固体高分子形燃料電池
【課題】ガス流路の圧力損失を少なくすることによって十分なガス供給機能を確保して、高出力化を図り得る固体高分子形燃料電池を提供する。
【解決手段】固体高分子形燃料電池１０は、カソード触媒層３０ｃとカソードセパレータ８０ｃとの間に配置されてカソード触媒層とともにカソード６０ｃを形成するカソード電極部材５０ｃを有している。カソード電極部材は、カソード触媒層に対して接触する第１の接触部１１１と、カソードセパレータに対して接触する第２の接触部１１２と、ガスが流れるガス流路１２１と、を備えている。カソード電極部材は、線材１０２をコイル形状に巻回した導電性のコイル部材１００から構成している。
【解決手段】固体高分子形燃料電池１０は、カソード触媒層３０ｃとカソードセパレータ８０ｃとの間に配置されてカソード触媒層とともにカソード６０ｃを形成するカソード電極部材５０ｃを有している。カソード電極部材は、カソード触媒層に対して接触する第１の接触部１１１と、カソードセパレータに対して接触する第２の接触部１１２と、ガスが流れるガス流路１２１と、を備えている。カソード電極部材は、線材１０２をコイル形状に巻回した導電性のコイル部材１００から構成している。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子形燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）は、発電機能を発揮する複数の単セルが積層された構造を有する。当該単セルはそれぞれ、（１）高分子電解質膜（例えば、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）膜）、（２）これを挟持する一対（アノード、カソード）の触媒層（「電極触媒層」とも称される）、（３）さらにこれらを挟持する、供給ガスを分散させるための一対（アノード、カソード）のガス拡散層（ＧＤＬ）、を含む膜電極接合体（ＭＥＡ）を有する。そして、個々の単セルが有するＭＥＡは、セパレータを介して隣接する単セルのＭＥＡと電気的に接続される。このようにして単セルが積層・接続されることにより、燃料電池スタックが構成される。そして、この燃料電池スタックは、種々の用途に使用可能な発電手段として機能しうる。かような燃料電池スタックにおいて、セパレータは、上述したように、隣接する単セルどうしを電気的に接続する機能を発揮する。これに加えて、セパレータのＭＥＡと対向する表面にはガス流路が設けられるのが通常である。当該ガス流路は、アノードおよびカソードに燃料ガスおよび酸化剤ガスをそれぞれ供給するためのガス供給手段として機能する。
【０００３】
ＰＥＦＣの発電メカニズムを簡単に説明すると、ＰＥＦＣの運転時には、単セルのアノード側に燃料ガス（例えば水素ガス）が供給され、カソード側に酸化剤ガス（例えば大気、酸素）が供給される。その結果、アノードおよびカソードのそれぞれにおいて、下記反応式で表される電気化学反応が進行し、電気が生み出される。
【０００４】
すなわち、
アノード反応：Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−・・・（１）
カソード反応：２Ｈ＋＋２ｅ−＋（１／２）Ｏ２→Ｈ２Ｏ・・・（２）
である。
【０００５】
上記の電気化学反応を進行させるために、ＧＤＬは、燃料ガスや酸化剤ガスを効率的に拡散して触媒層に供給するガス供給機能が必要である。
【０００６】
特許文献１は、ＧＤＬとして発泡金属多孔体を用いる構造を提案している。
【特許文献１】特表２００２−５４２５９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、発泡金属多孔体は、形成される細孔がランダムであるので、圧力損失が比較的大きい。このため、ガス流速が遅くなって、十分なガス供給機能を得ることができず、電気化学的反応が妨げられ、結果として電池出力が低下する。
【０００８】
本発明の目的は、ガス流路の圧力損失を少なくすることによって十分なガス供給機能を確保して、高出力化を図り得る固体高分子形燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するための本発明の固体高分子形燃料電池は、高分子電解質膜と、高分子電解質膜の一の面に接触して設けられる電極触媒層と、導電性を備えガスを遮断するためのセパレータと、電極触媒層とセパレータとの間に配置されて電極触媒層とともに電極を形成する電極部材と、を有している。電極部材は、電極触媒層に対して接触する第１の接触部と、セパレータに対して接触する第２の接触部と、ガスが流れるガス流路と、を備えている。電極部材は、線材をコイル形状に巻回した導電性のコイル部材から構成する。
【発明の効果】
【００１０】
電極部材は、線材をコイル形状に巻回した導電性のコイル部材から構成してあるので、ガス流路が均等ないし規則的な流路となり、ガス流路の圧力損失が少なくなる。このため、ガスを効率的に拡散して、十分なガス供給機能を確保することができる。電気化学的反応の進行が促進される結果、高出力化を図ることができる。また、電極部材を介して電極触媒層とセパレータとの間の導電性が確保されるので、セル抵抗が低くなる。さらに、巻回された線材同士の間から、電極触媒層にガスを直接供給することができる。このため、電極触媒層の利用面積を拡大することができ、セル電圧を高めることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。
【００１２】
図１（Ａ）は、本発明の実施形態に係る固体高分子形燃料電池１０（ＰＥＦＣ）の基本構成を示す概略断面図、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）に破線によって囲んだ領域１Ｂを拡大して示す断面図、図２（Ａ）（Ｂ）は、図１（Ａ）に示される電極部材５０ｃを構成するコイル部材１００の一部を示す側面図および斜視図である。図３（Ａ）〜（Ｅ）は、コイル部材１００の断面形状の例を示す図であり、図３（Ａ）は、軸直交断面が円形であるコイル部材１００を示す図、図３（Ｂ）は、軸直交断面が楕円形であるコイル部材１００を示す図、図３（Ｃ）は、軸直交断面が長円形であるコイル部材１００を示す図、図３（Ｄ）（Ｅ）は、軸直交断面が多角形であるコイル部材１００を示す図である。なお、理解の容易のために、図面上における各部材の寸法比率は誇張して示してあり、実際の比率とは異なる場合がある。
【００１３】
図１（Ａ）を参照して、実施形態に係るＰＥＦＣ１０は、概説すれば、高分子電解質膜２０と、高分子電解質膜２０の一の面に接触して設けられる電極触媒層３０ｃと、導電性を備えガスを遮断するためのセパレータ８０ｃと、電極触媒層３０ｃとセパレータ８０ｃとの間に配置されて電極触媒層３０ｃとともにカソード６０ｃ（電極に相当する）を形成する電極部材５０ｃと、を有している。電極部材５０ｃは、酸化剤ガス（ガスに相当する）を電極触媒層３０ｃに供給するガス供給機能と、集電機能とを備えている。電極部材５０ｃは、電極触媒層３０ｃに対して接触する第１の接触部１１１と、セパレータ８０ｃに対して接触する第２の接触部１１２と、酸化剤ガスが流れるガス流路１２１と、を備えている。電極部材５０ｃは、線材１０２をコイル形状に巻回した導電性のコイル部材１００から構成してある。ＰＥＦＣ１０はさらに、電極触媒層３０ｃと電極部材５０ｃとの間に配置される導電性の保護層１５０をさらに有している。この保護層１５０は、電極触媒層３０ｃに対して接触する第１の面１５１と、電極部材５０ｃの第１の接触部１１１に接触する第２の面１５２とを有している。電極部材５０ｃの適用は、アノード６０ａおよびカソード６０ｃのいずれか一方の電極、または両方の電極にできる。図示する実施形態では、カソード６０ｃにのみ電極部材５０ｃを適用し、アノード６０ａには一般的なガス拡散層４０ａを適用している。このため、以下の説明においては、カソード６０ｃの「電極部材５０ｃ」を「カソード電極部材５０ｃ」と称し、アノード６０ａの「ガス拡散層４０ａ」を「アノードガス拡散層４０ａ」と称する。また、アノード６０ａの「電極部材」を指すときには「アノード電極部材」と称し、符号として「５０ａ」を用いることとする。以下、詳述する。
【００１４】
ＰＥＦＣ１０は、高分子電解質膜２０と、これを挟持する一対の電極触媒層３０ａ、３０ｃとを有する。一対の電極触媒層３０ａ、３０ｃは、アノード触媒層３０ａおよびカソード触媒層３０ｃである。高分子電解質膜２０と電極触媒層３０ａ、３０ｃとの積層体はさらに、アノードガス拡散層４０ａと、カソード電極部材５０ｃとによって挟持してある。アノード触媒層３０ａおよびアノードガス拡散層４０ａによってアノード６０ａを形成し、カソード触媒層３０ｃおよびカソード電極部材５０ｃによってカソード６０ｃを形成する。このように、高分子電解質膜２０、一対の電極触媒層３０ａ、３０ｃ、アノードガス拡散層４０ａ、カソード電極部材５０ｃは、積層された状態で膜電極接合体７０（ＭＥＡ）を構成する。ＭＥＡ７０は、一対のセパレータ８０ａ、８０ｃ（アノードセパレータ８０ａおよびカソードセパレータ８０ｃ）によって挟持してある。複数のＭＥＡ７０をセパレータ８０ａ、８０ｃを介して順次積層することによって、燃料電池スタックを構成する。燃料電池スタックにおいては、セパレータ８０ａ、８０ｃと高分子電解質膜２０との間などにガスシール部を配置している。図１（Ａ）には、燃料電池スタックおよびガスシール部の図示を省略してある。
【００１５】
［カソード電極部材５０ｃ］
図２（Ａ）（Ｂ）をも参照して、カソード電極部材５０ｃは、線材１０２をコイル形状に巻回した導電性のコイル部材１００を複数本配列することによって形成してある。複数本のコイル部材１００を配列する形態は特に限定されないが、通気抵抗を低減するためには、同じ方向に並べるのが好ましい。また、セル抵抗を低減するためには、コイル部材１００同士が接触するように並べ、カソード触媒層３０ｃおよびカソードセパレータ８０ｃとの接触面積を増やすことが好ましい（図１（Ａ）を参照）。但し、本発明は、コイル部材１００同士を隙間を隔てて配置して電極部材５０ａ、５０ｃを構成することを除外するものではない。
【００１６】
カソード電極部材５０ｃは、第１の接触部１１１においてカソード触媒層３０ｃに対して接触することによって、カソード触媒層３０ｃとの間の導電性を確保する。カソード電極部材５０ｃは、第２の接触部１１２においてカソードセパレータ８０ｃに対して接触することによって、カソードセパレータ８０ｃとの間の導電性を確保する。
【００１７】
カソード電極部材５０ｃのガス流路１２１は、線材１０２をコイル形状に巻回することによって、軸に直交する端面（図１（Ａ）に示される端面）で見て均等ないし規則的な流路と、径方向で見て均等ないし規則的な流路とを得ることができる。径方向の流路は、巻回された線材１０２同士の間の隙間Ｓ（図２（Ａ）（Ｂ）を参照）によって形成する。
【００１８】
上記構成のカソード電極部材５０ｃによれば、圧力損失を少なくし、セル抵抗を低くし、さらにセル電圧を高める効果を奏する。
【００１９】
すなわち、カソード電極部材５０ｃのガス流路１２１は、発泡金属多孔体におけるランダムな流路に比べて格段に均等ないし規則的な流路であるので、ガス流路１２１の圧力損失が少なくなる。このため、ガス流速が低下しないので、酸化剤ガスを効率的に拡散して、十分なガス供給機能を確保することができる。電気化学的反応の進行が促進される結果、高出力化を図ることができる。ガス流速が低下しないことから、カソード６０ｃにおける生成水をガス流れ方向の下流側に押し出して排出し易く、生成水が滞留するフラッディング現象を十分に抑制することができる。この観点からも、電気化学的反応の進行を促進し、高出力化を図ることができる。圧力損失が少なくなるので、流量分布が均一になり、電圧の安定化を図ることもできる。
【００２０】
また、カソード電極部材５０ｃの第１の接触部１１１がカソード触媒層３０ｃに接触し、第２の接触部１１２がカソードセパレータ８０ｃに接触しているので、カソード電極部材５０ｃを介してカソード触媒層３０ｃとカソードセパレータ８０ｃとの間の導電性が確保され、カーボンペーパを設けなくてもセル抵抗が低くなる。このため、カソード触媒層３０ｃにおいて発生した電流を容易にカソードセパレータ８０ｃ側に通電させることができる。セル抵抗が低いことから、セル電圧の低下を抑えて安定させることが可能となる。
【００２１】
さらに、巻回された線材１０２同士の間の隙間Ｓから、カソード触媒層３０ｃに酸化剤ガスを直接供給する。このため、カソード触媒層３０ｃに酸化剤ガスを容易に供給でき、カソード触媒層３０ｃの利用面積を拡大することができる。これによって、セル電圧を高めることができる。
【００２２】
ガス流路１２１は、具体的には、コイル部材１００内に軸線方向に形成される第１の流路１２２と、コイル部材１００とカソード触媒層３０ｃおよびカソードセパレータ８０ｃとの間に形成される第２の流路１２３と、巻回された線材同士の間の隙間Ｓによって形成される第３の流路１２４と、を含んでいる。第１と第２の流路１２２、１２３によって、同一断面積が連続する連通孔を形成することができる。これら第１と第２と第３の流路１２２、１２３、１２４を含むことによって、より一層均等ないし規則的な流路を形成することができ、ガスの対流が容易になり、ガス流路１２１の圧力損失をより少なくできる。
【００２３】
第１と第２の流路１２２、１２３は、図１（Ａ）においては紙面に直交する方向、図２（Ａ）においては左右方向に伸び、図２（Ｂ）においては右斜め方向に伸びている。第３の流路１２４は、コイル部材１００の径方向に沿って開口している。なお、図２（Ｂ）の矢印１２５は、カソード触媒層３０ｃとカソードセパレータ８０ｃとの間の空間における酸化剤ガスの流下方向を示している。酸化剤ガスの流下方向は、ガス供給用マニホールド（図示せず）から、ガス排出用マニホールド（図示せず）に向かう方向である。
【００２４】
カソード電極部材５０ｃは、カソード触媒層３０ｃとカソードセパレータ８０ｃとの間の空間における酸化剤ガスの流下方向（図２（Ｂ）の矢印１２５）に第１の流路１２２を沿わせて配置することが好ましい。第２の流路１２３は第１の流路１２２と平行であるから、第１と第２の流路１２２、１２３は同じ方向に伸びることになる。このような配置形態によれば、第１と第２の流路１２２、１２３が伸びる方向と、酸化剤ガスの流下方向とが平行となるので、ガス流路１２１の圧力損失をさらに少なくできる。その結果、酸化剤ガスを一層効率的に拡散して十分なガス供給機能を確保して、電気化学的反応の進行を促進し、高出力化を図ることができる。フラッディング現象をより一層抑制することもできる。
【００２５】
ここにおいて、「ガスの流下方向に第１の流路１２２を沿わせる」とは、ガスの流下方向と、第１の流路１２２が伸びる方向とを平行にする場合に限定することを意図したものではない。発泡金属多孔体のランダムな流路との対比において、流路全体として圧力損失を少なくできる限りにおいて、ガスの流下方向と、第１の流路１２２が伸びる方向とが交差する部位が生じていても何ら支障はない。この文言は、ガスの主流方向に第１の流路１２２を沿わせて電極部材５０ａ、５０ｃを配置すれば足りることを意味している。
【００２６】
カソード電極部材５０ｃは、カソード触媒層３０ｃに対して対峙する面（全面）に敷詰めることが好ましい。セル抵抗が低くなるため、カソード触媒層３０ｃにおいて発生した電流を容易にカソードセパレータ８０ｃ側に通電させることができるからである。なお、本発明は、カソード電極部材５０ｃを、カソード触媒層３０ｃに対して対峙する面のうち一部に配置することを除外するものではない。
【００２７】
コイル部材１００を構成する導電性材料について特に制限はなく、金属セパレータの構成材料として用いられているものが適宜用いられ得る。コイル部材１００の構成材料としては、例えば、鉄、チタン、およびアルミニウム並びにこれらの合金が挙げられる。これらの材料は、機械的強度、汎用性、コストパフォーマンスまたは加工容易性などの観点から好ましく用いられ得る。ここで、鉄合金にはステンレスが含まれる。なかでも、コイル部材１００はステンレス、アルミニウムまたはアルミニウム合金から構成することが好ましい。
【００２８】
コイル部材１００は、図２（Ａ）（Ｂ）に示されるマイクロコイルバネ１０１から形成することができる。使用するマイクロコイルバネ１０１の寸法は適宜選択できるが、例えば、外径Ｄが２００〜６００μｍ、線径φが５０μｍ程度、ピッチｐが９０μｍ程度である。
【００２９】
コイル部材１００の軸方向に見た場合のカソード電極部材５０ｃがカソード触媒層３０ｃと接する接触間隔、つまり図１（Ａ）において隣り合うコイル部材１００の第１の接触部１１１同士の間隔（ピッチ）をＰ、カソード触媒層３０ｃの厚みをｔとすると、Ｐ＜５０ｔを満たすことが好ましい。例えば、カソード触媒層３０ｃの厚みｔ＝１０μｍのときには、ピッチＰは、Ｐ＜５００μｍであることが好ましい。発泡金属多孔体を用いた場合には、細孔径が比較的大きいのでカーボンペーパを必要とするが、Ｐ＜５０ｔを満たすことによって、カーボンペーパを使わずとも集電することが可能となる。つまり、酸化剤ガスを流しつつカソード触媒層３０ｃとの接触面積を確保できるほど小さなピッチとなるからである。また、カソード電極部材５０ｃの上記ピッチＰをやや大きくすることによってカソード触媒層３０ｃとの接触面積が減少するような場合には、Ｐ＜５０ｔを満たすようにカソード触媒層３０ｃの厚みｔを厚くすればよい。例えば、外径Ｄが６００μｍのコイル部材１００を接触させつつ配列する場合（第１の接触部１１１同士のピッチＰが６００μｍとなる）には、カソード触媒層３０ｃの厚みｔを１２μｍにすればよい。カソード触媒層３０ｃの厚みｔが厚くなるため、カソード触媒層３０ｃの水平方向の電気抵抗が減少するためピッチＰが大きくなっても集電が可能になる。また比較的高価で作製も煩雑なカーボンペーパを用いなくてよいことから、カソード６０ｃの作製コストを低減することができる。またカーボンペーパを必要としないため厚み方向のサイズを低減することができる。
【００３０】
コイル部材１００の外径Ｄ、線径φ、ピッチｐは均一に形成されている。これによって、カソード電極部材５０ｃの第１の接触部１１１をカソード触媒層３０ｃに対して均等に接触させることができ、第２の接触部１１２をカソードセパレータ８０ｃに対して均等に接触させることができる。また、ガス流路１２１における第１の流路１２２を、コイル部材１００内に均等に形成することができ、第２の流路１２３を、コイル部材１００とカソード触媒層３０ｃとの間、およびコイル部材１００とカソードセパレータ８０ｃとの間に均等に形成することができ、第３の流路１２４を隙間Ｓによって均等に形成することができる。
【００３１】
電極部材５０ａ、５０ｃを構成するコイル部材１００の軸直交断面は、特に限定されるものではなく、圧力損失を少なくし、セル抵抗を低くし、さらにセル電圧を高める効果を奏する限りにおいて、適宜の形状を採用することができる。例えば、コイル部材１００の軸直交断面として、図３（Ａ）に示される円形、図３（Ｂ）に示される楕円形、図３（Ｃ）に示される長円形、図３（Ｄ）（Ｅ）に示される多角形（例えば、長方形や三角形）などを挙げることができる。軸直交断面が円形の場合には、コイル部材１００の製造が容易になる。楕円形、長円形の場合には、幅が広いため、使用するコイル部材１００の本数を低減することができる。また、長方形の場合には、コイル部材１００の配置が簡単になり、三角形の場合には、燃料電池スタックを構成する際に付加される面圧に対してコイル部材１００の変形量を少なくすることができる。
【００３２】
コイル部材１００は、その線径φとピッチｐとの比が１未満であることが好ましい。線材１０２同士の間の隙間Ｓが線径φよりも小さくなるので、組み立て時に隣り合うコイル部材１００同士が絡み合わず、セルの組み立てを容易にできるからである。さらに、振動が作用する状況下でＰＥＦＣ１０を稼動させても、一のコイル部材１００の線材１０２が、隣接する他のコイル部材１００の内部に入り込まない。ガス流路１２１が乱される虞がない。このため、振動が作用する状況下で安定して稼動するＰＥＦＣ１０を得ることができる。
【００３３】
コイル部材１００は、コイルバネ形状を有しているので、軸線方向および径方向のそれぞれの方向に若干量伸縮自在である。また、径方向に押圧されることによって、軸直交断面が円形から楕円形にも変形自在である。このため、高分子電解質膜２０の膨潤、燃料電池スタックを構成する際に付加される面圧の変化、入力される振動の変化などに追従して、ガス流路１２１を乱さない程度に伸縮変形することによって、ガス供給機能と集電機能とを維持することができる。
【００３４】
図１（Ｂ）を参照して、カソード電極部材５０ｃの表面は、導電性防食処理がされていることが好ましい。カソード電極部材５０ｃに導電性防食処理を施すことによって、カソード電極部材５０ｃが腐食せず、セルの耐久性を高めることができるからである。
【００３５】
導電性防食処理は、金または導電性炭素のコーティングである。導電性腐食処理が金メッキ、金クラッド、導電性炭素層１４０であるため、燃料電池内の環境下で腐食することがなく、セルの耐久性を高めることができるからである。
【００３６】
導電性炭素を含む導電性炭素層１４０についてさらに説明する。導電性炭素層１４０が有する結晶構造は様々であるが、炭素層の結晶構造が異なると、これに起因して耐食性や導電性も変動し得る。導電性炭素層１４０の優れた導電性を十分に確保しつつ耐食性を向上させるためには、導電性炭素層１４０に含まれる炭素の結晶構造を制御することが重要である。そこで、導電性炭素層１４０は、ラマン散乱分光分析により測定される、Ｄバンドピーク強度（ＩＤ）とＧバンドピーク強度（ＩＧ）との強度比Ｒ（ＩＤ／ＩＧ）により規定される。具体的には、強度比Ｒ（ＩＤ／ＩＧ）が１．３以上である。
【００３７】
炭素材料をラマン分光法により分析すると、通常１３５０ｃｍ−１付近および１５８４ｃｍ−１付近にピークが生じる。結晶性の高いグラファイトは、１５８４ｃｍ−１付近にシングルピークを有し、このピークは通常、「Ｇバンド」と称される。一方、結晶性が低くなる（結晶構造欠陥が増す）につれて、１３５０ｃｍ−１付近のピークが現れてくる。このピークは通常、「Ｄバンド」と称される（なお、ダイヤモンドのピークは厳密には１３３３ｃｍ−１であり、上記Ｄバンドとは区別される）。Ｄバンドピーク強度（ＩＤ）とＧバンドピーク強度（ＩＧ）との強度比Ｒ（ＩＤ／ＩＧ）は、炭素材料のグラファイトクラスターサイズやグラファイト構造の乱れ具合（結晶構造欠陥性）、ｓｐ２結合比率などの指標として用いられる。すなわち、本発明においては、導電性炭素層１４０の接触抵抗の指標とすることができ、導電性炭素層１４０の導電性を制御する膜質パラメータとして用いることができる。
【００３８】
Ｒ（ＩＤ／ＩＧ）値は、顕微ラマン分光器を用いて、炭素材料のラマンスペクトルを計測することにより算出される。具体的には、Ｄバンドと呼ばれる１３００〜１４００ｃｍ−１のピーク強度（ＩＤ）と、Ｇバンドと呼ばれる１５００〜１６００ｃｍ−１のピーク強度（ＩＧ）との相対的強度比（ピーク面積比（ＩＤ／ＩＧ））を算出することにより求められる。
【００３９】
上述したように、Ｒ値は１．３以上である。また、好ましい実施形態において、当該Ｒは、好ましくは１．４〜２．０であり、より好ましくは１．４〜１．９であり、さらに好ましくは１．５〜１．８である。このＲ値が１．３以上であれば、積層方向の導電性が十分に確保された導電性炭素層１４０が得られる。また、Ｒ値が２．０以下であれば、グラファイト成分の減少を抑制することができる。さらに、導電性炭素層１４０自体の内部応力の増大をも抑制でき、下地であるコイル部材１００との密着性を一層向上させることができる。
【００４０】
カソード電極部材５０ｃは、撥水処理がされていることが好ましい。カソード電極部材５０ｃに撥水処理を施すことによって、コイル部材１００内、線材１０２同士の間の隙間Ｓ、コイル部材１００同士の間、あるいはカソード電極部材５０ｃとカソードセパレータ８０ｃとの間における水の滞留がなくなり、水によるガス供給の阻害がなくなり、カソード触媒層３０ｃへ酸化剤ガスが滞りなく供給される。これにより、セル電圧の急激な低下を抑えて、セル電圧を安定させることができるからである。
【００４１】
撥水剤としては、特に限定されないが、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）、ポリヘキサフルオロプロピレン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）などのフッ素系の高分子材料、ポリプロピレン、ポリエチレンなどが挙げられる。ＰＴＦＥやＰＶｄＦなどにあっては、燃料電池内の環境下で劣化することがなく、カソード電極部材５０ｃの撥水性を保って、セルの耐久性を高めることができる。
【００４２】
カソード電極部材５０ｃは、親水処理がされていることが好ましい。カソード電極部材５０ｃに親水処理を施すことによって、カソード触媒層３０ｃからの液水を流路側に引き寄せるため、カソード触媒層３０ｃ内の水詰まりを低減できる。この結果、セル電圧の急激な低下を抑えて、セル電圧を安定させることができるからである。
【００４３】
親水剤としては、特に限定されないが、シランカプリング、ポリビニルピロリドン（ＰＶＰ）などが挙げられる。
【００４４】
カソード触媒層３０ｃとともにカソード６０ｃを形成するために上記構成のカソード電極部材５０ｃを用いることによって、上述したように、圧力損失を少なくし、セル抵抗を低くし、さらにセル電圧を高めたＰＥＦＣ１０を得ることができる。アノード電極部材５０ａについても同様のことが言える。
【００４５】
［保護層１５０］
図１（Ａ）を参照して、カソード触媒層３０ｃとカソード電極部材５０ｃとの間には導電性の保護層１５０を配置することが好ましい。カソード触媒層３０ｃとカソード電極部材５０ｃとの間の導電性を高めて集電性能を向上させることができ、さらにはカソード触媒層３０ｃの破損を防止することができるからである。
【００４６】
導電性の保護層１５０は、カソード触媒層３０ｃとカソード電極部材５０ｃとの間に介在し、第１の面１５１がカソード触媒層３０ｃに対して接触し、第２の面１５２がカソード電極部材５０ｃの第１の接触部１１１に対して接触することによって、導電性の確保、およびカソード触媒層３０ｃの破損防止に寄与する。
【００４７】
保護層１５０を構成する材料は、カソード触媒層３０ｃとカソード電極部材５０ｃとの間の導電性を確保でき、かつ、金属製のカソード電極部材５０ｃが圧接することよってカソード触媒層３０ｃが破損することを防止し得る限りにおいて適宜の材料を選択することができる。例えば、保護層１５０として、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）の多孔体にカーボン粒子を含浸させて焼結させたシート体を用いることができる。シート体とすることによって、製造工程が簡易なものとなり、また、ＰＥＦＣ１０の各部材を積層する際の取り扱い、および組み立てが容易なものとなる。
【００４８】
保護層１５０を有する場合には、カソード電極部材５０ｃにおいて隣り合うコイル部材１００の第１の接触部１１１同士の間隔（ピッチ）をＰ、保護層１５０およびカソード触媒層３０ｃの合計の厚みをｔ’とすると、Ｐ＜１０ｔ’を満たすことが好ましい。例えば、カソード触媒層３０ｃの厚み１０μｍ、保護層１５０の厚み２０μｍのときには、合計の厚みｔ’＝３０であり、ピッチＰは、Ｐ＜３００μｍであることが好ましい。Ｐ＜１０ｔ’を満たすことによって、カーボンペーパを使わずとも集電することが可能となる。つまり、酸化剤ガスを流しつつカソード触媒層３０ｃとの接触面積を確保できるほど小さなピッチとなるからである。また、カソード電極部材５０ｃの上記ピッチＰをやや大きくすることによってカソード触媒層３０ｃとの接触面積が減少するような場合には、Ｐ＜１０ｔ’を満たすようにカソード触媒層３０ｃの厚みｔを厚くすればよい。カソード触媒層３０ｃの厚みｔが厚くなるため、カソード触媒層３０ｃの水平方向の電気抵抗が減少するためピッチＰが大きくなっても集電が可能になる。また比較的高価で作製も煩雑なカーボンペーパを用いなくてよいことから、カソード６０ｃの作製コストを低減することができる。またカーボンペーパを必要としないため厚み方向のサイズを低減することができる。
【００４９】
［カーボン粒子層１６０］
図１（Ａ）を参照して、アノード触媒層３０ａとアノードガス拡散層４０ａとの間にはカーボン粒子層１６０を配置してある。カーボン粒子層（マイクロポーラス層；ＭＰＬ）は、集電性向上のため、アノード触媒層３０ａ上に圧着によって設けている。
【００５０】
ＭＰＬは、ＰＴＦＥ多孔体に、アセチレンブラックと、ＰＴＦＥ微粒子と、増粘剤とからなる水分散液を含侵し、焼成処理を行って作製する。
【００５１】
［セパレータ８０ａ、８０ｃ］
セパレータ８０ａ、８０ｃは、単セルを複数個直列に接続して燃料電池スタックを構成する際に、各セルを電気的に直列接続する機能を有する。また、セパレータ８０ａ、８０ｃは、燃料ガス、酸化剤ガス、および冷却剤を互いに遮断する隔壁としての機能も有する。
【００５２】
セパレータ８０ａ、８０ｃを構成する材料としては、緻密カーボングラファイト、炭素板などのカーボンや、ステンレスなどの金属など、従来公知の材料が適宜制限なく用いられうる。図示例にあっては、アノードセパレータ８０ａおよびカソードセパレータ８０ｃは、ともにカーボン製である。
【００５３】
アノードセパレータ８０ａは、燃料ガスが流れる流路となる溝形状のリブ８１を備えている。
【００５４】
カソードセパレータ８０ｃは、カソード電極部材５０ｃの第２の接触部１１２が接触する側の面８２を平面に形成してある。カソード電極部材５０ｃによって十分なガス供給機能を得ることができるので、カソードセパレータ８０ｃにリブを形成する必要がない。このため、カソードセパレータ８０ｃを簡単かつ安価に製造することができる。つまり、実施形態のようにカーボン製セパレータの場合にはリブを切削加工によって形成する必要がなく、金属製セパレータの場合にはリブをプレス加工によって形成する必要がなくなるからである。さらに、リブを形成する必要がないため、カソードセパレータ８０ｃの高さ方向のサイズ、ひいてはＰＥＦＣ１０の高さ方向のサイズを小さくすることができる。
【００５５】
図１に示されるＰＥＦＣ１０の他の構成要素、すなわち電解質層、電極触媒層３０ａ、３０ｃ、アノードガス拡散層４０ａについて概説する。
【００５６】
［電解質層］
電解質層は、固体高分子電解質膜２０から構成される。この高分子電解質膜２０は、ＰＥＦＣ１０の運転時にアノード触媒層３０ａで生成したプロトンを膜厚方向に沿ってカソード触媒層３０ｃへと選択的に透過させる機能を有する。また、高分子電解質膜２０は、アノード６０ａ側に供給される燃料ガスとカソード６０ｃ側に供給される酸化剤ガスとを混合させないための隔壁としての機能をも有する。
【００５７】
高分子電解質膜２０の具体的な構成は特に制限されず、燃料電池の技術分野において従来公知の高分子電解質からなる膜が適宜採用できる。高分子電解質膜２０として、例えば、ナフィオン（登録商標、デュポン社製）、アシプレックス（登録商標、旭化成株式会社製）、フレミオン（登録商標、旭硝子株式会社製）等のパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーから構成されるフッ素系高分子電解質膜を用いることができる。
【００５８】
［電極触媒層３０ａ、３０ｃ］
電極触媒層（アノード触媒層３０ａ、カソード触媒層３０ｃ）は、実際に電池反応が進行する層である。具体的には、アノード触媒層３０ａでは水素の酸化反応が進行し、カソード触媒層３０ｃでは酸素の還元反応が進行する。触媒層は、触媒成分、触媒成分を担持する導電性の触媒担体、および高分子電解質を含む。
【００５９】
アノード触媒層３０ａに用いられる触媒成分は、水素の酸化反応に触媒作用を有するものであれば特に制限はなく公知の触媒が同様にして使用できる。また、カソード触媒層３０ｃに用いられる触媒成分もまた、酸素の還元反応に触媒作用を有するものであれば特に制限はなく公知の触媒が同様にして使用できる。具体的には、白金、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、タングステン、鉛、鉄、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、アルミニウム等の金属およびこれらの合金などから選択されうる。これらのうち、触媒活性、一酸化炭素等に対する耐被毒性、耐熱性などを向上させるために、少なくとも白金を含むものが好ましく用いられる。
【００６０】
触媒担体は、上述した触媒成分を担持するための担体、および触媒成分と他の部材との間での電子の授受に関与する電子伝導パスとして機能する。触媒担体としては、触媒成分を所望の分散状態で担持させるための比表面積を有し、充分な電子伝導性を有しているものであればよく、主成分がカーボンであることが好ましい。具体的には、カーボンブラック、活性炭、コークス、天然黒鉛、人造黒鉛などからなるカーボン粒子が挙げられる。
【００６１】
高分子電解質は、特に限定されないが、例えば、上述した電解質層を構成するイオン交換樹脂が、高分子電解質として触媒層に添加され得る。
【００６２】
［アノードガス拡散層４０ａ］
アノードガス拡散層４０ａは、アノードセパレータ８０ａのリブ８１を介して供給された燃料ガスのアノード触媒層３０ａへの拡散を促進する機能、および電子伝導パスとしての機能を有する。
【００６３】
アノードガス拡散層４０ａの基材を構成する材料は特に限定されず、従来公知の知見が適宜参照されうる。例えば、炭素製の織物、紙状抄紙体、フェルト、不織布といった導電性および多孔質性を有するシート状材料が挙げられる。基材の厚さは、得られるアノードガス拡散層４０ａの特性を考慮して適宜決定すればよいが、３０〜５００μｍ程度とすればよい。基材の厚さがかような範囲内の値であれば、機械的強度とガスおよび水などの拡散性とのバランスが適切に制御され得る。
【００６４】
アノードガス拡散層４０ａは、撥水性をより高めてフラッディング現象などを防止することを目的として、撥水剤を含むことが好ましい。撥水剤としては、特に限定されないが、上述したようにポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などを挙げることができる。
【００６５】
撥水性をより向上させるために、アノードガス拡散層４０ａは、撥水剤を含むカーボン粒子の集合体からなるカーボン粒子層（マイクロポーラス層；ＭＰＬ）を基材の触媒層側に有するものであってもよい。
【００６６】
燃料電池の製造方法は、特に制限されることなく、燃料電池の分野において従来公知の知見が適宜参照され得る。
【００６７】
燃料電池を運転する際に用いられる燃料は特に限定されない。例えば、水素、メタノール、エタノール、１−プロパノール、２−プロパノール、１−ブタノール、第２級ブタノール、第３級ブタノール、ジメチルエーテル、ジエチルエーテル、エチレングリコール、ジエチレングリコールなどが用いられうる。なかでも、高出力化が可能である点で、水素やメタノールが好ましく用いられる。
【００６８】
さらに、燃料電池が所望する電圧を発揮できるように、セパレータ８０ａ、８０ｃを介して膜電極接合体７０を複数積層して直列に繋いだ構造の燃料電池スタックを形成してもよい。燃料電池の形状などは、特に限定されず、所望する電圧などの電池特性が得られるように適宜決定すればよい。
【００６９】
本実施形態のＰＥＦＣ１０やこれを用いた燃料電池スタックは、例えば、車両に駆動用電源として搭載されうる。
【００７０】
図４は、上述した実施形態の燃料電池スタックを搭載した車両を示す概念図である。
【００７１】
図４に示すように、燃料電池スタック９１を燃料電池車９０のような車両に搭載するには、例えば、燃料電池車９０の車体中央部の座席下に搭載すればよい。座席下に搭載すれば、車内空間およびトランクルームを広く取ることができる。場合によっては、燃料電池スタック９１を搭載する場所は、座席下に限らず、後部トランクルームの下部でもよいし、車両前方のエンジンルームであってもよい。このように、上述した形態のＰＥＦＣ１０や燃料電池スタック９１を搭載した車両もまた、本発明の技術的範囲に包含される。上述したＰＥＦＣ１０や燃料電池スタック９１は出力特性・耐久性に優れる。したがって、長期間にわたって信頼性の高い燃料電池搭載車両が提供され得る。
【００７２】
（変形例）
カソード電極部材５０ｃをカソード６０ｃにのみ適用した実施形態について説明したが、本発明はこの場合に限定されるものではない。例えば、アノードガス拡散層４０ａに代えて、カソード電極部材５０ｃと同様に構成されるアノード電極部材５０ａを用いることができる。また、図１に示した実施形態とは逆に、アノード６０ａにのみ電極部材５０ａを適用し、カソード６０ｃには一般的なガス拡散層を適用することもできる。
【００７３】
外径Ｄ、線径φ、ピッチｐが均一なコイル部材１００からカソード電極部材５０ｃを構成した実施形態について説明したが、本発明はこの場合に限定されるものではない。例えば、線径φを部分的に変えたり、ピッチｐを部分的に変えたりしたコイル部材１００から電極部材５０ａ、５０ｃを構成することもできる。線径φやピッチｐが異なる複数種類のコイル部材１００を並べて配置することによって、１つの電極部材５０ａ、５０ｃを構成してもよい。このような形態の電極部材５０ａ、５０ｃによれば、通気抵抗を部分的に変えたり、電極触媒層３０ａ、３０ｃやセパレータ８０ａ、８０ｃとの接触面積を部分的に変えたりすることができる。燃料電池スタックを構成する場合に、セパレータ８０ａ、８０ｃを介して積層した複数のＭＥＡ７０を均等に押圧するために、外径Ｄ（図２（Ａ））を部分的に変えたコイル部材１００を組み合わせて電極部材５０ａ、５０ｃを構成することもできる。
【００７４】
アノード６０ａ、カソード６０ｃともに電極部材５０ａ、５０ｃを用いる場合、アノード電極部材５０ａとカソード電極部材５０ｃとが同一構造である必要はない。線径φやピッチｐなどが異なるコイル部材を適宜用いることができる。
【００７５】
カソード電極部材５０ｃの第２の接触部１１２が接触する側の面を平面に形成したカソードセパレータ８０ｃを図示したが、本発明は、リブを備えるセパレータを除外するものではない。リブを備えるセパレータに電極部材５０ａ、５０ｃを接触させる形態としても、何ら支障はない。
【００７６】
（実施例）
以下、本発明による効果を、実施例および比較例を用いて説明するが、本発明の技術的範囲はこれらの実施例に限定されない。
【００７７】
［実施例１］
固体高分子電解質膜として、ナフィオンＣＳ（登録商標、デュポン社製））を用いた。この電解質膜に、白金担持カーボン（田中貴金属工業株式会社製 ＴＥＣ１０Ｅ５０Ｅ、白金含量５０質量％）を塗布したテフロン（登録商標）シートをホットプレス法にて転写し、電極触媒層を形成した。白金触媒使用量は、アノード、カソードともに、０．４ｍｇ／ｃｍ２とした。
【００７８】
電極触媒層の保護および集電性向上のため、カーボン粒子層（マイクロポーラス層；ＭＰＬ）を電極触媒層上に圧着し、固体高分子電解質膜、電極触媒層、およびＭＰＬの接合体を作製した。ＭＰＬは、ＰＴＦＥ多孔体ポアフロン（住友電工製）に、アセチレンブラック（電気化学工業製）と、ＰＴＦＥ微粒子Ｐｏｌｙｆｌｏｎ（ダイキン工業製）と、適量の増粘剤とからなる水分散液を含侵し、３５０℃、３０分焼成処理を行ったものである。
【００７９】
電極部材を構成するコイル部材として、線径５０μｍ、コイルピッチ９０μｍ、外径２００μｍのコイル部材を用いた。
【００８０】
ＭＰＬ上に上記コイル部材を隙間なく並べて電極部材とし、一対のセパレータによって挟持し、評価用単セルとした。セパレータとして、切削カーボン（メカニカルカーボン製）を用いた。セパレータの形状はリブのない平面状とした。アノードおよびカソードをともに、電極触媒層と電極部材とから構成し、カーボンペーパ製、カーボン不織布製、あるいはカーボンファイバー製のガス拡散層は用いなかった。
【００８１】
［実施例２］
コイル部材の外径を６００μｍとした以外は実施例１と同様の構成とした。
【００８２】
［比較例］
実施例１と同様に、固体高分子電解質膜、電極触媒層、およびＭＰＬの接合体を作製した。
【００８３】
ＭＰＬ上にカーボンファイバー製ガス拡散層（東レ製）を圧着し、一対のセパレータによって挟持し、比較例の評価用単セルとした。セパレータとして、切削カーボン（メカニカルカーボン製）を用いた。セパレータはリブを有する形状とし、ガス拡散路を形成した。リブの幅は１ｍｍ、流路深さ１ｍｍである。
【００８４】
実施例１、２および比較例の各評価用単セルの発電試験を行った。アノードに水素、カソードに空気を供給し、相対湿度アノード１００％Ｒ．Ｈ．／カソード１００％Ｒ．Ｈ．、セル温度７０℃、両ガスの供給圧力を大気圧とした。
【００８５】
評価結果を図５に示す。図５に示すように、フラッディングが生じやすい高加湿条件において、実施例１、２の電極部材を用いたセルは、フラッディング現象が発生せず、セル抵抗が低いため、高電流密度においてもセル電圧が高く、良好な性能を示した。実施例２のコイル部材は、実施例１のコイル部材に比べて外径が大きいので、電極部材自体の抵抗が実施例１に比べると大きくなる。このため、実施例２は、実施例１と比べると、接触抵抗が大きく、セル電圧が若干低くなった。
【００８６】
一方、対比例のガス拡散層を用いたセルは、リブ下で発生していると思われるフラッディング現象のために、電圧が大きく低下した。
【００８７】
以上から、電極部材を用いた燃料電池セルは、従来のガス拡散層を用いたセルに比べて、高電流密度においても、フラッディングを生じることなく、高い電圧を維持でき、良好な性能を示すことがわかった。
【図面の簡単な説明】
【００８８】
【図１】図１（Ａ）は、本発明の実施形態に係る固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）の基本構成を示す概略断面図、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）に破線によって囲んだ領域１Ｂを拡大して示す断面図である。
【図２】図２（Ａ）（Ｂ）は、図１（Ａ）に示される電極部材を構成するコイル部材の一部を示す側面図および斜視図である。
【図３】図３（Ａ）〜（Ｅ）は、コイル部材の断面形状の例を示す図であり、図３（Ａ）は、軸直交断面図が円形であるコイル部材を示す図、図３（Ｂ）は、軸直交断面図が楕円形であるコイル部材を示す図、図３（Ｃ）は、軸直交断面図が長円形であるコイル部材を示す図、図３（Ｄ）（Ｅ）は、軸直交断面図が多角形であるコイル部材を示す図である。
【図４】燃料電池スタックを搭載した車両を示す概念図である。
【図５】実施例１、２および比較例の各評価用単セルの発電試験を行った評価結果を示す図である。
【符号の説明】
【００８９】
１０ 固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）、
２０ 高分子電解質膜、
３０ａ アノード触媒層（電極触媒層）、
３０ｃ カソード触媒層（電極触媒層）、
４０ａ アノードガス拡散層、
５０ａ アノード電極部材（電極部材）、
５０ｃ カソード電極部材（電極部材）、
６０ａ アノード（電極）、
６０ｃ カソード（電極）、
７０ 膜電極接合体（ＭＥＡ）、
８０ａ アノードセパレータ（セパレータ）、
８０ｃ カソードセパレータ（セパレータ）、
８１ リブ、
８２ 平面、
９０ 燃料電池車（車両）、
９１ 燃料電池スタック、
１００ コイル部材、
１０１ マイクロコイルバネ（コイル部材）、
１０２ 線材、
１１１ 第１の接触部、
１１２ 第２の接触部、
１２１ ガス流路、
１２２ 第１の流路、
１２３ 第２の流路、
１２５ 電極触媒層とセパレータとの間の空間におけるガスの流下方向、
１４０ 導電性炭素層、
１５０ 保護層、
１５１ 第１の面、
１５２ 第２の面、
１６０ カーボン粒子層、
Ｓ 隙間。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子形燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）は、発電機能を発揮する複数の単セルが積層された構造を有する。当該単セルはそれぞれ、（１）高分子電解質膜（例えば、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）膜）、（２）これを挟持する一対（アノード、カソード）の触媒層（「電極触媒層」とも称される）、（３）さらにこれらを挟持する、供給ガスを分散させるための一対（アノード、カソード）のガス拡散層（ＧＤＬ）、を含む膜電極接合体（ＭＥＡ）を有する。そして、個々の単セルが有するＭＥＡは、セパレータを介して隣接する単セルのＭＥＡと電気的に接続される。このようにして単セルが積層・接続されることにより、燃料電池スタックが構成される。そして、この燃料電池スタックは、種々の用途に使用可能な発電手段として機能しうる。かような燃料電池スタックにおいて、セパレータは、上述したように、隣接する単セルどうしを電気的に接続する機能を発揮する。これに加えて、セパレータのＭＥＡと対向する表面にはガス流路が設けられるのが通常である。当該ガス流路は、アノードおよびカソードに燃料ガスおよび酸化剤ガスをそれぞれ供給するためのガス供給手段として機能する。
【０００３】
ＰＥＦＣの発電メカニズムを簡単に説明すると、ＰＥＦＣの運転時には、単セルのアノード側に燃料ガス（例えば水素ガス）が供給され、カソード側に酸化剤ガス（例えば大気、酸素）が供給される。その結果、アノードおよびカソードのそれぞれにおいて、下記反応式で表される電気化学反応が進行し、電気が生み出される。
【０００４】
すなわち、
アノード反応：Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−・・・（１）
カソード反応：２Ｈ＋＋２ｅ−＋（１／２）Ｏ２→Ｈ２Ｏ・・・（２）
である。
【０００５】
上記の電気化学反応を進行させるために、ＧＤＬは、燃料ガスや酸化剤ガスを効率的に拡散して触媒層に供給するガス供給機能が必要である。
【０００６】
特許文献１は、ＧＤＬとして発泡金属多孔体を用いる構造を提案している。
【特許文献１】特表２００２−５４２５９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、発泡金属多孔体は、形成される細孔がランダムであるので、圧力損失が比較的大きい。このため、ガス流速が遅くなって、十分なガス供給機能を得ることができず、電気化学的反応が妨げられ、結果として電池出力が低下する。
【０００８】
本発明の目的は、ガス流路の圧力損失を少なくすることによって十分なガス供給機能を確保して、高出力化を図り得る固体高分子形燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するための本発明の固体高分子形燃料電池は、高分子電解質膜と、高分子電解質膜の一の面に接触して設けられる電極触媒層と、導電性を備えガスを遮断するためのセパレータと、電極触媒層とセパレータとの間に配置されて電極触媒層とともに電極を形成する電極部材と、を有している。電極部材は、電極触媒層に対して接触する第１の接触部と、セパレータに対して接触する第２の接触部と、ガスが流れるガス流路と、を備えている。電極部材は、線材をコイル形状に巻回した導電性のコイル部材から構成する。
【発明の効果】
【００１０】
電極部材は、線材をコイル形状に巻回した導電性のコイル部材から構成してあるので、ガス流路が均等ないし規則的な流路となり、ガス流路の圧力損失が少なくなる。このため、ガスを効率的に拡散して、十分なガス供給機能を確保することができる。電気化学的反応の進行が促進される結果、高出力化を図ることができる。また、電極部材を介して電極触媒層とセパレータとの間の導電性が確保されるので、セル抵抗が低くなる。さらに、巻回された線材同士の間から、電極触媒層にガスを直接供給することができる。このため、電極触媒層の利用面積を拡大することができ、セル電圧を高めることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。
【００１２】
図１（Ａ）は、本発明の実施形態に係る固体高分子形燃料電池１０（ＰＥＦＣ）の基本構成を示す概略断面図、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）に破線によって囲んだ領域１Ｂを拡大して示す断面図、図２（Ａ）（Ｂ）は、図１（Ａ）に示される電極部材５０ｃを構成するコイル部材１００の一部を示す側面図および斜視図である。図３（Ａ）〜（Ｅ）は、コイル部材１００の断面形状の例を示す図であり、図３（Ａ）は、軸直交断面が円形であるコイル部材１００を示す図、図３（Ｂ）は、軸直交断面が楕円形であるコイル部材１００を示す図、図３（Ｃ）は、軸直交断面が長円形であるコイル部材１００を示す図、図３（Ｄ）（Ｅ）は、軸直交断面が多角形であるコイル部材１００を示す図である。なお、理解の容易のために、図面上における各部材の寸法比率は誇張して示してあり、実際の比率とは異なる場合がある。
【００１３】
図１（Ａ）を参照して、実施形態に係るＰＥＦＣ１０は、概説すれば、高分子電解質膜２０と、高分子電解質膜２０の一の面に接触して設けられる電極触媒層３０ｃと、導電性を備えガスを遮断するためのセパレータ８０ｃと、電極触媒層３０ｃとセパレータ８０ｃとの間に配置されて電極触媒層３０ｃとともにカソード６０ｃ（電極に相当する）を形成する電極部材５０ｃと、を有している。電極部材５０ｃは、酸化剤ガス（ガスに相当する）を電極触媒層３０ｃに供給するガス供給機能と、集電機能とを備えている。電極部材５０ｃは、電極触媒層３０ｃに対して接触する第１の接触部１１１と、セパレータ８０ｃに対して接触する第２の接触部１１２と、酸化剤ガスが流れるガス流路１２１と、を備えている。電極部材５０ｃは、線材１０２をコイル形状に巻回した導電性のコイル部材１００から構成してある。ＰＥＦＣ１０はさらに、電極触媒層３０ｃと電極部材５０ｃとの間に配置される導電性の保護層１５０をさらに有している。この保護層１５０は、電極触媒層３０ｃに対して接触する第１の面１５１と、電極部材５０ｃの第１の接触部１１１に接触する第２の面１５２とを有している。電極部材５０ｃの適用は、アノード６０ａおよびカソード６０ｃのいずれか一方の電極、または両方の電極にできる。図示する実施形態では、カソード６０ｃにのみ電極部材５０ｃを適用し、アノード６０ａには一般的なガス拡散層４０ａを適用している。このため、以下の説明においては、カソード６０ｃの「電極部材５０ｃ」を「カソード電極部材５０ｃ」と称し、アノード６０ａの「ガス拡散層４０ａ」を「アノードガス拡散層４０ａ」と称する。また、アノード６０ａの「電極部材」を指すときには「アノード電極部材」と称し、符号として「５０ａ」を用いることとする。以下、詳述する。
【００１４】
ＰＥＦＣ１０は、高分子電解質膜２０と、これを挟持する一対の電極触媒層３０ａ、３０ｃとを有する。一対の電極触媒層３０ａ、３０ｃは、アノード触媒層３０ａおよびカソード触媒層３０ｃである。高分子電解質膜２０と電極触媒層３０ａ、３０ｃとの積層体はさらに、アノードガス拡散層４０ａと、カソード電極部材５０ｃとによって挟持してある。アノード触媒層３０ａおよびアノードガス拡散層４０ａによってアノード６０ａを形成し、カソード触媒層３０ｃおよびカソード電極部材５０ｃによってカソード６０ｃを形成する。このように、高分子電解質膜２０、一対の電極触媒層３０ａ、３０ｃ、アノードガス拡散層４０ａ、カソード電極部材５０ｃは、積層された状態で膜電極接合体７０（ＭＥＡ）を構成する。ＭＥＡ７０は、一対のセパレータ８０ａ、８０ｃ（アノードセパレータ８０ａおよびカソードセパレータ８０ｃ）によって挟持してある。複数のＭＥＡ７０をセパレータ８０ａ、８０ｃを介して順次積層することによって、燃料電池スタックを構成する。燃料電池スタックにおいては、セパレータ８０ａ、８０ｃと高分子電解質膜２０との間などにガスシール部を配置している。図１（Ａ）には、燃料電池スタックおよびガスシール部の図示を省略してある。
【００１５】
［カソード電極部材５０ｃ］
図２（Ａ）（Ｂ）をも参照して、カソード電極部材５０ｃは、線材１０２をコイル形状に巻回した導電性のコイル部材１００を複数本配列することによって形成してある。複数本のコイル部材１００を配列する形態は特に限定されないが、通気抵抗を低減するためには、同じ方向に並べるのが好ましい。また、セル抵抗を低減するためには、コイル部材１００同士が接触するように並べ、カソード触媒層３０ｃおよびカソードセパレータ８０ｃとの接触面積を増やすことが好ましい（図１（Ａ）を参照）。但し、本発明は、コイル部材１００同士を隙間を隔てて配置して電極部材５０ａ、５０ｃを構成することを除外するものではない。
【００１６】
カソード電極部材５０ｃは、第１の接触部１１１においてカソード触媒層３０ｃに対して接触することによって、カソード触媒層３０ｃとの間の導電性を確保する。カソード電極部材５０ｃは、第２の接触部１１２においてカソードセパレータ８０ｃに対して接触することによって、カソードセパレータ８０ｃとの間の導電性を確保する。
【００１７】
カソード電極部材５０ｃのガス流路１２１は、線材１０２をコイル形状に巻回することによって、軸に直交する端面（図１（Ａ）に示される端面）で見て均等ないし規則的な流路と、径方向で見て均等ないし規則的な流路とを得ることができる。径方向の流路は、巻回された線材１０２同士の間の隙間Ｓ（図２（Ａ）（Ｂ）を参照）によって形成する。
【００１８】
上記構成のカソード電極部材５０ｃによれば、圧力損失を少なくし、セル抵抗を低くし、さらにセル電圧を高める効果を奏する。
【００１９】
すなわち、カソード電極部材５０ｃのガス流路１２１は、発泡金属多孔体におけるランダムな流路に比べて格段に均等ないし規則的な流路であるので、ガス流路１２１の圧力損失が少なくなる。このため、ガス流速が低下しないので、酸化剤ガスを効率的に拡散して、十分なガス供給機能を確保することができる。電気化学的反応の進行が促進される結果、高出力化を図ることができる。ガス流速が低下しないことから、カソード６０ｃにおける生成水をガス流れ方向の下流側に押し出して排出し易く、生成水が滞留するフラッディング現象を十分に抑制することができる。この観点からも、電気化学的反応の進行を促進し、高出力化を図ることができる。圧力損失が少なくなるので、流量分布が均一になり、電圧の安定化を図ることもできる。
【００２０】
また、カソード電極部材５０ｃの第１の接触部１１１がカソード触媒層３０ｃに接触し、第２の接触部１１２がカソードセパレータ８０ｃに接触しているので、カソード電極部材５０ｃを介してカソード触媒層３０ｃとカソードセパレータ８０ｃとの間の導電性が確保され、カーボンペーパを設けなくてもセル抵抗が低くなる。このため、カソード触媒層３０ｃにおいて発生した電流を容易にカソードセパレータ８０ｃ側に通電させることができる。セル抵抗が低いことから、セル電圧の低下を抑えて安定させることが可能となる。
【００２１】
さらに、巻回された線材１０２同士の間の隙間Ｓから、カソード触媒層３０ｃに酸化剤ガスを直接供給する。このため、カソード触媒層３０ｃに酸化剤ガスを容易に供給でき、カソード触媒層３０ｃの利用面積を拡大することができる。これによって、セル電圧を高めることができる。
【００２２】
ガス流路１２１は、具体的には、コイル部材１００内に軸線方向に形成される第１の流路１２２と、コイル部材１００とカソード触媒層３０ｃおよびカソードセパレータ８０ｃとの間に形成される第２の流路１２３と、巻回された線材同士の間の隙間Ｓによって形成される第３の流路１２４と、を含んでいる。第１と第２の流路１２２、１２３によって、同一断面積が連続する連通孔を形成することができる。これら第１と第２と第３の流路１２２、１２３、１２４を含むことによって、より一層均等ないし規則的な流路を形成することができ、ガスの対流が容易になり、ガス流路１２１の圧力損失をより少なくできる。
【００２３】
第１と第２の流路１２２、１２３は、図１（Ａ）においては紙面に直交する方向、図２（Ａ）においては左右方向に伸び、図２（Ｂ）においては右斜め方向に伸びている。第３の流路１２４は、コイル部材１００の径方向に沿って開口している。なお、図２（Ｂ）の矢印１２５は、カソード触媒層３０ｃとカソードセパレータ８０ｃとの間の空間における酸化剤ガスの流下方向を示している。酸化剤ガスの流下方向は、ガス供給用マニホールド（図示せず）から、ガス排出用マニホールド（図示せず）に向かう方向である。
【００２４】
カソード電極部材５０ｃは、カソード触媒層３０ｃとカソードセパレータ８０ｃとの間の空間における酸化剤ガスの流下方向（図２（Ｂ）の矢印１２５）に第１の流路１２２を沿わせて配置することが好ましい。第２の流路１２３は第１の流路１２２と平行であるから、第１と第２の流路１２２、１２３は同じ方向に伸びることになる。このような配置形態によれば、第１と第２の流路１２２、１２３が伸びる方向と、酸化剤ガスの流下方向とが平行となるので、ガス流路１２１の圧力損失をさらに少なくできる。その結果、酸化剤ガスを一層効率的に拡散して十分なガス供給機能を確保して、電気化学的反応の進行を促進し、高出力化を図ることができる。フラッディング現象をより一層抑制することもできる。
【００２５】
ここにおいて、「ガスの流下方向に第１の流路１２２を沿わせる」とは、ガスの流下方向と、第１の流路１２２が伸びる方向とを平行にする場合に限定することを意図したものではない。発泡金属多孔体のランダムな流路との対比において、流路全体として圧力損失を少なくできる限りにおいて、ガスの流下方向と、第１の流路１２２が伸びる方向とが交差する部位が生じていても何ら支障はない。この文言は、ガスの主流方向に第１の流路１２２を沿わせて電極部材５０ａ、５０ｃを配置すれば足りることを意味している。
【００２６】
カソード電極部材５０ｃは、カソード触媒層３０ｃに対して対峙する面（全面）に敷詰めることが好ましい。セル抵抗が低くなるため、カソード触媒層３０ｃにおいて発生した電流を容易にカソードセパレータ８０ｃ側に通電させることができるからである。なお、本発明は、カソード電極部材５０ｃを、カソード触媒層３０ｃに対して対峙する面のうち一部に配置することを除外するものではない。
【００２７】
コイル部材１００を構成する導電性材料について特に制限はなく、金属セパレータの構成材料として用いられているものが適宜用いられ得る。コイル部材１００の構成材料としては、例えば、鉄、チタン、およびアルミニウム並びにこれらの合金が挙げられる。これらの材料は、機械的強度、汎用性、コストパフォーマンスまたは加工容易性などの観点から好ましく用いられ得る。ここで、鉄合金にはステンレスが含まれる。なかでも、コイル部材１００はステンレス、アルミニウムまたはアルミニウム合金から構成することが好ましい。
【００２８】
コイル部材１００は、図２（Ａ）（Ｂ）に示されるマイクロコイルバネ１０１から形成することができる。使用するマイクロコイルバネ１０１の寸法は適宜選択できるが、例えば、外径Ｄが２００〜６００μｍ、線径φが５０μｍ程度、ピッチｐが９０μｍ程度である。
【００２９】
コイル部材１００の軸方向に見た場合のカソード電極部材５０ｃがカソード触媒層３０ｃと接する接触間隔、つまり図１（Ａ）において隣り合うコイル部材１００の第１の接触部１１１同士の間隔（ピッチ）をＰ、カソード触媒層３０ｃの厚みをｔとすると、Ｐ＜５０ｔを満たすことが好ましい。例えば、カソード触媒層３０ｃの厚みｔ＝１０μｍのときには、ピッチＰは、Ｐ＜５００μｍであることが好ましい。発泡金属多孔体を用いた場合には、細孔径が比較的大きいのでカーボンペーパを必要とするが、Ｐ＜５０ｔを満たすことによって、カーボンペーパを使わずとも集電することが可能となる。つまり、酸化剤ガスを流しつつカソード触媒層３０ｃとの接触面積を確保できるほど小さなピッチとなるからである。また、カソード電極部材５０ｃの上記ピッチＰをやや大きくすることによってカソード触媒層３０ｃとの接触面積が減少するような場合には、Ｐ＜５０ｔを満たすようにカソード触媒層３０ｃの厚みｔを厚くすればよい。例えば、外径Ｄが６００μｍのコイル部材１００を接触させつつ配列する場合（第１の接触部１１１同士のピッチＰが６００μｍとなる）には、カソード触媒層３０ｃの厚みｔを１２μｍにすればよい。カソード触媒層３０ｃの厚みｔが厚くなるため、カソード触媒層３０ｃの水平方向の電気抵抗が減少するためピッチＰが大きくなっても集電が可能になる。また比較的高価で作製も煩雑なカーボンペーパを用いなくてよいことから、カソード６０ｃの作製コストを低減することができる。またカーボンペーパを必要としないため厚み方向のサイズを低減することができる。
【００３０】
コイル部材１００の外径Ｄ、線径φ、ピッチｐは均一に形成されている。これによって、カソード電極部材５０ｃの第１の接触部１１１をカソード触媒層３０ｃに対して均等に接触させることができ、第２の接触部１１２をカソードセパレータ８０ｃに対して均等に接触させることができる。また、ガス流路１２１における第１の流路１２２を、コイル部材１００内に均等に形成することができ、第２の流路１２３を、コイル部材１００とカソード触媒層３０ｃとの間、およびコイル部材１００とカソードセパレータ８０ｃとの間に均等に形成することができ、第３の流路１２４を隙間Ｓによって均等に形成することができる。
【００３１】
電極部材５０ａ、５０ｃを構成するコイル部材１００の軸直交断面は、特に限定されるものではなく、圧力損失を少なくし、セル抵抗を低くし、さらにセル電圧を高める効果を奏する限りにおいて、適宜の形状を採用することができる。例えば、コイル部材１００の軸直交断面として、図３（Ａ）に示される円形、図３（Ｂ）に示される楕円形、図３（Ｃ）に示される長円形、図３（Ｄ）（Ｅ）に示される多角形（例えば、長方形や三角形）などを挙げることができる。軸直交断面が円形の場合には、コイル部材１００の製造が容易になる。楕円形、長円形の場合には、幅が広いため、使用するコイル部材１００の本数を低減することができる。また、長方形の場合には、コイル部材１００の配置が簡単になり、三角形の場合には、燃料電池スタックを構成する際に付加される面圧に対してコイル部材１００の変形量を少なくすることができる。
【００３２】
コイル部材１００は、その線径φとピッチｐとの比が１未満であることが好ましい。線材１０２同士の間の隙間Ｓが線径φよりも小さくなるので、組み立て時に隣り合うコイル部材１００同士が絡み合わず、セルの組み立てを容易にできるからである。さらに、振動が作用する状況下でＰＥＦＣ１０を稼動させても、一のコイル部材１００の線材１０２が、隣接する他のコイル部材１００の内部に入り込まない。ガス流路１２１が乱される虞がない。このため、振動が作用する状況下で安定して稼動するＰＥＦＣ１０を得ることができる。
【００３３】
コイル部材１００は、コイルバネ形状を有しているので、軸線方向および径方向のそれぞれの方向に若干量伸縮自在である。また、径方向に押圧されることによって、軸直交断面が円形から楕円形にも変形自在である。このため、高分子電解質膜２０の膨潤、燃料電池スタックを構成する際に付加される面圧の変化、入力される振動の変化などに追従して、ガス流路１２１を乱さない程度に伸縮変形することによって、ガス供給機能と集電機能とを維持することができる。
【００３４】
図１（Ｂ）を参照して、カソード電極部材５０ｃの表面は、導電性防食処理がされていることが好ましい。カソード電極部材５０ｃに導電性防食処理を施すことによって、カソード電極部材５０ｃが腐食せず、セルの耐久性を高めることができるからである。
【００３５】
導電性防食処理は、金または導電性炭素のコーティングである。導電性腐食処理が金メッキ、金クラッド、導電性炭素層１４０であるため、燃料電池内の環境下で腐食することがなく、セルの耐久性を高めることができるからである。
【００３６】
導電性炭素を含む導電性炭素層１４０についてさらに説明する。導電性炭素層１４０が有する結晶構造は様々であるが、炭素層の結晶構造が異なると、これに起因して耐食性や導電性も変動し得る。導電性炭素層１４０の優れた導電性を十分に確保しつつ耐食性を向上させるためには、導電性炭素層１４０に含まれる炭素の結晶構造を制御することが重要である。そこで、導電性炭素層１４０は、ラマン散乱分光分析により測定される、Ｄバンドピーク強度（ＩＤ）とＧバンドピーク強度（ＩＧ）との強度比Ｒ（ＩＤ／ＩＧ）により規定される。具体的には、強度比Ｒ（ＩＤ／ＩＧ）が１．３以上である。
【００３７】
炭素材料をラマン分光法により分析すると、通常１３５０ｃｍ−１付近および１５８４ｃｍ−１付近にピークが生じる。結晶性の高いグラファイトは、１５８４ｃｍ−１付近にシングルピークを有し、このピークは通常、「Ｇバンド」と称される。一方、結晶性が低くなる（結晶構造欠陥が増す）につれて、１３５０ｃｍ−１付近のピークが現れてくる。このピークは通常、「Ｄバンド」と称される（なお、ダイヤモンドのピークは厳密には１３３３ｃｍ−１であり、上記Ｄバンドとは区別される）。Ｄバンドピーク強度（ＩＤ）とＧバンドピーク強度（ＩＧ）との強度比Ｒ（ＩＤ／ＩＧ）は、炭素材料のグラファイトクラスターサイズやグラファイト構造の乱れ具合（結晶構造欠陥性）、ｓｐ２結合比率などの指標として用いられる。すなわち、本発明においては、導電性炭素層１４０の接触抵抗の指標とすることができ、導電性炭素層１４０の導電性を制御する膜質パラメータとして用いることができる。
【００３８】
Ｒ（ＩＤ／ＩＧ）値は、顕微ラマン分光器を用いて、炭素材料のラマンスペクトルを計測することにより算出される。具体的には、Ｄバンドと呼ばれる１３００〜１４００ｃｍ−１のピーク強度（ＩＤ）と、Ｇバンドと呼ばれる１５００〜１６００ｃｍ−１のピーク強度（ＩＧ）との相対的強度比（ピーク面積比（ＩＤ／ＩＧ））を算出することにより求められる。
【００３９】
上述したように、Ｒ値は１．３以上である。また、好ましい実施形態において、当該Ｒは、好ましくは１．４〜２．０であり、より好ましくは１．４〜１．９であり、さらに好ましくは１．５〜１．８である。このＲ値が１．３以上であれば、積層方向の導電性が十分に確保された導電性炭素層１４０が得られる。また、Ｒ値が２．０以下であれば、グラファイト成分の減少を抑制することができる。さらに、導電性炭素層１４０自体の内部応力の増大をも抑制でき、下地であるコイル部材１００との密着性を一層向上させることができる。
【００４０】
カソード電極部材５０ｃは、撥水処理がされていることが好ましい。カソード電極部材５０ｃに撥水処理を施すことによって、コイル部材１００内、線材１０２同士の間の隙間Ｓ、コイル部材１００同士の間、あるいはカソード電極部材５０ｃとカソードセパレータ８０ｃとの間における水の滞留がなくなり、水によるガス供給の阻害がなくなり、カソード触媒層３０ｃへ酸化剤ガスが滞りなく供給される。これにより、セル電圧の急激な低下を抑えて、セル電圧を安定させることができるからである。
【００４１】
撥水剤としては、特に限定されないが、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）、ポリヘキサフルオロプロピレン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）などのフッ素系の高分子材料、ポリプロピレン、ポリエチレンなどが挙げられる。ＰＴＦＥやＰＶｄＦなどにあっては、燃料電池内の環境下で劣化することがなく、カソード電極部材５０ｃの撥水性を保って、セルの耐久性を高めることができる。
【００４２】
カソード電極部材５０ｃは、親水処理がされていることが好ましい。カソード電極部材５０ｃに親水処理を施すことによって、カソード触媒層３０ｃからの液水を流路側に引き寄せるため、カソード触媒層３０ｃ内の水詰まりを低減できる。この結果、セル電圧の急激な低下を抑えて、セル電圧を安定させることができるからである。
【００４３】
親水剤としては、特に限定されないが、シランカプリング、ポリビニルピロリドン（ＰＶＰ）などが挙げられる。
【００４４】
カソード触媒層３０ｃとともにカソード６０ｃを形成するために上記構成のカソード電極部材５０ｃを用いることによって、上述したように、圧力損失を少なくし、セル抵抗を低くし、さらにセル電圧を高めたＰＥＦＣ１０を得ることができる。アノード電極部材５０ａについても同様のことが言える。
【００４５】
［保護層１５０］
図１（Ａ）を参照して、カソード触媒層３０ｃとカソード電極部材５０ｃとの間には導電性の保護層１５０を配置することが好ましい。カソード触媒層３０ｃとカソード電極部材５０ｃとの間の導電性を高めて集電性能を向上させることができ、さらにはカソード触媒層３０ｃの破損を防止することができるからである。
【００４６】
導電性の保護層１５０は、カソード触媒層３０ｃとカソード電極部材５０ｃとの間に介在し、第１の面１５１がカソード触媒層３０ｃに対して接触し、第２の面１５２がカソード電極部材５０ｃの第１の接触部１１１に対して接触することによって、導電性の確保、およびカソード触媒層３０ｃの破損防止に寄与する。
【００４７】
保護層１５０を構成する材料は、カソード触媒層３０ｃとカソード電極部材５０ｃとの間の導電性を確保でき、かつ、金属製のカソード電極部材５０ｃが圧接することよってカソード触媒層３０ｃが破損することを防止し得る限りにおいて適宜の材料を選択することができる。例えば、保護層１５０として、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）の多孔体にカーボン粒子を含浸させて焼結させたシート体を用いることができる。シート体とすることによって、製造工程が簡易なものとなり、また、ＰＥＦＣ１０の各部材を積層する際の取り扱い、および組み立てが容易なものとなる。
【００４８】
保護層１５０を有する場合には、カソード電極部材５０ｃにおいて隣り合うコイル部材１００の第１の接触部１１１同士の間隔（ピッチ）をＰ、保護層１５０およびカソード触媒層３０ｃの合計の厚みをｔ’とすると、Ｐ＜１０ｔ’を満たすことが好ましい。例えば、カソード触媒層３０ｃの厚み１０μｍ、保護層１５０の厚み２０μｍのときには、合計の厚みｔ’＝３０であり、ピッチＰは、Ｐ＜３００μｍであることが好ましい。Ｐ＜１０ｔ’を満たすことによって、カーボンペーパを使わずとも集電することが可能となる。つまり、酸化剤ガスを流しつつカソード触媒層３０ｃとの接触面積を確保できるほど小さなピッチとなるからである。また、カソード電極部材５０ｃの上記ピッチＰをやや大きくすることによってカソード触媒層３０ｃとの接触面積が減少するような場合には、Ｐ＜１０ｔ’を満たすようにカソード触媒層３０ｃの厚みｔを厚くすればよい。カソード触媒層３０ｃの厚みｔが厚くなるため、カソード触媒層３０ｃの水平方向の電気抵抗が減少するためピッチＰが大きくなっても集電が可能になる。また比較的高価で作製も煩雑なカーボンペーパを用いなくてよいことから、カソード６０ｃの作製コストを低減することができる。またカーボンペーパを必要としないため厚み方向のサイズを低減することができる。
【００４９】
［カーボン粒子層１６０］
図１（Ａ）を参照して、アノード触媒層３０ａとアノードガス拡散層４０ａとの間にはカーボン粒子層１６０を配置してある。カーボン粒子層（マイクロポーラス層；ＭＰＬ）は、集電性向上のため、アノード触媒層３０ａ上に圧着によって設けている。
【００５０】
ＭＰＬは、ＰＴＦＥ多孔体に、アセチレンブラックと、ＰＴＦＥ微粒子と、増粘剤とからなる水分散液を含侵し、焼成処理を行って作製する。
【００５１】
［セパレータ８０ａ、８０ｃ］
セパレータ８０ａ、８０ｃは、単セルを複数個直列に接続して燃料電池スタックを構成する際に、各セルを電気的に直列接続する機能を有する。また、セパレータ８０ａ、８０ｃは、燃料ガス、酸化剤ガス、および冷却剤を互いに遮断する隔壁としての機能も有する。
【００５２】
セパレータ８０ａ、８０ｃを構成する材料としては、緻密カーボングラファイト、炭素板などのカーボンや、ステンレスなどの金属など、従来公知の材料が適宜制限なく用いられうる。図示例にあっては、アノードセパレータ８０ａおよびカソードセパレータ８０ｃは、ともにカーボン製である。
【００５３】
アノードセパレータ８０ａは、燃料ガスが流れる流路となる溝形状のリブ８１を備えている。
【００５４】
カソードセパレータ８０ｃは、カソード電極部材５０ｃの第２の接触部１１２が接触する側の面８２を平面に形成してある。カソード電極部材５０ｃによって十分なガス供給機能を得ることができるので、カソードセパレータ８０ｃにリブを形成する必要がない。このため、カソードセパレータ８０ｃを簡単かつ安価に製造することができる。つまり、実施形態のようにカーボン製セパレータの場合にはリブを切削加工によって形成する必要がなく、金属製セパレータの場合にはリブをプレス加工によって形成する必要がなくなるからである。さらに、リブを形成する必要がないため、カソードセパレータ８０ｃの高さ方向のサイズ、ひいてはＰＥＦＣ１０の高さ方向のサイズを小さくすることができる。
【００５５】
図１に示されるＰＥＦＣ１０の他の構成要素、すなわち電解質層、電極触媒層３０ａ、３０ｃ、アノードガス拡散層４０ａについて概説する。
【００５６】
［電解質層］
電解質層は、固体高分子電解質膜２０から構成される。この高分子電解質膜２０は、ＰＥＦＣ１０の運転時にアノード触媒層３０ａで生成したプロトンを膜厚方向に沿ってカソード触媒層３０ｃへと選択的に透過させる機能を有する。また、高分子電解質膜２０は、アノード６０ａ側に供給される燃料ガスとカソード６０ｃ側に供給される酸化剤ガスとを混合させないための隔壁としての機能をも有する。
【００５７】
高分子電解質膜２０の具体的な構成は特に制限されず、燃料電池の技術分野において従来公知の高分子電解質からなる膜が適宜採用できる。高分子電解質膜２０として、例えば、ナフィオン（登録商標、デュポン社製）、アシプレックス（登録商標、旭化成株式会社製）、フレミオン（登録商標、旭硝子株式会社製）等のパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーから構成されるフッ素系高分子電解質膜を用いることができる。
【００５８】
［電極触媒層３０ａ、３０ｃ］
電極触媒層（アノード触媒層３０ａ、カソード触媒層３０ｃ）は、実際に電池反応が進行する層である。具体的には、アノード触媒層３０ａでは水素の酸化反応が進行し、カソード触媒層３０ｃでは酸素の還元反応が進行する。触媒層は、触媒成分、触媒成分を担持する導電性の触媒担体、および高分子電解質を含む。
【００５９】
アノード触媒層３０ａに用いられる触媒成分は、水素の酸化反応に触媒作用を有するものであれば特に制限はなく公知の触媒が同様にして使用できる。また、カソード触媒層３０ｃに用いられる触媒成分もまた、酸素の還元反応に触媒作用を有するものであれば特に制限はなく公知の触媒が同様にして使用できる。具体的には、白金、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、タングステン、鉛、鉄、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、アルミニウム等の金属およびこれらの合金などから選択されうる。これらのうち、触媒活性、一酸化炭素等に対する耐被毒性、耐熱性などを向上させるために、少なくとも白金を含むものが好ましく用いられる。
【００６０】
触媒担体は、上述した触媒成分を担持するための担体、および触媒成分と他の部材との間での電子の授受に関与する電子伝導パスとして機能する。触媒担体としては、触媒成分を所望の分散状態で担持させるための比表面積を有し、充分な電子伝導性を有しているものであればよく、主成分がカーボンであることが好ましい。具体的には、カーボンブラック、活性炭、コークス、天然黒鉛、人造黒鉛などからなるカーボン粒子が挙げられる。
【００６１】
高分子電解質は、特に限定されないが、例えば、上述した電解質層を構成するイオン交換樹脂が、高分子電解質として触媒層に添加され得る。
【００６２】
［アノードガス拡散層４０ａ］
アノードガス拡散層４０ａは、アノードセパレータ８０ａのリブ８１を介して供給された燃料ガスのアノード触媒層３０ａへの拡散を促進する機能、および電子伝導パスとしての機能を有する。
【００６３】
アノードガス拡散層４０ａの基材を構成する材料は特に限定されず、従来公知の知見が適宜参照されうる。例えば、炭素製の織物、紙状抄紙体、フェルト、不織布といった導電性および多孔質性を有するシート状材料が挙げられる。基材の厚さは、得られるアノードガス拡散層４０ａの特性を考慮して適宜決定すればよいが、３０〜５００μｍ程度とすればよい。基材の厚さがかような範囲内の値であれば、機械的強度とガスおよび水などの拡散性とのバランスが適切に制御され得る。
【００６４】
アノードガス拡散層４０ａは、撥水性をより高めてフラッディング現象などを防止することを目的として、撥水剤を含むことが好ましい。撥水剤としては、特に限定されないが、上述したようにポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などを挙げることができる。
【００６５】
撥水性をより向上させるために、アノードガス拡散層４０ａは、撥水剤を含むカーボン粒子の集合体からなるカーボン粒子層（マイクロポーラス層；ＭＰＬ）を基材の触媒層側に有するものであってもよい。
【００６６】
燃料電池の製造方法は、特に制限されることなく、燃料電池の分野において従来公知の知見が適宜参照され得る。
【００６７】
燃料電池を運転する際に用いられる燃料は特に限定されない。例えば、水素、メタノール、エタノール、１−プロパノール、２−プロパノール、１−ブタノール、第２級ブタノール、第３級ブタノール、ジメチルエーテル、ジエチルエーテル、エチレングリコール、ジエチレングリコールなどが用いられうる。なかでも、高出力化が可能である点で、水素やメタノールが好ましく用いられる。
【００６８】
さらに、燃料電池が所望する電圧を発揮できるように、セパレータ８０ａ、８０ｃを介して膜電極接合体７０を複数積層して直列に繋いだ構造の燃料電池スタックを形成してもよい。燃料電池の形状などは、特に限定されず、所望する電圧などの電池特性が得られるように適宜決定すればよい。
【００６９】
本実施形態のＰＥＦＣ１０やこれを用いた燃料電池スタックは、例えば、車両に駆動用電源として搭載されうる。
【００７０】
図４は、上述した実施形態の燃料電池スタックを搭載した車両を示す概念図である。
【００７１】
図４に示すように、燃料電池スタック９１を燃料電池車９０のような車両に搭載するには、例えば、燃料電池車９０の車体中央部の座席下に搭載すればよい。座席下に搭載すれば、車内空間およびトランクルームを広く取ることができる。場合によっては、燃料電池スタック９１を搭載する場所は、座席下に限らず、後部トランクルームの下部でもよいし、車両前方のエンジンルームであってもよい。このように、上述した形態のＰＥＦＣ１０や燃料電池スタック９１を搭載した車両もまた、本発明の技術的範囲に包含される。上述したＰＥＦＣ１０や燃料電池スタック９１は出力特性・耐久性に優れる。したがって、長期間にわたって信頼性の高い燃料電池搭載車両が提供され得る。
【００７２】
（変形例）
カソード電極部材５０ｃをカソード６０ｃにのみ適用した実施形態について説明したが、本発明はこの場合に限定されるものではない。例えば、アノードガス拡散層４０ａに代えて、カソード電極部材５０ｃと同様に構成されるアノード電極部材５０ａを用いることができる。また、図１に示した実施形態とは逆に、アノード６０ａにのみ電極部材５０ａを適用し、カソード６０ｃには一般的なガス拡散層を適用することもできる。
【００７３】
外径Ｄ、線径φ、ピッチｐが均一なコイル部材１００からカソード電極部材５０ｃを構成した実施形態について説明したが、本発明はこの場合に限定されるものではない。例えば、線径φを部分的に変えたり、ピッチｐを部分的に変えたりしたコイル部材１００から電極部材５０ａ、５０ｃを構成することもできる。線径φやピッチｐが異なる複数種類のコイル部材１００を並べて配置することによって、１つの電極部材５０ａ、５０ｃを構成してもよい。このような形態の電極部材５０ａ、５０ｃによれば、通気抵抗を部分的に変えたり、電極触媒層３０ａ、３０ｃやセパレータ８０ａ、８０ｃとの接触面積を部分的に変えたりすることができる。燃料電池スタックを構成する場合に、セパレータ８０ａ、８０ｃを介して積層した複数のＭＥＡ７０を均等に押圧するために、外径Ｄ（図２（Ａ））を部分的に変えたコイル部材１００を組み合わせて電極部材５０ａ、５０ｃを構成することもできる。
【００７４】
アノード６０ａ、カソード６０ｃともに電極部材５０ａ、５０ｃを用いる場合、アノード電極部材５０ａとカソード電極部材５０ｃとが同一構造である必要はない。線径φやピッチｐなどが異なるコイル部材を適宜用いることができる。
【００７５】
カソード電極部材５０ｃの第２の接触部１１２が接触する側の面を平面に形成したカソードセパレータ８０ｃを図示したが、本発明は、リブを備えるセパレータを除外するものではない。リブを備えるセパレータに電極部材５０ａ、５０ｃを接触させる形態としても、何ら支障はない。
【００７６】
（実施例）
以下、本発明による効果を、実施例および比較例を用いて説明するが、本発明の技術的範囲はこれらの実施例に限定されない。
【００７７】
［実施例１］
固体高分子電解質膜として、ナフィオンＣＳ（登録商標、デュポン社製））を用いた。この電解質膜に、白金担持カーボン（田中貴金属工業株式会社製 ＴＥＣ１０Ｅ５０Ｅ、白金含量５０質量％）を塗布したテフロン（登録商標）シートをホットプレス法にて転写し、電極触媒層を形成した。白金触媒使用量は、アノード、カソードともに、０．４ｍｇ／ｃｍ２とした。
【００７８】
電極触媒層の保護および集電性向上のため、カーボン粒子層（マイクロポーラス層；ＭＰＬ）を電極触媒層上に圧着し、固体高分子電解質膜、電極触媒層、およびＭＰＬの接合体を作製した。ＭＰＬは、ＰＴＦＥ多孔体ポアフロン（住友電工製）に、アセチレンブラック（電気化学工業製）と、ＰＴＦＥ微粒子Ｐｏｌｙｆｌｏｎ（ダイキン工業製）と、適量の増粘剤とからなる水分散液を含侵し、３５０℃、３０分焼成処理を行ったものである。
【００７９】
電極部材を構成するコイル部材として、線径５０μｍ、コイルピッチ９０μｍ、外径２００μｍのコイル部材を用いた。
【００８０】
ＭＰＬ上に上記コイル部材を隙間なく並べて電極部材とし、一対のセパレータによって挟持し、評価用単セルとした。セパレータとして、切削カーボン（メカニカルカーボン製）を用いた。セパレータの形状はリブのない平面状とした。アノードおよびカソードをともに、電極触媒層と電極部材とから構成し、カーボンペーパ製、カーボン不織布製、あるいはカーボンファイバー製のガス拡散層は用いなかった。
【００８１】
［実施例２］
コイル部材の外径を６００μｍとした以外は実施例１と同様の構成とした。
【００８２】
［比較例］
実施例１と同様に、固体高分子電解質膜、電極触媒層、およびＭＰＬの接合体を作製した。
【００８３】
ＭＰＬ上にカーボンファイバー製ガス拡散層（東レ製）を圧着し、一対のセパレータによって挟持し、比較例の評価用単セルとした。セパレータとして、切削カーボン（メカニカルカーボン製）を用いた。セパレータはリブを有する形状とし、ガス拡散路を形成した。リブの幅は１ｍｍ、流路深さ１ｍｍである。
【００８４】
実施例１、２および比較例の各評価用単セルの発電試験を行った。アノードに水素、カソードに空気を供給し、相対湿度アノード１００％Ｒ．Ｈ．／カソード１００％Ｒ．Ｈ．、セル温度７０℃、両ガスの供給圧力を大気圧とした。
【００８５】
評価結果を図５に示す。図５に示すように、フラッディングが生じやすい高加湿条件において、実施例１、２の電極部材を用いたセルは、フラッディング現象が発生せず、セル抵抗が低いため、高電流密度においてもセル電圧が高く、良好な性能を示した。実施例２のコイル部材は、実施例１のコイル部材に比べて外径が大きいので、電極部材自体の抵抗が実施例１に比べると大きくなる。このため、実施例２は、実施例１と比べると、接触抵抗が大きく、セル電圧が若干低くなった。
【００８６】
一方、対比例のガス拡散層を用いたセルは、リブ下で発生していると思われるフラッディング現象のために、電圧が大きく低下した。
【００８７】
以上から、電極部材を用いた燃料電池セルは、従来のガス拡散層を用いたセルに比べて、高電流密度においても、フラッディングを生じることなく、高い電圧を維持でき、良好な性能を示すことがわかった。
【図面の簡単な説明】
【００８８】
【図１】図１（Ａ）は、本発明の実施形態に係る固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）の基本構成を示す概略断面図、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）に破線によって囲んだ領域１Ｂを拡大して示す断面図である。
【図２】図２（Ａ）（Ｂ）は、図１（Ａ）に示される電極部材を構成するコイル部材の一部を示す側面図および斜視図である。
【図３】図３（Ａ）〜（Ｅ）は、コイル部材の断面形状の例を示す図であり、図３（Ａ）は、軸直交断面図が円形であるコイル部材を示す図、図３（Ｂ）は、軸直交断面図が楕円形であるコイル部材を示す図、図３（Ｃ）は、軸直交断面図が長円形であるコイル部材を示す図、図３（Ｄ）（Ｅ）は、軸直交断面図が多角形であるコイル部材を示す図である。
【図４】燃料電池スタックを搭載した車両を示す概念図である。
【図５】実施例１、２および比較例の各評価用単セルの発電試験を行った評価結果を示す図である。
【符号の説明】
【００８９】
１０ 固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）、
２０ 高分子電解質膜、
３０ａ アノード触媒層（電極触媒層）、
３０ｃ カソード触媒層（電極触媒層）、
４０ａ アノードガス拡散層、
５０ａ アノード電極部材（電極部材）、
５０ｃ カソード電極部材（電極部材）、
６０ａ アノード（電極）、
６０ｃ カソード（電極）、
７０ 膜電極接合体（ＭＥＡ）、
８０ａ アノードセパレータ（セパレータ）、
８０ｃ カソードセパレータ（セパレータ）、
８１ リブ、
８２ 平面、
９０ 燃料電池車（車両）、
９１ 燃料電池スタック、
１００ コイル部材、
１０１ マイクロコイルバネ（コイル部材）、
１０２ 線材、
１１１ 第１の接触部、
１１２ 第２の接触部、
１２１ ガス流路、
１２２ 第１の流路、
１２３ 第２の流路、
１２５ 電極触媒層とセパレータとの間の空間におけるガスの流下方向、
１４０ 導電性炭素層、
１５０ 保護層、
１５１ 第１の面、
１５２ 第２の面、
１６０ カーボン粒子層、
Ｓ 隙間。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子電解質膜と、
前記高分子電解質膜の一の面に接触して設けられる電極触媒層と、
導電性を備えガスを遮断するためのセパレータと、
前記電極触媒層と前記セパレータとの間に配置されて前記電極触媒層とともに電極を形成する電極部材と、を有し、
前記電極部材は、前記電極触媒層に対して接触する第１の接触部と、前記セパレータに対して接触する第２の接触部と、前記ガスが流れるガス流路とを、を備え、線材をコイル形状に巻回した導電性のコイル部材から構成されている固体高分子形燃料電池。
【請求項２】
前記電極触媒層と前記電極部材との間に配置される導電性の保護層をさらに有し、
前記保護層は、前記電極触媒層に対して接触する第１の面と、前記電極部材の前記第１の接触部に接触する第２の面とを有している請求項１に記載の固体高分子形燃料電池。
【請求項３】
前記電極部材の前記ガス流路は、前記コイル部材内に軸線方向に形成される第１の流路と、前記コイル部材と前記電極触媒層および前記セパレータとの間に形成される第２の流路と、巻回された前記線材同士の間の隙間によって形成される第３の流路と、を含んでいる請求項１または請求項２に記載の固体高分子形燃料電池。
【請求項４】
前記電極部材は、前記電極触媒層と前記セパレータとの間の空間における前記ガスの流下方向に前記第１の流路を沿わせて配置されている請求項３に記載の固体高分子形燃料電池。
【請求項５】
前記セパレータは、前記電極部材の前記第２の接触部が接触する側の面が平面である請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載の固体高分子形燃料電池。
【請求項６】
前記電極部材の表面は、導電性防食処理がされている請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載の固体高分子形燃料電池。
【請求項７】
前記導電性防食処理は、金または導電性炭素のコーティングである請求項６に記載の固体高分子形燃料電池。
【請求項８】
前記コイル部材は、軸直交断面が円形、楕円形、長円形、多角形である請求項１〜請求項７のいずれか１つに記載の固体高分子形燃料電池。
【請求項９】
前記コイル部材は、その線径とピッチとの比が１未満である請求項１〜請求項８のいずれか１つに記載の固体高分子形燃料電池。
【請求項１０】
電極触媒層とセパレータとの間に配置されて前記電極触媒層とともに固体高分子形燃料電池の電極を形成する電極部材であって、
前記電極触媒層に対して接触する第１の接触部と、前記セパレータに対して接触する第２の接触部と、前記ガスが流れるガス流路と、を備え、線材をコイル形状に巻回した導電性のコイル部材から構成されている電極部材。
【請求項１１】
請求項１〜請求項９のいずれか１つに記載の固体高分子形燃料電池を搭載した車両。
【請求項１】
高分子電解質膜と、
前記高分子電解質膜の一の面に接触して設けられる電極触媒層と、
導電性を備えガスを遮断するためのセパレータと、
前記電極触媒層と前記セパレータとの間に配置されて前記電極触媒層とともに電極を形成する電極部材と、を有し、
前記電極部材は、前記電極触媒層に対して接触する第１の接触部と、前記セパレータに対して接触する第２の接触部と、前記ガスが流れるガス流路とを、を備え、線材をコイル形状に巻回した導電性のコイル部材から構成されている固体高分子形燃料電池。
【請求項２】
前記電極触媒層と前記電極部材との間に配置される導電性の保護層をさらに有し、
前記保護層は、前記電極触媒層に対して接触する第１の面と、前記電極部材の前記第１の接触部に接触する第２の面とを有している請求項１に記載の固体高分子形燃料電池。
【請求項３】
前記電極部材の前記ガス流路は、前記コイル部材内に軸線方向に形成される第１の流路と、前記コイル部材と前記電極触媒層および前記セパレータとの間に形成される第２の流路と、巻回された前記線材同士の間の隙間によって形成される第３の流路と、を含んでいる請求項１または請求項２に記載の固体高分子形燃料電池。
【請求項４】
前記電極部材は、前記電極触媒層と前記セパレータとの間の空間における前記ガスの流下方向に前記第１の流路を沿わせて配置されている請求項３に記載の固体高分子形燃料電池。
【請求項５】
前記セパレータは、前記電極部材の前記第２の接触部が接触する側の面が平面である請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載の固体高分子形燃料電池。
【請求項６】
前記電極部材の表面は、導電性防食処理がされている請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載の固体高分子形燃料電池。
【請求項７】
前記導電性防食処理は、金または導電性炭素のコーティングである請求項６に記載の固体高分子形燃料電池。
【請求項８】
前記コイル部材は、軸直交断面が円形、楕円形、長円形、多角形である請求項１〜請求項７のいずれか１つに記載の固体高分子形燃料電池。
【請求項９】
前記コイル部材は、その線径とピッチとの比が１未満である請求項１〜請求項８のいずれか１つに記載の固体高分子形燃料電池。
【請求項１０】
電極触媒層とセパレータとの間に配置されて前記電極触媒層とともに固体高分子形燃料電池の電極を形成する電極部材であって、
前記電極触媒層に対して接触する第１の接触部と、前記セパレータに対して接触する第２の接触部と、前記ガスが流れるガス流路と、を備え、線材をコイル形状に巻回した導電性のコイル部材から構成されている電極部材。
【請求項１１】
請求項１〜請求項９のいずれか１つに記載の固体高分子形燃料電池を搭載した車両。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１０−１２９４６１（Ｐ２０１０−１２９４６１Ａ）
【公開日】平成２２年６月１０日（２０１０．６．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−３０４９７７（Ｐ２００８−３０４９７７）
【出願日】平成２０年１１月２８日（２００８．１１．２８）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年６月１０日（２０１０．６．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１１月２８日（２００８．１１．２８）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【Ｆターム（参考）】
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