(57)【要約】【課題】従来の固体高分子型燃料電池のガス拡散層では、内部に水が滞留すると、フラッディング現象が発生して電池性能が低下するという問題点があった。【解決手段】電解質層２の一方の面に、触媒層、ガス拡散層３を有する燃料極とガス流路４を有するセパレータ５を積層すると共に、電解質層２の他方の面に、ガス拡散層６を有する空気極とガス流路７を有するセパレータ８を積層して成る固体高分子型燃料電池１における少なくとも一方のガス拡散層３，６であって、水の滞留し易い部分をカーボンクロスＣＣで形成すると共に、水の滞留し難い部分をカーボンペーパＣＰで形成することにより、水が滞留した場合でも、その部分に使用したカーボンクロスＣＣによってガスの拡散性を維持しつつ、フラッディング現象を防止して電池性能の低下を未然に防止する。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子膜から成る電解質層の一方の面に、触媒層、ガス拡散層を有する燃料極とガス流路を有するセパレータを積層すると共に、電解質層の他方の面に、触媒層、ガス拡散層を有する空気極とガス流路を有するセパレータを積層して成る固体高分子型燃料電池における少なくとも一方のガス拡散層であって、水の滞留し易い部分をカーボンクロスで形成すると共に、水の滞留し難い部分をカーボンペーパで形成したことを特徴とする固体高分子型燃料電池のガス拡散層。
【請求項２】
セパレータのガス流路がその中間に曲折部分を有しており、ガス流路の曲折部分を含む領域に対してカーボンクロスを設けると共に、ガス流路の直線部分を含む領域に対してカーボンペーパを設けたことを特徴とする請求項１に記載の固体高分子型燃料電池のガス拡散層。
【請求項３】
セパレータにおけるガス流路の出口側の所定領域に対してカーボンクロスを設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載の固体高分子型燃料電池のガス拡散層。
【請求項４】
空気極側のセパレータにおけるガス流路の出口側の所定領域に対してカーボンクロスを設けたことを特徴とする請求項３に記載の固体高分子型燃料電池のガス拡散層。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載のガス拡散層を燃料極及び空気極の少なくとも一方に用いたことを特徴とする固体高分子型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子型燃料電池を構成する燃料極や空気極に用いられるガス拡散層に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池は、固体高分子膜から成る電解質層を一対の電極で挟んだ構造を有し、一対の電極のうちの燃料極（アノード）に、水素を含有する燃料ガスを供給すると共に、一対の電極のうちの空気極（カソード）に、酸素を含有する酸化ガスを供給し、各電極の電解質層側の面で下記式の電気化学反応を生じさせて、電極から電気エネルギを取り出すものである。
【０００３】
燃料極反応：Ｈ２  →  ２Ｈ＋  ＋  ２ｅ−                        …（式１）
空気極反応：２Ｈ＋  ＋  ２ｅ−  ＋  （１／２）Ｏ２  →  Ｈ２Ｏ    …（式２）
【０００４】
燃料極に対する燃料ガスの供給には、水素貯蔵装置から純水素である燃料ガスを直接供給する方法や、水素を含有する燃料を改質してこれを燃料ガスとして供給する方法が知られている。また、水素貯蔵装置には、高圧ガスタンク、液化水素タンク及び水素吸蔵合金タンク等があり、水素を含有する燃料には、天然ガス、メタノール及びガソリン等がある。他方、空気極に供給する酸化ガスには、一般的に空気が利用されている。
【０００５】
さらに、固高分子型燃料電池では、電解質層を保湿状態にしておく必要があり、電解質層の性能を充分に引き出して発電効率を向上させるためには、電解質層の水分量を最適に保つ必要がある。このため、固高分子型燃料電池では、導入する燃料ガス及び空気に対して予め充分な加湿を行っている。
【０００６】
ところで、固高分子型燃料電池では、上述した電気化学反応の進行に伴って空気極側で水が生じる。この生成水は、空気極に供給している酸化ガス中に気化し、酸化ガスとともに燃料電池外に排出されるのであるが、生成量が多いときやガス流路中に部分的に温度が低い領域があると、空気極を構成するガス拡散層内で凝縮し、同ガス拡散層内に水が滞留してしまうことがある。
【０００７】
また、燃料極側では、電気化学反応による生成水は存在しないが、先述の如く導入する燃料ガスに予め加湿を行っているので、燃料ガスの消費とともにガス量が減少すると、燃料ガス中の水分が凝縮し、とくに燃料極を構成するガス拡散層内で水分が凝縮し、同ガス拡散層内に水が滞留してしまうことがある。
【０００８】
そして、上記のようにガス拡散層内に水が滞留すると、ガス拡散層の空孔が水で塞がれてガスの拡散が阻害されるフラッディング現象（水つまり）が生じ、電池性能が低下することがあった。
【０００９】
そこで、従来にあっては、ガス拡散層内で凝縮した水を排出する対策として、ガス拡散層の下流領域の透気度を同ガス拡散層の上流領域の透気度よりも相対的に大きくし、ガス拡散層の下流領域の排水性を高めることが提案されていた（特許文献１）。
【特許文献１】特開２００４−２７３３９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、上記したような従来のガス拡散層にあっては、ガス拡散層の透気度とその内部に滞留する水の排出性との相関は低く、生成水が凝縮し易い条件においては依然としてガス拡散層内に水が滞留することがあり、これによりフラッディング現象が発生して電池性能が低下するという問題点があった。
【００１１】
本発明は、上記従来の課題に着目して成されたものであって、ガス拡散層内に水が滞留した場合であっても、フラッディング現象の発生を防止することができる固体高分子型燃料電池のガス拡散層を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明者は、ガス拡散層におけるフラッディング現象を分析するため、中性子線可視化手法を用いてガス拡散層内に滞留する水分量を定量化し、その水分量と電池性能との関係を把握した。その結果、カーボンクロスで形成したガス拡散層は、カーボンペーパで形成したガス拡散層に比べて、水が滞留した場合でもガスの拡散が阻害されることがなく、電池性能が低下しないことを見出した。
【００１３】
そこで、本発明は、固体高分子膜から成る電解質層の一方の面に、触媒層、ガス拡散層を有する燃料極とガス流路を有するセパレータを積層すると共に、電解質層の他方の面に、触媒層、ガス拡散層を有する空気極とガス流路を有するセパレータを積層して成る固体高分子型燃料電池における少なくとも一方のガス拡散層であって、水の滞留し易い部分をカーボンクロスで形成すると共に、水の滞留し難い部分をカーボンペーパで形成した構成としており、上記構成をもって従来の課題を解決するための手段としている。
【００１４】
ここで、水の滞留し易い部分としては、セパレータにおけるガス流路が、屈曲部分や大曲率の湾曲部分といった曲折部分のように流れ方向の変化が大きい部分、あるいはガス流の出口側の部分などが挙げられる。そこで、本発明のガス拡散層では、ガス流路におけるこれらの水の滞留し易い部分を含む領域に対して、水が滞留してもガスの拡散性を確保し得るカーボンクロスを用いたものとしている。
【００１５】
また、水の滞留し難い部分としては、セパレータにおけるガス流路が、直線部分や小曲率の湾曲部分のように流れ方向の変化が無い部分又は流れ方向の変化が小さい部分、あるいはガス流路の入口側の部分などが挙げられる。そこで、本発明のガス拡散層では、ガス流路におけるこれらの水の滞留し易い部分を含む領域に対してカーボンペーパを用いたものとしている。
【発明の効果】
【００１６】
本発明のガス拡散層は、水の滞留し易い部分と滞留し難い部分とに対して、カーボンクロス及びカーボンペーパを使い分けることから、水の滞留が生じたとしても、その部分に使用したカーボンクロスによってガスの拡散性を維持することができ、フラッディング現象を防止して、ガスの拡散阻害による電池性能の低下を未然に防止することができる。
【００１７】
したがって、上記のガス拡散層を用いた固体高分子型燃料電池は、フラッディング現象が生じることもなく、良好な電池性能を維持し得るものとなる。
【実施例】
【００１８】
以下、図面に基づいて、本発明に係わる固体高分子型燃料電池のガス拡散層の一実施例を説明する。
【００１９】
図１は燃料電池のシステムの一例を示す図である。図示の燃料電池システムは、複数の固体高分子型燃料電池（発電要素：セル）を積層して成る燃料電池本体１１と、燃料電池本体１１を運転するための補機類で構成してある。燃料電池本体１１には、温度を最適に保つため、その内部に不凍液であるロングライフクーラント（以下、『ＬＬＣ』と略記する）を循環させている。このＬＬＣには、例えばエチレングリコールと水の混合液等が用いられる。
【００２０】
ＬＬＣの循環系は、ラジエータ１２から燃料電池本体１１に至る送り流路１３に、ＬＬＣを蓄えたタンク１４、循環駆動用のポンプ１５、ＬＬＣの温度を測定する温度センサ１６を備えると共に、燃料電池本体１１からラジエータ１２に至る戻り流路１７に、バイパスバルブ１８を備えており、バイパスバルブ１８には、戻り流路１７から送り流路１３に至るバイパス流路１９を連結した構成になっている。
【００２１】
また、燃料電池本体１１には、個々の燃料電池に対して、水素を含んだ燃料ガスの供給路２１Ａ及び排出路２１Ｂと、酸素を含んだ酸化ガス（空気）の供給路２２Ａ及び排出路２２Ｂが設けてあり、後記する燃料電池の水分状態を最適に保つために、燃料ガス供給系には燃料極側水回収装置２１Ｃが設けてあり、酸化ガス供給系には空気極側水回収装置２２Ｃが設けてある。
【００２２】
これらの水回収装置２１Ｃ，２２Ｃは、ガス間で水移動を行うための膜、中空糸あるいはポーラス材を用いたプレート等から成る水回収部材や、加湿した燃料電池からの排出ガスを入口に循環させるポンプ又はイジェクタを含むものとすることができ、また、燃料ガスと酸化ガスの間で水移動を行うようにしても良い。
【００２３】
図２は燃料電池本体１１に収容した燃料電池１を示す図である。図示の燃料電池１は、電解質層を形成する固体高分子膜と触媒電極層から成る膜・電極接合体２の一方の面に、空気極側ガス拡散層３と、ガス流路４を有する空気極側セパレータ（カソードバイポーラプレート）５を積層すると共に、膜・電極接合体２の他方の面に、燃料極側ガス拡散層６と、ガス流路７を有する燃料極側セパレータ（アノードバイポーラプレート）８を備えている。
【００２４】
また、空気極側セパレータ５には、先述のＬＬＣを循環させるためのＬＬＣ流路９が形成してある。なお、このＬＬＣ流路９は、燃料極側セパレータ８に設けても良いし、両セパレータ５．８に設けても良い。
【００２５】
図３（ａ）は燃料極側のセパレータ８を、図３（ｂ）は空気極側のセパレータ５を、図３（ｃ）は燃料極側ガス拡散層６を、及び図３（ｄ）は空気極側のガス拡散層３を説明する図である。なお、図３（ａ）〜（ｄ）は、いずれも膜・電極接合体２側の面を示している。
【００２６】
燃料極側及び空気極側のセパレータ８，５、並びに両ガス拡散層６，３は、いずれも正方形のプレート状であって、当該燃料電池１全体を貫通する状態で、ＬＬＣ供給用マニホルド２５Ａ，ＬＬＣ排出用マニホルド２５Ｂ、燃料ガス供給用マニホルド２６Ａ、燃料ガス排出用マニホルド２６Ｂ、酸化ガス供給用マニホルド２７Ａ及び酸化ガス排出用マニホルド２７Ｂが設けてある。
【００２７】
そして、燃料極側セパレータ８には、燃料ガス供給用マニホルド２６Ａから燃料ガス排出用マニホルド２６Ｂに至る先述のガス流路７が形成してあり、他方、空気極側のセパレータ５には、酸化ガス供給用マニホルド２７Ａから酸化ガス排出用マニホルド２７Ｂに至る先述のガス流路４が形成してある。
【００２８】
また、この実施例の各ガス流路４，７は、いずれも複数本（図示例では５本）を平行に配置すると共に、全体として概略Ｓ字状を成している。このため、ガス流路４，７は、大まかに見て中間に２箇所に曲折部分を有し、それ以外の部分が直線部分になっている。
【００２９】
なお、図３はいずれも膜・電極接合体２側の面を示しているので、積層の際には、各セパレータ８，５上にガス拡散層６，３を重ね、燃料極側及び空気極側のいずれか一方を左右に表裏反転させて膜・電極接合体に重ねる。このとき、図３（ａ）（ｂ）に示す燃料ガスの各マニホルド２６Ａ，２６Ｂ、酸化ガスの各マニホルド２７Ａ，２７Ｂ及び各ガス流路４，７の配置により、燃料ガスと酸化ガスの流れはカウンタフローとなる。
【００３０】
ここで、図４は、ガス拡散層にカーボンクロスとカーボンペーパを用いた場合の発電性能を比較した結果を示すグラフである。図４によれば、カーボンペーパを用いた場合は、電流密度が増加するとフラッディング現象が発生し、電圧（セル電圧）が低下する。これに対して、カーボンクロスを用いた場合は、カーボンペーパを用いた場合に比べると、電流密度が増加してもフラッディング現象が発生し難く、電圧の低下が明らかに小さいことが判る。
【００３１】
図５は、中性子線可視化手法を用いて測定した電池内の水分量を示すグラフである。図５によれば、カーボンクロスを用いた場合は、カーボンペーパを用いた場合に比べて、電池内の水分量が多く、ガス拡散層内に水が滞留し易くなる。しかし、図４で説明したように、カーボンクロスを用いた場合にはカーボンペーパを用いた場合に比べてフラッディング現象が発生し難い。つまり、カーボンクロスを用いた場合には、ガス拡散層内に水が滞留しても、ガスが拡散する通路が確保されていることが判る。
【００３２】
図６は、ガスの流れ方向位置に対する電池内の水分量を示す。図６によれば、水分量は流れに伴って増加し、とくにガス流路の曲折部分に多く滞留していることが判る。これはガス流路の曲がりによってガスの流れに乱れが生じ、ガス流路中の水が排出され難くなるためである。
【００３３】
図７は、電流密度に対する膜抵抗を示すグラフである。図７によれば、電流密度が大きくなると生成水の発生量が多くなるため、電解質層を形成する固体高分子膜が湿り、抵抗は小さくなる。このとき、ガス拡散層の影響を見ると、カーボンペーパを用いた場合はカーボンクロスを用いた場合に対して、膜抵抗が小さくなっており、保水性が良いことが判る。したがって、カーボンペーパを用いると、カーボンクロスを用いた場合に対して、ガスの入口湿度が低下した場合に、電解質層のドライアウトの発生を防止し得る。
【００３４】
上述の図４〜図７に基く説明から明らかなように、固体高分子型の燃料電池１では、空気極側においては電気化学反応により水が生成され、また、燃料極側においては燃料ガスの消費に伴ってガス中の水分が凝縮されることとなり、これらの水がガス流路４，７の曲折部分に滞留し易くなっている。
【００３５】
そこで、この実施例では、図３（ａ）（ｂ）中の仮想線、及び図３（ｃ）（ｄ）に燃料極側及び空気極側のガス拡散層６，３を示すように、ガス流路７，４の曲成部分すなわち水が滞留し易い部分に対する領域を、水が滞留してもガスの拡散性を確保し得るカーボンクロスＣＣで形成し、ガス流路７，４の直線部分すなわち水が滞留し難い部分に対する領域を、膜・電極接合体（含電解質層）２の保水性を確保し得るカーボンペーパＣＰで形成している。
【００３６】
これにより、ガス拡散層３，６では、膜・電極接合体２のドライアウトを防止しつつ、フラッディング現象の発生を未然に防止して、ガスの拡散阻害による電圧低下を防止することができ、これらのガス拡散層３，６を用いた燃料電池１においては、良好な電池性能を維持することができる。
【００３７】
図８は、本発明に係わる固体高分子型燃料電池のガス拡散層の他の実施例を説明する図である。なお、燃料電池の構成や発電システムは、基本的に先の実施例と同様である。また、先の実施例と同一の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。
【００３８】
図８（ａ）（ｂ）に示す燃料極側及び空気極側のセパレータ３８．３５、並びに図８（ｃ）（ｄ）に示す燃料極側及び空気極側のガス拡散層３６，３３は、いずれも長方形のプレート状を成している。また、各セパレータ３８，３５のガス流路７，４は、長辺に沿って複数本（図示例では７本）を平行に配置すると共に、全体が直線状を成している。
【００３９】
なお、図８は、各セパレータ３８，３５の膜・電極接合体２側の面を示している。したがって、積層の際には、各セパレータ３８，３５上にガス拡散層３６，３３を重ね、燃料極側及び空気極側のいずれか一方を上下に表裏反転させて膜・電極接合体に重ねる。このとき、燃料ガスと酸化ガスの流れは、先の実施例と同様にカウンタフローとなる。
【００４０】
ここで、図９は、ガス流れ方向位置に対する電池内の水分量を示す。図９によれば、水分量は流れに伴って増加していくことが判る
【００４１】
そこで、この実施例のガス拡散層３６，３３は、ガス流路７，４の出口側の所定領域すなわち水が滞留し易い部分に対する領域を、水が滞留してもガスの拡散性を確保し得るカーボンクロスＣＣで形成し、それ以外の部分すなわち水が滞留し難い部分に対する領域を、電解質層の保水性を確保し得るカーボンペーパＣＰで形成している。
【００４２】
これにより、ガス拡散層３６，３３では、電解質層のドライアウトを防止しつつ、フラッディング現象の発生を未然に防止して、ガスの拡散阻害による電圧低下を防止することができ、これらのガス拡散層３６，３３を用いた燃料電池１においては、良好な電池性能を維持することができる。
【００４３】
図１０は、本発明に係わる固体高分子型燃料電池のガス拡散層のさらに他の実施例を説明する図である。なお、燃料電池の構成や発電システムは、基本的に先の実施例と同様であり、先の実施例と同一の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。
【００４４】
この実施例では、燃料極側ガス拡散層３６の全体をカーボンペーパＣＰで形成し、空気極側ガス拡散層３３においては、ガス流路４の出口側の所定領域をカーボンクロスＣＣで形成し、それ以外の部分をカーボンペーパＣＰで形成している。
【００４５】
この実施例のようにガス流路７，４が直線状を成す場合、ガス流路７，４の後半部分に水が滞留し易いことは先に説明した通りである。また、フラッディング現象の発生は、電気化学反応による生成水が発生する空気極側で顕著である。
【００４６】
一方、燃料極側は、燃料電池から排出されるオフガスの流量が少ないため、このオフガスと燃料極側水回収装置（図１参照）の入口ガスとの水交換がし難い。このため、燃料極では、入口ガスの湿度確保が難しく、電解質層のドライアウトが発生し易い。また、燃料ガスに含まれる水素は、酸素に比べてガスの拡散性が高い。よって、燃料極は空気極に比べるとフラッディング現象が発生し難いものとなっている。
【００４７】
そこで、この実施例では、燃料極にはカーボンペーパＣＰで形成したガス拡散層３６を用いている。そして、空気極のガス拡散層３３においては、水が滞留し易い後半部分には水が滞留してもガスの拡散性を確保し得るカーボンクロスＣＣを用い、水が滞留し難い前半部分には電解質層の保水性を確保するためにカーボンペーパＣＰを用いている。
【００４８】
これにより、先の実施例と同様に、電解質層のドライアウトを防止しつつ、フラッディング現象の発生を未然に防止して、ガスの拡散阻害による電圧低下を防止することができ、これらのガス拡散層３６，３３を用いた燃料電池においては、良好な電池性能を維持することができる。
【００４９】
なお、本発明に係わる固体高分子型燃料電池及びガス拡散層は、構成の細部が上記各壱実施例に限定されるものではなく、ガス流路、ガス拡散層におけるカーボンクロスによる形成部分、及びカーボンペーパによる形成部分等について、その形状や大きさを適宜変更することができ、また、上記各実施例を組合わせた構成にしたり、水の滞留し易い部分及びし難い部分に対応して、カーボンクロスによる形成部分やカーボンペーパによる形成するを細分化したりすることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】燃料電池システムの一例を示す説明図である。
【図２】本発明に係わる固体高分子型燃料電池を説明する断面図である。
【図３】本発明の一実施例において、燃料極側及び空気極側のセパレータ、並びに燃料極側及び空気極側のガス拡散層の膜・電極接合体側の面を示す各々平面図（ａ）〜（ｄ）である。
【図４】電流密度とセル電圧の関係を示すグラフである。
【図５】電流密度と電池内の水分量の関係を示すグラフである。
【図６】ガス流れ方向位置と電池内の水分量の関係を示すグラフである。
【図７】電流密度と電解質層の膜抵抗の関係を示すグラフである。
【図８】本発明の他の実施例において、燃料極側及び空気極側のセパレータ、並びに燃料極側及び空気極側のガス拡散層の膜・電極接合体側の面を示す各々平面図（ａ）〜（ｄ）である。
【図９】ガス流路が直線状である場合において、ガス流れ方向位置と電池内の水分量の関係を示すグラフである。
【図１０】本発明のさらに他の実施例において、燃料極側及び空気極側のセパレータ、並びに燃料極側及び空気極側のガス拡散層の膜・電極接合体側の面を示す各々平面図（ａ）〜（ｄ）である。
【符号の説明】
【００５１】
１        燃料電池
２        膜・電極接合体（電解質層・触媒層）
３  ３３  空気極側ガス拡散層
４        ガス流路
５  ３５  空気極側セパレータ
６  ３６  燃料極側ガス拡散層
７        ガス流路
８  ３８  燃料極側セパレータ
ＣＣ      カーボンクロス
ＣＰ      カーボンペーパ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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