JP2008218368A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】ガス拡散層との接触による電解質膜の損傷を低減することのできる技術を提供する。
【解決手段】 燃料電池は、電解質材料で形成された電解質膜７４と、電解質膜７４の表面の略中央部に形成された電極触媒層７５ａ，７５ｃと、を備える。電解質膜７４は、表面に電極触媒層７５ａ，７５ｃが形成されている有効電解質膜部７４ｅと、有効電解質膜部７４ｅの周囲に形成された周縁電解質膜部（折り畳み電解質膜部７４ｆ）と、を有する。周縁電解質膜部（折り畳み電解質膜部７４ｆ）の厚みは、有効電解質膜部７４ｅの厚みよりも大きいことを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池の電解質膜に関するものである。

固体高分子型燃料電池は、高分子電解質膜の両側にアノードおよびカソードの電極触媒層が形成された膜―電極接合体（以下、「ＭＥＡ」とも呼ぶ。ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）を有している。ＭＥＡの両側は、カーボンクロスやカーボンペーパー等からなるガス拡散層によって挟持されており、ＭＥＡとガス拡散層とは燃料電池の製造工程において熱圧着等によって接合される。しかし、ガス拡散層の表面には、カーボンの細かい繊維が毛羽状に突き出ている突出物（以下、単に「毛羽」とも呼ぶ。）が多く存在しているため、ＭＥＡとガス拡散層とを熱圧着すると、電解質膜がカーボン繊維の毛羽によって傷つけられる場合がある。従来は、傷ついて発生した穴から燃料ガスと空気とのクロスリークが発生してしまうといった問題や、毛羽が電解質膜を突き破ることによって毛羽が導線となり、ガス拡散層同士が短絡してリーク電流が発生してしまうといった問題があった。本願の発明者は、特に、電解質膜のうち、電極触媒層が形成されていない部分（以下、「電極非形成部」とも呼ぶ。）が、ガス拡散層の毛羽からの損傷を受けやすく、ガスのクロスリークや、リーク電流の発生が多いことを見い出した。

従来、電解質膜の電極非形成部を保護する技術としては、電極非形成部に炭化フッ素系樹脂を被覆するというものがあった（例えば、特許文献１参照。）。

特開平１０−３０８２２８号公報（第５図） 特開２００６−１１４３９７号公報 特開２００４−３５５９９１号公報 特開２００６−２６０８１０号公報 特開２００４−１６４８６６号公報 特開２００３−５９５１１号公報

しかし、この技術では、別部材として炭化フッ素系樹脂が必要となるため、製造工程において炭化フッ素系樹脂を塗工・設置するための工程が増加してしまうという問題がある。また、電解質膜の周囲に塗工された樹脂に、厚みのばらつきがある場合には、電極部へ効果的に面圧を付与することが困難になってしまうという問題がある。なお、このような問題は、カーボン製のガス拡散層を用いる場合に限らず、何らかの繊維を含むガス拡散層を用いる場合に共通する問題であった。

本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、ガス拡散層との接触による電解質膜の損傷を低減することのできる技術を提供する。

上記目的を達成するために、本発明の一形態による燃料電池は、
電解質材料で形成された電解質膜と、
前記電解質膜の表面の略中央部に形成された電極触媒層と、を備え、
前記電解質膜は、表面に前記電極触媒層が形成されている有効電解質膜部と、有効電解質膜部の周囲に形成された周縁電解質膜部と、を有し、
前記周縁電解質膜部の厚みは、前記有効電解質膜部の厚みよりも大きいことを特徴とする。

以上のように構成された燃料電池によれば、周縁電解質膜部の厚みが大きいので、ガス拡散層との接触による電解質膜の損傷を低減することができる。

前記周縁電解質膜部は、前記有効電解質膜部と同じ厚さの膜を折り畳んだ折り畳み電解質膜部であることとしてもよい。

このような構成とすれば、周縁電解質膜部は膜が複数積層された構造となるため、ガス拡散層との接触による電解質膜の損傷を低減することができる。

前記周縁電解質膜部は、前記有効電解質膜部と同じ厚さの膜である電極非形成膜部と、前記電極非形成膜部の表面に前記電解質材料で形成された電解質保護部と、を有することとしてもよい。

このような構成とすれば、電極非形成膜部の表面は電解質保護部に保護されるため、ガス拡散層との接触による電解質膜の損傷を低減することができる。

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能である。例えば、燃料電池、燃料電池システム、それらを搭載した自動車、またはそれらの製造方法等の形態で実現することができる。

次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて説明する。

Ａ．第１実施例：
図１は、本発明の一実施例としての燃料電池の断面を示す概略図である。本実施例の燃料電池は、固体高分子型燃料電池であり、セルアセンブリ７０と、セパレータＳＰと、を交互に複数積層したスタック構造を有している。セルアセンブリ７０は、発電積層体７１と、シール部７２と、によって構成されており、１つの電池として機能する。シール部７２には、水素、空気、冷媒などの供給および排出を行うための貫通孔であるマニホールド孔が設けられており、図１では、空気供給用のマニホールド孔Ｍ３と、空気排出用のマニホールド孔Ｍ４が図示されている。発電積層体７１は、ＭＥＡ７３（膜―電極接合体、Membrane Electrode Assembly）と、ＭＥＡ７３を挟持するガス拡散層７６，７７と、ガス拡散層７６，７７をさらに挟持するガス流路形成部７８，７９と、によって形成されている。ＭＥＡ７３は、電解質膜７４と、電解質膜７４の両面に形成された電極触媒層７５（アノード電極層７５ａおよびカソード電極層７５ｃ）と、を備える。セパレータＳＰは、アノード側プレートＳＰａと、カソード側プレートＳＰｃと、それら２枚のプレートに挟持された中間プレートＳＰｉと、を備える三層構造のセパレータである。またシール部７２は射出成形時にガス流路形成部７８，７９の多孔質部に含侵しており、含侵部７２ｉを形成している。なお、図１に示す燃料電池全体の構造は単なる一例であり、本発明は他の構造の燃料電池にも適用可能である。

図２は、ＭＥＡ７３の構成を示す説明図である。図２（Ａ）は、ＭＥＡ７３の平面図であり、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）におけるＸ―Ｘ断面を示している。電極触媒層７５（アノード電極層７５ａおよびカソード電極層７５ｃ）は、電解質膜７４の膜中央部に形成されており、電気化学反応を促進する触媒、例えば、白金、あるいは白金と他の金属からなる合金を備えている。電極触媒層７５を形成する際には、例えば、まず白金等の触媒金属を担持させたカーボン粉を作製する。そして作製した触媒担持カーボンと電解質とを用いてペーストを作製する。そして作製した触媒ペーストを電解質膜７４上に塗布すればよい。なお図２（Ａ）では、電極触媒層７５（７５ａ）は電解質膜７４の表面積に対してかなり小さい領域として描かれているが、これは説明のために誇張して描かれただけであり、実際の電極触媒層７５はこれよりも大きな面積を占めるように形成されている。以下の図４，図５，図６においても同様である。

電解質膜７４は、例えば、フッ素系樹脂等の固体高分子材料により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。図２（Ｂ）に示すように、電解質膜７４は、表面に電極触媒層７５が形成されている部分７４ｅ（以下、「有効電解質膜部７４ｅ」とも呼ぶ。）と、電極触媒層７５が形成されていない周縁の膜（以下、「電極非形成膜部７４ｎ」とも呼ぶ。）を折り畳んだ部分７４ｆ（以下、「折り畳み電解質膜部７４ｆ」とも呼ぶ。）と、を有している。折り畳み電解質膜部７４ｆは、膜が二重構造となっているため、折り畳む前の膜に比べて２倍の厚さとなっている。そして、有効電解質膜部７４ｅの両面に電極触媒層７５を形成した場合の全体の厚さと、折り畳み電解質膜部７４ｆの厚さとは、ほぼ等しくなっている。なお、電極非形成膜部７４ｎを折り畳む前に、折り畳む内側に電解質溶液を塗布することが好ましい。こうすれば、折り畳んだ内側が電解質材料で充填されて互いの密着性が高まり、折り畳み電解質膜部７４ｆの形状を保持しやすくなるからである。

図２（Ｃ）は、ＭＥＡ７３と、ガス拡散層７６，７７と、を熱圧着した状態を示している。有効電解質膜部７４ｅは、表面を電極触媒層７５で覆われており、この電極触媒層７５がガス拡散層７６，７７の毛羽に対する保護層として機能する。また、折り畳み電解質膜部７４ｆは、膜が二重になっているため、ガス拡散層７６，７７の毛羽によって折り畳み電解質膜部７４ｆ全体が損傷する可能性が小さい。つまり、ＭＥＡ７３の表面はその全体にわたって毛羽による影響を受けにくくなっている。したがって、ＭＥＡ７３とガス拡散層７６，７７とが圧着されても、電解質膜７４がガス拡散層７６，７７の有する毛羽から損傷を受けることが少なくなる。また、前述したように、有効電解質膜部７４ｅの両面に電極触媒層７５を形成した場合の全体の厚さと、折り畳み電解質膜部７４ｆの厚さとは、ほぼ等しくなっている。したがって、ガス拡散層７６，７７をＭＥＡ７３に圧着した場合に、ばらつきなく効果的に面圧を付与することが可能となる。

図３は、第１実施例における折り畳み電解質膜部７４ｆを有する電解質膜７４の製造工程を示すフローチャートである。図４は、その製造工程の概略を示す説明図である。ステップＳ１０では、電解質膜７４の表面の中央部に電極触媒を塗布し、電極触媒層７５（アノード電極層７５ａおよびカソード電極層７５ｃ）を形成させる。（図４（Ａ））。この状態では、電極非形成膜部７４ｎが折り畳まれていないので、電解質膜７４全体は、長方形の４つのコーナー部を斜めに切り落とした８角形形状を有している。ステップＳ２０では、電極触媒層７５が形成されていない電極非形成膜部７４ｎに、電解質溶液を塗布する。ステップＳ３０では、電極非形成膜部７４ｎを折り畳み、折り畳み電解質膜部７４ｆを形成する（図４（Ｂ））。ステップＳ４０では、折り畳んだ電解質膜７４と、ガス拡散層７６，７７と、をプレス１００で熱圧着させる（図４（Ｃ））。

以上のような工程によれば、折り畳み電解質膜部７４ｆを有する電解質膜７４を製造することができる。

このように、第１実施例では、電解質膜７４の周縁部に折り畳み電解質膜部７４ｆを設けたので、ガス拡散層との接触による電解質膜の損傷を低減することができる。

Ｂ．第２実施例：
図５は、第２実施例におけるＭＥＡ７３の構成を示す説明図である。図２に示した第１実施例との違いは、折り畳み電解質膜部７４ｆの代わりに、電極非形成膜部７４ｎ上に電解質保護部７４ｐが形成されたものを用いている点だけであり、他の構成は第１実施例と同じである。

電解質保護部７４ｐは、電極非形成膜部７４ｎ上に電解質材料を塗布することによって形成することができる。例えば電解質溶液スプレーを用いることによって、電極非形成膜部７４ｎに電解質溶液を吹き付けることが好ましい。こうすれば電極非形成膜部７４ｎは電解質保護部７４ｐによって保護されるので、電解質膜７４がガス拡散層７６，７７の有する毛羽から損傷を受ける可能性が小さくなる（図５（Ｃ））。

図６は、比較例としてのＭＥＡ７３Ｃの構成を示す説明図である。比較例のＭＥＡ７３Ｃには電解質保護部７４ｐが形成されていないため、ガス拡散層７６，７７は圧着により電極触媒層７５と電極非形成膜部７４ｎとに接触することになる（図６（Ｃ））。そうすると、有効電解質膜部７４ｅは電極触媒層７５によって保護されているためガス拡散層からの損傷を受けにくいが、電極非形成膜部７４ｎはガス拡散層７６，７７の有する毛羽と直接接触し、損傷を受けやすい。

図７は、第２実施例におけるＭＥＡ７３とガス拡散層７７，７８とを熱圧着した場合における面圧と、その面圧において発生するリーク電流との関係を比較例とともに示したグラフである。電解質保護部７４ｐが形成されていない比較例では、面圧が上昇するにしたがってリーク電流の値は急激に上昇している。しかし、電解質保護部７４ｐが形成されている第２実施例では、面圧が上昇してもリーク電流の値は上昇していない。以上の結果より、電極非形成膜部７４ｎ上に電解質保護部７４ｐを形成することは、電解質膜７４がガス拡散層７６，７７から受ける損傷を低減するのに効果的であることがわかる。

このように、電極非形成膜部７４ｎ上に電解質保護部７４ｐを形成しても、第１実施例と同様に、ガス拡散層との接触による電解質膜の損傷を低減することができる。

Ｃ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

Ｃ１．変形例１：
有効電解質膜部７４ｅの周縁を構成する部分（以下、「周縁電解質膜部」とも呼ぶ。）の構成としては、上述した実施例以外の種々の構成を採用することが可能であり、一般に、周縁電解質膜部の厚みが有効電解質膜部７４ｅの厚みよりも大きければよい。例えば、上記第１実施例では、膜が２重になるように折り畳み電解質膜部７４ｆを形成していたが、この代わりに、膜を３重以上に折り畳んで折り畳み電解質膜部７４ｆを形成することも可能である。また、上記第２実施例では、電極非形成膜部７４ｎに電解質溶液を塗布することによって電解質保護部７４ｐを形成していたが、この代わりに、ガス拡散層７６，７７の電極非形成膜部７４ｎと接する表面に電解質溶液を塗布することによって電解質保護部７４ｐを形成することとしてもよい。

本発明の一実施例としての燃料電池の断面を示す概略図である。 ＭＥＡ７３の構成を示す説明図である。 第１実施例における折り畳み電解質膜部７４ｆを有する電解質膜７４の製造工程を示すフローチャートである。 第１実施例における折り畳み電解質膜部７４ｆを有する電解質膜７４の製造工程の概略を示す説明図である。 第２実施例におけるＭＥＡ７３の構成を示す説明図である。 比較例としてのＭＥＡ７３Ｃの構成を示す説明図である。 第２実施例におけるＭＥＡ７３とガス拡散層７７，７８とを熱圧着した場合における面圧と、その面圧において発生するリーク電流との関係を比較例とともに示したグラフである。

符号の説明

７０…セルアセンブリ
７１…発電積層体
７２…シール部
７２ｉ…含侵部
７４…電解質膜
７４ｅ…有効電解質膜部
７４ｆ…折り畳み電解質膜部
７４ｎ…電極非形成膜部
７４ｐ…電解質保護部
７５…電極触媒層
７５ａ…アノード電極層
７５ｃ…カソード電極層
７６、７７…ガス拡散層
７８、７９…ガス流路形成部
１００…プレス
Ｍ３…マニホールド孔
Ｍ４…マニホールド孔
ＳＰ…セパレータ
ＳＰａ…アノード側プレート
ＳＰｃ…カソード側プレート
ＳＰｉ…中間プレート

Claims (3)

1. 燃料電池であって、
   電解質材料で形成された電解質膜と、
   前記電解質膜の表面の略中央部に形成された電極触媒層と、
   を備え、
   前記電解質膜は、表面に前記電極触媒層が形成されている有効電解質膜部と、有効電解質膜部の周囲に形成された周縁電解質膜部と、を有し、
   前記周縁電解質膜部の厚みは、前記有効電解質膜部の厚みよりも大きいことを特徴とする、燃料電池。
2. 請求項１記載の燃料電池であって、
   前記周縁電解質膜部は、前記有効電解質膜部と同じ厚さの膜を折り畳んだ折り畳み電解質膜部である、燃料電池。
3. 請求項１記載の燃料電池であって、
   前記周縁電解質膜部は、前記有効電解質膜部と同じ厚さの膜である電極非形成膜部と、前記電極非形成膜部の表面に前記電解質材料で形成された電解質保護部と、を有する、燃料電池。

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