(57)【要約】【課題】広範囲な加湿条件において、安定した発電を行うことが可能となる燃料電池用膜電極積層体を提供する。【解決手段】電解質膜１０と、電解質膜１０の両面を挟持する酸化極３２および燃料極３４を備え、酸化極３２は、電解質膜１０側から順に酸化極触媒層１２と、酸化極拡散層１６と、を含み、燃料極３４は、電解質膜１０側から順に燃料極触媒層１４と、燃料極保水層３６と、燃料極拡散層３８と、を含み、燃料極保水層３６が、繊維状導電材と、吸水性を有する高分子電解質とを含み、該燃料極保水層の目付量が１．６〜３．０ｍｇ／ｃｍ２であって、その厚さが５０〜１５０μｍである。【選択図】図１
2012015063.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜と、前記電解質膜の両面を挟持する酸化極および燃料極を備え、
前記酸化極は、電解質膜側から順に酸化極触媒層と、酸化極拡散層と、を含み、
前記燃料極は、電解質膜側から順に燃料極触媒層と、燃料極保水層と、燃料極拡散層と、を含み、
前記燃料極保水層が、繊維状導電材と、吸水性を有する高分子電解質とを含み、
前記燃料極保水層の目付量が１．６〜３．０ｍｇ／ｃｍ２であって、その厚さが５０〜１５０μｍであることを特徴とする燃料電池用膜電極接合体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用膜電極接合体に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池の最小単位に相当する、一般的な燃料電池セル（単セルとも称する）の構成について、特に電極部分を含む要部の構成の概略について説明する。図４に例示するように、酸化極触媒層１２（カソード触媒層とも称する）と燃料極触媒層１４（アノード触媒層とも称する）を、電解質膜１０を挟んで互いに対向するように設けた膜電極接合体（ＭＥＡ）３０が構成されている。また、酸化極触媒層１２の外側には酸化極拡散層１６が、燃料極触媒層１４の外側には燃料極拡散層１８が、それぞれ設けられている。さらに、酸化極拡散層１６の外側には、酸化ガス流路２０およびセル冷媒流路２２が形成された酸化極側セパレータ２６が、燃料極拡散層１８の外側には、燃料ガス流路２４およびセル冷媒流路２２が形成された燃料極側セパレータ２８が、それぞれ設けられており、これらを例えば、接着や圧着などにより一体化させて、燃料電池セル１５０が形成される。
【０００３】
所望の起電力が得られるように複数の燃料電池セル１５０を積層させたセルスタックを備える燃料電池は一般に、酸化極触媒層１２に酸素ガスや空気等の酸化剤ガスを、燃料極触媒層１４に水素ガスや改質ガス等の燃料ガスを、それぞれ供給して発電する。
【０００４】
一般に燃料電池が良好な発電を行うためには、例えばパーフルオロ系、パーフルオロスルホン酸系等のフッ素系イオン交換樹脂などが用いられる電解質膜１０に対して所定の水分量（含水量）を維持させて、プロトン透過性膜としての機能を発揮させることが好適である。電解質膜１０の含水量の不足に伴う、いわゆるドライアップの発生を防止するため、例えば燃料電池内に供給する反応ガスのいずれか一方、または両方を加湿させ、電解質膜１０の水分調節を行う。
【０００５】
一方、燃料電池内に過剰量の水分が滞留すると、いわゆるフラッディングと呼ばれる現象が発生し、反応に必要な原料ガスの供給が不十分となり、発電効率の低下や、運転状態が不安定となる要因ともなり得る。
【０００６】
このように、燃料電池のより安定した運転には、運転条件や電極の特性に応じた好適な水分量の維持が要求される。
【０００７】
ガス流路中の水分量を調節し得る燃料電池として、例えば特許文献１〜７が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０００−１６９２５３号公報
【特許文献２】特開２００６−２４４７８９号公報
【特許文献３】特開２００８−１９８５１０号公報
【特許文献４】特開２００６−１３４６４８号公報
【特許文献５】特開２００５−３０２３３９号公報
【特許文献６】特開２００４−２１４０７２号公報
【特許文献７】特開２００６−８５９８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、種々の加湿条件において、安定した発電を行うことが可能となる燃料電池用膜電極接合体を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、電解質膜と、前記電解質膜の両面を挟持する酸化極および燃料極を備え、前記酸化極は、電解質膜側から順に酸化極触媒層と、酸化極拡散層と、を含み、前記燃料極は、電解質膜側から順に燃料極触媒層と、燃料極保水層と、燃料極拡散層と、を含み、前記燃料極保水層が、繊維状導電材と、吸水性を有する高分子電解質とを含み、前記燃料極保水層の目付量が１．６〜３．０ｍｇ／ｃｍ２であって、その厚さが５０〜１５０μｍである、燃料電池用膜電極接合体である。
【発明の効果】
【００１１】
種々の加湿条件において安定した発電を行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施の形態における燃料電池用膜電極接合体を供える燃料電池セルの構成の概略を示した図である。
【図２】燃料極保水層の構成について説明するための断面拡大図である。
【図３】燃料極保水層の作製方法の一例について説明するためのフローチャートである。
【図４】従来の燃料電池セルの構成の概略を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に示す実施の形態において、図４に示した燃料電池セルと同様の構成については同一の符号を付し、その説明については省略するか、または簡単な説明にとどめることがある。また、図面中の各部材の寸法は必ずしも実際の各部材の寸法に対応していない。
【００１４】
図１は、本発明の実施の形態における燃料電池セルの構成の概略を示す図である。図１に示す燃料電池セル５０は、膜電極接合体３０に代えて膜電極接合体４０を備えることを除き、図６に示す燃料電池セル１５０とほぼ同様の構成を有している。
【００１５】
膜電極接合体４０は、電解質膜１０を挟持する酸化極３２および燃料極３４を備え、これらが積層された構成を有している。酸化極３２は、電解質膜１０側から順に、酸化極触媒層１２と、酸化極拡散層１６とを含む積層構造を有する。一方、燃料極３４は、電解質膜１０側から順に、燃料極触媒層１４と、燃料極保水層３６と、燃料極拡散層３８とを含む積層構造を有する。
【００１６】
図１において、酸化ガス流路２０（酸化ガス供給流路）を流通する、エアポンプ（ブロワ）や酸素ボンベなどを用いて外部から供給された酸化剤ガスは、酸化極拡散層１６を介して酸化極触媒層１２に流入する。一方、燃料ガス流路２４（燃料ガス供給流路）を流通する、燃料電池セル５０の外部から供給された純水素や改質ガスなどの燃料ガスは、燃料極拡散層３８を介して燃料極保水層３６、燃料極触媒層１４に順に流入する。酸化極触媒層１２に流入した酸化剤ガス中の酸素と、燃料極触媒層１４に流入した燃料ガス中の水素との間で、各電極触媒層１２，１４における触媒作用により、電解質膜１０を介して出力制御に応じた所定の電池反応が起こる。このとき、その反応に応じた所要量の酸化ガスおよび燃料ガスが消費される。
【００１７】
電池反応に供された酸化剤ガスのオフガスは、酸化極触媒層１２で生成した凝縮水を含む余剰な水分とともに、酸化極拡散層１６を経由し、酸化ガス排出流路（酸化ガス流路２０）を介して外部に排出される。一方、燃料ガスのオフガスは、燃料極保水層３６、燃料極拡散層３８を経由し、燃料ガス排出流路（燃料ガス流路２４）を介して外部に排出される。
【００１８】
図２に示すように、燃料極保水層３６は、繊維状導電材４２と、吸水性を有する高分子電解質４４とを含む。燃料極保水層３６は、高分子電解質４４の存在により、燃料極３４側の水分調節の役割を果たす。つまり、燃料ガスおよび／または燃料極内部が低加湿雰囲気においては、燃料極保水層３６に留まる水分が、燃料極触媒層１４方向に拡散して電解質膜１０の乾燥を防止することによりドライアップの発生を抑制することができる。一方、高加湿雰囲気下では、燃料ガスの流路を確保しつつ、燃料極保水層３６から燃料電池外部方向に速やかに過剰な水分を排出することが可能となるため、フラッディング発生の防止または抑制にも寄与し得る。このため、広範囲の運転条件下において安定した発電性能を発揮することができる。
【００１９】
本発明の実施の形態において、燃料極保水層３６の厚さｄは、５０〜１５０μｍ程度である。燃料極保水層３６の厚さｄが５０μｍ未満であれば、特に無加湿条件下での温度特性が適正でない場合があり得る。一方、燃料極保水層３６の厚さｄが１５０μｍを超えると、特にフル加湿条件下での排水能力が十分でない場合があり得る。
【００２０】
また、燃料極保水層３６の目付量は、１．６〜３．０ｍｇ／ｃｍ２程度である。燃料極保水層３６の目付量が１．６ｍｇ／ｃｍ２未満の場合には、保水機能が不十分となり燃料極にドライアップが発生する場合があり得る一方、燃料極保水層３６の目付量が３．０ｍｇ／ｃｍ２を超えると、保水量が多すぎてフラッディングが発生し、ガス拡散抵抗の増大や内部の電気抵抗が増大する場合があり得る。
【００２１】
本発明の実施の形態における燃料極保水層３６の作製方法の一例について、図１〜３を用いて説明する。ただし、図１に示す膜電極接合体４０およびこれを備える燃料電池セル５０を作製することができる限り、作製方法は後述したものに限らない。
【００２２】
燃料極保水層材料を分散または懸濁させるための溶媒を調製する（Ｓ１００）。溶媒は例えば、１−プロパノールなどのアルコール類と水との混合物とすることができる。アルコール類と水との混合比に制限はないが、例えば、後述する燃料極保水層用塗工液中のアルコール類の含有量が例えば１０質量％程度となるように配合することができる。
【００２３】
Ｓ１０２では、溶媒に高分子電解質を混合する。高分子電解質としては、例えば、ナフィオン（Ｎａｆｉｏｎ）などのアイオノマー樹脂を適用することができる。必要に応じて、適当な分散媒に予め分散させたものを溶媒に混合することもできる。
【００２４】
Ｓ１０４では、溶媒に繊維状導電材を混合する。繊維状導電材としては、例えば気相成長法炭素繊維（vapor grown carbon fiber、ＶＧＣＦ）などの繊維状の炭素繊維を好適に用いることができる。必要に応じて、適当な分散媒に予め分散させたものを溶媒に混合することもできる。また、高分子電解質との混合物を用意し、Ｓ１０２とＳ１０４とを同時に実施してもよい。
【００２５】
Ｓ１０６では、撹拌し、均一な燃料極保水層用塗工液を作製する。このとき用いられる撹拌装置としては、種々のものを適用することができるが、例えば、適当なせん断力を付与することができる高速インペラーミルまたはディスパーが好ましい。一例では、ディスパーを例えば７０００回転、３分間程度の条件で適用することができる。これに対し、ボールミルや超音波方式を適用すると塗工液の粘度が低下し、所定の膜厚となるように塗布することが困難な場合があり得る。また、撹拌子による撹拌では、せん断力が小さく、塗工液が均一に分散されずにいわゆるブツが発生する場合があり得る。
【００２６】
本発明の実施の形態において、燃料極保水層用塗工液として用いられる繊維状導電材と高分子電解質（アイオノマー）との配合比率は、例えば、１：１〜４：１（乾燥質量比）程度とすることが可能である。繊維状導電材の比率が１：１未満であれば、燃料極保水層３６の厚みを適正に保つことが困難となる場合がある一方、繊維状導電材の比率が４：１を超えると、溶媒に対する均一な分散が困難となる場合がある。また、繊維状導電材および高分子電解質（アイオノマー）からなる固形分含有量は、例えば、燃料極保水層用塗工液の全量に対して例えば１０質量％程度とすることができるが、これに限定されない。
【００２７】
Ｓ１０８では、作製した燃料極保水層用塗工液を塗布する。例えば燃料極拡散層３８用基材の一方面に、Ｓ１０６で作製した燃料極保水層用塗工液を所望の厚みとなるように塗布する（図２参照）。燃料極保水層用塗工液の塗布には、例えば含浸法、アプリケータ法、ダイコータ法、ディッピング法、その他公知のあらゆる方法を適用することが可能であり、特に限定はされないが、例えばブレード塗工が好適である。このとき、燃料極保水層用塗工液の目付量や堆積高さを制御することにより、最終的に完成する燃料極保水層が所望の厚みとなるように調整することが可能である。一例では、目付量を２ｍｇ／ｃｍ２程度とすることができるが、これに限定されない。
【００２８】
Ｓ１１０では、燃料極保水層用塗工液を乾燥させる。乾燥の手法に特に制限はないが、保水成分である高分子電解質（アイオノマー）に不具合が生じないよう、加熱する場合には例えば１５０℃程度にとどめることが好ましい。
【００２９】
このようにして作製された燃料極保水層３６（および燃料極拡散層３８）を用いて、図１に示す膜電極接合体４０および燃料電池セル５０を作製すると、燃料極保水層３６にアイオノマーなどの吸水性を有する高分子電解質が配合されていることにより、フル加湿時の発電性能を阻害することなく低加湿時および／または無加湿時の温度特性を向上させることができ、特に燃料電池の高温性能を向上させることができる。また、燃料極保水層３６に繊維状導電材が配合されていることにより、燃料極保水層３６の乾燥に伴うヒビを効果的に抑制することが可能となり、燃料極保水層３６を厚膜化することができる。このため、燃料電池セル５０の発電性能に対して好適となる、燃料極保水層の目付量が１．６〜３．０ｍｇ／ｃｍ２、その厚さが５０〜１５０μｍなる燃料極保水層３６を作製することが可能となる。
【００３０】
本発明は、種々の燃料電池に対して利用することが可能であるが、特に加湿条件を変動させ得る燃料電池に対して有効である。
【符号の説明】
【００３１】
１０  電解質膜、１２  酸化極触媒層、１４  燃料極触媒層、１６  酸化極拡散層、１８  燃料極拡散層、２０  酸化ガス流路、２２  セル冷媒流路、２４  燃料ガス流路、２６  酸化極側セパレータ、２８  燃料極側セパレータ、３０，４０  膜電極接合体、３２  酸化極、３４  燃料極、３６  燃料極保水層、３８  燃料極拡散層、４２  繊維状導電材、４４  高分子電解質、５０，１５０  燃料電池セル。
【図１】
2012015063.tif 000003
【図２】
2012015063.tif 000004
【図３】
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【図４】
2012015063.tif 000006