(57)【要約】      （修正有）【課題】高加湿条件下の運転時でも、液水の滞留が生じにくく、ガス拡散性に優れた燃料電池を提供する。【解決手段】膜・電極接合体を狭持する一対のセパレータ９を有する燃料電池であって、前記セパレータのうち少なくとも一方は、該膜・電極接合体に供給される反応ガスの下流端が閉塞された閉塞供給流路（Ａ）と、前記閉塞供給流路（Ａ）と交互に配置され、且つ、前記閉塞供給流路（Ａ）と互いに分離する閉塞排出流路（Ｂ）と、を画成する溝が設けられており、前記閉塞供給流路（Ａ）及び前記閉塞排出流路（Ｂ）を画成する前記セパレータと対向する前記ガス拡散層５は、少なくとも前記閉塞供給流路（Ａ）と前記閉塞排出流路（Ｂ）とを隔てるリブ９ｒと対向する領域５ｈが、親水性であり、該親水性領域が、前記閉塞供給流路（Ａ）から前記閉塞排出流路（Ｂ）に向かって、細孔の孔径が大きくなる孔径分布を有することを特徴とする。【選択図】図３
2010232083.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜と、該電解質膜の一方の面に設けられた燃料極と、該電解質膜の他方の面に設けられた酸化剤極とを備える膜・電極接合体、及び、該膜・電極接合体を狭持する一対のセパレータを有する燃料電池であって、
前記燃料極及び前記酸化剤極は、前記電解質膜側から順に、触媒層とガス拡散層が積層した多層構造を有しており、
前記セパレータのうち少なくとも一方は、前記膜・電極接合体と対向する面に、
（Ａ）該膜・電極接合体に供給される反応ガスの供給流路であって、前記反応ガスの下流端が閉塞された閉塞供給流路と、（Ｂ）該膜・電極接合体を通過し、該膜・電極接合体から排出される前記反応ガスの排出流路であって、前記閉塞供給流路（Ａ）と交互に配置され、且つ、前記反応ガスの上流端が閉塞されて前記閉塞供給流路（Ａ）と互いに分離する閉塞排出流路と、を画成する溝が設けられており、
前記閉塞供給流路（Ａ）及び前記閉塞排出流路（Ｂ）を画成する前記セパレータと対向する前記ガス拡散層は、少なくとも前記閉塞供給流路（Ａ）と前記閉塞排出流路（Ｂ）とを隔てるリブと対向する領域が、親水性を有する親水性領域であり、該親水性領域が、前記閉塞供給流路（Ａ）から前記閉塞排出流路（Ｂ）に向かって、細孔の孔径が大きくなる孔径分布を有することを特徴とする、燃料電池。
【請求項２】
前記親水性領域が、前記リブより幅広であり、前記リブと共に、前記閉塞供給流路（Ａ）及び前記閉塞排出流路（Ｂ）の一部とも対向する領域である、請求項１に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用に関し、特に、閉塞流路を有する燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電気的に接続された２つの電極に燃料と酸化剤を供給し、電気化学的に燃料の酸化を起こさせることで、化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する。火力発電とは異なり、燃料電池はカルノーサイクルの制約を受けないので、高いエネルギー変換効率を示す。燃料電池は、通常、電解質膜を一対の電極で挟持した膜・電極接合体を基本構造とする単セルを複数積層して構成されている。中でも、電解質膜として固体高分子電解質膜を用いた固体高分子電解質型燃料電池は、小型化が容易であること、低い温度で作動すること、などの利点があることから、特に携帯用、移動体用電源として注目されている。
【０００３】
固体高分子電解質型燃料電池において、水素が供給されたアノード電極（燃料極）では下記（１）式の反応が進行する。
Ｈ2  →  ２Ｈ+  ＋  ２ｅ-    ・・・（１）
（１）式で生じる電子は、外部回路を経由し、外部の負荷で仕事をした後、カソード電極（酸化剤極）に到達する。そして、（１）式で生じたプロトンは、水と水和した状態で、電気浸透により固体高分子電解質膜内をアノード電極側からカソード電極側に移動する。
一方、カソード電極では下記（２）式の反応が進行する。
４Ｈ+  ＋  Ｏ2  ＋  ４ｅ-  →  ２Ｈ2Ｏ    ・・・（２）
【０００４】
各電極は、一般的に、電解質膜側から順に触媒層、ガス拡散層が積層した構造を有する。触媒層には、通常、上記電極反応を促進させるための白金や白金合金等の電極触媒、触媒層におけるプロトン伝導性を確保するための高分子電解質、触媒層における電子伝導性を確保するための導電性材料が含まれている。また、ガス拡散層は、通常、触媒層への反応ガスの供給、電極中の余剰の水分の排出等を可能とする導電性多孔質体を用いて形成される。
【０００５】
パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂膜に代表される固体高分子電解質膜を備えた燃料電池では、イオン伝導性を確保するために、電解質膜や触媒層の湿潤状態を維持することが重要である。そのため、一般的に、反応ガスを予め加湿した状態で電極に供給することが行われている。
一方で、燃料電池では、上記したように発電に伴い、水が生成する。生成した水の多くは電極から排出される未反応ガス（電極反応に寄与しなかった反応ガス）や加湿水と共に、セル外へと排出される。しかしながら、生成水や、反応ガスと共に電極に供給された加湿水の一部は、燃料電池内の環境によっては凝縮し、電極内に液体の状態で存在することになる。このとき、凝縮した水（液水）が電極内に滞留すると、反応ガスの供給が妨げられ、発電性能が低下してしまう。特に、燃料電池を高加湿条件下で運転する場合には、液水が多く発生するため、電極の液水の排出性を確保する必要がある。
従って、電極内の液水を、速やかにセル外へと排出し、電極内での滞留を防止することが望まれている。
【０００６】
そこで、燃料電池の電極における排水性を向上させるべく、多くの技術が提案されている。
例えば、特許文献１には、高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜の両面に触媒層を挟んでそれぞれ対向して配された、導電性と通気性を兼ね備えた一対の電極層と、前記電極層にガスを供給し、あるいは電極層からガスを排出するためのガス流路が形成された導電性の集電体とを備え、前記ガス流路を構成するガス供給用のガス流路部とガス排出用のガス流路部とが前記集電体上で分離され互いにつながっていないことを特徴とする固体高分子型燃料電池が開示されている。特許文献１の実施例において、ガス拡散層（電極層）としては、フッ素系撥水剤のエマルジョン液に浸し、全面的に撥水処理が施されたカーボン不織布が使用されている。
【０００７】
また、特許文献２には、電解質膜と、前記電解質膜を挟む触媒層およびガス拡散層からなる一対の電極と、を有する膜‐電極アッセンブリと、前記膜‐電極アッセンブリのガス拡散層と対向する面に、ガスが流通する複数のガス流路と、ガス流路の間に形成されたリブと、を有する一対のガスセパレータと、を有し、前記膜‐電極アッセンブリが前記一対のセパレータにより狭持される燃料電池セルであって、前記ガス拡散層における前記リブと対向する領域に、発電中に生成した生成水を優先的に通過させてガス流路へ排水するための排水路領域を形成したことを特徴とする燃料電池セルが開示されている。特許文献２において、排水路領域は、他の領域と比較して、気孔径が大きい又は親水性が大きいことにより、他の領域よりも生成水が通過しやすくなっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平１１−１６５９１号公報
【特許文献２】特開２００７−２７３３２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１に記載の燃料電池のように、反応ガスの下流側が閉塞された供給流路と、反応ガスの上流側が閉塞された排出流路とを設け、これら供給流路と排出流路を互いに分離させることによって、これら流路間に位置するリブと対向するガス拡散層の領域へのガス拡散性を向上させることができる。供給流路と排出流路との間の差圧を駆動力として、供給流路に供給された反応ガスが、電極内を通って、排出流路側へと拡散するからである。このような反応ガスの拡散性の向上に伴って、電極の排水性をも改善することが可能になる。
【００１０】
閉塞流路を備える燃料電池において、特に高加湿運転時には、液水を効率良く排出させるためには、供給流路から排出流路への液水の移動を促進することが重要である。しかしながら、特許文献１のように、ガス拡散層が全面にわたって撥水処理されている場合には、供給流路の閉塞端において液水が滞留しやすいという問題がある。
一方、ガス拡散層が親水性を有している場合には、ガス拡散層−供給流路及び排出流路間の孔径及び親水性の差から、ガス拡散層と各流路の毛管圧の関係は、ガス拡散層の毛管圧＜流路の毛管圧、となる。そのため、供給流路からガス拡散層への液水移動は、供給流路‐ガス拡散層間の毛管圧差によって速やかに進行するものの、ガス拡散層から排出流路への液水移動は、ガス拡散層‐排出流路間の毛管圧差に逆らうため、進行しにくい。従って、充分な排水が行われず、フラッディングが発生してしまう。
また、排水性を確保するために、ガス拡散層の全面にわたってその細孔径を大きくすると、ガス拡散層の強度及び電子伝導性が確保できなくなってしまう。
【００１１】
本発明は、上記実情を鑑みて成し遂げられたものであり、高加湿条件下の運転時のように液水が多く発生する場合でも、液水の滞留が生じにくく、ガス拡散性に優れた燃料電池を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の燃料電池は、電解質膜と、該電解質膜の一方の面に設けられた燃料極と、該電解質膜の他方の面に設けられた酸化剤極とを備える膜・電極接合体、及び、該膜・電極接合体を狭持する一対のセパレータを有する燃料電池であって、
前記燃料極及び前記酸化剤極は、前記電解質膜側から順に、触媒層とガス拡散層が積層した多層構造を有しており、
前記セパレータのうち少なくとも一方は、前記膜・電極接合体と対向する面に、
（Ａ）該膜・電極接合体に供給される反応ガスの供給流路であって、前記反応ガスの下流端が閉塞された閉塞供給流路と、（Ｂ）該膜・電極接合体を通過し、該膜・電極接合体から排出される前記反応ガスの排出流路であって、前記閉塞供給流路（Ａ）と交互に配置され、且つ、前記反応ガスの上流端が閉塞されて前記閉塞供給流路（Ａ）と互いに分離する閉塞排出流路と、を画成する溝が設けられており、
前記閉塞供給流路（Ａ）及び前記閉塞排出流路（Ｂ）を画成する前記セパレータと対向する前記ガス拡散層は、少なくとも前記閉塞供給流路（Ａ）と前記閉塞排出流路（Ｂ）とを隔てるリブと対向する領域が、親水性を有する親水性領域であり、該親水性領域が、前記閉塞供給流路（Ａ）から前記閉塞排出流路（Ｂ）に向かって、細孔の孔径が大きくなる孔径分布を有することを特徴とするものである。
【００１３】
本発明らは、閉塞供給流路及び閉塞排出流路を有する燃料電池において、これら流路と対向するガス拡散層に、上記のような孔径分布を有する親水性領域を設けることによって、ガス拡散層と閉塞排出流路の間の毛管圧差を小さくすることができ、その結果、ガス拡散層から閉塞排出流路への液水の移動を容易にすることが可能であることを見出した。
すなわち、本発明によれば、高加湿条件運転時における液水の滞留を抑制し、発電性に優れた燃料電池を提供することが可能である。
【００１４】
前記親水性領域は、前記リブより幅広であり、前記リブと共に、前記閉塞供給流路（Ａ）及び前記閉塞排出流路（Ｂ）の一部とも対向する領域であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の燃料電池は、高加湿条件下の運転時のように液水が多く発生する条件下でも、液水の滞留が生じにくい。すなわち、本発明によれば、高加湿条件下でも優れたガス拡散性を有する燃料電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の燃料電池に備えられる単セルの一形態を示す断面図である。
【図２】図１に示す単セルのセパレータ９をガス拡散層５側から見た平面図である。
【図３】図１の断面図の部分拡大図及び部分拡大平面図である。
【図４】本発明の原理を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明の燃料電池は、電解質膜と、該電解質膜の一方の面に設けられた燃料極と、該電解質膜の他方の面に設けられた酸化剤極とを備える膜・電極接合体、及び、該膜・電極接合体を狭持する一対のセパレータを有する燃料電池であって、
前記燃料極及び前記酸化剤極は、前記電解質膜側から順に、触媒層とガス拡散層が積層した多層構造を有しており、
前記セパレータのうち少なくとも一方は、前記膜・電極接合体と対向する面に、
（Ａ）該膜・電極接合体に供給される反応ガスの供給流路であって、前記反応ガスの下流端が閉塞された閉塞供給流路と、（Ｂ）該膜・電極接合体を通過し、該膜・電極接合体から排出される前記反応ガスの排出流路であって、前記閉塞供給流路（Ａ）と交互に配置され、且つ、前記反応ガスの上流端が閉塞されて前記閉塞供給流路（Ａ）と互いに分離する閉塞排出流路と、を画成する溝が設けられており、
前記閉塞供給流路（Ａ）及び前記閉塞排出流路（Ｂ）を画成する前記セパレータと対向する前記ガス拡散層は、少なくとも前記閉塞供給流路（Ａ）と前記閉塞排出流路（Ｂ）とを隔てるリブと対向する領域が、親水性を有する親水性領域であり、該親水性領域が、前記閉塞供給流路（Ａ）から前記閉塞排出流路（Ｂ）に向かって、細孔の孔径が大きくなる孔径分布を有することを特徴とするものである。
【００１８】
以下、図１〜図４を参照しながら、本発明の燃料電池について説明していく。
図１は、本発明の燃料電池に備えられる単セル１００の一形態を示す断面図である。図２は、図１の単セル１００におけるセパレータ９をガス拡散層５側から見た図である。図３は、図１に示す断面図の部分拡大図と、部分拡大平面図である。
【００１９】
図１において、単セル１００は、膜・電極接合体８が２つのセパレータ９、１０で狭持された構造を有している。膜・電極接合体８は、電解質膜１と、電解質膜１の一方の面に設けられた酸化剤極２と、他方の面に設けられた燃料極３とを備えている。酸化剤極２は、電解質膜側から順に、触媒層４とガス拡散層５が積層した多層構造を有している。燃料極３もまた、電解質膜側から順に、触媒層６とガス拡散層７が積層した多層構造を有している。
【００２０】
酸化剤極側のセパレータ９は、膜・電極接合体８と対向する面に、膜・電極接合体８の酸化剤極２に反応ガスを供給する供給流路であって、反応ガスの下流側が閉塞された閉塞供給流路１１（Ａ）を画成する溝と、膜・電極接合体８の酸化剤極２を通過し、膜・電極接合体から排出される反応ガス（未反応ガス）の排出流路であって、反応ガスの上流端が閉塞された閉塞排出流路１１（Ｂ）を画成する溝と、が備えられている。セパレータ９において、閉塞供給流路１１（Ａ）と閉塞排出流路１１（Ｂ）を画成する溝の間には、凸部であるリブ９ｒが存在し、リブ９ｒによって、閉塞供給流路１１（Ａ）と閉塞排出流路１１（Ｂ）とが隔てられている。セパレータ９に設けられた閉塞供給流路１１（Ａ）を画成する溝と、閉塞排出流路１１（Ｂ）を画成する溝は、図１及び図２に示すように、交互に配置され、また、互いに分離している。閉塞供給流路１１（Ａ）と閉塞排出流路１１（Ｂ）は、セパレータ９に設けられたこれら溝と、セパレータ９に隣接するガス拡散層５のセパレータ９側の面とによって、形成されている。
【００２１】
セパレータ９と対向するガス拡散層５は、少なくともリブ９と対向する領域が、親水性を有する親水性領域５ｈとなっている。親水性領域５ｈは、図３に示すように、閉塞供給流路１１（Ａ）から閉塞排出流路（Ｂ）に向かって、細孔の孔径が大きくなる孔径分布を有している。
図１において、燃料極側のセパレータ１０は、セパレータ９と同様の構造を有し、セパレータ１０とガス拡散層７によって、閉塞供給流路１２（Ａ）及び閉塞排出流路１２（Ｂ）が形成されている。また、ガス拡散層７は、親水性領域７ｈを有している。
【００２２】
ガス拡散層の親水性領域は、閉塞供給流路（Ａ）及び閉塞排出流路（Ｂ）と比較して、孔径の小さい細孔を有している。そのため、ガス拡散層の親水性領域は、各閉塞流路（Ａ）及び（Ｂ）よりも毛管圧が小さい。また、燃料電池運転時、閉塞供給流路（Ａ）内は、閉塞排出流路（Ｂ）内よりも圧力が高い状態であり、これら閉塞流路（Ａ）及び（Ｂ）の間には差圧が生じている。
【００２３】
このような状態において、閉塞供給流路（Ａ）内に存在する液水は、上記親水性領域と閉塞供給流路（Ａ）との毛管圧差を駆動力として、またさらには、閉塞供給流路（Ａ）と閉塞排出流路（Ｂ）との差圧を駆動力として、ガス拡散層の親水性領域へと速やかに移動する。
一方、親水性領域に存在する液水の閉塞排出流路（Ｂ）への移動は、上記親水性領域と閉塞排出流路（Ｂ）との毛管圧差に逆らうことになるため、上記閉塞供給流路（Ａ）から親水性領域への移動のように容易には起こらない。本発明者らは、閉塞供給流路（Ａ）と閉塞排出流路（Ｂ）との差圧が、親水性領域と閉塞排出流路（Ｂ）との毛管圧差よりも大きくならなければ、親水性領域から閉塞排出流路（Ｂ）への液水の移動が駆動されないことを見出した。
【００２４】
そこで、本発明では、親水性領域と閉塞排出流路（Ｂ）の毛管圧差を小さくすることによって、親水性領域から閉塞排出流路（Ｂ）への液水の移動を促進する。具体的には、親水性領域に、閉塞供給流路（Ａ）から閉塞排出流路（Ｂ）に向かって、細孔の孔径が大きくなる孔径分布を付与した。
【００２５】
図４の（４Ｂ）は、親水性領域の孔径が均一な場合の親水性領域における毛管圧の分布を示すものである。孔径が均一である場合、親水性領域の全域において毛管圧は一定となる。このような場合、閉塞供給流路と親水性領域との毛管圧差が大きく、閉塞供給流路から親水性領域からの液水移動は速やかに進むものの、親水性領域と閉塞排出流路との毛管圧差も大きく、親水性領域から閉塞供給流路への液水移動が進みにくいか、或いは、親水性領域と閉塞排出流路との毛管圧差が小さく、親水性領域から閉塞排出流路への液水移動は速やかに進むものの、閉塞供給流路と親水性領域と毛管圧差も小さいために、閉塞供給流路から親水性領域への液水移動が進みにくい。
【００２６】
親水性を有する親水性領域においては、細孔の孔径が大きいほど毛管圧は大きくなる。つまり、細孔の孔径が大きいほど、親水性領域と閉塞流路（Ａ）、（Ｂ）との毛管圧差は小さくなる。ゆえに、図４の（４Ａ）に示すように、親水性領域に、閉塞供給流路（Ａ）から閉塞排出流路（Ｂ）に向かって、細孔の孔径が大きくなる孔径分布を付与することによって、閉塞供給流路（Ａ）から親水性領域への液水移動の駆動力となる大きな毛管圧差を確保しつつ、親水性領域から閉塞排出流路（Ｂ）への液水移動の妨げとなる毛管圧差を小さくすることができる。
【００２７】
従って、本発明によれば、従来と比較して、ガス拡散層から閉塞排出流路への液水移動を容易にし、高加湿条件での運転時のように、過剰の液水が発生する場合でも、閉塞供給流路（Ａ）からガス拡散層を経て閉塞排出流路へと液水を移動させることができ、液水の滞留を抑制することができる。ゆえに、本発明の燃料電池は、排水性に優れ、高加湿条件における運転時でも、電極におけるガス拡散性を確保し、発電性能を維持することが可能である。
【００２８】
以下、本発明の燃料電池を構成する各部について説明する。
本発明において、上記したような閉塞供給流路（Ａ）及び閉塞排出流路（Ｂ）、並びに親水性領域が設けられるのは、燃料極側及び酸化剤極側のいずれか一方のみでもよいし、燃料極側及び酸化剤極側の両方でもよい。但し、酸化剤極は燃料極と比較して、液水の滞留が生じやすいことから、少なくとも酸化剤極側に設けられることが好ましい。
また、閉塞供給流路（Ａ）とは、該閉塞供給流路（Ａ）を画成する、セパレータに設けられた溝が、反応ガスの供給源と連通するが、反応ガスの下流側において閉塞されており、排出口には連通していない流路である。閉塞排出流路（Ｂ）とは、該閉塞排出流路（Ｂ）を画成する、セパレータに設けられた溝が、反応ガスの排出口と連通するが、反応ガスの上流側において閉塞されており、反応ガスの供給源には連通していない流路である。
具体的な流路の形態は、図２に示すものに限定されず、例えば、図２とは異なり、分岐構造のない、連続する溝が蛇行する形態でもよい。
また、本発明において、親水性領域は、セパレータのリブと対向する、ガス拡散層の全領域に設けられていてもよいし、セパレータのリブと対向する、ガス拡散層の一部の領域に設けられていてもよい。閉塞供給流路の閉塞端近傍において、特に液水の滞留が生じやすいことから、少なくとも閉塞供給流路の閉塞端近傍に親水性領域が設けられていることが好ましい。
【００２９】
セパレータとしては、例えば、炭素繊維を高濃度に含有し、樹脂との複合材からなるカーボンセパレータや、金属材料を用いた金属セパレータ等を用いることができる。金属セパレータとしては、耐腐食性に優れた金属材料からなるものや、表面をカーボンや耐腐食性に優れた金属材料等で被覆し、耐腐食性を高めるコーティングが施されたもの等が挙げられる。セパレータは、通常、排水性を確保するために、その表面が親水性を有している。
尚、セパレータのリブには、その内部に冷却材が流通可能な冷却材流路が設けられていてもよい。
【００３０】
ガス拡散層に設けられる親水性領域は、閉塞供給流路及び閉塞排出流路に比べてより高い親水性を有する領域である。具体的には、水接触角が９０度以下であることが好ましく、特に８０度以下であることが好ましい。親水性領域の水接触角は、例えば、接触角測定機により測定することが可能である。
【００３１】
親水性領域は、少なくともセパレータのリブに対向する領域のみに設けられていればよいが、閉塞供給流路（Ａ）から親水性領域への液水移動、及び、親水性領域から閉塞排出流路（Ｂ）への液水移動をより効果的に促進する観点から、図１及び図３のように、リブより幅広であって、リブに対向する領域から閉塞供給流路（Ａ）及び閉塞排出流路（Ｂ）の一部と対向する領域にわたって設けられていることが好ましい。
【００３２】
ガス拡散層は以下のようなガス拡散層シートによって構成することができる。ガス拡散層シートとしては、触媒層に効率良くガスを供給することができるガス拡散性、導電性、及びガス拡散層を構成する材料として要求される強度を有するもの、例えば、カーボンペーパー、カーボンクロス、カーボンフェルト等の炭素質多孔質体や、チタン、アルミニウム、銅、ニッケル、ニッケル−クロム合金、銅及びその合金、銀、アルミ合金、亜鉛合金、鉛合金、チタン、ニオブ、タンタル、鉄、ステンレス、金、白金等の金属から構成される金属メッシュ又は金属多孔質体等の導電性多孔質体を用いることができる。
【００３３】
親水性領域は、上記のような導電性多孔質体に対して、対応する領域のみに親水性処理を施すことで形成することができる。或いは、ガス拡散層シートとして、導電性多孔質体にポリテトラフルオロエチレン等の撥水性樹脂を含浸塗布することによって撥水処理したものを用いる場合には、親水性領域に対応する領域に撥水処理を施さないことで親水性領域とすることもできる。
尚、ガス拡散層シートは、上記したような導電性多孔質体の単層からなるものであってもよいが、触媒層に面する側に撥水層を設けることもできる。撥水層は、通常、炭素粒子や炭素繊維等の導電性粉粒体、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等の撥水性樹脂等を含む多孔質構造を有するものである。
【００３４】
電解質膜としては、一般的に燃料電池に用いられているものを使用することができる。例えば、ナフィオン（商品名）に代表されるパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂膜等のフッ素系高分子電解質や、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルスルホン等の炭化水素系高分子にスルホン酸基、リン酸基、水酸基等のプロトン伝導性基を導入した炭化水素系高分子電解質等を膜状に成形したものが挙げられる。
【００３５】
各電極の触媒層は、通常、少なくとも、電極触媒と導電性材料と高分子電解質とを用いて構成される。電極触媒としては、燃料電池において一般的に用いられているものが挙げられ、燃料極における水素の酸化反応又は酸化剤極における酸素の還元反応に対して触媒活性を有しているもの、例えば、白金、又は、ルテニウム、鉄、ニッケル、マンガン等の金属と白金との合金等が例示できる。
電極触媒は、通常、導電性材料に担持されていることが好ましい。導電性材料としては、導電性を有するものであれば特に限定されず、カーボン粒子やカーボン繊維等の導電性炭素材料の他、金属粒子や金属繊維等が挙げられる。
【００３６】
高分子電解質は、触媒層へのプロトン伝導性付与や電極触媒及び導電性材料の固定等を目的として、触媒層に含有される。高分子電解質としては、プロトン伝導性を有し、一般的に燃料電池の電解質膜を構成するものとして用いられているものが挙げられ、例えば、ナフィオン（商品名、デュポン社製）等のパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂に代表されるフッ素系高分子電解質の他、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンエーテル等の炭化水素系高分子にスルホン酸基、カルボン酸基、リン酸基、ボロン酸基等のプロトン伝導性基を導入した炭化水素系電解質等が例示できる。
【００３７】
触媒層は上記各材料を、溶媒に溶解及び／又は分散させた触媒インクを用いることによって形成することができる。
溶媒は、使用する電極触媒、高分子電解質によって適宜選択すればよい。例えば、メタノール、エタノール、プロパノール、プロピレングリコール等のアルコール類や、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、Ｎ，Ｎ−ジエチルホルムアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド、Ｎ，Ｎ−ジエチルアセトアミド等、或いは、これらの混合物や水との混合物を用いることができるが、これに限定されない。
尚、触媒インクは、必要に応じて、フッ素系樹脂等の撥水性成分、結着材等を適宜含有していてもよい。
【００３８】
具体的には、触媒インクを電解質膜又はガス拡散層シートに塗布、乾燥することによって、電解質膜‐触媒層接合体又は触媒層‐ガス拡散層接合体を得ることができる。或いは、転写基材に触媒インクを塗布して触媒層転写シートを作製し、電解質膜又はガス拡散層シートに触媒層を転写することによって、電解質膜‐触媒層接合体又は触媒層‐ガス拡散層接合体を得ることができる。触媒インクの塗布方法、乾燥方法は特に限定されない。
【００３９】
以上のようにして得られる電解質膜−触媒層接合体、又は触媒層−ガス拡散層接合体は、電解質膜とガス拡散層の間に触媒層が位置するように、ガス拡散層シート又は電解質膜と接合することによって、膜・電極接合体を得ることができる。接合方法としては、例えば熱圧着等が挙げられる。
得られた膜・電極接合体は、さらに、セパレータで狭持することにより、単セルが得られる。
【符号の説明】
【００４０】
１…電解質膜
２…酸化剤極
３…燃料極
４…酸化剤極側触媒層
５…酸化剤極側ガス拡散層
５ｈ…親水性領域
６…燃料極側触媒層
７…燃料極側ガス拡散層
７ｈ…親水性領域
８…膜・電極接合体
９…酸化剤極側セパレータ
９ｒ…リブ
１０…燃料極側セパレータ
１０ｒ…リブ
１１（Ａ）…酸化剤極側閉塞供給流路
１１（Ｂ）…酸化剤極側閉塞排出流路
１２（Ａ）…燃料極側閉塞供給流路
１２（Ｂ）…燃料極側閉塞排出流路
１００…単セル
【図１】
2010232083.tif 000003
【図３】
2010232083.tif 000004
【図４】
2010232083.tif 000005
【図２】
2010232083.tif 000006