(57)【要約】【課題】プレートのガス流路に水詰まりが生じた時に、ガス流路間での反応ガスのガスリークを阻止できるようにした燃料電池用セルユニットを提供する。【解決手段】固体高分子電解質膜１の一方の面にアノード電極６、他方の面にカソード電極７を接合してなる膜電極接合体８が、ガス流路を設けたプレート９、１０により挟持された構造のセルユニット１１であって、アノード側ガス拡散層４及びカソード側ガス拡散層５のうち、プレート９のガス流路９ａ間に位置するリブ９ｃ及びプレート１０のガス流路１０ａ間に位置するリブ１０ｃに対向する部分に、ガス不透過機構１２をそれぞれ設ける。このガス不透過機構１２は、例えばガス拡散層部に設けた切込みにシール材又は吸水材等を挿入することにより構成する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両面に触媒層及びガス拡散層を接合してなる膜電極接合体を、ガス流路を設けたプレートで両側から挟持した燃料電池用セルユニットであって、前記少なくとも一方の電極側におけるガス拡散層部は、前記プレートのガス流路間に位置するリブ部に対向する位置に、ガス不透過機構が設けられていることを特徴とする燃料電池用セルユニット。
【請求項２】
請求項１記載のガス不透過機構は、前記ガス拡散層部にシール材が挿入されていることを特徴とする燃料電池用セルユニット。
【請求項３】
請求項１記載のガス不透過機構は、前記ガス拡散層部に吸水材が挿入されていることを特徴とする燃料電池用セルユニット。
【請求項４】
請求項１記載のガス不透過機構は、前記プレートのリブ部に設けた凸部がガス拡散層部に進入していることを特徴とする燃料電池用セルユニット。
【請求項５】
電解質膜の両面に触媒層及びガス拡散層を接合してなる膜電極接合体を、ガス流路を設けたプレートで両側から挟持した燃料電池用セルユニットであって、前記少なくとも一方の電極側におけるガス拡散層部のうち前記プレートのガス流路間に位置するリブ部に対向する位置の表面を、導電性粉末とその結着材とからなる層により被覆して平坦面にしたことを特徴とする燃料電池用セルユニット。
【請求項６】
請求項５記載の燃料電池用セルユニットにおいて、請求項１乃至請求項４いずれか１項記載のガス不透過機構が組み込まれていることを特徴とする燃料電池用セルユニット。
【請求項７】
電解質膜の両面に触媒層及びガス拡散層を接合してなる膜電極接合体を、ガス流路を設けたプレートで両側から挟持した燃料電池用セルユニットであって、前記少なくとも一方の電極側におけるガス拡散層部のうち前記プレートのガス流路間に位置するリブ部に対向する位置の表面凹部に、非導電性粉末とその結着材とからなる混合物を充填して平坦面にしたことを特徴とする燃料電池用セルユニット。
【請求項８】
請求項７記載の燃料電池セルユニットにおいて、請求項１乃至請求項４いずれか１項記載のガス不透過機構が組み込まれていることを特徴とする燃料電池用セルユニット。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池用セルユニットに係り、特にガス流路の水詰まりに対して有効に対処できるようにした燃料電池用セルユニットに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池例えば固体高分子形燃料電池は、図５に示すように固体高分子電解質膜１の両側の主面に貴金属（主として白金）を含むアノード側触媒層２及びカソード側触媒層３をそれぞれ接合し、アノード側触媒層２及びカソード側触媒層３と対向してアノード側ガス拡散層４及びカソード側ガス拡散層５をそれぞれ接合することによりアノード電極６及びカソード電極７が構成される。そして、この膜電極接合体８（ＭＥＡ）の両側を、凹溝状のガス流路９ａ、９ｂを設けたプレート９（セパレータ）と、同じく凹溝状のガス流路１０ａ、１０ｂを設けたプレート１０（セパレータ）とで挟持することによりセルユニット１１が構成される。更に、図示は省略したが上記セルユニット１１（単セル）を複数積層し、両端にエンドプレートを添え、ロッド等で締め付け一体化することにより電池スタックが構成される。
【０００３】
上記構成の電池スタックにおいて、反応ガス（燃料ガスと酸化剤ガス）が供給され、燃料ガスはアノード電極６側に対向するプレート９のガス流路９ａ内を流通し、酸化剤ガスはカソード電極７側に対向するプレート１０のガス流路１０ａ内を流通し、前記固体高分子電解質膜１を介して電気化学反応が生じることで直流電力を発電する。この発電中に、前記アノード側ガス拡散層４は燃料ガスを拡散させ、カソード側ガス拡散層５は酸化剤ガスを拡散させる。
【０００４】
前記固体高分子電解質膜１は湿潤状態にてプロトン透過機能を発揮するため、加湿した反応ガスを供給してその湿潤状態を維持するようにしている。ところが、加湿反応ガスを供給するとプレートのガス流路内で一部の加湿蒸気が結露し、ガス流路に水滴が付着して流路を狭めるばかりでなく、やがては水塊となってガス流路を閉塞することがある。特にカソード側では電池反応に伴って水が生成されるため水詰まりが生じ易い。結露水によってガス流路が隘路になったり閉塞されたりすると、反応ガスの流通が悪化し又はガス供給量が不足して燃料電池の運転が不安定になり、延いては発電性能の低下を招くことになる。
【０００５】
このような結露水対策として、例えば電池スタックに供給する反応ガス特に酸化剤ガスとしての空気を、流量調節弁を備えた加湿用空気供給管と、流量調節弁を備えた無加湿用空気供給管に分流して供給し、これら流量調節弁の開度を制御器により負荷電流に基づいて制御することによって、反応空気中の水分量を制御し、これによりガス流路への結露や流路閉塞を防止するようにした先行技術が開示されている（例えば、特許文献１）。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００２−１４１０８５号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記先行技術による場合は流量調節弁や複数の空気供給管等を必要とし、且つこれらを含む所要の回路が必要となって構成が複雑化し、コスト高を招く原因になる。又、水詰まりが生じ易いカソード側には有効であるが、アノード側の水詰まりに対する解決方法が開示されていない。
【０００８】
そこで、本発明は、極めて簡単な構成によりカソード側のみならずアノード側の水詰まりにも有効に対処できるようにした燃料電池用セルユニットを提供することを目的とする。
【０００９】
本発明者らは、ガス流路に対向しているガス拡散層を通じて反応ガスの一部が隣接するガス流路側にガスリークする現象に注目し、このガスリークを防止してガス流路を流れる反応ガスの圧力を高めることにより、ガス流路に付着している結露水を押し出してガス流路の出口から排出できることを見出して本発明を完成するに至った。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するための手段として、本発明の請求項１は、電解質膜の両面に触媒層及びガス拡散層を接合してなる膜電極接合体を、ガス流路を設けたプレートで両側から挟持した燃料電池用セルユニットであって、前記少なくとも一方の電極側におけるガス拡散層部は、前記プレートのガス流路間に位置するリブ部に対向する位置に、ガス不透過機構が設けられていることを特徴とする。
【００１１】
又、本発明の請求項２は、請求項１のガス不透過機構は、前記ガス拡散層部にシール材が挿入されていることを特徴とする。
【００１２】
更に、本発明の請求項３は、請求項１のガス不透過機構は、前記ガス拡散層部に吸水材が挿入されていることを特徴とする。
【００１３】
本発明の請求項４は、請求項１のガス不透過機構は、前記プレートのリブ部に設けた凸部がガス拡散層部に進入していることを特徴とする。
【００１４】
本発明の請求項５は、電解質膜の両面に触媒層及びガス拡散層を接合してなる膜電極接合体を、ガス流路を設けたプレートで両側から挟持した燃料電池用セルユニットであって、前記少なくとも一方の電極側におけるガス拡散層部のうち前記プレートのガス流路間に位置するリブ部に対向する位置の表面を、導電性粉末とその結着材とからなる層により被覆して平坦面にしたことを特徴とする。
【００１５】
本発明の請求項６は、請求項５の燃料電池用セルユニットにおいて、請求項１乃至請求項４いずれか１項記載のガス不透過機構が組み込まれていることを特徴とする。
【００１６】
本発明の請求項７は、電解質膜の両面に触媒層及びガス拡散層を接合してなる膜電極接合体を、ガス流路を設けたプレートで両側から挟持した燃料電池用セルユニットであって、前記少なくとも一方の電極側におけるガス拡散層部のうち前記プレートのガス流路間に位置するリブ部に対向する位置の表面凹部に、非導電性粉末とその結着材とからなる混合物を充填して平坦面にしたことを特徴とする。
【００１７】
本発明の請求項８は、請求項７の燃料電池用セルユニットにおいて、請求項１乃至請求項４いずれか１項記載のガス不透過機構が組み込まれていることを特徴とする。
【００１８】
【発明の実施の形態】
次に、本発明に係る燃料電池用セルユニットの実施形態について、添付図面を参照しながら説明する。図１は、本発明に係る燃料電池用セルユニットの第１実施形態を示す概略断面図である。図５に示されている従来の燃料電池用セルユニットと同じ構成部材は同一の符号を付して説明する。
【００１９】
図１において、１は固体高分子電解質膜であり、例えばパーフロロカーボンスルホン酸膜（商品名ナフィオン）を用いることができ、分子中にプロトン交換基を有しており、含水量を飽和させると比抵抗が低下してプロトン導電性電解質として機能する。この固体高分子電解質膜１の両側の主面に、アノード電極６及びカソード電極７を接合することにより膜電極接合体８を構成する。
【００２０】
アノード電極６は、例えばカーボンペーパーに所定の処理を施してアノード側ガス拡散層４を形成し、このアノード側ガス拡散層４の一方の面に白金担持カーボンと固体高分子からなるアノード側触媒層２を形成することで構成される。カソード電極７も同様にして構成される。
【００２１】
次に、アノード側ガス拡散層４部及びカソード側ガス拡散層５部にガス不透過機構１２を設ける。このガス不透過機構１２は、アノード側ガス拡散層４部及びカソード側ガス拡散層５部にカッター等で所定の間隔をあけて切り込みをそれぞれ設け、これらの切り込み内にシール材を挿入固定することにより構成する。この時、切り込みの間隔はプレート９、１０のガス流路９ａ、１０ａ間に位置するリブ９ｃ、１０ｃのピッチ間隔に合わせて設定し、切り込みの深さはアノード側ガス拡散層４部及びカソード側ガス拡散層５部の厚さに合わせて設定する。上記シール材としては、反応ガスを透過しない材料例えば合成樹脂系接着剤、フッ素系混合物等を用いることができる。又、シール材の他にガス不透性材料からなる吸水材を用いることができる。上記吸水材としては、例えばポリエステル、レーヨン、ナイロン、ポリエステル／レーヨン、ポリエステル／アクリル、レーヨン／ポリクラール等を主成分とする織布、不織布、フェルトを用いることができる。
【００２２】
ガス不透過機構１２を設けた後、アノード電極６とカソード電極７を、前記固体高分子電解質膜１の両面にアノード側触媒層２及びカソード側触媒層３が固体高分子電解質膜１側に位置するようにして配置し、ホットプレスすることにより接合一体化して前記膜電極接合体８を作製することができる。
【００２３】
前記プレート９、１０は導電性で且つガス不透過性であり、例えばカーボン粉末を主体として合成樹脂を混合した材料で形成され、プレート９の両面には凹溝状のガス流路９ａ、９ｂが所定の間隔をあけて並設され、プレート１０の両面には同じく凹溝状のガス流路１０ａ、１０ｂが所定の間隔をあけて並設されている。
【００２４】
この２枚のプレート９、１０で前記膜電極接合体８を挟持してセルユニット１３が構成される。この時、前記ガス不透過機構１２はアノード電極６側ではプレート９のガス流路９ａ間に位置するリブ９ｃの上面にそれぞれ当接し、カソード電極７側ではプレート１０のガス流路１０ａ間に位置するリブ１０ｃの上面にそれぞれ当接する。更に、図示は省略したがこのセルユニット１３を複数積層すると共に、両端部に集電プレート及び絶縁プレートを介在させ、最外側にエンドプレートを添えてロッド等で締め付け一体化することで電池スタックが構成される。
【００２５】
このように構成された電池スタックにおいて、前記アノード電極６側に対向するプレート９のガス流路９ａには燃料ガスが流通し、カソード電極７側に対向するプレート１０のガス流路１０ａには酸化剤ガスが流通することで、固体高分子電解質膜１を介して電気化学反応が生じて直流電力が発電される。
【００２６】
発電中に、例えばプレート９におけるガス流路９ａのうち一部のガス流路９ａ内に結露水が発生して水詰まり（流路隘路又は流路閉塞）が生じると、そのガス流路９ａを流通する燃料ガスは水詰まり部分の手前で停滞し、行き場を失った反応ガス（燃料ガス）の一部はアノード側ガス拡散層４内に拡散して隣接するガス流路側へのガスリークが始まる。
【００２７】
しかしながら、隣接するガス流路９ａの間に位置しているリブ９ｃとアノード側ガス拡散層４との接触部分にはガス不透過機構１２が設けられているため、ガスリークの流れが遮断される。従って、反応ガスは隣のガス流路９ａへのガスリークが阻止される。
【００２８】
隣接するガス流路９ａへのガスリークが阻止されると、水詰まりが生じたガス流路９ａ内では、反応ガスの流れが止まることから水詰まり部分を境として上流側では反応ガスの供給圧が掛かり、下流側ではガス流路９ａの出口の圧力が掛かることになる。このため、水詰まり部分前後では大きな圧力差が生じることになり、水詰まり部分の水滴は下流側に向かって押し流され、ガス流路９ａの出口から排出される。これにより、ガス流路９ａは水詰まりが解消され、反応ガスの流通が正常状態に戻る。
【００２９】
これと同じことは、カソード電極７側に対向しているプレート１０のガス流路１０ａについても言える。カソード側では発電反応により水が生成され、この生成水がガス流路１０ａ中に流入する。このため、ガス流路１０ａ内で水詰まりが生じ易いが、その水詰まりを効率良く排出することができる。又、ガス不透機構１２が前記吸水材により構成されている場合には、その吸水材によって生成水が吸水されるためガスリークを阻止すると共に、ガス流路１０ａ内の含水量を減少させることができる。
【００３０】
図２は、本発明に係る燃料電池用セルユニットの第２実施形態を示す概略断面図である。この実施形態はプレート９及びプレート１０におけるリブ９ｃ及びリブ１０ｃの上面中央部に、凸部９ｄ及び凸部１０ｄをリブ９ｃ、１０ｃの長さ方向（ガス流路９ａ、１０ａと並行方向）に沿ってそれぞれ設け、これら凸部９ｄ、１０ｄをアノード側ガス拡散層４及びカソード側ガス拡散層５に進入させることによりガス不透過機構を構成したものである。
【００３１】
上記凸部９ｄ、１０ｄはプレート９、１０と一体に設けても或は別体に設けてもよく、アノード側ガス拡散層４及びカソード側ガス拡散層５に進入した時に、それらのガス拡散層をほぼ押し潰すように高さ寸法を設定することが好ましい。凸部９ｄ、１０ｄの進入は前記ロッドによる締付力を調整することにより達成できる。
【００３２】
本実施形態の場合も、凸部９ｄ、１０ｄによりガス不透過機構が構成されて、アノード側ガス拡散層４及びカソード側ガス拡散層５がリブ９ｃ、１０ｃの位置で仕切られているため、水詰まり時の反応ガスのガスリークを阻止することができる。これにより、ガス流路９ａ、１０ａ内の反応ガスの圧力を高め、水詰まり部分の水滴を押し流して排除することができる。
【００３３】
図３は、本発明に係る燃料電池用セルユニットの第３実施形態を示す概略断面図である。上記第１実施形態及び第２実施形態ではガス拡散層部にガス不透過機構を設けて仕切り、隣接するガス流路間でガスリークが生じないようにしたものであるが、本実施形態ではガス拡散層の表面凹凸を無くし、プレートのリブに対するガス拡散層の密着度を高めて隣接するガス流路間でガスリークが生じないように構成したものである。
【００３４】
即ち、本実施形態ではアノード側ガス拡散層４及びカソード側ガス拡散層５の表面に導電性粉末（例えばカーボン微粉末）とその結着材とからなる表層１４をそれぞれ形成し、これによりアノード側ガス拡散層４及びカソード側ガス拡散層５の表面凹凸を被覆して平坦面に構成する。
【００３５】
上記表層１４により表面が平坦面に形成されたアノード側ガス拡散層４及びカソード側ガス拡散層５は、プレート９、１０のリブ９ｃ、１０ｃの上面に対して隙間が生じることなく密着する。これにより、プレート９、１０のガス流路９ａ、１０ａに水詰まりが生じた時、アノード側ガス拡散層４とリブ９ｃとの間、及びカソード側ガス拡散層５とリブ１０ｃとの間を通って反応ガスが隣接するガス流路側にガスリークするのを阻止することができる。図３では、表層１４はアノード側ガス拡散層４とリブ９ｃとの間及びカソード側ガス拡散層５とリブ１０ｃとの間にのみ設けたが、電極反応に伴う反応ガスの透過量が確保できれば表層１４はガス拡散層全面に設けてもよい。又、本実施形態において前記第１実施形態のガス不透過機構１２を併用すると、ガス流路間での反応ガスのガスリークを完全に阻止することができる。
【００３６】
図４は、本発明に係る燃料電池用セルユニットの第４実施形態を示す一部の模式図である。この第４実施形態は、上記第３実施形態のものと類似するが、ガス拡散層の表面を平坦面にする手段として非導電性粉末（例えばセラミック微粉末）とその結着材とからなる混合物を用いる点で相違している。
【００３７】
図４に示すように、アノード側ガス拡散層４（カソード側ガス拡散層５も同様）の表面は凹凸状態になっている。このアノード側ガス拡散層４のうちプレート９のリブ９ｃに対向する位置に、その表面凹部４ｂに非導電性粉末とその結着材とからなる混合物１５を充填して平坦面に形成する。この場合、表面凸部４ａはプレート９のリブ９ｃ上面に接触させて絶縁構造とならないようにする。
【００３８】
上記混合物１５により表面が平坦面に形成されたアノード側ガス拡散層４及びカソード側ガス拡散層５は、プレート９、１０のリブ９ｃ、１０ｃの上面に対して隙間が生じることなく密着する。これにより、プレート９、１０のガス流路９ａ、１０ａに水詰まりが生じた時、アノード側ガス拡散層４とリブ９ｃとの間、及びカソード側ガス拡散層５とリブ１０ｃとの間を通って反応ガスが隣接するガス流路側にガスリークするのを阻止することができる。図４では、混合物１５はアノード側ガス拡散層４とリブ９ｃとの間及びカソード側ガス拡散層５とリブ１０ｃとの間にのみ設けたが、電極反応に伴う反応ガスの透過量が確保できれば混合物１５はガス拡散層全面に設けてもよい。又、本実施形態においても前記第１実施形態のガス不透過機構１２を併用すると、ガス流路間での反応ガスのガスリークを完全に阻止することができる。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る請求項１の発明によれば、電解質膜の両面に触媒層及びガス拡散層を接合してなる膜電極接合体を、ガス流路を設けたプレートで両側から挟持した燃料電池用セルユニットであって、前記少なくとも一方の電極側におけるガス拡散層部は、前記プレートのガス流路間に位置するリブ部に対向する位置に、ガス不透過機構を設けたので、ガス流路に水詰まりが生じた時にガス流路間での反応ガスリークを阻止することができる。これにより、ガス流路内でのガス圧力が高まり、水詰まり部分の水滴を押し流して排除することができる。従って、反応ガスの流通が良好になって燃料電池の運転が安定し、発電性能を向上させる効果を奏する。
【００４０】
又、本発明に係る請求項２の発明によれば、請求項１のガス不透過機構は、前記ガス拡散層部にシール材が挿入されていることを特徴とし、これによりガス不透過機構を容易に構成することができる。
【００４１】
更に、本発明に係る請求項３の発明によれば、請求項１のガス不透過機構は、前記ガス拡散層部に吸水材が挿入されていることを特徴とし、これによりガス流路に水詰まりが生じた時にガス流路間での反応ガスリークを阻止すると共に、水分を吸収してガス流路内の含水量を減少させることができる。特に、発電反応に伴って水が生成されるカソード側に適用すると有効である。
【００４２】
本発明に係る請求項４の発明によれば、請求項１のガス不透過機構は、前記プレートのリブ部に設けた凸部がガス拡散層部に進入していることを特徴とし、この凸部はプレートと一体成形することも可能であるため、シール材等を用いずにガス不透過機構を容易に構成することができる。
【００４３】
本発明に係る請求項５の発明によれば、電解質膜の両面に触媒層及びガス拡散層を接合してなる膜電極接合体を、ガス流路を設けたプレートで両側から挟持した燃料電池用セルユニットであって、前記少なくとも一方の電極側におけるガス拡散層部のうち前記プレートのガス流路間に位置するリブ部に対向する位置の表面を、導電性粉末とその結着材とからなる層により被覆して平坦面にしたので、ガス拡散層部はプレートのリブ部上面に対して隙間が生じることなく密着する。これにより、プレートのガス流路に水詰まりが生じた時、ガス拡散層部とリブ部との間を通って反応ガスが隣接するガス流路側にガスリークするのを阻止することができる。
【００４４】
本発明に係る請求項６の発明によれば、請求項５の燃料電池用セルユニットにおいて、請求項１乃至請求項４いずれか１項のガス不透過機構が組み込まれていることを特徴とし、これによりガス流路間での反応ガスリークを完全に阻止することができる。
【００４５】
本発明に係る請求項７の発明によれば、電解質膜の両面に触媒層及びガス拡散層を接合してなる膜電極接合体を、ガス流路を設けたプレートで両側から挟持した燃料電池用セルユニットであって、前記少なくとも一方の電極側におけるガス拡散層部のうち前記プレートのガス流路間に位置するリブ部に対向する位置の表面凹部に、非導電性粉末とその結着材とからなる混合物を充填して平坦面にしたので、ガス拡散層部をプレートのリブ部上面に対して隙間が生じることなく密着させることができる。これにより、プレートのガス流路に水詰まりが生じた時、ガス拡散層部とリブ部との間を通って反応ガスが隣接するガス流路側にガスリークするのを阻止することができる。
【００４６】
本発明に係る請求項８の発明によれば、請求項７の燃料電池セルユニットにおいて、請求項１乃至請求項４いずれか１項のガス不透過機構が組み込まれていることを特徴とし、これによりガス流路間での反応ガスリークを完全に阻止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池用セルユニットの第１実施形態を示す概略断面図である。
【図２】本発明に係る燃料電池用セルユニットの第２実施形態を示す概略断面図である。
【図３】本発明に係る燃料電池用セルユニットの第３実施形態を示す概略断面図である。
【図４】本発明に係る燃料電池用セルユニットの第４実施形態を示す一部の模式図である。
【図５】従来の燃料電池用セルユニットの一例を示す概略断面図である。
【符号の説明】
１…固体高分子電解質膜
２…アノード側触媒層
３…カソード側触媒層
４…アノード側ガス拡散層
５…カソード側ガス拡散層
６…アノード電極
７…カソード電極
８…膜電極接合体
９…プレート
９ａ、９ｂ…ガス流路
９ｃ…リブ
９ｄ…凸部
１０…プレート
１０ａ、１０ｂ…ガス流路
１０ｃ…リブ
１０ｄ…凸部
１１…セルユニット
１２…ガス不透過機構
１３…セルユニット
１４…表層
１５…混合物
【図１】
2004207041.tif 000003
【図２】
2004207041.tif 000004
【図３】
2004207041.tif 000005
【図４】
2004207041.tif 000006
【図５】
2004207041.tif 000007