(57)【要約】【課題】空気極側のガス拡散層におけるリブ対向部の生成水を確実に排出可能で且つリブ対向部を速やかに乾燥可能にする。【解決手段】空気極ガス拡散層４におけるセパレータ６と対向する面には、酸素通路６０に対向する部位に凹部４０を形成し、空気極リブ６１に対向する部位に凸部４１を形成する。これにより、凸部４１内の生成水は凹部４０側へ容易に移動可能となり、凸部４１内の生成水が確実に排出される。また、酸素通路６０を通過する空気が凸部４１内に流入しやすくなるため、凸部４１内を速やかに乾燥させることができる。【選択図】図１
2009283290.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜（１）と、前記電解質膜（１）の両側に配置された触媒層（２、３）と、前記触媒層（２、３）の外側に配置されたガス拡散層（４、５）と、前記ガス拡散層（４、５）を狭持するように配置されたセパレータ（６）とを備え、酸素と水素を電気化学反応させて電気エネルギを発生させる燃料電池において、
前記セパレータ（６）における空気極側の前記ガス拡散層（４）と対向する面に、前記空気極側のガス拡散層（４）に酸素を導く酸素通路（６０）と、先端面が前記空気極側のガス拡散層（４）に当接するリブ（６１）とが形成され、
前記空気極側のガス拡散層（４）における前記セパレータ（６）と対向する面は、前記酸素通路（６０）に対向する部位が凹部（４０）で前記リブ（６１）に対向して前記リブ（６１）に当接する部位が凸部（４１）であることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記空気極側のガス拡散層（４）は、拡散層基材部（４２）と、前記拡散層基材部（４２）よりも空隙径が小さい撥水層（４４）とを備え、
前記凹部（４０）および前記凸部（４１）のうち前記凸部（４１）の端面にのみ前記撥水層（４４）が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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素と酸素との電気化学反応により電気エネルギを発生させる燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、氷点下において燃料電池を自己発熱のみで始動したいという要望があるが、氷点下で燃料電池を作動させた場合には、過冷却状態で発生する生成水の凍結を防止するため、その生成水を掃気により排出させる必要がある。
【０００３】
そして、特許文献１では、燃料電池を氷点下で使用する際には外部ヒータを用いて加熱する方法が提案され、特許文献２では、燃料電池のセル面内で局所発電領域を故意に作り、短時間で自己発熱させる燃料電池システムが提案されている。また、特許文献３では、燃料ガス循環系の全域を掃気して生成水等の不純物を排出させる燃料電池システムが提案され、さらに、特許文献４や特許文献５では、スタックや単セル内部の生成水の制御に関する提案がなされている。
【特許文献１】特開２００２−３１３３９１号公報
【特許文献２】特開２００２−３０５０１４号公報
【特許文献３】特開２００６−１４７１６０号公報
【特許文献４】特開２００３−１５１５８５号公報
【特許文献５】特開２００５−３８７８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、本発明者の検討によると、空気極ガス拡散層のうち、酸素通路に対向する酸素通路対向部よりも、セパレータのリブに対向してリブに当接するリブ対向部の方が、生成水がより多く残留し、このリブ対向部の生成水を確実に排出するとともに速やかに乾燥させることが重要であることが分かった。
【０００５】
本発明は上記点に鑑みて、空気極側のガス拡散層におけるリブ対向部の生成水を確実に排出可能で且つリブ対向部を速やかに乾燥可能にすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、電解質膜（１）と、電解質膜（１）の両側に配置された触媒層（２、３）と、触媒層（２、３）の外側に配置されたガス拡散層（４、５）と、ガス拡散層（４、５）を狭持するように配置されたセパレータ（６）とを備え、酸素と水素を電気化学反応させて電気エネルギを発生させる燃料電池において、セパレータ（６）における空気極側のガス拡散層（４）と対向する面に、空気極側のガス拡散層（４）に酸素を導く酸素通路（６０）と、先端面が空気極側のガス拡散層（４）に当接するリブ（６１）とが形成され、空気極側のガス拡散層（４）におけるセパレータ（６）と対向する面は、酸素通路（６０）に対向する部位が凹部（４０）でリブ（６１）に対向してリブ（６１）に当接する部位が凸部（４１）であることを特徴とする。
【０００７】
これによると、空気極側のガス拡散層（４）におけるリブ対向部の生成水が空気極側のガス拡散層（４）における酸素通路対向部側へ容易に移動可能となり、リブ対向部の生成水が確実に排出される。また、酸素を含むガスが空気極側のガス拡散層（４）におけるリブ対向部に流入しやすくなるため、リブ対向部を速やかに乾燥させることができる。
【０００８】
なお、特許請求の範囲およびこの欄で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明の一実施形態について説明する。図１は一実施形態に係る燃料電池におけるセルの構成を示す断面図、図２は図１の空気極ガス拡散層４における要部の拡大断面図である。
【００１０】
本実施形態の燃料電池は、高分子電解質型燃料電池（ＰＥＦＣ）が用いられている。この燃料電池は、複数のセルが積層されることでスタック構造となっている。また、各セルは電気的に直列接続されている。燃料電池には、図示しない空気供給装置（例えばコンプレッサ）から空気が供給され、図示しない水素供給装置（例えば水素タンク）から水素が供給されるように構成されている。
【００１１】
そして、セルは、図１に示すように、プロトン伝導性の電解質膜１と、電解質膜１の両面に設けられた触媒層２、３と、触媒層２、３の両外側に設けられたガス拡散層４、５と、ガス拡散層４、５の両外側に設けられたセパレータ６とから構成されている。
【００１２】
触媒層２、３は、空気極側の空気極触媒層２と燃料極側の燃料極触媒層３とから構成されており、電極としても機能する。触媒層２、３は、白金などの触媒を担持したカーボン粉をペースト化したものを用いることができる。ガス拡散層４、５は、空気極側の空気極ガス拡散層４と燃料極側の燃料極ガス拡散層５とから構成されており、たとえば炭素繊維からなる糸で織成したカーボンペーパーやカーボンフェルト、カーボンクロスなどにより形成されている。セパレータ６は、カーボン材または導電性金属にて板状に形成されている。
【００１３】
セパレータ６における空気極ガス拡散層４と対向する面には、空気供給装置から供給される空気（酸素）を空気極ガス拡散層４に導く溝状の酸素通路６０と、先端面が空気極ガス拡散層４に当接する突起状の空気極リブ６１とが形成されている。
【００１４】
セパレータ６における燃料極ガス拡散層５と対向する面には、水素供給装置から供給される水素を燃料極ガス拡散層５に導く水素通路６２と、先端面が燃料極ガス拡散層５に当接する突起状の水素極リブ６３とが形成されている。
【００１５】
空気極ガス拡散層４におけるセパレータ６と対向する面には、凹部４０と凸部４１が形成されている。そして、凹部４０が酸素通路６０に対向し、凸部４１が空気極リブ６１に対向する。換言すると、空気極ガス拡散層４におけるセパレータ６と対向する面は、酸素通路６０に対向する部位よりも、空気極リブ６１に対向する部位の方が突出している。そして、凸部４１の先端が、空気極リブ６１に当接するようになっている。
【００１６】
図２に示すように、空気極ガス拡散層４は、拡散層基材部４２と、拡散層基材部４２の空気極触媒層２側に形成された触媒層側撥水層４３と、凸部４１の先端に形成されたセパレータ側撥水層４４とから構成されている。より詳細には、セパレータ側撥水層４４は、空気極ガス拡散層４におけるセパレータ６と対向する面のうち、空気極リブ６１に対向する部位のみに設けられている。
【００１７】
触媒層側撥水層４３およびセパレータ側撥水層４４の空隙径は、拡散層基材部４２の空隙径よりも小さくなっている。因みに、拡散層基材部４２の空隙径は１０〜１００μｍ程度であり、触媒層側撥水層４３およびセパレータ側撥水層４４の空隙径は０．３〜１μｍが望ましい。
【００１８】
このような構成の空気極ガス拡散層４は、以下のようにして製作される。まず、第１工程では、平板の拡散層基材部４２における空気極触媒層２側に撥水剤（ＰＴＦＥとカーボン材料）を含浸させ、拡散層基材部４２の空気極触媒層２側に触媒層側撥水層４３を形成する。
【００１９】
次の第２工程では、拡散層基材部４２におけるセパレータ６側の表面に撥水剤（ＰＴＦＥとカーボン材料）を含浸させる。このときの撥水剤塗布量は１〜４ｍｇ／ｃｍ２程度とする。
【００２０】
次の第３工程では、空気極ガス拡散層４におけるセパレータ６側の面のうち、酸素通路６０に対向する部位のみを、切削加工により１００μｍ程度削りこむ。この工程で、空気極ガス拡散層４におけるセパレータ６側の面のうち、空気極リブ６１に対向する部位（すなわち凸部４１）のみにセパレータ側撥水層４４が残り、空気極ガス拡散層４におけるセパレータ６側の面のうち、酸素通路６０に対向する部位は、拡散層基材部４２が剥き出しの状態となる。
【００２１】
次に、本実施形態の燃料電池の作動を説明する。まず、燃料電池には、外部から水素と空気が供給され、水素はセパレータ６の水素通路６２を通過し、空気はセパレータ６の酸素通路６０を通過する。そして、燃料電池の各セルでは、水素と空気に含まれる酸素との電気化学反応が起こり、発電が行われる。この発電に伴い、水素通路６２を通過する水素が消費され、酸素通路６０を通過する空気（酸素）が消費される。
【００２２】
このとき、空気極ガス拡散層４におけるセパレータ６と対向する面には、酸素通路６０に対向する部位に凹部４０を形成し、空気極リブ６１に対向する部位に凸部４１を形成したことにより、図２に実線の矢印で示すように、凸部４１内の生成水は凹部４０側へ容易に移動可能となり、凸部４１内の生成水が確実に排出される。また、図２に破線の矢印で示すように、酸素通路６０を通過する空気が凸部４１内に流入しやすくなるため、凸部４１内を速やかに乾燥させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の一実施形態に係る燃料電池におけるセルの構成を示す断面図である。
【図２】図１の空気極ガス拡散層４における要部の拡大断面図である。
【符号の説明】
【００２４】
１    電解質膜
２    空気極触媒層
３    燃料極触媒層
４    空気極ガス拡散層
５    燃料極ガス拡散層
６    セパレータ
４０  凹部
４１  凸部
６０  酸素通路
６１  空気極リブ
【図１】
2009283290.tif 000003
【図２】
2009283290.tif 000004