(57)【要約】【課題】  燃料電池における電解質膜の耐久性を向上させる。【解決手段】  互いに対向する各電極間に挟まれるアノード側とカソード側の両面に触媒層２を備え、イオン透過性を有する燃料電池用電解質膜１において、触媒層２を触媒粒子５を担持した導電性粒子４によって形成し、触媒層２の周囲に境界層３を設け、この境界層３を触媒粒子５を担持した導電性粒子４によって形成し、この境界層３における触媒担持量を触媒層２における触媒担持量より小さくした。【選択図】    図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに対向する各電極間に挟まれるアノード側とカソード側の両面に触媒層を備え、
イオン透過性を有する燃料電池用電解質膜において、
前記触媒層を触媒を担持した導電性粒子によって形成し、
少なくとも前記アノード側の触媒層の周囲に境界層を設け、
この境界層を触媒を担持した導電性粒子によって形成し、
前記境界層における触媒担持量を前記触媒層における触媒担持量より小さくしたことを特徴とする燃料電池用電解質膜。
【請求項２】
前記境界層における前記導電性粒子間の空隙率を前記触媒層における前記導電性粒子間の空隙率より小さくしたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用電解質膜。
【請求項３】
前記境界層における前記導電性粒子の粒径を前記触媒層における前記導電性粒子の粒径より小さくしたことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池用電解質膜。
【請求項４】
前記境界層における前記導電性粒子に親水処理を施したことを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の燃料電池用電解質膜。
【請求項５】
イオン透過性を有する電解質膜と、
この電解質膜を挟んで対向する各電極と、
各電解質膜とこの各電極の間に介在するアノード側とカソード側の各触媒層と、
この各触媒層に燃料ガスまたは酸化剤ガスを供給する各ガス流路とを備えて発電する燃料電池において、
前記触媒層を触媒を担持した導電性粒子によって形成し、
少なくとも前記アノード側の触媒層の周囲に境界層を設け、
この境界層を触媒を担持した導電性粒子によって形成し、
前記境界層における触媒担持量を触媒層における触媒担持量より小さく設定したことを特徴とする燃料電池。
【請求項６】
前記境界層をガスが供給される入口ガスマニホールドに近接する部位に形成したことを特徴とする請求項５に記載の燃料電池。
【請求項７】
互いに対向する各電極間に挟まれるアノード側とカソード側の両面に触媒層を備え、
イオン透過性を有する燃料電池用電解質膜において、
前記触媒層を触媒を担持した導電性粒子によって形成し、
少なくとも前記アノード側の触媒層の周囲に境界層を設け、
この境界層を親水処理を施した導電性粒子によって形成したことを特徴とする燃料電池用電解質膜。
【請求項８】
前記境界層における前記導電性粒子間の空隙率を前記触媒層における前記導電性粒子間の空隙率より小さくしたことを特徴とする請求項７に記載の燃料電池用電解質膜。
【請求項９】
前記境界層における前記導電性粒子の粒径を前記触媒層における前記導電性粒子の粒径より小さくしたことを特徴とする請求項８に記載の燃料電池用電解質膜。
【請求項１０】
イオン透過性を有する電解質膜と、
この電解質膜を挟んで対向する各電極と、
各電解質膜とこの各電極の間に介在するアノード側とカソード側の各触媒層と、
この各触媒層に燃料ガスまたは酸化剤ガスを供給する各ガス流路とを備えて発電する燃料電池において、
前記触媒層を触媒を担持した導電性粒子によって形成し、
少なくとも前記アノード側の触媒層の周囲に境界層を設け、
この境界層を親水処理を施した導電性粒子によって形成したことを特徴とする燃料電池。
【請求項１１】
前記境界層をガスが供給される入口ガスマニホールドに近接する部位に形成したことを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用電解質膜および燃料電池の改良に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子電解質膜を用いた燃料電池では、電気化学反応を促進させるための触媒層を併用し、固体高分子電解質膜の両膜面に触媒層を介在させている。この触媒層は、例えば白金などの触媒を担持した例えばカーボン粒子などを凝集、積層して形成されている。
【０００３】
このような燃料電池は、水素ガスが供給されるアノード側電極では触媒を介してＨ2→２Ｈ+＋２ｅ-の電気化学反応が行われ、酸素が供給されるカソード側電極では触媒を介してＯ2＋４Ｈ+＋４ｅ-→２Ｈ2Ｏの電気化学反応が行われ、各電極に起電力が生じる。
【０００４】
上記した燃料電池の作動時に、アノード側電極に供給される水素ガス中に何らかの原因で酸素が混じると、触媒層の周辺に酸素が残留し、水素と酸素の反応によって燃焼熱が生じ、触媒層の端部付近の電解質膜に局所的な温度上昇を生じ、電解質膜が熱劣化する傾向があった。
【０００５】
ところで、このような事態を回避するために、特許文献１には、触媒を担持していないカーボン粒子を敷き詰めた耐火層を触媒層の周囲に設けたものが提案されている。これは耐火層において電気化学反応をほとんど生じることなく電解質膜１の温度上昇を抑制できるとしている。
【特許文献１】特開平７−２０１３４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、このような特許文献１に記載された燃料電池にあっては、触媒を持たない耐火層において電気化学反応がほとんど生じないために、未反応ガスが多くなり、この未反応ガスが触媒層の端部付近で燃焼反応し、触媒層と耐火層の境界部に局所的な温度上昇が生じ、電解質膜の耐久性が低下する可能性があった。
【０００７】
本発明は、上記問題点を解決するためになされ、燃料電池における電解質膜の耐久性を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、互いに対向する各電極間に挟まれるアノード側とカソード側の両面に触媒層を備え、イオン透過性を有する燃料電池用電解質膜において、触媒層を触媒を担持した導電性粒子によって形成し、触媒層の周囲に境界層を設け、この境界層を触媒を担持した導電性粒子によって形成し、境界層における触媒担持量を前記触媒層における触媒担持量より小さくした。
【０００９】
また、互いに対向する各電極間に挟まれるアノード側とカソード側の両面に触媒層を備え、イオン透過性を有する燃料電池用電解質膜において、触媒層を触媒を担持した導電性粒子によって形成し、触媒層の周囲に境界層を設け、この境界層を親水処理を施した導電性粒子によって形成した。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によると、境界層が触媒担持量の少ない導電性粒子からなることにより、境界層においても未反応ガスが電気化学反応することが触媒を介して促される。境界層を触媒層より少ない触媒担持量にしたことにより、境界層において電気化学反応熱を減らすとともに、未反応ガスを減らすことが可能となる。このために、未反応ガスが触媒層の端部付近で燃焼反応が集中することを抑制し、触媒層と境界層の境界部に局所的な温度上昇が生じることを回避できる。こうして電解質膜の温度分布を均一化することにより、電解質膜の熱劣化などを抑えられ、燃料電池の耐久性を高められる。
【００１１】
また、境界層に親水処理を施して境界層内に水を溜めることにより、境界層を未反応ガスが透過することを抑制して、触媒層の端部付近で行われる燃焼反応によって触媒層と境界層の境界部に局所的な温度上昇が生じることを回避できる。そして、境界層内に水を溜めることにより、境界層の熱伝導率が高まり、電解質膜の温度分布を均一化することができる。これにより、電解質膜の熱劣化などを抑えられ、燃料電池の耐久性を高められる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の第１実施形態の構成を説明する。
【００１３】
図１に本発明が適用可能な燃料電池の一例を示す。この燃料電池のセル２０は、イオン透過性を有する電解質膜１と、この電解質膜１を挟んで対向するアノード側とカソード側の各電極７と、この各電解質膜１と各電極７の間に介在する各触媒層２と、この各触媒層２に燃料ガスまたは酸化剤ガスを供給するガス流路１０とを主体として構成される。さらに、セル２０は、アノード側とカソード側の各ガス流路１０を画成する各セパレータ９と、各ガス流路１０を密封するシール材８とを備える。燃料電池は複数のセル２０を積層して形成される。
【００１４】
アノード側のガス流路８には燃料ガスとして例えば水素ガスが供給される。カソード側のガス流路８には酸化剤ガスとして例えば空気が供給される。
【００１５】
各電極７とシール材８は各セパレータ９により挟持される。なお、ガスシール材８は電解質膜１の両側を挟み込むようにして設置してもよい。
【００１６】
各触媒層２は電解質膜１のアノード側とカソード側の両面にコーティングして形成される。電解質膜１は各電極７により挟持される。
【００１７】
なお、これに限らず、触媒層２は電極７の電解質膜１に対峙する電極面にコーティングして形成してもよい。
【００１８】
図４は、本発明の第１実施形態の電池用電解質膜を示している。この電解質膜１の両膜面にてそれぞの中央の領域に触媒層２を設け、この触媒層２の周囲に境界層３をコーティングして形成する。
【００１９】
なお、これに限らず、電解質膜１のアノード側膜面にのみ境界層３を形成し、カソード側膜面に境界層３を形成しない構成としてもよい。
【００２０】
また、触媒層２を電解質膜１にコーティングし、境界層３を電極７にコーティングしてもよい。また、これと逆に、触媒層２を電極７にコーティングし、境界層３を電解質膜１にコーティングしてもよい。
【００２１】
触媒層２は電解質膜１の中央の領域に形成する。境界層３は電解質膜１の触媒層２を囲む領域に全周にわたって帯状に延びる。
【００２２】
電解質膜１の膜面には触媒層２および境界層３がコーティングされない余剰領域１５が触媒層２を囲む領域に全周にわたって帯状に延びる。
【００２３】
なお、これに限らず、余剰領域１５を廃止して、境界層３または触媒層２を電解質膜１の端部に達するまでコーティングしてもよい。
【００２４】
なお、従来は、図２に示すように、この電解質膜１の中央の領域に触媒層２をコーティングしている。
【００２５】
また、図３は、同じく従来の燃料電池用電解質膜の断面を示し、この電解質膜１の膜面に白金などの触媒粒子５を担持した導電性粒子４を敷き詰めた触媒層２がコーティングされている。
【００２６】
図５は、比較例として特開平７−２０１３４６号公報記載の燃料電池用電解質膜の断面を示している。この電解質膜１の膜面に触媒粒子５を担持した導電性粒子４を敷き詰めた触媒層２がコーティングされるとともに、触媒を担持していない導電性粒子４を敷き詰めた耐火層１４がコーティングされている。
【００２７】
図６は、本発明の第１実施形態の燃料電池用電解質膜の断面を示している。この電解質膜１の膜面に触媒粒子５を担持した導電性粒子４を敷き詰めた触媒層２がコーティングされるとともに、触媒粒子５を担持した導電性粒子４を敷き詰めた境界層３がコーティングされている。
【００２８】
そして本発明の要旨とするところであるが、境界層３における触媒担持量を触媒層２における触媒担持量より小さく設定したことを特徴とする。境界層３の触媒担持量は触媒層２の触媒担持量より所定の比率で小さく設定する。この触媒担持量の比率は、実験結果などに基づいて任意に設定する。
【００２９】
導電性粒子４は例えばカーボンの粒子によって形成する。触媒粒子５は例えば白金の粒子によって形成する。
【００３０】
境界層３は触媒層２の端部から隙間なく連なる。触媒層２の導電性粒子４と境界層３の導電性粒子４は電解質膜１の膜面に対して略直交する面上で互いに接する。
【００３１】
なお、これに限らず、触媒層２の導電性粒子４と境界層３の導電性粒子４は電解質膜１の膜面に対して傾斜する面上で互いに接するように形成してもよい。
【００３２】
また、触媒層２の導電性粒子４と境界層３の導電性粒子４が電解質膜１の膜面上にて重合するように形成してもよい。導電性粒子４に対する触媒担持量が電解質膜１の膜面に対して略直交する方向について変化させることも可能である。
【００３３】
境界層３と触媒層２において、導電性粒子４の粒径は略等しい。境界層３と触媒層２において、導電性粒子４間の空隙率は略等しい。
【００３４】
境界層３と触媒層２を構成する導電性粒子４は撥水性を持つ。
【００３５】
以上のように構成されて、次に作用について説明する。
【００３６】
セル２０は各触媒層２にて行われる電気化学反応によって発電する。これについて詳述すると、アノード側のガス流路８を通して供給される燃料ガスはガス拡散電極７を介してアノード側の触媒層２に導かれる。このアノード側触媒層２において、燃料ガス中の水素がプロトンに変換される（Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-）。このプロトンは水和状態で電解質膜１を透過（拡散）してカソード側の触媒層２に至る。カソード側のガス流路８を通して供給される酸化剤ガスはガス拡散電極７を介してカソード側の触媒層２に導かれる。このカソード側触媒層２において、電解質膜１を透過したプロトンと酸化剤ガス中の酸素が結びつくことにより、水が生成される（Ｏ2＋４Ｈ+＋４ｅ-→２Ｈ2Ｏ）。このようにして、各触媒層２にて電気化学反応が進行することで、各電極７に起電力が生じる。
【００３７】
上記した燃料電池の作動時に、アノード側電極７に供給される水素ガス中に何らかの原因で酸素が混じると、アノード側触媒層２の周辺に酸素が残留し、水素と酸素の反応によって燃焼熱が生じる可能性がある。
【００３８】
図２、図３に示す従来例は、触媒層２の端部においても電気化学反応や燃焼反応が起こることから発熱を生じ、触媒層２の端部付近の電解質膜１に局所的な温度上昇を生じ、電解質膜１が熱劣化する傾向があった。
【００３９】
図５に示す特開平７−２０１３４６号公報に開示された比較例は、これに対処して提案されたものであり、触媒を担持しない導電性粒子４からなる耐火層１４において電気化学反応をほとんど生じることなく電解質膜１の温度上昇を抑制できるとしている。
【００４０】
しかし、この比較例は、耐火層１４において電気化学反応がほとんど生じないために、水素と酸素の未反応ガスが多くなり、この未反応ガスが触媒層２の端部付近で燃焼反応し、触媒層２と耐火層１４の境界部に局所的な温度上昇が生じる可能性がある。
【００４１】
また、アノード側の耐火層１４にて水素分子のまま触媒を担持しないカーボン粒子層４間を通過した水素ガスが電解質膜１に到達し、さらに電解質膜１を水素分子の状態のまま通過してカソード側に到ると、カソード側で酸素と燃焼反応し、この燃焼熱によって電解質膜１を劣化させる可能性もあった。
【００４２】
これに対して図６に示す本発明の第１実施形態は、境界層３が触媒担持量の少ない導電性粒子４からなることにより、境界層３においても未反応ガスが電気化学反応することが触媒粒子５を介して促される。境界層３を触媒層２より少ない触媒担持量にしたことにより、境界層３において電気化学反応熱を減らすとともに、未反応ガスを減らすことが可能となる。このために、未反応ガスが触媒層２の端部付近で燃焼反応が集中することを抑制し、触媒層２と境界層３の境界部に局所的な温度上昇が生じることを回避できる。こうして電解質膜１の温度分布を均一化することにより、電解質膜１の熱劣化などを抑えられ、燃料電池の耐久性を高められる。
【００４３】
図７は、本発明の第２実施形態の燃料電池用電解質膜を示している。この電解質膜１の中央部には穴１９が開いている。境界層３は触媒層２の外側端部と内側端部に沿って帯状に延びている。
【００４４】
これにより、境界層３は触媒層２の外側端部と内側端部において未反応ガスが燃焼反応することを抑制し、電解質膜１の熱劣化などを抑えられる。
【００４５】
図８は、本発明の第３実施形態の燃料電池用セパレ一夕を示している。このセパレ一夕９には、ガスを流すガス流路１０と、ガスを給排する入口ガスマニホールド１１と出口ガスマニホールド１２を有する。他の開口部１７，１８は他のガスや冷却水を導くものである。なお、発電エリア１３は触媒層２の大きさを表している。
【００４６】
このガス流路１０は複数の流路が並列しかつ蛇行して延びる、サーペンタイン流路もしくは蛇行流路と呼ばれるものである。
【００４７】
なお、これに限らず、ガス流路１０は櫛型合わせ流路もしくはインターディジテイテッド流路などでもよい。
【００４８】
図９は、本発明の第３実施形態の燃料電池用電解質膜を示している。この電解質膜１の膜面には触媒層２の周囲に２つの境界層３を入口ガスマニホールド１１と出口ガスマニホールド１２に近接する部位に限定して形成する。各境界層３は入口ガスマニホールド１１と出口ガスマニホールド１２に沿って帯状に延びている。各境界層３は矩形をした触媒層２の隅部に設ける。
【００４９】
本実施形態では、図９に示すように、矩形をした触媒層２に対して境界層３を凸形に突出する形状にしている。
【００５０】
なお、これに限らず、図１０に示すように、矩形をした触媒層２を一部切り欠いて境界層３を形成してもよい。
【００５１】
触媒層２の端部において入口ガスマニホールド１１と出口ガスマニホールド１２に近接する部位は、ガスの分布が増えるため、燃焼熱が局所的に生じる可能性がある。これに対処して、境界層３を入口ガスマニホールド１１と出口ガスマニホールド１２に近接する部位に限定して形成することにより、この部分の燃焼熱を抑えるとともに、境界層３の塗布量を低減することができる。そして、触媒層２の面積が境界層３によって削減されることを抑えられ、セル２０の起電力を維持できる。
【００５２】
図１１は、本発明の第４実施形態の燃料電池用セパレ一夕を示している。このセパレ一夕９に画成されるガス流路１０は複数の流路が並列して直線状延びている。他の開口部１７，１８は他のガスや冷却水を導くものである。なお、発電エリア１３は触媒層２の大きさを表している。入口ガスマニホールド１１と出口ガスマニホールド１２は発電エリア１３の両端部に沿って開口している。
【００５３】
図１２は、本発明の第４実施形態の燃料電池用電解質膜を示している。この電解質膜１の膜面には触媒層２の周囲に２つの境界層３を入口ガスマニホールド１１と出口ガスマニホールド１２に近接する部位に限定して形成する。各境界層３は入口ガスマニホールド１１と出口ガスマニホールド１２に沿って帯状に延びている。各境界層３は矩形をした触媒層２の２辺に沿って設ける。
【００５４】
この場合も、境界層３を入口ガスマニホールド１１と出口ガスマニホールド１２に近接する部位に限定して形成することにより、この部分の燃焼熱を抑えるとともに、境界層３の塗布量を低減することができる。そして、触媒層２の面積が境界層３によって削減されることを抑えられ、セル２０の起電力を維持できる。
【００５５】
図１３は、本発明の第５実施形態の燃料電池用電解質膜の断面を示している。本実施形態でも前記各実施形態と同様に境界層３を触媒層２より少ない量の触媒粒子５を担持した導電性粒子４によって形成する。
【００５６】
そして本実施形態では境界層３における導電性粒子４間の空隙率を触媒層２における導電性粒子４間の空隙率より小さくする。この境界層３と触媒層２における導電性粒子４間の空隙率の比率は、実験結果などに基づいて任意に設定する。
【００５７】
境界層３と触媒層２において、導電性粒子４の粒径は略等しい。
【００５８】
導電性粒子４を触媒層２より境界層３にて密集させることにより、境界層３を未反応ガスが透過することを抑制して、触媒層２の端部付近で行われる燃焼反応によって触媒層２と境界層３の境界部に局所的な温度上昇が生じることを回避できる。そして、境界層３を高密度化することにより、境界層３の熱伝導率が高まり、電解質膜１の温度分布を均一化することができる。これにより、電解質膜１の熱劣化などを抑えられ、燃料電池の耐久性を高められる。
【００５９】
図１４は、本発明の第６実施形態の燃料電池用電解質膜の断面を示している。本実施形態でも前記各実施形態と同様に境界層３を触媒層２より少ない量の触媒粒子５を担持した導電性粒子４によって形成する。
【００６０】
そして本実施形態では境界層３における導電性粒子４の粒径を触媒層２における導電性粒子４の粒径より小さくする。そして、境界層３における導電性粒子４間の空隙率を触媒層２における導電性粒子４間の空隙率より小さくする。この境界層３と触媒層２における導電性粒子４間の空隙率の比率は、実験結果などに基づいて任意に設定する。
【００６１】
境界層３の導電性粒子４の粒径を小さくすることで容易に境界層３を高密度化することができる。境界層３を高密度化することにより、第５実施形態の作用効果を高められる。すなわち、境界層３を未反応ガスが透過することを抑制して、触媒層２の端部付近で行われる燃焼反応によって触媒層２と境界層３の境界部に局所的な温度上昇が生じることを回避できる。そして、境界層３の熱伝導率が高まり、電解質膜１の温度分布を均一化することができる。これにより、電解質膜１の熱劣化などを抑えられ、燃料電池の耐久性を高められる。
【００６２】
図１５は、本発明の第７実施形態の燃料電池用電解質膜の断面を示している。本実施形態でも前記各実施形態と同様に境界層３を触媒層２より少ない量の触媒粒子５を担持した導電性粒子４によって形成する。
【００６３】
そして本実施形態では境界層３における導電性粒子４に対して親水材料６により親水処理を施す。
【００６４】
カーボン粒子からなる導電性粒子４に親水化処理を施す方法としては、例えば次のものがある。
・カーボン粒子に電解酸化や酸性溶液中での酸化などの処理を施してカーボン粒子の表面に親水材料６として官能基を付与する方法。
・カーボン粒子の表面に親水材料６として界面活性剤を付与する方法。
・カーボン粒子の表面に親水材料６としてＳｉＯ2 やＴｉＯ2 などの酸化物や電解質膜として用いる材料の液体状や粉末状のものを付着させる方法。
・カーボン粒子の表面にプラズマ処理などを施して表面を粗面化する方法。
【００６５】
境界層３と触媒層２において、導電性粒子４の粒径は略等しい。境界層３と触媒層２において、導電性粒子４間の空隙率は略等しい。
【００６６】
境界層３に親水処理を施して境界層３内に水を溜めることにより、境界層３を未反応ガスが透過することを抑制して、触媒層２の端部付近で行われる燃焼反応によって触媒層２と境界層３の境界部に局所的な温度上昇が生じることを回避できる。そして、境界層３内に水を溜めることにより、境界層３の熱伝導率が高まり、電解質膜１の温度分布を均一化することができる。これにより、電解質膜１の熱劣化などを抑えられ、燃料電池の耐久性を高められる。
【００６７】
図１６は、本発明の第８実施形態の燃料電池用電解質膜の断面を示している。本実施形態では前記各実施形態と異なり境界層３を触媒を担持しない導電性粒子４によって形成する。そして境界層３における導電性粒子４に対して親水材料６により親水処理を施す。
【００６８】
境界層３と触媒層２において、導電性粒子４の粒径は略等しい。境界層３と触媒層２において、導電性粒子４間の空隙率は略等しい。
【００６９】
境界層３に親水処理を施して境界層３内に水を溜めることにより、境界層３を未反応ガスが透過することを抑制して、触媒層２の端部付近で行われる燃焼反応によって触媒層２と境界層３の境界部に局所的な温度上昇が生じることを回避できる。そして、境界層３内に水を溜めることにより、境界層３の熱伝導率が高まり、電解質膜１の温度分布を均一化することができる。これにより、電解質膜１の熱劣化などを抑えられ、燃料電池の耐久性を高められる。
【００７０】
図１７に示すグラフは、横軸をその下方に図示した電解質膜１の位置とし、縦軸を電解質膜１の温度としている。このグラフから、図３に示す従来例の特性は、触媒層２の端部になるのしたがって温度が上昇していることがわかる。図５に示す比較例の特性は、耐火層１４の端部では電気化学反応がほとんどないので温度が低くなるが、触媒層２と耐火層１４の境界部に局所的な温度上昇が生じていることがわかる。これらに対して、第８実施形態の特性は、境界層３の端部では温度が低くなるとともに、触媒層２と境界層３の境界部に局所的な温度上昇が抑えられていることがわかる。
【００７１】
図１８は、本発明の第９実施形態の燃料電池用電解質膜の断面を示している。本実施形態でも前記図１６に示す実施形態と同様に境界層３を触媒を担持しない、かつ親水材料６により親水処理を施した導電性粒子４によって形成する。
【００７２】
そして本実施形態では境界層３における導電性粒子４間の空隙率を触媒層２における導電性粒子４間の空隙率より小さくする。この境界層３と触媒層２における導電性粒子４間の空隙率の比率は、実験結果などに基づいて任意に設定する。
【００７３】
境界層３と触媒層２において、導電性粒子４の粒径は略等しい。
【００７４】
導電性粒子４を触媒層２より境界層３にて密集させることにより、境界層３を未反応ガスが透過することを抑制して、触媒層２の端部付近で行われる燃焼反応によって触媒層２と境界層３の境界部に局所的な温度上昇が生じることを回避できる。そして、境界層３を高密度化することにより、境界層３の熱伝導率が高まり、電解質膜１の温度分布を均一化することができる。これにより、親水処理を施して境界層３内に水を溜めることによって温度上昇を抑える作用と相まって電解質膜１の熱劣化などを抑えられ、燃料電池の耐久性を高められる。
【００７５】
図１９は、本発明の第１０実施形態の燃料電池用電解質膜の断面を示している。本実施形態でも前記図１６に示す実施形態と同様に境界層３を触媒を担持しない、かつ親水材料６により親水処理を施した導電性粒子４によって形成する。
【００７６】
そして本実施形態では境界層３における導電性粒子４の粒径を触媒層２における導電性粒子４の粒径より小さくする。そして、境界層３における導電性粒子４間の空隙率を触媒層２における導電性粒子４間の空隙率より小さくする。この境界層３と触媒層２における導電性粒子４間の空隙率の比率は、実験結果などに基づいて任意に設定する。
【００７７】
境界層３の導電性粒子４の粒径を小さくすることで容易に境界層３を高密度化することができる。境界層３を高密度化することにより、第５実施形態の作用効果を高められる。すなわち、境界層３を未反応ガスが透過することを抑制して、触媒層２の端部付近で行われる燃焼反応によって触媒層２と境界層３の境界部に局所的な温度上昇が生じることを回避できる。そして、境界層３の熱伝導率が高まり、電解質膜１の温度分布を均一化することができる。これにより、親水処理を施して境界層３内に水を溜めることによって温度上昇を抑える作用と相まって電解質膜１の熱劣化などを抑えられ、燃料電池の耐久性を高められる。
【００７８】
前記第８〜１０実施形態を、図９に示す燃料電池用電解質膜１に適用してもよい。この電解質膜１の膜面には触媒層２の周囲に２つの境界層３を入口ガスマニホールド１１と出口ガスマニホールド１２に近接する部位に限定して形成する。各境界層３は入口ガスマニホールド１１と出口ガスマニホールド１２に沿って帯状に延びている。各境界層３は矩形をした触媒層２の隅部に設ける。
【００７９】
図９に示すように、矩形をした触媒層２に対して境界層３を凸形に突出する形状にしている。
【００８０】
なお、これに限らず、図１０に示すように、矩形をした触媒層２を一部切り欠いて境界層３を形成してもよい。
【００８１】
この場合、触媒層２の端部において入口ガスマニホールド１１と出口ガスマニホールド１２に近接する部位は、ガスの分布が増えるため、燃焼熱が局所的に生じる可能性がある。これに対処して、境界層３を入口ガスマニホールド１１と出口ガスマニホールド１２に近接する部位に限定して形成することにより、この部分の燃焼熱を抑えるとともに、境界層３の塗布量を低減することができる。そして、触媒層２の面積が境界層３によって削減されることを抑えられ、セル２０の起電力を維持できる。
【００８２】
前記第８〜１０実施形態を、図１２に示す燃料電池用電解質膜１に適用してもよい。この電解質膜１の膜面には触媒層２の周囲に２つの境界層３を入口ガスマニホールド１１と出口ガスマニホールド１２に近接する部位に限定して形成する。各境界層３は入口ガスマニホールド１１と出口ガスマニホールド１２に沿って帯状に延びている。各境界層３は矩形をした触媒層２の２辺に沿って設ける。
【００８３】
この場合も、境界層３を入口ガスマニホールド１１と出口ガスマニホールド１２に近接する部位に限定して形成することにより、この部分の燃焼熱を抑えるとともに、境界層３の塗布量を低減することができる。そして、触媒層２の面積が境界層３によって削減されることを抑えられ、セル２０の起電力を維持できる。
【００８４】
本発明は上記の実施形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。
【産業上の利用可能性】
【００８５】
本発明は、燃料電池、特に触媒層を備える部材として燃料電池用電解質膜や電極などに適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】本発明が適用可能な燃料電池のセルの概略断面図。
【図２】従来の燃料電池用電解質膜の概略平面図。
【図３】同じく従来の燃料電池用電解質膜の概略断面図。
【図４】本発明の第１実施形態における燃料電池用電解質膜の概略平面図。
【図５】特開平７−２０１３４６号公報記載の燃料電池用電解質膜の概略断面図。
【図６】本発明の第１実施形態における燃料電池用電解質膜の概略断面図。
【図７】本発明の第２実施形態における燃料電池用電解質膜の概略平面図。
【図８】本発明の第３実施形態における燃料電池用セパレータの概略平面図。
【図９】同じく本発明の第３実施形態における燃料電池用電解質膜の概略平面図。
【図１０】同じく本発明の第３実施形態における燃料電池用電解質膜の概略平面図。
【図１１】本発明の第４実施形態における燃料電池用セパレータの概略平面図。
【図１２】同じく本発明の第４実施形態における燃料電池用電解質膜の概略平面図。
【図１３】本発明の第５実施形態における燃料電池用電解質膜の概略断面図。
【図１４】本発明の第６実施形態における燃料電池用電解質膜の概略断面図。
【図１５】本発明の第７実施形態における燃料電池用電解質膜の概略断面図。
【図１６】本発明の第８実施形態における燃料電池用電解質膜の概略断面図。
【図１７】同じく本発明の第８実施形態などにおける膜面温度の分布を示す特性図。
【図１８】本発明の第９実施形態における燃料電池用電解質膜の概略断面図。
【図１９】本発明の第１０実施形態における燃料電池用電解質膜の概略断面図。
【符号の説明】
【００８７】
１  電解質膜
２  触媒層
３  境界層
４  導電性粒子
５  触媒粒子
７  電極
９  セパレータ
１０  ガス流路
１１  入口ガスマニホールド
１２  出口ガスマニホールド
【図１】
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【図２】
2005149802.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１５】
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【図１８】
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【図１９】
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