JP2002305008A

JP2002305008A - 固体高分子電解質形燃料電池とその製造方法

Info

Publication number: JP2002305008A
Application number: JP2001107020A
Authority: JP
Inventors: Akihiro Kabasawa; 明裕樺澤
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2001-04-05
Filing date: 2001-04-05
Publication date: 2002-10-18

Abstract

(57)【要約】【課題】固体高分子電解質膜の圧縮クリ─プによる膜厚
の低下が効果的に抑制され、長期間安定して運転できる
ものとする。【解決手段】固体高分子電解質膜１Ａの両面に電極２、
２Ａと集電体３、３Ａを配し、ガス流通溝５を備えた一
組のセパレ─タ４で挟持して構成されるセルにおいて、
固体高分子電解質膜１Ａのカソ─ドガス入口６近傍の領
域Ｐの膜厚を他の部分の膜厚より厚く形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、固体高分子電解質
形燃料電池、特にその電解質膜の構成とその製造方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】固体高分子電解質形燃料電池（ＰＥＦ
Ｃ： Polymer Electrolyte Fuel Cell）は、電解質に高
分子膜を用いる燃料電池で、出力密度が高い、電池寿命
が長いなどの特徴を持つ。図８は、固体高分子電解質形
燃料電池の一般的なセルの基本構成を示す断面模式図で
ある。図に見られるように、固体高分子電解質膜１の周
辺部を除く領域、すなわち電極反応部に電極２と集電体
３を配置し、周辺部においてガス流通溝５を備えたセパ
レータ４で挟持して単セルが構成されている。なお、集
電体３はガス流通溝５に流れる反応ガスを電極２へ拡散
する拡散層の役割も兼ねている。また、カソードガス
は、セパレータ４の一端に備えられたカソードガス入口
マニホールド６から導入され、集電体３の面に沿ってガ
ス流通溝５を流れたのち、相対する他端にに設置された
カソードガス出口マニホールド７から排出される。同様
に、アノードガスはアノードガス入口マニホールド８か
ら導入され、ガス流通溝５を流れたのち相対する他端に
に設置されたアノードガス出口マニホールド９から排出
される。また、図８には示されていないが、セパレータ
４の外面には発電に伴って生じる発熱を除去するための
冷却水を流通させるための冷却水流通溝が設置されてい
る。

【０００３】セルに組み込まれる固体高分子電解質膜
は、図８のごとく厚さの均一な膜よりなるもののほか、
例えば特開平８―185881号公報に開示されているものの
ごとく、中央部の厚さを周辺部に比べて薄くしたもの、
あるいは、特開2000―100456号公報、特開2000―100456
号公報に開示されているもののごとく、電極が形成され
た部分の厚さに比べて、セパレータで直接挟持する周辺
部の厚さを厚くしたものが知られている。また、固体高
分子電解質膜にはパーフルオロカーボンスルホン酸膜
（例えば、米国デュポン社製、商品名ナフィオン膜）な
どが用いられており、挟持前の初期膜厚は、通常、 30
〜 200μｍである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記のように、固体高
分子電解質形燃料電池の固体高分子電解質膜にはナフィ
オン膜等のパーフルオロカーボンスルホン酸膜が用いら
れているが、ナフィオンに代表されるパーフルオロ系電
解質は、非架橋であるために耐熱性が低く、ガラス転移
温度近傍でクリープするという性質がある。このため、
パーフルオロ系電解質からなる固体高分子電解質膜に圧
力を加え続けると、クリープを生じて、その膜厚が減少
する。このクリープは膜内に水を十分に含んでいるほど
生じ易く、温度が高いほど進行が早い。また、高い圧力
が集中的に加わっているほど進行が早くなる。

【０００５】これに対して、固体高分子電解質形燃料電
池では、電極と集電体との間、ならびに集電体とセパレ
ータとの間の電気的接触を良好に保つために、積層方向
に一定圧力で占めつけて構成されており、固体高分子電
解質膜は加圧圧縮された状態にある。さらに、固体高分
子電解質膜は、プロトン導電性を維持するために飽和に
含水されて使用され、加温した運転温度（室温〜約 100
℃）で使用されるためクリープが生じ易い条件下にあ
る。

【０００６】このとき生じるクリープ変形量は、固体高
分子電解質膜が曝される条件に依存するので、セル面内
で一様ではなく、例えば温度の高い部分では変形量が大
きくなって膜厚が薄くなる。膜厚が薄くなると、ガスの
クロスリーク量、すなわち、アノードとカソードとの間
のガスの漏洩量が増加するので、電池特性が低下するこ
ととなる。また、膜厚が薄くなった部分では膜の引張強
度が低下するので、長時間運転を継続すると、アノード
ガスとカソードガスとの圧力差等によって膜厚の薄くな
った部分が破損し、電池運転が不可能となる恐れがあ
る。

【０００７】これらの難点を解決するために、特開平６
―333581号公報には、固体高分子電解質膜に加わる応力
の集中を回避する構造として、固体高分子電解質膜の両
面に電極を介して配される二つのセパレータのガス流通
溝形成用のリブ部（凸状隔壁）の位置を互いにずらせて
組み込む構造が開示されている。しかしながら、この構
造においては、セパレータの加工に伴う寸法誤差や組立
て時に生じる寸法誤差によって、相対するセパレータの
リブ部（凸状隔壁）が局部的に対向して力を及ぼし、き
わめて大きな応力集中を生じる恐れがある。また、特開
平６―333582号公報には、同じく固体高分子電解質膜に
加わる応力の集中を回避する構造として、固体高分子電
解質膜の両面に適量に選定された厚さを持つスペーサを
配してセパレータで挟持する構造が開示されている。こ
の構造を用いれば、固体高分子電解質膜の電極反応部に
加わる応力は相対的に低下するが、温度等の差によって
圧縮クリープが電極反応部の一部で生じる場合には、必
ずしも有効でない。

【０００８】本発明は、上記のごとき従来技術の難点を
考慮してなされたもので、固体高分子電解質膜の圧縮ク
リープによる局部的な膜厚の低下が効果的に抑制され、
長期間にわたって安定して運転できる固体高分子電解質
形燃料電池とその製造方法を提供することを目的とす
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明においては、（１）固体高分子電解質膜の両面に電極層を形成した膜
・電極接合体と、膜・電極接合体を挟持する一組のセパ
レータを備え、かつ、このセパレータが、膜・電極接合
体の側の面に、アノードガスあるいはカソードガスが流
れるガス流通用溝を有する固体高分子電解質形燃料電池
において、上記の固体高分子電解質膜を、例えばパーフ
ルオロカーボンスルフォン酸系樹脂により形成し、この
固体高分子電解質膜の電極を形成した電極反応部の一部
の領域、例えば、アノード側の電極層に供給するアノー
ドガスの入口部の近傍領域、カソード側の電極層に供給
するカソードガスの入口部の近傍領域、および電極反応
部の中央部の領域のうちの少なくともいずれか一つ領域
の膜厚を、その他の部分の膜厚より厚く形成することと
する。

【００１０】（２）また、膜厚が均一な固体高分子電解
質の膜の一部の領域に、例えばフォトレジストを用いて
形成されたマスクにより塗布領域を定めて、固体高分子
電解質の溶液を塗布することによって、膜の一部の領域
の膜厚がその他の部分の膜厚より厚い固体高分子電解質
膜を作製する方法を用いて、上記（１）の固体高分子電
解質形燃料電池を製造することとする。

【００１１】（３）さらに上記の（２）において、塗布
する固体高分子電解質の溶液に、塗布される固体高分子
電解質の膜のイオン交換容量と異なるイオン交換容量を
有する固体高分子電解質の溶液を用いることとする。固
体高分子電解質形燃料電池を上記（１）のごとく構成す
れば、アノードガスの入口部の近傍領域やカソードガス
の入口部の近傍領域等の、水素あるいは酸素の濃度が高
く、電池反応が活発で、温度が上昇し易い領域、あるい
は、中央部分に位置し、相対的に温度が上昇する領域等
の圧縮クリープ変形が起こしやすい領域の固体高分子電
解質膜の膜厚が予め厚く形成されているので、圧縮クリ
ープ変形を生じてもクロスリークを生じる恐れがなく、
長時間運転が可能となる。

【００１２】なお、膜厚を過度に厚くするとその部分の
電気抵抗が増大して電池特性を低下させてしまうので、
膜厚を厚くした領域の膜厚と通常の膜厚の薄い領域の膜
厚との比は３以下に選定するのが望ましい。また、
（２）のごとき方法を用いれば、（１）のごとき固体高
分子電解質形燃料電池を容易に製造することができる。
また、上記の（３）のごとくとし、膜のイオン交換容量
より大きいイオン交換容量をもつ固体高分子電解質の溶
液を塗布すれば、イオン交換能力を高くすることがで
き、膜のイオン交換容量より小さいイオン交換容量をも
つ固体高分子電解質の溶液を塗布すれば、イオン交換能
力は低くなるが機械的強度を向上することができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を図面を用
いて説明する。＜実施例１＞図１は、本発明の固体高分子電解質形燃料
電池の第１の実施例のセルの基本構成を示す断面模式図
である。本実施例のセルの特徴は、固体高分子電解質膜
１Ａのカソードガス入口マニホールド６の近傍領域Ｐの
膜厚が他の部分に比べて厚く形成され、かつ、この固体
高分子電解質膜１Ａの形状に対応して電極２Ａと集電体
３Ａが配置されている点にある。

【００１４】図２（ａ）は、本セルに組み込まれたカソ
ード側のセパレータ４のアノード側より見た平面模式
図、図２（ｂ）は、本セルに組み込まれた固体高分子電
解質膜１Ａのアノード側より見た平面模式図である。図
２（ａ）に見られるように、カソードガス入口マニホー
ルド６より供給されたカソードガスは、カソード側のセ
パレータ４の電極反応部１０（図２（ｂ）参照）に対応
する領域に備えられたガス流通溝５の中を集電体３Ａの
面に沿ってジグザグに流れたのちカソードガス出口マニ
ホールド７より排出される。この間、カソードガスは集
電体３Ａの内部を拡散して電極２Ａへ到達し、電池反応
に寄与する。一方、アノードガス入口マニホールド８よ
り供給されたアノードガスはアノード側のセパレータの
ガス流通溝を流れたのちアノードガス出口マニホールド
９より排出される。図１にも見られるように、電池反応
の面内での均一度を高くするため、カソードガスとアノ
ードガスを対向して流すよう構成するのが一般的であ
る。本実施例を特徴づける固体高分子電解質膜１Ａの膜
厚の厚い領域Ｐは、図２（ｂ）のごとく電極反応部１０
の一端に配置されている。この領域は、図２（ａ）と対
比して見れば判るように、カソードガス入口マニホール
ド６の近傍にある。

【００１５】本実施例のセルに組み込んだ固体高分子電
解質膜は次の手順により作製した。まず、図３（ａ）に
断面図を模式的に示したように、固体高分子電解質膜と
して用いる、膜厚が均一のナフィオン膜２１の上に、膜
厚を厚くしたい領域のみ打ち抜いたステンレス鋼製金属
プレートよりなるマスク２２を設置し、このマスク２２
の上から、上記の電解質膜と同じ種類の電解質溶液であ
るアルドリッチ社製のナフィオン溶液２３を塗布した。
ついで、ナフィオン溶液２３の溶媒を揮発させたのち、
マスク２２を除去した。この手順により、図３（ｂ）の
断面図に見られるような、基準の厚さがｓで、膜厚の厚
い領域Ｐの厚さがｔの固体高分子電解質膜１Ａを得た。
なお、本方法に用いるマスク２２には、ステンレス鋼製
金属プレートに替わってポリエチレンなどのプラスチッ
クフィルムを用いてもよい。また、フォトレジストを用
いてマスクを作製することも可能である。すなわち、こ
の場合には、フォトレジストを電解質膜に塗布したの
ち、膜厚を厚くしたい領域にのみ光を照射し、続いて、
現像液によって照射部分のフォトレジストを除去し、こ
の後電解質溶液を塗布する方法を採ればよい。

【００１６】＜実施例２＞図４は、本発明の固体高分子
電解質形燃料電池の第２の実施例のセルに組み込まれた
固体高分子電解質膜の断面模式図である。本構成の特徴
は、固体高分子電解質膜１Ｂのカソードガス入口マニホ
ールドの近傍領域の両面Ｐ１およびＰ２に、他に比べて
膜厚の厚い部分が備えられていることにある。

【００１７】＜実施例３＞図５は、本発明の固体高分子
電解質形燃料電池の第３の実施例のセルに組み込まれた
固体高分子電解質膜の断面模式図である。本構成の特徴
は、固体高分子電解質膜１Ｃのカソードガス入口マニホ
ールドの近傍領域Ｐ１とアノードガス入口マニホールド
の近傍領域Ｐ３に、他に比べて膜厚の厚い部分が備えら
れていることにある。

【００１８】＜実施例４＞図６は、本発明の固体高分子
電解質形燃料電池の第４の実施例のセルに組み込まれた
固体高分子電解質膜の断面模式図である。本構成も、第
３の実施例と同様に、固体高分子電解質膜１Ｄのカソー
ドガス入口マニホールドの近傍領域とアノードガス入口
マニホールドの近傍領域に、他に比べて膜厚の厚い部分
が備えられている。本構成の特徴は、アノードガス入口
マニホールドの近傍領域の膜厚の厚い部分Ｐ４がカソー
ドガス入口マニホールドの近傍領域の膜厚の厚い部分Ｐ
１と同一面に備えられていることにある。

【００１９】＜実施例５＞図７は、本発明の固体高分子
電解質形燃料電池の第５の実施例のセルに組み込まれた
固体高分子電解質膜の断面模式図である。本構成の特徴
は、固体高分子電解質膜１Ｅの電極反応部の中央部の領
域Ｐ５に、他に比べて膜厚の厚い部分が備えられている
ことにある。

【００２０】

【発明の効果】上述のように、本発明によれば、（１）請求項１、さらには請求項２，３のごとく固体高
分子電解質形燃料電池を構成することとしたので、固体
高分子電解質膜の圧縮クリープによる局部的な膜厚の低
下が効果的に抑制され、長期間にわたって安定して運転
できる固体高分子電解質形燃料電池が得られることとな
った。

【００２１】（２）また、請求項４、さらには請求項
５，６のごとき方法を用いることとしたので、上記の
（１）のごとき優れた特性を備えた固体高分子電解質形
燃料電池が容易に製作できることとなった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の固体高分子電解質形燃料電池の第１の
実施例のセルの基本構成を示す断面模式図

【図２】（ａ）は第１の実施例のセルに組み込まれたカ
ソード側のセパレータ４をアノード側より見た平面模式
図、（ｂ）は固体高分子電解質膜１Ａをアノード側より
見た平面模式図

【図３】第１の実施例のセルに組み込まれた固体高分子
電解質膜の製造方法を示す模式断面図

【図４】第２の実施例のセルに組み込まれた固体高分子
電解質膜の断面模式図

【図５】第３の実施例のセルに組み込まれた固体高分子
電解質膜の断面模式図

【図６】第４の実施例のセルに組み込まれた固体高分子
電解質膜の断面模式図

【図７】第５の実施例のセルに組み込まれた固体高分子
電解質膜の断面模式図

【図８】固体高分子電解質形燃料電池の一般的なセルの
基本構成を示す断面模式図

【符号の説明】

１Ａ固体高分子電解質膜１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ固体高分子電解質膜２Ａ電極３Ａ集電体４セパレータ５ガス流通溝６カソードガス入口マニホールド７カソードガス出口マニホールド８アノードガス入口マニホールド９アノードガス出口マニホールド１０電極反応部２１ナフィオン膜２２マスク２３ナフィオン溶液

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】固体高分子電解質膜の両面に電極層を形成
した膜・電極接合体と、該膜・電極接合体を挟持する一
組のセパレータを備える固体高分子電解質形燃料電池
で、前記のセパレータが、膜・電極接合体の側の面に、
アノードガスあるいはカソードガスが流れるガス流通用
溝を有するものにおいて、前記の固体高分子電解質膜の電極を形成した電極反応部
の一部の領域の膜厚が、その他の部分の膜厚より厚く形
成されていることを特徴とする固体高分子電解質形燃料
電池。
【請求項２】膜厚が他の部分より厚く形成された前記の
電極反応部の一部の領域が、アノード側の電極層に供給
するアノードガスの入口部の近傍領域、カソード側の電
極層に供給するカソードガスの入口部の近傍領域、およ
び電極反応部の中央部の領域のうちの少なくともいずれ
か一つであることを特徴とする請求項１に記載の固体高
分子電解質形燃料電池。
【請求項３】前記の固体高分子電解質膜がパーフルオロ
カーボンスルフォン酸系樹脂の膜よりなることを特徴と
する請求項１または２に記載の固体高分子電解質形燃料
電池。
【請求項４】膜厚が均一な固体高分子電解質の膜の一部
の領域に固体高分子電解質の溶液を塗布することによっ
て、膜の一部の領域の膜厚がその他の部分の膜厚より厚
い固体高分子電解質膜を作製し、請求項１乃至３のいず
れかに記載の固体高分子電解質形燃料電池を製造するこ
とを特徴とする固体高分子電解質形燃料電池の製造方
法。
【請求項５】膜厚が均一な固体高分子電解質の膜の一部
の領域への固体高分子電解質の溶液の塗布を、フォトレ
ジストを用いて形成されたマスクにより塗布領域を定め
て行うことを特徴とする請求項４に記載の固体高分子電
解質形燃料電池の製造方法。
【請求項６】膜厚が均一な固体高分子電解質の膜の一部
の領域へ塗布する固体高分子電解質の溶液に、塗布され
る固体高分子電解質の膜のイオン交換容量と異なるイオ
ン交換容量を有する固体高分子電解質の溶液を用いるこ
とを特徴とする請求項４または５に記載の固体高分子電
解質形燃料電池の製造方法。