(57)【要約】【課題】材料選定が行いやすく、また、製造が行いやすい構成で、あるいは、燃料電池の複雑化、高コスト化を抑制しつつ、簡単な構成で、アノード電極側のドライアップ及びカソード電極側のフラッディングを抑制する。【解決手段】固形高分子形の燃料電池１０は、アノード側ガス拡散層３１、電解質膜・電極接合体２０、カソード側ガス拡散層３２、セパレータ４０等が繰り返し複数積層されて構成される。セパレータ４０は、アノード側セパレータ４１と中間セパレータ４２とカソード側セパレータ４３とが一体化されて形成されている。中間セパレータ４２には、貫通孔が形成されており、当該貫通孔は、燃料電池１０の運転温度を調節する冷却水流路４５を形成する。このような燃料電池１０において、カソード側セパレータ４３の厚みは、アノード側セパレータ４１の厚みよりも厚く形成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノード電極とカソード電極との間に、水を介してプロトンを伝導する電解質膜が配された燃料電池であって、
前記燃料電池の運転温度を調節するための冷却流路が内部に形成されたセパレータを備え、
前記セパレータは、前記冷却流路と、前記セパレータが前記カソード電極側において当接する前記燃料電池の所定の部材との間のカソード側セパレータの厚みが、前記冷却流路と、前記セパレータが前記アノード電極側において当接する前記燃料電池の所定の部材との間のアノード側セパレータの厚みよりも厚い
燃料電池。
【請求項２】
前記カソード側セパレータと前記アノード側セパレータとは、同一の材質で構成された請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記同一の材質は、金属である請求項２記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アノード電極とカソード電極との間に、水を介してプロトンを伝導する電解質膜が配された燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池においては、アノード電極、電解質膜、カソード電極により構成させる電解質膜・電極接合体において電気化学反応が行われる。具体的な反応は、例えば、以下の通りである。アノード電極に水素ガスを供給することにより、水素ガスを水素イオンと電子とに電離する反応が起こり、電離した水素イオンが電解質膜中をカソード電極側に移動する。また、カソード電極に酸素を供給することにより、酸素、水素イオン及び電子から水を生成する反応が起きる。
【０００３】
このような燃料電池のうち、固体高分子形燃料電池の電気化学反応では、アノード電極で電離される水素イオンは、電解質膜中の水と水和することにより、電解質膜中をアノード電極からカソード電極に移動する。このため、電解質膜のアノード電極側では、上述の電気化学反応の進行に伴って含水率が減少する。このように、電解質膜の含水率が減少した状態（ドライアップ）が生じると、水素イオンが移動するための水が不足する。その結果、水素イオンが電解質膜を透過する際の抵抗が大きくなって、燃料電池の発電効率が低下する要因となる。
【０００４】
一方、水が生成されるカソード電極側では、高負荷運転により大量に生成水が発生するなどして、カソード電極の近傍に生成した水が滞留する場合がある。このように、水が過剰に滞留した状態（フラッディング）が生じると、水が酸素の供給経路を塞ぎ、カソード電極を構成する触媒層への酸素の供給が阻害される。その結果、カソード電極での反応が低下し、燃料電池の発電効率が低下する要因となる。
【０００５】
このように、固体高分子形燃料電池においては、電解質膜・電極接合体の含水率を適正に確保することが本質的な課題となっており、当該課題に対して、様々な対策が講じられている。例えば、下記特許文献１では、アノード電極よりもカソード電極の温度を高くする温度調節手段を備えた燃料電池を開示している。これは、高温ほど多くの水を含むことができる電解質膜の性質を利用するものであり、カソード電極の温度をアノード電極よりも高くすることで、カソード電極側で高く、アノード電極側で低い水濃度勾配をさらに大きくして、フラッディングの恐れのあるカソード側の生成水が、ドライアップの恐れのあるアノード側に拡散しやすい環境を作りだし、フラッディング及びドライアップを抑制する技術である。上述の温度調節手段としては、以下の２手段が示されている。
（１）第１の手段：アノード側、カソード側のセパレータのそれぞれに、熱伝導率の異なる材料を用いる。
（２）第２の手段：セパレータの内部に、２系統の冷却水流路を備え、アノード側流路とカソード側流路とで、異なる温度の冷却水を流す。
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−０１５１３８号公報
【０００７】
しかしながら、上述の第１の手段では、セパレータの材料として優れた導電性や耐食性が求められる中で、材料の選択の自由度は小さく、上述の温度調節効果が目立って得られない場合があった。あるいは、熱伝導率の差を確保することを重視するあまり、十分な導電性や耐食性が確保できない場合や、材料が高コスト化する場合があった。さらに、金属セパレータを用いる場合には、セパレータのアノード側とカソード側の材質の違いに起因して、これらの接合が行いにくいことがあった。また、上述の第２の手段では、冷却水循環系統の装置が複雑になり、高コスト化、制御の複雑化などを招いていた。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述の種々の問題を考慮し、本発明が解決しようとする課題は、材料選定が行いやすく、また、製造が行いやすい構成で、アノード電極側のドライアップ及びカソード電極側のフラッディングを抑制することである。また、燃料電池の複雑化、高コスト化を抑制しつつ、簡単な構成でアノード電極側のドライアップ及びカソード電極側のフラッディングを抑制することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【００１０】
［適用例１］アノード電極とカソード電極との間に、水を介してプロトンを伝導する電解質膜が配された燃料電池であって、
前記燃料電池の運転温度を調節するための冷却流路が内部に形成されたセパレータを備え、
前記セパレータは、前記冷却流路と、前記セパレータが前記カソード電極側において当接する前記燃料電池の所定の部材との間のカソード側セパレータの厚みが、前記冷却流路と、前記セパレータが前記アノード電極側において当接する前記燃料電池の所定の部材との間のアノード側セパレータの厚みよりも厚い
燃料電池。
【００１１】
かかる構成の燃料電池は、カソード側セパレータの厚みがアノード側セパレータの厚みよりも厚いので、カソード側セパレータの方がアノード側セパレータよりも熱抵抗が大きい。すなわち、カソード側はアノード側よりも熱を伝えにくいので、セパレータ内部に形成された冷却流路によって冷却されにくく、カソード電極側の温度がアノード電極側の温度よりも高くなる。その結果、電解質膜は、生成水が生成されるカソード側でより多くの水を含むことができるようになり、水濃度勾配が大きくなるので、水がカソード電極側からアノード電極側へ拡散しやすい環境を作り出すことができる。したがって、簡単な構成でアノード電極側のドライアップ及びカソード電極側のフラッディングを抑制することができる。なお、特許請求項の範囲におけるセパレータは、種々の構成で実現可能であるが、当該セパレータがアノード側とカソード側とで明確に分離できる構成である場合には、これらの分離可能なセパレータを併せた構造体をいう。
【００１２】
［適用例２］カソード側セパレータとアノード側セパレータとは、同一の材質で構成された適用例１記載の燃料電池。
【００１３】
かかる構成の燃料電池は、カソード側セパレータとアノード側セパレータとが同一の材質で構成されるので、異なる材質で構成する場合と比べて材料選定の負荷を軽減できると共に、カソード側セパレータとアノード側セパレータの両方についてセパレータとしての最適材料を用いることができる。
【００１４】
［適用例３］同一の材質は、金属である適用例２記載の燃料電池。
【００１５】
かかる構成の燃料電池は、カソード側セパレータとアノード側セパレータともに、同一の金属材質で構成されるので、セパレータ同士の接合が行いやすい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
Ａ．実施例：
本発明の実施例について説明する。図１は、本発明の実施例としての燃料電池１０の構成を示す説明図である。燃料電池１０は、固形高分子形の燃料電池である。かかる燃料電池１０は、アノード側ガス拡散層３１、アノード側撥水層３３、電解質膜・電極接合体２０、カソード側撥水層３４、カソード側ガス拡散層３２、セパレータ４０が繰り返し複数積層されて構成される。図１には、その積層される一部分を示している。
【００１７】
電解質膜・電極接合体２０は、燃料電池の電気化学反応が行われる部位であり、アノード電極２１、電解質膜２２、カソード電極２３により構成される。電解質膜２２は、固体高分子材料により形成されたイオン交換膜であり、湿潤状態では、水と親和したプロトンを良好に伝導する。本実施例においては、フッ素系樹脂を用いた。
【００１８】
アノード電極２１及びカソード電極２３は、導電性を有する担体上に触媒を担持させることによって形成される。本実施例においては、白金触媒を担持したカーボン粒子と、電解質膜２２を構成する電解質と同一材質の電解質とを用いて電極ペーストを作製し、この電極ペーストを、電解質膜２２に塗布し、乾燥・固着させたものを用いた。
【００１９】
アノード側ガス拡散層３１及びカソード側ガス拡散層３２は、電解質膜・電極接合体２０での電気化学反応に供される反応ガス（水素を含有する燃料ガスあるいは酸素を含有する酸化ガス）の流路になると共に、集電を行なうものである。本実施例においては、カーボンペーパーを用いたが、ガス透過性を有する他の導電性部材、例えば、カーボンクロス、カーボンナノチューブ、メタルファイバークロス、金属製多孔体（発泡金属）などを用いてもよい。
【００２０】
アノード側撥水層３３及びカソード側撥水層３４は、アノード側ガス拡散層３１及びカソード側ガス拡散層３２よりも微細な気孔を有する層である。これらは、電解質膜２２の水分量を調節する機能と、アノード電極２１とアノード側ガス拡散層３１、あるいはカソード電極２３とカソード側ガス拡散層３２とが良好に導電するために必要な接触面積を確保する機能と、燃料電池１０の両端からの締結力等により、アノード側ガス拡散層３１及びカソード側ガス拡散層３２が電解質膜・電極接合体２０を損傷させることを防止する機能とを果たす。本実施例においては、カーボンブラックとＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）とを混合したペーストをアノード電極２１及びカソード電極２３に吹き付けて形成したが、上述の機能を確保できれば、他のカーボン材質や撥水材などを用いてもよい。なお、アノード側撥水層３３及びカソード側撥水層３４は、燃料電池１０の他の部位が上述の機能を担保する場合や、上述の機能が必要ない場合には、必須の構成ではない。
【００２１】
セパレータ４０は、反応ガスの流路となるアノード側ガス拡散層３１及びカソード側ガス拡散層３２の壁面を成す部位であり、集電機能も果たす。電解質膜２２に酸性を示す材質を用いる場合には、耐食性も必要となる。
【００２２】
セパレータ４０は、アノード電極２１側に設けられる平坦なアノード側セパレータ４１と、カソード電極２３側に設けられる平坦なカソード側セパレータ４３と、それらの間に配置される中間セパレータ４２とが一体となって構成される。中間セパレータ４２には、燃料電池１０の運転温度を調節するための冷却媒体の流路となる所定形状の貫通孔が形成されており、当該貫通孔は、中間セパレータ４２と、アノード側セパレータ４１及びカソード側セパレータ４３とが一体化されることで、冷却水流路４５を形成する。
【００２３】
本実施例においては、アノード側セパレータ４１、中間セパレータ４２、カソード側セパレータ４３には、いずれもチタンを用いた。このように、同一の材質でセパレータ４０を構成することにより、異なる材質で構成する場合と比べて材料選定の負担を軽減できるとともに、セパレータ４０を最適材料で構成できる。また、アノード側セパレータ４１、中間セパレータ４２、カソード側セパレータ４３の全てに金属を用いることで、熱圧着等の方法により、接合が行いやすい。ただし、材質は、上述のチタンに限らず、ガス不透過な導電性部材、例えば、ステンレス鋼や、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボン、焼成カーボンなどであってもよい。また、アノード側セパレータ４１、中間セパレータ４２及びカソード側セパレータ４３は、同一材質に限らず、それぞれで異なる材質を用いてもよい。
【００２４】
本実施例のセパレータ４０は、カソード側セパレータ４３の厚みが、アノード側セパレータ４１の厚みよりも厚い点に特徴を有する。このような構成としている理由については、本発明の効果として後述する。セパレータ４０及びそれを構成するアノード側セパレータ４１、中間セパレータ４２、カソード側セパレータ４３は、燃料電池１０の積層面の面圧を均一化する役割を担うため、所定の剛性が必要であり、所定の剛性を発揮するために最低限必要な厚みを有する必要がある。したがって、本実施例においては、アノード側セパレータ４１は、所定の剛性を発揮するために最低限必要な厚さとしているが、カソード側セパレータ４３は、それよりも厚い厚さとしており、強度も大きいものとなっている。これらの厚みは、燃料電池１０の積層面の面積や、セパレータの材質、構造、後述する本発明の効果についての求められる程度などを考慮して、適宜設定すればよいが、例えば、アノード側セパレータ４１を０．１ｍｍ、カソード側セパレータ４３を０．２ｍｍとすることができる。
【００２５】
また、各々のセパレータ４０の間であって、電解質膜・電極接合体２０、アノード側ガス拡散層３１及びカソード側ガス拡散層３２の外周部には、セル内ガス流路におけるシール性を確保するためのシール部５０が、電解質膜・電極接合体２０と一体で設けられている。本実施例においては、フッ素ゴムを用いた。
【００２６】
上述のセパレータ４０及びシール部５０には、貫通孔が設けられており、これらが連通して、酸化ガス供給マニホールド４７、酸化ガス排出マニホールド４８を形成している。図示するとおり、酸化ガス供給マニホールド４７に供給された酸化ガスとしての酸素は、セパレータ４０の内部を通って、カソード側ガス拡散層３２に供給され、カソード電極２３での燃料電池反応に供される。そして、その排ガス（カソード排ガス）は、カソード側ガス拡散層３２からセパレータ４０の内部を経由して、酸化ガス排出マニホールド４８へと排出される。なお、説明は省略するが、燃料ガスや冷却水についても、図示していない他の断面においてセパレータ４０及びシール部５０に形成されたマニホールドを通じて、アノード電極２１または冷却水流路４５に供給され、排出される。
【００２７】
かかる構成の燃料電池１０は、カソード側セパレータ４３の厚みがアノード側セパレータ４１の厚みよりも厚いので、カソード側セパレータ４３の方がアノード側セパレータ４１よりも熱抵抗が大きくなる。すなわち、カソード電極２３側はアノード電極２１側よりも電解質膜・電極接合体２０で発生した熱が冷却水流路４５に伝わりにくいので、冷却水流路４５を流れる冷却媒体によって冷却されにくく、カソード電極２３側の温度がアノード電極２１側の温度よりも高くなる。その結果、電解質膜２２は、生成水が生成されるカソード電極２３側でより多くの水を含むことができるようになり、カソード電極２３側で高く、アノード電極２１側で低い水濃度勾配がさらに大きくなるので、フラッディングの恐れのあるカソード電極２３で生成された生成水が、カソード電極２３から、ドライアップの恐れのあるアノード電極２１側へ拡散しやすい環境を作り出すことができる。したがって、カソード側セパレータ４３の厚みをアノード側セパレータ４１の厚みよりも厚くするという極めて簡単な構成のみで、アノード電極２１側のドライアップ及びカソード電極２３側のフラッディングを抑制することができる。
【００２８】
Ｂ．変形例：
本発明の変形例について説明する。
Ｂ−１．変形例１：
本実施例においては、カソード側セパレータ４３に単一の材質（実施例ではチタン）を用いたが、複合材を用いてもよい。例えば、カソード側セパレータ４３は、アノード側セパレータ４１と同じ厚みのチタン材のプレートと、それとは異なる材質、例えばスチール材のプレートとを貼り合わせて構成してもよい。このような場合には、カソード側セパレータ４３を構成する材質は、カソード側ガス拡散層３２に当接する側の材質と、中間セパレータ４２（冷却水流路４５）に当接する側の材質とは、それぞれに求められる特性を考慮して選択するとよい。上述の例であれば、耐食性が必要なカソード側ガス拡散層３２側にチタン材を用いてもよい。このようにすれば、セパレータ４０の低コスト化を図ることができる。
【００２９】
Ｂ−２．変形例２：
本実施例においては、セパレータ４０として、アノード側セパレータ４１と中間セパレータ４２とカソード側セパレータ４３とが一体化された３層セパレータを用いたが、セパレータ４０の構成はこれに限られるものではなく、種々の構成が可能である。例えば、図２に示すような構成としてもよい。
【００３０】
図２に示すように、本変形例のセパレータ４０は、アノード側セパレータ４１とカソード側セパレータ４３とにより構成され、中間セパレータ４２が不要である点で実施例と異なる。カソード側セパレータ４３は、カソード側ガス拡散層３２側の面は平坦形状であるが、アノード側セパレータ４１側の面には凹状の溝構造を有している。一方、アノード側セパレータ４１は、両面が平坦形状となっている。上述の溝構造は、アノード側セパレータ４１とカソード側セパレータ４３とが当接することで、冷却水流路４５を形成している。セパレータ４０の厚みは、実施例と同じであり、カソード側セパレータ４３の、冷却水流路４５とカソード側ガス拡散層３２との間の厚みは、アノード側セパレータ４１の厚みよりも厚くなっている。
【００３１】
また、図２では、カソード側セパレータ４３のみが冷却流路を形成する溝構造を有する例を示したが、アノード側セパレータ４１もカソード側セパレータ４３側の面に同様の溝構造を有するものとしてもよい。また、図２では、カソード側セパレータ４３のカソード側ガス拡散層３２側の面と、アノード側セパレータ４１のアノード側ガス拡散層３１側の面とが平坦形状である例を示したが、これらの面に凹凸形状などがあってもよい。
【００３２】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこうした実施例に限られるものではなく、本発明の要旨を脱しない範囲において、種々なる態様で実施できることは勿論である。例えば、本発明は、実施例に示した水素ガスを燃料とした固体高分子形燃料電池に限らず、ダイレクトメタノール形燃料電池など、水を介してプロトンを伝導する電解質膜を用いた種々の燃料電池に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の実施例としての燃料電池１０の構成を示す説明図である。
【図２】本発明の変形例としての燃料電池１０の構成を示す説明図である。
【符号の説明】
【００３４】
１０…燃料電池
２０…電解質膜・電極接合体
２１…アノード電極
２２…電解質膜
２３…カソード電極
３１…アノード側ガス拡散層
３２…カソード側ガス拡散層
３３…アノード側撥水層
３４…カソード側撥水層
４０…セパレータ
４１…アノード側セパレータ
４２…中間セパレータ
４３…カソード側セパレータ
４５…冷却水流路
４７…酸化ガス供給マニホールド
４８…酸化ガス排出マニホールド
５０…シール部
【図１】
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【図２】
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