JP4032282B2

JP4032282B2 - 固体高分子電解質膜型燃料電池

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Publication number: JP4032282B2
Application number: JP2001372768A
Authority: JP
Inventors: 靖山沢
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2001-12-06
Filing date: 2001-12-06
Publication date: 2008-01-16
Anticipated expiration: 2021-12-06
Also published as: JP2003173798A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は固体高分子電解質膜型燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子電解質膜型燃料電池は、電解質として固体高分子電解質膜を用いた燃料電池である。この固体高分子電解質膜はイオン交換膜を含み、必要に応じてイオン交換膜の強度を補強する補強膜を含むことができる。そしてこの固体高分子電解質膜の両面にはアノード触媒層（水素電極）とカソード触媒層（酸素電極）が配置されている。通常この固体高分子電解質膜とアノード触媒層とカソード触媒層とを熱圧着して一体化して膜電極接合体を構成している。
【０００３】
発電中の固体高分子電解質膜型燃料電池の膜電極接合体の内部において以下の現象が生じている。アノード触媒層に供給された水素（Ｈ₂）は電子（ｅ）を放出して、プロトン（Ｈ⁺）となって固体高分子電解質膜に導入される。そして固体高分子電解質膜内部に浸透したプロトンは水分子と共に固体高分子電解質膜の内部をカソード触媒層の方向に移動する。
【０００４】
アノード触媒層において水素から放出された電子は外部回路に流出する。この外部回路に流出した電子は外部回路を通って、カソード触媒層に達する。そしてアノード触媒層から移動してきたプロトンは、ここで外部回路を通過した電子を受け取り、カソード触媒層に供給された酸素（Ｏ₂）と反応して、水（Ｈ₂Ｏ）を生成する。
【０００５】
なおここで図１にセルの構造を示す。理解を容易にするために膜電極接合体１０とその両側に配置されたアノードセパレータ３０及びカソードセパレータ２０は分離して描いてある。
【０００６】
通常図１に示すように、アノード触媒層１３の側に配置されたアノードセパレータ３０のアノード触媒層１３側の面には、アノード触媒層１３に供給される水素が流れる水素流路３１として用いられる凹状の溝が設けられている。またカソード触媒層１２の側に配置されたカソードセパレータ２０のカソード触媒層１２側の面には、カソード触媒層１２に供給される酸素が流れる酸素流路２１として用いられる凹状の溝が設けられている。このように水素流路３１及び酸素流路２１から、アノード触媒層１３及びカソード触媒層１２にそれぞれ水素及び酸素がガスの状態で供給される。
【０００７】
またカソード触媒層１２とカソードセパレータ２０との間には酸素ガスを拡散する拡散層（図示しない）が、そしてアノード触媒層１３とアノードセパレータ３０との間には酸素ガスを拡散する拡散層（図示しない）を配設することができる。
【０００８】
なおここで示した例では、アノードセパレータ３０の水素流路３１が設けられた面とは反対の面に冷却水が通る凹状の溝からなる冷却水路３２が設けられている。同様にカソードセパレータ２０の酸素流路２１が設けられた面とは反対の面に冷却水が通る凹状の溝からなる冷却水路２２が設けられている。
【０００９】
このようにアノード触媒層１３にはアノードセパレータ３０に備えられた水素流路３１から水素ガスが供給される。この場合上述したように通常水素ガスはアノード触媒層１３で反応して電子を放出してプロトンとなって固体高分子電解質膜を通過するか或いは反応せずに系外に排出されるが、プロトンとならずに水素ガスのままアノード触媒層１３及び固体高分子電解質膜１１を通過するとカソード触媒層１２に至るということが生じうる。また同様に酸素ガスについても通常はカソード触媒層１２においてプロトンと反応して水分子を生成するか或いは系外に排出されるが、やはり酸素ガスのままカソード触媒層１２及び固体高分子電解質膜１１を通過してアノード触媒層１３に至るということが生じる。このように酸素ガス或いは水素ガスが反応することなく、反対の触媒層（電極）にまで至る現象をガスのクロスオーバー現象という。
【００１０】
このようなクロスオーバー現象は、燃料電池の性能を低下する原因となる現象である。そこで従来からこのクロスオーバー現象を阻止する手法が提案されてきた。
【００１１】
例えば、特開平８−２９８１２８号公報には、アノード側イオン交換膜とカソード側イオン交換膜とその間に形成されたイオン交換膜（以下「中間層イオン交換膜」という）というようにイオン交換膜を３層構造として、中間層イオン交換膜に水素ガスと酸素ガスから水を生成する反応を促進する触媒を含有させるという手法が提案されている。この中間層イオン交換膜に、水素ガスと酸素ガスから水を生成する反応を促進させる触媒を含有させることによって、水素ガス及び酸素ガスがそのまま反対側の電極に至るのではなく、この中間層イオン交換膜において水とすることができ、クロスオーバー現象を阻止することができるとされている。
【００１２】
また特開平７−９０１１１号公報には、「パーフルオロカーボンスルホン酸、ポリサルフォン、パーフルオロカルボン酸、スチレン−シビニルベンゼンスルフォン酸のカチオン交換樹脂及びスチレン−ブタジエン系アニオン交換樹脂の群から選ばれた高分子固体電解質に、白金、金、パラジウム、ロジウム、イリジウム及びルテニウムの中から選ばれた金属触媒の少なくとも一つ以上を前記高分子固体電解質の重量に対して０．０１〜８０重量％含有して成る」高分子固体電解質組成物が提案されている。この特開平７−９０１１１号公報で提案された手法も、また固体高分子電解質膜において水を生成することでクロスオーバーを阻止しようとする手法である。
【００１３】
このようにクロスオーバー現象を阻止する手法として、固体高分子電解質膜の内部においてアノード触媒層やカソード触媒層をそのまま通過してきた酸素ガスと水素ガスとから水分子を生成する手法が提案されてきた。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の手法は、固体高分子電解質膜を透過しようとする酸素ガス及び水素ガスから触媒を利用して水分子の生成を促進する手法である。従ってイオン交換膜に含まれる触媒によって水分子として生成されなかった酸素ガス及び水素ガスは酸素ガス及び水素ガスはそのまま反対側にまで移動してしまう。しかし固体高分子電解質膜内部を移動している酸素ガスや水素ガスの全てを触媒の作用によって水に生成するということは困難である。そこで触媒を用いる手法以外の手法の開発が求められていた。
【００１５】
そこで本発明の目的とするところは、クロスオーバー阻止効果に優れた固体高分子電解質膜型燃料電池を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段、作用及び効果】
本発明者は、固体高分子電解質膜型燃料電池に用いられるセルの構造を検討した結果、固体高分子電解質膜が概ね３０〜２００μｍ程度の膜厚しか有していないということ、また固体高分子電解質膜の両側に配置されたカソード触媒層やアノード触媒層に供給される酸素ガスや水素ガスには圧力が加えられているということにクロスオーバー現象が生ずる原因があると考えた。
【００１７】
特に酸素ガスや水素ガスがそれぞれ流れる酸素流路や水素流路の水素導入口辺りでは酸素ガスや水素ガスのガス圧力が高くなっており、酸素流路や水素流路の排出口辺りでは逆に酸素ガスや水素ガスのガス圧力が低くなっている。従って水素ガスが水路流路に導入される部位ではアノード触媒層及び固体高分子電解質膜にかかる水素ガスの圧力が高くなっており、アノード触媒層で反応しなかった水素ガスがそのまま固体高分子電解質膜に浸透するということが生じやすくなっている。
【００１８】
この場合において、水素流路に水素ガスが導入される導入口に対応している固体高分子電解質膜の部位が同時に酸素流路から酸素ガスが排出される排出口に対応しているということが生ずる。図１に示すように、酸素流路と水素流路とは異なる平面上に位置するので平行になるように設定する必要がなく、ねじれた位置関係になるように設定することができる。通常はこのようなねじれの位置関係に酸素流路と水素流路は設定されている。また平行な位置関係に設定したとしても、酸素流路及び水素流路中を流れる酸素ガス及び水素ガスとが流れる向きが反対であればこのようなことが生ずる。
【００１９】
この部位においてはアノード触媒層の側では水素ガスの圧力が強く、カソード触媒層の側では酸素ガスが圧力が弱くなっている。従ってこの部位ではそれだけアノード触媒層で反応しなかった水素ガスがそのまま固体高分子電解質膜を透過するということがより生じやすくなっていると考えられる。
【００２０】
例えば発明者が観察した固体高分子電解質膜型燃料電池においては、水素流路の水素導入口では水素のガス圧が０．１５ＭＰａ、その排出口では水素のガス圧が０．１ＭＰａであり、酸素流路の導入口では酸素のガス圧が０．２ＭＰａであり、その排出口では酸素のガス圧が０．１ＭＰａであった。この例では、固体高分子電解質膜における水素流路の水素導入口に対応する部位であり同時に酸素流路の排出口に対応する部位では水素のガス圧と酸素のガス圧とでは０．０５ＭＰａの圧力差が生じていることになる。従ってアノード触媒層で反応しなかった水素ガスがそのまま固体高分子電解質膜を透過しやすくなっていると考えられる。
【００２１】
そこで本発明者は、鋭意研究の結果、上記課題を解決する固体高分子電解質膜型燃料電池を発明した。
【００２２】
上記課題を解決する第１の発明は、イオン交換膜を含む固体高分子電解質膜と固体高分子電解質膜の両側に対向して配設されたアノード触媒層とカソード触媒層とを含む膜電極接合体と、膜電極接合体の両側に対向して配設され水素が流れる水素流路を備えるアノードセパレータと酸素が流れる酸素流路を備えるカソードセパレータとを有する固体高分子電解質膜型燃料電池において、固体高分子電解質膜は、水素流路の水素を導入する水素導入口に対応している部位の膜厚が、水素導入口に対応していない部位の膜厚よりも漸次厚くされているとともに、固体高分子電解質膜の膜厚は、水素流路に沿って水素導入口に対応している部位に向かって漸次厚くされていることを特徴とする固体高分子電解質膜型燃料電池である。
【００２３】
水素流路は通常凹状の溝で形成されている。そしてこの水素流路においては水素が導入される水素導入口で水素のガス圧が最も高くなっている。従ってこの水素導入口に対応しているアノード触媒層及び固体高分子電解質膜の部位はこの高いガス圧の水素によって圧せられている。従ってこの水素ガスのガス圧の高さによって、アノード触媒層で反応しなかった水素ガスがそのままイオン交換膜を含む固体高分子電解質膜を透過するということが生じ易くなっている。そこで第１の発明の固体高分子電解質膜型燃料電池は、固体高分子電解質膜においてこの水素導入口に対応している部位の膜厚を厚くすることで、水素ガスがそのまま反対側即ちカソード触媒層側に移動することを阻止している。
【００２４】
このように第１の発明の固体高分子電解質膜型燃料電池はクロスオーバー現象を阻止する効果を有する。また水素のガス圧が高い水素導入口に対応する固体高分子電解質膜の部位の膜厚を厚くし、他の部位の膜厚はそれよりも薄くしているので、固体高分子電解質膜の抵抗値が増大することを防ぐことができる。
【００２５】
またこの場合において、固体高分子電解質膜は水素導入口に対応している部位であって同時に酸素流路の酸素を排出する酸素排出口に対応している部位の膜厚が他の部位の膜厚よりも漸次厚くされていることが好ましい。
【００２６】
即ち上述したように、この部位ではアノード触媒層及び固体高分子電解質膜に加えられる水素ガスの圧力は高く、反対にカソード触媒層及び固体高分子電解質膜に加えられる酸素ガスの圧力は低い。そのためにアノード触媒層で反応しなかった水素ガスが固体高分子電解質膜をそのまま透過するということがより生じ易くなっている。そこでこの部位の膜厚を他の部位の膜厚よりも更に漸次厚くすることで、水素ガスがそのまま反対側に移動することを阻止している。
【００２８】
固体高分子電解質膜には、アノード触媒層からカソード触媒層へプロトンを移動させるためにイオン交換膜が用いられるが、上述したように、このイオン交換膜を補強するためにイオン交換膜の膜面に接して補強膜が設けられている。
【００２９】
上記課題を解決する第２の発明は、イオン交換膜を含む固体高分子電解質膜と固体高分子電解質膜の両側に対向して配設されたアノード触媒層とカソード触媒層とを含む膜電極接合体と、膜電極接合体の両側に対向して配設され水素が流れる水素流路を備えるアノードセパレータと酸素が流れる酸素流路を備えるカソードセパレータとを有する固体高分子電解質膜型燃料電池において、固体高分子電解質膜は、水素流路の水素を導入する水素導入口に対応している部位の密度が、水素導入口に対応していない部位の密度よりも漸次大きくされていることを特徴とする固体高分子電解質膜型燃料電池である。
【００３０】
第１の発明の固体高分子電解質膜型燃料電池が、水素流路の水素導入口に対応する部位の固体高分子電解質膜の膜厚を他の部位の膜厚よりも漸次厚くすることで、水素ガスがそのままカソード触媒層側に移動することを阻止しているのに対して、第２の発明の固体高分子電解質膜型燃料電池は、水素流路の水素導入口に対応する部位の固体高分子電解質膜の密度を他の部位の密度よりも大きくすることで、水素ガスがそのままカソード触媒層側に移動することを阻止している。
【００３１】
このように第２の発明の固体高分子電解質膜型燃料電池はクロスオーバー現象を阻止する効果を有する。また水素のガス圧が高い水素導入口に対応する固体高分子電解質膜の部位の密度を大きくし、他の部位の密度はそれよりも小さくしているので、固体高分子電解質膜の抵抗値が増大することを防ぐことができる。
【００３２】
またこの場合において、固体高分子電解質膜は水素導入口に対応している部位であって同時に酸素流路の酸素を排出する酸素排出口に対応している部位の密度が他の部位の密度よりも漸次大きくされていることが好ましい。
【００３４】
固体高分子電解質膜には、アノード触媒層からカソード触媒層へプロトンを移動させるためにイオン交換膜が用いられるが、上述したように、このイオン交換膜を補強するためにイオン交換膜の膜面に接して補強膜が設けられている。
【００３５】
【発明の実施の形態】
以下の本発明の固体高分子電解質膜型燃料電池の実施の形態について説明する。
【００３６】
（第１の発明の実施の形態）
▲１▼構成等
第１の発明の固体高分子電解質膜型燃料電池は、イオン交換膜を含む固体高分子電解質膜と固体高分子電解質膜の両側に対向して配設されたアノード触媒層とカソード触媒層とを含む膜電極接合体と、膜電極接合体の両側に対向して配設され水素が流れる水素流路を備えるアノードセパレータと酸素が流れる酸素流路を備えるカソードセパレータとを有する固体高分子電解質膜型燃料電池において、固体高分子電解質膜は、水素流路の水素を導入する水素導入口に対応している部位の膜厚が他の部位の膜厚よりも漸次厚くされていることを特徴とする。
【００３７】
従って第１の発明の固体高分子電解質膜型燃料電池の構成については、固体高分子電解質膜は水素流路の水素を導入する水素導入口に対応している部位の膜厚が他の部位の膜厚よりも漸次厚くされているということを実現する構成にすれば、他の要素、部材等については基本的には通常の固体高分子電解質膜型燃料電池の構成で実施することが可能である。従って特許請求の範囲に記載した発明の範囲内でここで示す実施の形態を変形した形態も可能である。
【００３８】
即ち図１に示すように、第１の発明の固体高分子電解質膜型燃料電池においては、膜電極接合体１０の両側に対向してアノードセパレータ３０とカソードセパレータ２０とを配設することができる。そして膜電極接合体１０は、イオン交換膜を含む固体高分子電解質膜１１と固体高分子電解質膜の両側に対向して配設されたアノード触媒層１３とカソード触媒層１２とを含んでいる。
【００３９】
アノードセパレータ３０には水素流路３１が設けられており、水素ガスが流れるように構成されている。そしてこの水素流路３１を流れる水素がアノード触媒層１３に拡散して到達するように、このアノードセパレータ３０とアノード触媒層１３との間に拡散層（図示しない）を設けることができる。このアノードセパレータ３０の水素流路３１が設けられている面の反対側の面には冷却水が流れる冷却水路３２を設けることができる。
【００４０】
またカソードセパレータ２０には酸素流路２１が設けられ、酸素ガスが流れるように構成されている。そしてこの酸素流路２１を流れる酸素がカソード触媒層１２に拡散して到達するように、やはり通常はこのカソードセパレータ２０とカソード触媒層１２との間に拡散層（図示しない）を設けることができる。このカソードセパレータ２０の酸素流路２１が設けられている面の反対側の面には冷却水が流れる冷却水路２２を設けることができる。
【００４１】
そしてこのようなカソードセパレータ２０とアノードセパレータ３０と膜電極接合体１０を含んで構成されたセルを複数個積層して、各セルを電気的に接続することで固体高分子電解質膜型燃料電池のスタックを構成することができる。
【００４２】
膜電極接合体１０は、固体高分子電解質膜１１とこの固体高分子電解質膜１１の両側に配置されるカソード触媒層１２とアノード触媒層１３とで構成されることができる。アノード触媒層１３とカソード触媒層１２は公知の材料を用いて構成することができる。例えばアノード触媒層１３は、カーボン粉末に白金触媒を担持し、フッ素系樹脂例えばパーフルオロエチレンスルホン酸を混合した材料を用いて構成することができる。またカソード触媒層１２も、同様な材料を用いて構成することができる。このアノード触媒層１３は概ね４〜２０μｍとすることができる。またカソード触媒層１２は概ね２〜１０μｍとすることができる。
【００４３】
そしてこのアノード触媒層１３とカソード触媒層１２との間に挟まれている固体高分子電解質膜１１はイオン交換膜を含み、必要に応じてこのイオン交換膜を補強する補強膜を有することができる。イオン交換膜は、パーフルオロエチレンスルホン酸を用いて構成することができ、補強膜は、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）を用いて構成することができる。この場合イオン交換膜は、１つとすることもできるし、また２つ以上とすることができる。また補強膜は必要に応じて用いられるが、イオン交換膜の個数を考慮して用いることができる。例えばイオン交換膜を３つ積層した場合には、補強膜を２つ用いて、２つのイオン交換膜の間に１つずつ積層することができる。
【００４４】
固体高分子電解質膜は、水素流路の水素を導入する水素導入口に対応している部位の膜厚を他の部位の膜厚よりも漸次厚くなるように構成する。この場合において、水素導入口に対応している部位であって同時に酸素流路の酸素を排出する酸素排出口に対応している部位の膜厚を他の部位の膜厚よりも更に漸次厚く構成することが好ましい。
【００４５】
この場合固体高分子電解質膜の膜厚は最も厚い部位で概ね５０μｍとし、最も薄い部位で概ね３０μｍとすることができる。
【００４６】
この場合において、固体高分子電解質膜がイオン交換膜及び補強膜からなる場合について、水素導入口に対応している部位の膜厚を他の部位の膜厚よりも漸次厚くしたり、水素導入口に対応している部位であって同時に酸素排出口に対応している部位の膜厚を他の部位の膜厚よりも更に漸次厚くしたりできる。
【００４７】
なおイオン交換膜の膜厚は、最も厚い部位で概ね２０μｍとし、最も薄い部位で概ね５μｍとすることができる。また補強膜の膜厚については最も厚い部位で概ね７．５μｍとし、最も薄い部位で概ね５μｍとすることができる。
【００４８】
なおイオン交換膜及び補強膜からなり膜厚を漸次厚くした固体高分子電解質膜は、以下のように製造することができる。原料樹脂を熱溶融させ、延伸法にて膜状に成形する。その際に延伸力を制御することで、所望の厚さを得ることができる。
【００４９】
このように固体高分子電解質膜の膜厚を漸次厚くした場合には、カソードセパレータのカソード触媒層に面している側の形状やアノードセパレータのアノード触媒層に面している側の形状を調整したり、カソードセパレータとカソード触媒層との間の拡散層の厚さやアノードセパレータとアノード触媒層との間の拡散層の厚さを調整することでセルを構成することができる。
【００５０】
なおカソードセパレータ及びアノードセパレータは、上述した形状を調整する点を除けば、通常用いる材料で通常の形状に構成することができる。例えば気密性のあるカーボン板や、ＪＩＳＧ４３１１ＳＵＳ３０４（耐熱鋼棒）等を用いた耐食性のある金属板を用いて、カソード触媒層やアノード触媒層が存在する側の面に凹状の溝を設けて酸素が流れる酸素流路や水素が流れる水素流路を構成し、その反対面にも凹状の溝を設けて冷却水の冷却水路を構成することができる。
【００５１】
また拡散層としては、カーボンクロス、カーボンフェルト等の公知の材料を用いて構成することができ、概ね１００〜３００μｍの厚さとすることができる。
【００５２】
このように水素導入口に対応している部位の膜厚を他の部位の膜厚よりも漸次厚くしたり、更に水素導入口に対応している部位であって同時に酸素排出口に対応している部位の膜厚を他の部位の膜厚よりも更に漸次厚くしたりすることで、水素ガスがアノード触媒層からカソード触媒層へそのまま移動するというクロスオーバー現象を阻止することができる。
【００５３】
またこのように水素ガスの圧力の高い水素導入口に対応する固体高分子電解質膜の部位の膜厚を厚くし、他の部位の膜厚は漸次薄くすることで、固体高分子電解質膜の抵抗値の増大を防止することができる。
【００５４】
▲２▼実施例１
ここで固体高分子電解質膜内部のイオン交換膜及び補強膜を漸次厚くした実施例１を図２に示す。図２は水素ガスが流れる水素流路の水素導入口近傍におけるセルの断面図である。なおここでは固体高分子電解質膜、カソード触媒層及びアノード触媒層とからなるセルを示し、セル以外の部材、要素等については省略する。
【００５５】
実施例１では、固体高分子電解質膜６０の両側にアノード触媒層７０とカソード触媒層５０が配置されている。固体高分子電解質膜６０は、第１イオン交換膜６１、第１補強膜６２、第２イオン交換膜６３、第２補強膜６４及び第３イオン交換膜６５とから構成されている。
【００５６】
アノード触媒層７０はカーボン、白金、フッ素系樹脂を用いて形成されており、厚さは概ね１０μｍである。カソード触媒層５０も同様な材料を用いて形成されており、厚さは概ね５μｍである。
【００５７】
これに対して、固体高分子電解質膜６０は、図２中において、右から左に向けて膜厚が厚くなっている。実施例１の固体高分子電解質膜６０の膜厚は、図２の右端から左端に向かって概ね３０μｍから５０μｍと厚くなっている。その内訳は第１イオン交換膜６１の膜厚が概ね５μｍから７．５μｍ、第１補強膜６２の膜厚が概ね５μｍから７．５μｍ、第２イオン交換膜６３の膜厚が概ね１０μｍから２０μｍ、第２補強膜６４の膜厚が概ね５μｍから７．５μｍ及び第３イオン交換膜６５の膜厚が概ね５μｍから７．５μｍと厚くなっている。
【００５８】
なおこの実施例１ではイオン交換膜６１、６３、６５の材料としてパーフルオロエチレンスルホン酸を用い、補強膜の材料としてＰＴＦＥを用いることができる。
【００５９】
このようにイオン交換膜６１、６３、６５及び補強膜６２、６４の厚さを水素流路の水素導入口に対応する部位において最も厚くなるようにして固体高分子電解質膜の膜厚を漸次厚くすることができる。
【００６７】
（第２の発明の実施の形態）
▲１▼構成等
第２の発明の固体高分子電解質膜型燃料電池は、イオン交換膜を含む固体高分子電解質膜と固体高分子電解質膜の両側に対向して配設されたアノード触媒層とカソード触媒層とを含む膜電極接合体と、膜電極接合体の両側に対向して配設され水素が流れる水素流路を備えるアノードセパレータと酸素が流れる酸素流路を備えるカソードセパレータとを有する固体高分子電解質膜型燃料電池において、固体高分子電解質膜は、水素流路の水素を導入する水素導入口に対応している部位の密度が他の部位の密度よりも漸次厚くされていることを特徴とする。
【００６８】
この第２の発明の固体高分子電解質膜型燃料電池の構成については、固体高分子電解質膜の密度が、水素流路の水素を導入する水素導入口に対応している部位の方が他の部位よりも漸次大きくなるように構成されていることを除けば、第１の発明の実施の形態の構成と基本的には同一である。従ってここでは第１の発明の実施の形態と異なっている部分を中心に説明する。
【００６９】
固体高分子電解質膜は、アノード触媒層とカソード触媒層との間に挟まれており、この固体高分子電解質膜はイオン交換膜を含み、必要に応じてこのイオン交換膜を補強する補強膜を有することができる。
【００７０】
イオン交換膜はパーフルオロエチレンスルホン酸を用いて構成することができ、補強膜はＰＴＦＥを用いて構成することができる。この場合イオン交換膜は、１つとすることもできるし、また２つ以上とすることができる。また補強膜は必要に応じて用いられるが、イオン交換膜の個数を考慮して用いることができる。例えばイオン交換膜を３つ積層した場合には、補強膜を２つ用いて、２つのイオン交換膜の間に１つずつ積層することができる。
【００７１】
このイオン交換膜は概ね５〜２０μｍとすることができ、補強膜は概ね５〜１５μｍとすることができる。第１の発明の固体高分子電解質膜型燃料電池の場合と異なり、イオン交換膜、補強膜は均一の膜厚で構成することが可能である。
【００７２】
固体高分子電解質膜は、水素流路の水素を導入する水素導入口に対応している部位の密度が他の部位の密度よりも漸次大きくなるように構成する。この場合において、水素導入口に対応している部位であって同時に酸素流路の酸素を排出する酸素排出口に対応している部位の密度を他の部位の密度よりも更に漸次大きくなるように構成することが好ましい。
【００７３】
この場合において、固体高分子電解質膜がイオン交換膜及び補強膜からなる場合について、水素導入口に対応している部位の密度を他の部位の密度よりも漸次大きくしたり、水素導入口に対応している部位であって同時に酸素排出口に対応している部位の密度を他の部位の密度よりも更に漸次大きくしたりできる。
【００７４】
なおイオン交換膜の密度は、最も密度が大きい部位で概ね３ｇ／ｃｍ³とし、最も密度が小さい部位で概ね１．５ｇ／ｃｍ³とすることができる。また補強膜の密度については最も密度が大きい部位で概ね３ｇ／ｃｍ³とし、最も薄い部位で概ね１．５ｇ／ｃｍ³とすることができる。
【００７５】
このようにイオン交換膜及び補強膜からなる固体高分子電解質膜の密度を漸次大きくする場合において、イオン交換膜及び補強膜からなる固体高分子電解質膜の膜厚を厚くする必要はなく、均一とすることができる。但しこのようにイオン交換膜及び補強膜からなる固体高分子電解質膜の密度を大きくする場合に、同時にこれらの膜厚が厚くなってもかまわない。
【００７６】
なおイオン交換膜及び補強膜からなり密度を漸次大きくした固体高分子電解質膜は以下のような方法で製造することができる。即ち膜厚を漸次大きくした状態の固体高分子電解質膜をセパレータに組み込み、そのセルをスタックすることで、膜厚の厚かった部位の密度を大きくすることができる。
【００７７】
なお本実施の形態においては、固体高分子電解質膜の膜厚は基本的に均一であるので、カソードセパレータのカソード触媒層に面している側の形状やアノードセパレータのアノード触媒層に面している側の形状を調整したり、カソードセパレータとカソード触媒層との間の拡散層の厚さやアノードセパレータとアノード触媒層との間の拡散層の厚さを調整するというようなことは必要ない。
【００７８】
このように固体高分子電解質膜において、水素導入口に対応している部位の密度を他の部位の密度よりも漸次大きくしたり、更に水素導入口に対応している部位であって同時に酸素排出口に対応している部位の密度を他の部位の密度よりも更に漸次厚くしたりすることで、水素ガスがアノード触媒層からカソード触媒層へそのまま移動するというクロスオーバー現象を阻止することができる。
【００７９】
またこのように水素ガスの圧力の高い水素導入口に対応する固体高分子電解質膜の部位の密度を大きくし、他の部位の密度は漸次小さくすることで、固体高分子電解質膜の抵抗値の増大を防止することができる。
【００８０】
〈2〉実施例２
ここで固体高分子電解質膜内部のイオン交換膜及び補強膜を密度を漸次大きくした実施例２を図３に示す。図３は水素ガスが流れる水素流路の水素導入口近傍におけるセルの断面図である。なおここでは固体高分子電解質膜、カソード触媒層及びアノード触媒層とからなるセルを示し、セル以外の部材、要素等については省略する。なお図中の符号については実施例１と同種の要素について図２と同一の符号を用いた。
【００８１】
実施例２では、固体高分子電解質膜６０の両側にアノード触媒層７０とカソード触媒層５０が配置されている。固体高分子電解質膜６０は、第１イオン交換膜６１、第１補強膜６２、第２イオン交換膜６３、第２補強膜６４及び第３イオン交換膜６５とから構成されている。
【００８２】
アノード触媒層７０はカーボン、白金、フッ素系樹脂を用いて形成されており、厚さは概ね１０μｍである。カソード触媒層５０も同様な材料を用いて形成されており、厚さは概ね５μｍである。第１イオン交換膜６１の膜厚は概ね５μｍ、第１補強膜６２の膜厚は概ね５μｍ、第２イオン交換膜６３の膜厚は概ね１０μｍ、第２補強膜６４の膜厚は概ね５μｍ及び第３イオン交換膜６５の膜厚は概ね５μｍである。
【００８３】
この場合に図３の右端から左端に向かって、第１イオン交換膜６１の密度は１．５ｇ／ｃｍ^３から３ｇ／ｃｍ^３と、第１補強膜６２の密度は１．５ｇ／ｃｍ^３から３ｇ／ｃｍ^３と、第２イオン交換膜６３の密度は１．５ｇ／ｃｍ^３から３ｇ／ｃｍ^３と、第２補強膜６４の密度は１．５ｇ／ｃｍ^３から３ｇ／ｃｍ^３と、第３イオン交換膜６５の密度は１．５ｇ／ｃｍ^３から３ｇ／ｃｍ^３と漸次大きくなっている
なおこの実施例２ではイオン交換膜６１、６３、６５の材料としてパープルオロエチレンスルホン酸を用い、補強膜の材料としてＰＴＦＥを用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】固体高分子電解質膜型燃料電池のセルの構成を示した図である。
【図２】実施例１のアノード触媒層、固体高分子電解質膜及びカソード触媒層を示した図である。
【図３】実施例２のアノード触媒層、固体高分子電解質膜及びカソード触媒層を示した図である。
【符号の説明】
１０：膜電極接合体
１１：固体高分子電解質膜
１２：カソード触媒層１３：アノード触媒層
２０：カソードセパレータ
２１：酸素流路２２：冷却水路
３０：アノードセパレータ
３１：水素流路３２：冷却水路
５０：カソード触媒層
６０：固体高分子電解質膜
６１：第１イオン交換膜６２：第１補強膜
６３：第２イオン交換膜６４：第２補強膜
６５：第３イオン交換膜
７０：アノード触媒層

Claims

イオン交換膜を含む固体高分子電解質膜と該固体高分子電解質膜の両側に対向して配設されたアノード触媒層とカソード触媒層とを含む膜電極接合体と、該膜電極接合体の両側に対向して配設され水素が流れる水素流路を備えるアノードセパレータと酸素が流れる酸素流路を備えるカソードセパレータとを有する固体高分子電解質膜型燃料電池において、
前記固体高分子電解質膜は、前記水素流路の水素を導入する水素導入口に対応している部位の膜厚が、該水素導入口に対応していない部位の膜厚よりも漸次厚くされているとともに、前記固体高分子電解質膜の膜厚は、前記水素流路に沿って前記水素導入口に対応している部位に向かって漸次厚くされていることを特徴とする固体高分子電解質膜型燃料電池。
前記固体高分子電解質膜は、前記水素導入口に対応している部位であって同時に前記酸素流路の酸素を排出する酸素排出口に対応している部位の膜厚が他の部位の膜厚よりも更に漸次厚くされている請求項１記載の固体高分子電解質膜型燃料電池。
イオン交換膜を含む固体高分子電解質膜と該固体高分子電解質膜の両側に対向して配設されたアノード触媒層とカソード触媒層とを含む膜電極接合体と、該膜電極接合体の両側に対向して配設され水素が流れる水素流路を備えるアノードセパレータと酸素が流れる酸素流路を備えるカソードセパレータとを有する固体高分子電解質膜型燃料電池において、
前記固体高分子電解質膜は、前記水素流路の水素を導入する水素導入口に対応している部位の密度が、該水素導入口に対応していない部位の密度よりも漸次大きくされていることを特徴とする固体高分子電解質膜型燃料電池。
前記固体高分子電解質膜は、前記水素導入口に対応している部位であって、同時に前記酸素流路の酸素を排出する酸素排出口に対応している部位の密度が他の部位の密度よりも更に漸次大きくされている請求項３記載の固体高分子電解質膜型燃料電池。