(57)【要約】【課題】触媒層の貴金属使用量を低減しつつ、該触媒層と拡散層との間の接触抵抗を低減することのできる燃料電池を提供する。【解決手段】電解質膜２４と、電解質膜２４のアノード側に設けられた薄膜状の白金からなるアノード触媒層２８と、アノード触媒層２８に対向して設けられたガス拡散層２２と、アノード触媒層２８とガス拡散層２２との間に配置された中間層３０と、を備え、中間層３０は、ガス拡散層２２よりも剛性の低い多孔質の導電体で構成されている。好ましくは、アノード触媒層２８は、白金使用量が０．０２ｍｇ／ｃｍ２以下となるようにスパッタリングにより作製される。また、中間層３０はカーボンブラックおよび高分子バインダからなる溶液を該アノード触媒層２８に噴霧することにより作製される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜と、
前記電解質膜のアノード側に形成された薄膜状の白金層と、
前記白金層に対向して設けられたガス拡散層と、
前記白金層と前記ガス拡散層との間に配置された中間層と、を備え、
前記中間層は、前記ガス拡散層よりも剛性の低い多孔質の導電体で構成されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記中間層は、カーボンブラックを含むことを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記白金層は、０．０２ｍｇ／ｃｍ２以下の白金で構成されていることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池。
【請求項４】
前記白金層は、前記電解質膜のアノード側にスパッタリング法によって形成された層であることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項記載の燃料電池。
【請求項５】
前記電解質膜のカソード側に形成されたカソード触媒層と、
前記触媒層に対向して設けられたカソードガス拡散層と、を更に備え、
前記触媒層は、白金担持カーボンとアイオノマーとからなる層であることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池に関し、特に、燃料電池の内部構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、複数枚の単位電池が積層された燃料電池スタックとして使用される。単位電池自体も平面状の部材の積層体であり、電解質膜をその両側から電極で挟んで構成された膜電極接合体（ＭＥＡ;Membrane Electrode Assembly）を有し、該ＭＥＡをその両側から拡散層、ガス流路、およびセパレータで挟むことで構成されている。
【０００３】
ＭＥＡの各電極には電極反応を活性化させるための触媒層が設けられている。触媒には、一般的にＰｔ（白金）等の高価な貴金属が用いられる。このため、触媒層の形成方法については、白金使用量低減の観点から種々の方法が提案されている。例えば、特開２００２−２８９２０６号公報では、スパッタリング法によって白金の触媒層を形成した燃料電池が提案されている。スパッタリング法によれば薄膜状の白金層を形成することができるので、白金使用量を低減し、大幅な製造コストの低減を実現することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−２８９２０６号公報
【特許文献２】ＷＯ２００２／０２７８５０号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、スパッタリング法によって形成された白金層は剛性が高い。このため、凹凸の大きいガス拡散層と該白金層とが直接接触すると、接触面積が小さくなって電気的な接触抵抗が大きくなってしまう。このように、スパッタリングによって形成された白金層を用いた燃料電池では、白金使用量は低減できるものの、該白金層とガス拡散層との接触抵抗を低減して燃料電池性能の低下を抑止することができず、改善が望まれていた。
【０００６】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、触媒層の白金使用量を低減しつつ、該触媒層とガス拡散層との間の接触抵抗を低減することの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】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池であって、
電解質膜と、
前記電解質膜のアノード側に形成された薄膜状の白金層と、
前記白金層に対向して設けられたガス拡散層と、
前記白金層と前記ガス拡散層との間に配置された中間層と、を備え、
前記中間層は、前記ガス拡散層よりも剛性の低い多孔質の導電体で構成されていることを特徴とする。
【０００８】
第２の発明は、第１の発明において、
前記中間層は、カーボンブラックを含むことを特徴とする。
【０００９】
第３の発明は、第１または２の発明において、
前記白金層は、０．０２ｍｇ／ｃｍ２以下の白金で構成されていることを特徴とする。
【００１０】
第４の発明は、第１乃至第３の何れか１つの発明において、
前記白金層は、前記電解質膜のアノード側にスパッタリング法によって形成された層であることを特徴とする。
【００１１】
第５の発明は、第１乃至第４の何れか１つの発明において、
前記電解質膜のカソード側に形成されたカソード触媒層と、
前記触媒層に対向して設けられたカソードガス拡散層と、を更に備え、
前記カソード触媒層は、白金担持カーボンとアイオノマーとからなる層であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
第１の発明によれば、ガス拡散層よりも剛性の低い中間層が、白金層とガス拡散層との間に配置される。中間層はガス拡散層および白金層と広面積で接触する。このため、本発明によれば、白金使用量を低減した薄膜状の白金層を触媒として用いる場合であっても、ガス拡散層と白金層との間で生じる電気的な接触抵抗を効果的に低減することができる。
【００１３】
第２の発明によれば、中間層にはカーボンブラックが含まれる。このため、本発明によれば、簡易な構成で中間層に導電性を持たせることができる。
【００１４】
第３の発明によれば、白金層は白金使用量が０．０２ｍｇ／ｃｍ２以下となるように構成されている。このため、本発明によれば、白金使用量を極少量に抑制しつつ、ガス拡散層と白金層との間で生じる電気的な接触抵抗を効果的に低減することができる。
【００１５】
第４の発明によれば、白金層は電解質膜のアノード側にスパッタリング法によって作製される。このため、本発明によれば、白金層を薄膜状に形成することができるので、白金使用量を極少量に抑制することができる。
【００１６】
第５の発明によれば、電解質膜のカソード側には、白金担持カーボンとアイオノマーとからなるカソード触媒層と、カソードガス拡散層とが設けられている。このため、本発明によれば、活性化電圧の増大によって発電ができなくなる事態を効果的に回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本実施の形態１の燃料電池の構成を模式的に示す図である。
【図２】発電体を積層方向に沿って切断した断面図である。
【図３】従来の燃料電池に使用される発電体を積層方向に沿って切断した断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面に基づいてこの発明の実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。また、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１９】
実施の形態．
［実施の形態の構成］
図１は、本実施の形態における燃料電池の構成を模式的に示す断面図である。燃料電池１０は、発電反応により発生した電力をモータ等の負荷装置に供給する燃料電池システムとして使用される。燃料電池１０は単位電池１２を複数積層したスタック構造を有している。単位電池１０は、発電体１４、反応ガスが流れるガス流路１６、隣接する発電体１４を隔離するセパレータ１８によって構成されている。発電体１４は、電解質膜を挟んでアノードとカソードが配置された膜電極接合体（ＭＥＡ）２０の外側に、カーボン繊維からなるガス拡散層２２をシールガスケットで囲んで一体として形成されている。各単位電池１２は、アノードに燃料ガス(例えば、水素ガス)の供給を受け、カソードに空気の供給を受けて発電する。尚、本実施の形態１において、燃料ガスの供給／排気系の構成、および空気の供給／排気系の構成に限定はないので、それらについての説明は省略する。
【００２０】
次に、図２を参照して本発明の特徴的構成である発電体１４の構成について更に詳しく説明する。図２は、発電体１４を積層方向に沿って切断した断面図である。図２に示すとおり、電解質膜２４のカソード側には、カソード触媒層２６およびガス拡散層２２が積層されている。カソード触媒層２６は白金担持カーボンと電解質のアイオノマーとから構成されており、公知のスプレー法や転写法等によって形成される。
【００２１】
一方、電解質膜２４のアノード側にはアノード触媒層２８、中間層３０、およびガス拡散層２２が積層されている。アノード触媒層２８は、公知のスパッタリング法によって形成されたＰｔ（白金）の薄膜層であって、使用する白金量が０．０２ｍｇ−Ｐｔ／ｃｍ２以下の極低白金量となるように形成されている。
【００２２】
また、中間層３０はアノード触媒層２８とガス拡散層２２との間に設けられた層であって、多孔質性および電気伝導性を有している。より具体的には、本実施の形態の中間層３０は、アノード触媒層２８上にカーボンブラックおよび高分子バインダからなる溶液を噴霧することにより、空隙率が２５〜６０％、剛性（曲げ弾性率）が５００ＭＰａ〜１ＧＰａとなるように構成されている。
【００２３】
［実施の形態１の特徴］
次に、本実施の形態の燃料電池の特徴について説明する。図３は、従来の燃料電池に使用される発電体を積層方向に沿って切断した断面図である。尚、図３に示す発電体３２は、中間層３０を有しない点以外は、図２に示す発電体１４と同一である。
【００２４】
上述したとおり、アノード触媒層２８はスパッタリングによって作製されている。スパッタリングは、薄膜状の触媒層を均一に形成することができるので、使用する白金量を効果的に低減することができる。
【００２５】
ここで、ガス拡散層２２はカーボン繊維によって多孔質構造に形成された層であるため、その表面は凹凸形状を有している。また、ガス拡散層２２はかかる多孔質構造を維持する観点から、一般的に１〜１０Ｇｐａ程度の剛性（曲げ弾性率）を有している。このため、図３に示すように、アノード触媒層２８とガス拡散層２２とが直接接触する発電体構造では、両者の接触面積が小さくなり電気的な接触抵抗が大きくなってしまうことが想定される。
【００２６】
そこで、本実施の形態の燃料電池は、図３に示すとおり、アノード触媒層２８とガス拡散層２２との間に中間層３０を備えることとしている。上述したとおり、中間層３０はガス拡散層２２よりも剛性の低い材料で構成されているため、ガス拡散層２２およびアノード触媒層２８と広面積で接触する。このため、白金使用量を低減したアノード触媒層２８を用いる場合であっても、ガス拡散層２２とアノード触媒層２８の間で生じる電気的な接触抵抗を効果的に低減することができる。
【００２７】
上述した効果を裏付けるために、中間層３０を有する発電体１４（図２）と該中間層３０を有しない発電体３２（図３）とを、図１に示す燃料電池１０に組み込んだ場合のセル抵抗値をそれぞれ測定した。測定は８０℃フル加湿条件下で２．５Ａ時のセル抵抗値を測定した。その結果、中間層３０を有しない発電体３２のセル抵抗値が１１７．９ｍΩであったのに対して、中間層３０を有する発電体１４のセル抵抗値は１２．９ｍΩであった。以上の結果から、アノード触媒層２８とガス拡散層２２との間に中間層３０を設けることにより、接触抵抗が低減されていることが裏付けられた。
【００２８】
このように、スパッタリングによって形成されたアノード触媒層２８を用いる場合に、該アノード触媒層２８とガス拡散層２２との間に中間層３０を併用することで、白金使用量を低減しつつ、電気的な接触抵抗を効果的に低減することができる。
【００２９】
ところで、本実施の形態においては、スパッタリングによる触媒層をアノード側に設けることとし、カソード側には設けていない。これは、カソード側にスパッタリングによる白金層を設けると、活性化電圧が増大して発電することができないからである。このため、本実施の形態では、活性化電圧がほぼゼロであるアノード側にのみ、スパッタリングによる触媒層（アノード触媒層２８）および中間層３０を設けることとしている。
【００３０】
また、上述した実施の形態においては、アノード触媒層２８をスパッタリング法によって作製することとしているが、該アノード触媒層２８の作製方法はこれに限られない。すなわち、白金を薄膜状に形成できるのであれば、他の公知の方法を用いることとしてもよい。
【００３１】
また、上述した実施の形態においては、アノード触媒層２８上にカーボンブラックおよび高分子バインダからなる溶液を噴霧することによって中間層３０を作製することとしているが、該中間層３０の作製方法および使用する物質はこれに限られない。すなわち、所定の電気伝導性、多孔質性、および剛性を有するのであれば、カーボンブラックが球状のものであっても繊維状のものであってもよいし、また、高分子バインダに関しても特に限定はない。
【００３２】
尚、上述した実施の形態においては、アノード触媒層２８が前記第１の発明における「白金層」に相当している。
【符号の説明】
【００３３】
１０  燃料電池
１２  単位電池
１４  発電体
１６  ガス流路
１８  セパレータ
２０  膜電極接合体（ＭＥＡ）
２２  ガス拡散層
２４  電解質膜
２６  カソード触媒層
２８  アノード触媒層
３０  中間層
３２  発電体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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