(57)【要約】【課題】多孔質体がセパレータから剥離し難い構造の燃料電池を提供する。【解決手段】燃料電池の反応ガスの流路となる多孔質体２８と、多孔質体２８の主面と接するセパレータ３４と、多孔質体２８の周縁及びセパレータ３４と接し、多孔質体２８より緻密度の高い緻密層３０と、を備え、多孔質体２８及び緻密層３０はセパレータ３４に接合されている燃料電池１を用いる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の反応ガスの流路となる多孔質体と、前記多孔質体の主面と接するセパレータと、前記多孔質体の周縁及び前記セパレータと接し、前記多孔質体より緻密度の高い緻密層と、を備え、前記多孔質体及び前記緻密層は前記セパレータに接合されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記緻密層が配置された前記多孔質体の主面に対して前記セパレータと反対側の面には、集電層が配置され、ガス拡散層が配置されないことを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、反応ガスの流路となる多孔質体を備える燃料電池の技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の燃料電池では、直線状もしくは蛇行状等のガス流路溝をセパレータに形成し、この流路が形成されたセパレータ上にカーボンペーパーやカーボンクロス等からなるガス拡散層を積層することで、燃料電池の構成部材である電極（触媒層）への反応ガスの供給の役割を果たしていた。しかし、セパレータは、この流路があることにより、厚さを小さくすることに制約があった。そこで、セパレータの流路及びガス拡散層の代わりに、流路が形成されていないフラットタイプ型のセパレータ上に多孔質体を配置し、この多孔質体にセパレータの流路とガス拡散層の役割を担わせることにより、セパレータの厚さが低減し、燃料電池の薄型化が可能となる（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
多孔質体は、セパレータの流路及びガス拡散層の役割を多孔質体に担わせるために、ある程度高い気孔率を有する必要がある。そして、多孔質体は、金属粉末、バインダー等を混合したスラリーをセパレータ上に塗布することにより形成されるが、ある程度高い気孔率を有する多孔質体を形成しようとすると、多孔質体の強度、セパレータとの接着性が弱くなる。そして、燃料電池の製造時や使用時等で、燃料電池に外力等が加わった場合には、多孔質体の周縁部がセパレータから剥離する場合がある。
【０００４】
このように、多孔質体がセパレータから剥離してしまうと、剥離した多孔質体片が燃料電池の構成部材である電解質膜に損傷を与え、燃料電池の発電性能を著しく低下させてしまう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−９７３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そこで、本発明は、多孔質体がセパレータから剥離し難い構造の燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の燃料電池は、燃料電池の反応ガスの流路となる多孔質体と、前記多孔質体の主面と接するセパレータと、前記多孔質体の周縁及び前記セパレータと接し、前記多孔質体より緻密度の高い緻密層と、を備え、前記多孔質体及び前記緻密層は前記セパレータに接合されている。
【０００８】
また、前記燃料電池において、前記緻密層が配置された前記多孔質体の主面に対して前記セパレータと反対側の面には、集電層が配置され、ガス拡散層が配置されないことが好ましい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、燃料電池の製造時や使用時等で、燃料電池に外力が加わった場合でも、多孔質体がセパレータから剥離するのを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本実施形態に係る燃料電池の構成の一例を示す模式断面図である。
【図２】多孔質体及び緻密層の形成方法を説明するためのフロー図である。
【図３】参考例の燃料電池の構成を示す模式断面図である。
【図４】参考例の燃料電池の構成を示す模式断面図である。
【図５】参考例のセパレータ及び多孔質体の形成方法を説明するためのフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の実施の形態について以下説明する。
【００１２】
図１は、本実施形態に係る燃料電池の構成の一例を示す模式断面図である。図１に示すように、燃料電池１は、電解質膜１０と電解質膜１０の両側に設けられるアノード極１２及びカソード極１４とを備える膜電極接合体１６、アノード極１２及びカソード極１４の外側に設けられるＭＰＬ１８，２０、アノード極１２側のＭＰＬ１８の外側に設けられるガス拡散層２２、アノード極１２側に設置されたガス拡散層２２の外側及びカソード極１４側のＭＰＬ２０の外側に設けられる多孔質体２６，２８、カソード極１４側に設けられる多孔質体２８の周縁に配置される緻密層３０、多孔質体２６，２８の外側に設けられるセパレータ３２，３４、を備えている。
【００１３】
図１に示すセパレータ３２，３４は、平板である。すなわち、各極に供給される反応ガス（燃料ガス、酸化剤ガス）の流路となるガス流路は形成されていない。多孔質体２６の主面はセパレータ３２に接合され，多孔質体２８の主面はセパレータ３４に接合されている。多孔質体２８の周縁に配置される緻密層３０は、多孔質体２８より緻密度の高い層であり、セパレータ３４に接合されている。なお、不図示であるが、セパレータ３２，３４の外周には、燃料ガス入口及び出口、酸化剤ガス入口及び出口が形成され、燃料ガス入口及び出口はアノード極１２側の多孔質体２６と連通し、酸化剤ガス入口及び出口はカソード極１４側の多孔質体２８と連通している。
【００１４】
次に、燃料電池１の動作について説明する。
【００１５】
まず、水素ガス等の燃料ガスが、アノード極１２側のセパレータ３２の燃料ガス入口から多孔質体２６に供給される。燃料ガスは、多孔質体２６を流動しつつ、ガス拡散層２２に到達し、ガス拡散層２２およびアノード極１２側のＭＰＬ１８を透過してアノード極１２に到達する。アノード極１２に到達した燃料ガス中の水素は、プロトンと電子とに分離される。プロトンは、電解質膜１０を伝導し、カソード極１４に到達する。電子は、アノード極１２側のＭＰＬ１８により集められ、ガス拡散層２２、セパレータ３２へと伝達し、不図示の外部回路を通って、カソード極１４側のセパレータ３４、多孔質体２８、ＭＰＬ２０を介してカソード極１４へ到達する。
【００１６】
一方、空気等の酸化剤ガスは、カソード極１４側のセパレータ３４の酸化剤ガス入口から多孔質体２８に供給される。酸化剤ガスは、多孔質体２８を流動しつつ、カソード極１４側のＭＰＬ２０を透過してカソード極１４に到達する。カソード極１４においては、酸化剤ガス中の酸素とプロトンと電子とが反応して水が発生するとともに電力が発生する。以上の動作によって、燃料電池１は発電を行う。
【００１７】
このような、燃料電池１の発電過程等では、電解質膜１０が膨潤し、体積が増加する。そして、この体積増加によって、膜電極接合体１６に圧縮力が加わる。また、燃料電池１の発電効率を挙げるために、例えば、燃料電池１に対して各部材の積層方向に外力が加えられる。このような圧縮力や外力により、セパレータから多孔質体が剥離する場合がある。また、燃料電池の製造時において加えられる外力によってもセパレータから多孔質体が剥離する場合がある。これは、一般的に、多孔質体は、セパレータの流路とガス拡散層の役割を担わせるために、ある程度高い気孔率を有する（緻密性が低い）ため、多孔質体の強度は弱く、またセパレータとの接着性も弱いからである。そして、上記圧縮力や外力によって、特に、多孔質体の周縁部がセパレータから剥離してしまう。セパレータから剥離した多孔質体片が燃料電池内に存在すると、上記圧縮力や外力により膜電極接合体に突き刺さり、膜電極接合体を損傷させる虞がある。
【００１８】
本実施形態では、多孔質体２８の周縁部に、多孔質体２８より緻密性の高い緻密層３０を配置して、多孔質体２８の周縁部を保護している。緻密性の高い緻密層３０は、多孔質体２８より強度も強く、セパレータ３４との接着性も良好である。したがって、燃料電池１に加えられる圧縮力や外力によって、多孔質体２８の周縁部がセパレータ３４から剥離することが抑制される。また、緻密層３０自体がセパレータ３４から剥離することもない。その結果、圧縮力や外力による膜電極接合体１６の損傷を抑制することが可能となる。
【００１９】
次に、燃料電池１の各部材の詳細について説明する。
【００２０】
セパレータ３２，３４は、ガス流路溝が形成されていないフラットタイプ型のセパレータである。セパレータ３２，３４は、ガス不透過性であって、導電性を有する材料であれば特に限定されるものではないが、例えば、ステンレス鋼、チタン合金、アルミニウム合金等に代表される金属、カーボン、導電性樹脂等が挙げられる。
【００２１】
多孔質体２６，２８は、主に、多孔質体２６，２８に供給される反応ガスを電極の面全体に供給するガス流路としての機能、及び反応ガスを拡散させるガス拡散層としての機能を有するため、気孔率（空隙率）の大きい多孔質体である。本実施形態の多孔質体２６，２８の気孔率（空隙率）は、ガス流路及びガス拡散性の機能を維持する点で、４０〜９５％の範囲であることが好ましい。
【００２２】
多孔質体２８の周縁に配置される緻密層３０は、多孔質体２８より緻密度の高い層である。前述したように、多孔質体２８より緻密度の高い緻密層３０を、多孔質体２８の周縁に配置することにより、多孔質体２８の周縁部がセパレータ３４から剥離することを抑制することができる。図１に示す緻密層３０は、カソード極１４側の多孔質体２８の周縁に配置されているが、必ずしもこれに制限されるものではなく、アノード極１２側の多孔質体２６の周縁及びカソード極１４側の多孔質体２８の周縁のうち少なくともいずれか一方に配置される。
【００２３】
ここで、緻密度は流体の透過性を示す物性値によって表され、例えば気孔率（空隙率）やガス透過率等によって表される。すなわち、多孔質体２８より緻密度の高い緻密層３０は多孔質体２８より気孔率（空隙率）等が低いものである。本実施形態の緻密層３０の気孔率（空隙率）は、緻密層３０の強度を確保し、セパレータ３４との良好な接着性を確保することができる等の点で、０〜３９％の範囲であることが好ましい。
【００２４】
図２は、多孔質体及び緻密層の形成方法を説明するためのフロー図である。
【００２５】
導電性粉末、バインダー、メタノールやエタノール等の揮発性溶媒を混合した多孔質体用のスラリーをセパレータ３４上に塗布し（図２（Ａ））、導電性粉末、バインダー、エタノール等の揮発性溶媒を混合した緻密層用のスラリーを、セパレータ３４上の多孔質体用のスラリー塗布膜の周囲に塗布し（図２（Ｂ））、その後、所定の温度で焼成・乾燥させ（図２（Ｃ））、セパレータ３４上に多孔質体２８、緻密層３０を形成する。塗布方法は、スプレー、スクリーン印刷、アプリケータ、インクジェット等がある。
【００２６】
多孔質体（２６，２８）及び緻密層３０の緻密度（空隙率等）の調整は、混合する導電性粉末、揮発性溶媒の量によって調整することが可能である。例えば、揮発性溶媒の量を多くすればするほど、緻密度の低い膜を形成することができ、導電性粉末の量を多くすればするほど、緻密度の高い膜を形成することができる。更には、緻密層用のスラリーの塗布厚を多孔質体用のスラリーの塗布厚より厚くして、焼成・乾燥後に形成される緻密層３０をプレスすることによって、緻密度の高い膜とすることが可能である。また、緻密層用のスラリーに用いられる導電性粉末を多孔質体用のスラリーに用いられる導電性粉末より比重の大きいものや粒径の小さいものを使用することによっても、緻密度の高い膜とすることが可能である。
【００２７】
多孔質体２６，２８及び緻密層３０を構成する導電性粉末としては、例えば、カーボン材料、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ等の貴金属、Ｔｉ、Ｔａ、Ｗ、Ｎｂ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｃｒ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｓｕ等の金属、Ｓｉ、およびこれらの窒化物、炭化物、炭窒化物等、さらにステンレス、Ｃｕ−Ｃｒ、Ｎｉ−Ｃｒ、Ｔｉ−Ｐｔ等の合金等を挙げることができる。
【００２８】
本実施形態のアノード極１２側に配置されるガス拡散層２２は、主に反応ガスを拡散させる機能を有する。ガス拡散層２２は、所定の厚みを有するものであることから、燃料電池１の薄型化を阻害する反面、セパレータ３２から剥離した多孔質体片が膜電極接合体１６に突き刺さることを防ぐこともできる。したがって、両極側に設置される多孔質体２６，２８の周縁に緻密層を設ける場合には、両極側のいずれにもガス拡散層を配置する必要はないが、いずれか一方の多孔質体（２６，２８）の周縁に緻密層を設ける場合には、緻密層を設置した側にガス拡散層を配置せずにＭＰＬを配置し、緻密層を設置していない側にガス拡散層及びＭＰＬを配置することが望ましい。いずれにしろ、緻密層が配置される側にはガス拡散層が配置されないため、燃料電池の薄型化を可能とすることができる。
【００２９】
ガス拡散層２２としては、例えば、導電性無機物質を主とするものを挙げることができ、この導電性無機物質としては、ポリアクリロニトリルからの焼成体、ピッチからの焼成体、黒鉛及び膨張黒鉛等の炭素材やこれらのナノカーボン材料、ステンレススチール、モリブデン、チタン等を挙げることができる。また、ガス拡散層２２の導電性無機物質の形態は、例えば繊維状あるいは粒子状いずれの形態でもよいが、ガス拡散性の点から無機導電性繊維であって、特に炭素繊維が好ましい。無機導電性繊維を用いたガス拡散層２２としては、織布あるいは不織布いずれの構造のものも使用することができ、カーボンペーパーやカーボンクロスなどを挙げることができる。織布としては、平織、紋織、綴織など、特に限定されるものではなく、不織布としては、抄紙法、ウォータージェットパンチ法によるものなどが挙げられる。
【００３０】
ＭＰＬ１８，２０は、主に、各極と電子の授受を行う集電層としての機能を有する。なお、ＭＰＬ１８，２０も多孔質体２６，２８やガス拡散層２２と同様に、ガス透過性であるが、ＭＰＬは、ガス拡散層２２等より空隙率の低い層とすることが望ましい。
【００３１】
ＭＰＬ１８，２０は、例えば、導電性粉末と、メタノール、エタノール等の揮発性溶媒と、を混合したスラリーを多孔質体２６，２８、ガス拡散層又は電極等に塗布することにより形成される。ＭＰＬ１８，２０を構成する導電性粉末としては、緻密層３０と同様の導電性粉末を用いることができる。
【００３２】
本実施形態の膜電極接合体１６を構成する電解質膜１０は、プロトン電導性を有し、かつ電気的絶縁性を有する材料から構成されている。膜電極接合体１６を構成するアノード極１２は、燃料の酸化を促進する触媒を備え、該触媒上で燃料が酸化反応を起こすことにより、プロトンと電子を生成する。また、膜電極接合体１６を構成するカソード極１４は、酸化剤の還元を促進する触媒を備え、該触媒上で酸化剤がプロトンと電子を取り込み、還元反応が起きる。
【００３３】
膜電極接合体１６を構成する電解質膜１０は、プロトン電導性を有し、かつ電気的絶縁性を有する材料であれば特に限定されないが、例えば、スルホン酸基やカルボニル基を持つフッ素系イオン交換膜、置換フェニレンオキサイドやスルホン化ポリアリールエーテルケトン、スルホン化ポリアリールエーテルスルホン、スルホン化フェニレンスルファイドなどの非フッ素系のポリマーなどから形成される。
【００３４】
また、アノード極１２及びカソード極１４は、例えば、触媒が担持された導電性担体（粒子状のカーボン担体など）と、電解質と、分散溶媒（有機溶媒）と、を混合して触媒溶液（スラリー）を電解質膜１０等の基材に塗布することにより形成される。ここで、触媒溶液を形成する電解質は、プロトン伝導性ポリマーである、有機系の含フッ素高分子を骨格とするイオン交換樹脂、例えばパーフルオロカーボンスルフォン酸樹脂、スルホン化ポリエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリエーテルエーテルスルホン、スルホン化ポリスルホン、スルホン化ポリスルフィド、スルホン化ポリフェニレン等のスルホン化プラスチック系電解質等を挙げることができる。なお、市販素材としては、ナフィオン（Ｎａｆｉｏｎ）（登録商標、デュポン社製）やフレミオン（Ｆｌｅｍｉｏｎ）（登録商標、旭硝子株式会社製）などを挙げることができる。また、分散溶媒としては、メタノール、エタノール等のアルコール類等の溶媒を挙げることができる。
【００３５】
触媒が担持される導電性担体としては、例えば、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバーなどの炭素材料、炭化ケイ素などに代表される炭素化合物などを挙げることができる。触媒（金属触媒）としては、例えば、白金や白金合金、パラジウム、ロジウム、金、銀、オスミウム、イリジウムなどを挙げることができ、白金または白金合金を使用するのが好ましい。
【００３６】
図３，４は、参考例の燃料電池の構成を示す模式断面図である。図３，４に示す燃料電池２，３において、図１に示す燃料電池１と同様の構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００３７】
図３の燃料電池２に用いられるセパレータ３６は、ガス流路溝が形成されていないフラットタイプ型のセパレータであるが、主面に凹部が形成されている。そして、この凹部に多孔質体２８が接合される。このような構成により、多孔質体２８の周縁部は凹部の周壁に固定されるため、燃料電池２に圧縮力や外力が加わっても、多孔質体２８の周縁部がセパレータ３６から剥離することを抑制することができる。そのため、前述の緻密層を配置する必要がなく燃料電池の製造を簡略化することができる点で、好ましい。参考例のセパレータとしては、主面に凹部を形成する他に、図４の燃料電池３に用いられるセパレータ３８のように、セパレータ３８の主面に、多孔質体２８を収容するためのリブを設けてもよい。そして、このリブ内に多孔質体２８を接合する。
【００３８】
図５は、参考例のセパレータ及び多孔質体の形成方法を説明するためのフロー図である。金属プレートを金型等で成形し、凹部３６ａと開口部４０を有するセパレータ３６を形成する（図５（Ａ））。導電性粉末、バインダー、メタノールやエタノール等の揮発性溶媒を混合した多孔質体用のスラリーをセパレータ３６の凹部３６ａ内に塗布し（図５（Ｂ））、その後、所定の温度で焼成・乾燥させ（図５（Ｃ））、セパレータ３６の凹部３６ａ内に多孔質体２８を形成する。なお、開口部４０は、反応ガスが多孔質体２８に供給され易いように、凹部３６ａに形成されていることが望ましい。
【００３９】
本実施形態の燃料電池は、例えば、携帯電話、携帯用パソコン等のモバイル機器用小型電源、自動車用電源、家庭用電源等として好適に使用することができるが、これらに制限されるものではない。
【符号の説明】
【００４０】
１〜３  燃料電池、１０  電解質膜、１２  アノード極、１４  カソード極、１６  膜電極接合体、２２  ガス拡散層、２６，２８  多孔質体、３０  緻密層、３２，３４，３６，３８  セパレータ、３６ａ  凹部、４０  開口部。
【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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