JP2001256985A

JP2001256985A - 燃料電池

Info

Publication number: JP2001256985A
Application number: JP2000069218A
Authority: JP
Inventors: Shigeru Inai; 滋稲井; Takamasa Kawagoe; 敬正川越; Hideo Kato; 英男加藤; Hiromichi Yoshida; 弘道吉田; Hideo Numata; 英雄沼田
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2000-03-13
Filing date: 2000-03-13
Publication date: 2001-09-21
Anticipated expiration: 2020-03-13
Also published as: JP4786008B2

Abstract

(57)【要約】【課題】触媒層での酸化反応を抑制することによっ
て、酸化熱による電解質膜劣化を有効に防止する。【解決手段】拡散層２２と触媒層２１とからなる電極
１３によって電解質膜を挟持してなる燃料電池におい
て、触媒層２１を拡散層２２と電解質膜とにより密閉し
た。具体的には、拡散層２２の長さ方向両端部に、触媒
層２１の端面２１Ｃと密着する断面略Ｌ字状の折り曲げ
部２２ａを形成した。これにより、ガス流路２４に投入
したブリードガスは、拡散層２２の拡散作用によって触
媒層２１に到達するまでの間に均等に拡散されて密度が
均一化し、触媒層２１での酸化反応の発生は抑制され
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、いわゆる固体高分
子電解質膜型の燃料電池に係わり、特に、触媒層での酸
化反応を抑制することによって、酸化熱による電解質膜
劣化を有効に防止する技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】この種の燃料電池は、例えば図８に示す
ような構造のセル１０１を複数積層させてなり、各々の
セル１０１は、固体高分子電解質膜（以下、「電解質
膜」と略記する。）１０２の両面にアノード電極（燃料
極）１０３及びカソード電極（空気極）１０４をそれぞ
れ接合してなる膜・電極接合体（以下、「ＭＥＡ」と略
記する。）１０５と、このＭＥＡ１０５を両側から挟持
するセパレータ１０６と、各電極１０３，１０４への供
給ガスの外部漏洩を防ぐガスケット１０７とを主体に構
成されている。

【０００３】アノード電極１０３及びカソード電極１０
４は、電極反応を促進させるための触媒層１１１と、ガ
ス拡散性を有する拡散層１１２とによる積層構造をなし
ている。セパレータ１０６は、ガスを透過させない緻密
質のカーボン板や金属板からなり、拡散層１１２と接す
る一方の側面にはガス流路１１３ａ，１１３ｂが、ま
た、他方の側面には冷却水流路１１４が形成されてい
る。

【０００４】このように構成された燃料電池において
は、アノード電極１０３に面したガス流路１１３ａにア
ノードガス（水素）が供給されると共に、カソード電極
１０４に面したガス流路１１３ｂにカソードガス（空
気）が供給されることによって、これら電極間で電気化
学反応に基づく発電が行われる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、特に改質装
置によってメタノール等から前記アノードガスを生成
し、これを燃料電池に供給する燃料電池システムにおい
ては、アノードガス中に混入するＣＯ（一酸化炭素）に
よる触媒被毒を回避するため、ブリードエアをアノード
電極１０３側のガス流路１１３ａに投入することが行わ
れる。

【０００６】ところが、その投入量を増やすと、ブリー
ドエアがガスケット１０７とアノード電極１０３の隙間
に回り込み、アノード電極面内で水素と酸素が反応して
しまうため、その酸化反応時に発生する酸化熱によって
ＭＥＡ１０５の劣化を招くおそれがあった。また、ＭＥ
Ａ１０５の膜厚を減少させると、カソードガスがアノー
ド電極１０３側に透過し易くなるため、その影響で上記
と同様にＭＥＡ１０５の劣化を招くおそれがある。

【０００７】仮に、ブリードエア投入時に、アノードガ
スの供給を一時的に止めてカソードガスのみを供給する
ような操作をしても、カソードガスがアノード電極１０
３側に回り込んでアノード電極面内がカソードガスで満
たされてしまうため、ガス流路１１３ａにアノードガス
を再投入した段階で、アノード電極面で水素と酸素が反
応してＭＥＡ１０５の劣化を招くおそれがある。

【０００８】本発明は、このような事情に鑑みてなされ
たものであり、その目的とするところは、触媒層での酸
化反応を抑制することによって、酸化熱による電解質膜
の劣化を有効に防止することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の発明者は、図５
〜図７に示す実験結果より、触媒層を拡散層で完全に覆
い込むことによって、電解質膜の劣化を抑制できること
を見出した。図５は、拡散層に覆われていない剥き出し
部分のある触媒層を備えたＭＥＡに投入するブリードエ
ア率を２％，５％，…，４０％，５０％と順次変えてい
ったときの、アノード入口圧力（破線），カソード入口
圧力（鎖線），及び発電電圧（実線）の経時変化を示し
ている。

【００１０】なお、ブリードエア率等は、以下のように
定義した。ブリードエア率（％）：１００×ブリードエア量／Ｓ
ＲＧガス量ＳＲＧ成分：Ｈ₂，Ｎ₂，ＣＯ₂，ＣＯ，Ｃ
Ｈ₄，ＭeＯＨ

【００１１】この図より、上記構成のＭＥＡにあって
は、ブリードエア率を徐々に増加させると、これに伴っ
て発電電圧も低下していることから、電解質膜の劣化が
徐々に進行していることが確認された。さらに、ブリー
ドエア率が５０％になると、発電電圧が急降下すると共
に、それまで３０ｋＰａ弱の圧力差を有していたアノー
ド入口圧力及びカソード入口圧力が同圧に変化している
ことから、ＭＥＡ破損を来たしたことも確認された。

【００１２】他方、図６は、触媒層を大きめの拡散層で
完全に覆ったＭＥＡを用い、このＭＥＡに対するブリー
ドエア率の限界量を測定すべく、ブリードエア率を５０
％及び１００％にしたときのアノード入口圧力（破
線），カソード入口圧力（鎖線），及び発電電圧（実
線）の経時変化を示している。また、図５及び図６に基
づいて、ブリードエア率とＭＥＡ破損の有無との関係を
まとめると、図７の通りになる。

【００１３】これらの図より、上記構成のＭＥＡにあっ
ては、ブリードエア率が５０％及び１００％のいずれの
場合においても、発電電圧が略一定に保たれていること
から、電解質膜の劣化が有効に抑制されていることが確
認された。さらに、ブリードエア率を１００％とした場
合においても、アノード入口圧力及びカソード入口圧力
が同圧に変化していないことから、ＭＥＡ破損を来して
いないことも確認された。この事は、ブリードエアの停
止後にも、アノード入口圧力及びカソード入口圧力は同
圧とならずに一定圧を保ち、電圧値を復元している点で
も明らかである。

【００１４】そこで、本発明は、上記課題を解決すべ
く、以下の構成を採用した。請求項１の発明は、拡散層
（２２）と触媒層（２１）とからなる電極（アノード電
極１３，カソード電極１４）によって電解質膜（１２）
を挟持してなる燃料電池において、前記触媒層は、前記
拡散層と前記電解質膜とにより密閉されていることを特
徴としている。

【００１５】この構成によれば、ブリードエアは拡散層
以前の空間内で密度のばらつきを有するため、触媒層が
拡散層で覆われていない場合、触媒層にブリードエアが
直接触れると、部分的に高密度のブリードエアがアノー
ドガスと反応して電解質膜の劣化を招いてしまうが、触
媒層を拡散層と電解質膜とで密閉すると、拡散層での拡
散作用によってブリードエアが均等に拡散されて密度が
均一化するため、酸化反応の発生が抑制される。仮に、
触媒層で酸化反応が発生しても、電解質膜に接触してい
る拡散層が熱マスとなって酸化熱が放熱されるため、電
解質膜の劣化は抑制される。

【００１６】また、請求項２の発明は、拡散層（２２）
と触媒層（２１）とからなる電極（アノード電極１３，
カソード電極１４）によって電解質膜（１２）を挟持し
てなる燃料電池において、前記触媒層は、前記電解質膜
と接する一面（側面２１Ａ）を備え、前記拡散層は、前
記触媒層の前記一面以外の周面（側面２１Ｂ，端面２１
Ｃ，端面２１Ｄ）を覆って前記電解質膜に接して設けら
れていることを特徴としている。

【００１７】この構成によれば、触媒層が拡散層と電解
質膜とで覆い込まれるため、上記同様、拡散層での拡散
作用によって酸化反応の発生が抑制される。また、仮に
触媒層で酸化反応が発生しても、上記同様、拡散層が熱
マスになるため、電解質膜の劣化は抑制される。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、図面を用いて、本発明の一
実施の形態について説明する。図１は本実施の形態によ
る固体高分子電解質膜型燃料電池の要部を示す断面図、
図２は同燃料電池の一構成要素であるセルの全体構成
図、図３は同セルの分解斜視図、図４は同セルの一構成
要素であるＭＥＡの一製造工程を示す工程図である。

【００１９】燃料電池は、図２に示すような構造のセル
１１を複数積層させてなり、各々のセル１１は、電解質
膜１２の両面にアノード電極１３及びカソード電極１４
をそれぞれ接合してなるＭＥＡ１５と、このＭＥＡ１５
を両側から挟持するセパレータ１６と、各電極１３，１
４への供給ガスの外部漏洩を防ぐガスケット１７とを主
体に構成されている。電解質膜１２は、電子は透過させ
ずにプロトン（陽子）のみを選択的に透過させる性質を
有している。

【００２０】アノード電極１３及びカソード電極１４
は、電極反応を促進させるための触媒層２１と、ガス拡
散性を有する拡散層２２とによる積層構造になってお
り、触媒層２１は、拡散層２２と電解質膜１２とによっ
て密閉されている。すなわち、拡散層２２は、その長さ
方向両端部に触媒層２１の端面２１Ｃ，２１Ｄを覆う断
面略Ｌ字状の屈曲部２２ａを備えることによって、触媒
層２１の周面のうち、電解質膜１２と接する側面２１Ａ
以外の側面２１Ｂ及び端面２１Ｃ，２１Ｄを覆い得る形
状をなしている。

【００２１】セパレータ１６は、ガスを透過させない緻
密質のカーボン板や金属板からなり、拡散層２２と接す
る一方の側面１４Ａには、凹溝状のガス流路２４ａ，２
４ｂが形成されており、また、他のセル１１のセパレー
タ１６と接する他方の側面１６Ｂには、凹溝状の冷却水
流路２５が形成されている。そして、各セル１１におい
ては、ガス流路２４ａにアノードガス（水素）が供給さ
れると共に、ガス流路２４ｂにカソードガス（空気）が
供給されることによって、電極１３，１４間で電気化学
反応に基づく発電が行われる。

【００２２】ところで、改質装置によってメタノール等
からアノードガスを生成し、これを燃料電池に供給する
燃料電池システムにおいては、電極触媒のＣＯ被毒を回
避するために、ブリードエアをアノードガス流路に投入
することが行われる。この場合においても、本実施の形
態による燃料電池においては、触媒層２１の全周面（側
面２１Ａ，２１Ｂ及び端面２１Ｃ，２１Ｄ）が電解質膜
１２と拡散層２２とにより覆われた密閉構造をなしてい
るから、言い換えれば、拡散層２２が電解質膜１２と接
する側面２１Ａ以外の周面である側面２１Ｂ及び端面２
１Ｃ，２１Ｄを覆って電解質膜１２に接して設けられて
いるから、ブリードエアは触媒層２１に到達するまでの
間に拡散層２２の拡散作用によって均等に拡散されて密
度が均一化される。

【００２３】このため、高密度のブリードエアが触媒層
２１と直接接触することによって生じる酸化反応を有効
に回避し得ると共に、仮に触媒層２１で酸化反応が発生
することがあっても、屈曲部２２ａを介して電解質膜１
２に接触している拡散層２２が熱マスとなって酸化反応
時に発生した酸化熱が放熱されるため、電解質膜１２の
劣化を効果的に抑制することが可能になる。よって、ブ
リードエアの投入量を増やしたり、ＭＥＡ１５の膜厚を
減少させても、電解質膜１２の劣化を招くことはない。

【００２４】次に、図４を用いて、ＭＥＡ１５の一製造
方法について概説する。まず最初に、拡散層２２を構成
する長方形状のカーボンペーパ５１を準備し、その一面
にカーボン／テフロン（登録商標）層（以下、「Ｃ／Ｔ
層」と称する。）５２を積層する。Ｃ／Ｔ層５２は、カ
ーボン／テフロン混合ペースト（以下、Ｃ／Ｔペース
ト」と称する。）５３をカーボンペーパ５１の表面に印
刷しこれを焼成する工程を２回繰り返すことによって、
カーボンペーパ５１の全周縁部５１ａを除く範囲に積層
する。

【００２５】Ｃ／Ｔペースト５３は、溶媒としてエチレ
ングリコール５４を用い、カーボンブラック５５とテフ
ロンパウダー５６を混合して作製する。なお、Ｃ／Ｔ層
５２は触媒層２１に均一な電極面を形成する目的で、ま
た、カーボンペーパ５１への電極ペースト６１の食い込
みを防ぐ目的で設けている。次いで、Ｃ／Ｔ層５２の表
面に触媒層２１を積層して電極１３，１４を作製する。
触媒層２１は、電極ペースト６１をＣ／Ｔ層５２の表面
に印刷しこれを焼成する工程を３回繰り返すことによっ
て、Ｃ／Ｔ層５２の全面に積層する。

【００２６】電極ペースト６１は、フッ素系の陽イオン
交換溶液６２をエチレングリコール６３で溶媒置換して
陽イオン交換エチグリ溶液６４とした後、この陽イオン
交換エチグリ溶液６４に電極触媒６５を混合撹拌して作
製する。このとき、アノード電極用の電極触媒６５に
は、耐ＣＯ被毒性を向上させる観点からＰｔ−Ｒｕ担持
カーボンを使用し、また、カソード電極用の電極触媒６
５にはＰｔ担持カーボンを使用する。

【００２７】次に、上記工程を経て作製した電極１３，
１４の周縁部５１ａをトリミングする。このとき、Ｃ／
Ｔ層５２及び触媒層２１が積層されていない部分、すな
わち、カーボンペーパ５１のみからなる部分を全て切除
するのではなく、該カーボンペーパ５１のみの部分を電
極１３，１４の全周にわたって所定幅だけ残しておく。
しかる後、電極１３，１４間に電解質膜１２を介在さ
せ、これらをホットプレスして一体的に接合する。

【００２８】すると、カーボンペーパ５１のみからなる
各電極１３，１４の周縁部５１ａは、触媒層２１の端面
２１Ｃ，２１Ｄと密着するように折り曲げられて屈曲部
２１ａを構成し、電解質膜１２と共に触媒層２１を密閉
することになる。言い換えれば、拡散層２２をなすカー
ボンペーパ５１が、触媒層２１の周面のうち、電解質膜
１２と接する一面以外の全周面を覆うことになる。

【００２９】また、この密閉構造を実現するため、電解
質膜１２は、デュポン社製のナフィオン等のパーフルオ
ロスルホン酸系の陽イオン交換膜７１を電極１３，１４
よりも若干大きめのサイズとなるようにトリミングして
おく。最後に、ホットプレスによる一体接合体の長さ方
向両端部に複数の連通口７２を形成することによって、
図２示すような構造を備えたＭＥＡ１５が完成する。以
上説明したように、このＭＥＡ製造方法によれば、電解
質膜１２と拡散層２２とによって触媒層２１が密閉され
たＭＥＡ１５を低コストにて容易に大量生産できるよう
になる。

【００３０】なお、触媒層２１の拡散層２２による覆い
込みを上記折り曲げ工程によらず、拡散層２２の弾性変
形を利用し、セル１１を多数積層させる際にセル１１の
厚み方向に加えられる圧縮力によって拡散層２２に触媒
層２１を食い込ませ、覆い込み構造を達成させてもよ
い。

【００３１】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、触媒のＣＯ被毒を回避するためにブリードエ
ア投入を行っても、触媒層を拡散層と電解質膜とで密閉
した（覆う）ことによって、ブリードエアが触媒層を通
過する間に拡散されて密度が均一化されるようにしたか
ら、部分的に高密度のブリードエアが触媒層に直接接触
することによる局部的な酸化反応の発生を回避し得ると
共に、仮に酸化反応が発生したとしても、電解質膜に接
触している拡散層が熱マスとなって酸化熱が有効に放熱
されるため、電解質膜の劣化を効果的に抑制することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態による高分子電解質膜
型燃料電池の要部を示す断面図である。

【図２】図１に示すセルの全体構成図である。

【図３】図１に示すセルの分解斜視図である。

【図４】図１に示すＭＥＡの一製造工程を示す工程図
である。

【図５】触媒層に剥き出し部分のあるＭＥＡの性能試
験結果を示す図である。

【図６】触媒層に剥き出し部分のないＭＥＡの性能試
験結果を示す図である。

【図７】図５及び図６に基づき、ブリードエア率とＭ
ＥＡ破損の有無との関係をまとめた図である。

【図８】高分子電解質膜型燃料電池の一従来例を示す
要部断面図である。

【符号の説明】

１２電解質膜１３アノード電極（電極）１４カソード電極（電極）２１触媒層２１Ａ側面（電解質膜と接する一面）２１Ｂ側面（触媒層の前記一面以外の周面）２１Ｃ、２１Ｄ端面（触媒層の前記一面以外の周面）２２拡散層

フロントページの続き (72)発明者加藤英男埼玉県和光市中央１丁目４番１号株式会社本田技術研究所内 (72)発明者吉田弘道埼玉県和光市中央１丁目４番１号株式会社本田技術研究所内 (72)発明者沼田英雄埼玉県和光市中央１丁目４番１号株式会社本田技術研究所内Ｆターム(参考） 5H018 AA06 AS02 AS03 BB00 DD06 EE05 EE17 5H026 AA06 CC03 CC08

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】拡散層と触媒層とからなる２つの電極に
よって電解質膜を挟持してなる燃料電池において、前記触媒層は、前記拡散層と前記電解質膜とにより密閉
されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】拡散層と触媒層とからなる２つの電極に
よって電解質膜を挟持してなる燃料電池において、前記触媒層は、前記電解質膜と接する一面を備え、前記拡散層は、前記触媒層の前記一面以外の周面を覆っ
て前記電解質膜に接して設けられていることを特徴とす
る燃料電池。