(57)【要約】【課題】燃料電池のセル構造において電極間のクロスリークの発生を抑制する。【解決手段】燃料電池のセル構造１は、電解質膜１０と、電解質膜１０の両面に配置された触媒層１１、１２と、を有し、一方の触媒層１２は、外縁部が電解質膜１０の外縁部よりも外側に突出するように形成されている。電解質膜１０と触媒層１２の寸法差は、電解質膜１０の最大膨張時において電解質膜１０の外縁部が触媒層１２の外縁部よりも外側に突出しない大きさに設定されている。他方の触媒層１１は、外縁部が電解質膜１０の外縁部よりも内側に位置するように形成されている。電解質膜１０と触媒層１２の外周側面には、それらを囲むシール層１９が形成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜と、
前記電解質膜の両面に配置された触媒層と、を有し、
少なくとも一方の前記触媒層は、外縁部が前記電解質膜の外縁部よりも外側に突出するように形成されている、燃料電池のセル構造。
【請求項２】
前記電解質膜と前記触媒層の寸法差は、前記電解質膜の最大膨張時において前記電解質膜の外縁部が前記触媒層の外縁部よりも外側に突出しない大きさに設定されている、請求項１に記載の燃料電池のセル構造。
【請求項３】
一方の触媒層は、外縁部が前記電解質膜の外縁部よりも外側に位置するように形成され、
他方の触媒層は、外縁部が前記電解質膜の外縁部よりも内側に位置するように形成されている、請求項１又は２に記載の燃料電池のセル構造。
【請求項４】
少なくとも前記電解質膜と前記触媒層の外周側面を囲むシール層をさらに有する、請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池のセル構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池のセル構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池のセル構造は、例えばイオン透過性の電解質膜と、当該電解質膜の両面に接着された触媒層と、ガス拡散層の外側面に接するガス流路層と、ガス流路層を含む又はその外側に位置するセパレータを有している。
【０００３】
セル構造は、例えば図３に示すように電解質膜１００、触媒層１０１、ガス拡散層１０２、ガス流路層１０３及びセパレータ１０４を有し、電解質膜１００、触媒層１０１及びガス拡散層１０２の外周側面は、シール層１０５で覆われている。通常電解質膜１００は、触媒層１０１及びガス拡散層１０２と同じか、それより大きな寸法で形成されている（特許文献１参照）。電解質膜１００とシール層１０５との間には、製造技術上僅かな空間Ａができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−２６９２３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、燃料電池において発電が行われると、例えば図４に示すように電解質膜１００が、そのとき生成されるラジカル水を含んで膨潤し空間Ａ内に伸びる。この電解質膜１００の伸びた部分１００ａにラジカル水が溜り、それによって電解質膜１００が劣化する。ラジカル水が電解質膜面内に浸透すると、電解質膜１００の劣化は、膜面内に進行し、両電極間でガスが透過するクロスリークの原因となる。
【０００６】
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、電解質膜の伸びた部分にラジカル水が溜ることを抑制し、クロスリークの発生を抑制することをその目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するための本発明は、電解質膜と、前記電解質膜の両面に配置された触媒層と、を有し、少なくとも一方の前記触媒層は、外縁部が前記電解質膜の外縁部よりも外側に突出するように形成されている燃料電池のセル構造である。
【０００８】
本発明によれば、電解質膜が膨潤して伸びても、その伸びた部分のラジカル水が触媒層と接しているので、そのラジカル水が触媒層で分解される。これにより、電解質膜の伸びた部分にラジカル水が溜ることを抑制でき、クロスリークの発生を抑制できる。
【０００９】
前記電解質膜と前記触媒層の寸法差は、前記電解質膜の最大膨張時において前記電解質膜の外縁部が前記触媒層の外縁部よりも外側に突出しない大きさに設定されていてもよい。
【００１０】
一方の触媒層は、外縁部が前記電解質膜の外縁部よりも外側に位置するように形成され、他方の触媒層は、外縁部が前記電解質膜の外縁部よりも内側に位置するように形成されていてもよい。
【００１１】
上記燃料電池のセル構造は、少なくとも前記電解質膜と前記触媒層の外周側面を覆うシール層をさらに有していてもよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、電極間のクロスリークの発生を抑制できるので、燃料電池の性能を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】燃料電池のセル構造を模式的に示す説明図である。
【図２】電解質膜が伸びたときのセル構造を模式的に示す説明図である。
【図３】従来のセル構造を模式的に示す説明図である。
【図４】電解質膜が伸びたときの従来のセル構造を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。
【００１５】
図１は、燃料電池のセル構造１の一部を模式的に示す説明図である。燃料電池は、積層された多数のセルを有している。燃料電池の各セルのセル構造１は、例えば電解質膜１０と、電解質膜１０の両面に接着された触媒層１１、１２と、触媒層１１、１２の外側面に接するガス拡散層１３、１４と、ガス拡散層１３の外側面に接するガス流路層１５と、ガス流路層１５の外側面に配置されたセパレータ１６と、ガス拡散層１４の外側面に接するガス流路１７を有するセパレータ１８を有している。電解質膜１０、触媒層１１、１２、ガス拡散層１３、１４及びガス流路層１５の外周側面には、それらを覆うシール層１９が設けられている。シール層１９は、セパレータ１６、１８の間に介在されている。
【００１６】
図１における電解質膜１０の下側の面の触媒層１２は、外縁部が電解質膜１０の外縁部よりも外側に突出するように形成されている。つまり、触媒層１２は、電解質膜１０よりも大きな寸法を有している。電解質膜１０と触媒層１２の寸法差ａは、電解質膜１０の最大膨張時において電解質膜１０の外縁部が触媒層１２の外縁部よりも外側に突出しない大きさに設定されている。つまり、電解質膜１０と触媒層１２の寸法差ａ＞電解質膜１０の最大膨潤量ｂ（最大膨潤量＝膜の膨潤率×含水量∝膨潤率×相対湿度）の関係を満たすように設定されている。最大膨潤量ｂは、電解質膜１０の物性により求めてもよいし、予め実験を行って求めてもよい。例えば寸法差ａは、５ｍｍ〜１２．５ｍｍ程度が好ましい。触媒層１２の下側のガス拡散層１４は、触媒層１２と同じ大きさに形成されている。
【００１７】
この電解質膜１０、触媒層１２及びガス拡散層１４は、裁断刃による打ち抜き加工や、ガス拡散層上１４に触媒層１２を形成し、電解質膜１０を転写するなどの方法で形成される。
【００１８】
また、電解質膜１０の上側の面の触媒層１１は、外縁部が電解質膜１０の外縁部よりも内側に形成されている。触媒層１１の上側のガス拡散層１３及びガス流路層１５は、触媒層１１と同じ大きさに形成されている。
【００１９】
シール層１９は、寸法の大きい電解質膜１０、触媒層１２及びガス拡散層１４のある側よりも、寸法の小さい触媒層１３、ガス拡散層１４及びガス流路層１５側が突出しており、段部１９ａが形成されている。シール層１９と、電解質膜１０、触媒層１１、１２、ガス拡散層１３、１４及びガス流路層１５との間には、空間Ａが形成されている。
【００２０】
上記電解質膜１０には、イオン交換膜が用いられ、例えばフッ素系樹脂であるパーフルオロカーボンスルホン酸ポリマーや、非フッ素系樹脂であるのＢＰＳＨ（ポリアリーレンエーテルスルホン酸共重合体）などを有するプロトン伝導性のものを用いることができる。
【００２１】
触媒層１１、１２は、触媒が担持された導電性担体や電解質などから構成されている。触媒の材料としては白金などが用いられ、導電性担体としてはカーボンブラック、カーボンナノチューブなどが用いられる。
【００２２】
ガス拡散層１３、１４には、電気抵抗が低い、不織布により形成されたカーボンクロスやカーボンペーパーなどが用いられる。
【００２３】
セパレータ１６、１８は、ガス不透過性の材質で形成されている。ガス不透過性の材質としては、カーボン材料、チタンやステンレスなどが用いられる。ガス流路層１７は、セパレータ１８の面内を蛇行する溝状に形成されている。ガス流路層１５の流路もセパレータ１６の面内を蛇行するように形成されている。
【００２４】
上記セル構造１を有するセルにおいて発電が行われる場合には、例えばアノード電極側のガス流路層１５に燃料ガスである例えば水素ガスが供給され、カソード電極側のガス流路１７に酸化ガスである例えば酸素ガスが供給される。そして、水素ガスがガス拡散層１４、触媒層１２を通じてイオン化し、水素イオンが電解質膜１０を通じてカソード側に伝わり、カソード側の酸素ガスと電気化学反応を起こして発電する。このとき、電解質膜１０近辺においてラジカルを含む水（ラジカル水）が生成される。
【００２５】
図２に示すように電解質膜１０は、ラジカル水により膨潤して伸びる。電解質膜１０は、膨潤して伸びても、触媒層１２と接触しているため、電解質膜１０のラジカル水は、触媒層１２により分解される。
【００２６】
本実施の形態によれば、電解質膜１０の膨潤して伸びた部分のラジカル水が触媒層１２で分解されるので、電解質膜１０の伸びた部分にラジカル水が溜ることを抑制でき、クロスリークの発生を抑制できる。
【００２７】
また、電解質膜１０と触媒層１２の寸法差ａは、電解質膜１０の最大膨張時において、電解質膜１０の外縁部が触媒層１２の外縁部よりも外側に突出しない大きさに設定されているので、電解質膜１０の伸びた部分にラジカル水が溜ることがより確実に抑制され、クロスリークの発生をより確実に抑制できる。
【００２８】
下側の触媒層１２は、外縁部が電解質膜１０の外縁部よりも外側に位置し、上側の触媒層１１は、外縁部が電解質膜１０の外縁部よりも内側に位置するので、触媒層１１、１２間の短絡を防止できる。
【００２９】
また、本実施の形態のセル構造１のように、電解質膜１０と触媒層１２の外周側面を囲むシール層１９を有している場合、電解質膜１０及び触媒層１２と、シール層１９との間に必ずわずかな空間Ａができる。この場合、従来電解質膜１０が膨潤すると、電解質膜１０の外縁部が空間Ａに逃げてその部分にラジカル水が溜り易くなり、クロスリークが生じやすくなる。よって、かかるセル構造において、本実施の形態にように触媒層１２の外縁部を電解質膜１０の外縁部よりも外側に突出させることによって、クロスリークを飛躍的に抑制できる。
【００３０】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【００３１】
例えばセル構造は、上記実施の形態で記載したものに限られず、電解質膜、触媒層を備えている他の構造を有するものにも本発明は適用できる。例えば電解質膜１０の両面の触媒層１１、１２の外縁部が、電解質膜１０の外縁部よりも外側に突出していてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明は、燃料電池のセル構造において電極間のクロスリークの発生を抑制する際に有用である。
【符号の説明】
【００３３】
１  セル構造
１０  電解質膜
１１、１２  触媒層
１３、１４  ガス拡散層
１５  ガス流路層
１６、１８  セパレータ
１９  シール層
Ａ  空間
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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