(57)【要約】【課題】セパレータリブの膜への食い込みを無くすとともに、ガス透過性を従来通りに確保できる燃料電池の提供。【解決手段】（１）燃料電池の拡散層１３、１６を薄膜状のシートで形成するものであって、セル締結時にシートにシート面内方向の所定引張力をかけた状態を維持してセルを締結した燃料電池。（２）拡散層はセル外部のフレーム２９により引張力がかけられる。（３）引張力は、セル締結圧に対して薄膜状のシートの、セパレータのガス流路対応部が撓まない程度の値である。（４）燃料電池運転条件に応じて引張力を可変とした。【選択図】　　　　図２
2004047339.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の拡散層を薄膜状のシートで形成するものであって、セル締結時に前記シートにシート面内方向の所定引張力をかけた状態を維持してセルを締結した燃料電池。
【請求項２】
前記拡散層はセパレータ流路に直交する方向に引張力がかけられる請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記拡散層はセル外部のフレームにより引張力がかけられる請求項１記載の燃料電池。
【請求項４】
前記引張力は、セル締結圧に対して前記薄膜状のシートの、セパレータのガス流路対応部が撓まない程度の値である請求項１記載の燃料電池。
【請求項５】
燃料電池運転条件に応じて前記引張力を変えた請求項１記載の燃料電池。
【請求項６】
低温からの起動時には前記引張力を小とし、定常運転時には前記引張力を大とした請求項５記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池に関し、とくに固体高分子電解質型燃料電池の拡散電極に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子電解質型燃料電池は、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ　Ａｓｓｅｍｂｌｙ　）とセパレータとからなるセルを１層以上重ねてモジュールとし、モジュールを積層して構成される。
ＭＥＡは、イオン交換膜からなる電解質膜とこの電解質膜の一面に配置された触媒層と拡散層からなる拡散電極（アノード）および電解質膜の他面に配置された触媒層と拡散層からなる拡散電極（カソード）とからなる。ＭＥＡを挟んだセパレータには、アノードに燃料ガス（水素）を供給する燃料ガス流路およびカソードに酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための酸化ガス流路が形成される。また、燃料電池を冷却するために、セパレータには、セル毎にまたは複数のセル毎に、冷媒（冷却水）流路が形成される。セパレータは、隣接するセル間の電子の通路を構成している。
セル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル（電極板）、インシュレータ、エンドプレートを配置し、セル積層体をセル積層方向に締め付け、セル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材（たとえば、テンションプレート）とボルトにて固定して、スタックが形成される。
固体高分子電解質型燃料電池では、アノード側では、水素を水素イオンと電子にする反応が行われ、水素イオンは電解質膜中をカソード側に移動し、カソード側では酸素と水素イオンおよび電子（隣りのＭＥＡのアノードで生成した電子がセパレータを通してくる、または、セル積層体の一端のセルのアノードで生成した電子が外部回路を通してセル積層体の他端のセルのカソードにくる）から水を生成する反応が行われる。
アノード側：Ｈ２　→２Ｈ＋　＋２ｅ−　
カソード側：２Ｈ＋　＋２ｅ−　＋（１／２）Ｏ２　→Ｈ２　Ｏ
従来の固体高分子型燃料電池は、たとえば、特開２００２−５０３６７に開示されており、一般に拡散層（ガス拡散層）はカーボンクロスやカーボンペーパを１層以上積層して形成されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、カーボンクロスやカーボンペーパを積層した拡散層は低剛性であり、電解質膜、触媒層も低剛性のため、スタックの締結荷重によりセパレータの流路のリブ（凹凸の凸部）が食い込み、拡散層ひいては電解質膜に屈曲が生じて、拡散層および電解質膜の、セパレータリブの角部が当たる部分が劣化し、燃料電池の耐久性が低下するという問題が生じる。
膜への食い込みを無くすため拡散層の剛性を上げるには、拡散層を金属網やカーボンペーパから構成することが考えられるが、金属網には腐食とそれによる膜の劣化、コスト大という問題があり、カーボンペーパ（カーボンとフェノール樹脂等のコンポジット）にはセパレータの流路のリブで押圧された時にリブ直下部がつぶれてガス透過性不良を起こすという問題がある。
本発明の目的は、セパレータリブの、膜への食い込みを無くすとともに、拡散層のガス透過性を従来通りに確保できる燃料電池を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明はつぎの通りである。
（１）　燃料電池の拡散層を薄膜状のシートで形成するものであって、セル締結時に前記シートにシート面内方向の所定引張力をかけた状態を維持してセルを締結した燃料電池。
（２）　前記拡散層はセパレータ流路に直交する方向に引張力がかけられる（１）記載の燃料電池。
（３）　前記拡散層はセル外部のフレームにより引張力がかけられる（１）記載の燃料電池。
（４）　前記引張力は、セル締結圧に対して前記薄膜状のシートの、セパレータのガス流路対応部が撓まない程度の値である（１）記載の燃料電池。
（５）　燃料電池運転条件に応じて前記引張力を変えた（１）記載の燃料電池。（６）　低温からの起動時には前記引張力を小とし、定常運転時には前記引張力を第とした（５）記載の燃料電池。
【０００５】
上記（１）〜（６）の燃料電池では、セル締結状態でシートにシート面内方向の所定引張力がかかっているので、拡散層の剛性が上がっており、セル締結圧でセパレータリブで押圧されてもリブが拡散層および膜に食い込むことが無いかまたは食い込みが少なく、食い込みによる膜のダメージが無くなるかまたは少ない。また、張力による剛性アップのため、拡散層の構造は密にならず、張力がかかっても拡散層のガス透過性は従来通りに維持される。
上記（２）の燃料電池では、拡散層はセパレータのガス流路に直交する方向に引張力がかけられるので、セパレータリブが拡散層および膜に食い込んでいくことが効果的に抑制される。
上記（５）、（６）の燃料電池では、運転条件に応じて引張力を変えることができるので、低温からの起動時には引張力を小として、導電性を下げ発熱を促進でき、定常運転時には引張力を大として、導電性を向上させることができる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の燃料電池を図１〜図６（ただし、図６は比較例）を参照して、説明する。
本発明の燃料電池は固体高分子電解質型燃料電池１０である。固体高分子電解質型燃料電池１０は、たとえば燃料電池自動車に搭載される。ただし、自動車以外に用いられてもよい。
【０００７】
図１、図２に示すように、固体高分子電解質型燃料電池１０は、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ　Ａｓｓｅｍｂｌｙ　）とセパレータ１８とからなるセル１９を積層して構成される。
ＭＥＡは、イオン交換膜からなる電解質膜１１とこの電解質膜１１の一面に配置された触媒層１２および拡散層１３からなる拡散電極１４（アノード）および電解質膜１１の他面に配置された触媒層１５および拡散層１６からなる拡散電極１７（カソード）とからなる。
【０００８】
セル１９の積層方向両端に、ターミナル（電極板）２０、インシュレータ２１、エンドプレート２２を配置し、セル積層体１９をセル積層方向に締め付け、セル積層体１９の外側でセル積層方向に延びる締結部材（たとえば、テンションプレート２４）とボルト２５にて固定して、スタック２３が形成される。
【０００９】
ＭＥＡを挟んで対峙する一対のセパレータのうち、アノード側のセパレータには、アノード１２に燃料ガス（水素）を供給する燃料ガス流路２６が形成されており、カソード側のセパレータには、カソード１４に酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための酸化ガス流路２７が形成されている。また、燃料電池を冷却するために、セパレータ１８には、セル毎にまたは複数のセル毎に、冷媒（冷却水）が流れる冷媒流路が形成される。たとえば、図２でセパレータ１８のＭＥＡと反対側の面に冷媒流路が形成される。セパレータ１８は、冷却水と、燃料ガスおよび酸化ガスを区画するか、または燃料ガスと酸化ガスを区画している。セパレータ１８は、また、隣り合うセルのアノードからカソードに電子が流れる電気の通路をも形成している。ただし、図５のようにセパレータを挟んで対峙する拡散層同士が導電される場合は、セパレータ１８は不導体であってもよい。
【００１０】
拡散層１３は薄膜状のシートからなる。触媒層１２が拡散層１３のＭＥＡ側面に塗布されて触媒層１２と拡散層１３が薄膜シートを形成してもよいし、あるいは触媒層１２が膜１１に塗布形成されて拡散層１３が触媒層１２と別に形成された薄膜シートからなってもよい。
同様に、拡散層１６は薄膜状のシートからなる。触媒層１５が拡散層１６のＭＥＡ側面に塗布されて触媒層１５と拡散層１６が薄膜シートを形成してもよいし、あるいは触媒層１５が膜１１に塗布形成されて拡散層１６が触媒層１５と別に形成された薄膜シートからなってもよい。
【００１１】
拡散層１３、１６は、それぞれ、セル締結時に拡散層１３、１６を形成するシートにシート面内方向の所定引張力をかけた状態を維持してセルを締結する。図５はセルを積層方向に並べ、セルにまだセル積層方向の締結荷重をかけていない状態を示す。図２はセルにまだセル積層方向の締結荷重をかけた状態の１セル分の一部を拡大して示している。
セパレータ１８を挟んで対峙する拡散層１３、１６を導電体３１で接続する場合は、セパレータ１８は不導体であってもよい。
【００１２】
拡散層１３、１６には、拡散層１３、１６が接するセパレータ１８のガス流路２６、２７に直交する方向に引張力がかけられる。たとえば、図３で、ガス流路２６、２７が横方向に延びている場合には、拡散層１３、１６には縦方向に引張力がかけられる。
拡散層１３、１６に引張力をかける方法は、たとえば、図４、図５に示すように、拡散層１３、１６のシートを構成している繊維（たとえば、カーボン繊維）２８の両端部を、セル外部のフレーム２９に縛りまたは接着し、フレーム２９を支持している支え３０にフレーム２９を互いに離す方向の荷重をかけることにより、拡散層１３、１６に引張力をかける。たとえば、図３で拡散層１３、１６に縦方向に引張力がかけられる場合は、繊維は縦方向に延びている。
繊維２８をフレーム２９に縛って固定する場合は、図４に示すように、繊維２８の両端には結び目３２を付けてフレーム２９から外れないようにすることが望ましい。
拡散層１３、１６にかけられる引張力は、セル締結圧に対して薄膜状のシートの、セパレータのガス流路対応部が撓まない程度、すなわち、セパレータ１８のガス流路のリブが膜１１に食い込まない程度の値に設定される。
【００１３】
拡散層１３、１６にかけられる引張力は、燃料電池運転条件に応じて変えられてもよい。
たとえば、低温からの燃料電池起動時には引張力を小とし、燃料電池の定常運転時には引張力を大とすることが望ましい。
図６は、引張力がかけられない、従来の状態を示す。図２は引張力がかけられた本発明の状態を示す。
引張力が小の状態では、図６の状態に近づく。引張力が小の状態では、電極拡散層の導電性を下げて発熱を促進し、かつ電極拡散層がセパレータリブで押圧されていない部位で膜１１から離れる方向に湾曲してそこに熱がこもり、低温起動時の燃料電池の昇温、および、定常運転への移行を促進する。
引張力が大とされた燃料電池の定常運転時では、図２に示すように、電極拡散層の剛性が大で、セパレータのリブは拡散層、膜１１に食い込まず、拡散層とセパレータリブの接触面圧が大で導電性が向上される。
【００１４】
つぎに、本発明の作用を説明する。
拡散層１３、１６に引張力がかけられるので、図２に示すように、拡散電極の剛性が上がり、セパレータリブで押されても、セパレータリブが電極拡散層および膜１１に食い込みにくく、セパレータリブの角部に対応する部位（図６の部位Ａ）での膜１１の損傷が少なくなる。膜１１が損傷すると、燃料ガスが酸化ガス側にもれ、酸化して発熱し、膜１１をより一層損傷させるが、膜１１の損傷が少ない本発明では、そのような現象がなくなる。その結果、燃料電池の耐久性が向上する。
この燃料電池の耐久性の向上は、拡散層１３、１６に引張力をかけることで行われるので、拡散層１３、１６の密度を上げる必要がない。また、セパレータリブが拡散層１３、１６に食い込みにくくなるので、リブ直下が潰れて密度が上がることもない。したがって、拡散層１３、１６のガス透過性は従来通りに、あるいは従来以上に、良好に維持される。
【００１５】
拡散層１３、１６には引張力がかけられる時に、引張力がセパレータガス流路に直交する方向にかけられるので、引張力がセパレータガス流路と平行にかけられる場合に比べて、拡散層１３、１６の、隣接するセパレータリブ間の部分はセパレータ流路内に突入するように撓みにくく、したがって、セパレータリブが拡散層１３、１６に食い込みにくい。その結果、上記の食い込み防止とそれによる膜１１の損傷防止の作用がより一層強く得られる。
【００１６】
また、セル外部にフレーム２９を設けて拡散層１３、１６に引張力をかけるようにしたので、セル内構造は従来のままでよい。また、セル外のフレーム２９を互いに離反する方向に引っ張ることによって拡散層１３、１６に引張力をかけるようにしたので、引張力の付与、引張力の変化を容易に行うことができる。
また、引張力を可変とし、低温からの起動時には前記引張力を小としたので、低温（たとえば、−４０℃程度）からの起動も良好となる。
【００１７】
【発明の効果】
請求項１〜６の燃料電池によれば、セル締結状態で拡散層のシートにシート面内方向の所定引張力がかかっているので、拡散層の剛性が上がり、セル締結圧でセパレータリブから押圧されてもリブが拡散層および電解質膜に食い込むことが無いかまたは食い込みが少なく、食い込みによる電解質膜のダメージが無くなるかまたは少ない。また、張力による拡散層の剛性が増大するため、拡散層の構造が密にならず、張力がかかっても拡散層のガス透過性は従来通り、良好に維持される。
請求項２の燃料電池によれば、拡散層はセパレータ流路に直交する方向に引張力がかけられるので、セパレータリブが拡散層および膜に食い込んでいくことが効果的に抑制される。
請求項３の燃料電池によれば、拡散層はセル外部のフレームにより引張力がかけられるので、セル内構造を従来から本質的に変えることなく、拡散層に引張力をかけることができる。
請求項４の燃料電池によれば、引張力は、セル締結圧に対してシートの、セパレータのガス流路対応部が撓まない程度の値であるので、拡散層シートを引張破損することなく、剛性アップが得られる。
請求項５、６の燃料電池によれば、運転条件に応じて引張力を変えられるので、低温からの起動時には引張力を小として、導電性を下げ発熱を促進し、起動性を良好にでき、定常運転時には引張力を大として、導電性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池の全体概略図である。
【図２】本発明の燃料電池のセルの一部の拡大断面図である。
【図３】本発明の燃料電池のセルの正面図である。
【図４】本発明の燃料電池の拡散層の繊維に引張力をかけるための繊維とフレームとの斜視図である。
【図５】本発明の燃料電池のセル積層体の一部の拡大断面図である。
【図６】従来の燃料電池のセルの一部の拡大断面図である。
【符号の説明】
１０　（固体高分子電解質型）燃料電池
１１　電解質膜
１２　触媒層
１３　拡散層
１４　アノード
１５　触媒層
１６　拡散層
１７　カソード
１８　セパレータ
１９　セル
２０　ターミナル
２１　インシュレータ
２２　エンドプレート
２３　スタック
２４　テンションプレート
２５　ボルト
２６　燃料ガス流路（水素流路）
２７　酸化ガス流路（空気流路）
２８　繊維
２９　フレーム
３０　支え
３１　導電体
３２　結び目
【図１】
2004047339.tif 000003
【図２】
2004047339.tif 000004
【図３】
2004047339.tif 000005
【図４】
2004047339.tif 000006
【図５】
2004047339.tif 000007
【図６】
2004047339.tif 000008