(57)【要約】【課題】ガス拡散層の流路側へのたわみを抑制するとともに、ガス拡散抵抗や対流抵抗の増加を抑制することができる燃料電池を提供する。【解決手段】燃料電池１０は、ＭＥＡ３１と、ＭＥＡ３１に隣接するカソード側ＭＰＬ３２と、カソード側ＭＰＬ３２に隣接するカソード側ＧＤＬ３３と、カソード側ＧＤＬ３３に隣接しガス流路２３ａが形成されたカソード側セパレータ２３とを有し、カソード側ＧＤＬ３３は、カソード側ＧＤＬ３３の体積内に一定の充填率で充填されたファイバーを有し、カソード側セパレータ２３のガス流路２３ａ側に位置するファイバーの径が大きく、カソード側ＭＰＬ３２側に位置するファイバーの径が小さいことを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜電極接合体と、該膜電極接合体に隣接するマイクロポーラス層と、該マイクロポーラス層に隣接するガス拡散層と、該ガス拡散層に隣接し流路が形成されたセパレータとを有する燃料電池であって、
前記ガス拡散層は、該ガス拡散層の体積内に一定の充填率で充填されたファイバーを有し、前記セパレータ側に位置する前記ファイバーの径が大きく、前記マイクロポーラス層側に位置する前記ファイバーの径が小さいことを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流路が形成されたセパレータに隣接するガス拡散層を備えた燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の燃料電池として、セパレータの流路側に隣接するガス拡散層の炭素繊維の充填率を他の部分よりも高め、ガス拡散層の流路側へのたわみを抑制したものが開示されている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第５９５４５０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載の燃料電池は、ガス拡散層の流路側へのたわみは抑制できるものの、セパレータの流路側に隣接するガス拡散層の充填率が高いので、ガス拡散抵抗や、透気度の低下による対流抵抗の増大の懸念があるという問題がある。
【０００５】
本発明は、このような問題を解決するためになされたもので、ガス拡散層の流路側へのたわみを抑制するとともに、ガス拡散抵抗や対流抵抗の増加を抑制することができる燃料電池を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る燃料電池は、膜電極接合体と、該膜電極接合体に隣接するマイクロポーラス層と、該マイクロポーラス層に隣接するガス拡散層と、該ガス拡散層に隣接し流路が形成されたセパレータとを有する燃料電池であって、前記ガス拡散層は、該ガス拡散層の体積内に一定の充填率で充填されたファイバーを有し、前記セパレータ側に位置する前記ファイバーの径が大きく、前記マイクロポーラス層側に位置する前記ファイバーの径が小さいことを特徴とする。
【０００７】
本発明に係る燃料電池は、ガス拡散層は、該ガス拡散層の体積内に一定の充填率でファイバーが充填されているので、ガス拡散抵抗や対流抵抗の増加が抑制される。そして、セパレータ側に位置するファイバーの径が、マイクロポーラス層側に位置するファイバーの径よりも大きいので、ガス拡散層の流路側へのたわみが抑制される。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、ガス拡散層の流路側へのたわみを抑制するとともに、ガス拡散抵抗や対流抵抗の増加を抑制することができる燃料電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池を構成する燃料電池セルの断面図。
【図２】本発明の実施形態に係る燃料電池及び従来の燃料電池について電圧と電流密度との関係を表すグラフ。
【図３】本発明の実施形態に係る燃料電池に関する図であり、図３（ａ）は、従来の燃料電池のファイバー充填率を説明する説明図を示し、図３（ｂ）は、実施形態のガス拡散層のファイバー径を説明する説明図を示す。
【図４】従来の燃料電池を構成する燃料電池セルの断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明に係る燃料電池を適用した実施形態に係る燃料電池１０について図面を参照して説明する。
【００１１】
燃料電池１０は、複数個の燃料電池セル２０が互いに厚み方向に積層されて構成されている。燃料電池セル２０は、図１に示すように、膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ：Membrane Electrode ＆ Gas Diffusion Layer Assembly）２１と、シール部材２２と、カソード側セパレータ２３と、アノード側セパレータ２４とを有している。
【００１２】
膜電極ガス拡散層接合体２１は、膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly、以下ＭＥＡという。)３１と、膜電極接合体３１の一方側に積層されたカソード側マイクロポーラス層(ＭＰＬ：Micro Porous Layer、以下ＭＰＬという。)３２と、カソード側ＭＰＬ３２に積層されたカソード側ガス拡散層（ＧＤＬ：Gas Diffusion Layer、以下ＧＤＬという。）３３と、膜電極接合体３１の他方側に積層されたアノード側ＭＰＬ３４と、アノード側ＭＰＬ３４に積層されたアノード側ＧＤＬ３５を有している。
【００１３】
ＭＥＡ３１は、電解質膜４１と、電解質膜４１のカソード側に隣接するカソード側触媒層４２と、電解質膜４１のアノード側に隣接するアノード側触媒層４３との接合体からなる。
【００１４】
電解質膜４１は、パーフルオロスルホン酸（ＰＦＳＡ）アイオノマーなどの固体高分子材料である高分子電解質樹脂で形成されており、イオン伝導性を有する高分子膜を電解質とするイオン交換膜からなる。電解質膜４１は、電子および気体の流通を阻止するとともに、プロトンをアノード側触媒層４３からカソード側触媒層４２に移動させる機能を有している。
【００１５】
カソード側触媒層４２は、白金や白金合金などの触媒を担持した導電性の担体からなり、例えば、触媒担持カーボン粒子などのカーボン粒子を、プロトン伝導性を有するアイオノマーで被覆して形成された電極触媒層からなる。
【００１６】
なお、アイオノマーは、電解質膜４１と同質のフッ素系樹脂などの固体高分子材料である高分子電解質樹脂からなり、その有するイオン交換基によりプロトン伝導性を有する。カソード側触媒層４２は、プロトンと電子と酸素から水を生成する機能を有している。
【００１７】
アノード側触媒層４３は、カソード側触媒層４２と同様の材料で形成されているが、カソード側触媒層４２と異なり、水素ガス（Ｈ２）をプロトンと電子に分解する機能を有している。
【００１８】
カソード側ＭＰＬ３２は、いわゆるＭＰＬペーストからなり、具体的には、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などの撥水性樹脂とカーボンブラックなどの導電性材料を主成分とするコーティング薄膜からなる。カソード側ＭＰＬ３２は、カソード側触媒層４２に隣接しており、カソード側触媒層４２に漏出した液体燃料を、カソード側触媒層４２とカソード側ＭＰＬ３２との間から効率よく排出し、カソード側触媒層４２に効率よく空気を供給する機能を有している。
【００１９】
カソード側ＧＤＬ３３は、一方の表面でカソード側ＭＰＬ３２と隣接し、他方の表面でカソード側セパレータ２３に隣接している。カソード側ＧＤＬ３３は、ガス透過性および導電性を有するファイバー５１で形成されている。
【００２０】
ファイバー５１としては、例えば、カーボンナノファイバーやカーボンペーパーなどの炭素繊維や黒鉛繊維などの多孔質の繊維基材が挙げられる。カソード側ＧＤＬ３３は、カソノード触媒層４２の外側に接合されており、酸化剤ガスとしての空気を拡散させて均一にし、カソード側触媒層４２に行き渡らせる機能を有している。
【００２１】
ファイバー５１は、図１に示すように、太径ファイバー５１ａと細径ファイバー５１ｂとにより構成されている。太径ファイバー５１ａと細径ファイバー５１ｂは、層状に分かれて配置されており、太径ファイバー５１ａは、カソード側セパレータ２３に隣接し、細径ファイバー５１ｂはカソード側ＭＰＬ３２に隣接して配置されている。
【００２２】
太径ファイバー５１ａおよび細径ファイバー５１ｂは、カソード側ＧＤＬ３３の全体積（ｍｍ３）に対する、太径ファイバー５１ａおよび細径ファイバー５１ｂの全体積（ｍｍ３）の割合である充填率（％）が一定になるように、カソード側ＧＤＬ３３内に所定の充填率で均一に充填されている。
【００２３】
太径ファイバー５１ａおよび細径ファイバー５１ｂは、例えば２μｍ〜２０μｍ程度の直径の範囲で選択される。具体的には、太径ファイバー５１ａの直径は、例えば１０μｍよりも大きい所定の直径（μｍ）〜２０μｍ程度が好ましく、細径ファイバー５１ｂの直径は、例えば２μｍ〜１０μｍ程度が好ましい。なお、実施形態の所定の充填率および細径ファイバー５１ｂの所定の直径は、燃料電池１０の構造、大きさなどの設定諸元や実験値などのデータに基づいて適宜選択される。
【００２４】
アノード側ＭＰＬ３４は、カソード側ＭＰＬ３２と同様、ＭＰＬペーストからなり、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などの撥水性樹脂とカーボンブラックなどの導電性材料を主成分とするコーティング薄膜からなる。アノード側ＭＰＬ３４は、アノード側触媒層４３に隣接しており、水素ガス（Ｈ２）を流通させるとともに、電解質膜４１に、より多くの水分（Ｈ２Ｏ）を保持する機能やＭＥＡ３１中の余分な水分を効率よく排出する機能を有している。
【００２５】
アノード側ガスＧＤＬ３５は、一方の表面でアノード側ＭＰＬ３４と隣接し、他方の表面でアノード側セパレータ２４に隣接している。カソード側ガスＧＤＬ３３と同様に、ガス透過性および導電性を有するファイバー５１で形成されている。アノード側ＧＤＬ３５は、アノード側触媒層４３の外側に接合されており、燃料ガスとしての水素ガスを拡散させて均一にし、アノード側触媒層４３に行き渡らせる機能を有している。
【００２６】
ファイバー５１は、カソード側ガスＧＤＬ３３と同様の充填率でアノード側ガスＧＤＬ３５内に均一に充填されている。アノード側ガスＧＤＬ３５に充填されているファイバー５１は、太径ファイバー５１ａと細径ファイバー５１ｂを有している。太径ファイバー５１ａと細径ファイバー５１ｂは、層状に分かれて配置されており、太径ファイバー５１ａがアノード側セパレータ２４に隣接し、細径ファイバー５１ｂがアノード側ＭＰＬ３４に隣接して配置されている。
【００２７】
シール部材２２は、合成樹脂で枠状に形成されたコア材と、コア材の表面および裏面に形成された各接着層を有する３層構造の接着シートで構成されている。シール部材２２は、カソード側セパレータ２３と、アノード側セパレータ２４とを接着するとともに、膜電極ガス拡散層接合体２１を構成する電解質膜４１と接着されている。
【００２８】
シール部材２２は、燃料極の水素ガス（Ｈ２）や空気極の酸素ガス（Ｏ２）が、微量ながら電解質膜４１を通過してしまうという、いわゆるクロスリークや触媒電極同士の電気的短絡を防ぐための機能を有している。
【００２９】
カソード側セパレータ２３は、酸素ガスを遮蔽する遮蔽性、発電された電気を少ない損失、即ち低ロスで通す高導電性を有する材料であれば良く、材質は特に限定されない。カソード側セパレータ２３の材料としては、例えば、チタン、アルミニウム、銅、鉄や、これらの合金、ステンレスなどが好ましい。これらの材料のうち、チタンおよびステンレスがより好ましい。
【００３０】
カソード側セパレータ２３の中央部には、酸素ガス（Ｏ２）を流通させるガス流路部２３ａが形成され、両端部には図示しないマニホールド部が形成されている。ガス流路部２３ａを流動する酸素ガスは、カソード側ＧＤＬ３３を介してＭＥＡ３１に供給される。
【００３１】
アノード側セパレータ２４は、カソード側セパレータ２３と同様の材料で形成されており、中央部には、水素ガス（Ｈ２）を流通させるガス流路部２４ａが形成され、両端部には図示しないマニホールド部が形成されている。ガス流路部２４ａを流動する水素ガスは、アノード側ＧＤＬ３５を介してＭＥＡ３１に供給される。
【００３２】
本実施形態に係る燃料電池１０の効果について図面を参照して説明する。
本実施形態に係る燃料電池１０は、ＭＥＡ３１と、カソード側触媒層４２に隣接するカソード側ＭＰＬ３２と、カソード側ＭＰＬ３２に隣接するカソード側ＧＤＬ３３と、カソード側ＧＤＬ３３に隣接しガス流路２３ａが形成されたカソード側セパレータ２３とを有している。また、本実施形態に係る燃料電池１０は、アノード側触媒層４３に隣接するアノード側ＭＰＬ３４と、アノード側ＭＰＬ３４に隣接するアノード側ＧＤＬ３５と、アノード側ＧＤＬ３５に隣接しガス流路２４ａが形成されたアノード側セパレータ２４とを有している。
【００３３】
カソード側ＧＤＬ３３には、太径ファイバー５１ａおよび細径ファイバー５１ｂを有するファイバー５１が一定の充填率で充填されており、太径ファイバー５１ａは、カソード側セパレータ２３に隣接し、細径ファイバー５１ｂはカソード側ＭＰＬ３２に隣接して配置されている。また、アノード側ＧＤＬ３５には、太径ファイバー５１ａおよび細径ファイバー５１ｂが一定の充填率で充填されており、太径ファイバー５１ａは、アノード側セパレータ２４に隣接し、細径ファイバー５１ｂはアノード側ＭＰＬ３４に隣接して配置されている。
【００３４】
本実施形態に係る燃料電池１０によれば、一定の充填率で太径ファイバー５１ａおよび細径ファイバー５１ｂが充填されているので、ガス拡散抵抗や対流抵抗の増加が抑制されるという効果が得られる。そして、カソード側ＧＤＬ３３の太径ファイバー５１ａが、カソード側セパレータ２３に隣接して配置されており、アノード側ＧＤＬ３５の太径ファイバー５１ａが、アノード側セパレータ２４に隣接して配置されているので、カソード側セパレータ２３およびアノード側セパレータ２４のガス流路内へのカソード側ＧＤＬ３３およびアノード側ＧＤＬ３５のたわみが抑制されるという効果が得られる。
【００３５】
本実施形態に係る燃料電池１０の効果について、燃料電池１０に電圧（Ｖ）を印加し、電圧と電流密度（Ａ／ｃｍ２）との関係を従来の燃料電池と比較して検証した。なお、電圧と電流密度については、電圧に対する電流密度が高いほど電池性能は高まるという関係にある。
【００３６】
図２は、電圧と電流密度について所定の値を１．０として各値で除算して比で表したグラフであり、横軸を電流密度比、縦軸を電圧比としている。グラフ中の実線は、本実施形態の燃料電池１０における電圧と電流密度との関係を示し、グラフ中の破線は、従来の燃料電池における電圧と電流密度との関係を示す。
【００３７】
比較の結果、従来の燃料電池に対して、本実施形態の燃料電池１０は、電圧が低くなるほど、電流密度が高くなっており、本実施形態に係る燃料電池１０における前述の効果に起因して、電池性能が向上していることが検証された。
【００３８】
なお、本実施形態の燃料電池１０は、従来の燃料電池における以下の問題点を解消することができた。即ち、従来の燃料電池のガス拡散層は、図３（ａ）に示すように、ガス流路側のファイバーの充填率をＭＰＬ側よりも高くして、ガス拡散層の流路内へのたわみを抑制している。
【００３９】
その結果、従来の燃料電池は、ガス拡散層の流路内へのたわみは減少するものの、ガス拡散抵抗や対流抵抗が増加してしまうという問題があった。これに対し、本実施形態の燃料電池１０は、図３（ｂ）に示すように、太径ファイバー５１ａおよび細径ファイバー５１ｂが一定の充填率でカソード側ＧＤＬ３３およびアノード側ＧＤＬ３５内に充填されているので、ガス拡散抵抗や対流抵抗の増加を抑制することができ、従来の燃料電池における問題を解消することができる。
【００４０】
また、従来の燃料電池１は、図４に示すように、ＭＥＡ２の両面側に配置された各ガス拡散層３に同じ直径のファイバー３ａが一定の充填率で充填されている。その結果、ガス拡散層の流路内へのたわみが発生するという問題があった。
【００４１】
これに対して、本実施形態に係る燃料電池１０においては、図３（ｂ）に示すように、太径ファイバー５１ａおよび細径ファイバー５１ｂの充填率を一定にするとともに、カソード側ＧＤＬ３３およびアノード側ＧＤＬ３５内に充填されているファイバー５１のガス流路２３ａおよびガス流路２４ａ側を太径ファイバー５１ａにしている。
【００４２】
この構成により、カソード側ＧＤＬ３３およびアノード側ＧＤＬ３５のガス流路２３ａおよびガス流路２４ａ側へのたわみを抑制することができ、従来の燃料電池におけるたわみの問題を解消することができる。
【００４３】
以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。
【符号の説明】
【００４４】
１０・・・燃料電池、２０・・・燃料電池セル、２１・・・膜電極ガス拡散層接合体、２２・・・シール部材、２３・・・カソード側セパレータ（セパレータ）、２３ａ，２４ａ・・・ガス流路（流路）、２４・・・アノード側セパレータ（セパレータ）、３１・・・ＭＥＡ（膜電極接合体）、３２・・・カソード側ＭＰＬ（マイクロポーラス層）、３３・・・カソード側ＧＤＬ（ガス拡散層）、３４・・・アノード側ＭＰＬ（マイクロポーラス層）、３５・・・アノード側ＧＤＬ（ガス拡散層）、４１・・・電解質膜、４２・・・カソード側触媒層、４３・・・アノード側触媒層、５１・・・ファイバー、５１ａ・・・太径ファイバー、５１ｂ・・・細径ファイバー
【図１】
2020145092.tif 000003
【図２】
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【図３】
2020145092.tif 000005
【図４】
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