JP6005635B2

JP6005635B2 - 燃料電池

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Publication number: JP6005635B2
Application number: JP2013516193A
Authority: JP
Inventors: 悟朗藤田; 博晶鈴木
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2011-05-20
Filing date: 2012-05-16
Publication date: 2016-10-12
Anticipated expiration: 2032-05-16
Also published as: WO2012160779A1; US20140038079A1; JPWO2012160779A1; US9385389B2

Description

本発明は、燃料電池に関する。

燃料電池は水素と酸素とから電気エネルギを発生させる装置であり、高い発電効率を得ることができる。燃料電池の主な特徴としては、従来の発電方式のように熱エネルギや運動エネルギの過程を経ない直接発電であるので、小規模でも高い発電効率が期待できること、窒素化合物等の排出が少なく、騒音や振動も小さいので環境性が良いことなどが挙げられる。このように、燃料電池は燃料のもつ化学エネルギを有効に利用でき、環境にやさしい特性を持っているので、２１世紀を担うエネルギ供給システムとして期待され、宇宙用から自動車用、携帯機器用まで、大規模発電から小規模発電まで、種々の用途に使用できる将来有望な新しい発電システムとして注目され、実用化に向けて技術開発が本格化している。

中でも、固体高分子形燃料電池は、他の種類の燃料電池に比べて、作動温度が低く、高い出力密度を持つ特徴が有り、特に近年、携帯機器（携帯電話、ノート型パーソナルコンピュータ、ＰＤＡ、ＭＰ３プレーヤ、デジタルカメラあるいは電子辞書、電子書籍）などの電源への利用が期待されている。携帯機器用の固体高分子形燃料電池としては、複数の単セルを平面状に配列した平面配列型の燃料電池が知られている。平面配列型の燃料電池として、各単セルの電極（アノードおよびカソード）との導通を得るための集電部材を電極の露出面ではなく、電極の周縁部分に設ける形態が知られている。

特開平１０−３１２８１５号公報特開２００６−２５２９６７号公報

このような形態の燃料電池では、電気化学反応に伴って生じる生成水によって電解質が膨潤するなどの理由により電解質が変形すると、電極にクラックが生じ、電極の導電性が低下するという課題がある。電極にクラックが発生することを防止する技術として、電解質膜に発電に寄与しない補強材を加えることで、電解質膜の変形を防止する技術が知られている（特許文献１、２参照）。ところが、発電に寄与しない補強材を用いて電解質の変形を防止しようとすると、補強材によって導電抵抗が増加するため、セルの発電性能が低下するという新たな課題が生じる。

本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃料電池の発電性能を損なうことなく、電極の導電性が低下することを抑制することができる技術の提供にある。

本発明のある態様は、燃料電池である。当該燃料電池は、固体高分子材料によって形成された電解質膜と当該電解質膜の一方の面に設けられたアノードと電解質膜の他方の面に設けられたカソードとを含む膜電極接合体と、膜電極接合体の周縁部に設けられた集電部と、を備え、電解質膜に膜厚が相対的に厚い厚膜部が形成されており、アノード、カソードの少なくとも一方の電極に形成された個々のクラックについて、電解質膜上における集電部に向かう導電方向の成分の長さの総和が、導電方向に直交する成分の長さの総和より大きくなるように、厚膜部によってクラックの形成が制限されていることを特徴とする。

この態様の燃料電池によれば、電解質膜に設けた厚膜部により、電解質膜の変形が抑制され、電極に生じるクラックは、隣接する厚膜部の間の領域において、導電方向に形成されるように制限される。この結果、発電に寄与しない部材を用いることなく、電極において導電方向と直交する方向のクラックが進展することを抑制され、ひいては、導電方向の導電経路をより確実に確保することができる。

上記態様の燃料電池において、電解質膜の面内で、厚膜部と厚膜部以外の各領域が、電解質膜上の導電方向に直交する方向に、交互に配置されていてもよい。電解質膜の面内の厚膜部と厚膜部以外の各領域が、電解質膜上の導電方向に直交する方向に交互に配置されている領域で、導電方向と直交する線上において、厚膜部以外の領域が連続する長さの最大値Ｑが、導電方向の電解質膜の長さＰより小さくてもよい。電解質膜の面内で導電方向と直交する線上において、厚膜部が連続する長さの最大値Ｒが、最大値Ｑより小さくてもよい。電解質膜の面内で導電方向に、厚膜部がいずれか一方の端部より離れて配置されており、離間距離の最大値Ｓが最大値Ｑまたは導電方向の電解質膜の長さＰの１／３のいずれか小さい方より小さくてもよい。

なお、上述した各要素を適宜組み合わせたものも、本件特許出願によって特許による保護を求める発明の範囲に含まれうる。

本発明によれば、燃料電池の発電性能を損なうことなく、電極の導電性が低下することを抑制することができる。

実施の形態１に係る燃料電池の構造を示す分解斜視図である。図１のＡ−Ａ線に沿った燃料電池の断面図である。図３（Ａ）は、電解質膜２２の構造を示す平面図である。図３（Ｂ）は、図３（Ａ）のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。実施の形態１に係る触媒層に生じるクラックの発生方向を示す平面図である。実施の形態１に係る燃料電池に用いられる複合膜を作製する方法を示す工程図である。実施の形態１に係る燃料電池に用いられる複合膜を作製する方法を示す工程図である。実施の形態１に係る燃料電池に用いられる複合膜を作製する方法を示す工程図である。実施の形態１に係る燃料電池に用いられる複合膜を作製する方法を示す工程図である。実施の形態１に係る燃料電池に用いられる複合膜を作製する方法を示す工程図である。実施の形態１に係る燃料電池に用いられる複合膜を作製する方法を示す工程図である。図１１（Ａ）は実施の形態２に係る電解質膜の平面図である。図１１（Ｂ）は実施の形態２に係る電解質膜の平面図である。図１２（Ａ）は実施の形態２に係る電解質膜の平面図である。図１２（Ｂ）は実施の形態２に係る電解質膜の平面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。なお、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。

（実施の形態１）
図１は、実施の形態１に係る燃料電池の構造を示す分解斜視図である。図２は、図１のＡ−Ａ線に沿った断面図である。図１および図２に示すように、燃料電池１０は、膜電極接合体（ＭＥＡ、触媒塗布プロトン交換膜（ＣＣＭ）ともいう）２０が組み込まれた複合膜１２、アノード用ハウジング４０およびカソード用ハウジング４２を備える。また、複合膜１２の周縁部に後述する封止部材５０が設けられている。

複合膜１２は、基材１４および複数の膜電極接合体２０を含む。基材１４は、ポリアクリレートなどの絶縁性の材料により形成されている。基材１４には、膜電極接合体２０と同数の開口部１６が設けられている。

膜電極接合体２０は、電解質膜２２、電解質膜２２の一方の面に設けられたアノード触媒層２４、電解質膜２２の他方の面に設けられたカソード触媒層２６を備える。電解質膜２２は、基材１４に設けられた開口部１６に充填するように設けられている。アノード触媒層２４には、燃料ガスとして水素が供給される。一方、カソード触媒層２６には酸化剤として空気が供給される。一対のアノード触媒層２４とカソード触媒層２６との間に電解質膜２２が挟持されることによりセルが構成され、各セルは水素と空気中の酸素との電気化学反応により発電する。

このように、本実施の形態の燃料電池では、アノード触媒層２４にカソード触媒層２６が対となり、複数のセルが平面状に形成されている。

本実施の形態のインターコネクタ（集電部材）１８は、膜電極接合体２０の周縁部に設けられており、電解質膜２２とは反対側のアノード触媒層２４の主表面および電解質膜２２とは反対側のカソード触媒層２６はインターコネクタ１８で被覆されずに露出している。具体的には、インターコネクタ１８は、隣接する膜電極接合体２０の間において、基材１４を貫通して設けられている。隣接するセルにおいて、一方のセルの電解質膜２２に被覆されたアノード触媒層２４は、インターコネクタ１８の方へ延在して設けられており、インターコネクタ１８と一方のセルの電解質膜２２との間の基材１４を被覆し、インターコネクタ１８に接続されている。また、隣接するセルにおいて、他方のセルの電解質膜２２に被覆されたカソード触媒層２６は、インターコネクタ１８の方へ延在して設けられており、インターコネクタ１８と他方のセルの電解質膜２２との間の基材１４を被覆し、インターコネクタ１８に接続されている。インターコネクタ１８は導電性の材料で形成され、たとえば、カーボンなどが用いられる。以上の構成により、隣接するセル同士はインターコネクタ１８により直列接続されている。

なお、カソード触媒層２６においてインターコネクタ１８に向かって流れる電流の向き、および、インターコネクタ１８からアノード触媒層２４に向けて流れる電流の向きを導電方向とよぶ。

電解質膜２２は、湿潤状態において良好なイオン伝導性を示すことが好ましく、アノード触媒層２４とカソード触媒層２６との間でプロトンを移動させるイオン交換膜として機能する。電解質膜２２は、含フッ素重合体や非フッ素重合体等の固体高分子材料によって形成され、例えば、スルホン酸型パーフルオロカーボン重合体、ポリサルホン樹脂、ホスホン酸基又はカルボン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体等を用いることができる。スルホン酸型パーフルオロカーボン重合体の例として、ナフィオン（デュポン社製：登録商標）１１２などが挙げられる。また、非フッ素重合体の例として、スルホン化された、芳香族ポリエーテルエーテルケトン、ポリスルホンなどが挙げられる。

図３（Ａ）は、電解質膜２２の構造を示す平面図である。図３（Ｂ）は、図３（Ａ）のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。電解質膜２２は、膜厚が部分的に異なっており、相対的に膜厚が厚い厚膜部２３を有する。本実施の形態では、厚膜部２３は導電方向に沿って所定の間隔で形成された帯状の形態であり、導電方向と交差する方向に延在する電解質膜２２の一方の辺Ｌ１から導電方向と交差する方向に延在する電解質膜２２の他方の辺Ｌ２にかけて延在している。厚膜部２３は、電解質膜２２のアノード側の面およびカソード側の面の両方に凸状に形成されている。厚膜部２３の厚さは、たとえば、３０〜５０μｍであり、厚膜部２３以外の電解質膜２２の厚さは、たとえば、１５〜３０μｍである。電解質膜２２の厚さは燃料電池の性能を引き出すための最適な厚みに設定され、厚膜部２３は燃料電池の性能を著しく損ねない範囲において、電解質膜２２より厚く形成される。

電解質膜２２の面内で導電方向と直交する線上において、厚膜部２３以外の領域が連続する長さの最大値Ｑは、導電方向の電解質膜２２の長さＰより小さい（Ｐ／Ｑ＞１）。本意実施の形態では、厚膜部２３の間隔が均等である場合には、最大値Ｑは隣接する厚膜部２３の間隔に相当する。また、厚膜部２３の間隔にばらつきがある場合には、最大値Ｑは隣接する厚膜部２３の間隔のうち、最大の長さとなる。また、導電方向と直交する線上において、厚膜部２３が連続する幅の最大値Ｒは、上記最大値Ｑより小さい（Ｑ／Ｒ＞１）。厚膜部２３の幅が均等である場合には、最大値Ｒは厚膜部２３の幅自体となる。また、厚膜部２３の幅にばらつきがある場合には、最大値Ｒは厚膜部２３の幅のうち、最大の幅となる。

図１および図２に戻り、アノード触媒層２４およびカソード触媒層２６は、イオン交換樹脂ならびに触媒粒子、場合によって炭素粒子を有する。

アノード触媒層２４およびカソード触媒層２６が有するイオン交換樹脂は、触媒粒子と電解質膜２２を接続し、両者間においてプロトンを伝達する役割を持つ。このイオン交換樹脂は、電解質膜２２と同様の高分子材料から形成されてよい。触媒金属としては、Ｓｃ、Ｙ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｖ、Ｎｂ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｏｓ、Ｉｒ、ランタノイド系列元素やアクチノイド系列の元素の中から選ばれる合金や単体が挙げられる。また触媒を担持する場合には炭素粒子として、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、カーボンナノチューブなどを用いてもよい。

図４に例示するように、厚膜部２３では、電解質膜の変形が抑制されるため、アノード触媒層２４に生じるクラック２００は、隣接する厚膜部２３の間の領域において、導電方向に形成されるように制限される。このため、アノード触媒層２４に形成された個々のクラック２００の導電方向の成分をａｉとし、アノード触媒層２４に形成された個々のクラック２００の導電方向に直交する方向の成分をｂｉとすると、Σａｉ＞Σｂｉなる関係が成立している。また、図示しないが、カソード触媒層２６に生じるクラックについても、アノード触媒層２４と同様に、Σａｉ＞Σｂｉなる関係が成立している。

なお、アノード触媒層２４およびカソード触媒層２６が有するイオン交換樹脂は、たとえば、炭化水素系イオン交換樹脂のように、基材１４に含まれる樹脂に比べてＣ−Ｆ結合の数が少なくてもよい。

アノード用ハウジング４０により、燃料貯蔵用の燃料貯蔵部３７が形成されている。なお、アノード用ハウジング４０に燃料供給口（図示せず）を設置することにより、燃料カートリッジなどから燃料を適宜補充可能である。

一方、カソード用ハウジング４２には、外部から空気を取り込むための空気取入口４４が設けられている。

アノード用ハウジング４０とカソード用ハウジング４２とは、複合膜１２の周縁部に設けられた封止部材５０を介して、ボルト、ナットなどの締結部材（図示せず）を用いて締結されている。これにより、封止部材５０に圧力が加えられ、封止部材５０によるシール性が高められる。

本実施の形態に係る複合膜１２では、アノード触媒層２４の周囲、特に隣接するアノード触媒層２４の間の基材１４の上に絶縁性の保護層３０ａが設けられている。また、カソード触媒層２６の周囲、特に隣接するカソード触媒層２６の間の基材１４の上に保護層３０ｂが設けられている。以下、保護層３０ａ、ｂをまとめて保護層３０という場合がある。保護層３０としては、たとえばポリイミド、ナフィオンなどを用いることができる。

保護層３０により、隣接する膜電極接合体２０の間の絶縁性が高められている。この結果、隣接する膜電極接合体２０、言い換えると隣接するセルの間隔を狭めても、隣接するセル間で短絡が生じることが抑制される。

本実施の形態の燃料電池によれば、電解質膜２２に上述したような異方性を有する厚膜部２３を設けることで、電解質膜２２の変形が抑制されるため、電極に生じるクラックは、隣接する厚膜部２３の間の領域において、導電方向に形成されるように制限される。言い換えると、導電方向の比率が導電方向に直交する方向の比率に対して長くになるような異方性を有するクラックが形成される。このため、発電に寄与しない部材を用いることなく、電極において導電方向と直交する方向のクラックが進展することを抑制でき、ひいては、導電方向の導電経路をより確実に確保することができる。

（複合膜の作製方法）
実施の形態１に係る燃料電池に用いられる複合膜１２の作製方法について、図５乃至図１０を参照して説明する。図５乃至図１０は、実施の形態１に係る複合膜１２を作製する方法を示す工程図である。なお、図５乃至図１０において、左側（ｉ）に平面図を示し、右側（ｉｉ）に平面図のＡ−Ａ線に沿った断面図を示す。

まず、図５（Ａ）に示すように、基材１４を用意する。基材１４の厚さは、２０〜１５０μｍである。基材１４として、たとえば、ポリアクリレートを用いることができる。

次に、図５（Ｂ）に示すように、基材に複数の開口部１６、１７を作製する。開口部１７は、隣接する開口部１６の間に形成される。開口部１６と開口部１７との間隔は５００μｍ以下である。開口部１６、１７を形成する方法として例えば、赤外レーザ、可視光レーザ、紫外レーザによるレーザ加工あるいは金型を用いた打ち抜き法などの手法を用いることができる。

基材１４の準備と並行して、図６（Ａ）および図６（Ｂ）に示すように、保護層３０ａ、保護層３０ｂを用意する。保護層３０ａには、アノード触媒層が設けられる領域に対応する開口部３１ａが設けられている。一方、保護層３０ｂには、カソードが設けられる領域に対応する開口部３１ｂが設けられている。保護層３０ａ、３０ｂの作製方法として、たとえば、シート状の保護層にレーザや金型を用いて開口部を設ける方法が挙げられる。なお、保護層３０ａおよび保護層３０ｂは、後述するレーザ加工の際に用いられるレーザに対する遮蔽性、耐熱性、熱伝導性を有することが好ましく、保護層３０ａおよび保護層３０ｂの材料として、たとえば、フェノール樹脂、ポリイミド、セルロースが挙げられる。

次に、図７（Ａ）に示すように、基材１４の一方の面（アノード形成側）に保護層３０ａを重ね合わせ、基材１４の他方の面（カソード形成側）に保護層３０ｂを重ね合わせた後、ホットプレスなどを用いて基材１４に保護層３０ａ、ｂを接着する。なお、本作製方法では、開口部が予め形成された保護層３０を基材１４に貼り付ける手順が取られているが、保護層３０を形成する領域が開口となるようなマスクを用いて、保護層の材料となる樹脂をスプレー法などを用いて基材１４に塗布する手順も適用可能である。

次に、図７（Ｂ）に示すように、電解質膜２２の厚膜部２３に対応したパターンの溝３０２が形成された台座３００を用意し、この台座３００の所定領域に基材１４を位置合わせして載置する。

次に、図８（Ａ）に示すように、基材１４に設けられた開口部１６（図７（Ａ）参照）に電解質膜２２を形成する。具体的には、ナフィオン溶液を開口部１６に充填する。このとき、台座３００に形成された溝３０２にもナフィオン溶液を充填する。

次に、図８（Ｂ）に示すように、溶媒を蒸発させることにより厚膜部２３を有する電解質膜２２を形成する。なお、溶媒が蒸発する過程で、ナフィオン溶液に表面張力が働くことにより、厚膜部２３は電解質膜２２の両主表面もしくは片側の主平面に対して凸になる。

次に図９（Ａ）に示すように、基材１４に設けられた開口部１７（図７（Ｂ）参照）にたとえばカーボンペーストなどのペーストを充填させる。ペーストを充填した後に乾燥させることによりインターコネクタ１８が形成される。

次に、図９（Ｂ）に示すように、基材１４の一方の面側において、複数の電解質膜２２を跨ぐように、基材１４の長手方向に沿って触媒層８０を形成する。具体的には、水１０ｇ、ナフィオン溶液５ｇ、白金ブラックまたは白金担持カーボン５ｇ、１−プロパノール５ｇを十分撹拌することにより触媒スラリーを調整し、この触媒スラリーをスプレー塗布することにより触媒層８０を形成する。同様に、基材１４の他方の主表面側において、複数の電解質膜２２を跨ぐように、基材１４の長手方向に沿って触媒層８２を形成する。具体的には、上述した触媒スラリーをスプレー塗布することにより触媒層８２を形成する。

次に、図１０（Ａ）に示すように、基材１４の一方の面側に設けられた触媒層８０の所定領域、すなわち、隣接する電解質膜２２に挟まれた領域に位置する保護層３０ａに対応する触媒層８０をエキシマレーザなどのレーザを用いて部分的に除去する（触媒層８０を除去する幅は、１〜５００μｍ好ましくは５０〜２００μｍ）。触媒層８０が分断されることで、隣接する電解質膜２２に挟まれた領域に保護層３０ａが露出し、アノード触媒層２４が形成される。

また、基材１４の他方の面側に設けられた触媒層８２の所定領域、すなわち、隣接する電解質膜２２に挟まれた領域に位置する保護層３０ｂに対応する触媒層８２をエキシマレーザなどのレーザを用いて部分的に除去する（触媒層８２を除去する幅は、１〜５００μｍ好ましくは５０〜２００μｍ）。触媒層８２が分断されることで、隣接する電解質膜２２に挟まれた領域に保護層３０ｂが露出し、カソード触媒層２６が形成される。

なお、触媒層除去に用いるレーザにはエキシマレーザの他にその発振波長が１８０ｎｍ以上５５０ｎｍ以下であるＹＡＧ第３高周波レーザやＹＶＯ_４第４高周波グリーンレーザなどを用いてもよい。レーザの出力は、レーザ照射部分の触媒層を完全に除去するのに十分であればよく、触媒層の材質や厚さに応じて適宜調整すればよい。

これによれば、レーザ加工により触媒層８０を部分的に除去する際に、基材１４が保護層３０ａにより保護されるため、基材１４の劣化が抑制される。また、レーザ加工により触媒層８２を部分的に除去する際に、基材１４が保護層３０ｂにより保護されるため、基材１４の劣化が抑制される。

以上の製造工程により、実施の形態１に係る膜電極接合体２０が組み込まれた複合膜１２が作製される。なお、上述した製造工程では、各工程でアノードおよびカソードに同様な工程を実施した後、次の工程に移行しているが、たとえば、アノードに一連の工程を施した後、カソードに一連の工程を施してもよい。また、保護層３０を形成する工程は、基材１４に電解質膜２２を予め充填させた後でもよい。

（電解質膜に形成される厚膜部の形態）
実施の形態１では、電解質膜２２の厚膜部２３は直線的な帯状に形成されているが、厚膜部２３の形態はこれに限られず、様々な形態を取りうる。以下の実施の形態では、電解質膜２２に形成される厚膜部２３について例示する。

（実施の形態２）
図１１（Ａ）は、実施の形態２に係る電解質膜２２を示す平面図である。本実施の形態では、厚膜部２３ａと厚膜部２３ｂが導電方向と直交する方向に間隔を置いて交互に形成されている。厚膜部２３ａおよび厚膜部２３ｂは、導電方向に延在する横断領域と湾曲領域が組み合わされた帯状の形態である。厚膜部２３ａの一方の端部（横断領域の端部）は、導電方向と交差する方向に延在する電解質膜２２の一方の辺Ｌ１に達しており、厚膜部２３ａの他方の端部（湾曲領域の端部）は、導電方向と交差する方向に延在する電解質膜２２の他方の辺Ｌ２と離間している。厚膜部２３ｂの一方の端部（横断領域の端部）は、辺Ｌ２に達しており、厚膜部２３ｂの他方の端部（湾曲領域の端部）は、辺Ｌ１と離間している。また、厚膜部２３ａの湾曲領域の湾曲の向きは、導電方向と直交する方向において、厚膜部２３ｂの湾曲領域の湾曲の向きと反対側になっている。厚膜部２３ａの湾曲領域の端部と、隣接する厚膜部２３ｂの横断領域との間隔が、厚膜部２３ａの横断領域と厚膜部２３ｂの横断領域との間隔に比べて狭くなっている。また、厚膜部２３ｂの湾曲領域の端部と、隣接する厚膜部２３ａの横断領域との間隔が、厚膜部２３ａの横断領域と厚膜部２３ｂの横断領域との間隔に比べて狭くなっている。

（実施の形態３）
図１１（Ｂ）は、実施の形態３に係る電解質膜２２を示す平面図である。本実施の形態では、厚膜部２３は横断領域と湾曲領域とが組み合わされたＳ字形状をなしており、その一方の端部は辺Ｌ１と離間した状態で辺Ｌ１に近接している。また、厚膜部２３の他方の端部は辺Ｌ２と離間した状態で辺Ｌ２に近接している。厚膜部２３の横断領域は所定の間隔で並設されている。

（実施の形態４）
図１２（Ａ）は、実施の形態４に係る電解質膜２２を示す平面図である。本実施の形態では、厚膜部２３ａおよび厚膜部２３ｂは２つの横断領域と湾曲領域とが組み合わされたＵ字形状をなしており、厚膜部２３ａの湾曲領域は辺Ｌ１と離間した状態で辺Ｌ１に近接している。また、厚膜部２３ａの２つの横断領域は湾曲領域から辺Ｌ２の方へ延在し、横断領域の端部は辺Ｌ２と離間している。また、厚膜部２３ｂの湾曲領域は辺Ｌ２と離間した状態で辺Ｌ２に近接している。厚膜部２３ｂの２つの横断領域は湾曲領域から辺Ｌ１の方へ延在し、横断領域の端部は辺Ｌ１と離間している。厚膜部２３ａの横断領域と、厚膜部２３ｂの横断領域とは、導電方向に直交する方向で重畳するように配置されている。

実施の形態２乃至４の厚膜部２３は辺Ｌ１から辺Ｌ２まで延在せず、辺Ｌ１側において辺Ｌ１から離れていること、辺Ｌ２側において辺Ｌ２から離れていることの一方、または両方の形態を有し、帯状の厚膜部２３が湾曲している点で実施の形態１と異なる。電解質膜２２の面内で導電方向に辺Ｌ１から厚膜部２３まで最大の長さＳ１と、辺Ｌ２から厚膜部２３まで最大の長さＳ２のうち大きい方が、ＱまたはＰ／３の小さい方より小さい（ｍａｘ（Ｓ１,Ｓ２）＞ｍｉｎ（Ｑ，Ｐ／３））条件を満たし、Ｓ１からＳ２の範囲で厚膜部２３の横断領域が、導電方向に直交する方向で重畳する範囲において、実施の形態１で説明したように、Ｐ／Ｑ＞１やＱ／Ｒ＞１という関係を満たせば、厚膜部２３辺がＬ１から辺Ｌ２に延在する必要はなく、厚膜部２３の横断領域は直線状である必要もない。実施の形態２乃至４によれば、実施の形態１に比べて、電解質膜２２において厚膜部２３が占める領域を低減することができるため、発電性能をより損なうことなく、実施の形態１で説明したような、導電方向のクラック進展抑制効果を得ることができる。なお、実施の形態２乃至４における最大値Ｒは、導電方向に延在する直線領域において、導電方向と直交する線上で厚膜部２３が連続する幅の最大値として定義される。

（実施の形態５）
図１２（Ｂ）は、実施の形態５に係る電解質膜２２を示す平面図である。本実施の形態の厚膜部２３が辺Ｌ１から辺Ｌ２に延在する帯状の形態である点では、実施の形態１の電解質膜２２と共通するが、帯状の厚膜部２３がうねっている点で実施の形態１と異なる。このように、実施の形態１で説明したように、Ｐ／Ｑ＞１やＱ／Ｒ＞１という関係を満たせば、厚膜部２３は直線状である必要はない。

本発明は、上述の各実施の形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうるものである。

たとえば、上述の各実施の形態では、アノード触媒層２４およびカソード触媒層２６の両方に厚膜部２３に起因して導電方向の比率が導電方向に直交する方向の比率に対して優勢になるような異方性を有するクラックが形成されているが、このようなクラックは、アノード触媒層２４、カソード触媒層２６のいずれか一方に形成されている場合でも、上述したような効果を奏する。

１０燃料電池、１２複合膜、１４基材、１６開口部、１７開口部、１８インターコネクタ、２０膜電極接合体、２２電解質膜、２３厚膜部、２４アノード触媒層、２６カソード触媒層、３０保護層、３１開口部、３７燃料貯蔵部、４０アノード用ハウジング、４２カソード用ハウジング、４４空気取入口、５０封止部材、８０触媒層、８２触媒層

本発明は、燃料電池分野で利用可能である。

Claims

固体高分子材料によって形成された電解質膜と前記電解質膜の一方の面に設けられたアノードと前記電解質膜の他方の面に設けられたカソードとを含む膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の周縁部に設けられた集電部と、
を備え、
前記電解質膜に膜厚が相対的に厚い厚膜部が形成されており、
前記アノード、前記カソードの少なくとも一方の電極に形成された個々のクラックについて、電解質膜上における前記集電部に向かう導電方向の成分の長さの総和が、前記導電方向に直交する成分の長さの総和より大きくなるように、前記厚膜部によってクラックの形成が制限されていることを特徴とする燃料電池。
前記電解質膜の面内で、前記厚膜部と厚膜部以外の各領域が、電解質膜上の前記導電方向に直交する方向に、交互に配置されている請求項１に記載の燃料電池。
前記電解質膜の面内の前記厚膜部と厚膜部以外の各領域が、電解質膜上の前記導電方向に直交する方向に交互に配置されている領域で、前記導電方向と直交する線上において、厚膜部以外の領域が連続する長さの最大値Ｑが、前記導電方向の電解質膜の長さＰより小さい請求項２に記載の燃料電池。
前記電解質膜の面内で前記導電方向と直交する線上において、厚膜部が連続する長さの最大値Ｒが、前記最大値Ｑより小さい請求項３に記載の燃料電池。
前記電解質膜の面内で前記導電方向に、前記厚膜部がいずれか一方の端部より離れて配置されており、離間距離の最大値Ｓが前記最大値Ｑまたは前記導電方向の電解質膜の長さＰの１／３のいずれか小さい方より小さい請求項４に記載の燃料電池。