JPH08185875A - 固体高分子型燃料電池のシ−ル方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】固体高分子電解質膜にセパレ−タを接着剤によ
り接合一体化するに当たり、この固体高分子電解質膜を
乾燥させることなく、加圧下、温度１００℃以上の湯温
度下においてプレスすることにより、固体高分子電解質
膜を含水状態としたままで接合、一体化させることを特
徴とする固体高分子型燃料電池のシ−ル方法。 【効果】高分子電解質膜とセパレ−タが含水状態で接合
されており、このため発電時における膜のストレスがな
いため、より安全な発電を行うことができる。また、電
解質膜とセパレ−タとの間のシ−ル、就中ガスシ−ルを
容易且つ確実にすることができ、電解質膜の損傷を大幅
に低減させ、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型燃料
電池の固体高分子電解質膜とセパレ−タとのガスシ−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「電池本体」は、後述のとおり電
極を電解質膜に当接し一体化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（閉じた通路）に連通し、カソ−ド端子板８の背
面及びアノ−ド端子板９の背面から間接的に冷却され
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、これにも適宜冷却水用の溝
等を設ける必要はあるが、電池本体の周縁部（周辺部）
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、１
１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、その周縁部（周
辺部）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、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】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
にもなり、また高分子電解質膜は、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。

【０００９】本発明者は、以上の諸点に鑑み、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
び正負の両電極２、３に対してガスシ−ルをするに当た
り、そのようなパッキンやＯリングを介在させる手法に
おける上記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−ル法を先に開発し提案してい
る（特願平６−３０９９３６号）。

【００１０】上記開発、提案に係る発明では、固体高分
子型燃料電池のシ−ルを、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）、好ましくは予め
サンドブラストにより表面処理をして細かい凹凸を付し
たパッキンとを予め接着剤により接合して一体化するこ
とにより行うものであるが、図２（ａ）は、上記で得た
パッキンを一体化した高分子電解質膜を示し、また図２
（ｂ）はそのパッキン一体化高分子電解質膜にガス拡散
電極を接合した電池本体の構造を示したものである。

【００１１】図２中、高分子電解質膜１及び正負両電極
２、３の配置は図１の場合と同じであるが、上記で得た
電極２、３は、例えば撥水化カ−ボンペ−パ−がガス拡
散層１５を構成し、また触媒粒子の堆積層が触媒層１６
を形成している。このため、両電極２、３は、ともに触
媒層１６側が高分子電解質膜面に当接するように接合さ
れており、これにより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る。またこれによ
り燃料電池の安全性を向上させることができるだけでな
く、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
せることができるものである。

【００１２】ところで、電池本体を二個以上積層して電
池を構成する場合には、両電池本体間にセパレ−タを介
在させ、その周辺部をシ−ルする必要があるが、前述の
とおりこのシ−ルは、電池本体の周縁部（周辺部）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−ルをすることが必要であり、このパッ
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。

【００１３】しかし、この場合、そのようにただパッキ
ンやＯリングを介して締め付けるだけではシ−ルがどう
しても不十分である。これを回避する一手法として、高
分子電解質膜とパッキンとを予め一体化したものに、さ
らに接着剤によりセパレ−タを接着、一体化しておくの
が望ましく、この手法としては、従来、例えばセパレ−
タに接着剤を塗布し、これを乾燥した高分子電解質膜に
当接させた後、温度１００℃程度でのホットプレスによ
り接合していた。

【００１４】しかしこの手法では、そのホットプレス時
において、高分子電解質膜は、それ自体乾燥してしまっ
ているため、これを図１のように燃料電池としてセット
し、加湿をして起動させる時点では、高分子電解質膜が
当初とは異なるサイズになってしまい、このため発電時
の膜の膨張による電池の破損という危険性を持ち、また
ホットプレス時における加熱による膜の変質にも問題が
あった。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】そこで本発明は、固体
高分子型燃料電池の高分子電解質膜とセパレ−タとを、
上述のようにその間にパッキン（ガスケット）を介在さ
せることなく、両者を直かに接着剤により接着して一体
化することによりシ−ルを行うようにするようにし、そ
の接着一体化に際して、高分子電解質膜を乾燥させるこ
となく、そのシ−ルをさらに有効且つ確実に行うことが
できるようにしてな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。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明は、固体高分子電
解質膜にセパレ−タを接着剤により接合一体化するに当
たり、この固体高分子電解質膜を乾燥させることなく、
加圧下、温度１００℃以上の湯温度下においてプレスす
ることにより、固体高分子電解質膜を含水状態としたま
まで接合一体化させる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。

【００１７】このように、本発明においては、高分子電
解質膜にセパレ−タを接着剤により当接一体化するが、
上記セパレ−タの材質としては、好ましくはカ−ボン製
や貴金属をコ−ティングしたステンレス鋼板等、酸性電
解質に対し耐食性を有する金属の板等を使用することが
できる。また、上記接着剤としては、セパレ−タとパッ
キンとを密に接着し、ガスシ−ルできるものであれば使
用できるが、常温では液状で、上記温度１００℃以上の
湯温度下において硬化し、接着させ得るものを使用す
る。この例としては、好ましくはフェノ−ル樹脂、アミ
ノ樹脂、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂からなり、それ
らの温度特性を備えた接着剤ないしはそれら温度特性を
備えるよう調製された接着剤を挙げることができる。

【００１８】また、上記高分子電解質膜としては、その
種類如何を問わず何れも適用できるが、その優れた特性
から好ましくはパ−フルオロカ−ボンスルフォン酸系の
樹脂膜を使用することができる。この膜はその優れた電
気的特性に加え、化学的にも物理的にもきわめて安定で
あり、機械的強度も大きく、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等、優れた特性を備える材
料として知られているものである。

【００１９】前述のとおり、本発明においては、固体高
分子電解質膜にセパレ−タを当接、接合するに際して、
この固体高分子電解質膜を乾燥させることなく、加圧
下、温度１００℃以上の湯温度下においてプレスするこ
とにより、固体高分子電解質膜を含水状態としたままで
接合一体化させることを特徴とするものであるが、図３
はこれを実施する態様を原理的に示した模式図である。

【００２０】図３中、１７は上金型、１８は下金型、１
９、２０はスチ−ム導入管であり、このスチ−ム導入管
１９、２０を介して上下両金型内に水蒸気が供給され
る。また２１は、高分子電解質膜１に予め塗布された接
着剤であり、２２はその接着剤２１に接合一体化しよう
とするセパレ−タである。なお接着剤２１は、予めセパ
レ−タ２２に対して塗布しておくようにしてもよく、ま
た高分子電解質膜１とセパレ−タ２２との双方に塗布し
ておくようにしても差し支えない。

【００２１】この一体化処理に際してはその高分子電解
質膜１の面及び／又はセパレ−タ２２の面に接着剤を塗
布し、次いで図示のとおり、これらを上下金型１７、１
８間にセットし、両金型１７、１８の一方又は双方から
圧力をかけながら上記水蒸気により間接的に加熱する。
なお、図３においては、セパレ−タは高分子電解質膜１
の下に１個（図中、２２）だけ示しているが、その上面
にも配置し、一対のセパレ−タを同時に接合一体化する
こともできる。また複数の高分子電解質膜で電池を構成
する場合には、セパレ−タをその複数の高分子電解質膜
の間及び／又はその最上部面（及び最下部面）にも同時
に接合一体化することもできることは勿論である。

【００２２】また、上記水蒸気は、その操作時に凝縮し
て湯となり、その凝縮熱を利用するようにすることによ
り、その加熱温度として湯の温度すなわち１００℃ない
しはこの温度を大幅に超えることなく維持することがで
きるものである。また、本発明では、その加熱源とし
て、上記水蒸気に代えて温度１００℃又はその近傍に加
熱した湯を供給するようにしても差し支えなく、この場
合には上記スチ−ム導入管２２、２３を湯供給用導管と
して構成する。本発明においては、これにより高分子電
解質膜を乾燥させることなく、濡れた状態すなわち含水
状態の膜としたままでセパレ−タとの接合を完結させる
ことができるものである。

【００２３】この点、従来の方法では、その膜を乾燥さ
せた後に接合一体化していたため、その高分子電解質膜
が発電時とは異なるサイズになってしまうこととなり、
このため発電時の膜の膨張による電池の破損という危険
性を持ち、また加熱による膜の変質にも問題があった。
本発明によれば、高分子電解質膜を乾燥させることなく
含水状態で接合一体化することにより、それら欠点を一
挙に解決し得たものであり、これにより発電時における
膜のストレスもないため、より安全な発電を行うことを
可能としたものである。

【００２４】次に、本発明に係るシ−ル方法の一態様に
ついてその概略を述べると、（１）まず、カ−ボン製又
は貴金属をコ−ティングしたステンレス鋼製等のセパレ
−タの接着面を洗浄し、その洗浄面に加熱硬化型接着性
樹脂（熱硬化性樹脂、例えばＴＳＥ３２２、東芝シリコ
−ン社製、商品名）を塗る。（２）高分子電解質膜に充
分含水させた後、セパレ−タの接着面が接するようにし
て、図３に示すようなプレス用の上下金型内に入れる。
（３）これを上下両金型により挟み、圧力約１００〜２
００ｋｇ／ｃｍ² 程度でプレスし、温度１００℃に加熱
した水（湯）を金型内に導入して、膜とセパレ−タを接
合する。（４）こうして得られた電池本体を図１のよう
に組み立て、セットし燃料電池を得る。

【００２５】

【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、高分子電解質膜としては、厚さ８０μｍの
ＮＡＦＩＯＮ−１１７膜（パ−フルオロカ−ボンスルホ
ン酸樹脂膜、Ｄｕ Ｐｏｎｔ社製、商品名）を使用し、
その膜の両面にガス拡散電極を接合した。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−ティングしてなる白金５０重量％
を担持させた触媒粒子（担体：カ−ボン）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
堆積させて作製したものである。

【００２６】一方、セパレ−タとして予め白金でコ−
ティングしたテンレス鋼製のセパレ−タを用い、その接
着面を洗浄し、その洗浄面にＴＳＥ３２２（熱硬化性樹
脂、東芝シリコ−ン社製、商品名）を塗布した。次い
で上記ＮＡＦＩＯＮ−１１７膜を充分に含水させた後、
このＮＡＦＩＯＮ−１１７膜に予め接合一体化されたパ
ッキン面に、上記セパレ−タの接着面が当接するように
して、図３に示すようなプレス用の上下金型内に入れ
た。これをその上下両金型により挟み、圧力１５０ｋ
ｇ／ｃｍ² でプレスし、温度１００℃に加熱した湯を金
型内に導入して、膜とセパレ−タを上記パッキンを介し
て接合させ、高分子電解質膜−セパレ−タ接合体を得
た。

【００２７】その後、常法により、上記高分子電解質
膜−セパレ−タ接合体に集電体、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。一方、比較例用電池
として、高分子電解質膜にセパレ−タを接合するに際し
て、本発明のように高分子電解質膜を含水状態として接
合するのではなく、従来のように乾燥状態で接合させた
以外は、すべて実施例の場合と同様にして電池を作製し
た。

【００２８】両者は、ほぼ同等の電池性能を示したが、
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、実施例電池では膜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。

【００２９】

【発明の効果】本発明に係るシ−ル方法によれば、セパ
レ−タに対して電解質膜が含水状態で接合されているた
め、発電時における膜のストレスもなく、これによって
より安全な発電を行うことができる。また、電解質膜と
セパレ−タとの間のシ−ル、就中ガスシ−ルを容易且つ
確実にすることができ、電解質膜の損傷を大幅に低減さ
せ、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】パッキンを一体化した高分子電解質膜及びこれ
にがス拡散電極を接合した燃料電池本体の構造を示す
図。

【図３】本発明方法の実施に用いる装置の模式図。

【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 ガス拡散層 １６ 触媒層 １７、１８ 金型 １９、２０ スチ−ム又は湯の導入管 ２１ 接着剤 ２２ セパレ−タ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】固体高分子電解質膜にセパレ−タを接着剤
   により接合し一体化するに当たり、この固体高分子電解
   質膜を乾燥させることなく、加圧下、温度１００℃以上
   の湯温度下においてプレスすることにより、固体高分子
   電解質膜を含水状態としたままで接合一体化させること
   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ある請求項１記載の
   固体高分子型燃料電池のシ−ル方法。
3. 【請求項３】上記セパレ−タが、カ−ボン製又は貴金属
   をコ−ティングしたステンレス鋼製等、酸性電解質に対
   し耐食性を有する導電性金属である請求項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】上記接着剤が、熱硬化性樹脂である請求項
   １、２又は３記載の固体高分子型燃料電池のシ−ル方
   法。