JP6144657B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、固体高分子電解質膜の両側の面に、それぞれ電極触媒層を含む電極が設けられた電解質膜・電極構造体を備える燃料電池に関する。

一般的に、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる固体高分子電解質膜を採用している。燃料電池は、固体高分子電解質膜の両側に、それぞれ触媒層（電極触媒層）とガス拡散層とからなるアノード電極及びカソード電極を配設した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、セパレータにより挟持している。この燃料電池は、所定の数だけ積層することにより、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用されている。

通常、アノード電極及びカソード電極は、固体高分子電解質膜の各面に設けられる電極触媒層と、前記電極触媒層に積層されるガス拡散層とを有している。電極触媒層は、例えば、白金粒子等の金属粒子を担持した触媒担体（カーボン等）が添加された溶媒に対し、イオン伝導性バインダ（溶液）を混合したペーストが用いられている。ペーストは、塗布された後、熱処理により乾燥されることにより、電極触媒層が形成されている。

その際、電極触媒層には、ひび割れ（ピンホール、割れ、ひび等を含む）が発生する場合がある。電極触媒層のひび割れは、固体高分子電解質膜の劣化を促進させ易く、燃料電池の発電性能の低下や耐久性の低下が惹起されるという問題がある。ひび割れは、特に電極触媒層の外周部分から発生する場合が多く、前記外周部分から内側に向かって欠陥が拡大してしまう。

そこで、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池が知られている。この燃料電池では、燃料電池電極用触媒インクが、触媒を担持した粒子である触媒担持粒子と、プロトン伝導性を有するアイオノマーと、前記触媒担持粒子及び前記アイオノマーを分散させる分散溶媒と、を含んでいる。そして、触媒担持粒子の単位比表面積当たりのアイオノマーの吸着量が、０．１（ｍｇ／ｍ²）以上であることを特徴としている。

また、特許文献２に開示されている固体高分子型燃料電池用電極では、電極の表面層の全面を固体高分子電解質溶液によりコ−ティングした後、水蒸気によりその溶液中の溶媒を沸点以上に加熱して除去することを特徴としている。

さらに、特許文献３に開示されている固体高分子型燃料電池用電極の製造方法では、混合物成形工程、造孔剤除去工程及び含浸工程を備えている。混合物成形工程は、電極触媒とポリテトラフルオロエチレンと造孔剤とを混合し、該混合物を成形してシート体にしている。造孔剤除去工程は、シート体から造孔剤を除去して多孔性シート体としている。含浸工程では、多孔性シートに高分子電解質溶液を含浸している。

そして、混合物成形工程で成形されるシート体を多孔性の基板上に積層する積層ステップと、該積層ステップ後にポリテトラフルオロエチレンの融点以上の温度で熱処理を行う熱処理ステップとを、含浸工程より前に備えている。

特開２０１３−０３０２８７号公報 特開平０８−１４８１５２号公報 特開平０９−１２０８２１号公報

ところで、上記の特許文献１では、最適な電極層の成分設定の自由度が著しく低下するという問題がある。さらに、上記の特許文献２及び３では、構成が複雑化するとともに、製造工程が煩雑化してしまい、経済的ではないという問題がある。しかも、いずれの技術を用いても、完全にひび割れを防止することができないという問題がある。

本発明は、この種の問題を解決するものであり、簡単且つ経済的に、電極触媒層の外周部位のひび割れを確実に補修することができ、所望の発電性能及び耐久性を確保することが可能な燃料電池を提供することを目的とする。

本発明は、固体高分子電解質膜の両側の面に、それぞれ電極触媒層を含む電極が設けられた電解質膜・電極構造体を備える燃料電池に関するものである。この燃料電池では、電解質膜・電極構造体は、電極触媒層の外周部位にのみ、イオン交換成分を含むペーストが塗布されたペースト塗布層を設けている。前記電極触媒層の形成時に前記外周部位に生じたひび割れが前記ペースト塗布層により補修されている。

また、電極触媒層は、固体高分子電解質膜の一方の面に設けられる第１電極触媒層と、前記固体高分子電解質膜の他方の面に設けられ、前記第１電極触媒層よりも平面寸法が小さな第２電極触媒層と、を有することが好ましい。その際、電解質膜・電極構造体の外周を周回して樹脂枠部材が設けられるとともに、第１電極触媒層のペースト塗布層は、前記樹脂枠部材の枠形状の範囲内に設けられることが好ましい。

さらに、第２電極触媒層のペースト塗布層は、樹脂枠部材の枠形状の範囲内から内側にはみ出して設けられることが好ましい。

さらにまた、電極触媒層は、固体高分子電解質膜の一方の面に設けられる第１電極触媒層と、前記固体高分子電解質膜の他方の面に設けられ、前記第１電極触媒層よりも平面寸法が小さな第２電極触媒層と、を有することが好ましい。その際、電解質膜・電極構造体の外周を周回して樹脂枠部材が設けられるとともに、第１電極触媒層のペースト塗布層は、前記樹脂枠部材の端部内周端を跨いで設けられることが好ましい。

また、第１電極触媒層のペースト塗布層及び第２電極触媒層のペースト塗布層は、樹脂枠部材の枠形状の範囲内から内側にはみ出して設けられることが好ましい。

本発明によれば、電極触媒層が形成される際に発生するひび割れを覆って、前記電極触媒層の外周部位にのみ電解質成分を含むペーストが塗布され、ペースト塗布層が形成されている。電極触媒層には、先ず、外周部分にひび割れが発生し易いため、前記外周部分に前記ペーストを塗布することにより、前記ひび割れが前記電極触媒層の内側に向かって拡大することを抑制することができる。このため、簡単且つ経済的に、電極触媒層のひび割れを確実に補修することが可能になり、所望の発電性能及び耐久性を確保することができる。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視説明図である。 前記燃料電池の、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面説明図である。 前記燃料電池を構成する電解質膜・電極構造体のアノード側の平面図である。 前記電解質膜・電極構造体の他の構成を説明するアノード側の平面図である。 前記電解質膜・電極構造体の別の構成を説明するアノード側の平面図である。 前記電解質膜・電極構造体の製造方法において、前記アノード側の説明図である。 前記アノード側に高分子ペーストを塗布する際の説明図である。 前記製造方法において、カソード側の説明図である。 前記カソード側に高分子ペーストを塗布する際の説明図である。 前記製造方法において、固体高分子電解質膜に触媒層が転写される際の説明図である。 前記製造方法において、前記電解質膜・電極構造体が製造される際の説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池の要部断面説明図である。 本発明の第３の実施形態に係る燃料電池の要部断面説明図である。 本発明の第４の実施形態に係る燃料電池の要部断面説明図である。 本発明の第５の実施形態に係る燃料電池の要部断面説明図である。 本発明の第６の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視説明図である。 前記燃料電池の、図１６中、ＸＶＩＩ−ＸＶＩＩ線断面説明図である。 本発明の第７の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視説明図である。 前記燃料電池の、図１８中、ＸＩＸ−ＸＩＸ線断面説明図である。

図１及び図２に示すように、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池１０は、矢印Ａ方向に積層されて、例えば、車載用燃料電池スタックが構成され、図示しない燃料電池電気自動車に搭載される。

燃料電池１０は、電解質膜・電極構造体１２と、前記電解質膜・電極構造体１２を挟持するアノード側セパレータ１４及びカソード側セパレータ１６とを備える。アノード側セパレータ１４及びカソード側セパレータ１６は、横長（又は縦長）の長方形状を有する。アノード側セパレータ１４及びカソード側セパレータ１６は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属板や、カーボン部材等で構成される。

図２に示すように、電解質膜・電極構造体１２は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜１８と、前記固体高分子電解質膜１８を挟持するアノード電極２０及びカソード電極２２とを有する。

固体高分子電解質膜１８は、フッ素系電解質の他、ＨＣ（炭化水素）系電解質が使用される。アノード電極２０は、固体高分子電解質膜１８の一方の面１８ａに設けられる一方、カソード電極２２は、前記固体高分子電解質膜１８の他方の面１８ｂに設けられる。アノード電極２０は、固体高分子電解質膜１８と同一の平面寸法に設定されるとともに、カソード電極２２は、前記固体高分子電解質膜１８及び前記アノード電極２０よりも小さな平面寸法を有する。なお、アノード電極２０とカソード電極２２との大小関係は、逆に設定されてもよく、又は、前記アノード電極２０と前記カソード電極２２は、同一の平面寸法を有していてもよい。

アノード電極２０は、固体高分子電解質膜１８の面１８ａに接合される第１電極触媒層２０ａと、前記第１電極触媒層２０ａに積層される第１ガス拡散層２０ｂとを備える。第１電極触媒層２０ａ及び第１ガス拡散層２０ｂは、同一の外形寸法を有するとともに、固体高分子電解質膜１８と同一（又は同一未満）の外形寸法に設定される。

カソード電極２２は、固体高分子電解質膜１８の面１８ｂに接合される第２電極触媒層２２ａと、前記第２電極触媒層２２ａに積層される第２ガス拡散層２２ｂとを備える。第２電極触媒層２２ａの外周端部２２ａｅは、第２ガス拡散層２２ｂの外周端部２２ｂｅよりも外方に突出するとともに、前記第２電極触媒層２２ａは、固体高分子電解質膜１８の外形寸法よりも小さな外形寸法に設定される。

第１ガス拡散層２０ｂ及び第２ガス拡散層２２ｂは、例えば、カーボンペーパー又はカーボンクロス、あるいは、金属メッシュ等の細孔を有するシート部材からなる。第１電極触媒層２０ａ及び第２電極触媒層２２ａは、例えば、白金粒子又は白金粒子や貴金属（ルテニウム、コバルト、パラジウム等）等の触媒を担持した触媒担体（カーボンや導電体等）により構成される。

電解質膜・電極構造体１２は、固体高分子電解質膜１８の外周を周回するとともに、アノード電極２０及びカソード電極２２に接合される樹脂枠部材２４を備える。樹脂枠部材２４は、例えば、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＰＰＡ（ポリフタルアミド）、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）、ＰＥＳ（ポリエーテルサルフォン）、ＬＣＰ（リキッドクリスタルポリマー）、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）、シリコーンゴム、フッ素ゴム又はＥＰＤＭ（エチレンプロピレンゴム）等で構成される。

樹脂枠部材２４の内側壁部２４ｂには、カソード電極２２の外周側に突出する薄肉状内側膨出部２４ａが一体に設けられる。内側膨出部２４ａは、カソード電極２２と同一の肉厚、実質的には、第２ガス拡散層２２ｂと同一の肉厚である厚さ（第２ガス拡散層２２ｂ上に下地層を設ける場合には、前記下地層の厚さも含む）を有していることが好ましい。

樹脂枠部材２４の内側壁部２４ｂと第２電極触媒層２２ａの外周端部２２ａｅとの間に形成される隙間には、接着剤２６の層が形成される。樹脂枠部材２４の内周端部２４ａｅと第２ガス拡散層２２ｂの外周端部２２ｂｅとの間には、隙間が形成され、この隙間には、接着剤２６の層が形成される。接着剤２６としては、例えば、シリコン系接着剤、アクリル系接着剤、フッ素系接着剤やホットメルト剤が使用される。

図３に示すように、アノード電極２０では、第１電極触媒層２０ａの外周部位にのみ、電解質成分、例えば、イオン交換成分を含む高分子ペーストが塗布された第１ペースト塗布層２８ａが設けられる。第１ペースト塗布層２８ａは、後述するひび割れ５２を覆って設けられるものであり、前記ひび割れ５２の発生部位によって、第１電極触媒層２０ａの外周全周（図３）に額縁状に設けられる。図２に示すように、第１ペースト塗布層２８ａは、樹脂枠部材２４の内側膨出部２４ａの範囲内、又は、第２ガス拡散層２２ｂの外周端部２２ｂｅよりも内側まで設けられる。第１の実施形態では、第１ペースト塗布層２８ａは、第２ガス拡散層２２ｂの外周端部２２ｂｅよりも内側まで設けられる。

なお、第１ペースト塗布層２８ａは、図４に示すように、第１電極触媒層２０ａの１つの長辺と１つの短辺とに設けてもよい。また、第１ペースト塗布層２８ａは、図５に示すように、第１電極触媒層２０ａの１つの短辺のみに（又は１つの長辺のみに）設けてもよい。

高分子ペーストは、フッ素系樹脂とカーボンと溶媒を混練したもの等が使用され、イオン交換成分を添加してもよい。なお、第１ガス拡散層２０ｂには、第１電極触媒層２０ａが塗布される面に下地層（図示せず）を設けてもよい。下地層は、カーボンやファイバー等を純水、アルコール等で撹拌して塗布される。

カソード電極２２では、図２に示すように、第２電極触媒層２２ａの外周部位にのみ、電解質成分、例えば、イオン交換成分を含む高分子ペーストが塗布された第２ペースト塗布層２８ｂが設けられる。第２ペースト塗布層２８ｂは、ひび割れ５２を覆って設けられるものであり、前記ひび割れ５２の発生部位によって、例えば、第２電極触媒層２２ａの外周全周に設けられる。

第２ペースト塗布層２８ｂは、樹脂枠部材２４の枠形状の範囲内から内側にはみ出して、すなわち、前記樹脂枠部材２４の内周端部２４ａｅから内方に距離ｔだけ突出して設けられる。第１ペースト塗布層２８ａの端部は、第２ペースト塗布層２８ｂの端部よりも内方に距離ｓだけ突出して設けられる。第１ペースト塗布層２８ａの端部位置と第２ペースト塗布層２８ｂの端部位置とは、積層方向（矢印Ａ方向）に対して互いにずれていることが好ましい。

図１に示すように、燃料電池１０の矢印Ｂ方向（図１中、水平方向）の一端縁部には、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス入口連通孔３０ａ、冷却媒体入口連通孔３２ａ及び燃料ガス出口連通孔３４ｂが設けられる。酸化剤ガス入口連通孔３０ａは、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給し、冷却媒体入口連通孔３２ａは、冷却媒体を供給し、燃料ガス出口連通孔３４ｂは、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出する。酸化剤ガス入口連通孔３０ａ、冷却媒体入口連通孔３２ａ及び燃料ガス出口連通孔３４ｂは、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。

燃料電池１０の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガス入口連通孔３４ａ、冷却媒体出口連通孔３２ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔３０ｂが設けられる。燃料ガス入口連通孔３４ａは、燃料ガスを供給し、冷却媒体出口連通孔３２ｂは、冷却媒体を排出し、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂは、酸化剤ガスを排出する。燃料ガス入口連通孔３４ａ、冷却媒体出口連通孔３２ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔３０ｂは、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。

カソード側セパレータ１６の電解質膜・電極構造体１２に向かう面１６ａには、酸化剤ガス入口連通孔３０ａと酸化剤ガス出口連通孔３０ｂとに連通する酸化剤ガス流路３６が設けられる。

アノード側セパレータ１４の電解質膜・電極構造体１２に向かう面１４ａには、燃料ガス入口連通孔３４ａと燃料ガス出口連通孔３４ｂとに連通する燃料ガス流路３８が形成される。互いに隣接するアノード側セパレータ１４の面１４ｂとカソード側セパレータ１６の面１６ｂとの間には、冷却媒体入口連通孔３２ａと冷却媒体出口連通孔３２ｂとに連通する冷却媒体流路４０が形成される。

図１及び図２に示すように、アノード側セパレータ１４の面１４ａ、１４ｂには、このアノード側セパレータ１４の外周端部を周回して、第１シール部材４２が一体化される。カソード側セパレータ１６の面１６ａ、１６ｂには、このカソード側セパレータ１６の外周端部を周回して、第２シール部材４４が一体化される。

図２に示すように、第１シール部材４２は、電解質膜・電極構造体１２を構成する樹脂枠部材２４の外周縁部に当接する第１凸状シール４２ａと、カソード側セパレータ１６の第２シール部材４４に当接する第２凸状シール４２ｂとを有する。第２シール部材４４は、第１凸状シール４２ａと当接する面にセパレータ面方向に沿って平坦状の平面シールを構成する。なお、第２シール部材４４には、第２凸状シール４２ｂに代えて凸状シール（図示せず）を設ける一方、第１シール部材４２は、平面シールにより構成してもよい。

第１シール部材４２及び第２シール部材４４には、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材等の弾性を有するシール部材が用いられる。

次いで、電解質膜・電極構造体１２を製造する方法について、以下に説明する。

先ず、図６に示すように、例えば、プラスチック製フィルムである第１転写用基材５０ａが用意され、この第１転写用基材５０ａには、アノード電極２０を構成する第１電極触媒層２０ａが形成される。具体的には、白金粒子等の触媒粒子を担持した触媒担体に、電解質と純水又はアルコールが添加された溶媒を、スターラや超音波ホモジナイザー等により撹拌させてペーストが得られる。このペーストは、第１転写用基材５０ａに、例えば、コータ、スプレー、インクジェット又はスクリーン印刷等により塗工される。次に、乾燥処理（例えば、ヒータや熱風等の熱処理）を施すことにより、第１電極触媒層２０ａが作製される。

上記の作製時に、特に乾燥処理が施されることにより、図３に示すように、第１電極触媒層２０ａには、特に外周部位にひび割れ（ピンホール、割れ、ひびを含む）５２が発生し易い。そこで、第１電極触媒層２０ａには、ひび割れ５２が発生した部分、すなわち、外周部位のみを露呈させて、マスク５４ａが配置される。

さらに、図７に示すように、第１電極触媒層２０ａには、マスク５４ａを介して第１高分子ペースト２８ａｐが塗布又は転写される。第１の実施形態では、第１電極触媒層２０ａの外周部位のみに、枠状に周回して第１高分子ペースト２８ａｐが塗布される。なお、第１高分子ペースト２８ａｐが、刷毛やインクジェット等で塗布される際には、マスク５４ａを不要にすることができる。

一方、図８に示すように、第２転写用基材５０ｂが用意され、この第２転写用基材５０ｂには、カソード電極２２を構成する第２電極触媒層２２ａが形成される。第２電極触媒層２２ａは、上記の第１電極触媒層２０ａと同様に形成される。

第２電極触媒層２２ａには、マスク５４ｂが配置される。図９に示すように、第２電極触媒層２２ａの外周部位にのみ、マスク５４ｂを介して枠状に周回する第２高分子ペースト２８ｂｐが塗布される。

次いで、図１０に示すように、固体高分子電解質膜１８の一方の面１８ａには、アノード電極２０を構成する第１電極触媒層２０ａが重ねられ、第１転写用基材５０ａから転写される。このため、第１高分子ペースト２８ａｐは、第１電極触媒層２０ａの外周部位に含浸され、第１ペースト塗布層２８ａが形成されるとともに、前記第１電極触媒層２０ａが固体高分子電解質膜１８の面１８ａに転写される。

固体高分子電解質膜１８の他方の面１８ｂには、カソード電極２２を構成する第２電極触媒層２２ａが重ねられ、第２転写用基材５０ｂから転写される。従って、第２高分子ペースト２８ｂｐは、第２電極触媒層２２ａの外周部位に含浸され、第２ペースト塗布層２８ｂが形成されるとともに、前記第２電極触媒層２２ａが固体高分子電解質膜１８の面１８ｂに転写される。

そして、図１１に示すように、第１電極触媒層２０ａには、第１ガス拡散層２０ｂが重ねられるとともに、第２電極触媒層２２ａには、第２ガス拡散層２２ｂが重ねられる。この状態で、ホットプレスや加熱ロール等により固体高分子電解質膜１８の両方の面１８ａ、１８ｂにアノード電極２０とカソード電極２２とが熱転写され、一体化される。さらに、樹脂枠部材２４が、アノード電極２０及びカソード電極２２に接合されて、電解質膜・電極構造体１２が製造される。

ところで、電解質膜・電極構造体１２は、上記の製造方法の他、種々の製造方法により製造することができる。

他の製造方法では、例えば、先ず、第１ガス拡散層２０ｂに第１電極触媒層２０ａが形成される。そして、第１電極触媒層２０ａに第１高分子ペースト２８ａｐが塗布されて、前記第１電極触媒層２０ａの外周部位にのみ第１ペースト塗布層２８ａが形成される。一方、第２ガス拡散層２２ｂに第２電極触媒層２２ａが形成される。さらに、第２電極触媒層２２ａに第２高分子ペースト２８ｂｐが塗布されて、前記第２電極触媒層２２ａの外周部位にのみ第２ペースト塗布層２８ｂが形成される。

次に、固体高分子電解質膜１８の一方の面１８ａには、アノード電極２０を構成する第１電極触媒層２０ａが重ねられる。固体高分子電解質膜１８の他方の面１８ｂには、カソード電極２２を構成する第２電極触媒層２２ａが重ねられる。この状態で、ホットプレスや加熱ロール等により固体高分子電解質膜１８の両方の面１８ａ、１８ｂにアノード電極２０とカソード電極２２とが熱転写され、一体化される。

また別の製造方法では、先ず、第１電極触媒層２０ａ及び第２電極触媒層２２ａが、固体高分子電解質膜１８に転写又は塗布形成される。次いで、固体高分子電解質膜１８の一方の面１８ａには、第１高分子ペースト２８ａｐが枠状に塗布される。固体高分子電解質膜１８の他方の面１８ｂには、第２高分子ペースト２８ｂｐが枠状に塗布される。

上記により、固体高分子電解質膜１８に第１電極触媒層２０ａ及び第２電極触媒層２２ａが形成される際に発生する前記第１電極触媒層２０ａ及び前記第２電極触媒層２２ａのひび等を埋めることができる。

さらに、第１電極触媒層２０ａには、第１ガス拡散層２０ｂが重ねられるとともに、第２電極触媒層２２ａには、第２ガス拡散層２２ｂが重ねられる。この状態で、ホットプレスや加熱ロール等により固体高分子電解質膜１８の両方の面１８ａ、１８ｂにアノード電極２０とカソード電極２２とが熱転写され、一体化される。

さらにまた別の製造方法では、固体高分子電解質膜１８にアノード電極２０及びカソード電極２２が設けられたＭＥＡを樹脂枠部材に一体化した後、前記アノード電極２０の外周部に高分子ペーストが塗布される。高分子ペーストは、第１ガス拡散層２０ｂを透過して第１電極触媒層２０ａに第１高分子ペースト２８ａｐとして塗布される。なお、第１ガス拡散層２０ｂが設けられる前に、高分子ペーストの塗布を行ってもよい。

また、別の製造方法では、上記の各製造方法をアノード電極２０とカソード電極２２のいずれかに適用してもよく、又はこれらの製造方法を組み合わせてもよい。

このように構成される燃料電池１０の動作について、以下に説明する。

先ず、図１に示すように、酸化剤ガス入口連通孔３０ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔３４ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔３２ａに純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。

このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔３０ａからカソード側セパレータ１６の酸化剤ガス流路３６に導入され、矢印Ｂ方向に移動して電解質膜・電極構造体１２のカソード電極２２に供給される。一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔３４ａからアノード側セパレータ１４の燃料ガス流路３８に導入される。燃料ガスは、燃料ガス流路３８に沿って矢印Ｂ方向に移動し、電解質膜・電極構造体１２のアノード電極２０に供給される。

従って、各電解質膜・電極構造体１２では、アノード電極２０に供給される燃料ガスと、カソード電極２２に供給される酸化剤ガスとが、第１電極触媒層２０ａ及び第２電極触媒層２２ａ内で電気化学反応により消費されて発電が行われる。

次いで、カソード電極２２に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。同様に、アノード電極２０に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔３４ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。

また、冷却媒体入口連通孔３２ａに供給された冷却媒体は、アノード側セパレータ１４とカソード側セパレータ１６との間の冷却媒体流路４０に導入された後、矢印Ｂ方向に流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体１２を冷却した後、冷却媒体出口連通孔３２ｂから排出される。

この場合、第１の実施形態では、アノード電極２０を構成する第１電極触媒層２０ａが形成される際、乾燥処理等によりひび割れ５２が発生し易い（図３参照）。そこで、ひび割れ５２を覆って、すなわち、第１電極触媒層２０ａの外周部位にのみ、第１高分子ペースト２８ａｐが塗布されて、第１ペースト塗布層２８ａが形成されている。第１高分子ペースト２８ａｐは、必要に応じて粘度の異なるものを複数回に亘って塗布してもよい。

このため、電極欠陥であるひび割れ５２は、第１ペースト塗布層２８ａにより埋設され、前記電極欠陥が第１電極触媒層２０ａの内側に拡大進行することがなく、耐久性の低下を抑制することができる。従って、簡単且つ経済的に、第１電極触媒層２０ａの電極欠陥を確実に補修することが可能になり、所望の発電性能及び耐久性を確保することができるという効果が得られる。

一方、カソード電極２２では、第２電極触媒層２２ａが形成される際にひび割れ５２が発生した前記第２電極触媒層２２ａには、外周部位にのみ、第２高分子ペースト２８ｂｐが塗布されて、第２ペースト塗布層２８ｂが形成されている。これにより、簡単且つ経済的に、第２電極触媒層２２ａの電極欠陥を確実に補修することが可能になり、所望の発電性能及び耐久性を確保することができるという効果が得られる。なお、第１ペースト塗布層２８ａ及び第２ペースト塗布層２８ｂは、電極欠陥の発生の有無によって設ければよく、例えば、いずれか一方のみを設けてもよい。

図１２は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池６０ａの要部断面説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池１０と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第３以降の実施形態においても、同様である。

燃料電池６０ａは、アノード側セパレータ１４及びカソード側セパレータ１６に挟持される電解質膜・電極構造体６２ａを備える。電解質膜・電極構造体６２ａでは、アノード電極２０を構成する第１電極触媒層２０ａの外周部位にのみ第１ペースト塗布層２８ａｓが設けられる。電解質膜・電極構造体６２ａでは、カソード電極２２を構成する第２電極触媒層２２ａの外周部位にのみ第２ペースト塗布層２８ｂｓが設けられる。

第１ペースト塗布層２８ａｓは、第１の実施形態の第１ペースト塗布層２８ａよりも幅狭に構成される。具体的には、第１ペースト塗布層２８ａｓは、積層方向に対して接着剤２６に重なる位置に設けられる。第２ペースト塗布層２８ｂｓは、第１の実施形態の第２ペースト塗布層２８ｂよりも幅狭に構成される。具体的には、第２ペースト塗布層２８ｂｓは、積層方向に対して樹脂枠部材２４の枠形状の範囲内に設けられる。

このように構成される第２の実施形態では、簡単且つ経済的に、第１電極触媒層２０ａ及び第２電極触媒層２２ａの電極欠陥を確実に補修することが可能になる。従って、所望の発電性能及び耐久性を確保することができる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

図１３は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池６０ｂの要部断面説明図である。

燃料電池６０ｂは、アノード側セパレータ１４及びカソード側セパレータ１６に挟持される電解質膜・電極構造体６２ｂを備える。電解質膜・電極構造体６２ｂでは、アノード電極２０を構成する第１電極触媒層２０ａの外周部位にのみ第１ペースト塗布層２８ａが設けられる。電解質膜・電極構造体６２ｂでは、カソード電極２２を構成する第２電極触媒層２２ａの外周部位にのみ第２ペースト塗布層２８ｂｓが設けられる。第１ペースト塗布層２８ａの端部は、第２ペースト塗布層２８ｂｓの端部よりも内方に距離ｓ１だけ突出して設けられる。

このように構成される第３の実施形態では、簡単且つ経済的に、第１電極触媒層２０ａ及び第２電極触媒層２２ａの電極欠陥を確実に補修することが可能になる等、上記の第１及び第２の実施形態と同様の効果が得られる。

図１４は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池６０ｃの要部断面説明図である。

燃料電池６０ｃは、アノード側セパレータ１４及びカソード側セパレータ１６に挟持される電解質膜・電極構造体６２ｃを備える。電解質膜・電極構造体６２ｃでは、アノード電極２０を構成する第１電極触媒層２０ａの外周部位にのみ幅狭な第１ペースト塗布層２８ａｓ１が設けられる。電解質膜・電極構造体６２ｃでは、カソード電極２２を構成する第２電極触媒層２２ａの外周部位にのみ幅狭な第２ペースト塗布層２８ｂｓ１が設けられる。

第１ペースト塗布層２８ａｓ１は、樹脂枠部材２４の範囲内に、より具体的には、第２電極触媒層２２ａの外周端部２２ａｅよりも外方で終端する。第２ペースト塗布層２８ｂｓ１は、樹脂枠部材２４の内周端を跨いで設けられる。第１ペースト塗布層２８ａｓ１と第２ペースト塗布層２８ｂｓ１とは、積層方向から見て互いに重なり部を設けていない。

このように構成される第４の実施形態では、簡単且つ経済的に、第１電極触媒層２０ａ及び第２電極触媒層２２ａの電極欠陥を確実に補修することが可能になる等、上記の第１〜第３の実施形態と同様の効果が得られる。

図１５は、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池６０ｄの要部断面説明図である。

燃料電池６０ｄは、アノード側セパレータ１４及びカソード側セパレータ１６に挟持される電解質膜・電極構造体６２ｄを備える。電解質膜・電極構造体６２ｄでは、アノード電極２０を構成する第１電極触媒層２０ａの外周部位（第５の実施形態では、外周端部は含まない）にのみ幅狭な第１ペースト塗布層２８ａｓ２が設けられる。電解質膜・電極構造体６２ｄでは、カソード電極２２を構成する第２電極触媒層２２ａの外周部位（第５の実施形態では、外周端部は含まない）にのみ幅狭な第２ペースト塗布層２８ｂｓ２が設けられる。

第１ペースト塗布層２８ａｓ２は、樹脂枠部材２４の内周端を跨いで設けられる。第２ペースト塗布層２８ｂｓ２は、樹脂枠部材２４の内周端を跨いで設けられる。第１ペースト塗布層２８ａｓ２と第２ペースト塗布層２８ｂｓ２とは、積層方向から見て互いに重なり部を有する。具体的には、第２ペースト塗布層２８ｂｓ２は、第１ペースト塗布層２８ａｓ２よりも幅狭に構成されるとともに、前記第２ペースト塗布層２８ｂｓ２は、積層方向から見て前記第１ペースト塗布層２８ａｓ２の範囲内に収容される。

このように構成される第５の実施形態では、第１ペースト塗布層２８ａｓ２と第２ペースト塗布層２８ｂｓ２とは、樹脂枠部材２４の内周端を跨いで設けられており、前記内周端による応力の上昇を緩和することができる。その際、簡単且つ経済的に、第１電極触媒層２０ａ及び第２電極触媒層２２ａの電極欠陥を確実に補修することが可能になる等、上記の第１〜第４の実施形態と同様の効果が得られる。

図１６は、本発明の第６の実施形態に係る燃料電池７０の要部分解斜視説明図である。燃料電池７０は、電解質膜・電極構造体７２と、前記電解質膜・電極構造体７２を挟持するカソード側セパレータ７４及びアノード側セパレータ７６とを備える。カソード側セパレータ７４には、酸化剤ガス流路３６が設けられる一方、アノード側セパレータ７６には、燃料ガス流路３８が設けられる。

図１６及び図１７に示すように、電解質膜・電極構造体７２は、固体高分子電解質膜１８と、前記固体高分子電解質膜１８を挟持するアノード電極２０及びカソード電極２２とを有する。アノード電極２０は、カソード電極２２よりも大きな平面寸法を有し、第１電極触媒層２０ａ及び第１ガス拡散層２０ｂは、固体高分子電解質膜１８と略同一の平面寸法に設定される。カソード電極２２は、第２電極触媒層２２ａ及び第２ガス拡散層２２ｂが同一の平面寸法で且つ固体高分子電解質膜１８よりも小さな平面寸法に設定される。

アノード電極２０では、第１電極触媒層２０ａの外周部位にのみ、電解質成分、例えば、イオン交換成分を含む高分子ペーストが塗布された第１ペースト塗布層７８ａが設けられる。カソード電極２２では、第２電極触媒層２２ａの外周部位にのみ、電解質成分、例えば、イオン交換成分を含む高分子ペーストが塗布された第２ペースト塗布層７８ｂが設けられる。

このように構成される第６の実施形態では、簡単且つ経済的に、第１電極触媒層２０ａ及び第２電極触媒層２２ａの電極欠陥を確実に補修することが可能になる。これにより、所望の発電性能及び耐久性を確保することができる等、上記の第１〜第５の実施形態と同様の効果が得られる。

図１８は、本発明の第７の実施形態に係る燃料電池８０の要部分解斜視説明図である。燃料電池８０は、電解質膜・電極構造体８２と、前記電解質膜・電極構造体８２を挟持するカソード側セパレータ８４及びアノード側セパレータ８６とを備える。カソード側セパレータ８４には、酸化剤ガス流路３６が設けられる一方、アノード側セパレータ８６には、燃料ガス流路３８が設けられる。

図１８及び図１９に示すように、電解質膜・電極構造体８２は、固体高分子電解質膜１８Ｌと、前記固体高分子電解質膜１８Ｌを挟持するアノード電極２０及びカソード電極２２とを有する。固体高分子電解質膜１８Ｌは、カソード側セパレータ８４及びアノード側セパレータ８６よりも大きな外形寸法に設定される。

アノード電極２０とカソード電極２２とは、同一の平面寸法を有する。アノード電極２０は、第１電極触媒層２０ａ及び第１ガス拡散層２０ｂが略同一の平面寸法に設定される。カソード電極２２は、第２電極触媒層２２ａ及び第２ガス拡散層２２ｂが同一の平面寸法に設定される。

アノード電極２０では、第１電極触媒層２０ａの外周部位にのみ、電解質成分、例えば、イオン交換成分を含む高分子ペーストが塗布された第１ペースト塗布層８８ａが設けられる。カソード電極２２では、第２電極触媒層２２ａの外周部位にのみ、電解質成分、例えば、イオン交換成分を含む高分子ペーストが塗布された第２ペースト塗布層８８ｂが設けられる。

このように構成される第７の実施形態では、簡単且つ経済的に、第１電極触媒層２０ａ及び第２電極触媒層２２ａの電極欠陥を確実に補修することが可能になる。これにより、所望の発電性能及び耐久性を確保することができる等、上記の第１〜第６の実施形態と同様の効果が得られる。

１０、６０ａ〜６０ｄ、７０、８０…燃料電池
１２、６２ａ〜６２ｄ、７２、８２…電解質膜・電極構造体
１４、１６、７４、７６、８４、８６…セパレータ
１８、１８Ｌ…固体高分子電解質膜 １８ａ、１８ｂ…面
２０…アノード電極 ２０ａ、２２ａ…電極触媒層
２０ｂ、２２ｂ…ガス拡散層 ２２…カソード電極
２４…樹脂枠部材 ２４ａ…内側膨出部
２４ｂ…内側壁部 ２６…接着剤
２８ａ、２８ａｓ、２８ａｓ１、２８ａｓ２、２８ｂ、２８ｂｓ、２８ｂｓ１、２８ｂｓ２、７８ａ、７８ｂ、８８ａ、８８ｂ…ペースト塗布層
３０ａ…酸化剤ガス入口連通孔 ３０ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
３２ａ…冷却媒体入口連通孔 ３２ｂ…冷却媒体出口連通孔
３４ａ…燃料ガス入口連通孔 ３４ｂ…燃料ガス出口連通孔
３６…酸化剤ガス流路 ３８…燃料ガス流路
４０…冷却媒体流路 ４２、４４…シール部材

Claims (5)

1. 固体高分子電解質膜の両側の面に、それぞれ電極触媒層を含む電極が設けられた電解質膜・電極構造体を備える燃料電池であって、
   前記電解質膜・電極構造体は、前記電極触媒層の外周部位にのみ、イオン交換成分を含むペーストが塗布されたペースト塗布層を設け、
   前記電極触媒層の形成時に前記外周部位に生じたひび割れが前記ペースト塗布層により補修されていることを特徴とする燃料電池。
2. 請求項１記載の燃料電池において、前記電極触媒層は、前記固体高分子電解質膜の一方の面に設けられる第１電極触媒層と、
   前記固体高分子電解質膜の他方の面に設けられ、前記第１電極触媒層よりも平面寸法が小さな第２電極触媒層と、
   を有し、
   電解質膜・電極構造体の外周を周回して樹脂枠部材が設けられるとともに、
   前記第１電極触媒層の前記ペースト塗布層は、前記樹脂枠部材の枠形状の範囲内に設けられることを特徴とする燃料電池。
3. 請求項２記載の燃料電池において、前記第２電極触媒層の前記ペースト塗布層は、前記樹脂枠部材の枠形状の範囲内から内側にはみ出して設けられることを特徴とする燃料電池。
4. 請求項１記載の燃料電池において、前記電極触媒層は、前記固体高分子電解質膜の一方の面に設けられる第１電極触媒層と、
   前記固体高分子電解質膜の他方の面に設けられ、前記第１電極触媒層よりも平面寸法が小さな第２電極触媒層と、
   を有し、
   電解質膜・電極構造体の外周を周回して樹脂枠部材が設けられるとともに、
   前記第１電極触媒層の前記ペースト塗布層は、前記樹脂枠部材の端部内周端を跨いで設けられることを特徴とする燃料電池。
5. 請求項２記載の燃料電池において、前記第１電極触媒層の前記ペースト塗布層及び前記第２電極触媒層の前記ペースト塗布層は、前記樹脂枠部材の枠形状の範囲内から内側にはみ出して設けられることを特徴とする燃料電池。

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