JP6090799B2 - 燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体 - Google Patents

Description

本発明は、固体高分子電解質膜を第１電極及び第２電極で挟んだ、所謂、段差ＭＥＡと、前記段差ＭＥＡの外周を周回して設けられる樹脂枠部材とを備える燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・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。燃料電池は、固体高分子電解質膜の一方側にアノード電極が、前記固体高分子電解質膜の他方側にカソード電極が、それぞれ配設された電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を備えている。アノード電極及びカソード電極は、それぞれ触媒層（電極触媒層）とガス拡散層（多孔質カーボン）とを有している。

電解質膜・電極構造体は、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持されることにより、燃料電池が構成されている。この燃料電池は、所定の数だけ積層することにより、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用されている。

電解質膜・電極構造体では、一方のガス拡散層が固体高分子電解質膜よりも小さな平面寸法に設定されるとともに、他方のガス拡散層が前記固体高分子電解質膜と同一の平面寸法に設定される、所謂、段差ＭＥＡを構成する場合がある。その際、比較的高価な固体高分子電解質膜の使用量を削減させるとともに、薄膜状で強度が低い前記固体高分子電解質膜を保護するために、樹脂枠部材を組み込んだ樹脂枠付きＭＥＡが採用されている。

樹脂枠付きＭＥＡとして、例えば、特許文献１に開示されている電解質膜−電極接合体が知られている。この電解質膜−電極接合体では、図７に示すように、膜１の一方の側には、前記膜１と同一の外形寸法を有するアノード触媒層２ａとアノードガス拡散層２ｂとが配置されている。膜１の他方の側には、前記膜１よりも小さな外形寸法を有するカソード触媒層３ａとカソードガス拡散層３ｂとが配置されている。これによって、段差ＭＥＡ４が構成されている。

アノードガス拡散層２ｂは、カソードガス拡散層３ｂよりも大きな面積に設定されており、前記カソードガス拡散層３ｂ側の膜１の外周部とガスケット構造体５とは、接着部位６を介して接合されている。

特開２００７−６６７６６号公報

ところで、上記の特許文献１では、カソードガス拡散層３ｂ側の膜１の外周縁部（平面）とガスケット構造体５の内周薄肉部５ａの平面とが、額縁平面形状の接着部位６を介して接合されている。

しかしながら、段差ＭＥＡ４とガスケット構造体５との接着工程において、接着部位６が介装されるため、両者の高さ方向の位置決めが困難になるという問題がある。しかも、接着工程において、段差ＭＥＡ４の上面まで接着剤が漏れ出すおそれがある。

本発明は、この種の問題を解決するものであり、簡単な構成で、電解質膜・電極構造体と樹脂枠部材とを強固且つ良好に接合するとともに、前記電解質膜・電極構造体と前記樹脂枠部材とを正確に位置決めすることが可能な燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体を提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体では、段差状の電解質膜・電極構造体を備えている。電解質膜・電極構造体は、固体高分子電解質膜の一方の面には、第１電極が設けられ、前記固体高分子電解質膜の他方の面には、第２電極が設けられている。第１電極の平面寸法は、第２電極の平面寸法よりも大きな寸法に設定されており、電解質膜・電極構造体には、固体高分子電解質膜の外周を周回して樹脂枠部材が設けられている。

そして、樹脂枠部材は、内周基端部から第２電極側に膨出する薄肉状の内側膨出部を有している。内側膨出部には、内周基端部側に位置し、第２電極の端部から面方向外方に露出する固体高分子電解質膜の外周縁部に当接する凸状部が設けられている。内側膨出部には、さらに凸状部より薄肉状に形成され、前記凸状部から前記内側膨出部の内周端部まで延在する平坦面部が設けられている。その際、平坦面部と少なくとも固体高分子電解質膜との間には、接着剤層が形成されている。

本発明によれば、樹脂枠部材の内側膨出部には、内周基端部側に凸状部が設けられており、前記凸状部が固体高分子電解質膜の外周縁部に当接している。このため、電解質膜・電極構造体と樹脂枠部材とは、互いの離間間隔を容易且つ正確に維持することができる。従って、電解質膜・電極構造体と樹脂枠部材とを良好に位置決めすることが可能になる。

しかも、内側膨出部の凸状部が固体高分子電解質膜の先端部（外周縁部）に直接当接するため、内周基端部と電解質膜・電極構造体の先端部との間から接着剤が漏れ出すことを確実に抑制することができる。また、内側膨出部には、凸状部から前記内側膨出部の内周端部まで延在する平坦面部が設けられるため、接着剤層内でのエア噛みを抑制することが可能になる。これにより、簡単な構成で、電解質膜・電極構造体と樹脂枠部材とを強固且つ良好に接合することができる。

本発明の実施形態に係る樹脂枠付き電解質膜・電極構造体が組み込まれる固体高分子型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。 前記樹脂枠付き電解質膜・電極構造体の要部断面説明図である。 前記樹脂枠付き電解質膜・電極構造体を構成する樹脂枠部材の斜視説明図である。 前記樹脂枠付き電解質膜・電極構造体を製造する方法の説明図である。 前記樹脂枠付き電解質膜・電極構造体を製造する方法の説明図である。 特許文献１に開示されている電解質膜−電極接合体の説明図である。

図１及び図２に示すように、本発明の実施形態に係る樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０は、横長（又は縦長）の長方形状の固体高分子型燃料電池１２に組み込まれる。複数の燃料電池１２は、例えば、矢印Ａ方向（水平方向）又は矢印Ｃ方向（重力方向）に積層されて燃料電池スタックが構成される。燃料電池スタックは、例えば、車載用燃料電池スタックとして燃料電池電気自動車（図示せず）に搭載される。

燃料電池１２は、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０を第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６で挟持する。第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６は、横長（又は縦長）の長方形状を有する。第１セパレータ１４及び第２セパレータ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る。

長方形状の樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０は、図１〜図３に示すように、段差ＭＥＡである電解質膜・電極構造体１０ａを備える。電解質膜・電極構造体１０ａは、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜（陽イオン交換膜）１８と、前記固体高分子電解質膜１８を挟持するアノード電極（第１電極）２０及びカソード電極（第２電極）２２とを有する。固体高分子電解質膜１８は、フッ素系電解質の他、ＨＣ（炭化水素）系電解質を使用してもよい。

カソード電極２２は、固体高分子電解質膜１８及びアノード電極２０よりも小さな平面寸法を有する。なお、上記の構成に代えて、アノード電極２０は、固体高分子電解質膜１８及びカソード電極２２よりも小さな平面寸法を有するように構成してもよい。その際、アノード電極２０は、第２電極となり、カソード電極２２は、第１電極となる。

アノード電極２０は、固体高分子電解質膜１８の一方の面１８ａに接合される第１電極触媒層２０ａと、前記第１電極触媒層２０ａに積層される第１ガス拡散層２０ｂとを設ける。第１電極触媒層２０ａ及び第１ガス拡散層２０ｂは、同一の外形寸法を有するとともに、固体高分子電解質膜１８と同一（又は同一未満）の外形寸法に設定される。

カソード電極２２は、固体高分子電解質膜１８の面１８ｂに接合される第２電極触媒層２２ａと、前記第２電極触媒層２２ａに積層される第２ガス拡散層２２ｂとを設ける。第２電極触媒層２２ａの外周端部２２ａｅは、第２ガス拡散層２２ｂの外周端部２２ｂｅよりも外方に突出するとともに、前記第２電極触媒層２２ａは、固体高分子電解質膜１８の外形寸法よりも小さな外形寸法に設定される。

なお、本実施形態では、第２電極触媒層２２ａの平面寸法は、第２ガス拡散層２２ｂの平面寸法よりも大きな寸法を有しているが、前記第２電極触媒層２２ａと前記第２ガス拡散層２２ｂとは、同一の平面寸法に設定されてもよい。

第１電極触媒層２０ａは、例えば、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が第１ガス拡散層２０ｂの表面に一様に塗布されて形成される。第２電極触媒層２２ａは、例えば、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が第２ガス拡散層２２ｂの表面に一様に塗布されて形成される。第１ガス拡散層２０ｂ及び第２ガス拡散層２２ｂは、カーボンペーパ、カーボンクロス等からなるとともに、前記第２ガス拡散層２２ｂの平面寸法は、前記第１ガス拡散層２０ｂの平面寸法よりも小さく設定される。第１電極触媒層２０ａ及び第２電極触媒層２２ａは、例えば、固体高分子電解質膜１８の両面に形成される。

樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０は、固体高分子電解質膜１８の外周を周回するとともに、アノード電極２０及びカソード電極２２に接合される樹脂枠部材２４を備える。樹脂枠部材２４は、例えば、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＰＰＡ（ポリフタルアミド）、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）、ＰＥＳ（ポリエーテルサルフォン）、ＬＣＰ（リキッドクリスタルポリマー）、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）、シリコーンゴム、フッ素ゴム、ＥＰＤＭ（エチレンプロピレンゴム）又はｍ−ＰＰＥ（変性ポリフェニレンエーテル樹脂）等で構成される。

図１及び図４に示すように、樹脂枠部材２４は、枠形状を有する。樹脂枠部材２４は、図２及び図３に示すように、内周基端部２４ｓからカソード電極２２側に膨出する薄肉状に形成された内側膨出部２４ａを有する。内側膨出部２４ａは、内周基端部２４ｓから内方（矢印Ｃ方向）に所定の長さを有して延在し、固体高分子電解質膜１８の外周縁部１８ｂｅから第２電極触媒層２２ａの先端縁部を覆って配置される。

内側膨出部２４ａには、内周基端部２４ｓに連続して、カソード電極２２の先端部から面方向外方に露出する固体高分子電解質膜１８の外周縁部１８ｂｅに当接する凸状部２６ａが設けられる。凸状部２６ａの内方端部には、前記凸状部２６ａより薄肉状に形成される平坦面部２６ｂが設けられ、前記平坦面部２６ｂは、該凸状部２６ａから内側膨出部２４ａの内周端部まで延在する。

凸状部２６ａは、樹脂枠部材２４の全周に亘って一定の幅寸法ａを有するとともに、平坦面部２６ｂは、前記樹脂枠部材２４の全周に亘って一定の幅寸法ｂを有する。平坦面部２６ｂと、少なくとも固体高分子電解質膜１８との間には、接着剤層２８が形成される。接着剤層２８は、第２電極触媒層２２ａの外周と重なり部位を有する。

内側膨出部２４ａの平坦面部２６ｂである内方端部の厚さｔ１は、第２ガス拡散層２２ｂと略同一の肉厚に設定されるとともに、前記内側膨出部２４ａの凸状部２６ａの肉厚ｔ２は、カソード電極２２との略同一の厚肉に設定される。内側膨出部２４ａの平坦面部２６ｂと固体高分子電解質膜１８の面１８ｂとの間隔ｔ３は、矢印Ｃ方向に沿って均一な値に設定される。

接着剤層２８には、接着剤として、例えば、液状シールやホットメルト剤が設けられる。なお、接着剤としては、液体や固体、熱可塑性や熱硬化性等に制限されない。接着剤層２８は、固体高分子電解質膜１８の外周縁部１８ｂｅの全周に亘って額縁状に形成される。樹脂枠部材２４の内周端部２４ａｅと第２ガス拡散層２２ｂの外周端部２２ｂｅとの間には、隙間が形成される。この隙間には、接着剤層２８が形成される。

樹脂枠部材２４とアノード電極２０の第１ガス拡散層２０ｂとは、接着用樹脂を用いた樹脂含浸部２８ａにより一体化される。樹脂含浸部２８ａは、例えば、樹脂枠部材２４に一体成形される樹脂突起部２４ｔを加熱変形させて構成することができる。なお、樹脂含浸部２８ａは、接着剤層２８と同様に、液状シールやホットメルト剤等の接着剤を使用してもよい。

図１に示すように、燃料電池１２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、酸化剤ガス入口連通孔３０ａ、冷却媒体入口連通孔３２ａ及び燃料ガス出口連通孔３４ｂが設けられる。酸化剤ガス入口連通孔３０ａは、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給する一方、冷却媒体入口連通孔３２ａは、冷却媒体を供給する。燃料ガス出口連通孔３４ｂは、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出する。酸化剤ガス入口連通孔３０ａ、冷却媒体入口連通孔３２ａ及び燃料ガス出口連通孔３４ｂは、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。

燃料電池１２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燃料ガス入口連通孔３４ａ、冷却媒体を排出する冷却媒体出口連通孔３２ｂ、及び酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス出口連通孔３０ｂが設けられる。燃料ガス入口連通孔３４ａ、冷却媒体出口連通孔３２ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔３０ｂは、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。

第２セパレータ１６の樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０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の樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０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。互いに隣接する第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。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、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０を構成する樹脂枠部材２４に当接する第１凸状シール４２ａと、第２セパレータ１６の第２シール部材４４に当接する第２凸状シール４２ｂとを有する。第２シール部材４４は、第２凸状シール４２ｂに当接する面がセパレータ面に沿って平面状に延在する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に凸状シール（図示せず）を設けてもよい。

第１シール部材４２及び第２シール部材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等の弾性を有するシール部材が用いられる。

次いで、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０を製造する方法について、以下に説明する。

先ず、段差ＭＥＡである電解質膜・電極構造体１０ａが作製される一方、樹脂枠部材２４は、金型（図示せず）を用いて射出成形される。図４に示すように、樹脂枠部材２４は、肉薄形状の内側膨出部２４ａを有する。内側膨出部２４ａには、内周基端部２４ｓに連続して凸状部２６ａが設けられるとともに、前記凸状部２６ａの内方端部には、前記凸状部２６ａより薄肉状に形成される平坦面部２６ｂが設けられている。なお、樹脂枠部材２４には、必要に応じて樹脂突起部２４ｔが一体成形される。

次に、図５に示すように、樹脂枠部材２４には、内側膨出部２４ａの平坦面部２６ｂに、又は電解質膜・電極構造体１０ａに、接着剤２８ｓが、例えば、図示しないディスペンサーを介して塗布される。なお、接着剤２８ｓとしては、ホットメルトシートを用いてもよい。

樹脂枠部材２４の内周基端部２４ｓと電解質膜・電極構造体１０ａを構成する第１ガス拡散層２０ｂの外周端部２０ｂｅとが位置合わせされる。そして、図６に示すように、接着剤２８ｓが加熱されるとともに、厚さ方向に荷重（ホットプレス等）が付与される。

これにより、接着剤２８ｓが溶融され、樹脂枠部材２４の内側膨出部２４ａと固体高分子電解質膜１８の外周縁部１８ｂｅとは、接着剤層２８を介して接着される。さらに、樹脂枠部材２４の内周端部２４ａｅの内周面と第２ガス拡散層２２ｂの外周端部２２ｂｅの先端面とは、接着剤層２８を介して接着される。一方、樹脂枠部材２４とアノード電極２０の第１ガス拡散層２０ｂとは、樹脂含浸部２８ａにより一体化される。従って、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０が製造される。

樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０は、図２に示すように、第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６により挟持される。第２セパレータ１６は、樹脂枠部材２４の内側膨出部２４ａに当接し、第１セパレータ１４とともに樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０に荷重を付与する。さらに、燃料電池１２は、所定数だけ積層されて燃料電池スタックが構成されるとともに、図示しないエンドプレート間に締め付け荷重が付与される。

このように構成される燃料電池１２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には、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には、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には、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１０ａのカソード電極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１０ａのアノード電極２０に供給される。

従って、各電解質膜・電極構造体１０ａでは、カソード電極２２に供給される酸化剤ガスと、アノード電極２０に供給される燃料ガスとが、第２電極触媒層２２ａ及び第１電極触媒層２０ａ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、アノード電極２０に供給されて消費された燃料ガスは、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１０ａ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、図２及び図３に示すように、樹脂枠部材２４の内側膨出部２４ａには、内周基端部２４ｓ側に凸状部２６ａが設けられており、前記凸状部２６ａが固体高分子電解質膜１８の外周縁部１８ｂｅに当接している。このため、電解質膜・電極構造体１０ａと樹脂枠部材２４とは、互いの離間間隔を容易且つ正確に維持することができる。従って、電解質膜・電極構造体１０ａと樹脂枠部材２４とを良好に位置決めすることが可能になるという効果が得られる。

しかも、樹脂枠部材２４では、内側膨出部２４ａの凸状部２６ａが固体高分子電解質膜１８の外周縁部１８ｂｅに直接当接している。これにより、内周基端部２４ｓと電解質膜・電極構造体１０ａの先端部との間から接着剤２８ｓが漏れ出すことを確実に抑制することができる。

さらに、内側膨出部２４ａには、凸状部２６ａから前記内側膨出部２４ａの内周端部まで延在する平坦面部２６ｂが設けられている。このため、接着剤層２８内でのエア噛みを抑制することが可能になるとともに、応力集中による損傷を抑制することができる。従って、簡単な構成で、電解質膜・電極構造体１０ａと樹脂枠部材２４とを強固且つ良好に接合することが可能になる。

１０…樹脂枠付き電解質膜・電極構造体 １０ａ…電解質膜・電極構造体
１２…燃料電池 １４、１６…セパレータ
１８…固体高分子電解質膜 １８ｂｅ…外周縁部
２０…アノード電極 ２０ａ、２２ａ…電極触媒層
２０ｂ、２２ｂ…ガス拡散層 ２２…カソード電極
２２ａｅ、２２ｂｅ…外周端部 ２４…樹脂枠部材
２４ａ…内側膨出部 ２４ｓ…内周基端部
２４ｔ…樹脂突起部 ２６ａ…凸状部
２６ｂ…平坦面部 ２８…接着剤層
２８ａ…樹脂含浸部 ２８ｓ…接着剤
３０ａ…酸化剤ガス入口連通孔 ３０ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
３２ａ…冷却媒体入口連通孔 ３２ｂ…冷却媒体出口連通孔
３４ａ…燃料ガス入口連通孔 ３４ｂ…燃料ガス出口連通孔
３６…酸化剤ガス流路 ３８…燃料ガス流路
４０…冷却媒体流路 ４２、４４…シール部材

Claims (1)

1. 固体高分子電解質膜の一方の面には、第１電極が設けられ、前記固体高分子電解質膜の他方の面には、第２電極が設けられるとともに、前記第１電極の平面寸法は、前記第２電極の平面寸法よりも大きな寸法に設定される段差状の電解質膜・電極構造体と、
   前記固体高分子電解質膜の外周を周回して設けられる樹脂枠部材と、
   を備える燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体であって、
   前記樹脂枠部材は、内周基端部から前記第２電極側に膨出する薄肉状の内側膨出部を有し、
   前記内側膨出部には、前記内周基端部側に位置し、前記第２電極の端部から面方向外方に露出する前記固体高分子電解質膜の外周縁部に当接する凸状部と、
   前記凸状部より薄肉状に形成され、該凸状部から該内側膨出部の内周端部まで延在する平坦面部と、
   が設けられるとともに、
   前記平坦面部と少なくとも前記固体高分子電解質膜との間には、接着剤層が形成されることを特徴とする燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体。

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