(57)【要約】【課題】高電流密度運転時であっても触媒層への反応ガスの拡散が抑制されて発電効率が低下することのない燃料電池を提供する。【解決手段】膜電極接合体１０と、膜電極接合体１０の片面に形成され、カソード流路から供給されるカソードガスを拡散して膜電極接合体１０に供給するカソードガス拡散層１２１と、膜電極接合体１０の反対面に形成され、アノード流路から供給されるアノードガスを拡散して膜電極接合体１０に供給するアノードガス拡散層１２２と、を有する燃料電池であって、カソードガス拡散層１２１は、多孔質体であり、カソード流路に面する撥水部１２１ａ及び親水部１２１ｂが並んで撥水部１２１ａから親水部１２１ｂへ液水が移動し、親水部１２１ｂの最多分布空孔径は、撥水部１２１ａの最多分布空孔径よりも大きい。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の片面に形成され、カソード流路から供給されるカソードガスを拡散して膜電極接合体に供給するカソードガス拡散層と、
前記膜電極接合体の反対面に形成され、アノード流路から供給されるアノードガスを拡散して膜電極接合体に供給するアノードガス拡散層と、
を有する燃料電池であって、
前記カソードガス拡散層は、多孔質体であり、前記カソード流路に面する撥水部及び親水部が並んで撥水部から親水部へ液水が移動し、
前記親水部の最多分布空孔径は、前記撥水部の最多分布空孔径よりも大きい、
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記カソードガス拡散層の基体は、撥水性の多孔質体であり、
前記親水部は、撥水性の基体に底を残して形成された凹みに埋め込まれている、
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記カソードガス拡散層の親水部は、前記カソード流路に突出する、
を備えることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記アノードガス拡散層は、多孔質体であり、前記膜電極接合体に面する撥水部及び親水部が並んで撥水部から親水部へ液水が移動し、
前記親水部の最多分布空孔径は、前記撥水部の最多分布空孔径よりも小さい、
ことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記アノードガス拡散層の基体は、撥水性の多孔質体であり、
前記親水部は、撥水性の基体に底を残して形成された凹みに埋め込まれている、
ことを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子で形成される電解質膜と、その電解質膜の両側に配置したカソード電極触媒層とアノード電極触媒層とを含む膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly；以下「ＭＥＡ」という)を有する固体高分子型燃料電池が従来から知られている。そして特許文献１のカソードガス拡散層(Gas Diffusion Layer；ＧＤＬ)は、撥水性の導電部材と吸水性の導電部材とがモザイク状に交互に配列されている。
【特許文献１】特開平７−１３４９９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、前述の固体高分子型燃料電池では、カソード側の吸水性領域からガス流れによって排出される水量よりも、生成水量が多くなる高電流密度運転時に、生成された液水によって吸水性領域のガス拡散層の空孔が閉塞されてしまう。すると触媒層への反応ガスの拡散が抑制され発電が阻害されて、燃料電池の発電効率が低下する。
【０００４】
本発明は、このような問題点に着目してなされたものであり、高電流密度運転時であっても触媒層への反応ガスの拡散が抑制されて発電効率が低下することのな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】
【０００５】
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。
【０００６】
本発明は、膜電極接合体(１０)と、前記膜電極接合体(１０)の片面に形成され、カソード流路から供給されるカソードガスを拡散して膜電極接合体(１０)に供給するカソードガス拡散層(１２１)と、前記膜電極接合体(１０)の反対面に形成され、アノード流路から供給されるアノードガスを拡散して膜電極接合体(１０)に供給するアノードガス拡散層(１２２)と、を有する燃料電池であって、前記カソードガス拡散層(１２１)は、多孔質体であり、前記カソード流路に面する撥水部(１２１ａ)及び親水部(１２１ｂ)が並んで撥水部(１２１ａ)から親水部(１２１ｂ)へ液水が移動し、前記親水部(１２１ｂ)の最多分布空孔径は、前記撥水部(１２１ａ)の最多分布空孔径よりも大きいことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、カソードガス拡散層は、多孔質体であり、カソード流路に面する撥水部及び親水部が並ぶようにしたので、発電反応時に生じる生成水が撥水部から親水部へ移動する。そして親水部の最多分布空孔径を撥水部の最多分布空孔径よりも大きくした。このようにすれば、親水部における液水の流動抵抗が撥水部における液水の流動抵抗よりも小さい。そのためカソードガスが流れたときに、親水部の空孔から液水が蒸発しやすく、カソードガス拡散層の親水部の含水量が減少する。含水量が減少すれば、ガス拡散性は向上する。そして燃料電池の良好な発電効率が得られるのである。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
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。
（第１実施形態）
図１は、本発明による燃料電池の第１実施形態を示す図であり、図１(Ａ)はカソードガス拡散層を上方から見た図、図１(Ｂ)は図１(Ａ)のＢ−Ｂ断面図である。
【０００９】
燃料電池セル１は、膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly；以下「ＭＥＡ」という)１０の表裏両面にカソードガス拡散層(Gas Diffusion Layer；ＧＤＬ)１２１及びアノードガス拡散層１２２が配置される。そしてカソードガス拡散層１２１の表面がカソードセパレータ(図示を省略)の反応ガス流路に面する。アノードガス拡散層１２２の表面がアノードセパレータ(図示を省略)の反応ガス流路に面する。
【００１０】
ＭＥＡ１０は、電解質膜１１と、カソード電極触媒層１１１と、アノード電極触媒層１１２と、を含む。
【００１１】
電解質膜１１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１１は、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。そのため、電解質膜１１の性能を引き出して発電効率を向上させるには、電解質膜１１の含水状態を最適に保つ必要がある。そこで、本実施形態では、燃料電池セル１に導入する反応ガス(カソードガス及びアノードガス)を加湿している。なお、電解質膜１１の含水状態を最適に保つための水には純水を用いるとよい。これは不純物が混入した水を燃料電池セル１に供給しては、電解質膜１１に不純物が蓄積し発電効率が低下するからである。
【００１２】
カソード電極触媒層１１１は電解質膜１１の片面(図１(Ｂ)の上側)に設けられ、アノード電極触媒層１１２は反対面(図１(Ｂ)の下側)に設けられる。カソード電極触媒層１１１及びアノード電極触媒層１１２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。
【００１３】
カソードガス拡散層１２１は、カソード電極触媒層１１１の外側に配置される。アノードガス拡散層１２２は、アノード電極触媒層１１２の外側に配置される。カソードガス拡散層１２１及びアノードガス拡散層１２２は、十分なガス拡散性及び導電性を有する多孔体などで形成される。
【００１４】
燃料電池にアノードガスＨ2及びカソードガスＯ2が供給されると、そのアノードガスＨ2はアノードガス拡散層１２２で拡散され、アノード電極触媒層１１２に供給される。またカソードガスＯ2はカソードガス拡散層１２１で拡散され、カソード電極触媒層１１１に供給される。そして、アノード電極触媒層１１２、カソード電極触媒層１１１において、以下の反応が進行して発電する。
【００１５】
アノード電極触媒層  ：２Ｈ2 → ４Ｈ+ ＋ ４ｅ-
カソード電極触媒層  ：４Ｈ+ ＋ ４ｅ- ＋ Ｏ2 → ２Ｈ2Ｏ
カソードガス拡散層１２１の反応ガス流路に面する部分には、撥水部１２１ａと親水部１２１ｂとが並ぶ。カソード電極触媒層１１１では上述のような反応が進行し液水が生成される。この液水は撥水部１２１ａから親水部１２１ｂへ移動する。親水部１２１ｂの最多分布空孔径は、撥水部１２１ａの最多分布空孔径よりも大きい。
【００１６】
図２は、最多分布空孔径を説明する図である。
【００１７】
上述のようにカソードガス拡散層１２１及びアノードガス拡散層１２２は、十分なガス拡散性及び導電性を有する多孔体である。この孔径の分布は、通常は図２(Ａ)のように正規分布になる。このような場合は中央値が最も多く分布する空孔径(最多分布空孔径)である。しかしながら、製造バラツキで図２(Ｂ)や図２(Ｃ)のように分布することもある。このような場合であっても、最も多く分布する空孔径によって特性が支配されやすいので、本発明では特にこの最多分布空孔径に着目している。なお空孔径の分布は、JIS R 1655にあるように水銀圧入法によって計測可能である。
【００１８】
図３は、本発明による燃料電池ガス拡散層構造の第１実施形態による作用を説明する図である。
【００１９】
本実施形態では、カソードガス拡散層１２１は、十分なガス拡散性及び導電性を有する多孔体などで形成される。カソードガス拡散層１２１の反応ガス流路に面する部分には、撥水部１２１ａと親水部１２１ｂとが並ぶ。
【００２０】
このように構成したので、カソード電極触媒層１１１で生成された液水Ｈ2Ｏは、図中矢印で示すように、撥水部１２１ａから親水部１２１ｂへ移動する。そして親水部１２１ｂの最多分布空孔径が、撥水部１２１ａの最多分布空孔径よりも大きいので、親水部１２１ｂにおける液水の流動抵抗は撥水部１２１ａにおける液水の流動抵抗よりも小さい。そのためカソードガスが流れたときに、親水部１２１ｂの空孔から液水が蒸発しやすく、カソードガス拡散層１２１の親水部１２１ｂの含水量が減少する。含水量が減少すれば、ガス拡散性は向上する。そして燃料電池の良好な発電効率が得られるのである。
【００２１】
（第２実施形態）
図４は、本発明による燃料電池の第２実施形態を示す断面図である。
【００２２】
なお以下では前述と同様の機能を果たす部分には同一の符号を付して重複する説明を適宜省略する。
【００２３】
本実施形態のカソードガス拡散層１２１は基体が撥水性の多孔質体である。そしてこの撥水性の基体に底を残して凹みが形成されている。そしてこの凹みに親水部１２１ｂが埋め込まれている。
【００２４】
このような構成によれば、カソード電極触媒層１１１の全面に、撥水性の多孔体(カソードガス拡散層１２１)が接面する。カソード電極触媒層１１１で生成された液水Ｈ2Ｏは、カソードガス拡散層１２１に浸透し、親水部１２１ｂへ移動する。したがってカソード電極触媒層１１１の付近でのカソードガス拡散層１２１の含水量が適度に少なめに保持され、カソードガス拡散層１２１は良好なガス拡散性を呈する。したがって多くのカソードガスをカソード電極触媒層１１１へ供給でき、燃料電池の良好な発電効率が得られるのである。
【００２５】
（第３実施形態）
図５は、本発明による燃料電池の第３実施形態を示す断面図である。
【００２６】
本実施形態のカソードガス拡散層１２１は親水部１２１ｂがカソードセパレータの反応ガス流路に突出する。
【００２７】
図６は、第３実施形態のカソードガス拡散層の製造方法を説明する図である。
【００２８】
まずはじめに図６(Ｂ)に示すように、撥水性の多孔質の基体１２１ａに凹み１２１ｃを形成する(凹み形成工程＃１０１)。なおこの凹み１２１ｃは、親水性ブロック１２１ｂよりも小さめである。
【００２９】
次に図６(Ｃ)に示すように、親水性ブロック１２１ｂを凹み１２１ｃに圧入する(親水性ブロック圧入工程＃１０２)。
【００３０】
このようにすれば、接着剤などを使用することなく、第２実施形態のカソードガス拡散層１２１を製造可能である。
【００３１】
このような構成によれば、カソードセパレータの反応ガス流路をカソードガスが流れたときに、親水部１２１ｂの空孔から液水がさらに蒸発しやすくなる。したがって、カソードガス拡散層１２１の親水部１２１ｂの含水量が減少し、ガス拡散性が向上する。ひいては燃料電池の良好な発電効率が得られるのである。
【００３２】
（第４実施形態）
図７は、本発明による燃料電池の第４実施形態を示す断面図である。
【００３３】
本実施形態では、アノードガス拡散層１２２にも、膜電極接合体１０に面する撥水部１２２ａと親水部１２２ｂとが並ぶ。親水部１２２ｂの最多分布空孔径は、撥水部１２２ａの最多分布空孔径よりも小さい。このように空孔径に相違を付けることで、毛細管現象による作用が大きくなり、撥水部１２２ａから親水部１２２ｂへ液水が移動しやすくなり、親水部１２２ｂの含水量が多くなる。
【００３４】
電解質膜の発電時には、イオンとともに水分子も、アノード側からカソード側へ移動する。水移動量が増加する高電流密度で発電しようとするとアノード側の電解質膜の加湿に供される液水が不足して、電解質膜のアノード側が乾燥するおそれがある。
【００３５】
本実施形態の構造にすれば、水移動量が少ない低電流密度運転時には、アノードガス拡散層１２２の親水部１２２ｂに多量の液水が保持されることとなる。その後、高電流密度運転に切り替わると、親水部１２２ｂに保持されていた液水が浸透して電解質膜１１が加湿される。したがって高電流密度時にも、アノード側の電解質膜を加湿するための液水が不足することがなく、電解質膜の導電率が向上し、発電の効率が向上する。
【００３６】
（第５実施形態）
図８は、本発明による燃料電池の第５実施形態を示す断面図である。
【００３７】
本実施形態のアノードガス拡散層１２２は基体が撥水性の多孔質体である。そしてこの撥水性の基体に底を残して凹みが形成されている。そしてこの凹みに親水部１２２ｂが埋め込まれている。親水部１２２ｂはアノードセパレータの反応ガス流路に露出していない。
【００３８】
このような構成によれば、アノードセパレータの反応ガス流路にアノードガスが流れても、親水部１２２ｂから液水は蒸発しにくい。したがって液水の含水量が一層増え、発電効率がさらに向上するのである。
【００３９】
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。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明による燃料電池の第１実施形態を示す図である。
【図２】最多分布空孔径を説明する図である。
【図３】本発明による燃料電池ガス拡散層構造の第１実施形態による作用を説明する図である。
【図４】本発明による燃料電池の第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の第３実施形態を示す断面図である。
【図６】第３実施形態のカソードガス拡散層の製造方法を説明する図である。
【図７】本発明による燃料電池の第４実施形態を示す断面図である。
【図８】本発明による燃料電池の第５実施形態を示す断面図である。
【符号の説明】
【００４１】
１０  膜電極接合体
１２１  カソードガス拡散層
１２１ａ  撥水部
１２１ｂ  親水部
１２２  アノードガス拡散層
１２２ａ  撥水部
１２２ｂ  親水部
【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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【図８】
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