(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子電解質膜と、
前記高分子電解質膜を挟む触媒層を有する一対の電極と、
前記各電極の周縁部に配したガスケットと、を具備し、
少なくとも一方のガスケットの電極側の端面と、前記高分子電解質膜と前記ガスケットとの接面とがなす角度βが９０°＜β＜１８０°であり、
前記ガスケットが、前記電極の周縁部において、前記高分子電解質膜と接合し、一体化するように配置されていることを特徴とする膜電極接合体。
【請求項２】
前記電極および前記ガスケットの少なくとも一方が、打ち抜き型により所定のサイズに切断されている請求項１に記載の膜電極接合体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高分子電解質型燃料電池に関する。さらに詳しくは、高分子電解質膜を挟む電極およびその周縁部に配したガスケットの対向する端面部分の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高分子電解質型燃料電池は、水素などの燃料ガスと空気などの酸化ガスをガス拡散電極によって電気化学的に反応させて、電気と熱とを同時に発生させるものである。このような高分子電解質燃料電池の一般的な構成を図１に示した。図１において、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜１１の両面には、白金族金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする触媒層１２が密着して配置されている。触媒層１２の外面には、ガス通気性と導電性を兼ね備えた一対の拡散層１３がこれに密着して配置されている。この拡散層１３と触媒層１２により電極１４が構成される。電極１４の外側には、導電性セパレータ板１６が配置されている。導電性セパレータ板１６は、電極１４と高分子電解質膜１１とで形成される膜−電極接合体（ＭＥＡ）を機械的に固定するとともに、隣接するＭＥＡ同士を互いに電気的に直列に接続し、さらに電極に反応ガスを供給しかつ反応により発生したガスや余剰のガスを運び去るためのガス流路１７を一方の面に有する。
【０００３】
ガス流路は、セパレータ板１６と別に設けることもできるが、セパレータ板の表面に溝を設けてガス流路とする方式が一般的である。セパレータ板１６の他方の面には、電池温度を一定に保つための冷却水を循環させる冷却流路１８が設けられる。このように冷却水を循環させることにより、反応により発生した熱エネルギーは、温水などの形で利用することができる。
このような積層型の電池では、ガスの供給孔および排出孔、さらには冷却水の供給孔および排出孔を、積層電池内部に確保したいわゆる内部マニホルド型が一般的である。
【０００４】
電極１４の周縁部には、それぞれ対極へのガス漏れあるいは外部へのガスの漏れを防止するためにシール機能を有するガスケット１５が設けられる。ガスケットには、Ｏリング、ゴム状シート、弾性樹脂と剛性樹脂との複合シートなどが用いられる。ＭＥＡの取り扱い性の観点からは、ある程度剛性を有する複合材系のガスケットをＭＥＡと一体化させることが多い。上記のような高分子電解質型燃料電池スタックでは、バイポーラ板等の構成部品の電気的接触抵抗を低減するため、電池全体を恒常的に締め付けることが必要である。このためには、多数の単電池を一方向に積み重ね、その両端にそれぞれ端板を配置し、その２つの端板の間を締結用部材を用いて固定することが効果的である。締め付け方式としては、単電池を面内でできるだけ均一に締め付けることが望ましい。機械的強度の観点から、端板等の締結用部材にはステンレス鋼などの金属材料が通常用いられる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような剛性のあるガスケットを用いている高分子電解質型燃料電池においては、ガスケットと電極との間の高分子電解質膜部分に、燃料ガスと酸化剤ガスの差圧、電池への振動などの負荷が集中し、電極あるいはガスケット端面のエッジ部で高分子電解質膜の破損が起こりやすいという問題がある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
以上の課題を解決するため本発明の膜電極接合体は、高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜を挟む触媒層を有する一対の電極と、前記各電極の周縁部に配したガスケットと、を具備し、少なくとも一方のガスケットの電極側の端面と、前記高分子電解質膜と前記ガスケットとの接面とがなす角度βが９０°＜β＜１８０°であり、前記ガスケットが、前記電極の周縁部において、前記高分子電解質膜と接合し、一体化するように配置されていることを特徴とする。
これらガスケットおよび電極の少なくとも一方は、打ち抜き型により所定のサイズに形成されていてもよい。その切断面と、その切断面を有するガスケットおよび／または電極と高分子電解質膜との接面とが鈍角になるように、電解質膜と接合されていることが好ましい。
【０００７】
【発明の実施の形態】
上記のように本発明の高分子電解質型燃料電池においては、電極端部の切断面と、高分子電解質膜と前記電極との接面とがなす角度が鈍角になっている。このため、電極端部のエッジ部で高分子電解質膜を破損することが少ない。また、ガスケット端部の切断面と、高分子電解質膜と前記ガスケットの接面とがなす角度が鈍角になっている。したがって、ガスケット端部のエッジ部で高分子電解質膜を破損することが少ない。さらに、ガスケットおよび電極端部の切断面がともに鈍角になっていると、ガスケットと電極との間の高分子電解質膜の破損がより少なくなる。
本発明に用いる電極の電極基材は、カーボンペーパーなどの炭素繊維からなる不織布であるのが好ましい。
ガスケットは、非導電性弾性樹脂と非導電性剛性樹脂から構成されるのが好ましい。
【０００８】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図２は、高分子電解質膜２１、これを挟む一対の電極２３および電極の周縁部に配した一対のガスケット２５からなるＭＥＡを示している。高分子電解質膜の破損が問題となる電極周縁部においては、拡散層が直に高分子電解質膜に接しているので、図２では、触媒層を省略して示している。図３は、電極周縁部におけるＭＥＡの要部の拡大断面図である。本発明では、少なくとも一方の電極２３の外周端面と、高分子電解質膜２１と前記電極２３との接面とがなす角度αを９０°＜α＜１８０°とする。または、少なくとも一方の電極側のガスケット２５の端面と、高分子電解質膜２１と前記ガスケット２５の接面とがなす角度βを９０°＜β＜１８０°とする。図３（ａ）では、電極およびガスケットの端面が直線状になっているが、図３（ｂ）および（ｃ）のように、電極およびガスケットの端面が丸みをもっていてもよいことはいうまでもない。図３は、一対の電極および一対のガスケットがともに前記の条件を満たす最も好ましい態様を示している。
【０００９】
【実施例】
本発明に好適の実施例を、図面を参照しながら詳細に説明する。
《実施例１》
粒径が数ミクロン以下のカーボン粉末を塩化白金酸水溶液に浸漬し、還元処理によりカーボン粉末の表面に白金触媒を担持させた。カーボンと担持した白金との重量比は１：１とした。ついで、この白金を担持したカーボン粉末を高分子電解質のアルコール溶液中に分散させ、スラリー化した。
一方、電極となる厚さ４００μｍのカーボンペーパーを、フッ素樹脂の水性ディスパージョン（ダイキン工業（株）製：商品名ネオフロンＮＤ１）に含浸した後、これを乾燥し、４００℃で３０分加熱処理して撥水性を付与した。次に、撥水処理を施したカーボンペーパーの片面に、カーボン粉末を含む上記のスラリーを均一に塗布して触媒層を形成した。これを電極サイズの打ち抜き型で打ち抜き、電極とした。
【００１０】
このとき打ち抜き型の刃の角度および向きを調整することにより、図５（ａ）に示すように、電極２３の端面と、電極２３と高分子電解質膜２１との接面とがなす角度αを１３５°にした。
このようにして作製した２枚の電極２３を、電極よりも一回り外寸の大きい高分子電解質膜２１の両面に、触媒層を有する面がそれぞれ高分子電解質膜と向き合うようにして、高分子電解質膜の中央に位置するようにして重ね合わせた。それら電極の外周部には、シリコンゴム／ポリエチレンテレフタレート／シリコンゴムの３層に積層した複合材料ガスケットを位置合わせし、１００℃で５分間ホットプレスしてＭＥＡを得た。ここに用いたガスケット２５は、図５（ａ）に示すように、その内縁部の切断面と高分子電解質膜の接面とのなす角度βが９０°になるよう打ち抜き型を調整した。このＭＥＡを用いて構成した単電池を電池Ａとする。
【００１１】
《実施例２》
図５（ｂ）に示すように、電極および高分子電解質膜の接面と電極の端面とがなす角度αが９０°、ガスケットおよび高分子電解質膜の接面とガスケットの端面とがなす角度βが１３５°であること以外は実施例１と同様にしてＭＥＡを得た。このＭＥＡを用いて構成した単電池を電池Ｂとする。
【００１２】
《実施例３》
図５（ｃ）に示すように、電極および高分子電解質膜の接面と電極の端面とがなす角度αが１３５°、ガスケットおよび高分子電解質膜の接面とガスケットの端面とがなす角度βが１３５°であること以外は実施例１と同様にしてＭＥＡを得た。このＭＥＡを用いて構成した単電池を電池Ｃとする。
【００１３】
《比較例１》
図５（ｄ）に示すように、電極および高分子電解質膜の接面と電極の端面とがなす角度αが９０°、ガスケットおよび高分子電解質膜の接面とガスケットの端面とがなす角度βが９０°であること以外は実施例１と同様にしてＭＥＡを得た。このＭＥＡを用いて構成した単電池を電池Ｄとする。
【００１４】
以上の単電池について、電池温度７５℃において、アノードに露点が８５℃となるように加湿した水素を１気圧で供給し、カソードに露点が７５℃となるように加湿した空気を２気圧で供給し、水素利用率７０％、酸素利用率２０％、電流密度０．７Ａ／ｃｍ2で６時間作動させた。その後電流密度を０Ａ／ｃｍ2にして水素側を窒素に置換し、セル温度を室温（約２５℃）に降温し、アノード、カソードともに常圧密閉状態で６時間放置した。この作動条件を１サイクルとして、サイクルを繰り返した。そのときのサイクル数に対する０．７Ａ／ｃｍ2における電圧を図６に示した。
図６から実施例１、２および３による電池Ａ、ＢおよびＣは、それぞれ比較例の電池Ｄに比べて寿命が長くなっていることがわかる。電圧が低下した電池を分解してＭＥＡを観察したところ、すべて電極とガスケットとの境界部における高分子電解質膜の破損やピンホールによるものであった。すなわち、実施例の構成によれば、電極とガスケットとの境界部における電解質膜への負荷を軽減できていることがわかる。
【００１５】
次に、上記と同じ条件で各電池を作動させ、電流密度０．７Ａ／ｃｍ2で電力を取り出しながら、単電池に対して加速度３Ｇ、周波数２０Ｈｚの振動を加える試験を行った。試験時間に対する０．７Ａ／ｃｍ2での電圧の変化を図７に示した。図７から実施例の電池Ａ、ＢおよびＣは、それぞれ比較例の電池Ｄに比べてサイクル寿命が長くなっていることがわかる。電圧が低下した電池を分解してＭＥＡを観察したところ、すべて電極とガスケットとの境界部における高分子電解質膜の破損やピンホールによるものであった。
【００１６】
以上から明らかなように、本発明の構造により、高分子型燃料電池の起動・停止や振動による性能の低下を抑制できることがわかる。
実施例においては、打ち抜き型により切断面の角度を調整したが、他の成形技術、例えば切削加工、熱成形などにより切断面の角度の調整を行った場合も同様の効果が得られる。また、実施例においては、電極およびガスケットの切断面はフラットであるが、切断面の接線方向と高分子電解質膜の接面とがなす角度を実施例と同様に調整すれば曲面であっても同様の効果が得られる。
【００１７】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、高分子電解質型燃料電池の作動時に起きる燃料ガスと酸化剤ガスの差圧や外部からの振動による応力などによる電極とガスケットとの間の高分子電解質膜の破損による性能の低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】高分子電解質型燃料電池の構成を示す縦断面図である。
【図２】同電池のＭＥＡの縦断面略図である。
【図３】本発明の高分子電解質型燃料電池のＭＥＡの実施の形態を示す要部の断面図である。
【図４】従来例の高分子電解質型燃料電池のＭＥＡの要部の断面図である。
【図５】実施例および比較例の高分子電解質型燃料電池のＭＥＡの要部の断面図である。
【図６】実施例および比較例の高分子電解質型燃料電池の起動・停止のサイクル数と定電流密度での電圧変化を示す図である。
【図７】実施例および比較例の高分子電解質型燃料電池の振動試験のサイクル数と定電流密度での電圧変化を示す図である。
【符号の説明】
１１、２１  高分子電解質膜
１２  触媒層
１３  拡散層
１４、２３  電極
１５、２５  ガスケット
１６  セパレータ板
１７  ガス流路
１８  冷却水の流路
【図１】
0004859281.tif 000002
【図２】
0004859281.tif 000003
【図３】
0004859281.tif 000004
【図４】
0004859281.tif 000005
【図５】
0004859281.tif 000006
【図６】
0004859281.tif 000007
【図７】
0004859281.tif 000008