JP2007317430A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】電解質膜が面方向又は／及び膜厚方向に繰り返し伸縮することによる耐久性低下を抑制することが可能な燃料電池とその製造方法を提供する。
【解決手段】電解質膜７０の両面に電極（空気極７１、燃料極７２）とセパレータ７３，７４とが積層されてなる燃料電池２において、電解質膜７０の面方向と膜厚方向の少なくとも一方向の伸縮を吸収する変形吸収部７８を、前記電極よりも面方向外側に設けた。この変形吸収部７８は、例えば、電解質膜７０のうち電極よりも面方向外側にはみだした周縁部７０ａに形成された凹部よりなる。
【選択図】図２

Description

本発明は、電解質膜の両面に電極とセパレータとが積層されてなる燃料電池に関し、特に、電解質膜の耐久性向上に有効な技術に関する。

燃料電池は、例えば固体高分子電解質型で構成され、多数の単電池を積層したスタック構造を備えている。単電池は、電解質膜と、電解質膜の一方の面に設けられた空気極と、他方の面に設けられた燃料極と、空気極及び燃料極を両側から挟みこむように設けられた一対のセパレータとを備えている。

従来の燃料電池においては、電解質膜の両面に空気極および燃料極がそれぞれ配置されてなる膜−電極構造体と、その両面に配置されたセパレータとが接着剤を用いて接着されていたり、膜−電極構造体の表面に弾性を有するフィルムや樹脂が配設されたうえで、その膜−電極構造体とセパレータとが接着材を用いて接着されていたりする。

膜−電極構造体とセパレータとが接着剤を用いて接着されている場合、製造時における接着剤の硬化収縮や、運転時における電解質膜の含水量の変化（乾燥、湿潤）に起因して、電解質膜が面方向に伸縮するため、電解質膜に不要な力が作用し、電解質膜の耐久性が損なわれる虞が懸念されている。そこで、従来の燃料電池においては、セパレータとの接合部周辺における電解質膜の含水率を大きくする、あるいは、電解質膜に防湿コーティングを施す等の対策がなされている（下記の特許文献１、２参照）。
特開２０００−２２３１３６号公報 特開２００２−１３４１３４号公報

しかしながら、上記のような対策によっても、電解質膜に以下のような変形が生じる場合には、電解質膜の耐久性が損なわれることが懸念される。すなわち、柔らかい電解質膜を接着剤で接着するとき、接着剤の硬化収縮により、電解質膜を押しつぶす方向に力が作用し、結果的に電解質膜が硬化した接着剤に引っ張られる状態になる。また、接着剤に固定された部分およびその近傍の電解質膜が、乾燥、湿潤による寸法の変化（伸縮）に追従できず、かかる寸法変化が繰り返されることによって疲労する。

そこで、本発明は、電解質膜が面方向又は／及び膜厚方向に繰り返し伸縮することによる耐久性低下を抑制することが可能な燃料電池の提供を目的とする。

本発明の燃料電池は、電解質膜の両面に電極とセパレータとが積層されてなる燃料電池であって、前記電解質膜の面方向と膜厚方向の少なくとも一方向の伸縮を吸収する変形吸収部が、前記電極よりも面方向外側に設けられているものである。

この構成によれば、電解質膜が面方向（面内方向、面外方向）又は／及び膜厚方向に伸縮した場合には、変形吸収部が変形代（しろ）となって主に変形し、これにより、当該伸縮は吸収される。よって、電解質膜に不要な力が繰り返し作用することは抑制される。

前記変形吸収部は、前記電解質膜に形成されていてもよい。この変形吸収部は、例えば、前記電解質膜のうち前記電極よりも面方向外側にはみだした周縁部に形成された凹部よりなる。

この構成において、電解質膜に張力が作用した場合には、変形吸収部が伸びる（凹部内の空間が広がる）ように変形して、電解質膜の変形が吸収される。また、電解質膜に圧縮力が作用した場合には、変形吸収部が縮む（凹部内の空間が狭まる）ように変形して、電解質膜の変形が吸収される。

前記変形吸収部は、前記電解質膜と前記セパレータとの間に設けられて両者を接着している接着層に形成されていてもよい。例えば、変形吸収部としての凹部は、前記電解質膜のうち前記電極よりも面方向外側にはみだした周縁部と前記セパレータとを接着する接着層を有する構成においては、当該接着層に形成される。

前記変形吸収部は、前記電解質膜に接して設けられていてもよい。例えば、変形吸収部としての凹部は、前記接着層のうち前記電解質膜に接する面側に形成される。

前記変形吸収部は、前記電解質膜から離れた位置に設けられていてもよい。例えば、変形吸収部としての凹部は、前記接着層のうち前記電解質膜に接する面から膜厚方向に離れた位置に形成される。

これらの構成によれば、電解質膜に圧縮力が作用した場合には、変形吸収部が縮む（凹部内の空間が狭まる）ように変形して、電解質膜の変形が吸収される。

本発明の燃料電池によれば、電解質膜が面方向又は/及び膜厚方向に繰り返し伸縮しても、その伸縮は変形吸収部にて吸収されるので、電解質膜に不要な力が繰り返し作用することが抑制され、電解質膜の耐久性を向上させることができる。

以下、添付図面を参照して、本発明に係る燃料電池の実施形態について説明する。

図１に示すように、本実施形態の燃料電池２は、一対のセパレータ７３，７４と、両セパレータ７３，７４の間に挟まれる膜−電極構造体７５とを備えている。膜−電極構造体７５は、イオン交換膜からなる電解質膜７０と、電解質膜７０の一方の面に設けられた空気極７１と、他方の面に設けられた燃料極７２とを備えている。各セパレータ７３，７４は、導電性を有するカーボンまたはメタルによって形成されている。

図示は省略するが、各セパレータ７３，７４には、空気極７１に酸化ガス（例えば、空気）を供給および排出するための酸化ガスマニホールドと、燃料極７２に燃料ガス（例えば、水素）を供給および排出するための燃料ガスマニホールドと、冷媒（例えば、冷却水）を供給および排出するための冷媒マニホールドと、が形成されている。

図２に示すように、空気極７１は、多孔質体であるカーボンによって形成されたガス拡散層７１ａと、電解質膜７０とガス拡散層７１ａとの間に介装された触媒層７１ｂとを備えている。燃料極７２も同様に、多孔質体であるカーボンによって形成されたガス拡散層７２ａと、電解質膜７０とガス拡散層７２ａとの間に介装された触媒層７２ｂとを備えている。

触媒層７１ｂ，７２ｂは、電解質膜７０に接して配置され、例えば、固体電解質と、炭素粒子と、その炭素粒子に担持された触媒とを備えている。触媒としては、例えば、白金又は白金合金等が好適に用いられる。一方、ガス拡散層７１ａ，７２ａは、流体（燃料ガス、酸化ガス、生成水）を通過させる機能と、触媒層７１ｂ，７２ｂ及びセパレータ７３，７４に導通させる機能とを有する導電体である。

電解質膜７０には、その面方向又は/及び膜厚方向の伸縮（変形）を吸収する変形吸収部７８が、電解質膜７０の一方の面ではガス拡散層７１ａおよび触媒層７１ｂを全周にわたって取り囲むように、また、電解質膜７０の他方の面ではガス拡散層７２ａおよび触媒層７２ｂを全周にわたって取り囲むように設けられている。

本実施形態の変形吸収部７８は、空気極７１が設けられた一方の面側では溝状をなすと共に、燃料極７２が設けられた他方の面側では前記溝状が反転してなる畝状をなすように形成された凹部とされている。

電解質膜７０のうち空気極７１及び燃料極７２よりも面方向外側にはみだした周縁部７０ａは、セパレータ７３，７４に接着される接着代（しろ）をなしており、この周縁部７０ａの一方の面に、一方のセパレータ７３が接着層７６を介して接着され、周縁部７０ａの他方の面に、他方のセパレータ７４が接着層７７を介して接着されている。

接着層７６，７７は、所定の部分に接着剤を塗布したセパレータ７３，７４の間に膜−電極構造体７５の電解質膜７０を挟み、接着剤が硬化するまで養生することにより形成される。

電解質膜７０に変形吸収部７８を形成するには、図３に示すように、膜−電極構造体７５を両セパレータ７３，７４の間に接着する前に、電解質膜７０の周縁部７０ａの一方の面に、水溶性の樹脂からなるＴ字状の型部材７９を押し付ける。型部材７９は、電解質膜７０上に押し付けられるように配置されることにより、電解質膜７０の一方の面を溝状に凹ませ、他方の面を畝状に盛り上がらせる。

続いて、接着剤を塗布したセパレータ７３，７４の間に、電解質膜７０の周縁部７０ａに型部材７９を配置された膜−電極構造体７５を挟み、接着剤が硬化するまで養生する。型部材７９は、燃料電池２が完成した後も燃料電池２内に残るが、最初に燃料電池２が運転されたときに、燃料電池２内で酸化ガスと燃料ガスとの電気化学反応により生成される反応生成水によって溶解し、当該反応生成水とともに燃料電池２の外に排出される。このようにして型部材７９が排出され、変形吸収部７８が形成される。

上記のように構成された燃料電池２によれば、反応生成水量や燃料電池温度の変化によって、電解質膜７０が乾燥あるいは湿潤し、この乾燥および湿潤に起因して面方向又は／及び膜厚方向に伸縮した場合においても、変形吸収部７８が変形代（しろ）となって主に変形し、電解質膜７０のその他の部分はほとんど変形しないので、電解質膜７０に不要な力が繰り返し作用することは抑制される。

例えば、反応生成水量が少なく、電解質膜７０が乾燥により収縮した場合、図４に示すように、電解質膜７０には面内方向の収縮力Ａが作用する。このとき、変形吸収部７８は伸びるように、すなわち溝の幅（凹部内の空間）を広げるように変形するので、電解質膜７０の面方向の収縮が吸収される。

他方、反応生成水量が多く、電解質膜７０が湿潤により膨張した場合は、図５に示すように、電解質膜７０には上記収縮力Ａとは逆方向の伸長力Ｂが作用する。このとき、変形吸収部７８は縮むように、すなわち溝の幅（凹部内の空間）を狭めるように変形するので、電解質膜７０の面方向の伸長が吸収される。以上より、電解質膜７０の耐久性を向上させることができる。

なお、本実施形態においては、変形吸収部７８の溝を型取るために、段付きの型部材７９を使用しているが、型部材の形状は、本実施形態の形状に限らず、例えば、断面が円形であったり、半円形であったりしてもよい。

また、型部材７９は水溶性樹脂からなるが、これに代えて、図６に示すように、弾性を有する耐水性の樹脂フィルム（例えば、フィルムラミネート、シームテープ等）７８ａを使用して変形吸収部７８を形成してもよい。樹脂フィルム７８ａは、燃料電池２が運転された後も反応生成水に溶けることなく燃料電池２内に残り、変形吸収部７８を形作る。

次に、本発明に係る燃料電池の第２の実施形態について説明する。なお、上記第１の実施形態において既に説明した構成要素には同一符号を付し、説明は省略する。

本実施形態の燃料電池においては、図７に示すように、電解質膜７０の面方向又は／及び膜厚方向の伸縮を吸収する変形吸収部８０が、電解質膜７０と各セパレータ７３，７４とを接着している接着層７６，７７にそれぞれ形成されている。接着層７６に形成された変形吸収部８０は、ガス拡散層７１ａおよび触媒層７１ｂを全周にわたって取り囲むように、また、接着層７７に形成された変形吸収部８０は、ガス拡散層７２ａおよび触媒層７２ｂを全周にわたって取り囲むように設けられている。

変形吸収部８０は、電解質膜７０の一面に接するように、つまり、接着層７６，７７のうち電解質膜７０に接する側の面に、溝状をなすように形成されている。さらに言い換えれば、変形吸収部８０を形成する溝は、接着層７６，７７のうち電解質膜７０と接する側の面の一部と、接着層７０の厚さ方向に沿う面のうち空気極７１側または燃料極７２側に露出する面の一部とに開口する凹部をなしている。

接着層７６，７７に変形吸収部８０を形成するには、図８に示すように、膜−電極構造体７５を両セパレータ７３，７４の間に接着する前に、電解質膜７０の周縁部７０ａの両方の面に接するように、水溶性の樹脂からなる型部材８１をそれぞれ配置する。続いて、接着剤を塗布したセパレータ７３，７４の間に、周縁部７０ａの両方の面に型部材８１を配置された膜−電極構造体７５を挟み、接着剤が硬化するまで養生する。

型部材８１は、燃料電池２が完成した後も燃料電池２内に残るが、最初に燃料電池２が運転されたときに、燃料電池２内で生成される反応生成水によって溶解し、反応生成水とともに燃料電池２の外に排出される。本実施形態においても、このようにして型部材８１が排出され、変形吸収部８０が形成される。

上記のように構成された燃料電池によれば、製造時における接着剤の硬化収縮や、運転時における電解質膜７０の湿潤に起因して、電解質膜７０に面内方向または面外方向に力が作用した場合でも、電解質膜７０の変形代（しろ）が従来と比較して広く確保されるので、電解質膜７０に局所的に不要な力が繰り返し作用することは抑制される。

例えば、接着剤の硬化収縮によって電解質膜７０を押しつぶす方向に力が作用した場合には、接着剤と電解質膜７０との間に、水溶性の樹脂からなる型部材８１が配置されているので、この型部材８１が緩衝材として機能して、電解質膜７０を押しつぶす方向に作用する力を緩和する。したがって、硬化した接着剤によって電解質膜７０が引っ張られる状態の発生は抑制される。

電解質膜７０が湿潤により膨張した場合は、図９に示すように、膨張した電解質膜７０が、変形吸収部７８内に逃げることができるので、接着層７６，７７の近傍の電解質膜７０の変形が吸収される。したがって、電解質膜７０の耐久性を向上させることができる。

次に、本発明に係る燃料電池の第３の実施形態について説明する。なお、上記第１、第２の実施形態において既に説明した構成要素には同一符号を付し、説明は省略する。

本実施形態の燃料電池においては、図１０に示すように、電解質膜７０の面方向又は／及び膜厚方向の伸縮を吸収する変形吸収部８２が、接着層７６の厚さ方向に沿う面のうち空気極７１側に露出する面の厚さ方向略中央部と、接着層７７の厚さ方向に沿う面のうち燃料極７２側に露出する面の厚さ方向略中央部と、に設けられている。すなわち、各変形吸収部８２は、電解質膜７０からもセパレータ７３，７４からも離間した位置に形成されている。

接着層７６，７７に変形吸収部８２を形成するには、図１１に示すように、膜−電極構造体７５を両セパレータ７３，７４の間に接着する前に、電解質膜７０の周縁部７０ａの両方の面に接着剤を塗布し、その上に水溶性の樹脂からなる型部材８１をそれぞれ配置する。続いて、周縁部７０ａの両方の面に型部材８１を配置された膜−電極構造体７５を、接着剤を塗布したセパレータ７３，７４の間に挟み、接着剤が硬化するまで養生する。

型部材８１は、燃料電池２が完成した後も燃料電池２内に残るが、最初に燃料電池２が運転されたときに、燃料電池２内で生成される反応生成水によって溶解し、反応生成水とともに燃料電池２の外に排出される。このようにして型部材８１が排出されると、変形吸収部８２が形成される。

上記のように構成された燃料電池によれば、製造時における接着剤の硬化収縮や、運転時における電解質膜７０の湿潤に起因して、電解質膜７０に面内方向または面外方向に力が作用した場合でも、電解質膜７０の変形代（しろ）が従来と比較して広く確保されるので、電解質膜７０に局所的に不要な力が作用することは抑制される。

例えば、接着剤の硬化収縮によって電解質膜７０を押しつぶす方向に力が作用した場合には、接着層７６，７７に、電解質膜７０に近接して型部材８１が配置されているので、この型部材８１が緩衝材として機能して、電解質膜７０を押しつぶす方向に作用する力を緩和する。したがって、硬化した接着剤によって電解質膜７０が引っ張られる状態の発生は抑制される。

電解質膜７０が湿潤により膨張した場合は、変形吸収部８２と電解質膜７０との間に残される接着剤固化部分（接着層７６，７７の一部）が容易に変形し、図１２に示すように、膨張した電解質膜７０が変形吸収部８２内に逃げることができるので、接着層７６，７７の近傍の電解質膜７０の変形が吸収される。したがって、電解質膜７０の耐久性を向上させることができる。

さらに、図９にかかる実施形態と比較して、本実施形態では、接着層７６，７７と電解質膜７０（周縁部７０ａ）との接面積を減少させることなく変形吸収部８２を有しない従来構成と同等の接面積を確保することができるので、接着層７６，７７と電解質膜７０との間の膜厚方向における接着力がより強固となる。

なお、上記実施形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をこれに限定するものではなく、その要旨を逸脱しない限り適宜変更を加えることができる。例えば、上記実施形態の燃料電池は、いずれも発電最小単位である単セル（単電池）であったが、本発明の燃料電池は、複数の単セルを積層したスタック構造を備えたものでもよい。

また、変形吸収部７８としての凹部（溝）は、上記以外に、例えば、エンボス加工、真空成形による凹凸加工、及びエキシマレーザによる凹加工等によって形成してもよい。

さらに、水溶性樹脂としては、ポリビニルアルコール、ポリ酢酸ビニル、ヒドロキシプロピルメチルセルロース、メチルセルロース等の選択が可能である。また、冷水可溶の樹脂を選択してもよいし、温水可溶の樹脂を選択してもよい。

本発明の燃料電池の第１の実施形態を示す図であって、燃料電池の分解斜視図である。 本発明の燃料電池の第１の実施形態を示す図であって、燃料電池内部の膜−電極構造体と一対のセパレータとの接合部およびその近傍を示す断面図である。 本発明の燃料電池の第１の実施形態を示す図であって、電解質膜に変形吸収部を形成するための型部材を押し付けた状態を示す断面図である。 本発明の燃料電池の第１の実施形態を示す図であって、電解質膜に収縮力が作用した場合の変形吸収部の状態を示す断面図である。 本発明の燃料電池の第１の実施形態を示す図であって、電解質膜に伸長力が作用した場合の変形吸収部の状態を示す断面図である。 本発明の燃料電池の第１の実施形態の変形例を示す図であって、電解質膜に沿って、変形吸収部を形成するためのフィルムを配設した状態を示す断面図である。 本発明の燃料電池の第２の実施形態を示す図であって、燃料電池内部の膜−電極構造体と一対のセパレータとの接合部およびその近傍を示す断面図である。 本発明の燃料電池の第２の実施形態の変形例を示す図であって、電解質膜とセパレータとを接着する接着層に、変形吸収部を形成するための型部材を配設した状態を示す断面図である。 本発明の燃料電池の第２の実施形態を示す図であって、電解質膜に伸長力が作用した場合の変形吸収部の状態を示す断面図である。 本発明の燃料電池の第３の実施形態を示す図であって、燃料電池内部の膜−電極構造体と一対のセパレータとの接合部およびその近傍を示す断面図である。 本発明の燃料電池の第３の実施形態の変形例を示す図であって、電解質膜とセパレータとを接着する接着層に、変形吸収部を形成するための型部材を配設した状態を示す断面図である。 本発明の燃料電池の第３の実施形態を示す図であって、電解質膜に伸長力が作用した場合の変形吸収部の状態を示す断面図である。

符号の説明

２…燃料電池、７０…電解質膜、７０ａ…周縁部、７１…空気極（電極）、７２…燃料極（電極）、７３，７４…セパレータ、７５…膜−電極構造体、７１ａ…ガス拡散層、７１ｂ…触媒層、７２ａ…ガス拡散層、７２ｂ…触媒層、７８…変形吸収部（凹部）

Claims (5)

1. 電解質膜の両面に電極とセパレータとが積層されてなる燃料電池であって、
   前記電解質膜の面方向と膜厚方向の少なくとも一方向の伸縮を吸収する変形吸収部が、前記電極よりも面方向外側に設けられている燃料電池。
2. 前記変形吸収部は、前記電解質膜のうち前記電極よりも面方向外側にはみだした周縁部に形成された凹部よりなる請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記電解質膜のうち前記電極よりも面方向外側にはみだした周縁部と前記セパレータとを接着する接着層を有し、
   前記変形吸収部は、前記接着層に形成された凹部よりなる請求項１に記載の燃料電池。
4. 前記凹部が、前記接着層のうち前記電解質膜に接する面側に形成されている請求項３に記載の燃料電池。
5. 前記凹部が、前記接着層のうち前記電解質膜に接する面から膜厚方向に離れた位置に形成されている請求項３に記載の燃料電池。
   
   
   

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