WO2005081343A1

WO2005081343A1 - 燃料電池用の、固体高分子電解質膜およびセパレータ

Info

Publication number: WO2005081343A1
Application number: PCT/JP2005/001602
Authority: WO
Inventors: Takeharu Kuramochi; Masahiko Katsu; Kaoru Eguchi; Yoshiki Muto; Masahiro Omata
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2004-02-24
Filing date: 2005-02-03
Publication date: 2005-09-01
Anticipated expiration: 2006-08-24
Also published as: JP2005243292A

Abstract

　燃料電池用の固体高分子電解質膜（２０）は、電極として機能する一対のガス拡散層（３１、３２）の間に介装される領域をなす本体部（２１）と、ガス拡散層（３１、３２）の外周縁部からはみ出すはみ出し部（２２）と、はみ出し部（２２）にガス拡散層（３１、３２）の外周縁部を取り囲むように補強材料（２４）を塗布して形成される枠形状をなす補強部（２３）と、を含んでいる。補強部（２３）は、本体部（２１）が丸まることを防止する形状保持力を当該本体部（２１）に付与する。補強部（２３）は、セパレータ（４１、４２）との間でシール部材（２５）を構成している。

Description

明細書

燃料電池用の、固体高分子電解質膜およびセパレータ

技術分野

[0001] 本発明は、燃料電池用の、固体高分子電解質膜およびセパレータに関する。

背景技術

[0002] 日本特開平 7— 249417号に開示される固体高分子型燃料電池の単セルは、陽ィオン交換膜としての固体高分子電解質膜を、電極として機能する一対のガス拡散層により挟み込み、さらにその外側を一対のセパレータにより挟持して構成されて、る。固体高分子電解質膜は、その抵抗による電圧降下を抑制するため、薄膜に形成されている。薄膜である固体高分子電解質膜は、形状を保持する力がほとんどないため、温度や湿度の影響を受けて変形し易ぐハンドリング性が悪い。

[0003] そのため、固体高分子電解質膜の外縁部を一対のフレームにより挟持し、電解質膜部材を構成している。複数の部品カゝらなる全体によつて、固体高分子電解質膜のノヽンドリング'性を改善して、る。

発明の開示

[0004] しかしながら、固体高分子電解質膜単体でのハンドリング性については考慮されておらず、固体高分子電解質膜単体での変形を十分に抑制することはできな、。

[0005] 本発明は、燃料電池の製造の簡素化を図ることが可能な、燃料電池用の固体高分子電解質膜およびセパレータを提供することを目的とする。

[0006] さらに詳述すると、本発明の目的は、単体でのハンドリング性を良好なものとし、これを通して、燃料電池の製造の簡素化を図ることが可能な、燃料電池用の固体高分子電解質膜を提供することである。

[0007] 本発明の別の目的は、単体でのハンドリング性を良好なものとした固体高分子電解質膜を適用することによって、燃料電池の製造の簡素化を図ることが可能な、燃料電池用のセパレータを提供することである。

[0008] 本発明のさらに他の目的、特徴および特質は、以後の説明および添付図面に例示される好ましい実施の形態を参酌することによって、明らかになるであろう。図面の簡単な説明

[0009] [図 1]本発明の実施形態の係る燃料電池用の固体高分子電解質膜およびセパレータを適用した固体高分子型燃料電池の単セルを示す断面図である。

[図 2]図 2Aは、枠形状をなす補強部が形成された固体高分子電解質膜を示す斜視図、図 2Bは、図 2Aの 2B—2B線に沿う断面図である。

[図 3]図 3Aおよび図 3Bは、補強材料を枠状に塗布する方式を概念的に示す図である。

発明を実施するための最良の形態

[0010] 以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態を詳細に説明する。

[0011] 燃料電池は、単セル 10を多数積層して燃料電池スタックの形態で、例えば、自動車の駆動源として使用される。

[0012] 単セル 10は、水の電気分解の逆の原理を利用し、水素と酸素とを反応させて水を得る過程で電気を得ることができる電池である。単セル 10は、陽イオン交換膜としての固体高分子電解質膜 20と、電極として機能する一対のガス拡散層 31、 32と、一対のセパレータ 41、 42と、を有する。単セル 10は、固体高分子電解質膜 20を一対のガス拡散層 31、 32により挟み込み、さらにその外側を一対のセパレータ 41、 42により挟持して構成されている。ガス拡散層 31側のセパレータ 41には、冷却水を流通させるための流路溝 43と、燃料ガス (水素）を流通させるための流路溝 44とが形成されている。ガス拡散層 32側のセパレータ 42には、冷却水を流通させるための流路溝 4 5と、酸化剤ガス (空気)を流通させるための流路溝 46とが形成されている。流路溝 4 3— 46の形状および配置は、ガスの拡散性、圧力損失、生成水の排出性、冷却性能等を考慮する必要があり、微細で複雑な構成を有している。

[0013] 固体高分子電解質膜 20は、水素イオンを移動させる機能を有する高分子膜である。固体高分子電解質膜 20は、その抵抗による電圧降下を抑制するため、薄膜 (例えば、数十 m— 100 m程度）に形成されて!、る。

[0014] 成形された固体高分子電解質膜 20は、通常、芯材にロール状に卷回した状態で保存ないし保管され、燃料電池の製造に際しては、順次繰り出されながら使用に供されている。 [0015] 図 2Aおよび図 2Bに示すように、固体高分子電解質膜 20は、一対のガス拡散層 3 1、 32の間に介装される領域をなす本体部 21と、ガス拡散層 31、 32の外周縁部からはみ出すはみ出し部 22と、はみ出し部 22にガス拡散層 31、 32の外周縁部を取り囲むように補強材料を塗布して形成される枠形状をなす補強部 23と、を含んでいる。補強部 23は、はみ出し部 22の両面（図 2Bにおいて上面および下面）に形成され、断面矩形形状を有している。単セル 10を組み立てる際には、本体部 21は、一対のガス拡散層 31、 32に挟み込まれ、補強部 23は、ガス拡散層 31、 32からはみ出して一対のセパレータ 41、 42の間に配置されることになる（図 1を参照)。後述するが、本実施形態では、補強部 23にシール機能を持たせてある。

[0016] 補強部 23は、本体部 21が丸まることを防止する形状保持力を本体部 21に付与する。すなわち、固体高分子電解質膜 20をロール状に卷回した状態で保存している間に、本体部 21には、巻き癖が付いている。また、薄膜である固体高分子電解質膜 20 は、形状を保持する力がほとんどないため、温度や湿度の影響を受けて変形し易い。一方、補強部 23は、枠形状を有しているので、巻き癖によって本体部 21に作用する丸まろうとする力や、温度や湿度の影響による変形力に抗することができ、本来の形状である平坦形状を保持しょうとする力つまり形状保持力が強い。補強部 23が形状保持力を本体部 21に付与する結果、本体部 21が丸まったり、変形したりすることが防止される。

[0017] 枠形状をなす補強部 23は、はみ出し部 22に補強材料を塗布して形成されている。

ここに、補強材料としては、補強部 23が形状保持力を本体部 21に付与し得る限りにおいて、適宜の材料を選択することができる。本実施形態では、補強部 23にシール機能を持たせることをも意図しているため、シール性をも考慮して、補強材料を選択している。形状保持力を付与する点およびシール機能を持たせる点の両者から、補強材料には、シリコン系のゴム（ショァ硬さ 25以上）や、フッ素系のゴムを好適に用いることができる。速乾性を有する 2液硬化型の硬化剤を用いることもできる。

[0018] 図 3Aおよび図 3Bは、補強材料 24を枠状に塗布する方式を概念的に示す図である。

[0019] 補強材料 24を枠状に塗布するためには、マスキング方式（図 3A)や、スクリーン印刷方式（図 3B)などを採用できる。なお、図 3Aおよび図 3Bには、説明の便宜上、固体高分子電解質膜 20を単セル 10に用いられる大きさに切断した切断片に補強材料 24を塗布する形態を示してある。但し、補強部 23を形成する前の固体高分子電解質膜 20はハンドリング性が悪いことから、実際の製造工程では、格子状に補強材料 2 4を塗布した後に、単セル 10に用いられる大きさに格子状に切断し、補強部 23を備える複数枚の切断片が一度に得られるようにしてある。補強材料 24の塗布作業の効率を高める上で好まし、からである。

[0020] 図 3Aを参照して、マスキング方式にあっては、マスキング材として、固体高分子電解質膜 20の両面に予め貼り付けた保護フィルム 50を流用することができる。図 3Aには、保護フィルム 50の周囲部分のみが除去され、本体部 21がマスキングされたまま、はみ出し部 22が露出した状態が示されている。露出した部分に、塗布装置のノズル 51を移動しながら、シリコン系ゴムなどの補強材料 24を塗布する。そして、残った保護フィルム 50をはずすと、補強材料 24が枠状に塗布される。固体高分子電解質膜 20の表裏を反転し、反対側の面にも同様にして、補強材料 24が枠状に塗布される。

[0021] 保護フィルム 50の周囲部分を除去可能とするために、ミシン目のような切除体を保護フィルム 50に予め形成しておくことが好ましい。塗布装置としては、エンジン部品やミッション部品などで用いられる現場成形ガスケット (FIPG)用の液状パッキンを塗布する装置などを用いることができる。この種の塗布装置を使用することにより、補強材料 24を均一に塗布することができる。

[0022] 図 3Bを参照して、スクリーン印刷方式にあっては、所望の塗布厚さにほぼ等しい厚さを有する版 52を用いる。版 52には、はみ出し部 22のみを露出させる貫通溝 53が形成されている。ベース 54上に載置された固体高分子電解質膜 20の上に版 52を載置し、版 52の上に補強材料 24を落とす。その後、プラスチックや金属からなるスキージ 55によって版 52の表層をこすり、貫通溝 53内に補強材料 24を充填しつつ余分な補強材料 24を除去する。そして、版 52を取り除くと、補強材料 24が枠状に塗布される。固体高分子電解質膜 20の表裏を反転し、反対側の面にも同様にして、補強材料 24が枠状に塗布される。 [0023] 図 2Aを参照して、矩形形状の切断片には、枠形状をなす補強部 23が均一に形成されている。切断片は、補強部 23が付与する形状保持力により、丸まったり変形したりすることが防止され、本来の形状である平坦形状を保持している。したがって、固体高分子電解質膜 20単体でのハンドリング性が良好となり、この後に実施される、ガス拡散層 31、 32との接合作業や、セパレータ 41、 42との組み付け作業を行い易ぐこれらの作業の自動化を図ることもできる。

[0024] 図 1を参照して、本実施形態の固体高分子電解質膜 20にあっては、補強部 23は、セパレータ 41、 42との間でシール部材 25を構成している。

[0025] 詳述すると、本実施形態のセパレータ 41、 42は、補強部 23に接着されてはみ出し部 22を挟持するための第 1の挟持部 41a、 42aと、一対のガス拡散層 31、 32を挟持して各ガス拡散層 31、 32を本体部 21の各面に圧接させるための第 2の挟持部 41b 、 42bと、第 1の挟持部 41a、 42aとガス拡散層 31、 32の外周縁部との間に形成される空隙部 47、 48と、を含んでいる。補強部 23と第 1の挟持部 41a、 4

2aとは接着剤を介して接着されている。第 2の挟持部 41b、 42bは、ガス拡散層 31、 32を受け入れるために、第 1の挟持部 41a、 42aに対してへこんだ断面形状を有している。

[0026] 空隙部 47、 48は、ガス拡散層 31、 32を本体部 21に圧接させる際の当該ガス拡散層 31、 32のつぶれ代を吸収する大きさに設定されている。このため、ガス拡散層 31 、 32を十分な面圧で本体部 21に圧接させることができる。過小な面圧に起因して生じる内部抵抗の増大が抑制され、単セル 10ひいては燃料電池スタックの十分な性能を確保することができる。なお、ガス拡散層 31、 32は比較的薄いため、空隙部 47、 4 8の大きさとして、第 1の挟持部 41a、 42aとガス拡散層 31、 32の外周縁部との間の寸法が例えば数 mm程度あれば十分である。

[0027] さらに、補強部 23は、第 1の挟持部 41a、 42aとの間でシール部材 25を構成している。補強部 23が第 1の挟持部 41a、 42aに圧接し、弾性変形することにより、ガスシールが行われる。固体高分子電解質膜 20単体でのハンドリング性を高める部材 (補強部 23)が、同時に、流路溝 44、 46を流れるガスをシールする機能を発揮することから、シールするためだけの部材を別途設ける形態に比較して、部品点数の削減、製造工程の簡素化を図ることができる。

[0028] 以上のように、本実施形態によれば、燃料電池用の固体高分子電解質膜 20において、電極として機能する一対のガス拡散層 31、 32の間に介装される領域をなす本体部 21と、ガス拡散層 31、 32の外周縁部からはみ出すはみ出し部 22と、はみ出し部 22にガス拡散層 31、 32の外周縁部を取り囲むように補強材料 24を塗布して形成される枠形状をなす補強部 23と、を含み、補強部 23は、本体部 21が丸まることを防止する形状保持力を本体部 21に付与するので、固体高分子電解質膜 20は、本来の形状である平坦形状を保持し、単体でのハンドリング性が良好なものとなる。これを通して、燃料電池の製造の簡素化を図ることができる。

[0029] 補強部 23は、セパレータ 41、 42との間でシール部材 25を構成しているので、固体高分子電解質膜 20単体でのハンドリング性を高める部材である補強部 23が、同時に、ガスをシールする機能を発揮することから、シールするためだけの部材を別途設ける形態に比較して、部品点数の削減、製造工程の簡素化を図ることができる。

[0030] 補強部 23を備える固体高分子電解質膜 20における本体部 21を挟み込んだ一対のガス拡散層 31、 32をさらに挟み込むためのセパレータ 41、 42であって、補強部 2 3に接着されてはみ出し部 22を挟持するための第 1の挟持部 41a、 42aと、一対のガス拡散層 31、 32を挟持して各ガス拡散層 31、 32を本体部 21の各面に圧接させるための第 2の挟持部 41b、 42bと、第 1の挟持部 41a、 42aとガス拡散層 31、 32の外周縁部との間に形成される空隙部 47、 48と、を含み、空隙部 47、 48は、ガス拡散層 31 、 32を本体部 21に圧接させる際の当該ガス拡散層 31、 32のつぶれ代を吸収する大きさに設定され、補強部 23は、第 1の挟持部 41a、 42aとの間でシール部材 25を構成しているので、補強部 23を備える固体高分子電解質膜 20における本体部 21を挟み込んだ一対のガス拡散層 31、 32をさらに挟み込むのに好適なセパレータ 41、 42 を提供できる。すなわち、単体でのハンドリング性を良好なものとした固体高分子電解質膜 20を適用することによって、燃料電池の製造の簡素化を図ることが可能な、燃料電池用のセパレータ 41、 42を提供できる。

[0031] なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなぐ特許請求の範囲の範囲内で種々改変することができる。 [0032] 例えば、ガス拡散層 31、 32からはみ出す固体高分子電解質膜 20におけるはみ出し部 22は一対のセパレータ 41、 42の間の略中央部分に位置する。このため、ガスシール機能を兼ね備える補強部 23を形成する場合には、補強部 23の断面形状は、本体部 21を中心にして対称形状であることが好ましい。各セパレータ 41、 42との間で均一な押し付け力を確保するためである。ガス拡散層 31、 32の厚さ寸法が異なる場合には、均一な押し付け力を確保するために、補強部 23の断面形状を、本体部 21 を中心にして非対称形状にしても良、。

[0033] また、ガスシール機能を備える補強部 23について説明した力本体部 21の丸まり防止機能のみを備える補強部 23としても良い。この場合には、固体高分子電解質膜 20の表面または裏面のいずれか一方にのみ、補強部 23を形成することもできる。

[0034] さらに、本出願は、 2004年 2月 24日に出願された日本特許出願番号 2004— 048 300号に基づいており、その開示内容は、参照され、全体として、組み入れられている。

Claims

請求の範囲

[1] 燃料電池用の固体高分子電解質膜において、

電極として機能する一対のガス拡散層（31、 32)の間に介装される領域をなす本体部（21)と、

前記ガス拡散層（31、 32)の外周縁部からはみ出すはみ出し部（22)と、前記はみ出し部（22)に前記ガス拡散層（31、 32)の外周縁部を取り囲むように補強材料 (24)を塗布して形成される枠形状をなす補強部 (23)と、を有し、

前記補強部（23)は、前記本体部（21)が丸まることを防止する形状保持力を前記本体部 (21)に付与することを特徴とする燃料電池用の固体高分子電解質膜。

[2] 前記補強部（23)は、前記本体部（21)を挟み込んだ前記一対のガス拡散層（31、

32)をさらに挟み込むためのセパレータ (41、 42)との間でシーノレ部材 (25)を構成することを特徴とする請求項 1に記載の燃料電池用の固体高分子電解質膜。

[3] 請求項 1に記載の燃料電池用の固体高分子電解質膜における前記本体部（21)を挟み込んだ一対のガス拡散層（31、 32)をさらに挟み込むためのセパレータであつて、

前記補強部（23)に接着されて前記はみ出し部（22)を挟持するための第 1の挟持部（41a、 42a)と、

前記一対のガス拡散層（31、 32)を挟持して各ガス拡散層を前記本体部（21)の各面に圧接させるための第 2の挟持部 (41b、 42b)と、

前記第 1の挟持部 (41a、 42a)と前記ガス拡散層（31、 32)の外周縁部との間に形成される空隙部 (47、 48)と、を有し、

前記空隙部 (47、 48)は、前記ガス拡散層（31、 32)を前記本体部（21)に圧接させる際の当該ガス拡散層（31、 32)のつぶれ代を吸収する大きさに設定され、前記補強部（23)は、前記第 1の挟持部 (41a、 42a)との間でシール部材 (25)を構成してなる燃料電池用のセパレータ。