JP2009283352A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】ガス流路とガス拡散層との間の接触抵抗を低減することのできる燃料電池を提供することを目的とする。
【解決手段】ＭＥＡ２０と、ＭＥＡ２０の電極面に配置されたガス拡散層２２と、ＭＥＡ２０との間でガス拡散層２２を挟むように設けられたガス流路１６と、を備えた燃料電池１０において、ガス拡散層２２は、ガス流路１６との接触面にガス流路１６との接触面積を増加させるように凹凸形状が形成されている。好ましくは、ガス拡散層２２は、ガス流路１６との接触面に粗面化処理が行われている。
【選択図】図４

Description

この発明は、燃料電池に関し、特に、燃料電池の内部構造に関する。

燃料電池は、複数毎の単位電池が積層された燃料電池スタックとして使用される。単位電池自体も平面状の部材の積層体であり、電解質膜をその両側から電極で挟んで構成された膜電極接合体（ＭＥＡ;Membrane Electrode Assembly）を有し、該ＭＥＡをその両側からガス拡散層、ガス流路、およびセパレータで挟むことで構成されている。

燃料電池に使用されるガス流路としては、種々の形状のものが提案されている。例えば、特開２００６−２９４３２９号公報では、ガス流路にエキスパンドメタルを使用した燃料電池が開示されている。エキスパンドメタルは、平板状の金属製の薄板に対して、順次千鳥配置の切れ目を加工するとともに、加工した切れ目を押し延ばすことによって、網目状の小径の貫通孔が形成されるものである。このため、他のガス流路に比して歩留まり性が極めて良好であり、燃料電池の製造コストを低減することができる。

特開２００６−２９４３２９号公報 特開２０００−２６０４４１号公報 特開平９−２８３１５７号公報

エキスパンドメタルは、表面に多数の突起部が形成されているため、隣接するガス拡散層との接触面積を十分に確保することができない。このため、これらの間の接触抵抗が増加することにより、燃料電池の発電性能が低下するおそれがあった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、ガス流路とガス拡散層との間の接触抵抗を低減することのできる燃料電池を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池であって、
膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の電極面に配置されたガス拡散層と、
前記膜電極接合体との間で前記ガス拡散層を挟むように設けられた多孔体流路と、を備え、
前記ガス拡散層は、前記多孔体流路との接触面に凹凸形状が形成されていることを特徴とする。

第２の発明は、第１の発明において、
前記ガス拡散層は、前記接触面に粗面化処理が行われていることを特徴とする。

第３の発明は、第１の発明において、
前記ガス拡散層は、前記接触面に前記多孔体流路の前記ガス拡散層側の表面形状と一致する形状が形成されていることを特徴とする。

第４の発明は、第１乃至第３の何れか１つの発明において、
前記多孔体流路はエキスパンドメタルであることを特徴とする。

第１の発明によれば、ガス拡散層における多孔体流路との接触面には、凹凸形状が形成されている。ガス拡散層に凹凸形状を設けると、多孔体流路との接触面積が平滑時に比して増加する。このため、本発明によれば、ガス拡散層と多孔体流路との間の接触抵抗を低減することができるので、燃料電池の性能低下を効果的に抑制することができる。

第２の発明によれば、ガス拡散層の多孔体流路との接触面には、粗面化処理が行われている。接触面の表面粗さが大きいと、接触面が平滑である場合に比して多孔体流路との接触面積が増大する。このため、本発明によれば、ガス拡散層と多孔体流路との間の接触抵抗を低減することができるので、燃料電池の性能低下を効果的に抑制することができる。

第３の発明によれば、ガス拡散層における多孔体流路との接触面には、接触する多孔体流路の表面形状と一致する形状が形成されている。このため、本発明によれば、ガス拡散層と多孔体流路との間の接触抵抗を低減することができるので、燃料電池の性能低下を効果的に抑制することができる。

エキスパンドメタルは、表面に多数の突起部を有している。このため、その構造上ガス拡散層との接触面積が小さくなってしまう。第４の発明によれば、ガス拡散層の表面に設けられた凹凸形状によって、これらの間の接触面積を増加させることができるので、接触抵抗を効果的に低減することができる。

以下、図面に基づいてこの発明の幾つかの実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。また、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
［実施の形態１の構成］
図１は、本実施の形態１における燃料電池の構成を模式的に示す断面図である。燃料電池１０は、発電反応により発生した電力をモータ等の負荷装置に供給する燃料電池システムとして使用される。燃料電池１０は単位電池１２を複数積層したスタック構造を有している。単位電池１０は、発電体１４、反応ガスが流れるガス流路１６、隣接する発電体１４を隔離するセパレータ１８によって構成されている。発電体１４は、電解質膜を挟んでアノードとカソードが配置された膜電極接合体（ＭＥＡ）２０の外側に、カーボン繊維からなるガス拡散層２２をシールガスケットで囲んで一体として形成されている。各単位電池１２は、アノードに燃料ガス(例えば、水素ガス)の供給を受け、カソードに空気の供給を受けて発電する。尚、本実施の形態１において、燃料ガスの供給／排気系の構成、および空気の供給／排気系の構成に限定はないので、それらについての説明は省略する。

本実施の形態１におけるガス流路１６は、エキスパンドメタルで構成されている。図２は、ガス流路１６としてのエキスパンドメタルの構造を説明するための図である。図２中（Ａ）は、ガス流路１６を積層方向からみた図を示している。また、図２中（Ｂ）は、（Ａ）に示すガス流路１６の一部を拡大して示す図である。また、図２中（Ｃ）は、（Ｂ）に示すガス流路１６をII−II断面に沿って切断した断面図を示している。

図２に示すとおり、ガス流路１６としてのエキスパンドメタルは、金属板に網目を形成するための切り込みを一方向に複数設け、当該金属板を切り込み方向と直交する方向に引っ張ることで形成される。このため、図２（Ｃ）に示すとおり、ガス流路１６の表面には、多数の突起部が形成される。金属板としては、チタンやチタン合金等の耐腐食性の高い金属が使用される。

［実施の形態１の特徴］
図３は、ガス拡散層２２とガス流路１６とを積層して締結荷重を加えた場合の様子を示す図である。尚、図３中（Ａ）は、燃料電池１０を積層方向に切断した断面の一部を示している。また、図３中（Ｂ）は、（Ａ）中の一点鎖線で囲まれた部位を拡大して示す図である。

図３（Ａ）に示すとおり、ガス流路１６としてのエキスパンドメタルは、その表面に多数の突起部が形成されている。ここで、ガス拡散層２２が平滑である場合においては、ガス流路１６の突起部先端のみがガス拡散層２２に接触する。このため、ガス流路１６とガス拡散層２２との接触面積が不足して、接触抵抗が増加してしまうおそれがある。

また、ガス流路１６の突起部には、締結荷重による面圧が集中する。このため、図３（Ｂ）に示すとおり、ガス流路１６の突起部がガス拡散層２２に食い込んで、該ガス拡散層２２を構成するカーボン繊維を破壊してしまうおそれがある。ガス流路１６がガス拡散層２２内へ食い込むと、面圧が低下(荷重抜け)して接触抵抗が増加する。このため、燃料電池の発電性能が低下してしまう。特に、燃料電池の氷点下始動時においては、電解質膜が乾燥により収縮しているため、上記荷重抜けに起因する出力低下が顕著に現れる。

そこで、本実施の形態１では、ガス拡散層２２とガス流路１６との接触面積を増加させるために、ガス拡散層２２の表面粗さを大きくすることとする。図４は、本実施の形態１の燃料電池１０を積層方向に切断した断面の一部を示す図である。この図に示すように、ガス拡散層２２は、ガス流路１６と接する面の表面粗さが大きくなるように粗面処理がなされている。より具体的には、三次元表面粗さＲａが５０μｍ≦Ｒａ≦３００μｍ、コンタクト率が２０〜８０％、およびガス流路１６とガス拡散層２２との間の接触抵抗が１５ｍΩ・ｃｍ^２以下となるように粗面処理が行われる。

図４に示すとおり、ガス拡散層２２の表面粗さが大きくなると、ガス流路１６の突起部先端以外の場所もガス拡散層２２に接触するため、ガス拡散層２２とガス流路１６との接触面積が大きくなる。このため、ガス拡散層２２とガス流路１６との間の接触抵抗を低減することができるので、燃料電池の性能低下を効果的に抑制することができる。

また、ガス拡散層２２とガス流路１６との接触面積が大きくなると、ガス流路１６の突起部に集中する面圧を緩和することができる。このため、該突起部がガス拡散層２２のカーボン繊維を破壊する事態を効果的に抑制することができる。また、ガス流路１６の突起部がガス拡散層２２へ食い込むことを防止できるので、荷重抜けによる接触抵抗の増加を効果的に抑制することができる。

ところで、上述した実施の形態１においては、ガス拡散層２２の表面粗さを大きくすることにより、ガス拡散層２２とガス流路１６との間の接触面積を増加させることとしているが、表面粗さを大きくする面はこれに限られない。すなわち、ガス拡散層を有しない燃料電池においては、ガス流路１６と直接接触するＭＥＡ２０の発電面の表面粗さを大きくすることとしてもよい。

また、上述した実施の形態１においては、ガス流路１６としてエキスパンドメタルを使用することとしているが、使用可能なガス流路はこれに限られない。すなわち、エキスパンドメタルのように突起部を有し、ガス拡散層２２とのコンタクト率が低い金属多孔体であれば、発砲焼結金属や金属メッシュ等であってもよい。

尚、上述した実施の形態１においては、ガス流路１６が前記第１の発明における「多孔体流路」に、ガス拡散層２２が前記第１の発明における「ガス拡散層」に、それぞれ相当している。

実施の形態２．
［実施の形態２の特徴］
上述した実施の形態１においては、ガス拡散層２２のガス流路１６と接する面に粗面処理を行うことで、ガス拡散層２２とガス流路１６との接触面積を増加させることとしている。一方、本実施の形態２では、ガス拡散層２２に替えて、ガス流路１６と接する面に、ガス流路１６の接触面形状と一致する形状を設けたガス拡散層３０を使用することとする。

図５は、本実施の形態２の燃料電池１０を積層方向に切断した断面の一部を示す図である。尚、図５中（Ａ）は、ガス流路１６とガス拡散層３０とを積層する前の状態を、図５中（Ｂ）は、ガス流路１６とガス拡散層３０とを積層した後の状態を、それぞれ模式的に示している。

図５（Ａ）に示すとおり、ガス拡散層３０のガス流路と接する面には、ガス流路１６の突起部と接する位置に、当該突起部と一致する凹形状がそれぞれ形成されている。より具体的には、ガス拡散層２２の厚さが２５０μｍ程度である場合には、２０μｍ程度の凹形状が好適である。

このようなガス拡散層３０にガス流路１６を積層すると、図５（Ｂ）に示すとおり、ガス流路１６の突起部周辺がガス拡散層３０に接触する。これにより、ガス拡散層３０とガス流路１６との接触面積を増加させることができるので、接触抵抗を効果的に低減することができる。

また、ガス拡散層３０とガス流路１６との接触面積が大きくなると、ガス流路１６の突起部に集中する面圧を緩和することができる。このため、該突起部がガス拡散層３０のカーボン繊維を破壊する事態を効果的に抑制することができる。また、ガス流路１６の突起部がガス拡散層３０へ食い込むことを防止できるので、荷重抜けによる接触抵抗の増加を効果的に抑制することができる。

ところで、上述した実施の形態２においては、ガス拡散層３０の表面にガス流路１６の接触面と一致する形状を形成しておくことにより、ガス拡散層３０とガス流路１６との間の接触面積を増加させることとしているが、凹凸形状を形成する面はこれに限られない。すなわち、ガス拡散層を有しない燃料電池においては、ガス流路１６と直接接触するＭＥＡ２０の発電面の形状をガス流路１６の接触面と一致させることとしてもよい。

また、上述した実施の形態２においては、ガス流路１６としてエキスパンドメタルを使用することとしているが、使用可能なガス流路はこれに限られない。すなわち、エキスパンドメタルのように突起部を有し、ガス拡散層２２とのコンタクト率が低い金属多孔体であれば、発砲焼結金属や金属メッシュ等であってもよい。

尚、上述した実施の形態２においては、ガス流路１６が前記第１の発明における「多孔体流路」に、ガス拡散層３０が前記第１の発明における「ガス拡散層」に、それぞれ相当している。

本実施の形態１の燃料電池の構成を模式的に示す図である。 ガス流路１６としてのエキスパンドメタルの形状を説明するための図である。 ガス拡散層２２とガス流路１６とを積層して締結荷重を加えた場合の様子を示す図である。 本実施の形態１の燃料電池１０を積層方向に切断した断面の一部を示す図である。 本実施の形態２の燃料電池１０を積層方向に切断した断面の一部を示す図である。

符号の説明

１０ 燃料電池
１２ 単位電池
１４ 発電体
１６ ガス流路
１８ セパレータ
２０ 膜電極接合体（ＭＥＡ）
２２，３０ ガス拡散層

Claims (4)

1. 膜電極接合体と、
   前記膜電極接合体の電極面に配置されたガス拡散層と、
   前記膜電極接合体との間で前記ガス拡散層を挟むように設けられた多孔体流路と、を備え、
   前記ガス拡散層は、前記多孔体流路との接触面に凹凸形状が形成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、前記接触面に粗面化処理が行われていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
3. 前記ガス拡散層は、前記接触面に前記多孔体流路の前記ガス拡散層側の表面形状と一致する形状が形成されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
4. 前記多孔体流路はエキスパンドメタルであることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項記載の燃料電池。

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