(57)【要約】【課題】ガス圧損を低減するとともに排水性を向上させた燃料電池を提供する。【解決手段】燃料電池は、電解質膜に燃料極と空気極を有する接合体４０と、接合体４０を挟持する一対のセパレータ１０とから構成されるセルを積層してなる燃料電池であって、前記燃料極と空気極のそれぞれ設けられているガス拡散層４２の少なくとも一方とセパレータ１０との間に配置される多孔体流路層を有し、多孔体流路層は、複数の貫通孔を有する金属板により形成されているガス拡散部材２０からなり、ガス拡散部材２０とガス拡散層４２との界面に存在するガス拡散部材２０の凹部２２内に、ガス拡散部材２０と接するガス拡散層４２の面の一部が充填されている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜に燃料極と空気極を有する接合体と、前記接合体を挟持する一対のセパレータとから構成されるセルを積層してなる燃料電池であって、
前記燃料極と空気極のそれぞれ設けられているガス拡散層の少なくとも一方と前記セパレータとの間に配置される多孔体流路層を有し、
前記多孔体流路層は、複数の貫通孔を有する金属板により形成されているガス拡散部材からなり、
前記ガス拡散部材と前記ガス拡散層との界面に存在する前記ガス拡散部材の凹部内に、前記ガス拡散部材と接するガス拡散層の面の一部が充填されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池において、
前記セパレータは、前記接合体側表面が平滑面であるフラットセパレータであることを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の燃料電池において、
前記ガス拡散部材は、ラスカットメタルまたはエキスパンドメタルであることを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池において、
前記ガス拡散層は、前記ガス拡散部材の凹部の大きさに応じた前記凹部に充填可能な弾性を有することを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池において、
前記ガス拡散部材の凹部の深さ長は、凹部の開口径より短いことを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス拡散部材、特に、燃料電池において、発電中に生成する生成水を排除し易くし、燃料電池の発電効率を維持安定化させるためのガス拡散部材の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、固体高分子型燃料電池は、図６に示すように、固体高分子膜からなる電解質膜６２を燃料極６０と空気極６４との２枚の電極で挟んだ接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）を、さらに２枚のセパレータ７０に挟持してなるセルを最小単位とし、通常、このセルを複数積み重ねて燃料電池スタック（ＦＣスタック）とし、高圧電圧を得るようにしている。
【０００３】
固体高分子型燃料電池の発電の仕組みは、一般に、燃料極（アノード側電極）６０に燃料ガス、例えば水素含有ガスが、一方、空気極（カソード側電極）６４には酸化剤ガス、例えば主に酸素（Ｏ2）を含有するガスあるいは空気が供給される。水素含有ガスは、燃料ガス流路を通って燃料極６０に供給され、電極の触媒の作用により電子と水素イオン（Ｈ+）に分解される。電子は外部回路を通って、燃料極６０から空気極６４に移動し、電流を作り出す。一方、水素イオン（Ｈ+）は電解質膜６２を通過して空気極６４に達し、酸素および外部回路を通ってきた電子と結合し、反応水（Ｈ2Ｏ）になる。水素（Ｈ2）と酸素（Ｏ2）および電子の結合反応と同時に発生する熱は、冷却水によって回収される。また、空気極５４のあるカソード側に生成した水（以下「生成水」という）は、カソード側から排出される。
【０００４】
図６に示すように、燃料電池の運転中（発電中）において、生成水は空気極６４の表面の電解質膜６２に接する部分に発生する。そして、燃料電池の運転に伴い、この生成水を燃料電池系外に効率よく排出できない場合には、空気極６４の拡散層とセパレータ７０との間の空間に生成水が滞留し、その結果、反応ガス、特に酸化剤ガスの拡散が阻害され、いわゆるフラッティング現象が生じてしまう。かかる場合、燃料電池の発電効率が低下する傾向が見られた。
【０００５】
一方、従来より、燃料電池内のセパレータと燃料極との間およびセパレータと空気極との間の燃料ガス、酸化剤ガスとのガス流路内におけるガス流通性の工夫がなされている。
【０００６】
例えば、特許文献１には、セパレータ本体と燃料電池の電極構造体を構成する電極層との間に燃料ガスと酸化剤ガスとをそれぞれ供給するガス流路を形成しかつ前記電極構造体により発電された電気を集電するガス流路形成部材が、セパレータ本体の窪みに配置された燃料電池セパレータが提案されており、上記ガス流路形成部材は、１枚板のエキスパンドメタルに筋状凹凸形成されている。
【０００７】
また、特許文献２には、開口率の異なるエキスパンドメタルを交互に積層させてガス流路形成部材を製造することが提案されている。
【０００８】
【特許文献１】特開２００５−３１０６３３号公報
【特許文献２】特表２００７−２６８１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
例えば、図５に示すように、ラスカットメタルまたはエキスパンドメタルからなるガス拡散部材２０を、燃料極と空気極のそれぞれ設けられているガス拡散層５２の少なくとも一方とフラットセパレータ１０との間に配置し、ガス拡散部材２０を多孔体流路として機能させる従来の燃料電池では、ガス拡散部材２０とガス拡散層５２との界面に、小さな隙間２４が形成されてしまう。そして、例えば、燃料電池の低負荷時におけるガス流量の少ない低電流域では、ガス動圧が小さいため、特にカソード側では、燃料電池の発電時に生成する生成水１８が、ガス拡散部材２０とガス拡散層５２との界面の小さな隙間２４、およびガス拡散部材２０とガス拡散層５２との界面に存在するガス拡散部材２０の凹部２２内に滞留し、排水されにくくなるおそれがある。その結果、圧力損失（圧損）差が生じ、ガスは、ガス拡散部材２０とガス拡散層５２との間に流れるよりも、むしろガス拡散部材２０とフラットセパレータ１０との間（図５の矢印にて示した個所）に流れ、これにより、接合体（ＭＥＡ）４０に対してガス拡散が行われず、発電が阻害されるおそれがあった。
【００１０】
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、燃料電池からの生成水排出を良好に行い、運転効率を維持安定化させた燃料電池を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明の燃料電池は以下の特徴を有する。
【００１２】
（１）電解質膜に燃料極と空気極を有する接合体と、前記接合体を挟持する一対のセパレータとから構成されるセルを積層してなる燃料電池であって、前記燃料極と空気極のそれぞれ設けられているガス拡散層の少なくとも一方と前記セパレータとの間に配置される多孔体流路層を有し、前記多孔体流路層は、複数の貫通孔を有する金属板により形成されているガス拡散部材からなり、前記ガス拡散部材と前記ガス拡散層との界面に存在する前記ガス拡散部材の凹部内に、前記ガス拡散部材と接するガス拡散層の面の一部が充填されている燃料電池である。
【００１３】
ガス拡散部材とガス拡散層との界面に存在するガス拡散部材の凹部内に、ガス拡散部材と接するガス拡散層の面の一部が充填されているので、ガス拡散層とガス拡散部材との界面に、隙間が形成されない又はほとんど隙間を有しない。これにより、ガス拡散層とガス拡散部材との界面において、燃料電池の発電時に特にカソード側のガス拡散層より露出してくる生成水の滞留が抑制され、例えば、燃料電池の低負荷時におけるガス流量の少ない低電流域であっても、ガス拡散部材とガス拡散層との間にガスが拡散し、発電効率が維持される。
【００１４】
（２）上記（１）に記載の燃料電池において、前記前記セパレータは、前記接合体側表面が平滑面であるフラットセパレータである燃料電池である。
【００１５】
（３）上記（１）または（２）に記載の燃料電池において、前記ガス拡散部材は、ラスカットメタルまたはエキスパンドメタルである燃料電池である。
【００１６】
前記ガス拡散部材をラスカットメタルまたはエキスパンドメタルとすることにより、貫通孔を網目状に形成することができ、且つ集電体としても機能させることができる。
【００１７】
（４）上記（１）から（３）のいずれか１つに記載の燃料電池において、前記ガス拡散層は、前記ガス拡散部材の凹部の大きさに応じた前記凹部に充填可能な弾性を有する燃料電池である。
【００１８】
ガス拡散部材の凹部の大きさに応じて、ガス拡散層の弾性特性を適宜選択することにより、前記凹部内にガス拡散層の一部を埋め込むことができる。これにより、ガス拡散層とガス拡散部材との界面の隙間形成を抑制することができる。
【００１９】
（５）上記（１）から（３）のいずれか１つに記載の燃料電池において、前記ガス拡散部材の凹部の深さ長は、凹部の開口径より短い燃料電池である。
【００２０】
ガス拡散部材の凹部を浅くすることにより、浅めの凹部内にガス拡散層の一部が埋め込まれ易くなり、これによりガス拡散層とガス拡散部材との界面の隙間形成を抑制することができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、発電の際に生成した生成水が燃料電池系外に効率よく排出されるため、フラッティング現象が生じ難く、燃料電池の出力特性を維持安定させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。
【００２３】
図１には、本実施の形態の燃料電池に用いられるセパレータ１０とこのセパレータの発電領域部分に配置されるガス拡散部材２０の一例が示されている。図１に示すように、セパレータ１０の両端には、それぞれ、連通孔が設けられ、例えば、図１に示すセパレータが、カソード側の場合、セパレータ１０の一端側には、冷却水を供給する冷却水供給連通孔１２ａ、燃料ガスを供給する燃料ガス供給連通孔１４ａおよび酸化剤ガスが排出される酸化ガス排出連通孔１６ｂが設けられ、一方セパレータ１０の他端側には、冷却水が排出される冷却水排出連通孔１２ｂ、燃料ガスが排出される燃料ガス排出連通孔１４ｂおよび酸化剤ガスが供給される酸化ガス供給連通孔１６ａが設けられている。したがって、図１に示すカソード側では、ガス拡散部材２０における酸化剤ガスの拡散方向は、白抜き矢印方向である。
【００２４】
また、図１に示すガス拡散部材２０は、数の貫通孔を有する金属板により形成されており、例えばラスカットメタルまたはエキスパンドメタルのいずれかの形態を用いることができる。
【００２５】
ここで、本実施の形態において、「ラスカットメタル」とは、平板状の薄肉金属板に対して、順次千鳥配置の切れ目を加工するとともに加工した切れ目を押し曲げることによって、網目状の小径の貫通孔が形成されたものである。また、「エキスパンドメタル」とは、平板状の薄肉金属板に対して、順次千鳥配置の切れ目を加工するとともに加工した切れ目を押し曲げることによって網目状の小径の貫通孔が形成され、さらに、圧延加工されて略平板状とされたものである。エキスパンドメタルは略平板状に成形されるため、例えば、最終成形後の製品において不必要な曲がりや凹凸などを除去するための工程を設ける必要がなく、製造コストを低減することができる。
【００２６】
また、ガス拡散部材２０が集電体を兼ねる場合には、金属セパレータに用いる金属材料であればいかなるものでも用いることができるが、燃料電池の製造時に上述したセルを積層圧縮する際の圧力に抗し所定のガス流通を可能とするある程度の剛性を有する材料が好ましく、例えば、チタン、ステンレス材が好ましい。
【００２７】
図２には、ガス拡散部材２０の構造の一例が示されている。なお、図２に示すガス拡散部材２０は、異形形状のものであるが、これに限るものではなく、例えば、六角形状のものを用いてもよい。
【００２８】
<多孔体流路層>
図３には、電解質膜に燃料極と空気極を有する接合体４０と、接合体４０を挟持する一対のセパレータ１０とから構成されるセルを積層してなる燃料電池であって、燃料極と空気極のそれぞれ設けられているガス拡散層４２の少なくとも一方とセパレータ１０との間に配置される多孔体流路層を有する燃料電池のカソードまたはアノード側の一方側の構成の一例が示されている。また、図３に示すように、ガス拡散部材２０を、ガス拡散層４２とセパレータ１０との間に配置して、多孔体流路層として用いている。なお、図３は、図２に示すＡ視方向と同様の方向からの側面図である。
【００２９】
本実施の形態では、図３に示すように、ガス拡散部材２０とガス拡散層４２との界面に存在するガス拡散部材２０の凹部２２内に、ガス拡散部材２０と接するガス拡散層４２の面の一部が充填されている。
【００３０】
したがって、ガス拡散層４２とガス拡散部材２０との界面に、隙間が形成されない又はほとんど隙間を有しない状態になっている。これにより、ガス拡散層４２とガス拡散部材２０との界面において、燃料電池の発電時に特にカソード側のガス拡散層より露出してくる生成水の滞留が抑制され、速やかに生成水は排出される。したがって、例えば、燃料電池の低負荷時におけるガス流量の少ない低電流域であっても、ガス拡散部材２０とガス拡散層４２との間にガスが安定的に拡散し、発電効率が維持される。
【００３１】
ここで、ガス拡散層４２は、ガス拡散部材２０の凹部２２の大きさに応じて、凹部２２に充填可能な弾性を有する。これにより、ガス拡散層４２の一部埋め込む量が凹部２２の容量以上（すなわち、ガス拡散層４２の一部埋め込む量≧凹部２２の容量）にすることができ、凹部２２内にガス拡散層４２の一部が埋め込まれ、ガス拡散層４２とガス拡散部材２０との界面の隙間形成を抑制することができる。
【００３２】
例えば、図３に示すガス拡散部材２０がラスカットメタルまたはエキスパンドメタルからなる場合、ラスカットメタルまたはエキスパンドメタルの凸幅ピッチが０．４ｍｍの場合、ガス拡散層４２の素材のヤング率が０．２ＭＰａのときガス拡散層４２の一部埋め込む深さは１００μｍ、ガス拡散層４２の素材のヤング率が６．２ＭＰａのときガス拡散層４２の一部埋め込む深さは３０μｍ、ガス拡散層４２の素材のヤング率が８．７ＭＰａのときガス拡散層４２の一部埋め込む深さは２０μｍである。したがって、ガス拡散部材２０の凹部２２の深さｈ1が３０μｍである場合には、ガス拡散層４２の素材のヤング率を６．２ＭＰａ以下とすることが好ましい。
【００３３】
また、ここで、燃料電池のセパレータとして、耐久性の観点から金属セパレータが用いられるようになってきているが、この金属セパレータは耐蝕性および帯電性の両立が必須となる。この上記耐蝕性および帯電性を両立させるものとしてチタン製のセパレータが候補に挙げられている。しかし、チタンは、剛性が高く、ステンレスのようにプレス加工が容易でないため、流路をプレス以外の方法で形成する必要が生じる。そこで、チタン製セパレータをフラットセパレータとし、このフラットセパレータとガス拡散層との間に多孔体により流路を形成する構成を案出し、この多孔体流路として、上述したガス拡散部材２０を用いた擬似的多孔体流路層として用いる構成について、以下に説明する。ここで、「フラットセパレータ」とは、上述した固体高分子膜からなる電解質膜を燃料極と空気極との２枚の電極で挟んだ接合体の側の表面が平滑面であるセパレータをいう。
【００３４】
また、本実施の形態では、セパレータ１０としてフラットセパレータを例に取り説明したが、これに限るものではなく、例えばセパレータとして従来のガス供給溝付きステンレス製セパレータを用いてもよい。
【００３５】
また、上述した多孔体流路層は、ガス拡散層４２および接合体４０の電極にガスを供給するため、セパレータ面沿い方向へのガス流通性能が必要となる。そのため、圧力損失を小さくする必要があるため、ガス拡散層４２に比べ気孔径および気孔率ともに大きい必要がある。したがって、多孔体流路層に使用されるガス拡散部材２０の貫通孔は、通常の拡散層に使用されるカーボン系多孔体の気孔に比べ大きめに形成されていることが好ましい。
【００３６】
上述した図３に示すような構成は、生成水の発生を考慮すると、少なくとも燃料電池のセルのカソード側に設けられていることが好ましいが、これに限るものではなく、燃料電池のセルのアノード側にも設けられていてもよい。
【００３７】
また、他の実施の形態では、図１に示すガス拡散部材２０の代わりに図４に示すガス拡散部材３０を用いる。図４に示すように、ガス拡散部材３０の凹部３２の深さ長ｈ2は、凹部２２の開口径より短く形成されている。
【００３８】
したがって、ガス拡散部材３０の凹部３２を浅くすることにより、浅めの凹部３２内にガス拡散層５２の一部が埋め込まれ易くなる。これにより、ガス拡散層５２とガス拡散部材３０との界面の隙間形成を抑制することができる。
【００３９】
そして、例えば、ガス拡散部材３０がラスカットメタルまたはエキスパンドメタルからなる場合、ラスカットメタルまたはエキスパンドメタルを形成する際のラスカットの切り込み量を小さくすることによって、凹部を浅くすることができる。
【００４０】
また、例えば、図４に示すガス拡散部材３０の凹部３２の深さ長ｈ2は、図３に示すガス拡散部材２０の凹部２２の深さ長ｈ1より短く凹部３２は浅く形成されている。したがって、例えば、ラスカットメタルまたはエキスパンドメタルの凸幅ピッチが０．４ｍｍの場合、ガス拡散層の素材のヤング率が６．２ＭＰａのときガス拡散層の一部埋め込む深さは３０μｍ、ガス拡散層の素材のヤング率が８．７ＭＰａのときガス拡散層の一部埋め込む深さは２０μｍであることから、例えばガス拡散層５２の素材のヤング率が８．７ＭＰａ以上の場合には、ガス拡散層５２の素材のヤング率の応じて、ガス拡散部材３０の凹部３２の深さｈ2を２０μｍ以下の範囲で適宜選択することが好ましい。
【００４１】
また、上述した図４に示すような構成は、生成水の発生を考慮すると、少なくとも燃料電池のセルのカソード側に設けられていることが好ましいが、これに限るものではなく、燃料電池のセルのアノード側にも設けられていてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明の燃料電池は、燃料電池を用いる用途であれば、いかなる用途にも有効であるが、特に車両用の燃料電池に供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の燃料電池のセルにおけるカソード側のセパレータと多孔体流路層との構成の一例を説明する平面図である。
【図２】本発明の燃料電池に用いるガス拡散部材の構造の一例を示す斜視図である。
【図３】本実施の形態の燃料電池のセルにおけるカソードまたはアノード側の一方側の構成の一例を説明する側面図である。
【図４】本実施の形態の燃料電池のセルにおける他のカソードまたはアノード側の一方側の構成の一例を説明する側面図である。
【図５】従来の燃料電池のセルにおけるカソード側の構成の一例を説明する側面図である。
【図６】燃料電池のセルの構成および発電時のメカニズムを説明する図である。
【符号の説明】
【００４４】
１０  セパレータ、１８  生成水、２０，３０  ガス拡散部材、２２，３２  凹部、２４  隙間、４０  接合体、４２，５２  ガス拡散層。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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