(57)【要約】【課題】膜電極接合体（ＭＥＡ）の構造を改善することにより、低コスト化、高安定化が図られ、組立歩留りが向上した高分子電解質型燃料電池を得る。【解決手段】高分子電解質膜１６を挟んで対向して設けられる燃料極１７と空気極１８のいずれか一方の面積を他方の面積よりも小さくし、小さい方の面が大きい方の面内に収まるように配置し、その小さい方の面積は、燃料極１７と空気極１８がズレ無く対向した場合に所定の出力が得られる面積とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜とその両側の燃料極と空気極とでＭＥＡを構成し、そのＭＥＡの両側をセパレータで挟んだ単セルスタックを積層してなる高分子電解質型燃料電池であって、固体高分子電解質膜を挟んで対向して設けられる燃料極と空気極のいずれか一方の面積を他方の面積よりも小さくし、小さい方の面が大きい方の面内に収まるように配置し、その小さい方の面積は、燃料極と空気極がズレ無く対向した場合に所定の出力が得られる面積である高分子電解質型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子電解質膜とその両側の燃料極と酸素極で構成された膜電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ、以下、ＭＥＡという）を一対のガス拡散層および流路付きセパレータで挟んだものを単セルスタックとして構成する高分子電解質型燃料電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、燃料電池は、水素を含む燃料と酸素等を含む空気とを電気化学的に反応させて電力エネルギーを発生させるものであり、使用する電解質によって各種の燃料電池に分類され、りん酸水溶液を電解質として使用するりん酸型燃料電池、高分子電解質膜を使用する高分子電解質型燃料電池等があり、図５は従来の一般的な高分子電解質型燃料電池の単セルスタックの断面図、図６は従来の高分子電解質型燃料電池のＭＥＡの側断面図であり、１は水素イオン伝導性フツ素樹脂からなる高分子電解質膜、２は前記高分子電解質膜１の一方の面上に転写、印刷、塗布、射出等により付けられた、白金系の金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする触媒層３と燃料ガスの通気性と、電子導電性を併せ持つ多孔質の導電性カーボンシートを主成分とするガス拡散層４とから構成される燃料極、５は前記燃料極２の高分子電解質膜１と反対側の面上に付けられた金属製セパレータ、６は前記金属製セパレータ５の燃料極２と接する表面上に形成された溝により、前記燃料極２を構成するガス拡散層４に燃料を供給するガス流路、７、８は、前記のように、高分子電解質膜１の一方の面上に設けられた燃料極２、金属製セパレータ５と同様、高分子電解質膜１の他方の面上に順次設けられた触媒層９とガス拡散層１０とからなる空気極と金属製セパレータ、１１は前記金属製セパレータ８の空気極７と接する表面上に形成された溝により、前記空気極７を構成するガス拡散層１０に酸素を供給するガス流路、１２は前記高分子電解質膜１上に積層して設けた燃料極２と金属製セパレータ５の積層端面において、燃料極２の積層の無い金属製セパレータ５と高分子電解質膜１の間にシール材１３を介して設けられたガスケット（型枠）、１４は、前記ガスケット（型枠）１２と同様、前記高分子電解質膜１上に積層して設けた空気極７と金属製セパレータ８の積層端面において、空気極７の積層の無い金属製セパレータ８と高分子電解質膜１の間にシール材１５を介して設けられたガスケット（型枠）である。
【０００３】
なお、前記ガスケット（型枠）１２、１４およびシール材１３、１５は供給する燃料ガスが外にリークしたり、２種類の燃料ガスが互いに混合しないように、燃料極２および空気極７の周囲に高分子電解質膜１を挟んで配置され、燃料極２および空気極７、高分子電解質膜１と一体化してＭＥＡとしてあらかじめ組み立てられている。
【０００４】
また、金属製セパレータ５、８はＭＥＡの外側において、ＭＥＡを機械的に固定すると共に、隣接したＭＥＡを互いに電気的に直列に接続するための働きをし、金属製セパレータ５、８のＭＥＡと接触する部分に形成したガス流路６、１１は、燃料極２および空気極７の表面に反応ガスを供給し、生成ガスや余剰ガスを運び去るための働きをする。ガス流路６、１１は金属製セパレータ５、８と別に設けることもできるが、金属製セパレータ５、８の表面に溝を設けてガス流路６、１１とする方式が一般的である。
【０００５】
上記構成の高分子電解質型燃料電池は、燃料極２に水素やメタノール等の燃料を、空気極７に酸素をそれぞれガス流路６、１１を通じて供給することにより、水素は前記燃料極２の触媒層３によって水素イオンとなって水素イオン伝導性高分子電解質として働く高分子電解質膜１内を移動し、前記空気極７の触媒層９により酸素と反応して水になる。この過程で空気極７から燃料極２へ電子が移動する。
【０００６】
なお、前記構成ではガスケット（型枠）１２、１４とシール材１３、１５により燃料および酸素の漏れを防いでいるが、他に燃料極２側および空気極７側のＭＥＡやガス拡散層４、１０の構造関係を工夫し電極膜構造体とセパレータのシール性を向上させてガスリーク性を減少させる手法、構造が数多く考案され、アノード側拡散電極とカソード側拡散電極とを、いずれか一方の面が他方の面内に収まるように配置して電極膜構造体を形成して、アノード側拡散電極とカソード側拡散電極のうち大きい表面積の拡散電極の外周部分と一方のセパレータの間に、小さい表面積の拡散電極を囲むように第１のシールを設ける等、シールを設ける空間を作るために、アノード側拡散電極とカソード側拡散電極のいずれか一方を他方よりも面積を大きくしている（例えば、特許文献１参照）。
【０００７】
また、単セルスタック当りの発電効率を安定化させるためには、前記のように、高分子電解質膜１の両面上に転写、印刷、塗布、射出等により付けられた燃料極２および空気極７の対向している部位が多い程良いのであるが、燃料極２と空気極７を高分子電解質膜１を挟んで同一位置に同一形状で形成することは、転写、印刷、塗布、射出等のいずれの形成方式を採った場合でも困難であり、燃料極２と空気極７の対向しない部位、すなわち、ズレが不定期に発生することが多い。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００２−２５５８７号公報（第２頁  請求項１、請求項７、第２頁〜第３頁  段落［０００４］）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
前記のように、従来の高分子電解質型燃料電池においては、単セルスタック当りの発電効率を安定化させるために、燃料極と空気極を高分子電解質膜を挟んで同一位置に同一形状で形成しようとしても困難であり、燃料極と空気極の対向しない部位が発生し、燃料極と空気極にズレが発生することがあるため、設計した燃料極と空気極の面積から予測される所定の出力に対し、実出力が低くなるといったバラツキが生じることが多々あった。
【００１０】
また、燃料極と空気極はほば同一組成で構成されており、且つ、同色であり、目視で見分けをつけることは困難であるため、ＭＥＡ、ガス拡散層、流路付きセパレータを組み合わせて単セルスタック化する際に、ＭＥＡの燃料極側触媒層と空気極側触媒層の方向を間違って単セルスタック化してしまい、単セルスタックを複数枚用いて、直列に配列、組み立てしたフルスタック構造にしたときに所定の出力を得られないということが多々あった。
【００１１】
本発明は上記課題を解決するものであり、出力安定性が向上し、また、組立歩留りが大幅に向上した高分子電解質型燃料電池を得ることを目的とするものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明は、固体高分子電解質膜とその両側の燃料極と空気極とでＭＥＡを構成し、そのＭＥＡの両側をセパレータで挟んだ単セルスタックを積層してなる高分子電解質型燃料電池であって、固体高分子電解質膜を挟んで対向して設けられる燃料極と空気極のいずれか一方の面積を他方の面積よりも小さくし、小さい方の面が大きい方の面内に収まるように配置し、その小さい方の面積は、燃料極と空気極がズレ無く対向した場合に所定の出力が得られる面積である高分子電解質型燃料電池であり、単セルスタックの出力安定性が向上し、また、ＭＥＡの燃料極側と空気極側を容易に目視で識別可能になり、間違えて組み立てることが無くなり、組立歩留りが大幅に向上した高分子電解質型燃料電池を得ることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１に記載の発明は、固体高分子電解質膜とその両側の燃料極と空気極とでＭＥＡを構成し、そのＭＥＡの両側をセパレータで挟んだ単セルスタックを積層してなる高分子電解質型燃料電池であって、固体高分子電解質膜を挟んで対向して設けられる燃料極と空気極のいずれか一方の面積を他方の面積よりも小さくし、小さい方の面が大きい方の面内に収まるように配置し、その小さい方の面積は、燃料極と空気極がズレ無く対向した場合に所定の出力が得られる面積である高分子電解質型燃料電池であり、燃料極と空気極のいずれか一方の面積を他方の面積よりも小さくし、小さい方の面が大きい方の面内に収まるように配置し、その小さい方の面積は、燃料極と空気極がズレ無く対向した場合に所定の出力が得られる面積であることにより、所定の出力を安定して得ることができるという作用を有する。
【００１４】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００１５】
（実施の形態）
図１は、前記図５に示す高分子電解質型燃料電池の一般的な従来の単セルにおけるＭＥＡを抜き出して、本発明を適用した実施の形態におけるＭＥＡの側断面図であり、実施の形態におけるＭＥＡの構造が一般的な従来の例を示す図５の高分子電解質型燃料電池におけるＭＥＡの構造と異なるところは、図５においては、高分子電解質膜１を介して対向して形成された燃料極２と空気極７の面積は同じ大きさであるのに対し、本実施の形態を示す図１においては、高分子電解質膜１６を介して対向して形成された燃料極１７と空気極１８のうち、触媒となる含有白金の含有量がより多い負極、すなわち、燃料極１７の面積を空気極１８の面積よりも小さくし、燃料極１７の面が空気極１８の面内に収まるように配置し、燃料極１７の面積は、燃料極と空気極がズレ無く対向した場合に所定の出力が得られるような面積に設定されている点であり、図１に示す実施の形態におけるＭＥＡを図５に示す従来のＭＥＡと置き換えれば、そのまま本実施の形態における高分子電解質型燃料電池が得られる。
【００１６】
図５に示すように、高分子電解質膜１を介して対向して形成される燃料極２と空気極７の面積が同じ大きさである場合は、燃料極２と空気極７の形成時に図６に示すように、一方にズレが生じると、そのズレの長さＬに幅方向の長さを掛けた面積分、反応に有効な重複部分が無くなることになる。
【００１７】
前記燃料極２と空気極７は転写、印刷、塗布、射出等のいずれの形成方式を採った場合でも、高分子電解質膜１を挟んで同一位置、同一形状に正確に形成することは、非常に困難であり、燃料極２と空気極７の面積を、ズレ無く対向させた場合に所定の出力が得られる面積に過不足無く設定すると、前記ズレのため所定の出力が得られないという問題がある。
【００１８】
しかるに、図１に示す本実施の形態におけるＭＥＡは、図２のＭＥＡ製造装置の構成図に示すように、ロール１９により走行するベルト状基材２０上に空気極１８を間欠的に形成した後に、空気極１８を覆うようにベルト状に高分子電解質膜２１を形成し、次いで、燃料極材料を内蔵した金型２２のスリットから前記高分子電解質膜２１上の前記空気極１８と重なる位置に間欠的に燃料極１７を前記空気極１８の面内に収まるように小さく形成する。
【００１９】
前記燃料極１７の面積は燃料極１７と空気極１８がズレ無く対向した場合に所定の出力が得られる面積であるが、空気極１８の面積よりも小さいため、空気極１８の面内に燃料極１７を収めることは比較的容易であり、少なくとも燃料極１７の面積だけは空気極１８と重なって形成することができ、燃料極１７の面積で設定された所定の出力が得られるものである。
【００２０】
また、面積を小さくする方の電極として、一般的に触媒となる含有白金の含有量がより多い負極、すなわち、燃料極１７を選ぶことにより、コスト的なメリットが得られる。
【００２１】
なお、燃料極１７より大きな空気極１８の面積は、センサ２３で燃料極１７と空気極１８の面積の違いを検知し、材料ロスにならないよう最適面積に設定される。
【００２２】
また、燃料極１７および空気極１８の形成方法は図２の塗布方法に限られず、転写、印刷、射出等いずれの方法を採った場合であっても形成可能である。
【００２３】
次に、燃料極と酸素極のうち、一方の面積を他方の面積より小さく形成した構造（以下異面積構造）のＭＥＡと両方とも同一の大きさの面積で形成した構造（以下同面積構造）のＭＥＡを用い、単セルスタック化し、燃料極側に水素を、酸素極側に空気を送り、電池特性を評価し、出力値と分布を取ったものが図３の出力安定性比較図であり、横軸に０．２［Ａ］動作時の電圧［Ｖ］を、縦軸にサンプル１００個評価時の頻度［％］を表わしている。
【００２４】
例えば、設定電圧値が０．６Ｖと０．７Ｖの間のＶ１であるとき、同面積構造の場合は設定電圧値Ｖ１になるサンプル数は約４０％であるのに対し、異面積構造の場合は設定電圧値Ｖ１になるサンプル数は約８０％になり、設定電圧値Ｖ１通りになる頻度が高く所定の出力を得られる燃料電池を安定して得ることができる。
【００２５】
従って、フルスタック構造にしたときに単セルスタック当りの出力が一定であるので、万が一、フルスタックを構成する一部の単セルのみが寿命を迎えた場合でも、新しい単セルと交換することで、常に安定した出力を得ることが可能である。
【００２６】
また、燃料極１７と空気極１８のうち、燃料極１７の面積が空気極１８の面積よりも小さいので、単セルスタック化する際にＭＥＡの燃料極１７側と空気極１８側を容易に目視で識別可能になる。
【００２７】
単セルスタックをフルスタック化する際に１枚ずつ検査していくことも可能だが、単セルスタックの検査は一度運転状態にする必要があり、加湿・加温に時間、コストがかかり、効率が悪い。
【００２８】
その点、異面積構造の場合は簡易的な画像検査装置で燃料極１７、空気極１８の識別が可能であるので、ＭＥＡの燃料極１７と空気極１８の方向を間違って単セルスタック化することが無くなり、画像検査装置を量産組立機に組込み、自動化すれば、図４のコスト率、作業時間効率、組立歩留率比較図に示すように、同面積構造の場合のコスト率、作業時間効率、組立歩留率を１００とし、異面積構造の場合のコスト率、作業時間効率、組立歩留率で除し、コスト率、作業時間効率、組立歩留率を数値化しプロットすると、異面積構造の場合のコスト率、作業時間効率、組立歩留率は同面積構造の場合に比し、優れていることが分かる。
【００２９】
【発明の効果】
以上のように、本発明の高分子電解質型燃料電池は、ＭＥＡの燃料極を空気極よりも小さな面積とし、空気極の面内に収まるようにすることにより、燃料極の面積から予測される所定の出力の高分子電解質型燃料電池を安定して得ることができ、また、組立歩留りが大幅に向上するという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態における高分子電解質型燃料電池のＭＥＡの側断面図
【図２】図１に示すＭＥＡの製造装置の構成図
【図３】本発明の実施の形態における高分子電解質型燃料電池と従来の高分子電解質型燃料電池の出力安定性比較図
【図４】本発明の実施の形態における高分子電解質型燃料電池と従来の高分子電解質型燃料電池のコスト率、作業時間効率、組立歩留率比較図
【図５】従来の一般的な高分子電解質型燃料電池の単セルスタックの断面図
【図６】従来の高分子電解質型燃料電池のＭＥＡの側断面図
【符号の説明】
１，１６，２１  高分子電解質膜
２，１７  燃料極
３，９  触媒層
４，１０  ガス拡散層
５，８  金属製セパレータ
６，１１  ガス流路
７，１８  空気極
１２，１４  ガスケット（型枠）
１３，１５  シール材
１９  ロール
２０  ベルト状基材
２２  金型
２３  センサ
【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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【図６】
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