(57)【要約】【課題】燃料電池セルにおいて、組み付け後の燃料電池セルのアノード側セパレータのガス流路に生じる圧損を有効に低減できるようにした燃料電池セルを提供する。【解決手段】膜電極ガス拡散層接合体８がガス流路２１、３１を有するセパレータ２２、３２によって圧締されている燃料電池セル４０において、膜電極ガス拡散層接合体８として、カソード側ガス拡散層を備えない、アノード側ガス拡散層、アノード触媒層、電解質膜、カソード触媒層からなる形態の試験体における前記ガス流路のガスが流れる方向に対して垂直な方向での曲げ弾性率が７ＧＰａ以上である膜電極ガス拡散層接合体８を用いる。【選択図】図２
2019192353.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池セルであって、
ガス流路が設けられたセパレータと、
前記ガス流路に対向する位置に配置される膜電極ガス拡散層接合体と、を備え、
前記膜電極ガス拡散層接合体は、アノード側ガス拡散層、アノード触媒層、電解質膜、カソード触媒層、カソード側ガス拡散層をこの順で積層した形態であり、前記カソード側ガス拡散層を備えない、アノード側ガス拡散層、アノード触媒層、電解質膜、カソード触媒層からなる形態の試験体における前記ガス流路のガスが流れる方向に対して垂直な方向での曲げ弾性率は７ＧＰａ以上である、ことを特徴とする燃料電池セル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池セルに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、基本形態として、膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ａｎｄ Ｇａｓ ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｌａｙｅｒ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）が、ガス流路を備えたセパレータによって、加圧下に挟持された形態を持ち、それは燃料電池セルとも称される。燃料電池セルにおいて、セパレータに形成されたガス流路内を流れるガスに生じる圧損の程度は、発電性能に影響を与える。特に、アノード側セパレータでの燃料（水素）ガス流路で発生する圧損は、発電性能に大きな影響を与える。流路の圧損が生じる一因として、膜電極ガス拡散層接合体とセパレータとを燃料電池セルとして組み付けるときの締め付け力（締結荷重）によって、ガス拡散層の一部がセパレータのガス流路内にたわみ込むことによる、流路断面積の縮減がある。
【０００３】
ガス拡散層がセパレータのガス流路内へたわみ込む量は、ガス拡散層の曲げ弾性率あるいは引っ張り弾性率と関連があるという観点から、特許文献１あるいは特許文献２には、燃料電池セルにおいて、ガス拡散層の曲げ弾性率あるいは引っ張り弾性率と発電性能との関係についての考察が記載されている。具体的には、特許文献１では、燃料電池用ガス拡散層を、ガス拡散性が大きく低剛性であるカーボンクロス（第１の層）と、第１の層と比較してガス拡散性は小さいが高剛性であるカーボン短繊維がランダム配向したカーボンペーパー（第２の層）の２層構造とするとともに、前記第１の層の曲げ弾性率を５ＧＰａ未満、前記第２の層の曲げ弾性率を５〜５０ＧＰａとするようにしている。特許文献２では、ガス拡散層のたわみ量と引っ張り弾性率との関係から、面圧と引っ張り弾性率の範囲を設定するようにする技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−２９５５０９号公報
【特許文献２】特開２０１４−５９９５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明者らは、燃料電池セルにおけるセパレータのガス流路内での圧損に関して、研究と実験を継続して行っているが、その過程で、膜電極ガス拡散層接合体とセパレータとを燃料電池セルとして組み付けるときに、その締め付け力（締結荷重）によって、膜電極ガス拡散層接合体は全体として締め付け方向に変形することが起こり得ることから、特許文献１や特許文献２に記載のように、ガス流路内での圧損を単にガス拡散層の物性値（曲げ弾性率等）のみから検討を行うのでは、十分でないことを知見した。
【０００６】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、燃料電池セルにおいて、ガス拡散層と膜電極接合体とからなる膜電極ガス拡散層接合体の曲げ弾性率の範囲を特定することで、組み付け後の燃料電池セルのガス流路に生じる圧損を有効に低減できるようにした燃料電池セルを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明による燃料電池セルは、ガス流路が設けられたセパレータと、前記ガス流路に対向する位置に配置される膜電極ガス拡散層接合体と、を備え、前記膜電極ガス拡散層接合体は、アノード側ガス拡散層、アノード触媒層、電解質膜、カソード触媒層、カソード側ガス拡散層をこの順で積層した形態であり、前記カソード側ガス拡散層を備えない、アノード側ガス拡散層、アノード触媒層、電解質膜、カソード触媒層からなる形態の試験体における前記ガス流路のガスが流れる方向に対して垂直な方向での曲げ弾性率は７ＧＰａ以上である、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、単にガス拡散層の曲げ弾性率等の物性値ではなく、カソード側ガス拡散層を備えない、アノード側ガス拡散層、アノード触媒層、電解質膜、カソード触媒層からなる形態の試験体の曲げ弾性率を特定の範囲のものとすることで、アノード側セパレータのガス流路に生じる圧損を効果的に小さくすることのできる燃料電池セルが提供される。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】燃料電池セルを説明するための模式図。
【図２】膜電極ガス拡散層接合体の曲げ弾性率と水素圧損との関係を示すグラフ。
【図３】試験体の曲げ弾性率を測定する方法を説明するための図。
【図４】セパレータにおけるガス流路の方向と曲げ弾性率を測定する試験体との位置関係を説明するための図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照しながら、本発明の一実施の形態を説明する。
【００１１】
最初に、図１を参照して、燃料電池セルの全体構成を説明する。燃料電池セル４０は、発電部を構成する膜電極ガス拡散層接合体８を主要な構成要素とし、それを、酸化剤（空気）ガス流路２１を備えたカソード側セパレータ２２および燃料（水素）ガス流路３１を備えたアノード側セパレータ３２とで挟持し、加圧締結することで、１つの燃料電池セル４０とされている。
【００１２】
膜電極ガス拡散層接合体８は、電解質膜１と、該電解質膜１の一方の面に接するカソード触媒層２と、電解質膜１の他方の面に接するアノード触媒層３とを有し、カソード触媒層２の電解質膜１側と反対側の面にはカソード側ガス拡散層４が積層され、アノード触媒層３の電解質膜１側と反対側の面にはアノード側ガス拡散層５が積層されている。
【００１３】
カソード側ガス拡散層４のカソード触媒層２と反対側の面には前記カソード側セパレータ２２がガス流路２１の面側を接するようにして配置されており、アノード側ガス拡散層５のアノード触媒層３と反対側の面には前記アノード側セパレータ３２がガス流路３１の面側を接するようにして配置されている。カソード触媒層２とカソード側ガス拡散層４とでカソード電極６が構成され、アノード触媒層３とアノード側ガス拡散層５とでアノード電極７が構成される。なお、一般に、拡散層には、カーボンペーパーまたはカーボンクロスのような多孔性カーボン支持体が多く用いられる。
【００１４】
前記したように、膜電極ガス拡散層接合体８とセパレータ（カソード側セパレータ２２とアノード側セパレータ３２）とを燃料電池セル４０として組み付けるときの締め付け力（締結荷重）によって、膜電極ガス拡散層接合体８は締め付け方向に変形し、セパレータのガス流路２１、３１側に直接接しているガス拡散層４、５の一部が、ガス流路２１、３１内にたわみ込む。それにより、流路断面積が縮減して圧損の原因となる。前記したように、アノード側セパレータ３２での燃料（水素）ガス流路３１における流路断面積の縮減による圧損は、発電性能におよぼす影響が大きい。
【００１５】
そこで、本発明者らは、アノード側セパレータ３２の燃料（水素）ガス流路３１内で生じる圧損の変化状態を定量的に把握すべく、実験により検証することを試みた。実験ではカソード側ガス拡散層４を備えない試験体８ａ、すなわち、アノード側ガス拡散層、アノード触媒層、電解質膜、カソード触媒層をこの順で積層した試験体８ａを用いた。その結果を図２に示した。また、前記試験体８ａの曲げ弾性率を測定したときの測定装置を図３（ａ）に、そのストローク（ｅ）と試験力（ｄ）（Ｎ）の関係を図３（ｂ）に示した。試験体８ａのアノード側ガス拡散層には、カーボンペーパーを用いた。
【００１６】
試験体８ａにおける前記アノード側ガス拡散層の空隙率等の材料に起因する変化と、試験体８ａの製造工程における入力を変えることで、試験体８ａの曲げ弾性率が異なるようにした。そして、図３（ａ）に示す形態の測定冶具５０を用いて、個々の試験体８ａの曲げ弾性率を４点曲げ試験により測定した。
【００１７】
図３（ａ）に示した測定冶具５０は、固定支持台５１と押圧体５５とからなる。固定支持台５１は左右一対の支柱５２、５２を有し、支柱５２、５２の内法間の距離を支点間距離ａとした。支柱５２、５２の上端面の上には、前記した試験体８ａから得られる試験サンプル７０が、そのアノード側ガス拡散層が支柱５２、５２の上端面に面するようにして載置される。
【００１８】
押圧体５５は、図示しない加圧装置によって、固定支持台５１上に載置された試験体サンプル７０に向けて一定速度で押下されるようになっている。押圧体５５は左右一対の脚部５６、５６を備え、脚部５６、５６の内法間の距離を試験サンプル幅ｂとした。試験では、支点間距離ａ：４０ｍｍ、試験サンプル幅ｂ：２０ｍｍとし、押圧体５５を試験体に対して５．０ｍｍ／ｍｉｎで降下させた。
【００１９】
曲げ弾性率Ｅは、次式１によって算出した。
式１・・・・Ｅ＝（ａ３／８ｂｃ３）×（Δｄ／Δｅ）
式１において、ａ：前記支点間距離（ｍｍ）、ｂ：前記試験サンプル幅（ｍｍ）、ｃ：試験サンプル厚さ（ｍｍ）、ｄ：試験力（Ｎ）、ｅ：ストローク（ｍｍ）である。そして、式１中、ΔｄとΔｅは、図３（ｂ）の応力歪線図に示すように、ストロークｅ（ｍｍ）と試験力ｄ（Ｎ）の変化量である。
【００２０】
図４（ａ）は、通常の固定高分子型燃料電池セルで用いられるガス流路を備えたセパレータの一例を示す平面図である。図１に示したように、セパレータ（カソード側セパレータ２２とアノード側セパレータ３２）は、一方の面側に、ガス流路（ガス流路２１、ガス流路３１）を有している。この例において、ガス流路は、互いに平行な複数の直線部と、これらを連結し、ガスの流れを反転させる折り返し部を有する。折り返し部は直線部の端部に設けられ、流路長としては短い。よって、図１に示す形態のセパレータにおいては、ガス流路の方向は実質的には直線部の方向で決まり、矢印Ａで示される。この形態のセパレータの場合には、本明細書における「ガス流路のガスが流れる方向」とは、前記矢印Ａの方向をいい、前記「折り返し部」は含まない。
【００２１】
図示しないが、セパレータによっては、前記した「折り返し部」を有することなく、一方側から他方側に向けて複数本のガス流路が平行に形成されているものもある。この場合には、当然に、本明細書における「ガス流路のガスが流れる方向」とはそのガス流路の方向である。なお、いずれにおいても、セパレータには、ガス流路に連通する燃料ガス用マニホルド３４や酸化剤ガス用マニホルド３５なども形成されている。
【００２２】
本実施の形態における燃料電池セル４０においては、ガス流路２１（３１）の前記したガスが流れる方向（Ａ方向）に対して垂直な方向（図４（ａ）でのＢ方向）における前記試験体８ａの曲げ弾性率を特定した。試験体８ａの曲げ弾性率の測定に当たっては、試験体８ａから、前記Ａ方向に幅ｘ、前記Ｂ方向に幅ｙの直方体を、試験サンプル７０として切り出した。そして、該試験サンプル７０を、そのｙ方向と固定支持台５１の左右一対の支柱５２、５２の並ぶ方向とが一致するようにして、かつ、前記したように、そのアノード側ガス拡散層が支柱５２、５２の上端面側となるようにして、支柱５２、５２の上に載置した。その状態で、押圧体５５を押下し、試験サンプルの曲げ弾性率Ｅ［ＧＰａ］を測定した。
【００２３】
次に、曲げ弾性率Ｅを測定した複数個の試験体８ａにカソード側ガス拡散層を積層した膜電極ガス拡散層接合体８、すなわち、アノード側ガス拡散層、アノード触媒層、電解質膜、カソード触媒層、カソード側ガス拡散層をこの順で積層した形態膜電極ガス拡散層接合体８を用いて、図１に示す形態の燃料電池セル４０を組み付けた。組み付けに用いたカソード側セパレータ２２とアノード側セパレータ３２の材料は金属またはカーボンであり、そのガス流路の幅は０．４〜１．０ｍｍ、隣接するガス流路とガス流路との間隔は０．２〜１．１ｍｍとした。なお、この値は、一般的な固定高分子型燃料電池セルで用いられるセパレータでのガス流路の幅およびガス流路間の間隔を基準としている。また、膜電極ガス拡散層接合体８をセパレータで挟持締結するときの締結荷重は１５〜７０ｋＮの値とした。この値も、一般的な固定高分子型燃料電池セルでの締結荷重を基準としている。
【００２４】
図１に示すように燃料電池セル４０として組み付けた後、当該燃料電池セル４０を実際に運転し、そのときに生じたアノード側セパレータ３２での燃料（水素）ガス流路３１側の圧損（水素圧損）［ｋＰａ］を測定した。その結果を図２に示した。なお、図２において、縦軸は水素圧損［ｋＰａ］であり、横軸は測定の対象となった燃料電池セル４０で用いた膜電極ガス拡散層接合体８に対応した前記試験体８ａのガス流路と垂直方向の曲げ弾性率Ｅ［ＧＰａ］である。
【００２５】
図２に示すように、一般的なガス流路幅および締結荷重を備えた燃料電池セル４０において、前記ガス流路と垂直方向の曲げ弾性率Ｅの値が所定の値よりも小さいものでは、水素圧損は前記弾性率Ｅに反比例して次第に小さくなっていき、ある値を超えてそれよりも大きくなると、水素圧損は一定になることが示される。そして、その分岐点は、一般的な燃料電池セルでは、７ＧＰａ以上であることがわかる。
【００２６】
以上のことから、燃料電池セル、特に固体高分子型燃料電池セルにおいて、その膜電極ガス拡散層接合体として、カソード側ガス拡散層を備えない、アノード側ガス拡散層、アノード触媒層、電解質膜、カソード触媒層からなる形態の試験体におけるセパレータのガス流路のガスが流れる方向に対して垂直な方向における曲げ弾性率が７ＧＰａ以上のものを用いることにより、少なくともアノード側セパレータ３２のガス流路３１での圧損を効果的に小さくすることのできる燃料電池セルが得られることが示される。
【符号の説明】
【００２７】
４０…燃料電池セル、
１…電解質膜、
２…カソード触媒層、
４…カソード側ガス拡散層、
６…カソード電極、
３…アノード触媒層、
５…アノード側ガス拡散層、
７…アノード電極、
８…膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ）、
８ａ…アノード側ガス拡散層、アノード触媒層、電解質膜、カソード触媒層をこの順で積層した試験体、
２１…ガス流路、
２２…カソード側セパレータ、
３１…ガス流路、
３２…アノード側セパレータ、
７０…試験体から切り出した試験サンプル。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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