(57)【要約】【課題】  膜−電極接合体とガス拡散層との間の剥離を抑制することができる燃料電池および燃料電池の設計方法を提供する。【解決手段】  本発明に係る燃料電池（１００）は、膜−電極接合体（１０）と、膜−電極接合体の両面に配置されたガス拡散層（４０，４１）と、を備え、膜−電極接合体のポアソン比をνｍとし、膜−電極接合体の膜厚方向のひずみ量をεｍｚとし、膜−電極接合体の膜厚方向の弾性率をＥｍｚとし、膜−電極接合体が乾燥状態から湿潤状態に変化したときの膜−電極接合体の面内寸法変化率をαとし、ガス拡散層のポアソン比をνｇとし、ガス拡散層の膜厚方向のひずみ量をεｇｚとし、ガス拡散層の膜厚方向の弾性率をＥｇｚとした場合に、εｇｚ×νｇ＝εｍｚ×νｍ+αおよびＥｇｚ×εｇｚ＝Ｅｍｚ×εｍｚの関係式を満たすことを特徴とするものである。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜−電極接合体と、
前記膜−電極接合体の両面に配置されたガス拡散層と、を備え、
前記膜−電極接合体のポアソン比をνｍとし、前記膜−電極接合体の膜厚方向のひずみ量をεｍｚとし、前記膜−電極接合体の膜厚方向の弾性率をＥｍｚとし、前記膜−電極接合体が乾燥状態から湿潤状態に変化したときの前記膜−電極接合体の面内寸法変化率をαとし、前記ガス拡散層のポアソン比をνｇとし、前記ガス拡散層の膜厚方向のひずみ量をεｇｚとし、前記ガス拡散層の膜厚方向の弾性率をＥｇｚとした場合に、εｇｚ×νｇ＝εｍｚ×νｍ+αおよびＥｇｚ×εｇｚ＝Ｅｍｚ×εｍｚの関係式を満たすことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記膜−電極接合体に含まれる電解質膜は、プロトン伝導性を有する炭化水素系電解質からなることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
膜−電極接合体の両面にガス拡散層が配置された燃料電池の設計方法であって、
前記膜−電極接合体のポアソン比をνｍとし、前記膜−電極接合体の膜厚方向のひずみ量をεｍｚとし、前記膜−電極接合体の膜厚方向の弾性率をＥｍｚとし、前記膜−電極接合体が乾燥状態から湿潤状態に変化したときの前記膜−電極接合体の面内寸法変化率をαとし、前記ガス拡散層のポアソン比をνｇとし、前記ガス拡散層の膜厚方向のひずみ量をεｇｚとし、前記ガス拡散層の膜厚方向の弾性率をＥｇｚとした場合に、εｇｚ×νｇ＝εｍｚ×νｍ+αおよびＥｇｚ×εｇｚ＝Ｅｍｚ×εｍｚの関係式を満たすように、前記膜−電極接合体および前記ガス拡散層を設計することを特徴とする燃料電池の設計方法。
【請求項４】
前記νｇおよび前記Ｅｇｚから、前記関係式に基づいて、前記νｍ、前記Ｅｍｚおよび前記αを設定することを特徴とする請求項３記載の燃料電池の設計方法。
【請求項５】
前記νｍ、前記Ｅｍｚおよび前記αから、前記関係式に基づいて、前記νｇおよび前記Ｅｇｚを設定することを特徴とする請求項３記載の燃料電池の設計方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池および燃料電池の設計方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、一般的には水素および酸素を燃料として電気エネルギを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れており、また高いエネルギ効率を実現できることから、今後のエネルギ供給システムとして広く開発が進められてきている。特に、固体高分子型燃料電池は、各種の燃料電池の中でも比較的低温で作動することから、良好な起動性を有する。そのため、多方面における実用化のために盛んに研究がなされている。
【０００３】
固体高分子型燃料電池は、プロトン伝導性を有する固体高分子電解質が触媒層によって挟持された膜−電極接合体が、さらにガス拡散層によって挟持された構造を有する。
【０００４】
特許文献１には、触媒層およびガス拡散層の四隅に曲面状の面取り部が形成された固体高分子型燃料電池が開示されている。この技術によれば、面取り部によって、固体高分子型燃料電池の角部周辺に受ける応力を分散させることができる。
【０００５】
【特許文献１】特開平８−７８０２９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
固体高分子型燃料電池の電解質膜は、乾燥状態と湿潤状態とで寸法が変化する。それにより、膜−電極接合体とガス拡散層との間にせん断力が発生する。その結果、膜−電極接合体とガス拡散層とが剥離するおそれがある。しかしながら、特許文献１に係る技術では、膜−電極接合体とガス拡散層との間におけるせん断力の発生を抑制することは困難である。
【０００７】
本発明は、膜−電極接合体とガス拡散層との間の剥離を抑制することができる燃料電池および燃料電池の設計方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る燃料電池は、膜−電極接合体と、膜−電極接合体の両面に配置されたガス拡散層と、を備え、膜−電極接合体のポアソン比をνｍとし、膜−電極接合体の膜厚方向のひずみ量をεｍｚとし、膜−電極接合体の膜厚方向の弾性率をＥｍｚとし、膜−電極接合体が乾燥状態から湿潤状態に変化したときの膜−電極接合体の面内寸法変化率をαとし、ガス拡散層のポアソン比をνｇとし、ガス拡散層の膜厚方向のひずみ量をεｇｚとし、ガス拡散層の膜厚方向の弾性率をＥｇｚとした場合に、εｇｚ×νｇ＝εｍｚ×νｍ+αおよびＥｇｚ×εｇｚ＝Ｅｍｚ×εｍｚの関係式を満たすことを特徴とするものである。
【０００９】
本発明に係る燃料電池によれば、膜−電極接合体が乾燥状態から湿潤状態に変化したときにおける膜−電極接合体の面内方向の寸法変化量（εｍｚ×νｍ+α）とガス拡散層の面内方向の寸法変化量（εｇｚ×νｇ）とは等しくなる。それにより、膜−電極接合体が乾燥状態から湿潤状態に変化したときの膜−電極接合体とガス拡散層との間におけるせん断力の発生が抑制される。その結果、膜−電極接合体とガス拡散層との間の剥離を抑制することができる。
【００１０】
上記構成において、膜−電極接合体に含まれる電解質膜は、プロトン伝導性を有する炭化水素系電解質からなるものであってもよい。炭化水素系電解質は、吸水時においてガス拡散層との間におけるせん断力が大きくなりやすい性質を有している。したがって、この場合、特に本発明の効果が得られる。
【００１１】
本発明に係る燃料電池の設計方法は、膜−電極接合体の両面にガス拡散層が配置された燃料電池の設計方法であって、膜−電極接合体のポアソン比をνｍとし、膜−電極接合体の膜厚方向のひずみ量をεｍｚとし、膜−電極接合体の膜厚方向の弾性率をＥｍｚとし、膜−電極接合体が乾燥状態から湿潤状態に変化したときの膜−電極接合体の面内寸法変化率をαとし、ガス拡散層のポアソン比をνｇとし、ガス拡散層の膜厚方向のひずみ量をεｇｚとし、ガス拡散層の膜厚方向の弾性率をＥｇｚとした場合に、εｇｚ×νｇ＝εｍｚ×νｍ+αおよびＥｇｚ×εｇｚ＝Ｅｍｚ×εｍｚの関係式を満たすように、膜−電極接合体およびガス拡散層を設計することを特徴とするものである。
【００１２】
本発明に係る燃料電池の設計方法によって設計された膜−電極接合体およびガス拡散層によれば、膜−電極接合体が乾燥状態から湿潤状態に変化したときにおける膜−電極接合体の面内方向の寸法変化量（εｍｚ×νｍ+α）とガス拡散層の面内方向の寸法変化量（εｇｚ×νｇ）とは等しくなる。それにより、膜−電極接合体が乾燥状態から湿潤状態に変化したときの膜−電極接合体とガス拡散層との間におけるせん断力の発生が抑制される。その結果、膜−電極接合体とガス拡散層との間の剥離を抑制することができる。
【００１３】
上記設計方法において、νｇおよびＥｇｚから、関係式に基づいて、νｍ、Ｅｍｚおよびαを設定してもよい。上記設計方法において、νｍ、Ｅｍｚおよびαから、関係式に基づいて、νｇおよびＥｇｚを設定してもよい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、膜−電極接合体とガス拡散層との間の剥離を抑制することができる燃料電池および燃料電池の設計方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。
【００１６】
（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池１００について説明する。図１（ａ）は燃料電池１００の模式的断面図である。なお、図１（ａ）は乾燥状態の燃料電池１００を示している。また、図１（ａ）において、膜厚方向は縦方向の矢印で示され、面内方向は横方向の矢印で示されている。燃料電池１００は、膜−電極接合体１０の一面にガス拡散層４０が配置され、膜−電極接合体１０の他面にガス拡散層４１が配置された構造を有する。膜−電極接合体１０は、電解質膜２０のガス拡散層４０側にカソード触媒層３０が配置され、電解質膜２０のガス拡散層４１側にアノード触媒層３１が配置された構造を有する。
【００１７】
電解質膜２０として、例えば、プロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜が用いられる。プロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜として、フッ素系電解質からなるフッ素系固体高分子電解質膜、炭化水素系電解質からなる炭化水素系固体高分子電解質膜等が用いられる。本実施の形態においては、電解質膜２０として、炭化水素系固体高分子電解質膜を用いる。
【００１８】
カソード触媒層３０は、プロトンと酸素との反応を促進するための触媒を含有する導電性材料からなる。アノード触媒層３１は、水素のプロトン化を促進するための触媒を含有する導電性材料からなる。カソード触媒層３０およびアノード触媒層３１は、例えば白金を担持したカーボンからなる。
【００１９】
ガス拡散層４０，４１は、導電性およびガス透過性を備えた材料からなる。導電性およびガス透過性を備えた材料として、例えばカーボンペーパー、カーボンクロス等が用いられる。なお、ガス拡散層４０，４１および膜−電極接合体１０の膜厚方向には、外部から締結力が加えられている。それにより、燃料電池１００の膜厚方向の高さは略一定に保たれている（以下、この構造を定寸構造と称する）。
【００２０】
燃料電池１００は、以下の作用によって発電する。まず、ガス拡散層４１には水素（Ｈ２）が供給され、ガス拡散層４０には酸素（Ｏ２）が供給される。ガス拡散層４１に供給された水素は、ガス拡散層４１を拡散して、アノード触媒層３１に到達する。アノード触媒層３１において、水素は電子を放出してプロトンになる。放出された電子は、外部電気回路（図示せず）によって外部に取り出される。外部に取り出された電子は、電気的な仕事をした後に、カソード触媒層３０に供給される。プロトンは、電解質膜２０を伝導してカソード触媒層３０側に移動する。
【００２１】
ガス拡散層４０に供給された酸素は、ガス拡散層４０を拡散して、カソード触媒層３０に到達する。カソード触媒層３０においては、酸素と電子とプロトンとが反応して水（Ｈ２Ｏ）が生成される。以上の作用によって、発電が行われる。
【００２２】
燃料電池１００において、膜−電極接合体１０は発電時に生成された水を吸収する。それにより、膜−電極接合体１０は、発電に伴って乾燥状態から湿潤状態に変化する。図１（ｂ）は、図１（ａ）の膜−電極接合体１０が湿潤状態に変化したときの燃料電池１００の模式的断面図である。図１（ｂ）に示すように、膜−電極接合体１０が乾燥状態から湿潤状態に変化すると、膜−電極接合体１０の膜厚方向および面内方向の寸法は増大する。特に、炭化水素系電解質からなる電解質膜２０は水をよく吸収することから、膜−電極接合体１０の構成部材の中で電解質膜２０の膜厚方向および面内方向の寸法変化量は特に大きい。
【００２３】
一方、燃料電池１００は膜−電極接合体１０とガス拡散層４０，４１とが締結された定寸構造を有することから、燃料電池１００の膜厚方向の全体としての寸法変化は制限されている。よって、ガス拡散層４０，４１には、膜−電極接合体１０の膜厚方向の寸法が増大することに伴って、圧縮応力が加わる。この圧縮応力によって、ガス拡散層４０，４１の面内方向の寸法は増大する。つまり、燃料電池１００は膜−電極接合体１０が乾燥状態から湿潤状態に変化することによって、面内方向に伸びるように変形する。
【００２４】
膜−電極接合体１０が乾燥状態から湿潤状態に変化した場合、仮に膜−電極接合体１０の面内方向の寸法変化量とガス拡散層４０，４１の面内方向の寸法変化量とが異なる場合には、膜−電極接合体１０とガス拡散層４０，４１との間にせん断力が発生する。この場合、膜−電極接合体１０とガス拡散層４０，４１とが剥離するおそれがある。特に、燃料電池１００が発電および発電停止を繰り返すと、それに伴って膜−電極接合体１０の湿潤状態および乾燥状態が繰り返されることから、膜−電極接合体１０とガス拡散層４０，４１との間における剥離がより生じやすくなる。
【００２５】
そこで、本実施の形態に係る燃料電池１００は、膜−電極接合体１０のポアソン比をνｍとし、膜−電極接合体１０の膜厚方向のひずみ量をεｍｚとし、膜−電極接合体１０の膜厚方向の弾性率をＥｍｚとし、膜−電極接合体１０が乾燥状態から湿潤状態に変化したときの面内方向の寸法変化率（以下、面内寸法変化率と称する）をαとし、ガス拡散層４０，４１のポアソン比をνｇとし、ガス拡散層４０，４１の膜厚方向のひずみ量をεｇｚとし、ガス拡散層４０，４１の膜厚方向の弾性率をＥｇｚとした場合に、膜−電極接合体１０およびガス拡散層４０，４１は、下記式１および下記式２の関係を満たしている。なお、ポアソン比とは、面内方向のひずみ量を膜厚方向のひずみ量で除した値をいう。また、乾燥状態および湿潤状態は、それぞれＲＨ０％の時の含水状態および水中での含水（含みうる最大量を吸水した）状態をいう。
【００２６】
εｇｚ×νｇ＝εｍｚ×νｍ+α  （１）
Ｅｇｚ×εｇｚ＝Ｅｍｚ×εｍｚ  （２）
【００２７】
式１の「εｇｚ×νｇ」は、膜−電極接合体１０が乾燥状態から湿潤状態に変化した際におけるガス拡散層４０，４１の面内方向の膨張量を示している。式１の「εｍｚ×νｍ+α」は、膜−電極接合体１０が乾燥状態から湿潤状態に変化した際における膜−電極接合体１０の面内方向の膨張量を示している。したがって、式１は、膜−電極接合体１０が乾燥状態から湿潤状態に変化したときの、ガス拡散層４０，４１の面内方向の寸法変化量と膜−電極接合体１０の面内方向の寸法変化量とが等しいことを表している。
【００２８】
式２の「Ｅｇｚ×εｇｚ」は、膜−電極接合体１０が乾燥状態から湿潤状態に変化した際におけるガス拡散層４０，４１の膜厚方向に加わる応力を示している。式２の「Ｅｍｚ×εｍｚ」は、膜−電極接合体１０が乾燥状態から湿潤状態に変化した際における膜−電極接合体１０の膜厚方向に加わる応力を示している。したがって、式２は、燃料電池１００において、ガス拡散層４０，４１の膜厚方向に加わる応力と膜−電極接合体１０の膜厚方向に加わる応力とが等しいことを表している。
【００２９】
式１および式２を満たすように膜−電極接合体１０およびガス拡散層４０，４１の物性が設定された場合、膜−電極接合体１０が乾燥状態から湿潤状態に変化したときにおける膜−電極接合体１０の面内方向の寸法変化量とガス拡散層４０，４１の面内方向の寸法変化量とが等しくなる。それにより、膜−電極接合体１０とガス拡散層４０，４１との間にせん断力が発生することが抑制される。その結果、膜−電極接合体１０とガス拡散層４０，４１との間の剥離が抑制される。
【００３０】
続いて、膜−電極接合体１０およびガス拡散層４０，４１の物性の設定方法について、具体例を用いて説明する。まず、ガス拡散層４０，４１の物性（νｇおよびＥｇｚ）から、式１および式２に基づいて、膜−電極接合体１０の物性（νｍ、Ｅｍｚおよびα）を設定する方法について説明する。まず、膜−電極接合体１０が湿潤状態になった場合における燃料電池１００の締結圧の最大値をσとする。この場合、下記式（３）の関係が成立する。
σ＝Ｅｇｚ×εｇｚ＝Ｅｍｚ×εｍｚ  （３）
【００３１】
例えば、σは２ＭＰａであり、νｇは０．４であり、Ｅｇｚは４０ＭＰａとする。この場合、式３から、εｍｚは、２／Ｅｍｚとなり、εｇｚは、２／４０となる。よって、式１から、下記式４が導き出される。
（２／４０）×０．４＝（２／Ｅｍｚ）×νｍ+α  （４）
【００３２】
したがって、式４を満たすようにνｍ、Ｅｍｚおよびαを設定すればよい。例えば、膜−電極接合体１０の物性として、νｍを０．３、Ｅｍｚを６０ＭＰａ、αを１％（つまり０．０１）に設定すれば、式４を満たす。この場合、膜−電極接合体１０とガス拡散層４０，４１との間におけるせん断力の発生が抑制されることから、膜−電極接合体１０とガス拡散層４０，４１との間における剥離を抑制することができる。
【００３３】
続いて、膜−電極接合体１０の物性（νｍ、Ｅｍｚおよびα）から、式１および式２に基づいて、ガス拡散層４０，４１の物性（νｇおよびＥｇｚ）を設定する方法について説明する。例えば、σが２ＭＰａであり、νｍは０．３であり、Ｅｍｚは６０ＭＰａとする。このとき、式１および式３から、下記式５が導き出される。
（２／Ｅｇｚ）×νｇ＝（２／６０）×０．３＋０．０１  （５）
【００３４】
したがって、式５を満たすようにνｇおよびＥｇｚを設定すればよい。例えば、ガス拡散層４０，４１の物性として、νｇを０．４、Ｅｇｚを４０ＭＰａに設定すれば、式５を満たす。この場合においても、膜−電極接合体１０とガス拡散層４０，４１との間における剥離を抑制することができる。
【００３５】
なお、膜−電極接合体１０のＥｍｚおよびαは、電解質膜２０の膜厚方向の弾性率および面内寸法変化率を調整することによって変更することができる。電解質膜２０の膜厚方向の弾性率は、例えば、電解質膜２０に可塑性のポリマーを混合する、電解質膜２０のイオン交換容量を変化させる等の方法で調整することができる。電解質膜２０の面内寸法変化率は、例えば、電解質膜２０を成膜する際の条件を変更することによって調整することができる。具体的には、電解質膜２０を成膜する際の溶媒の乾燥温度を変更する、溶媒の蒸発温度を変更する等によって、電解質膜２０の面内寸法変化率を調整することができる。
【００３６】
また、Ｅｇｚは、ガス拡散層４０，４１に含まれるカーボンファイバー量、カーボンファイバーのピッチ等を調整することによって、変更することができる。
【００３７】
また、本実施の形態においては、定寸構造の燃料電池１００を用いたが、これに限られない。燃料電池１００が定寸構造でない場合であっても、膜−電極接合体１０が乾燥状態から湿潤状態に変化した際における電解質膜２０の面内方向の寸法変化量とガス拡散層４０，４１の面内方向の寸法変化量とが異なる場合には、膜−電極接合体１０とガス拡散層４０，４１との間にはせん断力が発生する。したがって、燃料電池１００が定寸構造でない場合においても、式（１）および式（２）を満たすことによって膜−電極接合体１０とガス拡散層４０，４１との間における剥離を抑制できる。
【００３８】
なお、炭化水素系固体高分子電解質は、吸水時においてガス拡散層との間におけるせん断力が大きくなりやすい性質を有している。したがって、本発明は、炭化水素系固体高分子電解質を電解質膜に用いた燃料電池に対して特に効果を発揮する。
【実施例】
【００３９】
以下、上記実施の形態に係る燃料電池１００の効果を検証した。
【００４０】
（実施例）
実施例においては、上記実施の形態に係る燃料電池１００を用いて、乾湿耐久試験を行った。ガス拡散層４０，４１の物性は、Ｅｇｚが４０ＭＰａであり、νｇが０．４である。膜−電極接合体１０の物性は、Ｅｍｚが６０ＭＰａであり、νｍが０．３であり、αが１％である。電解質膜２０として、炭化水素系固体高分子電解質膜を用いた。乾湿耐久試験は、燃料電池１００を乾燥状態および湿潤状態に交互にしたときの、剥離が生じるまでのサイクル数を調査することによって行われた。
【００４１】
（比較例）
比較例においては、膜−電極接合体１０のαが２％である燃料電池を用いて耐久試験を行った。その他の物性値および試験条件は、実施例と同様である。
【００４２】
（分析）
実施例に係る方法においては、５０サイクルで剥離が生じた。比較例においては、３サイクルで剥離が生じた。したがって、膜−電極接合体１０およびガス拡散層４０，４１が式１および式２の関係を満たすことによって、膜−電極接合体１０とガス拡散層４０，４１との剥離が抑制されることが立証された。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】図１（ａ）は、第１の実施の形態に係る燃料電池の模式的断面図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）の膜−電極接合体が湿潤状態に変化したときの燃料電池の模式的断面図である。
【符号の説明】
【００４４】
１０  膜−電極接合体
２０  電解質膜
３０  カソード触媒層
３１  アノード触媒層
４０，４１  ガス拡散層
１００  燃料電池
【図１】
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