する樹脂製の膜である。電解質膜８としては、例えば、パーフルオロスルホン酸膜など、具体的には、デュポン社製のナフィオン（登録商標）膜などが用いられる。
【００３５】
パーフルオロスルホン酸膜は、スルホ基（−ＳＯ３Ｈ）を含んでおり、強酸性と強い電子求引性を有する。パーフルオロスルホン酸膜（例えば、ナフィオン膜）のガラス転移温度は、１００〜１２０℃程度であり、燃料電池１の発電時における温度（８０℃程度）に耐えることが可能である。また、当該パーフルオロスルホン酸膜の電気絶縁性は、比抵抗において、４．６〜１２Ω・ｃｍである。
【００３６】
パーフルオロスルホン酸膜からなる電解質膜８の厚さは、非常に薄く、５０μｍ程度である。
【００３７】
電解質膜８の周辺部分は、金属ガスケット５および絶縁ガスケット６の互いに対向する面５ｂ、６ｂにそれぞれ溶着されている。これにより、金属ガスケット５および絶縁ガスケット６は、電解質膜８を介して互いに固着されている。
【００３８】
金属ガスケット５および絶縁ガスケット６は、それぞれ薄い板状（２００μｍ程度）である。ガスケット５、６は、それらの中央部において矩形の開口部５ａ、６ａを有している。ガスケット５、６の面積は、電解質膜８の面積以上に設定され、例えば、電解質膜８の面積とほぼ同じに設定される。開口部５ａ、６ａの面積は、触媒層９および拡散層１０の面積と同じか若干大きくなるように設定される。開口部５ａ、６ａ内部には、触媒層９および拡散層１０がそれぞれ収容される。拡散層１０の厚さは、ガスケット５、６の厚さ以上になるように設定される。例えば、ガスケット５、６の厚さが２００μｍ程度の場合には、拡散層１０の厚さは２８０μｍ程度に設定される。
【００３９】
拡散層１０は、通過するガスを拡散する性質を有し、かつ、導電性を有する材料からなり、例えば、カーボンペーパーなどからなる。拡散層１０の外側の面１０ａは、ガスケット５、６における対向面５ｂ、６ｂと反対側の面と面一または当該面から若干外側に突出しているので、セパレータ３に接触することが可能である。
【００４０】
金属ガスケット５は、金属材料からなるガスケットである。金属ガスケット５は、具体的には、電解質膜８として用いられるパーフロオロスルホン酸膜などの膜が有する強酸に腐食されない金属材料で製造される。例えば、金属ガスケット５としては、ステンレス鋼、チタン、または銅などの材料が用いられる。また、基材の表面を金やロジウムでメッキしたものも金属ガスケット５として用いることが可能である。とくに、ステンレス鋼によって金属ガスケット５を製造すれば、酸による腐食に強く、かつ、剛性が高いので好ましい。
【００４１】
絶縁ガスケット６は、絶縁性を有する材料、例えば、絶縁性を有し、かつ、前記金属材料よりも熱によって軟化しやすい樹脂材料などの材料からなるガスケットであり、好ましくは、絶縁性を有し、かつ、熱変形しにくく、かつ、電解質膜８と溶着しやすい樹脂材料からなるガスケットが好ましい。
【００４２】
例えば、絶縁ガスケット６に要求される絶縁性は、金属ガスケット５と接触しても（具体的には、金属ガスケット５表面の微小なバリなどの凸部が電解質膜８を貫通して接触しても）、絶縁ガスケット６内を電気が流れない程度の絶縁性である。絶縁性としては、例えば、例えば一般的な電気絶縁体の比抵抗である１０９Ω・ｃｍ以下程度の比抵抗を有するのが好ましい。また、絶縁ガスケット６に要求される熱変形しにくさとしては、例えば、燃料電池１の運転時に溶融しない程度、すなわち、燃料電池１の運転温度（８０〜９０℃程度）以上のガラス転移温度を有しているのが好ましい。このような、絶縁性および高いガラス転移温度を有する樹脂材料としては、ポリエチレンナフタレート（ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ  ｎａｐｈｔｈａｌａｔｅ、以下、ＰＥＮという）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリカーボネイト（ＰＣ）などが１００℃以上のガラス転移温度を有しているので好ましい。
【００４３】
そのうち、とくにＰＥＮ樹脂は、絶縁性にすぐれ（１０１６Ω・ｃｍ程度）、かつ、熱変形しにくく（ガラス転移温度が１５５℃程度）、しかも、電解質膜８と溶着しやすい性質を有しているので好ましい。
【００４４】
本発明における絶縁ガスケット６は、絶縁性を有する材料からなるものであればよく、樹脂材料以外の他の材料、例えば、シリコンゴム、シリコン含浸織物、またはガラスなどからなる絶縁ガスケット６を採用してもよい。
【００４５】
なお、金属ガスケット５および絶縁ガスケット６における外側の面、すなわち、セパレータ３に対向する面の外周縁近傍の部分には、ゴムなどのシール材７が設けられている。シール材７は、これらガスケット５、６とセパレータ３との間にある水素ガスまたは空気
（または酸素ガス）が外部に洩れないようにシールする。また、シール材７を介して金属ガスケット５および絶縁ガスケット６がセパレータ３によって押圧されることにより、セパレータ３からの押圧力が、金属ガスケット５および絶縁ガスケット６に均一に伝達することが可能である。
【００４６】
一対のセパレータ３は、カーボン材料またはステンレス鋼などの金属材料で製造された板状の部材である。それぞれのセパレータ３におけるガスケット付膜電極接合体２に対向する面３ａには、らせん状に延びる溝が形成され、当該溝がガスケット付膜電極接合体２によって閉じられることによって、ガス流路３ｂが形成されている。すなわち、セパレータ３は、ガス流路を有する流路形成部材であり、外気とガス流路３ｂを流れるガスとを分離する機能を有する。ガス流路３ｂには、燃料電池１の外部から導入された水素ガスおよび空気（または酸素ガス）のいずれか１つがそれぞれ供給される。すなわち、一方のセパレータ３のガス流路３ｂには、水素ガスが供給され、他方のセパレータ３のガス流路３ｂには、空気（または酸素ガス）が供給される。
【００４７】
一対のセパレータ３は、ガスケット付膜電極接合体２の両側の面に当接するように配置され、両側から締付板などによって当該ガスケット付膜電極接合体２に押圧される。
【００４８】
上記の燃料電池１では、セパレータ３同士は集電板（図示せず）および電線などを介して互いに導通するように電気的に接続される。その状態で、一方のセパレータ３のガス流路３ｂには、水素ガスが流され、他方のセパレータ３のガス流路３ｂには、空気（または酸素ガス）が流されることにより、一対のセパレータ３間で電流が発生する。すなわち、一方のセパレータ３のガス流路３ｂに流された水素ガスは、膜電極接合体４の一方の拡散膜１０および触媒層９を通過するときに酸化、すなわち電子が奪われて水素イオンとなり、電解質膜８を通過する。それとともに、電子は、一方のセパレータから他方のセパレータへ移動し、これによって電流が発生する。他方のセパレータ３では、ガス流路３ｂに流された空気（または酸素ガス）は、他方の拡散膜１０および触媒層９を通過するときに還元、すなわち電子を受けとるとともに水素イオンと結合し、その結果、水が生成される。生成された水は他方のセパレータ３のガス流路３ｂを通して燃料電池１の外部に排出される。
【００４９】
上記のガスケット付膜電極接合体２を製造する場合、まず、電解質膜８を有する膜電極接合体４の両側の面において、金属材料からなる金属ガスケット５、および絶縁性を有する材料からなる絶縁ガスケット６がそれぞれ配置される（配置工程）。このとき、電解質膜８の周辺部分は、金属ガスケット５および絶縁ガスケット６によって挟まれる。それとともに、触媒層９および拡散層１０は、これらガスケット５、６の開口部５ａ、６ａ内部に挿入される。
【００５０】
その後、上記の膜電極接合体４および一対のガスケット５、６が積層された積層体は、加熱されながらその積層方向に押圧される。このとき、電解質膜８は、金属ガスケット５および絶縁ガスケット６のそれぞれに溶着される。これによって、金属ガスケット５と絶縁ガスケット６とが互いに固着される（固着工程）。その結果、上記のガスケット付膜電極接合体２が完成される。
【００５１】
（特徴）
（１）
本実施形態の燃料電池１およびガスケット付膜電極接合体２では、膜電極接合体４における電解質膜８の周辺部分は、金属ガスケット５および樹脂製の絶縁ガスケット６によって、両面から挟んで互いに固着されている。この構成では、絶縁ガスケット６は金属製の金属ガスケット５に固着されている。そのため、発電時において絶縁ガスケット６が熱によって軟化した場合でも、金属ガスケット５の剛性によって絶縁ガスケット６の熱変形を抑えることができる。具体的には、絶縁ガスケット６がセパレータ３側へ熱変形してセパレータ３のガス流路３ｂの内部へ入り込み、当該ガス流路３ｂを塞ぐことを抑えることができる。それによってガス漏れを生じるおそれを低減することが可能である。
【００５２】
しかも、ガスケット付膜電極接合体２は、剛性の高い金属ガスケット５を有しているので、ガスケット付膜電極接合体２全体の剛性も向上して変形しにくくなる。そのため、ガスケット付膜電極接合体２のハンドリング性が向上し、燃料電池１の組立作業性も向上する。
【００５３】
また、金属ガスケット５は、電解質膜８を介して絶縁材料からなる絶縁ガスケット６に固着されているので、当該金属ガスケット５の表面の微小の凸部が電解質膜８を貫通しても、一対のガスケット５、６の間に短絡が生じない。したがって、金属ガスケット５の表面を被覆する樹脂フィルムも不要になり、部品点数の増大を抑えることが可能である。
【００５４】
（２）
本実施形態のガスケット付膜電極接合体２およびその製法では、電解質膜８が金属ガスケット５および絶縁ガスケット６のそれぞれに溶着されることにより、この電解質膜８を介して金属ガスケット５と絶縁ガスケット６とが互いに固着されている。そのため、金属ガスケット５と絶縁ガスケット６とを接着するための接着材を特別に用意することが不要になる。これによって、部品点数の増大をさらに抑えることが可能になる。
【００５５】
（３）
本実施形態のガスケット付膜電極接合体２では、電解質膜８は強酸性を有しているが、金属ガスケット５は、耐酸性材料を含むので、電解質膜８に含まれる酸によって腐食されることを抑制することが可能である。
【００５６】
（４）
本実施形態のガスケット付膜電極接合体２では、金属ガスケット５は、ステンレス鋼を含むので、酸による腐食に強く、かつ、剛性が高い。
【００５７】
（５）
本実施形態のガスケット付膜電極接合体２では、絶縁ガスケット６は、ガラス転移温度が１００℃以上の樹脂材料を含んでいるので、発電時における絶縁ガスケット６の熱変形を確実に抑制することが可能である。なお、樹脂材料以外の材料（ガラスなど）でもガラス転移温度が１００℃以上の材料であれば、発電時における絶縁ガスケット６の熱変形を確実に抑制することが可能である。
【００５８】
（６）
本実施形態のガスケット付膜電極接合体２では、絶縁ガスケット６は、ポリエチレンナフタレートを含むので、熱変形しにくく、絶縁性が高く、かつ、電解質膜８が熱溶着しやすい利点を有する。
【符号の説明】
【００５９】
１  燃料電池
２  ガスケット付膜電極接合体
３  セパレータ
４  膜電極接合体
５  金属ブラケット
６  絶縁ブラケット
８  電解質膜
【図１】
2016004712.tif 000003
【図２】
2016004712.tif 000004
【図３】
2016004712.tif 000005