JPH09289028A - 固体高分子電解質型燃料電池用電解質膜、ガスシール構造及びスタック - Google Patents

固体高分子電解質型燃料電池用電解質膜、ガスシール構造及びスタック

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JPH09289028A
JPH09289028A JP8102460A JP10246096A JPH09289028A JP H09289028 A JPH09289028 A JP H09289028A JP 8102460 A JP8102460 A JP 8102460A JP 10246096 A JP10246096 A JP 10246096A JP H09289028 A JPH09289028 A JP H09289028A
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JP
Japan
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solid polymer
polymer electrolyte
fuel cell
gas seal
seal structure
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JP8102460A
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Hiroshi Yanagihara
浩 柳原
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Original Assignee
Tanaka Kikinzoku Kogyo KK
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ガスシールの確実化、簡素化を図ることがで
き、また部品点数の減少、組立工数の減少、作業の効率
化を図ることができ、さらに熱圧着不要の一体化を可能
にして加工寸法の高精度化を図ることのできる固体高分
子電解質型燃料電池用電解質膜、ガスシール構造及びス
タックを提供する。 【解決手段】 固体高分子電解質膜の一面又は両面に、
中央部に開口を有する接着剤付き高分子シートが接着さ
れていることを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池
用電解質膜。接着剤付き高分子シートの開口部が、触媒
層及び多孔質基板よりなる電極周縁より内側に配置され
る固体高分子電解質型燃料電池用電解質膜。前記電解質
膜又はガスシール構造の両面に、接着剤又はシート状接
着剤にてカーボンプレートが接着積層されて構成されて
いることを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池用ガ
スシール構造。前記固体高分子電解質型燃料電池用ガス
シール構造により接着積層一体化されていることを特徴
とする固体高分子電解質型燃料電池用スタック。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、固体高分子電解質型燃
料電池に於ける電解質膜、ガスシール構造及びスタック
に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】固体高分子電解質型燃料電池のガスシー
ル構造として、特開平５−２１０７７号公報に記載のも
のがある。これは、固体高分子電解質膜の面積が電極よ
り大きく形成され、固体高分子電解質膜とガス不透過性
板との間が電極を額縁状に包囲するガスシール材により
ガスシールされてなるものであり、固体高分子電解質膜
周縁部分に密着して配され電極に重なりを有する額縁状
の保護膜を、固体高分子電解質膜の少なくとも一方の面
側に備えるものである。
【０００３】ところで、かかるガスシール構造は、ガス
シールの為のガスシール材が必要で、部品点数が多く、
組立工数も多くて、作業が煩雑であった。
【０００４】また、高分子電解質型燃料電池のガスシー
ル構造として、本出願人が出願した特願平６−１９５９
６５号がある。このガスシール構造は、図12に示すよう
にアノード集電体31、アノード触媒層32、イオン交換膜
33、カソード触媒層34、カソード集電体35よりなる５層
構造の集電体の周囲に、シール材36が重なるように一体
化されているものである。
【０００５】このシール材付電極膜複合体に於いては、
シール材36の一部分の厚さを集電体31、35のガス供給面
の厚さに比べて厚くすることによってガスシール効果を
高め、Ｏリングを用いた場合と同様の効果を得ることが
できる。
【０００６】然し乍ら、シール材36の厚さの調整、加工
が難しく、手間隙がかかった。またシール材36を集電体
31、35の周囲に一体化する際、一例として 150℃、30kg
/cm2の熱圧加工を行っているが、この条件では固体高分
子電解質膜であるイオン交換膜33の熱収縮が発生するこ
とがあり、加工寸法の決定が困難であった。
【０００７】一方、固体高分子電解質型燃料電池に於け
るカーボンプレート積層時のガスシール方法としては、
通常Ｏリング方式又はフラットガスケット方式が採用さ
れる。Ｏリング方式は、図13のａに示すようにガスシー
ルすべき個所の片方にＯリング溝37を設け、これに例え
ばニトリルゴムのＯリング38を設け、図13のｂに示すよ
うに加圧し、ガスシールする方式であり、フラットガス
ケット方式は図14のａに示すようにガスシールすべき個
所の間にニトリルゴムのフラット型のガスケット39を配
置し、これを図14のｂに示すように加圧し、ガスシール
する方式である。
【０００８】ところで、シール材としてＯリング38を用
いる場合、ガスシール性は良いが、Ｏリング溝37を設け
る必要があり、カーボンプレートが溝深さ以上の厚みを
必要として、カーボンプレートが厚くなった。また、ガ
スシール材としてフラット型のガスケット39を用いる場
合、面圧を上げる為に大きな加圧力を必要とした。しか
もガスシール性を良くする為には厚いガスケット39を必
要とした。さらに、このように積層したカーボンプレー
トでセル及びスタックを構成した場合、セル及びスタッ
クは厚くなり、コストも高くなった。従って、スタック
に対する軽量化、薄型化、小型化、低コスト化の要求に
対応できなかった。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】そこで本発明は、ガス
シールの確実化、簡素化を図ることができ、また部品点
数の減少、組立工数の減少、作業の効率化を図ることが
でき、さらに熱圧着不要の一体化を可能にして組立寸法
の高精度化、薄型化、コストの低減を図ることのできる
固体高分子電解質型燃料電池用電解質膜、ガスシール構
造及びスタックを提供しようとするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の本発明の固体高分子電解質型燃料電池用電解質膜は、
固体高分子電解質膜の一面又は両面に、中央部に開口を
有する接着剤付高分子シートが接着されていることを特
徴とするものである。
【００１１】上記課題を解決するための本発明の固体高
分子電解質型燃料電池用電解質膜は、固体高分子電解質
膜の一面又は両面に接着される接着剤付高分子シートの
開口部が触媒層及び多孔質基板よりなる電極周縁より内
側に配置されてなるものである。
【００１２】本発明の固体高分子電解質型燃料電池用ガ
スシール構造は、固体高分子電解質膜の一面又は両面の
中央部に、触媒層を密着して配し、さらにその触媒層に
多孔質基板を密着して配し、多孔質基板の周縁を被うよ
うに前記固体高分子電解質膜の一面又は両面に前記多孔
質基板より小さい開口を有する接着剤付高分子シートが
接着されてなるものである。
【００１３】上記の固体高分子電解質型燃料電池用電解
質膜及びガスシール構造に於いて、その表面に接着剤又
はシート状接着剤が取り付けられていることが好まし
い。
【００１４】本発明の固体高分子電解質型燃料電池用ガ
スシール構造は、前記電解質膜又はシール構造のいずれ
かの両面に、接着剤又はシート状接着剤にてカーボンプ
レートが接着積層されて構成されており、この固体高分
子電解質型燃料電池用ガスシール構造に於けるカーボン
プレートは、冷却水プレートとガスプレートの２種があ
り、電解質膜又はガスシール構造の両面には、冷却水プ
レートとガスプレートが接着積層される場合と、ガスプ
レートとガスプレートが接着積層される場合とがある。
【００１５】本発明の固体高分子電解質型燃料電池用ス
タックは、前記の固体高分子電解質型燃料電池用ガスシ
ール構造が接着剤又はシート状接着剤にて多層に積層一
体化されていることを特徴とするものである。
【００１６】
【作用】本発明の固体高分子電解質型燃料電池用電解質
膜は、固体高分子電解質膜の一面又は両面に、中央部に
開口を有する接着剤付き高分子シートが接着されている
ので、ガスシールの確実化、簡素化を図ることができる
と共に、接着剤＋シート材＋電解質膜の一体化により、
部品点数、組立工数の減少、作業の効率化が図れる。
【００１７】本発明の固体高分子電解質型燃料電池用電
解質膜及びガスシール構造は、上記電解質膜の中央部
に、触媒層、多孔質基板を一体化したものであるから、
電解質膜が補強され、機械的強度が向上する。
【００１８】また、その表面に接着剤又はシート状接着
剤が取り付けられている場合は、セル及びスタックの組
立接合時、熱圧着が不要となるので、固体高分子電解質
膜の熱収縮が無くなり、組立寸法の高精度化を達成で
き、セルスタックを多層化しても組立てが容易となる。
【００１９】本発明の固体高分子電解質型燃料電池用ガ
スシール構造は、前記電解質膜又はシール構造の両面
に、カーボンプレートが接着積層されて構成されている
ものであるから、その組立は容易で、工数が極めて少な
く、生産性が向上する。しかもカーボンプレートが、接
着剤又はシート状接着剤にて積層一体化されているの
で、ガスシールが完全で、またガスシールの為のＯリン
グ溝を設ける必要がなく、接着剤の厚みが薄くて良いの
で、セルの薄型化とコストダウンを図ることができる。
【００２０】また、本発明の固体高分子電解質型燃料電
池用スタックは、前記固体高分子電解質型燃料電池用ガ
スシール構造により接着積層一体化されてなるものであ
るから、ガスシールが完全で、また組立が容易で、作業
性が良く、しかも高精度で薄型のスタックが実現する。
【００２１】
【実施例】先ず、本発明の固体高分子電解質型燃料電池
用電解質膜の一実施例を図によって説明すると、図１に
示すように厚さ50μｍ、一辺 120mmの方形で、四隅に
5.3mmの位置決め用ノック穴１を有する固体高分子電解
質膜、即ちナフィオン膜２の両面に、図２に示すように
厚さ50μｍの高分子シート、即ちＰＴＦＥ製シート３に
厚さ50μｍの接着剤４が接着され且つ図３に示すように
一辺 120mmの方形になされ、四隅に 5.3mmの位置決め用
ノック穴５を有し、中央部に一辺55mmで四隅に2.5mmの
Ｒを付した開口６を設けたものが図４に示すように接着
剤４にて接着されて、固体高分子電解質型燃料電池用電
解質膜７が構成されている。
【００２２】次に、固体高分子電解質型燃料電池用電解
質膜でのガスシール構造の一実施例を図によって説明す
ると、図４に示される電解質膜７に於ける両面の接着剤
４付ＰＴＦＥ製シート３の開口６よりナフィオン膜２の
中央部に、図５に示すように開口６の周縁を被って厚さ
40μｍ、一辺60mmの方形のアノード触媒層８、カソード
触媒層８′が密着して配され、さらにその触媒層８、
８′に多孔質基板、即ち厚さ 360μｍのＰＴＦＥで撥水
化処理したカーボンペーパーよりなるアノード集電体
９、カソード集電体９′が密着して配されて、固体高分
子電解質型燃料電池用ガスシール構造10が構成されてい
る。
【００２３】次いで、固体高分子電解質型燃料電池用ガ
スシール構造の実施例を図によって説明すると、図１に
示される前記と同じ固体高分子電解質膜、即ちナフィオ
ン膜２の両面の中央部に、図６に示すように厚さ40μ
ｍ、一辺55mmの方形のアノード触媒層11、カソード触媒
層11′が密着して配され、さらにその触媒層11、11′に
多孔質基板、即ち厚さ 360μｍのＰＴＦＥで撥水化処理
したカーボンペーパーよりなるアノード集電体12、カソ
ード集電体12′が密着して配され、そしてアノード集電
体12、カソード集電体12′の周縁を被うように前記ナフ
ィオン膜２の両面に、前記アノード集電体12、カソード
集電体12′よりも寸法の小さい開口13を有する厚さ50μ
ｍのＰＴＦＥ製シート14に厚さ50μｍの接着剤15が接着
され且つ一辺 120mmの方形になされ、四隅に 5.3mmの位
置決め穴５を有するものが接着されて、固体高分子電解
質型燃料電池用ガスシール構造16が構成されている。
【００２４】上記２つの固体高分子電解質型燃料電池用
ガスシール構造10、16に於いては、その表面には、他の
カーボンプレートとの接着シールに用いる為に、図５、
図６の斜線部に示すようにシート状両面接着剤４′、1
5′が取り付けられていることが好ましい。
【００２５】次に、本発明の固体高分子電解質型燃料電
池用ガスシール構造の実施例を図によって説明すると、
図５に示すガスシール構造10の両面にシート状接着剤
４′にて図７に示すように厚さ 3.0mm、一辺 120mmの方
形のカーボンプレート17が接着積層されて、固体高分子
電解質型燃料電池用セル18が構成されている。
【００２６】この固体高分子電解質型燃料電池用セル18
に於けるカーボンプレート17には、図８に示すように両
面中央部に多数の平行なガス通路溝19を有し、その両端
部にガス入口マニホールド20、ガス出口マニホールド21
を有するガスプレート17ａと、図９に示すように一面の
中央部に多数の平行な冷却水通路溝22を有し、その両端
部に冷却水入口マニホールド23、冷却水出口マニホール
ド24を有し、他面の中央部に前記冷却水通路溝22と交差
して多数の平行なガス通路溝19を有し、その両端部にガ
ス入口マニホールド20、ガス出口マニホールド21を有す
る冷却水プレート17ｂがある。図10に示すように、17ｂ
の冷却水側を裏面にし、表面ガス溝側に、ガスシール構
造10を重ね、次にガスプレート17ａを、次にガスシール
構造10を重ね、次に17ｂをガス溝側を裏面にして重ね
て、固体高分子電解質型燃料電池用セル19′を構成して
いる。
【００２７】次に本発明の固体高分子電解質型燃料電池
用スタックの一実施例を図によって説明すると、図11に
示すように前記固体高分子電解質型燃料電池用セル1
9′、シート状接着剤４′を介して10セル分接着積層一
体化されて、固体高分子電解質型燃料電池用スタック25
が構成されている。
【００２８】前記図４に示す実施例の固体高分子電解質
型燃料電池用電解質膜７は、ナフィオン膜２の両面に、
中央部に開口６を有する接着剤４付ＰＴＦＥ製シート３
が接着されているので、ガスシールの確実化、簡素化を
図ることができると共に、接着剤＋シート材＋電解質膜
の一体化により、部品点数、組立工数の減少、作業の効
率化が図れる。
【００２９】また、前記図５、図６に示す実施例の固体
高分子電解質型燃料電池用ガスシール構造10、16は、上
記ナフィオン膜２の中央部に、触媒層８、８′、11、1
1′、多孔質基板即ちアノード集電体９、カソード集電
体９′、アノード集電体12、カソード集電体12′を一体
化したものであるから、ナフィオン膜２が補強され、機
械的強度が向上する。特に、ガスシール構造10、16の表
面に、シート状両面接着剤４′、15′が取り付けられて
いると、セル及びスタックの組立接合時、熱圧着が不要
となり、固体高分子電解質膜の熱収縮が無くなり、組立
寸法の高精度化が達成され、スタックを多層化しても組
立が容易となる。
【００３０】また、前記図７に示す実施例の固体高分子
電解質型燃料電池用セル18、詳しくは図10に示すセル1
9′は、ガスシール構造10の両面に、ガスプレート17ａ
と冷却水プレート17ｂが接着積層されて構成されている
ものであるから、その組立は容易で、工数が極めて少な
く、生産性が向上する。しかもガスプレート17ａ、冷却
水プレート17ｂがシート状接着剤４′にて積層一体化さ
れているので、ガスシールが完全で、またガスシールの
為のＯリング溝を設ける必要がなく、接着剤の厚みが薄
くて良いので、セルの薄型化とコストダウンを図ること
ができる。
【００３１】また、前記図11に示す実施例の固体高分子
電解質型燃料電池用スタック25は、前記固体高分子電解
質型燃料電池用セル19′が、シート状接着剤４′にて多
層に接着積層一体化されてなるものであるから、ガスシ
ールが完全で、また組立が容易で作業性が良く、しかも
高精度で薄型のスタックを実現できる。
【００３２】
【発明の効果】以上の説明で判るように本発明の固体高
分子電解質型燃料電池用電解質膜、ガスシール構造及び
スタックによれば、部品点数の減少、組立工数の減少、
作業の効率化を図ることができ、またガスシールの確実
化、簡素化を図ることができ、さらに熱圧着不要の一体
化が可能となり、組立寸法の高精度化、薄型化が可能と
なり、コストの低減も可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ナフィオン膜を示す図である。
【図２】接着剤付ＰＴＦＥ製シートを示す図である。
【図３】開口を設けた接着剤付ＰＴＦＥ製シートを示す
図である。
【図４】本発明の固体高分子電解質型燃料電池用電解質
膜の一実施例を示す図である。
【図５】本発明の固体高分子電解質型燃料電池用ガスシ
ールガスシール構造、冷却部構造の一実施例を示す図で
ある。
【図６】本発明の固体高分子電解質型燃料電池用ガスシ
ール構造の一実施例を示す図である。
【図７】本発明の固体高分子電解質型燃料電池用ガスシ
ール構造の一実施例の概念図である。
【図８】図７のセルに於けるカーボンプレートの１つで
あるガスプレートを示す図である。
【図９】図７のセルに於けるカーボンプレートの他の１
つである冷却水プレートを示す図である。
【図10】本発明の固体高分子電解質型燃料電池用ガスシ
ール構造の具体的な一実施例を示す図である。
【図11】本発明の固体高分子電解質型燃料電池用スタッ
クの一実施例を示す図である。
【図12】従来のシール材付ガスシール構造を示す図であ
る。
【図13】従来の固体高分子電解質型燃料電池に於けるカ
ーボンプレート積層時のガスシール方法の１つを示すも
ので、ａはシール前、ｂはシール後の状態の部分断面図
である。
【図14】従来の固体高分子電解質型燃料電池に於けるカ
ーボンプレート積層時のガスシール方法の他の１つを示
すもので、ａはシール前、ｂシール後の状態の部分断面
図である。
【符号の説明】
１、５ 位置決め用ノック穴 ２ ナフィオン膜（固体高分子電解質膜） ３、14 ＰＴＦＥ製シート（高分子シート） ４、15 接着剤 ４′、15′ シート状両面接着剤 ６、13 開口 ７ 固体高分子電解質型燃料電池用電解質膜 ８、11 アノード触媒層 ８′、11′ カソード触媒層 ９、12 アノード集電体（多孔質基板） ９′、12′ カソード集電体（多孔質基板） 10、16 固体高分子電解質型燃料電池用ガスシール構造 17 カーボンプレート 17ａ ガスプレート 17ｂ 冷却水プレート 18、19′ 固体高分子電解質型燃料電池用セル 25 固体高分子電解質型燃料電池用スタック

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 固体高分子電解質膜の一面又は両面に、
    中央部に開口を有する接着剤付き高分子シートが接着さ
    れていることを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池
    用電解質膜。
  2. 【請求項２】 接着剤付き高分子シートの開口部が、触
    媒層及び多孔質基板よりなる電極周縁より内側に配置さ
    れる請求項１記載の固体高分子電解質型燃料電池用電解
    質膜。
  3. 【請求項３】 固体高分子電解質膜の一面又は両面の中
    央部に、触媒層を密着して配し、さらにその触媒層に多
    孔質基板を密着して配し、多孔質基板の周縁を被うよう
    に前記固体高分子電解質膜の一面又は両面に前記多孔質
    基板より小さい開口を有する接着剤付高分子シートが接
    着されてなる固体高分子電解質型燃料電池用ガスシール
    構造。
  4. 【請求項４】 請求項２記載の固体高分子電解質型燃料
    電池用電解質膜又は請求項３記載の固体高分子電解質型
    燃料電池用ガスシール構造に於いて、接着剤付高分子シ
    ートの表面に更に接着剤又はシート状接着剤が取り付け
    られており、カーボンプレートと接着積層されて構成さ
    れていることを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池
    用ガスシール構造。
  5. 【請求項５】 カーボンプレートが、冷却水プレートと
    ガスプレートのいずれかであることを特徴とする請求項
    ４記載の固体高分子電解質型燃料電池用ガスシール構
    造。
  6. 【請求項６】 請求項５記載の固体高分子電解質型燃料
    電池用ガスシール構造により接着積層一体化されている
    ことを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池用スタッ
    ク。
JP8102460A 1996-04-24 1996-04-24 固体高分子電解質型燃料電池用電解質膜、ガスシール構造及びスタック Pending JPH09289028A (ja)

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