(57)【要約】【課題】電解質膜の乾燥や過加湿を防止できる燃料電池用セパレータ構造及び燃料電池を提供する。【解決手段】燃料電池のガス拡散層２２２に当接し、そのガス拡散層２２２へ反応ガスを供給する燃料電池用セパレータの構造であって、反応ガスの湿度変化に対する圧力損失変化率が、ガス拡散層の圧力損失変化率と相違することで、ガス拡散層への供給ガス量を調整可能なガス供給量調整部１３を有する、ことを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池のガス拡散層に当接し、そのガス拡散層へ反応ガスを供給する燃料電池用セパレータの構造であって、
前記反応ガスの湿度変化に対する圧力損失変化率が、前記ガス拡散層の圧力損失変化率と相違することで、ガス拡散層への供給ガス量を調整可能なガス供給量調整部を有する、
ことを特徴とする燃料電池用セパレータ構造。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池用セパレータ構造において、
前記ガス供給量調整部は、前記反応ガスの湿度変化に対する圧力損失変化率が、前記ガス拡散層の圧力損失変化率よりも大きく、前記反応ガスの湿度が比較的小さいときには圧力損失が前記ガス拡散層の圧力損失よりも小さくなってガス拡散層への供給ガス量を減量し、前記反応ガスの湿度が比較的大きいときには圧力損失が前記ガス拡散層の圧力損失よりも大きくなってガス拡散層への供給ガス量を増量する、
ことを特徴とする燃料電池用セパレータ構造。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の燃料電池用セパレータ構造において、
前記燃料電池用セパレータは、ガス流入側が開放しガス流出側が閉塞する反応ガス供給流路と、ガス流入側が閉塞しガス流出側が開放する反応ガス排出流路と、がリブを介して交互に並んだインターデジテイテッド型セパレータであり、
前記ガス供給量調整部は、前記リブである、
ことを特徴とする燃料電池用セパレータ構造。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池用セパレータ構造において、
前記リブは、周囲相対湿度に応じて水分を吸収して膨潤する特性の吸湿性樹脂を含む、
ことを特徴とする燃料電池用セパレータ構造。
【請求項５】
請求項３に記載の燃料電池用セパレータ構造において、
前記リブは、隣り合う前記反応ガス供給流路と前記反応ガス排出流路とを連通し、前記反応ガスの湿度変化に応じて通路断面積が変化する連通路を有する、
ことを特徴とする燃料電池用セパレータ構造。
【請求項６】
請求項１又は請求項２に記載の燃料電池用セパレータ構造において、
前記燃料電池用セパレータは、周囲相対湿度に応じて水分を吸収して膨潤する特性の吸湿性樹脂を含み、前記ガス拡散層に全面でほぼ均等に接面するガス供給層を有し、そのガス供給層が前記ガス供給量調整部である、
ことを特徴とする燃料電池用セパレータ構造。
【請求項７】
請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の燃料電池用セパレータ構造を有する、
ことを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池用セパレータ構造及びそのセパレータ構造を有する燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の燃料電池は、集電体セパレータにガス供給流路とガス排出流路を分離して形成し、ガス供給流路のすべてのガスがガス拡散層又は電極触媒層をくぐり抜けてガス排出流路へ排出されるように構成したものが知られている(特許文献1)。
【０００３】
また、ガス流路の上流と下流とを隔てるリブを多孔質構造にして、全流量を対流させずに一部をリブで透過させるように構成したものが知られている(特許文献２)。
【特許文献１】特開平１１−１６５９１号公報
【特許文献２】特開２００５−３２２５９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１においては、触媒層の近傍を反応ガスが対流するので、運転条件によってはスタック温度が高温になってスタックに供給する反応ガスの相対湿度が低下する場合がある。たとえば低速登坂走行中にそのような状態になることがある。すると触媒近傍を対流させない場合に比べて膜電極構造体が乾燥し、プロトン伝導性が低下する、という問題がある。
【０００５】
また、特許文献２においては、乾燥していない領域や運転条件では、実質的にガス拡散層の反応ガス対流流量が減ってしまうので、反応ガス濃度分極が生じてしまって十分な性能を発揮できない、という問題がある。
【０００６】
本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、電解質膜の乾燥や過加湿を防止できる燃料電池用セパレータ構造及び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】
【０００７】
本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために本発明の実施形態に対応する符号を付するが、これに限定されるものではない。
【０００８】
本発明は、燃料電池のガス拡散層(２２２)に当接し、そのガス拡散層(２２２)へ反応ガスを供給する燃料電池用セパレータの構造であって、前記反応ガスの湿度変化に対する圧力損失変化率が、前記ガス拡散層の圧力損失変化率と相違することで、ガス拡散層への供給ガス量を調整可能なガス供給量調整部(１３，１３０)を有する、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、反応ガスの湿度変化に対する圧力損失変化率が、ガス拡散層の圧力損失変化率と相違することで、ガス拡散層への供給ガス量を調整することができるので、反応ガスの湿潤度に応じてガス拡散層を良好な湿潤度に保つことができるようになり、電解質膜の乾燥や過加湿を防止できるのである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下では図面等を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。
【００１１】
まずはじめに本発明の理解を容易にするために、図７を参照して一般的なインターデジテイテッド型セパレータについて説明する。なお図７(Ａ)は一般的なインターデジテイテッド型セパレータの平面図、図７(Ｂ)はインターデジテイテッド型セパレータを使用する単セルの、図７(Ａ)のＢ−Ｂ断面に相当する断面図である。
【００１２】
インターデジテイテッド型のセパレータ１０は、反応ガス供給流路１１と、反応ガス排出流路１２と、を含む。
【００１３】
反応ガス供給流路１１は、ガス流入側が開放しガス流出側が閉塞する。反応ガス排出流路１２は、ガス流入側が閉塞されガス流出側が開放される。反応ガス供給流路１１と反応ガス排出流路１２とは、リブ１３を介して交互に並ぶ。反応ガス供給口１４から供給された反応ガスは、反応ガス供給流路１１を流れる。また反応ガス排出流路１２を流れた反応ガスは、反応ガス排出口１５から排出される。なおセパレータ１０の周囲にはシールが配置される。図７(Ａ)ではこのシールを破線で示した。
【００１４】
図７(Ｂ)に示すように燃料電池の単セル１は、膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly；以下「ＭＥＡ」という)２０の表裏両面にアノードセパレータ１０ａ及びカソードセパレータ１０ｂが配置された構成である。
【００１５】
ＭＥＡ２０は、電解質膜２１と、アノード電極２２ａと、カソード電極２２ｂと、を含む。
【００１６】
電解質膜２１は、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る。電解質膜２１は、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。
【００１７】
アノード電極２２ａは電解質膜２１の片面(図７(Ｂ)の左側)に設けられ、カソード電極２２ｂは反対面(図７(Ｂ)の右側)に設けられる。アノード電極２２ａ及びカソード電極２２ｂは、触媒層２２１と、ガス拡散層(Gas Diffusion Layer；ＧＤＬ)２２２と、で構成される。触媒層２２１は、たとえば白金が担持されたカーボンブラック粒子で形成される。ガス拡散層２２２は、充分なガス拡散性及び導電性を有する部材、たとえばカーボン繊維で形成される。
【００１８】
アノードセパレータ１０ａは、アノード電極２２ａの外側に重なる。アノードセパレータ１０ａの片面(アノード電極２２ａへの対向面)には、リブ１３が凸設され、リブ１３の間に反応ガス供給流路１１及び反応ガス排出流路１２が形成される。アノードセパレータ１０ａは、たとえばカーボン製又は金属製である。
【００１９】
カソードセパレータ１０ｂは、カソード電極２２ｂの外側に重なる。カソードセパレータ１０ｂの片面(カソード電極２２ｂへの対向面)には、リブ１３が凸設され、リブ１３の間に反応ガス供給流路１１及び反応ガス排出流路１２が形成される。カソードセパレータ１０ｂは、たとえばカーボン製又は金属製である。
【００２０】
反応ガス供給口１４から供給された反応ガス(アノードガス、カソードガス)は、まず反応ガス供給流路１１を流れ、図７(Ｂ)に矢印で示すようにガス拡散層(ＧＤＬ)２２２を透過して、反応ガス排出流路１２に到達し、反応ガス排出口１５から排出される。
【００２１】
このような構造によれば、反応ガス供給流路１１を流れる反応ガスに含まれる水分(燃料電池の反応によって生じた生成水)が反応ガスともにガス拡散層(ＧＤＬ)２２２に到達するので、電解質膜２１の加湿状態が良好に保たれるのである。また反応ガスが反応ガス排出流路１２に流出し、反応生成水を持ち去ることができるので、これによっても電解質膜２１の加湿状態が良好に保たれる。したがって電解質膜２１の湿潤度合が良好に維持されるのである。
【００２２】
しかしながら、反応ガス供給流路１１を流れる反応ガスが乾燥気味であるときに、反応ガスがガス拡散層(ＧＤＬ)２２２に到達するようにしては、ガス拡散層(ＧＤＬ)２２２から反応生成水を持ち去られて乾燥してしまい良好な湿潤状態が得られない。そこで本件発明者らは、反応ガスの湿潤状態に応じてガス拡散層へ流れるガス量が変わるようにしたのである。以下では具体的な構成について説明する。
【００２３】
（第１実施形態）
図１は、本発明による燃料電池用セパレータ構造の第１実施形態を示す図であり、図７(Ｂ)に相当する断面図である。
【００２４】
本実施形態の燃料電池用セパレータ１０のリブ１３は、導電性の多孔質部材に、周囲相対湿度に応じて水分を吸収して膨潤する特性の吸湿性樹脂を含む。このような特性は、たとえば、ヒドロキシル基(-OH)、−カルボキシル基(-COOH)、アミノ基(-NH2)、カルボニル基(-CO)、スルホン基、スルホン酸基(-SO3H)、ペプチド結合(-CONH-)、エーテル結合(-COO-)、シアノ基(-CN)、ポリオキシエチレン基、チオール基(-SH)、アルデヒド基(-COH)、アミド基(-CONH2)、イミド基、イミダゾール(ヘテロ環)基、エステル結合(-O-)、ホスホジエステル結合(-O-P(=O)OH-O-)などの親水性の官能基を有する高分子に見られる。なお上述の官能基は一例に過ぎず、これらの官能基に何ら制限されるものではない。またこのような親水性官能基を有していなくとも、周囲相対湿度に応じて水分を吸収して膨潤する特性であれば本発明に用いることができる。
【００２５】
本実施形態では、このような親水性官能基を有する吸湿性樹脂を多孔質部材に担持した。
【００２６】
図２は、反応ガスの湿度が変化したときのガス拡散層(ＧＤＬ)及びセパレータリブの圧力損失について説明する図である。
【００２７】
図２(Ａ)のように、ガス透過性のない材料で作製したセパレータ１０を、ガス拡散層(ＧＤＬ)２２２に当接させて、反応ガス供給流路１１及び反応ガス排出流路１２を模式的に組んだ。そして湿潤状態を変えながら反応ガスを反応ガス供給流路１１に流した。そして反応ガス供給流路１１の圧力Ｐａ１と、反応ガス排出流路１２の圧力Ｐａ２と、の圧力差(圧力損失)を測定した。すると図２(Ｃ)に示すように反応ガスの湿度が上がるにつれて圧力損失ΔＰａも上がった。すなわち反応ガスの湿度が上がるにつれて、反応ガスは、反応ガス供給流路１１から反応ガス排出流路１２へ流れにくくなっていることが分かる。
【００２８】
次に図２(Ｂ)のように、セパレータ１０を、ガス透過性のない材料で作製したガス拡散層(ＧＤＬ)２２２に当接させて、反応ガス供給流路１１及び反応ガス排出流路１２を模式的に組んだ。そして湿潤状態を変えながら反応ガスを反応ガス供給流路１１に流した。そして反応ガス供給流路１１の圧力Ｐｂ１と、反応ガス排出流路１２の圧力Ｐｂ２と、の圧力差(圧力損失)を測定した。すると図２(Ｃ)に示すように反応ガスの湿度が上がるにつれて圧力損失ΔＰｂも上がった。リブ１３の反応ガスの湿度変化に対する圧力損失変化率は、ガス拡散層２２２の圧力損失変化率よりも大きく変化した。反応ガスの湿度が比較的小さいときには、リブ１３の圧力損失ΔＰｂがガス拡散層２２２の圧力損失ΔＰａよりも小さい。反応ガスの湿度が比較的大きいときには、リブ１３の圧力損失ΔＰｂがガス拡散層２２２の圧力損失ΔＰａよりも大きい。リブ１３及びガス拡散層２２２の特性はこのようになった。
【００２９】
図３は、反応ガスの湿度が変化したときの反応ガスの通流状態を示す図であり、図３(Ａ)は反応ガスの湿潤度が低く、図３(Ｂ)は反応ガスの湿潤度が高い状態を示す。
【００３０】
リブ１３及びガス拡散層２２２の特性は、上述のような特性であるので、反応ガスの湿潤度が低いときには、図３(Ａ)のようにリブ１３の吸湿性樹脂が収縮しており、圧力損失が小さい。そのため反応ガスはリブ１３を介して反応ガス供給流路１１から反応ガス排出流路１２へと流れやすく、ドライアウトを生じさせない。電解質膜を保湿できるのである。反応ガスの湿潤度が高いときには、図３(Ｂ)のようにリブ１３の吸湿性樹脂が膨張しており、圧力損失が大きくなる。そのため反応ガスはリブ１３を迂回してガス拡散層２２２介して反応ガス供給流路１１から反応ガス排出流路１２へと流れ、フラッディングを生じさせない。このように本実施形態によれば、反応ガスの湿潤度に応じてガス拡散層２２２へのガス供給が変化するようになったので、ガス拡散層を良好な湿潤度に保つことができ、電解質膜の湿潤度が良好に保たれるようになったのである。
【００３１】
すなわち本発明では、高湿潤状態では、反応ガスをガス拡散層(電極触媒層)に強制的に通過させることで、ガス拡散電極内に溜まった水を排出することができ、フラッディングを防止している。また、低湿潤状態では、少なくともガス拡散層内に反応ガスを強制対流させることによって、ガス拡散層内に生じる反応ガス濃度勾配(特にＭＥＡを保持するリブに対向する部分で顕著である)によって触媒層に供給される反応ガス濃度が低下して発電性能が低下することを防いでいる。なお、反応ガスの対流輸送化は高電流密度領域での性能向上に著しく効果がある。このように本発明によれば、従来トレードオフの関係にあった課題を解決でき、 スタック温度の変化による反応ガスの相対湿度大きく変わる車載用スタックでは特に有効である。
【００３２】
（第２実施形態）
図４は、本発明による燃料電池用セパレータ構造の第２実施形態を示す断面図であり、図４(Ａ)は全体図、図４(Ｂ−１)(Ｂ−２)は図４(Ａ)のＢ部拡大図である。
【００３３】
本実施形態では、セパレータ１０のリブ１３を導電性緻密部材で構成し、貫通孔を形成した。そしてこの貫通孔の表面に吸湿性部材をコーティングした。
【００３４】
このような構成であっても、反応ガスの湿潤度が低いときには、図４(Ｂ−１)のようにリブ１３の吸湿性樹脂が収縮しており、圧力損失が小さい。そのため反応ガスはリブ１３を介して反応ガス供給流路１１から反応ガス排出流路１２へと流れやすい。
【００３５】
反応ガスの湿潤度が高いときには、図４(Ｂ−２)のようにリブ１３の吸湿性樹脂が膨張しており、圧力損失が大きくなる。そのため反応ガスはリブ１３を迂回してガス拡散層２２２介して反応ガス供給流路１１から反応ガス排出流路１２へと流れる。
【００３６】
本実施形態によっても、反応ガスの湿潤度に応じてガス拡散層２２２へのガス供給が変化するようになったので、ガス拡散層を良好な湿潤度に保つことができるのである。
【００３７】
（第３実施形態）
図５は、本発明による燃料電池用セパレータ構造の第３実施形態を示す図であり、図５(Ａ)は分解構成図、図５(Ｂ−１)(Ｂ−２)は多孔質部材の拡大模式図、図５(Ｃ)は縦断面図である。
【００３８】
本実施形態の燃料電池用セパレータ１００は、ガス拡散層２２２に全面でほぼ均等に接面し、周囲相対湿度に応じて水分を吸収して膨潤する特性の吸湿性樹脂１３２を含んだガス供給層１３０を有する。
【００３９】
ガス供給層１３０は、多孔質部材１３１に吸湿性樹脂１３２がコーティングしてある。ガス供給層１３０は、ガス拡散層２２２に全面でほぼ均等に接面する。
【００４０】
図６は、本発明による燃料電池用セパレータ構造の第３実施形態の作用を説明する図であり、図６(Ａ)は反応ガスの湿潤度が低い状態を示し、図６(Ｂ)は反応ガスの湿潤度が高い状態を示す。
【００４１】
上述のように構成すれば、反応ガスの湿潤度が低いときには、図５(Ｂ−１)のように吸湿性樹脂１３２が収縮している。このような状態のときには、図６(Ａ)に示すように反応ガスは、ガス供給層１３０を流れやすくなり、ガス拡散層２２２に過剰に流れてしまうことがない。反応ガスの湿潤度が高いときには、図５(Ｂ−２)のように吸湿性樹脂１３２が膨張している。このような状態のときには、図６(Ｂ)に示すように反応ガスは、ガス供給層１３０を流れにくくなり、ガス拡散層２２２に流れやすくなる。
【００４２】
このように本実施形態によっても、反応ガスの湿潤度に応じてガス拡散層２２２へのガス供給が変化するようになったので、ガス拡散層を良好な湿潤度に保つことができるのである。
【００４３】
以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明の技術的範囲に含まれることが明白である。
【００４４】
たとえば、上述したように前述の官能基はあくまでも一例に過ぎず、これらの官能基に何ら制限されるものではない。またこのような親水性官能基を有していなくとも、周囲相対湿度に応じて水分を吸収して膨潤する特性であれば本発明に用いることができる。
【００４５】
また上記説明においては、カソードセパレータにガス供給調整部を構成する場合を例示して説明したが、アノードセパレータであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明による燃料電池用セパレータ構造の第１実施形態を示す図である。
【図２】反応ガスの湿度が変化したときのガス拡散層(ＧＤＬ)及びセパレータリブの圧力損失について説明する図である。
【図３】反応ガスの湿度が変化したときの反応ガスの通流状態を示す図である。
【図４】本発明による燃料電池用セパレータ構造の第２実施形態を示す断面図である。
【図５】本発明による燃料電池用セパレータ構造の第３実施形態を示す図である。
【図６】本発明による燃料電池用セパレータ構造の第３実施形態の作用を説明する図である。
【図７】一般的なインターデジテイテッド型セパレータについて説明する図である。
【符号の説明】
【００４７】
１０  セパレータ
１１  反応ガス供給流路
１２  反応ガス排出流路
１３  リブ(ガス供給量調整部)
１３０  ガス供給層(ガス供給量調整部)
２０  膜電極接合体(ＭＥＡ)
２１  電解質膜
２２  電極
２２１  触媒層
２２２  ガス拡散層(ＧＤＬ)
【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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【図７】
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