(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
プロトン伝導性を有する固体高分子型の電解質膜と、
前記電解質膜を挟持するカソード触媒層およびアノード触媒層と、
前記カソード触媒層の前記電解質膜と反対側に設けられ、カーボンペーパーからなる第１ガス拡散層と、
前記アノード触媒層の前記電解質膜と反対側に設けられ、前記カーボンペーパーと比較して高い熱伝導度を有するカーボンクロスからなる第２ガス拡散層と、を備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記第２ガス拡散層の厚みは、前記第１ガス拡散層の厚みよりも小さいことを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、一般的には水素および酸素を燃料として電気エネルギを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れており、また高いエネルギ効率を実現できることから、今後のエネルギ供給システムとして広く開発が進められてきている。特に、固体高分子型燃料電池は、各種の燃料電池の中でも比較的低温で作動することから、良好な起動性を有する。そのため、多方面における実用化のために盛んに研究がなされている。
【０００３】
固体高分子型燃料電池は、プロトン伝導性を有する固体高分子電解質がアノード触媒層およびカソード触媒層によって挟持された膜−電極接合体（ＭＥＡ：ｍｅｍｂｒａｎｃｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）のそれぞれの面にガス拡散層が設けられた構造を有している（例えば、特許文献１参照）。この固体高分子型燃料電池においては、カソード触媒層に酸化剤ガスが供給され、アノード触媒層に燃料ガスが供給される。それにより、水が生成されるとともに、発電が行われる。
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−７３４１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、固体高分子電解質の含水量が低下すると、固体高分子電解質のイオン伝導性が低下する。したがって、発電性能低下を抑制するためには、固体高分子電解質の含水率を所定の水準に維持する必要がある。しかしながら、高温運転時には電解質膜が乾燥して発電性能が低下するおそれがある。
【０００６】
本発明は、高温運転時における発電性能低下を抑制することができる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】
本発明に係る燃料電池は、プロトン伝導性を有する固体高分子型の電解質膜と、電解質膜を挟持するカソード触媒層およびアノード触媒層と、カソード触媒層の電解質膜と反対側に設けられ、カーボンペーパーからなる第１ガス拡散層と、アノード触媒層の電解質膜と反対側に設けられ、カーボンペーパーと比較して高い熱伝導度を有するカーボンクロスからなる第２ガス拡散層と、を備えることを特徴とするものである。
【０００８】
カーボンクロスはカーボンペーパーに比較して高い熱伝導度を有することから、燃料電池の高温運転時において、膜−電極接合体のアノード側の熱流束はカソード側の熱流束に比較して大きくなる。この場合、ソーレ効果によって、カソード側からアノード側に透過する水量が増加する。その結果、膜−電極接合体の固体高分子電解質膜の乾燥が抑制される。それにより、燃料電池の高温運転時における発電性能低下を抑制することができる。
【０００９】
上記構成において、第２ガス拡散層の厚みは、第１ガス拡散層の厚みよりも小さくてもよい。この構成によれば、第２ガス拡散層の熱伝導度は第１ガス拡散層の熱伝導度に比較してさらに高くなる。それにより、燃料電池の高温運転時における発電性能低下を抑制することができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、高温運転時における発電性能低下を抑制することができる燃料電池を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。
【実施例１】
【００１２】
本発明の実施例１に係る燃料電池１００について説明する。図１は、実施例１に係る燃料電池１００の模式的断面図である。燃料電池１００は、膜−電極接合体１０と、第１ＭＰＬ２０と、第２ＭＰＬ２５と、第１ガス拡散層３０と、第２ガス拡散層３５と、第１多孔体流路４０と、第２多孔体流路４５と、第１セパレータ５０と、第２セパレータ５５と、を備える。
【００１３】
膜−電極接合体１０は、固体高分子電解質層１２と、固体高分子電解質層１２の一面に配置されたカソード触媒層１４と、固体高分子電解質層１２の他面に配置されたアノード触媒層１６と、を備える。固体高分子電解質層１２は、プロトン伝導性を有する固体高分子電解質からなる。固体高分子電解質として、例えばパーフルオロスルフォン酸型ポリマ等を用いることができる。固体高分子電解質層１２の層厚は、特に限定されない。
【００１４】
カソード触媒層１４およびアノード触媒層１６は、触媒を含有する導電性材料からなる。カソード触媒層１４およびアノード触媒層１６は、例えば白金を担持したカーボンによって構成される。カソード触媒層１４は、プロトンと酸素との反応を促進するための触媒層として機能する。アノード触媒層１６は、水素のプロトン化を促進するための触媒層として機能する。
【００１５】
第１ＭＰＬ２０は、カソード触媒層１４の固体高分子電解質層１２側と反対側の面に配置されている。第２ＭＰＬ２５は、アノード触媒層１６の固体高分子電解質層１２側と反対側の面に配置されている。第１ＭＰＬ２０および第２ＭＰＬ２５は、撥水性、導電性およびガス透過性を備えた材料によって構成されたマイクロポーラス層（ｍｉｃｒｏ  ｐｏｒｏｕｓ  ｌａｙｅｒ）である。撥水性、導電性およびガス透過性を備えた材料として、例えば、カーボンを含有するＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）が用いられる。
【００１６】
第１ＭＰＬ２０および第２ＭＰＬ２５は、撥水層としての機能を有する。第１ＭＰＬ２０および第２ＭＰＬ２５は、例えば、カーボン粉と撥水性樹脂（例えばＰＴＦＥ）とが混合されてなる撥水カーボンがさらにペースト化されたものを、ガス拡散層に塗布して焼成することによって、作成される。
【００１７】
第１ガス拡散層３０は、第１ＭＰＬ２０のカソード触媒層１４側と反対側の面に配置されている。第２ガス拡散層３５は、第２ＭＰＬ２５のアノード触媒層１６側と反対側の面に配置されている。第１ガス拡散層３０および第２ガス拡散層３５は、膜−電極接合体１０に反応ガスを拡散させる機能を有する。第１ガス拡散層３０に供給された酸化剤ガスは、主としてカソード触媒層１４に向かって拡散する。第２ガス拡散層３５に供給された燃料ガスは、主としてアノード触媒層１６に向かって拡散する。
【００１８】
第１ガス拡散層３０および第２ガス拡散層３５は、導電性およびガス透過性を備えた材料から構成される。本実施例においては、第１ガス拡散層３０は、カーボンペーパーからなる。第２ガス拡散層３５は、カーボンクロスからなる。第１ガス拡散層３０にカーボンペーパーを用い、第２ガス拡散層３５にカーボンクロスを用いる理由については後述する。第１ガス拡散層３０および第２ガス拡散層３５の厚さは、例えば１００μｍ〜７００μｍ程度である。なお、本実施例において、第１ガス拡散層３０および第２ガス拡散層３５の厚さは、それぞれ２００μｍ程度である。
【００１９】
第１多孔体流路４０は、第１ガス拡散層３０の第１ＭＰＬ２０側と反対側の面に配置されている。第２多孔体流路４５は、第２ガス拡散層３５の第２ＭＰＬ２５側と反対側の面に配置されている。第１多孔体流路４０は、酸化剤ガスを第１ガス拡散層３０に供給するガス流路としての機能を有する。第２多孔体流路４５は、燃料ガスを第２ガス拡散層３５に供給するガス流路としての機能を有する。本実施例において、第１多孔体流路４０および第２多孔体流路４５は、発砲焼結金属等の金属多孔体によって構成される。この場合、第１多孔体流路４０の孔部４１および第２多孔体流路４５の孔部４６が、それぞれガス流路として機能する。
【００２０】
第１セパレータ５０は、第１多孔体流路４０の第１ガス拡散層３０側と反対側の面に配置されている。第２セパレータ５５は、第２多孔体流路４５の第２ガス拡散層３５側と反対側の面に配置されている。第１セパレータ５０および第２セパレータ５５は、導電性材料からなる。導電性材料として、例えばステンレス等の金属が用いられる。第１セパレータ５０および第２セパレータ５５は、燃料電池１００が複数積層された場合に、第１多孔体流路４０と第２多孔体流路４５とを仕切る仕切り板としての機能を有するとともに、発生した電力を外部に取り出す機能を有する。
【００２１】
なお、第１多孔体流路４０および第２多孔体流路４５は、ガス流路としての機能を有するものであれば、金属多孔体によって構成されていなくてもよい。また、第１セパレータ５０および第２セパレータ５５のガス拡散層側の面に溝を形成し、その溝を多孔体流路の代わりにガス流路として用いてもよい。
【００２２】
続いて、燃料電池１００の動作の概略について説明する。まず、水素を含む燃料ガスが第２多孔体流路４５に供給される。燃料ガスは、第２多孔体流路４５を流動しつつ、第２ガス拡散層３５に到達し、第２ＭＰＬ２５を透過してアノード触媒層１６に到達する。アノード触媒層１６に到達した燃料ガス中の水素は、プロトンと電子とに分離される。プロトンは、固体高分子電解質層１２を伝導して、カソード触媒層１４に到達する。
【００２３】
酸素を含む酸化剤ガスは第１多孔体流路４０に供給される。酸化剤ガスは、第１多孔体流路４０を流動しつつ、第１ガス拡散層３０に到達し、第１ＭＰＬ２０を透過してカソード触媒層１４に到達する。カソード触媒層１４においては、酸化剤ガス中の酸素と固体高分子電解質層１２を伝導したプロトンとから水が生成されるとともに、電力が発生する。発生した電力は、第１セパレータ５０および第２セパレータ５５を介して回収される。以上の動作によって、燃料電池１００は発電を行う。
【００２４】
カソード触媒層１４で生成された生成水は、主として、第１ＭＰＬ２０および第１ガス拡散層３０を透過して第１多孔体流路４０に到達し、外部へ排出される。また、生成水の一部は、固体高分子電解質層１２を透過してアノード触媒層１６側へ到達する。それにより、固体高分子電解質層１２が湿潤される。なお、アノード触媒層１６側へ到達した生成水は、第２ＭＰＬ２５および第２ガス拡散層３５を透過して第２多孔体流路４５に到達し、外部へ排出される。
【００２５】
ここで、固体高分子電解質層１２は、含水量が低下するとプロトン伝導性が低下する。この場合、燃料電池１００の発電性能は低下する。したがって、固体高分子電解質層１２が良好なプロトン伝導性を有するためには、固体高分子電解質層１２が湿潤している必要がある。
【００２６】
燃料電池１００の発電の際には、熱が発生する。この熱に起因して、固体高分子電解質層１２が乾燥するおそれがある。この場合、固体高分子電解質層１２のプロトン伝導性能が低下し、燃料電池１００の発電性能低下が生じる。
【００２７】
そこで、本実施例においては、第１ガス拡散層３０としてカーボンペーパーを用い、第２ガス拡散層３５としてカーボンクロスを用いる。図２（ａ）は、カーボンペーパーの拡大図である。図２（ｂ）は、カーボンペーパーの模式的断面図である。図２（ｃ）は、カーボンクロスの拡大図である。図２（ｄ）は、カーボンクロスの模式的断面図である。図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように、カーボンペーパーは、カーボン繊維３２を分散させてすき合わせした構造を有する。一方、図２（ｃ）および図２（ｄ）に示すように、カーボンクロスは、カーボン繊維３７を製織して布状にしたもので、カーボン繊維３７が編まれた織物構造を有している。
【００２８】
図２（ｂ）に示すように、カーボンペーパーにおいては、カーボン繊維３２が面方向に伸びているため、厚み方向においてカーボン繊維３２同士の界面が比較的多くなっている。この場合、カーボンペーパーの厚み方向においては熱が断続的に伝わる。したがって、カーボンペーパーにおいては、比較的熱が伝わりにくくなっている。これに対して、図２（ｄ）に示すように、カーボンクロスにおいては、カーボン繊維３７が厚み方向にも伸びている。この場合、カーボンクロスの厚み方向において熱が連続して伝わる。したがって、カーボンクロスにおいては、比較的熱が伝わりやすくなっている。以上のことから、カーボンクロスは、カーボンペーパーに比較して高い熱伝導度を有している。
【００２９】
そこで、カーボンクロスの熱伝導度がカーボンペーパーの熱伝導度に比較して高いことを確認するために、カーボンクロスおよびカーボンペーパーの熱伝導度を測定した。図３は、カーボンクロスおよびカーボンペーパーの熱伝導度を示すグラフである。具体的には、図３は、同じ厚みのカーボンクロスおよびカーボンペーパーに、厚み方向から所定の荷重を加えたときのハーフタイムをレーザフラッシュ法で測定した際の測定結果である。図３において、縦軸はハーフタイム（ｍｓ）を示し、横軸は荷重（ＭＰａ）を示す。なお、ハーフタイムとは、最大温度上昇の半分の温度に到達するのに要する時間をいう。
【００３０】
図３から、いずれの荷重においても、カーボンクロスのハーフタイムの方がカーボンペーパーのハーフタイムに比較して高いことが判る。ハーフタイムが高いということは、熱伝導度が高いことを意味している。つまり、図３から、カーボンクロスはカーボンペーパーに比較して高い熱伝導度を有していることが確認された。
【００３１】
本実施例に係る燃料電池１００によれば、第１ガス拡散層３０はカーボンペーパーからなり、第２ガス拡散層３５はカーボンクロスからなることから、第２ガス拡散層３５は第２ガス拡散層３５に比較して高い熱伝導度を有している。それにより、高温運転時において、第２ガス拡散層３５の熱抵抗が第１ガス拡散層３０の熱抵抗に比較して小さくなることから、第２ガス拡散層３５の熱流束は第１ガス拡散層３０の熱流束に比較して大きくなる。この場合、ソーレ効果によって、カソード触媒層１４からアノード触媒層１６側に透過する生成水の水量が増加する。その結果、固体高分子電解質層１２の乾燥が抑制される。それにより、燃料電池１００の高温運転時における発電性能低下を抑制することができる。
【００３２】
また、第１ガス拡散層３０および第２ガス拡散層３５の両方がカーボンペーパーまたはカーボンクロスからなる場合であっても、例えば第２ガス拡散層３５を第１ガス拡散層３０に比較して薄くすることによって、第２ガス拡散層３５の熱伝導度を第１ガス拡散層３０の熱伝導度に比較して高くすることは可能である。しかしながら、ガス拡散層を薄くすると、ガス拡散層のクッション性が低下する。ガス拡散層のクッション性が低下すると、ガス拡散層の密着性が低下することから、燃料電池１００の発電性能低下のおそれがある。また、ガス拡散層を厚くすると、ガス拡散層のガス拡散性能が低下する。この場合、燃料電池１００の発電性能低下のおそれがある。
【００３３】
この点、本実施例に係る燃料電池１００によれば、第２ガス拡散層３５の厚さを第１ガス拡散層３０の厚さと等しくしても、第２ガス拡散層３５の熱伝導度は、第１ガス拡散層３０の熱伝導度に比較して高い。したがって、第２ガス拡散層３５を第１ガス拡散層３０に比較して薄くすることなく、燃料電池１００の高温運転時における発電性能低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】図１は、実施例１に係る燃料電池の模式的断面図である。
【図２】図２（ａ）は、カーボンペーパーの拡大図である。図２（ｂ）は、カーボンペーパーの模式的断面図である。図２（ｃ）は、カーボンクロスの拡大図である。図２（ｄ）は、カーボンクロスの模式的断面図である。
【図３】図３は、カーボンクロスおよびカーボンペーパーの熱伝導度を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３５】
１０  膜−電極接合体
１２  固体高分子電解質層
１４  カソード触媒層
１６  アノード触媒層
２０  第１ＭＰＬ
２５  第２ＭＰＬ
３０  第１ガス拡散層
３２  カーボン繊維
３５  第２ガス拡散層
３７  カーボン繊維
４０  第１多孔体流路
４１  孔部
４５  第２多孔体流路
４６  孔部
５０  第１セパレータ
５５  第２セパレータ
１００  燃料電池
【図１】
0005167832.tif 000002
【図２】
0005167832.tif 000003
【図３】
0005167832.tif 000004