(57)【要約】【課題】膜電極接合体８を構成する電解質膜１を特定の構成とすることで、電解質膜の耐久性に加え、発電性能と低コストとを両立させることを可能とした燃料電池セルを提供する。【解決手段】燃料電池セル４０は、電解質膜１と、電解質膜１の一方の面に接するカソード触媒層２と、電解質膜１の他方の面に接するアノード触媒層３とを少なくとも備える。そこにおいて、電解質膜１は、第１の電解質を含む多孔質補強層１２と、多孔質補強層１２の両面に形成された第１の電解質のＥＷ値より高いＥＷ値の第２の電解質を含む電解質層１１，１１とで構成される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池セルであって、
電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に接するカソード触媒層と、前記電解質膜の他方の面に接するアノード触媒層と、を少なくとも備え、
前記電解質膜は、第１の電解質を含む多孔質補強層と、前記多孔質補強層の両面に形成された前記第１の電解質のＥＷ値より高いＥＷ値の第２の電解質を含む電解質層と、を有することを特徴とする燃料電池セル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池セルに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、高効率のエネルギー変換装置として、燃料電池が注目を集めている。中でも、電解質としてイオン伝導性を有する高分子電解質膜を用いる固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）は、定置用、車両用、携帯用等の電源として注目されている。燃料電池は、基本形態として、ガス流路を備えたセパレータによって膜電極接合体（ＭＥＡ）が挟持された形態を持ち、それは燃料電池セルとも称される。
【０００３】
膜電極接合体（ＭＥＡ）は、イオン交換樹脂である電解質からなる電解質膜と、該電解質膜の一方の面に接するカソード触媒層と、電解質膜の他方の面に接するアノード触媒層と、を備える。前記カソード触媒層およびアノード触媒層は、触媒担持導電体とイオン交換樹脂とからなっている。前記カソード触媒層の電解質膜とは反対側の面にはカソード拡散層が積層され、前記アノード触媒層の電解質膜とは反対側の面にはアノード拡散層が積層される。拡散層用の基材としては、例えば、カーボンペーパーまたはカーボンクロスのような多孔性カーボン支持体が主に用いられる。
【０００４】
イオン交換樹脂からなる電解質膜は、それ自体では、機械的強度が不足する場合がある。そのために、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などである多孔質膜を補強膜として用いるようにした補強型電解質膜も用いられている。その一例が、特許文献１に記載されている。そこでは、高分子電解質およびポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）多孔質膜を含んでなる燃料電池用電解質膜において、ＰＴＦＥ多孔質膜の小孔内表面に、該ＰＴＦＥ多孔質膜を構成する材料よりも弾性率の高い材料を複合化するとともに、該複合化されたＰＴＦＥ多孔質膜の両面に、フッ素化アイオノマーのような高分子電解質層を形成するようにしている。
【０００５】
燃料電池の性能に影響を与える因子として、電解質のＥＷ（ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ  ｗｅｉｇｈｔ）値がある。ＥＷ値とは、イオン交換基１ｍｏｌ当たりのイオン交換樹脂乾燥重量であり、この値が小さければイオン交換基の含有ｍｏｌ数が大きくなり膜のイオン導電率は高くなり、ＥＷ値が大きければ、反対にイオン交換基の含有ｍｏｌ数が小さくなって膜のイオン導電率は低くなる。したがって、ＥＷ値が小さい陽イオン交換膜を電解質膜に使用することが発電効率の点からは好ましい。しかし、ＥＷ値が小さい陽イオン交換膜を電解質膜に使用した場合に、イオン交換基が膜中に多くなるに従って膜の結晶性が崩れて膜強度が低下する。このことから、前記した補強膜としてのＰＴＦＥ多孔質膜に低ＥＷ値の電解質を含浸させた補強膜型電解質膜が用いられる場合がある。
【０００６】
また、ＥＷ値の異なる電解質を用いた膜電極接合体の一例が特許文献２に記載されており、そこにおいて、膜電極接合体を構成する電解質膜は、導電性をもつ内部電極触媒層と、内部電極触媒層とカソード触媒層との間に設けられたカソード側電解質膜とを有し、前記カソード側電解質膜は、ＥＷ値が相対的に大きな部位と、ＥＷ値が相対的に小さな部位とを厚み方向に備えるようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】ＷＯ２０１６／０５６４３０
【特許文献２】特開２０１０−１８２５４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１に記載されるような、多孔質膜の両面に電解質層を設けた電解質膜において、低ＥＷ値の電解質によって電解質層を形成することで、電解質膜の強度と発電性能の向上との双方を満足した電解質膜が得られることが予測される。しかし、現在用いられている電解質（イオン交換樹脂）において、低ＥＷ値のものは高価でありコスト的な課題が残っている。高ＥＷ値のものは比較して低コストであるが、発電性能が低下するという課題がある。
【０００９】
特許文献２に記載される電解質膜は、カソード側電解質膜にＥＷ分布を持たせることにより、液水滞留によるフラッティングを抑制して発電機能の向上を図っている。しかし、アノード側からカソード側への水素クロスオーバー量の低減に対する対策は特になされていない。また、電解質膜の強度を向上させる補強層を有してなく、機械的耐久性に課題が残っている。また、電解質膜の構成が複雑であり、製造コストの高騰が避けられない。
【００１０】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に接するカソード触媒層と、前記電解質膜の他方の面に接するアノード触媒層と、を少なくとも備えた膜電極接合体を構成に持つ燃料電池セルにおいて、膜電極接合体を構成する電解質膜を特定の構成とすることで、電解質膜の耐久性向上に加えて、発電性能と低コストとを両立させることを可能とした燃料電池セル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】
【００１１】
本発明による燃料電池セルは、電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に接するカソード触媒層と、前記電解質膜の他方の面に接するアノード触媒層と、を少なくとも備え、前記電解質膜は、第１の電解質を含む多孔質補強層と、前記多孔質補強層の両面に形成された前記第１の電解質のＥＷ値より高いＥＷ値の第２の電解質を含む電解質層と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、高い発電性能を維持しながら、低コストであり、耐久性にも優れた燃料電池セルが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】燃料電池セルを示す模式図。
【図２】拡散層を含む膜電極接合体を示す模式図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を参照して、本発明の一実施の形態を説明する。
【００１５】
最初に、図１を参照して、燃料電池セル全体の構成を説明する。本実施の形態による燃料電池は固体高分子型燃料電池であり、発電部を構成する膜電極接合体（ＭＥＡ）８を主要な構成要素とし、それを酸化剤（空気）ガス流路２１を備えたカソード側セパレータ２２および燃料（水素）ガス流路３１を備えたアノード側セパレータ３２とで挟持し、加圧締結することで、１つの燃料電池セル４０としている。
【００１６】
膜電極接合体８は、電解質膜１と、該電解質膜１の一方の面に接するカソード触媒層２と、電解質膜１の他方の面に接するアノード触媒層３とを有し、カソード触媒層２の電解質膜１側と反対側の面にはカソード拡散層４が積層され、アノード触媒層３の電解質膜１側と反対側の面にはアノード拡散層５が積層されている。そして、カソード拡散層４のカソード触媒層２と反対側の面には前記カソード側セパレータ２２が接しており、アノード拡散層５のアノード触媒層３と反対側の面には前記アノード側セパレータ３２が接している。カソード触媒層２とカソード拡散層４とでカソード電極６が構成され、アノード触媒層３とアノード拡散層５とでアノード電極７が構成される。
【００１７】
図２は、拡散層を含む膜電極接合体８を示す模式図である。図示のように、電解質膜１は、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）あるいは延伸ＰＴＥＦなどである多孔質膜に低ＥＷ値の第１の電解質が含浸されてなる多孔質補強層１２を備える。電解質膜１は、さらに、前記した低ＥＷ値の第１の電解質を含浸した多孔質補強層１２の厚み方向の両面に、第１の電解質のＥＷ値よりも相対的に高いＥＷ値を持つ第２の電解質を含む電解質層１１、１１を積層している。すなわち、電解質膜１は、低ＥＷ値（例えば、ＥＷ値６００〜９００程度）の第１の電解質を含む多孔質補強層１２と、その両側に積層した前記第１の電解質のＥＷ値よりも相対的に高いＥＷ値（例えば、ＥＷ値７００〜１４００程度）を持つ第２の電解質を含む電解質層１１、１１とで構成されている。
【００１８】
用いる電解質は、プロトン伝動性を有し、電子絶縁性であり、ガス不透過性であれば特に制限はないが、一例として、フッ素化アイオノマーが挙げられる。また、異なったＥＷ値の電解質は、例えば、溶融製膜やキャスト成膜を重ね合わせるようにして製造することができる。
【００１９】
カソード触媒層２は、カソード側の発電反応に寄与するものであり、プロトン伝導性をもつ電解質成分と、触媒と、カーボン微粒子（導電性物質）とを有しており、プロトン伝導性、触媒活性、導電性を有する。アノード触媒層３はアノード側の発電反応に寄与するものであり、プロトン伝導性をもつ電解質成分と、触媒と、カーボン微粒子（導電性物質）とを有しており、プロトン伝導性、触媒活性、導電性を有する。
【００２０】
カソード拡散層４とアノード拡散層５は、ガス透過性と電子伝導性を合わせ備えるものであり、カーボンペーパーまたはカーボンクロスのような多孔性カーボン支持体が主に用いられる。また、拡散層は発電時に生成する水の排水性を良好にするために高い撥水性を備えることが望ましく、カーボンペーパーまたはカーボンクロスの表面にポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等の樹脂溶液をコーティングした後、乾燥させる撥水化処理が施されることもある。
【００２１】
上記の構成を持つ燃料電池セル４０は、電解質膜１が、補強層として機能する多孔質補強層１２を備え、かつ、該多孔質補強層１２の両側面に、多孔質補強層１２内に含浸している第１の電解質のＥＷ値よりも相対的に高ＥＷ値である第２の電解質からなる電解質層１１、１１を積層していることから、優れたガス遮断性を有し、水素クロスオーバーを低減することができる。それにより、燃費の向上が図られる。また、多孔質補強層１２が補強層として機能することで、膜電極接合体８の機械的強度および機械的耐久性も確保できる。さらに、単なる３層構造であり、製造も容易である。
【００２２】
また、プロトン伝導律速となる前記多孔質補強層１２の部分で、低ＥＷ値の電解質を用いることで、発電性能が低下する恐れを解消でき、結果として、発電性能の向上がもたらされる。さらに、一般に低ＥＷ値の電解質は、高ＥＷ値の電解質と比較して高コストであるが、高コストの低ＥＷ値電解質の使用は多孔質補強層１２のみとし、比較して使用量が多くなる多孔質補強層１２の両厚さ方向の電解質層１１、１１には、低コストの高ＥＷ値電解質を使用することで、低ＥＷ値電解質の使用量を最低限とすることができ、膜電極接合体８、ひいては燃料電池セル４０の製造コストの低コスト化が可能となる。
【符号の説明】
【００２３】
４０…燃料電池セル、
１…電解質膜、
１１…高ＥＷ値の電解質で構成される電解質層、
１２…低ＥＷ値の電解質を含浸している多孔質膜、
２…カソード触媒層、
４…カソード拡散層、
６…カソード電極、
３…アノード触媒層、
５…アノード拡散層、
７…アノード電極、
８…膜電極接合体（ＭＥＡ）、
２２…カソード側セパレータ、
３２…アノード側セパレータ。
【図１】
2019160702.tif 000003
【図２】
2019160702.tif 000004