(57)【要約】【課題】燃料電池用セルにおいて、生成水等の排出性をより向上させることである。【解決手段】電解質膜１２と、電解質膜１２の両面に積層される触媒層１４と、触媒層１４に積層されるガス拡散層１８と、ガス拡散層１８に積層され、ガス流路を形成するエキスパンド成形体２０と、エキスパンド成形体２０に積層され、隣設するセル間のガスを分離するセパレータ２２と、を備え、セパレータ２２は、金属材料で成形されたセパレータ基板２６を含む燃料電池用セル１０であって、セパレータ基板２６のガス流路側に一端３０が固着される金属箔２８と、セパレータ基板２６と金属箔２８との間に接合して設けられ、水を吸収して膨張し、金属箔２８の他端３２を押し上げてセパレータ基板２６の表面に形成された水滴４０と接触させる吸水性樹脂３４とを有する。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜と、
電解質膜の両面に積層される触媒層と、
触媒層に積層されるガス拡散層と、
ガス拡散層に積層され、ガス流路を形成するガス流路構造体と、
ガス流路構造体に積層され、隣設するセル間のガスを分離するセパレータと、
を備え、
セパレータは、金属材料で成形されたセパレータ基板を含む、
燃料電池用セルであって、
セパレータ基板のガス流路側に一端が固着される金属箔と、
セパレータ基板と金属箔との間に設けられ、水を吸収して膨張し、金属箔の他端を押し上げてセパレータ基板表面に形成された水滴と接触させる吸水性樹脂と、
を有することを特徴とする燃料電池用セル。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池用セルであって、
ガス流路構造体は、セパレータ基板と接触するガス流路部材を含み、
セパレータ基板とガス流路部材とにおける鋭角の接触部に形成された水滴に対して、他端が対向して金属箔が固着されることを特徴とする燃料電池用セル。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池用セルであって、
接触部から金属箔の固着端までの距離Ｌと、
セパレータ基板とガス流路部材との角度Ａとして、
金属箔の長さＸが下記の式（１）を満足することを特徴とする燃料電池用セル。
Ｘ＜ＬｓｉｎＡ・・・式（１）
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１つに記載の燃料電池用セルであって、
吸水性樹脂は、ポリアクリル酸塩であることを特徴とする燃料電池用セル。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１つに記載の燃料電池用セルであって、
金属箔は、チタン箔またはステンレス箔であることを特徴とする燃料電池用セル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用セルに係り、特に、電解質膜と、電解質膜の両面に積層される触媒層と、触媒層に積層されるガス拡散層と、ガス拡散層に積層され、ガス流路を形成するガス流路構造体と、ガス流路構造体に積層され、隣設するセル間のガスを分離するセパレータと、を備える燃料電池用セルに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、高効率と優れた環境特性を有する電池として近年脚光を浴びている。燃料電池は、一般的に、燃料ガスである水素に、酸化剤ガスである空気中の酸素を電気化学反応させて、電気エネルギを作りだしている。そして、水素と酸素とが電気化学反応した結果、水が生成される。
【０００３】
燃料電池の種類には、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体電解質型、アルカリ型、固体高分子型等がある。この中でも、常温で起動しかつ起動時間が速い等の利点を有する固体高分子型の燃料電池が注目されている。このような固体高分子型の燃料電池は、移動体、例えば、車両等の動力源として用いられている。
【０００４】
固体高分子型の燃料電池は、複数の単セル、集電板、エンドプレート等を積層して組み立てられる。そして、燃料電池用セルは、電解質膜と、触媒層と、ガス拡散層と、セパレータとを含んで構成される。
【０００５】
特許文献１には、電解質の両側に一対の電極が設けられた電解質・電極構造体と、セパレータとが水平方向に積層される積層体を備え、前記電解質・電極構造体と一方のセパレータとの間には、前記電極の面方向に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路が形成されるとともに、前記反応ガス流路の端部に連通する反応ガス連通孔が、前記積層体を積層方向に貫通して形成される燃料電池スタックが記載されている。そして、燃料電池スタックは、積層体の少なくとも一方の端部に配設されるマニホールド部材を備え、前記マニホールド部材は、反応ガス連通孔に連通し且つ該反応ガス連通孔とは異なる開口形状を有するマニホールド連通孔を設けるとともに、前記マニホールド部材には、前記反応ガス連通孔と前記マニホールド連通孔との連結部位に凹形状部、凸形状部又は凹凸形状部等の複数の突起が形成され、生成水等の水分が表面張力によって水滴化することを阻止することが記載されている。
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−２３６８４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、上述したように、生成水や結露水等の水分が表面張力によって水滴化することにより、セパレータ表面のガス流路側に水滴が形成される場合がある。そして、セパレータ表面に形成された水滴が成長すると、水滴により生成水等の排出が阻害され、排出性が低下する場合がある。また、生成水等の排出性が低下することにより、燃料ガスや酸化剤ガスの供給が抑制され、燃料電池の発電性能が低下する可能性がある。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、生成水等の排出性をより向上させる燃料電池用セルを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る燃料電池用セルは、電解質膜と、電解質膜の両面に積層される触媒層と、触媒層に積層されるガス拡散層と、ガス拡散層に積層され、ガス流路を形成するガス流路構造体と、ガス流路構造体に積層され、隣設するセル間のガスを分離するセパレータと、を備え、セパレータは、金属材料で成形されたセパレータ基板を含む、燃料電池用セルであって、セパレータ基板のガス流路側に一端が固着される金属箔と、セパレータ基板と金属箔との間に設けられ、水を吸収して膨張し、金属箔の他端を押し上げてセパレータ基板表面に形成された水滴と接触させる吸水性樹脂と、を有することを特徴とする。
【００１０】
本発明に係る燃料電池用セルにおいて、ガス流路構造体は、セパレータ基板と接触するガス流路部材を含み、セパレータ基板とガス流路部材とにおける鋭角の接触部に形成された水滴に対して、他端が対向して金属箔が固着されることを特徴とする。
【００１１】
本発明に係る燃料電池用セルは、接触部から金属箔の固着端までの距離Ｌと、セパレータ基板とガス流路部材との角度Ａとして、金属箔の長さＸが下記の式（１）を満足することを特徴とする。
Ｘ＜ＬｓｉｎＡ・・・式（１）
【００１２】
本発明に係る燃料電池用セルにおいて、吸水性樹脂は、ポリアクリル酸塩であることを特徴とする。
【００１３】
本発明に係る燃料電池用セルにおいて、金属箔は、チタン箔またはステンレス箔であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
上記構成における燃料電池用セルによれば、水滴の成長を抑えることにより、生成水等の排出性をより向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき、詳細に説明する。図１は、燃料電池用セル１０の断面を示す図である。燃料電池用セル１０は、電解質膜１２と、触媒層１４と、を一体化し、燃料電池の電極を形成する膜電極接合体１６(Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ)と、ガス拡散層１８と、ガス流路を形成するガス流路構造体であるエキスパンド成形体２０と、隣設するセル（図示せず）間の燃料ガスまたは酸化剤ガスを分離するセパレータ２２と、を含んで構成される。
【００１６】
電解質膜１２は、アノード極側で発生した水素イオンをカソード極側まで移動させる機能等を有している。電解質膜１２の材料には、化学的に安定であるフッ素系樹脂、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸のイオン交換膜が使用される。
【００１７】
触媒層１４は、電解質膜１２の両面に積層され、アノード極側での水素の酸化反応や、カソード極側での酸素の還元反応を促進する機能を有している。そして、触媒層１４は、触媒と、触媒の担体とを含んで構成される。触媒は、反応させる電極面積をより大きくするため、一般的に粒子状にして、触媒の担体に付着させて使用される。触媒には、水素の酸化反応や酸素の還元反応について、より小さい活性化過電圧を有する白金族元素である白金等が使用される。触媒の担体には、カーボン材料、例えば、カーボンブラック等が使用される。
【００１８】
ガス拡散層１８は、触媒層１４に積層され、燃料ガスである、例えば、水素ガス等と、酸化剤ガスである、例えば、空気等とを触媒層１４に拡散させる機能や、電子を移動させる機能等を有している。そして、ガス拡散層１８には、導電性を有する材料であるカーボン繊維織布、カーボン紙等が使用される。
【００１９】
エキスパンド成形体２０は、ガス拡散層１８に積層され、ガス流路を形成するガス流路構造体としての機能を有している。エキスパンド成形体２０は、ガス拡散層１８と、セパレータ２２とに接触して積層され、ガス拡散層１８とセパレータ２２とに電気的に接続される。エキスパンド成形体２０は、ガス流路を形成するガス流路部材２４を含んで構成される。
【００２０】
エキスパンド成形体２０には、例えば、ＪＩＳ  Ｇ  ３３５１に示されるエキスパンドメタルや、ＪＩＳ  Ａ  ５５０５に示されるメタルラス等を用いることができる。エキスパンドメタルは、チタンシートやステンレスシート等を、切延加工等することにより成形される。エキスパンドメタルは、例えば、チタンシートまたはステンレスシート等に千鳥状に切れ目を入れると同時に、これを押し延ばして広げることにより網目（メッシュ）状に切延加工して、一体として成形される。
【００２１】
図２は、エキスパンドメタルを用いたエキスパンド成形体２０の構成を示す図であり、図２（Ａ）は、エキスパンド成形体２０の模式図であり、図２（Ｂ）は、Ａ−Ａ方向の断面図である。エキスパンド成形体２０は、多数の開口からなるメッシュ構造を備えている。エキスパンド成形体２０に形成されたメッシュは、燃料ガスや酸化剤ガスのガス流路としての機能を有している。このように、エキスパンド成形体２０は多数の開口を有するので、より多くの燃料ガス等がガス拡散層１８と接触して電気化学反応する。そのため、燃料電池用セル１０の発電効率をより高めることができる。ガス流路部材２４の板厚（ｔ）、メッシュの短目方向中心間距離（ＳＷ）、メッシュの長目方向中心間距離（ＬＷ）、刻み幅（Ｗ）、エキスパンド成形体２０の厚み（Ｘ）は、各々所定の大きさに設定される。
【００２２】
再び、図１に戻り、セパレータ２２は、エキスパンド成形体２０に積層され、隣設するセル（図示せず）における燃料ガスと酸化剤ガスとを分離する機能を有している。また、セパレータ２２は、隣設するセル（図示せず）を電気的に接続する機能を有している。セパレータ２２は、セパレータ基板２６を含んで構成される。
【００２３】
セパレータ基板２６は、チタン、チタン合金、またはステンレス鋼等で成形されることが好ましい。これらの金属材料は、機械的強度が高く、表面に安定な酸化物（ＴｉＯ2、Ｃｒ2Ｏ3等）からなる不働態膜を形成し、優れた耐食性を有するからである。ステンレス鋼には、オーステナイト系ステンレス鋼やフェライト系ステンレス鋼等を用いることができる。勿論、他の条件次第では、セパレータ基板２６を成形する金属材料は、チタンやステンレス鋼等に限定されることなく、他の金属材料を用いることができる。セパレータ基板２６には、例えば、チタンシートやステンレスシート等が用いられる。
【００２４】
金属箔２８は、セパレータ基板２６のガス流路側に設けられ、生成水等の水分が水滴化して形成された水滴と接触し、水滴の水を排水する機能を有している。図３は、セパレータ基板２６のガス流路側を示す拡大図である。金属箔２８の一端がセパレータ基板２６と固着されて固着端３０が形成される。ここで、セパレータ基板２６とガス流路部材２４とにおける鋭角の接触部３３に形成された水滴に対して、他端３２が対向して金属箔２８が固着されることが好ましい。セパレータ基板２６とガス流路部材２４とにおける鋭角の接触部３３には水滴が形成されやすいため、より多くの水滴の形成や水滴の成長を抑制することができるからである。勿論、他の条件次第では、金属箔２８の配置は、上記配置に限定されることはない。
【００２５】
金属箔２８の金属材料には、ステンレス鋼（ＳＵＳ３１６シリーズ）等の耐酸性メタル、チタン、金、白金等を用いることができる。金属箔は、一般的な金属箔の製造方法により製造される。また、金属箔２８の表面は、接触角６０度以下の親水性を有していることが好ましい。金属箔２８の表面の濡れ性をより高めることで、水滴の水が排水されやすくなるからである。金属箔２８とセパレータ基板２６とは、例えば、溶接や接着等で固着される。また、他の条件次第では、金属箔２８の代わりに、親水化されたカーボン材料等で成形されたカーボンシート等を用いてもよい。
【００２６】
吸水性樹脂３４は、セパレータ基板２６と金属箔２８との間に設けられ、水を吸収して膨張し、金属箔２８の他端３２を押し上げてセパレータ基板２６の表面に形成された水滴と接触させる機能を有している。金属箔２８の他端３２を押し上げて、セパレータ基板２６の表面に形成された水滴と金属箔２８の他端３２とを接触させることにより、水滴の水が金属箔２８を介して排水され、水滴の形成や成長を抑えることができる。吸水性樹脂３４は、例えば、金属箔２８の固着端３０から所定間隔空けたところに設けることができる。吸水性樹脂３４は、セパレータ基板２６と金属箔２８とに、例えば、接着剤等で接合される。また、水を吸収して膨張した吸水性樹脂３４は、加熱またはガス等で乾燥させることにより収縮させることができる。
【００２７】
吸水性樹脂３４には、ポリアクリル酸塩を用いることができる。ポリアクリル酸塩は、より多くの水を吸収し膨潤するからである。また、吸水性樹脂３４には、燃料電池用セル１０の電解質膜１２に用いられる水を吸収して膨潤する樹脂を使用してもよい。勿論、他の条件次第では、吸水性樹脂３４は、上記樹脂に限定されることはない。
【００２８】
なお、セパレータ基板２６とガス流路部材２４とにおける鋭角の接触部３３に形成された水滴に対して、他端３２が対向して金属箔２８が固着され、接触部３３から金属箔２８の固着端３０までの距離Ｌと、セパレータ基板２６とガス流路部材２４との角度Ａとして、金属箔２８の長さＸが下記の式（１）を満足することが好ましい。
Ｘ＜ＬｓｉｎＡ・・・式（１）
【００２９】
金属箔２８の他端３２が吸水性樹脂３４で押し上げられたときに、金属箔２８の長さＸを固着端３０からガス流路部材２４に下した垂線の長さより短くすることにより、金属箔２８とガス流路部材２４との接触を防止することができるからである。勿論、他の条件次第では、金属箔２８の長さＸは、上記式（１）を満足する長さに限定されることはない。
【００３０】
金属箔２８の他端３２が吸水性樹脂３４で押し上げられたときの金属箔２８とセパレータ基板２６との角度Ｂは、セパレータ基板２６とガス流路部材２４との角度Ａの略半分が好ましい。角度Ａが、例えば、４０度以上６０度以下である場合には、角度Ｂは、２０度以上３０度以下である。勿論、他の条件次第では、角度Ｂは、上記角度に限定されることはない。
【００３１】
次に、上記構成における燃料電池用セル１０の動作について説明する。
【００３２】
図４は、ガス流路内に滞留する生成水等が少ない状態を示す図である。燃料電池運転前等、ガス流路内に滞留する生成水等が少ない状態では、吸水性樹脂３４は殆ど膨張しないので、金属箔２８の他端３２は吸水性樹脂３４により殆ど押し上げられない。
【００３３】
図５は、ガス流路内に滞留する生成水等が多い状態を示す図である。燃料電池運転中には、燃料ガスと酸化剤ガスとが電気化学反応して生成水が生成され、また、燃料ガス中の水分が結露して結露水が生じるので、ガス流路内に滞留する生成水等が多くなる。生成水や結露水等の水分を吸水性樹脂３４が吸収すると、図５に示すように、吸水性樹脂３４は膨張し、金属箔２８の他端３２を押し上げる。一方、水滴４０は、例えば、セパレータ基板２６とガス流路部材２４とにおける鋭角の接触部３３に形成される。水滴４０は、生成水等を含んで成長すると、吸水性樹脂３４の膨張で押し上げられた金属箔２８の他端３２と接触する。それにより、水滴４０を形成する水が金属箔２８を介して排水され、水滴４０の成長が抑えられる。なお、膨張した吸水性樹脂３４を乾燥させることにより収縮させて、燃料電池用セル１０を図５に示す状態から図４に示す状態に戻すことができる。
【００３４】
以上、上記構成によれば、セパレータ基板のガス流路側に一端が固着される金属箔と、セパレータ基板と金属箔との間に設けられ、水を吸収して膨張し、金属箔の他端を押し上げてセパレータ基板の表面に形成された水滴と接触させる吸水性樹脂とを有しているので、金属箔の他端を押し上げてセパレータ基板の表面に形成された水滴と接触させることにより水滴の形成または成長を抑制し、生成水等の排水性をより向上させることができる。それにより、燃料ガスや酸化剤ガスのガス拡散性を高め、より効果的にガス供給し、燃料電池の発電性能を更に向上させることができる。
【００３５】
上記構成によれば、セパレータ基板とガス流路部材とにおける鋭角の接触部に形成された水滴に対して、他端が対向して金属箔が固着されることにより、ガス流路内に形成されやすい水滴の形成または成長を抑制し、生成水等の排水性をより向上させることができる。
【００３６】
（実施例）
複数の燃料電池用セルを製造し、セルの出力特性を評価した。
【００３７】
実施例１における燃料電池用セルの製造方法について説明する。まず、膜電極接合体の形成を行った。電解質膜には、高分子電解質膜であるＮａｆｉｏｎ１１２（デュポン社製）を用いた。カソード（空気極）触媒層には、４５質量％の白金を担持した炭素微粒子であるケチェンブラックＥＣ（ケチェン・ブラック・インターナショナル社製）を１ｇと、高分子電解質溶液であるＳＥ２００９２（デュポン社製）を２．２ｇと、多孔性親水性繊維を０．０７ｇと、を混合して作製したカソード触媒用ペーストを用いた。アノード（燃料極）触媒層には、３０質量％の白金を担持した炭素微粒子であるバルカンＸＣ−７２Ｒ（日本キャボット社製）を１ｇと、高分子電解質溶液であるＳＥ２００９２（デュポン社製）を３．５ｇと、を混合して作製したアノード触媒用ペーストを用いた。そして、高分子電解質膜における一方の面にカソード触媒用ペーストを塗布し、他方の面にアノード触媒用ペーストを塗布し、熱プレスして膜電極接合体を形成した。
【００３８】
ガス拡散層には、カーボンペーパーを用いた。そして、ガス流路構造体であるエキスパンド成形体には、チタンで成形したエキスパンドメタルを使用した。エキスパンドメタルのサイズは、板厚０．１ｍｍ、開口部の幅方向長さ５００μｍ、開口部の長手方向長さ１ｍｍである。
【００３９】
セパレータには、チタンで成形したチタンセパレータを用いた。チタン基板のガス流路側にチタン箔の一端を抵抗溶接で接合した。また、チタン箔は、チタン基板とエキスパンドメタルのガス流路部材とにおける鋭角の接触部に他端が対向するように配置された。チタン箔のサイズは、幅３００μｍ、長さ５００μｍ、厚さ５０μｍである。チタン箔は、チタン基板のガス流路側に複数箇所配置された。チタン箔の間隔は、チタン基板の幅方向で２００μｍ、長手方向で５００μｍとした。そして、チタン基板とチタン箔との間には、吸水性樹脂であるポリアクリル酸塩を配置した。ポリアクリル酸塩は、チタン基板とチタン箔との固着端から略８０μｍ離れた箇所に設けられた。
【００４０】
膜電極接合体の両面にガス拡散層であるカーボンペーパーを積層し、カーボンペーパーにエキスパンドメタルを積層した後、更に、エキスパンドメタルの開口部内に、固着されたチタン箔が入るようにチタンセパレータを積層して、実施例１における燃料電池用セルを製造した。
【００４１】
比較例１における燃料電池用セルの製造方法について説明する。比較例１における燃料電池用セルでは、チタン箔やポリアクリル酸塩を用いないで、チタン基板のみで形成されチタンセパレータを使用した。その他については、実施例１における燃料電池用セルの製造方法と同じ製造方法で製造した。
【００４２】
比較例２における燃料電池用セルの製造方法について説明する。比較例２における燃料電池用セルでは、チタン箔をチタン基板に固着したチタンセパレータを使用した。但し、チタン基板とチタン箔との間には、ポリアクリル酸塩を設けなかった。その他については、実施例１における燃料電池用セルの製造方法と同じ製造方法で製造した。
【００４３】
燃料電池用セルの出力特性評価を、生成水等がより滞留しやすい条件であるセル温度５０℃、フル加湿条件で行い、１．５Ａ／ｃｍ2における１０分間の平均セル電圧等を測定して評価した。なお、燃料ガスには水素を使用し、酸化剤ガスには空気を使用した。表１は、燃料電池用セルの出力特性評価を示す表である。
【表１】
2008277178.tif 000003
【００４４】
表１には、各々燃料電池用セルの平均セル電圧と電圧偏差とを示した。ここで、電圧偏差は、１０分間測定したセル電圧の標準偏差である。実施例１における燃料電池用セルの平均セル電圧は０．５２Ｖであり、電圧偏差は。０．０２Ｖであった。比較例１における燃料電池用セルの平均セル電圧は０．３４Ｖであり、電圧偏差は０．０４Ｖであった。比較例２における燃料電池用セルの平均セル電圧は０．３１Ｖであり、電圧偏差は０．０５Ｖであった。このように、実施例１における燃料電池用セルの平均セル電圧は、他の燃料電池用セルの平均セル電圧よりも大きいセル電圧が得られた。また、実施例１における燃料電池用セルの電圧偏差は、他の燃料電池用セルの電圧偏差よりも小さい値が得られた。
【００４５】
上記のように実施例１における燃料電池用セルでは、生成水を吸収して膨張したポリアクリル酸塩がチタン箔を押し上げることにより、チタン箔が、チタンシートとエキスパンドメタルのガス流路部材とにおける鋭角の接触部等に形成された水滴と接触し、チタン箔を介して水滴の水が排水されて滞留した水滴の成長が抑制された。それにより、生成水等の排水性が向上し、ガス流路を流れるガスのガス拡散性が向上したので、実施例１における燃料電池用セルの出力特性が他の燃料電池用セルの出力特性よりも向上した。これに対して、比較例１及び比較例２における燃料電池用セルでは、水滴の成長が抑制されないので生成水の排水性やガス拡散性が低下し、実施例１における燃料電池用セルより出力特性が低下した。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の実施の形態において、燃料電池用セルの断面を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態において、エキスパンドメタルを用いたエキスパンド成形体の構成を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態において、セパレータ基板のガス流路側を示す拡大図である。
【図４】本発明の実施の形態において、ガス流路内に滞留する生成水等が少ない状態を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態において、ガス流路内に滞留する生成水等が多い状態を示す図である。
【符号の説明】
【００４７】
１０  燃料電池用セル、１２  電解質膜、１４  触媒層、１６  膜電極接合体、１８  ガス拡散層、２０  エキスパンド成形体、２２  セパレータ、２４  ガス流路部材、２６  セパレータ基板、２８  金属箔、３０  固着端、３２  他端、３３  接触部、３４  吸水性樹脂、４０  水滴。
【図１】
2008277178.tif 000004
【図２】
2008277178.tif 000005
【図３】
2008277178.tif 000006
【図４】
2008277178.tif 000007
【図５】
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