WO2012117661A1 - 燃料電池 - Google Patents

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WO2012117661A1
WO2012117661A1 PCT/JP2012/000502 JP2012000502W WO2012117661A1 WO 2012117661 A1 WO2012117661 A1 WO 2012117661A1 JP 2012000502 W JP2012000502 W JP 2012000502W WO 2012117661 A1 WO2012117661 A1 WO 2012117661A1
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WO
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catalyst layer
fuel cell
electrolyte membrane
reinforcing layer
layer
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PCT/JP2012/000502
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English (en)
French (fr)
Inventor
匡志 藤澤
礒野　隆博
Original Assignee
三洋電機株式会社
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/8663—Selection of inactive substances as ingredients for catalytic active masses, e.g. binders, fillers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell, and more particularly to a fuel cell in which a plurality of membrane electrode assemblies are arranged in a plane.
  • Fuel cells are devices that generate electrical energy from hydrogen and oxygen, and can achieve high power generation efficiency.
  • the main features of the fuel cell are direct power generation that does not go through the process of thermal energy and kinetic energy as in the conventional power generation method, so that high power generation efficiency can be expected even on a small scale, and there is little emission of nitrogen compounds, Noise and vibration are also small, so the environmental performance is good.
  • the fuel cell can effectively use the chemical energy of fuel and has environmentally friendly characteristics, so it is expected as an energy supply system for the 21st century, from space use to automobiles and portable devices. It is attracting attention as a promising new power generation system that can be used for various applications from large-scale power generation to small-scale power generation, and technological development is in full swing toward practical application.
  • solid polymer fuel cells are characterized by low operating temperature and high output density compared to other types of fuel cells.
  • mobile devices for example, mobile phones, notebook personal computers, Use in power sources such as PDAs, MP3 players, digital cameras or electronic dictionaries, electronic books
  • a polymer electrolyte fuel cell for portable equipment a planar array type fuel cell in which a plurality of membrane electrode assemblies (single cells) are arranged in a planar shape is known (see Patent Document 1).
  • Each membrane electrode assembly has a structure in which an anode catalyst layer is provided on one surface of an electrolyte membrane containing a proton exchanger, and a cathode catalyst layer is provided on the other surface.
  • a power generation reaction is performed in a state where the electrolyte membrane and the catalyst layer are humidified in order to promote proton exchange in the electrolyte membrane. Therefore, when the fuel cell is used, the electrolyte membrane and the catalyst layer are repeatedly changed between a wet state and a dry state.
  • the electrolyte membrane is more likely to swell than the catalyst layer. For this reason, when the fuel cell is used for a long period of time and the wet state of the electrolyte membrane and the catalyst layer is repeated, both of them repeatedly swell, and as a result, there is a possibility that cracks occur in the catalyst layer. When a crack occurs in the catalyst layer, the electrical conductivity is lowered or the contact resistance between the electrolyte membrane and the catalyst layer is increased in the crack generation portion. As a result, the internal resistance of the fuel cell increases and the power generation performance of the fuel cell decreases.
  • the present invention has been made in view of these problems, and an object of the present invention is to provide a technique for suppressing the generation of cracks in the catalyst layer and avoiding a decrease in power generation performance of the fuel cell.
  • the fuel cell includes an electrolyte membrane including an ion exchanger, an anode catalyst layer provided on one surface of the electrolyte membrane, a membrane electrode assembly having a cathode catalyst layer provided on the other surface of the electrolyte membrane, and an anode A reinforcing layer embedded in at least one of the catalyst layer and the cathode catalyst layer and having an area projected onto a plane parallel to the main surface of the electrolyte membrane is smaller than the catalyst layer and is less likely to swell than the electrolyte membrane. It is characterized by.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view showing a schematic configuration of a fuel cell according to Embodiment 1.
  • FIG. FIG. 2A is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG.
  • FIG. 2B is a cross-sectional view along the line BB in FIG.
  • FIG. 3A is an enlarged view of a region surrounded by a broken line in FIG.
  • FIG. 3B is a schematic view showing a modification of the structure of the reinforcing layer.
  • 4A to 4C are process cross-sectional views illustrating the method of manufacturing the fuel cell according to the first embodiment.
  • 5A to 5C are process cross-sectional views illustrating the method of manufacturing the fuel cell according to the first embodiment.
  • FIG. 6A and 6B are process cross-sectional views illustrating the method for manufacturing the fuel cell according to the first embodiment.
  • FIG. 7A is a plan view showing a schematic structure of a fuel cell according to Embodiment 2.
  • FIG. 7B is a cross-sectional view taken along the line DD in FIG. 6 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a membrane electrode assembly provided in a fuel cell according to Embodiment 3.
  • FIG. It is sectional drawing which shows schematic structure of the membrane electrode assembly with which the fuel cell which concerns on Embodiment 4 is provided.
  • FIG. 10A is a plan view showing a schematic configuration of a membrane electrode assembly provided in the fuel cell according to Embodiment 5.
  • FIG. 10B is a schematic plan view of a membrane electrode assembly in a fuel cell according to Modification 5-1.
  • FIG. 10C is a schematic plan view of a membrane electrode assembly in a fuel cell according to Modification 5-2.
  • FIG. 10D is a schematic plan view of a membrane electrode assembly in a fuel cell according to Modification 5-3.
  • FIG. 11A is a schematic plan view of a membrane electrode assembly in a fuel cell according to Modification 5-4.
  • FIG. 11B is a schematic plan view of a membrane electrode assembly in a fuel cell according to Modification 5-5.
  • FIG. 12A is a plan view showing a schematic configuration of a membrane electrode assembly provided in the fuel cell according to Embodiment 6.
  • FIG. 12B is a schematic plan view of a membrane electrode assembly in a fuel cell according to Modification 6-1.
  • FIG. 12C is a schematic plan view of a membrane electrode assembly in a fuel cell according to Modification 6-2.
  • FIG. 12D is a schematic plan view of a membrane electrode assembly in a fuel cell according to Modification 6-3.
  • FIG. 13A is a schematic plan view of a membrane electrode assembly in a fuel cell according to Modification 6-4.
  • FIG. 13B is a schematic plan view of a membrane electrode assembly in a fuel cell according to Modification 6-5.
  • FIG. 13C is a schematic plan view of a membrane electrode assembly in a fuel cell according to Modification 6-6.
  • FIG. 14A is a plan view showing a schematic configuration of a membrane electrode assembly provided in the fuel cell according to Embodiment 7.
  • FIG. 14B is a schematic plan view of a membrane electrode assembly in a fuel cell according to Modification 7-1.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view showing a schematic configuration of a fuel cell according to Embodiment 1.
  • FIG. FIG. 2A is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG.
  • FIG. 2B is a cross-sectional view along the line BB in FIG.
  • FIG. 3A is an enlarged view of a region surrounded by a broken line in FIG.
  • FIG. 3B is a schematic view showing a modification of the structure of the reinforcing layer.
  • each of a plurality of fiber materials 132 which will be described later, is represented by a small circle for convenience, but the plurality of fiber materials 132 are arranged in the same direction in the reinforcing layer 130. Does not extend along.
  • the fuel cell 10 includes a plurality of membrane electrode assemblies (MEAs) 100, a reinforcing layer 130, A cathode housing 50 and an anode housing 52 are provided.
  • MEAs membrane electrode assemblies
  • the plurality of membrane electrode assemblies 100 are disposed in the openings 112 provided in the base 110 and are arranged in a plane.
  • the base material 110 is formed of an insulating material such as polyester.
  • the thickness of the base material 110 is, for example, about 30 ⁇ m.
  • the opening 112, that is, the length of the membrane electrode assembly 100 For example, the thickness is about 2000 ⁇ m.
  • Each membrane electrode assembly 100 includes an electrolyte membrane 102, an anode catalyst layer 104 provided on one surface of the electrolyte membrane 102, and a cathode catalyst layer 106 provided on the other surface of the electrolyte membrane 102.
  • a cell is configured by sandwiching the electrolyte membrane 102 between the pair of anode catalyst layers 104 and the cathode catalyst layer 106.
  • Hydrogen is supplied to the anode catalyst layer 104 as a fuel gas. In this embodiment, hydrogen is used as the fuel gas, but other suitable fuels such as methanol, formic acid, butane, or other hydrogen carriers can be used.
  • Air is supplied to the cathode catalyst layer 106 as an oxidant.
  • Each cell, that is, each membrane electrode assembly 100 generates power by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen in the air.
  • the electrolyte membrane 102 preferably exhibits good ionic conductivity in a wet state, and functions as an ion exchange membrane that moves protons between the anode catalyst layer 104 and the cathode catalyst layer 106.
  • the electrolyte membrane 122 is formed of a solid polymer material (ion exchanger) such as a fluorine-containing polymer or a non-fluorine polymer, and includes, for example, a sulfonic acid type perfluorocarbon polymer, a polysulfone resin, a phosphonic acid group, or a carboxylic acid group.
  • a perfluorocarbon polymer having the same can be used.
  • Examples of the sulfonic acid type perfluorocarbon polymer include Nafion (registered trademark) membrane (manufactured by DuPont).
  • Examples of non-fluorine polymers include sulfonated aromatic polyetheretherketone and polysulfone.
  • the thickness of the electrolyte membrane 122 is, for example, about 30 ⁇ m.
  • the anode catalyst layer 104 and the cathode catalyst layer 106 have ion exchangers and catalyst particles, and possibly carbon particles.
  • the ion exchangers included in the anode catalyst layer 104 and the cathode catalyst layer 106 may be used to improve the adhesion between the catalyst particles and the electrolyte membrane 102, and may have a role of transmitting protons between the two. Good.
  • This ion exchanger can be formed from the same polymer material as the electrolyte membrane 102.
  • catalyst metals include Sc, Y, Ti, Zr, V, Nb, Fe, Co, Ni, Ru, Rh, Pd, Pt, Os, Ir, alloys selected from lanthanoid series elements and actinoid series elements, A simple substance is mentioned. When the catalyst is supported, furnace black, acetylene black, ketjen black, carbon nanotubes or the like may be used as the carbon particles.
  • Each of the anode catalyst layer 104 and the cathode catalyst layer 106 has a thickness of about 50 ⁇ m, for example.
  • the reinforcing layer 130 is a substantially plate-like member that is less likely to swell than the electrolyte membrane 102 and is embedded in the cathode catalyst layer 106.
  • the characteristic of the reinforcing layer 130 that it is less likely to swell than the electrolyte membrane 102 is that the reinforcing layer 130 includes a fiber material 132 that is less likely to swell than the electrolyte membrane 102 as shown in FIG. It is realized with. Examples of such a fiber material 132 include carbon nanofibers.
  • the thickness, width, and length of the reinforcing layer 130 are about 20 ⁇ m, about 200 ⁇ m, and about 2000 ⁇ m, respectively.
  • the thickness and width of the reinforcing layer 130 are the length in the vertical direction and the length in the horizontal direction in the cross section perpendicular to the extending direction of the reinforcing layer 130 (the cross section shown in FIG. 2B). .
  • the catalyst particles of the cathode catalyst layer 106 that are arranged above the reinforcing layer 130 and are not in direct contact with the electrolyte membrane 102 move according to the swelling of the electrolyte membrane 102. There is nothing to do. Alternatively, the amount of movement is smaller than that of the catalyst particles of the cathode catalyst layer 106 that is in direct contact with the electrolyte membrane 102. Therefore, by embedding the reinforcing layer 130 in the cathode catalyst layer 106, it is possible to suppress the occurrence of cracks in the cathode catalyst layer 106.
  • the surface of the reinforcing layer 130 is uneven by the fiber material located in the vicinity of the surface of the reinforcing layer 130. Thereby, the adhesion between the reinforcing layer 130 and the cathode catalyst layer 106 is enhanced. As a result, the expansion of the cathode catalyst layer 106 accompanying the swelling of the electrolyte membrane 102 can be further suppressed.
  • the fiber material 132 in contact with the cathode catalyst layer 106 is covered with an ion exchanger 133 that is the same material as the ion exchanger included in the electrolyte membrane 102. Since the ion exchanger 133 is also included in the cathode catalyst layer 106, the adhesion between the reinforcing layer 130 and the cathode catalyst layer 106 can be improved. Thereby, since the movement of the catalyst particles of the cathode catalyst layer 106 accompanying the swelling of the electrolyte membrane 102 can be further suppressed, the occurrence of cracks in the cathode catalyst layer 106 can be further suppressed.
  • the reinforcing layer 130 has conductivity. Since the carbon nanofibers described above have good electrical conductivity, they can be suitably employed as the fiber material 132 that makes the reinforcing layer 130 conductive. Since the reinforcing layer 130 has conductivity, it is possible to avoid a decrease in conductivity in the cathode catalyst layer 106 due to the provision of the reinforcing layer 130.
  • the reinforcing layer 130 is provided in contact with the electrolyte membrane 102.
  • the swelling of the electrolyte membrane 102 in the portion in contact with the reinforcing layer 130 can be suppressed. Therefore, the occurrence of cracks in the cathode catalyst layer 106 can be suppressed.
  • the adhesion between the reinforcing layer 130 and the electrolyte membrane 102 is enhanced by the unevenness formed on the surface of the reinforcing layer 130, the occurrence of cracks in the cathode catalyst layer 106 can be further suppressed. Note that the occurrence of cracks in the cathode catalyst layer 106 can be suppressed only by suppressing the swelling of the electrolyte membrane 102 by the adhesion between the reinforcing layer 130 and the electrolyte membrane 102.
  • the maximum length of the fiber material 132 included in the reinforcing layer 130 is set to be less than the thickness of the electrolyte membrane 102.
  • the reinforcing layer 130 is formed by spraying a fiber material 132 onto the surface of the electrolyte membrane 102. Therefore, by setting the maximum length of the fiber material 132 to be less than the thickness of the electrolyte membrane 102, the fiber material 132 sprayed on the surface of the electrolyte membrane 102 can be prevented from penetrating the electrolyte membrane 102.
  • the reinforcing layer 130 may be formed of an integral flat plate member.
  • a Teflon (registered trademark) plate, a carbon plate, or the like can be adopted.
  • the amount of biting into the surface of the electrolyte membrane 102 of the material which comprises the reinforcement layer 130 can be reduced. Therefore, the above-described short circuit and cross leak can be prevented more reliably.
  • the adhesion between the electrolyte membrane 102 and the reinforcing layer 130 is lower than when the surface is formed of the fiber material 132. Therefore, the function of suppressing the swelling of the electrolyte membrane 102 by the reinforcing layer 130 is reduced. In addition, the adhesion between the reinforcing layer 130 and the cathode catalyst layer 106 also decreases. As a result, the cathode catalyst layer 106 located above the reinforcing layer 130 is easily pulled by the swelling of the electrolyte membrane 102. Therefore, as shown in FIG.
  • the reinforcing layer 130 is formed by a flat plate member 134 in contact with the surface of the electrolyte membrane 102 and a fiber material 132 deposited on the surface of the flat plate member 134. The surface is brought into contact with the electrolyte membrane 102. As a result, it is possible to avoid the occurrence of cracks in the cathode catalyst layer 106 due to swelling of the electrolyte membrane 102 while preventing the occurrence of the short circuit and the cross leak described above.
  • the area of the reinforcing layer 130 projected onto a plane parallel to the main surface of the electrolyte membrane 102 is smaller than the area of the cathode catalyst layer 106. That is, the reinforcing layer 130 has a smaller area than the cathode catalyst layer 106 in plan view. Thereby, the area
  • the reinforcing layer 130 preferably has an area occupied by the cathode catalyst layer 106 provided with the reinforcing layer 130 in a plan view of 10% or less.
  • the reinforcing layer 130 may be embedded in the anode catalyst layer 104.
  • An interconnector 140 extends at the boundary between adjacent membrane electrode assemblies 100.
  • the substrate 110 is provided with a slit 114 between adjacent openings 112, and the interconnector 140 is provided so as to pass through the slit 114.
  • One end of the interconnector 140 extends toward the anode catalyst layer 104 of the one membrane electrode assembly 100, and the other end of the interconnector 140 is the cathode catalyst layer of the other membrane electrode assembly 100. It extends towards 106.
  • the interconnector 140 is made of a conductive material such as carbon.
  • One end portion of the interconnector 140 extending toward the anode catalyst layer 104 is in contact with the side surface of the anode catalyst layer 104.
  • the other end of the anode catalyst layer 104 extending toward the cathode catalyst layer 106 is in contact with the side surface of the cathode catalyst layer 106. Accordingly, one anode catalyst layer 104 and the other cathode catalyst layer 106 of the adjacent membrane electrode assembly 100 are electrically connected via the interconnector 140, and the adjacent membrane electrode assemblies 100 are connected in series. ing.
  • the anode catalyst layers 104 and the cathode catalyst layers 106 of the adjacent membrane electrode assemblies 100 are insulated from each other.
  • the width of the interconnector 140 in plan view that is, the width from the end in contact with the anode catalyst layer 104 to the end in contact with the cathode catalyst layer 106 is, for example, about 600 ⁇ m.
  • a current collector 150 is connected to the anode catalyst layer 104 ′ that is one end of the series connection of the plurality of membrane electrode assemblies 100 and the cathode catalyst layer 106 ′ that is the other end.
  • the reinforcing layer 130 extends in a direction intersecting with the interconnector 140.
  • the reinforcing layer 130 extends substantially perpendicular to the interconnector 140.
  • the reinforcing layer 130 extends from the end of the cathode catalyst layer 106 on the side in contact with the interconnector 140 to the other end facing the end. Therefore, it is possible to suppress the occurrence of cracks extending in a direction substantially perpendicular to the conductive direction over the entire conductive direction in the cathode catalyst layer 106.
  • one end of the reinforcing layer 130 is in contact with the interconnector 140.
  • the cathode catalyst layer 106 is in contact with the interconnector 140 at a portion disposed above the reinforcing layer 130.
  • a decrease in conductivity in the cathode catalyst layer 106 can be further suppressed.
  • a protruding portion 130 a extending on the upper surface of the interconnector 140 is provided at one end of the reinforcing layer 130. A part of the upper surface of the interconnector 140 is covered with the protruding portion 130a.
  • the cathode catalyst layer 106 ′ that is the terminal end of the series connection of the plurality of membrane electrode assemblies 100 is in contact with the current collector 150.
  • the cathode catalyst layer 106 is in contact with the current collector 150 at a portion disposed above the reinforcing layer 130.
  • a protrusion 130 a is provided at one end of the reinforcing layer 130, and a part of the upper surface of the current collector 150 is covered with the protrusion 130 a.
  • the cathode housing 50 is a plate-like member facing the cathode catalyst layer 106.
  • the cathode housing 50 is provided with a plurality of air intakes 51 for taking in air from the outside.
  • An air chamber 60 through which air flows is formed between the cathode housing 50 and the cathode catalyst layer 106.
  • the anode housing 52 is a plate-like member facing the anode catalyst layer 104.
  • a fuel gas chamber 62 for storing fuel is formed between the anode housing 52 and the anode catalyst layer 104.
  • fuel supply port (not shown) in the anode housing 52, fuel can be appropriately replenished from a fuel cartridge or the like.
  • Examples of materials used for the cathode housing 50 and the anode housing 52 include general plastic resins such as phenol resin, vinyl resin, polyethylene resin, polypropylene resin, polystyrene resin, urea resin, and fluorine resin.
  • the gasket 56 is provided between the outer periphery of the substrate 110 and the anode housing 52.
  • the gasket 56 improves the sealing performance of the fuel gas chamber 62 and suppresses fuel leakage.
  • the gasket 57 is provided between the outer periphery of the base 110 and the cathode housing 50.
  • a base material 110 is prepared.
  • a plurality of openings 112 and slits 114 are formed in the substrate 110.
  • the slit 114 is formed between adjacent openings 112.
  • the width of the slit 114 is about 200 ⁇ m, and the distance between the opening 112 and the slit 114 is about 200 ⁇ m.
  • a method of forming the opening 112 and the slit 114 for example, laser processing using an infrared laser, visible light laser, ultraviolet laser, or the like, or a punching method using a mold can be employed.
  • the electrolyte membrane 102 is formed in the opening 112 provided in the substrate 110.
  • the electrolyte membrane 102 can be formed by filling the opening 112 with a Nafion solution and then evaporating the solvent.
  • the electrolyte membrane 102 that has been molded in advance to the size of the opening 112 may be fitted into the opening 112.
  • the Nafion solution is poured into the interface between the substrate 110 and the electrolyte membrane 102 after the electrolyte membrane 102 is fitted into the opening 112. According to this, since the Nafion solution functions as an adhesive, the adhesion between the substrate 110 and the electrolyte membrane 102 can be improved.
  • the interconnector 140 is inserted into the slit 114 provided in the substrate 110.
  • the interconnector 140 inserted through the slit 114 has one end bent to the one electrolyte membrane 102 side and the other end bent to the other electrolyte membrane 102 side.
  • a current collector 150 is provided on one main surface side of the substrate 110 and on one end portion in the longitudinal direction, and on the other main surface side of the substrate 110 and on the other end portion in the longitudinal direction. Provided.
  • a mask 200 having an opening 202 in a region where the reinforcing layer 130 is to be formed is laminated on one main surface side of the substrate 110.
  • the mask 200 is provided with a plurality of openings 202 corresponding to the formation region of the electrolyte membrane 102.
  • the opening 202 extends substantially perpendicular to the interconnector 140 and the current collector 150.
  • One end of the opening 202 extends to a position overlapping the end of the electrolyte membrane 102, and the other end of the opening 202 extends to a position where a part of the interconnector 140 or current collector 150 is exposed. Yes.
  • the fiber material 132 (see FIG. 3A, etc.) constituting the reinforcing layer 130 is spray-applied into the opening 202 of the mask 200, so that the protruding portion 130a is formed.
  • the reinforcing layer 130 is formed.
  • the mask 200 is peeled off.
  • a catalyst layer 206 is formed along the longitudinal direction of the substrate 110 so as to straddle the plurality of electrolyte membranes 102.
  • various materials constituting the cathode catalyst layer 106 are sufficiently stirred to prepare a catalyst slurry, and the catalyst layer 206 is formed by spray coating the catalyst slurry.
  • the catalyst layer 204 is formed along the longitudinal direction of the substrate 110 so as to straddle the plurality of electrolyte membranes 102 on the other main surface side of the substrate 110.
  • the catalyst layer 204 is formed by spray-coating a catalyst slurry prepared by stirring various materials constituting the anode catalyst layer 104.
  • a catalyst layer located in a predetermined region of the catalyst layer 206 provided on one main surface side of the substrate 110, that is, a region sandwiched between adjacent electrolyte membranes 102. 206 is partially removed using a laser such as an excimer laser.
  • the cathode catalyst layer 106 is formed on each electrolyte membrane 102 by dividing the catalyst layer 206. Note that a part of the catalyst layer 206 located on the interconnector 140 and the catalyst layer 206 located on the current collector 150 are left without being removed by the laser.
  • a predetermined region of the catalyst layer 204 provided on the other main surface side of the substrate 110, that is, the catalyst layer 204 located in a region sandwiched between adjacent electrolyte membranes 102 is partially formed using a laser such as an excimer laser. To remove. By dividing the catalyst layer 204, the anode catalyst layer 104 located on each electrolyte membrane 102 is formed.
  • the laser output only needs to be sufficient to completely remove the catalyst layer in the laser irradiation portion, and may be adjusted as appropriate according to the material and thickness of the catalyst layer.
  • a cathode housing 50 is provided on one main surface side of the base material 110 via a gasket 57, and an anode housing is provided on the other main surface side of the base material 110 via a gasket 56.
  • the fuel cell 10 is formed.
  • the fuel cell 10 includes the reinforcing layer 130 embedded in the catalyst layer and having a smaller area than the catalyst layer in plan view and less likely to swell than the electrolyte membrane 102. Thereby, it is possible to suppress the occurrence of cracks due to swelling of the electrolyte membrane 102 in the catalyst layer in which the reinforcing layer 130 is embedded. As a result, a decrease in power generation performance of the fuel cell 10 can be avoided, and the life of the fuel cell 10 can be extended.
  • Embodiment 2 In the fuel cell 10 according to Embodiment 2, a plurality of reinforcing layers 130 are provided in the same catalyst layer.
  • the structure other than the reinforcing layer 130 of the fuel cell 10 is basically the same as that of the first embodiment.
  • the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted as appropriate.
  • FIG. 7A is a plan view showing a schematic structure of the fuel cell according to the second embodiment.
  • FIG. 7B is a cross-sectional view taken along the line DD in FIG.
  • the cathode catalyst layer 106 is represented by a broken line, and the cathode catalyst layer 106 is seen through.
  • a plurality of reinforcing layers 130 are provided on the cathode catalyst layer 106, two in this case.
  • the plurality of reinforcing layers 130 are arranged to extend in parallel with each other with a predetermined interval.
  • the area occupied by the reinforcing layer 130 with respect to the cathode catalyst layer 106 in plan view is set to be substantially equal to the configuration of the first embodiment in which one reinforcing layer 130 is provided. That is, also in this embodiment, the total occupied area of the reinforcing layer 130 with respect to the cathode catalyst layer 106 in a plan view is 10% or less. Accordingly, it is possible to avoid a decrease in the area where the electrolyte membrane 102 and the cathode catalyst layer 106 are in direct contact with each other by increasing the number of the reinforcing layers 130.
  • the conductivity of the cathode catalyst layer 106 can be increased.
  • the two reinforcing layers 130 are provided on the cathode catalyst layer 106.
  • the number of the reinforcing layers 130 is not particularly limited as long as the effect of suppressing the occurrence of cracks is obtained.
  • the plurality of reinforcing layers 130 may be provided on the anode catalyst layer 104. That is, if the plurality of reinforcing layers 130 are provided in at least one of the anode catalyst layer 104 and the cathode catalyst layer 106, the above-described catalyst layer on the side where the plurality of reinforcing layers 130 are embedded is described above. An effect can be obtained.
  • a plurality of reinforcing layers 130 are provided in the same catalyst layer. Further, by providing a plurality of reinforcing layers 130, an increase in the total occupied area of the reinforcing layers 130 with respect to the catalyst layer in a plan view is suppressed. As a result, it is possible to more reliably prevent the occurrence of cracks that run parallel to the direction in which the interconnector 140 extends, and to avoid a reduction in the area where the electrolyte membrane 102 and the cathode catalyst layer 106 are in direct contact.
  • the cross-sectional shape of the reinforcing layer 130 is different from that of the first embodiment.
  • this embodiment will be described.
  • the structure other than the reinforcing layer 130 of the fuel cell 10 is basically the same as that of the first embodiment.
  • the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted as appropriate.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a membrane electrode assembly provided in the fuel cell according to Embodiment 3. 8 is a cross-sectional view perpendicular to the extending direction of the reinforcing layer 130, and corresponds to a cross-sectional view along the line BB in FIG.
  • the reinforcing layer 130 has a contact area with the portion of the cathode catalyst layer 106 disposed above the reinforcing layer 130 in contact with the electrolyte membrane 102. It is formed so as to be larger than the area. That is, when viewed in a cross section perpendicular to the extending direction of the reinforcing layer 130, the length D1 of the contact portion with the cathode catalyst layer 106 disposed above the reinforcing layer 130 and the contact portion with the electrolyte membrane 102 are as follows. The length D2 satisfies the relationship of D1 ⁇ D2.
  • the contact area between the reinforcing layer 130 and the cathode catalyst layer 106 can be increased, and the adhesion between them can be improved.
  • the contact area between the reinforcing layer 130 and the electrolyte membrane 102 is reduced, in other words, the contact area between the electrolyte membrane 102 and the cathode catalyst layer 106 is increased, and the membrane obtained by providing the reinforcing layer 130. A decrease in power generation performance of the electrode assembly 100 can be suppressed.
  • the anode catalyst layer 104 and the cathode catalyst layer 106 are provided with the reinforcing layer 130, and the reinforcing layer 130 provided on the anode catalyst layer 104 and the cathode catalyst layer 106 are provided.
  • the positional relationship with the reinforcing layer 130 is determined.
  • this embodiment will be described.
  • the structure other than the reinforcing layer 130 of the fuel cell 10 is basically the same as that of the first embodiment.
  • the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted as appropriate.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a membrane electrode assembly provided in the fuel cell according to Embodiment 4.
  • 9 is a cross-sectional view perpendicular to the extending direction of the reinforcing layer 130, and corresponds to a cross-sectional view along the line BB in FIG.
  • the reinforcing layer 130 is embedded in the anode catalyst layer 104 and the cathode catalyst layer 106.
  • the reinforcing layer 130 embedded in the anode catalyst layer 104 and the reinforcing layer 130 embedded in the cathode catalyst layer 106 are projected onto a plane parallel to the main surface of the electrolyte membrane 102 (arrows in FIG. 9). Overlapping (when viewed from the Z direction). That is, the reinforcing layers 130 provided on both catalyst layers are provided at positions facing each other with the electrolyte membrane 102 interposed therebetween.
  • the efficiency of the power generation reaction tends to be lower than that in the region where the reinforcing layer 130 is not provided. Therefore, when the reinforcing layer 130 is provided on both the anode catalyst layer 104 and the cathode catalyst layer 106, the reinforcing layers 130 provided on both catalyst layers are arranged so as to overlap in plan view. Thereby, the increase in the area
  • the reinforcing layer 130 embedded in the anode catalyst layer 104 and the reinforcing layer 130 embedded in the cathode catalyst layer 106 can obtain the above-described effects to some extent as long as at least a part thereof overlaps in plan view. .
  • the fuel cell 10 according to the fifth embodiment is different from the first embodiment in the shape of the reinforcing layer 130 when viewed in plan.
  • this embodiment will be described.
  • the structure other than the reinforcing layer 130 of the fuel cell 10 is basically the same as that of the first embodiment.
  • the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted as appropriate.
  • FIG. 10A is a plan view showing a schematic configuration of a membrane electrode assembly provided in the fuel cell according to Embodiment 5.
  • FIG. 10B is a schematic plan view of a membrane electrode assembly in a fuel cell according to Modification 5-1.
  • FIG. 10C is a schematic plan view of a membrane electrode assembly in a fuel cell according to Modification 5-2.
  • FIG. 10D is a schematic plan view of a membrane electrode assembly in a fuel cell according to Modification 5-3.
  • FIG. 11A is a schematic plan view of a membrane electrode assembly in a fuel cell according to Modification 5-4.
  • FIG. 11B is a schematic plan view of a membrane electrode assembly in a fuel cell according to Modification 5-5.
  • the reinforcing layer 130 of the present embodiment has a shape that gradually expands as it approaches the interconnector 140 in plan view, that is, the extension direction of the interconnector 140 (interconnector as it approaches the interconnector 140).
  • the connector 140 and the cathode catalyst layer 106 have a shape in which the length (in the direction in which the interface extends) gradually increases.
  • the reinforcing layer 130 of the present embodiment has one side 136 positioned on the interconnector 140 side, and a vertex 138 facing the one side 136 at the end of the electrolyte membrane 102 opposite to the interconnector 140. It is a substantially triangular shape.
  • the length of one side 136 is longer than the width of the reinforcing layer 130 of the first embodiment.
  • the reinforcing layer 130 extends over the entire region in the extending direction of the interconnector 140.
  • the length of one side 136 and the distance from the apex 138 to one side 136 are both about 2000 ⁇ m, for example.
  • the reinforcing layer 130 has a shape that expands as the interconnector 140 is approached. Therefore, the extension range of the reinforcing layer 130 in the vicinity of the interconnector 140 can be widened as compared with the first embodiment. For example, when the area of the reinforcing layer 130 is the same in the first embodiment and the present embodiment, the extending range of the reinforcing layer 130 in the vicinity of the interconnector 140 is wider in the present embodiment than in the first embodiment.
  • Examples of the reinforcing layer 130 of the present embodiment include the following modified examples 5-1 to 5-5.
  • the vertex 138 of the reinforcing layer 130 is located closer to the interconnector 140 than in the fifth embodiment. That is, the reinforcing layer 130 of the modified example 5-1 has a triangular height smaller than that of the reinforcing layer 130 of the fifth embodiment when the one side 136 is the base.
  • the occurrence of cracks in the vicinity of the interconnector 140 can be suppressed to the same extent as in the fifth embodiment, and the contact area between the electrolyte membrane 102 and the cathode catalyst layer 106 can be increased as compared with the fifth embodiment.
  • a decrease in proton conductivity from the electrolyte membrane 102 to the cathode catalyst layer 106 can be suppressed.
  • the distance from the vertex 138 to one side 136 is, for example, about 1000 ⁇ m.
  • the reinforcing layer 130 of the modification 5-2 has a side 136 shorter than the side 136 of the reinforcing layer 130 of the fifth embodiment.
  • the reinforcing layer 130 of the modification 5-2 has a side 136 shorter than the side 136 of the reinforcing layer 130 of the fifth embodiment.
  • the reinforcing layer 130 of the modified example 5-1 can more reliably suppress the occurrence of cracks in the vicinity of the interconnector 140 than the modified example 5-2.
  • the length of one side 136 is, for example, about 1000 ⁇ m.
  • a plurality of reinforcing layers 130 may be arranged in the extending direction of the interconnector 140.
  • the reinforcing layer 130 of the modified example 5-3 has a shape in which the modified example 5-1 and the modified example 5-2 are combined, and the vertex 138 has an interface compared to the fifth embodiment. It is located from the connector 140 and the length of one side 136 is shorter than that of the fifth embodiment. As a result, it is possible to more reliably suppress the occurrence of cracks in the vicinity of the interconnector 140 as compared with the first embodiment, and as compared with the fifth embodiment, the modified example 5-1, and the modified example 5-2.
  • the contact area between the electrolyte membrane 102 and the cathode catalyst layer 106 can be increased to suppress a decrease in proton conductivity.
  • the length of one side 136 and the distance from the vertex 138 to one side 136 are both about 1000 ⁇ m, for example.
  • Modifications 5-4, 5-5) As shown in FIG. 11A, the reinforcing layer 130 of Modification 5-4 is different from Embodiment 5 in that it has a substantially semicircular shape. Further, as shown in FIG. 11B, the reinforcing layer 130 of the modified example 5-5 differs from the fifth embodiment in that it has a substantially trapezoidal shape. Even with these reinforcing layers 130, the occurrence of cracks in the vicinity of the interconnector 140 can be more reliably suppressed as compared to the first embodiment. Note that the reinforcement layer 130 of the modification 5-4 and the reinforcement layer 130 of the modification 5-5 can be modified in the same manner as the modifications 5-1 to 5-3 for the fifth embodiment.
  • the fuel cell 10 according to the sixth embodiment is different from the first embodiment in the shape of the reinforcing layer 130 when viewed in plan.
  • this embodiment will be described.
  • the structure other than the reinforcing layer 130 of the fuel cell 10 is basically the same as that of the first embodiment.
  • the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted as appropriate.
  • FIG. 12 (A) is a plan view showing a schematic configuration of a membrane electrode assembly provided in the fuel cell according to Embodiment 6.
  • FIG. FIG. 12B is a schematic plan view of a membrane electrode assembly in a fuel cell according to Modification 6-1.
  • FIG. 12C is a schematic plan view of a membrane electrode assembly in a fuel cell according to Modification 6-2.
  • FIG. 12D is a schematic plan view of a membrane electrode assembly in a fuel cell according to Modification 6-3.
  • FIG. 13A is a schematic plan view of a membrane electrode assembly in a fuel cell according to Modification 6-4.
  • FIG. 13B is a schematic plan view of a membrane electrode assembly in a fuel cell according to Modification 6-5.
  • FIG. 13C is a schematic plan view of a membrane electrode assembly in a fuel cell according to Modification 6-6.
  • the reinforcing layer 130 of the present embodiment includes a first band portion 232 extending in the extending direction of the interconnector 140 and a first band portion 232 extending in a direction intersecting the first band portion 232. 2 bands 234.
  • the first band 232 is disposed in a region adjacent to the interconnector 140, and the second band 234 is directed from the first band 232 toward the end of the electrolyte membrane 102 opposite to the interconnector 140. Extend.
  • the reinforcing layer 130 of the present embodiment has a shape in which the second band portion 234 protrudes from a substantially central portion of the first band portion 232 at a substantially right angle, that is, a substantially T-shape.
  • the length of one side 136 is longer than the width of the reinforcing layer 130 of the first embodiment.
  • the reinforcing layer 130 extends over the entire region in the extending direction of the interconnector 140. Thereby, the extension range of the reinforcing layer 130 in the vicinity of the interconnector 140 can be widened as compared with the first embodiment.
  • the second band portion 234 may protrude obliquely from the first band portion 232.
  • the lengths of the first band portion 232 and the second band portion 234 in the extending direction are both about 2000 ⁇ m, for example.
  • the width (the length in the direction perpendicular to the extending direction) of the first band portion 232 and the second band portion 234 is, for example, about 400 ⁇ m.
  • the reinforcing layer 130 of the present embodiment it is possible to more reliably suppress the occurrence of cracks in the vicinity of the interconnector 140 as compared with the first embodiment. As a result, a decrease in conductivity in the cathode catalyst layer 106 can be more reliably suppressed. Further, the contact area between the electrolyte membrane 102 and the cathode catalyst layer 106 can be increased as compared with the reinforcing layer 130 of the fifth embodiment, and a decrease in proton conductivity from the electrolyte membrane 102 to the cathode catalyst layer 106 is suppressed. be able to.
  • Examples of the reinforcing layer 130 of the present embodiment include the following modified examples 6-1 to 6-6.
  • the length of the first band portion 232 is shorter than that in the sixth embodiment.
  • the occurrence of cracks in the vicinity of the interconnector 140 can be suppressed more reliably than in the first embodiment, and the contact area between the electrolyte membrane 102 and the cathode catalyst layer 106 can be increased as compared with the sixth embodiment.
  • the length of the first band portion 232 of the modification 6-1 is, for example, about 1000 ⁇ m.
  • the reinforcing layer 130 of the modified example 6-2 has a plurality of second band portions 234.
  • the two second belt portions 234 are arranged so as to divide the electrolyte membrane 102 into three equal parts in the extending direction of the first belt portion 232.
  • cracks are generated in a wider range in a direction substantially perpendicular to the conductive direction in the cathode catalyst layer 106 (extending direction of the first band portion 232). Can be suppressed.
  • the width of each second belt portion 234 of Modification 6-2 is, for example, about 200 ⁇ m.
  • the total width of the two second band portions 234 is equal to the width of the second band portion 234 of the sixth embodiment and the modified example 6-1. Thereby, it is possible to avoid a decrease in the contact area between the electrolyte membrane 102 and the cathode catalyst layer 106 due to an increase in the number of the second band portions 234.
  • the reinforcing layer 130 of the modified example 6-3 has a shape obtained by combining the modified example 6-1 and the modified example 6-2, and the first belt portion 232 is formed in the fifth embodiment. It is shorter than that of the second band portion 234.
  • the occurrence of cracks in the vicinity of the interconnector 140 can be suppressed more reliably than in the first embodiment, and the electrolyte membrane 102 and the cathode catalyst layer 106 can be compared with those in the sixth embodiment and the modified example 6-2. It is possible to suppress a decrease in proton conductivity by increasing the contact area.
  • the generation of cracks can be suppressed in a wider range in the direction substantially perpendicular to the conductive direction in the cathode catalyst layer 106.
  • the reinforcing layer 130 of Modification 6-4 has a shape in which the first belt portion 232 of Modification 6-3 is divided into two.
  • a second belt portion 234 is connected to each of the two first belt portions 232.
  • the reinforcing layer 130 of the modified example 6-5 has a shape obtained by combining the sixth embodiment and the modified example 5-2, and has a first belt portion 232 and a second belt.
  • a triangular part 236 is provided instead of the part 234.
  • the triangular portion 236 has one side (bottom side) in contact with the first band portion 232, and a vertex (vertical angle) facing the one side is located at an end of the electrolyte membrane 102 opposite to the interconnector 140.
  • the reinforcing layer 130 of Modification 6-6 has a shape in which the second belt portion 234 is replaced with a triangular portion 236 in the reinforcing layer 130 of Modification 6-2. As a result, it is possible to more reliably suppress the occurrence of cracks in the vicinity of the interconnector 140 as compared with the modified example 6-2.
  • the fuel cell 10 according to the seventh embodiment is different from the first embodiment in the shape of the reinforcing layer 130 when viewed in plan.
  • this embodiment will be described.
  • the structure other than the reinforcing layer 130 of the fuel cell 10 is basically the same as that of the first embodiment.
  • the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted as appropriate.
  • FIG. 14A is a plan view showing a schematic configuration of a membrane electrode assembly provided in the fuel cell according to Embodiment 7.
  • FIG. 14B is a schematic plan view of a membrane electrode assembly in a fuel cell according to Modification 7-1.
  • the reinforcing layer 130 of the present embodiment extends in a direction intersecting the first belt portion 232 and a plurality of first belt portions 232 extending in the extending direction of the interconnector 140. It has a plurality of existing second belt portions 234 and has a substantially mesh shape.
  • the two first belt portions 232 are arranged so as to divide the electrolyte membrane 102 into three equal parts in the extending direction of the second belt portion 234, and the two second belt portions 234 separate the electrolyte membrane 102 from the first belt portion 232.
  • the part 232 is arranged so as to be divided into three equal parts in the extending direction.
  • the following modification 7-1 can be given as the reinforcing layer 130 of the present embodiment.
  • Modification 7-1 As shown in FIG. 14B, in the modified example 7-1, the length of the first belt portion 232 is shorter than that in the seventh embodiment. Thereby, compared with Embodiment 7, the contact area of the electrolyte membrane 102 and the cathode catalyst layer 106 can be enlarged, and the proton conductivity fall can be suppressed.
  • the length of the first band portion 232 of Modification 7-1 is, for example, about 1000 ⁇ m.
  • the shape of the reinforcing layer 130 is appropriately selected from any of the embodiments and modifications according to the range of the region where cracking is desired to be suppressed and the required degree of proton conductivity. Can do.
  • the reinforcing layer 130 may have a shape obtained by combining the shapes of the embodiments and the modifications.
  • the present invention can be used for fuel cells.

Landscapes

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Abstract

　燃料電池１０は、イオン交換体を含む電解質膜１０２、電解質膜１０２の一方の表面に設けられたアノード触媒層１０４、および電解質膜１０２の他方の表面に設けられたカソード触媒層１０６を有する膜電極接合体１００と、アノード触媒層１０４およびカソード触媒層１０６のうち少なくとも一方の触媒層に埋め込まれ、電解質膜１０２の主表面と平行な面に投影した面積が触媒層より小さく電解質膜１０２よりも膨潤しにくい補強層１３０と、を備える。

Description

燃料電池
　本発明は、燃料電池に関し、特に、複数の膜電極接合体が平面配列された燃料電池に関する。
　燃料電池は水素と酸素とから電気エネルギを発生させる装置であり、高い発電効率を得ることができる。燃料電池の主な特徴としては、従来の発電方式のように熱エネルギや運動エネルギの過程を経ない直接発電であるので、小規模でも高い発電効率が期待できること、窒素化合物等の排出が少なく、騒音や振動も小さいので環境性が良いことなどが挙げられる。このように、燃料電池は燃料のもつ化学エネルギを有効に利用でき、環境にやさしい特性を持っているので、２１世紀を担うエネルギ供給システムとして期待され、宇宙用から自動車用、携帯機器用まで、大規模発電から小規模発電まで、種々の用途に使用できる将来有望な新しい発電システムとして注目され、実用化に向けて技術開発が本格化している。
　中でも、固体高分子形燃料電池は、他の種類の燃料電池に比べて、作動温度が低く、高い出力密度を持つ特徴があり、特に近年、携帯機器（例えば、携帯電話、ノート型パーソナルコンピュータ、ＰＤＡ、ＭＰ３プレーヤ、デジタルカメラあるいは電子辞書、電子書籍）などの電源への利用が期待されている。携帯機器用の固体高分子形燃料電池としては、複数の膜電極接合体（単セル）を平面状に配列した平面配列型の燃料電池が知られている（特許文献１参照）。各膜電極接合体は、プロトン交換体を含む電解質膜の一方の表面にアノード触媒層が設けられ、他方の表面にカソード触媒層が設けられた構造を有する。
特開２０１０－２５７９４３号公報
　一般に上述した固体高分子形燃料電池では、電解質膜でのプロトン交換を促進するために、電解質膜および触媒層が加湿された状態で発電反応が行われる。そのため、燃料電池の使用時に、電解質膜および触媒層は湿潤状態と乾燥状態とに繰り返し変化する。
　電解質膜は、触媒層に比べて膨潤しやすい。そのため、燃料電池が長期間使用されて電解質膜および触媒層の湿潤状態が繰り返されると、両者が繰り返し膨潤し、その結果、触媒層にクラック（亀裂）が発生するおそれがあった。触媒層にクラックが発生した場合には、クラック発生部において、電気伝導率が低下したり電解質膜と触媒層との間の接触抵抗が上昇する。その結果、燃料電池の内部抵抗の上昇を招き、燃料電池の発電性能が低下してしまう。
　したがって、燃料電池の発電性能の低下を回避して燃料電池のさらなる長寿命化を図るためには、触媒層にクラックが発生することを防ぐ必要があった。
　本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、触媒層にクラックが発生することを抑制して、燃料電池の発電性能の低下を回避する技術を提供することにある。
　本発明のある態様は、燃料電池である。当該燃料電池は、イオン交換体を含む電解質膜、電解質膜の一方の表面に設けられたアノード触媒層、および電解質膜の他方の表面に設けられたカソード触媒層を有する膜電極接合体と、アノード触媒層およびカソード触媒層のうち少なくとも一方の触媒層に埋め込まれ、電解質膜の主表面と平行な面に投影した面積が触媒層より小さく電解質膜よりも膨潤しにくい補強層と、を備えたことを特徴とする。
　本発明によれば、触媒層にクラックが発生することを抑制して、燃料電池の発電性能の低下を回避することができる。
実施形態１に係る燃料電池の概略構成を示す分解斜視図である。 図２（Ａ）は、図１のＡ－Ａ線に沿った断面図である。図２（Ｂ）は、図１のＢ－Ｂ線に沿った断面図である。 図３（Ａ）は、図２（Ｂ）の破線で囲まれた領域の拡大図である。図３（Ｂ）は、補強層の構造の変形例を示す概略図である。 図４（Ａ）～図４（Ｃ）は、実施形態１に係る燃料電池の製造方法を示す工程断面図である。 図５（Ａ）～図５（Ｃ）は、実施形態１に係る燃料電池の製造方法を示す工程断面図である。 図６（Ａ），図６（Ｂ）は、実施形態１に係る燃料電池の製造方法を示す工程断面図である。 図７（Ａ）は、実施形態２に係る燃料電池の概略構造を示す平面図である。図７（Ｂ）は、図７（Ａ）のＤ－Ｄ線に沿った断面図である。 実施形態３に係る燃料電池が備える膜電極接合体の概略構成を示す断面図である。 実施形態４に係る燃料電池が備える膜電極接合体の概略構成を示す断面図である。 図１０（Ａ）は、実施形態５に係る燃料電池が備える膜電極接合体の概略構成を示す平面図である。図１０（Ｂ）は、変形例５－１に係る燃料電池における膜電極接合体の概略平面図である。図１０（Ｃ）は、変形例５－２に係る燃料電池における膜電極接合体の概略平面図である。図１０（Ｄ）は、変形例５－３に係る燃料電池における膜電極接合体の概略平面図である。 図１１（Ａ）は、変形例５－４に係る燃料電池における膜電極接合体の概略平面図である。図１１（Ｂ）は、変形例５－５に係る燃料電池における膜電極接合体の概略平面図である。 図１２（Ａ）は、実施形態６に係る燃料電池が備える膜電極接合体の概略構成を示す平面図である。図１２（Ｂ）は、変形例６－１に係る燃料電池における膜電極接合体の概略平面図である。図１２（Ｃ）は、変形例６－２に係る燃料電池における膜電極接合体の概略平面図である。図１２（Ｄ）は、変形例６－３に係る燃料電池における膜電極接合体の概略平面図である。 図１３（Ａ）は、変形例６－４に係る燃料電池における膜電極接合体の概略平面図である。図１３（Ｂ）は、変形例６－５に係る燃料電池における膜電極接合体の概略平面図である。図１３（Ｃ）は、変形例６－６に係る燃料電池における膜電極接合体の概略平面図である。 図１４（Ａ）は、実施形態７に係る燃料電池が備える膜電極接合体の概略構成を示す平面図である。図１４（Ｂ）は、変形例７－１に係る燃料電池における膜電極接合体の概略平面図である。
　以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。
　（実施形態１）
　図１は、実施形態１に係る燃料電池の概略構成を示す分解斜視図である。図２（Ａ）は、図１のＡ－Ａ線に沿った断面図である。図２（Ｂ）は、図１のＢ－Ｂ線に沿った断面図である。図３（Ａ）は、図２（Ｂ）の破線で囲まれた領域の拡大図である。図３（Ｂ）は、補強層の構造の変形例を示す概略図である。なお、図３（Ａ）および図３（Ｂ）では、後述する複数の繊維材料１３２のそれぞれを便宜的に小円で表しているが、複数の繊維材料１３２は補強層１３０内で同一方向に沿って延在しているわけではない。
　図１、図２（Ａ）および図２（Ｂ）に示すように、本実施形態に係る燃料電池１０は、複数の膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）１００と、補強層１３０と、カソード用ハウジング５０と、アノード用ハウジング５２とを備える。
　複数の膜電極接合体１００は、それぞれ基材１１０に設けられた開口部１１２内に配置されて平面配列されている。基材１１０は、ポリエステルなどの絶縁性の材料により形成されている。基材１１０の厚さは、例えば約３０μｍである。また、平面視で（図１中の矢印Ｚ方向から見たとき、すなわち電解質膜１０２の主表面に略垂直な方向から見たとき）、開口部１１２、すなわち膜電極接合体１００の縦横の長さは、それぞれ例えば約２０００μｍである。
　各膜電極接合体１００は、電解質膜１０２と、電解質膜１０２の一方の表面に設けられたアノード触媒層１０４と、電解質膜１０２の他方の表面に設けられたカソード触媒層１０６とを有する。一対のアノード触媒層１０４とカソード触媒層１０６との間に電解質膜１０２が狭持されることによりセルが構成されている。アノード触媒層１０４には燃料ガスとして水素が供給される。本実施形態では燃料ガスとして水素が用いられているが、メタノール、ギ酸、ブタン、あるいは他の水素担体など、他の適当な燃料を用いることができる。カソード触媒層１０６には、酸化剤として空気が供給される。各セル、すなわち各膜電極接合体１００は、水素と空気中の酸素との電気化学反応により発電する。
　電解質膜１０２は、湿潤状態において良好なイオン伝導性を示すことが好ましく、アノード触媒層１０４とカソード触媒層１０６との間でプロトンを移動させるイオン交換膜として機能する。電解質膜１２２は、含フッ素重合体や非フッ素重合体等の固体高分子材料（イオン交換体）によって形成され、例えば、スルホン酸型パーフルオロカーボン重合体、ポリサルホン樹脂、ホスホン酸基又はカルボン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体等を用いることができる。スルホン酸型パーフルオロカーボン重合体の例として、ナフィオン（登録商標）膜（デュポン社製）などが挙げられる。また、非フッ素重合体の例として、スルホン化された、芳香族ポリエーテルエーテルケトン、ポリスルホンなどが挙げられる。電解質膜１２２の厚さは、たとえば約３０μｍである。
　アノード触媒層１０４およびカソード触媒層１０６は、イオン交換体ならびに触媒粒子、場合によって炭素粒子を有する。アノード触媒層１０４およびカソード触媒層１０６が有するイオン交換体は、触媒粒子と電解質膜１０２との間の密着性を向上させるために用いられてよく、両者間においてプロトンを伝達する役割を持ってもよい。このイオン交換体は、電解質膜１０２と同様の高分子材料から形成することができる。
　触媒金属としては、Ｓｃ、Ｙ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｖ、Ｎｂ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｏｓ、Ｉｒ、ランタノイド系列元素やアクチノイド系列の元素の中から選ばれる合金や単体が挙げられる。また触媒を担持する場合には炭素粒子として、ファーネスブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、カーボンナノチューブなどを用いてもよい。アノード触媒層１０４およびカソード触媒層１０６の厚さは、それぞれ、たとえば約５０μｍである。
　補強層１３０は、電解質膜１０２よりも膨潤しにくい略板状の部材であり、カソード触媒層１０６に埋め込まれている。本実施形態において、補強層１３０が持つ、電解質膜１０２よりも膨潤しにくいという特性は、図３（Ａ）に示すように補強層１３０が電解質膜１０２よりも膨潤しにくい繊維材料１３２を含むことで実現されている。このような繊維材料１３２としては、カーボンナノファイバーを挙げることができる。補強層１３０の厚さ、幅、および長さは、それぞれ約２０μｍ、約２００μｍ、約２０００μｍである。なお、ここでいう補強層１３０の厚さおよび幅は、補強層１３０の延在方向に垂直な断面（図２（Ｂ）に示す断面）における縦方向の長さおよび横方向の長さである。
　補強層１３０は、電解質膜１０２よりも膨潤しにくいため、補強層１３０の上方に配置され、電解質膜１０２と直に接しないカソード触媒層１０６の触媒粒子は、電解質膜１０２の膨潤に応じて移動することがない。あるいは、電解質膜１０２と直に接するカソード触媒層１０６の触媒粒子に比べて、移動量が少なくなる。したがって、補強層１３０をカソード触媒層１０６に埋め込むことで、カソード触媒層１０６にクラックが発生することを抑制できる。
　また、補強層１３０の表面近傍に位置する繊維材料によって、補強層１３０の表面には凹凸が形成されている。これにより、補強層１３０とカソード触媒層１０６との密着性が高められている。その結果、電解質膜１０２の膨潤にともなうカソード触媒層１０６の膨張をより抑制することができる。
　補強層１３０は、カソード触媒層１０６と接する繊維材料１３２が、電解質膜１０２に含まれるイオン交換体と同質の材料であるイオン交換体１３３で被覆されている。このイオン交換体１３３は、カソード触媒層１０６にも含まれているため、補強層１３０とカソード触媒層１０６との密着性を高めることができる。これにより、電解質膜１０２の膨潤にともなうカソード触媒層１０６の触媒粒子の移動をより抑えることができるため、カソード触媒層１０６へのクラックの発生をより抑制できる。
　また、補強層１３０は、導電性を有する。上述したカーボンナノファイバーは、良好な導電性を有するため、補強層１３０に導電性を持たせる繊維材料１３２として好適に採用することができる。補強層１３０が導電性を有することで、補強層１３０を設けることによるカソード触媒層１０６における導電性の低下を回避することができる。
　本実施形態では、補強層１３０は、電解質膜１０２に接するように設けられている。これにより、補強層１３０と接する部分の電解質膜１０２の膨潤を抑えることができる。そのため、カソード触媒層１０６へのクラックの発生を抑制することができる。また、補強層１３０の表面に形成された凹凸によって補強層１３０と電解質膜１０２との密着性が高められているため、カソード触媒層１０６へのクラックの発生をより抑制することができる。なお、補強層１３０と電解質膜１０２との密着によって電解質膜１０２の膨潤を抑えることのみによっても、カソード触媒層１０６へのクラックの発生を抑制することができる。
　ここで、補強層１３０に含まれる繊維材料１３２は、最大長さが電解質膜１０２の厚さ未満に設定されている。後述するように、補強層１３０は、電解質膜１０２の表面に繊維材料１３２を吹き付けることで形成される。そのため、繊維材料１３２の最大長さを電解質膜１０２の厚さ未満とすることで、電解質膜１０２の表面に吹き付けられた繊維材料１３２が電解質膜１０２を貫通してしまうことを防ぐことができる。
　その結果、繊維材料１３２が電解質膜１０２を貫通した場合に起こり得る、電解質膜１０２を挟んで対向する触媒層間でのショートを防ぐことができる。また、電解質膜１０２の繊維材料１３２が貫通した部分において、アノード触媒層１０４に供給された水素がカソード触媒層１０６側に移動し、また、カソード触媒層１０６に供給された空気がアノード触媒層１０４側に移動する、いわゆるクロスリークを防ぐことができる。
　なお、このようなショートやクロスリークを防ぐために、補強層１３０を一体物の平板部材で形成してもよい。平板部材としては、テフロン（登録商標）板やカーボン板などを採用することができる。これにより、補強層１３０の電解質膜１０２と接する面が繊維材料１３２で形成される場合に比べて、補強層１３０を構成する材料の電解質膜１０２の表面への食い込み量を減らすことができる。そのため、上述したショートやクロスリークをより確実に防ぐことができる。
　なお、補強層１３０の電解質膜１０２に接する面を平坦にした場合、当該面を繊維材料１３２で形成した場合に比べて、電解質膜１０２と補強層１３０との密着性が低下する。そのため、補強層１３０による電解質膜１０２の膨潤を抑える機能が低下する。また、補強層１３０とカソード触媒層１０６との密着性も低下する。その結果、補強層１３０の上方に位置するカソード触媒層１０６が電解質膜１０２の膨潤によって引っ張られやすくなる。そこで、図３（Ｂ）に示すように、補強層１３０を、電解質膜１０２の表面に接する平板部材１３４と、平板部材１３４の表面上に堆積した繊維材料１３２とで形成し、平板部材１３４の表面を電解質膜１０２に当接させる。これにより、上述したショートやクロスリークの発生を防ぎながら、電解質膜１０２の膨潤によるカソード触媒層１０６へのクラック発生の回避を図ることができる。
　本実施形態に係る燃料電池１０において、補強層１３０は、電解質膜１０２の主表面と平行な面に投影した面積がカソード触媒層１０６の当該面積より小さい。すなわち、補強層１３０は、平面視でカソード触媒層１０６より面積が小さい。これにより、電解質膜１０２とカソード触媒層１０６とが直に接する領域を確保することができる。その結果、補強層１３０を設けたことで電解質膜１０２とカソード触媒層１０６とが剥離しやすくなることを抑えることができ、電解質膜１０２とカソード触媒層１０６の剥離によるプロトン伝導性の低下を防ぐことができる。補強層１３０は、平面視で補強層１３０が設けられたカソード触媒層１０６に対する占有面積が１０％以下であることが好ましい。なお、補強層１３０は、アノード触媒層１０４に埋め込まれていてもよい。
　隣接する膜電極接合体１００の境界部には、インターコネクタ１４０が延在している。基材１１０には隣り合う開口部１１２の間にスリット１１４が設けられており、インターコネクタ１４０は、このスリット１１４を通るように設けられている。インターコネクタ１４０の一方の端部は、一方の膜電極接合体１００のアノード触媒層１０４の方へ延在し、インターコネクタ１４０の他方の端部は、他方の膜電極接合体１００のカソード触媒層１０６の方へ延在している。インターコネクタ１４０は、カーボンなどの導電性の材料で形成されている。
　アノード触媒層１０４の方へ延在するインターコネクタ１４０の一方の端部は、アノード触媒層１０４の側面に当接している。カソード触媒層１０６の方へ延在するアノード触媒層１０４の他方の端部は、カソード触媒層１０６の側面に当接している。これにより、インターコネクタ１４０を介して隣接する膜電極接合体１００の一方のアノード触媒層１０４と他方のカソード触媒層１０６とが電気的に接続され、隣接する膜電極接合体１００同士が直列接続されている。隣接する膜電極接合体１００のアノード触媒層１０４同士、およびカソード触媒層１０６同士は、互いに絶縁されている。
　平面視でのインターコネクタ１４０の幅、すなわち、アノード触媒層１０４と接する端部からカソード触媒層１０６に接する端部までの幅は、たとえば約６００μｍである。複数の膜電極接合体１００の直列接続の一方の終端となるアノード触媒層１０４’と、他方の終端となるカソード触媒層１０６’には、集電体１５０が接続されている。
　補強層１３０は、インターコネクタ１４０と交わる方向に延在している。本実施形態では、補強層１３０は、インターコネクタ１４０に対して略垂直に延在している。このように、帯状の補強層１３０をインターコネクタ１４０と交わる方向に配置することで、インターコネクタ１４０と略平行な方向に延びるクラックの発生を抑制することができる。これにより、カソード触媒層１０６の各部からインターコネクタ１４０に最短距離で向かう導電経路をカソード触媒層１０６内に確保することができるため、カソード触媒層１０６における導電性の低下を効果的に防ぐことができる。
　また、補強層１３０は、カソード触媒層１０６のインターコネクタ１４０に接する側の端部から、当該端部に対向する他方の端部にかけて延在している。そのため、カソード触媒層１０６内における導電方向の全域にわたって、導電方向に略垂直な方向に延びるクラックの発生を抑制することができる。
　また、補強層１３０は、一方の端部がインターコネクタ１４０に接している。そして、カソード触媒層１０６は、補強層１３０の上方に配置された部分がインターコネクタ１４０に接している。これにより、カソード触媒層１０６のインターコネクタ１４０近傍の領域にクラックが発生することを防ぐことができるとともに、補強層１３０の上方に配置されたカソード触媒層１０６の部分にも導電経路を形成することができる。これにより、カソード触媒層１０６における導電性の低下をより抑えることができる。
　さらに、本実施形態では、補強層１３０の一方の端部に、インターコネクタ１４０の上面に延びる突出部１３０ａが設けられている。この突出部１３０ａによって、インターコネクタ１４０の上面の一部が被覆されている。これにより、補強層１３０とインターコネクタ１４０との密着性が向上するため、両者の剥離を抑制することができる。
　複数の膜電極接合体１００の直列接続の終端となるカソード触媒層１０６’は、集電体１５０に接している。そして、カソード触媒層１０６は、補強層１３０の上方に配置された部分が集電体１５０に接している。また、補強層１３０の一方の端部には突出部１３０ａが設けられており、突出部１３０ａによって集電体１５０の上面の一部が被覆されている。これにより、カソード触媒層１０６’の集電体１５０近傍の領域にクラックが発生することを防ぐことができるとともに、カソード触媒層１０６’における導電性の低下を抑えることができ、また、カソード触媒層１０６’と集電体１５０の剥離を抑制することができる。
　カソード用ハウジング５０は、カソード触媒層１０６と対向する板状部材である。カソード用ハウジング５０には、外部から空気を取り込むための複数の空気取入口５１が設けられている。カソード用ハウジング５０とカソード触媒層１０６との間に、空気が流通する空気室６０が形成されている。
　一方、アノード用ハウジング５２は、アノード触媒層１０４と対向する板状部材である。アノード用ハウジング５２とアノード触媒層１０４との間に、燃料貯蔵用の燃料ガス室６２が形成されている。なお、アノード用ハウジング５２に燃料供給口（図示せず）を設置することにより、燃料カートリッジなどから燃料を適宜補充可能である。
　カソード用ハウジング５０およびアノード用ハウジング５２に用いられる材料としては、フェノール樹脂、ビニル樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリスチレン樹脂、尿素樹脂、フッ素樹脂等の一般的なプラスティック樹脂が挙げられる。
　ガスケット５６は、基材１１０の外周部とアノード用ハウジング５２との間に設けられている。ガスケット５６により、燃料ガス室６２の密封性が高められ、燃料が漏洩することが抑制されている。また、ガスケット５７は、基材１１０の外周部とカソード用ハウジング５０との間に設けられている。
　（燃料電池の製造工程）
　続いて、実施形態１に係る燃料電池の製造方法について、図４（Ａ）～図４（Ｃ）、図５（Ａ）～図５（Ｃ）、および図６（Ａ），図６（Ｂ）を参照して説明する。図４（Ａ）～図４（Ｃ）、図５（Ａ）～図５（Ｃ）、および図６（Ａ），図６（Ｂ）は、実施形態１に係る燃料電池の製造方法を示す工程断面図である。なお、図４（Ａ）～図６（Ｂ）において、左側（ｉ）に平面図を示し、右側（ｉｉ）に平面図のＣ－Ｃ線に沿った断面図を示す。
　まず、図４（Ａ）に示すように、基材１１０を用意する。次に、図４（Ｂ）に示すように、基材１１０に複数の開口部１１２およびスリット１１４を形成する。スリット１１４は、隣接する開口部１１２の間に形成される。スリット１１４の幅は、約２００μｍであり、開口部１１２とスリット１１４との間隔は約２００μｍである。開口部１１２およびスリット１１４を形成する方法としては、例えば赤外レーザ、可視光レーザ、紫外レーザ等によるレーザ加工、あるいは金型を用いた打ち抜き法などを採用することができる。
　次に、図４（Ｃ）に示すように、基材１１０に設けられた開口部１１２に電解質膜１０２を形成する。具体的には、ナフィオン溶液を開口部１１２に充填した後、溶媒を蒸発させることにより電解質膜１０２を形成することができる。また、開口部１１２に、開口部１１２の大きさに予め成形された電解質膜１０２を嵌め込んでもよい。この場合には、開口部１１２に電解質膜１０２を嵌め込んだ後、基材１１０と電解質膜１０２との界面にナフィオン溶液を流し込むことが好ましい。これによれば、ナフィオン溶液が接着剤として機能するため、基材１１０と電解質膜１０２との密着性を高めることができる。
　次に図５（Ａ）に示すように、基材１１０に設けられたスリット１１４にインターコネクタ１４０が挿通される。スリット１１４に挿通されたインターコネクタ１４０は、一方の端部が一方の電解質膜１０２側に折曲げられ、他方の端部が他方の電解質膜１０２側に折曲げられる。また、基材１１０の一方の主表面側であって長手方向の一方の端部と、基材１１０の他方の主表面側であって長手方向の他方の端部には、集電体１５０が設けられる。
　次に、図５（Ｂ）に示すように、基材１１０の一方の主表面側に、補強層１３０の形成予定領域に開口部２０２を有するマスク２００を積層する。マスク２００には、電解質膜１０２の形成領域にあわせて複数の開口部２０２が設けられている。開口部２０２は、インターコネクタ１４０および集電体１５０に対して略垂直に延びている。開口部２０２の一方の端部は、電解質膜１０２の端部と重なる位置まで延び、開口部２０２の他方の端部は、インターコネクタ１４０あるいは集電体１５０の一部が露出する位置まで延びている。
　次に、図５（Ｃ）に示すように、マスク２００の開口部２０２内に、補強層１３０を構成する繊維材料１３２（図３（Ａ）等参照）をスプレー塗布して、突出部１３０ａを有する補強層１３０を形成する。補強層１３０の形成後、マスク２００を剥離する。
　次に、図６（Ａ）に示すように、基材１１０の一方の主表面側において、複数の電解質膜１０２を跨ぐように、基材１１０の長手方向に沿って触媒層２０６を形成する。具体的には、カソード触媒層１０６を構成する各種材料を十分撹拌して触媒スラリーを調製し、この触媒スラリーをスプレー塗布することにより触媒層２０６を形成する。同様に、基材１１０の他方の主表面側において、複数の電解質膜１０２を跨ぐように、基材１１０の長手方向に沿って触媒層２０４を形成する。具体的には、アノード触媒層１０４を構成する各種材料を攪拌して調製した触媒スラリーをスプレー塗布することにより触媒層２０４を形成する。
　次に、図６（Ｂ）に示すように、基材１１０の一方の主表面側に設けられた触媒層２０６の所定領域、すなわち、隣接する電解質膜１０２に挟まれた領域に位置する触媒層２０６をエキシマレーザなどのレーザを用いて部分的に除去する。触媒層２０６が分断されることで、各電解質膜１０２上にカソード触媒層１０６が形成される。なお、インターコネクタ１４０上に位置する触媒層２０６の一部、および集電体１５０上に位置する触媒層２０６は、レーザで除去せずに残す。
　また、基材１１０の他方の主表面側に設けられた触媒層２０４の所定領域、すなわち、隣接する電解質膜１０２に挟まれた領域に位置する触媒層２０４をエキシマレーザなどのレーザを用いて部分的に除去する。触媒層２０４が分断されることで、各電解質膜１０２上に位置するアノード触媒層１０４が形成される。
　なお、レーザの出力は、レーザ照射部分の触媒層を完全に除去するのに十分であればよく、触媒層の材質や厚さに応じて適宜調整すればよい。
　以上の製造工程により、複数の膜電極接合体１００が形成される。続いて、図１に示すように、基材１１０の一方の主表面側にガスケット５７を介してカソード用ハウジング５０を設け、基材１１０の他方の主表面側にガスケット５６を介してアノード用ハウジング５２を設けることで、燃料電池１０が形成される。
　以上説明したように、本実施形態に係る燃料電池１０は、触媒層に埋め込まれた、平面視で触媒層よりも面積が小さく電解質膜１０２よりも膨潤しにくい補強層１３０を備える。これにより、補強層１３０が埋め込まれた触媒層に、電解質膜１０２の膨潤に起因するクラックが発生することを抑制することができる。その結果、燃料電池１０の発電性能の低下を回避することができ、燃料電池１０の長寿命化を図ることができる。
　（実施形態２）
　実施形態２に係る燃料電池１０では、同一触媒層内に補強層１３０が複数本設けられている。以下、本実施形態について説明する。なお、燃料電池１０の補強層１３０以外の構造は実施形態１と基本的に同一である。実施形態１と同一の構成については同一の符号を付し、その説明は適宜省略する。
　図７（Ａ）は、実施形態２に係る燃料電池の概略構造を示す平面図である。図７（Ｂ）は、図７（Ａ）のＤ－Ｄ線に沿った断面図である。なお、図７（Ｂ）では、カソード触媒層１０６を破線で表して、カソード触媒層１０６を透視した状態を示している。
　図７（Ａ）および図７（Ｂ）に示すように、本実施形態に係る燃料電池１０において、補強層１３０は、カソード触媒層１０６に複数本、ここでは２本設けられている。複数本の補強層１３０は、所定の間隔をあけて互いに平行に延びるように配置されている。２本の補強層１３０を設けることで、補強層１３０が一本の場合に比べて、インターコネクタ１４０の延在方向に平行に走るクラックの発生をより確実に防ぐことができる。また、仮にそのようなクラックが発生した場合であっても、インターコネクタ１４０に対して平行に走るクラックの長さを短くすることができる。
　また、平面視でのカソード触媒層１０６に対する補強層１３０の占有面積は、補強層１３０を１本設けた実施形態１の構成と略等しくなるように設定されている。すなわち、本実施形態においても、平面視でのカソード触媒層１０６に対する補強層１３０の合計占有面積は１０％以下である。これにより、補強層１３０の本数を増やすことによって、電解質膜１０２とカソード触媒層１０６とが直に接する領域が減少してしまうことを回避できる。また、補強層１３０とカソード触媒層１０６との合計接触面積が増大するため、カソード触媒層１０６を流れる電子をより多く補強層１３０に集めてインターコネクタ１４０に流すことができる。したがって、カソード触媒層１０６の導電率を高めることができる。
　なお、本実施形態では、２本の補強層１３０がカソード触媒層１０６に設けられているが、クラック発生の抑制効果が得られる範囲であれば、その本数は特に限定されない。また、複数本の補強層１３０は、アノード触媒層１０４に設けられていてもよい。すなわち、複数本の補強層１３０は、アノード触媒層１０４およびカソード触媒層１０６のうち少なくとも一方の触媒層に設けられていれば、複数本の補強層１３０が埋め込まれた側の触媒層において上述した効果を得ることができる。
　以上説明したように、本実施形態では、補強層１３０が同一触媒層に複数本設けられている。また、複数本の補強層１３０を設けることによる、平面視での触媒層に対する補強層１３０の合計占有面積の増大を抑えている。これにより、インターコネクタ１４０の延在方向に平行に走るクラックの発生をより確実に防ぐことができるとともに、電解質膜１０２とカソード触媒層１０６とが直に接する領域が減少することを回避できる。その結果、電解質膜１０２とカソード触媒層１０６の剥離しやすさの増大を抑え、電解質膜１０２とカソード触媒層１０６の剥離によるプロトン伝導性の低下を防ぐことができる。
　（実施形態３）
　実施形態３に係る燃料電池１０は、補強層１３０の断面形状が実施形態１と異なる。以下、本実施形態について説明する。なお、燃料電池１０の補強層１３０以外の構造は実施形態１と基本的に同一である。実施形態１と同一の構成については同一の符号を付し、その説明は適宜省略する。
　図８は、実施形態３に係る燃料電池が備える膜電極接合体の概略構成を示す断面図である。なお、図８は、補強層１３０の延在方向に垂直な断面図であり、図１のＢ－Ｂ線に沿った断面図に対応する。
　図８に示すように、本実施形態に係る燃料電池１０において、補強層１３０は、カソード触媒層１０６のうち補強層１３０の上方に配置された部分との接触面積が、電解質膜１０２との接触面積以上となるように形成されている。すなわち、補強層１３０の延在方向に垂直な断面で見たときの、補強層１３０の上方に配置されたカソード触媒層１０６との接触部の長さＤ１と、電解質膜１０２との接触部の長さＤ２とが、Ｄ１≧Ｄ２の関係を満たしている。
　これにより、補強層１３０とカソード触媒層１０６との接触面積を増大させて、両者の密着性を高めることができる。また、あわせて、補強層１３０と電解質膜１０２との接触面積を低減して、言い換えれば、電解質膜１０２とカソード触媒層１０６との接触面積を増大させて、補強層１３０を設けたことによる膜電極接合体１００の発電性能の低下を抑制することができる。
　（実施形態４）
　実施形態４に係る燃料電池１０には、アノード触媒層１０４およびカソード触媒層１０６に補強層１３０が設けられており、アノード触媒層１０４に設けられた補強層１３０とカソード触媒層１０６に設けられた補強層１３０との位置関係が定められている。以下、本実施形態について説明する。なお、燃料電池１０の補強層１３０以外の構造は実施形態１と基本的に同一である。実施形態１と同一の構成については同一の符号を付し、その説明は適宜省略する。
　図９は、実施形態４に係る燃料電池が備える膜電極接合体の概略構成を示す断面図である。なお、図９は、補強層１３０の延在方向に垂直な断面図であり、図１のＢ－Ｂ線に沿った断面図に対応する。
　図９に示すように、本実施形態に係る燃料電池１０において、補強層１３０は、アノード触媒層１０４およびカソード触媒層１０６に埋め込まれている。そして、アノード触媒層１０４に埋め込まれた補強層１３０と、カソード触媒層１０６に埋め込まれた補強層１３０とは、電解質膜１０２の主表面と平行な面に投影したときに（図９中の矢印Ｚ方向から見たとき）重なっている。すなわち、両方の触媒層に設けられた補強層１３０は、電解質膜１０２を挟んで互いに対向する位置に設けられている。
　膜電極接合体１００の補強層１３０が設けられた領域では、補強層１３０が設けられていない領域に比べて発電反応の効率が低下する傾向にある。そこで、アノード触媒層１０４およびカソード触媒層１０６の両方に補強層１３０が設けられる場合には、両触媒層に設けられた補強層１３０を平面視で重なるように配置する。これにより、膜電極接合体１００における発電反応の効率が低下する領域の増大を抑えて、膜電極接合体１００の発電性能の低下を抑制することができる。
　なお、アノード触媒層１０４に埋め込まれた補強層１３０と、カソード触媒層１０６に埋め込まれた補強層１３０とは、平面視で少なくとも一部が重なっていれば、上述した効果をある程度得ることができる。
　（実施形態５）
　実施形態５に係る燃料電池１０は、平面視したときの補強層１３０の形状が実施形態１と異なる。以下、本実施形態について説明する。なお、燃料電池１０の補強層１３０以外の構造は実施形態１と基本的に同一である。実施形態１と同一の構成については同一の符号を付し、その説明は適宜省略する。
　図１０（Ａ）は、実施形態５に係る燃料電池が備える膜電極接合体の概略構成を示す平面図である。図１０（Ｂ）は、変形例５－１に係る燃料電池における膜電極接合体の概略平面図である。図１０（Ｃ）は、変形例５－２に係る燃料電池における膜電極接合体の概略平面図である。図１０（Ｄ）は、変形例５－３に係る燃料電池における膜電極接合体の概略平面図である。図１１（Ａ）は、変形例５－４に係る燃料電池における膜電極接合体の概略平面図である。図１１（Ｂ）は、変形例５－５に係る燃料電池における膜電極接合体の概略平面図である。
　図１０（Ａ）に示すように、本実施形態の補強層１３０は、平面視でインターコネクタ１４０に近づくにつれて徐々に拡がる形状、すなわち、インターコネクタ１４０に近づくにつれてインターコネクタ１４０の延在方向（インターコネクタ１４０とカソード触媒層１０６との界面が延在する方向）の長さが徐々に長くなる形状を有する。そのような形状の一例として、本実施形態の補強層１３０は、一辺１３６がインターコネクタ１４０側に位置し、当該一辺１３６と向かい合う頂点１３８が電解質膜１０２のインターコネクタ１４０と反対側の端部に位置する略三角形状である。一辺１３６の長さは実施形態１の補強層１３０の幅よりも長く、本実施形態では、補強層１３０はインターコネクタ１４０の延在方向の全域にわたって延在している。一辺１３６の長さ、および頂点１３８から一辺１３６までの距離（一辺１３６を底辺としたときの三角形の高さ）は、例えばともに約２０００μｍである。
　インターコネクタ１４０の近傍においてカソード触媒層１０６に発生するクラックは、カソード触媒層１０６の導電性に大きく影響する。これに対し、本実施形態では、補強層１３０をインターコネクタ１４０に近づくにつれて拡がる形状としている。そのため、実施形態１に比べてインターコネクタ１４０の近傍における補強層１３０の延在範囲を広くすることができる。例えば、実施形態１と本実施形態とで補強層１３０の面積が等しい場合、本実施形態では、実施形態１に比べてインターコネクタ１４０の近傍における補強層１３０の延在範囲が広くなる。したがって、本実施形態によれば、実施形態１に比べてインターコネクタ１４０の近傍にクラックが発生することをより確実に抑制することができ、カソード触媒層１０６における導電性の低下をより確実に抑制することができる。
　本実施形態の補強層１３０には、以下の変形例５－１～５－５を挙げることができる。
　（変形例５－１）
　図１０（Ｂ）に示すように、変形例５－１では、補強層１３０の頂点１３８が、実施形態５に比べてインターコネクタ１４０よりに位置している。すなわち、変形例５－１の補強層１３０は、一辺１３６を底辺としたときの三角形の高さが実施形態５の補強層１３０よりも小さい。これにより、実施形態５と同程度にインターコネクタ１４０の近傍にクラックが発生することを抑制できるとともに、実施形態５に比べて電解質膜１０２とカソード触媒層１０６との接触面積を大きくすることができ、電解質膜１０２からカソード触媒層１０６へのプロトン伝導性の低下を抑制することができる。頂点１３８から一辺１３６までの距離は、例えば約１０００μｍである。
　（変形例５－２）
　図１０（Ｃ）に示すように、変形例５－２の補強層１３０は、一辺１３６の長さが実施形態５の補強層１３０の一辺１３６よりも短い。これにより、実施形態１に比べてインターコネクタ１４０の近傍にクラックが発生することをより確実に抑制することができるとともに、実施形態５に比べて電解質膜１０２とカソード触媒層１０６との接触面積を大きくしてプロトン伝導性の低下を抑制することができる。また、変形例５－１に比べて、カソード触媒層１０６内における導電方向の全域にわたってクラックの発生を抑制することができる。なお、変形例５－１の補強層１３０は、変形例５－２に比べてより確実にインターコネクタ１４０近傍のクラック発生を抑制することができる。一辺１３６の長さは、例えば約１０００μｍである。なお、複数の補強層１３０がインターコネクタ１４０の延在方向に配列されてもよい。
　（変形例５－３）
　図１０（Ｄ）に示すように、変形例５－３の補強層１３０は、変形例５－１と変形例５－２とを組み合わせた形状であり、頂点１３８が実施形態５に比べてインターコネクタ１４０よりに位置し、一辺１３６の長さが実施形態５よりも短い。これにより、実施形態１に比べてインターコネクタ１４０の近傍にクラックが発生することをより確実に抑制することができるとともに、実施形態５、変形例５－１および変形例５－２に比べて、電解質膜１０２とカソード触媒層１０６との接触面積を大きくしてプロトン伝導性の低下を抑制することができる。一辺１３６の長さ、および頂点１３８から一辺１３６までの距離は、例えばともに約１０００μｍである。
　（変形例５－４，５－５）
　図１１（Ａ）に示すように、変形例５－４の補強層１３０は、略半円形状である点が実施形態５と異なる。また、図１１（Ｂ）に示すように、変形例５－５の補強層１３０は、略台形状である点が実施形態５と異なる。これらの補強層１３０であっても、実施形態１に比べてインターコネクタ１４０の近傍にクラックが発生することをより確実に抑制することができる。なお、変形例５－４の補強層１３０、および変形例５－５の補強層１３０についても、実施形態５に対する変形例５－１～５－３と同様の変形が可能である。
　（実施形態６）
　実施形態６に係る燃料電池１０は、平面視したときの補強層１３０の形状が実施形態１と異なる。以下、本実施形態について説明する。なお、燃料電池１０の補強層１３０以外の構造は実施形態１と基本的に同一である。実施形態１と同一の構成については同一の符号を付し、その説明は適宜省略する。
　図１２（Ａ）は、実施形態６に係る燃料電池が備える膜電極接合体の概略構成を示す平面図である。図１２（Ｂ）は、変形例６－１に係る燃料電池における膜電極接合体の概略平面図である。図１２（Ｃ）は、変形例６－２に係る燃料電池における膜電極接合体の概略平面図である。図１２（Ｄ）は、変形例６－３に係る燃料電池における膜電極接合体の概略平面図である。図１３（Ａ）は、変形例６－４に係る燃料電池における膜電極接合体の概略平面図である。図１３（Ｂ）は、変形例６－５に係る燃料電池における膜電極接合体の概略平面図である。図１３（Ｃ）は、変形例６－６に係る燃料電池における膜電極接合体の概略平面図である。
　図１２（Ａ）に示すように、本実施形態の補強層１３０は、インターコネクタ１４０の延在方向に延在する第１帯部２３２と、第１帯部２３２と交わる方向に延在する第２帯部２３４とを有する。本実施形態では、第１帯部２３２はインターコネクタ１４０に隣接する領域に配置され、第２帯部２３４は第１帯部２３２から電解質膜１０２のインターコネクタ１４０と反対側の端部に向けて延びる。そのような形状の一例として、本実施形態の補強層１３０は、第１帯部２３２の略中央部から第２帯部２３４が略直角に突出する形状、すなわち略Ｔ字状である。一辺１３６の長さは実施形態１の補強層１３０の幅よりも長く、本実施形態では、補強層１３０はインターコネクタ１４０の延在方向の全域にわたって延在している。これにより、実施形態１に比べてインターコネクタ１４０の近傍における補強層１３０の延在範囲を広くすることができる。なお、第２帯部２３４は、第１帯部２３２から斜めに突出してもよい。第１帯部２３２および第２帯部２３４の延在方向の長さは、例えばともに約２０００μｍである。また、第１帯部２３２および第２帯部２３４の幅（延在方向と垂直な方向の長さ）は、例えばともに約４００μｍである。
　本実施形態の補強層１３０によれば、実施形態１に比べてインターコネクタ１４０の近傍にクラックが発生することをより確実に抑制することができる。これにより、カソード触媒層１０６における導電性の低下をより確実に抑制することができる。また、実施形態５の補強層１３０に比べて、電解質膜１０２とカソード触媒層１０６との接触面積を大きくすることができ、電解質膜１０２からカソード触媒層１０６へのプロトン伝導性の低下を抑制することができる。
　本実施形態の補強層１３０には、以下の変形例６－１～６－６を挙げることができる。
　（変形例６－１）
　図１２（Ｂ）に示すように、変形例６－１では、第１帯部２３２の長さが実施形態６に比べて短い。これにより、実施形態１に比べてインターコネクタ１４０の近傍へのクラック発生をより確実に抑制することができるとともに、実施形態６に比べて電解質膜１０２とカソード触媒層１０６との接触面積を大きくしてプロトン伝導性の低下を抑制することができる。変形例６－１の第１帯部２３２の長さは、例えば約１０００μｍである。
　（変形例６－２）
　図１２（Ｃ）に示すように、変形例６－２の補強層１３０は、複数本の第２帯部２３４を有する。本変形例では、第２帯部２３４は２本であり、２本の第２帯部２３４は電解質膜１０２を第１帯部２３２の延在方向で３等分するように配置されている。これにより、実施形態６や変形例６－１に比べて、カソード触媒層１０６内の導電方向と略垂直な方向（第１帯部２３２の延在方向）において、より広い範囲でクラックの発生を抑制することができる。変形例６－２の各第２帯部２３４の幅は、例えば約２００μｍである。すなわち、２本の第２帯部２３４の幅の合計は、実施形態６や変形例６－１の第２帯部２３４の幅と等しい。これにより、第２帯部２３４の本数を増やしたことによる電解質膜１０２とカソード触媒層１０６との接触面積の低下を回避することができる。
　（変形例６－３）
　図１２（Ｄ）に示すように、変形例６－３の補強層１３０は、変形例６－１と変形例６－２とを組み合わせた形状であり、第１帯部２３２が実施形態５に比べて短く、第２帯部２３４が２本である。これにより、実施形態１に比べてインターコネクタ１４０の近傍へのクラック発生をより確実に抑制することができるとともに、実施形態６、変形例６－２に比べて電解質膜１０２とカソード触媒層１０６との接触面積を大きくしてプロトン伝導性の低下を抑制することができる。また、実施形態６、変形例６－１に比べて、カソード触媒層１０６内の導電方向と略垂直な方向において、より広い範囲でクラックの発生を抑制することができる。
　（変形例６－４）
　図１３（Ａ）に示すように、変形例６－４の補強層１３０は、変形例６－３の第１帯部２３２が２つに分割された形状を有する。２本の第１帯部２３２には、それぞれに第２帯部２３４が連結されている。これにより、変形例６－３に比べて電解質膜１０２とカソード触媒層１０６との接触面積をより増大させることができる。
　（変形例６－５）
　図１３（Ｂ）に示すように、変形例６－５の補強層１３０は、実施形態６と変形例５－２とを組み合わせた形状であり、第１帯部２３２を有するとともに、第２帯部２３４に代えて三角形状部２３６を有する。三角形状部２３６は、一辺（底辺）が第１帯部２３２に当接し、当該一辺と向かい合う頂点（頂角）が電解質膜１０２のインターコネクタ１４０と反対側の端部に位置する。これにより、実施形態６および変形例５－２に比べてインターコネクタ１４０の近傍へのクラック発生をより確実に抑制することができる。
　（変形例６－６）
　図１３（Ｃ）に示すように、変形例６－６の補強層１３０は、変形例６－２の補強層１３０において、第２帯部２３４を三角形状部２３６に置き換えた形状を有する。これにより、変形例６－２に比べてインターコネクタ１４０の近傍へのクラック発生をより確実に抑制することができる。
　（実施形態７）
　実施形態７に係る燃料電池１０は、平面視したときの補強層１３０の形状が実施形態１と異なる。以下、本実施形態について説明する。なお、燃料電池１０の補強層１３０以外の構造は実施形態１と基本的に同一である。実施形態１と同一の構成については同一の符号を付し、その説明は適宜省略する。
　図１４（Ａ）は、実施形態７に係る燃料電池が備える膜電極接合体の概略構成を示す平面図である。図１４（Ｂ）は、変形例７－１に係る燃料電池における膜電極接合体の概略平面図である。
　図１４（Ａ）に示すように、本実施形態の補強層１３０は、インターコネクタ１４０の延在方向に延在する複数本の第１帯部２３２と、第１帯部２３２と交わる方向に延在する複数本の第２帯部２３４とを有し、略メッシュ状である。本実施形態では、第１帯部２３２および第２帯部２３４はそれぞれ２本である。２本の第１帯部２３２は、電解質膜１０２を第２帯部２３４の延在方向で３等分するように配置され、２本の第２帯部２３４は、電解質膜１０２を第１帯部２３２の延在方向で３等分するように配置されている。これにより、実施形態１に比べて、より広い範囲でクラックの発生を抑制することができる。特に、カソード触媒層１０６内の導電方向と略平行な方向（インターコネクタ１４０の延在方向に対して垂直な方向）に延びるクラックの発生を抑制することができる。各第１帯部２３２および各第２帯部２３４の長さは、例えばともに約２０００μｍであり、各第１帯部２３２および各第２帯部２３４の幅は、例えばともに約２００μｍである。なお、本実施形態では第１帯部２３２と第２帯部２３４とは略直交しているが、両者は斜めに交わってもよい。
　本実施形態の補強層１３０には、以下の変形例７－１を挙げることができる。
　（変形例７－１）
　図１４（Ｂ）に示すように、変形例７－１では、第１帯部２３２の長さが実施形態７に比べて短い。これにより、実施形態７に比べて電解質膜１０２とカソード触媒層１０６との接触面積を大きくしてプロトン伝導性の低下を抑制することができる。変形例７－１の第１帯部２３２の長さは、例えば約１０００μｍである。
　なお、補強層１３０の形状は、クラック発生の抑制が望まれる領域の範囲、要求されるプロトン伝導性の程度等に応じて、各実施形態および各変形例のいずれかの形状を適宜選択することができる。また、補強層１３０は、各実施形態および各変形例の形状を組み合わせた形状とすることもできる。
　本発明は、上述の各実施形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施形態も本発明の範囲に含まれうるものである。
　１０　燃料電池、　１００　膜電極接合体、　１０２　電解質膜、　１０４，１０４’　アノード触媒層、　１０６，１０６’　カソード触媒層、　１３０　補強層、　１３２　繊維材料、　１３３　イオン交換体、　１４０　インターコネクタ。
　本発明は、燃料電池に利用することができる。

Claims (13)

  1. 　イオン交換体を含む電解質膜、前記電解質膜の一方の表面に設けられたアノード触媒層、および前記電解質膜の他方の表面に設けられたカソード触媒層を有する膜電極接合体と、
    　前記アノード触媒層および前記カソード触媒層のうち少なくとも一方の触媒層に埋め込まれ、前記電解質膜の主表面と平行な面に投影した面積が前記触媒層より小さく前記電解質膜よりも膨潤しにくい補強層と、
    を備えたことを特徴とする燃料電池。
  2. 　複数の前記膜電極接合体が平面配列され、
    　隣接する前記膜電極接合体の境界部に延在し、隣接する前記膜電極接合体の一方のアノード触媒層と他方のカソード触媒層とを電気的に接続するためのインターコネクタを備え、
    　前記補強層は、前記インターコネクタと交わる方向に延在している請求項１に記載の燃料電池。
  3. 　前記補強層は、前記インターコネクタに接し、
    　前記触媒層は、前記補強層の上方に配置された部分が前記インターコネクタに接する請求項２に記載の燃料電池。
  4. 　前記補強層は、前記触媒層の前記インターコネクタに接する側の端部から他方の端部にかけて延在している請求項２または３に記載の燃料電池。
  5. 　前記補強層は、導電性を有する請求項１乃至４のいずれか１項に記載の燃料電池。
  6. 　前記補強層は、前記電解質膜よりも膨潤しにくい繊維材料を含み、
    　前記触媒層と接する前記繊維材料が、前記イオン交換体と同質の材料で被覆されている請求項１乃至５のいずれか１項に記載の燃料電池。
  7. 　前記繊維材料は、カーボンナノファイバーである請求項６に記載の燃料電池。
  8. 　前記繊維材料は、最大長さが前記電解質膜の厚さ未満である請求項６または７に記載の燃料電池。
  9. 　前記補強層は、電解質膜に接するように設けられている請求項１乃至８のいずれか１項に記載の燃料電池。
  10. 　前記補強層は、前記触媒層のうち前記補強層の上方に配置された部分との接触面積が、前記電解質膜との接触面積以上である請求項９に記載の燃料電池。
  11. 　前記補強層は、少なくとも一部が平板部材からなり、
    　前記平板部材の表面が前記電解質膜に接する請求項９または１０に記載の燃料電池。
  12. 　前記補強層は、少なくとも一方の触媒層に複数本設けられている請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の燃料電池。
  13. 　前記補強層は、前記アノード触媒層および前記カソード触媒層に埋め込まれ、
    　前記アノード触媒層に埋め込まれた前記補強層と、前記カソード触媒層に埋め込まれた前記補強層とは、前記電解質膜の主表面と平行な面に投影したときに少なくとも一部が重なっている請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の燃料電池。
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