(57)【要約】【課題】内部抵抗をさらに低減することができる燃料電池を提供することを目的とする。【解決手段】固体高分子電解質膜３０をガス拡散電極１０で狭持してなる膜電極接合体４０と、さらに膜電極接合体４０を狭持する、ガス流路６１を形成したアノード側セパレータとカソード側セパレータ６０と、を備える。このような固体高分子型燃料電池において、固体高分子電解質膜３０とセパレータ６０との間に導電性のガスシール材によりガスシール部５０を設けるとともに、ガス拡散電極１０がガスシール部５０に接触するように構成する。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子電解質膜をガス拡散電極で狭持してなる膜電極接合体と、
さらに前記膜電極接合体を狭持する、ガス流路を形成したセパレータと、を備えた固体高分子型燃料電池において、
前記高分子電解質膜と前記セパレータとの間に導電性のガスシール材によりガスシール部を設けるとともに、
前記ガス拡散電極が前記ガスシール部に接触するように構成することを特徴とする固体高分子型燃料電池。
【請求項２】
前記ガス拡散電極を、それぞれがガス拡散機能を有する燃料極と酸化剤極とにより構成する請求項１に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項３】
前記ガスシール部の少なくとも一部を、前記高分子電解質膜と前記ガス拡散電極により狭持する請求項１または２に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項４】
前記ガスシール部の少なくとも一部を、前記セパレータと前記ガス拡散電極により狭持する請求項１から３のいずれか一つに記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項５】
前記ガスシール部の少なくとも一部により前記ガス拡散電極を狭持する請求項１から４のいずれか一つに記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項６】
前記セパレータを、前記ガス流路を形成している面を除く、略面全体で電流を流すように構成する請求項１から５のいずれか一つに記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項７】
前記導電性のガスシール材として、少なくともステンレス、アルミニウム、ニッケル、銅、銀のいずれか一つを含むものを用いる請求項１から６のいずれか一つに記載の固体高分子型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、固体高分子型燃料電池に関する、特に、固体高分子型燃料電池の内部抵抗を抑制する構成に関する。
【０００２】
【従来の技術】
通常、燃料電池は電解質膜の両側に電極触媒層を設け、さらにその外側にガス拡散電極を配置した単位セルを、ガス流路を有したセパレータで狭持して積層したものが用いられる。このような燃料電池において、効率良く発電を行うには、構成部材の電気抵抗、構成部材間の接触抵抗等の燃料電池内部抵抗を低減する必要がある。
【０００３】
従来の内部抵抗を低減する方法としては、ガス拡散電極との接触面に、表面粗さがＲａ＝０．１μｍ〜１０μｍの範囲となるような加工を施したセパレータを用いることにより、セパレータとガス拡散電極間の接触面積を増大させて接触抵抗を低減している（特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１１−２９７３３８号公報
【０００５】
【発明が解決しようとしている問題点】
しかしながら、上述した従来技術にあたっては、ガス拡散電極とセパレータ間の電気伝導は、アノード（燃料極）、カソード（酸素極）側の各セパレータとガス拡散電極との接触部を通してのみ行う構造になっていた。そのため、ガス拡散電極とセパレータ間の電気抵抗（燃料電池の内部抵抗）が未だ大きいという問題があった。
【０００６】
そこで本発明は、燃料電池の内部抵抗をさらに低減することができる固体高分子型燃料電池を提供することを目的とする。
【０００７】
【問題点を解決するための手段】
本発明は、高分子電解質膜をガス拡散電極で狭持してなる膜電極接合体と、さらに前記膜電極接合体を狭持する、ガス流路を形成したセパレータと、を備える。このような固体高分子型燃料電池において、前記高分子電解質膜と前記セパレータとの間に導電性のガスシール材によりガスシール部を設けるとともに、前記ガス拡散電極が前記ガスシール部に接触するように構成する。
【０００８】
【作用及び効果】
高分子電解質膜とセパレータとの間に導電性のガスシール材によりガスシール部を設けるとともに、ガス拡散電極がガスシール部に接触するように構成することで、シール材にも電流が流れる経路が形成され、燃料電池内部抵抗を低減した発電特有の優れた固体高分子型燃料電池を構成することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
第１の実施形態に用いる固体高分子型燃料電池の単セルの構成を図１に示す。
【００１０】
固体高分子電解質膜３０を電極触媒層２０により狭持し、さらにその外側からガス拡散電極１０により狭持して膜電極接合体（ＭＥＡ；Ｍｅｍｂｒａｎｅ　Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ　Ａｓｓｅｍｂｌｙ）４０を構成する。このように構成したＭＥＡ４０を、ガス拡散電極１０との接触面にガス流路６１を形成したアノード側とカソード側のガスセパレータ６０で狭持する。
【００１１】
アノード側のガスセパレータ６０に形成したガス流路６１には燃料ガスを供給し、アノード側のガス拡散電極１０において供給された燃料ガスを発電面に拡散する。さらにアノード側の電極触媒層２０で化学反応（Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−）を生じ、これにより生成されたプロトンが固体高分子電解質膜３０内をカソード側に移動する。
【００１２】
一方、カソード側ガスセパレータ６０に形成したガス流路６１には酸化ガスを供給し、カソード側のガス拡散電極１０において供給された酸化ガスを発電面に拡散する。カソード側の電極触媒層２０では、固体高分子電解質膜３０を介して供給されるプロトンと酸化ガス中の酸素が結びつき水を生成する（１／２Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ）。
【００１３】
このようにガス拡散電極１０には燃料ガスまたは酸化ガスが供給されて拡散されるので、これらのガスが外部に漏れないようにガス拡散電極１０の外周にガスシール部５０を形成する。
【００１４】
ここで、各構成部材の積層面は、固体高分子電解質膜３０とガスセパレータ６０とが概略同じとし、ガス拡散電極１０の積層面はそれらより小さく、電極触媒層２０の積層面はガス拡散電極１０よりさらに小さく構成する。このような構成部材を上述したように積層したときに、ガス拡散電極１０の外周側、且つ、ガスセパレータ６０と固体高分子電解質膜３０との間にガスシール部５０を形成することで、ガス拡散電極１０からのガス漏れを防ぐことができる。
【００１５】
図２にガスシール部５０の詳細を示す。図２は、図１におけるガスシール部５０（円内部）の拡大図である。
【００１６】
ガスシール部５０はガス拡散電極１０の外側で、固体高分子電解質膜３０とガスセパレータ６０との間に形成するが、Ｌ字型、コの字型、Ｃ字型というようなガス拡散電極１０に向かって突出部を備えた断面を有するように形成する。ここでは断面をＬ字型とし、固体高分子電解質膜３０に沿ってガス拡散電極１０に向かう突出部５０ａを備えるように形成する。ここで、突出部５０ａをガスセパレータ６０に沿って形成してもよい。このように形成することで、ガスシール部５０の少なくとも一部、ここでは突出部５０ａが、ガス拡散電極１０と、固体高分子電解質膜３０またはガスセパレータ６０に狭持される部分を形成する。これにより、ガス拡散電極１０を、ガスシール部５０に確実に接触させる。
【００１７】
次に、このような燃料電池の構成方法を説明する。
【００１８】
はじめに、市販のカーボンペーパまたは、カーボンクロス等のガス拡散電極１０を所定の大きさに打ち抜く。続いて、ガス拡散電極１０に撥水処理を行うために、所定の濃度に調整した、例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等のフッ素系溶液中に所望時間浸漬する。その後、大気中または窒素雰囲気中で乾燥させてから加熱し、撥水処理を施したガス拡散電極１０を形成する。
【００１９】
次に、白金等の貴金属触媒を担持させた炭素粉末とナフィオン等の固体高分子電解質膜のアルコール溶液を混合した電極触媒ペーストを作製し、ナフィオン膜等の固定高分子電解質膜３０の両面に準備した電極触媒ペーストを作製する。ナフィオン膜等の固体高分子電解質膜３０の両面に、準備した電極触媒ペーストをスプレー法、スクリーン印刷法、転写法などにより塗布し、ホットプレス、ホットロールなどにより加熱する。このように、固体高分子電解質膜３０に電極触媒層２０を形成する。
【００２０】
続いて、ステンレス、アルミニウム、ニッケル、銅、銀のいずれか一つを含むガスシール材により形成され、例えば断面がＬ字、コの字、Ｃ字型等の所定形状のガスシール部５０を準備する。ここでは、導電性のガスシール材をＬ字型に加工したガスシール部５０を準備する。ガスシール部５０を図２に示すようにその一部、ここでは突部５０ａが、先に準備したガス拡散電極１０と固体高分子電解質膜３０に狭持されるように配置する。または、先に準備したガス拡散電極１０とガスセパレータ６０に狭持されるように配置してもよい。
【００２１】
その後、ガス拡散電極１０およびガスシール部５０に接するように、ガス流路６１を備えたガスセパレータ６０を配置し、所定の面圧になるように締め付けて固体高分子型燃料電池の単セルとする。このような単セルを積層することにより燃料電池を構成する。
【００２２】
なお、ここでは固体高分子膜３０に触媒電極層２０を塗布・形成したが、ガス拡散電極１０に塗布・形成したり、ガス拡散電極１０の一部として触媒電極層２０を形成してもよい。また、触媒電極層２０を別個に構成し、ガス拡散電極１０により狭持することもできる。
【００２３】
次に、本実施形態における効果を説明する。
【００２４】
固体高分子電解質膜３０をガス拡散電極１０で狭持してなるＭＥＡ４０と、さらにＭＥＡ４０を狭持する、ガス流路６１を形成したアノード側およびカソード側ガスセパレータ６０と、を備える。このような固体高分子型燃料電池において、固体高分子電解質膜３０とガスセパレータ６０との間に導電性のガスシール材によりガスシール部５０を設けるとともに、ガス拡散電極１０がガスシール部５０に接触するように構成する。これにより、ガスシール部５０にも電流が流れる経路が形成され、燃料電池内部抵抗を低減した発電特有の優れた固体高分子型燃料電池を形成することができる。
【００２５】
また、ガス拡散電極１０を、それぞれがガス拡散機能を有する燃料極と酸化剤極とにより構成する。これにより、発電面にガスを拡散するとともに、ガスシール部５０を設けるので、ガス拡散電極１０からのガス漏れを防ぎ、効率のより発電を行うことができる。
【００２６】
さらに、ガスシール部５０の少なくとも一部を、固体高分子電解質膜３０またはガスセパレータ６０の少なくとも一方と、ガス拡散電極１０により狭持する。このように構成することで、ガスシール部５０とガス拡散電極１０との接触を確実にし、ガス拡散電極１０と導電性のガスシール部５０との接触抵抗を低抵抗に保ち、燃料電池の内部抵抗を抑制することができる。
【００２７】
また、ガスセパレータ６０を、ガス流路６１を形成している面を除く面のほぼ全体で電流を流すように構成する。ここでは、ガスセパレータ６０は、ガスシール部５０に接触する面に関しても電流を流す構成としている。このようにガスセパレータ６０が、ガス流路５１を形成している凹部表面を除き、他の燃料電池構成部材と接触し、ほぼ面全体が電流を流す経路になっていることから、さらに燃料電池内部抵抗を低減し、発電特性を向上することができる。
【００２８】
導電性のガスシール材として、少なくともステンレス、アルミニウム、ニッケル、銅、銀のいずれか一つを含む。これにより、電気伝導性に優れ、燃料電池内部抵抗を低減した発電特性の優れた固体高分子型燃料電池を形成することができる。
【００２９】
このように固体高分子型燃料電池を構成することにより、燃料電池内の電流の経路として、従来のガス拡散電極１０とガスセパレータ６０との接触面を経る経路に加えて、ガス拡散電極１０、ガスシール部５０、ガスセパレータ６０を通る経路を形成できる。また、ガス拡散電極１０と導電性のガスシール部５０は確実に接触しているため、燃料電池内部抵抗を低減した発電特性の優れた固体高分子型燃料電池を構成することができる。
【００３０】
次に、第２の実施形態について説明する。固体高分子型燃料電池の単セルの構成を図３に示す。また、図３の円内部、つまりガスシール部５０付近の詳細を図４の拡大図に示す。ここでは、第１の実施形態と異なる部分のみを説明する。
【００３１】
単セルの概略を第１の実施形態と同様とする。ただし、図４に示すように、ステンレス等を用いて断面がコの字形状のガスシール部５０を形成する。つまりガスシール部５０は、ガス拡散電極１０に向かって突出する二つの突出部をもち、固体高分子電解質膜３０に沿って突出する部分を突出部５０ａ、ガスセパレータ６０に沿って突出する部分を突出部５０ｂとする。このようにガスシール部５０を形成し、ガス拡散電極１０と、固体高分子電解質膜３０およびガスセパレータ６０で、ガスシール部５０の一部を狭持する。言い換えれば、ガスシール部５０によりガス拡散電極１０の一部を狭持する。
【００３２】
また、ガスシール部５０のガスセパレータ６０側の表面にガスシール層５１を形成する。ガスシール層５１は、ガスシール部５０に接触するガスセパレータ６０面の凸凹以上の膜厚を有する、例えばアルミニウム、ニッケル、銅、銀等より形成した薄膜である。
【００３３】
次に、このような単セルの構成方法を説明する。
【００３４】
第１の実施形態と同様の方法で撥水処理が施されたガス拡散電極１０、固体高分子電解質膜３０および電極触媒層２０を形成する。次に、導電性ガスシール材を用いて、例えばＬ字、コの字、Ｃ字形状、ここではコの字形状に断面を加工したガスシール部５０を形成する。
【００３５】
その後、ガスシール部５０の少なくともガスセパレータ６０と接触する面となる表面上に、スパッタリング法、電池ビーム蒸着法、抵抗加熱法等により、アルミニウム、ニッケル、銅、銀等の薄膜（ガスシール層５１）を形成する。ここで、ガスシール層５１を、ガスセパレータ６０のシール材との接触面の凸凹以上の厚さとなるように成膜する。
【００３６】
続いて、ガスシール層５１を形成したガスシール部５０を、図４に示すようにガス拡散電極１０の外周に配置する。ここでは、ガスシール部５０の断面をコの字形状に形成し、ガスシール部５０の一部、ここでは突出部５０ａ、５０ｂによりガス拡散電極１０の一部を狭持するように設置する。最後に、ガス拡散電極１０および、ガスシール層５１に接するようにガス流路６１つきのガスセパレータ６０を配置し、所定の面厚となるように締め付け、固体高分子型燃料電池の単セルとする。
【００３７】
次に、本実施形態における効果を説明する。ここでは、第１の実施形態に加えて以下のような効果を得ることができる。
【００３８】
ガスシール部５０の少なくとも一部によりガス拡散電極１０を狭持する。このように、ガス拡散電極１０を導電性のガスシール部５０で狭持して接触させていることから、ガス拡散電極１０とガスシール部５０およびガスシール部５０とガスセパレータ６０との接触抵抗を低抵抗に保つ。これにより、ガス拡散電極１０からガスシール部５０へ、さらにガスシール部５０からガスセパレータ６０へ電流が流れる際の抵抗を低減し、発電特性の優れた固体高分子型燃料電池を形成することができる。
【００３９】
また、ガスシール部５０のガスセパレータ６０に接触する面に、導電性の薄膜であるガスシール層５１を形成する。これにより、ガスシール部５０からガスセパレータ６０への電気伝導性を向上することができる。このとき、ガスシール層５１の膜厚を、ガスセパレータ６０の表面に形成された凹凸より厚く形成する。これにより、ガスセパレータ６０とガスシール部５０（ガスシール層５１）とが、接触している部分を大きくすることができ、さらに接触抵抗を低減して導電性を向上することができる。さらに、ガスシール部５０に用いる材料に対して、より高い導電性をもつ材料を用いてガスシール層５１を用いる。これにより、コストを抑えて接触抵抗が生じる部分の導電性を特に向上することができ、全体として発電特性を向上することができる。
【００４０】
このようにして固体高分子型燃料電池を形成することにより、燃料電池の電流経路として従来のガス拡散電極１０とガスセパレータ６０接触部を通る経路に加えてガス拡散電極１０、電気伝導性のガスシール部５０、ガスセパレータ６０を通る経路を形成することができる。また、ガス拡散電極１０と導電性のガスシール部５０は確実に接触しており、さらに導電性のガスシール層５１とガスセパレータ６０との接触を良好に保つことにより、さらに燃料電池の内部抵抗を低減した発電特性の優れた固体高分子型燃料電池を構成することができる。
【００４１】
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術思想の範囲以内で様々な変更が成し得ることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態における燃料電池の単セルの構成図である。
【図２】第１の実施形態におけるガスシール部の構成図である。
【図３】第２の実施形態における燃料電池の単セルの構成図である。
【図４】第２の実施形態におけるガスシール部の構成図である。
【符号の説明】
１０　　ガス拡散電極
２０　　電極触媒層
３０　　固体高分子電解質膜
４０　　膜電極接合体
５０　　ガスシール部
５１　　ガスシール層
６０　　ガスセパレータ
６１　　ガス流路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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