JPH08148169A - 固体高分子型燃料電池のシ−ル方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】固体高分子型燃料電池の固体高分子電解質膜と
パッキンとを予め接着して一体化することによりシ−ル
を行うことを特徴とする固体高分子型燃料電池のシ−ル
方法。 【効果】本発明に係るシ−ル方法によれば、電解質膜と
パッキンの間のガスシ−ルを容易且つ確実にすることが
でき、燃料電池の安全性を向上させることができる。ま
た従来よりも膜を軽く押さえるだけで十分にシ−ルする
ことができ、このため電解質膜の損傷を大幅に低減させ
ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、固体高分子型燃料電池
のシ−ル方法に関し、より具体的には固体高分子型燃料
電池の固体高分子電解質膜とシ−ルとのガスシ−ルを容
易且つ確実にし、固体高分子型燃料電池の安全性を有効
に向上させることができる固体高分子型燃料電池のシ−
ル方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】固体高分子型燃料電池はイオン伝導体す
なわち電解質が固体で且つ高分子である点に特徴を有す
るものであるが、その固体高分子電解質としては具体的
にはイオン交換樹脂等の膜が使用され、この高分子電解
質膜を挟んで負極（アノ−ド）及び正極（カソ−ド）の
両電極を配置し、例えば負極側に燃料としての水素ガス
を、また正極側には酸素又は空気を供給して電気化学反
応を起こさせることにより電気を発生させるものであ
る。

【０００３】この装置には各種態様のものがあるが、図
１は、この固体高分子型燃料電池の原理ないしは一態様
を説明するための概略図である。図１中、１は高分子電
解質膜、２はカソ−ド電極（正極）、３はアノ−ド電極
（負極）であり、高分子電解質膜１は相対するこの正負
両電極２、３間に配置されている。また４はカソ−ド電
極側集電体、５はアノ−ド電極側集電体であり、それぞ
れ正負の電極２及び３に当接されている。このうちカソ
−ド電極側集電体４の電極２側には酸素又は空気供給用
の溝が設けられ、同じくアノ−ド電極側集電体５の電極
３側には水素供給用の溝が設けられ、正極側集電体４の
溝は酸素又は空気供給管６に、また負極側集電体５の溝
は水素供給管７に連通している。

【０００４】また、８は正極側集電体４に当接して設け
られたカソ−ド端子板、９は負極側集電体５に当接して
設けられたアノ−ド端子板であり、電池の作動中にこれ
らを通して電力が取り出される。１０は上部枠体すなわ
ち上部フレ−ム、１１は下部枠体すなわち下部フレ−ム
であり、これら上下両枠体１０、１１により高分子電解
質膜１からカソ−ド端子板８及びアノ−ド端子板９まで
の電池本体（この用語は、後述のとおり電極を電解質膜
に当接したものを指すものとしても使用している）を被
って固定されている。

【０００５】これら上下両枠体１０、１１間には、高分
子電解質膜１からカソ−ド端子板８及びアノ−ド端子板
９までの電池本体の周縁部を囲ってパッキン（ガスケッ
ト）１２が設けられ、これによってその電池本体の周縁
部を密に固定してシ−ルし、特に高分子電解質膜１及び
正負両電極２、３に対してガスシ−ルされている。なお
図１中、１３及び１４は冷却水供給管であり、これらは
それぞれ上部枠体１０及び下部枠体１１の内面に設けら
れた溝（閉通路）に連通し、カソ−ド端子板８の背面及
びアノ−ド端子板９の背面から冷却するようになってい
る。

【０００６】以上は、電池本体が単一の場合であるが、
この電池本体を二つ以上積み重ねて構成することも行わ
れる。この場合には二つ以上の各電池本体間にセパレ−
タ−（スペ−サ−）を介在させ、これにも冷却水用の溝
等を設ける必要はあるが、電池本体の周縁部を囲ってパ
ッキンを設け、その電池本体の周縁部を密に固定してシ
−ルし、高分子電解質膜１及び正負両電極２、３に対し
てガスシ−ルをすること等を含めて、基本的には上述単
一の電池本体の場合と同じである。この場合には、パッ
キン等の締め付けは、上下両枠体１０、１１に加え、上
記セパレ−タ−をも介して行われる。

【０００７】前述単一の電池本体、またこの電池本体を
二つ以上積み重ねて構成する場合にも、その縁部を密に
（特にガス密に）シ−ルする必要がある。そのシ−ルの
仕方としては、これまで上述のとおり高分子電解質膜
の周囲にパッキンを介在させて密着させる、Ｏリング
を介在させ、これにより密着させる等の手法が用いら
れ、提案されている。

【０００８】図２は、このうちＯリングによるシ−ル
の仕方の一例を示すものである（図には片側のみ示して
いるが、その余の側についても同様である）。図示のと
おり電解質膜１の両面上に電極２（３）が配置され、図
１の態様ではその上下から上下両枠体１０（１１）によ
り、また電池本体を二つ以上積み重ねて構成する場合に
は上下両枠体及びセパレ−タ１６、１７により、これら
と電解質膜１の周縁部との間にＯリング１５を介在させ
て密着させることでシ−ルされる。なお図２中符号「１
６（１０）」、「１７（１１）」と示しているのは、セ
パレ−タ１６、１７が最上部又は最下部となる場合に、
上部枠体１０又は下部枠体１１に相当することになるこ
とを意味している。

【０００９】しかし、これらの手法でその密着を確実に
するためには、何れもそれらパッキン又はＯリングを強
く押圧する必要があるが、このためこれらが当接する高
分子電解質膜自体を損傷するばかりでなく、前述電池本
体に対しても必要以上の締め付けが行われてしまうこと
にもなる。また電解質膜は、通常、温度や加湿の有無に
より伸縮する性質があり、これによりシ−ル部に負担が
かかりやすいため、上述、等の何れのシ−ル手法を
とるにしても、この点にも十分配慮する必要がある。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】そこで本発明は、その
電池本体の周縁部を固定してシ−ルし、高分子電解質膜
１及び正負両電極２、３に対してガスシ−ルをするに当
たり、そのように高分子電解質膜の周囲にパッキンを
介在させ密着させる、Ｏリングを介在させ密着させる
等の手法における上記欠点ないし問題点を一挙に解決
し、高分子電解質膜を軽く押さえるだけで十分にシ−ル
することができ、またこれによって高分子電解質膜自体
を損傷することのない等の優れた利点を有するシ−ル法
を提供することを目的とするものである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、従来の技術に
おける上記欠点ないしは問題点を解決するためになされ
たものであり、固体高分子型燃料電池の高分子電解質膜
とパッキン（ガスケット）とを予め接着剤により接着し
て一体化することにより、シ−ルを行うことを特徴とす
る固体高分子型燃料電池のシ−ル方法を提供するもので
ある。

【００１２】この場合、上記接着・一体化をより効果的
にする上では、その接着に先立ちそのパッキンに、これ
が高分子電解質膜と当接する面（電池と接する面）に対
してサンドブラスト（スチ−ルブラスト等を含む）やプ
ラズマエッチング等により細かい凹凸を付けておくのが
特に有効である。これによって高分子電解質膜に対して
パッキンを密にシ−ルし且つ強固に固定することができ
る。

【００１３】燃料電池用の高分子電解質膜としては、こ
れまで当初のフェノ−ルスルフォン酸とホルムアルデ
ヒドとの縮合合成膜から逐次改善、改良され、以降これ
まで部分的にスルフォン化したポリスチレン膜、ス
チレン−ジビニルベンゼンをフルオロカ−ボンのマトリ
ックスにクロスリンクさせた後スルフォン化した膜、
、の膜でαＣ−Ｈ結合を含まない膜、トリフルオ
ロスチレンスルフォン酸の重合膜、フルオロカ−ボン
マトリックスにトリフルオロエチレンをグラフト化した
膜、パ−フルオロカ−ボンスルフォン酸樹脂膜等が提
案されている。

【００１４】本発明に係るシ−ル方法は、上記例示の高
分子電解質膜とは限らず、高分子電解質膜の種類如何を
問わず何れも適用可能であり、またパッキン材料につい
てもフッ素ゴムその他それ自体化学的に安定で、これと
接触する材料を変質させることなく、また水素や空気等
の流体が浸透しない等、パッキンとして所定の諸性質を
備えているものであれば、何れも使用することができ
る。

【００１５】また、本発明において、上記予め高分子電
解質膜とパッキン（ガスケット）とを接着して一体化す
る、その接着一体化のさせ方としては、両者を予め接着
一体化させ得る手法であれば特に制限はないが、例えば
高分子電解質膜とパッキンとの当接面の一方又は両方に
適当な接着剤を塗布し、必要に応じて溶媒を除去した
後、高分子電解質膜に対してパッキンを当接、接合する
ことにより行うことができる。この場合、その接着剤と
しては、両者を密に接着し得るものであれば使用できる
が、両者、特に高分子電解質膜を化学作用等により劣化
させないものである必要があり、このため特に高分子電
解質膜と同系統の成分からなる接着剤であるのが望まし
い。

【００１６】この点、前記例示の高分子電解質膜のう
ち、パ−フルオロカ−ボンスルフォン酸系の樹脂膜
（ＮＡＦＩＯＮ、商品名）は、その優れた電気的特性に
加え〔イオン伝導率５×１０^-2Ｓ・ｃｍ^-1（湿潤状態、
２５℃）〕、化学的にも物理的にもきわめて安定であ
り、機械的も大きいこと等から、現在主としてこの樹脂
膜が使用されている。この膜は、厚さ５０〜２００μｍ
程度の膜として使用され、この膜厚でも単位面積当りの
電気抵抗は０．１〜０．５Ω程度で電池の内部抵抗の主
な原因とはなり得ないほど小さいが、高分子電解質膜と
してこの膜を使用する場合には、その接着剤としては、
好ましくはこれと同じ高分子電解質膜の溶液〔例えばＮ
ａｆｉｏｎ−１１７（登録商標）の膜を使用するなら、
Ｎａｆｉｏｎ溶液（Ａｌｄｒｉｃｈ Ｃｈｅｍｉｃａｌ
社製、登録商標）〕を使用する。

【００１７】次に、本発明に係るシ−ル方法の（接着剤
塗布後、溶媒除去を伴う場合の）一態様についてその概
略を述べると、まず厚さ１〜５ｍｍ程度のパッキンの
シ−ル面（電池と接する面＝高分子電解質膜と接する
面）にサンドブラスト或いはプラズマエッチング等によ
り細かい凸凹を付ける。、で処理した凹凸面に高分
子電解質膜の溶液を電解質膜が０．１〜５ｍｇ／ｃｍ²
程度となるように塗付する。この塗付の仕方としては、
ロ−ル法、刷毛を用いる手法その他この種塗布手段とし
て通常使用される方法を用いることができる。

【００１８】、次いでの塗布溶液中の溶媒をまず室
内で乾かし、表面から溶媒から見えなくなった時点で、
例えば真空乾燥器を用いて温度８０℃程度、約３時間程
度乾かし、溶媒を完全に取り除く。、〜の処理を
施したパッキンを２枚用意しシ−ル面を内側にしてその
間に高分子電解質膜を挟み、温度１２０℃以上、特に１
４０〜２００℃程度、圧力５０〜２００ｋｇ／ｃｍ² 程
度で、ホットプレスを用いてパッキンを一体化した膜を
得る。、引続きで得られた膜にガス拡散電極を接合
して燃料電池本体を得る。

【００１９】次いでこの燃料電池本体をパッキンがシ−
ル部分に収まる枠体（及びセパレ−タ）で挟み、アノ−
ド電極、カソ−ド電極の両電極その他必要な構成要素を
例えば図１のように組み立てることにより、燃料電池を
得ることができる。また、パッキンの厚みや形状は燃料
電池構造の態様、規模等如何により図１のような形態と
は異なる場合があるが、本発明のシ−ル方法は、それら
態様、規模等如何により制限されることはなく、また電
池本体が単一の場合とは限らず、この電池本体を二つ以
上積み重ねて構成する場合についても同様に適用できる
ものである。

【００２０】

【実施例】以下、本発明の実施例を説明するが、本発明
がこの実施例に限定されるものではないことは勿論であ
る。まず、厚さ３ｍｍのバイトン製パッキン（フッ素
ゴム、Ｄｕ Ｐｏｎｔ社製、商品名）のシ−ル面（電池
と接する面）にサンドブラストにより細かい凸凹を付け
た。次いで、で処理した面上にロ−ル法によりＮａ
ｆｉｏｎ膜の溶液（高分子電解質膜の溶液、Ａｌｄｒｉ
ｃｈ Ｃｈｅｍｉｃａｌ社製、登録商標）を電解質膜が
３ｍｇ／ｃｍ² となるように塗付した。

【００２１】その後、上記の塗布面の溶液中の溶媒
をまず室内で乾かし、表面から溶媒から見えなくなった
時点で、真空乾燥器を用いて温度８０℃、３時間乾かし
溶媒を完全に取り除いた。、〜の処理を施したパ
ッキンを２枚用意し、シ−ル面を内側にして、その間に
Ｎａｆｉｏｎ−１１７膜（高分子電解質膜、Ｄｕ Ｐｏ
ｎｔ社製、商品名）を挟み、温度１４０℃、圧力７０ｋ
ｇ／ｃｍ² で１０秒間ホットプレスをし、パッキンを接
着、一体化した固体高分子電解質膜を得た。

【００２２】、次いでで得られたパッキン一体化固
体高分子電解質膜にガス拡散電極を接合して燃料電池本
体を得た。本実施例で用いたこのガス拡散電極は、気孔
率８０％、厚さ０．４ｍｍのカ−ボンペ−パ−をテトラ
フルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体
のディスパ−ジョンで撥水化したカ−ボンペ−パ−上
に、パ−フルオロカ−ボンスルホン酸樹脂のアルコ−ル
溶液でコ−ティングしてなるカ−ボンに白金５０重量％
を担持させた触媒粒子にポリテトラフルオロエチレンの
ディスパ−ジョンを加えた懸濁液を堆積させて得たもの
である。

【００２３】図３（ａ）は、以上で得たパッキンを一体
化した高分子電解質膜を、また図３（ｂ）はそのパッキ
ン一体化高分子電解質膜にガス拡散電極を接合した燃料
電池本体の構造を示したものである。図３中、高分子電
解質膜１及び正負両電極２、３の配置は図１〜図２の場
合と同じであるが、上記で得た電極２、３は、撥水化カ
−ボンペ−パ−がガス拡散層１８を、また触媒粒子の堆
積層が触媒層１９を形成している。このため両電極２、
３は、ともに触媒層１９側が高分子電解質膜面に当接す
るように接合している。

【００２４】次いで、常法により、上記燃料電池本体に
集電体、端子板等を密着させ、水素及び酸素の出入口等
を設置して図１のように固体高分子型燃料電池としてセ
ットし、その電極特性及び電池としての性能の変化を測
定した。比較例として別途作製した、本発明のように高
分子電解質膜とパッキンとを予め接着・一体化すること
なく、パッキンを従来法により密にシ−ルをした以外
は、本実施例と同様にして得た燃料電池についても同じ
く測定した。両者はほぼ同等の性能を示したが、従来法
では、膜の破損等が発電中に３０％の割合で生じたのに
対して、実施例では破損等のトラブルは生じなかった。
この点、同じ試験を１０回実施しても全く同様であっ
た。またシ−ル後の電解質膜面を目視により観察たとこ
ろ、本実施例によものには、その解体後でも膜の損傷は
認められなかった。

【００２５】

【発明の効果】本発明に係るシ−ル方法によれば、電解
質膜とパッキンの間のガスシ−ルを容易且つ確実にする
ことができ、燃料電池の安全性を向上させることができ
る。また従来よりも膜を軽く押さえるだけで十分にシ−
ルすることができ、このため電解質膜の損傷を大幅に低
減させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】固体高分子型燃料電池の一態様を説明するため
の概略図。

【図２】Ｏリングによる従来のシ−ル態様の一例を示す
図。

【図３】実施例で得たパッキンを一体化した高分子電解
質膜及びこれにガス拡散電極を接合した燃料電池本体の
構造を示す図。

【符号の説明】

１ 高分子電解質膜 ２ カソ−ド電極（正極） ３ アノ−ド電極（負極） ４、５ 集電体 ６ 空気供給管 ７ 水素供給管 ８、９ 端子板 １０ 上部枠体（上部フレ−ム） １１ 下部枠体（下部フレ−ム） １２ パッキン １３、１４ 冷却水供給管 １５ Ｏリング １６、１７ セパレ−タ １８ ガス拡散層 １９ 触媒層

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】固体高分子型燃料電池の固体高分子電解質
   膜とパッキンとを予め接着剤により接着して一体化する
   ことによりシ−ルを行うことを特徴とする固体高分子型
   燃料電池のシ−ル方法。
2. 【請求項２】パッキンのシ−ル面にサンドブラスト又は
   プラズマエッチングにより細かい凸凹を付けた後、接着
   剤をその凹凸面に塗布することを特徴とする請求項１記
   載の固体高分子型燃料電池のシ−ル方法。
3. 【請求項３】固体高分子電解質膜がパ−フルオロカ−ボ
   ンスルフォン酸樹脂系の膜で、接着剤がパ−フルオロカ
   −ボンスルフォン酸系の樹脂溶液である請求項１又は２
   記載の固体高分子型燃料電池のシ−ル方法。