(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子電解質膜と、当該高分子電解質膜の一方の面に形成されてなるアノード触媒層と、前記高分子電解質膜の他方の面に形成されてなるカソード触媒層とからなる膜電極接合体と、
当該膜電極接合体を挟持する一対のガス拡散層と、
当該一対のガス拡散層を挟持する一対のセパレータとを有する燃料電池であって、
前記膜電極接合体が、反応ガスを供給するためのガス供給流路と、当該反応ガスを排出するためのガス排出流路とを備え、
前記ガス供給流路は、前記アノード触媒層および／または前記カソード触媒層の外周部に接続し、少なくとも前記アノード触媒層および／または前記カソード触媒層を介して、前記ガス排出流路に連通することを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記ガス排出流路が、前記ガス拡散層または前記セパレータに形成された隙間であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記ガス供給流路が、前記アノード触媒層または前記カソード触媒層の外周部に形成された隙間であることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池。
【請求項４】
前記ガス供給流路が、多孔質体からなる流路であり、前記アノード触媒層または前記カソード触媒層の外周部に形成されていることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関する。さらに詳細には、燃料電池電極において、ガス拡散性および排水性に優れ、高加湿条件においても優れた出力特性を示すことのできる燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境問題やエネルギー問題の有効な解決策として、燃料電池の使用が注目を浴びている。燃料電池とは、水素などの燃料を酸素などの酸化剤ガスを用いて酸化し、酸化に伴う化学エネルギーを電気エネルギーに変換する電池である。
【０００３】
燃料電池は、電解質の種類によって、アルカリ形、リン酸形、固体高分子形、溶融炭酸塩形、固体酸化物形などに分類される。固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）は、低温作動、高出力密度を特徴とし、小型化および軽量化が可能であるため、携帯用電源、家庭用電源、車載用動力源としての種々の応用が期待されている。
【０００４】
ＰＥＦＣは、電解質膜である高分子電解質膜を、燃料極（アノード）と空気極（カソード）とで挟んだ構造を有し、アノード側に水素を含む燃料ガスを供給し、カソード側に酸素を含む酸化剤ガスを供給することにより、下記の電気化学反応により発電する機構を採用している。
アノード：Ｈ2  →  ２Ｈ＋  ＋  ２ｅ−                          ・・・（１）
カソード：（１／２）Ｏ2  ＋  ２Ｈ＋  ＋  ２ｅ−  →  Ｈ2Ｏ      ・・・（２）
【０００５】
アノード側に供給された燃料ガスは、電極触媒によりプロトンと電子となる（上記（１）参照）。当該プロトンは、アノード触媒層内の高分子電解質、固体高分子電解質膜を通り、カソードに移動する。電子は、外部回路を通り、カソード触媒層側に移動する。カソード触媒層では、プロトンと電子と外部から供給された酸化剤ガスとが反応して水を生成する（上記（２）参照）。よって、上記の電気化学反応は、プロトン（電解質）と電子（触媒・担体）と反応ガスとの三相界面で起こることが判る。
【０００６】
しかしながら、従来の燃料電池では、かかる構成は採用されていない。図５に示されるように、従来の燃料電池は、ガス供給路１０およびガス供給路１１と、ガス排出流路１２およびガス排出流路１３とが具備されておらず、ガス流路１４およびガス流路１５のみが具備されている。そのため、供給された反応ガスは、ガス流路１４およびガス流路１５を通り、ガス拡散層５およびガス拡散層６で拡散された後、カソード触媒層２およびアノード触媒層３に供給される。供給された反応ガスは、カソード触媒層２およびアノード触媒層３で反応した後、再びガス拡散層１２およびガス拡散層１３を通り、ガス流路１４およびガス流路１５から排出される。すなわち、反応ガスは、ガス拡散層５およびガス拡散層６内で対向して流れるため、カソード触媒層２で生成した水を効率的に排出することができないという問題がある。また、反応ガスは、ガス拡散層５およびガス拡散層６を通り、カソード触媒層２およびアノード触媒層３に供給されるため、当該触媒層内でのガス拡散性および排水性が低下するという問題がある。
【０００７】
ここで、燃料電池の性能をさらに向上させるためには、三相界面を増加させる必要があるところ、最近の燃料電池では、プロトンの伝導性を確保するために、加湿された反応ガスが供給されている。しかし、カソード触媒層では発電により水が生成するため、加湿されたガスが供給された状況で発電量が増加すると、生成した水が電極の空孔を塞いでしまい、反応ガスの供給が妨げられるという問題がある。その結果、三相界面が減少して、発電特性が著しく低下するという問題がある。
【０００８】
かかる課題を解決するために、電極触媒層のガス拡散性および排水性を向上させる方法が提案されている。特許文献１には、電極触媒層を多孔質層とすることにより、ガスの拡散性および排水性を向上させて、発電性能を向上させた燃料電池が開示されている。特許文献２には、電極触媒層を分割することにより、生成した水が触媒層の隙間を通じて排出され、水によるガスの拡散を妨げることを抑制した燃料電池が開示されている。しかしながら、特許文献１および２に開示された燃料電池は、燃料電池の構成部材（触媒層）の構造のみを変更したに過ぎず、その効果は充分ではないという問題がある。また、特許文献３には、両面に溝が形成された多孔質プレートを用いてガス供給流路とガス排出流路を分け、ガス拡散性と排水性を向上させた燃料電池が開示されている。しかしながら、ガスの供給は、多孔質プレートを介して行われているため、供給されたガスは多孔質プレートの内部に拡散し、触媒層へ充分に供給されないという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００９−２３１０４３号公報
【特許文献２】特開２００３−７７４８０号公報
【特許文献３】特許第３４５９３００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、上記従来の問題に鑑みてなされたものであり、燃料電池電極において、ガス拡散性および排水性に優れ、高加湿条件においても優れた出力特性を示すことのできる燃料電池を簡易に提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の燃料電電池は、高分子電解質膜と、当該高分子電解質膜の一方の面に形成されてなるアノード触媒層と、前記高分子電解質膜の他方の面に形成されてなるカソード触媒層とからなる膜電極接合体と、当該膜電極接合体を挟持する一対のガス拡散層と、当該一対のガス拡散層を挟持する一対のセパレータとを有する燃料電池であって、上記膜電極接合体が、反応ガスを供給するためのガス供給流路と、当該反応ガスを排出するためのガス排出流路とを備え、上記ガス供給流路は、上記アノード触媒層および／またはカソード触媒層の外周部に接続し、少なくとも上記アノード触媒層および／または上記カソード触媒層を介して、上記ガス排出流路に連通することを特徴とする。本発明は、かかる構成を有することにより、燃料電池電極において、ガス拡散性および排水性に優れ、高加湿条件においても優れた出力特性を示すことのできる燃料電池を簡易に提供することが可能である。
【００１２】
上記ガス排出流路が、上記ガス拡散層または上記セパレータに形成された隙間であることが好ましい。かかる構成を有することにより、反応ガスがガス拡散層内で対向することなく燃料電池内を流れるため、カソード触媒層およびアノード触媒層において生成した水を当該触媒層の外に容易に排水することができる。また、反応ガスは、ガス拡散層を経由することなく、カソード触媒層およびアノード触媒層に直接供給されるため、当該触媒層内でのガス拡散性と排水性が向上し、当該触媒層を有効に使用することができる。
【００１３】
上記ガス供給流路が、上記アノード触媒層または上記カソード触媒層の外周部に形成された隙間であることが好ましい。かかる構成を有することにより、ガス拡散性および排水性優れ、高加湿条件においても優れた出力特性を示す燃料電池を簡易に提供することができる。
【００１４】
上記ガス供給流路が、多孔質体からなる流路であり、上記アノード触媒層または上記カソード触媒層の外周部に形成されていることが好ましい。かかる構成を有することにより、カソード触媒層およびアノード触媒層に反応ガスを均一に提供することができ、さらにガス拡散性に優れた燃料電池を提供することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の燃料電池によれば、燃料電池電極において、ガス拡散性および排水性に優れ、高加湿条件においても優れた出力特性を示すことのできる燃料電池を簡易に提供することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施形態にかかる燃料電池の断面模式図
【図２】本発明の一実施形態にかかるカソード側ガス供給流路の平面図
【図３】本発明の一実施形態にかかるカソード側ガス供給流路の平面図
【図４】本発明の一実施形態にかかるカソード側ガス供給流路の平面図
【図５】従来の燃料電池の断面模式図
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の燃料電池の一実施形態について図面を参照して説明する。なお、本発明の燃料電池の実施形態は、かかる一実施形態に限定されず、本発明の範囲内において、様々の変更を加えることが可能である。
【００１８】
図１は本発明の一実施形態にかかる燃料電池の断面模式図である。図１に示されるように、本実施形態にかかる燃料電池は、電解質膜１の両面にそれぞれカソード触媒層２およびアノード触媒層３を接合・積層して形成された膜電極接合体４を備える。膜電極接合体４の両面には、ガス拡散層５およびガス拡散層６が配置され、当該ガス拡散層５およびガス拡散層６により、膜電極接合体４は挟持されてなる。さらに、両側にセパレータ７およびセパレータ８が配置され、当該セパレータ７およびセパレータ８により、上記ガス拡散層５およびガス拡散層６がそれぞれ挟持されてなる。セパレータ７およびセパレータ８には、ガス排出流路１２およびガス排出流路１３が形成されている。また、カソード触媒層２およびアノード触媒層３の外周部には、ガス供給流路１０およびガス供給流路１１が形成されてなり、当該ガス供給流路の供給端は、カソード触媒層２またはアノード触媒層３の外周部に連通されてなる。
【００１９】
ガス供給流路１０およびガス供給流路１１は、カソード触媒層２およびアノード触媒層３の外周部に形成されていればよく、その範囲としては、外周部の一箇所でもよく、外周全てでもよい。さらに、ガス供給流路１０およびガス供給流路１１は、外周部に空間を設けることにより形成されていてもよく、多孔質体で形成されていてもよい。特に、反応ガスを均一に供給することができる観点から、ガス供給流路１０およびガス供給流路１１が多孔質体で形成されていることが好ましい。多孔質体としては、ガスを拡散できるものであれば良く、例えば、カーボンペーパー、カーボンクロス等の織物、フェルト、不織布、金属多孔質体が挙げられる。
【００２０】
図２〜図４に、カソード側のガス供給流路１０の平面図の一例を示す。反応ガスは、ガス供給流路１０の一箇所から供給されても良く、複数箇所から供給されてもよい。好ましくは、複数個所から供給される。供給された反応ガスは、カソード触媒層２の全面に拡散した後、ガス拡散層５へと移動し、ガス排出流路１２より排出される。
【００２１】
ガス排出流路１２は、ガス拡散層５またはセパレータ７に形成することができる。また、ガス排出流路１２の形状としては、ガス供給流路１０と同様の形状でも良く、異なる形状を採用してもよい。特に、ガス供給流路１０とは異なる形状であることが好ましい。
【００２２】
カソード触媒層２およびアノード触媒層３は、それぞれ導電剤であるカーボンブラック粒子と、反応触媒と、電解質とから構成されている。
【００２３】
本実施の形態で用いる反応触媒は、金属触媒粒子である。金属触媒粒子としては、白金、パラジウム、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、オスミウムの白金族元素のほか、鉄、鉛、銅、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、アルミニウムなどの金属またはこれらの合金、または酸化物、複酸化物等を使用することができる。中でも、白金や白金合金が好ましい。また、これらの触媒の粒径としては、大きすぎると触媒の活性が低下し、小さすぎると触媒の安定性が低下する傾向があるため、０．５ｎｍ以上２０ｎｍ以下が好ましく、１ｎｍ以上５ｎｍ以下がより好ましい。
【００２４】
上記導電剤としては、カーボン粒子を使用することができる。カーボン粒子の種類としては、微粒子状で導電性を有し、反応媒に侵されないものであれば限定されない。好ましくは、カーボンブラックやグラファイト、黒鉛、活性炭、カーボンファイバー、カーボンナノチューブ、フラーレンを使用することができる。カーボン粒子の粒径としては、小さすぎると電子伝導パスが形成されにくくなり、大きすぎるとカソード触媒層２およびアノード触媒層３が厚くなり抵抗が増加することで、出力特性が低下する傾向があるため、１０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下が好ましく、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下がより好ましい。
【００２５】
電解質膜１は、イオン伝導性樹脂から構成される。具体的には、ナフィオン（登録商標）、フレミオン（登録商標）、アシプレックス（登録商標）等のフッ素系電解質膜や炭化水素系電解質膜から構成される。
【００２６】
炭化水素系電解質膜としては、ポリフェニレンオキサイド、ポリフェニレンエーテル、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルスルホン、ポリスルホン、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、ポリイミド、ポリアリレート、ポリアリルエーテルニトリル等に、スルホン酸基が導入された電解質膜が用いられる。上記電解質膜１は、単独または２種以上を混合して用いてもよい。
【００２７】
ガス拡散層５およびガス拡散層６の基材としては、ガス拡散性と導電性に優れた材料であれば良く、例えば、カーボンペーパー、カーボンクロス、フェルト、不織布などを使用することができる。また、ガス拡散層５およびガス拡散層６の基材としては、撥水処理を施すことが好ましく、具体的には、撥水材により基材をコーティングすることが好ましい。撥水材としては、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などのフッ素樹脂を使用することができる。さらに、ガス拡散層５およびガス拡散層６の表面にマイクロポーラス層（ＭＰＬ）を設けることが好ましい。ＭＰＬを設けることにより、発電で生成した水は、カソード触媒層３から排出されやすくなる傾向がある。
【００２８】
ＭＰＬは、カーボン粒子と撥水材とから構成される。カーボン粒子としては、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、黒鉛などを使用することができる。カーボン粒子の粒径としては、１０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下が好ましく、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下がより好ましい。
【００２９】
セパレータの材料としては、気密性と導電性に優れた材料であれば良く、例えば、カーボン材料や金属材料などを使用することができる。
【００３０】
本実施の形態にかかる燃料電池によれば、反応ガスは、カソード触媒層２およびアノード触媒層３に直接供給され、ガス拡散層５およびガス拡散層６を通り、ガス排出流路１２およびガス排出流路１３より排出される。このように、ガス供給流路１０およびガス供給流路１１と、ガス排出流路１２およびガス排出流路１３とが設けられているため、反応ガスがガス拡散層５およびガス拡散層６内で対向することなく燃料電池内を流れる。その結果、カソード触媒層２で生成した水をカソード触媒層２の外に、容易に排水することができる。また、反応ガスは、ガス拡散層５およびガス拡散層６を経由することなく、カソード触媒層２およびアノード触媒層３に直接供給されるので、当該触媒層内でのガス拡散性と排水性が向上し、当該触媒層を有効に使用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明にかかる燃料電池によれば、燃料電池電極において、ガス拡散性および排水性に優れ、高加湿条件においても優れた出力特性を示すことのできる燃料電池を簡易に提供することが可能であるため、たとえば燃料電池等の分野において好適に使用することができる。
【符号の説明】
【００３２】
１    電解質膜
２    カソード触媒層
３    アノード触媒層
４    膜電極接合体
５、６    ガス拡散層
７、８    セパレータ
９    ガスシール材
１０、１１    ガス供給流路
１２、１３    ガス排出流路
１４、１５    ガス流路
【図１】
0005780414.tif 000002
【図２】
0005780414.tif 000003
【図３】
0005780414.tif 000004
【図４】
0005780414.tif 000005
【図５】
0005780414.tif 000006