(57)【要約】      （修正有）【課題】触媒層の導電性を向上でき、かつ触媒層に含有する鱗状カーボンや金ワイヤが電解質膜を突き破って、対向する電極側への貫通を防ぐ燃料電池を提供する。【解決手段】燃料電池は、イオン伝導性を有する電解質膜４１０と、前記電解質膜４１０に積層され、触媒を担持するアノード触媒層４３０およびカソード触媒層４２０と、前記アノード触媒層４３０およびカソード触媒層４２０に含有され、円環状に形成され導電性を有する円環導電体５５０とを備える。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオン伝導性を有する電解質膜と、
前記電解質膜に積層され、触媒を担持する触媒層と、
前記触媒層に含有され、滑らかな曲線で構成された環状に形成され導電性を有する環状導電体と
を備える燃料電池。
【請求項２】
前記環状導電体は、円環状に形成され導電性を有する円環導電体を含む請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記環状導電体の外径は、５０〜１００マイクロメートルである請求項１または請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記環状導電体の厚みは、前記触媒層の厚みの３分の１以下である請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項５】
前記環状導電体は、炭素で形成されている請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項６】
前記環状導電体は、前記触媒を担持する炭素担体で形成されている請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項７】
前記環状導電体は、金で形成されている請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項８】
滑らかな曲線で構成された環状に形成され導電性を有する環状導電体を含有する燃料電池用触媒層。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解質膜を備える燃料電池に関し、特に、燃料電池の電解質膜に積層された触媒層に関する。
【背景技術】
【０００２】
電解質膜を備える燃料電池は、燃料ガスおよび酸化ガス（本明細書では、これらのガスを「反応ガス」と総称する）を用いて電気化学的に発電を行う。燃料電池において、燃料ガスは、電解質膜のアノード側に供給され、酸化ガスは、電解質膜のカソード側に供給される。電解質膜のアノード側およびカソード側には、反応ガスの電気化学反応を促進させる触媒を担持する触媒層が積層されている。
【０００３】
従来、触媒層の導電性を向上させるために、鱗状カーボンや金ワイヤを触媒層に含有させた燃料電池が提案されていた（特許文献１）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−１５８３５９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、鱗状カーボンや金ワイヤは鋭い端部を有することから、触媒層に含有される鱗状カーボンや金ワイヤが電解質膜に突き刺さって対向する電極側へと貫通しやすく、アノードとカソードとの間で反応ガスが漏れるクロスリークの原因になってしまうという問題があった。
【０００６】
本発明は、上記した課題を踏まえ、触媒層の導電性を向上させることができる燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。
【０００８】
［適用例１］  適用例１の燃料電池は、イオン伝導性を有する電解質膜と、前記電解質膜に積層され、触媒を担持する触媒層と、前記触媒層に含有され、滑らかな曲線で構成された環状に形成され導電性を有する環状導電体とを備えることを特徴とする。適用例１の燃料電池によれば、鋭い端部を有しない環状導電体を用いて触媒層における電極面内方向への電子移動を媒介するため、電解質膜への突き刺さりを防止しつつ触媒層の導電性を向上させることができる。
【０００９】
［適用例２］  適用例１の燃料電池において、前記環状導電体は、円環状に形成され導電性を有する円環導電体を含むとしても良い。適用例２の燃料電池によれば、電解質膜への突き刺さりを一層防止することができる。なお、円環導電体は、円環状であれば良く、真円の環状でも良いし、楕円の環状でも良く、円環の一部が開いた「Ｃ」字状であっても良い。
【００１０】
［適用例３］  適用例１または適用例２の燃料電池において、前記環状導電体の外径は、５０〜１００マイクロメートルであっても良い。適用例２の燃料電池によれば、触媒層における電極面内方向の導電性を効果的に向上させることができる。
【００１１】
［適用例４］  適用例１ないし適用例３のいずれかの燃料電池において、前記環状導電体の厚みは、前記触媒層の厚みの３分の１以下であっても良い。適用例３の燃料電池によれば、複数の環状導電体が重なってしまった場合であっても、触媒層が局所的に厚くなってしまうのを抑制することができる。
【００１２】
［適用例５］  適用例１ないし適用例４のいずれかの燃料電池において、前記環状導電体は、炭素で形成されていても良い。適用例５の燃料電池によれば、環状導電体の経年劣化が触媒層に及ぼす影響を抑制することができる。
【００１３】
［適用例６］  適用例１ないし適用例４のいずれかの燃料電池において、前記環状導電体は、前記触媒を担持する炭素担体で形成されていても良い。適用例６の燃料電池によれば、反応ガスの電気化学反応に有効に機能する触媒の量を更に増加させることができる。
【００１４】
［適用例７］  適用例１ないし適用例４のいずれかの燃料電池において、前記環状導電体は、金で形成されていても良い。適用例７の燃料電池によれば、触媒層における電極面内方向への導電性を更に向上させることができる。
【００１５】
［適用例８］  適用例８の燃料電池用触媒層は、滑らかな曲線で構成された環状に形成され導電性を有する環状導電体を含有することを特徴とする。適用例８の燃料電池用触媒層によれば、鋭い端部を有しない環状導電体が触媒層における電極面内方向への電子移動を媒介するため、触媒層に隣接する電解質膜への突き刺さりを防止しつつ触媒層の導電性を向上させることができる。
【００１６】
また、本発明の形態は、燃料電池に限るものではなく、例えば、燃料電池の電力を利用して走行する車両、燃料電池の電力を供給する発電システムなどの種々の形態に適用することも可能である。また、本発明は、前述の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において様々な形態で実施し得ることは勿論である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以上説明した本発明の構成および作用を一層明らかにするために、以下本発明を適用した燃料電池について説明する。
【００１８】
Ａ．実施例：
Ａ−１．燃料電池の全体構成：
図１は、燃料電池１０の全体構成を示す説明図である。燃料電池１０は、タンクや改質器などのガス供給部（図示しない）から供給される反応ガスの電気化学反応によって発電する。本実施例では、燃料電池１０は、固体高分子型の燃料電池である。本実施例では、燃料電池１０に用いられる反応ガスは、水素を含有する燃料ガスと、酸素を含有する酸化ガスとを含む。燃料電池１０に用いられる燃料ガスは、水素タンクや水素吸蔵合金に貯蔵した水素ガスであっても良いし、炭化水素系燃料を改質して得られる水素ガスであっても良い。燃料電池１０で用いられる酸化ガスは、例えば、外気から取り込んだ空気を用いることができる。
【００１９】
本実施例では、燃料電池１０は、燃料ガスを循環して再利用する循環方式の燃料電池である。燃料電池１０に供給された燃料ガスは、電気化学反応の進行に伴って水素濃度が低下し、アノードオフガスとして燃料電池１０の外部に排出される。本実施例では、アノードオフガスは、燃料ガスとして再利用される。燃料電池１０に供給された酸化ガスは、電気化学反応の進行に伴って、酸素濃度が低下し、カソードオフガスとして燃料電池１０の外部に排出される。
【００２０】
図１に示すように、燃料電池１０は、膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly、以下、「ＭＥＡ」と呼ぶ）３２０を有するＭＥＡプレート３００と、ＭＥＡプレート３００に反応ガスを供給するセパレータ２００とを交互に複数積層することによって、ＭＥＡプレート３００を二つのセパレータ２００で挟み込んだスタック構造を有する。燃料電池１０は、交互に複数積層されたセパレータ２００およびＭＥＡプレート３００を両側から挟持するエンドプレート１００，４００を備える。
【００２１】
燃料電池１０を構成するエンドプレート１００、セパレータ２００、ＭＥＡプレート３００の各部材は、隣接する部材間で相互に連通する複数の貫通孔を有し、これら複数の貫通孔が連通し合うことによって複数の流路が燃料電池１０の内部に形成される。本実施例では、燃料電池１０の内部に形成される流路のうち、燃料ガスに関する流路には、燃料電池１０に供給された燃料ガスが流れる流路（図１の矢印Ｈ＿ＩＮ）と、燃料電池１０から排出されるアノードオフガスが流れる流路（図１の矢印Ｈ＿ＯＵＴ）とが含まれる。本実施例では、燃料電池１０の内部に形成される流路のうち、酸化ガスに関する流路には、燃料電池１０に供給された酸化ガスが流れる流路（図１の矢印Ａ＿ＩＮ）と、燃料電池１０から排出されるカソードオフガスが流れる流路（図１の矢印Ａ＿ＯＵＴ）とが含まれる。本実施例では、燃料電池１０の内部に形成される流路のうち、冷却水に関する流路には、燃料電池１０に供給された冷却水が流れる流路（図１の矢印Ｗ＿ＩＮ）と、燃料電池１０から排出される冷却水が流れる流路（図１の矢印Ｗ＿ＯＵＴ）とが含まれる。本実施例では、エンドプレート１００に設けられた複数の貫通孔を介して、燃料ガスの供給、アノードオフガスの排出、酸化ガスの供給、カソードオフガスの排出、冷却水の供給、冷却水の排出が、燃料電池１０に対して行われる。
【００２２】
燃料電池１０のセパレータ２００は、反応ガスをＭＥＡプレート３００に供給する機能、ＭＥＡプレート３００で生じた電気を集電する機能、ＭＥＡプレート３００での反応熱を除去する冷却水を流す機能を備える。セパレータ２００は、発電された電気を集電するのに十分な導電性を有すると共に、反応ガスおよび冷却水を流す上で十分な耐久性，耐熱性，ガス不透過性を有する材料から成る。本実施例では、セパレータ２００の材料として、ステンレスが用いられるが、チタン，チタン合金などの金属の他、カーボン樹脂，導電性セラミックスであっても良い。本実施例では、セパレータ２００は、三枚の平坦な薄板を積層して構成される三層積層型のセパレータであり、セパレータ２００は、三枚の薄板として、カソードプレート２１０と、アノードプレート２３０と、中間プレート２２０とを備える。
【００２３】
燃料電池１０のＭＥＡプレート３００は、ＭＥＡ３２０にシールガスケット３４０を射出成形したシール一体型膜電極接合体（以下、「シール一体型ＭＥＡ」という）３５０と、ＭＥＡ３２０のアノード側の面に燃料ガスを拡散させるアノードガス拡散プレート３１０と、ＭＥＡ３２０のカソード側の面に酸化ガスを拡散させるカソードガス拡散プレート３３０とを備える。本実施例では、ＭＥＡプレート３００は、アノードガス拡散プレート３１０およびカソードガス拡散プレート３３０をシール一体型ＭＥＡ３５０に嵌め込むことによって構成される。
【００２４】
ＭＥＡプレート３００のアノードガス拡散プレート３１０およびカソードガス拡散プレート３３０は、ＭＥＡ３２０とセパレータ２００との間を導電するのに十分な導電性を有すると共に、反応ガスを透過するのに十分な連続した複数の気孔を形成する多孔体から成る。本実施例では、アノードガス拡散プレート３１０およびカソードガス拡散プレート３３０は、発泡金属から成るが、他の実施形態として、金属メッシュであっても良い。
【００２５】
アノードガス拡散プレート３１０は、ＭＥＡ３２０のアノード側に接して積層されると共に、ＭＥＡプレート３００がセパレータ２００に挟持された状態で、セパレータ２００のアノードプレート２３０に当接して、アノードプレート２３０のアノード供給口２３７から供給された燃料ガスを、ＭＥＡ３２０のアノード側に拡散させる。アノードガス拡散プレート３１０によって拡散された燃料ガスは、アノードオフガスとして、アノードプレート２３０のアノード排出口２３８を介してアノードガス拡散プレート３１０から排出される。
【００２６】
カソードガス拡散プレート３３０は、ＭＥＡ３２０のカソード側に接して積層されると共に、ＭＥＡプレート３００がセパレータ２００に挟持された状態で、セパレータ２００のカソードプレート２１０に当接して、カソードプレート２１０のカソード供給口２１７から供給された酸化ガスを、ＭＥＡ３２０のカソード側に拡散させる。カソードガス拡散プレート３３０によって拡散された酸化ガスは、カソードオフガスとして、カソードプレート２１０のカソード排出口２１８を介してカソードガス拡散プレート３３０から排出される。
【００２７】
シール一体型ＭＥＡ３５０のシールガスケット３４０は、ＭＥＡ３２０を中央部に取り囲む状態でセパレータ２００と略同一形状に成形されている。本実施例では、シールガスケット３４０は、シリコンゴム，ブチルゴム，フッ素ゴムなど、弾性を有するゴム製の絶縁性樹脂材料から成る。ＭＥＡプレート３００がセパレータ２００に挟持された状態で、シールガスケット３４０は、ＭＥＡプレート３００を挟む二つのセパレータ２００の間にＭＥＡ３２０，アノードガス拡散プレート３１０，カソードガス拡散プレート３３０を密封し、反応ガスや冷却水が燃料電池１０の外部に漏れるのを防止する。
【００２８】
Ａ−２．ＭＥＡの詳細構成：
図２は、第１の実施例におけるＭＥＡ３２０の積層構造を模式的に示す断面図である。シール一体型ＭＥＡ３５０のＭＥＡ３２０は、カソード拡散層４４０と、カソード触媒層４２０と、電解質膜４１０と、アノード触媒層４３０と、アノード拡散層４５０とを備え、この順序で、これらの層は積層されている。カソード触媒層４２０およびカソード拡散層４４０は、電解質膜４１０のカソード側の面に積層され、アノード側のアノード電極層を構成する。アノード触媒層４３０およびアノード拡散層４５０は、電解質膜４１０のアノード側の面に積層され、カソード側のカソード電極層を構成する。
【００２９】
ＭＥＡ３２０の電解質膜４１０は、イオン伝導性を有する電解質膜であり、本実施例では、プロトン伝導性を有するプロトン伝導体から成る。例えば、電解質膜４１０は、アイオノマ樹脂であるパーフルオロスルホン酸イオン交換膜であっても良い。
【００３０】
ＭＥＡ３２０のカソード拡散層４４０およびアノード拡散層４５０は、ガス透過性，導電性，撥水性を有し、例えば、カーボン製の多孔体であるカーボンクロスやカーボンペーパと、撥水性を有する撥水樹脂（例えば、ポリテトラフロロエチレン（ＰＴＦＥ））とを混合した材料であっても良い。アノード拡散層４５０は、アノード触媒層４３０に接して積層され、アノード触媒層４３０に燃料ガスを拡散させる。カソード拡散層４４０は、カソード触媒層４２０に接して積層され、カソード触媒層４２０に燃料ガスを拡散させる。
【００３１】
ＭＥＡ３２０のカソード触媒層４２０およびアノード触媒層４３０は、電解質膜４１０を介して行われる反応ガスの電気化学反応を促進させる触媒機能に加え、ガス透過性，導電性，撥水性を有する。本実施例では、カソード触媒層４２０の構成は、アノード触媒層４３０の構成と同様である。
【００３２】
図３は、アノード触媒層４３０の詳細構成を模式的に示す説明図である。アノード触媒層４３０は、触媒５２０を担持した担体５１０と、プロトン伝導体であるアイオノマ樹脂５３０と、円環状に形成され導電性を有する円環導電体５５０とを含有し、更に、撥水性を有する撥水樹脂（例えば、ポリテトラフロロエチレン（ＰＴＦＥ））を含有しても良い。本実施例では、アノード触媒層４３０は、担体５１０，アイオノマ樹脂５３０，円環導電体５５０を混合した材料を電解質膜４１０に吹き付けて形成されるが、他の実施形態において、担体５１０，アイオノマ樹脂５３０を混合した材料を電解質膜４１０に塗布し、その塗布した材料の上に円環導電体５５０を散布した後にコールドプレスを施すことによってアノード触媒層４３０を形成しても良い。
【００３３】
本実施例では、アノード触媒層４３０の触媒５２０は、白金または白金合金を含む白金系触媒である。本実施例では、アノード触媒層４３０の担体５１０は、アモルファス炭素担体であるカーボンブラック担体であるが、他の実施形態において、結晶構造を有する炭素担体であるグラファイト担体であっても良い。
【００３４】
本実施例では、アノード触媒層４３０の円環導電体５５０は、滑らかな曲線で構成された環状に形成され導電性を有する環状導電体であり、本実施例では、円環状に成形されたカーボンである。円環導電体５５０の形状は、円環状であれば良く、真円の環状でも良いし、楕円の環状でも良く、円環の一部が開いて「Ｃ」字状であっても良い。
【００３５】
本実施例では、円環導電体５５０の外径すなわち直径は、５０〜１００マイクロメートルである。担体５１０とアイオノマ樹脂５３０とで形成された触媒層を発明者が評価したところ、触媒層において電極面内方向で１００マイクロメートル以上離れると導電性が特に低下する結果を得た。この結果から、円環導電体５５０の直径は、円環導電体５５０の外側においてアノード触媒層４３０の導電性を向上させるために５０マイクロメートル以上であることが好ましく、円環導電体５５０の内側においてアノード触媒層４３０の導電性を確保するために１００マイクロメートル以内であることが好ましい。
【００３６】
本実施例では、円環導電体５５０の厚みは、アノード触媒層４３０の厚みの３分の１以下である。例えば、アノード触媒層４３０の厚みが１５マイクロメートルである場合、円環導電体５５０の厚みは５マイクロメートル以下である。
【００３７】
アノード触媒層４３０における担体５１０とアイオノマ樹脂５３０とで形成された構造は、電解質膜４１０からアノード拡散層４５０へと連続する連続構造部５２と、電解質膜４１０からアノード拡散層４５０への途中で途切れた不連続構造部５４とを含む。図３に示す例では、アノード触媒層４３０に含有された円環導電体５５０が、連続構造部５２および不連続構造部５４に接続し、連続構造部５２と不連続構造部５４との間における電子移動を媒介する様子が示されている。
【００３８】
以上説明した燃料電池１０によれば、鋭い端部を有しない円環導電体５５０を用いてカソード触媒層４２０およびアノード触媒層４３０における電極面内方向への電子移動を媒介するため、電解質膜４１０への突き刺さりを防止しつつカソード触媒層４２０およびアノード触媒層４３０の導電性を向上させることができる。また、円環導電体５５０の直径は５０〜１００マイクロメートルであることから、カソード触媒層４２０およびアノード触媒層４３０における電極面内方向の導電性を効果的に向上させることができる。また、円環導電体５５０の厚さはカソード触媒層４２０およびアノード触媒層４３０の３分の１以下であることから、複数の円環導電体５５０が重なってしまった場合であっても、カソード触媒層４２０およびアノード触媒層４３０が局所的に厚くなってしまうのを抑制することができる。
【００３９】
Ｂ．変形例：
変形例の燃料電池１０は、円環導電体が触媒５２０を担持する炭素担体で形成されている点以外は、前述した実施例と同様である。本変形例においても、カソード触媒層４２０の構成は、アノード触媒層４３０の構成と同様である。
【００４０】
図４は、変形例におけるアノード触媒層４３０の詳細構成を模式的に示す説明図である。変形例のアノード触媒層４３０は、プロトン伝導体であるアイオノマ樹脂５３０と、触媒５２０を担持した炭素担体で形成された円環導電体５５２とを含有する。本変形例では、アノード触媒層４３０は、アイオノマ樹脂５３０，円環導電体５５２を混合した材料を電解質膜４１０に吹き付けて形成されるが、他の実施形態において、アイオノマ樹脂５３０を電解質膜４１０に塗布し、その塗布したアイオノマ樹脂５３０の上に円環導電体５５２を散布した後にコールドプレスを施すことによってアノード触媒層４３０を形成しても良い。
【００４１】
以上説明した変形例の燃料電池１０によれば、鋭い端部を有しない円環導電体５５２を用いてカソード触媒層４２０およびアノード触媒層４３０における電極面内方向への電子移動を媒介するため、電解質膜４１０への突き刺さりを防止しつつカソード触媒層４２０およびアノード触媒層４３０の導電性を向上させることができる。また、円環導電体５５２自体が触媒５２０を担持することから、反応ガスの電気化学反応に有効に機能する触媒５２０の量を更に増加させることができる。
【００４２】
Ｃ．他の実施形態：
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこうした実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において様々な形態で実施し得ることは勿論である。例えば、本実施例では、いわゆる循環方式の燃料電池について説明したが、他の実施形態において、燃料電池に一旦供給された燃料ガスを使い切るいわゆるデッドエンド方式の燃料電池に本発明を適用しても良い。また、本実施例では、プロトン透過型の電解質膜を用いた固体高分子型の燃料電池について説明したが、他の実施形態において、水酸化物イオン透過型の電解質膜を用いたアルカリ型燃料電池に本発明を適用しても良い。
【００４３】
また、実施例における円環導電体５５０は、カーボンで形成されているとしたが、金で形成されているとしても良い。これによって、カソード触媒層４２０およびアノード触媒層４３０における電極面内方向への導電性を更に向上させることができる。
【００４４】
また、前述の実施例では、カソード触媒層４２０およびアノード触媒層４３０の各々が円環導電体５５０を含有するとしたが、カソード触媒層４２０およびアノード触媒層４３０の少なくとも一方が円環導電体５５０を含有するとしても良い。また、前述の変形例では、カソード触媒層４２０およびアノード触媒層４３０の各々が円環導電体５５２を含有するとしたが、カソード触媒層４２０およびアノード触媒層４３０の少なくとも一方が円環導電体５５２を含有するとしても良い。また、前述の実施例において、円環導電体５５０に代えて、触媒５２０を担持した円環導電体５５２を用いても良い。
【００４５】
また、カソード触媒層４２０およびアノード触媒層４３０に含有される導電体は、円環状に形成され導電性を有する円環導電体５５０，５５２に限るものではなく、滑らかな曲線で構成された環状に形成された導電体であれば、三角形や四角形を含む多角形の角を丸めた環状に形成された導電体であっても良く、この多角形の角を丸めた環状の一部が開いた導電体であっても良い。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】燃料電池の全体構成を示す説明図である。
【図２】第１の実施例におけるＭＥＡの積層構造を模式的に示す断面図である。
【図３】アノード触媒層の詳細構成を模式的に示す説明図である。
【図４】変形例におけるアノード触媒層の詳細構成を模式的に示す説明図である。
【符号の説明】
【００４７】
１０…燃料電池
５２…連続構造部
５４…不連続構造部
１００…エンドプレート
２００…セパレータ
２１０…カソードプレート
２１７…カソード供給口
２１８…カソード排出口
２２０…中間プレート
２３０…アノードプレート
２３７…アノード供給口
２３８…アノード排出口
３１０…アノードガス拡散プレート
３２０…ＭＥＡ
３３０…カソードガス拡散プレート
３４０…シールガスケット
４１０…電解質膜
４２０…カソード触媒層
４３０…アノード触媒層
４４０…カソード拡散層
４５０…アノード拡散層
５１０…担体
５２０…触媒
５３０…アイオノマ樹脂
５５０…円環導電体
５５２…円環導電体
【図１】
2010067505.tif 000003
【図２】
2010067505.tif 000004
【図３】
2010067505.tif 000005
【図４】
2010067505.tif 000006