(57)【要約】【課題】従来技術に比べて作製が容易で簡便な構造により、反応流体のショートカットの発生を抑制する。【解決手段】固体高分子電解質膜の両面上にそれぞれ触媒電極層が形成された膜電極接合体と、膜電極接合体の両面上にそれぞれ配置された拡散層と、膜電極接合体および拡散層を挟持するセパレータと、を備える燃料電池において、少なくとも一方のセパレータと拡散層との間には、反応流体流路が設けられており、反応流体流路の壁面を構成するリブ部のうち少なくとも一部は撥水部材で構成されている。【選択図】図１
2013045563.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜の両面上にそれぞれ触媒電極層が形成された膜電極接合体と、前記膜電極接合体の両面上にそれぞれ配置された拡散層と、前記膜電極接合体および前記拡散層を挟持するセパレータと、を備える燃料電池であって、
少なくとも一方の前記セパレータと前記拡散層との間には、反応流体流路が設けられており、
前記反応流体流路の壁面を構成するリブ部のうち少なくとも一部は撥水部材で構成されている
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池であって、
前記反応流体流路の前記リブ部は、前記反応流体流路内を複数の区分流路に区分する区分流路リブ部と、前記複数の区分流路ごとに区分する流路リブ部と、を含み、
前記流路リブ部が前記撥水部材で構成されている
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池であって、
前記反応流体流路は内部を流れる反応流体の流れ方向が変更する流れ方向変更部を有しており、
前記流れ方向変更部の外周側を隔てる前記流路リブ部が前記撥水部材で構成されている
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
燃料電池においてセパレータで挟持され、固体高分子電解質膜の両面上に、それぞれ、触媒電極層および拡散層が順に形成された膜電極拡散層接合体であって、
前記燃料電池において、少なくとも一方の前記セパレータと前記拡散層との間には、反応流体流路が設けられており、
前記反応流体流路の壁面を構成するリブ部のうち少なくとも一部は撥水部材で構成されており、
前記撥水部材は前記拡散層上に形成されている
ことを特徴とする膜電極拡散層接合体。
【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。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料ガスとしての水素（Ｈ２）と酸化ガスとしての酸素（Ｏ２）との電気化学反応によって電気エネルギーを取り出す発電装置である。なお、以下では、燃料ガスや酸化ガスを、特に区別することなく単に「反応ガス」あるいは「反応流体」と呼ぶ場合もある。この燃料電池は、膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly）を、セパレータにより挟持した燃料電池セル（単に「セル」とも呼ぶ）により構成される。膜電極接合体は、プロトン（Ｈ＋）伝導性を有する固体高分子型電解質膜（以下、単に「電解質膜」あるいは「電解質層」とも呼ぶ）の両面に触媒電極層が形成された構造を有している。セパレータは、膜電極接合体側の面に反応ガス（反応流体）の流路としての溝が形成された構造を有している。
【０００３】
膜電極接合体とセパレータとの間には、通常、反応ガスの流路を介して膜電極接合体の触媒電極層に供給される反応ガスの拡散性を向上させるための拡散層が設けられている。この拡散層の構造としては、拡散性の更なる向上が進められている。このため、膜電極接合体のある領域に対して、本来、反応ガスの流路を経由して供給されるべきところ、反応ガスの流路を経由せずに拡散層を介して供給されてしまうという、いわゆるショートカットが発生し、発電性能が低下してしまうことがわかった。
【０００４】
特許文献１には、セパレータに形成された反応流体流路と接触する拡散層の第１の領域よりも、反応流体流路に挟まれるリブ部と接触する拡散層の第２の領域の密度を高くする、あるいは、撥水性を高くする技術が記載されている。これは、第２の領域を堰とすることにより、第１の領域を反応流体流路に沿った流路として、上記ショートカットの発生を抑制するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−２９３９６６号公報
【特許文献２】特開２００８−２８７９２４号公報
【特許文献３】特開２０１０−２３２０６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記従来技術では、拡散層中に第１の領域よりも密度あるいは撥水性の高い第２の領域を、反応流体流路に挟まれるリブ部に対応するように形成あるいは加工しなければならない、という問題がある。また、拡散層とセパレータとの組み付け精度が要求される、という問題もある。従って、従来技術に比べて、より作製が容易で簡便な構造により、反応流体のショートカットの発生を抑制することが望まれている。
【０００７】
本発明は、従来技術に比べて作製が容易で簡便な構造により、反応流体のショートカットの発生を抑制することが可能な技術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】
【０００８】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００９】
［適用例１］
固体高分子電解質膜の両面上にそれぞれ触媒電極層が形成された膜電極接合体と、前記膜電極接合体の両面上にそれぞれ配置された拡散層と、前記膜電極接合体および前記拡散層を挟持するセパレータと、を備える燃料電池であって、少なくとも一方の前記セパレータと前記拡散層との間には、溝状の反応流体流路が設けられており、前記反応流体流路の壁面を構成するリブ部のうち少なくとも一部は撥水部材で構成されていることを特徴とする燃料電池。
上記燃料電池では、撥水部材で構成されるリブ部に接触する拡散層部分では、反応流体流路への排水がなされずに、液水が堰状に滞留することになるため、反応流体の拡散が阻害され、反応流体は撥水部材で構成されたリブ部に沿って流れることになるため、反応流体のショートカットの発生を抑制することが可能である。
【００１０】
［適用例２］
適用例１記載の燃料電池であって、前記反応流体流路の前記リブ部は、前記反応流体流路内を複数の区分流路に区分する区分流路リブ部と、前記複数の区分流路ごとに区分する流路リブ部と、を含み、前記流路リブ部が前記撥水部材で構成されていることを特徴とする燃料電池。
この場合には、反応流体流路を複数の区分流路に区分する区分流路リブ部は撥水部材で構成されていないので、接触する拡散層部分からの排水を可能とするとともに導電性を確保することができ、反応流体流路を複数の区分流路ごとに区分する流路リブ部が撥水部材で構成されているので、ある複数の区分流路とその隣の複数の区分流路との間での反応流体のショートカットの発生を抑制することが可能である。
【００１１】
［適用例３］
適用例２に記載の燃料電池であって、前記反応流体流路は内部を流れる反応流体の流れ方向が変更する流れ方向変更部を有しており、前記流れ方向変更部の外側を隔てる前記流路リブ部が前記撥水部材で構成されていることを特徴とする燃料電池。
この場合には、流れ方向変更部の外側に溜まり易い液水の排水が容易になる。
【００１２】
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池や膜・電極・拡散層接合体などの形態で実現することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明を適用した燃料電池の構成を示す概略斜視図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線における概略断面図である。
【図３】図１に示した領域ＲＣａを拡大示す概略斜視図である。
【図４】本発明の燃料電池を構成する撥水部の変形例を示す説明図である。
【図５】本発明の燃料電池を構成する膜電極接合体拡散層および撥水部の変形例を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１は、本発明を適用した燃料電池の構成を示す概略斜視図である。図２は、図１のＡ−Ａ線における概略断面図である。図１および図２に示すように、燃料電池１００は、膜電極接合体１０のカソード側の面上に拡散層１２Ｃおよび撥水部３０Ｃを順に積層するとともに、アノード側の面上に拡散層１２Ａおよび撥水部３０Ａを順に積層し、カソード側のセパレータ２０Ｃおよびアノード側のセパレータ２０Ａで両側から圧力を加えて挟持して構成される。
【００１５】
膜電極接合体（ＭＥＡ）１０は、電解質膜（固体高分子電解質膜）の両面に、それぞれ、触媒電極層（触媒層）が形成された構造を有している。膜電極接合体１０は、例えば、電解質膜の両面にペースト状の触媒電極材料を塗布して加熱乾燥処理することにより触媒電極層を形成することにより作製することができる。
【００１６】
電解質膜は、固体高分子材、例えばフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す。この電解質膜としては、例えば、ナフィオン膜（デュポン社製）が利用される。触媒電極層は、電気化学反応を促進する触媒金属と、プロトン伝導性を有する電解質と、電子伝導性を有するカーボン粒子と、を備える。触媒金属としては、例えば、白金（Ｐｔ）、あるいはＰｔと他の金属とから成る合金（例えばコバルトやニッケルを混合したＰｔ合金）を用いることができる。また、電解質としては、電解質膜と同様に、スルホン酸基を介して水和プロトンを伝導するフッ素系樹脂、例えば、ナフィオン溶液を用いている。上記触媒金属はカーボン粒子上に担持されており、各触媒電極では、触媒金属を担持したカーボン粒子（触媒粒子）と電解質とが混在している。触媒金属を担持するためのカーボン粒子（以下、「担持用カーボン粒子」と呼ぶ。）は、一般に市販されているカーボン粒子（カーボン粉末）を加熱処理することにより自身の撥水性が高められた撥水化カーボン粒子が用いられる。触媒電極材料は、上記触媒粒子電解質の混合水溶液を混練してペースト状にしたものである。
【００１７】
拡散層１２Ｃ，１２Ａは、ガス透過性を有する導電性部材、例えば、カーボンクロスやカーボンペーパー等のカーボン多孔質体、あるいは、金属メッシュや発泡金属などの金属多孔質体によって構成されている。
【００１８】
撥水部３０Ｃ，３０Ａは、撥水部材、例えば、フッ素樹脂等の撥水性樹脂材料によって構成されている。カソード側の撥水部３０Ｃは、図１および図２に示すように、カソード側のセパレータ２０Ｃと拡散層１２Ｃとの間に、サーペンタイン型の流路空間ＧＦＣ（ＧＦＣ１，ＧＦＣ１−２，ＧＦＣ２，ＧＦＣ２−３，ＧＦＣ３）を構成する両側のリブ部（以下、「流路リブ部」とも呼ぶ）として機能する。この流路空間ＧＦＣは、反応ガス（反応流体に相当する）としての酸化ガスである酸素（Ｏ２）を含む空気が通過する酸化ガス流路（反応流体流路に相当する）となる。同様に、アノード側の撥水部３０Ａは、アノード側のセパレータ２０Ａと拡散層１２Ａとの間に、反応ガスとしての燃料ガスである水素（Ｈ２）が通過する燃料ガス流路（反応流体流路に相当する）となる流路空間を構成する両側の流路リブ部として機能する。
【００１９】
セパレータ２０Ｃ，２０Ａは、ガス不透過の導電性部材、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンや、プレス成形した金属板によって形成することができる。カソード側のセパレータ２０Ｃの拡散層１２Ｃ側の表面には、図１および図２に示すように、酸化ガス流路ＧＦＣを複数の区分流路ＦＰＣに区切る凸形状のリブ部（以下、「区分流路リブ部」とも呼ぶ）ＲＰＣが拡散層１２Ｃに接するように形成されている。同様に、アノード側のセパレータ２０Ａの拡散層１２Ａ側の表面にも、燃料ガス流路ＧＦＡを複数の区分流路ＦＰＡに区切る凸形状のリブ部（区分流路リブ部）ＲＰＡが形成されている。
【００２０】
なお、図示は省略されているが、セパレータ２０Ｃ，２０Ａの外面側には、冷媒流路が設けられている。また、燃料電池１００の外周側には、反応ガス流路や冷媒流路に接続されたマニホールドが設けられている。
【００２１】
ここで、図２に示すように、互いに隣接する酸化ガス流路ＧＦＣ１，ＧＦＣ２，ＧＦＣ３の間は、撥水部である流路リブ部３０Ｃで区切られている。酸化ガス流路ＧＦＣ１，ＧＦＣ２，ＧＦＣ３中は区分流路リブ部ＲＰＣによって複数の区分流路ＦＰＣに区分されている。区分流路リブ部ＲＰＣおよび区分流路ＦＰＣに接する拡散層１２Ｃの部分に存在する液水は、区分流路リブ部ＲＰＡの壁面を介して、あるいは、酸化ガスの流れによって、区分流路ＦＰＣ中に吸い上げられて排出される。このため、区分流路リブ部ＲＰＣに接する拡散層１２Ｃの部分を介して酸化ガスの拡散が可能となる。
【００２２】
これに対して、流路リブ部３０Ｃに接する拡散層１２Ｃの部分は接触面が撥水性を有しているので、流路リブ部３０Ｃの壁面を介して区分流路ＦＰＣへ液水が吸い上げられ難くなる。このため、流路リブ部３０Ｃに接する拡散層１２Ｃの部分には、堰状の滞留液水部Ｌｗが形成されるので、この部分を介する酸化ガスの拡散が阻害される。これにより、酸化ガスは流路リブ部３０Ｃで区分される酸化ガス流路ＧＦＣ（ＧＦＣ１，ＧＦＣ１−２，ＧＦＣ２，ＧＦＣ２−３，ＧＦＣ３）に沿って流れることになり、ショートカットの発生、具体的には、例えば、酸化ガス流路ＧＦＣ１を流れる酸化ガスが拡散層１２Ｃを介して拡散して、酸化ガス流路ＧＦＣ２に対応する領域へ流れてしまうこと、を抑制することができる。なお、堰状の滞留液水部Ｌｗは一定の幅（３ｍｍ程度）以下であれば、触媒電極層内でのガス拡散によってガスの供給が可能であり、発電への影響はないと言える。そこで、堰状の滞留液水部Ｌｗは一定の幅（３ｍｍ程度）以下となるように、流路リブ部３０Ｃの幅を設定すればよい。
【００２３】
なお、上記説明はカソード側の酸化ガス流路について説明したが、アノード側の燃料ガス流路についても同様である。
【００２４】
以上説明したように、本実施例の燃料電池では、撥水部材で構成された流路リブ部に接触する拡散層に堰状の滞留液水部が形成され、反応ガスが流路リブ部に沿って流れるため、反応ガスのショートカットの発生を抑制することができる。また、撥水部材で構成された流路リブ部をセパレータと拡散層とで挟持する構成となっているので、例えば、拡散層に接触するリブ部を撥水コーティングした場合のように撥水コーティングが剥離することもなく、耐久性に優れている。
【００２５】
図３は、図１に示した領域ＲＣａを拡大して示す概略斜視図である。この領域ＲＣａは、酸化ガス流路ＧＦＣ１−２を流れてきた酸化ガスの流れが酸化ガス流路ＧＦＣ２の方向へ変化する領域（「流れ方向変更部」とも呼ぶ）である。
【００２６】
この流れ方向変更部ＲＣａの外周側部分（図の例では、流路リブ部３０Ｃの角部分）は、通常、液水溜まりＷｐが形成され易い。仮に、流れ方向変更部ＲＣａの外周側部分の壁面が、実施例のような撥水部材で形成された流路リブ部３０Ｃではなく、セパレータ２０Ｃの表面に形成された区分流路リブ部ＲＰＣと同様の構造であるとする。この場合には、一旦液水溜まりＷｐが形成されると、形成された液水溜まりＷｐは壁面に密着し易いため、酸化ガスが液水溜まりＷｐと壁面との間に分け入り難くなり、排水が困難となる。このため、液水溜まりＷｐが存在する流路に対応する膜電極接合体の領域に対して酸化ガスの供給が欠乏して、この領域での発電性能が低下し、結果として燃料電池全体の発電性能が低下することになる。
【００２７】
一方、本実施例の場合には、流れ変更部ＲＣａの外周側部分の壁面が、撥水部材で形成された流路リブ部３０Ｃの壁面であるので液水の密着性が低く、仮に、液水溜まりＷｐが形成されたとしても、液水溜まりＷｐと壁面との間に酸化ガスが分け入り易く、排水され易い。
【００２８】
なお、図３は図１の領域ＲＣａについて説明したが、他の領域ＲＣｂ，ＲＣｃ，ＲＣｄについても同様である。ただし、酸化ガス流路ＧＦＣが鉛直面に沿い、かつ、酸化ガス流路ＧＦＣ１が上側で酸化ガス流路ＧＦＣ３が下側となるように配置されている場合には、領域ＲＣａおよびＲＣｂにおいて有効である。また、酸化ガス流路ＧＦＣが鉛直面に沿い、かつ、酸化ガス流路ＧＦＣ３が上側で酸化ガス流路ＧＦＣ１が下側となるように配置されている場合には、領域ＲＣｃおよびＲＣｄにおいて有効である。
【００２９】
なお、以上の説明はカソード側の酸化ガス流路の流れ方向変更部について説明したが、アノード側の燃料ガス流路についても同様である。
【００３０】
図４は、本発明の燃料電池を構成する撥水部の変形例を示す説明図である。図１に示した撥水部３０Ｃ，３０Ａに代えて、図４に示すように、形状安定部３２Ｃａ，３２Ａａを有する撥水部３０Ｃａ，３０Ａａを用いるようにしてもよい。この場合には、撥水部の形状を安定な状態に保つことが容易となるので、撥水部の取り扱いが容易であり、燃料電池の組み立て時における撥水部の位置決め等が容易となる。
【００３１】
図５は、本発明の燃料電池を構成する膜電極接合体、拡散層、および、撥水部の変形例を示す説明図である。図１に示した実施例の燃料電池１００は、膜電極接合体１０に、拡散層１２Ｃ，１２Ａおよび撥水部３０Ｃ，３０Ａを順に積層してセパレータ２０Ｃ，２０Ａで挟持した構成を示している。しかしながら、図５に示すように、膜電極接合体１０の触媒電極層上に拡散層１２Ｃ，１２Ａが一体形成された膜電極拡散層接合体（ＭＥＧＡ：Membrane-Electrode  Gas Diffusion Layer Assembly）１４上に撥水部３０Ｃ，３０Ａを撥水部材の融点以上の温度で熱圧着した膜電極拡散層接合体１６を用いるようにしてもよい。この膜電極拡散層接合体１６は、膜電極拡散層接合体１４を両側から撥水部３０Ｃ，３０Ａで挟み込んでいるので、薄膜である膜電極拡散層接合体１４のハンドリングを良くするためのフレームとしての機能を兼ねる。これにより、燃料電池の組み立て時において、膜電極接合体や拡散層をハンドリングするためのフレームを削減することができる。また、図１に示した燃料電池１００の構成の場合、組み立て時において、撥水部３０Ｃ，３０Ａとセパレータ２０Ｃ，２０Ａの位置決めが難しい。しかしながら、図５に示した膜電極拡散層接合体１６を用いれば容易に位置決めが可能となる。また、拡散層１２Ｃ，１２Ａに撥水部３０Ａ，３０Ｃを熱圧着しているので、図１に示した燃料電池１００の構成の場合に比べて、撥水部３０Ｃ，３０Ａの拡散層１２Ｃ，１２Ａへの密着性を高めることができ、反応ガスのショートカット抑制効果を高めることが可能である。
【００３２】
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能である。
【００３３】
上記実施例では、サーペンタイン型の反応ガス流路の場合を例に説明したが、パラレル型の反応ガス流路や、複合型の反応流路等においても、複数の区分流路リブ部ごとに撥水部材で構成された流路リブ部を設けるようにすることができる。また、発泡金属等の多孔体やエキスパンドメタルによる多孔体流路を用いた反応ガス流路においても、隣り合う多孔体流路間を仕切る壁面を構成するリブ部（上記、流路リブ部に対応する）を撥水性部材で構成されたリブ部とすることができる。なお、多孔体流路による反応ガス流路の場合においても、複数の区分流路に区分する区分流路リブ部と複数の区分流路ごとに区分する流路リブ部と、を有する構成とすることもできる。以上のように、種々の反応ガス流路において、反応ガス流路の壁面を構成するリブ部のうち少なくとも一部が撥水部材で構成されているようにすることができる。
【００３４】
上記実施例では、酸化ガス流路および燃料ガス流路の両方の流路リブ部を撥水部材で構成した場合を示したが、いずれか一方の反応ガス流路の流路リブ部を撥水部材で構成するようにしてもよい。
【符号の説明】
【００３５】
１００…燃料電池
１０…膜電極接合体
１２Ａ，１２Ｃ…拡散層
１４…膜電極拡散層接合体
１６…膜電極拡散層接合体
２０Ａ，２０Ｃ…セパレータ
３０Ａ，３０Ａａ，３０Ｃ，３０Ｃａ…撥水部（流路リブ部）
３２Ｃａ…形状安定部
ＧＦＣ１…酸化ガス流路
ＧＦＣ２…酸化ガス流路
ＧＦＣ１−２…酸化ガス流路
ＧＦＣ３…酸化ガス流路
Ｌｗ…滞留液水部
ＧＦＡ…流路空間（燃料ガス流路）
ＧＦＣ…流路空間（酸化ガス流路）
ＦＰＡ…区分流路
ＲＰＡ…区分流路リブ部
ＦＰＣ…区分流路
ＲＰＣ…区分流路リブ部
ＲＣａ，ＲＣｂ，ＲＣｃ…領域（流れ方向変更部）
Ｗｐ…液水溜り
【図１】
2013045563.tif 000003
【図２】
2013045563.tif 000004
【図３】
2013045563.tif 000005
【図４】
2013045563.tif 000006
【図５】
2013045563.tif 000007