(57)【要約】【課題】  集電体と膜−電極接合体との間の電気的接触を確保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（１００）は、膜−電極接合体（１０）と、膜−電極接合体に隣接配置され、ガス透過性を有する集電体（２０，２１）と、を備え、集電体は、膜−電極接合体に比較して低い剛性を有していることを特徴とするものである。燃料電池によれば、アノードガスとカソードガスとの間に差圧が生じても、膜−電極接合体の変形に集電体が追従して変形する。それにより、膜−電極接合体と集電体との間の電気的接触を確保することができる。【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、
前記膜−電極接合体に隣接配置され、ガス透過性を有する集電体と、を備え、
前記集電体は、前記膜−電極接合体に比較して低い剛性を有していることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記膜−電極接合体と前記集電体とは、接着されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記集電体の前記膜−電極接合体と反対側に設けられ、前記集電体との間に反応ガスが流動するための空間を区画するセパレータをさらに備えることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池。
【請求項４】
前記集電体は、シート状の導電性繊維、金属の発泡焼結体、エキスパンドメタル、またはメタルメッシュであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項５】
前記集電体は、カソード側の集電体であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項６】
前記集電体は、アノード側の集電体であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項７】
前記膜−電極接合体に含まれる電解質膜は、固体高分子電解質であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の燃料電池。
【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】
燃料電池は、一般的には水素および酸素を燃料として電気エネルギを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れており、また高いエネルギ効率を実現できることから、今後のエネルギ供給システムとして広く開発が進められてきている。
【０００３】
燃料電池は、電解質膜と触媒層とを有する膜−電極接合体を備える。膜−電極接合体のカソード側の電極に酸素を含むカソードガスが供給され、アノード側の電極に水素を含むアノードガスが供給される。それにより、膜−電極接合体において発電が行われる。
【０００４】
近年、膜−電極接合体の両面にガス透過性を有する集電体をさらに備える燃料電池が開発されている（例えば、特許文献１〜３参照）。このような燃料電池においては、膜−電極接合体で発電された電力を集電体によって外部に取り出すことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平５−３１５０００号公報
【特許文献２】特開平８−１１１２２６号公報
【特許文献３】特開平８−１６２１２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、アノードガスとカソードガスとの差圧に起因して膜−電極接合体と集電体との間で十分な電気的接触が得られないことがある。
【０００７】
本発明は、集電体と膜−電極接合体との間の電気的接触を確保することができる燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る燃料電池は、膜−電極接合体と、膜−電極接合体に隣接配置されガス透過性を有する集電体と、を備え、集電体は、膜−電極接合体に比較して低い剛性を有していることを特徴とするものである。本発明に係る燃料電池によれば、アノードガスとカソードガスとの間に差圧が生じても、膜−電極接合体の変形に集電体が追従して変形する。それにより、膜−電極接合体と集電体との間の電気的接触を確保することができる。
【０００９】
上記構成において、膜−電極接合体と集電体とは、接着されていてもよい。上記構成に係る燃料電池は、集電体の膜−電極接合体と反対側に設けられ集電体との間に反応ガスが流動するための空間を区画するセパレータをさらに備えていてもよい。
【００１０】
上記構成において、集電体は、シート状の導電性繊維、金属の発泡焼結体、エキスパンドメタル、またはメタルメッシュであってもよい。この構成によれば、集電体はガス透過性を有することができる。
【００１１】
上記構成において、集電体は、カソード側の集電体であってもよい。この構成によれば、カソードガスの圧力をアノードガスに比較して高くした場合であっても、カソード側の集電体と膜−電極接合体との間の電気的接触を確保することができる。上記構成において、集電体は、アノード側の集電体であってもよい。この構成によれば、アノードガスの圧力をカソードガスに比較して高くした場合であっても、アノード側の集電体と膜−電極接合体との間の電気的接触を確保することができる。
【００１２】
上記構成において、膜−電極接合体に含まれる電解質膜は、固体高分子電解質であってもよい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、集電体と膜−電極接合体との間の電気的接触を確保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】
【００１４】
【図１】図１は、燃料電池の模式的断面図である。
【図２】図２（ａ）は、カソードガスの圧力がアノードガスの圧力より高くなり、集電体と膜−電極接合体との電気的接触が十分に確保できなくなった状態を示す模式的断面図である。図２（ｂ）は、膜−電極接合体の変形にアノード集電体およびカソード集電体が追従して変形することによって、膜−電極接合体とアノード集電体およびカソード集電体との間の電気的接触が確保された状態を示す模式的断面図である。
【図３】図３（ａ）は、アノードガスの圧力がカソードガスの圧力より高くなり、集電体と膜−電極接合体との電気的接触が十分に確保できなくなった状態を示す模式的断面図である。図３（ｂ）は、膜−電極接合体の変形にアノード集電体およびカソード集電体が追従して変形することによって、膜−電極接合体とアノード集電体およびカソード集電体との間の電気的接触が確保された状態を示す模式的断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明を実施するための形態を説明する。
【実施例１】
【００１６】
本発明の実施例１に係る燃料電池１００について説明する。図１は、燃料電池１００の模式的断面図である。燃料電池１００は、膜−電極接合体１０と、一対の集電体（アノード集電体２０およびカソード集電体２１）と、一対のセパレータ（アノードセパレータ３０およびカソードセパレータ３１）と、シール部材４０と、を備える。膜−電極接合体１０は、電解質膜１１と、アノード触媒層１２と、カソード触媒層１３と、を備える。電解質膜１１としては、例えばプロトン伝導性を有する固体高分子電解質を用いることができる。プロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜として、例えばパーフルオロスルホン酸膜を用いることができる。
【００１７】
アノード触媒層１２およびカソード触媒層１３は、電解質膜１１を挟持するように配置されている。アノード触媒層１２の触媒は、水素のプロトン化を促進させる。カソード触媒層１３の触媒は、プロトンと酸素との反応を促進させる。例えば、アノード触媒層１２およびカソード触媒層１３は、白金担持カーボン等を含んでいる。
【００１８】
アノード集電体２０およびカソード集電体２１は、膜−電極接合体１０に隣接配置されている。具体的には、アノード集電体２０は、アノード触媒層１２の電解質膜１１側とは反対側の面に沿って配置されている。カソード集電体２１は、カソード触媒層１３の電解質膜１１側とは反対側の面に沿って配置されている。アノード集電体２０およびカソード集電体２１は、膜−電極接合体１０に接着接合されている。アノード集電体２０およびカソード集電体２１は、モータ、補機等の負荷と電気的に接続されている。
【００１９】
アノード集電体２０およびカソード集電体２１は、導電性および反応ガス透過性を有している。アノード集電体２０およびカソード集電体２１として、例えば、カーボン繊維等の導電性繊維がクロス、フェルト、ペーパー等のシート状に形成されたシート体を用いることができる。また、アノード集電体２０およびカソード集電体２１として、金属の発泡焼結体、エキスパンドメタル、メタルメッシュ等を用いることができる。なお、発泡焼結体、エキスパンドメタル、メタルメッシュ等の金属素材としては、例えばニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）、金（Ａｕ）、ステンレス（ＳＵＳ）等を用いることができる。アノード集電体２０およびカソード集電体２１のより詳細な説明は、後述する。
【００２０】
アノードセパレータ３０およびカソードセパレータ３１は、外周部において膜−電極接合体１０に対して突出して接触する接触部を有する。それにより、アノードセパレータ３０と膜−電極接合体１０との間にアノードガス流動用のアノードガス流路３２が区画される。また、カソードセパレータ３１と膜−電極接合体１０との間にカソードガス流動用のカソードガス流路３３が区画される。
【００２１】
なお、アノードセパレータ３０およびカソードセパレータ３１は、反応ガスの流動を阻害しない範囲で、外周部以外に膜−電極接合体１０と接触する接触部を有していてもよい。ただし、反応ガスの膜−電極接合体１０への拡散性を考慮すると、膜−電極接合体１０の全面またはほぼ全面にわたって反応ガス流動用の空間部が形成されていることが好ましい。
【００２２】
本実施例においては、一例として、アノードガスは水素（Ｈ２）であり、カソードガスはエアである。アノードセパレータ３０およびカソードセパレータ３１の材質は、特に限定されず、例えば樹脂、金属等が用いられる。
【００２３】
シール部材４０は、アノード触媒層１２およびカソード触媒層１３の外周面を覆っている。シール部材４０は、アノード触媒層１２およびカソード触媒層１３からアノードガスおよびカソードガスが漏洩することを抑制している。
【００２４】
燃料電池１００は、以下のように動作する。アノードガス流路３２を流動するアノードガスは、アノード集電体２０を透過してアノード触媒層１２に到達する。アノード触媒層１２において、アノードガス中の水素はプロトンと電子とに分離する。プロトンは、電解質膜１１を伝導して、アノード触媒層１２に到達する。電子は、アノード集電体２０によって集電されて燃料電池１００の外部に取り出される。燃料電池１００の外部に取り出された電子は、負荷の仕事に供された後に、カソード集電体２１に到達する。
【００２５】
カソードガス流路３３を流動するカソードガスは、カソード集電体２１を透過してカソード触媒層１３に到達する。カソード触媒層１３においては、カソードガス中の酸素と電解質膜１１を伝導したプロトンとアノード集電体２０から伝導した電子とによって水が生成される。生成された水（生成水）は、主としてカソードガス流路３３を流動して燃料電池１００の外部に排出される。反応後のアノードガスおよびカソードガスはそれぞれ、アノードガス流路３２およびカソードガス流路３３を流動して、燃料電池１００の外部に排出される。以上のように、燃料電池１００は動作する。
【００２６】
ところで、燃料電池１００において、アノードガスとカソードガスとの間で差圧が生じると、膜−電極接合体１０に変形圧力がかかる。例えば、図２（ａ）に示すように、一方の反応ガスが他方の反応ガスに比較して高圧になった場合、膜−電極接合体１０において、高圧側から低圧側に変形圧力がかかる。アノード集電体２０およびカソード集電体２１はガス透過性を有するため、変形圧力が回避される。この場合、集電体と膜−電極接合体１０との間の電気的接触が十分に確保できなくなるおそれがある。
【００２７】
そこで、本実施例においては、アノード集電体２０およびカソード集電体２１は、膜−電極接合体１０に比較して低い剛性を有している。この場合、図２（ｂ）に示すように、アノードガスとカソードガスとの間に差圧が生じても、膜−電極接合体１０の変形にアノード集電体２０およびカソード集電体２１が追従して変形する。それにより、膜−電極接合体１０とアノード集電体２０およびカソード集電体２１との間の電気的接触が確保される。なお、本実施例において剛性とは、荷重に対する歪み量のことである。したがって、同じ荷重をかけた場合において、剛性が高いと歪み量が小さく、剛性が低いと歪み量が大きくなる。
【００２８】
アノード集電体２０およびカソード集電体２１の剛性を膜−電極接合体１０の剛性より小さく設定するためには、同じ荷重をかけた場合にアノード集電体２０およびカソード集電体２１の歪み量が膜−電極接合体１０の歪み量に比較して大きくなるようにアノード集電体２０およびカソード集電体２１を構成すればよい。例えば、アノード集電体２０およびカソード集電体２１のヤング率を膜−電極接合体１０のヤング率より小さくすればよい。膜−電極接合体１０のヤング率が２ＧＰａ程度のヤング率を有している場合、集電体として２ＧＰａより小さいヤング率のものを用いればよい。カーボンペーパー、カーボンクロス、カーボンフェルト等のシート体のヤング率は４０ＭＰａ程度であるため、集電体としてこれらのシート体を用いればよい。
【００２９】
また、集電体の構造を調整してもよい。例えば、集電体を曲がり易い形状（例えば波形状）にする、集電体の気孔率をより大きくする、集電体がエキスパンドメタルおよびメタルメッシュの場合には線径を細くする等によって、集電体の剛性を膜−電極接合体１０の剛性より低くしてもよい。
【００３０】
なお、本実施例において、アノード集電体２０およびカソード集電体２１の剛性が膜−電極接合体１０の剛性よりも小さいが、これに限られない。アノード集電体２０およびカソード集電体２１の少なくとも一方の剛性が膜−電極接合体１０の剛性よりも小さければよい。
【００３１】
この場合、アノード側およびカソード側のうち反応ガス圧力が高い側の集電体の剛性が膜−電極接合体１０の剛性よりも低いことが好ましい。例えば、アノードガスに純水素を用いてカソードガスにエアを用いる場合、アノードガスの圧力は１〜７００ｋＰａ程度であり、カソードガスの圧力は１００〜７０１ｋＰａ程度であり、６０ｋＰａ程度の差圧が生じることがある。そこで、図２（ａ）に示すようにカソードガスの圧力がアノードガスの圧力より高い場合には、カソード集電体２１の剛性を膜−電極接合体１０の剛性よりも低くすることによって、カソード集電体２１と膜−電極接合体１０との間の電気的接触を確保することができる。一方、図３（ａ）に示すようにアノードガスの圧力がカソードガスの圧力より高い場合には、アノード集電体２０の剛性を膜−電極接合体１０の剛性よりも低くすることによって、図３（ｂ）に示すようにアノード集電体２０と膜−電極接合体１０との間の電気的接触を確保することができる。
【００３２】
なお、剛性にかかわりなく、膜−電極接合体１０と集電体との接着力を大きくすることによって電気的接触を確保することも考えられる。しかしながら、接着剤の接着力以上に差圧が生じた場合には、膜−電極接合体１０と集電体との間の電気的接触が得られなくなる。したがって、本実施例のように、集電体を膜−電極接合体１０の変形に追従させることによって、差圧の大きさにかかわりなく、膜−電極接合体１０と集電体との間の電気的接触を確保することができる。
【符号の説明】
【００３３】
１０  膜−電極接合体
１１  電解質膜
１２  アノード触媒層
１３  カソード触媒層
２０  アノード集電体
２１  カソード集電体
３０  アノードセパレータ
３１  カソードセパレータ
３２  アノードガス流路
３３  カソードガス流路
４０  シール部材
１００  燃料電池
【図１】
2010250958.tif 000003
【図２】
2010250958.tif 000004
【図３】
2010250958.tif 000005