JP2007299657A - 燃料電池の電極 - Google Patents

Abstract

【課題】拡散層に溜まった水を迅速に排出することができ、フラッディング現象が起こり難い燃料電池の電極を提供する
【解決手段】本発明の燃料電池の電極は、拡散層１３と、ガス流路１６ｂを形成するセパレータ１６とを備えている。拡散層１３にはセパレータ１６側に向かって開口する排水溝１３ａが設けられている。拡散層１３はガス流路１６ｂの方向に最大の透水性能を有しており、排水溝１３ａは最大透水方向と直交するように形成されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池の拡散層内の水分布の均一性及び排水性に優れた燃料電池の電極に関する。

固体高分子型燃料電池は、高分子電解質からなる膜が触媒層で挟まれ、さらにその触媒層の外側を集電及びガス拡散の役割を果たす拡散層で挟まれた膜−電極接合体（以下「ＭＥＡ」と称する）を備えている。そして、ＭＥＡの両面はガス流路を形成するセパレータのリブで挟持されて単位セルが構成され、さらにこの単位セルが複数積層されたスタックが形成されている。

この固体高分子型燃料電池では以下の電気化学反応が行われる。
アノード側：Ｈ_２ → ２Ｈ^＋＋２ｅ⁻
カソード側：１／２Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻ → Ｈ_２Ｏ
全反応 ：Ｈ_２＋１／２Ｏ_２ → Ｈ_２Ｏ
すなわち、水素がアノード側のセパレータのガス流路に供給され、拡散層を通って触媒層に供給される。そして、触媒層での電気化学反応によって水素が酸化されてプロトンと電子とが生成する。こうして生成したプロトンは、オキソニウムイオンの形態で水を引き連れながら触媒層および高分子固体電解質内を移動し、カソード側に達する。
一方、カソード側に供給された酸素は、オキソニウムイオンと結合し、水が生成する。
こうして、固体高分子型燃料電池の内部における電気化学反応によって生じた水は、セパレータのガス流路を流れている反応ガスとともに排出される。

しかし、拡散層内の水の排出速度が不十分な場合には、拡散層内に水が蓄積されて水浸しの状態となり（フラッディング現象）、反応ガスの拡散が妨げられて燃料電池の出力が低下する。この現象は、水の生成量が多くなる高出力下での駆動時において特に起こりやすいため、燃料電池の高出力化を阻む原因となる。

このような拡散層における水の蓄積による不具合を防止するため、拡散層に排水用の溝を設け、拡散層内の水の排出を促進させる燃料電池の電極の提案がなされている（特許文献１）。
特開２００４−３２７３５８号公報

しかし、上記従来の燃料電池の電極では、拡散層に排水溝を設けてはいるものの、拡散層内の水を排水溝へ迅速に滲出させることについて、配慮がなされていなかった。このため、拡散層内の水が排水溝へ滲出する速度が遅く、排水促進の効果が不十分となり、未だフラッディング現象が生じるおそれがあった。

本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、拡散層に溜まった水を迅速に排出することができ、フラッディング現象が起こり難い燃料電池の電極を提供することを解決すべき課題としている。

本発明の燃料電池の電極の第１の局面は、拡散層と、該拡散層の一面側に積層されてガス流路を形成するセパレータとを備え、該拡散層には該セパレータ側に向かって開口する排水溝が設けられている燃料電池の電極において、
前記拡散層は面方向における透水性能に異方性を有しており、前記排水溝は該拡散層における最大の透水性を示す方向である最大透水方向と交差するように形成されていることを特徴とする。

本発明の燃料電池の電極の第１の局面では、透水性能に異方性を有する拡散層を用いており、排水溝は拡散層の最大透水方向と交差するように形成されている。このため、拡散層内の水が排水溝の側壁及び溝と拡散層の界面から排水構内に滲み出す速度が速くなる。こうして排水溝の側壁及び溝と拡散層の界面から滲み出た水はガス流路に移動し、反応ガスとともに下流に排出される。したがって、本発明によれば、拡散層に溜まった水を迅速に排出することができ、フラッディング現象が起こり難くなる。

本発明の燃料電池の電極の第２の局面は、排水溝と最大透水方向とは直角で交差することとした。こうであれば、拡散層から排水溝への水の滲み出し速度が最も早くなり、排水促進効果が最大となる。このため、フラッディング現象の防止効果をさらに高めることができる。

本発明の燃料電池の電極の第３の局面では、最大透水方向とガス流路の方向とは直角で交差することとした。燃料電池のセパレータには、通常、ガス流路に平行してリブが設けられており、このリブは拡散層に圧接されているため、拡散層におけるリブ下部分はガスの供給を受け難い部分となる。このような場合においても、最大透水方向とガス流路の方向の交差角を直角とすれば、ガス流路内の反応ガスが拡散層の最大透水方向に沿ってリブ下まで移動する。なぜならば、透水性が高ければ、ガス透過性も高くなるからである。そして、このため、拡散層内における反応ガスの供給が均一化され、拡散層全面において、最適なガス供給量とすることができる。このため、ひいては燃料電池の出力をさらに高いものとすることができる。

本発明の燃料電池の電極の第４の局面では、排水溝とガス流路の方向とは直角で交差することとした。排水溝に滲み出した水は、ガス流路を流れる反応ガスによってガス流路に移動し下流に排出されるが、排水溝からのガス流路への水の排出速度は、排水溝とガス流路の方向の交差角が直角のとき最大となる。このため、拡散層に溜まった水を迅速に排出することができる。

本発明の燃料電池の電極の第５の局面では、排水溝の深さは拡散層の厚さの２０〜７０％であるとした。排水溝の深さがこの範囲であれば、拡散層の機械的強度の低下も小さく、水の排出も確実となる。

透水性能に異方性を有する拡散層の製造方法
面方向での透水性能に異方性を有する拡散層の製造方法としては、特に限定はされないが、例えば次のような方法が挙げられる。
（１）平織りのカーボンクロスにおいて、横糸の密度を縦糸の密度と異なるように織る。こうであれば、密度が低くされている糸の長さ方向に隙間が多く形成されるため、その方向の透水性が他の方向に比べて高くなる。
（２）平織りのカーボンクロスにおいて、横糸の太さと縦糸の太さを異なるようにする。こうであれば、単位幅あたりの糸の本数が同じ場合、細い方の糸の長さ方向に隙間が多く形成され、その方向の透水性が他の方向に比べて高くなる。
（３）カーボンペーパーは抄紙した紙を炭化して製造しており、抄紙した紙を乾燥する際にはロールプレスされる際に繊維がある程度一定方向に並ぶ。そして、その並んだ方向での透水性が高くなる。
なお、カーボンクロスやカーボンペーパーを構成する炭素繊維は、撚りがあるほうが異方性を出現させ易い。こうであれば、撚りによって糸に形成された隙間に沿って水が案内されるため、糸の長さ方向の透水性が高められる。
また、カーボン繊維不織布等の基材の表面にカーボン粉末含有ペーストを塗って層状に形成したもの（以下、MPLと規定する）を用いることもできる。この場合、カーボン粉末含有ペースト層は、基材のセパレータ側及び反応層側のいずれか一方あるいは両方の面に設けることができる。

排水溝の形成方法
拡散層への排水溝の形成方法については、特に限定はないが、例えば上記のようにして作製した拡散層の表面から一定の深さまで切断機等によって所定の排水溝を形成した後、所定の寸法に切断することにより、排水溝を有する拡散層とすることができる。
また、溝を形成するための別の方法として、上記ＭＰＬが形成された拡散層の場合には、次のようにしてＭＰＬに排水溝を形成させることもできる。すなわち、図１に示すように、カーボンペーパーやカーボン繊維不織布等の基材１上に、排水溝形成のためのマスキング２を施し、その上からカーボン粉末含有ペーストを噴霧し、加温、乾燥させてＭＰＬ３を形成させる。そして、マスキング２を外すことにより、排水溝３ａがＭＰＬ３に形成された拡散層を得る。こうして得られた拡散層は、基材１には何ら溝を設けていないので、機械的強度に優れた拡散層となる。

以下、本発明をさらに具体化した実施例について詳述する。
（実施例１）
実施例１の燃料電池の電極は、図２及び図３に示す燃料電池の単位セル１０のカソード側の電極に適用されている。この単位セル１０は、図３に示すように、高分子電解質膜１１の両面にカソード側触媒層１２ａ及びアノード側触媒層１２ｂが積層されており、さらにその外側がカソード側拡散層１３及びアノード側拡散層１４で挟まれ、ＭＥＡ１５を構成している。そして、さらにＭＥＡ１５の両側からセパレータ１６、１７のリブ１６ａ、１７ａで圧接されており、これによりセパレータ１６、１７とカソード側拡散層１３及びアノード側拡散層１４との間にガス流路１６ｂ、１７ｂが形成されている。カソード側拡散層１３には、セパレータ１６側に開口し、ガス流路１６ａと直交する排水溝１３ａが等間隔で並んで形成されている。排水溝１３ａの深さは、カソード側拡散層１３の厚さの５０％とされている。また、カソード拡散層１３は透水性能に異方性を有するカーボンペーパーからなり、その最大透水方向は、排水溝１３ａと直角の方向とされている。

以上のように構成された単位セル１０に空気を供給した場合、図３に示すカソード側拡散層１３では電極反応によって生じた水が蓄積し、排水溝１３ａに滲み出す。ここで、カソード側拡散層１３は透水性能に異方性を有し、その最大透水方向は排水溝１３ａと直角とされているため、拡散層１３内の水が排水溝１３ａの側壁及び溝と拡散層の界面から排水溝１３ａ内に滲み出す速度が最も速くなる。そして、排水溝１３ａに溜まった水はガス流路１６ａに移動し、空気とともに下流に排出される。ここで、排水溝１３ａはガス流路１６ｂと直交しているため、排水溝１３ａに溜まった水を効率よくガス流路１６ｂに排出できる。このため、拡散層１３に蓄積された水が迅速に排出され、フラッディング現象が起こり難くなる。

（実施例２）
実施例２は、図４及び図５に示すように、ＭＥＡ２５は両側からセパレータ２６、２７のリブ２６ａ、２７ａで圧接されており、これによりセパレータ２６、２７とカソード側拡散層２３ａ及びアノード側拡散層２３ｂとの間にガス流路２６ｂ、２７ｂが形成されている。カソード側拡散層２３には、セパレータ２６側に開口し、ガス流路２６ａの中央でガス流路２６ａと同じ方向に延在する排水溝２３ａが等間隔で並んで形成されている。カソード拡散層２３は透水性能に異方性を有するカーボンペーパーからなり、その最大透水方向は、排水溝２３ａと直角の方向とされている。他の構成は実施例１と同様であり、同一の構成については同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

実施例２の燃料電池の電極では、最大透水方向とガス流路２６ａの方向の交差角は直角とされているため、ガス流路２６ａを流れる空気が拡散層２３のリブ２３ａ下部分へ迅速に移動することができる。このため、拡散層２３における空気の供給が均一化され、拡散層２３全面において、適切な空気供給量とすることができる。また、実施例１と同様、最大透水方向が排水溝２３ａの方向と直角とされているため、拡散層２３内の水が排水溝２３ａの側壁から滲み出す速度が最も速くなる。このため、拡散層２３に蓄積された水が迅速に排出され、フラッディング現象が起こり難くなる。

なお、実施例２では、排水溝２３ａをガス流路２６ｂの中央に延在しているが、これをリブ２６ａの下に延在させることも可能である。こうであれば、リブ２６ａの圧接力によって排水溝２３ａの変形が防止されるため、機械的強度を高めることができる。

（実施例３）
実施例３は、図６に示すように、拡散層３３の最大透水方向と排水溝３３ａとのなす角は９０°とされており、リブ３６ａの延在方向と拡散層３３の最大透水方向とのなす角は４５°とされている。他の構成は実施例１と同様であり、詳細な説明を省略する。

実施例３の燃料電池の電極では、空気の流れ方向が排水溝３３ａと４５°で交差しているため、排水溝と空気の流れ方向とが同じである実施例２よりも、排水溝３３ａからガス流路へ水が排出されやすい。
また、最大透水方向とガス流路２６ａの方向の交差角は直角とされているため、ガス流路２６ａを流れる空気が拡散層２３のリブ２３ａ下部分へ迅速に移動することができる。このため、拡散層２３における空気の供給が均一化され、拡散層２３全面において、適切な空気供給量とすることができる。
さらには、実施例１と同様、最大透水方向が排水溝２３ａの方向と直角とされているため、拡散層２３内の水が排水溝２３ａの側壁から滲み出す速度が最も速くなる。このため、拡散層２３に蓄積された水が迅速に排出され、フラッディング現象が起こり難くなる。

上記実施例１〜３では、カソード側の電極に適用しているが、これをアノード側電極に対して適用することも可能であり、カソード電極及びアノード電極の両方に適用することもできる。
また、この発明は、上記発明の実施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。

ＭＰＬが形成された拡散層の製造方法を示す断面図である。 実施例１に係る燃料電池の電極の平面図である。 図２のＩＩＩ-ＩＩＩ矢視断面図である。 実施例２に係る燃料電池の電極の平面図である。 図４のＶ-Ｖ矢視断面図である。 実施例３に係る燃料電池の電極の平面図である。

符号の説明

１３，２３，３３…拡散層（カソード側拡散層）
１６，１７，２６，３６…セパレータ
１６ｂ，２６ｂ…ガス流路
１３ａ，２３ａ，３３ａ…ガス流路

Claims (5)

1. 拡散層と、該拡散層の一面側に積層されてガス流路を形成するセパレータとを備え、該拡散層には該セパレータ側に向かって開口する排水溝が設けられている燃料電池の電極において、
   前記拡散層は面方向における透水性能に異方性を有しており、前記排水溝は該拡散層における最大の透水性を示す方向である最大透水方向と交差するように形成されていることを特徴とする燃料電池の電極。
2. 前記排水溝と前記最大透水方向とは直角で交差することを特徴とする請求項１記載の燃料電池の電極。
3. 前記最大透水方向と前記ガス流路の方向とは直角で交差することを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池の電極。
4. 前記排水溝と前記ガス流路の方向とは直角で交差することを特徴とする請求項１乃至２のいずれか１記載の燃料電池の電極。
5. 前記排水溝の深さは拡散層の厚さの２０〜７０％であることを特徴とする請求項２乃至４のいずれか1記載の燃料電池の電極。

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