(57)【要約】【課題】シール性に優れ、良好な品質を有する燃料電池を提供する。【解決手段】燃料電池１は、電解質膜１６の両面に形成された触媒層１７、１８と、触媒層の周囲を囲むガスケット１９、２０と、触媒層に重なる多孔性のガス拡散層２１、２２と、を有し、ガス拡散層の周縁部３４、３５の気孔率が、周縁部の内側の気孔率よりも低いことを特徴とする。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両面に形成された触媒層と、
前記触媒層の周囲を囲むガスケットと、
前記触媒層に重なるとともに、周縁部が前記ガスケットに当接して潰れ、前記周縁部の気孔率が、前記周縁部の内側の気孔率よりも低い多孔性のガス拡散層と、を有することを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記触媒層が、前記ガスケットの内側面全体に接していることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記ガスケットの内側面と前記電解質膜とのなす角が、鈍角であることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池。
【請求項４】
電解質膜の周縁にガスケットを配設するガスケット配設工程と、
前記ガスケットが囲む領域に触媒層を形成する触媒層形成工程と、
前記触媒層に多孔性のガス拡散層を重ね、前記ガス拡散層の周縁部を前記ガスケットに当接させて潰し、前記周縁部の気孔率を、前記周縁部の内側の気孔率よりも低下させるプレス工程と、を有することを特徴とする燃料電池の製造方法。
【請求項５】
前記触媒層形成工程において、前記触媒層が前記ガスケットの内側面全体に接するように形成されることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池の製造方法。
【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製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
反応ガスの電気化学反応により発電する燃料電池のうち、イオン伝導性の高分子膜を電解質膜として用いる固体高分子形燃料電池がある。
【０００３】
固体高分子形燃料電池は、反応ガスの電気化学反応に対して触媒作用を示す触媒層を電解質膜の両面に配して膜電極接合体を形成し、この膜電極接合体を、反応ガスを拡散させるガス拡散層を介して一対の板状のセパレータにより挟んだ構造を一般的に有する。反応ガスの漏出を防止するために、固体高分子形燃料電池はガス拡散層および触媒層の周囲を囲むガスケットを備える。
【０００４】
例えば特許文献１に記載の固体高分子形燃料電池では、互いに接する、ガス拡散層の周縁部およびガスケットの内側面が、電解質膜の平面に対して同じ傾きで傾斜するように予め成形されている。
【０００５】
このような構造を有することにより、特許文献１に記載の燃料電池は、電解質膜両面のガス拡散層およびガスケットがずれて、電解質膜に過度のせん断応力が加わることを抑制している。
【特許文献１】特開２００５−７９０５９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、ガスケットとガス拡散層とが接触する部分においては、電解質膜にかかるせん断応力の緩和だけでなく、ガス拡散層を移動する反応ガスに対するシール性の向上も課題となる。
【０００７】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、シール性に優れ、良好な品質を有する燃料電池および燃料電池の製造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】
上記目的を達成するための本発明の燃料電池は、電解質膜の両面に形成された触媒層と、触媒層の周囲を囲むガスケットと、触媒層に重なる多孔性のガス拡散層と、を有し、ガス拡散層の周縁部の気孔率が、周縁部の内側の気孔率よりも低いことを特徴とする。
【０００９】
上記目的を達成するための本発明の燃料電池の製造方法は、電解質膜両面の周縁にガスケットを配設するガスケット配設工程と、ガスケットが囲む領域内に触媒層を形成する触媒層形成工程と、を有する。
【００１０】
これらの工程に加え、本発明の燃料電池の製造方法は、触媒層に多孔性のガス拡散層を重ねるとともに、ガス拡散層の周縁部をガスケットに当接させて潰し、周縁部の気孔率を周縁部の内側の気孔率よりも低下させるガス拡散層配設工程を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の燃料電池では、ガス拡散層の周縁部の気孔率が、周縁部内側の気孔率よりも低いため、反応ガスの漏出を防止でき、シール性に優れる。よって本発明の燃料電池は、良好な品質を有する。
【００１２】
本発明の燃料電池の製造方法では、プレス工程において、ガス拡散層の周縁部をガスケットに当接させて潰し、周縁部の気孔率を周縁部内側の気孔率よりも低下させるため、シール性を向上できる。よって、本発明の燃料電池の製造方法は、良好な品質を有する燃料電池を製造し得る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。
【００１４】
図１は本実施形態の燃料電池の概略斜視図、図２は単セルの概略断面図、図３は単セルの部分拡大概略断面図である。図４はガスケット配設工程を説明するための概略図、図５はガスケットを巻回した供給ロールの概略斜視図である。図６は触媒層形成工程において触媒インクを塗布するときの概略断面図である。図７はプレス工程を説明するための概略断面図である。
【００１５】
図１において概説すると、本実施形態の燃料電池１は、起電力を生じる単位電池としての単セル２を複数積層するとともに電気的に接続したスタック３と、スタック３の起電力を取出すための集電板４と、スタック３を押圧状態に保持する保持部材５を有する。
【００１６】
集電板４は、緻密質カーボンや銅等のガス不透過性を有する導電性の材料からなる板状部材であり、他の器具と電気的に接続するための出力端子５６を有する。集電板４は、単セル２の積層方向におけるスタック３の両端に位置し、スタック３と電気的に接続している。
【００１７】
保持部材５は、平板である一対のエンドプレート６Ａ、６Ｂ、およびエンドプレート６Ａ、６Ｂを締結する棒状のタイロッド７を有する。エンドプレート６Ａ、６Ｂおよびタイロッド７は、剛性を備えた材料、例えば、鋼などの金属材料からなる。
【００１８】
エンドプレート６Ａ、６Ｂは、単セル２の積層方向において集電板４の外側に位置し、四隅にタイロッド７が通る貫通孔を有する。タイロッド７は、長手方向両端に雄ねじ部を有し、この雄ねじ部にナット（不図示）を螺合させることによりエンドプレート６Ａ、６Ｂを締結している。燃料電池１は、エンドプレート６Ａ、６Ｂと集電板４との間に絶縁性の絶縁板８を有し、電気的短絡の発生を防止している。
【００１９】
一対のエンドプレート６Ａ、６Ｂのうちの一方６Ｂは、スタック３内に燃料ガスを導入するための燃料ガス導入口９、およびスタック３内を流通した燃料ガスが流れ出る燃料ガス排出口１０を有する。また、エンドプレート６Ｂは、スタック３内に酸化剤ガスを導入するための酸化剤ガス導入口１１、およびスタック３内を流通した酸化剤ガスが流れ出る酸化剤ガス排出口１２を有する。燃料ガスは水素を含有し、酸化剤ガスは例えば空気である。さらに、エンドプレート６Ｂは、スタック３内に冷却水を導入するための冷却水導入口１３、およびスタック３内を流通した冷却水が流れ出る冷却水排出口１４を有する。
【００２０】
図２に示すように、スタック３を構成する単位電池としての単セル２は、矩形形状の板状部材が複数積層した積層構造を有する。具体的には、単セル２は、電気化学反応を進行させる膜電極接合体１５を、燃料ガスおよび酸化剤ガスを拡散させるガス拡散層２１、２２を介して、一対の板状のセパレータ２３、２４により挟んだ構造を有する。
【００２１】
セパレータ２３、２４の各々は、ガスが流れるガス流路２７、２９、および冷却水が流れる冷却水流路２８、３０を両面に備えており、ガス流路２７、２９が形成された面を膜電極接合体１５に対向させて、膜電極接合体１５を挟んでいる。
【００２２】
一方のセパレータ２３のガス流路２９は、エンドプレート６Ｂの燃料ガス導入口９、および燃料ガス排出口１０（図１参照）に連通しており、燃料ガスが流れる。他方のセパレータ２４のガス流路２７は、エンドプレート６Ｂの酸化剤ガス導入口１１、および酸化剤ガス排出口１２（図１参照）に連通しており、酸化剤ガスが流れる。
【００２３】
セパレータ２３、２４は、ステンレス鋼板にプレス加工を施して成形されており、燃料ガスや酸化剤ガスを膜電極接合体１５に供給するだけでなく、隣接する単セル２同士を電気的に接続する役割も果たす。
【００２４】
膜電極接合体１５は、イオン伝導性を有する電解質膜１６の両面に、燃料ガスおよび酸化剤ガスの反応に対して触媒作用を示す一対の触媒層１７、１８を配した構造を有する。イオン伝導性の電解質膜１６は、固体高分子材料、例えば、フッ素系樹脂からなるプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を呈する。
【００２５】
電解質膜１６の両面に位置する触媒層１７、１８は、触媒担持カーボンおよびプロトン伝導性高分子を含む。プロトン伝導性高分子は、バインダー機能を有する。触媒担持カーボンのカーボン材は、触媒を担持し得る機能を有すれば特に限定されず、例えば、カーボンブラック、活性炭、コークス、黒鉛、これらの２種以上の混合体を用いることが可能である。
【００２６】
触媒担持カーボンの触媒材料は、酸化剤ガスが流れるセパレータ２４に対向する触媒層１８では、酸素の還元反応に対して触媒作用を有すれば、特に限定されず従来公知のものが使用できる。一方、燃料ガスが流れるセパレータ２３に対向する触媒層１７では、触媒担持カーボンの触媒材料は、水素の酸化反応に対して触媒作用を有すれば、特に限定されず従来公知のものが使用できる。
【００２７】
ガス拡散層２１、２２は、導電性及び多孔性を有するシート状材料を基材とするものである。ガス拡散層２１、２２の基材としては、例えば、炭素製の織物、紙状抄紙体、フェルト、不織布といったなどが挙げられる。撥水性をより高めてフラッディング現象などを防ぐために、ガス拡散層２１、２２の基材に撥水剤が含まれることが好ましい。撥水剤としては、フッ素系の高分子材料が挙げられる。
【００２８】
また、ガス拡散層２１、２２は炭素製のものに限定されず、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）からなる多孔性の基材にカーボンを混入させたものであってもよく、このような構成とすることにより、ガスの拡散性および膜電極接合体１５で生成する水の排水性が向上する。
【００２９】
ガス拡散層２１、２２および触媒層１７、１８を移動する燃料ガスや酸化剤ガスの漏出を防止するために、単セル２は、触媒層１７、１８およびガス拡散層２１、２２の周囲を囲む額縁状のガスケット１９、２０を有する。ガスケット１９、２０は、水素を含有する燃料ガスや例えば空気のような酸化剤ガスに対して不透過であればよく、従来公知のものを使用できる。ガスケット１９、２０の材質としては、例えば、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）やＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）が挙げられる。
【００３０】
ガスケット１９、２０は燃料ガスや酸化剤ガスの漏出を防止する機能の他に、ガス拡散層２１、２２および触媒層１７、１８の周囲でセパレータ２３、２４を支持する役割も果たす。セパレータ２３、２４は、ガスケット１９、２０に支持されて触媒層１７、１８と重なる領域での気孔率が所定の値となるようにガス拡散層２１、２２を圧縮している。ここで、気孔率とは、ガス拡散層２１、２２の単位体積当りの空孔の占める割合であり、所定の値とは、単セル２において所望の電圧を得るために必要な気孔率の値である。
【００３１】
図３に示すように、触媒層１７、１８やガス拡散層２１、２２を囲む額縁状のガスケット１９、２０では、開口部の内側面３２、３３が電解質膜１６に対して傾斜している。内側面３２、３３は、平面であり、内側面３２、３３の表面と電解質膜１６とのなす角は、鈍角である。
【００３２】
ガス拡散層２１、２２の面方向の長さは、触媒層１７、１８の面方向の長さよりも長く、触媒層１７、１８の縁からはみ出るガス拡散層２１、２２の周縁部３４Ａ、３５Ａは、傾斜したガスケット１９、２０の内側面３２、３３に密着して潰れている。
【００３３】
周縁部３４Ａ、３５Ａにおける圧縮量は、触媒層１７、１８と重なる領域３７、３８（以下、単にアクティブエリアと称す）の圧縮量よりも大きく、アクティブエリア３７、３８に比べ、周縁部３４Ａ、３５Ａでは空孔３６の体積が小さい。
【００３４】
このため、アクティブエリア３７、３８に比べ、周縁部３４Ａ、３５Ａでは気孔率が低く、燃料ガスまたは酸化剤ガスは、周縁部３４Ａ、３５Ａからの漏出を防止されてアクティブエリア３７、３８を拡散し、触媒層１７、１８に達する。
【００３５】
次に燃料電池１の製造方法を説明する。
【００３６】
本実施形態の燃料電池１の製造方法は、ガスケット１９、２０を電解質膜両面に接合するためのガスケット配設工程と、触媒層１７、１８を電解質膜両面に形成するための触媒層形成工程と、を有する。更に、本実施形態の燃料電池１の製造方法は、単セル９を構成する部材を重ね合わせて加圧し、単セル９を組み立てるためのプレス工程を有する。
【００３７】
図４に示すように、ガスケット配設工程では、ヒータを内蔵する一対の圧延ローラ３９、４０が、ガスケット１９、２０および電解質膜１６を挟み、これらにホットプレスを施して接合する。ガスケット配設工程では、モータにより回転する一対の搬送ローラ４４、４５が、電解質膜を巻回した供給ロール４１から電解質膜１６を引き出して搬送し、圧延ローラ３９、４０に供給する。圧延ローラ３９、４０は、ガスケットを巻回した供給ロール４２、４３から供給されるガスケット１９、２０を、電解質膜１６に重ね合わせ、これらを挟む。
【００３８】
ガスケット１９、２０が供給ロール４２、４３から圧延ローラ３９、４０に供給される過程で、接着剤を噴霧する塗装ガン（不図示）が、ガスケット１９、２０の電解質膜１６と接する面に接着剤を塗布する。接着剤は、熱可塑性接着剤のホットメルトである。
【００３９】
圧延ローラ３９、４０がホットプレスによりガスケット１９、２０を電解質膜１６の両面に接合した後、刃４６を備えた工業用ロボットが、両面にガスケット１９、２０が接合した電解質膜１６を、各単セル２で使用される長さに切り分け、工程が次に移る。
【００４０】
図５に示すように、供給ロール４２、４３が供給するガスケット１９、２０は、燃料ガス、酸化剤ガス、および冷却水を流すための複数のマニフォルド孔４７、ならびに触媒層１７、１８およびガス拡散層２１、２２を囲む開口部２５、２６を備える。これらは、トムソン刃を備えるトムソン刃型（不図示）が、ガスケット配設工程前に予めガスケット１９、２０に形成したものである。
【００４１】
図６に示すように触媒層形成工程では、例えば、触媒を含む触媒インク４９を噴霧する塗装ガン４８が、電解質膜両面に接合したガスケット１９、２０の開口部２５、２６に万遍なく触媒インク４９を塗布する。
【００４２】
この後、開口部２５、２６に触媒インク４９が塗布された電解質膜１６にホットプレスを施し、電解質膜１６、触媒層１７、１８、およびガスケット１９が一体となったガスケット付膜電極接合体５４を作製する。
【００４３】
図７に示すように、プレス工程では、互いに近接離間するダイ５３およびポンチ５２が、ガスケット付膜電極接合体５４、ガス拡散層２１、２２、およびセパレータ２３、２４を挟み、加圧する。
【００４４】
互いに近接離間するダイ５３およびポンチ５２のうち、ダイ５３は、固定されており、ガスケット付膜電極接合体５４、セパレータ２３、２４を位置決めするための壁５５を有する。ガス拡散層２１、２２は、ガスケット付膜電極接合体５４におけるガスケット１９、２０の開口部２５、２６に配置される。ポンチ５２は、油圧シリンダによりダイ５３に対して近接離間する。
【００４５】
ガス拡散層２１、２２における面方向の長さは、触媒層１７、１８における面方向の長さよりも長く、ガス拡散層２１、２２が触媒層１７、１８に重なるとき、ガス拡散層２１、２２の周縁部３４Ｂ、３５Ｂは触媒層１７、１８の縁からはみ出る。また、周縁部３４Ｂ、３５Ｂは、ガスケットの内側面３２、３３のように電解質膜１６に対して傾斜せず、厚さ方向において矩形形状の断面を有する。
【００４６】
このため、ポンチ５２およびダイ５３が加圧するとき、触媒層１７、１８の縁からはみ出るガス拡散層の周縁部３４Ｂ、３５Ｂは、ガスケット１９、２０の傾斜した内側面３２、３３に密着して潰れる。
【００４７】
このとき、ガス拡散層２１、２２の周縁部３４Ａ、３５Ａでの圧縮量は、アクティブエリア３７、３８の圧縮量よりも大きくなり、アクティブエリア３７、３８に比べ、周縁部３４Ａ、３５Ａでは空孔３６が大きく潰れる。よって、ガス拡散層２１、２２の周縁部３４Ａ、３５Ａの気孔率は、アクティブエリア３７、３８の気孔率よりも低下する（図３参照）。
【００４８】
また、金属からなる薄板状のセパレータ２３、２４は、ガスや冷却水を流すための流路を両面に有するため反っているが、ダイ５３およびポンチ５２が、セパレータ２３、２４を挟んで加圧することによりこの反りを矯正して平らにする。
【００４９】
ガスケット付膜電極接合体５４、ガス拡散層２１、２２、およびセパレータ２３、２４を加圧して単セル２を構成した後、更に同様の工程を繰り返して複数の単セル２を作製する。複数の単セル２が作製された後、これらを積層してスタック３を形成する。
【００５０】
最後に、集電板４、エンドプレート６Ａ、６Ｂ、および絶縁板８が、単セル２の積層方向からスタック３の両端に配置され、タイロッド７によりエンドプレート６Ａ、６Ｂを締結して燃料電池１が完成する。
【００５１】
本実施形態の効果を説明する。
【００５２】
本実施形態では、ガス拡散層２１、２２の周縁部３４Ｂ、３５Ｂが、ガスケット１９、２０の内側面３２、３３に当接して潰れ、ガス拡散層２１、２２の周縁部３４Ａ、３５Ａでの気孔率が、アクティブエリア３７、３８での気孔率よりも小さい。
【００５３】
このため、周縁部３４Ａ、３５Ａでは燃料ガスや酸化剤ガスの漏出が防止されてシール性が優れ、アクティブエリア３７、３８に燃料ガスや酸化剤ガスが効率的に流れて電気化学反応が円滑に進行する。よって、燃料電池１は良好な品質を有する。
【００５４】
本実施形態では、ガスケット１９、２０の開口部２５、２６内に形成された触媒層１７、１８が、開口部２５、２６の内側面３２、３３全体に接している。このため、本実施形態は、触媒層１７、１８において副生する過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）がガスケット１９、２０と触媒層１７、１８との隙間から電解質膜１６へ侵入することを防止でき、電解質膜１６の劣化を抑制できる。
【００５５】
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の範囲内で種々改変できる。例えば、ガスケットの開口部における内側面は、ガス拡散層の周縁部における気孔率をアクティブエリアにおける気孔率よりも低下させるものであればよく、電解質膜とのなす角が鈍角である平面だけでなく、曲面であってもよい。
【００５６】
また、ガス拡散層の周縁部の形状は、厚さ方向において、矩形形状に限定されず、ガスケットの内側面と異なる傾斜角で電解質膜に対して傾斜した形状であってもよい。すなわち、ガスケットの内側面に密着して潰れ、アクティブエリアにおける気孔率よりも周縁部での気孔率を低下させるものであればよい。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本実施形態の燃料電池の概略斜視図である。
【図２】単セルの概略断面図である。
【図３】単セルの部分拡大概略断面図である。
【図４】ガスケット配設工程を説明するための概略図である。
【図５】ガスケットを巻回した供給ロールの概略斜視図である。
【図６】触媒層形成工程において触媒インクを塗布するときの概略断面図である。
【図７】プレス工程を説明するための概略断面図である。
【符号の説明】
【００５８】
１    燃料電池、
２    単セル、
３    スタック、
４    集電板、
５    保持部材、
６Ａ、６Ｂ    エンドプレート、
７    タイロッド、
８    絶縁板、
９    燃料ガス導入口、
１０    燃料ガス排出口、
１１    酸化剤ガス導入口、
１２    酸化剤ガス排出口、
１３    冷却水導入口、
１４    冷却水排出口、
１５    膜電極接合体、
１６    電解質膜、
１７、１８    触媒層、
１９、２０    ガスケット、
２１、２２    ガス拡散層、
２３、２４    セパレータ、
２５、２６    開口部、
２７、２９    ガス流路、
２８、３０    冷却水流路、
３２、３３    内側面、
３４、３５    周縁部、
３６    空孔、
３７、３８    アクティブエリア（周縁部の内側）、
３９、４０    圧延ローラ、
４１    電解質膜を巻回した供給ロール、
４２、４３    ガスケットを巻回した供給ロール、
４４、４５    搬送ローラ、
４６    刃、
４７    マニフォルド孔、
４８    塗装ガン、
４９    触媒インク、
５０    ヒータ内蔵ポンチ、
５１    ヒータ内蔵ダイ、
５２    ポンチ、
５３    ダイ、
５４    ガスケット付膜電極接合体、
５５    壁。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2009199877.tif 000009