(57)【要約】【課題】簡単な構成で、触媒層領域と接着層領域とで膜含水量を均一化させるとともに、排水性を向上させることができ、電解質膜の損傷を良好に抑制することを可能にする。【解決手段】燃料電池を構成する電解質膜・電極構造体１２は、固体高分子電解質膜４６と、前記固体高分子電解質膜４６を挟持するカソード側電極４８及びアノード側電極５０とを備える。電解質膜・電極構造体１２は、電極触媒層４８ｂ、５０ｂの外周に位置し、固体高分子電解質膜４６にガス拡散層４８ａ、５０ａを接合する接着層５２ａ、５２ｂを設ける。電極面に沿って反応ガスを流通させる反応ガス流路の下流側には、電解質膜・電極構造体１２の一部に、電極触媒層４８ｂ、５０ｂと接着層５２ａ、５２ｂとに跨ってそれぞれ複数の空洞部位５６ａ、５６ｂが形成されている。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両側に、それぞれ触媒層及びガス拡散層が設けられる電解質膜・電極構造体と、セパレータとが積層されるとともに、電極面に沿って反応ガスを流通させる反応ガス流路が形成される燃料電池であって、
前記触媒層は、前記ガス拡散層よりも小さな寸法に設定されるとともに、
前記電解質膜・電極構造体は、前記触媒層の外周に位置し、前記電解質膜に前記ガス拡散層を接合する接着層を設け、
前記反応ガス流路の少なくとも下流側には、前記電解質膜・電極構造体の一部に、前記触媒層と前記接着層とに跨って空洞部位が形成されることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池において、前記空洞部位は、前記触媒層と前記接着層とに跨って前記ガス拡散層に形成されることを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項１記載の燃料電池において、前記空洞部位は、前記触媒層及び前記接着層に形成されることを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記反応ガスは、前記反応ガス流路に沿って重力方向上方から重力方向下方に流通するとともに、
前記空洞部位は、前記反応ガス流路の下流側の前記触媒層と前記接着層とに跨って直線状に形成され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、電解質膜の両側に、それぞれ触媒層及びガス拡散層が設けられる電解質膜・電極構造体と、セパレータとが積層されるとともに、電極面に沿って反応ガスを流通させる反応ガス流路が形成される燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、一対のセパレータによって挟持した単位セルを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の単位セルを積層することにより、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
上記の燃料電池では、一方のセパレータの面内に、アノード側電極に対向して燃料ガスを流すための燃料ガス流路が設けられるとともに、他方のセパレータの面内に、カソード側電極に対向して酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路が設けられている。さらに、各燃料電池を構成し、互いに隣接するセパレータ間には、電極範囲内に冷却媒体を流すための冷却媒体流路が形成されている。
【０００４】
ところで、アノード側電極及びカソード側電極は、それぞれ触媒層（電極触媒層）及びガス拡散層（多孔質カーボン）を備えており、電解質膜の両側に、それぞれ前記触媒層及び前記ガス拡散層が接合されて電解質膜・電極構造体が製造されている。
【０００５】
例えば、特許文献１に開示されている膜・電極構造体は、図７に示すように、固体高分子電解質膜１の一方の面に、この面を覆ってガス拡散電極層２が設けられるとともに、前記固体高分子電解質膜１の他方の面に、この面よりも表面積の小さなガス拡散電極層３が設けられている。
【０００６】
ガス拡散電極層２、３は、固体高分子電解質膜１の両面に当接する触媒層４ａ、４ｂと、ガス拡散層５ａ、５ｂとを備えており、前記触媒層４ａ、４ｂは、互いに異なる寸法に設定されている。触媒層４ａの外周側には、接着層６が設けられており、この接着層６を介してガス拡散電極層２と固体高分子電解質膜１とが一体化されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００３−６８３２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、上記の膜・電極構造体では、発電等による湿潤状態と、停止や起動等による乾燥状態とが、繰り返されている。その際、固体高分子電解質膜１は、触媒層領域（触媒層４ａに対応する領域）と接着層領域（接着層６に対応する領域）とで膜含水量が異なっている。
【０００９】
このため、固体高分子電解質膜１が含水量の変動により伸縮する際に、特に触媒層領域と接着層領域との境界部位に応力が集中し易い。これにより、固体高分子電解質膜１が損傷するおそれがある。
【００１０】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単な構成で、触媒層領域と接着層領域とで膜含水量を均一化させるとともに、排水性を向上させることができ、電解質膜の損傷を良好に抑制することが可能な燃料電池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】
【００１１】
本発明は、電解質膜の両側に、それぞれ触媒層及びガス拡散層が設けられる電解質膜・電極構造体と、セパレータとが積層されるとともに、電極面に沿って反応ガスを流通させる反応ガス流路が形成される燃料電池に関するものである。
【００１２】
触媒層は、ガス拡散層よりも小さな寸法に設定されるとともに、電解質膜・電極構造体は、前記触媒層の外周に位置し、電解質膜にガス拡散層を接合する接着層を設け、反応ガス流路の少なくとも下流側には、前記電解質膜・電極構造体の一部に、前記触媒層と前記接着層とに跨って空洞部位が形成されている。
【００１３】
また、空洞部位は、触媒層と接着層とに跨って前記ガス拡散層に形成されることが好ましい。
【００１４】
さらに、空洞部位は、触媒層及び接着層に形成されることが好ましい。
【００１５】
さらにまた、反応ガスは、反応ガス流路に沿って重力方向上方から重力方向下方に流通するとともに、空洞部位は、前記反応ガス流路の下流側の触媒層と接着層とに跨って直線状に形成されることが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、少なくとも反応ガス流路の下流側には、電解質膜・電極構造体の一部に、触媒層と接着層とに跨って空洞部位が形成されている。従って、電解質膜は、触媒層領域と接着層領域との膜含水量が均等化されるため、前記電解質膜に作用する応力が良好に緩和され、前記電解質膜の損傷を抑制することができる。
【００１７】
しかも、電解質膜・電極構造体の一部に設けられた空洞部位により、特に、触媒層端部の排水性が有効に向上する。これにより、ガス透過性が向上し、良好な発電性能を維持することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視説明図である。
【図２】前記燃料電池の、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面図である。
【図３】前記燃料電池を構成する第２セパレータの一方の正面の説明図である。
【図４】前記燃料電池を構成する電解質膜・電極構造体の正面説明図である。
【図５】前記電解質膜・電極構造体の、図４中、Ｖ−Ｖ線断面説明図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池を構成する電解質膜・電極構造体の要部断面説明図である。
【図７】特許文献１に開示されている膜・電極構造体の断面説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
図１及び図２に示すように、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池１０は、矢印Ａ方向（水平方向）に複数積層されて燃料電池スタック１１を構成する。燃料電池１０は、電解質膜・電極構造体１２と、前記電解質膜・電極構造体１２を挟持する第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６とを備える。
【００２０】
第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属板により構成される。第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６は、平面が矩形状を有するとともに、金属製薄板を波形状にプレス加工することにより、断面凹凸形状に成形される。なお、第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６は、金属セパレータに代えて、例えば、カーボンセパレータを使用してもよい。
【００２１】
図１に示すように、第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６は、縦長形状を有するとともに、長辺が重力方向（矢印Ｃ方向）に延在し且つ短辺が水平方向（矢印Ｂ方向）に延在する（水平方向の積層）ように構成される。なお、長辺が水平方向に延在し且つ短辺が重力方向に延在するように構成してもよく、また、セパレータ面が水平方向に延在する（鉛直方向の積層）ように構成してもよい。
【００２２】
燃料電池１０の長辺方向（矢印Ｃ方向）の上端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔１８ａと、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔２０ａとが設けられる。
【００２３】
燃料電池１０の長辺方向の下端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔２０ｂと、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔１８ｂとが設けられる。
【００２４】
燃料電池１０の短辺方向（矢印Ｂ方向）の両端縁部上方には、矢印Ａ方向に連通して、冷却媒体を供給するための２つの冷却媒体供給連通孔２２ａが対称位置に設けられる。燃料電池１０の両端縁部下方には、矢印Ａ方向に連通して、冷却媒体を排出するための２つの冷却媒体排出連通孔２２ｂが対称位置に設けられる。
【００２５】
第１セパレータ１４の電解質膜・電極構造体１２に向かう面１４ａには、酸化剤ガス供給連通孔１８ａと酸化剤ガス排出連通孔１８ｂとを連通して鉛直方向に延在する酸化剤ガス流路２４が形成される。酸化剤ガス流路２４の入口近傍及び出口近傍には、それぞれ複数のエンボスを有する入口バッファ部２６ａ及び出口バッファ部２６ｂが設けられる。第１セパレータ１４の面１４ｂ（面１４ａとは反対の面）には、後述する冷却媒体流路２８の一部が構成される。
【００２６】
図３に示すように、第２セパレータ１６の電解質膜・電極構造体１２に向かう面１６ａには、燃料ガス供給連通孔２０ａと燃料ガス排出連通孔２０ｂとを連通する燃料ガス流路３０が鉛直方向に延在して形成される。燃料ガス流路３０の入口近傍及び出口近傍には、それぞれ複数のエンボスを有する入口バッファ部３２ａ及び出口バッファ部３２ｂが設けられる。
【００２７】
第２セパレータ１６の面１６ｂと第１セパレータ１４の面１４ｂとの間には、冷却媒体供給連通孔２２ａ、２２ａと冷却媒体排出連通孔２２ｂ、２２ｂとに連通する冷却媒体流路２８が形成される（図１及び図３参照）。冷却媒体流路２８の入口近傍及び出口近傍には、それぞれ複数のエンボスを有する入口バッファ部３４ａ及び出口バッファ部３４ｂが設けられる。
【００２８】
第１セパレータ１４の面１４ａ、１４ｂには、この第１セパレータ１４の外周端縁部を周回して第１シール部材３６が一体成形される。第２セパレータ１６の面１６ａ、１６ｂには、この第２セパレータ１６の外周端縁部を周回して第２シール部材３８が一体成形される。第１シール部材３６及び第２シール部材３８としては、例えば、弾性を有するＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材が用いられる。
【００２９】
図１に示すように、第１セパレータ１４の面１４ａには、第１シール部材３６を切り欠いて、酸化剤ガス供給連通孔１８ａと酸化剤ガス流路２４とを連通する複数の連結通路４０ａが形成される。面１４ａには、第１シール部材３６を切り欠いて、酸化剤ガス排出連通孔１８ｂと酸化剤ガス流路２４とを連通する複数の連結通路４０ｂが形成される。
【００３０】
図３に示すように、第２セパレータ１６の面１６ａには、第２シール部材３８を切り欠いて、燃料ガス供給連通孔２０ａと燃料ガス流路３０とを連通する複数の連結通路４２ａが形成される。面１６ａには、第２シール部材３８を切り欠いて、燃料ガス排出連通孔２０ｂと燃料ガス流路３０とを連通する複数の連結通路４２ｂが形成される。
【００３１】
図１に示すように、第２セパレータ１６の面１６ｂには、第２シール部材３８を切り欠いて、一対の冷却媒体供給連通孔２２ａ、２２ａと冷却媒体流路２８とを連通する複数の連結通路４４ａが形成される。面１６ｂには、第２シール部材３８を切り欠いて、一対の冷却媒体排出連通孔２２ｂ、２２ｂと冷却媒体流路２８とを連通する複数の連結通路４４ｂが形成される。
【００３２】
図２に示すように、電解質膜・電極構造体１２は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜４６と、前記固体高分子電解質膜４６を挟持するカソード側電極４８及びアノード側電極５０とを備える。
【００３３】
カソード側電極４８及びアノード側電極５０は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層４８ａ、５０ａと、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層４８ａ、５０ａの表面に一様に塗布されて形成される電極触媒層４８ｂ、５０ｂとを有する。電極触媒層４８ｂ、５０ｂは、固体高分子電解質膜４６の両面に形成される。
【００３４】
図４及び図５に示すように、電極触媒層４８ｂ、５０ｂは、ガス拡散層４８ａ、５０ａよりも小さな寸法に設定され、前記電極触媒層４８ｂ、５０ｂの矢印Ｃ方向の両端外周には、固体高分子電解質膜４６に前記ガス拡散層４８ａ、５０ａを接合するための接着層５２ａ、５２ｂが設けられる。
【００３５】
図５に示すように、接着層５２ａ、５２ｂは、接着剤がガス拡散層４８ａ、５０ａ内に充填されて構成され、前記接着層５２ａ、５２ｂと電極触媒層４８ｂ、５０ｂとの間には、境界部位５４ａ、５４ｂが設けられる。
【００３６】
図４に示すように、電極触媒層４８ｂ、５０ｂは、発電領域に対応する流路長さＨ１にわたって設けられる。接着層５２ａ、５２ｂは、出口バッファ部２６ｂ、３２ｂに対応する長さ寸法Ｈ２と、入口バッファ部２６ａ、３２ａに対応する長さ寸法Ｈ３とを有する。なお、接着層５２ａ、５２ｂは、バッファ部形状に対応しており、例えば、三角形状、台形状等の他、種々の異形状に設定されてもよい。
【００３７】
電解質膜・電極構造体１２の一部には、酸化剤ガス流路２４の下流側及び燃料ガス流路３０の下流側に対応し、電極触媒層４８ｂ、５０ｂと接着層５２ａ、５２ｂとに跨って複数の空洞部位５６ａ、５６ｂが形成される。図５に示すように、空洞部位５６ａ、５６ｂは、電極触媒層４８ｂ、５０ｂと接着層５２ａ、５２ｂとに跨ってガス拡散層４８ａ、５０ａに形成されるとともに、矢印Ｃ方向に反応ガスの流れ方向に沿って長尺で且つ同一長さの直線状を有する。
【００３８】
なお、空洞部位５６ａ、５６ｂは、曲線状であってもよい。また、酸化剤ガス流路２４の上流側及び燃料ガス流路３０の上流側に対応して空洞部位５６ａ、５６ｂを設けてもよい。
【００３９】
空洞部位５６ａ、５６ｂは、深さｄ（図５参照）が、１０μｍ〜１００μｍの範囲内に設定され、幅Ｓ（図４参照）が、１０μｍ〜１０００μｍの範囲内に設定され、間隔Ｐ（図４参照）が、１ｍｍ〜５０ｍｍの範囲内に設定される。深さｄが、１０μｍ未満であると、保湿して膜応力を逃がし難くなる一方、１００μｍを越えると、構造体としての形状の維持が困難になる。幅Ｓが、１０μｍ未満であると、保湿により膜応力の緩和が困難になる一方、１０００μｍを越えると、滞留水の発生によりガス拡散が低下する。間隔Ｐが、１ｍｍ未満であると、応力の緩和が困難になる一方、５０ｍｍを越えると、保湿して膜応力の抑制が困難になる。
【００４０】
空洞部位５６ａ、５６ｂは、種々の加工方法により、ガス拡散層４８ａ、５０ａに形成される。図示しないが、例えば、複数の金属製の爪形状を有する切削工具を空洞部位５６ａ（５６ｂ）に対応して並列させ、前記切削工具とガス拡散層４８ａ（５０ａ）とを相対的に移動させることにより、前記空洞部位５６ａ（５６ｂ）を形成することができる。
【００４１】
また、複数の切削刃が並列して設けられたローラを回転させることにより、前記切削刃によって、ガス拡散層４８ａ（５０ａ）に所定数の空洞部位５６ａ（５６ｂ）を形成してもよい。その他、Ａｒイオンを用いたスパッタリングにより、マスクを介してガス拡散層４８ａ（５０ａ）に複数の空洞部位５６ａ（５６ｂ）を形成してもよい。
【００４２】
なお、電解質膜・電極構造体１２では、酸化剤ガス流路２４に対応する空洞部位５６ａと燃料ガス流路３０に対応する空洞部位５６ｂとを設けているが、前記空洞部位５６ａ又は前記空洞部位５６ｂのいずれか一方のみを設けてもよい。
【００４３】
このように構成される燃料電池１０の動作について、以下に説明する。
【００４４】
先ず、図１に示すように、酸化剤ガス供給連通孔１８ａには、酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス供給連通孔２０ａには、水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、一対の冷却媒体供給連通孔２２ａには、純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。
【００４５】
このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給連通孔１８ａから第１セパレータ１４の酸化剤ガス流路２４に導入される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路２４に沿って矢印Ｃ方向（重力方向）に移動し、電解質膜・電極構造体１２のカソード側電極４８に供給される。
【００４６】
一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔２０ａから第２セパレータ１６の燃料ガス流路３０に供給される。燃料ガスは、図３に示すように、燃料ガス流路３０に沿って重力方向（矢印Ｃ方向）に移動し、電解質膜・電極構造体１２のアノード側電極５０に供給される（図１及び図２参照）。
【００４７】
従って、電解質膜・電極構造体１２では、カソード側電極４８に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極５０に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費されて発電が行われる。
【００４８】
次いで、電解質膜・電極構造体１２のカソード側電極４８に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔１８ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。一方、電解質膜・電極構造体１２のアノード側電極５０に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔２０ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。
【００４９】
また、一対の冷却媒体供給連通孔２２ａに供給された冷却媒体は、図１に示すように、第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６間の冷却媒体流路２８に導入される。冷却媒体は、一旦矢印Ｂ方向（水平方向）に沿って流動した後、矢印Ｃ方向（重力方向）に移動して電解質膜・電極構造体１２を冷却する。この冷却媒体は、矢印Ｂ方向両側に移動した後、一対の冷却媒体排出連通孔２２ｂに排出される。
【００５０】
この場合、第１の実施形態では、酸化剤ガス流路２４の下流側には、電解質膜・電極構造体１２の一部に、電極触媒層４８ｂと接着層５２ａとに跨って複数の空洞部位５６ａが形成されている。さらに、燃料ガス流路３０の下流側には、電解質膜・電極構造体１２の一部に、電極触媒層５０ｂと接着層５２ｂとに跨って空洞部位５６ｂが形成されている。
【００５１】
従って、固体高分子電解質膜４６は、触媒層領域（電極触媒層４８ｂ、５０ｂに対応する領域）と接着層領域（接着層５２ａ、５２ｂに対応する領域）との膜含水量が均等化させる。このため、固体高分子電解質膜４６の湿潤及び乾燥により前記固体高分子電解質膜４６に作用する応力が良好に緩和され、前記固体高分子電解質膜４６の損傷を抑制することができるという効果が得られる。
【００５２】
しかも、電解質膜・電極構造体１２の一部に設けられた各空洞部位５６ａ、５６ｂにより、特に電極触媒層４８ｂ、５０ｂの下端部の排水性が良好に向上する。これにより、酸化剤ガス及び燃料ガスの各ガス透過性が向上し、良好な発電性能を維持することが可能になる。なお、電極触媒層４８ｂ、５０ｂと接着層５２ａ、５２ｂとの境界部位５４ａ、５４ｂ全体に空洞部位を設けると、水が滞留し過ぎてしまい、ガス透過性が悪化してしまう。
【００５３】
図６は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池を構成する電解質膜・電極構造体６０の一部断面説明図である。
【００５４】
なお、第１の実施形態に係る燃料電池１０を構成する電解質膜・電極構造体１２と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００５５】
この第２の実施形態では、電極触媒層４８ｂ、５０ｂと接着層５２ａ、５２ｂとの境界部位５４ａ、５４ｂを跨いで、前記電極触媒層４８ｂ、５０ｂと前記接着層５２ａ、５２ｂとを切り欠くことにより、それぞれ複数の空洞部位６２ａ、６２ｂが形成される。ガス拡散層４８ａ、５０ａは、電極触媒層４８ｂ、５０ｂに対向する面及び接着層５２ａ、５２ｂに対向する面が平坦状に構成される。
【００５６】
従って、電解質膜・電極構造体６０の一部に、電極触媒層４８ｂ、５０ｂと接着層５２ａ、５２ｂとに跨って、それぞれ複数の空洞部位６２ａ、６２ｂが設けられており、固体高分子電解質膜４６の膜含水量が均等化されるとともに、排水性が良好に向上する等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【符号の説明】
【００５７】
１０…燃料電池                          １１…燃料電池スタック
１２、６０…電解質膜・電極構造体        １４、１６…セパレータ
１８ａ…酸化剤ガス供給連通孔            １８ｂ…酸化剤ガス排出連通孔
２０ａ…燃料ガス供給連通孔              ２０ｂ…燃料ガス排出連通孔
２２ａ…冷却媒体供給連通孔              ２２ｂ…冷却媒体排出連通孔
２４…酸化剤ガス流路                    ２８…冷却媒体流路
３０…燃料ガス流路                      ３６、３８…シール部材
４６…固体高分子電解質膜                ４８…カソード側電極
４８ａ、５０ａ…ガス拡散層              ４８ｂ、５０ｂ…電極触媒層
５０…アノード側電極                    ５２ａ、５２ｂ…接着層
５４ａ、５４ｂ…境界部位                
５６ａ、５６ｂ、６２ａ、６２ｂ…空洞部
【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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