(57)【要約】【課題】従来の膜電極接合体では、結露水やガスが外部に漏出するおそれがあると共に、電解質膜の化学耐久性が低下するという問題点があった。【解決手段】固体高分子型の単セルＣを構成する膜電極接合体１であって、アノード及びカソードの電極ＥＡ，ＥＣを有する電解質膜２と、電解質膜２の周囲に一体化したフレームＦとを備え、フレームＦが、単セルＣの外形寸法に対応する第１フレームＦ１と、電解質膜２の周囲領域のみに対応し且つ第１フレームＦ１との間で電解質膜２の周囲を挟持する第２フレームＦ２とを備えており、第１フレームＦ１が、第２フレームＦ２の厚さよりも大きい厚さを有している。これにより、結露水やガスの外部への漏出を防止すると共に、電解質膜の化学耐久性を維持する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子型燃料電池の単セルを構成する膜電極接合体であって、
アノード及びカソードの電極を有する電解質膜と、電解質膜の周囲に一体化したフレームとを備え、
フレームが、単セルの外形寸法に対応する大きさを有する第１フレームと、電解質膜の周囲領域のみに対応する大きさを有し且つ第１フレームとの間で電解質膜の周囲を挟持する第２フレームとを備えており、
第１フレームが、第２フレームの厚さよりも大きい厚さを有していることを特徴とする膜電極接合体。
【請求項２】
第１及び第２のフレームのうちの少なくとも第２フレームが、電解質膜及びフレーム同士を接着する接着層を有することを特徴とする請求項１に記載の膜電極接合体。
【請求項３】
第１及び第２のフレームのうちの少なくとも第１フレームが、電解質膜及びフレーム同士を接着する接着層を有することを特徴とする請求項１に記載の膜電極接合体。
【請求項４】
第１フレームが、電解質膜のアノード電極側に配置してあることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の膜電極接合体。
【請求項５】
電解質膜の領域となる第１フレームの開口部の面積が、第２フレームの開口部の面積よりも大きいことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の膜電極接合体。
【請求項６】
アノード及びカソードの電極が、夫々の触媒層を含み、
第１フレーム側に配置した電極の触媒層の面積が、第２フレーム側に配置した電極の触媒層の面積よりも大きいことを特徴とする請求項５に記載の膜電極接合体。
【請求項７】
第２フレームが、短冊状の複数のフレーム部材で形成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の膜電極接合体。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の膜電極接合体と、この膜電極接合体を挟持する一対のセパレータとを備えたことを特徴とする単セル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子型燃料電池の単セルに用いられる膜電極接合体の改良に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の膜電極接合体としては、燃料電池の名称で特許文献１に記載されているものがある。特許文献１に記載の膜電極接合体は、固体高分子から成る電解質膜をアノード側電極とカソード側電極とで挟持した構造を有している。電解質膜は、両電極間から外側に延出した外周縁部を有している。そして、特許文献１には、電解質膜の外周縁部の両面に、同一構成を有する保護膜を設けた構成や、固体高分子電解質膜の外周縁部の片面に、補強フィルムを設けた構成が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−１６５４３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記したような従来の膜電極接合体では、電解質膜の外周縁部の両面に保護膜を設けた構成では、例えばマニホールド穴の部分で生じた結露水やマニホールド穴を流通するガスが、保護膜の接着層を通して外部に漏出するおそれがあるという問題点があった。これに対して、電解質膜の外周縁部の片面に補強フィルムを設けた構成では、電解質膜の端部の保護機能が無くなり、しかも、電解質膜が撓み易くなるので、電解質膜に湿潤差が生じたり添加剤の移動が生じたりして、電解質膜の化学耐久性が低下するという問題点があった。
【０００５】
本発明は、上記従来の状況に鑑みて成されたものであって、電解質膜の周囲のみを２枚のフレームで挟持する構造にして、結露水やガスの外部への漏出を防止すると共に、電解質膜の端部を保護しつつ撓みを防止して、電解質膜の化学耐久性を維持することができる膜電極接合体を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係わる膜電極接合体は、固体高分子型燃料電池の単セルを構成する膜電極接合体であって、アノード及びカソードの電極を有する電解質膜と、電解質膜の周囲に一体化したフレームとを備えている。そして、膜電極接合体は、フレームが、単セルの外形寸法に対応する大きさを有する第１フレームと、電解質膜の周囲領域のみに対応する大きさを有し且つ第１フレームとの間で電解質膜の周囲を挟持する第２フレームとを備えており、第１フレームが、第２フレームの厚さよりも大きい厚さを有していることを特徴としている。
【発明の効果】
【０００７】
本発明に係わる膜電極接合体は、面積及び厚さが相対的に大きい第１フレームと、面積及び厚さが相対的に小さい第２のフレームとで、電解質層の周囲のみを挟持した構造になるので、第１フレームによりフレーム全体の強度を確保しつつ、第１及び第２のフレームにより電解質膜の全周を保持することとなり、電解質膜の端部が両フレームにより覆われた状態になる。この膜電極接合体は、第１フレームに流体用のマニホールド穴を形成することが可能であり、そのマニホールド穴の部分は、第１フレームのみが単層で存在するので、結露水やガスの漏出経路が無いものとなる。
【０００８】
このようにして、上記の膜電極接合体は、結露水やガスの外部への漏出を防止することができると共に、電解質膜の端部を保護しつつ撓みを防止して、電解質膜の化学耐久性を維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明に係わる膜電極接合体を備えた単セルを示す分解状態の平面図である。
【図２】膜電極接合体の第１実施形態を説明する分解斜視図（Ａ）、及び（Ｂ）断面図である。
【図３】膜電極接合体の第２実施形態として接着層の４例を説明する要部の断面図（Ａ）〜（Ｄ）である。
【図４】膜電極接合体の第３実施形態を説明する単セルの断面図である。
【図５】膜電極接合体の第４実施形態を説明する分解斜視図（Ａ）、及び要部の断面図（Ｂ）である。
【図６】膜電極接合体の第５実施形態を説明する分解斜視図（Ａ）、及び要部の断面図（Ｂ）である。
【図７】膜電極接合体の第６実施形態として第２フレームの３例を説明する分解斜視図（Ａ）、及び要部の断面図（Ｂ）〜（Ｄ）である。
【図８】膜電極接合体の第７実施形態を説明する単セルの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
〈第１実施形態〉
図１に示す膜電極接合体１は、一般に、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly)と呼ばれるものであって、固体高分子型燃料電池の単セルＣを構成する。膜電極接合体１は、図２に示すように、アノード及びカソードの電極ＥＡ，ＥＣを有する固体高分子製の電解質膜２と、電解質膜２の周囲に一体化したフレームＦを備えている。
【００１１】
膜電極接合体１における電極ＥＡ，ＥＣは、その構成が限定されるものではないが、少なくとも夫々の触媒層ＣＡ，ＣＣを含み、その他、図１（Ａ）中に仮想線で示すガス拡散層ＧＡ，ＧＣなどを積層した構造である。両電極ＥＡ，ＥＣは、電解質膜２の中央に配置してある。これにより、電解質膜２は、その全周に、両電極ＥＡ，ＥＣ間から延出した外周領域２Ａを有しており、その外周領域２ＡにフレームＦが一体化されている。
【００１２】
図示例の単セルＣは、矩形状であって、上記フレームＦ及び膜電極接合体１と、これらを挟持する一対のセパレータ３，４とを備えている。単セルＣは、フレームＦ及び膜電極接合体１と一方のセパレータ３との間に、アノードガスのガス流路が形成され、フレームＦ及び膜電極接合体１と他方のセパレータ４との間に、カソードガスのガス流路が形成されている。アノードガスは、水素含有ガスであり、また、カソードガスは、酸素含有ガス（例えば空気）である。
【００１３】
各セパレータ３，４は、例えばステンレス製であって、プレス加工により適宜の形状に成形され、少なくとも膜電極接合体１に対応する部分が、長辺方向に連続する断面凹凸形状に形成してある。各セパレータ３，４は、その断面凹凸形状の部分において、膜電極接合体１に波形凸部を接触させると共に、波形凹部と膜電極接合体１との間に、長辺方向に連通するガス流路を形成する。
【００１４】
単セルＣにおけるフレームＦ及びセパレータ３，４は、積層状態で互いに連通して流体用のマニホールドを形成するマニホールド穴Ｈ１〜Ｈ６を有している。図示例では、単セルＣの両側の短辺に沿って、夫々３個ずつのマニホールド穴Ｈ１〜Ｈ３，Ｈ４〜Ｈ６を有している。
【００１５】
一例として、図１中の左側のマニホールド穴Ｈ１〜Ｈ３は、上から順に、カソードガス供給用（Ｈ１）、冷却液供給用（Ｈ２）、アノードガス排出用（Ｈ３）である。また、図１中の右側のマニホールド穴Ｈ４〜Ｈ６は、上から順に、アノードガス供給用（Ｈ４）、冷却液排出用（Ｈ５）、カソードガス排出用（Ｈ６）である。なお、各マニホールド穴Ｈ１〜Ｈ６の供給及び排出の位置関係は、一部又は全部が逆であっても良い。
【００１６】
単セルＣにおけるフレームＦ及びセパレータ３，４には、図２（Ａ）中に点線で示すように、外周及びマニホールド穴Ｈ１〜Ｈ６の周囲に、例えば接着剤から成るシールライン部ＳＬが形成されている。これらのシールライン部ＳＬは、ガス等の流体が外部に漏出するのを阻止すると共に、各々の流路に他の流体が流入するのを阻止するものである。したがって、マニホールド穴Ｈ１〜Ｈ６の周囲に配置したシールライン部ＳＬは、各流路に夫々該当する流体が流通し得るように、その一部が出入口として開放されている。
【００１７】
フレームＦは、非導電性部材から成るものであって、例えば樹脂製であり、この実施形態では、図２に示すように、樹脂製フィルムから成る第１フレームＦ１と第２フレームＦ２とを備えている。第１フレームＦ１は、単セルＣの外形寸法に対応する大きさを有している。また、第２フレームＦ２は、電解質膜２の周囲領域のみに対応する大きさを有しており、第１フレームＦ１との間で電解質膜２の周囲（外周領域２Ａ）を挟持する。
【００１８】
より具体的には、第１フレームＦ１は、単セルＣの外形に相当する矩形状であって、その中央に、電解質膜２の領域となる矩形状の開口部Ｋ１を有し、両側の短辺に沿って前記マニホールド穴Ｈ１〜Ｈ３，Ｈ４〜Ｈ６が形成してある。第１フレーム１の開口部Ｋ１は、電解質膜２の長辺寸法ａ０及び短辺寸法ｂ０よりも小さい長辺寸法ａ１及び短辺寸法ｂ１を有している。
【００１９】
第２フレームＦ２は、電解質膜２の外形よりも一回り大きい矩形状であって、電解質膜２の全辺を含む一定の幅を有し、その中央に開口部Ｋ２を有している。第２フレームＦ２の開口部Ｋ２は、第１フレームＦ１の開口部Ｋ１と同一の長辺寸法ａ２及び短辺寸法ｂ２を有している。
【００２０】
そして、フレームＦは、図２（Ｂ）に示すように、第１フレームＦ１が、第２フレームＦ２の厚さＴ２よりも大きい厚さＴ１を有するものとなっている。なお、電解質膜２に設けた両電極ＥＡ，ＥＣは、フレームＦの開口部Ｋ１，Ｋ２よりも一回り小さい縦横寸法を有している。
【００２１】
上記構成を備えた膜電極接合体１は、面積及び厚さが相対的に大きい第１フレームＦ１と、面積及び厚さが相対的に小さい第２のフレームＦ２とで、電解質膜２の周囲のみを挟持した構造になる。これにより、膜電極接合体１は、第１フレームＦ１によりフレームＦ全体の強度を確保しつつ、第１及び第２のフレームＦ１，Ｆ２により電解質膜２の全周を均一に保持することとなる。また、電解質膜２の端部は、全周にわたって両フレームＦ１，Ｆ２により覆われた状態（エッジキャップが形成された状態）になる。
【００２２】
この膜電極接合体１は、先述の如く、第１フレームＦ１に流体用のマニホールド穴Ｈ１〜Ｈ６が形成してあり、そのマニホールド穴Ｈ１〜Ｈ６の部分は、第１フレームＦ１のみが単層で存在するので、結露水やガスの漏出経路が無いものとなる。これにより、膜電極接合体１は、マニホールド穴Ｈ１〜Ｈ６で生じた結露水やマニホールド穴Ｈ１〜Ｈ６に流通するガスが外部へ漏出するような事態を防止することができる。
【００２３】
また、膜電極接合体１は、両フレームＦ１，Ｆ２により電解質膜２の全周を覆って均一に保持するので、電解質膜２の端部を保護しつつ撓みを防止することができ、電解質膜２に湿潤差や添加剤の移動を抑制して、電解質膜２の化学耐久性化学耐久性を良好に維持することができる。
【００２４】
図３〜図８は、本発明に係わる膜電極接合体の第２〜第７の実施形態を説明する図である。以下の各実施形態において、第１実施形態と同一の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。
【００２５】
〈第２実施形態〉
図３は、本発明に係わる膜電極接合体における接着層の４例を説明する図である。
すなわち、膜電極接合体１は、図３（Ａ）に示すように、第１及び第２のフレームＦ１，Ｆ２のうちの少なくとも第２フレームＦ２が、電解質膜２及びフレームＦ，Ｆ２同士を接着する接着層Ｂを有している。
【００２６】
上記の膜電極接合体１は、先の実施形態と同様の作用及び効果を得ることができるうえに、必要最低限の量の接着材料により電解質膜２の端部の保護を確実に行うことができると共に、接着作業が容易である。これにより、製造時間の短縮化や製造コストの低減を実現することができる。
【００２７】
また、膜電極接合体１は、図３（Ｂ）に示すように、第１及び第２のフレームＦ１，Ｆ２のうちの少なくとも第１フレームＦ１が、電解質膜１及びフレームＦ１，Ｆ２同士を接着する接着層Ｂを有している。
【００２８】
上記の膜電極接合体１は、先の実施形態と同様の作用及び効果を得ることができるうえに、ガスシール性が向上すると共に、反応に寄与しないガス流量を低減することができ、発電性能の向上に貢献することができる。
【００２９】
さらに、膜電極接合体１は、図３（Ｃ）に示すように、第１及び第２のフレームＦ１，Ｆ２の両方に接着層Ｂを有する構成にしたり、図３（Ｄ）に示すように、第１フレームＦ１の表面全体に接着層Ｂを設けた構成にしたりすることができる。
【００３０】
上記の膜電極接合体１では、先の実施形態と同様の作用及び効果を得ることができるうえに、ガスシール性のさらなる向上や、反応に寄与しないガス流量のさらなる低減を実現することができ、第１フレームＦ１の表面全体に接着層Ｂを設ければ、図示しないセパレータとの接合を同時に行うことが可能である。
【００３１】
〈第３実施形態〉
図４に示す膜電極接合体１は、これを挟持する一対のセパレータ３，４とともに単セルＣを構成している。膜電極接合体１は、図中上側のアノード側セパレータ３との間にアノードガスの流路Ｆａを形成し、図中下側のカソード側セパレータ４との間にカソードガスの流路Ｆｃを形成する。
【００３２】
そして、この実施形態の膜電極接合体１は、第１フレームＦが、電解質膜２のアノード電極ＥＡ側（図中で上側）に配置してある。この膜電極接合体１を備えた単セルＣは、厚さが相対的に大きい第１フレームＦ１をアノード側に配置することで、アノード側よりもガスの供給量が多いカソード側に、厚さが相対的に小さい第２フレームＦ２が配置されることになる。
【００３３】
これにより、上記膜電極接合体１を備えた単セルＣでは、カソード側の流路Ｆｃにおいて、とくにフレームＦの部分、すなわちマニホールド穴Ｈ１〜Ｈ６と膜電極接合体１との間でガスの分配を行う部分で、流通するガスの圧力損失を最小限にすることができ、ひいては発電性能の向上に貢献することができる。なお、図４に示すマニホールド穴Ｈ１〜Ｈ６は、セパレータ３，４側のマニホールド穴（図示略）と連通し、且つシールライン部（図１参照）により気密性が維持されているので、アノードガス及びカソードガスが互いに接触することはない。
【００３４】
〈第４実施形態〉
図５に示す膜電極接合体１は、電解質膜２の領域となる第１フレームＦ１の開口部Ｋ１の面積が、第２フレームＦ２の開口部Ｋ２の面積よりも大きいものとなっている。すなわち、図５（Ａ）に示すように、第１フレームＦ１の開口部Ｋ１は、その長辺寸法ａ１及び短辺寸法ｂ１が、第２フレームＦ２の長辺寸法ａ２及び短辺寸法ｂ２よりも大きく形成してある。換言すれば、第２フレームＦ２の開口部Ｋ２の面積は、第１フレームＦ１の開口部Ｋ１の面積よりも小さい。
【００３５】
また、この実施形態では、図５（Ｂ）に示すように、第１フレームＦが、電解質膜２のアノード電極ＥＡ側（図中で上側）に配置してある。さらに、図示例のカソード側の電極ＥＣは、触媒層ＣＣ及びガス拡散層ＧＣを備えており、電解質膜２とガス拡散層ＧＣとの間で第２フレームＦ２の内周部を挟持した構成になっている。
【００３６】
上記の膜電極接合体１は、先の実施形態と同様の作用及び効果を得ることができるうえに、アノード側の流路Ｆａとカソード側の流路Ｆｂとの間で生じるガスの差圧に対処することができる。
【００３７】
すなわち、図示例の膜電極接合体１は、アノード側流路Ｆａの圧力の方が大きくなった場合、図中の矢印で示す負荷に対して、電解質膜２のカソード側（図中で下側）に第２フレームＦ２が介在しているので、膜電極接合体２の大きな変形を抑制することができる。また、カソード側の触媒層ＣＣの端部を保護することができ、これにより同触媒層ＣＣの劣化（カーボン腐食）を防止する。なお、図示例とは逆に、電解質膜２のカソード電極ＥＣ側に第１フレームＦ１を配置した構成にすることも可能である。
【００３８】
〈第５実施形態〉
図６に示す膜電極接合体１は、アノード及びカソードの電極ＥＡ．ＥＣが、夫々の触媒層ＣＡ，ＣＣを含み、第１フレームＦ１側に配置した電極（ＥＡ）の触媒層（ＣＡ）の面積が、第２フレームＦ２側に配置した電極（ＥＣ）の触媒層（ＣＣ）の面積よりも大きいものとなっている。
【００３９】
より具体的には、膜電極接合体１は、図６（Ａ）に示すように、アノード側電極ＥＡの触媒層ＣＡの長辺寸法ａ３及び短辺寸法ｂ３が、カソード側電極ＥＣの触媒層ＣＣの長辺寸法ａ４及び短辺寸法ｂ４よりも大きい。換言すれば、第２フレームＦ２側に配置した電極ＥＣの触媒層ＣＣの面積が、第１フレームＦ１側に配置した電極ＥＡの触媒層ＣＡの面積よりも小さい。
【００４０】
上記の膜電極接合体１は、先の実施形態と同様の作用及び効果を得ることができるうえに、とくに、アノード側触媒層ＣＡの反応部を最大限利用することができ、発電性能のさらなる向上を図ることができる。また、カソード側触媒層ＣＣの端部を保護して、同触媒層ＣＣの劣化を防止することができる。なお、図示例とは逆に、電解質膜２のカソード電極ＥＣ側に第１フレームＦ１を配置した構成にすることも可能である。
【００４１】
〈第６実施形態〉
図７に示す膜電極接合体１は、第２フレームＦ２が、短冊状の複数のフレーム部材ｆ１〜ｆ８で形成されている。図７（Ａ）及び（Ｂ）に示す第２フレームＦ２は、長辺に対応する２本のフレーム部材ｆ１，ｆ２と、短辺に対応する２本のフレーム部材ｆ３，ｆ４を矩形枠状に組み合わせたものである。図７（Ｃ）に示す第２フレームＦ２は、長辺及び短辺に対応する２本のフレーム部材ｆ５，ｆ６を矩形枠状に組み合わせたものである。図７（Ｄ）に示す第２フレームＦ２は、短辺及び両長辺の半分に対応する２本のフレーム部材ｆ７，ｆ８を矩形枠状に組み合わせたものである。
【００４２】
上記の膜電極接合体１は、１枚のフレーム素材を切り欠いて開口部を形成したものに比べて、フレーム素材の歩留まりやコストの低減を実現することができると共に、フレーム部材ｆ１〜ｆ８の取り扱いが容易であるから、組立作業性が向上する。なお、第２フレームＦ２は、その構成が上記実施形態に限定されるものではなく、フレーム部材の形状や数を適宜選択することが可能である。
【００４３】
〈第７実施形態〉
図８に示す単セルＣは、フレームＦ及び膜電極接合体１と、これらを挟持する一対のセパレータ３，４を備えている。膜電極接合体１は、電解質膜２の両面に電極ＥＡ，ＥＣを備え、夫々の電極ＥＡ，ＥＣが、図示しない触媒層と、その外側に配置したガス拡散層ＧＡ，ＧＣを備えている。
【００４４】
この単セルＣは、フレームＦを構成する第１及び第２のフレームＦ１，Ｆ２により、電解質膜２の周囲（外周領域２Ａ）を挟持し、さらに、フレームＦの内周部分をアノード側及びカソード側のガス拡散層ＧＡ，ＧＣの外周部分で挟持した構造である。
【００４５】
また、フレームＦは、第１フレームＦ１の内周部に、第２フレームＦ２を収容する段差部Ｄが設けてあり、全体を均一の厚さにしており、セパレータ３，４との間には、固着機能及びシール機能を有する接着層Ｂが設けてある。
【００４６】
上記の単セルＣは、複数枚を積層してセルスタックを構成し、その際、隣接するセパレータ３，４同士を溶接Ｗにより互いに連結することができる。また、図示例の単セルＣでは、電極ＥＡ，ＥＣ及びセパレータ３，４が、電解質膜２を中心とする線対称の構成であり、これに対して第１及び第２のフレームＦ１，Ｆ２の厚さが互いに異なる。このため、フレームＦの内側で電解質膜２が屈曲した状態になるが、電極ＥＡ，ＥＣ及びセパレータ３，４の形状を適宜変更することで、電解質膜２を屈曲させることなく平面状にすることも可能である。
【００４７】
上記の単セルＣでは、膜電極接合体１において、電解質膜２の端部を保護しつつ撓みを防止することができると共に、電解質膜２の化学耐久性化学耐久性を良好に維持することができるので、良好な発電性能を長期にわたって維持することができる。
【００４８】
本発明に係わる膜電極接合体は、その構成が上記各実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で構成の細部を適宜変更したり、上記各実施形態の構成を適宜組み合わせたりすることが可能である。
【００４９】
また、上記各実施形態では、第１及び第２のフレームが樹脂製のフィルムから成る構成を例示したが、例えば、厚さが相対的に大きい第１フレームとして射出成形されたものを用いたり、第１及び第２のフレームに異種の材料を使用したりすることも可能である。なお、樹脂製のフィルムから成る第１及び第２のフレームを用いれば、単セルの薄型化や、単セルの積層体を含む燃料電池の小型軽量化を実現することができる。
【符号の説明】
【００５０】
１  膜電極接合体
２  電解質膜
３  アノード側セパレータ
４  カソード側セパレータ
Ｂ  接着層
Ｃ  単セル
ＣＡ  アノード側触媒層
ＣＣ  カソード側触媒層
ＥＡ  アノード電極
ＥＣ  カソード電極
Ｆ  フレーム
Ｆ１  第１フレーム
Ｆ２  第２フレーム
ｆ１〜ｆ８  フレーム部材
Ｋ１  第１フレームの開口部
Ｋ２  第２フレームの開口部
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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