JP5089160B2

JP5089160B2 - 燃料電池

Info

Publication number: JP5089160B2
Application number: JP2006342748A
Authority: JP
Inventors: 恒昭玉地; 文晴岩崎; 一貴譲原; 孝史皿田; 徹尾崎; 考応柳▲瀬▼
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 2006-12-20
Filing date: 2006-12-20
Publication date: 2012-12-05
Anticipated expiration: 2026-12-20
Also published as: JP2008153167A

Description

本発明は、固体高分子電解質膜と、固体高分子電解質膜の両面に配置されるアノード側触媒及びカソード側触媒とを備える燃料電池に関し、特に、携帯機器等の電源に用いるパッシブ型の燃料電池に関する。

近年、ノート型パソコンや携帯電話等のモバイル機器の電源として、従来の二次電池に変わり、高エネルギー密度を有する燃料電池が注目されている。これらの燃料電池の反応は固体高分子電解質膜−触媒−反応ガスの３者が接する界面（三相界面）で支配的に起こるとされている。

そのため効率的に発電するためには、良好な三相界面を常に維持しなければならない。特にカソード側においては、触媒に隣接するガス拡散層（ＧＤＬ）には、（１）電子導電性が高いこと、（２）ガスの拡散性・通気性が高いこと、（３）反応で生成した水または水蒸気を効率的に排出すること、（４）電気化学的に安定であること等の機能が求められる。これらの機能を満たすＧＤＬとして、カーボン製や金属製の材料が多く用いられてきた（例えば特許文献１参照）。
特開平6-5289

従来のカーボンペーパーと呼ばれる材質を用いた場合は、カソード側において、発電によって生じた水分の蒸発が十分ではなくフラッディングを起こし、カソード側で必要とする酸素の取入れを阻害し、出力の低下が見られていた。しかしながら、軽量化の必要がある携帯機器向けの燃料電池において、カソード側に送風機（ファン）等の補器を用いることは機器の重量を考慮すると不利になる。そのため、上述の送風機などの補器を用いない方法として、空隙度がカーボンペーパーより高い発泡金属を撥水処理し、当該発泡金属を介して発電によって生じた水を排出することが考えられる。

しかし、大きな電流密度で発電した場合、一度蒸発した水が再度凝縮して、水となり、燃料電池の姿勢によっては当該水が発泡金属に存在し続けることがある。これにより、発泡金属に存在している水が空気の取入れを阻害し、空気の取り入れが面内で不均一となり、発電時の出力が低下するという問題が生じていた。

そこで、本発明は以上の点に鑑みてなされたものであり、カソード側に水が発生しても、空気の取入れを十分に確保して、発電時の出力のばらつきを低減することができる燃料電池を提供することを目的とする。

上記に示す課題を解決するために、本発明に係る第１の特徴は、固体高分子電解質膜と、前記固体高分子電解質膜の両面に配置されるアノード側触媒及びカソード側触媒とを備え、前記アノード側触媒に供給された燃料及び前記カソード側触媒に供給された空気を用いて発電する燃料電池であって、前記カソード側触媒が前記固体高分子電解質膜と向かい合う側とは反対側において、前記カソード側触媒と向かい合わせに配置され、前記カソード側触媒に向けて前記空気を拡散する多孔質体を備え、前記多孔質体は、第1多孔質部分と、前記第１多孔質部分に接続され、前記第1多孔質部分よりも前記空気が通過する割合（以下、空隙度）が低い第２多孔質部分とを備えることを要旨とする。

かかる特徴によれば、第２多孔質部分は第１多孔質部分よりも空隙度が低いことにより、発電によって生じた水は、いわゆる毛細管現象によって、第１多孔質部分から、その部分よりも密度が高い第２多孔質部分に向けて移動して外部に排出される。このため、カソード側に水が発生しても、空気の取入れを十分に確保することができるとともに、発電時の出力のばらつきを低減することができる。

本発明に係る第２の特徴は、前記第１多孔質部分が前記第２多孔質部分によって囲まれることを要旨とする。

本発明に係る第３の特徴は、前記第１多孔質部分は、前記第１多孔質部分の中心部分及び周縁部分を備えており、前記第１多孔質部分は、前記第１多孔質部分が前記カソード側触媒と向かい合う側とは反対側において前記中心部分が前記周縁部分よりも突出されており、前記中心部分から前記周縁部分に向けて傾斜していることを要旨とする。

本発明に係る第４の特徴は、前記第1多孔質部分が前記第２多孔質部分の側方に配置されることを要旨とする。

本発明に係る第５の特徴は、前記第１多孔質部分及び前記第２多孔質部分のそれぞれが球状の空孔を複数備えており、前記空孔のそれぞれが、前記第１多孔質部分から前記第２多孔質部分に向かうに従って、前記空孔の大きさが徐々に小さくなっていることを要旨とする。

本発明に係る第６の特徴は、前記第１多孔質部分及び前記第２多孔質部分は複数備えられており、前記第１多孔質部分及び前記第２多孔質部分は、交互に配置されることを要旨とする。

本発明に係る第７の特徴は、前記第２多孔質部分に接触して配置され、前記発電により発生した水を吸い取る吸水部材を備えることを要旨とする。

本発明に係る第８の特徴は、前記第１多孔質部分及び前記第２多孔質部分の総面積に対する前記第１多孔質部分の面積の割合が、２０％以上９０％未満であることを要旨とする。

本発明に係る特徴によれば、カソード側に水が発生しても、空気の取入れを十分に確保して、発電時の出力のばらつきを低減することができる。

（第１実施形態）
以下、本発明に係る燃料電池の実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。図面において同一の引用符号で表した構成要素は、各図面共通で同一の構成要素を示すものとする。

図１は、本実施形態に係る燃料電池の概略構成図である。図１に示すように、燃料電池１００は、固体高分子電解質膜１と、固体高分子電解質膜１の両面に配置されるアノード側触媒２及びカソード側触媒５とを備える。燃料電池１は、アノード側触媒２に供給された燃料及びカソード側触媒５に供給された空気を用いて発電するものであり、カソード側触媒５が固体高分子電解質膜１と向かい合う側とは反対側において、カソード側触媒５と向かい合わせに配置され、カソード側触媒５に向けて空気を拡散する多孔質体（１０，１１）を備える。

本実施形態に係る多孔質体は、第1多孔質部分１０と、第１多孔質部分１０に接続され、第1多孔質部分よりも空気が通過する割合（空隙度）が低い第２多孔質部分２０とを備える。

ここで、プロトン導電性の樹脂からなる固体高分子電解質膜１の両面にアノード側触媒２とカソード側触媒５を配置し、それぞれの触媒が向かい合う側とは逆側の面にアノード側のガス拡散層３及びカソード側のガス拡散層６を配置した。また、アノード側のガス拡散層３には、集電体４を配置した。さらに、カソード側のガス拡散層６と集電体８の間には、カソード側に付加したガス拡散層７を配置した。このカソード側に付加したガス拡散層７のみを取り出して、図２に記載する。

図２に示すように、カソード側に付加したガス拡散層７において空隙度の高い部分と空隙度の低い部分を作り分け、それぞれ平面内に二分割して配置した。この空隙度の高い部分１０と空隙度の低い部分１１をそれぞれ第１多孔質部分１０と第２多孔質部分１１とする。

ここで、各部材の詳細を説明する。アノード側触媒２およびカソード側触媒５は微粒子状の触媒を担持したカーボン粒子を含む。アノード側触媒２とガス拡散層３の間または、およびカソード側触媒５とガス拡散層６の間にＰＴＦＥなどで撥水処理を施したカーボン粒子で構成される導電性を有する撥水層を形成することができる(図示しない)。

本発明の燃料電池で用いるプロトン導電性の樹脂からなる固体高分子電解質膜１は、常温で、プロトン導電性を示すパーフルオロ樹脂膜やエンジニアリングプラスチックの複合化等のグラフト重合膜、部分フッ素化膜、炭化水素系の膜などを用いることが出来るが、プロトン導電性を有していればそれらの材質に限定されない。

カソード側触媒５、及び、アノード側触媒２に用いる触媒は白金を担持したカーボンと固体高分子電解質で構成された材料を用いることが出来る。また、電極の触媒として、白金等の貴金属に限らず各種合金や酸化物を用いる事が出来る。

導電性を有する多孔質体で構成されるカソード側に付加したガス拡散層７は、通気性能や通液性能以外にも、電子伝導性に富み、耐食性が高く、機械的強度を有することが要求される。そのため、機械的強度を持たせた骨格と電子伝導性を持たせた伝導層と耐食性の保護層の３つの機能をそれぞれ異なる種類の材料で構成されていても良いが、３つの異なる機能を金属の単体または合金で行なうことも可能である。例えば、金属チタン、金属ニッケル、又は、ニッケル−クロムの合金、又は、ステンレス鋼を使用することができる。

カソード側に付加したガス拡散層７は、金属繊維の焼結体、粉末金属の焼結体、導電性処理を施した樹脂にさらに金属メッキを施し焼結した材質等を用いることができる。さらに、カソード側に付加したガス拡散層７として、金属製ワイヤーを編んだ網やエキスパンドメタルを組み合わせて用いることができる。空隙度や通気の連通孔を考慮すると、カソード側に付加したガス拡散層７として、金属製の発泡金属体を用いることが最も望ましい。

カソード側に付加したガス拡散層７として、発泡金属体を用いた場合、骨格が海綿のように３次元の網目状になっているため、非常に高い空隙度により高い通気性能または通液性能を有する。発泡金属体の製法は、原粉粉末と、水溶性樹脂バインダーと、非水溶性炭化水素系有機溶剤である発泡剤と、必要に応じて添加される界面活性剤と、残部の水および不可避不純物とを混合してなる発泡スラリーを原料として、焼成された発泡焼結金属によって構成された発泡金属体でも良い。あるいは、発泡ウレタンに導電性処理を行ってからメッキを施し、必要に応じて熱処理を行うメッキプロセスで製造した発泡金属体でも良い。

カソード側に付加したガス拡散層７には、多孔質体の空隙度が高い部位と多孔質体の空隙度が低い部位を作製する。多孔質体の空隙度が高い部位とは、空気の通気性を高めるには空隙度が大きい方が好ましく、空隙度を７０％以上とし、多孔質体の空隙度が低い部位とは、空隙度を７０％未満とする。

上記カソード側に付加したガス拡散層７を電極に組み込む際は、酸化防止のために金をコートすることが望ましい。金をコートする方法は電解メッキ、無電解メッキ、溶射、蒸着、スッパリング、金属溶射等のいずれの方法を用いることができる。

また、カソード側に付加したガス拡散層７で、カーボン製多孔質体と接する面は酸化皮膜の除去を行なうことが好ましい。酸化皮膜の除去はサンドペーパーやサンブラストなどの物理的除去や塩酸、硫酸、硝酸等の酸性溶液で酸洗処理を行うなどの化学的除去を用いることが出来る。

撥水化処理は黒鉛等のカーボンを塗布する方法、フッ素を含有する有機物を塗布する方法、などを用いることで可能となる。カーボンの場合は前述の方法のほかにバインダーと混合した溶液やスラリーを塗布することも可能である。フッ素を含有する有機物を塗布の方法として、フッ素含有物を加熱炉中に配置し、前記のフッ素を含有する有機物の分解温度近傍（４００℃未満）まで熱処理し、その分解蒸気を当てることで被覆することができる。または、おおよそ粒径が１〜１５μｍに揃ったフッ素を含有する有機物の微粒子を水、アルコール又はその他の有機溶剤に分散させた分散溶剤中に、カソード側に付加したガス拡散層７を浸漬後、カソード側に付加したガス拡散層７を引き上げ、カソード側に付加したガス拡散層７の表面に付着した余分な溶剤を除去後、カソード側に付加したガス拡散層７に塗布されたフッ素を含有する有機物の分散溶剤の溶媒の沸点以上の温度に加熱することにより溶媒を乾燥除去し、その後、フッ素を含有する有機物の分解温度近傍の温度（４００℃未満）を用い加熱炉内で、熱処理することが出来る。

ここで、フッ素を含有する有機物として、ポリテトラフルオロエチレン（PTFE）、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合樹脂（ＰＦＡ）、エチレン-テトラフルオロエチレンコポリマー（ＥＴＦＥ）、パーフルオロエチレン-プロペンコポリマー（FEP）、ポリビニリデンフルオライド（PVdF）、エチレン-クロロトリフルオロエチレンコポリマー（ECTFE）などを用いることができる。

さらに、特に、ポリビニリデンフルオライド（PVdF）を用いる場合は、Ｎ−メチルピロリドン等の有機溶媒に希釈後、カソード側に付加したガス拡散層７を浸漬後、前出の方法を用いて、塗布することができる。

フッ素を含有する有機物の塗布に伴う熱処理は大気中、または、真空中の何れかで実施することが出来るが、真空中で行なうことがより望ましい。

カソード側のガス拡散層６またはアノード側のガス拡散層３として、紙状の“カーボンファイバーペーパー（以下、CFPと略す）”を用いることができる。カーボンファイバーペーパーは、短繊維をバインダーで結着させて作製したカーボン材料においては短繊維の１０ｍｍ以上を用いることができる。または、複数本の炭素繊維が集合してなる緯糸と経糸とで構成される織物を用いることが好ましい。この複数本の炭素繊維が集合してなる緯糸と経糸とで構成される織物を “カーボンクロス（以下、CLと略す）”と呼ぶ。カーボン材料の純度は８５％以上が好ましく、その密度は１．７２〜2.1ｇ/ｃｃが好ましい。繊維径は1〜２０μｍが好ましい。緯糸と経糸とで構成される織物の場合、緯糸および経糸の密度は１５〜２５本/ｃｍが好ましく。カーボン材料の密度は８〜２００ｇ／ｍ²を有することが好ましく、より好ましくは、８０〜２００ｇ／ｍ²を有することが好ましい。そのカーボン材料を無加重における厚さは１８０〜４５０μｍが好ましく、より好ましくは、２８０〜４００μｍである。その生地は、平編、フライス編、鹿の子編等を用いることができるが、平編みが好まれる。炭素材料の空隙度は70〜90％が好ましい。

ここで、カソード側のガス拡散層６の通気性の低下や生成物の排出性に影響の度合いから、カソード側のガス拡散層６およびカソード側に付加したガス拡散層７の積層方向の総厚さは５mm以下が好ましい。

さらに、撥水性のカーボン層は導電性を有するカーボンと上述したフッ素を含有する有機物の混合物を用いて、形成することができる。撥水性のカーボン層に用いる導電性を有するカーボンとして、ファーネスブラック、チャンネルブラック、サーマルブラック、ランプブラックで分類されるカ−ボンブラック類は特異な粒子形状により比表面積が大きく好ましい。比表面積は用いる炭素質材料の種類によっても異なるが、同一炭素質材料であっても粉砕工程を経た後の粒径の分布の度合いによっても異なる。本発明でもちいる炭素質材料は比表面積（BET法）が5〜1500ｍ2／ｇに分布していることが好ましい。

カソードに付加したガス拡散層７から直接電極のリード８を接触による電気的接続より、通電を行うことが出来る。さらに、リードの接続方法は抵抗溶接、レーザー溶接、超音波溶接等の手段を組み合わせて用いることができる。

本実施形態に係る燃料電池１００はカソード側触媒５が大気に暴露し、アノード側触媒２に燃料を供給する。燃料とする水素は水素発生物質と水素発生を促進する物質を組み合わせることで発生させる。例えば、水素発生物質として水素化ホウ素ナトリウムと、水素発生を促進する物質として酸性水溶液を組み合わせて用いることが出来る。

かかる特徴によれば、第２多孔質部分１１は第１多孔質部分１０よりも空隙度が低いことにより、発電によって生じた水は、いわゆる毛細管現象によって、第１多孔質部分１０から、その部分よりも密度が高い第２多孔質部分１１に向けて移動して外部に排出される。このため、カソード側に水が発生しても、空気の取入れを十分に確保することができ、発電時の出力のばらつきを低減することができる。

具体的には、水素を燃料ガスとする携帯機器向けの燃料電池において、この多孔質体の空隙度の高い部分と低い部分を作り分け、その空隙度を連続的に変化させたことによって毛細管現象が発現し、この作用によりカソード側で生じた水が”多孔質体の空隙度の低い部位（第２多孔質部分１１である密部）”に集まる。これにより、”多孔質体の空隙度の高い部位（第１多孔質部分である疎部）”では水が排出されるため、カソード側から安定的に空気を取り入れることができる。

さらに、空隙度の低い部位が直線状に連続して、線状に配置されているため、この様に線状に配置した空隙度の低い部分が流路として機能する。そのため、”多孔質体の空隙度の低い部位（密部）”における水は、当該流路を通じて外部へ効率的に排出され、ガス拡散層の外側に配置した吸水剤で水を効果的に回収することができる。

なお、”多孔質体の空隙度の低い部位（密部）”と”多孔質体の空隙度の高い部位（疎部）”が電極の面方向の全面に繰り返されることにより、多孔質体部分における水をさらに効率的に排出することができ、発電の電気化学反応を面全体で平均化することができるとともに、発電における面内の出力分布のばらつきを緩和することができる。
（第２実施形態）
第１実施形態では、第１多孔質部分１０と第２多孔質部分１１とが並行に配置されているが、第２実施形態では、第１多孔質部分１２は、第２多孔質部分１３によって囲まれる点で相違する。以下では、第１実施形態と相違する部分についてのみ説明する。

図３は、本実施形態に係る第１多孔質部分及び第２多孔質部分を示す斜視図である。図３に示すように、多孔質体の空隙度の低い第１多孔質部分１２と高い第２多孔質部分を作り分け、それぞれを平面内の中心部と周囲に配置した。

かかる特徴によれば、第１多孔質部分１２が第２多孔質部分１３に囲まれることにより、第１多孔質部分１２に発生した水が第２多孔質部分１３に向って放射状に移動する。このため、第１多孔質部分１２から第２多孔質部分１３に向けて水が移動し易くなり、第１多孔質部分１２に発生した水がより効率的に排出されるため、カソード側触媒５に安定的に空気が取り込まれることとなり、発電時の出力のばらつきをより抑制することができる。
（第３実施形態）
第１実施形態及び第２実施形態では、第１多孔質部分は、板状に形成されているが、第３実施形態では、凸状に形成されている点で相違する。以下では、第１実施形態及び第２実施形態と相違する部分についてのみ説明する。

図４は、本実施形態に係る第１多孔質部分１４及び第２多孔質部分１５を示す斜視図である。図４に示すように、第１多孔質部分１４は、第１多孔質部分１４の中心部分Ｃ及び周縁部分Ｓを備えている。第１多孔質部分１４は、第１多孔質部分１４がカソード側触媒５と向かい合う側とは反対側において中心部分Ｃが周縁部分Ｓよりも突出されており、中心部分Ｃから周縁部分Ｓに向けて傾斜している。

ここで、図５に示すように、第２多孔質部分１５は、第１多孔質部分１４よりも空隙度が低いため、第１多孔質部分１４に発生した水は、毛細管現象により水の表面張力が発現し易い状態にあり、第２多孔質部分１５に向って移動し易くなる。また、第１多孔質部分１４の傾斜部分を通じて、発生した水が第１多孔質部分１４から第２多孔質部分１５に向って移動し易くなる。これにより、第１多孔質部分１４に発生した水がより効率的に排出されるため、第１多孔質部分１４から空気を効率的に取り込むことができ、安定した発電をすることができる。
（第４実施形態）
第４実施形態では、第１多孔質部分１４及び第２多孔質部分１５のそれぞれは、球状の空孔を複数備えており、空孔のそれぞれは、第１多孔質部分１４から第２多孔質部分１５に向かうに従って、空孔の大きさが徐々に小さくなっている点で第１実施形態乃至第３実施形態とは相違する。以下では、第１実施形態乃至第３実施形態と相違する部分についてのみ説明する。

図６は、本実施形態に係る第１多孔質部分及び第２多孔質部分を示す斜視図である。図７は、図６に示すＦ７方向から見た断面図で、空隙度の低い部分と高い部分を示した模式図である。ここで、他の実施形態と同一の名称についての詳細な説明は省略する。

図７に示す断面図からも明らかなように、多孔質体の空隙度が高い第１多孔質部分１４と多孔質体の空隙度が低い第２多孔質部分１５とにおける空孔（２０，２１）が連続的に変化している。多孔質体に形成されている空隙を球形と見なした場合、カソード側に付加したガス拡散層７には、多孔質体の空隙度が高い第１多孔質部分１４の空隙の断面形状２０はほぼ円形であり、厚み方向の直径と面方向の直径はほぼ等しい。よって、次の関係が成り立つ。

〔厚み方向の直径〕＝〔面方向の直径〕・・・・（式１）
この時の球に相当する直径は約0.05mm〜3.2mmが好ましい。より好ましくは孔径が0.3mm以上で1mm未満である。

また、カソード側に付加したガス拡散層７の多孔質体の空隙度が低い第２多孔質部分１５の厚み方向の断面形状２１は長円形であり、厚み方向の直径は面方向の直径より小さい。よって、次の関係が成り立つ。

〔厚み方向の直径〕＝ｙ×〔面方向の直径〕・・・・（式２）
ここで、ｙは１以上とする。

カソード側に付加したガス拡散層７の多孔質体の空隙度が高い部位を構成する孔の個数は６〜５２２個／インチであり、より好ましくは大よそ２７〜５８個／インチである。水分を蒸発させる際に、多孔質体の空隙度が高い部位の比表面積は500〜7500ｍ²／ｍ³である。

かかる特徴によれば、空孔のそれぞれが、第１多孔質部分１４から第２多孔質部分１５に向かうに従って、空孔の大きさが徐々に小さくなっている。これにより、第１多孔質部分１４から第２多孔質部分１５に向うに従って連続的に空隙度が小さくなるため、第１多孔質部分１４に発生した水が毛細管現象によってスムーズに排出されることとなり、第１多孔質部分１４に発生した水をより効率的に排出することができる。
（第５実施形態）
第５実施形態では、第１多孔質部分及び第２多孔質部分が複数備えられている点で第１実施形態乃至第４実施形態とは相違する。以下では、第１実施形態乃至第４実施形態と相違する部分についてのみ説明する。

図８に示すように、第１多孔質部分１４及び第２多孔質部分１５は複数備えられており、第１多孔質部分１４及び第２多孔質部分１５は、交互に配置されている。

カソード側に付加したガス拡散層９には、空隙度の低い第２多孔質部分１５と空隙度の高い第１多孔質部分１４が交互に連続して配置されている。これにより、空隙度の低い第２多孔質部分１５が直線状に連続して線状に配置されることで流路として機能する。これらの空隙度の低い第２多孔質部分１５によって構成された直線状の流路が複数存在し、これらの流路が交差して格子状に配置されることとなる。また、空隙度の高い部分と空隙度の低い部分は連続的に変化されている。この空隙度の変化は繰り返し行われ、その繰り返しの間隔は等間隔になっている。なお、線分で囲まれた格子の形状は、矩形または多角形で良く、その形状には限定されない。

図９に、格子状に配置した流路において、連続した水の流れを示した模式図を示す。ここで、毛細管現象によって、空隙度の低い部分１５に集められた水は、空隙度の低い部位１５が直線状に連続して線状に配置されることで流路として機能し、水を流す導線として機能する。

図１０に、本発明の実施の形態における燃料電池を模式的に示した。カソード側に付加したガス拡散層９に、第１多孔質部分１４及び第２多孔質部分１５が交互に配置されていることが判る。

図１１に、図１０の本発明の実施の形態における燃料電池において、水と空気の流れを示した模式図を示す。図１１に示すように、第１多孔質部分１４から第２多孔質部分１５に向けて水が効率的に排出されるとともに、当該第１多孔質部分１４から空気が効率的に取り込まれることとなる。

なお、第１多孔質部分１４及び第２多孔質部分１５の総面積に対する第１多孔質部分１４の面積の割合（開口率）は、２０％以上９０％未満であることが好ましい。開口率が２０％未満である場合には、第２多孔質部分１５の面積が第１多孔質部分１４の面積よりも大き過ぎることとなり、第２多孔質部分１５に留まった水により空気の取り込みが大きく阻害されるため、発電時の出力のばらつきを低減することができない。一方、開口率が９０％以上である場合には、第１多孔質部分１４の面積が第２多孔質部分１５の面積よりも大き過ぎることとなり、第１多孔質部分１４に発生した水が第２多孔質部分１５に排出しきれなくなり、当該第１多孔質部分１４に残留した水によって空気の取り込みが阻害され易くなる。したがって、開口率が２０％以上９０％未満であることにより、発生した水を効率的に排出することができ、発電時の出力のばらつきを低減することができる。
（実施例）
図１２に、本発明の実施例に基づき発電を行った際の評価結果を示す。

まず、図中の記号について、説明を行う。発泡金属体の厚さとは本発明のカソード側に付帯する拡散層に用いたニッケル製の発泡金属体（三菱マテリアル製）であり、ｔ_aはその基材となる多孔質体の空隙度の高い第１多孔質部分（疎部）の厚さを表す。同様にｔ_bは多孔質体の空隙度の低い第２多孔質部分（疎部）の厚さを表す。ｔ_aとｔ_bは次の関係が成り立つ。なお、ｔ_bがｔ_aよりも薄くなればなる程、第２多孔質部分の空隙度が第１多孔質部分の空隙度よりも低くなるものとする。

ｔ_a＞ｔ_b ・・・・（式３）
この時、多孔質体の空隙度が高い部位の厚さｔ_aは加工前の発泡金属の厚みと同値であり、５ｍｍ以下を使用できる。

本実施例において、集電体８としてエキスパンドメタルを用いた。図１２中のＳＷとは、エキスパンドメタルのメッシュ短目方向の中心距離を表し、図１２中のＬＷとは、エキスパンドメタルのメッシュ長目方向の中心距離を現す。さらに、図１２中のＷとは、エキスパンドメタルの刻み幅を表す。また、図１２中の開口率とは、エキスパンドメタルの目の開きの割合を表す。すなわち、開口率は、上述の通り第１多孔質部分及び第２多孔質部分の総面積に対する第１多孔質部分の面積の割合である。

図１２中に記載された吸水剤とは、発泡金属体上に形成された直線状の複数の格子状に交差し配置された流路の末端に配置した吸水剤の有無を表す。

最後に、図１２中に記載された電圧とは、本発明に基づき作製したセルの評価時の出力電圧であり、評価は以下のように行った。アノード側に純度99.99％で、24℃なる水素を、10cc/minの流量で、ほぼ大気圧の背圧になるように調整供給した。カソード側は約40%RH、25℃の大気に暴露した。このとき、電子負荷装置（菊水電子工業製、KFM2030型）を使用し、セルに対する負荷を0A/cm²〜0.8A/cm²の間で変化させ、その時の電圧を記録計にて記録した。この時、単位面積当たりの負荷電流密度が0.6A/sqcmにおける電圧も図１２に記載した。

図１２に示す実施例１から３において第１多孔質部分の空隙度が第２多孔質部分の空隙度よりも低いため、実施例１から３では、両者の空隙度が同等である比較例よりも、出力電圧が高いことが分かった。

これにより、カソード側のガス拡散層の一部に多孔質体を用い、この多孔質体に空隙度の高い第１多孔質部分と空隙度の低い第２多孔質部分とを設けることにより、発電時に高い電圧で且つ安定した電圧を出力することができ、優れた性能の固体高分子電解質型燃料電池を得ることができた。

ここで、図１２の実施例より、“ｔ_b／ｔ_a”の値は０．７以下が好ましく、ＳＷは１．８以上が好ましく、Ｗは０．５以上が好ましいことが分かった。また、開口率は、２０％以上が好ましく、４０％以上がより好ましいことが分かった。さらに、吸水剤は、用いていた場合に好ましいことが、実施例を比較例と比べることで優れていることも分かった。

図１は、第１実施形態に係る燃料電池を示す概略構成図である。図２は、第１実施形態に係る第１多孔質部分及び第２多孔質部分を示す斜視図である。図３は、第２実施形態に係る第１多孔質部分及び第２多孔質部分を示す斜視図である。図４は、第３実施形態に係る第１多孔質部分及び第２多孔質部分を示す斜視図である。図５は、図４で示した多孔質体における空気や水の流れを示した模式図である。図６は、第４実施形態に係る第１多孔質部分及び第２多孔質部分を示す斜視図である。図７は、図６に示すＦ６から見た断面図である。図８は、第５実施形態に係る第１多孔質部分及び第２多孔質部分が交互に連続していることを示した図である。図９は、格子状に配置した流路において、連続した水の流れを示した模式図である。図１０は、第５実施形態に係る燃料電池を示す概略構成図である。図１１は、第５実施形態に係る多孔質体における水と空気の流れを示した模式図である。図１２は、本発明の実施例に基づき発電を行った際の評価結果を示す図である。

符号の説明

１高分子固体高分子電解質
２アノード側触媒
３アノード側のガス拡散層
４アノード側の集電体
５カソード側触媒
６カソード側のガス拡散層
７カソード側に付加したガス拡散層
８カソード側の集電体
１０第一多孔質部分
１１第二多孔質部分
１２第一多孔質部分
１３第二多孔質部分
１４第一多孔質部分
１５第二多孔質部分
２０第一多孔質部分の空隙（疎部）
２１第二多孔質部分の空隙（密部）

Claims

固体高分子電解質膜と、前記固体高分子電解質膜の両面に配置されるアノード側触媒及びカソード側触媒とを備え、前記アノード側触媒に供給された燃料及び前記カソード側触媒に供給された空気を用いて発電する燃料電池であって、
前記カソード側触媒が前記固体高分子電解質膜と向かい合う側とは反対側において、前記カソード側触媒に向けて前記空気を拡散する多孔質体を備え、
前記多孔質体は、第1多孔質部分と、前記第１多孔質部分を囲む周囲に形成され、前記第1多孔質部分よりも前記空気が通過する割合が低い第２多孔質部分とを備え外部に水分を排出する燃料電池。
前記第１多孔質部分は、前記第１多孔質部分の中心部分及び周縁部分を備えており、
前記第１多孔質部分は、前記第１多孔質部分が前記カソード側触媒と向かい合う側とは反対側において前記中心部分が前記周縁部分よりも突出されており、前記中心部分から前記周縁部分に向けて傾斜している請求項１に記載の燃料電池。
前記第1多孔質部分は、前記第２多孔質部分の側方に配置される請求項１に記載の燃料電池。
前記第１多孔質部分及び前記第２多孔質部分のそれぞれは、球状の空孔を複数備えており、
前記空孔のそれぞれは、前記第１多孔質部分から前記第２多孔質部分に向かうに従って、前記空孔の大きさが徐々に小さくなっている請求項１に記載の燃料電池。
前記第１多孔質部分及び前記第２多孔質部分は複数備えられており、
前記第１多孔質部分及び前記第２多孔質部分は、交互に配置される請求項１に記載の燃料電池。
前記第２多孔質部分に接触して配置され、前記発電により発生した水を吸い取る吸水部材を備える請求項１又は請求項５のいずれかに記載の燃料電池。
前記第１多孔質部分及び前記第２多孔質部分の総面積に対する前記第１多孔質部分の面積の割合は、２０％以上９０％未満である請求項１に記載の燃料電池。