(57)【要約】【課題】スタッキング時の押圧力に対するセルの変形量の確保と、膜電極接合体への良好なガスの拡散性の双方を満足する燃料電池を提供する。【解決手段】膜電極接合体１をアノード側およびカソード側のガス拡散層２Ａ，２Ａ’が挟持し、該ガス拡散層２Ａ，２Ａ’をアノード側およびカソード側のガス流路層４，４が挟持し、該ガス流路層４，４をアノード側およびカソード側のセパレータ５，５が挟持してなる燃料電池のセルであり、カソード側、もしくはカソード側およびアノード側の双方におけるガス流路層４とセパレータ５との間に、導電性を有する弾性材（ガス拡散層２Ｂ，２Ｂ’）が介在している。【選択図】図１
2009252668.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜電極接合体をアノード側およびカソード側のガス拡散層が挟持し、該ガス拡散層をアノード側およびカソード側のガス流路層が挟持し、該ガス流路層をアノード側およびカソード側のセパレータが挟持してなる燃料電池において、
カソード側、もしくはカソード側およびアノード側の双方におけるガス流路層とセパレータとの間に、導電性を有する弾性材が介在していることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記弾性材が、前記ガス拡散層とは別途のガス拡散層からなる、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
膜電極接合体に当接するガス拡散層の層厚が前記弾性材の層厚に比して薄くなっている、請求項１または２に記載の燃料電池。
【請求項４】
カソード側のみが２層の前記ガス拡散層を有し、かつ、該２層のガス拡散層の層厚の和がアノード側のガス拡散層に比して厚くなっている、請求項３に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記弾性材は、膜電極接合体とガス流路層の間のガス拡散層に比して低弾性率を有している、請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に係り、特に、ガス拡散層を介したガスの拡散性に優れた定寸構造スタックからなる燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池の単セルは、イオン透過性の電解質膜と、該電解質膜を挟持するアノード側電極層およびカソード側電極層とからなる膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）、もしくは、該電極層をガス拡散層（ＧＤＬ）で挟持してなる膜電極接合体（ＭＥＧＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  ＆  Ｇａｓ  Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ  Ｌａｙｅｒ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）と、該膜電極接合体に燃料ガスもしくは酸化剤ガスを提供するとともに電気化学反応によって生じた電気を集電するためのガス流路層およびセパレータを少なくとも備えている。なお、セパレータがガス流路層の作用をも兼ね備えたセル構造も従来一般に知られるところである。燃料電池スタックは、所要電力に応じてこの単セルを所定数だけ積層することによって形成されている。
【０００３】
上記する燃料電池では、アノード電極に燃料ガスとして水素ガス等が提供され、カソード電極には酸化剤ガスとして酸素や空気が提供され、各電極では固有のガス流路層にて面内方向にガスが流れ、次いでガス拡散層にて拡散されたガスが電極触媒に導かれて電気化学反応がおこなわれるものである。
【０００４】
ところで、セルを積層してスタッキングする際に、各セルは往々にして熱膨張しており、定寸構造スタックを形成するために、スタッキング時の圧力によって各セルを圧縮させる必要がある。単セルに圧縮力を作用させた際に収縮する部材は一般にガス拡散層であり、したがって、ガス拡散層には、導電性やガス拡散性のほかに、変形性、すなわち所望の変形量が得られる性能も要求されている。尤も、このガス拡散層の変形も塑性変形ではなく、弾性変形することで圧縮力をＭＥＡに伝えることが可能となる。
【０００５】
ガス拡散層の変形量はその弾性率と層厚に依存することより、層厚が薄すぎては変形量が少なくなってしまうが、その一方で、層厚が厚すぎてはセルの体格が大きくなってしまう。さらに、ガス拡散層のＭＥＡに対するガスの拡散性は、その層厚が薄い方が拡散距離が短くなることから良好となることは理解に易い。
【０００６】
よって、ガス拡散層が所望の変形量を確保することとガスの拡散性能を良好にすることは背反関係にあり、双方を満足するガス拡散層を備えた燃料電池の開発が切望されている。
【０００７】
ところで、特許文献１には、気孔率の異なる２種類のガス拡散層を貼り合わせて接合拡散層を形成し、気孔率の低い拡散層を電極触媒層側に配設した燃料電池が開示されている。この燃料電池によれば、気孔率の高い拡散層にてガスの透過率を向上させ、気孔率の低い拡散層にて電極触媒層への過剰なガス供給を抑制して膜電極接合体の乾燥を抑止することができる。
【０００８】
【特許文献１】特開２００２−１６４０５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１に開示の燃料電池によれば、電極触媒層への効果的なガス提供と、膜電極接合体の乾燥抑止を同時に図ることが可能となる。しかし、気孔率の異なる２層のガス拡散層を電極触媒層に当接させた構造とすることで、ガス拡散層間の界面とガス拡散層とセパレータの界面という具合に異種部材間の界面数が増加してしまい、ＭＥＡからセパレータに水が流れる際の水溜まり箇所が増加してしまい、フラッティングをはじめとする発電性能低下に直結する。
【００１０】
本発明は、上記する問題に鑑みてなされたものであり、スタッキング時の押圧力に対するセルの変形量の確保と、膜電極接合体への良好なガスの拡散性の双方を満足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】
【００１１】
前記目的を達成すべく、本発明による燃料電池は、膜電極接合体をアノード側およびカソード側のガス拡散層が挟持し、該ガス拡散層をアノード側およびカソード側のガス流路層が挟持し、該ガス流路層をアノード側およびカソード側のセパレータが挟持してなる燃料電池において、カソード側、もしくはカソード側およびアノード側の双方におけるガス流路層とセパレータとの間に、導電性を有する弾性材が介在していることを特徴とするものである。
【００１２】
本発明の燃料電池スタックを構成する単セルは、たとえばラスメタル等からなるガス流路層をガス拡散層とセパレータの間に具備するものであり、膜電極接合体とガス流路層の間のガス拡散層を可及的に薄くするとともに、ガス流路層とセパレータの間にセル全体の変形量を確保するための導電性を有する弾性材を介在させたものである。
【００１３】
この弾性材の素材は、導電性を有し、スタッキング時に作用する押圧力によって弾性変形できる素材であれば特に限定されるものではない。
【００１４】
たとえばこの弾性材に、膜電極接合体とガス流路層の間に介在するガス拡散層とは別途のガス拡散層を設けることもでき、この場合には、２つのガス拡散層の層厚の合計を従来構造（弾性材を具備せず、膜電極接合体とガス流路層の間にのみガス拡散層が介在する形態）のガス拡散層の層厚程度とすることにより、セル厚を大きくすることなく、２層に分離されたガス拡散層を具備するセルを形成することができる。
【００１５】
膜電極接合体とガス流路層の間に介在するガス拡散層は、ガスの拡散距離を短くするために可及的に薄層であることが好ましく、それに対して、ガス流路層とセパレータの間に介在する弾性材もしくはガス拡散層の層厚は、セル全体の変形量を確保するべく可及的に厚いものであることが好ましい。なお、膜電極接合体とガス流路層の間に介在するガス拡散層の層厚を薄くするといっても、薄過ぎてはスタッキング時の押圧力を膜電極接合体に面内均一に作用させることが困難となることから、面内均一に押圧力を作用できる最小限の層厚に設定されるのがよい。
【００１６】
また、膜電極接合体とガス流路層の間に介在するガス拡散層は、その気孔率を高くすることにより、ガスの拡散作用を一層高めることができる。
【００１７】
さらに、上記する２層のガス拡散層に関し、膜電極接合体とガス流路層間のガス拡散層をカーボンペーパーから形成し、ガス流路層とセパレータ間のガス拡散層もしくは弾性材をカーボンクロスから形成することもできる。カーボンクロスはカーボンペーパーに比して低弾性率を有している（変形性に優れている）ことから、セルの変形性を期待するガス拡散層等（ガス流路層とセパレータの間のガス拡散層等）を変形し易い素材で形成するものである。
【００１８】
上記するガス拡散層と弾性材（もしくは別途のガス拡散層）からなる２層の弾性構造は、少なくともカソード側が有していればよいが、カソード側とアノード側の双方がこの２層構造を具備するものであってもよい。カソード側はアノード側に比して電圧損失の一つである濃度分極が大きいことから、ガスの拡散距離を短くするとともに膜電極接合体からガス流路層までの水の移動距離を短くするのが好ましいからである。
【００１９】
また、本発明による燃料電池の他の実施の形態は、カソード側のみが２層の前記ガス拡散層を有し、かつ、該２層のガス拡散層の層厚の和がアノード側のガス拡散層に比して厚くなっているものである。
【００２０】
カソード側のみが２層のガス拡散層を有し、その膜電極接合体側のガス拡散層を可及的に薄層としてガスの拡散距離を短くするとともに、セル全体のガス拡散層の層厚を確保するべく、アノード側のガス拡散層の一部をカソード側におけるガス流路層とセパレータの間のガス拡散層に付加する形態としたものである。
【００２１】
カソード側の電極はアノード側に比して電気化学反応によって発熱し易く、これに起因してカソード側、アノード側に蒸気圧差が生じる。この蒸気圧差を利用してカソード側で生成された生成水をアノード側に流すことでフラッティングの防止を図ることができ、さらには、アノード側電極の加湿をセル内で実行することが可能となる。また、濃度分極はカソード側が相対的に大きいことから、少なくともカソード側のガス拡散層は２層に分離するのが好ましく、これにガスの拡散性の観点から膜電極接合体側のガス拡散層を可及的に薄層とすることをも勘案すれば、カソード側は上記のごとく２層のガス拡散層を有し、アノード側は可及的に薄層のガス拡散層を有するとともに、薄くなったアノード側のガス拡散層の残りの厚みのガス拡散層をカソード側のセパレータに当接するガス拡散層の厚みに付加するものである。これにより、単セル内のガス拡散層の層厚が確保され、該単セルの押圧力による変形量を担保することができる。
【００２２】
上記する本発明の燃料電池によれば、セル内の弾性部材の層厚（ガス拡散層と弾性材の総層厚、もしくは２層のガス拡散層の総層厚）を従来構造のガス拡散層の層厚と同程度とすることができ、したがってスタッキング時の押圧力によって所定の変形量を確保することで熱膨張した各セルを定寸に納めることができる。しかも、膜電極接合体とガス流路層の間のガス拡散層の層厚を可及的に薄くすることでガスの拡散性を一層良好にでき、発電性能の向上を図ることができる。
【００２３】
このような燃料電池は、近時その生産が拡大しており、車載される燃料電池の高性能化が叫ばれている電気自動車やハイブリッド車等に好適である。
【発明の効果】
【００２４】
以上の説明から理解できるように、本発明の燃料電池によれば、スタッキング時の押圧力によるセルの変形量を確保してセルの熱膨張に対しても定寸構造スタックの製造を可能とでき、しかも、膜電極接合体への良好なガスの拡散性を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明の燃料電池スタックを構成する単セルの一実施の形態の縦断面図である。
【００２６】
図１に示す単セル１０の構造は、イオン交換膜である電解質膜とカソード側およびアノード側の電極層からなるＭＥＡ１と、これを挟持するカソード側、アノード側の第１のガス拡散層２Ａ，２Ａ’（ＧＤＬ）と、から形成される膜電極接合体３（ＭＥＧＡ）と、この膜電極接合体３を挟持する第２のガス拡散層２Ｂ，２Ｂ’と、第１のガス拡散層２Ａ，２Ｂの間、及び２Ａ’，２Ｂ’の間に介在する導電性多孔体であるガス流路層４，４と、これらを挟持する３層構造のセパレータ５，５と、からなり、その周縁に不図示の樹脂製のガスケットが一体に形成されて構成される。
【００２７】
ＭＥＡ１を構成する電解質膜は、スルホン酸基やカルボニル基を持つフッ素系イオン交換膜、置換フェニレンオキサイドやスルホン化ポリアリールエーテルケトン、スルホン化ポリアリールエーテルスルホン、スルホン化フェニレンスルファイドなどの非フッ素系のポリマーなどからなり、電極層は白金やその合金からなる触媒をカーボン等に担持させた多孔質素材からなる。ガス拡散層２Ａ，２Ａ’，２Ｂ，２Ｂ’はカーボンペーパーやカーボンクロスなどのガス透過性の素材から形成される。また、ガス流路層４は多孔質のラスメタルからなり、不図示のガスケットは、膜電極接合体３を成形型内に収容し、所望の樹脂を成形型内に射出するインサート成形にて形成することができる。
【００２８】
３層構造のセパレータ５は、隣接する単セルとの間でセル間を画成する面材５３と、これに対向するＭＥＧＡ側の面材５１と、これら面材５１，５３間に介層され、面材５１，５３の外周輪郭に沿う枠状（無端状）に形成された樹脂素材のスペーサ５２と、から構成されている。この面材５１，５３は、ガス不透過性の緻密なカーボン材や緻密黒鉛材などから形成される。面材５１における面材５３に対向する側面には、不図示の多数の突起（ディンプル）が備えてあり、この突起がスペーサ５２の厚み分の高さを有していることにより、３層構造となった際に、突起の先端が面材５３の側面と当接され、乱流状に突起間を流れる冷却水の流路が形成される。
【００２９】
図示するように、この単セル１０は、ガス流路層４を介して２層に分離された第１のガス拡散層２Ａと第２のガス拡散層２Ｂをカソード側に有しており、同様に、第１のガス拡散層２Ａ’と第２のガス拡散層２Ｂ’をアノード側に有している。
【００３０】
第１のガス拡散層２Ａ，２Ａ’の厚みはそれぞれｔ１であり、第２のガス拡散層２Ｂ，２Ｂ’の厚みはｔ２であって、ｔ１がｔ２よりも薄くなるように設定されている。なお、ｔ１とｔ２の総厚は従来のガス流路層を備えた単セルのガス拡散層の厚みと同程度となっている。
【００３１】
カソード側、アノード側のガス拡散層を２層に分離し、２層のガス拡散層の層厚の合計を従来構造の単セルのガス拡散層の層厚と同程度とし、ＭＥＡ側のガス拡散層の層厚を相対的に薄層とすることにより、以下の効果を奏することができる。
【００３２】
その一つは、ガス流路層４を介して面的に拡散された（図中のＸ方向）燃料ガスＧ２や酸化剤ガスＧ１が薄層の第１のガス拡散層２Ａ，２Ａ’を通ってＭＥＡに拡散される際（図中のＹ方向）に、ガス拡散層２Ａ，２Ａ’における拡散距離が短くなることでガスの拡散性が良好となり、燃料電池の発電性能の向上を図ることができる点である。なお、ガスの拡散性能が要求される第１のガス拡散層２Ａ，２Ａ’の気孔率を可及的に高く設定しておくことで、ガスの拡散性能をより高めることができる。
【００３３】
また、他の一つは、２層のガス拡散層２Ａ，２Ｂの層厚の合計が従来構造のセルのガス拡散層と同程度に設定されることで、単セル１０にスタッキング時の押圧力が作用した際の該単セルの変形量（圧縮量）を確保できる点である。押圧力に対する単セル１０の変形量は、その構成部材の中で最も変形性能に優れたガス拡散層の変形性能によって決定されることより、従来一般のカーボンペーパーやカーボンクロスを素材とした場合にはその弾性率は一義的に決定され、これにガス拡散層の層厚が乗じられてガス拡散層の変形量、ひいては単セル１０の変形量が決定される。したがって、単セル１０の所定の変形量を確保するためには、所定の層厚のガス拡散層を備える必要がある。
【００３４】
図示を省略するが、実際の燃料電池は、所望する発電量に応じて単セル１０が所定段積層されて燃料電池スタックが形成されるものである。さらに、この燃料電池スタックは、最外側にエンドプレート、テンションプレート等を備え、両端のテンションプレート間に押圧力（圧縮力）が加えられて定寸構造の燃料電池スタックが形成される。
【００３５】
電気自動車等に車載される燃料電池システムは、この燃料電池と、水素ガスや空気を収容する各種タンク、これらのガスを燃料電池に提供するためのブロア、燃料電池を冷却するためのラジエータ、燃料電池で生成された電力を蓄電するバッテリ、この電力で駆動する駆動モータ等から大略構成される。
【００３６】
図２は、単セルの他の実施の形態の縦断面図である。
【００３７】
この単セル１０Ａは、カソード側が２層のガス拡散層２Ａ，２Ｃを有し、アノード側は１層のガス拡散層２Ａ’を有するものである。
【００３８】
第１のガス拡散層２Ａ，２Ａ’は単セル１０で説明したように薄層に形成されており、ガスの拡散距離を短くすることで拡散性能が高められている。
【００３９】
一方、カソード側の第２のガス拡散層２Ｃの層厚：ｔ３は、図１で示す単セル１０における第２のガス拡散層２Ｂ，２Ｂ’の各層厚ｔ２の和に相当するものである。
【００４０】
この単セル１０Ａによれば、相対的に濃度分極の大きなカソード側のガス拡散層を２層に分離し、ＭＥＡ側の第１のガス拡散層２Ａ，２Ａ’を薄層とし、薄くなったアノード側のガス拡散層の残余の厚みのガス拡散層をカソード側の第２のガス拡散層２Ｃに付加することで、単セル１０Ａ全体のガス拡散層の厚みの合計は単セル１０のそれと同等に設定することができる。
【００４１】
上記する単セル１０，１０Ａは所望の弾性変形量を有することから、これらを積層してスタッキングした際に定寸構造スタックが精度よく製造される。しかも、ＭＥＡ側のガス拡散層が可及的に薄層であることより、ＭＥＡに対するガスの拡散性が良好であり、発電性能に優れた燃料電池となる。
【００４２】
以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の燃料電池スタックを構成する単セルの一実施の形態の縦断面図である。
【図２】本発明の燃料電池スタックを構成する単セルの他の実施の形態の縦断面図である。
【符号の説明】
【００４４】
１…ＭＥＡ、２Ａ，２Ａ’…第１のガス拡散層（ＧＤＬ）、２Ｂ，２Ｂ’，２Ｃ…第２のガス拡散層（弾性材）、３…膜電極接合体（ＭＥＧＡ）、４…ガス流路層（ラスメタル）、５…セパレータ、５１…面材、５２…スペーサ、５３…面材、１０，１０Ａ…単セル
【図１】
2009252668.tif 000003
【図２】
2009252668.tif 000004