(57)【要約】【課題】過酸化水素ラジカルによる電解質膜の劣化をより確実に防止することのできる燃料電池を提供する。【解決手段】電解質膜４の縁部で表面を電極６，８で被覆されていない部位をシール部材３０によって被覆する。シール部材３０の少なくとも電解質膜４を被覆する部分には過酸化物分解触媒を添加しておく。【選択図】図１
2008218100.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両側を電極で挟んで構成される膜電極接合体と、前記膜電極接合体の外周部をシールするシール部材とを備える燃料電池において、
前記電解質膜の縁部で表面を前記電極で被覆されていない部位は前記シール部材によって被覆され、前記シール部材の少なくとも前記電解質膜を被覆する部分には過酸化物分解触媒が添加されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記シール部材は高分子材料からなる多層成形物であって、表面に近い層ほど多量の過酸化物分解触媒が添加されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関し、詳しくは、電解質膜の両側を電極で挟んで構成される膜電極接合体を備えた燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池では、電極における電池反応の副生成物として過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）が発生することがある。この過酸化水素が金属イオンによってラジカル化した過酸化水素ラジカルは、電解質膜を化学的に劣化させる原因となる。ただし、過酸化水素は電極に含まれる触媒よって分解されるので、電解質膜がその縁部まで電極で被覆されているならば、過酸化水素ラジカルによる電解質膜の劣化は抑えられる。
【０００３】
しかしながら、電解質膜の表面全体を電極で被覆することは容易ではない。電極が存在する部位では電池反応によって熱が発生し、この熱は電解質膜を激しく劣化させる。電池反応で発生した熱は冷媒によって除去することができるが、電解質膜の縁部までカバーできるように冷媒流路を配置することは難しい。このため、電解質膜の縁部には表面を電極で被覆できない部位が存在し、その表面が露出している部位が過酸化水素ラジカルによって劣化してしまう可能性がある。
【０００４】
過酸化水素ラジカルによる電解質膜の劣化を抑制する技術としては、例えば、特許文献１に開示されたものが知られている。特許文献１には、電解質膜とセパレータとの間をシールするシール部材に過酸化物分解触媒（例えばＣｅＯ２）を含有させることや、シール部材の表面に過酸化物分解触媒を付着させることが開示されている。特許文献１に開示された技術では、シール部材に配置した過酸化物分解触媒によって過酸化水素を分解することで、過酸化水素ラジカルによる電解質膜及びシール部材の劣化を抑制している。
【特許文献１】特開２００５−２６７９０４号公報
【特許文献２】特開平６−３１０１５７号公報
【特許文献３】特開平８−１８０８８８号公報
【特許文献４】特開２００６−１０８００６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に開示されている技術には今だ改良の余地が残っている。特許文献１に開示されている燃料電池の構造では、電解質膜の表面に電極にもシール部材にも被覆されてない部分が存在する。電解質膜の劣化の原因となる過酸化水素は過酸化物分解触媒によって分解することができるが、分解されていない残留過酸化水素の存在も予想される。このため、電解質膜の表面に露出した部分があると、その部分がラジカル化した残留過酸化水素の攻撃によって劣化してしまう可能性は否定できない。
【０００６】
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、過酸化水素ラジカルによる電解質膜の劣化をより確実に防止することのできる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】
【０００７】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、電解質膜の両側を電極で挟んで構成される膜電極接合体と、前記膜電極接合体の外周部をシールするシール部材とを備える燃料電池において、
前記電解質膜の縁部で表面を前記電極で被覆されていない部位は前記シール部材によって被覆され、前記シール部材の少なくとも前記電解質膜を被覆する部分には過酸化物分解触媒が添加されていることを特徴としている。
【０００８】
第２の発明は、第１の発明において
前記シール部材は高分子材料からなる多層成形物であって、表面に近い層ほど多量の過酸化物分解触媒が添加されていることを特徴としている。
【発明の効果】
【０００９】
第１の発明によれば、電解質膜の表面に露出した部位はなく、電極或いは過酸化物分解触媒が添加されたシール部材の何れかによって被覆されているので、電池反応で過酸化水素が生成されたとしても、それが電解質膜に到達する前に電極若しくは過酸化物分解触媒によって分解することができる。したがって、第１の発明によれば、過酸化水素ラジカルによる電解質膜の劣化をより確実に防止することができる。
【００１０】
また、第２の発明によれば、過酸化物分解触媒による過酸化水素の分解効果を維持しつつ、高分子材料からなるシール部材の強度を保つことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１の燃料電池の構成を模式的に示す断面図である。本実施の形態の燃料電池は固体高分子型燃料電池であり、図１に示すように膜電極接合体（ＭＥＡ）２を備えている。ＭＥＡ２は電解質膜４をアノード電極６とカソード電極８とで挟んで構成されている。アノード電極６は、電解質膜２の表面に積層された触媒層１０と触媒層１０上に積層されたガス拡散層１２とからなる。カソード電極８は、電解質膜２の表面に積層された触媒層１４と触媒層１４上に積層されたガス拡散層１６とからなる。
【００１２】
ＭＥＡ２の両側には反応ガスの流路を構成する流路部材１８，２０が配置されている。流路部材１８，２０は導電性のある多孔体からなり、その内部の連続する気孔が反応ガスの流路となっている。各流路部材１８，２０の外側にはセパレータ２２，２４が配置されている。なお、本実施の形態ではセパレータ２２，２４とＭＥＡ２との間に流路部材１８，２０を配置しているが、セパレータ２２，２４の内面に反応ガスの流路を形成してＭＥＡ２を直接セパレータ２２，２４で挟んでもよい。
【００１３】
ＭＥＡ２の外周部には、ＭＥＡ２を囲むようにゴム製のシールガスケット３０が配置されている。このシールガスケット３０には過酸化物分解触媒であるＣｅＯ２が添加されている。シールガスケット３０はＭＥＡ２を挟むセパレータ２２，２４に接触して、反応ガスが流れる燃料電池内部と外部との間をシールしている。本実施の形態ではシールガスケット３０が本発明にかかる「シール部材」に相当している。
【００１４】
本実施の形態の燃料電池は、電解質膜４の縁部に表面を電極６，８で被覆されていない部位を有している。この部位は冷媒流路（図示略）による冷却が困難な場所に相当し、電池反応の反応熱による電解質膜４の劣化を防止するために電極６，８は積層されてない。上述のシールガスケット３０は、電解質膜２の縁部であって表面を電極６，８で被覆されてない部位を完全に被覆するように取り付けられている。
【００１５】
以上説明した構成によれば、電解質膜２の表面に露出した部位はなく、電解質膜２の表面は電極６，８かシールガスケット３０の何れかによって完全に被覆されている。これによれば、電池反応で過酸化水素が生成されたとしても、それが電解質膜４に到達する前に電極６，８で分解されるか、若しくはシールガスケット３０に添加されたＣｅＯ２によって分解される。したがって、本実施の形態の燃料電池によれば、過酸化水素ラジカルによる電解質膜４の劣化を確実に防止することができる。
【００１６】
なお、シールガスケット３０に添加すべきＣｅＯ２の量には最適な範囲が存在する。図２にはＣｅＯ２の添加量と電解質膜４のクロスリーク寿命との関係、及びＣｅＯ２の添加量とシールガスケット３０の強度との関係を示している。この図に示すように、ＣｅＯ２の添加量が少なすぎると過酸化水素の分解効果を得ることができず、電解質膜４のクロスリーク寿命が短くなってしまう。一方、ＣｅＯ２の添加量を多くするに従ってシールガスケット３０の強度は低下していく。したがって、必要なシールガスケット３０の強度は確保しつつ、クロスリーク寿命の要求年数を満たすことができる範囲内でＣｅＯ２の添加量を調整することが求められる。実験では、ＣｅＯ２の添加量を全体に対する質量比で２０％以下にすることで強度とクロスリーク寿命の双方を満足させることが可能であった。また、質量比で２０％を超える場合には、添加時のＣｅＯ２の分散性が低下してしまいクロスリーク寿命に対する効果も薄れることが分かった。
【００１７】
図３はシールガスケット３０の構成を模式的に示す断面図である。この図に示すように、シールガスケット３０は複数の層３０ａ，３０ｂ，３０ｃからなる多層成形物として構成することができる。このような多層成形物であれば、層３０ａ，３０ｂ，３０ｃ毎にＣｅＯ２の添加量を調整することができる。例えば、中央層３０ａはＣｅＯ２の添加量を少なくし、表面層３０ｃはＣｅＯ２の添加量を多くし、中間層３０ｂは中央層３０ａと表面層３０ｃとの中間の添加量としてもよい。これによれば、ＣｅＯ２による過酸化水素の分解効果を維持しつつ、シールガスケット３０の強度を保つことができる。なお、図３ではシールガスケット３０を５層としているが、中央層と両表面層とからなる３層構造も可能であり、より複数の層に分けて構成することもできる。
【００１８】
実施の形態２．
図４は本発明の実施の形態２の燃料電池の構成を模式的に示す断面図である。図４において実施の形態１の燃料電池と共通する要素については同一の符号を付している。以下では実施の形態１とは異なる構成について説明し、共通する構成についての説明は、その必要がある場合を除いて省略或いは簡略する。
【００１９】
本実施の形態の燃料電池は、ＭＥＡ２の外周部を一対のフレーム４０，４２で挟んで固定し、このフレーム４０，４２とＭＥＡ２の一体化物をセパレータ２２，２４で挟んで構成されている。２つのフレーム４０，４２が接着剤４４で接着され、また、セパレータ２２，２４とフレーム４０，４２とが接着剤４６，４８で接着されることで、反応ガスが流れる燃料電池内部と外部との間がシールされている。本実施の形態ではフレーム４０，４２及び接着剤４４，４６，４８が本発明にかかる「シール部材」に相当している。
【００２０】
フレーム４０，４２は電解質膜２の縁部であって表面を電極６，８で被覆されてない部位を両側から挟みこんでいる。そして、フレーム４０，４２と電解質膜２とは両フレーム４０，４２を接着している接着剤４４で接着されている。この接着剤４４には過酸化物分解触媒であるＣｅＯ２が添加されている。接着剤４４は、電解質膜２の縁部であって表面を電極６，８で被覆されてない部位を完全に被覆するように塗布されている。
【００２１】
以上説明した構成によれば、電解質膜２の表面に露出した部位はなく、電解質膜２の表面は電極６，８か接着剤４４の何れかによって完全に被覆されている。これによれば、電池反応で過酸化水素が生成されたとしても、それが電解質膜４に到達する前に電極６，８で分解されるか、若しくは接着剤４４に添加されたＣｅＯ２によって分解される。したがって、本実施の形態の燃料電池によれば、過酸化水素ラジカルによる電解質膜４の劣化を確実に防止することができる。
【００２２】
その他．
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、次のように変形して実施することができる。
【００２３】
実施の形態１では、シールガスケット３０の全体ではなく、電解質膜４を被覆している部分に限定してＣｅＯ２を添加しておくのでもよい。少なくとも電解質膜４を被覆している部分にＣｅＯ２が添加されていれば、過酸化水素と電解質膜４との接触を防ぐことができる。
【００２４】
実施の形態２では、フレーム４０，４２と電解質膜４とを接着する接着剤とフレーム４０，４２同士を接着する接着剤とを別物にし、前者にのみＣｅＯ２を添加するのでもよい。また、セパレータ２２，２４とフレーム４０，４２とを接着する接着剤４６，４８にもＣｅＯ２を添加してもよい。
【００２５】
上述の実施の形態では過酸化物分解触媒としてＣｅＯ２を用いているが、ＣｅＯ２はその一例であって他の過酸化物分解触媒を用いることは勿論可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の実施の形態１の燃料電池の構成を模式的に示す断面図である。
【図２】ＣｅＯ２の添加量が電解質膜のクロスリーク寿命やシールガスケットの強度に与える影響について示す図である。
【図３】シールガスケットの構成を模式的に示す断面図である。
【図４】本発明の実施の形態２の燃料電池の構成を模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
【００２７】
２  膜電極接合体
４  電解質膜
６  アノード電極
８  カソード電極
１０  アノード触媒層
１２  アノードガス拡散層
１４  カソード触媒層
１６  カソードガス拡散層
１８，２０  流路部材
２２，２４  セパレータ
３０  シールガスケット
４０，４２  フレーム
４４  ＣｅＯ２含有接着剤
４６，４８  接着剤
【図１】
2008218100.tif 000003
【図２】
2008218100.tif 000004
【図３】
2008218100.tif 000005
【図４】
2008218100.tif 000006