JP2007157572A

JP2007157572A - 燃料電池

Info

Publication number: JP2007157572A
Application number: JP2005353248A
Authority: JP
Inventors: Masaki Ando; 雅樹安藤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-12-07
Filing date: 2005-12-07
Publication date: 2007-06-21

Abstract

【課題】ガス拡散層と集電体であるセパレータとの接触面積を確保しつつ、電解質膜の２次元方向における膨張を抑制した燃料電池を提供する。
【解決手段】電解質膜と、当該電解質膜の両面に設けられた一対の電極とを有する膜−電極接合体を備える燃料電池であって、前記電解質膜は当該電解質膜の２次元方向への膨張を吸収する凹凸形状を有し、当該電解質膜の凹凸形状の凹部が、前記電極を形成する材料で埋められることにより、前記電極の電解質膜と接する面とは反対側の面が略平坦化していることを特徴とする燃料電池。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池に関する。

燃料電池は、燃料と酸化剤を電気的に接続された２つの電極に供給し、電気化学的に燃料の酸化を起こさせることで、化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する。火力発電とは異なり、カルノーサイクルの制約を受けないので、高いエネルギー変換効率を示す。燃料電池は、通常、電解質膜を燃料極及び酸化剤極で挟持した基本構造を有する単セルを複数積層して構成されており、中でも、電解質膜として固体高分子電解質膜を用いた固体高分子電解質型燃料電池は、小型化が容易であること、低い温度で作動すること、などの利点があることから、特に携帯用、移動体用電源として注目されている。

固体高分子電解質型燃料電池において、各電極は、通常、電解質膜側から順に、下記（１）式又は（２）式の反応の場となる触媒層、触媒層への反応ガス（燃料、酸化剤）の拡散性を向上させるためのガス拡散層が積層した構造を有している。さらに、これら電極の外側には、集電体の役割を兼ねているセパレータが設けられ、単セルを形成している。セパレータには、燃料極に燃料ガス、酸化剤に酸化剤ガスをそれぞれ供給するためのガス流路が形成されている。

固体高分子電解質型燃料電池では、水素を燃料とした場合、燃料極では（１）式の反応が進行する。
Ｈ_２ → ２Ｈ^＋＋２ｅ⁻ ・・・（１）
（１）式で生じる電子は、外部回路を経由し、外部の負荷で仕事をした後、酸化剤極に到達する。そして、（１）式で生じたプロトンは、水と水和した状態で、固体高分子電解質膜内を燃料極側から酸化剤極側に移動する。

一方、酸素を酸化剤とした場合、酸化剤極では（２）式の反応が進行する。
４Ｈ^＋＋Ｏ_２＋４ｅ⁻ → ２Ｈ_２Ｏ・・・（２）

上述したように、燃料極で発生したプロトンは、水を伴って電解質膜内を燃料極側から酸化剤極側へと移動するため、電解質膜は湿潤状態を保つ必要がある。このような理由から電池運転時の電解質膜は湿潤状態を保持され、その結果膨潤する。一方、電池停止時には、電解質膜は低湿潤状態（典型的には、乾燥状態）となり収縮する。このように、電解質膜が単セル内に組み込まれた状態で膨潤と収縮の間の寸法変化を繰り返すことによって、膜電極接合体には力学的ストレスが生じ、電極の電解質膜からの剥がれ、電解質膜及び触媒層のシワや割れ等の発生を招く。その結果、単セル内の接触抵抗が増加し、燃料電池の発電性能の低下や耐久性の低下を引起こす。

特に、高温域、低加湿条件下での高イオン伝導性を目指した高イオン交換容量（低ＥＷ）の電解質膜や、自動車用燃料電池等サイズの大きなセルに用いられる電解質膜は、湿潤状態において膨張しやすいため寸法変化量が大きく、これに伴って生じる力学的ストレスも大きい。

このような電解質膜の寸法変化に伴う燃料電池の性能低下を防止する方法としては、補強層等を設けることにより電解質膜の寸法変化を少なくする方法等が挙げられるが、補強層を設けることによるコストアップや補強層−電解質膜界面の剥離等の問題が新たに生じている。

また、特許文献１には、高分子膜の一方の面上に燃料極、他方の面上に空気極をそれぞれ積層して構成した膜電極接合体において、燃料極、高分子膜、空気極の全ての層にわたって、積層面と垂直方向に凹凸を有するエンボス形状、又は、積層面と垂直方向に波打つ蛇腹形状を、規則的に形成した高分子電解質型燃料電池が記載されている。この燃料電池は、膜電極接合体のエンボス形状又は蛇腹形状によって、膜電極接合体の２次元方向（面方向）への膨張収縮を吸収するものである。

また、特許文献１のように膜電極接合体の積層方向に凹凸構造を有するものとして、特許文献２に記載の燃料電池がある。この燃料電池は、セパレータが平板であり、且つ、当該セパレータに挟まれている膜電極接合体が波状に保持されているものである。しかし、特許文献２の技術は、溝を有しない平板のセパレータを用いることで単セルの薄肉化と軽量化を図り、且つ、膜電極接合体を波型に保持することによって流路を流れる反応ガスと膜電極接合体との接触面積を大きくするものであり、膜電極接合体の膨張収縮に対する効果については、何も示されていない。

特開２００４−１３９７８３号公報特開２００４−１８５９３７号公報

特許文献１に記載の燃料電池は、燃料極、電解質膜及び空気極からなる膜−電極接合体全てが、積層面と垂直方向に凹凸を有するエンボス形状又は蛇腹形状を有するため、膜−電極接合体よりも強度が高いセパレータによって挟持された際に、セパレータにより膜−電極接合体にかかる面圧が電極の凸部に集中する。その結果、膜−電極接合体の凹凸がつぶれやすく、電極及び電解質膜はセパレータで挟持される前の良好な凹凸形状を保持することができない。また、凹凸がつぶれた膜−電極接合体では、電解質膜が寸法変化した際に元の形状に復元することができない。従って、電解質膜の２次元方向への膨張収縮を充分に吸収することができないと考えられる。
また、セパレータにより膜−電極接合体にかかる面圧が、電極の凸部に集中することによって、膜−電極接合体が損傷しやすいという問題もある。

しかも、特許文献１のように電極の外側の面が凹凸形状を有している場合、集電体としての役割を兼ねるセパレータと電極との接触面積が小さく、極端な場合にはセパレータと電極が点接触する可能性もある。このように集電体と電極との接触面積が小さいと、燃料電池の集電効率が低下し、充分な発電性能を発現することができない。
さらに、製造方法によっては、膜電極接合体の層間密着性が低下するおそれがある。また、平坦な膜−電極接合体をプレス等することによって、膜−電極接合体全体に凹凸形状を付与した場合には、電解質膜の薄肉化等の問題も充分に起こりえる。

本発明は、上記実情を鑑みて成し遂げられたものであり、ガス拡散層と集電体であるセパレータとの接触面積を確保しつつ、電解質膜の２次元方向における膨張を抑制した燃料電池を提供することを目的とする。

本発明の燃料電池は、電解質膜と、当該電解質膜の両面に設けられた一対の電極とを有する膜−電極接合体を備える燃料電池であって、前記電解質膜は当該電解質膜の２次元方向への膨張を吸収する凹凸形状を有し、当該電解質膜の凹凸形状の凹部が、前記電極を形成する材料で埋められることにより、前記電極の電解質膜と接する面とは反対側の面が略平坦化していることを特徴とするものである。

本発明の燃料電池は、電解質膜が当該電解質膜の２次元方向への膨張を吸収する凹凸形状、好ましくは膨張収縮を吸収する凹凸形状を有することから、電解質膜の２次元方向における寸法変化によって生じる電解質膜のシワや割れ、それに伴う触媒層のシワ、割れ、剥がれ等の発生を防止することができる。
また、電解質膜の凹凸形状の凹部を電極を形成する材料で埋めることにより、電極の電解質膜と接する面とは反対側の面を略平坦化することによって、セパレータ等の集電体によって面圧がかけられた状態においても、電解質膜が当該膜の２次元方向への膨張収縮を吸収できる凹凸形状を保持でき、且つ、膨張した電解質膜が元の凹凸形状を復元できる。これは、電極の電解質膜と接する面とは反対側の面、すなわち、膜−電極接合体の最外面となる電極の面を略平坦面とすることによって、セパレータ等に挟持されることによる膜−電極接合体にかかる面圧を分散することができ、また、電解質膜の凹部を電極材料で埋めることによって、電解質膜の形状が規制されているからである。

また、セパレータからの面圧が分散されているため、電極が損傷することもない。さらに、電極の集電体であるセパレータとの接触面を略平坦な面とすることによって、電極と集電体との接触面積を確保することができる。

前記電解質膜の凹凸形状の一形態としては、尾根状の凸部と谷状の凹部が交互に且つ互いに平行に伸びた形状が挙げられる。
また、本発明の燃料電池の一形態としては、前記電極が前記電解質膜側から順に、前記電解質膜に接して配設された触媒層とガス拡散層とを含み、前記電解質膜の凹凸形状の凹部において、前記触媒層の厚み、前記ガス拡散層の厚み、又は前記触媒層と前記ガス拡散層の厚みの合計が、当該電解質膜の凹凸形状の凹部の深さ以上であるものが挙げられる。このように、電解質膜の凹部は前記触媒層、前記ガス拡散層、又は前記触媒層と前記ガス拡散層によって埋められていることが好ましい。
中でも、製造が容易であること、製造時に電解質膜や触媒層を傷つけにくいこと等観点から、前記電解質膜の凹凸形状の凹部において、前記触媒層の厚みが、当該電解質膜の凹凸形状の凹部の深さ以上であり、前記ガス拡散層は前記触媒層と接する面及びもう一方の面が略平坦であることが好ましい。

本発明の燃料電池は、電解質膜の膨張収縮が充分に抑制されているため、電解質膜の寸法変化を原因とする単セル内の各層間における接触抵抗の増加や、各部材の耐久性の低下等を抑制することができる。したがって、優れた発電性能と耐久性を示す。
さらには、集電体と電極との接触面積が確保されていることから、本発明の燃料電池は良好な集電効率を示すものである。

図１を用いて、本発明を適用した固体高分子電解質型燃料電池の一形態例について説明する。図１において、１Ａは燃料電池の単セルを積層方向に切断した断面図、１Ｂは単セルの部分拡大斜視図である。尚、ここで電解質膜の２次元方向とは、電解質膜の面が広がる方向（面方向）である。

プロトン伝導性固体高分子電解質膜１（以下、単に電解質膜１ということがある）は、両面に尾根状の凸部１ａと谷状の凹部１ｂが交互に且つ互いに平行に伸びた形状を有している。この電解質膜１の一面側には酸化剤極４ａの触媒層２ａ、もう一面側には燃料極４ｂの触媒層２ｂが配設されている。
さらに、触媒層２ａ、２ｂの外面には、ガス拡散層３ａ、３ｂが形成されている。この例では、電極４ａ、４ｂは共に、触媒層２（２ａ、２ｂ）及びガス拡散層３（３ａ、３ｂ）から構成されている。また、電極４ａ、４ｂは、電解質膜１の凹凸形状の凹部を触媒層２ａ及び２ｂで埋めることにより、後述するセパレータ６と接する面、すなわちガス拡散層３ａ、３ｂの外側の面が平坦面となっている。

さらに各電極４の外側には、各電極に反応ガス（燃料ガス又は酸化剤ガス）を供給し且つ電気化学反応による生成水や余剰のガスが排出されるガス流路５を画成すると同時に、集電体でもあるセパレータ６が設けられている。
尚、ここでは、固体高分子型燃料電池を例に本発明を説明するが、本発明の燃料電池は固体高分子型燃料電池に限定されるものではない。

電解質膜の膨潤−乾燥による寸法変化は、電解質膜の２次元方向に限らず厚み方向にも生じる。電解質膜の厚み方向の寸法変化は、単セルの各構成部位を接着するため、又は、単セル内における酸化剤と燃料の混合を防止するためのシール材やスタックを締結する部材等、単セル内の面圧（厚み方向の圧力）を保持することができる構造によって、吸収することが可能である。しかしながら、電解質膜の２次元方向の寸法変化は、セルの外径寸法が固定されているため吸収することが非常に困難であり、電解質膜のシワや割れ等を引き起こす主な原因となっている。

そこで、本発明では、厚み方向に起伏する凹凸形状を有する電解質膜を用いることによって、２次元方向の膨潤による寸法変化を小さくすることが可能であることに着目した。凹凸形状を有する電解質膜は、含水状態における２次元方向の膨潤による寸法変化又は体積変化を、当該電解質膜の２次元方向に対する斜め方向に分散させることができるため、２次元方向の寸法変化量を小さくできる。従って、電解質膜の２次元方向における膨潤によって生じる電解質膜のシワや割れ、これに伴う触媒層のシワ、割れ、剥がれ等の発生を防止することができる。その結果、これらを原因とする単セル内の各層間における接触抵抗の増加や、各部材の耐久性の低下等を抑制することができる。

さらに、本発明では、セパレータ等の集電体によって面圧がかけられた状態においても、電解質膜が当該膜の２次元方向への膨張、好ましくは膨張収縮を吸収できる凹凸形状を保持できるように、且つ、膨張した電解質膜が元の凹凸形状を復元できるように、以下のような構造を有している。すなわち、電極４（４ａ、４ｂ）は、電極を形成する材料（以下、電極材料ということがある）で電解質膜の凹凸を埋めるように、電解質膜側の面では電解質膜の凹凸形状に合わせた凹凸形状を有し、且つ、電解質膜と接する面とは反対側のセパレータに接する面は略平坦面となっている。

このように本発明においては、膜−電極接合体の集電体であるセパレータとの接触面を略平坦面とすることによって、セパレータに挟持されることによる膜−電極接合体にかかる面圧を分散し、また、電解質膜の凹部を電極材料で埋めることによって、電解質膜の形状が規制されている。従って、膜−電極接合体の全体を凹凸形状とした場合ではその凹凸形状を保持できないような面圧がかけられても、膜−電極接合体内の電解質膜は２次元方向への膨張収縮を吸収できる凹凸形状を保持することができる。
しかも、電解質膜の凹部を埋める電極材料によって、電解質膜の形状が規制されているため、電解質膜が膨潤しても２次元方向への膨張収縮を吸収できる凹凸形状を復元しやすい。また、セパレータからの面圧が分散されているため、電極が損傷することもない。

さらに、電極の集電体であるセパレータとの接触面が略平坦な面であることから、集電体と電極との接合性が良好であり、電極と集電体との接触面積を確保することができる。従って、本発明の燃料電池は、良好な集電効率を示す。また、セパレータの表面には、ガス流路を画成するための溝が設けられているが、セパレータとの接触面が略平坦面であることにより、溝を有するセパレータとの接合性が確保され、良好なガス流路を画成することができる。

電解質膜の凹凸形状は、電解質膜の２次元方向における膨張を吸収することができるもの、好ましくは電解質膜の２次元方向における膨張収縮を吸収することができるものであれば、特に限定されない。膜の２次元方向への膨張や収縮を吸収する凹凸形状としては、例えば、膜の片面側から見たときに凸部である部分が、反対面側から見たときに凹部となるような、膜全体として三次元のうねりを有する凹凸形状があり、そのような形状として、より具体的には、波型、蛇腹型、エンボス加工により中空カップ状に形成された凸部等を例示できる。具体的には、例えば、図１に示した形状の他、図２に示すような形状が挙げられる。図１に示した凹凸形状は、尾根状の凸部１ａと谷状の凹部１ｂとが交互に且つ互いに平行に伸びている。このような凹凸形状は、製膜時の形状付与が容易であること、製膜後にロールに巻き取る際の作業性に優れる等の利点がある。

凹凸形状を構成する各凸部及び凹部の角度、幅、高さ等は、電解質膜の大きさや厚み、材質、単セルの面圧等を考慮して、適宜設計すればよい。これら各凹部、凸部の形状は、それぞれの凸部、凹部間で異なっていてもよく、例えば、電解質膜の位置によってその形状を変化させてもよい。また、図１において凹凸形状は、電解質膜の一対の辺に平行に延びているが、電解質膜の辺と、ある角度を持って交差するように延びていてもよい。

本発明において電解質膜に用いられる電解質は特に限定されず、一般的なものを使用することができる。ナフィオン（商品名、デュポン社製）に代表されるパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂等のフッ素系電解質や、ポリエーテルスルホン樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、ポリ（アリルエーテルケトン）樹脂、ポリパラフェニレン系樹脂、ポリイミド樹脂等の炭化水素系樹脂にスルホン酸基、カルボン酸基、ホスホン酸基等のイオン交換基を導入した炭化水素系電解質等からなるものが挙げられる。

本発明の燃料電池においては、電解質膜の２次元方向における寸法変化が抑制されているため、膨潤しやすい電解質膜、例えば、高イオン交換容量（低ＥＷ）の電解質膜、未補強電解質膜等でも膨潤による燃料電池の発電性能の低下を引起こしにくく、好適に用いることができる。さらに、従来では膨潤性の高さゆえに使用することが困難であった電解質膜であっても、本発明の燃料電池においては使用することができる場合もある。
凹凸形状を有する電解質膜を形成する方法は、特に限定されず、例えば、上記したような電解質を含む溶液を凹凸形状を付与できる型に流延する方法や、凹凸形状を有するスリットから溶融状態の電解質を押し出す方法、電解質膜を金型でホットプレス（膜のガラス転移温度以上の温度で）する方法、凹凸形状を有する電極（触媒層又はガス拡散層）上に電解質を含む溶液を流延する方法等が挙げられる。金型でホットプレスすることによって電解質膜に凹凸形状を付与する場合には、電解質膜の薄肉化が生じないように、ホットプレス条件（温度、圧力）を調節することが好ましい。

本発明の燃料電池は、上記のような電解質膜の凹凸形状の凹部を、当該電解質膜と接する酸化剤極４ａ又は燃料極４ｂを形成する電極材料で埋め、当該酸化剤極４ａ又は燃料極４ｂの他方の面（セパレータ側の面）を略平坦とすることに特徴を有するものである。ここで、電極材料とは、電極を形成する材料であり、触媒層を形成する材料、ガス拡散層を形成する材料、その他電極に設けられる機能層を形成する材料等が挙げられる。或いは、電極の性能を保持することができるものであれば、上記した材料以外の材料であってもよい。電解質膜の凹凸形状を埋める電極材料は、一種のみであってもよいし、複数を組み合わせてもよい。

以下、電解質膜の凹凸形状の凹部が電極材料で埋められていることにより、電極の電解質膜と接する面とは反対側の面が略平坦化している状態について、図１及び図３を用いて説明する。
例えば、図１において、触媒層２は、電解質膜１と接する面が当該電解質膜１の凹凸形状に合わせた凹凸形状であり、且つ、ガス拡散層３と接する面が平坦な面となっている。この触媒層２は電解質膜１の凹部の底部からガス拡散層３と接する部分までの厚み（Ｈ１）が、電解質膜１の凹部の深さ（ｈ）以上となっており、電解質膜１の凹凸形状は触媒層２のみで埋められた状態である。そして、ガス拡散層３は両面が略平坦面であり、電極４の電解質膜と接する面とは反対側の面が略平坦面となっている。

また、図３の（３Ａ）において、触媒層２は、電解質膜１の凹部の底部から凸部の頂部までを埋めるように、電解質膜１と接する面が当該電解質膜１の凹凸形状に合わせた凹凸形状であり、且つ、ガス拡散層３と接する面が平坦な面となっている。この触媒層２は電解質膜１の凹部の底部からガス拡散層３の表面までの厚み（Ｈ１）が、電解質膜１の凹部の深さ（ｈ）とほぼ同じであり、電解質膜１の凹凸形状は触媒層２のみで埋められた状態である。そして、ガス拡散層３は両面が略平坦面であり、電極４の電解質膜と接する面とは反対側の面が略平坦面となっている。

一方、図３の（３Ｂ）において、触媒層２は、その両面が電解質膜１の凹凸形状に合わせた凹凸形状であり、電解質膜１の凹部の底部からガス拡散層３の表面までの厚み（Ｈ１）が、電解質膜１の凹部の深さ（ｈ）よりも大きく、触媒層２のみで電解質膜の凹部が埋められている。そして、ガス拡散層３は、触媒層２と接する面が当該触媒層２の凹凸形状に合わせた凹凸形状、触媒層２と接する面とは反対側の面が平坦面であり、電極４の電解質膜と接する面とは反対側の面が略平坦面となっている。

図３の（３Ｃ）は、（３Ｂ）同様、触媒層２が両面に電解質膜１の凹凸形状に合わせた凹凸形状を有し、ガス拡散層３は触媒層２と接する面が当該触媒層２の凹凸形状に合わせた凹凸形状、触媒層２と接する面とは反対側の面が平坦な面である。ただし、（３Ｃ）において触媒層２は、電解質膜１の凹部からガス拡散層３の表面までの厚み（Ｈ１）が、電解質膜１の凹部の深さ（ｈ）よりも小さい。そのため、電解質膜１の凹部は、触媒層２とガス拡散層３とで埋められている。このとき、電解質膜１の凹部からガス拡散層３の表面までの触媒層２及びガス拡散層３の厚み（Ｈ１＋Ｈ２）は、電解質膜１の凹部の深さ（ｈ）以上となっている。

図３の（３Ｄ）において、触媒層２は、電解質膜と接する面が電解質膜１の凹凸形状に合わせた凹凸形状を有し、且つ、電解質膜１の凹部からガス拡散層３の表面までの厚み（Ｈ１）が凹部の深さ（ｈ）よりも小さい。そして、ガス拡散層３の平坦面と触媒層２の凹凸面との隙間であり、且つ、触媒層２のみでは埋めきれなかった電解質膜の凹部は、触媒層２及びガス拡散層を形成する材料とは異なる電極材料７で埋められている。また、ガス拡散層３は、両面が略平坦面であり、電極４の電解質膜と接する面とは反対側の面が略平坦面となっている。予め電解質膜と触媒層を接合してから触媒層とガス拡散層とを接合する場合、（３Ｄ）のように触媒層のガス拡散層側における凸部がつぶれてしまう場合もあるが、電解質膜の凹凸形状をつぶさずに、且つ、電解質膜の凹部が電極材料で埋められていれば、触媒層２のガス拡散層側における凸部がつぶれてしまっていてもよい。

ここで、図（３Ｄ）において、電解質膜及び触媒層の凹凸形状を埋めるように、触媒層とガス拡散層との間に配置される電極材料としては、導電性を有し、且つ、触媒層とガス拡散層との間に配置された状態において、ガス透過性を示すものであればよく、例えば、カーボン粒子及び／又はカーボン繊維とフッ素系樹脂の混合体、金属粉末とフッ素系樹脂の混合体、或いは、カーボン粒子及び／又はカーボン繊維と金属粉末とフッ素系樹脂の混合体等が挙げられる。金属粉末としては、Ｔｉ粉末、Ａｕ粉末、Ａｇ粉末等、フッ素系樹脂としては、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン／エチレン共重合体（ＥＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン／パーフルオロアルコキシエチレン共重合体（ＰＦＡ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）、テトラフルオロエチレン／ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）等が挙げられる。
材料の選定や準備、燃料電池の性能等の観点から、電解質膜の凹部を埋める電極材料としては、触媒層を形成する材料（例えば、図１、図３Ａ、図３Ｂ）又は触媒層を形成する材料とガス拡散層を形成する材料（例えば、図３Ｃ）であることが好ましい。すなわち、電解質膜の凹部において、触媒層の厚み（Ｈ１）が凹部の深さ（ｈ）以上或いは、触媒層及びガス拡散層の厚み（Ｈ１＋Ｈ２）が凹部の深さ（ｈ）以上であることが好ましい。

中でも、電解質膜の凹部において、触媒層の厚み（Ｈ１）が当該凹部の深さ（ｈ）以上であることが好ましい。触媒層は、通常、触媒層を形成する材料をスラリー状にしたものを用いて形成されるため、電解質膜の凹凸形状に合った面形状を形成しやすいからである。電解質膜の凹凸形状に合った面形状を有する触媒層を形成することによって、電解質膜の凹凸形状をつぶすことなく、また、触媒層と電解質膜との間に隙間を形成せずに、触媒層と電解質膜を接合することができる。その結果、電解質膜と触媒層間の接触抵抗を低減させ、しかも、触媒層の電解質膜からの剥がれを防止することができる。

本発明の燃料電池において、電極４は、電解質膜１と接する面は当該電解質膜１の凹凸形状を埋めるような形状を有し、一方、セパレータと接する面（電解質膜１と接する面とは反対側の面）は略平坦状である。ここで、略平坦であるとは、集電体であるセパレータの電極との接触面との関係において、略平坦であればよく、通常、１ｍｍ以上の凹凸がほとんどないことを指す。すわなち、図１において、電極４のセパレータ側に設けられるガス拡散層３が有する多孔構造等のナノスケール（１〜９９９ｎｍ）やマイクロスケール（１〜９９９μｍ）の凹凸は、本発明において略平坦に含まれる。

図１において、電極４はガス拡散層３においてセパレータ６と接しており、ガス拡散層３の外面側が略平坦状になっている。ガス拡散層３は、セパレータ６と接する面が略平坦状であれば、触媒層側の面が平坦状でなくてもよく、図３の（３Ｂ）や（３Ｃ）のように凹凸形状を有していてよいが、ガス拡散層を形成するためのガス拡散層シートが製造容易であることから、その両面が略平坦状であることが好ましい。また、ガス拡散層シートの触媒層２との接触面が図３の（３Ｂ）や（３Ｃ）のように凹凸形状を有している場合、電解質膜及び触媒層との接合の際に、ガス拡散層、触媒層、電解質膜の凹凸形状を合わせることが難しく、電解質膜や触媒層を傷つけたり、形状を崩したりするおそれがあるからである。
尚、ここでは、燃料極及び酸化剤極が触媒層とガス拡散層とから構成されているため、ガス拡散層がセパレータ側において略平坦な面を有しているが、本発明の燃料電池において、電極は電解質膜とは反対側の面が略平坦な面を有していればよく、例えば、燃料極及び／又は酸化剤極が触媒層のみからなる場合には、触媒層の電解質膜側とは反対側の面が略平坦であればよい。

以下、ガス拡散層及び触媒層を構成する材料、並びに、膜−電極接合体の製造方法について説明する。

ガス拡散層は、ガスの拡散に必要な細孔（空隙）、導電性、及びガス拡散層を構成する材料として要求される強度を有するもの、例えば、カーボンペーパー、カーボンクロス、カーボンフェルト等の炭素質多孔質体や、チタン、アルミニウム、銅、ニッケル、ニッケル−クロム合金、銅及びその合金、銀、アルミ合金、亜鉛合金、鉛合金、チタン、ニオブ、タンタル、鉄、ステンレス、金、白金等の金属より構成される金属メッシュ又は金属多孔質体等の導電性多孔質体からなるガス拡散層シートを用いて形成することができる。
導電性多孔質体の厚みは、通常、５０〜５００μｍ程度とし、図３の（３Ｂ）や（３Ｃ）のように、凹凸形状を有する場合には上記範囲内で厚みを変化させればよい。また、導電性多孔質体の凹凸形状は、例えば、切削、プレス成形、射出成形等の方法により形成することができる。

ガス拡散層は、上記したような導電性多孔質体の単層からなるものであってもよいが、触媒層２に面する側に撥水層を設けることもできる。撥水層は、通常、炭素粒子や炭素繊維等の導電性粉粒体、ポリテトラフルオロエチレン等の撥水性樹脂等を含む多孔質構造を有するものである。撥水層は、必ずしも必要なものではないが、触媒層２及び電解質膜１内の水分量を適度に保持しつつ、ガス拡散層３の排水性を高めることができる上に、触媒層２とガス拡散層３間の電気的接触を改善することができるという利点がある。
また、撥水層は上記したような材料をペースト状にして形成することができるため、図３Ｂ及び図３Ｃのように凹凸形状を有するガス拡散層を用いる場合であって、上記導電性多孔質板では凹凸形状を形成することが困難である場合には、撥水層によってガス拡散層に容易に凹凸形状を付与できるという利点もある。

撥水層を導電性多孔質体上に形成する方法は特に限定されない。例えば、炭素粒子等の導電性粉粒体と撥水性樹脂、及び必要に応じてその他の成分を、エタノール、プロパノール、プロピレングリコール等の有機溶剤、水又はこれらの混合物等の溶剤と混合した撥水層ペーストを、導電性多孔質体の少なくとも触媒層２に面する側に塗布し、その後、乾燥及び／又は焼成すればよい。

このとき撥水層ペーストは、導電性多孔質体の内部に含浸してもよい。また、撥水層の形状は特に限定されず、例えば、導電性多孔質層の触媒層側の面全体を覆うような形状でもよいし、格子状等の所定パターンを有する形状でもよい。撥水層ペーストを導電性多孔質体に塗布する方法としては、例えば、スクリーン印刷法、スプレー法、ドクターブレード法、グラビア印刷法、ダイコート法等が挙げられる。撥水層の厚み（導電性多孔質体に含浸した部分を除く、導電性多孔質体表面からの厚み）は、通常、５〜１００μｍ程度とすればよい。

触媒層２には、通常、イオン伝導性材料、触媒材料が含有される。触媒材料としては、触媒成分を炭素質粒子、炭素質繊維のような炭素材料等の導電性材料に担持させた触媒粒が好適に用いられる。触媒成分としては、燃料極における水素の酸化反応、酸化剤極における酸素の還元反応に対して触媒作用を有するものであれば特に限定されず、例えば、白金、又は、ルテニウム、鉄、ニッケル、クロム等の金属と白金との合金等が挙げられる。

イオン伝導性材料としては、電解質として用いられる材料の中から、適宜選択することができ、具体的には、パーフルオロカーボンスルホン酸ポリマーに代表されるフッ素系ポリマーやスルホン酸基、カルボン酸基、ボロン酸基等のイオン伝導性基を側鎖に有する炭化水素系ポリマー等の固体高分子電解質が挙げられる。
触媒層を熱圧着により電解質膜に接合する場合、触媒層中のイオン伝導性材料は、電解質膜のガラス転移温度よりもガラス転移温度が低いことが好ましい。上記熱圧着時の加熱温度をイオン伝導性材料のガラス転移温度以上とすることで、電解質膜のガラス転移温度よりも低く設定しても、電解質膜と触媒層を十分接合することができるからである。このとき、電解質膜のガラス転移温度より低い圧着温度では、電解質膜がその凹凸形状を保持することができないほど軟化しないため、電解質膜の凹凸形状を潰さずに触媒層と接合することができる。一方、触媒層中のイオン伝導性材料は、ガラス転移温度以上の温度で加熱されるため十分に軟化し、電解質膜の凹部の奥まで入りこむことができるので、凹凸形状を有する電解質膜表面に隙間なく触媒層を形成することができる。

触媒層は、上記イオン伝導性材料及び触媒材料、さらに必要に応じて撥水性高分子や結着剤等その他の材料を溶媒に混合・分散させることにより得られる触媒層ペーストを用いて形成することができる。溶媒としては、エタノール、メタノール、プロパノール、プロピレングリコール等のアルコール類と水の混合物等を用いることができるが、これらに限定されない。

触媒層をガス拡散層上又は電解質膜上に形成する方法としては、以下のような方法が挙げられる。例えば、触媒層ペーストを、導電性多孔質体或いは導電性多孔質体及び撥水層からなるガス拡散層シートの触媒層側に直接塗布する方法や、触媒層ペーストを一旦ポリテトラフルオロエチレン等の基材上に塗布・乾燥して形成した触媒層シートをガス拡散層又は電解質膜に転写する方法や、触媒層ペーストを電解質膜に直接塗布する方法等が挙げられる。このようにしてガス拡散層シート又は電解質膜と接合した触媒層は、さらに、電解質膜又はガス拡散層シートと、ホットプレス等により接合することで膜−電極接合体を形成することができる。

触媒層ペーストをガス拡散層シート、基材又は電解質膜上に塗布する方法は特に限定されず、例えば、スプレー法、スクリーン印刷法、ドクターブレード法、グラビア印刷法、ダイコート法等が挙げられる。触媒層の多孔性を調節しやすいと観点からは、スプレー法が好ましい。触媒層の膜厚は、特に限定されないが、通常、１〜５０μｍ程度とすればよい。

電解質膜の凹凸形状を潰さず、且つ、当該凹凸形状の奥まで触媒層ペーストを入り込ませることができるという観点からは、上記方法のうち、電解質膜に触媒層ペーストを直接塗布する方法が好ましい。中でも、触媒層ペーストをスプレー法により電解質膜に直接塗布する方法が好ましい。スプレー法は、触媒層ペーストを塗布する際に、触媒層インクの塗布手段が電解質膜に触れることがないため、電解質膜の凹凸形状を特に傷つけにくいからである。
或いは、触媒層ペーストをガス拡散層シートに塗布し、予め触媒層とガス拡散層とを接合したものを電解質膜と接合する方法であっても、触媒層ペーストが完全に硬化する前の柔らかい状態で、電解質膜と接合すれば、電解質膜の凹凸形状を潰さず、且つ、当該凹凸形状の奥まで触媒層ペーストを入り込ませることができる。

また、予め触媒層とガス拡散層とを接合したものを電解質膜と接合する場合には、ガス拡散層−触媒層間の接合性が高いため、ガス拡散層−触媒層間に隙間が形成されにくいという利点がある。ガス拡散層と触媒層の間に隙間が形成されると、ガス拡散層と触媒層間の接触抵抗が大きくなってしまう。さらに、当該隙間には単セル内の水分が溜まりやすく、その結果、触媒層とガス拡散層間の剥離が生じ、ガス拡散層と触媒層間の接触抵抗をさらに増大させる。従って、ガス拡散層−触媒層間を充分に接合することによって、ガス拡散層と触媒層の間における接触抵抗を低減することが可能である。
このとき、上述したように、電解質膜よりもガラス転移温度が低いイオン伝導性材料を用いたり、ガス拡散層シート上に塗布した触媒層ペーストが完全に硬化する前に電解質膜と接合すれば、接合時における電解質膜の凹凸形状の潰れを防止しながら、触媒層と電解質膜とをしっかり接合すると同時に、ガス拡散層と触媒層との接合性を高くすることができる。このように、電解質膜と触媒層とガス拡散層との接合性を高めることで、寸法変化しにくいガス拡散層による補強効果によって、電解質膜の２次元方向における変形がさらに抑制されることが期待される。

以上のようにして得られる膜・電極接合体は、一般的な方法によりセパレータ６で挟持される。セパレータは、膨張黒鉛やグラッシーカーボン等の炭素材料や、ガラス金属、ＳＵＳ、チタン、高純度Ｆｅ等の金属を用いて形成することができる。
セパレータ６の電極４と接する面には、通常、電極に反応ガスを供給するためのガス流路溝が形成される。ガス流路溝は、例えば、プレス成形や切削等により形成することができる。尚、ガス流路はセパレータの表面以外に設けることもできる。セパレータの厚みは、通常、０．１〜１ｍｍ程度でよい。

本発明によれば、電解質膜の２次元方向における寸法変化を抑制することが可能であるため、電解質膜の寸法変化により発生する電解質膜のシワや割れ、並びにこれらに伴う触媒層のシワ、割れ、電解質膜からの剥離等を防止することができる。従って、これらを原因とする燃料電池の性能低下を抑えることができる。

（参考実験例）
下記の方法で作製した平面形状が長方形の電解質膜１〜３を、以下のような異なる条件下におき、２次元方向における短手方向及び長手方向の寸法変化率の測定を行った。寸法変化率は、下記試験条件（１）における電解質膜の短手方向の長さＳ及び長手方向の長さＬを基準とし、各条件下（２）〜（５）における電解質膜の短手方向の長さＳ’及び長手方向の長さＬ’から、以下の式を用いて算出した。結果を図６（電解質膜１）、図７（電解質膜２）及び図８（電解質膜３）に示す。

＜試験条件＞
（１）室温（約２５℃）、湿度約５０ＲＨ％
（２）水中、８０℃
（３）真空乾燥
（４）水中、８０℃
（５）真空乾燥

＜電解質膜１の作製＞
ポリテトラフルオロエチレン樹脂を用いて作製した凹凸形状を有する型に、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂溶液（商品名アシプレックス、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂濃度５ｗｔ％、旭化成製）５ｇを流し込み、１２０℃、真空で、荷重（４．９ＭＰａ）かけながら、８時間乾燥した。そして、図４に示すような、短手方向に対して尾根上の凸部と谷状の凹部が平行に且つ交互に並んだ凹凸形状を有するパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂膜（２×５ｃｍ、厚さ５０μｍ、Ｔｇ１４０℃）を得た。尚、図４Ａは電解質膜１の上面図、図４Ｂは電解質膜１の図中の矢印方向からの斜視図である。

＜電解質膜２の作製＞
電解質膜１と同様の方法で、図５に示すような長手方向に対して尾根状の凸部と谷状の凹部が平行に且つ交互に並んだ凹凸形状を有するパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂膜（２×５ｃｍ、厚さ５０μｍ、Ｔｇ１４０℃）を作製した。尚、図５Ａは電解質膜２の上面図、図５Ｂは電解質膜２の図中の矢印方向からの斜視図である。

＜電解質膜３の作製＞
凹凸形状を有さない平坦な電解質膜（商品名：ナフィオン、デュポン社製、（２×５ｃｍ、厚さ５０μｍ、Ｔｇ１４０℃）を準備した。

＜結果＞
図８に示すように、厚み方向に凹凸形状を有していない電解質膜３は、短手方向及び長手方向共に、水中８０℃の条件（２）及び（４）の下、２０％以上の膨張が観察された。そして、試験条件（２）及び試験条件（４）に続く真空乾燥条件（３）、（５）では、試験条件（１）の寸法に戻った。これは、真空乾燥条件という極度の乾燥条件下でも、試験条件（１）の状態より収縮しないほど、試験条件（２）及び（４）で大きく膨張したためと推測される。

一方、図６、図７に示すように、厚み方向に凹凸形状を有している電解質膜１及び電解質膜２の電解質膜は、凹凸形状の凸部が尾根状及び凹部が谷状に延びる方向と平行な方向には、電解質膜３と同様の寸法変化が生じたが、凹凸形状の凸部が尾根状及び凹部が谷状伸びる方向と垂直な方向では、電解質膜３と比較して、基準とする寸法（試験条件（１）における寸法）からの寸法変化率が小さくなった。
すなわち、電解質膜１は、尾根状の凸部と谷状の凹部が延びる方向に対して平行な短手方向は、電解質膜３と同等の寸法変化を生じたが、尾根状の凸部と谷状の凹部が延びる方向に対して垂直な長手方向は、電解質膜３よりも膨張時の寸法変化率が小さくなり、高温高湿条件である試験条件（２）及び（４）においても、寸法変化率は１０％程度にとどまった。また、真空乾燥条件（３）及び（５）における収縮による寸法変化率は１０％程度であった。つまり、試験条件（１）における寸法を基準とした（２）〜（５）の条件下における寸法変化率が２０％程度であった電解質膜３に対して、電解質膜１の寸法変化率は１０％程度であり、特に膨潤時の寸法変化を抑制できることがわかる。

また、電解質膜２は、凹凸形状の凸部が尾根状、凹部が谷状に延びる方向に対して平行な長手方向は、電解質膜３と同等の寸法変化を生じたが、凸部が尾根状、凹部が谷状に延びる方向に対して垂直な短手方向は、電解質膜３よりも膨張時の寸法変化率が小さくなり、高温高湿条件である試験条件（２）及び（４）においても、寸法変化率は１０％程度にとどまった。また、真空乾燥条件（３）及び（５）における収縮による寸法変化率は５％程度であった。つまり、寸法変化率が２０％程度であった電解質膜３に対して、電解質膜２の寸法変化率は１０％程度であり、特に膨潤時の寸法変化を抑制できることがわかる。

電解質膜１及び電解質膜２の真空乾燥条件（３）、（５）における収縮は、高温高湿条件である（２）及び（４）における寸法変化率が小さかったため、当該（２）及び（４）に続く真空乾燥条件（３）、（５）において、試験条件（１）の状態より収縮できたと考えられる。尚、電解質膜は、実際の燃料電池内において、（３）や（５）のような極度の乾燥条件に晒されることがないこと、セルの外径寸法が固定されていることから、凹凸形状を有する電解質膜１や電解質膜２の乾燥条件下における収縮時の寸法変化率は、試験条件（３）及び（５）ほど大きくならない。

本発明を適用した固体高分子電解質型燃料電池の構成例を示す図であって、（１Ａ）は燃料電池の単セルを積層方向に切断した断面図、（１Ｂ）は単セルの部分拡大斜視図である。本発明において使用される電解質膜の凹凸形状例を示した断面図である。本発明の電解質膜及び電極の構成例を示した断面図である。参考実験例で用いた電解質膜１の形状を示す図である。参考実験例で用いた電解質膜２の形状を示す図である。参考実験例における電解質膜１の寸法変化率測定結果を示す図である。参考実験例における電解質膜２の寸法変化率測定結果を示す図である。参考実験例における電解質膜３の寸法変化率測定結果を示す図である。

符号の説明

１…プロトン伝導性固体高分子電解質膜
２…触媒層
３…ガス拡散層
４…電極
５…ガス流路
６…セパレータ
７…電極材料

Claims

電解質膜と、当該電解質膜の両面に設けられた一対の電極とを有する膜−電極接合体を備える燃料電池であって、
前記電解質膜は当該電解質膜の２次元方向への膨張を吸収する凹凸形状を有し、
当該電解質膜の凹凸形状の凹部が、前記電極を形成する材料で埋められることにより、前記電極の電解質膜と接する面とは反対側の面が略平坦化していることを特徴とする燃料電池。
前記電解質膜は、当該電解質膜の２次元方向への膨張収縮を吸収する凹凸形状を有している、請求項１に記載の燃料電池。
前記電解質膜の凹凸形状は、尾根状の凸部と谷状の凹部が交互に且つ互いに平行に伸びた形状である請求項１又は２に記載の燃料電池。
前記電極は、前記電解質膜側から順に、前記電解質膜に接して配設された触媒層と、ガス拡散層とを含み、
前記電解質膜の凹凸形状の凹部において、前記触媒層の厚み、前記ガス拡散層の厚み、又は前記触媒層と前記ガス拡散層の厚みの合計が、当該電解質膜の凹凸形状の凹部の深さ以上である、請求項１乃至３のいずれかに記載の燃料電池。
前記電解質膜の凹凸形状の凹部において、前記触媒層の厚みは、当該電解質膜の凹凸形状の凹部の深さ以上であり、前記ガス拡散層は前記触媒層と接する面及びもう一方の面が略平坦である、請求項４に記載の燃料電池。