(57)【要約】【課題】燃料電池におけるガスの拡散を効率的且つ均一にする燃料電池を提供する。【解決手段】 固体高分子電解質膜３１の両側に触媒層４２、５２を有し、前記触媒層４２、５２の外側にガス拡散層４３、５３及びセパレータ４１、５１を順次設けた燃料電池であって、前記セパレータ４１、５１の前記ガス拡散層４３、５３と接する面は平面で形成され、前記ガス拡散層４３、５３の対向する端面にガスの導入側マニホールド４５、５５及びガスの排出側マニホールド４６、５６が設けられ、前記ガス拡散層４３、５３には、空隙４４、５４が間欠的に設けられている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜の両側に触媒層を有し、前記触媒層の外側にガス拡散層及びセパレータを順次設けた燃料電池であって、
前記セパレータの前記ガス拡散層と接する面は平面で形成され、前記ガス拡散層の対向する端面にガスの導入側マニホールド及びガスの排出側マニホールドが設けられ、
前記ガス拡散層には、空隙が間欠的に設けられていることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記ガス拡散層は、前記触媒層側の第１層と前記セパレータ側の第２層とからなり、前記空隙は、前記第１層及び前記第２層の少なくとも一方の境界面に設けられてい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】
前記第１層は前記第２層と比較して撥水性であり、前記第２層は前記第１層と比較して親水性であ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】
前記空隙は、前記導入側マニホールド側から前記排出側マニホールドへのガスの流れ方向に沿って長いことを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記ガス拡散層と前記セパレータ又は前記触媒層との間には、ＭＰＬが設けられていることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子膜をアノード（燃料極）とカソード（空気極）との間に配した燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池として、水素を含む燃料ガスをアノードに供給し、酸素を含む酸化ガスをカソードに供給して、両極で起こる電気化学反応によって起電力を得る固体高分子形燃料電池がある。かかる燃料電池は、電解質膜である固体高分子膜をアノード（燃料極）とカソード（空気極）との間に配した基本構造を有し、アノードに水素を含む燃料ガスを供給して水素を水素イオンと電子に分解し、カソードに酸素を含む酸化剤ガスを供給し、酸素が電子を受領して生成した酸素イオンと水素イオンとから水を生成するという電気化学反応により発電する装置である。そして、一般的には、セパレータ、ガス拡散層、触媒層、電解質膜、触媒層、ガス拡散層、セパレータを順に積層して構成される。
【０００３】
ガス拡散層には、セパレータから供給されるガスを触媒へと拡散するための高いガス拡散性、電気化学反応に伴って生成する液水を系外へ排出するための高い排水性、発生した電流を取り出すための高い導電性が必要であり、炭素繊維などからなるガス拡散電極基材（以降、電極基材と記載）が広く用いられている。またセパレータには、ガスを分離する機能、隣り合うセル間を電気的に接続する集電体としての役割、セル構造部材としての役割、系外から導入したガスをガス拡散層へ供給し、また余剰ガスおよび生成水を系外へ排出する通路としての機能を有しており、一般的にはカーボンコンポジット材の圧縮成形や導電性樹脂板材および金属板材のプレス成形により作製される。
【０００４】
このような燃料電池においては、セパレータから供給されるガスが触媒へ効率的に且つ均一に拡散する必要がある。また、凹凸状の流路の凸部のガス拡散性および排水性が低い課題がある。
【０００５】
さらに、燃料電池においては、電気化学反応で生じる凝縮水がガス拡散層(GDL)に目詰まりするフラッディングや凝縮水がガス流路から排出されないプラッギングによりガス拡散性が低下し、電池性能が低下するという課題もある。
【０００６】
そこで、セパレータの流路に連通する出口マニホールドに間仕切り部材を設けて、各燃料電池セルへガスを均一に供給する技術が提案されている（特許文献１参照）。
【０００７】
また、電極基材中での水滞留を防止し、同時に触媒層表面との接触面積を増大させて接触抵抗を低減させるため、ガス拡散層の触媒層側に導電性の微多孔層（ＭＰＬ）を塗工する技術が提案されている（特許文献２参照）。
【０００８】
また、上述したＭＰＬをガス拡散層のセパレータ側にパターン状に塗工することにより、面内ガス透気度を低減して効率よくガスを触媒に導入するとともに、セパレータとの接触抵抗を低減するという技術もある（特許文献３参照）。
【０００９】
また、近年、燃料電池低コスト化の技術が提案されており、その１つとして、通常セパレータに設けられるガス流路を、ガス拡散層に設ける技術が提案されている（特許文献４、５、６参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００９−１７６６１０号公報
【特許文献２】特開２００３−３０３５９５号公報
【特許文献３】国際公開第２０１３／０９９７２０号
【特許文献４】特開２００６−３３９０８９号公報
【特許文献５】特開２００５−２９４１２１号公報
【特許文献６】特開２０１１−２３３５３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、セパレータから供給されるガスが触媒へ効率的に且つ均一に拡散するという基本性能の向上を図るという要望が依然としてある。
【００１２】
そこで、本発明は、上述した課題に鑑み、燃料電池におけるガスの拡散を効率的且つ均一にする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】
【００１３】
前記目的を達成する本発明の第１の態様は、固体高分子電解質膜の両側に触媒層を有し、前記触媒層の外側にガス拡散層及びセパレータを順次設けた燃料電池であって、前記セパレータの前記ガス拡散層と接する面は平面で形成され、前記ガス拡散層の対向する端面にガスの導入側マニホールド及びガスの排出側マニホールドが設けられ、前記ガス拡散層には、空隙が間欠的に設けられていることを特徴とする燃料電池にある。
【００１４】
かかる態様では、セパレータにはガス流路が設けられておらず、ガス拡散層には、空隙が間欠的に設けられているので、ガスの電極触媒層までの拡散が促進され且つ均一になり、且つガスの流れの圧力損失が低減されるという効果を奏する。
【００１５】
本発明の第２の態様は、前記ガス拡散層は、前記触媒層側の第１層と前記セパレータ側の第２層とからなり、前記空隙は、前記第１層及び前記第２層の少なくとも一方の境界面に設けられていることを特徴とする第１の態様に記載の燃料電池にある。
かかる態様では、ガスの電極触媒層までの拡散がより均一となる。
【００１６】
本発明の第３の態様は、前記第１層は前記第２層と比較して撥水性であり、前記第２層は前記第１層と比較して親水性であることを特徴とする第２の態様に記載の燃料電池にある。
【００１７】
かかる態様では、電気化学反応で生成する水蒸気の凝縮水が電極触媒層の近傍に滞留するのを防止し、凝縮水の親水性ガス拡散層への移動を促進することができる。
【００１８】
本発明の第４の態様は、前記空隙は、前記導入側マニホールド側から前記排出側マニホールドへのガスの流れ方向に沿って長いことを特徴とする第１〜３の何れかの態様に記載の燃料電池にある。
かかる態様では、ガス拡散層内のガスの流路抵抗がさらに低減する。
【００１９】
本発明の第５の態様は、前記ガス拡散層と前記セパレータ又は前記触媒層との間には、ＭＰＬが設けられていることを特徴とする第１〜４の何れかの態様に記載の燃料電池にある。
【００２０】
かかる態様では、ガス拡散層とセパレータ又は触媒層との接触抵抗を低減させることができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の燃料電池は、セパレータのガス流路をガス流れ方向に交差する方向に延設し、ガス流れ方向に間欠的に設けたので、ガスの電極触媒層までの拡散が促進され且つ均一になるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施形態１に係る燃料電池の概略構成図である。
【図２】本発明の実施形態１に係る燃料電池の概略構成を示す側面図である。
【図３】本発明の実施形態１に係る燃料電池の概略構成を示す分解斜視図である。
【図４】本発明の実施形態２に係る燃料電池の概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明を実施形態に基づいて説明する。
（実施形態１）
本実施形態の固体高分子形燃料電池である燃料電池１１は、図１に概略構成を示すセル構造を有する。図１に示すように、燃料電池１１のセル３０は、電解質膜３１を挟んで燃料極であるアノード４０及び空気極であるカソード５０が設けられ、アノード４０及びカソード５０の外側に一対のセパレータ４１及び５１が設けられている。アノード４０側のセパレータ４１には水素が供給され、カソード５０側のセパレータ５１には空気が供給される。
【００２４】
アノード４０及びカソード５０は、電解質膜３１に接触する電極触媒層４２及び５２と、電極触媒層４２及び５２の電解質膜３１とは反対側のガス拡散層４３及び５３とからなり、ガス拡散層４３及び５３にセパレータ４１及び５１が接合または当接されている。すなわち、セパレータ４１のガス拡散層と接する面は平面で形成される。
【００２５】
電解質膜３１としては、例えば、ナフィオン（商品名）に代表されるパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂膜等のフッ素系電解質膜の他、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルスルホン等の炭化水素系樹脂にスルホン酸基、リン酸基、カルボキシル基等のイオン交換基を導入した炭化水素系電解質膜等、一般的に用いられているものを用いることができる。
【００２６】
また、電極触媒層４２、５２は、通常、アノード４０及びカソード５０における電極反応に対して触媒活性を有する電極触媒と電解質材料とを含有する。電極触媒としては、通常、触媒成分を導電性粒子に担持させたものが用いられる。触媒成分としては、燃料極の燃料の酸化反応又は酸化剤極の酸化剤の還元反応に対して触媒活性を有しているものであれば、特に限定されず、高分子形燃料電池に一般的に用いられているものを使用することができる。例えば、白金、又はルテニウム、鉄、ニッケル、マンガン、コバルト、銅等の金属と白金との合金等が挙げられる。触媒担体である導電性粒子としては、カーボンブラック等の炭素粒子や炭素繊維のような導電性炭素材料、金属粒子や金属繊維等の金属材料も用いることができる。
【００２７】
また、ガス拡散層４３、５３には、従来から公知の炭素繊維などからなるガス拡散電極基材が用いられる。かかるガス拡散層４３、５３は、セパレータ４１、５１から供給されるガスを電極触媒層４２、５２へと拡散するための高いガス拡散性、電気化学反応に伴って生成する液水を系外へ排出するための高い排水性、発生した電流を取り出すための高い導電性が必要であるが、これらの機能を有するものであれば、通常用いられているガス拡散電極基材を用いることができる。また、ガス拡散電極基材としては、バインダーを低減する、繊維方向を面内方向に揃えるなど面内方向の圧力損失を低減したものも用いることができる。
【００２８】
このように設けられたアノード４０及びカソード５０の外側には、セパレータ４１、５１が設けられている。セパレータ４１、５１としては、一般的に用いられる金属板や導電性炭素製板等が用いられるが、板状部材からなり、ガス拡散層４３、５３側の表面は平面であり、ガス流路と凹部が設けられていない。なお、本実施形態では、ガス拡散層４３、５３とは反対側の表面の平面であるが、冷却水などを導入する流路となる凹部等を、例えばコルゲートフィンなどにより設けてもよい。
【００２９】
ここで、本実施形態のガス拡散層４３、５３のセパレータ４１、５１側の表面には、ガス拡散層５３のセパレータ５１側の表面を示す図２に示すように、空隙である凹部４４、５４が設けられている。凹部４４、５４は、後述するガス流れ方向（図１の上下方向）に沿って間欠的に延設され、且つガス流れ方向に交差する方向（図１の左右方向）に対しては間欠的に設けられている。ここで、空隙とは、成形や機械加工により形成されるものであり、多孔質素材からなるガス拡散層４３、５３が有しているマイクロメートルオーダーの通気用の空隙とは全く相違する。
【００３０】
このように、電解質膜３１を挟んで、アノード４０及びカソード５０とセパレータ４１、５１とを積層した積層体を一組のセル３０とし、これを複数組み積層して燃料電池スタックとする。
【００３１】
図３には、燃料電池スタック６０の一部を分解した斜視図を示す。同図に示すように、燃料電池スタック６０の４隅には、スタック方向に貫通する流路が設けられている。詳細な図示は省略するが、アノード４０側の導入側マニホールド４５には、水素が導入される導入流路６１が連通し、排出側マニホールド４６には排出流路６２が連通するように構成されている。また、カソード５０側の導入側マニホールド５５には、空気が導入される導入側流路６３が連通し、排出側マニホールド５６には排出側流路６４が連通するように構成されている。導入側マニホールド４５、５５は、ガス拡散層４３、５３の端面からガスを導入し、反対側の端面から排出側マニホールド４６、５６にガスを排出するようになっている。これにより、燃料電池用スタックの各セル３０のアノード４０側のセパレータ４１には水素が供給され、カソード５０側のセパレータ５１には空気が供給されるようになっている。
【００３２】
ここで、ガス拡散層４３、５３に設けられた凹部４４、５４は、ガス拡散層４３、５３の導入側マニホールド４５、５５側の端面から導入されたガスの流れの圧力損失を低減する働きをする。また、凹部４４、５４は、ガスの流れ方向に沿って長くなるように延設されているので、圧力損失の低減効果が顕著となる。勿論、凹部４４、５４を、ガスの流れ方向に交差する方向に長くなるように設けてもよい。また、凹部４４、５４は、電極触媒層４２、５２側の表面に設けてもよい。
【００３３】
上述した構成により、導入側マニホールド４５、５５からガス拡散層４３、５３にガスを直接導入するので、ガスの拡散効率が向上し且つ均一化を図ることができる。また、ガス拡散層４３、５３に導入されたガスは、一部がガス拡散層４３、５３に形成された凹部４４、５４を流通することで、全体の圧力損失が低減することができ、結果的に発電効率の向上を図ることができる。
【００３４】
また、上述した構成では、セパレータ４１、５１にガス流路を形成しないので、比較的高額なセパレータの成形コストを省くことができ、低コスト化を図ることができる。
【００３５】
（実施形態２）
図４には、実施形態２に係る燃料電池のセルの概略構成を示す。なお、上述した実施形態と同一部材には同一符号を付して重複する説明は省略する。
【００３６】
本実施形態のセル３０Ａは、ガス拡散層４３Ａ、５３Ａを、二層とし、電極触媒層４２、５２側を疎水性ガス拡散層４３１、５３１とし、セパレータ４１、５１側を親水性ガス拡散層４３２、５３２で構成した。ここで、疎水性ガス拡散層４３１、５３１及び親水性ガス拡散層４３２、５３２の親水性、疎水性は、相対的なものであり、例えば、親水性ガス拡散層４３２、５３２は、疎水性ガス拡散層４３１、５３１と比較して親水性を有していればよい。例えば、疎水性ガス拡散層４３１、５３１は、通常のガス拡散層とし、親水性ガス拡散層４３２、５３２を親水性の材料で形成するが、親水性処理を施したガス拡散層とすればよい。また、親水性ガス拡散層４３２、５３２を通常のガス拡散層とし、疎水性ガス拡散層４３１、５３１を疎水性材料で形成するか、疎水性処理したガス拡散層としてもよい。さらに、疎水性ガス拡散層４３１、５３１を疎水性材料で形成するか、疎水性処理を施したものとし、親水性ガス拡散層４３２、５３２を親水性材料で形成するか、親水性処理を施したものとしてもよい。
【００３７】
本実施形態では、電気化学反応で生成する水蒸気の凝縮水が電極触媒層４２、５２の近傍に滞留するのを防止し、凝縮水のセパレータ４１、５１側の親水性ガス拡散層４３２、５３２への移動を促進することができる。なお、この目的から、親水性ガス拡散層４３２、５３２を親水性材料で形成するか、親水性処理したものとするのが好ましい。
【００３８】
また、本実施形態では、疎水性ガス拡散層４３１、５３１及び親水性ガス拡散層４３２、５３２のそれぞれの界面側の表面に空隙となる凹部４３５、５３５を設けた構造とした。これにより、ガス拡散層４３Ａ、５３Ａ中のガスの流れの圧力損失の低減を図ることができる。さらに、凹部４３５、５３５を互いに対向する領域に設けることにより、空隙の断面積が大きくなり、圧力損失の低減をさらに向上させることができるという利点がある。勿論、凹部４３５及び５３５の何れか一方としてもよいし、凹部４３５及び５３５を互いに対向しないように設けてもよい。また、凹部４３５、５３５は、ガスの流れ方向に長く形成しているが、ガスの流れに交差する方向に長いものとしてもよい。
【００３９】
さらに、ガス拡散層４３Ａ、５３Ａは、電極触媒層４２、５２側及びセパレータ４１、５１側にマイクロポーラス層（ＭＰＬ）４３６、５３６と、ＭＰＬ４３７、５３７とを具備する。ここで、マイクロポーラス層（ＭＰＬ）は、従来から公知のものを採用することがきる。また、ＭＰＬは、一般的には、塗工技術により形成されるが、パターン塗工で、所定のパターン形状で設けてもよい。
【００４０】
上述したように、電極触媒層４２、５２側にＭＰＬ４３６、５３６を設けると、電極触媒層４２、５２中での水滞留を防止し、同時に電極触媒層４２、５２表面との接触面積を増大させて接触抵抗を低減させることができる。また、セパレータ４１、５１側に設けられるＭＰＬ４３７、５３７は、面内ガス透気度を低減して効率よくガスを触媒に導入するとともに、セパレータ４１、５１との接触抵抗を低減するという効果を奏する。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明は、電動車両の燃料電池の産業分野で利用することができる。
【符号の説明】
【００４２】
１１  燃料電池
３０、３０Ａ  セル
３１  電解質膜
４０  アノード
４１、５１  セパレータ
４２、５２  電極触媒層
４３、４３Ａ、４３Ｂ、５３  ガス拡散層
４４、５４  凹部
４５、５５  導入側マニホールド
４６、５６  排出側マニホールド
５０  カソード
４３１、５３１  疎水性ガス拡散層
４３２、５３２  親水性ガス拡散層
４３５、５３５  凹部
４３６、４３７、５３６、５３７  マイクロポーラス層（ＭＰＬ）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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