(57)【要約】  生成水をより排除し易くすることで集電性と酸化ガス及び／又は燃料の供給性とをともに向上させることができる燃料電池用電極、燃料電池のセル及び燃料電池のスタックを提供する。  本発明の燃料電池用電極は、網材５１、５２と、網材２１、２２の一面側に一体に形成された細孔層（ＭＰＬ：Micro Porous Layer）５１ｂ、５２ｂと、網材２１、２２のより一面側に一体に形成された触媒層５１ｃ、５２ｃとからなる。網材５１、５２は、板状をなして他面側に導電性材料製のプレート５３が設けられる。細孔層５１ｂ、５２ｂは、相互に連通する多くの細孔を有しつつ導電性及び撥水性を有する。また、網材５１、５２は、相互に連通する多くの空孔を有しつつ導電性を有し、各空孔によってプレート５３との間で空気室又は燃料室を構成する。触媒層５１ｃ、５２ｃは、電解質膜５４と当接する。
2007069404.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
板状をなして一面側に導電性材料製のプレートが設けられ、相互に連通する多くの空孔を有しつつ導電性を有し、各該空孔によって該プレートとの間で空気室又は燃料室を構成する多孔体と、
該多孔体の他面側に一体に形成され、電解質膜と当接する触媒層とを備えていることを特徴とする燃料電池用電極。
【請求項２】
前記多孔体は、三次元の網目状に形成された網材である請求項１記載の燃料電池用電極。
【請求項３】
前記多孔体は、前記網材を構成する繊維の密度が前記電解質膜側で高く、前記プレート側で低い請求項２記載の燃料電池用電極。
【請求項４】
前記多孔体には、前記プレートと接する全面に親水性の排水層が形成されている請求項１乃至３のいずれか１項記載の燃料電池用電極。
【請求項５】
前記多孔体と前記触媒層との間には、相互に連通する多くの細孔を有しつつ導電性を有する細孔層を備えている請求項１乃至４のいずれか１項記載の燃料電池用電極。
【請求項６】
前記細孔層は撥水性を有する請求項５記載の燃料電池用電極。
【請求項７】
前記細孔層は導電性のフィラーを含む請求項４又は６記載の燃料電池用電極。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれか１項記載の燃料電池用電極からなるカソード極と、
該カソード極の一面側に設けられた前記プレートと、
該燃料電池用電極からなるアノード極と、
該アノード極の他面側に設けられた前記プレートと、
該カソード極の他面側と該アノード極の一面側との間に設けられ、前記触媒層と当接する前記電解質膜とを備えていることを特徴とする燃料電池のセル。
【請求項９】
前記プレートは、前記多孔体と接する全面に親水性の排水層が形成されている請求項８記載の燃料電池のセル。
【請求項１０】
請求項８又は９記載のセルを多数電気的に直列に接続されてなることを特徴とする燃料電池のスタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用電極、燃料電池のセル及び燃料電池のスタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１開示の一般的な燃料電池のスタックは、図１４に示すように、複数のセル１０が積層されてなる。各セル１０は、導電性材料製のセパレータ１２、膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）１１及びセパレータ１２によって構成されており、隣り合うセル１０はセパレータ１２を共通にしている。【０００３】
各膜電極接合体１１は、ナフィオン（登録商標、Nafion（Dupon社製））等の固体高分子膜からなる電解質膜１１ａと、この電解質膜１１ａの一面に接合されて酸化ガスが供給されるカソード極１１ｂと、電解質膜１１ａの他面に接合されて燃料が供給されるアノード極１１ｃとを有している。カソード極１１ｂ及びアノード極１１ｃが燃料電池用電極である。【０００４】
図１５に示すように、カソード極１１ｂは、電解質膜１１ａ側に位置する触媒層１３ａと、触媒層１３ａに隣接して酸化ガスを拡散する拡散層１３ｂとからなる。触媒層１３ａは、カーボン粒子に触媒が担持された触媒担持カーボンと、電解質の溶液とを有する。【０００５】
アノード極１１ｃは、電解質膜１１ａ側に位置する触媒層１４ａと、触媒層１４ａに隣接して燃料を拡散する拡散層１４ｂとからなる。触媒層１４ａは、触媒担持カーボンと、電解質の溶液とを有する。【０００６】
図１４に示すように、各セパレータ１２は各膜電極接合体１１を間に挟んで積層される。個々のセパレータ１２における各カソード極１１ｂ側の一面には酸化ガス流路１２ｂが板状部材にリブを設けることにより複数本の溝状に形成されており、各アノード極１１ｃ側の他面には燃料流路１２ｃが同様に複数本の溝状に形成されている。各酸化ガス流路１２ｂと各燃料流路１２ｃとは互いに直交する方向に延びている。また、スタックに供給される酸化ガスは各セル１０の全ての酸化ガス流路１２ｂを流通するようになっており、スタックに供給される燃料は各セル１０の全ての燃料流路１２ｃを流通するようになっている。【０００７】
このスタックにおいては、酸化ガス流路１２ｂに供給される酸化ガスと、燃料流路１２ｃに供給される燃料との電気化学反応により、起電力を生じる。この際、セパレータ１２の酸化ガス流路１２ｂ及び燃料流路１２ｃのピッチ及び深さを最適化することにより、集電性並びに酸化ガス及び燃料の供給性の両者が最適化されることとなる。【０００８】
【特許文献１】特開平３−２９５１７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、この電気化学反応は水の生成を伴う反応であるため、このセル１０及びスタックは、発生したその生成水により、セパレータ１２に設けられた酸化ガス流路１２ｂ及び燃料流路１２ｃ並びに電極１１ｂ、１１ｃ内のガス流路が閉塞され、水の流れと空気の流れとが混在することによって反応が生じない部位が発生し、性能が低下する。【００１０】
一方、このセル１０及びスタックにおける集電性に関しては、セパレータ１２の酸化ガス流路１２ｂ及び燃料流路１２ｃのピッチ及び溝深さの影響（ガスの流速による乾燥や接触面積の低下）を受けやすく、集電ロスが生じやすい。【００１１】
本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、燃料電池の内部において、空気の流れと水の流れとを区切ってガスの供給及び水の排出を行う二層流を実現することを基本概念とし、生成水の通る流路と酸化ガス及び／又は燃料の通る流路とを電極及びセパレータ内で区別することを解決すべき課題としている。そして、これにより、生成水をより排除し易くすることで集電性と酸化ガス及び／又は燃料の供給性をともに向上させることができる燃料電池用電極、燃料電池のセル及び燃料電池のスタックを提供することを解決すべき課題としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の燃料電池用電極は、板状をなして一面側に導電性材料製のプレートが設けられ、相互に連通する多くの空孔を有しつつ導電性を有し、各該空孔によって該プレートとの間で空気室又は燃料室を構成する多孔体と、
該多孔体の他面側に一体に形成され、電解質膜と当接する触媒層とを備えていることを特徴とする。【００１３】
本発明の燃料電池用電極では、多孔体が相互に連通する各空孔によってプレートとの間で空気室又は燃料室を構成している。このように構成された空気室又は燃料室では、酸化ガス又は燃料の伝達を可能としながら、多孔体の表面張力によって生成水が厚さ方向に拡散し、生成水が詰まり難い。このため、この燃料電池用電極をカソード極やアノード極として用いたセルにおいては、生成水が詰まり難いために酸化ガス等の圧力損失を生じ難く、優れた供給性を発揮できる。【００１４】
また、この空気室又は燃料室では、多孔体の表面張力によって触媒層付近に液滴で溜まった生成水がセルの厚さ方向に拡散し、電極の上流側が乾き難い。また、多孔体が有する導電性のある多くの柱状部が触媒層と接触するため、安定した接触面積を確保できる。このため、このセルにおいては、優れた集電性も発揮できる。【００１５】
したがって、本発明の燃料電池用電極によれば、集電性と酸化ガス又は燃料の供給性とをともに向上させることができる。このため、セル、ひいてはスタックの出力密度、発電効率が向上する。【００１６】
特開２０００−５８０７２号公報には、酸化ガス流路又は燃料流路となる複数本の溝をもつセパレータと、燃料電池用電極と、電解質膜とからなる燃料電池のセルが開示されている。燃料電池用電極は、電解質膜側に位置する触媒層と、触媒層に隣接する拡散層とからなる。拡散層は金属製の多孔体からなる。このセルでは、セパレータが酸化ガス等を伝達させながら、拡散層が電子、酸化ガス等、排水及び熱を伝達し、セパレータと拡散層とがともに酸化ガス等の伝達を担っている。このため、セパレータが溝を形成している分だけセルが厚くなり、さらに溝を形成するリブの下面部分のガスの供給性及び水の排出性の低下に基づく発電効率の低下、出力密度の低下、燃料電池の大型化及びコスト増加の懸念がある。【００１７】
この点、本発明の燃料電池用電極によれば、多孔体が酸化ガス等の伝達を行うことから、酸化ガス流路等のあるセパレータを採用する必要がなく、板状のプレートを採用できるため、溝を形成しなくてもよい分、セルを薄くすることができ、かつ発電効率の向上、出力密度の向上、燃料電池の小型化及びコスト低下の効果がある。【００１８】
多孔体は板状をしている。多孔体の一面側には導電性材料製のプレートが設けられる。このプレートが従来のセパレータの機能を担う。多孔体は相互に連通する多くの空孔を有する。空孔は最小内径が１０μｍ〜５００μｍであることが好ましい。また、多孔体は導電性を有する。【００１９】
触媒層は、多孔体の他面側に一体に形成されている。触媒層は、カーボン粒子に触媒が担持された触媒担持カーボンと、電解質とを有し得る。この触媒層は電解質膜と当接する。【００２０】
多孔体は、連続気泡をもつ発泡材であることもできるが、三次元の網目状に形成された網材であることが好ましい。網材を構成する繊維、密度等を選択することにより、空孔の大きさ、導電性、表面張力等を制御しやすいからである。繊維の直径は１００μｍ以下、気孔率は９０％以下、厚みは０．５〜２ｍｍ、親水性は水の接触角で５０°未満であることが好ましい。網材は織布又は不織布であり得る。電極面と直交する方向に金属繊維をなるべく配列させていることが好ましい。２種以上の線径の異なる繊維を用いたものであることが空孔及び導電性の制御等の点で好ましい。ガス等の下流側に向かうに従って繊維の密度が高くなることが好ましい。【００２１】
また、多孔体は、網材を構成する繊維の密度が電解質膜側で高く、プレート側で低いように、厚さ方向で傾斜構造とすることができる。プレート側の面となる繊維の径を太くすることによりこれを実現できる。これにより、プレート側の空孔径が相対的に大きく、電解質側の空孔径が相対的に小さくなるので、ガス圧損低減及び集電効率向上の両立を実現できる。【００２２】
繊維からなる網材を多孔体として採用する場合、網材は導電性を有する必要があることから、導電性の繊維を用いる。導電性の繊維としては、通常のチタン、ＳＵＳ、タンタル、ハステロイ等の耐食性及び導電性のある金属繊維の他、ニッケル、カーボン等の繊維を採用することができる。【００２３】
導電性とともに親水性のある多孔体であることがより好ましい。網材に親水性を付与するためには、導電性及び親水性の繊維を用いたり、導電性の繊維と親水性の繊維とを同時に用いたりすることができる。導電性及び親水性の繊維としては、親水処理したニッケル、チタン、ＳＵＳ、タンタル、カーボン等の導電性繊維を採用することができる。親水処理としては、表面のアルカリ処理、酸化処理等を採用することができる。親水性の繊維としては、金属酸化物のウィスカー、植物繊維等を採用することができる。【００２４】
多孔体とプレートとの界面全体に亘っては、親水性を有する排水層が形成されていることが好ましい。排水層はなおかつ吸水性の機能を有することが好ましい。プレート側に排水層を形成する場合には、多孔体と当接するプレートの当接面を親水処理することができる。親水処理としては、表面のアルカリ処理、酸化処理等を採用することができる。また、多孔体側に排水層を形成する場合には、プレートと接する全面に親水性の排水層が形成されていることが好ましい。この場合、多孔体の厚さ方向に拡散した液滴の水が排水層に集められ、集められた水が排水層を伝わって自重や酸化ガス等の圧力によって水の流れを形成し、好適に系外に排出される。排水層における水の接触角は、５０°未満であることが好ましく、３０°未満であることがより好ましい。また、排水層の吸水率は５０％超であることが好ましく、１００％超であることがより好ましい。また、親水性の排水層はプレート及び多孔体の両方に形成されていることも可能である。【００２５】
多孔体と触媒層との間には、相互に連通する多くの細孔を有しつつ導電性を有する細孔層（ＭＰＬ：Micro Porous Layer）を備えていることが好ましい。この細孔層は触媒を有さない。細孔層を備える場合、触媒層から多孔体に電子が移動しやすく、かつ触媒層内の水が細孔層に移動し、触媒層での電気化学反応を阻害し難い。細孔は、最小内径が０．０１〜数μｍであり、ピークが２μｍ以下であることが好ましい。細孔の厚みは２００μｍ以下であることが好ましい。【００２６】
細孔層は撥水性を有することが好ましい。これにより細孔層内に移動した水が細孔層から排出されやすく、発電効率及び出力密度が向上する。このような細孔層は、カーボン粒子とポリテトラフルオロエチレン（以下、「ＰＴＦＥ」という。）粒子とからなり得る。ＰＴＦＥの混合量は２０〜６０質量％であることが好ましい。撥水性は水の接触角が１２０°以上であることが好ましい。細孔層は、多孔体に３０μｍ以上食い込みながら、食い込み面の反対側は多孔体以上の平滑性を有することが好ましい。【００２７】
細孔層は導電性のフィラーを含むこともできる。この場合、電子抵抗が小さくなって発電効率及び出力密度がより向上する。【００２８】
本発明の燃料電池用電極を用いて本発明の燃料電池のセルが構成され得る。本発明のセルは、上記燃料電池用電極からなるカソード極と、該カソード極の一面側に設けられた前記プレートと、該燃料電池用電極からなるアノード極と、該アノード極の他面側に設けられた前記プレートと、該カソード極の他面側と該アノード極の一面側との間に設けられ、前記触媒層と当接する前記電解質膜とを備えていることを特徴とする。【００２９】
本発明のセルによれば、集電性と酸化ガス及び／又は燃料の供給性とをともに向上させることができる。【００３０】
プレートは、多孔体側の全面に親水性を有する排水層が形成されていることが好ましい。排水層はなおかつ吸水性の機能を有することが好ましい。この親水層は、プレート自体を親水処理して形成してもよいし、吸水性の機能を追加する場合には、導電性ポリマーからなる層を形成してもよい。この場合、多孔体の排水層と同様、多孔体の柱状部を伝わって厚さ方向に拡散した液滴の水が排水層に集められ、集められた水は自重や酸化ガス等の圧力によって水の流れを形成し、好適に系外に排出される。【００３１】
本発明のセルを用いて本発明の燃料電池のスタックが構成され得る。本発明のスタックは、上記セルを多数電気的に直列に接続してなることを特徴とする。【００３２】
本発明のスタックによれば、集電性と酸化ガス及び／又は燃料の供給性とをともに向上させることができる。【００３３】
また、本発明は以下のように特徴付けられることも可能である。
（１）電解質膜と、該電解質膜の一面に接合されて空気が供給されるカソード極と、該電解質膜の他面に接合されて燃料が供給されるアノード極とを有する膜電極接合体と、
該カソード極側に空気室を形成するとともに、該アノード極側に燃料室を形成するように該膜電極接合体を挟持する対をなす導電性材料製のセパレータとを備えている燃料電池のセルにおいて、
前記セパレータは、板状をなす導電性材料製のプレートと、該プレートの一面に設けられ、導電性及び親水性を有し、かつ相互に連通する多くの空孔を有する多孔質状に形成され、各該空孔に前記空気室又は前記燃料室を構成する第１網材とを有していることを特徴とする燃料電池のセル。【００３４】
（２）前記プレートの他面には、導電性及び親水性を有し、かつ相互に連通する多くの空孔を有する多孔質状に形成され、各該空孔に前記燃料室又は前記空気室を構成する第２網材が形成されている（１）記載の燃料電池のセル。（２）のセルでは、カソード極側の空気室及びアノード極側の燃料室が上記のように構成されることとなるため、集電性と酸化ガス及び燃料の供給性とをともに向上させることができる。カソード極側が第１網材であり、アノード極側が第２網材である場合、第１網材における水の接触角は５０°未満であることが好ましく、第２網材における水の接触角は４０°未満であることが好ましい。【００３５】
（３）前記第１網材及び前記第２網材の少なくとも一方は、導電性の繊維と親水性の繊維とによって、三次元の網目状に形成され、該繊維間に前記空気室若しくは前記燃料室又は該燃料室若しくは該空気室が形成されている（２）記載の燃料電池のセル。【００３６】
（４）前記第１網材及び前記第２網材の少なくとも一方には、前記プレート側に親水性の排水層が形成されている（２）又は（３）記載の燃料電池のセル。【００３７】
（５）前記第１網材及び前記第２網材の少なくとも一方には、前記膜電極接合体側に撥水性の細孔層が形成されている（２）乃至（４）のいずれか１項記載の燃料電池のセル。この場合、膜電極接合体側からプレート側に水が拡散し易くなる。細孔層における水の接触角は１００°超であることが好ましく、１２０°超であることがより好ましい。【００３８】
（６）前記膜電極接合体は、前記電解質膜側に位置する触媒層からなり、該触媒層と前記第１網材又は前記第２網材とが接合されている（１）乃至（５）のいずれか１項記載の燃料電池のセル。この場合、セパレータの第１網材や第２網材が従来の拡散層の役割を担うことができる。これにより、膜電極接合体の構造が簡易になり、製造コストの低廉化を実現することができる。【００３９】
（７）（１）乃至（６）のいずれか１項記載のセルを多数積層してなることを特徴とする燃料電池のスタック。【００４０】
（８）導電性及び親水性の繊維によって板状の網目状に形成され、一面側に親水性の排水層が形成され、他面側に撥水性の細孔層が形成された第１網材と、
導電性及び親水性の繊維によって板状の網目状に形成され、一面側に親水性の排水層が形成され、他面側に撥水性の細孔層が形成された第２網材と、
導電性材料製の板状に形成され、一面側に該第１網材を収納する第１凹部が凹設され、他面側に該第２網材を収納する第２凹部及び膜電極接合体を収納する第３凹部が凹設されたプレートと、
電解質膜と、該電解質膜の一面に接合され、触媒層からなるカソード電極と、該電解質膜の他面に接合され、触媒層からなるアノード電極とからなる該膜電極接合体とを備え、
該プレートには、該第１凹部の両端に連通する一対の酸化ガス通路と、該第２凹部の両端に連通する一対の燃料通路とが貫設され、
該第１凹部の底面に該排水層が接触するように該第１凹部に該第１網材が収納され、該第２凹部の底面に該排水層が接触するように該第２凹部に該第２網材が収納されていることを特徴とする燃料電池のセル。【００４１】
（９）導電性の繊維及び親水性の繊維によって板状の網目状に形成され、一面側に親水性の排水層が形成され、他面側に撥水性の細孔層が形成された第１網材と、
導電性及び親水性の繊維によって板状の網目状に形成され、一面側に親水性の排水層が形成され、他面側に撥水性の細孔層が形成された第２網材と、
導電性材料製の板状に形成され、一面側に該第１網材を収納する第１凹部が凹設され、他面側に該第２網材を収納する第２凹部及び膜電極接合体を収納する第３凹部が凹設されたプレートと、
電解質膜と、該電解質膜の一面に接合され、触媒層からなるカソード電極と、該電解質膜の他面に接合され、触媒層からなるアノード電極とからなる該膜電極接合体とを備え、
該プレートには、該第１凹部の両端に連通する一対の酸化ガス通路と、該第２凹部の両端に連通する一対の燃料通路とが貫設され、
該第１凹部の底面に該排水層が接触するように該第１凹部に該第１網材が収納され、該第２凹部の底面に該排水層が接触するように該第２凹部に該第２網材が収納されていることを特徴とする燃料電池のセル。【００４２】
（１０）導電性及び親水性の繊維によって板状の網目状に形成され、一面側に親水性の排水層が形成され、他面側に撥水性の細孔層が形成された第１網材と、
導電性材料製の板状に形成され、一面側に該第１網材を収納する第１凹部が凹設され、他面側には、膜電極接合体を収納する第３凹部が凹設されているとともに、該第３凹部の底面にリブによって燃料流路が複数本の溝状に形成されたセパレータと、
電解質膜と、該電解質膜の一面に接合され、触媒層からなるカソード電極と、電解質膜の他面に接合され、触媒層及び拡散層からなるアノード電極とからなる膜電極接合体ととを備え、
該セパレータには、該第１凹部の両端に連通する一対の酸化ガス通路と、該燃料流路に連通する一対の燃料通路とが貫設され、
該第１凹部の底面に該排水層が接触するように該第１凹部に該第１網材が収納されていることを特徴とする燃料電池のセル。【００４３】
（１１）導電性及び親水性の繊維によって板状の網目状に形成され、一面側に親水性の排水層が形成され、他面側に撥水性の細孔層が形成された第２網材と、
導電性材料製の板状に形成され、一面側には、膜電極接合体を収納する第３凹部が凹設されているとともに、該第３凹部の底面にリブによって酸化ガス流路が複数本の溝状に形成され、他面側には該第２網材を収納する第２凹部が凹設されたセパレータと、
電解質膜と、該電解質膜の一面に接合され、触媒層及び拡散層からなるカソード電極と、電解質膜の他面に接合され、触媒層からなるアノード電極とからなる膜電極接合体ととを備え、
該セパレータには、該酸化ガス流路に連通する一対の酸化ガス通路と、該第２凹部の両端に連通する一対の燃料通路とが貫設され、
該第２凹部の底面に該排水層が接触するように該第２凹部に該第２網材が収納されていることを特徴とする燃料電池のセル。【００４４】
（１２）導電性及び親水性の繊維又は導電性の繊維及び親水性の繊維によって板状の網目状に形成され、一面側に撥水性の細孔層が形成され、さらに一面側に触媒層が形成された第１網材と、
導電性及び親水性の繊維又は導電性の繊維及び親水性の繊維によって板状の網目状に形成され、一面側に撥水性の細孔層が形成され、さらに一面側に触媒層が形成された第２網材と、
導電性材料製の板状に形成され、一面側に該第１網材を収納する第１凹部が凹設され、他面側に該第２網材を収納する第２凹部及び電解質膜を収納する第３凹部が凹設されたプレートと、
該電解質膜とを備え、
該プレートには、該第１凹部の両端に連通する一対の酸化ガス通路と、該第２凹部の両端に連通する一対の燃料通路とが貫設され、
該第１凹部の底面に該触媒層の反対側が接触するように該第１凹部に該第１網材が収納され、該第２凹部の底面に該触媒層の反対側が接触するように該第２凹部に該第２網材が収納されていることを特徴とする燃料電池のセル。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】実施例１〜４のスタックに用いる第１、２網材の断面図である。
【図２】実施例１のセパレータ等の断面図である。
【図３】実施例１の膜電極接合体の模式拡大一部断面図である。
【図４】実施例１のセルの断面図である。
【図５】実施例１のスタックの斜視図である。
【図６】実施例１の燃料電池システムの構成図である。
【図７】実施例２のセルの断面図である。
【図８】実施例３のセルの断面図である。
【図９】実施例４のセルの断面図である。
【図１０】実施例５のスタックに用いる第１、２網材の断面図である。
【図１１】実施例５のセパレータ等の断面図である。
【図１２】実施例５のセルの断面図である。
【図１３】実施例５のＩＶ特性を示すグラフである。
【図１４】従来のセルの分解斜視図である。
【図１５】従来の膜電極接合体の模式拡大一部断面図である。
【符号の説明】
【００４６】
２３…プレート
２１、５１…多孔体（第１網材）
２２、５２…多孔体（第２網材）
２５、５４…電解質膜
５１ｃ、５２ｃ…触媒層
２１ａ、２２ａ…排水層
２１ｂ、２２ｂ、５１ｂ、５２ｂ…細孔層
２６…カソード極
２７…アノード極
２４…膜電極接合体
２０…セパレータ
３０、７０…セル
３１…スタック
【発明を実施するための最良の形態】
【００４７】
以下、本発明を具体化した実施例１〜５を図面を参照しつつ説明する。
【実施例１】
【００４８】
実施例１の燃料電池のスタックは、図１に示す板状の第１、２網材２１、２２を採用している。第１、２網材２１、２２は、チタン繊維からなる導電性及び親水性の繊維によって板状の網目状に形成されている。第１、２網材２１、２２は、後述のプレート２３側の面となる繊維の径を太くすることにより、繊維の密度が後述の電解質膜２４側で高く、プレート２３側で低いように、厚さ方向で傾斜構造とされている。第１、２網材２１、２２における水の接触角は、それぞれ４０°、３０°である。【００４９】
また、第１、２網材２１、２２の一面側には導電性ポリマーからなる親水性かつ吸水性の機能を有する排水層２１ａ、２２ａが面全体にわたって形成され、第１、２網材２１、２２の他面側にはカーボン粒子／ＰＴＦＥ／導電性フィラーからなる撥水性の細孔層２１ｂ、２２ｂが面全体にわたって形成されている。排水層２１ａ、２２ａにおける水の接触角は３０°、吸水率は２００％である。また、細孔層２１ｂ、２２ｂにおける水の接触角は１２０°超である。【００５０】
また、このスタックは、図２に示す板状をなす導電性材料製のプレート２３も採用している。プレート２３の一面には、第１網材２１を収納する第１凹部２３ａが凹設されている。また、プレート２３の他面には、第２網材２２を収納する第２凹部２３ｂと、膜電極接合体（図３参照）２４を収納する第３凹部２３ｃとが凹設されている。【００５１】
このプレート２３には、第１凹部２３ａの両端に連通する一対の酸化ガス通路２３ｄ、２３ｅが貫設されている。また、このプレート２３には、第２凹部２３ｂの両端に連通する図示しない一対の燃料通路も貫設されている。酸化ガス通路２３ｄ、２３ｅと燃料通路とは貫設される位置が９０度ずれており、酸化ガスと燃料とは直交する形で供給されるようになっている。【００５２】
プレート２３の第１凹部２３ａに第１網材２１が収納される。この際、第１網材２１の排水層２１ａが第１凹部２３ａの底面と接触し、細孔層２１ｂが外側になるようにする。こうして、第１網材２１は繊維間の相互に連通する各空孔によってプレート２３との間で空気室を構成する。【００５３】
また、プレート２３の第２凹部２３ｂに第２網材２２が収納される。この際、第２網材２２の排水層２２ａが第２凹部２３ｂの底面と接触し、細孔層２２ｂが外側になるようにする。こうして、第２網材２２は繊維間の相互に連通する各空孔によってプレート２３との間で燃料室を構成する。これにより１枚のセパレータ２０が得られる。【００５４】
一方、このスタックに用いる膜電極接合体２４は、図３に示すように、電解質膜２５と、電解質膜２５の一面に接合されたカソード極２６と、電解質膜２５の他面に接合されたアノード極２７とからなる。カソード極２６及びアノード極２７は、電解質膜２５側に位置する触媒層からなり、触媒層に隣接する従来のようなカーボン粒子やカーボン繊維、カーボンペーパ等で構成された拡散層を有さない。【００５５】
図４に示すように、セパレータ２０におけるプレート２３の第３凹部２３ｃには膜電極接合体２４が収納され、セパレータ２０、膜電極接合体２４及びセパレータ２０によってセル３０が構成される。隣り合うセル３０はセパレータ２０を共通にしている。そして、図５に示すように、複数のセル３０が積層されて電気的に直列に接続され、スタック３１が構成される。スタック３１では、全てのセル３０の酸化ガス通路２３ｄ、２３ｅが連通しているとともに、全てのセル３０の燃料通路が連通している。燃料通路は燃料供給口３１ａ及び燃料排出口３１ｂに連通している。スタック３１の集電は燃料供給口３１ａ及び燃料排出口３１ｂによって行われる。【００５６】
スタック３１の燃料供給口３１ａには、図６に示すように、バルブ３２を介して水素タンク３３が接続される。また、スタック３１の酸化ガス通路２３ｄ、２３ｅには、空気ファン３４によって酸化ガスとしての空気が供給されるようになっている。そして、スタック３１の両端の燃料供給口３１ａ及び燃料排出口３１ｂは自動車のモータ等の負荷３５に電気的に接続され、スタック３１の下端はポンプ３６によって循環するようにラジエータ３７に接続されている。こうして燃料電池システムが構成される。【００５７】
以上のように構成されたスタック３１においては、酸化ガス流路２３ｄ、２３ｅに供給される空気と、燃料流路に供給される水素との電気化学反応により、起電力を生じる。【００５８】
この際、第１、２網材２１、２２の繊維間である空気室及び燃料室では、酸化ガス又は燃料の伝達を可能としながら、繊維による表面張力によって繊維の表面上を伝わって生成水や残留水が厚さ方向に拡散し、繊維間で構成される空孔において生成水や残留水が詰まり難い。このため、このスタック３１においては、空気及び水素の圧力損失を生じ難く、優れた酸化ガス及び燃料の供給性を発揮できる。【００５９】
また、この空気室及び燃料室では、繊維による表面張力によって生成水や残留水が繊維の表面を伝わって厚さ方向に拡散するので、電極内部が乾き難い。また、多孔体が有する繊維が触媒層と接触するため、安定した接触面積を確保できる。このため、このスタック３１においては、優れた集電性も発揮できる。【００６０】
特に、このスタック３１では、第１、２網材２１、２２のプレート２３側の面全体に排水層２１ａ、２２ａが一体的に形成されているため、第１、２網材２１、２２の厚さ方向に拡散した液滴の水が排水層２１ａ、２２ａに集められ、集められた水が排水層２１ａ、２２ａを伝わって水の層を形成し、自重や空気圧によって水の層に流れが生じ、好適に系外に排出される。【００６１】
このため、第１、２網材２１、２２の繊維の表面と排水層２１ａ、２２ａとが水の層を形成し、水の流れが生じる流路となる。また、繊維間の空孔は、水没することなくガスの通る層を良好に形成し、ガスが流れる流路となる。このため、これら二つの流路を明確に区別することが可能になる。このガスと水との層を電極内で区別し、ガスと水とを流す概念を二層流と定義している。このガスには、酸化ガス及び燃料が含まれる。【００６２】
また、第１、２網材２１、２２の膜電極接合体２４側に撥水性の細孔層２１ｂ、２２ｂが形成されているため、触媒層から余分な生成水を外部に排出させ易いとともに、排出させた生成水を繊維に受け渡すことができ、膜電極接合体２４側からプレート２３側に水が拡散し易い。【００６３】
したがって、実施例１のスタック３１によれば、集電性と空気及び水素の供給性とをともに向上させることができる。このため、スタック３１は高い出力密度、発電効率を発揮することができる。【００６４】
また、このスタック３１においては、膜電極接合体２４のカソード極２６及びアノード極２７を触媒層だけで構成することができ、膜電極接合体２４の構造が簡易であり、従来の拡散層が必要なくなることから、製造コストの低廉化を実現することもできる。なお、このスタック３１において、図１５に示す膜電極接合体１１を採用することも可能である。【００６５】
さらに、実施例１のスタック３１によれば、第１、２網材２１、２２が酸化ガス等の伝達を行うことから、酸化ガス流路等を形成するための凹凸のリブのあるセパレータを採用する必要がなく、板状のプレート２３を採用できるため、セル３０を薄くすることができ、発電効率の向上、出力密度の向上、燃料電池の小型化及びコスト低下の効果がある。
【実施例２】
【００６６】
実施例２のスタックは、図７に示すセル４０を採用している。このセル４０は、第１網材２１が導電性の繊維４１と親水性の繊維４２とによって形成されている。他の構成は実施例１と同様である。【００６７】
すなわち、このセル４０は、第１網材４１、第２網材２２、プレート２３及び膜電極接合体２４を備えている。【００６８】
第１網材４１は、導電性の繊維及び親水性の繊維によって板状の網目状に形成され、一面側に親水性の排水層２１ａが形成され、他面側に撥水性の細孔層２１ｂが形成されている。【００６９】
第２網材２２は、導電性及び親水性の繊維によって板状の網目状に形成され、一面側に親水性の排水層２２ａが形成され、他面側に撥水性の細孔層２２ｂが形成されている。【００７０】
プレート２３は、導電性材料製の板状に形成され、一面側に第１網材４１を収納する第１凹部が凹設され、他面側に第２網材２２を収納する第２凹部及び膜電極接合体２４を収納する第３凹部が凹設されている。【００７１】
プレート２３には、第１凹部の両端に連通する一対の図示しない酸化ガス通路と、第２凹部の両端に連通する一対の図示しない燃料流路とが貫設されている。第１凹部の底面に排水層２１ａが接触するように第１凹部に第１網材４１が収納され、第２凹部の底面に排水層２２ａが接触するように第２凹部に第２網材２２が収納されている。【００７２】
膜電極接合体２４は、電解質膜２５と、この電解質膜２５の一面に接合され、触媒層からなるカソード電極２６と、電解質膜２５の他面に接合され、触媒層からなるアノード電極２７とからなる。【００７３】
このスタックにおいても、実施例１と同様の作用効果を奏することができる。また、親水性の繊維が細孔層２２ｂに入り、細孔層２２ｂ内の水が親水性の繊維と接するので、より生成水を伝達する能力が向上している。また、金属繊維をさらに親水化処理等する必要がなくなる。
【実施例３】
【００７４】
実施例３のスタックは、図８に示すセル４３を採用している。このセル４３では、膜電極接合体２４のカソード極２６側に第１網材２１を位置させ、膜電極接合体２４のアノード極２７側にはセパレータ２３ｓによって従来の溝状の燃料流路１２ｃを構成している。また、アノード極２７には、カーボン繊維で作られた従来の拡散層１４ｂ（図１５参照）を形成している。他の構成は実施例１と同様である。【００７５】
すなわち、このセル４３は、第１網材２１、セパレータ２３ｓ及び膜電極接合体２４を備えている。【００７６】
第１網材２１は、導電性及び親水性の繊維によって板状の網目状に形成され、一面側に親水性の排水層２１ａが形成され、他面側に撥水性の細孔層２１ｂが形成されている。【００７７】
セパレータ２３ｓは、導電性材料製の板状に形成され、一面側に第１網材２１を収納する第１凹部が凹設されている。また、セパレータ２３ｓの他面側には、膜電極接合体２４を収納する第３凹部が凹設され、第３凹部の底面にはリブを設けて燃料流路１２ｃが複数本の溝状に形成されている。【００７８】
セパレータ２３ｓには、第１凹部の両端に連通する一対の図示しない酸化ガス通路と、燃料流路１２ｃに連通する一対の図示しない燃料通路とが貫設されている。第１凹部の底面に排水層２１ａが接触するように第１凹部に第１網材２１が収納されている。【００７９】
膜電極接合体２４は、電解質膜２５と、この電解質膜２５の一面に接合され、触媒層からなるカソード電極２６と、電解質膜２５の他面に接合され、触媒層１４ａ及び拡散層１４ｂからなるアノード電極２７とからなる。【００８０】
このスタックにおいては、カソード極２６側だけ二層流で流すことができる。
【実施例４】
【００８１】
実施例４のスタックは、図９に示すセル４４を採用している。このセル４４では、膜電極接合体２４のアノード極２７側に第２網材２２を位置させ、膜電極接合体２４のカソード極２６側にはプレート２３によって従来の溝状の酸化ガス流路１２ｂを構成している。また、カソード極２６には、カーボン繊維で作られた従来の拡散層１３ｂ（図１５参照）を形成している。他の構成は実施例１と同様である。【００８２】
すなわち、このセル４４は、第２網材２２、セパレータ２３ｐ及び膜電極接合体２４を備えている。【００８３】
第２網材２２は、導電性及び親水性の繊維によって板状の網目状に形成され、一面側に親水性の排水層２２ａが形成され、他面側に撥水性の細孔層２２ｂが形成されている。【００８４】
セパレータ２３ｐは、導電性材料製の板状に形成され、一面側には膜電極接合体２４を収納する第２凹部が凹設され、第２凹部の底面にはリブを設けて酸化ガス流路１２ｂが複数本の溝状に形成されている。また、セパレータ２３ｓの他面側には第２網材２２を収納する第１凹部が凹設されている。【００８５】
セパレータ２３ｐには、酸化ガス流路１２ｂに連通する一対の図示しない酸化ガス通路と、第２凹部の両端に連通する一対の図示しない燃料通路とが貫設されている。第２凹部の底面に排水層２２ａが接触するように第２凹部に第２網材２２が収納されている。【００８６】
膜電極接合体２４は、電解質膜２５と、この電解質膜２５の一面に接合され、触媒層１３ａ及び拡散層１３ｂからなるカソード電極２６と、電解質膜２５の他面に接合され、触媒層からなるアノード電極２７とからなる。【００８７】
このスタックにおいては、アノード極２７側だけ二層流で流すことができる。
【実施例５】
【００８８】
実施例５の燃料電池のスタックは、図１０に示す板状の第１、２網材５１、５２を採用している。第１、２網材５１、５２の一面側には撥水性の細孔層５１ｂ、５２ｂが形成され、さらに一面側に触媒層５１ｃ、５２ｃが形成されている。触媒層５１ｃ、５２ｃは、カーボン粒子に触媒が担持された触媒担持カーボンと、電解質の溶液とを有する。【００８９】
また、このスタックは、図１１に示す板状をなす導電性材料製のプレート５３も採用している。プレート５３の一面には、第１網材５１を収納する第１凹部５３ａが凹設されている。また、プレート５３の他面には、第２網材５２を収納する第２凹部５３ｂと、電解質膜５４（図１２参照）を収納する第３凹部５３ｃとが凹設されている。【００９０】
プレート５３の第１凹部５３ａに第１網材５１が収納される。この際、第１網材５１の触媒層５１ｃの反対側が第１凹部５３ａの底面と接触し、触媒層５１ｃ及び細孔層５１ｂが外側になるようにする。こうして、第１網材５１は繊維間の相互に連通する各空孔によってプレート５３との間で空気室を構成する。【００９１】
また、プレート５３の第２凹部５３ｂに第２網材５２が収納される。この際、第２網材５２の触媒層５２ｃの反対側が第２凹部５３ｂの底面と接触し、触媒層５２ｃ及び細孔層５２ｂが外側になるようにする。こうして、第２網材５２は繊維間の相互に連通する各空孔によってプレート５３との間で燃料室を構成する。これにより１枚のセパレータ６０が得られる。【００９２】
図１２に示すように、セパレータ６０におけるプレート５３の第３凹部５３ｃには電解質膜５４が収納され、セパレータ６０、電解質膜５４及びセパレータ６０によってセル７０が構成される。電解質膜５４はナフィオン等の固体高分子膜からなる。他の構成は実施例１と同様である。【００９３】
すなわち、このセル７０は、第１網材５１、第２網材５２、プレート５３及び電解質膜５４を備えている。【００９４】
第１網材５１は、導電性及び親水性の繊維又は導電性の繊維及び親水性の繊維によって板状の網目状に形成され、一面側に撥水性の細孔層５１ｂが形成され、さらに一面側に触媒層５１ｃが形成されている。【００９５】
第２網材５２は、導電性及び親水性の繊維又は導電性の繊維及び親水性の繊維によって板状の網目状に形成され、一面側に撥水性の細孔層５２ｂが形成され、さらに一面側に触媒層５２ｃが形成されている。【００９６】
プレート５３は、導電性材料製の板状に形成され、一面側に第１網材５１を収納する第１凹部５３ａが凹設され、他面側に第２網材５２を収納する第２凹部５３ｂ及び電解質膜５４を収納する第３凹部５３ｃが凹設されている。【００９７】
プレート５３には、第１凹部５３ａの両端に連通する一対の酸化ガス通路２３ｄと、第２凹部５３ｂの両端に連通する一対の図示しない燃料通路とが貫設されている。第１凹部５３ａの底面に触媒層５１ｃの反対側が接触するように第１凹部５３ａに第１網材５１が収納され、第２凹部５３ｂの底面に触媒層５２ｃの反対側が接触するように第２凹部５３ｂに第２網材５２が収納されている。【００９８】
以上のように構成されたスタックにおいては、第１、２網材５１、５２と触媒層５１ｃ、５２ｃとの間に撥水性の細孔層５１ｂ、５２ｂを備えているため、触媒層５１ｃ、５２ｃから第１、２網材５１、５２に電子が移動しやすく、かつ触媒層５１ｃ、５２ｃ内の水が細孔層５１ｂ、５２ｂに移動し、触媒層５１ｃ、５２ｃでの電気化学反応を阻害し難い。他の作用効果は実施例１と同様である。【００９９】
上記実施例５のスタックと、図１４及び図１５に示すセルを用いた従来のスタックとを用い、同一条件下でＩＶ特性を比較した。結果を図１３に示す。図１３より、低電流側では同等であるが、高電流領域になるに従い、電圧の失速がなく、より延びている。これは、従来よりも水の排出性が良好になり、ガスの分配がきれいに行われているためである。従来は電極内で流路が混在したためにグラフのように失速するが、二層流を形成するとこの失速がみられなし。よって、実施例５のスタックは従来よりも優れたＩＶ特性を示すことがわかる。【０１００】
以上において、本発明を実施例１〜５に即して説明したが、本発明は上記実施例１〜５に制限されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更して適用できることはいうまでもない。
【産業上の利用可能性】
【０１０１】
本発明は、電気自動車等の移動用電源、屋外据え置き用電源、ポータブル電源等の燃料電池システムに利用可能である。
【図１】
2007069404.tif 000003
【図２】
2007069404.tif 000004
【図３】
2007069404.tif 000005
【図４】
2007069404.tif 000006
【図５】
2007069404.tif 000007
【図６】
2007069404.tif 000008
【図７】
2007069404.tif 000009
【図８】
2007069404.tif 000010
【図９】
2007069404.tif 000011
【図１０】
2007069404.tif 000012
【図１１】
2007069404.tif 000013
【図１２】
2007069404.tif 000014
【図１３】
2007069404.tif 000015
【図１４】
2007069404.tif 000016
【図１５】
2007069404.tif 000017
【国際調査報告】
2007069404.tif 000018
2007069404.tif 000019
2007069404.tif 000020
2007069404.tif 000021
2007069404.tif 000022