(57)【要約】【課題】高電流密度やコンパクト化を実現し得る固体高分子型燃料電池を提供すること。【解決手段】固体高分子電解質膜と、この固体高分子電解質膜の一方の面及び他方の面にそれぞれ配設された燃料極及び空気極を備える固体高分子型燃料電池である。燃料極及び空気極側に、導電性を有しガスを拡散させるガス拡散層が配置され、燃料極及び空気極が、その表面に接触して配置された多孔質の電極触媒層を有する。  ガス拡散層の面方向における酸素拡散係数が最大となる最大拡散係数方向が、当該層を流れるガス流の方向とほぼ一致している。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜と、この固体高分子電解質膜の一方の面及び他方の面にそれぞれ配設された燃料極及び空気極を備える固体高分子型燃料電池において、
上記燃料極及び上記空気極の少なくとも一方側に、導電性を有しガスを拡散させるガス拡散層が配置されており、
上記燃料極及び上記空気極が、その表面に接触して配置された多孔質の電極触媒層を有し、
上記ガス拡散層の面方向における酸素拡散係数が最大となる最大拡散係数方向が、当該層を流れるガス流の方向とほぼ一致する、ことを特徴とする固体高分子型燃料電池。
【請求項２】
上記ガス流がコフロー又はカウンターフローの形式で上記ガス拡散層を流れ、上記空気極側のガス拡散層におけるガス流方向が上記最大拡散係数方向とほぼ一致する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。
【請求項３】
固体高分子電解質膜と、この固体高分子電解質膜の一方の面及び他方の面にそれぞれ配設された燃料極及び空気極を備える固体高分子型燃料電池において、
上記燃料極及び上記空気極の少なくとも一方側に、導電性を有しガスを拡散させるガス拡散層が配置されており、
上記燃料極及び上記空気極が、その表面に接触して配置された多孔質の電極触媒層を有し、
上記ガス拡散層の面方向における酸素拡散係数が最大となる最大拡散係数方向が、当該層におけるガス入口とガス出口とを結ぶ方向で規定されることを特徴とする固体高分子型燃料電池。
【請求項４】
上記空気極側のガス拡散層が矩形板状をなすとともに、その一辺側にガス入口とガス出口を有し、このガス拡散層をガス流がサーペンタイン形式で流れる、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。
【請求項５】
上記空気極側のガス拡散層が矩形板状をなすとともに、その対向する辺同士にそれぞれガス入口とガス出口を有し、このガス拡散層をガス流がサーペンタイン形式で流れる、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。
【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に係り、更に詳細には、高電流密度やコンパクト化を実現し得る固体高分子型燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、固体高分子型燃料電池において、ガス拡散層の厚み方向における酸素拡散特性を燃料ガス流や空気流の流れ方向に変化させることにより、フラッディング現象などを抑制し、燃料電池の高電流密度やコンパクト化を図ることが提案されている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開平８−１２４５８３号公報
【特許文献２】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】
【０００３】
しかしながら、このような従来の固体高分子型燃料電池において、ガス拡散層の厚み方向における酸素拡散特性の制御のみでは、フラッディング現象等を十分に抑制することは困難であり、固体高分子型燃料電池の高電流密度化やコンパクト化が必ずしも十分とは言えないという問題があった。
【０００４】
本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、高電流密度やコンパクト化を実現し得る固体高分子型燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討を重ねた結果、ガス拡散層の面方向における酸素拡散特性を制御することにより、上記目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００６】
即ち、本発明の固体高分子型燃料電池は、固体高分子電解質膜と、この固体高分子電解質膜の一方の面及び他方の面にそれぞれ配設された燃料極及び空気極を備える固体高分子型燃料電池において、
上記燃料極及び上記空気極の少なくとも一方側に、導電性を有しガスを拡散させるガス拡散層が配置されており、
上記燃料極及び上記空気極が、その表面に接触して配置された多孔質の電極触媒層を有し、
上記ガス拡散層の面方向における酸素拡散係数が最大となる最大拡散係数方向が、当該層を流れるガス流の方向とほぼ一致する、ことを特徴とする。
【０００７】
また、本発明の他の固体高分子型燃料電池は、固体高分子電解質膜と、この固体高分子電解質膜の一方の面及び他方の面にそれぞれ配設された燃料極及び空気極を備える固体高分子型燃料電池において、
上記燃料極及び上記空気極の少なくとも一方側に、導電性を有しガスを拡散させるガス拡散層が配置されており、
上記燃料極及び上記空気極が、その表面に接触して配置された多孔質の電極触媒層を有し、
上記ガス拡散層の面方向における酸素拡散係数が最大となる最大拡散係数方向が、当該層におけるガス入口とガス出口とを結ぶ方向で規定されることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、ガス拡散層の面方向における酸素拡散特性を制御することとしたため、高電流密度やコンパクト化を実現し得る固体高分子型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】
【０００９】
以下、本発明の固体高分子型燃料電池につき詳細に説明する。なお、本明細書及び請求の範囲において、濃度、充填量及び含有量などについての「％」は特記しない限り質量百分率を表すものとする。
【００１０】
図２は、固体高分子型燃料電池に用いるガス拡散層（ＧＤＬ）の面方向における酸素拡散係数の変動を示す特性図である。
同図に示すように、ガス拡散層の面内に直交するＸ−Ｙ座標系を設定すると、ガス拡散層の面方向において、酸素拡散係数には異方性があることが明らかである。かかる異方性は、一般にはガス拡散層の製造方法に起因するものである。
【００１１】
本発明は、上述の酸素拡散係数の異方性を前提にして、ガス拡散層の面方向において、酸素拡散係数が最大値（θｍ）を示す最大点への方向（θ）を、当該ガス拡散層を通過する燃料ガス流又は空気流のガス流方向とほぼ一致させることを骨子としている。
【００１２】
このように、ガス拡散層の面方向におけるガス流を最適化することにより、例えば空気極側では、酸素濃度が高いガス流の上流部から下流部へ酸素が十分に供給され、更に電極触媒層にも酸素が十分に供給されようになる。
よって、高電流密度条件下において、フラッディングが有効に抑制され、所定の電圧を確保できるとともに、高電流密度を実現し得る固体高分子型燃料電池が得られ、この燃料電池のコンパクト化も実現できることになる。
【実施例】
【００１３】
以下、本発明を若干の実施例により更に詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
【００１４】
（実施例１）
図１は、一般的な固体高分子型燃料電池における空気極側のガス拡散層近傍を示す部分断面図である。
図１（Ａ）に示すように、かかる固体高分子型燃料電池では、固体高分子電解質膜（図示せず）の表面に接触した状態で多孔質の電極触媒層１０が配置され、この電極触媒層１０の一方の面に接してガス拡散層２０が配置され、更に、ガス拡散層２０の他方の面に接してセパレータ３０が配置される。
【００１５】
ガス流、この場合は空気流は、セパレータ３０のチャンネル３４を流れながらガス拡散層２０に供給され、更にこれと接している電極触媒層１０に供給され、燃料電池の電池反応に供される。
なお、図１（Ｂ）は、ガス拡散層２０へのガス流の進入方向を、ガス拡散層２０の面内に定義した直交２軸座標系に対応して示したものであり、この図では、矩形をなすガス拡散層２０の短辺に対して直交する方向をＸ、長辺に対して直交する方向をＹとしている。
【００１６】
図３（Ａ）は、本発明の固体高分子型燃料電池の一実施例における空気極側のガス拡散層を示す平面図である。
この図に示すように、空気流がいわゆるコフロー又はカウンターフローの形式でガス拡散層を流れる場合、本発明では、空気流の方向をガス拡散層の面方向において酸素拡散係数が最大となる方向（最大拡散係数方向）と一致させる。
この結果、空気流の下流領域に相当する電極触媒層１０への酸素供給が有意に促進されることになる。
【００１７】
なお、本例では、空気極側のガス拡散層を例に採っているが、燃料極側でも同様の構成により同様の作用効果が得られるので、本例のみならず以下の実施例においても、その説明を省略する。
【００１８】
（実施例２）
図３（Ｂ）は、本発明の固体高分子型燃料電池の他の実施例における空気極側のガス拡散層を示す平面図である。
同図に示すように、この固体高分子型燃料電池では、矩形板状をなすガス拡散層の一辺（短辺）にガス入口とガス出口の双方を有し、ガスがいわゆるサーペンタイン形式で流れる構成となっている。
【００１９】
本例では、上述の如き最大拡散係数方向が、ガス入口とガス出口とを結んだ線分の方向と一致しており、このような構成によっても、上記同様に空気流の下流領域に相当する電極触媒層１０への酸素供給が有意に促進されることになる。
【００２０】
（実施例３）
図３（Ｃ）は、本発明の固体高分子型燃料電池の更に他の実施例における空気極側のガス拡散層を示す平面図である。
同図に示すように、この固体高分子型燃料電池では、矩形板状をなすガス拡散層の対向する辺同士（短辺同士）にそれぞれガス入口とガス出口が設けられており、ガスがいわゆるサーペンタイン形式で流れる構成となっている。
【００２１】
本例でも、上述の如き最大拡散係数方向が、ガス入口とガス出口とを結んだ線分の方向と一致しており、このような構成によっても、上記同様に空気流の下流領域に相当する電極触媒層１０への酸素供給が有意に促進されることになる。
【００２２】
以上、本発明の固体高分子型燃料電池の実施例につき説明したが、次に、このような燃料電池における部材・要素等の材質などにつき説明する。
原則として、かかる部材・要素等としては従来公知の材質のものを用いることができるが一例を挙げると、固体電解質膜としては、ナフィンオン（Ｎａｆｉｏｎ）（登録商標）を代表とするフッ素系電解質膜及び炭化水素系電解質膜などがある。
【００２３】
また、電極触媒層としては、白金、パラジウム、ルテニウムなどの触媒成分をカーボンに担持して成る層、ガス拡散層としては、カーボンペーパー、クロスなどの基材にテフロン（登録商標）等を担持した層を挙げることができ、更にセパレータとしては、カーボン又は金属を例示することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】一般的な固体高分子型燃料電池における空気極側のガス拡散層近傍を示す部分断面図である。
【図２】固体高分子型燃料電池に用いるガス拡散層（ＧＤＬ）の面方向における酸素拡散係数の変動を示す特性図である。
【図３】本発明の固体高分子型燃料電池の実施例における空気極側のガス拡散層を示す平面図である。
【符号の説明】
【００２５】
１０    電極触媒層
２０    ガス拡散層
３０    セパレータ
３２    ランド
３４    チャンネル
【図１】
2007250224.tif 000002
【図２】
2007250224.tif 000003
【図３】
2007250224.tif 000004