(57)【要約】【課題】燃料電池の発電性能の低下を抑制する技術を提供する。【解決手段】燃料電池１００は、電解質膜１がアノード電極２およびカソード電極３によって狭持された膜電極接合体１０と、カソード電極３の電極面に沿って設けられた酸化剤ガスのためのガス流路とを備える。カソード電極３は、発電反応を促進するための触媒が担持された触媒担持カーボンと、高分子電解質とを含む。また、カソード電極３は、ガス流路の上流側に設けられた第１のカソード領域３ａと、ガス流路の下流側に設けられた第２のカソード領域３ｂとを有する。第１のカソード領域３ａは触媒担持カーボンに対する高分子電解質の量が第２のカソード領域より少ない。【選択図】図１
2011018605.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給を受けて発電する燃料電池であって、
電解質膜がアノード電極およびカソード電極によって狭持された膜電極接合体と、
前記カソード電極の電極面に沿って設けられた酸化剤ガスのためのガス流路と、
を備え、
前記カソード電極は、発電反応を促進するための触媒が担持された触媒担持カーボンと、高分子電解質とを含むとともに、前記ガス流路の上流側に設けられた第１のカソード領域と、前記ガス流路の下流側に設けられた第２のカソード領域とを有し、
前記第１のカソード領域は前記触媒担持カーボンに対する前記高分子電解質の量が前記第２のカソード領域より少ない、燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、通常、電解質膜の両面に電極が配置された発電体である膜電極接合体を備えている（下記特許文献１等）。電解質膜としては湿潤状態で良好なイオン伝導性を示す膜が用いられる。そのため、燃料電池の運転の際には、燃料電池内部は適度な湿潤状態に保たれることが好ましい。
【０００３】
しかし、膜電極接合体では、反応ガス（燃料ガスおよび酸化剤ガス）の流れに従って水分が移動するため、反応ガスの上流側ほど電解質膜が乾燥しやすい傾向にある。燃料電池に供給される反応ガスの加湿量が低いほど、水分の蒸発が促進されるため、その傾向が特に強くなる。電解質膜の乾燥が著しい場合には、イオン伝導性の低下により発電不能に陥る、いわゆるドライアップが発生し、燃料電池の発電性能の低下が引き起こされる可能性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−０１２４７６号公報
【特許文献２】特開２００８−１７６９９０号公報
【特許文献３】特開２００７−０８０６９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、燃料電池の発電性能の低下を抑制する技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００７】
［適用例１］
燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給を受けて発電する燃料電池であって、電解質膜がアノード電極およびカソード電極によって狭持された膜電極接合体と、前記カソード電極の電極面に沿って設けられた酸化剤ガスのためのガス流路とを備え、前記カソード電極は、発電反応を促進するための触媒が担持された触媒担持カーボンと、高分子電解質とを含むとともに、前記ガス流路の上流側に設けられた第１のカソード領域と、前記ガス流路の下流側に設けられた第２のカソード領域とを有し、前記第１のカソード領域は前記触媒担持カーボンに対する前記高分子電解質の量が前記第２のカソード領域より少ない、燃料電池。
この燃料電池によれば、高分子電解質の含有量が少なく、排水性が比較的低い第１のカソード領域がガス流路の上流側に設けられているため、カソード電極の上流側における保水性が向上する。従って、カソード電極の上流側が乾燥することによる燃料電池の発電性能の低下を抑制できる。
【０００８】
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池、その燃料電池を備えた燃料電池システム、その燃料電池システムを搭載した車両等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】燃料電池の構成を示す概略図。
【図２】カソード電極におけるアイオノマー比と排水量との関係を示す説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
A．実施例：
図１は本発明の一実施例としての燃料電池の構成を示す概略図である。この燃料電池１００は、反応ガスとして水素と空気の供給を受けて発電する固体高分子型燃料電池である。燃料電池１００は、膜電極接合体１０と、２つのガス拡散部材４１，４２と、アノードセパレータ５０と、カソードセパレータ６０とを備える。なお、燃料電池１００は、複数の膜電極接合体１０がセパレータを介して積層される燃料電池スタックとして構成されるものとしても良い。
【００１１】
膜電極接合体１０は、電解質膜１がアノード電極２およびカソード電極３によって狭持された発電体である。電解質膜１は、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す固体高分子薄膜である。アノード電極２およびカソード電極３は、触媒インクを電解質膜１の外表面に塗布・乾燥させることによって形成されたガス透過性を有する電極である。ここで、「触媒インク」とは、発電反応を促進するための触媒（例えば白金（Ｐｔ）など）が担持された触媒担持カーボンと高分子電解質溶液とを混合した混合溶液を意味する。なお、本実施例の燃料電池１００では、カソード電極３に第１と第２のカソード領域３ａ，３ｂが設けられているが、詳細は後述する。
【００１２】
２つのガス拡散部材４１，４２はそれぞれ、ガス透過性および導電性を有する多孔質部材であり、アノード電極２またはカソード電極３の全体に反応ガスを行き渡らせるためのガス流路として機能する。第１のガス拡散部材４１はアノード電極２の外側に配置され、第２のガス拡散部材４２はカソード電極３の外側に配置される。２つのガス拡散部材４１，４２は、カーボンペーパーや、カーボンクロス、いわゆるエキスパンドメタル、パンチングメタルなどによって構成することができる。
【００１３】
アノードセパレータ５０およびカソードセパレータ６０は、導電性を有するガス不透過の板状部材である。アノードセパレータ５０およびカソードセパレータ６０はそれぞれ、第１と第２のガス拡散部材４１，４２の外側から膜電極接合体１０を狭持する。アノードセパレータ５０およびカソードセパレータ６０の内側（膜電極接合体１０の側）の面にはそれぞれ、反応ガスのための流路溝５１，６１が設けられている。
【００１４】
アノードセパレータ５０の流路溝５１は、図１の紙面垂直方向に沿って交互にジグザグに折り返す、いわゆるサーペンタイン形状の流路溝であり、発電領域の全体に渡って形成されている。反応ガスである水素は、流路溝５１の端部５２（図１の紙面上側）から供給され、流路溝５１に沿って図１の紙面下側へと流れつつ、ガス拡散部材４１を介してアノード電極２に至り、発電反応に供される。反応に供されることのなかった水素を含むアノード排ガスは、ガス拡散部材４１を介して流路溝５１へと流れ、流路溝５１の端部５３（図１の紙面下側）から燃料電池１００の外部へと排出される。
【００１５】
カソードセパレータ６０の流路溝６１は、アノードセパレータ５０の流路溝５１と、膜電極接合体１０を挟んで対称に形成されたサーペンタイン形状の流路溝である。反応ガスである空気は、流路溝６１の端部６２（図１紙面下側）から供給され、流路溝６１に沿って図１の紙面上側へと流れつつ、ガス拡散部材４１を介してカソード電極３に至り、発電反応に供される。反応に供されることのなかった酸素および発電反応によって生成された水分を含むカソード排ガスは、ガス拡散部材４１を介して流路溝６１へと流れ、流路溝６１の端部６３（図１の紙面上側）から燃料電池１００の外部へと排出される。
【００１６】
即ち、この燃料電池１００では、２つの電極２，３と、ガス拡散部材４１，４２と、各セパレータ４０，６０の流路溝５１，５２とによって、電極面に沿った反応ガスのための流路が形成されており、水素の流れ方向と酸素の流れ方向とが互いに対向し合っている。なお、各セパレータの流路溝５１，５２の形状はサーペンタイン形状でなくとも良く、例えば、図１の紙面上下方向に複数の流路溝が併走する直線形状の流路溝であっても良い。また、各セパレータの流路溝５１，５２とガス拡散部材４１，４２とのうち、いずれか一方が省略されるものとしても良い。
【００１７】
ところで、一般に、燃料電池では、カソード電極面における反応ガスの上流側ほど電解質膜が乾燥しやすい傾向にある。特に、燃料電池に無加湿の反応ガスが供給される場合など、供給される反応ガスの湿潤度が低いほど、上流側における水分の蒸発が促進されるため、この傾向が強くなる。電解質膜の乾燥が著しい場合には、プロトン伝導性の低下により、燃料電池が発電停止に陥ってしまう場合がある。従って、カソード電極面における反応ガスの上流側においては、水分の蒸発を抑制し、排水性が低下されていることが好ましい。
【００１８】
前述したように、カソード電極３は、触媒担持カーボンと、高分子電解質とを含む。ここで、本明細書では、触媒担持カーボンの質量に対する高分子電解質の質量の比を「アイオノマー比」と呼ぶ。本発明の発明者は、このアイオノマー比とカソード電極の排水性との間には、次のような関係があることを見出した。
【００１９】
図２は、カソード電極における排水量とカソード電極のアイオノマー比との関係を示すグラフである。本発明の発明者は、アイオノマー比がそれぞれＫ1，Ｋ2，Ｋ3である触媒インクを用いて、アイオノマー比が異なるカソード電極を有する３種類の燃料電池を構成し、各燃料電池において同条件での発電を行い、カソード排ガスに含まれる水分量（排水量）を測定した。なお、この測定に用いられた各燃料電池は、カソード電極以外の構成が、本実施例の燃料電池１００とほぼ同じである。
【００２０】
測定にあたり、各燃料電池には、カソード側にストイキ比４．５の量の室温の空気を背圧１００ｋＰａＧで供給し、アノード側にストイキ比３．５の量の室温の水素を背圧１００ｋＰａＧで供給した。また、各燃料電池には、０．１Ａの一定電流で発電させた。このグラフＧから、カソード電極のアイオノマー比が小さい燃料電池ほど排水量が少なく、発電によって生成された水分が燃料電池内に保持されていることがわかる。即ち、アイオノマー比が小さいカソード電極ほど、生成水分の蒸発が抑制され、その排水性が低下している。
【００２１】
ここで、本実施例の燃料電池１００（図１）では、カソード電極３に第１と第２のカソード領域３ａ，３ｂが設けられている。第１のカソード領域３ａは、カソード電極３の上流側（図１の紙面下側）に設けられた領域であり、第２のカソード領域３ｂは、カソード電極３の下流側（図１の紙面上側）に設けられた領域である。第１と第２のカソード領域３ａ，３ｂはそれぞれ、アイオノマー比の異なる触媒インクを用いることにより形成されており、第１のカソード領域３ａは、第２のカソード領域３ｂよりアイオノマー比の小さい領域として形成されている。即ち、この燃料電池１００では、カソード電極３の上流側に、高分子電解質の含有量が比較的少なく、排水性が比較的低い第１のカソード領域３ａが形成されている。この第１のカソード領域３ａによって、カソード電極３の上流側における保水性が向上し、電解質膜１の乾燥が抑制され、運転中の燃料電池１００における発電性能の低下が抑制される。
【００２２】
ところで、一般に、燃料電池では、各電極に含まれる触媒量を低減すると、触媒あたりの発電反応による発熱量が増大するため、カソード電極がより乾燥しやすくなることが知られている。カソード電極が乾燥すると、カソード電極に含まれる高分子電解質のガス透過性が低下し、反応ガスの配流性が低下するため、燃料電池の発電性能が低下してしまう。しかし、本実施例の燃料電池１００によれば、第１のカソード領域３ａによって、カソード電極３の保水性が向上しているため、カソード電極３に含まれる触媒量を低減した場合であっても、カソード電極３の上流側における乾燥を抑制することができる。従って、燃料電池１００の発電性能の低下を抑制しつつ、触媒使用量の削減による製造コストの低減が可能である。
【００２３】
ここで、第１と第２のカソード領域３ａ，３ｂのそれぞれのアイオノマー比は、以下に説明する方法により設定することが好ましい。アイオノマー比が発電領域に渡って均一となるようにカソード電極を構成した場合に、燃料電池の発電性能が最も向上する好適なアイオノマー比Ｋstdを実験により求める。そして、第１のカソード領域３ａのアイオノマー比Ｋaをアイオノマー比Ｋstdより小さく設定し、第２のカソード領域３ｂのアイオノマー比Ｋbを  アイオノマー比Ｋstdより大きく設定する（Ｋa＜Ｋstd＜Ｋb）。これによって、燃料電池１００の発電性能を、より向上させることができる。
【００２４】
なお、カソード電極３は、第１と第２のカソード領域３ａ，３ｂ以外に、アイオノマー比の異なる複数の領域をさらに有しているものとしても良い。また、第１と第２のカソード領域３ａ，３ｂのように、アイオノマー比の異なる領域が明確に区分けされていなくとも良い。例えば、カソード電極３は、反応ガスの上流側ほどアイオノマー比が小さくなるように構成されているものとしても良い。
【００２５】
このように、本実施例の燃料電池１００によれば、アイオノマー比が比較的小さい第１のカソード領域３ａによってカソード電極３の上流側の排水性を低下させることにより、燃料電池１００の発電性能の低下を抑制できる。なお、本実施例の燃料電池１００は、反応ガスを無加湿で供給する燃料電池システムに用いた場合に、特に、その発電性能の低下が抑制される。
【符号の説明】
【００２６】
１…電解質膜
２…アノード電極
３…カソード電極
３ａ…第１のカソード領域
３ｂ…第２のカソード領域
１０…膜電極接合体
４１…第１のガス拡散部材
４２…第２のガス拡散部材
５０…アノードセパレータ
５１…流路溝
５２…端部
５３…端部
６０…カソードセパレータ
６１…流路溝
６２…端部
６３…端部
１００…燃料電池
【図１】
2011018605.tif 000003
【図２】
2011018605.tif 000004