(57)【要約】【課題】膜電極接合体において、電解質膜が伸縮を繰り返した場合であっても、ガス拡散層の繊維が電解質膜へ突き刺さることを保護フィルムにより防止する技術を提供することを目的とする。【解決手段】膜電極接合体２１０であって、電解質膜２１２と、電解質膜２１２の面上に配置された、表面積が電解質膜２１２よりも小さい第１と第２の触媒層２１４，２１５と、電解質膜２１２の周縁部と第１の触媒層２１４の周縁部を覆うように配置された、第１の保護フィルム２３２と、第１の保護フィルム２３２の面上と第１の触媒層２１４の面上に配置された、繊維を含む第１のガス拡散層２１６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】
膜電極接合体であって、
電解質膜と、
前記電解質膜の両面を挟むように配置された、表面積が前記電解質膜よりも小さい第１と第２の触媒層と、
前記電解質膜の周縁部と前記第１の触媒層の周縁部を覆うように配置された、第１の保護フィルムと、
前記第１の保護フィルムの面上と前記第１の触媒層の面上に配置された、繊維を含む第１のガス拡散層と、を備える、膜電極接合体。
【請求項２】
請求項１に記載の膜電極接合体であって、さらに、
前記電解質膜の周縁部と前記第２の触媒層の周縁部を覆うように配置された、第２の保護フィルムと、
前記第２の保護フィルムの面上と前記第２の触媒層の面上に配置された、繊維を含む第２のガス拡散層と、を含む、膜電極接合体。
【請求項３】
請求項１に記載の膜電極接合体であって、さらに、
少なくとも前記第１の保護フィルムと前記電解質膜との積層体の端部を覆うシールガスケットを含む、膜電極接合体。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の膜電極接合体を備える、燃料電池。
【請求項５】
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の膜電極接合体の製造方法であって、
剥離部材と前記第１の保護フィルムとが一体となった第１の剥離部材付き保護フィルムのうち、前記第１の保護フィルムの面を、前記電解質膜の周縁部と前記第１の触媒層の周縁部を覆うように配置する配置工程と、
前記配置工程の後に、前記剥離部材を前記第１の保護フィルムから剥離する剥離工程と、を含む、膜電極接合体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、保護フィルムを備えた膜電極接合体、膜電極接合体を備えた燃料電池、及び膜電極接合体の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電解質膜の面上に触媒層とガス拡散層をこの順番で積層させた膜電極接合体を備える。ガス拡散層は一般に、カーボンクロスやカーボンペーパー等の炭素繊維からなるため、その表面の炭素繊維が毛羽状に突き出して突出物（以下、単に「毛羽」という。）を形成していることがある。このため、電解質膜に毛羽が突き刺さり電解質膜が損傷し、電池性能を低下させる場合があった。
【０００３】
電解質膜を毛羽から保護するために、保護フィルムを用いる技術が提案されている。例えば、特許文献１には、枠状の保護フィルムを触媒層の外周を囲んで電解質膜の外縁部に接合することで、ガス拡散層から電解質膜を保護する技術が開示されている。
【０００４】
しかしながら、燃料電池は一般に、加湿された反応ガスを膜電極接合体に供給し、電解質膜を湿潤状態に保持して運転が行われる。この湿潤状態は、燃料電池の運転条件により変化する。よって、電解質膜は、湿潤状態の変化により伸縮を繰り返すこととなり、従来の保護フィルムでは、図９に示すように保護フィルム２３２ａ，２３４ａと触媒層２１４，２１５との間に隙間Ｊ１，Ｊ２が生じ、ガス拡散層２１６，２１７表面の毛羽６００が電解質膜２１２に突き刺さり、電池性能を低下させる場合があった。このような問題は、炭素繊維からなるガス拡散層を用いる場合に限らず、何らかの繊維を含むガス拡散層を用いる技術に共通する問題であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−５９９０８号公報
【特許文献２】特開２００８−１７１６１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従って、本発明の目的は、上記した課題を踏まえ、電解質膜が伸縮を繰り返した場合であっても、ガス拡散層の繊維（「毛羽」ともいう。）が電解質膜に突き刺さることを保護フィルムにより防止する技術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、上記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できる。
【０００８】
[適用例１]  膜電極接合体であって、電解質膜と、前記電解質膜の両面を挟むように配置された、表面積が前記電解質膜よりも小さい第１と第２の触媒層と、前記電解質膜の周縁部と前記第１の触媒層の周縁部を覆うように配置された、第１の保護フィルムと、前記第１の保護フィルムの面上と前記第１の触媒層の面上に配置された、繊維を含む第１のガス拡散層と、を備える、膜電極接合体。
適用例１の膜電極接合体によれば、電解質膜が伸縮を繰り返したとしても、第１の保護フィルムは電解質膜の周縁部と第１の触媒層の周縁部を覆っているため、電解質膜への繊維の突き刺さりを第１の保護フィルムにより防止することができる。
【０００９】
[適用例２]  適用例１に記載の膜電極接合体であって、さらに、前記電解質膜の周縁部と前記第２の触媒層の周縁部を覆うように配置された、第２の保護フィルムと、前記第２の保護フィルムの面上と前記第２の触媒層の面上に配置された、繊維を含む第２のガス拡散層と、を含む、膜電極接合体。
適用例２の膜電極接合体によれば、電解質膜への繊維の突き刺さりを両面において防止することができる。
【００１０】
[適用例３]  適用例１に記載の膜電極接合体であって、さらに、少なくとも前記第１の保護フィルムと前記電解質膜との積層体の端部を覆うシールガスケットを含む、膜電極接合体。
適用例３の膜電極接合体によれば、さらに、第１の保護フィルムを設けていない電解質膜端部に比べ、電解質膜端部に第１の保護フィルムを設けた積層体の方が高い剛性を有するため、シールガスケット成形時のハンドリング性を向上させることができる。
【００１１】
[適用例４]  適用例１乃至適用例３のいずれかに記載の膜電極接合体を備える、燃料電池。
適用例４の燃料電池によれば、電解質膜への繊維の突き刺さりを防止することができ、従来よりも安定した電池性能を達成することができる。
【００１２】
[適用例５]  適用例１乃至適用例３のいずれかに記載の膜電極接合体の製造方法であって、剥離部材と前記第１の保護フィルムとが一体となった第１の剥離部材付き保護フィルムのうち、前記第１の保護フィルムの面を、前記電解質膜の周縁部と前記第１の触媒層の周縁部を覆うように配置する配置工程と、前記配置工程の後に、前記剥離部材を前記第１の保護フィルムから剥離する剥離工程と、を含む、膜電極接合体の製造方法。
適用例５の製造方法によれば、第１の保護フィルムを電解質膜の周縁部と第１の触媒層の周縁部に配置する際のハンドリング性を向上させることができる。
【００１３】
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば膜電極接合体又は膜電極接合体の製造方法、膜電極接合体を備えた燃料電池、燃料電池と制御装置とを備えた燃料電池システム、燃料電池又は燃料電池システムを搭載する車両等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の第１実施例としての燃料電池スタック１０の構成を示す概略図である。
【図２】シール一体型膜電極接合体２００のアノード電極側の面を示す概略図である。
【図３】燃料電池セル１１０の断面の構成を示す図である。
【図４】電解質膜２１２の面上に触媒層２１４，２１５を配置する方法を示した図である。
【図５】電解質膜２１２及び触媒層２１４，２１５に保護フィルム２３２，２３４を配置する方法を示した図である。
【図６】触媒層２１４，２１５の面上及び保護フィルム２３２，２３４の面上にガス拡散層２１６，２１７を配置する方法を示した図である。
【図７】本発明の第２実施例としての膜電極接合体２１０の作製方法を示した図である。
【図８】非接触部位Ｈ１，Ｈ２及び反り返り部２３２ｂ，２３４ｂを示した図である。
【図９】従来の膜電極接合体２１０ａの部分拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
次に、本発明の実施の形態を以下の順序で説明する。
Ａ．第１実施例：
Ｂ．第２実施例：
Ｃ．変形例：
【００１６】
Ａ．第１実施例：
図１は、本発明の第１実施例としての燃料電池スタック１０の構成を示す概略図である。この燃料電池スタック１０は、燃料ガスと酸化ガスの供給を受けて、その電気化学反応によって発電する固体高分子型燃料電池である。燃料電池スタック１０は、複数のシール一体型膜電極接合体２００と、複数のセパレータ３００と、２つの締結部材１３０と、２枚のエンドプレート１２０とを備えている。
【００１７】
１つのシール一体型膜電極接合体２００は、２つのセパレータ３００により挟持されることで、燃料電池セル１１０を構成している。複数積層された燃料電池セル１１０は、締結部材１３０によって荷重を受けて、エンドプレート１２０によって挟持されている。
【００１８】
図２は、シール一体型膜電極接合体２００のアノード電極側の面を示す概略図である。なお、シール一体型膜電極接合体２００のカソード電極側の面は、アノード電極側の面と同様の構成であるため図示は省略する。このシール一体型膜電極接合体２００は、膜電極接合体２１０とその周縁部を覆う枠状のシールガスケット２２０とを有する。シールガスケット２２０は、複数の貫通孔Ｍ１〜Ｍ６を備えている。これらの貫通孔Ｍ１〜Ｍ６は、燃料電池セル１１０を積層することで、反応ガスや冷却水の供給及び排出を行うマニホールド孔を形成する。以下では、貫通孔Ｍ１〜Ｍ６を「マニホールド孔」とも呼ぶ。マニホールド孔Ｍ１〜Ｍ６の周囲には、セパレータ３００（図１参照）と接触することによって反応ガスや冷却水の漏洩を防止するためのシール用凸部ＳＬがそれぞれ設けられている。
【００１９】
マニホールド孔Ｍ１は水素の供給を担い、マニホールド孔Ｍ２は反応に供されることのなかった水素を含むアノード排ガスの排出を担う。マニホールド孔Ｍ３は空気の供給を担い、マニホールド孔Ｍ４は、反応に供されることのなかった酸素を含む空気や、反応によって生成した水分を含むカソード排ガスの排出を担う。マニホールド孔Ｍ５，Ｍ６は発電によって生じた燃料電池スタック１０の熱を冷却するための水の供給、排出を担う。
【００２０】
図３は、燃料電池セル１１０の断面の構成を示す図である。図３の断面は、図２におけるシール一体型膜電極接合体２００を、セパレータ３００で挟持した場合のＡ−Ａ断面を示している。燃料電池セル１１０は、シール一体型膜電極接合体２００とセパレータ３００との間に、水素を膜電極接合体２１０へ供給するための水素流路体４２２と、空気を膜電極接合体へ供給するための空気流路体４２０とを備えている。２つの流路体４２０，４２２は、カーボンや焼結金属などの導電性を有する多孔体で構成することができる。なお、シール一体型膜電極接合体２００の構成は後述する。
【００２１】
燃料電池スタック１０に供給された空気は、マニホールド孔Ｍ３、空気連絡口Ｍ７、空気供給口Ｍ８を通って空気流路体４２０へと流れる。空気流路体４２０へと流れた空気は、空気流路体４２０内を流通しつつ、膜電極接合体２１０に供給されて電気化学反応に利用される。電気化学反応に利用されなかった空気は、空気排出口Ｍ１１、空気連絡口Ｍ１２を通って、マニホールド孔Ｍ４から燃料電池スタック１０の外部へと排出される。
【００２２】
燃料電池スタック１０に供給された水素も同様に、マニホールド孔Ｍ１（図２参照）、セパレータ３００内を通って水素流路体４２２へと流れる。水素流路体４２２へと流れた水素は、水素流路体４２２内を流通しつつ、膜電極接合体２１０に供給されて電気化学反応に利用される。電気化学反応に利用されなかった水素は、セパレータ３００内を通ってマニホールド孔Ｍ２（図２参照）から燃料電池スタック１０の外部へと排出される。
【００２３】
燃料電池スタック１０に供給された冷却水は、マニホールド孔Ｍ５（図２参照）から冷却水流路Ｍ１０を流れて燃料電池スタック１０の熱を冷却する。熱の冷却に供された冷却水はマニホールド孔Ｍ６（図２参照）から燃料電池スタック１０の外部へと排出される。
【００２４】
図３（ｂ）は、シール一体型膜電極接合体２００の部分拡大断面図である。シール一体型膜電極接合体２００を構成する膜電極接合体２１０は、電解質膜２１２と、触媒層２１４，２１５と、保護フィルム２３２，２３４と、ガス拡散層２１６，２１７とを有する。アノード触媒層２１４は、電解質膜２１２の一方の面上に配置している。アノード用保護フィルム２３２は、電解質膜２１２の周縁部とアノード触媒層２１４の周縁部を覆うように配置している。アノードガス拡散層２１６は、アノード用保護フィルム２３２の面上とアノード触媒層２１４の面上に配置している。同様に、電解質膜２１２の他方の面には、カソード触媒層２１５、カソード用保護フィルム２３４、カソードガス拡散層２１７が配置している。また、シールガスケット２２０は、電解質膜２１２と保護フィルム２３２，２３４とからなる積層体の端部２５０を覆うように配置している。
【００２５】
電解質膜２１２は、プロトン伝導性を有する固体高分子電解質で形成されている。このような電解質としては、例えばナフィオン（デュポン社の登録商標）を用いることができる。触媒層２１４，２１５は、触媒を担持した材料で形成されている。このような材料としては、例えば、白金を担持したカーボンブラックと、電解質とを混ぜたペーストを用いることができる。ガス拡散層２１６，２１７は、ガス透過性を有するとともに導電性の良好な材料で形成される。このような材料としては、例えば、カーボンペーパーやカーボンクロスが用いられる。保護フィルム２３２，２３４は、耐熱性、耐酸性の良好な材料で形成される。このような材料としては、ポリエチレンテレフタレートやポリブチレンテレフタレート等の合成樹脂やクロロブレンゴム等のゴムが用いられる。また、保護フィルム２３２，２３４は電解質膜２１２よりも剛性が高いことが好ましい。剛性の高い保護フィルム２３２，２３４を用いることで、積層体の端部２５０をシールガスケット２２０により覆う際のハンドリング性を向上させることができるからである。
【００２６】
図４〜図６は、膜電極接合体２１０の作製方法を示した図である。まず、図４に示すように、触媒層材料のペーストを矩形状の電解質膜２１２の両面上の中央に塗布し、乾燥させることによって触媒層２１４，２１５が形成される。なお、触媒層２１４，２１５の表面積は、電解質膜２１２の表面積よりも小さく、電解質膜２１２の周縁部は、露出した状態に保たれている。
【００２７】
次に、図５に示すように、アノード用保護フィルム２３２が、電解質膜２１２の一方の面の周縁部とアノード触媒層２１４の周縁部を覆うように重ね合わせ圧着することで配置される。カソード用保護フィルム２３４も同様に、電解質膜２１２の他方の面の周縁部とカソード触媒層２１５の周縁部に配置される。なお、保護フィルム２３２，２３４の形状は、枠状である。
【００２８】
次に、図６に示すように、ガス拡散層２１６，２１７が、保護フィルム２３２，２３４の面上と触媒層２１４，２１５の面上に重ね合わせた状態でホットプレスにより接合される。こうして膜電極接合体２１０を作製した後、シールガスケット２２０を積層体の端部２５０を覆うように射出成型によって形成することで、シール一体型膜電極接合体２００（図３参照）が作製される。
【００２９】
以上のように、第１実施例の膜電極接合体２１０は、電解質膜２１２の周縁部において保護フィルム２３２，２３４が電解質膜２１２とガス拡散層２１６，２１７との間に介在するため、電解質膜２１２が伸縮を繰り返した場合であっても、ガス拡散層２１６，２１７の繊維が電解質膜２１２に突き刺さることを確実に防止することができる。また、電解質膜２１２の端部に保護フィルム２３２，２３４を設けているため、保護フィルム２３２，２３４を設けていない電解質膜端部に比べ高い剛性を有し、シールガスケット２２０成形時のハンドリング性を向上させることができる。
【００３０】
Ｂ．第２実施例：
図７は、本発明の第２実施例としての膜電極接合体２１０の作製方法を示した図である。上記第１実施例との違いは、剥離部材２４０，２４２と保護フィルム２３２，２３４とが一体となった剥離部材付き保護フィルム２６２，２６４を用いて膜電極接合体２１０を作製する点である。その他の膜電極接合体２１０やシール一体型膜電極接合体２００の作製方法は、第１実施例と同様の方法であるため説明を省略し、ここでは剥離部材２４０，２４２を用いた保護フィルム２３２，２３４の配置方法を主に説明する。なお、燃料電池スタック１０の構成は、第１実施例と同様である。まず、図７（ａ）のように、触媒層２１４，２１５を両面に配置した電解質膜２１２を用意する。次に、剥離部材付き保護フィルム２６２，２６４を、保護フィルム２３２，２３４側が電解質膜２１２の周縁部と触媒層２１４，２１５の周縁部を覆うように重ね合わせ圧着する（図７（ｂ））。圧着後、剥離部材２４０，２４２を保護フィルム２３２，２３４から剥離する（図７（ｃ））。これにより、保護フィルム２３２，２３４は、電解質膜２１２の周縁部と触媒層２１４，２１５の周縁部を覆うように配置することができる。
【００３１】
剥離部材２４０，２４２の形状は、保護フィルム２３２，２３４と略同一形状の枠状である。また、剥離部材２４０，２４２は、保護フィルム２３２，２３４と剥離可能な材料で形成される。このような材料としては、ポリエチレンテレフタレート等の合成樹脂やクロロブレンゴム等のゴムが用いられる。また、剥離部材２４０，２４２は、耐熱温度が１００℃以上であることが好ましい。剥離部材２４０，２４２の耐熱温度が１００℃未満である場合、圧着の際に剥離部材２４０，２４２の一部が溶けて保護フィルム２３２，２３４に接着する可能性があるからである。さらに剥離部材２４０，２４２は、燃料電池スタック１０の発電性能に影響を及ぼす可能性のある不純物（例えば、Ｓｉ）が混入していないことがより好ましい。
【００３２】
上記のように、第２実施例の膜電極接合体２１０の作製方法では、剥離部材付き保護フィルム２６２，２６４を用いることで、剥離部材２４０，２４２が付いていない保護フィルムに比べ、保護フィルム２３２，２３４を扱う際のハンドリング性を向上させることができる。また、剥離部材２４０，２４２を用いることで、保護フィルム２３２，２３４自体をより薄膜化（例えば、厚さ２μｍ〜２５μｍ）することができる。これにより、保護フィルム２３２，２３４のフィルム厚が原因で生じる触媒層２１４，２１５とガス拡散層２１６，２１７との非接触部位Ｈ１，Ｈ２（図８（ａ）参照）の発生や、保護フィルム２３２，２３４の端部で生じる反り返り部２３２ｂ，２３４ｂ（図８（ｂ）参照）の発生を抑制し、より安定した電池性能を達成することができる。
【００３３】
Ｃ．変形例：
なお、上記実施例における構成要素の中の、特許請求の範囲の独立項に記載した要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。また、本発明の上記実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の形態において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００３４】
Ｃ−１．第１変形例：
上記実施例において、電解質膜２１２の両面において、保護フィルム２３２，２３４を電解質膜２１２の周縁部と触媒層２１４，２１５の周縁部を覆うように配置したが、少なくとも電解質膜２１２のいずれか一方の面において、保護フィルム２３２，２３４が電解質膜２１２の周縁部と触媒層２１４，２１５の周縁部を覆うように配置されていれば良い。電解質膜２１２のいずれか一方の面のみに、上記実施例のように保護フィルム２３２，２３４を配置したとしても、従来に比べ、繊維の電解質膜２１２への突き刺さりを低減することができるからである。
【００３５】
Ｃ−２．第２変形例：
上記実施例において、保護フィルム２３２，２３４の形状は枠状であったが、形状は特にこれに限定されるものではない。電解質膜２１２の周縁部と触媒層２１４，２１５の周縁部を覆うように配置される保護フィルムであれば任意の形状を用いることができる。例えば、長方形の保護フィルムを複数用いて、電解質膜２１２の周縁部と触媒層２１４，２１５の周縁部を覆うようしても良い。
【００３６】
Ｃ−３．第３変形例：
上記実施例において、シール一体型膜電極接合体２００とセパレータ３００との間に流路体４２０，４２２を配置したが、流路体４２０，４２２を配置しない構成としても良い。例えば、セパレータ３００の両面に流路溝を設けて反応ガスを流通させてもよい。
【符号の説明】
【００３７】
１０…燃料電池スタック
１１０…燃料電池セル
１２０…エンドプレート
１３０…締結部材
２００…シール一体型膜電極接合体
２１０，２１０ａ…膜電極接合体
２１２…電解質膜
２１４…アノード触媒層
２１５…カソード触媒層
２１６…アノードガス拡散層
２１７…カソードガス拡散層
２２０…シールガスケット
２３２…アノード用保護フィルム
２３４…カソード用保護フィルム
２３２ａ，２３４ａ…保護フィルム
２３２ｂ，２３４ｂ…反り返り部
２４０，２４２…剥離部材
２５０…積層体の端部
２６２，２６４…剥離部材付き保護フィルム
３００…セパレータ
４２０…空気流路体
４２２…水素流路体
６００…毛羽（繊維）
Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４，Ｍ５，Ｍ６…貫通孔（マニホールド孔）
Ｍ７，Ｍ１２…空気連絡口
Ｍ８…空気供給口
Ｍ１０…冷却水流路
Ｍ１１…空気排出口
Ｈ１，Ｈ２…非接触部位
Ｊ１，Ｊ２…隙間
ＳＬ…シールライン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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