JP5448532B2 - 燃料電池及び燃料電池に用いるセパレータ - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池及び燃料電池に用いるセパレータに関する。

近年、燃料電池がクリーンな発電システムとして注目されている。特に、固体高分子型の燃料電池は、比較的低温で動作して高出力密度が得られることから期待が大きい。図９に示すように、このような固体高分子型の燃料電池ＦＣは、高分子電解質からなる電解質膜ＰＥＭが、触媒層ＣＬ、マイクロポーラス層ＭＰＬ、ガス拡散電極層ＧＤＬで挟まれた膜−電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly ）から構成されている。そして、このＭＥＡの両面にはガス流路ＧＦが設けられている。この各ガス流路ＧＦには、反応ガスとして燃料ガスや酸素ガスが供給される。

このような燃料電池ＦＣにおいては、燃料ガスに含まれる水素がアノード側のガス流路ＧＦに供給され、ガス拡散電極層ＧＤＬ、マイクロポーラス層ＭＰＬを通じて触媒層ＣＬに供給される。そして、触媒層ＣＬ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される。こうして生成されたプロトンは、触媒層ＣＬおよび電解質膜ＰＥＭ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、プロトンと結合し、水が生成される。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ＧＦを流れている反応ガスとともに燃料電池ＦＣの外部に排出される。

ところで、触媒層ＣＬで生成された水の排出が十分でない場合には、ガス拡散電極層ＧＤＬやマイクロポーラス層ＭＰＬ内に水が蓄積されて水浸しになる「フラッディング現象」が生じる。この現象は、特に水の生成量が多くなる高出力下での駆動時において起こりやすく、この現象が発生すると、反応ガスの拡散が阻害されて燃料電池の出力が低下する。

ガス流路ＧＦ内のガス流速が大きい場合には、ガスの流れによって水滴を吹き飛ばす効果があり、ガス流路ＧＦの壁面を撥水性にする方が優れていることが知られている。しかしながら、ガス流路ＧＦ内のガス流速が小さい場合には、ガス流路ＧＦに移動した水滴がガス拡散電極層ＧＤＬの空孔内の水滴と繋がっているため、水滴を吹き飛ばすことが困難となる。そこで、セパレータに親水性領域を設けることにより、水分を迅速に排出させるための燃料電池の構造が検討されている（例えば、特許文献１、２を参照。）。

特許文献１には、熱硬化性樹脂と黒鉛との成形体よりなる燃料電池用セパレータにおいて、持続的に親水性を付与するための表面処理方法が開示されている。この文献に記載された技術では、燃料電池用セパレータを界面活性剤含有無機酸中に浸漬し、８０〜１００℃で加熱処理した後、親水性有機溶媒中に浸漬する。この表面処理方法により、熱硬化性樹脂と黒鉛との成形体よりなる燃料電池用セパレータの特性を損なうことなく、セパレータ表面に持続的な親水性を付与することができる。

また、特許文献２には、ガス拡散電極の表面に発生する凝縮水を排出するための燃料電池用セパレータが開示されている。この文献に記載された技術では、燃料電池用セパレータは、電解質膜−電極接合体に当接して設けられている。ガスを流通させるためのガス流路溝がガス拡散電極と対向する側の面に形成されている。このガス流路溝の底壁には、ガス拡散電極側に向かって延びる凸部が設けられており、この凸部は、ガス拡散電極よりも高い親水性を有している。

特開２００７−２４２４９５号公報（第１頁） 特開２００８−１４６８９７号公報（第１頁）

特許文献１の技術では、排水性の向上を目的として、セパレータ表面を親水性にしている。しかし、水滴がガス拡散電極層近傍のセパレータ表面に蓄積されてしまう可能性があり、この場合にはガス拡散を阻害する水の排出という目的を達成することはできない。

また、特許文献２の技術では、凸部により凝縮水を排出しているが、この凸部はガスの流れの妨げになる可能性がある。
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、電気化学反応により生じた水を効率的に排出することにより、フラッディング現象を抑制することができる燃料電池及び燃料電池に用いるセパレータを提供することにある。

上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、反応ガスを供給するガス流路を備えたセパレータと、前記セパレータに接してガスを拡散させるガス拡散電極層と、前記ガス拡散電極層から供給された反応ガスの電気化学反応により水が生じる触媒層とから構成される燃料電池であって、前記ガス流路の側壁及び底面を親水性領域により構成するとともに、前記ガス流路の深さを前記側壁に付着した水をガス流路の前記底面に吸い上げるために、ガス流路の幅に対して深さを短くするとともに、前記ガス流路の側壁において前記底面に近づく程、親水性を高めたことを要旨とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の燃料電池において、前記側壁に、ガス流路の深さ方向に前記底面に達する微細溝を設け、前記微細溝の幅を、毛細管現象により水分を前記底面に引き上げるように構成したことを要旨とする。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の燃料電池において、前記ガス流路の側壁において、前記微細溝内を親水性領域により構成し、前記親水性領域を、微細溝の凸部より親水度が高くなるように構成したことを要旨とする。

請求項４に記載の発明は、ガスを拡散させるガス拡散電極層と、前記ガス拡散電極層から供給された反応ガスの電気化学反応により水が生じる触媒層とから構成される燃料電池において用いられるセパレータであって、前記セパレータは、反応ガスを供給するガス流路を備え、前記ガス流路の側壁及び底面を親水性領域により構成するとともに、前記ガス流路の深さを前記側壁に付着した水をガス流路の前記底面に吸い上げるために、ガス流路の幅に対して深さを短くするとともに、前記ガス流路の側壁において前記底面に近づく程、親水性を高めたことを要旨とする。

（作用）
請求項１又は４に記載の発明によれば、ガス流路の側壁及び底面を親水性領域により構成するとともに、ガス流路の深さを側壁に付着した水をガス流路の底面に吸い上げ可能な長さにした。これにより、ガス拡散電極層から排出された水滴を、親水性の側壁を介して底面に誘導することができる。従って、水滴によるフラッディング現象を抑制し、ガスが拡散するパスを確保することができる。更に、親水性領域により、大きな水滴に成長する前に、水を定常的に移動させることができる。従って、大きな水滴の移動による燃料電池の出力変動を抑制し、性能の安定化を図ることができる。

本発明によれば、ガス流路の側壁において底面に近づく程、親水性を高めた。これにより、水滴を効率的に底面に誘導することができる。
請求項２に記載の発明によれば、側壁に、ガス流路の深さ方向に底面に達する微細溝を設け、微細溝の幅を、毛細管現象により水分を底面に引き上げ可能な長さにした。従って、毛細管現象により、底面への水滴の誘導を促進することができる。

請求項３に記載の発明によれば、ガス流路の側壁において、微細溝内を親水性領域により構成し、親水性領域を、微細溝の凸部より親水度が高くなるように構成した。これにより、水滴を微細溝に誘導し、毛細管現象により、底面への水滴の誘導を促進することができる。

本発明によれば、電気化学反応により生じた水を効率的に排出することにより、フラッディング現象を抑制し、ガスが拡散するパスを確保することにより、燃料電池の性能を向上させることができる。

本発明の一実施形態のセパレータの説明図であって、（ａ）は斜視図、（ｂ）はガス流路周辺の拡大図、（ｃ）は親水性領域の分布の説明図。 水滴の分布の説明図であって、（ａ）は撥水性のガス流路における説明図、（ｂ）は親水性で深いガス流路の説明図、（ｃ）は親水性で浅いガス流路の説明図。 他の実施形態のセパレータの説明図であって、（ａ）はガス流路周辺の拡大図、（ｂ）は親水性領域の分布の説明図。 他の実施形態のセパレータの説明図であって、（ａ）は斜視図、（ｂ）はガス流路の側壁の正面図、（ｃ）は側壁の断面図。 他の実施形態のセパレータの説明図であって、（ａ）は斜視図、（ｂ）はガス流路の側壁の正面図、（ｃ）は側壁の断面図。 他の実施形態のセパレータの説明図であって、（ａ）は斜視図、（ｂ）はガス流路の側壁の正面図、（ｃ）は側壁の断面図。 他の実施形態のガス流路の説明図であって、（ａ）は傾斜形状の側壁の説明図、（ｂ）は丸みを帯びた側壁の説明図。 他の実施形態のガス流路の底面の説明図であって、（ａ）は格子形状の微細溝を備えた底面の説明図、（ｂ）は傾斜形状の微細溝を備えた底面の説明図。 燃料電池の概略図。

（第１の実施形態）
以下、本発明を具体化した一実施形態を、図１、図２を用いて説明する。第１の実施形態においては、ガス流路の底面に親水性領域を設けるとともに、セパレータが接するガス拡散層からガス流路の底面までの距離を、底面及び側壁の親水性の度合いによって決めたことを特徴とする。本実施形態では、この親水性領域に水を誘導し、ガス拡散電極層ＧＤＬにおいてガスの浸透の妨げにならないようにした燃料電池及びセパレータとして説明する。

図１を用いて、本実施形態のセパレータ１０の構造を説明する。図１（ａ）に示すように、セパレータ１０は、ガス流路２０を備えている。このセパレータ１０において、ガス流路２０の周囲の凸部はガス拡散電極層ＧＤＬに接している。ガス拡散電極層ＧＤＬは、ガス流路２０から反応ガス（燃料ガスや酸素ガス）を触媒層へ供給する機能を有する。本
実施形態では、ガス拡散電極層ＧＤＬには、撥水性のカーボン繊維からなるシート状構造体を用いる。

このガス流路２０は、側壁２１と底面２２とから構成された溝形状とする。そして、図１（ｂ）に示すように、ガス流路２０の側壁２１及び底面２２には親水性領域が設けられている。そして、ガス流路２０の底面２２に達するまでの側壁２１の深さｄを浅くする。本実施形態では、深さｄとして、側壁２１に付着した水をガス流路の底面２２に吸い上げることができる長さを用いる。これにより、ガス流路２０の幅ｗに対して深さｄが短くなっている。

この領域における親水性の高さ（ここでは親水度という）を図１（ｃ）に示す。この親水度は接触角（液体が固体の表面の接触角であって濡れ性を示す値）の関数として表わすことができる。側壁２１において、ガス拡散電極層ＧＤＬに接する領域から底面２２に達する領域及び底面２２は親水性領域により構成されている。このような親水性領域の形成には、特許文献２に記載された公知技術を用いることができる。

以上、本実施形態によれば、以下に示す効果を得ることができる。
・ 上記実施形態では、ガス流路２０の底面２２及びその周辺の側壁２１に親水性領域を設けるとともに、側壁２１の深さを浅くする。図２（ａ）に示すように、撥水性の側壁５１や底面５２から構成されたガス流路５０においては、反応ガスの流れが速い場合には、ガス拡散電極層ＧＤＬから供給される水滴ＷＴを吹き飛ばすことができる。しかし、反応ガスの流れが遅い場合には、この水滴ＷＴを吹き飛ばすことができず、ガス流路５０においてガス拡散電極層ＧＤＬ側に水滴ＷＴが張り付いてしまう。このため、ガス流路５０からガス拡散電極層ＧＤＬへの円滑なガス供給を行なうことができない。又、図２（ｂ）に示すように、親水性領域を備えた側壁６１を有するガス流路６０においても、底面６２までの距離がある場合には、水滴ＷＴがガス拡散電極層ＧＤＬの表面に残ってしまう。本願発明のように、側壁２１の一部や底面２２に親水性領域を設け、底面２２までの距離を短くすることにより、図２（ｃ）に示すように、水滴ＷＴを底面２２側に吸い上げ、ガスの流れで引きずり出すことができる。これにより、ガス拡散電極層ＧＤＬから水滴ＷＴを隔離し、円滑なガス供給を行なうことができる。

更に、撥水性の場合、電気化学反応により生じた水は、比較的大きな水滴に成長した後でガスにより輸送される。この場合、水滴の移動によりガス分布等が変化し、燃料電池の出力が変化することがある。一方、上記実施形態では、親水性領域により大きな水滴に成長する前に、水が少しずつ定常的に輸送されるので、燃料電池の出力変動を抑制することができる。

（第２の実施形態）
第１の実施形態においては、ガス流路２０の側壁２１や底面２２において、親水度を均一にした親水性領域を設けた。これに代えて、第２の実施形態においては、親水度に分布を設けたガス流路の構成を、図３を用いて説明する。

図３（ａ）に示すように、ガス流路２０の側壁２１においては、ガス拡散電極層ＧＤＬから離れてガス流路２０の底面２２に近づくにつれて親水度を高めるように構成されている。そして、ガス流路２０の底面２２では親水度が最も高くなり、一定に維持されるように構成されている。本実施形態における側壁２１、底面２２における親水度を図３（ｂ）に示す。

以上、本実施形態によれば、以下に示す効果を得ることができる。
・ 上記実施形態では、水滴は側壁２１の親水度に応じて底面２２に引き上げられる。
これにより、水滴が底面２２に輸送され、ガス拡散電極層ＧＤＬから引き離されて円滑なガス拡散を実現することができる。

（第３の実施形態）
第１、第２の実施形態においては、ガス流路２０の側壁２１は平面形状とした。これに代えて、第３の実施形態においては、図４（ａ）に示すように、ガス流路２０の側壁２１に微細溝２１１を設ける。この微細溝２１１は、ガス拡散電極層ＧＤＬ側から底面２２に達するように設けられている。更に、この微細溝２１１の幅は、毛細管現象が生じる大きさで設ける。この毛細管現象による液面の上昇高さ（ｈ）は、公知の算出式により計算できる。

ｈ＝２Ｔ・ｃｏｓθ／（ρ・ｇ・ｒ）
ここで、Ｔは表面張力、θは接触角、ρは液体の密度、ｇは重力加速度、ｒは管の半径である。

図４（ｂ）は、微細溝２１１が設けられた側壁２１の正面図を示す。このように、微細溝２１１は、側壁２１において、一定間隔で設けられている。本実施形態では、この微細溝２１１を構成する各側面を親水性領域により構成する。一方、この側壁２１において、微細溝２１１の周辺領域（凸部）は撥水性領域により構成する。図４（ｃ）に、微細溝２１１が設けられた側壁２１の断面図を示す。この微細溝２１１の断面形状は矩形とする。

以上、本実施形態によれば、以下に示す効果を得ることができる。
・ 上記実施形態では、ガス流路２０の側壁２１には、親水性の側面を有する微細溝２１１を設ける。これにより、ガス拡散電極層ＧＤＬから排出された水滴を微細溝２１１に誘導することができる。そして、微細溝２１１内の水滴を毛細管現象により、底面２２側に引き上げることができる。従って、水滴をガス拡散電極層ＧＤＬ表面から底面２２側に効率的に引き上げて、円滑なガス拡散を維持することができる。

・ 上記実施形態では、微細溝２１１の周辺領域（凸部）は撥水性領域により構成する。これにより、水滴を微細溝２１１に落とし込み、毛細管現象により、底面２２への水滴の誘導を促進することができる。

なお、上記実施形態は、以下の態様に変更してもよい。
○ 上記第３の実施形態では、ガス流路２０の側壁２１には、断面形状が矩形の微細溝２１１を設けた。微細溝の断面形状は矩形に限定されるものではない。例えば、図５（ａ）に示すように、三角形状の微細溝２１２を設けてもよい。図５（ｂ）には側壁２１の正面図、図５（ｃ）には側壁２１の断面図を示す。

この場合、微細溝２１２の深い領域のみを親水性にする。これにより、水分は微細溝２１２の親水性領域に誘導され、底面２２に引き上げられる。従って、ガス拡散電極層ＧＤＬにおける円滑なガス拡散を実現することができる。

○ 上記実施形態では、ガス流路２０の側壁２１に設けられた微細溝２１１，２１２は、ガスの流れに対して垂直方向に形成した。微細溝の形成方向は垂直方向に限定されるものではなく、ガスの流れ方向に対応させて形成することも可能である。例えば、図６（ａ）に示すように、ガスの流れる方向に傾斜させた微細溝２１３を設けることも可能である。この場合にも、微細溝２１３の内部のみを親水性にしておく。図６（ｂ）には側壁２１の正面図、図６（ｃ）には側壁２１の断面図を示す。これにより、ガスの流れ及び毛細管現象を用いて、水滴をガス拡散電極層ＧＤＬから引き離すことができる。

○ 上記実施形態では、ガス流路２０の側壁２１に設けられた微細溝２１１，２１２，２１３は、ガス拡散電極層ＧＤＬから底面に達するまで一定の幅により構成する。この微細溝の幅を、側壁の高さ位置に応じて変更してもよい。例えば、微細溝の幅を底面２２に近づくほど、親水度を上げながら広げるようにしてもよい。これにより、ガス拡散電極層ＧＤＬの近傍では、毛細管現象により水滴を吸い上げ、底面２２の近傍では親水性により水滴を引き上げることができる。

○ 上記実施形態では、ガス流路２０の側壁２１は、ガス拡散電極層ＧＤＬに対して垂直に構成した。ガス流路２０の側壁２１の配置はこれに限定されるものではない。例えば、図７（ａ）に示すように、傾けた側壁２１ａを用いて底面２２ａに接続するように構成してもよい。又、図７（ｂ）に示すように、ガス流路２０を所定の曲率を有する側壁２１ｂや、これに接続された底面２２ｂにより構成することも可能である。

○ 上記実施形態では、ガス流路２０の側壁２１及び底面２２には親水性領域が設けられている。これに加えて、底面２２における親水度を、ガスの流れ方向の位置により変えてもよい。具体的には、下流のガスの排出口に近づく程、ガス流路２０の底面２２における親水度を高めるようにする。これにより、親水度の分布を利用して、底面２２の水をガスの排出口方向に導くことができる。

○ 上記実施形態では、側壁２１において、ガス拡散電極層ＧＤＬに接する領域から底面２２に達する領域及び底面２２は親水性領域により構成されている。これに代えて、側壁２１において、ガス拡散電極層ＧＤＬから僅かに離れた位置から親水性領域を設けるようにしてもよい。これにより、側壁２１の端部の水滴を底面２２側に導くことにより、ガス拡散電極層ＧＤＬ上の水滴を排除することができる。

○ 上記第３の実施形態では、ガス流路２０の側壁２１に微細溝２１１を設ける。これに加えて、ガス流路２０の底面２２にも微細溝を設けるようにしてもよい。この場合、図８（ａ）に示すように、底面２２の微細溝として、側壁２１に微細溝２１１に接続された第１微細溝２２１と、この第１微細溝に接続されガスの流れ方向に設けられた第２微細溝２２２とを設ける。この第１微細溝２２１により、側壁２１の水滴を底面２２に誘導し、更に第１微細溝２２１内の水滴を第２微細溝２２２により、ガスにより押し流す。これにより、水を確実に底面２２に導き、底面２２に沿って排出することができる。

この場合、図８（ｂ）に示すように、第１微細溝２２１を、底面２２の中央に近づく程、ガスの排出口に近い方向に傾斜させた形状にすることも可能である。この場合には、ガスの流れを利用して、水を第１微細溝２２１に従って底面２２の中央方向に導き、第２微細溝２２２を利用して、排出することができる。

○ 上記第３の実施形態では、微細溝２１１の断面形状は矩形とする。これに代えて、側壁２１の高さ方向の位置により、断面形状を変更するようにしてもよい。例えば、ガス拡散電極層ＧＤＬに近いところでは、微細溝２１１の幅を広くし、深さを浅くする。そして、ガス拡散電極層ＧＤＬからの距離に応じて、幅を狭くするとともに、深さを深くする。これにより、底面２２に近い領域ほど、微細溝２１１による毛細管現象を強化することができる。従って、ガス拡散電極層ＧＤＬから水を遠ざけることができる。

○ 上記第３の実施形態では、側壁２１において、微細溝２１１の周辺領域（凸部）は撥水性領域により構成する。凸部は撥水性領域に限定されるものではなく、微細溝２１１の内部が凸部よりも親水度が高ければ、水滴を微細溝２１１に誘導することができる。

○ 上記実施形態では、ガス拡散電極層ＧＤＬには、撥水性のカーボン繊維からなるシ
ート状構造体を用いる。これに代えて、ガス拡散電極層ＧＤＬの表面に、親水層を設けてもよい。この場合も、ガス拡散電極層ＧＤＬの表面における親水層の親水度よりも、側壁２１の親水度が高くなるようにしておく。これにより、ガス拡散電極層ＧＤＬの表面の親水層を介して、親水度が高い側壁２１に水を導くことができる。

ＦＣ…燃料電池、ＰＥＭ…電解質膜、ＣＬ…触媒層、ＭＰＬ…マイクロポーラス層、ＧＤＬ…ガス拡散電極層、ＧＦ…ガス流路、２０…ガス流路、２１，２１ａ，２１ｂ…側壁、２２，２２ａ，２２ｂ…底面、２１１，２１２，２１３…微細溝。

Claims (4)

1. 反応ガスを供給するガス流路を備えたセパレータと、
   前記セパレータに接してガスを拡散させるガス拡散電極層と、
   前記ガス拡散電極層から供給された反応ガスの電気化学反応により水が生じる触媒層とから構成される燃料電池であって、
   前記ガス流路の側壁及び底面を親水性領域により構成するとともに、前記ガス流路の深さを前記側壁に付着した水をガス流路の前記底面に吸い上げるために、ガス流路の幅に対して深さを短くするとともに、前記ガス流路の側壁において前記底面に近づく程、親水性を高めたことを特徴とする燃料電池。
2. 前記側壁に、ガス流路の深さ方向に前記底面に達する微細溝を設け、
   前記微細溝の幅を、毛細管現象により水分を前記底面に引き上げるように構成したことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記ガス流路の側壁において、前記微細溝内を親水性領域により構成し、前記親水性領域を、微細溝の凸部より親水度が高くなるように構成したことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
4. ガスを拡散させるガス拡散電極層と、前記ガス拡散電極層から供給された反応ガスの電気化学反応により水が生じる触媒層とから構成される燃料電池において用いられるセパレータであって、
   前記セパレータは、反応ガスを供給するガス流路を備え、
   前記ガス流路の側壁及び底面を親水性領域により構成するとともに、前記ガス流路の深さを前記側壁に付着した水をガス流路の前記底面に吸い上げるために、ガス流路の幅に対して深さを短くするとともに、前記ガス流路の側壁において前記底面に近づく程、親水性を高めたことを特徴とするセパレータ。

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