JP2002208413A - 固体高分子電解質型燃料電池 - Google Patents

固体高分子電解質型燃料電池

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JP2002208413A
JP2002208413A JP2001001446A JP2001001446A JP2002208413A JP 2002208413 A JP2002208413 A JP 2002208413A JP 2001001446 A JP2001001446 A JP 2001001446A JP 2001001446 A JP2001001446 A JP 2001001446A JP 2002208413 A JP2002208413 A JP 2002208413A
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solid polymer
catalyst layer
fuel cell
electrolyte fuel
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Masakazu Hidai
将一 干鯛
Tsutomu Aoki
努 青木
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Abstract

(57)【要約】 【課題】電極端部における発熱を効率的に放熱し、高分
子膜の破損を防止することにある。 【解決手段】固体高分子電解質膜１、この固体高分子電
解質膜１の両面に触媒層２を介して配置される電極基材
４からなる１対の電極５，６を備えた固体高分子電解質
型燃料電池において、少なくとも一方の電極の電極基材
４を触媒層２より大きい面積とし、且つその外周が触媒
層２より外側に位置するように構成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、固体高分子電解質
型燃料電池に係わり、特に電極端部における温度上昇に
よる高分子電解質膜の破損を防止するようにした固体高
分子電解質型燃料電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】燃料電池は、化学的エネルギーを直接電
気的エネルギーに変換する装置で、通常は電解質を挟ん
で一対の多孔質電極を配すると共に、一方の電極の背面
に水素などの気体燃料を接触させ、他方の電極の背面に
酸素など酸化剤を接触させ、このときに起こる電気化学
反応により発生する電気エネルギーを上記一対の電極か
ら取り出すようにしている。
【０００３】ところで、固体高分子電解質型燃料電池
（以下ＰＥＦＣと称する）においては、上記電解質とし
て一般にパーフルオロスルホン酸からなるイオン導電性
を有する固体高分子電解質膜が使用される。この固体高
分子電解質膜は低温で導電性を有するため、ＰＥＦＣは
その他の形式の燃料電池に比較して低温（６０℃〜１２
０℃）で動作する。そのため、電池を構成する材料に対
する制約が少なく、短時間に起動可能である。
【０００４】従来のＰＥＦＣの単電池の構成を、図７を
用いて説明する。
【０００５】図７において、１０は単電池で、この単電
池１０は固体高分子電解質膜１の一方の面に燃料電極５
が配置され、他方の面に酸化剤電極６が配置されてい
る。これら燃料電極５及び酸化剤電極６は、それぞれ電
極基材４とその表面にガス拡散層３を介して形成される
触媒層２から構成される。
【０００６】そして、これら燃料電極５及び酸化剤電極
６の背面には、気体の流路となる燃料溝８及び空気溝９
を有する気体不透過性のセパレータ７が配置されてい
る。
【０００７】このような構成の単電池１０において、燃
料電極５には（１）式に示すような反応が起こる。
【０００８】 Ｈ２ → ２Ｈ＋ ＋ ２ｅ− … （１） また、酸化剤極６においては、式（２）の反応が起こ
る。
【０００９】 １／２Ｏ２ ＋ ２Ｈ＋ ＋ ２ｅ− → Ｈ２Ｏ … （２） 一方、燃料電池の運転時においては、燃料電極５の燃料
気体と酸化剤電極６の酸化剤とを分離するため、燃料気
体と酸化剤とをそれぞれの極に閉じ込める構造とする必
要がある。
【００１０】そこで、従来のＰＥＦＣにおいては、電池
端部の構造として図８に示すように電極の面積よりも高
分子電解質膜１の面積を広くし、高分子電解質膜１の電
極よりも外側の部分をガスケット１１で挟むようにして
いる。
【００１１】従って、このガスケット１１によって燃料
気体と酸化剤とをそれぞれの極に閉じ込め、外部への気
体の漏れを防止できる。
【００１２】なお、図８において、図７と同一の構成要
素には同一符号を付して示し、ここではその説明を省略
する。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】しかし、このような電
池端部構造のＰＥＦＣにおいて、運転中に高分子電解質
膜が破損すると、両極の反応ガスが互いに混合するクロ
スリークが発生して電池性能が低下し、更には運転不能
になるという問題がある。すなわち、これらの燃料気体
と酸化剤とが混合されると、上記（１）（２）式の反応
が一方の電極で起こり、発電効率が落ちるという弊害を
もたらす。
【００１４】また、上記（１）（２）式で表される反応
は、発熱反応であるため、電極で発生する反応熱が放熱
されないと温度が過剰に上昇し、この温度により高分子
電解質膜が長時間晒されると破損する。
【００１５】すなわち、電極部材および反応ガスの熱伝
導率は、例えば電極基材７Ｗ／ｍ・Ｋ、触媒層３Ｗ／ｍ
・Ｋ、ガス拡散層３Ｗ／ｍ・Ｋ、水素ガス０．２Ｗ／ｍ
・Ｋ、空気ガス０．０３Ｗ／ｍ・Ｋである。さらに、電
極部材を通しての伝熱量は部材の厚さに比例する。この
場合、部材の厚さは触媒層、ガス拡散層がおよそ３０ミ
クロン、電極基材が３００ミクロンである。従って、反
応熱の伝熱は主に電極基材によるものである。
【００１６】ところで、電極端部において、触媒層の方
が電極基材よりも面積の大きい領域が存在すると、電極
基材による放熱が無く温度が上昇する。例えば、触媒層
の方が１ｍｍ大きいと７０℃の温度上昇となる。
【００１７】また、触媒層と電極基材の面積が等しくて
も、製造時には図９に示すように触媒層端部１４が崩れ
てしまうことがある。この触媒層端部１４に崩れた部分
１４ａであっても、電気的な接触が保たれていれば電流
が流れるために上記（１），（２）式の反応は進行す
る。
【００１８】しかし、崩れた場所においては、触媒層２
とガス拡散層３との間の接触が無くなっているために、
その間に空間が生じる。この空間中の気体は伝熱係数が
低いために、崩れた部分１４ａの触媒における反応熱の
放熱を妨げる。
【００１９】本発明は上記のような問題を解消するため
になされたもので、電極端部における温度上昇による高
分子電解質膜の破損を防止し、長時間運転が可能な燃料
電池の電極を提供することを目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】本発明は上記の目的を達
成するため、固体高分子膜電解質を介して触媒層を有す
る１対の電極を有して、その触媒層の周囲にいかなる層
を持たない固体高分子電解質型燃料電池において、少な
くとも一方の電極において、電極基材が触媒層より大き
い面積を有し、その外周が触媒層の外周より外側に位置
する構成とするものである。
【００２１】このような構成の固体高分子電解質型燃料
電池とすれば、電極基材の外側に触媒層が露出すること
を防止する。このとき触媒における化学反応によって生
じた熱は電極基材を通して放熱される。触媒層が露出す
る場合には触媒における反応熱は気体を通して放熱され
るが、電極基材の伝熱係数は気体に比較して１〜２桁大
きいために、本発明の構造においては効率的に反応熱を
除去でき、触媒層の端部における温度上昇による高分子
膜の破損を防止することができる。
【００２２】また、ガス拡散層を有する電極において、
ガス拡散層の面積も触媒層よりも大きくすることによっ
て、製造時において触媒層の端部が崩れた場合に、崩れ
た触媒に対してもガス拡散層が接触する構成を得ること
ができる。このとき、触媒上における化学反応によって
生じた熱はガス拡散層から電極基材を通して放熱される
ために、触媒層の端部における温度上昇による高分子膜
の破損を防止することができる。
【００２３】本発明は固体高分子電解質膜を介して１対
の電極を備えた固体高分子電解質型燃料電池において、
少なくとも一方の電極は、前記固体高分子電解質膜の一
方の面に形成され周辺部分に接着効果を持つ物質が額縁
状に含浸された触媒層と、この触媒層の背面にガス拡散
層を介して配置された電極基材とから構成される。
【００２４】このような構成の固体高分子電解質型燃料
電池とすれば、触媒層の周辺に接着効果を持つ物質を含
浸することによって、端部における触媒層の崩れを防止
できる。すなわち、触媒層が崩れると空間が生じて断熱
層となり放熱を妨げるが、触媒層の崩れを防止すること
によって放熱の効果を保ち、触媒層の端部における温度
上昇による高分子膜の破損を防止することができる。
【００２５】さらに、本発明は固体高分子膜電解質を介
して１対の電極を備えた固体高分子電解質型燃料電池に
おいて、少なくとも一方の電極は、前記固体高分子電解
質膜の一方の面に形成され周辺部分に接着効果を持つ物
質が額縁状に含浸された触媒層と、この触媒層の背面に
ガス拡散層を介して配置された電極基材と、この電極基
材の背面に配置され内周が前記触媒層の外周よりも内側
に位置し、外周が前記触媒層の外周よりも外側に位置す
る額縁状のシートとから構成される。
【００２６】このような構成の固体高分子電解質型燃料
電池とすれば、額縁状のシートにより電池を上下から押
える締付力が周辺部分で他の場所より強くなる。触媒層
の端部を強く押え付けることにより、触媒層の端部での
崩れを防止できる。すなわち、触媒層が崩れると空間が
生じて断熱層となり放熱を妨げるが、触媒層の崩れを防
止することによって放熱の効果を保ち、触媒層の端部に
おける温度上昇による高分子膜の破損を防止することが
できる。
【００２７】
【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図面を参照
して説明する。
【００２８】図１は本発明による固体高分子電解質型燃
料電池の第１の実施の形態における電池端部の構造を示
す断面図で、図８と同一構成要素には同一符号を付して
その説明を省略し、ここでは異なる点について述べる。
【００２９】本実施の形態においては、図１に示すよう
に両電極の電極基材４を触媒層２及びガス拡散層３より
大きい面積とし、且つその外周が触媒層２及びガス拡散
層３より外側に位置するようにしたものである。
【００３０】一般的に触媒層２とガス拡散層３は、カー
ボン粒子あるいは触媒粒子を溶液にして、スクリーンプ
リンター等のプリンターを用いて、電極上あるいは高分
子電解質膜１上に塗布されて形成されている。
【００３１】スクリーンプリンターでは、メッシュのス
クリーンの上から触媒の溶液が塗布される。この場合、
スクリーンのメッシュ部分の領域を、電極基材４の面積
よりも小さな領域にすることによって、電極基材４より
も小さい面積のガス拡散層３および触媒層２を形成す
る。
【００３２】また、ダイコーターやカーテンコーターで
塗布する場合には、電極基材４よりも面積の小さな枠、
つまり電極基材４の外周よりも小さな内周の枠を設けて
ダイコーターやカーテンコーターで塗布することによっ
て、電極基材４よりも小さい面積のガス拡散層３および
触媒層２が形成される。
【００３３】このように電極基材４の面積を触媒層２よ
りも大きくすることによって、例えば、製造のバラツキ
があつても触媒層２が電極基材４の外側にはみ出すこと
を防止できる。このとき、触媒上における化学反応によ
って生じた熱は、電極基材４を通して放熱される。
【００３４】また、触媒層２で発生する化学反応熱が電
極基材４を通して放熱することにより、触媒層２の端部
における温度上昇を抑制することが可能となる。従っ
て、高分子膜が破損することを防止することが可能とな
る。
【００３５】図２は本発明による固体高分子電解質型燃
料電池の第２の実施の形態における電池端部の構造を示
す断面図で、図８と同一構成要素には同一符号を付して
その説明を省略し、ここでは異なる点について述べる。
【００３６】本実施の形態においては、図２に示すよう
に両電極の電極基材４及びガス拡散層３を触媒層２より
大きい面積とし、且つその外周が電極基材４及びガス拡
散層３より外側に位置するようにしたものである。
【００３７】このような構成の電池を製造するには、触
媒層２を高分子電解質膜１の両面に塗布して形成し、ガ
ス拡散層３を触媒層２よりも広い面積の電極基材４に塗
布して形成した後に、触媒層２を形成した高分子電解質
膜１の両面にガス拡散層３を形成した電極基材４を貼り
合わせことによって、電極基材４及びガス拡散層３の面
積を触媒層２よりも大きくすることができる。
【００３８】このように電極基材４及びガス拡散層３の
面積を触媒層２よりも大きくすることにより、触媒層２
の端部が崩れて島を形成しても、島となった触媒に対し
てガス拡散層４が接触するので、このとき触媒上におけ
る化学反応によって生じた熱はガス拡散層３から電極基
材４を通して放熱される。
【００３９】このように第２の実施の形態によれば、触
媒層２で発生する化学反応熱を電極基材４を通して放熱
することにより、触媒層２の端部における温度上昇を抑
制することが可能となる。従って、高分子電解質膜１の
破損を防止することが可能となる。
【００４０】図３は本発明による固体高分子電解質型燃
料電池の第３の実施の形態における電池端部の構造を示
す断面図で、図８と同一構成要素には同一符号を付して
その説明を省略し、ここでは異なる点について述べる。
【００４１】本実施の形態においては、図３に示すよう
に両電極の電極基材４を触媒層２より大きい面積とし、
且つその外周が電極基材４より外側に位置するように構
成すると共に、両電極の電極基材４の外周部にカーボン
の粒子やフッ素系樹脂などの耐熱性、耐酸性に優れた物
質１２を含浸し、触媒層２の外周よりも外側の領域の密
度を内側の領域の密度よりも高くしたものである。
【００４２】この場合、触媒層２の領域の外側に含浸し
ているために、電気伝導性に劣るフッ素を含む耐熱性樹
脂であっても、電池性能に影響を与えることはない。
【００４３】このように伝熱性の物質１２を、電極基材
４の外周部に含浸することによって、電極基材４の伝熱
係数を大きくすることが可能となる。
【００４４】従って、触媒層２で発生する化学反応熱を
電極基材４を通して放熱する際に、電極基材４の伝熱係
数を大きくすることによって、効率的に放熱することが
可能となり、高分子電解質膜１の破損を効率的に防止す
ることができる。
【００４５】図４は本発明による固体高分子電解質型燃
料電池の第４の実施の形態における電池端部の構造を示
す断面図で、図８と同一構成要素には同一符号を付して
その説明を省略し、ここでは異なる点について述べる。
【００４６】第４の実施の形態では、図４に示すように
両電極の電極基材４及びガス拡散層３を触媒層２より大
きい面積とし、且つその外周が電極基材４及びガス拡散
層３より外側に位置するように構成すると共に、電極基
材４及びガス拡散層３の外周部にカーボンの粒子やフッ
素系樹脂などの耐熱性、耐酸性に優れた物質１２を含浸
し、触媒層２の外周よりも外側の領域の密度を内側の領
域の密度よりも高くしたものである。
【００４７】このように伝熱性の物質１２を、電極基材
４及びガス拡散層３の外周部に含浸することによって、
電極基材４の伝熱係数を大きくすることが可能となる。
【００４８】従って、触媒層２で発生する化学反応熱を
電極基材４及びガス拡散層３を通して放熱する際に、電
極基材４の伝熱係数を大きくすることによって、効率的
に放熱することが可能となり、高分子電解質膜１の破損
を効率的に防止することができる。
【００４９】図５は本発明による固体高分子電解質型燃
料電池の第５の実施の形態における電池端部の構造を示
す断面図で、図８と同一構成要素には同一符号を付して
その説明を省略し、ここでは異なる点について述べる。
【００５０】本実施の形態においては、図５に示すよう
に両電極の電極基材４及びガス拡散層３を触媒層２より
大きい面積とし、且つその外周が電極基材４及びガス拡
散層３より外側に位置するようにすると共に、触媒層２
の周辺部分に接着効果を持つ物質１３を含浸するもので
ある。この接着効果を持つ物質１３としては、例えば高
分子電解質膜１のアルコール溶液を含浸後に乾燥された
ものや、フェノール樹脂、あるいはＰＶｄＦ（ポリビニ
リデンジフルオロライト）が使用される。
【００５１】このように触媒層２の周辺部分に接着効果
を持つ物質１３を含浸することによって、触媒層の端部
における崩れを防止することが可能となる。
【００５２】従って、触媒層２の端部の崩れによる断熱
層の形成が防止されるので、触媒層２の端部における温
度上昇を抑制することが可能となり、高分子電解質膜１
が高温に晒されて破損されることを防止できる。
【００５３】図６は本発明による固体高分子電解質型燃
料電池の第６の実施の形態における電池端部の構造を示
す断面図で、図８と同一構成要素には同一符号を付して
その説明を省略し、ここでは異なる点について述べる。
【００５４】本実施の形態においては、図６に示すよう
に両電極の電極基材４とセパレータ７との間に額縁状の
例えばフッ素系樹脂からなるシート１４を挿入するもの
である。このシート１４はその外周が触媒層２の外周よ
りも外側に突出する大きさのものである。
【００５５】この構造においては、シート１４の部分だ
け電極基材４がつぶれて、電池１０とセパレータ７とは
電池全面で接触する。シート１４が厚すぎる場合には、
電池１０とセパレータ７との接触が不良となり、電気的
な抵抗が増加するために、電池の発電効率が減少すると
いう不利益を生じる。
【００５６】この場合、電極基材４の厚さは通常およそ
３００ミクロン程度なので、シート１４の厚さは３０ミ
クロン以下にする必要がある。この場合、シート１４と
しての効果を得るためには、１０〜２０ミクロンの厚さ
が望ましい。
【００５７】このように本実施の形態では、額縁状のシ
ート１４により電池１０を上下から押さえるように締付
けると、その締付け力が周辺部分で他の場所よりも強く
なるので、触媒層２の端部での崩れを防止することが可
能となる。
【００５８】従って、触媒層端部の崩れによる断熱層が
形成されないので、触媒層端部における温度上昇を抑制
することが可能となり、高分子電解質膜１の破損を防止
することができる。
【００５９】なお、前述した第１乃至第６の実施の形態
では、燃料電極及び酸化剤電極の両電極の電極基材４側
の構造を対象として説明したが、いずれか一方の電極の
電極基材４側に対してのみ、各実施の形態と同様の構造
を採用してもよい。
【００６０】
【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、電極
端部における発熱を効率的に放熱し、高分子膜の破損を
防止することができる固体高分子電解質型燃料電池を提
供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による固体高分子電解質型燃料電池の第
１の実施の形態における電池端部の構造を示す断面図。
【図２】本発明による固体高分子電解質型燃料電池の第
２の実施の形態における電池端部の構造を示す断面図。
【図３】本発明による固体高分子電解質型燃料電池の第
３の実施の形態における電池端部の構造を示す断面図。
【図４】本発明による固体高分子電解質型燃料電池の第
４の実施の形態における電池端部の構造を示す断面図。
【図５】本発明による固体高分子電解質型燃料電池の第
５の実施の形態における電池端部の構造を示す断面図。
【図６】本発明による固体高分子電解質型燃料電池の第
６の実施の形態における電池端部の構造を示す断面図。
【図７】従来の固体高分子電解質型燃料電池を示す模式
図。
【図８】従来の固体高分子電解質型燃料電池の端部構造
を示す模式図。
【図９】従来の固体高分子電解質型燃料電池の端部にお
ける触媒層の崩れの模式図。
【符号の説明】
１…高分子電解質膜 ２…触媒層 ３…ガス拡散層 ４…電極基材 ５…燃料電極 ６…酸化剤電極 ７…セパレータ ８…燃料溝 ９…酸化剤溝 １０…単電池 １１…ガスケット １２…耐熱性、耐酸性に優れた物質 １３…接着効果を持つ物質 １４…シート

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 固体高分子電解質膜、この固体高分子電
    解質膜の両面に触媒層を介して配置される電極基材から
    なる１対の電極を備えた固体高分子電解質型燃料電池に
    おいて、 少なくとも一方の電極の電極基材を触媒層より大きい面
    積とし、且つその外周が触媒層より外側に位置するよう
    に構成したことを特徴とする固体高分子電解質型燃料電
    池。
  2. 【請求項２】 請求項１記載の固体高分子電解質型燃料
    電池において、 前記触媒層の外周より外側の領域における前記電極基材
    の密度が前記触媒層の外周より内側の領域よりも高くし
    たことを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池。
  3. 【請求項３】 請求項２に記載の固体高分子電解質型燃
    料電池において前記触媒層の外周より外側の領域の前記
    電極基材にカーボン粒子を含浸し、前記電極基材の密度
    を高くしたことを特徴とする固体高分子電解質型燃料電
    池。
  4. 【請求項４】 請求項２に記載の固体高分子電解質型燃
    料電池において、 前記触媒層の外周より外側の領域の前記電極基材にフッ
    素系樹脂を含浸し、前記電極基材の密度を高くしたこと
    を特徴とする固体高分子電解質型燃料電池。
  5. 【請求項５】 固体高分子電解質膜を介して１対の電極
    を備えた固体高分子電解質型燃料電池において、 少なくとも一方の電極は、前記固体高分子電解質膜の一
    方の面に形成され周辺部分に接着効果を持つ物質が額縁
    状に含浸された触媒層と、この触媒層の背面にガス拡散
    層を介して配置された電極基材とから構成されたことを
    特徴とする固体高分子電解質型燃料電池。
  6. 【請求項６】 請求項５に記載の固体高分子電解質型燃
    料電池において、触媒層に含浸される物質は、高分子電
    解質であることを特徴とする固体高分子電解質型燃料電
    池。
  7. 【請求項７】 請求項５に記載の固体高分子電解質型燃
    料電池において、触媒層に含浸される物質は、フェノー
    ル樹脂であることを特徴とする固体高分子電解質型燃料
    電池。
  8. 【請求項８】 固体高分子膜電解質を介して１対の電極
    を備えた固体高分子電解質型燃料電池において、 少なくとも一方の電極は、前記固体高分子電解質膜の一
    方の面に形成され周辺部分に接着効果を持つ物質が額縁
    状に含浸された触媒層と、この触媒層の背面にガス拡散
    層を介して配置された電極基材と、この電極基材の背面
    に配置され内周が前記触媒層の外周よりも内側に位置
    し、外周が前記触媒層の外周よりも外側に位置する額縁
    状のシートとから構成されたことを特徴とする固体高分
    子電解質型燃料電池。
  9. 【請求項９】 請求項８に記載の固体高分子電解質型燃
    料電池において、 電極基材の背面に配置する額縁状のシートはフッ素系樹
    脂シートであることを特徴とする固体高分子電解質型燃
    料電池。
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