固体高分子形燃料電池
【課題】ガス拡散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、高出力化も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、アノード触媒層３０ａとアノードセパレータ８０ａとの間にアノード電極部材５０ａを配置し、カソード触媒層３０ｃとカソードセパレータ８０ｃとの間にカソード電極部材５０ｃを配置してある。アノード電極部材およびカソード電極部材のそれぞれは、微細な溝１２０ａ、１２０ｃが並列に複数本形成された導電性の織物１００であって、溝のピッチｐ１が０．２〜１ｍｍ、かつ、溝の深さｄが０．２〜１ｍｍである織物から構成してある。そして、発電に寄与する反応部の少なくとも一部の領域において、アノード触媒層、高分子電解質膜およびカソード触媒層を介して、アノード６０ａ側の溝１２０ａと、カソード６０ｃ側の溝１２０ｃとを交差させている。
【解決手段】固体高分子形燃料電池１０は、アノード触媒層３０ａとアノードセパレータ８０ａとの間にアノード電極部材５０ａを配置し、カソード触媒層３０ｃとカソードセパレータ８０ｃとの間にカソード電極部材５０ｃを配置してある。アノード電極部材およびカソード電極部材のそれぞれは、微細な溝１２０ａ、１２０ｃが並列に複数本形成された導電性の織物１００であって、溝のピッチｐ１が０．２〜１ｍｍ、かつ、溝の深さｄが０．２〜１ｍｍである織物から構成してある。そして、発電に寄与する反応部の少なくとも一部の領域において、アノード触媒層、高分子電解質膜およびカソード触媒層を介して、アノード６０ａ側の溝１２０ａと、カソード６０ｃ側の溝１２０ｃとを交差させている。
【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と電気的に接続している。このようにして単セルを積層・接続することによって、燃料電池スタックを構成する。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）を供給し、カソード側に酸化剤ガス（例えば大気、酸素）を供給する。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、電気を生み出する。
【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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特表２００２−５４２５９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
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、ガス拡散速度が遅くなって、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。
【０００９】
本発明の目的は、ガス拡散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、高出力化も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】
【００１０】
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、前記高分子電解質膜のそれぞれの面に設けられるアノード触媒層およびカソード触媒層と、導電性を備えガスを遮断するためのアノードセパレータおよびカソードセパレータと、を有している。前記アノード触媒層と前記アノードセパレータとの間には、前記アノード触媒層とともにアノードを形成するアノード電極部材を配置してある。前記カソード触媒層と前記カソードセパレータとの間には、前記カソード触媒層とともにカソードを形成するカソード電極部材を配置してある。前記アノード電極部材および前記カソード電極部材のそれぞれは、微細な溝が並列に複数本形成された導電性の織物であって、溝のピッチが０．２〜１ｍｍ、かつ、溝の深さが０．２〜１ｍｍである織物から構成してある。そして、発電に寄与する反応部の少なくとも一部の領域において、前記アノード触媒層、前記高分子電解質膜およびカソード触媒層を介して、前記アノード電極部材を構成する前記織物におけるアノード側の溝と、前記カソード電極部材を構成する前記織物におけるカソード側の溝とを交差させている。
【発明の効果】
【００１１】
アノード電極部材およびカソード電極部材のそれぞれは、微細な溝が並列に複数本形成された導電性の織物であって、溝のピッチが０．２〜１ｍｍ、かつ、溝の深さが０．２〜１ｍｍである織物から構成してあるので、溝が伸びる方向に対して直交する方向の断面において見ると、織物には溝を形成するための頂点部が規則的に連続して現れることになる。これによって、ガス拡散路が均等ないし規則的な流路となり、ガス拡散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。
【００１２】
さらに、アノード側の溝とカソード側の溝とが交差することから、アノード電極部材を構成する織物の頂点部と、カソード電極部材を構成する織物の頂点部とを、アノード触媒層、高分子電解質膜およびカソード触媒層を介して、向かい合わせて接触させることができる。これによって、織物の頂点部同士がずれている場合に比べると、アノード電極部材とカソード電極部材との間の接触面圧を十分に確保することができ、接触点数も十分に確保することができる。このため、内部抵抗であるセル抵抗が低くなり、セル電圧を高めることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【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】アノード電極部材およびカソード電極部材のそれぞれを構成する織物の一例を拡大して示す平面図である。
【図３】図３（Ａ）は、図１（Ａ）に示されるアノード電極部材を構成する織物を示す平面図、図３（Ｂ）は、図３（Ａ）の３Ｂ−３Ｂ線に沿う断面図である。
【図４】図４（Ａ）は、図１（Ａ）に示されるカソード電極部材を構成する織物を示す平面図、図４（Ｂ）は、図４（Ａ）の４Ｂ−４Ｂ線に沿う断面図である。
【図５】アノード側の溝と、カソード側の溝とが、平面視において交差している状態を示す平面図である。
【図６】図６（Ａ）は、対比例に係る固体高分子形燃料電池であって、アノード側の溝と、カソード側の溝とが、平面視において交差していない状態を示す平面図、図６（Ｂ）は、図６（Ａ）の６Ｂ−６Ｂ線に沿う断面図である。
【図７Ａ】マイクロエンボス装置を示す平面図である。
【図７Ｂ】マイクロエンボス装置を示す正面図である。
【図７Ｃ】マイクロエンボス装置を示す右側面図である。
【図８】図８（Ａ）は、平面視において波状の流路を形成しているアノード側の溝を示す図、図８（Ｂ）は、平面視において波状の流路を形成しているカソード側の溝であって、カソード側の溝がなす波状の流路の曲率を、アノード側の溝がなす波状の流路の曲率よりも小さくした例を示す図である。
【図９】平面視において波状の流路を形成しているアノード側の溝と、平面視において直線状の流路を形成しているカソード側の溝とを、平面視において交差させた例を示す平面図である。
【図１０】実施例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。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。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。
【００１５】
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のそれぞれの面に設けられるアノード触媒層３０ａおよびカソード触媒層３０ｃと、導電性を備えガスを遮断するためのアノードセパレータ８０ａおよびカソードセパレータ８０ｃと、を有している。触媒層３０ａ、３０ｃは、集電性向上のためのカーボン粒子層３１ａ、３１ｃを含んでいる。アノード触媒層３０ａとアノードセパレータ８０ａとの間には、アノード触媒層３０ａとともにアノード６０ａを形成するアノード電極部材５０ａを配置してある。カソード触媒層３０ｃとカソードセパレータ８０ｃとの間には、カソード触媒層３０ｃとともにカソード６０ｃを形成するカソード電極部材５０ｃを配置してある。アノード電極部材５０ａおよびカソード電極部材５０ｃのそれぞれは、微細な溝１２０ａ、１２０ｃが並列に複数本形成された導電性の織物１００であって、溝１２０ａ、１２０ｃのピッチｐ１が０．２〜１ｍｍ、かつ、溝１２０ａ、１２０ｃの深さｄが０．２〜１ｍｍである織物１００から構成してある。そして、発電に寄与する反応部の少なくとも一部の領域において、アノード触媒層３０ａ（カーボン粒子層３１ａを含む）、高分子電解質膜２０およびカソード触媒層３０ｃ（カーボン粒子層３１ｃを含む）を介して、アノード電極部材５０ａを構成する織物１００におけるアノード６０ａ側の溝１２０ａと、カソード電極部材５０ｃを構成する織物１００におけるカソード６０ｃ側の溝１２０ｃとを交差させている。アノード触媒層３０ａ、高分子電解質膜２０およびカソード触媒層３０ｃを、以下、単に「積層体４０」という。
【００１６】
高分子電解質膜２０、一対の触媒層３０ａ、３０ｃ（アノード触媒層３０ａおよびカソード触媒層３０ｃ）、一対の電極部材５０ａ、５０ｃ（アノード電極部材５０ａおよびカソード電極部材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。以下、詳述する。
【００１７】
［アノード電極部材５０ａ、カソード電極部材５０ｃ］
アノード電極部材５０ａは、燃料ガスをアノード触媒層３０ａに供給するガス供給機能と、集電機能とを備えている。カソード電極部材５０ｃも同様に、酸化剤ガスをカソード触媒層３０ｃに供給するガス供給機能と、集電機能とを備えている。
【００１８】
図３（Ａ）（Ｂ）を参照して、アノード電極部材５０ａは、微細な溝１２０ａが並列に複数本形成された導電性の織物１００から形成してある。織物１００は、溝１２０ａが並列に複数本形成されているので、溝１２０ａが伸びる方向に対して直交する方向の断面において見ると、織物１００には溝１２０ａを形成するための頂点部１１１、１１２が規則的に連続して現れることになる。これによって、アノード電極部材５０ａのガス拡散路が均等ないし規則的な流路となり、ガス拡散路の圧力損失が少なくなる。
【００１９】
図４（Ａ）（Ｂ）を参照して、カソード電極部材５０ｃも同様に、溝１２０ｃが伸びる方向に対して直交する方向の断面において見て、織物１００には溝１２０ｃを形成するための頂点部１１１、１１２が規則的に連続して現れる。これによって、カソード電極部材５０ｃのガス拡散路が均等ないし規則的な流路となり、ガス拡散路の圧力損失が少なくなる。
【００２０】
溝１２０ａ、１２０ｃが伸びる方向に対して直交する方向の断面において見て、溝１２０ａ、１２０ｃは、波型形状を有している。波型形状の溝１２０ａ、１２０ｃのピッチｐ１は０．２〜１ｍｍ、かつ、溝１２０ａ、１２０ｃの深さｄは０．２〜１ｍｍ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、溝１２０ａ、１２０ｃのピッチｐ１が０．２〜１ｍｍ、かつ、溝１２０ａ、１２０ｃの深さｄが０．２〜１ｍｍ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、ガス（燃料ガスや酸化剤ガス）を流しつつ触媒層３０ａ、３０ｃとの接触面積を確保できる。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、アノード６０ａ、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。
【００２１】
図１（Ｂ）および図２を参照して、織物１００は、交錯した線材１０２同士の間に形成される多数の開口部１０３を有している。この開口部１０３も、溝１２０ａ、１２０ｃと同様に、ガス供給機能を発揮する。開口部１０３から構成されるガス拡散路は、織物１００の面の法線方向で見て均等ないし規則的な流路となるので、かかるガス拡散路の圧力損失も少なくなる。
【００２２】
アノード電極部材５０ａは、図１（Ａ）において上側の頂点部１１１においてアノード触媒層３０ａに対して接触することによって、アノード触媒層３０ａとの間の導電性を確保する。アノード電極部材５０ａは、下側の頂点部１１２においてにおいてアノードセパレータ８０ａに対して接触することによって、アノードセパレータ８０ａとの間の導電性を確保する。
【００２３】
カソード電極部材５０ｃは、図１（Ａ）において下側の頂点部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、上側の頂点部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。
【００２４】
ＰＥＦＣ１０において、発電に寄与する反応部は、ＭＥＡ７０をセパレータ８０ａ、８０ｃを介して積層した部分である。図１（Ａ）および図５に示すように、この反応部の少なくとも一部の領域において、積層体４０を介して、アノード６０ａ側の溝１２０ａとカソード６０ｃ側の溝１２０ｃとを交差させている。アノード６０ａ側の溝１２０ａとカソード６０ｃ側の溝１２０ｃとを交差させることによって、アノード電極部材５０ａを構成する織物１００の頂点部１１１と、カソード電極部材５０ｃを構成する織物１００の頂点部１１１とを、積層体４０を介して、向かい合わせて接触させることができる。これによって、織物の頂点部同士がずれている場合に比べると、アノード電極部材５０ａとカソード電極部材５０ｃとの間の接触面圧を十分に確保することができ、接触点数も十分に確保することができる。その結果、内部抵抗であるセル抵抗を低くして、セル電圧を高めることが可能となる。
【００２５】
反応部のすべての領域において、積層体４０を介して、アノード６０ａ側の溝１２０ａと、カソード６０ｃ側の溝１２０ｃとが交差していることが好ましい。アノード電極部材５０ａとカソード電極部材５０ｃとの間の接触面圧をより十分に確保することができ、接触点数もより十分に確保することができ、その結果、内部抵抗であるセル抵抗を低くして、セル電圧を一層高めることが可能となるからである。
【００２６】
また、アノード６０ａ側の溝１２０ａおよびカソード６０ｃ側の溝１２０ｃのうちの一方の溝１２０ａ（１２０ｃ）が、または、両方の溝１２０ａ、１２０ｃのそれぞれが、平面視において波状の流路を形成することが好ましい。アノード６０ａ側の溝１２０ａとカソード６０ｃ側の溝１２０ｃとを簡単に交差させることができ、セル抵抗を低くして、セル電圧を高めるという効果を確実に得ることができるからである。
【００２７】
具体的に、本実施形態にあっては、図３（Ａ）および図４（Ａ）に示すように、アノード６０ａ側の溝１２０ａおよびカソード６０ｃ側の溝１２０ｃのそれぞれが、平面視において波状の流路を形成している。波状の流路のピッチｐ２、幅ｗ、および溝１２０ａ、１２０ｃのピッチｐ１は、アノード６０ａ側の溝１２０ａおよびカソード６０ｃ側の溝１２０ｃともに同じである。一方、波状の流路の位相は、アノード６０ａ側の溝１２０ａとカソード６０ｃ側の溝１２０ｃとの間で逆にしてある。同一の織物１００を表裏反転して用いることによって、波状の流路の位相を逆にすることができる。したがって、同一部材を用いることによって、コストの低減を図ることが可能となる。
【００２８】
なお、本明細書においては、溝１２０ａ、１２０ｃが伸びる方向に対して直交する方向の波の形状については「波型」の文言を用い、平面視において平面方向の波の形状については「波状」の文言を用いる。
【００２９】
上記構成のアノード電極部材５０ａ、カソード電極部材５０ｃによれば、圧力損失を少なくし、セル抵抗を低くしてセル電圧を高める効果を奏する。
【００３０】
すなわち、アノード電極部材５０ａのガス拡散路は、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、ガス拡散路の圧力損失が少なくなる。このため、ガス拡散速度が低下しないので、燃料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。圧力損失が少なくなるので、燃料ガスの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。
【００３１】
カソード電極部材５０ｃのガス拡散路も同様に、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、ガス拡散路の圧力損失が少なくなる。このため、ガス拡散速度が低下しないので、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。ガス拡散速度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拡散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、酸化剤ガスの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。
【００３２】
アノード電極部材５０ａを介して、アノード触媒層３０ａとアノードセパレータ８０ａ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、アノード触媒層３０ａにおいて発生した電流を容易にアノードセパレータ８０ａ側に通電させることができる。
【００３３】
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。
【００３４】
図６（Ａ）には、対比例に係る固体高分子形燃料電池における織物１３０を示してある。対比例にあっては、アノード６０ａ側の溝１２０ａおよびカソード６０ｃ側の溝１２０ｃはともに、平面視においてストレートの流路を形成している。織物１００、１３０には部品公差があり、織物１００、１３０を組み付けるときにも組み付け公差がある。このため、このような織物１３０をアノード６０ａ側の溝１２０ａとカソード６０ｃ側の溝１２０ｃとを交差させずに組み付ける場合には、アノード電極部材５０ａを構成する織物１３０の頂点部１１１と、カソード電極部材５０ｃを構成する織物１３０の頂点部１１１とが、ずれてしまうことが生じ得る。図６（Ｂ）の符号Δは、織物１３０の頂点部１１１同士のずれを示している。織物１３０の頂点部１１１同士がずれてしまうと、積層方向に加圧しても、積層体４０が弾性変形するだけであり、アノード電極部材５０ａとカソード電極部材５０ｃとの間の接触面圧が比較的小さなものとなる。さらに、接触点数も少なくなる。このため、内部抵抗であるセル抵抗が高くなり、セル電圧が低くなってしまう。
【００３５】
これに対して、本実施形態にあっては、アノード６０ａ側の溝１２０ａとカソード６０ｃ側の溝１２０ｃとを交差させていることから、アノード電極部材５０ａを構成する織物１００の頂点部１１１と、カソード電極部材５０ｃを構成する織物１００の頂点部１１１とを、積層体４０を介して、向かい合わせて接触させることができる（図１（Ａ）および図５を参照）。これによって、織物１３０の頂点部１１１同士がずれている場合に比べると、アノード電極部材５０ａとカソード電極部材５０ｃとの間の接触面圧を十分に確保することができ、接触点数も十分に確保することができる。このため、内部抵抗であるセル抵抗が低くなり、セル電圧を高めることが可能となる。
【００３６】
図１（Ｂ）を参照して、電極部材５０ａ、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。電極部材５０ａ、５０ｃに導電性防食処理を施すことによって、電極部材５０ａ、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。導電性防食処理は、金または導電性炭素のコーティング１４０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。
【００３７】
織物１００は、図２に示されるメタルメッシュ１０１から形成することができる。使用するメタルメッシュ１０１の寸法は適宜選択できるが、例えば、メッシュ数が２００〜５００メッシュである。メタルメッシュ１０１の織り方は特に限定されず、平織、綾織、平畳織、綾畳織など何れでもよい。
【００３８】
織物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。織物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、織物１００はステンレスから構成することが好ましい。
【００３９】
溝１２０ａ、１２０ｃは平面視において波状の流路を形成しているが、この波状の流路における揺らぎの寸法も適宜選択できる。図３および図４に示したように、波状の流路のピッチｐ２、つまり揺らぎのピッチは、例えば、２〜３０ｍｍである。また、波状の流路の幅ｗ、つまり揺らぎの振幅は、例えば、０．５〜５ｍｍである。
【００４０】
アノード触媒層３０ａとともにアノード６０ａを形成するために上記構成のアノード電極部材５０ａ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。カソード電極部材５０ｃについても同様のことがいえる。
【００４１】
［織物１００のエンボスロール成型］
織物１００の折り曲げ加工に関しては、織物１００をエンボスロール成型することによって、波型形状を賦形することが好ましい。エンボスロール成型は、コストが比較的安く、大量生産に適しているからである。
【００４２】
図７Ａ、図７Ｂ、図７Ｃに、マイクロエンボス装置２００の平面図、正面図、右側面図を概略示してある。
【００４３】
図示するように、マイクロエンボス装置２００は、ロールクリアランスを隔てて配置される一対のエンボスロール２１１、２１２と、一対のエンボスロール２１１、２１２の間に素材を供給する供給部２２０と、一のエンボスロール２１２を回転駆動する駆動モータ２３０と、を有している。
【００４４】
一対のエンボスロール２１１、２１２は、ロールクリアランスを隔てて上下に配置される上エンボスロール２１１と、下エンボスロール２１２とである。ベース２１０に取り付けたロール支持部２１３は、上下のエンボスロール２１１、２１２の軸を回転自在に保持している。ロール支持部２１３はまた、ロールクリアランスを調整するために、上エンボスロール２１１を下エンボスロール２１２に対して接近離反移動自在に保持している。図中の符号２１４は、ロールクリアランスを調整するための調整ねじを表している。
【００４５】
供給部２２０は、素材である織物１００を上下のエンボスロール２１１、２１２の間に向けて供給するテーブル２２１と、テーブル２２１に設けられた供給ガイド２２２とを含んでいる。
【００４６】
駆動モータ２３０は、ベース２１０上に取り付けている。駆動モータ２３０の駆動シャフト２３１は、下エンボスロール２１２の回動軸に連結してある。
【００４７】
マイクロエンボス装置２００によってエンボスロール成型を行う成形工程の一例を説明する。
【００４８】
まず、ジュラルミン製の上下のエンボスロール２１１、２１２を製作する。エンボスロール２１１、２１２の製作方法は、同時４軸制御のマシニングセンターによる切削加工である。上下のエンボスロール２１１、２１２の寸法は、直径５０ｍｍ、面長９０ｍｍである。ロール表面に彫られる溝のピッチは０．３ｍｍであり、溝深さは０．３ｍｍである。溝加工に用いるエンドミルはφ０．１ｍｍの２枚刃ボールエンドミルで、主軸の回転数３５０００〜５００００ＲＰＭ、１回転あたりの切り込みは０．０１ｍｍ〜０．０３ｍｍ、ロールを加工するチャック付加軸の回転数は１〜３ＲＰＭである。
【００４９】
加工が完了した上下のエンボスロール２１１、２１２を、溶剤洗浄した後、ロール支持部２１３にセットする。まず、下エンボスロール２１２の軸位置を決め、駆動モータ２３０の駆動シャフト２３１に固定する。その後、上エンボスロール２１１をロール支持部２１３にセットし、上下のエンボスロール２１１、２１２の溝が凹凸で合致した位置において、上エンボスロール２１１の位置を固定する。
【００５０】
調整ねじ２１４によって、素材である織物１００の肉厚（例えば、０．０６ｍｍ）分の隙間をあける。
【００５１】
使用する素材は、例えば、ステンレス製平織り３００メッシュで、９０ｍｍ×３４０ｍｍに予め切断しておく。
【００５２】
マイクロエンボス装置２００の供給テーブル２２１に素材をセットする。次いで、駆動モータ２３０の駆動を開始する。
【００５３】
駆動モータ２３０の回転スピードを８〜１３ＲＰＭに調整した後、供給テーブル２２１上の素材を上下のエンボスロール２１１、２１２の間に供給する。素材を供給するときは、供給ガイド２２２に沿わせながら素材を送り込み、上下のエンボスロール２１１、２１２に対して垂直に素材を供給する。素材の送り込み、および上下のエンボスロール２１１、２１２の回転によって、素材に波型形状を賦形し、立体的な織物１００を得る。
【００５４】
成型完了後、波型形状に賦形された織物１００の破れ、ささくれなどの有無の確認を行う。形状・品質に問題がないことを確認したのち、金メッキ処理工程に移行する。
【００５５】
金メッキの厚みは例えば１００ｎｍであり、メッキ処理後、メッキの厚み、メッキの未処理の部分が無いかを確認する。これによって、電極部材の作製が完了する。
【００５６】
［カーボン粒子層３１ａ、３１ｃ］
図１（Ａ）を参照して、カーボン粒子層３１ａ、３１ｃ（マイクロポーラス層；ＭＰＬ）は、集電性向上のため、触媒層３０ａ、３０ｃ上に圧着によって設けている。
【００５７】
ＭＰＬは、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）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。
【００５８】
［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。
【００５９】
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ることができる。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、ともに金属製である。
【００６０】
セパレータ８０ａ、８０ｃは、電極部材５０ａ、５０ｃの頂点部１１２が接触する側の面８２を平面に形成してある。電極部材５０ａ、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、セパレータ８０ａ、８０ｃにリブを形成する必要がない。このため、セパレータ８０ａ、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、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なるからである。さらに、リブを形成する必要がないため、セパレータ８０ａ、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。
【００６１】
図１に示されるＰＥＦＣ１０の他の構成要素、すなわち電解質層、触媒層３０ａ、３０ｃについて概説する。
【００６２】
［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。
【００６３】
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２０を用いることができる。
【００６４】
［触媒層３０ａ、３０ｃ］
触媒層３０ａ、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。
【００６５】
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ることができる。
【００６６】
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を挙げることができる。
【００６７】
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することができる。
【００６８】
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。
【００６９】
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を用いることができる。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い。
【００７０】
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。
【００７１】
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、自動車に駆動用電源として搭載することができる。燃料電池スタックを自動車に搭載するには、例えば、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。燃料電池スタックを搭載する場所は、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。上述したＰＥＦＣ１０や燃料電池スタックは出力特性・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を提供することができる。
【００７２】
（平面視における流路形状の改変例１）
平面視における流路形状は、上述した実施形態の流路形状に限定されるものではない。
【００７３】
アノード電極部材５０ａとカソード電極部材５０ｃとを、同一構造の織物１００から構成する必要はない。例えば、アノード６０ａ側の溝１２０ａおよびカソード６０ｃ側の溝１２０ｃのそれぞれが、平面視において波状の流路を形成し、波状の流路のピッチｐ２、幅ｗ、位相、および溝１２０ａ、１２０ｃのピッチｐ１の少なくとも一つが、アノード６０ａ側の溝１２０ａとカソード６０ｃ側の溝１２０ｃとの間でずれていればよい。このような流路形状においても、アノード６０ａ側の溝１２０ａとカソード６０ｃ側の溝１２０ｃとを簡単に交差させることができ、セル抵抗を低くして、セル電圧を高めるという効果を確実に得ることができる。
【００７４】
（平面視における流路形状の改変例２）
また、平面視における流路形状は、次のようにも改変できる。
【００７５】
図８（Ａ）（Ｂ）を参照して、アノード６０ａ側の溝１２０ａおよびカソード６０ｃ側の溝１２０ｃのそれぞれが、平面視において波状の流路を形成し、カソード６０ｃ側の溝１２０ｃがなす波状の流路の曲率（１／曲率半径ｒｃ）が、アノード６０ａ側の溝１２０ａがなす波状の流路の曲率（１／曲率半径ｒａ）よりも小さくなるようにしてもよい（曲率半径の大小関係はｒｃ＞ｒａである）。このような流路形状においても、アノード６０ａ側の溝１２０ａとカソード６０ｃ側の溝１２０ｃとを簡単に交差させることができ、セル抵抗を低くして、セル電圧を高めるという効果を確実に得ることができる。さらには、カソード６０ｃ側の溝１２０ｃにおける圧力損失を小さくすることができ、空気を供給するコンプレッサーの負荷を下げて、システム効率を高めることが可能となる。
【００７６】
（平面視における流路形状の改変例３）
さらに、平面視における流路形状は、次のようにも改変できる。
【００７７】
図９を参照して、アノード６０ａ側の溝１２０ａが、平面視において波状の流路を形成し、カソード６０ｃ側の溝１２０ｃが、平面視において直線状の流路（曲率がゼロ）を形成するようにしてもよい。このような流路形状においても、アノード６０ａ側の溝１２０ａとカソード６０ｃ側の溝１２０ｃとを簡単に交差させることができ、セル抵抗を低くして、セル電圧を高めるという効果を確実に得ることができる。さらには、カソード６０ｃ側の溝１２０ｃにおける圧力損失をより小さくすることができ、空気を供給するコンプレッサーの負荷を下げて、システム効率を一層高めることが可能となる。
【００７８】
（その他の改変例）
織物１００の波型形状は、図示した三角形状のような波型形状に限定されるものではなく、適宜の形状を選択することができる。例えば、サインカーブのような波型形状でもよい。さらには、矩形形状のような波型形状でもよい。織物１００の波型形状が矩形形状の場合でも、織物１００は多数の開口部１０３を有しているので、触媒層３０ａ、３０ｃに接している部位に開口部１０３が臨んでいる。織物１００が触媒層３０ａ、３０ｃに接している部位においても、開口部１０３を介して、触媒層３０ａ、３０ｃにガスを直接供給することができる。このため、触媒層３０ａ、３０ｃの全面を均一に利用することができ、これによって、セル電圧を高めることができる。
【００７９】
規則的に折り曲げた織物１００から電極部材５０ａ、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、開口部１０３の開孔率を部分的に変えたり、波型形状のピッチを部分的に変えたりした織物から電極部材５０ａ、５０ｃを構成することもできる。開口部１０３の開孔率や波型形状のピッチが異なる複数種類の織物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、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、溝１２０ａ、１２０ｃの深さｄつまり波型形状の高さを部分的に変えた織物から電極部材５０ａ、５０ｃを構成することもできる。
【００８０】
（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。
【００８１】
［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、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。
【００８２】
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）を触媒層上に圧着し、固体高分子電解質膜、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。
【００８３】
メッシュ数３００のステンレスメッシュ（綾織、線径２５μｍ、目開き２６μｍ）を、エンボスロールによって、図１（Ａ）に示した三角形状の波型形状に加工した。溝深さ２００μｍ、ピッチ２００μｍとした。
【００８４】
ステンレスメッシュは、図３（Ａ）および図４（Ａ）のような、アノード側の溝およびカソード側の溝のそれぞれが平面視において波状の流路を形成するように加工した。波状の流路のピッチｐ２、幅ｗ、および溝のピッチｐ１は、アノード側の溝およびカソード側の溝ともに同じとし、波状の流路の位相は、アノード側の溝とカソード側の溝との間で逆位相とした。
【００８５】
このステンレスメッシュに、腐食防止と接触抵抗低減のために、１００ｎｍ厚みの金メッキを施して、電極部材を作製した。
【００８６】
触媒層のＭＰＬ上に電極部材を配置し、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。図１（Ａ）に示したように、アノードおよびカソードをともに、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。
【００８７】
［実施例２］
アノード側のステンレスメッシュとして、溝が平面視において波状の流路を形成するように加工したものを使用した。カソード側のステンレスメッシュとして、溝が平面視においてストレートの流路を形成するように加工したものを使用した。これら以外は、実施例１と同様である。
【００８８】
［比較例］
アノード側のステンレスメッシュおよびカソード側のステンレスメッシュともに、溝が平面視においてストレートの流路を形成するように加工したものを使用した。これら以外は、実施例１と同様である。
【００８９】
実施例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。水素流量は０．７８ｎＬ／ｍｉｎ、空気流量は２．５ｎＬ／ｍｉｎの流量一定とした。
【００９０】
評価結果を図１０に示す。また、カソードの圧力損失は、実施例１が８８．０ｋＰａ、実施例２が３０．０ｋＰａ、比較例が３０．０ｋＰａであった。
【００９１】
図１０に示すように、比較例の電極部材を用いたセルは、セル電圧が低かった。比較例では、アノードの流路構造およびカソードの流路構造がともにストレート状であるので、部品公差や組み付け公差によって、アノード電極部材における頂点部と、カソード電極部材における頂点部とが、ずれてしまうことがある。このため、アノード電極部材とカソード電極部材との間の接触面圧が小さく、さらに、接触点数も少なく、接触抵抗が上昇したために、内部抵抗であるセル抵抗が高くなったからである、と推察できる。
【００９２】
一方、実施例１、２の電極部材を用いたセルは、アノード側の溝とカソード側の溝とが平面視において交差する。アノード電極部材における頂点部と、カソード電極部材における頂点部とが、アノード触媒層、高分子電解質膜およびカソード触媒層を介して、向かい合って接触する。このため、アノード電極部材とカソード電極部材との間の接触面圧が大きく、さらに、接触点数も多く、接触抵抗が低下したために、内部抵抗であるセル抵抗が低くなったからである、と推察できる。
【００９３】
実施例１、２の電極部材を用いたセルは、フラッディングが生じやすい高加湿条件においてもセル電圧が急激に低下していない。このため、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、良好な性能を示す、と推察できる。
【００９４】
さらに実施例２では、カソードの流路構造がストレート状であるため、カソードの圧力損失が、実施例１よりも小さかった。このことによって、空気を供給するコンプレッサーの負荷を下げることができ、システム効率を高めることができる。
【００９５】
以上から、アノード側の溝とカソード側の溝とを交差させて配置した燃料電池セルは、交差させない燃料電池セルに比べて、アノード電極部材とカソード電極部材との間の接触面圧を十分に確保するとともに接触点数も十分に確保し、内部抵抗であるセル抵抗を低くして、セル電圧を高め、良好な性能を示すことがわかった。さらに、カソード側の溝を平面視においてストレート状とすることによって、空気を供給するコンプレッサーの負荷を下げることができ、システム効率を高めることができることがわかった。
【符号の説明】
【００９６】
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、
３０ｃ カソード触媒層、
３１ａ カーボン粒子層、
３１ｃ カーボン粒子層、
４０ 積層体（アノード触媒層、高分子電解質膜およびカソード触媒層）、
５０ａ アノード電極部材、
５０ｃ カソード電極部材、
６０ａ アノード、
６０ｃ カソード、
７０ 膜電極接合体（ＭＥＡ）、
８０ａ アノード平板セパレータ、
８０ｃ カソード平板セパレータ、
８２ 平面、
１００ 織物、
１０１ メタルメッシュ（織物）、
１０２ 線材、
１０３ 開口部、
１１１ 頂点部、
１１２ 頂点部、
１２０ａ アノード側のメッシュ溝、
１２０ｃ カソード側のメッシュ溝、
１４０ 導電性防食処理のためのコーティング。
【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と電気的に接続している。このようにして単セルを積層・接続することによって、燃料電池スタックを構成する。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）を供給し、カソード側に酸化剤ガス（例えば大気、酸素）を供給する。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、電気を生み出する。
【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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特表２００２−５４２５９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
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、ガス拡散速度が遅くなって、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。
【０００９】
本発明の目的は、ガス拡散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、高出力化も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】
【００１０】
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、前記高分子電解質膜のそれぞれの面に設けられるアノード触媒層およびカソード触媒層と、導電性を備えガスを遮断するためのアノードセパレータおよびカソードセパレータと、を有している。前記アノード触媒層と前記アノードセパレータとの間には、前記アノード触媒層とともにアノードを形成するアノード電極部材を配置してある。前記カソード触媒層と前記カソードセパレータとの間には、前記カソード触媒層とともにカソードを形成するカソード電極部材を配置してある。前記アノード電極部材および前記カソード電極部材のそれぞれは、微細な溝が並列に複数本形成された導電性の織物であって、溝のピッチが０．２〜１ｍｍ、かつ、溝の深さが０．２〜１ｍｍである織物から構成してある。そして、発電に寄与する反応部の少なくとも一部の領域において、前記アノード触媒層、前記高分子電解質膜およびカソード触媒層を介して、前記アノード電極部材を構成する前記織物におけるアノード側の溝と、前記カソード電極部材を構成する前記織物におけるカソード側の溝とを交差させている。
【発明の効果】
【００１１】
アノード電極部材およびカソード電極部材のそれぞれは、微細な溝が並列に複数本形成された導電性の織物であって、溝のピッチが０．２〜１ｍｍ、かつ、溝の深さが０．２〜１ｍｍである織物から構成してあるので、溝が伸びる方向に対して直交する方向の断面において見ると、織物には溝を形成するための頂点部が規則的に連続して現れることになる。これによって、ガス拡散路が均等ないし規則的な流路となり、ガス拡散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。
【００１２】
さらに、アノード側の溝とカソード側の溝とが交差することから、アノード電極部材を構成する織物の頂点部と、カソード電極部材を構成する織物の頂点部とを、アノード触媒層、高分子電解質膜およびカソード触媒層を介して、向かい合わせて接触させることができる。これによって、織物の頂点部同士がずれている場合に比べると、アノード電極部材とカソード電極部材との間の接触面圧を十分に確保することができ、接触点数も十分に確保することができる。このため、内部抵抗であるセル抵抗が低くなり、セル電圧を高めることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【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】アノード電極部材およびカソード電極部材のそれぞれを構成する織物の一例を拡大して示す平面図である。
【図３】図３（Ａ）は、図１（Ａ）に示されるアノード電極部材を構成する織物を示す平面図、図３（Ｂ）は、図３（Ａ）の３Ｂ−３Ｂ線に沿う断面図である。
【図４】図４（Ａ）は、図１（Ａ）に示されるカソード電極部材を構成する織物を示す平面図、図４（Ｂ）は、図４（Ａ）の４Ｂ−４Ｂ線に沿う断面図である。
【図５】アノード側の溝と、カソード側の溝とが、平面視において交差している状態を示す平面図である。
【図６】図６（Ａ）は、対比例に係る固体高分子形燃料電池であって、アノード側の溝と、カソード側の溝とが、平面視において交差していない状態を示す平面図、図６（Ｂ）は、図６（Ａ）の６Ｂ−６Ｂ線に沿う断面図である。
【図７Ａ】マイクロエンボス装置を示す平面図である。
【図７Ｂ】マイクロエンボス装置を示す正面図である。
【図７Ｃ】マイクロエンボス装置を示す右側面図である。
【図８】図８（Ａ）は、平面視において波状の流路を形成しているアノード側の溝を示す図、図８（Ｂ）は、平面視において波状の流路を形成しているカソード側の溝であって、カソード側の溝がなす波状の流路の曲率を、アノード側の溝がなす波状の流路の曲率よりも小さくした例を示す図である。
【図９】平面視において波状の流路を形成しているアノード側の溝と、平面視において直線状の流路を形成しているカソード側の溝とを、平面視において交差させた例を示す平面図である。
【図１０】実施例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。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。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。
【００１５】
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のそれぞれの面に設けられるアノード触媒層３０ａおよびカソード触媒層３０ｃと、導電性を備えガスを遮断するためのアノードセパレータ８０ａおよびカソードセパレータ８０ｃと、を有している。触媒層３０ａ、３０ｃは、集電性向上のためのカーボン粒子層３１ａ、３１ｃを含んでいる。アノード触媒層３０ａとアノードセパレータ８０ａとの間には、アノード触媒層３０ａとともにアノード６０ａを形成するアノード電極部材５０ａを配置してある。カソード触媒層３０ｃとカソードセパレータ８０ｃとの間には、カソード触媒層３０ｃとともにカソード６０ｃを形成するカソード電極部材５０ｃを配置してある。アノード電極部材５０ａおよびカソード電極部材５０ｃのそれぞれは、微細な溝１２０ａ、１２０ｃが並列に複数本形成された導電性の織物１００であって、溝１２０ａ、１２０ｃのピッチｐ１が０．２〜１ｍｍ、かつ、溝１２０ａ、１２０ｃの深さｄが０．２〜１ｍｍである織物１００から構成してある。そして、発電に寄与する反応部の少なくとも一部の領域において、アノード触媒層３０ａ（カーボン粒子層３１ａを含む）、高分子電解質膜２０およびカソード触媒層３０ｃ（カーボン粒子層３１ｃを含む）を介して、アノード電極部材５０ａを構成する織物１００におけるアノード６０ａ側の溝１２０ａと、カソード電極部材５０ｃを構成する織物１００におけるカソード６０ｃ側の溝１２０ｃとを交差させている。アノード触媒層３０ａ、高分子電解質膜２０およびカソード触媒層３０ｃを、以下、単に「積層体４０」という。
【００１６】
高分子電解質膜２０、一対の触媒層３０ａ、３０ｃ（アノード触媒層３０ａおよびカソード触媒層３０ｃ）、一対の電極部材５０ａ、５０ｃ（アノード電極部材５０ａおよびカソード電極部材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。以下、詳述する。
【００１７】
［アノード電極部材５０ａ、カソード電極部材５０ｃ］
アノード電極部材５０ａは、燃料ガスをアノード触媒層３０ａに供給するガス供給機能と、集電機能とを備えている。カソード電極部材５０ｃも同様に、酸化剤ガスをカソード触媒層３０ｃに供給するガス供給機能と、集電機能とを備えている。
【００１８】
図３（Ａ）（Ｂ）を参照して、アノード電極部材５０ａは、微細な溝１２０ａが並列に複数本形成された導電性の織物１００から形成してある。織物１００は、溝１２０ａが並列に複数本形成されているので、溝１２０ａが伸びる方向に対して直交する方向の断面において見ると、織物１００には溝１２０ａを形成するための頂点部１１１、１１２が規則的に連続して現れることになる。これによって、アノード電極部材５０ａのガス拡散路が均等ないし規則的な流路となり、ガス拡散路の圧力損失が少なくなる。
【００１９】
図４（Ａ）（Ｂ）を参照して、カソード電極部材５０ｃも同様に、溝１２０ｃが伸びる方向に対して直交する方向の断面において見て、織物１００には溝１２０ｃを形成するための頂点部１１１、１１２が規則的に連続して現れる。これによって、カソード電極部材５０ｃのガス拡散路が均等ないし規則的な流路となり、ガス拡散路の圧力損失が少なくなる。
【００２０】
溝１２０ａ、１２０ｃが伸びる方向に対して直交する方向の断面において見て、溝１２０ａ、１２０ｃは、波型形状を有している。波型形状の溝１２０ａ、１２０ｃのピッチｐ１は０．２〜１ｍｍ、かつ、溝１２０ａ、１２０ｃの深さｄは０．２〜１ｍｍ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、溝１２０ａ、１２０ｃのピッチｐ１が０．２〜１ｍｍ、かつ、溝１２０ａ、１２０ｃの深さｄが０．２〜１ｍｍ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、ガス（燃料ガスや酸化剤ガス）を流しつつ触媒層３０ａ、３０ｃとの接触面積を確保できる。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、アノード６０ａ、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。
【００２１】
図１（Ｂ）および図２を参照して、織物１００は、交錯した線材１０２同士の間に形成される多数の開口部１０３を有している。この開口部１０３も、溝１２０ａ、１２０ｃと同様に、ガス供給機能を発揮する。開口部１０３から構成されるガス拡散路は、織物１００の面の法線方向で見て均等ないし規則的な流路となるので、かかるガス拡散路の圧力損失も少なくなる。
【００２２】
アノード電極部材５０ａは、図１（Ａ）において上側の頂点部１１１においてアノード触媒層３０ａに対して接触することによって、アノード触媒層３０ａとの間の導電性を確保する。アノード電極部材５０ａは、下側の頂点部１１２においてにおいてアノードセパレータ８０ａに対して接触することによって、アノードセパレータ８０ａとの間の導電性を確保する。
【００２３】
カソード電極部材５０ｃは、図１（Ａ）において下側の頂点部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、上側の頂点部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。
【００２４】
ＰＥＦＣ１０において、発電に寄与する反応部は、ＭＥＡ７０をセパレータ８０ａ、８０ｃを介して積層した部分である。図１（Ａ）および図５に示すように、この反応部の少なくとも一部の領域において、積層体４０を介して、アノード６０ａ側の溝１２０ａとカソード６０ｃ側の溝１２０ｃとを交差させている。アノード６０ａ側の溝１２０ａとカソード６０ｃ側の溝１２０ｃとを交差させることによって、アノード電極部材５０ａを構成する織物１００の頂点部１１１と、カソード電極部材５０ｃを構成する織物１００の頂点部１１１とを、積層体４０を介して、向かい合わせて接触させることができる。これによって、織物の頂点部同士がずれている場合に比べると、アノード電極部材５０ａとカソード電極部材５０ｃとの間の接触面圧を十分に確保することができ、接触点数も十分に確保することができる。その結果、内部抵抗であるセル抵抗を低くして、セル電圧を高めることが可能となる。
【００２５】
反応部のすべての領域において、積層体４０を介して、アノード６０ａ側の溝１２０ａと、カソード６０ｃ側の溝１２０ｃとが交差していることが好ましい。アノード電極部材５０ａとカソード電極部材５０ｃとの間の接触面圧をより十分に確保することができ、接触点数もより十分に確保することができ、その結果、内部抵抗であるセル抵抗を低くして、セル電圧を一層高めることが可能となるからである。
【００２６】
また、アノード６０ａ側の溝１２０ａおよびカソード６０ｃ側の溝１２０ｃのうちの一方の溝１２０ａ（１２０ｃ）が、または、両方の溝１２０ａ、１２０ｃのそれぞれが、平面視において波状の流路を形成することが好ましい。アノード６０ａ側の溝１２０ａとカソード６０ｃ側の溝１２０ｃとを簡単に交差させることができ、セル抵抗を低くして、セル電圧を高めるという効果を確実に得ることができるからである。
【００２７】
具体的に、本実施形態にあっては、図３（Ａ）および図４（Ａ）に示すように、アノード６０ａ側の溝１２０ａおよびカソード６０ｃ側の溝１２０ｃのそれぞれが、平面視において波状の流路を形成している。波状の流路のピッチｐ２、幅ｗ、および溝１２０ａ、１２０ｃのピッチｐ１は、アノード６０ａ側の溝１２０ａおよびカソード６０ｃ側の溝１２０ｃともに同じである。一方、波状の流路の位相は、アノード６０ａ側の溝１２０ａとカソード６０ｃ側の溝１２０ｃとの間で逆にしてある。同一の織物１００を表裏反転して用いることによって、波状の流路の位相を逆にすることができる。したがって、同一部材を用いることによって、コストの低減を図ることが可能となる。
【００２８】
なお、本明細書においては、溝１２０ａ、１２０ｃが伸びる方向に対して直交する方向の波の形状については「波型」の文言を用い、平面視において平面方向の波の形状については「波状」の文言を用いる。
【００２９】
上記構成のアノード電極部材５０ａ、カソード電極部材５０ｃによれば、圧力損失を少なくし、セル抵抗を低くしてセル電圧を高める効果を奏する。
【００３０】
すなわち、アノード電極部材５０ａのガス拡散路は、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、ガス拡散路の圧力損失が少なくなる。このため、ガス拡散速度が低下しないので、燃料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。圧力損失が少なくなるので、燃料ガスの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。
【００３１】
カソード電極部材５０ｃのガス拡散路も同様に、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、ガス拡散路の圧力損失が少なくなる。このため、ガス拡散速度が低下しないので、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。ガス拡散速度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拡散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、酸化剤ガスの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。
【００３２】
アノード電極部材５０ａを介して、アノード触媒層３０ａとアノードセパレータ８０ａ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、アノード触媒層３０ａにおいて発生した電流を容易にアノードセパレータ８０ａ側に通電させることができる。
【００３３】
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。
【００３４】
図６（Ａ）には、対比例に係る固体高分子形燃料電池における織物１３０を示してある。対比例にあっては、アノード６０ａ側の溝１２０ａおよびカソード６０ｃ側の溝１２０ｃはともに、平面視においてストレートの流路を形成している。織物１００、１３０には部品公差があり、織物１００、１３０を組み付けるときにも組み付け公差がある。このため、このような織物１３０をアノード６０ａ側の溝１２０ａとカソード６０ｃ側の溝１２０ｃとを交差させずに組み付ける場合には、アノード電極部材５０ａを構成する織物１３０の頂点部１１１と、カソード電極部材５０ｃを構成する織物１３０の頂点部１１１とが、ずれてしまうことが生じ得る。図６（Ｂ）の符号Δは、織物１３０の頂点部１１１同士のずれを示している。織物１３０の頂点部１１１同士がずれてしまうと、積層方向に加圧しても、積層体４０が弾性変形するだけであり、アノード電極部材５０ａとカソード電極部材５０ｃとの間の接触面圧が比較的小さなものとなる。さらに、接触点数も少なくなる。このため、内部抵抗であるセル抵抗が高くなり、セル電圧が低くなってしまう。
【００３５】
これに対して、本実施形態にあっては、アノード６０ａ側の溝１２０ａとカソード６０ｃ側の溝１２０ｃとを交差させていることから、アノード電極部材５０ａを構成する織物１００の頂点部１１１と、カソード電極部材５０ｃを構成する織物１００の頂点部１１１とを、積層体４０を介して、向かい合わせて接触させることができる（図１（Ａ）および図５を参照）。これによって、織物１３０の頂点部１１１同士がずれている場合に比べると、アノード電極部材５０ａとカソード電極部材５０ｃとの間の接触面圧を十分に確保することができ、接触点数も十分に確保することができる。このため、内部抵抗であるセル抵抗が低くなり、セル電圧を高めることが可能となる。
【００３６】
図１（Ｂ）を参照して、電極部材５０ａ、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。電極部材５０ａ、５０ｃに導電性防食処理を施すことによって、電極部材５０ａ、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。導電性防食処理は、金または導電性炭素のコーティング１４０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。
【００３７】
織物１００は、図２に示されるメタルメッシュ１０１から形成することができる。使用するメタルメッシュ１０１の寸法は適宜選択できるが、例えば、メッシュ数が２００〜５００メッシュである。メタルメッシュ１０１の織り方は特に限定されず、平織、綾織、平畳織、綾畳織など何れでもよい。
【００３８】
織物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。織物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、織物１００はステンレスから構成することが好ましい。
【００３９】
溝１２０ａ、１２０ｃは平面視において波状の流路を形成しているが、この波状の流路における揺らぎの寸法も適宜選択できる。図３および図４に示したように、波状の流路のピッチｐ２、つまり揺らぎのピッチは、例えば、２〜３０ｍｍである。また、波状の流路の幅ｗ、つまり揺らぎの振幅は、例えば、０．５〜５ｍｍである。
【００４０】
アノード触媒層３０ａとともにアノード６０ａを形成するために上記構成のアノード電極部材５０ａ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。カソード電極部材５０ｃについても同様のことがいえる。
【００４１】
［織物１００のエンボスロール成型］
織物１００の折り曲げ加工に関しては、織物１００をエンボスロール成型することによって、波型形状を賦形することが好ましい。エンボスロール成型は、コストが比較的安く、大量生産に適しているからである。
【００４２】
図７Ａ、図７Ｂ、図７Ｃに、マイクロエンボス装置２００の平面図、正面図、右側面図を概略示してある。
【００４３】
図示するように、マイクロエンボス装置２００は、ロールクリアランスを隔てて配置される一対のエンボスロール２１１、２１２と、一対のエンボスロール２１１、２１２の間に素材を供給する供給部２２０と、一のエンボスロール２１２を回転駆動する駆動モータ２３０と、を有している。
【００４４】
一対のエンボスロール２１１、２１２は、ロールクリアランスを隔てて上下に配置される上エンボスロール２１１と、下エンボスロール２１２とである。ベース２１０に取り付けたロール支持部２１３は、上下のエンボスロール２１１、２１２の軸を回転自在に保持している。ロール支持部２１３はまた、ロールクリアランスを調整するために、上エンボスロール２１１を下エンボスロール２１２に対して接近離反移動自在に保持している。図中の符号２１４は、ロールクリアランスを調整するための調整ねじを表している。
【００４５】
供給部２２０は、素材である織物１００を上下のエンボスロール２１１、２１２の間に向けて供給するテーブル２２１と、テーブル２２１に設けられた供給ガイド２２２とを含んでいる。
【００４６】
駆動モータ２３０は、ベース２１０上に取り付けている。駆動モータ２３０の駆動シャフト２３１は、下エンボスロール２１２の回動軸に連結してある。
【００４７】
マイクロエンボス装置２００によってエンボスロール成型を行う成形工程の一例を説明する。
【００４８】
まず、ジュラルミン製の上下のエンボスロール２１１、２１２を製作する。エンボスロール２１１、２１２の製作方法は、同時４軸制御のマシニングセンターによる切削加工である。上下のエンボスロール２１１、２１２の寸法は、直径５０ｍｍ、面長９０ｍｍである。ロール表面に彫られる溝のピッチは０．３ｍｍであり、溝深さは０．３ｍｍである。溝加工に用いるエンドミルはφ０．１ｍｍの２枚刃ボールエンドミルで、主軸の回転数３５０００〜５００００ＲＰＭ、１回転あたりの切り込みは０．０１ｍｍ〜０．０３ｍｍ、ロールを加工するチャック付加軸の回転数は１〜３ＲＰＭである。
【００４９】
加工が完了した上下のエンボスロール２１１、２１２を、溶剤洗浄した後、ロール支持部２１３にセットする。まず、下エンボスロール２１２の軸位置を決め、駆動モータ２３０の駆動シャフト２３１に固定する。その後、上エンボスロール２１１をロール支持部２１３にセットし、上下のエンボスロール２１１、２１２の溝が凹凸で合致した位置において、上エンボスロール２１１の位置を固定する。
【００５０】
調整ねじ２１４によって、素材である織物１００の肉厚（例えば、０．０６ｍｍ）分の隙間をあける。
【００５１】
使用する素材は、例えば、ステンレス製平織り３００メッシュで、９０ｍｍ×３４０ｍｍに予め切断しておく。
【００５２】
マイクロエンボス装置２００の供給テーブル２２１に素材をセットする。次いで、駆動モータ２３０の駆動を開始する。
【００５３】
駆動モータ２３０の回転スピードを８〜１３ＲＰＭに調整した後、供給テーブル２２１上の素材を上下のエンボスロール２１１、２１２の間に供給する。素材を供給するときは、供給ガイド２２２に沿わせながら素材を送り込み、上下のエンボスロール２１１、２１２に対して垂直に素材を供給する。素材の送り込み、および上下のエンボスロール２１１、２１２の回転によって、素材に波型形状を賦形し、立体的な織物１００を得る。
【００５４】
成型完了後、波型形状に賦形された織物１００の破れ、ささくれなどの有無の確認を行う。形状・品質に問題がないことを確認したのち、金メッキ処理工程に移行する。
【００５５】
金メッキの厚みは例えば１００ｎｍであり、メッキ処理後、メッキの厚み、メッキの未処理の部分が無いかを確認する。これによって、電極部材の作製が完了する。
【００５６】
［カーボン粒子層３１ａ、３１ｃ］
図１（Ａ）を参照して、カーボン粒子層３１ａ、３１ｃ（マイクロポーラス層；ＭＰＬ）は、集電性向上のため、触媒層３０ａ、３０ｃ上に圧着によって設けている。
【００５７】
ＭＰＬは、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）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。
【００５８】
［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。
【００５９】
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ることができる。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、ともに金属製である。
【００６０】
セパレータ８０ａ、８０ｃは、電極部材５０ａ、５０ｃの頂点部１１２が接触する側の面８２を平面に形成してある。電極部材５０ａ、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、セパレータ８０ａ、８０ｃにリブを形成する必要がない。このため、セパレータ８０ａ、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、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なるからである。さらに、リブを形成する必要がないため、セパレータ８０ａ、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。
【００６１】
図１に示されるＰＥＦＣ１０の他の構成要素、すなわち電解質層、触媒層３０ａ、３０ｃについて概説する。
【００６２】
［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。
【００６３】
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２０を用いることができる。
【００６４】
［触媒層３０ａ、３０ｃ］
触媒層３０ａ、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。
【００６５】
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ることができる。
【００６６】
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を挙げることができる。
【００６７】
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することができる。
【００６８】
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。
【００６９】
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を用いることができる。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い。
【００７０】
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。
【００７１】
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、自動車に駆動用電源として搭載することができる。燃料電池スタックを自動車に搭載するには、例えば、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。燃料電池スタックを搭載する場所は、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。上述したＰＥＦＣ１０や燃料電池スタックは出力特性・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を提供することができる。
【００７２】
（平面視における流路形状の改変例１）
平面視における流路形状は、上述した実施形態の流路形状に限定されるものではない。
【００７３】
アノード電極部材５０ａとカソード電極部材５０ｃとを、同一構造の織物１００から構成する必要はない。例えば、アノード６０ａ側の溝１２０ａおよびカソード６０ｃ側の溝１２０ｃのそれぞれが、平面視において波状の流路を形成し、波状の流路のピッチｐ２、幅ｗ、位相、および溝１２０ａ、１２０ｃのピッチｐ１の少なくとも一つが、アノード６０ａ側の溝１２０ａとカソード６０ｃ側の溝１２０ｃとの間でずれていればよい。このような流路形状においても、アノード６０ａ側の溝１２０ａとカソード６０ｃ側の溝１２０ｃとを簡単に交差させることができ、セル抵抗を低くして、セル電圧を高めるという効果を確実に得ることができる。
【００７４】
（平面視における流路形状の改変例２）
また、平面視における流路形状は、次のようにも改変できる。
【００７５】
図８（Ａ）（Ｂ）を参照して、アノード６０ａ側の溝１２０ａおよびカソード６０ｃ側の溝１２０ｃのそれぞれが、平面視において波状の流路を形成し、カソード６０ｃ側の溝１２０ｃがなす波状の流路の曲率（１／曲率半径ｒｃ）が、アノード６０ａ側の溝１２０ａがなす波状の流路の曲率（１／曲率半径ｒａ）よりも小さくなるようにしてもよい（曲率半径の大小関係はｒｃ＞ｒａである）。このような流路形状においても、アノード６０ａ側の溝１２０ａとカソード６０ｃ側の溝１２０ｃとを簡単に交差させることができ、セル抵抗を低くして、セル電圧を高めるという効果を確実に得ることができる。さらには、カソード６０ｃ側の溝１２０ｃにおける圧力損失を小さくすることができ、空気を供給するコンプレッサーの負荷を下げて、システム効率を高めることが可能となる。
【００７６】
（平面視における流路形状の改変例３）
さらに、平面視における流路形状は、次のようにも改変できる。
【００７７】
図９を参照して、アノード６０ａ側の溝１２０ａが、平面視において波状の流路を形成し、カソード６０ｃ側の溝１２０ｃが、平面視において直線状の流路（曲率がゼロ）を形成するようにしてもよい。このような流路形状においても、アノード６０ａ側の溝１２０ａとカソード６０ｃ側の溝１２０ｃとを簡単に交差させることができ、セル抵抗を低くして、セル電圧を高めるという効果を確実に得ることができる。さらには、カソード６０ｃ側の溝１２０ｃにおける圧力損失をより小さくすることができ、空気を供給するコンプレッサーの負荷を下げて、システム効率を一層高めることが可能となる。
【００７８】
（その他の改変例）
織物１００の波型形状は、図示した三角形状のような波型形状に限定されるものではなく、適宜の形状を選択することができる。例えば、サインカーブのような波型形状でもよい。さらには、矩形形状のような波型形状でもよい。織物１００の波型形状が矩形形状の場合でも、織物１００は多数の開口部１０３を有しているので、触媒層３０ａ、３０ｃに接している部位に開口部１０３が臨んでいる。織物１００が触媒層３０ａ、３０ｃに接している部位においても、開口部１０３を介して、触媒層３０ａ、３０ｃにガスを直接供給することができる。このため、触媒層３０ａ、３０ｃの全面を均一に利用することができ、これによって、セル電圧を高めることができる。
【００７９】
規則的に折り曲げた織物１００から電極部材５０ａ、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、開口部１０３の開孔率を部分的に変えたり、波型形状のピッチを部分的に変えたりした織物から電極部材５０ａ、５０ｃを構成することもできる。開口部１０３の開孔率や波型形状のピッチが異なる複数種類の織物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、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、溝１２０ａ、１２０ｃの深さｄつまり波型形状の高さを部分的に変えた織物から電極部材５０ａ、５０ｃを構成することもできる。
【００８０】
（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。
【００８１】
［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、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。
【００８２】
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）を触媒層上に圧着し、固体高分子電解質膜、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。
【００８３】
メッシュ数３００のステンレスメッシュ（綾織、線径２５μｍ、目開き２６μｍ）を、エンボスロールによって、図１（Ａ）に示した三角形状の波型形状に加工した。溝深さ２００μｍ、ピッチ２００μｍとした。
【００８４】
ステンレスメッシュは、図３（Ａ）および図４（Ａ）のような、アノード側の溝およびカソード側の溝のそれぞれが平面視において波状の流路を形成するように加工した。波状の流路のピッチｐ２、幅ｗ、および溝のピッチｐ１は、アノード側の溝およびカソード側の溝ともに同じとし、波状の流路の位相は、アノード側の溝とカソード側の溝との間で逆位相とした。
【００８５】
このステンレスメッシュに、腐食防止と接触抵抗低減のために、１００ｎｍ厚みの金メッキを施して、電極部材を作製した。
【００８６】
触媒層のＭＰＬ上に電極部材を配置し、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。図１（Ａ）に示したように、アノードおよびカソードをともに、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。
【００８７】
［実施例２］
アノード側のステンレスメッシュとして、溝が平面視において波状の流路を形成するように加工したものを使用した。カソード側のステンレスメッシュとして、溝が平面視においてストレートの流路を形成するように加工したものを使用した。これら以外は、実施例１と同様である。
【００８８】
［比較例］
アノード側のステンレスメッシュおよびカソード側のステンレスメッシュともに、溝が平面視においてストレートの流路を形成するように加工したものを使用した。これら以外は、実施例１と同様である。
【００８９】
実施例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。水素流量は０．７８ｎＬ／ｍｉｎ、空気流量は２．５ｎＬ／ｍｉｎの流量一定とした。
【００９０】
評価結果を図１０に示す。また、カソードの圧力損失は、実施例１が８８．０ｋＰａ、実施例２が３０．０ｋＰａ、比較例が３０．０ｋＰａであった。
【００９１】
図１０に示すように、比較例の電極部材を用いたセルは、セル電圧が低かった。比較例では、アノードの流路構造およびカソードの流路構造がともにストレート状であるので、部品公差や組み付け公差によって、アノード電極部材における頂点部と、カソード電極部材における頂点部とが、ずれてしまうことがある。このため、アノード電極部材とカソード電極部材との間の接触面圧が小さく、さらに、接触点数も少なく、接触抵抗が上昇したために、内部抵抗であるセル抵抗が高くなったからである、と推察できる。
【００９２】
一方、実施例１、２の電極部材を用いたセルは、アノード側の溝とカソード側の溝とが平面視において交差する。アノード電極部材における頂点部と、カソード電極部材における頂点部とが、アノード触媒層、高分子電解質膜およびカソード触媒層を介して、向かい合って接触する。このため、アノード電極部材とカソード電極部材との間の接触面圧が大きく、さらに、接触点数も多く、接触抵抗が低下したために、内部抵抗であるセル抵抗が低くなったからである、と推察できる。
【００９３】
実施例１、２の電極部材を用いたセルは、フラッディングが生じやすい高加湿条件においてもセル電圧が急激に低下していない。このため、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、良好な性能を示す、と推察できる。
【００９４】
さらに実施例２では、カソードの流路構造がストレート状であるため、カソードの圧力損失が、実施例１よりも小さかった。このことによって、空気を供給するコンプレッサーの負荷を下げることができ、システム効率を高めることができる。
【００９５】
以上から、アノード側の溝とカソード側の溝とを交差させて配置した燃料電池セルは、交差させない燃料電池セルに比べて、アノード電極部材とカソード電極部材との間の接触面圧を十分に確保するとともに接触点数も十分に確保し、内部抵抗であるセル抵抗を低くして、セル電圧を高め、良好な性能を示すことがわかった。さらに、カソード側の溝を平面視においてストレート状とすることによって、空気を供給するコンプレッサーの負荷を下げることができ、システム効率を高めることができることがわかった。
【符号の説明】
【００９６】
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、
３０ｃ カソード触媒層、
３１ａ カーボン粒子層、
３１ｃ カーボン粒子層、
４０ 積層体（アノード触媒層、高分子電解質膜およびカソード触媒層）、
５０ａ アノード電極部材、
５０ｃ カソード電極部材、
６０ａ アノード、
６０ｃ カソード、
７０ 膜電極接合体（ＭＥＡ）、
８０ａ アノード平板セパレータ、
８０ｃ カソード平板セパレータ、
８２ 平面、
１００ 織物、
１０１ メタルメッシュ（織物）、
１０２ 線材、
１０３ 開口部、
１１１ 頂点部、
１１２ 頂点部、
１２０ａ アノード側のメッシュ溝、
１２０ｃ カソード側のメッシュ溝、
１４０ 導電性防食処理のためのコーティング。
【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それぞれの面に設けられるアノード触媒層およびカソード触媒層と、
導電性を備えガスを遮断するためのアノードセパレータおよびカソードセパレータと、
前記アノード触媒層と前記アノードセパレータとの間に配置されて前記アノード触媒層とともにアノードを形成するアノード電極部材と、
前記カソード触媒層と前記カソードセパレータとの間に配置されて前記カソード触媒層とともにカソードを形成するカソード電極部材と、を有し、
前記アノード電極部材および前記カソード電極部材のそれぞれは、微細な溝が並列に複数本形成された導電性の織物であって、溝のピッチが０．２〜１ｍｍ、かつ、溝の深さが０．２〜１ｍｍである織物から構成され、
発電に寄与する反応部の少なくとも一部の領域において、前記アノード触媒層、前記高分子電解質膜およびカソード触媒層を介して、前記アノード電極部材を構成する前記織物におけるアノード側の溝と、前記カソード電極部材を構成する前記織物におけるカソード側の溝とが交差している、固体高分子形燃料電池。
【請求項２】
前記反応部のすべての領域において、前記アノード触媒層、前記高分子電解質膜およびカソード触媒層を介して、前記アノード側の溝と、前記カソード側の溝とが交差している、請求項１に記載の固体高分子形燃料電池。
【請求項３】
前記アノード側の溝および前記カソード側の溝のうちの一方の溝が、または、両方の溝のそれぞれが、平面視において波状の流路を形成する、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】
前記アノード側の溝および前記カソード側の溝のそれぞれが、平面視において波状の流路を形成し、
前記波状の流路のピッチ、幅、位相、および溝のピッチの少なくとも一つが、前記アノード側の溝と前記カソード側の溝との間でずれている、請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の固体高分子形燃料電池。
【請求項５】
前記アノード側の溝および前記カソード側の溝のそれぞれが、平面視において波状の流路を形成し、
前記波状の流路のピッチ、幅、および溝のピッチが、前記アノード側の溝および前記カソード側の溝ともに同じで、前記波状の流路の位相が、前記アノード側の溝と前記カソード側の溝との間で逆である、請求項１〜請求項３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】
前記アノード側の溝および前記カソード側の溝のそれぞれが、平面視において波状の流路を形成し、
前記カソード側の溝がなす前記波状の流路の曲率が、前記アノード側の溝がなす前記波状の流路の曲率よりも小さい、請求項１〜請求項３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】
前記アノード側の溝が、平面視において波状の流路を形成し、前記カソード側の溝が、平面視において直線状の流路を形成している、請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の固体高分子形燃料電池。
【請求項１】
高分子電解質膜と、
前記高分子電解質膜のそれぞれの面に設けられるアノード触媒層およびカソード触媒層と、
導電性を備えガスを遮断するためのアノードセパレータおよびカソードセパレータと、
前記アノード触媒層と前記アノードセパレータとの間に配置されて前記アノード触媒層とともにアノードを形成するアノード電極部材と、
前記カソード触媒層と前記カソードセパレータとの間に配置されて前記カソード触媒層とともにカソードを形成するカソード電極部材と、を有し、
前記アノード電極部材および前記カソード電極部材のそれぞれは、微細な溝が並列に複数本形成された導電性の織物であって、溝のピッチが０．２〜１ｍｍ、かつ、溝の深さが０．２〜１ｍｍである織物から構成され、
発電に寄与する反応部の少なくとも一部の領域において、前記アノード触媒層、前記高分子電解質膜およびカソード触媒層を介して、前記アノード電極部材を構成する前記織物におけるアノード側の溝と、前記カソード電極部材を構成する前記織物におけるカソード側の溝とが交差している、固体高分子形燃料電池。
【請求項２】
前記反応部のすべての領域において、前記アノード触媒層、前記高分子電解質膜およびカソード触媒層を介して、前記アノード側の溝と、前記カソード側の溝とが交差している、請求項１に記載の固体高分子形燃料電池。
【請求項３】
前記アノード側の溝および前記カソード側の溝のうちの一方の溝が、または、両方の溝のそれぞれが、平面視において波状の流路を形成する、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】
前記アノード側の溝および前記カソード側の溝のそれぞれが、平面視において波状の流路を形成し、
前記波状の流路のピッチ、幅、位相、および溝のピッチの少なくとも一つが、前記アノード側の溝と前記カソード側の溝との間でずれている、請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の固体高分子形燃料電池。
【請求項５】
前記アノード側の溝および前記カソード側の溝のそれぞれが、平面視において波状の流路を形成し、
前記波状の流路のピッチ、幅、および溝のピッチが、前記アノード側の溝および前記カソード側の溝ともに同じで、前記波状の流路の位相が、前記アノード側の溝と前記カソード側の溝との間で逆である、請求項１〜請求項３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】
前記アノード側の溝および前記カソード側の溝のそれぞれが、平面視において波状の流路を形成し、
前記カソード側の溝がなす前記波状の流路の曲率が、前記アノード側の溝がなす前記波状の流路の曲率よりも小さい、請求項１〜請求項３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】
前記アノード側の溝が、平面視において波状の流路を形成し、前記カソード側の溝が、平面視において直線状の流路を形成している、請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の固体高分子形燃料電池。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図７Ｃ】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図７Ｃ】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１１−４８９３６（Ｐ２０１１−４８９３６Ａ）
【公開日】平成２３年３月１０日（２０１１．３．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１９４４０５（Ｐ２００９−１９４４０５）
【出願日】平成２１年８月２５日（２００９．８．２５）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【出願人】（５９１０３２２１９）株式会社三木製作所 (4)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年３月１０日（２０１１．３．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年８月２５日（２００９．８．２５）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【出願人】（５９１０３２２１９）株式会社三木製作所 (4)
【Ｆターム（参考）】
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