(57)【要約】    【目的】拡散層より反応生成水が速やかに除去され、反応ガスが触媒層に適正に供給されて長期にわたり安定して運転でき、かつ、安いコストで製作できるものを得る。    【構成】固体高分子電解質膜４の両面に触媒層３と拡散層２Ａを配し、その外側に配したセパレータ５のガス流通溝６にそれぞれ燃料ガスおよび空気を供給して電気化学反応により電気エネルギーを得るものにおいて、拡散層２Ａに厚さ方向に貫通する貫通孔１を備え、かつ、この貫通孔１の拡散層２Ａの表面に占める占有面積比が、電池運転時の面内の水蒸気分圧の高い部位ほど大きくなるよう設定する。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜の両面に触媒層と拡散層を配してなる膜電極接合体をガス流通溝を備えた一組のセパレータで挟持し、ガス流通溝に燃料ガスおよび空気を供給して電気化学反応により電気エネルギーを得る固体高分子形燃料電池で、前記拡散層が厚み方向に貫通する貫通孔を有し、かつ、拡散層の表面に占める前記貫通孔の占有面積比が該燃料電池運転時の面内の水蒸気分圧の分布にしたがって定められ、水蒸気分圧が高い部位ほど拡散層の表面に占める前記貫通孔の占有面積比が大きくなるよう設定されていることを特徴とする固体高分子形燃料電池。
【請求項２】
水蒸気分圧が１００％以上、１２０％未満の部位における拡散層の表面に占める貫通孔の占有面積比が、２０％以上、６０％未満に選定されていることを特徴とする請求項１に記載の固体高分子形燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、固体高分子電解質膜を用いる固体高分子形燃料電池に係り、特に膜電極接合体の電極の外面に配される拡散層の構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子形燃料電池では、固体高分子電解質膜を燃料極と空気極で挟持し、さらにその両外面に拡散層を配して膜電極接合体が構成され、その外面に配されたセパレータのガス溝に反応ガスである燃料ガスと空気を通流させて拡散層の外面に供給することによって、電気化学反応により電気エネルギーを得る。このとき、反応ガスはそれぞれ拡散層中を拡散して各電極の触媒層の表面に到達し、電気化学反応を生じる。空気極ではこの電気化学反応に伴って水が生成するので、電気化学反応に寄与しなかった空気と水蒸気となった反応生成水が空気極のガス出口から電池外部へと排出される。高い発電効率を得るには、反応ガスが触媒層の表面に均等に供給されること、また触媒層で生成した水蒸気を速やかに排出することが必要であり、電極の触媒層とセパレータのガス溝との間に組込まれた拡散層がその役割を果している。したがって、この拡散層は導電性多孔材料より構成されており、一般に、数μｍのカーボン繊維からなる厚さ数百μｍのカーボンクロスやカーボンペーパーが用いられている。
【０００３】
図４は、従来の固体高分子形燃料電池の単セルの基本構成を示す縦断面図である。図に見られるように、本単セルは、固体高分子電解質膜４を２枚の触媒層３で挟持し、さらにその両外面に拡散層２を配して膜電極接合体を構成し、この膜電極接合体をガス流通溝６を備えた１組のセパレータ５によって挟んで構成されている。燃料ガスは、一端に設けられた燃料ガス入口より燃料極側のガス流通溝６へと導かれ、拡散層２を拡散して触媒層３へと到達し、電気化学反応を生じる。反応に用いられなかった残余のガスは相対する一端に設けられた燃料ガス出口よりセル外へと排出される。同様に、空気は、一端に設けられた空気入口より空気極側のセパレータ５のガス流通溝６へと導かれ、拡散層２を拡散して触媒層３へと到達し、電気化学反応を生じる。反応で生成した水蒸気は、拡散層２を拡散してガス流通溝６へと到達し、反応に用いられなかった残余のガスとともに他端に設けられた空気出口よりセル外へ排出される。したがって、本構成の単セルにおいては、拡散層２の出口側ほど水蒸気の滞留量が増大して水蒸気分圧が高くなる。
【０００４】
このように拡散層２の面内に水蒸気分圧分布が生じると、水蒸気分圧の高い領域では電気化学反応に寄与する反応ガスの濃度が低下するため、濃度過電圧が増加してセル電圧が低下する可能性がある。また、触媒層３や拡散層２、ガス流通溝６に反応で生成した水蒸気の凝縮水が滞留すると、凝縮水が細孔を覆って反応ガスの拡散を阻害し、触媒層３に十分に反応ガスが供給されない事態が生じる恐れがある。したがって、拡散層２は、特に水蒸気分圧の高い領域で反応ガスがガス流通溝６から触媒層３へと速やかに移動できる構造に構成する必要がある。
【０００５】
この要求に対応する燃料電池として、特許文献１には、反応ガスの下流側ほど気孔率あるいは空隙率が大きくなるよう形成した拡散層を組込んだ燃料電池が開示されており、特許文献２には、触媒層と拡散層との間に反応ガスの流れ方向に例えば平均気孔径を変化させて形成した水蒸発制御用多孔層を挿入し、面内の特性の均一化を図った燃料電池が開示されている。また、特許文献３には、厚さ方向に水通路としての貫通孔およびガス通路としての貫通孔を備えた拡散層を組込んで、水および反応ガスの流通を良好にした燃料電池が開示されている。
【特許文献１】特開平６−２６７５６２号公報など
【特許文献２】特開２００３−９２１１２号公報
【特許文献３】特開２００３−１５１５８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記のように、反応生成水の滞留に起因する反応ガスの拡散阻害を回避する燃料電池として数々の燃料電池が開示されているが、これらのうち、特許文献１や特許文献２に記載の構成の燃料電池では、特殊構成の拡散層や水蒸発制御用多孔層を製作して組込むことが必要となるため、所要の材料コストや製作コストが高くなり、実用化が困難になるという問題点がある。また、特許文献３に記載の構成の燃料電池では、貫通孔が特殊形状でない限り貫通孔の形成による製作コストの上昇は小さく、コスト面では許容される範囲にある。しかしながら、記載されているように拡散層の面内に均等に貫通孔を形成すれば、生成水の排出性能および反応ガスの拡散性能は上昇するが、図４のごとき一端から相対する一端へと反応ガスを流通させる固体高分子形燃料電池においては、拡散層の水蒸気分圧が、図５に示したごとく、上流側で低く、下流側に近づくほど高くなるのに対して、貫通孔はこの分布を考慮に入れていないので、滞留する水蒸気の上流側と下流側とでの差異には対応できず、下流側では相対的に反応ガスの拡散性能が低下し、セル電圧が低下する可能性がある。
【０００７】
本発明は、上記のごとき従来技術の問題点を顧慮してなされたもので、本発明の目的は、材料コストと製作コストが廉価であり、かつ、電気化学反応により生じた水蒸気および凝縮水が速やかに排出され、反応ガスが触媒層に適正に供給される低コストで長時間安定して運転できる固体高分子形燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的を達成するために、本発明においては、
固体高分子膜の両面に触媒層と拡散層を配して形成した膜電極接合体を備え、その拡散層の外面に反応ガスとしての燃料ガスと空気を供給して電気エネルギーを得る固体高分子形燃料電池において、前記の拡散層に厚み方向に貫通する貫通孔を備え、かつ、この貫通孔の拡散層単位表面積当たりの面積をこの燃料電池を運転した時の面内水蒸気分圧の分布にしたがって定め、面内水蒸気分圧が高い部位ほど貫通孔の面積が大きくなるよう設定することとする。
【発明の効果】
【０００９】
上記のごとく固体高分子形燃料電池に組込まれる拡散層に厚み方向に貫通する貫通孔を備え、かつ、この貫通孔の拡散層単位表面積当たりの面積をこの燃料電池を運転した時の面内水蒸気分圧の分布にしたがって定め、面内水蒸気分圧が高い部位ほど貫通孔の面積が大きくなるよう設定すれば、内部で生成された水蒸気は貫通孔により外部へと排出される。特に、本発明のごとく、相対的に多量の水蒸気が滞留しやすい面内水蒸気分圧が高い部位ほど面積比を大きくして、より密に貫通孔を設ければ、生成した水蒸気が効率的に外部へ排出され、反応ガスが触媒層に適正に供給されるので、固体高分子形燃料電池は低コストで製作可能で、かつ長時間安定して運転できることとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明においては、固体高分子膜の両面に触媒層と拡散層を配して形成された膜電極接合体をガス流通溝を備えたセパレータで挟持して単セルを構成し、それぞれのガス流通溝に反応ガスとして燃料ガスと空気を供給して電気エネルギーを得る固体高分子形燃料電池において、膜電極接合体に組込まれる拡散層、特に空気極側の拡散層が厚み方向に貫通する貫通孔を備え、かつ、その貫通孔の占有する面積比が水蒸気分圧が増大する反応ガスの下流側ほど大きくなるように配設された形態が最良の実施形態である。
【実施例】
【００１１】
図１は、本発明の固体高分子形燃料電池の実施例の単セルの基本構成を示す縦断面図である。また、図２は、本実施例の単セルに組込まれている空気極側の拡散層の横断面図である。図１に見られるごとく、本実施例の単セルも、従来例と同様に、固体高分子電解質膜４を２枚の触媒層３で挟持し、さらにその両外面に拡散層２Ａを配して膜電極接合体を構成し、この膜電極接合体をガス流通溝６を備えた１組のセパレータ５によって挟んで構成されており、燃料ガスを燃料ガス入口より燃料極側のガス流通溝６へ、また、空気を空気入口より空気極側のセパレータ５のガス流通溝６へと導いて、それぞれ拡散層２Ａを拡散させて触媒層３へと到達させ、電気化学反応により電気エネルギーを得るものである。本実施例の単セルの従来例との相違点は、空気極側の拡散層２Ａと燃料極側の拡散層２Ａに厚み方向に貫通する複数の貫通孔１が設けられていることにある。
【００１２】
図３は、拡散層２Ａに設けた貫通孔１の面積を定める際に用いた、拡散層表面の貫通孔占有面積比と運転時の局部水蒸気分圧との関係を示す特性図である。なお、空気極側の拡散層２Ａの運転時の水蒸気分圧は既に示した図５の通りである。反応ガスである空気と水蒸気および凝縮水の移動が速やかに行われるように、水蒸気分圧が高くなるほど貫通孔の占める面積の割合が大きくなるよう選定されており、図５の下流領域に見られるように水蒸気分圧が１００％を越えると、水蒸気が凝縮水となって空気の拡散を阻害する危険性が増大するので、水蒸気分圧が１００％の領域では貫通孔占有面積比を２０％に、水蒸気分圧が１２０％の領域では貫通孔占有面積比を２０％に選定している。図２に模式的に示された貫通孔１は、図５の分布に基づいて図３の特性より占有面積比を定めて形成されたものである。水蒸気分圧が６０％以下の上流域には貫通孔は設けられていないが、水蒸気分圧が８０％の中流域には占有面積比が約５％の貫通孔が、また水蒸気分圧が１００％を越える下流域には占有面積比が２０％以上の貫通孔が設けられている。
【００１３】
なお、貫通孔の大きさは任意に選定できるが、貫通孔の直径が小さ過ぎると、個数が多くなるので製作工数が上がり、製作コストが増大する可能性があり、貫通孔の直径が大きくなり過ぎると、貫通孔を通して触媒層にセパレータが直接接触して触媒層や固体高分子電解質膜を損傷する恐れがあるので、貫通孔の直径は１００μｍ〜１０ｍｍの範囲で選定するのが望ましい。
【００１４】
なお、本実施例においては、図１に示したごとく、空気極側の拡散層と燃料極側の拡散層の双方に貫通孔を設けているが、貫通孔の占有面積比は、それぞれの水蒸気分圧をもとに選定しても良く、あるいは水蒸気分圧のより高い空気極側の水蒸気分圧をもとに選定することとしても良い。また、空気極側の拡散層のみ貫通孔を設けることとしても有効である。
【産業上の利用可能性】
【００１５】
固体高分子形燃料電池を本発明のごとく構成すれば、電気化学反応に伴って生成した水蒸気、凝縮水、および反応ガスが拡散層に滞留することなく速やかに移動するので長時間安定した出力が得られる。また、拡散層に貫通孔を形成する簡単な加工を追加するだけでよいので製作コストも低く抑えられる。したがって、本発明による固体高分子形燃料電池は、家庭用電源としての燃料電池発電装置、あるいは車載用電源としての燃料電池発電装置に用いる燃料電池として利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の固体高分子形燃料電池の実施例の単セルの基本構成を示す縦断面図
【図２】本実施例の単セルに組込まれている空気極側の拡散層の横断面図
【図３】本実施例の単セルの拡散層２Ａに設けた貫通孔１の面積の決定に用いた、拡散層表面の貫通孔占有面積比と運転時の局部水蒸気分圧との関係を示す特性図
【図４】従来の固体高分子形燃料電池の単セルの基本構成を示す縦断面図
【図５】固体高分子形燃料電池の単セルの空気極側の拡散層の水蒸気分圧の面内分布を示す特性図
【符号の説明】
【００１７】
１    貫通孔
２Ａ    拡散層
３    触媒層
４    固体高分子電解質膜
５    セパレータ
６    ガス流通溝
【図１】
2005085517.tif 000003
【図２】
2005085517.tif 000004
【図３】
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【図４】
2005085517.tif 000006
【図５】
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