(57)【要約】【課題】固体電解質膜の湿潤を均一化して燃料電池の発電性能を向上すること。【解決手段】膜電極接合体１０へ拡散層２１，３１とセパレータ２７，１２７とが順に積層されている燃料電池１において、拡散層２１，３１とセパレータ２７，１２７との間にそれぞれ第１の微細多孔体２５、第２の微細多孔体３５が介在されて微細流路が形成され、該微細流路を介して拡散層２１，３１における湿潤状態の第１の領域から乾燥状態の第２の領域へ水が移動する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜電極接合体へ拡散層とセパレータとが順に積層されている燃料電池装置において、
前記セパレータは、毛管現象により前記拡散層の第１の領域から該第１の領域より水分濃度の小さい第２の領域へ水を移動させる微細流路が形成されている、ことを特徴とする、燃料電池。
【請求項２】
前記微細流路は、微細多孔体で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記微細流路は、前記セパレータに施されたヘアライン加工で形成されている、ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
将来の燃料電池実用化のため、小型・低コスト化が求められる。このため、イオン交換膜形燃料電池における運転条件は、冷却・加湿系簡略化のために「高温・外部加湿レス」となり、小型ファン・低補機動力のために「低圧力、低流量での空気供給」となり、空気供給系、水素供給系ともに循環ポンプ排除のために「循環なし」になると予測される。
【０００３】
燃料電池を「高温・外部加湿レス」にすると、電解質の乾燥によりプロトン伝導が低下し、発電特性が低下する。この対策として、アノード又はカソードに流れる水素ガスと空気の流れの向きを逆にする対向流が広く知られている。この対向流では各極のガス導入部が対極の流路末端となるため、電解質を介した水の相互移動により膜電極接合体（ＭＥＡ）内を適度に湿潤できるので、空気極側で生成した水分により水素導入部の乾燥を抑制できる。
【０００４】
しかしながら、特に「高温・外部加湿レス」と「循環なし」の組み合わせでは、上記対向流によって生じるＭＥＡ内の湿潤の効果が低下する。この影響は、空気流路の空気導入部において顕著である。このため、空気導入部からの無加湿空気流入に伴い、該空気導入部の電解質が乾燥して発電特性が低下する。しかも、乾燥部位の発電特性低下に伴う水素消費量の減少により、水素導入側にも乾燥が進行していくという悪循環が発生する。このような状態では、ＭＥＡの一部しか発電に寄与せず、特に、燃料電池を成すセルの電流密度が高くなると電圧の低下が顕著になり、燃料電池の発電特性が低下する。
【０００５】
このような低加湿条件下においては、膜電極接合体等に十分な水分を確保することにより発電効率の低下を防止する燃料電池として例えば下記特許文献１が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−２４４７８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記のように、膜電極接合体の湿潤を均一化せしめる簡易な技術が望まれている。即ち、簡易な構造により膜電極接合体の湿潤を均一化して発電性能を向上し得る燃料電池を提供することを解決すべき課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決すべく本発明者らは鋭意研究検討を重ねた結果、膜電極接合体へ拡散層とセパレータとが順に積層されている燃料電池において、拡散層の拡散層対向面に微細流路を形成し、その毛管現象を利用して拡散層における湿潤領域から乾燥領域へ水を移動させることにより触媒層全面の湿潤状態を均一化できることを見出した。
触媒層全面の湿潤状態が均一になると、膜電極接合体の全面において燃料電池反応が効率よく進行し、もって燃料電池の発電特性が向上する。
【０００９】
この発明の第１の局面の燃料電池は次のように規定される。即ち、
膜電極接合体へ拡散層とセパレータとが順に積層されている燃料電池装置において、
前記セパレータは、毛管現象により前記拡散層の第１の領域から該第１の領域より水分濃度の小さい第２の領域へ水を移動させる微細流路が形成されている、ことを特徴とする、ものである。
【００１０】
このように規定される第１の局面の燃料電池によれば、セパレータに微細流路が形成されたので、この微細流路による毛管現象により拡散層における第１の領域から該第１の領域より水分濃度の小さい第２の領域へ水が移動する。これにより、拡散層に滞留した水が微細流路によって拡散層の乾燥領域へ分配され、拡散層の湿潤状態が全体的に均一化される。ひいては膜電極接合体の湿潤状態を均一に近づけることができる。したがって、膜電極接合体の燃料電池反応を促進して発電効率を向上し得る。
ここで、第１の領域には、例えば過剰に湿潤するおそれがある部分（空気排出側，水素排出側）等が有り、第２の領域には、例えば乾燥されやすい部分（空気導入側，水素導入側）が存在する。
また、微細流路は、アノード側セパレータとカソード側セパレータの双方、又はいずれか一方に形成できる。
【００１１】
本発明の第２の局面は次のように規定される。即ち、
第１の局面で規定した燃料電池において、前記微細流路は、微細多孔体で形成されて形成されている。
このように規定される第２の局面の燃料電池によれば、微細多孔体により前記微細流路が形成されたので、この微細多孔体の厚さ、微細流路の孔径の調整が容易になる。これにより、毛管現象による水分移動量を調整できるので、膜電極接合体の湿潤状態をより均一に近づけ得る。
【００１２】
本発明の第３の局面は次のように規定される。即ち、第１の局面で規定した燃料電池において、前記微細流路は、前記セパレータに施されたヘアライン加工で形成されている、ことを特徴とする。
このように規定される第３の局面の燃料電池によれば、セパレータにヘアライン加工が施されて前記微細流路が形成されるので、微細流路の構成が極めて簡易になると共に、微細流路のための専用部材を省略できる。
さらに、ヘアラインの溝の深さ及び幅方向、長さを適当に選択して微細流路を形成できるから、空気流路内の水分移動量を簡易に調整できる。よって、膜電極接合体の湿潤状態をより均一に近づけ得る。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、固体電解質膜の湿潤を均一化して燃料電池の発電性能を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は本発明の一実施の形態を示す燃料電池１の断面図である。
【図２】図２は本発明の他の実施の形態を示す燃料電池１００の断面図である。
【図３】図３はセパレータの表面構造を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
実施形態１
本発明の一実施形態を図１によって説明する。図１は、一実施の形態を示す燃料電池１の単位セルの断面図である。
図１において、燃料電池1は膜電極接合体（ＭＥＡ）１０を備える。このＭＥＡ１０は高分子電解質膜１１の両面にカソード側触媒層１３及びアノード側触媒層１５を積層した構成である。
膜電極接合体１０のカソード側には、ガスを拡散させ前記触媒層に供給する導電性多孔体から成る空気拡散層２１とセパレータ２７とが順に積層されている。アノード側にもガスを拡散させ前記触媒層に供給する導電性多孔体から成る水素ガス拡散層３１とセパレータ２７とが順に積層されている。各拡散層２１、３１の触媒層１３、１５側にははっ水性のマイクロポーラス層を形成することもできる。セパレータ２７は隣接する燃料電池の空気流路と水素ガス流路とを分離している。
この例では各拡散層２１、３１を導電性多孔体製としているがこれに限定されるものではなく、導電性の布、不織布、紙などを用いることも可能である。
【００１６】
空気拡散層２１には上辺から空気が導入され、対向する辺（図１では下辺）側から排出される。したがって、図１の例では空気拡散層２１中を上から下へ流通する。
空気拡散層２１において空気を流通させる方向は任意に選択でき、上から下へ向けて、また左右方向へ空気を流通させることも可能である。
何れの場合においても空気の流れと対向する方向へ水素ガスを流すことが好ましい。図１の例では下から上へ水素ガスを流通させている。空気流れ方向と水素ガス流れ方向を対向させることにより、膜電極接合体１０の湿潤状態がより均一に維持される。特に空気を下から上へ流通させるときは、空気排出側（上辺側）で生成した水が重力で下方へ移動しやすいので、空気排出側でのフラッディングを未然に防止できる。
【００１７】
セパレータ２７の空気拡散層２１側、すなわち、セパレータ２７と空気拡散層２１との間には、微細流路を有する第１の微細多孔体２５を有している。同様に、セパレータ２７の水素ガス拡散層３１側、すなわち、セパレータ２７と水素ガス拡散層３１との間には、微細流路を有する第２の微細多孔体３５を有している。
この例では、セパレータの両側に微細多孔体２５,３５を形成しているが、いずれか一方でも良い。
この第１及び第２の微細多孔体２５,３５は、その微細流路の毛管現象により水分を吸い上げて拡散層における第１の領域から該第１の領域より水分濃度の小さい第２の領域へ水を移動し、拡散層２１，３１の全域を一様に湿潤する。一般的に、空気拡散層２１及び水素ガス拡散層３１共に、ガスの導入側部（上流側）が乾燥し易く、ガスの排出側（下流側）で湿潤しやすいので、前者が第１の領域、後者が第２の領域となりやすい。勿論、燃料電池の特性によっては、ガス流れに関係なく第１の領域及び第２の領域が形成される場合があり、その場合においても、微細流路を介して第１の領域から第２の領域へ水分が分配されて拡散層の均一湿潤を達成できる。
【００１８】
微細多孔体２５、３５は第１の領域から第２の領域まで連続し、かつ毛細管現象を奏する微細流路を有するものであれば特に限定されないが、この実施例では、カーボン繊維をガス流れ方向へ密に引き揃えてなる集束体を用いた。カーボン繊維の間に形成される微細な空隙が毛細管として作用し、第１の領域の水分をより水分の少ない第２の領域まで移動させる。
【００１９】
本実施の形態の燃料電池１によれば空気拡散層２１へ空気を送り込むと、図１に示すように、上から下に流れ、上流側で乾燥し、下流側では、湿潤する。同様に、水素ガス拡散層３１へ水素ガスを送り込むと、下から上に流れ、上流側で乾燥し、下流側では、湿潤する。
湿潤した領域（第１の領域）の水分は微細多孔体２５、３５の微細流路の毛管現象により吸い上げられてそれぞれ乾燥した領域（第２の領域）へ移動され、その領域へ水分を供給する。これにより、ガス導入側におけるドライアップ及びガス排出側におけるフラッディングを防止できることはもとより、燃料電池１全体の湿潤状態が均一化され、燃料電池反応が効率よく行われてその出力が向上する。
【００２０】
実施形態２
本発明の他の実施の形態を図２及び図３によって説明する。図２は本発明の他の実施の形態を示す燃料電池１００の単位セルの断面図、図３は図２に示す燃料電池のセパレータの正面図である。図２において図１と同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。
本発明の他の実施の形態の燃料電池１００では、既述の形態で用いられた第１及び第２の微細多孔体２５，３５が不要となっている。その代わりに、セパレータ１２７の両面に、その全面に渡って、ガス流れ方向へ微細な溝（ヘアライン）１２７ｈが形成されている。
このヘアライン１２７ｈの製作は特に限定されないが、例えば、バフ研磨加工を利用することにより形成できる。バフ研磨加工は、綿布・麻など、柔軟性のある素材でできた軟らかいバフに砥粒を付着させ、このバフを高速回転させながらセパレータ１２７の表面に押し当てる。化学的な処理（エッチング等）によりセパレータ１２７の表面へ微細な溝を形成することもできる。
【００２１】
毛細管現象により水を移動させることができれば、ヘアライン１２７ｈの溝の深さ、幅、長さ、密度は特に限定されない。
水の移動の促進を図るため、例えば、第１の領域と第２の領域、さらには第１の領域と第２の領域とをつなぐ領域において、水分の多い領域のヘアライン密度がより大きくなるように、ヘアラインの形成密度に変化を持たせることができる。
【００２２】
ヘアライン加工した後にセパレータ１２７の表面へ、超親水化処理（ＴｉＯ２コートなど）を行うことが好ましい。水分の移動を促進するためである。さらに、上記超親水コートとしてＴｉＯ２コートなどの光触媒コートを用いた場合、その処理面に対する親水性保持のために紫外線、若しくは外光を取り入れる構造としたセパレータ構造が好ましい。親水化が促進されるからである。
【００２３】
本実施の形態の燃料電池１００によれば空気拡散層２１へ空気を送り込むと、図２に示すように、上から下に流れ、上流側で乾燥し、下流側では、湿潤する。同様に、水素ガス拡散層３１へ水素ガスを送り込むと、下から上に流れ、上流側で乾燥し、下流側では、湿潤する。
湿潤した領域（第１の領域）の水分はセパレータ１２７の表面に形成されたヘアライン１２７ｈの毛管現象により吸い上げられてそれぞれ乾燥した領域（第２の領域）へ移動され、その領域へ水分を供給する。これにより、ガス導入側におけるドライアップ及びガス排出側におけるフラッディングを防止できることはもとより、燃料電池１００全体の湿潤状態が均一化され、燃料電池反応が効率よく行われてその出力が向上する。
【００２４】
さらに、本実施の形態の燃料電池では、セパレータ１２７の表面にヘアライン加工を施して微細流路を形成している。これにより、微細流路の形成が簡易になると共に、微細流路のための専用部材を省略できる。したがって、安価に燃料電池を提供可能となる。
セパレータ１２７においていずれか一方の面のヘアライ加工を省略することができる。ヘアライン加工はセパレータ１２７の一部の表面のみへ施してもよい。
【００２５】
本発明は、上記発明の実施の形態及び実施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様も本発明に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
本発明は、燃料電池に適用できる。
【符号の説明】
【００２７】
１、１００    燃料電池
１０  膜電極接合体
２１  空気側拡散層
３１  水素ガス拡散層
２５、３５  微細多孔体
２７、１２７  セパレータ
１２７ｈ  ヘアライン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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