(57)【要約】【課題】電解質膜の保水性とガス拡散層のガス拡散性、水の排水性とを良くした燃料電池を提供する。【解決手段】単位セル１のカソードガス拡散層１３を撥水部２０ａと親水部２０ｂとによって構成し、隣り合う撥水部２０ａの間に親水部２０ｂを配設する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜と、
前記電解質膜を挟持し、前記電解質膜と接する面に触媒層を有する電極と、
前記電極の外側に設けた多孔性のガス拡散層と、
前記電極へガスを供給するガス流路を有するセパレータと、を積層して構成する燃料電池において、
前記ガス拡散層は、
同一平面内に配設する撥水性の複数の第１のガス拡散層と、
隣り合う前記第１のガス拡散層間に配設し、前記第１のガス拡散層よりも親水性が高い第２のガス拡散層と、を備えたことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記電極と前記ガス拡散層との間に積層する撥水層と、
前記第２のガス拡散層の直下に、前記撥水層を貫通し、前記第２のガス拡散層と前記触媒とに接する多孔性の親水部材と、を備えたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記親水部材は、前記撥水層と接する面に疎水部を有することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記親水部材の一方の端部を前記触媒層へ内挿することを特徴とする請求項２または３に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記第２のガス拡散層と前記セパレータとの間に配設し、前記第２のガス拡散層と前記セパレータとを連通する複数の貫通孔を有する疎水部材を備えることを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載の燃料電池。
【請求項６】
前記第１のガス拡散層と前記第２のガス拡散層と、前記セパレータと、が当接することを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載の燃料電池。
【請求項７】
前記第２のガス拡散層、または前記親水部材の少なくともどちらか一方は、カーボンナノチューブ、カーボンフレークおよびカーボンウォールであることを特徴とする請求項２から６のいずれか一つに記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池（以下、燃料電池とする）は、固体高分子電解質膜（以下、電解質膜とする）と、電解質膜を挟んで設けた一対の電極触媒層と、電極触媒層の外側に設けた一対のガス拡散層とから構成される。燃料電池の発電反応によりカソードにおいて水が生成されるが、生成された水によってカソードにおいては酸化剤ガスの拡散性が阻害されるフラッディングが生じるおそれがある。
【０００３】
そこで従来、電極触媒層に水の排出性を高めるために造孔材を添加し、電極触媒層とガス拡散層との間に保水層を設け、フラッディングを防止し、かつ電解質膜の保水性を確保したものが、特許文献１に開示されている。
【特許文献１】特開２００４−１５８３８７公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、上記の発明では、造孔材を設けた電極触媒層と保水層とを積層するだけであるので、電解質膜の保水性を維持し、ガス拡散層におけるガス拡散性と水の排水性を高いレベルで両立させることが困難である、といった問題点がある。
【０００５】
本発明ではこのような問題点を解決するために発明されたもので、電解質膜の保水性を維持し、ガス拡散層におけるガス拡散性と水の排水性を高いレベルで維持することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明では、電解質膜と、電解質膜を挟持し、電解質膜と接する面に触媒層を有する電極と、電極の外側に設けた多孔性のガス拡散層と、電極へガスを供給するガス流路を有するセパレータと、を積層して構成する燃料電池において、ガス拡散層は、同一平面内に配設する撥水性の複数の第１のガス拡散層と、隣り合う第１のガス拡散層間に配設し、第１のガス拡散層よりも親水性が高い第２のガス拡散層と、を備える。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によると、燃料電池の発電反応によって生じた水を撥水性の第１のガス拡散層からガス流路へ排出してガス拡散性を良くし、第１のガス拡散層よりも親水性の高い第２のガス拡散層に水の一部を吸水させることで、電極、電解質膜の保水性を維持することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明の第１実施形態の構成を図１の概略構成図を用いて説明する。図１は燃料電池の単位セル１の概略構成図である。燃料電池は単位セル１を例えば１００枚から２００枚程度積層して構成する。
【０００９】
単位セル１は、電解質膜２と、電解質膜２を挟持するアノード３とカソード（電極）４と、アノード３の外側にアノードセパレータ５と、カソード４の外側にカソードセパレータ（セパレータ）６と、を備える。
【００１０】
アノード３は、電解質膜２に当接するアノード触媒層７と、アノード触媒層７の外側に設けたアノードガス拡散層（ガス拡散層）８と、を備える。
【００１１】
アノードセパレータ５は、アノード３に燃料ガスを供給する燃料ガス流路１０を備える。
【００１２】
カソード４は、電解質膜２に当接するカソード触媒層（触媒層）１１と、カソード触媒層１１の外側に設けたカソードマイクロ層（撥水層）１２と、カソードマイクロ層１２のさらに外側に設けたカソードガス拡散層（ガス拡散層）１３と、を備える。
【００１３】
カソードセパレータ６は、カソード４に酸化剤ガスを供給するカソードガス流路１４を備える。
【００１４】
ここでカソード４について図２〜図４を用いて詳しく説明する。図２はカソード４の一部をカソードセパレータ６と当接する面から見た正面図である。図３は図２におけるＡ−Ａ断面の一部を示す図である。図４は図２におけるＢ−Ｂ断面の一部を示す図である。なお、図２において親水部２３を破線で示す。
【００１５】
カソードガス拡散層１３は、撥水処理を施した撥水部（第１のガス拡散層）２０ａと、親水処理を施した親水部（第２のガス拡散層）２０ｂと、を備え、隣り合う撥水部２０ａの間に親水部２０ｂを設ける。親水部２０ｂは例えば格子形状であり、親水部２０ｂの格子間に撥水部２０ａ設けてカソードガス拡散層１３を構成する。撥水部２０ａの側面と親水部２０ｂの側面との間に疎水部２１ａを備える。また親水部２０ｂとカソードセパレータ６との間に疎水部（疎水部材）２１ｂを備え、疎水部２１ｂの一部には貫通孔２２を備え、貫通孔２２によって親水部２０ｂとカソードセパレータ６のカソードガス流路１４とを連通する。なお、撥水部２０ａとカソードガス流路１４との間には、疎水部２１ｂは設けておらず、撥水部２０ａはカソードセパレータ６に当接する。
【００１６】
貫通孔２２は、単位セル１の発電状態に応じて、間隔、または貫通孔２２の孔径などを設定することが望ましく、これによって貫通孔２２から吸水する水量を調整することができ、湿潤状態を変更することができる。
【００１７】
撥水部２０ａは多孔体の導電性部材であり、この実施形態ではカーボンペーパを使用する。撥水部２０ａには撥水処理を施しており、単位セル１の発電反応によって生じた水蒸気、または水蒸気が凝縮した凝縮水をカソードガス流路１４へ排出する。なお、撥水部２０ａの細孔の径は数μｍから数百μｍである。
【００１８】
親水部２０ｂは多孔体の導電性部材であり、この実施形態ではカーボンペーパを使用する。親水部２０ｂには親水処理を施しており、貫通孔２２を介してカソードガス流路１４から取り込まれた水の一部を吸水する。なお、親水部２０ｂの細孔の径は数ｎｍから数百ｎｍである。
【００１９】
疎水部２１ａ、２１ｂはそれぞれ分割して形成し、拡散接合によってアッセンブリしてもよい。
【００２０】
カソードマイクロ層１２は、撥水処理が施されており、単位セル１の発電反応によって生じた水蒸気をカソード触媒層１１から主に撥水部２０ａへ排出する。また、親水部２０ｂの直下に位置するカソードマイクロ層１２は、親水部２０ｂとカソード触媒層１１とを連通させる貫通孔２４を有しており、貫通孔２４に親水部２０ｂとカソード触媒層１１とに当接する親水部（親水部材）２３を配設する。
【００２１】
親水部２３は多孔体の導電性部材であり、この実施形態ではカーボンペーパを使用する。親水部２３には親水処理を施しており、またカソードマイクロ層１２の貫通孔２４と接する部分に撥水処理を施している。親水部１２ｂの細孔の径は数百ｎｍから数十μｍである。
【００２２】
この実施形態では親水部２０ｂ、２３にカーボンペーパを用いたが、これに代えてカーボンナノチューブ、カーボンナノフレーク、カーボンナノウォールを用いてもよい。これらの素材は細孔の径がナノオーダーであり、毛管現象により親水処理を施さずに親水部２０ｂ、２３に使用することができる。そのため少ない工程で単位セル１を製造することができ、コストを削減することができる。
【００２３】
撥水部２０ａと親水部２０ｂと疎水部２１ａとは例えば一枚のカーボンペーパをエッチングによって形成する。さらに親水部２３はエッチングによって形成する。その後カソードマイクロ層１２の貫通孔２４に親水部２３を充填し、カソードマイクロ層１２と、撥水部２０ａと親水部２０ｂと疎水部２１ａと、疎水部２１ｂと、を拡散接合によってアッセンブリして、カソード４を形成する。これによって精度良くバラツキの少ないカソード４を形成することができる。
【００２４】
なお、撥水部２０ａ、親水部２０ｂ、疎水部２１ａをそれぞれ分割して形成し、拡散接合によってアッセンブリしてもよい。
【００２５】
単位セルにおける高電流密度、つまり単位セルから取り出す電力が大きい場合の単位セルの電圧特性は、ガス拡散層の２つの特性によって大きな影響を受けることが知られている。１つは液水飽和度と水の排出特性との関係、もう一つはガス拡散層の液水飽和度とガスの拡散係数の関係である。
【００２６】
例えば単位セルの電流密度が同じ場合には、単位セルで生成される水の量が一定であるが、ガス拡散層の排水性によって液水飽和度は異なり、単位セルの電圧特性は図５に示すような特性を示す。図５において、排水性の高いガス拡散層ａに関する特性を破線で示し、排水性の低いガス拡散層ｂに関する特性を実線で示す。単位セルの発電反応によって生成された水の水量が一定の場合、排水性の高いガス拡散層ａの液水飽和度が、排水性の低いガス拡散層ｂの液水飽和度よりも小さくなる。次にその液水飽和度におけるガス拡散層のガスの供給量は、ガス拡散層のガスの拡散係数に影響され、その結果、単位セルで生成される水、つまり単位セルの電流密度に対する単位セルの電圧が決定され、単位セルの発電特性が決定される。
【００２７】
以上のように、ガス拡散層の２つの特性によって、単位セルの電圧特性は影響を受け、特に高電流密度の場合、つまり単位セルで生成される水が多い場合に影響が大きくなる。
【００２８】
この実施形態では、単位セル１における発電反応によって、生成された水蒸気の一部は、カソードマイクロ層１２、または撥水部２０ａで凝縮し、水蒸気または凝縮水はカソードガス流路１４に排出される。カソードマイクロ層１２、撥水部２０ａでは撥水処理が施されており、これによって水蒸気、または凝縮水をカソードガス流路１４へスムーズに排出することができる。これによって、撥水部２０ａ、カソードマイクロ層１２において、例えば空気などの酸化剤ガスを効率良く拡散することができる。
【００２９】
カソードガス流路１４へ排出された凝縮水などの水は、その一部が貫通孔２２を介して親水部２０ｂに取り込まれる。貫通孔２２によって取り込まれて水は、親水部２０ｂによって吸水され、親水処理を施した親水部２０ｂの内部をより液水飽和度が小さい部分へ運ばれる。親水部２０ｂでは水は、毛管現象によって内径がより小さい親水部２３へ導かれるので、親水部２０ｂを介して、カソードガス拡散層１３の湿潤状態、さらにはカソード触媒層１１、電解質膜２の湿潤状態を均一にすることができ、電解質膜１の保水性を維持することができ、単位セル１の発電効率良くすることができる。また単位セル１の酸化剤ガスの流れ方向における発電反応を均一にすることで、酸化剤ガスの流れ方向における電位差を小さくすることができ、単位セル１の発電効率を良くすることができ、単位セル１の劣化を抑制することができる。
【００３０】
なお、アノード３についても、カソード４と同様の構成としても良い。
【００３１】
また、親水部２３の一方の端部をカソード触媒層１１へ内挿してもよい。これによって、カソード触媒層１１の内部へ水を導くことができ、カソード触媒層１１、電解質膜２の保水性を維持することができる。
【００３２】
本発明の第１実施形態の効果について説明する。
【００３３】
カソード４のカソードガス拡散層１３を撥水部２０ａと親水部２０ｂとによって構成する。これにより単位セル１の発電反応によって生じた水蒸気を撥水部２０ａによってカソードガス流路１４へ排水し、酸化剤ガスなどのガス拡散性を良くすることができ、単位セル１の発電効率を良くすることができる。また、カソードガス流路１４の水の一部を親水部２０ｂによって吸水させることで、カソード触媒層１１の保水性を保つことができ、単位セル１の発電効率を良くすることができる。
【００３４】
親水部２０ｂの直下に親水部２０ｂとカソード触媒層１１とに接する親水部２３を設けることで、親水部２０ｂから水をカソード触媒層１１に導くことができ、カソード触媒層１１、電解質膜２の保水性を保つことができ、単位セル１の発電効率を良くすることができる。
【００３５】
親水部２０ｂとカソードセパレータ６との間に疎水部２１ｂを設け、さらに疎水部２１ｂに貫通孔２２を設けることで、貫通孔２２から親水部２０ｂへ水を取り込むことができ、カソード触媒層１１、電解質膜２の湿潤状態を均一にすることができ、単位セル１の酸化剤ガスの流れ方向、つまり単位セル１の同一平面での発電反応を均一にすることができる。これにより単位セル１の同一平面での電位差を小さくすることができ、単位セル１の発電効率を良くすることができ、単位セル１の劣化を抑制することができる。
【００３６】
次に本発明の第２実形態について図６、図７を用いて説明する。第２実施形態については第１実施形態と異なる部分について説明する。この実施形態は第１実施形態におけるカソード４の構成が異なるものであり、この実施形態のカソード３０について図６、図７を用いて説明する。図６はカソード３０をカソードセパレータ６から見た正面図であり、図７は図６のＡ−Ａ断面の一部を示す図である。なお、この実施形態で、第１実施形態と同じ構成ものについては同じ符号を付して説明する。
【００３７】
カソード３０のカソードガス拡散層３１は、隣り合う撥水部２０ａの間に設けた親水部３２をカソードセパレータ６に当接する。
【００３８】
これにより、撥水部２０ａから排出される水蒸気、または凝縮水などの水の一部を親水部３２によって取り込むことができる。
【００３９】
その他の構成、作用については第１実施形態と同じであるので、ここでの説明は省略する。
【００４０】
本発明の第２実施形態の効果について説明する。
【００４１】
簡易な構成によって、カソード４の排水性を良くし、カソード触媒層１１の保水性を良くすることができ、発電効率を良くすることができる。
【００４２】
また、燃料電池の製造を容易にし、コストを削減することができる。
【００４３】
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内でなしうるさまざまな変更、改良が含まれることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の第１実施形態の単位セルの概略構成図である。
【図２】本発明の第１実施形態のカソードをカソードセパレータから見た正面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ断面の一部を示す図である。
【図４】図２のＢ−Ｂ断面の一部を示す図である。
【図５】ガス拡散層の排出性と、電流密度、液水飽和度、ガス拡散係数、単位セルの電圧との関係を示すマップである。
【図６】本発明の第２実施形態のカソードをカソードセパレータから見た正面図である。
【図７】図６のＡ−Ａ断面の一部を示す図である。
【符号の説明】
【００４５】
１      単位セル
２      固体高分子電解質膜（電解質膜）
３      アノード
４      カソード（電極）
５      アノードセパレータ
６      カソードセパレータ（セパレータ）
７      アノード触媒層
１１    カソード触媒層（触媒層）
１２    カソードマイクロ層（撥水層）
１３    カソードガス拡散層（ガス拡散層）
１４    カソードガス流路（ガス流路）
２０ａ  撥水部（第１のガス拡散層）
２０ｂ  親水部（第２のガス拡散層）
２１ｂ  疎水部（疎水部材）
２２    貫通孔
２３    親水部（親水部材）
【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】
2007242417.tif 000007
【図６】
2007242417.tif 000008
【図７】
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