(57)【要約】【課題】ガス流路の圧力損が小さく、薄型化及び軽量化が可能で、フラッディング現象が生じ難い燃料電池を提供する。【解決手段】固体高分子電解質膜がアノード極とカソード極とによって挟持された膜電極接合体と、膜電極接合体の外側に形成されたガス流路と、ガス流路を外部から隔離するセパレータとを備えている。ガス流路は膜電極接合体とカソード極側のセパレータとによって挟持された導電性の多孔体からなる第1のガス流路と、多孔体と膜電極接合体の間に設けられたガス流通可能な溝からなる第２のガス流路と、を備えている。【選択図】図１
2009181918.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜がアノード極とカソード極とによって挟持された膜電極接合体と、該膜電極接合体の外側に形成されたガス流路と、該ガス流路を外部から隔離するセパレータとを備える燃料電池であって、
該ガス流路は該膜電極接合体とカソード極側のセパレータとによって挟持された導電性の多孔体からなる第1のガス流路と、該多孔体と該膜電極接合体との間に設けられ該第１のガス流路よりもガス透過性が高い第２のガス流路と、を備えていることを特徴とする固体高分子型燃料電池。
【請求項２】
前記第２のガス流路は前記多孔体の前記膜電極接合体側の表面に凹設された溝によって形成されていることを特徴とする請求項１記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項３】
前記導電性の多孔体の厚さは１．２ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項４】
前記通路の水力直径は０．１５ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の固体高分子型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸化ガス流路における圧損が少なく、触媒層への酸素の供給が円滑になされ、アノード側電極のフラッディング現象の起こりにくい固体高分子型燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、固体高分子型燃料電池として、図６に示すように、高分子電解質膜９０が触媒層９１ａ、９１ｂで挟まれ、さらにその触媒層９１ａ、９１ｂの外側を集電及びガス拡散の役割を果たす拡散層９２ａ、９２ｂで挟まれた膜−電極接合体９３（以下「ＭＥＡ」と称する）を備えたものが知られている。ＭＥＡ９３の両面はガス流路９４ａ、９４ｂを形成するセパレータ９５、９６のリブ９５ａ、９６ａで挟持されて単位セル９７が構成される。さらにこの単位セルが複数積層されたスタックが形成されている。
【０００３】
この固体高分子型燃料電池では以下の電気化学反応が行われる。
アノード側：Ｈ２  →  ２Ｈ＋＋２ｅ−
カソード側：１／２Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−  →  Ｈ２Ｏ
全反応    ：Ｈ２＋１／２Ｏ２  →  Ｈ２Ｏ
すなわち、水素がアノード側のセパレータ９６のガス流路９４ｂに供給され、拡散層９２ｂを通って触媒層９１ｂに供給される。そして、触媒層９１ｂでの電気化学反応によって水素が酸化されてプロトンと電子とが生成する。こうして生成したプロトンは、オキソニウムイオンの形態で水を引き連れながら触媒層９１ｂおよび高分子固体電解質膜９０内を移動し、カソード側の触媒層９１ａに達する。
一方、カソード側に供給された酸素は、還元されて水が生成する。
こうして、固体高分子型燃料電池の内部における電気化学反応によって生じた水は、セパレータ９５のガス流路９４ａを流れている酸化ガスとともに排出される。
【０００４】
しかし、上記の固体高分子型燃料電池では、ガス流路９４ａ、９４ｂを形成するためにセパレータ９５、９６にリブ９５ａ、９６ａを設ける構造とされているため、リブ９５ａ、９６ａが拡散層９２ａ、９２ｂに圧接されている部分にはガスの供給がされ難くなり、円滑な電極反応が妨げられるおそれがあった。また、リブ９５ａ、９６ａを設けることにより、単位セル９７の厚みが厚くなり、このため、単位体積あたりの発電量が小さくなるという問題があった。
【０００５】
一方、ガス流路に金属多孔体が用いられており、セパレータにリブを必要としないタイプの固体高分子型燃料電池も知られている（例えば特許文献１）。このような固体高分子型燃料電池であれば、リブを必要としないため、膜電極接合体へのガスの供給が電極全面で円滑に行なわれ、電極反応が妨げられることもない。また、リブを必要としない分、薄型化が可能となる。
【０００６】
また、本発明と関連する技術として、特許文献２には、導電性の多孔質材からなる集電体を燃料電池に用いた燃料電池について記載されている。ただし、これは高温下で駆動する固体酸化物型燃料電池についてのものであり、固体高分子型燃料電池についてのものではないため、後述するフラッディング現象の防止という本発明の課題は存在しない。
【特許文献１】特開２００７−２５０４８７号公報
【特許文献２】特開２００３−８６２０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記従来の、ガス流路が金属多孔体で形成されており、セパレータにリブを必要としないタイプの固体高分子型燃料電池では、ガス流路を形成するための金属多孔体の厚さを薄くして、薄型化を図ろうとした場合、圧力損失が大きくなるという問題があった。また、金属多孔体によって形成される流路は狭いため、水の排除が困難で、特にカソード側において水が溜まってガスの通過が困難となるフラッディング現象が生ずるおそれがあった。
【０００８】
本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、ガス流路の圧力損が小さく、薄型化及び軽量化が可能で、フラッディング現象が生じ難い燃料電池を提供することを解決すべき課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の固体高分子型燃料電池の電極の第１の局面は、固体高分子電解質膜がアノード極とカソード極とによって挟持された膜電極接合体と、該膜電極接合体の外側に形成されたガス流路と、該ガス流路を外部から隔離するセパレータとを備える燃料電池であって、該ガス流路は該膜電極接合体とカソード極側のセパレータとによって挟持された導電性の多孔体からなる第1のガス流路と、該多孔体と該膜電極接合体との間に設けられ該第１のガス流路よりもガス透過性が高い第２のガス流路と、を備えていることを特徴とする。
【００１０】
本発明の固体高分子型燃料電池では、膜電極接合体とカソード極側のセパレータとの間に、第1のガス流路となる多孔体が挟持されているため、多孔体がリブの役割を果たし、セパレータにリブを設ける必要がない。このため、膜電極接合体への酸化ガスの供給が電極全面で円滑に行なわれ、電極反応が部分的に妨げられるということがない。また、リブを必要としない分、薄型化が可能となる。さらに、多孔体は導電性を有しているため、多孔体がセパレータに電気を流すための集電体としての役割を果たすことができる。また、多孔体と該膜電極接合体との間には第２のガス流路が設けられているため、たとえ、多孔体によって形成される第1の流路に水が詰まったとしても、第2のガス流路によって酸化ガスの供給が円滑になされる。このため、フラッディング現象による電極反応の阻害を防止することができる。
【００１１】
こうした、第２のガス流路は、多孔体の膜電極接合体側の表面に溝を凹設しておくことによって、容易に形成することができる。また、固体高分子電解質膜のカソード側表面に溝を凹設することによって、これを第２のガス流路としてもよい。
【００１２】
多孔体の厚さは１．２ｍｍ以下であることが好ましい。多孔体の厚さが１．２ｍｍ以下の場合には、多孔体を酸化ガスが流れるための圧損が大きくなり、第２のガス流路を設けたことによる圧損低下の効果が大きい。また、多孔体の厚さが１．２ｍｍ以下と薄くなるため、燃料電池の薄型化が可能となり、単位容積あたりの出力も大きくなる。
【００１３】
第２のガス流路の水力直径は０．１５ｍｍ以上であることが好ましい。ガス流路断面が円の場合、ガス流路に詰まった水滴を排除するための排除圧ΔＰは、その円の直径によって決定され、直径が大きいほど排除圧が小さくなる(下記式（１）参照)。
【数１】
2009181918.tif 000003
また、ガス流路断面が円以外の場合には、水力直径（すなわち、あるガス流路断面と同じ断面積を有する円管の直径）によって排除圧が決まる。この式に基づく計算によれば、第２のガス流路の水力直径が０．１５ｍｍ以上であれば、排除圧による圧力損失は３ｋＰａ以下となり、ファン等の常圧空気供給源の使用が可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明に係る膜電極接合体及びそれを用いた燃料電池を具体化した実施形態について説明する。
【００１５】
（実施例１）
実施例１の燃料電池は、図１に示すように、ナフィオン（登録商標）からなる高分子電解質膜１１の両側がカソード側触媒層１２ａ及びアノード側拡散層１２ｂによって覆われている。カソード側触媒層１２ａ及びアノード側拡散層１２ｂとしては、撥水性樹脂粉末と、カーボン粉末とを混合して用いることができる。撥水性樹脂粉末として具体的には、フルオロカーボン系ポリマー（たとえばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン／ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、テトラフルオロエチレン／パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）、ポリクロロトリフルオロエチレン（ＰＣＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリフッ化ビニル（ＰＶＦ）、エチレン／テトラフルオロエチレン共重合体（ＥＴＦＥ）、エチレン／クロロトリフルオロエチレン共重合体（ＥＣＴＦＥ）等）とが挙げられる。また、カーボン粉末としては、例えばカーボンブラック、黒鉛粉、カーボンナノファイバー、ファーネスブラック、アセチレンブラック等が挙げられる。
【００１６】
カソード側触媒層１２ａにはチタン繊維の焼結体からなる薄板状のチタン多孔体１３が重ねられており、その外側からステンレス製の板材からなるセパレータ１４によって圧接されている。チタン多孔体１３のカソード側触媒層１２ａと接する面には、酸化ガスの流れる方向に溝１３ａが互いに平行に所定の間隔で形成されている。溝１３ａの断面形状は長方形とされている。このような溝１３ａは、チタン繊維の焼結体からなる薄板をプレス成形したり、切削加工することによって容易に形成することができる。チタン多孔体１３及び溝１３ａへは、図示しない空気供給装置によって酸化ガスとしての空気が供給される。ここで、チタン多孔体１３が第1のガス流路であり、溝１３ａが第２のガス流路である。
【００１７】
一方、アノード側触媒層１２ｂにはカーボンクロス、カーボンペーパー、カーボン繊維からなる不織布等からなる拡散層１５が重ねられており、その外側からステンレス製からなるセパレータ１６によって圧接されている。セパレータ１６にはガス流路１６ａが水素ガスの流れる方向に互いに平行に所定の間隔で形成されている。ガス流路１６ａへは、図示しない水素循環装置によって水素ガスが循環される構造とされている。
【００１８】
（比較例１）
比較例１の燃料電池は、図２に示すように、チタン多孔体２３に溝は形成されていない。その他については実施例１の燃料電池と同様であり、同一の構成には同一の符号を付して、説明を省略する。
【００１９】
以上のように構成された実施例１の燃料電池における溝１３ａにおける水力直径ｄと水滴排除圧について、計算で求めた結果を図３に示す。この図から、水力直径が０．１５ｍｍ以上であれば、排除圧は圧力損失が３ｋＰａよりも小さくなり、ガス流路の圧力損失が常圧空気供給源であるファン等の圧力上限値に収まることが分かる。
【００２０】
また、水力直径ｄが０．２ｍｍである実施例１の燃料電池と、比較例１の燃料電池について、７０°Ｃで飽和水蒸気圧となるように加湿した空気をチタン多孔体に供給した場合の、セル温度とカソード圧損との関係を測定した。その結果、図４に示すようにチタン多孔体１３に溝１３ａを設けた実施例１では、チタン多孔体２３に溝を設けなかった比較例１と比較して、カソード圧損失が１．２〜２ｋＰａ程度低くなることが分かった。このことから、実施例１の燃料電池は比較例１よりも水が排出されやすく、フラッディング現象を起こり難いことが分かる。
【００２１】
さらには、７０°Ｃで飽和水蒸気圧となるように加湿した空気をチタン多孔体に供給した場合の、セル温度５０°Ｃにおける電流密度と電圧との関係を調べた。その結果、図５に示すように、実施例１では電流密度を上げていっても、電圧の低下は穏やかであるのに対し、比較例１では電流密度を上げるにつれて、急激に電圧が降下した。
【００２２】
以上の結果は、以下のように解釈することができる。
実施形態１の燃料電池において、空気がカソード側のチタン多孔体１３及び溝１３ａに供給され、水素ガスがアノード側のガス流路１６ａに供給される。このため、アノード側では水素ガスが拡散層１５を通ってアノード側触媒層１２ｂに供給され、ここで電気化学反応によって水素が酸化されてプロトンと電子とが生成する。こうして生成したプロトンは、オキソニウムイオンの形態で水を引き連れながら高分子固体電解質膜１１内を移動し、カソード側触媒層１２ａに達する。一方、カソード側のチタン多孔体１３及び溝１３ａに供給された空気中の酸素は、カソード側触媒層１２ａにおいて還元されて水が生成する。こうしてカソード側触媒層１２ａに溜まった水は、チタン多孔体１３に吸収されるとともに、溝１３ａに染み出す。溝１３ａに染み出した水は、溝１３ａを流れる空気の圧力によって容易に排除されることとなる。このため、この燃料電池では、チタン多孔体１３が水浸しとなることはなく、フラッディング現象が生じ難い燃料電池となり、圧損も小さくなる。また、セパレータ１４にガス流路を形成するためのリブを設ける必要もないため、その分薄型化及び軽量化が可能となる。
【００２３】
これに対して、比較例１の燃料電池では、チタン多孔体２３には溝が設けられておらず、水が排出され難いため、水がチタン多孔体２３に留まり、排出圧が上昇する。このため、フラッディング現象を起こしやすいと考えられる。
【００２４】
この発明は、上記発明の実施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】実施例１の燃料電池の部分断面図である。
【図２】比較例１の燃料電池の部分断面図である。
【図３】水力直径と水滴排除圧との関係を示すグラフである。
【図４】７０°Ｃで飽和水蒸気圧となるように加湿した空気をチタン多孔体に供給した場合の、セル温度とカソード圧損との関係を示すグラフである。
【図５】７０°Ｃで飽和水蒸気圧となるように加湿した空気をチタン多孔体に循環させた場合の、セル温度５０°Ｃにおける電流密度と電圧との関係を示すグラフである。
【図６】従来の固体高分子型燃料電池の断面図である。実施例４に係る拡散層の平面図である。
【符号の説明】
【００２６】
１１…固体高分子電解質膜
１２ｂ…カソード側触媒層（アノード極）
１２ａ…カソード側触媒層（カソード極）
１１，１２ａ，１２ｂ…膜電極接合体
１１…ガス流路
１３，１３ａ，１６ａ…ガス流路（１３…チタン多孔体，１３ａ…溝，１６ａ…ガス流路）
１３…第1のガス流路
１３ａ…第２のガス流路
【図１】
2009181918.tif 000004
【図２】
2009181918.tif 000005
【図３】
2009181918.tif 000006
【図４】
2009181918.tif 000007
【図５】
2009181918.tif 000008
【図６】
2009181918.tif 000009