(57)【要約】【課題】触媒層にクラックが発生することを抑制して、燃料電池の発電性能の低下を回避する技術を提供する。【解決手段】燃料電池１０は、イオン交換体を含む電解質膜１０２、電解質膜１０２の一方の表面に設けられたアノード触媒層１０４、および電解質膜１０２の他方の表面に設けられたカソード触媒層１０６を有する膜電極接合体１００と、アノード触媒層１０４およびカソード触媒層１０６のうち少なくとも一方の触媒層に埋め込まれ、電解質膜１０２の主表面と平行な面に投影した面積が触媒層より小さく電解質膜１０２よりも膨潤しにくい補強層１３０と、を備える。【選択図】図２
2014102876.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオン交換体を含む電解質膜、前記電解質膜の一方の表面に設けられたアノード触媒層、および前記電解質膜の他方の表面に設けられたカソード触媒層を有する膜電極接合体と、
前記アノード触媒層および前記カソード触媒層のうち少なくとも一方の触媒層に埋め込まれ、前記電解質膜の主表面と平行な面に投影した面積が前記触媒層より小さく前記電解質膜よりも膨潤しにくい補強層と、
を備えたことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
複数の前記膜電極接合体が平面配列され、
隣接する前記膜電極接合体の境界部に延在し、隣接する前記膜電極接合体の一方のアノード触媒層と他方のカソード触媒層とを電気的に接続するためのインターコネクタを備え、
前記補強層は、前記インターコネクタと交わる方向に延在している請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記補強層は、前記インターコネクタに接し、
前記触媒層は、前記補強層の上方に配置された部分が前記インターコネクタに接する請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記補強層は、前記触媒層の前記インターコネクタに接する側の端部から他方の端部にかけて延在している請求項２または３に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記補強層は、導電性を有する請求項１乃至４のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記補強層は、前記電解質膜よりも膨潤しにくい繊維材料を含み、
前記触媒層と接する前記繊維材料が、前記イオン交換体と同質の材料で被覆されている請求項１乃至５のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記繊維材料は、カーボンナノファイバーである請求項６に記載の燃料電池。
【請求項８】
前記繊維材料は、最大長さが前記電解質膜の厚さ未満である請求項６または７に記載の燃料電池。
【請求項９】
前記補強層は、電解質膜に接するように設けられている請求項１乃至８のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項１０】
前記補強層は、前記触媒層のうち前記補強層の上方に配置された部分との接触面積が、前記電解質膜との接触面積以上である請求項９に記載の燃料電池。
【請求項１１】
前記補強層は、少なくとも一部が平板部材からなり、
前記平板部材の表面が前記電解質膜に接する請求項９または１０に記載の燃料電池。
【請求項１２】
前記補強層は、少なくとも一方の触媒層に複数本設けられている請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項１３】
前記補強層は、前記アノード触媒層および前記カソード触媒層に埋め込まれ、
前記アノード触媒層に埋め込まれた前記補強層と、前記カソード触媒層に埋め込まれた前記補強層とは、前記電解質膜の主表面と平行な面に投影したときに少なくとも一部が重なっている請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関し、特に、複数の膜電極接合体が平面配列された燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は水素と酸素とから電気エネルギを発生させる装置であり、高い発電効率を得ることができる。燃料電池の主な特徴としては、従来の発電方式のように熱エネルギや運動エネルギの過程を経ない直接発電であるので、小規模でも高い発電効率が期待できること、窒素化合物等の排出が少なく、騒音や振動も小さいので環境性が良いことなどが挙げられる。このように、燃料電池は燃料のもつ化学エネルギを有効に利用でき、環境にやさしい特性を持っているので、２１世紀を担うエネルギ供給システムとして期待され、宇宙用から自動車用、携帯機器用まで、大規模発電から小規模発電まで、種々の用途に使用できる将来有望な新しい発電システムとして注目され、実用化に向けて技術開発が本格化している。
【０００３】
中でも、固体高分子形燃料電池は、他の種類の燃料電池に比べて、作動温度が低く、高い出力密度を持つ特徴があり、特に近年、携帯機器（例えば、携帯電話、ノート型パーソナルコンピュータ、ＰＤＡ、ＭＰ３プレーヤ、デジタルカメラあるいは電子辞書、電子書籍）などの電源への利用が期待されている。携帯機器用の固体高分子形燃料電池としては、複数の膜電極接合体（単セル）を平面状に配列した平面配列型の燃料電池が知られている（特許文献１参照）。各膜電極接合体は、プロトン交換体を含む電解質膜の一方の表面にアノード触媒層が設けられ、他方の表面にカソード触媒層が設けられた構造を有する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−２５７９４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一般に上述した固体高分子形燃料電池では、電解質膜でのプロトン交換を促進するために、電解質膜および触媒層が加湿された状態で発電反応が行われる。そのため、燃料電池の使用時に、電解質膜および触媒層は湿潤状態と乾燥状態とに繰り返し変化する。
【０００６】
電解質膜は、触媒層に比べて膨潤しやすい。そのため、燃料電池が長期間使用されて電解質膜および触媒層の湿潤状態が繰り返されると、両者が繰り返し膨潤し、その結果、触媒層にクラック（亀裂）が発生するおそれがあった。触媒層にクラックが発生した場合には、クラック発生部において、電気伝導率が低下したり電解質膜と触媒層との間の接触抵抗が上昇する。その結果、燃料電池の内部抵抗の上昇を招き、燃料電池の発電性能が低下してしまう。
【０００７】
したがって、燃料電池の発電性能の低下を回避して燃料電池のさらなる長寿命化を図るためには、触媒層にクラックが発生することを防ぐ必要があった。
【０００８】
本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、触媒層にクラックが発生することを抑制して、燃料電池の発電性能の低下を回避する技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明のある態様は、燃料電池である。当該燃料電池は、イオン交換体を含む電解質膜、電解質膜の一方の表面に設けられたアノード触媒層、および電解質膜の他方の表面に設けられたカソード触媒層を有する膜電極接合体と、アノード触媒層およびカソード触媒層のうち少なくとも一方の触媒層に埋め込まれ、電解質膜の主表面と平行な面に投影した面積が触媒層より小さく電解質膜よりも膨潤しにくい補強層と、を備えたことを特徴とする。
【００１０】
この態様によれば、触媒層にクラックが発生することを抑制して、燃料電池の発電性能の低下を回避することができる。
【００１１】
上記態様において、複数の膜電極接合体が平面配列され、  隣接する膜電極接合体の境界部に延在し、隣接する膜電極接合体の一方のアノード触媒層と他方のカソード触媒層とを電気的に接続するためのインターコネクタを備え、補強層は、インターコネクタと交わる方向に延在してもよい。
【００１２】
上記態様において、補強層は、インターコネクタに接し、触媒層は、補強層の上方に配置された部分がインターコネクタに接してもよい。
【００１３】
上記態様において、補強層は、触媒層のインターコネクタに接する側の端部から他方の端部にかけて延在してもよい。
【００１４】
上記態様において、補強層は、導電性を有してもよい。
【００１５】
上記態様において、補強層は、電解質膜よりも膨潤しにくい繊維材料を含み、触媒層と接する繊維材料が、イオン交換体と同質の材料で被覆されてられてもよい。
【００１６】
上記態様において、繊維材料は、カーボンナノファイバーであってもよい。
【００１７】
上記態様において、繊維材料は、最大長さが電解質膜の厚さ未満であってもよい。
【００１８】
上記態様において、補強層は、電解質膜に接するように設けられてもよい。
【００１９】
上記態様において、補強層は、触媒層のうち補強層の上方に配置された部分との接触面積が、電解質膜との接触面積以上であってもよい。
【００２０】
上記態様において、補強層は、少なくとも一部が平板部材からなり、平板部材の表面が電解質膜に接してもよい。
【００２１】
上記態様において、補強層は、少なくとも一方の触媒層に複数本設けられてもよい。
【００２２】
上記態様において、補強層は、アノード触媒層およびカソード触媒層に埋め込まれ、アノード触媒層に埋め込まれた補強層と、カソード触媒層に埋め込まれた補強層とは、前記電解質膜の主表面と平行な面に投影したときに少なくとも一部が重なってもよい。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、触媒層にクラックが発生することを抑制して、燃料電池の発電性能の低下を回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】実施形態１に係る燃料電池の概略構成を示す分解斜視図である。
【図２】図２（Ａ）は、図１のＡ−Ａ線に沿った断面図である。図２（Ｂ）は、図１のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。
【図３】図３（Ａ）は、図２（Ｂ）の破線で囲まれた領域の拡大図である。図３（Ｂ）は、補強層の構造の変形例を示す概略図である。
【図４】図４（Ａ）〜図４（Ｃ）は、実施形態１に係る燃料電池の製造方法を示す工程断面図である。
【図５】図５（Ａ）〜図５（Ｃ）は、実施形態１に係る燃料電池の製造方法を示す工程断面図である。
【図６】図６（Ａ），図６（Ｂ）は、実施形態１に係る燃料電池の製造方法を示す工程断面図である。
【図７】図７（Ａ）は、実施形態２に係る燃料電池の概略構造を示す平面図である。図７（Ｂ）は、図７（Ａ）のＤ−Ｄ線に沿った断面図である。
【図８】実施形態３に係る燃料電池が備える膜電極接合体の概略構成を示す断面図である。
【図９】実施形態４に係る燃料電池が備える膜電極接合体の概略構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。
【００２６】
（実施形態１）
図１は、実施形態１に係る燃料電池の概略構成を示す分解斜視図である。図２（Ａ）は、図１のＡ−Ａ線に沿った断面図である。図２（Ｂ）は、図１のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。図３（Ａ）は、図２（Ｂ）の破線で囲まれた領域の拡大図である。図３（Ｂ）は、補強層の構造の変形例を示す概略図である。なお、図３（Ａ）および図３（Ｂ）では、後述する複数の繊維材料１３２のそれぞれを便宜的に小円で表しているが、複数の繊維材料１３２は補強層１３０内で同一方向に沿って延在しているわけではない。
【００２７】
図１、図２（Ａ）および図２（Ｂ）に示すように、本実施形態に係る燃料電池１０は、複数の膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）１００と、補強層１３０と、カソード用ハウジング５０と、アノード用ハウジング５２とを備える。
【００２８】
複数の膜電極接合体１００は、それぞれ基材１１０に設けられた開口部１１２内に配置されて平面配列されている。基材１１０は、ポリエステルなどの絶縁性の材料により形成されている。基材１１０の厚さは、例えば約３０μｍである。また、平面視で（図１中の矢印Ｚ方向から見たとき、すなわち電解質膜１０２の主表面に略垂直な方向から見たとき）、開口部１１２、すなわち膜電極接合体１００の縦横の長さは、それぞれ例えば約２０００μｍである。
【００２９】
各膜電極接合体１００は、電解質膜１０２と、電解質膜１０２の一方の表面に設けられたアノード触媒層１０４と、電解質膜１０２の他方の表面に設けられたカソード触媒層１０６とを有する。一対のアノード触媒層１０４とカソード触媒層１０６との間に電解質膜１０２が狭持されることによりセルが構成されている。アノード触媒層１０４には燃料ガスとして水素が供給される。本実施形態では燃料ガスとして水素が用いられているが、メタノール、ギ酸、ブタン、あるいは他の水素担体など、他の適当な燃料を用いることができる。カソード触媒層１０６には、酸化剤として空気が供給される。各セル、すなわち各膜電極接合体１００は、水素と空気中の酸素との電気化学反応により発電する。
【００３０】
電解質膜１０２は、湿潤状態において良好なイオン伝導性を示すことが好ましく、アノード触媒層１０４とカソード触媒層１０６との間でプロトンを移動させるイオン交換膜として機能する。電解質膜１２２は、含フッ素重合体や非フッ素重合体等の固体高分子材料（イオン交換体）によって形成され、例えば、スルホン酸型パーフルオロカーボン重合体、ポリサルホン樹脂、ホスホン酸基又はカルボン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体等を用いることができる。スルホン酸型パーフルオロカーボン重合体の例として、ナフィオン（登録商標）膜（デュポン社製）などが挙げられる。また、非フッ素重合体の例として、スルホン化された、芳香族ポリエーテルエーテルケトン、ポリスルホンなどが挙げられる。電解質膜１２２の厚さは、たとえば約３０μｍである。
【００３１】
アノード触媒層１０４およびカソード触媒層１０６は、イオン交換体ならびに触媒粒子、場合によって炭素粒子を有する。アノード触媒層１０４およびカソード触媒層１０６が有するイオン交換体は、触媒粒子と電解質膜１０２との間の密着性を向上させるために用いられてよく、両者間においてプロトンを伝達する役割を持ってもよい。このイオン交換体は、電解質膜１０２と同様の高分子材料から形成することができる。
【００３２】
触媒金属としては、Ｓｃ、Ｙ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｖ、Ｎｂ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｏｓ、Ｉｒ、ランタノイド系列元素やアクチノイド系列の元素の中から選ばれる合金や単体が挙げられる。また触媒を担持する場合には炭素粒子として、ファーネスブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、カーボンナノチューブなどを用いてもよい。アノード触媒層１０４およびカソード触媒層１０６の厚さは、それぞれ、たとえば約５０μｍである。
【００３３】
補強層１３０は、電解質膜１０２よりも膨潤しにくい略板状の部材であり、カソード触媒層１０６に埋め込まれている。本実施形態において、補強層１３０が持つ、電解質膜１０２よりも膨潤しにくいという特性は、図３（Ａ）に示すように補強層１３０が電解質膜１０２よりも膨潤しにくい繊維材料１３２を含むことで実現されている。このような繊維材料１３２としては、カーボンナノファイバーを挙げることができる。補強層１３０の厚さ、幅、および長さは、それぞれ約２０μｍ、約２００μｍ、約２０００μｍである。なお、ここでいう補強層１３０の厚さおよび幅は、補強層１３０の延在方向に垂直な断面（図２（Ｂ）に示す断面）における縦方向の長さおよび横方向の長さである。
【００３４】
補強層１３０は、電解質膜１０２よりも膨潤しにくいため、補強層１３０の上方に配置され、電解質膜１０２と直に接しないカソード触媒層１０６の触媒粒子は、電解質膜１０２の膨潤に応じて移動することがない。あるいは、電解質膜１０２と直に接するカソード触媒層１０６の触媒粒子に比べて、移動量が少なくなる。したがって、補強層１３０をカソード触媒層１０６に埋め込むことで、カソード触媒層１０６にクラックが発生することを抑制できる。
【００３５】
また、補強層１３０の表面近傍に位置する繊維材料によって、補強層１３０の表面には凹凸が形成されている。これにより、補強層１３０とカソード触媒層１０６との密着性が高められている。その結果、電解質膜１０２の膨潤にともなうカソード触媒層１０６の膨張をより抑制することができる。
【００３６】
補強層１３０は、カソード触媒層１０６と接する繊維材料１３２が、電解質膜１０２に含まれるイオン交換体と同質の材料であるイオン交換体１３３で被覆されている。このイオン交換体１３３は、カソード触媒層１０６にも含まれているため、補強層１３０とカソード触媒層１０６との密着性を高めることができる。これにより、電解質膜１０２の膨潤にともなうカソード触媒層１０６の触媒粒子の移動をより抑えることができるため、カソード触媒層１０６へのクラックの発生をより抑制できる。
【００３７】
また、補強層１３０は、導電性を有する。上述したカーボンナノファイバーは、良好な導電性を有するため、補強層１３０に導電性を持たせる繊維材料１３２として好適に採用することができる。補強層１３０が導電性を有することで、補強層１３０を設けることによるカソード触媒層１０６における導電性の低下を回避することができる。
【００３８】
本実施形態では、補強層１３０は、電解質膜１０２に接するように設けられている。これにより、補強層１３０と接する部分の電解質膜１０２の膨潤を抑えることができる。そのため、カソード触媒層１０６へのクラックの発生を抑制することができる。また、補強層１３０の表面に形成された凹凸によって補強層１３０と電解質膜１０２との密着性が高められているため、カソード触媒層１０６へのクラックの発生をより抑制することができる。なお、補強層１３０と電解質膜１０２との密着によって電解質膜１０２の膨潤を抑えることのみによっても、カソード触媒層１０６へのクラックの発生を抑制することができる。
【００３９】
ここで、補強層１３０に含まれる繊維材料１３２は、最大長さが電解質膜１０２の厚さ未満に設定されている。後述するように、補強層１３０は、電解質膜１０２の表面に繊維材料１３２を吹き付けることで形成される。そのため、繊維材料１３２の最大長さを電解質膜１０２の厚さ未満とすることで、電解質膜１０２の表面に吹き付けられた繊維材料１３２が電解質膜１０２を貫通してしまうことを防ぐことができる。
【００４０】
その結果、繊維材料１３２が電解質膜１０２を貫通した場合に起こり得る、電解質膜１０２を挟んで対向する触媒層間でのショートを防ぐことができる。また、電解質膜１０２の繊維材料１３２が貫通した部分において、アノード触媒層１０４に供給された水素がカソード触媒層１０６側に移動し、また、カソード触媒層１０６に供給された空気がアノード触媒層１０４側に移動する、いわゆるクロスリークを防ぐことができる。
【００４１】
なお、このようなショートやクロスリークを防ぐために、補強層１３０を一体物の平板部材で形成してもよい。平板部材としては、テフロン（登録商標）板やカーボン板などを採用することができる。これにより、補強層１３０の電解質膜１０２と接する面が繊維材料１３２で形成される場合に比べて、補強層１３０を構成する材料の電解質膜１０２の表面への食い込み量を減らすことができる。そのため、上述したショートやクロスリークをより確実に防ぐことができる。
【００４２】
なお、補強層１３０の電解質膜１０２に接する面を平坦にした場合、当該面を繊維材料１３２で形成した場合に比べて、電解質膜１０２と補強層１３０との密着性が低下する。そこで、図３（Ｂ）に示すように、補強層１３０を、電解質膜１０２の表面に接する平板部材１３４と、平板部材１３４の表面上に堆積した繊維材料１３２とで形成し、平板部材１３４の表面を電解質膜１０２に当接させる。これにより、上述したショートやクロスリークの発生を防ぎながら、電解質膜１０２の膨潤によるカソード触媒層１０６へのクラック発生の回避を図ることができる。
【００４３】
本実施形態に係る燃料電池１０において、補強層１３０は、電解質膜１０２の主表面と平行な面に投影した面積がカソード触媒層１０６の当該面積より小さい。すなわち、補強層１３０は、平面視でカソード触媒層１０６より面積が小さい。これにより、電解質膜１０２とカソード触媒層１０６とが直に接する領域が確保することができる。その結果、補強層１３０を設けたことで電解質膜１０２とカソード触媒層１０６とが剥離しやすくなることを抑えることができ、電解質膜１０２とカソード触媒層１０６の剥離によるプロトン伝導性の低下を防ぐことができる。補強層１３０は、平面視で補強層１３０が設けられたカソード触媒層１０６に対する占有面積が１０％以下であることが好ましい。なお、補強層１３０は、アノード触媒層１０４に埋め込まれていてもよい。
【００４４】
隣接する膜電極接合体１００の境界部には、インターコネクタ１４０が延在している。基材１１０には隣り合う開口部１１２の間にスリット１１４が設けられており、インターコネクタ１４０は、このスリット１１４を通るように設けられている。インターコネクタ１４０の一方の端部は、一方の膜電極接合体１００のアノード触媒層１０４の方へ延在し、インターコネクタ１４０の他方の端部は、他方の膜電極接合体１００のカソード触媒層１０６の方へ延在している。インターコネクタ１４０は、カーボンなどの導電性の材料で形成されている。
【００４５】
アノード触媒層１０４の方へ延在するインターコネクタ１４０の一方の端部は、アノード触媒層１０４の側面に当接している。カソード触媒層１０６の方へ延在するアノード触媒層１０４の他方の端部は、カソード触媒層１０６の側面に当接している。これにより、インターコネクタ１４０を介して隣接する膜電極接合体１００の一方のアノード触媒層１０４と他方のカソード触媒層１０６とが電気的に接続され、隣接する膜電極接合体１００同士が直列接続されている。隣接する膜電極接合体１００のアノード触媒層１０４同士、およびカソード触媒層１０６同士は、互いに絶縁されている。
【００４６】
平面視でのインターコネクタ１４０の幅、すなわち、アノード触媒層１０４と接する端部からカソード触媒層１０６に接する端部までの幅は、たとえば約６００μｍである。複数の膜電極接合体１００の直列接続の一方の終端となるアノード触媒層１０４’と、他方の終端となるカソード触媒層１０６’には、集電体１５０が接続されている。
【００４７】
補強層１３０は、インターコネクタ１４０と交わる方向に延在している。本実施形態では、補強層１３０は、インターコネクタ１４０に対して略垂直に延在している。このように、帯状の補強層１３０をインターコネクタ１４０と交わる方向に配置することで、インターコネクタ１４０と略平行な方向に延びるクラックの発生を抑制することができる。これにより、カソード触媒層１０６の各部からインターコネクタ１４０に最短距離で向かう導電経路をカソード触媒層１０６内に確保することができるため、カソード触媒層１０６における導電性の低下を効果的に防ぐことができる。
【００４８】
また、補強層１３０は、カソード触媒層１０６のインターコネクタ１４０に接する側の端部から、当該端部に対向する他方の端部にかけて延在している。そのため、カソード触媒層１０６内における導電方向の全域にわたって、導電方向に略垂直な方向に延びるクラックの発生を抑制することができる。
【００４９】
また、補強層１３０は、一方の端部がインターコネクタ１４０に接している。そして、カソード触媒層１０６は、補強層１３０の上方に配置された部分がインターコネクタ１４０に接している。これにより、カソード触媒層１０６のインターコネクタ１４０近傍の領域にクラックが発生することを防ぐことができるとともに、補強層１３０の上方に配置されたカソード触媒層１０６の部分にも導電経路を形成することができる。これにより、カソード触媒層１０６における導電性の低下をより抑えることができる。
【００５０】
さらに、本実施形態では、補強層１３０の一方の端部に、インターコネクタ１４０の上面に延びる突出部１３０ａが設けられている。この突出部１３０ａによって、インターコネクタ１４０の上面の一部が被覆されている。これにより、補強層１３０とインターコネクタ１４０との密着性が向上するため、両者の剥離を抑制することができる。
【００５１】
複数の膜電極接合体１００の直列接続の終端となるカソード触媒層１０６’は、集電体１５０に接している。そして、カソード触媒層１０６は、補強層１３０の上方に配置された部分が集電体１５０に接している。また、補強層１３０の一方の端部には突出部１３０ａが設けられており、突出部１３０ａによって集電体１５０の上面の一部が被覆されている。これにより、カソード触媒層１０６’の集電体１５０近傍の領域にクラックが発生することを防ぐことができるとともに、カソード触媒層１０６’における導電性の低下を抑えることができ、また、カソード触媒層１０６’と集電体１５０の剥離を抑制することができる。
【００５２】
カソード用ハウジング５０は、カソード触媒層１０６と対向する板状部材である。カソード用ハウジング５０には、外部から空気を取り込むための複数の空気取入口５１が設けられている。カソード用ハウジング５０とカソード触媒層１０６との間に、空気が流通する空気室６０が形成されている。
【００５３】
一方、アノード用ハウジング５２は、アノード触媒層１０４と対向する板状部材である。アノード用ハウジング５２とアノード触媒層１０４との間に、燃料貯蔵用の燃料ガス室６２が形成されている。なお、アノード用ハウジング５２に燃料供給口（図示せず）を設置することにより、燃料カートリッジなどから燃料を適宜補充可能である。
【００５４】
カソード用ハウジング５０およびアノード用ハウジング５２に用いられる材料としては、フェノール樹脂、ビニル樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリスチレン樹脂、尿素樹脂、フッ素樹脂等の一般的なプラスティック樹脂が挙げられる。
【００５５】
ガスケット５６は、基材１１０の外周部とアノード用ハウジング５２との間に設けられている。ガスケット５６により、燃料ガス室６２の密封性が高められ、燃料が漏洩することが抑制されている。また、ガスケット５７は、基材１１０の外周部とカソード用ハウジング５０との間に設けられている。
【００５６】
（燃料電池の製造工程）
続いて、実施形態１に係る燃料電池の製造方法について、図４（Ａ）〜図４（Ｃ）、図５（Ａ）〜図５（Ｃ）、および図６（Ａ），図６（Ｂ）を参照して説明する。図４（Ａ）〜図４（Ｃ）、図５（Ａ）〜図５（Ｃ）、および図６（Ａ），図６（Ｂ）は、実施形態１に係る燃料電池の製造方法を示す工程断面図である。なお、図４（Ａ）〜図６（Ｂ）において、左側（ｉ）に平面図を示し、右側（ｉｉ）に平面図のＣ−Ｃ線に沿った断面図を示す。
【００５７】
まず、図４（Ａ）に示すように、基材１１０を用意する。次に、図４（Ｂ）に示すように、基材１１０に複数の開口部１１２およびスリット１１４を形成する。スリット１１４は、隣接する開口部１１２の間に形成される。スリット１１４の幅は、約２００μｍであり、開口部１１２とスリット１１４との間隔は約２００μｍである。開口部１１２およびスリット１１４を形成する方法としては、例えば赤外レーザ、可視光レーザ、紫外レーザ等によるレーザ加工、あるいは金型を用いた打ち抜き法などを採用することができる。
【００５８】
次に、図４（Ｃ）に示すように、基材１１０に設けられた開口部１１２に電解質膜１０２を形成する。具体的には、ナフィオン溶液を開口部１１２に充填した後、溶媒を蒸発させることにより電解質膜１０２を形成することができる。また、開口部１１２に、開口部１１２の大きさに予め成形された電解質膜１０２を嵌め込んでもよい。この場合には、開口部１１２に電解質膜１０２を嵌め込んだ後、基材１１０と電解質膜１０２との界面にナフィオン溶液を流し込むことが好ましい。これによれば、ナフィオン溶液が接着剤として機能するため、基材１１０と電解質膜１０２との密着性を高めることができる。
【００５９】
次に図５（Ａ）に示すように、基材１１０に設けられたスリット１１４にインターコネクタ１４０が挿通される。スリット１１４に挿通されたインターコネクタ１４０は、一方の端部が一方の電解質膜１０２側に折曲げられ、他方の端部が他方の電解質膜１０２側に折曲げられる。また、基材１１０の一方の主表面側であって長手方向の一方の端部と、基材１１０の他方の主表面側であって長手方向の他方の端部には、集電体１５０が設けられる。
【００６０】
次に、図５（Ｂ）に示すように、基材１１０の一方の主表面側に、補強層１３０の形成予定領域に開口部２０２を有するマスク２００を積層する。マスク２００には、電解質膜１０２の形成領域にあわせて複数の開口部２０２が設けられている。開口部２０２は、インターコネクタ１４０および集電体１５０に対して略垂直に延びている。開口部２０２の一方の端部は、電解質膜１０２の端部と重なる位置まで延び、開口部２０２の他方の端部は、インターコネクタ１４０あるいは集電体１５０の一部が露出する位置まで延びている。
【００６１】
次に、図５（Ｃ）に示すように、マスク２００の開口部２０２内に、補強層１３０を構成する繊維材料１３２（図３（Ａ）等参照）をスプレー塗布して、突出部１３０ａを有する補強層１３０を形成する。補強層１３０の形成後、マスク２００を剥離する。
【００６２】
次に、図６（Ａ）に示すように、基材１１０の一方の主表面側において、複数の電解質膜１０２を跨ぐように、基材１１０の長手方向に沿って触媒層２０６を形成する。具体的には、カソード触媒層１０６を構成する各種材料を十分撹拌して触媒スラリーを調製し、この触媒スラリーをスプレー塗布することにより触媒層２０６を形成する。同様に、基材１１０の他方の主表面側において、複数の電解質膜１０２を跨ぐように、基材１１０の長手方向に沿って触媒層２０４を形成する。具体的には、アノード触媒層１０４を構成する各種材料を攪拌して調製した触媒スラリーをスプレー塗布することにより触媒層２０４を形成する。
【００６３】
次に、図６（Ｂ）に示すように、基材１１０の一方の主表面側に設けられた触媒層２０６の所定領域、すなわち、隣接する電解質膜１０２に挟まれた領域に位置する触媒層２０６をエキシマレーザなどのレーザを用いて部分的に除去する。触媒層２０６が分断されることで、各電解質膜１０２上に触媒層２０６が形成される。なお、インターコネクタ１４０上に位置する触媒層２０６の一部、および集電体１５０上に位置する触媒層２０６は、レーザで除去せずに残す。
【００６４】
また、基材１１０の他方の主表面側に設けられた触媒層２０４の所定領域、すなわち、隣接する電解質膜１０２に挟まれた領域に位置する触媒層２０４をエキシマレーザなどのレーザを用いて部分的に除去する。触媒層２０４が分断されることで、各電解質膜１０２上に位置するアノード触媒層１０４が形成される。
【００６５】
なお、レーザの出力は、レーザ照射部分の触媒層を完全に除去するのに十分であればよく、触媒層の材質や厚さに応じて適宜調整すればよい。
【００６６】
以上の製造工程により、複数の膜電極接合体１００が形成される。続いて、図１に示すように、基材１１０の一方の主表面側にガスケット５７を介してカソード用ハウジング５０を設け、基材１１０の他方の主表面側にガスケット５６を介してアノード用ハウジング５２を設けることで、燃料電池１０が形成される。
【００６７】
以上説明したように、本実施形態に係る燃料電池１０は、触媒層に埋め込まれた、平面視で触媒層よりも面積が小さく電解質膜１０２よりも膨潤しにくい補強層１３０を備える。これにより、補強層１３０が埋め込まれた触媒層に、電解質膜１０２の膨潤に起因するクラックが発生することを抑制することができる。その結果、燃料電池１０の発電性能の低下を回避することができ、燃料電池１０の長寿命化を図ることができる。
【００６８】
（実施形態２）
実施形態２に係る燃料電池１０では、同一触媒層内に補強層１３０が複数本設けられている。以下、本実施形態について説明する。なお、燃料電池１０の補強層１３０以外の構造は実施形態１と基本的に同一である。実施形態１と同一の構成については同一の符号を付し、その説明は適宜省略する。
【００６９】
図７（Ａ）は、実施形態２に係る燃料電池の概略構造を示す平面図である。図７（Ｂ）は、図７（Ａ）のＤ−Ｄ線に沿った断面図である。なお、図７（Ｂ）では、カソード触媒層１０６を破線で表して、カソード触媒層１０６を透視した状態を示している。
【００７０】
図７（Ａ）および図７（Ｂ）に示すように、本実施形態に係る燃料電池１０において、補強層１３０は、カソード触媒層１０６に複数本、ここでは２本設けられている。複数本の補強層１３０は、所定の間隔をあけて互いに平行に延びるように配置されている。２本の補強層１３０を設けることで、補強層１３０が一本の場合に比べて、インターコネクタ１４０の延在方向に平行に走るクラックの発生をより確実に防ぐことができる。また、仮にそのようなクラックが発生した場合であっても、インターコネクタ１４０に対して平行に走るクラックの長さを短くすることができる。
【００７１】
また、平面視でのカソード触媒層１０６に対する補強層１３０の占有面積は、補強層１３０を１本設けた実施形態１の構成と略等しくなるように設定されている。すなわち、本実施形態においても、平面視でのカソード触媒層１０６に対する補強層１３０の合計占有面積は１０％以下である。これにより、補強層１３０の本数を増やすことによって、電解質膜１０２とカソード触媒層１０６とが直に接する領域が減少してしまうことを回避できる。また、補強層１３０とカソード触媒層１０６との合計接触面積が増大するため、カソード触媒層１０６を流れる電子をより多く補強層１３０に集めてインターコネクタ１４０に流すことができる。したがって、カソード触媒層１０６の導電率を高めることができる。
【００７２】
なお、本実施形態では、２本の補強層１３０がカソード触媒層１０６に設けられているが、クラック発生の抑制効果が得られる範囲であれば、その本数は特に限定されない。また、複数本の補強層１３０は、アノード触媒層１０４に設けられていてもよい。すなわち、複数本の補強層１３０は、アノード触媒層１０４およびカソード触媒層１０６のうち少なくとも一方の触媒層に設けられていれば、複数本の補強層１３０が埋め込まれた側の触媒層において上述した効果を得ることができる。
【００７３】
以上説明したように、本実施形態では、補強層１３０が同一触媒層に複数本設けられている。また、複数本の補強層１３０を設けることによる、平面視での触媒層に対する補強層１３０の合計占有面積の増大を抑えている。これにより、インターコネクタ１４０の延在方向に平行に走るクラックの発生をより確実に防ぐことができるとともに、電解質膜１０２とカソード触媒層１０６とが直に接する領域が減少することを回避できる。その結果、電解質膜１０２とカソード触媒層１０６の剥離しやすさの増大を抑え、電解質膜１０２とカソード触媒層１０６の剥離によるプロトン伝導性の低下を防ぐことができる。
【００７４】
（実施形態３）
実施形態３に係る燃料電池１０は、補強層１３０の断面形状が実施形態１と異なる。以下、本実施形態について説明する。なお、燃料電池１０の補強層１３０以外の構造は実施形態１と基本的に同一である。実施形態１と同一の構成については同一の符号を付し、その説明は適宜省略する。
【００７５】
図８は、実施形態３に係る燃料電池が備える膜電極接合体の概略構成を示す断面図である。なお、図８は、補強層１３０の延在方向に垂直な断面図であり、図１のＢ−Ｂ線に沿った断面図に対応する。
【００７６】
図８に示すように、本実施形態に係る燃料電池１０において、補強層１３０は、カソード触媒層１０６のうち補強層１３０の上方に配置された部分との接触面積が、電解質膜１０２との接触面積以上となるように形成されている。すなわち、補強層１３０の延在方向に垂直な断面で見たときの、補強層１３０の上方に配置されたカソード触媒層１０６との接触部の長さＤ１と、電解質膜１０２との接触部の長さＤ２とが、Ｄ１≧Ｄ２の関係を満たしている。
【００７７】
これにより、補強層１３０とカソード触媒層１０６との接触面積を増大させて、両者の密着性を高めることができる。また、あわせて、補強層１３０と電解質膜１０２との接触面積を低減して、言い換えれば、電解質膜１０２とカソード触媒層１０６との接触面積を増大させて、補強層１３０を設けたことによる膜電極接合体１００の発電性能の低下を抑制することができる。
【００７８】
（実施形態４）
実施形態４に係る燃料電池１０には、アノード触媒層１０４およびカソード触媒層１０６に補強層１３０が設けられており、アノード触媒層１０４に設けられた補強層１３０とカソード触媒層１０６に設けられた補強層１３０との位置関係が定められている。以下、本実施形態について説明する。なお、燃料電池１０の補強層１３０以外の構造は実施形態１と基本的に同一である。実施形態１と同一の構成については同一の符号を付し、その説明は適宜省略する。
【００７９】
図９は、実施形態４に係る燃料電池が備える膜電極接合体の概略構成を示す断面図である。なお、図９は、補強層１３０の延在方向に垂直な断面図であり、図１のＢ−Ｂ線に沿った断面図に対応する。
【００８０】
図９に示すように、本実施形態に係る燃料電池１０において、補強層１３０は、アノード触媒層１０４およびカソード触媒層１０６に埋め込まれている。そして、アノード触媒層１０４に埋め込まれた補強層１３０と、カソード触媒層１０６に埋め込まれた補強層１３０とは、電解質膜１０２の主表面と平行な面に投影したときに（図９中の矢印Ｚ方向から見たとき）重なっている。すなわち、両方の触媒層に設けられた補強層１３０は、電解質膜１０２を挟んで互いに対向する位置に設けられている。
【００８１】
膜電極接合体１００の補強層１３０が設けられた領域では、補強層１３０が設けられていない領域に比べて発電反応の効率が低下する傾向にある。そこで、アノード触媒層１０４およびカソード触媒層１０６の両方に補強層１３０が設けられる場合には、両触媒層に設けられた補強層１３０を平面視で重なるように配置する。これにより、膜電極接合体１００における発電反応の効率が低下する領域の増大を抑えて、膜電極接合体１００の発電性能の低下を抑制することができる。
【００８２】
なお、アノード触媒層１０４に埋め込まれた補強層１３０と、カソード触媒層１０６に埋め込まれた補強層１３０とは、平面視で少なくとも一部が重なっていれば、上述した効果をある程度得ることができる。
【００８３】
本発明は、上述の各実施形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施形態も本発明の範囲に含まれうるものである。
【符号の説明】
【００８４】
１０  燃料電池、  １００  膜電極接合体、  １０２  電解質膜、  １０４，１０４’  アノード触媒層、  １０６，１０６’  カソード触媒層、  １３０  補強層、  １３２  繊維材料、  １３３  イオン交換体、  １４０  インターコネクタ。
【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】
2014102876.tif 000009
【図８】
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【図９】
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