(57)【要約】【課題】ガス拡散性および排水性に優れ、高加湿条件においても優れた出力特性を示すことのできる燃料電池を簡易に提供する。【解決手段】本発明に係る燃料電池は、膜電極接合体と、膜電極接合体を挟持する一対のガス拡散層と、一対のガス拡散層を挟持する一対のセパレータとを備える。また、膜電極接合体は、高分子電解質膜と、高分子電解質膜の一方の面に形成されるカソード触媒層と、高分子電解質膜の他方の面に形成されるアノード触媒層とを含む。また、セパレータは、反応ガスを排出するためのガス排出流路を含む。なお、カソード触媒層およびアノード触媒層の表面には、それぞれ反応ガスを供給するためのガス供給流路を有することを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池であって、
膜電極接合体と、
前記膜電極接合体を挟持する一対のガス拡散層と、
前記一対のガス拡散層を挟持する一対のセパレータとを備え、
前記膜電極接合体は、
高分子電解質膜と、
前記高分子電解質膜の一方の面に形成されるカソード触媒層と、
前記高分子電解質膜の他方の面に形成されるアノード触媒層とを含み、
前記セパレータは、反応ガスを排出するためのガス排出流路を含み、
前記カソード触媒層と前記アノード触媒層との表面には、それぞれ反応ガスを供給するためのガス供給流路を有することを特徴とする、燃料電池。
【請求項２】
前記ガス供給流路は、前記カソード触媒層と前記アノード触媒層との表面に形成された溝であることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記溝の幅は、１０μｍ〜５００μｍであることを特徴とする、請求項２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、燃料電池に関し、より特定的には、固体高分子型燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境問題やエネルギー問題の有効な解決策として、燃料電池が注目を浴びている。燃料電池とは、水素などの燃料を酸素などの酸化剤を用いて酸化し、これに伴う化学エネルギーを電気エネルギーに変換するものである。
【０００３】
また、燃料電池は、電解質の種類によって、アルカリ型、リン酸型、固体高分子型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型などに分類される。
【０００４】
上記固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）は、低温作動、高出力密度であり、小型化・軽量化が可能であることから、携帯用電源、家庭用電源、車載用動力源としての応用が期待されている。
【０００５】
また、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）は、電解質膜である高分子電解質膜を燃料極（アノード）と空気極（カソード）とで挟んだ構造となっており、燃料極側に水素を含む燃料ガス、空気極側に酸素を含む酸化剤ガスを供給することで、下記の電気化学反応により発電する。
【０００６】
アノード：Ｈ2  →  ２Ｈ+  ＋  ２ｅ-                          ・・・（１）
カソード：（１／２）Ｏ2  ＋  ２Ｈ+  ＋  ２ｅ-  →  Ｈ2Ｏ      ・・・（２）
【０００７】
アノード側に供給された燃料ガスは、電極触媒によりプロトンと電子となる（上記反応（１））。プロトンは、アノード電極触媒層内の高分子電解質、固体高分子電解質膜を通り、カソードに移動する。電子は、外部回路を通り、カソードに移動する。なお、カソードでは、プロトンと電子と外部から供給された酸化剤ガスとが反応して水を生成する（上記反応（２））。よって、上記の電気化学反応は、プロトン（電解質）と電子（触媒・担体）と反応ガスとの三相界面で起こる。
【０００８】
そして、燃料電池のさらなる性能の向上には、三相界面の増加が必要である。そのため、現在の燃料電池では、プロトンの伝導性を確保するために、加湿されたガスが供給されている。
【０００９】
しかし、上記反応（２）でも示されるように、カソードでは発電により水が生成するため、加湿されたガスが供給された状況で発電量が増加すると、生成した水が電極の空孔を塞いでしまい、ガスの供給が妨げられる。これにより、三相界面が減少して、発電特性が著しく低下する。
【００１０】
上記課題を解決するために、電極触媒層のガス拡散性および排水性を向上させる方法が提案されている。
【００１１】
例えば、特許文献１では、電極触媒層を多孔にすることにより、ガスの拡散性および排水性が向上し、優れた発電性能を提供できるとしている。
【００１２】
また、例えば、特許文献２では、電極触媒層を分割することで、生成した水が触媒層の隙間を通じて排出されるため、水によるガスの拡散を妨げることを抑制することができるとしている。
【００１３】
しかし、上記特許文献１の解決策は、燃料電池の構成部材（触媒層）の構造に対してのみ行う解決策であり、その効果は十分ではない。また、上記特許文献２では、触媒層の隙間を設けることで排水性は向上するが、反応ガスが電解質膜に直接接するため、電解質膜の劣化を促進してしまうという新たな課題が生じる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開２００９−２３１０４３号公報
【特許文献２】特開２００３−７７４８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明は、ガス拡散性および排水性に優れ、高加湿条件においても優れた出力特性を示すことのできる燃料電池を簡易に提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は、上記の課題を解決するために、以下の構成を採用した。
【００１７】
第１の発明は、燃料電池である。当該燃料電池は、膜電極接合体と、膜電極接合体を挟持する一対のガス拡散層と、一対のガス拡散層を挟持する一対のセパレータとを備える。また、膜電極接合体は、高分子電解質膜と、高分子電解質膜の一方の面に形成されるカソード触媒層と、高分子電解質膜の他方の面に形成されるアノード触媒層とを含む。また、セパレータは、反応ガスを排出するためのガス排出流路を含む。なお、カソード触媒層とアノード触媒層との表面には、それぞれ反応ガスを供給するためのガス供給流路を有することを特徴とする。
【００１８】
第２の発明は、上記第１の発明において、ガス供給流路は、触媒層表面に形成された溝であることを特徴とする。
【００１９】
第３の発明は、上記第２の発明において、溝の幅は、１０μｍ〜５００μｍであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
上記第１の発明によれば、触媒層表面にガス供給流路を設けることで、反応ガスが触媒層に直接供給されるので、ガス拡散性および排水性優れ、高加湿条件においても優れた出力特性を示す燃料電池を提供することができるという顕著な効果を奏する。
【００２１】
上記第２の発明によれば、ガス供給流路が触媒層表面の溝であることで、反応ガスが触媒層に均一に供給されるので、ガス拡散性および排水性優れた燃料電池を提供することができるという顕著な効果を奏する。
【００２２】
上記第３の発明によれば、ガス供給流路である触媒層表面の溝の幅が１０μｍ〜５００μｍであることで、反応ガスが触媒層に均一に素早く供給されるので、さらにガス拡散性および排水性優れた燃料電池を提供することができるという顕著な効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池を模式的に示す断面説明図
【図２】従来の燃料電池を模式的に示す断面説明図
【図３】本発明の実施形態に係る燃料電池のカソード側がガス供給流路の平面図
【図４】本発明の実施形態に係る燃料電池のカソード側がガス供給流路の平面図
【図５】本発明の実施形態に係る燃料電池のカソード側がガス供給流路の平面図
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態を説明する。なお、本発明の実施形態は、以下に記載する実施形態に限定されうるものではなく、当業者の知識に基づいて設計の変更などの変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施形態も本発明の実施形態の範囲に含まれうるものである。
【００２５】
また、以下の説明では、従来の燃料電池と比較しつつ、本実施形態に係る燃料電池について説明する。
【００２６】
図１は本発明の実施形態に係る燃料電池を模式的に示す断面説明図であり、図２は、従来の燃料電池を模式的に示す断面説明図である。
【００２７】
まず、図１に示すように、本実施形態に係る燃料電池の膜電極結合体４は、電解質膜１の両面にそれぞれカソード触媒層２およびアノード触媒層３を接合・積層して形成される。そして、膜電極結合体４の両側にガス拡散層５、６が配置されている。さらに当該ガス拡散層５、６の両側にセパレータ７、８が配置されている。なお、セパレータ７、８には、ガス排出流路１４、１５が形成されている。また、カソード触媒層２およびアノード触媒層３の表面には、それぞれガス供給流路１２、１３が形成されている。
【００２８】
一方、図２に示すように、従来の燃料電池は、ガス供給流路１２、１３とガス排出流路１４、１５とは具備されていなく、ガス流路１０、１１のみが具備されている。供給された反応ガスは、ガス流路１０、１１を通り、ガス拡散層５、６で拡散されて、カソード触媒層２およびアノード触媒層３に供給される。なお、反応ガスは、カソード触媒層２およびアノード触媒層３で反応後、再びガス拡散層５、６を通り、ガス流路１０、１１から排出される。
【００２９】
このため、従来の燃料電池では、反応ガスは、ガス拡散層５、６内で対向して流れるため、カソード触媒層２およびアノード触媒層３で生成した水を効率的に排出することができない。また、図２の矢印で示すとおり、反応ガスは、ガス拡散層５、６で拡散された後、そのままカソード触媒層２およびアノード触媒層３に供給されるため、当該カソード触媒層２およびアノード触媒層３内でのガス拡散性が不十分となる。
【００３０】
一方、本実施形態に係る燃料電池においては、反応ガスは、カソード触媒層２およびアノード触媒層３に直接供給され、ガス拡散層５、６を通り、ガス排出流路１４、１５により排出される。このように、本実施形態に係る燃料電池は、ガス供給流路１２、１３とガス排出流路１４、１５とが設けられているので、反応ガスが、ガス拡散層５、６内で対向することなく燃料電池内を流れるため、カソード触媒層２およびアノード触媒層３で生成した水を当該カソード触媒層２およびアノード触媒層３の外に容易に排水することができる。
【００３１】
また、本実施形態に係る燃料電池においては、反応ガスが、直接、カソード触媒層２およびアノード触媒層３に供給されるため、当該カソード触媒層２およびアノード触媒層３内のガス拡散性および排水性が向上し、触媒を有効利用することができる。さらに、カソード触媒層２およびアノード触媒層３内で生成した水は、ガス供給流路１２、１３へ素早く移動するため、当該カソード触媒層２およびアノード触媒層３内の排水性が向上する。
【００３２】
さらに、本実施形態に係る燃料電池は、従来の燃料電池と同様に、反応ガスをガス排出流路１４、１５から供給した場合においても、図１の矢印で示すとおり、反応ガスは、ガス拡散層５、６で拡散された後、カソード触媒層２およびアノード触媒層３の表面のガス供給流路１２、１３により拡散されるため、カソード触媒層２およびアノード触媒層３内でのガス拡散性が向上する。
【００３３】
なお、本実施形態に係る燃料電池においては、ガス供給流路１２、１３は、カソード触媒層２およびアノード触媒層３の表面に形成されていればよく、溝が形成されていることがより好ましい。特に、カソード触媒層２およびアノード触媒層３へ反応ガスを均一に素早く供給するためには、溝の幅は１０〜５００μｍが好ましい。溝の幅が１０μｍ未満であると、十分なガスの拡散性を得ることができない。一方、溝の幅が５００μｍより大きいと、溝に移動してきた生成水が滞留してしまい、排水が滞ってしまう。
【００３４】
次に、本発明の実施形態に係る燃料電池のカソード側のガス供給流路について説明する。図３〜４は、本発明の実施形態に係る燃料電池のカソード側がガス供給流路の平面図である。
【００３５】
まず、図３にカソード側のガス供給流路の一例の平面図を示す。図３に示すように、ガス供給流路１２は、一本の溝から形成されていてもよい。次に、図４、５にカソード側のガス供給流路の別の例の平面図を示す。図４、５に示すように、ガス供給流路１２は、複数本の溝から形成されていてもよい。つまり、ガス供給流路１２は、一本の溝から形成されていてもよいし、複数本の溝から形成されていてもよいが、特に、複数本から形成されていることが好ましい。これは、ガス供給流路１２が、複数本から形成されていると、流路の一部が生成水で塞がったとしても、ガスを供給することができるからである。
【００３６】
また、ガス供給流路１２へのガス供給口１２ａは、一箇所でもよく、複数箇所でもよいが、特に複数箇所が好ましい。複数箇所から供給することで、カソード触媒層２やアノード触媒層３に均一に素早く、ガスを供給することができるからである。
【００３７】
なお、ガス排出流路１４、１５は、ガス拡散層５、６またはセパレータ７、８に形成することができる。また、ガス排出流路１４、１５は、ガス供給流路１２、１３と同様の形状でもよく、異なる形状でもよい。
【００３８】
また、本発明の実施形態に係る燃料電池における電解質膜１は、イオン伝導性樹脂から構成される。具体的には、ナフィオン（登録商標）、フレミオン（登録商標）、アシプレックス（登録商標）等のフッ素系電解質膜や炭化水素系電解質膜が用いられる。なお、炭化水素系電解質膜としては、ポリフェニレンオキサイド、ポリフェニレンエーテル、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルスルホン、ポリスルホン、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、ポリイミド、ポリアリレート、ポリアリルエーテルニトリル等にスルホン酸基が導入された電解質膜が用いられる。これら電解質膜は、単独または２種類以上を混合して用いてもよい。
【００３９】
また、本発明の実施形態に係る燃料電池におけるカソード触媒層２やアノード触媒層３は、それぞれ導電剤としてのカーボンブラック粒子、反応触媒、電解質から構成されている。なお、カソード触媒層２やアノード触媒層３で用いる触媒である金属触媒粒子としては、白金、パラジウム、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、オスミウムなどの白金族元素のほか、鉄、鉛、銅、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、アルミニウムなどの金属、またはこれらの合金、さらには酸化物、複酸化物等が使用できる。その中でも、白金や白金合金が好ましい。また、これらの触媒の粒径は、大きすぎると触媒の活性が低下し、小さすぎると触媒の安定性が低下するため、０．５ｎｍ以上２０ｎｍ以下が好ましい。更に好ましくは、１ｎｍ以上５ｎｍ以下である。
【００４０】
なお、上述した金属触媒粒子を担持する電子伝導性の導電剤は、一般的に、カーボン粒子が使用される。カーボン粒子の種類は、微粒子状で導電性を有し、触媒に侵されないものであればどのようなものでも構わないが、例えば、カーボンブラック、グラファイト、黒鉛、活性炭、カーボンファイバー、カーボンナノチューブ、フラーレン等が使用できる。また、カーボン粒子の粒径は、小さすぎると電子伝導パスが形成されにくくなったり、また大きすぎるとカソード触媒層２やアノード触媒層３が厚くなり抵抗が増加することで出力特性が低下したりする。この観点から、カーボン粒子の粒径は、１０ｎｍ以上１０００ｎｍ程度が好ましい。更に好ましくは１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。
【００４１】
また、本発明の実施形態に係る燃料電池におけるガス拡散層５、６の基材は、ガス拡散性と導電性とに優れた材料であればよく、例えば、カーボンペーパー、カーボンクロス、フェルト、不織布などが挙げられる。また、ガス拡散層５、６の基材は、撥水処理することが好ましく、撥水材により基材をコーティングすることが望ましい。撥水材としては、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などのフッ素樹脂が挙げられる。さらに、ガス拡散層５、６の表面にマイクロポーラス層（ＭＰＬ）を設けることが好ましい。当該ＭＰＬは、発電で生成した水のカソード触媒層２およびアノード触媒層３からの排出を促進する。
【００４２】
なお、上記ＭＰＬは、カーボン粒子と撥水材から構成される。カーボン粒子としては、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、黒鉛などが挙げられる。カーボン粒子径は、１０ｎｍ以上１０００ｎｍ程度が好ましい。更に好ましくは、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。
【００４３】
また、本発明の実施形態に係る燃料電池におけるセパレータ７、８は、気密性と導電性とに優れた材料であれば良く、例えば、カーボン材料や金属材料などが挙げられる。
【００４４】
以上説明したように、本実施形態に係る燃料電池によれば、ガスの拡散性および排水性に優れ、高加湿条件においても優れた出力特性を示す燃料電池を簡易に提供することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本発明に係る燃料電池は、ガス拡散性および排水性に優れ、高加湿条件においても優れた出力特性を示すことのできる固体高分子型燃料電池等として有用である。
【符号の説明】
【００４６】
１    電解質膜
２    カソード触媒層
３    アノード触媒層
４    膜電極接合体
５、６    ガス拡散層
７、８    セパレータ
９    ガスシール材
１０、１１    ガス流路
１２、１３    ガス供給流路
１２ａ、１３a    ガス供給口
１４、１５    ガス排出流路
【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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