(57)【要約】【課題】膜電極接合体と補強層との間に、膜電極接合体を透過した反応ガスの気泡が生じることがある。気泡が生じると補強層が膜電極接合体から剥離して膜電極接合体を補強できなくなるため、膜電極接合体が変形するおそれがある。【解決手段】燃料電池は、膜電極接合体と、第１ガス拡散層と、第２ガス拡散層と、第１セパレータと、第２セパレータと、第１シール層と、第２シール層と、第１ガス拡散層と第１シール層との間における膜電極接合体の面に配置されている膜電極接合体の機械的強度を補強する補強層であって、気体の透過を許容する補強層と、を備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池であって、
電解質膜の両面に電極触媒層が形成されている膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の一方の面に配置されている第１ガス拡散層と、
前記膜電極接合体の他方の面に配置されている第２ガス拡散層と、
前記膜電極接合体の前記一方の面に前記第１ガス拡散層を介して配置されている第１セパレータと、
前記膜電極接合体の前記他方の面に前記第２ガス拡散層を介して配置されている第２セパレータと、
前記膜電極接合体の外周縁と前記第１セパレータとの間を封止する第１シール層と、
前記膜電極接合体の外周縁と前記第２セパレータとの間を封止する第２シール層と、
前記第１ガス拡散層と前記第１シール層との間における前記膜電極接合体の面に配置されている前記膜電極接合体の機械的強度を補強する補強層であって、気体の透過を許容する補強層と、
を備える燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガス拡散層とシール層との間に生じる膜電極接合体が露出する隙間に補強層を設け、膜電極接合体の変形の抑制または防止を図る燃料電池が知られている（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１６−１５２１０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、従来の燃料電池では、膜電極接合体と補強層との間に、膜電極接合体を透過した反応ガスの気泡が生じることがある。気泡が生じると補強層が膜電極接合体から剥離して膜電極接合体を補強できなくなるため、膜電極接合体が変形するおそれがある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
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、以下の形態として実現することが可能である。
【０００６】
（１）本発明の一形態によれば、燃料電池が提供される。この燃料電池は、電解質膜の両面に電極触媒層が形成されている膜電極接合体と；前記膜電極接合体の一方の面に配置されている第１ガス拡散層と；前記膜電極接合体の他方の面に配置されている第２ガス拡散層と；前記膜電極接合体の前記一方の面に前記第１ガス拡散層を介して配置されている第１セパレータと；前記膜電極接合体の前記他方の面に前記第２ガス拡散層を介して配置されている第２セパレータと；前記膜電極接合体の外周縁と前記第１セパレータとの間を封止する第１シール層と；前記膜電極接合体の外周縁と前記第２セパレータとの間を封止する第２シール層と；前記第１ガス拡散層と前記第１シール層との間における前記膜電極接合体の面に配置されている前記膜電極接合体の機械的強度を補強する補強層であって、気体の透過を許容する補強層と；を備える。この形態の燃料電池によれば、膜電極接合体と補強層との間に反応ガスの気泡が生じることを抑制または防止できるため、補強層が膜電極接合体から剥離せず、膜電極接合体の変形を抑制または防止することができる。
【０００７】
本発明は、燃料電池以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、燃料電池の製造方法等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】燃料電池の概略構成を示す説明図。
【図２】第１実施形態としての燃料電池のII−II線断面図。
【図３】通気孔の第１の態様を示す図。
【図４】通気孔の第２の態様を示す図。
【図５】通気孔の第３の態様を示す図。
【図６】比較例としての気泡による補強層の剥離を示す模式図。
【図７】第２実施形態としての燃料電池のII−II線断面図。
【図８】第３実施形態としての燃料電池のII−II線断面での補強層の部分拡大図。
【図９】第４実施形態としての燃料電池のII−II線断面図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
Ａ．第１実施形態
図１は、燃料電池１０の概略構成を示す説明図である。燃料電池１０は、第１セパレータ４１、第１ガス拡散層３１、膜電極接合体２０、第２ガス拡散層３２、第２セパレータ４２の順に積層された構造を有している。膜電極接合体２０と、第１ガス拡散層３１と、第２ガス拡散層３２と、第１セパレータ４１と、第２セパレータ４２とは、それぞれ矩形状の形態を有している。第１セパレータ４１と第２セパレータ４２との間の膜電極接合体２０の外周にはフレーム５１が配置されている。フレーム５１は、矩形の枠形状を有している。
【００１０】
燃料電池１０の反応ガスとしては、燃料ガスである水素ガスと、酸化ガスである空気とが用いられる。燃料電池１０の一方の端部には、水素供給孔１１と、冷却水供給孔１２と、空気供給孔１３とが、形成されている。水素供給孔１１は、図１における上側の角部に形成されている。空気供給孔１３は、図１における下側の角部に形成されている。冷却水供給孔１２は、水素供給孔１１と空気供給孔１３との間に形成されている。水素供給孔１１と、冷却水供給孔１２と、空気供給孔１３とは、積層された状態で各供給マニホールドを形成する。燃料電池１０の他方の端部には、水素排出孔１４と、冷却水排出孔１５と、空気排出孔１６とが、形成されている。水素排出孔１４は、図１における下側の角部に形成されている。空気排出孔１６は、図１における上側の角部に形成されている。冷却水排出孔１５は、水素排出孔１４と空気排出孔１６との間に形成されている。水素排出孔１４と、冷却水排出孔１５と、空気排出孔１６とは、積層された状態で各排出マニホールドを形成する。
【００１１】
図２は、第１実施形態としての燃料電池のII−II線断面図である。図２を用いて燃料電池１０の外周端部の構成を説明する。第２ガス拡散層３２の外周端部は、第１ガス拡散層３１の外周端部よりも長い。尚、第１ガス拡散層３１の外周端部が、第２ガス拡散層３２の外周端部よりも長くてもよい。
【００１２】
膜電極接合体２０は、電解質膜２１と、第１電極触媒層２２と、第２電極触媒層２３とを備えている。電解質膜２１の両面には、電極触媒層が形成されている。本実施形態では、第１電極触媒層２２をカソード側、第２電極触媒層２３をアノード側とする。膜電極接合体２０は、第１電極触媒層２２に空気が供給され、第２電極触媒層２３に水素ガスが供給されると、電気化学反応により起電力を生じる。電解質膜２１としては、プロトン伝導性に優れるフッ素形樹脂などの固体高分子材料で形成された膜、例えば、ナフィオン（登録商標）を用いることができる。第１電極触媒層２２および第２電極触媒層２３としては、例えば、カーボン粒子に白金などの触媒を担持させた触媒層を用いることができる。尚、第１電極触媒層２２をアノード側、第２電極触媒層２３をカソード側としてもよい。
【００１３】
第１ガス拡散層３１および第２ガス拡散層３２としては、例えば、カーボンクロスやカーボンペーパーなどの気体透過性および導電性を有する材料を用いることができる。
【００１４】
第１セパレータ４１および第２セパレータ４２は、燃料電池１０の集電部としての機能を備えている。第１セパレータ４１および第２セパレータ４２としては、例えば、ステンレス鋼やチタンなどのガスバリア性および導電性を有する金属プレートを用いることができる。
【００１５】
フレーム５１は、膜電極接合体２０の外周縁の変形を抑制する樹脂性のフレームである。フレーム５１は、第１セパレータ４１と第２セパレータ４２との間における短絡防止のために電気絶縁性を有している。フレーム５１の一方の面と第１セパレータ４１との間には、第１シール層５２が配置されている。フレーム５１の他方の面と第２セパレータ４２との間には、第２シール層５３が配置されている。第１シール層５２および第２シール層５３は、フレーム５１の外周縁の全周に亘って配置されている。第１シール層５２の内周端部は、膜電極接合体２０を介して第２ガス拡散層３２の外周端部と重なっている。フレーム５１としては、例えば、エポキシ、ナイロン、フェノールなどの熱硬化性樹脂、もしくは、ポリプロピレン、ポリエチレンなどの熱可塑性樹脂を用いることができる。
【００１６】
第１シール層５２は、膜電極接合体２０の外周縁と第１セパレータ４１との間を封止する。第２シール層５３は、膜電極接合体２０の外周縁と第２セパレータ４２との間を封止する。第１シール層５２および第２シール層５３としては、例えば、接着性を付与した熱可塑性樹脂を用いることができる。尚、本実施形態では、フレーム５１と、第１シール層５２と、第２シール層５３とが、別部材により構成されているが、フレーム５１と、第１シール層５２と、第２シール層５３とは、ガスバリア性と電気絶縁性とを備える材料を用いて一体成形とされてもよい。
【００１７】
第１ガス拡散層３１の外周端と、第１シール層５２の内周端との間には、膜電極接合体２０が露出する第１隙間７１が生じている。第２ガス拡散層３２の外周端と、第２シール層５３の内周端との間には、膜電極接合体２０が露出する第２隙間７２が生じている。第１隙間７１は、第２隙間７２よりも大きい。膜電極接合体２０の、第１隙間７１が形成されている側と反対の側の面は、第２ガス拡散層３２により覆われている。膜電極接合体２０の、第２隙間７２が形成されている側と反対の側の面は、第１シール層５２により覆われている。
【００１８】
第１隙間７１には、膜電極接合体２０が露出する面を覆うように補強層８１ａが配置されている。補強層８１ａは、膜電極接合体２０の機械的強度を補強する。補強層８１ａは、通気孔８２を備えている。通気孔８２は、補強層８１ａに水素ガスの透過を許容させ、膜電極接合体２０と補強層８１ａとの間に気泡が生じることを抑制または防止する。尚、本明細書において、「透過」とは、気体が補強層８１ａに形成された通気孔８２を通り抜けることと、気体が補強層８１ａの内部を通り抜けることとの両方を意味する。補強層８１ａとしては、例えば、ＰＩＢ（ポリイソブチレン）、ＮＢＲ（ニトリルゴム）、ＥＰＤＭ（エチレン・プロピレンゴム）、シリコーンゴム、フッ素ゴム、その他硬化してもゴム弾性を有し、あるいはゲル状である高分子材料を用いることができる。補強層８１ａに通気孔８２を形成するためには、例えば、スクリーン印刷やオフセット印刷を用いて、膜電極接合体２０の面に補強層８１ａの前駆体を印刷した後、補強層８１ａの前駆体を硬化させる方法を用いることができる。他に、膜電極接合体２０の面に通気孔８２の形態のマスキングを施し、補強層８１ａの前駆体をディスペンサー、スクリーン、ロール、アプリケーター、スリットダイなどにより塗布し、硬化後にマスキングを取り除いてもよい。補強層８１ａの前駆体を、スクリーン印刷やオフセット印刷などを用いて通気孔８２を形成するよう転写用機材に塗布し、転写用機材から膜電極接合体２０に転写してもよい。補強層８１ａの前駆体に、昇華性あるいは水溶性の造孔剤微粒子を混練し、この混練物をディスペンサー、スクリーン、ロール、アプリケーター、スリットダイなどにより膜電極接合体２０の面に塗布した後、造孔剤微粒子を昇華あるいは水溶除去してもよい。尚、補強層８１ａは、第１隙間７１と、第２隙間７２との両方に配置されていてもよい。
【００１９】
図３は、通気孔の第１の態様を示す図である。図３は、燃料電池１０の積層方向から通気孔８２ａを見た図である。第１の形態では、通気孔８２ａはジグザグの溝形状を有している。ジグザグの溝形状とすることにより、第１ガス拡散層３１の外周縁に平行な直線の溝形状とした場合に比べて、第１ガス拡散層３１の外周縁に平行な軸周りの曲げに対して強い形状となる。溝形状の幅は、気泡が生じることを抑制できる範囲で最小限とすることが望ましく、例えば、０．０３〜０．５ｍｍとすることができる。
【００２０】
図４は、通気孔の第２の態様を示す図である。図４は、燃料電池１０の積層方向から通気孔８２ｂを見た図である。第２の態様では、通気孔８２ｂはスリット形状を有している。スリットの幅は、気泡が生じることを抑制できる範囲で最小限とすることが望ましく、例えば、０．０３〜０．５ｍｍとすることができる。
【００２１】
図５は、通気孔の第３の態様を示す図である。図５は、燃料電池１０の積層方向から通気孔８２ｃを見た図である。第３の態様では、通気孔８２ｃは多数丸孔形状を有している。それぞれの丸孔の直径は、気泡が生じることを抑制できる範囲で最小限とすることが望ましく、例えば、０．０３〜０．５ｍｍとすることができる。
【００２２】
通気孔８２の態様は、図３から図５に示すものに限られず、膜電極接合体２０と補強層８１ａとの間に気泡が生じることを抑制できる態様であればよい。
【００２３】
図１と図２とを用いて、燃料電池１０内における空気の流れを説明する。空気供給孔１３から供給された空気は、第１セパレータ４１に形成された第１ガス流路６１を通り、第１ガス拡散層３１を介して、第１電極触媒層２２に供給される。発電に用いられなかった空気は、第１セパレータ４１に形成された第１ガス流路６１を通り、空気排出孔１６から燃料電池１０外に排出される。燃料電池１０内における水素ガスの流れを説明する。水素供給孔１１から供給された水素ガスは、第２セパレータ４２に形成された第２ガス流路６２を通り、第２ガス拡散層３２を介して、第２電極触媒層２３に供給される。発電に用いられなかった水素ガスは、第２セパレータ４２に形成された第２ガス流路６２を通り、水素排出孔１４から燃料電池１０外に排出される。水素ガスの一部は、膜電極接合体２０を透過する場合がある。膜電極接合体２０を透過した水素ガスは、補強層８１ａに形成されている通気孔８２を介して第１ガス流路６１に拡散し、空気排出孔１６から燃料電池１０外に排出される。このため、膜電極接合体２０と補強層８１ａとの間に、膜電極接合体２０を透過した水素ガスの気泡は生じない。
【００２４】
図６は、比較例としての気泡による補強層の剥離を示す模式図である。補強層８１ｄが通気孔を備えていない場合、膜電極接合体２０と補強層８１ｄとの間に、膜電極接合体２０を透過した水素ガス９１の気泡９２が生じることがある。気泡９２が生じると補強層８１ｄが膜電極接合体２０から剥離して膜電極接合体２０の機械的強度を補強できなくなるため、膜電極接合体２０が変形するおそれがある。尚、本実施形態では、第１電極触媒層２２をカソード側、第２電極触媒層２３をアノード側としているため、気泡を生じるのは水素ガスであるが、第１電極触媒層２２をアノード側、第２電極触媒層２３をカソード側とした場合には、気泡を生じるのは空気となる。
【００２５】
以上、説明したとおり、第１実施形態の補強層８１ａは、通気孔８２を備えているので、膜電極接合体２０を透過した水素ガスは、通気孔８２を介して第１セパレータ４１側に透過する。したがって、膜電極接合体２０と補強層８１ａとの間に水素ガスの気泡が生じることを抑制または防止できる。その結果、補強層８１ａは、膜電極接合体２０から剥離せず、機械的強度の補強を維持でき、膜電極接合体２０の変形を抑制または防止することができる。尚、燃料電池１０の性能向上のために、膜電極接合体２０の薄膜化が検討されている。この場合、膜電極接合体２０の機械的強度が低下し、水素ガスの透過量も増加するが、第１実施形態の補強層８１ａによれば、機械的強度の補強と、気泡の抑制または防止とを両立でき、膜電極接合体２０の変形を抑制または防止することができる。
【００２６】
Ｂ．第２実施形態
図７は、第２実施形態としての燃料電池１０のII−II線断面図である。第２実施形態の燃料電池１０では、補強層８１ｂに通気孔８２が形成されておらず、補強層８１ｂが気体透過性を備える材料で形成されている点で相違し、他の構成は第１実施形態と同じである。
【００２７】
補強層８１ｂとしては、例えば、シリコーンゴム、ＳＢＲ（スチレン・ブタジエンゴム）、ＮＲ（天然ゴム）、その他硬化してもゴム弾性を有し、あるいはゲル状で、かつ膜電極接合体２０よりも水素ガス透過係数の大きい高分子材料を用いることができる。
【００２８】
補強層８１ｂを膜電極接合体２０の面に形成するためには、補強層８１ｂの前駆体をスクリーン印刷により膜電極接合体２０に印刷した後、補強層８１ｂの前駆体を硬化させる方法を用いることができる。補強層８１ｂの前駆体を膜電極接合体２０の面に形成するには、他には、例えば、ディスペンサー、ロール、アプリケーター、スリットダイなどを用いて行ってもよい。
【００２９】
第２実施形態では、補強層８１ｂ自体が気体透過性を備えているので、膜電極接合体２０を透過した水素ガスは、補強層８１ｂの内部を介して第１セパレータ４１側に透過する。したがって、膜電極接合体２０と補強層８１ｂとの間に水素ガスの気泡が生じることを抑制または防止できる。その結果、補強層８１ｂが膜電極接合体２０から剥離せず、膜電極接合体２０の変形を抑制または防止することができる。
【００３０】
Ｃ．第３実施形態
図８は、第３実施形態としての燃料電池１０のII−II線断面での補強層の部分拡大図である。第３実施形態の燃料電池１０では、補強層８１ｃに通気孔８２が形成されておらず、補強層８１ｃは気体透過性を備える添加材８３が混練された材料で形成されている点で相違し、他の構成は第１実施形態と同じである。
【００３１】
補強層８１ｃとしては、例えば、ＰＩＢ（ポリイソブチレン）、ＮＢＲ（ニトリルゴム）、ＥＰＤＭ（エチレン・プロピレンゴム）、シリコーンゴム、フッ素ゴム、その他硬化してもゴム弾性を有し、あるいはゲル状である高分子材料を用いることができる。
【００３２】
添加材８３としては、例えば、シリコーンゴム、ＳＢＲ（スチレン・ブタジエンゴム）、ＮＲ（天然ゴム）、その他硬化してもゴム弾性を有し、あるいはゲル状で、かつ膜電極接合体２０よりも水素ガス透過係数の大きい高分子材料を用いることができる。
【００３３】
補強層８１ｃを膜電極接合体２０の面に形成するためには、補強層８１ｃの前駆体を、スクリーン印刷により膜電極接合体２０に印刷した後、補強層８１ｃの前駆体を硬化させる方法を用いることができる。補強層８１ｃの前駆体を膜電極接合体２０の面に形成するには、他には、例えば、ディスペンサー、ロール、アプリケーター、スリットダイなどを用いて行ってもよい。
【００３４】
第３実施形態では、補強層８１ｃに混練された添加材８３が気体透過性を備えているので、膜電極接合体２０を透過した水素ガスは、補強層８１ｃに混練された添加材８３の内部を介して第１セパレータ４１側に透過する。したがって、膜電極接合体２０と補強層８１ｃとの間に水素ガスの気泡が生じることを抑制または防止できる。その結果、補強層８１ｃが膜電極接合体２０から剥離せず、膜電極接合体２０の変形を抑制または防止することができる。
【００３５】
Ｄ．第４実施形態
図９は、第４実施形態としての燃料電池１０のII−II線断面図である。第４実施形態の燃料電池１０では、第１ガス拡散層３１の外周縁と第２ガス拡散層３２の外周縁とが一致している点で相違し、他の構成は第１実施形態と同じである。
【００３６】
本発明は、上述の実施形態や実施例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。例えば、上記第４実施形態の燃料電池を適用例１とし、
適用例２：適用例１に記載の燃料電池であって、
前記第２ガス拡散層の外周縁は前記第１ガス拡散層の外周縁の外側まで延伸している、燃料電池。
適用例３：適用例１または適用例２に記載の燃料電池であって、
前記保護層は通気孔を備えている、燃料電池。
【符号の説明】
【００３７】
１０…燃料電池
１１…水素供給孔
１２…冷却水供給孔
１３…空気供給孔
１４…水素排出孔
１５…冷却水排出孔
１６…空気排出孔
２０…膜電極接合体
２１…電解質膜
２２…第１電極触媒層
２３…第２電極触媒層
３１…第１ガス拡散層
３２…第２ガス拡散層
４１…第１セパレータ
４２…第２セパレータ
５１…フレーム
５２…第１シール層
５３…第２シール層
６１…第１ガス流路
６２…第２ガス流路
７１…第１隙間
７２…第２隙間
８１ａ，８１ｂ，８１ｃ，８１ｄ…補強層
８２，８２ａ，８２ｂ，８２ｃ…通気孔
８３…添加材
９１…水素ガス
９２…気泡
【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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【図８】
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【図９】
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