(57)【要約】【課題】排水性を向上させることが可能な、閉塞流路を有する燃料電池を提供する。【解決手段】膜電極構造体と、ガス拡散層と、該ガス拡散層に対して膜電極構造体と反対側に配設されたセパレータと、を備え、セパレータのガス拡散層側の面に、膜電極構造体へと供給される反応ガスの出口が閉塞された第１閉塞流路と、反応ガスの入口が閉塞された第２閉塞流路とが、隣り合うように備えられ、第１閉塞流路と第２閉塞流路との間に備えられるセパレータの部位と面するガス拡散層の表面の疎水性が、第１閉塞流路の幅方向中央と面するガス拡散層の表面の疎水性、及び、第２閉塞流路の幅方向中央と面するガス拡散層の表面の疎水性よりも低い、燃料電池とする。【選択図】図１
2010113927.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜電極構造体、該膜電極構造体の少なくとも一方に配設されたガス拡散層、及び、該ガス拡散層に対して前記膜電極構造体と反対側に配設されたセパレータを備え、
前記セパレータの前記ガス拡散層側の面に、前記膜電極構造体へと供給される反応ガスの出口が閉塞された第１閉塞流路と、前記反応ガスの入口が閉塞された第２閉塞流路とが、隣り合うように備えられ、
前記第１閉塞流路と前記第２閉塞流路との間に備えられる前記セパレータの部位と面する前記ガス拡散層の表面の疎水性が、前記第１閉塞流路の幅方向中央と面する前記ガス拡散層の表面の疎水性、及び、前記第２閉塞流路の幅方向中央と面する前記ガス拡散層の表面の疎水性よりも低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、燃料電池に関し、特に、流路の一端が閉塞された閉塞流路を備える燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電解質層（以下において、「電解質膜」という。）と、電解質膜の両面側にそれぞれ配設される電極（アノード触媒層及びカソード触媒層）とを備える膜電極構造体（以下において、「ＭＥＡ」ということがある。）で電気化学反応を起こし、当該電気化学反応により発生した電気エネルギーを外部に取り出す装置である。燃料電池の中でも、家庭用コージェネレーション・システムや自動車等に使用される固体高分子型燃料電池（以下において、「ＰＥＦＣ」ということがある。）は、低温領域で運転することができる。このＰＥＦＣは、高いエネルギー変換効率を示し、起動時間が短く、かつシステムが小型軽量であることから、電気自動車の動力源や携帯用電源として注目されている。
【０００３】
ＰＥＦＣの単セルは、ＭＥＡと、当該ＭＥＡを含む積層体を狭持する一対の集電体（セパレータ）と、を備え、ＭＥＡには、含水状態に保たれることによりプロトン伝導性能を発現するプロトン伝導性ポリマーが含有される。ＰＥＦＣの運転時には、アノードに水素含有ガス（以下において、「水素」という。）が、カソードに酸素含有ガス（以下において、「空気」という。）が、それぞれ供給される。アノードへと供給された水素は、アノード触媒層に含まれる触媒の作用下でプロトンと電子に分離し、水素から生じたプロトンは、アノード触媒層及び電解質膜を通ってカソード触媒層へと達する。一方、電子は、外部回路を通ってカソード触媒層へと達し、かかる過程を経ることにより、電気エネルギーを取り出すことが可能になる。そして、カソード触媒層へと達したプロトン及び電子と、カソード触媒層へと供給された空気に含有されている酸素とが、カソード触媒層に含まれる触媒の作用下で反応することにより、水が生成される。
【０００４】
ＰＥＦＣの発電を継続するためには、ＭＥＡへ、水素及び空気を継続して供給する必要がある。一方、単セル内に存在する液体の水（液水）が反応ガスの流路等に滞留していると、当該液水によって水素及び／又は空気の拡散が阻害される。水素及び／又は空気の拡散が阻害されると、ＰＥＦＣの発電性能が低下するため、ＰＥＦＣの発電性能を向上させるには、液水を単セルの外へと排出することが必要とされる。
【０００５】
他方、流路の一端（入口又は出口）が閉塞された閉塞流路を有するセパレータ、を具備するＰＥＦＣが、これまでに開発されている。閉塞流路を有する形態とすれば、出口が閉塞された閉塞流路（以下において、「入り流路」ということがある。）を流通した水素や空気は、一対のセパレータによって狭持されている積層体を通って、入口が閉塞された閉塞流路（以下において、「出流路」ということがある。）へと達し、当該出流路を介して単セルの外へと排出されるため、積層体へと供給される水素や空気の拡散性を増大させることが可能になる。
【０００６】
このような、閉塞流路を有するＰＥＦＣに関する技術として、例えば、特許文献１には、ＭＥＡとセパレータとの間に、導電性及び通気性を兼ね備えた層（以下において、「ガス拡散層」という。）を配置し、該ガス拡散層とセパレータとの間に、親水性物質からなる層（以下において、「親水層」という。）を配置する技術が開示されている。
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−７９４５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１に開示されている技術では、ガス拡散層とセパレータとの間に親水層が配置されるため、運転時にカソード触媒層で生成された水を、当該親水層へ移動させることが可能になる。ところが、当該親水層の親水性が、セパレータに形成された閉塞流路よりも高いため、特許文献１に開示されている技術では、親水層から閉塞流路へ液水を移動させることが困難である。そのため、特許文献１に開示されている技術には、液水を単セルの外へ排出すること（排水性を向上させること）が困難であるという問題があった。
【０００９】
そこで本発明は、排水性を向上させることが可能な、閉塞流路を有す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】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段をとる。すなわち、
本発明は、膜電極構造体、該膜電極構造体の少なくとも一方に配設されたガス拡散層、及び、該ガス拡散層に対して膜電極構造体と反対側に配設されたセパレータを備え、セパレータのガス拡散層側の面に、膜電極構造体へと供給される反応ガスの出口が閉塞された第１閉塞流路と、反応ガスの入口が閉塞された第２閉塞流路とが、隣り合うように備えられ、第１閉塞流路と第２閉塞流路との間に備えられるセパレータの部位（以下において、「凸部」ということがある。）と面するガス拡散層の表面の疎水性が、第１閉塞流路の幅方向中央と面するガス拡散層の表面の疎水性、及び、第２閉塞流路の幅方向中央と面するガス拡散層の表面の疎水性よりも低いことを特徴とする、燃料電池である。
【００１１】
ここに、本発明において、「ガス拡散層に対して膜電極構造体と反対側に配設されたセパレータ」とは、膜電極構造体とセパレータとの間にガス拡散層が存在するように、膜電極構造体、ガス拡散層、及び、セパレータが配設されていることをいう。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、例えば第１閉塞流路の閉塞部に液水が存在するような条件で燃料電池を運転した場合であっても、相対的に疎水性が低い、セパレータの凸部と面するガス拡散層の表面を含む領域へ、当該液水を移動させることができる。そして、本発明によれば、相対的に疎水性の低い部位へと移動させた液水を、第１閉塞流路から第２閉塞流路へと向かう反応ガスとともに、第２閉塞流路へと移動させることができ、第２閉塞流路の出口を介して液水を単セルの外へと排出することができる。したがって、本発明によれば、排水性を向上させることが可能な、閉塞流路を有する燃料電池を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
ＭＥＡを含む積層体へと供給される反応ガスの拡散性を向上させて性能を向上させること等を目的として、閉塞流路を有するＰＥＦＣが開発されてきている。ところが、閉塞流路に液体の水が存在し得る条件下でＰＥＦＣを運転すると、入り流路や出流路の閉塞部等に液水が滞留することがある。このようにして液水が滞留すると、滞留した液水によって反応ガスの拡散が阻害されるため、ＰＥＦＣの性能が低下する。それゆえ、ＰＥＦＣの性能低下を抑制するためには、液水の排出性能（排水性）を向上させることが重要である。本発明者らは、かかる観点から鋭意研究を進めた結果、ガス拡散層に、相対的に疎水性の高い部位と相対的に疎水性の低い部位とを設け、閉塞流路に挟まれた凸部と対向するガス拡散層の表面の疎水性を相対的に低くし、閉塞流路の流路幅方向中央と対向するガス拡散層部位の疎水性を相対的に高くすることにより、閉塞流路に液水が滞留する事態を抑制可能であることを知見し、本発明を完成させた。
【００１４】
本発明は、このような知見に基づいてなされたものであり、排水性を向上させることが可能な、閉塞流路を有する燃料電池を提供することを、主な要旨とする。
【００１５】
以下、図面を参照しつつ、本発明について説明する。なお、以下に示す形態は本発明の例示であり、本発明は以下に示す形態に限定されるものではない。
【００１６】
図１は、本発明の燃料電池の形態例を概略的に示す断面図である。図１の紙面上下方向がセパレータの厚さ方向、図１の紙面左右方向がセパレータに備えられる閉塞流路の流路幅方向であり、図１の紙面奥／手前方向が反応ガスの流通方向である。本発明の理解を容易にするため、図１では、一部符号の記載を省略している。図２は、図１に記載されたカソード触媒層、ガス拡散層、及び、セパレータの一部を抜き出し、拡大して示す図である。図２の紙面上下方向がセパレータの厚さ方向、図２の紙面左右方向がセパレータに備えられる閉塞流路の流路幅方向、図２の紙面奥／手前方向が反応ガスの流通方向であり、図２の矢印は、本発明の燃料電池の運転時に生成された水の移動方向である。図３は、アノード触媒層側に配置されたセパレータの形態例を示す平面図である。図３の矢印は水素の流通方向を示している。図４は、カソード触媒層側に配置されたセパレータの形態例を示す平面図である。図４の矢印は空気の流通方向を示している。
【００１７】
図１及び図２に示すように、本発明の燃料電池１０は、電解質膜１、該電解質膜１の一方の面に形成されたアノード触媒層２、及び、該アノード触媒層２が形成された電解質膜１の面とは反対側の面に形成されたカソード触媒層３、を備えるＭＥＡ４と、アノード触媒層２側に配設されたガス拡散層５と、カソード触媒層３側に配設されたガス拡散層６と、ガス拡散層５側に配設されたセパレータ７と、ガス拡散層６側に配設されたセパレータ８と、を有している。
【００１８】
燃料電池１０において、ガス拡散層５は、相対的に疎水性が高い高疎水性部位５ａと、相対的に疎水性が低い低疎水性部位５ｂ、５ｂ、…と、を有し、高疎水性部位５ａの疎水性は低疎水性部位５ｂ、５ｂ、…の疎水性よりも高い。ガス拡散層６は、相対的に疎水性が高い高疎水性部位６ａと、相対的に疎水性が低い低疎水性部位６ｂ、６ｂ、…と、を有し、高疎水性部位６ａの疎水性は低疎水性部位６ｂ、６ｂ、…の疎水性よりも高い。また、図１及び図３に示すように、セパレータ７は、閉塞部材９、９、…によって出口が閉塞された閉塞流路である入り流路７ｘ、７ｘ、…、閉塞部材９、９、…によって入口が閉塞された閉塞流路である出流路７ｙ、７ｙ、…、及び、入り流路７ｘ、７ｘ、…と出流路７ｙ、７ｙ、…との間に位置する凸部７ｚ、７ｚ、…を有している。また、図１、図２、及び、図４に示すように、セパレータ８は、閉塞部材９、９、…によって出口が閉塞された閉塞流路である入り流路８ｘ、８ｘ、…、閉塞部材９、９、…によって入口が閉塞された閉塞流路である出流路８ｙ、８ｙ、…、及び、入り流路８ｘ、８ｘ、…と出流路８ｙ、８ｙ、…との間に位置する凸部８ｚ、８ｚ、…を有している。
【００１９】
図１に示すように、ガス拡散層５において、低疎水性部位５ｂ、５ｂ、…は、凸部７ｚ、７ｚ、…と面する表面を含む領域に配置され、低疎水性部位５ｂ、５ｂ、…以外のガス拡散層５の領域は、高疎水性部位５ａとされている。同様に、図１及び図２に示すように、ガス拡散層６において、低疎水性部位６ｂ、６ｂ、…は、凸部８ｚ、８ｚ、…と面する表面を含む領域に配置され、低疎水性部位６ｂ、６ｂ、…以外のガス拡散層６の領域は、高疎水性部位６ａとされている。
【００２０】
燃料電池１０の運転時には、入り流路７ｘ、７ｘ、…を介して供給された水素が、ガス拡散層５を通過してアノード触媒層２へと達し、アノード触媒層２に含有される触媒（例えば、白金等。以下において同じ。）の作用下で反応することにより、プロトンと電子に分離する。このようにして生じたプロトンは、アノード触媒層２、電解質膜１、及び、カソード触媒層３に含有されているプロトン伝導体を伝ってカソード触媒層３へと移動し、アノード触媒層２で生じた電子は、外部回路を経由してカソード触媒層３へと達する。一方、燃料電池１０の運転時には、入り流路８ｘ、８ｘ、…を介して供給された空気が、ガス拡散層６を通過してカソード触媒層３へと達し、カソード触媒層３へと達した空気に含有されている酸素と、アノード触媒層２からカソード触媒層３へと移動してきたプロトン及び電子とが、カソード触媒層３に含有されている触媒の作用下で反応することにより、水が生成される。
【００２１】
プロトン伝導体を伝ってアノード触媒層２からカソード触媒層３へと移動するプロトンの伝導抵抗を低減するためには、ＭＥＡ４を含水状態にする必要がある。それゆえ、本発明の燃料電池の運転時には、加湿された水素が入り流路７ｘ、７ｘ、…を介して供給され、加湿された空気が入り流路８ｘ、８ｘ、…を介して供給される。燃料電池１０において、入り流路７ｘ、７ｘ、…を介して供給された水素のうち、アノード触媒層２における上記反応に用いられなかった水素は、アノード触媒層２やガス拡散層５を通過して出流路７ｙ、７ｙ、…へと達し、当該出流路７ｙ、７ｙ、…の出口を介して排出される。すなわち、出口が閉塞された入り流路７ｘ、７ｘ、…と入口が閉塞された出流路７ｙ、７ｙ、…とを有する形態とすることにより、入り流路７ｘ、７ｘ、…を介して供給した水素を、強制的にアノード触媒層２へと流入させることができ、アノード触媒層２を拡散した水素を出流路７ｙ、７ｙ、…の出口を介して排出することができる。そのため、燃料電池１０によれば、凸部７ｚ、７ｚ、…と面するガス拡散層５の領域（低疎水性部位５ｂ、５ｂ、…）及び凸部７ｚ、７ｚ、…と面するアノード触媒層２の領域にも、水素を拡散させることができる。一方、入り流路８ｘ、８ｘ、…を介して供給された空気のうち、カソード触媒層３における上記反応に用いられなかった空気は、カソード触媒層３やガス拡散層６を通過して出流路８ｙ、８ｙ、…へと達し、当該出流路８ｙ、８ｙ、…の出口を介して排出される。すなわち、出口が閉塞された入り流路８ｘ、８ｘ、…と入口が閉塞された出流路８ｙ、８ｙ、…とを有する形態とすることにより、入り流路８ｘ、８ｘ、…を介して供給した空気を、強制的にカソード触媒層３へと流入させることができ、カソード触媒層３を拡散した空気を出流路８ｙ、８ｙ、…の出口を介して排出することができる。そのため、燃料電池１０によれば、凸部８ｚ、８ｚ、…と面するガス拡散層６の領域（低疎水性部位６ｂ、６ｂ、…）及び凸部８ｚ、８ｚ、…と面するカソード触媒層３の領域にも、空気を拡散させることができる。
【００２２】
燃料電池１０の運転時にカソード触媒層３で生成された水は、図２に矢印で示される方向へと移動する。より具体的に説明すると、以下の通りである。
【００２３】
カソード触媒層３は、親水性領域と疎水性領域とを有している。そのため、カソード触媒層３で生成された水は、カソード触媒層３に含まれている親水性領域を通って、カソード触媒層３とガス拡散層６との界面へと達する。ここで、カソード触媒層３に含まれている疎水性領域の疎水性は、ガス拡散層６に含まれている高疎水性部位６ａの疎水性よりも高い。それゆえ、多量の水が生成されることによりカソード触媒層３から押し出された水は、ガス拡散層６の高疎水性部位６ａへと達する。高疎水性部位６ａへと達した水は、その後、入り流路８ｘ、８ｘ、…や出流路８ｙ、８ｙ、…へと移動するか、又は、低疎水性部位６ｂ、６ｂ、…へと移動する。
【００２４】
このように、カソード触媒層３で生成された水の少なくとも一部は、入り流路８ｘ、８ｘ、…へと達する。上述のように、入り流路は出口が閉塞されているため、従来の技術では、カソード触媒層側に配設されているセパレータの入り流路の出口等に液水が滞留しやすかった。ところが、燃料電池１０では、凸部８ｚ、８ｚ、…と面する表面を含むガス拡散層６の一部に低疎水性部位６ｂ、６ｂ、…を配置し、低疎水性部位６ｂ、６ｂ、…以外のガス拡散層６の領域に、高疎水性部位６ａを配置している。そのため、入り流路８ｘ、８ｘ、…の出口等に存在する液水は、高疎水性部位６ａと比較して疎水性の程度が低い低疎水性部位６ｂ、６ｂ、…へと移動する。ここで、上述のように、燃料電池１０では、入り流路８ｘ、８ｘ、…から出流路８ｙ、８ｙ、…へと向かう空気の流れが存在し、低疎水性部位６ｂ、６ｂ、…にも当該空気の流れが存在する。そのため、燃料電池１０によれば、入り流路８ｘ、８ｘ、…等を介して低疎水性部位６ｂ、６ｂ、…へと達した液水を、空気と共に、出流路８ｙ、８ｙ、…へと移動させることができ、出流路８ｙ、８ｙ、…を介して液水を排出することができる。したがって、高疎水性部位６ａ及び低疎水性部位６ｂ、６ｂ、…を有する本発明の燃料電池１０によれば、排水性を向上させることができる。それゆえ、本発明の燃料電池１０によれば、カソード触媒層３側におけるフラッディングの発生を抑制することができる。
【００２５】
さらに、従来の燃料電池の運転時には、アノード触媒層側に配設されているセパレータの入り流路の出口等にも、液体の水が滞留する虞があった。ところが、燃料電池１０では、凸部７ｚ、７ｚ、…と面する表面を含むガス拡散層５の一部に低疎水性部位５ｂ、５ｂ、…を配置し、低疎水性部位５ｂ、５ｂ、…以外のガス拡散層５の領域に、高疎水性部位５ａを配置している。そのため、入り流路７ｘ、７ｘ、…の出口等に存在する液水は、高疎水性部位５ａと比較して疎水性の程度が低い低疎水性部位５ｂ、５ｂ、…へと移動する。ここで、上述のように、燃料電池１０では、入り流路７ｘ、７ｘ、…から出流路７ｙ、７ｙ、…へと向かう水素の流れが存在し、低疎水性部位５ｂ、５ｂ、…にも当該水素の流れが存在する。そのため、燃料電池１０によれば、入り流路７ｘ、７ｘ、…等を介して低疎水性部位５ｂ、５ｂ、…へと達した液水を、水素と共に、出流路７ｙ、７ｙ、…へと移動させることができ、出流路７ｙ、７ｙ、…を介して液水を排出することができる。したがって、高疎水性部位５ａ及び低疎水性部位５ｂ、５ｂ、…を有する本発明の燃料電池１０によれば、排水性を向上させることができる。それゆえ、本発明の燃料電池１０によれば、カソード触媒層３側のみならず、アノード触媒層２側におけるフラッディングの発生も抑制することができる。
【００２６】
本発明の燃料電池１０に関する上記説明では、ガス拡散層５に高疎水性部位５ａ及び低疎水性部位５ｂ、５ｂ、…が備えられ、かつ、ガス拡散層６に高疎水性部位６ａ及び低疎水性部位６ｂ、６ｂ、…が備えられる形態を例示したが、本発明の燃料電池は当該形態に限定されるものではない。本発明の燃料電池は、アノード触媒層側に配設されたガス拡散層、又は、カソード触媒層側に配設されたガス拡散層が、その全領域に亘って略一様の疎水性を有する形態とすることも可能である。ただし、液水がカソード触媒層側に配設されたセパレータの入り流路の出口近傍に滞留する事態を抑制して空気の拡散性を向上させ得る形態とする等の観点からは、カソード触媒層側に配設されたガス拡散層に、高疎水性部位及び低疎水性部位が配置されることが好ましい。加えて、空気よりも遅い流速の水素が流通するアノード触媒層側に配設された、セパレータの入り流路の出口近傍に液水が滞留する事態を抑制可能な形態とする等の観点からは、アノード触媒層側に配設されたガス拡散層に、高疎水性部位及び低疎水性部位が配置されることが好ましい。
【００２７】
また、本発明の燃料電池１０に関する上記説明では、アノード触媒層２側にガス拡散層５が備えられ、かつ、カソード触媒層３側にガス拡散層６が備えられる形態を例示したが、本発明の燃料電池は当該形態に限定されるものではない。本発明の燃料電池は、アノード触媒層とセパレータとの間、又は、カソード触媒層とセパレータとの間にのみガス拡散層が備えられる形態とすることも可能である。このように、本発明の燃料電池において、アノード触媒層側又はカソード触媒層側の一方にのみ、ガス拡散層が備えられる場合には、当該ガス拡散層を、高疎水性部位及び低疎水性部位を有するガス拡散層とすれば良い。
【００２８】
また、本発明の燃料電池１０において、ガス拡散層５の作製方法は、高疎水性部位５ａ及び低疎水性部位５ｂ、５ｂ、…を備えるガス拡散層５を作製可能であれば、特に限定されるものではなく、公知の方法を用いることができる。ガス拡散層５を作製する方法としては、例えば、低疎水性部位５ｂ、５ｂ、…が作製されるべき箇所にマスキング部材を配置したガス拡散層に撥水処理を施し、その後、マスキング部材を取り除く形態等を挙げることができる。かかる方法で作製すれば、マスキング部材が配置されていなかった箇所を高疎水性部位５ａとし、マスキング部材が配置されていた箇所を低疎水性部位５ｂ、５ｂ、…とした、ガス拡散層５を作製することができる。また、ガス拡散層６は、ガス拡散層５と同様の方法により作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の燃料電池１０の形態例を示す断面図である。
【図２】本発明の燃料電池１０の一部を拡大して示す断面図である。
【図３】セパレータ７の形態例を示す平面図である。
【図４】セパレータ８の形態例を示す平面図である。
【符号の説明】
【００３０】
１…電解質膜
２…アノード触媒層
３…カソード触媒層
４…ＭＥＡ（膜電極構造体）
５…ガス拡散層
５ａ…高疎水性部位
５ｂ…低疎水性部位
６…ガス拡散層
６ａ…高疎水性部位
６ｂ…低疎水性部位
７…セパレータ
７ｘ…入り流路（第１閉塞流路）
７ｙ…出流路（第２閉塞流路）
７ｚ…凸部
８…セパレータ
８ｘ…入り流路（第１閉塞流路）
８ｙ…出流路（第２閉塞流路）
８ｚ…凸部
９…閉塞部材
１０…燃料電池
【図１】
2010113927.tif 000003
【図２】
2010113927.tif 000004
【図３】
2010113927.tif 000005
【図４】
2010113927.tif 000006