(57)【要約】【課題】発電性能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】アノード及びカソード、並びに、アノード及びカソードの間に配設される電解質膜を備える構造体と、構造体のアノード側へ配設される第１セパレータと、構造体のカソード側へ配設される第２セパレータと、を具備し、第１セパレータ及び／又は第２セパレータに、炭素含有材料を含有する緻密部が備えられ、かつ、該緻密部の少なくとも一部が第１セパレータ及び／又は第２セパレータの構造体側の表面に配され、少なくとも、緻密部の表面に、水電解触媒が備えられる、燃料電池とする。【選択図】図１
2008171600.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノード及びカソード、並びに、前記アノード及び前記カソードの間に配設される電解質膜を備える構造体と、前記構造体の前記アノード側へ配設される第１セパレータと、前記構造体の前記カソード側へ配設される第２セパレータと、を具備し、
前記第１セパレータ及び／又は前記第２セパレータに、炭素含有材料を含有する緻密部が備えられ、かつ、該緻密部の少なくとも一部が前記第１セパレータ及び／又は前記第２セパレータの前記構造体側の表面に配され、
少なくとも、前記緻密部の前記表面に、水電解触媒が備えられることを特徴とする、燃料電池。
【請求項２】
前記第１セパレータに前記緻密部が備えられるとともに、前記第１セパレータに備えられる前記緻密部の前記表面に、第１反応ガス流路が備えられ、前記第１反応ガス流路の少なくとも表面に、前記水電解触媒が備えられ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】
前記第２セパレータに前記緻密部が備えられるとともに、前記第２セパレータに備えられる前記緻密部の前記表面に、第２反応ガス流路が備えられ、前記第２反応ガス流路の少なくとも表面に、前記水電解触媒が備えられ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】
アノード及びカソード、並びに、前記アノード及び前記カソードの間に配設される電解質膜を備える構造体と、前記構造体の前記アノード側へ配設される第１セパレータと、前記構造体の前記カソード側へ配設される第２セパレータと、を具備する燃料電池を製造する方法であって、
前記電解質膜の一方の面に前記アノードを、前記電解質膜の他方の面に前記カソードを、それぞれ配設する過程を経て、前記構造体を作製する、第１工程と、
炭素含有材料と熱硬化性樹脂と水電解触媒とを混合して組成物を作製する、第２工程と、
前記第１セパレータの表面の少なくとも一部、及び／又は、前記第２セパレータの表面の少なくとも一部に、前記第２工程によって作製された前記組成物を用いて、前記炭素含有材料及び前記水電解触媒を含有する緻密部を成形する、第３工程と、
前記第１工程によって作製された前記構造体の前記アノード側の面と、前記第３工程を経た前記第１セパレータの前記表面とが面するように、前記第１セパレータを前記構造体の前記アノード側へと配設するとともに、前記第１工程によって作製された前記構造体の前記カソード側の面と、前記第３工程を経た前記第２セパレータの前記表面とが面するように、前記第２セパレータを前記構造体の前記カソード側へと配設する、セパレータ配設工程と、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】
前記構造体の前記アノード側の面と面するべき前記第１セパレータの前記表面に成形された前記緻密部の表面、及び／又は、前記構造体の前記カソード側の面と面するべき前記第２セパレータの前記表面に成形された前記緻密部の表面に、前記水電解触媒が備えられない場合には、さらに、成形された前記第１セパレータの前記緻密部の前記表面、及び／又は、前記第２セパレータの前記緻密部の前記表面へ前記水電解触媒を出現させる工程が、前記第３工程に備えられることを特徴とする、請求項４に記載の燃料電池の製造方法。
【請求項６】
前記第３工程で前記第１セパレータの前記表面に前記緻密部が成形されるとともに、前記第１セパレータの前記表面に成形された前記緻密部の表面に第１反応ガス流路が備えられ、前記第１反応ガス流路の少なくとも表面に前記水電解触媒が備えられる前記第１セパレータが、前記セパレータ配設工程で、前記構造体の前記アノード側へと配設されることを特徴とする、請求項４又は５に記載の燃料電池の製造方法。
【請求項７】
前記第３工程で前記第２セパレータの前記表面に前記緻密部が成形されるとともに、前記第２セパレータの前記表面に成形された前記緻密部の表面に第２反応ガス流路が備えられ、前記第２反応ガス流路の少なくとも表面に前記水電解触媒が備えられる前記第２セパレータが、前記セパレータ配設工程で、前記構造体の前記カソード側へと配設されることを特徴とする、請求項４〜６のいずれか１項に記載の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、電気自動車の動力源や携帯用電源等として利用可能な燃料電池、及び、当該燃料電池の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電解質と、当該電解質の両側に配置される電極（アノード及びカソード）とを備える膜電極構造体（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。）は、低温領域での運転が可能である。また、ＰＥＦＣは、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、電気自動車の動力源や携帯用電源として注目されている。
【０００３】
ＰＥＦＣの単セルは、電解質膜、少なくとも触媒層を備えるカソード及びアノードを具備し、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、単セルを直列に積層して積層体を形成し、この積層体における積層方向の両端にエンドプレート等を配置して形成されるスタック形態の燃料電池が使用されている。
【０００４】
ＰＥＦＣにおける電気発生の源となる電気化学反応は、例えば以下の工程で進行する。まず、アノードへと届けられた水素は、触媒（例えば、白金担持カーボン等）の存在下、水素イオンと電子とに分解される。
アノード側：Ｈ２ → ２Ｈ＋ ＋ ２ｅ−                          （式１）
そして、発生した水素イオン（以下、「プロトン」ということがある。）は、湿潤状態でイオン伝導性能を発現する電解質膜を通過して、カソードへと移動する。電解質膜はイオンのみを通過させる性質を有するため、発生した電子は電解質膜を通過することができず、外部の回路を通ってカソードへと移動する。燃料電池においては、かかる電子の移動により、電気が発生する。一方で、カソードへと届けられた酸素が、カソードへと移動してきたプロトン及び電子と反応することにより、水が生成される。
カソード側：２Ｈ＋ ＋ ２ｅ− ＋ (１／２)Ｏ２ → Ｈ２Ｏ        （式２）
【０００５】
ところで、ＰＥＦＣを作動させると、セル内部は様々なガス状態となるため、燃料（水素）が欠乏してアノードが高電位状態（例えば、１．５Ｖ等の電位状態。以下において同じ。）に曝される恐れがある。高電位状態になると、アノードの構成材料（例えば、白金、カーボン等）が劣化し、ＰＥＦＣの性能が低下するため、燃料欠乏時における材料劣化を抑制することが望まれる。
【０００６】
燃料欠乏時における材料劣化等を抑制することにより燃料電池の性能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、水素欠乏時にアノード触媒の担体が腐食されるのを防止するため、電極触媒に水電解触媒を混合する技術が開示されており、この技術によれば、燃料電池の電池反転に対する耐性をより強力にすることができる、としている。
【０００７】
また、特許文献２には、高分子固体電解質形燃料電池の燃料極において、高分子固体電解質膜に接し、燃料電池反応を進行させる少なくとも１層の反応層と、拡散層に接し、燃料極中の水を電気分解する少なくとも１層の水分解層と、からなることを特徴とする高分子固体電解質形燃料電池の燃料極に関する技術が開示されている。この技術によれば、燃料の欠乏が生じても電極特性の低下を起こし難い高分子固体電解質形燃料電池の燃料極を提供できる、としている。なお、特許文献２における「高分子固体電解質形燃料電池」は上記ＰＥＦＣに相当し、「燃料極」は上記アノードに相当する。
【０００８】
【特許文献１】特表２００３−５０８８７７号公報
【特許文献２】特開２００４−２２５０３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、特許文献１及び特許文献２に開示されている技術により、電極内に水電解触媒を配置しても、セパレータに水電解触媒が配置されていないため、特にセパレータの損傷を抑制することが困難となり、材料劣化を抑制し難いという問題があった。
【００１０】
そこで本発明は、発電性能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。より具体的には、高電圧状態に曝された場合であっても材料劣化を抑制す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】
【００１１】
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、
第１の本発明は、アノード及びカソード、並びに、アノード及びカソードの間に配設される電解質膜を備える構造体と、構造体のアノード側へ配設される第１セパレータと、構造体のカソード側へ配設される第２セパレータと、を具備し、第１セパレータ及び／又は第２セパレータに、炭素含有材料を含有する緻密部が備えられ、かつ、該緻密部の少なくとも一部が第１セパレータ及び／又は第２セパレータの構造体側の表面に配され、少なくとも、緻密部の表面に、水電解触媒が備えられることを特徴とする、燃料電池である。
【００１２】
ここに、本発明における「構造体」は、アノード及びカソードに触媒層のみが備えられ、アノードに備えられる触媒層（以下、「アノード触媒層」という。）と第１セパレータとが接し、カソードに備えられる触媒層（以下、「カソード触媒層」という。）と第２セパレータとが接する場合（以下、本段落において「第１形態」という。）には、ＭＥＡに相当する。これに対し、反応ガスをＭＥＡへと均一に供給させやすくする等の目的で、アノード及び／又はカソードにガス拡散層や撥水層が備えられる場合（以下、本段落において「第２形態」という。）、本発明における構造体は、ＭＥＡとガス拡散層及び／又は撥水層とを備える積層体に相当する。さらに、本発明において、「構造体のアノード側に配設される第１セパレータ」とは、上記第１形態の場合には、アノードと第１セパレータとが面するように第１セパレータが配設されることを意味し、上記第２形態の場合には、アノードの外側に配設されるガス拡散層及び／又は撥水層が、第１セパレータとアノードとによって狭持される形態で第１セパレータが配設されることを意味する。さらに、本発明において、「構造体のカソード側に配設される第２セパレータ」とは、上記第１形態の場合には、カソードと第２セパレータとが面するように第２セパレータが配設されることを意味し、上記第２形態の場合には、カソードの外側に配設されるガス拡散層及び／又は撥水層が、第２セパレータとカソードとによって狭持される形態で第２セパレータが配設されることを意味する。さらに、本発明において、「第１セパレータ及び／又は第２セパレータに、炭素含有材料を含有する緻密部が備えられ」とは、第１セパレータ又は第２セパレータの一方にのみ緻密部が備えられる形態のほか、第１セパレータ及び第２セパレータの両方に緻密部が備えられる形態を採り得ることを意味する。さらに、本発明における「緻密部」（以下、「本発明の緻密部」ということがある。）の構成材料は、当該緻密部内へのガスの拡散を防止し得る、高耐食性の炭素含有導電性材料であれば特に限定されるものではない。
さらに、第１セパレータに緻密部が備えられる場合、本発明の第１セパレータは、本発明の緻密部のみによって構成される形態のほか、本発明の緻密部及び他の緻密部が備えられる形態を採り得る。さらに、第２セパレータに緻密部が備えられる場合、本発明の第２セパレータは、本発明の緻密部のみによって構成される形態のほか、本発明の緻密部及び他の緻密部が備えられる形態を採り得る。さらに、「該緻密部の少なくとも一部が第１セパレータ及び／又は第２セパレータの構造体側の表面に配され」とは、構造体と接する側の第１セパレータの表面、及び／又は、構造体と接する側の第２セパレータの表面に、本発明の緻密部が配されることを意味する。構造体と接する側の第１セパレータの表面に本発明の緻密部が配される場合、当該第１セパレータの表面は、本発明の緻密部のみによって構成される形態のほか、当該第１セパレータの表面の一部のみが本発明の緻密部によって構成される形態を採り得る。一方、構造体と接する側の第２セパレータの表面に本発明の緻密部が配される場合、当該第２セパレータの表面は、本発明の緻密部のみによって構成される形態のほか、当該第２セパレータの表面の一部のみが本発明の緻密部によって構成される形態を採り得る。
さらに、本発明において、「水電解触媒」とは、水の電気分解反応が生じ得る電位環境において、上記式１、式２で表わされる電気分解反応の進行に寄与する触媒（例えば、白金等。以下、「通常触媒」という。）よりも水の電気分解反応を生じさせやすい触媒を意味する。通常触媒が白金である場合、水電解触媒の具体例としては、Ｉｒ、ＩｒＯ２等のＩｒ系材料や、ＲｕＯ２等のＲｕ系材料の他、これらの複合物等を挙げることができる。ここで、水電解触媒は、導電性担体に担持されていても良い。当該導電性担体の具体例としては、炭素や酸化チタン等を挙げることができる。さらに、「少なくとも、緻密部の表面に、水電解触媒が備えられる」とは、燃料電池の運転時に構造体に含有される水と接触可能な緻密部の表面に、水電解触媒が備えられることを意味する。
【００１３】
上記第１の本発明において、第１セパレータに緻密部が備えられるとともに、第１セパレータに備えられる緻密部の表面に、第１反応ガス流路が備えられ、第１反応ガス流路の少なくとも表面に、水電解触媒が備えられることが好ましい。
【００１４】
ここに、本発明における「第１反応ガス流路」は、水素含有ガスを流通させ得る、構造体側に開口した開口部を有する通路を意味し、第１セパレータに本発明の緻密部のみが備えられる場合には、本発明の緻密部に形成された凹部及び／又は孔を第１反応ガス流路とすることができる。このほか、第１セパレータに本発明の緻密部及び他の緻密部が備えられる場合には、例えば、本発明の緻密部に形成された凹部及び／又は孔と、他の緻密部に形成された凹部及び／又は孔を第１反応ガス流路として機能させることができる。さらに、本発明において、「第１反応ガス流路の少なくとも表面に、水電解触媒が備えられる」とは、少なくとも、燃料電池の運転時に構造体に含有される水と接触可能な第１反応ガス流路の表面に、水電解触媒が備えられることを意味する。
【００１５】
また、上記第１の本発明において、第２セパレータに緻密部が備えられるとともに、第２セパレータに備えられる緻密部の表面に、第２反応ガス流路が備えられ、第２反応ガス流路の少なくとも表面に、水電解触媒が備えられることが好ましい。
【００１６】
ここに、「第２反応ガス流路」とは、酸素含有ガスを流通させ得る、構造体側に開口した開口部を有する通路を意味し、第２セパレータに本発明の緻密部のみが備えられる場合には、第２セパレータに形成された凹部及び／又は孔を第２反応ガス流路とすることができる。このほか、第２セパレータに本発明の緻密部及び他の緻密部が備えられる場合には、例えば、本発明の緻密部に形成された凹部及び／又は孔と、他の緻密部に形成された凹部及び／又は孔を第２反応ガス流路として機能させることができる。さらに、本発明において、「第２反応ガス流路の少なくとも表面に、水電解触媒が備えられる」とは、少なくとも、燃料電池の運転時に構造体に含有される水と接触可能な第２反応ガス流路の表面に、水電解触媒が備えられることを意味する。
【００１７】
第２の本発明は、アノード及びカソード、並びに、アノード及びカソードの間に配設される電解質膜を備える構造体と、構造体のアノード側へ配設される第１セパレータと、構造体のカソード側へ配設される第２セパレータと、を具備する燃料電池を製造する方法であって、電解質膜の一方の面にアノードを、電解質膜の他方の面にカソードを、それぞれ配設する過程を経て、構造体を作製する、第１工程と、炭素含有材料と熱硬化性樹脂と水電解触媒とを混合して組成物を作製する、第２工程と、第１セパレータの表面の少なくとも一部、及び／又は、第２セパレータの表面の少なくとも一部に、第２工程によって作製された組成物を用いて、炭素含有材料及び水電解触媒を含有する緻密部を成形する、第３工程と、第１工程によって作製された構造体の前記アノード側の面と、第３工程を経た第１セパレータの上記表面とが面するように、第１セパレータを構造体のアノード側へと配設するとともに、第１工程によって作製された構造体のカソード側の面と、第３工程を経た第２セパレータの上記表面とが面するように、第２セパレータを構造体のカソード側へと配設する、セパレータ配設工程と、を備えることを特徴とする、燃料電池の製造方法である。
【００１８】
ここに、「熱硬化性樹脂」は、炭素含有材料及び水電解触媒を含有する緻密部（上記第１の本発明における本発明の緻密部に相当。）を備えるセパレータ（上記第１の本発明における第１セパレータ、第２セパレータに相当。以下、第１セパレータ及び第２セパレータをまとめて単に「セパレータ」ということがある。）を作製する際にバインダーとして機能し、炭素含有材料と熱硬化性樹脂と水電解触媒とを混合して作製した組成物を、例えば熱プレスすることにより、本発明の緻密部を表面に有するセパレータを成形し得るものであれば、特に限定されるものではない。熱硬化性樹脂の具体例としては、フェノール樹脂等を挙げることができる。さらに、「第１工程によって作製された構造体のアノード側の面と、第３工程を経た第１セパレータの上記表面とが面するように、第１セパレータを構造体のアノード側へと配設する」とは、第３工程で第１セパレータの表面に緻密部が成形される場合には、構造体のアノード側の面と当該緻密部とが面するように、構造体のアノード側へ第１セパレータを配設することを意味する。これに対し、第３工程で第１セパレータの表面に緻密部が成形されない場合には、構造体のアノード側の面と緻密部が成形されていない第１セパレータの表面とが面するように、構造体のアノード側へ第１セパレータを配設することを意味する。さらに、「第１工程によって作製された構造体のカソード側の面と、第３工程を経た第２セパレータの上記表面とが面するように、第２セパレータを構造体のカソード側へと配設する」とは、第３工程で第２セパレータの表面に緻密部が成形される場合には、構造体のカソード側の面と当該緻密部とが面するように、構造体のカソード側へ第２セパレータを配設することを意味する。これに対し、第３工程で第２セパレータの表面に緻密部が成形されない場合には、構造体のカソード側の面と緻密部が成形されていない第２セパレータの表面とが面するように、構造体のカソード側へ第２セパレータを配設することを意味する。
【００１９】
上記第２の本発明において、構造体のアノード側の面と面するべき第１セパレータの上記表面に成形された緻密部の表面、及び／又は、構造体のカソード側の面と面するべき第２セパレータの上記表面に成形された緻密部の表面に、水電解触媒が備えられない場合には、さらに、成形された第１セパレータの緻密部の表面、及び／又は、第２セパレータの緻密部の表面へ水電解触媒を出現させる工程が、第３工程に備えられることが好ましい。
【００２０】
ここに、「構造体のアノード側の面と面するべき第１セパレータの上記表面に成形された緻密部の表面、及び／又は、構造体のカソード側の面と面するべき第２セパレータの上記表面に成形された緻密部の表面」とは、上記第３工程で第１セパレータの表面にのみ緻密部が成形されている場合（以下、本段落において「形態１」という。）には、構造体に含有される水と接触可能な、第１セパレータに備えられる緻密部の表面を意味する。一方、上記第３工程で第２セパレータの表面にのみ緻密部が成形されている場合（以下、本段落において「形態２」という。）には、構造体に含有される水と接触可能な、第２セパレータに備えられる緻密部の表面を意味する。これに対し、上記第３工程で第１セパレータの表面及び第２セパレータの表面に緻密部が成形されている場合（以下、本段落において「形態３」という。）には、構造体に含有される水と接触可能な第１セパレータに備えられる緻密部の表面、及び、構造体に含有される水と接触可能な第２セパレータに備えられる緻密部の表面を意味する。
さらに、「成形された第１セパレータの緻密部の表面、及び／又は、第２セパレータの緻密部の表面へ水電解触媒を出現させる」とは、上記形態１の場合には、燃料電池の運転時に構造体に含有される水と接触しやすくするため、第１セパレータの緻密部に含有される水電解触媒を、当該緻密部の表面へ出現させることを意味する。また、上記形態２の場合には、燃料電池の運転時に構造体に含有される水と接触しやすくするため、第２セパレータの緻密部に含有される水電解触媒を、当該緻密部の表面へ出現させることを意味する。これに対し、上記形態３の場合には、燃料電池の運転時に構造体に含有される水と接触しやすくするため、第１セパレータの緻密部に含有される水電解触媒、及び、第２セパレータの緻密部に含有される水電解触媒を、各々の緻密部の表面へ出現させることを意味する。本発明において、表面へ水電解触媒を出現させる方法は、特に限定されるものではなく、例えば、表面を削る、表面に溶剤を塗布し表面を溶解させる等、各種方法を採ることができる。なお、第２の本発明では、構造体のアノード側の面と面するべき緻密部の表面、及び／又は、構造体のカソード側の面と面するべき緻密部の表面に水電解触媒が備えられている場合であっても、より多くの水電解触媒を当該表面へと出現させる等の目的で、当該表面を削る、当該表面に溶剤を塗布し表面を溶解させる等の処理を施すことも可能である。
【００２１】
上記第２の本発明（変形例も含む。以下同じ。）において、第３工程で第１セパレータの上記表面に緻密部が成形されるとともに、第１セパレータの上記表面に成形された緻密部の表面に第１反応ガス流路が備えられ、第１反応ガス流路の少なくとも表面に水電解触媒が備えられる第１セパレータが、セパレータ配設工程で、構造体のアノード側へと配設されることが好ましい。
【００２２】
また、上記第２の本発明において、第３工程で第２セパレータの上記表面に緻密部が成形されるとともに、第２セパレータの上記表面に成形された緻密部の表面に第２反応ガス流路が備えられ、第２反応ガス流路の少なくとも表面に水電解触媒が備えられる第２セパレータが、セパレータ配設工程で、構造体のカソード側へと配設されることが好ましい。
【発明の効果】
【００２３】
第１の本発明によれば、緻密部に水電解触媒が含有され、当該水電解触媒は、構造体に含有される水と接触可能な表面に備えられているので、アノードやカソードが高電位状態に曝された時に水を電気分解してプロトンを生成することができる。それゆえ、第１の本発明によれば、水素欠乏に起因してアノードやカソードが高電位状態に曝された場合であっても、第１セパレータの緻密部及び／又は第２セパレータの緻密部に含有される水電解触媒によって、アノードやカソードの電位上昇を抑制して材料劣化を抑制することができる。したがって、第１の本発明によれば、第１セパレータや第２セパレータ等の材料劣化を抑制して発電性能を向上させることが可能な燃料電池を提供できる。
【００２４】
第１の本発明において、第１セパレータの緻密部に第１反応ガス流路が備えられる場合に、当該第１反応ガス流路の表面に水電解触媒が備えられる形態とすることで、アノードが高電位状態に曝された時に水を電気分解してプロトンを生成することが容易になる。したがって、かかる形態とすることにより、特に第１セパレータ等の材料劣化を抑制して発電性能を容易に向上させることが可能な燃料電池を提供できる。
【００２５】
また、第１の本発明において、第２セパレータの緻密部に第２反応ガス流路が備えられる場合に、当該第２反応ガス流路の表面に水電解触媒が備えられる形態とすることで、カソードが高電位状態に曝された時に水を電気分解してプロトンを生成することが容易になる。したがって、かかる形態とすることで、特に第２セパレータ等の材料劣化を抑制して発電性能を容易に向上させることが可能な燃料電池を提供できる。
【００２６】
第２の本発明によれば、構造体に含有される水と接触可能な第１セパレータの表面及び／又は第２セパレータの表面に備えられる緻密部に、水電解触媒が含有されている形態の燃料電池を製造することができる。かかる形態の燃料電池は、第１セパレータや第２セパレータ等の材料劣化を抑制して発電性能を向上させることができるので、第２の本発明によれば、第１セパレータや第２セパレータ等の材料劣化を抑制して、発電性能を向上させることが可能な燃料電池の製造方法を提供できる。
【００２７】
また、第２の本発明において、第１セパレータ及び／又は第２セパレータの表面へ水電解触媒を出現させる工程が、第３工程に備えられることにより、構造体に含有される水と接触する水電解触媒の量を増加させることができる。したがって、かかる形態とすることにより、第１セパレータや第２セパレータ等の材料劣化を効果的に抑制して、発電性能を向上させることが可能な燃料電池の製造方法を提供できる。
【００２８】
また、第２の本発明において、第１セパレータの緻密部に第１反応ガス流路が備えられる場合に、表面に水電解触媒を備える第１反応ガス流路と、構造体とが面するように第１セパレータを配設することにより、アノードが高電位状態に曝された時に水を電気分解してプロトンを生成することが容易になる。したがって、かかる形態とすることにより、特に第１セパレータ等の材料劣化を抑制して発電性能を向上させることが可能な燃料電池の、製造方法を提供できる。
【００２９】
また、第２の本発明において、第２セパレータの緻密部に第２反応ガス流路が備えられる場合に、表面に水電解触媒を備える第２反応ガス流路と、構造体とが面するように第２セパレータを配設することにより、アノード及びカソードが高電位状態に曝された時に水を電気分解してプロトンを生成することが容易になる。したがって、かかる形態とすることにより、より一層材料劣化を抑制して発電性能を向上させることが可能な燃料電池の、製造方法を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
本発明者らは、燃料欠乏時の対策技術について鋭意研究を進め、以下の知見を得た。
１）アノード側へと供給される燃料（以下、「水素」という。）が不足すると、アノードが高電位状態に曝される。
２）アノード側の水素欠乏状態から復帰しアノード側へ水素が供給され始め、水素の入口付近にのみ水素が供給される状態になると、水素の出口付近には未だ水素が行き渡っていないため、いわゆる部分電池が形成される。そうすると、電解質膜に対して、アノード出口付近に対応するカソード部位の電位が上昇し、カソードが高電位状態に曝される。
３）アノード側へ充分な量の水素が供給されるようになると、ＰＥＦＣでは上記式１及び式２で表わされる反応が生じ、アノード及びカソードの高電位状態が解消される。
高電位状態に曝されたアノード及び／又はカソードに、水と炭素とが共存すると、炭素が腐食する。そのため、単セルに、炭素材料を含有する構成部材が備えられる場合には、高電位状態下で当該構成部材が損傷する。構成部材が損傷すると、電気抵抗が増加する、反応ガスの遮蔽性能が低下する、クロスリークが生じやすくなる等の問題が生じる恐れがあり、燃料電池の発電性能が低下する。それゆえ、発電性能を向上させ得る燃料電池とするには、高電位状態に曝された場合であっても単セル構成部材の材料が劣化し難い形態とすることが重要である。
【００３１】
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、少なくとも、セパレータに備えられる緻密部の、水と接触し得る表面に水電解触媒を配置することにより、高電位状態に曝された場合であっても材料劣化を抑制することが可能な燃料電池、及びその製造方法を提供することにある。
【００３２】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について具体的に説明する。なお、以下の図では、反応ガス等のシール性を確保するために備えられるシール手段の記載を省略するが、本発明の燃料電池のシール性は、所定のシール手段（例えば、セパレータに備えられる緻密部や、ＭＥＡ並びにアノード触媒層及びカソード触媒層の端部等に配設されるフッ素ゴム製のガスケット等）によって確保されているものとする。
【００３３】
１．燃料電池
１．１．第１実施形態
図１は、第１実施形態にかかる本発明の燃料電池の形態例を概略的に示す断面図であり、当該燃料電池に備えられる単セル（以下、単に「燃料電池」又は「セル」という。）の一部を拡大して示している。図１の左右方向がセルの積層方向である。
【００３４】
図１に示すように、第１実施形態にかかる本発明の燃料電池１００は、電解質膜１、電解質膜１の一方の側に配設されるアノード触媒層２ａ、及び、電解質膜１の他方の側に配設されるカソード触媒層３ａを備えるＭＥＡ４と、アノード触媒層２ａの外側に配設されるアノード拡散層２ｂと、カソード触媒層３ａの外側に配設されるカソード拡散層３ｂと、アノード拡散層２ｂの外側に配設される第１セパレータ５と、カソード拡散層３ｂの外側に配設される第２セパレータ６と、を備える。アノード２には、アノード触媒層２ａ及びアノード拡散層２ｂが備えられるとともに、カソード３には、カソード触媒層３ａ及びカソード拡散層３ｂが備えられ、構造体１０には、アノード拡散層２ｂ、ＭＥＡ４、及び、カソード拡散層３ｂが備えられている。第１セパレータ５は、炭素含有材料１１及び水電解触媒７、７、…を含有する第１緻密部（以下、「第１緻密部５」ということがある。）によって構成されている。第１緻密部５には、その表面に水電解触媒７、７、…が備えられる第１反応ガス流路８、８、…が形成され、アノード拡散層２ｂと接触する第１緻密部５の表面、及び、当該第１緻密部５の内部にも水電解触媒７、７、…が備えられている。一方、第２セパレータ６は、炭素含有材料１１及び水電解触媒７、７、…を含有する第２緻密部（以下、「第２緻密部６」ということがある。）によって構成されている。第２緻密部６には、その表面に水電解触媒７、７、…が備えられる第２反応ガス流路９、９、…が形成され、カソード拡散層３ｂと接触する第２緻密部６の表面、及び、当該第２緻密部６の内部にも水電解触媒７、７、…が備えられている。
【００３５】
燃料電池１００の運転時には、第１反応ガス流路８、８、…を介して、加湿された水素がアノード触媒層２ａへと供給され、当該アノード触媒層２ａに含有される通常触媒の作用下で上記式１の電気化学反応が生じる。当該反応により生じたプロトンは、アノード触媒層２ａ及び電解質膜１を通ってカソード触媒層３ａへと達し、当該反応により生じた電子は、外部回路を経由してカソード触媒層３ａへと達する。一方、燃料電池１００の運転時には、第２反応ガス流路９、９、…を介して、加湿された酸素含有ガス（以下、「空気」という。）がカソード触媒層３ａへと供給される。そして、当該カソード触媒層３ａに含有される通常触媒の作用下で上記式２の電気化学反応が生じ、水が生成される。
【００３６】
アノード触媒層２ａへ水素が供給されるとともに、カソード触媒層３ａへ空気が供給されている間は上記式１及び式２の電気化学反応が生じるが、カソード触媒層２ａへの水素の供給が途絶えると（以下、当該状態を「水素欠」という。）、上記式１の反応が生じない。ところが、燃料電池は、通常、スタック形態で使用されるため、スタックに含まれる一部のセルが発電不能の状態に陥っても、他のセルが発電可能な状態であれば、スタック全体から電気エネルギーを取り出すことができる。それゆえ、スタックの一部に発電不能状態のセルが含まれていても燃料電池の運転は継続され、かかる状態の燃料電池１００においてもアノード２からカソード３へ電子が移動する。
【００３７】
水素欠時のアノード２では、以下の反応により、プロトン及び電子が生成される。
Ｈ２Ｏ → (１／２)Ｏ２ ＋ ２Ｈ＋ ＋ ２ｅ−                    （式３）
ここで、上記式３は、水の電気分解反応であり、アノード２に水が存在する間は、当該反応によりプロトン及び電子が生成される。このほか、通常触媒の担体やアノード拡散層２ｂの構成材料や第１セパレータ５に炭素が備えられる場合には、以下の反応によってプロトン及び電子が生成される。
(１／２)Ｃ ＋ Ｈ２Ｏ → (１／２)ＣＯ２ ＋ ２Ｈ＋ ＋ ２ｅ−    （式４）
【００３８】
上記式４は、炭素の酸化反応であり、かかる反応が進むと、アノード２側（アノード触媒層２ａ、アノード拡散層２ｂ、及び、第１セパレータ５。以下同じ。）に含まれる炭素（例えば、通常触媒を担持している炭素、アノード拡散層２ｂを構成する炭素、第１セパレータ５を構成する炭素等）等が劣化する。水素欠状態下では、上記式３の反応とともに上記式４の反応が進行し得るので、アノード２側の材料劣化を抑制するには、上記式４の反応を抑制することが必要とされる。当該反応を抑制するための方策としては、例えば、「式３の反応を起りやすくすることで、式４において炭素と反応する水の量を低減する」という方法や、「アノード２側に含まれる炭素を低減することで、式４の反応が生じる可能性を低減する」という方法等を、挙げることができる。前者の方法に対しては、アノード２側に水電解触媒７が備えられる形態の燃料電池１００とすること等が有効であり、後者の方法に対しては、アノード拡散層２ｂや第１セパレータ５を炭素以外の高耐食性材料により形成すること等が有効である。
【００３９】
一方、水素欠状態にあったアノード２に水素が供給され始めると、図１に示すアノード２の入口側（例えば、アノード２の上半分）には水素が行き渡る一方、アノード２の出口側（例えば、アノード２の下半分）には未だ水素が行き渡らない状態になる。かかる状態の燃料電池１００では、水素が供給されているアノード２の入口側で上記式１の反応が生じる。当該反応で生じたプロトンは電解質膜１を経て、電解質膜１に対してアノード２の入口側と反対側に位置するカソード３（以下、「カソード３の入口側」という。）へと達し、上記式１の反応で生じた電子はアノード２の出口側へと達する。そして、空気が供給されているカソード３の入口側（例えば、カソード３の下半分）において、酸素と、アノード２の入口側より到達したプロトンと、電解質膜１に対してアノード２の出口側と反対側に位置するカソード３（以下、「カソード３の出口側」という。）より到達した電子と、が反応することにより、上記式２の反応が生じる。
【００４０】
これに対し、水素が行き渡っていないアノード２の出口側では、水素欠状態の時に発生した酸素が存在すると考えられる。そのため、アノード２の出口側では、上記式１の反応ではなく、残留酸素と、アノード２の出口側における上記式１の反応で生じた電子と、カソード３の出口側（例えば、カソード３の下半分）から到達するプロトンと、が反応することで水が生成される。アノード２の入口側及びカソード３の入口側、並びに、アノード２の出口側及びカソード３の出口側でこのような反応が生じると、アノード２の入口側の電位が約０Ｖ、カソード３の入口側の電位が約０．８Ｖ、アノード２の出口側の電位が約０．８Ｖになるとともに、カソード３の出口側が約１．６Ｖの電位状態（高電位状態）に曝されると考えられる。
【００４１】
高電位状態に曝されたカソード３の出口側では、以下の反応が生じる。
Ｈ２Ｏ → (１／２)Ｏ２ ＋ ２Ｈ＋ ＋ ２ｅ−                    （式５）
(１／２)Ｃ ＋ Ｈ２Ｏ → (１／２)ＣＯ２ ＋ ２Ｈ＋ ＋ ２ｅ−    （式６）
Ｐｔ → Ｐｔ２＋ ＋ ２ｅ−                                    （式７）
電解質膜１は湿潤状態下でイオン伝導性能を発現するため、カソード３には、加湿された空気が供給されている。また、燃料電池の通常運転時には、上記式２により水が生成される。それゆえ、セル１００には通常、水が存在し、高電位状態に曝されたカソード３では、上記式５〜式７の反応が生じ得る。ここで、上記式６は、炭素が水と反応する、炭素の酸化反応であり、この反応が進むと、カソード３側（カソード触媒層３ａ、カソード拡散層３ｂ、及び、第２セパレータ６。以下同じ。）に備えられる炭素（例えば、通常触媒を担持している結晶性の低い炭素、カソード拡散層２ｂを構成する炭素、第２セパレータ６を構成する炭素等）が劣化する。一方、上記式７は、白金の酸化反応であり、カチオン（Ｐｔ２＋）が水に溶出することにより進行する。上記式６または式７の反応が進むと、上記式２の反応が起こり難くなる。
【００４２】
上記式５は水の電気分解反応である。上記式６及び式７の反応よりも上記式５の反応を優先的に進行させることができれば、カーボンや白金の酸化反応よりも水の電気分解反応が優先的に進行するので、カソード３側の構成材料の劣化を抑制することができる。さらに、水の電気分解反応を優先的に進行させれば、式６においてカーボンと反応する水、及び、式７においてＰｔ２＋の溶出先である水、の絶対量を低減することができるので、これによっても、式６及び式７の反応を抑制し、カソード３側の構成材料の劣化を防止することができる。
【００４３】
上述のように、燃料電池１００では、少なくとも第１緻密部５に形成された第１反応ガス流路８、８、…の表面、及び、アノード拡散層２ｂと接触する第１緻密部５の表面に、水電解触媒７、７、…が備えられている。当該水電解触媒７、７、…により、水を電気分解して炭素と反応する水の量を低減することができるので、燃料電池１００によれば、アノード２側の材料劣化を抑制することができる。さらに、燃料電池１００では、少なくとも第２緻密部６に形成された第２反応ガス流路９、９、…の表面、及び、カソード拡散層３ｂと接触する第２緻密部６の表面にも、水電解触媒７、７、…が備えられている。当該水電解触媒７、７、…により、水を電気分解して炭素と反応する水の量を低減することができるので、燃料電池１００によれば、カソード３側の材料劣化を抑制することができる。
【００４４】
このように、燃料電池１００によれば、アノード２側及びカソード３側の材料劣化を抑制することができるので、材料劣化を抑制することにより発電性能を向上させることが可能な燃料電池１００とすることができる。
【００４５】
第１実施形態にかかる本発明の燃料電池１００に関する上記説明では、第１セパレータ５が第１緻密部により構成されるとともに、第２セパレータ６が第２緻密部により構成される形態を例示したが、本発明の燃料電池は当該形態に限定されるものではない。第１実施形態にかかる本発明の燃料電池は、一対のセパレータによって狭持される構造体に含有される水と接触し得る、第１緻密部及び第２緻密部の表面に水電解触媒が備えられていれば良く、上記水と接触しない箇所には水電解触媒が備えられていなくても良い。構造体に含有される水と接触しない箇所に、水電解触媒が備えられていない形態の、第１実施形態にかかる燃料電池を図２に示す。
【００４６】
図２は、第１実施形態にかかる本発明の燃料電池の他の形態例を概略的に示す断面図であり、セルの一部を拡大して示している。図２の左右方向がセルの積層方向である。図２において、図１に示す部材・物質と同様の構成を採るものには、図１にて使用した符号と同符号を付し、その説明を適宜省略する。
【００４７】
図２に示すように、本発明の燃料電池２００は、構造体１０と、アノード拡散層２ｂの外側に配設される第１セパレータ１５と、カソード拡散層３ｂの外側に配設される第２セパレータ１６と、を備える。第１セパレータ１５は、アノード拡散層２ｂと接触する第１緻密部１５ａ、及び、アノード拡散層２ｂと接触しない緻密部１５ｂを備え、第２セパレータ１６は、カソード拡散層３ｂと接触する第２緻密部１６ａ、及び、カソード拡散層３ｂと接触しない緻密部１６ｂを備える。第１緻密部１５ａ及び第２緻密部１６ａには炭素含有材料１１及び水電解触媒７、７、…が含有される一方、緻密部１５ｂ及び緻密部１６ｂには水電解触媒が備えられていない。そして、第１緻密部１５ａに第１反応ガス流路８、８、…が形成され、第１緻密部１５ａに形成された第１反応ガス流路８、８、…の表面、アノード拡散層２ｂと接触する第１緻密部１５ａの表面、及び、当該第１緻密部１５ａの内部に、水電解触媒７、７、…が備えられている。さらに、第２緻密部１６ａに第２反応ガス流路９、９、…が形成され、第２緻密部１６ａに形成された第２反応ガス流路９、９、…の表面、カソード拡散層３ｂと接触する第２緻密部１６ａの表面、及び、当該第２緻密部１６ａの内部に、水電解触媒７、７、…が備えられている。
【００４８】
かかる形態の燃料電池２００であっても、第１反応ガス流路８、８、…の表面、及び、アノード拡散層２ｂと接触する第１緻密部１５ａの表面に、水電解触媒７、７、…が備えられているので、当該水電解触媒７、７、…により、水を電気分解して炭素と反応する水の量を低減することができる。それゆえ、燃料電池２００によれば、アノード２側の材料劣化を抑制することができる。さらに、燃料電池２００には、第２反応ガス流路９、９、…の表面、及び、カソード拡散層３ｂと接触する第２緻密部１６ａの表面にも、水電解触媒７、７、…が備えられているので、当該水電解触媒７、７、…により、水を電気分解して炭素と反応する水の量を低減することができる。それゆえ、燃料電池２００によれば、カソード３側の材料劣化を抑制することができる。
【００４９】
このように、構造体に含有される水と接触し得る面にのみ水電解触媒が備えられる形態であっても、アノード２側及びカソード３側の材料劣化を抑制することができるので、材料劣化を抑制することにより発電性能を向上させることが可能な燃料電池２００とすることができる。
【００５０】
１．２．第２実施形態
図３は、第２実施形態にかかる本発明の燃料電池の形態例を概略的に示す断面図であり、当該燃料電池に備えられるセルの一部を拡大して示している。図３の左右方向がセルの積層方向である。図３において、図１に示す部材・物質と同様の構成を採るものには、図１にて使用した符号と同符号を付し、その説明を適宜省略する。
【００５１】
図３に示すように、第２実施形態にかかる本発明の燃料電池３００は、構造体１０と、アノード拡散層２ｂの外側に配設される第１セパレータ２５と、カソード拡散層３ｂの外側に配設される第２セパレータ２６と、を備える。第１セパレータ２５は、炭素含有材料１１及び水電解触媒７、７、…を含有する第１緻密部（以下、「第１緻密部２５」ということがある。）により構成され、水電解触媒７、７、…は、アノード拡散層２ｂと接触する第１緻密部２５の表面、及び、当該第１緻密部２５の内部に備えられている。第１セパレータ２５には、水素の流入口及び流出口（ともに不図示）が備えられる一方、第１反応ガス流路が備えられず、水素の流入口を介して供給された水素は、水素を拡散させ得る孔を多数備えるアノード拡散層２ｂを通過してアノード触媒層２ａへと達し、その後、水素の流出口を介してセル３００の外へと排出されて回収される。他方、第２セパレータ２６は、炭素含有材料１１及び水電解触媒７、７、…を含有する第２緻密部（以下、「第２緻密部２６」ということがある。）により構成され、水電解触媒７、７、…は、カソード拡散層３ｂと接触する第２緻密部２６の表面、及び、当該第２緻密部２６の内部に備えられている。第２セパレータ２６には、空気の流入口及び流出口（ともに不図示）が備えられる一方、第２反応ガス流路が備えられず、空気の流入口を介して供給された空気は、空気を拡散させ得る孔を多数備えるカソード拡散層３ｂを通過してカソード触媒層３ａへと達し、その後、空気の流出口を介してセル３００の外へと排出される。
【００５２】
かかる形態の燃料電池３００であっても、アノード拡散層２ｂと接触する第１緻密部２５の表面に水電解触媒７、７、…が備えられているので、当該水電解触媒７、７、…により、炭素と反応する水の量を低減することができる。それゆえ、燃料電池３００によれば、アノード２側の材料劣化を抑制することができる。さらに、燃料電池３００には、カソード拡散層３ｂと接触する第２緻密部２６の表面に水電解触媒７、７、…が備えられているので、当該水電解触媒７、７、…により、炭素と反応する水の量を低減することができる。それゆえ、燃料電池３００によれば、カソード３側の材料劣化を抑制することができる。
【００５３】
このように、燃料電池３００によれば、アノード２側及びカソード３側の材料劣化を抑制することができるので、材料劣化を抑制することにより発電性能を向上させることが可能な燃料電池３００とすることができる。
【００５４】
第２実施形態にかかる本発明の燃料電池３００に関する上記説明では、第１セパレータ２５が第１緻密部により構成されるとともに、第２セパレータ２６が第２緻密部により構成される形態を例示したが、本発明の燃料電池は当該形態に限定されるものではない。第２実施形態にかかる本発明の燃料電池は、一対のセパレータによって狭持される構造体に含有される水と接触し得る、第１緻密部及び第２緻密部の表面に水電解触媒が備えられていれば良く、上記水と接触しない箇所には水電解触媒が備えられていなくても良い。構造体に含有される水と接触しない箇所に、水電解触媒が備えられていない形態の、第２実施形態にかかる燃料電池を図４に示す。
【００５５】
図４は、第２実施形態にかかる本発明の燃料電池の他の形態例を概略的に示す断面図であり、セルの一部を拡大して示している。図４の左右方向がセルの積層方向である。図４において、図２に示す部材・物質と同様の構成を採るものには、図２にて使用した符号と同符号を付し、その説明を適宜省略する。
【００５６】
図４に示すように、本発明の燃料電池４００は、構造体１０と、アノード拡散層２ｂの外側に配設される第１セパレータ３５と、カソード拡散層３ｂの外側に配設される第２セパレータ３６と、を備える。第１セパレータ３５は、アノード拡散層２ｂと接触する第１緻密部３５ａ、及び、アノード拡散層２ｂと接触しない緻密部１５ｂを備えている。第１セパレータ３５には、水素の流入口及び流出口（ともに不図示）が備えられる一方、第１反応ガス流路が備えられず、水素の流入口を介して供給された水素は、アノード拡散層２ｂを通過してアノード触媒層２ａへと達し、その後、水素の流出口を介してセル４００の外へと排出されて回収される。他方、第２セパレータ３６は、カソード拡散層３ｂと接触する第２緻密部３６ａ、及び、カソード拡散層３ｂと接触しない緻密部１６ｂを備えている。第２セパレータ３６には、空気の流入口及び流出口（ともに不図示）が備えられる一方、第２反応ガス流路が備えられず、空気の流入口を介して供給された空気は、カソード拡散層３ｂを通過してカソード触媒層３ａへと達し、その後、空気の流出口を介してセル４００の外へと排出される。第１緻密部３５ａ及び第２緻密部３６ａには、炭素含有材料１１及び水電解触媒７、７、…が含有される一方、緻密部１５ｂ及び緻密部１６ｂには水電解触媒が備えられていない。そして、アノード拡散層２ｂと接触する第１緻密部３５ａの表面及び第１緻密部３５の内部、並びに、カソード拡散層３ｂと接触する第２緻密部３６ａの表面及び第２緻密部３６ａの内部に、水電解触媒７、７、…が備えられている。
【００５７】
かかる形態の燃料電池４００であっても、アノード拡散層２ｂと接触する第１緻密部３５ａの表面に水電解触媒７、７、…が備えられているので、当該水電解触媒７、７、…により、炭素と反応する水の量を低減することができる。それゆえ、燃料電池４００によれば、アノード２側の材料劣化を抑制することができる。さらに、燃料電池４００には、カソード拡散層３ｂと接触する第２緻密部３６ａの表面にも、水電解触媒７、７、…が備えられているので、当該水電解触媒７、７、…により、炭素と反応する水の量を低減することができる。それゆえ、燃料電池４００によれば、カソード３側の材料劣化を抑制することができる。
【００５８】
このように、構造体に含有される水と接触し得る面にのみ水電解触媒が備えられる形態であっても、アノード２側及びカソード３側の材料劣化を抑制することができるので、材料劣化を抑制することにより発電性能を向上させることが可能な燃料電池４００とすることができる。
【００５９】
本発明において、電解質膜１は、含水状態下でプロトン伝導性能を発現し得る固体高分子膜であれば、その形態は特に限定されるものではない。電解質膜に含有されるプロトン伝導性ポリマーの具体例としては、含フッ素高分子を骨格として少なくともスルホン酸基、ホスホン酸基、及びリン酸基のうち一種を有するフッ素系のポリマーや、ポリオレフィンのような炭化水素を骨格とする炭化水素系のポリマー等を挙げることができる。上記フッ素系のポリマーを含有する電解質膜の具体例としては、Ｎａｆｉｏｎ（「Ｎａｆｉｏｎ」は米国デュポン社の登録商標。）やフレミオン（「フレミオン」は旭硝子株式会社の登録商標）等を挙げることができる。一方、上記炭化水素系のポリマーを含有する電解質膜の具体例としては、セレミオン等（「セレミオン」は旭硝子株式会社の登録商標）を挙げることができる。
【００６０】
本発明において、アノード触媒層２ａ及びカソード触媒層３ａ（以下、これらをまとめて「触媒層」ということがある。）は、上記式１及び式２で表される電気化学反応の触媒として機能する物質（触媒）と、当該電気化学反応で生じるプロトンを伝導させ得る物質（プロトン伝導性物質）とを有していれば、その形態は特に限定されるものではない。触媒層に含有される触媒の具体例としては、Ｐｔのほか、Ｃｏ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｖ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｗからなる群より選択される１以上の金属とＰｔとを有するＰｔ合金等を挙げることができる。触媒層に含有されるプロトン伝導性物質の具体例としては、上記電解質膜に含有され得る上記プロトン伝導性ポリマー等を挙げることができる。
【００６１】
本発明において、アノード拡散層２ｂ及びカソード拡散層３ｂ（以下、これらをまとめて「拡散層」ということがある。）は、燃料電池の運転時における環境（例えば、耐熱性、耐酸性等）に耐え得る性質と、電子伝導性と、ガス拡散性（ガス透過性）と、を有していれば、その形態は特に限定されるものではない。拡散層としては、カーボンペーパーやカーボンクロス等を用いることができる。
【００６２】
本発明において、第１セパレータ５、１５、２５、３５は、少なくとも構造体のアノード側の面と接触する表面に第１緻密部５、１５ａ、２５、３５ａが備えられていれば、その形態は特に限定されるものではない。第１緻密部５、１５ａ、２５、３５ａは、炭素含有材料１１及び水電解触媒７、７、…が含有されていれば、その構成材料は特に限定されるものではない。さらに、通常触媒が白金である場合、第１緻密部５、１５ａ、２５、３５ａに含有される水電解触媒７、７、…としては、Ｉｒ、ＩｒＯ２等のＩｒ系材料や、ＲｕＯ２等のＲｕ系材料の他、これらの複合物等を挙げることができる。なお、当該水電解触媒７、７、…は、導電性担体に担持されていても良い。当該導電性担体の具体例としては、炭素やチタン等を挙げることができる。
【００６３】
本発明において、第２セパレータ６、１６、２６、３６は、少なくとも構造体のカソード側の面と接触する表面に第２緻密部６、１６ａ、２６、３６ａが備えられていれば、その形態は特に限定されるものではない。第２緻密部６、１６ａ、２６、３６ａは、炭素含有材料１１及び水電解触媒が含有されていれば、その構成材料は特に限定されるものではない。第２緻密部６、１６ａ、２６、３６ａに含有される炭素含有材料１１及び水電解触媒としては、上記第１緻密部５、１５ａ、２５、３５ａに含有され得る炭素含有材料１１及び水電解触媒等を例示することができる。
【００６４】
本発明の燃料電池に備えられる第１セパレータに、第１反応ガス流路が形成されている場合、当該第１反応ガス流路は、アノード触媒層へ水素を供給可能な形態で形成されていれば、その形態及び形成方法は特に限定されるものではなく、ＰＥＦＣのセパレータへ反応ガス流路を形成する際に用いられる各種方法を用いることができる。同様に、本発明の燃料電池に備えられる第２セパレータに、第２反応ガス流路が形成されている場合、当該第２反応ガス流路は、カソード触媒層へ空気を供給可能な形態で形成されていれば、その形態及び形成方法は特に限定されるものではなく、ＰＥＦＣのセパレータへ反応ガス流路を形成する際に用いられる各種方法を用いることができる。
【００６５】
第１実施形態及び第２実施形態にかかる本発明の燃料電池に関する上記説明では、第１セパレータに第１緻密部が備えられるとともに、第２セパレータに第２緻密部が備えられ、第１緻密部の構造体側の表面、及び、第２緻密部の構造体側の表面に、水電解触媒が備えられる形態を例示したが、本発明の燃料電池は当該形態に限定されるものではない。本発明の燃料電池では、第１セパレータにのみ、水電解触媒を含有する第１緻密部が備えられ、第２セパレータには水電解触媒が備えられない形態とすることも可能である。このほか、本発明の燃料電池では、第２セパレータにのみ、水電解触媒を含有する第２緻密部が備えられ、第１セパレータには水電解触媒が備えられない形態とすることも可能である。ただし、上述のように、水素欠乏状態から復帰する際に、カソード側も高電位状態に曝される恐れがあり、カソード側が高電位状態に曝されると、カソード側の構成材料が劣化する恐れがある。それゆえ、アノード側の構成材料の劣化を抑制するのみならず、アノード側の構成材料の劣化をも抑制することにより、より一層発電性能を向上させ易い形態の燃料電池とする観点からは、第１セパレータに第１緻密部が備えられるとともに、第２セパレータに第２緻密部が備えられ、第１緻密部の構造体側の表面、及び、第２緻密部の構造体側の表面に、水電解触媒が備えられる形態の燃料電池とすることが好ましい。
【００６６】
また、本発明の燃料電池に関する上記説明では、アノード拡散層及びカソード拡散層が備えられる形態を例示したが、本発明の燃料電池は当該形態に限定されるものではない。必要とされる発電性能を発現可能であれば、アノード拡散層及び／又はカソード拡散層が備えられない形態の燃料電池とすることも可能である。アノード拡散層及び／又はカソード拡散層が備えられない形態の燃料電池であっても、本発明の燃料電池によれば、アノード触媒層と接触する第１セパレータの表面、又は、アノード触媒層と接触する第１セパレータの表面及びカソード触媒層と接触する第２セパレータの表面に、水電解触媒が備えられるので、アノード側の材料劣化、又は、アノード側及びカソード側の材料劣化を抑制することにより、発電性能を向上させることが可能になる。
【００６７】
２．燃料電池の製造方法
図５は、１つの実施形態にかかる本発明の燃料電池の製造方法に備えられる、工程の流れを概略的に示すフローチャートである。図５に示す本発明の燃料電池の製造方法は、第１工程（工程Ｓ１）と、第２工程（工程Ｓ２）と、第３工程（工程Ｓ３、工程Ｓ６）と、水電解触媒の存在を確認する工程（工程Ｓ４）と、第１セパレータ配設工程（工程Ｓ５）と、水電解触媒の存在を確認する工程（工程Ｓ７）と、第２セパレータ配設工程（工程Ｓ８）と、を備え、工程Ｓ４で否定判断された場合にのみ経由する水電解触媒出現工程（工程Ｓ３１）と、工程Ｓ７で否定判断された場合にのみ経由する水電解触媒出現工程（工程Ｓ６１）と、を備えている。以下、図１及び図５を参照しつつ、上記第１実施形態にかかる本発明の燃料電池を製造する方法について具体的に説明する。なお、以下の説明において、工程Ｓ４及び工程Ｓ７を「水電解触媒確認工程」ということがある。
【００６８】
２．１．第１工程（工程Ｓ１）
工程Ｓ１は、第１セパレータ５及び第２セパレータ６によって狭持される構造体１０を作製する工程である。工程Ｓ１では、例えば、スプレー塗布法やドクターブレード等の方法で、アノード拡散層２ｂの表面にアノード触媒層２ａを形成するとともに、カソード拡散層３ｂの表面にカソード触媒層３ａを形成することにより、アノード２及びカソード３をそれぞれ作製する。その後、電解質膜１をアノード２とカソード３との間に配置し、電解質膜１とアノード２とカソード３とを１２０℃程度の温度で熱圧着することにより、構造体１０を作製することができる。このほか、転写法により、電解質膜１の一方の面にアノード触媒層２ａを、電解質膜１の他方の面にカソード触媒層３ａをそれぞれ形成することによりＭＥＡ４を作製し、当該ＭＥＡ４とアノード拡散層２ｂ及びカソード拡散層３ｂとを１２０℃程度の温度で熱圧着することにより、構造体１０を作製することもできる。
【００６９】
２．２．第２工程（工程Ｓ２）
工程Ｓ２は、炭素含有材料１１と熱硬化性樹脂と水電解触媒７、７、…とを混合して組成物を作製する工程である。当該組成物は、第１セパレータ５及び第２セパレータ６の構成材料となる。工程Ｓ２で混合される、炭素含有材料１１、熱硬化性樹脂、及び、水電解触媒の混合比は、電子伝導性、スタックの両端側から加えられる締結圧力に耐え得る強度、及び、ガス遮断性を有する第１セパレータ５並びに第２セパレータ６を、熱プレス等により成形可能であれば特に限定されず、適当な混合比とすることができる。
【００７０】
２．３．第３工程（工程Ｓ３）
工程Ｓ３は、上記工程Ｓ２によって作製された組成物を成形することにより、第１反応ガス流路８、８、…が形成された第１セパレータ５を作製する工程である。上述のように、本発明の燃料電池１００では、第１反応ガス流路８、８、…の表面、及び、第１セパレータ５の構造体１０側の表面に水電解触媒７、７、…が備えられる必要があるため、後述する工程Ｓ４で否定判断がなされた場合には、さらに、第１反応ガス流路８、８、…の表面、及び、構造体１０側の表面に水電解触媒７、７、…を出現させる、水電解触媒出現工程（工程Ｓ３１）が備えられる。
ここで、第１セパレータ５を作製する方法としては、熱プレス等による成形を例示することができる。さらに、水電解触媒７、７、…を表面に出現させる方法の具体例としては、表面を削る、表面に溶剤を塗布して表面を溶解させる等、各種方法を挙げることができる。
【００７１】
２．４．水電解触媒確認工程（工程Ｓ４）
工程Ｓ４は、第１反応ガス流路８、８、…の表面、及び、構造体１０と接触すべき第１セパレータ５の表面に、水電解触媒７、７、…が備えられるか否かを確認する工程である。工程Ｓ４は、水電解触媒７、７、…の存在を確認可能なものであれば、その形態は特に限定されるものではなく、例えば、走査電子顕微鏡や表面の元素分析等によって、第１セパレータ５の上記表面を観察する工程とすることができる。
工程Ｓ４によって肯定判断された場合には、後述する工程Ｓ５へと進む。これに対し、工程Ｓ４によって否定判断された場合には、少なくとも、第１反応ガス流路８、８、…の表面、又は、構造体１０と接触すべき第１セパレータ５の表面に、水電解触媒７、７、…が備えられない。当該形態のセパレータを備える燃料電池を製造しても、アノード側における材料劣化抑制効果が低減する、又は、当該効果を奏することができないため、工程Ｓ４で否定判断された場合には、上記工程Ｓ３１へと進む。そして、工程Ｓ３１により、第１反応ガス流路８、８、…の表面、及び、構造体１０と接触すべき第１セパレータ５の表面に水電解触媒７、７、…を出現させた後、工程Ｓ４へと戻り、当該工程Ｓ４によって肯定判断された後に、後述する工程Ｓ５へと進む。工程Ｓ４へと戻ってもなお、否定判断された場合には、再び上記工程Ｓ３１へと戻り、工程Ｓ４によって肯定判断がなされるまで、上記工程Ｓ３１が繰り返される。
なお、工程Ｓ４に関する上記説明では、第１反応ガス流路８、８、…の表面、又は、構造体１０と接触すべき第１セパレータ５の表面に水電解触媒７、７、…が備えられない場合には、否定判断がなされる形態を前提としているが、本発明に備えられる工程Ｓ４は当該形態に限定されない。アノード２側の材料劣化を抑制しやすい形態とする観点からは、上記二つの表面のうち、何れか一方の表面に水電解触媒７、７、…が備えられない場合には、否定判断をすることが好ましいが、何れか一方の表面に水電解触媒７、７、…が備えられていれば、アノード２側の材料劣化を抑制することができるので、何れか一方の表面に水電解触媒７、７、…が備えられる場合には、肯定判断をすることも可能である。
【００７２】
２．５．第１セパレータ配設工程（工程Ｓ５）
工程Ｓ５は、上記工程Ｓ１によって作製された構造体１０のアノード２側の面と、上記工程Ｓ３によって作製された第１セパレータ５の表面に少なくとも一部が配される第１緻密部とが面するように、第１セパレータ５を構造体１０のアノード２側へと配設する工程である。
【００７３】
２．６．第３工程（工程Ｓ６）
工程Ｓ６は、上記工程Ｓ２によって作製された組成物を成形することにより、第２反応ガス流路９、９、…が形成された第２セパレータ６を作製する工程である。上述のように、本発明の燃料電池１００では、第２反応ガス流路９、９、…の表面、及び、構造体１０と接触すべき第２セパレータ６の表面に水電解触媒７、７、…が備えられる必要があるため、後述する工程Ｓ７で否定判断がなされた場合には、さらに、第２反応ガス流路９、９、…の表面、及び、構造体１０と接触すべき第２セパレータ６の表面に水電解触媒７、７、…を出現させる、水電解触媒出現工程（工程Ｓ６１）が備えられる。  ここで、第２セパレータ６を作製する方法としては、熱プレス等による成形を例示することができる。さらに、水電解触媒７、７、…を表面に出現させる方法の具体例としては、表面を削る、表面に溶剤を塗布して表面を溶解させる等、各種方法を挙げることができる。
【００７４】
２．７．水電解触媒確認工程（工程Ｓ７）
工程Ｓ７は、第２反応ガス流路９、９、…の表面、及び、構造体１０と接触すべき第２セパレータ６の表面に、水電解触媒７、７、…が備えられるか否かを確認する工程である。工程Ｓ７は、水電解触媒７、７、…の存在を確認可能なものであれば、その形態は特に限定されるものではなく、例えば、走査電子顕微鏡や表面の元素分析等によって、第２セパレータ６の上記表面を観察する工程とすることができる。
工程Ｓ７によって肯定判断された場合には、後述する工程Ｓ８へと進む。これに対し、工程Ｓ７によって否定判断された場合には、少なくとも、第２反応ガス流路９、９、…の表面、又は、構造体１０と接触すべき第２セパレータ６の表面に、水電解触媒７、７、…が備えられない。当該形態のセパレータを備える燃料電池を製造しても、カソード側における材料劣化抑制効果が低減する、又は、当該効果を奏することができないため、工程Ｓ７で否定判断された場合には、上記工程Ｓ６１へと進む。そして、工程Ｓ６１により、第２反応ガス流路９、９、…の表面、及び、構造体１０と接触すべき第２セパレータ６の表面に水電解触媒７、７、…を出現させた後、工程Ｓ７へと戻り、当該工程Ｓ７によって肯定判断された後に、後述する工程Ｓ８へと進む。工程Ｓ７へと戻ってもなお、否定判断された場合には、再び上記工程Ｓ６１へと戻り、工程Ｓ７によって肯定判断がなされるまで、上記工程Ｓ６１が繰り返される。
なお、工程Ｓ７に関する上記説明では、第２反応ガス流路９、９、…の表面、又は、構造体１０と接触すべき第２セパレータ６の表面に水電解触媒７、７、…が備えられない場合には、否定判断がなされる形態を前提としているが、本発明に備えられる工程Ｓ４は当該形態に限定されない。カソード３側の材料劣化を抑制しやすい形態とする観点からは、上記二つの表面のうち、何れか一方の表面に水電解触媒７、７、…が備えられない場合には、否定判断をすることが好ましいが、何れか一方の表面に水電解触媒７、７、…が備えられていれば、カソード３側の材料劣化を抑制することができるので、何れか一方の表面に水電解触媒７、７、…が備えられる場合には、肯定判断をすることも可能である。
【００７５】
２．８．第２セパレータ配設工程（工程Ｓ８）
工程Ｓ８は、上記工程Ｓ１によって作製された構造体１０のカソード３側の面と、上記工程Ｓ６によって作製された第２セパレータ６の表面に少なくとも一部が配される第２緻密部とが面するように、第２セパレータ６を構造体１０のカソード３側へと配設する工程である。
【００７６】
本発明の燃料電池の製造方法に関する上記説明では、第１工程の後に第２工程が配される形態を例示したが、本発明の燃料電池の製造方法は当該形態に限定されるものではない。第２工程は、第３工程よりも先に備えられていれば良く、例えば、第２工程の後に第１工程が備えられ、その後、第３工程が備えられる形態とすることも可能である。
【００７７】
また、本発明の燃料電池の製造方法に関する上記説明では、工程Ｓ３１及び工程Ｓ６１が備えられる形態を例示したが、本発明の燃料電池の製造方法は当該形態に限定されるものではない。第２工程で作製される組成物の組成を制御する、及び／又は、第３工程の形態を制御する等により、表面に水電解触媒が備えられる形態のセパレータを容易に作製できる場合には、工程Ｓ３１及び工程Ｓ６１が備えられない形態とすることも可能である。
【００７８】
本発明の燃料電池の製造方法に関する上記説明では、燃料電池１００が製造される形態について説明したが、本発明の燃料電池の製造方法は当該形態に限定されるものではない。燃料電池２００が製造される場合には、上記工程Ｓ３を、例えば、第１反応ガス流路８、８、…が形成されるようにプレス成形がなされた第１緻密部１５ａと、水電解触媒７、７、…が備えられない緻密部１５ｂとを接合することにより、第１セパレータ１５を作製する工程とすることができる。さらに、燃料電池２００が製造される場合には、上記工程Ｓ６を、例えば、第２反応ガス流路９、９、…が形成されるようにプレス成形がなされた第２緻密部１６ａと、水電解触媒７、７、…が備えられない緻密部１６ｂとを接合することにより、第２セパレータ１６を作製する工程とすることができる。
一方、燃料電池３００が製造される場合には、上記工程Ｓ３を、例えば、第１反応ガス流路８、８、…が形成されない形態の金型を用いてプレス成形をすることにより、第１セパレータ２５を作製する工程とすることができる。さらに、燃料電池３００が製造される場合には、上記工程Ｓ６を、例えば、第２反応ガス流路９、９、…が形成されない形態の金型を用いてプレス成形をすることにより、第２セパレータ２５を作製する工程とすることができる。
他方、燃料電池４００が製造される場合には、上記工程Ｓ３を、例えば、第１反応ガス流路８、８、…が形成されない形態の金型を用いたプレス成形により作製された第１緻密部３５ａと、水電解触媒７、７、…が備えられない緻密部１５ｂとを接合することにより、第１セパレータ３５を作製する工程とすることができる。さらに、燃料電池４００が製造される場合には、上記工程Ｓ６を、例えば、第２反応ガス流路９、９、…が形成されない形態の金型を用いたプレス成形により作製された第２緻密部３６ａと、水電解触媒７、７、…が備えられない緻密部１６ｂとを接合することにより、第２セパレータ３６を作製する工程とすることができる。
【００７９】
また、本発明の燃料電池の製造方法に関する上記説明では、アノード２側に配設される第１セパレータ５のみならず、カソード３側に配設される第２セパレータ６にも水電解触媒７、７、…が含有される形態の燃料電池１００が製造される様子を主に例示したが、本発明の燃料電池の製造方法は当該形態に限定されるものではない。構造体のカソード側に配設される第２セパレータに水電解触媒が含有されない場合には、上記工程Ｓ６及び工程Ｓ７に代えて、水電解触媒が含有されない従来のセパレータを従来の方法により作製する工程が備えられる形態とし、当該工程により作製した第２セパレータが、上記工程Ｓ８によって、構造体１０のカソード側の面へと配設される形態とすることができる。このほか、構造体のアノード側に配設される第１セパレータに水電解触媒が含有されない場合には、上記工程Ｓ３及び工程Ｓ４に代えて、水電解触媒が含有されない従来のセパレータを従来の方法により作製する工程が備えられる形態とし、当該工程により作製した第１セパレータが、上記工程Ｓ５によって、構造体１０のアノード側の面へと配設される形態とすることができる。ただし、上述のように、アノード側のみならず、カソード側の材料劣化をも抑制することで、発電性能を向上させやすい形態の燃料電池を製造可能とする観点からは、上記説明のように、アノード２側に配設される第１セパレータ５のみならず、カソード３側に配設される第２セパレータ６にも水電解触媒が含有される形態の燃料電池の製造方法とすることが好ましい。
【００８０】
また、本発明の燃料電池の製造方法に関する上記説明では、アノード拡散層２ｂ及びカソード拡散層３ｂが備えられる形態の燃料電池１００を製造する方法を主に例示したが、本発明の燃料電池の製造方法は当該形態に限定されるものではない。アノード拡散層のみが備えられない場合には、上記工程Ｓ１において、電解質膜の表面に、例えば、触媒とプロトン伝導性ポリマーとを含有するインク状組成物を直接塗布することにより、片面にアノード触媒層が形成された電解質膜を作製し、当該電解質膜の他方の面とカソードとを熱圧着することにより、構造体を作製することができる。一方、カソード拡散層のみが備えられない場合には、上記工程Ｓ１において、電解質膜の片面に、例えば、上記インク状組成物を直接塗布することにより、片面にカソード触媒層が形成された電解質膜を作製し、当該電解質膜の他方の面とアノードとを熱圧着することにより、構造体を作製することができる。他方、アノード拡散層及びカソード拡散層が備えられない場合には、電解質膜の一方の面及び他方の面へ、例えば、上記インク状組成物を直接塗布することにより、ＭＥＡを作製し、当該ＭＥＡを構造体とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】第１実施形態にかかる本発明の燃料電池の形態例を概略的に示す断面図である。
【図２】第１実施形態にかかる本発明の燃料電池の他の形態例を概略的に示す断面図である。
【図３】第２実施形態にかかる本発明の燃料電池の形態例を概略的に示す断面図である。
【図４】第２実施形態にかかる本発明の燃料電池の他の形態例を概略的に示す断面図である。
【図５】本発明の燃料電池の製造方法に備えられる工程を概略的に示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００８２】
１…電解質膜
２…アノード
２ａ…アノード触媒層
２ｂ…アノード拡散層
３…カソード
３ａ…カソード触媒層
３ｂ…カソード拡散層
４…ＭＥＡ
５、２５…第１セパレータ（第１緻密部）
６、２６…第２セパレータ（第２緻密部）
７…水電解触媒
８…第１反応ガス流路
９…第２反応ガス流路
１０…構造体
１１…炭素含有材料
１５、３５…第１セパレータ
１５ａ、３５ａ…第１緻密部
１５ｂ、１６ｂ…緻密部
１６、３６…第２セパレータ
１６ａ、３６ａ…第２緻密部
１００、２００…燃料電池
３００、４００…燃料電池
【図１】
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【図２】
2008171600.tif 000004
【図３】
2008171600.tif 000005
【図４】
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【図５】
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