(57)【要約】【課題】膜電極接合体１０の成形時に電解質膜１１と電極層１２との間に剥離が生じるのを抑制して、ガスケット２０成形時の不具合を解消する。また、両電極層間でガスのクロスリークが発生するのも抑制する。【解決手段】電極層１２，１２の外周部を絶縁糸１７によって電解質膜１１に対して一体に縫い込む。さらに、その縫い込み部を越えて電極層１２の内側にまで入り込むようにガスケット２０用の樹脂を入り込ませる。それにより、縫い合わせによって電解質膜１１等に生じた穴は樹脂によって閉鎖され、ガスのクロスリークが生じるのを阻止する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両面に触媒層と拡散層からなる電極層を備えた膜電極接合体と、前記膜電極接合体の周囲に形成したシール部材とを少なくとも備えた燃料電池セルであって、
前記電極層の外周部は絶縁糸によって前記電解質膜に対して一体に縫い込まれており、前記シール部材は前記縫い込み部を越えて電極層の内側にまで入り込んでいることを特徴とする燃料電池セル。
【請求項２】
電極層における前記拡散層は触媒層の周囲から延出する大きさであり、拡散層の前記延出部の領域において、前記絶縁糸による縫い込みが行われていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池セル。
【請求項３】
拡散層の前記延出部と前記電解質膜との間には樹脂フィルムからなるシール材料が挿入されており、前記シール材料も含めて前記絶縁糸により一体に縫い込まれていることを特徴する請求項２に記載の燃料電池セル。
【請求項４】
請求項１〜３に記載のいずれかの燃料電池セルがセパレータによって挟持されており、前記膜電極接合体と前記セパレータの間は前記シール部材によってシールされていることを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池セルとそれをセパレータで挟持して構成される燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池の１つとして固体高分子形燃料電池が知られている。図４は、その一例を示す断面図であり、電解質膜１の両面に触媒層と拡散層とをこの順で積層した電極層２を備えた膜電極接合体３が形成され、その両側に、ガス流路４を有するセパレータ５、５を積層して燃料電池されている。電極層２の周囲には電解質膜１ａが張り出しており、この張り出した電解質膜部分１ａとセパレータ５との間には、適宜の樹脂材料がガスケット（シール部材）６として充填されて、一体化とシール処理を施している。
【０００３】
このような膜電極接合体３の成形過程で、各部材の熱膨張差や電解質膜の吸脱水に伴う膨張収縮による応力の影響で、電解質膜と電極層との界面に剥がれが生じることがある。このような剥がれが生じると、ガスケットの成形に不具合が生じ、シール性が不十分となって、膜電極接合体の成形歩留まりが低下する。それに対処するために、特許文献１には、電極層の周縁を電解質膜に対して固定高分子電解質糸で縫い合わせて熱プレスすることが記載されている。また、特許文献２には、電解質膜の張出部にスルーホールを形成することにより、電解質膜とガスケットとの固定状態を改善すると共に、ガスケット用の樹脂を電極層の外周縁に含浸させることが記載されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−１７０８７号公報
【特許文献２】特開２００７−１８８７５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載のように、糸を用いて電極層の周縁を電解質膜に対して縫い合わせることにより、電解質膜の膨潤と収縮によって電解質膜と電極層との間に剥離が生じるのを抑制することができる。しかし、糸により縫合した結果として、両電極層間に連通孔が形成され、発電したときに、連通孔と縫合糸の間の隙間を通してガスのクロスリークが生じる恐れがある。また、特許文献２に記載のように、ガスケットを成形するときに、ガスケット用の樹脂を電極層の外周縁に含浸させること等によって、膜電極接合体とセパレータの間に高いシール性を確保することができる。しかし、前記したように膜電極接合体の成形過程で、電解質膜と電極層との界面に剥がれが生じている場合、ガスケットの成形が不十分となり、シール性を確保できなくなる恐れがある。
【０００６】
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、膜電極接合体の成形時に電解質膜と電極層との間に剥離が生じるのを抑制して、ガスケット成形時の不具合を解消して、成形歩留まりを向上させると共に、両電極層間でクロスリークが発生するのも抑制でき、また膜電極接合体とセパレータの間の充分なシール性も確保できる、燃料電池セルとそれをセパレータで挟持して構成される燃料電池を開示することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１に記載の燃料電池セルは、電解質膜の両面に触媒層と拡散層からなる電極層を備えた膜電極接合体と、前記膜電極接合体の周囲に形成したシール部材とを少なくとも備えた燃料電池セルであって、前記電極層の外周部は絶縁糸によって前記電解質膜に対して一体に縫い込まれており、前記シール部材は前記縫い込み部を越えて電極層の内側にまで入り込んでいることを特徴とする。
【０００８】
上記の燃料電池セルでは、電極層の外周部は絶縁糸によって電解質膜に対して一体に縫い込まれており、膜電極接合体の作成時などにおいて、電解質膜の寸法変化によって電解質膜と電極層との界面に剥がれが生じるのを阻止することができる。また、縫い合わせることの結果として、電解質膜と電極層の一体化に熱プレスをすることを要しないので、膜電極接合体の作成時に電解質膜に熱履歴が加わることはなく、それによっても電解質膜と電極層との界面に剥がれが生じるのを抑制できる。それにより、ガスケットのようなシール部材を膜電極接合体の周囲に設計値どおりに成形することが可能となる。また、縫い合わせた領域は、さらにその内側（電極層の中央部側）までがシール部材を構成する樹脂材料によって覆われるので、発電中に、縫合時に生じた貫通孔を通してガスのクロスリークが発生することもない。そのために、本発明によれば、高性能であり且つ耐久性に優れた燃料電池セルが得られる。
【０００９】
請求項２に記載の燃料電池セルは、請求項１に記載の燃料電池セルにおいて、電極層における前記拡散層は触媒層の周囲から延出する大きさであり、拡散層の前記延出部の領域において、前記絶縁糸による縫い込みが行われていることを特徴とする。
【００１０】
請求項１に記載の燃料電池セルにおいて、電極層を形成する触媒層と拡散層は同じ大きさであってもよい。上記請求項２に記載の燃料電池セルでは、拡散層は触媒層の周囲から延出する大きさであり、縫い込みにより、拡散層が直接電解質膜と密着する。拡散層は一般にカーボン繊維のシートやペーパーが用いられ、熱プレスにより一体化するときには、拡散層のカーボン繊維が突き刺さって電解質膜を損傷し短絡を生じさせることがあるが、請求項２に記載の燃料電池セルでは、熱プレスによらず縫い合わせにより拡散層と電解質膜とを一体化するので、繊維の突き刺さりによる電解質膜が損傷するのを大きく低減することができる。
【００１１】
請求項３に記載の燃料電池セルは、上記請求項２に記載の燃料電池セルにおいて、拡散層の前記延出部と前記電解質膜との間には樹脂フィルムからなるシール材料が挿入されており、前記シール材料も含めて前記絶縁糸により一体に縫い込まれていることを特徴する。シール材料の樹脂フィルムに特に制限はないが、ＰＥＮ樹脂フィルム、ＰＥＴ樹脂フィルムなどが好適である。シール材料の厚さは電極層を構成する触媒層と同じかそれよりもわずかに厚いことが好ましい。
【００１２】
請求項３に記載の燃料電池セルでは、樹脂フィルムからなるシール材料が挿入されることにより、電解質膜が損傷するのをさらに確実に阻止することができる。
【００１３】
請求項４に係る発明は、請求項１〜３に記載のいずれかの燃料電池セルがセパレータによって挟持されており、前記膜電極接合体と前記セパレータの間は前記シール部材によってシールされていることを特徴とする燃料電池である。
【発明の効果】
【００１４】
上記のように、本発明による燃料電池セルでは、膜電極接合体の作成時などに電解質膜と電極層との間に剥離が生じるのを確実に抑制できるので、膜電極接合体の周囲にガスケットのようなシール部材を設計値どおりに成形することができる。そのために、燃料電池セルの成形歩留まりは向上する。さらに、発電時に、両電極間にガスのクロスリークが発生するのも確実に抑制できるので、高性能であり且つ耐久性のある燃料電池セルおよびそれをセパレータで挟持した燃料電池が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、図面を参照しながら、本発明を実施の形態により説明する。
［第１形態］
図１に示す第１形態において、燃料電池セルＡ１は、膜電極接合体１０と、ガスケット２０とからなる。図１（ａ）に示すように、膜電極接合体１０は、プロトン交換基として例えばスルホン酸基を持つプロトン伝導性を備えた電解質膜１１と、その両面に積層配置した電極層１２とで構成される。電極層１２は、電解質膜１１に面する触媒層１３とその外側に積層する拡散層１４とからなる。
【００１６】
触媒層１３は、電解質樹脂と触媒担持導電体とを含む触媒混合物で形成される。前記触媒には主に白金系の金属が用いられ、該触媒を担持する導電体にはカーボン粉末が主に用いられる。拡散層１４は、主にカーボンペーパーまたはカーボンクロス等で構成される。
【００１７】
図１に示す膜電極接合体１０において、拡散層１４は触媒層１３の周囲から外側に延出する領域１５を有しており、電解質膜１１は拡散層１４の周囲からさらに張り出した大きさとなっている。そして、拡散層１４の触媒層１３から延出した領域１５と電解質膜１１との間には、例えばＰＥＮまたはＰＥＴなどである樹脂フィルムからなるシール材料１６が挿入されており、該シール材料１６の外縁は電解質膜１１の外縁にまで達している。
【００１８】
上記膜電極接合体１０の作成は、例えば、電解質膜１１の両面に電解質樹脂と触媒担持導電体とを含む触媒混合物と適宜の溶媒を混合したインク状の混合物をスクリーン印刷し乾燥することで触媒層１３を形成し、その後に、拡散層１４を積層して熱プレスするような方法で、作成することができる。
【００１９】
次に、図１（ｂ）に示すように、そのようにして作成した膜電極接合体１０における、上下の拡散層１４、１４の前記触媒層１３、１３から延出した領域１５、１５の部分を、ポリエステル樹脂、アクリル樹脂、ＰＥＮ、ＰＥＴ、ＰＴＦＥなどである絶縁材料で作った絶縁糸１７を用いて、前記シール材料１６、１６と電解質膜１１と共に縫い合わせる。それにより、電解質膜１１と電極層１２およびシール材料１６は一体に縫合され、電解質膜１１の膨張収縮によって、電解質膜１１と電極層１２を構成する拡散層１４との間に剥がれが生じるのは阻止される。
【００２０】
次に、上記のようにして絶縁糸１７で一体に縫い合わせた膜電極接合体１０を図示しない成形型に入れ、例えばシリコーン樹脂によって、膜電極接合体１０の周囲にシール部材としてのガスケット２０を射出成形することによって、燃料電池セルＡ１とされる。その際に、図１（ｃ）に示されるように、ガスケット２０を構成する樹脂が、前記絶縁糸１７による縫い合わせ位置よりも内側位置２１、すなわち電極層１２のより中央部側にまで達するようにして、ガスケット２０の射出成形を行う。これにより、絶縁糸１７によってできた電解質膜１１の穴部を通して、燃料ガスと酸化剤ガスがクロスリークするのは完全に阻止される。また、膜電極接合体１０の各部材は絶縁糸１７によって一体に縫い合わされており、製造の過程で部材間に剥がれが生じることはなく、ガスケット２０の成形は設計値どおりに、不都合なく行われる。
【００２１】
また、上記のように、電解質膜１１に対する電極層１２の一体化は、熱プレスを行うことなく絶縁糸１７による縫い合わせのみによって行われるので、電解質膜１１の損傷も防止できる。さらに、この形態では、拡散層１４の触媒層１３から延出した領域１５と電解質膜１１との間に樹脂フィルムからなるシール材料１６が挿入されており、高いシール性も達成できる。
【００２２】
図１（ｃ）に示した燃料電池セルＡ１の両側に、従来知られたセパレータを配置して挟持することにより、図示しない燃料電池とされるが、膜電極接合体１０の周囲に形成されたガスケット２０は所期どおりのものであり、膜電極接合体１０とセパレータ２０の間には高いシール性が確保される。そのために、高性能でありかつ耐久性のある燃料電池が得られる。
【００２３】
［第２形態］
図２は本発明による燃料電池セルの第２形態を示す。この燃料電池セルＡ２は、電極層１２を構成する触媒層１３と拡散層１４の大きさが同じであり、従って、シール材料１６を有しない点で、図１に示した第１の形態の燃料電池セルＡ１と相違している。他の構成は、第１の形態の燃料電池セルＡ１と同じであり、同じ符号を付している。
【００２４】
図２（ａ）に示すように、燃料電池セルＡ１の場合とほぼ同様にして膜電極接合体１０を作成し、次に、図２（ｂ）に示すように、電極層１２の周囲を絶縁糸１７で縫い合わせて、上下の電極層１２，１２と電解質膜１１とを一体化する。次に、それを図示しない成形型に入れ、例えばシリコーン樹脂によって、膜電極接合体１０の周囲にシール部材としてのガスケット２０を射出成形することによって、燃料電池セルＡ２とされる。
【００２５】
［第３形態］
図３は本発明による燃料電池セルの第３形態を示す。この燃料電池セルＡ３は、拡散層１４が触媒層１３より大きいこと、電解質膜１１は拡散層より大きさことは、図１に示した第１の形態の燃料電池セルＡ１と同じであるが、拡散層１４の触媒層１３から延出した領域１５と電解質膜１１との間に樹脂フィルムからなるシール材料１６を備えない点で、第１の形態の燃料電池セルＡ１と相違している。他の構成は、第１の形態の燃料電池セルＡ１と同じであり、同じ符号を付している。
【００２６】
この形態でも、図３（ａ）に示すように、燃料電池セルＡ１の場合とほぼ同様にして膜電極接合体１０を作成し、次に、図３（ｂ）に示すように、拡散層１４の前記延出している領域１５の箇所を絶縁糸１７で縫い合わせる。それにより、上下の電極層１２，１２を構成する拡散層１４，１４と電解質膜１１とは一体化する。カーボン繊維で作られる拡散層１４が直接電解質膜１１に接することとなるが、熱プレスによる一体化を必要としないので、電解質膜１１が損傷することはない。次に、それを図示しない成形型に入れ、例えばシリコーン樹脂によって、膜電極接合体１０の周囲にシール部材としてのガスケット２０を射出成形することによって、燃料電池セルＡ３とされる。
【００２７】
この場合も、燃料電池セルＡ２、Ａ３の両側に、従来知られたセパレータを配置して挟持することにより、図示しない燃料電池とされるが、燃料電池セルＡ１の場合と同様、膜電極接合体１０の周囲に形成されたガスケット２０は所期どおりのものであり、膜電極接合体１０とセパレータ２０の間には高いシール性が確保される。そのために、第２の形態および第３の形態においても、高性能でありかつ耐久性のある燃料電池が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】図１（ａ）（ｂ）（ｃ）は本発明による第１の形態の燃料電池セルをその作成工程と共に説明する概略図。
【図２】図２（ａ）（ｂ）（ｃ）は本発明による第２の形態の燃料電池セルをその作成工程と共に説明する概略図。
【図３】図３（ａ）（ｂ）（ｃ）は本発明による第３の形態の燃料電池セルをその作成工程と共に説明する概略図。
【図４】固体高分子型燃料電池の一例を説明するための図。
【符号の説明】
【００２９】
Ａ１〜Ａ３…燃料電池セル、１０…膜電極接合体、１１…電解質膜、１２…電極層、１３…触媒層、１４…拡散層、１５…拡散層が触媒層よりも延出している領域、１６…樹脂フィルムからなるシール材料、１７…絶縁糸、２０ガスケット（シール部材）、２１…シール部材が縫い込み部を越えて電極層の内側にまで入り込んでいる部分
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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