(57)【要約】【課題】低温状態であっても、ガス拡散層の破損を生じない膜電極接合体、セパレータ及び燃料電池を提供する。【解決手段】電解質膜１１１の表裏両面に、触媒層１１２と、マイクロポーラス層１１３と、ガス拡散層１１４と、が積層された膜電極接合体１１と、膜電極接合体１１の表裏両面に設けられ、膜電極接合体１１の触媒層１１２とマイクロポーラス層１１３との間に生成水が溜まるときに、ガス拡散層１１４の面圧強度を増す強度増強部１２１ａを備えるセパレータ１２と、を有する。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜に、触媒層、マイクロポーラス層、ガス拡散層、の順に積層された膜電極接合体において、
低温発電時における、生成水が前記触媒層から前記マイクロポーラス層へ流れる際の前記マイクロポーラス層に加わる圧力より、その際における前記ガス拡散層の耐圧が大きくなるように構成する、
ことを特徴とする膜電極接合体。
【請求項２】
電解質膜の表裏両面に、触媒層と、マイクロポーラス層と、ガス拡散層と、が積層された膜電極接合体の表裏両面に設けられ、前記触媒層と前記マイクロポーラス層との間に生成水が溜まるときに、前記ガス拡散層の面圧強度を増す強度増強部を備える、
ことを特徴とするセパレータ。
【請求項３】
前記強度増強部は、セパレータリブのエッジに形成され、角を除去して成る、
ことを特徴とする請求項２に記載のセパレータ。
【請求項４】
前記強度増強部は、角Ｒ部であり、前記ガス拡散層に接面する平坦部よりもガス拡散層側に突出するように形成される、
ことを特徴とする請求項２又は３に記載のセパレータ。
【請求項５】
前記強度増強部は、セパレータチャネル内に形成され、ガス拡散層側に突出する凸面である、
ことを特徴とする請求項２乃至４の何れか１項に記載のセパレータ。
【請求項６】
電解質膜の表裏両面に、触媒層と、マイクロポーラス層と、ガス拡散層と、が積層された膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の表裏両面に設けられ、膜電極接合体に所定のスタッキング圧で当接するセパレータと、
前記触媒層と前記マイクロポーラス層との間に生成水が溜まるときに、前記セパレータのスタッキング圧を低減する面圧低減手段と、
を有する燃料電池。
【請求項７】
前記マイクロポーラス層は、前記ガス拡散層に対向する反応ガス流路と対向する位置に貫通孔を有する、
ことを特徴とする請求項６に記載の燃料電池。
【請求項８】
前記マイクロポーラス層は、前記ガス拡散層に対向する反応ガス流路と対向する位置に耐水圧低下部を有する、
ことを特徴とする請求項６又は７に記載の燃料電池。
【請求項９】
前記ガス拡散層にはカーボン粒子が混入されている、
ことを特徴とする請求項６乃至８の何れか１項に記載の燃料電池。
【請求項１０】
前記ガス拡散層は複数の基材が積層されて構成され、前記ガス拡散層に対向する反応ガス流路側の最外層基材にはカーボン粒子が混入されている、
ことを特徴とする請求項６乃至９の何れか１項に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、膜電極接合体、セパレータ及び燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、カソードガス触媒層とカソードガス拡散層の間に高撥水層を設ける燃料電池が開示されている。
【特許文献１】特開２００７−３２８９３５号公報  （段落００１６）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、前述した従来の燃料電池では、低温始動直後のように燃料電池の温度が低い状態(たとえばスタック温度が５〜１０℃程度)が継続すると、燃料電池で生成される液水が、カソードガス触媒層と高撥水層との間に溜まってしまってカソードガス拡散層が破損するおそれのあることが本件発明者らによって知見された。
【０００４】
本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、低温状態であっても、ガス拡散層の破損を生じない膜電極接合体、セパレータ及び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】
【０００５】
本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。
【０００６】
本発明は、低温発電時における、生成水が触媒層からマイクロポーラス層へ流れる際のマイクロポーラス層に加わる圧力より、その際におけるガス拡散層の耐圧が大きくなるように構成することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、触媒層からマイクロポーラス層へ生成水が通過する際、ガス拡散層の強度が保たれるので、ガス拡散層の破損を低減できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下では図面等を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。
（基本形態）
図１は、本実施形態における燃料電池の外観を示す図であり、図１(Ａ)は斜視図、図１(Ｂ)は側面図である。
【０００９】
最初に燃料電池の基本構成について説明する。燃料電池スタック１は、積層された複数の発電セル１０と、集電プレート２０と、絶縁プレート３０と、エンドプレート４０と、４本のテンションロッド５０とを備える。
【００１０】
発電セル１０は、燃料電池の単位セルである。各発電セル１０は、１ボルト(Ｖ)程度の起電圧を生じる。各発電セル１０の構成の詳細については後述する。
【００１１】
集電プレート２０は、積層された複数の発電セル１０の外側にそれぞれ配置される。集電プレート２０は、ガス不透過性の導電性部材、たとえば緻密質カーボンで形成される。集電プレート２０は、上辺の一部に出力端子２１を備える。燃料電池スタック１は、出力端子２１によって、各発電セル１０で生じた電子ｅ-を取り出して出力する。
【００１２】
絶縁プレート３０は、集電プレート２０の外側にそれぞれ配置される。絶縁プレート３０は、絶縁性の部材、たとえばゴムなどで形成される。
【００１３】
エンドプレート４０は、絶縁プレート３０の外側にそれぞれ配置される。エンドプレート４０は、剛性のある金属材料、たとえば鋼などで形成される。
【００１４】
一方のエンドプレート４０(図１(Ａ)では、左手前のエンドプレート４０)には、アノード供給口４１ａと、アノード排出口４１ｂと、カソード供給口４２ａと、カソード排出口４２ｂと、冷却水供給口４３ａと、冷却水排出口４３ｂとが設けられている。本実施形態では、アノード排出口４１ｂ、冷却水排出口４３ｂ及びカソード供給口４２ａは図中右側に設けられている。またカソード排出口４２ｂ、冷却水供給口４３ａ及びアノード供給口４１ａは図中左側に設けられている。
【００１５】
テンションロッド５０は、エンドプレート４０の四隅付近にそれぞれ配置される。燃料電池スタック１は内部に貫通した孔(不図示)が形成されている。この貫通孔にテンションロッド５０が挿通される(図１(Ｂ)参照)。テンションロッド５０は、剛性のある金属材料、たとえば鋼などで形成される。テンションロッド５０は、発電セル１０同士の電気短絡を防止するため、表面には絶縁処理されている。このテンションロッド５０にナット５１が螺合する(図１(Ｂ)参照)。テンションロッド５０とナット５１とが燃料電池スタック１を積層方向に締め付けることで、スタッキング圧が発生する。
【００１６】
アノード供給口４１ａにアノードガスとしての水素を供給する方法としては、例えば水素ガスを水素貯蔵装置から直接供給する方法、又は水素を含有する燃料を改質して改質した水素含有ガスを供給する方法などがある。なお、水素貯蔵装置としては、高圧ガスタンク、液化水素タンク、水素吸蔵合金タンクなどがある。水素を含有する燃料としては、天然ガス、メタノール、ガソリンなどがある。また、カソード供給口４２ａに供給するカソードガスとしては、一般的に空気が利用される。
【００１７】
燃料電池スタック１は、図１(Ｂ)に示すように、積層された複数の発電セル１０の両側に、集電プレート２０と、絶縁プレート３０と、エンドプレート４０と、が配置される。
【００１８】
また燃料電池スタックの片側の絶縁プレート３０の外側には、サブエンドプレート４１が配置され、さらにそのサブエンドプレート４１の外側にたとえば皿バネなどからなる変動吸収部材４２が配置され、その外側にエンドプレート４０が設けられる。このような積層構造の燃料電池スタックを４本のテンションロッド５０で積層方向に締め付ける。このように変動吸収部材４２が設けられているので、燃料電池スタックに作用する面圧の変動を吸収可能である。
【００１９】
図２は、発電セルの拡大図である。
【００２０】
発電セル１０は、膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly；ＭＥＡ)１１の両面に、アノードセパレータ１２ａ及びカソードセパレータ１２ｂが配置される構造である。ＭＥＡ１１は、イオン交換膜からなる電解質膜１１１の両面に電極触媒層１１２(１１２ａ，１１２ｂ)が形成される。この電極触媒層１１２(１１２ａ，１１２ｂ)の上にマイクロポーラス層(Micro Porous Layer；ＭＰＬ)１１３(１１３ａ，１１３ｂ)が形成される。このＭＰＬ１１３(１１３ａ，１１３ｂ)の上にガス拡散層(Gas Diffusion Layer；ＧＤＬ)１１４(１１４ａ，１１４ｂ)が形成される。
【００２１】
電極触媒層１１２は、たとえば白金Ｐｔ又は白金系合金をカーボン担体粉末上に担持させた触媒、電解質粒子(アイオノマ)及び撥水剤からなる混合層を電解質膜上に、ホットプレス又は直接噴霧することで形成される。
【００２２】
ＭＰＬ１１３は、おもにカーボンブラック等の導電性カーボン粉末と四フッ化エチレン樹脂(PolyTetraFluoroEthylene；ＰＴＦＥ)などとの結着剤兼撥水剤の混合層である。ＭＰＬ１１３は、ＧＤＬ１１４の繊維が電解質膜１１１を貫通して短絡してしまうことを防止する。またＭＰＬ１１３は、電極触媒層１１２とＧＤＬ１１４との接触面積を増大する。さらにＭＰＬ１１３は、電極触媒層１１２の排水性を調整することで、発電時の電極触媒層１１２の湿潤環境を最適化してフラッディングやドライアウトを防止する。さらにまたＭＰＬ１１３は、反応ガスの分配を促進して燃料電池の発電性能を向上する。
【００２３】
ＧＤＬ１１４は、十分なガス拡散性及び導電性を有する部材、たとえばカーボン繊維で形成される。
【００２４】
アノード供給口４１ａから供給されたアノードガスは、このＧＤＬ１１４ａを流れてアノード電極触媒層１１２(１１２ａ)と反応し、アノード排出口４１ｂから排出される。カソード供給口４２ａから供給されたカソードガスは、このＧＤＬ１１４ｂを流れてカソード電極触媒層１１２(１１２ｂ)と反応し、カソード排出口４２ｂから排出される。
【００２５】
アノードセパレータ１２ａは、ＧＤＬ１１４ａ及びＭＰＬ１１３ａを介してＭＥＡ１１の片面(図２の左面)に重ねられる。カソードセパレータ１２ｂは、ＧＤＬ１１４ｂ及びＭＰＬ１１３ｂを介してＭＥＡ１１の片面(図２の右面)に重ねられる。アノードセパレータ１２ａ及びカソードセパレータ１２ｂは、たとえばチタン、ステンレス、アルミニウムなどの金属製のセパレータ基体によって形成される。アノードセパレータ１２ａ及びカソードセパレータ１２ｂは、そのようなセパレータ基体が冷間プレスやケミカルエッチング、サンドブラストなどされて形成される。アノードセパレータ１２ａ及びカソードセパレータ１２ｂは、表面が金などの貴金属で被覆されたり、導電性カーボン材料で被覆されており、導電性である。またアノードセパレータ１２ａ及びカソードセパレータ１２ｂは、別形態としてカーボンブラック等の導電性カーボン粉末を用いて樹脂モールディング成型されたものであってもよい。
【００２６】
ここで本実施形態で解決したい課題について詳述するため、図３を用いて説明する。
【００２７】
燃料電池は、アノードガス及びカソードガスが供給されると以下の反応によって発電する。
【００２８】
【化１】
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【００２９】
この反応によって液水Ｈ2Ｏが生成される。液水Ｈ2Ｏは、ＭＰＬ１１３及びＧＤＬ１１４を透過して排出される。
【００３０】
ところでＭＰＬ１１３は、上述の通り、カーボン粉末とＰＴＦＥの混合層であり、撥水性である。
【００３１】
燃料電池の発電反応が進行し燃料電池の温度が高くなると、生成される液水Ｈ2Ｏが水蒸気になってＭＰＬ１１３及びＧＤＬ１１４を透過して外部へ排出される。しかしながら低温始動直後のように燃料電池の温度が低い状態(たとえばスタック温度が５〜１０℃程度)が継続すると、ＭＰＬ１１３で撥水されてしまってＭＰＬ１１３を透過できない液水Ｈ2Ｏが溜まってしまう。そして液水は、図３に示したように、スタッキング圧が作用していないカソードセパレータ１２ｂのチャネル１２２の下に集中する。液水の生成量が増えて、液水の圧力がＭＰＬ１１３の耐水圧Ｐを越えると、液水はＭＰＬ１１３を透過する。このときＧＤＬ１１４の強度(最大許容面圧)が耐水圧Ｐよりも低いと破損するおそれがある。
【００３２】
そこで本実施形態では、ＧＤＬ１１４の強度(最大許容面圧)が耐水圧Ｐよりも常に大きくなるようにしたのである。
【００３３】
（第１実施形態）
図４は、セパレータの流路幅とＧＤＬの強度(最大許容面圧)との相関を示す図である。
【００３４】
図４から分かるように、同一のＧＤＬであっても、セパレータの流路幅が狭いほど最大許容面圧は大きくなる。しかしながらセパレータの流路幅が狭ければ、セパレータの流路を流れる反応ガスの通気抵抗が増えてしまう。したがって通気抵抗を考えると、セパレータの流路幅は大きいことが望ましい。
【００３５】
図５は本発明による燃料電池の第１実施形態を示す図であり、図５(Ａ)は液水が生成される前の初期状態を示し、図５(Ｂ)は液水が生成された後の状態を示す。
【００３６】
そこで本実施形態では、セパレータ１２のリブ１２１のエッジ部分に角Ｒ部１２１ａを設けたのである。
【００３７】
このようにすれば初期状態では、図５(Ａ)に示すように流路幅Ｗ１であり反応ガスの通気抵抗を低く抑えることができる。
【００３８】
そして低温始動直後のように燃料電池の温度が低い状態が継続して、図５(Ｂ)に示すようにＭＰＬ１１３を透過できない液水Ｈ2Ｏが溜まると、ＧＤＬ１１４が押し上げられることとなる。これにともなってＧＤＬ１１４の支持部間が距離Ｗ２に縮小されるので、ＧＤＬ１１４の最大許容面圧が大きくなって強度が増し、ＧＤＬ１１４が破損することを防止できる。具体的な寸法は実験を通じて設定すればよい。
【００３９】
なお低温始動直後は反応ガスの通流量も少ないので、通気抵抗が増えても影響が少ない。
【００４０】
（第２実施形態）
図６は本発明による燃料電池の第２実施形態を示す図である。
【００４１】
本実施形態では、セパレータリブ１２１の角Ｒ部１２１ａが、リブ平坦部１２１ｂよりもＧＤＬ側に突出するように形成した。
【００４２】
セパレータリブ１２１の角Ｒ部１２１ａを、このような形状に構成しても、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００４３】
（第３実施形態）
図７は本発明による燃料電池の第３実施形態を示す図であり、図７(Ａ)は液水が生成される前の初期状態を示し、図７(Ｂ)は液水が生成された後の状態を示す。
【００４４】
本実施形態では図７(Ａ)に示すように、セパレータ１２のチャネル１２２の内部に、ＧＤＬ側に突出する凸面１２２ａを形成した。
【００４５】
このように構成すれば、低温始動直後のように燃料電池の温度が低い状態が継続して、図７(Ｂ)に示すようにＭＰＬ１１３を透過できない液水Ｈ2Ｏによって押し上げられたＧＤＬ１１４に凸面１２２ａが当接する。このためＧＤＬ１１４が破損することを防止できるのである。
【００４６】
（第４実施形態）
図８は本発明による燃料電池の第４実施形態を示す図であり、図８(Ａ)はこの第４実施形態の解決課題の説明図、図８(Ｂ−１)(Ｂ−２)は接触角θの説明図である。
【００４７】
セパレータ１２のリブ１２１の下に位置するＭＰＬ１１３の箇所では、燃料電池のスタッキング圧が作用して、ＭＰＬ１１３の内部の空孔が押し潰されて径が小さくなっている。ＭＰＬ１１３の耐水圧Ｐは、次式(1)で表される。
【００４８】
【数１】
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【００４９】
したがって最大空孔径Ｄが小さいと耐水圧Ｐが大きくなってしまう。逆に最大空孔径Ｄを大きくすれば耐水圧Ｐが小さくなる。
【００５０】
そこで本実施形態では、スタック温度が低いときには、テンションロッド５０とナット５１との螺合を弛めてスタッキング圧を低減するようにした。なお螺合を弛める方法としては、モータなどによってナット５１を回転すればよい。
【００５１】
本実施形態によれば、スタック温度が低いときに、スタッキング圧を低減するようにしたので、セパレータ１２のリブ下のＭＰＬ空孔が一時的に大きくなり、低温始動の耐水圧Ｐが小さくなり、ＧＤＬ１１４に作用する圧力を低減できる。したがってＧＤＬ１１４の破損を防止できるのである。
【００５２】
（第５実施形態）
図９は本発明による燃料電池の第５実施形態を示す図であり、図９(Ａ)は縦断面図、図９(Ｂ)は下面図である。
【００５３】
本実施形態では、ＭＰＬ１１３に、セパレータ１２のチャネル１２２の下に位置する部分に貫通孔１１３ｃを形成した。
【００５４】
このように構成すれば、ＭＰＬ１１３の最大空孔径が大きくなるので、耐水圧Ｐが小さくなる。するとＧＤＬ１１４に作用する圧力が低減される。したがってＧＤＬ１１４の破損を防止できる。
【００５５】
（第６実施形態）
図１０は本発明による燃料電池の第６実施形態を示す図である。
【００５６】
本実施形態では、ＭＰＬ１１３に、セパレータ１２のチャネル１２２の下に位置する部分に耐水圧低下部１１３ｄを形成した。具体的には、この部分に親水性材料を混入しておくことで、ＭＰＬ１１３に局所的に接触角θの小さい部分を設けることができ、ＭＰＬ１１３の耐水圧を低減できる。親水性材料としてはフッ素系電解質膜やその薄膜などがある。電解質によって耐水圧低下部１１３ｄを形成すれば、ＭＰＬ１１３の保水性も上がるので、ＭＰＬ１１３が極度に乾燥することを防止でき、これによってもＭＰＬ１１３の耐水圧が低減する効果が得られる。
【００５７】
（第７実施形態）
図１１は本発明による燃料電池の第７実施形態を示す図である。
【００５８】
本実施形態のＧＤＬ１１４には、カーボン粒子１１４ｃが含浸されている。
【００５９】
本実施形態によれば、ＧＤＬ１１４に含浸されたカーボン粒子及びバインダーの結合力によって、ＧＤＬ１１４の機械強度が向上する。このためＧＤＬ１１４の最大曲げ応力が大きくなり最大許容応力が増加する。
【００６０】
（第８実施形態）
図１２は本発明による燃料電池の第８実施形態を示す図である。
【００６１】
本実施形態のＧＤＬ１１４は、外側ＧＤＬ基材１１４−１と内側ＧＤＬ基材１１４−２との２層構造である。そして外側ＧＤＬ基材１１４−１にはカーボン粒子１１４ｃを含浸し、内側ＧＤＬ基材１１４−２にはカーボン粒子１１４ｃを含浸しない。
【００６２】
このように構成すれば、カーボン粒子１１４ｃの混合量を極力低減しつつ曲げ強度を大きくすることができ、それとともに通気抵抗、排水性の向上を図ることもできる。また、２枚のＧＤＬ基材１１４−１，１１４−２を貼り合わせて構成するので、外側ＧＤＬ基材１１４−１へカーボン粒子を容易に混合することができる。
【００６３】
なお本実施形態では２層構造を例示したがさらに多層の構造であってもよい。その場合でも最外層のＧＤＬ基材にカーボン粒子１１４ｃを含浸するとよい。また最外層のＧＤＬ基材に機械的強度の高い基材を使用してもよい。
【００６４】
以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明の技術的範囲に含まれることが明白である。
【００６５】
たとえば第１実施形態においては、強度増強部として、セパレータリブのエッジ部分に角Ｒ部を設ける構造を例示したが、直線状の面取り部であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】一実施形態における燃料電池の外観を示す図である。
【図２】発電セルの拡大図である。
【図３】解決したい課題について説明する図である。
【図４】セパレータの流路幅とＧＤＬの強度(最大許容面圧)との相関を示す図である。
【図５】本発明による燃料電池の第１実施形態を示す図である。
【図６】本発明による燃料電池の第２実施形態を示す図である。
【図７】本発明による燃料電池の第３実施形態を示す図である。
【図８】本発明による燃料電池の第４実施形態を示す図である。
【図９】本発明による燃料電池の第５実施形態を示す図である。
【図１０】本発明による燃料電池の第６実施形態を示す図である。
【図１１】本発明による燃料電池の第７実施形態を示す図である。
【図１２】本発明による燃料電池の第８実施形態を示す図である。
【符号の説明】
【００６７】
１１  膜電極接合体(ＭＥＡ)
１１１  電解質膜
１１２(１１２ａ，１１２ｂ)  触媒層
１１３(１１３ａ，１１３ｂ)  マイクロポーラス層(ＭＰＬ)
１１３ｃ  貫通孔
１１３ｄ  耐水圧低下部
１１４(１１４ａ，１１４ｂ)  ガス拡散層(ＧＤＬ)
１１４ｃ  カーボン粒子
１２(１２ａ，１２ｂ)  セパレータ
１２１  セパレータリブ
１２１ａ  角Ｒ部(強度増強部)
１２１ｂ  リブ平坦部
１２２  セパレータチャネル
１２２ａ  凸面(強度増強部)
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2010113906.tif 000011
【図８】
2010113906.tif 000012
【図９】
2010113906.tif 000013
【図１０】
2010113906.tif 000014
【図１１】
2010113906.tif 000015
【図１２】
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