JP2010003470A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】保護フィルムと触媒層の構成を改良することにより、電極面に所期の十分な面圧を均等に作用させることのできる電極体を備えた燃料電池を提供する。
【解決手段】電解質膜１と、該電解質膜１を挟持するとともに電解質膜１よりも狭小な平面積のアノード側、カソード側の触媒層２，２’と、からなる膜電極接合体１０と、電解質膜１および触媒層２，２’の端部の双方に当接する保護フィルム３と、膜電極接合体１０および保護フィルム３を挟持するアノード側、カソード側のガス拡散層４，４’と、から電極体２０が形成され、これをセパレータ６，６が挟持してセル３０を成し、セル３０が積層されてなる燃料電池であり、電解質膜１上の触媒層２，２’の厚みよりも保護フィルム３の厚みが薄くなっており、かつ、保護フィルム３と触媒層２，２’がラップせずに双方の端部同士が当接している。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池に係り、特に、電解質膜表面上であって触媒層の周縁に配設される保護フィルムと触媒層の構造に関するものである。

固体高分子型燃料電池の単セルは、イオン透過性の電解質膜と、該電解質膜を挟持するアノード側触媒層（電極層）およびカソード側触媒層（電極層）とからなる膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）と、該膜電極接合体に燃料ガスもしくは酸化剤ガスを提供するとともに電気化学反応によって生じた電気を集電するためのガス拡散層（ＧＤＬ：Ｇａｓ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｌａｙｅｒ）とセパレータを少なくとも備えている。なお、このセパレータは、各単セルを画成するとともにガス流路層となるものであり、このガス流路層がセパレータから分離した、いわゆるフラットタイプのセパレータもある。燃料電池スタックは、所要電力に応じてこの単セルを所定数だけ積層することによって形成されている。

上記する燃料電池では、アノード電極に燃料ガスとして水素ガス等が提供され、カソード電極には酸化剤ガスとして酸素や空気が提供され、各電極では固有のガス流路層（またはセパレータ）にて面内方向にガスが流れ、次いでガス拡散層にて拡散されたガスが電極触媒層に導かれて電気化学反応がおこなわれるものである。

上記するガス拡散層の形態として、拡散層基材と集電層（ＭＰＬ：Ｍｉｃｒｏ Ｐｏｒｏｕｓ Ｌａｙｅｒ）とから構成されるものは一般に知られるところである。一般には、触媒層は電解質膜よりも狭小な平面積（小さな平面積）を有しており、電解質膜が触媒層にて被覆されていない領域であって該触媒層の周縁には、ポリマー素材の保護フィルムが配設されており、触媒層および保護フィルムと集電層が当接する姿勢でガス拡散層が配設された構造が一般的である。保護フィルムを触媒層の周縁の領域で集電層と膜電極接合体の間に介在させておくことにより、触媒層を有する電解質膜とガス拡散層をたとえば１３０℃程度の高温雰囲気下、１〜３ＭＰａ程度の圧縮力で熱圧着する際に、ガス拡散層の一部（毛羽）が電解質膜に突き刺さることを抑止することができる。熱圧着時にガス拡散層が電解質膜に突き刺さると、この突き刺さり箇所がガスのクロスリークを助長することとなり、燃料電池のクロスリーク耐久性が低下し、発電性能の低下に直結することから、この問題を解消するために保護フィルムを配設するものである。

ここで、上記する保護フィルムをガス拡散層と電解質膜の間に介在させた燃料電池に関する公開技術として、特許文献１を挙げることができる。特許文献１をはじめとする従来の燃料電池セル構造では、この特許文献１の図１で示すように、電解質膜へのガス拡散層の突き刺さりを防止するべく、保護フィルムに十分な厚みを持たせて電極体が形成されている。これを図４を参照して説明すると、電解質膜ａと、これよりも狭小なカソード側およびアノード側の触媒層ｂ、ｂ’と、触媒層ｂ、ｂ’の端部を包囲するようにして該触媒層よりも厚みの厚い保護フィルムｃ、ｃ（触媒層の層厚：ｔ１＜保護フィルムの層厚：ｔ２）と、から膜電極接合体（ＭＥＡ）を形成し、このＭＥＡを集電層ｄ１（ＭＰＬ）と拡散層基材ｄ２からなるアノード側、カソード側のガス拡散層ｄ、ｄが挟持して電極体Ａ（ＭＥＧＡ）を形成するものである。

ここで、保護フィルム（ポリマーフィルム）は触媒層よりも一般に剛性が高いことから、図４で示す電極体Ａに不図示のセパレータが配されてセルを成し、このセルを所定数積層してスタッキングした際の圧縮力の多くは、触媒層に比して相対的に厚みが厚く、剛性の高い保護フィルムに作用してしまう。その結果、電極面である触媒層に所期の面圧が作用せず、燃料電池セルの発電性能の低下を招来することになる。

なお、上記する特許文献１では、その図２において、保護フィルムの厚みを触媒層よりも薄くした実施例が開示されている。これを図５を参照して説明すると、電解質膜ａと、これよりも狭小なカソード側およびアノード側の触媒層ｂ、ｂ’と、触媒層ｂ、ｂ’の端部からその内部に入り込むようにして該触媒層よりも厚みの薄い保護フィルムｃ、ｃと、から膜電極接合体（ＭＥＡ）を形成し、このＭＥＡを集電層ｄ１（ＭＰＬ）と拡散層基材ｄ２からなるアノード側、カソード側のガス拡散層ｄ、ｄが挟持して電極体Ｂ（ＭＥＧＡ）を形成するものである。

しかし、この実施例では、集電層ｂ、ｂ’の中央領域に比して、保護フィルムｃが入り込んだ集電層ｂ、ｂ’の端部にスタッキング時の圧縮力の多くが作用することに変わりはない。これをカソード側の端部を拡大した図６を参照して説明すると、スタッキング時に作用する圧縮力Ｐの多くは、相対的に剛性の高い保護フィルムｃ（上の触媒層）に作用する。その結果、保護フィルムｃよりも内側の電極面を構成する触媒層には十分な面圧が作用しなくなってしまい、図４の場合と同様に燃料電池セルの発電性能低下を招来するものである。

特開２００７−５３３０８８号公報

本発明は、上記する問題に鑑みてなされたものであり、保護フィルムと触媒層の関連構成を改良することにより、電極面に所期の十分な面圧を均等に作用させることのできる電極体を備えた燃料電池を提供することを目的とする。

前記目的を達成すべく、本発明による燃料電池は、電解質膜と、該電解質膜を挟持するとともに電解質膜よりも狭小な平面積のアノード側、カソード側の触媒層と、からなる膜電極接合体と、電解質膜と触媒層の端部の双方に当接する保護フィルムと、膜電極接合体および保護フィルムを挟持するアノード側、カソード側のガス拡散層と、から電極体が形成され、これをセパレータが挟持してセルを成し、セルが積層されてなる燃料電池において、電解質膜上の触媒層の厚みよりも保護フィルムの厚みが薄くなっており、かつ、保護フィルムと触媒層がラップせずに双方の端部同士が当接しているものである。

本発明の燃料電池は、その電極体において、触媒層の周縁に位置する保護フィルムの厚みを該触媒層よりも薄くするとともに、双方をラップさせず、すなわち、双方の端部同士を当接させて構成したものである。

この構成により、燃料電池セルが所定数積層され、スタッキングされた際に作用する圧縮力を電極面を形成する触媒層の全面に均一に、かつ効果的に作用させることが可能となり、発電性能に優れた燃料電池とすることができる。

ここで、保護フィルムは、電解質膜とガス拡散層を熱圧着する際に、該ガス拡散層の一部（毛羽）の電解質膜への突き刺さりを防止できる素材であればその素材は特に限定されるものではないが、たとえば、ポリテトラフルオロエチレン、ＰＶＤＦ（二フッ化ポリビニル）、ポリエチレン、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリプロピレン、ポリエステル、ポリアミド、コポリアミド、ポリアミドエラストマ、ポリイミド、ポリウレタン、ポリウレタンエラストマ、シリコーン、シリコンゴム、シリコンベースのエラストマなどを挙げることができる。

たとえば、電解質膜を基材としてその表面に、白金や白金合金等の触媒が担持された導電性担体（粒子状のカーボン担体など）と、ナフィオン（Ｎａｆｉｏｎ）（登録商標、デュポン社製）等の電解質と、エタノール、プロピレングリコール、イソプロパノールなどの分散溶媒（有機溶媒）と、からなる触媒インクを所定の厚みで層状に塗布して塗膜を形成し、これを乾燥炉にて温風乾燥することにより、電解質膜表面にこれよりも狭小な平面積のアノード側およびカソード側の触媒層を形成する。

次いで、電解質膜表面であって触媒層の周縁の領域に、接着剤を介して該触媒層よりも厚みが薄い保護フィルムを触媒層の端部に当接するようにして接着する。ここで、接着剤としては、エポキシド、シリコーン、ポリウレタン、アクリル樹脂、イソシアネート、フェノール樹脂、ポリアミド樹脂およびポリエステル樹脂などからなる有機ポリマー素材の接着剤を使用することができる。

次いで、集電層（ＭＰＬ）と拡散層基材とからなるガス拡散層を、電解質膜表面に形成されたカソード側およびアノード側の触媒層および保護フィルムに熱圧着することにより、電極体が形成される。

ここで、拡散層基材としては、電気抵抗が低く、集電を行えるものであれば特に限定されるものではないが、たとえば、導電性無機物質を主とするものを挙げることができ、この導電性無機物質としては、ポリアクリロニトリルからの焼成体、ピッチからの焼成体、黒鉛及び膨張黒鉛等の炭素材やこれらのナノカーボン材料、ステンレススチール、モリブデン、チタン等を挙げることができる。また、拡散層基材の導電性無機物質の形態は特に限定されるものではなく、たとえば繊維状あるいは粒子状で用いられるが、ガス透過性の点から繊維状導電性無機物質（無機導電性繊維）であって、特に炭素繊維が好ましい。無機導電性繊維を用いた拡散層基材としては、織布あるいは不織布いずれの構造のものも使用することができ、カーボンペーパーやカーボンクロスなどを挙げることができる。

また、集電層はアノード側、カソード側の触媒層から電子を集める電極の役割を果たすものであり、導電性材料である、白金、パラジウム、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、金、銀、銅及びこれらの化合物または合金、導電性炭素材料などから形成できる。

上記する本発明の燃料電池の電極体構造によれば、触媒層と保護フィルムの層厚の関係を見直し、かつ、双方の接触形態を改良しただけの簡易な構造変更により、電極面に均一かつ十分な（設計所期の）面圧を作用させることが可能となる。

また、本発明による燃料電池の好ましい実施の形態は、前記セルがスタッキングされた際に、触媒層と保護フィルムが同じ厚みとなっているものである。

燃料電池セルにスタッキングされた際の圧縮力が作用すると、本発明の燃料電池の電極体の構造では、相対的に厚みの厚い触媒層の全面に圧縮力が作用して該触媒層が所定量だけ潰される。本実施の形態は、所定量潰された際の触媒層の厚みが保護フィルムの厚み相当になった姿勢で燃料電池スタックが形成されるように、このスタッキング時の圧縮力と触媒層の層厚および剛性（弾性）が調整されるものである。

以上の説明から理解できるように、本発明の燃料電池によれば、触媒層に比して保護フィルムの厚みを相対的に薄くし、かつ、双方の端部同士を当接させた姿勢で電極体を形成しただけの極めて簡易な構造変更により、電極面に所期の面圧を面内均一に作用させることができ、燃料電池スタックの発電性能を向上させることができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明の燃料電池の膜電極接合体（ＭＥＡ）の縦断面図であり、図２は、図１のＭＥＡを具備する本発明の燃料電池の電極体（ＭＥＧＡ）の縦断面図である。

膜電極接合体１０は、電解質膜１とこれを挟持するカソード側の触媒層２およびアノード側の触媒層２’とから形成され、膜電極接合体１を挟持するカソード側のガス拡散層４およびアノード側のガス拡散層４’から電極体２０（ＭＥＧＡ）が形成される。

電解質膜１は、スルホン酸基やカルボニル基を持つフッ素系イオン交換膜、置換フェニレンオキサイドやスルホン化ポリアリールエーテルケトン、スルホン化ポリアリールエーテルスルホン、スルホン化フェニレンスルファイドなどの非フッ素系のポリマーなどから形成されている。

この電解質膜１に触媒層２，２’を形成する方法を概説する。この方法は、まず、不図示の容器にて、白金や白金合金等の触媒が担持された導電性担体（粒子状のカーボン担体など）と、ナフィオン（Ｎａｆｉｏｎ）（登録商標、デュポン社製）やフレミオン（Ｆｌｅｍｉｏｎ）（登録商標、旭硝子株式会社製）等の電解質と、エタノール、プロピレングリコールなどの分散溶媒（有機溶媒）と、を混合して触媒インクを生成し、生成された触媒インクを電解質膜１上に流し込み、不図示の塗工ブレードにて触媒インクを層状に引き伸ばして略均一な塗膜を形成し、これをたとえば温風乾燥させることにより、電解質膜１表面に、該電解質膜１よりも平面積の小さなカソード側の触媒層２を形成する。また、同様の方法により、アノード側の触媒層２’を電解質膜１の他方面に形成する。なお、電解質膜１上に触媒層２，２’を形成する方法はこの方法に限定されるものではなく、スプレー塗工や熱転写などの従来公知の形成方法が適用できる。

次に、触媒層２，２’の周縁であって、電解質膜１の表面に接着剤を介して保護フィルム３を接着する。この保護フィルム３は、ポリテトラフルオロエチレン、ＰＶＤＦ（二フッ化ポリビニル）、ポリエチレン、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリプロピレン、ポリエステル、ポリアミド、コポリアミド、ポリアミドエラストマ、ポリイミド、ポリウレタン、ポリウレタンエラストマ、シリコーン、シリコンゴム、シリコンベースのエラストマのうちのいずれか一種から形成されるものである。さらに、接着剤は、エポキシド、シリコーン、ポリウレタン、アクリル樹脂、イソシアネート、フェノール樹脂、ポリアミド樹脂およびポリエステル樹脂などからなる有機ポリマー素材のいずれか一種を使用できる。

図１で示すように、膜電極接合体１０を構成する保護フィルム３の厚み：ｔ３は、触媒層２，２’の厚み：ｔ４よりも薄くなっており、かつ、保護フィルム３と触媒層２，２’双方の端面同士が当接した姿勢で一体に形成されている。

図２で示すように、この膜電極接合体１０のカソード側およびアノード側にガス拡散層４，４’を熱圧着することにより、燃料電池セルの電極体２０（ＭＥＧＡ）が形成される。

ここで、このガス拡散層４，４’はそれぞれ、集電層４ａ，４ａ’と拡散層基材４ｂ、４ｂ’とが接着して構成されたものであり、図２で示す電極体２０において、電解質膜１とその両側の保護フィルム３，３の一部が側方へ張出した姿勢となっている。

この拡散層基材４ｂ、４ｂ’は、カーボンペーパーやカーボンクロスからなり、その表面がポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ、商品名テフロン）によってコーティングされ、撥水処理が施されている。

この膜電極接合体１０とガス拡散層４，４’の熱圧着は、たとえば２枚の圧縮板の間にこれらを位置決めし、１３０℃程度の高温雰囲気下で１〜３ＭＰａ程度の圧縮力を作用させておこなわれる。

図３は、図２で示す電極体２０を備えた燃料電池セル３０を示したものである。

まず、電極体２０を不図示の成形型に移載し、熱硬化性樹脂もしくは熱硬化性樹脂を成形型内に射出成形することにより、電極体２０の両端に樹脂製のガスケット５，５を形成する。

次いで、電極体２０のアノード側およびカソード側のガス拡散層４，４’をガス流路が形成されたセパレータ６，６にて挟持することにより、燃料電池セル３０が形成される。なお、セパレータは図示例に限定されるものではなく、３層構造でその内部に冷却水の蛇行流路を形成するための多数のディンプルを備えたフラットタイプのセパレータであってもよい。

実際の燃料電池は、所望する発電量に応じて図示する燃料電池セル３０が所定段積層されて燃料電池スタックが形成される。さらに、この燃料電池スタックは、最外側にエンドプレート、テンションプレート等を備え、両端のテンションプレート間に圧縮力が加えられて燃料電池が形成される。

電気自動車等に車載される燃料電池システムは、この燃料電池と、水素ガスや空気を収容する各種タンク、これらのガスを燃料電池に提供するためのブロア、燃料電池を冷却するためのラジエータ、燃料電池で生成された電力を蓄電するバッテリ、この電力で駆動する駆動モータ等から大略構成されるものである。

スタッキング時の圧縮力が電極体２０に作用することにより、当初は図２のごとく、保護フィルム３に比して相対的に厚みの厚い触媒層２，２’が押し潰され、図３で示すように、双方の厚みが同程度となった姿勢で燃料電池スタックが形成される。

上記する燃料電池セル３０が所定数積層されてなる燃料電池スタックによれば、各燃料電池セル３０において、電極体２０の電極面の全面に、所期の圧縮力が均一に作用しており、したがって、発電性能に優れた燃料電池が形成できる。

以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。

本発明の燃料電池の膜電極接合体（ＭＥＡ）の縦断面図である。 図１のＭＥＡを具備する本発明の燃料電池の電極体（ＭＥＧＡ）の縦断面図である。 図２の電極体を具備する燃料電池セルの縦断面図である。 従来の燃料電池の電極体（ＭＥＧＡ）の一実施の形態の縦断面図である。 従来の燃料電池の電極体（ＭＥＧＡ）の他の実施の形態の縦断面図である。 図６の電極体のカソード側端部を拡大した図であって、圧縮力が作用している状態を示した模式図である。

符号の説明

１…電解質膜、２…（カソード側）触媒層、２’…（カソード側）集電層、３…保護フィルム、４ａ，４ａ’…集電層、４ｂ、４ｂ’…拡散層基材、４，４’…ガス拡散層（ＧＤＬ）、５…ガスケット、６…セパレータ、１０…膜電極接合体（ＭＥＡ）、２０…電極体（ＭＥＧＡ）、３０…燃料電池セル

Claims (2)

1. 電解質膜と、該電解質膜を挟持するとともに電解質膜よりも狭小な平面積のアノード側、カソード側の触媒層と、からなる膜電極接合体と、電解質膜と触媒層の端部の双方に当接する保護フィルムと、膜電極接合体および保護フィルムを挟持するアノード側、カソード側のガス拡散層と、から電極体が形成され、これをセパレータが挟持してセルを成し、セルが積層されてなる燃料電池において、
   電解質膜上の触媒層の厚みよりも保護フィルムの厚みが薄くなっており、かつ、保護フィルムと触媒層がラップせずに双方の端部同士が当接している、燃料電池。
2. 前記セルがスタッキングされた際に、触媒層と保護フィルムが同じ厚みとなっている、請求項１に記載の燃料電池。
   

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