(57)【要約】【課題】本発明は、燃料電池の出力性能を向上させることを目的とする。【解決手段】燃料電池は、電解質膜と、電解質膜の一方の面に形成され、電気化学反応が生じるカソード電極触媒層と、カソード電極触媒層上に配置され、電気化学反応に利用される反応ガスを拡散するガス拡散層と、ガス拡散層におけるカソード電極触媒層と接する面に形成され、疎水性を有するとともに、カソード電極触媒層との間に流路を形成する流路形成部を有する疎水層と、を備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池であって、
電解質膜と、
前記電解質膜の一方の面に形成され、電気化学反応が生じるカソード電極触媒層と、
前記カソード電極触媒層上に配置され、前記電気化学反応に利用される反応ガスを拡散するガス拡散層と、
前記ガス拡散層における前記カソード電極触媒層と接する面に形成され、疎水性を有するとともに、前記カソード電極触媒層との間に流路を形成する流路形成部を有する疎水層と、を備える燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池はさらに、
前記ガス拡散層に前記反応ガスを供給する供給口および前記ガス拡散層から前記反応ガスを排出する排出口を有し、前記ガス拡散層上に配置されるセパレータを備え、
前記流路形成部は、前記生成水を前記排出口近傍から前記供給口近傍へと導く流路を形成する燃料電池。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の燃料電池において、
前記流路形成部は、前記排出口近傍から前記供給口近傍に連通した溝状部を有し、前記溝状部により前記流路を形成する燃料電池。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池において、
前記流路形成部は、複数の前記溝状部を有する燃料電池。
【請求項５】
請求項３または請求項４に記載の燃料電池において、
前記溝状部表面は親水性である燃料電池。
【請求項６】
請求項２ないし請求項５のいずれかに記載の燃料電池において、
前記供給口および前記排出口は前記セパレータの対向する端部近傍に配置される燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池において、電気化学反応により生成された生成水がカソード電極触媒層に滞留することや、電解質膜が乾燥してプロトン伝導性が低下することにより、燃料電池の電圧が低下することが知られている。この問題の少なくとも一部を解決するため、カソード電極触媒層とガス拡散層の間に保水層を設け、この保水層が電解質膜に必要な水分を供給することでプロトン伝導性の低下を防ぐ技術が知られている（特許文献１）。また、カソード電極触媒層と電解質膜との間に空隙を有する中間層を設け、ここから生成水を排出することにより、カソード電極触媒層に生成水が滞留することを防ぐ技術が知られている（特許文献２）。また、ガス拡散層のカソード電極触媒層との接合面を疎水性とし、カソード電極触媒層に生成水を保持させつつ、ガス拡散層のセパレータと面する側に凹状の生成水流路を設けることにより、水蒸気としてガス拡散層内に滞留した生成水を排出する技術が知られている（特許文献３）。
【０００３】
【特許文献１】特許第３７７８５０６号
【特許文献２】特開２００５−１７４６４６号公報
【特許文献３】特開２００６−４７８７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、カソード電極触媒層とガス拡散層の間に保水層を設けると、電気化学反応により過剰な生成水が発生した場合には、保水層内に生成水が滞留し、これが酸化ガスのカソード電極触媒層への拡散の妨げとなる虞がある。また、カソード電極触媒層と電解質膜との間に空隙を有する中間層を設けると、プロトンは電気化学反応のために電解質膜のほか、さらに中間層を移動することが必要となる。また、空隙により、電解質膜とカソード電極触媒層との接触面積が小さくなる。これらにより、燃料電池の発電の効率が低下する虞がある。ガス拡散層のカソード電極触媒層との接合面を疎水性とし、ガス拡散層のセパレータと面する側に凹状の生成水流路を設けると、ガス拡散層の疎水性の接合面により触媒層内に生成水が滞留したり、セパレータと面する側に設けられた流路内の生成水が酸化ガスの流れに沿って酸化ガスの排出口付近に滞留する虞があり、燃料電池の出力性能を低下させる問題がある。
【０００５】
本発明は、上記した従来の課題の少なくとも一部を解決するためになされた発明であり、燃料電池の出力性能を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題の少なくとも一部を解決するために本願発明は以下の態様を採る。
【０００７】
本発明の第１の態様は、燃料電池を提供する。本発明の第１の態様に係る燃料電池は、電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に形成され、電気化学反応が生じるカソード電極触媒層と、前記カソード電極触媒層上に配置され、前記電気化学反応に利用される反応ガスを拡散するガス拡散層と、前記ガス拡散層における前記カソード電極触媒層と接する面に形成され、疎水性を有するとともに、前記カソード電極触媒層との間に流路を形成する流路形成部を有する疎水層と、を備える。
【０００８】
本発明の第１の態様に係る燃料電池によれば、前記ガス拡散層における前記カソード電極触媒層と接する面に疎水性を有する疎水層を設けることにより、ガス拡散層内に生成水が滞留することを抑制できる。また、流路形成部により前記カソード電極触媒層との間に流路を形成することにより、生成水の排出が可能となり、カソード電極触媒層内での生成水の滞留を抑制できる。これにより、電気化学反応に供される反応ガスのカソード電極触媒層への供給を阻害する生成水の滞留を抑制でき、燃料電池の出力性能を向上させることができる。
【０００９】
本発明の第１の態様に係る燃料電池はさらに、前記ガス拡散層に前記反応ガスを供給する供給口および前記ガス拡散層から前記反応ガスを排出する排出口を有し、前記ガス拡散層上に配置されるセパレータを備え、前記流路形成部は、前記生成水を前記排出口近傍から前記供給口近傍へと導く流路を形成してもよい。この場合、流路形成部により形成された流路により生成水が排出口近傍から供給口近傍へ移動可能となり、排出口近傍に生成水が滞留するのを抑制することができる。
【００１０】
本発明の第１の態様に係る燃料電池において、前記流路形成部は、前記排出口近傍から前記供給口近傍に連通した溝状部を有し、前記溝状部により前記流路を形成してもよい。この場合、溝状部が前記排出口近傍から前記供給口近傍に連通していることから、生成水は溝状部により形成された流路を前記排出口近傍から前記供給口近傍へ移動でき、排出口近傍に生成水が滞留するのを抑制することができる。
【００１１】
本発明の第１の態様に係る燃料電池において、前記流路形成部は、複数の前記溝状部を有してもよい。この場合、複数の溝状部によりカソード電極触媒層の広い範囲で生成水を排出口近傍から供給口近傍へ移動を可能にすることができ、生成水の排出性能をより高めることができる。
【００１２】
本発明の第１の態様に係る燃料電池において、前記溝状部表面は親水性であってもよい。この場合、溝状部表面が親水性であることにより、溝状部により形成された流路を生成水が容易に移動することができるため、生成水の排出性能を向上させることができる。
【００１３】
本発明の第１の態様に係る燃料電池において、前記供給口および前記排出口は前記セパレータの対向する端部近傍に配置されていてもよい。この場合、セパレータの端部近傍に配置された排出口の近傍における生成水を、排出口が配置された端部と対向する端部近傍に配置された供給口の近傍に移動することができるため、排出口近傍の生成水を排出するともに、供給口近傍に生成水を供給することができ、供給口近傍の電解質膜の湿潤状態を保つことにより燃料電池の出力性能の向上させることができる。
【００１４】
本発明において、上述した種々の態様は、適宜、組み合わせたり、一部を省略して適用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明に係る燃料電池について、図面を参照しつつ、実施例に基づいて説明する。
【００１６】
Ａ．第１の実施例
Ａ１．燃料電池の構成：
図１は、本発明の一実施例としての燃料電池を構成する単セルの概略構成を表わす断面模式図である。単セル１０は、電解質膜２０と、電解質膜２０の各々の面上に形成された電極であるアノード触媒層２１およびカソード触媒層２２と、電極を形成した上記電解質膜２０を両側から挟持するガス拡散層２３，２４と、ガス拡散層２３，２４のさらに外側に配設されたガスセパレータ２５，２６と、を備えている。
【００１７】
本実施例の燃料電池は、固体高分子型燃料電池であり、電解質膜２０は、湿潤状態でプロトン伝導性を示す固体高分子電解質を備えている。アノード触媒層２１およびカソード触媒層２２は、触媒として、例えば白金、あるいは白金合金を備えている。より具体的には、アノード触媒層２１およびカソード触媒層２２は、上記触媒を担持したカーボン粒子と、電解質膜２０を構成する高分子電解質と同様の電解質とを備えている。アノード触媒層２１およびカソード触媒層２２は、電解質膜２０と共に、ＭＥＡ（膜−電極接合体、Membrane Electrode Assembly）３０を構成している。
【００１８】
ガス拡散層２３，２４は、ガス透過性を有する導電性部材、例えば、カーボンペーパやカーボンクロス、あるいは金属メッシュや発泡金属によって形成することができる。ガス拡散層２３，２４は、いずれも、平坦な板状部材として形成され、電気化学反応に供されるガスの流路となると共に、集電に供する。本実施例のガス拡散層２４はカソード触媒層２２と接する面に後述する疎水層および生成水の流路を備える。
【００１９】
ガスセパレータ２５，２６は、ガス不透過な導電性部材、例えば圧縮カーボンやステンレス鋼から成る部材によって板状に形成される。ガスセパレータ２５，２６は、それぞれ所定の凸形状部を有している。この凸形状部によって、ガスセパレータ２５とガス拡散層２３との間には、水素を含有する燃料ガスが流れる単セル内燃料ガス流路２７が形成される。また、上記凸形状部によって、ガスセパレータ２６とガス拡散層２４との間には、酸素を含有する酸化ガスが流れる単セル内酸化ガス流路２８が形成される。
【００２０】
さらに、単セル１０の外周部には、単セル内の燃料ガスおよび酸化ガスのガスシール性を確保するために、ガスケット等のシール部材が配置されている（図示せず）。また、本実施例の燃料電池は、単セル１０を複数積層したスタック構造を有しているが、このスタック構造の外周部には、単セル１０の積層方向と平行であって燃料ガスあるいは酸化ガスが流通する複数のガスマニホールドが設けられている（図示せず）。燃料ガス供給マニホールドを流れる燃料ガスは、各単セル１０のアノード側に分配され、電気化学反応に供されつつ各単セル内燃料ガス流路２７内を通過し、燃料ガス排出マニホールドに集合する。同様に、酸化ガス供給マニホールドを流れる酸化ガスは、各単セル１０のカソード側に分配され、電気化学反応に供されつつ各単セル内酸化ガス流路２８内を通過し、酸化ガス排出マニホールドに集合する。
【００２１】
Ａ２．流路構造：
電気化学反応により生じた生成水が移動する流路の構造について図２を参照して説明する。図２は、ガス拡散層上に設けられた流路を例示した説明図である。図２は図１とは異なり、膜面を水平にし、アノード触媒層２１がカソード触媒層２２の上側となるように表されている。図に示すように、ガスセパレータ２６は酸化ガス供給口５１及び酸化ガス排出口５２とを備える。酸化ガス供給口５１及び酸化ガス排出口５２はそれぞれ、ガスセパレータ２６の対向する辺の近傍に配置される。既述の酸化ガス供給マニホールドを流れる酸化ガスは酸化ガス供給口５１から単セル１０内に供給され、単セル内酸化ガス流路２８を経由した後、酸化ガス排出口５２から排出され、酸化ガス排出マニホールドに集められる。
【００２２】
ガス拡散層２４のカソード触媒層２２に接する面には流路４２が備えられている。本実施例において流路４２は、Ｖ型の断面形状を備えた溝状部である。流路４２の断面形状は特に定めはなく、Ｕ型であってもコの字型の溝状部であってもよい。流路４２は、ガスセパレータ２６における酸化ガス供給口５１近傍の酸化ガス上流部と酸化ガス排出口５２近傍の酸化ガス下流部とを繋ぐ方向に略平行に複数配列されている。流路４２の溝の深さ、幅については特に定めはないが、０．１〜２μｍ程度であることが好ましい。流路４２の間隔についても特に定めはないが、例えば溝幅の１０倍程度であることが好ましい。流路４２は、例えば、エキシマレーザ、または、超短パルスレーザを用いて形成することができる。
【００２３】
図３は、カソード触媒層とガス拡散層との接合面を拡大して示した断面模式図である。図２とは反対に、カソード触媒層２２が電解質膜の上側となるように表されている。図３に示すように、ガス拡散層２４には、流路４２を有するカソード触媒層２２と接する面に疎水層４１が形成されている。疎水層４１はカーボンやそれに類似する導電性材料とポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）やテトラフルオロエチレン／パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）等の疎水性バインダー樹脂との混合ペーストをガス拡散層に塗布することで形成される。流路４２については、レーザにより加工されることで、溝状部表面が改質されることから、疎水層４１表面に形成されたものであっても親水性を有する。
【００２４】
Ａ３．流路機能：
電気化学反応により生じた生成水が移動する流路を備えたガス拡散層の機能について説明する。図３の波線ｘで示すように、酸化ガスは、ガス拡散層２４から疎水層４１を経由してカソード触媒層２２に拡散される。疎水層４１は疎水性であるため、カソード触媒層２２における電気化学反応により生成された生成水は波線ｗに示すとおり、ガス拡散層２４への移動は抑制され、流路４２へ導かれる。これにより、生成水が流路４２以外の部分でガス拡散層２４とカソード触媒層２２との界面に滞留することを抑制でき、酸化ガスは流路４２以外の部分においての生成水により阻害されることなくカソード触媒層２２へ供給される。
【００２５】
図４は図３の４−４断面を含む断面模式図である。図に示すように、酸化ガスは単セル内酸化ガス流路２８内を一定の方向に向かって流動する。電気化学反応によって生成された生成水の一部は水蒸気として疎水層４１を透過し、単セル内酸化ガス流路２８内部で、酸化ガスの流れに沿って排出される。一部の生成水は液体水として流路４２内を乾燥状態になりがちな酸化ガス上流部へ向かって移動する。これにより、酸化ガス下流部での生成水の滞留を抑制することができる。また、移動した生成水により酸化ガス上流部の電解質膜を加湿することができる。
【００２６】
以上説明した第１実施例の燃料電池によれば、電気化学反応により生成された生成水は流路４２を移動するため、酸化ガス排出口５２近傍に生成水の滞留を抑制することができる。これにより、生成水の排出性能を高め、燃料電池の出力性能を向上させることができる。
【００２７】
第１の実施例によれば、流路４２により酸化ガス排出口近傍の生成水を酸化ガス供給口近傍に移動させることが可能となる。これにより、酸化ガス下流部の生成水を用いて、酸化ガス上流部の電解質膜を加湿することができ、プロトン伝導性の低下を防ぎ、燃料電池の出力性能を向上させることができる。
【００２８】
第１の実施例によれば、ガス拡散層２４のカソード触媒層２２と接する表面に疎水層４１が形成されている。これにより、カソード内の生成水がガス拡散層２４内に移動することが抑制され、電気化学反応を阻害するガス拡散層内の生成水の滞留を抑制することができる。
【００２９】
第１の実施例によれば、ガス拡散層２４の表面に生成水の流路である複数の溝状部を有している。これにより、カソード電極触媒層の広い範囲で生成水を排出口近傍から供給口近傍へ移動を可能にすることができ、生成水の排出性能をより高めることができる。
【００３０】
第１の実施例によれば、レーザによる溝状部の加工により溝状部表面を親水性に改質することができる。これにより流路４２は生成水の移動が容易な親水性となり、生成水の排出性能をより向上させることができる。
【００３１】
Ｂ．第２の実施例：
第２の実施例では、ガス拡散層２４の表面に生成水の流路として溝状部が形成されていない燃料電池について説明する。第２の実施例において第１の実施例と同一の符号を有する各構成要素は、第１の実施例の各構成要素と同一の構造、機能を有する。
【００３２】
図５は第２の実施例におけるカソード触媒層とガス拡散層との接合面を拡大して示した断面模式図である。ガス拡散層２４は、第１の実施例と同様にカソード触媒層２２と接する面に疎水層４１が形成されている。この疎水層４１にプラズマ処理を施すことにより、表面が改質され、疎水層４１は親水性を有した親水部４３を備える。親水部４３はカソード触媒層２２表面との間に生成水が移動可能な空隙を形成する。疎水層４１は疎水性であるため、カソード触媒層２２における電気化学反応により生成された生成水は波線ｗ’に示すとおり、ガス拡散層２４への移動は抑制され、親水部４３へ導かれる。親水部４３は生成水の流路として第１の実施例における流路４２と同様の機能を有する。第２の実施例における燃料電池は、電気化学反応により生成された生成水が親水部４３とカソード触媒層２２との間に形成された空隙を酸化ガス排出口５２近傍から酸化ガス供給口５１近傍に向かって移動することにより酸化ガス排出口５２近傍から生成水を排出し、酸化ガス供給口５１近傍の電解質膜を加湿する。
【００３３】
第２の実施例によれば、溝状部の流路を備えなくても、電気化学反応により生成された生成水が親水部４３とカソード触媒層２２との間に形成された空隙を移動することにより、第１の実施例と同様に、酸化ガス排出口５２近傍に生成水が滞留することを抑制し、生成水の排出性能を高め、燃料電池の出力性能を向上させることができる。
【００３４】
第２の実施例によれば、プラズマ処理によっても疎水層４１を親水性に改質することができ、生成水は親水部４３とカソード触媒層２２との間に形成された空隙を容易に移動することができ、生成水の排出性能をより向上させることができる。
【００３５】
Ｃ．第３の実施例：
第３の実施例では、ガス拡散層２４の表面に親水層を備えた燃料電池について説明する。第３の実施例においても第１の実施例と同一の符号を有する各構成要素は、第１の実施例の各構成要素と同一の構造、機能を有する。
【００３６】
図６は第３の実施例におけるカソード触媒層とガス拡散層との接合面を拡大して示した断面模式図である。ガス拡散層２４は、第１の実施例と同様にカソード触媒層２２と接する側の面に疎水層４１が形成されている。第３の実施例に係るガス拡散層２４は、この疎水層４１の表面にさらに親水表面４４を備える。親水表面４４はアーク放電などの表面処理法により形成する。親水表面４４は生成水が滞留しない程度の厚さである必要があり、例えば、１分子程度、０．００１〜０．０１μｍ程度であることが好ましい。
【００３７】
第３の実施例によれば、電気化学反応により生成された生成水は親水表面４４とカソード触媒層２２との間に形成された空間を移動するため、ガス拡散層表面に溝状部や空隙などを形成しなくても酸化ガス排出口５２近傍における生成水の滞留を抑制できる。これにより、燃料電池の出力性能を向上させることができる。
【００３８】
第３の実施例によれば、親水表面４４は生成水が滞留する厚みを有しておらず、また、疎水層４１により、生成水がガス拡散層内に透過することが抑制されているため、ガス拡散層内に生成水が滞留することを抑制することができる。
【００３９】
第３の実施例によれば、疎水層４１の表面に親水性である親水表面４４が形成されている。このため、生成水は親水表面４４とカソード触媒層２２との間に形成された空間を容易に移動することができ、生成水の排出性能をより向上させることができる。
【００４０】
Ｄ．変形例
Ｄ１．変形例１：
第１の実施例においてガスセパレータ２６における単セル内酸化ガス流路２８を略直線状で現したが、単セル内酸化ガス流路２８は曲線状であっても実施可能である。図７は、変形例に係る単セルを例示した説明図である。例えば、サーペンタイン状の単セル内酸化ガス流路２８を備えたガスセパレータ２６であっても、酸化ガス排出口５２近傍の酸化ガス下流部における生成水が酸化ガス供給口近傍の酸化ガス上流部に移動可能に流路を形成することで実施できる。
【００４１】
Ｄ２．変形例２：
第１の実施例においてガス拡散層２４における流路４２は略直線状で現したが、生成水が酸化ガス下流部から酸化ガス上流部へ移動可能であれば、曲線であったり、長短があったり、幅が変化したり、溝状部ごとの方向が異なっていてもよい。また、流路４２は凹部の集合により形成されてもよい。
【００４２】
Ｄ３．変形例３
実施例において疎水層４１はガス拡散層２４の一部として構成したが、ガス拡散層とカソードに挟持された中間層として構成してもよい。
【００４３】
Ｄ４．変形例４
第１の実施例においてガス拡散層２４の表面は流路４２を除き、疎水性としたが、第３の実施例と同様に、流路４２を含めた親水表面を形成してもよい。
【００４４】
Ｄ５．変形例５
実施例において、酸化ガス供給口５１及び酸化ガス排出口５２はそれぞれ、ガスセパレータ２６の対向する辺の近傍に配置されているが、酸化ガス供給口５１と酸化ガス排出口５２が近接している場合や、その他の場合においても、酸化ガス排出口５２近傍の酸化ガス下流部における生成水を酸化ガス供給口近傍の酸化ガス上流部に移動可能に生成水の流路を形成することで実施できる。
【００４５】
以上本発明の種々の実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の構成をとることができることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の一実施例としての燃料電池を構成する単セルの概略構成を表わす断面模式図である。
【図２】ガス拡散層上に設けられた流路を例示した説明図である。
【図３】カソード触媒層とガス拡散層との接合面を拡大して示した断面模式図である。
【図４】図３の４−４断面を含む断面模式図である。
【図５】第２の実施例におけるカソード触媒層とガス拡散層との接合面を拡大して示した断面模式図である。
【図６】第３の実施例におけるカソード触媒層とガス拡散層との接合面を拡大して示した断面模式図である。
【図７】変形例に係る単セルを例示した説明図である。
【符号の説明】
【００４７】
１０…単セル
２０…電解質膜
２１…アノード触媒層
２２…カソード触媒層
２３，２４…ガス拡散層
２５，２６…ガスセパレータ
２７…単セル内燃料ガス流路
２８…単セル内酸化ガス流路
４１…疎水層
４２…流路
４３…親水部
４４…親水表面
５１…酸化ガス供給口
５２…酸化ガス排出口
【図１】
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【図２】
2009099262.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2009099262.tif 000008
【図７】
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