(57)【要約】【課題】  ガス拡散層との接触による電解質膜の損傷を低減することのできる技術を提供する。【解決手段】  燃料電池は、電解質材料で形成された電解質膜７４と、前記電解質膜の表面の所定の部分に形成された電極触媒層７５（７５ａ，７５ｃ）と、ガス拡散層７６と、を備える。前記ガス拡散層７６は、前記電極触媒層７５に接する電極接触拡散部７６ｅと、前記電極接触拡散部７６ｅの周囲に形成された周縁拡散部７６ｄと、を有し、前記周縁拡散部７６ｄは、前記電極接触拡散部７６ｅと前記電極触媒層７５との境界で規定される平面から前記電極接触拡散部７６ｅよりも後退した位置に設けられている。【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、
電解質材料で形成された電解質膜と、
前記電解質膜の表面の所定の部分に形成された電極触媒層と、
ガス拡散層と、
を備え、
前記ガス拡散層は、前記電極触媒層に接する電極接触拡散部と、前記電極接触拡散部の周囲に形成された周縁拡散部と、を有し、
前記周縁拡散部は、前記電極接触拡散部と前記電極触媒層との境界で規定される平面から前記電極接触拡散部よりも後退した位置に設けられている、燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池であって、
前記電解質膜は、前記電極触媒層が形成されている電極形成部と、前記電極触媒層が形成されていない電極非形成部と、を有し、前記電極非形成部と、前記周縁拡散部との間に、前記電解質材料が充填されている、燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池のガス拡散層に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池は、高分子電解質膜の両側にアノードおよびカソードの電極触媒層が形成された膜―電極接合体（以下、「ＭＥＡ」とも呼ぶ。ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）を有している。ＭＥＡの両側は、カーボンクロスやカーボンペーパー等からなるガス拡散層によって挟持されており、ＭＥＡとガス拡散層とは燃料電池の製造工程において熱圧着等によって接合される。また燃料ガスや空気の漏れを防止するためのシール部を成形する場合においても、ＭＥＡとガス拡散層とは強い力で熱圧着されることが多い。しかし、ガス拡散層の表面には、カーボンの細かい繊維が毛羽状に突き出ている突出物（以下、単に「毛羽」とも呼ぶ。）が多く存在しているため、ＭＥＡとガス拡散層とを熱圧着すると、電解質膜がカーボン繊維の毛羽によって傷つけられる場合がある。従来は、傷ついて発生した穴から燃料ガスと空気とのクロスリークが発生してしまうといった問題や、毛羽が電解質膜を突き破ることによって毛羽が導線となり、ガス拡散層同士が短絡してリーク電流が発生してしまうといった問題があった。本願の発明者は、特に、電解質膜のうち、電極触媒層が形成されていない部分（以下、「電極非形成部」とも呼ぶ。）が、ガス拡散層の毛羽からの損傷を受けやすく、ガスのクロスリークや、リーク電流の発生が多いことを見い出した。
【０００３】
従来、電解質膜の電極非形成部を保護する技術としては、電極非形成部に炭化フッ素系樹脂を被覆するというものがあった（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−３０８２２８号公報（第５図）
【特許文献２】特開２００４−１７２０９５号公報
【特許文献３】特開２００４−１７２０９６号公報
【特許文献４】特開２００３−６８３２３号公報
【０００５】
しかし、この技術では、別部材として炭化フッ素系樹脂が必要となるため、製造工程において炭化フッ素系樹脂を塗工・設置するための工程が増加してしまうという問題がある。また、電解質膜の周囲に塗工された樹脂に、厚みのばらつきがある場合には、電極部へ効果的に面圧を付与することが困難になってしまうという問題がある。なお、このような問題は、カーボン製のガス拡散層を用いる場合に限らず、何らかの繊維を含むガス拡散層を用いる場合に共通する問題であった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、ガス拡散層との接触による電解質膜の損傷を低減することのできる技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明の燃料電池は、
電解質材料で形成された電解質膜と、
前記電解質膜の表面の所定の部分に形成された電極触媒層と、
ガス拡散層と、を備え、
前記ガス拡散層は、前記電極触媒層に接する電極接触拡散部と、前記電極接触拡散部の周囲に形成された周縁拡散部と、を有し、前記周縁拡散部は、前記電極接触拡散部と前記電極触媒層との境界で規定される平面から前記電極接触拡散部よりも後退した位置に設けられていることを特徴とする。
【０００８】
以上のように構成された燃料電池によれば、ガス拡散層に周縁拡散部が形成されているため、電極触媒層が形成されていない電解質膜の部分（電極非形成部）にガス拡散層が接触することがなくなる。したがって、ガス拡散層との接触による電解質膜の損傷を低減することができる。
【０００９】
前記電解質膜は、前記電極触媒層が形成されている電極形成部と、前記電極触媒層が形成されていない電極非形成部と、を有し、前記電極非形成部と、前記周縁拡散部との間に、前記電解質材料が充填されていることとしてもよい。
【００１０】
このような構造とすれば、電解質膜の電極非形成部における損傷の可能性をさら低減することができる。
【００１１】
なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能である。例えば、燃料電池、燃料電池システム、それらを搭載した自動車、またはそれらの製造方法等の形態で実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
次に、本発明の実施の形態を以下の実施例に基づいて説明する。
【００１３】
Ａ．第１実施例：
図１は、本発明の一実施例としての燃料電池の断面を示す概略図である。本実施例の燃料電池は、固体高分子型燃料電池であり、セルアセンブリ７０と、セパレータＳＰと、を交互に複数積層したスタック構造を有している。セルアセンブリ７０は、発電積層体７１と、シール部７２と、によって構成されており、１つの電池として機能する。シール部７２には、水素、空気、冷媒などの供給および排出を行うための貫通孔であるマニホールド孔が設けられており、図１では、空気供給用のマニホールド孔Ｍ３と、空気排出用のマニホールド孔Ｍ４が図示されている。発電積層体７１は、ＭＥＡ７３（膜―電極接合体、Membrane Electrode Assembly）と、ＭＥＡ７３を挟持するガス拡散層７６，７７と、ガス拡散層７６，７７をさらに挟持するガス流路形成部７８，７９と、によって形成されている。ＭＥＡ７３は、電解質膜７４と、電解質膜７４の両面に形成された電極触媒層７５（アノード電極層７５ａおよびカソード電極層７５ｃ）と、を備える。セパレータＳＰは、アノード側プレートＳＰａと、カソード側プレートＳＰｃと、それら２枚のプレートに挟持された中間プレートＳＰｉと、を備える三層構造のセパレータである。またシール部７２は射出成形時にガス流路形成部７８，７９の多孔質部に含侵しており、含侵部７２ｉを形成している。なお、図１に示す燃料電池全体の構造は単なる一例であり、本発明は他の構造の燃料電池にも適用可能である。
【００１４】
図２は、ＭＥＡ７３とガス拡散層７６との構成を拡大して示す説明図である。図２（Ａ）は、ＭＥＡ７３の膜面に対して垂直方向から示しており、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）におけるＸ―Ｘ断面を示している。なお図２では、ガス拡散層７７は描かれていないが、これは説明のために省略しただけであり、実際にはガス拡散層７７も存在している。２つのガス拡散層７６，７７は同じ構成を有しているので、以下では主にガス拡散層７６について説明する。また図２（Ａ）では、電極触媒層７５は電解質膜７４の表面積に対して小さい領域に形成されているが、これも説明のために誇張して描かれただけであり、実際の電極触媒層７５は電解質膜７４の表面に広く形成されている。
【００１５】
電解質膜７４は、フッ素系樹脂等の固体高分子材料により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。電解質膜７４は、表面に電極触媒層７５が形成されている部分７４ｅ（以下、「電極形成部７４ｅ」とも呼ぶ。）と、電極触媒層７５が形成されていない部分７４ｎ（以下、「電極非形成部７４ｎ」とも呼ぶ。）とを有している。電極形成部７４ｅは表面を電極触媒層７５で覆われているため、電極非形成部７４ｎに比べて強度が大きくなっている。逆に、電極非形成部７４ｎは表面を電極触媒層７５で保護されていないため、電極形成部７４ｅに比べて強度が小さくなっている。したがって、電解質膜７４の損傷によるガスのクロスリークやリーク電流は、電極非形成部７４ｎにて発生することが多い。
【００１６】
アノード電極層７５ａおよびカソード電極層７５ｃは、電解質膜７４の内周部に形成されており、電気化学反応を促進する触媒、例えば、白金、あるいは白金と他の金属からなる合金を備えている。アノード電極層７５ａおよびカソード電極層７５ｃを形成する方法としては、例えば、白金等の触媒金属を担持させたカーボン粉を作製する。そして作製した触媒担持カーボンと電解質とを用いてペーストを作製する。そして作製した触媒ペーストを電解質膜７４上に塗布すればよい。
【００１７】
ガス拡散層７６は、例えばカーボンクロスやカーボンペーパーによって形成される。ガス拡散層７６の表面には、電極触媒層７５で発生した水を素早く送り出すための撥水処理が施されており、ＭＰＬ層７６ｍ（ＭＰＬ: Micro Porous Layer）が形成されている。ここで、ガス拡散層７６の表面には、カーボン繊維の毛羽が多数存在しており、これらの毛羽は電解質膜７４に比べて非常に硬い。したがって、電解質膜７４とガス拡散層７６とを燃料電池の生産工程において熱圧着した際には、強度の小さい電解質膜７４の電極非形成部７４ｎと、カーボン繊維の硬い毛羽とが直接接することによって電解質膜７４が損傷してしまうことがあった。そして電解質膜７４の損傷によるガスのクロスリークやリーク電流の発生といった問題があった。本実施例では、ガス拡散層７６のうちで、電解質膜７４の電極非形成部７４ｎに掛かる部分は、凹んだ形状７６ｄ（以下「周縁拡散部７６ｄ」とも呼ぶ。）となっている。したがって、ガス拡散層７６の表面に存在する毛羽と、電解質膜７４の電極非形成部７４ｎとは接しない構成となっており、電解質膜７４の電極非形成部７４ｎは、毛羽からの損傷を受けにくくなっている。また電極形成部７４ｅは電極触媒層７５によって保護されているため、ガス拡散層７６の毛羽によって損傷することは少ない。なお、電解質膜７４の電極形成部７４ｅと、周縁拡散部７６ｄ以外のガス拡散層部分７６ｅ（以下、「電極接触拡散部７６ｅ」とも呼ぶ。）とが電極触媒層７５を介して接することによって、導電性が確保されている。図１で示したように、電極非形成部７４ｎと周縁拡散部７６ｄとの間には、シール部７２が射出成形されている。
【００１８】
図３は、第１実施例における周縁拡散部７６ｄを有するガス拡散層７６の製造工程を示すフローチャートである。図４は、その製造工程の概略を示す説明図である。ステップＳ１０では、ガス拡散層７６をプレス１１０にセットする（図４（Ａ））。ステップＳ２０では、ガス拡散層７６の外周部をプレス１００によって圧縮して塑性変形させ、周縁拡散部７６ｄを形成する（図４（Ｂ））。ステップＳ３０では、周縁拡散部７６ｄ，７７ｄを形成させたガス拡散層７６，７７と、表面に電極触媒層７５（アノード電極層７５ａおよびカソード電極層７５ｃ）を形成した電解質膜７４とをプレス１２０で熱圧着させる（図４（Ｃ））。以上のような工程によれば、周縁拡散部７６ｄを有するガス拡散層７６を製造することができる。
【００１９】
このように、第１実施例では、ガス拡散層７６に周縁拡散部７６ｄを設けたので、ガス拡散層７６の表面の毛羽が、電解質膜７４の電極非形成部７４ｎに接することがない。したがって、電解質膜７４の電極非形成部７４ｎは、毛羽からの損傷を受けにくくなり、ガスのクロスリークやリーク電流の発生を低減することが可能となる。
【００２０】
Ｂ．第２実施例：
図５は、第２実施例における燃料電池の断面を示す概略図である。図１に示した第１実施例との違いは、電極非形成部７４ｎと周縁拡散部７６ｄとの間に、電解質層２００が形成されているという点だけであり、他の構成は第１実施例と同じである。
【００２１】
電解質層２００を形成する方法としては、例えば、電解質膜７４とガス拡散層７６とを熱圧着する前に、あらかじめ電解質膜７４の電極非形成部７４ｎに電解質溶液を塗布してもよく、またはガス拡散層７６の周縁拡散部７６ｄに電解質溶液を注入してもよい。また、電解質膜７４とガス拡散層７６とを熱圧着した後に、電極非形成部７４ｎと周縁拡散部７６ｄ、との間に電解質溶液を塗布することもできる。なお、図５において電解質膜７４と電解質層２００との間には境界があるように描かれているが、これは説明のために描いたものであって、実際には電解質層２００の形成時に境界は消滅する。
【００２２】
このように、電極非形成部７４ｎと周縁拡散部７６ｄとの間に、電解質層２００を形成しても、第１実施例と同様に、電解質膜７４の電極非形成部７４ｎは、毛羽からの損傷を受けにくくなり、ガスのクロスリークやリーク電流の発生を低減することが可能となる。また電解質層２００の存在により、ガス拡散層７６と電解質膜７４との密着性を向上させることも可能となる。
【００２３】
Ｃ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００２４】
Ｃ１．変形例１：
上記実施例では、ガス拡散層としてカーボン製の部材を用いていたが、この代わりに、カーボン以外の導電性を有する部材を用いることも可能である。
Ｃ２．変形例２：
上記実施例では、電極非形成部７４ｎと周縁拡散部７６ｄとの間には、シール部７２や電解質層２００が形成されていたが、この代わりに、他の部材が設けられていてもよく、また何も設けられていないこととしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の一実施例としての燃料電池の断面を示す概略図である。
【図２】ＭＥＡ７３とガス拡散層７６との構成を拡大して示す説明図である。
【図３】第１実施例における周縁拡散部７６ｄを有するガス拡散層７６の製造工程を示すフローチャートである。
【図４】第１実施例における周縁拡散部７６ｄを有するガス拡散層７６の製造工程の概略を示す説明図である。
【図５】第２実施例における燃料電池の断面を示す概略図である。
【符号の説明】
【００２６】
７０…セルアセンブリ
７１…発電積層体
７２…シール部
７２ｉ…含侵部
７４…電解質膜
７４ｅ…電極形成部
７４ｎ…電極非形成部
７５…電極触媒層
７５ａ…アノード電極層
７５ｃ…カソード電極層
７６、７７…ガス拡散層
７６ｄ…周縁拡散部
７６ｅ…電極接触拡散部
７８、７９…ガス流路形成部
１００…プレス
１１０…プレス
１２０…プレス
２００…電解質層
Ｍ３…マニホールド孔
Ｍ４…マニホールド孔
ＳＰ…セパレータ
ＳＰａ…アノード側プレート
ＳＰｃ…カソード側プレート
ＳＰｉ…中間プレート
【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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