JP2005032628A

JP2005032628A - 燃料電池用拡散層

Info

Publication number: JP2005032628A
Application number: JP2003271944A
Authority: JP
Inventors: Naoyuki Enjoji; 直之円城寺; Kentaro Nagoshi; 健太郎名越; Takeshi Matsubara; 猛松原
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2003-07-08
Filing date: 2003-07-08
Publication date: 2005-02-03

Abstract

【課題】燃料電池用拡散層の薄肉化と導電性の向上を図る。
【解決手段】金属製のガス拡散領域１２と、カーボンを含んでなり燃料電池の電極に隣接配置され得る下地領域１１と、を備えた燃料電池用拡散層３において、ガス拡散領域１２と下地領域１１との間に、ガス拡散領域１２および下地領域１１とは異なる材料により形成された導電領域１３を設けた。
【選択図】図２

Description

この発明は、燃料電池用の拡散層に関するものである。

固体高分子電解質膜型の燃料電池は、一般に、固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで両側から挟み込んでなる膜電極接合体と、この膜電極接合体の両側に設けられた多孔質な拡散層と、各拡散層の外側にそれぞれ設けられたセパレータとによって単位燃料電池（単位セル）が構成され、実際の使用に際しては、この単位セルを多数積層して燃料電池スタック（以下、単にスタックという）とする場合が多い。

従来の拡散層は、前記電極に隣接配置される下地領域と、この下地領域に積層されるガス拡散領域で構成されている。下地領域は、機械的強度および導電性を上げるためのものでカーボンとフッ素樹脂とから形成されており、ガス拡散領域はガスの拡散性を上げるためのものでカーボンファイバーで形成されていた（例えば、特許文献１参照）。しかしながら、ガス拡散領域をカーボンファイバーで形成した場合には薄肉化（薄膜化）に限界があった。そこで、ガス拡散領域を金属製にして薄肉化を図ることが考えられている。
特開平１０−２６１４２１号公報

しかしながら、カーボンとフッ素樹脂とからなる前記下地領域に金属製のガス拡散領域を積層すると、下地領域のカーボンとガス拡散領域の金属は相性が悪いため、接触（貫通）抵抗が高く、導電性が低下するという問題がある。
そこで、この発明は、薄肉化と導電性の向上を図ることができる燃料電池用拡散層を提供するものである。

上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、金属製のガス拡散領域（例えば、後述する実施の形態におけるガス拡散領域１２）と、カーボンを含んでなり燃料電池（例えば、後述する実施の形態における単位セル１）の電極に隣接配置され得る下地領域（例えば、後述する実施の形態における下地領域１１）と、を備えた燃料電池用拡散層（例えば、後述する実施の形態におけるアノード側拡散層３、カソード側拡散層４）において、前記ガス拡散領域と前記下地領域との間に、前記ガス拡散領域および前記下地領域とは異なる材料により形成された導電領域（例えば、後述する実施の形態における導電領域１３）を設けたことを特徴とする。
このように構成することにより、下地領域とガス拡散領域との間の導電性を向上させることができる。
また、ガス拡散領域が金属製であるので、ガス拡散領域を薄肉化することができる。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の発明において、前記導電領域は、Ａｕ，Ａｇ，Ｐｔのうち少なくとも一つを含んでなることを特徴とする。
このように構成することにより、下地領域とガス拡散領域との間の導電性を極めて向上させることができる。

請求項３に係る発明は、請求項１または請求項２に記載の発明において、前記ガス拡散領域は、金属材の多孔体で形成されたことを特徴とする。
このように構成することにより、ガス拡散領域を薄肉化することができる。

請求項１に係る発明によれば、下地領域とガス拡散領域との間の導電性を向上させることができるので、拡散層の導電性を向上させることができる。また、ガス拡散領域が金属製であるので、ガス拡散領域を薄肉化することができ、その結果、拡散層を薄肉にすることができ、ひいては燃料電池の薄型化が可能になる。
請求項２に係る発明によれば、下地領域とガス拡散領域との間の導電性を極めて向上させることができるので、拡散層の導電性が極めて向上する。
請求項３に係る発明によれば、ガス拡散領域を薄肉化することができ、その結果、拡散層を薄肉にすることができ、ひいては燃料電池の薄型化が可能になる。

以下、この発明に係る拡散層の一実施例を図１および図２の図面を参照して説明する。
図１に示すように、燃料電池スタック（以下、スタックと略す）Ｓは単位燃料電池（以下、単位セルという）１を多数積層して構成されている。
単位セル１は、固体高分子電解質膜の両側にアノード電極とカソード電極とを備えた膜電極接合体２と、膜電極接合体２の両側に配置された本発明の特徴部であるアノード側拡散層３およびカソード側拡散層４と、アノード側拡散層３の外側に配置されたアノード側セパレータ５と、カソード側拡散層４の外側に配置されたカソード側セパレータ６と、から構成されている。

アノード側セパレータ５およびカソード側セパレータ６はいずれも金属製（例えば、ステンレス、ハステロイ、インコネル、Ａｕ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｔｉなど）で、金属板をプレス成形することにより平坦な山部と谷部が交互に連続する断面波形に形成されている。
そして、各セパレータ５，６の谷部外面がそれぞれ対応する拡散層３，４の表面に面接触し、積層されているこの面接触部分はレーザー溶接等の接合手段により接合されていてもよい。

アノード側拡散層３とアノード側セパレータ５の間には燃料流路８が形成され、燃料流路８に供給された燃料（例えば水素ガス）はアノード側拡散層３を流通し拡散されて膜電極接合体２のアノード電極に供給される。
また、カソード側拡散層４とカソード側セパレータ６の間には酸化剤流路９が形成され、酸化剤流路９に供給された酸化剤（例えば酸素を含む空気）はカソード側拡散層４を流通し拡散されて膜電極接合体２のカソード電極に供給される。
そして、アノード電極で触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を透過してカソード電極まで移動し、カソード電極で酸素と電気化学反応を起こして発電する。

また、隣接する一対の単位セル１，１において互いに当接配置されるアノード側セパレータ５とカソード側セパレータ６との間には、冷却液流路１０が形成されており、冷却液流路１０を流れる冷却液によって単位セル１は冷却される。

次に、この発明の特徴部であるアノード側拡散層３およびカソード側拡散層４の構成を図２を参照して詳述する。なお、以下の説明はアノード側拡散層３について説明するが、カソード側拡散層４も全く同じ構成である。
アノード側拡散層３は、膜電極接合体２のアノード電極（カソード側拡散層４の場合はカソード電極）に隣接配置される下地領域１１と、金属製のガス拡散領域１２と、下地領域１１とガス拡散領域１２との間に設けられた導電領域１３とを備えて構成されている。

下地領域１１は、機械的強度および導電性を上げるためのものであり、カーボンとフッ素樹脂とから形成されている。
ガス拡散領域１２は、燃料流路８（カソード側拡散層４の場合には酸化剤流路９）から供給される燃料ガス（カソード側拡散層４の場合には酸化剤ガス）を拡散して、膜電極接合体２のアノード電極（カソード側拡散層４の場合にはカソード電極）の全面に均一に供給するためのものであり、金属製（例えば、ステンレス、ハステロイ、インコネル、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｔｉなど）の多孔質体から構成されている。多孔質体としては、金属発泡体、金属細線焼結体、パンチングメタル、エッチングメタルなどを例示することができる。ここで、金属細線焼結体とは、金属の極細の糸状体を絡ませて層状にしたものであり、エッチングメタルとは、金属をエッチングして多孔にしたものである。

導電領域１３は、下地領域１１のカーボンとガス拡散領域１２の金属との間の導電性を改善するために設けたものであり、下地領域１１とガス拡散領域１２の界面に耐食性や展延性考慮した導電性材料で形成する。より具体的には、導電性材料にＡｕ，Ａｇ，Ｐｔ、またはそれら合金を用いて、導電領域１３は、Ａｕ，Ａｇ，Ｐｔ、またはそれら合金（以下、Ａｕ等という）をメッキ、蒸着、スパッタリングなどの方法で薄膜状に付着したり、または、Ａｕ等を懸濁させたインクを塗布することで形成することができる。ここで、Ａｕ等を懸濁させたインクとは、超微粒子のＡｕ等を中心に界面活性剤を添着させ、これを溶媒中に分散させて懸濁状態にしたものであり、使用に際しては、このインクを塗布した後に所定の温度で焼くと、溶媒および界面活性剤が蒸発してＡｕ等のみが残るというものである。
さらにまた、導電領域１３を、導電性セラミックや導電性高分子（例えば、ポリピロールなど）で構成することも可能である。

このように、下地領域１１とガス拡散領域１２との間に導電領域１３を設けているので、下地領域１１のカーボンとガス拡散領域１２の金属との間の導電性が向上し、したがって、アノード側拡散層３およびカソード側拡散層４の導電性が向上する。
また、ガス拡散領域１２を金属製にしたことによってガス拡散領域１２を薄肉化することができるので、アノード側拡散層３およびカソード側拡散層４の薄肉にすることができ、ひいては単位セル１およびスタックＳの薄型化が可能になる。

本発明は、車両等の移動体に搭載される燃料電池や定置式の燃料電池等に利用可能である。

この発明に係る拡散層を備えた燃料電池の一実施例における断面図である。前記実施例における拡散層の断面図である。

符号の説明

１単位セル（燃料電池）
３アノード側拡散層（拡散層）
４カソード側拡散層（拡散層）
１１下地領域
１２ガス拡散領域
１３導電領域

Claims

金属製のガス拡散領域と、カーボンを含んでなり燃料電池の電極に隣接配置され得る下地領域と、を備えた燃料電池用拡散層において、
前記ガス拡散領域と前記下地領域との間に、前記ガス拡散領域および前記下地領域とは異なる材料により形成された導電領域を設けたことを特徴とする燃料電池用拡散層。
前記導電領域は、Ａｕ，Ａｇ，Ｐｔのうち少なくとも一つを含んでなることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用拡散層。
前記ガス拡散領域は、金属材の多孔体で形成されたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池用拡散層。