(57)【要約】【課題】燃料電池に用いられる膜電極接合体において、電解質膜の含水による寸法変化を抑制しつつ、水の拡散抵抗の増大を抑制する。【解決手段】膜電極接合体１０において、電解質膜１２は、燃料電池に適用して発電を行ったときに、他の領域よりも含水量が多くなる空気出口側の一部の領域のみに、含水したときの電解質膜の膨張を抑制するための膨張抑制材１２ｒを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池に用いられ、電解質膜の両面に、それぞれ、アノード、および、カソードを接合した膜電極接合体であって、
前記電解質膜は、該電解質膜の面内の一部の領域のみに、含水したときの該電解質膜の膨張を抑制するための膨張抑制材を備える、
膜電極接合体。
【請求項２】
請求項１記載の膜電極接合体であって、
前記電解質膜の面内の一部の領域は、前記膜電極接合体を前記燃料電池に適用して発電を行ったときに、他の領域よりも含水量が多くなる領域である、
膜電極接合体。
【請求項３】
請求項１記載の膜電極接合体であって、
前記電解質膜の面内の一部の領域は、前記膜電極接合体を前記燃料電池に適用したときの、酸化剤ガスの出口近傍に対応する領域である、
膜電極接合体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に用いられる膜電極接合体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料ガス（例えば、水素）と酸化剤ガス（例えば、酸素）との電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。この燃料電池には、発電体として、プロトン伝導性を有する電解質膜の両面に、それぞれ、アノード、および、カソードを接合した膜電極接合体が用いられる。
【０００３】
この膜電極接合体を燃料電池に適用して発電を行う際には、上記電気化学反応によって、カソードで水（生成水）が生成される。また、膜電極接合体において、電解質膜は、含水量の変動に伴って、膨潤・収縮する性質を有している。したがって、膜電極接合体は、発電時には、電解質膜の含水量が増大して膨潤し、非発電時には、電解質膜の含水量が減少して収縮することとなる。そして、このような電解質膜の膨潤・収縮によって、膜電極接合体の寸法が変化すると、電解質膜に局所的な応力が発生し、劣化や破損の起点となり、耐久性を損ねる。
【０００４】
そこで、上述した膜電極接合体の寸法変化を抑制するために、電解質膜として、多孔質の補強材（膨張抑制材）に電解質を含浸させたものが利用される場合がある。例えば、下記特許文献１には、電極の表面に、延伸多孔質ポリテトラフルオロエチレンとその多孔質空隙部に含有された高分子固体電解質樹脂とからなる高分子固体電解質を一体に形成した高分子固体電解質・電極接合体（膜電極接合体）が記載されている。
【０００５】
【特許文献１】特開平８−１６２１３２号公報
【特許文献２】特開２００８−１３０４１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、膜電極接合体には、カソード反応によって生成された生成水を、電解質膜を介して、アノード側に拡散させ、アノードの湿潤状態を確保することが求められる。しかし、上記技術では、補強材が電解質膜の全面に備えられており、また、この補強材は、水の拡散を阻害するので、電解質膜全体の水の拡散抵抗の増大を招き、アノードの湿潤を確保できない場合があった。
【０００７】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池に用いられる膜電極接合体において、電解質膜の含水による寸法変化を抑制しつつ、水の拡散抵抗の増大を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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。
【０００９】
［適用例１］燃料電池に用いられ、電解質膜の両面に、それぞれ、アノード、および、カソードを接合した膜電極接合体であって、前記電解質膜は、該電解質膜の面内の一部の領域のみに、含水したときの該電解質膜の膨張を抑制するための膨張抑制材を備える、膜電極接合体。
【００１０】
適用例１の膜電極接合体では、電解質膜は、電解質膜の面内の一部の領域のみに、含水したときの膨張を抑制するための膨張抑制材（補強材）を備えており、電解質膜の全面には膨張抑制材を備えていない。したがって、膨張抑制材が電解質膜の全面に備えられている場合と比較して、膨張抑制材が備えられていない領域における水の拡散抵抗を低減し、カソードからアノードへの生成水の拡散を増加させることができる。そして、本適用例の膜電極接合体によって、含水による寸法変化を抑制しつつ、水の拡散抵抗の増大を抑制することができる。
【００１１】
［適用例２］適用例１記載の膜電極接合体であって、前記電解質膜の面内の一部の領域は、前記膜電極接合体を前記燃料電池に適用して発電を行ったときに、他の領域よりも含水量が多くなる領域である、膜電極接合体。
【００１２】
適用例２の膜電極接合体では、電解質膜の面内において、膜電極接合体を燃料電池に適用して発電を行ったときに、他の領域よりも含水量が多くなる一部の領域に膨張抑制材が備えられているので、膜電極接合体において、含水量の変動によって、より膨潤・収縮しやすい領域の寸法変化を抑制することができる。なお、電解質膜の膨張抑制材が備えられた領域は、他の領域よりも含水量が多くなるので、この領域におけるアノードの湿潤は、十分に確保することができる。
【００１３】
［適用例３］適用例１記載の膜電極接合体であって、前記電解質膜の面内の一部の領域は、前記膜電極接合体を前記燃料電池に適用したときの、酸化剤ガスの出口近傍に対応する領域である、膜電極接合体。
【００１４】
膜電極接合体では、一般に、酸化剤ガスの入口から出口にかけて、生成水の生成量が多くなる。したがって、膜電極接合体の酸化剤ガスの出口近傍に対応する領域において、最も生成水の量が多くなる。
【００１５】
適用例３の膜電極接合体では、電解質膜の面内において、膜電極接合体を燃料電池に適用したときの、酸化剤ガスの出口近傍に対応する一部の領域に、膨張抑制材が備えられているので、膜電極接合体において、含水量の変動によって、より膨潤・収縮しやすい領域の寸法変化を抑制することができる。なお、電解質膜の膨張抑制材が備えられた領域は、他の領域よりも含水量が多くなるので、この領域におけるアノードの湿潤は、十分に確保することができる。
【００１６】
本発明は、上述の膜電極接合体としての構成の他、この膜電極接合体を備える燃料電池の発明として構成することもできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき説明する。
Ａ．実施例：
図１は、本発明の一実施例としての膜電極接合体１０を示す説明図である。この膜電極接合体１０は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池に、発電体として用いられる。
【００１８】
図１（ａ）に、膜電極接合体１０の平面図を示した。また、図１（ｃ）に、図１（ａ）におけるＡ−Ａ断面を示した。図示するように、膜電極接合体１０は、電解質膜１２と、アノードとしてのアノード側触媒層１４ａ、および、アノード側ガス拡散層１６ａと、カソードとしてのカソード側触媒層１４ｃ、および、カソード側ガス拡散層１６ｃとを備えている。本実施例では、電解質膜１２として、固体高分子電解質を用いるものとした。
【００１９】
この膜電極接合体１０を燃料電池に適用して発電を行う際には、カソード反応によって生成水が生成される。また、電解質膜１２は、含水量の変動に伴って、膨潤・収縮する性質を有している。したがって、膜電極接合体１０は、発電時には、電解質膜１２の含水量が増大して膨潤し、非発電時には、電解質膜１２の含水量が減少して収縮することとなる。そして、このような電解質膜１２の膨潤・収縮によって、膜電極接合体１０の寸法が変化すると、電解質膜１２に局所的な応力が発生し、劣化や破損の起点となり、耐久性を損ねる。なお、膜電極接合体１０では、図１（ｂ）に示したように、空気入口から空気出口にかけて、電解質膜１２に含まれる水の量（含水量）が多くなるので、膜電極接合体１０の空気出口近傍の領域Ｒ２において、領域Ｒ２以外の領域Ｒ１よりも寸法変化が生じやすくなる。
【００２０】
そこで、本実施例の膜電極接合体１０では、電解質膜１２において、比較的含水量が多くなる領域Ｒ２に、含水したときの電解質膜１２の膨張を抑制するための膨張抑制材１２ｒが備えられている。膨張抑制材１２ｒとしては、例えば、延伸多孔質ポリテトラフルオロエチレン等の多孔質樹脂を用いることができる。この膨張抑制材１２ｒには、電解質が含浸されている。電解質膜１２における領域Ｒ１，Ｒ２の形状は、発電時の電解質膜１２における含水量の分布に応じて任意に設定可能である。なお、膨張抑制材１２ｒは水の拡散を阻害するので、電解質膜１２を上述した構成とすることによって、電解質膜１２における水の拡散抵抗は、図１（ｄ）に示したように、領域Ｒ１よりも領域Ｒ２の方が高くなる。
【００２１】
ところで、膜電極接合体１０には、カソードで生成された生成水を、電解質膜１２を介して、アノード側に拡散させ、アノードの湿潤状態を確保することが求められる。そして、膜電極接合体１０において、上述した含水による寸法変化を抑制するために、電解質膜１２の全面に膨張抑制材１２ｒを備えるようにすると、電解質膜１２全体の水の拡散抵抗の増大を招き、アノードの湿潤を確保できない場合がある。
【００２２】
これに対し、本実施例の膜電極接合体１０では、電解質膜１２の面内において、比較的含水量が少なく、含水による寸法変化が小さい領域Ｒ１には、水の拡散抵抗を増大させる膨張抑制材１２ｒが備えられておらず、比較的含水量が多く、含水による寸法変化が大きくなる領域Ｒ２のみに膨張抑制材１２ｒが備えられている。したがって、膨張抑制材１２ｒが電解質膜１２の全面に備えられている場合と比較して、膨張抑制材１２ｒが備えられていない領域Ｒ１における水の拡散抵抗を低減し、領域Ｒ１において、カソードからアノードへの生成水の拡散を増加させることができる。なお、電解質膜１２の膨張抑制材１２ｒが備えられた領域Ｒ２は、領域Ｒ１よりも含水量が多くなるので、この領域Ｒ２におけるアノードの湿潤は、十分に確保することができる。
【００２３】
以上説明した本実施例の膜電極接合体１０によれば、含水による寸法変化を抑制しつつ、膜電極接合体１０の水の拡散抵抗の増大を抑制することができる。
【００２４】
Ｂ．変形例：
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形が可能である。
【００２５】
上記実施例では、電解質膜１２の面内において、空気出口近傍に対応する領域Ｒ２に膨張抑制材１２ｒを備えるものとしたが、本発明は、これに限られない。空気入口や、空気出口の位置に無関係に、電解質膜１２の面内において、膜電極接合体１０を燃料電池に適用して発電を行ったときに、他の領域よりも含水量が多くなる一部の領域に膨張抑制材を備えるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の一実施例としての膜電極接合体１０を示す説明図である。
【符号の説明】
【００２７】
１０…膜電極接合体
１２…電解質膜
１２ｒ…膨張抑制材
１４ａ…アノード側触媒層
１４ｃ…カソード側触媒層
１６ａ…アノード側ガス拡散層
１６ｃ…カソード側ガス拡散層
【図１】
2010102970.tif 000003