(57)【要約】      （修正有）【課題】表面が平滑なセパレータを用いた場合でも、燃料電池の構成部材を増やすことなくガス流路を確保することができるガス拡散層、およびそれを使用した燃料電池を提供する。【解決手段】燃料電池におけるセパレータ６と膜電極複合体３との間に配置されるガス拡散層４であって、ガス拡散層内にガス流路を形成する隔壁７を有するガス拡散層、および、それを用いた燃料電池。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池におけるセパレータと膜電極複合体との間に配置されるガス拡散層であって、前記ガス拡散層内にガス流路を形成する隔壁を有することを特徴とするガス拡散層。
【請求項２】
前記隔壁が、撥水性を有する樹脂から構成されていることを特徴とする請求項１に記載のガス拡散層。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載のガス拡散層を備え、かつ前記ガス拡散層と接するセパレータ表面が平面であることを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスの流路が内部に形成されたガス拡散層およびそれを用いた燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子電解質型燃料電池の最小発電単位である単位セルは一般に図３に示すように、電解質膜１の両側に触媒電極２が接合されている膜電極複合体３を有し、この膜電極複合体３の両側にはガス拡散層４が配されている。さらに、その外側にはガス流路５を備えたセパレータ６が配されており、ガス拡散層４を介して膜電極複合体３の触媒電極２へと供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスを通流させるとともに、発電により得られた電流を外部に伝える働きをしている。
【０００３】
燃料電池による発電では、水素と酸素が反応することにより水が発生する。この反応の際に発生した水が排水されずにガス拡散層４内に留まると、いわゆるフラッディングが生じ、溜まった水により、触媒電極２への燃料ガスの供給が阻害され、燃料電池の性能低下に繋がってしまう。そのため、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給だけでなく、反応により発生した水の排水路としても、ガス流路の役割は大きい。
【０００４】
従来の燃料電池セルでは、セパレータ表面にガス流路が設けられているため、セパレータにガス流路を形成するための加工をする必要がある。また、ガス流路用の溝をセパレータ表面に形成することとなり、その分セパレータの厚さを厚くする必要があった。
【０００５】
特に、セパレータが金属製の場合は、腐食を防止するために表面の金メッキ処理が必要である。しかしながら、表面にガス流路が形成されていると、セパレータの表面の形状が複雑になり、そのような複雑な形状の表面に一様に金メッキ処理を施すことは容易ではないといった問題があった。このため、表面が平滑なセパレータを用い、かつガス流路を確保する方法が求められている。
【０００６】
特許文献１では、パターン状に裁断されたカーボンペーパーをセパレータとガス拡散層との間に配置することにより、ガス流路を確保する方法が開示されている。しかしながら、この方法によると、従来の燃料電池よりも構成部材が増えてしまい、さらに、パターン状に裁断された薄いカーボンペーパーは破損しやすく、取り扱いには細心の注意が必要であるといった問題点があった。
【０００７】
【特許文献１】特開２０００−１２３８５０号公報
【特許文献２】特開２０００−２９９１１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、表面が平滑なセパレータを用いた場合でも、燃料電池の構成部材を増やすことなくガス流路を確保することができるガス拡散層、およびそれを用いた燃料電池を提供することを主目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明は、燃料電池におけるセパレータと膜電極複合体との間に配置されるガス拡散層であって、上記ガス拡散層内にガス流路を形成する隔壁を有することを特徴とするガス拡散層を提供する。
【００１０】
本発明のガス拡散層においては、燃料ガスや酸化剤ガス、または反応により発生する水の流れを、上述した隔壁によって形成されたガス流路によりつくることができる。そのため、このガス拡散層と共に用いるセパレータにはガス流路を形成する必要がなく、表面が平滑なセパレータを用いることができる。
【００１１】
上記発明においては、前記隔壁が、撥水性を有する樹脂から構成されていることが好ましい。発電の際に発生した水の排水を円滑にするため、上記隔壁は撥水性を有することが好ましいからである。
【００１２】
また、本発明は、上述したガス拡散層を備え、かつ前記ガス拡散層と接するセパレータ表面が平面であることを特徴とする燃料電池を提供する。燃料電池に上記のガス流路が形成されたガス拡散層を用いることにより、ガス拡散層側の表面が平滑なセパレータを用いることができる。そのため、従来のようにセパレータにガス流路を形成する必要がなくなるので、その分セパレータを薄くすることができ、小型化された燃料電池を得ることができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明のガス拡散層は、表面が平滑なセパレータを用いた場合でも、構成部材を増やすことなくガス流路を確保することができ、燃料電池の小型化、コストの削減といった効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下に本発明のガス拡散層および燃料電池について、それぞれ詳細に説明する。
【００１５】
Ａ．ガス拡散層
本発明のガス拡散層は、燃料電池におけるセパレータと膜電極複合体との間に配置されるガス拡散層であって、このガス拡散層内にガス流路を形成する隔壁を有することを特徴とするものである。なお、本発明においては、上記ガス拡散層の上記隔壁以外の部分をガス拡散層本体と称する場合がある。
【００１６】
本発明のガス拡散層においては、燃料ガスおよび酸化剤ガスの流れを上述した隔壁によってガス拡散層内部に形成されたガス流路によりつくることができる。このようなガスの流れをつくることにより、これらのガスが特定の箇所に留まることなく円滑に移動させることができ、これに伴い反応により発生した水の流れも円滑になり、フラッディングを防止して、燃料電池の発電効率が低下することを抑制することができる。さらに、上記ガス拡散層内にガス流路が設けられているため、このガス拡散層と共に用いるセパレータにはガス流路を形成する必要がなく、表面が平滑なセパレータを用いることができる。これにより、セパレータの厚さを薄くすることができ、セパレータが金属の場合は、表面のメッキを容易に行うことができる。
以下、このような本発明のガス拡散層について、隔壁とガス拡散層本体に分けて説明する。
【００１７】
１．隔壁
（１）隔壁の形状
本発明のガス拡散層内に形成される隔壁の形状について図を用いて説明する。図１は、本発明のガス拡散層の一例を示す概略断面図である。図１に例示するように、隔壁７はガス拡散層４の内部に埋め込まれるように形成されている。この例において、隔壁７の上面は、ガス拡散層４の上面と同一面に形成されており、隔壁７の下面は、ガス拡散層４の厚さの半分程度まで達している。なお、ここでは、隔壁７の図の縦方向の長さを高さ「ａ」とし、横方向の長さを幅「ｂ」とする。
【００１８】
本発明のガス拡散層の特徴である隔壁の形状としては、ガス流路が形成できる形状であれば特に限定されるものではないが、隔壁のセパレータ側の面がガス拡散層のセパレータ側の面と同一面であることが好ましい。このように形成することにより、ガス拡散層のセパレータ側の表面を平滑にすることができるため、燃料電池の構成部材としてセパレータと接合する際の密着性を良好に保つことができるからである。
【００１９】
隔壁の高さａとしては、ガス流路を形成できるだけの高さであれば特に限定されるものではないが、隔壁がガス拡散層の触媒電極側の表面に達しない程度の深さであることが好ましい。中でも、ガス拡散層の膜厚の半分程度まで隔壁が達していることがより好ましい。隔壁が触媒電極側の表面まで達しており、触媒電極と接触していると、カーボンなどの導電性の良好な物質で形成されているガス拡散層本体と触媒電極とが接触する面積が減少し、発生した電気の集電効率が低下してしまう可能性があるからである。
このような隔壁の高さａとしては、ガス拡散層の厚みを１とした場合、０．１〜０．８の範囲内、中でも０．７〜０．８の範囲内であることが好ましい。
【００２０】
また、隔壁の幅ｂは、ガスが透過しない状態で、ガス拡散層内にガス流路を形成することができる幅であれば特に限定されるものではない。具体的には１００〜１０００μｍの範囲内、中でも５００〜１０００μｍの範囲内であることが好ましい。
【００２１】
上述した隔壁によって形成されるガス流路の幅は、ガスが流れを形成できる幅であれば特に限定されるものではない。ガス流路の幅は、隔壁の撥水性や流すガスの量等により大きく異なるものではあるが、具体的には、０．５〜２ｍｍの範囲内、中でも０．５〜１ｍｍの範囲内であることが好ましい。ガス流路の幅が上記範囲に満たないと、流れるガスの量に対して幅が十分でない可能性があり、上記範囲を超えると、ガスがガス流路内全面を流れなくなり、ガスの滞留が生じ、フラッディングが生じる可能性があるからである。
【００２２】
上記隔壁により形成されるガス流路のパターンは、特に限定されるものではなく、従来のセパレータに形成されていたガス流路のパターンと同様に形成することができる。そのようなガス流路のパターンとしては、例えば、ストレート型やサーペンタイン型等を挙げることができる。
【００２３】
（２）隔壁を構成する物質
上述したような隔壁を形成するのに用いることができる物質としては、特に限定されるものではないが、樹脂や金属等のガス透過性の低い物質を用いることが好ましい。多孔質体等のガス透過性の高い物質を用いて隔壁を形成した場合は、ガスが隔壁を透過してしまい、ガス流路を形成する隔壁としての役割を果たすことができないからである。
【００２４】
また、本発明に用いられる隔壁は、表面に撥水性を有することが好ましい。ガス流路を形成する隔壁の表面が撥水性でない場合は、発電反応により発生した水が隔壁に付着し、これによりガス流路内に水が溜まり、ガス流路を塞いでしまう可能性があるからである。隔壁の表面に撥水性を持たせる方法としては、隔壁の表面を撥水処理する方法と、撥水性を有する物質により隔壁を形成する方法とがあるが、本発明においては、撥水性を有する物質により隔壁を形成することが好ましい。隔壁の形成が容易だからである。
【００２５】
上述したような撥水性を有する物質としては、フッ素系樹脂を用いることが好ましい。耐酸性を有し、かつ、高い撥水性を有するからである。このようなフッ素系樹脂としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン、ポリフッ化ビニル、ポリクロロトリフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレンコポリマー、エチレン−テトラフルオロエチレンコポリマー、エチレン−クロロトリフルオロエチレンコポリマー、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテルコポリマー、パーフルオロシクロポリマー、ビニルエーテル−フルオロオレフィンコポリマー、ビニルエステル−フルオロオレフィンコポリマー、テトラフルオロエチレン−ビニルエーテルコポリマー、クロロトリフルオロエチレン−ビニルエーテルコポリマー、テトラフルオロエチレンウレタン架橋体、テトラフルオロエチレンエポキシ架橋体、テトラフルオロエチレンアクリル架橋体、テトラフルオロエチレンメラミン架橋体等フルオロ基を含有するポリマー等を挙げることができ、中でもＰＴＦＥを用いることがより好ましい。
【００２６】
（３）隔壁の形成方法
上述したような隔壁の形成方法としては、上述した形状に精度良く形成できる方法であれば特に限定されるものではない。このような方法の例としては、予め固体状の物質を用いて隔壁をパターン状に形成し、それをガス拡散層本体に埋め込む方法もしくは、隔壁上にガス拡散層本体を形成するといった方法と、隔壁を形成する材料を含有する塗工液を用いてこれを直接ガス拡散層内に含浸させ、それを固化させる方法等を挙げることができる。
【００２７】
上記のうち、固体状の物質を用いる場合は、例えばセパレータ上に、予め隔壁をパターン状に形成し、それを覆うようにカーボン繊維等のガス拡散層本体を形成することによりガス拡散層内に隔壁を形成するといった方法を挙げることができる。
【００２８】
一方、塗工液を用いる場合の塗工液としては、隔壁を形成する樹脂を溶剤中に溶解または分散させた塗工液、熱硬化性樹脂のモノマー等からなる塗工液、熱可塑性樹脂を溶融させた状態の塗工液等を挙げることができるが、本発明においては、熱硬化性樹脂のモノマー等からなる塗工液を用いることが好ましい。塗工液の粘度を低く抑えることができ、かつ熱を加えることにより、乾燥等の手間無しに容易に隔壁を形成することができるからである。
【００２９】
拡散層本体にこのような塗工液をパターン状に含浸させる方法としては、隔壁を精度良く形成することができる方法であれば特に限定されるものではないが、例えば隔壁が形成されるパターンと同様の形状に形成された吐出口を有するヘッドを用い、これを拡散層表面に接触させて塗工液を吐出口から吐出させる方法、先端に吐出口を有する細いノズルを隔壁が形成されるパターンに沿って移動させつつ吐出させる方法、インクジェット方式を用いる方法等を挙げることができる。
【００３０】
２．ガス拡散層本体
上述したような隔壁を形成するガス拡散層本体としては、ガスの透過性を有し、かつ発生した電気を集電できるものであれば特に限定されるものではなく、従来の燃料電池に用いられてきたガス拡散層を用いることができる。一般的には、カーボン繊維から成るカーボンクロスやカーボンペーパーなどの多孔体が好適に用いられる。
このようなガス拡散層本体の厚さ等は、上述したような隔壁が形成でき、かつ、従来のガス拡散層としての機能を果たせるものであれば特に限定されるものではない。
【００３１】
Ｂ．燃料電池
次に、本発明の燃料電池について説明する。
本発明の燃料電池は、上述したガス拡散層を用いたことを特徴とするものである。
このような、本発明の燃料電池の構成について図を用いて説明する。図２は、本発明の燃料電池の最小単位である燃料電池セルの一例を示す断面概略図である。燃料電池セルの中心部に配置される電解質膜１の両側には、触媒電極２が接合されており（膜電極複合体３）、その両側にはガス流路５を形成する隔壁７を有するガス拡散層４が、さらにその両側には表面が平滑なセパレータ６が配される。また、図示していないが、電解質膜１を挟んだ両側の触媒電極２にそれぞれ燃料ガスと酸化剤ガスとを供給するためのガス供給装置がそれぞれ対応する側のセパレータ６に接続されている。
【００３２】
本発明の燃料電池は、セパレータではなく、ガス拡散層にガス流路が形成されていることを特徴とするものである。このようにガス拡散層がガス流路を有するため、本発明においては、セパレータにガス流路を形成する必要がない。そのため、従来ガス流路が形成されていたセパレータの表面を平滑にすることができ、セパレータの表面のメッキ処理等を容易にできるようになる。さらに、セパレータの従来ガス流路が形成されていた部分は不要となるため、セパレータの厚さを薄くすることができ、燃料電池の小型化にも貢献できるものである。
以下、本発明の燃料電池を構成部材ごとに説明する。
【００３３】
（１）電解質膜
本発明に用いられる電解質膜としては、イオン（プロトン）透過性に優れ且つ電流を流さない材料からなるものであれば特に限定されるものではない。現在汎用されている材料としてはパーフルオロスルホン酸系ポリマー（商品名：NafionTM、デュポン株式会社製）等を挙げることができる。
【００３４】
（２）触媒電極
本発明に用いられる触媒電極についても特に限定されるものではなく、従来用いられてきた通常のものを用いることができる。たとえば、カーボン粉末上に白金や白金のアロイを分散させた触媒を用いることができる。また、この触媒をそのままもしくは結着剤等と混合して電解質膜表面で製膜することで触媒電極を形成することができる。
【００３５】
（３）ガス拡散層
本発明の燃料電池に用いられるガス拡散層は、上述したような、ガス流路を形成する隔壁を有するものである。そのようなガス拡散層については、上記「Ａ．ガス拡散層」において説明したものと同様であるので、ここでの説明は省略する。
【００３６】
（４）セパレータ
本発明の燃料電池は、表面が平滑なセパレータが用いられる。これは、上述したようなガス流路を形成する隔壁を有するガス拡散層と共に用いることにより、従来のセパレータのようにガス流路を設ける必要がないからである。本発明に用いられるセパレータは表面が平滑でよいので、セパレータの製造工程を大幅に簡略化することができる。特に、セパレータが金属の場合は、表面が平滑であるので、メッキ処理を容易に行うことができる。さらに、従来設けられていたガス流路の部分が不要になるので、その分厚さを薄くすることができるという利点も有する。
【００３７】
本発明に用いられるセパレータの材質としては特に限定されるものではなく、従来用いられてきたカーボンや金属等を用いることができる。中でも、本発明においては金属を用いることが好ましい。セパレータが金属製の場合は、腐食防止のためにセパレータ表面にメッキ処理を施す必要があるが、セパレータの表面が平滑な場合はメッキ処理がし易く、本発明の効果がより一層発揮されることとなるからである。
【００３８】
（５）その他
本発明の燃料電池の製造方法は、特に限定されるものではない。すなわち、本発明の燃料電池は、従来の電解質膜および触媒電極、上述した材質、形状、方法等により製造されたガス拡散層およびセパレータを用いて、従来の方法によって製造することができる。
【００３９】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
【００４０】
例えば、上記拡散層中の隔壁がセパレータと一体に形成された場合であっても、本発明の範囲に包含されるものである。すなわち、例えば、セパレータ表面に予めセパレータと一体に隔壁を形成しておき、このセパレータ表面に拡散層本体を形成することにより、内部に流路を有する拡散層としてもよい。これにより、内部に流路を有し、かつ集電効果の高い拡散層とすることができるからである。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明のガス拡散層の一例を示す概略断面図である。
【図２】本発明の燃料電池の最小単位であるセルの構造の一例を示す概略断面図である。
【図３】従来の燃料電池の最小単位であるセルの構造の一例を示す概略断面図である。
【符号の説明】
【００４２】
１  …  電解質膜
２  …  触媒電極
３  …  膜電極複合体
４  …  ガス拡散層
５  …  ガス流路
６  …  セパレータ
７  …  隔壁
【図１】
2005294121.tif 000003
【図２】
2005294121.tif 000004
【図３】
2005294121.tif 000005