(57)【要約】【課題】ガス拡散層の周縁部における短絡電流を減少させる技術を提供する。【解決手段】カソード側ガス拡散層４３０は、シール部材２２０の内枠と略同一の大きさに形成された不織布である。本実施例のカソード側ガス拡散層４３０は、カソード２１５と接触する中央部４３２は、炭素繊維から成ると共に、周縁部４３４は、導電性の低いＰＡＮ繊維から成る。アノード側ガス拡散層４１０も同様の構成を成している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両面に形成された電極に当接して設けられる燃料電池用ガス拡散層であって、
多孔質体から成ると共に、その周縁部の少なくとも一部が、中央部より導電性が低くなるように形成された、燃料電池用ガス拡散層。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池用ガス拡散層において、
前記周縁部は全周に亘って、絶縁されていることを特徴とする燃料電池用ガス拡散層。
【請求項３】
燃料電池であって、
電解質膜と該電解質膜の両面に形成された電極とを含む発電体と、
多孔質体から成ると共に、外形が前記電極より大きくなるように形成され、その中央部が前記電極に当接して設けられるガス拡散層と、
を備え、
前記ガス拡散層は、
前記電極よりはみ出している周縁部の少なくとも一部が、前記中央部より導電性が低くなるように形成されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池において、
前記ガス拡散層は、
前記周縁部が全周に亘って、絶縁されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
電解質膜の両面に形成された電極に当接して設けられる燃料電池用ガス拡散層の製造方法であって、
（ａ）有機繊維から成り、前記燃料電池用ガス拡散層の基材となる有機繊維体を用意する工程と、
（ｂ）前記有機繊維体の周縁部の少なくとも一部を除いて、前記有機繊維体を炭化させる工程と、
を備え、
前記周縁部の少なくとも一部が、前記工程（ｂ）によって炭化された部分より導電性が低くなることを特徴とする燃料電池用ガス拡散層の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池の中には、電解質膜の両側に電極が配置されて成るＭＥＡ（膜電極接合体：ｍｅｍｂｒａｎｅ−ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  ａｓｓｅｍｂｌｙ）を有するものがある。そして、反応ガスを拡散させて電極に供給するために、ＭＥＡの両側に、電極に当接してガス拡散層が配置されることが多い。そのような燃料電池においては、ガス拡散層の外形を電極の外形より大きく形成して、電極の周縁部にまで反応ガスが供給されるようにしている。すなわち、ガス拡散層の周縁部は、電極からはみ出している。
【０００３】
ガス拡散層は、例えば、炭素繊維からなるカーボンクロス等から成るため、その表面の炭素繊維が毛羽立っていることがある。上記したＭＥＡでは、電解質膜の外形が電極の外形よりも大きく形成され、電解質膜の周縁部が、電極からはみ出している。そのため、例えば、アノード側に配置されたガス拡散層の電極からはみ出している周縁部の毛羽が、電解質膜の電極からはみ出している周縁部を突き刺して、カソード側の拡散層に到達すると、両極が電気的に短絡するおそれがある。この問題を解消するために、従来は、電極の周囲を囲むように形成された枠状の保護フィルムが、２枚のガス拡散層それぞれの周縁部に挟まれるように設けられている(例えば、特許文献１参照。)。
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−３１９１５３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記した保護フィルムを設けて燃料電池を製造する場合、製造誤差や組付け誤差により、保護フィルムの内枠と、電極の端部が重なる場合がある。燃料電池に積層方向の圧縮荷重がかかると、保護フィルムと電極の端部が重なった部分は、他の部分に比べて厚くなるため、その部分に隣接する電解質膜のつぶれが生じたり、セパレータが変形したりするおそれがあった。
【０００６】
そこで、本発明は、上述の従来技術の問題点を解決し、ガス拡散層の周縁部における短絡電流を減少させる技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述の課題の少なくとも一部を解決するために、本発明における燃料電池用ガス拡散層は、
電解質膜の両面に形成された電極に当接して設けられる燃料電池用ガス拡散層であって、
多孔質体から成ると共に、その周縁部の少なくとも一部が、中央部より導電性が低くなるように形成されることを要旨とする。
【０００８】
ガス拡散層としては、例えば、繊維体から成り、多孔質性を有する布、紙等が用いられることがある。これらは、繊維体から成るため、表面が毛羽立つことがある。そして、燃料電池用ガス拡散層（以下、単にガス拡散層ともいう。）が、電極と当接するようにＭＥＡの両面に配置される場合に、例えば、ガス拡散層が電極よりも大きく形成されていると、電極からはみ出しているガス拡散層の表面の毛羽が、電解質膜を刺して他方のガス拡散層に到達する場合がある。そのような場合であっても、本発明のガス拡散層によれば、ガス拡散層の周縁部の少なくとも一部が、中央部より導電性が低くなるように形成されているため、毛羽を電流が流れ難くなる。そのため、ガス拡散層の周縁部における短絡電流を減少させることができる。
【０００９】
上記した燃料電池用ガス拡散層において、前記周縁部は全周に亘って、絶縁されていることが好ましい。
【００１０】
このようにすることによって、上記したようにガス拡散層の周縁部の毛羽が電解質膜を刺して、他方のガス拡散層に到達したとしても、周縁部の全周に亘って絶縁されているため、電気的に短絡することがなくなる。
【００１１】
上述の課題の少なくとも一部を解決するために、本発明における燃料電池は、
電解質膜と該電解質膜の両面に形成された電極とを含む発電体と、
多孔質体から成ると共に、外形が前記電極より大きくなるように形成され、その中央部が前記電極に当接して設けられるガス拡散層と、
を備え、
前記ガス拡散層は、
前記電極よりはみ出している周縁部の少なくとも一部が、前記中央部より導電性が低くなるように形成されていることを要旨とする。
【００１２】
本発明の燃料電池によれば、ガス拡散層の周縁部の毛羽が、電解質膜を刺して他方のガス拡散層に到達しても、周縁部の導電性が低いため、電流が流れ難くなる。すなわち、ガス拡散層の周縁部における短絡電流を減少させることができるようになる。
【００１３】
上記した燃料電池において、前記ガス拡散層は、前記周縁部が全周に亘って、絶縁されていることが好ましい。
【００１４】
このようにすることによって、上記したようにガス拡散層の周縁部の毛羽が他方のガス拡散層に到達したとしても、周縁部の全周に亘って絶縁されているため、電気的に短絡することはない。
【００１５】
上述の課題の少なくとも一部を解決するために、本発明における燃料電池用ガス拡散層の製造方法は、
電解質膜の両面に形成された電極に当接して設けられる燃料電池用ガス拡散層の製造方法であって、
（ａ）有機繊維から成り、前記燃料電池用ガス拡散層の基材となる有機繊維体を用意する工程と、
（ｂ）前記有機繊維体の周縁部の少なくとも一部を除いて、前記有機繊維体を炭化させる工程と、
を備え、
前記周縁部の少なくとも一部が、前記工程（ｂ）によって炭化された部分より導電性が低くなることを要旨とする。
【００１６】
本発明の燃料電池用ガス拡散層の製造方法によれば、その周縁部の一部は導電性の低い有機繊維から成り、その他の部分は炭素繊維から成る燃料電池用ガス拡散層を、製造することができる。すなわち、この製造方法により製造されたガス拡散層の周縁部の一部は、導電性が低く、その他の部分は、導電性が高くなる。したがって、この製造方法により製造されたガス拡散層を用いて燃料電池を構成すれば、ガス拡散層の周縁部における短絡電流を減少させることができるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
Ａ．実施例：
Ａ１．燃料電池の構成：
本実施例の燃料電池１００は、酸化ガスとしての空気と燃料ガスとしての水素とを用いて発電を行う固体高分子型の燃料電池である。図１は、本発明の一実施例としての燃料電池１００の断面構成を概略的に示す説明図である。図１では、燃料電池１００を、後述する図２におけるＡ−Ａラインで切断した切断面を示している。燃料電池１００は、図１に示すように、シール部材一体型ＭＥＡ２００の両面にアノード側ガス拡散層４１０、カソード側ガス拡散層４３０（以下、まとめてガス拡散層４１０、４３０とも呼ぶ。）がそれぞれ配置され、その両面にセパレータ３００が配置されるように積層された構成を成している。図１では、複数のシール部材一体型ＭＥＡ２００、ガス拡散層４１０、４３０、およびセパレータ３００が積層された部分の一部を抜き出して示しており、他は図示を省略している。
【００１８】
燃料電池１００は、上記した各構成部品が複数積層されて成り、全体としては、図１に示すように、発電に用いられる空気を供給する空気供給マニホールド６４０と、利用されなかった空気を排出する空気排出マニホールド６５０と、を備えている。また、同様に、発電に用いられる水素を供給する水素供給マニホールド(図示しない)と、利用されなかった水素を排出する水素排出マニホールド(図示しない)、を備えている。
【００１９】
燃料電池１００に供給された空気は、空気供給マニホールド６４０を通って、セパレータ３００の空気供給口３４６を介してカソード側ガス拡散層４３０に流入し、カソード側ガス拡散層４３０内を流通しつつ、ＭＥＡ２１０に供給されて電極反応に利用され、電極反応に利用されなかった空気は、セパレータ３００の空気排出口３５６を介して空気排出マニホールド６５０に排出され、空気排出マニホールド６５０を通って燃料電池１００外へ排出される。同様に、燃料電池１００に供給された水素も、燃料電池１００内を流通して電極反応に利用され、電極反応に利用されなかった水素は燃料電池１００外へ排出される。
【００２０】
Ａ１．１．シール部材一体型ＭＥＡの構成：
シール部材一体型ＭＥＡ２００は、図１に示すように、ＭＥＡ２１０と、ＭＥＡ２１０の外周に枠状に形成されているシール部材２２０と、を有している。ＭＥＡ２１０は、電解質膜２１２の一方の面にアノード２１４、他方の面にカソード２１５が配置された構成を成す。電解質膜２１２は、アノード２１４およびカソード２１５（これらをまとめて電極２１４、２１５とも呼ぶ。）より大きく形成されており、電解質膜２１２の周縁部が電極２１４、２１５から露出するように、これら３層が積層されている。本実施例において、電解質膜２１２としては、フッ素系樹脂により形成された高分子電解質膜を、アノード２１４およびカソード２１５としては、触媒として白金および白金合金を担持したカーボンクロスより形成された電極を、それぞれ用いるものとした。本実施例におけるＭＥＡ２１０が、請求項における発電体に相当する。
【００２１】
シール部材２２０は、図１に示すように、ＭＥＡ２１０の電解質膜２１２を挟持するように、ＭＥＡ２１０と一体的に形成されている。シール部材２２０には、前述の空気供給マニホールド６４０および空気排出マニホールド６５０を構成する貫通孔２４２、２５２がそれぞれ形成されている。同様に、水素および冷却水を流通させるための貫通孔（図示しない）も、設けられている。そして、それらの貫通孔の周囲には、セパレータ３００と接触することによって反応ガス等の漏洩を防止するための凸部２２２が設けられている。本実施例において、シール部材２２０は、シリコーンゴムを用いて射出成形により形成されている。
【００２２】
Ａ１．２．セパレータの構成：
セパレータ３００は、図１に示すように、カソード２１５に対向するカソード対向プレート３１０と、アノード２１４に対向するアノード対向プレート３３０と、カソード対向プレート３１０およびアノード対向プレート３３０に狭持された中間プレート３２０と、が積層された３層構造を有している。そして、図１に示すように、内部に、反応ガスや冷却水を流通させる流路（例えば、空気供給流路３４４等）が形成され、ガス拡散層４１０、４３０に接する面に、反応ガスを給排するための供給口（例えば、空気供給口３４６）および排出口（例えば、空気排出口３５６）が形成されている。セパレータ３００を構成する３枚のプレート（カソード対向プレート３１０、アノード対向プレート３３０、中間プレート３２０）は、略長方形を成す金属薄板である。
【００２３】
Ａ１．３．ガス拡散層の構成：
ガス拡散層４１０、４３０の構成について、カソード側ガス拡散層４３０を例に、図１および図２に基づいて説明する。アノード側ガス拡散層４１０の構成については、カソード側ガス拡散層４３０と同様であるため、説明を省略する。図２は、カソード側ガス拡散層４３０を示す平面図である。図２では、カソード側ガス拡散層４３０がシール部材一体型ＭＥＡ２００に当接して配置された状態を示している。
【００２４】
カソード側ガス拡散層４３０は、図１および図２に示すように、シール部材２２０の内枠と略同一の大きさに形成された不織布である。従来のガス拡散層としては、例えば、全体が炭素繊維から成る不織布が用いられているが、本実施例のカソード側ガス拡散層４３０は、カソード２１５と接触する中央部４３２（図１、２において、クロスハッチングで示す。）は、炭素繊維から成ると共に、周縁部４３４（図１、２において、斜線ハッチングで示す。）は、導電性の低いＰＡＮ（Ｐｏｌｙａｃｒｙｌｏｎｉｔｒｉｌｅ:ポリアクリロニトリル）繊維から成る。カソード側ガス拡散層４３０は、上記したように、全体として繊維体から成るため、表面が毛羽立ちやすい。
【００２５】
カソード側ガス拡散層４３０の周縁部４３４は、図１に示すように、カソード２１５からはみ出しているが、周縁部４３４は上記したように導電性が低いため、仮に、周縁部４３４の毛羽が電解質膜２１２を通ってアノード側ガス拡散層４１０に到達しても、電流がほとんど流れない。すなわち、ガス拡散層４３０の毛羽により電気的短絡が生じるのを抑制することができる。
【００２６】
Ａ２．ガス拡散層の製造方法：
ガス拡散層４３０、４１０としては、同様のものを用いており、同様の製造方法によって製造されるため、カソード側ガス拡散層４３０（以下、単にガス拡散層４３０ともいう。）の製造方法を例に挙げて説明する。
【００２７】
本実施例では、ＰＡＮ繊維から成る不織布を製造し、続けてその不織布を焼成するという一連の流れによって、最終的に、幅３０センチメートル×長さ３００メートルのロール状のガス拡散層が製造される。
【００２８】
本実施例において、不織布４０００を焼成する際には、図４に示すマイクロ波焼成炉５０００を使用する。図４は、ガス拡散層４３０の製造工程の内の焼成する工程を概念的に示す説明図である。なお、図４において、マイクロ波焼成炉５０００内を明瞭に示すために、マイクロ波焼成炉５０００を、１点鎖線で示している。マイクロ波焼成炉５０００は、金属箱５２００と、マイクロ波を発振するマイクロ波発振器（図示しない）とを有する。金属箱５２００には、不織布４０００を入れるための入口(図示しない)、および不織布４０００をマイクロ波焼成炉５０００から出すための出口(図示しない)が設けられている。マイクロ波焼成炉５０００内には、不織布４０００の一部を覆うためのマスク６０００と、不織布４０００をマイクロ波焼成炉５０００内に入れたりマイクロ波焼成炉５０００外へ出したりするためのローラー５４００と、が設置されている。マスク６０００としては、例えば、アルミニウム等のマイクロ波を透過しない金属等が用いられている。
【００２９】
では、ガス拡散層４３０の製造方法について、図３および図４に基づいて説明する。図３は、ガス拡散層４３０の製造方法を示すフローチャートである。
まず、所定の長さに切断されたＰＡＮ繊維を、溶媒中に懸濁し、ネット上に漉き上げて、抄紙する（図３のステップＳ１０２）。抄紙して形成された不織布基材を、ローラーによってフェノール樹脂含浸槽(図示しない)に送り、フェノール樹脂を含浸させる（ステップＳ１０４）。その後、ローラーによって、ロールプレス(図示しない)に送り、ロールプレスで均一の厚さに整えると共に、加熱して乾燥させる（ステップＳ１０６）。これによって、フェノール樹脂により有機繊維同士が接着されて、不織布４０００が形成される。なお、フェノール樹脂の代わりに、フラン樹脂等の粘着性および流動性を示す樹脂を用いてもよい。
【００３０】
ステップＳ１０６によって、均一の厚さに整えられた不織布４０００は、図４に示すように、ローラー５４００によって送られて、１枚分のガス拡散層４３０相当分が、マイクロ波焼成炉５０００に入る。マイクロ波焼成炉５０００内には、上述したように、マスク６０００が配置されているため、不織布４０００がマイクロ波焼成炉５０００内に入ると、不織布４０００の周縁部が、マスク６０００によって覆われる（ステップＳ１０８）。そして、マイクロ波が照射され、マスク６０００によって覆われていない中央部分が焼成される（ステップＳ１１０）。
【００３１】
所定の時間、マイクロ波が照射され、マイクロ波焼成炉５０００内の不織布４０００の中央部が炭化されると、ローラー５４００によって、マイクロ波焼成炉５０００から送出されると共に、１枚分のガス拡散層４３０相当の不織布４０００が、マイクロ波焼成炉５０００内に送られる。
【００３２】
このように、ＰＡＮ繊維から成る不織布を製造する（ステップＳ１０２〜Ｓ１０６）と共に、続けて、１枚分のガス拡散層４３０相当分ずつ、周縁部をマスク６０００によって覆い（ステップＳ１０８）、焼成する（ステップＳ１１０）工程を繰り返して、複数枚のガス拡散層４３０が繋がった状態のガス拡散層ロール４２００が形成される。ガス拡散層ロール４２００を、図４に示すカッティングラインＣＬに沿って、切断することによって、１枚ずつのガス拡散層４３０が形成される。ガス拡散層４３０は、中央部だけが焼成されているため、中央部が炭素繊維から成り、周縁部はＰＡＮ繊維から成る。すなわち、周縁部は導電性が低く、中央部は導電性が高い、ガス拡散層４３０が形成される。なお、本実施例におけるＰＡＮ繊維が、請求項における有機繊維に相当する。
【００３３】
Ａ３．実施例の効果：
以上説明したように、本実施例の燃料電池１００では、カソード側ガス拡散層４３０として、中央部４３２が炭素繊維、周縁部４３４がＰＡＮ繊維から成る不織布を用いている。すなわち、カソード側ガス拡散層４３０の中央部４３２は、導電性が高いが、周縁部４３４は導電性が低い。アノード側ガス拡散層４１０についても、同様である。
【００３４】
燃料電池１００では、ガス拡散層４１０、４３０は、ＭＥＡ２１０より大きく形成されているため、ＭＥＡ２１０に当接して積層された場合に、その周縁部４１４、４３４が、ＭＥＡ２１０の電極２１４、２１５からはみ出した状態になる(図１)。
【００３５】
そのため、例えば、アノード側ガス拡散層４１０の周縁部４１４の表面の毛羽が、電解質膜２１２を貫通してカソード側ガス拡散層４３０に到達したとしても、その毛羽は、導電性が低いため、電極反応によって生成された電気がその毛羽をほとんど流れない。したがって、毛羽による短絡電流を減少させることができる。
【００３６】
また、ガス拡散層４１０、４３０は、中央部が炭素繊維から成り、周縁部がＰＡＮ繊維から成るものの、全体としては不織布である。すなわち、ガス拡散層４１０、４３０は、従来と同様に、多孔質性を有する。本実施例では、ガス拡散層４１０、４３０は、電極２１４、２１５よりも大きく形成されているため、ガス拡散層４１０、４３０に供給された反応ガスは、周縁部４１４、４３４にまで拡散されて、電極２１４、２１５の端部にまで、充分に反応ガスが供給される。
【００３７】
Ｂ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００３８】
（１）上記した実施例において、ガス拡散層を形成する基材として、不織布を用いたが、例えば、有機繊維から成る紙、布等を用いてもよい。これらを基材として用いても、マイクロ波が照射された部分が炭化されるため、上記した実施例と同様の効果が得られる。
【００３９】
（２）上記した実施例において、炭素繊維の基材となる有機繊維として、ＰＡＮ繊維を用いているが、その他の導電性の低い有機繊維を用いてもよい。
【００４０】
（３）上記した実施例において、ＰＡＮ繊維から成る不織布を焼成するために、マイクロ波焼成炉を使用しているが、その他、電気焼成炉、ガス焼成炉等を用いてもよい。この場合、ＰＡＮ繊維から成る不織布を加熱して焼成するため、周縁部を焼成しないためには、温度を低く保つ必要がある。そのため、例えば、周縁部を覆うための枠状のマスクの内部に水を流通させることによって、周縁部の温度を下げるようにしてもよい。
【００４１】
（４）また、焼成炉を用いる代わりに、例えば、ガス拡散層の中央部に相当する部分の不織布を、加熱機能を有する２枚の金属板等で挟むことによって、焼成してもよい。
【００４２】
（５）上記した実施例において、ガス拡散層として、炭素繊維およびＰＡＮ繊維から成る不織布を用いたが、例えば、金属メッシュ等の金属多孔質体を用いてもよい。金属多孔質体を用いる場合には、周縁部に絶縁材を塗布することによって、周縁部の導電性を低くすることができる。絶縁材を塗布する場合には、気孔を埋めない程度に塗布すると、周縁部の多孔質性を維持したまま、周縁部の導電性を低くすることができるため、上記した実施例と同様の効果が得られる。
【００４３】
（６）上記した実施例において、ガス拡散層の周縁部の全周に亘って導電性が低いものを用いたが、周縁部の少なくとも一部が中央部よりも導電性が低いものであればよい。そのような拡散層であっても、周縁部の毛羽による短絡電流を減少させることができる。
【００４４】
（７）上記した実施例において、複数枚のガス拡散層が繋がった状態のガス拡散層を製造したが、ガス拡散層１枚分の大きさに不織布を形成して、１枚ずつ焼成してもよい。
【００４５】
（８）上記した実施例において、不織布を製造して、焼成する一連の工程としてガス拡散層を製造しているが、予め、製造された不織布を用意して、焼成するようにしてもよい。
【００４６】
（９）上記した実施例において、電解質膜として高分子電解質膜を用いたが、固体酸化物等、他の電解質を用いてもよい。電極として白金および白金合金を担持したカーボンクロスを用いたが、カーボンペーパーおよびカーボンフェルト等を用いてもよい。第１のシール部材として、シリコーンゴムを用いたが、これに限られず、ガス不透過性、弾力性、耐熱性を有する他の部材を用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の一実施例としての燃料電池１００の断面構成を概略的に示す説明図である。
【図２】カソード側ガス拡散層４３０を示す平面図である。
【図３】ガス拡散層４３０の製造方法を示すフローチャートである。
【図４】ガス拡散層４３０の製造工程の内の焼成する工程を概念的に示す説明図である。
【符号の説明】
【００４８】
１００...燃料電池
２００...シール部材一体型ＭＥＡ
２１２...電解質膜
２１４...アノード
２１５...カソード
２２０...シール部材
２２２...凸部
２４２...貫通孔
３００...セパレータ
３１０...カソード対向プレート
３２０...中間プレート
３３０...アノード対向プレート
３４４...空気供給流路
３４６...空気供給口
３５６...空気排出口
４１０...アノード側ガス拡散層
４１２、４３２...中央部
４１４、４３４...周縁部
４３０...カソード側ガス拡散層
６４０...空気供給マニホールド
６５０...空気排出マニホールド
４０００...不織布
４２００...ガス拡散層ロール
５０００...マイクロ波焼成炉
５２００...金属箱
５４００...ローラー
６０００...マスク
ＣＬ...カッティングライン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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