JP4977540B2 - 固体高分子型燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、プロトン伝導性高分子イオン交換膜からなる電解質膜を具備する固体高分子型燃料電池に関し、一層詳細には、運転時に反応ガスが重力方向に沿って上方から下方に流通される固体高分子型燃料電池に関する。

固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の各端面にアノード側電極、カソード側電極のそれぞれを配設した電解質膜・電極構造体を、１組のセパレータによって挟持することで構成された単位セルを備える。この種の固体高分子型燃料電池において、高分子イオン交換膜（電解質膜）は、アノード側電極からカソード側電極に向かってプロトンを伝導させるプロトン伝導体として機能する。

前記アノード側電極及び前記カソード側電極は、これらアノード側電極及びカソード側電極に供給された反応ガスを拡散させるガス拡散層と、拡散した反応ガスが到達して電極反応が起こる電極触媒層とを有する。そして、ガス拡散層が前記セパレータを臨む一方、電極触媒層が前記電解質膜に臨む。

このように構成されたアノード側電極及びカソード側電極においては、例えば、特許文献１の特に段落［００３３］に記載されるように、電極触媒層と電解質膜とがシール材として機能する接着層を介して接合されている。該特許文献１には、この接着層にフッ素樹脂、具体的には、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）を含めることも記載されている。

また、特許文献２には、この種の接着層の材質として、ケイ素原子にエポキシ基が結合した有機ケイ素化合物を含有するシリコーンゴム組成物を用いることが提案されている。

一方、前記セパレータの各端面縁部にも、シール材として機能する接着層が設けられる。特許文献３には、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂を用いて前記接着層を形成することが提案されている。

エポキシ基は親水性の官能基であり、従って、特許文献２、３に記載された接着層には十分な親水性が発現すると推察される。

特開２００１−２３６５５号公報（特に、段落［００３１］、［００３５］〜［００３７］参照） 特開２００３−７３１４号公報（特に、段落［０００４］参照） 特開２００４−２１１０３８号公報（特に、段落［０００８］参照）

特許文献１に記載されているようにフッ素樹脂を接着層に含めると、フッ素樹脂が撥水性を有する物質であるので、該接着層が撥水性を呈する。固体高分子型燃料電池をはじめとする各種の燃料電池では、電極触媒層で電極反応が進行することに伴って水分が生成されるが、電極触媒層と電解質膜とを接合する接着層が撥水性であると、この生成水が液滴として該接着層に付着することがある。すなわち、この場合、該接着層中に液滴水が残留することになる。このような事態が生じると、反応ガスが電極触媒層まで拡散することが液滴水によって妨げられるようになる。このことは、フラッディングを惹起する原因ともなる。

また、燃料電池では、通常、前記セパレータの端面に水平方向に沿って延在するようにして設けられた流通路を介して、反応ガスが流通される。前記生成水は、その大部分がこのように流通する反応ガスに同伴されることで同一方向に流動するものの、一部は自重によって燃料電池の下部に集合する傾向がある。換言すれば、燃料電池の下部には水が滞留し易い。従って、この部位に設けられた接着層には、起動時や運転時、停止時のいずれの場合においても水が常時接触することになる。このため、該部位に設けられる接着層の材質は、水に対して十分な耐久性を示すものであることが必要である。

この点に関し、特許文献２、３のような親水性の材質は、水に対する耐久性が十分ではない。このような理由から、公知の親水性接着層は、燃料電池の接着層としては不適切であると認識されていた。

本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、水を外部に排出することが容易であるので水の滞留が起こり難く、このためにフラッディングが発生することを抑制することが可能な固体高分子型燃料電池を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明は、高分子イオン交換膜からなり且つプロトン伝導体である電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体と、前記電解質膜・電極構造体を介して配設される第１セパレータ及び第２セパレータを備える固体高分子型燃料電池であって、
前記電極は、カーボンペーパーを基材として前記第１セパレータ又は前記第２セパレータに臨むガス拡散層と、前記ガス拡散層と前記電解質膜との間に配置された電極触媒層とを有し、
前記第１セパレータ及び前記第２セパレータのそれぞれに、アノード側電極又はカソード側電極のいずれか一方に反応ガスを重力方向に供給するための反応ガス流路と、前記反応ガス流路に前記反応ガスを供給するための反応ガス入口部と、前記反応ガス流路から前記反応ガスを排出するための反応ガス出口部とが形成され、
設置時に前記反応ガス入口部が前記反応ガス出口部の重力方向上方に位置し、
且つ前記アノード側電極又は前記カソード側電極を構成する前記ガス拡散層の少なくともいずれか一方が、親水性接着剤を含有する親水性接着層を介して前記電解質膜に接合されていることを特徴とする。

なお、本発明において、「親水性」とは、接着層が硬化し且つ固体高分子型燃料電池の運転がなされた後での平坦面における水の接触角が７０°以下であるものをいう。

上記のように構成された固体高分子型燃料電池では、例えば、電極反応が進行することに伴って電極触媒層上で生成した水分が前記親水性接着層によって速やかに該電極触媒層から除去される。水分は、親水性接着層に対して液滴として付着することが困難であり、このために該親水性接着層内に滞留することが困難であるからである。

このように、電極で生成された水分が速やかに除去されるので、フラッディングが発生することも回避される。その上、反応ガスが電極内を拡散することも容易となる。

この場合、前記第１セパレータ及び前記第２セパレータの各端面縁部に設けられた接着層を、前記反応ガス出口部近傍では親水性接着剤を含有する親水性接着層とし、残部では撥水性接着剤を含有する撥水性接着層とすることが好ましい。なお、本発明において、「撥水性」とは、接着層が硬化し且つ固体高分子型燃料電池の運転がなされた後での平坦面における水の接触角が９０°以上であるものをいう。

この場合、撥水性接着剤の撥水作用下に液滴となった水分は、重力の作用によって、各セパレータの下部に設けられた反応ガス出口に向かって容易に移動するようになる。反応ガスに同伴されて反応ガス出口部近傍まで到達した水分は、上記と同様、反応ガス出口部近傍の親水性接着剤に液滴として付着することが困難である。すなわち、水分は、該親水性接着層に滞留することなく接着層表面に広がっていくからである。これにより、反応ガス流路が狭小化されることが回避されるので、反応ガスの排出が妨げられることを回避することができる。換言すれば、反応ガスの排出性を保つことができる。

要するに、この場合、生成水等を反応ガス流路から排出することも容易となるので、反応ガス流路が閉塞することを回避することもできる。また、水分が撥水性接着層から親水性接着層を経由して速やかに外部に排出されるため、接着層全体として水分に接触する時間が極めて短い。従って、親水性接着層の耐久性が水によって劣化することも回避される。

しかも、この場合、高価な撥水性接着層を形成する部位が低減するので、コスト的に有利になる。

さらに、前記第１セパレータ及び前記第２セパレータの反応ガス出口部に、出口バッファ部を隣接して形成することが好ましい。このように出口バッファ部を設けた場合においても、この部位近傍に設けられた親水性接着層が生成水の移動を促進するので、生成水が滞留することが回避される。従って、反応ガスの流通が阻害されることがない。

いずれの場合においても、前記アノード側電極又は前記カソード側電極の一方の電極の少なくともガス拡散層が、残余の電極のガス拡散層に比して大面積に設定されていることが好ましい。この場合、固体高分子電解質膜の一端面側では、該固体高分子電解質膜が大面積で露呈する。従って、例えば、単位セルを積層して積層体を作製する際、該固体高分子電解質膜を支持することが容易となる。このために固体高分子電解質膜が所定の箇所に位置決め固定されるので、積層体を設けることが容易となる。

しかも、この場合、固体高分子電解質膜の露呈面積が大きいので、該固体高分子電解質膜を広範囲にわたって接合することが可能となる。このため、該固体高分子電解質膜、ひいては電解質膜・電極接合体が堅牢に支持され、結局、強固に圧着されて緩み難い積層体を得ることができる。

本発明によれば、アノード側電極又はカソード側電極を構成するガス拡散層の中の少なくともいずれか一方を、親水性接着剤を含有する親水性接着層を介して固体高分子電解質膜（プロトン伝導性高分子イオン交換膜）に接合するようにしている。この親水性接着層が電極触媒層を囲繞しているため、電極反応の進行に伴って該電極触媒層で生成された水分を電極から容易に除去することができる。結局、水分が電極に滞留し難くなるので、フラッディングが発生することを回避することができる。

以下、本発明に係る固体高分子型燃料電池につき好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本実施の形態に係る固体高分子型燃料電池１０を構成する単位セル１２の分解概略斜視図であり、図２は、図１中のＩＩ−ＩＩ線矢視断面図である。なお、図２では、複数個の前記単位セル１２が矢印Ａ方向に積層されて構成された積層体１４として表している。

該積層体１４における単位セル１２の積層方向（矢印Ａ方向）両端部には、それぞれ、エンドプレート（図示せず）が配置される。両エンドプレートが図示しないタイロッドを介して固定されることにより、又は、固体高分子型燃料電池１０が図示しないケーシング内に収容されることにより、積層された複数個の単位セル１２に対し、矢印Ａ方向に沿って所定の締め付け荷重が付与される。

図１に示すように、単位セル１２は、電解質膜・電極構造体１６が第１セパレータ１８と第２セパレータ２０の間に介在されることで構成されている。これら第１セパレータ１８及び第２セパレータ２０は、金属製薄板を波形状にプレス加工することにより作製されたものであり、断面凹凸形状をなす。なお、第１セパレータ１８及び第２セパレータ２０は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属板により構成される。

積層体１４の長辺方向（図１中、矢印Ｃ方向）の上端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔（反応ガス入口部）２２ａ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔（反応ガス入口部）２４ａが設けられる。

一方、積層体１４の長辺方向の下端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔（反応ガス出口部）２４ｂ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔（反応ガス出口部）２２ｂが設けられる。

さらに、積層体１４の短辺方向（矢印Ｂ方向）の一端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔２６ａが設けられるとともに、短辺方向の他端縁部には、前記冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔２６ｂが設けられる。

電解質膜・電極構造体１６は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜２８と、前記固体高分子電解質膜２８を挟持するアノード側電極３０及びカソード側電極３１とを備える。

図２に示すように、これらアノード側電極３０及びカソード側電極３１は、それぞれ、カーボンペーパーを基材とするガス拡散層３２ａ、３２ｂと、白金又は白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層３２ａ、３２ｂの表面に一様に塗布して形成される電極触媒層３３ａ、３３ｂとを有する。電極触媒層３３ａ、３３ｂは、固体高分子電解質膜２８の両面に形成される。

アノード側電極３０のガス拡散層３２ａは、カソード側電極３１のガス拡散層３２ｂに比して面積が小さく設定されている。なお、カソード側電極３１のガス拡散層３２ｂの面積は、固体高分子電解質膜２８と略同等である。

一方、アノード側電極３０のガス拡散層３２ａ及び電極触媒層３３ａは互いに略同等の面積に設定され、且つ、これらガス拡散層３２ａ及び電極触媒層３３ａは、アノード側電極３０のガス拡散層３２ａに比して若干小面積に設定されている。

従って、固体高分子電解質膜２８の一部は、カソード側電極３１の電極触媒層３３ｂから露呈する。この露呈した部位には、電極触媒層３３ｂの縁部を囲繞するようにして、親水性接着層３４が形成されている。

カソード側電極３１のガス拡散層３２ｂは、この親水性接着層３４を介して固体高分子電解質膜２８に接合されている。カーボンペーパーを基材とするガス拡散層３２ｂは、厚みが極めて小さいために著しい可撓性を示すが、上記したようにして固体高分子電解質膜２８に接合されることによって、撓むことが阻止される。

同時に、カソード側電極３１の電極触媒層３３ｂが親水性接着層３４によってシールされる。親水性接着層３４が電極触媒層３３ｂの縁部を囲繞しているからである。

この親水性接着層３４は、エポキシ樹脂、オレフィン樹脂、アクリル樹脂、ウレタン樹脂等の親水性成分を含む。従って、該親水性接着層３４は、水に対する濡れ性が大きい。

図３に示すように、第１セパレータ１８の電解質膜・電極構造体１６に向かう面１８ａには、燃料ガス供給連通孔２４ａと燃料ガス排出連通孔２４ｂとを連通する燃料ガス流路３５が形成される。この燃料ガス流路３５は、矢印Ｃ方向に沿って延在する複数の波状流路溝３５ａを有し、前記波状流路溝３５ａの矢印Ｃ方向上端及び下端に位置して入口バッファ部３６ａ及び出口バッファ部３６ｂが設けられる。入口バッファ部３６ａ及び出口バッファ部３６ｂは、複数のエンボス３８ａ、３８ｂを有する。

第１セパレータ１８の面１８ａには、燃料ガス供給連通孔２４ａと入口バッファ部３６ａとを連通する連通路形成用の複数の受け部４０ａと、燃料ガス排出連通孔２４ｂと出口バッファ部３６ｂとを連通する連通路形成用の複数の受け部４０ｂとが形成される。受け部４０ａ、４０ｂの近傍には、それぞれ複数の供給孔部４２ａ及び排出孔部４２ｂが形成される。供給孔部４２ａは、面１８ｂ側で燃料ガス供給連通孔２４ａに連通する一方、排出孔部４２ｂは、同様に前記面１８ｂ側で燃料ガス排出連通孔２４ｂに連通する。

また、図４に示すように、第２セパレータ２０の電解質膜・電極構造体１６に向かう面２０ａには、酸化剤ガス供給連通孔２２ａと酸化剤ガス排出連通孔２２ｂとを連通する酸化剤ガス流路４４が形成される。この酸化剤ガス流路４４は、矢印Ｃ方向に延在する複数の波状流路溝４４ａを有し、前記波状流路溝４４ａの矢印Ｃ方向上端及び下端に位置して入口バッファ部４６ａ及び出口バッファ部４６ｂが設けられる。入口バッファ部４６ａ及び出口バッファ部４６ｂは、複数のエンボス４８ａ、４８ｂを有する。

面２０ａには、酸化剤ガス供給連通孔２２ａと入口バッファ部４６ａとを連通する連通路形成用の複数の受け部５０ａと、酸化剤ガス排出連通孔２２ｂと出口バッファ部４６ｂとを連通する連通路形成用の複数の受け部５０ｂとが設けられる。

図１に示すように、第２セパレータ２０の面２０ｂと、第１セパレータ１８の面１８ｂとの間には、冷却媒体供給連通孔２６ａと冷却媒体排出連通孔２６ｂとに連通する冷却媒体流路５４が形成される。この冷却媒体流路５４は、燃料ガス流路３５の裏面形状と酸化剤ガス流路４４の裏面形状とが重なり合うことによって、矢印Ｂ方向に延在して形成される。

第１セパレータ１８の縁部には、面１８ａ、１８ｂの双方を被覆するようにして親水性接着層５６、撥水性接着層５７が周回形成される。勿論、これら親水性接着層５６及び撥水性接着層５７も、シールとして機能する。

親水性接着層５６は、図１及び図３における下部（矢印Ｃ方向下方）に配設されており、従って、出口バッファ部３６ｂ、受け部４０ｂ、排出孔部４２ｂ、燃料ガス排出連通孔２４ｂ及び酸化剤ガス排出連通孔２２ｂを囲繞している。一方の撥水性接着層５７は、第１セパレータ１８における残余の部位に配設されている。

親水性接着層５６に含まれる親水性成分の好適な例としては、前記親水性接着層３４と同様に、エポキシ樹脂、オレフィン樹脂、アクリル樹脂、ウレタン樹脂等を挙げることができる。また、撥水性接着層５７に含まれる撥水性成分の好適な例としては、ＰＴＦＥをはじめとする各種のフッ素樹脂や、シリコーン樹脂が挙げられる。

図１及び図３に示すように、親水性接着層５６及び撥水性接着層５７は、面１８ａにおいて、燃料ガス流路３５近傍等で隆起している。以下においては、燃料ガス流路３５近傍で隆起した部位をシール部５６ａ、５７ａ、該シール部５６ａ、５７ａの外方で隆起した部位をシール部５６ｂ、５７ｂと表記する。この中、シール部５６ａ、５６ｂは、燃料ガス流路３５、入口バッファ部３６ａ、出口バッファ部３６ｂ、供給孔部４２ａ及び排出孔部４２ｂを周回する凸状シールを構成する。

さらに、第１セパレータ１８には、燃料ガス流路３５、入口バッファ部３６ａ及び出口バッファ部３６ｂを形成する凸部６１が設けられるとともに、この凸部６１とシール部５６ａとの間に、平坦面６０が形成される。

シール部５６ａ、５７ａには、入口バッファ部３６ａ及び出口バッファ部３６ｂの外周部位に対応し且つ平坦面６０に対応し、燃料ガスが流通（ショートカット）することを阻止する複数の閉塞用シール６２が一体成形される。閉塞用シール６２は、第１セパレータ１８から離間する方向に傾斜して突出形成される。一方、閉塞用シール６２は、燃料ガス供給連通孔２４ａ及び燃料ガス排出連通孔２４ｂに近接する部位の他、複数に分割された直線状シールで構成される。

図４に示すように、第２セパレータ２０の縁部にも同様に、面２０ａ、２０ｂの双方を被覆し且つシールとしても機能する親水性接着層５８、撥水性接着層５９が周回形成される。

親水性接着層５８は、図１及び図４における下部（矢印Ｃ方向下方）に配設され、出口バッファ部４６ｂ、受け部５０ｂ、燃料ガス排出連通孔２４ｂ及び酸化剤ガス排出連通孔２２ｂを囲繞し、撥水性接着層５９は、第２セパレータ２０における残余の部位に配設されている。

これら親水性接着層５８及び撥水性接着層５９は、それぞれ、前記親水性接着層５６及び前記撥水性接着層５７と同様の親水性成分、撥水性成分を含む原材料を用いて形成すればよい。

図４に示すように、親水性接着層５８及び撥水性接着層５９は、面２０ａにおいて、酸化剤ガス流路４４、入口バッファ部４６ａ、出口バッファ部４６ｂ、酸化剤ガス供給連通孔２２ａ及び酸化剤ガス排出連通孔２２ｂを囲繞する部位が隆起している。以下においては、酸化剤ガス流路４４近傍で隆起した部位をシール部５８ａ、５９ａと表記する。

そして、第２セパレータ２０には、酸化剤ガス流路４４、入口バッファ部４６ａ及び出口バッファ部４６ｂを形成する凸部６４が設けられるとともに、この凸部６４とシール部５６ａとの間に平坦面６０が形成される。

シール部５８ａには、平坦面６６に対応し且つ入口バッファ部４６ａ及び出口バッファ部４６ｂの外周部位に対応し、酸化剤ガスが流通（ショートカット）することを阻止する複数の閉塞用シール６８が一体成形される。閉塞用シール６８は、特に、酸化剤ガス供給連通孔２２ａ及び酸化剤ガス排出連通孔２２ｂに近接して設けられ、複数に分解された直線状シールを構成するとともに、第２セパレータ２０から離間する方向に傾斜して突出する。

本実施の形態に係る固体高分子型燃料電池１０は、基本的には以上のように構成されるものであり、次にその作用効果について説明する。

上記したように、アノード側電極３０のガス拡散層３２ａは、電極触媒層３３ａと同等の面積に設定されている。従って、固体高分子電解質膜２８におけるアノード側電極３０側の端面は大きく露呈する。積層体１４を作製する際には、この露呈した部位を支持することによって固体高分子電解質膜２８を位置決めすることができる。すなわち、積層体１４を作製する最中に固体高分子電解質膜２８が位置ズレを起こすことが回避されるので、積層体１４の作製が容易となる。

また、固体高分子電解質膜２８の露呈面積が大きいので、第１セパレータ１８及び第２セパレータ２０に対し、親水性接着層５６、５８及び撥水性接着層５７、５９を介して固体高分子電解質膜２８を広範囲にわたって接合することが可能となる。このため、該固体高分子電解質膜２８、ひいては電解質膜・電極構造体１６が堅牢に支持されるようになり、結局、強固に圧着されて緩み難い積層体１４を得ることができる。

この固体高分子型燃料電池１０を運転するに際しては、図１に示すように、積層体１４の酸化剤ガス供給連通孔２２ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス供給連通孔２４ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体供給連通孔２６ａに純水やエチレングリコール等の冷却媒体が供給される。結局、積層体１４においては、矢印Ａ方向に積層された複数個の単位セル１２に対し、酸化剤ガス、燃料ガス及び冷却媒体が該矢印Ａ方向に沿って供給される。

酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給連通孔２２ａから第２セパレータ２０の酸化剤ガス流路４４に導入され、電解質膜・電極構造体１６のカソード側電極３１に沿って移動する。

その際、図４に示すように、第２セパレータ２０の面２０ａでは、酸化剤ガス供給連通孔２２ａを流れる酸化剤ガスは、複数の受け部５０ａ間を通って入口バッファ部４６ａに供給される。この入口バッファ部４６ａに供給された酸化剤ガスは、矢印Ｂ方向に分散されるとともに、酸化剤ガス流路４４を構成する複数の波状流路溝４４ａに沿って鉛直下方向に流動し、電解質膜・電極構造体１６のカソード側電極３１に供給される。

一方、燃料ガスは、図１及び図３に示すように、第１セパレータ１８の面１８ｂにおいて、燃料ガス供給連通孔２４ａから複数の供給孔部４２ａを通って面１８ａ側に供給される。この燃料ガスは、受け部４０ａ間を通って入口バッファ部３６ａに導入される。入口バッファ部３６ａで矢印Ｂ方向に分散された燃料ガスは、燃料ガス流路３５を構成する複数の波状流路溝３５ａに沿って鉛直下方向に移動し、電解質膜・電極構造体１６のアノード側電極３０に供給される。

各電解質膜・電極構造体１６では、アノード側電極３０に供給された燃料ガス中の水素ガスがガス拡散層３２ａを通過した後に電極触媒層３３ａで電離し、プロトンと電子が生成される。電子は、固体高分子型燃料電池１０に電気的に接続された外部負荷を付勢するための電気エネルギとして取り出され、一方、プロトンは、電解質膜・電極構造体１６を構成する固体高分子電解質膜２８を介してカソード側電極３１に到達する。

そして、カソード側電極３１の電極触媒層３３ｂでは、前記プロトンと、外部負荷を付勢した後に該カソード側電極３１に到達した電子と、該カソード側電極３１に供給されてガス拡散層３２ｂを通過した酸化剤ガス中の酸素ガスとが結合する。この結果、水分が生成される。以下、この水分を生成水ともいう。

以上のように電極反応が進行する間、積層体１４内に冷却媒体が流通される。具体的には、冷却媒体は、冷却媒体供給連通孔２６ａから第１セパレータ１８及び第２セパレータ２０間の冷却媒体流路５４に導入された後、矢印Ｂ方向（水平方向）に沿って流動する。これにより電解質膜・電極構造体１６を冷却した冷却媒体は、最終的に、冷却媒体排出連通孔２６ｂから排出される。

ここで、カソード側電極３１の電極触媒層３３ｂは、上記したように親水性接着層３４で囲繞されている。このため、生成水は、電極触媒層３３ｂからガス拡散層３２ｂに速やかに流動する。親水性接着層３４が親水性を呈しているので、生成水が液滴として留まることが困難であるからである。

生成水は、さらに、ガス拡散層３２ｂを通過して酸化剤ガス流路４４に到達する。この酸化剤ガス流路４４では、酸化剤ガスが矢印Ｃに示される重力方向に沿って上方から下方に流通している。このため、生成水は、酸化剤ガスに同伴されて図４における下部（矢印Ｃ方向下方）に移動される。

一方、アノード側電極３０に供給される燃料ガスには、固体高分子電解質膜２８にプロトン伝導が継続的に発現させるべく、該固体高分子電解質膜２８を湿潤状態に保つための水分が含有されている（以下、この水分を保湿水ともいう）。従って、保湿水は、燃料ガスとともに、第１セパレータ１８に形成された燃料ガス流路３５に導入される。

第１セパレータ１８及び第２セパレータ２０の各上方には、撥水性接着層５７、５９が形成されている。これら撥水性接着層５７、５９は水分に対する耐久性が高く、このため、生成水が比較的長時間滞留した場合であっても劣化の度合いが著しく小さい。従って、積層体１４から生成水が漏洩することを長期間にわたって回避することができる。

第２セパレータ２０の出口バッファ部４６ｂに到達した生成水は、該出口バッファ部４６、受け部５０ｂ、燃料ガス排出連通孔２４ｂ及び酸化剤ガス排出連通孔２２ｂが親水性接着層５８（シール部５８ａ）に囲繞されているため、酸化剤ガス排出連通孔２２ｂに速やかに移動する。電極触媒層３３ｂを囲繞する親水性接着層３４と同様に、この親水性接着層５８（シール部５８ａ）においても、生成水が液滴として留まることが困難であるからである。

一方、第１セパレータ１８の出口バッファ部３６ｂに到達した保湿水は、該出口バッファ部３６ｂ、受け部４０ｂ、排出孔部４２ｂ、燃料ガス排出連通孔２４ｂ及び酸化剤ガス排出連通孔２２ｂが親水性接着層５６（シール部５６ａ）に囲繞されているので、上記と同じ理由から、燃料ガス排出連通孔２４ｂに速やかに移動する。

以上のようにして、生成水及び保湿水は、酸化剤ガス流路４４、燃料ガス流路３５をそれぞれ流通する酸化剤ガス、燃料ガスに同伴され、該酸化剤ガス流路４４、該燃料ガス流路３５に滞留することなく酸化剤ガス排出連通孔２２ｂ、燃料ガス排出連通孔２４ｂから速やかに排出される。従って、反応ガス流路が水分で閉塞されることを長期間にわたって回避することができる。これにより、固体高分子型燃料電池１０にフラッディングが発生することも回避される。

なお、出口バッファ部３６ｂ、４６ｂ近傍では、重力の作用によって生成水及び保湿水が下方に移動することが促進される。すなわち、第１セパレータ１８及び第２セパレータ２０の下方においては、生成水及び保湿水の滞留時間が極めて短い。従って、この部位に配設された親水性接着層５６、５８の水に対する耐久性が早期に劣化する懸念もない。

また、撥水性接着層５７、５９は一般に高価であり、従って、第１セパレータ１８及び第２セパレータ２０の両端面縁部の全域にわたって撥水性接着層５７、５９を設けることはコスト的に不利である。これに対し、本実施の形態では、第１セパレータ１８及び第２セパレータ２０の下方に親水性接着層５６、５８を配設するようにしているので、撥水性接着層５７、５９の設置面積が低減する。このため、コストを低廉化することもできる。

さらに、本実施の形態では、図１及び図３に示すように、第１セパレータ１８に設けられている親水性接着層５６及び撥水性接着層５７の各シール部５６ａ、５７ａに、入口バッファ部３６ａ及び出口バッファ部３６ｂの外周部位に対応し且つ凸部６１と前記シール部５６ａとの間に形成される平坦面６０に対応して、閉塞用シール６２が設けられている。

このため、閉塞用シール６２は、平坦面６０に密着し、この平坦面６０に供給孔部４２ａ及び排出孔部４２ｂを短絡させる短絡通路が形成されることを阻止することが可能になる。従って、燃料ガス供給連通孔２４ａから供給孔部４２ａを通って入口バッファ部３６ａに供給された燃料ガスが、前記入口バッファ部３６ａの外周を通過して、所謂、ショートカットを発生することを確実に阻止することができる。

これにより、発電に利用されない燃料ガスを良好に削減することが可能になるとともに、前記燃料ガスをアノード側電極３０の電極面に均一に供給することができ、簡単な構成で、効率的且つ経済的な発電が遂行されるという効果が得られる。

さらに、閉塞用シール６２は、シール部５６ａ、５７ｂの内周端部に一体成形されている。従って、親水性接着層５６及び撥水性接着層５７の各々の成形時にシール部５６ａ、５７ａのいずれかと閉塞用シール６２が同時に成形され、前記親水性接着層５６及び前記撥水性接着層５７の製造作業が有効に簡素化される。

第２セパレータ２０では、親水性接着層５８及び撥水性接着層５９がシール部５８ａ、５９ａの内周端部に一体成形される複数の閉塞用シール６８を有している。このため、上記の第１セパレータ１８に設けられる親水性接着層５６及び撥水性接着層５７と同様の効果が得られる。

なお、上記した実施の形態においては、カソード側電極３１のガス拡散層３２ｂのみを固体高分子電解質膜２８と同等の面積に設定するようにしているが、図５に示すように、アノード側電極３０及びカソード側電極３１のガス拡散層３２ａ、３２ｂの双方を固体高分子電解質膜２８と同等の面積に設定するようにしてもよい。この場合、ガス拡散層３２ａ、３２ｂと固体高分子電解質膜２８とを、親水性接着層３４ａ、３４ｂを介して互いに接合するようにすればよい。これにより、ガス拡散層３２ａ、３２ｂの双方とも撓むことが抑制される。

１０ｇのバルカンＸＣ−７２（キャボット社製のブラックカーボン粒子の商品名）と、１０ｇのフルオンＬ１７０Ｊ（旭硝子社製のＰＴＦＥ粒子の商品名）とを溶媒である１８０ｇのエチレングリコールに添加して、１３００ｒｐｍで１０分間の３次元撹拌を行った。これにより、第１ペーストを調製した。

その一方で、昭和電工社製の気相成長カーボンを１０ｇ、フルオンＬ１７０Ｊを１０ｇ秤量し、これらを２２０ｇのエチレングリコールに添加した後、１３００ｒｐｍで１０分間の３次元撹拌を行うことで第２ペーストを調製した。

これらの第１ペースト及び第２ペーストを、東レ社製のカーボンペーパーであるＴＧＰ−Ｈ−０９０の各端面にスクリーン印刷によって塗布し、３８０℃で３０分間の熱処理を行うことで、第１多孔層及び第２多孔層を得た。この際、バルカンＸＣ−７２及び気相成長カーボンが造孔材として機能した。

また、田中貴金属工業社製の白金担持カーボンと、デュポン社製のプロトン伝導性ポリマーであるナフィオンＳＥ５１１とをボールミルで撹拌混合し、触媒ペーストを調製した。この触媒ペーストを、白金が０．５ｍｇ／ｃｍ２となるような条件でＰＴＦＥシート上にスクリーン印刷を行った。その後、１２０℃で６０分間の熱処理を行うことにより、電極触媒シートを得た。電極触媒シートは、複数枚作製した。

この電極触媒シートを、デュポン社製のナフィオン１１２（固体高分子電解質膜）の各端面に圧着しながら加熱し、所定時間が経過した後、前記ＰＴＦＥシートを剥離させた。これにより、両端面に電極触媒層が転写された固体高分子電解質膜を得た。なお、固体高分子電解質膜は電極触媒層よりも大面積であり、従って、固体電解質膜の一部が電極触媒層から露呈した。

さらに、前記第１多孔層が形成されたカーボンペーパー、及び前記第２多孔層が形成されたカーボンペーパーの各々の縁部近傍に、親水性の接着剤であるエポキシ接着剤（セメダイン社製のＥＰ１７１、スリーボンド社製のＴＢ２２０４の混合物）をスクリーン印刷によって塗布した。次いで、前記固体高分子電解質膜に形成された電極触媒層がエポキシ接着剤に囲繞されるようにして、固体高分子電解質膜と両カーボンペーパーとを互いに接合した。

次いで、全体に対し、１４０℃において３０ｋｇｆ／ｃｍ²の面圧で熱圧着を行い、前記エポキシ接着剤を硬化させて接着層とし、電解質膜・電極接合体を得た。

次いで、この電解質膜・電極接合体を、金属メッキが施され且つ流路部が貫通形成された１組のセパレータで挟持し、さらに、各セパレータの外方に、該セパレータよりも表面積が若干大きなアクリル板で挟むことで単位セルを構成した。これを実施例１とする。

この単位セルでは、セパレータの流路部が貫通形成され且つアクリル板が透明であるので、生成水が滞留ないしは移動しているか否か等を目視によって確認可能である。

また、親水性接着剤をオレフィン接着剤（スリーボンド社製のＴＢ１１５２Ｂ）、アクリル接着剤（ノーランド社製のＮＯＡ８３Ｈ）、ウレタン接着剤（セメダイン社製のＵＭ７５０）の各々に変更したことを除いては実施例１と同様にして、単位セルを作製した。それぞれを実施例２〜４とする。

さらに、セメダイン社製のＥＰ１７１、スリーボンド社製のＴＢ２２０４（ともにエポキシ接着剤）に撥水性接着剤であるフッ素系接着剤（信越化学社製のＳＩＦＥＬ６６２）との混合物を用いたこと以外は実施例１に準拠して、単位セルを作製した。これを実施例５とする。

比較のため、撥水性接着剤であるフッ素系接着剤（信越化学社製のＳＩＦＥＬ６６２）、又はシリコーン接着剤（信越化学社製のＫＥ−４５）のいずれかを用いて接着層を形成したことを除いては実施例１と同様にして、単位セルを作製した。各々を比較例１、２とする。

これらの単位セルを、前記流路部が重力方向に沿って延在するように設置した後、重力方向に沿って上方から下方に反応ガスを流通させることで発電を行い、セパレータ下部における水分の接触角度を測定した。結果を図６に示す。

また、各単位セルにつき１００時間の発電を行わせた後、３０秒の掃気を行って排水能力を評価した。すなわち、反応ガス入口と反応ガス出口とに差圧を生じさせ、この際、水で閉塞されている反応ガス流路と閉塞されていない反応ガス流路の面積比を調べた。結果を図７に示す。

この図７から、実施例１〜５の単位セルの方が比較例１、２の単位セルに比して閉塞率が小さいこと、換言すれば、排水能力に優れていることが明らかである。

本実施の形態に係る固体高分子型燃料電池を構成する単位セルの分解斜視図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線矢視断面図である。 前記単位セルを構成する第１セパレータの正面図である。 前記単位セルを構成する第２セパレータの正面図である。 別の実施の形態に係る固体高分子型燃料電池を構成する積層体の要部縦断面図である。 実施例１〜５及び比較例１、２の各単位セルにおけるセパレータに形成された接着層の発電前後における接触角度を示す図表である。 実施例１〜５及び比較例１、２の各単位セルにおける反応ガス流路の水による閉塞率を示す図表である。

符号の説明

１０…固体高分子型燃料電池 １２…単位セル
１４…積層体 １６…電解質膜・電極構造体
１８、２０…セパレータ ２２ａ…酸化剤ガス供給連通孔
２２ｂ…酸化剤ガス排出連通孔 ２４ａ…燃料ガス供給連通孔
２４ｂ…燃料ガス排出連通孔 ２６ａ…冷却媒体供給連通孔
２６ｂ…冷却媒体排出連通孔 ２８…固体高分子電解質膜
３０…アノード側電極 ３１…カソード側電極
３２ａ、３２ｂ…ガス拡散層 ３３ａ、３３ｂ…電極触媒層
３４、３４ａ、３４ｂ、５６、５８…親水性接着層
３５…燃料ガス流路 ３６ａ、４６ａ…入口バッファ部
３６ｂ、４６ｂ…出口バッファ部 ４２ａ…供給孔部
４２ｂ…排出孔部 ４４…酸化剤ガス流路
５４…冷却媒体流路 ５７、５９…撥水性接着層

Claims (4)

1. 高分子イオン交換膜からなり且つプロトン伝導体である電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体と、前記電解質膜・電極構造体を介して配設される第１セパレータ及び第２セパレータを備える固体高分子型燃料電池であって、
   前記電極は、カーボンペーパーを基材として前記第１セパレータ又は前記第２セパレータに臨むガス拡散層と、前記ガス拡散層と前記電解質膜との間に配置された電極触媒層とを有し、
   前記第１セパレータ及び前記第２セパレータのそれぞれに、アノード側電極又はカソード側電極のいずれか一方に反応ガスを重力方向に供給するための反応ガス流路と、前記反応ガス流路に前記反応ガスを供給するための反応ガス入口部と、前記反応ガス流路から前記反応ガスを排出するための反応ガス出口部とが形成され、
   設置時に前記反応ガス入口部が前記反応ガス出口部の重力方向上方に位置し、
   且つ前記アノード側電極又は前記カソード側電極を構成する前記ガス拡散層の少なくともいずれか一方が、親水性接着剤を含有する親水性接着層を介して前記電解質膜に接合されていることを特徴とする固体高分子型燃料電池。
2. 請求項１記載の固体高分子型燃料電池において、前記第１セパレータ及び前記第２セパレータの各端面縁部に設けられた接着層の中、前記反応ガス出口部近傍が親水性接着剤を含有する親水性接着層からなり、残部が撥水性接着剤を含有する撥水性接着層からなることを特徴とする固体高分子型燃料電池。
3. 請求項１又は２記載の固体高分子型燃料電池において、前記第１セパレータ及び前記第２セパレータの反応ガス出口部に隣接して出口バッファ部が形成されていることを特徴とする固体高分子型燃料電池。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の固体高分子型燃料電池において、前記アノード側電極又は前記カソード側電極の一方の電極の少なくともガス拡散層が、残余の電極のガス拡散層に比して大面積に設定されていることを特徴とする固体高分子型燃料電池。

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