JP2008135249A - 燃料電池及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】短絡を抑制して発電性能を向上させることが可能な燃料電池、及び、当該特徴を有する燃料電池の製造方法を提供する。
【解決手段】一対の触媒層と該一対の触媒層の間に備えられる電解質膜とを具備する膜電極構造体と、該膜電極構造体の少なくとも一方に配設されるガス拡散層と、膜電極構造体とガス拡散層との間に配設される撥水層と、を有し、ガス拡散層の撥水層側表面が保護層によって覆われている、燃料電池とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気自動車の動力源や携帯用電源等に利用される燃料電池、及びその製造方法に関し、より具体的には、固体高分子膜を備える燃料電池、及びその製造方法に関する。

燃料電池は、電解質層（以下、「電解質膜」という。）と、電解質膜の両側にそれぞれ配置される電極（アノード及びカソード）とを備える膜電極構造体（以下、「ＭＥＡ」ということがある。）における電気化学反応により発生した電気エネルギーを、ＭＥＡの両側にそれぞれ配設される集電体（例えば、セパレータ）を介して外部に取り出している。燃料電池の中でも、家庭用コージェネレーション・システムや自動車等に使用される固体高分子型燃料電池（以下、「ＰＥＦＣ」ということがある。）は、低温領域での運転が可能である。また、ＰＥＦＣは、高いエネルギー変換効率を示し、起動時間が短く、かつシステムが小型軽量であることから、電気自動車の動力源や携帯用電源として注目されている。

ＰＥＦＣの運転時には、アノード触媒層へ水素含有ガスを、カソード触媒層へ酸素含有ガスをそれぞれ供給することにより、電気化学反応を生じさせ、カソード触媒層における電気化学反応によって水が生成される。アノード触媒層及びカソード触媒層（以下、これらをまとめて単に「触媒層」という。）に含有される触媒粒子の利用効率を向上させてＰＥＦＣの発電性能を向上させるためには、触媒層へ水素含有ガス及び酸素含有ガス（以下、これらをまとめて「反応ガス」という。）が均一に供給されることが重要である。それゆえ、ＰＥＦＣの単セルには、アノード触媒層とセパレータとの間、及び／又は、カソード触媒層とセパレータとの間に、導電性多孔体により構成されるガス拡散層が備えられる。

ＰＥＦＣに備えられるガス拡散層としては、導電性材料からなる繊維状物質（以下、「導電性繊維」という。）を三次元的に配置することにより構成されるもの（例えば、カーボンペーパー、カーボンクロス、炭素繊維の不織布等。）が知られている。この導電性繊維は、セパレータと触媒層との間において電子を移動させる機能等を担っている。ところが、ＭＥＡとガス拡散層とを備えるＰＥＦＣを製造すると、ガス拡散層を構成する導電性繊維が触媒層を突き抜けて電解質膜へと達し、アノード触媒層側に配設されるガス拡散層を構成する導電性繊維と、カソード触媒層側に配設されるガス拡散層を構成する導電性繊維とが接触することにより、ＰＥＦＣの運転時に単セル内で短絡が生じる、という問題があった。単セル内で短絡が生じると、ＰＥＦＣの発電性能が低下するため、ＰＥＦＣの発電性能を向上させるためには、この短絡を防止することが重要である。

短絡を抑制する等によりＰＥＦＣの発電性能を向上させることを目的とした技術は、これまでにいくつか開示されてきている。例えば、特許文献１には、水素イオン伝導性高分子電解質膜と、前記水素イオン伝導性高分子電解質膜の両面に配置された触媒層およびガス拡散層で構成された一対の電極とを具備し、前記触媒層と前記ガス拡散層との間に、前記ガス拡散層の面積と略同一またはそれ以上の面積を有する保護接着層を有し、前記保護接着層が導電性カーボンと水素イオン伝導性高分子電解質とで構成されていることを特徴とする高分子電解質型燃料電池に関する技術が開示されている。当該技術によれば、触媒層より外側に外周を有するガス拡散層が、ＭＥＡ締結時に、水素イオン伝導性高分子電解質膜と直接接しても水素イオン伝導性高分子電解質膜の損傷を与えず、したがって、電池電圧の降下および耐久性の劣化、さらには運転不能になるという問題を解消することができる、としている。

また、特許文献２には、ガス拡散層の端面から突出する繊維状導電体が高分子電解質膜に突き刺さることを防止する保護手段が設けられている膜電極接合体および燃料電池、に関する技術が開示されている。さらに、特許文献３には、燃料電池用膜−電極接合体およびその製造方法に関する技術が開示され、特許文献４には、ガス拡散層とそれを用いる電解質膜／電極接合体と高分子電解質型燃料電池に関する技術が開示されている。

特開２００５−２１６８３４号公報 特開２００６−１１４３９７号公報 特開２００３−３３１８５２号公報 特開２００２−１８４４１２号公報

上述のように、ＰＥＦＣの運転時には水が生成され、生成される水の量は、ＰＥＦＣが高電流密度状態で運転されるほど増加する。運転時に生成された水の一部は、単セルへと供給される反応ガスとともに単セル外へと排出され得るが、排水能力を超える量の水が生成されると、余剰水が単セル内に溜まり、単セルが水浸し（フラッディング）の状態となる。フラッディング状態になると、単セル内における反応ガスの拡散が阻害されるため、ＰＥＦＣの発電性能が低下する。ＰＥＦＣの発電性能を向上させるためには、排水性能を向上させてフラッディングを抑制する必要がある。それゆえ、ＰＥＦＣには、排水性能の向上を目的として、ガス拡散層と触媒層との間に撥水層が設けられる。

このように、撥水層が設けられる形態のＰＥＦＣが知られているが、特許文献１及び特許文献２では撥水層が備えられる形態のＰＥＦＣについての検討がなされていない。そのため、特許文献１及び特許文献２に開示されている技術を、撥水層が備えられる形態のＰＥＦＣへ適用しても、短絡を防止できない恐れがある、という問題があった。これに対し、特許文献３及び特許文献４では、撥水層が備えられる形態について検討がなされている。ところが、特許文献３に開示されている技術は、ガス拡散層が強固に結合されたＭＥＡを提供することを目的としている。そのため、短絡防止への対策が検討されておらず、特許文献３に開示されている技術を適用しても、短絡を抑制して発電性能を向上させることは困難であるという問題があった。また、特許文献４には、撥水層によって短絡を抑制する技術が開示されているが、かかる技術では、短絡の抑制効果が少ないという問題があった。さらに、特許文献１〜４に開示されている技術を組み合わせたとしても、短絡の抑制効果を向上させることは困難であるという問題があった。

そこで本発明は、短絡を抑制して発電性能を向上させることが可能な燃料電池、及び、当該特徴を有する燃料電池の製造方法を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段をとる。すなわち、
第１の本発明は、一対の触媒層と該一対の触媒層の間に備えられる電解質膜とを具備する膜電極構造体と、該膜電極構造体の少なくとも一方に配設されるガス拡散層と、膜電極構造体とガス拡散層との間に配設される撥水層と、を有し、ガス拡散層の撥水層側表面が保護層によって覆われていることを特徴とする、燃料電池である。

ここに、「膜電極構造体の少なくとも一方に配設されるガス拡散層」とは、ＭＥＡのカソード側にのみガス拡散層が備えられる形態（以下、「第１形態」という。）や、ＭＥＡのアノード側にのみガス拡散層が備えられる形態（以下、「第２形態」という。）のほか、ＭＥＡのカソード側及びアノード側にガス拡散層が備えられる形態（以下、「第３形態」という。）も採り得ることを意味している。さらに、「膜電極構造体とガス拡散層との間に配設される撥水層」とは、上記第１形態の場合には、カソード側にのみ備えられるガス拡散層とＭＥＡとの間に撥水層が配設されることを意味し、上記第２形態の場合には、アノード側にのみ備えられるガス拡散層とＭＥＡとの間に撥水層が配設されることを意味する。そして、上記第３形態の場合には、カソード側に備えられるガス拡散層とＭＥＡとの間及びアノード側に備えられるガス拡散層とＭＥＡとの間に撥水層が配設されることを意味する。さらに、「ガス拡散層の撥水層側表面が保護層によって覆われている」とは、例えば、ガス拡散層の表面から突き出た導電性繊維の端部をその内部に埋没させる保護層によって、ガス拡散層の撥水層側表面が覆われることを意味する。すなわち、保護層は、ガス拡散層及び撥水層によって狭持される形態で配置される。したがって、上記第１形態の場合には、カソード側にのみ備えられるガス拡散層の撥水層側表面が保護層によって覆われ、上記第２形態の場合には、アノード側にのみ備えられるガス拡散層の撥水層側表面が保護層によって覆われる。そして、上記第３形態の場合には、カソード側に備えられるガス拡散層の撥水層側表面が保護層によって覆われるとともに、アノード側に備えられるガス拡散層の撥水層側表面も保護層によって覆われる。

上記第１の本発明において、保護層に、電解質樹脂が含有されることが好ましい。

ここに、「保護層に、電解質樹脂が含有される」とは、上記第１形態又は上記第２形態の場合には、カソード側又はアノード側にのみ備えられるガス拡散層の撥水層側表面を覆う保護層に、電解質樹脂が含有されることを意味する。これに対し、上記第３形態の場合には、カソード側に備えられるガス拡散層の撥水層側表面を覆う保護層、及び／又は、アノード側に備えられるガス拡散層の撥水層側表面を覆う保護層に、電解質樹脂が含有されることを意味する。第１の本発明において、「電解質樹脂」は、ＰＥＦＣ運転時の単セル内の環境に耐え得る性質（耐熱性及び耐酸性）を有していれば、特に限定されるものではない。保護層に含有される電解質樹脂の具体例としては、ナフィオン（ナフィオンは米国デュポン社の登録商標。以下、単に「ナフィオン」という。）等を挙げることができる。

第２の本発明は、電解質膜の一面側に第１触媒層を、他面側に第２触媒層を、それぞれ形成することにより、膜電極構造体を作製する、第１工程と、流動状態の保護層組成物をガス拡散層の表面へ塗布し乾燥することにより、ガス拡散層の表面を覆う保護層を形成する、第２工程と、該第２工程によって形成された保護層の表面に撥水層を形成することにより、ガス拡散層と保護層と撥水層とを備える拡散層積層体を作製する、第３工程と、上記第１工程によって作製された膜電極構造体の少なくとも一方に、上記第３工程によって作製された拡散層積層体を、第１触媒層又は第２触媒層と拡散層積層体に備えられる撥水層とが面するように配置し、これらを圧着することにより積層体を作製する、第４工程と、該第４工程によって作製された積層体の一面側及び他面側のそれぞれに、集電体を配置する第５工程と、を有することを特徴とする、燃料電池の製造方法である。

ここに、第２工程でガス拡散層の表面に形成される保護層は、例えば、ガス拡散層の表面から突き出た導電性繊維の端部を保護層の内部に埋没させることにより、後の工程で保護層の表面に形成される撥水層へ導電性繊維を進入させないように形成されていれば、その形態は特に限定されない。流動状態の保護層組成物をガス拡散層の表面へ塗布する方法の具体例としては、スプレー塗布法やスクリーン印刷法等を挙げることができる。さらに、第３工程で撥水層を形成する方法の具体例としては、保護層の表面に層状の部材を配置し固定することにより形成する形態や、第２工程で形成された保護層の表面に撥水スプレーを塗布することにより形成する形態等を挙げることができる。さらに、上記第１形態又は上記第２形態にかかる燃料電池を製造する場合、本発明の第４工程は、上記第１工程によって作製したＭＥＡに備えられる第１触媒層又は第２触媒層と上記第３工程によって作製した拡散層積層体の撥水層とが面するように配置し、ＭＥＡと拡散層積層体とを圧着することにより積層体を作製する形態となる。これに対し、上記第３形態の燃料電池を製造する場合、本発明の第４工程は、上記第３工程によって作製した一対の拡散層積層体と上記第１工程によって作製したＭＥＡとを、第１触媒層と一方の拡散層積層体の撥水層とが面するとともに第２触媒層と他方の拡散層積層体の撥水層とが面するように配置し、ＭＥＡと一対の拡散層積層体とを圧着することにより積層体を作製する形態となる。

上記第２の本発明において、保護層組成物に、電解質樹脂が含有されることが好ましい。

ここに、「保護層組成物に、電解質樹脂が含有される」とは、上記第１形態又は上記第２形態の燃料電池を製造する場合には、カソード側又はアノード側にのみ配置される拡散層積層体に備えられる保護層を形成する際に用いられる保護層組成物に、電解質樹脂が含有されることを意味する。これに対し、上記第３形態の燃料電池を製造する場合には、カソード側に配置される拡散層積層体及び／又はアノード側に配置される拡散層積層体に備えられる保護層を形成する際に用いられる保護層組成物に、電解質樹脂が含有されることを意味する。第２の本発明において、「電解質樹脂」は、ＰＥＦＣ運転時の単セル内の環境に耐え得る性質（耐熱性及び耐酸性）を有していれば、特に限定されるものではない。保護層組成物に含有される電解質樹脂の具体例としては、ナフィオン等を挙げることができる。

第１の本発明によれば、ガス拡散層を構成する導電性繊維の端面が電解質膜へ達しないので、短絡を抑制できる。さらに、第１の本発明によれば、保護層と触媒層との間に撥水層が存在するので、電解質膜と接していない側の触媒層の表面は、撥水層と接している。それゆえ、液滴の水がＭＥＡの外側から触媒層へと流入することを抑制できる。また、生成した水を触媒層から排水することで、フラッディングの発生を抑制することができる。したがって、第１の本発明によれば、短絡を抑制して発電性能を向上させることが可能な燃料電池を提供できる。

上記第１の本発明において、保護層に電解質樹脂が含有される形態とすることにより、簡易な構成で短絡を抑制できる。

第２の本発明によれば、ガス拡散層の表面に保護層が形成された後、ガス拡散層の表面に形成された保護層の表面に撥水層が形成される。それゆえ、ガス拡散層を構成する導電性繊維の端面を、保護層の内部に確実に埋没させることができるほか、保護層の表面に形成された撥水層と触媒層とを接触させることができる。触媒層の表面に撥水層が配設される形態とすることにより、フラッディングの発生を抑制できるので、第２の本発明によれば、短絡を抑制して発電性能を向上させることが可能な燃料電池を製造する方法を提供できる。

上記第２の本発明において、保護層組成物に電解質樹脂が含有される形態とすることにより、短絡を抑制して発電性能を向上させることが可能な燃料電池を容易に製造できる。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について具体的に説明する。

１．燃料電池
図１は、本発明の燃料電池の形態例を示す概念図であり、本発明の燃料電池に備えられる単セル（以下、「本発明の燃料電池」という。）の一部を拡大して示す断面図である。図１の左右方向が、単セルを構成する各要素の積層方向である。図２は、図１における破線領域を拡大して示す断面図であり、図２（ａ）は破線領域Ｘ１を拡大して示す断面図、図２（ｂ）は破線領域Ｘ２を拡大して示す断面図である。

図１に示すように、本発明の燃料電池１００は、電解質膜１と、該電解質膜１の一面側及び他面側にそれぞれ配設されるアノード触媒層２及びカソード触媒層３と、を具備するＭＥＡ４と、アノード触媒層２と接触する第１撥水層５と、カソード触媒層３と接触する第２撥水層６と、第１撥水層５の外側に備えられる第１ガス拡散層９と、第２撥水層６の外側に備えられる第２ガス拡散層１０と、を備えている。第１ガス拡散層９の外側には第１セパレータ１１が備えられ、第２ガス拡散層１０の外側には第２セパレータ１３が備えられている。第１ガス拡散層９の第１撥水層５側表面は第１保護層７によって覆われるとともに、第２ガス拡散層１０の第２撥水層６側表面は第２保護層８によって覆われている。そして、第１セパレータ１１には、燃料電池１００の運転時に水素が流通する第１反応ガス流路１２が備えられ、第２セパレータ１３には、燃料電池１００の運転時に空気が流通する第２反応ガス流路１４が備えられている。さらに、第１セパレータ１１及び第２セパレータ１３には、運転時に燃料電池１００の温度を所定の温度範囲（例えば、８０℃前後等）に保つ熱媒体を流通させる流路（不図示）が備えられている。拡散層積層体１７及び拡散層積層体１８、並びに、第１セパレータ１１及び第２セパレータ１３によって狭持される積層体１９については、後述する。

図２に示すように、燃料電池１００に備えられる第１ガス拡散層９及び第２ガス拡散層１０は、導電性繊維１５、１５、…、及び導電性繊維１６、１６、…を三次元状に配置することにより構成されている。第１ガス拡散層９を構成する導電性繊維１５、１５、…の一端は、第１ガス拡散層９の第１撥水層５側表面を覆う第１保護層７の内部に埋没し、第２ガス拡散層１０を構成する導電性繊維１６、１６、…の一端は、第２ガス拡散層１０の第２撥水層６側表面を覆う第２保護層８の内部に埋没している。それゆえ、燃料電池１００では、導電性繊維１５、１５、…と導電性繊維１６、１６、…が電解質膜１の内部で接触しない。したがって、本発明によれば、運転時の短絡を防止することが可能な燃料電池１００を提供できる。

燃料電池１００の運転時には、第１反応ガス流路１２を介して供給される水素が、第１ガス拡散層９、第１保護層７、及び、第１撥水層５を通ってアノード触媒層２へと達し、当該アノード触媒層２で電子とプロトンへ分離する。アノード触媒層２で生じたプロトンは、アノード触媒層２及び電解質膜１を通過してカソード触媒層３へと達し、アノード触媒層２で生じた電子は、外部回路を経由してカソード触媒層３へと達する。一方、燃料電池１００の運転時には、第２反応ガス流路１４を介して供給される空気が、第２ガス拡散層１０、第２保護層８、及び、第２撥水層６を通ってカソード触媒層３へと達する。そして、カソード触媒層３において、空気に含まれる酸素と、アノード触媒層２から移動してきた電子及びプロトンとが反応することにより、水（水蒸気）が生成される。燃料電池１００の定常運転時には、燃料電池１００の過度の温度上昇を防ぐ目的で、第１セパレータ１１及び第２セパレータ１３が冷媒によって冷却されている。それゆえ、カソード触媒層３で生じた水蒸気は、冷却されている第２セパレータ１３と接触すると、結露して液滴の水となる。この水は、ＭＥＡ４に含有されるプロトン伝導性ポリマーを含水状態に保つために利用されるが、燃料電池１００の排水能力を超える量の水が生成されると、特に第２反応ガス流路１４の出口近傍に水が溜まりやすい。溜まった水によって、第２ガス拡散層１０、第２保護層８、第２撥水層６、及びカソード触媒層３等に備えられる細孔が塞がれると、第２反応ガス流路１４からカソード触媒層３への空気の拡散等が阻害されるため、燃料電池１００の発電性能が低下する。それゆえ、燃料電池１００の発電性能低下を抑制するためには、カソード触媒層３へ空気が拡散しやすく、アノード触媒層２へ水素が拡散しやすい形態とすることが必要である。

図１に示すように、アノード触媒層２は第１撥水層５と面している。そのため、第１撥水層５によって、第１セパレータ１１の側からアノード触媒層２へと向かう液滴の水の流れを抑制することができ、これによって、第１反応ガス流路１２からアノード触媒層２へと水素が拡散しやすい状態を維持することが可能になる。さらに、カソード触媒層３は第２撥水層６と面している。そのため、第２撥水層６によって、第２セパレータ１３の側からカソード触媒層３へと向かう液滴の水の流れを抑制することができ、これによって、第２反応ガス流路１４からカソード触媒層３へと空気が拡散し易い状態を維持することが可能になる。したがって、燃料電池１００によれば、発電性能の低下を抑制することができる。

これに対し、ＭＥＡ４の片側又は両側に親水性の層が配置されると、当該親水性の層を介して液滴の水がＭＥＡ４へと流入しやすい。ＭＥＡ４に液滴の水が流入すると、アノード触媒層２やカソード触媒層３に含有される触媒粒子へと達すべき反応ガスの拡散が阻害され、燃料電池の発電性能が低下する。それゆえ、本発明では、かかる事態を回避するため、第１撥水層５と第１ガス拡散層９との間に第１保護層７が配置され、第２撥水層６と第２ガス拡散層１０との間に第２保護層８が配置される形態の、燃料電池１００としている。

燃料電池１００において、電解質膜１は、含水状態下でプロトン伝導性能を発現するプロトン伝導性ポリマーを含有する固体高分子膜であって、ＰＥＦＣ作動時の環境に耐え得る性質を有していれば、その形態は特に限定されるものではない。電解質膜１に含有されるプロトン伝導性ポリマーの具体例としては、含フッ素高分子を骨格として少なくともスルホン酸基、ホスホン酸基、及びリン酸基のうち一種を有するフッ素系のポリマーや、ポリオレフィンのような炭化水素を骨格とする炭化水素系のポリマー等を挙げることができる。上記フッ素系のポリマーを含有する固体高分子膜の具体例としては、Ｎａｆｉｏｎ（「Ｎａｆｉｏｎ」は米国デュポン社の登録商標。）やフレミオン（「フレミオン」は旭硝子株式会社の登録商標）等を挙げることができる。一方、上記炭化水素系のポリマーを含有する固体高分子膜の具体例としては、セレミオン等（「セレミオン」は旭硝子株式会社の登録商標）を挙げることができる。

アノード触媒層２及びカソード触媒層３（以下、これらをまとめて「触媒層」という。）は、上記電気化学反応の触媒として機能する物質（触媒）と、上記電気化学反応で生じるプロトンを伝導させ得る物質（プロトン伝導性物質）を有していれば、その形態は特に限定されるものではない。触媒層に含有される触媒の具体例としては、Ｐｔのほか、Ｃｏ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｖ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｗからなる群より選択される１以上の金属とＰｔとを有するＰｔ合金等を挙げることができる。触媒層に含有されるプロトン伝導性物質の具体例としては、電解質膜１に含有され得る上記プロトン伝導性ポリマー等を挙げることができる。

第１撥水層５及び第２撥水層６（以下、これらをまとめて「撥水層」という。）は、燃料電池１００の運転時における環境に耐え得る耐熱性及び耐酸性を有し、かつ、電子伝導性とガス拡散性と撥水性とを有していれば、その形態は特に限定されるものではない。撥水層の具体例としては、炭素粒子とポリテトラフルオロエチレン樹脂（ＰＴＦＥ）等のフッ素樹脂とを混合して形成されるシート状部材を第１保護層７や第２保護層８の表面へ配置することにより形成される形態のほか、第１保護層７や第２保護層８の表面に炭素粒子とＰＴＦＥとを分散した溶液等を塗布し溶剤を揮発させることにより形成される形態等を挙げることができる。

第１保護層７及び第２保護層８（以下、これらをまとめて「保護層」という。）は、燃料電池１００の運転時における環境に耐え得る耐熱性及び耐酸性のほか、ガス拡散性を有することが必要とされる。そして、後述する第１拡散層９及び第２拡散層１０を構成する導電性繊維の端面をその内部に配置させ得る材料により構成されていれば、その形態は特に限定されない。保護層を構成する材料の具体例としては、パーフルオロスルホン酸系樹脂等を挙げることができる。これらの中でも、固体高分子型燃料電池の電解質膜の材料として使用されているという観点から、ナフィオン等の電解質樹脂により保護層を構成することが好ましい。

第１ガス拡散層９及び第２ガス拡散層１０（以下、これらをまとめて「拡散層」という。）は、燃料電池１００の運転時における環境に耐え得る耐熱性及び耐酸性のほか、電子伝導性及びガス拡散性を有することが必要とされる。拡散層は、セパレータと触媒層との間における電子の移動路としての機能を担うほか、反応ガスを触媒層へ均一に拡散させるとともに、ＭＥＡの乾燥を抑制し、かつ、フラッディングの発生を抑制する等の目的で備えられるため、例えば、導電性繊維を三次元状に配置させた形態とされる。拡散層を構成する導電性繊維の具体例としては、炭素繊維等を挙げることができ、拡散層としては、カーボンペーパー、カーボンクロス、炭素繊維の不織布等を例示することができる。

第１セパレータ１１及び第２セパレータ１３（以下、これらをまとめて「セパレータ」という。）は、運転時に燃料電池１００の温度を所定の温度に維持する機能を果たし、触媒層へと供給される反応ガスを流通させる機能や、隣り合う単セルを電気的に直列に接続する機能のほか、単セルの気密性を保つ機能等を担っている。それゆえ、セパレータは、電子伝導性を有し、かつ、セパレータの厚み方向へ流体を透過させない材料により構成される。セパレータを構成する材料としては、ステンレス鋼等に代表される金属材料のほか、炭素材料等を例示することができる。

本発明の燃料電池に関する上記説明では、アノード側及びカソード側にガス拡散層が備えられる形態を例示したが、本発明の燃料電池は当該形態に限定されるものではない。アノード側又はカソード側にのみガス拡散層が備えられる場合には、ＭＥＡの一方にのみ配設されるガス拡散層のＭＥＡ側表面が保護層によって覆われ、撥水層が、保護層とＭＥＡとによって狭持される形態で備えられていればよい。かかる形態であれば、ガス拡散層を構成する導電性繊維の端面を保護層の内部に配置させることができるので、短絡の発生を防止することができるほか、触媒層と撥水層とが接するので、フラッディングの発生を抑制でき、発電性能を向上させることが可能になる。

２．燃料電池の製造方法
図３は、本発明の燃料電池の製造方法に備えられる工程の順番を示すフローチャートである。以下、図１及び図３を参照しつつ、本発明の燃料電池の製造方法について具体的に説明する。

本発明の燃料電池の製造方法は、ＭＥＡ４を作製する第１工程（工程Ｓ１）と、ガス拡散層９、１０の表面に保護層７、８を形成する第２工程（工程Ｓ２）と、保護層７、８の表面に撥水層５、６を形成して拡散層積層体１７、１８する第３工程（工程Ｓ３）と、一対のセパレータ１１、１３によって狭持される積層体１９を作製する第４工程（工程Ｓ４）と、積層体１９の一方の側に第１セパレータ１１を、他方の側に第２セパレータ１３をそれぞれ配置して、燃料電池１００を作製する第５工程（工程Ｓ５）と、を備えている。

＜工程Ｓ１＞
工程Ｓ１は、電解質膜１の一面側にアノード触媒層２を、他面側にカソード触媒層３を形成することにより、ＭＥＡ４を作製する工程である。電解質膜１の表面に触媒層２、３を形成する方法としては、上記触媒とプロトン伝導性ポリマーとを含有するインク状組成物（触媒インク）を電解質膜１の表裏面へそれぞれスプレー塗布するスプレー塗布法や、流動状態の触媒インクを電解質膜１の表裏面へそれぞれへスクリーン印刷するスクリーン印刷法のほか、シート状部材に触媒インクを塗布して形成した層を電解質膜１の表裏面へそれぞれ転写する転写法等を挙げることができる。

＜工程Ｓ２＞
工程Ｓ２は、ガス拡散層９、１０の表面に、流動状態の保護層組成物を塗布し、保護層組成物に含有される溶媒を揮発させることにより、ガス拡散層９、１０の表面に保護層７、８を形成する工程である。流動状態の保護層組成物をガス拡散層９、１０の表面へ塗布する形態の具体例としては、上記スプレー塗布法、スクリーン印刷法、及び、転写法等を挙げることができる。保護層組成物としては、保護層７、８を構成し得る上記材料を、アルコール、水等の溶媒へ分散させることにより調整されるものを例示することができる。

＜工程Ｓ３＞
工程Ｓ３は、上記工程Ｓ２によって、ガス拡散層９、１０の表面を覆う形態で形成された保護層７、８の表面に、撥水層５、６を形成することにより、第１ガス拡散層９、第１保護層７、及び、第１撥水層５を備える拡散層積層体１７と、第２ガス拡散層１０、第２保護層８、及び、第２撥水層６を備える拡散層積層体１８とを作製する工程である。撥水層５、６を形成する方法の具体例としては、保護層７、８の表面に、炭素粒子とＰＴＦＥ等のフッ素樹脂とを混合して形成されるシート状部材を配置し、これらを熱圧着することにより、保護層７、８の表面へ撥水層５、６を形成する形態のほか、炭素粒子とＰＴＦＥ等のフッ素樹脂とを含有する液体を保護層７、８の表面へ塗布することにより、保護層７、８の表面へ撥水層５、６を形成する形態等を挙げることができる。

＜工程Ｓ４＞
工程Ｓ４は、上記工程Ｓ１によって作製したＭＥＡ４を、上記工程Ｓ３によって作製した一対の拡散層積層体１７、１８の間へ、アノード触媒層２と第１撥水層５とが面するとともにカソード触媒層３と第２撥水層６とが面するように配置し、これらを圧着（熱圧着）することにより、積層体１９を作製する工程である。熱圧着は、例えば、１００〜１５０℃の下で１〜５ＭＰａの圧力を数分間に亘って付与する形態とすることができる。

＜工程Ｓ５＞
工程Ｓ５は、上記工程Ｓ４によって作製した積層体１９の一方の側及び他方の側へ、第１セパレータ１１及び第２セパレータ１３をそれぞれ配置することにより、燃料電池１００を作製する工程である。

図３では、第１工程の後に、第２工程及び第３工程が備えられる形態を例示したが、本発明は当該形態に限定されるものではない。図３に示した形態のほか、例えば、第２工程及び第３工程の後（拡散層積層体を作製した後）に、ＭＥＡを作製する第１工程が備えられ、その後、第４工程及び第５工程が備えられる形態等とすることも可能である。

また、本発明の燃料電池の製造方法に関する上記説明では、ＭＥＡ４の両側に拡散層積層体１７、１８が備えられる形態の燃料電池１００を製造する形態を例示したが、ＭＥＡの一方にのみ拡散層積層体が備えられる形態の燃料電池を製造する場合には、第２工程及び第３工程によって、一の拡散層積層体のみを作製すればよい。そして、第４工程では、当該一の拡散層積層体に備えられる撥水層とＭＥＡに備えられる一方の触媒層とが面するように、ＭＥＡと一の拡散層積層体とを配置し、これらを熱圧着することにより、一対のセパレータによって狭持される積層体を作成すれば良い。かかる形態の第２工程〜第４工程を経ることで、ＭＥＡの一方にのみ拡散層積層体が備えられる形態の燃料電池を製造することができる。

本発明の燃料電池の形態例を示す断面図である。 図１における破線領域を拡大して示す断面図であり、図２（ａ）は破線領域Ｘ１を拡大して示す断面図、図２（ｂ）は破線領域Ｘ２を拡大して示す断面図である。 本発明にかかる燃料電池の製造方法の形態例を示すフローチャートである。

符号の説明

１…電解質膜
２…アノード触媒層（第１触媒層）
３…カソード触媒層（第２触媒層）
４…ＭＥＡ（膜電極構造体）
５…第１撥水層（撥水層）
６…第２撥水層（撥水層）
７…第１保護層（保護層）
８…第２保護層（保護層）
９…第１ガス拡散層（ガス拡散層）
１０…第２ガス拡散層（ガス拡散層）
１１…第１セパレータ
１２…第１反応ガス流路
１３…第２セパレータ
１４…第２反応ガス流路
１５、１６…導電性繊維
１７、１８…拡散層積層体
１９…積層体
１００…燃料電池

Claims (4)

1. 一対の触媒層と前記一対の触媒層の間に備えられる電解質膜とを具備する膜電極構造体と、前記膜電極構造体の少なくとも一方に配設されるガス拡散層と、前記膜電極構造体と前記ガス拡散層との間に配設される撥水層と、を有し、前記ガス拡散層の前記撥水層側表面が保護層によって覆われていることを特徴とする、燃料電池。
2. 前記保護層に、電解質樹脂が含有されることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池。
3. 電解質膜の一面側に第１触媒層を、他面側に第２触媒層を、それぞれ形成することにより、膜電極構造体を作製する、第１工程と、
   流動状態の保護層組成物をガス拡散層の表面へ塗布し乾燥することにより、前記ガス拡散層の前記表面を覆う保護層を形成する、第２工程と、
   前記第２工程によって形成された前記保護層の表面に撥水層を形成することにより、前記ガス拡散層と前記保護層と前記撥水層とを備える拡散層積層体を作製する、第３工程と、
   前記第１工程によって作製された前記膜電極構造体の少なくとも一方に、前記第３工程によって作製された前記拡散層積層体を、前記第１触媒層又は前記第２触媒層と前記拡散層積層体に備えられる前記撥水層とが面するように配置し、これらを圧着することにより積層体を作製する、第４工程と、
   前記第４工程によって作製された前記積層体の一面側及び他面側のそれぞれに、集電体を配置する第５工程と、
   を有することを特徴とする、燃料電池の製造方法。
4. 前記保護層組成物に、電解質樹脂が含有されることを特徴とする、請求項３に記載の燃料電池の製造方法。

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