JP2005243292A - 燃料電池用の、固体高分子電解質膜およびセパレータ - Google Patents

Abstract

【課題】 単体でのハンドリング性を良好なものとし、これを通して、燃料電池の製造の簡素化を図り得る燃料電池用の固体高分子電解質膜を提供する。
【解決手段】 燃料電池用の固体高分子電解質膜２０は、電極として機能する一対のガス拡散層の間に介装される領域をなす本体部２１と、ガス拡散層の外周縁部からはみ出すはみ出し部２２と、はみ出し部にガス拡散層の外周縁部を取り囲むように補強材料を塗布して形成される枠形状をなす補強部２３と、を含んでいる。補強部は、本体部が丸まることを防止する形状保持力を本体部に付与する。補強部は、セパレータとの間でシール手段を構成している。
【選択図】 図２

Description

本発明は、燃料電池用の、固体高分子電解質膜およびセパレータに関する。

例えば、固体高分子型燃料電池の単セルは、陽イオン交換膜としての固体高分子電解質膜を、電極として機能する一対のガス拡散層により挟み込み、さらにその外側を一対のセパレータにより挟持して構成されている（例えば、特許文献１参照。）。固体高分子電解質膜は、その抵抗による電圧降下を抑制するため、薄膜に形成されている。薄膜である固体高分子電解質膜は、形状を保持する力がほとんどないため、温度や湿度の影響を受けて変形し易く、ハンドリング性が悪い。

特許文献１では、固体高分子電解質膜の外縁部を一対のフレームにより挟持し、電解質膜部材を構成している。複数の部品からなる全体によって、固体高分子電解質膜のハンドリング性を改善している。

しかしながら、特許文献１では、固体高分子電解質膜単体でのハンドリング性については考慮されておらず、固体高分子電解質膜単体での変形を十分に抑制することはできない。
特開平７−２４９４１７号公報

本発明は、上記従来技術に伴う課題を解決するためになされたものであり、単体でのハンドリング性を良好なものとし、これを通して、燃料電池の製造の簡素化を図り得る燃料電池用の固体高分子電解質膜を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明は、燃料電池用の固体高分子電解質膜において、
電極として機能する一対のガス拡散層の間に介装される領域をなす本体部と、
前記ガス拡散層の外周縁部からはみ出すはみ出し部と、
前記はみ出し部に前記ガス拡散層の外周縁部を取り囲むように補強材料を塗布して形成される枠形状をなす補強部と、を含み、
前記補強部は、前記本体部が丸まることを防止する形状保持力を前記本体部に付与することを特徴とする燃料電池用の固体高分子電解質膜である。

本発明によれば、本体部は、補強部から付与される形状保持力により丸まることが防止されているため、固体高分子電解質膜は、本来の形状である平坦形状を保持し、単体でのハンドリング性が良好なものとなる。これを通して、燃料電池の製造の簡素化を図ることができる。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態を詳細に説明する。

図１は、本発明の実施形態の係る燃料電池用の固体高分子電解質膜２０およびセパレータ４１、４２を適用した固体高分子型燃料電池の単セル１０を示す断面図である。図２（Ａ）は、枠形状をなす補強部２３が形成された固体高分子電解質膜２０を示す斜視図、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）の２Ｂ−２Ｂ線に沿う断面図である。

燃料電池は、単セル１０を多数積層して燃料電池スタックの形態で、例えば、自動車の駆動源として使用される。

単セル１０は、水の電気分解の逆の原理を利用し、水素と酸素とを反応させて水を得る過程で電気を得ることができる電池である。単セル１０は、陽イオン交換膜としての固体高分子電解質膜２０と、電極として機能する一対のガス拡散層３１、３２と、一対のセパレータ４１、４２と、を有する。単セル１０は、固体高分子電解質膜２０を一対のガス拡散層３１、３２により挟み込み、さらにその外側を一対のセパレータ４１、４２により挟持して構成されている。ガス拡散層３１側のセパレータ４１には、冷却水を流通させるための流路溝４３と、燃料ガス（水素）を流通させるための流路溝４４とが形成されている。ガス拡散層３２側のセパレータ４２には、冷却水を流通させるための流路溝４５と、酸化剤ガス（空気）を流通させるための流路溝４６とが形成されている。流路溝４３〜４６の形状および配置は、ガスの拡散性、圧力損失、生成水の排出性、冷却性能等を考慮する必要があり、微細で複雑な構成を有している。

固体高分子電解質膜２０は、水素イオンを移動させる機能を有する高分子膜である。固体高分子電解質膜２０は、その抵抗による電圧降下を抑制するため、薄膜（例えば、数十μｍ〜１００μｍ程度）に形成されている。

成形された固体高分子電解質膜２０は、通常、芯材にロール状に巻回した状態で保存ないし保管され、燃料電池の製造に際しては、順次繰り出されながら使用に供されている。

図２（Ａ）（Ｂ）に示すように、固体高分子電解質膜２０は、一対のガス拡散層３１、３２の間に介装される領域をなす本体部２１と、ガス拡散層３１、３２の外周縁部からはみ出すはみ出し部２２と、はみ出し部２２にガス拡散層３１、３２の外周縁部を取り囲むように補強材料を塗布して形成される枠形状をなす補強部２３と、を含んでいる。補強部２３は、はみ出し部２２の両面（図２（Ｂ）において上面および下面）に形成され、断面矩形形状を有している。単セル１０を組み立てる際には、本体部２１は、一対のガス拡散層３１、３２に挟み込まれ、補強部２３は、ガス拡散層３１、３２からはみ出して一対のセパレータ４１、４２の間に配置されることになる（図１を参照）。後述するが、本実施形態では、補強部２３にシール機能を持たせてある。

補強部２３は、本体部２１が丸まることを防止する形状保持力を本体部２１に付与する。すなわち、固体高分子電解質膜２０をロール状に巻回した状態で保存している間に、本体部２１には、巻き癖が付いている。また、薄膜である固体高分子電解質膜２０は、形状を保持する力がほとんどないため、温度や湿度の影響を受けて変形し易い。一方、補強部２３は、枠形状を有しているので、巻き癖によって本体部２１に作用する丸まろうとする力や、温度や湿度の影響による変形力に抗することができ、本来の形状である平坦形状を保持しようとする力つまり形状保持力が強い。補強部２３が形状保持力を本体部２１に付与する結果、本体部２１が丸まったり、変形したりすることが防止される。

枠形状をなす補強部２３は、はみ出し部２２に補強材料を塗布して形成されている。ここに、補強材料としては、補強部２３が形状保持力を本体部２１に付与し得る限りにおいて、適宜の材料を選択することができる。本実施形態では、補強部２３にシール機能を持たせることをも意図しているため、シール性をも考慮して、補強材料を選択している。形状保持力を付与する点およびシール機能を持たせる点の両者から、補強材料には、シリコン系のゴム（ショア硬さ２５以上）や、フッ素系のゴムを好適に用いることができる。速乾性を有する２液硬化型の硬化剤を用いることもできる。

図３（Ａ）（Ｂ）は、補強材料２４を枠状に塗布する方式を概念的に示す図である。

補強材料２４を枠状に塗布するためには、マスキング方式（図３（Ａ））や、スクリーン印刷方式（図３（Ｂ））などを採用できる。なお、図３（Ａ）（Ｂ）には、説明の便宜上、固体高分子電解質膜２０を単セル１０に用いられる大きさに切断した切断片に補強材料２４を塗布する形態を示してある。但し、補強部２３を形成する前の固体高分子電解質膜２０はハンドリング性が悪いことから、実際の製造工程では、格子状に補強材料２４を塗布した後に、単セル１０に用いられる大きさに格子状に切断し、補強部２３を備える複数枚の切断片が一度に得られるようにしてある。補強材料２４の塗布作業の効率を高める上で好ましいからである。

図３（Ａ）を参照して、マスキング方式にあっては、マスキング材として、固体高分子電解質膜２０の両面に予め貼り付けた保護フィルム５０を流用することができる。図３（Ａ）には、保護フィルム５０の周囲部分のみが除去され、本体部２１がマスキングされたまま、はみ出し部２２が露出した状態が示されている。露出した部分に、塗布装置のノズル５１を移動しながら、シリコン系ゴムなどの補強材料２４を塗布する。そして、残った保護フィルム５０をはずすと、補強材料２４が枠状に塗布される。固体高分子電解質膜２０の表裏を反転し、反対側の面にも同様にして、補強材料２４が枠状に塗布される。

保護フィルム５０の周囲部分を除去可能とするために、ミシン目のような切除手段を保護フィルム５０に予め形成しておくことが好ましい。塗布装置としては、エンジン部品やミッション部品などで用いられる現場成形ガスケット（ＦＩＰＧ）用の液状パッキンを塗布する装置などを用いることができる。この種の塗布装置を使用することにより、補強材料２４を均一に塗布することができる。

図３（Ｂ）を参照して、スクリーン印刷方式にあっては、所望の塗布厚さにほぼ等しい厚さを有する版５２を用いる。版５２には、はみ出し部２２のみを露出させる貫通溝５３が形成されている。ベース５４上に載置された固体高分子電解質膜２０の上に版５２を載置し、版５２の上に補強材料２４を落とす。その後、プラスチックや金属からなるスキージ５５によって版５２の表層をこすり、貫通溝５３内に補強材料２４を充填しつつ余分な補強材料２４を除去する。そして、版５２を取り除くと、補強材料２４が枠状に塗布される。固体高分子電解質膜２０の表裏を反転し、反対側の面にも同様にして、補強材料２４が枠状に塗布される。

図２（Ａ）を参照して、矩形形状の切断片には、枠形状をなす補強部２３が均一に形成されている。切断片は、補強部２３が付与する形状保持力により、丸まったり変形したりすることが防止され、本来の形状である平坦形状を保持している。したがって、固体高分子電解質膜２０単体でのハンドリング性が良好となり、この後に実施される、ガス拡散層３１、３２との接合作業や、セパレータ４１、４２との組み付け作業を行い易く、これらの作業の自動化を図ることもできる。

図１を参照して、本実施形態の固体高分子電解質膜２０にあっては、補強部２３は、セパレータ４１、４２との間でシール手段２５を構成している。

詳述すると、本実施形態のセパレータ４１、４２は、補強部２３に接着されてはみ出し部２２を挟持するための第１の挟持部４１ａ、４２ａと、一対のガス拡散層３１、３２を挟持して各ガス拡散層３１、３２を本体部２１の各面に圧接させるための第２の挟持部４１ｂ、４２ｂと、第１の挟持部４１ａ、４２ａとガス拡散層３１、３２の外周縁部との間に形成される空隙部４７、４８と、を含んでいる。補強部２３と第１の挟持部４１ａ、４２ａとは接着剤を介して接着されている。第２の挟持部４１ｂ、４２ｂは、ガス拡散層３１、３２を受け入れるために、第１の挟持部４１ａ、４２ａに対してへこんだ断面形状を有している。

空隙部４７、４８は、ガス拡散層３１、３２を本体部２１に圧接させる際の当該ガス拡散層３１、３２のつぶれ代を吸収する大きさに設定されている。このため、ガス拡散層３１、３２を十分な面圧で本体部２１に圧接させることができる。過小な面圧に起因して生じる内部抵抗の増大が抑制され、単セル１０ひいては燃料電池スタックの十分な性能を確保することができる。なお、ガス拡散層３１、３２は比較的薄いため、空隙部４７、４８の大きさとして、第１の挟持部４１ａ、４２ａとガス拡散層３１、３２の外周縁部との間の寸法が例えば数ｍｍ程度あれば十分である。

さらに、補強部２３は、第１の挟持部４１ａ、４２ａとの間でシール手段２５を構成している。補強部２３が第１の挟持部４１ａ、４２ａに圧接し、弾性変形することにより、ガスシールが行われる。固体高分子電解質膜２０単体でのハンドリング性を高める部材（補強部２３）が、同時に、流路溝４４、４６を流れるガスをシールする機能を発揮することから、シールするためだけの部材を別途設ける形態に比較して、部品点数の削減、製造工程の簡素化を図ることができる。

以上のように、本実施形態によれば、燃料電池用の固体高分子電解質膜２０において、電極として機能する一対のガス拡散層３１、３２の間に介装される領域をなす本体部２１と、ガス拡散層３１、３２の外周縁部からはみ出すはみ出し部２２と、はみ出し部２２にガス拡散層３１、３２の外周縁部を取り囲むように補強材料２４を塗布して形成される枠形状をなす補強部２３と、を含み、補強部２３は、本体部２１が丸まることを防止する形状保持力を本体部２１に付与するので、固体高分子電解質膜２０は、本来の形状である平坦形状を保持し、単体でのハンドリング性が良好なものとなる。これを通して、燃料電池の製造の簡素化を図ることができる。

補強部２３は、セパレータ４１、４２との間でシール手段２５を構成しているので、固体高分子電解質膜２０単体でのハンドリング性を高める部材である補強部２３が、同時に、ガスをシールする機能を発揮することから、シールするためだけの部材を別途設ける形態に比較して、部品点数の削減、製造工程の簡素化を図ることができる。

補強部２３を備える固体高分子電解質膜２０における本体部２１を挟み込んだ一対のガス拡散層３１、３２をさらに挟み込むためのセパレータ４１、４２であって、補強部２３に接着されてはみ出し部２２を挟持するための第１の挟持部４１ａ、４２ａと、一対のガス拡散層３１、３２を挟持して各ガス拡散層３１、３２を本体部２１の各面に圧接させるための第２の挟持部４１ｂ、４２ｂと、第１の挟持部４１ａ、４２ａとガス拡散層３１、３２の外周縁部との間に形成される空隙部４７、４８と、を含み、空隙部４７、４８は、ガス拡散層３１、３２を本体部２１に圧接させる際の当該ガス拡散層３１、３２のつぶれ代を吸収する大きさに設定され、補強部２３は、第１の挟持部４１ａ、４２ａとの間でシール手段２５を構成しているので、補強部２３を備える固体高分子電解質膜２０における本体部２１を挟み込んだ一対のガス拡散層３１、３２をさらに挟み込むのに好適なセパレータ４１、４２を提供できる。

（変形例）
ガス拡散層３１、３２からはみ出す固体高分子電解質膜２０におけるはみ出し部２２は一対のセパレータ４１、４２の間の略中央部分に位置する。このため、ガスシール機能を兼ね備える補強部２３を形成する場合には、補強部２３の断面形状は、本体部２１を中心にして対称形状であることが好ましい。各セパレータ４１、４２との間で均一な押し付け力を確保するためである。ガス拡散層３１、３２の厚さ寸法が異なる場合には、均一な押し付け力を確保するために、補強部２３の断面形状を、本体部２１を中心にして非対称形状にしても良い。

なお、ガスシール機能を備える補強部２３について説明したが、本体部２１の丸まり防止機能のみを備える補強部２３としても良い。この場合には、固体高分子電解質膜２０の表面または裏面のいずれか一方にのみ、補強部２３を形成することもできる。

本発明は、燃料電池用の、固体高分子電解質膜およびセパレータを製造する用途に適用できる。

本発明の実施形態の係る燃料電池用の固体高分子電解質膜およびセパレータを適用した固体高分子型燃料電池の単セルを示す断面図である。 図２（Ａ）は、枠形状をなす補強部が形成された固体高分子電解質膜を示す斜視図、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）の２Ｂ−２Ｂ線に沿う断面図である。 図３（Ａ）（Ｂ）は、補強材料を枠状に塗布する方式を概念的に示す図である。

符号の説明

１０ 単セル、
２０ 固体高分子電解質膜、
２１ 本体部、
２２ はみ出し部、
２３ 補強部、
２４ 補強材料、
２５ シール手段、
３１、３２ ガス拡散層、
４１、４２ セパレータ、
４１ａ、４２ａ 第１の挟持部、
４１ｂ、４２ｂ 第２の挟持部、
４７、４８ 空隙部、
５０ 保護フィルム、
５１ 塗布装置のノズル、
５２ 版、
５３ 貫通溝、
５５ スキージ。

Claims (3)

1. 燃料電池用の固体高分子電解質膜において、
   電極として機能する一対のガス拡散層の間に介装される領域をなす本体部と、
   前記ガス拡散層の外周縁部からはみ出すはみ出し部と、
   前記はみ出し部に前記ガス拡散層の外周縁部を取り囲むように補強材料を塗布して形成される枠形状をなす補強部と、を含み、
   前記補強部は、前記本体部が丸まることを防止する形状保持力を前記本体部に付与することを特徴とする燃料電池用の固体高分子電解質膜。
2. 前記補強部は、セパレータとの間でシール手段を構成することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池用の固体高分子電解質膜。
3. 請求項１に記載の燃料電池用の固体高分子電解質膜における前記本体部を挟み込んだ一対のガス拡散層をさらに挟み込むためのセパレータであって、
   前記補強部に接着されて前記はみ出し部を挟持するための第１の挟持部と、
   前記一対のガス拡散層を挟持して各ガス拡散層を前記本体部の各面に圧接させるための第２の挟持部と、
   前記第１の挟持部と前記ガス拡散層の外周縁部との間に形成される空隙部と、を含み、
   前記空隙部は、前記ガス拡散層を前記本体部に圧接させる際の当該ガス拡散層のつぶれ代を吸収する大きさに設定され、
   前記補強部は、前記第１の挟持部との間でシール手段を構成してなる燃料電池用のセパレータ。

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