(57)【要約】【課題】  カーボンナノチューブを用いて形成されたガス拡散層を有する燃料電池において、積層体アセンブリごとの流路圧損の変動を緩和し、効率的な発電を行う。【解決手段】  燃料電池１００は、電解質・電極接合体２０とセパレータ４０との間に、カーボンナノチューブ３４が、セパレータ４０から電極接合体２０に向けて配向して形成されたガス拡散層３０を備える。ガス拡散層３０には、電解質・電極接合体２０を構成する電解質層２３の膨潤によるガス拡散層３０の層厚の変化を緩和する弾性部材３２が等間隔に設けられている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池であって、
イオン伝導性を有する電解質層と触媒能を有する電極層とからなる電解質・電極接合体と、
前記燃料電池における燃料電池反応に供される反応ガスの隔壁として機能するセパレータと、
該セパレータと前記電解質・電極接合体との間に、前記セパレータ及び前記電解質・電極接合体が向かい合う面に略垂直の方向にカーボンナノチューブが配向して形成されたガス拡散層と、
前記ガス拡散層の中に配置され、前記燃料電池の運転に伴う前記燃料電池の部材の膨張によって生じる、前記ガス拡散層の層厚の変化を緩和させる弾性部材と
を備えた燃料電池。
【請求項２】
前記弾性部材は、コイルばねである請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記カーボンナノチューブは、単層構造である請求項１または請求項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、燃料電池に関し、さらに詳しくは、ガス拡散層にカーボンナノチューブを用いた燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、一般的に、電解質の両面を、電極層、ガス拡散層、セパレータで挟持して形成される積層体アセンブリを複数積層して構成される。固形高分子形燃料電池の場合、上述の電極層やガス拡散層には、例えば、良導体であるカーボンペーパーやカーボンの不織布などが用いられる。こうしたカーボン系のガス拡散層を用いる場合、電解質と電極層との接触面や、ガス拡散層とセパレータの接触抵抗が大きくならないように、積層された積層体アセンブリをその両端から強く締め付けている。締め付けることで、接触面を圧接し、接触抵抗を下げて発電効率を向上させているのである。
【０００３】
このように、積層体アセンブリを大きな外力で締め付けることは、電解質の耐久性の観点から好ましいことではない。そこで、カーボンナノチューブを電極層やガス拡散層に用いた燃料電池が開発されている。カーボンナノチューブは、炭素によって作られる六員環ネットワークが単層あるいは多層の同軸管状になった繊維質の物質であり、単層の場合、最小の繊維径は１ｎｍ程度となる。このような微細な繊維を用いることで、上述の接触面積を増加させ、大きな外力で締め付けずとも、発電効率を向上させることができる。このようにカーボンナノチューブを利用した燃料電池として、例えば、下記特許文献の技術が知られている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−２０３３３２号公報
【特許文献２】特開２００５−００４９６７号公報
【特許文献３】特開２００５−３０２３０５号公報
【０００５】
しかしながら、上述のカーボンナノチューブを用いた燃料電池においては、カーボンナノチューブの剛性が小さいために、燃料電池の運転により電解質が水を含んで膨潤したり、燃料電池の温度が上昇してセパレータが膨張したりすると、その分、カーボンナノチューブが変形して、ガス拡散層の層厚が小さくなる。このような現象が、積層された各々の積層体アセンブリでばらついて生じると、積層体アセンブリごとの流路圧損に変動が生じる。
【０００６】
かかる燃料電池においては、各積層体アセンブリで一定以上の発電性能を発揮するためには、流路圧損の大きなガス拡散層を有する積層体アセンブリに対応して、燃料ガスや酸化ガスを供給する必要がある。したがって、燃料ガスや酸化ガスの過剰供給率が大きくなることが問題となっていた。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述の問題を踏まえ、本発明が解決しようとする課題は、カーボンナノチューブを用いて形成されたガス拡散層を有する燃料電池において、積層体アセンブリごとの流路圧損の変動を緩和し、効率的な発電を行うことである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決する本発明の燃料電池は、
燃料電池であって、
イオン伝導性を有する電解質層と触媒能を有する電極層とからなる電解質・電極接合体と、
前記燃料電池における燃料電池反応に供される反応ガスの隔壁として機能するセパレータと、
該セパレータと前記電解質・電極接合体との間に、前記セパレータ及び前記電解質・電極接合体が向かい合う面に略垂直の方向にカーボンナノチューブが配向して形成されたガス拡散層と、
前記ガス拡散層の中に配置され、前記燃料電池の運転に伴う前記燃料電池の部材の膨張によって生じる、前記ガス拡散層の層厚の変化を緩和させる弾性部材と
を備えたことを要旨とする。
【０００９】
かかる構成の燃料電池は、燃料電池の運転に伴って、燃料電池の部材が膨張し、ガス拡散層の層厚を変化させる力が作用しても、ガス拡散層の中に配置された弾性部材がガス拡散層の層厚の変化を緩和させる。したがって、積層体アセンブリごとの流路圧損の変動を緩和でき、燃料ガスや酸化ガスの過剰供給率を抑えて、効率的な発電を行うことができる。
【００１０】
また、かかる構成の燃料電池において、弾性部材は、コイルばねとしてもよい。このような構成とすれば、弾性部材がガス拡散層において大きな容積を占めることがない。したがって、ガス拡散層の機能低下を抑えながら、ガス拡散層の層厚の変化を十分に緩和し、積層体アセンブリごとの流路圧損の変動を緩和することができる。
【００１１】
また、かかる構成の燃料電池において、カーボンナノチューブは、単層構造としてもよい。このような構成とすれば、単層構造のカーボンナノチューブは、極めて径が小さいために、ガス拡散層と、電解質・電極接合体またはセパレータとの接触面積を十分に確保して接触抵抗を小さくできる。したがって、効率的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】
（１）実施例：
本発明の実施例について説明する。図１は、本発明の実施例としての燃料電池１００の構成を示す説明図である。燃料電池１００は、固形高分子形の燃料電池である。かかる燃料電池１００は、電解質・電極接合体２０の両側を、ガス拡散層３０、セパレータ４０が挟持して形成される積層体アセンブリを複数積層して構成される。図１には、その積層される一部分を示している。
【００１３】
電解質・電極接合体２０は、燃料電池の電気化学反応が行われる部位であり、アノード電極層２２、電解質層２３、カソード電極層２４により構成される。電解質層２３は、固体高分子材料により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。本実施例においては、フッ素系樹脂を用いた。
【００１４】
アノード電極層２２及びカソード電極層２４は、導電性を有する担体上に触媒を担持させることによって形成される。本実施例においては、白金触媒を担持したカーボン粒子と、電解質層２３を構成する電解質と同一材質の電解質とを用いて電極ペーストを作製し、この電極ペーストを、電解質層２３に塗布し、乾燥・固着させたものを用いた。
【００１５】
ガス拡散層３０は、電解質・電極接合体２０での電気化学反応に供される反応ガス（水素を含有する燃料ガスあるいは酸素を含有する酸化ガス）の流路になると共に、集電を行なうものである。ガス拡散層３０は、一般的に、ガス透過性を有する導電性部材、例えば、カーボンペーパー、カーボンクロス、カーボンナノチューブなどによって形成することができる。本実施例においては、ガス拡散層３０は、カーボンナノチューブ３４と弾性部材３２により形成するものとした。
【００１６】
本実施例で用いるカーボンナノチューブ３４は、最小径が１ｎｍ程度の単層カーボンナノチューブがセパレータ４０から電極接合体２０に向けて配向して形成されたものである。かかるカーボンナノチューブ３４は、良導体であると共に、最小径が小さく、上述のカーボンペーパーなどと比べて、カソード電極層２４やセパレータ４０との接触面積を増やすことができる。したがって、燃料電池１００の両端から強く締め付けなくても、電気的接触を確保できると共に、接触抵抗を低減させて、発電効率を向上させることができる。勿論、カーボンナノチューブ３４は単層構造のものに限らず、複層のものであってもよい。かかるカーボンナノチューブ３４は、剛性が小さく、曲げ応力を受けても、うねり構造をとりながら変形するので、破断しにくく、また、復元する性質を有している。
【００１７】
なお、カーボンナノチューブ３４は、アーク放電法やレーザー蒸着法、カーボンナノチューブを生成するための触媒金属を用いこれに炭化水素系ガスや水素系ガスを供給等して合成するＣＶＤ法、高温・高圧条件下において一酸化炭素の不均化反応（ＣＯ＋ＣＯ→Ｃ＋ＣＯ２）を起こさせて合成するＨｉＰｃｏ法など、公知の合成法を利用して生成することができる。
【００１８】
弾性部材３２は、カソード電極層２４とセパレータ４０の間に設けられたコイルばねであり、本実施例においては、ステンレス鋼を用いた。この弾性部材３２は、燃料電池１００の運転に伴い、電解質層２３が水を含んで膨潤したり、セパレータ４０が温度上昇によって熱膨張したりして、剛性の小さいカーボンナノチューブ３４を変形させて、ガス拡散層３０の層厚を小さくする方向に力が作用した際に、その力に対抗して、ガス拡散層３０の層厚の変化を緩和させる。
【００１９】
本実施例においては、弾性部材３２は、一つのガス拡散層３０につき１５本のコイルばねを等間隔に設置したが、弾性部材３２の個数や設置箇所は、電解質・電極接合体２０の大きさや、電解質層２３の材質、想定される電解質層２３の膨潤具合の偏り等に応じて適宜設定すればよい。また、ガス拡散層３０の層厚が小さい、例えば、１００μｍの場合、弾性部材３２は、マイクロマシン技術により制作された極小ばねであってもよい。
【００２０】
また、本実施例においては、線形特性ばねを用いたが、テーパーコイルばねや不等ピッチコイルばねなどの非線形特性ばねを用いてもよい。こうすれば、電解質層２３の膨潤の程度が箇所によって偏る場合であっても、変位量に応じてばね定数が大きくなる非線形特性ばねを用いることによって、効果的にガス拡散層３０の層厚の変化を緩和させることができる。
【００２１】
また、本実施例においては、弾性部材３２として、コイルばねを用いたが、板ばね、皿バネ等種々の形式のばねが利用できる。もとより、ばねに限らず、ウレタンなどの樹脂系やスチールウールなど、ガス拡散層３０の層厚の変化を緩和させる種々の弾性体であればよい。このように弾性体を用いるのは、ガス拡散層３０の層厚を小さくする方向に作用する力に対抗して、電解質層２３に大きな応力がかからないようにするためである。電解質層２３に剛性の大きな材質が用いられる場合には、弾性体に限らず、ガス拡散層３０の層厚を拘束する支持部材であってもよい。弾性部材３２の材質には、導電性の高い材質、例えば、銅合金などを用いれば、抵抗を小さくすることができるので、なお望ましい。
【００２２】
また、本実施例においては、ガス拡散層３０は、アノード電極層２２側、カソード電極層２４側共に、カーボンナノチューブ３４と弾性部材３２により構成したが、いずれか片側のガス拡散層だけこのような構成とすることであってもよい。
【００２３】
上述のセパレータ４０は、反応ガスの流路となるガス拡散層３０の壁面を成す部位であり、本実施例においては、ステンレス鋼を用いたが、ガス不透過な導電性部材、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンや、焼成カーボンなどであってもよい。また、セパレータ４０は、燃料電池の運転温度を調節するための冷却水流路４２をその内部に備えている。なお、本実施例においては、セパレータ４０として、アノード電極層２２側に設けられる平坦なセパレータと、カソード電極層２４側に設けられる平坦なセパレータと、それらの間に配置されて、冷却流路となる所定形状の貫通孔が形成された中間プレートとが一体となった３層セパレータを用いたが、これに限られるものではない。例えば、２層からなるセパレータや、表面に凹凸を有するセパレータなど、種々のセパレータを用いることができる。
【００２４】
また、各々のセパレータ４０の間であって、電解質・電極接合体２０、ガス拡散層３０の外周部には、セル内ガス流路におけるシール性を確保するためのシール部５０が、電解質・電極接合体２０と一体で設けられている。本実施例においては、フッ素ゴムを用いた。
【００２５】
上述のセパレータ４０及びシール部５０には、貫通孔が設けられており、これらが連通して、酸化ガス供給マニホールド４４、酸化ガス排出マニホールド４６を形成している。図示するとおり、酸化ガス供給マニホールド４４に供給された酸化ガスとしての酸素は、セパレータ４０の内部を通って、ガス拡散層３０に供給され、カソード電極層２４での燃料電池反応に供される。そして、その排ガス（カソード排ガス）は、ガス拡散層３０からセパレータ４０の内部を経由して、酸化ガス排出マニホールド４６へと排出される。なお、説明は省略するが、燃料ガスや冷却水についても、図示していない他の断面においてセパレータ４０及びシール部５０に形成されたマニホールドを通じて、アノード電極層２２または冷却水流路４２に供給され、排出される。
【００２６】
かかる構成の燃料電池１００は、燃料電池１００の運転に伴い、電解質層２３が水を含んで膨潤したり、セパレータ４０が温度上昇によって熱膨張したりすることによって、剛性の小さいカーボンナノチューブ３４を変形させて、ガス拡散層３０の層厚を小さくする方向に力が作用しても、弾性部材３２がその力に対抗して、ガス拡散層３０の層厚の変化を緩和させる。したがって、燃料電池１００を構成する各々の積層体アセンブリの流路圧損が均一化されるので、反応ガスの過剰供給率を抑えることができる。
【００２７】
また、かかる構成の燃料電池１００は、弾性部材３２にコイルバネを用いているので、弾性部材３２がガス拡散層３０において大きな容積を占めることがない。したがって、ガス拡散層３０の機能低下を抑えることができる。
【００２８】
（２）変形例：
本実施例においては、アノード電極層２２及びカソード電極層２４はカーボンナノチューブとは異なる材質（触媒を担持したカーボン粒子の電極ペースト）を用いて形成したが、カーボンナノチューブを用いて形成してもよい。この場合、アノード電極層２２及びカソード電極層２４は、電解質層２３上に形成されたカーボンナノチューブの層として形成してもよい。あるいは、実施例で示したカーボンナノチューブ３４の電解質・電極接合体２０側の先端部に触媒を担持させることで、アノード電極層２２及び電解質層２３として機能させてもよい。これらの場合、実施例で示した弾性部材３２は、電解質層２３とセパレータ４０の間に設置してもよい。
【００２９】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこうした実施例に限られるものではなく、本発明の要旨を脱しない範囲において、種々なる態様で実施できることは勿論である。例えば、本発明の燃料電池は、実施例に示した固形高分子形の燃料電池に限るものではない。カーボンナノチューブを用いたガス拡散層を有していれば、他の形式の燃料電池としても構成できる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の燃料電池１００の概略構成を示す説明図である。
【符号の説明】
【００３１】
２０…電解質・電極接合体
２２…アノード電極層
２３…電解質層
２４…カソード電極層
３０…ガス拡散層
３２…弾性部材
３４…カーボンナノチューブ
４０…セパレータ
４２…冷却水流路
４４…酸化ガス供給マニホールド
４６…酸化ガス排出マニホールド
５０…シール部
１００…燃料電池
【図１】
2008282646.tif 000003