ガスケット付き電解質膜−触媒層接合体、これを用いたガスケット付き電解質膜−電極接合体、及び固体高分子形燃料電池
【課題】ガスリークを確実に防止することのできるガスケット付き電解質膜−触媒層接合体、これを用いたガスケット付き電解質膜−電極接合体、及び固体高分子形燃料電池を提供することを課題とする。
【解決手段】固体高分子電解質膜２と、電解質膜２の両面にそれぞれ形成された触媒層３と、各触媒層３の外周縁部３１上に設置された、中央に開口部４１を有する枠状のガスケット４と、を備えている。
【解決手段】固体高分子電解質膜２と、電解質膜２の両面にそれぞれ形成された触媒層３と、各触媒層３の外周縁部３１上に設置された、中央に開口部４１を有する枠状のガスケット４と、を備えている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスケット付き電解質膜−触媒層接合体、これを用いたガスケット付き電解質膜−電極接合体、及び固体高分子形燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電解質の両面に電極が配置され、水素と酸素の電気化学反応により発電する電池であり、発電時に発生するのは水のみである。このように従来の内燃機関と異なり、二酸化炭素等の環境負荷ガスを発生しないために次世代のクリーンエネルギーシステムとして普及が見込まれている。その中でも特に固体高分子形燃料電池は、作動温度が低く、電解質の抵抗が少ないことに加え、活性の高い触媒を用いるので小型でも高出力を得ることができ、家庭用コージェネレーションシステム等として早期の実用化が見込まれている。
【０００３】
この固体高分子形燃料電池は、プロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜を用い、この電解質膜の両面に触媒層及びガス拡散層を順に積層している。そして、この触媒層及びガス拡散層からなる電極の周囲を囲むようにガスケットを配置し、さらにこれをセパレータで挟んだ構造を有している（例えば、特許文献１参照）。この固体高分子形燃料電池を発電させるために、一方の電極に水素などの燃料ガスを供給し、他方の電極に酸素などの酸化剤ガスを供給している。
【特許文献１】特開平９−２７４９２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記固体高分子形燃料電池では、ガスケットと電極との間には隙間が形成されており、この隙間部分に対応する電解質膜は、電極またはガスケットのどちらにも押さえられていない状態となっている。このため、電解質膜が湿潤状態と乾燥状態とを繰り返して膨張と収縮が繰り返されることで、電解質膜に応力が生じて疲労してしまい、電解質膜が破損してしまうおそれがある。この結果、電解質膜の破損部分を介してガスリークが生じ、燃料ガスと酸化剤ガスが混合してしまうといった問題が生じる。
【０００５】
そこで、本発明は、ガスリークを確実に防止することのできるガスケット付き電解質膜−触媒層接合体、これを用いたガスケット付き電解質膜−電極接合体、及び固体高分子形燃料電池を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係るガスケット付き電解質膜−触媒層接合体は、上記課題を解決するためになされたものであり、固体高分子電解質膜と、前記電解質膜の両面にそれぞれ形成された触媒層と、前記各触媒層の外周縁部上に設置された、中央に開口部を有する枠状のガスケットと、を備えている。
【０００７】
このように構成されたガスケット付き電解質膜−触媒層接合体は、通常、ガスケットの開口部内から露出する触媒層上にガス拡散層を形成してガスケット付き電解質膜−電極接合体を作製し、さらにこのガスケット付き電解質膜−電極接合体を挟持するようにセパレータを設置することで、固体高分子形燃料電池として使用される。この燃料電池は、仮に電解質膜が膨張収縮を繰り返して破損した場合であっても、ガスリークすることを防止することができる。すなわち、上記構成のガスケット付き電解質膜−触媒層接合体を使用した固体高分子形燃料電池は、ガスケットが触媒層の外周縁部上に設置されている。電解質膜の破損部分は触媒層よりも外側、すなわちガスケットよりも外側に位置するため、セパレータのガス流路から供給された燃料ガスや酸化剤ガスは、ガスケットに妨害されて電解質膜の破損部分まで届くことがなく、この結果、酸化剤ガスと燃料ガスとが混合することを防ぐことができる。
【０００８】
上記ガスケット付き電解質膜−触媒層接合体は種々の構成をとることができるが、例えば、上記触媒層は、電解質膜と合致するような外形を有し、電解質膜の両面全体に形成されていることが好ましい。このように、電解質膜を触媒層と同一サイズ且つ同一形状とすることによって、発電に寄与しない電解質膜・触媒層の使用を最小限に抑えることができる。
【０００９】
また、上記ガスケットは、触媒層に面する一方面側に接着層を有していることが好ましい。このように構成することで、ガスケットと電解質膜−触媒層接合体とを一体として取り扱うことができるので、後工程においてガス拡散層やセパレータを設置する際に取り扱いが容易になる。
【００１０】
また、上記各ガスケットは、電解質膜及び触媒層からなる電解質膜−触媒層接合体よりも一回り大きく形成されており、電解質膜−触媒層接合体の外側において互いの接着層同士が接着していることが好ましい。このように、接着層同士を接着させることで、より強固にガスケットを電解質膜−触媒層接合体に接着させることができる。
【００１１】
また、上記ガスケットは、他方面側に耐熱層を有していることが好ましい。上述したように、上記ガスケット付き電解質膜−触媒層接合体は、ガス拡散層やセパレータを設置して固体高分子形燃料電池として通常使用されるが、この燃料電池は発電時においてセパレータが高温となるため、ガスケットのセパレータと接する面に耐熱層を形成して耐熱性を持たせることが耐久性の観点から好ましい。
【００１２】
また、上記ガスケットは、弾性を有していることが好ましい。このようにガスケットに弾性を持たせることによって、例えば、ガスケットの厚さよりも薄いガス拡散層を設置して、ガスケットがガス拡散層と同じ厚さとなるようにセパレータでガスケットを押さえつけることによって、よりガスケットを電解質膜−触媒層接合体に密着させることができる。
【００１３】
また、本発明に係るガスケット付き電解質膜−電極接合体は、上記課題を解決するためになされたものであり、上述したいずれかのガスケット付き電解質膜−触媒層接合体と、前記触媒層の開口部内の前記触媒層上に、前記ガスケットの厚さ以下の厚さに形成されたガス拡散層と、を備えている。
【００１４】
また、本発明に係る固体高分子形燃料電池は、上記課題を解決するためになされたものであり、上記ガスケット付き電解質膜−電極接合体と、前記ガスケット付き電解質膜−電極接合体を挟持するように設置され、前記ガス拡散層と対向する領域にガス流路が形成されたセパレータと、を備えている。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、ガスリークを確実に防止することのできるガスケット付き電解質膜−触媒層接合体、これを用いたガスケット付き電解質膜−電極接合体、及び固体高分子形燃料電池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】
【００１６】
以下、本発明に係るガスケット付き電解質膜−触媒層接合体、ガスケット付き電解質膜−電極接合体、及び固体高分子形燃料電池の実施形態について図面を参照しつつ説明する。図１は本実施形態に係る固体高分子形燃料電池の正面断面図、図２は本実施形態に係る固体高分子形燃料電池の平面図、図３はガスケット付き電解質膜−電極接合体の外周縁部の詳細を示す拡大正面断面図である。なお、図２において、説明を分かりやすくするため、セパレータの記載を省略している。
【００１７】
図１及び図２に示すように、固体高分子形燃料電池１は、平面視矩形状の電解質膜２を備えており、電解質膜２の上面及び下面に電解質膜２よりも一回り小さい平面視矩形状の触媒層３が形成されている。この電解質膜２の両面に触媒層３が形成されたものを電解質膜−触媒層接合体１０という。このように、触媒層３は電解質膜２よりも一回り小さく形成されているため、電解質膜２の外周縁部２１上には触媒層３が形成されていない。なお、電解質膜２の外周縁から触媒層３の外周縁までの距離Ｃ（図３参照）は、０〜５ｍｍであることが好ましい。
【００１８】
そして、この電解質膜−触媒層接合体１０の上面及び下面に、中央に開口部４１を有する枠状のガスケット４がそれぞれ設置されている。ガスケット４は、弾性を有するガスケット本体４０から構成されており、このガスケット本体４０の電解質膜−触媒層接合体１０と対向する面（一方面）に接着層４２が形成され、もう一方の面、すなわち、後述するセパレータ６と対向する面（他方面）に耐熱層４３が形成されている。ガスケット４自体の厚さは、特に限定されるものではないが、１００〜５００μｍであることが好ましく、この内、接着層４２の膜厚は、５〜１００μｍとすることが好ましく、耐熱層４３の膜厚は、５〜１００μｍとすることが好ましい。ガスケット４が電解質膜−触媒層接合体１０に設置された状態では、触媒層３がその外周縁部３１を除いてガスケット４の開口部４１から露出しているとともに、触媒層３の外周縁部３１と電解質２の外周縁部２１上にガスケット４が接着している。なお、触媒層３の外周縁からガスケット４の内周縁までの距離Ｂ（図３参照）は、１〜５ｍｍとすることが好ましい。また、ガスケット４は、電解質膜２よりも一回り大きく形成されているため、電解質膜２の外側で、電解質膜２からはみ出た各ガスケット４の外周縁部４５同士が接着している。このガスケット４の外周縁から電解質膜２の外周縁までの距離Ｄ（図３参照）は１０〜１００ｍｍであることが好ましい。なお、このように、電解質膜−触媒層接合体１０にガスケット４が設置されたものが、本発明のガスケット付き電解質膜−触媒層接合体に相当する。
【００１９】
ガスケット４の開口部４１から露出している触媒層３上に平面視矩形状のガス拡散層５が設置されている。このガス拡散層５の厚さは、ガスケット４の厚さと同じか、若しくはガスケット４の厚さよりも２０〜２００μｍ程度薄いものを使用する。このガス拡散層５の外周縁からガスケット４の内周縁までの距離Ａ（図３参照）は、０〜５ｍｍであることが好ましい。このように、触媒層３上にガス拡散層５が形成されて電極Eを構成しており、電解質膜２の両面に電極Ｅが形成されたものを電解質膜−電極接合体２０という。なお、本実施形態のように、電解質膜−電極接合体２０にガスケット４が設置されているものが、本発明のガスケット付き電解質膜−電極接合体に相当する。
【００２０】
ガスケット付き電解質膜−電極接合体を挟持するように、ガスケット付き電解質膜−電極接合体の上面及び下面にセパレータ６が設置されている。セパレータ６は、ガス拡散層５と対向する領域にガス流路７１が形成されている。
【００２１】
次に上記のように構成された固体高分子形燃料電池１の各構成要素の材質について説明する。
【００２２】
電解質膜２は、例えば、基材上に水素イオン伝導性高分子電解質を含有する溶液を塗工し、乾燥することにより形成される。水素イオン伝導性高分子電解質としては、例えば、パーフルオロスルホン酸系のフッ素イオン交換樹脂、より具体的には、炭化水素系イオン交換膜のＣ−Ｈ結合をフッ素で置換したパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマー（ＰＦＳ系ポリマー）等が挙げられる。電気陰性度の高いフッ素原子を導入することで、化学的に非常に安定し、スルホン酸基の解離度が高く、高いイオン伝導性が実現できる。このような水素イオン伝導性高分子電解質の具体例としては、デュポン社製の「Ｎａｆｉｏｎ」（登録商標）、旭硝子（株）製の「Ｆｌｅｍｉｏｎ」（登録商標）、旭化成（株）製の「Ａｃｉｐｌｅｘ」（登録商標）、ゴア（Ｇｏｒｅ）社製の「Ｇｏｒｅ Ｓｅｌｅｃｔ」（登録商標）等が挙げられる。水素イオン伝導性高分子電解質含有溶液中に含まれる水素イオン伝導性高分子電解質の濃度は、通常５〜６０重量％程度、好ましくは２０〜４０重量％程度である。なお、電解質膜２の膜厚は通常２０〜２５０μｍ程度、好ましくは２０〜８０μｍ程度である。
【００２３】
触媒層３は、公知の白金含有の触媒層（カソード触媒及びアノード触媒）である。詳しくは、触媒層３は、触媒粒子を担持させた炭素粒子及び水素イオン伝導性高分子電解質を含有する。触媒粒子としては、例えば、白金や白金化合物等が挙げられる。白金化合物としては、例えば、ルテニウム、パラジウム、ニッケル、モリブデン、イリジウム、鉄等からなる群から選ばれる少なくとも１種の金属と、白金との合金等が挙げられる。なお、通常は、カソード触媒層に含まれる触媒粒子は白金であり、アノード触媒層に含まれる触媒粒子は前記金属と白金との合金である。また、水素イオン伝導性高分子電解質としては、上述した電解質膜２に使用されるものと同じ材料を使用することができる。
【００２４】
ガスケット４は、ガスケット本体４０、接着層４２及び耐熱層４３から構成されている。ガスケット本体４０としては、繊維質シート及び多孔質シート、紙等を使用できる。繊維質シート及び多孔質シートを構成する繊維あるいは樹脂としては、耐熱性、耐酸性、耐加水分解性や柔軟性が必要である。繊維としては、例えばセルロース、羊毛、絹、綿、麻等の天然繊維、あるいはガラス繊維、炭素繊維、岩石繊維、またはポリエステル、ポリアミド、ポリイミド、ポリメチルペンテン等の周知の耐熱性合成樹脂を繊維化した化学繊維、あるいは、上記の耐熱性合成樹脂からなる未延伸シートあるいは延伸シートを多孔質化したものを挙げることができる。紙としては、クラフト紙、クレープ紙、上質紙、コート紙、和紙等が挙げられる。例えば、アセテート繊維のクロス、ポリエステルの不織布、紙、あるいはこれらの複合基材を使用することができる。また、接着層４２の材料としては、合成樹脂系の接着剤を使用することができ、例えば、アクリル系、ゴム系、シリコーン系を使用できる。より具体的にはアクリル酸エステル共重合体、メタクリル酸エステル共重合体、天然ゴム（ＮＲ）、合成天然ゴム（ＩＲ）、スチレン・ブタジエンゴム（ＳＢＲ）、ポリイソブチレン（ＰＩＢ）、ブチルゴム（ＩＩＲ）、シリコンゴム等である。また、耐熱層４３の材料としては、ポリエステル、ポリイミド、ポリアミド、ポリメチルペンテン、ポリエーテルエーテルケトン等を挙げることができる。
【００２５】
ガス拡散層５としては、公知であり、燃料極、空気極を構成する各種のガス拡散層を使用でき、燃料である燃料ガス及び酸化剤ガスを効率よく触媒層３に供給するため、多孔質の導電性基材からなっている。多孔質の導電性基材としては、例えば、カーボンペーパーやカーボンクロス等が挙げられる。
【００２６】
セパレータ６としては、公知であり、燃料電池内の環境においても安定な導電性板であればよく、一般的には、カーボン板にガス流路７１を形成したものが用いられる。また、セパレータ６をステンレス等の金属により構成し、金属の表面にクロム、白金族金属又はその酸化物、導電性ポリマーなどの導電性材料からなる被膜を形成したものや、同様にセパレータを金属によって構成し、該金属の表面に銀、白金族の複合酸化物、窒化クロム等の材料によるメッキ処理を施したもの等も使用可能である。
【００２７】
次に上述した固体高分子形燃料電池１の製造方法について図面を参照しつつ説明する。図４は、本実施形態に係る固体高分子形燃料電池１の製造方法を示す説明図である。
【００２８】
まず、上述した材料からなる電解質膜２を準備し、この電解質膜２の両面に触媒層形成用転写シート８を重ねて配置する（図４（ａ））。ここで触媒層形成用転写シート８とは、転写される触媒層３が転写用基材８１に形成されたものである。この触媒層形成用転写シート８の製造方法について説明すると、まず、上述した触媒粒子を担持させた炭素粒子及び水素イオン伝導性高分子電解質を適当な溶剤に混合、分散して触媒ペーストを作製する。そして、形成される触媒層３が所望の膜厚になるように触媒ペーストを公知の方法に従い、必要に応じて離型層を介して転写用基材８１上に塗工する。このとき、触媒層３が、電解質膜２よりも一回り小さい形状となるように、触媒ペーストを転写用基材８１に塗工する。触媒ペーストの塗工方法としては、スクリーン印刷や、スプレーコーティング、ダイコーティング、ナイフコーティングなどの公知の塗工方法を挙げることができる。また、上記の溶剤としては、各種アルコール類、各種エーテル類、各種ジアルキルスルホキシド類、水またはこれらの混合物等が挙げられ、これらの中でもアルコール類が好ましい。アルコール類としては、例えば、メタノール、エタノール、ｎ−プロパノール、イソプロパノール、ｎ−ブタノール、ｔｅｒｔ−ブタノール、等の炭素数１〜４の一価アルコール、各種の多価アルコール等が挙げられる。転写用基材８１としては、例えば、ポリイミド、ポリエチレンテレフタレート、ポリパルバン酸アラミド、ポリアミド（ナイロン）、ポリサルホン、ポリエーテルサルホン、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテル・エーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリアリレート、ポリエチレンナフタレート等の高分子フィルムを挙げることができる。また、エチレンテトラフルオロエチレン共重合体（ＥＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、テトラフルオロパーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等の耐熱性フッ素樹脂を用いることもできる。さらに転写用基材８１は、高分子フィルム以外にアート紙、コート紙、軽量コート紙等の塗工紙、ノート用紙、コピー用紙などの非塗工紙であっても良い。転写用基材８１の厚さは、取り扱い性及び経済性の観点から通常６〜１００μｍ程度、好ましくは１０〜３０μｍ程度程度とするのがよい。従って、転写用基材８１としては、安価で入手が容易な高分子フィルムが好ましく、ポリエチレンテレフタレート等がより好ましい。
【００２９】
そして、触媒ペーストを塗工した後、所定の温度及び時間で乾燥することにより転写用基材８１上に触媒層３が形成される。乾燥温度は、通常４０〜１００℃程度、好ましくは６０〜８０℃程度である。乾燥時間は、乾燥温度にもよるが、通常５分〜２時間程度、好ましくは１０分〜１時間程度である。
【００３０】
固体高分子形燃料電池の製造方法について説明を続けると、上述したように作製した触媒層形成用転写シート８を触媒層３が電解質膜１に対面するように配置し（図４（ａ））、転写シート８の背面側から加熱プレスを施して触媒層３を電解質膜２に転写させて、転写シート８の転写用基材８１を剥離する（図４（ｂ））。作業性を考慮すると、触媒層３を電解質膜２の両面に同時に積層することが好ましいが片面ずつ触媒層３を形成することもできる。加熱プレスの加圧レベルは、転写不良を避けるために、通常０．５〜２０ＭＰａ程度、好ましくは１〜１０ＭＰａ程度がよい。また、この加圧操作の際に、転写不良を避けるために加圧面を加熱するのが好ましい。加熱温度は、電解質膜２の破損、変形等を避けるために、通常２００℃以下、好ましくは１５０℃以下がよい。このように電解質膜２の両面に触媒層３を形成することで電解質膜−触媒層接合体１０が形成される。このとき、触媒層３は、電解質膜２よりも一回り小さいため、電解質膜２の外周縁部２１は露出された状態となっている。
【００３１】
次に、このようにして形成された電解質膜−触媒層接合体１０に、ガスケット４を取り付ける（図４（ｃ））。より詳細には、電解質膜−触媒層接合体１０の上面及び下面にガスケット４をそれぞれ配置する。このとき各ガスケット４の接着層４２が互いに向き合うように各ガスケット４を配置する。そして、ガスケット４の開口部４１から触媒層３が外周縁部３１を除いて露出するよう、ガスケット４をそれぞれ触媒層３の外周縁部３１及び電解質膜２の外周縁部２１上に接着させる。
【００３２】
続いて、上述したガスケット付き電解質膜−触媒層接合体の開口部４１から露出している触媒層３上に、ガス拡散層５を熱圧着により積層形成して、ガスケット付き電解質膜−電極接合体が完成する（図４（ｄ））。そして、このガスケット付き電解質膜−電極接合体を挟持するように、セパレータ６を設置する。このときセパレータ６のガス流路６１はガス拡散層５と対向している。以上により固体高分子形燃料電池１が完成する（図４（ｅ））。
【００３３】
以上のように、本実施形態では、電解質膜２の外周縁部２１は、ガスケット４によって拘束されているため、電解質膜２の膨張・収縮を抑制することができ、その結果、電解質膜２の破損を防止することができる。また、仮に電解質膜２の外周縁部２１が破損してしまっても、ガスケット４が触媒層３の外周縁部３１上に設置されているため、セパレータ６のガス流路６１から供給されるガスは、ガスケット４に妨害されて電解質膜２の外周縁部２１における破損部分まで届くことがなく、アノード電極に供給される燃料ガスとカソード電極に供給される酸化剤ガスとが混合することを確実に防止することができる。
【００３４】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。例えば、上記実施形態では、ガスケット４は、電解質膜−触媒層接合体１０よりも一回り大きく形成されていたが、特にこれに限定されるものではなく、図５に示すように、ガスケット４を触媒層３とほぼ同じ大きさに形成し、触媒層３の外周縁部３１上にのみガスケット４を設置することもできる。
【００３５】
また、上記実施形態では、触媒層３は電解質膜２よりも一回り小さく形成されているが、特にこれに限定されるものではなく、触媒層３を電解質膜２と同じ大きさに形成することもできる。すなわち、図７に示すように、電解質膜２を、触媒層３と同一サイズ且つ同一形状とし、触媒層３が電解質膜２の両面全体を覆うように形成することができる。このように、発電に寄与していなかった電解質膜２の外周縁部２１を省略することによって、一般的に高価な電解質膜２の使用を抑制し低コスト化を図ることができる。
【００３６】
また、上記実施形態では、ガスケット４は、弾性を有するガスケット本体４２の一方面に接着層４２を形成し、他方面に耐熱層４３を形成しているが、接着層４２や耐熱層４３を形成せず、ガスケット本体４２のみの構成とすることもできる。
【００３７】
また、上記実施形態では、固体高分子形燃料電池１を構成する電解質膜２や触媒層３、ガス拡散層５など全て平面視矩形状として説明したが、特に形状は限定されるものではなく、例えば平面視円形状とすることもできる。
【実施例】
【００３８】
以下に実施例及び比較例を示して、本発明をさらに具体的に説明する。なお、本発明は、下記実施例に限定されるものではない。
【００３９】
（実施例１）
電解質膜２は、６３×６３ｍｍの大きさに切断された膜厚５３μｍのＮＲＥ２１２ＣＳ（Ｄｕｐｏｎｔ社製）を使用した。
【００４０】
次に、触媒形成用転写シート８を次の要領で作製した。まず、白金触媒担持カーボン（白金担持量：４５．７ｗｔ％、田中貴金属社製、ＴＥＣ１０Ｅ５０Ｅ）２ｇに、１−ブタノール１０ｇ、３−ブタノール１０ｇ、フッ素樹脂（５ｗｔ％ナフィオンバインダー、デュポン社製）２０ｇ及び水６ｇを加え、これらを分散機にて攪拌混合することにより、触媒形成用インク組成物を調製した。次に、該インクをポリエステルフィルム（東レ製、Ｘ４４、２５μｍ）に触媒層乾燥後の白金重量が０．４ｍｇ／ｃｍ２となるように塗工し、触媒形成用転写シート８を作製した。
【００４１】
以上のように作製した触媒形成用転写シート８を６０×６０ｍｍの大きさに切断し、電解質膜２の両面それぞれに触媒層３が電解質膜２側を向くように中心を合わせて配置した。そして、１３５℃、５．０ＭＰａ、１５０秒の条件で熱プレスすることで、電解質膜２の両面に触媒層３を形成し、電解質膜−触媒層接合体１０を作製した。なお、触媒層３の厚さは２０μｍである。
【００４２】
続いて、ガスケット４として、高絶縁性テープ（日東電工社製、Ｎｏ．３４１）を使用した。この高絶縁性テープは、厚さ３７５μｍのポリエステル不織布からなるガスケット本体４０と、厚さ５０μｍのおアクリル樹脂からなる接着層４２と、厚さ２５μｍのポリエステルフィルムからなる耐熱層４３とから構成されている。このガスケット４を８０×８０ｍｍの大きさに切断し、その中央部に５０×５０ｍｍの大きさの開口部４１を形成した。そして、ガスケット４を電解質膜−触媒層接合体１０の両面に中心を合わせて配置して圧着することでガスケット４を電解質膜−触媒層接合体１０に接着させ、ガスケット付き電解質膜−触媒層接合体を作製した。
【００４３】
さらに続いて、開口部４１から露出している触媒層３上に、ガス拡散層５として、４９×４９ｍｍの大きさに切断されたカーボンペーパー（東レ社製、ＴＧＰ−Ｈ−０９０、厚さ２８０μｍ）を積層し、ガスケット付き電解質膜−電極接合体を形成した。
【００４４】
（比較例１）
電解質膜２は、８０×８０ｍｍの大きさに切断された膜厚５３μｍのＮＲＥ２１２ＣＳ（Ｄｕｐｏｎｔ社製）を使用した。
【００４５】
次に、上記実施形態１と同一の触媒形成用転写シート８を５０×５０ｍｍの大きさに切断し、電解質膜２の両面それぞれに触媒層３が電解質膜２側を向くように中心を合わせて配置した。そして、１３５℃、５．０ＭＰａ、１５０秒の条件で熱プレスすることで、電解質膜２の両面に触媒層３を形成し、電解質膜−触媒層接合体１０を作製した。なお、触媒層３の厚さは２０μｍである。
【００４６】
続いて、ガスケットは、ガスケット本体として厚さ１００μｍのポリエチレンナフタレートを使用し、その上面及び下面にそれぞれ１００μｍの厚さを有するシリコンゴムの層を形成した。このガスケットを８０×８０ｍｍの大きさに切断し、その中央部に５１×５１ｍｍの大きさの開口部４１を形成した。開口部４１から露出している触媒層３上に、ガス拡散層５として、４９×４９ｍｍの大きさに切断されたカーボンペーパー（東レ社製、ＴＧＰ−Ｈ−０９０、厚さ２８０μｍ）を積層し、ガスケット付き電解質膜−電極接合体を形成した。図６に示すように、ガスケットは電解質膜２の外周縁部上に設置されており、ガスケットと触媒層との間には隙間が形成されている。
【００４７】
（評価方法）
実施例１及び比較例１のガスケット付き電解質膜−電極接合体について、セパレータ６を設置して固体高分子形燃料電池をそれぞれ作製し、負荷変動サイクル試験を実施した。このときの測定条件は、セル温度８０℃、燃料利用率７０％、酸化剤利用率４０％、加湿温度５０℃とした。電流電圧測定評価の結果、実施例１の燃料電池セルの耐久性時間は１０００時間であり、評価後、電解質膜の破損は見られなった。一方、比較例１の燃料電池セルの耐久性時間は３００時間であり、３００時間評価後、電解質膜２の破損が目視により確認された。また、負荷変動サイクル試験後のリーク電流量を測定した結果、実施例１の燃料電池セルのリーク電流量は１mＡ／ｃｍ２以下に対し、比較例１の燃料電池セルのリーク電流量は２０mＡ／ｃｍ２以上で、電解質膜の破損によるガスリークが観られた。
【００４８】
このように、実施例１の固体高分子形燃料電池では、耐久時間の上昇がみられることから、本発明の固体高分子型燃料電池を用いると電解質膜破損の問題が解決されたことがわかる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明に係る固体高分子形燃料電池の実施形態を示す正面断面図である。
【図２】本発明に係る固体高分子形燃料電池の実施形態を示す平面図である。
【図３】本実施形態に係るガスケット付き電解質膜−電極接合体の外周縁部の詳細を示す拡大正面断面図である。
【図４】本実施形態に係る固体高分子形燃料電池の製造方法を示す説明図である。
【図５】本発明に係る固体高分子形燃料電池の他の実施形態を示す正面断面図である。
【図６】比較例１に係るガスケット付き電解質膜−電極接合体を示す正面断面図である。
【図７】本発明に係る固体酸化物形燃料電池の他の実施形態を示す正面断面図である。
【符号の説明】
【００５０】
１ 固体高分子形燃料電池
２ 電解質膜
２１ 電解質膜の外周縁部
３ 触媒層
３１ 触媒層の外周縁部
４ ガスケット
４０ ガスケット本体
４１ 開口部
４２ 接着層
４３ 耐熱層
４５ ガスケットの外周縁部
５ ガス拡散層
６ セパレータ
１０ 電解質膜−触媒層接合体
２０ 電解質膜−電極接合体
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスケット付き電解質膜−触媒層接合体、これを用いたガスケット付き電解質膜−電極接合体、及び固体高分子形燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電解質の両面に電極が配置され、水素と酸素の電気化学反応により発電する電池であり、発電時に発生するのは水のみである。このように従来の内燃機関と異なり、二酸化炭素等の環境負荷ガスを発生しないために次世代のクリーンエネルギーシステムとして普及が見込まれている。その中でも特に固体高分子形燃料電池は、作動温度が低く、電解質の抵抗が少ないことに加え、活性の高い触媒を用いるので小型でも高出力を得ることができ、家庭用コージェネレーションシステム等として早期の実用化が見込まれている。
【０００３】
この固体高分子形燃料電池は、プロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜を用い、この電解質膜の両面に触媒層及びガス拡散層を順に積層している。そして、この触媒層及びガス拡散層からなる電極の周囲を囲むようにガスケットを配置し、さらにこれをセパレータで挟んだ構造を有している（例えば、特許文献１参照）。この固体高分子形燃料電池を発電させるために、一方の電極に水素などの燃料ガスを供給し、他方の電極に酸素などの酸化剤ガスを供給している。
【特許文献１】特開平９−２７４９２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記固体高分子形燃料電池では、ガスケットと電極との間には隙間が形成されており、この隙間部分に対応する電解質膜は、電極またはガスケットのどちらにも押さえられていない状態となっている。このため、電解質膜が湿潤状態と乾燥状態とを繰り返して膨張と収縮が繰り返されることで、電解質膜に応力が生じて疲労してしまい、電解質膜が破損してしまうおそれがある。この結果、電解質膜の破損部分を介してガスリークが生じ、燃料ガスと酸化剤ガスが混合してしまうといった問題が生じる。
【０００５】
そこで、本発明は、ガスリークを確実に防止することのできるガスケット付き電解質膜−触媒層接合体、これを用いたガスケット付き電解質膜−電極接合体、及び固体高分子形燃料電池を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係るガスケット付き電解質膜−触媒層接合体は、上記課題を解決するためになされたものであり、固体高分子電解質膜と、前記電解質膜の両面にそれぞれ形成された触媒層と、前記各触媒層の外周縁部上に設置された、中央に開口部を有する枠状のガスケットと、を備えている。
【０００７】
このように構成されたガスケット付き電解質膜−触媒層接合体は、通常、ガスケットの開口部内から露出する触媒層上にガス拡散層を形成してガスケット付き電解質膜−電極接合体を作製し、さらにこのガスケット付き電解質膜−電極接合体を挟持するようにセパレータを設置することで、固体高分子形燃料電池として使用される。この燃料電池は、仮に電解質膜が膨張収縮を繰り返して破損した場合であっても、ガスリークすることを防止することができる。すなわち、上記構成のガスケット付き電解質膜−触媒層接合体を使用した固体高分子形燃料電池は、ガスケットが触媒層の外周縁部上に設置されている。電解質膜の破損部分は触媒層よりも外側、すなわちガスケットよりも外側に位置するため、セパレータのガス流路から供給された燃料ガスや酸化剤ガスは、ガスケットに妨害されて電解質膜の破損部分まで届くことがなく、この結果、酸化剤ガスと燃料ガスとが混合することを防ぐことができる。
【０００８】
上記ガスケット付き電解質膜−触媒層接合体は種々の構成をとることができるが、例えば、上記触媒層は、電解質膜と合致するような外形を有し、電解質膜の両面全体に形成されていることが好ましい。このように、電解質膜を触媒層と同一サイズ且つ同一形状とすることによって、発電に寄与しない電解質膜・触媒層の使用を最小限に抑えることができる。
【０００９】
また、上記ガスケットは、触媒層に面する一方面側に接着層を有していることが好ましい。このように構成することで、ガスケットと電解質膜−触媒層接合体とを一体として取り扱うことができるので、後工程においてガス拡散層やセパレータを設置する際に取り扱いが容易になる。
【００１０】
また、上記各ガスケットは、電解質膜及び触媒層からなる電解質膜−触媒層接合体よりも一回り大きく形成されており、電解質膜−触媒層接合体の外側において互いの接着層同士が接着していることが好ましい。このように、接着層同士を接着させることで、より強固にガスケットを電解質膜−触媒層接合体に接着させることができる。
【００１１】
また、上記ガスケットは、他方面側に耐熱層を有していることが好ましい。上述したように、上記ガスケット付き電解質膜−触媒層接合体は、ガス拡散層やセパレータを設置して固体高分子形燃料電池として通常使用されるが、この燃料電池は発電時においてセパレータが高温となるため、ガスケットのセパレータと接する面に耐熱層を形成して耐熱性を持たせることが耐久性の観点から好ましい。
【００１２】
また、上記ガスケットは、弾性を有していることが好ましい。このようにガスケットに弾性を持たせることによって、例えば、ガスケットの厚さよりも薄いガス拡散層を設置して、ガスケットがガス拡散層と同じ厚さとなるようにセパレータでガスケットを押さえつけることによって、よりガスケットを電解質膜−触媒層接合体に密着させることができる。
【００１３】
また、本発明に係るガスケット付き電解質膜−電極接合体は、上記課題を解決するためになされたものであり、上述したいずれかのガスケット付き電解質膜−触媒層接合体と、前記触媒層の開口部内の前記触媒層上に、前記ガスケットの厚さ以下の厚さに形成されたガス拡散層と、を備えている。
【００１４】
また、本発明に係る固体高分子形燃料電池は、上記課題を解決するためになされたものであり、上記ガスケット付き電解質膜−電極接合体と、前記ガスケット付き電解質膜−電極接合体を挟持するように設置され、前記ガス拡散層と対向する領域にガス流路が形成されたセパレータと、を備えている。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、ガスリークを確実に防止することのできるガスケット付き電解質膜−触媒層接合体、これを用いたガスケット付き電解質膜−電極接合体、及び固体高分子形燃料電池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】
【００１６】
以下、本発明に係るガスケット付き電解質膜−触媒層接合体、ガスケット付き電解質膜−電極接合体、及び固体高分子形燃料電池の実施形態について図面を参照しつつ説明する。図１は本実施形態に係る固体高分子形燃料電池の正面断面図、図２は本実施形態に係る固体高分子形燃料電池の平面図、図３はガスケット付き電解質膜−電極接合体の外周縁部の詳細を示す拡大正面断面図である。なお、図２において、説明を分かりやすくするため、セパレータの記載を省略している。
【００１７】
図１及び図２に示すように、固体高分子形燃料電池１は、平面視矩形状の電解質膜２を備えており、電解質膜２の上面及び下面に電解質膜２よりも一回り小さい平面視矩形状の触媒層３が形成されている。この電解質膜２の両面に触媒層３が形成されたものを電解質膜−触媒層接合体１０という。このように、触媒層３は電解質膜２よりも一回り小さく形成されているため、電解質膜２の外周縁部２１上には触媒層３が形成されていない。なお、電解質膜２の外周縁から触媒層３の外周縁までの距離Ｃ（図３参照）は、０〜５ｍｍであることが好ましい。
【００１８】
そして、この電解質膜−触媒層接合体１０の上面及び下面に、中央に開口部４１を有する枠状のガスケット４がそれぞれ設置されている。ガスケット４は、弾性を有するガスケット本体４０から構成されており、このガスケット本体４０の電解質膜−触媒層接合体１０と対向する面（一方面）に接着層４２が形成され、もう一方の面、すなわち、後述するセパレータ６と対向する面（他方面）に耐熱層４３が形成されている。ガスケット４自体の厚さは、特に限定されるものではないが、１００〜５００μｍであることが好ましく、この内、接着層４２の膜厚は、５〜１００μｍとすることが好ましく、耐熱層４３の膜厚は、５〜１００μｍとすることが好ましい。ガスケット４が電解質膜−触媒層接合体１０に設置された状態では、触媒層３がその外周縁部３１を除いてガスケット４の開口部４１から露出しているとともに、触媒層３の外周縁部３１と電解質２の外周縁部２１上にガスケット４が接着している。なお、触媒層３の外周縁からガスケット４の内周縁までの距離Ｂ（図３参照）は、１〜５ｍｍとすることが好ましい。また、ガスケット４は、電解質膜２よりも一回り大きく形成されているため、電解質膜２の外側で、電解質膜２からはみ出た各ガスケット４の外周縁部４５同士が接着している。このガスケット４の外周縁から電解質膜２の外周縁までの距離Ｄ（図３参照）は１０〜１００ｍｍであることが好ましい。なお、このように、電解質膜−触媒層接合体１０にガスケット４が設置されたものが、本発明のガスケット付き電解質膜−触媒層接合体に相当する。
【００１９】
ガスケット４の開口部４１から露出している触媒層３上に平面視矩形状のガス拡散層５が設置されている。このガス拡散層５の厚さは、ガスケット４の厚さと同じか、若しくはガスケット４の厚さよりも２０〜２００μｍ程度薄いものを使用する。このガス拡散層５の外周縁からガスケット４の内周縁までの距離Ａ（図３参照）は、０〜５ｍｍであることが好ましい。このように、触媒層３上にガス拡散層５が形成されて電極Eを構成しており、電解質膜２の両面に電極Ｅが形成されたものを電解質膜−電極接合体２０という。なお、本実施形態のように、電解質膜−電極接合体２０にガスケット４が設置されているものが、本発明のガスケット付き電解質膜−電極接合体に相当する。
【００２０】
ガスケット付き電解質膜−電極接合体を挟持するように、ガスケット付き電解質膜−電極接合体の上面及び下面にセパレータ６が設置されている。セパレータ６は、ガス拡散層５と対向する領域にガス流路７１が形成されている。
【００２１】
次に上記のように構成された固体高分子形燃料電池１の各構成要素の材質について説明する。
【００２２】
電解質膜２は、例えば、基材上に水素イオン伝導性高分子電解質を含有する溶液を塗工し、乾燥することにより形成される。水素イオン伝導性高分子電解質としては、例えば、パーフルオロスルホン酸系のフッ素イオン交換樹脂、より具体的には、炭化水素系イオン交換膜のＣ−Ｈ結合をフッ素で置換したパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマー（ＰＦＳ系ポリマー）等が挙げられる。電気陰性度の高いフッ素原子を導入することで、化学的に非常に安定し、スルホン酸基の解離度が高く、高いイオン伝導性が実現できる。このような水素イオン伝導性高分子電解質の具体例としては、デュポン社製の「Ｎａｆｉｏｎ」（登録商標）、旭硝子（株）製の「Ｆｌｅｍｉｏｎ」（登録商標）、旭化成（株）製の「Ａｃｉｐｌｅｘ」（登録商標）、ゴア（Ｇｏｒｅ）社製の「Ｇｏｒｅ Ｓｅｌｅｃｔ」（登録商標）等が挙げられる。水素イオン伝導性高分子電解質含有溶液中に含まれる水素イオン伝導性高分子電解質の濃度は、通常５〜６０重量％程度、好ましくは２０〜４０重量％程度である。なお、電解質膜２の膜厚は通常２０〜２５０μｍ程度、好ましくは２０〜８０μｍ程度である。
【００２３】
触媒層３は、公知の白金含有の触媒層（カソード触媒及びアノード触媒）である。詳しくは、触媒層３は、触媒粒子を担持させた炭素粒子及び水素イオン伝導性高分子電解質を含有する。触媒粒子としては、例えば、白金や白金化合物等が挙げられる。白金化合物としては、例えば、ルテニウム、パラジウム、ニッケル、モリブデン、イリジウム、鉄等からなる群から選ばれる少なくとも１種の金属と、白金との合金等が挙げられる。なお、通常は、カソード触媒層に含まれる触媒粒子は白金であり、アノード触媒層に含まれる触媒粒子は前記金属と白金との合金である。また、水素イオン伝導性高分子電解質としては、上述した電解質膜２に使用されるものと同じ材料を使用することができる。
【００２４】
ガスケット４は、ガスケット本体４０、接着層４２及び耐熱層４３から構成されている。ガスケット本体４０としては、繊維質シート及び多孔質シート、紙等を使用できる。繊維質シート及び多孔質シートを構成する繊維あるいは樹脂としては、耐熱性、耐酸性、耐加水分解性や柔軟性が必要である。繊維としては、例えばセルロース、羊毛、絹、綿、麻等の天然繊維、あるいはガラス繊維、炭素繊維、岩石繊維、またはポリエステル、ポリアミド、ポリイミド、ポリメチルペンテン等の周知の耐熱性合成樹脂を繊維化した化学繊維、あるいは、上記の耐熱性合成樹脂からなる未延伸シートあるいは延伸シートを多孔質化したものを挙げることができる。紙としては、クラフト紙、クレープ紙、上質紙、コート紙、和紙等が挙げられる。例えば、アセテート繊維のクロス、ポリエステルの不織布、紙、あるいはこれらの複合基材を使用することができる。また、接着層４２の材料としては、合成樹脂系の接着剤を使用することができ、例えば、アクリル系、ゴム系、シリコーン系を使用できる。より具体的にはアクリル酸エステル共重合体、メタクリル酸エステル共重合体、天然ゴム（ＮＲ）、合成天然ゴム（ＩＲ）、スチレン・ブタジエンゴム（ＳＢＲ）、ポリイソブチレン（ＰＩＢ）、ブチルゴム（ＩＩＲ）、シリコンゴム等である。また、耐熱層４３の材料としては、ポリエステル、ポリイミド、ポリアミド、ポリメチルペンテン、ポリエーテルエーテルケトン等を挙げることができる。
【００２５】
ガス拡散層５としては、公知であり、燃料極、空気極を構成する各種のガス拡散層を使用でき、燃料である燃料ガス及び酸化剤ガスを効率よく触媒層３に供給するため、多孔質の導電性基材からなっている。多孔質の導電性基材としては、例えば、カーボンペーパーやカーボンクロス等が挙げられる。
【００２６】
セパレータ６としては、公知であり、燃料電池内の環境においても安定な導電性板であればよく、一般的には、カーボン板にガス流路７１を形成したものが用いられる。また、セパレータ６をステンレス等の金属により構成し、金属の表面にクロム、白金族金属又はその酸化物、導電性ポリマーなどの導電性材料からなる被膜を形成したものや、同様にセパレータを金属によって構成し、該金属の表面に銀、白金族の複合酸化物、窒化クロム等の材料によるメッキ処理を施したもの等も使用可能である。
【００２７】
次に上述した固体高分子形燃料電池１の製造方法について図面を参照しつつ説明する。図４は、本実施形態に係る固体高分子形燃料電池１の製造方法を示す説明図である。
【００２８】
まず、上述した材料からなる電解質膜２を準備し、この電解質膜２の両面に触媒層形成用転写シート８を重ねて配置する（図４（ａ））。ここで触媒層形成用転写シート８とは、転写される触媒層３が転写用基材８１に形成されたものである。この触媒層形成用転写シート８の製造方法について説明すると、まず、上述した触媒粒子を担持させた炭素粒子及び水素イオン伝導性高分子電解質を適当な溶剤に混合、分散して触媒ペーストを作製する。そして、形成される触媒層３が所望の膜厚になるように触媒ペーストを公知の方法に従い、必要に応じて離型層を介して転写用基材８１上に塗工する。このとき、触媒層３が、電解質膜２よりも一回り小さい形状となるように、触媒ペーストを転写用基材８１に塗工する。触媒ペーストの塗工方法としては、スクリーン印刷や、スプレーコーティング、ダイコーティング、ナイフコーティングなどの公知の塗工方法を挙げることができる。また、上記の溶剤としては、各種アルコール類、各種エーテル類、各種ジアルキルスルホキシド類、水またはこれらの混合物等が挙げられ、これらの中でもアルコール類が好ましい。アルコール類としては、例えば、メタノール、エタノール、ｎ−プロパノール、イソプロパノール、ｎ−ブタノール、ｔｅｒｔ−ブタノール、等の炭素数１〜４の一価アルコール、各種の多価アルコール等が挙げられる。転写用基材８１としては、例えば、ポリイミド、ポリエチレンテレフタレート、ポリパルバン酸アラミド、ポリアミド（ナイロン）、ポリサルホン、ポリエーテルサルホン、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテル・エーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリアリレート、ポリエチレンナフタレート等の高分子フィルムを挙げることができる。また、エチレンテトラフルオロエチレン共重合体（ＥＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、テトラフルオロパーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等の耐熱性フッ素樹脂を用いることもできる。さらに転写用基材８１は、高分子フィルム以外にアート紙、コート紙、軽量コート紙等の塗工紙、ノート用紙、コピー用紙などの非塗工紙であっても良い。転写用基材８１の厚さは、取り扱い性及び経済性の観点から通常６〜１００μｍ程度、好ましくは１０〜３０μｍ程度程度とするのがよい。従って、転写用基材８１としては、安価で入手が容易な高分子フィルムが好ましく、ポリエチレンテレフタレート等がより好ましい。
【００２９】
そして、触媒ペーストを塗工した後、所定の温度及び時間で乾燥することにより転写用基材８１上に触媒層３が形成される。乾燥温度は、通常４０〜１００℃程度、好ましくは６０〜８０℃程度である。乾燥時間は、乾燥温度にもよるが、通常５分〜２時間程度、好ましくは１０分〜１時間程度である。
【００３０】
固体高分子形燃料電池の製造方法について説明を続けると、上述したように作製した触媒層形成用転写シート８を触媒層３が電解質膜１に対面するように配置し（図４（ａ））、転写シート８の背面側から加熱プレスを施して触媒層３を電解質膜２に転写させて、転写シート８の転写用基材８１を剥離する（図４（ｂ））。作業性を考慮すると、触媒層３を電解質膜２の両面に同時に積層することが好ましいが片面ずつ触媒層３を形成することもできる。加熱プレスの加圧レベルは、転写不良を避けるために、通常０．５〜２０ＭＰａ程度、好ましくは１〜１０ＭＰａ程度がよい。また、この加圧操作の際に、転写不良を避けるために加圧面を加熱するのが好ましい。加熱温度は、電解質膜２の破損、変形等を避けるために、通常２００℃以下、好ましくは１５０℃以下がよい。このように電解質膜２の両面に触媒層３を形成することで電解質膜−触媒層接合体１０が形成される。このとき、触媒層３は、電解質膜２よりも一回り小さいため、電解質膜２の外周縁部２１は露出された状態となっている。
【００３１】
次に、このようにして形成された電解質膜−触媒層接合体１０に、ガスケット４を取り付ける（図４（ｃ））。より詳細には、電解質膜−触媒層接合体１０の上面及び下面にガスケット４をそれぞれ配置する。このとき各ガスケット４の接着層４２が互いに向き合うように各ガスケット４を配置する。そして、ガスケット４の開口部４１から触媒層３が外周縁部３１を除いて露出するよう、ガスケット４をそれぞれ触媒層３の外周縁部３１及び電解質膜２の外周縁部２１上に接着させる。
【００３２】
続いて、上述したガスケット付き電解質膜−触媒層接合体の開口部４１から露出している触媒層３上に、ガス拡散層５を熱圧着により積層形成して、ガスケット付き電解質膜−電極接合体が完成する（図４（ｄ））。そして、このガスケット付き電解質膜−電極接合体を挟持するように、セパレータ６を設置する。このときセパレータ６のガス流路６１はガス拡散層５と対向している。以上により固体高分子形燃料電池１が完成する（図４（ｅ））。
【００３３】
以上のように、本実施形態では、電解質膜２の外周縁部２１は、ガスケット４によって拘束されているため、電解質膜２の膨張・収縮を抑制することができ、その結果、電解質膜２の破損を防止することができる。また、仮に電解質膜２の外周縁部２１が破損してしまっても、ガスケット４が触媒層３の外周縁部３１上に設置されているため、セパレータ６のガス流路６１から供給されるガスは、ガスケット４に妨害されて電解質膜２の外周縁部２１における破損部分まで届くことがなく、アノード電極に供給される燃料ガスとカソード電極に供給される酸化剤ガスとが混合することを確実に防止することができる。
【００３４】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。例えば、上記実施形態では、ガスケット４は、電解質膜−触媒層接合体１０よりも一回り大きく形成されていたが、特にこれに限定されるものではなく、図５に示すように、ガスケット４を触媒層３とほぼ同じ大きさに形成し、触媒層３の外周縁部３１上にのみガスケット４を設置することもできる。
【００３５】
また、上記実施形態では、触媒層３は電解質膜２よりも一回り小さく形成されているが、特にこれに限定されるものではなく、触媒層３を電解質膜２と同じ大きさに形成することもできる。すなわち、図７に示すように、電解質膜２を、触媒層３と同一サイズ且つ同一形状とし、触媒層３が電解質膜２の両面全体を覆うように形成することができる。このように、発電に寄与していなかった電解質膜２の外周縁部２１を省略することによって、一般的に高価な電解質膜２の使用を抑制し低コスト化を図ることができる。
【００３６】
また、上記実施形態では、ガスケット４は、弾性を有するガスケット本体４２の一方面に接着層４２を形成し、他方面に耐熱層４３を形成しているが、接着層４２や耐熱層４３を形成せず、ガスケット本体４２のみの構成とすることもできる。
【００３７】
また、上記実施形態では、固体高分子形燃料電池１を構成する電解質膜２や触媒層３、ガス拡散層５など全て平面視矩形状として説明したが、特に形状は限定されるものではなく、例えば平面視円形状とすることもできる。
【実施例】
【００３８】
以下に実施例及び比較例を示して、本発明をさらに具体的に説明する。なお、本発明は、下記実施例に限定されるものではない。
【００３９】
（実施例１）
電解質膜２は、６３×６３ｍｍの大きさに切断された膜厚５３μｍのＮＲＥ２１２ＣＳ（Ｄｕｐｏｎｔ社製）を使用した。
【００４０】
次に、触媒形成用転写シート８を次の要領で作製した。まず、白金触媒担持カーボン（白金担持量：４５．７ｗｔ％、田中貴金属社製、ＴＥＣ１０Ｅ５０Ｅ）２ｇに、１−ブタノール１０ｇ、３−ブタノール１０ｇ、フッ素樹脂（５ｗｔ％ナフィオンバインダー、デュポン社製）２０ｇ及び水６ｇを加え、これらを分散機にて攪拌混合することにより、触媒形成用インク組成物を調製した。次に、該インクをポリエステルフィルム（東レ製、Ｘ４４、２５μｍ）に触媒層乾燥後の白金重量が０．４ｍｇ／ｃｍ２となるように塗工し、触媒形成用転写シート８を作製した。
【００４１】
以上のように作製した触媒形成用転写シート８を６０×６０ｍｍの大きさに切断し、電解質膜２の両面それぞれに触媒層３が電解質膜２側を向くように中心を合わせて配置した。そして、１３５℃、５．０ＭＰａ、１５０秒の条件で熱プレスすることで、電解質膜２の両面に触媒層３を形成し、電解質膜−触媒層接合体１０を作製した。なお、触媒層３の厚さは２０μｍである。
【００４２】
続いて、ガスケット４として、高絶縁性テープ（日東電工社製、Ｎｏ．３４１）を使用した。この高絶縁性テープは、厚さ３７５μｍのポリエステル不織布からなるガスケット本体４０と、厚さ５０μｍのおアクリル樹脂からなる接着層４２と、厚さ２５μｍのポリエステルフィルムからなる耐熱層４３とから構成されている。このガスケット４を８０×８０ｍｍの大きさに切断し、その中央部に５０×５０ｍｍの大きさの開口部４１を形成した。そして、ガスケット４を電解質膜−触媒層接合体１０の両面に中心を合わせて配置して圧着することでガスケット４を電解質膜−触媒層接合体１０に接着させ、ガスケット付き電解質膜−触媒層接合体を作製した。
【００４３】
さらに続いて、開口部４１から露出している触媒層３上に、ガス拡散層５として、４９×４９ｍｍの大きさに切断されたカーボンペーパー（東レ社製、ＴＧＰ−Ｈ−０９０、厚さ２８０μｍ）を積層し、ガスケット付き電解質膜−電極接合体を形成した。
【００４４】
（比較例１）
電解質膜２は、８０×８０ｍｍの大きさに切断された膜厚５３μｍのＮＲＥ２１２ＣＳ（Ｄｕｐｏｎｔ社製）を使用した。
【００４５】
次に、上記実施形態１と同一の触媒形成用転写シート８を５０×５０ｍｍの大きさに切断し、電解質膜２の両面それぞれに触媒層３が電解質膜２側を向くように中心を合わせて配置した。そして、１３５℃、５．０ＭＰａ、１５０秒の条件で熱プレスすることで、電解質膜２の両面に触媒層３を形成し、電解質膜−触媒層接合体１０を作製した。なお、触媒層３の厚さは２０μｍである。
【００４６】
続いて、ガスケットは、ガスケット本体として厚さ１００μｍのポリエチレンナフタレートを使用し、その上面及び下面にそれぞれ１００μｍの厚さを有するシリコンゴムの層を形成した。このガスケットを８０×８０ｍｍの大きさに切断し、その中央部に５１×５１ｍｍの大きさの開口部４１を形成した。開口部４１から露出している触媒層３上に、ガス拡散層５として、４９×４９ｍｍの大きさに切断されたカーボンペーパー（東レ社製、ＴＧＰ−Ｈ−０９０、厚さ２８０μｍ）を積層し、ガスケット付き電解質膜−電極接合体を形成した。図６に示すように、ガスケットは電解質膜２の外周縁部上に設置されており、ガスケットと触媒層との間には隙間が形成されている。
【００４７】
（評価方法）
実施例１及び比較例１のガスケット付き電解質膜−電極接合体について、セパレータ６を設置して固体高分子形燃料電池をそれぞれ作製し、負荷変動サイクル試験を実施した。このときの測定条件は、セル温度８０℃、燃料利用率７０％、酸化剤利用率４０％、加湿温度５０℃とした。電流電圧測定評価の結果、実施例１の燃料電池セルの耐久性時間は１０００時間であり、評価後、電解質膜の破損は見られなった。一方、比較例１の燃料電池セルの耐久性時間は３００時間であり、３００時間評価後、電解質膜２の破損が目視により確認された。また、負荷変動サイクル試験後のリーク電流量を測定した結果、実施例１の燃料電池セルのリーク電流量は１mＡ／ｃｍ２以下に対し、比較例１の燃料電池セルのリーク電流量は２０mＡ／ｃｍ２以上で、電解質膜の破損によるガスリークが観られた。
【００４８】
このように、実施例１の固体高分子形燃料電池では、耐久時間の上昇がみられることから、本発明の固体高分子型燃料電池を用いると電解質膜破損の問題が解決されたことがわかる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明に係る固体高分子形燃料電池の実施形態を示す正面断面図である。
【図２】本発明に係る固体高分子形燃料電池の実施形態を示す平面図である。
【図３】本実施形態に係るガスケット付き電解質膜−電極接合体の外周縁部の詳細を示す拡大正面断面図である。
【図４】本実施形態に係る固体高分子形燃料電池の製造方法を示す説明図である。
【図５】本発明に係る固体高分子形燃料電池の他の実施形態を示す正面断面図である。
【図６】比較例１に係るガスケット付き電解質膜−電極接合体を示す正面断面図である。
【図７】本発明に係る固体酸化物形燃料電池の他の実施形態を示す正面断面図である。
【符号の説明】
【００５０】
１ 固体高分子形燃料電池
２ 電解質膜
２１ 電解質膜の外周縁部
３ 触媒層
３１ 触媒層の外周縁部
４ ガスケット
４０ ガスケット本体
４１ 開口部
４２ 接着層
４３ 耐熱層
４５ ガスケットの外周縁部
５ ガス拡散層
６ セパレータ
１０ 電解質膜−触媒層接合体
２０ 電解質膜−電極接合体
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜と、
前記電解質膜の両面にそれぞれ形成された触媒層と、
前記各触媒層の外周縁部上に設置された、中央に開口部を有する枠状のガスケットと、
を備えた、ガスケット付き電解質膜−触媒層接合体。
【請求項２】
前記触媒層は、前記電解質膜と合致するような外形を有し、前記電解質膜の両面全体に形成されている、請求項１に記載のガスケット付き電解質膜−触媒層接合体。
【請求項３】
前記ガスケットは、前記触媒層に面する一方面側に接着層を有している、請求項１又は２に記載のガスケット付き電解質膜−触媒層接合体。
【請求項４】
前記各ガスケットは、前記電解質膜及び触媒層からなる電解質膜−触媒層接合体よりも一回り大きく形成されており、前記電解質膜−触媒層接合体の外側において互いの接着層同士が接着している、請求項３に記載のガスケット付き電解質膜−触媒層接合体。
【請求項５】
前記ガスケットは、他方面側に耐熱層を有している、請求項１から４のいずれかに記載のガスケット付き電解質膜−触媒層接合体。
【請求項６】
前記ガスケットは、弾性を有している、請求項１から５のいずれかに記載のガスケット付き電解質膜−触媒層接合体。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかに記載のガスケット付き電解質膜−触媒層接合体と、
前記触媒層の開口部内の前記触媒層上に、前記ガスケットの厚さ以下の厚さに形成されたガス拡散層と、
を備えた、ガスケット付き電解質膜−電極接合体。
【請求項８】
請求項７に記載のガスケット付き電解質膜−電極接合体と、
前記ガスケット付き電解質膜−電極接合体を挟持するように設置され、前記ガス拡散層と対向する領域にガス流路が形成されたセパレータと、
を備えた、固体高分子形燃料電池。
【請求項１】
固体高分子電解質膜と、
前記電解質膜の両面にそれぞれ形成された触媒層と、
前記各触媒層の外周縁部上に設置された、中央に開口部を有する枠状のガスケットと、
を備えた、ガスケット付き電解質膜−触媒層接合体。
【請求項２】
前記触媒層は、前記電解質膜と合致するような外形を有し、前記電解質膜の両面全体に形成されている、請求項１に記載のガスケット付き電解質膜−触媒層接合体。
【請求項３】
前記ガスケットは、前記触媒層に面する一方面側に接着層を有している、請求項１又は２に記載のガスケット付き電解質膜−触媒層接合体。
【請求項４】
前記各ガスケットは、前記電解質膜及び触媒層からなる電解質膜−触媒層接合体よりも一回り大きく形成されており、前記電解質膜−触媒層接合体の外側において互いの接着層同士が接着している、請求項３に記載のガスケット付き電解質膜−触媒層接合体。
【請求項５】
前記ガスケットは、他方面側に耐熱層を有している、請求項１から４のいずれかに記載のガスケット付き電解質膜−触媒層接合体。
【請求項６】
前記ガスケットは、弾性を有している、請求項１から５のいずれかに記載のガスケット付き電解質膜−触媒層接合体。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかに記載のガスケット付き電解質膜−触媒層接合体と、
前記触媒層の開口部内の前記触媒層上に、前記ガスケットの厚さ以下の厚さに形成されたガス拡散層と、
を備えた、ガスケット付き電解質膜−電極接合体。
【請求項８】
請求項７に記載のガスケット付き電解質膜−電極接合体と、
前記ガスケット付き電解質膜−電極接合体を挟持するように設置され、前記ガス拡散層と対向する領域にガス流路が形成されたセパレータと、
を備えた、固体高分子形燃料電池。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００９−１３５０６８（Ｐ２００９−１３５０６８Ａ）
【公開日】平成２１年６月１８日（２００９．６．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１５９９９（Ｐ２００８−１５９９９）
【出願日】平成２０年１月２８日（２００８．１．２８）
【出願人】（０００００２８９７）大日本印刷株式会社 (14,506)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年６月１８日（２００９．６．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１月２８日（２００８．１．２８）
【出願人】（０００００２８９７）大日本印刷株式会社 (14,506)
【Ｆターム（参考）】
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