燃料電池及び燃料電池の製造方法
【課題】膜電極接合体や電解質膜の膨潤、収縮を抑制し易い燃料電池の構造を提供する。
【解決手段】燃料電池は、膜電極接合体１２０と、膜電極接合体の外縁部に配置されるアノード側変形部材１６３及びカソード側変形部材１６２と、膜電極接合体とアノード側変形部材１６３及びカソード側変形部材１６２と、を挟持するガス拡散層１４２、１４３と、を備えている。アノード側変形部材の吸水性を、カソード側変形部材の吸水性よりも大きくすることにより、膜電極接合体や電解質膜の膨潤、収縮を抑制し易い構造となる。
【解決手段】燃料電池は、膜電極接合体１２０と、膜電極接合体の外縁部に配置されるアノード側変形部材１６３及びカソード側変形部材１６２と、膜電極接合体とアノード側変形部材１６３及びカソード側変形部材１６２と、を挟持するガス拡散層１４２、１４３と、を備えている。アノード側変形部材の吸水性を、カソード側変形部材の吸水性よりも大きくすることにより、膜電極接合体や電解質膜の膨潤、収縮を抑制し易い構造となる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池の電解質膜と触媒層との外縁部に、電解質膜の厚さ方向に印加される押圧力により弾性変形する補強部材を設けた燃料電池が知られている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−０６８３１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、従来の技術では、膜電極接合体とガス拡散層との間の端部に生じる隙間を基点とする膨潤、収縮による電解質膜の変形を抑制し難い、という問題があった。
【０００５】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、膜電極接合体や電解質膜の膨潤、収縮を抑制し易い燃料電池の構造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】
【０００６】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００７】
［適用例１］
燃料電池であって、膜電極接合体と、前記膜電極接合体の外縁部に配置されるアノード側変形部材及びカソード側変形部材と、前記膜電極接合体と前記アノード側変形部材及び前記カソード側変形部材と、を挟持するガス拡散層と、を備え、前記アノード側変形部材の吸水性は、前記カソード側変形部材の吸水性よりも大きい、燃料電池。
この適用例によれば、変形部材が生成水を吸収すると共に、膜電極接合体が乾燥したときには、変形部材が保水層として水を供給するため、膜電極接合体の膨潤や乾燥による収縮を抑制し易い。また、カソードで生成した生成水をアノードに移動させてアノード側変形部材に吸収させることができるので、カソードでの応力発生を抑制し易い。
【０００８】
［適用例２］
適用例１に記載の燃料電池において、前記カソード側変形部材及び前記アノード側変形部材は、スルホン酸基を含む電解質により形成されており、前記アノード側変形部材のスルホン酸基１モル当たりの乾燥重量は、前記カソード側変形部材のスルホン酸基１モル当たりの乾燥重量よりも小さい、燃料電池。
この適用例によれば、スルホン酸基１モル当たりの乾燥重量を小さくすることにより、極性が強い生成水を吸水し易くできる。
【０００９】
［適用例３］
適用例１または適用例２に記載の燃料電池において、さらに、前記アノード側変形部材及び前記カソード側変形部材の外縁の外側に隣接して配置されるガス不透過層を備え、前記アノード側変形部材及び前記カソード側変形部材に対して圧力を掛けたときの変形量は、前記ガス不透過層に圧力を掛けたときの変形量よりも大きい、燃料電池。
この適用例によれば、アノード側変形部材及びカソード側変形部材を大きく変形させることができる。
【００１０】
［適用例４］
適用例１から適用例３までのうちのいずれか一項に記載の燃料電池において、前記燃料電池は、前記膜電極接合体と前記ガス拡散層との接合時において、前記アノード側変形部材及び前記カソード側変形部材のガラス転移温度以上に昇温されている、燃料電池。
この適用例によれば、アノード側変形部材及びカソード側変形部材のガラス転移温度以上に昇温することにより、アノード側変形部材及びカソード側変形部材を変形させることが出来る。
【００１１】
本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池の他、燃料電池の製造方法等、様々な形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】第１の実施例にかかる燃料電池の構成を示す説明図である。
【図２】従来の燃料電池の発電ユニットの膜電極接合体近傍を示す説明図である。
【図３】変形部材を備えガス拡散層を熱圧着する前の膜電極接合体を示す説明図である。
【図４】ガス拡散層を熱圧着した後の膜電極接合体を示す説明図である。
【図５】変形部材を有する膜電極接合体の製造工程を示す説明図である。
【図６】第２の実施例の膜電極接合体の製造工程を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
［第１の実施例］
図１は、第１の実施例にかかる燃料電池の構成を示す説明図である。燃料電池１０は、直列電池１００と、集電板２００、２０１と、絶縁板２１０、２１１と、押圧プレート２２０と、エンドプレート２３０、２３１と、テンションロッド２４０と、ナット２５０と、押圧バネ２６０と、を備える。
【００１４】
直列電池１００は、複数の発電ユニット１１０を備えている。各発電ユニット１１０は、それぞれが１個の単電池である。発電ユニット１１０は、積層されて直列に接続されており、直列電池１００として高電圧を発生させる。集電板２００、２０１は、直列電池１００の両側にそれぞれ配置されており、直列電池１００が発生した電圧、電流を外部に取り出すために用いられる。絶縁板２１０、２１１は、それぞれ集電板２００、２０１のさらに外側に配置されており、集電板２００、２０１と、他の部材、例えばエンドプレート２３０、２３１やテンションロッド２４０と、の間に電流が流れないように、絶縁する。エンドプレート２３０と押圧プレート２２０は、それぞれ絶縁板２１０、２１１のさらに外側に配置されている。押圧プレート２２０のさらに外側には、押圧バネ２６０が配置され、押圧バネ２６０のさらに外側にエンドプレート２３１が配置されている。エンドプレート２３１は、テンションロッド２４０とナット２５０により、エンドプレート２３０から所定の間隔となるように配置される。この場合、押圧バネ２６０により、押圧プレート２２０は、絶縁板２１１方向に押圧され、発電ユニット１１０に所定の締結力を与える。
【００１５】
図２は、従来の燃料電池の発電ユニットの膜電極接合体近傍を示す説明図である。発電ユニット１１０は、膜電極接合体１２０と、カソード側ガス不透過層１３２と、アノード側ガス不透過層１３３と、カソード側ガス拡散層１４２と、アノード側ガス拡散層１４３と、を備える。膜電極接合体１２０は、電解質膜１２１と、カソード側触媒層１２２と、アノード側触媒層１２３と、を備える。
【００１６】
電解質膜１２１は、固体高分子材料、例えばパーフルオロカーボンスルホン酸ポリマなどのフッ素系樹脂から成るプロトン伝導性のイオン交換膜である。カソード側触媒層１２２とアノード側触媒層１２３は、電気化学反応を促進する触媒、例えば、白金触媒、あるいは白金と他の金属から成る白金合金触媒を含んでいる。カソード側触媒層１２２は電解質膜１２１の一方の面に形成され、アノード側触媒層１２３は、電解質膜１２１の他方の面に形成されている。
【００１７】
カソード側ガス不透過層１３２は、カソード側触媒層１２２の外縁部に形成されている。カソード側ガス不透過層１３２は、膜電極接合体１２０の外縁部におけるカソード側ガス拡散層１４２から膜電極接合体１２０への酸化ガスの透過を抑制する。一般的に、電解質膜１２０に乾湿サイクルが加わった場合、膜電極接合体１２０の端部は、膜電極接合体１２０の中央部に比べると電解質膜１２１の膨潤及び乾燥による収縮により応力が加わりやすく変形し易い。そのため、かかる外縁部に反応ガスを供給させないようにしているものである。アノード側ガス不透過層１３３についても、同様に、アノード側触媒層１２３の外縁部に形成されている。
【００１８】
カソード側ガス拡散層１４２は、カソード側触媒層１２２に接するように配置されている。カソード側ガス拡散層１４２、酸化ガスを通過させるとともに、酸化ガスを拡散してカソード側触媒層１２２に供給するための部材である。カソード側ガス拡散層１４２は、カソード側触媒層１２２側から、マイクロポーラスレイヤー（ＭＰＬ）と、カーボン基材層と、金属多孔体層と、を有する。マイクロポーラスレイヤーは、微細カーボン粉末とフッ素樹脂とを混練して形成されている。マイクロポーラスレイヤーは、例えばカーボンクロスで形成されたカーボン基材層に塗布されている。金属多孔体層は、チタンなどの金属で構成された多孔体で形成されている。なお、金属多孔体層として、エキスパンドメタルを用いてもよい。なお、図２においては、マイクロポーラスレイヤー（ＭＰＬ）と、カーボン基材層と、金属多孔体層と、を区別して図示していない。アノードについても、同様な構成のアノード側ガス拡散層１４３を備えている。
【００１９】
なお、発電ユニット１１０は、カソード側ガス拡散層１４２からアノード側ガス拡散層１４３までを挟持するセパレータプレートを有しているが、図２においては図示していない。
【００２０】
図２において、カソード側ガス不透過層１３２の厚さは約１０μｍである。なお、カソード側ガス不透過層１３２の厚さとしては、１０μｍ以外の値を採用してもよい。カソード側ガス不透過層１３２の内側（膜電極接合体１２０の中央方向）には、隙間１５２が形成されている。なお、隙間１５２は、カソード側ガス不透過層１３２が変形しにくいために生じるものである。隙間１５２の中央方向への長さは約５００μｍである。この隙間１５２においては、膜電極接合体１２０に、カソード側ガス拡散層１４２からの面圧がかからない。そのため、発電ユニット１１０に、乾湿サイクルが加わると、膜電極接合体１２０が伸縮し、膜電極接合体１２０に応力がかかる。この伸縮が繰り返されると、膜電極接合体１２０が裂け、あるいは、反応ガスの膜電極接合体１２０の透過につながる。なお、アノード側においても同様の隙間１５３が形成される。
【００２１】
図３は、変形部材を備え、ガス拡散層を熱圧着する前の膜電極接合体を示す説明図である。カソード側変形部材１６２は、スルホン酸基を含む電解質で形成されている。ここで、カソード側変形部材１６２を形成する電解質のスルホン酸基１モル当たりの乾燥重量ＥＷＣＡは、電解質膜１２１を形成する電解質のＥＷＭＥＡよりも小さい。ここで、カソード側変形部材１６２の断面積は、６０００μｍ２（厚さ２０μｍ×幅３００μｍの長方形）であり、隙間１５２の断面積５０００μｍ２（厚さ１０μｍ×幅５００μｍの略三角形）よりも大きい。カソード側変形部材１６２や隙間１５２には奥行きがあるので、変形部材１６２の体積は、隙間１５２の容積よりも大きい。アノード側についても同様の構成のアノード側変形部材１６３を備える。なお、アノード側変形部材１６３を形成する電解質のスルホン酸基１モル当たりの乾燥重量ＥＷＡＮは、カソード側変形部材を形成する電解質のＥＷＣＡよりも小さく形成されている。
【００２２】
図４は、ガス拡散層を熱圧着した後の膜電極接合体を示す説明図である。この状態では、隙間１５２が形成される部分に、変形部材１６２が入り込んで埋めており、膜電極接合体１２０と、ガス拡散層１４２と、の間に空隙が生じていない。なお、隙間１５３が形成される部分においても、変形部材１６３が入り込んで埋めており、膜電極接合体１２０と、ガス拡散層１４３と、の間にも空隙が生じていない。
【００２３】
図５は、変形部材を有する膜電極接合体の製造工程を示す説明図である。ステップＳ５００では、隙間１５２、１５３の大きさ（断面積）を算出する。実施例で用いる膜電極接合体１２０と、ガス不透過層１３２、１３３、と、ガス拡散層１４２、１４３の構成から隙間１５２、１５３の大きさ（隙間１５２の幅）を例えば有限要素法（ＦＥＭ：Ｆｉｎｉｔｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ｍｅｔｈｏｄ）により算出してもよい。また、膜電極接合体１２０と、ガス不透過層１３２と、ガス拡散層１４２を用いてガス拡散層１４２が接合された膜電極接合体１２０を作成し、膜電極接合体１２０に掛かる面圧を測定して、隙間１５２の幅を算出してもよい。隙間１５３についても同様である。
【００２４】
ステップＳ５１０では、膜電極接合体１２０の外縁部にガス不透過層１３２、１３３を配置する。次いでステップＳ５２０では、ガス不透過層１３２、１３３の内側の膜電極接合体１２０上に変形部材１６２、１６３を配置する。上述したように、変形部材１６２、１６３の断面積は、ステップＳ５００において算出した隙間１５２、１５３の断面積よりも大きいことが好ましい。また、電解質膜１２１のスルホン酸基１モル当たりの乾燥重量ＥＷＭＥＡ、カソード側変形部材１６２のスルホン酸基１モル当たりの乾燥重量ＥＷＣＡ、アノード側変形部材１６３のスルホン酸基１モル当たりの乾燥重量ＥＷＡＮの間には、ＥＷＡＮ＜ＥＷＣＡ＜ＥＷＭＥＡの関係があることが好ましい。また、発電ユニット１１０の使用温度（−３０℃〜１２０℃）の範囲内において、変形部材１６２、１６３に圧力を掛けたときの変形量は、ガス不透過層１３２、１３３に圧力を掛けたときの変形量よりも大きいことが好ましい。これにより、以後の工程において、ガス不透過層１３２、１３３を変形させずに、変形部材１６２、１６３を大きく変形させることができる。なお、本実施例では、圧力を掛けた時の変形量を比較しているが、ヤング率を用いてもよい。
【００２５】
ステップＳ５３０では、ガス不透過層１３２、１３３及び変形部材１６２、１６３を挟持するようにガス拡散層１４２、１４３を配置する。ステップＳ５４０では、カソード側変形部材１６２、アノード側変形部材１６３のガラス転移温度以上の熱を加えながらカソード側ガス拡散層１４２とアノード側ガス拡散層１４３の間に圧力を加える。カソード側変形部材１６２、アノード側変形部材１６３は軟化し、それぞれ隙間１５２、１５３ができるはずの空間に入り込み、該空間を埋める。なお、カソード側触媒層１２２、アノード側触媒層１２３に外縁部にヒビが生じていた場合には、このヒビの隙間にも、軟化したカソード側変形部材１６２、アノード側変形部材１６３が侵入する。
【００２６】
本実施例によれば、膜電極接合体１２０と、ガス拡散層１４２、１４３との間に隙間が生じないので、ガス拡散層１４２、１４３からの締結面圧が膜電極接合体１２０に伝わる。その結果、膜電極接合体１２０に乾湿サイクルが加わっても、膜電極接合体１２０が変形しにくくなる。
【００２７】
カソード側触媒層１２２、アノード側触媒層１２３に外縁部にヒビが生じていた場合には、このヒビの隙間にも、軟化したカソード側変形部材１６２、アノード側変形部材１６３が侵入し、ヒビを埋める。その結果、カソード側触媒層１２２、アノード側触媒層１２３が割れにくくなる。
【００２８】
また、変形部材１６２、１６３には、反応ガスが侵入しにくくなるため、変形部材１６２、１６３の下部の膜電極接合体１２０において電気化学反応が起こりにくくなる。その結果、変形部材１６２、１６３の下部において、生成水が生じ難くなり、膜電極接合体１２０が膨潤し難くなる。
【００２９】
以上の理由により、膜電極接合体１２０の外縁部近傍で膜電極接合体１２０に応力が加わりにくく、膜電極接合体１２０の膨潤も起こりにくくなる。その結果、ガス不透過層１３２、１３３と膜電極接合体１２０との間の剥がれを抑制でき、反応ガスのリークも抑制できる。
【００３０】
また、本実施例では、変形部材１６２、１６３を形成する電解質のスルホン酸基１モル当たりの乾燥重量は、電解質膜１２１を形成する電解質のスルホン酸基１モル当たりの乾燥重量よりも小さい。ここで、電解質のスルホン酸基１モル当たりの乾燥重量が小さいと、電解質の単位重量当たりのスルホン酸基のモル等量が大きくなる。スルホン酸基は、極性が強いので、極性が強い水を吸収し易い。すなわち、発電により生成した生成水は、変形部材１６２、１６３に吸収され易い。その結果、変形部材１６２、１６３が吸水するため、電解質膜１２１の膨潤率を下げることができる。なお、変形部材１６２、１６３や電解質膜１２１の吸水性は、例えば、乾燥させた変形部材１６２、１６３や電解質膜１２１を一定期間水に浸し、水に浸す前後の重量比を測定することにより、求めることができる。
【００３１】
また、変形部材１６２、１６３が保水しているため、電解質膜１２１が乾燥しそうになると、変形部材１６２、１６３から電解質膜１２１に水を供給して、電解質膜１２１の乾燥を抑制し、電解質膜１２１が収縮することを抑制し、電解質膜１２１に掛かる引張応力を小さくすることができる。
【００３２】
また、本実施例では、アノード側変形部材１６３を形成する電解質のスルホン酸基１モル当たりの乾燥重量ＥＷＡＮは、カソード側変形部材１６２を形成する電解質のスルホン酸基１モル当たりの乾燥重量ＥＷＣＡよりも小さいため、アノード側変形部材１６３は、カソード側変形部材１６２よりも吸水しやすい。すなわち、カソードで生成した生成水をアノード側に移動させて、アノード側変形部材１６３に吸水させることができるので、カソード側において発生する応力の大きさを小さくすることができる。
【００３３】
［第２の実施例］
図６は第２の実施例の膜電極接合体の製造工程を示す説明図である。第１の実施例では、膜電極接合体１２０の外縁部にガス不透過層１３２、１３３を備えていたが、第２の実施例では、ガス不透過層１３２、１３３を備えていない点が異なる。
【００３４】
工程（ａ）では、膜電極接合体１２０上の外縁部に変形部材１６２、１６３を配置する。電解質膜１２１のスルホン酸基１モル当たりの乾燥重量ＥＷＭＥＡ、カソード側変形部材１６２のスルホン酸基１モル当たりの乾燥重量ＥＷＣＡ、アノード側変形部材１６３のスルホン酸基１モル当たりの乾燥重量ＥＷＡＮの間には、ＥＷＡＮ＜ＥＷＣＡ＜ＥＷＭＥＡの関係があることが好ましい。工程（ｂ）では、変形部材１６２、１６３を挟持するようにガス拡散層１４２、１４３を配置する。工程（ｃ）では、カソード側変形部材１６２、アノード側変形部材１６３のガラス転移温度以上の熱を加えながらカソード側ガス拡散層１４２とアノード側ガス拡散層１４３の間に圧力を加える。
【００３５】
第２の実施例によれば、ガス不透過層１３２、１３３を備えていない構成であっても、変形部材１６２、１６３を形成する電解質のスルホン酸基１モル当たりの乾燥重量は、電解質膜１２１を形成する電解質のスルホン酸基１モル当たりの乾燥重量よりも小さいので、発電により生成した生成水は、変形部材１６２、１６３に吸収され易い。すなわち、変形部材１６２、１６３が吸水するため、電解質膜１２１の膨潤率を下げることができる。
【００３６】
また、変形部材１６２、１６３が保水しているため、電解質膜１２１が乾燥しそうになると、変形部材１６２、１６３から電解質膜１２１に水を供給して、電解質膜１２１の乾燥を抑制し、電解質膜１２１が収縮することを抑制し、電解質膜１２１に掛かる引張応力を小さくすることができる。
【００３７】
また、第２の実施例でも、第１の実施例と同様に、カソードで生成した生成水をアノード側に移動させて、アノード側変形部材１６３に吸水させることができるので、カソード側において発生する応力の大きさを小さくすることができる。
【００３８】
上記各実施例では、変形部材１６２、１６３の材料として、スルホン酸系の電解質を用いているが、保水性を有し、電解質膜１２１が乾燥したときに電解質膜１２１へ水を供給できる構成であれば、他の構成を採用することも可能である。例えば、リン酸系の電解質を採用してもよい。
【００３９】
以上、いくつかの実施例に基づいて本発明の実施の形態について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。
【符号の説明】
【００４０】
１０…燃料電池
１００…直列電池
１１０…発電ユニット
１２０…膜電極接合体
１２１…電解質膜
１２２…カソード側触媒層
１２３…アノード側触媒層
１３２…カソード側ガス不透過層
１３３…アノード側ガス不透過層
１４２…カソード側ガス拡散層
１４３…アノード側ガス拡散層
１５２、１５３…隙間
１６２…カソード側変形部材
１６３…アノード側変形部材
２００、２０１…集電板
２１０、２１１…絶縁板
２２０…押圧プレート
２３０、２３１…エンドプレート
２４０…テンションロッド
２５０…ナット
２６０…押圧バネ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池の電解質膜と触媒層との外縁部に、電解質膜の厚さ方向に印加される押圧力により弾性変形する補強部材を設けた燃料電池が知られている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−０６８３１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、従来の技術では、膜電極接合体とガス拡散層との間の端部に生じる隙間を基点とする膨潤、収縮による電解質膜の変形を抑制し難い、という問題があった。
【０００５】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、膜電極接合体や電解質膜の膨潤、収縮を抑制し易い燃料電池の構造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】
【０００６】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００７】
［適用例１］
燃料電池であって、膜電極接合体と、前記膜電極接合体の外縁部に配置されるアノード側変形部材及びカソード側変形部材と、前記膜電極接合体と前記アノード側変形部材及び前記カソード側変形部材と、を挟持するガス拡散層と、を備え、前記アノード側変形部材の吸水性は、前記カソード側変形部材の吸水性よりも大きい、燃料電池。
この適用例によれば、変形部材が生成水を吸収すると共に、膜電極接合体が乾燥したときには、変形部材が保水層として水を供給するため、膜電極接合体の膨潤や乾燥による収縮を抑制し易い。また、カソードで生成した生成水をアノードに移動させてアノード側変形部材に吸収させることができるので、カソードでの応力発生を抑制し易い。
【０００８】
［適用例２］
適用例１に記載の燃料電池において、前記カソード側変形部材及び前記アノード側変形部材は、スルホン酸基を含む電解質により形成されており、前記アノード側変形部材のスルホン酸基１モル当たりの乾燥重量は、前記カソード側変形部材のスルホン酸基１モル当たりの乾燥重量よりも小さい、燃料電池。
この適用例によれば、スルホン酸基１モル当たりの乾燥重量を小さくすることにより、極性が強い生成水を吸水し易くできる。
【０００９】
［適用例３］
適用例１または適用例２に記載の燃料電池において、さらに、前記アノード側変形部材及び前記カソード側変形部材の外縁の外側に隣接して配置されるガス不透過層を備え、前記アノード側変形部材及び前記カソード側変形部材に対して圧力を掛けたときの変形量は、前記ガス不透過層に圧力を掛けたときの変形量よりも大きい、燃料電池。
この適用例によれば、アノード側変形部材及びカソード側変形部材を大きく変形させることができる。
【００１０】
［適用例４］
適用例１から適用例３までのうちのいずれか一項に記載の燃料電池において、前記燃料電池は、前記膜電極接合体と前記ガス拡散層との接合時において、前記アノード側変形部材及び前記カソード側変形部材のガラス転移温度以上に昇温されている、燃料電池。
この適用例によれば、アノード側変形部材及びカソード側変形部材のガラス転移温度以上に昇温することにより、アノード側変形部材及びカソード側変形部材を変形させることが出来る。
【００１１】
本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池の他、燃料電池の製造方法等、様々な形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】第１の実施例にかかる燃料電池の構成を示す説明図である。
【図２】従来の燃料電池の発電ユニットの膜電極接合体近傍を示す説明図である。
【図３】変形部材を備えガス拡散層を熱圧着する前の膜電極接合体を示す説明図である。
【図４】ガス拡散層を熱圧着した後の膜電極接合体を示す説明図である。
【図５】変形部材を有する膜電極接合体の製造工程を示す説明図である。
【図６】第２の実施例の膜電極接合体の製造工程を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
［第１の実施例］
図１は、第１の実施例にかかる燃料電池の構成を示す説明図である。燃料電池１０は、直列電池１００と、集電板２００、２０１と、絶縁板２１０、２１１と、押圧プレート２２０と、エンドプレート２３０、２３１と、テンションロッド２４０と、ナット２５０と、押圧バネ２６０と、を備える。
【００１４】
直列電池１００は、複数の発電ユニット１１０を備えている。各発電ユニット１１０は、それぞれが１個の単電池である。発電ユニット１１０は、積層されて直列に接続されており、直列電池１００として高電圧を発生させる。集電板２００、２０１は、直列電池１００の両側にそれぞれ配置されており、直列電池１００が発生した電圧、電流を外部に取り出すために用いられる。絶縁板２１０、２１１は、それぞれ集電板２００、２０１のさらに外側に配置されており、集電板２００、２０１と、他の部材、例えばエンドプレート２３０、２３１やテンションロッド２４０と、の間に電流が流れないように、絶縁する。エンドプレート２３０と押圧プレート２２０は、それぞれ絶縁板２１０、２１１のさらに外側に配置されている。押圧プレート２２０のさらに外側には、押圧バネ２６０が配置され、押圧バネ２６０のさらに外側にエンドプレート２３１が配置されている。エンドプレート２３１は、テンションロッド２４０とナット２５０により、エンドプレート２３０から所定の間隔となるように配置される。この場合、押圧バネ２６０により、押圧プレート２２０は、絶縁板２１１方向に押圧され、発電ユニット１１０に所定の締結力を与える。
【００１５】
図２は、従来の燃料電池の発電ユニットの膜電極接合体近傍を示す説明図である。発電ユニット１１０は、膜電極接合体１２０と、カソード側ガス不透過層１３２と、アノード側ガス不透過層１３３と、カソード側ガス拡散層１４２と、アノード側ガス拡散層１４３と、を備える。膜電極接合体１２０は、電解質膜１２１と、カソード側触媒層１２２と、アノード側触媒層１２３と、を備える。
【００１６】
電解質膜１２１は、固体高分子材料、例えばパーフルオロカーボンスルホン酸ポリマなどのフッ素系樹脂から成るプロトン伝導性のイオン交換膜である。カソード側触媒層１２２とアノード側触媒層１２３は、電気化学反応を促進する触媒、例えば、白金触媒、あるいは白金と他の金属から成る白金合金触媒を含んでいる。カソード側触媒層１２２は電解質膜１２１の一方の面に形成され、アノード側触媒層１２３は、電解質膜１２１の他方の面に形成されている。
【００１７】
カソード側ガス不透過層１３２は、カソード側触媒層１２２の外縁部に形成されている。カソード側ガス不透過層１３２は、膜電極接合体１２０の外縁部におけるカソード側ガス拡散層１４２から膜電極接合体１２０への酸化ガスの透過を抑制する。一般的に、電解質膜１２０に乾湿サイクルが加わった場合、膜電極接合体１２０の端部は、膜電極接合体１２０の中央部に比べると電解質膜１２１の膨潤及び乾燥による収縮により応力が加わりやすく変形し易い。そのため、かかる外縁部に反応ガスを供給させないようにしているものである。アノード側ガス不透過層１３３についても、同様に、アノード側触媒層１２３の外縁部に形成されている。
【００１８】
カソード側ガス拡散層１４２は、カソード側触媒層１２２に接するように配置されている。カソード側ガス拡散層１４２、酸化ガスを通過させるとともに、酸化ガスを拡散してカソード側触媒層１２２に供給するための部材である。カソード側ガス拡散層１４２は、カソード側触媒層１２２側から、マイクロポーラスレイヤー（ＭＰＬ）と、カーボン基材層と、金属多孔体層と、を有する。マイクロポーラスレイヤーは、微細カーボン粉末とフッ素樹脂とを混練して形成されている。マイクロポーラスレイヤーは、例えばカーボンクロスで形成されたカーボン基材層に塗布されている。金属多孔体層は、チタンなどの金属で構成された多孔体で形成されている。なお、金属多孔体層として、エキスパンドメタルを用いてもよい。なお、図２においては、マイクロポーラスレイヤー（ＭＰＬ）と、カーボン基材層と、金属多孔体層と、を区別して図示していない。アノードについても、同様な構成のアノード側ガス拡散層１４３を備えている。
【００１９】
なお、発電ユニット１１０は、カソード側ガス拡散層１４２からアノード側ガス拡散層１４３までを挟持するセパレータプレートを有しているが、図２においては図示していない。
【００２０】
図２において、カソード側ガス不透過層１３２の厚さは約１０μｍである。なお、カソード側ガス不透過層１３２の厚さとしては、１０μｍ以外の値を採用してもよい。カソード側ガス不透過層１３２の内側（膜電極接合体１２０の中央方向）には、隙間１５２が形成されている。なお、隙間１５２は、カソード側ガス不透過層１３２が変形しにくいために生じるものである。隙間１５２の中央方向への長さは約５００μｍである。この隙間１５２においては、膜電極接合体１２０に、カソード側ガス拡散層１４２からの面圧がかからない。そのため、発電ユニット１１０に、乾湿サイクルが加わると、膜電極接合体１２０が伸縮し、膜電極接合体１２０に応力がかかる。この伸縮が繰り返されると、膜電極接合体１２０が裂け、あるいは、反応ガスの膜電極接合体１２０の透過につながる。なお、アノード側においても同様の隙間１５３が形成される。
【００２１】
図３は、変形部材を備え、ガス拡散層を熱圧着する前の膜電極接合体を示す説明図である。カソード側変形部材１６２は、スルホン酸基を含む電解質で形成されている。ここで、カソード側変形部材１６２を形成する電解質のスルホン酸基１モル当たりの乾燥重量ＥＷＣＡは、電解質膜１２１を形成する電解質のＥＷＭＥＡよりも小さい。ここで、カソード側変形部材１６２の断面積は、６０００μｍ２（厚さ２０μｍ×幅３００μｍの長方形）であり、隙間１５２の断面積５０００μｍ２（厚さ１０μｍ×幅５００μｍの略三角形）よりも大きい。カソード側変形部材１６２や隙間１５２には奥行きがあるので、変形部材１６２の体積は、隙間１５２の容積よりも大きい。アノード側についても同様の構成のアノード側変形部材１６３を備える。なお、アノード側変形部材１６３を形成する電解質のスルホン酸基１モル当たりの乾燥重量ＥＷＡＮは、カソード側変形部材を形成する電解質のＥＷＣＡよりも小さく形成されている。
【００２２】
図４は、ガス拡散層を熱圧着した後の膜電極接合体を示す説明図である。この状態では、隙間１５２が形成される部分に、変形部材１６２が入り込んで埋めており、膜電極接合体１２０と、ガス拡散層１４２と、の間に空隙が生じていない。なお、隙間１５３が形成される部分においても、変形部材１６３が入り込んで埋めており、膜電極接合体１２０と、ガス拡散層１４３と、の間にも空隙が生じていない。
【００２３】
図５は、変形部材を有する膜電極接合体の製造工程を示す説明図である。ステップＳ５００では、隙間１５２、１５３の大きさ（断面積）を算出する。実施例で用いる膜電極接合体１２０と、ガス不透過層１３２、１３３、と、ガス拡散層１４２、１４３の構成から隙間１５２、１５３の大きさ（隙間１５２の幅）を例えば有限要素法（ＦＥＭ：Ｆｉｎｉｔｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ｍｅｔｈｏｄ）により算出してもよい。また、膜電極接合体１２０と、ガス不透過層１３２と、ガス拡散層１４２を用いてガス拡散層１４２が接合された膜電極接合体１２０を作成し、膜電極接合体１２０に掛かる面圧を測定して、隙間１５２の幅を算出してもよい。隙間１５３についても同様である。
【００２４】
ステップＳ５１０では、膜電極接合体１２０の外縁部にガス不透過層１３２、１３３を配置する。次いでステップＳ５２０では、ガス不透過層１３２、１３３の内側の膜電極接合体１２０上に変形部材１６２、１６３を配置する。上述したように、変形部材１６２、１６３の断面積は、ステップＳ５００において算出した隙間１５２、１５３の断面積よりも大きいことが好ましい。また、電解質膜１２１のスルホン酸基１モル当たりの乾燥重量ＥＷＭＥＡ、カソード側変形部材１６２のスルホン酸基１モル当たりの乾燥重量ＥＷＣＡ、アノード側変形部材１６３のスルホン酸基１モル当たりの乾燥重量ＥＷＡＮの間には、ＥＷＡＮ＜ＥＷＣＡ＜ＥＷＭＥＡの関係があることが好ましい。また、発電ユニット１１０の使用温度（−３０℃〜１２０℃）の範囲内において、変形部材１６２、１６３に圧力を掛けたときの変形量は、ガス不透過層１３２、１３３に圧力を掛けたときの変形量よりも大きいことが好ましい。これにより、以後の工程において、ガス不透過層１３２、１３３を変形させずに、変形部材１６２、１６３を大きく変形させることができる。なお、本実施例では、圧力を掛けた時の変形量を比較しているが、ヤング率を用いてもよい。
【００２５】
ステップＳ５３０では、ガス不透過層１３２、１３３及び変形部材１６２、１６３を挟持するようにガス拡散層１４２、１４３を配置する。ステップＳ５４０では、カソード側変形部材１６２、アノード側変形部材１６３のガラス転移温度以上の熱を加えながらカソード側ガス拡散層１４２とアノード側ガス拡散層１４３の間に圧力を加える。カソード側変形部材１６２、アノード側変形部材１６３は軟化し、それぞれ隙間１５２、１５３ができるはずの空間に入り込み、該空間を埋める。なお、カソード側触媒層１２２、アノード側触媒層１２３に外縁部にヒビが生じていた場合には、このヒビの隙間にも、軟化したカソード側変形部材１６２、アノード側変形部材１６３が侵入する。
【００２６】
本実施例によれば、膜電極接合体１２０と、ガス拡散層１４２、１４３との間に隙間が生じないので、ガス拡散層１４２、１４３からの締結面圧が膜電極接合体１２０に伝わる。その結果、膜電極接合体１２０に乾湿サイクルが加わっても、膜電極接合体１２０が変形しにくくなる。
【００２７】
カソード側触媒層１２２、アノード側触媒層１２３に外縁部にヒビが生じていた場合には、このヒビの隙間にも、軟化したカソード側変形部材１６２、アノード側変形部材１６３が侵入し、ヒビを埋める。その結果、カソード側触媒層１２２、アノード側触媒層１２３が割れにくくなる。
【００２８】
また、変形部材１６２、１６３には、反応ガスが侵入しにくくなるため、変形部材１６２、１６３の下部の膜電極接合体１２０において電気化学反応が起こりにくくなる。その結果、変形部材１６２、１６３の下部において、生成水が生じ難くなり、膜電極接合体１２０が膨潤し難くなる。
【００２９】
以上の理由により、膜電極接合体１２０の外縁部近傍で膜電極接合体１２０に応力が加わりにくく、膜電極接合体１２０の膨潤も起こりにくくなる。その結果、ガス不透過層１３２、１３３と膜電極接合体１２０との間の剥がれを抑制でき、反応ガスのリークも抑制できる。
【００３０】
また、本実施例では、変形部材１６２、１６３を形成する電解質のスルホン酸基１モル当たりの乾燥重量は、電解質膜１２１を形成する電解質のスルホン酸基１モル当たりの乾燥重量よりも小さい。ここで、電解質のスルホン酸基１モル当たりの乾燥重量が小さいと、電解質の単位重量当たりのスルホン酸基のモル等量が大きくなる。スルホン酸基は、極性が強いので、極性が強い水を吸収し易い。すなわち、発電により生成した生成水は、変形部材１６２、１６３に吸収され易い。その結果、変形部材１６２、１６３が吸水するため、電解質膜１２１の膨潤率を下げることができる。なお、変形部材１６２、１６３や電解質膜１２１の吸水性は、例えば、乾燥させた変形部材１６２、１６３や電解質膜１２１を一定期間水に浸し、水に浸す前後の重量比を測定することにより、求めることができる。
【００３１】
また、変形部材１６２、１６３が保水しているため、電解質膜１２１が乾燥しそうになると、変形部材１６２、１６３から電解質膜１２１に水を供給して、電解質膜１２１の乾燥を抑制し、電解質膜１２１が収縮することを抑制し、電解質膜１２１に掛かる引張応力を小さくすることができる。
【００３２】
また、本実施例では、アノード側変形部材１６３を形成する電解質のスルホン酸基１モル当たりの乾燥重量ＥＷＡＮは、カソード側変形部材１６２を形成する電解質のスルホン酸基１モル当たりの乾燥重量ＥＷＣＡよりも小さいため、アノード側変形部材１６３は、カソード側変形部材１６２よりも吸水しやすい。すなわち、カソードで生成した生成水をアノード側に移動させて、アノード側変形部材１６３に吸水させることができるので、カソード側において発生する応力の大きさを小さくすることができる。
【００３３】
［第２の実施例］
図６は第２の実施例の膜電極接合体の製造工程を示す説明図である。第１の実施例では、膜電極接合体１２０の外縁部にガス不透過層１３２、１３３を備えていたが、第２の実施例では、ガス不透過層１３２、１３３を備えていない点が異なる。
【００３４】
工程（ａ）では、膜電極接合体１２０上の外縁部に変形部材１６２、１６３を配置する。電解質膜１２１のスルホン酸基１モル当たりの乾燥重量ＥＷＭＥＡ、カソード側変形部材１６２のスルホン酸基１モル当たりの乾燥重量ＥＷＣＡ、アノード側変形部材１６３のスルホン酸基１モル当たりの乾燥重量ＥＷＡＮの間には、ＥＷＡＮ＜ＥＷＣＡ＜ＥＷＭＥＡの関係があることが好ましい。工程（ｂ）では、変形部材１６２、１６３を挟持するようにガス拡散層１４２、１４３を配置する。工程（ｃ）では、カソード側変形部材１６２、アノード側変形部材１６３のガラス転移温度以上の熱を加えながらカソード側ガス拡散層１４２とアノード側ガス拡散層１４３の間に圧力を加える。
【００３５】
第２の実施例によれば、ガス不透過層１３２、１３３を備えていない構成であっても、変形部材１６２、１６３を形成する電解質のスルホン酸基１モル当たりの乾燥重量は、電解質膜１２１を形成する電解質のスルホン酸基１モル当たりの乾燥重量よりも小さいので、発電により生成した生成水は、変形部材１６２、１６３に吸収され易い。すなわち、変形部材１６２、１６３が吸水するため、電解質膜１２１の膨潤率を下げることができる。
【００３６】
また、変形部材１６２、１６３が保水しているため、電解質膜１２１が乾燥しそうになると、変形部材１６２、１６３から電解質膜１２１に水を供給して、電解質膜１２１の乾燥を抑制し、電解質膜１２１が収縮することを抑制し、電解質膜１２１に掛かる引張応力を小さくすることができる。
【００３７】
また、第２の実施例でも、第１の実施例と同様に、カソードで生成した生成水をアノード側に移動させて、アノード側変形部材１６３に吸水させることができるので、カソード側において発生する応力の大きさを小さくすることができる。
【００３８】
上記各実施例では、変形部材１６２、１６３の材料として、スルホン酸系の電解質を用いているが、保水性を有し、電解質膜１２１が乾燥したときに電解質膜１２１へ水を供給できる構成であれば、他の構成を採用することも可能である。例えば、リン酸系の電解質を採用してもよい。
【００３９】
以上、いくつかの実施例に基づいて本発明の実施の形態について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。
【符号の説明】
【００４０】
１０…燃料電池
１００…直列電池
１１０…発電ユニット
１２０…膜電極接合体
１２１…電解質膜
１２２…カソード側触媒層
１２３…アノード側触媒層
１３２…カソード側ガス不透過層
１３３…アノード側ガス不透過層
１４２…カソード側ガス拡散層
１４３…アノード側ガス拡散層
１５２、１５３…隙間
１６２…カソード側変形部材
１６３…アノード側変形部材
２００、２０１…集電板
２１０、２１１…絶縁板
２２０…押圧プレート
２３０、２３１…エンドプレート
２４０…テンションロッド
２５０…ナット
２６０…押圧バネ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池であって、
膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の外縁部に配置されるアノード側変形部材及びカソード側変形部材と、
前記膜電極接合体と前記アノード側変形部材及び前記カソード側変形部材と、を挟持するガス拡散層と、
を備え、
前記アノード側変形部材の吸水性は、前記カソード側変形部材の吸水性よりも大きい、燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池において、
前記カソード側変形部材及び前記アノード側変形部材は、スルホン酸基を含む電解質により形成されており、
前記アノード側変形部材のスルホン酸基１モル当たりの乾燥重量は、前記カソード側変形部材のスルホン酸基１モル当たりの乾燥重量よりも小さい、燃料電池。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の燃料電池において、さらに、
前記アノード側変形部材及び前記カソード側変形部材の外縁の外側に隣接して配置されるガス不透過層を備え、
前記アノード側変形部材及び前記カソード側変形部材に対して圧力を掛けたときの変形量は、前記ガス不透過層に圧力を掛けたときの変形量よりも大きい、燃料電池。
【請求項４】
請求項１から請求項３までのうちのいずれか一項に記載の燃料電池において、
前記燃料電池は、前記膜電極接合体と前記ガス拡散層との接合時において、前記アノード側変形部材及び前記カソード側変形部材のガラス転移温度以上に昇温されている、燃料電池。
【請求項１】
燃料電池であって、
膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の外縁部に配置されるアノード側変形部材及びカソード側変形部材と、
前記膜電極接合体と前記アノード側変形部材及び前記カソード側変形部材と、を挟持するガス拡散層と、
を備え、
前記アノード側変形部材の吸水性は、前記カソード側変形部材の吸水性よりも大きい、燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池において、
前記カソード側変形部材及び前記アノード側変形部材は、スルホン酸基を含む電解質により形成されており、
前記アノード側変形部材のスルホン酸基１モル当たりの乾燥重量は、前記カソード側変形部材のスルホン酸基１モル当たりの乾燥重量よりも小さい、燃料電池。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の燃料電池において、さらに、
前記アノード側変形部材及び前記カソード側変形部材の外縁の外側に隣接して配置されるガス不透過層を備え、
前記アノード側変形部材及び前記カソード側変形部材に対して圧力を掛けたときの変形量は、前記ガス不透過層に圧力を掛けたときの変形量よりも大きい、燃料電池。
【請求項４】
請求項１から請求項３までのうちのいずれか一項に記載の燃料電池において、
前記燃料電池は、前記膜電極接合体と前記ガス拡散層との接合時において、前記アノード側変形部材及び前記カソード側変形部材のガラス転移温度以上に昇温されている、燃料電池。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１２−８９４３９（Ｐ２０１２−８９４３９Ａ）
【公開日】平成２４年５月１０日（２０１２．５．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２３７３６９（Ｐ２０１０−２３７３６９）
【出願日】平成２２年１０月２２日（２０１０．１０．２２）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年５月１０日（２０１２．５．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１０月２２日（２０１０．１０．２２）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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