(57)【要約】      （修正有）【課題】樹脂製フレームからの樹脂材料の溶出を抑制し、燃料電池や周辺の駆動装置へ与える悪影響を防止する膜電極接合体と、この膜電極接合体を用いた燃料電池を提供する。【解決手段】フレーム付き膜電極接合体５ａは、電解質膜１の両面に触媒層２と拡散層３とがこの順で積層された電極４を備えた膜電極接合体５と、この膜電極積層体５の電極の周囲に張り出している電解質膜部分を両面から接着剤を介して挟持する一対の樹脂フレーム２０とを備えており、樹脂フレーム２０は、アルカリ性の原料が混入されている。樹脂フレーム２０は、尿素樹脂で形成されていることが好ましい。【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とがこの順で積層された電極を備えた膜電極積層体と、該膜電極積層体の電極の周囲に張り出している電解質膜部分を両面から接着剤を介して挟持する一対の樹脂フレームとを備えた膜電極接合体であって、
前記樹脂フレームは、アルカリ性の原料が混入されていることを特徴とするフレーム付き膜電極接合体。
【請求項２】
前記樹脂フレームは、尿素樹脂で形成されていることを特徴とする請求項１に記載のフレーム付き膜電極接合体。
【請求項３】
前記樹脂フレームは、尿素とホルムアルデヒド水溶液を原料とし、アルカリ性又は酸性下で脱水縮合反応を行なって得られた液状縮合物を、ガラスファイバ等の補強材料と混合して形成されていることを特徴とする請求項２に記載のフレーム付き膜電極接合体。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載のフレーム付き膜電極接合体とセパレータとを接着剤を介して積層して形成され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、固体高分子型燃料電池で用いられるフレーム付き膜電極接合体と、それを用いた燃料電池に係り、特に、樹脂材料から形成されたフレームの耐久性を向上させたフレーム付き膜電極接合体と、それを用いた燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のフレーム付き膜電極接合体として、例えば、特許文献１に記載の燃料電池で使用されているセパレータは、集電部を挟持するように一体化された外側枠体と膜電極複合体（ＭＥＡ）側枠体とを備えている。セパレータを構成する外側枠体と膜電極複合体（ＭＥＡ）側枠体の材質は、絶縁性で、加工性が良く、軽く、機械的強度が大きいものが好ましい。このような材料としては、プリント配線基板用の基板材料等が用いられ、例えば、ポリイミド等の樹脂、ガラスエポキシ等の樹脂と無機材料との複合体、絶縁性被膜を備えた金属、セラミック等が挙げられる。
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−１０７８９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、前記構造の燃料電池のセパレータでは、燃料電池の運転中には膜電極接合体の周辺では酸性環境となり、膜電極接合体の補強のための樹脂製フレームは、酸による溶出が起こりやすく、特に溶出した樹脂のうちの、シリコン樹脂が他の部品、例えば、燃料電池を運転する際に膜電極接合体に加湿水蒸気を供給する加湿モジュールに悪影響を与え、それらの部品が劣化する恐れがあった。
【０００５】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、燃料電池を運転中に膜電極接合体周辺の酸性環境を中和することで、膜電極接合体を構成する樹脂製フレームからの樹脂材料の溶出を抑制し、燃料電池や周辺の駆動装置へ与える悪影響を防止する膜電極接合体を提供することにある。また、前記の膜電極接合体を用い、燃料電池や周辺の駆動装置の耐久性を向上させることができる燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記目的を達成すべく、本発明に係る膜電極接合体は、電解質膜の両面に触媒層と拡散層とがこの順で積層された電極を備えた膜電極積層体と、該膜電極積層体の電極の周囲に張り出している電解質膜部分を両面から接着剤を介して挟持する一対の樹脂フレームとを備えており、樹脂フレームは、アルカリ性の原料が混入されていることを特徴としている。
【０００７】
前記のごとく構成された本発明の膜電極接合体は、セパレータと共に複数層に積層されて燃料電池として構成され、周辺の駆動装置と共に発電のために運転されたとき、膜電極接合体の周辺は酸性環境となるが、膜電極接合体を構成する樹脂製のフレームがアルカリ性原料を混入しているため、前記の酸性環境を中和して樹脂材料の溶出が抑制される。これにより燃料電池周辺の、例えば、加湿モジュールの劣化が防止され、システムとしての燃料電池の長寿命化を達成できる。
【０００８】
また、本発明に係る膜電極接合体の好ましい具体的な態様としては、前記樹脂フレームは、尿素樹脂で形成されていることを特徴としている。樹脂フレームが尿素樹脂等のアルカリ性原料が含まれる材料から形成されることで、燃料電池の運転時における膜電極接合体周辺の酸性環境による樹脂材料の溶出が防止され、膜電極接合体の安定性が保たれ、燃料電池からの出力電圧の安定性が確保される。
【０００９】
前記樹脂フレームは、尿素とホルムアルデヒド水溶液を原料とし、アルカリ性又は酸性下で脱水縮合反応を行なって得られた液状縮合物を、ガラスファイバ等の補強材料と混合して形成されていることが好ましい。この構成によれば、液状縮合物は補強材料と混合されているため、樹脂材料の溶出が防止されると共に、樹脂フレームの長寿命化を達成することができる。
【００１０】
本発明の燃料電池は、前記のいずれかに記載のフレーム付き膜電極接合体とセパレータとを接着剤を介して積層して形成されるものである。このように構成された燃料電池は、燃料電池の運転中に、膜電極接合体の周辺が酸性環境になっても樹脂フレームからの樹脂材料の溶出が防止され、燃料電池の長寿命化と、燃料電池の周辺の装置への悪影響を防止でき、システムとしての燃料電池装置の安定化を図ることができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、膜電極接合体を構成する樹脂製のフレームから樹脂材料が溶出するのを抑制することができ、膜電極接合体の耐久性を向上させることができる。また、燃料電池を駆動する周辺の駆動装置への悪影響を防止して燃料電池装置の長寿命化を達成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明に係る燃料電池で用いられる膜電極接合体の一実施形態を図面に基づき詳細に説明する。図１は、本実施形態に係る樹脂製のフレーム付き膜電極接合体を用いた燃料電池の分解した状態を示す斜視図、図２は、図１のフレーム付き膜電極接合体と、セパレータとを分解した状態の燃料電池の断面図である。
【００１３】
図１，２において、本発明の膜電極接合体は、固体高分子型燃料電池を構成するものであり、電解質膜１の両側に触媒層２と拡散層３とが電極（アノード側電極、カソード側電極）４として、この順で積層された膜電極接合体（ＭＥＡ）５が形成され、それを両面にリブ（ガス流路）６、６を備えたセパレータ７で挟持して単セルと呼ばれる１つの燃料電池１０が形成される。そして、通常、多数個の単セルが気密に組み付けられた燃料電池スタック１１とされ、実用に供される。セパレータ７の外周領域にはガス流路となる穴（マニホルド穴）８・・が形成され、燃料電池の運転に必要な燃料ガス（水素）および酸化ガス（酸素、通常は空気）がマニホルド穴８・・を通してセパレータ７の両面に形成したリブ（ガス流路）６、６を介して電極４、４にそれぞれ供給される。また、冷却水用のマニホルド穴も設けられる場合もある。
【００１４】
このように構成された燃料電池スタック１１は、高い電池性能を得るために、膜電極接合体５とセパレータ７とが高い精度で位置合わせされ、かつ、等しい面圧で気密に積層されている。そのため、膜電極接合体５の周囲に張り出している電解質膜部分１ａを、当該電解質膜部分１ａを含む面積よりも一回り大きな樹脂フレーム２０，２０で、シール機能を備えた接着剤２１を介して、上下から挟持一体化したフレーム付きの膜電極接合体５ａを造り、その樹脂フレーム２０，２０を利用して、同様にシール機能を備えた接着剤２１を用いてセパレータ７，７を積層一体化して燃料電池１０としている。９は樹脂フレーム２０，２０の姿勢を安定化するためのスペーサである。
【００１５】
本実施形態の樹脂フレーム２０，２０は、例えば、尿素樹脂の樹脂材料が用いられる。このようにフレーム付きの膜電極接合体を用いることにより、膜電極接合体の保形性を高めることでセパレータとの積層一体化作業が容易となると共に、膜電極接合体とセパレータとの接触面の高い平坦性も確保することができる。
【００１６】
尿素樹脂から形成される本実施形態の樹脂製のフレーム２０は、例えば、尿素とホルムアルデヒド水溶液を原料とし、アルカリ性又は酸性下で脱水縮合反応を行なって得られた液状縮合物を成形型内に充填し、ガラスファイバ等の補強材料と混合して形成され、尿素樹脂で形成されている。このため、樹脂フレーム２０は、アルカリ性の原料が混入されると共に、所望の強度と平坦性が付与されている。なお、補強材料としては、前記のガラスファイバの他に炭素繊維を用いてもよい。
【００１７】
前記の如く構成された本実施形態のフレーム付き膜電極接合体５ａを用いた燃料電池スタック１１の動作について以下に説明する。燃料電池スタック１１のマニホルド穴８・・を介して燃料電池の運転に必要な燃料ガスと酸化ガスが供給されると、膜電極接合体５内で燃料ガスと酸化ガスとが反応する電気化学反応が行なわれ、水素と酸素が反応して水が発生すると共に、電極４，４間に電圧が発生する。各燃料電池１０で発生した電圧は直列に出力され、燃料電池スタック１１から高電圧が得られる。
【００１８】
前記の電気化学反応において、電解質膜１の周辺では酸性環境となる。そして、この酸性環境でフレームつき膜電極接合体５ａを構成する樹脂製のフレーム２０は酸性に晒されるが、この樹脂フレームはアルカリ性の原料を含んでいるため、前記の酸性環境が中和され、樹脂フレーム２０から樹脂材料が溶出することはない。この結果、燃料電池スタック１１を運転させるための周辺装置、例えば燃料電池１０に加湿水蒸気を供給する加湿モジュールへ溶出した樹脂材料が影響を与えることがなくなり、システムとしての燃料電池装置の長寿命化を達成できる。
【００１９】
以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。例えば、アルカリ性の原料が混入されているアルカリ材料として尿素樹脂の例を示したが、アルカリ性を示す樹脂であれば他の樹脂材料を用いてもよい。
【００２０】
尿素樹脂の他に、樹脂フレームに、水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）、水酸化カリウム（ＫＯＨ）、水酸化カルシウム（Ｃａ（ＯＨ）２）、水酸化バリウム（Ｂａ（ＯＨ）２）、水酸化鉄（Ｆｅ（ＯＨ）３）、炭酸ナトリウム（Ｎａ２ＣＯ３）のようなアルカリ性の原料を混入することもできる。
【産業上の利用可能性】
【００２１】
本発明の活用例として、このフレーム付き膜電極接合体を用いて、平面型の固体高分子型燃料電池の製造方法の用途にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明に係る樹脂製のフレーム付き膜電極接合体を用いた燃料電池の分解した状態を示す斜視図。
【図２】図１のフレーム付き膜電極接合体と、セパレータとを分解した状態の燃料電池の断面図。
【符号の説明】
【００２３】
１：電解質膜、２：触媒層、３：拡散層、４：電極、５：膜電極接合体（ＭＥＡ）、５ａ：フレーム付き膜電極接合体、７：セパレータ、１０：燃料電池、１１：燃料電池スタック、２０：樹脂フレーム、２１：接着剤
【図１】
2009076309.tif 000003
【図２】
2009076309.tif 000004