(57)【要約】【課題】固体高分子膜を適正な湿潤状態に維持する。【解決手段】電極層４にガスを供給し、かつ電極層４からガスを排出するためのガス通路とを電極層４との接触面上で分離して互いに繋げないで導電性の集電体５表面に形成し、それらの通路と電極層４の集電体５とが接する電極層側の表面に親水性物質からなる親水層７を形成した。【選択図】　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜の両面に触媒層を挟んで夫々対向して配した、導電性と通気性を兼ね備えた一対の電極層と、前記電極層にガスを供給する供給側ガス通路と、電極層からガスを排出するための排出側ガス通路とを電極層との接触面上で分離して互いに繋げないで形成した導電性の集電体とを備え、
前記電極層の集電体と、前記供給側ガス通路および排出側ガス通路とが接する前記電極層側の表面に、親水性物質からなる親水層を形成したことを特徴とする固体高分子型燃料電池。
【請求項２】
前記親水層は、親水性物質とカーボン材とを混合して電極層表面に塗布してなることを特徴とする請求項１に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項３】
前記供給側ガス通路と排出側ガス通路とは、夫々櫛形状に形成され、夫々の先端が交互に隣合わせて配置していることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項４】
前記供給側ガス通路と排出側ガス通路とは、一方は複数の細長い島状に形成され、他方は前記一方を取囲むよう形成したことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の固体高分子型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子膜を電解質保持層とする固体高分子型燃料電池に関し、特に、単電池を構成する集電体に設けられる反応ガスの通路が供給側ガス通路と排出側ガス通路とに分離され且つ近接して配置された固体高分子型燃料電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から比較的低圧且つ小容量のガス供給で高効率の電池性能を得るため、単電池を構成する集電体に設けられる反応ガスの通路を供給側ガス通路と排出側ガス通路とに分離し且つ近接して配置する固体高分子型燃料電池が知られており、例えば、特開平１１−１６５９１号公報に記載されたものがある。
【０００３】
これは、集電体に刻んだ供給側ガス通路と排出側ガス通路とを分離し、供給側ガス通路の全てのガスが電極層や触媒層をくぐり抜けて排出側ガス通路へ排出される構造としている。このため、触媒層近傍の水滴や窒素などの不要ガスが強制的に排出され、高圧・高速のガスを送風する必要がなくなる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来例では、供給側ガス通路に沿って供給されたガスの全てが、通気性を有する電極層にいったん送り込まれて電極反応に寄与した後、排出側ガス通路に湧出される構造となっている。このため、供給ガス中の混入物である二酸化炭素や窒素の触媒層近傍から排除が行われる反面、電極層からの水蒸気や水滴の持ち出しが多く電極層が乾き気味となり、連続して安定に運転をするためには外部に供給ガスの加湿装置を設けなければならないものであった。
【０００５】
そこで本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、固体高分子膜を適正な湿潤状態に維持可能な固体高分子型燃料電池を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜の両面に触媒層を挟んで夫々対向して配した、導電性と通気性を兼ね備えた一対の電極層と、前記電極層にガスを供給する供給側ガス通路と、電極層からガスを排出するための排出側ガス通路とを電極層との接触面上で分離して互いに繋げないで形成した導電性の集電体とを備え、それらのガス通路と前記電極層の集電体とが接するその電極層側の表面に親水性物質からなる親水層を形成したことを特徴とする。
【０００７】
【発明の効果】
したがって、本発明では、電極層にガスを供給する供給側ガス通路と、電極層からガスを排出するための排出側ガス通路とを電極層との接触面である集電体表面上で分離して互いに繋げないで形成し、それらのガス通路と電極層の集電体とが接する電極層側の表面に親水性物質からなる親水層を形成した。このため、供給側ガス通路から電極層を経て排出側ガス通路部へと流れるガス流れによって移動した水が親水性層に保持され、供給側ガス通路からの供給ガスを加湿して触媒層近辺を再度保湿する。従って、乾き気味となる固体高分子膜を適正な湿潤状態に維持することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて説明する。
【０００９】
図１は、本発明を適用した固体高分子型燃料電池の一例を示す、燃料電池主要部の断面図である。
【００１０】
図１において、燃料電池１は、水素などの燃料ガスを酸素と電気化学的に反応させ、電気と熱とを同時に供給するものであり、スルホン基を含んだフッ素樹脂よりなる高分子電解質膜２を挟持する形で白金系の金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする触媒層３Ａ、３Ｃ、ガス通気性と導電性を兼ね備えた電極層４Ａ、４Ｃで構成されている。さらに、電極層４Ａ、４Ｃの外側には触媒層３Ａ、３Ｃへのガス供給をになうガス通路６を備え、これらの電極層４Ａ、４Ｃおよび電解質膜２を機械的に固定すると同時に図示しないマニホールドを通じて供給ガスを各電池のガス通路６に分配し、隣接する電池と電気的に直列に接続する集電体５とで電池基本構成単位としている。この固体高分子型燃料電池１は、比較的出力密度が高いため、電気機器用電源装置やＦＣＶ用電源装置に使用して最適である。
【００１１】
前記電極層４Ａ、４Ｃは全体として撥水処理され、その集電体５と接触する表面は親水性物質による親水性層７を形成している。親水性層７は、親水物質として無機物であれば、シリカ（ＳｉＯ２）やチタニア（ＴｉＯ２）等、有機物であればポリアクリル酸塩の架橋物等を使用し、カーボン粉末と混合してペースト状にし、電極層４Ａ、４Ｃの表面に塗布や含浸により形成する。
【００１２】
前記集電体５は、気密性と導電性および耐食性が必要であり、一般にカーボン材料が用いられる。集電体５の電極層４Ａ、４Ｃとの接触面には、燃料ガスあるいは酸化剤ガスを供給する図示しない供給側マニホールドに連通した供給側ガス通路６Ａと、燃料電池から流出する未反応ガスの再生装置へ連通する図示しない排出側マニホールドに連通した排出側ガス通路６Ｂとが設けられる。供給側ガス通路６Ａと排出側ガス通路６Ｂを互に隣合わせて交互に配置し、両者は前記集電体５上で分離し、互に連通しないよう構成している。供給側ガス通路６Ａに供給された燃料ガスあるいは酸化剤ガスの全量は、通気性を備えた電極層４Ａ、４Ｃに流れ込み、電極層４Ａ、４Ｃから排出側ガス通路６Ｂに未反応ガスが湧き出るよう流出する。
【００１３】
以上の構成の固体高分子型燃料電池は、アノード側およびカソード側において、夫々集電体５の供給側ガス通路６Ａに、一方には水素等の燃料ガスを供給し、他方には酸化剤ガスを供給し、夫々の排出側ガス通路６Ｂから未反応ガスを排出させることで、下記のように作動する。燃料ガスとして水素を、酸化剤ガスとして酸素を用いた場合について説明する。
【００１４】
水素ガス供給側の電極層４Ａ、即ち、アノード側では、供給側ガス通路６Ａからの水素ガスは電極層４Ａに流入し、電極層４Ａ内部を拡散しながら触媒層３Ａに到達する。触媒層３Ａに取り込まれなかった水素ガスはそのまま排出側ガス通路６Ｂを通ってドレインガスとして排出される。触媒層３Ａでは水素ガスと高分子電解質膜２が共存する領域で電気化学反応が生起され、水素イオンとなって高分子電解質膜２中に取り込まれる。
【００１５】
一方、酸素ガス供給側の電極層４Ｃ、即ち、カソード側でも同様に、供給側ガス通路６Ａから電極層４Ｃに流入した酸素ガスは、電極層４Ｃ内部を拡散しながらカソード側の触媒層３Ｃに到達する。同じく触媒層３Ｃに取り込まれなかった未反応の酸素ガスはそのまま排出側ガス通路６Ｂを通ってドレインガスとして排出される。カソード側の触媒層３Ｃでは電解質膜２を通ってアノード側から供給された水素イオンと酸素が反応し水蒸気となる。その間、電子は外部負荷を通ってアノードからカソードへ移動することになり、電力として出力できる。また、このような電気化学的反応では、水素−酸素の化学的エネルギーの一部は熱となって電池内で発熱し、図示しない冷却水を温水に変える等の熱エネルギーとして利用する。
【００１６】
この固体高分子型燃料電池１は、通常室温から９０℃ぐらいまでの温度で作動させるのでカソード側の触媒層３Ｃで電気化学反応の結果生成した水蒸気の多くは水となって触媒層３Ｃ近傍に結露する。この結露水が触媒層３Ｃ近傍に停滞すると、反応部位である触媒層３Ｃに酸素が届かなくなり電池性能が低下する。一方アノード側では電気化学反応の結果としての水は生成しないが、カソード側で生成した水が高分子電解質膜２を逆浸透して保湿される。
【００１７】
前記保湿や電解質膜２を乾燥させないためにアノードガス中に混入させる水蒸気が、結露等により触媒層３Ａに滞留すると水素が反応部位に供給されなくなり電池性能を低下させるため、触媒層３Ａ近傍から速やかに除去する必要がある。この結露水の滞留は、酸化剤ガスとして酸素濃度が薄い空気を用いる場合は一層顕著となる。また、燃料ガスとしてメタノールやメタンなどの燃料を改質して用いた場合や酸化剤ガスとして空気を用いた場合には、反応に関与する水素、酸素の他に二酸化炭素と窒素がそれぞれ混在するので、電極反応が進行し水素や酸素の濃度が低くなったガスは、電池性能が低下するため、触媒層３Ａ近傍から速やかに除去する必要がある。
【００１８】
本構造の燃料電池１では、集電体５上に形成する供給側ガス通路６Ａと排出側ガス通路６Ｂとが分離し、供給側ガス通路６Ａに沿って電極層４Ａ、４Ｃに供給されたガスの全てが、通気性を有する電極層４Ａ、４Ｃに一旦送り込まれて電極反応に寄与した後、排出側ガス通路６Ｂに湧出され、触媒層３Ａ、３Ｃ近傍の水蒸気や水滴、および供給ガス中の混入物である二酸化炭素や窒素を効率的に排除することができる。
【００１９】
そして、未反応ガスや前記触媒層３Ａ、３Ｃ近傍から排除された供給ガス中の混入物である二酸化炭素や窒素は、その全量が電極層４Ａ、４Ｃの集電体５への接触部分の親水層７を通過して排出側ガス通路６Ｂに排出される。しかしながら、触媒層３Ａ、３Ｃ近傍から排出された水蒸気や水滴は、前記親水層７を通過する際に一部が親水層７に保持され、保持できなかった余分の水や水蒸気のみが排出側ガス通路６Ｂに排出される。
【００２０】
前記排出側ガス通路６Ｂに対面する親水層７部分に保持された水は、その毛細管現象により含水濃度が低い部分、即ち、供給側ガス通路６Ａに対面する親水層７部分に浸透し、供給側ガス通路６Ａから電極層４Ａ、４Ｃに流入するガスを保湿し、保湿されたガスが電極層４Ａ、４Ｃに供給される。このため、触媒層３Ａ、３Ｃ近傍は、乾き気味となることも過湿気味になることもなく、適度な保湿状態に保持され、電池性能を最適に維持することができる。前記流入ガスの保湿により含水濃度が低くなる供給側ガス通路６Ａに対面する親水層７部分には、排出側ガス通路６Ｂに対面する親水層７部分から毛細管現象により連続的に水分が供給される。なお、燃料ガスおよび空気を所定圧力および所定の空気過剰率で供給する図示しないガス供給手段により供給するガスは、電極層４Ａ、４Ｃの触媒層３Ａ、３Ｃ近辺を過湿気味または乾燥気味としないために、その相対湿度を８０％以下とすることが望ましい。
【００２１】
前記集電体５上に形成する供給側ガス通路６Ａと排出側ガス通路６Ｂとを分離する具体的構成としては、図２に示す構造や図３，４に示す構造を採用する。図２は集電体５の第１の例の固体高分子型燃料電池の構造を示す。図３、４は集電体５の他の例の固体高分子型燃料電池の構造を示す平面図、および、図３のＡ−Ａ線による断面図（Ａ）、および、Ｂ−Ｂ線による断面図（Ｂ）である。
【００２２】
図２に示す構造では、集電体５の電極層４に接する表面に、入口マニホールド１０に連通する櫛形状の供給側ガス通路６Ａと、出口マニホールド１１に連通する櫛形状の排出側ガス通路６Ｂとを、各先端部分を交互に近接させて形成した。櫛形状の先端部分で構成する供給側ガス通路６Ａからの供給ガスは、電極層４を経由して、交互配置の櫛形状の先端部分で構成する排出側ガス通路６Ｂに排出させることができる。供給側ガス通路６Ａと排出側ガス通路６Ｂとは、交互に近接して配置しているため、ガスの流れを低圧損とできる。
【００２３】
図３、４に示す構造では、供給側ガス通路６Ａが排出側ガス通路６Ｂ中に細長い島状に複数を平行配置して備える。これらの供給側ガス通路６Ａは、集電体５内を横断するマニホールド１２に連通され、マニホールド１２はガス入口１３に連通させる。他方、排出側ガス通路６Ｂは、供給側ガス通路６Ａ同士の間およびそれらの両側に配置され、その端部が出口マニホールド１４により連通され、ガス出口１５に連通させる。この構成においても、供給側ガス通路６Ａと排出側ガス通路６Ｂとを近接して交互配置することができ、供給側ガス通路６Ａからの供給ガスは、電極層４を経由して、交互配置の排出側ガス通路６Ｂに排出させることができる。供給側ガス通路６Ａと排出側ガス通路６Ｂとは、交互に近接して配置しているため、ガスの流れを低圧損とできる。なお、供給側ガス通路６Ａを構成している部分を排出側ガス通路６Ｂとし、排出側ガス通路６Ｂを構成している部分を供給側ガス通路６Ａとして、ガス入口１３とガス出口１５とを逆にしてもよい。
【００２４】
本実施形態においては、以下に記載する効果を奏することができる。
【００２５】
（ア）電極層４にガスを供給する供給側通路６Ａと、電極層４からガスを排出するためのガス通路６Ｂとを電極層４との接触面である集電体５表面上で分離して互いに繋げないで形成し、それらの通路と電極層４の集電体５とが接する電極層側の表面に親水性物質からなる親水層７を形成している。このため、供給側ガス通路６Ａから電極層４を経て排出側ガス通路６Ｂへと流れるガス流れによって移動した水が親水性層７に保持され、供給側ガス通路６Ａからの供給ガスを加湿して触媒層３近辺を再度保湿する。このため、乾き気味となる固体高分子膜２を適正な湿潤状態に維持することができる。
【００２６】
（イ）親水層７は、親水性物質とカーボン粉とを混合して電極層４表面に塗布して形成するため、電極層４の製造時に同時に形成することができる。
【００２７】
（ウ）図２においては、供給側ガス通路６Ａと排出側ガス通路６Ｂとは、夫々櫛形状に形成され、夫々の先端が交互に隣合わせて配置しているため、これらの通路６Ａ、６Ｂは平面上に形成でき、集電体５の厚さを極力薄く構成することができる。
【００２８】
（エ）図３，４においては、供給側ガス通路６Ａと排出側ガス通路６Ｂとは、一方は複数の細長い島状に形成され、他方は前記一方を取囲むよう形成したため、同一面積中における通路密度を高く形成でき、ガス交換密度を増加させて出力電力の増大化が図れる。
【００２９】
なお、上記実施形態において、直線状の細長い供給側ガス通路６Ａおよび排出側ガス通路６Ｂを交互に平行配置したものについて説明したが、図示しないが、一本の供給側ガス通路と一本の排出側ガス通路とを一対にして蛇行もしくは湾曲させて集電体上に配置してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す固体高分子型燃料電池の概略断面図。
【図２】供給側ガス通路と排出側ガス通路とを交互配置するための集電体の一例の平面図。
【図３】供給側ガス通路と排出側ガス通路とを交互配置するための集電体の他の例の平面図。
【図４】図３に示す集電体のＡ−Ａ線に沿う断面図（Ａ）およびＢ−Ｂ線に沿う断面図（Ｂ）。
【符号の説明】
１　固体高分子型燃料電池
２　高分子膜
３　触媒層
４　電極層
５　集電体
６　ガス通路
６Ａ　供給側ガス通路
６Ｂ　排出側ガス通路
７　親水層
【図１】
2004079457.tif 000003
【図２】
2004079457.tif 000004
【図３】
2004079457.tif 000005
【図４】
2004079457.tif 000006