特開 2024-110212 固体高分子形電気化学セル

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024110212

(43)【公開日】2024-08-15

(54)【発明の名称】固体高分子形電気化学セル

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/1004 20160101AFI20240807BHJP

   H01M 8/10 20160101ALI20240807BHJP

   H01M 8/0273 20160101ALI20240807BHJP

   C25B 1/04 20210101ALI20240807BHJP

   C25B 9/00 20210101ALI20240807BHJP

   C25B 15/00 20060101ALI20240807BHJP

   C25B 9/23 20210101ALI20240807BHJP

【ＦＩ】

H01M8/1004

H01M8/10 101

H01M8/0273

C25B1/04

C25B9/00 A

C25B15/00 302Z

C25B9/23

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023014663

(22)【出願日】2023-02-02

(71)【出願人】

【識別番号】000133526

【氏名又は名称】株式会社チノー

(74)【代理人】

【識別番号】100067323

【弁理士】

【氏名又は名称】西村 教光

(74)【代理人】

【識別番号】100124268

【弁理士】

【氏名又は名称】鈴木 典行

(72)【発明者】

【氏名】サウラブ シャルマ

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 翼

(72)【発明者】

【氏名】柳橋 直毅

【テーマコード（参考）】

4K021

5H126

【Ｆターム（参考）】

4K021AA01

4K021BA02

4K021DB31

4K021DB43

4K021DB50

4K021DB53

4K021DC01

4K021DC03

5H126AA02

5H126BB06

5H126DD05

5H126EE45

(57)【要約】

【課題】燃料電池の固体高分子電解質膜にピンホールが形成されるのを防止する。
【解決手段】燃料電池１のMEA2は、固体高分子電解質膜６と、その第１面に設けられたカソード側触媒層7C及びカソード側ガス拡散層9Cと、第２面に設けられたアノード側触媒層7A及びアノード側ガス拡散層9Aを有する。ガス拡散層9C,9A と触媒層7C,7A の間には、それぞれ保護層20C,20A が設けられている。燃料電池の運転により温度が変動して固体高分子電解質膜が拡大、縮小を繰り返しても、固体高分子電解質膜６のうち、触媒層７及びガス拡散層９より外側の部分が、ガス拡散層９に繰り返し押圧されてピンホールＰが発生することはない。ピンホールによる水素ガス漏れは起きず、発電性能の低下もない。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

固体高分子電解質膜と、
前記固体高分子電解質膜の第１面に設けられたカソード側触媒層と、
前記カソード側触媒層の側に設けられたカソード側ガス拡散層と、
前記固体高分子電解質膜の第２面に設けられたアノード側触媒層と、
前記アノード側触媒層の側に設けられたアノード側ガス拡散層と、
を有する固体高分子形電気化学セルであって、
前記カソード側ガス拡散層と前記カソード側触媒層の間に設けられて前記カソード側触媒層の外縁部を覆うカソード側保護層と、
前記アノード側ガス拡散層と前記アノード側触媒層の間に設けられて前記アノード側触媒層の外縁部を覆うアノード側保護層と、
を有することを特徴とする固体高分子形電気化学セル。

【請求項2】

前記カソード側保護層はカソード開口を有する枠状であり、
前記カソード開口の内形は前記カソード側ガス拡散層の外形よりも小さく、
前記アノード側保護層はアノード開口を有する枠状であり、
前記アノード開口の内形は前記アノード側ガス拡散層の外形よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の固体高分子形電気化学セル。

【請求項3】

前記カソード側ガス拡散層と、前記カソード側触媒層及び前記カソード側保護層との間に設けられたカソード側微小多孔層と、
前記アノード側ガス拡散層と、前記アノード側触媒層及び前記アノード側保護層との間に設けられたアノード側微小多孔層と、
を具備することを特徴とする請求項２に記載の固体高分子形電気化学セル。

【請求項4】

前記カソード側保護層及び前記アノード側保護層は、ポリエチレンナフタレートと、ポリイミドと、カプトンからなる保護材料群から選択された１以上の保護材料からなるフィルムにより構成されたことを特徴とする請求項３に記載の固体高分子形電気化学セル。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、燃料電池等に用いることができる固体高分子型電気化学セルに係り、特に、燃料電池の運転に伴う温度の変動に起因して固体高分子電解質膜にピンホールが形成されることを防止し、当該ピンホールからの水素ガス漏れによる性能低下を防いだ固体高分子型電気化学セルに関するものである。

【背景技術】

【0002】

下記特許文献１には、燃料電池の膜電極接合体の発明が開示されている。この膜電極接合体は、高分子電解質膜１１１と、高分子電解質膜１１１の第１主面及び第２主面のそれぞれに設けられた触媒層１１２，１１３と、触媒層１１２，１１３より大きい外縁形状に形成されたガス拡散層１１４，１１５とを備え、さらに高分子電解質膜１１１の第１主面上の外縁部又は第２主面上の外縁部の少なくとも一方と、ガス拡散層１１４，１１５の少なくとも一方との間に内縁部が延在し、且つ当該内縁部が触媒層１１２，１１３に重ならないように設けられた額縁状の防潤層１１６Ａ，１１６Ｂと、ガス拡散層１１４，１１５の外縁部の少なくとも一方に、その内縁部が重なるように設けられた額縁状の補強層１１７Ａ，１１７Ｂとを備えている。そして、この膜電極接合体を一対のセパレータ１４，１５によって挟持固定することにより、燃料電池の単セルが構成されている。この膜電極接合体によれば、電解質膜への水分の浸入を抑制することができるので、この膜電極接合体を含む単セルから構成された燃料電池の性能低下を防止できるものとされている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１５－５００８９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

図５は、本願発明者が本願発明に先だって発明した燃料電池における単セルの積層構造を示すとともに、本願発明者が本願発明の研究開発の過程で発見・認識した当該単セルの問題点を示す図である。

【0005】

図５は、燃料電池の構成要素である単セル１ａを示している。図５に示す単セル１ａは、固体高分子電解質膜６を中心としたシート状の積層構造物であるＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly 、膜電極接合体）２を有している。ＭＥＡ２の中心にある固体高分子電解質膜６の第１面及び第２面には、カソード側触媒層７Ｃとアノード側触媒層７Ａが設けられ、カソード側触媒層７Ｃとアノード側触媒層７Ａには、カソード側微小多孔層８Ｃとアノード側微小多孔層８Ａが設けられ、カソード側微小多孔層８Ｃとアノード側微小多孔層８Ａには、カソード側ガス拡散層９Ｃとアノード側ガス拡散層９Ａが設けられている。

【0006】

ＭＥＡ２は、固体高分子電解質膜６の外周縁部との間に枠状のガスケット５を介装した状態で、カソード側ガス拡散板３Ｃとアノード側ガス拡散板３Ａによって挟持されており、これらの構成部品が一体化されることで燃料電池の単セル１ａが構成されている。

【0007】

複数の単セル１ａを積み重ねてスタックと称される燃料電池を構成する際には、カソード側ガス拡散板３Ｃとアノード側ガス拡散板３Ａの外面側に、アノード側に燃料を供給する供給路１５と、カソード側に空気を供給する酸素流路１４を構成するセパレータ４を設け、単セル１ａとセパレータ４が交互に積み重ねられた構造で、図示しない固定手段によって一体に固定されることで一体構造のスタックを構成する。

【0008】

図５に示した単セルの研究開発の過程において、本願発明者は次に説明するような問題点を発見した。各単セル１ａのＭＥＡ２の中心にある固体高分子電解質膜６は、樹脂製であるために、燃料電池の動作による温度の変動によって急速な拡大、縮小を繰り返す。固体高分子電解質膜６は、ガスケット５を介してカソード側ガス拡散板３Ｃとアノード側ガス拡散板３Ａにより強固に挟持固定されているため、カソード側ガス拡散層３Ｃ及びアノード側ガス拡散層３Ａとガスケット５の間で固体高分子電解質膜６が移動すると、図５中に示すように、固体高分子電解質膜６のうち、カソード側触媒層７Ｃ及びカソード側ガス拡散層９Ｃ、又はアノード側触媒層７Ａ及びアノード側ガス拡散層９Ａの各外周縁部よりも外側の部分にピンホールＰが発生してしまう。スタックを運転している時にこのようなピンホールＰが発生すると、水素ガスの漏れを引き起し、発電性能の低下という問題が発生してしまう。

【0009】

本発明は、以上説明した本願発明者の知見と、これに基づく発見に鑑みてなされたものであって、固体高分子型電気化学セルにおいて、作動時の温度変化に起因する伸縮のために固体高分子電解質膜にピンホールが形成されることを防止し、当該ピンホールに起因する水素ガスの漏れによる発電性能の低下を防止することを目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0010】

前述の目的を達成するため、請求項１に記載された固体高分子型電気化学セルは、
固体高分子電解質膜と、
前記固体高分子電解質膜の第１面に設けられたカソード側触媒層と、
前記カソード側触媒層の側に設けられたカソード側ガス拡散層と、
前記固体高分子電解質膜の第２面に設けられたアノード側触媒層と、
前記アノード側触媒層の側に設けられたアノード側ガス拡散層と、
を有する固体高分子型電気化学セルであって、
前記カソード側ガス拡散層と前記カソード側触媒層の間に設けられて前記カソード側触媒層の外縁部を覆うカソード側保護層と、
前記アノード側ガス拡散層と前記アノード側触媒層の間に設けられて前記アノード側触媒層の外縁部を覆うアノード側保護層と、
を有することを特徴としている。

【0011】

請求項２に記載された固体高分子型電気化学セルは、請求項１に記載の固体高分子型電気化学セルにおいて、
前記カソード側保護層はカソード開口を有する枠状であり、
前記カソード開口の内形は前記カソード側ガス拡散層の外形よりも小さく、
前記アノード側保護層はアノード開口を有する枠状であり、
前記アノード開口の内形は前記アノード側ガス拡散層の外形よりも小さいことを特徴としている。

【0012】

請求項３に記載された固体高分子型電気化学セルは、請求項２に記載の固体高分子型電気化学セルにおいて、
前記カソード側ガス拡散層と、前記カソード側触媒層及び前記カソード側保護層との間に設けられたカソード側微小多孔層と、
前記アノード側ガス拡散層と、前記アノード側触媒層及び前記アノード側保護層との間に設けられたアノード側微小多孔層と、
を具備することを特徴としている。

【0013】

請求項４に記載された固体高分子型電気化学セルは、請求項３に記載の固体高分子型電気化学セルにおいて、
前記カソード側保護層及び前記アノード側保護層は、ポリエチレンナフタレートと、ポリイミドと、カプトンからなる保護材料群から選択された１以上の保護材料からなるフィルムにより構成されたことを特徴としている。

【0014】

なお、以上説明した各請求項に記載された固体高分子型電気化学セルの発明において、カソードとは燃料電池の空気極であって、電子が外部から流入する電極を意味しているが、固体高分子型電気化学セルが水電解装置である場合には、外部の電池の陽極に接続される陰極に相当する電極である。
また、アノードとは燃料電池の燃料極であって、電子が外部に流出する電極を意味しているが、固体高分子型電気化学セルが水電解装置である場合には、外部の電池の陰極から電子が流入する陽極に相当する電極である。

【0015】

本発明の固体高分子形電気化学セルが水電解装置である場合には、燃料電池の場合とは電子の移動方向が逆である。また燃料電池では燃料（水素）と空気（酸素）を供給して電気を得るが、水電解装置では水を供給して電解することで水素と空気が得られ、これを装置外に供給することができる。そこで、本願請求項を水電解装置として解釈するに当たっては、これらの点を踏まえるとともに、前段落で説明した電極名称の対応関係も考慮し、さらに水電解装置に関する公知技術を参酌し、請求項における各構成要件の名称を必要に応じて適宜読み替えるものとする。

【発明の効果】

【0016】

請求項１に記載された固体高分子型電気化学セルが燃料電池である場合、カソード側触媒層の外縁部はカソード側保護層によって保護されており、アノード側触媒層の外縁部はアノード側保護層によって保護されているので、燃料電池の動作による温度の変動によって固体高分子電解質膜が急速な拡大、縮小を繰り返しても、固体高分子電解質膜のうち、カソード側触媒層及びカソード側ガス拡散層よりも外側の部分、又はアノード側触媒層及びアノード側ガス拡散層よりも外側の部分が、それぞれカソード側ガス拡散層とアノード側ガス拡散層に繰り返し押圧されて弱くなることはなく、ピンホールの発生は未然に防止される。従って、スタックを構成して運転した場合に、固体高分子電解質膜にピンホールに起因する水素ガス漏れが起こることはなく、発電性能が低下することはない。

【0017】

請求項２に記載された固体高分子型電気化学セルが燃料電池である場合、枠状であるカソード側保護層のカソード開口の内形は、カソード側ガス拡散層の外形よりも小さいため、固体高分子電解質膜及びカソード側触媒層の外周縁部はカソード側保護層によって確実に覆われるため、燃料電池の動作による温度の変動によって固体高分子電解質膜が急速な拡大、縮小を繰り返しても、固体高分子電解質膜がカソード側ガス拡散層に繰り返し当たってピンホールが発生する不具合を確実に避けることができる。アノード側も同様である。

【0018】

請求項３に記載された固体高分子型電気化学セルが燃料電池である場合、カソード側触媒層とアノード側触媒層の両方に微小多孔層が設けられているので電子の授受が良好に行われ、またカソードにおいて発生した水をカソード側ガス拡散層を経て効果的に外部に排出することができる。

【0019】

請求項４に記載された固体高分子型電気化学セルが燃料電池である場合、カソード側保護層及びアノード側保護層を、ポリエチレンナフタレートとポリイミドとカプトンの中から任意に選択して構成することができる。

【0020】

請求項１乃至４に記載された固体高分子型電気化学セルが水電解装置である場合には、プロトン及び電子の移動方向は燃料電池の場合とは逆となり、外部の電源から供給した電気によって水を水素と酸素に分解することができるが、その際、水電解装置の動作による温度の変動によって固体高分子電解質膜が急速な拡大、縮小を繰り返したとしても、固体高分子電解質膜が他の構成部分に繰り返し押圧されて弱くなり、ピンホールが発生してしまうといった不具合が起きることはなく、水分解性能が低下することはない。その他、上述したように燃料電池と原理は逆となるが、上述した燃料電池としての効果に対応する作用・効果を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1】実施形態の単セルの基本構造を模式的に示す分解拡散斜視図である。

【図2】実施形態の燃料電池の積層構造を示すために各層を適宜分離して示した模式的断面図である。

【図3】実施形態の燃料電池の積層構造と水素と酸素の供給経路を示す模式的断面図である。

【図4】実施形態の燃料電池の組み立て前の部品図であって、触媒層が設けられた固体高分子電解質膜と、触媒層の外周を覆って固体高分子電解質膜に設けられた矩形枠状の保護層を示す平面図である。

【図5】本願発明者が本願発明に先だって発明した燃料電池における単セルの積層構造を示すとともに、本願発明者が本願発明の研究開発の過程で発見・認識した当該単セルの問題点を示す図でる。

【発明を実施するための形態】

【0022】

本発明の実施形態として、固体高分子形電気化学セルの一具体例である燃料電池の単セル１を、図１～図４を参照して説明する。

【0023】

図１は、単セル１の基本構造を模式的且つ簡略化して示す分解拡散斜視図である。なお、図１は模式図且つ簡略図であるから、その形状、寸法等は、後述する図２乃至図３に示した、より具体的な単セル１の形状、寸法等と必ずしも一致するものではない。

【0024】

図１に示すように、単セル１は、カソード側触媒層及びアノード側触媒層（触媒層）が設けられた固体高分子電解質膜を含む多層構造のＭＥＡ２（膜電極接合体、Membrane Electrode Assembly ）と、ＭＥＡ２のカソード側及びアノード側にそれぞれ設けられたカソード側ガス拡散板３Ｃ及びアノード側ガス拡散板３Ａ（Gas Diffusion Plate 、ガス拡散板３と総称する。）と、カソード側ガス拡散板３Ｃ及びアノード側ガス拡散板３Ａの外面側にそれぞれ設けられたセパレータ４，４（Separator ）と、カソード側及びアノード側の各ガス拡散板３Ｃ，３ＡとＭＥＡ２との間にそれぞれ設けられた枠状のガスケット５，５(Gasket)とを有しており、これらの各部材は一体化されて平板状のユニットを構成している。なお、ＭＥＡ２は、図１には示していないが、実際には前記触媒層を含む複数の要素が層状に重ねられた構造を備えており、その構造の詳細については後述する。

【0025】

図１に示す単セル１は発生可能な電圧が低いため、通常は任意の枚数の単セル１を重ねることにより、一般的な燃料電池の最小単位であるスタックを構成し、必要な電圧を得ている。スタックを構成する場合には、単セル１と単セル１の間に１個のセパレータ４が配置されるように複数の単セル１及びセパレータ４を重ねてスタックを構成し、スタックの全体を図示しない一対の押付板により上下から挟んで機械的に固定する。そして、稼働時には、スタックの一方の面にある一方の押付板の流入口から燃料である水素を注入し、スタック内の各単セル１に各セパレータ４を介して水素を順次供給し、スタックの他方の面にある他方の押付板において水素の供給方向を反転させ、一方の面にある一方の押付板の流出口から余剰の水素を還流させるようにしている。

【0026】

図２は、単セル１の積層構造の詳細を示すために、各層を適宜分離して示した模式的断面図であり、アノード極（燃料極）とカソード極（空気極）の側に設けられるセパレータ４は図示していない。図３は、組み立てられた単セル１の構造と水素の供給経路を示す模式的断面図であり、スタックにおいて単セル１のアノード極（燃料極）側とカソード極（空気極）側の両方にセパレータ４が設けられた状態を示している。以下、これらの図を参照して単セル１の構造等を詳細に説明する。

【0027】

図２及び図３に示す単セル１は、ＭＥＡ２を供えている。ＭＥＡ２は、固体高分子電解質膜６の両面に複数種類の機能層がそれぞれ積層されたシート状の構造体である。すなわち、固体高分子電解質膜６の第１面（図２及び３において上面）にはカソード側触媒層７Ｃ（Catalyst Layer、ＣＬ) が設けられ、カソード側触媒層７Ｃにはカソード側微小多孔層８Ｃ（Micro Porous Layer、ＭＰＬ）が設けられ、カソード側微小多孔層８Ｃにはカソード側ガス拡散層９Ｃ（Gas Diffusion Layer 、ＧＤＬ）が設けられている。また、固体高分子電解質膜６の第２面（図２及び３において下面）にはアノード側触媒層７Ａ（Catalyst Layer、ＣＬ) が設けられ、アノード側触媒層７Ａにはアノード側微小多孔層８Ａ（Micro Porous Layer、ＭＰＬ）が設けられ、アノード側微小多孔層８Ａにはアノード側ガス拡散層９Ａ（Gas Diffusion Layer 、ＧＤＬ）が設けられている。なお、カソード側触媒層７Ｃとアノード側触媒層７Ａを触媒層７と総称し、カソード側微小多孔層８Ｃとアノード側微小多孔層８Ａを微小多孔層８と総称し、カソード側ガス拡散層９Ｃとアノード側ガス拡散層９Ａをガス拡散層９と総称する。

【0028】

図２及び図３に示すように、前記カソード側ガス拡散層３Ｃと前記カソード側触媒層７Ｃの間の位置、より詳しくはカソード側ガス拡散層３Ｃに設けられたカソード側微小多孔層８Ｃと、カソード側触媒層７Ｃの間の位置には、カソード側触媒層７Ｃの外縁部を覆うように矩形枠状のカソード側保護層２０Ｃが設けられている。またカソード側保護層２０Ｃの外縁部は、固体高分子電解質膜６とガスケット５の間に挟持されている。また、前記アノード側ガス拡散層３Ａと前記アノード側触媒層７Ａの間の位置、より詳しくはアノード側ガス拡散層３Ａに設けられたアノード側微小多孔層８Ａと、アノード側触媒層７Ａの間の位置には、アノード側触媒層７Ａの外縁部を覆うように矩形枠状のアノード側保護層２０Ａが設けられている。アノード側保護層２０Ａの外縁部は、固体高分子電解質膜６とガスケット５の間に挟持されている。カソード側保護層２０Ｃとアノード側保護層２０Ａを保護層２０と総称する。

【0029】

図４は、ＭＥＡ２の構成の一部を示す平面図である。図４には、矩形の固体高分子電解質膜６と、固体高分子電解質膜６の表面に固体高分子電解質膜６よりも一回り小さい外形で形成された矩形の触媒層７（カソード側触媒層７Ｃ及びアノード側触媒層７Ａ）とが示されており、さらに触媒層７の外縁部を覆って固体高分子電解質膜６の外縁部に前記保護層２０（カソード側保護層２０Ｃ及びアノード側保護層２０Ａ）が設けられた構造が示されている。前述した通り、保護層２０は矩形枠状であり、その中央には矩形の孔が形成されている。カソード側保護層２０Ｃの矩形の孔の部分をカソード開口２１Ｃと呼び、アノード側保護層２０Ａの矩形の孔の部分をアノード開口２１Ａと呼び、これらを総称して開口２１と呼ぶ。

【0030】

図３又は図４に示すように、カソード開口２１Ｃの内形状は、下にあるカソード側触媒層７Ｃの外形状よりも小さく、また上にあるカソード側ガス拡散層３Ｃの外形状よりも小さい。そして、カソード側保護層２０Ｃの外形状は、固体高分子電解質膜６の外形状と一致している。従って、カソード側触媒層７Ｃから露出した固体高分子電解質膜６のカソード側の表面の外縁部は、カソード側ガス拡散層３Ｃの外縁部（特に固体高分子電解質膜６側の角部）に対してカソード側保護層２０Ｃによって保護されている。

【0031】

同様に、アノード開口２１Ａの内形状は、上にあるアノード側触媒層７Ａの外形状よりも小さく、また下にあるアノード側ガス拡散層３Ａの外形状よりも小さい。そして、アノード側保護層２０Ａの外形状は、固体高分子電解質膜６の外形状と一致している。従って、アノード側触媒層７Ａから露出した固体高分子電解質膜６のアノード側の表面の外縁部は、アノード側ガス拡散層３Ａの外縁部（特に固体高分子電解質膜６側の角部）に対してアノード側保護層２０Ａによって保護されている。

【0032】

固体高分子電解質膜６は、例えばスルホ化されたテトラフルオロエチレンを基にしたフッ素樹脂の共重合体である「ナフィオン」（登録商標）を使用することができるが、この物質、材料に限定するものではなく、要するにイオン伝導性を持つポリマーであって、アノードからカソードへプロトンを移動させることができ、かつ電子や気体の輸送を阻止できるような特性を有していればよい。

【0033】

触媒層７は、白金（Ｐｔ）系の金属触媒と当該金属触媒を担持する導電性粒子（例えば炭素粒子）を含んでいるが、特にこのような材料や組成に限定するものではなく、カソード側触媒層７Ｃにおいてはプロトンと電子と酸素から水を作ることができるものであればよく、またアノード側触媒層７Ａにおいては水素をプロトンと電子に分解する機能を有するものであればよい。

【0034】

微小多孔層８は、例えば粒径が数ｎｍ程度の炭素粒子を固めた撥水性を有する層であって、カソード側微小多孔層８Ｃは、カソード側のセパレータ４から電子を受けてカソード側触媒層７Ｃに送るとともに、カソード側触媒層７Ｃにおいて生成された水を凝集させることなくカソード側ガス拡散層９Ｃに送る機能を有し、またアノード側微小多孔層８Ａは、アノード側触媒層７Ａで生成された電子をアノード側のセパレータ４に送る機能を備えている。

【0035】

ガス拡散層９は、例えば粒径が数μｍ程度の炭素粒子を固めた導電性の層であって、カソード側ガス拡散層９Ｃは、カソード側のセパレータ４から供給された酸素を広がらせてカソード側触媒層７Ｃに均一に行き渡らせる機能を備えており、アノード側ガス拡散層９Ａは、アノード側のセパレータ４から供給された水素を広がらせてアノード側触媒層７Ａに均一に行き渡らせる機能を備えている。

【0036】

保護層２０は、燃料電池の一般的な作動温度である８０～１００℃を越える耐熱性を備えたポリエステル系樹脂であるポリエチレンナフタレート（polyethylene naphthalate、略称PEN ）によって構成されている。保護層２０を構成する材料としては、この他、ＰＥＮと同等の耐熱性を有するポリイミドやカプトンなどを採用することもできる。

【0037】

図２及び図３に示す単セル１において、その外周部を保護層２０に覆われた固体高分子電解質膜６は、ガスケット５，５を間に介して、カソード側及びアノード側の両側から、カソード側ガス拡散板３Ｃ及びアノード側ガス拡散板３Ａによって挟持されている。ガスケット５の外形は、固体高分子電解質膜６及び保護層２０の外形と同程度の大きさの枠状であり、その枠の開口はＭＥＡ２を構成する要素のうち、ガス拡散層９及び触媒層７の外形状よりも若干大きい。またガスケット５は、図２に示すように１枚のガスケット５の両面に保護紙が設けられているが、実際の単セル１の組み立てにおいては保護紙を剥がし、図３に示すように１枚のガスケット５として使用する。従ってこの単セル１は、カソード側ガス拡散板３Ｃとアノード側ガス拡散板３Ａで保護層２０を含むＭＥＡ２を挟持し、当該挟持部分をガスケット５，５及び保護層２０で密封した構造となっている。

【0038】

本実施形態の単セル１によれば、触媒層７の外縁部と、触媒層７に覆われていない固体高分子電解質膜６の外縁部は保護層２０によって保護されているので、燃料電池の動作に伴う温度の変動によって固体高分子電解質膜６が急速な拡大、縮小を繰り返しても、固体高分子電解質膜６のうち、触媒層７よりも外側の部分が、ガス拡散層９に繰り返し押圧されて強度が低下し、ピンホールが発生する不具合が生じることはない。従って、スタックを構成して運転した場合に固体高分子電解質膜６に水素ガス漏れが起こることはなく、発電性能の低下は未然に防止される。

【0039】

図２及び図３に示す単セル１のガス拡散板３は、工業材料としては比較的安価で加工も容易なステンレスで構成されている。カソード側ガス拡散板３Ｃの内面側にはカソード側腐食防止層１０Ｃが設けられており、カソード側ガス拡散層９Ｃに接している。アノード側ガス拡散板３Ｃの内面側にはアノード側腐食防止層１０Ａが設けられており、アノード側ガス拡散層９Ａに接している。カソード側腐食防止層１０Ｃとアノード側腐食防止層１０Ａを腐食防止層１０と総称する。

【0040】

ガス拡散板３は、矩形の板状部材であり、複数の貫通孔１１が縦横に並んで形成されている。ガス拡散板３の内面（単セル１の内部に向く面）には、腐食防止層１０が設けられている。腐食防止層１０は、硫酸イオンに対する耐性が高く、かつ材料費が安価なカーボンからなる。腐食防止層１０は、カーボン（炭素）を含むコーティング材料を貫通孔１１内に充填しないようにガス拡散板３の一方の面に塗布し、放電プラズマ焼結装置によって加圧下で焼成して形成する。このようにして得られた腐食防止層１０は、炭素が焼き締まって結晶化が進んでおり、液体に対する高い撥水性を有する炭素コーティング膜となっている。このため、特に水が生成される単セル１のカソード（空気極）側において、カソード側ガス拡散板３Ｃはステンレス製であるが、その腐食防止層１０によって硫酸イオンを含んだ水を弾くため、腐食するおそれが少ない。

【0041】

また、単セル１のアノード（燃料極）側では、固体高分子電解質膜６に含まれるスルホン酸基の影響によってアノード側ガス拡散板３Ａが腐食するおそれは小さいが、このアノード側ガス拡散板３Ａにも炭素からなる腐食防止層１０が設けられているため、仮に硫酸イオン等の腐食性の物質を含んだ水がアノード側に進入したとしても、また他の腐食の原因がアノード側に存在乃至発生したとしても、アノード側ガス拡散板３Ａが腐食するおそれは小さい。

【0042】

図３に示すスタックにおいて、単セル１のカソード側ガス拡散板３Ｃの外面（上面）及びアノード側ガス拡散板３Ａの外面（下面）には、それぞれセパレータ４が取りつけられている。セパレータ４には、アノード側ガス拡散板３Ａの外面（下面）と対向する面（図中上面）に、水素を供給する多数の溝からなる水素流路１３が形成されており、またカソード側ガス拡散板３Ｃの外面と対向する面（図中下面）に、水素流路１３とは直交する向きで、酸素を供給する多数の溝からなる酸素流路１４が形成されている。

【0043】

図３において、水素は、破線の矢印で模式的に示すように、スタックの底部にある図示しない一方の押付板の流入口から供給され、セパレータ４の水素入口（Ｈ₂ in）に入る。そして、単セル１を貫通して設けられた供給路１５からセパレータ４の横穴を経て水素流路１３に流入し、アノード側ガス拡散板３Ａの貫通孔１１を通って単セル１内に広がり、ＭＥＡ２に供給される。さらに水素は、単セル１を貫通して設けられた供給路１５から、供給下流側にある隣の単セル１に次々に供給されていく。余剰の水素は、スタックの頂部にある図示しない他方の押付板の水素流路を経て方向を変え、単セル１を貫通して設けられた他方の供給路１５からセパレータ４の水素出口（Ｈ₂ out ）を経て、スタックの底部にある前述した一方の押付板の流出口に還流する。また、酸素は、一点鎖線の矢印で模式的に示すように、セパレータ４の酸素流路１４からカソード側ガス拡散板３Ｃの貫通孔１１を通って単セル１内に広がる。

【0044】

このセパレータ４は、水素流路１３と酸素流路１４を共通の部品に作り込むこともできるし、水素流路１３と酸素流路１４を別々の部品として製作し、組み合わせて使用することもできる。セパレータ４は、工業材料としては比較的安価で加工も容易なステンレスで構成することができる。

【0045】

セパレータ４は、その機能において、また金属製である点においても、上述した腐食防止層１０が設けられたガス拡散板３と類似乃至共通している。従って、前述した硫酸イオンが混合した水によって腐食する可能性があるのであれば、特にカソード側のセパレータ４の内面側に腐食防止層１０を形成してもよい。

【0046】

以上説明した実施形態は、本願発明の固体高分子形電気化学セルが、燃料電池である場合に関するものであった。しかしながら、本願発明の固体高分子形電気化学セルは、電気のエネルギで水を水素と酸素に分解する水分解装置に適用することもできる。その場合には、燃料電池におけるカソード（空気極）は、外部の電池の陽極に接続される水分解装置の陰極に相当し、また燃料電池におけるアノード（燃料極）は、外部の電池の陰極から電子が流入する水電解装置の陽極に相当し、プロトン及び電子の移動方向は燃料電池の場合とは逆となり、外部の電源から供給された電気によって水を水素と酸素に分解することになるが、その場合においても燃料電池の実施形態の場合に対応した技術的効果が得られる。

【符号の説明】

【0047】

１…単セル
２…ＭＥＡ
３…ガス供給板としてのガス拡散板
３Ｃ…ガス供給板としてのカソード側ガス拡散板
３Ａ…ガス供給板としてのアノード側ガス拡散板
４…ガス供給板としてのセパレータ
６…固体高分子電解質膜
７…触媒層
７Ｃ…カソード側触媒層
７Ａ…アノード側触媒層
８…微小多孔層
７Ｃ…カソード側微小多孔層
７Ａ…アノード側微小多孔層
９…ガス拡散層
９Ｃ…カソード側ガス拡散層
９Ａ…アノード側ガス拡散層
１０…腐食防止層
１０Ｃ…カソード側腐食防止層
１０Ａ…アノード側腐食防止層
２０…保護層
２０Ｃ…カソード側保護層
２０Ａ…アノード側保護層
２１…開口
２１Ｃ…カソード側開口
２１Ａ…アノード側開口

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【手続補正書】

【提出日】2023-02-06

【手続補正1】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、燃料電池等に用いることができる固体高分子形電気化学セルに係り、特に、燃料電池の運転に伴う温度の変動に起因して固体高分子電解質膜にピンホールが形成されることを防止し、当該ピンホールからの水素ガス漏れによる性能低下を防いだ固体高分子形電気化学セルに関するものである。

【背景技術】

【0002】

下記特許文献１には、燃料電池の膜電極接合体の発明が開示されている。この膜電極接合体は、高分子電解質膜１１１と、高分子電解質膜１１１の第１主面及び第２主面のそれぞれに設けられた触媒層１１２，１１３と、触媒層１１２，１１３より大きい外縁形状に形成されたガス拡散層１１４，１１５とを備え、さらに高分子電解質膜１１１の第１主面上の外縁部又は第２主面上の外縁部の少なくとも一方と、ガス拡散層１１４，１１５の少なくとも一方との間に内縁部が延在し、且つ当該内縁部が触媒層１１２，１１３に重ならないように設けられた額縁状の防潤層１１６Ａ，１１６Ｂと、ガス拡散層１１４，１１５の外縁部の少なくとも一方に、その内縁部が重なるように設けられた額縁状の補強層１１７Ａ，１１７Ｂとを備えている。そして、この膜電極接合体を一対のセパレータ１４，１５によって挟持固定することにより、燃料電池の単セルが構成されている。この膜電極接合体によれば、電解質膜への水分の浸入を抑制することができるので、この膜電極接合体を含む単セルから構成された燃料電池の性能低下を防止できるものとされている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１５－５００８９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

図５は、本願発明者が本願発明に先だって発明した燃料電池における単セルの積層構造を示すとともに、本願発明者が本願発明の研究開発の過程で発見・認識した当該単セルの問題点を示す図である。

【0005】

図５は、燃料電池の構成要素である単セル１ａを示している。図５に示す単セル１ａは、固体高分子電解質膜６を中心としたシート状の積層構造物であるＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly 、膜電極接合体）２を有している。ＭＥＡ２の中心にある固体高分子電解質膜６の第１面及び第２面には、カソード側触媒層７Ｃとアノード側触媒層７Ａが設けられ、カソード側触媒層７Ｃとアノード側触媒層７Ａには、カソード側微小多孔層８Ｃとアノード側微小多孔層８Ａが設けられ、カソード側微小多孔層８Ｃとアノード側微小多孔層８Ａには、カソード側ガス拡散層９Ｃとアノード側ガス拡散層９Ａが設けられている。

【0006】

ＭＥＡ２は、固体高分子電解質膜６の外周縁部との間に枠状のガスケット５を介装した状態で、カソード側ガス拡散板３Ｃとアノード側ガス拡散板３Ａによって挟持されており、これらの構成部品が一体化されることで燃料電池の単セル１ａが構成されている。

【0007】

複数の単セル１ａを積み重ねてスタックと称される燃料電池を構成する際には、カソード側ガス拡散板３Ｃとアノード側ガス拡散板３Ａの外面側に、アノード側に燃料を供給する供給路１５と、カソード側に空気を供給する酸素流路１４を構成するセパレータ４を設け、単セル１ａとセパレータ４が交互に積み重ねられた構造で、図示しない固定手段によって一体に固定されることで一体構造のスタックを構成する。

【0008】

図５に示した単セルの研究開発の過程において、本願発明者は次に説明するような問題点を発見した。各単セル１ａのＭＥＡ２の中心にある固体高分子電解質膜６は、樹脂製であるために、燃料電池の動作による温度の変動によって急速な拡大、縮小を繰り返す。固体高分子電解質膜６は、ガスケット５を介してカソード側ガス拡散板３Ｃとアノード側ガス拡散板３Ａにより強固に挟持固定されているため、カソード側ガス拡散層３Ｃ及びアノード側ガス拡散層３Ａとガスケット５の間で固体高分子電解質膜６が移動すると、図５中に示すように、固体高分子電解質膜６のうち、カソード側触媒層７Ｃ及びカソード側ガス拡散層９Ｃ、又はアノード側触媒層７Ａ及びアノード側ガス拡散層９Ａの各外周縁部よりも外側の部分にピンホールＰが発生してしまう。スタックを運転している時にこのようなピンホールＰが発生すると、水素ガスの漏れを引き起し、発電性能の低下という問題が発生してしまう。

【0009】

本発明は、以上説明した本願発明者の知見と、これに基づく発見に鑑みてなされたものであって、固体高分子形電気化学セルにおいて、作動時の温度変化に起因する伸縮のために固体高分子電解質膜にピンホールが形成されることを防止し、当該ピンホールに起因する水素ガスの漏れによる発電性能の低下を防止することを目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0010】

前述の目的を達成するため、請求項１に記載された固体高分子形電気化学セルは、
固体高分子電解質膜と、
前記固体高分子電解質膜の第１面に設けられたカソード側触媒層と、
前記カソード側触媒層の側に設けられたカソード側ガス拡散層と、
前記固体高分子電解質膜の第２面に設けられたアノード側触媒層と、
前記アノード側触媒層の側に設けられたアノード側ガス拡散層と、
を有する固体高分子形電気化学セルであって、
前記カソード側ガス拡散層と前記カソード側触媒層の間に設けられて前記カソード側触媒層の外縁部を覆うカソード側保護層と、
前記アノード側ガス拡散層と前記アノード側触媒層の間に設けられて前記アノード側触媒層の外縁部を覆うアノード側保護層と、
を有することを特徴としている。

【0011】

請求項２に記載された固体高分子形電気化学セルは、請求項１に記載の固体高分子形電気化学セルにおいて、
前記カソード側保護層はカソード開口を有する枠状であり、
前記カソード開口の内形は前記カソード側ガス拡散層の外形よりも小さく、
前記アノード側保護層はアノード開口を有する枠状であり、
前記アノード開口の内形は前記アノード側ガス拡散層の外形よりも小さいことを特徴としている。

【0012】

請求項３に記載された固体高分子形電気化学セルは、請求項２に記載の固体高分子形電気化学セルにおいて、
前記カソード側ガス拡散層と、前記カソード側触媒層及び前記カソード側保護層との間に設けられたカソード側微小多孔層と、
前記アノード側ガス拡散層と、前記アノード側触媒層及び前記アノード側保護層との間に設けられたアノード側微小多孔層と、
を具備することを特徴としている。

【0013】

請求項４に記載された固体高分子形電気化学セルは、請求項３に記載の固体高分子形電気化学セルにおいて、
前記カソード側保護層及び前記アノード側保護層は、ポリエチレンナフタレートと、ポリイミドと、カプトンからなる保護材料群から選択された１以上の保護材料からなるフィルムにより構成されたことを特徴としている。

【0014】

なお、以上説明した各請求項に記載された固体高分子形電気化学セルの発明において、カソードとは燃料電池の空気極であって、電子が外部から流入する電極を意味しているが、固体高分子形電気化学セルが水電解装置である場合には、外部の電池の陽極に接続される陰極に相当する電極である。
また、アノードとは燃料電池の燃料極であって、電子が外部に流出する電極を意味しているが、固体高分子形電気化学セルが水電解装置である場合には、外部の電池の陰極から電子が流入する陽極に相当する電極である。

【0015】

本発明の固体高分子形電気化学セルが水電解装置である場合には、燃料電池の場合とは電子の移動方向が逆である。また燃料電池では燃料（水素）と空気（酸素）を供給して電気を得るが、水電解装置では水を供給して電解することで水素と空気が得られ、これを装置外に供給することができる。そこで、本願請求項を水電解装置として解釈するに当たっては、これらの点を踏まえるとともに、前段落で説明した電極名称の対応関係も考慮し、さらに水電解装置に関する公知技術を参酌し、請求項における各構成要件の名称を必要に応じて適宜読み替えるものとする。

【発明の効果】

【0016】

請求項１に記載された固体高分子形電気化学セルが燃料電池である場合、カソード側触媒層の外縁部はカソード側保護層によって保護されており、アノード側触媒層の外縁部はアノード側保護層によって保護されているので、燃料電池の動作による温度の変動によって固体高分子電解質膜が急速な拡大、縮小を繰り返しても、固体高分子電解質膜のうち、カソード側触媒層及びカソード側ガス拡散層よりも外側の部分、又はアノード側触媒層及びアノード側ガス拡散層よりも外側の部分が、それぞれカソード側ガス拡散層とアノード側ガス拡散層に繰り返し押圧されて弱くなることはなく、ピンホールの発生は未然に防止される。従って、スタックを構成して運転した場合に、固体高分子電解質膜にピンホールに起因する水素ガス漏れが起こることはなく、発電性能が低下することはない。

【0017】

請求項２に記載された固体高分子形電気化学セルが燃料電池である場合、枠状であるカソード側保護層のカソード開口の内形は、カソード側ガス拡散層の外形よりも小さいため、固体高分子電解質膜及びカソード側触媒層の外周縁部はカソード側保護層によって確実に覆われるため、燃料電池の動作による温度の変動によって固体高分子電解質膜が急速な拡大、縮小を繰り返しても、固体高分子電解質膜がカソード側ガス拡散層に繰り返し当たってピンホールが発生する不具合を確実に避けることができる。アノード側も同様である。

【0018】

請求項３に記載された固体高分子形電気化学セルが燃料電池である場合、カソード側触媒層とアノード側触媒層の両方に微小多孔層が設けられているので電子の授受が良好に行われ、またカソードにおいて発生した水をカソード側ガス拡散層を経て効果的に外部に排出することができる。

【0019】

請求項４に記載された固体高分子形電気化学セルが燃料電池である場合、カソード側保護層及びアノード側保護層を、ポリエチレンナフタレートとポリイミドとカプトンの中から任意に選択して構成することができる。

【0020】

請求項１乃至４に記載された固体高分子形電気化学セルが水電解装置である場合には、プロトン及び電子の移動方向は燃料電池の場合とは逆となり、外部の電源から供給した電気によって水を水素と酸素に分解することができるが、その際、水電解装置の動作による温度の変動によって固体高分子電解質膜が急速な拡大、縮小を繰り返したとしても、固体高分子電解質膜が他の構成部分に繰り返し押圧されて弱くなり、ピンホールが発生してしまうといった不具合が起きることはなく、水分解性能が低下することはない。その他、上述したように燃料電池と原理は逆となるが、上述した燃料電池としての効果に対応する作用・効果を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1】実施形態の単セルの基本構造を模式的に示す分解拡散斜視図である。

【図2】実施形態の燃料電池の積層構造を示すために各層を適宜分離して示した模式的断面図である。

【図3】実施形態の燃料電池の積層構造と水素と酸素の供給経路を示す模式的断面図である。

【図4】実施形態の燃料電池の組み立て前の部品図であって、触媒層が設けられた固体高分子電解質膜と、触媒層の外周を覆って固体高分子電解質膜に設けられた矩形枠状の保護層を示す平面図である。

【図5】本願発明者が本願発明に先だって発明した燃料電池における単セルの積層構造を示すとともに、本願発明者が本願発明の研究開発の過程で発見・認識した当該単セルの問題点を示す図でる。

【発明を実施するための形態】

【0022】

本発明の実施形態として、固体高分子形電気化学セルの一具体例である燃料電池の単セル１を、図１～図４を参照して説明する。

【0023】

図１は、単セル１の基本構造を模式的且つ簡略化して示す分解拡散斜視図である。なお、図１は模式図且つ簡略図であるから、その形状、寸法等は、後述する図２乃至図３に示した、より具体的な単セル１の形状、寸法等と必ずしも一致するものではない。

【0024】

図１に示すように、単セル１は、カソード側触媒層及びアノード側触媒層（触媒層）が設けられた固体高分子電解質膜を含む多層構造のＭＥＡ２（膜電極接合体、Membrane Electrode Assembly ）と、ＭＥＡ２のカソード側及びアノード側にそれぞれ設けられたカソード側ガス拡散板３Ｃ及びアノード側ガス拡散板３Ａ（Gas Diffusion Plate 、ガス拡散板３と総称する。）と、カソード側ガス拡散板３Ｃ及びアノード側ガス拡散板３Ａの外面側にそれぞれ設けられたセパレータ４，４（Separator ）と、カソード側及びアノード側の各ガス拡散板３Ｃ，３ＡとＭＥＡ２との間にそれぞれ設けられた枠状のガスケット５，５(Gasket)とを有しており、これらの各部材は一体化されて平板状のユニットを構成している。なお、ＭＥＡ２は、図１には示していないが、実際には前記触媒層を含む複数の要素が層状に重ねられた構造を備えており、その構造の詳細については後述する。

【0025】

図１に示す単セル１は発生可能な電圧が低いため、通常は任意の枚数の単セル１を重ねることにより、一般的な燃料電池の最小単位であるスタックを構成し、必要な電圧を得ている。スタックを構成する場合には、単セル１と単セル１の間に１個のセパレータ４が配置されるように複数の単セル１及びセパレータ４を重ねてスタックを構成し、スタックの全体を図示しない一対の押付板により上下から挟んで機械的に固定する。そして、稼働時には、スタックの一方の面にある一方の押付板の流入口から燃料である水素を注入し、スタック内の各単セル１に各セパレータ４を介して水素を順次供給し、スタックの他方の面にある他方の押付板において水素の供給方向を反転させ、一方の面にある一方の押付板の流出口から余剰の水素を還流させるようにしている。

【0026】

図２は、単セル１の積層構造の詳細を示すために、各層を適宜分離して示した模式的断面図であり、アノード極（燃料極）とカソード極（空気極）の側に設けられるセパレータ４は図示していない。図３は、組み立てられた単セル１の構造と水素の供給経路を示す模式的断面図であり、スタックにおいて単セル１のアノード極（燃料極）側とカソード極（空気極）側の両方にセパレータ４が設けられた状態を示している。以下、これらの図を参照して単セル１の構造等を詳細に説明する。

【0027】

図２及び図３に示す単セル１は、ＭＥＡ２を供えている。ＭＥＡ２は、固体高分子電解質膜６の両面に複数種類の機能層がそれぞれ積層されたシート状の構造体である。すなわち、固体高分子電解質膜６の第１面（図２及び３において上面）にはカソード側触媒層７Ｃ（Catalyst Layer、ＣＬ) が設けられ、カソード側触媒層７Ｃにはカソード側微小多孔層８Ｃ（Micro Porous Layer、ＭＰＬ）が設けられ、カソード側微小多孔層８Ｃにはカソード側ガス拡散層９Ｃ（Gas Diffusion Layer 、ＧＤＬ）が設けられている。また、固体高分子電解質膜６の第２面（図２及び３において下面）にはアノード側触媒層７Ａ（Catalyst Layer、ＣＬ) が設けられ、アノード側触媒層７Ａにはアノード側微小多孔層８Ａ（Micro Porous Layer、ＭＰＬ）が設けられ、アノード側微小多孔層８Ａにはアノード側ガス拡散層９Ａ（Gas Diffusion Layer 、ＧＤＬ）が設けられている。なお、カソード側触媒層７Ｃとアノード側触媒層７Ａを触媒層７と総称し、カソード側微小多孔層８Ｃとアノード側微小多孔層８Ａを微小多孔層８と総称し、カソード側ガス拡散層９Ｃとアノード側ガス拡散層９Ａをガス拡散層９と総称する。

【0028】

図２及び図３に示すように、前記カソード側ガス拡散層３Ｃと前記カソード側触媒層７Ｃの間の位置、より詳しくはカソード側ガス拡散層３Ｃに設けられたカソード側微小多孔層８Ｃと、カソード側触媒層７Ｃの間の位置には、カソード側触媒層７Ｃの外縁部を覆うように矩形枠状のカソード側保護層２０Ｃが設けられている。またカソード側保護層２０Ｃの外縁部は、固体高分子電解質膜６とガスケット５の間に挟持されている。また、前記アノード側ガス拡散層３Ａと前記アノード側触媒層７Ａの間の位置、より詳しくはアノード側ガス拡散層３Ａに設けられたアノード側微小多孔層８Ａと、アノード側触媒層７Ａの間の位置には、アノード側触媒層７Ａの外縁部を覆うように矩形枠状のアノード側保護層２０Ａが設けられている。アノード側保護層２０Ａの外縁部は、固体高分子電解質膜６とガスケット５の間に挟持されている。カソード側保護層２０Ｃとアノード側保護層２０Ａを保護層２０と総称する。

【0029】

図４は、ＭＥＡ２の構成の一部を示す平面図である。図４には、矩形の固体高分子電解質膜６と、固体高分子電解質膜６の表面に固体高分子電解質膜６よりも一回り小さい外形で形成された矩形の触媒層７（カソード側触媒層７Ｃ及びアノード側触媒層７Ａ）とが示されており、さらに触媒層７の外縁部を覆って固体高分子電解質膜６の外縁部に前記保護層２０（カソード側保護層２０Ｃ及びアノード側保護層２０Ａ）が設けられた構造が示されている。前述した通り、保護層２０は矩形枠状であり、その中央には矩形の孔が形成されている。カソード側保護層２０Ｃの矩形の孔の部分をカソード開口２１Ｃと呼び、アノード側保護層２０Ａの矩形の孔の部分をアノード開口２１Ａと呼び、これらを総称して開口２１と呼ぶ。

【0030】

図３又は図４に示すように、カソード開口２１Ｃの内形状は、下にあるカソード側触媒層７Ｃの外形状よりも小さく、また上にあるカソード側ガス拡散層３Ｃの外形状よりも小さい。そして、カソード側保護層２０Ｃの外形状は、固体高分子電解質膜６の外形状と一致している。従って、カソード側触媒層７Ｃから露出した固体高分子電解質膜６のカソード側の表面の外縁部は、カソード側ガス拡散層３Ｃの外縁部（特に固体高分子電解質膜６側の角部）に対してカソード側保護層２０Ｃによって保護されている。

【0031】

同様に、アノード開口２１Ａの内形状は、上にあるアノード側触媒層７Ａの外形状よりも小さく、また下にあるアノード側ガス拡散層３Ａの外形状よりも小さい。そして、アノード側保護層２０Ａの外形状は、固体高分子電解質膜６の外形状と一致している。従って、アノード側触媒層７Ａから露出した固体高分子電解質膜６のアノード側の表面の外縁部は、アノード側ガス拡散層３Ａの外縁部（特に固体高分子電解質膜６側の角部）に対してアノード側保護層２０Ａによって保護されている。

【0032】

固体高分子電解質膜６は、例えばスルホ化されたテトラフルオロエチレンを基にしたフッ素樹脂の共重合体である「ナフィオン」（登録商標）を使用することができるが、この物質、材料に限定するものではなく、要するにイオン伝導性を持つポリマーであって、アノードからカソードへプロトンを移動させることができ、かつ電子や気体の輸送を阻止できるような特性を有していればよい。

【0033】

触媒層７は、白金（Ｐｔ）系の金属触媒と当該金属触媒を担持する導電性粒子（例えば炭素粒子）を含んでいるが、特にこのような材料や組成に限定するものではなく、カソード側触媒層７Ｃにおいてはプロトンと電子と酸素から水を作ることができるものであればよく、またアノード側触媒層７Ａにおいては水素をプロトンと電子に分解する機能を有するものであればよい。

【0034】

微小多孔層８は、例えば粒径が数ｎｍ程度の炭素粒子を固めた撥水性を有する層であって、カソード側微小多孔層８Ｃは、カソード側のセパレータ４から電子を受けてカソード側触媒層７Ｃに送るとともに、カソード側触媒層７Ｃにおいて生成された水を凝集させることなくカソード側ガス拡散層９Ｃに送る機能を有し、またアノード側微小多孔層８Ａは、アノード側触媒層７Ａで生成された電子をアノード側のセパレータ４に送る機能を備えている。

【0035】

ガス拡散層９は、例えば粒径が数μｍ程度の炭素粒子を固めた導電性の層であって、カソード側ガス拡散層９Ｃは、カソード側のセパレータ４から供給された酸素を広がらせてカソード側触媒層７Ｃに均一に行き渡らせる機能を備えており、アノード側ガス拡散層９Ａは、アノード側のセパレータ４から供給された水素を広がらせてアノード側触媒層７Ａに均一に行き渡らせる機能を備えている。

【0036】

保護層２０は、燃料電池の一般的な作動温度である８０～１００℃を越える耐熱性を備えたポリエステル系樹脂であるポリエチレンナフタレート（polyethylene naphthalate、略称PEN ）によって構成されている。保護層２０を構成する材料としては、この他、ＰＥＮと同等の耐熱性を有するポリイミドやカプトンなどを採用することもできる。

【0037】

図２及び図３に示す単セル１において、その外周部を保護層２０に覆われた固体高分子電解質膜６は、ガスケット５，５を間に介して、カソード側及びアノード側の両側から、カソード側ガス拡散板３Ｃ及びアノード側ガス拡散板３Ａによって挟持されている。ガスケット５の外形は、固体高分子電解質膜６及び保護層２０の外形と同程度の大きさの枠状であり、その枠の開口はＭＥＡ２を構成する要素のうち、ガス拡散層９及び触媒層７の外形状よりも若干大きい。またガスケット５は、図２に示すように１枚のガスケット５の両面に保護紙が設けられているが、実際の単セル１の組み立てにおいては保護紙を剥がし、図３に示すように１枚のガスケット５として使用する。従ってこの単セル１は、カソード側ガス拡散板３Ｃとアノード側ガス拡散板３Ａで保護層２０を含むＭＥＡ２を挟持し、当該挟持部分をガスケット５，５及び保護層２０で密封した構造となっている。

【0038】

本実施形態の単セル１によれば、触媒層７の外縁部と、触媒層７に覆われていない固体高分子電解質膜６の外縁部は保護層２０によって保護されているので、燃料電池の動作に伴う温度の変動によって固体高分子電解質膜６が急速な拡大、縮小を繰り返しても、固体高分子電解質膜６のうち、触媒層７よりも外側の部分が、ガス拡散層９に繰り返し押圧されて強度が低下し、ピンホールが発生する不具合が生じることはない。従って、スタックを構成して運転した場合に固体高分子電解質膜６に水素ガス漏れが起こることはなく、発電性能の低下は未然に防止される。

【0039】

図２及び図３に示す単セル１のガス拡散板３は、工業材料としては比較的安価で加工も容易なステンレスで構成されている。カソード側ガス拡散板３Ｃの内面側にはカソード側腐食防止層１０Ｃが設けられており、カソード側ガス拡散層９Ｃに接している。アノード側ガス拡散板３Ｃの内面側にはアノード側腐食防止層１０Ａが設けられており、アノード側ガス拡散層９Ａに接している。カソード側腐食防止層１０Ｃとアノード側腐食防止層１０Ａを腐食防止層１０と総称する。

【0040】

ガス拡散板３は、矩形の板状部材であり、複数の貫通孔１１が縦横に並んで形成されている。ガス拡散板３の内面（単セル１の内部に向く面）には、腐食防止層１０が設けられている。腐食防止層１０は、硫酸イオンに対する耐性が高く、かつ材料費が安価なカーボンからなる。腐食防止層１０は、カーボン（炭素）を含むコーティング材料を貫通孔１１内に充填しないようにガス拡散板３の一方の面に塗布し、放電プラズマ焼結装置によって加圧下で焼成して形成する。このようにして得られた腐食防止層１０は、炭素が焼き締まって結晶化が進んでおり、液体に対する高い撥水性を有する炭素コーティング膜となっている。このため、特に水が生成される単セル１のカソード（空気極）側において、カソード側ガス拡散板３Ｃはステンレス製であるが、その腐食防止層１０によって硫酸イオンを含んだ水を弾くため、腐食するおそれが少ない。

【0041】

また、単セル１のアノード（燃料極）側では、固体高分子電解質膜６に含まれるスルホン酸基の影響によってアノード側ガス拡散板３Ａが腐食するおそれは小さいが、このアノード側ガス拡散板３Ａにも炭素からなる腐食防止層１０が設けられているため、仮に硫酸イオン等の腐食性の物質を含んだ水がアノード側に進入したとしても、また他の腐食の原因がアノード側に存在乃至発生したとしても、アノード側ガス拡散板３Ａが腐食するおそれは小さい。

【0042】

図３に示すスタックにおいて、単セル１のカソード側ガス拡散板３Ｃの外面（上面）及びアノード側ガス拡散板３Ａの外面（下面）には、それぞれセパレータ４が取りつけられている。セパレータ４には、アノード側ガス拡散板３Ａの外面（下面）と対向する面（図中上面）に、水素を供給する多数の溝からなる水素流路１３が形成されており、またカソード側ガス拡散板３Ｃの外面と対向する面（図中下面）に、水素流路１３とは直交する向きで、酸素を供給する多数の溝からなる酸素流路１４が形成されている。

【0043】

図３において、水素は、破線の矢印で模式的に示すように、スタックの底部にある図示しない一方の押付板の流入口から供給され、セパレータ４の水素入口（Ｈ₂ in）に入る。そして、単セル１を貫通して設けられた供給路１５からセパレータ４の横穴を経て水素流路１３に流入し、アノード側ガス拡散板３Ａの貫通孔１１を通って単セル１内に広がり、ＭＥＡ２に供給される。さらに水素は、単セル１を貫通して設けられた供給路１５から、供給下流側にある隣の単セル１に次々に供給されていく。余剰の水素は、スタックの頂部にある図示しない他方の押付板の水素流路を経て方向を変え、単セル１を貫通して設けられた他方の供給路１５からセパレータ４の水素出口（Ｈ₂ out ）を経て、スタックの底部にある前述した一方の押付板の流出口に還流する。また、酸素は、一点鎖線の矢印で模式的に示すように、セパレータ４の酸素流路１４からカソード側ガス拡散板３Ｃの貫通孔１１を通って単セル１内に広がる。

【0044】

このセパレータ４は、水素流路１３と酸素流路１４を共通の部品に作り込むこともできるし、水素流路１３と酸素流路１４を別々の部品として製作し、組み合わせて使用することもできる。セパレータ４は、工業材料としては比較的安価で加工も容易なステンレスで構成することができる。

【0045】

セパレータ４は、その機能において、また金属製である点においても、上述した腐食防止層１０が設けられたガス拡散板３と類似乃至共通している。従って、前述した硫酸イオンが混合した水によって腐食する可能性があるのであれば、特にカソード側のセパレータ４の内面側に腐食防止層１０を形成してもよい。

【0046】

以上説明した実施形態は、本願発明の固体高分子形電気化学セルが、燃料電池である場合に関するものであった。しかしながら、本願発明の固体高分子形電気化学セルは、電気のエネルギで水を水素と酸素に分解する水分解装置に適用することもできる。その場合には、燃料電池におけるカソード（空気極）は、外部の電池の陽極に接続される水分解装置の陰極に相当し、また燃料電池におけるアノード（燃料極）は、外部の電池の陰極から電子が流入する水電解装置の陽極に相当し、プロトン及び電子の移動方向は燃料電池の場合とは逆となり、外部の電源から供給された電気によって水を水素と酸素に分解することになるが、その場合においても燃料電池の実施形態の場合に対応した技術的効果が得られる。

【符号の説明】

【0047】

１…単セル
２…ＭＥＡ
３…ガス供給板としてのガス拡散板
３Ｃ…ガス供給板としてのカソード側ガス拡散板
３Ａ…ガス供給板としてのアノード側ガス拡散板
４…ガス供給板としてのセパレータ
６…固体高分子電解質膜
７…触媒層
７Ｃ…カソード側触媒層
７Ａ…アノード側触媒層
８…微小多孔層
７Ｃ…カソード側微小多孔層
７Ａ…アノード側微小多孔層
９…ガス拡散層
９Ｃ…カソード側ガス拡散層
９Ａ…アノード側ガス拡散層
１０…腐食防止層
１０Ｃ…カソード側腐食防止層
１０Ａ…アノード側腐食防止層
２０…保護層
２０Ｃ…カソード側保護層
２０Ａ…アノード側保護層
２１…開口
２１Ｃ…カソード側開口
２１Ａ…アノード側開口