(57)【要約】【課題】ガス拡散層からの繊維の突き出しによるダメージを抑制するとともに、燃料電池の発電効率を向上する。【解決手段】発電体２００であって、電解質膜２２０と、前記電解質膜の両面において外縁部を除いて形成されるアノード側触媒層２４０およびカソード側触媒層２５０と、前記電解質膜２２０上のアノード側の外縁部に配置され、高分子電解質と添加剤とを含むアノード側保護層２８０と、前記電解質膜２２０のカソード側の外縁部に配置され、行為分子電解質と添加剤を含むカソード側保護層２９０と、前記アノード側触媒層２４０およびアノード側保護層２８０上に配置されるアノード側ガス拡散層２６０と、カソード側触媒層２５０およびカソード側保護層２９０上に配置されるカソード側ガス拡散層２７０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】
発電体であって、
電解質膜と、
前記電解質膜の両面において外縁部を除いて形成される触媒層と、
前記電解質膜上の外縁部に配置され、高分子電解質と添加剤とを含む保護層と、
前記触媒層および前記保護層上に配置されるガス拡散層と、
を備える、発電体。
【請求項２】
請求項１に記載の発電体において、
前記添加剤はカーボンである、発電体。
【請求項３】
請求項２に記載の発電体において、
前記カーボンは繊維状カーボンである、発電体。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれかに記載の発電体を備える、燃料電池。
【請求項５】
発電体の製造方法であって、
高分子電解質の溶液に添加剤とアルコールを添加して攪拌する工程と、
前記攪拌した溶液をガス拡散層の外縁部に塗布する工程と、
前記溶液を乾燥させてガス拡散層に保護層を形成する工程と、
電解質膜に触媒層を形成して膜電極接合体を形成する工程と、
前記保護膜が形成されたガス拡散層と前記膜電極接合体とを接合する工程と、
を備える、発電体の製造方法。
【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ものであり、特に、燃料電池の発電体およびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池の発電体は、電解質膜と触媒層を有する膜電極接合体と、その両面に配置されるガス拡散層を有する。ガス拡散層として、例えばカーボンクロスやカーボンペーパーが用いられる。カーボンクロスやカーボンペーパーはカーボン繊維を織ったものであり、繊維の突き出しがある。そのため、燃料電池の発電体を積層して締結する際に、ガス拡散層の繊維の突き出しにより電解質膜が損傷するおそれがある。かかる損傷を抑制するために、従来の燃料電池では、膜電極接合体とガス拡散層との間にカーボン粒子とポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）からなる保護膜を配置していた（特許文献１）。あるいは、膜電極接合体とガス拡散層との間にカーボン粒子と高分子電解質からなる保護膜を配置していた（特許文献２）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−３５５９９１号公報
【特許文献２】特開２００６ー１１４３９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、従来の技術では、触媒層とガス拡散層の間にも保護膜が配置されるので、燃料ガスあるいは酸化ガスのガス分散性が低下し、燃料電池の発電効率を高めることが難しかった。また、保護膜の材料に制限があった。
【０００５】
本発明は、上記課題の少なくとも１つを解決するためになされたものであり、ガス拡散層からの繊維の突き出しによる電解質膜の損傷を抑制するとともに、燃料電池の発電効率を向上することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明の第１の態様に係る発電体は、電解質膜と、前記電解質膜の両面において外縁部を除いて形成される触媒層と、前記電解質膜上の外縁部に配置され、高分子電解質と添加剤とを含む保護層と、前記触媒層および前記保護層上に配置されるガス拡散層とを備える。本発明の第１の態様に係る発電体によれば、電解質膜の外縁部では、電解質膜とガス拡散層の間に保護膜が配置される。また、電解質膜の外縁部以外では、電解質膜とガス拡散層の間には触媒層のみが配置される。その結果、ガス拡散層からの繊維の突き出しにより電解質膜に損傷が発生することを抑制できる。さらに、電解質膜とガス拡散層の間には保護膜がないので、燃料電池の発電効率を向上させることができる。
【０００７】
本発明の第１の態様に係る発電体において、前記添加剤としてカーボンを用いてもよい。この場合には、保護層に使われる添加剤は電池材料に用いられるカーボンであるので、燃料電池の電気化学反応に対して悪影響を与えない。
【０００８】
本発明の第１の態様に係る発電体において、前記カーボンとして繊維状カーボンを用いてもよい。この場合には、添加剤として繊維状カーボンを用いるので、保護層がガス拡散層に浸透しにくくなり、保護層の膜厚を容易に制御できる。
【０００９】
本発明の第２の態様に係る燃料電池は、上記記載の発電体を備える。本発明の第２の態様に係る燃料電池によれば、電解質膜およびガス拡散層の外縁部の間のみに保護層を備えるので、ガス拡散層の繊維の突き出しにより電解質膜に損傷が発生することを抑制できる。また外縁部以外においては、触媒層とガス拡散層の間に保護膜がないので、反応ガスの移動が抑制されず、燃料電池の発電効率を向上させることができる。
【００１０】
本発明の第３の態様に係る発電体の製造方法は、高分子電解質の溶液に添加剤とアルコールを添加して攪拌する工程と、前記攪拌した溶液をガス拡散層の外縁部に塗布する工程と、前記溶液を乾燥させてガス拡散層に保護層を形成する工程と、電解質膜に触媒層を形成して膜電極接合体を形成する工程と、前記保護膜が形成されたガス拡散層と前記膜電極接合体とを接合する工程とを備える。本発明の第３の態様に係る発電体の製造方法によれば、膜電極接合体と保護層を有するガス拡散層を別個に製造して接合するので、発電体を容易に製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１を用いて本実施例に係る燃料電池の外観について説明する。図１は本実施例に係る燃料電池の外観を模式的示す斜視図である。
【００１２】
燃料電池１００は発電体２００とセパレータ３００とが交互に積層されて構成される。本実施例では、燃料電池１００は図面右側（ｘ軸プラス側）に燃料ガスを供給する燃料ガス供給マニホールド１１０と冷却水を供給する冷却水供給マニホールド１５０を備える。燃料電池１００は図面左側（ｘ軸マイナス側）に未反応の燃料ガスを排出する燃料ガス排出マニホールド１２０と冷却水を排出する冷却水排出マニホールド１６０を備える。燃料電池１００は図面下方（ｙ軸マイナス側）に酸化ガスを供給するための酸化ガス供給マニホールド１３０と、図面上法（ｙ軸プラス側）に未反応の酸化ガスおよび電気化学反応により生成した水を排出するための酸化ガス排出マニホールド１４０を備える。これらのマニホールド１１０〜１６０は、燃料電池１００の内部を積層方向（ｚ軸方向）に貫通する。
【００１３】
図２および図３を用いて本実施例に係る発電体について説明する。図２は本実施例に係る発電体の断面図である。図３は本実施例に係る発電体のフレームを除いた部分を膜電極接合体と保護層を有するガス拡散層とに分解した分解斜視図である。なお、図３ではアノード側保護層２８０の形状を見やすくするために、図２の上下をひっくり返してアノード側保護層が膜電極接合体２１０の下側にくるように図示している。
【００１４】
発電体２００は膜電極接合体２１０とアノード側ガス拡散層２６０とカソード側ガス拡散層２７０とアノード側保護層２８０とカソード側保護層２９０とフレーム４００とガスケット５００を備える。
【００１５】
膜電極接合体２１０は略四角形の平面形状をしており、電解質膜２２０と電解質膜２２０のアノード側に形成されるアノード側触媒層２４０およびカソード側に形成されるカソード側触媒層２５０とを備える。電解質膜２２０として、固体高分子材料、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸ポリマなどのフッ素系樹脂からなるプロトン伝導性のイオン交換膜が用いられる。アノード側触媒層２４０およびカソード側触媒層２５０は電解質膜２２０の外縁部を除いた部分に形成される。アノード側触媒層２４０およびカソード側触媒層２５０として、電気化学反応を促進する触媒、例えば、白金触媒、あるいは白金と他の金属とからなる白金合金触媒をカーボンに担持した触媒層が用いられる。
【００１６】
アノード側ガス拡散層２６０は燃料ガスを拡散するための層であり、膜電極接合体２１０のアノード側触媒層２４０の上に配置される。アノード側ガス拡散層２６０として、例えば、ガス拡散性と電子伝導性を兼ね備えたカーボンクロスやカーボンペーパーなどが用いられる。そのため、アノード側ガス拡散層２６０の表面には繊維の突き出しが生じている。
【００１７】
アノード側保護層２８０はアノード側ガス拡散層２６０の繊維の突き出しにより電解質膜２２０の損傷を抑制するための層である。アノード側保護層２８０は、保護層を備えない構造においてアノード側ガス拡散層が電解質膜と接触する部分、すなわち膜電極接合体２１０側の外縁部に備えられる。アノード側保護層２８０の一部はアノード側ガス拡散層２６０に浸透し、アノード側浸透層２８５を形成するが、残部はアノード側ガス拡散層の表面に堆積し繊維の突き出しを覆う。その結果、アノード側ガス拡散層２６０の繊維の突き出しは、電解質膜２２０に達することなく覆われる。一方、アノード側ガス拡散層２６０の外縁部を除いた部分はアノード側触媒層２４０と接する。したがって、アノード側ガス拡散層２６０からアノード側触媒層２４０への燃料ガスの透過性を高くすることができる。
【００１８】
アノード側保護層２８０は、高分子電解質とカーボンを含む。本実施例では高分子電解質として例えばパーフルオロカーボンスルホン酸ポリマなどのフッ素系樹脂を用いている。カーボンとして粒子状のカーボンを用いている。パーフルオロカーボンスルホン酸ポリマおよびカーボンは燃料電池の電解質膜、触媒層の材料に用いられる材料と同じであるため、燃料電池の電気化学反応に対して、例えば、触媒毒とはならない。
【００１９】
アノード側保護層２８０の厚さは、アノード側触媒層２４０の厚さ以下にすることが好ましい。アノード側保護層の厚さがアノード側触媒層２４０の厚さよりも厚い場合には、発電体２００を積層して燃料電池を組み立てる時の面圧がアノード側保護層２８０にかかり、アノード側触媒層２４０にかかる面圧が低くなる。その結果、例えば、アノード側触媒層２４０とアノード側ガス拡散層２６０の間の接触抵抗が大きくなり燃料電池の発電効率が低下するからである。
【００２０】
なお、アノード側保護層２８０の厚さの下限はアノード側ガス拡散層２６０の繊維の突き出しの大きさに依存する。本実施例で使用するアノード側ガス拡散層２６０の場合、アノード側ガス拡散層におよそ１．５μｍの膜厚のアノード側保護層を設けることが好ましい。
【００２１】
膜電極接合体２１０はカソード側に、酸化ガスを拡散するためのカソード側ガス拡散層２７０とカソード側保護層２９０とを備える。カソード側ガス拡散層２７０とカソード側保護層２９０の構成については、アノード側ガス拡散層２６０とアノード側保護層２８０の構成と同じであるので説明を省略する。
【００２２】
フレーム４００は膜電極接合体２１０を支持する額縁状の支持部材である。フレーム４００は例えば樹脂で構成され、射出成形により膜電極接合体２１０と一体に成形される。フレーム４００は図１で説明した各種マニホールドを形成するための開口部を備えている。図２においては、燃料ガス供給マニホールド１１０を形成するための燃料ガス供給マニホールド孔４１２および燃料ガス排出マニホールド１２０を形成するための燃料ガス排出マニホールド孔４２２を示す。
【００２３】
ガスケット５００は、セパレータ３００とフレーム４００の間に、反応ガスが燃料電池の外部に漏洩することを抑制するために配置されるシール部材である。ガスケット５００は、リング状をしており、セパレータ３００およびフレーム４００の開口部を囲うように配置される。ガスケットは、燃料電池を組み立てるときの締結圧力によりセパレータ３００およびフレーム４００に密着する。
【００２４】
セパレータ３００は３層構造をしており、アノード対向プレート３１０と中間プレート３２０とカソード対向プレート３３０とを備える。セパレータ３００は燃料ガスと酸化ガスとを分離するために用いられる。セパレータ３００は燃料ガス供給路３１５および燃料ガス排出路３２５を備える。セパレータ３００は図１で説明した各種マニホールドを形成するための開口部を備えている。図２においては、燃料ガス供給マニホールド１１０を形成するための燃料ガス供給マニホールド孔３１２および燃料ガス排出マニホールド１２０を形成するための燃料ガス排出マニホールド孔３２２を示す。
【００２５】
図４を用いて、本実施例に係る発電体の製造方法について説明する。図４は、本実施例に係る発電体の製造方法を示すフローチャートである。
【００２６】
高分子電解質の溶液にアルコールと添加剤を加えて攪拌する（ステップＳ１００）。高分子電解質としてパーフルオロカーボンスルホン酸ポリマなどのフッ素系樹脂が用いられる。添加剤として粒子状カーボンのカーボンが用いられる。エタノールを加えることにより、溶液をアノード側ガス拡散層２６０に塗布した後、溶液を容易に乾燥させることができる。
【００２７】
攪拌した溶液をアノード側ガス拡散層２６０の外縁部に塗布する（ステップＳ２００）。塗布は例えば、刷毛で塗ることにより行ってもよいし、あるいは、スプレー法により行ってもよい。アノード側ガス拡散層２６０に塗布した溶液の一部はアノード側ガス拡散層２６０に浸透しアノード側浸透層２８５を形成するが、残部がアノード側ガス拡散層２６０の繊維の突き出しを覆う。アノード側保護層２８０にカーボンを添加しないと、アノード側保護層２８０がアノード側ガス拡散層２６０に浸透し易くなり、アノード側保護層２８０の膜厚制御が困難となる。しかし、本実施例ではカーボンを添加剤として加えているため溶液のアノード側ガス拡散層２６０への浸透を制御できる。その結果、アノード側保護層２８０の膜厚制御を容易にすることができる。
【００２８】
溶液を塗布したガス拡散層を乾燥させて、アノード側保護層２８０をアノード側ガス拡散層２６０に定着させる（ステップＳ３００）。なお、同様の手順でカソード側保護層２９０を有するカソード側ガス拡散層２７０を製造することができる。
【００２９】
電解質膜２２０にアノード側触媒層２４０およびカソード側触媒層２５０を形成して膜電極接合体２１０を製造する（ステップＳ４００）。電解質膜２２０に触媒インクを塗布し、乾燥させる。触媒インクは、例えば白金などの貴金属触媒をカーボン粒子に担持させ、電解質溶液に分散させることにより製造される。
【００３０】
膜電極接合体２１０の一方の面にアノード側保護層２８０が膜電極接合体２１０側になるようにアノード側ガス拡散層２６０を配置し、他面にカソード側保護層２９０が膜電極接合体２１０側になるようカソード側ガス拡散層２７０を配置して接合し、発電体２００を製造する（ステップＳ５００）。
【００３１】
以上、本実施例によれば、電解質膜２２０上の外縁部にアノード側保護層２８０が配置されるので、アノード側ガス拡散層２６０の繊維の突き出しによる電解質膜２２０への損傷の発生を抑制・防止できる。
【００３２】
本実施例によれば、アノード側保護層２８０は高分子電解質とカーボンを含み、高分子電解質とカーボンは燃料電池の電解質膜２２０およびアノード側触媒層２４０を構成する材料と同じであるため、例えば触媒毒とはならず、発電体の電気化学反応に悪影響を与えない。
【００３３】
本実施例によれば、アノード側触媒層２４０の上にはアノード側保護層２８０が配置されないので、アノード側ガス拡散層２６０からアノード側触媒層２４０への燃料ガスの拡散が阻害されない。したがって燃料電池の発電効率の低下を抑制・防止できる。
【００３４】
本実施例によれば、発電体２００を容易に製造することができる。また、本実施例によれば、カーボンなどの添加物を調製することによりアノード側保護層２８０およびカソード側保護層２９０の膜厚を容易に制御することができる。
【００３５】
（変形例１）
なお、本実施例では、アノード側保護層２８０あるいはカソード側保護層２９０として高分子電解質と粒子状カーボンを含む保護層を用いたが、カーボンとして繊維状カーボンを用いてもよい。繊維状カーボンを用いる場合には、アノード側保護層２８０およびカソード側保護層２９０がアノード側ガス拡散層２６０およびカソード側ガス拡散層２７０に浸透しにくくなるので、アノード側保護層２８０およびカソード側保護層２９０の膜厚制御がさらに容易になる。
【００３６】
（変形例２）
また、アノード側保護層２８０あるいはカソード側保護層２９０として高分子電解質とカーボン以外の添加剤を含む保護層を用いてもよい。アノード側触媒層２４０あるいはカソード側触媒層２５０の外側は発電に寄与しない部分であるため、保護層の材料としてカーボン以外の材料を用いても燃料電池の電気化学反応に対して影響が発生しにくい。なお、添加剤はアノード側触媒層２４０およびカソード側触媒層２５０に対して触媒毒とならない物質であることが好ましい。
【００３７】
（変形例３）
本実施例では、アノード側ガス拡散層２６０、カソード側ガス拡散層２７０として、カーボンクロスあるいはカーボンペーパーを用いたが、さらにカーボンクロスの外側に多孔体を備える構成にしてもよい。
【００３８】
（変形例４）
本実施例では、セパレータとして３層セパレータ構造を用いたが、他の構成であってもよい。例えば、表面に溝が形成されたカーボン製セパレータを用いてもよい。
【００３９】
以上、いくつかの実施例に基づいて本発明の実施の形態について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本実施例に係る燃料電池の外観を模式的示す斜視図。
【図２】本実施例に係る発電体の断面図。
【図３】本実施例に係る発電体を膜電極接合体と保護層を有するガス拡散層とに分解した分解斜視図。
【図４】本実施例に係る発電体の製造方法を示すフローチャート。
【符号の説明】
【００４１】
１００…燃料電池
１１０…燃料ガス供給マニホールド
１２０…燃料ガス排出マニホールド
１３０…酸化ガス供給マニホールド
１４０…酸化ガス排出マニホールド
１５０…冷却水供給マニホールド
１６０…冷却水排出マニホールド
２００…発電体
２１０…膜電極接合体
２２０…電解質膜
２４０…アノード側触媒層
２５０…カソード側触媒層
２６０…アノード側ガス拡散層
２７０…カソード側ガス拡散層
２８０…アノード側保護層
２８５…アノード側浸透層
２９０…カソード側保護層
３００…セパレータ
３１０…アノード対向プレート
３１２…燃料ガス供給マニホールド孔
３１５…燃料ガス供給路
３２０…中間プレート
３２２…燃料ガス排出マニホールド孔
３２５…燃料ガス排出路
３３０…カソード対向プレート
４００…フレーム
４１２…燃料ガス供給マニホールド孔
４２２…燃料ガス排出マニホールド孔
５００…ガスケット
【図１】
2008192575.tif 000003
【図２】
2008192575.tif 000004
【図３】
2008192575.tif 000005
【図４】
2008192575.tif 000006