JP5720413B2 - 燃料電池及び燃料電池の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池及び燃料電池の製造方法に関するものである。
燃料電池に用いられる膜・電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）に関する技術としては、例えば、特許文献１に開示されたものが知られている。特許文献１に開示された技術では、電解質膜の前駆体に触媒ペーストを塗布した後、加水分解を行なって、ＭＥＡを製造している。
しかし、この技術では、燃料電池の発電時に、電解質膜が膨張と収縮を繰り返すため、電解質膜と触媒電極層の界面や、触媒電極層と拡散層の界面において剥離が生じる可能性があり、燃料電池の発電性能が低下するといった問題があった。
本発明は、上述した従来の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、燃料電池の発電性能の劣化を抑制することのできる技術を提供することを目的とする。
本発明は、上述した目的を達成するために、以下の形態または適用例を取ることが可能である。
（１）燃料電池であって、電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に形成されたアノードと、前記電解質膜の他方の面に形成されたカソードと、前記電解質膜と前記アノードの両方の層に跨がって局所的に存在し、前記アノードに対向して配置され、前記電解質膜を複数の領域に区分けするフッ素系樹脂で形成されたアノード側補強部材と、前記電解質膜と前記カソードの両方の層に跨がって局所的に存在し、前記カソードに対向して配置され、前記電解質膜を複数の領域に区分けするフッ素系樹脂で形成されたカソード側補強部材と、を備え、前記アノード側補強部材および前記カソード側補強部材は、空孔率が５０％以上９５％以下である、燃料電池。
この態様によれば、電解質膜、アノードおよびカソードに発生する応力による影響を効果的に緩和することができる。
（１）燃料電池であって、電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に形成されたアノードと、前記電解質膜の他方の面に形成されたカソードと、前記電解質膜と前記アノードの両方の層に跨がって局所的に存在し、前記アノードに対向して配置され、前記電解質膜を複数の領域に区分けするフッ素系樹脂で形成されたアノード側補強部材と、前記電解質膜と前記カソードの両方の層に跨がって局所的に存在し、前記カソードに対向して配置され、前記電解質膜を複数の領域に区分けするフッ素系樹脂で形成されたカソード側補強部材と、を備え、前記アノード側補強部材および前記カソード側補強部材は、空孔率が５０％以上９５％以下である、燃料電池。
この態様によれば、電解質膜、アノードおよびカソードに発生する応力による影響を効果的に緩和することができる。
[適用例１]
燃料電池であって、
電解質膜と、
前記電解質膜の表面に形成された触媒電極層と、
前記電解質膜と前記触媒電極層の両方の層に跨って局所的に存在し、前記電解質膜を複数の領域に区分けする補強部材と
を備える、燃料電池。
この構成によれば、電解質膜は、補強部材によって区分けされるため、膨張、収縮する領域が狭く区切られることになり、膨張、収縮によって発生する応力による影響は、補強部材によって緩和される。したがって、電解質膜と触媒電極層の界面や、触媒電極層と拡散層の界面における剥離を抑制することができ、燃料電池の発電性能の劣化を抑制することができる。
燃料電池であって、
電解質膜と、
前記電解質膜の表面に形成された触媒電極層と、
前記電解質膜と前記触媒電極層の両方の層に跨って局所的に存在し、前記電解質膜を複数の領域に区分けする補強部材と
を備える、燃料電池。
この構成によれば、電解質膜は、補強部材によって区分けされるため、膨張、収縮する領域が狭く区切られることになり、膨張、収縮によって発生する応力による影響は、補強部材によって緩和される。したがって、電解質膜と触媒電極層の界面や、触媒電極層と拡散層の界面における剥離を抑制することができ、燃料電池の発電性能の劣化を抑制することができる。
[適用例２]
適用例１に記載の燃料電池であって、
前記補強部材は、格子状の部材である、燃料電池。
この構成によれば、補強部材は、電解質膜及び触媒電極層に発生する応力による影響を効果的に緩和することができる。
適用例１に記載の燃料電池であって、
前記補強部材は、格子状の部材である、燃料電池。
この構成によれば、補強部材は、電解質膜及び触媒電極層に発生する応力による影響を効果的に緩和することができる。
［適用例３］
適用例１または適用例２に記載の燃料電池であって、さらに、
前記触媒電極層における電極反応に用いられる反応ガスを拡散させる拡散層を備え、
前記補強部材は、前記電解質膜と前記触媒電極層と前記拡散層とに跨って局所的に存在する、燃料電池。
この構成によれば、補強部材は、拡散層に発生する応力による影響を緩和することができるので、触媒電極層と拡散層の界面における剥離をさらに抑制することができる。
適用例１または適用例２に記載の燃料電池であって、さらに、
前記触媒電極層における電極反応に用いられる反応ガスを拡散させる拡散層を備え、
前記補強部材は、前記電解質膜と前記触媒電極層と前記拡散層とに跨って局所的に存在する、燃料電池。
この構成によれば、補強部材は、拡散層に発生する応力による影響を緩和することができるので、触媒電極層と拡散層の界面における剥離をさらに抑制することができる。
[適用例４]
燃料電池の製造方法であって、
（ａ）加水分解によりイオン伝導性を付与可能な電解質樹脂膜を準備する工程と、
（ｂ）前記電解質樹脂膜を複数の領域に区分けすることが可能な補強部材を、前記電解質樹脂膜に対して、出代を残して含浸させる工程と、
（ｃ）前記電解質樹脂膜の表面であって前記補強部材の前記出代によって区分けされた領域に、触媒が担持された導電性材料を配置して触媒電極層を形成する工程と、
（ｄ）加水分解によって前記電解質樹脂膜にイオン伝導性を付与する工程と
を備える、燃料電池の製造方法。
加水分解が行なわれる前の電解質樹脂膜は熱可塑性である。したがって、この方法によれば、補強部材を電解質膜に容易に含浸させることができるため、電解質膜を複数の領域に区分けすることができ、発電性能が劣化しにくい燃料電池を容易に製造することができる。
燃料電池の製造方法であって、
（ａ）加水分解によりイオン伝導性を付与可能な電解質樹脂膜を準備する工程と、
（ｂ）前記電解質樹脂膜を複数の領域に区分けすることが可能な補強部材を、前記電解質樹脂膜に対して、出代を残して含浸させる工程と、
（ｃ）前記電解質樹脂膜の表面であって前記補強部材の前記出代によって区分けされた領域に、触媒が担持された導電性材料を配置して触媒電極層を形成する工程と、
（ｄ）加水分解によって前記電解質樹脂膜にイオン伝導性を付与する工程と
を備える、燃料電池の製造方法。
加水分解が行なわれる前の電解質樹脂膜は熱可塑性である。したがって、この方法によれば、補強部材を電解質膜に容易に含浸させることができるため、電解質膜を複数の領域に区分けすることができ、発電性能が劣化しにくい燃料電池を容易に製造することができる。
なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能である。例えば、燃料電池、燃料電池の製造方法、燃料電池の製造装置等の形態で実現することができる。
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．第１実施例：
Ａ１．燃料電池の構成：
Ａ２．燃料電池の製造方法：
Ｂ．第２実施例：
Ｃ．実験例：
Ｄ．変形例：
Ａ．第１実施例：
Ａ１．燃料電池の構成：
Ａ２．燃料電池の製造方法：
Ｂ．第２実施例：
Ｃ．実験例：
Ｄ．変形例：
Ａ．第１実施例：
Ａ１．燃料電池の構成：
図１は、本発明の一実施例における燃料電池１０の概略構成を説明する説明図である。燃料電池１０は、固体高分子型燃料電池であり、複数の単セル１４が積層されたスタック構造を有している。単セル１４は、燃料電池１０における発電を行う単位モジュールであり、水素ガスと空気に含まれる酸素との電気化学反応により発電を行う。各単セル１４は、発電体２０と、発電体２０を挟持する一対のセパレータ３０（アノード側セパレータ３０ａｎおよびカソード側セパレータ３０ｃａ）とを備えている。
Ａ１．燃料電池の構成：
図１は、本発明の一実施例における燃料電池１０の概略構成を説明する説明図である。燃料電池１０は、固体高分子型燃料電池であり、複数の単セル１４が積層されたスタック構造を有している。単セル１４は、燃料電池１０における発電を行う単位モジュールであり、水素ガスと空気に含まれる酸素との電気化学反応により発電を行う。各単セル１４は、発電体２０と、発電体２０を挟持する一対のセパレータ３０（アノード側セパレータ３０ａｎおよびカソード側セパレータ３０ｃａ）とを備えている。
発電体２０は、電解質膜２１と、電解質膜２１の両側の表面に形成された触媒電極層２２（アノード２２ａｎおよびカソード２２ｃａ）と、触媒電極層２２の両側に配置された一対のガス拡散層２４（アノード側拡散層２４ａｎおよびカソード側拡散層２４ｃａ）とを備えている。
発電体２０は、さらに、電解質膜２１と触媒電極層２２の両方の層に跨って局所的に存在し、電解質膜２１を複数の領域に区分けする格子状の補強部材４０（アノード側補強部材４０ａｎ及びカソード側補強部材４０ｃａ）を備えている。さらに、本実施例では、アノード側補強部材４０ａｎは、電解質膜２１とアノード２２ａｎとアノード側拡散層２４ａｎとに跨って局所的に存在している。補強部材４０の詳細については後述する。
電解質膜２１は、固体高分子材料としてのフッ素系スルホン酸ポリマーにより形成された高分子電解質膜であり、湿潤状態において良好なプロトン伝導性を有する。具体的には、本実施例では、電解質膜２１として、ナフィオン膜（ＮＲＥ２１２、ナフィオンは登録商標）が用いられている。なお、電解質膜２１としては、ナフィオン(登録商標)に限定されず、例えば、アシプレックス（登録商標）やフレミオン（登録商標）等の他のフッ素系スルホン酸膜を用いることとしてもよい。また、電解質膜２１として、フッ素系ホスホン酸膜、フッ素系カルボン酸膜、フッ素炭化水素系グラフト膜、炭化水素系グラフト膜、芳香族膜等が用いられてもよいし、ＰＴＦＥ、ポリイミド等の補強材を含む機械的特性を強化した複合高分子膜が用いられてもよい。
触媒電極層２２（アノード２２ａｎおよびカソード２２ｃａ）は、電解質膜２１の両側の表面に、補強部材４０によって区分けされて形成されており、発電時には、一方がアノード電極として機能し、他方がカソード電極として機能する。触媒電極層２２は、例えば、電気化学反応を進行する触媒金属（本実施例では白金）を担持したカーボン粒子（触媒担持担体）と、プロトン伝導性を有する高分子電解質（本実施例ではフッ素系樹脂）とを含んでいる。導電性の触媒担持担体としては、カーボン粒子の他に、例えば、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバーなどの炭素材料のほか、炭化ケイ素などに代表される炭素化合物等を用いることができる。また、触媒金属としては、白金の他に、例えば、白金合金、パラジウム、ロジウム、金、銀、オスミウム、イリジウム等を用いることができる。
なお、燃料電池の発電時において、アノード側では電気化学反応が起こりやすいため、本実施例では、アノード２２ａｎの層の厚さは、カソード２２ｃａの層の厚さよりも薄くなっている。ただし、アノード２２ａｎの厚さと、カソード２２ｃａの層の厚さとを同じ厚さにしてもよい。
ガス拡散層２４（アノード側拡散層２４ａｎおよびカソード側拡散層２４ｃａ）は、電極反応に用いられる反応ガス（アノードガスおよびカソードガス）を電解質膜２１の面方向に沿って拡散させる層である。本実施例では、ガス拡散層２４として、カーボンペーパーが用いられている。なお、ガス拡散層２４としては、カーボンペーパーの他に、例えば、カーボンクロス等の他のカーボン多孔質体、金属メッシュや発泡金属等の金属多孔質体を用いることができる。
なお、ガス拡散層２４の表面には、撥水層を形成することとしてもよい。撥水層は、ガス拡散層２４よりも微細な気孔を有するいわゆるＭＰＬ（Micro Porous Layer）である。撥水層は、ガス拡散層２４の表面に撥水ペーストを塗布して焼成することによって形成することができる。
セパレータ３０（アノード側セパレータ３０ａｎおよびカソード側セパレータ３０ｃａ）は、ガス遮断性および電子伝導性を有する部材によって形成されている。本実施例では、セパレータ３０は、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンによって形成されている。なお、セパレータ３０は、緻密質カーボン等のカーボン製部材の他に、プレス成形されたステンレス鋼などの金属部材によって形成することができる。
セパレータ３０は、表面にガスや液体が流通する流路を形成する凹凸形状を有している。具体的には、アノード側セパレータ３０ａｎは、アノード側拡散層２４ａｎとの間に、ガスや液体が流通可能なアノードガス流路ＡＧＣを有している。カソード側セパレータ３０ｃａは、カソード側拡散層２４ｃａとの間に、ガスや液体が流通可能なカソードガス流路ＣＧＣを有している。
図２は、補強部材４０の構成を示す説明図である。図２（Ａ）は、補強部材４０の斜視図であり、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）における矢印Ａ方向から補強部材４０を示す図である。補強部材４０は、複数の棒状部材が格子状に形成されており、電解質膜２１及び電解質膜２１の表面に形成された触媒電極層２２を格子状に区分けしている。棒状部材同士が交差する部分は、熱圧着により一体構造となっている。すなわち、図２（Ｂ）に示すように、交差する棒状部材同士は、同一の平面に位置している。
補強部材４０は、本実施例では、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）によって形成されている。なお、補強部材４０は、ＰＴＦＥに限られず、耐酸性または耐アルカリ性の素材で形成することができ、例えば、ＰＦＡ（テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体）やＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）等の他のフッ素系樹脂で形成することができる。
補強部材４０の空孔率は、５０％以上９５％以下であることが好ましい。この空孔率の範囲とすれば、発電領域を確保しつつ、電解質膜を適切に補強することができる。本明細書において、空孔率とは、補強部材の全体の平面の面積に占める、棒状部材に区切られて形成された空孔の面積の割合である。なお、本実施例では、補強部材４０の格子を形成する棒状部材の直径は、２０μｍであり、棒状部材の中心間の距離は、１００μｍである。したがって、本実施例では、補強部材４０の空孔率は、６４％となっている。
以上説明したように、本実施例の燃料電池１０では、補強部材４０が、電解質膜２１と触媒電極層２２の両方の層に跨って局所的に存在するため、電解質膜２１は、補強部材４０によって複数の領域に区分けされる。したがって、電解質膜２１が膨張、収縮する領域が狭く区切られることになり、膨張、収縮によって発生した応力は、補強部材４０によって面方向及び膜厚保方向に対して分散され、吸収される。この結果、電解質膜２１と触媒電極層２２の界面や、触媒電極層２２とガス拡散層２４の界面における剥離を抑制することができ、燃料電池１０の発電性能の劣化を抑制することができる。
特に、本実施例では、補強部材４０は、格子状であるため、製造が容易であるとともに、電解質膜２１及び触媒電極層２２に発生する応力を効果的に吸収することができる。また、強度の高い補強部材４０を用いることにより、発電時における電解質膜２１の寸法変化を抑制することができる。
さらに、本実施例では、アノード側補強部材４０ａｎは、電解質膜２１とアノード２２ａｎとアノード側拡散層２４ａｎとに跨って局所的に存在しているので（図１）、アノード側拡散層２４ａｎに発生する応力もアノード側補強部材４０ａｎによって分散され、吸収されるので、アノード２２ａｎとアノード側拡散層２４ａｎの界面における剥離をさらに抑制することができる。
Ａ２．燃料電池の製造方法：
図３は、燃料電池の製造工程の手順の一部を示す工程図である。図４及び図５は、燃料電池の製造工程の様子を示す説明図である。なお、図４及び図５では、理解の容易のため、補強部材４０については、端面を示している。
図３は、燃料電池の製造工程の手順の一部を示す工程図である。図４及び図５は、燃料電池の製造工程の様子を示す説明図である。なお、図４及び図５では、理解の容易のため、補強部材４０については、端面を示している。
工程Ｓ１００では、電解質膜２１の前駆体である電解質膜前駆体２１ｆを準備する。本明細書において、「電解質膜の前駆体」とは、加水分解によってプロトン伝導性が付与される前の、電解質膜となる前段階の電解質樹脂膜を意味する。
電解質膜前駆体２１ｆとしては、加水分解によりプロトン伝導性を付与可能な電解質樹脂膜を用いることができ、例えば、−ＳＯ2Ｆ基を有するフッ素系樹脂、より具体的には、パーフロロスルホニルフロイドなどを用いることができる。また、電解質膜前駆体２１ｆとしては、他に、スチレン樹脂、ポリイミド、ポリアミドなどの薄膜を用いるものとしてもよい。
工程Ｓ１１０では、電解質膜前駆体２１ｆの両面に、補強部材４０ａｎ、４０ｃａを接合する（図４（Ａ））。工程Ｓ１２０では、補強部材４０ａｎ、４０ｃａが接合された電解質膜前駆体２１ｆを、１６０℃〜２７０℃の温度範囲で加熱しつつ、面方向に対して加圧する（図４（Ｂ））。すると、電解質膜前駆体２１ｆは熱可塑性であるため、補強部材４０ａｎ、４０ｃａが電解質膜前駆体２１ｆに含浸し、一体となる。このとき、補強部材４０ａｎ、４０ｃａの全てが電解質膜前駆体２１ｆに含浸しないように、すなわち、所定の長さの出代が残るように、電解質膜前駆体２１ｆへの含浸量を制御している。なお、本明細書において、出代とは、電解質膜前駆体２１ｆに含浸後の補強部材４０のうち、電解質膜前駆体２１ｆの表面から突き出た部分を意味する。
工程Ｓ１３０では、電解質膜前駆体２１ｆの両面に、ダイコータ５０を用いて触媒インクを塗布し、２つの電極前駆体２２ｃａｆ，２２ａｎｆを形成する（図４（Ｃ）、図５（Ａ））。具体的には、電解質膜前駆体２１ｆの表面であって補強部材４０の出代によって格子状に区分けされたそれぞれの領域に、触媒インクを塗布する。ここで、本明細書において、「触媒インク」とは、水溶性溶媒または有機溶媒に触媒担持カーボンと電解質ポリマーとを分散させた混合溶液を意味する。本実施例では、触媒インクとして、フッ素系の溶媒に、触媒担持カーボンと、電解質膜前駆体２１ｆに含まれるのと同種の電解質ポリマーとを分散させたものを用いる。
なお、上述したように、燃料電池の発電時において、アノード側では電気化学反応が起こりやすいため、電極前駆体２２ａｎｆの層の厚さは薄い方が好ましく、カソード側では電気化学反応が起こりにくいため、電極前駆体２２ｃａｆの層の厚さは厚い方が好ましい。ただし、電極前駆体２２ａｎｆの層の厚さと、電極前駆体２２ｃａｆの層の厚さとを同じ厚さにしてもよい。本実施例では、アノード側では、電極前駆体２２ａｎｆが形成された後であっても、補強部材４０の出代が残されている。
工程Ｓ１４０では、電極前駆体２２ａｎｆ，２２ｃａｆが形成された電解質膜前駆体２１ｆに対して加水分解処理を行う。加水分解処理の具体的な内容は、以下の通りである。
（１）電極前駆体２２ａｎｆ，２２ｃａｆが形成された電解質膜前駆体２１ｆを、アルカリ溶液（ＮａＯＨ溶液）に浸漬させ、電解質膜前駆体２１ｆおよび電極前駆体２２ａｎｆ，２２ｃａｆの電解質樹脂が有する−ＳＯ2Ｆ基を−ＳＯ3Ｎａ基に変性させる。
（２）電極前駆体２２ａｎｆ，２２ｃａｆおよび電解質膜前駆体２１ｆを水洗した後、酸性溶液（Ｈ2ＳＯ4溶液、及び、Ｈ2ＮＯ3溶液）に浸漬させて、前段階で変性された−ＳＯ3Ｎａ基を、さらに、−ＳＯ3Ｈ基へと変性させる。
（１）電極前駆体２２ａｎｆ，２２ｃａｆが形成された電解質膜前駆体２１ｆを、アルカリ溶液（ＮａＯＨ溶液）に浸漬させ、電解質膜前駆体２１ｆおよび電極前駆体２２ａｎｆ，２２ｃａｆの電解質樹脂が有する−ＳＯ2Ｆ基を−ＳＯ3Ｎａ基に変性させる。
（２）電極前駆体２２ａｎｆ，２２ｃａｆおよび電解質膜前駆体２１ｆを水洗した後、酸性溶液（Ｈ2ＳＯ4溶液、及び、Ｈ2ＮＯ3溶液）に浸漬させて、前段階で変性された−ＳＯ3Ｎａ基を、さらに、−ＳＯ3Ｈ基へと変性させる。
この工程によって、電解質膜前駆体２１ｆおよび電極前駆体２２ａｎｆ，２２ｃａｆに含まれる電解質樹脂にはプロトン伝導性が付与される。即ち、電解質膜前駆体２１ｆはイオン交換膜である電解質膜２１となり、電極前駆体２２ａｎｆ，２２ｃａｆはそれぞれアノード２２ａｎおよびカソード２２ｃａとなる。
工程Ｓ１５０では、触媒電極層２２が形成された電解質膜２１の両面に、ガス拡散層２４を接合する（図５（Ｂ））。工程Ｓ１６０では、１００℃〜１６０℃の温度範囲で加熱しつつ、面方向に対して加圧する（図５（Ｃ））。
このように、本実施例の燃料電池の製造方法によれば、補強部材４０を電解質膜２１に容易に含浸させることができるため、発電性能が劣化しにくい燃料電池を容易に製造することができる。
Ｂ．第２実施例：
図６は、第２実施例における燃料電池１０Ｂの構成を示す説明図である。図１に示した第１実施例との違いは、補強部材が電解質膜２１の一方の面（本実施例ではカソード側）にのみ設けられているという点だけであり、他の構成は第１実施例と同じである。
図６は、第２実施例における燃料電池１０Ｂの構成を示す説明図である。図１に示した第１実施例との違いは、補強部材が電解質膜２１の一方の面（本実施例ではカソード側）にのみ設けられているという点だけであり、他の構成は第１実施例と同じである。
図７及び図８は、第２実施例における燃料電池１０Ｂの製造工程の様子を示す説明図である。図４及び図５に示した第１実施例との違いは、補強部材４０を電解質膜２１の一方の面（本実施例ではカソード側）にのみ接合させ、含浸させるという点だけであり、他の工程は第１実施例と同じである。
このように、電解質膜２１の一方の面にのみ補強部材４０を設けることとしても、第１実施例と同様に、燃料電池の発電性能の劣化を抑制することが可能である。
Ｃ．実験例：
図９は、燃料電池のセル温度とセル電圧との関係を示すグラフである。図１０は、燃料電池のセル温度と燃料電池の内部抵抗との関係を示すグラフである。この実験例では、カソード側を無加湿状態として、セル温度、セル電圧及び内部抵抗を測定した。この図９及び図１０のグラフには、補強部材４０を利用した実施例の燃料電池における実験結果と、補強部材４０を利用していない従来の燃料電池における実験結果が示されている。なお、この実験例では、実施例の燃料電池として、電解質膜２１の両側に補強部材４０を接合した燃料電池（第１実施例）を用いた。
図９は、燃料電池のセル温度とセル電圧との関係を示すグラフである。図１０は、燃料電池のセル温度と燃料電池の内部抵抗との関係を示すグラフである。この実験例では、カソード側を無加湿状態として、セル温度、セル電圧及び内部抵抗を測定した。この図９及び図１０のグラフには、補強部材４０を利用した実施例の燃料電池における実験結果と、補強部材４０を利用していない従来の燃料電池における実験結果が示されている。なお、この実験例では、実施例の燃料電池として、電解質膜２１の両側に補強部材４０を接合した燃料電池（第１実施例）を用いた。
この図９及び図１０によれば、補強部材４０を利用した燃料電池の方が、補強部材４０を利用していない燃料電池よりも、内部抵抗の増加が小さく、セル電圧の低下が小さいことが理解できる。この理由は、補強部材４０を利用すれば、温度変化による電解質膜２１の寸法変化を抑制することができるので、触媒電極層２２とガス拡散層２４との間に隙間が発生してしまうことを抑制することができるためである。
図１１は、冷熱サイクル数とセル電圧との関係を示すグラフである。この実験例では、−２０℃から８０℃までの温度範囲で冷熱サイクルを繰り返しながら、出力電流を０．８Ａ／ｃｍ２として、セル電圧を測定した。図１１のグラフには、補強部材４０を利用した実施例の燃料電池における実験結果と、補強部材４０を利用していない従来の燃料電池における実験結果が示されている。なお、この実験例では、実施例の燃料電池として、電解質膜２１の両側に補強部材４０を接合した燃料電池（第１実施例）を用いた。
この図１１によれば、補強部材４０を利用した燃料電池の方が、補強部材４０を利用していない燃料電池よりも、冷熱サイクル数が大きくなった場合におけるセル電圧の低下が小さいことが理解できる。この理由は、補強部材４０を利用すれば、電解質膜２１の膨張と収縮を抑制することができるため、触媒電極層２２の割れや、触媒電極層２２とガス拡散層２４の界面における剥離を抑制し、燃料電池の発電性能の低下を抑制することができるためである。また、補強部材４０を利用すれば、電解質膜２１と触媒電極層２２の界面における接合強度を維持することができるため、冷熱変化による燃料電池の発電性能の低下を抑制することができる。
Ｄ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
Ｄ１．変形例１：
上記実施例では、補強部材４０は、正方形の空孔を有する格子状の部材であったが、補強部材４０は、長方形やひし形、六角形等の他の形状の空孔を有する格子状の部材であってもよく、また、連子形状であってもよい。すなわち、補強部材４０は、電解質膜２１を複数の領域に区分けすることが可能な形状であればよい。
上記実施例では、補強部材４０は、正方形の空孔を有する格子状の部材であったが、補強部材４０は、長方形やひし形、六角形等の他の形状の空孔を有する格子状の部材であってもよく、また、連子形状であってもよい。すなわち、補強部材４０は、電解質膜２１を複数の領域に区分けすることが可能な形状であればよい。
Ｄ２．変形例２：
上記実施例では、補強部材４０の棒状部材の断面は円形であったが、補強部材４０の棒状部材の断面は楕円形や多角形であってもよい。特に、補強部材４０の棒状部材の断面を、電解質膜２１の膜厚方向が長軸である楕円形とすれば、補強部材４０の強度を確保しつつ、発電領域を広く確保することができる。
上記実施例では、補強部材４０の棒状部材の断面は円形であったが、補強部材４０の棒状部材の断面は楕円形や多角形であってもよい。特に、補強部材４０の棒状部材の断面を、電解質膜２１の膜厚方向が長軸である楕円形とすれば、補強部材４０の強度を確保しつつ、発電領域を広く確保することができる。
Ｄ３．変形例３：
上記第１実施例では、アノード側補強部材４０ａｎのみがアノード側拡散層２４ａｎにまで跨って存在していたが、カソード側補強部材４０ｃａがカソード側拡散層２４ｃａにまで跨って存在していてもよい。
上記第１実施例では、アノード側補強部材４０ａｎのみがアノード側拡散層２４ａｎにまで跨って存在していたが、カソード側補強部材４０ｃａがカソード側拡散層２４ｃａにまで跨って存在していてもよい。
Ｄ４．変形例４：
上記第２実施例では、カソード側補強部材４０ｃａのみが設けられていたが、アノード側補強部材４０ａｎのみが設けられていてもよい。
上記第２実施例では、カソード側補強部材４０ｃａのみが設けられていたが、アノード側補強部材４０ａｎのみが設けられていてもよい。
１０…燃料電池
１０Ｂ…燃料電池
１４…単セル
２０…発電体
２１…電解質膜
２１ｆ…電解質膜前駆体
２２…触媒電極層
２２ｃａ…カソード
２２ａｎ…アノード
２２ｃａｆ…電極前駆体
２２ａｎｆ…電極前駆体
２４…ガス拡散層
２４ｃａ…カソード側拡散層
２４ａｎ…アノード側拡散層
３０…セパレータ
３０ｃａ…カソード側セパレータ
３０ａｎ…アノード側セパレータ
４０…補強部材
４０ｃａ…カソード側補強部材
４０ａｎ…アノード側補強部材
５０…ダイコータ
ＡＧＣ…アノードガス流路
ＣＧＣ…カソードガス流路
１０Ｂ…燃料電池
１４…単セル
２０…発電体
２１…電解質膜
２１ｆ…電解質膜前駆体
２２…触媒電極層
２２ｃａ…カソード
２２ａｎ…アノード
２２ｃａｆ…電極前駆体
２２ａｎｆ…電極前駆体
２４…ガス拡散層
２４ｃａ…カソード側拡散層
２４ａｎ…アノード側拡散層
３０…セパレータ
３０ｃａ…カソード側セパレータ
３０ａｎ…アノード側セパレータ
４０…補強部材
４０ｃａ…カソード側補強部材
４０ａｎ…アノード側補強部材
５０…ダイコータ
ＡＧＣ…アノードガス流路
ＣＧＣ…カソードガス流路
Claims (4)
- 燃料電池であって、
電解質膜と、
前記電解質膜の一方の面に形成されたアノードと、
前記電解質膜の他方の面に形成されたカソードと、
前記電解質膜と前記アノードの両方の層に跨がって局所的に存在し、前記アノードに対向して配置され、前記電解質膜を複数の領域に区分けするフッ素系樹脂で形成されたアノード側補強部材と、
前記電解質膜と前記カソードの両方の層に跨がって局所的に存在し、前記カソードに対向して配置され、前記電解質膜を複数の領域に区分けするフッ素系樹脂で形成されたカソード側補強部材と、を備え、
前記アノード側補強部材および前記カソード側補強部材は、空孔率が５０％以上９５％以下である、燃料電池。 - 請求項１に記載の燃料電池であって、
前記アノード側補強部材および前記カソード側補強部材は、格子状の部材である、燃料電池。 - 請求項１または請求項２に記載の燃料電池であって、さらに、
前記アノードにおける電極反応に用いられる反応ガスを拡散させるアノード側拡散層を備え、
前記アノード側補強部材は、前記電解質膜と前記アノードと前記アノード側拡散層とに跨って局所的に存在する、燃料電池。 - 燃料電池の製造方法であって、
（ａ）加水分解によりイオン伝導性を付与可能な電解質樹脂膜を準備する工程と、
（ｂ）前記電解質樹脂膜を複数の領域に区分けすることが可能な補強部材を、前記電解質樹脂膜に対して、出代を残して含浸させる工程と、
（ｃ）前記電解質樹脂膜の表面であって前記補強部材の前記出代によって区分けされた領域に、触媒が担持された導電性材料を配置して触媒電極層を形成する工程と、
（ｄ）加水分解によって前記電解質樹脂膜にイオン伝導性を付与する工程と
を備える、燃料電池の製造方法。
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