JP2006012677A - 固体高分子形燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】 電池の性能を損なうことなく、確実に電池内のシールが可能な固体高分子形燃料電池を提供することにある。
【解決手段】 シール剤９によって接合体２の陽イオン交換膜３とセパレータ７とが接着されている。これにより、陽イオン交換膜３とセパレータ７との間が密封状態となっているから、強い圧力でもって締め付けなくとも気密性を保つことができる。また、この陽イオン交換膜３とセパレータ７との間には、シール剤９の厚さを調整するためのスペーサ１０が設けられ、このスペーサ１０の厚さｔ_ｓが電極の厚さｔ_ｃに対して０．８ｔ_ｃ＜ｔ_ｓ＜ｔ_ｃとされている。このような構成によれば、電極４内部でのガス拡散性を保持しつつ、電極４とセパレータ７とを適度な圧着力をもって接触させるようにシール剤９の厚さを調整することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、固体高分子形燃料電池に関する。

固体高分子形燃料電池は、イオン交換膜を固体高分子電解質膜として用いた燃料電池である。この電池は、比較的小型化が可能で低温で動作することから、自動車用電池や家庭用電源等としての利用が期待されている。このような電池としては、例えば特許文献１、特許文献２に記載のものがある。

この燃料電池は、固体高分子電解質膜の両面に燃料側、空気側の電極をそれぞれ接合した接合体（ＭＥＡ：Membrene and Electrode Assembly）の両側に、一対のセパレータを積層した単セルを、複数個積層したスタック構造となっている。電極は、触媒粒子と固体高分子電解質とを含む触媒層およびカーボンペーパーなどの導電性多孔質基材で構成される。セパレータの表面において電極に接する領域には、電極に反応ガスである水素や空気を供給するためのガス流路が設けられている。

この電池は反応ガスとして水素を用いることから、高い気密性が要求される。したがって、各セパレータ間に、電極やガス流路の周囲をシールするガスケットが設けられるのが一般的である。このガスケットは、ゴムや樹脂等の弾力性を有する部材により、電極を囲う枠状に形成されて、固体高分子電解質膜とセパレータとの間に挟み込まれる。そして、電池スタックの両端には、一対のエンドプレートが配され、両エンドプレート間が、締結ロッドやワッシャーによって適度な圧力で締め付けられる。これにより、電池内のシール性が保たれる。
特開２００３−３３８３０６公報 特開平１１−３４５６２０号公報

しかし、特許文献１のようにゴム製の固体ガスケットを用いた場合には、ガスケットが２０〜３０％圧縮される程度の強い圧力でもって両エンドプレート間を締め付けなければ、気密性を保つことができない。ここで、ガスケットと接する固体高分子電解質膜は、膜の厚さが５０〜２５０μｍと非常に薄く、また剛性も低い。このため、圧縮されたガスケットの弾性復元力を受けることにより疲労破壊を起こすおそれがあった。特に、電極の外周縁と接触する部分に応力が集中しやすいため、この部分から電解質膜が破損してしまうおそれがあった。

一方、特許文献２のように液状のシール剤をガスケットとして用いて、電解質膜とセパレータとを接着する方法では、シール剤の厚さを安定させることが難しい。すなわち、シール剤が薄すぎれば、電極が圧縮されて電極内部でのガス拡散性が低下し、シール剤が厚すぎれば、電極とセパレータとの接触性が低下するため、いずれにしても電池の性能が低下してしまうという問題があった。

本発明は、上記した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、電池の性能を損なうことなく、確実に電池内のシールが可能な固体高分子形燃料電池を提供することにある。

上記の課題を解決するために請求項１の発明に係る固体高分子形燃料電池は、イオン交換膜の両面に一対の電極を備えたイオン交換膜／電極接合体と、前記イオン交換膜／電極接合体の両面側に設けられたセパレータとを備えた固体高分子形燃料電池であって、前記イオン交換膜における前記電極の周縁部とセパレータとがシール剤によって接着されているとともに、前記イオン交換膜と前記セパレータとの間にスペーサが設けられ、前記スペーサの厚さｔｓが前記電極の厚さｔｃに対して０．５ｔ_ｃ＜ｔ_ｓ＜ｔ_ｃの関係にあることを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１に記載の固体高分子形燃料電池であって、前記シール剤が飽和炭化水素樹脂を主成分とするものであることを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１または請求項２に記載の固体高分子形燃料電池であって、前記スペーサがフッ素樹脂または飽和炭化水素樹脂により形成されていることを特徴とする。

請求項１の発明によれば、シール剤によって接合体のイオン交換膜とセパレータとが接着されている。これにより、イオン交換膜とセパレータとの間が密封状態となっているから、固体ガスケットのように圧着力で気密性の保持を図るタイプのものと異なり、強い締め付け圧でもって締め付けなくとも気密性を保つことができる。加えて、このイオン交換膜とセパレータとの間には、シール剤の厚さを調整するためのスペーサが設けられ、このスペーサの厚さｔ_ｓが電極の厚さｔ_ｃに対して０．５ｔ_ｃ＜ｔ_ｓ＜ｔ_ｃとされている。このような構成によれば、電極内部でのガス拡散性を保持しつつ、電極とセパレータとを適度な圧着力をもって接触させるようにシール剤の厚さを調整することができる。これにより、電池の性能を損なうことなく、電池内のシールを確実に行うことができる。

請求項２の発明によれば、高いガスバリア性を有するとともに、耐酸性、耐湿性、耐熱性、低イオン溶出性等を具備している飽和炭化水素樹脂を主成分とするシール剤を使用することによって、電池内の気密性を長期にわたって確保することができる。

請求項３の発明によれば、耐酸性、耐湿性、耐熱性等を具備しているフッ素樹脂または飽和炭化水素樹脂により形成されたスペーサを使用することによって、電池の性能を長期にわたって良好に維持することができる。

以下、本発明を具体化した一実施形態について、図１〜図７を参照しつつ詳細に説明する。

本実施形態の固体高分子形燃料電池１（以下では単に「燃料電池１」とする。）の断面図を図１に示す。この燃料電池１を構成するイオン交換膜／電極接合体２（以下では単に「接合体２」とする。）は矩形シート状の陽イオン交換膜３（本発明のイオン交換膜に該当する）の両面に、燃料側、空気側の電極４を接合したものである。この電極４は、陽イオン交換膜３よりも外形寸法が一回り小さく形成され、この陽イオン交換膜３の両面にそれぞれ配されている。したがって、接合体２の電極４の周縁には陽イオン交換膜３が露出している。各電極４は、カーボン繊維シートを備えた導電性多孔質基材５と、触媒を担持したカーボン粒子を含む触媒層６との二重構造となっており、触媒層６が陽イオン交換膜３側となるようにして積層されている。

この接合体２の両面側には、燃料側、空気側のセパレータ７がそれぞれ積層されている。このセパレータ７は、例えばカーボンコンポジットなどの導電性材料により、陽イオン交換膜３とほぼ同じ寸法の矩形板状に形成されており、その一面側において電極４に接する領域には、溝加工により形成されて電極４に反応ガスを供給するためのガス流路８が蛇行して設けられている。燃料側のセパレータ７のガス流路８には水素が、空気側のセパレータ７のガス流路８には空気がそれぞれ流されるようになっている。

このように、燃料電池１においては反応ガスとして水素を使用するため、高い気密性が要求される。この要求を満たすために、接合体２の陽イオン交換膜３とセパレータ７とは、シール剤９により互いに接着されている。シール剤９は、電極４のすぐ外側に電極４およびガス流路８の周りを囲むように設けられている。これにより、燃料電池１の内部の高い気密性が確保されるようになっている。シール剤９は、セパレータ７間の絶縁を保つため電気絶縁性のものであることが必要である。また、燃料電池１内の気密性を保つための高いガスバリア性の他、電池作動時の雰囲気に耐えるために耐酸性、耐湿性、耐熱性、電池の作動に悪影響を与えないために低イオン溶出性、電池への衝撃を吸収するために弾力性等の特性が要求されるものである。このような特性を備えるものとして、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリイソブチレン等の飽和炭化水素樹脂を主成分とするものが好ましい。

また、このシール剤９の外側には、絶縁性材料により、シール剤９が設けられた領域を囲う矩形枠状に形成されたスペーサ１０が、陽イオン交換膜３とセパレータ７とに挟み込まれるようにして設けられている。このスペーサ１０は、シール剤と同様に、耐酸性、耐湿性、耐熱性等の性能が要求されるものであり、フッ素樹脂もしくは飽和炭化水素樹脂を主成分とするものが好ましい。

このスペーサ１０は、シール剤９の厚さ調整の役割を果たすものであり、電極４よりもわずかに薄くされていることが好ましい。すなわち、スペーサ１０が電極４よりも厚ければ、電極４とセパレータ７との接触性を確保できなくなってしまう（図５）ため、スペーサ１０を電極４よりもわずかに薄くして、セパレータ７が電極４を僅かに圧縮しつつ適度な圧着力を持って接触するようにされていることが好ましい。しかし、スペーサ１０があまりにも薄すぎれば、電極４が強く圧縮されて層内部でのガス拡散性が低下するとともに、陽イオン交換膜３が電極４のエッジＥに沿って屈曲して破れやすくなるため、好ましくない（図６）。より具体的には、スペーサ１０の厚さｔ_ｓが電極４の厚さｔ_ｃに対して０．５ｔ_ｃ＜ｔ_ｓ＜ｔ_ｃの範囲にあることが好ましい。

このような燃料電池１のスタックを組み立てるには、まず、セパレータ７においてガス流路８が形成された側の面にスペーサ１０を重ねる（図２）。次いで、このセパレータ７においてガス流路８とスペーサ１０との間の領域に熱硬化性のシール剤９を塗布する（図３）。このとき、塗布するシール剤９の厚さをスペーサ１０の厚さと同程度とすることで、シール剤９の塗布量を調整する。なお、未硬化のシール剤９のだれを防止するために、シール剤９としてはある程度粘度が高いもの（例えば８００Ｐａ・ｓ以上）を使用することが好ましい。

次いで、このスペーサ１０上に、電極４とガス流路８との位置を合わせるようにして接合体２を積層し、さらにその上から、同様にスペーサ１０とシール剤９とを重ねたもう一方のセパレータ７を積層する（図４）。次に、シール剤９を加熱により硬化させる。これにより、陽イオン交換膜３とセパレータ７とが互いに剥離不能に接着され、燃料電池１が完成する。

最後に、この燃料電池１を複数個積層してスタックとし、このスタックの両端に一対のエンドプレートを配して、両エンドプレート間をボルトとナットによって適度な圧力で締め付ける。このとき、燃料電池１内はシール剤９によって気密性が保たれているので、両エンドプレート間を特に強い圧力でもって締め付ける必要はない。
このようにして、スタックが完成する。

以上のように本実施形態によれば、シール剤９によって接合体２の陽イオン交換膜３とセパレータ７とが接着されている。これにより、陽イオン交換膜３とセパレータ７との間が密封状態となっているから、強い締め付け圧でもって締め付けなくとも気密性を保つことができる。また、この陽イオン交換膜３とセパレータ７との間には、シール剤９の厚さを調整するためのスペーサ１０が設けられ、このスペーサ１０の厚さｔ_ｓが電極の厚さｔ_ｃに対して０．５ｔ_ｃ＜ｔ_ｓ＜ｔ_ｃとされている。このような構成によれば、電極４内部でのガス拡散性を保持しつつ、電極４とセパレータ７とを適度な圧着力をもって接触させるようにシール剤９の厚さを調整することができる。これにより、燃料電池１の性能を低下させることなく、燃料電池１内のシールを確実に行うことができる。

以下、実施例を挙げて本発明をさらに詳細に説明する。

［実施例１］
実施例１の燃料電池Ａの断面構造を図７に示す。図７において、１１はエンドプレート、１２はボルト−ナット、１４はカーボンペーパー（導電性多孔質体）である。なお、上記実施形態と同様の構成には同一の符号を付して説明を省略する。
シール剤９としてはポリイソブチレンを主成分とするスリーボンド製ＴＢ１１５２を、セパレータ７としてはカーボンコンポジットを使用した。
ガス流路８が形成された側のセパレータ７の面にスペーサ１０を重ね、ガス流路８とスペーサ１０との間の領域にシール剤９を塗布した。次いで、このスペーサ１０上にイオン交換膜／電極接合体２を積層し、さらにその上から、同様にスペーサ１０とシール剤９とを重ねたもう一方のセパレータ７を積層した。

これを１００℃で３０分放置してシール剤９を硬化させることによって、イオン交換膜／電極接合体とセパレータ７とを接着し、さらに、両セパレータ７の外側にステンレス製のエンドプレート１１を一対配置して、そのエンドプレート１１に設けられたボルト−ナット１２により締め付けることによって、セパレータ７に８ｋｇ／ｃｍ^２の圧力を加えた。
このイオン交換膜／電極接合体２は、厚さ５０μｍのイオン交換膜３と、一対の電極４とを備える。この電極４は、３０質量％の白金を担持したカーボン粉末とを含む触媒層６および導電性多孔性基材５としてのカーボンペーパーで構成されている。

［比較例１］
実施例１の燃料電池Ａで用いたシール剤の代わりに固体ガスケットを用いて実施例と同様にして、燃料電池Ｂを作製した。なお、ガスケットの厚みを１．１倍とし、両エンドプレート間の締め付け圧は、実施例１と同じ８ｋｇ／ｃｍ^２となるように調整した。この圧力は、セパレーター、スペーサーおよびイオン交換膜が充分に接するために必要な最少の圧力である。

［比較例２］
実施例１の燃料電池Ａで用いたシール剤の代わりに固体ガスケットを用いて実施例と同様にして、燃料電池Ｃを作製した。なお、ガスケットの厚みを１．３倍とし、両エンドプレート間の締め付け圧は、実施例１の２倍以上の２０ｋｇ／ｃｍ^２となるように調整した。

実施例１の燃料電池Ａ、比較例１の燃料電池Ｂおよび比較例２の燃料電池Ｃの各部材の厚みを表１に示す。

［ガス漏れ試験］
実施例１の燃料電池Ａ、比較例１の燃料電池Ｂおよび比較例２の燃料電池Ｃに１ｋｇ／ｃｍ^２の窒素ガスを封入した後に水槽に浸漬することによって、ガス漏れの有無を調べたところ、実施例１の燃料電池Ａおよび比較例２の燃料電池Ｃでは、ガス漏れが生じなかったが、比較例１の燃料電池Ｂではすべての電池においてガス漏れが確認された。このことは、固体ガスケットを用いた比較例の場合、電池の気密性を保つために実施例の場合に比べて高い圧力でセパレーターを押し付ける必要があることを示す。

［セル特性の測定］
つぎに、実施例１の燃料電池Ａおよび比較例２の燃料電池Ｃにおいて、アノードに水素およびカソードに酸素を供給して発電させた場合の、ｔ_ｓ／ｔ_ｃと電流密度２００ｍＡ／ｃｍ^２におけるセル電圧との関係を図８に示す。図８において、記号○は実施例１の燃料電池Ａの、記号△は比較例２の燃料電池Ｃの、ｔ_ｓ／ｔ_ｃとセル電圧との関係を示す。

図８より、実施例１の燃料電池Ａのセル電圧は、セパレーターの押し付け圧が半分以下の比較例２の燃料電池Ｃと同レベルであることと、０．５ｔ_ｃ＜ｔ_ｓ＜ｔ_ｃにおいてその電圧が高いことがわかる。
本実施例（０．５ｔ_ｃ＜ｔ_ｓ＜ｔ_ｃ）の耐圧性能およびセル電圧が高いことは、本発明の構造がシール剤によって高い気密性が保たれていることと、スペーサーによって電極およびセパレータの接触圧力が適度に保たれている結果、電極内部のガスに拡散性が高いこととに起因している。

燃料電池の断面図 燃料電池の製造工程を示す図−１ 燃料電池の製造工程を示す図−２ 燃料電池の製造工程を示す図−３ スペーサの厚さと電極の厚さとの関係を示す図−１ スペーサの厚さと電極の厚さとの関係を示す図−２ 実施例１の燃料電池Ａの断面構造を示す図 実施例１の燃料電池Ａおよび比較例２の燃料電池Ｃの、ｔ_ｓ／ｔ_ｃと電流密度２００ｍＡ／ｃｍ^２におけるセル電圧との関係を示す図

符号の説明

１…固体高分子形燃料電池
２…イオン交換膜／電極接合体
３…陽イオン交換膜（イオン交換膜）
４…電極
７…セパレータ
９…シール剤
１０…スペーサ

Claims (3)

1. イオン交換膜の両面に一対の電極を備えたイオン交換膜／電極接合体と、
   前記イオン交換膜／電極接合体の両面側に設けられたセパレータとを備えた固体高分子形燃料電池であって、
   前記イオン交換膜における前記電極の周縁部とセパレータとがシール剤によって接着されているとともに、
   前記イオン交換膜と前記セパレータとの間にスペーサが設けられ、
   前記スペーサの厚さｔ_ｓが前記電極の厚さｔ_ｃに対して０．５ｔ_ｃ＜ｔ_ｓ＜ｔ_ｃの関係にあることを特徴とする固体高分子形燃料電池。
2. 前記シール剤が飽和炭化水素樹脂を主成分とするものであることを特徴とする請求項１に記載の固体高分子形燃料電池。
3. 前記スペーサがフッ素樹脂または飽和炭化水素樹脂により形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の固体高分子形燃料電池。

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