(57)【要約】【課題】  耐フラッディング性を向上させて、良好な発電を行うことができる燃料電池を提供する。【解決手段】  ＭＥＡ１５と、ＭＥＡ１５を間に挟む２枚のセパレータ１６，１７とを有するセル２を備える。セル２には、ＭＥＡ１５に沿ってセパレータ１７の表面に形成されたガス流路溝１７ｄとＭＥＡ１５とによって酸化ガス流路Ｏｐが画成されている。ガス流路溝１７ｄの内面における水に対する接触角をθ１、ガス拡散層１５ｃのうち酸化ガス流路Ｏｐを流れる酸化ガスと接触するガス接触表面における水に対する接触角をθ２としたときに、θ２−θ１≧１０度の関係を満たす。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオン交換膜の両面に、触媒層と、ガス拡散層と、該ガス拡散層と接する面にガス流路を有するセパレータと、がこの順に積層されてなる燃料電池であって、
前記セパレータのガス流路表面における水に対する接触角をθ１、前記ガス拡散層のうち前記ガス流路を流れるガスと接触するガス接触表面における水に対する接触角をθ２としたときに、
θ２−θ１≧１０度、
の関係を満たす燃料電池。
【請求項２】
前記θ２は、少なくとも９０度である、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記θ２は、少なくとも１４０度である、請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
イオン交換膜の両面に、触媒層と、ガス拡散層と、該ガス拡散層と接する面にガス流路を有するセパレータと、がこの順に積層されてなる燃料電池であって、
前記セパレータのガス流路表面は親水性とされると共に、前記ガス拡散層のうち前記ガス流路を流れるガスと接触するガス接触表面は撥水性とされた燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イオン交換膜の両面に、触媒層と、拡散層と、該拡散層側の面にガス流路を有するセパレータと、がこの順に積層されてなる燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のいわゆる固体高分子型の燃料電池は、イオン交換膜からなる電解質膜を一対の電極で挟んだＭＥＡ（Membrane-Electrode Assembly）と、ＭＥＡを挟む一対のセパレータとを備えている。各セパレータには、ＭＥＡに接する面に沿って溝が形成されており、この溝とＭＥＡとでガス流路が画成される（例えば、下記の特許文献１参照）。
【０００３】
上記燃料電池に供給された酸化ガスは、一方のセパレータとＭＥＡとの間に画成されたガス流路に流入して一方の電極に接し、当該燃料電池に供給された燃料ガスは、他方のセパレータとＭＥＡとの間に画成されたガス流路に流入して他方の電極に接する。これら酸化ガスおよび燃料ガスは、電解質膜において電気化学反応を起こし、起電力と熱と水を発生させる。
【特許文献１】特開２０００−３１１６９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の燃料電池においては、ガス流路の排水性が十分でないと、電気化学反応によって生じた水（以下、生成水）が、電極の一部を構成するガス拡散層に沿って広がってしまい、燃料ガスがＭＥＡを透過するのを阻害することがある。これをフラッディングといい、この現象が起きると、電気化学反応が十分に行えず、発電効率が低下する可能性がある。
【０００５】
本発明の目的は、耐フラッディング性を向上させて、良好な発電を行うことができる燃料電池を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の課題を解決するために、次のような構成の燃料電池を採用する。すなわち、本発明の燃料電池は、触媒層と、ガス拡散層と、該ガス拡散層と接する面にガス流路を有するセパレータと、がこの順に積層されてなる燃料電池であって、前記セパレータのガス流路表面における水に対する接触角をθ１、前記ガス拡散層のうち前記ガス流路を流れるガスと接触するガス接触表面における水に対する接触角をθ２としたときに、θ２−θ１≧１０度、の関係を満たす+。
【０００７】
この構成において、前記θ２は９０度以上であることが好ましく、より好ましくは１４０度以上である。
【０００８】
本発明の他の燃料電池は、イオン交換膜の両面に、触媒層と、ガス拡散層と、該ガス拡散層と接する面にガス流路を有するセパレータと、がこの順に積層されてなる燃料電池であって、前記セパレータのガス流路表面は親水性とされると共に、前記ガス拡散層のうち前記ガス流路を流れるガスと接触するガス接触表面は撥水性とされている。
【０００９】
以上の構成によれば、セパレータ側のガス流路表面では水が馴染み易いので、生成水はセパレータのガス流路表面に沿って液膜状に広がり、液滴状の水によって流路断面が狭められてしまうことが抑制される。一方、ガス拡散層側のガス接触表面では水が馴染み難いので、生成水はガス拡散層のガス接触表面に沿って広がらずに液滴状となる。
【００１０】
これらによって、ガス流路を流れるガスは生成水に阻害されることなく、下流側に流通可能であると共にその過程でガス拡散層を透過することが可能となる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、ガス流路を流れるガスが生成水に阻害されることなく、下流側に流通可能であると共にその過程でガス拡散層を透過することが可能となるので、耐フラッディング性が向上し、良好な発電を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の燃料電池の実施形態を、図１および図２に示して説明する。本実施形態の燃料電池１は、図１に示すように、基本単位であるセル２が複数積層されたスタック本体３を備えている。セル２の積層方向に沿うスタック本体３の一端には、ターミナルプレート７が配置され、その外側に絶縁プレート８が配置されている。さらにその外側には、エンドプレート９ａが配置されている。
【００１３】
また、スタック本体３の他端には、ターミナルプレート７が配置され、その外側に絶縁プレート８が配置され、さらにその外側にはプレッシャプレート１３が配置されている。各ターミナルプレート７には、出力端子６が設けられている。
【００１４】
プレッシャプレート１３の外側には、エンドプレート９ｂがプレッシャプレート１３から離間して配置されており、プレッシャプレート１３とエンドプレート９ｂとの間には、バネ部材１４が介装されている。スタック本体３の両側に配置された２枚のエンドプレート９ａ，９ｂの間には、セル２の積層方向に沿って複数のテンションプレート１１が架設されている。各テンションプレート１１は、両方の端部を各エンドプレート９ａ，９ｂにボルト１２によってそれぞれ固定されている。
【００１５】
２枚のエンドプレート９ａ，９ｂが複数のテンションプレート１１を介して連結される際、バネ部材１４には圧縮力が導入されており、バネ部材１４はスタック本体３に対してセル２の積層方向に付勢力を作用させている。バネ部材１４の付勢力に対する反力はテンションプレート１１が負担しており、これによってテンションプレート１１には張力が作用している。
【００１６】
セル２は、図２に示すように、イオン交換膜からなる電解質膜１５ａを一対の電極１５ｂで挟んだＭＥＡ（膜・電極接合体）１５と、ＭＥＡ１５を挟む一対のセパレータ１６，１７とを備えている。なお、各セパレータ１６，１７には、各電極１５ｂに酸化ガス（例えば、空気）を給排するための酸化ガスマニホールド１６ａ，１７ａと、水素ガスを給排するための水素ガスマニホールド１６ｂ，１７ｂと、冷媒（例えば、水）を流通させるための冷媒マニホールド１６ｃ，１７ｃと、が形成されている（図１参照）。
【００１７】
セパレータ１６には、ＭＥＡ１５の一面と接する面に、水素ガスの流路を画成する複数のガス流路溝１６ｄが形成され、反対の面には、冷媒の流路を画成する複数の冷媒流路溝（図示略）が形成されている。各ガス流路溝１６ｄは、セパレータ１６に形成された入口側の水素ガスマニホールド１６ｂおよび出口側の水素ガスマニホールド１７ｂに連通している。
【００１８】
一方、セパレータ１７には、ＭＥＡ１５の他方の面と接する面に、酸化ガスの流路を画成する複数のガス流路溝１７ｄが形成され、反対の面には、冷媒の流路を画成する複数の冷媒流路溝（図示略）が形成されている。各ガス流路溝１７ｄは、セパレータ１７に形成された入口側の酸化ガスマニホールド１６ａおよび出口側の酸化ガスマニホールド１７ａに連通している。
【００１９】
酸化ガスマニホールド１６ａを通じて各セル２に供給された酸化ガスは、一方のセパレータ１７とＭＥＡ１５との間に画成された酸化ガス流路Ｏｐに流入して一方の電極１５ｂに接し、水素ガスマニホールド１６ｂを通じて各セル２に供給された水素ガスは、他方のセパレータ１６とＭＥＡ１５との間に画成された水素ガス流路（ガス流路）Ｈｐに流入して他方の電極１５ｂに接する。
【００２０】
双方の電極１５ｂにそれぞれ接した酸化ガスおよび水素ガスは、電解質膜１５ａにおいて電気化学反応を起こし、起電力を発生させる。各セル２において発生した起電力は、ターミナルプレート７に設けられた出力端子６から取り出すことができる。酸化ガスと水素ガスとが反応することによって生じた生成水は、酸化ガスマニホールド１７ａを通じて酸化ガスのオフガスとともに燃料電池１外に排出される。
【００２１】
図２に示すように、電極１５ｂは、多孔質体であるカーボンによって形成されたガス拡散層１５ｃと、電解質膜１５ａとガス拡散層１５ｃとの間に介装された触媒層１５ｄとを備えている。セル２内には、一方のセパレータ１６のガス流路溝１６ｄとＭＥＡ１５とで画成された水素ガス流路Ｈｐと、他方のセパレータ１７のガス流路溝１７ｄとＭＥＡ１５とで画成された酸化ガス流路（ガス流路）Ｏｐとが形成されている。
【００２２】
つまり、セル２は、電解質膜１５ａの一面に、触媒層１５ｄと、ガス拡散層１５ｃと、該ガス拡散層１５ｃと接する面に水素ガス流路Ｈｐを有するセパレータ１６とがこの順に積層されていると共に、電解質膜１５ａの他面に、触媒層１５ｄと、ガス拡散層１５ｃと、該ガス拡散層１５ｃと接する面に酸化ガス流路Ｏｐを有するセパレータ１７とがこの順に積層されてなる。
【００２３】
セパレータ１６に形成されたガス流路溝１６ｄの内面（ガス流路表面）は親水性を有し、セパレータ１７に形成されたガス流路溝１７ｄの内面（ガス流路表面）も親水性を有している。一方、各ガス流路溝１６ｄ，１７ｄに相対するガス拡散層１５ｃの表面、つまり、ガス流路溝１６ｄを流れる水素ガスと接触するガス接触表面およびガス流路溝１７ｄを流れる酸化ガスと接触するガス接触表面は、いずれも撥水性を有している。
【００２４】
カーボンまたはメタル製のセパレータ１６，１７の表面に親水性を付与するには、グラフト処理、ショットブラスト処理、プラズマ処理、イオン注入法、光触媒などの表面処理を施すことが好ましい。また、カーボン製であるガス拡散層１５ｃの表面に撥水性を付与するには、ガス拡散層１５ｃにテトラフルオロエチレン重合体乳液を含浸し、約３５０℃に加熱するのが好ましい。
【００２５】
さらに、本実施形態の燃料電池１においては、セパレータ１６のガス流路溝１６ｄ、およびセパレータ１７のガス流路溝１７ｄの内面の親水性を高めるとともに、ガス拡散層１５ｃのガス接触表面の撥水性を高め、その結果として、ガス流路溝１６ｄ，１７ｄに対する水の接触角θ１と、ガス拡散層１５ｃのガス接触表面に対する水の接触角θ２との関係が、下記式１を満たすものである。
【００２６】
接触角θ２−接触角θ１≧１０度   …式１
【００２７】
この接触角θ２は、９０度以上であることが好ましく、より好ましくは１４０度以上である。なお、接触角は、公知の測定方法を用いて、ガス流路溝１６ｄ（またはガス流路溝１７ｄ）の内面、及びガス拡散層１５ｃのガス流路溝１６（またはガス流路溝１７ｄ）側表面に水を垂らし、接触角測定器（協和界面科学（株）製、ＤＭ７００（商品名））を用して測定する。
【００２８】
上記のように構成された燃料電池１においては、酸化ガス流路Ｏｐを画成するガス流路溝１７ｄの内面は水が馴染み易い一方で、同じく酸化ガス流路Ｏｐを画成するガス拡散層１５ｃは水が馴染み難いので、燃料電池１内の生成水は、ガス拡散層１５ｃに沿っては広がらず、ガス流路溝１７ｄの内面に沿って広がる。
【００２９】
つまり、ガス拡散層１５ｃのガス接触表面が液膜状の生成水で覆われてしまったり、ガス流路溝１７ｄの流路断面が液滴状の生成水によって狭められてしまうことが抑制されるので、水素ガスは生成水に阻害されることなく水素ガス流路Ｈｐを下流側へと流通する過程でガス拡散層１５ｃを透過する。よって、耐フラッディング性が向上し、燃料電池１の発電効率が増す。
【００３０】
なお、電気化学反応により水が生成されるのは、主にセル２のカソード側、すなわちセパレータ１７側なので、セパレータ１７のガス流路溝１７ｄの内面のみに親水性を付与するとともに、セパレータ１７に接するガス拡散層１５ｃのガス接触表面のみに撥水性を付与するだけでもよい。
【００３１】
しかしながら、水素ガスを加湿して燃料電池１に供給する燃料電池システムの場合や、カソード側の生成水が電解質膜１５ａを通過してアノード側に拡散してくることがあることを考慮すると、本実施形態のように、アノード側のセパレータ１６のガス流路溝１６ｄの内面に親水性を付与するとともに、セパレータ１６に接するガス拡散層１５ｃのガス接触表面にも撥水性を付与するのが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の燃料電池の実施形態を示す図であって、燃料電池を側方から断面視した側断面図である。
【図２】セルの厚さ方向の断面図である。
【符号の説明】
【００３３】
１…燃料電池、２…セル、１５…ＭＥＡ、１５ａ…電解質膜（イオン交換膜）、１５ｂ…電極、１５ｃ…ガス拡散層、１５ｄ…触媒層、１６，１７…セパレータ、Ｈｐ…水素ガス流路（ガス流路）、Ｏｐ…酸化ガス流路（ガス流路）
【図１】
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【図２】
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