JP5002890B2

JP5002890B2 - 燃料電池

Info

Publication number: JP5002890B2
Application number: JP2004358877A
Authority: JP
Inventors: 雄彦広瀬
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-12-10
Filing date: 2004-12-10
Publication date: 2012-08-15
Anticipated expiration: 2024-12-10
Also published as: JP2006164920A

Description

本発明は、燃料電池に関し、特に、発電性能を低下させることなく耐久性を向上させることが可能な燃料電池に関する。

燃料電池は、電解質と、当該電解質の両側に配置される電極（アノード及びカソード）とを備える膜電極接合体（以下において、「ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）」と記述する。）における電気化学反応により発生した電気エネルギーを、このＭＥＡの両側に配設されるセパレータを介して外部に取り出している。燃料電池の中でも、家庭用コージェネレーション・システムや自動車等に使用される固体高分子型燃料電池（以下において、「ＰＥＦＣ（Polymer Electrolyte Fuel Cell）」と記述する。）は、低温領域での運転が可能であり、８０〜１００℃等の運転温度で使用されるのが一般的である。また、ＰＥＦＣは、３０〜４０％の高いエネルギー変換効率を示し、起動時間が短く、かつシステムが小型軽量であることから、電気自動車や携帯用電源の最適な動力源として注目されている。

ＰＥＦＣのユニットセルは、パーフルオロカーボンスルホン酸膜等により構成される電解質膜、少なくとも触媒層を備えるアノード電極及びカソード電極、並びに、セパレータを含んでいる。ＰＥＦＣのアノード電極には水素を含む反応ガスが供給されるとともに、カソード電極には酸素を含む反応ガスが供給され、これらの反応ガス、並びに、触媒層中に含まれる触媒（例えば、Ｐｔ等）及び電解質成分により形成される三相界面において電気化学反応が起こる。かかる電気化学反応により、ＰＥＦＣのユニットセルでは、例えば０．７Ｖ程度の起電力を得ることが可能になる。しかし、かかる低起電力では電気自動車等の動力源として不十分であるため、通常は、ユニットセルを直列に積層した積層体の積層方向両端にエンドプレート等を配置して構成されるスタック形態の燃料電池が使用されている。

他方、燃料電池の発電時にユニットセル内で過酸化水素が生成され、この過酸化水素から生成されるＯＨラジカルが起点となってＭＥＡの高分子電解質を劣化させていることが明らかになりつつある。かかる劣化は、燃料電池の耐久性低下や発電性能低下の一因となるため、ＭＥＡ内の過酸化水素を低減することで上記劣化を抑制し、燃料電池の耐久性及び発電性能を向上させることが望まれている。

特許文献１には、ＭＥＡ内の過酸化水素を低減するため、Ｐｔを担持した担体にＣｅＯ_２を担持させて成ることを特徴とする燃料電池用カソード触媒に関する技術が開示されている。この触媒を用いることで、カソードにおける酸素の還元反応速度を上昇させることが可能になる、とされている。
特開２００３−１００３０８号公報

しかし、特許文献１に開示されている技術により十分な過酸化水素低減効果を得るためには、ＣｅＯ_２及びＰｔを担持させた触媒を触媒層内に均等に分散させる必要があり、大量のＣｅＯ_２が必要になる。大量のＣｅＯ_２を分散させると、触媒層中における三相界面が相対的に減少するため、燃料電池の発電性能が低下するという問題があった。

そこで本発明は、発電性能を低下させることなく耐久性を向上させることが可能な燃料電池を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段をとる。すなわち、
請求項１に記載の発明は、電解質膜、並びに、当該電解質膜の両側に配設されるアノード及びカソードを備える接合体と、接合体の外側に配設されるセパレータとを備え、アノード及びカソードは、少なくとも触媒層を備え、セパレータの接合体側の面に凸部が備えられている、燃料電池であって、過酸化水素分解性能を有する金属元素の単体及び／又は当該金属元素を含む化合物が、セパレータの凸部のうち接合体に接する部位の全部若しくは一部、及び／又は、接合体を構成する層の表面であって、接合体とセパレータとの積層方向から見て、凸部に重なる部位の全部若しくは一部、に備えられており、少なくとも、セパレータの一の前記凸部と他の凸部との間に形成される溝部の全部、及び、接合体を構成する層の表面であって、接合体とセパレータとの積層方向から見て、溝部に重なる部位の全部には、金属元素の単体及び／又は該金属元素を含む化合物が備えられていないことを特徴とする、燃料電池により、上記課題を解決する。

ここに、本発明において、過酸化水素分解性能を有する金属元素の単体及び／又は当該金属元素を含む化合物とは、過酸化水素分解性能を有するイオンを溶出させ得る金属元素の単体及び／又は当該金属元素を含む化合物をも含む概念である。かかる金属元素の具体例としては、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｃｅ、Ｒｂ、Ｃｏ、Ｉｒ、Ａｇ、Ａｕ、Ｒｈ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ａｌ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｏｓ等を挙げることができる。また、化合物の具体例としては、酸化物やリン酸化物等を挙げることができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の燃料電池において、過酸化水素分解性能を有する金属元素単体及び／又は当該金属元素を含む化合物が、電解質膜の表面、アノードの表面、若しくはカソードの表面であって、接合体とセパレータとの積層方向から見て、凸部に重なる部位、又は、セパレータの凸部のうち接合体に接する部位、の少なくとも１以上の部位の全部若しくは一部に備えられていることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の燃料電池において、過酸化水素分解性能を有する金属元素単体及び／又は当該金属元素を含む化合物は、カソードの表面であって、接合体とセパレータとの積層方向から見てセパレータの凸部に重なる部位の全部若しくは一部、及び／又は、該カソードを押圧すべきセパレータの凸部のうちカソードに接する部位の全部若しくは一部に備えられていることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池において、過酸化水素分解性能を有する金属元素を含む化合物は、酸化セリウム及び／又はリン酸セリウムであることを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、セパレータの凸部のうち接合体に接する部位、及び／又は、接合体を構成する層の表面であって、接合体とセパレータとの積層方向から見て、セパレータの凸部に重なる部位（以下において、「セパレータの凸部近傍」と記述することがある。）に、過酸化水素分解性能を有する金属元素の単体及び／又は当該金属元素を含む化合物（以下において、これらを単に「過酸化水素分解物質」と記述することがある。）が備えられている。ここに、セパレータの凸部近傍では液滴の水が滞留しやすく、また、接合体の当該凸部近傍はセパレータの凸部によって押圧されているため、劣化しやすい。一方で、過酸化水素は、水の存在下で、ＭＥＡの電解質成分を劣化させるＯＨラジカルを生成する。そのため、劣化しやすい上記凸部近傍に、過酸化水素分解物質が備えられていれば、ＭＥＡの劣化を抑制することが可能になり、燃料電池の耐久性を向上させることが可能になる。また、本発明によれば、上記凸部近傍に過酸化水素分解物質が選択的に備えられるため、燃料電池内において必要とされる過酸化水素分解物質の量を、従来よりも低減することが可能になり、当該過酸化水素分解物質に起因する三相界面の減少を抑制することが可能になる。したがって、請求項１に記載の発明によれば、発電性能を低下させることなく耐久性を向上させることが可能な、燃料電池を提供することが可能になる。

請求項２に記載の発明によれば、電解質膜の表面、アノードの表面、若しくはカソードの表面であって、接合体とセパレータとの積層方向から見て、セパレータの凸部に重なる部位、又は、セパレータの凸部のうち接合体に接する部位、の少なくとも１以上の部位の全部若しくは一部に過酸化水素分解物質が備えられている。ユニットセル内にて生成される生成水が滞留しやすく、ＯＨラジカルが生成されやすい上記部位に過酸化水素分解物質が備えられる構成とすることで、発電性能を低下させることなく耐久性を効果的に向上させることが可能な、燃料電池を提供することが可能になる。

請求項３に記載の発明によれば、カソードの表面であって、接合体とセパレータとの積層方向から見てセパレータの凸部に重なる部位の全部若しくは一部、及び／又は、該カソードを押圧すべきセパレータの凸部のうちカソードに接する部位の全部若しくは一部に、過酸化水素分解物質が備えられている。カソードの電気化学反応により生成された水（水蒸気）は、冷却媒体により冷却されているカソード側のセパレータに触れることにより、結露して液滴の水となる。そのため、特に、上記凸部によって押圧されている接合体のカソードでは、液滴の水が生成されやすい。他方、かかる水の存在下では、過酸化水素から生成されるＯＨラジカルによって電解質成分が劣化しやすいことが知られているほか、上記水の存在下では、過酸化水素分解物質から過酸化水素分解性能を有する金属イオンを容易に溶出させることが可能になる。そのため、上記部位に過酸化水素分解物質が備えられる構成とすれば、上記金属イオンにより過酸化水素を効果的に分解することが可能になり、電解質成分の劣化を効果的に抑制することが可能になる。したがって、請求項３に記載の発明によれば、発電性能を低下させることなく耐久性を一層効果的に向上させることが可能な、燃料電池を提供することが可能になる。
なお、本発明において過酸化水素分解物質が備えられ得る部位は、上記接合体のカソード及び／又はカソードを押圧すべきセパレータ凸部のみに限定されるものではなく、アノードを押圧すべきセパレータ凸部や、当該凸部によって押圧される接合体のアノードに過酸化水素分解物質が備えられていても良い。アノード側のこれらの部位に過酸化水素分解物質が備えられる構成とすれば、カソードからの移動水中の過酸化水素を分解し、電解質膜の劣化を抑制することが可能になる。

請求項４に記載の発明によれば、過酸化水素分解性能を有する金属元素Ｃｅを含む化合物である、酸化セリウム及び／又はリン酸セリウムが、燃料電池に備えられている。酸化セリウム及びリン酸セリウムは、燃料電池内の環境においてＣｅイオンを溶出させることが可能であり、かかるＣｅイオンは効果的に過酸化水素を分解し得る物質である。そのため、請求項４に記載の発明によれば、発電性能を低下させることなく耐久性をより一層効果的に向上させることが可能な、燃料電池を提供することが可能になる。

以下に図面を参照しつつ、本発明の燃料電池についてさらに具体的に説明する。

図１は、第１実施形態にかかる本発明の燃料電池を概略的に示す断面図である。図１において、図の左右方向が接合体及びセパレータの積層方向である。
図示のように、第１実施形態にかかる本発明の燃料電池１００は、電解質膜１１、並びに、当該電解質膜１１の両側に配設されるアノード１２及びカソード１３を備える接合体１５、を備え、接合体１５の外側には、セパレータ２１、２２が配設されている。上記アノード１２は、アノード触媒層１２ａ及びアノード拡散層１２ｂを備える一方、上記カソード１３は、カソード触媒層１３ａ及びカソード拡散層１３ｂを備え、ＭＥＡ１４は、電解質膜１１、並びに、アノード触媒層１２ａ及びカソード触媒層１３ａを備えている。アノード拡散層１２ｂ側に配設されているセパレータ２１には、当該拡散層１２ｂと対向する面に、水素含有ガス（以下において、「水素」と記述することがある。）が供給される流路としての溝部２１ａ、２１ａ、…が形成されており、凸部２１ｂ、２１ｂ、…はこれらの溝部２１ａ、２１ａ、…の間に位置している。さらに、セパレータ２１の、拡散層１２ｂと当接している面とは反対側の面に、冷却媒体流路２１ｃ、２１ｃ、…が形成されている。一方、カソード拡散層１３ｂ側に配設されているセパレータ２２には、当該拡散層１３ｂと対向する面に、酸素含有ガス（以下において、「酸素」と記述することがある。）が供給される流路としての溝部２２ａ、２２ａ、…が形成されている。これらの溝部２２ａ、２２ａ、…の間には、凸部２２ｂ、２２ｂ、…が位置しており、さらに、セパレータ２２の、拡散層１３ｂと当接している面とは反対側の面に、冷却媒体流路２２ｃ、２２ｃ、…が形成されている。そして、カソード側に配設されているセパレータの凸部２２ｂ、２２ｂ、…によって押圧されているカソード拡散層の部位１３ｘ、１３ｘ、…に、酸化セリウム（以下において、「ＣｅＯ_２」と記述する。）が、塗布されている。なお、特に断らない限り、以下の説明では、ＣｅＯ_２それ自体のほか、ＣｅＯ_２含有物質をも含む概念として、ＣｅＯ_２と表記する。さらに、被塗布面と対向する方向（図１では紙面右から左の方向）から上記部位１３ｘの一部を見た場合における、当該部位１３ｘの概略図である図８（Ａ）に示すように、上記各部位１３ｘ、１３ｘ、…のＣｅＯ_２は、格子状に塗布されているものとする。また、当該格子の大きさは、各１３ｘの部位の大きさより十分に小さいものとする。

図示の燃料電池１００において、アノード側の上記溝部２１ａ、２１ａ、…から供給される水素は、アノード拡散層１２ｂを介してアノード触媒層１２ａへと達し、当該触媒層１２ａ内の触媒上にて水素から電子と水素イオンとが生成される。そして、上記アノード触媒層１２ａにて発生した水素イオンは、電解質膜１１を通ってカソード触媒層１３ａへと到達する。一方、カソード側の上記溝部２２ａ、２２ａ、…から供給される酸素は、カソード拡散層１３ｂを介してカソード触媒層１３ａへと供給され、当該触媒層１３ａの触媒上において、水素イオン、酸素、及び電子が反応することにより水（水蒸気）が生成される。このようにして生成された水蒸気の一部は、溝部２２ａ、２２ａ、…内を流れるガスにより外部へと排出される一方、残りの一部は、流路２２ｃ、２２ｃ、…内を流れる媒体により冷却されているセパレータ２２の凸部２２ｂ、２２ｂ、…等に触れることにより、結露して液滴の水となる。かかる水の一部は、上記水蒸気と同様に、溝部２２ａ、２２ａ、…内を流れるガスにより外部へと排出され得るが、一般に、凸部２２ｂ、２２ｂ、…と当接している拡散層部位１３ｘ、１３ｘ、…に存在する水は、当該ガスによって持ち去られ難いことが知られている。そのため、部位１３ｘ、１３ｘ、…には、水が滞留しやすい。

一方、燃料電池１００の内部では、上記溝部２１ａ、２１ａ、…、２２ａ、２２ａ、…を介して供給される一部の水素と酸素とが反応して過酸化水素が生成され、さらに、水の存在下において、この過酸化水素からＯＨラジカルが生成される。すなわち、水が滞留しやすい上記部位１３ｘ、１３ｘ、…では、ＯＨラジカルが生成されやすく、このＯＨラジカルは、電解質膜１１や触媒層１２ａ、１３ａに含まれる電解質成分を劣化させる。

そこで、本発明にかかる燃料電池１００では、部位１３ｘ、１３ｘ、…に、過酸化水素分解性能を有するＣｅイオンを溶出させ得るＣｅＯ_２を備える形態としている。かかる形態とすることで、当該部位１３ｘ、１３ｘ、…において過酸化水素を効果的に分解することが可能になる。過酸化水素が分解されれば、ＯＨラジカルの生成量を低減することが可能になるため、電解質成分の劣化を抑制することが可能になる。すなわち、かかる構成とすることで、燃料電池１００の耐久性を向上させることが可能になる。

図２は、第２実施形態にかかる本発明の燃料電池を概略的に示す断面図である。図２において、図の左右方向が接合体及びセパレータの積層方向であり、図１と同じ構成を採る部位には図１にて使用した符号と同符号を付し、その詳細説明を省略する。

第２実施形態にかかる本発明の燃料電池２００は、カソード１３側に配設されているセパレータ２２の凸部２２ｂ、２２ｂ、…の表面２２ｘ、２２ｘ、…に、ＣｅＯ_２が塗布されている。なお、当該ＣｅＯ_２の塗布形態は、上記１３ｘ、１３ｘ、…と同様である。上述のように、凸部２２ｂ、２２ｂ、…によって押圧されているカソード拡散層１３ｂの部位では生成水が滞留しやすいため、生成水が滞留しやすい当該部位と当接している凸部表面２２ｘ、２２ｘ、…にＣｅＯ_２が塗布されていれば、上記生成水滞留部位において過酸化水素を効果的に分解することが可能になる。すなわち、かかる構成とすれば、ＯＨラジカルの生成量を低減することが可能になるため、燃料電池２００の耐久性を向上させることが可能になる。

図３は、第３実施形態にかかる本発明の燃料電池を概略的に示す断面図である。図３において、図の左右方向が接合体及びセパレータの積層方向であり、図１と同じ構成を採る部位には図１にて使用した符号と同符号を付し、その詳細説明を省略する。

第３実施形態にかかる本発明の燃料電池３００は、カソード触媒層１３ａの電解質膜１１側の部位１３ｙ、１３ｙ、…に、ＣｅＯ_２が塗布されており、部位１３ｙ、１３ｙ、…は、カソード拡散層１３ｂ及びカソード触媒層１３ａを介して、カソード１３側に配設されているセパレータ２２の凸部２２ｂ、２２ｂ、…によって押圧されている。なお、当該ＣｅＯ_２の塗布形態は、上記１３ｘ、１３ｘ、…と同様である。かかる形態の燃料電池３００とすれば、ＣｅＯ_２から溶出されるＣｅイオンにより、電解質膜１１とカソード触媒層１３ａとの界面に存在する過酸化水素を効果的に分解することが可能になる。上記界面の過酸化水素を分解できれば、当該界面にて生成されるＯＨラジカルの生成量を低減することが可能になるため、ＯＨラジカルによる電解質膜１１の劣化を効果的に抑制することが可能になる。したがって、かかる構成の燃料電池３００によっても、耐久性を向上させることが可能になる。なお、本実施形態において、上記部位１３ｙ、１３ｙ、…の面積は、第１実施形態にかかる部位１３ｘ、１３ｘ、…の面積と略同一とする。

図４は、第４実施形態にかかる本発明の燃料電池を概略的に示す断面図である。図４において、図の左右方向が接合体及びセパレータの積層方向であり、図１と同じ構成を採る部位には図１にて使用した符号と同符号を付し、その詳細説明を省略する。

第４実施形態にかかる本発明の燃料電池４００は、カソード拡散層１３ｂのカソード触媒層１３ａ側の部位１３ｚ、１３ｚ、…に、ＣｅＯ_２が格子状に塗布されており、部位１３ｚ、１３ｚ、…は、カソード拡散層１３ｂを介して、セパレータ２２の凸部２２ｂ、２２ｂ、…によって押圧されている。なお、当該ＣｅＯ_２の塗布形態は、上記１３ｘ、１３ｘ、…と同様である。かかる形態の燃料電池４００とすれば、ＣｅＯ_２から溶出されるＣｅイオンにより、カソード１３内の拡散層と触媒層との界面に存在する過酸化水素を効果的に分解することが可能になる。したがって、上記実施形態にかかる燃料電池１００、２００、３００の場合と以下同様にして、かかる構成の燃料電池４００によっても、耐久性を向上させることが可能になる。なお、本実施形態において、上記部位１３ｚ、１３ｚ、…の面積は、第１実施形態にかかる部位１３ｘ、１３ｘ、…の面積と略同一とする。

図５は、第５実施形態にかかる本発明の燃料電池を概略的に示す断面図である。図５において、図の左右方向が接合体及びセパレータの積層方向であり、図１及び図３と同じ構成を採る部位には図１及び図３にて使用した符号と同符号を付し、その詳細説明を省略する。

第５実施形態にかかる本発明の燃料電池５００は、カソード拡散層の上記部位１３ｘ、１３ｘ、…、及び、カソード触媒層の上記部位１３ｙ、１３ｙ、…に、上記実施形態にかかる塗布形態と同様の形態で、ＣｅＯ_２が塗布されている。かかる形態の燃料電池５００とすれば、カソード１３に存在する過酸化水素をより効果的に分解することが可能になる。したがって、かかる構成の燃料電池５００によっても、耐久性を向上させることが可能になる。

図６は、第６実施形態にかかる本発明の燃料電池を概略的に示す断面図である。図６において、図の左右方向が接合体及びセパレータの積層方向であり、図１と同じ構成を採る部位には図１にて使用した符号と同符号を付し、その詳細説明を省略する。

第６実施形態にかかる本発明の燃料電池６００は、カソード拡散層の上記部位１３ｘ、１３ｘ、…に、上記実施形態にかかる塗布形態と同様の形態で、ＣｅＯ_２が塗布されており、さらに、アノード１２側に配設されているセパレータ２１の凸部２１ｂ、２１ｂ、…によって押圧されるアノード拡散層の部位１２ｘ、１２ｘ、…にも、ＣｅＯ_２が同様の形態で塗布されている。かかる形態の燃料電池６００とすれば、カソード１３に存在する過酸化水素のみならず、アノード１２に存在する過酸化水素をも効果的に分解することが可能になる。したがって、かかる構成の燃料電池６００によっても、耐久性を向上させることが可能になる。

図７は、第７実施形態にかかる本発明の燃料電池を概略的に示す断面図である。図７において、図の左右方向が接合体及びセパレータの積層方向であり、図６と同じ構成を採る部位には図６にて使用した符号と同符号を付し、その詳細説明を省略する。

第７実施形態にかかる本発明の燃料電池７００は、上記部位１３ｘ、１３ｘ、…及び１２ｘ、１２ｘ、…に加え、アノード触媒層１２ａの電解質膜１１側の部位１２ｙ、１２ｙ、…に、上記実施形態にかかる塗布形態と同様の形態で、ＣｅＯ_２が塗布されている。そして、部位１２ｙ、１２ｙ、…は、アノード拡散層１２ｂ及びアノード触媒層１２ａを介して、アノード１２側に配設されているセパレータ２１の凸部２１ａ、２１ａ、…によって押圧されている。かかる形態の燃料電池７００とすれば、カソード１３及びアノード１２に存在する過酸化水素を一層効果的に分解することが可能になる。したがって、かかる構成の燃料電池７００によっても、耐久性を向上させることが可能になる。なお、本実施形態において、上記部位１２ｙ、１２ｙ、…の面積は、第６実施形態にかかる部位１２ｘ、１２ｘ、…の面積と略同一とする。

上記説明では、様々な部位にＣｅＯ_２が塗布されている燃料電池について記述したが、本発明にかかる燃料電池においてＣｅＯ_２が塗布され得る部位は上記実施形態にかかる部位のみに限定されるものではなく、燃料電池が発電可能な形態で塗布される限り、電解質膜、アノード側に配設されているセパレータにおけるアノード拡散層側の凸部表面、及び／又は、当該凸部表面によって押圧されているアノード触媒層の部位等に塗布されていても良い。ここに、十分な過酸化水素分解効果を得るという観点からは、上記部位１３ｙ、１３ｙ、…及び／又は１２ｙ、１２ｙ、…に塗布されている燃料電池とすることが好ましく、過酸化水素分解物質を容易に塗布し得るという観点からは、上記部位１３ｘ、１３ｘ、…及び／又は１２ｘ、１２ｘ、…やセパレータの凸部に塗布されている燃料電池とすることが好ましい。

また、上記説明では、図８（Ａ）に示すように、ＣｅＯ_２が格子状に塗布されている形態について記述したが、本発明にかかる塗布形態は当該形態に限定されるものではなく、燃料電池の発電性能や耐久性向上効果等を総合的に勘案して適当な形態とすることができる。セパレータの凸部や当該凸部に当接している部位等、燃料電池の発電性能に大きな影響を及ぼす部位に、燃料電池の発電性能を低下させる虞を有する形態で過酸化水素分解物質を塗布する場合には、上記格子状のほか、ドット状等の形態で塗布することが好ましい。かかる形態で塗布することにより、発電性能の低下を抑制しつつ過酸化水素を分解することが可能な、燃料電池とすることが可能になる。図８に塗布形態の具体例を概略的に示す。

図８（Ａ）は、被塗布面に格子状に塗布されたＣｅＯ_２の一部を、図８（Ｂ）は、ドット状に塗布されたＣｅＯ_２の一部を、それぞれ概略的に示す、被塗布面と対向する方向から見た正面図である。一方で、図８（Ｃ）は、被塗布面の塗布すべき部位の全面に亘って塗布された、導電性を有するＣｅＯ_２含有物質を、図８（Ａ）及び（Ｂ）と同様の方向から概略的に示す正面図である。図８（Ａ）〜（Ｃ）において、黒色部位は、塗布されたＣｅＯ_２（又はＣｅＯ_２含有物質）を、白色部位は、当該物質が塗布される被塗布面を、それぞれ表している。また、図８（Ａ）及び（Ｂ）において、格子及びドットの大きさは、ＣｅＯ_２を塗布すべき部位の大きさよりも十分に小さいものとする。
優れた導電性を有する物質（例えば、導電性樹脂等）にＣｅＯ_２を混入する等の方法により、過酸化水素分解性能と良好な導電性とを兼ね備える形態で塗布することが可能な場合には、図８（Ｃ）のような形態で上記過酸化水素分解物質を塗布しても良い。

さらに、セパレータの凸部以外の部位にＣｅＯ_２が塗布されている形態に関する上記説明では、セパレータの凸部と略同一面積を有する部位にＣｅＯ_２が塗布されている形態について記述したが、本発明にかかる塗布形態は、被塗布面が、塗布されない部位を有する形態であれば、当該形態に限定されるものではない。本発明では、上記凸部よりも大きな部位（例えば、上記各凸部よりも一回り程度大きい各部位等）に塗布されていても良く、当該凸部よりも小さい部位（例えば、上記各凸部の半分程度の大きさの各部位等）に塗布されていても良い。ここに、上記塗布されない部位を有する形態の具体例としては、上記実施形態のように、セパレータの溝部及び当該溝部と対向する接合体部位にＣｅＯ_２が塗布されない形態を挙げることができる。また、塗布されたＣｅＯ_２によって形成される塗布層の厚みは、全て同一であっても良く、塗布部位によって差が設けられていても良い。

加えて、本発明において、ＣｅＯ_２を塗布する際の方法は、ＣｅＯ_２塗布層を燃料電池内に形成し得る形態であれば、特に限定されるものではない。本発明にかかる塗布方法の具体例としては、刷毛等を用いて塗布する方法のほか、スクリーン印刷やシルク印刷等を挙げることができる。

また、上記説明では、便宜上、塗布されたＣｅＯ_２を備える形態について記述したが、本発明にかかる燃料電池に上記ＣｅＯ_２層を形成させる方法は、塗布に限定されるものではなく、過酸化水素分解性能を発揮し得る形態で当該層が形成されていれば、他の方法で形成されていても良い。

さらに、上記説明では、ＣｅＯ_２が備えられている形態の燃料電池について説明したが、本発明にかかる燃料電池に備えられ得る過酸化水素分解物質はＣｅＯ_２に限定されるものではなく、リン酸セリウム等、他の物質及び／又は当該他の物質を含有する物質が備えられていても良い。本発明にかかる燃料電池に備えられ得る過酸化水素分解物質の具体例としては、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｃｅ、Ｒｂ、Ｃｏ、Ｉｒ、Ａｇ、Ａｕ、Ｒｈ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ａｌ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｏｓ等の金属元素単体、及び／又は当該金属元素を含む化合物を挙げることができる。

なお、上記説明では、便宜上、セパレータに反応ガス流路が形成されている形態の燃料電池について記述したが、本発明にかかる燃料電池は、当該形態に限定されるものではなく、セパレータの接合体側の面に凸部が備えられていれば、他の形態のセパレータを備える燃料電池とすることも可能である。

第１実施形態にかかる本発明の燃料電池を概略的に示す断面図である。第２実施形態にかかる本発明の燃料電池を概略的に示す断面図である。第３実施形態にかかる本発明の燃料電池を概略的に示す断面図である。第４実施形態にかかる本発明の燃料電池を概略的に示す断面図である。第５実施形態にかかる本発明の燃料電池を概略的に示す断面図である。第６実施形態にかかる本発明の燃料電池を概略的に示す断面図である。第７実施形態にかかる本発明の燃料電池を概略的に示す断面図である。塗布形態の具体例を示す概略図である。

符号の説明

１１電解質膜
１２アノード
１２ａアノード触媒層
１２ｂアノード拡散層
１２ｘ、１３ｘ、１３ｙ、１３ｚセパレータの凸部によって押圧されている部位
１３カソード
１３ａカソード触媒層
１３ｂカソード拡散層
１４ＭＥＡ
１５接合体
２１、２２セパレータ
２１ａ、２２ａ溝部（反応ガス流路）
２１ｂ、２２ｂ凸部
１００燃料電池

Claims

電解質膜、並びに、該電解質膜の両側に配設されるアノード及びカソードを備える接合体と、該接合体の外側に配設されるセパレータとを備え、
前記アノード及びカソードは、少なくとも触媒層を備え、
前記セパレータの、前記接合体側の面に凸部が備えられている、燃料電池であって、
過酸化水素分解性能を有する金属元素の単体及び／又は該金属元素を含む化合物が、前記セパレータの凸部のうち前記接合体に接する部位の全部若しくは一部、及び／又は、前記接合体を構成する層の表面であって、前記接合体と前記セパレータとの積層方向から見て、前記凸部に重なる部位の全部若しくは一部、に備えられており、
少なくとも、前記セパレータの凸部と他の前記凸部との間に形成される溝部の全部、及び、前記接合体を構成する層の表面であって、前記接合体と前記セパレータとの積層方向から見て、前記溝部に重なる部位の全部には、前記金属元素の単体及び／又は該金属元素を含む前記化合物が備えられていないことを特徴とする、燃料電池。
過酸化水素分解性能を有する前記金属元素単体及び／又は該金属元素を含む前記化合物が、前記電解質膜の表面、前記アノードの表面、若しくは前記カソードの表面であって、前記接合体と前記セパレータとの積層方向から見て、前記凸部に重なる部位、又は、前記セパレータの凸部のうち前記接合体に接する部位、の少なくとも１以上の部位の全部若しくは一部に備えられていることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池。
過酸化水素分解性能を有する前記金属元素単体及び／又は該金属元素を含む前記化合物は、前記カソードの表面であって、前記接合体と前記セパレータとの積層方向から見て前記凸部に重なる部位の全部若しくは一部、及び／又は、該カソードを押圧すべき前記セパレータの凸部のうち前記カソードに接する部位の全部若しくは一部に備えられていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の燃料電池。
過酸化水素分解性能を有する金属元素を含む前記化合物は、酸化セリウム及び／又はリン酸セリウムであることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池。