JP5798521B2 - 電解質膜・電極構造体の製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、固体高分子電解質膜とその両側のガス拡散電極で形成した電解質膜・電極構造体、及びこれを一対のセパレータで挟持した燃料電池セルに係り、特に、固体高分子電解質膜の外周側のシール性を向上させ、外部へのガス流出を防止する電解質膜・電極構造体の製造方法に関するものである。

燃料電池には、固体高分子電解質膜とその両側のアノード側拡散層とカソード側拡散層とで構成された電解質膜・電極構造体を、一対のセパレータで挟持して燃料電池セルを構成し、この燃料電池セルを複数積層（スタック）させた構造のものがある。

この一例を図１０、図１１によって説明すると、これらの図において１は電解質膜・電極構造体を示し、この電解質膜・電極構造体１は、固体高分子電解質膜２と、その両側に設けたガス拡散層（アノード側拡散層とカソード側拡散層）３、４で構成されている。前記固体高分子電解質膜２と、それぞれのガス拡散層３，４の間には触媒層が形成してある。前記固体高分子電解質膜２は、その両側のアノード側拡散層３とカソード側拡散層４より平面寸法を大きく形成してあり、拡散層３、４の外周に固体高分子電解質膜２がはみ出した構造となっている。この電解質膜・電極構造体１の両面には、図１１に示すように一対のセパレータ５、６が配設され、各セパレータ５、６同士の対向面周縁側にリング状のシール部材７をセットして、このシール部材７により固体高分子電解質膜２を挟持し、その状態で両セパレータ５、６で電解質膜・電極構造体１を挟持して、燃料電池セル８を構成している。なお、両セパレータ５、６には燃料ガスや酸化ガス、冷却媒体を供給するためのガス通路孔９、１０、冷却媒体通路孔１１が形成してある。

上記のように構成した燃料電池セル８においては、前記ガス通路孔９を通してアノード側拡散層３の反応面に燃料ガス（例えば、水素ガス）を供給すると、触媒層で水素がイオン化され、固体高分子電解質膜２を介してカソード側拡散層４側に移動する。この間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギーとして利用される。カソード側拡散層４においては酸化ガス（例えば、酸素を含む空気）が供給されているため、水素イオン、電子、及び酸素が反応して水が生成される。

しかしながら、前記固体高分子電解質膜２は、図１０に示したように、拡散層３、４の外周に固体高分子電解質膜２がはみ出した構造となっており、固体高分子電解質膜２を介して向かい合ったシール部材７の位置が互いにわずかでもズレると、せん断応力が作用して固体高分子電解質膜２を破損するおそれがある。また、燃料電池セル８に燃料ガスや酸素ガスを供給すると、固体高分子電解質膜２の一側と他側で圧力差（極間差圧）１２が発生して、図１２に示したように、固体高分子電解質膜２にたわみ１３が発生するおそれがある。このため、固体高分子電解質膜２を介して向かい合う互いのシール部材７の位置合わせを非常に厳密に行う必要があり、この精度を確保するために燃料電池セル８の作製に時間がかかるとともに、作業上の負担が非常に大きいという問題がある。

これに対して、特許文献１には、図１３に示したような構造の燃料電池セル２０が開示されている。すなわち、固体高分子電解質膜２２に接触した触媒２３の反対面に、前記固体高分子電解質膜２２と略同一寸法のガス拡散層２５が前記触媒２３と一体的に設けられ、当該ガス拡散層２５が固体高分子電解質膜２２の周縁部分と接合することにより、固体高分子電解質膜２２の周縁部分が補強されている。また、前記ガス拡散層２５の端部を覆うために、片側断面略Ｃ字状のシール部材２６を設けて、外部へのガス漏れの防止を図っている。

特開平１０−２８９７２２号公報

しかし、前記燃料電池セル２０においては、一方のガス拡散層２５を、前記固体高分子電解質膜２２と略同一サイズに大きく形成する必要があるため、材料費が余分にかかる分だけコスト高になるという問題があった。
また、前記ガス拡散層２５と、他方のガス拡散層２５ｂとでは、それぞれのサイズが異なるため、部品点数が多くなると共に製造工程が複雑化してしまう。
さらに、上記の燃料電池セル２０においては、断面Ｃ字状のシール部材２６をガス拡散層２５の端部を覆うように設けているため、ガス拡散層２５の形状に合わせてシール部材２６を作成したり、ガス拡散層２５を覆うようにシール部材２６を組み込むといった手間がかかるという問題があった。
そこで、この発明は、コストを低減するとともに固体高分子電解質膜を保護又は補強して取り扱いを容易に行うことができる電解質膜・電極構造体を提供するものである。
また、この発明は、組み立て処理を容易に行うことができる燃料電池セルを提供するものである。
また、この発明は、外部へのガス流出をより一層確実に防止することができる電解質膜・電極構造体の製造方法を提供するものである。

上記課題を解決するために、本発明の電解質膜・電極構造体の製造方法は、固体高分子電解質膜（例えば、実施形態における固体高分子電解質膜３２）を一対のガス拡散電極（例えば、実施形態におけるアノード側拡散層３４及びカソード側拡散層３６）で挟持した電解質膜・電極構造体（例えば、実施形態における電解質膜・電極構造体３０）の製造方法であって、前記一対のガス拡散電極の外周から前記固体高分子電解質膜がはみ出した状態で前記一対のガス拡散電極と前記固体高分子電解質膜とを接合して一体化するのと同時に、前記一対のガス拡散電極のうち一方の前記ガス拡散電極のみの外周を囲む額状のシール部材（例えば、実施形態における額状シール部材３８）を前記固体高分子電解質膜に接合して、前記一方のガス拡散電極の外周からはみ出した前記固体高分子電解質膜の一面のみを前記シール部材で覆うとともに、前記ガス拡散電極及びシール部材で、前記固体高分子電解質膜と同じサイズの平坦面（例えば、実施形態における平坦面３７）を構成して、当該平坦面に前記固体高分子電解質膜を密着させて保持させることを特徴とする。
このように構成することで、ガス拡散電極に必要な材料を発電に必要な最小限に抑えることができるとともに、前記額状のシール部材により固体高分子電解質膜を保護又は補強することができるため、固体高分子電解質膜の折れ曲がりやたわみを防止することができ、従来に比して取り扱いが容易となる。また、両側のガス拡散電極は同じ大きさでよいため、部品点数を少なくできるとともに製造工程を簡略することができる。また、固体高分子電解質膜において、前記額状のシール部材と当接した反対側の面に設けるシール部材の位置合わせの自由度が増し、位置合わせに必要な時間を大幅に短縮することができるとともに、製造歩留まりを上げることができる。

本発明の電解質膜・電極構造体は、固体高分子電解質膜とその両側のガス拡散電極で構成した電解質膜・電極構造体であって、一対のガス拡散の外周からはみ出した固体高分子電解質膜の部分を、一方のガス拡散電極のみの外周を囲むように設けた額状のシール部材にて、覆いかつ支持したことを特徴とする。
このように構成することで、ガス拡散電極に必要な材料を発電に必要な最小限に抑えることができるとともに、前記額状部材により固体高分子電解質膜を保護又は補強することができるため、固体高分子電解質膜の折れ曲がりやたわみを防止することができ、従来に比して取り扱いが容易となる。また、前記両側のガス拡散電極は同じ大きさでよいため、部品点数を少なくできるとともに製造工程を簡略することができる。また、固体高分子電解質膜において、前記額状のシール部材と当接した反対側の面に設けるシール部材の位置合わせの自由度が増し、位置合わせに必要な時間を大幅に短縮することができるとともに、製造歩留まりを上げることができる。

なお、前記額状のシール部材は、内部のガス拡散電極と同一厚みに構成すると、燃料電池セル組立時に固体高分子電解質膜にずれを生じさせないため、好ましい。また、前記額状のシール部材は、前記額状のシール部材内に保持するガス拡散電極とラップするように形成することが好ましい。このようにすると、前記額状のシール部材とガス拡散電極との接合度合が高まり、固体高分子電解質膜を一層保護又は補強することができる。前記シール部材の材質としては、シール性を有しているものであれば、カーボン、金属、樹脂、ゴムなどを好ましく用いることができる。また、額状のシール部材と内部に保持したガス拡散電極とは、接合面に接着剤を用いて一体的に形成してもよいし、モールド成形、鋳造、樹脂成形などで一体的に成形してもよい。

本発明の燃料電池セルは、固体高分子電解質膜とその両側のガス拡散電極で構成した電解質膜・電極構造体において、一対のガス拡散の外周からはみ出した固体高分子電解質膜の部分を、一方のガス拡散電極のみの外周を囲むように設けた額状のシール部材にて、覆いかつ支持するとともに、ガス拡散電極の他方外側の前記固体高分子電解質膜上に他のシール部材（例えば、実施形態におけるシール部材４０）を配置して、一対のセパレータ（例えば、実施形態におけるセパレータ５２、５４）で挟持してなることを特徴とする。
このように構成することで、位置決め自由度を従来に比して大幅に広い範囲で確保することができるため、燃料電池セルの製作時間を短縮することができるとともに、作業上の処理負担を低減することができる。また、構成された燃料電池セル内の固体高分子電解質膜は平坦度を確保した状態で保持されているため、燃料電池セル内で固体高分子電解質膜が極間差圧などで破損されることを防止できる。さらに、一方のガス拡散電極の外周側はシール性の部材で形成されているため、上側からシール部材を配して挟着するだけで、複雑な形状のシール部材を用いなくても、外部へのシール性を十分に確保することができる。

また、前記一対のセパレータ（例えば、実施形態におけるセパレータ７２、７４）は、前記電解質膜・電極構造体より平面寸法を大きく形成してなり、前記電解質膜・電極構造体外側であって一対のセパレータの周縁部にもシール部材（例えば、実施形態におけるシール部材４１）を設けて、複数のシール構造としたことを特徴とする。
このように構成することで、電解質膜・電極構造体は、反応ガス等が流出しても、セパレータの周縁部に設けたシール部材により、外部へのガスの流出をより確実に防止することができる。支持機構とシール機構とを通常のシール処理をすることで、一段上のシール処理がなされることとなるので、電解質膜・電極構造体からの外部へのガス漏れをより一層確実に防止することができる。

本発明によれば、ガス拡散電極に必要な材料を発電に必要な最小限に抑えることができるとともに、前記額状部材により固体高分子電解質膜を保護又は補強することができるため、固体高分子電解質膜の折れ曲がりやたわみを防止することができ、従来に比して取り扱いが容易となる。また、前記両側のガス拡散電極は同じ大きさでよいため、部品点数を少なくできるとともに製造工程を簡略することができる。また、固体高分子電解質膜において、前記平坦面と当接した反対側の面に設けるシール部材の位置合わせの自由度が増し、位置合わせに必要な時間を大幅に短縮することができるとともに、製造歩留まりを上げることができる。

この発明の第１実施形態の電解質膜・電極構造体を示す断面図である。 この発明の第１実施形態の電極を示す断面図及び電解質膜・電極構造体の製造工程を示す説明図である。 この発明の第１実施形態の電解質膜・電極構造体を用いた燃料電池セルを示す要部断面図である。 この発明の第１実施形態の電解質膜・電極構造体を用いた燃料電池セルの変形例を示す断面図である。 この発明の第１実施形態の電解質膜・電極構造体を用いた燃料電池セルの他の変形例を示す断面図である。 この発明の第２実施形態の電解質膜・電極構造体を示す断面図である。 この発明の第３実施形態の電解質膜・電極構造体を示す断面図である。 この発明の第４実施形態の電解質膜・電極構造体を示す断面図である。 この発明の第５実施形態の電解質膜・電極構造体を示す断面図である。 従来技術の電解質膜・電極構造体を示す断面図である。 従来技術の燃料電池セルを示す断面図である。 従来技術の不具合を示す説明図である。 従来技術の燃料電池セルを示す断面図である。

以下、本発明の実施形態につき図面を参照して説明する。
以下、この発明の実施形態を図面と共に説明する。
図１はこの発明の第１実施形態の電解質膜・電極構造体３０を示す断面図である。この電解質膜・電極構造体３０は、固体高分子電解質膜３２と、これを挟持するアノード側拡散層３４及びカソード側拡散層３６を備えるとともに、カソード側拡散層３６の外周側に設けた額状シール部材３８を一体的に設けた構成としている。前記アノード側拡散層３４及びカソード側拡散層３６には、前記電解質膜・電極構造体３０との当接面に触媒が塗布してある。前記触媒の塗布されたアノード側拡散層３４、カソード側拡散層３６は、ガス拡散電極を構成している。
そして、前記カソード側拡散層３６及び額状シール部材３８（以下、額状体３５、と記載することがある）は、前記固体高分子電解質膜３２と同じサイズの平坦面３７を構成して、当該平坦面３７に固体高分子電解質膜３２を密着させて保持させるのである。つまり、カソード側拡散層３６の外周からはみ出した固体高分子電解質膜３２の部分を、カソード側拡散層３６の外周を囲むように設けた額状シール部材３８にて、覆いかつ支持しているのである。このようにしたため、図１に示したように、固体高分子電解質膜３２が全面に亘り同一高さに保持される。また、本実施形態の額状シール部材３８は、前記固体高分子電解質膜３２に図示しない接着剤を介して接合して一体化させ、接合強度を高めている。

前記額状体３５は、全面に亘り同一厚みとなるように形成してある。本実施形態の額状体３５は射出成形で形成している。すなわち、カソード側拡散層３６を略矩形状の型材に保持した状態で、シール材となるゴム、例えばシリコンゴムやＥＰＤＭ（ｅｔｈｙｌｅｎｅ ｐｒｏｐｙｌｅｎ ｄｉｅｎ ｍｏｎｏｍｅｒ）などを型材内に注入して、額状体３５を形成するのである。このとき、形成される額状体３５は、前記固体高分子電解質膜３２と同一サイズになるように予め設定しておく。または、固体高分子電解質膜３２と前記額状体３５を接合した後に、同一サイズとなるように額状体３５の外周を裁断してもよい。なお、前記額状体３５の形成の仕方は、射出成形に限らず、額状シール部材３８の材質などに応じて適宜選択できる。例えば、前記額状シール部材３８が樹脂やゴムの場合には射出成形が好ましいが、金属の場合には鋳造で、カーボンの場合にはモールド成形を行うことが好ましい。なお、前記アノード側拡散層３４及びカソード側拡散層３６は、多孔質層の多孔質カーボンクロス又は多孔質カーボンペーパーからなり、電極面側（固体高分子電解質膜３２側）に白金を主とした触媒を設けている。また、固体高分子電解質膜３２としては、ペルフルオロスルホン酸ポリマーを用いている。

そして、電解質膜・電極構造体３０は、ホットプレス法で作成する。このとき、カソード側拡散層３６と、アノード側拡散層３４とには、電極触媒層を予め印刷しておく。そして、図２（ｂ）に示すように、アノード側拡散層３４を固体高分子電解質膜３２の上面に位置させ、カソード側拡散層３６及び額状シール部材３８を固体高分子電解質膜３２の下面に位置させて、ホットプレスする。このときに、前記額状シール部材３８の接合面に接着剤を用いることで、より丈夫な電解質膜・電極構造体３０とすることができる。なお、シール部材４０は燃料電池セルの組立時に取り付ける。
このように構成した電解質膜・電極構造体３０は、アノード側拡散層３４及びカソード側拡散層３６に必要な材料を最小限に抑えることができるとともに、前記額状シール部材３８により固体高分子電解質膜３２を保護又は補強することができるため、固体高分子電解質膜の折れ曲がりやたわみを防止することができ、従来に比して取り扱いが容易となる。また、前記両側のアノード側拡散層３４及びカソード側拡散層３６は同じ大きさでよいため、部品点数を少なくできるとともに製造工程を簡略することができる。また、固体高分子電解質膜において、前記平坦面と当接した反対側の面に設けるシール部材の位置合わせの自由度が増し、位置合わせに必要な時間を大幅に短縮することができるとともに、製造歩留まりを上げることができる。

図３は前記電解質膜・電極構造体３０を用いた燃料電池セル５０を示す要部断面図である。上記したように構成した電解質膜・電極構造体３０を一対のセパレータ５２、５４で挟持させて燃料電池セル５０が構成されている。なお、前記セパレータ５２、５４は、緻密質カーボン製である。アノード側拡散層３４側のセパレータ５２には、燃料ガスである水素ガス６０を供給するためのガス流路５６が形成してあり、カソード側拡散層３６のセパレータ５４には、空気（酸化ガス）６２を供給するためのガス流路５８が形成してある。
このようにしたため、燃料電池セル５０内においても、固体高分子電解質膜３２は、前記額状体３５により平坦度を確保しつつ保持されているため、燃料電池セル５０内で固体高分子電解質膜３２が極間差圧により破損するおそれがない。
また、前記額状シール部材３８は、前記固体高分子電解質膜３２の周縁部を保持するとともに、外部へのガス流出を防止するシール機能も併せ持っているため、前記額状シール部材３８と前記シール部材４０で固体高分子電解質膜３２を挟み込むことで、固体高分子電解質膜３２を保持しつつ、電解質膜・電極構造体３０を外部に対してシールすることができる。このため、複雑な形状のシール部材などが不要であり、組立時間、部品点数等の面でもメリットがある。

図４はこの発明の前記電解質膜・電極構造体３０を用いた他の燃料電池セル７０を示す断面図である。なお、以下の説明において、前記燃料電池セル５０と同一の部材については、同一の番号を付してその説明を省略する。燃料電池セル７０のセパレータ７２、セパレータ７４は、前記電解質膜・電極構造体３０よりも平面寸法を大きく形成してなり、前記電解質膜・電極構造体３０外側であって一対のセパレータ７２、７４の周縁部側にシール部材４１を設けた２重のシール構造となっている。上記したように、電解質膜・電極構造体３０においても、前記額状シール部材３８、シール部材４０によりシールがなされているため、前記シール部材４１により一層確実に外部へのガス漏れを防止することができる。なお、前記燃料電池セル７０においては、２重のシール構造としたが、複数のシール構造であればよく、場合によっては３重以上の多重シール構造としてもよい。

図５はこの発明の前記電解質膜・電極構造体３０を用いたさらに他の燃料電池セル８０を示す断面図である。なお、以下の説明において、前記燃料電池セル５０、７０と同一の部材については、同一の番号を付してその説明を省略する。燃料電池セル８０のセパレータ８２は、前記セパレータ７４との対向面を段差のない平坦面に形成してあり、前記セパレータ８２、７４の周縁部側にシール部材８１を設けた２重のシール構造となっている。なお、前記燃料電池セル８０も、上記した燃料電池セル７０と同様に、複数のシール構造であればよい。

図６は、この発明の第２実施形態の電解質膜・電極構造体９０を示す断面図である。図６に示した電解質膜・電極構造体９０においては、額状シール部材９２がカソード側拡散層３６の外面（表面）周縁部にラップするような構造としている。このようにしたことで、ラップした部分でカソード側拡散層３６と額状シール部材３８との接着力がより強化されて、剥離しにくくなる。このため、固体高分子電解質膜３２を一層保護又は補強することができる。
また、図７は、この発明の第３実施形態の電解質膜・電極構造体１００を示す断面図である。図７に示した電解質膜・電極構造体１００においては、額状シール部材１０２がカソード側拡散層３６の内面（固体高分子電解質膜３２側の面）周縁部にラップするような構造としたことで、図６の場合と同様に、ラップした部分でカソード側拡散層３６と額状シール部材１０２との接着力がより強化されて、固体高分子電解質膜３２を一層保護又は補強することができる。

また、図８は、この発明の第４実施形態の電解質膜・電極構造体１１０を示す断面図である。この電解質膜・電極構造体１１０においては、額状シール部材１１２がカソード側拡散層３６の外面周縁部にラップするとともに、当該額状シール部材１１２とカソード側拡散層３６とで形成する額状体１１３が同一厚みとなるように形成されている。これにより、上記した第２実施形態のラップの効果に加えて、燃料電池セル形成時にセパレータで挟持されるときの圧力を分散することができ、厚み方向の強度を高めることができる。
また、図９は、この発明の第５実施形態の電解質膜・電極構造体１２０を示す断面図である。この電解質膜・電極構造体１２０においては、額状シール部材１２２がカソード側拡散層３６の内面周縁部にラップするとともに、当該額状シール部材１２２とカソード側拡散層３６とで形成する額状体１２３が同一厚みとなるように形成されている。これにより、上記した第３実施形態のラップの効果に加えて、第４実施形態と同様に厚み方向の強度を高めることができる。
なお、以上の実施形態においては、カソード側拡散層３６に額状シール部材を形成した場合について説明したが、アノード側拡散層に設けてもよい。

３０、９０、１００、１１０、１２０…電解質膜・電極構造体 ３２…固体高分子電解質膜 ３４…アノード側拡散層（ガス拡散電極） ３５、１１３、１２３…額状体 ３６…カソード側拡散層（ガス拡散電極） ３８…額状シール部材（額状部材） ４０、４１、８１、９２、１０２…シール部材 ５０、７０、８０…燃料電池セル ５２、５４、７２、７４、８２…セパレータ ５６、５８…ガス流路 ６０…水素ガス ６２…空気

Claims (1)

1. 固体高分子電解質膜を一対のガス拡散電極で挟持した電解質膜・電極構造体の製造方法であって、
   前記一対のガス拡散電極の外周から前記固体高分子電解質膜がはみ出した状態で前記一対のガス拡散電極と前記固体高分子電解質膜とを接合して一体化するのと同時に、前記一対のガス拡散電極のうち一方の前記ガス拡散電極のみの外周を囲む額状のシール部材を前記固体高分子電解質膜に接合して、前記一方のガス拡散電極の外周からはみ出した前記固体高分子電解質膜の一面のみを前記シール部材で覆うとともに、
   前記ガス拡散電極及びシール部材で、前記固体高分子電解質膜と同じサイズの平坦面を構成して、当該平坦面に前記固体高分子電解質膜を密着させて保持させることを特徴とする電解質膜・電極構造体の製造方法。

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