JP5024386B2 - 燃料電池の単セル - Google Patents
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Description
H2 → 2H+ + 2e− …(1)
(1)式で生じる電子は、外部回路を経由し、外部の負荷で仕事をした後、カソード(酸化剤極)に到達する。そして、(1)式で生じたプロトンは、水和した状態で、固体高分子電解質膜内をアノード側からカソード側に、電気浸透により移動する。
2H+ + (1/2)O2 + 2e− → H2O …(2)
カソードで生成した水は、主としてガス拡散層を通り、外部へと排出される。このように、燃料電池は、水以外の排出物がなく、クリーンな発電装置である。
なお、図21(b)に示すように、上述した撥水層が存在しない単セルも知られている。
補強膜は、対峙しあう高分子電解質膜1の外周縁部とガス拡散層4又は5の外周縁部の間に介在する第一の部位16aのみ設けることは技術的に困難であることから、図23に示すように、実際には補強膜は前記アノード又はカソード触媒層の外周と重なる第二の部位16bも設けられている。したがって、前記補強膜の第二の部位16bが存在する領域における単セルの厚さ17bは、当該補強膜が存在しない中央部における当該単セルの厚さ17cと比較して厚くなっており、単セルに一定荷重をかけたときの単位面積当たりの荷重は、単セル中央部よりも前記補強膜の第二の部位16bが存在する領域の方が大きくなる。
また、前記補強膜の第一の部位16aが存在する領域における単セルの厚さ17aは、補強膜16の厚さが触媒層2又は触媒層3の厚さよりも厚い場合、前記厚さ17aは前記厚さ17cと比較して厚くなり、単セルに一定荷重をかけたときの単位面積当たりの荷重は、単セル中央部よりも前記補強膜の第一の部位16aが存在する領域の方が大きくなる。
その結果、複数の単セルをスタックして発電する際に、単セルの外周縁部の単位面積当たりの荷重が増大することにより、電解質膜にかかる力学的負荷が大きくなるという問題が生じた。また、発電において主要な働きをする単セルの中央部に十分な単位面積当たりの荷重がかからず、したがって設計通りの十分な発電を行うことができないという問題も共に生じた。
本発明は、電解質膜にかかる力学的負荷を抑え、単セルの中央部に十分な単位面積当たりの荷重をかけることで、設計通りの十分な発電を行うことができる燃料電池の単セル及びその製造方法を提供することを目的とする。
2…カソード触媒層
3…アノード触媒層
4,5…ガス拡散層
6…カソード電極
7…アノード電極
8…膜・電極接合体
9,10…セパレータ
11,12…ガス流路
13,14…撥水層
15…毛羽
16…補強膜
16a…補強膜の第一の部位
16b…補強膜の第二の部位
17a…補強膜の第一の部位16aが存在する領域における単セルの厚さ
17b…補強膜の第二の部位16bが存在する領域における単セルの厚さ
17c…補強膜が存在しない単セル中央部の厚さ
21…固体高分子電解質膜
22…触媒層
23…保護層
23a…保護層の第一の部位
23b…保護層の第二の部位
24…撥水層
24a…保護層の第一の部位23aが存在する領域における撥水層の厚さ
24b…保護層の第二の部位23bが存在する領域における撥水層の厚さ
24c…保護層が存在しない中央部における撥水層の厚さ
25…ガス拡散層
26a…保護層の第一の部位23aが存在する領域における膜・電極接合体の厚さ
26b…保護層の第二の部位23bが存在する領域における膜・電極接合体の厚さ
26c…保護層が存在しない中央部における膜・電極接合体の厚さ
27…多孔質層
27a…保護層の第一の部位23aが存在する領域における多孔質層27の厚さ
27b…保護層の第二の部位23bが存在する領域における多孔質層27の厚さ
27c…中央部における多孔質層27の厚さ
28a…保護層の第一の部位23aが存在する領域における積層体の厚さ
28b…保護層の第二の部位23bが存在する領域における積層体の厚さ
28c…中央部における積層体の厚さ
29…平板セパレータ
30a…保護層の第一の部位23aが存在する領域における単セルの厚さ
30b…保護層の第二の部位23bが存在する領域における単セルの厚さ
30c…保護層が存在しない中央部における単セルの厚さ
100…単セル
200…補強膜を設けた単セル
単セル内の発電に直接的または間接的に寄与する層の他に、新たに単セル厚さ調整層を加えてもよいが、単セル内の発電に直接的または間接的に寄与する層を単セル厚さ調整層とする方が好ましい。すなわち、単セル内の発電に直接的または間接的に寄与する層を、発電に影響を及ぼすことのない程度において部分的に削ったり、潰したり、面積を減らしたりすることによって、単セル全体の厚さを調整することが好ましい。
単セル厚さ調整層としては、具体的には、後述する撥水層、多孔質層等が挙げられる。
なお、一つの単セル内に一種類の単セル厚さ調整層のみを設けることに必ずしも限定されるわけではなく、一つの単セル内に複数種類の単セル厚さ調整層が設けられていてもよい。このように複数種類の単セル厚さ調整層が設けられる場合、各々の層が独立に本発明の効果を奏するように設置されていてもよいし、各々の層が協働して本発明の効果を奏するように設置されていてもよい。
触媒としては、通常、触媒成分を導電性粒子に担持させたものが用いられる。触媒成分としては、燃料極の燃料の酸化反応又は酸化剤極の酸化剤の還元反応に対して触媒活性を有しているものであれば、特に限定されず、固体高分子型燃料電池に一般的に用いられているものを使用することができる。例えば、白金、又はルテニウム、鉄、ニッケル、マンガン、コバルト、銅等の金属と白金との合金等を用いることができる。
触媒担体である導電性粒子としては、カーボンブラック等の炭素粒子や炭素繊維のような導電性炭素材料、金属粒子や金属繊維等の金属材料も用いることができる。導電性材料は、触媒層に導電性を付与するための導電性材料としての役割も担っている。
触媒インクの塗布量は、触媒インクの組成や、電極触媒に用いられる触媒金属の触媒性能等によって異なるが、単位面積当りの触媒成分量が、0.01〜2.0mg/cm2程度となるようにすればよい。また、触媒層の膜厚は、特に限定されないが、1〜50μm程度とすればよい。
保護層は、厚さが5〜100μmの膜であり、材料としては、シリコンゴム、EPDM、SBRゴム、フッ素ゴム等のゴム類や、ナフィオン(商品名)膜等に代表されるパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂のようなフッ素系高分子電解質を含むフッ素系高分子電解質膜、その他にもPENフィルム、PTFE、PET、ポリイミドフィルム、ポリプロピレンフィルム等を用いることができる。
図1は、電解質膜、触媒層及び保護層の位置関係の例を示す断面模式図である。なお、この図においては位置関係を明確に示すために、触媒層22、保護層23は断続して示されているが、同じ模様で示されている層は実際には連続した層をなしているものである。また、図の右側と左側に分かれて示されている保護層23は、実際には触媒層22の外周を取り巻く枠形状を有しており、したがってこれらも1つの連続した層をなしているものである。保護層23は、高分子電解質膜21の外周縁部が存在する領域のみに設けることは技術的に困難であることから、実際には前記保護層23の内周端部は触媒層22の外周とも重なって設けられている。
図1(a)〜(b)は、電解質膜21の片面に触媒層22及び保護層23を設けた例を示す図である。触媒層及び保護層を設ける順序は、(a)電解質膜21の片面に触媒層22を設けた後、保護層23を形成する、(b)電解質膜21の片面に保護層23を設けた後、触媒層22を形成する、の2通りがある。どちらの場合も、前記触媒層22と前記保護層23とが重なる部位を設けることになる。
図1(c)〜(e)は、電解質膜21の両面に触媒層22及び保護層23を設けた例を示す図である。触媒層及び保護層を設ける順序は、(c)電解質膜21の両面に触媒層22を設けた後、両面に保護層23を形成する、(d)電解質膜21の両面に保護層23を設けた後、両面に触媒層22を形成する、(e)電解質膜21の片面は(a)の順序で、もう一方の面は(b)の順序で触媒層22及び保護層23を形成する、の3通りがある。
なお、保護層23は絶縁性を有し、発電には関与しないという理由から、図1(f)〜(h)に示すように、両面が連続した構造を取っていてもよい。すなわち、(f)電解質膜21の両面に触媒層22を設けた後、両面に連続した保護層23を形成する、(g)電解質膜21の両面に連続した保護層23を設けた後、両面に触媒層22を形成する、(h)電解質膜21の片面に触媒層22を設けた後、両面に連続した保護層23を形成し、もう一方の面に触媒層22を設ける、の3通りである。
また、上述した触媒層の形成方法に記されている通り、ガス拡散層シート表面に触媒層を形成する手法等もあり、それらの手法を用いた際には、結果的に電解質膜、触媒層及び保護層の位置関係が図1(a)〜(h)のいずれかであればよい。
撥水層を導電性多孔質体上に形成する方法は特に限定されない。例えば、炭素粒子等の導電性粉粒体と撥水性樹脂、及び必要に応じてその他の成分を、エタノール、プロパノール、プロピレングリコール等の有機溶剤、水又はこれらの混合物等の溶剤と混合した撥水層インクを、導電性多孔質体の少なくとも触媒層に面する側に塗布し、その後、乾燥及び/又は焼成すればよい。撥水層の厚さは、通常、1〜50μm程度でよい。撥水層インクを導電性多孔質体に塗布する方法としては、例えば、スクリーン印刷法、スプレー法、ドクターブレード法、グラビア印刷法、ダイコート法等が挙げられる。
また、導電性多孔質体は、触媒層と面する側に、ポリテトラフルオロエチレン等の撥水性樹脂をバーコーター等によって含浸塗布することによって、触媒層内の水分がガス拡散層の外へ効率良く排出されるように加工されていてもよい。
上記したような方法によって触媒層を形成した電解質膜及びガス拡散層シートは、適宜、重ね併せて熱圧着等し、互いに接合することで、膜・電極接合体が得られる。
この時、多孔質層としては、発電時にガス拡散、電子導電及び吸排水の役割を果たすことから、チタンやニッケルからなる発泡焼結体等を用いることができる。これらは剛性が高く、高い面圧下でもガス拡散性を維持でき、ガス流路を有するセパレータと比較して面内均一に荷重をかけられる利点を有する。なお、この時用いる多孔質層としては、多孔度が60%以上であり、空孔径が10〜1000nm、及び厚さが50〜500μmである、チタンの発泡焼結体を用いるのが好ましい。これは、前記多孔質層が十分な多孔度及び空孔径を有しているため、発電時に十分な量の燃料ガス及び酸化剤ガスを供給することができるからである。なお、前記多孔度が70%以上であり、空孔径が20〜100nmであるのがより好ましく、さらに、前記多孔度が80%以上であり、空孔径が40〜80nmであるのが最も好ましい。
また、平板セパレータとしては、発電時に電子導電の役割を果たすことから、SUS、チタン材、カーボン等を用いることができる。特にチタン材等は耐食性が高く、燃料電池の性能低下を引き起こすイオン溶出が少ない。なお、この時用いる平板セパレータとしては、厚さが50〜800μmのチタン薄板を用いるのが好ましい。
図2に示すように、対峙しあう高分子電解質膜21の外周縁部とガス拡散層25の外周縁部の間に介在する第一の部位23a、及び、触媒層22の外周と重なる第二の部位23bを有する枠形状の保護層が設けられている。
また、保護層23が存在しない中央部において前記触媒層22と前記ガス拡散層25との間に介在する撥水層24が設けられ、且つ、前記保護層の第二の部位23bが存在する領域における膜・電極接合体の厚さ26bが、当該保護層23が存在しない中央部における膜・電極接合体の厚さ26c以下になるように、前記保護層の第二の部位が存在する領域における撥水層24の厚さ24bが、前記中央部における撥水層の厚さ24cよりも薄く形成されている。なお、厚さ24bが0である場合、すなわち、前記保護層の第二の部位が存在する領域における撥水層24が存在しない場合があってもよい。この場合、前記保護層の第二の部位23bが存在する領域だけでなく、第一の部位23aが存在する領域においても撥水層24は存在しない。
このような構成をとることにより、もう片方の面に同様に電極を設け、さらにセパレータを有した単セル完成時において、単セルをスタックした際に、電解質膜にかかる力学的負荷を抑えることができ、且つ、単セルの中央部に十分な単位面積当たりの荷重がかかり、設計通りの十分な発電を行うことができる。
なお、保護層の第二の部位23bが存在する領域においては、前記触媒層22と前記ガス拡散層25とはもともと前記保護層の第二の部位23bで分離されていることから、供給されるガスが前記触媒層22まで届くことはなく、それゆえ電極反応の生成物である水が発生することはない。したがって、上述した様に前記領域において撥水層の厚さを調節しても、完成した単セル全体における撥水性に関して悪影響を及ぼすことはない。
図3に示すように、前記撥水層は、前記保護層の第一の部位23a及び第二の部位23bが存在する領域における膜・電極接合体の厚さ26a及び26bが、当該保護層が存在しない中央部における膜・電極接合体の厚さ26c以下になるように、前記保護層の第一の部位23a及び第二の部位23bが存在する領域における厚さ24a及び24bが、それぞれ前記中央部における撥水層の厚さ24cよりも薄いことが好ましい。
なお、触媒層22の厚さが保護層23の厚さよりも厚いか又は厚さが略等しい時は、前記厚さ24aと前記厚さ24cは略等しくても構わない。それは、触媒層22の厚さが保護層23の厚さよりも厚いか又は厚さが略等しい時は、前記厚さ26aは自然と前記厚さ26c以下になり、したがって本発明の効果が得られるからである。また、前記厚さ24aと前記厚さ24b、及び前記厚さ26aと前記厚さ26bとは、それぞれ互いに独立した値である。
さらに、厚さ24aが0である場合、すなわち、前記保護層の第一の部位が存在する領域における撥水層24が存在しない場合があってもよい。
なお、保護層の第一の部位23aが存在する領域においては、触媒層が存在しないため電極反応に関与しないことから、生成物である水が発生することはない。それ故前記領域において、特に単セルの中央部よりも撥水層を厚く設ける必要はないことから、上述のように撥水層の厚さを調節しても、完成した単セル全体における撥水性に関して悪影響を及ぼすことはない。
図4に示すように、撥水層24は、前記保護層の第一の部位23a及び第二の部位23bが存在する領域において、存在しないことがより好ましい。このような構成をとることによって、前記保護層の第一の部位23a及び第二の部位23bが存在する領域における膜・電極接合体の厚さ26a及び26bが、当該保護層が存在しない中央部における膜・電極接合体の厚さ26c以下にすることができる。
なお上述したように、保護層の第一の部位23a及び第二の部位23bが存在する領域においては、撥水層を設ける必要はないことから、前記領域において撥水層を除去しても、完成した単セル全体における撥水性に関して悪影響を及ぼすことはない。
図5に示すように、対峙しあう高分子電解質膜21の外周縁部とガス拡散層25の外周縁部の間に介在する第一の部位23a、及び、触媒層22の外周と重なる第二の部位23bを有する枠形状の保護層が設けられている。
また、前記多孔質層27は、前記保護層の第二の部位23bが存在する領域における積層体の厚さ28bが、当該保護層23が存在しない中央部における積層体の厚さ28c以下になるように、前記保護層の第二の部位23bが存在する領域において、前記中央部における前記多孔質層の厚さ28cよりも薄く形成されている。すなわち、28b≦28cとなるように、27b<27cに設定されている。
このような構成をとることにより、もう片方の面に同様に電極を設け、さらにセパレータを有した単セル完成時において、単セルをスタックした際に、電解質膜にかかる力学的負荷を抑えることができ、且つ、単セルの中央部に十分な単位面積当たりの荷重がかかり、設計通りの十分な発電を行うことができる。
なお、保護層の第二の部位23bが存在する領域においては、前記触媒層22と前記ガス拡散層25とはもともと前記保護層の第二の部位23bで分離されていることから、供給されるガスが前記触媒層22まで届くことはなく、それ故、保護層の第二の部位23bが存在する領域においては、特に単セルの中央部よりも多孔質層を厚く設ける必要はない。したがって、上述したように多孔質層の厚さを調節しても、完成した単セル全体におけるガス供給性に関して悪影響を及ぼすことはない。
図6に示すように、前記保護層の第一の部位23a及び第二の部位23bが存在する領域における積層体の厚さ28a及び28bが、それぞれ当該保護層が存在しない中央部における積層体の厚さ28c以下になるように、前記保護層の第一の部位23a及び第二の部位23bが存在する領域における多孔質層の厚さ27a及び27bが、それぞれ前記中央部における多孔質層の厚さ27cよりも薄いことが好ましい。すなわち、28a≦28c且つ28b≦28cとなるように、27a<27c且つ27b<27cに設定されているのが好ましい。
なお、触媒層22の厚さが保護層23の厚さよりも厚いか又は厚さが略等しい時は、前記厚さ27aと前記厚さ27cは略等しくても構わない。それは、触媒層22の厚さが保護層23の厚さよりも厚いか又は厚さが略等しい時は、前記厚さ28aは自然と前記厚さ28c以下になり、したがって本発明の効果が得られるからである。また、前記厚さ27aと前記厚さ27b、及び前記厚さ28aと前記厚さ28bとは、それぞれ互いに独立した値である。
なお、保護層の第一の部位が存在する領域においては、触媒層が存在しないため電極反応に関与しない。それ故前記領域において、特に単セルの中央部よりも多孔質層を厚く設ける必要はないことから、上述したように多孔質層の厚さを調節しても、完成した単セル全体におけるガス供給性に関して悪影響を及ぼすことはない。
図7及び図8は、図2に示した撥水層の厚さの調節を、図1に示した例について応用した膜・電極接合体を示す断面模式図である。なお、これらの図においては図1同様、同じ模様で示されている層は実際には連続した層をなしているものである。
図7(a)〜(b)は、電解質膜21の片面に電極を設けた例を示す断面模式図である。図7(a)は図1(a)に、図7(b)は図1(b)に、それぞれ図2に示した厚さの調節を行った撥水層24と、ガス拡散層25とを設けたものであり、図7(a)と図2は、同一の例について示したものである。図7(c)〜(e)及び図8(a)〜(c)は、電解質膜21の両面に電極を設けた例を示す断面模式図である。図7(c)は図1(c)に、図7(d)は図1(d)に、図7(e)は図1(e)に、図8(a)は図1(f)に、図8(b)は図1(g)に、図8(c)は図1(h)に、それぞれ図2に示した厚さの調節を行った撥水層24と、ガス拡散層25とを設けたものである。
図7(a)〜(e)及び図8(a)〜(c)のいずれの場合も、前記保護層の第二の部位23bが存在する領域における膜・電極接合体の厚さ26bが、当該保護層23が存在しない中央部における膜・電極接合体の厚さ26c以下になっていることから、これらの膜・電極接合体を用いた単セルは、前記保護層23の第二の部位23bが存在する領域における単セルの厚さが、当該保護層23が存在しない中央部における当該単セルの厚さ以下になるという構成をとることができる。したがって、単セルをスタックした際に、電解質膜にかかる力学的負荷を抑えることができ、且つ、単セルの中央部に十分な単位面積当たりの荷重がかかり、設計通りの十分な発電を行うことができる。
なお、図7(a)〜(b)の場合は、電解質膜21のもう一方の面に保護層を有しない電極を設けることもできる。その場合は、もう一方の面の撥水層の厚さを調節する必要なく、保護層を有する面における撥水層の厚さのみを上述の様に調節するだけで、本発明の効果が得られる。
図9(a)〜(b)は、電解質膜21の片面に電極を設けた例を示す断面模式図である。図9(a)は図1(a)に、図9(b)は図1(b)に、それぞれ図3に示した厚さの調節を行った撥水層24と、ガス拡散層25とを設けたものであり、図9(a)と図3は、同一の例について示したものである。図9(c)〜(e)及び図10(a)〜(c)は、電解質膜21の両面に電極を設けた例を示す断面模式図である。図9(c)は図1(c)に、図9(d)は図1(d)に、図9(e)は図1(e)に、図10(a)は図1(f)に、図10(b)は図1(g)に、図10(c)は図1(h)に、それぞれ図3に示した厚さの調節を行った撥水層24と、ガス拡散層25とを設けたものである。
図9(a)〜(e)及び図10(a)〜(c)のいずれの場合も、前記保護層の第一の部位23a及び第二の部位23bが存在する領域における膜・電極接合体の厚さ26a及び26bが、当該保護層が存在しない中央部における膜・電極接合体の厚さ26c以下になっていることから、これらの膜・電極接合体を用いた単セルは、前記保護層23の第一の部位23a及び第二の部位23bが存在する領域における単セルの厚さが、当該保護層23が存在しない中央部における当該単セルの厚さ以下になるという構成をとることができる。したがって、単セルをスタックした際に、電解質膜にかかる力学的負荷を抑えることができ、且つ、単セルの中央部に十分な単位面積当たりの荷重がかかり、設計通りの十分な発電を行うことができる。
なお、図9(a)〜(b)の場合は、電解質膜21のもう一方の面に保護層を有しない電極を設けることもできる。その場合は、もう一方の面の撥水層の厚さを調節する必要なく、保護層を有する面における撥水層の厚さのみを上述の様に調節するだけで、本発明の効果が得られる。
図11(a)〜(b)は、電解質膜21の片面に電極を設けた例を示す断面模式図である。図11(a)は図1(a)に、図11(b)は図1(b)に、それぞれ図4に示した厚さの調節を行った撥水層24と、ガス拡散層25とを設けたものであり、図11(a)と図4は、同一の例について示したものである。図11(c)〜(e)及び図12(a)〜(c)は、電解質膜21の両面に電極を設けた例を示す断面模式図である。図11(c)は図1(c)に、図11(d)は図1(d)に、図11(e)は図1(e)に、図12(a)は図1(f)に、図12(b)は図1(g)に、図12(c)は図1(h)に、それぞれ図4に示した厚さの調節を行った撥水層24と、ガス拡散層25とを設けたものである。
図11(a)〜(e)及び図12(a)〜(c)のいずれの場合も、前記保護層の第一の部位23a及び第二の部位23bが存在する領域における膜・電極接合体の厚さ26a及び26bが、当該保護層が存在しない中央部における膜・電極接合体の厚さ26c以下になっていることから、これらの膜・電極接合体を用いた単セルは、前記保護層23の第一の部位23a及び第二の部位23bが存在する領域における単セルの厚さが、当該保護層23が存在しない中央部における当該単セルの厚さ以下になるという構成をとることができる。したがって、単セルをスタックした際に、電解質膜にかかる力学的負荷を抑えることができ、且つ、単セルの中央部に十分な単位面積当たりの荷重がかかり、設計通りの十分な発電を行うことができる。
なお、図11(a)〜(b)の場合は、電解質膜21のもう一方の面に保護層を有しない電極を設けることもできる。その場合は、もう一方の面の撥水層の厚さを調節する必要なく、保護層を有する面における撥水層の厚さのみを上述の様に調節するだけで、本発明の効果が得られる。
図13(a)〜(b)は、電解質膜21の片面に電極及び多孔質層を設けた例を示す断面模式図である。図13(a)は図1(a)に、図13(b)は図1(b)に、それぞれ図5に示した厚さの調節を行ったガス拡散層25と、多孔質層27とを設けたものであり、図13(a)と図5は、同一の例について示したものである。図13(c)〜(e)及び図14(a)〜(c)は、電解質膜21の両面に電極及び多孔質層を設けた例を示す断面模式図である。図13(c)は図1(c)に、図13(d)は図1(d)に、図13(e)は図1(e)に、図14(a)は図1(f)に、図14(b)は図1(g)に、図14(c)は図1(h)に、それぞれ図5に示した厚さの調節を行ったガス拡散層25と、多孔質層27とを設けたものである。
図13(a)〜(e)及び図14(a)〜(c)のいずれの場合も、前記保護層の第二の部位23bが存在する領域における積層体の厚さ28bが、当該保護層23が存在しない中央部における積層体の厚さ28c以下になっていることから、これらの積層体を用いた単セルは、前記保護層23の第二の部位23bが存在する領域における単セルの厚さが、当該保護層23が存在しない中央部における当該単セルの厚さ以下になるという構成をとることができる。したがって、単セルをスタックした際に、電解質膜にかかる力学的負荷を抑えることができ、且つ、単セルの中央部に十分な単位面積当たりの荷重がかかり、設計通りの十分な発電を行うことができる。
なお、図13(a)〜(b)の場合は、電解質膜21のもう一方の面に保護層を有しない電極を設けることもできる。その場合は、もう一方の面の多孔質層の厚さを調節する必要なく、保護層を有する面における多孔質層の厚さのみを上述の様に調節するだけで、本発明の効果が得られる。
図15(a)〜(b)は、電解質膜21の片面に電極及び多孔質層を設けた例を示す断面模式図である。図15(a)は図1(a)に、図15(b)は図1(b)に、それぞれ図6に示した厚さの調節を行ったガス拡散層25と、多孔質層27とを設けたものであり、図15(a)と図6は、同一の例について示したものである。図15(c)〜(e)及び図16(a)〜(c)は、電解質膜21の両面に電極及び多孔質層を設けた例を示す断面模式図である。図15(c)は図1(c)に、図15(d)は図1(d)に、図15(e)は図1(e)に、図16(a)は図1(f)に、図16(b)は図1(g)に、図16(c)は図1(h)に、それぞれ図6に示した厚さの調節を行ったガス拡散層25と、多孔質層26とを設けたものである。
図15(a)〜(e)及び図16(a)〜(c)のいずれの場合も、前記保護層の第一の部位23a及び第二の部位23bが存在する領域における積層体の厚さ28a及び28bが、それぞれ当該保護層が存在しない中央部における積層体の厚さ28c以下になっていることから、これらの積層体を用いた単セルは、前記保護層23の第一の部位23a及び第二の部位23bが存在する領域における単セルの厚さが、それぞれ当該保護層23が存在しない中央部における当該単セルの厚さ以下になるという構成をとることができる。したがって、単セルをスタックした際に、電解質膜にかかる力学的負荷を抑えることができ、且つ、単セルの中央部に十分な単位面積当たりの荷重がかかり、設計通りの十分な発電を行うことができる。
なお、図15(a)〜(b)の場合は、電解質膜21のもう一方の面に保護層を有しない電極を設けることもできる。その場合は、もう一方の面の多孔質層の厚さを調節する必要なく、保護層を有する面における多孔質層の厚さのみを上述の様に調節するだけで、本発明の効果が得られる。
特に、前記保護層の厚さを考慮すると、前記保護層の第二の部位が存在する領域においては、前記多孔質層の厚さが、200〜500μmであるのがより好ましい。これは、前記多孔質層の厚さが、500μmを超えると、前記保護層の第二の部位が存在する領域における単セルの厚さが、単セル中央部の厚さを超えるからであり、また、前記多孔質層の厚さが、200μm未満であると、単セル内部の膜・電極接合体にかかる圧力を一定にするのに十分な弾性を有する多孔質層の厚さを保持することができないからである。さらに、前記保護層の第二の部位が存在する領域において前記多孔質層の厚さが、200〜400μmであるのが最も好ましい。
また特に、前記保護層の厚さを考慮すると、前記保護層の第一の部位が存在する領域においては、前記多孔質層の厚さが、200〜500μmであるのがより好ましい。これは、前記多孔質層の厚さが、500μmを超えると、前記保護層の第一の部位が存在する領域における単セルの厚さが、単セル中央部の厚さを超えるからであり、また、前記多孔質層の厚さが、200μm未満であると、単セル内部の膜・電極接合体にかかる圧力を一定にするのに十分な弾性を有する多孔質層の厚さを保持することができないからである。さらに、前記保護層の第一の部位が存在する領域において前記多孔質層の厚さが、200〜500μmであるのが最も好ましい。
なお、前記保護層が存在しない中央部における前記多孔質層の厚さは、300〜600μmであることが好ましい。これは、単セル内部の膜・電極接合体にかかる圧力を一定にするのに十分な弾性を有する厚さであるからである。
本典型例の単セルは、図11(c)に示した膜・電極接合体を一対の多孔質層27で挟持し、当該挟持物をさらにガス流路を有しない一対の平板セパレータ29で挟持して形成したものである。前記多孔質層27及び前記平板セパレータ29の厚さは単セルの部位に依らずそれぞれ略均一であることから、前記平板セパレータ29は挟持の際に、膜・電極接合体の部位による厚みの違いによってたわむことになる。このとき、前記保護層の第一の部位23a及び第二の部位23bが存在する領域において前記撥水層24が存在しない膜・電極接合体を採用していることにより、前記保護層の第一の部位23a及び第二の部位23bが存在する領域における単セルの厚さ30a及び30bが、それぞれ当該保護層が存在しない中央部における当該単セルの厚さ30c以下である構成をとることができる。したがって、単セルをスタックした際に、電解質膜にかかる力学的負荷を抑えることができ、且つ、単セルの中央部に十分な単位面積当たりの荷重がかかり、設計通りの十分な発電を行うことができる。
本第2の典型例の単セルは、図8(a)に示した膜・電極接合体を一対の多孔質層27で挟持し、当該挟持物をさらにガス流路を有しない一対の平板セパレータ29で挟持して形成したものである。この場合、前記撥水層24の厚さが、前記保護層の第二の部位23bが存在する領域において前記中央部における前記撥水層24の厚さよりも薄い膜・電極接合体を採用していることにより、前記保護層の第二の部位23bが存在する領域における単セルの厚さ30bが、当該保護層が存在しない中央部における当該単セルの厚さ30c以下である構成をとることができる。したがって、単セルをスタックした際に、電解質膜にかかる力学的負荷を抑えることができ、且つ、単セルの中央部に十分な単位面積当たりの荷重がかかり、設計通りの十分な発電を行うことができる。
本第3の典型例の単セルは、図13(c)に示した積層体を、ガス流路を有しない一対の平板セパレータ29で挟持して形成したものである。なお、単セルの外縁部における多孔質層27は、削ることによって当該多孔質層27の厚さを薄くした。平板セパレータ29の厚さは単セルの部位に依らずそれぞれ略均一であり、前記平板セパレータ29は挟持の際に、積層体の部位による厚みの違いによってたわむ。この際、前記多孔質層27の厚さが、前記保護層の第二の部位23bが存在する領域において前記中央部における前記多孔質層27の厚さよりも薄い積層体を採用していることにより、前記保護層の第二の部位23bが存在する領域における単セルの厚さ30bが、当該保護層が存在しない中央部における当該単セルの厚さ30c以下である構成をとることができる。したがって、単セルをスタックした際に、電解質膜にかかる力学的負荷を抑えることができ、且つ、単セルの中央部に十分な単位面積当たりの荷重がかかり、設計通りの十分な発電を行うことができる。
本第4の典型例の単セルは、図16(a)に示した積層体を、ガス流路を有しない一対の平板セパレータ29で挟持して形成したものである。なお、単セルの外縁部における多孔質層27は、潰すことによって当該多孔質層27の厚さを薄くした。前記平板セパレータ29の厚さは単セルの部位に依らずそれぞれ略均一であり、前記平板セパレータ29は挟持の際に、膜・電極接合体の部位による厚みの違いによってたわむ。この際、前記多孔質層27の厚さが、前記保護層の第一の部位23a及び第二の部位23bが存在する領域において前記中央部における前記多孔質層27の厚さよりもそれぞれ薄い積層体を採用していることにより、前記保護層の第一の部位23a及び第二の部位23bが存在する領域における単セルの厚さ30a及び30bが、それぞれ当該保護層が存在しない中央部における当該単セルの厚さ30c以下である構成をとることができる。したがって、単セルをスタックした際に、電解質膜にかかる力学的負荷を抑えることができ、且つ、単セルの中央部に十分な単位面積当たりの荷重がかかり、設計通りの十分な発電を行うことができる。
前記多孔質層を位置選択的に潰す方法としては、所定の荷重をかけたプレスにより加工するという方法が挙げられる。
Claims (11)
- 固体高分子電解質膜の一面側にアノード触媒層及びガス拡散層を含むアノード電極を有し、他面側にカソード触媒層及びガス拡散層を含むカソード電極を有する膜・電極接合体と、一対のセパレータとを有する燃料電池の単セルであって、
前記固体高分子電解質膜のアノード側及びカソード側のうち少なくとも一面側において、前記アノード又はカソード触媒層は、前記固体高分子電解質膜及び前記ガス拡散層よりも一回り小さい寸法及び形状を有し、且つ、当該アノード又はカソード触媒層の外周からはみ出した前記固体高分子電解質膜の外周縁部と、前記ガス拡散層の外周縁部とが対峙しており、
対峙しあう当該高分子電解質膜の外周縁部と当該ガス拡散層の外周縁部の間に介在する第一の部位、及び、前記アノード又はカソード触媒層の外周と重なる第二の部位を有する枠形状の保護層が設けられ、
さらに単セル厚さ調整層を有し、且つ、当該単セル厚さ調整層は、前記保護層の第二の部位が存在する領域における単セルの厚さが、当該保護層が存在しない中央部における当該単セルの厚さ以下になるように、前記保護層の第二の部位が存在する領域において前記中央部における前記単セル厚さ調整層の厚さよりも薄いか又は存在しないことを特徴とする、燃料電池の単セル。 - 前記単セル厚さ調整層が、前記アノード又はカソード触媒層と前記ガス拡散層との間に介在する撥水層である、請求の範囲第1項に記載の燃料電池の単セル。
- 前記単セル厚さ調整層が、前記膜・電極接合体をさらに挟持する多孔質層であり、当該挟持物をさらにガス流路を有しない一対の平板セパレータで挟持する、請求の範囲第1項に記載の燃料電池の単セル。
- 前記固体高分子電解質膜のアノード側及びカソード側の両面において、前記単セル厚さ調整層は、前記保護層の第二の部位が存在する領域における単セルの厚さが、当該保護層が存在しない中央部における当該単セルの厚さ以下になるように、前記保護層の第二の部位が存在する領域において前記中央部における前記単セル厚さ調整層の厚さよりも薄いか又は存在しない、請求の範囲第1項乃至第3項のいずれか一項に記載の燃料電池の単セル。
- 前記固体高分子電解質膜のアノード側及びカソード側のうち少なくとも一面側において、前記単セル厚さ調整層は、前記保護層の第一及び第二の部位が存在する領域における単セルの厚さが、当該保護層が存在しない中央部における当該単セルの厚さ以下になるように、前記保護層の第一及び第二の部位が存在する領域において前記中央部における前記単セル厚さ調整層の厚さよりも薄いか又は存在しない、請求の範囲第1項乃至第4項のいずれか一項に記載の燃料電池の単セル。
- 前記単セル厚さ調整層が、前記撥水層である場合において、前記膜・電極接合体を一対の多孔質層で挟持し、当該挟持物をさらにガス流路を有しない一対の平板セパレータで挟持する、請求の範囲第2項及び第4項及び第5項のいずれか一項に記載の燃料電池の単セル。
- 前記多孔質層の多孔度が70%以上であり、且つ、空孔径が20〜100nmである、請求の範囲第3項乃至第6項のいずれか一項に記載の燃料電池の単セル。
- 前記単セル厚さ調整層が、前記撥水層である場合において、前記保護層の第一及び第二の部位が存在する領域における前記撥水層の厚さが、前記保護層の厚さ以下である、請求の範囲第2項及び請求の範囲第4項乃至第7項のいずれか一項に記載の燃料電池の単セル。
- 前記単セル厚さ調整層が、前記撥水層である場合において、前記保護層の第一及び第二の部位が存在する領域において前記撥水層が存在しない、請求の範囲第2項及び請求の範囲第4項乃至第8項のいずれか一項に記載の燃料電池の単セル。
- 前記保護層の第一及び第二の部位が存在する領域における前記多孔質層の厚さが、200〜600μmである、請求の範囲第3項乃至第9項のいずれか一項に記載の燃料電池の単セル。
- 前記請求の範囲第3項乃至第10項のいずれか一項に記載された燃料電池の単セルの製造方法であって、
アノード側及びカソード側のうち少なくとも一方に設けられる多孔質層の、前記保護層の第一及び第二の部位が存在する領域を削るか、又は潰すかすることによって、前記多孔質層の厚さを位置選択的に薄くする工程を有することを特徴とする、燃料電池の単セルの製造方法。
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Citations (7)
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---|---|---|---|---|
JPH05242897A (ja) * | 1992-02-26 | 1993-09-21 | Fuji Electric Co Ltd | 固体高分子電解質型燃料電池 |
JPH06325777A (ja) * | 1993-05-10 | 1994-11-25 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | 燃料電池のガスシール構造体 |
JP2001015127A (ja) * | 1999-06-28 | 2001-01-19 | Fuji Electric Co Ltd | 電解質膜/電極接合体および固体高分子電解質型燃料電池 |
JP2002093434A (ja) * | 2000-09-18 | 2002-03-29 | Honda Motor Co Ltd | 電解質層・電極接合体および燃料電池 |
JP2004047230A (ja) * | 2002-07-10 | 2004-02-12 | Asahi Glass Co Ltd | 固体高分子型燃料電池 |
JP2007250432A (ja) * | 2006-03-17 | 2007-09-27 | Toyota Motor Corp | 燃料電池 |
JP2008130357A (ja) * | 2006-11-21 | 2008-06-05 | Toyota Motor Corp | 燃料電池、燃料電池を構成するアッセンブリ、および、燃料電池を構成するシール一体部材 |
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Patent Citations (7)
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---|---|---|---|---|
JPH05242897A (ja) * | 1992-02-26 | 1993-09-21 | Fuji Electric Co Ltd | 固体高分子電解質型燃料電池 |
JPH06325777A (ja) * | 1993-05-10 | 1994-11-25 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | 燃料電池のガスシール構造体 |
JP2001015127A (ja) * | 1999-06-28 | 2001-01-19 | Fuji Electric Co Ltd | 電解質膜/電極接合体および固体高分子電解質型燃料電池 |
JP2002093434A (ja) * | 2000-09-18 | 2002-03-29 | Honda Motor Co Ltd | 電解質層・電極接合体および燃料電池 |
JP2004047230A (ja) * | 2002-07-10 | 2004-02-12 | Asahi Glass Co Ltd | 固体高分子型燃料電池 |
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