(57)【要約】【課題】燃料電池の接触抵抗を大きくすることなく、燃料電池の拡散抵抗を小さくすることにより、燃料電池の出力密度を向上する。【解決手段】本発明に係る燃料電池は、電解質膜４と、電解質膜４の一方の面に形成されるアノード触媒層５と、電解質膜４の他方の面に形成されるカソード触媒層６と、アノード触媒層５に積層されるアノードガス拡散層７と、カソード触媒層６に積層されるカソードガス拡散層８と、を備える。アノードガス拡散層７の曲げ弾性率（Ｅａ）とカソードガス拡散層８の曲げ弾性率（Ｅｃ）とのうち、一方は、両方を同じ値で大きくしていったときに燃料電池の接触抵抗が一定値に飽和する飽和開始点Ｓ以上であり、他方は、飽和開始点Ｓよりも小さい。【選択図】図１
2017022066.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜と、
前記電解質膜の一方の面に形成されるアノード触媒層と、
前記電解質膜の他方の面に形成されるカソード触媒層と、
前記アノード触媒層に積層されるアノードガス拡散層と、
前記カソード触媒層に積層されるカソードガス拡散層と、を備え、
前記アノードガス拡散層の曲げ弾性率と前記カソードガス拡散層の曲げ弾性率とのうち、一方は、両方を同じ値で大きくしていったときに燃料電池の接触抵抗が一定値に飽和する飽和開始点以上であり、他方は、前記飽和開始点よりも小さい
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記アノードガス拡散層の曲げ弾性率は、前記アノードガス拡散層の充填密度を変えることで設定され、前記カソードガス拡散層の曲げ弾性率は、前記カソードガス拡散層の充填密度を変えることで設定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】
前記アノードガス拡散層の曲げ弾性率は、前記アノードガス拡散層の積層方向の厚さを変えることで設定され、前記カソードガス拡散層の曲げ弾性率は、前記カソードガス拡散層の積層方向の厚さを変えることで設定されることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記アノードガス拡散層の曲げ弾性率を、前記飽和開始点以上とし、前記カソードガス拡散層の曲げ弾性率を、前記飽和開始点よりも小さくしたことを特徴とする請求項１から３のいず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、燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、一般的に、アノード触媒層およびカソード触媒層にそれぞれ積層されるアノードガス拡散層およびカソードガス拡散層を備える（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
これらのアノードガス拡散層およびカソードガス拡散層の充填密度または積層方向の厚さを変えることで、膜電極接合体全体の曲げ弾性率を変えることができる。膜電極接合体全体の曲げ弾性率を変えると、燃料電池の内部抵抗である接触抵抗（電子移動抵抗）および拡散抵抗が変わる。
【０００４】
燃料電池の接触抵抗は、燃料電池の導電部材間の密着不足により生じる抵抗である。例えば、アノードガス拡散層の曲げ弾性率およびカソードガス拡散層の曲げ弾性率の両方を同じ値で大きくしていくと、ガス拡散層と触媒層との密着性が増して燃料電池の接触抵抗が小さくなる。ただし、アノードガス拡散層の曲げ弾性率およびカソードガス拡散層の曲げ弾性率が所定値（飽和開始点）よりも大きくなると、燃料電池の接触抵抗は一定値に飽和する。よって、燃料電池の接触抵抗を小さくするためには、理論的には、曲げ弾性率が飽和開始点よりも大きいガス拡散層を使用することが望ましい。なお、ここで、「飽和開始点」とは、アノードガス拡散層とカソードガス拡散層との両方の曲げ弾性率を同じ値で大きくしていったときに燃料電池の接触抵抗が一定値に飽和するときの膜電極接合体全体の曲げ弾性率を意味するものとする。
【０００５】
一方、燃料電池の拡散抵抗は、発電用ガスが触媒層に十分供給されないことにより生じる抵抗である。このため、ガス拡散層の曲げ弾性率が大きいほど、発電用ガスが触媒層まで拡散しにくくなり燃料電池の拡散抵抗が大きくなる。その理由は、ガス拡散層の曲げ弾性率を大きくするためには、ガス拡散層の充填密度または積層方向の厚さを変えることになり、発電用ガスが拡散しにくくなるためである。よって、燃料電池の拡散抵抗を小さくするためには、理論的には、曲げ弾性率が小さいガス拡散層を使用することが望ましい。
【０００６】
そして、そもそも従来は、曲げ弾性率が飽和開始点よりも小さいガス拡散層は、製造コストが高かったため、量産品の燃料電池に使用することができなかった。
【０００７】
したがって、接触抵抗および拡散抵抗が前述のような特性であること、曲げ弾性率が飽和開始点よりも小さいガス拡散層を製造コスト上の問題で使用することができないことから、曲げ弾性率が飽和開始点よりも大きいガス拡散層を使用することが一般的であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００９−２９５５０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、近年、曲げ弾性率が飽和開始点よりも小さいガス拡散層の製造コストが低くなったため、そのようなガス拡散層を量産品の燃料電池に使用することができるようになった。
【００１０】
そこで、本発明者らは、燃料電池の出力密度を大きくするという観点から、燃料電池の接触抵抗が多少大きくなってしまうとしても、曲げ弾性率が飽和開始点よりも小さいガス拡散層を使用して燃料電池の拡散抵抗を小さくすることが望ましいと考えた。
【００１１】
それは、燃料電池の出力密度を大きくする場合、触媒層における発電用ガスの消費量が増えるため、より多くのガスを触媒層に供給することが必要になり、その結果、ガスの輸送に関わる燃料電池の拡散抵抗が接触抵抗よりも大きく影響するようになるためである。
【００１２】
しかしながら、従来は曲げ弾性率が飽和開始点よりも小さいガス拡散層を使用していなかったため、曲げ弾性率が飽和開始点よりも小さいガス拡散層を使用して燃料電池の拡散抵抗を小さくすることにより、燃料電池の出力密度が実際に大きくなるかは不明であった。
【００１３】
因みに、従来もアノードガス拡散層の曲げ弾性率とカソードガス拡散層の曲げ弾性率とを異なる値に設定することは行われてはいたが、両方とも飽和開始点よりも大きい値に設定されていた。また、アノードガス拡散層の曲げ弾性率とカソードガス拡散層の曲げ弾性率とを異なる値に設定した場合も、両方を同じ値に設定した場合と同じ様に燃料電池の接触抵抗が変化すると考えられていた。それらの理由から、曲げ弾性率が飽和開始点よりも低いガス拡散層を使用する利点はほとんど無いと考えられていた。
【００１４】
そこで、本発明者らは、ガス拡散層の曲げ弾性率が燃料電池の接触抵抗および拡散抵抗に与える影響を分析し、従来知られていなかった、アノードガス拡散層とカソードガス拡散層とのうち、いずれか一方の曲げ弾性率を飽和開始点よりも小さくしても燃料電池の接触抵抗が大きくならない領域を見出すに至った。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明に係る燃料電池は、以上のような知見に基づいて創案されたものである。本発明に係る燃料電池では、アノードガス拡散層の曲げ弾性率とカソードガス拡散層の曲げ弾性率とのうち、一方は、両方を同じ値で大きくしていったときに燃料電池の接触抵抗が一定値に飽和する飽和開始点以上であり、他方は、飽和開始点よりも小さい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係る燃料電池によれば、燃料電池の接触抵抗を大きくすることなく、燃料電池の拡散抵抗を小さくすることにより、燃料電池の出力密度を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第一実施形態に係る燃料電池の単セルを示す概略図である。
【図２】膜電極接合体全体の曲げ剛性率と単セルの接触抵抗および拡散抵抗との関係を示すグラフである。
【図３】本発明の第二実施形態に係る燃料電池の単セルを示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施形態を図面とともに詳述する。
【００１９】
［第一実施形態］
本発明の第一実施形態に係る燃料電池を図１に基づいて説明する。
【００２０】
本実施形態に係る燃料電池（燃料電池スタック）は、図１に示す単セル１Ａを所定数だけ積層した積層電池の形態とされている。図１に示すように、単セル１Ａは、膜電極接合体２と、この膜電極接合体２を両面から挟み込む一対のセパレータ３，３と、を備える。なお、図１において、矢印Ｌは、単セル１Ａの積層方向（以下、単に積層方向という。）を示す。
【００２１】
膜電極接合体２は、電解質膜４と、電解質膜４の一方の面に形成されるアノード触媒層５と、電解質膜４の他方の面に形成されるカソード触媒層６と、アノード触媒層５に積層されるアノードガス拡散層７と、カソード触媒層６に積層されるカソードガス拡散層８と、を有する。
【００２２】
電解質膜４は、固体高分子材料、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、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。
【００２３】
アノード触媒層５およびカソード触媒層６は、一般的には、例えばポリエチレンフルオロエチレンと炭素材を含む撥水層と、白金が担持されたカーボンブラックからなる触媒層とが重なった構造を有する。アノード触媒層５およびカソード触媒層６における撥水層の積層方向Ｌの厚さは例えば２０μｍ程度であり、触媒層の積層方向Ｌの厚さは例えば１０μｍ程度である。
【００２４】
アノードガス拡散層７およびカソードガス拡散層８は、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスや、カーボンペーパ、あるいはカーボンフエルトなど、充分なガス拡散性および導電性を有する部材によって構成される。アノードガス拡散層７およびカソードガス拡散層８の積層方向Ｌの厚さは、例えば１００μｍ程度である。
【００２５】
セパレータ３は、充分な導電性と強度と耐食性とを有する材料によって形成される。セパレータ３は、例えば、カーボンよりも強度に優れ且つ薄肉化が容易なステンレス材料などの如き耐食性に優れた金属材料をプレス加工することにより形成される。さらに、セパレータ３の表面には、耐食性や電気抵抗を向上させるため、金メッキのような表面処理が施される。セパレータ３とアノードガス拡散層７との間に、アノードガスが流れるアノードガス流路（燃料ガス流路）９が形成され、セパレータ３とカソードガス拡散層８との間には、カソードガスが流れるカソードガス流路（酸化剤ガス流路）１０が形成される。
【００２６】
次に、アノードガス拡散層７の曲げ弾性率およびカソードガス拡散層８の曲げ弾性率の設定について説明する。
【００２７】
アノードガス拡散層７の曲げ弾性率とカソードガス拡散層８の曲げ弾性率とのうち、一方は、両方を同じ値で大きくしていったときに燃料電池の接触抵抗が一定値に飽和する飽和開始点Ｓ（図２参照）以上であり、他方は、飽和開始点Ｓよりも小さい。
【００２８】
本実施形態では、アノードガス拡散層７の曲げ弾性率を、飽和開始点Ｓ以上とし、カソードガス拡散層８の曲げ弾性率を、飽和開始点Ｓよりも小さくしている。
【００２９】
このようにするために、本実施形態では、カソードガス拡散層８の充填密度を、アノードガス拡散層７の充填密度よりも小さくしている。その一方で、アノードガス拡散層７の積層方向Ｌの厚さおよびカソードガス拡散層８の積層方向Ｌの厚さは、２つとも同じ厚さとしている。
【００３０】
アノードガス拡散層７の充填密度は、例えば、炭素繊維の太さを太くする、または炭素繊維同士を固着させるバインダの量を増やすことで大きくすることができる。その一方で、カソードガス拡散層８の充填密度は、例えば、炭素繊維の太さを細くする、または炭素繊維同士を固着させるバインダの量を減らすことで小さくすることができる。
【００３１】
以下、本実施形態に係る燃料電池の効果を、図２を参照して説明する。
【００３２】
図２は、膜電極接合体全体の曲げ剛性率と単セルの接触抵抗および拡散抵抗との関係を示すグラフである。
【００３３】
図２において、横軸は膜電極接合体全体の曲げ弾性率であり、左の縦軸は単セルの接触抵抗であり、右の縦軸が単セルの拡散抵抗である。
【００３４】
また、図２において、破線が、アノードガス拡散層およびカソードガス拡散層の両方のガス拡散層の曲げ弾性率を同じ値で変化させた場合の単セルの接触抵抗および拡散抵抗を示す。一方、実線は、アノードガス拡散層の曲げ弾性率およびカソードガス拡散層の曲げ弾性率のうち、一方を飽和開始点以上となる値に固定し、他方を変化させた場合の単セルの接触抵抗および拡散抵抗を示す。
【００３５】
アノードガス拡散層７およびカソードガス拡散層８の両方のガス拡散層の曲げ弾性率を、飽和開始点Ｓよりも大きい値から同じ値で小さくしていくと、単セル１Ａの接触抵抗が飽和開始点Ｓから大きくなり始める。これは、従来の理論通りである。
【００３６】
すなわち、単セル１Ａの接触抵抗は、アノードガス拡散層７の曲げ弾性率およびカソードガス拡散層８の曲げ弾性率が飽和開始点Ｓよりも大きくなると一定値となる。
【００３７】
また、単セル１Ａの拡散抵抗は、アノードガス拡散層７の曲げ弾性率に比例するとともに、カソードガス拡散層８の曲げ弾性率にも比例して、ほぼ直線的に変化する。
【００３８】
一方、アノードガス拡散層７の曲げ弾性率およびカソードガス拡散層８の曲げ弾性率のうち、一方を飽和開始点Ｓ以上となる値に固定し、他方を飽和開始点Ｓよりも大きい値から小さくしていく。このようにすると、単セル１Ａの接触抵抗が大きくなり始めるのは飽和開始点Ｓではなく、飽和開始点Ｓよりも小さい値である第２飽和開始点Ｓ２である。因みに、この場合も、従来は図２中の破線に沿って単セル１Ａの接触抵抗が変化すると考えられていた。
【００３９】
換言すれば、アノードガス拡散層７の曲げ弾性率およびカソードガス拡散層８の曲げ弾性率のうち、一方を飽和開始点Ｓ以上となる値に固定し、他方を飽和開始点Ｓよりも大きい値から小さくしていくと、第２飽和開始点Ｓ２よりも大きく且つ飽和開始点Ｓよりも小さい範囲では、単セル１Ａの接触抵抗は一定値のままである。
【００４０】
すなわち、図２から分かるように、アノードガス拡散層７の曲げ弾性率およびカソードガス拡散層８の曲げ弾性率のうち、一方が飽和開始点Ｓよりも大きければ、他方が飽和開始点Ｓより小さくても、単セル１Ａの接触抵抗が大きくならずに一定値のままである。
【００４１】
この分析結果に基づき、本実施形態に係る燃料電池では、アノードガス拡散層７の曲げ弾性率（Ｅａ）は、飽和開始点Ｓ以上（Ｅａ≧Ｓ）とし、カソードガス拡散層８の曲げ弾性率（Ｅｃ）は、飽和開始点Ｓよりも小さい値（Ｅｃ＜Ｓ）としている。また、カソードガス拡散層８の曲げ弾性率（Ｅｃ）は、第２飽和開始点Ｓ２よりも大きく且つ飽和開始点Ｓよりも小さい値（Ｓ２＜Ｅｃ＜Ｓ）とすることが望ましい。
【００４２】
以下に、本実施形態による作用効果を説明する。
【００４３】
（１）本実施形態に係る燃料電池は、電解質膜４と、電解質膜４の一方の面に形成されるアノード触媒層５と、電解質膜４の他方の面に形成されるカソード触媒層６と、アノード触媒層５に積層されるアノードガス拡散層７と、カソード触媒層６に積層されるカソードガス拡散層８と、を備える。アノードガス拡散層７の曲げ弾性率とカソードガス拡散層８の曲げ弾性率とのうち、一方は、両方を同じ値で大きくしていったときに燃料電池の接触抵抗が一定値に飽和する飽和開始点Ｓ以上であり、他方は、飽和開始点Ｓよりも小さい。
【００４４】
アノードガス拡散層７の曲げ弾性率とカソードガス拡散層８の曲げ弾性率とのうち、一方を飽和開始点Ｓ以上とし、他方を飽和開始点Ｓよりも小さくすることで、燃料電池の接触抵抗を大きくすることなく、燃料電池の拡散抵抗を小さくすることができる。この場合に燃料電池の接触抵抗が大きくならない理由は以下の通りである。
【００４５】
曲げ弾性率が飽和開始点Ｓ以上であるガス拡散層は、セパレータ３の凸部３ａから飛び飛びに加わる圧力（締結圧）を受け止め、十分に平準化した上で、隣接する触媒層に圧力を伝える。これにより、曲げ弾性率が飽和開始点Ｓ以上であるガス拡散層と触媒層との密着性が確保される。
【００４６】
一方、曲げ弾性率が飽和開始点Ｓよりも小さいガス拡散層は、セパレータ３の凸部３ａから飛び飛びに加わる圧力を十分平準化できずに、隣接する触媒層に圧力を伝える。そのため、圧力がガス拡散層から触媒層に十分に伝わらない部分では、ガス拡散層と触媒層との密着性が小さくなる可能性がある。
【００４７】
しかしながら、アノードガス拡散層７の曲げ弾性率とカソードガス拡散層８の曲げ弾性率とのうち、一方を飽和開始点Ｓ以上とし、他方を飽和開始点Ｓよりも小さくした場合は、曲げ弾性率が大きいガス拡散層が備えられる触媒層側から、電解質膜４を通して、曲げ弾性率が小さいガス拡散層が備えられる触媒層側に、十分に平準化された圧力が伝わる。このため、曲げ弾性率が大きいガス拡散層から、電解質膜４を介して、曲げ弾性率が小さいガス拡散層に伝わる圧力により、曲げ弾性率が飽和開始点Ｓよりも小さいガス拡散層と触媒層との密着性が確保され、燃料電池の接触抵抗の増大を抑制することができる。
【００４８】
以上要するに、本実施形態に係る燃料電池によれば、燃料電池の接触抵抗を大きくすることなく、燃料電池の拡散抵抗を小さくすることにより、燃料電池の出力密度を向上することができる。
【００４９】
（２）アノードガス拡散層７の曲げ弾性率は、アノードガス拡散層７の充填密度を変えることで設定され、カソードガス拡散層８の曲げ弾性率は、カソードガス拡散層８の充填密度を変えることで設定される。
【００５０】
ガス拡散層の充填密度が小さくなると、曲げ弾性率だけでなく、圧縮弾性率も小さくなる。そのため、膜電極接合体２の積層方向Ｌの厚さが熱膨張や膨潤により大きくなって変位が生じても、圧縮弾性率が小さくなったガス拡散層により前述の変位を吸収することができる。
【００５１】
（３）アノードガス拡散層７の曲げ弾性率を、飽和開始点Ｓ以上とし、カソードガス拡散層８の曲げ弾性率を、飽和開始点Ｓよりも小さくした。
【００５２】
カソードガス（酸素など）はアノードガス（水素など）よりも分子量が大きいため、カソードガスはアノードガスと比較してガス拡散層を透過しにくい。そのため、カソードガス拡散層８の曲げ弾性率を小さくしてガス拡散性を向上させることで、燃料電池の拡散抵抗を効果的に低減することができる。
【００５３】
また、カソードガス拡散層８の曲げ弾性率を小さくすることにより、カソード側で生じる生成水の排水性能も向上する。
【００５４】
なお、本実施形態とは逆に、アノードガス拡散層７の曲げ弾性率をカソードガス拡散層８の曲げ弾性率よりも小さくしてもよい。すなわち、カソードガス拡散層８の曲げ弾性率を、飽和開始点Ｓ以上とし、アノードガス拡散層７の曲げ弾性率を、飽和開始点Ｓよりも小さくするようにしてもよい。
【００５５】
［第二実施形態］
本発明の第二実施形態に係る燃料電池を図３に基づいて説明する。なお、前述の第一実施形態と同一の部分は同一符号を付することによってその説明を省略する。
【００５６】
第二実施形態では、アノードガス拡散層７の曲げ弾性率を飽和開始点Ｓ以上とし、カソードガス拡散層８の曲げ弾性率を飽和開始点Ｓよりも小さくするにあたって、アノードガス拡散層７およびカソードガス拡散層８の充填密度を変えるのではなく、積層方向Ｌの厚さを変えている。
【００５７】
すなわち、アノードガス拡散層７の曲げ弾性率は、アノードガス拡散層７の積層方向Ｌの厚さを変えることで設定され、カソードガス拡散層８の曲げ弾性率は、カソードガス拡散層８の積層方向Ｌの厚さを変えることで設定される。
【００５８】
具体的には、カソードガス拡散層８の積層方向Ｌの厚さを、アノードガス拡散層７の積層方向Ｌの厚さよりも薄くしている。その一方で、アノードガス拡散層７の充填密度およびカソードガス拡散層８の充填密度は、２つとも同じ充填密度としている。
【００５９】
それら以外の単セル１Ｂの構成は、前述の第一実施形態と同様である。
【００６０】
次に、第二実施形態による作用効果を説明する。
【００６１】
第二実施形態では、アノードガス拡散層７の曲げ弾性率は、アノードガス拡散層７の積層方向Ｌの厚さを変えることで設定され、カソードガス拡散層８の曲げ弾性率は、カソードガス拡散層８の積層方向Ｌの厚さを変えることで設定される。
【００６２】
ガス拡散層の積層方向Ｌの厚さを薄くすることで、膜電極接合体２の積層方向Ｌの厚さを薄くすることができ、燃料電池スタックを小型化することができる。
【００６３】
なお、この第二実施形態とは逆に、アノードガス拡散層７の曲げ弾性率をカソードガス拡散層８の曲げ弾性率よりも小さくしてもよい。すなわち、カソードガス拡散層８の曲げ弾性率を、飽和開始点Ｓ以上とし、アノードガス拡散層７の曲げ弾性率を、飽和開始点Ｓよりも小さくするようにしてもよい。
【００６４】
ところで、本発明の燃料電池は前述の実施形態に例をとって説明したが、この実施形態に限ることなく本発明の要旨を逸脱しない範囲で他の実施形態を各種採用することができる。
【符号の説明】
【００６５】
４  電解質膜
５  アノード触媒層
６  カソード触媒層
７  アノードガス拡散層
８  カソードガス拡散層
Ｌ  積層方向
Ｓ  飽和開始点
【図１】
2017022066.tif 000003
【図２】
2017022066.tif 000004
【図３】
2017022066.tif 000005