(57)【要約】【課題】反応ガス供給に優れた燃料電池を提供する。【解決手段】反応ガス流入流路の下流端及び反応ガス流出流路の上流端がそれぞれ閉塞され、かつ、当該反応ガス流入流路と当該反応ガス流出流路がセパレータにおいて互いに分離して配置されており、アノード側ガス拡散層及びカソード側ガス拡散層のうち少なくとも一方のガス拡散層において、当該ガス拡散層のセパレータ側の界面近傍を流通する反応ガスの量よりも、当該ガス拡散層の触媒層側の界面近傍を流通する反応ガスの量の方が多量となるように、当該ガス拡散層のセパレータ側の界面から触媒層側の界面に到達しない深さまでの領域の一部又は全部に、当該ガス拡散層の他の部分よりも相対的に反応ガスの透過性が低い材料からなるガス流れ制御部が配置されていることを特徴とする、燃料電池。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子電解質膜の一面側にアノード触媒層及びガス拡散層をこの順番で含むアノード電極を有し、他面側にカソード触媒層及びガス拡散層をこの順番で含むカソード電極を有する膜・電極接合体、及び、当該膜・電極接合体をさらに挟持する一対のセパレータを有する単セルを備える燃料電池であって、
前記セパレータの前記膜・電極接合体側の面に、前記膜・電極接合体へと供給される反応ガスが流通する反応ガス流入流路、及び、前記膜・電極接合体を通過した反応ガスが流通する反応ガス流出流路が備えられ、
前記反応ガス流入流路の下流端及び前記反応ガス流出流路の上流端がそれぞれ閉塞され、かつ、当該反応ガス流入流路と当該反応ガス流出流路が前記セパレータにおいて互いに分離して配置されており、
アノード側ガス拡散層及びカソード側ガス拡散層のうち少なくとも一方のガス拡散層において、
当該ガス拡散層のセパレータ側の界面近傍を流通する反応ガスの量よりも、当該ガス拡散層の触媒層側の界面近傍を流通する反応ガスの量の方が多量となるように、
当該ガス拡散層のセパレータ側の界面から触媒層側の界面に到達しない深さまでの領域の一部又は全部に、当該ガス拡散層の他の部分よりも相対的に反応ガスの透過性が低い材料からなるガス流れ制御部が配置されていることを特徴とする、燃料電池。
【請求項２】
前記ガス流れ制御部は、前記ガス拡散層内において、前記セパレータの前記反応ガス流入流路と前記反応ガス流出流路を隔離するリブ直下のセパレータ側の界面から触媒層側の界面に到達しない所定深さまでの領域に配置されている、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記ガス流れ制御部は、当該ガス流れ制御部が配置されたガス拡散層に高分子電解質を含浸して形成されている、請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記ガス流れ制御部は、前記セパレータの前記リブ直下の領域を上方から透視した二次元配置において、当該リブ直下の領域の一部にだけ配置されている、請求項２又は３に記載の燃料電池。
【請求項５】
少なくとも一方の前記ガス拡散層は、触媒層側に存在する所定厚みの第一の拡散層と、セパレータ側に存在し且つ前記第１の拡散層の面内透気度よりも小さい面内透気度を有する所定厚みの第２の拡散層を有し、前記第２のガス拡散層が前記ガス流れ制御部である、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記第２の拡散層が撥水性である、請求項５に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記第１の拡散層が親水性である、請求項５又は６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、反応ガス供給に優れた燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料と酸化剤を電気的に接続された２つの電極に供給し、電気化学的に燃料の酸化を起こさせることで、化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する。火力発電とは異なり、燃料電池はカルノーサイクルの制約を受けないので、高いエネルギー変換効率を示す。燃料電池は、通常、電解質膜を一対の電極で挟持した膜・電極接合体を基本構造とする単セルを複数積層して構成されている。中でも、電解質膜として固体高分子電解質膜を用いた固体高分子電解質型燃料電池は、小型化が容易であること、低い温度で作動すること、などの利点があることから、特に携帯用、移動体用電源として注目されている。
【０００３】
固体高分子電解質型燃料電池では、水素を燃料とした場合、アノード（燃料極）では（１）式の反応が進行する。
Ｈ２  →  ２Ｈ＋  ＋  ２ｅ−    （１）
（１）式で生じる電子は、外部回路を経由し、外部の負荷で仕事をした後、カソード（酸化剤極）に到達する。そして、（１）式で生じたプロトンは、水和した状態で、固体高分子電解質膜内をアノード側からカソード側に、電気浸透により移動する。
【０００４】
また、酸素を酸化剤とした場合、カソードでは（２）式の反応が進行する。
２Ｈ＋  ＋  （１／２）Ｏ２  ＋  ２ｅ−  →  Ｈ２Ｏ    （２）
カソードで生成した水は、主としてガス拡散層を通り、外部へと排出される。このように、燃料電池では、水以外の排出物がなく、クリーンな発電装置である。
【０００５】
一般に、カソードでは電気浸透によるアノードからの水の移動と電極反応によるカソード内での水の生成の両方の原因によって、水が過剰に存在する傾向がある。あまりに水分量が過剰となると、水蒸気が多孔質のカソード側ガス拡散層内で凝縮して水滴となり空孔を塞いでしまう、いわゆるフラッディングが発生し、カソード側ガス拡散層のガス透過に支障をきたす問題が生じていた。その結果、従来の燃料電池においては、酸化剤ガスがカソード側触媒層に行き渡らなくなって、発電効率が低下してしまうという課題が存在した。
【０００６】
このような発電効率の低下の課題を解決するために、ガス供給用のガス流路部と、ガス排出用のガス流路部が分離されて設置された閉塞流路を採用する技術が、これまでにも開発されている。特許文献１には、高分子電解質膜と、前記高分子電解質薄膜の両面に触媒層を挟んでそれぞれ対向して配された、導電性と通気性を兼ね備えた一対の電極層と、前記電極層にガスを供給し、あるいは電極層からガスを排出するためのガス流路が形成された導電性の集電体とを備え、前記ガス流路を構成するガス供給用のガス流路部とガス排出用のガス流路部とが前記集電体上で分離され互いにつながっていないことを特徴とする固体高分子型燃料電池の技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平１１−１６５９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１に開示された燃料電池は、供給用ガス流路に沿って電極部に供給されたガスの全てが、通気性を有する電極層にいったん送り込まれて電極反応に寄与した後、排出用ガス流路に湧出される構造を有している。しかし、特許文献１に開示された燃料電池においては、供給用ガス流路に沿って供給されたガスがすべて電極部に到達するとは限らず、したがって、必ずしも十分なガスが電極部に供給されているものとはいえない。
本発明は、上記実状を鑑みて成し遂げられたものであり、反応ガス供給に優れた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】
【０００９】
本発明の燃料電池は、高分子電解質膜の一面側にアノード触媒層及びガス拡散層をこの順番で含むアノード電極を有し、他面側にカソード触媒層及びガス拡散層をこの順番で含むカソード電極を有する膜・電極接合体、及び、当該膜・電極接合体をさらに挟持する一対のセパレータを有する単セルを備える燃料電池であって、前記セパレータの前記膜・電極接合体側の面に、前記膜・電極接合体へと供給される反応ガスが流通する反応ガス流入流路、及び、前記膜・電極接合体を通過した反応ガスが流通する反応ガス流出流路が備えられ、前記反応ガス流入流路の下流端及び前記反応ガス流出流路の上流端がそれぞれ閉塞され、かつ、当該反応ガス流入流路と当該反応ガス流出流路が前記セパレータにおいて互いに分離して配置されており、アノード側ガス拡散層及びカソード側ガス拡散層のうち少なくとも一方のガス拡散層において、当該ガス拡散層のセパレータ側の界面近傍を流通する反応ガスの量よりも、当該ガス拡散層の触媒層側の界面近傍を流通する反応ガスの量の方が多量となるように、当該ガス拡散層のセパレータ側の界面から触媒層側の界面に到達しない深さまでの領域の一部又は全部に、当該ガス拡散層の他の部分よりも相対的に反応ガスの透過性が低い材料からなるガス流れ制御部が配置されていることを特徴とする。
【００１０】
このような構成の燃料電池は、反応ガスの透過性の低い材料を適切な位置に配置することにより、前記反応ガス流入流路から供給された反応ガスを、前記ガス拡散層の前記触媒層側の界面まで誘導することができる。
【００１１】
本発明の燃料電池の一形態としては、前記ガス流れ制御部は、前記ガス拡散層内において、前記セパレータの前記反応ガス流入流路と前記反応ガス流出流路を隔離するリブ直下のセパレータ側の界面から触媒層側の界面に到達しない所定深さまでの領域に配置されているという構成を取ることができる。
【００１２】
このような構成の燃料電池は、前記リブ直下のセパレータ側の界面から触媒層側の界面に到達しない所定深さまでの領域において、反応ガスに対して透過不能な絶対的な障壁を設けることにより、前記リブ直下のセパレータ側の界面を通ってショートパスしてしまうことなく、前記触媒層まで行き渡らせるような反応ガスの誘導経路を設けることができる。
【００１３】
本発明の燃料電池の一形態としては、前記ガス流れ制御部は、当該ガス流れ制御部が配置されたガス拡散層に高分子電解質を含浸して形成されているという構成を取ることができる。
【００１４】
本発明の燃料電池の一形態としては、前記ガス流れ制御部は、前記セパレータの前記リブ直下の領域を上方から透視した二次元配置において、当該リブ直下の領域の一部にだけ配置されているという構成を取ることができる。
【００１５】
このような構成の燃料電池は、前記リブ直下の領域において、ガス拡散層が一部残っていることにより、前記領域における前記単セルの積層方向にかかる圧縮応力に対して、最低限必要な応力吸収性を発揮することができる。
【００１６】
本発明の燃料電池の一形態としては、少なくとも一方の前記ガス拡散層は、触媒層側に存在する所定厚みの第一の拡散層と、セパレータ側に存在し且つ前記第１の拡散層の面内透気度よりも小さい面内透気度を有する所定厚みの第２の拡散層を有し、前記第２のガス拡散層が前記ガス流れ制御部であるという構成を取ることができる。
【００１７】
このような構成の燃料電池は、前記ガス拡散層が、前記第１の拡散層と、当該第１の拡散層よりも相対的に反応ガスが流通しにくい前記第２の拡散層を有していることにより、反応ガスが、前記第２の拡散層を通ってショートパスしてしまうことなく、前記第１の拡散層を優先的に流通することにより、前記触媒層まで行き渡らせることができる。また、このような構成の燃料電池は、面内透気度の小さい前記第２の拡散層を設けることにより、特に高温・無加湿条件下における、反応ガスによる電解質膜からの水分の持ち去りを防止することができる。
【００１８】
本発明の燃料電池は、前記第２の拡散層が撥水性であることが好ましい。
【００１９】
このような構成の燃料電池は、前記第２の拡散層における水分の凝集を防止することができる。
【００２０】
本発明の燃料電池は、前記第１の拡散層が親水性であることが好ましい。
【００２１】
このような構成の燃料電池は、適度な水分を前記第１の拡散層内に保持することができるため、反応ガスによる電解質膜からの水分の持ち去りを確実に防止することができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、反応ガスの透過性の低い材料を適切な位置に配置することにより、前記反応ガス流入流路から供給された反応ガスを、前記ガス拡散層の前記触媒層側の界面まで誘導することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の第１の態様の燃料電池に用いられる単セルの一例を示す図であって、積層方向に切断した断面を模式的に示した図である。
【図２】本発明の第１の態様の燃料電池に用いられる単セルの、アノード電極側セパレータ、及び、当該セパレータに対応したガス流れ制御部の設置例を示す図であって、セパレータに水平な方向に切断した断面を模式的に示した図である。
【図３】本発明の第１の態様の燃料電池に用いられる単セルの、カソード電極側セパレータ、及び、当該セパレータに対応したガス流れ制御部の設置例を示す図であって、セパレータに水平な方向に切断した断面を模式的に示した図である。
【図４】本発明の第１の態様の燃料電池に用いられるガス流れ制御部の実施形態を示した断面模式図である。
【図５】本発明の第２の態様の燃料電池に用いられる単セルの典型例を示す図であって、積層方向に切断した断面を模式的に示した図である。
【図６】本発明の第２の態様の燃料電池に用いられるガス流れ制御部としての第２の拡散層の機能を示した断面模式図である。
【図７】従来技術の閉塞流路を用いた単セルの断面模式図である。
【図８】セパレータ中のリブと触媒層との距離を物理的に近づけた場合を示した断面模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本発明の燃料電池は、高分子電解質膜の一面側にアノード触媒層及びガス拡散層をこの順番で含むアノード電極を有し、他面側にカソード触媒層及びガス拡散層をこの順番で含むカソード電極を有する膜・電極接合体、及び、当該膜・電極接合体をさらに挟持する一対のセパレータを有する単セルを備える燃料電池であって、前記セパレータの前記膜・電極接合体側の面に、前記膜・電極接合体へと供給される反応ガスが流通する反応ガス流入流路、及び、前記膜・電極接合体を通過した反応ガスが流通する反応ガス流出流路が備えられ、前記反応ガス流入流路の下流端及び前記反応ガス流出流路の上流端がそれぞれ閉塞され、かつ、当該反応ガス流入流路と当該反応ガス流出流路が前記セパレータにおいて互いに分離して配置されており、アノード側ガス拡散層及びカソード側ガス拡散層のうち少なくとも一方のガス拡散層において、当該ガス拡散層のセパレータ側の界面近傍を流通する反応ガスの量よりも、当該ガス拡散層の触媒層側の界面近傍を流通する反応ガスの量の方が多量となるように、当該ガス拡散層のセパレータ側の界面から触媒層側の界面に到達しない深さまでの領域の一部又は全部に、当該ガス拡散層の他の部分よりも相対的に反応ガスの透過性が低い材料からなるガス流れ制御部が配置されていることを特徴とする。
【００２５】
本発明において、「反応ガス」とは、アノードに供給される燃料ガス、及び、カソードに供給される酸化剤ガスのいずれも含んでいる。したがって、「反応ガス流入流路」とは、「燃料ガス流入流路」及び「酸化剤ガス流入流路」のいずれをも含み、「反応ガス流出流路」とは、「燃料ガス流出流路」及び「酸化剤ガス流出流路」のいずれをも含む。
なお、「反応ガス流出流路」とは、反応ガスを積極的に排出する流路のみでは必ずしもなく、結果的に反応ガスが燃料電池外へ流出されてしまう流路を含む。また、「反応ガス流出流路」は、反応ガスのみが流出する流路では必ずしもなく、例えば、膜・電極接合体から排出される気体や、反応生成水等の液体も流出するものとする。なお、本明細書においては、「反応ガス流入流路」及び「反応ガス流出流路」を合わせて「反応ガス流路」という場合がある。
【００２６】
従来から、燃料電池の単セルに用いられるセパレータには様々な形状が採用されている。その中でも、反応ガス等の気体や、電極反応によって生じる生成水等の液体等の移動促進を課題としたものとして、閉塞流路を設けたセパレータがある。
閉塞流路とは、反応ガス流路（燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路の両方を指す。）が反応ガス流入流路及び反応ガス流出流路からなり、かつ、反応ガス流入流路は、ガス流れ方向下流端が閉塞された流路であり、反応ガス流出流路は、ガス流れ方向上流端が閉塞された流路のことをいう。このような閉塞流路においては、特にカソード電極側において、セパレータの反応ガス流入流路と反応ガス流出流路を隔離するリブ直下のセパレータ側の界面に強制的に酸化剤ガスを供給できるため、濃度過電圧が大きくなる高負荷状態において特に性能向上の効果がある。
【００２７】
図７は、従来技術の閉塞流路を用いた単セルの断面模式図である。図７は、単セル中の触媒層７０、ガス拡散層７１及びセパレータ７２が積層した部分を図示しており、反応ガス流入流路７３から反応ガス流出流路７４への反応ガスの拡散の様子を黒矢印にて模式的に示している。
セパレータの反応ガス流入流路と反応ガス流出流路を隔離するリブ周辺におけるガス拡散について考察する。反応ガスが反応ガス流入流路７３から反応ガス流出流路７４へと、ガス拡散層を経由して流通するとしたとき、最短経路であるリブ７２ａとガス拡散層７１との界面（図７の破線楕円Ａで示した領域）においては、反応ガスが多く流れるのに対し、ガス拡散層７１と触媒層７０との界面（図７の破線楕円Ｂで示した領域）においては、破線楕円Ａで示した領域と比較して、反応ガス流量が少ない。したがって、閉塞流路を採用し、強制的にガス拡散層へ反応ガスが供給できているにもかかわらず、反応ガスの大部分は、セパレータのリブとガス拡散層との界面に流通してしまい、ガス拡散層と触媒層との界面においては依然として反応ガス供給不足となる問題が生じていた。
本発明は、閉塞流路を用いた場合における、反応ガス供給の課題を、ガス流れ制御部を設けることによって解決することを目的とする。
【００２８】
本発明の主な特徴の１つに、アノード側ガス拡散層及びカソード側ガス拡散層のうち少なくとも一方のガス拡散層において、当該ガス拡散層のセパレータ側の界面近傍を流通する反応ガスの量よりも、当該ガス拡散層の触媒層側の界面近傍を流通する反応ガスの量の方が多量となるように、当該ガス拡散層のセパレータ側の界面から触媒層側の界面に到達しない深さまでの領域の一部又は全部に、当該ガス拡散層の他の部分よりも相対的に反応ガスの透過性が低い材料からなるガス流れ制御部が配置されていることが挙げられる。このように、反応ガスの透過性の低い材料を適切な位置に配置することにより、反応ガス流入流路から供給された反応ガスを、ガス拡散層の触媒層側の界面まで誘導することができる。
ガス流れ制御部は、ガス不透過であってもよい。なお、ガス流れ制御部は、ガス拡散層のセパレータ側の界面から触媒層側の界面に到達しない深さまでの領域の一部又は全部に設けられていれば、どのような態様でもよい。
ガス流れ制御部の弾性率は、ガス拡散層の弾性率以下であることが好ましい。この場合は、ガス拡散層の弾性を確保し、且つ、膜・電極接合体を破断などから保護することができる。
上記ガス流れ制御部は、カソード側、アノード側の両極において配置することができる。配置場所は特に限定されないが、濃度過電圧による電圧低下が著しいカソードガス流路下流において上記ガス流れ制御部を配置することが特に効果的である。
【００２９】
以下、本発明の燃料電池の第１の態様について説明する。本発明の燃料電池の第１の態様においては、ガス流れ制御部が、ガス拡散層内において、セパレータの反応ガス流入流路と反応ガス流出流路を隔離するリブ直下のセパレータ側の界面から触媒層側の界面に到達しない所定深さまでの領域に配置されている。
【００３０】
図１は、本発明の第１の態様の燃料電池に用いられる単セルの一例を示す図であって、積層方向に切断した断面を模式的に示した図である。なお、本態様の燃料電池に用いられる単セルは、必ずしもこの例のみに限定されるものではない。
単セル１００は、平型単セルであって、水素イオン伝導性を有する固体高分子電解質膜（以下、単に電解質膜ということがある）１と、前記電解質膜１を挟んだ一対のアノード電極６及びカソード電極７とでなる膜・電極接合体８を含み、さらに前記膜・電極接合体８を電極の外側から挟んだ一対の第１のセパレータ９及び第２のセパレータ１０とでなる。セパレータ９及び１０と電極の境界には反応ガス流路（反応ガス流入流路又は反応ガス流出流路を含む。）１１及び１２が確保され、アノード側の流路１１（燃料ガス流入流路１１ａ及び燃料ガス流出流路１１ｂを含む。）では水素ガスに代表される燃料が、カソード側の流路１２（酸化剤ガス流入流路１２ａ又は酸化剤ガス流出流路１２ｂを含む。）では酸化剤ガス（通常は空気又は酸素）がそれぞれ連続的に供給／排出される。通常は電極として、電解質膜側から順に触媒層とガス拡散層とを積層して構成されたものが用いられる。すなわち、アノード電極６はアノード触媒層２とガス拡散層４とを積層したものからなり、カソード電極７はカソード触媒層３とガス拡散層５とを積層したものからなる。
図２において詳細に示すように、燃料ガス流入流路１１ａ及び燃料ガス流出流路１１ｂは、セパレータ９上において交互に配置されており、また、酸化剤ガス流入流路１２ａ及び酸化剤ガス流出流路１２ｂは、セパレータ１０上において交互に配置されている。本態様ではさらに、燃料ガス流入流路１１ａ及び燃料ガス流出流路１１ｂに挟まれたセパレータ９の部位（リブ）の一部と、ガス拡散層との間に、ガス流れ制御部１３が設けられ、酸化剤ガス流入流路１２ａ及び酸化剤ガス流出流路１２ｂに挟まれたセパレータ１０の部位（リブ）の一部と、ガス拡散層との間に、ガス流れ制御部１４が設けられている。
【００３１】
図２は、本発明の第１の態様の燃料電池に用いられる単セルの、アノード電極側セパレータ、及び、当該セパレータに対応したガス流れ制御部の設置例を示す図であって、セパレータに水平な方向に切断した断面を模式的に示した図である。また、図３は、本発明の第１の態様の燃料電池に用いられる単セルの、カソード電極側セパレータ、及び、当該セパレータに対応したガス流れ制御部の設置例を示す図であって、セパレータに水平な方向に切断した断面を模式的に示した図である。図２及び図３においては、配置を明確に示すためにセパレータとガス流れ制御部を共に示しているが、実際の単セルの作製工程においては、セパレータとガス流れ制御部はそれぞれ独立に作製することができるものである。なお、本発明の第１の態様の燃料電池に用いられる単セルのセパレータ及びガス流れ制御部は、必ずしもこの例のみに限定されるものではない。図２に示すアノード電極側セパレータ及び図３に示すカソード電極側セパレータは、本例においては類似した構造を有するので、以下、主に図２に示すアノード電極側セパレータ、及び、当該セパレータに対応したガス流れ制御部の設置例について説明する。
燃料ガス流入流路１１ａ及び燃料ガス流出流路１１ｂは、それぞれセパレータの、膜・電極接合体が有するアノード電極側の面に形成された溝である。本例においては、流入流路１１ａ及び流出流路１１ｂは、いずれもくし形状の溝であり、セパレータ上において、互いに組み合わさって形成されている。セパレータの四隅には、燃料ガス供給孔２１ａ、燃料ガス排出孔２１ｂ、酸化剤ガス供給孔２２ａ、酸化剤ガス排出孔２２ｂが設けられている。これら４つの孔は、セパレータを貫通して設けられた孔である。なお、矢印は、燃料ガスの流れる方向を示す。
燃料ガス供給孔２１ａから供給された燃料ガスは、燃料ガス流入流路１１ａを矢印の方向にしたがって移動する。この移動の際に、燃料ガスの大部分はアノード電極が有するガス拡散層へと拡散し、電極反応に関わった後、生成水及び反応に使用されなかった燃料ガスは、燃料ガス流出流路１１ｂを矢印の方向にしたがって移動し、燃料ガス排出孔２１ｂへ至る。これと同様に、カソード電極側セパレータにおいては、図３に示すように、酸化剤ガス供給孔２２ａから供給された酸化剤ガスは、酸化剤ガス流入流路１２ａを矢印の方向にしたがって移動し、その際に、酸化剤ガスの大部分はカソード電極が有するガス拡散層へと拡散し、電極反応に関わった後、生成水及び反応に使用されなかった酸化剤ガスは、酸化剤ガス流出流路１２ｂを矢印の方向にしたがって移動し、酸化剤ガス排出孔２２ｂへ至る。ガス拡散層への拡散の際に、燃料ガスが、セパレータの燃料ガス流入流路１１ａと燃料ガス流出流路１１ｂを隔離するリブ直下のセパレータ側の界面から触媒層側の界面に到達しない所定深さまでの領域に配置されたガス流れ制御部１３を迂回することにより、より燃料ガスを触媒層まで行き渡らせるようにすることができる。
【００３２】
図４は、本発明の第１の態様の燃料電池に用いられるガス流れ制御部の実施形態を示した断面模式図である。図４は、単セル中のアノード触媒層２、ガス拡散層４及びセパレータ９が積層した部分を図示しており、燃料ガス流入流路１１ａから燃料ガス流出流路１１ｂへの燃料ガスの拡散の様子を黒矢印にて模式的に示している。
図４（ａ）は、図１乃至図３に示した実施形態と同じ形態を図示している。すなわち、図４（ａ）の実施形態においては、リブ９ａ直下のセパレータ側の界面から触媒層側の界面に到達しない所定深さまでの一部の領域において、ガス流れ制御部１３が並行して２列ずつ設置されている。
図４（ｂ）の実施形態においては、リブ９ａ直下のセパレータ側の界面から触媒層側の界面に到達しない所定深さまでの領域全面において、リブ９ａと同じ幅でガス流れ制御部１３が設置されている。図４（ｃ）の実施形態においては、リブ９ａ直下のセパレータ側の界面から触媒層側の界面に到達しない所定深さまでの一部の領域において、ガス流れ制御部１３が設置されており、且つ、当該部材１３は、セパレータとの界面においては、リブ９ａと同じ幅で設けられ、触媒層２に近い側ほど、幅が連続的に細くなるように設けられている。
図４に示されたガス流れ制御部を有する燃料電池においては、燃料ガスに対して透過不能な絶対的な障壁を設けることにより、ガス拡散層内における、リブ９ａ直下のセパレータ側の界面における燃料ガスの流通経路を遮断し、且つ、触媒層まで十分に行き渡らせるような反応ガスの誘導経路を設けることができる。
図４（ａ）〜（ｃ）に図示されたガス流れ制御部１３はいずれも、積層方向においてガス拡散層４の厚さ未満の厚さを有しているため、ガス拡散層４における燃料ガス拡散を阻害することがない。また、ガス拡散層４の厚みを変える必要がないため、当該ガス拡散層４による弾性を損なうことなく、燃料ガスをアノード触媒層２まで行き渡らせることができる。
なお、図４においてはアノード側のみに言及したが、カソード側に設置しても同様の効果を得ることができる。
【００３３】
図８は、セパレータ中のリブと触媒層との距離を物理的に近づけた場合を示した断面模式図である。図８（ａ）は、セパレータのリブの部分をガス拡散層に埋め込んだ場合の図、図８（ｂ）は、ガス拡散層そのものの厚さを薄くした図である。
一般的に、単セル内のガス拡散層においては、弾性が必要とされる。ここでいう弾性とは、単セルの運転時に生じる膜・電極接合体の膨潤収縮による寸法変化を吸収するための性質のことをいう。このような性質は、（ｉ）ガス拡散層について一定の厚みを設定すること、及び、（ｉｉ）ガス拡散層の弾性率についてセパレータの弾性率よりも小さく設定することによって担保される性質である。したがって、図８（ａ）のようにセパレータのリブの部分をガス拡散層に埋め込んだり、又は図８（ｂ）のようにガス拡散層そのものの厚さを薄くしたりすると、上記条件（ｉ）及び（ｉｉ）を同時に満たさなくなるために、弾性を失ってしまう。
本発明の第１の態様の燃料電池は、図４（ａ）〜（ｃ）に図示されたガス流れ制御部１３を備えることによって、上記条件（ｉ）及び（ｉｉ）を満足したまま、反応ガス流路のみを制御したものであり、したがって、図８（ａ）及び図８（ｂ）に示された設計とは、設計思想がまったく異なるものである。
【００３４】
リブ直下の領域において、ガス拡散層が一部残っていることにより、セパレータのリブ直下の領域における単セルの積層方向にかかる圧縮応力に対して、最低限必要な応力吸収性を発揮することができるという観点から、図４（ａ）又は図４（ｃ）に示したような、ガス流れ制御部が、セパレータのリブ直下の領域を上方から透視した二次元配置において、当該リブ直下の領域の一部にだけ配置されているという構成が、図４（ｂ）に示した構成よりも好ましい。
【００３５】
図１乃至図４に示したようなガス流れ制御部は、当該ガス流れ制御部が配置されたガス拡散層に高分子電解質を含浸して形成することができる。この際に用いることができる高分子電解質としては、後述する高分子電解質膜の材料と同様のものを例示することができる。
また、ガス流れ制御部としては、液状の水を保持できるような吸水材を用いることもできる。このような場合は、水蒸気が多孔質のガス拡散層内で凝縮して水滴となり空孔を塞いでしまう、いわゆるフラッディングが生じた場合においても、水滴を吸収できるため、フラッディング防止の効果を得ることができる。
【００３６】
以下、本発明の第１の態様の燃料電池の単セル中の構成要素である、高分子電解質膜、電極中の触媒層及びガス拡散層について述べる。
【００３７】
ここで、高分子電解質膜とは、燃料電池において使用される高分子電解質膜であり、ナフィオン（商品名）に代表されるパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂のようなフッ素系高分子電解質を含むフッ素系高分子電解質膜の他、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンエーテル、ポリパラフェニレン等のエンジニアリングプラスチックや、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン等の汎用プラスチック等の炭化水素系高分子にスルホン酸基、カルボン酸基、リン酸基、ボロン酸基等のプロトン酸基（プロトン伝導性基）を導入した炭化水素系高分子電解質を含む炭化水素系高分子電解質膜等が挙げられる。
【００３８】
電極は、触媒層とガス拡散層とを有する。
アノード触媒層及びカソード触媒層はいずれも、触媒、導電性材料及び高分子電解質を含有する触媒インクを用いて形成することができる。
高分子電解質としては、上述した高分子電解質膜同様の材料を用いることができる。
触媒としては、通常、触媒成分を導電性粒子に担持させたものが用いられる。触媒成分としては、アノードに供給される燃料の酸化反応又はカソードに供給される酸化剤の還元反応に対して触媒活性を有しているものであれば、特に限定されず、固体高分子型燃料電池に一般的に用いられているものを使用することができる。例えば、白金、又はルテニウム、鉄、ニッケル、マンガン、コバルト、銅等の金属と白金との合金等を用いることができる。
【００３９】
触媒担体である導電性粒子としては、カーボンブラック等の炭素粒子や炭素繊維のような導電性炭素材料、金属粒子や金属繊維等の金属材料も用いることができる。導電性材料は、触媒層に導電性を付与するための導電性材料としての役割も担っている。
【００４０】
触媒層の形成方法は特に限定されず、例えば、触媒インクをガス拡散層シートの表面に塗布、乾燥することによって、ガス拡散層シート表面に触媒層を形成してもよいし、或いは、電解質膜表面に触媒インクを塗布、乾燥することによって、電解質膜表面に触媒層を形成してもよい。或いは、転写用基材表面に触媒インクを塗布、乾燥することによって、転写シートを作製し、該転写シートを、電解質膜又はガス拡散シートと熱圧着等により接合した後、転写シートの基材フィルムを剥離する方法で、電解質膜表面上に触媒層を形成するか、ガス拡散層シート表面に触媒層を形成してもよい。
【００４１】
触媒インクは上記のような触媒と電極用電解質とを、溶媒に溶解又は分散させて得られる。触媒インクの溶媒は、適宜選択すればよく、例えば、メタノール、エタノール、プロパノール等のアルコール類、Ｎ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）、ジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）等の有機溶媒、又はこれら有機溶媒の混合物やこれら有機溶媒と水との混合物を用いることができる。触媒インクには、触媒及び電解質以外にも、必要に応じて結着剤や撥水性樹脂等のその他の成分を含有させてもよい。
【００４２】
触媒インクの塗布方法、乾燥方法等は適宜選択することができる。例えば、塗布方法としては、スプレー法、スクリーン印刷法、ドクターブレード法、グラビア印刷法、ダイコート法などが挙げられる。また、乾燥方法としては、例えば、減圧乾燥、加熱乾燥、減圧加熱乾燥などが挙げられる。減圧乾燥、加熱乾燥における具体的な条件に制限はなく、適宜設定すればよい。また、触媒層の膜厚は、特に限定されないが、１〜５０μｍ程度とすればよい。
【００４３】
ガス拡散層を形成するガス拡散層シートとしては、触媒層に効率良く燃料を供給することができるガス拡散性、導電性、及びガス拡散層を構成する材料として要求される強度を有するもの、例えば、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炭素質多孔質体や、チタン、アルミニウム、銅、ニッケル、ニッケル−クロム合金、銅及びその合金、銀、アルミ合金、亜鉛合金、鉛合金、チタン、ニオブ、タンタル、鉄、ステンレス、金、白金等の金属から構成される金属メッシュ又は金属多孔質体等の導電性多孔質体からなるものが挙げられる。導電性多孔質体の厚さは、５０〜５００μｍ程度であることが好ましい。
【００４４】
ガス拡散層シートは、上記したような導電性多孔質体の単層からなるものであってもよいが、触媒層に面する側に撥水層を設けることもできる。撥水層は、通常、炭素粒子や炭素繊維等の導電性粉粒体、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等の撥水性樹脂等を含む多孔質構造を有するものである。撥水層は、必ずしも必要なものではないが、触媒層及び電解質膜内の水分量を適度に保持しつつ、ガス拡散層の排水性を高めることができる上に、触媒層とガス拡散層間の電気的接触を改善することができるという利点がある。
上記したような方法によって触媒層を形成した電解質膜及びガス拡散層シートは、適宜、重ね併せて熱圧着等し、互いに接合することで、膜・電極接合体が得られる。
【００４５】
作製された膜・電極接合体は、さらに、上述した反応ガス流路（閉塞流路）を有するセパレータで狭持され、単セルを形成する。セパレータとしては、導電性及びガスシール性を有し、集電体及びガスシール体として機能しうるもの、例えば、炭素繊維を高濃度に含有し、樹脂との複合材からなるカーボンセパレータや、金属材料を用いた金属セパレータ等を用いることができる。金属セパレータとしては、耐腐食性に優れた金属材料からなるものや、表面をカーボンや耐腐食性に優れた金属材料等で被覆し、耐腐食性を高めるコーティングが施されたもの等が挙げられる。
【００４６】
以下、本発明の燃料電池の第２の態様について説明する。本発明の燃料電池の第２の態様においては、少なくとも一方のガス拡散層は、触媒層側に存在する所定厚みの第一の拡散層と、セパレータ側に存在し且つ第１の拡散層の面内透気度よりも小さい面内透気度を有する所定厚みの第２の拡散層を有し、第２のガス拡散層がガス流れ制御部であるという構成を取る。
【００４７】
本第２の態様は、第１の拡散層の面内透気度を大きくして反応ガスを流通させやすくする一方、第２の拡散層の面内透気度を小さくして反応ガスを流通させにくくすること、すなわち、ガス拡散層内の第１の拡散層と、第２の拡散層との間に面内透気度の差を設けることが主な特徴の１つである。
一般に、多孔質物体中の透気度をＫ、多孔質物体の空隙率をε、多孔質物体の平均細孔径をｒとすると、Ｋ∝ε、及び、Ｋ∝ｒであることが知られている（化学工学便覧（財団法人  化学工学会編、改訂第６版、平成１１年、丸善株式会社）１４７ページ、「２．５．２  多孔質固体内の流体の流れ」中の「ａ．粘性流れ」の項より）。なお、当該便覧には、
Ｋ  ＝  （ｒ２×ε）  ／  ８      （３）
等の相関式で透気度Ｋ、空隙率ε及び平均細孔径ｒが規定される旨の記載がある。しかし、実在する多孔質固体の細孔構造は極めて複雑であり、材料によって大きく異なることから、上記式（３）はどのような多孔質固体にも応用できるものではない。したがって、透気度Ｋ、空隙率ε及び平均細孔径ｒの相関は、通常は実験にて求めるのが好ましい。
上記物性的見地からは、第１の拡散層及び第２の拡散層の材料物性値は空隙率ε及び平均細孔径ｒで規定することが望ましく、当該２つの層の機能物性値は面内透気度Ｋで規定することが好ましい。
【００４８】
図５は、本発明の第２の態様の燃料電池に用いられる単セルの典型例を示す図であって、積層方向に切断した断面を模式的に示した図である。なお、本発明の第２の態様の燃料電池に用いられる単セルは、必ずしもこの例のみに限定されるものではない。
単セル２００は、平型単セルであって、単セルの構成は上述した図１に示す単セル１００とほぼ同じである。単セル２００は、ガス拡散層が、第１の拡散層及び第２の拡散層からなる点で、図１に示した単セル１００と異なる。
本発明の燃料電池の第２の態様においては、図２及び図３に示したアノード電極側及びカソード電極側セパレータを用いることができる。
【００４９】
図６は、本発明の第２の態様の燃料電池に用いられるガス流れ制御部としての第２の拡散層の機能を示した断面模式図であり、単セル中の電解質膜１、アノード触媒層２、第１の拡散層４ａ、第２の拡散層４ｂ及びセパレータ９が積層した部分を図示している。
図６（ａ）は、燃料ガス流入流路１１ａから燃料ガス流出流路１１ｂへの燃料ガスの拡散の様子を黒矢印にて模式的に示した図である。第２の拡散層４ｂが有する面内透気度は、第１の拡散層４ａが有する面内透気度よりも小さいため、燃料ガス流入流路１１ａから流入した燃料ガスが、第２の拡散層４ｂ中のみを流通して燃料ガス流出流路１１ｂへと流出する経路よりも、第２の拡散層４ｂ中を積層方向に略垂直に移動した後に、第１の拡散層４ａ中を流通する経路を選択的に通過する。すなわち、より小さい面内透気度を有する第２の拡散層４ｂ中をほぼ最短経路で通過し、より大きい面内透気度を有する第１の拡散層４ａ中を優先的により長い経路で流通するように設けられた経路が、燃料ガスの実際の流通経路となる。このように燃料ガスの経路を設計することにより、従来技術よりも燃料ガスが触媒層まで行き渡るようにすることができる。
図６（ｂ）は、電解質膜１及び触媒層２からの水分移動を実線の黒矢印にて模式的に示した図である。第２の拡散層４ｂが有する面内透気度は、第１の拡散層４ａが有する面内透気度よりも小さいため、特に高温・無加湿条件下における、燃料ガスによる電解質膜１及び触媒層２からの水分の持ち去りを防止することができる。
なお、図６においてはアノード側のみに言及したが、カソード側に設置しても同様の効果を得ることができる。
第１の拡散層及び第２の拡散層の面内透気度Ｋは、ＩＳＯ  ５６３６−５又はＪＩＳ  Ｐ８１１７によって規格化された透気度によって決定する。したがって、面内透気度の測定等に関しては、ＩＳＯ  ５６３６−５又はＪＩＳ  Ｐ８１１７に準拠するものとする。
空隙率εは、以下の式で規定できる。
ε  ＝  （Ｖ／ｍ）／ρ      （４）
（上記式（４）中、ρ：拡散層の材料密度（ｋｇ／ｍ３）、ｍ：見かけ拡散層重量（ｋｇ）、Ｖ：見かけ拡散層体積（ｍ３））
上記式（４）中、ρは材料固有の物性値であるので、ｍとＶを測定することにより、空隙率εを求めることができる。
平均細孔径ｒは、一般的に、水銀圧入法を用いて測定することにより求めることができる。なお、本発明の第１の拡散層及び第２の拡散層に用いることができる材料の細孔分布範囲を鑑みると、平均細孔径ｒの測定法としては、ガス吸着法は不適であると考えられる。
【００５０】
本発明の第２の態様の燃料電池において、第２の拡散層における水分の凝集を防止することができるという観点から、第２の拡散層が撥水性であることが好ましい。また、本発明の第２の態様の燃料電池において、適度な水分を第１の拡散層内に保持することができるため、反応ガスによる電解質膜からの水分の持ち去りを確実に防止することができるという観点から、第１の拡散層が親水性であることが好ましい。
【００５１】
本発明の第２の態様の燃料電池において用いられる、第２の拡散層を含んだガス拡散層の作製方法の例を以下に示す。なお、本発明の第２の態様の燃料電池において用いられるガス拡散層は、必ずしもこの例のみに限定されるものではない。
まず、カーボンブラック（Ｋｅｔｊｅｎ−ＥＣ）とポリテトラフルオロエチレン及び界面活性剤を混練することによって撥水ペーストを作製する。続いて、上記ペーストをガス拡散層基材（ＴＧＰＨ０６０，ｔ＝２００μｍ）表面に塗布することによって撥水層とする。撥水層の塗工厚さは１０〜１００μｍとする。次に、上記ペーストをガス拡散層基材のもう片面に塗布し、さらにペースト内に部分的に含浸させることで、第２の拡散層を形成させる。第２の拡散層の含浸厚さは５０〜２００μｍとする。なお、撥水層と第２の拡散層に挟まれた、ガス拡散層の未含浸部（第１の拡散層）の厚さは、５０〜１００μｍとする。
上記ペースト塗布済みの基材を焼成して界面活性剤を吹き飛ばし、撥水層、第１の拡散層及び第２の拡散層の積層体が完成した。当該積層体を、上述した第１の態様において説明した高分子電解質膜、触媒層、セパレータと組み合わせることによって、本発明の第２の態様の燃料電池の単セルが完成する。このとき、積層体中の撥水層が触媒層側に、第２の拡散層がセパレータ側になるように単セルの組付けを実施する。
【符号の説明】
【００５２】
１…固体高分子電解質膜
２…アノード触媒層
３…カソード触媒層
４，５…ガス拡散層
４ａ，５ａ…第１の拡散層
４ｂ，５ｂ…第２の拡散層
６…アノード電極
７…カソード電極
８…膜・電極接合体
９，１０…セパレータ
９ａ…リブ
１１…燃料ガス流路
１１ａ…燃料ガス流入流路
１１ｂ…燃料ガス流出流路
１２…酸化剤ガス流路
１２ａ…酸化剤ガス流入流路
１２ｂ…酸化剤ガス流出流路
１３，１４…ガス流れ制御部
２１ａ…燃料ガス供給孔
２１ｂ…燃料ガス排出孔
２２ａ…酸化剤ガス供給孔
２２ｂ…酸化剤ガス排出孔
７０…触媒層
７１…ガス拡散層
７２…セパレータ
７２ａ…リブ
７３…反応ガス流入流路
７４…反応ガス流出流路
１００，２００…単セル
【図１】
2010232062.tif 000003
【図２】
2010232062.tif 000004
【図３】
2010232062.tif 000005
【図４】
2010232062.tif 000006
【図５】
2010232062.tif 000007
【図６】
2010232062.tif 000008
【図７】
2010232062.tif 000009
【図８】
2010232062.tif 000010