(57)【要約】【課題】拡散層基材表面の接触角（または撥水性）と該拡散層基材に形成された孔の径、およびガス流路層の流路の幅もしくは高さの関係を適切に規定することにより、排水性能に優れ、フラッティングを効果的に防止することのできる燃料電池を提供する。【解決手段】膜電極接合体に、集電層３と拡散層基材４とからなるガス拡散層が接合され、該拡散層基材にガス流路層５が接合されてなる燃料電池において、拡散層基材４の表面接触角をθ、該拡散層基材４に形成された微細孔４１の径をＤ、ガス流路層５の流路５１の幅もしくは高さをＨとした場合に、以下の式を満足する、θ、Ｄ、Ｈを備えた燃料電池である。  [式]  0.001×(1.31 × (cosθ−cos(θ＋2)))1/2  ＜  Ｄ  ＜  Ｈ    ただし、９０°≦θ≦１８０°【選択図】図３
2009187716.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜電極接合体に、集電層（ＭＰＬ）と拡散層基材とからなるガス拡散層が接合され、該拡散層基材にガス流路層が接合されてなる燃料電池において、
前記拡散層基材の表面接触角をθ、該拡散層基材に形成された孔の径をＤ、前記ガス流路層の流路の幅もしくは高さをＨとした場合に、以下の式を満足する、θ、Ｄ、Ｈを備えた燃料電池。
[式]  0.001×(1.31 × (cosθ−cos(θ＋2)))1/2  ＜  Ｄ  ＜  Ｈ    
ただし、９０°≦θ≦１８０°で、各単位は、Ｄ、Ｈがｍｍ、θが度（°）である。
【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、集電層と拡散層基材とからなるガス拡散層とこれに接合するガス流路層の構造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触媒層（電極層）およびカソード側触媒層（電極層）とからなる膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  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拡散層とセパレータを少なくとも備えている。なお、このセパレータは、各単セルを画成するとともにガス流路層となるものであり、このガス流路層がセパレータから分離した、いわゆるフラットタイプのセパレータもある。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（またはセパレータ）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層に導かれて電気化学反応がおこなわれるものである。
【０００４】
上記するガス拡散層の形態として、拡散層基材と集電層（ＭＰＬ：Ｍｉｃｒｏ  Ｐｏｒｏｕｓ  Ｌａｙｅｒ）とから構成されるものは一般に知られるところであり、たとえば特許文献１に開示の燃料電池を挙げることができる。この拡散層基材表面にガス流路層が接合され、さらにその外側に（フラットタイプの）セパレータが接合される燃料電池においては、上記電気化学反応で生成された生成水を如何に効率的に拡散層基材からガス流路層に排水し、ガス流路層からセル外に排水するかが重要である。特にカソード電極側においては、生成水が拡散層基材等で滞留し、いわゆるフラッティングが生じた場合に、発電性能が極度に低下する。
【０００５】
上記するフラッティングを防止する方策は種々提案されているが、拡散層基材表面の接触角（または撥水性）とガス流路層の流路の幅もしくは高さとの関係に着目したものはこれまで存在していない。本発明者等によれば、これらの関係が不適切であったが故に、生成水がガス流路層に落下する前に拡散層基材の表面を埋め尽くしてしまう結果、排水性能が悪くなり、フラッティングを効果的に防止できていなかったことが特定されている。
【特許文献１】特開２００７−１８４１２９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上記する問題に鑑みてなされたものであり、拡散層基材表面の接触角（または撥水性）と該拡散層基材に形成された孔の径、およびガス流路層の流路の幅もしくは高さの関係を適切に規定することにより、排水性能に優れ、フラッティングを効果的に防止することのでき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】
【０００７】
前記目的を達成すべく、本発明による燃料電池は、膜電極接合体に、集電層（ＭＰＬ）と拡散層基材とからなるガス拡散層が接合され、該拡散層基材にガス流路層が接合されてなる燃料電池において、前記拡散層基材の表面接触角をθ、該拡散層基材に形成された孔の径をＤ、前記ガス流路層の流路の幅もしくは高さをＨとした場合に、以下の式を満足する、θ、Ｄ、Ｈを備えた燃料電池である。ここで、式は、0.001×(1.31 × (cosθ−cos(θ＋2)))1/2  ＜  Ｄ  ＜  Ｈ  である。ここで、９０°≦θ≦１８０°の角度条件であり、各単位は、Ｄ，Ｈがｍｍ、θが度（°）である。
【０００８】
本発明の燃料電池は、その構成部材であるガス拡散層の拡散層基材の表面接触角および孔径と、該拡散層基材に接触するガス流路層の流路の幅もしくは高さと、を規定することにより、電極体にて生成された生成水の排水性に優れた燃料電池に関するものである。
【０００９】
上式において、θは拡散層基材の表面接触角であって９０°以上の角度であり、一般に拡散層基材を構成するカーボンペーパーやカーボンクロス等の表面接触角は、撥水性が良好であり、場合によっては表面処理もおこなわれていることで、１２０°〜１５０°の範囲となっている。
【００１０】
また、cos(θ＋2)は、拡散層基材の孔からガス流路層の流路に臨む水滴に作用する、水滴が該流路内に落ちようとする力（重力側）の拡散層基材の平面方向成分を示しており、cosθはこの重力側の力に抗する抗力、すなわち、水滴を拡散層基材の孔表面に留めようとする力の拡散層基材の平面方向成分を示している。本発明者等の経験則によれば、重力側の水滴側面角度は抗力側の水滴側面角度よりも２°大きいことが特定されている。
【００１１】
さらに、定式における、係数の１．３１は、水の表面張力、重力、比重等をファクターとして本発明者等によって決定された係数である。
【００１２】
左式は、水滴の断面を取り出してそれに作用する重力成分と抗力成分の差分を求める式となっており、これを拡散層基材の孔径やガス流路層の流路幅等と次元を一致させる関係で、左式の全体を１／２乗している。
【００１３】
定式において、0.001×(1.31 × (cosθ−cos(θ＋2)))1/2  ＜  Ｄの関係式を満たすＤを決定することにより、所定の表面接触角（撥水性）を有する拡散層基材の微細孔を生成水が閉塞することなく、ガス流路層の流路内に該生成水を排水することができる。
【００１４】
一方、Ｄ  ＜  Ｈの関係式を見たすＤを決定することにより、ガス流路層の流路に臨む水滴が該流路を閉塞して生成水の排水性が阻害されることを回避することができる。
【００１５】
上記関係式を満足する拡散層基材やガス流路層は、特に生成水の排水性能が要求されるカソード側の電極体の形成に適用されるものであるが、アノード側の電極体の形成に適用してもよいことは勿論のことである。
【００１６】
本発明の燃料電池は、その構成部材である拡散層基材表面の表面接触角に応じて、拡散層基材に形成される微細孔の孔径を調整するだけで、生成水の排水性に優れ、もって発電性能に優れた燃料電池となるものである。
【００１７】
本発明による拡散層基材とガス流路層を備えた燃料電池によれば、生成水の排水性に優れ、もって発電性能に優れるとともに耐久性の高い燃料電池を提供することができる。したがって、この燃料電池は、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、高耐久性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】
【００１８】
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、拡散層基材の表面接触角に応じてその微細孔の孔径を調整するだけの極めて簡易な構造で排水性能を効果的に高めることができ、発電性能および耐久性の向上を図ることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
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の単セルの一実施の形態の縦断図であり、図２は図１のII部の拡大図であり、図３は拡散層基材から排出される生成水（水滴）に作用する力と、拡散層基材の表面接触角、孔径およびガス流路層の流路の幅を説明した模式図である。
【００２０】
図１に示す燃料電池の単セルの構造は、イオン交換膜である電解質膜１と、これを挟持するアノード側、カソード側の触媒層２，２と、から形成される膜電極接合体（ＭＥＡ）と、この膜電極接合体を挟持するガス拡散層（を構成する集電層３（ＭＰＬ）および拡散層基材４）と、ガス拡散層を挟持する導電性多孔体のガス流路層５，５およびセパレータ６，６と、からなり、その周縁にたとえばゴム等の樹脂製のガスケットが形成されて構成される。なお、ＭＥＡとガス拡散層を含めて膜電極接合体（ＭＥＧＡ）と称することもできる。
【００２１】
電解質膜１は、高分子材料であるフッ素系膜、ＨＣ膜などからなり、触媒層２、集電層３、拡散層基材４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であり、カーボンペーパーやカーボンクロスから形成される。また、不図示のガスケットは、たとえば膜電極接合体（ＭＥＧＡ）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。
【００２２】
ガス流路層５は多孔質のラスメタルからなるもので、その構造の具体例としては、アノード側のラスメタルの端部がカソード側に屈曲し、さらに屈曲してマニホールド側に延びることでガスケットの補強材となる形態もある。
【００２３】
実際の燃料電池においては、所望する発電量に応じて図示する単セル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圧縮力が加えられて燃料電池が形成される。
【００２４】
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ものである。
【００２５】
電気化学反応により、膜電極接合体で生じた生成水Ｗは拡散層基材４に形成された多数の微細孔４１を介し、該拡散層基材４と接触するガス流路層５に形成されたガス流路５１を介してセル外に排水される（図２参照）。
【００２６】
ここで、図３で示すように、拡散層基材４に形成された微細孔４１の孔径をＤ、ガス流路層５に形成されたガス流路５１の高さをＨ（幅をＨ’としてここではＨ’＞  Ｈ）とする。また、拡散層基材４の表面接触角をθ（９０°≦θ≦１８０°）とする。
【００２７】
微細孔４１からガス流路５１に臨む水滴Ｗには、該水滴Ｗに作用する重力によって水滴Ｗをガス流路５１内に滴下させようとする力：重力Ｇと、この重力Ｇに抗して水滴Ｗを図示位置に留めようとする力：抗力Ｒが作用している。なお、より具体的には、重力Ｇ、抗力Ｒに関し、拡散層基材５の各平面方向成分が重力Ｇ、抗力Ｒとなる。
【００２８】
ここで、抗力Ｒは拡散層基材の表面接触角：θ°にて規定することができる一方、重力Ｇは本発明者等の経験則により、θ−２°で規定することができる。
【００２９】
水滴Ｗの直径を微細孔の孔径：Ｄと同一と仮定した場合に、微細孔４１の直径Ｄが、拡散層基材４の表面接触角との関係から下式を満足することにより、図示位置に留まることなく、ガス流路５１内に滴下されることになる。
0.001×(1.31 × (cosθ−cos(θ＋2)))1/2  ＜  Ｄ  ただし、９０°≦θ≦１８０°    ・・・・・・・・・・（式１）
【００３０】
上式において、係数の１．３１は、水の表面張力、重力、比重等をファクターとして本発明者等により決定された係数である。また、式１の左式は水滴Ｗの断面を取り出してそれに作用する重力Ｇ成分と抗力Ｒ成分の差分を求める式となっており、これを微細孔４１の孔径Ｄやガス流路５１の高さＨもしくは幅Ｈ’と次元を一致させる関係で、左式の全体が１／２乗されている。
【００３１】
上記する式１を満足するＤを決定することにより、拡散層基材４の表面接触角に応じてフラッティングを生じさせない排水性能を有する微細孔４１の孔径の下限が規定される。
【００３２】
一方、微細孔４１の上限は拡散層基材４に接触するガス流路層５のガス流路５１の高さＨもしくは幅Ｈ’にて規定することができ、下式を満足すればよい。
Ｄ  ＜  Ｈ  （もしくはＨ’）  ・・・・・・・・・・・・・・・・（式２）
【００３３】
式２は、水滴Ｗの直径がガス流路５１の高さ、幅のいずれか一方よりも大きな場合に該水滴Ｗがガス流路５１を閉塞させてしまい、排水性が阻害されることより、水滴Ｗの直径、すなわち微細孔４１の直径Ｄをガス流路５１の高さもしくは幅よりも小さく規定したものである。
【００３４】
上記する式１，２を合わせて下式（式３）とし、この式３を満足する拡散層基材４の微細孔４１の孔径Ｄとその表面接触角θ、ガス流路層５のガス流路５１の幅もしくは高さを設定することにより、電気化学反応で生じた生成水を効果的に排水することができ、もってフラッティングが抑止され、発電性能に優れた燃料電池を製造することが可能となる。
0.001×(1.31 × (cosθ−cos(θ＋2)))1/2  ＜  Ｄ  ＜  Ｈ    ただし、９０°≦θ≦１８０°  ・・・・・・・・・・・（式３）
【００３５】
[式３を満足する燃料電池（実施例１，２）と満足しない従来の燃料電池（比較例）における発電性能に関する実験とその結果]
本発明者等は、上記する式３を満足するθ、Ｄ、Ｈを有する拡散層基材およびガス流路層を備えた単セルを２種類作成して実施例１，２とし、式３を満足しない従来構造の単セルを作成して比較例１，２とし、それぞれのセル電圧を計測した。なお、カーボンクロスからなる拡散層基材の表面接触角θは１４０°であり、セル温度は８０℃でフル加湿条件とし、ホールド電流を１Ａ／ｃｍ２としている。さらに、ガス流路の高さと幅は同一で0.04ｍｍである。実験結果を以下の表１に示す。
【００３６】
【表１】
2009187716.tif 000003
【００３７】
表１より、上記する式３を満足する実施例１，２ではフル加湿条件下においてもフラッティングが抑止されている結果、フラッティングによる発電性能低下が見られる比較例１，２に比して、発電性能が２倍以上もアップすることが実証された。なお、本実験より、フラッティングを生じることなく発電が可能となる微細孔の孔径の範囲は、0.00017ｍｍより大きく、0.04ｍｍよりも小さな範囲であることが特定されており、この範囲は、上式（３）を満足する範囲である。
【００３８】
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】
【００３９】
【図１】本発明の燃料電池の単セルの一実施の形態の縦断図である。
【図２】図１のII部の拡大図である。
【図３】拡散層基材から排出される生成水（水滴）に作用する力と、拡散層基材の表面接触角、孔径およびガス流路層の流路の幅を説明した模式図である。
【符号の説明】
【００４０】
１…電解質膜、２…触媒層、３…集電層（ＭＰＬ）、４…拡散層基材、４１…微細孔、５…ガス流路層、５１…ガス流路、６…セパレータ、Ｗ…水滴（生成水）
【図１】
2009187716.tif 000004
【図２】
2009187716.tif 000005
【図３】
2009187716.tif 000006