(57)【要約】【課題】  ＭＥＡにおける電流密度分布をより均一になし得るように改良した燃料電池を提供する。【解決手段】  燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応を利用して電気を発生する燃料電池であって、電解質膜１３の両側に電極を設けてなるＭＥＡ（膜／電極接合体）１０とこの膜を両側からそれぞれ挟む２つのセパレータ１６，１７とを含む単位セルを複数接続してなり、ＭＥＡの電気化学反応に関与するパラメータのうちの２以上のパラメータについて、当該パラメータによるＭＥＡの電流密度又はガス分圧の特性がガス出口側領域１０ｂに比してガス入口側領域１０ａが抑制されるように構成される。２以上のパラメータを利用して調整することによって電流密度のより均一化が可能となる。【選択図】  図３
2005340041.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応を利用して電気を発生する燃料電池であって、
電解質膜の両側に電極を設けてなる膜／電極接合体と、
前記膜／電極接合体を両側からそれぞれ挟む２つのセパレータと、を含み、
前記膜／電極接合体の前記電気化学反応に関与するパラメータのうちの２以上のパラメータについて、当該パラメータによる前記膜／電極接合体の電流密度又はガス分圧の特性がガス出口側領域に比してガス入口側領域では抑制されるように構成された燃料電池。
【請求項２】
前記膜／電極接合体は触媒層と拡散層とを含み、
前記パラメータには、前記触媒層の触媒量、ソリューションＥＷ値、ソリューション／カーボン比、触媒活性、触媒粒径、前記拡散層の法線方向透気度、透水性、気孔径、抵抗が含まれ、このうちの少なくともいずれか２つのパラメータが前記抑制の対象となる請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記抑制の対象となるパラメータのうち１つは前記触媒層のパラメータから選択され、他の１つは前記拡散層のパラメータから選択される請求項２記載の燃料電池。
【請求項４】
前記電気化学反応に関与するパラメータの抑制はカソード側の電極について行われる、請求項１乃至３のいずれかに記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池システムに関し、特に、膜／電極接合体（ＭＥＡ；Membrane/electrode assembly）の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は単位セルを所要数積層して所要の出力電圧（電力）を得る構成としている。単位セルは、例えば、固体高分子電解質膜型の燃料電池の場合、概略、高分子電解質膜の両側に電極（アノード／カソード）を接合した膜／電極接合体（ＭＥＡ）を２つのセパレータで挟んで構成される。電極（アノード／カソード）は触媒層及び拡散層を含んで構成されている。アノード（水素極）側のセパレータにはアノードに水素ガスを供給する水素ガス流路が形成され、カソード（空気極）側のセパレータにはカソードに空気を供給する空気流路が形成される。
【０００３】
単位セルの一方端側（ガス入口）から反応ガス（水素、空気）を流路に供給すると、当該ガスは電極の表面に沿って上流側から下流側の他方端側（ガス出口）に向かって流れ、途中でＭＥＡ内に取り込まれていく。その結果、流路の途中でガス濃度が低下していくため、ＭＥＡ面内の電流密度が不均一となる傾向を生ずる。このような、電流密度の不均一は単位セルの発電効率を低下させ、あるいは発熱分布の片寄りをもたらす。
【０００４】
そこで、ＭＥＡのエア入口側と出口側の電流密度の差を少なくして燃料電池の効率を上げるためにエア入口側からエア出口側に向かってＭＥＡの触媒成分濃度を段階的に増大させる提案がなされている（特開平６−１５０９４４）。
【特許文献１】特開平６−１５０９４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、反応ガスがＭＥＡの触媒層に至る前にはガス拡散層が存在する。電極反応で生じた水がガス拡散層中や触媒層とガス拡散層との界面に過剰に滞留すると、触媒層の触媒成分濃度を段階的に形成しても反応ガスが届かず、その効果を得ることは難しくなる。触媒成分濃度の調整だけではＭＥＡ面内の電流密度の均一化を図ることは困難であり、十分な燃料電池性能を引き出すことが難しい。
【０００６】
よって、本発明はＭＥＡ面内における電流密度分布をより均一になし得るように改良した燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため本発明の燃料電池は、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応を利用して電気を発生する燃料電池であって、電解質膜の両側に電極を設けてなる膜／電極接合体と、上記膜／電極接合体を両側からそれぞれ挟む２つのセパレータとを含み、上記膜／電極接合体の上記電気化学反応に関与するパラメータのうちの２以上のパラメータについて、当該パラメータによる上記膜／電極接合体の電流密度又はガス分圧の特性がガス出口側領域に比してガス入口側領域が抑制されるように構成される。
【０００８】
かかる構成とすることによってＭＥＡのガス入口側と出口側の電流密度の差を少なくするために２以上のパラメータを利用して調整することが可能となり、電流密度のより十分な均一化が可能となる。
【０００９】
好ましくは、上記膜／電極接合体は触媒層と拡散層とを含み、上記パラメータには、触媒層の触媒量、ソリューションＥＷ値、ソリューション／カーボン比、触媒活性、触媒粒径、拡散層の法線方向透気度、透水性、気孔系、抵抗が含まれ、このうちの少なくとも２つのパラメータが前記抑制の対象となる。
【００１０】
好ましくは、上記抑制の対象となるパラメータのうち１つは上記触媒層のパラメータから選択され、他の１つは上記拡散層のパラメータから選択される。それにより、触媒層と拡散層とでパラメータ形成を別々に行うことが出来るので同一膜（層）内に領域特性の異なる２つのパラメータを形成する場合に比して製造が容易となる。また、触媒層のパラメータ値を電極のガス入口側と出口側の領域に対応して変えることによって電流密度分布を設定することが出来る。拡散層のパラメータも電極のガス入口側とガス出口側の領域に対応して変えることによって電流密度の均一化に寄与するように酸素分圧分布を設定することが出来る。酸素分圧分布と電流密度分布とを重ねて設定することによってＭＥＡの総合の電流分布特性をより均一に設定することが可能となる。
【００１１】
好ましくは、上記電気化学反応に関与するパラメータの抑制はカソード側の電極について行われる。それにより、カソード（酸素極）の酸素分圧を均一化することが可能となる。また、電気化学反応に伴ってカソード側に生成する水の量を相対的に均一化することも可能となる。
【発明の効果】
【００１２】
ＭＥＡの触媒層と拡散層における複数のパラメータを組み合わせることによって所望の電流密分布を得ることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の実施例においては、ＭＥＡにおける生成電流密度分布を均一化するために、触媒層に反応ガスを供給する拡散層のガス分圧特性をガス供給路（セパレータ）の上流側が下流側に比べて相対的にガス供給が抑制されるようにして段階的又は連続的に傾斜させるようにする。また、触媒層の電極反応特性を段階的又は連続的に傾斜させるだけではなく、併せて電極反応の前段階の拡散層における反応ガスのガス分圧特性をも段階的又は連続的に傾斜させるようにすることでＭＥＡの領域特性を総合的に整える。このため、触媒層及び拡散層からそれぞれ少なくとも１つの関連するパラメータが選択される。
【００１４】
また、実施例においては、触媒層及び／又は拡散層の２以上のパラメータが選択される。選択されたパラメータの領域特性を組み合わせてＭＥＡ全体の反応ガス流路の上流側（単セルの入口側）と下流側（単セルの出口側）とで電流密度が均一となるようにパラメータ特性を組み合わせる。
【実施例１】
【００１５】
以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。
【００１６】
固体高分子電解質型燃料電池は、イオン交換膜からなる電解質膜と電解質膜の一面に配置された触媒層及び拡散層からなる電極（アノード、燃料極）及び電解質膜の他面に配置された触媒層及び拡散層からなる電極（カソード、空気極）とからなる膜−電極接合体（ＭＥＡ；Membrane/electrode assembly）と、両電極にそれぞれ燃料ガス（水素）及び酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための流体路を形成するセパレータとを、交互に配置し、これらＭＥＡとセパレータからなる単位セル（単電池）を積層したスタックとしている。
【００１７】
図１は、燃料電池の単位セルの構成例を概略的に示している。同図に示されるように、単位セルは電気化学反応を起こすＭＥＡ１０を反応ガス（水素、空気）を供給するセパレータ１６及び１７で両側から挟んで構成されている。
【００１８】
ＭＥＡ１０は、高分子電解質膜の両側に電極を接合した構造となっている。電極部分（アノード、カソード）は電極反応を行う触媒層とこの触媒層への反応ガスの供給と集電の役割を果たすガス拡散層で構成される。具体的には、ＭＥＡ１０は、ガス拡散層１１、触媒層１２、電解質膜１３、触媒層１４、ガス拡散層１５によって構成される。この実施例では、拡散層１１及び触媒層１２はカソードに相当する。触媒層１４及び拡散層１５はアノードに相当する。
【００１９】
高分子電解質膜１３は、水素イオンを良く通し、反応ガス（水素、酸素）を通さない役割を受け持っている。高分子電解質膜１３としは、例えば、これに限定されるものではないが、パーフルオロスルフォン酸ポリマが使用される。パーフルオロスルフォン酸ポリマはテトラフルオロポリエチレン骨格にスルフォン酸基を末端に付けた側鎖がぶら下がった構造を有している。スルフォン酸基はいくつか凝縮して逆ミセス構造を取り、この中に水を取り込む。スルフォン酸基の水素イオンは解離して電荷担体となり、この逆ミセス構造を通過することによって導電性を示す。高分子電解質膜１３の導電率に拘わるパラメータとしてＥＷ（Equivalent Weight）値がある。ＥＷ値はスルフォン酸１モル当たりの乾燥重量を表し、小さい程スルフォン酸基の比率が大きい。その結果、ＥＷ値が小さいと高分子電解質膜１３の導電率が向上する。高分子電解質膜１３は水素イオンの膜中移動を容易化するために湿潤状態に置かれる。
【００２０】
触媒層１２及び１４は触媒担持炭素と電解質が適度に混ざり合ったマトリクスになっており、炭素上の触媒と電解質の界面で電極反応が行われる。触媒担持炭素の繋がりが電子の通り道（電子伝導チャンネル）となり、電解質の繋がりが水素イオンの通り道（電解質チャンネル）となる。触媒はアノード・カソード共に白金触媒、Ｐｔ系合金触媒等が用いられる。
【００２１】
高性能の電極を形成するためには、触媒層には電極／電解質面が広く、電極反応に関係する反応ガス、水素イオン、電子等の流れが良いことが求められる。このような触媒層１２及び１４の電極反応の特性を決定するパラメータ（要因）としては、触媒量（触媒量／触媒層の単位体積）、ソリューションＥＷ値（電解質膜のＥＷ値）、ソリューション／カーボン比（電解質と触媒担持炭素と比）、触媒の活性（触媒の種類）、触媒粒径、等が挙げられる。
【００２２】
ガス拡散層１１及び１５の役割は触媒層１３への反応ガスの供給と集電である。ガス拡散層１１及び１５は通気性と導電性を確保するために、例えば、カーボンペーパ、カーボンクロスが使用される。ガス拡散層１１及び１５の特性に関係するパラメータとしては、ガス拡散層の平面に対して法線方向におけるガスの通気性を示す法線方向透気度、生成する水の透水性、ガスが通過する気孔の径、拡散層の抵抗値などが挙げられる。法線方向透気度及び気孔の径はガスの通過性に関わる。透水性は余剰水の排水性と必要な水分の保水性に関わる。
【００２３】
セパレータ１６及び１７は各電極への反応ガス（水素ガス、空気）の供給、隣接する単セル相互間の反応ガスの分離及び電極からの集電の役割を担っている。セパレータは黒鉛、ステンレス、導電性プラスチック等が使用される。セパレータ１６及び１７には電極（ガス拡散層）に沿って反応ガスを供給する流路（溝）が形成されている。図１に示すように、セパレータの流路の一端の入口側（上流側）から他端の出口側（下流側）に向かって空気、水素ガスが供給される。
【００２４】
図２は、実施例のＭＥＡ１０のカソード（空気極）側の電極面を示している。この表面に沿って図示しないセパレータのガス流路によって入口側（図示の左端側）から出口側に向かって空気が流れていく。この電極面全体の面積のうち空気入口側から３０〜４０％の面積に相当する斜線で示される領域（空気入口付近の上流側領域）１０ａの触媒層１２及び拡散層１１のパラメータの特性とその他の非斜線で示される後続の領域（下流側領域）１０ｂのパラメータ特性とを異なる特性に設定している。
【００２５】
図３は、触媒層１２及び拡散層１１のパラメータの特性例を示している。触媒層１２のパラメータは電流密度の均一化の見地から領域調整される。例えば、触媒量は空気入口付近領域１０ａでは相対的に「少な」く（電極反応少なく）、その他の領域１０ｂでは相対的に「多」く（電極反応多く）設定される。ソリューションＥＷ値は空気入口付近領域１０ａでは相対的に「大き」く（導電率低く）、その他の領域１０ｂでは相対的に「小さ」く（導電率高く）設定される。ソリューションカーボン比は導電率に関係し、空気入口付近領域１０ａでは相対的に「小さ」く、その他の領域１０ｂでは相対的に「大き」く設定される。触媒活性は電極反応に関し、空気入口付近領域１０ａでは相対的に「小さ」く、その他の領域１０ｂでは相対的に「大き」く設定される。触媒粒径は触媒面積に関し、空気入口付近領域１０ａでは相対的に「大き」（全触媒粒のトータル面積小）く、その他の領域１０ｂでは相対的に「小さ」く（全触媒粒のトータル面積大）設定される。
【００２６】
また、拡散層１１のパラメータはガス分圧の均一化の見地から領域調整される。例えば、拡散層の法線方向透気度は空気入口付近領域１０ａでは相対的に「小さ」く（ガス浸透性低く）、その他の領域１０ｂでは相対的に「大き」く（ガス浸透性高く）設定される。透水性は空気入口付近領域１０ａでは相対的に「小さ」く（水分浸透性低く）、その他の領域１０ｂでは相対的に「大き」く（水分浸透性高く）設定される。気孔径は空気入口付近領域１０ａでは相対的に「小さ」く（ガス通気性低く）、その他の領域１０ｂでは相対的に「大き」く（ガス通気性高く）設定される。抵抗は空気入口付近領域１０ａでは相対的に「大き」く（電流低く）、その他の領域１０ｂでは相対的に「小さ」く（電流高く）設定される。
【００２７】
このように電極を形成する拡散層及び触媒層のパラメータを領域特性が異なるように形成し、組み合わせる。上述したように、上流側領域（入口側）とその他の領域に分けて特性が異なるように生成する外、上流側から下流側に向かって連続的に特性が変化するように形成しても良い。この場合には、電流密度分布特性のより一層の平坦化を図ることが可能となって好ましい。
【００２８】
また、触媒層から選んだパラメータと拡散層から選んだパラメータとを組み合わせて電極を形成することで、同一膜内に２つのパラメータを異なる領域特性で形成する場合に比べて電極の製造が容易になる利点がある。
【００２９】
上述した電極の触媒層及び拡散層のパラメータ特性はアノード（水素極）及びカソード（酸素極）において同様の傾向を持つが、カソードにおける影響がより顕著である。このため、カソードにのみ上述したパラメータ特性の領域分割を施すこととしても良い。
【００３０】
図４及び図５は、実施例の特性を示すグラフである。拡散層１１のパラメータ（例えば、法線方向透気度）の値を入口側領域とその他の領域で変えている（図３参照）。また、触媒層１２のパラメータ（例えば、触媒量）の値を入口側領域とその他の領域で変えている。
【００３１】
図４は実施例のＭＥＡ１０のカソードの特性例を示すグラフである。同図はＭＥＡ１０の空気流路方向における酸素分圧の分布特性を示しており、横軸はＭＥＡ１０の流路方向における位置、縦軸は酸素分圧を示している。同図に示されるように、パラメータに変化を与えたことで拡散層１１は空気入口付近で酸素の触媒層１２への供給が後述の比較例と比べて抑制され、酸素分圧が空気流路に沿って全体的に均一化されている。
【００３２】
図５は実施例のＭＥＡ１０のカソードの特性例を示すグラフである。同図はＭＥＡ１０の空気流路方向における電極面上の電流密度の分布特性を示しており、横軸はＭＥＡ１０上の空気流路方向における位置、縦軸は各位置における電流密度を示している。同図に示されるように、上述したパラメータ調整された拡散層１１によって触媒層１２に供給される酸素の酸素分圧分布が調整されている。更に、触媒層１２のパラメータに変化を与えて電極面上の電流密度分布がＭＥＡ１０の空気入口付近では抑制される傾向として全体としてＭＥＡ１０の電流密度分布が略一定となるように形成している。触媒層のみのパラメータ（１つのパラメータ）では均一な電流密度分布を得ることは難しいが、拡散層のパラメータと組み合わせることで略均一な電流密度分布を得ることがより容易となっている。
【００３３】
図６及び図７は比較例を示している。この例では、ＭＥＡ１０の各パラメータは面内で均一になるように設定される。図７に示されるように、供給空気中の酸素分圧が高い空気入口付近では電極反応が活発に行われて電流密度は高いが（図６参照）、空気流路の下流側では上流側で酸素が消費されて酸素分圧が低下するため、下流側程電極反応は不活発になって電流密度は低下している（図６参照）。比較例では、図６に示すように、単セルの電極面上の電流密度分布に片寄りがあり、電極面全体で電極反応を効率よく行っていない。燃料電池の性能を十分に発揮していない。
【００３４】
これに対して実施例では、図４及び図５に示したように、酸素分圧／電流密度共に略片寄りのない平坦な特性であり、全体としてのＭＥＡ１０の性能が向上している。
【００３５】
なお、既述したように、拡散層１１及び触媒層１２はそれぞれ複数のパラメータを備えているので、拡散層１１及び／又は触媒層１２から２以上のパラメータを抽出し、これらパラメータの領域の値を変化させ、パラメータ分布を得ることが可能である。２以上のパラメータ分布を組み合わせ、その結果、電極面上の電流密度分布が均一となるようにＭＥＡを構成することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】図１は燃料電池の単セルの構成を説明する分解斜視図である。
【図２】図２はＭＥＡ面の領域を説明する説明図である。
【図３】図３は触媒層と拡散層のパラメータの例を説明する説明図である。
【図４】図４は実施例の電流密度分布を説明するグラフである。
【図５】図５は実施例の酸素分圧分布を説明するグラフである。
【図６】図６は比較例の電流密度分布を説明するグラフである。
【図７】図７は比較例の酸素分圧分布を説明するグラフである。
【符号の説明】
【００３７】
１０  ＭＥＡ（膜／電極接合体）、１１，１５  拡散層、１２，１４  触媒層、１３  高分子電解質膜、１６，１７  セパレータ
【図１】
2005340041.tif 000003
【図２】
2005340041.tif 000004
【図３】
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【図４】
2005340041.tif 000006
【図５】
2005340041.tif 000007
【図６】
2005340041.tif 000008
【図７】
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