JP2005222841A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】ガス流路の溝にガス拡散層がはみ出すことを抑えることで、燃料電池の出力低下を防止する。
【解決手段】ガス拡散層２４、２５としてのカーボンクロスが、カーボン繊維の長さ方向を主に一定方向とした構成となっており、しかも、アノード側のガス拡散層２４は、カーボン繊維の主な長さ方向が、アノード側セパレータ３０に形成された燃料ガス流路３２の流れ方向に対して直交するように配置されるとともに、カソード側のガス拡散層２５は、カーボン繊維の主な長さ方向が、カソード側セパレータ４０に形成された酸化ガス流路４２の流れ方向に対して直交するように配置されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池に関する。

燃料電池は、原料ガスの反応エネルギーを直接的に電気エネルギーに変換する電池であり、図５に示されるような単セルを単位として発電を行う。この単セル１は、接合体２が２枚のセパレータ４に挟持されて構成されており、接合体２は、電解質膜５と、この電解質膜の両側に形成される触媒層６と、この触媒層６の外側に形成されるガス拡散層７とからなる。ここで、電解質膜５は燃料電池のイオン伝導体として機能するものであり、取扱いの利便等から固体高分子のものが一般的に使用されている。

このような燃料電池において、セパレータ４の挟持面に設けられているガス流路８に水素ガスまたは酸化ガス（例えば空気）をそれぞれ通した場合には、これらはガス拡散層７を介して触媒層６に供給される。この内、水素ガスは水素極側触媒層においてプロトンを生じ、外部回路に電子を放出する。生成したプロトンは、固体高分子電解質膜５を通って酸素極側に移動し、酸素極側の触媒層において酸素と反応して水を生じる。

触媒層６とガス流路８との間に位置するガス拡散層７は、該ガス流路８から触媒層６への水素ガス又は酸化ガスを良好に拡散させると共にセパレータ４間との電子の伝達を行わせる機能、及び触媒層６をセパレータ４との摩擦による剥がれなどから保護する機能を有している。そのようなガス拡散層７の基材としては、カーボンペーパやカーボンクロス等が用いられている。

上記カーボンペーパやカーボンクロスは、カーボン繊維を基に製作されている。カーボンクロスは、特許文献１に示すように、カーボン繊維である縦糸と横糸とを製織して布状としたものである。

特開平１０−２６１４２１号公報

上記従来の燃料電池では、図６に示すように、セパレータ４の挟持面に設けられたガス流路８の溝（凹部）に、上記ガス拡散層７を構成するカーボン繊維が落ち込む問題があった。ガス流路８の溝部分では、カーボン繊維の抑えが効きにくいためであり、ガス拡散層７が溝にはみ出してしまう。

特許文献１に記載されたカーボンクロスでは、縦糸の量を横糸の量に比べて少なくすれば、カーボン繊維の主な方向（長さ方向）を一定方向とすることができるが、このカーボン繊維の方向が、図示のように、ガス流路８の溝方向に対して平行（共に紙面に対して垂直な方向）となった場合に、カーボン繊維の落ち込みの程度は最も大きくなる。もちろん、カーボン繊維の方向がランダムな場合にも、カーボン繊維の落ち込みはある。

ガス流路８の溝部分にガス拡散層７がはみ出した場合、図中の破線で示した部位、すなわち、ガス拡散層７における、ガス流路８の溝にはみ出した部分と厚さ方向に反対側の部位において、触媒層６との間の面圧が低下することから、接触抵抗の増大と発電分布の不均一化を招く。この結果、燃料電池出力を低下させるという問題を招来した。

本発明は、ガス流路の溝にガス拡散層がはみ出すことを抑えることで、燃料電池の出力低下を防止することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明の燃料電池は、
電解質膜の両側に触媒層が形成され、前記触媒層の外側にガス拡散層が形成された接合体と、
凹部を備え前記接合体の面と対向することで反応ガス流路を形成するセパレータと
を備える燃料電池において、
前記ガス拡散層は、繊維状材料からなり、該繊維状材料の長さ方向を主に一定方向とした構成であり、該一定方向が、前記セパレータの反応ガス流路の流れ方向に対して略直角方向となるように配置されていることを特徴とする。

上記構成の燃料電池によれば、ガス拡散層の繊維状材料が、セパレータの反応ガス流路を橋渡しすることになり、ガス拡散層を形成する繊維状材料がその反応ガス流路の凹部に落ち込むのを防ぐことができる。従来、この落ち込んだ分が、ガス拡散層と触媒層との間の面圧を低下させるように働いたが、上記のように繊維状材料の落ち込みを防ぐことで、その面圧低下を抑えることができる。したがって、接触抵抗の増大や発電分布の不均一化を招くことがないことから、燃料電池出力の低下を防止することができる。

さらに、この燃料電池によれば、ガス拡散層の繊維状材料の長さ方向が主に一定方向となっていることから、触媒層との間の面圧をより一層均一化することができる。縦糸と横糸とがクロスするような場合、一方側が他方側を跨ぐことになり、その部分で触媒層に対する面圧が低下するが、上記のように、繊維状材料の長さ方向を主に一定方向とすることで上記の面圧の低下する部分を少なくすることができるからである。この結果、発電分布のより一層の均一化を図ることができる。

前記ガス拡散層は、カーボン繊維織布により形成されたものとすることができる。カーボン繊維織布は、カーボン繊維の縦糸と横糸を製織したもので、カーボン繊維の長さ方向を一定方向にし易い。

前記カーボン繊維織布は、カーボン繊維の縦糸の量を、カーボン繊維の横糸の量に比べて少なくすることにより、カーボン繊維の長さ方向を主に一定方向とした構成とすることができる。この構成によれば、簡単に、カーボン繊維の長さ方向を一定方向にすることができる。

前記ガス拡散層は、カーボン繊維を主に一定方向に配置して接着剤によって接着してシート状とすることができる。この構成によっても、簡単に、カーボン繊維の長さ方向を一定方向にすることができる。

前記電解質膜は、固体高分子膜とすることができる。この構成によれば、燃料電池の取り扱いの利便がよい。

この発明は以下のような他の態様も含んでいる。その態様は、
電解質膜の両側に触媒層が形成され、前記触媒層の外側にガス拡散層が形成された接合体を備える燃料電池において、
前記ガス拡散層は、繊維状材料からなり、該繊維状材料の長さ方向を主に一定方向とした構成であることを特徴とする燃料電池である。

この燃料電池によれば、ガス拡散層の繊維状材料の長さ方向が主に一定方向となっていることから、触媒層との間の面圧をより一層均一化することができる。縦糸と横糸とがクロスするような場合、一方側が他方側を跨ぐことになり、その部分で触媒層に対する面圧が低下するが、上記のように、繊維状材料の長さ方向を主に一定方向とすることで上記の面圧の低下する部分を少なくすることができるからである。この結果、発電分布の均一化を図ることができる。

次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．実施例：
Ａ−１：燃料電池の構成：
Ａ−２：効果：
Ｂ．他の実施形態：

Ａ．実施例：
Ａ−１：燃料電池の構成：

図１は、本発明の一実施例における燃料電池内部の単セル１０の構成を示す斜視図である。図２は、単セル１０の断面を模式的に示す説明図である。本実施例の燃料電池は、固体高分子型燃料電池であって、図１に示す単セル１０を複数積層して直列に接続したスタック構造を有している。単セル１０は、図１、図２に示すように、膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）２０を、両側からセパレータ３０、４０によって挟持することによって構成されている。

ＭＥＡ２０は、固体高分子電解質膜２１の両面（両側）に触媒層２２、２３を形成し、さらに触媒層２２、２３の外側にガス拡散層２４、２５を形成した接合体である。狭義には、固体高分子電解質膜の両側に触媒層を形成した構成をＭＥＡと呼ぶことも多いが、ここでは、固体高分子電解質膜２１の両側に触媒層２２、２３を形成した構成にガス拡散層２４、２５を加えた構成をＭＥＡと呼ぶ。ＭＥＡ２０が、特許請求の範囲で言う「接合体」に該当する。

固体高分子電解質膜２１は、例えば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り、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。触媒層２２、２３は、触媒としての白金または白金と他の金属からなる合金を有する層であり、アノード（水素極）とカソード（酸素極）の役割を果たす。また、ガス拡散層２４、２５は、ガス拡散性の導電性部材、例えばカーボン繊維からなる糸で製織したカーボンクロス（カーボン繊維織布）によって形成される。このガス拡散層２４、２５についての構成が本発明の要部に対応しており、後に詳しく説明する。

アノード側セパレータ３０とカソード側セパレータ４０は、緻密質のカーボンプレートにより形成されている。両セパレータ３０、４０には、直線状の溝（凹部）が複数形成されている。この溝によって、ＭＥＡ２０との間に、電気化学反応に供される反応ガスの流路が形成される。すなわち、アノード側セパレータ３０とＭＥＡ２０との間には、水素を含有する燃料ガスが通過する燃料ガス流路３２が形成される。また、カソード側セパレータ４０とＭＥＡ２０との間には、空気などの酸素を含有する酸化ガスが通過する酸化ガス流路４２が形成される。

図３は、ガス拡散層２４、２５を形成するカーボンクロスの構造を模式的に示す説明図である。カーボンクロスは、直径数ミクロンのフィラメントを数十本束ねたカーボン繊維（１本のカーボン繊維）を製織したもので、図示するように、カーボン繊維の縦糸Ｃｆ２の量が、カーボン繊維の横糸Ｃｆ１の量に比べて少ないものとなっている。このように製織したカーボンクロスは、カーボン繊維の長さ方向を、主に一定方向（図中左右方向）とした構成となる。

縦糸Ｃｆ２の量は、横糸Ｃｆ１がばらけないように製織できれば、横糸Ｃｆ１の量より少ない範囲内で適宜変えることができる。要は、横糸Ｃｆ１の量が縦糸Ｃｆ２の量に比べてある程度以上大きくて、かつ織布として形成できれば、横糸Ｃｆ１の量と縦糸Ｃｆ２の量との比率はどのような比率とすることもできる。ここでいう量というのは、単なる糸の本数ではなく糸の径も関わってくる。すなわち、本数的には同じでも径が半分になれば量も半分となる。なお、ここで言う横糸と縦糸は、どちらを縦糸、横糸と呼ぶかによって、両者の比較は反転する。

ガス拡散層２４、２５は、上記のカーボン繊維の主な長さ方向が、セパレータ３０、４０の反応ガス流路の流れ方向に対して直交するように配置されている。すなわち、図２に示すように、アノード側のガス拡散層２４は、カーボン繊維の主な方向が、アノード側セパレータ３０に形成された燃料ガス流路３２の流れ方向に対して直交するように配置されるとともに、カソード側のガス拡散層２５は、カーボン繊維の主な方向が、カソード側セパレータ４０に形成された酸化ガス流路４２の流れ方向に対して直交するように配置されている。図中、燃料ガス流路３２および酸化ガス流路４２の流れ方向は、紙面に対して直交する方向Ｘに流れているのに対して、ガス拡散層２４、２５を構成するカーボン繊維の主な長さ方向Ｙは、図中上下方向となっており、両方向Ｘ、Ｙは直交する。なお、図２において、カーボン繊維の径は、図示の都合から拡大して記載されており、実際は微細なものである。

Ａ−２：効果：
以上のように構成された本実施例の燃料電池によれば、ガス拡散層２４、２５としてのカーボンクロスが、カーボン繊維の長さ方向を主に一定方向とした構成となっており、しかも、アノード側のガス拡散層２４は、上記のカーボン繊維の主な長さ方向が、アノード側セパレータ３０に形成された燃料ガス流路３２の流れ方向に対して直交するように配置されるとともに、カソード側のガス拡散層２５は、上記のカーボン繊維の主な長さ方向が、カソード側セパレータ４０に形成された酸化ガス流路４２の流れ方向に対して直交するように配置されている。

このために、カーボン繊維が、燃料ガス流路３２、酸化ガス流路４２を橋渡しすることになり、ガス拡散層２４、２５のカーボン繊維が両流路３２、４２の凹部に落ち込むのを防ぐことができる。従来、この落ち込んだ分が、ガス拡散層２４、２５と触媒層２２、２３との間の面圧を低下させるように働いたが、上記のようにカーボン繊維の落ち込みを防ぐことで、その面圧低下を抑えることができる。したがって、接触抵抗の増大や発電分布の不均一化を招くことがないことから、燃料電池出力の低下を防止することができる。

また、この燃料電池では、ガス拡散層２４、２５のカーボン繊維の長さ方向が主に一定方向となっていることから、触媒層２２、２３との間の面圧をより一層均一化することができる。縦糸と横糸とがクロスするような場合、一方側が他方側を跨ぐことになり、その部分で触媒層に対する面圧が低下するが、上記のように、カーボン繊維の長さ方向を主に一定方向とすることで上記の面圧の低下する部分を少なくすることができるからである。この結果、発電分布のより一層の均一化を図ることができる。

さらに、この実施例では、ガス拡散層２４、２５をカーボンクロスにより形成していることから、カーボン繊維の長さ方向を一定方向にすることが容易である。特にこの実施例では、カーボン繊維の縦糸Ｃｆ２の量を、カーボン繊維の横糸Ｃｆ１の量に比べて少なくすることにより、より一層簡単に、カーボン繊維の長さ方向を一定方向にすることができる。

Ｂ．他の実施形態：
なお、この発明は上記の実施例や変形例に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施することが可能であり、例えば次のような他の実施形態も可能である。

（１）上記実施例では、ガス拡散層２４、２５を、カーボンクロスにより形成していたが、これに換えて、カーボンペーパにより形成する構成としてもよい。カーボンペーパにおいてもカーボン繊維は残存しており、このカーボン繊維の長さ方向を主に一定方向とした構成とすればよい。この場合にも、カーボンペーパを形成するカーボン繊維の主な長さ方向が、セパレータに形成された反応ガス流路の流れ方向に対して直交するように配置される。

（２）また、ガス拡散層２４、２５を、カーボンクロスに換えて、カーボン繊維を一定方向に配置して、接着剤によって接着して、シート状としたカーボンシートを用いる構成とすることもできる。この場合にも、カーボンシートを形成するカーボン繊維の主な長さ方向が、セパレータに形成された反応ガス流路の流れ方向に対して直交するように配置される。この構成によっても、簡単に、カーボン繊維の長さ方向を一定方向にすることができる。なお、この構成においても、カーボン繊維を全て一定方向に配置する必要はなく、主なカーボン繊維の長さ方向を一定として、この方向に対してクロスするカーボン繊維を設ける構成とすることもできる。この構成によれば、接着剤に接着だけではなく糸の編み込みによっても製布することができ、強度を高めることができる。

（３）上記実施例では、燃料ガス流路３２および酸化ガス流路４２は、それぞれの流れ方向が平行となるように構成されていたが、これに換えて、それぞれの流れ方向が直角に交差する構成としてもよい。この場合には、９０度回転されたセパレータの流路側のガス拡散層も該９０度回転されたセパレータと同様に９０度回転させるようにして、この流路とガス拡散層との位置関係が、カーボン繊維の主な長さ方向が、その流路の流れ方向に対して直交となる関係を維持するようにすればよい。

（４）上記実施例では、燃料ガス流路３２および酸化ガス流路４２は、直線状であるストレートタイプであったが、これに換えて、反応ガス流路を、サーペンタインタイプとすることができる。図４は、サーペンタインタイプの反応ガス流路６２が形成されたセパレータ６０を示す説明図である。図示するように、反応ガス流路６２は、反応ガスの流れ方向が変更される折れ曲がり部を複数有するサーペンタインな溝状流路である。この反応ガス流路６２の流れ方向は、折れ曲がってはいるが主な方向は、図中、左右方向（図中Ｚ方向）である。このセパレータ６０を前記実施例に用いる場合には、ガス拡散層７０を、そのガス拡散層７０のカーボン繊維Ｃｆの主な長さ方向が、反応ガス流路６２の主な流れ方向であるＺ方向に対して直交するように配置すればよい。

（５）前記実施例および変形例では、ガス拡散層を、そのガス拡散層のカーボン繊維の主な長さ方向が、反応ガス流路の流れ方向に対して直交するように配置していたが、この角度は、必ずしも厳密に９０度である必要はない。９０度に近い角度、換言すれば、ほぼ９０度であればよい。９０度に近い角度とすることで、カーボン繊維の反応ガス流路への落ち込みを防止することができる。

（６）前記実施例および変形例では、ガス拡散層を、カーボン繊維を材料として形成されたものとしていたが、これに換えて、導電性のある他の繊維を材料として形成されたものとすることもできる。要は、前述したガス拡散層としての機能を有する層を形成可能な材料で繊維状のものであればどのような材料にも変更可能である。

（７）上記実施例では、燃料電池は固体高分子型燃料電池としたが、固体酸化物型燃料電池やリン酸型燃料電池等、異なる種類の燃料電池に適用することも可能である。

本発明の一実施例における燃料電池内部の単セル１０の構成を示す斜視図である。 単セル１０の断面を模式的に示す説明図である。 ガス拡散層２４、２５を形成するカーボンクロスの構造を模式的に示す説明図である。 他の実施形態におけるサーペンタインタイプの反応ガス流路６２が形成されたセパレータ６０を示す説明図である。 従来の燃料電池の単セルの断面を模式的に示す説明図である。 発明が解決しようとする課題を表わす説明図である。

符号の説明

１０...単セル
２０...膜電極接合体（ＭＥＡ）
２１...固体高分子電解質膜
２２、２３...触媒層
２４、２５...ガス拡散層
３０...アノード側セパレータ
３２...燃料ガス流路
４０...カソード側セパレータ
４２...酸化ガス流路
Ｃｆ１...横糸
Ｃｆ２...縦糸

Claims (5)

1. 電解質膜の両側に触媒層が形成され、前記触媒層の外側にガス拡散層が形成された接合体と、
   凹部を備え前記接合体の面と対向することで反応ガス流路を形成するセパレータと
   を備える燃料電池において、
   前記ガス拡散層は、繊維状材料からなり、該繊維状材料の長さ方向を主に一定方向とした構成であり、該一定方向が、前記セパレータの反応ガス流路の流れ方向に対して略直角方向となるように配置されていることを特徴とする燃料電池。
2. 前記ガス拡散層は、カーボン繊維織布により形成されたものである請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記カーボン繊維織布は、カーボン繊維の縦糸の量を、カーボン繊維の横糸の量に比べて少なくすることにより、カーボン繊維の長さ方向を主に一定方向とした構成である請求項２に記載の燃料電池。
4. 前記ガス拡散層は、カーボン繊維を主に一定方向に配置して接着剤によって接着してシート状とした構成である請求項１に記載の燃料電池。
5. 前記電解質膜は、固体高分子膜である請求項１ないし４のいずれかに記載の燃料電池。

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