(57)【要約】【課題】製造コストを高騰させることなく、簡易な構造変更にて、スタック形成時に押圧力が作用した際に、ガス流路となるセパレータの溝下におけるガス拡散層と電極触媒層の間に水溜りとなる隙間が形成され難い燃料電池を提供する。【解決手段】膜電極接合体１（ＭＥＡ）をアノード側およびカソード側のガス拡散層２，２が挟持し、該ガス拡散層２，２をアノード側およびカソード側のセパレータ３，３が挟持してなり、該セパレータ３のガス拡散層側の側面には、間隔を置いて配設された複数のリブ３２，３２間にガス流路となる溝３１が形成されてなる燃料電池の単セル１０において、ガス拡散層２のうち、溝３１に対向する領域２Ｂの弾性率がリブ３２に対向する領域２Ａの弾性率に比して高くなっている。【選択図】図１
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【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セパレータが挟持してなる燃料電池であって、該セパレータのガス拡散層側の側面には、間隔を置いて配設された複数のリブ間にガス流路となる溝が形成されてなる燃料電池において、
前記ガス拡散層のうち、前記溝に対向する領域の弾性率が前記リブに対向する領域の弾性率に比して高くなっている、燃料電池。
【請求項２】
前記溝に対向する領域の気孔率が、前記リブに対向する領域の気孔率に比して低くなっている、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
ガス拡散層の前記溝に対向する領域がカーボンペーパーから形成され、前記リブに対向する領域がカーボンクロスから形成されている、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】
本発明は燃料電池に係り、特に、セパレータに形成されたリブとガス流路となる溝により、スタッキング時にガス拡散層に押圧力が作用した際にガス拡散層と電極触媒層の間に隙間が形成され、これが水溜りとなって生じ得るフラッティングを効果的に抑止することのでき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】
セパレータの少なくとも膜電極接合体側の側面に複数のリブが間隔を置いて形成され、リブ間に形成された溝がガス流路となるセパレータを具備する燃料電池においては、スタック形成時に各セルに付与される圧縮力により、セパレータの溝に対向するガス拡散層領域において該ガス拡散層と電極触媒層との間に隙間が形成され易いことが本発明者によって特定されている。
【０００５】
これを図３に基づいて説明する。図３は、ＭＥＡａとカソード側のガス拡散層ｂ、ガス流路となる溝ｃ１をガス拡散層ｂ側に具備するセパレータｃとを模式的に図示したものである。セパレータｃのリブｃ２下のガス拡散層領域においては、付与される圧縮力Ｑが該リブｃ２によって直接的にガス拡散層ｂおよびＭＥＡａを押圧するのに対して、セパレータｃの溝ｃ１下のガス拡散層ｂには圧縮力が直接的に作用しない。したがって、ガス拡散層ｂはリブｃ２下の電極触媒層で固定され、溝ｃ１下では該溝ｃ１側へ変形し易くなってしまう。図中のラインＬは、押圧力によって形成されるガス拡散層ｂの下端の蛇行ラインを模擬したものであり、溝ｃ１下では溝ｃ１側に盛り上がる山Ｙが形成される。  
【０００６】
上記するガス拡散層ｂの下端ラインにおける山Ｙと電極触媒層の間で隙間が形成されると、この隙間が水溜りＭとなり、特にカソード側では、電気化学反応で生成された生成水がこの水溜りＭに収容されてフラッティングの原因となり得る。
【０００７】
ところで、特許文献１には、セパレータのリブ形状に応じて高弾性率の物質を膜電極接合体の内部に配設してなる燃料電池が開示されている。これは、リブ下の膜電極接合体領域を過度な押圧力から保護することを目的としたものであり、ポリエーテルエーテルケトンやポリエーテルサルホンなどからなるプロトン伝導性の素材で、電極触媒層や電解質膜よりも弾性率の高い部材をアノード側およびカソード側のセパレータに形成された対向するリブ間に介在させることで、リブ下の膜電極接合体を保護するようにしたものである。
【０００８】
【特許文献１】特開２００７−１６５０８３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、セパレータのリブ下の膜電極接合体を過度な押圧力から保護することが可能となる。しかし、アノード側とカソード側の双方に形成されたリブを精度よく対向させ、該リブ間に膜電極接合体とは別途の防護部材を介在させるものであることから、製造工程数が増加するとともに、部品点数も増加してしまい、燃料電池の製造コストの高騰に直結する。また、このセル構造では、上記する課題、すなわち、ガス拡散層と電極触媒層の間に形成される隙間を解消することはできない。
【００１０】
本発明は、上記する問題に鑑みてなされたものであり、製造コストを高騰させることなく、簡易な構造変更にて、スタック形成時に押圧力が作用した際に、ガス流路となるセパレータの溝下におけるガス拡散層と電極触媒層の間に水溜りとなる隙間が形成され難い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セパレータが挟持してなる燃料電池であって、該セパレータのガス拡散層側の側面には、間隔を置いて配設された複数のリブ間にガス流路となる溝が形成されてなる燃料電池において、前記ガス拡散層のうち、前記溝に対向する領域の弾性率が前記リブに対向する領域の弾性率に比して高くなっているものである。
【００１２】
本明細書における弾性率とは、ある力Ｐが作用して厚みＬ（もしくは体積Ｖ）のものがΔＬ（もしくはΔＶ）変形した場合に、（弾性率）＝Ｐ／ΔＬ（もしくはΔＶ）で定義される定数である。
【００１３】
ガス流路を形成する溝とリブをガス拡散層側に設けてなるセパレータを備えた燃料電池のセルにおいて、ガス拡散層の溝に対向する領域の弾性率をリブに対向する領域の弾性率に比して高くしておくことにより、スタッキング時の押圧力がセパレータを介してガス拡散層に作用した際に、相対的に弾性率の高い溝下の領域におけるガス拡散層がセパレータ側へ盛り上がる（変形する）ことを抑止できる。
【００１４】
ここで、部位ごとにガス拡散層の弾性率を変化させる形態として以下の形態を挙げることができる。
【００１５】
その一つの形態は、部位ごとにガス拡散層の気孔率を変化させるものであり、具体例として、溝に対向する領域の気孔率をリブに対向する領域の気孔率に比して低く設定するものである。
【００１６】
溝下のガス拡散層の気孔率を相対的に低くすることにより、該溝下のガス拡散層の弾性率は相対的に高くなり、変形し難い領域を形成できる。
【００１７】
他の一つの形態は、部位ごとにガス拡散層の素材もしくは材料を変化させることであり、具体例として、溝に対向する領域をカーボンペーパーで形成し、リブに対向する領域をカーボンクロスから形成するものである。
【００１８】
なお、カーボンクロスの弾性率：ｋ１を１とすると、カーボンペーパーの弾性率：ｋ２はおよそ２〜３程度と高いものである。
【００１９】
また、部位ごとに気孔率を変えることに加えて、カーボンペーパーとカーボンクロスを使い分ける形態であってもよいことは勿論のことである。
【００２０】
上記するいずれの形態であっても、燃料電池のガス拡散層として従来一般に使用されているカーボンクロスとカーボンペーパーを部位ごとに使い分けたり、部位ごとに気孔率を変えるだけの簡易な構成により、スタッキング時に作用する押圧力によってガス拡散層と電極触媒層の間に水溜りとなる隙間が形成されることを効果的に抑止することができる。このことは、特にカソード側で問題となる上記水溜りに起因するフラッティングの発生防止に繋がるものである。
【００２１】
本発明に特有のガス拡散層を備えたセルが積層されてなる燃料電池によれば、ガス拡散層と電極触媒層の間に水溜りとなり得る隙間が生じ難く、水溜りに起因するフラッティングの発生を防止することができる。さらには、この隙間の発生防止により、ガス拡散層の全面が電極触媒層に当接し、スタッキング時の押圧力がガス拡散層を介して電極触媒層の全面に面内均一に作用することとなる。これらフラッティングの防止とＭＥＡへの面内均一な押圧力の付与により、発電性能に優れた燃料電池を提供することができる。
【００２２】
したがって、上記する本発明による燃料電池は、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】
【００２３】
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、ガス拡散層と電極触媒層の間に水溜りとなり得る隙間が生じ難く、水溜りに起因するフラッティングの発生を防止することができ、面内均一な押圧力を電極触媒層に付与することで発電性能の向上を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
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縦断面図であり、図２は図１のカソード側を拡大した図であって、スタッキング時の押圧力が作用した状態を模擬した図である。
【００２５】
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触媒層からなるＭＥＡ１と、これを挟持するカソード側、アノード側のガス拡散層２，２と、ガス拡散層２，２を挟持するセパレータ３，３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。
【００２６】
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、電極触媒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２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。セパレータ３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。なお、セパレータ３に形成された溝３１は燃料ガスや酸化剤ガスのガス流路となり、セパレータ３の外面には冷却水用の流路を形成する不図示の溝が形成されている。この溝３１はその両側に位置するリブ３２，３２にて直線流路や蛇行流路を画成している。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
ここで、単セル１０を構成するガス拡散層２は、セパレータ３のリブ３２に対向する領域２Ａと溝３１に対向する領域２Ｂから構成されており、溝に対向する領域２Ｂの弾性率はリブに対向する領域２Ａのそれに比して高い弾性率を有している。
【００３０】
領域２Ｂの弾性率を領域２Ａのそれに比して高弾性、すなわち変形し難くする形態として、以下の２つの形態がある。
【００３１】
その一つの形態は、領域２Ｂの気孔率を領域２Ａのそれに比して低くした形態である。領域２Ｂの気孔率を相対的に低くすることにより、領域２Ｂの弾性率（もしくは剛性）が相対的に大きくなり、変形し難い領域が形成される。
【００３２】
他の一つの形態は、領域２Ｂをカーボンペーパーから形成し、領域２Ａをカーボンクロスから形成するものである。カーボンクロスの弾性率：ｋ１を１とすると、カーボンペーパーの弾性率：ｋ２はおよそ２〜３程度であることから、これらを部位ごとに使い分けるだけで部位ごとの剛性を変化させることができる。
【００３３】
ガス拡散層２の溝３１に対向する領域２Ｂの弾性率をリブ３２に対向する領域２Ａのそれに比して相対的に高くすることにより、図２で示すごとく、スタッキング時にセパレータ３を介してガス拡散層２に押圧力Ｑが作用した際に、直接的に押圧力が作用しない領域２Ｂの剛性が大きいことから、図３で示すようなガス拡散層下端の蛇行ラインが形成され難くなる。したがって、図３で示す従来構造の場合に問題となっていた水溜りとこれに起因するフラッティングの発生が効果的に抑止される。
【００３４】
さらに、同図で示すように、領域２ＢにてＭＥＡ１との間で隙間が形成され難くなることにより、領域２Ａ，２Ｂから同程度の押圧力ｑをＭＥＡ１に作用させることが可能となり、面内均一な発電に繋がる。
【００３５】
図示する本発明の燃料電池セルの構造は、ガス拡散層の弾性率を部位ごとに変化させただけの簡易な構造であり、具体的には、気孔率を変化させたり、従来一般に使用されているカーボンクロスとカーボンペーパーを使い分けるだけであることから、製造コストの高騰に繋がるものではない。
【００３６】
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】
【００３７】
【図１】本発明の燃料電池スタックを構成する単セルの縦断面図である。
【図２】図１のカソード側を拡大した図であって、スタッキング時の押圧力が作用した状態を模擬した図である。
【図３】従来の燃料電池スタックを構成する単セルのカソード側を拡大した図であって、スタッキング時の押圧力が作用した状態を模擬した図である。
【符号の説明】
【００３８】
１…ＭＥＡ、２…ガス拡散層（ＧＤＬ）、２Ａ…リブに対向する領域、２Ｂ…溝に対向する領域、３…セパレータ、３１…溝、３２…リブ、１０…単セル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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