JP2008293735A - 燃料電池および燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、アノード側に水素が偏在する状態に起因する燃料電池の発電性能の低下を抑制することができる燃料電池および燃料電池システムを提供することを目的とする。
【解決手段】燃料電池２０は、電解質膜３２１と、カソード触媒層３２３と、カソード犠牲層３２５とを順に積層して備え、電解質膜３２１からカソード触媒層３２３へと突出する絶縁部３２４をカソード触媒層３２３に形成することによって、カソード触媒層３２３内の電子が電解質膜３２１の面に略沿った方向に移動するのを阻害する。
【選択図】図３

Description

本発明は、電解質膜の両面に触媒層を積層した燃料電池および燃料電池システムに関し、特に、電解質膜のカソード側の面に積層されたカソード触媒層の構造に関する。

電解質膜の両面に触媒層を積層した燃料電池は、アノード側に燃料ガスの供給を受けると共に、カソード側に酸化ガスの供給を受けることによって、燃料ガスおよび酸化ガス（本明細書では、これらのガスを「反応ガス」と総称する）を用いて電気化学的に発電を行う。通常運転時に燃料ガスで満たされるアノード側は、燃料電池の起動時や停止時に水素が偏在する状態となる場合がある。このアノード側に水素が偏在する状態は、カソード側触媒層のカーボン腐食や触媒脱落などの劣化による発電性能の低下を招くことがあった。

従来、アノード側に水素が偏在する状態に起因する発電性能の低下を抑制するため、アノード側およびカソード側において、触媒層を含むガス拡散電極を、ガス拡散電極に反応ガスを供給するセパレータと共に、電気的絶縁体で分割した燃料電池が提案されていた。次の特許文献１には、ガス拡散電極およびセパレータを電気的絶縁体で分割した燃料電池が開示されている。

特開２００６−９２７９３号公報

しかしながら、従来の燃料電池では、ガス拡散電極における全体的な電子の伝導性が、ガス拡散電極を電気的絶縁体で分割することによって抑制されてしまうため、燃料電池の発電性能が低下してしまうという問題があった。

本発明は、上記した課題を踏まえ、アノード側に水素が偏在する状態に起因する燃料電池の発電性能の低下を抑制することができる燃料電池および燃料電池システムを提供することを目的とする。

上述した課題を解決するため、本発明の一形態である燃料電池は、反応ガスを用いて電気化学的に発電する燃料電池であって、プロトン伝導性を有する電解質膜と、前記電解質膜のカソード側の面に接して配置され、前記反応ガスの電気化学反応を生じさせる触媒を担持した第１の炭素担体Ａを有する第１のカソード触媒層と、前記第１のカソード触媒層に接して配置され、前記反応ガスの電気化学反応を生じさせる触媒を担持する炭素担体Ｂを有する第２のカソード触媒層と、電気的な絶縁体から成り、前記電解質膜から前記第１のカソード触媒層へと突出する絶縁部とを備えることを特徴とする。この燃料電池によれば、燃料電池のカソード側において、電解質膜の面に略沿った方向への電子の移動は、第１のカソード触媒層内の電子が電解質膜の面に略沿った方向に移動するのを阻害する絶縁部によって電気的に絶縁された第１のカソード触媒層の間よりも、第２のカソード触媒層において積極的に行われるため、カソード側の電子の伝導性の低下を回避しながら、電解質膜に隣接する第１のカソード触媒層における劣化反応を抑制することができる。その結果、アノード側に水素が偏在する状態に起因する燃料電池の発電性能の低下を抑制することができる。また、アノード側に水素が偏在する状態に起因するカソード側のカーボン腐食は、電解質膜に隣接する第１のカソード触媒層よりも、電解質膜から離れた第２のカソード触媒層で発生しやすくなるため、燃料電池の発電性能の低下に与える影響がより大きな第１のカソード触媒層におけるカーボン腐食を抑制することができる。

上述の燃料電池は、次の態様を採ることもできる。例えば、前記第１のカソード触媒層の炭素担体Ａは、結晶性の高い炭素から成り、前記第２のカソード触媒層の炭素担体Ｂは、前記炭素担体Ａより結晶性の低い炭素から成るとしても良い。例えば、こうした炭素の組合わせとしては、炭素担体Ａとして結晶構造を有する炭素を用い、炭素担体Ｂとしてアモルファス炭素を用いることにより、実現することができる。これによって、カーボン腐食は、結晶性の低い炭素で起こりやすいため、第１のカソード触媒層におけるカーボン腐食を一層抑制することができる。

また、前記第２のカソード触媒層の炭素担体は、前記触媒に加え、水の分解を促進する水分解触媒を担持しても良い。これによって、水分解触媒による水分解反応は、カーボン腐食を引き起こす炭素と水との化学反応よりも発生し易いため、アノード側に水素が偏在する状態において、カソード側におけるカーボン腐食を抑制することができる。なお、前記第２のカソード触媒層に担持された水分解触媒は、イリジウムを含むとしても良い。

また、前記第２のカソード触媒層に担持された触媒は、前記第１のカソード触媒層に担持された触媒と同一であっても良い。また、前記第２のカソード触媒層に担持された触媒は、白金を含むものとしても良い。

また、前記絶縁部を、前記電解質膜と同じ材料で形成しても良い。これによって、電解質膜と絶縁部との密着性を高め、燃料電池の強度を向上させることができる。

また、前記第２のカソード触媒層における前記触媒の体積含有量は、前記第１のカソード触媒層における前記触媒の体積含有量よりも少なくても良い。これによって、発電に寄与する化学反応が、第２のカソード触媒層よりも第１のカソード触媒層で発生し易くなるため、燃料電池の発電性能を向上させることができる。

また、前記第１および第２のカソード触媒層は、アイオノマ樹脂を含み、前記第２のカソード触媒層におけるアイオノマ樹脂の体積含有量は、前記第１のカソード触媒層におけるアイオノマ樹脂の体積含有量よりも少なくても良い。これによって、カソード側からの排水性能が向上するため、カーボン腐食を引き起こす炭素と水との化学反応を抑制することができる。

また、本発明の一形態である前述の燃料電池を備える燃料電池システムは、更に、前記燃料電池の起動時および停止時の少なくとも一方の際、前記第１のカソード触媒層と前記第２のカソード触媒層との間の境界面にかかる面圧を抑制する面圧抑制部を備えることを特徴とする。これによって、アノード側に水素が偏在する状態になりやすい起動時や停止時に、第１のカソード触媒層と第２のカソード触媒層との間の界面の接触抵抗が、通常運転時よりも増加するため、カソード側のカーボン腐食は、第１のカソード触媒層よりも第２のカソード触媒層で一層発生しやすくなる。その結果、燃料電池の発電性能の低下に与える影響がより大きな第１のカソード触媒層におけるカーボン腐食を一層抑制することができる。

また、前記面圧抑制部は、前記該燃料電池から伝導する熱に応じてバネ定数を増加させて、該燃料電池を該積層方向に加圧する形状記憶合金製のバネを含むとしても良い。これによって、第１のカソード触媒層と第２のカソード触媒層との間の界面の接触抵抗を、複雑な構成を必要とすることなく、簡素な構成で制御することができる。

また、更に、前記面圧抑制部によって前記境界面にかかる面圧が抑制される場合、前記燃料電池に供給される反応ガスの圧力を抑制するガス圧抑制部を備えても良い。これによって、面圧抑制部によって面圧が抑制された燃料電池から、反応ガスが漏洩してしまうのを抑制することができる。

また、本発明の形態は、燃料電池や燃料電池システムに限るものではなく、例えば、燃料電池を備える車両、燃料電池を制御する制御方法、燃料電池を製造する製造装置などの種々の形態に適用することも可能である。また、本発明は、前述の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において様々な形態で実施し得ることは勿論である。

以上説明した本発明の構成および作用を一層明らかにするために、以下本発明を適用した燃料電池システムについて説明する。

Ａ．実施例：
Ａ−１．燃料電池システム１０の構成：
図１は、燃料電池システム１０の概略構成を示す説明図である。燃料電池システム１０は、反応ガスの電気化学反応によって電力を生成する燃料電池２０を備え、本実施例では、燃料電池システム１０は、燃料電池２０によって生成された電力を利用して走行する自動車に搭載されたシステムを含む。

本実施例では、燃料電池２０は、固体高分子型の燃料電池であり、本実施例では、燃料電池２０に用いられる反応ガスは、水素を含有する燃料ガスと、酸素を含有する酸化ガスとを含む。本実施例では、燃料電池２０は、燃料ガスを循環して再利用する循環方式の燃料電池であり、燃料電池２０に供給された燃料ガスは、電気化学反応の進行に伴って水素濃度が低下し、アノードオフガスとして燃料電池２０の外部に排出され、アノードオフガスは、燃料ガスとして再利用される。燃料電池２０に供給された酸化ガスは、電気化学反応の進行に伴って酸素濃度が低下し、カソードオフガスとして燃料電池２０の外部に排出される。

燃料電池システム１０は、燃料電池２０の他、燃料電池２０に燃料ガスを供給すると共に燃料電池２０からアノードオフガスを回収する燃料ガス給排部５０と、燃料電池２０に酸化ガスを供給すると共に燃料電池２０からカソードオフガスを回収する酸化ガス給排部６０と、燃料電池２０を冷却する冷却水を循環させる冷却水給排部７０と、燃料ガス給排部５０および酸化ガス給排部６０から供給される反応ガスの圧力を抑制する制御を行うガス圧抑制部８０とを備える。燃料電池２０で用いられる燃料ガスは、水素タンクや水素吸蔵合金に貯蔵した水素ガスであっても良いし、炭化水素系燃料を改質して得られる水素ガスであっても良い。燃料電池２０で用いられる酸化ガスは、例えば、外気から取り込んだ空気を用いることができる。

本実施例では、燃料電池システム１０のガス圧抑制部８０は、燃料ガス給排部５０および酸化ガス給排部６０に接続され、燃料ガス給排部５０および酸化ガス給排部６０に信号を出力することによって、燃料電池２０に供給される反応ガスの圧力を抑制する。本実施例では、ガス圧抑制部８０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit），ＲＯＭ（Read Only Memory），ＲＡＭ（Random Access Memory）などの電子部品を備えるワンチップマイクロコンピュータを含み、ソフトウェアに基づく制御処理を実行するが、他の実施形態として、ハードウェアに基づく制御処理を実行しても良い。ガス圧抑制部８０の動作についての詳細は後述する。

Ａ−２．燃料電池２０の詳細構成：
燃料電池システム１０の燃料電池２０は、複数の構成部材を積層したスタック部２９を備える。スタック部２９の構成についての詳細は後述する。本実施例では、燃料電池２０は、スタック部２９を保持する構成として、スタック部２９をその積層方向の両端で挟持する挟持プレート２１，２２と、挟持プレート２１，２２を相互に連結するために両端にネジが形成された連結部材２３と、連結部材２３の一端に挟持プレート２２を位置決めする固定ナット２４と、温度に応じて物理的特性が変化する感温バネ２７と、連結部材２３の他端に感温バネ２７を介して挟持プレート２１を位置決めする固定ナット２５とを備える。本実施例では、燃料電池２０は、感温バネ２７の周囲温度を検出する温度センサ２８を備え、温度センサ２８は、ガス圧抑制部８０に接続されている。

本実施例では、感温バネ２７は、高温状態よりも低温状態のときに軟らかい性質を有する形状記憶合金（例えば、ＣｕＺｎＡｌ，ＮｉＴｉ）によって形成したコイルバネである。本実施例では、感温バネ２７の作動温度は約５０℃である。燃料電池２０の温度が発電に伴う反応熱で上昇した場合、作動温度を超えた感温バネ２７は、記憶された元の形状に伸張することによってスタック部２９にかかる圧力を増加させる。一方、起動時や停止時のように燃料電池２０の温度が継続発電時よりも低い場合、作動温度よりも冷えた感温バネ２７は、反力を受けて収縮することによってスタック部２９内部の面圧を抑制する面圧抑制部として機能する。

図２は、燃料電池２０のスタック部２９の全体構成を示す説明図である。燃料電池２０のスタック部２９は、膜電極接合体（ＭＥＡ）３２０を有するＭＥＡプレート３００と、ＭＥＡプレート３００に反応ガスを供給するセパレータ２００とを交互に複数積層することによって、ＭＥＡプレート３００を二つのセパレータ２００で挟み込んだスタック構造を有する。スタック部２９は、交互に複数積層されたセパレータ２００およびＭＥＡプレート３００を両側から挟持するエンドプレート１００，４００を備える。本実施例では、エンドプレート１００，４００、セパレータ２００、ＭＥＡプレート３００は、略同一の長方形に成形された板状部材であり、スタック部２９は、その長方形を断面とする直方体となる。

スタック部２９を構成するエンドプレート１００、セパレータ２００、ＭＥＡプレート３００の各部材は、隣接する部材間で相互に連通する複数の貫通孔を有し、これら複数の貫通孔が連通し合うことによって複数の流路がスタック部２９の内部に形成される。本実施例では、スタック部２９の内部に形成される流路は、スタック部２９に供給された燃料ガスを流す流路（図２では、その流れ方向を矢印Ｈ＿ＩＮで示す）と、スタック部２９から排出されるアノードオフガスを流す流路（図２では、その流れ方向を矢印Ｈ＿ＯＵＴで示す）と、スタック部２９に供給された酸化ガスを流す流路（図２では、その流れ方向を矢印Ａ＿ＩＮで示す）と、スタック部２９から排出されるカソードオフガスを流す流路（図２では、その流れ方向を矢印Ａ＿ＯＵＴで示す）と、スタック部２９に供給された冷却水を流す流路（図２では、その流れ方向を矢印Ｗ＿ＩＮで示す）と、スタック部２９から排出される冷却水を流す流路（図２では、その流れ方向を矢印Ｗ＿ＯＵＴで示す）とを含む。本実施例では、エンドプレート１００に設けられた複数の貫通孔を介して、燃料ガスの供給、アノードオフガスの排出、酸化ガスの供給、カソードオフガスの排出、冷却水の供給、冷却水の排出が、スタック部２９の内部に対して行われる。

スタック部２９のセパレータ２００は、反応ガスをＭＥＡプレート３００に供給する機能、ＭＥＡプレート３００で生じた電気を集電する機能、ＭＥＡプレート３００での反応熱を除去する冷却水を流す機能を備える。セパレータ２００は、発電された電気を集電するのに十分な導電性を有すると共に、反応ガスおよび冷却水を流す上で十分な耐久性，耐熱性，ガス不透過性を有する材料から成る。本実施例では、セパレータ２００の材料として、ステンレスが用いられるが、チタン，チタン合金などの金属の他、カーボン樹脂，導電性セラミックスであっても良い。本実施例では、セパレータ２００は、三枚の平坦な薄板を積層して構成される三層積層型のセパレータであり、セパレータ２００は、三枚の薄板として、カソードプレート２１０と、アノードプレート２３０と、中間プレート２２０とを備える。

セパレータ２００のカソードプレート２１０は、セパレータ２００の一部としてＭＥＡプレート３００のカソード側に接するカソード積層面を構成すると共に、そのカソード積層面にカソード供給口２１７およびカソード排出口２１８を形成する。カソードプレート２１０のカソード供給口２１７は、ＭＥＡプレート３００のカソード側に対して酸化ガスを供給する。カソードプレート２１０のカソード排出口２１８は、ＭＥＡプレート３００のカソード側からカソードオフガスを排出する。カソードプレート２１０は、カソード供給口２１７およびカソード排出口２１８に加え、スタック部２９の内部流路の一部を構成する複数の流路を形成し、本実施例では、これら複数の流路は、カソードプレート２１０に複数の貫通孔を成形することによって構成される。

セパレータ２００のアノードプレート２３０は、セパレータ２００の一部としてＭＥＡプレート３００のアノード側に接するアノード積層面を構成すると共に、そのアノード積層面にアノード供給口２３７およびアノード排出口２３８を形成する。アノードプレート２３０のアノード供給口２３７は、ＭＥＡプレート３００のアノード側に対して燃料ガスを供給する。アノードプレート２３０のアノード排出口２３８は、ＭＥＡプレート３００のアノード側からアノードオフガスを排出する。アノードプレート２３０は、アノード供給口２３７およびアノード排出口２３８に加え、スタック部２９の内部流路の一部を構成する複数の流路を形成し、本実施例では、これら複数の流路は、アノードプレート２３０に複数の貫通孔を成形することによって構成される。

セパレータ２００の中間プレート２２０は、カソードプレート２１０とアノードプレート２３０との間に挟持されセパレータ２００の内部に流路２２１，２２２，２２３，２２４，２２５を形成する。中間プレート２２０の流路２２１は、矢印Ｈ＿ＩＮで示す方向に流れる燃料ガスの一部を、アノードプレート２３０のアノード供給口２３７へと分流させる。中間プレート２２０の流路２２２は、アノードプレート２３０のアノード排出口２３８から排出されるアノードオフガスを、矢印Ｈ＿ＯＵＴで示す方向に流れるアノードオフガスへと合流させる。中間プレート２２０の流路２２３は、矢印Ａ＿ＩＮで示す方向に流れる酸化ガスの一部を、カソードプレート２１０のカソード供給口２１７へと分流させる。中間プレート２２０の流路２２４は、カソードプレート２１０のカソード排出口２１８から排出されるカソードオフガスを、矢印Ａ＿ＯＵＴで示す方向に流れるカソードオフガスへと合流させる。中間プレート２２０の流路２２５は、矢印Ｗ＿ＩＮで示す方向に流れる冷却水の一部を、セパレータ２００の内部へと分流させると共に、その分流した冷却水を、矢印Ｗ＿ＯＵＴで示す方向に流れる冷却水へと合流させる。本実施例では、流路２２１，２２２，２２３，２２４，２２５は、中間プレート２２０に複数の貫通孔を成形することによって構成される。

スタック部２９のＭＥＡプレート３００は、ＭＥＡ３２０にシールガスケット３４０を射出成形したシール一体型膜電極接合体（以下、「シール一体型ＭＥＡ」という）３５０と、ＭＥＡ３２０のアノード側の面に燃料ガスを拡散させるアノードガス拡散プレート３１０と、ＭＥＡ３２０のカソード側の面に酸化ガスを拡散させるカソードガス拡散プレート３３０とを備える。本実施例では、ＭＥＡプレート３００は、アノードガス拡散プレート３１０およびカソードガス拡散プレート３３０をシール一体型ＭＥＡ３５０に嵌め込むことによって構成される。

ＭＥＡプレート３００のアノードガス拡散プレート３１０およびカソードガス拡散プレート３３０は、本実施例では、ＭＥＡ３２０と略同一の長方形に成形された板状部材である。アノードガス拡散プレート３１０は、ＭＥＡ３２０とセパレータ２００との間を導電するのに十分な導電性を有すると共に、燃料ガスを透過するのに十分な連続した複数の気孔を形成する多孔体から成る。カソードガス拡散プレート３３０は、ＭＥＡ３２０とセパレータ２００との間を導電するのに十分な導電性を有すると共に、酸化ガスを透過するのに十分な連続した複数の気孔を形成する多孔体から成る。本実施例では、アノードガス拡散プレート３１０およびカソードガス拡散プレート３３０は、発泡金属から成るが、他の実施形態として、金属メッシュであっても良い。アノードガス拡散プレート３１０は、ＭＥＡ３２０のアノード側に接して積層されると共に、ＭＥＡプレート３００がセパレータ２００に挟持された状態で、セパレータ２００のアノードプレート２３０に当接して、アノードプレート２３０のアノード供給口２３７から供給された燃料ガスを、ＭＥＡ３２０のアノード側に拡散させる。アノードガス拡散プレート３１０によって拡散された燃料ガスは、アノードオフガスとして、アノードプレート２３０のアノード排出口２３８を介してアノードガス拡散プレート３１０から排出される。カソードガス拡散プレート３３０は、ＭＥＡ３２０のカソード側に接して積層されると共に、ＭＥＡプレート３００がセパレータ２００に挟持された状態で、セパレータ２００のカソードプレート２１０に当接して、カソードプレート２１０のカソード供給口２１７から供給された酸化ガスを、ＭＥＡ３２０のカソード側に拡散させる。カソードガス拡散プレート３３０によって拡散された酸化ガスは、カソードオフガスとして、カソードプレート２１０のカソード排出口２１８を介してカソードガス拡散プレート３３０から排出される。

シール一体型ＭＥＡ３５０のシールガスケット３４０は、ＭＥＡ３２０を中央部に取り囲む状態でセパレータ２００と略同一の長方形に成形される。本実施例では、シールガスケット３４０は、シリコンゴム，ブチルゴム，フッ素ゴムなど、弾性を有するゴム製の絶縁性樹脂材料から成る。シールガスケット３４０は、ＭＥＡプレート３００がセパレータ２００に挟持された状態で、ＭＥＡプレート３００を挟む二つのセパレータ２００の間にＭＥＡ３２０，アノードガス拡散プレート３１０，カソードガス拡散プレート３３０を密封し、反応ガスや冷却水がスタック部２９の外部に漏れるのを防止する。

Ａ−３．ＭＥＡ３２０の詳細構成：
図３は、燃料電池２０のＭＥＡ３２０を厚さ方向に略沿って切断した切断面を示す説明図である。燃料電池２０のＭＥＡ３２０は、カソードガス拡散層３２７，アノードガス拡散層３２６，電解質膜３２１，カソード触媒層３２３，カソード犠牲層３２５，カソードガス拡散層３２７の複数の層を備え、これら複数の層は、この順序で積層されている。ＭＥＡ３２０は、これら複数の層に加え、電気的な絶縁性を有し電解質膜３２１からカソード触媒層３２３へと突出した絶縁部３２４を備える。本実施例では、ＭＥＡ３２０は、セパレータ２００よりも小さな長方形に成形されている。

ＭＥＡ３２０の電解質膜３２１は、プロトン伝導性を有するプロトン伝導体から成り、例えば、アイオノマ樹脂であるパーフルオロスルホン酸イオン交換膜であっても良い。アノード触媒層３２２およびアノードガス拡散層３２６は、アノード側のアノード電極層を構成する。カソード触媒層３２３，カソードガス拡散層３２７，カソード犠牲層３２５は、カソード側のカソード電極層を構成する。

ＭＥＡ３２０のアノード触媒層３２２は、電解質膜３２１のアノード側の面に接して積層され、カソード触媒層３２３は、電解質膜３２１のカソード側の面に接して積層される。アノード触媒層３２２およびカソード触媒層３２３は、電解質膜３２１における反応ガスの電気化学反応を生じさせる触媒機能に加え、ガス透過性，導電性，撥水性を有する。アノード触媒層３２２およびカソード触媒層３２３は、触媒金属を担持した炭素担体と、撥水性を有する撥水樹脂（例えば、ポリテトラフロロエチレン（ＰＴＦＥ））と、プロトン伝導体であるアイオノマ樹脂とを混合した材料から成る。本実施例では、アノード触媒層３２２およびカソード触媒層３２３の炭素担体は、結晶構造を有する炭素担体であるグラファイト担体である。アノード触媒層３２２およびカソード触媒層３２３の触媒金属は、白金および白金合金を含む白金系の白金触媒である。

図４は、ＭＥＡ３２０の面に略沿った図３の切断線Ａ−Ａでカソード触媒層３２３および絶縁部３２４を切断した断面を示す説明図である。ＭＥＡ３２０の絶縁部３２４は、カソード触媒層３２３を複数の部位に分割し、本実施例では、ＭＥＡ３２０の面に交差する方向から見た場合、絶縁部３２４は、カソード触媒層３２３内を格子状に延びることによって、カソード触媒層３２３を複数の矩形状の部分に分割する。絶縁部３２４は、電気的絶縁性を有し、本実施例では、電解質膜３２１と同じ材料から成る。絶縁部３２４は、カソード触媒層３２３の分割された一方の部位から他方の部位へと電子（e^-）が移動するのを阻害する。すなわち、絶縁部３２４は、カソード触媒層３２３内の電子（e^-）が電解質膜３２１に略沿った方向に移動するのを阻害する。本実施例では、カソード触媒層３２３は、絶縁部３２４によって完全に分割されているが、カソード触媒層３２３における電解質膜３２１に接する面側が分断されていれば良く、カソード触媒層３２３におけるカソード犠牲層３２５に接する面側が、絶縁部３２４によって完全に分断されていなくても良い。

図３の説明に戻り、ＭＥＡ３２０のカソード犠牲層３２５は、カソード触媒層３２３に接して積層されると共に、カソード触媒層３２３と同様に、触媒機能，ガス透過性，導電性，撥水性を有する。カソード犠牲層３２５は、触媒金属を担持した炭素担体と、撥水性を有する撥水樹脂（例えば、ＰＴＦＥ）と、プロトン伝導体であるアイオノマ樹脂とを混合した材料から成る。本実施例では、カソード犠牲層３２５の炭素担体は、アモルファス炭素担体であるカーボンブラック担体である。カソード犠牲層３２５の触媒金属は、カソード犠牲層３２５と同様に、白金系の白金触媒である。本実施例では、カソード犠牲層３２５における触媒金属の体積含有量はカソード触媒層３２３より少なく、カソード犠牲層３２５におけるアイオノマ樹脂の体積含有量もカソード触媒層３２３より少ない。

ＭＥＡ３２０のアノードガス拡散層３２６は、アノード触媒層３２２に接して積層され、アノード触媒層３２２に燃料ガスを拡散させる。ＭＥＡ３２０のカソードガス拡散層３２７は、カソード犠牲層３２５に接して積層され、カソード犠牲層３２５を通じてカソード触媒層３２３に酸化ガスを拡散させる。アノードガス拡散層３２６およびカソードガス拡散層３２７は、ガス透過性，導電性，撥水性を有し、例えば、カーボン製の多孔体であるカーボンクロスやカーボンペーパと、撥水性を有する撥水樹脂（例えば、ＰＴＦＥ）とを混合した材料であっても良い。

本実施例では、予め転写シートに形成された絶縁部３２４の材料を電解質膜３２１に熱転写することによって絶縁部３２４を形成した後、絶縁部３２４が形成された電解質膜３２１の面に、カソード触媒層３２３の材料を熱転写または吹付けることによってカソード触媒層３２３を形成する。本実施例では、カソード犠牲層３２５の材料をカソードガス拡散層３２７に接転写または吹付けることによってカソード犠牲層３２５を形成した後、このカソードガス拡散層３２７に形成されたカソード犠牲層３２５と、電解質膜３２１に絶縁部３２４と共に形成されたカソード触媒層３２３とを重ね合わせ、カソード触媒層３２３とカソード犠牲層３２５との間を接合することなしに、ＭＥＡ３２０のカソード面を形成する。

図３に示すように、ＭＥＡ３２０のアノード側に水素が偏在する状態では、水素が偏在する側のアノード触媒層３２２では、次の化学式１に示す化学反応が起こることによって、ＭＥＡ３２０のアノード側に局部電池が形成されてしまう場合がある。

O₂ + 4H⁺ + 4e^- → 2H₂O …（化学式１）

ＭＥＡ３２０のアノード側に局部電池が形成されてしまうと、水素が偏在する側の電解質膜３２１ではプロトン（H⁺）が欠乏することによって、電解質膜３２１内でプロトン（H⁺）の濃度勾配が発生してしまう。これによって、電解質膜３２１とカソード側との間の電位差が増大するため、ＭＥＡ３２０のカソード側では、次の化学式２に示す化学反応が起こり、カーボン腐食や触媒脱落が発生する場合がある。

C + 2H₂O → CO₂ + 4H⁺ + 4e^- …（化学式２）

ＭＥＡ３２０のカソード側では、カソード触媒層３２３内の電子（e^-）の移動が絶縁部３２４によって阻害されるため、化学式２に示す化学反応は、カソード触媒層３２３（特に、カソード触媒層３２３のうち電解質膜３２１に隣接する側）よりも、カソード犠牲層３２５（特に、カソード犠牲層３２５のうちカソード触媒層３２３に隣接する側）で優先的に起こる。

Ａ−４．燃料電池システム１０の動作：
図５は、燃料電池システム１０のガス圧抑制部８０が実行するガス圧抑制処理を示すフローチャートである。図５のガス圧抑制処理は、燃料電池２０においてスタック部２９を積層方向に押圧する感温バネ２７によってカソード犠牲層３２５とカソード触媒層３２３との境界面にかかる面圧が抑制された場合に、燃料電池２０に供給される反応ガスの圧力を抑制する処理を含む。本実施例では、図５のガス圧抑制処理は、ガス圧抑制部８０のＣＰＵによるソフトウェアに基づく動作によって実現される。本実施例では、ガス圧抑制部８０は、燃料電池２０の起動に応じて、図５のガス圧抑制処理を開始する。

ガス圧抑制部８０は、図５のガス圧抑制処理を開始すると、反応ガスの供給圧力を通常運転時よりも抑制するように指示するガス圧抑制信号を、燃料ガス給排部５０および酸化ガス給排部６０に出力することを開始する（ステップＳ１１０）。ガス圧抑制信号を受信した燃料ガス給排部５０および酸化ガス給排部６０は、ガス圧抑制信号がガス圧抑制部８０から出力されている間、反応ガスの供給圧力を通常運転時よりも抑制する。

ガス圧抑制信号の出力が開始された後（ステップＳ１１０）、ガス圧抑制部８０は、感温バネ２７の周囲温度を示すセンサ検出値を、温度センサ２８から受け付ける（ステップＳ１２０）。その後、ガス圧抑制部８０は、温度センサ２８から受け取ったセンサ検出値に基づいて、燃料電池２０の暖機運転が完了したか否かを判断し（ステップＳ１３０）、暖機運転が完了するまでガス圧抑制信号の出力を継続する（ステップＳ１４０）。燃料電池２０の暖機運転が完了したと判断された場合（ステップＳ１４０）、ガス圧抑制部８０は、ガス圧抑制信号の出力を終了した後（ステップＳ１５０）、図５のガス圧抑制処理を終了する。本実施例では、ガス圧抑制部８０は、温度センサ２８から受け取ったセンサ検出値が感温バネ２７の作動温度を超えた場合、すなわち、作動温度を超えた感温バネ２７によってスタック部２９にかかる圧力が増加した場合に、燃料電池２０の暖機運転が完了したと判断する。

Ａ−５．作用効果：
以上説明した燃料電池システム１０によれば、燃料電池２０のカソード側において、電解質膜３２１の面に略沿った方向への電子の移動は、絶縁部３２４によって電気的に絶縁されたカソード触媒層３２３の間よりも、カソード犠牲層３２５において積極的に行われるため、カソード側の電子の伝導性の低下を回避しながら、電解質膜３２１に隣接するカソード触媒層３２３における劣化反応（化学式２）を抑制することができる。その結果、アノード側に水素が偏在する状態に起因する燃料電池２０の発電性能の低下を抑制することができる。また、アノード側に水素が偏在する状態に起因するカソード側のカーボン腐食は、電解質膜３２１に隣接するカソード触媒層３２３よりも、電解質膜３２１から離れたカソード犠牲層３２５で発生しやすくなるため、燃料電池２０の発電性能の低下に与える影響がより大きなカソード触媒層３２３におけるカーボン腐食を抑制することができる。また、カソード触媒層３２３の炭素担体は、グラファイトであるのに対して、カソード犠牲層３２５の炭素担体は、グラファイトよりも腐食しやすいカーボンブラックであるため、カソード触媒層３２３におけるカーボン腐食を一層抑制することができる。

また、絶縁部３２４は電解質膜３２１と同じ材料であるため、絶縁部３２４と電解質膜３２１との間の密着性を高めることができ、燃料電池２０の強度を向上させることができる。また、カソード犠牲層３２５における触媒金属の体積含有量は、カソード触媒層３２３における触媒金属の体積含有量よりも少ないことから、発電に寄与する化学反応が、カソード犠牲層３２５よりもカソード触媒層３２３で発生し易くなるため、燃料電池２０の発電性能を向上させることができる。また、カソード犠牲層３２５におけるアイオノマ樹脂の体積含有量は、カソード触媒層３２３におけるアイオノマ樹脂の体積含有量よりも少ないことから、カソード側からの排水性能が向上するため、カーボン腐食を引き起こす炭素と水との化学反応（化学式２）を抑制することができる。

また、アノード側に水素が偏在する状態になりやすい起動時や停止時に、燃料電池２０においてスタック部２９を押圧する感温バネ２７の作用によって、カソード触媒層３２３とカソード犠牲層３２５との間の界面の接触抵抗が、通常運転時よりも増加するため、カソード側のカーボン腐食は、カソード触媒層３２３よりもカソード犠牲層３２５で一層発生しやすくなる。その結果、燃料電池２０の発電性能の低下に与える影響がより大きなカソード触媒層３２３におけるカーボン腐食を一層抑制することができる。また、燃料電池２０の反応熱によって作用する形状記憶合金製の感温バネ２７によって燃料電池２０にかかる圧力を変化させるため、カソード触媒層３２３とカソード犠牲層３２５との間の界面の接触抵抗を、複雑な構成を必要とすることなく、簡素な構成で制御することができる。また、感温バネ２７によって燃料電池２０にかかる圧力が抑制される場合、燃料電池２０に供給される反応ガスの供給圧力をガス圧抑制部８０によって抑制するため、感温バネ２７によって面圧が抑制された燃料電池２０から、反応ガスが漏洩してしまうのを抑制することができる。

Ｂ．他の実施形態：
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこうした実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において様々な形態で実施し得ることは勿論であり、例えば、次のような変形も可能である。

Ｂ−１．第１変形例：
図６は、第１変形例におけるＭＥＡ３２０ａを厚さ方向に略沿って切断した切断面を示す説明図である。第１変形例は、上述の実施例と比較して、カソード犠牲層３２５に代えてカソード水電解層３２５ａを備える点で相違し、その他の構成は同一である。

ＭＥＡ３２０のカソード水電解層３２５ａは、カソード触媒層３２３に接して積層されると共に、触媒機能，ガス透過性，導電性，撥水性を有し、カソード水電解層３２５ａの触媒機能は、電解質膜３２１における反応ガスの電気化学反応を生じさせる触媒機能に加え、水の分解を促進させる水分解触媒機能を含む。カソード水電解層３２５ａは、触媒金属を担持した炭素担体と、撥水性を有する撥水樹脂（例えば、ＰＴＦＥ）と、プロトン伝導体であるアイオノマ樹脂とを混合した材料から成る。本実施例では、カソード水電解層３２５ａの炭素担体は、アモルファス炭素担体であるカーボンブラック担体である。カソード水電解層３２５ａの触媒金属は、白金系の白金触媒に加え、水分解触媒としてイリジウムを含む。本実施例では、カソード水電解層３２５ａは、酸化イリジウムを白金担持カーボンに担持したものであるが、他の実施形態として、白金イリジウム担持カーボンであっても良い。本実施例では、カソード水電解層３２５ａにおける白金触媒の体積含有量はカソード触媒層３２３より少なく、カソード犠牲層３２５におけるアイオノマ樹脂の体積含有量もカソード触媒層３２３より少ない。

図６に示すように、ＭＥＡ３２０のアノード側に水素が偏在する状態では、水素が偏在する側のアノード触媒層３２２では、化学式１に示す化学反応が起こることによって、ＭＥＡ３２０のアノード側に局部電池が形成されてしまう場合がある。ＭＥＡ３２０のアノード側に局部電池が形成されてしまうと、水素が偏在する側の電解質膜３２１ではプロトン（H⁺）が欠乏することによって、電解質膜３２１内でプロトン（H⁺）の濃度勾配が発生してしまう。これによって、電解質膜３２１とカソード側との間の電位差が増大するため、ＭＥＡ３２０のカソード水電解層３２５ａでは、化学式２に示すカーボン腐食を引き起こす化学反応に優先して、次の化学式３に示す化学反応が起こる。

2H₂O → 4H⁺ + 4e^- + O₂ …（化学式３）

以上説明した第１変形例の燃料電池システム１０によれば、燃料電池２０のカソード側において、電解質膜３２１の面に略沿った方向への電子の移動は、絶縁部３２４によって電気的に絶縁されたカソード触媒層３２３の間よりも、カソード犠牲層３２５において積極的に行われるため、カソード側の電子の伝導性の低下を回避しながら、電解質膜３２１に隣接するカソード触媒層３２３における劣化反応（化学式２）を抑制することができる。その結果、アノード側に水素が偏在する状態に起因する燃料電池２０の発電性能の低下を抑制することができる。また、ＭＥＡ３２０のカソード水電解層３２５ａにおける水分解触媒による水分解反応（化学式３）は、カーボン腐食を引き起こす炭素と水との化学反応（化学式２）よりも発生し易いため、アノード側に水素が偏在する状態に起因するカソード側におけるカーボン腐食を抑制することができる。

Ｂ−２．その他の変形例：
本実施例では、いわゆる循環方式の燃料電池について説明したが、他の実施形態として、燃料電池に一旦供給された燃料ガスを使い切るいわゆるデッドエンド方式の燃料電池に本発明を適用しても良い。また、本実施例では、ガス圧抑制部８０は、感温バネ２７の周囲温度に応じて、燃料電池２０に供給される反応ガスの供給圧を抑制するものとしたが、他の実施形態として、スタック部２９の面圧を検出する圧力センサを燃料電池２０に設け、検出された圧力値に応じて燃料電池２０に供給される反応ガスの供給圧を抑制しても良い。また、起動時や停止時にスタック部２９内部の面圧を抑制する面圧抑制部として、本実施例では、形状記憶合金製の感温バネ２７を用いたが、他の実施形態として、連結部材２３を温度に応じて伸縮する熱膨張率の高い材料で構成しても良いし、空気ポンプや油圧ポンプを用いても良い。また、本実施例では、カソード触媒層３２３とカソード犠牲層３２５とを別々の層として構成することとしたが、他の実施形態として、カソード触媒層３２３およびカソード犠牲層３２５を一体的な層として構成しても良い。

燃料電池システム１０の概略構成を示す説明図である。 燃料電池２０のスタック部２９の全体構成を示す説明図である。 燃料電池２０のＭＥＡ３２０を厚さ方向に略沿って切断した切断面を示す説明図である。 ＭＥＡ３２０の面に略沿った図３の切断線Ａ−Ａでカソード触媒層３２３および絶縁部３２４を切断した断面を示す説明図である。 燃料電池システム１０のガス圧抑制部８０が実行するガス圧抑制処理を示すフローチャートである。 第１変形例におけるＭＥＡ３２０ａを厚さ方向に略沿って切断した切断面を示す説明図である。

符号の説明

１０…燃料電池システム
２０…燃料電池
２１，２２…挟持プレート
２３…連結部材
２４，２５…固定ナット
２７…感温バネ
２８…温度センサ
２９…スタック部
５０…燃料ガス給排部
６０…酸化ガス給排部
７０…冷却水給排部
８０…ガス圧抑制部
１００…エンドプレート
２００…セパレータ
２１０…カソードプレート
２１７…カソード供給口
２１８…カソード排出口
２２０…中間プレート
２２１〜２２５…流路
２３０…アノードプレート
２３７…アノード供給口
２３８…アノード排出口
３００…ＭＥＡプレート
３１０…アノードガス拡散プレート
３２０…ＭＥＡ
３２１…電解質膜
３２２…アノード触媒層
３２３…カソード触媒層
３２４…絶縁部
３２５…カソード犠牲層
３２５ａ…カソード水電解層
３２６…アノードガス拡散層
３２７…カソードガス拡散層
３３０…カソードガス拡散プレート
３４０…シールガスケット
３５０…シール一体型ＭＥＡ

Claims (12)

1. 反応ガスを用いて電気化学的に発電する燃料電池であって、
   プロトン伝導性を有する電解質膜と、
   前記電解質膜のカソード側の面に接して配置され、前記反応ガスの電気化学反応を生じさせる触媒を担持した第１の炭素担体Ａを有する第１のカソード触媒層と、
   前記第１のカソード触媒層に接して配置され、前記反応ガスの電気化学反応を生じさせる触媒を担持する炭素担体Ｂを有する第２のカソード触媒層と、
   電気的な絶縁体から成り、前記電解質膜から前記第１のカソード触媒層へと突出する絶縁部と
   を備える燃料電池。
2. 請求項１記載の燃料電池であって、
   前記第１のカソード触媒層の炭素担体Ａは、結晶性の高い炭素から成り、
   前記第２のカソード触媒層の炭素担体Ｂは、前記炭素単体Ａより結晶性の低い炭素から成る燃料電池。
3. 前記第２のカソード触媒層の炭素担体Ｂは、前記触媒に加え、水の分解を促進する水分解触媒を担持する請求項１または２記載の燃料電池。
4. 前記第２のカソード触媒層に担持された水分解触媒は、イリジウムを含む請求項３記載の燃料電池。
5. 前記第２のカソード触媒層に担持された触媒は、前記第１のカソード触媒層に担持された触媒と同一である請求項１ないし４のいずれか記載の燃料電池。
6. 前記第２のカソード触媒層に担持された触媒は、白金を含む請求項１ないし５のいずれか記載の燃料電池。
7. 前記絶縁部を、前記電解質膜と同じ材料で形成した請求項１ないし６のいずれか記載の燃料電池。
8. 前記第２のカソード触媒層における前記触媒の体積含有量は、前記第１のカソード触媒層における前記触媒の体積含有量よりも少ない請求項１ないし７のいずれか記載の燃料電池。
9. 請求項１ないし８のいずれか記載の燃料電池であって、
   前記第１および第２のカソード触媒層は、アイオノマ樹脂を含み、
   前記第２のカソード触媒層におけるアイオノマ樹脂の体積含有量は、前記第１のカソード触媒層におけるアイオノマ樹脂の体積含有量よりも少ない燃料電池。
10. 請求項１ないし９のいずれか記載の燃料電池を備える燃料電池システムであって、更に、前記燃料電池の起動時および停止時の少なくとも一方の際、前記第１のカソード触媒層と前記第２のカソード触媒層との間の境界面にかかる面圧を抑制する面圧抑制部を備える燃料電池システム。
11. 前記面圧抑制部は、前記該燃料電池から伝導する熱に応じてバネ定数を増加させて、該燃料電池を該積層方向に加圧する形状記憶合金製のバネを含む請求項１０記載の燃料電池システム。
12. 更に、前記面圧抑制部によって前記境界面にかかる面圧が抑制される場合、前記燃料電池に供給される反応ガスの圧力を抑制するガス圧抑制部を備える請求項１０または１１記載の燃料電池システム。

Images