JP2013016411A - 高分子電解質形燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】高分子電解質膜が劣化しやすい箇所における劣化要因を抑制し、電池性能の低下を抑制することができる高分子電解質形燃料電池を提供することを目的とする。
【解決手段】膜−電極接合体５と、セパレータ６Ａ、６Ｂと、を備え、電極４Ａ、４Ｂは、一方の主面が高分子電解質膜１と接触する触媒層２Ａ、２Ｂとガス拡散層３Ａ、３Ｂを有し、セパレータ６Ａの厚み方向から見て、その外周が高分子電解質膜１の外周より内方に位置するように形成され、ガス拡散層３Ａ、３Ｂは、セパレータ６Ａの厚み方向から見て、触媒層２Ａ、２Ｂの外周よりも内方に位置する部分を含む周縁部３１Ａ、３１Ｂと、該周縁部３１Ａ、３１Ｂよりも内方の部分である中央部３２Ａ、３２Ｂと、を有し、周縁部３１Ａ、３１Ｂの多孔度が中央部３２Ａ、３２Ｂの多孔度よりも小さくなるように構成されている、高分子電解質形燃料電池。
【選択図】図３

Description

本発明は、高分子電解質形燃料電池の構造に関する。

高分子電解質形燃料電池（以下、ＰＥＦＣという）は、水素を含有した燃料ガスと空気等の酸素を含有した酸化剤ガスとを電気化学反応させることにより、電力と熱とを同時に発生させるものである。ＰＥＦＣの単電池（セル）は、高分子電解質膜及び一対のガス拡散電極（アノード及びカソード）から構成されるＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ−Ａｓｓｅｍｂｌｙ：膜−電極接合体）と、ガスケットと、導電性の板状のセパレータと、を有している。そして、ＰＥＦＣは、一般的には、このセルを複数積層し、積層されたセルの両端を端板で挟み、該端板とセルを締結具により締結することにより、形成されている（例えば、特許文献１参照）。

このため、高分子電解質膜には、ガス拡散電極の触媒層の外周と接触する部分近傍（以下、高分子電解質膜の外周接触部という）には、他の部分より大きい応力（締結圧）がかかる。また、ＰＥＦＣの起動・停止動作を繰り返すことにより、高分子電解質膜には、引っ張り応力や圧縮応力が繰り返しかかることになるが、特に、高分子電解質膜の外周接触部には、これらの応力が大きくかかり、当該部分の歪みや亀裂等の損傷が生じやすいという問題があった。

特開２００３−６８３１８号公報

本発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、高分子電解質膜が劣化しやすい箇所における劣化要因を抑制し、電池性能の低下を抑制することができる高分子電解質形燃料電池を提供することを目的とする。

上記従来の課題を解決するために、本発明に係る高分子電解質形燃料電池は、高分子電解質膜と該高分子電解質膜を挟む一対の電極を有する膜−電極接合体と、板状に形成され、導電性を有するセパレータと、を備え、前記電極は、一方の主面が前記高分子電解質膜と接触する触媒層とガス拡散層を有し、前記セパレータの厚み方向から見て、その外周が前記高分子電解質膜の外周より内方に位置するように形成され、前記ガス拡散層は、前記セパレータの厚み方向から見て、前記触媒層の外周よりも内方に位置する部分と重なる領域を含む周縁部と、該周縁部よりも内方の部分である中央部と、を有し、前記周縁部の多孔度が前記中央部の多孔度よりも小さくなるように構成されている。

上述したように、高分子電解質形燃料電池において、セパレータの厚み方向から見て、高分子電解質膜の電極周縁部（特に、触媒層周縁部）と対向する部分には、強い応力がかかることにより、高分子電解質膜の当該部分がつぶれて、反応ガスのクロスリーク量が増加し、反応副生成物である過酸化水素からラジカルが生成される。そして、生成されたラジカルが高分子電解質膜を攻撃することにより、高分子電解質膜が損傷、劣化して、燃料電池の性能が低下すると考えられている。

そこで、本発明に係る高分子電解質形燃料電池では、セパレータの厚み方向から見て、ガス拡散層の周縁部の多孔度をガス拡散層の中央部の多孔度よりも小さくなるように構成することで、触媒層の周縁部に供給される反応ガスの流量を触媒層の中央部に供給される反応ガスの流量よりも小さくすることができる。これにより、過酸化水素の原料となる、反応ガスのクロスリーク量を少なくすることができ、過酸化水素からラジカルの生成を低減することができる。このため、本発明に係る高分子電解質形燃料電池では、高分子電解質膜の耐久性を向上させることができ、電池性能の低下を抑制することができる。

本発明の上記目的、他の目的、特徴、及び利点は、添付図面参照の下、以下の好適な実施形態の詳細な説明から明らかにされる。

本発明の高分子電解質形燃料電池によれば、高分子電解質膜の劣化を抑制して、耐久性を向上することが可能となり、また、燃料電池の性能低下を抑制することが可能となる。

図１は、本発明の実施の形態１に係る高分子電解質形燃料電池を備える、燃料電池スタックの概略構成を模式的に示す斜視図である。 図２は、図１に示す燃料電池スタックにおける高分子電解質形燃料電池の概略構成を模式的に示す断面図である。 図３は、図２に示す燃料電池の概略構成を模式的に示す透視図である。 図４は、図２に示す燃料電池の締結前の各構成部材の概略構成を模式的に示す断面図である。 図５は、本実施の形態１における変形例１の燃料電池の概略構成を模式的に示す断面図である。 図６は、本変形例２の燃料電池の締結前の各構成部材の概略構成を模式的に示す断面図である。 図７は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池の概略構成を模式的に示す断面図である。 図８は、本実施の形態２における変形例１の燃料電池の概略構成を模式的に示す断面図である。 図９は、特許文献１に開示されている固体高分子型燃料電池のセルの概略構成を示す模式図である。

以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。なお、全ての図面において、同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。また、全ての図面において、本発明を説明するために必要となる構成要素を抜粋して図示しており、その他の構成要素については図示を省略している場合がある。さらに、本発明は、以下の実施の形態に限定されない。

（実施の形態１）
本発明の実施の形態１に係る燃料電池は、高分子電解質膜と該高分子電解質膜を挟む一対の電極を有する膜−電極接合体と、板状に形成され、導電性を有するセパレータと、を備え、電極は、一方の主面が高分子電解質膜と接触する触媒層とガス拡散層を有し、セパレータの厚み方向から見て、その外周が高分子電解質膜の外周より内方に位置するように形成され、ガス拡散層は、セパレータの厚み方向から見て、触媒層の外周よりも内方に位置する部分を含む周縁部と、該周縁部よりも内方の部分である中央部と、を有し、周縁部の多孔度が中央部の多孔度よりも小さくなるように構成されている態様を例示するものである。

また、本実施の形態１に係る燃料電池では、高分子電解質膜の周縁部に設けられているガスケットをさらに備えていてもよい。

以下、本発明の実施の形態１に係る燃料電池の一例について、図面を参照しながら説明する。
［燃料電池スタックの構成］
図１は、本発明の実施の形態１に係る高分子電解質形燃料電池（以下、単に燃料電池という）を備える、燃料電池スタックの概略構成を模式的に示す斜視図である。なお、図１において、燃料電池スタックの上下方向を図における上下方向として表している。

図１に示すように、本発明の実施の形態１に係る燃料電池スタック６１は、セル積層体６２を有している。セル積層体６２は、複数の燃料電池１００が、その厚み方向に積層されることにより、形成されている。セル積層体６２の両端には、それぞれ、端板６３、６４が配置されている。また、端板６３とセル積層体６２の間、及び端板６４とセル積層体６２の間には、集電板及び絶縁板がそれぞれ配設されている（図示せず）。そして、セル積層体６２等は、図示されない締結具により、締結されている。

セル積層体６２における一方の側部（図面左側の側部：以下、第１の側部という）の上部には、該セル積層体６２の燃料電池１００の積層方向に貫通するように、燃料ガス供給マニホールド１３１が設けられており、その下部には、冷却媒体排出マニホールド１３６が設けられている。また、セル積層体６２の第１の側部の燃料ガス供給マニホールド１３１が配設されている上部の内側には、該セル積層体６２の燃料電池１００の積層方向に貫通するように、酸化剤ガス供給マニホールド１３３が設けられており、同様に、冷却媒体排出マニホールド１３６が配設されている下部の内側には、該セル積層体６２の燃料電池１００の積層方向に貫通するように、酸化剤ガス排出マニホールド１３４が設けられている。さらに、セル積層体６２における他方の側部（図面右側の側部：以下、第２の側部）の上部には、該セル積層体６２の燃料電池１００の積層方向に貫通するように、冷却媒体供給マニホールド１３５が設けられており、その下部には、該セル積層体６２の燃料電池１００の積層方向に貫通するように、燃料ガス排出マニホールド１３２が設けられている。

そして、それぞれのマニホールドには、適宜な配管が設けられている。これにより、適宜な配管を介して、燃料電池スタック６１に燃料ガス、酸化剤ガス、及び冷却媒体が供給され、排出される。なお、本実施の形態１においては、燃料電池１００は、いわゆる内部マニホールド形の燃料電池スタックを採用したが、これに限定されず、外部マニホールド形の燃料電池スタックを採用してもよい。

［高分子電解質形燃料電池の構成］
次に、本発明の実施の形態１に係る高分子電解質形燃料電池の構成について、図２を参照しながら説明する。

図２は、図１に示す燃料電池スタックにおける燃料電池の概略構成を模式的に示す断面図である。

図２に示すように、本実施の形態１に係る燃料電池１００は、ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ−Ａｓｓｅｍｂｌｙ：膜−電極接合体）５と、ガスケット７と、アノードセパレータ６Ａと、カソードセパレータ６Ｂと、を備えている。

ＭＥＡ５は、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜１と、アノード電極４Ａと、カソード電極４Ｂと、を有している。高分子電解質膜１は、略４角形（ここでは、矩形）の形状を有しており、高分子電解質膜１の両面には、その周縁部より内方に位置するようにアノード電極４Ａとカソード電極４Ｂがそれぞれ設けられている。なお、高分子電解質膜１の周縁部には、燃料ガス供給マニホールド孔２３１、冷却媒体供給マニホールド孔２３５等の各マニホールド孔が厚み方向に貫通するように設けられている。

アノード電極４Ａは、高分子電解質膜１の一方の主面上に設けられ、白金系金属触媒（電極触媒）を担持したカーボン粉末（導電性炭素粒子）からなる触媒担持カーボンと触媒担持カーボンに付着した高分子電解質を含むアノード触媒層２Ａと、ガス通気性と導電性を兼ね備えたアノードガス拡散層３Ａと、を有している。アノード触媒層２Ａは、一方の主面が高分子電解質膜１と接触するように配置されていて、アノード触媒層２Ａの他方の主面には、アノードガス拡散層３Ａが配置されている。

同様に、カソード電極４Ｂは、高分子電解質膜１の他方の主面上に設けられ、白金系金属触媒（電極触媒）を担持したカーボン粉末（導電性炭素粒子）からなる触媒担持カーボンと触媒担持カーボンに付着した高分子電解質を含むカソード触媒層２Ｂと、カソード触媒層２Ｂの上に設けられ、ガス通気性と導電性を兼ね備えたカソードガス拡散層３Ｂと、を有している。カソード触媒層２Ｂは、一方の主面が高分子電解質膜１と接触するように配置されていて、カソード触媒層２Ｂの他方の主面には、カソードガス拡散層３Ｂが配置されている。

なお、本実施の形態１においては、カソードセパレータ６Ｂの厚み方向から見て、アノード触媒層２Ａは、その外端がアノードガス拡散層３Ａの外端よりも外方に位置するように（はみ出すように）形成されており、また、カソード触媒層２Ｂは、その外端がカソードガス拡散層３Ｂの外端よりも外方に位置するように形成されているが、これに限定されず、アノード触媒層２Ａは、その外端がアノードガス拡散層３Ａよりも内方に位置するように形成されてもよく、カソード触媒層２Ｂは、その外端がカソードガス拡散層３Ｂよりも内方に位置するように形成されてもよい。

また、ＭＥＡ５のアノード電極４Ａ及びカソード電極４Ｂ（正確には、アノードガス拡散層３Ａ及びカソードガス拡散層３Ｂ）の周囲には、高分子電解質膜１を挟んで一対のフッ素ゴム製でドーナツ状のガスケット７が配設されている。これにより、燃料ガスや酸化剤ガスが電池外にリークされることが防止され、また、燃料電池１００内でこれらのガスが互いに混合されることが防止される。なお、ガスケット７の周縁部には、厚み方向の貫通孔からなる燃料ガス供給マニホールド孔２３１、冷却媒体供給マニホールド孔２３５等の各マニホールド孔が設けられている。

また、ＭＥＡ５とガスケット７を挟むように、導電性のアノードセパレータ６Ａとカソードセパレータ６Ｂが配設されている。これにより、ＭＥＡ５が機械的に固定され、複数の燃料電池１００をその厚み方向に積層したときには、ＭＥＡ５が電気的に接続される。なお、アノードセパレータ６Ａ及びカソードセパレータ６Ｂは、熱伝導性及び導電性に優れた金属、黒鉛、又は、黒鉛と樹脂を混合したものを使用することができ、例えば、カーボン粉末とバインダー（溶剤）との混合物を射出成形により作製したものやチタンやステンレス鋼製の板の表面に金メッキを施したものを使用することができる。また、アノードセパレータ６Ａ及びカソードセパレータ６Ｂは、多孔質製のセパレータを使用することができる。

アノードセパレータ６Ａのアノード電極４Ａと接触する一方の主面（以下、内面という）には、燃料ガスが通流するための溝状の燃料ガス流路８が設けられており、また、他方の主面（以下、外面という）には、冷却媒体が通流するための溝状の冷却媒体流路１０が設けられている。同様に、カソードセパレータ６Ｂのカソード電極４Ｂと接触する一方の主面（以下、内面という）には、酸化剤ガスが通流するための溝状の酸化剤ガス流路９が設けられており、また、他方の主面（以下、外面という）には、冷却媒体が通流するための溝状の冷却媒体流路１０が設けられている。

なお、燃料ガス流路８、酸化剤ガス流路９、及び冷却媒体流路１０の流路の形状は任意であり、例えば、いわゆるストレート状に形成されていてもよく、サーペンタイン状に形成されていてもよく、また、渦巻状に形成されていてもよい。また、燃料ガス流路８を構成する溝と溝との間の部分が、アノード電極４Ａと当接する第１リブ部を形成する。同様に、酸化剤ガス流路９を構成する溝と溝との間の部分が、カソード電極４Ｂと当接する第２リブ部１２を形成する。

これにより、アノード電極４Ａ及びカソード電極４Ｂには、それぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスが供給され、これらのガスが反応して電気と熱が発生する。また、水や不凍液（例えば、エチレングリーコール含有液）等の冷却媒体を冷却媒体流路１０に通流させることにより、発生した熱の回収が行われる。

なお、このように構成された燃料電池１００を単電池（セル）として使用してもよく、燃料電池１００を複数積層して燃料電池スタック６１として使用してもよい。また、燃料電池１００を積層する場合には、冷却媒体流路１０を単電池２〜３個ごとに設ける構成としてもよい。さらに、単電池間に冷却媒体流路１０を設けない場合には、２つのＭＥＡ５に挟まれたセパレータを、一方の主面に燃料ガス流路８を設け、他方の主面に酸化剤ガス流路９を設けた、アノードセパレータ６Ａとカソードセパレータ６Ｂを兼ねるセパレータを使用してもよい。

［ガス拡散層の構成］
次に、アノードガス拡散層３Ａ及びカソードガス拡散層３Ｂの構成について、図２及び図３を参照しながら、さらに詳細に説明する。

図３は、図２に示す燃料電池の概略構成を模式的に示す透視図である。なお、図３においては、アノードガス拡散層３Ａの周縁部３１Ａ及びカソードガス拡散層３Ｂの周縁部３１Ｂをハッチングで示し、燃料ガス流路８及び冷却媒体流路１０を図示していない。

図３に示すように、アノードガス拡散層３Ａは、周縁部３１Ａと中央部３２Ａを有している。同様に、カソードガス拡散層３Ｂは、周縁部３１Bと中央部３２Ｂを有している。アノードガス拡散層３Ａの周縁部３１Ａ（カソードガス拡散層３Ｂの周縁部３１Ｂ）は、アノードセパレータ６Ａの厚み方向から見て、アノード触媒層２Ａ（カソード触媒層２Ｂ）の外周より内方に位置する部分（周縁部）と重なる領域を含む。より詳細には、アノードガス拡散層３Ａの周縁部３１Ａ（カソードガス拡散層３Ｂの周縁部３１Ｂ）は、アノードガス拡散層３Ａ（カソードガス拡散層３Ｂ）の外端（外周）と、該外端から内方に所定の距離Ｎ離れた部分と、の間の領域である。換言すると、アノードガス拡散層３Ａの周縁部３１Ａ（カソードガス拡散層３Ｂの周縁部３１Ｂ）は、アノードガス拡散層３Ａ（カソードガス拡散層３Ｂ）の外端からの幅が所定の距離Ｎである領域である。

所定の距離Ｎは、高分子電解質膜１の劣化を抑制する観点から、５ｍｍ以下であってもよく、より好ましくは３ｍｍ以下であってもよい。また、所定の距離Ｎは、同様の観点から、アノードガス拡散層３Ａ（カソードガス拡散層３Ｂ）の外端から１つめの第１リブ部（第２リブ部１２）までの長さ以下であってもよい。さらに、アノードガス拡散層３Ａの周縁部３１Ａ（カソードガス拡散層３Ｂの周縁部３１Ｂ）は、高分子電解質膜１の劣化を抑制する観点から、その面積が、アノードガス拡散層３Ａ（カソードガス拡散層３Ｂ）の面積の１／５以下であってもよく、より好ましくは１／１０以下であってもよい。なお、アノードガス拡散層３Ａ（カソードガス拡散層３Ｂ）の外端は、反応ガスの電気化学反応がカソード触媒層２Ｂで行われることから、アノード触媒層２Ａ（カソード触媒層２Ｂ）の外端を基準にすることが好ましい。

そして、アノードガス拡散層３Ａの周縁部３１Ａ（カソードガス拡散層３Ｂの周縁部３１Ｂ）は、その多孔度が、中央部３２Ａ（中央部３２Ｂ）の多孔度よりも小さくなるように構成されている。

具体的には、アノードガス拡散層３Ａの周縁部３１Ａ（カソードガス拡散層３Ｂの周縁部３１Ｂ）の多孔度は、燃料電池１００の電池性能の低下を抑制する観点から、０％より大きいことが好ましく、１０％以上がより好ましく、２０％以上がさらに好ましい。また、アノードガス拡散層３Ａの周縁部３１Ａ（カソードガス拡散層３Ｂの周縁部３１Ｂ）の多孔度は、アノード触媒層２Ａ（カソード触媒層２Ｂ）への反応ガスの供給量を減少させる観点から、４５％以下であることが好ましく、３０％以下であることがより好ましい。

アノードガス拡散層３Ａの中央部３２Ａ（カソードガス拡散層３Ｂの中央部３２Ｂ）の多孔度は、アノード触媒層２Ａ（カソード触媒層２Ｂ）への反応ガスの供給を充分に行う観点から、５０％以上であることが好ましい。また、アノードガス拡散層３Ａの中央部３２Ａ（カソードガス拡散層３Ｂの中央部３２Ｂ）の多孔度は、生成水等の水をガス拡散層に保持させる観点から、７０％以下であることが好ましい。

アノードガス拡散層３Ａ及びカソードガス拡散層３Ｂを構成する材料としては、特に限定されることなく、当該分野で公知のものを使用することができ、例えば、カーボンクロスやカーボンペーパーなどの導電性多孔質基材を用いることができる。また、この導電性多孔質基材には、従来公知の方法で撥水処理を施しても構わない。

また、アノードガス拡散層３Ａ及びカソードガス拡散層３Ｂは、従来の燃料電池におけるガス拡散層で使用されている樹脂を含浸した炭素繊維の基材を用いずに、バインダー樹脂と導電性粒子とを含むシートで構成してもよい。

バインダー樹脂としては、例えば、フッ素樹脂が挙げられ、導電性粒子としては、例えば、カーボンからなる粒子が挙げられる。フッ素樹脂としては、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＦＥＰ（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）、ＰＶＤＦ（ポリビニリデンフルオライド）、ＥＴＦＥ（テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体）、ＰＣＴＦＥ（ポリクロロトリフルオロエチレン）、ＰＦＡ（テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体）等が挙げられ、耐熱性、撥水性、耐薬品性の観点からＰＴＦＥが好ましい。ＰＴＦＥの原料としては、ディスパージョン及び粉末状の形状があげられるが、ディスパージョンが、作業性の点から好ましい。

また、カーボン材料としては、グラファイト、カーボンブラック、活性炭等が挙げられ、これらの材料を単独で使用してもよく、また、複数の材料を組み合わせて使用してもよい。また、上記カーボン材料の原料形態としては、粉末状、繊維状、粒状等のいずれの形状でもよい。

そして、アノードガス拡散層３Ａ及びカソードガス拡散層３Ｂには、バインダーとしての機能を奏させる観点から、バインダー樹脂が、５重量％以上含まれていることが好ましく、カソードガス拡散層３Ｂを均一な厚さにするための圧延プロセス時の条件を簡易にする観点から、５０重量％以下で含まれていることが好ましい。また、上記と同様の観点から、１０〜３０重量％の量で含まれていることがより好ましい。

なお、アノードガス拡散層３Ａ及びカソードガス拡散層３Ｂには、バインダー樹脂及び導電性粒子以外に、分散溶媒、界面活性剤等が含まれていてもよい。分散溶媒としては、水、メタノールやエタノール等のアルコール類、エチレングリコール等のグリコール類が挙げられる。また、界面活性剤としては、ポリオキシエチレンアルキルエーテル等のノニオン系、アルキルアミンオキシド等の両性イオン系が挙げられる。また、分散溶媒量、界面活性剤量は、カソードガス拡散層３Ｂを構成する導電性粒子の材料（カーボン材料）、バインダー樹脂（フッ素樹脂）の種類、バインダー樹脂（フッ素樹脂）と導電性粒子（カーボン）の配合比等により適宜選択可能である。一般的には、分散溶媒量、界面活性剤量が多いほど、バインダー樹脂（フッ素樹脂）と導電性粒子（カーボン）が均一分散しやすいが、流動性が高くなり、シート化が難しくなる傾向がある。

ここで、アノードガス拡散層３Ａ及びカソードガス拡散層３Ｂを形成するシートの製造方法について説明する。

シートは、バインダー樹脂と導電性粒子とを含む混合物を混練して、押出し、圧延してから、焼成することにより製造する。具体的には、導電性粒子であるカーボンと分散溶媒、界面活性剤を攪拌・混錬機に投入後、混錬して粉砕・造粒して、カーボンを分散溶媒中に分散させる。ついで、バインダー樹脂であるフッ素樹脂をさらに攪拌・混錬機に投下して、攪拌及び混錬して、カーボンとフッ素樹脂を分散する。得られた混錬物を圧延してシートを形成し、焼成して分散溶媒、界面活性剤を除去することでアノードガス拡散層３Ａ及びカソードガス拡散層３Ｂを形成するシートが製造される。なお、界面活性剤は、導電性粒子の材料（カーボン材料）、分散溶媒の種類により適宜選択でき、また、界面活性剤を使用しなくてもよい。

なお、このようにして製造されたアノードガス拡散層３Ａ及びカソードガス拡散層３Ｂは、従来の燃料電池におけるガス拡散層で使用されている樹脂を含浸した炭素繊維の基材よりも多孔度が低いものの、反応ガス（酸化剤ガス）が、充分に移動できる程度の多孔度となるように構成されている。このため、上記製造方法で製造されたアノードガス拡散層３Ａ及びカソードガス拡散層３Ｂであっても、ガス拡散層としての役割を充分に果たす。

［燃料電池スタックの製造方法］
次に、図１乃至図４を参照しながら、本実施の形態１に係る燃料電池１００及びそれを備える燃料電池スタック６１の製造方法について説明する。なお、アノードガス拡散層３Ａの周縁部３１Ａ及びカソードガス拡散層３Ｂの周縁部３１Ｂの多孔度を中央部３２Ａ及び中央部３２Ｂの多孔度を小さくする点以外は、一般的な燃料電池スタックの製造方法と同様に行われるので、その詳細な説明は省略する。

図４は、図２に示す燃料電池の締結前の各構成部材の概略構成を模式的に示す断面図である。

図４に示すように、まず、アノードガス拡散層３Ａを、周縁部３１Ａの厚みが中央部３２Ａの厚みよりも厚くなるように製造する（形成する）。同様に、カソードガス拡散層３Ｂを、周縁部３１Ｂの厚みが中央部３２Ｂの厚みよりも厚くなるように製造する（形成する）。

そして、このように形成されたアノードガス拡散層３Ａを平板プレス機等で厚み方向に圧縮することにより、周縁部３１Ａが圧縮されて、周縁部３１Ａの主面と中央部３２Ａの主面が面一にする。同様に、カソードガス拡散層３Ｂについても、厚み方向に圧縮して、周縁部３１Ｂの主面と中央部３２Ｂの主面を面一にする。

これにより、中央部３２Ａ（中央部３２Ｂ）よりも周縁部３１Ａ（周縁部３１Ｂ）の方がより圧縮されるため、中央部３２Ａ（中央部３２Ｂ）よりも周縁部３１Ａ（周縁部３１Ｂ）の方が、その多孔度が小さくなる。

次に、圧縮後のアノードガス拡散層３Ａ及びカソードガス拡散層３Ｂ等の各構成部材を積層し、燃料電池１００を形成し、図示されない締結具で締結し、燃料電池スタック６１を作成する。なお、本実施の形態１では、燃料電池スタック６１の締結前に、アノードガス拡散層３Ａ及びカソードガス拡散層３Ｂをプレス機で圧縮したが、これに限定されない。燃料電池スタック６１の締結時に、燃料電池スタック６１の締結圧により、アノードガス拡散層３Ａ及び／又はカソードガス拡散層３Ｂを圧縮してもよい。

［燃料電池の作用効果］
このように構成された本実施の形態１に係る燃料電池１００では、アノードガス拡散層３Ａにおける周縁部３１Ａの多孔度を中央部３２Ａの多孔度よりも小さくすることで、アノード触媒層２Ａの周縁部に供給される燃料ガスの流量を低減することができる。

これにより、高分子電解質膜１の周縁部における、燃料ガスのクロスリーク量を少なくすることができる。このため、高分子電解質膜１の周縁部において、過酸化水素からラジカルの生成が低減され、高分子電解質膜１の耐久性を向上させることができ、電池性能の低下を抑制することができる。

また、本実施の形態１に係る燃料電池１００では、アノードセパレータ６Ａの厚み方向から見て、アノードガス拡散層３Ａの周縁部３１Ａが、アノード触媒層２Ａが配置されている部分と重なる領域を含む。これにより、アノード触媒層２Ａ（の周縁部）に、燃料ガスが供給されるので、当該領域を電気化学反応が生じる場として活用することができる。このため、電池性能の低下をより抑制することができる。

同様に、本実施の形態１に係る燃料電池１００では、カソードガス拡散層３Ｂにおける周縁部３１Ｂの多孔度を中央部３２Ｂの多孔度よりも小さくすることで、カソード触媒層２Ｂの周縁部に供給される酸化剤ガスの流量を低減することができる。

これにより、高分子電解質膜１の周縁部における、酸化剤ガスのクロスリーク量を少なくすることができる。このため、高分子電解質膜１の周縁部において、過酸化水素からラジカルの生成が低減され、高分子電解質膜１の耐久性を向上させることができ、電池性能の低下を抑制することができる。

また、本実施の形態１に係る燃料電池１００では、カソードセパレータ６Ｂの厚み方向から見て、カソードガス拡散層３Ｂの周縁部３１Ｂが、カソード触媒層２Ｂが配置されている部分と重なる領域を含む。これにより、カソード触媒層２Ｂ（の周縁部）に、酸化剤ガスが供給されるので、当該領域を電気化学反応が生じる場として活用することができる。このため、電池性能の低下をより抑制することができる。

なお、本実施の形態１においては、アノードガス拡散層３Ａの周縁部３１Ａ及びカソードガス拡散層３Ｂの周縁部３１Ｂの両方の多孔度を、それぞれ、中央部３２Ａ及び中央部３２Ｂの多孔度よりも小さくする形態を採用したが、これに限定されない。アノードガス拡散層３Ａの周縁部３１Ａ及びカソードガス拡散層３Ｂの周縁部３１Ｂのいずれか一方の周縁部の多孔度を、中央部の多孔度よりも小さくする形態を採用してもよい。

［変形例１］
次に、本実施の形態１に係る燃料電池１００の変形例について、説明する。

図５は、本実施の形態１における変形例１の燃料電池の概略構成を模式的に示す断面図である。

図５に示すように、本変形例１の燃料電池１００は、実施の形態１に係る燃料電池１００と基本的構成は同じであるが、アノードセパレータ６Ａ及びカソードセパレータ６Ｂの構成が異なる。具体的には、アノードセパレータ６Ａ及びカソードセパレータ６Ｂの周縁部の厚みが、中央部の厚みに比べて厚くなるように構成されている。

これにより、燃料電池１００を締結するときに、アノードセパレータ６Ａの周縁部によって、アノードガス拡散層３Ａの周縁部３１Ａが、中央部３２Ａに比べてより圧縮されるので、周縁部３１Ａの多孔度が、中央部３２Ａの多孔度に比べて小さくなる。同様に、カソードセパレータ６Ｂの周縁部によって、カソードガス拡散層３Ｂの周縁部３１Ｂが、中央部３２Ｂに比べてより圧縮されるので、周縁部３１Ｂの多孔度が、中央部３２Ｂの多孔度に比べて小さくなる。

このように構成された本変形例１の燃料電池１００であっても、実施の形態１に係る燃料電池１００と同様の作用効果を奏する。なお、本変形例１では、アノードセパレータ６Ａ及びカソードセパレータ６Ｂの両方のセパレータの周縁部の厚みを、中央部の厚みに比べて厚くする形態を採用したが、これに限定されない。アノードセパレータ６Ａ及びカソードセパレータ６Ｂのいずれか一方のセパレータの周縁部の厚みを、中央部の厚みに比べて厚くする形態を採用してもよい。

［変形例２］
本変形例２の燃料電池は、アノードガス拡散層及びカソードガス拡散層の少なくとも一方のガス拡散層の周縁部に樹脂を含浸させて、周縁部の多孔度を中央部の多孔度よりも小さくする態様を例示するものである。

図６は、本変形例２の燃料電池の締結前の各構成部材の概略構成を模式的に示す断面図である。

図６に示すように、本変形例２の燃料電池１００は、実施の形態１に係る燃料電池１００と基本的構成は同じであるが、締結前のアノードガス拡散層３Ａの周縁部３１Ａ（カソードガス拡散層３Ｂの周縁部３１Ｂ）の厚みが、中央部３２Ａ（中央部３２Ｂ）の厚みと略同じになるように形成されている点が異なる。

また、本変形例２の燃料電池１００では、アノードガス拡散層３Ａの周縁部３１Ａ及びカソードガス拡散層３Ｂの周縁部３１Ｂのそれぞれに、樹脂を含浸させている。具体的には、所定量の樹脂（例えば、ＰＴＦＥ樹脂）と界面活性剤（例えば、ポリオキシエチレンアルキルエーテル）を溶媒（例えば、水）に溶解させて、溶液を作製し、該溶液にアノードガス拡散層３Ａ（カソードガス拡散層３Ｂ）の周縁部３１Ａ（周縁部３１Ｂ）を浸漬させて、焼成することにより、界面活性剤と溶媒を除去することで周縁部３１Ａ（周縁部３１Ｂ）に樹脂を含浸させることができる。

これにより、アノードガス拡散層３Ａの周縁部３１Ａ（カソードガス拡散層３Ｂの周縁部３１Ｂ）の多孔度を中央部３２Ａ（中央部３２Ｂ）の多孔度よりも小さくすることができる。このため、このように構成された本変形例２の燃料電池１００であっても、実施の形態１に係る燃料電池１００と同様の作用効果を奏する。

なお、本変形例２の燃料電池１００では、アノードガス拡散層３Ａ及びカソードガス拡散層３Ｂの両方の周縁部に樹脂を含浸させる形態を採用したが、これに限定されない。アノードガス拡散層３Ａ及びカソードガス拡散層３Ｂのいずれか一方の周縁部に樹脂を含浸させる形態を採用してもよい。

（実施の形態２）
本発明の実施の形態２に係る燃料電池は、補強部材をさらに備え、補強部材が、セパレータの厚み方向から見て、高分子電解質膜の周縁部に設けられている態様を例示するものである。

また、本実施の形態２に係る燃料電池では、補強部材の一部が、触媒層の他方の主面と接触し、かつ、セパレータの厚み方向から見て、触媒層と重なるように配設されていてもよい。

さらに、本実施の形態２に係る燃料電池では、補強部材は、樹脂で形成されていてもよい。

以下、本発明の実施の形態２に係る燃料電池の一例について、図面を参照しながら説明する。

［燃料電池の構成］
図７は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池の概略構成を模式的に示す断面図である。

図７に示すように、本発明の実施の形態２に係る燃料電池１００は、実施の形態１に係る燃料電池１００と基本的構成は同じであるが、補強部材１３をさらに備える点が異なる。具体的には、補強部材１３は、高分子電解質膜１とガスケット７との間に、これらの部材に挟まれるように配設されている。

補強部材１３は、アノードセパレータ６Ａの厚み方向から見て、略矩形で、かつ、ドーナツ状に形成されている。また、補強部材１３は、アノードセパレータ６Ａの厚み方向から見て、その内周端が、アノード触媒層２Ａ又はカソード触媒層２Ｂの外周端よりも内側に位置するように配設されている。換言すると、補強部材１３は、アノードセパレータ６Ａの厚み方向から見て、補強部材１３の内周部分とアノード触媒層２Ａ又はカソード触媒層２Ｂの外周部分とが、互いに重なるように配設されている。

さらに、補強部材１３は、その一部が、アノード触媒層２Ａ又はカソード触媒層２Ｂの他方の主面と接触するように配設されている。換言すると、補強部材１３は、その一部が、アノード触媒層２Ａ又はカソード触媒層２Ｂの他方の主面に乗り上げるように配置されている。

そして、補強部材１３とアノード触媒層２Ａ又はカソード触媒層２Ｂが、アノードセパレータ６Ａの厚み方向から見て、互いに重なるように配設されているため、後述するように、高分子電解質膜１の補強部材１３の内周と対向する（重なる）部分は、劣化が生じるおそれがある。このため、本実施の形態２においては、アノードガス拡散層３Ａの周縁部３１Ａ（カソードガス拡散層３Ｂの周縁部３１Ｂ）は、アノードセパレータ６Ａの厚み方向から見て、補強部材１３の内周を含むように定義されていることが好ましい。

従って、アノードガス拡散層３Ａの周縁部３１Ａ（カソードガス拡散層３Ｂの周縁部３１Ｂ）は、アノードセパレータ６Ａの厚み方向から見て、補強部材１３の内周端と、該補強部材１３の内周端から内方に所定の距離Ｎ離れた部分と、の間の領域と定義されることが好ましい。なお、所定の距離Ｎは、実施の形態１と同様に規定される。

すなわち、本発明では、燃料電池１００が補強部材１３を備える場合において、アノードセパレータ６Ａの厚み方向から見て、補強部材１３とアノード触媒層２Ａが、その一部が重なるように配設されている場合には、アノードガス拡散層３Ａの周縁部３１Ａは、補強部材１３の内周端と、該補強部材１３の内周端から内方に所定の距離Ｎ離れた部分と、の間の領域と定義される。同様に、アノードセパレータ６Ａの厚み方向から見て、補強部材１３とカソード触媒層２Ｂが、その一部が重なるように配設されている場合には、カソードガス拡散層３Ｂの周縁部３１Ｂは、補強部材１３の内周端と、該補強部材１３の内周端から内方に所定の距離Ｎ離れた部分と、の間の領域と定義される。

また、アノードセパレータ６Ａの厚み方向から見て、補強部材１３とアノード触媒層２Ａが、互いに重ならないように配設されている場合には、アノードガス拡散層３Ａの周縁部３１Ａは、アノードガス拡散層３Ａの外端と、該外端から内方に所定の距離Ｎ離れた部分と、の間の領域と定義される。同様に、アノードセパレータ６Ａの厚み方向から見て、補強部材１３とカソード触媒層２Ｂが、互いに重ならないように配設されている場合には、カソードガス拡散層３Ｂの周縁部３１Ｂは、カソードガス拡散層３Ｂの外端と、該外端から内方に所定の距離Ｎ離れた部分と、の間の領域と定義される。

［燃料電池の作用効果］
次に、本実施の形態２に係る燃料電池１００の作用効果について説明する。

まず、特許文献１に開示されている固体高分子型燃料電池の問題点について、図９を参照しながら説明する。

図９は、特許文献１に開示されている固体高分子型燃料電池のセルの概略構成を示す模式図である。なお、図９では、一部を省略している。

本発明者等は、図９に示す特許文献１の固体高分子型燃料電池のセル２００の耐久試験を行ったところ、以下の問題点を見出した。すなわち、セル２００の厚み方向から見て、高分子膜２０１の補強部材２０４、２０５の内側端部２０４Ｅ、２０５Ｅと対向する（重なる）部分２０１Ｐの膜厚が、他の部分よりも薄くなっていた。これは、補強部材２０４、２０５の内側端部２０４Ｅ、２０５Ｅが、酸素極触媒層２０２Ｃ及び／又は燃料極触媒層２０３Ｃを介して、高分子膜２０１の部分２０１Ｐに強い応力をかけることにより、部分２０１Ｐの膜厚が、他の部分よりも薄くなり、その結果として、部分２０１Ｐでの反応ガスのクロスリークが多くなることを示唆するものである。つまり、特許文献１に開示されているセル２００では、高分子膜２０１の部分２０１Ｐ周辺で、反応ガスのクロスリークが生じ、クロスリークした反応ガスによって、酸素極触媒層２０２Ｃ及び／又は燃料極触媒層２０３Ｃの触媒上で過酸化水素が生成され、フェントン反応などにより生じたラジカルによって高分子膜２０１が攻撃される。その結果、高分子膜２０１が劣化し、電池性能の低下を引き起こしていたことを本発明者等は見出した。

しかしながら、本実施の形態２に係る燃料電池１００では、アノードセパレータ６Ａの厚み方向から見て、アノードガス拡散層３Ａの補強部材１３の内周と対向する（重なる）部分（すなわち、周縁部３１Ａ）の多孔度が、中央部３２Ａの多孔度よりも小さいので、高分子電解質膜１の内周と対向する（重なる）部分への燃料ガスの供給量を少なくすることができる。このため、高分子電解質膜１の当該部分での燃料ガスのクロスリークを抑制することができ、高分子電解質膜１の劣化を抑制することができる。

同様に、アノードセパレータ６Ａの厚み方向から見て、カソードガス拡散層３Ｂの補強部材１３の内周と対向する（重なる）部分（すなわち、周縁部３１Ｂ）の多孔度が、中央部３２Bの多孔度よりも小さいので、高分子電解質膜１の補強部材１３の内周と対向する（重なる）部分での酸化剤ガスのクロスリークを抑制することができ、高分子電解質膜１の劣化を抑制することができる。

なお、本実施の形態２においては、アノード電極４Ａ側の補強部材１３とカソード電極４Ｂ側の補強部材１３の両方の補強部材１３が、触媒層と重なる部分を有するように配置されている形態を採用したが、これに限定されない。アノード電極４Ａ側の補強部材１３とカソード電極４Ｂ側の補強部材１３のいずれか一方の補強部材１３が、触媒層と重ならないように配置されている形態を採用してもよい。

［変形例１］
次に、本実施の形態２に係る燃料電池１００の変形例について説明する。

図８は、本実施の形態２における変形例１の燃料電池の概略構成を模式的に示す断面図である。

図８に示すように、本変形例１の燃料電池１００では、補強部材１３が、アノードセパレータ６Ａの厚み方向から見て、アノード触媒層２Ａ又はカソード触媒層２Ｂと互いに重ならないように配設されている。

このように構成された本変形例１の燃料電池１００であっても、実施の形態２に係る燃料電池１００と同様の作用効果を奏する。

上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。したがって、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の形態を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の要旨を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組合せにより種々の発明を形成できる。

本発明の高分子電解質形燃料電池は、高分子電解質膜の劣化を抑制して、耐久性を向上することが可能となり、また、燃料電池の性能低下を抑制することが可能であるため、燃料電池の分野で有用である。

１ 高分子電解質膜
２Ａ アノード触媒層
２Ｂ カソード触媒層
３Ａ アノードガス拡散層
３Ｂ カソードガス拡散層
４Ａ アノード電極
４Ｂ カソード電極
５ ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ−Ａｓｓｅｍｂｌｙ：膜−電極接合体）
６Ａ アノードセパレータ
６Ｂ カソードセパレータ
７ ガスケット
８ 燃料ガス流路
９ 酸化剤ガス流路
１０ 冷却媒体流路
１１ 第１リブ部
１２ 第２リブ部
１３ 補強部材
３１Ａ 周縁部
３１Ｂ 周縁部
３２Ａ 中央部
３２Ｂ 中央部
６１ 燃料電池スタック
６２ セル積層体
６３ 端板
６４ 端板
１００ 燃料電池
１３１ 燃料ガス供給マニホールド
１３２ 燃料ガス排出マニホールド
１３３ 酸化剤ガス供給マニホールド
１３４ 酸化剤ガス排出マニホールド
１３５ 冷却媒体供給マニホールド
１３６ 冷却媒体排出マニホールド
２３１ 燃料ガス供給マニホールド孔
２３５ 冷却媒体供給マニホールド孔

Claims (10)

1. 高分子電解質膜と該高分子電解質膜を挟む一対の電極を有する膜−電極接合体と、
   板状に形成され、導電性を有するセパレータと、を備え、
   前記電極は、一方の主面が前記高分子電解質膜と接触する触媒層とガス拡散層を有し、前記セパレータの厚み方向から見て、その外周が前記高分子電解質膜の外周より内方に位置するように形成され、
   前記ガス拡散層は、前記セパレータの厚み方向から見て、前記触媒層の外周よりも内方に位置する部分を含む周縁部と、該周縁部よりも内方の部分である中央部と、を有し、前記周縁部の多孔度が前記中央部の多孔度よりも小さくなるように構成されている、高分子電解質形燃料電池。
2. 前記高分子電解質膜の周縁部に設けられているガスケットをさらに備える、請求項１に記載の高分子電解質形燃料電池。
3. 補強部材をさらに備え、
   前記補強部材は、前記セパレータの厚み方向から見て、前記高分子電解質膜の周縁部に設けられている、請求項１又は２に記載の高分子電解質形燃料電池。
4. 前記補強部材は、その一部が、前記触媒層の他方の主面と接触し、かつ、前記セパレータの厚み方向から見て、前記触媒層と重なるように配設されている、請求項３に記載の高分子電解質形燃料電池。
5. 前記補強部材は、前記セパレータの厚み方向から見て、前記触媒層と重ならないように配設されている、請求項３に記載の高分子電解質形燃料電池。
6. 前記補強部材は、樹脂で形成されている、請求項３〜５のいずれか１項に記載の高分子電解質形燃料電池。
7. 前記セパレータの前記電極と接触する一方の主面には、溝状の反応ガス流路と該反応ガス流路の間にリブ部が形成されており、
   前記ガス拡散層の周縁部は、前記セパレータの厚み方向から見て、前記ガス拡散層の外周に最も近いリブ部の少なくとも一部と重なる部分を含む、請求項１〜６のいずれか１項に記載の高分子電解質形燃料電池。
8. 前記ガス拡散層の周縁部は、前記ガス拡散層の外周と該ガス拡散層の外周から５ｍｍ内方に位置する部分との間の領域である、請求項１〜６のいずれか１項に記載の高分子電解質形燃料電池。
9. 前記ガス拡散層の周縁部の多孔度が、０％より大きく、かつ、４５％以下である、請求項１〜８のいずれか１項に記載の高分子電解質形燃料電池。
10. 前記ガス拡散層の中央部の多孔度が、５０％以上、かつ、７０％以下である、請求項１〜９のいずれか１項に記載の高分子電解質形燃料電池。
    

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