JPH08148170A - 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用電極の周縁部を緻密化
し、この緻密化部分によりガスシ−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】電極の周縁部を緻密化することによりパッキン
やＯリング等を電極に接触できるようになったので、電
解質膜の損傷を大幅に低減させ、実質上皆無とすること
ができる。また電解質膜及び電極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。

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、固体高分子電解
質膜を損傷することなく、固体高分子型燃料電池のガス
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】この装置にはこれまで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間に当接して配置されている。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。

【０００４】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、負極側集電体５の溝は水素供給管７に連通してい
る。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。さらに１０は上部枠体（上部フレ
−ム）、１１は下部枠体（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１２等の締め付
けはセパレ−タをも介して行われる。

【０００７】この場合、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。図２は、このＯリングによるシ−ルの仕方を示す
ものである。図示のとおり電解質膜１の上下面に電極
２、３が配置され、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１０、１１に加えて、セパレ−タ１
６、１７により、これらと電解質膜１の周縁部間に配置
された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「１６（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という意味である。

【０００８】しかし、これら及びの手法では、パッ
キン又はＯリングが高分子電解質膜１に直かに当接さ
れ、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り、このため
高分子電解質膜自体を損傷するばかりでなく、前述電池
本体全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、上述のような従来の何れのシ
−ル手法をとるにしても、この点にも配慮する必要があ
る。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】そこで本発明は、その
電池本体を固定してシ−ルし、高分子電解質膜及び正負
両電極に対してガスシ−ルをするに当たり、前記、
等の手法におけるようにパッキンやＯリングを高分子電
解質膜の周縁部に直かに当接してシ−ルするのではな
く、その上下面に配置された両電極の周縁部でシ−ルす
るようにすることにより、高分子電解質膜を損傷するこ
とがなく、安全性の高いシ−ル法を提供することを目的
とするものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、固体高分子型
燃料電池用電極の周縁部を緻密化し、この緻密化部分に
よりガスシ−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。

【００１１】固体高分子型燃料電池用の電極は、シ−ト
状（膜状）の形で適用されるのが通常であり、そのシ−
ト化としては、触媒粒子を含む電極構成材料を電解質
としての固体高分子膜に直かに付着させる、触媒粒子
を含む電極構成材料を混練物として圧延等によりシ−ト
化する、触媒粒子を含む懸濁液を基材シ−ト（電極中
でガス拡散層となる）としての撥水化カ−ボンペ−パ−
上に付着させる等の各種態様で行われるが、本発明はこ
れらの何れの態様で得られた電極に対しても適用するこ
とができる。

【００１２】本発明は、上記の態様のうちでも、′
触媒粒子、電解質及びポリテトラフルオロエチレンから
なる触媒構成材料（電極中で触媒層となる）の懸濁液
を、基材シ−ト（電極中でガス拡散層となる）としての
撥水化カ−ボンペ−パ−上に付着させる態様を採る場合
に特に有利であり、この場合そのペ−パ−の撥水化剤と
しては、ポリテトラフルオロエチレン系のものであるの
が望ましい。ここでポリテトラフルオロエチレン系と
は、ポリテトラフルオロエチレンのほか、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その他
その共重合体等をも含む意味である。

【００１３】また、本発明における上記緻密化の仕方と
しては、電極の周縁部を緻密化することができる手法で
あれば特に限定はなく、例えば接着剤等からなる緻密化
剤の溶液をその周縁部に含浸させ、必要に応じてその溶
液から溶媒を取り除くことによって行うことができる。
この緻密化剤としては、電極周縁部を緻密化することが
てきるものであれば使用できるが、特に電極及び高分子
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、電池の作動温度で耐え得る耐熱性と耐酸性を
有する緻密化剤であるのが望ましい。

【００１４】この緻密化剤としては好ましくはポリテト
ラフルオロエチレン系（ポリテトラフルオロエチレンの
ほか、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、その他その共重合体等をも含む）のディ
スパ−ジョンを使用することができるが、この緻密化剤
は、特に上記撥水化カ−ボンペ−パ−上に触媒層を付着
させたガス拡散電極に対して有効であり、また高分子電
解質膜として後述パ−フルオロカ−ボンスルフォン酸樹
脂系の膜を用いる場合に特に有効である。

【００１５】本発明者は、触媒粒子、高分子電解質及び
ポリテトラフルオロエチレンの混合物を用いる形式の固
体高分子型燃料電池用電極において（なお、この形式の
電極は上記〜の何れの態様によっても製造され
る）、この電極の表面層の全面を例えばパ−フルオロカ
−ボンスルホン酸樹脂系等の固体高分子電解質溶液によ
りコ−ティングすることによりその導電性等を改善する
方法を先に開発し、提案しているが（特願平５−２９７
２８１号）、本発明は例えばこのようにして得られる電
極を用いる燃料電池についても有効に適用できるもので
ある。

【００１６】図３〜図４は、本発明のシ−ル法を説明す
るための概略図である。このうち図３は、一例としてガ
ス拡散層として撥水化カ−ボンペ−パ−を使用し、その
片面に触媒層を堆積、担持させた形式の電極シ−ト（ガ
ス拡散電極）１８を示し、図３中、１９は撥水化カ−ボ
ンペ−パ−の撥水化部分、２０は、撥水化とともに、緻
密化剤により処理して緻密化した周縁部分を示してい
る。また図４は、このような処理をして得た電極シ−ト
１８を使用してシ−ルした状態を示し、図４中、２１は
上下のパッキンであるが、本発明においてはパッキンと
は限らず、Ｏリング等他の手段も適用することができ
る。

【００１７】図４のとおり、電解質膜１はその上下両面
ともその全面が電極シ−ト１８と当接するようにする
が、このため電極シ−ト１８の膜面は電解質膜の表面と
同じ面積を有しており、これによってパッキン２１は、
電解質膜面に対して接するのではなく、電極シ−ト１８
の周縁部面〔すなわち、撥水化とともに緻密化剤により
処理して緻密化した部分２０〕に当接して配置され、こ
れを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１０、１１に加えて、セパレ−タ１６、１７により密
着させることでシ−ルされる。

【００１８】本発明においては、このように電極の周縁
部を緻密化させ、この緻密化部分にパッキン（又はＯリ
ング等）を当接させることによりシ−ルをし、これによ
って電解質膜の損傷を防ぐことができ、延いて電池の安
全性を高めることができるものである。なお、図４に示
す態様では、電極シ−トの膜面は電解質膜の表面と同じ
面積を有しているが、この電極シ−トの膜面積は、その
電極の周縁部の緻密化部分にパッキン（又はＯリング
等）を当接させ、所定のシ−ル目的を達成し得る限度
で、電解質膜の表面積とは必ずしも同一面積である必要
はない。

【００１９】固体高分子型燃料電池用の電解質膜として
は、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、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。

【００２０】本発明に係るシ−ル方法は、これら例示の
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、
この点Ｏリング等を用いる場合におけるその材質につい
ても同様である。

【００２１】また、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（ＮＡ
ＦＩＯＮ、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〔例えば高分子電
解質膜としてＮａｆｉｏｎ１１７膜（登録商標）の膜を
使用するなら、Ｎａｆｉｏｎ溶液（Ａｌｄｒｉｃｈ Ｃ
ｈｅｍｉｃａｌ社製、登録商標）〕を使用する。

【００２２】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、表面積１０×１０ｃｍ² 、気孔率８０
％、厚さ０．４ｍｍのカ−ボンペ−パ−面に１２．５％
に希釈したネオフロン（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、ダイキン工業社製、登
録商標）のディスパ−ジョンを含浸させた後、温度３８
０℃で３時間熱処理を行い、ネオフロンにて撥水化した
カ−ボンペ−パ−を得た。ここで量的割合については、
カ−ボンペ−パ−８０重量％、ネオフロン２０重量％と
した。

【００２３】次いで、で得た撥水化カ−ボンペ−パ
−の周辺部に６０重量％ポリフロン（ポリテトラフルオ
ロエチレン、ダンキン工業社製、登録商標）のディスパ
−ジョンを含浸させた後、温度３８０℃で、３時間熱処
理を行い、その周辺部をポリフロンにより緻密化したカ
−ボンペ−パ−を得た。なお、の作業において得ら
れたカ−ボンペ−パ−の緻密化が不充分でガスがリ−ク
する場合は、同様の操作をくり返すことにより、十分に
緻密化することができる。

【００２４】引続き、この周辺部緻密化カ−ボンペ−
パ−面上に（周辺の緻密化部分を除く）、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−ボン粒子に対して白金５０重量％を担持
させてなる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ることによ
り、その緻密化カ−ボンペ−パ−上に触媒粒子、撥水化
剤（ポリテトラフルオロエチレン）を堆積させ、さらに
高分子電解質溶液を含浸させることにより、図３に示す
ような電極シ−トを得た。さらに、以上で得た２枚の
電極シ−トの間にＮａｆｉｏｎ−１１７膜（固体高分子
電解質膜、Ｄｕ Ｐｏｎｔ社製、商品名）を挟み、燃料
電池本体を得た。

【００２５】次いで、常法により上記燃料電池本体に図
１のように集電体、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固体高分子型燃料電池としてセッ
トし（シ−ル部分については、図４のとおりとした）、
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、従来のように電極の周縁部
を緻密化することなく、パッキンを高分子電解質膜周縁
部に当接させてシ−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。

【００２６】その結果、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
生じるのに対し、実施例では破損等のトラブルは生じな
かった。またシ−ル後の電解質膜面を目視により観察た
ところ、本実施例によるものには、その解体後でも膜の
損傷は認められなかった。この点、本実施例を１０回実
施したが結果は全く同様であった。

【００２７】

【発明の効果】本発明に係るシ−ル方法によれば、電極
の周縁部を緻密化することによりパッキンやＯリング等
を電極に接触できるようになったので、電解質膜の損傷
を大幅に低減させ、その損傷を実質上皆無とすることが
できる。また電解質膜及び電極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。

【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】本発明に係る、周縁部を緻密化したガス拡散電
極を示す図。

【図４】本発明に係る、周縁部を緻密化したガス拡散電
極を用いた燃料電池のシ−ルの態様を示す図。

【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、１１ 枠体（フレ−ム） １２、２１ パッキン １３、１４ 冷却水供給管 １５ Ｏリング １６、１７ セパレ−タ １８ 電極 １９ 撥水化部分 ２０ 撥水＋緻密化部分

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】固体高分子型燃料電池用電極の周縁部を緻
   密化し、この緻密化部分によりガスシ−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】上記緻密化を固体高分子型燃料電池用電極
   の周辺部に緻密化剤を含浸させることによって行う請求
   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】上記電極が撥水化カ−ボンペ−パ−上に触
   媒粒子、電解質及びポリテトラフルオロエチレンからな
   る触媒層を担持させた電極である請求項１又は２記載の
   固体高分子型燃料電池のシ−ル方法。
4. 【請求項４】緻密化剤としてポリテトラフルオロエチレ
   ン系の樹脂を使用する請求項１、２又は３記載の固体高
   分子型燃料電池のシ−ル方法。
5. 【請求項５】固体高分子型燃料電池の固体高分子電解質
   膜がパ−フルオロカ−ボンスルフォン酸系樹脂の膜であ
   る請求項１、２、３又は４記載の固体高分子型燃料電池
   のシ−ル方法。