(57)【要約】【課題】燃料電池において、電解質膜の劣化を抑制する技術を提供すること。【解決手段】燃料電池であって、電解質膜と、多孔質な第１補強部材を有し、第１補強部材が、電解質膜と当接するように配置される第１触媒層と、を備える。【選択図】図３
2010123511.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池であって、
電解質膜と、
多孔質な第１補強部材を有し、前記第１補強部材が、前記電解質膜と当接するように配置される第１触媒層と、
を備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池において、
前記第１触媒層は、
電解質と、触媒と、を備え、前記第１補強部材の気孔中に、前記電解質と、前記触媒とが、分散配置されて成ることを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の燃料電池において、
前記第１補強部材は、前記電解質膜より硬度が高いことを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の燃料電池において、
多孔質な第２補強部材を有し、前記第２補強部材が、前記電解質膜を前記第１補強部材と共に挟持するように配置される第２触媒層を備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の燃料電池において、
前記第１補強部材の気孔率は、８０％以上であることを特徴とする燃料電池。
【請求項６】
請求項２ないし請求項５のいずれかに記載の燃料電池において、
前記第１触媒層は、担体を備え、
前記触媒は、前記担体に担持され、前記第１補強部材の気孔中に、触媒担持担体として分散配置されることを特徴とする燃料電池。
【請求項７】
請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の燃料電池において、
前記第１補強部材は、
ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）から成ることを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解質膜と、触媒層とを備える燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、電解質膜上に触媒層が形成された燃料電池が知られている。この燃料電池では、触媒層に、反応ガスを供給することで電気化学反応を生じさせ、発電を行うようにしている（下記特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−２１６８００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上記燃料電池において、電解質膜は、膨潤や収縮を繰り返し、劣化するおそれがあった。
【０００５】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、燃料電池において、電解質膜の劣化を抑制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】
【０００６】
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、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００７】
[適用例１]
燃料電池であって、電解質膜と、多孔質な第１補強部材を有し、前記第１補強部材が、前記電解質膜と当接するように配置される第１触媒層と、を備えることを要旨とする。
【０００８】
上記構成の燃料電池によれば、電解質膜の劣化を抑制することができる。
【０００９】
[適用例２]
適用例１に記載の燃料電池において、前記第１触媒層は、電解質と、触媒と、を備え、前記第１補強部材の気孔中に、前記電解質と、前記触媒とが、分散配置されて成ることを特徴とする燃料電池。
【００１０】
このようにすれば、触媒層の導電性を確保することができる。
【００１１】
[適用例３]
適用例１または適用例２に記載の燃料電池において、前記第１補強部材は、前記電解質膜より硬度が高いことを特徴とする燃料電池。
【００１２】
このようにすれば、電解質膜の膨潤または収縮を抑制することができ、その結果、電解質膜の劣化を抑制することができる。
【００１３】
[適用例４]
適用例１ないし適用例３のいずれかに記載の燃料電池において、多孔質な第２補強部材を有し、前記第２補強部材が、前記電解質膜を前記第１補強部材と共に挟持するように配置される第２触媒層を備えることを特徴とする燃料電池。
【００１４】
このようにすれば、電解質膜が膨潤や収縮することをより抑制することができ、その結果、電解質膜の劣化を抑制することができる。
【００１５】
[適用例５]
適用例１ないし適用例４のいずれかに記載の燃料電池において、前記第１補強部材の気孔率は、８０％以上であることを特徴とする燃料電池。
【００１６】
このようにすれば、触媒層における反応ガスや生成水の流通が滞ることを抑制することができ、その結果、発電効率を向上させることができる。
【００１７】
[適用例６]
適用例２ないし適用例５のいずれかに記載の燃料電池において、前記第１触媒層は、担体を備え、前記触媒は、前記担体に担持され、前記第１補強部材の気孔中に、触媒担持担体として分散配置されることを特徴とする燃料電池。
【００１８】
このようにすれば、白金の使用量を抑制することができる。
【００１９】
[適用例７]
適用例１ないし適用例６のいずれかに記載の燃料電池において、前記第１補強部材は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）から成ることを特徴とする燃料電池。
【００２０】
このようにすれば、比較的硬いポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）により電解質膜の膨潤または収縮を抑制することができ、その結果、電解質膜の劣化を抑制することができる。
【００２１】
なお、本発明は、上記した燃料電池の他、燃料電池セル、膜電極接合体など他の装置発明の態様として実現することも可能である。また、上記した燃料電池の製造方法の他、膜電極接合体の製造方法など、他の方法発明としての態様で実現することも可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき次の順序で説明する。
Ａ．実施例：
Ａ１．燃料電池の構成：
図１は、本発明の一実施例に係る燃料電池１００の外観構成を示す説明図である。本実施例の燃料電池１００は、比較的小型で発電効率に優れる固体高分子型燃料電池である。燃料電池１００は、複数の燃料電池セルＳＬと、エンドプレートＥＰと、テンションプレートＴＳと、インシュレータＩＳと、ターミナルＴＭと、を備えている。複数の燃料電池セルＳＬは、インシュレータＩＳおよびターミナルＴＭを挟んで、２枚のエンドプレートＥＰによって挟持される。すなわち、燃料電池１００は、燃料電池セルＳＬが、複数個積層されたスタック構造である。また、燃料電池１００は、テンションプレートＴＳがボルトＢＴによって各エンドプレートＥＰに結合され、各燃料電池セルＳＬを、各部材を積層する方向（以下では、積層方向とも呼ぶ）に所定の力で締結する構造となっている。なお、積層方向に直交する方向であって、燃料電池セルＳＬに沿った方向を面方向とも呼ぶ。
【００２３】
図２は、燃料電池１００における燃料電池セルＳＬの概略構成を表わす分解斜視図である。図３は、燃料電池セルＳＬの断面の様子を示す断面模式図である。具体的には、図３（Ａ）は、図２の燃料電池セルＳＬにおけるＡ−Ａ断面を模式的に示した断面図であり、図３（Ｂ）は、後述するカソード１２の拡大図である。燃料電池セルＳＬは、膜電極接合体５（以下では、ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）５と呼ぶ）と、ガス拡散層１４，１５と、セパレータ６，７と、を備える。燃料電池セルＳＬは、ＭＥＡ５を、ガス拡散層１４，１５で挟持し、さらに、そのサンドイッチ構造を、セパレータ６，７で挟持して形成される。なお、図２では、ガス拡散層１４は、ＭＥＡ５の裏面に形成されているため、図示されていない。
【００２４】
ＭＥＡ５は、図３（Ａ）に示すように、電解質膜１１と、触媒層であるカソード１２と、触媒層であるアノード１３と、を備え、電解質膜１１をカソード１２およびアノード１３で挟持して構成される。
【００２５】
電解質膜１１は、固体高分子材料であるフッ素系電解質により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す。
【００２６】
カソード１２は、図３（Ｂ）に示すように、補強フィルムＫＺと、白金担持カーボンＰＣと、電解質ＡＯと、を備えている。白金担持カーボンＰＣは、担体としてのカーボンに触媒金属としての白金（Ｐｔ）を担持して成る。電解質ＡＯは、フッ素系電解質である。
【００２７】
補強フィルムＫＺは、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）から成り、気孔率が９０％の多孔質なフィルムである。補強フィルムＫＺは、電解質膜１１よりも硬度が高いフィルムが用いられる。
【００２８】
カソード１２において、図３（Ｂ）に示すように、補強フィルムＫＺの気孔ＫＹ中に、電解質ＡＯと、白金担持カーボンＰＣとが、分散配置されている。カソード１２は、厚さ方向において、補強フィルムＫＺと同様の厚さである。各白金担持カーボンＰＣは、互いに接触し、カソード１２の導電性機能を保っている。カソード１２において、補強フィルムＫＺは、電解質膜１１と当接している。
【００２９】
アノード１３は、補強フィルムＫＺと、白金担持カーボンＰＣと、電解質ＡＯと、を備えている。
【００３０】
アノード１３において、カソード１２と同様に、補強フィルムＫＺの気孔ＫＹ中に、電解質ＡＯと、白金担持カーボンＰＣとが、分散配置されている。アノード１３は、厚さ方向において、補強フィルムＫＺと同様の厚さである。各白金担持カーボンＰＣは、互いに接触し、カソード１２の導電性機能を保っている。アノード１３において、補強フィルムＫＺは、電解質膜１１と当接している。
【００３１】
従って、ＭＥＡ５において、電解質膜１１は、カソード１２の補強フィルムＫＺと、アノード１３の補強フィルムＫＺとに挟持されて成る。
【００３２】
カソード１２は、以下のように製造される。補強フィルムＫＺと、電解質ＡＯと、白金担持カーボンＰＣと、溶媒（水、アルコール等）とを用意する。電解質ＡＯと白金担持カーボンＰＣと溶媒とを、混合し、触媒インクを作成する。作成した触媒インクに、補強フィルムＫＺを漬け、補強フィルムＫＺの気孔ＫＹ中に、触媒インクを含浸させる。触媒インクが含浸された補強フィルムＫＺを所定の乾燥条件（例えば、乾燥温度８０℃など）で乾燥させ、カソード１２が完成する。アノード１３についても同様の製造方法で製造することができる。
【００３３】
ガス拡散層１４，１５は、例えば、カーボンクロス、カーボンペーパなどの炭素系多孔質体や、金属メッシュ、発泡金属などの金属多孔質体によって形成される。
【００３４】
セパレータ６，７は、ガス不透過の導電性部材、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンや、プレス成形した金属板によって形成することができる。セパレータ６は、片面において凸部６ａと凹部６ｂとが交互に形成された凹凸形状を有している。そして、セパレータ６において、凸部６ａは、ガス拡散層１４（カソード１２または電解質膜１１）を押圧し、凹部６ｂは、ガス拡散層１４との間にガス拡散層１４に対して酸化ガスを給排するため酸化ガス給排流路２０を形成する（図３（Ａ）参照）。また、セパレータ７において、凸部７ａは、ガス拡散層１５（アノード１３または電解質膜１１）を押圧し、凹部７ｂは、ガス拡散層１５との間にガス拡散層１５に対して燃料ガスを給排するため燃料ガス給排流路３０を形成する（図３（Ａ）参照）。なお、本実施例の燃料電池１００では、酸化ガスとしては、例えば、空気を用い、燃料ガスとしては、例えば、水素を用いる。
【００３５】
図２に示すように、セパレータ６，７は、その外周近くの互いに対応する位置に、孔部５３〜５６を備えている。セパレータ６，７を、ＭＥＡ５およびガス拡散層１４，１５と共に積層して燃料電池１００を組み立てると、積層された各セパレータ６，７の対応する位置に設けられた孔部は、互いに重なり合って、積層方向に燃料電池１００内部を貫通するマニホールドを形成する。
【００３６】
以上のように、本実施例の燃料電池１００では、触媒層（カソード１２またはアノード１３）の補強フィルムＫＺが、電解質膜１１に当接するように配置されている。このようにすれば、電解質膜１１が膨潤や収縮することを抑制することができ、その結果、電解質膜の劣化を抑制することができる。
【００３７】
本実施例の燃料電池１００では、触媒層（カソード１２またはアノード１３）において、補強フィルムＫＺの気孔ＫＹ中に、電解質ＡＯと、白金担持カーボンＰＣとが、分散配置されている。このようにすれば、触媒層（カソード１２またはアノード１３）の導電性、または、触媒層（カソード１２またはアノード１３）における反応ガスおよび生成水の流通性を確保することができる。
【００３８】
ところで、燃料電池において、補強フィルムを、電解質膜中に配置し、電解質膜の膨潤や収縮を抑制する場合がある。しかしながら、この技術では、電解質膜中に補強フィルムを配置するので、補給フィルムによってプロトンの移動抵抗の増大、または、水移動の阻害が生じ、出力電圧の低下等、発電効率が低下するおそれがあった。
【００３９】
一方、本実施例の燃料電池１００では、補強フィルムＫＺが、触媒層（カソード１２またはアノード１３）に配置されているので、電解質膜１１におけるプロトンの移動抵抗の増大、または、水移動の阻害が生じることを抑制することができ、その結果、発電効率を向上させることができる。
【００４０】
本実施例の燃料電池１００では、ＭＥＡ５において、電解質膜１１は、カソード１２の補強フィルムＫＺと、アノード１３の補強フィルムＫＺとに挟持されて構成されている。このようにすれば、電解質膜１１において、カソード１２側とアノード１３側から補強フィルムＫＺによって押圧力を受けるので、電解質膜１１が膨潤や収縮することを抑制することができ、その結果、電解質膜の劣化を抑制することができる。
【００４１】
本実施例の燃料電池１００では、補強フィルムＫＺは、気孔率が９０％と高く形成されている。このようにすれば、触媒層（カソード１２またはアノード１３）における反応ガスや生成水の流通が滞ることを抑制することができ、その結果、発電効率を向上させることができる。
【００４２】
本実施例において、補強フィルムＫＺは、特許請求の範囲における第１補強部材または第２補強部材に該当し、気孔ＫＹは、特許請求の範囲における気孔に該当する。
【００４３】
Ｂ．変形例：
なお、上記各実施例における構成要素の中の、独立クレームでクレームされ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、この発明は上記の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態様において実施することが可能であり、例えば以下のような変形も可能である。
【００４４】
Ｂ１．変形例１：
上記実施例の燃料電池１００では、電解質膜１１にフッ素系電解質膜を用いており、また、カソード１２ではフッ素系の電解質ＡＯを用いるようにしているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、電解質膜１１に炭化水素系電解質膜を用い、または、カソード１２ではフッ素系の電解質を用いるようにしてもよい。このようにしても上記実施例と同様の効果を奏することができる。
【００４５】
Ｂ２．変形例２：
上記実施例の燃料電池１００において、補強フィルムＫＺを、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）で形成するようにしているが、本発明は、これに限られるものではない。例えば、補強フィルムＫＺを、導電性の補強部材で形成するようにしてもよい。このようにすれば、触媒層（カソード１２またはアノード１３）の導電性を向上させることができ、燃料電池１００の発電効率を向上させることができる。
【００４６】
このように、補強フィルムＫＺを、導電性の補強部材で形成する場合には、白金担持カーボンＰＣではなく、白金粒子そのものを補強フィルムＫＺの気孔ＫＹ中に分散配置するようにしてもよい。このようにしても上記実施例の効果を奏することができる。
【００４７】
Ｂ３．変形例３：
上記実施例の燃料電池１００において、補強フィルムＫＺの気孔率は、９０％としているが、本発明は、これに限られるものではない。補強フィルムＫＺにおいて、気孔率を、９０％より高くしてもよい。このようにすれば、触媒層（カソード１２またはアノード１３）において、反応ガスや生成水の流通を促進させることができ、燃料電池１００の発電効率を向上させることができる。また、補強フィルムＫＺの気孔率において、気孔率を９０％より低くしてもよい。このようにすれば、補強フィルムＫＺの硬度を向上させることができ、電解質膜１１が膨潤や収縮で面方向に変化しようとする場合、補強フィルムＫＺが電解質膜１１の変化に追従することを抑制することができる。すなわち、補強フィルムＫＺは、電解質膜１１の変化をより抑制することができ、その結果、電解質膜１１の劣化を抑制することができる。
【００４８】
Ｂ４．変形例４：
上記実施例の燃料電池１００において、触媒層（カソード１２またはアノード１３）は、厚さ方向において、補強フィルムＫＺと同様の厚さとなっているが、本発明は、これに限られるものではない。触媒層において、補強フィルムＫＺが電解質膜１１と当接していればよく、例えば、厚さ方向において、補強フィルムＫＺ以外の層であって、電解質と、白金担持カーボンから成る層を備えていてもよい。このようにしても上記実施例の効果を奏することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の一実施例に係る燃料電池１００の外観構成を示す説明図である。
【図２】燃料電池１００における燃料電池セルＳＬの概略構成を表わす分解斜視図である。
【図３】燃料電池セルＳＬの断面の様子を示す断面模式図である。
【符号の説明】
【００５０】
５…ＭＥＡ
６…セパレータ
６ａ…凸部
６ｂ…凹部
７…セパレータ
７ａ…凸部
７ｂ…凹部
１１…電解質膜
１２…カソード
１３…アノード
１４，１５…ガス拡散層
２０…酸化ガス給排流路
３０…燃料ガス給排流路
１００…燃料電池
ＰＣ…白金担持カーボン
ＳＬ…燃料電池セル
ＡＯ…電解質
ＫＹ…気孔
ＫＺ…補強フィルム
【図１】
2010123511.tif 000003
【図２】
2010123511.tif 000004
【図３】
2010123511.tif 000005