JP2017098164A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】発電性能の低下が抑制された燃料電池を提供することを課題とする。
【解決手段】膜電極ガス拡散層接合体と、前記膜電極ガス拡散層接合体を挟持する一対のセパレータと、前記一対のセパレータに挟持された絶縁部材と、電解質膜の一方の面の周縁領域を覆って周縁領域と絶縁部材とを接着した接着剤と、を備え、カソードガス拡散層は、アノードガス拡散層よりも薄厚であり、カソード触媒層は、電解質膜の平面方向で、アノード触媒層からはみ出さないように設けられ、接着剤には、絶縁性であり、前記接着剤が硬化する温度よりも高い融点を有し、径が１５μｍ以上の粒子が複数含まれている。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池に関する。

特許文献１には、電解質膜の周縁領域を露出するようにアノード触媒層及びアノードガス拡散層が設けられ、この電解質膜の周縁領域に絶縁部材が接着され、電解質膜を介して絶縁部材とは逆側にカソード触媒及びカソード触媒層が設けられている燃料電池が開示されている。

特開２０１５−１２５９２６号公報

特許文献１の燃料電池では、電解質膜の周縁領域において、カソード触媒層は存在しているがアノード触媒層が存在していない。この領域では、カソード側で電気化学反応が生じる一方、アノード側ではカソード側での電気化学反応に必要なプロトンが供給されずに、アノード側で水素欠乏状態となるおそれがある。水素欠乏状態になると、電位の異常により電解質膜が損傷を受ける可能性がある。これにより、発電性能が低下する可能性がある。

上記の問題を解消するために、カソード触媒層をアノード触媒層よりも小さくすることが考えられる。この場合、電解質膜の周縁領域では、カソード触媒層もアノード触媒層も存在しないことになるが、電解質膜を支持する必要があるため、カソードガス拡散層が電解質膜の周縁領域を直接支持することになる。しかしながらこの構成の場合、カソード触媒層もアノード触媒層の何れも設けられていない電解質膜の周縁領域に、カソードガス拡散層の表面の繊維が突き刺さり、クロスリークが生じる可能性がある。これによっても発電性能が低下する可能性がある。

また、カソードガス拡散層は、生成水によってガスの拡散抵抗が増大しやすく、特にカソードガス拡散層が肉厚だと、更に拡散抵抗が増大して、発電性能が低下する可能性がある。

そこで、本発明は、発電性能の低下が抑制された燃料電池を提供することを目的とする。

上記目的は、電解質膜、前記電解質膜の一方の面に前記電解質膜の周縁領域を露出するように形成されたアノード触媒層、前記電解質膜の他方の面に前記電解質膜の平面方向で前記アノード触媒層からはみ出さないように設けられたカソード触媒層、前記電解質膜の前記周縁領域を露出するように前記アノード触媒層に接合されたアノードガス拡散層、前記電解質膜の平面方向で前記アノード触媒層及びカソード触媒層からはみ出すようにして前記カソード触媒層に接合されたカソードガス拡散層、を含む膜電極ガス拡散層接合体と、前記膜電極ガス拡散層接合体を挟持する一対のセパレータと、前記一対のセパレータに挟持された絶縁部材と、前記電解質膜の前記一方の面の前記周縁領域を覆って前記周縁領域と前記絶縁部材とを接着した接着剤と、を備え、前記カソードガス拡散層は、前記アノードガス拡散層よりも薄厚であり、前記カソード触媒層は、前記電解質膜の平面方向で、前記アノード触媒層からはみ出さないように設けられ、前記接着剤には、絶縁性であり、前記接着剤が硬化する温度よりも高い融点を有し、径が１５μｍ以上である粒子が複数含まれている、燃料電池によって達成できる。

発電性能の低下が抑制された燃料電池を提供できる。

図１は、燃料電池セルである単セルの分解斜視図である。 図２は、単セルが複数積層された燃料電池の部分断面図である。

図１は、燃料電池セルである単セル６０の分解斜視図である。燃料電池は、単セル６０が複数積層されることで構成される。この燃料電池は、反応ガスとして燃料ガス（例えば水素）と酸化剤ガス（例えば酸素）の供給を受けて発電する固体高分子型燃料電池である。単セル６０は、膜電極ガス拡散層接合体２０（以下、ＭＥＧＡ（Membrane Electrode Gas diffusion layer Assembly）と称する）と、ＭＥＧＡ２０を挟持するアノード側セパレータ３３ａ及びカソード側セパレータ３３ｃ（以下、セパレータと称する）とを含む。ＭＥＧＡ２０は、アノードガス拡散層２２ａ及びカソードガス拡散層２２ｃ（以下、拡散層と称する）を有している。ＭＥＧＡ２０の周縁領域には、詳しくは後述するが、枠状の絶縁部材４０が設けられている。

セパレータ３３ｃの２つの短辺の一方側には孔ｃ１〜ｃ３が形成され、他方側には孔ｃ４〜ｃ６が形成されている。同様に、セパレータ３３ａの２つの短辺の一方側には孔ａ１〜ａ３が形成され、他方側には孔ａ４〜ａ６が形成されている。絶縁部材４０の２つの短辺の一方側には孔ｓ１〜ｓ３が形成され、他方側には孔ｓ４〜ｓ６が形成されている。孔ａ１、ｓ１、及びｃ１は連通してアノード入口マニホールドを画定する。同様に、孔ａ２、ｓ２、及びｃ２は、冷媒出口マニホールドを、孔ａ３、ｓ３、及びｃ３はカソード出口マニホールドを、孔ａ４、ｓ４、及びｃ４はカソード入口マニホールドを、孔ａ５、ｓ５、及びｃ５は冷媒入口マニホールドを、孔ａ６、ｓ６、及びｃ６はアノード出口マニホールドを画定する。

ＭＥＧＡ２０に対向するセパレータ３３ａの面には、アノード入口マニホールドとアノード出口マニホールドとを連通して燃料ガスが流れるアノード流路３４ａが形成されている。ＭＥＧＡ２０に対向するセパレータ３３ｃの面には、カソード入口マニホールドとカソード出口マニホールドとを連通して酸化剤ガスが流れるカソード流路３４ｃが形成されている。セパレータ３３ａのアノード流路３４ａとは反対側の面、及びセパレータ３３ｃのカソード流路３４ｃとは反対側の面には、冷媒入口マニホールドと冷媒出口マニホールドとを連通し冷媒が流れる冷媒流路３５ａ及び３５ｃがそれぞれ形成されている。

図２は、単セル６０が複数積層された燃料電池１の部分断面図である。尚、図２では、一つの単セル６０のみを図示し、その他の単セルについては省略してある。ＭＥＧＡ２０は、上述した拡散層２２ａ及び２２ｃと、膜電極接合体（以下、ＭＥＡと称する）１０とを含む。ＭＥＡ１０は、電解質膜１１と、電解質膜１１の一方の面及び他方の面のそれぞれに形成されたアノード触媒層１２ａ及びカソード触媒層１２ｃ（以下、触媒層と称する）とを含む。電解質膜１１は、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す固体高分子薄膜であり、例えばフッ素系のイオン交換膜である。電解質膜１１は、周縁領域１１ｅと、周縁領域１１ｅに囲まれた中央領域１１ｃとを有している。

触媒層１２ａは、電解質膜１１の一方の面（図２において、上側の面）の中央領域１１ｃに形成され、周縁領域１１ｅには形成されていない。触媒層１２ｃは、上述したように電解質膜１１の他方の面（図２において、下側の面）に形成され、電解質膜１１の平面方向で触媒層１２ａよりもはみ出さない大きさに形成されている。従って、触媒層１２ａ及び１２ｃは、共に周縁領域１１ｅには形成されていない。触媒層１２ａ及び１２ｃは、例えば白金（Ｐｔ）などを担持したカーボン担体とプロトン伝導性を有するアイオノマとを、電解質膜１１の所定の領域に塗布することにより形成される。

拡散層２２ａ及び２２ｃは、ガス透過性及び導電性を有する材料、例えば炭素繊維や黒鉛繊維などの多孔質の繊維基材で形成されている。拡散層２２ａは、触媒層１２ａに接合されており、触媒層１２ａの端部よりもやや内側に位置するか又は略揃う位置に設けられている。このように、触媒層１２ａ及び拡散層２２ａは、電解質膜１１の一方の面の周縁領域１１ｅを露出するように設けられている。従って、ＭＥＧＡ２０の周縁部には、図２に示すように段部２５が形成される。拡散層２２ｃは、電解質膜１１の平面方向に前記触媒層１２ａ及び１２ｃからはみ出すようにして触媒層１２ｃに接合されており、電解質膜１１の他方の面の周縁領域１１ｅに接触し、電解質膜１１の端部に略揃うように設けられている。従って、拡散層２２ｃは、電解質膜１１の中央領域１１ｃ及び周縁領域１１ｅを含む略全面を支持し、このためＭＥＡ１０は安定して支持されている。

絶縁部材４０は、クロスリークや触媒電極同士の電気的短絡を防ぐための部材であり、枠状であり樹脂製である。絶縁部材４０は、基材４１と、基材４１の両面のそれぞれの外周縁側に設けられた接着層４２とを含む。基材４１は、枠状であり樹脂製である。基材４１の一方側の面に設けられた接着層４２はセパレータ３３ａと接着し、基材４１の他方側の面に設けられた接着層４２はセパレータ３３ｃと接着している。このため、絶縁部材４０の外周縁側は一対のセパレータ３３ａ及び３３ｃにより挟持されている。接着層４２は、熱可塑性樹脂である。

セパレータ３３ａ及び３３ｃの外周部よりも内側に位置する絶縁部材４０の内周縁側は、接着剤５０により電解質膜１１の一方の面の周縁領域１１ｅに接着されている。接着剤５０は、例えば熱硬化性樹脂であるが、紫外線硬化性樹脂であってもよい。接着剤５０には、絶縁性であり、接着剤５０が硬化する温度よりも高い融点を有し、径が１５μｍ以上の粒子５２が複数含まれている。この粒子５２は、接着剤５０が硬化する温度よりも高い融点を有しているため、接着剤５０が熱硬化性樹脂の場合での絶縁部材４０と電解質膜１１の周縁領域１１ｅとの熱圧着時の高温環境下でも、粒子５２は溶融しない。また、接着剤５０が紫外線硬化樹脂の場合には、接着剤５０は常温で紫外線の照射により硬化するため、粒子５２は溶融しない。接着剤５０に含まれる粒子５２としては、例えば酸化ジルコニウム（ＺｉＯ_２）であるがこれに限定されず、ポリアミドイミド、ポリエーテルスルホン、エポキシ、ジビニルベンゼン等を主成分とする樹脂製であってもよい。接着剤５０は、電解質膜１１の一方の面の周縁領域１１ｅを覆って周縁領域１１ｅと絶縁部材４０とを接着した接着剤の一例である。

セパレータ３３ａ及び３３ｃは、ＭＥＧＡ２０及び絶縁部材４０を狭持している。セパレータ３３ａ及び３３ｃは、ガス遮断性及び導電性を有する材料によって形成され、プレス成形されたステンレス鋼や、チタンやチタン合金といった金属によって形成される薄板状部材、又は緻密質カーボン等のカーボン製部材によって形成してもよい。セパレータ３３ａ及び３３ｃは、ＭＥＧＡ２０を挟持した一対のセパレータの一例である。

上述したように、触媒層１２ｃは、電解質膜１１の平面方向で触媒層１２ａからはみ出さない程度の大きさである。このため、アノード側で水素欠乏状態となることが回避され、電解質膜１１が損傷を受けることが回避されている。これにより、燃料電池１の発電性能の低下が抑制されている。

また、上述したように拡散層２２ｃは、触媒層１２ｃを介さずに電解質膜１１の他方の面の周縁領域１１ｅに接触している。このため、拡散層２２ｃの表面の繊維が電解質膜１１の周縁領域１１ｅを突き刺して、電解質膜１１に貫通孔が形成される可能性がある。この場合、アノード側とカソード側とが連通してクロスリークが発生する可能性がある。しかしながら、本実施例では電解質膜１１の一方の面の周縁領域１１ｅは、接着剤５０で覆われており、上述したように接着剤５０には径が１５μｍ以上の粒子５２が複数含まれている。このため、周縁領域１１ｅ上での接着剤５０の厚みは、１５μｍ未満になることが抑制されている。これにより、拡散層２２ｃの表面の繊維が電解質膜１１の周縁領域１１ｅを突き刺して貫通孔が形成されたとしても、接着剤５０まで貫通することは抑制される。従って、クロスリークの発生が抑制され、燃料電池１の発電効率の低下が抑制されている。尚、接着剤５０に含まれる粒子５２の径は例えば１５μｍ〜３０μｍである。

また、絶縁部材４０と電解質膜１１の周縁領域１１ｅとを接着している接着剤５０が、拡散層２２ｃの繊維による電解質膜１１の周縁領域１１ｅの貫通を防止しているため、別部材によりこのような貫通を防止する場合と比較して部品点数及び製造コストの増大を抑制しつつ、燃料電池１の発電効率の低下が抑制されている。

また、図２に示すように、拡散層２２ｃは、拡散層２２ａよりも薄く形成されている。これにより、カソードガスの拡散抵抗の増大が抑制され、燃料電池１の発電性能の低下が抑制されている。

また、本実施例とは異なり、電解質膜に対して絶縁部材とカソード触媒層及びカソードガス拡散層とが同じ側に設けられており、電解質膜を介して絶縁部材とは反対側にアノード触媒層及びアノードガス拡散層が設けられた燃料電池が知られている。このような構成で、本実施例と同様にカソードガスの拡散抵抗の増大を抑制するために、薄肉のカソードガス拡散層を採用することが考えられるが、以下のような問題が生じる可能性がある。

薄肉のカソードガス拡散層を採用することにより、カソード触媒層及びカソードガス拡散層との合計の厚みが絶縁部材より薄くなる場合がある。また、絶縁部材は、取り扱いの容易性やクロスリークの防止の観点からは剛性を有していたほうがよく、剛性を確保するために絶縁部材を薄くするには一定の限界がある。従って、薄肉のカソードガス拡散層を採用すると、カソード触媒層及びカソードガス拡散層との合計の厚みが絶縁部材より薄くなる場合が多い。このような場合には、一対のセパレータによってカソードガス拡散層及びアノードガス拡散層の両側から充分な面圧を付与できない可能性がある。これにより、カソードガス拡散層とカソード触媒層との間の接触抵抗と、アノードガス拡散層とアノード触媒層との接触抵抗とが増大して、発電性能が低下する可能性がある。

しかしながら、本実施例では上述したように、電解質膜１１を介して絶縁部材４０と反対側に拡散層２２ｃが設けられている。このため、絶縁部材４０の厚みを考慮することなく、拡散層２２ａ及び２２ｃの両側から充分な面圧を付与しつつ、薄肉の拡散層２２ｃを採用することができる。尚、拡散層２２ｃは、絶縁部材４０よりも薄くてもよい。

上記実施例では、絶縁部材４０は、基材４１の表面に熱可塑性樹脂である接着層４２が設けられたものを例示したがこれに限定されない。例えば、基材４１の両面の、セパレータ３３ａ及び３３ｃに挟持される部分に、熱硬化性樹脂を塗布して、セパレータ３３ａ及び３３ｃと共に基材４１を熱圧着したものであってもよい。

また、絶縁部材は、表面に接着層が設けられておらず絶縁性を有し枠状の基材と、この基材の表面のガスシールが必要な箇所に予め貼り付けされたゴム製のガスケットと、を備えたものであってもよい。このような絶縁部材の基材の内縁部を、ＭＥＧＡ２０の電解質膜１１の周縁領域１１ｅに接着して、ガスケットをセパレータ３３ａ及び３３ｃで挟持するように構成してもよい。

以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形、変更が可能である。

１ 燃料電池
１１ 電解質膜
１１ｅ 周縁領域
１１ｃ 中央領域
１２ａ アノード触媒層
１２ｃ カソード触媒層
２０ 膜電極ガス拡散層接合体
２２ａ アノードガス拡散層
２２ｃ カソードガス拡散層
３３ａ アノードセパレータ
３３ｃ カソードセパレータ
４０ 絶縁部材
５０ 接着剤
６０ 単セル

Claims (1)

1. 電解質膜、前記電解質膜の一方の面に前記電解質膜の周縁領域を露出するように形成されたアノード触媒層、前記電解質膜の他方の面に前記電解質膜の平面方向で前記アノード触媒層からはみ出さないように設けられたカソード触媒層、前記電解質膜の前記周縁領域を露出するように前記アノード触媒層に接合されたアノードガス拡散層、前記電解質膜の平面方向で前記アノード触媒層及びカソード触媒層からはみ出すようにして前記カソード触媒層に接合されたカソードガス拡散層、を含む膜電極ガス拡散層接合体と、
   前記膜電極ガス拡散層接合体を挟持する一対のセパレータと、
   前記一対のセパレータに挟持された絶縁部材と、
   前記電解質膜の前記一方の面の前記周縁領域を覆って前記周縁領域と前記絶縁部材とを接着した接着剤と、を備え、
   前記カソードガス拡散層は、前記アノードガス拡散層よりも薄厚であり、
   前記カソード触媒層は、前記電解質膜の平面方向で、前記アノード触媒層からはみ出さないように設けられ、
   前記接着剤には、絶縁性であり、前記接着剤が硬化する温度よりも高い融点を有し、径が１５μｍ以上である粒子が複数含まれている、燃料電池。

Images