JP5429137B2 - 燃料電池及び燃料電池の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明の一形態によれば、燃料電池が提供される。この燃料電池は、電解質膜と、前記電解質膜の両面に形成される第1、第2の触媒層と、前記電解質膜と前記第1、第2の触媒層とを挟持する第1、第2の補強層と、を備え、前記第1の触媒層はアノード側触媒層であり、前記第2の触媒層はカソード側触媒層であり、前記第1、第2の触媒層及び前記第1、第2の補強層はそれぞれ樹脂を含んでおり、前記第1の触媒層の前記第1の補強層側の表面における前記樹脂の空間占有率と、前記第1の補強層の前記第1の触媒層側の表面における前記樹脂の空間占有率とが、熱圧もしくは燃料電池発電中に生じる熱により前記第1の触媒層と前記第1の補強層とを接合可能な値以上であり、前記第2の触媒層の前記第2の補強層側の表面における前記樹脂の空間占有率と、前記第2の補強層の前記第2の触媒層側の表面における前記樹脂の空間占有率と、が熱圧もしくは燃料電池発電中に生じる熱によっても前記第2の触媒層と前記第2の補強層とを非接合状態を維持可能な値未満であり、前記第1の触媒層と前記第1の補強層とが電解質膜の膨張収縮を抑制できる所定の結合力以上の力で接合され、前記第2の触媒層と前記第2の補強層とが電解質膜の膨張収縮による応力を逃すことができる所定の結合力未満の力で接合されているか、または、前記第2の触媒層と前記第2の補強層とが接合されていない。この形態の燃料電池によれば、電解質膜の耐久性を向上させることが可能となる。さらに、触媒層の耐久性を向上させることができる。そのため、燃料電池の性能低下も抑制することができる。
燃料電池であって、電解質膜と、前記電解質膜の両面に形成される第1、第2の触媒層と、前記電解質膜と前記第1、第2の触媒層とを挟持する第1、第2の補強層と、を備え、前記第1の触媒層と前記第1の補強層とが電解質膜の膨張収縮を抑制できる所定の結合力以上の力で接合され、前記第2の触媒層と前記第2の補強層とが電解質膜の膨張収縮による応力を逃すことができる所定の結合力未満の力で接合されているか、または、前記第2の触媒層と前記第2の補強層とが接合されていない、燃料電池。
この適用例によれば、第1の触媒層と第1の補強層とが電解質膜の膨張収縮を抑制できる所定の結合力以上の力で接合されているので、電解質膜の膨張収縮の程度を低減させることができ、電解質膜の疲労破壊、折れジワの発生を抑制し、その結果クロスリークの発生を抑制できる。第2の触媒層と第2の補強層とが電解質膜の膨張収縮による応力を逃すことができる所定の結合力未満の力で接合されているか、または、前記第2の触媒層と前記第2の補強層とが接合されていないので、第1の触媒層と第1の補強層との接合及び第2の触媒層と第2の補強層との接合の2つの接合がされているものと比較すると、電解質膜の膨張収縮による応力を逃すことができる。その結果、触媒層に掛かる力を低減し、触媒層の損傷を防止することができる。したがって、この実施例によれば、電解質膜の耐久性を向上させることが可能となる。さらに、触媒層の耐久性を向上させることができる。そのため、燃料電池の性能低下も抑制することができる。
適用例1に記載の燃料電池において、前記第1、第2の触媒層及び前記第1、第2の補強層はそれぞれ樹脂を含んでおり、前記第1の触媒層の前記第1の補強層側の表面における前記樹脂の空間占有率と、前記第1の補強層の前記第1の触媒層側の表面における前記樹脂の空間占有率とが、熱圧もしくは燃料電池発電中に生じる熱により前記第1の触媒層と前記第1の補強層とを接合可能な値以上であり、前記第2の触媒層の前記第2の補強層側の表面における前記樹脂の空間占有率と、前記第2の補強層の前記第2の触媒層側の表面における前記樹脂の空間占有率と、が熱圧もしくは燃料電池発電中に生じる熱によっても前記第2の触媒層と前記第2の補強層とを非接合状態を維持可能な値未満である、燃料電池。
適用例2に記載の燃料電池において、前記第1、第2の触媒層及び前記第1、第2の補強層の接合前における、前記第1の触媒層の前記樹脂の空間占有率が35%以上、かつ、前記第1の補強層の前記樹脂の空間占有率が18%以上を満たし、前記第2の触媒層の前記樹脂の空間占有率が35%未満、もしくは、前記第2の補強層の前記樹脂の空間占有率が18%未満のいずれかを満たす、燃料電池。
第1の触媒層における樹脂の空間占有率及び第1の補強層における樹脂の空間占有率について上記条件を満たすことにより、電解質膜の両面に同様の熱圧を加えたとき、あるいは、燃料電池の運転中に、第1の触媒層と第1の補強層とを所定の結合力以上の力で接合させることができる。一方、第2の触媒層と第2の補強層との接合については、所定の結合力未満の力での接合、または、結合されていない状態を維持させることができる。
また、触媒層、補強層には樹脂が含まれているので、新たな結合材を用いなくても、触媒層及び補強層の樹脂の空間占有率を調整することで、触媒層と補強層との間の結合力を調整することができる。
適用例3に記載の燃料電池において、前記第1の触媒層の前記樹脂の空間占有率が38%以上である燃料電池。
この条件をさらに満たすことにより、第1の触媒層と第1の補強層とをより強く接合し易い。
適用例3または適用例4に記載の燃料電池において、前記第1の補強層の前記樹脂の空間占有率が20%以上である、燃料電池。
この条件をさらに満たすことにより、第1の触媒層と第1の補強層とをより強く接合し易い。
適用例3から適用例5のうちのいずれか一つの適用例に記載の燃料電池において、前記第1、第2の触媒層、及び前記第1、第2の補強層の樹脂の空間占有率は、フーリエ変換赤外分光 減衰全反射法を用いて算出されている、燃料電池。
フーリエ変換赤外分光 減衰全反射法を用いれば、第1、第2の触媒層、及び第1、第2の補強層の樹脂の空間占有率を容易に算出することができる。
適用例1から適用例6のうちのいずれか一つの適用例に記載の燃料電池において、前記第1の触媒層はアノード側触媒層であり、前記第2の触媒層はカソード側触媒層である、燃料電池。
アノード側を接合し、カソード側を非接合状態にした方が燃料電池のクロスリークの防止及び性能向上の観点から好ましい。また、発電性能に対する寄与率が高いカソード側について、所定値未満の力(電解質膜の膨張収縮による応力を逃すことが出来る力)で結合させるので、電解質膜の膨張収縮による触媒層の損傷を抑制し、燃料電池の性能低下を防止できる。
適用例1から適用例7のうちのいずれか一つの適用例に記載の燃料電池において、前記補強層は、ガス拡散層である、燃料電池。
ガス拡散層が補強層を兼ねることが好ましい。
燃料電池の製造方法であって、(a)電解質膜を準備する工程と、(b)前記電解質膜の第1の面に、包含する樹脂の空間占有率が35%以上である第1の触媒層を形成し、第2の面に、包含する樹脂の空間占有率が所定の値である第2の触媒層を形成する工程と、(c)包含する樹脂の空間占有率が18%以上である第1のガス拡散層と、包含する樹脂の空間占有率が所定の値である第2のガス拡散層と、を準備する工程と、(d)前記第1の触媒層と前記第1のガス拡散層とを熱圧で接合し、前記第2の触媒層と前記第2のガス拡散層とを熱圧で接合する工程と、を備え、前記工程(b)(c)において、前記第2の触媒層が包含する樹脂の空間占有率が35%未満、あるいは、前記第2のガス拡散層が包含する樹脂の空間占有率が18%未満の2つの条件のうち少なくとも一方を満たしている、燃料電池の製造方法。
この適用例によれば、第1の触媒層と第1の補強層とが接合され、第2の触媒層と第2の補強層とが接合されていない燃料電池を容易に製造することができる。
100…直列電池
110…発電ユニット
120…膜電極接合体
121…電解質膜
122…カソード側触媒層
123…アノード側触媒層
130…カソード側ガス拡散層
131…マイクロポーラス層
132…カーボン基材層
133…金属多孔体層
140…アノード側ガス拡散層
141…マイクロポーラス層
142…カーボン基材層
143…金属多孔体層
200…集電板
210…絶縁板
220…押圧プレート
230…エンドプレート
231…エンドプレート
240…テンションロッド
250…ナット
260…押圧バネ
400…サンプル
410…基板
420…面テープ
430…テープ
Claims (7)
- 燃料電池であって、
電解質膜と、
前記電解質膜の両面に形成される第1、第2の触媒層と、
前記電解質膜と前記第1、第2の触媒層とを挟持する第1、第2の補強層と、
を備え、
前記第1の触媒層はアノード側触媒層であり、
前記第2の触媒層はカソード側触媒層であり、
前記第1、第2の触媒層及び前記第1、第2の補強層はそれぞれ樹脂を含んでおり、
前記第1の触媒層の前記第1の補強層側の表面における前記樹脂の空間占有率と、前記第1の補強層の前記第1の触媒層側の表面における前記樹脂の空間占有率とが、熱圧もしくは燃料電池発電中に生じる熱により前記第1の触媒層と前記第1の補強層とを接合可能な値以上であり、
前記第2の触媒層の前記第2の補強層側の表面における前記樹脂の空間占有率と、前記第2の補強層の前記第2の触媒層側の表面における前記樹脂の空間占有率と、が熱圧もしくは燃料電池発電中に生じる熱によっても前記第2の触媒層と前記第2の補強層とを非接合状態を維持可能な値未満であり、
前記第1の触媒層と前記第1の補強層とが電解質膜の膨張収縮を抑制できる所定の結合力以上の力で接合され、
前記第2の触媒層と前記第2の補強層とが電解質膜の膨張収縮による応力を逃すことができる所定の結合力未満の力で接合されているか、または、前記第2の触媒層と前記第2の補強層とが接合されていない、
燃料電池。 - 請求項1に記載の燃料電池において、
前記第1、第2の触媒層及び前記第1、第2の補強層の接合前における、
前記第1の触媒層の前記樹脂の空間占有率が35%以上、かつ、前記第1の補強層の前記樹脂の空間占有率が18%以上を満たし、
前記第2の触媒層の前記樹脂の空間占有率が35%未満、もしくは、前記第2の補強層の前記樹脂の空間占有率が18%未満のいずれかを満たす、
燃料電池。 - 請求項2に記載の燃料電池において、
前記第1の触媒層の前記樹脂の空間占有率が38%以上である燃料電池。 - 請求項2または請求項3に記載の燃料電池において、
前記第1の補強層の前記樹脂の空間占有率が20%以上である、燃料電池。 - 請求項2から請求項4のうちのいずれか一項に記載の燃料電池において、
前記第1、第2の触媒層、及び前記第1、第2の補強層の樹脂の空間占有率は、フーリエ変換赤外分光 減衰全反射法を用いて算出されている、燃料電池。 - 請求項1から請求項5のうちのいずれか一項に記載の燃料電池において、
前記補強層は、ガス拡散層である、燃料電池。 - 燃料電池の製造方法であって、
(a)電解質膜を準備する工程と、
(b)前記電解質膜の第1の面に、包含する樹脂の空間占有率が35%以上である第1の触媒層を形成し、第2の面に、包含する樹脂の空間占有率が所定の値である第2の触媒層を形成する工程と、
(c)包含する樹脂の空間占有率が18%以上である第1のガス拡散層と、包含する樹脂の空間占有率が所定の値である第2のガス拡散層と、を準備する工程と、
(d)前記第1の触媒層と前記第1のガス拡散層とを熱圧で接合し、前記第2の触媒層と前記第2のガス拡散層とを熱圧で接合する工程と、
を備え、
前記工程(b)(c)において、前記第2の触媒層が包含する樹脂の空間占有率が35%未満、あるいは、前記第2のガス拡散層が包含する樹脂の空間占有率が18%未満の2つの条件のうち少なくとも一方を満たしている、燃料電池の製造方法。
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