JP2018137142A - 燃料電池の膜電極接合体及び燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】電解質膜の外周部を狭持する一対のフレーム部材の間隔が広がって、電解質膜における狭持される部分にシワが発生しないようにする。【解決手段】第１のフレーム部材５１における電解質膜２と対向する表面に、フレーム部材を構成する樹脂材料及び電解質膜２の材料とが混在する溶着部を収容可能な凹部を設ける。この凹部は、超音波ホーン８１による穴の内径よりも大きい内径で且つ穴の容積よりも大きい容積にしているので、超音波ホーン８１当接時に熱や振動により熔けた樹脂が第１のフレーム部材５１の凹部に収まり、第１のフレーム部材５１と第２のフレーム部材５２の間に滞留する樹脂が無くなるため、第１のフレーム部材５１と第２のフレーム部材５２の間隔が広がらない。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池、特に固体高分子型燃料電池に用いられる膜電極接合体と、それを用いた燃料電池に関するものである。

燃料電池は、発電反応を起こす電解質膜に触媒層を接合し、それらをセパレータで挟んだものを一つの単セルモジュールとして、必要な個数のモジュールを積み上げ構成されている。

電解質膜は、主に樹脂製の枠状のフレーム部材に固定されている。このフレーム部材により、セパレータで挟み組み立てる際のハンドリング性向上や、非発電部の電解質材料の使用量を削減することができる。

燃料電池を動作させるためには、電解質膜の両面に形成した電極の一方に燃料ガス（水素ガス）を供給し、他方に酸素（空気）を供給しなければならず、一方のガスが他方に流入すると、正常な電気化学反応が行われず、充分な発電特性を得ることができない。そのため、電解質膜の枠体との固定部において、ガスシール性を有していなければならない。

従来の電解質膜のフレーム部材への固定方法としては、超音波を用いて樹脂製のフレーム部材に電解質膜を溶着しているものがある（例えば、特許文献１参照）。

以下、特許文献１に開示された従来の燃料電池の膜電極接合体について、説明する。

図２は、特許文献１に開示された従来の燃料電池の膜電極接合体をセパレータで挟み込んだ、単セルモジュールの断面図である。図３は、同従来の燃料電池の膜電極接合体の平面図である。

図２に示すように、従来の燃料電池の膜電極接合体１１は、電解質膜２の端部を、樹脂製の枠状の第１のフレーム部材５１と樹脂製の枠状の第２のフレーム部材５２とで挟み込み、電解質膜２を介して、第１のフレーム部材５１と第２のフレーム部材５２とが、溶融溶着部８で接合され、第１のフレーム部材５１と第２のフレーム部材５２との境界部及び溶融溶着部８を、第２のフレーム部材５２の外側から、第３のフレーム部材５３で覆った構成である。

膜電極接合体１１の両面には、燃料ガス及び酸化剤ガスを触媒に均一に行き渡らせるためのガス拡散層４を配置し、ガス流路６１を具備したシール部材７付きセパレータ６で挟み込むことで、単セルモジュール１を構成している。ガス拡散層４は、第１のフレーム部材５１及び第２のフレーム部材５２に乗り上げ、セパレータ６との空間を埋めている。

第１のフレーム部材５１及び第２のフレーム部材５２とセパレータ６との間に空間がある場合には、燃料ガス及び酸化剤ガスが、ガス流路６１を通過せず、第１のフレーム部材５１及び第２のフレーム部材５２とセパレータ６との間の空間を通過してしまい、発電領域１２に燃料ガス及び酸化剤ガスが行き渡らず、充分な発電性能を得ることができない。

第１のフレーム部材５１及び第２のフレーム部材５２とセパレータ６との間に、ガス拡散層４を充填することで、燃料ガス及び酸化剤ガスが、ガス流路６１を通過することになり、所定の発電性能を得ることができる。

また、ガス拡散層４における、第１のフレーム部材５１及び第２のフレーム部材５２とセパレータ６との間に位置する領域の厚みを、第１のフレーム部材５１及び第２のフレーム部材５２とセパレータ６の間隔より厚くしておくことで、膜電極接合体１１をセパレータ６で挟持する際に、ガス拡散層４が圧縮され、第１のフレーム部材５１及び第２のフレーム部材５２を電解質膜２に密着させることができる。

また、第１のフレーム部材５１及び第２のフレーム部材５２を電解質膜２に密着させることで、電解質膜２と第１のフレーム部材５１及び電解質膜２と第２のフレーム部材５２の間に、燃料ガス及び酸化剤ガスが侵入する可能性を低減でき、ガスバリア性を向上できると共に、電解質膜２が燃料ガス及び酸化剤ガスにより劣化することが抑制でき、燃料電池の性能を長期に確保することが出来る。

触媒層電極３は、電解質膜２の両面に端部を除き均一に形成されている。触媒層電極３の端部には、第１のフレーム部材５１及び第２のフレーム部材５２の一部が覆いかぶさっている。こうすることで、電解質膜２の触媒層電極３が形成されていない領域に、酸化剤ガスが暴露することを低減することができ、酸化剤ガスによる電解質膜の劣化を抑制することが可能となる。

単セルモジュール１を形成した際に、セパレータ６に設けられたシール部材７は、膜電極接合体１１に形成された溶融溶着部８よりも発電領域側に配置され、且つ触媒層電極３の領域よりも外側に配置している。

単セルモジュール１とした際に、セパレータ６に設けられたシール部材７は、第１のフレーム部材５１及び第２のフレーム部材５２と当接し、圧縮される。圧縮によりシール部材７の反力が発生し、シール部材７と第１のフレーム部材５１及び第２のフレーム部材５２、第１のフレーム部材５１及び第２のフレーム部材５２と電解質膜２の間の密着度が向上し、ガスバリア性を確保することが出来る。

触媒層電極３は、燃料ガス及び空気ガスが拡散し、発電反応を起こすために、多孔質構造となっている。そのため、触媒層電極３とシール部材当接触部７１が重なった場合、シール部材７の反力だけでは触媒層電極３の多孔質部を遮蔽することができず、ガスリークの原因となる。

第１のフレーム部材５１側に具備されたシール部材７及び第２のフレーム部材５２側に具備されたシール部材７は、膜電極接合体１１を挟んで、向かい合う位置に配置し、両極に設けられたシール部材７は共に、触媒層電極３と重ならない配置になっているが、少なくとも一方のシール部材７が触媒層電極３にかかっていなければ、触媒層電極３にかからないシール部材７側で充分なガスバリア性を確保できる。

シール部材７を向かい合う位置に配置した場合は、膜電極接合体１１にかかるシール部材７の反力が対向し、膜電極接合体１１に応力を与えることがなく、両極においてシール部材７が触媒層電極３にかからなければ、よりガスバリア性を確保できてよい。

溶融溶着部８よりも発電領域１２側にシール部材７を設けることで、溶融溶着部８を形成する際の、超音波溶着時の熱及び振動による電解質膜２の変形部が燃料ガス、酸化剤ガスや水分に晒されることを抑制することができ、ガスリーク低減することができ、燃料電池の発電性能を維持することができる。また、水分を吸収することによる膨潤収縮を低減することができ、機械的応力の集中を防ぎ、電解質膜構造が壊れることを抑止することができ、燃料電池性能を長期に維持することができる。

図３に示すように、膜電極接合体１１は、電解質膜２の四辺を囲うように、第１のフレーム部材５１、第２のフレーム部材５２と第３のフレーム部材５３を備えており、電解質膜２の電解質膜端部２１の近傍に、所定の溶融溶着部間隔８２で溶融溶着部８が設けられている。

第１のフレーム部材５１には、中心部に発電領域１２となる開口が設けられている。第１のフレーム部材５１と第２のフレーム部材５２に設けた開口は同じ大きさであるので、発電領域１２に用いることの出来る領域が大きくなり、電解質膜の利用率がよい。

電解質膜２は、発電領域１２よりも大きく、且つ第１のフレーム部材５１と第２のフレーム部材５２で挟持した際に、第１のフレーム部材５１及び第２のフレーム部材５２からはみ出さない大きさである。

第１のフレーム部材５１ないし第３のフレーム部材５３は、燃料電池の発電反応に必要な燃料ガスもしくは酸化剤ガスを供給するマニホールド９を具備している。

シール部材当接触部７１が、発電領域１２の全領域及びガスケット９を囲うように、セパレータ６にシール部材７を配置している。

膜電極接合体１１は、電解質膜２を介しての第１のフレーム部材５１と第２のフレーム部材５２の溶融溶着部８の形成を超音波溶着により行っている。第２のフレーム部材５２にも、中心部に発電領域１２となる開口が設けられている。

超音波溶着を用いた電解質膜２を介しての第１のフレーム部材５１と第２のフレーム部材５２の溶融溶着部８の形成において、第１のフレーム部材料と第２のフレーム部材料と電解質膜が混在する溶融溶着部８を形成することができる。

フレーム部材料と電解質膜材料が混在する溶融溶着部８を形成することで、第１のフレーム部材５１および第２のフレーム部材５２と電解質膜２の固定性をより向上することができ、乾湿寸法変化による電解質膜２への応力の集中を避けることができ、電解質膜２の長期耐久性を向上することができる。

第３のフレーム部材５３は、第１のフレーム部材５１と第２のフレーム部材５２の境界面及び溶融溶着部８の加工痕を覆っている。

図４は、従来の燃料電池の膜電極接合体の組立工程を示す説明図である。まず、予め第１のフレーム部材５１と第２のフレーム部材５２を射出成形を用いて作製し、第１のフレーム部材５１に触媒層電極３を塗布した電解質膜２を配置した後、第２のフレーム部材５２を配置する。

次に、第２のフレーム部材５２の外側から超音波ホーン８１を所定の位置に当接させ、溶融溶着部８を形成する。次に、第１のフレーム部材５１及び第２のフレーム部材５２と一体化した電解質膜２を、射出成型機の金型に配置し、第３のフレーム部材５３を形成する。

溶融溶着部８は、超音波接合を用いてスポット状に形成される。スポット状の溶融溶着部８とした場合は、膜電極接合体１１の組立時間が短くなり、生産性を向上することが出来る。

第２のフレーム部材５２に当接させる超音波加工工具は、先端がφ０．５ｍｍのものを用いた。第１のフレーム部材５１及び第２のフレーム部材５２を超音波接合する際の、接合加工条件としては、精電舎工業社製の超音波接合機（ΣＧ６２０Ｓ）で、２８．５ｋＨｚの振動数で、振幅は４０μｍ、加圧力３０Ｎで、０．２５秒の加工時間である。

溶融溶着部８とシール部材７の間隔は約２ｍｍとした。溶融溶着部８とシール部材７の間隔をより狭小にすることで、発電に寄与しない領域の電解質膜量を削減できるが、超音波接合時の熱や振動により、加工部の周囲の電解質膜２を変形させるため、電解質膜２の変形した領域がシール部材７より発電面に対して内側にこないように配置する。

第１のフレーム部材５１と第２のフレーム部材５２の境界面を覆うフレーム部材と溶融溶着部８の加工痕を覆うフレーム部材を一体として、第３のフレーム部材５３を形成している。このように一体で形成した場合は、膜電極接合体１１の剛性がより向上し、ハンドリング性などが良くなる。

図４に示すように、第１のフレーム部材５１及び第２のフレーム部材５２に、直接、第３のフレーム部材５３を射出成形するため、第１のフレーム部材５１と第２のフレーム部材５２と第３のフレーム部材５３に同一の樹脂材料を用いた場合は、フレーム部材間の接合力が高まり、膜電極接合体１１の一体性が向上し、ハンドリング性が良くなる。

また、第１のフレーム部材５１と第２のフレーム部材５２のフレーム部材料として、熱可塑性樹脂を用いており、特に第１のフレーム部材５１及び第２のフレーム部材５２は燃料電池の発電環境に晒されることから、変性ＰＰＥ、変性ＰＰＥやＰＰＳなどの材料を用いることがより好ましい。

電解質膜２に、縦方向と横方向で等方的な特性を持つ電解質膜２を用いたので、発電領域全周において溶融溶着部間隔８２を等間隔としたが、等間隔に溶融溶着部８を形成した場合は、電解質膜２が乾燥収縮もしくは湿潤膨張による溶融溶着部８への応力の集中を均等にすることができる。

特許第５５７５３４５号公報

しかしながら、特許文献１に開示された従来の膜電極接合体１１では、図５に示すように、超音波ホーン８１で第１のフレーム部材５１と第２のフレーム部材５２を溶着する際に、第２のフレーム部材５２の溶融樹脂が電解質膜２を貫通し、第１のフレーム部材５１と第２のフレーム部材５２の間に押し出され、第２のフレーム部材５２を持ち上げながら超音波ホーン８１の周りにたまる。

そのまま、超音波ホーン８１が第２のフレーム部材５２を貫通し、溶かしながら超音波ホーン８１の周りにたまった樹脂と相溶して固化することで、電解質膜２の外周部を狭持する第１のフレーム部材５１と第２のフレーム部材５２との間隔が広がって、電解質膜２にシワが発生し、クロスリークが発生する。

前記従来の課題を解決するために、本発明の燃料電池の膜電極接合体は、電解質膜の外周部を狭持する一対の樹脂製のフレーム部材の少なくともどちらか一方の電解質膜側の表
面に、フレーム部材を構成する樹脂材料及び電解質膜の材料とが混在する溶着部を収容可能な凹部を設けたのである。

これによって、電解質膜の外周部を狭持する一対の樹脂製のフレーム部材の間隔が広がらず、電解質膜を挟持した部分にシワが発生しなくなるため、燃料ガスおよび酸化剤ガスのクロスリークを防ぐことができ、さらに燃料ガスおよび酸化ガスの利用効率を高めることができるため、燃料電池として有用な単セルモジュール作製が可能となる。

本発明によれば、電解質膜の外周部を狭持する一対の樹脂製のフレーム部材の間隔が広がらず、電解質膜を挟持した部分にシワが発生しなくなるため、燃料ガスおよび酸化剤ガスのクロスリークを防ぐことができ、さらに燃料ガスおよび酸化ガスの利用効率を高めることができるため、燃料電池として有用な単セルモジュール作製が可能となる。

本発明の実施の形態の燃料電池の膜電極接合体における電解質膜を一対の樹脂製のフレームで固定する方法を示す説明図 特許文献１に開示された従来の燃料電池の膜電極接合体をセパレータで挟み込んだ、単セルモジュールの断面図 同従来の燃料電池の膜電極接合体の平面図 同従来の燃料電池の膜電極接合体の組立工程を示す説明図 従来の燃料電池の膜電極接合体における電解質膜を一対の樹脂製のフレームで固定する方法を示す説明図

第１の発明は、電解質膜の外周部を樹脂製の第１のフレーム部材と樹脂製の第２のフレーム部材で挟持した燃料電池の膜電極接合体であって、前記第１のフレーム部材と前記第２のフレーム部材の少なくともどちらか一方の電解質膜側の表面に、前記フレーム部材を構成する樹脂材料及び前記電解質膜の材料とが混在する溶着部を収容可能な凹部を設けたのである。

これによって、例えば、超音波ホーンを用いて、樹脂製の第１のフレーム部材と樹脂製の第２のフレーム部材と電解質膜の外周部を溶着する場合は、超音波ホーンをフレーム部材に押し当てた時に、熱や振動により熔けたフレーム部材の樹脂と電解質膜の材料との混在物が、凹部に流れ込み、第１のフレーム部材と第２のフレーム部材との間隔が広がらなくなる。

したがって、電解質膜を挟持した部分にシワが発生しなくなるため、燃料ガスおよび酸化剤ガスのクロスリークを防ぐことができ、さらに燃料ガスおよび酸化ガスの利用効率を高めることができる。

第２の発明は、特に第１の発明において、前記第１のフレーム部材と前記第２のフレーム部材の一方の表面に前記電解質膜を貫通して他方のフレーム部材まで達する穴が前記電解質膜の外周に点在するように凹設され、前記電解質膜を貫通する貫通孔の近傍に、前記溶着部が存在し、前記凹部は、前記穴の内径よりも大きい内径で且つ前記穴の容積よりも大きい容積で凹設されるものである。

これにより、フレーム部材を構成する樹脂材料及び電解質膜の材料とが混在する溶着部を凹部に収容することができる。

第３の発明は、特に第１または第２の発明における、前記第１のフレーム部材と前記第２のフレーム部材が、同じ樹脂材料であるものである。

これにより、フレーム部材間の接合力が高まり、膜電極接合体の一体性が向上し、ハンドリング性がよくなる。

第４の発明は、特に第１から第３のいずれかの発明における、前記穴を、第３のフレーム部材で塞ぐものである。

第１のフレーム部材と第２のフレーム部材の境界面を覆うフレームと溶融溶着部の加工痕を覆うフレームを一体として、第３のフレーム部材を形成している。

この状態で、第１のフレーム部材と第２のフレーム部材の境界面を覆うフレームと溶融溶着部の加工痕を覆うフレームを分離した部材として形成しても良いが、一体で形成した場合、膜電極接合体の剛性がより向上し、ハンドリング性などがよくなる。

第５の発明は、特に第４の発明における、前記第３のフレーム部材が、前記第１のフレーム部材と前記第２のフレーム部材のうちの少なくとも前記穴が表面に凹設された方のフレーム部材と同じ樹脂材料であるものである。

これにより、第１のフレーム部材び第２のフレーム部材に、直接、第３のフレーム部材を射出成形する場合に、同一の樹脂材料を用いると、フレーム部材間の接合力が高まり、膜電極接合体の一体性が向上し、ハンドリング性がよくなる。

第６の発明は、特に第１から第５のいずれかの発明において、超音波ホーンを用いて、溶着部を形成するものである。

本構成によって、電解質膜のフレームへの固定を溶融接合箇所で行い、溶着箇所より発電領域側に設けたシール部材により、ガスシール性を確保する。ガスリークの起こりやすい溶融接合箇所よりシール部材を発電領域側に設けることにで、溶融接合箇所にガスが到達することなく、ガスシール性を確保することができる。

第７の発明は、特に第１から第６のいずれかの発明の燃料電池の膜電極接合体を一対のセパレーターで狭持した燃料電池セルである。

これにより、燃料ガスおよび酸化剤ガスを触媒に均一に行き渡らせることができる。

第８の発明は、特に第７の発明の燃料電池セルが複数積層された燃料電池である。

これにより、燃料電池セルを複数個積層し、集電板、端板で両側から所定の荷重で締結することで、発電時に電流を取り出すことができる。

以下、本発明の実施の形態について、従来例と異なる部分について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１の燃料電池の膜電極接合体における電解質膜を第１のフレームと第２のフレームで固定する方法を示す説明図である。

本実施の形態において、第１のフレーム部材５１側に具備されたシール部材７および第
２のフレーム部材５２側に具備されたシール部材７は、膜電極接合体１１を挟んで向かい合う位置に配置し、両極に設けられたシール部材７は共に触媒層電極３と重ならない配置としたが、シール部材７同士が向かい合う位置に配置しなくても良くシール部材７の反力が充分に得られなければよい。

また、少なくとも一方のシール部材７が触媒層電極３にかかっていなければ、触媒層電極３にかからないシール部材７側で充分なガスバリア性を確保できてよい。

本実施の形態において、溶融溶着部８よりも発電領域１２側にシール部材７を設けることで溶融溶着部８を形成する際の、超音波溶着時の熱および振動による電解質膜２の変形部が燃料ガス、酸化剤ガスや水分に晒されることを抑制することができ、ガスリーク低減することができ、燃料電池の発電性能を維持することができる。

また、水分を吸着することによる膨潤収縮を低減することができ、機械的応力の集中を防ぎ、電解質膜構造が壊れることを抑止することができ、燃料電池性能を長期に維持することができる。

本実施の形態では、第１のフレーム部材５１には、中心部に発電領域１２となる開口が設けられている。第１のフレーム部材５１と第２のフレーム部材５２に設けた開口は違う大きさでも良く、同じ大きさとした場合は、発電領域１２に用いることができる領域が大きくなり電解質膜２の利用率がよい。

電解質膜２は発電領域１２よりも大きく、かつ第１のフレーム部材５１と第２のフレーム部材５２で狭持した際に、第１のフレーム部材５１および第２のフレーム部材５２からはみ出さない大きさであればよい。

本実施の形態では、電解質膜２を介して、第１のフレーム部材５１と第２のフレーム部材５２の溶融溶着部８の形成を超音波溶着により行っている。第２のフレーム部材５２にも、中心部に発電領域１２となる開口が設けられている。超音波溶着を用いた電解質膜２が混在する溶融溶着部８を形成することができる。

フレーム部材の材料と電解質膜２の材料が混在する溶融溶着部８を形成することで、第１のフレーム部材５１および第２のフレーム部材５２と電解質膜２の固定性をより向上することができ、乾湿寸法変化による電解質膜２への応力の集中を避けることができ、電解質膜２の長期耐久性を向上することができる。

本実施の形態では、第１のフレーム部材５１と第２のフレーム部材５２の境界面及び溶融溶着部８の加工痕を覆うように、第３のフレーム部材５３を形成し、膜電極接合体１１を組み立てる。

予め第１のフレーム部材５１と第２のフレーム部材５２を射出成形を用いて作製し、第１のフレーム部材５１に触媒層電極３を塗布した電解質膜２を配置した後、第２のフレーム部材５２を配置する。

第２のフレーム部材５２の外側から超音波ホーン８１を所定の位置に当接させ、溶融溶着部８を形成する。第１のフレーム部材５１及び第２のフレーム部材５２と一体化した電解質膜２を、射出成型機の金型に配置し、第３のフレーム部材５３を形成する。

本実施の形態では、スポット状の溶融溶着部８を形成した。本実施の形態において、溶融溶着部８の形成は、超音波接合を用いた。超音波接合には精電舎工業社製の超音波接合
機（ΣＧ６２０Ｓ）を用いた。

フレーム部材に当接させる超音波加工工具は、先端がφ０．５ｍｍのものを用いた。フレーム部材を超音波接合する際の、接合加工条件としては、２８．５ｋＨｚの振動数で、振幅は４０μｍ、加圧力３０Ｎで、０．２５秒の加工時間で良好な接合が得られた。

本実施の形態では、溶融溶着部８とシール部材７の間隔は約２ｍｍとした。溶融溶着部８とシール部材７の間隔をより狭小にすることで、発電に寄与しない領域の電解質膜量を削減できるが、超音波接合時の熱や振動により、加工部の周囲の電解質膜２を変形させるため、電解質膜２の変形した領域がシール部材７より発電面に対して内側にこないように配置するとよい。

本実施の形態では、第１のフレーム部材５１と第２のフレーム部材５２の境界面を覆うフレーム部材と溶融溶着部８の加工痕を覆うフレーム部材を一体として、第３のフレーム部材５３を形成している。この状態で、第１のフレーム部材５１と第２のフレーム部材５２の境界面を覆うフレーム部材と溶融溶着部８の加工痕を覆うフレーム部材を分離した部材として形成しても良いが、一体で形成した場合、膜電極接合体１１の剛性がより向上して、ハンドリング性などがよくなる。

本実施の形態では、第１のフレーム部材５１と第２のフレーム部材５２の一方の第２のフレーム部材５２の表面に電解質膜２を貫通して他方の第１のフレーム部材５１まで達する穴が電解質膜２の外周に点在するように凹設されたものであり、電解質膜２の外周部を、超音波ホーン８１当接部分の電解質膜２側に凹部を設けた樹脂フレームで挟持して固定する。

また、第１のフレーム部材５１と第２のフレーム部材５２の一方の第１のフレーム部材５１の電解質膜２側の部分に、設けられた凹部は、超音波ホーン８１による穴の内径よりも大きい内径で且つ記穴の容積よりも大きい容積で、電解質膜２の主面に垂直な方向から見た場合に、溶着部が凹部の外周側にはみ出ていない構成である。

これによって、超音波ホーン８１を当接した時に熱や振動により熔けた樹脂が第１のフレーム部材５１の凹部に収まり、第１のフレーム部材５１と第２のフレーム部材５２との間隔が広がらなくなる。凹み寸法は超音波ホーン８１、樹脂によって適宜決定され特に限定はされないが、例えば、短辺１．５ｍｍ、長辺２．３ｍｍ、厚み０．１ｍｍ程度が望ましい。

本実施の形態では、第１のフレーム部材５１、第２のフレーム部材５２と第３のフレーム部材５３を同一の樹脂材料で形成した。第１のフレーム部材５１及び第２のフレーム部材５２に、直接、第３のフレーム部材５３を射出成形するため、同一の樹脂材料を用いた場合、フレーム間の接合力が高まり、膜電極接合体１１の一体性が向上し、ハンドリング性が良くなる。

また、本実施の形態では、第１のフレーム部材５１と第２のフレーム部材５２のフレーム材料として、熱可塑性樹脂を用いており、特に第１のフレーム部材５１及び第２のフレーム部材５２は燃料電池の発電環境に晒されることから、変性ＰＰＥ、変性ＰＰＥやＰＰＳなどの材料を用いることがより好ましい。

本実施の形態では、スポット状の溶融溶着部８を形成しているが、線上の溶融接合箇所を形成しても良く、また間欠でなくてもよい。

スポット状の溶融溶着部８とした場合、膜電極接合体１１の組立時間が短くなり、生産性を向上することが出来る。また、連続的または断続的な溶融溶着部８を形成した場合、電解質膜２のフレーム部材への固定強度を向上することができる。

溶融溶着部８の形状は、組立環境や燃料電池の運転条件などにより、最適な形状を選択すればよい。

また、本実施の形態では、電解質膜２は製膜時の設備動作の影響を受けない、縦方向と横方向で等方的な特性を持つ電解質膜２を用いたため、発電領域全周において溶融溶着部間隔８２を等間隔とした。

電解質膜２により縦方向と横方向で異方性を持つものもあり、異方性を持つ電解質膜２においては、縦方向と横方向のそれぞれの特性に合せた間隔に調整するとよく、更に等間隔に溶融溶着部８を形成した場合は、電解質膜２が乾燥収縮もしくは湿潤膨張による溶融溶着部８への応力の集中を均等にすることができてよい。

また、本実施の形態では、シール部材７と電解質膜端部２１を出来る限り近づけることで、発電に寄与しない電解質膜量を削減している。シール部材７と電解質膜端部２１の間隔は、乾燥により収縮した電解質膜２がシール部材７より内側に到達しなければよく、溶融溶着部間隔８２が広い場合、溶融接合されていない箇所の電解質膜２の変位は大きくなるため、シール部材７と電解質膜端部２１の間隔を大きくすれば良い。シール部材７と電解質膜端部２１の間隔を大きくした場合、電解質膜端部２１を迂回して、一方のガスが他方の電極にリークする際のリーク経路長を長くすることがでるため、ガスリークを低減できてよい。

本発明の膜電極接合体は、燃料ガスおよび酸化剤ガスのガスリークを防ぐことができ、さらに燃料ガスおよび酸化ガスの利用効率を高めることができるため、家庭用コージェネレーションや車載用の燃料電池として好適に用いることができる。

１ 単セルモジュール
２ 電解質膜
３ 触媒層電極
４ ガス拡散層
６ セパレータ
７ シール部材
８ 溶融溶着部
１１ 膜電極接合体
１２ 発電領域
５１ 第１のフレーム部材
５２ 第２のフレーム部材
５３ 第３のフレーム部材
６１ ガス流路
２１ 電解質膜端部
８１ 超音波ホーン
８２ 溶融溶着部間隔

Claims (8)

1. 電解質膜の外周部を樹脂製の第１のフレーム部材と樹脂製の第２のフレーム部材で挟持した燃料電池の膜電極接合体であって、前記第１のフレーム部材と前記第２のフレーム部材の少なくともどちらか一方の電解質膜側の表面に、前記フレーム部材を構成する樹脂材料及び前記電解質膜の材料とが混在する溶着部を収容可能な凹部を設けた燃料電池の膜電極接合体。
2. 前記第１のフレーム部材と前記第２のフレーム部材の一方の表面に前記電解質膜を貫通して他方のフレーム部材まで達する穴が前記電解質膜の外周に点在するように凹設され、前記電解質膜を貫通する貫通孔の近傍に、前記溶着部が存在し、前記凹部は、前記穴の内径よりも大きい内径で且つ前記穴の容積よりも大きい容積で凹設される請求項１に記載の燃料電池の膜電極接合体。
3. 前記第１のフレーム部材と前記第２のフレーム部材は、同じ樹脂材料である、請求項１または２に記載の燃料電池の膜電極接合体。
4. 前記穴を、第３のフレーム部材で塞いた、請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料電池の膜電極接合体。
5. 前記第３のフレーム部材は、前記第１のフレーム部材と前記第２のフレーム部材のうちの少なくとも前記穴が表面に凹設された方のフレーム部材と同じ樹脂材料である、請求項４に記載の燃料電池の膜電極接合体。
6. 超音波ホーンを用いて、前記溶着部を形成する、請求項１から５のいずれか１項に記載の燃料電池の膜電極接合体。
7. 請求項１から６のいずれか１項に記載の燃料電池の膜電極接合体を一対のセパレーターで狭持した燃料電池セル。
8. 請求項７に記載の燃料電池セルが複数積層された燃料電池。

Images