(57)【要約】【課題】発電モードが変化した場合であっても、この発電モードの変化に応じて、応答良くガス拡散層のガス透気性を変化させることができる燃料電池を提供する。【解決手段】電解質膜１１の両面に触媒層１２を積層した膜電極接合体１０と、膜電極接合体１０の両側に積層されたガス拡散層２０Ａと、ガス流路が形成された一対のセパレータ３０とを備え、一対のセパレータ３０で、ガス拡散層２０Ａの表面にガス流路のガスが流れるように膜電極接合体１０を挟持した燃料電池１Ａであって、燃料電池１Ａは、ガスを通過させるべく、ガス拡散層２０Ａに層厚さ方向に沿って貫通した複数の細孔２１ａ、２２ａを形成し、細孔２１ａ、２２ａには、細孔２１ａ、２２ａを通過するガスの流量を調整する流量調整手段５０を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両面に触媒層を積層した膜電極接合体と、該膜電極接合体の両側に積層されたガス拡散層と、ガス流路が形成された一対のセパレータとを備え、該一対のセパレータで、前記ガス拡散層の表面に前記ガス流路のガスが流れるように前記膜電極接合体を挟持した燃料電池であって、
該燃料電池は、前記ガスを通過させるべく、前記ガス拡散層に、層厚さ方向に沿って貫通した複数の細孔を形成し、該細孔に、該細孔を通過するガスの流量を調整する流量調整手段を備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記ガス拡散層は、少なくとも２つのガス拡散層を順次積層した層であり、前記流量調整手段は、いずれか一方のガス拡散層を、他方のガス拡散層に対して相対的にスライドさせるスライド機構を有す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】
前記流量調整手段は、前記細孔を通過するガスの流量を調整する弁体を備え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、膜電極接合体の両面にガス拡散層が積層された固体高分子型燃料電池に係り、特に、燃料電池の発電モードに応じて好適に発電をすることができる燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
電解質膜を用いた固体高分子型燃料電池は、低温における作動が可能であり、かつ、小型軽量化が可能であるため、自動車などの移動体への適用が検討されている。特に、固体高分子型燃料電池を搭載した燃料電池自動車はエコロジーカーとして社会的な関心が高まっている。
【０００３】
このような固体高分子型燃料電池は、図５に示すように、膜電極接合体（ＭＥＡ）９５を主要な構成要素とし、それを燃料（水素）ガス流路および空気ガス流路を備えたセパレータ９６，９６で挟持して、単セルと呼ばれる１つの燃料電池９０を形成している。膜電極接合体９５は、イオン交換膜である電解質膜９１の一方側にアノード側の電極（アノード触媒層）９３ａを積層し、他方の側にカソード側の電極（カソード触媒層）９３ｂを積層した構造であり、アノード触媒層９３ａとカソード触媒層９３ｂには、それぞれガス拡散層９４ａ，９４ｂが配置されている。
【０００４】
このような燃料電池９０のガス拡散層９４ａ，９４ｂは、発電時に、排水性が悪化した場合には、フラッディングが生じ、触媒層への燃料ガスの供給が減少することがあり、一方、保水性が悪化した場合には（排水性が良過ぎるため）、ドライアップして、発電時の膜電極接合体９５のプロトン伝導性を阻害してしまうことがある。
【０００５】
このような点を鑑みて、例えば、セパレータの内部のガス流れ場に進入する圧縮部材をガス拡散層に設けた燃料電池が提案されている。そして、この圧縮部材は、内部に流体を充填することにより、伸縮可能となっている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−５２３９３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、特許文献１に記載の燃料電池は、この圧縮部材の伸縮が、圧縮部材内への流体の充填によって成されるものであり、その伸縮も材料特性に依存し、その応答性は良いものではない。さらに、この圧縮部材は、セパレータ内のガス流れ場を制御するものであり、ガス拡散層において触媒層へ向かうガスの透気性を直接的に制御するものではない。
【０００８】
この結果、燃料電池の発電モード（例えば、高負荷運転や低負荷運転、低温起動などに合わせた発電モード）が瞬時に変化する場合において、必要なガス供給量や生成される生成水の量も瞬時に変化し、このような圧縮部材を用いたとしても、ガス拡散層の透気性を応答性よく制御することができず、所望の発電効率を得ることができない場合もある。
【０００９】
本発明は、上記する問題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、発電モードが変化する場合であっても、この発電モードに応じて応答性良く、ガス拡散層のガス透気性を変化させることができる燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記課題を解決すべく、本発明に係る燃料電池は、電解質膜の両面に触媒層を積層した膜電極接合体と、該膜電極接合体の両側に積層されたガス拡散層と、ガス流路が形成された一対のセパレータとを備え、該一対のセパレータで、前記ガス拡散層の表面に前記ガス流路のガスが流れるように前記膜電極接合体を挟持した燃料電池であって、該燃料電池は、前記ガスを通過させるべく、前記ガス拡散層に、層厚さ方向に沿って貫通した複数の細孔を形成し、該細孔に該細孔を通過するガスの流量を調整する流量調整手段を備えることを特徴とする。
【００１１】
本発明によれば、ガス拡散層の厚さ方向に沿って貫通した複数の細孔を通過するガス流路を直接的に調整することにより、ガス拡散層の透気性を変化させることができる。この結果、高負荷運転から低負荷運転への変更、低温起動時などに応じた発電モードに合わせて、必要なガス量のガスをガス拡散層を介して、触媒層に供給することができるばかりでなく、生成水の量の変化に合わせて、細孔のガス流路断面を変化させることができるので、フラッディングやドライアップを迅速に回避することができる。
【００１２】
また、本発明に係る燃料電池は、前記ガス拡散層が、少なくとも２つのガス拡散層を積層した層であり、前記流量調整手段は、いずれか一方のガス拡散層を、他方のガス拡散層に対して相対的にスライドさせるスライド機構を有する。
【００１３】
本発明によれば、一方のガス拡散層を、他方のガス拡散層に対して相対的にスライドさせるスライド機構を有することにより、それぞれのガス拡散層に形成された細孔のガス流路断面積を迅速且つ容易に変化させ、ガス拡散層の透気性を調整することができる。
【００１４】
また、別の態様として、本発明に係る燃料電池は、前記細孔を通過するガスの流量を調整する弁体を備えることがより好ましい。本発明によれば、細孔に配置された弁体の弁開度を調整することにより、ガス流路断面積を迅速に変化させ、ガス拡散層の透気性を調整することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、発電モードが変化する場合であっても、この発電モードに応じて、応答性良くガス拡散層のガス透気性を変化させることができ、この結果として燃料電池の発電効率を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下に、図面を参照して、本発明に係る燃料電池をいくつかの実施形態に基づいて説明する。
【００１７】
図１は、本発明の第一実施形態に係る固体高分子型燃料電池（単セル）の一例を説明する模式図であり、（ａ）は、第一実施形態に係る燃料電池の模式断面図であり、（ｂ）は、（ａ）に示すガス拡散層を説明するための図であり、（ｃ）は、ガス拡散層に形成された細孔を説明するための図である。また、図２は、燃料電池のガス拡散層に通過するガス流量を調整する流量調整機構（ガス調整手段）の模式図を示しており、（ａ）は、モータによりガス拡散層をスライドさせるスライド機構を説明するための図であり、（ｂ）は、シリンダによりガス拡散層をスライドさせるスライド機構を説明するための図である。
【００１８】
図１（ａ）に示すように、第一実施形態に係る燃料電池１Ａは、膜電極接合体１０と、膜電極接合体１０に積層されたガス拡散層２０Ａ，２０Ａと、ガス流路３１が形成された一対セパレータ３０，３０を備えている。一対のセパレータ３０，３０は、ガス拡散層２０Ａの表面にガス流路３１のガスが流れるように、膜電極接合体１０を挟持している。
【００１９】
膜電極接合体１０は、電解質膜１１と、電解質膜１１の両面に積層された触媒層１２，１２と有している。電解質膜１１は、高分子電解質を含んでおり、高分子電解質は、イオン交換機能を有するものであり、例えば、フルオロアルキルエーテル側鎖とパーフルオロアルキル主鎖を有するフルオロアルキル共重合体のパーフルオロ系プロトン交換樹脂が好ましく用いられる。
【００２０】
触媒層１２は、高分子電解質と、例えば白金担持カーボンなどの触媒担持導電体と、を含む層である。ここでは、触媒担持導電体として白金担持カーボンを例に挙げたが、触媒は、触媒反応が生じるものであるならば、特に限定されるものではなく、触媒反応における活性化過電圧が小さいことから、貴金属触媒が好ましく用いられる。さらに、導電体は、電気的に導電可能な物質であれば特に限定されるものではない。
【００２１】
さらに、ガス拡散層２０Ａは、膜電極接合体１０（触媒層１２）の表面に積層された第一のガス拡散層２１と、第一のガス拡散層２１の表面に積層された第二のガス拡散層２２と、を備えている。
【００２２】
第一のガス拡散層２１と第二のガス拡散層２２は、カーボンペーパーや金属板などの導電性材料からなり、図１（ｂ）に示すように、各ガス拡散層２１，２２は、同一形状であり、層厚さ方向に沿って貫通した複数の細孔２１ａ，２２ａを、同じ位置に形成している。この細孔２１ａ，２２ａは、例えばレーザ加工、機械加工により形成することができる。
【００２３】
また、第一及び第二のガス拡散層２１，２２には、疎水性樹脂をさらに含んでいてもよく、疎水性樹脂としては、ＰＴＦＥ樹脂、フッ素樹脂等の疎水性を有する樹脂が挙げられ、ガス拡散層に撥水性をもたせ、触媒層やガス拡散層内での水分の滞留によるフラッティングを防止することができるものであれば、特に限定されるものではない。
【００２４】
本実施形態に係る燃料電池１Ａは、さらに、細孔２１ａ，２２ａを通過するガスの流量を調整する流量調整機構（スライド機構）５０を備えている。本実施形態では、流量調整機構５０は、第二のガス拡散層２２を、第一のガス拡散層２１に対して相対的にスライドさせるスライド機構である。
【００２５】
具体的には、図２（ａ）に示すように、流量調整機構５０は、モータ５１と、モータ５１の出力軸に連結されたピニオンギア５２と、ピニオンギア５２と噛合したラック５４ｂと、各第二のガス拡散層２２の端部に連結されたボールネジ５５と、ボールネジ５５の先端に取り付けられたピニオンギア５４ａとを備えており、各ピニオンギア５４ａは、ラック５４ｂと噛合している。
【００２６】
このような構成とすることにより、モータ５１の駆動によって、ピニオンギア５２が回転し、このピニオンギア５２の回転運動により、ラック５４ｂを直線運動させる。そして、ラック５４ｂの直線運動により、ラック５４ｂに噛合した各ピニオンギア５４ａが回転運動し、この回転運動がボールネジ５５を回転させ、第二のガス拡散層２２が、第一のガス拡散層２１に対して相対的にスライドすることになる。
【００２７】
この結果として、図１（ｃ）に示すように、重なりあった細孔２１ａ、２２ａ同士がずれ、ガス拡散層２０Ａの細孔のガス流路断面積を変化させることができる。このようなガス流路断面積の変化に伴い、ガス拡散層２０Ａを通過するガス（水素ガス又は酸素ガス（空気））の流量を調整することができる。
【００２８】
また、別の態様の流量調整機構として、図２（ｂ）に示すような、流量調整機構（スライド機構）７０を設けてもよい。具体的には、この流量調整機構７０は、シリンダ７１とピストン７２と、該ピストンの先端に連結された連結バー７４を備えており、連結バー７４は、各第二のガス拡散層２２の端部に連結されている。
【００２９】
このような構成とすることにより、ピストン７２の直線運動に合わせて、同じ方向に連結バー７４も直線運動し、第二のガス拡散層２２が、第一のガス拡散層２１に対して相対的にスライドすることになる。この結果として、図１（ｃ）に示すように、ガス拡散層２０Ａを通過するガス（水素ガス又は酸素ガス（空気））の流量を調整することができる。
【００３０】
このようにして、高負荷運転から低負荷運転への変更、低温起動時などに応じた発電モードに合わせて、必要なガス量のガスを、ガス拡散層２０Ａを介して触媒層１２に供給することができるばかりでなく、生成水の量の変化に合わせて、細孔２１ａ、２２ａのガス流路断面を変化させることができるので、フラッディングやドライアップを迅速に回避することができる。
【００３１】
図３は、本発明の第二実施形態に係る固体高分子型燃料電池（単セル）の一例を説明する模式図であり、（ａ）は、第二実施形態に係る燃料電池の模式断面図であり、（ｂ）は、ガス拡散層の正面図であり、（ｃ）は、弁体の回転位置とガス拡散層の透気度の関係を説明するための図である。また、図４は、燃料電池のガス拡散層に通過するガス流量を調整する流量調整機構の模式図を示している。
【００３２】
第二実施形態が、第一実施形態と相違する点は、ガス拡散層と流量調整機構であるので、それ以外の第一実施形態の燃料電池の各部材と共通する構成は、同じ符号を付して、詳細の説明は省略する。
【００３３】
図３（ａ）に示すように、第二実施形態に係るガス拡散層２０Ｂは、層厚さ方向に複数の細孔２０ａを形成しており、本実施形態に係る燃料電池１Ｂは、さらに、細孔２０ａを通過するガスの流量を調整する流量調整機構６０を備えている。流量調整機構６０は、各細孔２０ａに配置された弁体２５を備えている。弁体２５は、楕円状の断面を有しており、回転することにより（回転位置により）、細孔を通過するガス（水素ガス又は酸素ガス）の流量を調整することを可能としている。
【００３４】
さらに、図４に示すように、流量調整機構６０は、モータ６１と、モータ６１の出力軸に連結されたピニオンギア６２と、ピニオンギア６２と噛合したラック６４ｂと、各弁体２５に固着された回転シャフト２６と、各回転シャフト２６の先端に取り付けられたピニオンギア６４ａとを備えており、各ピニオンギア６４ａは、ラック６４ｂと噛合している。
【００３５】
このような構成とすることにより、モータ６１の駆動により、ピニオンギア６２が回転し、このピニオンギア６２の回転運動により、ラック６４ｂを直線運動させる。そして、ラック６４ｂの直線運動により、ラック６４ｂに噛合した各ピニオンギア６４ａが回転運動し、この回転運動が回転シャフト２６を回転させ、弁体２５を回転させる。
【００３６】
このようにして、図３（ｃ）に示すように弁体２５の回転により、弁開度が変化し、ガス拡散層２０Ａの細孔のガス流路断面積を変化させることができる。このようなガス流路断面積の変化に伴い、ガス拡散層２０Ａを通過するガス（水素ガス又は酸素ガス（空気））の流量（透気性）を調整することができる。
【００３７】
以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更があっても、それらは本発明に含まれるものである。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の第一実施形態に係る固体高分子型燃料電池（単セル）の一例を説明する模式図であり、（ａ）は、第一実施形態に係る燃料電池の模式断面図であり、（ｂ）は、（ａ）に示すガス拡散層を説明するための図であり、（ｃ）は、ガス拡散層に形成された細孔を説明するための図。
【図２】図１に示す燃料電池のガス拡散層に通過するガス流量を調整する流量調整機構（ガス調整手段）の模式図を示しており、（ａ）は、モータによりガス拡散層をスライドさせる機構を説明するための図であり、（ｂ）は、シリンダによりガス拡散層をスライドさせる機構を説明するための図。
【図３】本発明の第二実施形態に係る固体高分子型燃料電池（単セル）の一例を説明する模式図であり、（ａ）は、第二実施形態に係る燃料電池の模式断面図であり、（ｂ）は、ガス拡散層の正面図。
【図４】図３に示す燃料電池のガス拡散層に通過するガス流量を調整する流量調整機構（ガス調整手段）の模式図。
【図５】固体高分子型燃料電池（単セル）の一例を説明する模式図。
【符号の説明】
【００３９】
１Ａ，１Ｂ：燃料電池、１０：膜電極接合体、１１：電解質膜、１２：触媒層、２０Ａ、２０Ｂ：拡散層、２０ａ：細孔、２１：拡散層、２１ａ：細孔、２２：拡散層、２５：弁体、２６：回転シャフト、３０：セパレータ、３１：ガス流路、５０：流量調整機構、５１：モータ、５２：ピニオンギア、５４ａ：ピニオンギア、５４ｂ：ラック、５５：ボールネジ、６０：流量調整機構、６１：モータ、６２：ピニオンギア、６４ａ：ピニオンギア、６４ｂ：ラック、７０：流量調整機構、７１：シリンダ、７２：ピストン、７４：連結バー
【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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