(57)【要約】【課題】拡散層による短絡を防止し、触媒層外周近傍の電解質膜の化学的劣化を抑制すること。【解決手段】燃料電池の膜電極接合体１は、電解質膜２と、電解質膜２の両面にそれぞれ形成された触媒層３，５と、電解質膜２の両面側にて各触媒層３，５をそれぞれ覆うように形成された拡散層６，７とを備える。電解質膜２の両面外周部には各触媒層３，５が形成されない未形成部２ａが設けられ、電解質膜２の両面側にて各未形成部２ａと各拡散層６，７との間に挟まれ、各触媒層３，５の外周縁に隣接して絶縁層４，８が形成される。各絶縁層４，８は、隣接した各触媒層３，５とほぼ同じ厚さを有する。各絶縁層４，８は、絶縁性の化学的劣化抑制機能材料と絶縁性の結合材料から形成される。【選択図】        図１
2009117055.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にそれぞれ形成された触媒層と、
前記電解質膜の両面側にて前記各触媒層をそれぞれ覆うように形成された拡散層と
を備えた燃料電池の膜電極接合体において、
前記電解質膜の両面外周部にて前記各触媒層が形成されない未形成部と、
前記電解質膜の両面側にて前記各未形成部と前記各拡散層との間に挟まれて前記各触媒層の外周縁に隣接して形成された絶縁層と
を備えたことを特徴とする燃料電池の膜電極接合体。
【請求項２】
前記各絶縁層が、前記隣接した各触媒層とほぼ同じ厚さを有することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の膜電極接合体。
【請求項３】
前記各絶縁層は、絶縁性の化学的劣化抑制機能材料と絶縁性の結合材料から形成されたことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池の膜電極接合体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池に使用される膜電極接合体に係り、詳しくは、電解質膜の両面に形成された触媒層を覆う拡散層を備えた燃料電池の膜電極接合体に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の技術として、例えば、下記の特許文献１〜４に記載される技術が知られている。特に、特許文献１には、固体電解質膜と、その固体電解質膜の一方の面に形成され、気化燃料が供給される燃料極触媒層と、燃料極触媒層に積層された燃料極拡散層と、固体電解質膜の一方の面にて燃料極触媒層及び燃料極拡散層の周囲を囲むように形成された燃料極用疎水性絶縁層と、固体電解質膜の他方の面に形成された酸化剤極触媒層と、酸化剤極触媒層に積層された酸化剤極拡散層と、固体電解質膜の他方の面にて酸化剤極触媒層及び酸化剤極拡散層の周囲を囲むように形成された酸化剤極用疎水性絶縁層とを備えた燃料電池が記載される。この燃料電池において、燃料極用疎水性絶縁層の厚さは、燃料極触媒層と燃料極拡散層の合計厚さと等しく、酸化剤極用疎水性絶縁層の厚さは、酸化剤極触媒層と酸化剤極拡散層の合計厚さと等しくなっている。そして、酸化剤極拡散層と酸化剤極用疎水性絶縁層の双方の主面を覆うように酸化剤極側セパレータが積層されている。また、燃料極拡散層と燃料極用疎水性絶縁層の双方の主面を覆うように燃料室が設けられている。この構成によれば、固体電解質膜に、燃料極触媒層と酸化剤極触媒層それぞれの周囲を取り囲むように、疎水性の絶縁層が形成されるので、酸化剤極への燃料透過を抑制すると共に、酸化剤極触媒層で生成される水の燃料極触媒層への戻りを良くして内部改質反応の反応抵抗を改善することができる。また、セパレータと固体電解質膜との間に酸化剤極用疎水性絶縁層が設けられるので、その絶縁層によりセパレータによる短絡を防止することができる。
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−２１６４４９号公報
【特許文献２】特開２００７−５０４６１４号公報
【特許文献３】特開２００６−２６９２３９号公報
【特許文献４】特開２００７−２１３８５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが、特許文献１に記載の燃料電池では、セパレータと固体電解質膜との間に絶縁層が設けられることから、セパレータによる短絡は防止できるものの、拡散層による短絡を防止する構成とはなっていなかった。また、絶縁層の厚さを、触媒層と拡散層の合計厚さと等しくしたことから、絶縁層の厚みが大きくなり、絶縁材料の使用量が多くなっていた。更に、特許文献１に記載の燃料電池では、触媒層外周近傍における固体電解質膜の化学的劣化が問題となるが、この問題に対処し得る構成とはなっていなかった。
【０００５】
この発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、拡散層による短絡を防止することを可能とした燃料電池の膜電極接合体を提供することにある。この発明の別の目的は、上記目的に加え、触媒層外周近傍における電解質膜の化学的劣化を抑制する燃料電池の膜電極接合体を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、電解質膜と、電解質膜の両面にそれぞれ形成された触媒層と、電解質膜の両面側にて各触媒層をそれぞれ覆うように形成された拡散層とを備えた燃料電池の膜電極接合体において、電解質膜の両面外周部にて各触媒層が形成されない未形成部と、電解質膜の両面側にて各未形成部と各拡散層との間に挟まれて各触媒層の外周縁に隣接して形成された絶縁層とを備えたことを趣旨とする。
【０００７】
上記発明の構成によれば、電解質膜の両面外周部にて、絶縁層が、各未形成部と各拡散層との間に挟まれて各触媒層の外周縁に隣接して形成されるので、電解質膜と各拡散層との間が絶縁される。また、各拡散層の厚さを各絶縁層の厚さに加える必要がなく、その分だけ各絶縁層の厚さが小さくなる。
【０００８】
上記目的を達成するために、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、各絶縁層が、隣接した各触媒層とほぼ同じ厚さを有することを趣旨とする。
【０００９】
上記発明の構成によれば、請求項１に記載の発明の作用に加え、各触媒層の厚さを小さくすることで各絶縁層の厚さも小さくなる。
【００１０】
上記目的を達成するために、請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、各絶縁層は、絶縁性の化学的劣化抑制機能材料と絶縁性の結合材料から形成されたことを趣旨とする。
【００１１】
上記発明の構成によれば、請求項１又は２に記載の発明の作用に加え、各絶縁層に、化学的劣化抑制機能材料が使用されるので、触媒層外周近傍における電解質膜の化学的劣化に対して化学的劣化抑制機能材料が有効に機能する。
【発明の効果】
【００１２】
請求項１に記載の発明によれば、膜電極接合体における各拡散層による短絡を防止することができると共に、各絶縁層のための絶縁材料の使用量を少なくすることができる。
【００１３】
請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明の効果に加え、膜電極接合体をより薄型にすることができる。
【００１４】
請求項３に記載の発明によれば、請求項１又は２に記載の発明の効果に加え、触媒層外周近傍における電解質膜の化学的劣化を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明における燃料電池の膜電極接合体を具体化した一実施形態につき図面を参照して詳細に説明する。
【００１６】
図１に、この実施形態の膜電極接合体１を一部分解して断面図により示す。図２に、膜電極接合体１を構成する電解質膜２と、その上に積層されたカソード触媒層３及び絶縁層４を平面図により示す。
【００１７】
図１に示すように、この膜電極接合体１は、電解質膜２と、電解質膜２の両側にそれぞれ形成されたカソード触媒層３及びアノード触媒層５と、カソード触媒層３を覆うように形成されたカソード拡散層６と、アノード触媒層５を覆うように形成されたアノード拡散層７とを備える。この膜電極接合体１において、各拡散層６，７にセパレータ（図示略）を積層して設けることにより、燃料電池用の単電池が構成される。
【００１８】
図１，２に示すように、電解質膜２の両面外周部にて各触媒層３，５が形成されない部分は、未形成部２ａとなっている。図３に、電解質膜２の一面における未形成分２ａの全体をメッシュを付して示す。電解質膜２の両面側にて各未形成部２ａと各拡散層６，７との間に挟まれるように、各触媒層３，５の外周縁に隣接して絶縁層４，８が形成される。この実施形態では、未形成部２ａの外周縁部分には、各絶縁層４，８は形成されていない。加工精度やセル構成によっては、未形成部２ａの外周縁部分まで絶縁層４，８を形成することある。
【００１９】
図４に、図１の鎖線円Ｓ１の中を拡大断面図により示す。図４に示すように、カソード触媒層３は、触媒１１と電解質樹脂１２から形成される。絶縁層４は、絶縁性機能材料１３と、絶縁性の結合材料１４から形成される。絶縁性機能材料１３は、電解質膜２の化学的劣化を抑制する機能を有する。ここで、絶縁性機能材料１３には、化学的劣化を抑制する機能を有する化学的劣化抑制機能材料が使用されるが、この機能材料として、酸化防止剤、ラジカル分解剤又は不純物吸着剤等を使用することが望ましい。「化学的劣化」として、例えば、「ヒドロキシラジカルによる膜の分解等」が挙げられる。これら機能材料の形態は特に限定されないが、無機酸化物等の固形粉末がより望ましい。結合材料１４は特に限定されないが、ナフィオン溶液を用いてもよい。絶縁層４，８は、各拡散層６，７を形成する前は、各触媒層３，５の厚さ以上の厚さを有する。各絶縁層４，８の形成方法は特に限定されないが、スクリーン印刷やスプレー等の方法により形成することができる。この実施形態では、各絶縁層４，８を予め電解質膜２の側に形成した上で、電解質膜２と各拡散層６，７との間に各絶縁層４，８を挟むように形成している。
【００２０】
この実施形態では、一例として、電解質膜２に、厚さ「約５０μｍ」のパーフルオロカーボンスルホン酸膜が使用される。カソード触媒層３の原料として、カソード用触媒を担持したカーボン粉末、電解質溶液及び粘度調整用溶媒の混合物が使用される。この混合物を超音波により混合解砕してインク状にしたものが、スクリーン印刷により電解質膜２の一面中央部に印刷されることで、カソード触媒層３が形成される。絶縁層４，８の材料として、酸化セリウム粉末、ナフィオン溶液及び粘度調整用溶媒を固形分重量比「１：１」で混合した混合物が使用される。この混合物を超音波により混合解砕してインク状にしたものが、スクリーン印刷により、電解質膜２の一面の未形成部２ａにてカソード触媒層３に隣接するように印刷することで、絶縁層４が形成される。このときの絶縁層４は、カソード触媒層３とほぼ同じ厚さになるように調整される。上記した「酸化セリウム」は絶縁性であると同時に、電解質膜２の化学的劣化を抑制する機能を有することが知られている。同様なプロセスで、アノード用触媒を担持したカーボン粉末、電解質溶液及び粘度調整用溶媒の混合物が使用されることで、アノード触媒層５が形成される。その後、電解質膜２の他面の未形成部２ａにてアノード触媒層５に隣接するように、上記混合物を印刷することで、絶縁層８が形成される。このときの絶縁層８の厚さは、アノード触媒層５とほぼ同じ厚さになるように調整される。加えて、各拡散層６，７として、ＰＴＦＥにより撥水処理を施したカーボンペーパーが用いられる。これらの部材を用いて膜電極接合体１が形成され、その接合体１の両面側にカーボン製セパレータを積層することでセル化が行われる。すなわち、燃料電池用の単電池が作製される。
【００２１】
この実施形態の膜電極接合体１の特性を、比較例１及び比較例２の特性と比較した。比較例１は、本実施形態と同様な方法で、電解質膜に対してカソード触媒層、アノード触媒層、カソード拡散層及びアノード拡散層をそれぞれ積層して形成した。これらの部材を、特に電解質膜の補強無く積層し、カーボン製のセパレータを用いてセル化した。
【００２２】
比較例２は、本実施形態と同様の部材より構成した。電解質膜の補強用として厚さ「３０μｍ」のポリエーテルニトリルフィルムを各触媒層の外周部の形状に合わせて裁断したものを２枚準備した。この補強用フィルムを、各触媒層を形成した電解質膜と各拡散層との間に挟んで積層し、カーボン製のセパレータを用いてセル化した。
【００２３】
上記のようにセル化した本実施形態、比較例１及び比較例２の各単電池につき、ＯＮ−ＯＦＦ劣化加速試験により耐久性試験を行った。この試験による評価結果を図５にグラフにより示す。このグラフは、横軸に耐久時間を、縦軸にクロスリーク量をそれぞれ示す。このグラフから分かるように、本実施形態は、最も優れた耐久性を示した。比較例１は早い時期にクロスリークが発生した。このリーク原因は、各触媒層の外周部近傍における電解質膜破断であった。比較例２は、比較例１と比べて大幅な耐久性向上が見られた。しかし、本実施形態と比べると、その「約２／３」の時間でクロスリークが発生した。このリーク原因は、電解質膜の化学的劣化による膜やせであった。これらの結果から、本実施形態の単電池について、化学劣化抑制機能の点で最も高い効果を確認することができた。
【００２４】
以上説明したこの実施形態における燃料電池の膜電極接合体１によれば、電解質膜２の両面外周部にて、各絶縁層４，８が、各未形成部２ａと各拡散層６，７との間に挟まれて各触媒層３，５の外周縁に隣接して形成されるので、電解質膜２と各拡散層６，７との間が絶縁される。このため、膜電極接合体１において各拡散層６，７による短絡を防止することができる。また、前述した従来例とは異なり、各拡散層６，７の厚さを各絶縁層４，８の厚さに加える必要がなく、その分だけ各絶縁層４，８の厚さが小さくなる。このため、各絶縁層４，８のための絶縁材料の使用量を少なくすることができる。
【００２５】
この実施形態では、各絶縁層４，８が、隣接した各触媒層３，５とほぼ同じ厚さを有することから、各触媒層３，５の厚さを小さくすることで各絶縁層４，８の厚さも小さくなる。このため、膜電極接合体１をより薄型にすることができる。
【００２６】
また、この実施形態では、各絶縁層４，８が、化学的劣化抑制機能を有する絶縁性機能材料１３と、絶縁性を有する結合材料１４とから形成される。従って、各絶縁層４，８に、化学的劣化抑制機能を有する絶縁性機能材料１３が使用されるので、各触媒層３，５の外周近傍における電解質膜２の化学的劣化に対して絶縁性機能材料１３が有効に機能する。このため、各触媒層３，５の外周近傍における電解質膜２の化学的劣化を抑制することができる。
【００２７】
なお、この発明は前記実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱することのない範囲で構成の一部を適宜変更することにより、以下のように実施することができる。
【００２８】
例えば、前記実施形態では、各絶縁層４，８を予め電解質膜２の側に形成した上で、電解質膜２と各拡散層６，７との間に各絶縁層４，８を挟むようにした。これに対し、各絶縁層を予め各拡散層の側に形成した上で、電解質膜と各拡散層との間に各絶縁層を挟むようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】膜電極接合体を一部分解して示す断面図。
【図２】電解質膜とその上に積層されたカソード触媒層及び絶縁層を示す平面図。
【図３】電解質膜一面における未形成分の全体を示す平面図。
【図４】図１の鎖線円の中を示す拡大断面図。
【図５】耐久性試験による評価結果を示すグラフ。
【符号の説明】
【００３０】
１    膜電極接合体
２    電解質膜
３    カソード触媒層
４    絶縁層
５    アノード触媒層
６    カソード拡散層
７    アノード拡散層
８    絶縁層
１３    絶縁性機能材料
【図１】
2009117055.tif 000003
【図２】
2009117055.tif 000004
【図３】
2009117055.tif 000005
【図４】
2009117055.tif 000006
【図５】
2009117055.tif 000007