專利名稱：膜電極接合體、燃料電池及膜電極接合體的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及利用含氫的燃料進(jìn)行發(fā)電的燃料電池。
技術(shù)背景近年來，能量轉(zhuǎn)換效率高、且經(jīng)由發(fā)電反應(yīng)不發(fā)生有害物質(zhì)的燃料電池受到關(guān)注。作為這種燃料之一，已知在IO(TC以下低溫下工作的固體高 分子形燃料電池。固體高分子形燃料電池是以下這樣的裝置，具有將作為電解質(zhì)膜的固 體高分子膜配置在燃料極(陽極)和空氣極(陰極)之間的基本結(jié)構(gòu)，向 燃料極供給含氫的燃料氣體，向空氣極供給含氧的氧化劑氣體，利用以下 的電化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行發(fā)電。燃料極H2—2H++2e— (1)空氣極l/202+2H++2e——H20 (2)陽極及陰極分別由層疊了觸媒(catalyst)層和氣體擴(kuò)散層的結(jié)構(gòu)構(gòu)成。 各電極的觸媒層夾著固體高分子膜而對(duì)置配置，構(gòu)成燃料電池。觸媒層是 觸媒或搭載了觸媒的碳粒子由離子交換樹脂粘接而成的層。氣體擴(kuò)散層成 為氧化劑氣體和燃料氣體等的通過路徑。在陽極上，所供給的燃料中含有的氫如上述式(1)所示被分解成氫 離子和電子。其中，氫離子在固體高分子電解質(zhì)膜的內(nèi)部向空氣極移動(dòng)， 電子通過外部回路向空氣極移動(dòng)。另方面，在陰極上，向陰極供給的氧化 劑氣體中含有的氧和從燃料極移動(dòng)來的氫離子及電子進(jìn)行反應(yīng)，如上述式 (2)所示那樣生成水。如上所述，由于在陰極生成水，所以，當(dāng)該水在陰極滯留時(shí)有可能阻 礙空氣向觸媒層擴(kuò)散而導(dǎo)致發(fā)電效率下降之虞存在。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明即是鑒于這些狀況而產(chǎn)生的，其目的在于，提供一種抑制由陰 極生成的水所造成的發(fā)電效率降低的技術(shù)。為了解決上述課題，本發(fā)明的一個(gè)方式的是膜電極接合體，包括電 解質(zhì)膜、設(shè)置在電解質(zhì)膜一面上的陽極、和設(shè)置在電解質(zhì)膜另一面上的陰 極。電解質(zhì)膜具有在表面沒有設(shè)置陰極的非電極形成區(qū)域和在表面設(shè)置陰 極的電極形成區(qū)域，非電極形成區(qū)域具有按照比電極形成區(qū)域的膜厚薄的 方式形成的薄膜區(qū)域。根據(jù)該方式，當(dāng)使用于燃料電池時(shí)，由于具有不設(shè)置陰極的非電極形 成區(qū)域，從而，發(fā)電中通過反應(yīng)在陰極所生成的水向非電極形成區(qū)域移動(dòng)， 由此抑制水在電極形成區(qū)域的陰極滯留。從而，很難阻礙空氣向陰極供給， 可抑制發(fā)電效率的降低。另外，由于形成得比電極形成區(qū)域的電解質(zhì)膜的 膜厚薄的薄膜區(qū)域容易透過水，從而在陰極生成的水容易向陽極側(cè)移動(dòng)。其結(jié)果，即使不對(duì)供給陽極的燃料例如氫進(jìn)行加濕，也能夠抑制電解質(zhì)膜 的陽極側(cè)表面的干燥。上述方式的膜電極接合體中，由電解質(zhì)膜、陽極和陰極構(gòu)成的單電池 呈平面狀形成多個(gè)，在鄰接的各單電池的陰極間形成薄膜區(qū)域也可。從而， 當(dāng)使用于燃料電池時(shí)，發(fā)電中通過反應(yīng)在陰極所生成的水向陰極間的非電 極形成區(qū)域的薄膜區(qū)域移動(dòng)，由此抑制水在電極形成區(qū)域的陰極滯留。從 而，很難阻礙空氣向陰極供給，可抑制整個(gè)單電池的發(fā)電效率的降低。另 外，由于形成得比電極形成區(qū)域的電解質(zhì)膜的膜厚薄的薄膜區(qū)域容易透過 水，從而在陰極生成的水容易向陽極側(cè)移動(dòng)。其結(jié)果，即使不對(duì)供給陽極 的燃料例如氫進(jìn)行加濕，也能夠抑制電解質(zhì)膜的陽極側(cè)表面的干燥。上述方式的膜電極接合體中，薄膜區(qū)域設(shè)有電解質(zhì)膜的陰極側(cè)表面凹 陷的凹部也可。從而能夠?qū)㈥帢O所生成的水在很難與陰極接觸的狀態(tài)下蓄 積。上述方式的膜電極接合體中，薄膜區(qū)域具有由電極形成區(qū)域包圍的直 線狀槽部也可以。從而能夠簡(jiǎn)便地形成薄膜區(qū)域。上述方式的膜電極接合體中，薄膜區(qū)域具有由電極形成區(qū)域包圍的彎 曲的槽部也可以。從而能夠提高膜電極接合體的強(qiáng)度。上述方式的膜電極接合體中，陽極及陰極的厚度分別為5 u m以上100 ^m以下也可。另外，槽部不連續(xù)形成也可。從而能夠提高膜電極接合體 的強(qiáng)度。在此，槽部的寬度為5ym以上200um以下也可。在寬度為5 um以上的情況下，即便在由膨潤(rùn)(swelling)使電解質(zhì)變形時(shí)，槽部也 不潰變，從而能夠?qū)⒃陔姌O形成區(qū)域的陰極生成的水充分向薄膜區(qū)域移 動(dòng)。另外，在寬度為200U m以下的情況下，即便在由輸出變動(dòng)使生成水 的量增加高于定額10%程度時(shí)，也能夠防止溢流(flooding)并且將電極 形成區(qū)域的面積減少抑制為10%以下。上述方式的膜電極接合體中，薄膜區(qū)域具有電極形成區(qū)域膜厚的50% 以上的膜厚，同時(shí)具有比電極形成區(qū)域膜厚薄5"m以上的膜厚也可以。 從而能夠維持電解質(zhì)膜整體的強(qiáng)度，且在薄膜區(qū)域使陰極所生成的水容易 向陽極移動(dòng)。薄膜區(qū)域的面積相對(duì)于電極形成區(qū)域的面積之比例為0.01以上O.l以 下。從而能夠確保電極形成區(qū)域的發(fā)電量，且能夠抑制陰極所生成的水在 電極形成區(qū)域滯留。本發(fā)明的其他方式的膜電極接合體，包括電解質(zhì)膜、設(shè)置在電解質(zhì)膜 一面上的陽極、和設(shè)置在電解質(zhì)膜另一面上的陰極，電解質(zhì)膜具有在表面 沒有設(shè)置陰極的非電極形成區(qū)域和在表面設(shè)置陰極的電極形成區(qū)域，非電 極形成區(qū)域形成薄膜區(qū)域，薄膜區(qū)域具有自鄰接的電極形成區(qū)域的電解質(zhì) 膜表面凹陷的凹部。本發(fā)明的其他方式是一種燃料電池。該燃料電池具備膜電極接合體。本發(fā)明的再其他方式是一種膜電極接合體的制造方法。該方法適合的 膜電極接合體包括電解質(zhì)膜、設(shè)置在電解質(zhì)膜一面上的陽極、和設(shè)置在電 解質(zhì)膜另一面上的陰極。電解質(zhì)膜具有在表面不設(shè)置陰極的非電極形成區(qū) 域和在表面設(shè)置陰極的電極形成區(qū)域。并且，膜電極接合體的制造方法， 具備薄膜化工序，其將膜厚比電極形成區(qū)域的電解質(zhì)膜薄且表面露出的薄 膜區(qū)域，作為非電極形成區(qū)域的一部分形成。根據(jù)該方式，能夠?qū)⒛ず癖入姌O形成區(qū)域的電解質(zhì)膜薄且表面露出的 薄膜區(qū)域，作為非電極形成區(qū)域的一部分形成，因此，能夠制造一種在使 用于燃料電池時(shí)抑制水在電極形成區(qū)域的陰極滯留的膜電極接合體。薄膜化工序也可以包括使用振蕩波長(zhǎng)為100nm以上1100nm以下的激 光來去除陰極或與陽極還有電解質(zhì)膜的表層部的工序。在激光的振蕩波長(zhǎng) 為1100nm以下的情況下，能夠抑制對(duì)照射激光的范圍外的電極形成區(qū)域的 熱影響。另外，在激光的振蕩波長(zhǎng)為100nm以上的情況下，能夠?qū)㈥帢O或 陽極容易地去除。因而，當(dāng)激光的振蕩波長(zhǎng)在上述范圍時(shí)，在沒有貫通電 解質(zhì)膜而去除陽極或陰極的同時(shí)，能夠形成薄膜區(qū)域。另外，薄膜化工序也可以包括使用振蕩波長(zhǎng)為180nm以上00nm以下 的激光來去除陰極或與陽極還有電解質(zhì)膜的表層部的工序。當(dāng)激光的振蕩 波長(zhǎng)在上述范圍時(shí)，由于可將激光聚光到更微少的范圍，所以能夠形成高 精度的薄膜區(qū)域。例如，激光的激光種類為KrF激基激光也可。發(fā)明的效果根據(jù)本發(fā)明，能夠抑制由陰極所生成的水引起的發(fā)電效率降低。


圖1是表示第1實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)的構(gòu)成的概略圖。圖2是表示燃料電池的具體構(gòu)成的概略截面圖。圖3 (a)是第1實(shí)施方式的膜電極接合體的俯視圖。圖3 (b)是圖3 (a)所示膜電極接合體的A—A截面圖。圖3 (c)是圖3 (b)所示膜 電極接合體的B區(qū)域的放大截面圖。圖3 (d)是第1實(shí)施方式的膜電極 接合體的變形例中的B區(qū)域的放大截面圖。圖4是第2實(shí)施方式的膜電極接合體的俯視圖。圖5是第3實(shí)施方式的膜電極接合體的俯視圖。圖6是第4實(shí)施方式的膜電極接合體的俯視圖。圖7 (a)是第5實(shí)施方式的膜電極接合體的俯視圖。圖7 (b)是圖7 (a)所示膜電極接合體的C一C截面圖。圖7 (c)是圖7 (b)所示膜電 極接合體的D區(qū)域的放大截面圖。圖8是表示第1實(shí)施方式的變形例的燃料電池系統(tǒng)的構(gòu)成的概略圖。圖9是表示由各種激光所形成的凹部的上面(top)顯微鏡照片及其 狀態(tài)評(píng)估的圖表。圖10是基于圖9所示的顯微鏡照片的示意圖。圖11是用于說明槽部的寬度對(duì)電池的輸出賦予的影響的圖。
具體實(shí)施方式
以下參照附圖，說明本發(fā)明的實(shí)施方式。還有，

中，對(duì)相同 要素附以相同符號(hào)，適宜省略重復(fù)的說明。另外，以下所述的構(gòu)成是例示， 并沒有對(duì)本發(fā)明的范圍進(jìn)行任何限定。 (第l實(shí)施方式)圖1是表示第1實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)100的構(gòu)成的概略圖。本實(shí) 施方式的燃料電池系統(tǒng)100適用作為筆記本PC、移動(dòng)電話機(jī)等便攜設(shè)備 的電源。如圖1所示，燃料電池系統(tǒng)IOO具有燃料盒110、重整部120、 燃料電池10。燃料盒110貯存甲醇、甲烷、丁垸等烴(hydrocarbon)類燃料。燃料 盒110可拆裝，當(dāng)烴類燃料被消耗而余量不足時(shí)，可更換成填充了足夠烴 類燃料的燃料盒110。從燃料盒110排出的烴類燃料經(jīng)由管道112向重整 部120送出。還有，在燃料盒110和重整部120間可以適宜設(shè)置氣化器、 脫硫器等構(gòu)成。重整部120將從燃料盒110送出的烴類燃料經(jīng)由眾所周知的水蒸氣重 整(水蒸気改質(zhì)蒸汽轉(zhuǎn)化)變化成含氫的重整氣體。重整部120還可以 具有將重整氣體中的一氧化碳及水蒸氣轉(zhuǎn)換成氫及二氧化碳的轉(zhuǎn)換(shift) 反應(yīng)器和用以降低重整氣體中的一氧化碳濃度的CO去除器。經(jīng)由重整部 120生成的重整氣體經(jīng)由管道122向燃料電池10供給，作為燃料電池發(fā)電 所必需的燃料氣體被利用。圖2是表示燃料電池10的具體構(gòu)成的概略截面圖。燃料電池10具有 由單電池20a、單電池20b、單電池20c構(gòu)成的多個(gè)單電池排列成平面狀的平面排列模組結(jié)構(gòu)。各單電池20a、單電池20b、單電池20c分別含有由于7 <才 > (注 冊(cè)商標(biāo))等構(gòu)成的電解質(zhì)膜30被陽極40及陰極50夾持而成的膜電極復(fù) 合體。這種復(fù)合膜結(jié)構(gòu)用例如特開2006—244715中公開的方法制作。作為用于構(gòu)成陽極40及陰極50的觸媒，分別可列舉出鉑、鈀、釕、銥等金屬及這些金屬組合后的合金、或搭載了這些金屬、合金的碳。另外，在陽極40及陰極50的分別與電解質(zhì)膜30沒有接觸的面設(shè)置多孔質(zhì)的電極基體材料也可。作為電極基體材料能夠采用碳布、碳紙等。鄰接的單電池彼此用集電體、配線(均沒有圖示)等連接構(gòu)件串聯(lián)連 接，能夠向外部供電。在各單電池20a、單電池20b、單電池20c的陽極側(cè)分別設(shè)置由燃料 室殼體42分隔成的燃料室44a、 44b、 44c。在燃料室殼體42上形成用以 介由集電體(沒有圖示)壓緊陽極40的肋46。從而，陽極40和集電體的 密接性提高，陽極40上的集電性提高。在燃料室殼體42的單電池20a側(cè)的側(cè)面部設(shè)置供給重整氣體的燃料 攝取口47。燃料室44a和燃料室44b由流路45a連通。另外，燃料室44b 和燃料室44c由流路45b連通。在燃料室殼體42的單電池20c側(cè)的側(cè)面 部設(shè)置排出未反應(yīng)的重整氣體等的燃料排出口 48。基于這樣構(gòu)成的燃料流 通路，從燃料攝取口 47導(dǎo)入的重整氣體流依次流通燃料室44a、燃料室 44b、燃料室44c，供給發(fā)電后，從燃料排出口48排出。另方面，在各單電池20a、單電池20b、單電池20c的陰極側(cè)設(shè)置空 氣室殼體52。在空氣室殼體52上設(shè)置作為氧化劑流通路的空氣攝取口 54。 通過空氣攝取口54，空氣從外部向陰極50供給。還有，圖2中沒有表示， 不過，在陰極50上形成后述的槽部。另外，電解質(zhì)膜30具有薄膜區(qū)域。接著，關(guān)于各單電池20a、單電池20b、單電池20c含有的膜電極接 合體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行說明。圖3(a)是第1實(shí)施方式的膜電極接合體的俯視圖。 圖3 (b)是圖3 (a)所示膜電極接合體的A—A截面圖。圖3 (c)是圖 3 (b)所示膜電極接合體的B區(qū)域的放大截面圖。本實(shí)施方式的膜電極接合體60，包括電解質(zhì)膜30、設(shè)置在電解質(zhì)膜30 一面上的陽極40、和設(shè)置在電解質(zhì)膜30另一面上的陰極50。電解質(zhì)膜30具 有在表面S未設(shè)置陰極50的非電極形成區(qū)域X和在表面S設(shè)置陰極50的電 極形成區(qū)域Y。本實(shí)施方式的電極形成區(qū)域Y的電解質(zhì)膜30的膜厚優(yōu)選為 25um以上200um以下。并且，非電極形成區(qū)域X具有形成得比電極形成 區(qū)域Y的膜厚薄的薄膜區(qū)域62。因而，當(dāng)將膜電極接合體60使用于燃料電池10時(shí)，由于膜電極接合體60具有未設(shè)置陰極50的非電極形成區(qū)域X，從而，發(fā)電中通過反應(yīng)在陰極 50所生成的水向非電極形成區(qū)域X移動(dòng)，由此抑制水在電極形成區(qū)域Y的 陰極50滯留。從而，很難阻礙空氣向陰極50供給，就抑制發(fā)電效率的降低， 能夠長(zhǎng)期維持高性能。另外，由于形成得比電極形成區(qū)域Y的電解質(zhì)膜30的膜厚薄的薄膜區(qū) 域62容易透過水，從而在陰極50生成的水容易向陽極40側(cè)移動(dòng)。其結(jié)果， 即使不對(duì)陽極40供給的燃料例如氫進(jìn)行加濕，也能夠抑制電解質(zhì)膜30的陽 極40側(cè)表面的干燥。從而，在燃料電池系統(tǒng)100中，能夠省略或簡(jiǎn)化用以 加濕燃料的機(jī)構(gòu)，能夠謀求系統(tǒng)的小型化、成本的降低。本實(shí)施方式的非電極形成區(qū)域X形成有具有自鄰接的電極形成區(qū)域 Y的電解質(zhì)膜30表面S凹陷的凹部的薄膜區(qū)域62。具體地說，薄膜區(qū)域 62如圖3 (c)所示設(shè)有電解質(zhì)膜30的陰極50側(cè)的表面S凹陷的凹部64。 從而能夠?qū)㈥帢O50所生成的水在難于接觸陰極50的狀態(tài)下蓄積。還有， 形成有凹部64的薄膜區(qū)域62按照隨著遠(yuǎn)離電極形成區(qū)域Y而膜厚變薄的方式形成也可以。另外，薄膜區(qū)域62如圖3 (a)所示具有由電極形成區(qū)域Y包圍的直 線狀槽部68。從而，槽部68能夠?qū)㈦姌O形成區(qū)域Y的陰極50所生成的 水匯集在寬范圍，且能夠有效地使水向陽極40側(cè)透過。薄膜區(qū)域62優(yōu)選具有電極形成區(qū)域Y膜厚的50%以上的膜厚。從而 能夠維持電解質(zhì)膜30整體的強(qiáng)度。另外，薄膜區(qū)域62具有比電極形成區(qū) 域Y膜厚薄5 u m以上的膜厚。從而能夠在薄膜區(qū)域62使陰極50所生成 的水容易向陽極40移動(dòng)。薄膜區(qū)域62的面積相對(duì)于電極形成區(qū)域Y的面積之比例優(yōu)選為0.01 以上。從而，能夠抑制陰極50所生成的水在電極形成區(qū)域Y滯留。薄膜 區(qū)域62相對(duì)于電極形成區(qū)域Y的面積比例更優(yōu)選為0.05以上。從而能夠 充分抑制陰極50所生成的水在電極形成區(qū)域Y滯留。另外，薄膜區(qū)域62 相對(duì)于電極形成區(qū)域Y的面積比例優(yōu)選為0.1以下。從而能夠確保電極形 成區(qū)域Y的足夠的發(fā)電量。此外，在圖3 (c)所示的膜電極接合體中將薄膜區(qū)域62以窄于非電極 形成區(qū)域X的寬度形成，但是，如圖3 (d)所示的膜電極接合體那樣，也可以將薄膜區(qū)域62形成在非電極形成區(qū)域X的寬度全范圍。薄膜區(qū)域62的凹部64和槽部68等微細(xì)加工，能夠采用振蕩波長(zhǎng)為 100nm以上1100nm以下的激光。由此，能夠抑制對(duì)周圍的電極形成區(qū)域的 熱影響并且簡(jiǎn)單地形成薄膜區(qū)域。作為振蕩波長(zhǎng)在上述范圍的激光，具體 地說，可列舉YAG激光、YVCV激光(振蕩波長(zhǎng)1064nm)、及它們的第2諧 波(532nra)、第3諧波(355nm)、第4諧波(266nm)、或XeF激基激光(excimer laser) (351nm)、 XeCl (308nm)、 KrF激基激光(248nm)、 KrCl激基激光(222nm)、 ArF激基激光(193nm)、 Xe2激基激光(126nm)等。并且， 作為進(jìn)一步優(yōu)選，可以使用振蕩波長(zhǎng)為180nm以上550nm以下的激光。由 此，能夠高精度地形成薄膜區(qū)域。另外，本實(shí)施方式的膜電極接合體的制造方法也可以包括薄膜化工 序，該薄膜化工序中將膜厚比電極形成區(qū)域Y的電解質(zhì)膜30薄且表面露出 的薄膜區(qū)域62作為非電極形成區(qū)域X的一部分形成。根據(jù)該方式，能夠?qū)⒛ず癖入姌O形成區(qū)域Y的電解質(zhì)膜30薄且表面露 出的薄膜區(qū)域62、作為非電極形成區(qū)域X的一部分形成，因此，能夠制造 一種使用于燃料電池10時(shí)可抑制水在電極形成區(qū)域Y的陰極50滯留的膜電 極接合體60。該制造方法中，將激光從陰極50和陽極40的上方朝向規(guī)定區(qū)域照射， 由此能夠?qū)㈥帢O50和陽極40等以微細(xì)幅度且到達(dá)電解質(zhì)膜30的深度去除。 再有，與陰極50和陽極40等同樣，也將電解質(zhì)膜30的表層部以微細(xì)幅度去 除，由此能夠簡(jiǎn)便且精度良好地形成薄膜區(qū)域62。圖9是表示由各種激光形成的凹部的上面顯微鏡照片及其狀態(tài)評(píng)估的 圖表。圖10是基于圖9所示的顯微鏡照片的示意圖。在圖9所示的評(píng)估項(xiàng)目 中，通過激光去除電極是否使電解質(zhì)膜充分露出來判斷電極去除狀態(tài)。通 過凹部是否在整個(gè)長(zhǎng)邊方向成為按照設(shè)計(jì)的形狀來判斷凹部作成狀態(tài)。其 中，圖表中的評(píng)估按 、〇、A的順序?yàn)榱己玫臓顟B(tài)。此外，圖9的上段 的照片表示Pt-Ru、下段的照片表示電極為Pt的情況。另外，圖10是與圖9 的下段的各照片對(duì)應(yīng)的示意圖。在以下，以圖10的示意圖為中心進(jìn)行說明。圖IO (d)是利用YAG激光去除Pt電極的一部分時(shí)的示意圖。從該圖 也可知，在凹部64的底部而電極的殘?jiān)?0增多，并且槽部的邊緣72的粗度也在此次實(shí)驗(yàn)的各激光中是最大的。此外，凹部的形狀也不均勻，凹部制作狀態(tài)也不能說是良好的。相對(duì)于此，如圖IO (c)所示，在利用YV04 第2諧波激光去除電極的一部分的情況下，在凹部64的底部的至少中央部 分幾乎不能觀察到電極的殘?jiān)?0。另外，槽部的邊緣72的粗度或凹部制作 狀態(tài)在與YAG激光的情況相比較的狀態(tài)下也變得良好。另外，如圖IO (b)所示，在利用YAG第3諧波激光去除電極的一部分 的情況下，與YV04第2諧波激光的情況相比，在凹部64幾乎觀察不到電極 的殘?jiān)＿M(jìn)一步，如圖IO (a)所示，在利用KrF激基激光去除電極的一部 分的情況下，與YAG第3諧波激光相比，可改善槽部的邊緣72的粗度。這 樣，通過利用KrF激基激光，能夠高精度去除電極，并且均勻地形成按照 設(shè)計(jì)的凹部。本實(shí)施方式的基于激光的加工條件，在KrF激基激光的情況下，考慮 陰極50和陽極40等的材質(zhì)和膜厚等，能量密度在lJ/cmM0J/cm2、肖特 (shot)數(shù)在3肖特 50肖特的范圍適宜選擇。 (第2實(shí)施方式)圖4是第2實(shí)施方式的膜電極接合體的俯視圖。本實(shí)施方式的膜電極 接合體160，與第1實(shí)施方式的膜電極接合體60的直線狀槽部68不同， 形成有由電極形成區(qū)域Y包圍的不連續(xù)直線狀配置的槽部168。從而，能 夠提高膜電極接合體160的強(qiáng)度。 (第3實(shí)施方式)圖5是第3實(shí)施方式的膜電極接合體的俯視圖。本實(shí)施方式的膜電極 接合體260，與第1實(shí)施方式的膜電極接合體60的直線狀槽部68不同， 形成有由電極形成區(qū)域Y包圍的連續(xù)且彎曲的槽部268。從而，能夠提高 膜電極接合體260的強(qiáng)度。 (第4實(shí)施方式)圖6是第4實(shí)施方式的膜電極接合體的俯視圖。本實(shí)施方式的膜電極 接合體360，與第1實(shí)施方式的膜電極接合體60的直線狀槽部68不同， 形成有由電極形成區(qū)域Y包圍的不連續(xù)且彎曲的槽部368。從而，能夠提 高膜電極接合體360的強(qiáng)度。還有，上述各實(shí)施方式中說明的槽部其寬度優(yōu)選為5um以上200um以下。在寬度為5um以上的情況下，能夠?qū)⒃陔姌O形成區(qū)域Y的陰極 50生成的水充分向薄膜區(qū)域62移動(dòng)。另外，在寬度為200wm以下的情 況下，即便在由輸出變動(dòng)使生成水的量增加高于定額10%程度時(shí)，也能夠 防止溢流(flooding)并且將電極形成區(qū)域的面積減少抑制為10%以下。圖11是用于說明槽部的寬度對(duì)電池的輸出賦予的影響的圖。在燃料 電池的輸出變動(dòng)(增加)時(shí)生成水的量也變動(dòng)(增加)，但在適用于便攜 設(shè)備的燃料電池中持有用于將生成水積極排出的機(jī)構(gòu)是困難的。因而，生 成水的量的變動(dòng)對(duì)溢流產(chǎn)生較大的影響。例如，在預(yù)測(cè)的輸出變動(dòng)(增加)為10%程度的情況下，生成水的量 的變動(dòng)(增加)也為10%程度，由此，可認(rèn)為水通過的區(qū)域(陰極的表面 積)增加10%。于是，如圖11所示，在上述各燃料電池中，可以陰極50 的膜厚為100 U m，并且在2mm寬度的各電極形成區(qū)域Y之間形成200 ym寬度的槽部68。由此，由于在槽部68而陰極50的側(cè)面50a露出，由此，各電極形成 區(qū)域Y的表面積，與槽部沒有形成的情況相比，變?yōu)?2000 + 100X2)/2000 二l.l倍且增加10。％。因而，由于即使輸出增加10%而生成水排出的陰極 的表面積也增加，所以能夠抑制溢流。此外，因?yàn)椴鄄?8是非電極形成 區(qū)域所以有助于發(fā)電的面積的比例變?yōu)?000/(2000 + 200) =0.91倍而減 少，但是，由于如上述那樣通過增加陰極50的表面積可以充分抑制溢流， 從而發(fā)電效率的降低被改善。 (第5實(shí)施方式)一般而言，如圖2所示的燃料電池10，在制作多個(gè)單電池時(shí)，必須在 一塊電解質(zhì)膜的兩側(cè)等間隔地設(shè)置多個(gè)陽極和陰極等。從而必須將按每個(gè) 陽極和每個(gè)陰極加工后的構(gòu)件精度良好地在電解質(zhì)膜表面排列、壓接，從 制造工序的增加和生產(chǎn)性的觀點(diǎn)而方，要求做進(jìn)一步的改良。另外，如上所述的方法中，難于使鄰接的單電池的陰極間和陽極間等 的間隙變窄，無助于發(fā)電的非電極形成區(qū)域的面積的比例變大，從而，要 求同時(shí)滿足發(fā)電效率的進(jìn)一步提高和進(jìn)一步小型化。為此，本實(shí)施方式中，參照?qǐng)D7對(duì)利用上述KrF激基激光形成多個(gè)單 電池的技術(shù)進(jìn)行說明。圖7 (a)是第5實(shí)施方式的膜電極接合體的俯視圖。圖7 (b)是圖7 (a)所示膜電極接合體的C一C截面圖。圖7 (c) 是圖7 (b)所示膜電極接合體的D區(qū)域的放大截面圖。本實(shí)施方式的膜電極接合體460，將由電解質(zhì)膜430、設(shè)置在電解質(zhì)膜 430—面上的陽極440、和設(shè)置在電解質(zhì)膜430另一面上的陰極450構(gòu)成的單 電池420 (420a、 420b、 420c、 420d)呈平面狀形成多個(gè)，在鄰接的各單 電池420的陰極間形成薄膜區(qū)域462 。電解質(zhì)膜430具有在表面S不設(shè)置陰極450的非電極形成區(qū)域X和在表 面S設(shè)置陰極450的電極形成區(qū)域Y。非電極形成區(qū)域X具有形成得比電極 形成區(qū)域Y的電解質(zhì)膜30膜厚薄的薄膜區(qū)域462。因而，當(dāng)將膜電極接合體460使用于燃料電池10時(shí)，由于膜電極接合 體460具有不設(shè)置陰極450的非電極形成區(qū)域X，從而，發(fā)電中通過反應(yīng)在 陰極450所生成的水向非電極形成區(qū)域X移動(dòng)，由此抑制水在電極形成區(qū)域 Y的陰極450滯留。從而，很難阻礙空氣向陰極450供給，可抑制燃料電池 整體的發(fā)電效率的降低。另外，由于形成得比電極形成區(qū)域Y的電解質(zhì)膜430的膜厚薄的薄膜區(qū) 域462容易透過水，從而在陰極450生成的水容易向陽極440側(cè)移動(dòng)。其結(jié) 果，即使不對(duì)陽極440供給的燃料例如氫進(jìn)行加濕，也能夠抑制電解質(zhì)膜 430的陽極440側(cè)表面的干燥。從而，在燃料電池系統(tǒng)100中，能夠省略或 簡(jiǎn)化用以加濕燃料的機(jī)構(gòu)，能夠謀求系統(tǒng)的小型化、成本的降低。薄膜區(qū)域462中如圖7 (c)所示，設(shè)置有電解質(zhì)膜430的陰極450側(cè)表 面S凹陷的凹部464。從而，能夠?qū)㈥帢O450所生成的水466在難于接觸陰極 450的狀態(tài)下蓄積。制作本實(shí)施方式的膜電極接合體460時(shí)，采用第l實(shí)施方式中說明的 KrF激基激光。本實(shí)施方式中，在一塊電解質(zhì)膜的兩面設(shè)置構(gòu)成陽極及陰 極的沒有分割的一塊構(gòu)件后，利用KrF激基激光分離成與各單電池對(duì)應(yīng)的 陽極及陰極。從而能夠使各單電池彼此的間隔與現(xiàn)有相比大幅度地變窄， 能夠減少非電極形成區(qū)域，從而能夠獲得面積比現(xiàn)有的大的電極形成區(qū)域 Y。還有，采用本實(shí)施方式的激基激光，能夠?qū)坞姵亻g的間隔設(shè)定為30 y m ~300p m左右。根據(jù)上述方法，如圖2所示的燃料電池10，當(dāng)制作具有多個(gè)單電池的膜電極接合體時(shí)，能夠在一塊電解質(zhì)膜的兩側(cè)將多個(gè)陽極和陰極以比現(xiàn)有 的窄的間隔設(shè)置。從而謀求制造工序的簡(jiǎn)化和生產(chǎn)性的提高等。以上參照了上述各實(shí)施方式說明了本發(fā)明，不過，本發(fā)明并不限定于 上述各實(shí)施方式，有關(guān)將各實(shí)施方式的構(gòu)成進(jìn)行適宜組合和置換等形成的 構(gòu)成也包含在本發(fā)明中。另外，根據(jù)本領(lǐng)域技術(shù)人員的知識(shí)也可以對(duì)各實(shí) 施方式的膜電極接合體的制造方法的順序適宜更替或者在燃料電池和膜 電極接合體中對(duì)各實(shí)施方式加以各種設(shè)計(jì)變更等變形，施加了那些變形的 實(shí)施方式也包含在本發(fā)明中。例如，第1實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)利用重整部120將烴類燃料變化成含氫的重整氣體，不過，如圖8所示的燃料電池系統(tǒng)，也可以是作為燃料 采用以氫為主成分的氣體、由此省略重整部的燃料電池系統(tǒng)。
權(quán)利要求
1.一種膜電極接合體，其特征在于，包括電解質(zhì)膜、設(shè)置在所述電解質(zhì)膜一面上的陽極、和設(shè)置在所述電解質(zhì)膜另一面上的陰極，所述電解質(zhì)膜具有在表面沒有設(shè)置陰極的非電極形成區(qū)域和在表面設(shè)置陰極的電極形成區(qū)域，所述非電極形成區(qū)域具有按照比所述電極形成區(qū)域的膜厚薄的方式形成的薄膜區(qū)域。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的膜電極接合體，其特征在于，由所述電解 質(zhì)膜、所述陽極和所述陰極構(gòu)成的單電池呈平面狀形成多個(gè)，在鄰接的各單電池的陰極間形成所述薄膜區(qū)域。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的膜電極接合體，其特征在于，所述薄膜區(qū) 域設(shè)有所述電解質(zhì)膜的陰極側(cè)表面凹陷的凹部。
4. 根據(jù)權(quán)利要求所述的膜電極接合體，其特征在于，所述薄膜區(qū)域 具有由所述電極形成區(qū)域包圍的槽部。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的膜電極接合體，其特征在于，將上述槽部 形成為直線狀。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的膜電極接合體，其特征在于，將上述槽部 形成為彎曲的形狀。
7. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的膜電極接合體，其特征在于，所述槽部不 連續(xù)形成。
8. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的膜電極接合體，其特征在于，所述槽部的 寬度為5um以上200Pm以下。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的膜電極接合體，其特征在于，所述薄膜區(qū) 域具有所述電極形成區(qū)域膜厚的50%以上的膜厚，同時(shí)具有比所述電極形 成區(qū)域膜厚薄5 u m以上的膜厚。
10. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的膜電極接合體，其特征在于，所述薄膜區(qū)域的面積相對(duì)于所述電極形成區(qū)域的面積之比例為O.Ol以上O.l以下。
11. 一種膜電極接合體，其特征在于，包括-電解質(zhì)膜、設(shè)置在所述電解質(zhì)膜一面上的陽極、和設(shè)置在所述電解質(zhì)膜另一面上的陰極，所述電解質(zhì)膜具有在表面沒有設(shè)置陰極的非電極形成區(qū)域和在表面 設(shè)置陰極的電極形成區(qū)域，所述非電極形成區(qū)域形成有薄膜區(qū)域，所述薄膜區(qū)域具有自鄰接的所 述電極形成區(qū)域的電解質(zhì)膜表面凹陷的凹部。
12. —種燃料電池，其特征在于，具備權(quán)利要求1所述的膜電極接合體。
13. —種膜電極接合體的制造方法，所述膜電極接合體包括 電解質(zhì)膜、設(shè)置在所述電解質(zhì)膜一面上的陽極、和 設(shè)置在所述電解質(zhì)膜另一面上的陰極，所述電解質(zhì)膜具有在表面沒有設(shè)置陰極的非電極形成區(qū)域和在表面 設(shè)置陰極的電極形成區(qū)域，所述膜電極接合體的制造方法具備薄膜化工序，其將膜厚比所述電極形成區(qū)域的所述電解質(zhì)膜薄且表面 露出的薄膜區(qū)域，作為所述非電極形成區(qū)域的一部分形成。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的膜電極接合體的制造方法，其特征在于， 所述薄膜化工序包括利用激光去除陰極或陽極以及電解質(zhì)膜的表層部的 工序。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的膜電極接合體的制造方法，其特征在于， 上述激光的振蕩波長(zhǎng)為100nm以上1100nm以下。
16. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的膜電極接合體的制造方法，其特征在于， 上述激光的振蕩波長(zhǎng)為180nm以上550nm以下。
17. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的膜電極接合體的制造方法，其特征在于， 上述激光的激光種類為KrF激基激光。
全文摘要
提供一種能夠抑制由在陰極生成的水所引起的發(fā)電效率降低的膜電極接合體。這種膜電極接合體(60)，包括電解質(zhì)膜(30)、設(shè)置在電解質(zhì)膜(30)一面上的陽極(40)、和設(shè)置在電解質(zhì)膜(30)另一面上的陰極(50)。電解質(zhì)膜(30)具有在表面不設(shè)置陰極(50)的非電極形成區(qū)域(X)和在表面設(shè)置陰極(50)的電極形成區(qū)域(Y)。非電極形成區(qū)域(X)具有形成得比電極形成區(qū)域(Y)的膜厚薄的薄膜區(qū)域(62)。
文檔編號(hào)H01M8/10GK101262065SQ200810009639
公開日2008年9月10日 申請(qǐng)日期2008年2月19日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月9日
發(fā)明者井村真一郎, 安尾耕司, 福島誠(chéng) 申請(qǐng)人:三洋電機(jī)株式會(huì)社