JP2011138657A - 固体高分子型燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で、固体高分子電解質膜に集中荷重が付与されることを抑制し、前記固体高分子電解質膜の損傷を可及的に阻止することを可能にする。
【解決手段】燃料電池を構成する電解質膜・電極構造体１２は、固体高分子電解質膜１８と、前記固体高分子電解質膜１８を挟持するアノード側電極２０及びカソード側電極２２とを備える。アノード側電極２０は、固体高分子電解質膜１８の一方の面１８ａに当接し、且つ前記固体高分子電解質膜１８の外周を額縁状に露呈させる第１電極触媒層２０ａ及び第１ガス拡散層２０ｂを設ける。カソード側電極２２は固体高分子電解質膜１８の他方の面１８ｂに当接する第２電極触媒層２２ａ及び第２ガス拡散層２２ｂを設ける。第１電極触媒層２０ａ及び第２電極触媒層２２ａは、端部側に向かって厚さ方向の寸法が小さく設定される先細り形状部２０ａａ、２２ａａを設ける。
【選択図】図３

Description

本発明は、固体高分子電解質膜の一方の面に第１電極が、他方の面に第２電極が、配設される電解質膜・電極構造体を有する固体高分子型燃料電池に関する。

一般的に、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる固体高分子電解質膜を採用している。この燃料電池は、固体高分子電解質膜の両側に、それぞれ触媒層（電極触媒層）とガス拡散層（多孔質カーボン）とからなるアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持している。通常、この燃料電池を所定数だけ積層した燃料電池スタックが、例えば、車載用として使用されている。

この種の固体高分子型燃料電池としては、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池が知られている。この特許文献１では、特に薄膜状の固体高分子電解質膜の保護を高めることにより、小型化を図ることができる燃料電池を提供することを目的としている。

図１０に示すように、上記の燃料電池を構成する膜・電極構造体１は、固体高分子電解質膜２と、この固体高分子電解質膜２を挟んで配設されるアノード側ガス拡散電極層３及びカソード側ガス拡散電極層４とを有している。アノード側ガス拡散電極層３及びカソード側ガス拡散電極層４には、それぞれ触媒層３ａ、４ａとガス拡散層３ｂ、４ｂとが形成されるとともに、前記触媒層３ａ、４ａが固体高分子電解質膜２の両面にそれぞれ当接している。

アノード側ガス拡散電極層３の触媒層３ａと、カソード側ガス拡散電極層４の触媒層４ａとの平面的な大きさがそれぞれ異なっており、それぞれの触媒層３ａ、４ａの端面位置をずらして設置されている。これにより、固体高分子電解質膜２に接触するそれぞれの触媒層３ａ、４ａの端面からの応力が一カ所に集中しないで、前記固体高分子電解質膜２の両面から分散することができるため、該固体高分子電解質膜２に応力を集中するのを防ぐことができる、としている。

特開２００３−６８３２３号公報

ところで、上記の燃料電池では、固体高分子電解質膜２の両面に触媒層３ａ、４ａが塗布された後、多孔質カーボンクロス又は多孔質カーボンペーパーで形成されたガス拡散層３ｂ、４ｂが、プレスにより一体化されている。

その際、プレス圧力及び熱により、特に触媒層３ａ、４ａの端部３ａ１、４ａ１に集中荷重が作用し、前記端部３ａ１、４ａ１が固体高分子電解質膜２内に入り込んでしまうおそれがある。これにより、固体高分子電解質膜２の厚さが減少するという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単な構成で、固体高分子電解質膜に集中荷重が付与されることを抑制し、前記固体高分子電解質膜の損傷を可及的に阻止することが可能な固体高分子型燃料電池を提供することを目的とする。

本発明は、固体高分子電解質膜の一方の面に第１電極が、他方の面に第２電極が、配設される電解質膜・電極構造体を有する固体高分子型燃料電池に関するものである。

第１電極は、固体高分子電解質膜の一方の面に設けられる第１電極触媒層と、前記第１電極触媒層に積層される第１ガス拡散層とを備えるとともに、第２電極は、前記固体高分子電解質膜の他方の面に設けられる第２電極触媒層と、前記第２電極触媒層に積層される第２ガス拡散層とを備えている。そして、第１電極触媒層及び第２電極触媒層の端部には、固体高分子電解質膜に対向する面とは反対の面が前記固体高分子電解質膜側に向かって傾斜することにより、厚さ方向の寸法が小さくなる先細り形状部が設けられている。

また、この固体高分子型燃料電池は、第１電極の外周端部の位置と第２電極の外周端部の位置とは、積層方向に対して互いにずれて設定されることが好ましい。

本発明によれば、第１電極触媒層及び第２電極触媒層の端部には、固体高分子電解質膜側に向かって厚さが小さくなる先細り形状部が設けられている。このため、固体高分子電解質膜の両面に、第１電極触媒層及び第２電極触媒層に積層して第１ガス拡散層及び第２ガス拡散層がプレス（圧着）される際、前記第１電極触媒層の端部及び前記第２電極触媒層の端部に荷重が集中することがない。

これにより、簡単な構成で、固体高分子電解質膜に集中荷重が付与されることを抑制し、前記固体高分子電解質膜が損傷することを可及的に阻止することが可能になる。

本発明の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視説明図である。 前記燃料電池の、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面説明図である。 前記燃料電池を構成する電解質膜・電極構造体の一部断面説明図である。 前記電解質膜・電極構造体の製造工程の平面説明図である。 前記電解質膜・電極構造体の製造工程に使用されるトリミング工具の概略説明図である。 前記トリミング工具により作業の説明図である。 前記電解質膜・電極構造体の製造工程の説明図である。 比較例の前記電解質膜・電極構造体の接合状態説明図である。 本実施形態の前記電解質膜・電極構造体の接合状態説明図である。 特許文献１に開示された膜・電極構造体の説明図である。

図１及び図２に示すように、本発明の実施形態に係る固体高分子型燃料電池１０は、電解質膜・電極構造体１２と、この電解質膜・電極構造体１２を挟持する第１及び第２セパレータ１４、１６とを備える。第１及び第２セパレータ１４、１６は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属板や、カーボン部材等で構成されている。

電解質膜・電極構造体１２は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜１８と、前記固体高分子電解質膜１８を挟持するアノード側電極（第１電極）２０及びカソード側電極（第２電極）２２とを備える。アノード側電極２０は、カソード側電極２２よりも小さな表面積を有する。なお、アノード側電極２０とカソード側電極２２とは、同一の表面積に設定されていてもよい。

図３に示すように、アノード側電極２０は、固体高分子電解質膜１８の一方の面１８ａに当接し、且つ前記固体高分子電解質膜１８の外周を額縁状に露呈させる第１電極触媒層２０ａ及び第１ガス拡散層２０ｂを設ける。第１ガス拡散層２０ｂは、カーボンペーパ等からなり、前記第１ガス拡散層２０ｂの表面に白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が一様に塗布されて第１電極触媒層２０ａが形成される。

カソード側電極２２は、上記のアノード側電極２０と同様に、固体高分子電解質膜１８の他方の面１８ｂに当接する第２電極触媒層２２ａ及び第２ガス拡散層２２ｂを設ける。なお、第１及び第２電極触媒層２０ａ、２２ａは、複数の層から構成してもよい。

第２ガス拡散層２２ｂの平面は、第１ガス拡散層２０ｂの平面よりも大きく設定されるとともに、前記第２ガス拡散層２２ｂは、第２電極触媒層２２ａの外周から突出して固体高分子電解質膜１８の他方の面１８ｂ全体を覆う。

第１電極触媒層２０ａ及び第２電極触媒層２２ａの端部には、固体高分子電解質膜１８に対向する面とは反対側の面が前記固体高分子電解質膜側に向かって傾斜することにより、厚さ方向の寸法が小さく設定される先細り形状部２０ａａ、２２ａａが全周にわたって設けられる。先細り形状部２０ａａは、先細り形状部２２ａａよりも固体高分子電解質膜１８の面方向外側全周にわたって距離Ｈだけ突出した位置に設定される。

第１電極触媒層２０ａの外周から突出する第１ガス拡散層２０ｂと、固体高分子電解質膜１８との間には、接着層２６ａが設けられる。第２電極触媒層２２ａの外周から突出する第２ガス拡散層２２ｂと、固体高分子電解質膜１８との間には、接着層２６ｂが設けられる。接着層２６ａ、２６ｂは、例えば、フッ素系接着剤を用いることができる。

図１に示すように、燃料電池１０の矢印Ｂ方向（図１中、水平方向）の一端縁部には、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔３０ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔３２ａ及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔３４ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。

燃料電池１０の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔３４ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔３２ｂ及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔３０ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。

第２セパレータ１６の電解質膜・電極構造体１２に向かう面１６ａには、酸化剤ガス入口連通孔３０ａと酸化剤ガス出口連通孔３０ｂとに連通する酸化剤ガス流路３６が設けられる。

第１セパレータ１４の電解質膜・電極構造体１２に向かう面１４ａには、燃料ガス入口連通孔３４ａと燃料ガス出口連通孔３４ｂとに連通する燃料ガス流路３８が形成される。第１セパレータ１４の面１４ｂと第２セパレータ１６の面１６ｂとの間には、冷却媒体入口連通孔３２ａと冷却媒体出口連通孔３２ｂとに連通する冷却媒体流路４０が形成される。

図１及び図２に示すように、第１セパレータ１４の面１４ａ、１４ｂには、この第１セパレータ１４の外周端部を周回して、第１シール部材４２が一体化されるとともに、第２セパレータ１６の面１６ａ、１６ｂには、この第２セパレータ１６の外周端部を周回して、第２シール部材４４が一体化される。

図２に示すように、第１シール部材４２は、電解質膜・電極構造体１２の外部に露呈する固体高分子電解質膜１８に当接する第１凸状シール４２ａと、第１セパレータ１４と第２セパレータ１６との間に介装される第２凸状シール４２ｂとを有する。第２シール部材４４は、平面シールを構成する。なお、第２凸状シール４２ｂに代えて、第２シール部材４４に凸状シール（図示せず）を設けてもよい。

第１及び第２シール部材４２、４４には、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材が用いられる。

図１に示すように、第１セパレータ１４には、燃料ガス入口連通孔３４ａを燃料ガス流路３８に連通する供給孔部４６と、前記燃料ガス流路３８を燃料ガス出口連通孔３４ｂに連通する排出孔部４８とが形成される。

このように構成される燃料電池１０において、電解質膜・電極構造体１２を製造する方法について以下に説明する。

先ず、図４に示すように、固体高分子電解質膜１８が長方形状に作製された後、この固体高分子電解質膜１８の両面１８ａ、１８ｂには、触媒ペーストを塗布することにより、第１電極触媒層２０ａ及び第２電極触媒層２２ａが形成される。第１及び第２電極触媒層２０ａ、２２ａは、例えば、イオン導電性バインダと、Ｐｔを担持したカーボン粒子からなる触媒粒子とを、一定の割合で混合して触媒ペーストを作成する。さらに、この触媒ペーストを固体高分子電解質膜２６の両面にスクリーン印刷した後、前記触媒ペーストを乾燥させることにより形成される。

次いで、図５及び図６に示すように、トリミング工具６０により、第１電極触媒層２０ａ及び第２電極触媒層２２ａの端部加工が行われる。このトリミング工具６０は、保持部６２を有するとともに、前記保持部６２に一体の刃部６４は、水平面（固体高分子電解質膜１８の面１８ａ、１８ｂに平行な面）に対して角度α゜だけ傾斜する。角度α゜は、２０゜〜７５゜の範囲内に設定されることが好ましい。

そこで、トリミング工具６０は、固体高分子電解質膜１８上を、図４中、矢印Ｄ方向に沿って移動される。このため、図６に示すように、トリミング工具６０の刃部６４は、第１電極触媒層２０ａの先端側をトリミング加工し、前記第１電極触媒層２０ａの外周全周にわたって先細り形状部２０ａａを形成する。

同様に、トリミング工具６０の刃部６４は、第２電極触媒層２２ａの先端側をトリミング加工する。従って、第２電極触媒層２２ａの外周全周にわたって先細り形状部２２ａａが形成される。

次に、第１及び第２ガス拡散層２０ｂ、２２ｂが作製される。具体的には、カーボンブラックとＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）粒子との混合物を、エチレングリコールに均一に分散させたスラリーが形成される。このスラリーは、図７に示すように、カーボンペーパ７０ａ、７０ｂの平坦面に塗布、乾燥されて下地層７２ａ、７２ｂが形成されることにより、第１及び第２ガス拡散層２０ｂ、２２ｂが形成される。

さらに、第１及び第２ガス拡散層２０ｂ、２２ｂは、下地層７２ａ、７２ｂ側の面に接着剤７４ａ、７４ｂがスクリーン印刷により塗布された後、固体高分子電解質膜１８の両面を挟持する。この状態で、ホットプレスを行うことにより、第１及び第２ガス拡散層２０ｂ、２２ｂが固体高分子電解質膜１８に一体化された電解質膜・電極構造体１２が製造される（図３参照）。

この場合、本実施形態では、第１電極触媒層２０ａ及び第２電極触媒層２２ａの端部には、固体高分子電解質膜１８側に向かって厚さ方向の寸法が小さくなる先細り形状部２０ａａ、２２ａａを設けている。このため、固体高分子電解質膜１８の両面に、第１電極触媒層２０ａ及び第２電極触媒層２２ａに積層して第１ガス拡散層２０ｂ及び第２ガス拡散層２２ｂがプレス（圧着）される際、前記第１電極触媒層２０ａの端部及び前記第２電極触媒層２２ａの端部に荷重が集中することがない。

具体的に、第１電極触媒層２０ａに先細り形状部２０ａａが設けられない比較例の電解質膜・電極構造体１２ａでは、図８に示すように、固体高分子電解質膜１８の面に前記第１電極触媒層２０ａに積層して第１ガス拡散層２０ｂがプレスされる際、前記第１電極触媒層２０ａの端部が前記固体高分子電解質膜１８内に入り込んでしまう。このため、固体高分子電解質膜１８は、初期の厚さｈ１に対して、厚さｈ２まで薄肉化した。実際上、厚さｈ２／厚さｈ１＝０．６程度に厚さが減少した。

これに対して、第１電極触媒層２０ａに先細り形状部２０ａａが設けられた本実施形態では、図９に示すように、固体高分子電解質膜１８の面に前記第１電極触媒層２０ａに積層して第１ガス拡散層２０ｂがプレスされる際、前記固体高分子電解質膜１８の厚さが変化することがなかった。

これにより、本実施形態では、簡単な構成で、固体高分子電解質膜１８に集中荷重が付与されることを抑制し、前記固体高分子電解質膜１８が損傷することを可及的に阻止することが可能になるという効果が得られる。

しかも、先細り形状部２２ａａは、固体高分子電解質膜１８側に向かって厚さ方向の寸法が小さく設定されている。このため、トリミング工具６０等の簡単な工具を用いて、先細り形状部２２ａａを容易且つ迅速に形成することができ、作業性の効率化が遂行可能になる。その上、第１電極触媒層２０ａは、固体高分子電解質膜１８に全面が固着されるため、前記固体高分子電解質膜１８から剥離されることを良好に抑制される。

なお、本実施形態では、第１及び第２電極触媒層２０ａ、２２ａに、テーパ形状の先細り形状部２０ａａ、２２ａａが設けられているが、これに限定されるものではない。例えば、断面円弧形状、断面湾曲形状、断面放物線形状等、種々の形状の先細り形状部を用いることができる。

このように構成される燃料電池１０の動作について、以下に説明する。

先ず、図１に示すように、酸化剤ガス入口連通孔３０ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔３４ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔３２ａに純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。

このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔３０ａから第２セパレータ１６の酸化剤ガス流路３６に導入され、矢印Ｂ方向に移動して電解質膜・電極構造体１２のカソード側電極２２に供給される。一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔３４ａから供給孔部４６を通って第１セパレータ１４の燃料ガス流路３８に導入される。燃料ガスは、燃料ガス流路３８に沿って矢印Ｂ方向に移動し、電解質膜・電極構造体１２のアノード側電極２０に供給される。

従って、各電解質膜・電極構造体１２では、カソード側電極２２に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極２０に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費されて発電が行われる。

次いで、カソード側電極２２に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。同様に、アノード側電極２０に供給されて消費された燃料ガスは、排出孔部４８を通り燃料ガス出口連通孔３４ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。

また、冷却媒体入口連通孔３２ａに供給された冷却媒体は、第１セパレータ１４と第２セパレータ１６との間の冷却媒体流路４０に導入された後、矢印Ｂ方向に流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体１２を冷却した後、冷却媒体出口連通孔３２ｂから排出される。

１０…燃料電池 １２…電解質膜・電極構造体
１４、１６…セパレータ １８…固体高分子電解質膜
２０…アノード側電極 ２０ａ、２２ａ…電極触媒層
２０ａａ、２２ａａ…先細り形状部 ２０ｂ、２２ｂ…ガス拡散層
２２…カソード側電極 ２６ａ、２６ｂ…接着層
３６…酸化剤ガス流路 ３８…燃料ガス流路
４０…冷却媒体流路 ６０…トリミング工具

Claims (2)

1. 固体高分子電解質膜の一方の面に第１電極が、他方の面に第２電極が、配設される電解質膜・電極構造体を有する固体高分子型燃料電池であって、
   前記第１電極は、前記固体高分子電解質膜の一方の面に設けられる第１電極触媒層と、
   前記第１電極触媒層に積層される第１ガス拡散層と、
   を備えるとともに、
   前記第２電極は、前記固体高分子電解質膜の他方の面に設けられる第２電極触媒層と、
   前記第２電極触媒層に積層される第２ガス拡散層と、
   を備え、
   前記第１電極触媒層及び前記第２電極触媒層の端部には、前記固体高分子電解質膜に対向する面との反対側の面が前記固体高分子電解質膜側に向かって傾斜することにより、厚さ方向の寸法が小さくなる先細り形状部が設けられることを特徴とする固体高分子型燃料電池。
2. 請求項１記載の固体高分子型燃料電池において、前記第１電極の外周端部の位置と前記第２電極の外周端部の位置とは、積層方向に対し互いにずれて設定されること特徴とする固体高分子型燃料電池。

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