(57)【要約】【課題】  本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、電解質膜に裂け等の損傷が発生することを防止し、耐久性の向上した燃料電池を提供することを主目的とするものである。【解決手段】  上記目的を達成するために、本発明は、電解質膜と、上記電解質膜の両側に接合された触媒電極層とを少なくとも備えた燃料電池であって、上記電解質膜は、長辺と短辺とからなる矩形状であり、上記長辺の長さが上記短辺の長さの６倍以上であることを特徴とする燃料電池を提供する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜と、前記電解質膜の両側に接合された触媒電極層とを少なくとも備えた燃料電池であって、
前記電解質膜は、長辺と短辺とからなる矩形状であり、前記長辺の長さが前記短辺の長さの６倍以上であることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記電解質膜が、前記短辺を含んだ短辺部および前記長辺部を含んだ長辺部を締結することにより固定され、前記短辺部の締結力は、前記長辺部の締結力よりも強いことを特徴とする請求項１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、電解質膜の裂け等の損傷を防ぎ、耐久性を向上させた燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子電解質型燃料電池の最小発電単位である単位セルは、一般に電解質膜の両側に触媒電極層が接合されている膜電極複合体を有し、この膜電極複合体の両側には拡散層が配されている。さらに、その外側にはガス流路を備えたセパレータが配されており、拡散層を介して膜電極複合体の触媒電極層へと供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスを通流させるとともに、発電により得られた電流を外部に伝える働きをしている。
【０００３】
上記燃料電池は、加湿と乾燥との繰り返しが頻繁に起こる発電環境下にある。このような加湿と乾燥の繰り返しにより、電解質膜は燃料電池内で膨張や収縮を繰り返し、その結果、電解質膜の裂け等が起こり、燃料ガスのクロスリーク等が発生するといった問題があった。中でも、電解質膜の締結部位における電解質膜の裂け等が頻繁に起こっており、十分なセル耐久性が得られないといった問題があった。
【０００４】
そこで、上述したような問題を解決するために、電解質膜材料の強度を向上させる様々な試みがなされた。しかしながら、電解質材料自体の強度を向上させることは非常に困難であり、またその向上のため研究は莫大な時間を要するものであった。
【０００５】
なお、特許文献１では、長辺と短辺とからなる矩形状であり、上記長辺の長さが短辺の長さの２倍以上に設定された単位セルが開示されている。しかしながら、この文献においては、例えば、実施例で開示されている長辺の長さが短辺の長さの３倍である単位セルの場合、その単位セルに備えられている電解質膜は、燃料電池使用時の乾燥により大きく収縮するため、電解質膜に裂け等が発生するおそれがあるといった問題を有するものであった。
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−１４３７４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、電解質膜に裂け等の損傷が発生することを防止し、耐久性の向上した燃料電池を提供することを主目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上記目的を達成するためになされたものであり、電解質膜と、上記電解質膜の両側に接合された触媒電極層とを少なくとも備えた燃料電池であって、上記電解質膜は、長辺と短辺とからなる矩形状であり、上記長辺の長さが上記短辺の長さの６倍以上であることを特徴とする燃料電池を提供する。
【０００９】
本発明によれば、上記長辺の長さが上記短辺の長さの６倍以上であることにより、燃料電池使用の際、電解質膜の収縮による電解質膜の裂け等の損傷を防ぐことができ、燃料電池の耐久性を向上させることが可能となる。
【００１０】
また、上記発明においては、上記電解質膜が、上記短辺を含んだ短辺部および上記長辺部を含んだ長辺部を締結することにより固定され、上記短辺部の締結力は、上記長辺部の締結力よりも強いことが好ましい。これにより、燃料電池使用の際、電解質膜の収縮による電解質膜の裂け等の損傷をさらに防ぐことができ、燃料電池の耐久性をさらに向上させることが可能となる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の燃料電池は、燃料電池使用の際における電解質膜の収縮による電解質膜の裂け等の損傷を防ぐことができるため、燃料電池の耐久性を向上させることが可能となるといった効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の耐久性の向上した燃料電池について詳細に説明する。
図１は、一般的な燃料電池の最小単位である単位セルの構造の一例を示すものである。このような単位セルは、電解質膜１の両側に触媒電極層２が接合されている膜電極複合体３を有し、この膜電極複合体３の両側にはガス拡散層４が配され、さらに、その外側にはセパレータ５が配されている。本発明の燃料電池は、図１における電解質膜１に特徴を有するものである。
【００１３】
このような本発明に用いられる電解質膜について、図を用いて具体的に説明する。図２は、本発明に用いられる電解質膜の一例を示す平面図である。本発明に用いられる電解質膜は、例えば図２に示すように、長辺６と短辺７とからなる矩形状であり、上記長辺６の長さが上記短辺７の長さの６倍以上とされる。
【００１４】
一般的に、各辺の長さが同程度の長さである矩形状または正方形状の膜を、例えば図３（ａ）に示すように縦方向へ引っ張った場合、膜を引っ張るつかみ１０の部分が横方向の収縮を阻害するため、横方向は引っ張る方向へ力がかかってしまう。すなわち、縦方向の一方向へしか外力をかけなかったとしても、実際は、縦方向および横方向の二方向へ力がかかることとなる。一方、長辺の長さが短辺の長さの６倍以上である矩形状の膜を、例えば図３（ｂ）に示すように長辺方向へ引っ張った場合、膜を引っ張る際のつかみ１０の部分は短辺方向への収縮を阻害するが、この収縮の阻害はつかみ１０の近辺のみに限られるため、それ以外の部分においては短辺方向へ自由に収縮することができる。したがって、このような膜は、一方向への引っ張りに近い状態を実現できる。このような現象は、サンブナンの原理により証明されているものである。
なお、サンブナンの原理については、小林繁夫、近藤恭平著「工学基礎講座７  弾性力学」培風館、昭和６２年５月３０日、ｐ．６３に詳しく説明されているのでここでの説明は省略する。
【００１５】
通常、電解質膜は燃料電池に用いる際、四辺を締結させているため、乾燥による電解質膜の収縮時には電解質膜は引っ張られた状態となる。本発明においては、電解質膜が上述したような長辺の長さが短辺の長さの６倍以上である矩形状であることにより、このような電解質膜を燃料電池に用い、使用時の乾燥に際して電解質膜が引っ張られた状態となった場合、電解質膜の長辺方向へ加わる張力に起因する短辺方向への張力の発生を防止することができる。したがって、電解質膜の長辺方向の裂け等の損傷を防ぐことができ、燃料電池の耐久性を向上させることが可能となるのである。
以下、本発明の燃料電池について、各構成ごとに分けて詳しく説明する。
【００１６】
１．電解質膜
まず、本発明に用いられる電解質膜について説明する。本発明に用いられる電解質膜は、長辺と短辺とからなる矩形状であり、上記長辺の長さが上記短辺の長さの６倍以上であることを特徴とするものである。これにより、燃料電池の使用の際、電解質膜の収縮による電解質膜の裂け等の損傷を防ぐことができ、燃料電池の耐久性を向上させることが可能となる。
【００１７】
本発明に用いられる電解質膜の長辺の長さとしては、燃料電池の規模により異なるものであるが、通常、１０〜６０ｃｍ程度、中でも２０〜４０ｃｍ程度とされる。また、上記電解質膜の短辺の長さとしては、通常５〜３０ｃｍ程度、中でも１０〜２０ｃｍ程度とされる。
【００１８】
また、上記電解質膜の厚さとしては、燃料電池に一般的に用いられる電解質膜の厚さと同程度であれば特に限定されるものではないが、例えば、１０〜１００μｍの範囲内、中でも２０〜６０μｍの範囲内であることが好ましい。電解質膜の厚さが上記範囲に満たない場合、燃料ガスが電解質膜を透過しやすくなり、セル内でガスのクロスリークが生じるおそれがあるからである。また、電解質膜の厚さが上記範囲を超えると、燃料電池に用いた際、発電効率が悪くなる可能性が生じるからである。
【００１９】
本発明に用いられる電解質膜は、通常燃料電池に用いられる際には、上記短辺を含んだ短辺部および上記長辺部を含んだ長辺部を締結することにより固定されて用いられる。本発明においては、上記短辺部の締結力が、上記長辺部の締結力よりも強いことが好ましい。これにより、燃料電池の使用時における乾燥に際して電解質膜が収縮し、長辺方向に張力が生じた場合でも、これに起因する短辺方向の張力の発生を抑制することができる。したがって、電解質膜の長辺方向の裂け等の損傷を防ぐことができ、燃料電池の耐久性をより向上させることが可能となる。
【００２０】
ここで、上記長辺部とは、電解質膜を固定する際に締結させる部分のうち長辺を含んだ部分のことをいい、例えば図２に示すように長辺６を含んだ長辺部８で示される部分のことをいう。
【００２１】
また、上記短辺部とは、電解質膜を固定する際に締結させる部分のうち短辺を含んだ部分のことをいい、例えば図２に示すように短辺７を含んだ短辺部９で示される部分のことをいう。
【００２２】
本発明において、上記短辺部の締結力は、上記長辺部の締結力よりも強いことが好ましいものであるが、具体的には、長辺部の締結力よりも１．２〜５倍の範囲内、中でも１．５〜３倍の範囲内で強いことが好ましい。これにより、燃料電池に用いられる電解質膜の収縮時において、長辺方向に生じる張力に起因する、短辺方向の張力の発生を抑制することができる。したがって、電解質膜の長辺方向の裂け等の損傷をさらに防ぐことができ、燃料電池の耐久性を向上させることが可能となる。
【００２３】
本発明に用いられる電解質膜は、プロトン伝導性に優れ且つ電流を流さない材料からなるものであれば特に限定されるものではない。現在汎用されている材料としてはパーフルオロスルホン酸系ポリマー（商品名：Nafion、デュポン株式会社製）等のフッ素系樹脂や、プロトン伝導基を有するポリイミド等の炭化水素系樹脂等を挙げることができる。
【００２４】
本発明に用いられる電解質膜の製造方法は、電解質膜の製造方法として一般的に用いられているものであれば特に限定されるものではなく、例えば、予め重合した材料をキャスト法や溶融押し出し法などで成膜する方法等を挙げることができる。
【００２５】
なお、本発明においては、一軸延伸した電解質膜を用いる場合、延伸した方向を長辺方向として用いることが好ましい。例えば縦軸方向へ一軸延伸した電解質膜は、横軸方向の強度が低下する場合がある。本発明に用いられる電解質膜は、燃料電池使用時の乾燥に際して、電解質膜の長辺方向に働く張力により起こる短辺方向の張力の発生を抑制することが可能であるため、上述したような延伸方向である縦軸方向を長辺方向、横軸方向を短辺方向とし、電解質膜の長辺部および短辺部を締結させることにより、短辺方向の強度が低下した場合であっても、長辺方向への裂け等の損傷を防ぐことが可能となる。したがって、燃料電池の耐久性をさらに向上させることが可能となる。
【００２６】
２．触媒電極層
次に本発明に用いられる触媒電極層について説明する。本発明に用いられる触媒電極層は、電解質膜の両側に形成されるものである。
【００２７】
本発明に用いられる触媒電極層は、燃料電池に一般的に用いられているものを使用することができ、特に限定されるものではない。具体的には、パーフルオロスルホン酸系ポリマー（商品名：Nafion、デュポン株式会社製）等のプロトン伝導材、カーボンブラック等の導電性材料、および上記導電性材料に担持された白金等の触媒を含むものを挙げることができる。
【００２８】
なお、本発明に用いられる触媒電極層は、上記電解質膜の形状と必ずしも同一の形状である必要はない。したがって、触媒電極層の平面形状は、長辺の長さが短辺の長さの６倍未満の矩形状であってもよい。
【００２９】
３．その他
本発明の燃料電池の構成において、上述した電解質膜および触媒電極層以外の構成に関しては、特に限定されるものではなく、一般的な燃料電池の構成と同様のものを用いることができる。一般的な燃料電池の構成としては、例えば、電解質膜の両側の表面に触媒電極層が接合され、その外側の表面にはガス拡散層が配され、さらに、その外側にはセパレータが配されているもの等を挙げることができる。
【００３０】
本発明に用いられるガス拡散層およびセパレータとしては、通常の燃料電池に用いられているものを用いることができる。具体的には、ガス拡散層としては、カーボン繊維から成るカーボンクロスやカーボンペーパーなどの多孔体が好適に用いられ、セパレータとしては、カーボンタイプのもの、金属タイプのもの等を用いることができる。
【００３１】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
【実施例】
【００３２】
以下に実施例および比較例を示し、本発明をさらに具体的に説明する。
【００３３】
[実施例１]
キャスト法により、長辺の長さが８ｃｍ、短辺の長さが１ｃｍ（長辺：短辺＝８：１）であるNafion（商品名、デュポン株式会社製）の電解質膜を作製した。
【００３４】
[実施例２]
長辺の長さ６ｃｍ、短辺の長さ１ｃｍ（長辺：短辺＝６：１）である電解質膜を、実施例１と同様に作製した。
【００３５】
[比較例１]
長辺の長さ７．５ｃｍ、短辺の長さ３ｃｍ（長辺：短辺＝２．５：１）である電解質膜を、実施例１と同様に作製した。
【００３６】
[比較例２]
長辺の長さ３ｃｍ、短辺の長さ３ｃｍ（長辺：短辺＝１：１）である電解質膜を、実施例１と同様に作製した。
【００３７】
[電解質膜の引張試験]
実施例および比較例で得られた電解質膜の引張試験を行い、応力−ひずみ特性の測定を行った。この時の引張方向は、長辺方向であった。結果を図４に示す。
図４において、×で示される点は電解質膜の破断点である。図４より、長辺の長さが短辺の長さの６倍以上である電解質膜は、寸法変化が抑制され、かつ破断強度が大きくなり、電解質膜として高耐久な特性を持つことが分かった（実施例１および２）。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】一般的な燃料電池の最小単位である単位セルの構造の一例を示す概略断面図である。
【図２】本発明に用いられる電解質膜の一例を示す平面図である。
【図３】本発明に用いられる電解質膜を説明するための説明図である。
【図４】本発明における実施例および比較例で作成された電解質膜の引張試験の結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３９】
１…電解質膜
２…触媒電極層
３…膜電極複合体
４…ガス拡散層
５…セパレータ
６…長辺
７…短辺
８…長辺部
９…短辺部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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