JP4931103B2 - 燃料電池用構成部材 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池用の構成部材に係り、更に詳しくは、電解質膜の両面に、電極を構成する触媒担持層を介してガス拡散層（ＧＤＬ）が積層一体とされ、セパレータ間に介装されて発電ユニット（単位セル）を構成する膜−電極接合体（ＭＥＡ）の支持構造に関する。

上記ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）は、固体高分子形等のイオン交換膜からなる電解質膜の両面に、炭素粉に白金系触媒が担持された電極（アノード、カソード）を介してＧＤＬ（Ｇａｓ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｌａｙｅｒ）を積層一体にして構成される。そして、上記ＭＥＡを２枚のセパレータに挟装して単位セルを構成し、この単位セルを多数重ね合わせ、締結一体として燃料電池本体（スタック）が構成される。上記一方のセパレータとＧＤＬとの間には、水素ガスの流路が形成され、また他方のセパレータとＧＤＬとの間には、酸素ガス（空気）の流路が形成され、更に、隣接するセル同士のセパレータ間には冷媒（水、エチレングリコール等）の流路が形成される。水素ガスの流路が形成された側の電極がアノード（燃料極）となり、空気（酸素ガス）の流路が形成された側の電極がカソード（酸素極）となる。

上記スタックの側辺部分には、水素ガス、酸素ガス及び冷媒の供給用及び排出用の複数のマニホールドが貫設形成され、各マニホールドと、上記水素ガス流路、酸素ガス流路及び冷媒流路とが連通するよう構成される。上記ＭＥＡとセパレータ間、セパレータ同士の間は、上記ガスや冷媒の外部への漏出を防止する為、各周辺部やマニホールド用透孔周りに配されたガスケット等のシール部材によりシールされる。

上記ＭＥＡをセパレータ間に気密状態で挟装して単位セルを構成する組立構造の例としては、特許文献１或いは２に開示されたものが挙げられる。特許文献１の例は、ＧＤＬの周辺部にシート状ガスケットを配し、更にその周りに外側押えを配置し、シート状ガスケットを外側押えと共にセパレータで挟んで圧縮することにより、ＧＤＬの縁部及び端面部をシート状ガスケットで挟みシールする構成とされている。また、特許文献２の例は、ＭＥＡの周辺に鍔出しされたホルダシートを上下の樹脂フィルムで圧着保持し、この樹脂フィルムの外周側の表面に山形凸状のシール部材を配して、このシール部材をセパレータに密着させることによりシールするものである。また、電解質膜をＧＤＬの外周縁部分より外方に延出させ、この延出部分に合成樹脂フィルムからなる支持枠部片を貼着してＭＥＡの周囲を取囲むように一体とし、この支持枠部片にガスケットを配してセパレータ間のシールをするよう構成することも試みられている。
特開平６−３２５７７７号公報 再公表特許ＷＯ００／６４９９５号公報

ところで、上記特許文献１に開示された組立構造においては、ＧＤＬとシート状ガスケットとが事前に接着一体とされていないから、組立時にＭＥＡとシート状ガスケットとを個別に所定位置に配し、更にこれを外側押えで抑えながら、セパレータで挟装させる際に、相互の位置ずれ等が生じ易く、不良品の発生頻度が高くなることが予想される。然るに、事前にＧＤＬとシート状ガスケットとを接着一体としておくことも考えられるが、通常ＧＤＬは炭素繊維又は金属繊維のシートからなる為、接着剤を塗布しても接着剤がシートの繊維間微細空所に浸透してしまい、十分な接着強度が得られずその接着による一体化は現実的ではなかった。

一方、特許文献２に開示された組立構造においては、ＭＥＡを一体保持するホルダシートを樹脂フィルムで圧着状態で保持するものであるが、樹脂フィルムは直接ＭＥＡに貼着されるものではないから、その保持力が弱く、組立時にホルダシートが破断する懸念がある。また、ホルダシートが構成部材として加わるからコスト高の要因ともなる。更に、上記のようにＧＤＬの外周縁部分より外方に延出した電解質膜の延出部分に、合成樹脂フィルムからなる支持枠部片を貼着して構成する場合、電解質膜が２５μｍ程度の薄い膜である為、ＧＤＬの周縁部分と合成樹脂フィルムの貼着部分との間で破断し易く、その取扱い上の難しさがあり、実用化にはまだ至っていないのが実情であった。

本発明は、上記実情に鑑みなされたものであり、ＭＥＡのセパレータ間での保持強度を高め、且つ的確なシール性を以ってセルを構成し得る燃料電池用構成部材を提供することを目的としている。

請求項１の発明に係る燃料電池用構成部材は、電解質膜と、その両面に電極を構成する触媒担持層を介して積層一体とされたガス拡散層（以下、ＧＤＬと言う）と、該ＧＤＬの周縁部分より外方に延出する上記電解質膜の延出部分と、ＧＤＬの周縁部分内側に沿って形成された液状ゴム若しくは合成樹脂の含浸帯域部と、この含浸帯域部の外表面及び上記電解質膜の延出部分表面に接着一体とされ且つこの延出部分より更に外方に延出する合成樹脂フィルムからなる支持枠部片と、該支持枠部片の少なくとも外周縁部を包むようにその両面に一体とされたガスケット体とよりなり、上記２枚の合成樹脂フィルムにおける上記電解質膜の延出部分より更に外方に延出する部分は互いに重合するよう接着一体とされ、且つこの重合部分の両面において上記ガスケット体が一体とされていることを特徴とする。

上記発明においては、請求項２の発明のように、支持枠部片両面の該透孔開口端部周縁部分には該開口端部を包むようにガスケット体が一体とされているものとすることもできる。また、請求項３の発明のように、前記支持枠部片を構成する合成樹脂フィルムの厚みが、ＧＤＬの厚みより薄いものとすることもできる。更に、請求項４の発明のように、前記電解質膜が、固体高分子形のイオン交換膜からなるもとすることもできる。

請求項１の発明に係る燃料電池用構成部材によれば、支持枠部片を構成する合成樹脂フィルムが、ＧＤＬの周縁部分内側に沿って形成された液状ゴム若しくは合成樹脂の含浸帯域部に接着一体とされるから、ＧＤＬが前記のように繊維性のシート（紙状のものも含む）であっても、この接着の為に接着剤を塗布する際に接着剤がＧＤＬの層内に浸透することがなく、接着一体化が強固になされる。また、上記合成樹脂フィルムは電解質膜の延出部分にも接着一体とされるから、電解質膜とＧＤＬとが積層一体とされてなる膜−電極接合体（ＭＥＡ）を、支持枠部片としての合成樹脂フィルムが強固に一体保持し、セパレータ間に挟装してセルを構成すると、ＭＥＡはこのセル内に安定保持される。また、組立時のストレスが掛っても、電解質膜が破断することも少なくなり、不良品の発生頻度も極めて低くなる。更に、支持枠部片の外周縁部を包むようにガスケット体がその両面に一体とされているから、セパレータとＭＥＡとの気密性が的確になされる。

また、支持枠部片が、２枚の合成樹脂フィルムからなるものとされているから、上記保持強度が一層向上する。更に、支持枠部片に、ガス及び冷媒を流通させる為のマニホールド用透孔を開設し、支持枠部片両面の該透孔開口端部周縁部分には該開口端部を包むようにガスケット体を一体とすれば、スタックを組立構成した時のマニホールド部分のシールも的確になされる。そして、請求項３の発明のように、前記支持枠部片を構成する合成樹脂フィルムの厚みを、ＧＤＬの厚みより薄いものとすれば、該支持枠部片に一体形成されるガスケット体の圧縮代を適性に確保でき、また、ＧＤＬとセパレータとの密着性の維持も的確になされる。請求項４の発明のように、前記電解質膜が、固体高分子形のイオン交換膜からなるもとすれば、自動車用の燃料電池としての適性が増大する。

以下に本発明の最良の実施の形態について、図面に基づいて説明する。図１は本発明の燃料電池用構成部材を用いて組立てられた燃料電池の１例を示す概略的斜視図、図２は同燃料電池用構成部材の斜視図、図３は図２におけるＸ−Ｘ線拡大断面図、図４は図２におけるＹ−Ｙ線拡大断面図、図５は参考例としての他の実施例の図３と同様図である。

図に示す燃料電池用構成部材Ａは、セパレータ１、２によって挟装されて１個の単位セルＣを構成し、この単位セルＣが多数重ね合わされて燃料電池本体（スタック）Ｓが形成される。このスタックＳの重ね合わせ方向両端には集電板３、４が配置され、この両端の集電板３、４と共に上記スタックＳがボルト・ナット（不図示）によって締結一体とされて燃料電池Ｂが構成される。そして、その長手方向（重ね合わせ方向）に沿ったマニホールドが複数貫設されている。このマニホールドは、図例では冷媒（水或いはエチレングリコール）の供給用マニホールド５、同排出用マニホールド５ａ、水素ガスの供給用マニホールド６、同排出用マニホールド６ａ及び酸素ガス（空気）の供給用マニホールド７、同排出用マニホールド７ａからなる。これら供給用マニホールド５、６、７から供給される冷媒、水素ガス及び酸素ガスは、各単位セルＣ毎に形成された流路（後記する）を経て排出用マニホールド５ａ、６ａ、７ａより排出される。

図１〜図４に示す燃料電池用構成部材Ａは、電解質膜８と、その両面に電極を構成する触媒担持層９ａ、１０ａを介して積層一体とされたＧＤＬ９、１０と、該ＧＤＬ９、１０の周縁部分より外方に延出する上記電解質膜の延出部分８ａと、ＧＤＬ９、１０の周縁部分内側に沿って形成された液状ゴム若しくは合成樹脂の含浸帯域部９ｂ、１０ｂと、この含浸帯域部９ｂ、１０ｂの外表面及び上記電解質膜８の延出部分８ａ表面に接着一体とされ且つこの延出部分８ａより更に外方に延出する２枚の合成樹脂フィルム１１ａ、１１ｂからなる支持枠部片１１と、該支持枠部片１１の少なくとも外周縁部を包むようにその両面に一体とされたガスケット体１２とよりなる。電解質膜８とＧＤＬ９、１０との積層体が、膜−電極接合体、即ち、ＭＥＡ２０を構成する。

支持枠部片１１の側辺部には、上記各マニホールド５、６、７、５ａ、６ａ、７ａを構成する複数のマニホールド用透孔１１ｃ…が開設されている。そして、支持枠部片１１両面のこれら透孔１１ｃ…の開口端部周縁部分には該開口端部を包むようにマニホールド用ガスケット体１３…が一体形成されている。ガスケット体１２、１３は、シリコーンゴム、パーフルオロエラストマー、ブチルゴム、スチレン−ブタジエン共重合体、エチレン−酢酸ビニル共重合体、エチレン−アクリル酸メチル共重合体、エチレン−アクリル酸エチル共重合体、ブタジエンゴム、フッ素ゴム、エチレン−プロピレンゴム等のゴム材を加硫成型して、断面山形部分１２ａ、１３ａが支持枠部片１１の両面に位置するよう形成される。この山形部分１２ａ、１３ａは、前記締結時に、セパレータ１、２間で図の２点鎖線位置まで圧縮変形し、その復元弾力によって、セパレータ１、２との間でのシールが維持され、後記する流路或いはマニホールドを流れる冷媒、水素ガス及び酸素ガスの外部への漏出が防止される。また、これらガスケット体１２、１３は、支持枠部片１１の外周縁部及び透孔１１ｃ…の開口端部を包むように一体形成されているから、２枚の合成樹脂フィルム１１ａ、１１ｂ間をガスや後記する生成水が浸透しても、この部分で完全に遮断されて外部に漏出することがない。

セパレータ１、２のＧＤＬ９、１０に対面する側には、凹溝による酸素ガス流路１ａ、水素ガス流路２ａが形成され、これら流路１ａ、２ａの基端及び終端（いずれも不図示）が、前記酸素ガス供給用マニホールド７、水素ガス供給用マニホールド６及び酸素ガス排出用マニホールド７ａ、水素ガス排出用マニホールド６ａにそれぞれ連接されている。また、セパレータ１の背面（反ＧＤＬ９側）には、凹溝による冷媒流路１ｂが形成され、該冷媒流路１ｂの基端及び終端（いずれも不図示）は、冷媒供給用マニホールド５及び冷媒排出用マニホールド５ａに連接されている。更に、セパレータ１、２の、前記各マニホールド５、６、７、５ａ、６ａ、７ａに対応する部位には、複数のマニホールド用透孔１ｃ、２ｂが開設され、セパレータ１の外周縁部分及びマニホールド用透孔１ｃの開口周縁部分にはガスケット体１ｄ、１ｅが一体に固設されている。セパレータ１は、前記締結一体時に、隣接するセパレータ２と合体されるから、この合体の際にガスケット体１ｄ、１ｅが圧縮弾性変形してセパレータ１、２間に弾装され、これにより上記同様冷媒及び各ガスのシールがなされる。

ＧＤＬ９、１０は、炭素繊維又は金属繊維のシートからなり、その電解質膜８に対面する側は白金系触媒が担持された触媒担持層９ａ、１０ａとなし、この触媒担持層９ａ、１０ａの内、酸素ガスが拡散される側の触媒担持層９ａが酸素極（カソード）、水素ガスが拡散される側の触媒担持層１０ａが燃料極（アノード）とされている。電解質膜８は、固体高分子形のイオン交換膜からなり、厚さが２５μｍ程度のものが採用されるが、これに限定されるものではない。

ＧＤＬ９、１０の周縁部分内側には、液状ゴム若しくはポリイソブチレン（ＰＩＢ）等の合成樹脂を含浸させた適宜幅の含浸帯域部９ｂ、１０ｂが形成されている。この含浸帯域部９ｂ、１０ｂの表面には、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）或いはポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）等の合成樹脂フィルム１１ａ、１１ｂが接着一体とされ、更にこの合成樹脂フィルム１１ａ、１１ｂは電解質膜８の延出部分８ａに上下より挟むように、且つこの延出部分８ａより更に外方に延出する部分では互いに重合するよう接着一体とされている。合成樹脂フィルム１１ａ、１１ｂの厚みは、ＧＤＬ９、１０の厚みよりやや小とされ、これによりガスケット体１２の圧縮代が確保され、的確なシールがなされる。

含浸帯域部９ｂ、１０ｂへの合成樹脂フィルム１１ａ、１１ｂの接着は、該含浸帯域部９ｂ、１０ｂに適宜接着剤を塗布した上でなされるが、含浸帯域部９ｂ、１０ｂには事前に液状ゴム若しくは合成樹脂が含浸されているから、塗布された接着剤がその層内に浸透せずにその本来の接着性が発揮され、しかも、接着剤と含浸ゴム若しくは含浸樹脂との結合力も付加されて接着が強固になされる。また、合成樹脂フィルム１１ａ、１１ｂは電解質膜８の延出部分８ａにも接着されるから、ＭＥＡ２０が合成樹脂フィルム１１ａ、１１ｂによって強固に保持される。更に、上記含浸帯域部９ｂ、１０ｂは、ＧＤＬ９、１０を強化すると共に、ＧＤＬ９、１０内を拡散する酸素ガス或いは水素ガスの側辺部への拡散をブロックする作用も奏する。

上記構成の燃料電池用構成部材Ａを用いて図１のように組立てられた燃料電池Ｂにおいては、水素ガス供給用マニホールド６から、水素ガスが各ＧＤＬ１０背面の水素ガス流路２ａに供給され、ＧＤＬ１０内を拡散して触媒担持層（アノード）１０ａに至る。一方、酸素ガス供給用マニホールド７から、酸素ガスが他方のＧＤＬ９背面の酸素ガス流路１ａに供給され、ＧＤＬ９内を拡散して触媒担持層（カソード）９ａに至る。アノード１０ａに至った水素ガスは、アノード１０ａの作用によりプロトンと電子に解離する。解離したプロトンは電解質膜８を、また電子は外部回路（不図示）を移動してカソード９ａに至り、カソード９ａの作用により酸素と反応して水が生成される。このようなサイクルによって上記外部回路には電力が出力され、燃料電池システムが構築される。余剰の水素ガスは水素ガス排出用マニホールド６ａから排出され、循環して再利用される。また、余剰の酸素ガス及び生成した水は、酸素ガス排出用マニホールド７ａから外部に排出される。

セパレータ１の背面に形成された冷媒流路１ｂには、冷媒供給用マニホールド５より冷媒が供給され、セパレータ１の背面を循環しながら上記発電時の発熱を抑制し、冷媒排出用マニホールド５ａより排出される。尚、上記冷媒流路１ｂは、セパレータ１の背面にのみ形成した例を示したが、セパレータ２にも形成することも可能である。また、前記ガスケット体１ｄ、１ｅもセパレータ１の背面にのみ形成しているが、これらもセパレータ２に形成することは可能である。セパレータ１、２としては、ステンレス等の鋼板の使用も可能であるが、電解質膜８の種類によっては、上記反応時に酸性物質も生成されることがあり、このような観点から、炭素粉末と合成樹脂とを混ぜて圧縮成型したカーボンプレートが、耐酸性及び成型性更には導電性の点からも望ましく採用される。

図５は、支持枠部片１１が１枚の合成樹脂フィルム１１ａからなり、この合成樹脂フィルム１１ａがＧＤＬ９の周縁部分に形成された含浸帯域部９ｂ及び電解質膜８の延出部分８ａに接着一体とされた例を示すものである。図例では、合成樹脂フィルム１１ａがＧＤＬ９側の含浸帯域部９ｂに接着されているが、ＧＤＬ１０側の含浸帯域部１０ｂに接着されていても良いことは言うまでもない。また、合成樹脂フィルム１１ａが接着されない含浸帯域部１０ｂは特に形成しなくても良いが、この部分の補強或いはＧＤＬ１０内を拡散するガスの外部への拡散をブロックする目的で形成することも可能である。このように、支持枠部片１１を１枚の合成樹脂フィルム１１ａで構成しても、その保持強度が所望要求を充足するものであれば、それだけ部品点数及び加工工数も少なくなり、低コスト化に寄与することになる。従って、実施例１のものを採用するか実施例２のものを採用するかは、使用目的等に応じて適宜選択決定されるものである。その他の構成は実施例１と同様であるので、共通部分に同一の符号を付し、ここではその説明を割愛する。

尚、本発明の燃料電池用構成部材Ａが組込まれる燃料電池Ｂの全体形状、各マニホールド及びこれに対応する各マニホールド用透孔の形状等は図例のものに限定されないことは言うまでもない。

本発明の燃料電池用構成部材を用いて組立てられた燃料電池の１例を示す概略的斜視図である。 同燃料電池用構成部材の斜視図である。 図２におけるＸ−Ｘ線拡大断面図である。 図２におけるＹ−Ｙ線拡大断面図である。 他の実施例の図３と同様図である。

符号の説明

８ 電解質膜
８ａ 延出部分
９ ガス拡散層（ＧＤＬ）
９ａ 触媒担持層（カソード）
９ｂ 含浸帯域部
１０ ガス拡散層（ＧＤＬ）
１０ａ 触媒担持層（アノード）
１０ｂ 含浸帯域部
１１ 支持枠部片
１１ａ 合成樹脂フィルム
１１ｂ 合成樹脂フィルム
１１ｃ マニホールド用透孔
１２ ガスケット体

Claims (4)

1. 電解質膜と、その両面に電極を構成する触媒担持層を介して積層一体とされたガス拡散層と、該ガス拡散層の周縁部分より外方に延出する上記電解質膜の延出部分と、ガス拡散層の周縁部分内側に沿って形成された液状ゴム若しくは合成樹脂の含浸帯域部と、この含浸帯域部の外表面及び上記電解質膜の延出部分表面を両面より挟むように接着一体とされ且つこの延出部分より更に外方に延出する２枚の合成樹脂フィルムからなる支持枠部片と、該支持枠部片の少なくとも外周縁部を包むようにその両面に一体とされたガスケット体とよりなり、
   上記２枚の合成樹脂フィルムにおける上記電解質膜の延出部分より更に外方に延出する部分は互いに重合するよう接着一体とされ、且つこの重合部分の両面において上記ガスケット体が一体とされていることを特徴とする燃料電池用構成部材。
2. 請求項１に記載の燃料電池用構成部材において、
   前記支持枠部片における前記重合部分には、ガス及び冷媒を流通させる為のマニホールド用透孔が開設され、支持枠部片両面の該透孔開口端部周縁部分には該開口端部を包むようにガスケット体が一体とされていることを特徴とする燃料電池用構成部材。
3. 請求項１又は２に記載の燃料電池用構成部材において、
   前記支持枠部片を構成する合成樹脂フィルムの厚みが、ガス拡散層の厚みより薄いことを特徴とする燃料電池用構成部材。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃料電池用構成部材において、
   前記電解質膜が、固体高分子形のイオン交換膜からなることを特徴とする燃料電池用構成部材。

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