(57)【要約】      （修正有）【課題】ガス拡散層の肉厚を薄くしながらも主面に沿った方向に良好な電気伝導度が得られる燃料電池を提供する。【解決手段】板状の基部１４Ａを備えたガス拡散層１４と、基部１４Ａの主面との間で反応ガス流路２１となる溝部を構成する複数本の突壁部２１Ａを備えたセパレータ２０と、を備えた燃料電池であって、溝部に対向する基部１４Ａの主面に、反応ガス流路２１の延在方向と交差する方向に複数の凸条部１４Ｂが延出形成されている。【選択図】図２
2018129275.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
板状の基部を備えたガス拡散層と、
前記基部の主面との間で反応ガス流路となる溝部を構成する複数本の突壁部を備えたセパレータと、を備え、
前記溝部に対向する前記基部の主面に、前記反応ガス流路の延在方向と交差する方向に複数の凸条部が延出形成されている、燃料電池。
【請求項２】
前記凸条部の延出方向端面と前記突壁部とが物理的に接触するように配置されている、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記ガス拡散層は、最大含有材料となる導電性粒子と、高分子樹脂と、を主成分とする多孔質部材で構成され、
前記基部と前記凸条部とが一体に形成されている、請求項１または２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記反応ガス流路の延在方向を第１方向、前記第１方向に直交する方向を第２方向、前記第１方向に沿う前記凸条部のピッチをＰ、前記第２方向に沿う前記反応ガス流路の幅をＷとして、Ｐ＜Ｗとなるように構成されている、請求項１〜３の何れか１項に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記第１方向に沿う前記凸条部の幅をＡ、隣接する前記凸条部間の距離をＢ、前記基部の厚みをＤとして、Ａ＜Ｂ及びＡ≦Ｄとなるように構成されている、請求項４に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記凸条部の高さをＣとして、０．５＜Ｃ／Ａ＜１．５となるように構成されている、請求項５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、燃料電池に関し、特に板状の基部を備えたガス拡散層と、反応ガス流路となる溝部を構成する複数本の突壁部を備えたセパレータと、を備えた燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素と酸素とから電気エネルギーを発生させる装置で、従来の熱エネルギーや運動エネルギーを利用した発電方式と異なり、小規模でも高い発電効率が得られる電池として期待されている。
【０００３】
特許文献１には、このような燃料電池の低コスト化、及び発電性能の向上を図ることを目的として、アセチレンブラックやグラファイトなどの導電性粒子と、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などの高分子樹脂とを主成分とした多孔質部材でガス拡散層が構成された燃料電池が開示されている。
【０００４】
従来、一般的に用いられていたカーボンペーパーなどの炭素繊維を基材とするガス拡散層に代えて、このような多孔質部材でガス拡散層を構成し、その多孔度や厚さを制御することにより、発電性能のさらなる向上が期待されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開第２０１０／０５０２１９号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ガス拡散層は、肉厚を薄く構成することにより水分の拡散性が良くなるため、高い発電性能が得られるようになると期待される。しかし、ガス拡散層の肉厚を薄くすると、その主面に沿った方向の電気伝導度が低下しやすく、抵抗損失が大きくなる傾向がある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記に鑑み、本発明に係る燃料電池は、板状の基部を備えたガス拡散層と、前記基部の主面との間で反応ガス流路となる溝部を構成する複数本の突壁部を備えたセパレータと、を備え、前記溝部に対向する前記基部の主面に、前記反応ガス流路の延在方向と交差する方向に複数の凸条部が延出形成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、ガス拡散層の肉厚を薄くしながらも主面に沿った方向に良好な電気伝導度が得られる燃料電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池の断面構造を示す説明図である。
【図２】セパレータをガス拡散層に向けて押圧する前の状態（ａ）、押圧後のガス拡散層の構造（ｂ）およびセパレータとガス拡散層との積層構造（ｃ）を示す説明図である。
【図３】押圧後のガス拡散層の平面図（ａ）、平面図（ａ）のｂ−ｂ線断面図（ｂ）および平面図（ａ）のｃ−ｃ線断面図（ｃ）である。
【図４】本発明の実施形態に係るガス拡散層の一例の断面図である。
【図５】本発明の別の実施形態（ａ）および更に別の実施形態（ｂ）に係るセパレータとガス拡散層との積層構造の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の実施形態に係る燃料電池は、板状の基部を備えたガス拡散層と、基部の主面との間で反応ガス流路となる溝部を構成する複数本の突壁部を備えたセパレータとを備える。溝部に対向するガス拡散層の基部の主面には、反応ガス流路の延在方向と交差する方向に延出する複数の凸条部が形成されている。
【００１１】
複数の凸条部が形成されている部分では、ガス拡散層の厚みが大きくなるため、ガス拡散層の肉厚を全体的には薄くしながらも、その主面に沿った方向の電気伝導度を確保しやすくなる。複数の凸条部には、反応ガス流路内で、ガス流に乱れを生じさせる作用も有する。これにより流路内を素通りするガス量が低減し、発電効率が向上する。
【００１２】
ガス拡散層およびセパレータは、ガス拡散層の凸条部の延出方向端面とセパレータの突壁部とが物理的に接触するように配置されていることが好ましい。このような物理的接触により、ガス拡散層の主面に沿った方向の導電経路が増加するため、電気伝導度が更に高められる。
【００１３】
ガス拡散層は、最大含有材料となる導電性粒子と、高分子樹脂とを主成分とする多孔質部材で構成してもよい。このような多孔質部材からは、基部と凸条部とを一体に形成することができるため、凸条部を有するガス拡散層を容易に製造することができる。
【００１４】
反応ガス流路の延在方向を第１方向、第１方向に直交する方向を第２方向、第１方向に沿う凸条部のピッチをＰ、第２方向に沿う反応ガス流路の幅（最大幅）をＷとするとき、Ｐ＜Ｗが満たされることが好ましい。Ｐ＜Ｗとすることにより、反応ガス流路内にガス流の乱れを効率よく生じさせることができる。このとき１＜Ｗ／Ｐ＜３を満たすことがより好ましい。ただし、ピッチＰは、隣接する凸条部の第２方向に垂直（第１方向に平行）な断面における重心間の距離である。
【００１５】
第１方向に沿う凸条部の幅（最大幅）をＡ、隣接する凸条部間の距離（薄肉部の長さ）をＢ、基部の厚みをＤとするとき、Ａ＜ＢおよびＡ≦Ｄが満たされることが好ましい。これにより、反応ガスの拡散性が更に向上する。このとき２＜Ｂ／Ａ＜４を満たすことがより好ましく、１＜Ｄ／Ａ＜２を満たすことがより好ましい。
【００１６】
凸条部の高さをＣとするとき、０．５＜Ｃ／Ａ＜１．５が満たされることが好ましい。これにより、ガス拡散層の主面に沿った方向の電気伝導度が更に高められるとともに、凸条部の十分な強度を確保しやすくなる。
【００１７】
以下、本発明が適用された燃料電池の実施形態を、図面を用いて更に説明する。
図１には、燃料電池スタック１００の基本構成が示されている。燃料電池スタック１００は、膜電極接合体１０（以下、ＭＥＡ（Membrane-Electrode-Assembly）と略記する。）と、ＭＥＡ１０を挟むように配置された一対の導電性のセパレータ２０，２０とからなる燃料電池セル１（以下、セルと称する。）の複数が積層されて構成されている。
【００１８】
図示されていないが、互いに積層されたセル１は、燃料ガス及び酸化剤ガスがリークしないように且つ接触抵抗を低減するために、例えばボルトなどの締結具を用いて締付固定されている。
【００１９】
ＭＥＡ１０は、プロトンを選択的に通過させる高分子電解質膜１１と、高分子電解質膜１１を挟むように対向配置された一対のガス拡散電極１２，１２を備えている。
【００２０】
各ガス拡散電極１２，１２は、白金属触媒を坦持したカーボン粉末を主成分とする触媒層１３と、触媒層１３上に形成され、集電作用とガス透過性と撥水性とを併せ持つガス拡散層１４とを備えている。ガス拡散電極１２の一方がアノード電極となり、他方がカソード電極となる。
【００２１】
アノード電極側のガス拡散層１４と当接する一方のセパレータ２０の主面に、燃料ガスを流すための反応ガス流路２１を形成する反応ガス流路溝が設けられ、カソード電極側のガス拡散層１４と当接する他方のセパレータ２０の主面に、酸化剤ガスを流すための反応ガス流路２２を形成する反応ガス流路溝が設けられている。
【００２２】
反応ガス流路２１，２２を通じて一対のガス拡散電極１２，１２にそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されることで電気化学反応が起こり、アノード電極側の触媒層１３で水素ガスからプロトンと電子が生成し、プロトンが高分子電解質膜１１を介してカソード側電極に移動する。このときに生じた電子が外部回路を介してカソード側電極に移動することで電力が取り出される。カソード側電極の触媒層１３では、プロトンと酸化剤ガスが反応して水が生成する。
【００２３】
電気化学反応に必要なガスが外部に漏れるのを防ぐために、セパレータ２０と高分子電解質膜１１との間に、触媒層１３とガス拡散層１４の側面を覆うようにシール材１６が配置されている。
【００２４】
高分子電解質膜１１は、湿潤状態で良好なイオン伝導性を示し、アノード電極側の触媒層１３とカソード電極側の触媒層１３との間でプロトンを移動させるイオン交換膜として機能する。高分子電解質膜１１は、パーフルオロアルキルスルホン酸の構造を有する重合体（例えばＮａｆｉｏｎ（デュポン社製：登録商標））や、非フッ素系重合体などによって形成される。非フッ素系重合体の例としては、スルホン化された芳香族ポリエーテルエーテルケトン等が挙げられる。
【００２５】
以下、ガス拡散層１４及びセパレータ２０について詳述する。なお、ガス拡散層１４及びセパレータ２０は、アノード電極側及びカソード電極側の何れも同一構造でもよく、異なる構造でもよい。以下では、アノード電極側について説明する。
【００２６】
図２（ａ）〜（ｃ）に示すように、ガス拡散層１４は、板状の基部１４Ａと、基部１４Ａの主面のうちセパレータ２０の主面と対向する面に、反応ガス流路溝２１の溝幅に対応する長さの複数本の凸条部１４Ｂとを備えている。凸条部１４Ｂは、基部１４Ａと一体に形成されている。
【００２７】
セパレータ２０は、ステンレス鋼などの耐食性の金属またはカーボン材料で構成すればよい。セパレータ２０には、反応ガス流路溝を構成する複数本の突壁部２１Ａが形成されている。ガス拡散層１４の主面と反応ガス流路溝との間に、反応ガス流路２１が形成される。
【００２８】
以下、反応ガス流路２１の延在方向を第１方向ｄ１とし、第１方向ｄ１と交差する方向を第２方向ｄ２とする。第１方向ｄ１に延在するセパレータ２０の溝部に対向するガス拡散層１４の基部１４Ａの主面には、第２方向ｄ２に沿うように複数の凸条部１４Ｂが延出形成されている。そして、反応ガス流路溝の内部で凸条部１４Ｂの延出方向端面と突壁部２１Ａとが物理的に接触するように構成されている。
【００２９】
尚、図２（ａ），（ｂ）では、第１方向ｄ１と第２方向ｄ２の交差角度は９０度、つまり直交するように設定されているが、第１方向ｄ１に対する第２方向ｄ２の交差角度θは、４５度＜θ≦９０度の範囲であればよい。
【００３０】
アノード電極側の触媒層１３（図１参照）で生成された電子がガス拡散層１４を介してセパレータ２０に移動する際に、凸条部１４Ｂを介して主面に沿った方向に電子が流れることにより、良好な電気伝導度が得られるようになる。
【００３１】
また、凸条部１４Ｂによって反応ガス流路２１内で反応ガスの流れが乱されることにより、反応ガス流路２１に供給されるガス量のうち、ガス拡散層１４に達して発電に寄与するガス量が増加し、発電効率を向上させることができる。
【００３２】
ガス拡散層１４は、最大含有材料となる導電性粒子と高分子樹脂とを主成分とする多孔質部材で構成されている。
【００３３】
導電性粒子には、カーボンブラック、グラファイト、活性炭などのカーボン材料を使用することができる。中でも、高い導電性を有し、細孔容積が大きいカーボンブラックを使用するのが好ましい。カーボンブラックとしては、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、ファーネスブラックなどが挙げられる。
【００３４】
高分子樹脂としては、ＰＴＦＥ、ＦＥＰ（テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体）、ＰＶＤＦ（ポリビニリデンフルオライド）、ＥＴＦＥ（テトラフルオロエチレン−エチレン共重合体）、ＰＣＴＦＥ（ポリクロロトリフルオロエチレン）、ＰＦＡ（ポリフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体）などを使用することができる。中でも耐熱性、撥水性、耐薬品性の観点から、ＰＴＦＥを使用することが好ましい。原料としてのＰＴＦＥは、ディスパージョン、粉末状などであればよい。
【００３５】
高分子樹脂は、導電性粒子同士を結着するバインダとしての機能を有する。また、高分子樹脂は、撥水性を有するため、ガス拡散層１４内部の細孔や空孔に水が滞留し、ガス透過を阻害することを防ぐ機能備えている。
【００３６】
ガス拡散層１４は、例えば、０．０１μｍから０．０５μｍの細孔を有していることが好ましい。カーボンブラックの平均１次粒子径は０．０２μｍから０．０４μｍ程度なので、カーボンブラック同士を充填したときに形成される細孔は０．０１μｍから０．０５μｍの大きさとなる。ガス拡散層１４は、更に、例えば、１μｍから２００μｍの空孔を有してもよい。
【００３７】
以下に、ガス拡散層１４の製造方法を説明する。
先ず、攪拌装置に、導電性粒子、界面活性剤および分散媒を投入し、攪拌、混練して、材料を均一に分散させる。その後、攪拌装置内の材料に、更に高分子樹脂を投入し、均一に分散させて混練物を得る。
【００３８】
次に、混練物を押し出してシート状に引き伸ばして乾燥させる。得られたシートをＩＲ炉や熱風乾燥炉を用いて、高分子樹脂が溶融する温度よりも低い温度で焼成する。焼成により、シートから界面活性剤や分散媒が除去される。高分子樹脂がＰＴＦＥの場合、焼成温度は３１０〜３４０℃が好ましい。
【００３９】
焼成前または焼成後に、シートを予め準備された型枠でプレスする。型枠の底部には、凸条部１４Ｂに対応する凹溝が形成されている。
【００４０】
図２（ａ）には、以上の手順で製造されたガス拡散層１４が示されている。得られたガス拡散層１４の上面に、セパレータ２０を載置し、プレス加工機で押圧付勢することにより、突壁部２１Ａの端面２１Ｂによって凸条部１４Ｂが基部１４Ａ側に押し潰される。その結果、図２（ｂ）、図３（ａ）〜（ｃ）に示すようなガス拡散層１４が形成される。この状態では、凸条部１４Ｂの延出方向端面と突壁部２１Ａとが物理的に接触した状態が得られている。
【００４１】
第１方向ｄ１に沿う凸条部１４ＢのピッチＰ、第２方向ｄ２に沿う反応ガス流路２１（図１、図３（ａ）参照）の幅Ｗは、Ｐ＜Ｗとなるように構成されている。これにより、効果的に反応ガスの流れを乱し、 ガス拡散層１４への反応ガスの供給量を増すことができる。
【００４２】
また、図４に示すように、第１方向ｄ１に沿う凸条部１４Ｂの幅Ａ、隣接する凸条部間の距離Ｂ、基部１４Ａの厚みＤを、Ａ＜Ｂ及びＡ≦Ｄとなるように構成することで、反応ガスの拡散性を一層に促進できるようになる。さらに、凸条部１４Ｂの高さＣは、０．５＜Ｃ／Ａ＜１．５となるように構成されていることが好ましい。
【００４３】
尚、本実施形態では、Ａ＝８０μｍ、Ｂ＝２４０μｍ、Ｃ＝８０μｍ、Ｄ＝８０μｍ、また凸壁部の高さは３００μｍに設定されている。
【００４４】
以下、別の実施形態を説明する。
図５（ａ）に示すように、セパレータ２０に形成される突壁部２１Ａは、その上部がガス拡散層１４の上面に対して垂直より反応ガス流路２１側に傾斜する傾斜壁部とすることが好ましい。ガス拡散層１４の上面にセパレータ２０を押圧付勢する際に、図５（ａ）中、破線の丸で囲った領域に示すように、凸条部１４Ｂの延出方向端面と突壁部２１Ａとが物理的に接触する広い面積が確保でき、ガス拡散層１４の主面に沿う方向に高い電気伝導度が得られるようになるからである。
【００４５】
図５（ｂ）に示すように、板状のセパレータ２０を波形に加工することにより、隣接する反応ガス流路２１間の空間ＳＰを冷却媒体の流路として機能させてもよい。
【００４６】
上述した実施形態は、本発明の一態様に過ぎず、当該記載により本発明の範囲が制限されるものではない。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明による燃料電池は、車載用途のみならずポータブルな非常用電源などとして広く活用できる。
【符号の説明】
【００４８】
１：燃料電池セル
１０：膜電極接合体（ＭＥＡ）
１１：高分子電解質膜
１２：ガス拡散電極
１３：触媒層
１４：ガス拡散層
１４Ａ：基部
１４Ｂ：凸条部
２０：セパレータ
２１Ａ，２２Ａ：突壁部
２１，２２：反応ガス流路
１００：燃料電池スタック
【図１】
2018129275.tif 000003
【図２】
2018129275.tif 000004
【図３】
2018129275.tif 000005
【図４】
2018129275.tif 000006
【図５】
2018129275.tif 000007