(57)【要約】【課題】燃料電池に適用し運転を継続したとしても繊維の突出を抑制することができる固体高分子形燃料電池セルを提供すること【解決手段】この高分子形燃料電池セルＣＥでは、アノード側拡散層２２ａは、単繊維ＣＦを含み、電極触媒２１ａ側と燃料ガス流路２３ａ側とで異なる磁極が形成されると共に、カソード側拡散層２２ｂは、電極触媒２１ｂ側と酸化ガス流路２３ｂ側とで異なる磁極が形成され、アノード側拡散層２２ａの電極触媒２１ａ側の極性と、カソード側拡散層２２ｂの電極触媒２１ｂ側の極性とが同一のものとなるように配置されている。【選択図】図３
2013206810.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオン交換膜と、このイオン交換膜を挟んで配置される一対の電極触媒とを有する膜電極接合体と、
前記膜電極接合体を挟んで前記一対の電極触媒それぞれに接するように配置されるアノード側拡散層及びカソード側拡散層と、を備える固体高分子形燃料電池セルであって、
前記アノード側拡散層は、繊維を含み、前記電極触媒側と燃料ガス流路側とで異なる磁極が形成されると共に、前記カソード側拡散層は、前記電極触媒側と酸化ガス流路側とで異なる磁極が形成され、
前記アノード側拡散層の前記電極触媒側の極性と、前記カソード側拡散層の前記電極触媒側の極性とが同一のものとなるように配置されていることを特徴とする固体高分子形燃料電池セル。
【請求項２】
前記繊維には一端側と他端側とで互いに異なる極性となるように一対の磁極端部が設けられ、
前記アノード側拡散層及び前記カソード側拡散層は、それぞれに含まれている繊維の配置によって厚み方向に磁極が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の固体高分子形燃料電池セル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス拡散層が一体化された膜電極接合体を含む固体高分子形燃料電池セルに関し、特に、繊維を含んでなるガス拡散層基材を用いた膜電極接合体を含む固体高分子形燃料電池セルに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば、特開２００４−２５９４６３号公報に開示されているように、ガス拡散層基材に含まれる繊維突起を除去する工程を含むガス拡散層の製造方法が知られている。従来、ガス拡散層基材として、カーボンペーパーやカーボンクロス等のカーボン製の繊維を含む基材が多く用いられている。
【０００３】
ガス拡散層は膜電極接合体に積層された状態で、燃料電池に用いられる。しかしながら、上述したガス拡散層基材において、内部に含んでいるカーボン繊維がその表面から突出している場合がある（以下、繊維のガス拡散層基材から突出している部分を、「繊維突起」とも呼称する）。このような状態でガス拡散層が膜電極接合体に積層されると、突出したカーボン繊維が膜電極接合体に突き刺さり、膜電極接合体に好ましくない影響を及ぼすおそれがある。
【０００４】
特開２００４−２５９４６３号公報に記載の技術では、この点に鑑み、ガス拡散層基材の繊維突起を除去すべく、アーク熱を用いて当該繊維突起を溶かしている。これにより、ガス拡散層基材の表面を平滑化することができる。
【０００５】
しかしながら、ガス拡散層基材に含まれる繊維のうち一部の繊維が、ガス拡散層基材の表面に寝た状態となっている場合がある。このような場合に上記従来の繊維突起除去工程を行うと、表面に寝た状態の繊維は十分に除去されずに残ってしまう可能性が高い。除去されずに残った繊維がその後の工程で起き上がると、繊維突起により膜電極接合体が傷つけられるというおそれが再び生じてしまう。
【０００６】
そこで、特開２００８−１９８５２６号公報には、繊維を含んでなるガス拡散層基材を準備する工程と、ガス拡散層基材を反らせた状態で、繊維の該ガス拡散層基材の該反らされた部位から突出する部分を除去する除去工程と、除去工程により繊維の突出する部分を除去されたガス拡散層基材を、膜電極接合体と一体化する工程と、を含むガス拡散層一体化膜電極接合体の製造方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−２５９４６３号公報
【特許文献２】特開２００８−１９８５２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、実際に上述した製造方法により得られる膜電極接合体を燃料電池に用いて運転すると、温度の変化による熱膨張差や湿潤状態の変化による膜の膨張・収縮が発生し、電極に対する荷重が変動する。初期状態では繊維がガス拡散層から突出していないように処理したとしても、前述の荷重変動に起因し、繊維の折れや曲がりやへたりが発生することによる繊維の突き出し、ひずみの解放による繊維の突き刺しが発生する場合がある。
【０００９】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、ガス拡散層に繊維を含む膜電極接合体を有する固体高分子形燃料電池セルであって、燃料電池に適用し運転を継続したとしても繊維の突出を抑制することができる固体高分子形燃料電池セルを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために本発明に係る固体高分子形燃料電池セルは、イオン交換膜と、このイオン交換膜を挟んで配置される一対の電極触媒とを有する膜電極接合体と、膜電極接合体を挟んで一対の電極触媒それぞれに接するように配置されるアノード側拡散層及びカソード側拡散層と、を備える。アノード側拡散層は、繊維を含み、電極触媒側と燃料ガス流路側とで異なる磁極が形成されると共に、カソード側拡散層は、繊維を含み、電極触媒側と酸化ガス流路側とで異なる磁極が形成される。アノード側拡散層とカソード側拡散層とは、アノード側拡散層の電極触媒側の極性と、カソード側拡散層の電極触媒側の極性とが同一のものとなるように配置されている。
【００１１】
本発明によれば、アノード側拡散層とカソード側拡散層とは、アノード側拡散層の電極触媒側の極性と、カソード側拡散層の電極触媒側の極性とが同一のものとなるように配置されているので、イオン交換膜を挟んでアノード側拡散層とカソード側拡散層とが互いに反発するように作用し合う。従って、繊維がイオン交換膜から離れる方向に力を受けるので、アノード側拡散層及びカソード側拡散層に含まれる繊維がイオン交換膜側に突き出されることを抑制できる。
【００１２】
また本発明に係る固体高分子形燃料電池セルでは、繊維には一端側と他端側とで互いに異なる極性となるように一対の磁極端部が設けられ、アノード側拡散層及びカソード側拡散層は、それぞれに含まれている繊維の配置によって厚み方向に磁極が形成されていることも好ましい。
【００１３】
この好ましい態様によれば、繊維の両端が異なる極性となるように磁極端部が形成されているので、各繊維を拡散層の厚み方向に沿って配置することで、拡散層の厚み方向に磁極を形成することができる。そのため、両端に磁極端部が形成された繊維の配置を工夫することで、拡散層の両側端に磁極を形成することができる。イオン交換膜側から受ける磁性による反発力が磁極端部に作用し、イオン交換膜側への繊維の突き出しをより確実に抑制できる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、ガス拡散層に繊維を含む膜電極接合体を有する固体高分子形燃料電池セルであって、固体高分子形燃料電池セルを燃料電池に適用し運転を継続したとしても繊維の突出を抑制することができる固体高分子形燃料電池セルを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態に係る固体高分子形燃料電池セルに用いられる繊維の製造方法を示す図である。
【図２】図１に示す繊維の配置方法を説明するための図である。
【図３】本発明の実施形態に係る固体高分子形燃料電池セルの一部を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。
【００１７】
最初に、本発明の実施形態に係る固体高分子形燃料電池セルに用いられる繊維の製造方法について、図１を参照しながら説明する。図１の（Ａ）に示すように、長繊維Ｆｌに等間隔に磁性体Ｍｂを形成する。この磁性体Ｍｂを半分に切断するように、チョップラインＣｐでチョップし、分離する。この分離によって、図１の（Ｂ）に示すように、単繊維ＣＦが形成される。単繊維ＣＦは、繊維部分Ｍｌｐと、繊維部分Ｍｌｐの両端に形成される磁極端部Ｍｂｈとを有する。
【００１８】
図１の状態では、磁極端部Ｍｂｈは磁化されていないので、図２に示す磁化工程を施す。図２の（Ａ）に示すように、複数の単繊維ＣＦを抄紙し、拡散層基材ＧＤｍを形成する。続いて図２の（Ｂ）に示すように、一対の着磁コイルＬ１，Ｌ２の間に、単繊維ＣＦを含む拡散層基材ＧＤｍを送り方向ＭＤに沿って送る。本実施形態では、着磁コイルＬ２から着磁コイルＬ１に向けて磁力線が通っているので、個々の単繊維ＣＦにおいては、着磁コイルＬ１側の磁極端部ＭｂｈがＮ極、着磁コイルＬ２側の磁極端部ＭｂｈがＳ極となる。
【００１９】
従って、図２の（Ｃ）に示すように、拡散層基材ＧＤｍは、着磁コイルＬ１が配置されていた側がＮ極性となる一方で、着磁コイルＬ２が配置されていた側がＳ極性となる。本実施形態では、Ｎ極性となっている端部を触媒端部１０とし、Ｓ極性となっている端部を流路端部１１としている。
【００２０】
図１及び図２を参照しながらその製造方法を説明した拡散層基材ＧＤｍを拡散層ＧＤＬとして用いた固体高分子形燃料電池セルについて、図３を参照しながら説明する。図３は、拡散層基材ＧＤｍを拡散層ＧＤＬとして用いた固体高分子形燃料電池セルＣＥの一部を模式的に示す図である。
【００２１】
図３に示すように、固体高分子形燃料電池セルＣＥは、イオン交換膜２０と、アノード側電極触媒２１ａと、カソード側電極触媒２１ｂと、アノード側拡散層２２ａと、カソード側拡散層２２ｂとを備え、燃料ガス流路２３ａ及び酸化ガス流路２３ｂとが形成されている。
【００２２】
イオン交換膜２０を挟んで、アノード側電極触媒２１ａとカソード側電極触媒２１ｂとが配置されている。アノード側電極触媒２１ａに当接させて、アノード側拡散層２２ａが配置されている。アノード側拡散層２２ａには、拡散層ＧＤＬの触媒端部１０が当接している。従って、アノード側拡散層２２ａは、拡散層ＧＤＬの触媒端部１０がアノード側電極触媒２１ａに当接し、流路端部１１がアノード側拡散層２２ａの外側に形成されてなる燃料ガス流路２３ａに面している。
【００２３】
一方、カソード側電極触媒２１ｂに当接させて、カソード側拡散層２２ｂが配置されている。カソード側拡散層２２ｂには、拡散層ＧＤＬの触媒端部１０が当接している。従って、カソード側拡散層２２ｂは、拡散層ＧＤＬの触媒端部１０がカソード側電極触媒２１ｂに当接し、流路端部１１がカソード側拡散層２２ｂの外側に形成されてなる酸化ガス流路２３ｂに面している。
【００２４】
上述したように本実施形態に係る固体高分子形燃料電池セルＣＥは、イオン交換膜２０と、このイオン交換膜２０を挟んで配置される一対の電極触媒であるアノード側電極触媒２１ａ及びカソード側電極触媒２１ｂとを有する膜電極接合体と、膜電極接合体を挟んで一対の電極触媒であるアノード側電極触媒２１ａ及びカソード側電極触媒２１ｂそれぞれに接するように配置されるアノード側拡散層２２ａ及びカソード側拡散層２２ｂと、を備える。アノード側拡散層２２ａは、単繊維ＣＦを含み、アノード側電極触媒２１ａ側と燃料ガス流路２３ａ側とで異なる磁極が形成される。カソード側拡散層２２ｂは、カソード側電極触媒２１ｂ側と酸化ガス流路２３ｂ側とで異なる磁極が形成される。アノード側拡散層２２ａとカソード側拡散層２２ｂとは、アノード側拡散層２２ａのアノード電極触媒２１ａ側の極性（Ｎ極）と、カソード側拡散層２２ｂのカソード側電極触媒２１ｂ側の極性（Ｎ極）とが同一のものとなるように配置されている。
【００２５】
このように、アノード側拡散層２２ａとカソード側拡散層２２ｂとは、アノード側拡散層２２ａのアノード側電極触媒２１ａ側の極性と、カソード側拡散層２２ｂのカソード側電極触媒２１ｂ側の極性とが同一のものとなるように配置されているので、イオン交換膜２０を挟んでアノード側拡散層２２ａとカソード側拡散層２２ｂとが互いに反発するように作用し合う。従って、単繊維ＣＦがイオン交換膜２０から離れる方向に力を受けるので、アノード側拡散層２２ａ及びカソード側拡散層２２ｂに含まれる単繊維ＣＦがイオン交換膜２０側に突き出されることを抑制できる。
【００２６】
また、単繊維ＣＦには一端側と他端側とで互いに異なる極性となるように一対の磁極端部Ｍｂｈが設けられ、アノード側拡散層２２ａ及びカソード側拡散層２２ｂは、それぞれに含まれている単繊維ＣＦの配置によって厚み方向に磁極が形成されている。
【００２７】
このように、単繊維ＣＦの両端が異なる極性となるように磁極端部Ｍｂｈが形成されているので、各単繊維ＣＦを拡散層の厚み方向に沿って配置することで、拡散層の厚み方向に磁極を形成することができる。そのため、両端に磁極端部Ｍｂｈが形成された単繊維ＣＦの配置を工夫することで、拡散層の両側端に磁極を形成することができる。イオン交換膜２０側から受ける磁性による反発力が磁極端部Ｍｂｈに作用し、イオン交換膜２０側への単繊維ＣＦの突き出しをより確実に抑制できる。
【００２８】
更に、万が一単繊維ＣＦがイオン交換膜２０側に突き出たとしても、反対極との導通部（短絡部）で磁極端部Ｍｂｈ分の接触抵抗及びバルク電子抵抗が増加し、短絡部位の短絡電流が減少し、短絡部分のジュール熱を下げることができ、膜の溶損・焼損を回避することができる。
【符号の説明】
【００２９】
１０  触媒端部
１１  流路端部
２０  イオン交換膜
２１ａ      アノード側電極触媒
２１ｂ      カソード側電極触媒
２２ａ      アノード側拡散層
２２ｂ      カソード側拡散層
２３ａ      燃料ガス流路
２３ｂ      酸化ガス流路
ＣＥ  固体高分子形燃料電池セル
ＣＦ  単繊維
Ｃｐ  チョップライン
Ｆｌ  長繊維
ＧＤＬ      拡散層
ＧＤｍ      拡散層基材
Ｌ１  着磁コイル
Ｌ２  着磁コイル
Ｍｂ  磁性体
Ｍｂｈ      磁極端部
ＭＤ  方向
Ｍｌｐ      繊維部分
【図１】
2013206810.tif 000003
【図２】
2013206810.tif 000004
【図３】
2013206810.tif 000005