JP5366469B2 - 電解質膜・電極構造体 - Google Patents

Description

本発明は、固体高分子電解質膜の両面に第１及び第２電極を配設した電解質膜・電極構造体に関する。

一般的に、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる固体高分子電解質膜を採用している。この燃料電池は、固体高分子電解質膜の両側に、それぞれ触媒層（電極触媒）とガス拡散層（多孔質カーボン）とからなるアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持している。通常、この燃料電池を所定数だけ積層した燃料電池スタックが使用されている。

上記の電解質膜・電極構造体では、薄膜状の固体高分子電解質膜が使用されている。このため、固体高分子電解質膜に加わる反応ガスの差圧や機械的ストレスにより、前記固体高分子電解質膜が破損することを阻止する必要がある。

そこで、例えば、特許文献１に開示されている固体高分子電解質型燃料電池のシール構造が知られている。この燃料電池は、図４に示すように、固体高分子電解質膜１の両面にアノード電極２及びカソード電極３が配設されるとともに、前記アノード電極２と前記カソード電極３とには、燃料ガス通路４ａが形成されたセパレータ４と酸化剤ガス通路５ａが形成されたセパレータ５とが配設されている。

固体高分子電解質膜１の周縁部分の両面には、額縁状のフッ素樹脂系シートからなる保護膜６が介装されている。この保護膜６は、固体高分子電解質膜１とアノード電極２及びカソード電極３が熱圧加工により複合化される際に、一体に複合化されている。セパレータ４、５間には、アノード電極２及びカソード電極３を額縁状に包囲してガスシール材７が介装されている。

特開平５−２１０７７号公報

しかしながら、上記の特許文献１では、保護膜６は、厚みが５０μｍ以下の薄膜シートで構成されるため、固体高分子電解質膜１の両側をガスシール材７で挟持する際に、十分な強度が得られないおそれがある。特に、ガスケットとして、リブ状のガスシール材７が用いられる際には、互いに対向するリブ部の位置ずれ等によって、固体高分子電解質膜１にせん断力が発生し易い。これにより、保護膜６が貼り付けられた固体高分子電解質膜１の外縁部が変形し、前記固体高分子電解質膜１に破損が惹起されるとともに、シール性が低下するという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、容易に薄肉化を図るとともに、固体高分子電解質膜の損傷を可及的に阻止し、良好な発電性能を確保することが可能な電解質膜・電極構造体を提供することを目的とする。

本発明は、固体高分子電解質膜の両面に第１電極と該第１電極よりも大きな表面積を有する第２電極とを配設する電解質膜・電極構造体に関するものである。

第１電極は、固体高分子電解質膜の一方の面に当接し且つ前記固体高分子電解質膜の外周を額縁状に露呈させる第１触媒層及び第１ガス拡散層を設け、第２電極は、前記固体高分子電解質膜の他方の面に当接する第２触媒層及び第２ガス拡散層を設けている。

そして、第２ガス拡散層の平面は、第１ガス拡散層の平面よりも大きく設定され、前記第２ガス拡散層は、第２触媒層の外周から突出して固体高分子電解質膜の他方の面全体を覆うとともに、前記第２触媒層の外周から突出する前記第２ガス拡散層と前記固体高分子電解質膜との間には、接着層が設けられ、前記接着層の内周端部には、前記第２触媒層の外周端部が当接し、前記固体高分子電解質膜には、前記第１ガス拡散層の外周から突出する額縁状面にのみ補強シート部材が配設され、前記補強シート部材の内周端部には、第１触媒層の外周端部が当接している。

さらに、第１ガス拡散層は、第１触媒層の外周から突出するとともに、補強シート部材の内周側には、前記第１触媒層の外周から突出する前記第１ガス拡散層と固体高分子電解質膜との間に介装される重なり部が構成されることが好ましい。

さらにまた、重なり部では、補強シート部材と第１ガス拡散層との間に接着層が設けられることが好ましい。

また、補強シート部材と固体高分子電解質膜との間には、接着層が設けられることが好ましい。

さらに、補強シート部材と前記補強シート部材の両側に設けられた各接着層とを合わせた厚さは、第１触媒層の厚さと同一に設定されることが好ましい。

さらにまた、第１電極の接着層の内周と第２電極の接着層の内周とは、固体高分子電解質膜の面方向に沿って互いに異なる位置に設定されることが好ましい。

また、第２電極の接着層の内周は、第１電極の接着層の内周よりも外側に位置することが好ましい。

さらに、少なくとも第２電極の接着層の内周端部には、第２触媒層の外周端部が当接することが好ましい。

さらにまた、第１電極の接着層の内周端部及び補強シート部材の内周端部には、第１触媒層の外周端部が当接することが好ましい。

本発明によれば、固体高分子電解質膜の両面にそれぞれ表面積の異なる第１電極と第２電極とが配設される電解質膜・電極構造体、所謂、段差ＭＥＡにおいて、前記固体高分子電解質膜の第１電極の外周から露呈する額縁状面に、補強シート部材が配設されている。このため、段差ＭＥＡ外縁部の強度を向上させることができ、固体高分子電解質膜の損傷を可及的に阻止することが可能になる。

しかも、段差ＭＥＡを構成するため、前記段差ＭＥＡの外縁部には、シールずれによるせん断力が発生することがない。これにより、シール性及び耐久性を良好に確保することができる。

図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池１０の要部分解斜視説明図であり、図２は、前記燃料電池１０の、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面説明図である。

燃料電池１０は、本実施形態に係る電解質膜・電極構造体１２と、この電解質膜・電極構造体１２を挟持する第１及び第２セパレータ１４、１６とを備える。第１及び第２セパレータ１４、１６は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属板や、カーボン部材等で構成されている。

電解質膜・電極構造体１２は、固体高分子電解質膜１８と、前記固体高分子電解質膜１８を挟持するアノード側電極（第１電極）２０及びカソード側電極（第２電極）２２とを備える。アノード側電極２０は、カソード側電極２２よりも小さな表面積を有するとともに、固体高分子電解質膜１８には、前記アノード側電極２０の外周から外部に露呈する額縁状面に補強シート部材２４が配設される。

図３に示すように、アノード側電極２０は、固体高分子電解質膜１８の一方の面１８ａに当接し、且つ前記固体高分子電解質膜１８の外周を額縁状に露呈させる電極触媒層（第１触媒層）２０ａ及びガス拡散層（第１ガス拡散層）２０ｂを設ける。カソード側電極２２は、固体高分子電解質膜１８の他方の面１８ｂに当接する電極触媒層（第２触媒層）２２ａ及びガス拡散層（第２ガス拡散層）２２ｂを設ける。なお、電極触媒層２０ａ、２２ａは、複数の層から構成してもよい。

ガス拡散層２２ｂの平面は、ガス拡散層２０ｂの平面よりも大きく設定されるとともに、前記ガス拡散層２２ｂは、電極触媒層２２ａの外周から突出して固体高分子電解質膜１８の他方の面１８ｂ全体を覆う。

電極触媒層２２ａの外周から突出するガス拡散層２２ｂと、固体高分子電解質膜１８との間には、接着層２６ａが設けられる。この接着層２６ａは、例えば、フッ素系接着剤を用いることができる。ガス拡散層２０ｂは、電極触媒層２０ａの外周から突出するとともに、補強シート部材２４の内周側には、前記電極触媒層２０ａの外周から突出する前記ガス拡散層２０ｂと、固体高分子電解質膜１８との間に介装される重なり部２４ａが構成される。

この補強シート部材２４は、額縁状を有するとともに、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド樹脂）やＰＥＥＫ系（ポリエーテルエーテルケトン）等のエンプラ乃至スーパーエンプラにより構成される。

補強シート部材２４と固体高分子電解質膜１８との間には、接着層２６ｂが設けられるとともに、重なり部２４ａでは、前記補強シート部材２４とガス拡散層２０ｂとの間に接着層２６ｃが設けられる。補強シート部材２４と接着層２６ｂ、２６ｃとを合わせた厚さは、電極触媒層２０ａの厚さと同一に設定される。なお、接着層２６ｃは、ガス拡散層２０ｂに含浸されていてもよい。ガス拡散層２０ｂの端部からのガス漏れを防止することができるからである。

接着層２６ａの内周端部には、電極触媒層２２ａの外周端部が隙間なく当接する一方、接着層２６ｂ、２６ｃの内周端部には、電極触媒層２０ａの外周端部が隙間なく当接する。接着層２６ａの内周は、接着層２６ｃ（及び２６ｂ）の内周よりも固体高分子電解質膜１８の面方向外側全周にわたって距離Ｈだけ突出した位置に設定される。電極触媒層２０ａ、２２ａは、多孔質カーボン粒子の表面に白金粒子が坦持され、固体高分子電解質膜１８の両面に塗布されることにより形成される。

図１に示すように、燃料電池１０の矢印Ｂ方向（図１中、水平方向）の一端縁部には、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔３０ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔３２ａ及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔３４ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。

燃料電池１０の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔３４ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔３２ｂ及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔３０ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。

第２セパレータ１６の電解質膜・電極構造体１２に向かう面１６ａには、酸化剤ガス入口連通孔３０ａと酸化剤ガス出口連通孔３０ｂとに連通する酸化剤ガス流路３６が設けられる。

第１セパレータ１４の電解質膜・電極構造体１２に向かう面１４ａには、燃料ガス入口連通孔３４ａと燃料ガス出口連通孔３４ｂとに連通する燃料ガス流路３８が形成される。第１セパレータ１４の面１４ｂと第２セパレータ１６の面１６ｂとの間には、冷却媒体入口連通孔３２ａと冷却媒体出口連通孔３２ｂとに連通する冷却媒体流路４０が形成される。

図１及び図２に示すように、第１セパレータ１４の面１４ａ、１４ｂには、この第１セパレータ１４の外周端部を周回して、第１シール部材４２が一体化されるとともに、第２セパレータ１６の面１６ａ、１６ｂには、この第２セパレータ１６の外周端部を周回して、第２シール部材４４が一体化される。

図２に示すように、第１シール部材４２は、補強シート部材２４と第１セパレータ１４との間に介装される第１凸状シール４２ａと、前記第１セパレータ１４と第２セパレータ１６との間に介装される第２凸状シール４２ｂとを有する。第２シール部材４４は、平面シールを構成する。なお、第２凸状シール４２ｂに代えて、第２シール部材４４に第２凸状シール（図示せず）を設けてもよい。

第１及び第２シール部材４２、４４には、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材が用いられる。

図１に示すように、第１セパレータ１４には、燃料ガス入口連通孔３４ａを燃料ガス流路３８に連通する供給孔部４６と、前記燃料ガス流路３８を燃料ガス出口連通孔３４ｂに連通する排出孔部４８とが形成される。

このように構成される電解質膜・電極構造体１２を組み込む燃料電池１０の動作について、以下に説明する。

先ず、図１に示すように、酸化剤ガス入口連通孔３０ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔３４ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔３２ａに純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。

このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔３０ａから第２セパレータ１６の酸化剤ガス流路３６に導入され、矢印Ｂ方向に移動して電解質膜・電極構造体１２のカソード側電極２２に供給される。一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔３４ａから供給孔部４６を通って第１セパレータ１４の燃料ガス流路３８に導入される。燃料ガスは、燃料ガス流路３８に沿って矢印Ｂ方向に移動し、電解質膜・電極構造体１２のアノード側電極２０に供給される。

従って、各電解質膜・電極構造体１２では、カソード側電極２２に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極２０に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費されて発電が行われる。

次いで、カソード側電極２２に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。同様に、アノード側電極２０に供給されて消費された燃料ガスは、排出孔部４８を通り燃料ガス出口連通孔３４ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。

また、冷却媒体入口連通孔３２ａに供給された冷却媒体は、第１セパレータ１４と第２セパレータ１６との間の冷却媒体流路４０に導入された後、矢印Ｂ方向に流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体１２を冷却した後、冷却媒体出口連通孔３２ｂから排出される。

この場合、本実施形態では、固体高分子電解質膜１８の両面にそれぞれ表面積の異なるアノード側電極２０及びカソード側電極２２が配設される、所謂、段差ＭＥＡを構成する電解質膜・電極構造体１２において、前記固体高分子電解質膜１８の前記アノード側電極２０側に露呈する額縁状面に補強シート部材２４が配設されている。

このため、電解質膜・電極構造体１２の外縁部の強度を向上させることができ、固体高分子電解質膜１８の損傷を可及的に阻止することが可能になるという効果が得られる。なお、固体高分子電解質膜１８の他方の面１８ｂは、第２ガス拡散層であるガス拡散層２２ｂにより支持されるため、一方の面１８ａにのみ補強シート部材２４を設ければよい。

しかも、第１シール部材４２は、補強シート部材２４と第１セパレータ１４との間に介装される第１凸状シール４２ａと、前記第１セパレータ１４と第２セパレータ１６との間に介装される第２凸状シール４２ｂとを有している（図２参照）。従って、電解質膜・電極構造体１２は、シール位置ずれ等によるせん断力が発生することがなく、シール性及び耐久性を良好に確保することができる。

さらに、アノード側電極２０では、図３に示すように、固体高分子電解質膜１８に接着された補強シート部材２４に電極触媒層２０ａ及びガス拡散層２０ｂが接着されている。しかも、接着層２６ｂ、２６ｃの内周端部及び補強シート部材２４の内周端部には、電極触媒層２０ａの外周端部が隙間なく当接している。このため、アノード側電極２０は、強固な補強シート部材２４に固定されることによって、接着性の向上が容易に図られる。

さらにまた、補強シート部材２４の内周側は、ガス拡散層２０ｂの外周部から内方に進入する重なり部２４ａを有して電極触媒層２０ａの外周端部に当接している。これにより、固体高分子電解質膜１８は、発電部以外（電極触媒層２０ａ以外）の全面にわたって確実に補強され、前記固体高分子電解質膜１８の耐久性が向上するという利点がある。

また、アノード側電極２０の接着層２６ｃの内周と、カソード側電極２２の接着層２６ａの内周とは、積層方向（矢印Ａ方向）に対して互いにずれている。具体的には、接着層２６ａの内周は、接着層２６ｃの内周よりも固体高分子電解質膜１８の面方向外側全周にわたって距離Ｈだけ突出した位置に設定されている。従って、応力集中を良好に防止することが可能になる。なお、接着層２６ａの内周は、接着層２６ｃの内周よりも固体高分子電解質膜１８の面方向内側全周にわたって距離Ｈだけ突出した位置に設定されていてもよい。

さらに、補強シート部材２４は、エンプラ又はスーパーエンプラで構成されるため、燃料電池１０の運転下における高温度や高湿度等での固体高分子電解質膜１８の劣化やシール圧力による変形を阻止することができる。

本発明の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視説明図である。 前記燃料電池の、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面説明図である。 前記燃料電池を構成する電解質膜・電極構造体の一部断面説明図である。 特許文献１に開示されたシール構造の説明図である。

符号の説明

１０…燃料電池 １２…電解質膜・電極構造体
１４、１６…セパレータ １８…固体高分子電解質膜
２０…アノード側電極 ２０ｂ、２２ｂ…ガス拡散層
２０ａ、２２ａ…電極触媒層 ２２…カソード側電極
２４…補強シート部材 ２４ａ…重なり部
２６ａ〜２６ｃ…接着層 ３６…酸化剤ガス流路
３８…燃料ガス流路 ４０…冷却媒体流路

Claims (8)

1. 固体高分子電解質膜の両面に第１電極と該第１電極よりも大きな表面積を有する第２電極とを配設する電解質膜・電極構造体であって、
   前記第１電極は、前記固体高分子電解質膜の一方の面に当接し且つ該固体高分子電解質膜の外周を額縁状に露呈させる第１触媒層及び第１ガス拡散層を設け、
   前記第２電極は、前記固体高分子電解質膜の他方の面に当接する第２触媒層及び第２ガス拡散層を設け、
   前記第２ガス拡散層の平面は、前記第１ガス拡散層の平面よりも大きく設定され、
   前記第２ガス拡散層は、前記第２触媒層の外周から突出して前記固体高分子電解質膜の他方の面全体を覆うとともに、
   前記第２触媒層の外周から突出する前記第２ガス拡散層と前記固体高分子電解質膜との間には、接着層が設けられ、前記接着層の内周端部には、前記第２触媒層の外周端部が当接し、
   前記固体高分子電解質膜には、前記第１ガス拡散層の外周から突出する額縁状面にのみ補強シート部材が配設され、前記補強シート部材の内周端部には、前記第１触媒層の外周端部が当接することを特徴とする電解質膜・電極構造体。
2. 請求項１記載の電解質膜・電極構造体において、前記第１ガス拡散層は、前記第１触媒層の外周から突出するとともに、
   前記補強シート部材の内周側には、前記第１触媒層の外周から突出する前記第１ガス拡散層と前記固体高分子電解質膜との間に介装される重なり部が構成されることを特徴とする電解質膜・電極構造体。
3. 請求項２記載の電解質膜・電極構造体において、前記重なり部では、前記補強シート部材と前記第１ガス拡散層との間に接着層が設けられることを特徴とする電解質膜・電極構造体。
4. 請求項３記載の電解質膜・電極構造体において、前記補強シート部材と前記固体高分子電解質膜との間には、接着層が設けられることを特徴とする電解質膜・電極構造体。
5. 請求項４記載の電解質膜・電極構造体において、前記補強シート部材と該補強シート部材の両側に設けられた各接着層とを合わせた厚さは、前記第１触媒層の厚さと同一に設定されることを特徴とする電解質膜・電極構造体。
6. 請求項５記載の電解質膜・電極構造体において、前記第１電極の前記接着層の内周と前記第２電極の前記接着層の内周とは、前記固体高分子電解質膜の面方向に沿って互いに異なる位置に設定されることを特徴とする電解質膜・電極構造体。
7. 請求項６記載の電解質膜・電極構造体において、前記第２電極の前記接着層の内周は、前記第１電極の前記接着層の内周よりも外側に位置することを特徴とする電解質膜・電極構造体。
8. 請求項４〜７のいずれか１項に記載の電解質膜・電極構造体において、前記第１電極の前記接着層の内周端部には、前記第１触媒層の外周端部が当接することを特徴とする電解質膜・電極構造体。

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