(57)【要約】    【課題】  燃料電池の電解質膜に設けられた触媒層の端部の劣化を抑制する。    【解決手段】  電解質膜１１と、この電解質膜１１の両面に設けられた電極用の触媒層１２と、を備える燃料電池１であって、触媒層１２の周縁部１２ａに厚さ方向において重ねられるように設けられた被覆膜１３を備える。被覆膜１３は、撥水性材料又は不透水性材料で構成される。    【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜と、この電解質膜の面に設けられた電極用の触媒層と、を備える燃料電池であって、
前記触媒層の周縁部に厚さ方向において重ねられるように設けられた被覆膜を備え、
前記被覆膜は、撥水性材料で構成されてなる燃料電池。
【請求項２】
電解質膜と、この電解質膜の面に設けられた電極用の触媒層と、を備える燃料電池であって、
前記触媒層の周縁部に厚さ方向において重ねられるように設けられた被覆膜を備え、
前記被覆膜は、不透水性材料で構成されてなる燃料電池。
【請求項３】
前記被覆膜は、前記触媒層の全周縁部にわたって設けられた請求項１又は２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記被覆膜は、前記触媒層の前記周縁部を前記電解質膜と反対側から覆うように設けられた請求項１から３の何れか一項に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記被覆膜は、前記触媒層の前記周縁部と前記電解質膜との間に介在するように設けられた請求項１から３の何れか一項に記載の燃料電池。
【請求項６】
電解質膜と、電解質膜の面に設けられた電極用の触媒層と、各触媒層の周縁部に厚さ方向において重ねられるように設けられた撥水膜と、を備える燃料電池の製造方法であって、
前記触媒層の面積よりも小さい面積を有する所定の被覆部材を、前記電解質膜に設けられた前記触媒層の上に配置して前記触媒層の周縁部を除く部分を被覆する第１の工程と、
前記被覆部材によって被覆されていない前記触媒層の周縁部に所定の撥水剤を塗布し乾燥させて撥水膜を形成する第２の工程と、
を含む燃料電池の製造方法。
【請求項７】
電解質膜と、電解質膜の面に設けられた電極用の触媒層と、各触媒層の周縁部に厚さ方向において重ねられるように設けられた不透水膜と、を備える燃料電池の製造方法であって、
前記触媒層の面積よりも小さい面積を有する所定の被覆部材を、前記電解質膜に設けられた前記触媒層の上に配置して前記触媒層の周縁部を除く部分を被覆する第１の工程と、
前記被覆部材によって被覆されていない前記触媒層の周縁部に所定の不透水剤を塗布し乾燥させて不透水膜を形成する第２の工程と、
を含む燃料電池の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、電解質膜と、この電解質膜の両面に設けられた電極用の触媒層と、を有する燃料電池を備えており、この燃料電池の一方の触媒層（アノード側電極）にアノードガスを、他方の触媒層（カソード側電極）にカソードガスを、各々供給して電気化学反応を起こすことにより発電を行っている。
【０００３】
現在においては、かかる燃料電池システムの電解質膜のイオン導電性を高めて発電効率を向上させる目的で、燃料電池に供給されるガスを予め加湿装置で加湿し、この加湿ガスによって電解質膜を湿潤させる技術が実用化されている。また、燃料電池内の電気化学反応に伴って生成された水分（生成水）を利用して電解質膜を湿潤させる試みもなされている。
【０００４】
一方、燃料電池システムの運転時においては、電解質膜の触媒層形成領域から触媒層非形成領域（すなわち周縁部）に向けて水分が移動し、この水分が蒸発してしまう場合があるので、かかる水分蒸発を抑制すべく、電解質膜の周縁に沿って額縁状に撥水剤を塗布する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１に記載の技術では、触媒層の端部と撥水剤塗布部の端部とが隣接配置されている。
【特許文献１】特開２００１−１８５１７１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、触媒層の端部と撥水剤塗布部の端部とが隣接配置されている特許文献１の構成では、触媒層と撥水剤との隙間から過酸化水素等の劣化要因物質を含む水が入り込むことがあるため、触媒層端部の劣化を抑制することに対しては、十分な対策が施されているとは言い難いという課題があった。
【０００６】
本発明は、燃料電池の電解質膜に設けられた触媒層の端部の劣化を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記目的を達成するため、本発明に係る燃料電池は、電解質膜と、この電解質膜の面に設けられた電極用の触媒層と、を備える燃料電池であって、触媒層の周縁部に厚さ方向において重ねられるように設けられた被覆膜を備え、この被覆膜は、撥水性材料で構成されてなるものである。
【０００８】
また、本発明に係る燃料電池は、電解質膜と、この電解質膜の面に設けられた電極用の触媒層と、を備える燃料電池であって、触媒層の周縁部に厚さ方向において重ねられるように設けられた被覆膜を備え、この被覆膜は、不透水性材料で構成されてなるものである。
【０００９】
かかる構成によれば、撥水性又は不透水性を有する被覆膜が、触媒層の周縁部に厚さ方向において重ねられるように設けられているので、過酸化水素等の劣化要因物質を含む水が触媒層の端部近傍に溜まることを阻止することができる。従って、触媒層の端部の劣化を効果的に抑制することができる。
【００１０】
前記燃料電池において、被覆膜は、触媒層の全周縁部にわたって設けられることが好ましい。また、前記燃料電池において、被覆膜を、触媒層の周縁部を電解質膜と反対側から覆うように設けることができる。また、被覆膜を、触媒層の周縁部と電解質膜との間に介在するように設けることもできる。
【００１１】
また、本発明に係る燃料電池の製造方法は、電解質膜と、電解質膜の面に設けられた電極用の触媒層と、各触媒層の周縁部に厚さ方向において重ねられるように設けられた撥水膜と、を備える燃料電池の製造方法であって、触媒層の面積よりも小さい面積を有する所定の被覆部材を、電解質膜に設けられた触媒層の上に配置して触媒層の周縁部を除く部分を被覆する第１の工程と、被覆部材によって被覆されていない触媒層の周縁部に所定の撥水剤を塗布し乾燥させて撥水膜を形成する第２の工程と、を含むものである。
【００１２】
また、本発明に係る燃料電池の製造方法は、電解質膜と、電解質膜の面に設けられた電極用の触媒層と、各触媒層の周縁部に厚さ方向において重ねられるように設けられた不透水膜と、を備える燃料電池の製造方法であって、触媒層の面積よりも小さい面積を有する所定の被覆部材を、電解質膜に設けられた触媒層の上に配置して触媒層の周縁部を除く部分を被覆する第１の工程と、被覆部材によって被覆されていない触媒層の周縁部に所定の不透水剤を塗布し乾燥させて不透水膜を形成する第２の工程と、を含むものである。
【００１３】
かかる方法によれば、被覆部材を用いて、撥水剤又は不透水剤を塗布する領域を容易に形成することができるとともに、触媒層の周縁部以外の部分に撥水剤又は不透水剤が塗布されることを防止することができる。従って、撥水膜又は不透水膜を容易かつ精確に形成することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、燃料電池の電解質膜に設けられた触媒層の端部の劣化を効果的に抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る燃料電池について説明する。以下の各実施形態に係る燃料電池は、車載に好適な固体高分子電解質型の燃料電池である。
【００１６】
＜第１実施形態＞
まず、図１〜図５を用いて、本発明の第１実施形態に係る燃料電池１について説明する。
【００１７】
最初に、図１及び図２を用いて、本実施形態に係る燃料電池１の構成について説明する。燃料電池１は、複数の単電池１０を積層したスタック本体２を備えており、スタック本体２の両端に位置する単電池１０の外側に、出力端子付の集電板３、絶縁板４及びエンドプレート５がこの順に配置されて構成されている。各エンドプレート５の外側には図示していないテンションプレートが配置され、これらテンションプレートが各々エンドプレート５にボルト固定されることにより、単電池１０の積層方向に所定の圧縮力が加えられるようになっている。
【００１８】
次に、図２〜図５を用いて、単電池１０の構成について説明する。単電池１０は、図２に示すように、電解質膜１１、電解質膜１１の両面に設けられた電極用の触媒層１２、撥水性材料で構成された撥水膜１３、触媒層１２の外側に配設される拡散層１４、反応ガス流路が設けられたセパレータ１５、拡散層１４とセパレータ１５との間をシールするシール部材１６等から構成されている。
【００１９】
電解質膜１１は、固体高分子材料のイオン交換膜から構成されている。触媒層１２は、白金等の電極触媒が担持されたシート状成形体であって、アノード側電極とカソード側電極とを構成する。電解質膜１１及び触媒層１２は何れも平面視で矩形形状を呈しており、図２及び図３に示すように、電解質膜１１は触媒層１２よりも広い面積を有している。
【００２０】
撥水膜１３は、本発明における被覆膜であり、発電時に生成される劣化要因物質を含む水が触媒層１２の端部近傍に溜まることを阻止して、触媒層１２の端部を保護するものである。撥水膜１３は、図３に示すように、触媒層１２の全周縁部１２ａにわたって厚さ方向において重ねられるように（触媒層１２の周縁部１２ａを電解質膜１１と反対側から覆うように）設けられている。また、本実施形態においては、図３及び図４（ａ）に示すように、電解質膜１１の触媒層非形成領域１１ａ全体を撥水膜１３で被覆するようにしている。なお、図４（ｂ）に示すように、電解質膜１１の触媒層非形成領域１１ａの一部を撥水膜１３で被覆するようにしてもよい。
【００２１】
撥水膜１３を構成する撥水性材料としては、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、テトラフルオロエチレンーペルフルオロアルキルビニルエーテル共重合体、テトラフルオロエチレンーヘキサフルオロプロピレン共重合体、ポリクロロトリフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリフッ化ビニル、テトラフルオロエチレンーエチレン共重合体等を採用することができる。
【００２２】
拡散層１４は、カーボンペーパ等の多孔質の素材から構成され、燃料電池１の外部からセパレータ１５を介して触媒層１２側に供給された反応ガスを拡散させて触媒層１２に流すものである。セパレータ１５は、ガス不透過の導電性材料で構成され、その電極側の面には反応ガス流路１５ａが形成されている。また、セパレータ１５には、反応ガスの入口及び出口となるマニホールド１５ｂが設けられており、マニホールド１５ｂは反応ガス流路１５ａに連通するようになっている。
【００２３】
次に、図５等を用いて、本実施形態に係る燃料電池１の製造方法について説明する。
【００２４】
まず、電解質膜１１を準備する（電解質膜準備工程）。次いで、白金担持カーボン粉末とナフィオン溶液とを酢酸ブチル溶媒に分散させることにより、ペースト状の電極触媒スラリーを調製し、この電極触媒スラリーを電解質膜１１の両面に塗布して乾燥させることにより、触媒層１２を形成する（触媒層形成工程）。
【００２５】
次いで、触媒層１２の面積よりも小さい面積を有する被覆部材２０を準備し、図５に示すように、被覆部材２０を触媒層１２の上に配置して触媒層１２の周縁部１２ａを除く部分を被覆する（触媒層被覆工程）。次いで、触媒層１２の周縁部１２ａ（被覆部材２０によって被覆されていない部分）と、電解質膜１１の触媒非形成領域１１ａと、に撥水剤を塗布して乾燥させることにより、撥水膜１３を形成する（撥水膜形成工程）。撥水膜１３の厚さは、触媒層１２の端部近傍に水が溜まることを阻止することができるような値に設定する。なお、触媒層被覆工程及び撥水膜形成工程は、各々、本発明における第１の工程及び第２の工程に相当する。
【００２６】
続いて、図３（ａ）に示すように、触媒層１２及び撥水膜１３の上にカーボンペーパを接合することにより、拡散層１４を形成する（拡散層形成工程）。そして、これら電解質膜１１、触媒層１２、撥水膜１３及び拡散層１４からなる積層体を、シール部材１６を介してセパレータ１５で挟持することにより、単電池１０を構成する。その後、単電池１０を複数積層してスタック本体２を構成し、このスタック本体２の端部に集電板３、絶縁板４及びエンドプレート５を配置し、エンドプレート５にテンションプレートをボルト固定することにより、燃料電池１を得る。
【００２７】
以上説明した実施形態に係る燃料電池１においては、撥水膜１３が、触媒層１２の周縁部１２ａに厚さ方向において重ねられるように（触媒層１２の周縁部１２ａを電解質膜１１と反対側から覆うように）設けられているので、過酸化水素等の劣化要因物質を含む水が触媒層１２の端部近傍に溜まることを阻止することができる。従って、触媒層１２の端部の劣化を効果的に抑制することができる。
【００２８】
また、以上説明した実施形態に係る燃料電池１の製造方法においては、被覆部材２０を用いて、撥水剤を塗布する領域を容易に形成することができるとともに、触媒層１２の周縁部１２ａ以外の部分に撥水剤が塗布されることを防止することができる。従って、撥水膜１３を容易かつ精確に形成することができる。
【００２９】
＜第２実施形態＞
次に、図６を参照して、本発明の第２実施形態に係る燃料電池について説明する。本実施形態に係る燃料電池は、第１実施形態に係る燃料電池１を構成する単電池１０の構成を変更したものであり、その他の構成については第１実施形態と実質的に同一である。このため、変更した構成を中心に説明することとし、第１実施形態と共通する部分については同一符号を付してその説明を省略する。
【００３０】
本実施形態に係る燃料電池を構成する単電池は、図６に示すように、電解質膜１１、電解質膜１１の両面に設けられた電極用の触媒層１２、撥水性材料で構成された撥水膜１３Ａ、触媒層１２の外側に配設される拡散層１４、反応ガス流路が設けられたセパレータ、拡散層１４とセパレータとの間をシールするシール部材等から構成されている。なお、セパレータ及びシール部材については図示を省略している。
【００３１】
電解質膜１１、触媒層１２及び拡散層１４は、第１実施形態で説明したものと実質的に同一であるので、説明を省略する。
【００３２】
撥水膜１３Ａは、本発明における被覆膜であり、第１実施形態におけるものと同様に撥水性材料で構成され、発電時に生成される劣化要因物質を含む水が触媒層１２の端部近傍に溜まることを阻止して、触媒層１２の端部を保護するものである。撥水膜１３Ａは、図６に示すように、触媒層１２の全周縁部１２ａにわたって厚さ方向において重ねられるように（触媒層１２の周縁部１２ａと電解質膜１１との間に介在するように）設けられている。また、本実施形態においては、電解質膜１１の触媒層非形成領域１１ａ全体を撥水膜１３Ａで被覆するようにしている。
【００３３】
次に、本実施形態に係る燃料電池の製造方法について説明する。
【００３４】
まず、電解質膜１１を準備する（電解質膜準備工程）。次いで、白金担持カーボン粉末とナフィオン溶液とを酢酸ブチル溶媒に分散させることにより、ペースト状の電極触媒スラリーを調製し、この電極触媒スラリーを、拡散層１４となる各カーボンペーパの一方の面に塗布して乾燥させることにより、触媒層１２を形成する（触媒層形成工程）。
【００３５】
次いで、触媒層１２の面積よりも小さい面積を有する図示していない被覆部材を準備し、この被覆部材を電解質膜１１の上に配置して、電解質膜１１の触媒層１２が接合される部分より若干小さい面積を有する部分を被覆する（電解質膜被覆工程）。次いで、電解質膜１１の周縁部（被覆部材によって被覆されていない部分）に撥水剤を塗布して乾燥させることにより、撥水膜１３Ａを形成する（撥水膜形成工程）。撥水膜１３Ａの厚さは、触媒層１２の端部近傍に水が溜まることを阻止することができるような値に設定する。
【００３６】
続いて、電解質膜１１及び撥水膜１３Ａの上に、触媒層１２が形成されたカーボンペーパを接合して拡散層１４を形成する（拡散層形成工程）。かかる拡散層形成工程においては、図６に示すように、電解質膜１１の中央部に触媒層１２を接合するとともに、電解質膜１１の周縁部に設けた撥水膜１３Ａの一部に触媒層１２の周縁部１２ａを載せるようにする。そして、これら電解質膜１１、触媒層１２、撥水膜１３Ａ及び拡散層１４からなる積層体を、シール部材を介してセパレータで挟持することにより、単電池を構成する。その後、単電池を複数積層してスタック本体を構成し、このスタック本体の端部に集電板、絶縁板及びエンドプレートを配置し、エンドプレートにテンションプレートをボルト固定することにより、燃料電池を得る。
【００３７】
以上説明した実施形態に係る燃料電池においては、撥水膜１３Ａが、触媒層１２の周縁部１２ａに厚さ方向において重ねられるように（触媒層１２の周縁部１２ａと電解質膜１１との間に介在するように）設けられているので、過酸化水素等の劣化要因物質を含む水が触媒層１２の端部近傍に溜まることを阻止することができる。従って、触媒層１２の端部の劣化を効果的に抑制することができる。
【００３８】
なお、以上の各実施形態においては、被覆膜として、撥水性材料から構成される「撥水膜」を採用した例を示したが、不透水性材料から構成される「不透水膜」を撥水膜に代えて被覆膜として採用することもできる。不透水性材料としては、薄い樹脂フィルム等を採用することができる。
また、生成水は特にカソード側に生じるため、被覆膜はカソード側のみに設けても良い。
さらに、カソード側触媒層の周縁とアノード側触媒層の周縁の位置は一致していなくてもよく、むしろ、アノード側触媒層とカソード側触媒層との板面の大きさ（積層方向に見たときの平面的な大きさ）が異なる構成とするほうが寿命の観点からは好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の第１実施形態に係る燃料電池を示す斜視図である。
【図２】図１に示した燃料電池を構成する単電池の分解斜視図である。
【図３】図２に示した単電池を構成する電解質膜等を示すものであり、（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図である。
【図４】（ａ）は図３に示した電解質膜に設けられた触媒層の端部近傍部分（II部分）の拡大平面図であり、（ｂ）は図３に示した電解質膜に設けられた触媒層の端部近傍部分における撥水膜の態様を変更した例を示す拡大平面図である。
【図５】本発明の第１実施形態に係る燃料電池の製造方法を説明するための説明図である。
【図６】本発明の第２実施形態に係る燃料電池の単電池を構成する電解質膜等を示す断面図である。
【符号の説明】
【００４０】
１…燃料電池、１１…電解質膜、１２…触媒層、１２ａ…周縁部、１３，１３Ａ…撥水膜（被覆膜）、２０…被覆部材
【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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