JP2014229500A

JP2014229500A - 固体高分子電解質膜

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Publication number: JP2014229500A
Application number: JP2013108563A
Authority: JP
Inventors: 下井　亮一; Ryoichi Shimoi; 亮一下井; 佐藤　和之; Kazuyuki Sato; 和之佐藤; 牧野　眞一; Shinichi Makino; 眞一牧野; 義隆小野; Yoshitaka Ono; 武彦奥井; Takehiko Okui
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2013-05-23
Filing date: 2013-05-23
Publication date: 2014-12-08

Abstract

【課題】従来の固定高分子電解質膜は、金属イオンの混入自体を抑制するものではなく、冷却用流体に不純物が面内方向に拡散して性能低下が生じる虞があった。【解決手段】電極層１３，１４を配置する発電領域Ｇと、反応用ガス用及び冷却用流体用の各マニホールド穴Ｈ１〜Ｈ６を有する非発電領域Ｎとを備え、発電領域Ｇと少なくとも冷却用流体用のマニホールド穴Ｈ２，Ｈ４との間に、不純物の移動を抑制する移動抑制手段５を配置した固体高分子電解質膜１２とし、冷却用流体に含まれる金属イオンや金属コンタミ等の不純物が発電領域Ｇの面内方向に拡散するのを抑制して、性能低下の防止を実現した。【選択図】図４

Description

本発明は、固体高分子型の燃料電池に用いられる固体高分子電解質膜に関する。

従来の固体高分子電解質膜としては、例えば特許文献１に記載されたものがある。特許文献１に記載の固体高分子電解質膜は、プロトン伝導性を有し且つキレート剤とプロトン伝導性を有する酸溶液とを含むキレート層を含む構成である。キレート層は、キレート剤及び酸溶液が介在する多孔質部と、その側壁を覆うシール部を備えている。

そして、上記の固体高分子電解質膜は、燃料電池に組み込んだ場合に、触媒層等から金属イオンが混入することがあるので、その金属イオンをキレート層のキレート剤により捕捉し、金属イオンによる当該電解質膜の劣化を抑制して性能低下を抑制するものとなっている。

特開２００９−２６４８６号公報

しかしながら、上記したような従来の固体高分子電解質膜にあっては、電解質膜中に混入した金属イオンをキレート層のキレート剤で捕捉するものであるから、当該電解質膜に対する金属イオンの混入自体を抑制するものではない。

また、上記特許文献１には開示されていないが、電解質膜を含む単セルを積層した燃料電池では、その積層方向に反応用ガスや冷却用流体を流通させる都合上、冷却用流体と電解質膜とが局所的に接触する構造にせざるを得ない場合がある。この場合、冷却用流体に含まれる金属イオンや金属コンタミ等の不純物が電解質膜の面内方向に拡散し、これによりプロトン伝導性が損なわれて性能低下が生じる虞があるという問題点があり、この問題点を解決することが課題であった。

本発明は、上記従来の課題に着目して成されたものであって、電極層を配置する発電領域と、反応用ガス用及び冷却用流体用の各マニホールド穴を有する非発電領域とを備えた固体高分子電解質膜において、冷却用流体中の不純物が発電領域の面内方向に拡散するのを抑制して性能低下を防ぐことができる固定高分子電解質膜を提供することを目的としている。

本発明に係わる固体高分子電解質膜は、電極層を配置する発電領域と、反応用ガス用及び冷却用流体用の各マニホールド穴を有する非発電領域とを備えている。そして、固体高分子電解質膜は、発電領域と少なくとも冷却用流体用のマニホールド穴との間に、不純物の移動を抑制する移動抑制手段を配置した構成とし、上記構成をもって従来の課題を解決するための手段としている。

本発明に係わる固体高分子電解質膜は、移動抑制手段により、冷却用流体に含まれる金属イオンや金属コンタミ等の不純物が発電領域の面内方向に拡散するのを抑制し、不純物によるプロトン伝導性の低下を防止して、当該電解質膜の性能低下を防ぐことができる。

燃料電池を説明する斜視図（Ａ）、及び分解斜視図（Ｂ）である。単セルを分解状態で示す平面図である。本発明に係わる固体高分子電解質膜の第１実施形態において、単セルを模式的に示す断面図である。図３に示す固体高分子電解質膜の平面図である。本発明に係わる固体高分子電解質膜の第２実施形態を示す平面図である。本発明に係わる固体高分子電解質膜の第３実施形態を示す平面図である。本発明に係わる固体高分子電解質膜の第４実施形態を示す平面図である。本発明に係わる固体高分子電解質膜の第５実施形態を示す平面図である。本発明に係わる固体高分子電解質膜の第６実施形態を示す平面図である。本発明に係わる固体高分子電解質膜の第７実施形態を示す平面図である。本発明に係わる固体高分子電解質膜の第８実施形態において、アノード側のシール材とスリットの配置を示す平面図（Ａ）、及びアノード側のシール材とスリットの配置を示す平面図（Ｂ）である。本発明に係わる固体高分子電解質膜の第９実施形態を示す平面図である。本発明に係わる固体高分子電解質膜の第１０実施形態を示す平面図である。本発明に係わる固体高分子電解質膜の第１１実施形態を示す平面図である。本発明に係わる固体高分子電解質膜の第１２実施形態を示す平面図である。本発明に係わる固体高分子電解質膜の第１３実施形態を示す平面図である。本発明に係わる固体高分子電解質膜の第１４実施形態を示す平面図である。本発明に係わる固体高分子電解質膜の第１５実施形態を示す平面図である。

以下、図面に基づいて、本発明に係わる固体高分子電解質膜の実施形態を説明する。本発明の固体高分子電解質膜（以下、『電解質膜』と略記する）は、図１に示す燃料電池において、図２及び図３に示す単セルに用いられる。なお、図３は、単セルの構成を模式的に示したものであり、図２に示すマニホールド穴等を省略している。

〈第１実施形態〉
図１に示す燃料電池ＦＣは、とくに図１（Ｂ）に示すように、複数の単セルＣを互いに積層して一体化した少なくとも二つ以上のセルモジュールＭと、セルモジュールＭ同士の間に介装するシールプレートＰとを備えている。図示例の単セルＣ及びシールプレートＰは、ほぼ同等の縦横寸法を有する矩形板状を成している。なお、図１（Ｂ）には、２つのセルモジュールＭと、１つのシールプレートＰを示しているが、実際には、それ以上の数のセルモジュールＭ及びシールプレートＰを積層する。

また、燃料電池ＦＣは、セルモジュールＭの積層方向の両端部に、エンドプレート５６Ａ，５６Ｂを夫々配置し、単セルＣの長辺側の積層端面（図１中で上下面）に、締結板５７Ａ，５７Ｂが設けてあると共に、短辺側の積層端面に、補強板５８Ａ，５８Ｂが設けてある。各締結板５７Ａ，５７Ｂ及び補強板５８Ａ，５８Ｂは、セルモジュールＭ及びシールプレートＰから成る積層体Ａの積層方向全長にわたる大きさを有し、図示しないボルトにより両エンドプレート５６Ａ，５６Ｂに連結する。

このようにして、燃料電池ＦＣは、図１（Ａ）に示すようなケース一体型構造となり、各セルモジュールＭ及びシールプレートＰを積層方向に拘束・加圧して個々の単セルＣに所定の接触面圧を加え、ガスシール性や導電性等を良好に維持する。

単セルＣは、図２に示すように、周囲にフレーム１を有する膜電極接合体２と、フレーム１及び膜電極接合体２を挟持するアノード側及びカソード側のセパレータ３，４を備えている。電気自動車の車載電源に用いる燃料電池ＦＣは、多数枚の単セルＣを必要とするので、単セルＣの薄型化が非常に重要である。そこで、本発明の単セルＣでは、薄型化を図るための一構成として、図３に示すように、二枚のプラスチックフィルム１Ａ，１Ａによってフレーム１を形成している。

フレーム１を形成するプラスチックフィルム１Ａの材料としては、例えば、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、及びポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）などを挙げることができる。

膜電極接合体２は、一般に、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly)と呼ばれるものであって、図３に示すように、固体高分子から成る電解質膜１２と、アノード側電極層（燃料極層）１３と、カソード側電極層（空気極層）１４とを積層した構造を有している。電解質膜１２の具体的構成については後に詳しく述べる。各電極層１３，１４は、詳細な図示を省略したが、例えば、触媒層や多孔質材から成るガス拡散層を積層した構成にすることができる。上記の膜電極接合体２は、アノード側電極層１３にアノードガス（水素）が、カソード側電極層１４にカソードガス（水素）が供給されて、電気化学反応により発電をする。

各セパレータ３，４は、表裏反転形状を有する金属製の板部材であって、例えばステンレス製であり、プレス加工により適宜の形状に成形することができる。各セパレータ３，４は、中央部分が、短辺方向の断面において波形状に形成してある。この波形状は図示の如く長辺方向に連続している。これにより、各セパレータ３，４は、波形の各凸部分が膜電極接合体２に接触すると共に、波形の各凹部分がガス流路となる。

シールプレートＰは、導電性の一枚の金属板を成形したものであり、平面視において上記した単セルＣとほぼ同じ矩形板状で且つ同じ大きさに形成されている。このシールプレートＰは、その周縁部分に、外周シール部材５１及び内周シール部材５２が、全周にわたって平行に設けてあり、外周シール部材５１により外部からの雨水等の浸入を防止すると共に、内周シール部材５２によりセルモジュールＭ間の流路を流通する冷却用流体の漏出を防止する。

ここで、膜電極接合体２を構成する電解質膜１２は、図４に示すように、中央に、電極層１３（１４）を配置する発電領域Ｇを備え、両短辺側に、反応用ガス用及び冷却用流体用の各マニホールド穴Ｈ１〜Ｈ６を有する非発電領域Ｎ，Ｎを備えている。また、図示例の電解質膜１２は、非発電領域Ｎの発電領域Ｇ側に、ガスの整流などを行うためのディフューザ領域Ｄ，Ｄを備えている。

図４に示す電解質膜１２において、左側に示す各マニホールド穴Ｈ１〜Ｈ３は、アノードガス供給用（Ｈ１）、冷却用流体排出用（Ｈ２）及びカソードガス排出用（Ｈ３）である。また、右側に示す各マニホールド穴Ｈ４〜Ｈ６は、カソードガス供給用（Ｈ４）、冷却用流体供給用（Ｈ５）及びアノードガス排出用（Ｈ６）である。なお、反応用ガス用及び冷却用流体用の配置や、供給用と排出用は、一部または全部が異なる位置関係でも良い。

電解質膜１２は、発電領域Ｇに、アノード側及びカソード側の電極層１３，１４を設けると共に、各電極層１３，１４を露出させた状態でアノード側及びカソード側のプラスチックフィルム１Ａ，１Ａを積層して、膜電極接合体２を形成する。そして、膜電極接合体２をアノード側及びカソード側のセパレータ３，４で挟持して単セルＣを形成する。

上記のフレーム（各プラスチックフィルム１Ａ）１、各セパレータ３，４及びシールプレートＰには、図１及び図２に示すように、電解質膜１２の各マニホールド穴Ｈ１〜Ｈ６と同じ位置に、同じ形状で同じ大きさのマニホールド穴Ｈ１〜Ｈ６が形成されている。そして、これらのマニホールド穴Ｈ１〜Ｈ６は、各部材を積層した際に互いに積層方向に連通し、反応用ガス及び冷却用流体のマニホールドとなる。

また、フレーム１及び各セパレータ３，４の周縁部や、マニホールド穴Ｈ１〜Ｈ６の周囲には、図２及び図３に示すように、シール材Ｓが配置してある。これらのシール材は、接着剤としても機能するもので、フレーム１とセパレータ３，４とを気密的に接合する。また、マニホールド穴Ｈ１〜Ｈ６の周囲に配置したシール材Ｓは、各マニホールドの気密性を維持する一方で、各層間に応じた流体を供給するために該当箇所に開口を有している。

さらに、前記単セルＣは、所定枚数を積層して、燃料電池スタックの一形態であるセルモジュールＭを形成する。このとき、隣接する単セルＣ同士の間には、冷却用流体（例えば水）の流路を形成し、隣接するセルモジュールＭ同士の間にも冷却用流体の流路を形成する。したがって、シールプレートＰは、セルモジュールＭ同士の間、すなわち冷却用流体の流路内に配置されている。なお、セルモジュールＭ及びシールプレートＰから成る積層体Ａも燃料電池スタックに相当する。

上記の燃料電池ＦＣを構成する電解質膜１２は、先述したように、発電領域Ｇと非発電領域Ｎを備え、発電領域Ｇと少なくとも冷却用流体用のマニホールド穴Ｈ２，Ｈ５との間に、不純物の移動を抑制する移動抑制手段が配置してある。この実施形態における移動抑制手段は、少なくとも一つのスリット５であって、発電領域Ｇの短辺両側に沿って夫々形成してある。したがって、スリット５は二カ所に形成してある。

上記構成を備えた電解質膜１２は、単セルＣを構成した状態では、アノード側及びカソード側のセパレータ３，４との間において、冷却用流体用のマニホールド穴Ｈ２，Ｈ５の周囲にシール材Ｓが介装されている。しかし、電解質膜１２は、それ自体に形成した冷却用流体用のマニホールド穴Ｈ２，Ｈ５において、開口端面が冷却用流体に接している。このため、単セルＣにおいて、電解質膜１２のアノード側及びカソード側に冷却用流体が流入することは無いが、電解質膜１２の開口端面から、冷却用流体に含まれる金属イオンや金属コンタミ等の不純物が電解質膜１２に面内方向に流入する。

これに対して、上記の電解質膜１２は、スリット５，５により、不純物が発電領域Ｇの面内方向に拡散するのを阻止し、マニホールド穴Ｈ２，Ｈ５から発電領域Ｇに至る拡散距離を長くする。これにより、電解質膜１２は、不純物によるプロトン伝導性の低下を防止して、性能低下を防ぐことができる。

また、電解質膜１２は、上記効果に加えて、各電極層１３，１４に含まれる白金（Ｐｔ）触媒や電解質膜１２の化学的劣化を抑制するための添加物質が発電領域Ｇから非発電領域Ｎに流出するのを抑制することができる。つまり、上記物質は不純物では無いが、電解質膜１２は、領域を超えて拡散するのが好ましくない不純物やその他の物質の移動を抑制することができる。

〈第２実施形態〉
図５は本発明の電解質膜の第２実施形態を説明する図である。なお、以下の各実施形態において、第１実施形態と同一の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。

図５に示す電解質膜１２は、発電領域Ｇと少なくとも冷却用流体用のマニホールド穴Ｈ２，Ｈ５との間に、不純物の移動を抑制する移動抑制手段が配置してある。この実施形態の移動抑制手段は、各冷却用流体用のマニホールド穴Ｈ２，Ｈ５の発電領域Ｇ側となる辺に沿って形成したスリット１５，１５である。

上記の電解質膜１２にあっても、先の実施形態と同様に、スリット１５，１５により、不純物が発電領域Ｇの面内方向に拡散するのを阻止し、マニホールド穴Ｈ２，Ｈ５から発電領域Ｇに至る拡散距離を長くする。これにより、電解質膜１２は、不純物によるプロトン伝導性の低下を防止して、性能低下を防ぐことができる。

〈第３実施形態〉
図６に示す電解質膜１２は、発電領域Ｇと少なくとも冷却用流体用のマニホールド穴Ｈ２，Ｈ５との間に、不純物の移動を抑制する移動抑制手段が配置してある。この実施形態の移動抑制手段は、各冷却用流体用のマニホールド穴Ｈ２，Ｈ５の発電領域Ｇ側となる辺、隣接するマニホールド穴Ｈ１，Ｈ３，Ｈ４，Ｈ６側となる両辺の三辺に沿って連続的に形成したスリット２５，２５である。

上記の電解質膜１２にあっても、先の実施形態と同様に、スリット２５，２５により、不純物が発電領域Ｇの面内方向に拡散するのを阻止し、マニホールド穴Ｈ２，Ｈ５から発電領域Ｇに至る拡散距離をより一層長くする。これにより、電解質膜１２は、不純物によるプロトン伝導性の低下を防止して、性能低下を防ぐことができる。

〈第４実施形態〉
図７に示す電解質膜１２は、発電領域Ｇと少なくとも冷却用流体用のマニホールド穴Ｈ２，Ｈ５との間に、不純物の移動を抑制する移動抑制手段が配置してある。この実施形態の移動抑制手段は、発電領域Ｇの短辺両側に沿って夫々形成したスリット５と、各冷却用流体用のマニホールド穴Ｈ２，Ｈ５の発電領域Ｇ側となる辺に沿って形成したスリット１５，１５とを備えている。

上記の電解質膜１２にあっても、先の実施形態と同様に、各スリット５，１５により、不純物が発電領域Ｇの面内方向に拡散するのを阻止し、マニホールド穴Ｈ２，Ｈ５から発電領域Ｇに至る拡散距離をより一層長くする。これにより、電解質膜１２は、不純物によ
るプロトン伝導性の低下を防止して、性能低下を防ぐことができる。また、電解質膜１２は、当該電解質膜の化学的劣化を抑制する物質が発電領域Ｇから非発電領域Ｎに流出するのを防止することもできる。

〈第５実施形態〉
図８に示す電解質膜１２は、発電領域Ｇと少なくとも冷却用流体用のマニホールド穴Ｈ２，Ｈ５との間に、不純物の移動を抑制する移動抑制手段が配置してある。この実施形態の移動抑制手段は、発電領域Ｇの短辺両側に沿って夫々形成したスリット５と、ディフューザ領域Ｄの両側（電解質膜１２の長辺側）に形成したスリット３５，３５とを備えている。

上記の電解質膜１２にあっても、先の実施形態と同様に、各スリット５，３５により、不純物が発電領域Ｇの面内方向に拡散するのを阻止し、マニホールド穴Ｈ２，Ｈ５から発電領域Ｇに至る拡散距離をより一層長くする。これにより、電解質膜１２は、不純物によるプロトン伝導性の低下を防止して、性能低下を防ぐことができる。また、電解質膜１２は、当該電解質膜の化学的劣化を抑制する物質が発電領域Ｇから非発電領域Ｎに流出するのを防止することもできる。

〈第６実施形態〉
図９に示す電解質膜１２は、発電領域Ｇと少なくとも冷却用流体用のマニホールド穴Ｈ２，Ｈ５との間に、不純物の移動を抑制する移動抑制手段が配置してある。この実施形態の移動抑制手段は、発電領域Ｇの短辺両側に沿って夫々形成したスリット５，５と、各冷却用流体用のマニホールド穴Ｈ２，Ｈ５の発電領域Ｇ側となる辺に沿って形成したスリット１５，１５と、ディフューザ領域Ｄの両側（電解質膜１２の長辺側）に形成したスリット３５，３５とを備えている。

上記の電解質膜１２にあっても、先の実施形態と同様に、各スリット５，１５，３５により、不純物が発電領域Ｇの面内方向に拡散するのを阻止し、マニホールド穴Ｈ２，Ｈ５から発電領域Ｇに至る拡散距離をより一層長くする。これにより、電解質膜１２は、不純物によるプロトン伝導性の低下を防止して、性能低下を防ぐことができる。また、電解質膜１２は、当該電解質膜の化学的劣化を抑制する物質が発電領域Ｇから非発電領域Ｎに流出するのを防止することもできる。

〈第７実施形態〉
図１０に示す電解質膜１２は、発電領域Ｇと少なくとも冷却用流体用のマニホールド穴Ｈ２，Ｈ５との間に、不純物の移動を抑制する移動抑制手段が配置してある。この実施形態の移動抑制手段は、不純物の移動を抑制する移動抑制部材４５を備えている。この移動抑制部材４５は、不純物に対するシール機能を有するもので、例えば、発電領域Ｇの短辺両側に沿って形成したスリット５，５を埋めるように配置されている。この際、移動抑制部材４５は、電解質膜１２の厚さを超えないものである。

上記の電解質膜１２にあっても、先の実施形態と同様に、移動抑制部材４５により、不純物が発電領域Ｇの面内方向に拡散するのを阻止し、マニホールド穴Ｈ２，Ｈ５から発電領域Ｇに至る拡散距離を長くする。これにより、電解質膜１２は、不純物によるプロトン
伝導性の低下を防止して、性能低下を防ぐことができる。また、電解質膜１２は、当該電解質膜の化学的劣化を抑制する物質が発電領域Ｇから非発電領域Ｎに流出するのを防止することもできる。

〈第８実施形態〉
図１１に示す電解質膜１２は、発電領域Ｇと少なくとも冷却用流体用のマニホールド穴Ｈ２，Ｈ５との間に、不純物の移動を抑制する移動抑制手段が配置してある。この実施形態の移動抑制手段は、発電領域Ｇの短辺両側に沿って夫々形成したスリット５であって、反応用ガス若しくは冷却用流体の流通空間を密封するためのシール材Ｓに対して膜厚方向に重ならない状態に配置してある。

すなわち、電解質膜１２は、図１１中で上側に積層されるアノード側セパレータとの間には、図１１（Ａ）中に点線で示すように、アノードガス供給用のマニホールド穴Ｈ１、発電領域Ｇ、及びアノードガス排出用のマニホールド穴Ｈ６を囲繞するようにシール材Ｓが配置される。そして、スリット５は、シール材Ｓに対して膜厚方向に重ならない状態に配置してある。

また、電解質膜１２は、図１１中で下側に積層されるカソード側セパレータとの間には、図１１（Ｂ）中に点線で示すように、カソードガス供給用のマニホールド穴Ｈ４、発電領域Ｇ、及びカソードガス排出用のマニホールド穴Ｈ３を囲繞するようにシール材Ｓが配置される。そして、スリット５は、シール材Ｓに対して膜厚方向に重ならない状態に配置してある。

なお、図示を省略したが、冷却用流体の流通空間には、冷却用流体用のマニホールド穴Ｈ２，Ｈ５及び発電領域Ｇに対応する領域を囲繞するようにシール材が配置される。スリット等の移動抑制手段は、この冷却用流体の流通空間に設けたシール材に対しても膜圧方向に重ならない状態に配置される。

上記の電解質膜１２にあっても、先の実施形態と同様に、スリット５，５により、不純物が発電領域Ｇの面内方向に拡散するのを阻止し、マニホールド穴Ｈ２，Ｈ５から発電領域Ｇに至る拡散距離を長くする。これにより、電解質膜１２は、不純物によるプロトン伝
導性の低下を防止して、性能低下を防ぐことができる。また、電解質膜１２は、当該電解質膜の化学的劣化を抑制する物質が発電領域Ｇから非発電領域Ｎに流出するのを防止することもできる。

さらに、電解質膜１２は、移動抑制手段５がスリット５である場合には、不純物の面内方向拡散を確実に阻止するのであるが、スリット５の部分でフレーム１のプラスチックフィルム１Ａが撓み易くなる。このため、この実施形態では、スリット５とシール材Ｓとが膜厚方向に重ならない配置にすることで、万一スリット５の部分でプラスチックフィルム１Ａが撓んだ場合でも、その撓みがシール材Ｓに及ばないようにし、シール材Ｓによる良好なシール性能を維持することができる。

次に説明する第９〜第１５の実施形態における電解質膜１２は、先の第１〜第８の実施形態の電解質膜１２に対して、ディフューザ領域（Ｄ）が無い構成である。

〈第９実施形態〉
図１２に示す電解質膜１２は、発電領域Ｇと少なくとも冷却用流体用のマニホールド穴Ｈ２，Ｈ５との間に、不純物の移動を抑制する移動抑制手段が配置してある。この実施形態の移動抑制手段は、第７実施形態と同様に、不純物の移動を抑制する移動抑制部材４５を備えている。この実施形態の移動抑制部材４５は、冷却用流体用のマニホールド穴Ｈ２，Ｈ５を囲繞するように、その全周わたって連続的に配置してある。

上記の電解質膜１２にあっても、先の実施形態と同様に、移動抑制部材４５により、冷却用流体用のマニホールド穴Ｈ２，Ｈ５から不純物が面内方向に進入するのを阻止し、さらには、不純物が発電領域Ｇの面内方向に拡散するのをより確実に阻止する。これにより、電解質膜１２は、不純物によるプロトン伝導性の低下を防止して、性能低下を防ぐことができる。

〈第１０実施形態〉
図１３に示す電解質膜１２は、発電領域Ｇと少なくとも冷却用流体用のマニホールド穴Ｈ２，Ｈ５との間に、不純物の移動を抑制する移動抑制手段が配置してある。この実施形態の移動抑制手段は、第７実施形態と同様に、不純物の移動を抑制する移動抑制部材４５を備えている。この実施形態の移動抑制部材４５は、各冷却用流体用のマニホールド穴Ｈ２，Ｈ５の発電領域Ｇ側となる辺、隣接するマニホールド穴Ｈ１，Ｈ３，Ｈ４，Ｈ６側となる両辺の三辺に沿って連続的に配置してあり、電解質膜１２の短辺に達している。

〈第１１実施形態〉
図１４に示す電解質膜１２は、発電領域Ｇと少なくとも冷却用流体用のマニホールド穴Ｈ２，Ｈ５との間に、不純物の移動を抑制する移動抑制手段が配置してある。この実施形態の電解質膜１２は、先の各実施形態の電解質膜とはマニホールド穴Ｈ１〜Ｈ６の配置が異なっていて、アノード用のマニホールド穴Ｈ１，Ｈ２と、冷却用流体用のマニホールド穴Ｈ２，Ｈ４とを配置替えしたものとなっている。

そして、この実施形態の移動抑制部材４５は、電解質膜１２の隅となった各冷却用流体用のマニホールド穴Ｈ２，Ｈ５の二辺に沿って連続的に配置してあり、電解質膜１２の短辺及び長辺に夫々達している。

〈第１２実施形態〉
図１５に示す電解質膜１２は、発電領域Ｇと少なくとも冷却用流体用のマニホールド穴Ｈ２，Ｈ５との間に、不純物の移動を抑制する移動抑制手段が配置してある。この実施形態の移動抑制手段は、第７実施形態と同様に、不純物の移動を抑制する移動抑制部材４５を備えている。この実施形態の移動抑制部材４５は、発電領域Ｇの短辺両側に沿って配置してあり、電解質膜１２の長辺には達していない。この場合には、例えば、発電領域Ｇの短辺両側に沿ってスリットを形成し、このスリットを埋めるように移動抑制部材４５を配置することができる。

上記の電解質膜１２にあっても、先の実施形態と同様に、移動抑制部材４５により、不純物が発電領域Ｇの面内方向に拡散するのを阻止し、マニホールド穴Ｈ２，Ｈ５から発電領域Ｇに至る拡散距離を長くする。これにより、電解質膜１２は、不純物によるプロトン伝導性の低下を防止して、性能低下を防ぐことができる。また、電解質膜１２は、当該電解質膜の化学的劣化を抑制する物質が発電領域Ｇから非発電領域Ｎに流出するのを防止することもできる。

〈第１３実施形態〉
図１６に示す電解質膜１２は、発電領域Ｇと少なくとも冷却用流体用のマニホールド穴Ｈ２，Ｈ５との間に、不純物の移動を抑制する移動抑制手段が配置してある。この実施形態の移動抑制手段は、第７実施形態と同様に、不純物の移動を抑制する移動抑制部材４５を備えている。この実施形態の移動抑制部材４５は、発電領域Ｇの短辺両側に沿って配置してあり、電解質膜１２の長辺に達している。すなわち、移動抑制部材４５により、発電領域Ｇと非発電領域Ｎとが完全に仕切られている。

上記の電解質膜１２にあっても、先の実施形態と同様に、移動抑制部材４５により、不純物が発電領域Ｇの面内方向に拡散するのを完全に阻止し、不純物によるプロトン伝導性の低下を防止して、性能低下を防ぐことができる。また、電解質膜１２は、当該電解質膜の化学的劣化を抑制する物質が発電領域Ｇから非発電領域Ｎに流出することも完全に阻止することができる。

〈第１４実施形態〉
図１７に示す電解質膜１２は、発電領域Ｇと少なくとも冷却用流体用のマニホールド穴Ｈ２，Ｈ５との間に、不純物の移動を抑制する移動抑制手段が配置してある。この実施形態の移動抑制手段は、第７実施形態と同様に、不純物の移動を抑制する移動抑制部材４５を備えている。この実施形態の移動抑制部材４５は、発電領域Ｇを囲繞するように、全周にわたって連続的に配置してある。

〈第１５実施形態〉
図１８に示す電解質膜１２は、発電領域Ｇと少なくとも冷却用流体用のマニホールド穴Ｈ２，Ｈ５との間に、不純物の移動を抑制する移動抑制手段が配置してある。この実施形態の移動抑制手段は、不純物の移動を抑制する第２の電解質５５を備えている。この実施形態の第２の電解質５５は、発電領域Ｇを囲繞するように、全周にわたって連続的に配置してある。

上記の電解質膜１２にあっても、先の実施形態と同様に、第２の電解質５５により、不純物が発電領域Ｇの面内方向に拡散するのを完全に阻止し、不純物によるプロトン伝導性の低下を防止して、性能低下を防ぐことができる。また、電解質膜１２は、当該電解質膜の化学的劣化を抑制する物質が発電領域Ｇから非発電領域Ｎに流出することも完全に阻止することができる。さらに、移動抑制手段として第２の電解質５５を採用した場合には、この第２の電解質５５の部分も発電領域Ｇの一部にすることが可能であり、不純物の拡散を阻止したうえで発電容量の拡大を図ることができる。

上記の第１〜第１５の実施形態で説明した電解質膜１２は、膜電極接合体２を構成し、また、単セルＣを構成し、さらに、セルモジュールＭのような燃料電池スタックを構成することとなる。そして、上記の電解質膜１２を一構成とする膜電極接合体２，単セルＣ及び燃料電池スタックは、いずれも発電性能の向上を実現することができる。

本発明に係わる固体高分子電解質膜は、その構成が上記各実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、各実施形態の構成を組み合わせたり、各部材の材料、形状、大きさ及び数などを変更したりすることが可能である。

１Ａプラスチックフィルム
２膜電極接合体
３アノード側のセパレータ
４カソード側のセパレータ
５，１５スリット（移動抑制手段）
１２固体高分子電解質膜
１３アノード側電極層
１４カソード側電極層
２５，３５スリット（移動抑制手段）
４５移動抑制部材（移動抑制手段）
５５第２の電解質（移動抑制手段）
Ａ積層体（燃料電池スタック）
Ｃ単セル
ＦＣ燃料電池
Ｇ発電領域
Ｈ１，Ｈ６アノードガス用のマニホールド穴
Ｈ２，Ｈ５冷却用流体用のマニホールド穴
Ｈ３，Ｈ４カソードガス用のマニホールド穴
Ｍセルモジュール（燃料電池スタック）
Ｎ非発電領域
Ｓシール材

Claims

電極層を配置する発電領域と、
反応用ガス用及び冷却用流体用の各マニホールド穴を有する非発電領域とを備え、
発電領域と少なくとも冷却用流体用のマニホールド穴との間に、不純物の移動を抑制する移動抑制手段を配置したことを特徴とする固体高分子電解質膜。
移動抑制手段が、少なくとも一つのスリット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膜。
移動抑制手段が、不純物の移動を抑制する移動抑制部材を備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載の固体高分子電解質膜。
移動抑制手段が、不純物の移動を抑制する第２の電解質を備えていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の固体高分子電解質膜。
移動抑制手段が、反応用ガス若しくは冷却用流体の流通空間を密封するためのシール材に対して膜厚方向に重ならない状態に配置してあることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の固体高分子電解質膜。
請求項１〜５のいずれか１項に記載の電解質膜と、
電解質膜の発電領域に配置したアノード側及びカソード側の電極層と、
各電極層を露出させた状態で電解質膜の表面を被うアノード側及びカソード側のプラスチックフィルムとを備えたことを特徴とする膜電極接合体。
請求項６に記載の膜電極接合体と、
膜電極接合体を挟持するアノード側及びカソード側のセパレータとを備えたことを特徴とする燃料電池の単セル。
請求項７に記載の単セルを複数枚積層して成ることを特徴とする燃料電池スタック。