(57)【要約】【課題】  触媒層及びガス拡散層から効率よく液水を排出する。【解決手段】  燃料電池セルは、固体高分子電解質膜１０の両側に触媒層１１ａ、１１ｃおよびガス拡散層１２ａ、１２ｃ、さらにこれらを挟持するようにセパレータ１３ａ、１３ｃを備える。カソードガス拡散層１２ｃに孔１９を設け、この孔１９を貫通して、カソードセパレータ１３ｃのリブ部１５と、固体高分子電解質膜１０またはカソード触媒層１１ｃとを接続するとともに毛細管現象を有する接続部材１７を設ける。【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側に触媒層およびガス拡散層、さらにこれらを挟持するようにセパレータを配置した燃料電池において、
前記ガス拡散層に孔を設け、
該孔を貫通して、前記セパレータのガス拡散層側リブ部と、前記固体電解質膜または前記触媒層とを接続するとともに毛細管現象を有する接続部材を設けたことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記接続部材は、前記セパレータのリブ部の長さ方向に離散的に設けられ、前記ガス拡散層内部における面方向のガス移動を妨げないことを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記接続部材の前記触媒層側端部は、前記固体高分子電解質膜表面または前記触媒層に当接したところで放射状に分岐することを特徴とする請求項１または請求項２記載の燃料電池。
【請求項４】
前記接続部材の前記セパレータ側端部は、前記セパレータのガス流路に形成された排水溝に到達することを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記接続部材の配置密度をセパレータ面内の反応ガスの出口側で高めたことを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子型電解質を用いた燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池は、プロトン導電性の固体高分子膜とその両側にそれぞれ配置されるアノードおよびカソードとからなる単位燃料電池（セル）をセパレータによって挟持することにより燃料電池スタックとして構成されている。
【０００３】
この種の燃料電池において、アノードに供給された燃料ガス、例えば、水素ガスは、触媒電極上で水素イオン化され、適度に加湿された高分子膜を介してカソード側へと移動する。その際、生じた電子は外部回路に取り出され、直流の電気エネルギーとして利用される。カソードには、酸化剤ガス、例えば、酸素ガスあるいは空気が供給されているために、このカソードにおいて、水素イオン（プロトン）、電子および酸素が反応して水が生成される。
【０００４】
プロトン導電性の固体高分子膜は、プロトン導電性を保持するため十分に加湿させておく必要がある。このため、一般的には、燃料電池の外部に設けられているガス加湿装置を用いて酸化剤ガスと燃料ガスとを加湿し、加湿された反応ガスを燃料電池に供給することにより、固体高分子膜を加湿するように構成されている。
【０００５】
固体高分子型燃料電池は、作動温度が比較的低温（例えば、８０〜１００〔℃〕）であるため、加湿用に供給された水分のなかで高分子膜に吸収されなかった水分や、反応によって生成された水分が、液体（水）の状態で存在することがある。この水は、ガス拡散層のガス通路を閉塞してしまい、反応ガスである燃料ガスおよび酸化剤ガスの電極触媒層への拡散性が低下し、セル性能が著しく悪くなるという問題が指摘されている。
【０００６】
例えば、液体として存在する水によりガス拡散層内のガス流路が塞がれた場合（フラッディング）には、触媒層のカーボンが腐食されるなどの劣化が進行する。従って、固体高分子型燃料電池においては、液水の排出能力を高める技術が必要となる。
【０００７】
このため、ガス流路の壁面に入口側から出口側にかけて連続する排水用溝を設けた燃料電池が開示されている（特許文献１）。
【特許文献１】特開２０００−１２３８４８号公報（第３頁、図２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記従来の燃料電池においては、ガス流路壁面に設けられた排水用溝がそれぞれ独立して入口から出口まで連続した構成であるので、反応により生成された水を排水用溝に効率よく取り込むことができないという問題点があった。
【０００９】
また、取り込まれた水は細い排水用溝にて毛細管現象により出口まで運ばれるが、ガス拡散面付近に細溝が複数あったとしても、特にガス出口付近ではガス中の水蒸気凝結分と発電による生成水により毛細管現象が機能しなくなるおそれがあり、排水の確実性という点で不十分である。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記問題点を解決するために、本発明は、固体高分子電解質膜の両側に触媒層およびガス拡散層、さらにこれらを挟持するようにセパレータを配置した燃料電池において、前記ガス拡散層に孔を設け、該孔を貫通して、前記セパレータのガス拡散層側リブ部と、前記固体電解質膜または前記触媒層とを接続するとともに毛細管現象を有する接続部材を設けたことを要旨とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、触媒層ならびにガス拡散層内に液体として存在する水は、接続部材の毛細管作用によって、セパレータのガス流路側に円滑に排水されるという効果がある。従って、液体状の水によるガス通路の閉塞を防ぐことができ、燃料電池の発電状態を安定的に維持することができるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
次に図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００１３】
図１は、本発明に係る燃料電池を構成する燃料電池単位ユニット（燃料電池セル）の垂直方向概略断面図である。図１において、燃料電池単位ユニットは、固体高分子膜１０の両面にアノード触媒層１１ａ及びカソード触媒層１１ｃが形成され、さらに外側にそれぞれアノードガス拡散層１２ａ及びカソードガス拡散層１２ｃが配置された膜電極接合体と、これを挟持するようにアノードセパレータ１３ａ、カソードセパレータ１３ｃが配置される。
【００１４】
尚、特に限定されないが、本実施形態では、燃料電池は、燃料ガスとして水素、酸化剤ガスとして空気を使用するものとする。従って、以下の説明では、燃料ガス流路を水素流路、酸化剤ガス流路を空気流路と呼んでいる。
【００１５】
アノードセパレータ１３ａのアノードガス拡散層側の面には、リブ部２０と水素ガスが流れる水素流路２１とが交互に形成されている。またアノードセパレータ１３ａのアノードガス拡散層側の反対面には、冷却媒体流路２２が形成されている。
【００１６】
一方、カソードセパレータ１３ｃのカソードガス拡散層側の面には、リブ部１４または１５と、酸化剤ガスとしての空気が流れる空気流路１６とが交互に形成されている。リブ部１５には、毛細管作用を有する接続部材１７が配置されている。毛細管作用を有する接続部材１７は、１つでもよいし、互いに独立に複数あってもよい。また、空気流路１６には排水溝１８が形成されている。
【００１７】
尚、シール部材２３，２４，２５は、膜電極接合体（１０、１１，１２）と、アノードセパレータ１３ａ、カソードセパレータ１３ｃとを積層して燃料電池スタックを構成する際に、反応ガス及び冷却媒体のシールを行うものである。
【００１８】
カソードガス拡散層１２ｃには、接続部材１７に相当する位置に孔１９が設けられている。接続部材１７は、カソードガス拡散層１２ｃの孔１９を貫通して、カソードセパレータ１３ｃと、カソード触媒層１１ｃまたは固体高分子膜１０とを接続している。接続部材１７は、毛細管作用を有する部材、例えば多孔質部材、繊維を束ねた繊維集成部材等で構成されている。多孔質部材としては、多孔質炭素、多孔質セラミック等が使用可能である。繊維を束ねた繊維集成部材としては、アクリル、レーヨン、ナイロン等の化学繊維や、炭素繊維を束ねたものを使用可能である。
【００１９】
接続部材１７は、毛細管作用を備えているので、カソード触媒層１１ｃまたは固体高分子膜１０に存在する過剰な水分を毛細管作用により吸い出して、カソードセパレータ１３ｃの空気流路１６へ排出することができる。
【実施例１】
【００２０】
図２は、本発明に係る燃料電池の実施例１を示す要部拡大断面図であり、図１におけるカソードセパレータ１３ｃ周辺の拡大図である。
【００２１】
図２において、繊維を柱状に束ねた接続部材１７は、カソードセパレータ１３ｃのリブ部１５の先端に設置され、カソードガス拡散層１２ｃを貫通して固体高分子膜１０の表面に形成されたカソード触媒層１１ｃに到達している。カソード触媒層１１ｃにおいて水素イオンと電子と酸素との反応により生成された水は、接続部材１７の毛細管作用によってカソード触媒層１１ｃ側からカソードセパレータ１３ｃ側に移動して排出される。この毛細管作用を有する接続部材１７による排水により、液水による触媒層やガス拡散層の閉塞が防止できるため、反応ガスはガス拡散層を介して円滑に供給され、燃料電池の発電状態を安定的に維持することができるという効果がある。
【実施例２】
【００２２】
図３は、本発明に係る燃料電池の実施例２を説明する燃料電池セル概略断面図であり、図１に示した燃料電池セルの水平方向断面図である。
【００２３】
図３において、カソードセパレータ１３ｃのリブ部１５に毛細管作用を有する複数の接続部材１７が離散的に設置されている。そして接続部材１７がカソードガス拡散層１２ｃを貫通する部分の形状を例えば、円錐、円柱、角錐、角柱等とすることで、カソードガス拡散層１２ｃ内部における面方向のガス移動を妨げることなく、液水の排出能力を高めることができる。
【実施例３】
【００２４】
図４は、本発明に係る燃料電池の実施例３を示す要部拡大断面図であり、図１におけるカソードガス拡散層１２ｃ周辺の拡大図である。
【００２５】
繊維を束ねて形成された接続部材１７は、カソードガス拡散層１２を貫通して、その先端部は、カソード触媒層１１ｃ内で放射状に分岐し、それぞれが枝状にカソード触媒層１１ｃの中へ延びるようにすることで、カソード触媒層１１ｃの液水排出可能領域を広げることができる。
【００２６】
尚、本実施例では、接続部材１７の先端部がカソード触媒層１１ｃ内で放射状に分岐する例を示したが、これに限らず、固体高分子膜１０に接する部分で放射状に分岐するようにしても同様の効果が期待できる。
【実施例４】
【００２７】
図５は、本発明に係る燃料電池の実施例４を示すセパレータ平面図であり、図１に示したカソードセパレータの例を示している。
【００２８】
燃料電池のセパレータに形成するガス流路は、図５（ａ）に示すガス流路が並行する並行溝型、図５（ｂ）、（ｃ）に示すガス流路が蛇行する蛇行溝型が知られている。図５（ｃ）の蛇行溝型は、互いに並行する複数のガス流路が蛇行するタイプである。
【００２９】
本実施例においては、図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）にそれぞれ示すように、カソードセパレータの空気流路１６を隔てるリブ部１５に、複数の接続部材１７を離散的に配置する際に、ガス入口３１に近い上流側より、ガス出口３２に近い下流側で接続部材１７の配置密度を高めている。
【００３０】
本実施例によれば、セル内反応ガスの出口側で毛細管作用を有する接続部材の配置密度を高めたので、フラッディングが問題となりやすいセル内反応ガス出口側での排水性を高めることができる。反応ガスの相対湿度は流れ方向とともに増加し、触媒層やガス拡散層に存在する水分は反応ガス出口側で多くなる。従って、セパレータリブ部に設けられた毛細管作用を有する接続部材の配置密度を反応ガス出口側で高めることで、フラッディングを効果的に抑制できるという効果がある。
【００３１】
以上説明したように本発明によれば、触媒層ならびにガス拡散層からの排水性を高めることができ、さらに排水された液水は排水溝を通って円滑に除去することが可能となる。これにより、フラッディングの防止が可能となり、フラッディングに起因する燃料電池の不安定な運転を防止するとともに、燃料電池の劣化を抑制できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明に係る燃料電池を構成する燃料電池単位ユニット（燃料電池セル）の垂直方向概略断面図である。
【図２】本発明に係る燃料電池の実施例１を示す要部拡大断面図である。
【図３】本発明に係る燃料電池の実施例２を説明する燃料電池セル概略断面図である。
【図４】実施例３
【図５】（ａ）並行溝型セパレータ、（ｂ）蛇行溝型セパレータ、（ｃ）蛇行溝型セパレータにおける本発明の実施例４を示すセパレータ平面図である。
【符号の説明】
【００３３】
１０…固体高分子膜
１１ａ…アノード触媒層
１１ｃ…カソード触媒層
１２ａ…アノードガス拡散層
１２ｃ…カソードガス拡散層
１３ａ…アノードセパレータ
１３ｃ…カソードセパレータ
１４，１５…リブ部
１６…空気流路
１７…接続部材
１８…排水溝
１９…孔
２０…リブ部
２１…水素流路
２２…冷却媒体流路
２３，２４，２５…シール部材
【図１】
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【図２】
2005310586.tif 000004
【図３】
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【図４】
2005310586.tif 000006
【図５】
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