(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜と、該電解質の両面に形成される触媒層と、該触媒層のさらに外側に形成される層であって前記電解質膜に供給される反応ガスを拡散させるガス拡散層と、該ガス拡散層に前記反応ガスを供給するセパレータと、を有する燃料電池セルが積層されてなる燃料電池において、
前記触媒層と前記ガス拡散層との間の少なくとも一部に、これら触媒層とガス拡散層とを他の部位よりも密着させる接着部が設けられており、
該接着部は、カーボンに対するナフィオン（登録商標）の比率であるＮ／Ｃの値が部分的に高く調合され、当該高く調合された部分が前記触媒層と前記ガス拡散層との密着強度を上げるように機能する部分で形成されており、
尚かつ、前記接着部は、当該燃料電池セルの周囲寄りであって、当該燃料電池セルの全発電量に対する寄与が無いかまたは無いに等しい部分である非発電部位に形成されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
当該燃料電池がサーペンタイン型の流路を持つ燃料電池であって、前記接着部は、当該サーペンタイン型の流路のターン部に対応した部分に形成されている、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記触媒層はカソード側触媒層であり、前記ガス拡散層はカソード側ガス拡散層である、請求項１または２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、燃料電池に関する。さらに詳述すると、本発明は、燃料電池を構成する燃料電池セルの構造の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、燃料電池は電解質膜およびその両面に配した一対の電極からなる接合体（例えばＭＥＧＡ）と、該接合体を挟持する一対のセパレータとで構成されており、燃料ガス（例えば水素ガス）および酸化ガスが各電極に供給される構造となっている。
【０００３】
例えば固体高分子型燃料電池であれば、プロトン伝導性を有する電解質膜の両面に、アノード（水素極）とカソード（酸素極）とが形成されている。両極には、さらに、電気化学反応を促進するための触媒層、該触媒層に反応ガスを拡散させつつ供給するためのガス拡散層が形成されている。カソード側の触媒層では、発電時に水が生成される。該生成水は、ガス拡散層を透過し、燃料オフガスとともに燃料電池外へと排出される。
【０００４】
このような燃料電池における課題の一つに、氷点下といった低温状況下で破損が生じうるという問題がある。すなわち、例えば低温状況下で始動したような場合、生成水が、外部に排出されるよりも前に凍結する場合があり、この際の相変化（水→氷）に起因して破壊（凝集破壊）が起きる可能性がある（例えば特許文献１参照）。このような生成水の凍結は、カソード側の触媒層とガス拡散層との界面で生じることが一般に多く、対応手段の一つとして、燃料電池セルの発電面において触媒層とガス拡散層との密着強度を上げることが挙げられる。
【特許文献１】特開２００７−３２８９３５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、従来技術においては、密着強度を上げるための具体的な手法が不明である。
【０００６】
そこで、本発明は、触媒層とガス拡散層との密着強度を上げるための手法を明らかとし、水の凍結による触媒層等の破損を抑制できるようにした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】
かかる課題を解決するべく本発明者は種々の検討を行った。上述のごとく、水の凍結による触媒層等の破損を抑制するため対応手段の一つに、触媒層とガス拡散層との密着強度を上げることがある。この場合、燃料電池セルにおける発電面の全面において触媒層とガス拡散層との密着強度を上げることが望ましいが、そうするとガスが流通し難くなってフラッディングが生じやすくなる等、燃料電池としての性能が低下してしまうおそれがある。また、発電後の燃料電池セルの分解調査などから、燃料電池内部における水は特に反応ガスのターン部において残りやすいという現象がある。燃料電池におけるこれらの現象に着目して検討を重ねた本発明者はかかる課題の解決に結び付く新たな知見を得るに至った。
【０００８】
本発明はかかる知見に基づくものであり、電解質膜と、該電解質の両面に形成される触媒層と、該触媒層のさらに外側に形成される層であって電解質膜に供給される反応ガスを拡散させるガス拡散層と、該ガス拡散層に反応ガスを供給するセパレータと、を有する燃料電池セルが積層されてなる燃料電池において、触媒層とガス拡散層との間の少なくとも一部に、これら触媒層とガス拡散層とを他の部位よりも密着させる接着部が設けられており、該接着部は、当該燃料電池セルの端部側にて、カーボンに対するナフィオン（登録商標）の比率であるＮ／Ｃの値が高く調合されて形成されている。
【０００９】
この燃料電池においては、Ｎ／Ｃの値を部分的に高く調合し、当該高くした部分を接着部として機能させ、触媒層とガス拡散層との密着強度を上げるように機能させる。すなわち、Ｎ／Ｃの値を部分的に高く調合すれば、当該部分のＩ／Ｃ（カーボンに対するイオンの比率）が高くなり、その他の部分と比べて密着強度が相対的に高い接着部として機能しうる。これによれば、水の凍結による触媒層等の破損を抑制することが可能となる。
【００１０】
しかも、本発明では、燃料電池セルの端部側（周囲寄り）に当該接着部を設けることとしている。燃料電池セルの端部は全発電量に対する寄与が小さく、尚かつ、水の残りやすい部位に対応した部分であるため、当該部分に絞って密着強度を上げるための対策を施すことにより、燃料電池の性能低下を抑えつつ、触媒層等の破損を抑制することが可能である。
【００１１】
上記の燃料電池において、燃料電池セルの端部側は、当該燃料電池セルにおける非発電部位である。非発電部位は、全発電量に対する寄与が無いに等しい部分であるから、当該非発電部位において触媒層とガス拡散層との密着強度を上げたとしても燃料電池の性能低下を抑えることが可能である。こうした場合、燃料電池セルが劣化するのを抑えつつ、触媒層等の破損を抑制することができる。
【００１２】
また、上記の燃料電池においては、例えば触媒層はカソード側触媒層であり、ガス拡散層はカソード側ガス拡散層である。例えばプロトン移動型の（すなわちイオン導電種がＨ+である）燃料電池においてはカソード側にて生成水が発生する。本発明によれば、生成水がカソード側において凍結した際に生じうる触媒層等の破損を抑制することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、触媒層とガス拡散層との密着強度を上げるための手法が明らかとなり、水の凍結による触媒層等の破損を抑制することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の構成を図面に示す実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。
【００１５】
図１に本実施形態における燃料電池のセル（燃料電池セル）２の概略構成を示す。セル２が積層されることにより構成される燃料電池にはリン酸型など複数の種類があるが、本実施形態にかかる燃料電池は車載や定置用に好適な固体高分子電解質型である。なお、燃料電池は例えば燃料電池車両（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hybrid Vehicle）の車載発電システムとして利用可能なものであるがこれに限られることはなく、各種移動体（例えば船舶や飛行機など）やロボットなどといった自走可能なものに搭載される発電システム、さらには定置の発電システムにおいても利用することが可能である。
【００１６】
セル２は、接合体３０と、接合体３０を挟持する一対のセパレータ（図１中において符号２０ａ，２０ｂで示す）とで構成されている（図１参照）。接合体３０および各セパレータ２０ａ，２０ｂはおよそ矩形の板状に形成されている。また、接合体３０と各セパレータ２０ａ，２０ｂとは、それらの間の周辺部を第１シール部材１３ａ、第２シール部材１３ｂとともに成形樹脂によってモールドされている。
【００１７】
接合体３０としては、イオン交換膜からなる電解質（固体高分子膜）の両面に白金等の電極用触媒層３２１，３３１を配した膜・電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）や、触媒層３２１，３３１の上にさらにガス拡散層３２２，３３２を設けた膜・電極・拡散層接合体（ＭＥＧＡ：Membrane Electrode ＆ Gas Diffusion Layer Assembly）を用いることができる。例えば本実施形態では、膜−電極−拡散層接合体（ＭＥＧＡ）からなる接合体３０を用いている（図３参照）。
【００１８】
接合体３０は、高分子材料のイオン交換膜からなる高分子電解質膜（以下、単に電解質膜ともいう）３１と、電解質膜３１を両面から挟んだ一対の電極（アノード側拡散電極３２およびカソード側拡散電極３３）とで構成されている（図３参照）。各拡散電極３２，３３は、その表面に付着した白金などの触媒を担持した例えば多孔質のカーボン素材で構成されている。アノード側拡散電極３２には燃料ガス（反応ガス）としての水素ガス、カソード側拡散電極３３には空気や酸化剤などの酸化ガス（反応ガス）が供給され、これら２種類の反応ガスにより接合体３０内で電気化学反応が生じてセル２の起電力が得られるようになっている。図３においては、アノード側拡散電極３２を構成する触媒層とガス拡散層とをそれぞれ符号３２１，３２２で示し、カソード側拡散電極３３を構成する触媒層とガス拡散層とをそれぞれ符号３３１，３３２で示している。
【００１９】
セパレータ２０ａ，２０ｂは、ガス不透過性の導電性材料で構成されている。導電性材料としては、例えばカーボンや導電性を有する硬質樹脂のほか、アルミニウムやステンレス等の金属（メタル）が挙げられる。本実施形態のセパレータ２０ａ，２０ｂの基材は板状のメタルで形成されているものであり（メタルセパレータ）、この基材の電極３２ａ，３２ｂ側の面には耐食性に優れた膜（例えば金メッキで形成された皮膜）が形成されている。
【００２０】
また、セパレータ２０ａ，２０ｂの両面には、複数の凹部によって構成される溝状の流路が例えばサーペンタイン状に形成されている。これら流路は、例えば板状のメタルによって基材が形成されている本実施形態のセパレータ２０ａ，２０ｂの場合であればプレス成形によって形成することができる。このようにして形成される溝状の流路は酸化ガスのガス流路３４や水素ガスのガス流路３５、あるいは冷却水流路３６を構成している。
【００２１】
また、セパレータ２０ａ，２０ｂの長手方向の一端部付近には、酸化ガスの入口側のマニホールド１５ａ、水素ガスの出口側のマニホールド１６ｂ、および冷却水の出口側のマニホールド１７ｂが形成されている。例えば本実施形態の場合、これらマニホールド１５ａ，１６ｂ，１７ｂは各セパレータ２０ａ，２０ｂに設けられた略矩形ないしは台形の透孔によって形成されている（図１参照）。さらに、セパレータ２０ａ，２０ｂのうち反対側の端部には、酸化ガスの出口側のマニホールド１５ｂ、水素ガスの入口側のマニホールド１６ａ、および冷却水の入口側のマニホールド１７ａが形成されている（図１参照）。
【００２２】
上述のような各マニホールドのうち、セパレータ２０ａにおける水素ガス用の入口側マニホールド１６ａと出口側マニホールド１６ｂは、セパレータ２０ａに溝状に形成されている入口側の連絡通路６１および出口側の連絡通路６２を介してそれぞれが水素ガスのガス流路３５に連通している。同様に、セパレータ２０ｂにおける酸化ガス用の入口側マニホールド１５ａと出口側マニホールド１５ｂは、セパレータ２０ｂに溝状に形成されている入口側の連絡通路６３および出口側の連絡通路６４を介してそれぞれが酸化ガスのガス流路３４に連通している（図１参照）。さらに、各セパレータ２０ａ，２０ｂにおける冷却水の入口側マニホールド１７ａと出口側マニホールド１７ｂは、各セパレータ２０ａ，２０ｂに溝状に形成されている入口側の連絡通路６５および出口側の連絡通路６６を介してそれぞれが冷却水流路３６に連通している。
【００２３】
第１シール部材１３ａ、第２シール部材１３ｂは、ともに枠状でありほぼ同一形状に形成されている部材である（図１参照）。これらのうち、第１シール部材１３ａは接合体３０とセパレータ２０ａとの間に設けられるもので、より詳細には、電解質膜３１の周縁部と、セパレータ２０ａのうちガス流路３５の周囲の部分との間に介在するように設けられる。また、第２シール部材１３ｂは、接合体３０とセパレータ２０ｂとの間に設けられるもので、より詳細には、電解質膜３１の周縁部と、セパレータ２０ｂのうちガス流路３４の周囲の部分との間に介在するように設けられる。さらに、隣接するセル２，２のセパレータ２０ｂとセパレータ２０ａとの間には、枠状の第３シール部材１３ｃが設けられている（図１参照）。
【００２４】
また、符号４０で示す枠状部材は、接合体３０とともにセパレータ２０ａ，２０ｂ間に挟持される例えば樹脂からなる部材（樹脂フレーム）である。
【００２５】
続いて、本実施形態における燃料電池に特有の構造について説明する（図２、図３参照）。
【００２６】
本実施形態の燃料電池においては、カソード側触媒層３３１とカソード側ガス拡散層３３２との間の少なくとも一部に接着部が設けられている。一方、このような接着部が設けられていない部位は、カソード側触媒層３３１とカソード側ガス拡散層３３２とを密着させてはいない部位（以下、非接着部という）である。
【００２７】
接着部は、当該カソード側触媒層３３１とカソード側ガス拡散層３３２との密着強度を上げるように機能する部位である。例えば本実施形態では、Ｎ／Ｃの値を部分的に高く調合し、当該高くした部分を接着部として機能させている。Ｎ／Ｃは、カーボンに対するナフィオン（登録商標）の比率を表す値である。なお、登録商標ナフィオン（Ｎａｆｉｏｎ）はＤｕＰｏｎｔ社の一商品の名称である。イオン性高分子であるナフィオン（登録商標）はアイオノマーの一種であり、プロトン伝導性を有するフッ素樹脂系イオン交換膜などを構成する。Ｎ／Ｃの値を部分的に高く調合すれば、当該部分のＩ／Ｃ（カーボンに対するイオンの比率）が高くなる。このようにして接着部として機能する部分は、その他の部分（非接着部）と比べて密着強度が相対的に高い。
【００２８】
このような接着部は、特に、発電後などにおいて水の残りやすい位置に対応して設けられることが好ましい。氷点下などの低温状況下では、水の相変化（水←→氷）に起因して破壊（凝集破壊）が生じる可能性がある。これに対応するには、燃料電池セル２における発電面の全面においてカソード側触媒層３３１とカソード側ガス拡散層３３２との密着強度を上げることが望ましいが、そうするとガスが流通し難くなってフラッディングが生じやすくなる等、燃料電池としての性能が低下してしまう可能性がある。この点、本実施形態では、燃料電池セル２の端部側（周囲寄り）に当該接着部を設けることとしている。燃料電池セル２の端部は全発電量に対する寄与が小さく、尚かつ、水の残りやすい部位に対応する部分であるため、当該部分に絞って密着強度を上げるための対策を施すことは有効である。
【００２９】
この場合、燃料電池セル２の端部は、好ましくは当該燃料電池セルにおける非発電部位である。非発電部位は全発電量に対する寄与が無いに等しい部分であるから、当該非発電部位においてカソード側触媒層３３１とカソード側ガス拡散層３３２との密着強度を上げたとしても燃料電池の性能低下を抑えることは可能である。
【００３０】
また、例えば本実施形態のようにサーペンタイン型の流路（酸化ガスのガス流路３４や水素ガスのガス流路３５）を有する燃料電池の場合には、当該流路のターン部１９に対応した部分において、カソード側触媒層３３１とカソード側ガス拡散層３３２との密着強度を上げるようにしてもよい。サーペンタイン型流路のターン部１９は発電部位の中において端部寄りに位置することから、当該ターン部１９に対応した部分においてカソード側触媒層３３１とカソード側ガス拡散層３３２との密着度を上げたとしても燃料電池の性能低下を抑えることが可能である（図２参照）。また、特にターン部１９において水分が残りやすいという分解調査の結果を踏まえれば、このようにターン部１９に対応した部分においてカソード側触媒層３３１とカソード側ガス拡散層３３２との密着強度を上げることは、当該部分の接触層等の劣化を抑制できる点で好ましい。なお、図２に例示する酸化ガス流路３４のターン部１９にはディンプル２３が形成されている（図２参照）。
【００３１】
以上説明したように、本実施形態においては、カソード側触媒層３３１とカソード側ガス拡散層３３２が密着している接着部、および密着していない非接触部を、燃料電池における対策の場所を特定しつつ設けている。これによれば、燃料電池の性能低下を抑えつつ、所定部位において触媒層とガス拡散層との密着強度を上げ、凍結による触媒層の破損等を抑制することができる。
【００３２】
しかも、本実施形態では、当該燃料電池セル２の端部側にてＮ／Ｃの値を高く調合することによって上記の接着部を形成するというように、密着強度を上げるための手法が明らかとなっている。したがって、燃料電池セル２の形状や構造などの違いに適宜対応して水の凍結による触媒層等の破損を抑制することが可能である。
【００３３】
なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば上述した実施形態では、カソード側触媒層３３１とカソード側ガス拡散層３３２との間の少なくとも一部に接着部を設ける例を示したが、もちろんこれとは逆にアノード側触媒層３２１とアノード側ガス拡散層３２２との間に接着部を設けることも可能である。要は、燃料電池が固体高分子型のようないわゆるプロトン移動型であれば、カソード側にて生成水が発生するためカソード側にて触媒層とガス拡散層との密着強度を上げることが好適なのであり、異なる型の燃料電池に対しては適宜アノード側にて触媒層とガス拡散層との密着強度を上げることにより、触媒層等の破損を抑制することが可能となる。
【００３４】
また、上述した実施形態ではセパレータ２０（２０ａ，２０ｂ）が金属製のいわゆるメタルセパレータである場合を例示して説明したが、本発明の適用対象がこれに限られることもない。セパレータがこれ以外である場合（例えばカーボンセパレータである場合）にも本発明を適用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の一実施形態における燃料電池セルの分解斜視図である。
【図２】セパレータの構造例を示す平面図である。
【図３】燃料電池セルの構造例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００３６】
２…セル（燃料電池セル）、３１…高分子電解質膜（電解質膜）、２０（２０ａ，２０ｂ）…セパレータ、３２１…アノード側触媒層（触媒層）、３２２…アノード側ガス拡散層（ガス拡散層）、３３１…カソード側触媒層（触媒層）、３３２…カソード側ガス拡散層（ガス拡散層）
【図１】
0005168639.tif 000002
【図２】
0005168639.tif 000003
【図３】
0005168639.tif 000004