(57)【要約】【課題】ガス通路設計における自由度が大きく、拡散層と触媒層との接触抵抗が小さく、高出力化や小型化が可能な燃料電池用の拡散層及び燃料電池を提供する。【解決手段】拡散層１２ｂ、１３ｂには、曲げに対する剛性を高めるための補強材１４、１５が設けられている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス透過性を有し、曲げに対する剛性を高めるための補強材が備えられていることを特徴とする燃料電池用の拡散層。
【請求項２】
前記補強材は金属又はカーボンからなることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の拡散層。
【請求項３】
請求項１〜２のいずれかに記載の拡散層を備える燃料電池。
【請求項４】
カソード側のセパレータはガス透過が可能な導電体からなることを特徴とする請求項５記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用の拡散層及びそれを用いた燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、固体高分子膜を用いた固体高分子型燃料電池が知られている（例えば特許文献１）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−１５２５１７号公報
【０００４】
固体高分子型燃料電池では、図６に示すように、高分子電解質膜９１が触媒層９２ａ、９２ｂで挟まれ、触媒層９２ａ、９２ｂがガス透過性を有する拡散層９３ａ、９３ｂで挟まれている。そして、さらに拡散層９３ａ、９３ｂが集電用の電極となるセパレータ９５ａ、９５ｂに挟まれた構造とされている。セパレータ９５ａ、９５ｂには連続するコ字形状の凹凸が形成されており、この凹凸によって拡散層９３ａ、９３ｂとセパレータ９５ａ、９５ｂとの間に無数のガス通路９４ａ、９４ｂが形成されている。
【０００５】
この固体高分子型燃料電池では、アノード側のガス通路９４ａに供給された水素ガスがガス透過性を有する拡散層９３ａを通り、触媒層９２ａに供給される。そして、触媒層９２ａに到達した水素は電気化学反応によって酸化され、プロトンと電子に分かれる。こうしてアノード側の触媒層９２ａで生成した電子は、拡散層９３ａ及びセパレータ９４ａを通り、外部回路に流れる。
【０００６】
一方、カソード側のガス通路９４ｂに供給された空気は、ガス透過性を有する拡散層９３ｂを通って触媒層９２ｂに供給される。そして、アノード側で発生した電子は外部回路、セパレータ９４ｂ及びカソード拡散層９３ｂを経てカソード触媒層９２ｂに供給され、触媒層９２ｂに到達した酸素を還元する。
【０００７】
このように、固体高分子型燃料電池における拡散層９３ａ、９３ｂは、集電用の電極としての機能を有している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
固体高分子型燃料電池の高出力化を図るためには、拡散層と触媒層との接触抵抗及び拡散層自体の抵抗をできるだけ小さくし、電池の内部抵抗を下げることが望ましい。このためには、拡散層を触媒層に対してできる限り均等な圧力で押し付け、拡散層と触媒層との接触が不良となる部分がないようにし、且つ拡散層内部の繊維を互いに密着させる必要がある。そのための方法として、セパレータと拡散層との接触面積を広くすることが考えられる。しかし、この方法では、ガス通路に関する設計上の制限が大きくなる。また、セパレータと拡散層とが接触する部分がガス供給に寄与しないデッドスペースとなるため、セパレータと拡散層との間に設けられるガス通路が狭くなり、燃料電池の高出力化や小型化が困難となる。
【０００９】
本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであり、ガス通路設計における自由度が大きく、拡散層と触媒層との接触抵抗が小さく、高出力化や小型化が可能な燃料電池用の拡散層及び燃料電池を提供することを解決すべき課題としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の燃料電池用の拡散層は、ガス透過性を有する基材を備え、該基材には曲げに対する剛性を高めるための補強材が設けられていることを特徴とする。
【００１１】
本発明の燃料電池用の拡散層では、ガス透過性を有する基材に剛性を高めるための補強材が設けられているため、拡散層を触媒層に押し付けた場合、拡散層の剛性により、触媒層に対して均等に圧力をかけることができる。このため、セパレータを拡散層側に押し付けて拡散層を触媒層接触させた場合、たとえ、セパレータと拡散層との接触面積が小さくても、拡散層の全面積が触媒層に均等に圧力をかけることとなり、拡散層と触媒層との接触抵抗及び拡散層自体の抵抗を小さくすることができる。このため、セパレータと拡散層との間のガス通路に広い面積を割り当てることが可能となり、ガス通路設計における自由度が大きいとともに、燃料電池の高出力化や小型化を図ることができる。
【００１２】
補強材はガス透過性を確保しつつ曲げに対する剛性を高めるものであれば、その形状は任意に選択可能である。後述の実施例では格子状の補強材を採用しているが、所定の曲げ剛性を有する繊維からなる網を用いることもできる。更には、拡散層中に曲げ弾性の高い繊維を（網を形成することなく）存在させておくことができる。かかる繊維は交差する２方向へ配置することが好ましいが、単一の方向のみへ当該繊維を配置させるのみでもよい。
補強材は拡散層の全面に設けられるものであるが、その設置位置は特にセパレータ側が好ましく、拡散層の表面に添設してもよい。また、複数の補強材を拡散層内部及び表面に存在させることも可能である。
補強材の形成材料は、燃料電池の内部において化学的に安定な材料であれば特に限定されず、耐腐食性の金属やカーボンなどを選択することができる。また、補強材は導電性を備えることがこのましい。
【００１３】
上述したよう、本発明の拡散層を燃料電池に使用すれば、拡散層と触媒層との接触抵抗が小さく、高出力化や小型化が可能な燃料電池となる。
【００１４】
本発明の燃料電池では、カソード側のセパレータはガス透過が可能な導電体とすることもできる。こうであれば、セパレータと拡散層とが接触する部分でもガス供給が可能となり、燃料電池のさらなる高出力化、小型化を図ることができる。また、セパレータによって形成されたガス通路間のガスの移動が可能となるため、圧力損失が小さいとともに、ガスの供給を均等に行うこともできる。さらには、セパレータをガス透過が可能な導電体としたことによってセパレータの機械的強度が低くなっても、拡散層には補強材が設けられているため、セパレータと拡散層との接触面積を大きくしなくても、拡散層と触媒層との接触抵抗及び拡散層自体の抵抗を小さくすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明を具体化した実施例１及び実施例２を図面を参照しつつ説明する。
【００１６】
（実施例１）
実施例１の燃料電池は、図１に示す複数のセル１が用いられている。各セル１は膜電極接合体（ＭＥＡ）１０とアノード側セパレータ２０とカソード側セパレータ２１とを備えている。
【００１７】
ＭＥＡ１０は、ナフィオン（登録商標、Nafion（Dupon社製））からなる電解質膜１１と、この電解質膜１１の一面に一体に接合されたアノード極１２と、電解質膜１１の他面に一体に接合されたカソード極１３とを有している。
【００１８】
アノード極１２は、電解質膜１１側に設けられるアノード触媒層１２ａと、アノード触媒層１２ａの非電解質膜側に接合され、アノード触媒層１２ａに水素を拡散するアノード拡散層１２ｂとからなる。アノード拡散層１２ｂは、カーボン繊維編地を主体とするカーボン基材１４ａと、カーボン基材１４ａの両面に貼り付けられた接着層１４ｃと、外側の接着層１４ｃに貼り付けられたステンレス製格子状の補強材１４ｂとからなる。
【００１９】
また、カソード極１３は、電解質膜１１側に設けられるカソード触媒層１３ａと、カソード触媒層１３ａの非電解質膜側に接合され、カソード触媒層１３ａに空気を拡散するカソード拡散層１３ｂとからなる。カソード拡散層１３ｂは、アノード拡散層１２ｂと同様、カーボン繊維編地からなるカーボン基材１５ａと、カーボン基材１５ａの両面に貼り付けられた接着層１５ｃと、外側の接着層１５ｃに貼り付けられたステンレス製格子状の補強材１５ｂとからなる。
【００２０】
また、アノード側セパレータ２０は断面がコ字形状とされており、アノード拡散層１２ｂ側に突出する凸部２０ｂを有している。凸部２０ｂは図示しない押圧治具によりアノード拡散層１２ｂ側に押し当てられ、これによりアノード側セパレータ２０はアノード拡散層１２ｂと一体に接合され、水素を供給するための水素室２０ａが形成されている。なお、このアノード側セパレータにおいてアノード拡散層１２ｂに押圧される凸部２０ｂの面積を水素室２０ａの開口面積より大きくすることもできる。
さらに、カソード側セパレータ２１もアノード側セパレータ２０と同様の断面形状とされており、カソード拡散層１３ｂ側に突出する凸部２１ｂを有している。凸部２１ｂは図示しない押圧治具によりカソード拡散層１３ｂ側に押し当てられ、これによりカソード側セパレータ２１はカソード拡散層１３ｂと一体に接合され、空気を供給するための空気室２１ａが形成されている。
【００２１】
上記のセル１が複数積層されることにより、燃料電池用のスタックが構成される。スタックには、各セル１の水素室２０ａに図示しないバルブを介して連通する水素ボンベと、各セル室１の空気室２1aに連通するブロアとが接続されている。
【００２２】
この燃料電池は、ＭＥＡ１０の拡散層１２ｂ及び拡散層１３ｂに特徴を有している。これらの拡散層１２ｂ及び拡散層１３ｂは、以下の製造方法によって製造することができる。
【００２３】
まず、ステンレス製の薄板をプレスによって格子形状に打ち抜き、さらに耐食性及び導電性を保つため、貴金属や無機化合物や導電性高分子などによってコーティングを施して図２に示す補強材１４ｂとする。また、カーボン繊維編地を補強材１４ｂと同じ大きさにサイズカットし、カーボンブラック粉及びＰＴＦＥ粉の混合物を塗布し、片面に補強材１４ｂを押し当ててホットプレス法によって一体化することにより、図３及び図４に示す拡散層１２ｂを得る。拡散層１３ｂも同様の方法で得ることができる。なお、補強材１４ａとしては、表面に耐食性及び導電性を付与するための表面処理を施した金属製網や、カーボン基材１５ａを構成するカーボン繊維編地の繊維径よりも径の大きなカーボン繊維によって作製された網でもよい。金属製の補強材とする場合の金属材料としては、ステンレス鋼、チタン、チタン合金、ニッケル合金、銅合金等が用いられる。
【００２４】
上記実施例１の燃料電池では、図１に示すアノード側セパレータ２０の凸部２０ｂがアノード拡散層１２ｂを押圧し、さらにアノード拡散層１２ｂがアノード触媒層１２ａを押圧して電気的に接触する。ここで、アノード拡散層１２ｂのアノード側セパレータ２０側には補強材１４ｂが挿入されているため、その剛性によりアノード拡散層１２ｂの全面積がほぼ均等にアノード触媒層１２ａを押圧し、アノード拡散層１２ｂと、アノード触媒層１２ａとの接触抵抗及びアノード拡散層１２ｂ内部の電気的接触が充分となる。このため、凸部２０ｂとアノード拡散層１２ｂとの接触面積を小さくし、水素室２０ａに広い面積を割り当てることができる。
【００２５】
同様の理由から、カソード極１３側においても、カソード拡散層１３ｂが均等にカソード触媒層１３ａを均等に押圧し、アノード拡散層１３ｂとアノード触媒層１３ａとの接触抵抗が小さくなる。このため、凸部２１ｂとカソード拡散層１３ｂとの接触面積を小さくして、空気室２１ａに広い面積を割り当てることができる。
【００２６】
したがって、実施例１の燃料電池は、ガス通路設計における自由度が大きいとともに、拡散層と触媒層との接触抵抗が小さく、燃料電池の高出力化や小型化を図ることができる。
【００２７】
（実施例２）
実施例２の燃料電池は、図５に示す複数のセル３０が用いられている。各セル３０はＭＥＡ４０とアノード側セパレータ５０とカソード側セパレータ５１とを備えている。ＭＥＡ４０及びアノード側セパレータ５０の構成は、図１に示す実施形態１のＭＥＡ１０及びアノード側セパレータ２０と同様であり、各部の構成については同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
【００２８】
カソード側セパレータ５１はステンレス製金網からなり、その形状はアノード側セパレータ５０と同様であり、一面側にカソード拡散層１３ｂ側に突出する凸部５１ｂを有している。カソード側セパレータ５１の他面側にはステンレス製の隔壁５２が接合されている。カソード側セパレータ５１はカソード拡散層１３ｂと一体に接合され、空気を供給するための空気室５１ａが形成されている。
【００２９】
以上のように構成された燃料電池では、カソード側セパレータ５１が空気の通過可能な金網からなるため、隣り合う空気室５１ａ間で空気の移動が可能となり、カソード拡散層１３ｂへの空気の拡散が均等となる。また、凸部５１ｂからカソード拡散層１３ｂへの空気の拡散も可能となるため、空気供給のためのデッドスペースがなくなり、燃料電池のさらなる高出力化、小型化を図ることができる。また、カソード拡散層１３ｂには補強材１５ｂが挿入されているため、カソード側セパレータ５１と拡散層１３ｂとの接触面積をそれほど大きくしなくても、カソード拡散層１３ｂと触媒層１３ａとの接触抵抗及びカソード拡散層１３ｂ自体の抵抗を小さくすることができる。
なお、カソード側セパレータ５１の凸部５１ｂの面積割合を大きくした場合には、補強材１５ｂがなくても、カソード拡散層と触媒層との接触抵抗及びカソード拡散層自体の抵抗を小さくすることができる。
【００３０】
一方、アノード側セパレータ５０及びアノード極１２は実施例１と同様の構造とされているため、これにより同様の作用効果を奏することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明は固体高分子型燃料電池に利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】実施例１にかかるセルの模式断面図である。
【図２】補強材の平面図である。
【図３】拡散層の平面図である。
【図４】拡散層の断面図である。
【図５】実施例２にかかるセルの模式断面図である。
【図６】従来の燃料電池にかかるセルの模式断面図である。
【符号の説明】
【００３３】
１４ａ、１５ａ…基材（１４ａ…カーボン基材、１５ａ…カーボン基材）
１４ｂ、１５ｂ…補強材
１２ｂ、１３ｂ…拡散層（１２ｂ…カソード拡散層、１３ｂ…アノード拡散層）
２０、２１、５１…セパレータ
【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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