固体高分子型燃料電池用膜電極接合体及び固体高分子型燃料電池
【課題】排水性を向上させた固体高分子型燃料電池用の膜電極接合体及びその膜電極接合体を用いた、安定な発電特性を有する固体高分子型燃料電池を低コストで提供する。
【解決手段】電解質膜、触媒層及び導電性多孔質ガス拡散層とから構成される固体高分子型燃料電池用膜電極接合体において、前記触媒層と電解質膜との界面に流体を流通または溜めるための溝が設けられている固体高分子型燃料電池用膜電極接合体およびその膜電極接合体を用いた固体高分子型燃料電池。
【解決手段】電解質膜、触媒層及び導電性多孔質ガス拡散層とから構成される固体高分子型燃料電池用膜電極接合体において、前記触媒層と電解質膜との界面に流体を流通または溜めるための溝が設けられている固体高分子型燃料電池用膜電極接合体およびその膜電極接合体を用いた固体高分子型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、固体高分子型燃料電池用膜電極接合体及びそれを用いた固体高分子型燃料電池に関する。
【背景技術】
【0002】
固体高分子型燃料電池は、エネルギー変換効率が高いこと、クリーンであること、静かであることなどから、将来のエネルギー生成装置として期待されている。近年では、自動車や家庭用発電機などの用途がある。また、そのエネルギー密度の高さと運転温度の低さから携帯電話やノート型パソコン、デジタルカメラなど小型の電気機器に搭載することによって、従来の2次電池に比べ長時間駆動できる可能性があり、注目を集めている。
【0003】
しかし固体高分子型燃料電池は、運転温度が100℃以下でも駆動できるものの、発電時間の経過に伴って次第に電圧が低下し、終には発電が停止するという問題がある。これは反応で生じる水が燃料ガスの通気孔となる空隙内に滞留することで、反応物質である燃料ガスの供給を妨げてしまうことにより発電反応が停止するという、所謂「フラッディング」が原因である。特に水が生成するカソード側の触媒層でフラッディングが起きやすい。
【0004】
また小型の電気機器用燃料電池としての実用化には、システム全体のコンパクト化が必須である。特に燃料電池を小型電気機器に搭載する場合においては、電池自体も小型化する必要があり、ポンプやブロワーなどを用いずに空気を通気孔から自然拡散によって空気極へ供給させる方式(エアーブリージング方式)が多く採られている。このような場合、生成水は自然蒸発によってのみ燃料電池外へ排出され得るので、生成水が触媒層に滞留しフラッディングが起こることが多い。
【0005】
一般に燃料電池のガス給排気部に設けられセパレータには、フラッディング防止のため、流体流通溝が備えられ、この溝をガス拡散経路及び生成水の排水流路として利用する。さらに水の排出をスムーズに行うために、必要に応じてセパレータの溝表面にポリテトラフルオロエチレン(PTFE)などの撥水剤を付与したり、セパレータ材質や溝加工方法、溝形状などを工夫したりする。またエアーブリージング方式の燃料電池では、前記の溝付きセパレータの代わりに、発泡金属などの多孔性導電体を使用することで、ガス給排気部の空隙率を90%以上に高め、生成水の自然拡散を促進したり、空隙を生成水の排水路として利用したりする工夫がされているものがある。
【0006】
しかし、それでも燃料電池を高電流密度で長時間駆動すると、燃料電池の電圧降下が生じてしまう。これは発電により生成した水蒸気が、ガス拡散層(以下、GDLとも略記する)及び触媒層から構成されるガス拡散電極の空孔内で凝縮し、ガス拡散電極内でフラッディングを生じてしまうことが原因である。
【0007】
さらに、ガス流通溝を備えたセパレータで膜電極接合体(以下、MEAとも略記する)を挟持した形式の燃料電池や積層型の燃料電池では、電極面内の位置によってセル外部からの反応ガス及び水蒸気の拡散距離が異なる。そのため、ガス拡散電極の面内で水蒸気分圧分布が生じる。この場合、燃料電池を高負荷で長時間駆動すると、水蒸気分圧分布の差は大きくなり、局所的に飽和水蒸気圧に近くなる。その結果、生成した水蒸気はガス拡散電極内部の空孔内部で局所的に凝縮し空孔を塞ぎ、局所的なフラッディングを起こす。
【0008】
このようなガス拡散電極内でのフラッディングを防止するためには、ガス拡散電極の排水性を向上させることが必要である。
この目的のため、通常GDL及び触媒層の空孔内部は、PTFEなどの撥水剤などにより撥水性が付与されることが多い。
【0009】
具体的なGDLの材質としては、数μm径のカーボン繊維と、PTFEなどの疎水性樹脂との混合物からなるカーボンクロスやカーボンペーパーなどが用いられる。
あるいはカーボンクロスやカーボンペーパーを下地基材として、その片面または両面に、カーボン微粒子と疎水性樹脂との混合物からなるマイクロポーラス層を塗布したものもGDLとして用いられる。これはマイクロポーラス層により、触媒層や集電版とGDLとの接触抵抗を減少できるためである。本明細書中でGDLとは、このマイクロポーラス層と下地基板とからなる導電性多孔体も含む。
【0010】
触媒層に撥水性を付与するには、一般にPTFEなど疎水性高分子からなる微粒子を触媒微粒子や炭素担体微粒子などと混在させる方法が取られている。但しPTFE微粒子は不導体でかつ触媒活性も無いため、触媒層の疎水性を高めるためにPTFE微粒子を多く添加すると、触媒活性や触媒利用率が低下してしまう。
【0011】
上記のようにGDL及び触媒層は撥水性を付与されているが、両者の撥水度は触媒層>GDLであるように調整されることが多い。これは凝縮水を触媒層からGDLへ移動させ、またGDLから触媒層への水の逆流を防ぐためである。
【0012】
しかし疎水性を付与した多孔質体内では、水は多孔質体から外に押し出される力を受ける。このため疎水性多孔質体内へ水を染み込ませることは原理的に抵抗が大きく、GDL内への水の浸透速度は遅い。
【0013】
このため燃料電池を高負荷で駆動させると、触媒層で凝縮して発生した生成水の発生量がGDL内への浸透速度を上回り、凝縮水がGDL/触媒層界面に滞留してしまう。
逆にGDL内で生成水が凝縮する場合もあり、この場合では生成水はGDLの表面に押し出されるが、一部の凝縮水がGDL/触媒層界面に析出してしまう。そして触媒層とGDLの双方が疎水性であるため、どちらの空孔内へも浸透しにくい結果、界面で滞留してしまう凝縮水が発生する。
【0014】
燃料電池の出力密度が低い場合には、生成水はすべて水蒸気で拡散するため、上述のような問題は起こらない。しかし燃料電池を高電流密度で長時間駆動させると、上述のとおり水蒸気の拡散速度分布の違いからガス拡散電極内で局所的に水蒸気分圧が飽和水蒸気圧近傍に上昇する部分が多くなってくるため、GDLまたは触媒層内で凝縮する生成水が駆動時間とともに多くなる。このような場合、上述のようにGDL/触媒層界面に滞留する凝縮水が増加してしまう。
【0015】
GDL/触媒層界面に生成水が滞留すると、少量の水であっても広い面積の水膜を形成するため、反応ガスの触媒層への供給面積が大きく減少し、その結果として燃料電池の電圧が大きく低下または発電が停止してしまう。
【0016】
このように、GDL及び触媒層に撥水性を付与する方法では、燃料電池を高負荷で長時間駆動させた場合、GDL/触媒層界面へ凝縮水が滞留してしまうという課題があり、ガス拡散電極の排水性を効率良く改善できているとは言えなかった。
【0017】
このような問題を解決するため、GDL内に疎水性の異なる2種の微粒子からなる充填剤を混在させ、排水経路と反応ガス拡散経路とを分ける方法(特許文献1)が考案されている。
【0018】
さらに、触媒層のGDLと接する面に排水用の溝を設ける(特許文献2,3)方法、GDLの集電体側の面に排水溝を設ける(特許文献4)方法、GDLに疎水性貫通孔と親水性貫通孔を設ける方法(特許文献5)も考案されている。
【特許文献1】特開平10−289723号公報
【特許文献2】特開2004−327358号公報
【特許文献3】特開2005−38780号公報
【特許文献4】特開2002−100372号公報
【特許文献5】特開2003−151585号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0019】
しかし上記のような従来の方法では、次のような問題点がある。
まず、特許文献1に記載の構成の場合、GDL内の排水経路と反応ガス拡散経路は偶然に形成されることを期待しているため、それぞれの経路の構造が制御されていないため、排水経路と反応ガス拡散経路が必要以上に長くなる場合がある。或いは両経路が途中で繋がってしまった場所では排水が途中で止まるので、ガス拡散経路を塞いでしまう場合があるという問題点がある。
【0020】
また特許文献2及び3に記載の、触媒層のガス拡散層と接する面に排水用の凹溝を設ける構成の場合、触媒担持量が溝体積に相当する分減少してしまうため触媒の反応面積が減少し、燃料電池の出力密度が低下してしまうという問題点がある。
【0021】
さらに特許文献2及び3に記載の構成では、溝が排水で満たされた際には、触媒層への吸気面積が減少してしまうという問題点があった。
また特許文献4に記載のGDLの集電体側の面に排水溝を設ける構成の場合、溝が排水で満たされた際には、触媒層への吸気面積が減少してしまうという問題点があった。
【0022】
また特許文献5には、ガス拡散層に貫通孔を設け、かつ貫通孔をガス拡散経路と水拡散経路と完全に分離した構成が記載されている。実施例2に記載されているように、拡散層基材として金属など非多孔質材を用いた場合、基材と接する触媒には燃料ガスが届きにくく、触媒の反応面積が減少してしまう。その結果、フラッディングは抑制できるものの反応ガス供給律速から限界電流密度が低下してしまうという問題点があった。
【0023】
さらに貫通孔をガス拡散経路と水拡散経路と完全に分離した構成である。そのため、セパレータの代わりに発泡金属などの多孔性導電体を利用するエアーブリージング方式の燃料電池の場合では、上記構成によるフラッディング抑制効果は限定的にしか得られないという問題点があった。
【0024】
その理由は、導電性多孔体内の空孔は通常すべて連続した空孔構造となっているため、空孔内は疎水性か親水性かのどちらかにしか制御できず、ガス拡散層においてガス拡散用貫通孔と水拡散用貫通孔をいくら分離していても、導電性多孔体内で両経路が交差してしまうためである。
【0025】
従来技術では上記のような問題があり、ガス拡散電極の排水性を効率良く改善する技術が求められていた。
本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたもので、触媒層と電解質膜との界面に流体を流通または溜めるための溝を設けることで、排水性を向上させた固体高分子型燃料電池用MEAを提供するものである。
【0026】
また本発明は、上記のMEAを用いて、安定な発電特性を有する固体高分子型燃料電池を低コストで提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【0027】
上記の課題を解決する固体高分子型燃料電池用膜電極接合体は、電解質膜、触媒層及び導電性多孔質ガス拡散層とから構成される固体高分子型燃料電池用膜電極接合体において、前記触媒層と電解質膜との界面に流体を流通または溜めるための溝が設けられていることを特徴とする。
【0028】
前記流体を流通または溜めるための溝が、触媒層の電解質膜側の面に設けられていることが好ましい。
前記流体を流通または溜めるための溝が、導電性多孔質ガス拡散層の電解質膜側の面に凹部を設け、該凹部の表面に触媒層を設けて形成された窪みからなることが好ましい。
【0029】
前記流体を流通または溜めるための溝の幅が3μm以上1000μm以下であることが好ましい。
前記流体を流通または溜めるための溝の幅が、触媒層の中央部から外周部に向かって縮小していることが好ましい。
【0030】
前記流体を流通または溜めるための溝の幅が、膜電極接合体のカソード側に設けられていることが好ましい。
上記の課題を解決する固体高分子型燃料電池は、上記の燃料電池用膜電極接合体を用いたことを特徴とする。
【0031】
本発明における触媒層と電解質膜との界面に設けられた流体を流通または溜めるための溝は、流体流通溝または流体溜まりとして作用する。
本発明は、上記の排水性を向上させたガス拡散電極を用いて、安定な発電特性を有する固体高分子型燃料電池を低コストで提供するものである。
【0032】
本発明によれば、GDLと触媒層との界面に水が滞留し、反応ガスの供給を妨げるフラッディングを軽減させることができるため、燃料電池を高負荷で長時間安定に駆動させることができる。
【発明の効果】
【0033】
本発明によれば、触媒層と電解質膜との界面に流体を流通または溜めるための溝を設けることにより、排水性を向上させた溝付き固体高分子型燃料電池用膜電極接合体(以下、「溝付きMEA」)を提供することができる。
【0034】
また本発明は、前記溝付きMEAを用いて、安定な発電特性を有する固体高分子型燃料電池を提供することができる。特に、本発明はエアーブリージング方式の燃料電池のフラッディング抑制に有効である。
【発明を実施するための最良の形態】
【0035】
以下図面を参照して、本発明の溝付きMEAについて、好適な実施の形態を例示的に詳しく説明する。ただし、この実施の形態に記載されている構成部材の材質、寸法、形状、その相対配置等は、特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。同様に以下に記述する製造方法も唯一のものではない。
【0036】
図1は、本発明の溝付きMEAを用いて作製した固体高分子型燃料電池単セルの断面構成の一例を表す模式図である。図1において、1は固体高分子電解質膜、これを挟んで一対の触媒層、すなわちアノード側の触媒層2と、カソード側の触媒層3が配置されている。
【0037】
本実施の形態においては、カソード(空気極)側のみ溝が配置された例を示すが、配置構成としてはこれに限定するものではなく、例えば両極とも溝を配置する場合、あるいはアノード側のみ溝を配置する場合をも含んでおり、種々の構成を好ましく選択することができる。
【0038】
触媒層2及び3は、触媒4a、4bと、該触媒を支持する触媒担体5a、5bとから構成される。カソード側の触媒4bには、流体を流通または溜めるための溝11が設けられている。
【0039】
アノード側の触媒層2の外側には、アノード側ガス拡散層6とアノード側電極(燃料極)8が配置される。カソード側の触媒層3の外側には、カソード側ガス拡散層7とカソード側電極(空気極)9が配置される。
【0040】
固体高分子電解質膜1としては、スルホン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体や非フッ素重合体などの高分子材料から形成される。例えばスルホン酸型パーフルオロカーボン重合体や、ポリサルホン樹脂、ホスソン酸基またはカルボン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体を好適に使用することができる。パーフルオロスルホン酸ポリマーの例としてナフィオン(デュポン社製)が挙げられる。また非フッ素重合体の例として、スルホン化された方構造ポリエーテルケトン、ポリサルホンなどが挙げられる。
【0041】
なお、プロトンH+が電解質膜中をカソード側に向かって移動する場合には水分子を媒体として電解質中の親水性部分を移動するので、電解質膜は水分子を保有する機能も有していなければならない。したがって、固体高分子電解質膜の機能としては、アノード側で生成したプロトンH+をカソード側に伝達するとともに未反応の反応ガス(水素および酸素)を通さないこと、所定の保水機能があることが必要である。この条件を満たすものであれば、任意のものを選択して使用することができる。
【0042】
触媒層2、3は、水素還元能または酸素酸化能を有する電子伝導体と、プロトン伝導性電解質とからなる多孔質層である。触媒層は、燃料電池反応の触媒能(水素還元能または酸素酸化能)、プロトン伝導性、電子伝導性、及びガス拡散性を備えていれば任意のものを選択して使用することができる。
【0043】
触媒4a、4bとしては、具体的には白金、ロジウム、ルテニウム、イリジウム、パラジウム、オスミニウム等の白金族金属及びそれら合金からなる微粒子を用いることができる。触媒層としては、触媒微粒子をプロトン伝導性電解質と混連して層状に加工した多孔質層や、前記触媒微粒子をカーボン微粒子などの担体上に分散担持したものをプロトン伝導性電解質と混連して層状に加工した多孔質層を好ましく用いることができる。触媒層に撥水剤を混合するとさらに好ましい。
【0044】
触媒担体5a、5bの役割は、助触媒としての触媒活性向上、疎水性触媒の形態保持、電子伝導チャネルの確保、比表面積増大等が挙げられ、例えばカーボンブラックや金微粒子膜層を好ましく用いることができる。なお、触媒担体5a、5bは必ずしも使用しなくても良い。
【0045】
ガス拡散層6,7は、燃料電池反応を効率良く行わせるために、燃料ガスまたは空気を燃料極または空気極の触媒層中の電極反応領域へ、面内で均一に充分に供給する。それとともに、アノード電極反応によって生じる電荷を単セル外部に放出させること、さらに反応生成水や未反応ガスを単セル外部に効率よく排出する役割を担うものである。
【0046】
ガス拡散層は導電性多孔質物質であれば良く、疎水性を有することが好ましい。具体的には、炭素微粒子、炭素繊維、発泡金属、発泡合金、または金属繊維とからなる群から選ばれた少なくともいずれか1種類以上の材質と疎水性樹脂とからなるものが好ましい。例えば市販のカーボンクロスやカーボンペーパーを好ましく用いることができる。
【0047】
GDLの触媒層と接する面には、カーボン微粒子とPTFEの混合物からなる導電性マイクロポーラス層が形成されていることが好ましい。
図2は、本発明の溝付きMEAを用いて作製した固体高分子型燃料電池の単セルの断面構成の変形例を表す模式図である。
【0048】
本発明のMEAの構造は、例えば図2(a)乃至(c)に示すように、触媒層の電解質膜側の面に流体流通溝または流体溜まりとして作用する溝11が設けられていることを特徴とする。
【0049】
また前記溝は、例えば図2(b)に示すように、流体を流通または溜めるための溝が、GDLの電解質膜側の面に凹部を設け、該凹部の表面に触媒層を設けて形成された窪みからなることが好ましい。この様に、GDLの電解質膜側の面に溝が設けられ、その表面に倣って触媒層が設けられることにより、触媒層と電解質膜との界面に溝が形成されているのでも良い。
【0050】
また更に前記溝は、例えば図2(c)に示すように、電解質膜の触媒層と接する面に設けられているのでも良い。
MEAをこのような構造にすることで、触媒層で凝縮した生成水は、GDLへ向かうよりも優先的に電解質膜と触媒層との界面にある溝へと導かれ排水されるので、触媒層とGDL界面に生成水が滞留することが無い。
【0051】
更に本発明のMEAでは、溝が排水で満たされた場合でも、触媒層への燃料ガス吸気面積が低下することが無いので、燃料電池の発電特性が低下することが無い。
更に溝から排水される途中の水は、電解質膜が乾燥していた場所では電解質を加湿し、MEA面内の水分分布を均一化させる効果を発揮するので、本発明のMEAは燃料電池を長時間安定に運転することができる。
【0052】
前記溝の少なくとも一端は、前記面内の外側に開口していることが好ましい。このようにすることで、溝に溜まった水がMEAから排出されやすくなる。また水の排出が問題となる高出力運転以外の場合には、溝が水で満たされていないため、溝を反応ガスや水蒸気の拡散経路として利用することもできる。
【0053】
前記溝の幅は3μm以上1000μm以下、好ましくは10μm以上100μm以下にすることが望ましい。3μm未満では溝の幅が小さくなりすぎ、凝縮水の溝中での粘性力が増すため、溝端部から水が排水されにくくなり、排水能力が低下してしまう。また1000μmより大きいと溝の幅が大きくなりすぎるため、燃料電池セルを組み立てる際に、溝が変形して潰れてしまう可能性がある。
【0054】
また、前記ガス拡散層に設けられた溝の深さは3μm以上、好ましくは5μm以上にすることが望ましい。3μm未満では溝の深さが小さいので凝縮水の溝中での粘性力が増すため水の移動抵抗が大きくなり排水能力が低下する。溝深さの上限については厳密な制限は無いが、ガス拡散層の厚みの半分程度にしておくことが好ましい。溝の深さがガス拡散層の厚みに対して大きくなりすぎるとガス拡散層自体の機械的強度が弱くなってしまい、燃料電池セルを組み立てる際にガス拡散層が破壊されやすくなるため好ましくない。
【0055】
また、溝を触媒層に設ける場合も溝の深さは3μm以上、好ましくは5μm以上にすることが望ましい。
また、前記ガス拡散層の触媒層に接する面には1個または複数箇の溝が設けられているが、複数箇の溝を設ける方が好ましい。複数箇の溝が設けられた場合の溝と溝の間隔は、5μm以上1000μm以下、好ましくは10μm以上100μm以下にすることが望ましい。5μm未満であると溝間隔が小さくなりすぎて、溝と溝との間の畝部が剥離してしまいやすくなる。また1000μmより大きいと、溝間隔が大きくなりすぎてしまい溝と溝の間に生じた凝縮水が溝部に到達するまでの距離が長くなりすぎるため、排水性が悪くなってしまう。なお、溝間隔とは、ある一つの溝の端部から、その溝に隣接する溝の端部までの平均長さをいう。
【0056】
前記溝の幅は水蒸気分圧の高い部分から低い部分に向かって縮小していることが好ましい。水蒸気分圧の高い部分では発電で生じた水蒸気が凝集しやすいが、前記溝の幅を上記のように形成することで毛管力やクヌーセン効果により、凝集した水を水蒸気分圧の低い部分へと誘導または分散させることができる。
【0057】
また前記ガス拡散層の触媒層に接する面は、炭素微粒子、炭素繊維、発泡金属、発泡合金、または金属繊維とからなる群から選ばれた少なくともいずれか1種類以上の材質からなる導電性多孔質物質であることが好ましい。
【0058】
また前記ガス拡散電極は、カソードであることが好ましい。固体高分子型燃料電池では、カソード側の触媒層で生成水が生じるため、カソードでフラッディングが起こりやすく、本発明のMEAの効果が大きい。
【0059】
本発明の溝付きMEAを用いた燃料電池単セルの製造方法としては、様々な方法が挙げられるが、図1に示した構成の場合を例として、以下にその一例を挙げて説明する。なお、本発明は下記の製法になんら限定されるものではない。
【0060】
(1)カソード側GDLに溝を設ける工程
GDLとしてのカーボンクロス(E−TEK製、LT1200−W)を用い、カーボン微粒子層側に、レーザーで所望の溝形状を加工する。レーザーの種類、レーザーの出力、ビームサイズ、パルス幅、走査速度などは、所望の溝形状が得られるように合わせる。
【0061】
(2)カソード側触媒層を準備する工程
工程(1)で得られた溝付きGDL上に、反応性スパッタ法により多孔質白金酸化物触媒層を形成する。つづいて、この白金酸化物触媒層を水素還元処理することによって、多孔質な白金触媒層を得る。
【0062】
触媒層の厚さは工程(1)でGDLに設けた溝の最大幅の約1/3以下になることが好ましい。あまり厚く触媒層を形成すると、溝が触媒で充填されてしまい、排水のための空間が小さくなってしまうため排水性が低下する。
【0063】
さらにその後、得られた触媒層上にNafion溶液(5wt%,和光純薬製)を適量滴下し、その後真空中にて溶媒を揮発させることで、触媒表面に電解質チャネルを形成する。
【0064】
反応性スパッタ法による触媒層形成方法の他にも、スプレー法を用いて白金担持カーボン触媒層または白金黒触媒層をGDL上に形成することもできる。
具体的には、白金担持カーボン(Jhonson Matthey製、HiSPEC4000)または白金黒(Jhonson Matthey製、HiSPEC1000)と、Nafion、PTFE、IPA(イソプロピルアルコール)、水と混錬したスラリーを用い、(1)工程で得られた溝付きGDL上にスプレーコート法などの方法により触媒層を形成する。
【0065】
(3)アノード側の触媒層を準備する工程
PTFEシート上に、ドクターブレードを用いて白金担持カーボン触媒層または白金黒触媒層を形成する。触媒層の厚さは20μm以上40μm以下の範囲が好ましい。ここで使用する触媒スラリーは、白金担持カーボン(Jhonson Matthey製、HiSPEC4000)または白金黒(Jhonson Matthey製、HiSPEC1000)、及びNafion、PTFE、IPA(イソプロピルアルコール)、水の混錬物である。
【0066】
(4)MEAを作成する工程
工程(2)及び(3)で得られたカソード側及びアノード側触媒層によって、固体高分子電解質膜(Dupont製、Nafion112)を挟みこんでホットプレスを行う。さらにアノード側触媒層のPTFEシートを剥離することにより、一対の触媒層を固体高分子電解質膜に転写して、電解質膜と一対の触媒層を接合することで本発明の溝付きMEAを得る。
【0067】
(5)単セルを作成する工程
工程(4)で準備したMEAと、アノード側GDL(LT1200−W)及び燃料極電極および空気極電極とを図1のように重ねて、燃料電池単セルを作製する。
【0068】
本発明はこの単セル構成の固体高分子型燃料電池に限定されるものではなく、単セルを複数スタックした構成の固体高分子型燃料電池にも適用可能である。
【実施例】
【0069】
次に、具体的な実施例を示し、本発明を詳細に説明する。
実施例1
本実施例は、実施形態の中の図1に示した構成からなる固体高分子型燃料電池を作製した例である。
【0070】
以下、本実施例に係わる固体高分子型燃料電池の製造工程を詳細に説明する。
(工程1)
カーボンクロス(E−TEK製、LT1200−W)のカーボン微粒子層の面に、YAGレーザーを照射し、溝形状を加工した。レーザーの出力は8W、ビームサイズ10μm、パルス幅は3μm/パルス、走査速度を15mm/秒とした。溝の幅を15μmとするため、溝1つあたりレーザーを2回照射し、2回目の照射を1回目の照射より8μmほど溝幅方向に位置をずらして行った。
【0071】
上記の操作を繰り返し実行し、幅15μmの溝が20μm間隔でカーボン微粒子層全面に配置されたGDLを得た。その後、ガス拡散層を電極寸法に合わせて切り出し、すべての溝端部がガス拡散層側面で開口するようにした。
【0072】
レーザー加工により、GDLに形成された溝の形状を表す図面を図3及び図4に示す。図3は、本発明の実施例1の溝付きGDLの断面構造を示す走査電子顕微鏡写真(倍率150倍)である。図4は、本発明の実施例1の溝付きGDLの断面構造を示すレーザー顕微鏡写真(単位:μm)である。
【0073】
図3において、下層がカーボン繊維からなるカーボンクロス層、上層がカーボン微粒子からなるマイクロポーラス層である。多数の溝はマイクロポーラス層内に形成されていることが判る。
【0074】
また図4から、溝の形状及び寸法が判る。すなわち、溝は幅約15μm、深さ約30μmから40μmのV字型であり、間隔約20μmで形成されていることが判る。溝深さにばらつきがあるのは、カーボンクロスに多少のうねりが存在しており、レーザーの焦点を常にカーボン微粒子層表面に一致させることが出来ていないためである。
【0075】
(工程2)
カソード側触媒層を作成するため、(工程1)で得られたGDLの溝加工面に、反応性スパッタ法にて白金酸化物をPt担持量が0.92mg/cm2になるように形成した。反応性スパッタは、全圧5Pa、酸素流量比(QO2/(QAr+QO2))70%、投入パワー4.9W/cm2の条件にて行った。
【0076】
引き続き、この白金酸化物触媒を2%H2/He雰囲気(1atm)にて120℃、30分間の還元処理を行った。溝表面に白金触媒層が担持された様子を図5に示す。
図5は、本発明の実施例1の、白金触媒層を担持した溝付きGDLを示す走査電子顕微鏡写真(倍率1000倍)である。図5において白く見えるのが白金触媒層である。白金触媒層の厚さは溝の形状効果により、溝と溝の間の畝部では約4.2μmと厚く、溝内では約2μmと薄く形成されていることが判る。また溝の底を観察したところ、溝底部まで白金が担持されていた。このようにして、溝の凹凸に倣って白金触媒層を担持させた構造を有する、触媒層とGDLの複合体を得た。
【0077】
その後、PTFEとNafionの混合懸濁させたIPA溶液を触媒層に塗布することによって、触媒表面に電解質チャネルを形成するとともに適切な撥水処理を行った。
(工程3)
アノード側触媒層を作成するため、PTFEシート上に、ドクターブレード法にて白金担持カーボン層を約20μmの厚さに形成した。ここで使用する触媒スラリーは、白金担持カーボン(Jhonson Matthey製、HiSPEC4000)1質量部、Nafion0.07質量部、IPA1質量部、水0.4質量部の混錬物である。このときのPt担持量は0.3mg/cm2であった。
(工程4)
(工程2)及び(工程3)で作成した触媒層を電極寸法に合わせて2つ切り出し、固体高分子電解質膜(Dupont製、Nafion112)を挟み、8MPa、150℃、1minなるプレス条件でホットプレスを行った。その後白金担持カーボン層からPTFEシートを剥離することにより、本実施例の溝付きMEAを得た。
【0078】
(工程5)
(工程4)で準備したMEAを、アノード側GDL(LT1200−W)及び燃料極電極および空気極電極とを図1のような配置で挟み、燃料電池単セルを作製した。ここで両電極板にはスリットを設け、燃料ガスが流通できるようにした。
【0079】
以上の工程によって作製した単セルに関して、図6に示した構成の評価装置を用いて特性評価を行った。アノード電極側に水素ガスをデッドエンドで充填し、カソード電極側は大気に開放して、電池温度80℃にて放電試験を行ったところ、図7に示すような電流−電圧特性が得られた。
【0080】
比較例1として、(工程1)の溝付きGDLの代わりに溝加工されていないカーボンクロス(E−TEK製、LT1200−W)を用いた以外はすべて同様にして単セルを作成した。その単セルを用いた場合の電流−電圧特性を図7に示した。
【0081】
図7において、まず反応律速領域である0.9Vでの電流密度を比較すると、本実施例が19.6mA/cm2であったのに対し、比較例1では4.1mA/cm2であった。さらに、これをPt担持量で除した触媒比活性を比較すると、本実施例が21.3A/gであったのに対し、比較例1では4.5A/gであった。すなわち本実施例のMEAは比較例1のMEAに対し、触媒活性化分極による電池特性の劣化が大幅に抑えられていた。この結果は本実施例のMEAの溝がプロトン伝導や触媒表面における酸化還元反応を阻害せず、MEA内の水分が溝により効率良く拡散することで電解質が最適に調湿されることにより、触媒の活性が向上したことを示す。
【0082】
また拡散分極律速領域である500mA/cm2での電圧を比較すると、実施例1の単セルが0.55V以上の電圧が取れるのに対し、比較例1では約0.5V以下の電圧しか得られなかった。すなわち、本実施例の溝付きMEAは比較例のMEAに対し、拡散分極による電池特性の劣化が大幅に抑えられていた。このことは、実施例1の溝付きMEAが比較例1のMEAに対し、排水性に優れていることを示す。
【0083】
このことは、本実施例の溝付きMEA層が比較例のMEAに対し排水性に優れており、なおかつMEA面内の水分分布状態が自律的に最適に制御されることで、燃料電池性能の安定性と出力密度が同時に向上したことを示す。
【0084】
実施例2
本実施例は、実施形態の中の図1に示した構成からなる固体高分子型燃料電池を作製した例である。
【0085】
以下、本実施例に係わる固体高分子型燃料電池の製造工程を実施例1と構成および製法上異なる工程のみ説明する。
(工程1)
ガス拡散層としてカーボンクロス(E−TEK製、LT1400−W)を用い、前記カーボンクロスのカーボン微粒子からなる面に、YAGレーザーを照射し、溝形状を加工した。レーザーの出力は8W、ビームサイズ50μm、パルス幅は3μm/パルス、走査速度を25mm/秒とした。溝の幅を80μmとするため、溝1つあたりレーザーを2回照射し、1回目の照射は溝幅50μmであり、2回目の照射を1回目の照射より30μmほど溝幅方向に位置をずらして行った。
【0086】
上記の操作を繰り返し行い、幅80μm、深さ25μmの溝が900μm間隔でカーボン微粒子層面に配置されたGDLを得た。その後、ガス拡散層を電極寸法に合わせて切り出し、すべての溝端部がガス拡散層側面で開口するようにした。
【0087】
(工程2)
カソード側触媒層を作成するため、(工程1)で得られたGDLの溝加工面に、反応性スパッタ法にて白金酸化物をPt担持量が0.61mg/cm2になるように形成した。反応性スパッタは、全圧5Pa、酸素流量比(QO2/(QAr+QO2))70%、投入パワー4.9W/cm2の条件にて行った。
【0088】
次いで、この白金酸化物触媒を2%H2/He雰囲気(1atm)にて120℃、30分間の還元処理を行った。溝表面に白金触媒層が担持された様子を図8に示す。
図8は、本発明の実施例2の、白金触媒層を担持した溝付きGDLを示す走査電子顕微鏡写真(倍率500倍)である。図8において白く見えるのが白金触媒層である。このようにして、溝の凹凸に倣って白金触媒層を担持させた構造を有する、触媒層とGDLの複合体を得た。その後の工程は、実施例1と同様に行い、単セルを形成した。
【0089】
以上の工程によって作製した単セルに関して、図6に示した構成の評価装置を用いて特性評価を行った。アノード電極側に水素ガスを、カソード電極側に空気を流し、電池温度80℃にて放電試験を行ったところ、図9に示すような電流−電圧特性が得られた。
【0090】
比較例2として、(工程1)の溝付きGDLの代わりに溝加工されていないカーボンクロス(E−TEK製、LT1400−W)を用いた以外はすべて同様にして単セルを作成した。その単セルを用いた場合の電流−電圧特性を図9に示した。
【0091】
図9において、まず反応律速領域である0.9Vでの電流密度を比較すると、本実施例が9.4mA/cm2であったのに対し、比較例2では5.4mA/cm2であった。さらに、これをPt担持量で除した触媒比活性を比較すると、本実施例が15.4A/gであったのに対し、比較例2では8.8A/gであった。すなわち本実施例のMEAは比較例1のMEAに対し、触媒活性化分極による電池特性の劣化が大幅に抑えられていた。この結果は本実施例のMEAの溝がプロトン伝導や触媒表面における酸化還元反応を阻害せず、MEA内の水分が溝により効率良く拡散することで電解質が最適に調湿されることにより、触媒の活性が向上したことを示す。
【0092】
また拡散分極律速領域である500mA/cm2での電圧を比較すると、実施例2の単セルが0.47V以上の電圧が取れるのに対し、比較例2では約0.42Vの電圧しか得られなかった。すなわち、本実施例の溝付きMEAは比較例2のMEAに対し、拡散分極による電池特性の劣化が大幅に抑えられていた。このことは、実施例2の溝付きMEAが比較例2のMEAに対し、排水性に優れていることを示す。
【0093】
このことは、本実施例の溝付きMEA層が比較例のMEAに対し排水性に優れており、なおかつMEA面内の水分分布状態が自律的に最適に制御されることで、燃料電池性能の安定性と出力密度が同時に向上したことを示す。
【産業上の利用可能性】
【0094】
本発明の溝付きMEAは、電解質膜と触媒層との界面に溝を備えることによって、触媒層からの排水性を向上できるので、固体高分子型燃料電池を高出力で長時間駆動させることができる。
【0095】
また、本発明のガス拡散電極を備えた固体高分子型燃料電池は、携帯電話やノート型パソコン、デジタルカメラなど小型の電気機器用の燃料電池として利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【0096】
【図1】本発明の溝付きMEAを用いて作製した固体高分子型燃料電池単セルの断面構成の一例を表す模式図である。
【図2a】本発明の溝付きMEAを用いて作製した固体高分子型燃料電池の単セルの断面構成の変形例を表す模式図である。
【図2b】本発明の溝付きMEAを用いて作製した固体高分子型燃料電池の単セルの断面構成の変形例を表す模式図である。
【図2c】本発明の溝付きMEAを用いて作製した固体高分子型燃料電池の単セルの断面構成の変形例を表す模式図である。
【図3】本発明の実施例1の溝付きGDLの断面構造を示す走査電子顕微鏡写真(倍率150倍)である。
【図4】本発明の実施例1の溝付きGDLの断面構造を示すレーザー顕微鏡写真である。
【図5】本発明の実施例1の、白金触媒層を担持した溝付きGDLを示す走査電子顕微鏡写真(倍率1000倍)である。
【図6】固体高分子型燃料電池の評価装置の模式図である。
【図7】本発明の実施例1および比較例1の固体高分子型燃料電池の電流−電圧特性を示す図である。
【図8】本発明の実施例2の、白金触媒層を担持した溝付きGDLを示す走査電子顕微鏡写真(倍率500倍)である。
【図9】本発明の実施例2および比較例2の固体高分子型燃料電池の電流−電圧特性を示す図である。
【符号の説明】
【0097】
1 固体高分子電解質膜
2 アノード側触媒層
3 カソード側触媒層
4a、4b 触媒
5a、5b 触媒担体
6 アノード側ガス拡散層
7 カソード側ガス拡散層
8 アノード側電極(燃料極)
9 カソード側電極(空気極)
10 膜電極接合体
11 溝
【技術分野】
【0001】
本発明は、固体高分子型燃料電池用膜電極接合体及びそれを用いた固体高分子型燃料電池に関する。
【背景技術】
【0002】
固体高分子型燃料電池は、エネルギー変換効率が高いこと、クリーンであること、静かであることなどから、将来のエネルギー生成装置として期待されている。近年では、自動車や家庭用発電機などの用途がある。また、そのエネルギー密度の高さと運転温度の低さから携帯電話やノート型パソコン、デジタルカメラなど小型の電気機器に搭載することによって、従来の2次電池に比べ長時間駆動できる可能性があり、注目を集めている。
【0003】
しかし固体高分子型燃料電池は、運転温度が100℃以下でも駆動できるものの、発電時間の経過に伴って次第に電圧が低下し、終には発電が停止するという問題がある。これは反応で生じる水が燃料ガスの通気孔となる空隙内に滞留することで、反応物質である燃料ガスの供給を妨げてしまうことにより発電反応が停止するという、所謂「フラッディング」が原因である。特に水が生成するカソード側の触媒層でフラッディングが起きやすい。
【0004】
また小型の電気機器用燃料電池としての実用化には、システム全体のコンパクト化が必須である。特に燃料電池を小型電気機器に搭載する場合においては、電池自体も小型化する必要があり、ポンプやブロワーなどを用いずに空気を通気孔から自然拡散によって空気極へ供給させる方式(エアーブリージング方式)が多く採られている。このような場合、生成水は自然蒸発によってのみ燃料電池外へ排出され得るので、生成水が触媒層に滞留しフラッディングが起こることが多い。
【0005】
一般に燃料電池のガス給排気部に設けられセパレータには、フラッディング防止のため、流体流通溝が備えられ、この溝をガス拡散経路及び生成水の排水流路として利用する。さらに水の排出をスムーズに行うために、必要に応じてセパレータの溝表面にポリテトラフルオロエチレン(PTFE)などの撥水剤を付与したり、セパレータ材質や溝加工方法、溝形状などを工夫したりする。またエアーブリージング方式の燃料電池では、前記の溝付きセパレータの代わりに、発泡金属などの多孔性導電体を使用することで、ガス給排気部の空隙率を90%以上に高め、生成水の自然拡散を促進したり、空隙を生成水の排水路として利用したりする工夫がされているものがある。
【0006】
しかし、それでも燃料電池を高電流密度で長時間駆動すると、燃料電池の電圧降下が生じてしまう。これは発電により生成した水蒸気が、ガス拡散層(以下、GDLとも略記する)及び触媒層から構成されるガス拡散電極の空孔内で凝縮し、ガス拡散電極内でフラッディングを生じてしまうことが原因である。
【0007】
さらに、ガス流通溝を備えたセパレータで膜電極接合体(以下、MEAとも略記する)を挟持した形式の燃料電池や積層型の燃料電池では、電極面内の位置によってセル外部からの反応ガス及び水蒸気の拡散距離が異なる。そのため、ガス拡散電極の面内で水蒸気分圧分布が生じる。この場合、燃料電池を高負荷で長時間駆動すると、水蒸気分圧分布の差は大きくなり、局所的に飽和水蒸気圧に近くなる。その結果、生成した水蒸気はガス拡散電極内部の空孔内部で局所的に凝縮し空孔を塞ぎ、局所的なフラッディングを起こす。
【0008】
このようなガス拡散電極内でのフラッディングを防止するためには、ガス拡散電極の排水性を向上させることが必要である。
この目的のため、通常GDL及び触媒層の空孔内部は、PTFEなどの撥水剤などにより撥水性が付与されることが多い。
【0009】
具体的なGDLの材質としては、数μm径のカーボン繊維と、PTFEなどの疎水性樹脂との混合物からなるカーボンクロスやカーボンペーパーなどが用いられる。
あるいはカーボンクロスやカーボンペーパーを下地基材として、その片面または両面に、カーボン微粒子と疎水性樹脂との混合物からなるマイクロポーラス層を塗布したものもGDLとして用いられる。これはマイクロポーラス層により、触媒層や集電版とGDLとの接触抵抗を減少できるためである。本明細書中でGDLとは、このマイクロポーラス層と下地基板とからなる導電性多孔体も含む。
【0010】
触媒層に撥水性を付与するには、一般にPTFEなど疎水性高分子からなる微粒子を触媒微粒子や炭素担体微粒子などと混在させる方法が取られている。但しPTFE微粒子は不導体でかつ触媒活性も無いため、触媒層の疎水性を高めるためにPTFE微粒子を多く添加すると、触媒活性や触媒利用率が低下してしまう。
【0011】
上記のようにGDL及び触媒層は撥水性を付与されているが、両者の撥水度は触媒層>GDLであるように調整されることが多い。これは凝縮水を触媒層からGDLへ移動させ、またGDLから触媒層への水の逆流を防ぐためである。
【0012】
しかし疎水性を付与した多孔質体内では、水は多孔質体から外に押し出される力を受ける。このため疎水性多孔質体内へ水を染み込ませることは原理的に抵抗が大きく、GDL内への水の浸透速度は遅い。
【0013】
このため燃料電池を高負荷で駆動させると、触媒層で凝縮して発生した生成水の発生量がGDL内への浸透速度を上回り、凝縮水がGDL/触媒層界面に滞留してしまう。
逆にGDL内で生成水が凝縮する場合もあり、この場合では生成水はGDLの表面に押し出されるが、一部の凝縮水がGDL/触媒層界面に析出してしまう。そして触媒層とGDLの双方が疎水性であるため、どちらの空孔内へも浸透しにくい結果、界面で滞留してしまう凝縮水が発生する。
【0014】
燃料電池の出力密度が低い場合には、生成水はすべて水蒸気で拡散するため、上述のような問題は起こらない。しかし燃料電池を高電流密度で長時間駆動させると、上述のとおり水蒸気の拡散速度分布の違いからガス拡散電極内で局所的に水蒸気分圧が飽和水蒸気圧近傍に上昇する部分が多くなってくるため、GDLまたは触媒層内で凝縮する生成水が駆動時間とともに多くなる。このような場合、上述のようにGDL/触媒層界面に滞留する凝縮水が増加してしまう。
【0015】
GDL/触媒層界面に生成水が滞留すると、少量の水であっても広い面積の水膜を形成するため、反応ガスの触媒層への供給面積が大きく減少し、その結果として燃料電池の電圧が大きく低下または発電が停止してしまう。
【0016】
このように、GDL及び触媒層に撥水性を付与する方法では、燃料電池を高負荷で長時間駆動させた場合、GDL/触媒層界面へ凝縮水が滞留してしまうという課題があり、ガス拡散電極の排水性を効率良く改善できているとは言えなかった。
【0017】
このような問題を解決するため、GDL内に疎水性の異なる2種の微粒子からなる充填剤を混在させ、排水経路と反応ガス拡散経路とを分ける方法(特許文献1)が考案されている。
【0018】
さらに、触媒層のGDLと接する面に排水用の溝を設ける(特許文献2,3)方法、GDLの集電体側の面に排水溝を設ける(特許文献4)方法、GDLに疎水性貫通孔と親水性貫通孔を設ける方法(特許文献5)も考案されている。
【特許文献1】特開平10−289723号公報
【特許文献2】特開2004−327358号公報
【特許文献3】特開2005−38780号公報
【特許文献4】特開2002−100372号公報
【特許文献5】特開2003−151585号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0019】
しかし上記のような従来の方法では、次のような問題点がある。
まず、特許文献1に記載の構成の場合、GDL内の排水経路と反応ガス拡散経路は偶然に形成されることを期待しているため、それぞれの経路の構造が制御されていないため、排水経路と反応ガス拡散経路が必要以上に長くなる場合がある。或いは両経路が途中で繋がってしまった場所では排水が途中で止まるので、ガス拡散経路を塞いでしまう場合があるという問題点がある。
【0020】
また特許文献2及び3に記載の、触媒層のガス拡散層と接する面に排水用の凹溝を設ける構成の場合、触媒担持量が溝体積に相当する分減少してしまうため触媒の反応面積が減少し、燃料電池の出力密度が低下してしまうという問題点がある。
【0021】
さらに特許文献2及び3に記載の構成では、溝が排水で満たされた際には、触媒層への吸気面積が減少してしまうという問題点があった。
また特許文献4に記載のGDLの集電体側の面に排水溝を設ける構成の場合、溝が排水で満たされた際には、触媒層への吸気面積が減少してしまうという問題点があった。
【0022】
また特許文献5には、ガス拡散層に貫通孔を設け、かつ貫通孔をガス拡散経路と水拡散経路と完全に分離した構成が記載されている。実施例2に記載されているように、拡散層基材として金属など非多孔質材を用いた場合、基材と接する触媒には燃料ガスが届きにくく、触媒の反応面積が減少してしまう。その結果、フラッディングは抑制できるものの反応ガス供給律速から限界電流密度が低下してしまうという問題点があった。
【0023】
さらに貫通孔をガス拡散経路と水拡散経路と完全に分離した構成である。そのため、セパレータの代わりに発泡金属などの多孔性導電体を利用するエアーブリージング方式の燃料電池の場合では、上記構成によるフラッディング抑制効果は限定的にしか得られないという問題点があった。
【0024】
その理由は、導電性多孔体内の空孔は通常すべて連続した空孔構造となっているため、空孔内は疎水性か親水性かのどちらかにしか制御できず、ガス拡散層においてガス拡散用貫通孔と水拡散用貫通孔をいくら分離していても、導電性多孔体内で両経路が交差してしまうためである。
【0025】
従来技術では上記のような問題があり、ガス拡散電極の排水性を効率良く改善する技術が求められていた。
本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたもので、触媒層と電解質膜との界面に流体を流通または溜めるための溝を設けることで、排水性を向上させた固体高分子型燃料電池用MEAを提供するものである。
【0026】
また本発明は、上記のMEAを用いて、安定な発電特性を有する固体高分子型燃料電池を低コストで提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【0027】
上記の課題を解決する固体高分子型燃料電池用膜電極接合体は、電解質膜、触媒層及び導電性多孔質ガス拡散層とから構成される固体高分子型燃料電池用膜電極接合体において、前記触媒層と電解質膜との界面に流体を流通または溜めるための溝が設けられていることを特徴とする。
【0028】
前記流体を流通または溜めるための溝が、触媒層の電解質膜側の面に設けられていることが好ましい。
前記流体を流通または溜めるための溝が、導電性多孔質ガス拡散層の電解質膜側の面に凹部を設け、該凹部の表面に触媒層を設けて形成された窪みからなることが好ましい。
【0029】
前記流体を流通または溜めるための溝の幅が3μm以上1000μm以下であることが好ましい。
前記流体を流通または溜めるための溝の幅が、触媒層の中央部から外周部に向かって縮小していることが好ましい。
【0030】
前記流体を流通または溜めるための溝の幅が、膜電極接合体のカソード側に設けられていることが好ましい。
上記の課題を解決する固体高分子型燃料電池は、上記の燃料電池用膜電極接合体を用いたことを特徴とする。
【0031】
本発明における触媒層と電解質膜との界面に設けられた流体を流通または溜めるための溝は、流体流通溝または流体溜まりとして作用する。
本発明は、上記の排水性を向上させたガス拡散電極を用いて、安定な発電特性を有する固体高分子型燃料電池を低コストで提供するものである。
【0032】
本発明によれば、GDLと触媒層との界面に水が滞留し、反応ガスの供給を妨げるフラッディングを軽減させることができるため、燃料電池を高負荷で長時間安定に駆動させることができる。
【発明の効果】
【0033】
本発明によれば、触媒層と電解質膜との界面に流体を流通または溜めるための溝を設けることにより、排水性を向上させた溝付き固体高分子型燃料電池用膜電極接合体(以下、「溝付きMEA」)を提供することができる。
【0034】
また本発明は、前記溝付きMEAを用いて、安定な発電特性を有する固体高分子型燃料電池を提供することができる。特に、本発明はエアーブリージング方式の燃料電池のフラッディング抑制に有効である。
【発明を実施するための最良の形態】
【0035】
以下図面を参照して、本発明の溝付きMEAについて、好適な実施の形態を例示的に詳しく説明する。ただし、この実施の形態に記載されている構成部材の材質、寸法、形状、その相対配置等は、特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。同様に以下に記述する製造方法も唯一のものではない。
【0036】
図1は、本発明の溝付きMEAを用いて作製した固体高分子型燃料電池単セルの断面構成の一例を表す模式図である。図1において、1は固体高分子電解質膜、これを挟んで一対の触媒層、すなわちアノード側の触媒層2と、カソード側の触媒層3が配置されている。
【0037】
本実施の形態においては、カソード(空気極)側のみ溝が配置された例を示すが、配置構成としてはこれに限定するものではなく、例えば両極とも溝を配置する場合、あるいはアノード側のみ溝を配置する場合をも含んでおり、種々の構成を好ましく選択することができる。
【0038】
触媒層2及び3は、触媒4a、4bと、該触媒を支持する触媒担体5a、5bとから構成される。カソード側の触媒4bには、流体を流通または溜めるための溝11が設けられている。
【0039】
アノード側の触媒層2の外側には、アノード側ガス拡散層6とアノード側電極(燃料極)8が配置される。カソード側の触媒層3の外側には、カソード側ガス拡散層7とカソード側電極(空気極)9が配置される。
【0040】
固体高分子電解質膜1としては、スルホン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体や非フッ素重合体などの高分子材料から形成される。例えばスルホン酸型パーフルオロカーボン重合体や、ポリサルホン樹脂、ホスソン酸基またはカルボン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体を好適に使用することができる。パーフルオロスルホン酸ポリマーの例としてナフィオン(デュポン社製)が挙げられる。また非フッ素重合体の例として、スルホン化された方構造ポリエーテルケトン、ポリサルホンなどが挙げられる。
【0041】
なお、プロトンH+が電解質膜中をカソード側に向かって移動する場合には水分子を媒体として電解質中の親水性部分を移動するので、電解質膜は水分子を保有する機能も有していなければならない。したがって、固体高分子電解質膜の機能としては、アノード側で生成したプロトンH+をカソード側に伝達するとともに未反応の反応ガス(水素および酸素)を通さないこと、所定の保水機能があることが必要である。この条件を満たすものであれば、任意のものを選択して使用することができる。
【0042】
触媒層2、3は、水素還元能または酸素酸化能を有する電子伝導体と、プロトン伝導性電解質とからなる多孔質層である。触媒層は、燃料電池反応の触媒能(水素還元能または酸素酸化能)、プロトン伝導性、電子伝導性、及びガス拡散性を備えていれば任意のものを選択して使用することができる。
【0043】
触媒4a、4bとしては、具体的には白金、ロジウム、ルテニウム、イリジウム、パラジウム、オスミニウム等の白金族金属及びそれら合金からなる微粒子を用いることができる。触媒層としては、触媒微粒子をプロトン伝導性電解質と混連して層状に加工した多孔質層や、前記触媒微粒子をカーボン微粒子などの担体上に分散担持したものをプロトン伝導性電解質と混連して層状に加工した多孔質層を好ましく用いることができる。触媒層に撥水剤を混合するとさらに好ましい。
【0044】
触媒担体5a、5bの役割は、助触媒としての触媒活性向上、疎水性触媒の形態保持、電子伝導チャネルの確保、比表面積増大等が挙げられ、例えばカーボンブラックや金微粒子膜層を好ましく用いることができる。なお、触媒担体5a、5bは必ずしも使用しなくても良い。
【0045】
ガス拡散層6,7は、燃料電池反応を効率良く行わせるために、燃料ガスまたは空気を燃料極または空気極の触媒層中の電極反応領域へ、面内で均一に充分に供給する。それとともに、アノード電極反応によって生じる電荷を単セル外部に放出させること、さらに反応生成水や未反応ガスを単セル外部に効率よく排出する役割を担うものである。
【0046】
ガス拡散層は導電性多孔質物質であれば良く、疎水性を有することが好ましい。具体的には、炭素微粒子、炭素繊維、発泡金属、発泡合金、または金属繊維とからなる群から選ばれた少なくともいずれか1種類以上の材質と疎水性樹脂とからなるものが好ましい。例えば市販のカーボンクロスやカーボンペーパーを好ましく用いることができる。
【0047】
GDLの触媒層と接する面には、カーボン微粒子とPTFEの混合物からなる導電性マイクロポーラス層が形成されていることが好ましい。
図2は、本発明の溝付きMEAを用いて作製した固体高分子型燃料電池の単セルの断面構成の変形例を表す模式図である。
【0048】
本発明のMEAの構造は、例えば図2(a)乃至(c)に示すように、触媒層の電解質膜側の面に流体流通溝または流体溜まりとして作用する溝11が設けられていることを特徴とする。
【0049】
また前記溝は、例えば図2(b)に示すように、流体を流通または溜めるための溝が、GDLの電解質膜側の面に凹部を設け、該凹部の表面に触媒層を設けて形成された窪みからなることが好ましい。この様に、GDLの電解質膜側の面に溝が設けられ、その表面に倣って触媒層が設けられることにより、触媒層と電解質膜との界面に溝が形成されているのでも良い。
【0050】
また更に前記溝は、例えば図2(c)に示すように、電解質膜の触媒層と接する面に設けられているのでも良い。
MEAをこのような構造にすることで、触媒層で凝縮した生成水は、GDLへ向かうよりも優先的に電解質膜と触媒層との界面にある溝へと導かれ排水されるので、触媒層とGDL界面に生成水が滞留することが無い。
【0051】
更に本発明のMEAでは、溝が排水で満たされた場合でも、触媒層への燃料ガス吸気面積が低下することが無いので、燃料電池の発電特性が低下することが無い。
更に溝から排水される途中の水は、電解質膜が乾燥していた場所では電解質を加湿し、MEA面内の水分分布を均一化させる効果を発揮するので、本発明のMEAは燃料電池を長時間安定に運転することができる。
【0052】
前記溝の少なくとも一端は、前記面内の外側に開口していることが好ましい。このようにすることで、溝に溜まった水がMEAから排出されやすくなる。また水の排出が問題となる高出力運転以外の場合には、溝が水で満たされていないため、溝を反応ガスや水蒸気の拡散経路として利用することもできる。
【0053】
前記溝の幅は3μm以上1000μm以下、好ましくは10μm以上100μm以下にすることが望ましい。3μm未満では溝の幅が小さくなりすぎ、凝縮水の溝中での粘性力が増すため、溝端部から水が排水されにくくなり、排水能力が低下してしまう。また1000μmより大きいと溝の幅が大きくなりすぎるため、燃料電池セルを組み立てる際に、溝が変形して潰れてしまう可能性がある。
【0054】
また、前記ガス拡散層に設けられた溝の深さは3μm以上、好ましくは5μm以上にすることが望ましい。3μm未満では溝の深さが小さいので凝縮水の溝中での粘性力が増すため水の移動抵抗が大きくなり排水能力が低下する。溝深さの上限については厳密な制限は無いが、ガス拡散層の厚みの半分程度にしておくことが好ましい。溝の深さがガス拡散層の厚みに対して大きくなりすぎるとガス拡散層自体の機械的強度が弱くなってしまい、燃料電池セルを組み立てる際にガス拡散層が破壊されやすくなるため好ましくない。
【0055】
また、溝を触媒層に設ける場合も溝の深さは3μm以上、好ましくは5μm以上にすることが望ましい。
また、前記ガス拡散層の触媒層に接する面には1個または複数箇の溝が設けられているが、複数箇の溝を設ける方が好ましい。複数箇の溝が設けられた場合の溝と溝の間隔は、5μm以上1000μm以下、好ましくは10μm以上100μm以下にすることが望ましい。5μm未満であると溝間隔が小さくなりすぎて、溝と溝との間の畝部が剥離してしまいやすくなる。また1000μmより大きいと、溝間隔が大きくなりすぎてしまい溝と溝の間に生じた凝縮水が溝部に到達するまでの距離が長くなりすぎるため、排水性が悪くなってしまう。なお、溝間隔とは、ある一つの溝の端部から、その溝に隣接する溝の端部までの平均長さをいう。
【0056】
前記溝の幅は水蒸気分圧の高い部分から低い部分に向かって縮小していることが好ましい。水蒸気分圧の高い部分では発電で生じた水蒸気が凝集しやすいが、前記溝の幅を上記のように形成することで毛管力やクヌーセン効果により、凝集した水を水蒸気分圧の低い部分へと誘導または分散させることができる。
【0057】
また前記ガス拡散層の触媒層に接する面は、炭素微粒子、炭素繊維、発泡金属、発泡合金、または金属繊維とからなる群から選ばれた少なくともいずれか1種類以上の材質からなる導電性多孔質物質であることが好ましい。
【0058】
また前記ガス拡散電極は、カソードであることが好ましい。固体高分子型燃料電池では、カソード側の触媒層で生成水が生じるため、カソードでフラッディングが起こりやすく、本発明のMEAの効果が大きい。
【0059】
本発明の溝付きMEAを用いた燃料電池単セルの製造方法としては、様々な方法が挙げられるが、図1に示した構成の場合を例として、以下にその一例を挙げて説明する。なお、本発明は下記の製法になんら限定されるものではない。
【0060】
(1)カソード側GDLに溝を設ける工程
GDLとしてのカーボンクロス(E−TEK製、LT1200−W)を用い、カーボン微粒子層側に、レーザーで所望の溝形状を加工する。レーザーの種類、レーザーの出力、ビームサイズ、パルス幅、走査速度などは、所望の溝形状が得られるように合わせる。
【0061】
(2)カソード側触媒層を準備する工程
工程(1)で得られた溝付きGDL上に、反応性スパッタ法により多孔質白金酸化物触媒層を形成する。つづいて、この白金酸化物触媒層を水素還元処理することによって、多孔質な白金触媒層を得る。
【0062】
触媒層の厚さは工程(1)でGDLに設けた溝の最大幅の約1/3以下になることが好ましい。あまり厚く触媒層を形成すると、溝が触媒で充填されてしまい、排水のための空間が小さくなってしまうため排水性が低下する。
【0063】
さらにその後、得られた触媒層上にNafion溶液(5wt%,和光純薬製)を適量滴下し、その後真空中にて溶媒を揮発させることで、触媒表面に電解質チャネルを形成する。
【0064】
反応性スパッタ法による触媒層形成方法の他にも、スプレー法を用いて白金担持カーボン触媒層または白金黒触媒層をGDL上に形成することもできる。
具体的には、白金担持カーボン(Jhonson Matthey製、HiSPEC4000)または白金黒(Jhonson Matthey製、HiSPEC1000)と、Nafion、PTFE、IPA(イソプロピルアルコール)、水と混錬したスラリーを用い、(1)工程で得られた溝付きGDL上にスプレーコート法などの方法により触媒層を形成する。
【0065】
(3)アノード側の触媒層を準備する工程
PTFEシート上に、ドクターブレードを用いて白金担持カーボン触媒層または白金黒触媒層を形成する。触媒層の厚さは20μm以上40μm以下の範囲が好ましい。ここで使用する触媒スラリーは、白金担持カーボン(Jhonson Matthey製、HiSPEC4000)または白金黒(Jhonson Matthey製、HiSPEC1000)、及びNafion、PTFE、IPA(イソプロピルアルコール)、水の混錬物である。
【0066】
(4)MEAを作成する工程
工程(2)及び(3)で得られたカソード側及びアノード側触媒層によって、固体高分子電解質膜(Dupont製、Nafion112)を挟みこんでホットプレスを行う。さらにアノード側触媒層のPTFEシートを剥離することにより、一対の触媒層を固体高分子電解質膜に転写して、電解質膜と一対の触媒層を接合することで本発明の溝付きMEAを得る。
【0067】
(5)単セルを作成する工程
工程(4)で準備したMEAと、アノード側GDL(LT1200−W)及び燃料極電極および空気極電極とを図1のように重ねて、燃料電池単セルを作製する。
【0068】
本発明はこの単セル構成の固体高分子型燃料電池に限定されるものではなく、単セルを複数スタックした構成の固体高分子型燃料電池にも適用可能である。
【実施例】
【0069】
次に、具体的な実施例を示し、本発明を詳細に説明する。
実施例1
本実施例は、実施形態の中の図1に示した構成からなる固体高分子型燃料電池を作製した例である。
【0070】
以下、本実施例に係わる固体高分子型燃料電池の製造工程を詳細に説明する。
(工程1)
カーボンクロス(E−TEK製、LT1200−W)のカーボン微粒子層の面に、YAGレーザーを照射し、溝形状を加工した。レーザーの出力は8W、ビームサイズ10μm、パルス幅は3μm/パルス、走査速度を15mm/秒とした。溝の幅を15μmとするため、溝1つあたりレーザーを2回照射し、2回目の照射を1回目の照射より8μmほど溝幅方向に位置をずらして行った。
【0071】
上記の操作を繰り返し実行し、幅15μmの溝が20μm間隔でカーボン微粒子層全面に配置されたGDLを得た。その後、ガス拡散層を電極寸法に合わせて切り出し、すべての溝端部がガス拡散層側面で開口するようにした。
【0072】
レーザー加工により、GDLに形成された溝の形状を表す図面を図3及び図4に示す。図3は、本発明の実施例1の溝付きGDLの断面構造を示す走査電子顕微鏡写真(倍率150倍)である。図4は、本発明の実施例1の溝付きGDLの断面構造を示すレーザー顕微鏡写真(単位:μm)である。
【0073】
図3において、下層がカーボン繊維からなるカーボンクロス層、上層がカーボン微粒子からなるマイクロポーラス層である。多数の溝はマイクロポーラス層内に形成されていることが判る。
【0074】
また図4から、溝の形状及び寸法が判る。すなわち、溝は幅約15μm、深さ約30μmから40μmのV字型であり、間隔約20μmで形成されていることが判る。溝深さにばらつきがあるのは、カーボンクロスに多少のうねりが存在しており、レーザーの焦点を常にカーボン微粒子層表面に一致させることが出来ていないためである。
【0075】
(工程2)
カソード側触媒層を作成するため、(工程1)で得られたGDLの溝加工面に、反応性スパッタ法にて白金酸化物をPt担持量が0.92mg/cm2になるように形成した。反応性スパッタは、全圧5Pa、酸素流量比(QO2/(QAr+QO2))70%、投入パワー4.9W/cm2の条件にて行った。
【0076】
引き続き、この白金酸化物触媒を2%H2/He雰囲気(1atm)にて120℃、30分間の還元処理を行った。溝表面に白金触媒層が担持された様子を図5に示す。
図5は、本発明の実施例1の、白金触媒層を担持した溝付きGDLを示す走査電子顕微鏡写真(倍率1000倍)である。図5において白く見えるのが白金触媒層である。白金触媒層の厚さは溝の形状効果により、溝と溝の間の畝部では約4.2μmと厚く、溝内では約2μmと薄く形成されていることが判る。また溝の底を観察したところ、溝底部まで白金が担持されていた。このようにして、溝の凹凸に倣って白金触媒層を担持させた構造を有する、触媒層とGDLの複合体を得た。
【0077】
その後、PTFEとNafionの混合懸濁させたIPA溶液を触媒層に塗布することによって、触媒表面に電解質チャネルを形成するとともに適切な撥水処理を行った。
(工程3)
アノード側触媒層を作成するため、PTFEシート上に、ドクターブレード法にて白金担持カーボン層を約20μmの厚さに形成した。ここで使用する触媒スラリーは、白金担持カーボン(Jhonson Matthey製、HiSPEC4000)1質量部、Nafion0.07質量部、IPA1質量部、水0.4質量部の混錬物である。このときのPt担持量は0.3mg/cm2であった。
(工程4)
(工程2)及び(工程3)で作成した触媒層を電極寸法に合わせて2つ切り出し、固体高分子電解質膜(Dupont製、Nafion112)を挟み、8MPa、150℃、1minなるプレス条件でホットプレスを行った。その後白金担持カーボン層からPTFEシートを剥離することにより、本実施例の溝付きMEAを得た。
【0078】
(工程5)
(工程4)で準備したMEAを、アノード側GDL(LT1200−W)及び燃料極電極および空気極電極とを図1のような配置で挟み、燃料電池単セルを作製した。ここで両電極板にはスリットを設け、燃料ガスが流通できるようにした。
【0079】
以上の工程によって作製した単セルに関して、図6に示した構成の評価装置を用いて特性評価を行った。アノード電極側に水素ガスをデッドエンドで充填し、カソード電極側は大気に開放して、電池温度80℃にて放電試験を行ったところ、図7に示すような電流−電圧特性が得られた。
【0080】
比較例1として、(工程1)の溝付きGDLの代わりに溝加工されていないカーボンクロス(E−TEK製、LT1200−W)を用いた以外はすべて同様にして単セルを作成した。その単セルを用いた場合の電流−電圧特性を図7に示した。
【0081】
図7において、まず反応律速領域である0.9Vでの電流密度を比較すると、本実施例が19.6mA/cm2であったのに対し、比較例1では4.1mA/cm2であった。さらに、これをPt担持量で除した触媒比活性を比較すると、本実施例が21.3A/gであったのに対し、比較例1では4.5A/gであった。すなわち本実施例のMEAは比較例1のMEAに対し、触媒活性化分極による電池特性の劣化が大幅に抑えられていた。この結果は本実施例のMEAの溝がプロトン伝導や触媒表面における酸化還元反応を阻害せず、MEA内の水分が溝により効率良く拡散することで電解質が最適に調湿されることにより、触媒の活性が向上したことを示す。
【0082】
また拡散分極律速領域である500mA/cm2での電圧を比較すると、実施例1の単セルが0.55V以上の電圧が取れるのに対し、比較例1では約0.5V以下の電圧しか得られなかった。すなわち、本実施例の溝付きMEAは比較例のMEAに対し、拡散分極による電池特性の劣化が大幅に抑えられていた。このことは、実施例1の溝付きMEAが比較例1のMEAに対し、排水性に優れていることを示す。
【0083】
このことは、本実施例の溝付きMEA層が比較例のMEAに対し排水性に優れており、なおかつMEA面内の水分分布状態が自律的に最適に制御されることで、燃料電池性能の安定性と出力密度が同時に向上したことを示す。
【0084】
実施例2
本実施例は、実施形態の中の図1に示した構成からなる固体高分子型燃料電池を作製した例である。
【0085】
以下、本実施例に係わる固体高分子型燃料電池の製造工程を実施例1と構成および製法上異なる工程のみ説明する。
(工程1)
ガス拡散層としてカーボンクロス(E−TEK製、LT1400−W)を用い、前記カーボンクロスのカーボン微粒子からなる面に、YAGレーザーを照射し、溝形状を加工した。レーザーの出力は8W、ビームサイズ50μm、パルス幅は3μm/パルス、走査速度を25mm/秒とした。溝の幅を80μmとするため、溝1つあたりレーザーを2回照射し、1回目の照射は溝幅50μmであり、2回目の照射を1回目の照射より30μmほど溝幅方向に位置をずらして行った。
【0086】
上記の操作を繰り返し行い、幅80μm、深さ25μmの溝が900μm間隔でカーボン微粒子層面に配置されたGDLを得た。その後、ガス拡散層を電極寸法に合わせて切り出し、すべての溝端部がガス拡散層側面で開口するようにした。
【0087】
(工程2)
カソード側触媒層を作成するため、(工程1)で得られたGDLの溝加工面に、反応性スパッタ法にて白金酸化物をPt担持量が0.61mg/cm2になるように形成した。反応性スパッタは、全圧5Pa、酸素流量比(QO2/(QAr+QO2))70%、投入パワー4.9W/cm2の条件にて行った。
【0088】
次いで、この白金酸化物触媒を2%H2/He雰囲気(1atm)にて120℃、30分間の還元処理を行った。溝表面に白金触媒層が担持された様子を図8に示す。
図8は、本発明の実施例2の、白金触媒層を担持した溝付きGDLを示す走査電子顕微鏡写真(倍率500倍)である。図8において白く見えるのが白金触媒層である。このようにして、溝の凹凸に倣って白金触媒層を担持させた構造を有する、触媒層とGDLの複合体を得た。その後の工程は、実施例1と同様に行い、単セルを形成した。
【0089】
以上の工程によって作製した単セルに関して、図6に示した構成の評価装置を用いて特性評価を行った。アノード電極側に水素ガスを、カソード電極側に空気を流し、電池温度80℃にて放電試験を行ったところ、図9に示すような電流−電圧特性が得られた。
【0090】
比較例2として、(工程1)の溝付きGDLの代わりに溝加工されていないカーボンクロス(E−TEK製、LT1400−W)を用いた以外はすべて同様にして単セルを作成した。その単セルを用いた場合の電流−電圧特性を図9に示した。
【0091】
図9において、まず反応律速領域である0.9Vでの電流密度を比較すると、本実施例が9.4mA/cm2であったのに対し、比較例2では5.4mA/cm2であった。さらに、これをPt担持量で除した触媒比活性を比較すると、本実施例が15.4A/gであったのに対し、比較例2では8.8A/gであった。すなわち本実施例のMEAは比較例1のMEAに対し、触媒活性化分極による電池特性の劣化が大幅に抑えられていた。この結果は本実施例のMEAの溝がプロトン伝導や触媒表面における酸化還元反応を阻害せず、MEA内の水分が溝により効率良く拡散することで電解質が最適に調湿されることにより、触媒の活性が向上したことを示す。
【0092】
また拡散分極律速領域である500mA/cm2での電圧を比較すると、実施例2の単セルが0.47V以上の電圧が取れるのに対し、比較例2では約0.42Vの電圧しか得られなかった。すなわち、本実施例の溝付きMEAは比較例2のMEAに対し、拡散分極による電池特性の劣化が大幅に抑えられていた。このことは、実施例2の溝付きMEAが比較例2のMEAに対し、排水性に優れていることを示す。
【0093】
このことは、本実施例の溝付きMEA層が比較例のMEAに対し排水性に優れており、なおかつMEA面内の水分分布状態が自律的に最適に制御されることで、燃料電池性能の安定性と出力密度が同時に向上したことを示す。
【産業上の利用可能性】
【0094】
本発明の溝付きMEAは、電解質膜と触媒層との界面に溝を備えることによって、触媒層からの排水性を向上できるので、固体高分子型燃料電池を高出力で長時間駆動させることができる。
【0095】
また、本発明のガス拡散電極を備えた固体高分子型燃料電池は、携帯電話やノート型パソコン、デジタルカメラなど小型の電気機器用の燃料電池として利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【0096】
【図1】本発明の溝付きMEAを用いて作製した固体高分子型燃料電池単セルの断面構成の一例を表す模式図である。
【図2a】本発明の溝付きMEAを用いて作製した固体高分子型燃料電池の単セルの断面構成の変形例を表す模式図である。
【図2b】本発明の溝付きMEAを用いて作製した固体高分子型燃料電池の単セルの断面構成の変形例を表す模式図である。
【図2c】本発明の溝付きMEAを用いて作製した固体高分子型燃料電池の単セルの断面構成の変形例を表す模式図である。
【図3】本発明の実施例1の溝付きGDLの断面構造を示す走査電子顕微鏡写真(倍率150倍)である。
【図4】本発明の実施例1の溝付きGDLの断面構造を示すレーザー顕微鏡写真である。
【図5】本発明の実施例1の、白金触媒層を担持した溝付きGDLを示す走査電子顕微鏡写真(倍率1000倍)である。
【図6】固体高分子型燃料電池の評価装置の模式図である。
【図7】本発明の実施例1および比較例1の固体高分子型燃料電池の電流−電圧特性を示す図である。
【図8】本発明の実施例2の、白金触媒層を担持した溝付きGDLを示す走査電子顕微鏡写真(倍率500倍)である。
【図9】本発明の実施例2および比較例2の固体高分子型燃料電池の電流−電圧特性を示す図である。
【符号の説明】
【0097】
1 固体高分子電解質膜
2 アノード側触媒層
3 カソード側触媒層
4a、4b 触媒
5a、5b 触媒担体
6 アノード側ガス拡散層
7 カソード側ガス拡散層
8 アノード側電極(燃料極)
9 カソード側電極(空気極)
10 膜電極接合体
11 溝
【特許請求の範囲】
【請求項1】
電解質膜、触媒層及び導電性多孔質ガス拡散層とから構成される固体高分子型燃料電池用膜電極接合体において、前記触媒層と電解質膜との界面に流体を流通または溜めるための溝が設けられていることを特徴とする固体高分子型燃料電池用膜電極接合体。
【請求項2】
前記流体を流通または溜めるための溝が、触媒層の電解質膜側の面に設けられていることを特徴とする請求項1に記載の固体高分子型燃料電池用膜電極接合体。
【請求項3】
前記流体を流通または溜めるための溝が、導電性多孔質ガス拡散層の電解質膜側の面に凹部を設け、該凹部の表面に触媒層を設けて形成された窪みからなることを特徴とする請求項1または2に記載の固体高分子型燃料電池用膜電極接合体。
【請求項4】
前記流体を流通または溜めるための溝の幅が3μm以上1000μm以下であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかの項に記載の固体高分子型燃料電池用膜電極接合体。
【請求項5】
前記流体を流通または溜めるための溝の幅が、触媒層の中央部から外周部に向かって縮小していることを特徴とする請求項1乃至4のいずれかの項に記載の固体高分子型燃料電池用膜電極接合体。
【請求項6】
前記流体を流通または溜めるための溝の幅が、膜電極接合体のカソード側に設けられていることを特徴とする請求項1乃至5のいずれかの項に記載の固体高分子型燃料電池用膜電極接合体。
【請求項7】
請求項1乃至6のいずれかに記載の燃料電池用膜電極接合体を用いた固体高分子型燃料電池。
【請求項1】
電解質膜、触媒層及び導電性多孔質ガス拡散層とから構成される固体高分子型燃料電池用膜電極接合体において、前記触媒層と電解質膜との界面に流体を流通または溜めるための溝が設けられていることを特徴とする固体高分子型燃料電池用膜電極接合体。
【請求項2】
前記流体を流通または溜めるための溝が、触媒層の電解質膜側の面に設けられていることを特徴とする請求項1に記載の固体高分子型燃料電池用膜電極接合体。
【請求項3】
前記流体を流通または溜めるための溝が、導電性多孔質ガス拡散層の電解質膜側の面に凹部を設け、該凹部の表面に触媒層を設けて形成された窪みからなることを特徴とする請求項1または2に記載の固体高分子型燃料電池用膜電極接合体。
【請求項4】
前記流体を流通または溜めるための溝の幅が3μm以上1000μm以下であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかの項に記載の固体高分子型燃料電池用膜電極接合体。
【請求項5】
前記流体を流通または溜めるための溝の幅が、触媒層の中央部から外周部に向かって縮小していることを特徴とする請求項1乃至4のいずれかの項に記載の固体高分子型燃料電池用膜電極接合体。
【請求項6】
前記流体を流通または溜めるための溝の幅が、膜電極接合体のカソード側に設けられていることを特徴とする請求項1乃至5のいずれかの項に記載の固体高分子型燃料電池用膜電極接合体。
【請求項7】
請求項1乃至6のいずれかに記載の燃料電池用膜電極接合体を用いた固体高分子型燃料電池。
【図1】
【図2a】
【図2b】
【図2c】
【図6】
【図7】
【図9】
【図3】
【図4】
【図5】
【図8】
【図2a】
【図2b】
【図2c】
【図6】
【図7】
【図9】
【図3】
【図4】
【図5】
【図8】
【公開番号】特開2008−117624(P2008−117624A)
【公開日】平成20年5月22日(2008.5.22)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2006−299470(P2006−299470)
【出願日】平成18年11月2日(2006.11.2)
【出願人】(000001007)キヤノン株式会社 (59,756)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成20年5月22日(2008.5.22)
【国際特許分類】
【出願日】平成18年11月2日(2006.11.2)
【出願人】(000001007)キヤノン株式会社 (59,756)
【Fターム(参考)】
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