JP2007048568A - 燃料電池の膜・電極接合体，燃料電池および膜・電極接合体の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 電解質膜と電極とを接合する際に、電極の構成要素である触媒層による電解質膜への損傷を防止する。
【解決手段】 ガス拡散層９の一方の面に触媒層７を設けて電極１１を形成し、この電極１１を、触媒層７が固体高分子電解質膜５側となる状態で、固体高分子電解質膜５に重ね合わせて膜・電極接合体１を構成する。その後、触媒層成分を、触媒層７の外周縁部に供給することで、触媒層７がガス拡散層９の外周縁部より外周側に突出するよう形成した後、膜・電極接合体１を両側から加圧し、固体高分子電解質膜５と電極１１とを接合する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電解質膜の両側に設けた電極が、電解質膜側から触媒層およびガス拡散層を順次備える燃料電池の膜・電極接合体，燃料電池および膜・電極接合体の製造方法に関する。

一般に、燃料電池は、反応ガスである水素などの燃料ガスと空気などの酸化剤ガスを電気化学的に反応させることにより、燃料の持つ化学エネルギを直接電気エネルギに変換する装置である（例えば下記特許文献１，２参照）。

上記した燃料電池における燃料極および酸化剤極の両電極において進行する電極反応は、以下の通りである。

燃料極 ： ２Ｈ₂ →４Ｈ⁺＋４ｅ^- …(１)
酸化剤極 ： ４Ｈ⁺ ＋４ｅ^- ＋Ｏ₂ →２Ｈ₂Ｏ …(２)
そして、燃料極に水素ガスが供給されると、燃料極では(１)の反応式が進行して水素イオンが生成される。この生成した水素イオンが水和状態で電解質膜を透過（拡散）して酸化剤極に至り、この酸化剤極に酸素含有ガス、例えば空気が供給されていると、酸化剤極では(２)の反応式が進行する。この(１)，(２)の電極反応が各極で進行することで、燃料電池は起電力を生じることとなる。

このような燃料電池は、電解質膜の違いなどにより様々なタイプのものに分類されるが、その一つとして、電解質膜に固体高分子電解質を用いる固体高分子電解質形燃料電池が知られている。この場合、固体高分子電解質膜の両側に燃料極および酸化剤極からなる電極をそれぞれ設けるが、これら各電極は、電解質膜側から触媒層およびガス拡散層を順次備え、電解質膜とその両側の電極とで、燃料電池における膜・電極接合体を構成している。
特開２００４−６３０６号公報 特開２００３−３３１８５２号公報

ところで、上記した燃料電池における膜・電極接合体の製造方法の一つとして、ガス拡散層となる多孔質の導電性基材上に触媒層を形成し、この導電性基材を、触媒層が固体電解質膜側となる状態で固体電解質膜に接合する方法がある。

上記した触媒層は、触媒合金を担持したカーボン粒子とプロトン伝導性を有する電解質成分の混合物から形成されている。この混合物層は、多孔質で樹脂フィルムよりも剛体であり、また触媒層の外側のガス拡散機能を有する導電性基材は、弾性体でかつ、構成材料の厚さが数１０μｍ程度で触媒層厚さの数倍となっている。

さらに、上記した膜・電極接合体の外側に、ガス流路や冷却水流路を形成するセパレータを配置することで、一つの電池セルを構成することになるが、この際電解質膜の外周側とセパレータとの間にガスシール材を介装する必要があることから、電解質膜の外周縁部を電極の外周縁部より外周側に突出して形成している。

このため、固体高分子電解質膜の両側に電極を加圧によって接合する際、あるいは、多数の電池セルを積層する場合の加圧作業によって、触媒層の外周縁部の角部が電解質膜に対して集中的に圧縮応力を発生させる結果、電解質膜が損傷して発電性能が低下するという問題がある。

また、このように損傷した状態の電解質膜は、発電時に電流が流れることで腐食し、膜・電極接合体の高寿命化に支障を来すものとなる。

そこで、本発明は、電解質膜と電極とを接合する際に、電極の構成要素である触媒層による電解質膜への損傷を防止することを目的としている。

本発明は、電解質膜の両側に設けた電極が、前記電解質膜側から触媒層およびガス拡散層を順次備えるとともに、前記電解質膜の外周縁部が前記電極の外周縁部より外周側に突出している燃料電池の膜・電極接合体において、前記触媒層の外周縁部が、前記ガス拡散層の外周縁部より外周側に突出していることを最も主要な特徴とする。

本発明によれば、触媒層の外周縁部が、ガス拡散層の外周縁部より外周側に突出しているので、電解質膜と、電解質膜側に触媒層を備える電極とを加圧して接合する際に、ガス拡散層の外周縁部による触媒層を介しての電解質膜へ付加される圧縮応力は、触媒層の外周縁部の角部より内側の面を介してのものとなり、この結果触媒層の外周縁部の角部による電解質膜への圧縮応力集中を回避し、電解質膜の損傷を防止することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。

図１は、本発明の一実施形態を示す燃料電池の膜・電極接合体１の製造工程図である。この膜・電極接合体１は、図２に示すように、図２中で上下両側が一対のセパレータ３で挟持され、これら一対のセパレータ３および膜・電極接合体１で一つの電池セルを構成している。

通常、燃料電池における一つの電池セル（単セル）から得られる起電力は、約１．０Ｖ以下であるため、所定電力が得られるように単セルを複数積層してスタックとして使用しており、このスタックに対し電池セルの積層方向に所定の荷重を付与することにより発電特性を得ている。

膜・電極接合体１は、中央に電解質膜として固体高分子電解質膜５を備え、その図２中で上下両側に、触媒層７およびガス拡散層９を順次配置している。この触媒層７およびガス拡散層９により、電極（燃料極および酸化剤極）１１を構成している。

固体高分子電解質膜５は、外周縁部が電極１１の外周縁部より外周側に突出しており、この突出端部５ａとセパレータ３との間に、ガスシール材１３を介装している。また、セパレータ３のガス拡散層９に対向する面には、ガス流路（燃料ガス流路，酸化剤ガス流路）３ａを設けてある。さらに、特に図示していないが、セパレータ３のガス流路３ａと反対側の面には、冷却水流路を設けている。

そして、上記した電極１１は、触媒層７の外周縁部が、ガス拡散層９の外周縁部より外周側に突出している。この触媒層７の突出部分７ａは、シール材１３とガス拡散層９との間の固体高分子電解質膜５の表面上にて傾斜面７ｂを有するよう形成し、この際ガス拡散層９の外周側の端面９ａの全体を覆っている。

次に、上記した膜・電極接合体の製造方法について、前記図１に基づき説明する。まず、図１（ａ）のように、ガス拡散層９上に触媒層７を形成して電極１１を得る。ここで、ガス拡散層９は、多孔質でガス拡散機能を有する導電性基材からなり、触媒層７は、触媒合金を担持したカーボン粒子とプロトン伝導性を有する電解質成分の混合物から形成されている。この混合物層は、多孔質で樹脂フィルムよりも剛体であり、また上記ガス拡散層９を形成する導電性基材は、弾性体でかつ、構成材料の厚さが数１０μｍ程度で触媒層７の厚さの数倍となっている。

図１（ａ）で得た電極１１を、図１（ｂ）に示すように、触媒層７が固体高分子電解質膜５側となる状態で、固体高分子電解質膜５の両側から挟むようにして配置して、膜・電極接合体１を形成する。続いて、図１（ｃ）のように、触媒層７を構成する触媒層成分を、触媒塗布用ノズル１５などを用いて電極１１の外周縁に沿って肉盛りするように滴下し、前記図２で説明した突出部分７ａを触媒層７の外周縁部に形成する。

上記した突出部分７ａを、固体高分子電解質膜５の両側の触媒層７にそれぞれ形成した後、この膜・電極接合体１を両側からホットプレスなどによって加圧することで、固体高分子電解質膜５と電極１１とが接合して膜・電極接合体１が完成する。

この際、本実施形態による膜・電極接合体１は、触媒層７の外周縁部が、突出部分７ａとしてガス拡散層９の外周縁部より外周側に突出しているので、ガス拡散層９の外周縁部による触媒層７を介しての固体高分子電解質膜５へ付加される圧縮応力は、触媒層７の外周側角部（突出部分７ａの先端）より内側の面を介してのものとなり、この結果触媒層７の外周縁部の角部による固体高分子電解質膜５への圧縮応力集中を回避し、固体高分子電解質膜５の損傷を防止することができ、膜・電極接合体１の高寿命化を達成できる。

このような固体高分子電解質膜５の損傷防止は、図２に示した単セルを複数積層して燃料電池スタックを構成し、この燃料電池スタックを、膜・電極接合体１のガス拡散層９とセパレータ３との間の面圧を所望に確保すべく積層方向に加圧する際にも、同様に達成することができる。

図３（ａ）は、上記した実施形態に対する比較例を示すもので、触媒層７０の外周縁部がガス拡散層９０の外周縁部より内周側に位置している。この場合には、膜・電極接合体１０を、図３（ａ）中で上下両側から加圧する際に、図３（ａ）の要部を示す図３（ｂ）のように、触媒層７０の外周縁部の角部が固体高分子電解質膜５０に対して集中的に圧縮応力を付与し、損傷部Ａを発生させることとなる。

また、本実施形態によれば、触媒層７の突出部分７ａが、ガス拡散層９の外周側の端面９ａを覆っているので、ガス流路３ａを流れる反応ガスが、ガス拡散層９を浸透拡散する際に、その外周側の端面９ａに達しても、この端面９ａを覆う触媒層７の突出部分７ａに流れ込むので、反応ガスを無駄なく有効利用することができる。

さらに、ガス拡散層９の端面９ａを突出部分７ａが覆うことで、覆わない場合に比較して、ガス拡散層９に浸透拡散する反応ガスが、ガス拡散層９と固体高分子電解質膜５との間に位置する部分の触媒層７により多く流れ込み、発電効率が向上する。

なお、触媒層７の突出部分７ａは、ガス拡散層９の外周側の端面９ａの全体を覆う必要はなく、図１（ｃ）の要部の拡大図である図４のように、端面９ａの一部を覆う突出部分７ｃとしてもよく、また、端面９ａを覆わずに、触媒層７の外周縁部が、単にガス拡散層９の外周縁部より外周側に突出している構成でも構わない。

図５は、触媒層７における突出部分７ｄ，７ｅ，７ｆの他の形状例を示しており、これらについても、図１に示したものと同様の効果を得ることができる。図５（ａ）は、突出部分７ｄの外周面７ｄｓが凸状の曲面で、図５（ｂ）は、突出部分７ｅの外周面７ｅｓが凹状の曲面である。図４（ｃ）は、突出部分７ｆが、ガス拡散層９の表面と同一面を形成する表面部７ｆｓ１と、固体高分子電解質膜５に対して垂直となる側面部７ｆｓ２とを備えている。

なお、上記図５の例についても、突出部分７ｄ，７ｅ，７ｆは、ガス拡散層９の端面９ａの全体を覆わずに、その一部を覆う構成としてもよい。

本発明の一実施形態を示す燃料電池の膜・電極接合体の製造工程図である。 図１の膜・電極接合体を備える燃料電池の単セルの断面図である。 （ａ）は図１の実施形態に対する比較例を示す、図１（ｃ）に相当する断面図で、（ｂ）は（ａ）の要部を示す断面図である。 図１の膜・電極接合体の他の例を示す、図１（ｃ）の要部の拡大部に相当する断面図である。 図１の膜・電極接合体のさらに他の例を示す、図４に相当する断面図である。

符号の説明

１ 膜・電極接合体
５ 固体高分子電解質膜（電解質膜）
７ 触媒層
７ａ，７ｃ，７ｄ，７ｅ，７ｆ 触媒層の突出部分
９ ガス拡散層
９ａ ガス拡散層の外周側の端面
１１ 電極

Claims (6)

1. 電解質膜の両側に設けた電極が、前記電解質膜側から触媒層およびガス拡散層を順次備えるとともに、前記電解質膜の外周縁部が前記電極の外周縁部より外周側に突出している燃料電池の膜・電極接合体において、前記触媒層の外周縁部が、前記ガス拡散層の外周縁部より外周側に突出していることを特徴とする燃料電池の膜・電極接合体。
2. 前記触媒層の外周側に突出している部分が、前記ガス拡散層の外周側の端面の少なくとも一部を覆っていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の膜・電極接合体。
3. 請求項１または２に記載の膜・電極接合体を備えることを特徴とする燃料電池。
4. 電解質膜の両側に設けた電極が、前記電解質膜側から触媒層およびガス拡散層を順次備えるとともに、前記電解質膜の外周縁部が前記電極の外周縁部より外周側に突出している燃料電池の膜・電極接合体の製造方法において、前記触媒層の外周縁部が、前記ガス拡散層の外周縁部より外周側に突出するように、前記触媒層を形成した後、前記電解質膜両側の電極の外側から加圧して前記電解質膜と前記電極とを接合することを特徴とする燃料電池の膜・電極接合体の製造方法。
5. 前記ガス拡散層の一方の面に前記触媒層を設けて前記電極を形成し、この電極を、前記触媒層が前記電解質膜側となる状態で電解質膜に重ね合わせ、この状態で触媒層成分を、前記触媒層の外周縁部に供給することで、触媒層が前記ガス拡散層の外周縁部より外周側に突出するよう形成し、その後、前記電解質膜両側の電極の外側から加圧して前記電解質膜と前記電極とを接合することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池の膜・電極接合体の製造方法。
6. 前記触媒層成分を、前記触媒層の外周縁部が前記ガス拡散層の外周側の端面の少なくとも一部を覆うように、前記触媒層の外周縁部に供給することを特徴とする請求項５に記載の燃料電池の膜・電極接合体の製造方法。

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