(57)【要約】【課題】      寸法変化及びプロトン伝導効率の低下を抑制することで、発電性能の低下を抑制しつつ耐久性を向上させることが可能な燃料電池及び当該燃料電池の製造方法を提供する。【解決手段】  電解質膜１１、並びに、当該電解質膜１１の両側に積層されるアノード電極１２ａ及びカソード電極１３ａ、を備えるＭＥＡ１５を備え、ＭＥＡ１５の一部に、積層面方向に略規則的形状に形成された縮合部が備えられている、燃料電池１００とする。【選択図】    図１
2006253028.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜、並びに、該電解質膜の両側に積層されるアノード電極層及びカソード電極層、を備えるＭＥＡを備え、前記ＭＥＡの一部に、積層面方向に略規則的形状に形成された縮合部が備えられていることを特徴とする、燃料電池。
【請求項２】
前記略規則的形状が、網目形状であることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
少なくとも、前記電解質膜の両表面、及び／又は、前記ＭＥＡの両表面に縮合部が形成されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の燃料電池。
【請求項４】
電解質膜と、該電解質膜の両側に積層されるアノード電極層及びカソード電極層とを備えるＭＥＡ、を備える燃料電池の製造方法であって、
表面に穴及び／又は孔が略規則的形状に形成されている伝熱体を加熱し、加熱された該伝熱体を前記電解質膜の少なくとも一方の表面に押接して、少なくとも該表面を含む前記電解質膜の一部に縮合部を形成する、電解質膜縮合部形成工程を備えることを特徴とする、燃料電池の製造方法。
【請求項５】
電解質膜と、該電解質膜の両側に積層されるアノード電極層及びカソード電極層とを備えるＭＥＡ、を備える燃料電池の製造方法であって、
前記ＭＥＡを作製するＭＥＡ作製工程と、
表面に穴及び／又は孔が略規則的形状に形成されている伝熱体を加熱し、前記ＭＥＡ作製工程によって作製されたＭＥＡの少なくとも一方の表面に加熱された前記伝熱体を押接して、少なくとも前記表面を含む前記ＭＥＡの一部に縮合部を形成する、ＭＥＡ縮合部形成工程を備えることを特徴とする、燃料電池の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池及び当該燃料電池の製造方法に関し、特に、寸法変化及びプロトン伝導効率の低下を抑制することで、発電性能の低下を抑制しつつ耐久性を向上させることが可能な燃料電池及び当該燃料電池の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池（以下において、「ＰＥＦＣ（Polymer Electrolyte Fuel Cell）」と記述する。）に代表される燃料電池は、電解質膜と、当該電解質膜の両側に配置される電極（カソード及びアノード）とを備える膜電極接合体（以下において、「ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）」と記述する。）における電気化学反応により発生した電気エネルギーを、ＭＥＡの両側に配設されるセパレータを介して外部に取り出している。燃料電池の中でも、家庭用コージェネレーション・システムや自動車等に使用されるＰＥＦＣは、低温領域での運転が可能であり、８０〜１００℃程度の運転温度で使用されるのが一般的である。また、ＰＥＦＣは、３０〜４０％の高いエネルギー変換効率を示し、起動時間が短く、かつシステムが小型軽量であることから、電気自動車や携帯用電源の最適な動力源として注目されている。
【０００３】
ＰＥＦＣのユニットセルは、電解質膜、少なくとも電極層を備えるカソード及びアノード、並びに、セパレータを含み、その理論起電力は１．２３Ｖである。しかし、かかる低起電力では電気自動車等の動力源として不十分であるため、通常は、ユニットセルを直列に積層した積層体の積層方向両端にエンドプレート等を配置して構成されるスタック形態の燃料電池が使用されている。
【０００４】
他方、燃料電池の発電時には、カソード電極内の電気化学反応により水が生成される。かかる水は、電解質膜を加湿し電解質膜の湿潤状態を維持することで当該電解質膜のプロトン伝導性能発現等に寄与し得るが、例えば、カソード電極内で多量の水が生成されると、電解質膜及びカソード電極を備えるＭＥＡが膨張する。これに対し、非発電時の燃料電池では水が生成されないことから、ＭＥＡは乾燥し、収縮する。すなわち、燃料電池が発電・停止を繰り返すと、当該燃料電池に備えられるＭＥＡの膨張・収縮が繰り返されてＭＥＡに備えられる電解質膜及び電極が損傷されやすく、燃料電池の発電性能及び耐久性が低下しやすい。そのため、ＭＥＡの膨張・収縮（以下において、膨張・収縮を「寸法変化」と記述する。）を抑制することで、発電性能の低下を抑制しつつ耐久性を向上させることが可能な燃料電池とすることが望まれている。
【０００５】
寸法変化を抑制することで燃料電池の耐久性を向上させることを目的とした技術は、これまでにいくつか開示されてきている。例えば、特許文献１には、分子中に、イオン性基と熱縮合性基とをそれぞれ１個以上有する熱縮合性高分子電解質を膜状に形成した後に、熱処理によって熱縮合性基を縮合反応させて作製される高分子固体電解質膜に関する技術が開示されており、かかる技術によれば、耐膨潤性等の耐久性に優れる高分子固体電解質膜を提供することが可能になるとしている。また、特許文献２には、液状電解質を備える複合電解質の表面に縮合体保護膜が形成された有保護膜複合電解質膜を備える燃料電池に関する技術が開示されており、かかる技術によれば、発電性能の低下を抑制することが可能な燃料電池を提供することが可能になるとしている。
【特許文献１】特開２００３−２１７３４３号公報
【特許文献２】特開２００１−３３８６５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献１に開示されている技術では、電解質膜の全域に亘ってランダムに縮合構造が形成されるため、当該縮合構造によってプロトンの伝導効率が低下しやすい。そのため、特許文献１に開示されている技術では、寸法変化を抑制することは可能である反面、プロトンの伝導効率が低下するため発電性能が低下しやすいという問題があった。また、特許文献２に開示されている技術によっても、電解質膜の表面がランダムに縮合されるため、発電性能の低下を抑制し難いという問題があった。
【０００７】
そこで本発明は、寸法変化及びプロトン伝導効率の低下を抑制することで、発電性能の低下を抑制しつつ耐久性を向上させることが可能な燃料電池及び当該燃料電池の製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段をとる。すなわち、
請求項１に記載の発明は、電解質膜、並びに、当該電解質膜の両側に積層されるアノード電極層及びカソード電極層、を備えるＭＥＡを備え、ＭＥＡの一部に、積層面方向に略規則的形状に形成された縮合部が備えられていることを特徴とする、燃料電池により、上記課題を解決する。
【０００９】
ここに、本発明にかかる電解質膜は、縮合されて結合部を形成し得る電解質成分を備えていれば特に限定されるものではなく、その具体例としては、含フッ素イオン交換樹脂を備えるフッ素系の電解質膜や、炭化水素系の電解質膜等を挙げることができる。また、本発明及び以下に示す発明において、ＭＥＡの一部とは、当該ＭＥＡに備えられる電解質成分の一部を意味しており、縮合されて結合部を形成し得る当該電解質成分の具体例としては、フッ素系の電解質膜の場合にはスルホン酸基やホスホン酸基等、炭化水素系の電解質膜の場合にはカルボン酸基等を挙げることができる。さらに、積層面方向とは、電解質膜、アノード電極層、及び、カソード電極層等が積層される積層方向を法線方向とする面（以下において、「積層面」と記述する。）に平行な方向を意味し、その具体例としては、電解質膜の積層面、アノード電極層の積層面、カソード電極層の積層面等を挙げることができる。加えて、略規則的形状とは、マクロな視点から見れば略規則的に形成されている形状を意味している。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の燃料電池において、略規則的形状が、網目形状であることを特徴とする。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の燃料電池において、少なくとも、電解質膜の両表面、及び／又は、ＭＥＡの両表面に縮合部が形成されていることを特徴とする。
【００１２】
ここに、両表面とは、両方の積層面表面を意味している。そのため、電解質膜の両表面とは、電解質膜の両方の積層面表面を、ＭＥＡの両表面とは、ＭＥＡの両方の積層面表面を、それぞれ意味している。
【００１３】
請求項４に記載の発明は、電解質膜と、当該電解質膜の両側に積層されるアノード電極層及びカソード電極層とを備えるＭＥＡ、を備える燃料電池の製造方法であって、表面に穴及び／又は孔が略規則的形状に形成されている伝熱体を加熱し、加熱された伝熱体を電解質膜の少なくとも一方の表面に押接して、少なくとも当該表面を含む電解質膜の一部に縮合部を形成する、電解質膜縮合部形成工程を備えることを特徴とする、燃料電池の製造方法により、上記課題を解決する。
【００１４】
ここに、本発明にかかる伝熱体は、それ自体を、電解質成分の縮合温度以上に加熱可能であるとともに、当該伝熱体の熱を、電解質成分へ、燃料電池の発電性能低下を抑制し得る形態で伝達可能な物質であれば特に限定されるものではなく、その具体例としては、メッシュ状に形成された金属等を挙げることができる。また、本発明において、穴とは、貫通していない溝状形態を、孔とは、貫通孔形態を、それぞれ意味している。さらに、電解質膜の一部とは、電解質膜に含まれる電解質成分の一部を意味しており、当該電解質成分の具体例としては、スルホン酸基、ホスホン酸基、あるいはカルボン酸基等を挙げることができる。
【００１５】
請求項５に記載の発明は、電解質膜と、当該電解質膜の両側に積層されるアノード電極層及びカソード電極層とを備えるＭＥＡ、を備える燃料電池の製造方法であって、ＭＥＡを作製するＭＥＡ作製工程と、表面に穴及び／又は孔が略規則的形状に形成されている伝熱体を加熱し、ＭＥＡ作製工程によって作製されたＭＥＡの少なくとも一方の表面に加熱された伝熱体を押接して、少なくとも当該表面を含むＭＥＡの一部に縮合部を形成する、ＭＥＡ縮合部形成工程を備えることを特徴とする、燃料電池の製造方法により、上記課題を解決する。
【００１６】
ここに、本発明では、請求項４に記載の発明にかかる伝熱体と同様の伝熱体を用いることができる。
【発明の効果】
【００１７】
請求項１に記載の発明によれば、ＭＥＡに含まれる電解質成分の一部に略規則的形状を有する縮合部が形成されているので、ＭＥＡの強度を向上させることが可能になり、その結果、ＭＥＡの寸法変化を抑制することが可能になる。ＭＥＡの寸法変化が抑制されれば、膨張・収縮に起因するＭＥＡの損傷（例えば、電解質成分の密度が部分的に減少して生ずる薄膜化、破損等）を抑制することが可能になるため、当該損傷に起因する発電性能及び耐久性の低下を抑制することが可能になる。また、電解質成分の一部に縮合部を形成することで、プロトン伝導効率の低下を抑制することが可能になる。したがって、請求項１に記載の発明よれば、ＭＥＡの寸法変化及びプロトン伝導効率の低下を抑制することで、発電性能の低下を抑制しつつ耐久性を向上させることが可能な燃料電池を提供することが可能になる。
【００１８】
請求項２に記載の発明によれば、電解質成分に形成される縮合部の形状を網目形状とすることが可能になるので、ＭＥＡに含まれる電解質成分の一部に、燃料電池の発電性能の低下を抑制し得る形態で、縮合部を形成することが容易になる。したがって、請求項２に記載の発明によれば、ＭＥＡの寸法変化及びプロトン伝導効率の低下を抑制することで、発電性能の低下を抑制しつつ耐久性を向上させることが可能な燃料電池を提供することが可能になる。
【００１９】
請求項３に記載の発明によれば、少なくとも、電解質膜両表面の一部、及び／又は、ＭＥＡ両表面の一部に縮合部が形成されているので、ＭＥＡの中でも特に寸法変化が生じやすい電解質膜、及び／又は、当該電解質膜を備えるＭＥＡの寸法変化を効果的に抑制することが可能になる。したがって、請求項３に記載の発明によれば、発電性能の低下を抑制しつつ効果的に耐久性を向上させ得る、燃料電池を提供することが可能になる。
【００２０】
請求項４に記載の発明によれば、電解質膜縮合部形成工程において電解質膜の積層面に縮合部を形成することが可能になり、当該縮合部は表面に穴及び／又は孔が略規則的に形成されている伝熱体を介して形成されるため、電解質膜の一部に縮合部を形成することが容易になる。そして、縮合部が形成された電解質膜とすることで電解質膜の寸法変化を抑制することが可能になり、当該縮合部を電解質膜の一部に形成することで、プロトン伝導効率の低下を抑制することが可能になる。したがって、請求項４に記載の発明によれば、電解質膜の寸法変化及びプロトン伝導効率の低下を抑制することで、発電性能の低下を抑制しつつ耐久性を向上させることが可能な燃料電池の製造方法を提供することが可能になる。
【００２１】
請求項５に記載の発明によれば、ＭＥＡ縮合部形成工程においてＭＥＡの積層面の一部に縮合部を形成することが可能になるので、プロトン伝導効率の低下を抑制しつつ寸法変化を抑制可能なＭＥＡを備える燃料電池を製造することが可能になる。したがって、請求項５に記載の発明によれば、ＭＥＡの寸法変化及びプロトン伝導効率の低下を抑制することで、発電性能の低下を抑制しつつ耐久性を向上させることが可能な燃料電池の製造方法を提供することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
燃料電池の発電時にカソード電極層で生成される水は、電解質膜を備えるＭＥＡを膨張させ得る一方、非発電時の燃料電池では水が生成されないことから、電解質膜を備えるＭＥＡは、燃料電池の非発電時に、乾燥して収縮しやすい。そのため、かかる寸法変化により、電解質膜やＭＥＡ等が損傷しやすく、これらの損傷は、燃料電池の発電性能及び耐久性低下を招く。このような問題を改善するため、これまでに、熱縮合性基を備える電解質膜に関する技術等が開示されてきているが、これらの従来技術では縮合部がランダムに形成される。ここで、ランダムに形成された縮合部を備える電解質膜とすると、寸法変化を抑制することが可能になる反面、ランダムに形成された縮合部によりプロトンの伝導が妨げられて発電性能が低下しやすいという問題があった。そのため、発電性能及び耐久性の低下を抑制し得る燃料電池とするには、プロトン伝導効率の低下を抑制しつつ寸法変化を抑制可能な形態とする必要がある。
【００２３】
本発明はかかる観点からなされたものであり、その要旨は、ＭＥＡに略規則的形状の縮合部を形成させてＭＥＡの寸法変化を抑制するとともに、当該縮合部の形成をＭＥＡの一部に留めることでプロトン伝導効率の低下を抑制して、発電性能の低下を抑制しつつ耐久性を向上させることが可能な燃料電池及び当該燃料電池の製造方法を提供することにある。
【００２４】
以下に図面を参照しつつ、本発明の燃料電池の実施形態及び当該燃料電池の製造方法ついてさらに具体的に説明する。
【００２５】
１．燃料電池の形態
図１は、第１実施形態にかかる本発明の燃料電池を概略的に示す断面図であり、図の左右方向が電極層の積層方向である。図示のように、第１実施形態にかかる本発明の燃料電池１００は、電解質膜１１並びに当該電解質膜１１の両側に積層されるアノード電極層１２ａ及びカソード電極層１３ａを備えるＭＥＡ１５と、当該ＭＥＡ１５の両側に配設されるアノード拡散層１２ｂ及びカソード拡散層１３ｂと、当該アノード拡散層１２ｂ及びカソード拡散層１３ｂの外側に配設されるセパレータ１６及び１７とを備えている。アノード１２は、アノード電極層１２ａ及びアノード拡散層１２ｂを備える一方、カソード１３は、カソード電極層１３ａ及びカソード拡散層１３ｂを備えている。燃料電池１００において、電解質膜１１、アノード電極層１２ａ、及びカソード電極層１３ａには、電解質成分（例えば、Ｎａｆｉｏｎ等に代表される含フッ素イオン交換樹脂。Ｎａｆｉｏｎは米国デュポン社の登録商標。以下、単に「Ｎａｆｉｏｎ」と記述することがある。）が備えられている。そして、電解質膜１１の両表面（アノード側の積層面表面及びカソード側の積層面表面。以下において同じ。）には、加熱された伝熱体（例えば、網目形状の白金メッシュ等。以下において、単に「白金メッシュ」と記述する。）が押し当てられることにより、当該電解質膜１１に含まれる電解質成分の酸性基（例えば、スルホン酸基等）が縮合され、略規則的形状（網目形状）の縮合部が形成されている。さらに、燃料電池１００にかかるアノード電極層１２ａ及びカソード電極層１３ａには、電気化学反応の触媒として機能する白金が担持された炭素粒子（以下において、「白金担持カーボン」と記述する。）が備えられる一方で、アノード拡散層１２ｂ及びカソード拡散層１３ｂは、例えば、炭素繊維からなるカーボンペーパーにより構成されている。ＭＥＡ１５の外側に配設されるセパレータ１６及び１７には、アノード１２及びカソード１３側に反応ガス供給路１８ａ、１８ａ、…、及び１８ｂ、１８ｂ、…が形成されており、アノード１２側の反応ガス供給路１８ａ、１８ａ、…には水素含有物質（以下において、「水素」と記述する。）が供給される一方、カソード１３側の反応ガス供給路１８ｂ、１８ｂ、…には酸素含有物質（以下において、「空気」と記述する。）が供給され、これらの反対側の面には冷却媒体流路１９、１９、…が形成されている。
【００２６】
ここに、スルホン酸基が縮合されることにより上記縮合部が形成される場合、当該縮合反応は、下記（式１）により概略的に表すことができる。
−ＣＨ２−ＳＯ３Ｈ  ＋  Ｈ３ＯＳ−ＣＨ２−  
→  −ＣＨ２−ＳＯ２−ＣＨ２−  ＋  ＳＯ２  ＋  Ｈ２Ｏ      （式１）
【００２７】
燃料電池１００の発電時には、反応ガス供給路１８ａ、１８ａ、…から供給される水素がアノード電極層１２ａの触媒上で分解される（電気化学反応が生じる）ことによりプロトンと電子とが生成され、当該プロトンは電解質膜１１を通過してカソード電極層１３ａへ達し、電子は電解質膜１１を迂回してカソード電極層１３ａへと達する。これに対し、反応ガス供給路１８ｂ、１８ｂ、…から供給される空気に含まれる酸素はカソード電極層１３ａへと達し、当該カソード電極層１３ａの触媒上で、酸素と、アノード電極層１２ａから移動してきたプロトン及び電子とが反応（電気化学反応）することにより、水（水蒸気）が生成される。このようにしてカソード電極層１３ａで生成された水は、電解質膜１１を加湿して当該電解質膜１１のプロトン伝導性能を維持する一方、カソード電極層１３ａ及び電解質膜１１を備えるＭＥＡ１５を加湿し、当該ＭＥＡ１５を膨張させる。これに対し、非発電時の燃料電池１００では、上記電気化学反応が起こらないため、ＭＥＡ１５が乾燥して収縮する。このように、燃料電池１００にかかるＭＥＡ１５はその寸法が変化し得るが、上述のように、燃料電池１００にかかる電解質膜１１の両表面には略規則的形状の縮合部が形成されているので、当該電解質膜１１の寸法変化は抑制される。すなわち、かかる形態の燃料電池１００によれば、電解質膜１１の寸法変化が抑制されるため、当該寸法変化に起因する電解質膜１１の上記薄膜化及び損傷を抑制することが可能になり、電解質膜１１の耐久性を向上させることが可能になる。また、電解質膜１１の両表面に形成されている縮合部の形状は網目形状であるため、当該縮合部は電解質膜１１の一部にのみ形成されている。したがって、かかる形態とすることで、電解質膜１１のプロトン伝導性能の低下を抑制しつつ耐久性を向上させ得る燃料電池１００としている。なお、かかる形態の燃料電池１００では、電解質膜１１の電解質成分を縮合させて縮合部を形成することにより寸法変化を抑制している。そのため、補強部材等を用いて電解質膜１１の寸法変化を抑制する場合と比較すれば、当該補強部材等を要しないという点で、コストを低減することが可能になる。
【００２８】
図２は、第２実施形態にかかる本発明の燃料電池を概略的に示す断面図であり、図の左右方向が電極層の積層方向である。図２において、図１に示す燃料電池の構成部位と略同様の構成を採る部位には、図１で使用した符号と同符号を付し、その説明を適宜省略する。
【００２９】
図示の燃料電池２００は、電解質膜１１並びに当該電解質膜１１の両側に積層されるアノード電極層２２ａ及びカソード電極層２３ａを備えるＭＥＡ２５と、当該ＭＥＡ２５の両側に配設されるアノード拡散層１２ｂ及びカソード拡散層１３ｂと、当該アノード拡散層１２ｂ及びカソード拡散層１３ｂの外側に配設されるセパレータ１６及び１７とを備えている。アノード２２は、アノード電極層２２ａ及びアノード拡散層１２ｂを備える一方、カソード２３は、カソード電極層２３ａ及びカソード拡散層１３ｂを備えている。燃料電池２００において、電解質膜１１、アノード電極層２２ａ、及びカソード電極層２３ａには、上記燃料電池１００にかかる電解質膜１１、アノード電極層１２ａ、及びカソード電極層１３ａと同様に電解質成分が備えられており、ＭＥＡ２５には、その両表面（セパレータ１６側の積層面表面及びセパレータ１７側の積層面表面）に加熱された白金メッシュが押し当てられることにより、電解質成分の一部が縮合されて網目形状に形成された縮合部が備えられている。なお、燃料電池２００において、上記以外の構成部位は燃料電池１００の対応する構成部位と略同様の形態を備えている。
【００３０】
ＭＥＡ２５のセパレータ１６側から加熱されて形成された縮合部の端部は、アノード電極層２２ａを積層方向に貫通して電解質膜１１にまで達している一方、ＭＥＡ２５のセパレータ１７側から加熱されて形成された縮合部端部は、カソード電極層２３ａを積層方向に貫通して電解質膜１１にまで達している。そのため、かかる形態の縮合部を備えることでＭＥＡ２５の強度が向上して当該ＭＥＡ２５の寸法変化を抑制可能であるほか、電解質膜１１とアノード電極層２２ａ及びカソード電極層２３ａとの密着性が向上するため、従来よりも接触抵抗が低減されたＭＥＡ２５となっている。したがって、かかる形態とすることで、寸法変化に起因するＭＥＡ２５の上記薄膜化及び損傷を抑制すること並びに接触抵抗を低減することが可能になり、耐久性及び発電性能を向上させることが可能になる。さらに、縮合部は網目形状を有しているため、ＭＥＡ２５におけるプロトン伝導性能の低下を抑制することも可能になる。すなわち、第２実施形態によれば、プロトン伝導性能の低下を抑制しつつ耐久性及び発電性能を向上させることが可能な、燃料電池２００を提供することが可能になる。
【００３１】
図３は、第３実施形態にかかる本発明の燃料電池を概略的に示す断面図であり、図の左右方向が電極層の積層方向である。図３において、図１に示す燃料電池の構成部位と略同様の構成を採る部位には、図１で使用した符号と同符号を付し、その説明を適宜省略する。
【００３２】
図示の燃料電池３００は、電解質膜３１並びに当該電解質膜３１の両側に積層されるアノード電極層３２ａ及びカソード電極層３３ａを備えるＭＥＡ３５と、当該ＭＥＡ３５の両側に配設されるアノード拡散層１２ｂ及びカソード拡散層１３ｂと、当該アノード拡散層１２ｂ及びカソード拡散層１３ｂの外側に配設されるセパレータ１６及び１７とを備えている。アノード３２は、アノード電極層３２ａ及びアノード拡散層１２ｂを備える一方、カソード３３は、カソード電極層３３ａ及びカソード拡散層１３ｂを備えている。燃料電池３００において、電解質膜３１、アノード電極層３２ａ、及びカソード電極層３３ａには、上記燃料電池１００にかかる電解質膜１１、アノード電極層１２ａ、及びカソード電極層１３ａと同様に電解質成分が備えられており、ＭＥＡ３５には、その両表面（セパレータ１６側の表面及びセパレータ１７側の表面）に加熱された白金メッシュが押し当てられることにより、電解質成分の一部が縮合されて網目形状に形成された縮合部が備えられている。なお、燃料電池３００において、上記以外の構成部位は燃料電池１００の対応する構成部位と略同様の形態を備えている。
【００３３】
ＭＥＡ３５のセパレータ１６側から加熱されて形成された縮合部の端部は、アノード電極層３２ａ内に存在する一方、ＭＥＡ３５のセパレータ１７側から加熱されて形成された縮合部の端部は、カソード電極層３３ａ内に存在している。そのため、かかる形態の縮合部を備えることで、寸法変化を抑制されたアノード電極層３２ａ及びカソード電極層３３ａを備えるＭＥＡ３５とすることが可能になり、その結果、ＭＥＡ３５の寸法変化を抑制することが可能になる。したがって、上記第１及び第２実施形態にかかる燃料電池１００及び燃料電池２００と同様にして、第３実施形態によれば、プロトン伝導性能の低下を抑制しつつ耐久性を向上させることが可能な、燃料電池３００を提供することが可能になる。
【００３４】
２．燃料電池の製造方法
上記形態の燃料電池は、以下のような工程を経ることにより、製造することが可能になる。
【００３５】
上記第１実施形態にかかる燃料電池１００は、両表面に縮合部が形成された電解質膜１１を備える点に特徴を有している。そこで、図４に、両表面に縮合部が形成された電解質膜１１の作製方法を概略的に示す。
図４に示すように、上記電解質膜１１を作製する場合には、まず、上記電解質成分を有する電解質膜１０と、伝熱体としての白金メッシュ５０とを用意し、当該白金メッシュ５０を、電解質成分に含まれる酸性基（例えば、スルホン酸基等）の縮合温度以上（例えば、２４０℃以上等）にまで加熱する（Ｓ１１）。次に、加熱した白金メッシュ５０を電解質膜１０の一方の積層面（例えば、アノード側の積層面１０ａ）表面に押し当て、上記電解質成分の一部を縮合させることにより、当該積層面表面を含む部位に、網目形状を有する縮合部を形成する（Ｓ１２）。さらに、以下同様にして、電解質膜１０の他方の積層面（例えば、カソード側の積層面１０ｂ）表面を含む部位にも縮合部を形成する（Ｓ１３）。このように、上記工程Ｓ１２及びＳ１３を含む電解質膜縮合部形成工程を経る等の方法により、両表面に形成された網目形状の縮合部１１ｘ、１１ｘを備える電解質膜１１を作製することが可能になる（Ｓ１４）。
【００３６】
上記第２実施形態にかかる燃料電池２００、及び、上記第３実施形態にかかる燃料電池３００は、両表面に縮合部が形成されたＭＥＡ２５及びＭＥＡ３５を備える点に特徴を有しており、第２実施形態にかかるＭＥＡ２５と第３実施形態にかかるＭＥＡ３５とは、縮合部端部が電解質膜に達しているか電極層に存在しているかという点が異なっている。縮合部端部の配置は、伝熱体の加熱温度や電解質成分の加熱時間等を調製することにより変更可能であるため、かかる条件を除けば、ＭＥＡ２５及びＭＥＡ３５の作製手順は略同様である。そこで、図５に、表両面に縮合部が形成されたＭＥＡ２５及びＭＥＡ３５の作製方法を概略的に示す。なお、ＭＥＡ３５の作製工程と関連する構成部位の符号を、図５及び以下の記述において適宜括弧書きで付記する。
【００３７】
図５に示すように、上記ＭＥＡ２５（３５）を作製する場合には、まず、電解質成分を有する電解質膜の両側に、電解質成分を有する電極層を熱圧着する等の方法により作製したＭＥＡ２０（３０）と、伝熱体としての白金メッシュ５０とを用意し、当該白金メッシュ５０を、上記電解質成分に含まれる酸性基（例えば、スルホン酸基等）の縮合温度以上（例えば、２４０℃以上等）にまで加熱する（Ｓ２１）。次に、加熱した白金メッシュ５０をＭＥＡ２０（３０）の一方の積層面（例えば、アノード側の積層面２０ａ（３０ａ））表面に押し当て、上記電解質成分の一部を縮合させることにより、当該一方の積層面表面を含む部位に網目形状を有する縮合部を形成する（Ｓ２２）。さらに、以下同様にして、ＭＥＡ２０（３０）の他方の積層面（例えば、カソード側の積層面２０ｂ（３０ｂ））表面を含む部位にも縮合部を形成する（Ｓ２３）。このように、上記工程Ｓ２２及びＳ２３を含むＭＥＡ縮合部形成工程を経る等の方法ことにより、両表面に形成された網目形状の縮合部２５ｘ、２５ｘ（３５ｘ、３５ｘ）を備えるＭＥＡ２５（３５）を作製することが可能になる（Ｓ２４）。
【００３８】
本発明にかかる製造方法において、電解質成分を加熱すべき伝熱体の温度は、当該電解質成分を縮合させて結合部を形成し得る温度であれば特に限定されるものではない。当該温度は、スルホン酸基を縮合させる場合には２４０℃以上、ホスホン酸基を縮合させる場合には２００℃以上等とすれば良い。また、伝熱体を電解質成分に押し当てる際の時間は、伝熱体の温度、形成させるべき縮合部の電解質成分に対する割合（積層面表面の３０％に縮合部を形成するか、又は、同１０％に縮合部を形成するか等）及び、形成させるべき縮合部の積層方向の厚み等を総合的に勘案して適宜決定することが可能である。２５０℃に加熱した白金メッシュを用いてスルホン酸基を縮合させる場合における上記時間の具体例としては、１０秒等を挙げることができる。
【００３９】
便宜上、上記説明では、電解質膜及び／又はＭＥＡの両表面に縮合部が形成されている形態について記述したが、本発明にかかる縮合部の配置形態は当該形態に限定されるものではなく、カソード側にのみ縮合部が配置される形態や、アノード側にのみ縮合部が配置される形態であっても良い。
【００４０】
上記説明では、便宜上、積層面の略全面に亘って網目形状の縮合部が形成される形態について記述したが、本発明にかかる縮合部の配置形態は当該形態に限定されるものではない。本発明にかかる縮合部の他の配置形態例としては、電気化学反応によって生成される水が滞留しやすいカソード側の反応ガス供給路１８ｂ、１８ｂ、…の下流部と対向すべき電解質膜及び／又はＭＥＡの領域にのみ配置する形態や、寸法変化に起因して電解質成分の密度が小さくなりやすい部位（薄膜化しやすい部位）及び／又は破損しやすい部位と対向すべき電解質膜及び／又はＭＥＡの領域にのみ配置する形態等を挙げることができる。このように、寸法変化や、薄膜化及び／又は破損が起こりやすい部位に縮合部が備えられていれば、効果的に耐久性を向上させ得る燃料電池を提供することが可能になる。
【００４１】
また、上記説明では、網目形状の縮合部が形成されている形態について記述したが、本発明にかかる縮合部の形状は網目形状に限定されるものではなく、略規則的な形状であれば他の形状であっても良い。当該他の形状の具体例としては、セパレータに形成されている反応ガス供給路と略同形状や、ストライプ形状等を挙げることができる。さらに、縮合部の形状が網目形状である場合、当該網目形状の縮合部を形成するために用いる伝熱体のメッシュ数は特に限定されるものではなく、寸法抑制効果や発電性能等の観点から適当な数とすることが可能である。当該メッシュ数の具体例としては、５０メッシュ等を挙げることができる。
【００４２】
加えて、上記説明では、単一形状の縮合部を備える形態について記述したが、本発明にかかる縮合部の形態は当該形態に限定されるものではない。寸法抑制効果や発電性能等を総合的に勘案して、部位毎に異なる形状（略規則的形状）に形成された複数の縮合部を備える形態等であっても良い。当該形態の具体例としては、寸法変化が起こりにくい部位に形成される縮合部の網目形状は３０メッシュとし、寸法変化が起こりやすい部位に形成される縮合部の網目形状は５０メッシュとする形態等を挙げることができる。
【００４３】
また、便宜上、上記説明では、白金メッシュからなる伝熱体を用いて縮合部を形成する形態について記述したが、伝熱体を構成し得る材料は白金に限定されるものではなく、燃料電池の発電性能低下を抑制しつつ電解質成分を加熱し得る材料であれば、他の材料であっても良い。当該他の材料の具体例としては、金、銀、亜鉛、銅、鉄等を挙げることができる。
【００４４】
さらに、上記説明では、伝熱体を押接して加熱することにより電解質成分を縮合させて結合部を形成する形態について記述したが、本発明において縮合部を形成する方法は当該方法に限定されるものではなく、他の方法であっても良い。当該他の方法の具体例としては、レーザー光線や電子線を当てて電解質成分を加熱し縮合させて結合部を形成する方法等を挙げることができる。ただし、製造効率や作業性等の観点からは、伝熱体を押接して加熱することにより電解質成分を縮合させて結合部を形成する方法を用いることが好ましい。
【００４５】
なお、便宜上、上記説明では、ＭＥＡ側に反応ガス供給路が形成されている形態のセパレータを備える燃料電池について記述したが、本発明にかかる燃料電池が備え得るセパレータは当該形態に限定されるものではなく、例えば、ＭＥＡ側に反応ガス供給路が形成されていないフラットタイプのセパレータであっても良い。かかる形態の燃料電池とする場合には、セパレータと当接すべき層（上記第１〜第３実施形態にかかる燃料電池ではアノード拡散層及びカソード拡散層）を、めっき法や発泡法等により製造されるステンレス鋼、チタン又はニッケル等の発泡金属、あるいは焼結金属等の多孔体により形成し、当該層に反応ガスが供給される形態の燃料電池とすれば良い。
【００４６】
さらに、上記説明では、アノード拡散層及びカソード拡散層が備えられている形態の燃料電池について記述したが、アノード拡散層及び／又はカソード拡散層が備えられていなくとも良好な発電性能が得られる場合には、本発明にかかる燃料電池は、アノード拡散層及び／又はカソード拡散層が備えられていない形態であっても良い。
【実施例】
【００４７】
＜実施例１＞
厚さ５０μｍの電解質膜（Ｎａｆｉｏｎ）に、２５０℃に加熱した５０メッシュの白金メッシュを１０秒間に亘って押し当てることにより電解質膜中に含まれるスルホン酸基を縮合させて結合部を形成し、白金メッシュをはがした。かかる作業を電解質膜の一方の積層面に施した電解質膜（実施例１）と、当該作業が施されない電解質膜（比較例１）とを用いて以下の処理を行い、乾湿寸法変化率を評価した。なお、以下において、縦寸法及び横寸法の平均寸法を、単に「平均寸法」と記述する。
【００４８】
・真空乾燥処理
８０℃の真空雰囲気（１０２〜１０−２Ｐａ）中に、実施例１にかかる電解質膜、及び、比較例１にかかる電解質膜を１０時間に亘って保持し、これらの電解質膜に真空乾燥処理を施した。そして、真空乾燥処理後における実施例１にかかる電解質膜の縦横寸法、及び、比較例１にかかる電解質膜の縦横寸法をそれぞれ測定し、実施例１にかかる電解質膜の乾燥時における平均寸法（以下において、「Ａ１１」と記述する。）と、比較例１にかかる電解質膜の乾燥時における平均寸法（以下において、「Ｂ１１」と記述する。）とをそれぞれ導出した。
【００４９】
・浸漬処理
上記真空乾燥処理後に、実施例１にかかる電解質膜、及び、比較例１にかかる電解質膜を、８０℃の水中に３時間に亘って浸漬する浸漬処理を施した後、これらの電解質膜の表面をふき取った。そして、当該浸漬処理後に、実施例１にかかる電解質膜の湿潤時における平均寸法（以下において、「Ａ１２」と記述する。）と、比較例１にかかる電解質膜の湿潤時における平均寸法（以下において、「Ｂ１２」と記述する。）とをそれぞれ導出した。
【００５０】
・乾湿寸法変化率評価
上記真空乾燥処理及び浸漬処理により導出した乾燥時平均寸法及び湿潤時平均寸法を用いて、実施例１にかかる電解質膜の乾湿寸法変化率と比較例１にかかる電解質膜の乾湿寸法変化率とを算出した。その結果を図６に示す。図６において、縦軸は乾湿寸法変化率（％）を示している。なお、実施例１にかかる電解質膜の乾湿寸法変化率Ｘ１（％）、及び、比較例１にかかる電解質膜の乾湿寸法変化率Ｙ１（％）は、それぞれ（式２）及び（式３）を用いて算出した。
Ｘ１  ＝  １００×（Ａ１２−Ａ１１）／Ａ１１      （式２）
Ｙ１  ＝  １００×（Ｂ１２−Ｂ１１）／Ｂ１１      （式３）
【００５１】
図６より、実施例１にかかる乾湿寸法変化率Ｘ１は６％であったのに対し、比較例１にかかる乾湿寸法変化率Ｙ１は１２％であった。すなわち、電解質膜の一方の積層面に網目形状の縮合部を形成することにより、電解質膜の寸法変化が半分に抑制されることが確認された。したがって、少なくとも一方の積層面に形成された略規則的形状の縮合部を有する電解質膜を備える形態とすることで、発電性能の低下を抑制しつつ耐久性を向上させ得る燃料電池とすることが可能になると考えられる。
【００５２】
＜実施例２＞
プロパノールと水との混合物により構成される有機溶媒、及び、Ｎａｆｉｏｎを混ぜて調製した溶融状態の電解質成分に白金を担持させた炭素粒子を分散させてペースト状の触媒層（以下において、「触媒インク」と記述する。）を調製し、当該触媒インクからなる電極層を、厚さ５０μの電解質膜（Ｎａｆｉｏｎ）の両積層面に熱転写することによりＭＥＡ（比較例２）を作製した。一方、２５０℃に加熱した５０メッシュの白金メッシュを比較例２にかかるＭＥＡの一方の積層面に１０秒間に亘って押し当てることにより、電解質成分中に含まれるスルホン酸基を縮合させて結合部を形成した後、白金メッシュをはがしてＭＥＡ（実施例２）を作製した。これら実施例２及び比較例２にかかるＭＥＡを用いて以下の処理を行い、乾湿寸法変化率を評価した。
【００５３】
・真空乾燥処理
８０℃の真空雰囲気（１０２〜１０−２Ｐａ）中に、実施例２にかかるＭＥＡ、及び、比較例２にかかるＭＥＡを１０時間に亘って保持し、これらのＭＥＡに真空乾燥処理を施した。そして、真空乾燥処理後における実施例１にかかるＭＥＡの積層面の縦横寸法、及び、比較例１にかかるＭＥＡの積層面の縦横寸法をそれぞれ測定し、実施例１にかかるＭＥＡの乾燥時における平均寸法（以下において、「Ａ２１」と記述する。）と、比較例１にかかるＭＥＡの乾燥時における平均寸法（以下において、「Ｂ２１」と記述する。）とをそれぞれ導出した。
【００５４】
・浸漬処理
上記真空乾燥処理後に、実施例２にかかるＭＥＡ、及び、比較例２にかかるＭＥＡを、８０℃の水中に３時間に亘って浸漬する浸漬処理を施した後、これらのＭＥＡの表面をふき取った。そして、当該浸漬処理後に、実施例２にかかるＭＥＡの湿潤時における平均寸法（以下において、「Ａ２２」と記述する。）と、比較例１にかかるＭＥＡの湿潤時における平均寸法（以下において、「Ｂ２２」と記述する。）とをそれぞれ導出した。
【００５５】
・乾湿寸法変化率評価
上記真空乾燥処理及び浸漬処理により導出した乾燥時平均寸法及び湿潤時平均寸法を用いて、実施例２にかかるＭＥＡの乾湿寸法変化率と比較例２にかかるＭＥＡの乾湿寸法変化率とを算出した。その結果を図７に示す。図７において、縦軸は乾湿寸法変化率（％）を示している。なお、実施例２にかかるＭＥＡの乾湿寸法変化率Ｘ２（％）、及び、比較例２にかかるＭＥＡの乾湿寸法変化率Ｙ２（％）は、それぞれ（式４）及び（式５）を用いて算出した。
Ｘ２  ＝  １００×（Ａ２２−Ａ２１）／Ａ２１      （式４）
Ｙ２  ＝  １００×（Ｂ２２−Ｂ２１）／Ｂ２１      （式５）
【００５６】
図７より、実施例２にかかる乾湿寸法変化率Ｘ２は６．３％程度であったのに対し、比較例２にかかる乾湿寸法変化率Ｙ２は９％程度であった。すなわち、ＭＥＡの一方の積層面に網目形状の縮合部を形成することで、ＭＥＡの寸法変化が３割程度抑制されることが確認された。したがって、少なくとも一方の積層面に形成された略規則的形状の縮合部を有するＭＥＡを備える形態とすることで、発電性能の低下を抑制しつつ耐久性を向上させ得る燃料電池とすることが可能になると考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】第１実施形態にかかる本発明の燃料電池を概略的に示す断面図である。
【図２】第２実施形態にかかる本発明の燃料電池を概略的に示す断面図である。
【図３】第３実施形態にかかる本発明の燃料電池を概略的に示す断面図である。
【図４】両表面に縮合部が形成された電解質膜の作製方法を示す概略図である。
【図５】両表面に縮合部が形成されたＭＥＡの作製方法を示す概略図である。
【図６】乾湿寸法変化率の算出結果を示す図である。
【図７】乾湿寸法変化率の算出結果を示す図である。
【符号の説明】
【００５８】
１１、３１  電解質膜
１２、２２、３２  アノード
１２ａ、２２ａ、３２ａ  アノード電極層
１２ｂ  アノード拡散層
１３、２３、３３  カソード
１３ａ、２３ａ、３３ａ  カソード電極層
１３ｂ  カソード拡散層
１５、２５、３５  ＭＥＡ
１６、１７  セパレータ
５０  白金メッシュ（伝熱体）
１００、２００、３００  燃料電池
【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】
2006253028.tif 000008
【図７】
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