(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側には、前記セパレータ４１、５１へのガスの導入側のマニホールド４５、５５が設けられた一辺側からガスの排出側のマニホールド４６、５６が設けられた他辺側に亘って、前記ガス拡散層に接触する凸部４４ａ、５４ａと前記ガス拡散層４３、５３から離反する凹部４４ｂ、５４ｂとが繰り返されることで形成されるガス流路４４、５４が設けられ、前記ガス流路４４、５４は、隣り合う前記凹部４４ｂ、５４ｂが、前記凸部４４ａ、５４ａと接触する前記ガス拡散層４３、５３を介して連通されることで形成される。【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側には、前記セパレータへのガスの導入側のマニホールドが設けられた一辺側からガスの排出側のマニホールドが設けられた他辺側に亘って、前記ガス拡散層に接触する凸部と前記ガス拡散層から離反する凹部とが繰り返されることで形成されるガス流路が設けられ、
前記ガス流路は、隣り合う前記凹部が、前記凸部と接触する前記ガス拡散層を介して連通されることで形成されることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記凹部及び前記凸部は、前記一辺側から前記他辺側へのガスの流れ方向に交差する方向の一方の側辺から対向する他方の側辺まで延設され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、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１又は２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記ガス拡散層は、前記第１層及び前記第２層の間に、空間が複数設けられていることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記凸部及び前記凹部の延設方向の両端に親水性スペーサーが設けられる
ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１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。
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】
【００１２】
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側には、前記セパレータへのガスの導入側のマニホールドが設けられた一辺側からガスの排出側のマニホールドが設けられた他辺側に亘って、前記ガス拡散層に接触する凸部と前記ガス拡散層から離反する凹部とが繰り返されることで形成されるガス流路が設けられ、前記ガス流路は、隣り合う前記凹部が、前記凸部と接触する前記ガス拡散層を介して連通されることで形成されることを特徴とする燃料電池にある。
【００１３】
かかる態様では、セパレータの凸部及び凹部をガス流れ方向に交差する方向に延設し、凸部及び凹部を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。
【００１４】
本発明の第２の態様は、前記凹部及び前記凸部は、前記一辺側から前記他辺側へのガスの流れ方向に交差する方向の一方の側辺から対向する他方の側辺まで延設され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。
【００１５】
本発明の第３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、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１又は２の態様に記載の燃料電池にある。
【００１６】
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。
【００１７】
本発明の第４の態様は、前記ガス拡散層は、前記第１層及び前記第２層の間に、空間が複数設けられていることを特徴とする第３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。
【００１８】
本発明の第５の態様は、前記凸部及び前記凹部の延設方向の両端に親水性スペーサーが設けられることを特徴とする第１から４のいずれかの態様に記載の燃料電池にある。
【００１９】
かかる態様では、セパレータに到達した凝縮水が親水性スペーサーに集められ、親水性スペーサーを介してセル外に排出される。
【発明の効果】
【００２０】
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】
【００２１】
【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斜視図である。
【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。
【図５】本発明の変形例に係る燃料電池の概略構成図である。
【図６】本発明の変形例のガス拡散層の界面を示す概略平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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、ガス拡散層４３、５３側にガス流路４４、５４が設けられている。詳細には、ガス流路４４、５４は、ガス拡散層４３、５３側の表面に接触する凸部４４ａ、５４ａと、ガス拡散層４３、５３の表面から離間して該表面との間に空隙を設ける凹部４４ｂ、５４ｂを交互に繰り返して設けることで、繰り返し方向に亘ってガス流路４４、５４が形成される。すなわち、隣り合う凹部４４ｂ、５４ｂ内の空隙は、間の凸部４４ａ、５４ａと接触するガス拡散層４３、５３を介して連通しており、ガス流路４４、５４は、凹部４４ｂ、５４ｂ内の空隙とガス拡散層４３、５３とにより形成されている。凸部４４ａ、５４ａと凹部４４ｂ、５４ｂとを有するセパレータ４１、５１は、一般的には、プレス成形により形成されるが、形成方法はこれに限定されるものではない。また、本実施形態では、凸部４４ａ、５４ａと凹部４４ｂ、５４ｂとは、凸部４４ａ、５４ａ及び凹部４４ｂ、５４ｂの繰り返し方向、すなわち、ガス流路４４、５４の方向（図１に上下方向）に直交する方向（図１の紙面に直交する方向）に延び、ガスの流れ方向に交差する方向の一方の側辺から対向する他方の側辺まで延設されているが、途中で途切れるように設けてもよい。また、セパレータ４１、５１における上下側には、ガス流路４４、５４にそれぞれ連通する導入側マニホールド４５、５５及び排出側マニホールド４６、５６が設けられている。これらの詳細な構造は後述する。
【００２８】
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。
【００２９】
図３には、燃料電池用スタック６０の一部を分解した斜視図を示す。同図に示すように、燃料電池用スタック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側のセパレータ４１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側のセパレータ５１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。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。
【００３０】
ここで、セパレータ４１、５１に設けられたガス流路４４、５４は、主に図２及び図３に示すように、セパレータ４１、５１の導入側マニホールド４５、５５が設けられた一辺側４１ａから排出側マニホールド４６、５６が設けられた他辺側４１ｂに亘ったガス流れ方向に、間欠的に設けられている。すなわち、凹部及び凸部からなる各ガス流路４４、５４は、ガス流れ方向について、一定間隔毎に設けられている。また、各ガス流路４４、５４は、ガス流れ方向に直交する方向の一方側の側辺４１ｃ、５１ｃから他方側の側辺４１ｄ、５１ｄまで連続的に延設されており、ガス流路４４、５４の側辺４１ｃ、５１ｃ側の端部と側辺４１ｄ、５１ｄの端部は燃料電池用スタック６０の封止部材により封止されている。なお、燃料電池用スタックのセパレータ４１とセパレータ５１との間の各ガス流路４４、５４間のスペースは、冷却水を流通させる流路となるが、説明は省略する。
【００３１】
上述した構成により、セパレータ４１、５１の導入側マニホールド４５、５５から導入されたガスは、最初の凹部４４ｂ、５４ｂから凸部４４ａ、５４ａと接触するガス拡散層４３、５３に拡散し、ガス拡散層４３、５３に拡散したガスは、順次、隣接する凹部４４ｂ、５４ｂ、に入り、更に、凸部４４ａ、５４ａと接触するガス拡散層４３、５３に入りながら、排出側マニホールド４６、５６に到達するようになる（図１参照）。すなわち、ガスの流れ方向に亘って間欠的に設けられた凹部４４ｂ、５４ｂは凸部４４ａ、５４ａと接触するガス拡散層４３、５３のみを介して連通していることになる。
【００３２】
このようにガス流路４４、５４の一部を形成する凹部４４ｂ、５４ｂをガス流れ方向に交差する方向に延設し、ガス流れ方向に凸部４４ａ、５４ａと交互に間欠的に設けたので、ガスは、凹部４４ｂ、５４ｂから凸部４４ａ、５４ａと接触するガス拡散層４３、５３に拡散し、また、ガス拡散層４３、５３から凹部４４ｂ、５４ｂ内の空隙に戻り、また、凹部４４ｂ、５４ｂからガス拡散層４３、５３に拡散するという流れを繰り返すので、ガスの電極触媒層４２、５２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。また、生成された水の排出が促進されるという利点もある。なお、これをセパレータ４１、５１に凸部４４ａ、５４ａ、凹部４４ｂ、５４ｂを設けない場合と比較すると、凹部４４ｂ、５４ｂが圧力損失を低減することとなり、発電効率が向上することとなる。また、セパレータ４１、５１に排出された水は、セパレータ４１、５１上に広がり、ガスの流れを阻害せず、セパレータ４１、５１の凸部４４ａ、５４ａ及び凹部４４ｂ、５４ｂの延設方向両側の端部に設置された親水性スペーサーを通じてセル外部へ排出される。
【００３３】
（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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
また、このようなガス拡散層４３Ａ、５３Ａの構成、すなわち、疎水性ガス拡散層４３１、５３１及び親水性ガス拡散層４３２、５３２の二層構造は、ガス流路４４、５４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構造と組み合わせることで、さらに顕著な効果を奏する。すなわち、凸部４４ａ、５４ａ及び凹部４４ｂ、５４ｂをガス流れ方向に交差する方向に延設し、ガス流れ方向に交互に間欠的に設けた構造では、図４に示すように、凹部４４ｂ、５４ｂの間の凸部４４ａ、５４ａに対向する領域Ｓがガスの滞留領域となるが、親水性ガス拡散層４３２、５３２に凝縮水が移動し、保持されても、領域Ｓに凝縮水が保持でき、ガスの流れが阻害されないという利点がある。因みに、通常のセパレータ構造、すなわち、ガスの流れ方向に流路を有する構造では、保持されている凝縮水がガスの流れを阻害する虞がある。
なお、本実施形態のガス拡散層の二層構造は、凝縮水が生成するカソード側のみに採用してもよい。
【００３７】
（その他）
上述した実施形態１、２において、ガス拡散層の電極触媒層側、又はセパレータ側、又は両方に、マイクロポーラス層（ＭＰＬ）を設けてもよく、マイクロポーラス層は、従来から公知のものを採用することがきる。
【００３８】
電極触媒側にＭＰＬを設けると、電極触媒中での水滞留を防止し、同時に電極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ことができる。また、セパレータ側に設けられるＭＰＬ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、セパレータとの接触抵抗を低減するという効果を奏する。なお、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。
【００３９】
また、上述した実施形態２のガス拡散層の二層構造において、間の界面に空間(凹形状)を形成し、空間(凹形状)にガスが流れ込むようにしてもよい。これにより、ガスの流路抵抗をさらに低減することができ、ガスの拡散効率の向上を図ることができる。
【００４０】
図５には、ガス拡散層を二層構造とし、二層の間に空間(凹形状)を設け、さらに、電極触媒側及びセパレータ側にマイクロポーラス層（ＭＰＬ）を設けた構成を示す。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。
【００４１】
図示のように、ガス拡散層４３Ｂ、５３Ｂは、疎水性ガス拡散層４３３、５３３と、親水性ガス拡散層４３４、５３４とを具備する。疎水性ガス拡散層４３３、５３３及び親水性ガス拡散層４３４、５３４は、その間に凹形状４３５、５３５を具備する。凹形状４３５、５３５は、親水性ガス拡散層４３４、５３４の疎水性ガス拡散層４３３、５３３側の界面を示す図６に示すように、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。さらに、ガス拡散層４３Ｂ、５３Ｂは、電極触媒層４２、５２側及びセパレータ４１、５１側にＭＰＬ４３６、５３６と、ＭＰＬ４３７、５３７とを具備する。
【００４２】
かかる例では、電極触媒層４２、５２側に設けたＭＰＬ４３６、５３６を設けると、電極触媒中での水滞留を防止し、同時に電極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ことができる。また、セパレータ４１、５１側に設けられたＭＰＬ４３７、５３７により、面内ガス透気度を低減し、より効率よくガスが触媒に導入されるようになり、また、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。
【００４３】
また、疎水性ガス拡散層４３３、５３３及び親水性ガス拡散層４３４、５３４は、その間に凹形状４３５、５３５を具備することにより、ガス拡散層４３Ｂ、５３Ｂ内でのガスの流路抵抗を低減し、ガスの触媒への拡散効率を向上することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
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】
【００４５】
１１  燃料電池
３０、３０Ａ、３０Ｂ  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、５３Ａ、５３Ｂ  ガス拡散層
４４、５４  ガス流路
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、４３３、５３１、５３３  疎水性ガス拡散層
４３２、４３４、５３２、５３４  親水性ガス拡散層
４３５、５３５  凹形状
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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【図５】
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【図６】
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