固体高分子形燃料電池
【課題】多孔質ガス流路内の発電面側における凝縮水の移動を促進し、燃料電池を高電流密度で作動させた場合でも、ガス拡散性を確保する。
【解決手段】電解質膜・電極触媒接合体（ＭＥＡ）と、ＭＥＡのアノードに燃料ガスを供給する導電性多孔質体および、ＭＥＡのカソードに酸化剤ガスを供給する導電性多孔質体と、燃料ガス流路と酸化剤ガス流路とを隔てるセパレータで構成される単位発電セルを複数積層した固体高分子形燃料電池であって、ガス流路を構成する導電性多孔質体は、ＭＥＡ側に配置される第一の多孔質層と、セパレータ側に配置される第二の多孔質層の少なくとも２層から構成され、第二の多孔質層の細孔のモード径は、第一の多孔質層の細孔のモード径よりも小さく、第一の多孔質層と第二の多孔質層の間には、第一の多孔質層及び第二の多孔質層を流路壁とする流路が設けられていることを特徴とする。
【解決手段】電解質膜・電極触媒接合体（ＭＥＡ）と、ＭＥＡのアノードに燃料ガスを供給する導電性多孔質体および、ＭＥＡのカソードに酸化剤ガスを供給する導電性多孔質体と、燃料ガス流路と酸化剤ガス流路とを隔てるセパレータで構成される単位発電セルを複数積層した固体高分子形燃料電池であって、ガス流路を構成する導電性多孔質体は、ＭＥＡ側に配置される第一の多孔質層と、セパレータ側に配置される第二の多孔質層の少なくとも２層から構成され、第二の多孔質層の細孔のモード径は、第一の多孔質層の細孔のモード径よりも小さく、第一の多孔質層と第二の多孔質層の間には、第一の多孔質層及び第二の多孔質層を流路壁とする流路が設けられていることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素と酸素との化学反応により電気エネルギーを発生させる燃料電池に係わる。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子形燃料電池は、固体高分子電解質膜とその両側を燃料極触媒層（以降アノードと呼ぶ）と酸化剤極触媒層（以降カソードと呼ぶ）とで被覆した電解質膜・電極触媒接合体の両側を多孔質のカーボン材からなるガス拡散層で挟む。さらにその両側に燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給するためのバイポーラープレートを配置して構成する単位発電セルを複数積層して積層体（以降スタックと呼ぶ）を形成し、この積層体の両端を締付板等により締め付けて燃料電池スタックが構成される。
【０００３】
バイポーラープレートは、その片面に燃料ガス又は酸化剤ガスの流路を、もう片方の面に冷却媒体流路を備えているのが一般的であり、例えば、金属薄板をプレス加工により凹凸を成形することにより製作される。このバイポーラープレートを用いた燃料電池の場合、アノード側では燃料ガス流路の凸面（以降リブと呼ぶ）が、カソード側では酸化剤ガス流路のリブがガス拡散層に接する。この接触部分において、反応で生じた電子の授受を行い、電気化学反応により生じた熱を冷却流路に流れる冷却媒体へ伝える。また、燃料ガス又は酸化剤ガスは凹部を流れ、ガス拡散層を介して電極触媒へ供給される。
【０００４】
燃料電池は他の動力源に比べ効率が高いこと、環境負荷が低いことなどから、定置用分散電源や車載用電源への実用化が進んでいる。例えば、車載用電源の場合には小型軽量といった高出力密度化が求められている。このためには、発電面全体にわたり一様な発電をすること、発電に直接寄与しない部品の削減が必要となる。
【０００５】
従来のバイポーラープレートは金属薄板をプレス加工することで反応ガス流路を形成していたが、ガス拡散層と接するリブでは通電のみを、流路部ではガス拡散を担うというように役割が分割されており、リブや流路幅のサイズで通電部とガス拡散部の分布が生じてしまう。発電の一様化にはリブと流路の幅を細分化することが有効であるが、加工の観点から細分化には限界がある。
【０００６】
このようなプレス加工のバイポーラープレートに代わり、細孔が連通した導電性多孔質体を反応ガス流路に用いる方法が考えられる。すなわち、多孔質体を用いると、通電部分である多孔質体の骨格部とガス拡散部分の連通細孔が混合一様化することが可能となる。
これにより発電反応の一様化が図られ、出力の向上が期待できる。
【０００７】
しかしながら、固体高分子形燃料電池では電気化学反応により水が生成されるため、この水が多孔質体の細孔に滞留し、ガス拡散を阻害する可能性があることから、ガス拡散性だけでなく、水管理も考慮しなければならない。
【０００８】
例えば、特許文献１には、燃料ガスを供給するガス拡散層と酸化ガスを供給するガス拡散層によって膜電極接合体を挟持した電池セルを備える燃料電池において、膜電極接合体側に設けられた撥水性カーボンペーパー層と、その上に積層されたポーラスカーボンペーパー層でガス拡散層を構成し、ポーラスカーボンペーパー層内にガス中空流路を形成した構成が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００６−３３９０８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
燃料電池では、下記反応により燃料である水素と、酸化剤である空気中の酸素が消費されて、水と熱と電力が発生する。
【００１１】
２Ｈ2＋Ｏ2 → ２Ｈ2Ｏ＋（熱）＋（電力）
この反応は、流路に沿って上流から下流に流れる間に生じているので、下流に行くにしたがい反応ガス流量が減り、酸化剤ガス側であれば反応で発生された水蒸気が流入し、燃料ガス側でも濃度拡散及び電気浸透に基づきカソード側から固体高分子電解質膜を介して移動してきた水が流入する。水蒸気濃度が増大し、飽和濃度を超えれば凝縮水が発生してガス欠を、また凝縮水によるフラディングを生じて、セル電圧の低下や寿命の低下を招くという課題がある。
【００１２】
特許文献１に示されているガス流路は、カーボン繊維を用いた多孔質のガス拡散層にガス流路が形成されており、ガスの拡散性向上が期待できるが、撥水層が電解質膜・電極触媒接合体側に配置されることから、電気化学反応により生成される水が液相となる条件では触媒層と撥水層の間に水が滞留し、ガス拡散を阻害されることが考えられる。すなわち、多孔質ガス流路内の発電面側における領域に水が滞留してしまうと、触媒層へのガス供給流路が遮断されガスの拡散を阻害することになる。従来、多孔質ガス流路の内の発電面側における領域のフラディングの抑制に関しては十分な検討がなされていなかった。
【００１３】
本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたもので、多孔質ガス流路内の発電面側における水の移動を促進することで、ガスの拡散性を確保し、出力を向上することができる固体高分子型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】
【００１４】
本発明の固体高分子形燃料電池は、電解質膜・電極触媒接合体と、前記接合体のアノードに燃料ガスを供給する導電性多孔質体および、前記接合体のカソードに酸化剤ガスを供給する導電性多孔質体と、燃料ガス流路と酸化剤ガス流路とを隔てるセパレータで構成される単位発電セルを複数積層した固体高分子形燃料電池であって、ガス流路を構成する前記導電性多孔質体は、前記接合体側に配置される第一の多孔質層と、セパレータ側に配置される第二の多孔質層の少なくとも２層から構成され、前記第二の多孔質層の細孔のモード径は、前記第一の多孔質層の細孔のモード径よりも小さく、前記第一の多孔質層と前記第二の多孔質層の間には、前記第一の多孔質層及び前記第二の多孔質層を流路壁とする流路が設けられていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の固体高分子型燃料電池によれば、多孔質ガス流路内の発電面側における水の移動が促進され、ガスの拡散性を確保し、出力を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明に係わる燃料電池の第一の実施形態に適用するスタック断面の模式図。
【図２】本発明に係わる燃料電池の第一の実施形態に適用する単位セルの部分断面の模式図。
【図３】本発明に係わる燃料電池の第一の実施形態に適用する多孔質ガス流路の加工方法。
【図４】本発明に係わるバイポーラープレート構造を示す分解図である。
【図５】本発明に係わる燃料電池の第一の実施形態における反応ガスの移動と水の移動を示す模式図。
【図６】本発明に係わる燃料電池の第一の実施形態における変形例を示す単位セルの部分断面の模式図。
【図７】本発明に係わる燃料電池の第一の実施形態における変形例を示す単位セルの部分断面の模式図。
【図８】本発明に係わる燃料電池の第二の実施形態を示す単位セルの部分断面の模式図。
【図９】本発明に係わる導電性多孔質体の変形例を示す単位セルの部分断面の模式図。
【図１０】本発明に係わる導電性多孔質体の変形例を示す単位セルの部分断面の模式図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明の固体高分子型燃料電池は、電解質膜・電極触媒接合体（以下、ＭＥＡと呼ぶ）と、ＭＥＡのアノードに燃料ガスを供給する導電性多孔質体および、ＭＥＡのカソードに酸化剤ガスを供給する導電性多孔質体と、燃料ガス流路と酸化剤ガス流路とを隔てるセパレータで構成される単位発電セルを複数積層して構成したものである。
【００１８】
ガス流路となる導電性多孔質体は、ＭＥＡ側に配置される第一の多孔質層と、セパレータ側に配置される第二の多孔質層の少なくとも２層から構成されており、第二の多孔質層の細孔のモード径を、第一の多孔質層の細孔のモード径よりも小さくし、第一の多孔質層と第二の多孔質層の間には、第一の多孔質層及び第二の多孔質層を流路壁とする流路が設けられていることを特徴とする。
【００１９】
この構成により、毛管力の差によって第一の多孔質層の生成水を第二の多孔質層に移動させることができる。これにより、多孔質ガス流路内の発電面側となる第一の多孔質層での生成水の滞留が抑制され、ガスの拡散経路を確保することができる。さらに、この構成では、流路全体が多孔質構造である場合に比べて、流路を設けたことによって圧力損失を低減することが可能となる。また、上記流路を第一の多孔質層と第二の多孔質層の間に設けたことにより、電解質膜・電極触媒接合体およびセパレータに接する面には流路を形成していないため、多孔質体の金属部分が発電面全域にわたりほぼ均一に接することができるため、発電面積の有効利用が可能になる。さらに、反応ガスは第一の多孔質層及び第二の多孔質層の間に設けた流路を流れ、流路壁の一部となっている第一の多孔質層の細孔内を通って触媒層に供給される。上述の通り、第一の多孔質層は生成水の滞留が抑制されているため、安定したガス拡散性を維持することができ、セル電圧の低下や寿命の低下を防止することができる。
【００２０】
また、本発明の導電性多孔質体の好ましい形態は以下である。
【００２１】
第一の多孔質層は、細孔のモード径が大きい領域と小さい領域が所定のパターンで設けられている。多孔質ガス流路内の発電面側となる第一の多孔質層では、毛管力の差によって生成水が細孔径の大きい領域から細孔径の小さい領域に移動することにより、細孔径の大きい領域での水の滞留が抑制され、触媒層へのガスの拡散経路を確保することができる。したがって、第一の多孔質層の内部でも生成水の移動を促進することができる。
ここで、モード径とは、多孔質体の細孔径分布を測定した際の最頻細孔径をいう。
【００２２】
第二の多孔質層が第一の多孔質層のモード径が小さい領域と接するように第一の多孔質層と第二の多孔質層とを積層した構成とする。この構成において、第一の多孔質層において、細孔径の大きい領域から細孔径の小さい領域に移動した生成水を、毛管力の差によって第二の多孔質層に移動させることができる。これにより、多孔質ガス流路内の発電面側となる第一の多孔質層での生成水の滞留がさらに抑制されることになる。
【００２３】
導電性多孔質体を構成する材質としては、強度に優れる金属材料を用いることが好ましい。金属多孔質体を用いることにより、気孔率を大きくすることができ、ガス拡散性を向上することができる。
【００２４】
第二の多孔質層は、第一の多孔質層と対向する面に凹凸を備え、第二の多孔質層の凸部上面が第一の多孔質層のモード径が小さい領域と接していることが好ましい。この構成により、第一の多孔質層のモード径が小さい領域から第二の多孔質層への生成水の移動を促進するとともに、第二の多孔質層の凹部の空間によって流路を形成することができる。
【００２５】
また、第一の多孔質層および第二の多孔質層が、互いに向き合う面に凹凸を備え、一方の凸部上面と他方の凹部底面が接するように積層された構成とすることもできる。この場合、第一の多孔質層の凹部底面に位置する領域が、モード径の小さい領域となっており、第一の多孔質層の凸部に位置する領域が、モード径の大きい領域となっていることが好ましい。これにより、第一の多孔質層凹部に移動してきた水を第一の多孔質層凹部に接している第二の多孔質層凸部へ毛管力により移動させることが可能であり、電解質膜・電極触媒接合体と第一の多孔質層との界面で水が滞留することを防止することができ、ガスの拡散経路を確保することができる。また、第一の多孔質層の凹部底面における厚さ方向の細孔のモード径を水平方向の細孔のモード径よりも小さくすることが好ましい。あるいは、第一の多孔質層の凹部底面における水平方向の細孔径を厚さ方向の細孔径よりも小さくすることが好ましい。このように凹部底面における厚さ方向と水平方向でモード径を変えることで、隣接する細孔径の大きい領域から小さい領域への生成水の移動を厚さ方向の細孔径の差による毛管力で行い、触媒層へのガスの拡散は比較的細孔径の大きい水平方向の細孔から行うことで、生成水の移動とガス拡散の両立を図ることができる。このような構成は、細孔径の異なる多孔質体を組み合わせたり、多孔質層の凹凸をプレス加工で成形することにより作製することができる。
【００２６】
第一の多孔質層および第二の多孔質層の両側に凹凸を設ける場合、層間に設ける流路の隙間を確保するために、凸部の幅を対向する凹部の幅より小さくなるようにして、積層した後の隣り合う凸部側面と凹部側面との間にできる間隔を流路とすることが好ましい。
【００２７】
導電性多孔質体としては、第一の多孔質層よりも第二の多孔質層の親水性を強くすることが好ましい。すなわち、第二の多孔質層と水との接触角を第一の多孔質層と水との接触角よりも小さくすることが好ましい。これにより、第一の多孔質層から第二の多孔質層への生成水の移動をより促進することができる。ここで、生成水の移動を促進させるために、第二の多孔質層の水との接触角は９０度未満とすることが好ましい。
【００２８】
また、本発明の固体高分子型燃料電池としては、ＭＥＡと導電性多孔質体との間にガス拡散層を設けてもよい。また、ガス拡散層を省略してＭＥＡと導電性多孔質体が接した構成とすることも可能である。
【００２９】
ガス拡散層を用いる場合には、ガス拡散層から第一の多孔質層への生成水の移動を促進するために、第一の多孔質層の水との接触角を、ガス拡散層の水との接触角よりも小さくすることが好ましい。
【００３０】
以下、本発明の燃料電池について、図面を用いて実施例を説明する。図１に示すのは、本実施例を適用した燃料電池スタック１００である。このスタックの構成は、燃料ガスをアノードに供給する供給口１１１，アノード排ガスを排出する排出口１１２，酸化剤ガスをスタックに供給する供給口１１３，カソード排ガスを排出する排出口１１４，電力を外部に取り出すための集電板１１５，集電板１１５の外側に配置される絶縁板１１６，反応ガスの漏洩を防止するためのシール部材１１７，反応ガスの供給口または排出口を備えた端板１１８と、発電部１０５よりなる。
【００３１】
図示していないが、電解質膜・電極触媒接合体１に１ＭＰａ程度の面圧が付与されるようにスタック構成部材の積層方向に荷重を付与する機構を備える。燃料電池スタックの運転温度上限を制限するために、一般的には冷却セルを備えるが、本実施例では冷却セルは反応ガス流路と一体化されていると仮定して省略した。スタックを構成する単位発電セルの詳細については後述する。
【００３２】
端板１１８はＳＵＳといった金属材料を用いてもよいが、ＰＰＳ（Poly Phenylene Sulfide）といった絶縁性樹脂を用いることで、絶縁板１１６と端板を兼ねる構造としても良い。集電板１１５は、燃料電池が発電した電気エネルギーを外部に取り出す端子であり、銅に金メッキしたものを使用することで耐食性と導電性を両立できる。
【実施例１】
【００３３】
図２は本発明に係わる燃料電池の第一の実施形態に適用する単位セル断面の一部を示す模式図である。単位セルは、発電反応が生じる電解質膜・電極触媒接合体１、この外側にそれぞれ配置されるアノード側およびカソード側ガス拡散層２，第一の多孔質層４，第二の多孔質層５およびセパレータ３から構成される。
【００３４】
本実施例では電解質膜・電極触媒接合体１と第一の多孔質層４との間にカーボンペーパーやカーボンフェルトからなるガス拡散層２を備えた例を示すが、多孔質ガス流路４に機能一体化される場合は省略されることがある。また、図示していないが、単位セルには反応ガスの漏洩を防止するためのシール部材を備えている。
【００３５】
電解質膜・電極触媒接合体１は、フッ素系あるいは炭化水素系の固体高分子材料からなる固体高分子電解質膜，白金などの触媒が坦持されたカーボンペーストからなるアノードおよびカソードから構成される。
【００３６】
第一の多孔質層４および第二の多孔質層５は金属材料からなる連通細孔の多孔質体であり、材料としては、チタン，アルミニウム，マグネシウム，ニッケル，クロム，モリブデンおよびこれらを一部に含む例えばＳＵＳなどの合金などから選定する。発泡や焼結，微細金属繊維の結着などにより製造され、気孔率はどちらも７５％以上であることが望ましい。細孔分布としては、第一の多孔質層４はモード径が３００μｍ以上で、第二の多孔質層５はモード径が３００μｍ未満とする。
【００３７】
さらに、第二の多孔質層５は第一の多孔質層４に比べ親水性が強くなるようにする。親水化する方法としては、スパッタリングやメッキ，イオンプレーティングなどにより金をコーティングする方法やオゾン雰囲気中でのＵＶ照射、テトラ−ｉ−プロポキシチタンなどの有機チタン化合物を用いて表面にコーティングする方法などがある。
【００３８】
セパレータ３は、厚さ０.２mm以下の純金属や合金、あるいはこれら複数の金属プレートを積層し圧延したクラッド材を用いる。材質としては、例えば、チタン，ＳＵＳ，アルミニウム，マグネシウムなどとする。
【００３９】
以降、燃料ガスは水素、酸化剤ガスは空気として説明を進めるが、燃料ガスは水素リッチなガスであれば対応可能であり、酸化剤ガスは酸素であれば最も良い。
【００４０】
第一の多孔質層４および第二の多孔質層５の互いに対向する面には凹凸が形成されており、第一の多孔質層４の凸部と第二の多孔質層５凹部、第一の多孔質層４の凹部と第二の多孔質層５の凸部を対向させ、互いの凸部上面が相手側の凹部底面に接するよう積層されている。
【００４１】
図３は本実施形態に適用する多孔質ガス流路の成形例を示す。厚さ０.３mm〜１.０mmの多孔質平板である第一の多孔質層４および第二の多孔質層５（図３Ａ）に対して、片面に凹凸を有する多孔質流路成形型１５ａおよび１５ｂを用いてプレス加工する（図３Ｂ）。
多孔質流路成形型１５ａおよび１５ｂに加工された凹凸形状は、凸部の上面幅Ｌ１が凹部の底面幅Ｌ２より大きくなる形状とする（図３Ｅ）。即ち、加工された多孔質層４および５の凹部底面の幅に比べ、凸部の上面幅が小さくなるようにする。ここで、凸部の上面幅が１mm以上となることが望ましい。また、凹凸の高さは、それぞれの多孔質体厚みの２／３以下とすることが望ましい。本実施例の凹凸形状は台形であるが、台形に限定されるものではない。
【００４２】
プレス加工された多孔質体は、多孔質流路成形型１５ａおよび１５ｂの凹部により圧縮された第一の多孔質層凸部４ａ，第二の多孔質層凸部５ａ，多孔質流路成形型１５ａおよび１５ｂの凸部により圧縮された第一の多孔質層凹部４ｂ，第二の多孔質層凹部５ｂに分類される（図３Ｃ）。前述の通り、第一の多孔質層凸部４ａ上面が第二の多孔質層凹部５ｂの底面に接し、第二の多孔質層凸部５ａの上面が第一の多孔質層凹部４ｂの底面に接するよう積層されることで２層からなる多孔質流路が構成される。ここで、凸部上面の幅と凹部底面の幅の中心がほぼ等しくなるように積層されることが望ましい。このとき、対向する凹凸はサイズが異なることから、隣り合う凸部側面と凹部側面の間に間隔ができる（図３Ｄ）。
【００４３】
図４は本実施例のバイポーラープレート構造を示す分解図である。セパレータの役割を担う金属平板からなるセパレータ３には、反応ガスや冷却水を供給または排出するためのマニホールドが設けられている。セパレータ３が電解質膜・電極触媒接合体１と対峙する面には、セパレータ３側から順に第二の多孔質層５の凹凸加工されていない面が積層され、多孔質層５の凹凸面と第二の多孔質層４の凹凸面が向き合うように積層される。
【００４４】
本実施例における反応ガスの移動と生成水の移動を示した模式図を図５に示す。まず図５Ａにガスの移動を示す。ガスは流路６を図の紙面垂直方向に流れながら第一の多孔質層４へ拡散し、さらにガス拡散層２を介して電解質膜・電極触媒接合体１へ供給される（図５Ａにセル断面内でのガスの移動を矢印で示した）。ここで、プレス加工により圧縮された第一の多孔質層凹部５ｂは、圧縮方向の気孔径はほとんど変化しないことから、流路６から電解質膜・電極触媒接合体１方向へのガスの拡散性は圧縮された第一の多孔質層凸部４ａと同等と考えられる。このため、発電面へのガスの拡散性はほぼ一様となると期待できる。
【００４５】
次に、図５Ｂを用いて生成水の移動を説明する（図５Ｂにセル断面内での生成水の移動を矢印で示した）。ここで、生成水は液相の水を意味する。ガス拡散層２から排出された生成水は第一の多孔質層４へ流入するが、プレス加工により圧縮された第一の多孔質層凹部４ｂの圧縮方向と垂直方向は気孔径が小さくなる。細孔を簡単な円筒形状と考えると毛管力ｐは次式で表される。
【００４６】
ｐ＝４γcosθ／Ｄ （１）
ここで、γは水の表面張力、θは水と壁面との接触角、Ｄは円筒直径である。これより、円筒直径、即ち細孔直径が小さいほど毛管力は強くなることから、圧縮方向と垂直方向の毛管力が第一の多孔質層凸部４ａよりも大きくなる。この毛管力の差により、生成水は圧縮された第一の多孔質層凹部４ｂへ移動させることができる。
【００４７】
圧縮された第一の多孔質層凹部４ｂには、第一の多孔質層４よりも気孔径が小さく且つ親水性が強い、即ちθが小さい第二の多孔質層凸部５ａが接触していることから、生成水は毛管力の大きな第二の多孔質層凸部５ａへ移動する。第二の多孔質層５においても前述と同様に、圧縮された第二の多孔質層凹部５ｂの圧縮方向と垂直方向の毛管力が強くなることから、生成水は第二の多孔質層凸部５ａから第二の多孔質層凹部５ｂへ移動する。
【００４８】
第二の多孔質層５は、第一の多孔質層４よりも親水性を強くすること、即ち（１）式のθが小さくなるようにすることで、より毛管力を大きくすることができ、速やかに生成水を移動させることが可能となる。
【００４９】
流路６を流動する反応ガスは、第二の多孔質層５内へも拡散することができる。第二の多孔質層５では第一の多孔質層４より移動させた生成水を保持するとともに、発電で生じた熱も伝わっている。供給する反応ガスの水蒸気濃度を飽和以下にすることで、保持した生成水が蒸発し、反応ガスを加湿することができる。
【００５０】
さらに、本実施例の構成では、第一の多孔質層４および第二の多孔質層５の平坦な面がそれぞれガス拡散層２およびセパレータ３に接続されることから、電子は発電面全域に供給され、発電面全体に亘りほぼ一様な発電反応を期待できる。
【００５１】
図６は第一の実施形態の変形例であり、複数の多孔質体からなる多孔質ガス流路構造を示す。図６Ａがセル断面方向から見た分解図で、図６Ｂがセル断面の一部を示す模式図である。電解質膜・電極触媒接合体１側に配置される多孔質層は多孔質体７と、多孔質体７よりも燃料電池セル積層方向の厚さが薄く、かつ発電面と対峙する面と水平な方向の気孔径が小さな多孔質体８から構成される。
【００５２】
セパレータ側に配置される多孔質層は多孔質体９および１０からなり、多孔質体１０は多孔質体９よりも燃料電池セル積層方向の厚さが薄く、何れも多孔質体７および８よりも細孔モード径が小さく、親水性が強くなるようにする。
【００５３】
多孔質体７が多孔質体１０に接する面の幅は多孔質体１０の幅より小さく、多孔質体９が多孔質体８に接する面の幅は多孔質体８の幅より小さくし、多孔質体７，８，９，１０で囲まれる部分が流路６となる。
【００５４】
多孔質体７と８の組合せはどちらも同じ細孔モード径、気孔率の多孔質体を用いることができ、多孔質体をプレス加工などの方法により圧縮すればよいが、前述の条件を満たす、異なる仕様の多孔質体、例えば、製造段階で厚さ方向や幅方向に細孔の異方性を持たせることで、生成水の移動をより促進できる構造とすることが可能となる。多孔質体９と１０の組合せも同様である。
【００５５】
図７は第一の実施形態の変形例であり、図７Ａが単位セル断面方向から見た分解図で、図７Ｂがセル断面の一部を示す模式図である。本構成では、第一の多孔質層４はプレス加工などにより形成した凹凸を有する多孔質体からなり、第一の多孔質層４の多孔質層凹部に積層される第二の多孔質層１１および第一の多孔質層４凸部および第二の多孔質層１１に積層される第三の多孔質層１２からなる。第一から第三の多孔質層で囲まれる部分が流路６となる。第二の多孔質層１１は第一の多孔質層４よりも細孔モード径を小さく、且つ親水性を強くし、第三の多孔質層１２は第二の多孔質層１１よりも細孔モード径を小さく、且つ親水性を強くすることで、生成水の移動を促進できる。
【００５６】
以上の構成によれば、多孔質ガス流路内の発電面側における凝縮水をセパレータ側への移動を促進し、ガス拡散経路を確保することができるため、燃料電池を高電流密度で作動させることができ、高出力の燃料電池を提供することができる。
【実施例２】
【００５７】
図８は、本発明に係わる燃料電池の第二の実施例に適用する単位セル断面の一部で、カソード側を示す模式図である。実施例１と共通する部分の説明は省略する。本実施例における第一の多孔質層４は平板状の多孔質体からなり、第二の多孔質層５は第一の多孔質層４と対峙する面に溝６が加工されている多孔質層である。第二の多孔質層５に設けられた溝６は、幅が０.５mm〜２mmで、深さが第二の多孔質層５の厚さの２／３以内とし、１mm以上の任意の間隔で配置する。
【００５８】
第一の多孔質層４はモード径が３００μｍ以上で、第二の多孔質層５はモード径が３００μｍ未満とする。さらに、第二の多孔質層５は第一の多孔質層４に比べ親水性が強くなるようにする。
【００５９】
本発明に適用する多孔質体の製造方法としては、例えば以下に示す焼結の方法が適用できる。まず、ステンレスやチタンといった金属粉末を分粒し、粒径２００μｍ以下の粉末を用いる。この粉末に空孔を形成するスペーサーとなる樹脂を混入する。樹脂は、所望の空孔を形成できるもので、焼結の際や焼結前後に除去可能な材質からなるものであればよい。例えば、溶剤での除去や、熱溶融により除去できるパラフィンでスペーサーを作製する。スペーサーの形状としては様々な形状が使用でき、例えば球状，線状が考えられる。
線状としては、形成する多孔質体厚さよりも長く、太さは１０μｍ〜４００μｍの範囲とする。特に、第一の多孔質層４に線状のスペーサーを混入させることにより、多孔質層の面と水平方向に確実な連通孔が形成される。また、球状スペーサーにより、厚さ方向や、線状スペーサーとの連通孔が形成される。
【００６０】
多孔質層の細孔は樹脂の体積部分と考えた場合、金属粉末と樹脂との混合体は樹脂の体積分率が７５％〜９５％とする。この混合体を所定の厚さに成形し、スペーサーの除去及び焼結を行う。
【００６１】
第二の多孔質層５に形成される溝６は、焼結後の多孔質層を切削したり、焼結前に予め溝形状になるように成形しておいたり、空孔を形成するスペーサーと同じ材質で、溝形状となるスペーサーを備えることが可能であり、溝の断面は図８に示したような矩形に限定されるものではない。
【００６２】
以上の構成によれば、ガス拡散層から排出された凝縮水は、第一の多孔質層４に流入した後、線状スペーサーにより形成された面内方向空孔により面内方向に容易に移動できるようになるとともに、第二の多孔質層５と接する部分では球状スペーサーにより形成された厚さ方向の空孔を移動することで、第二の多孔質層５へ移動することができる。このため、第一の多孔質層４での凝縮水の滞留を防止でき、ガス拡散性が確保されることから、高出力な燃料電池を提供することができる。
【実施例３】
【００６３】
導電性多孔質体の変形例を図９，図１０に示す。図９の導電性多孔質体は、実施例２と同様に第一の多孔質層４は平板状の多孔質体からなり、第二の多孔質層５は第一の多孔質層４と対峙する面に溝６が加工されている多孔質層である。実施例２と異なる点は、第一の多孔質層４が細孔のモード径が小さい領域４ｃと細孔のモード径が大きい領域４ｄが所定のパターンで設けられており、モード径が小さい領域４ｃと第二の多孔質層５の凸部上面が接するように積層されている点である。その他の構成は実施例２と同様である。図９の構成によれば、ガス拡散層から排出された凝縮水は第一の多孔質層４の内部で毛管力の差によって細孔のモード径が大きい領域４ｄからモード径が小さい領域４ｃへ移動する。
さらに、モード径が小さい領域４ｃへ移動した凝縮水は第二の多孔質層５へ移動する。これにより、第一の多孔質層４での凝縮水の滞留を防止でき、ガスの拡散経路が確保されることから、高出力な燃料電池を提供することができる。
【００６４】
図１０の導電性多孔質体は、実施例２とは逆に第一の多孔質層４は第二の多孔質層５と対峙する面に溝６が加工され、第二の多孔質層５は平板状の多孔質体からなる多孔質層である。第一の多孔質層４に設けられた溝６は、幅が０.５mm〜２mmで、深さが第二の多孔質層５の厚さの２／３以内とし、１mm以上の任意の間隔で配置されている。また、第一の多孔質層４はモード径が３００μｍ以上で、第二の多孔質層５はモード径が３００μｍ未満とする。さらに、第二の多孔質層５は第一の多孔質層４に比べ親水性が強くなるようにする。図１０の構成においても、ガス拡散層から排出された凝縮水は、第一の多孔質層４に流入した後、毛管力の差によって第二の多孔質層５に移動する。これにより、第一の多孔質層４での凝縮水の滞留を防止でき、ガスの拡散経路が確保されることから、高出力な燃料電池を提供することができる。
【符号の説明】
【００６５】
１ 電解質膜・電極触媒接合体
２ ガス拡散層
３ セパレータ
４，７ 第一の多孔質層
４ａ 第一の多孔質層凸部
４ｂ 第一の多孔質層凹部
５，８，１１ 第二の多孔質層
５ａ 第二の多孔質層凸部
５ｂ 第二の多孔質層凹部
６ 流路
９，１２ 第三の多孔質層
１０ 成形用型
１５ 多孔質流路成形用型
１００ 燃料電池スタック
１０５ 発電部
１１１ 燃料ガス供給口
１１２ 燃料ガス排出口
１１３ 酸化剤ガス供給口
１１４ 酸化剤ガス排出口
１１５ 集電板
１１６ 絶縁板
１１７ シール
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素と酸素との化学反応により電気エネルギーを発生させる燃料電池に係わる。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子形燃料電池は、固体高分子電解質膜とその両側を燃料極触媒層（以降アノードと呼ぶ）と酸化剤極触媒層（以降カソードと呼ぶ）とで被覆した電解質膜・電極触媒接合体の両側を多孔質のカーボン材からなるガス拡散層で挟む。さらにその両側に燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給するためのバイポーラープレートを配置して構成する単位発電セルを複数積層して積層体（以降スタックと呼ぶ）を形成し、この積層体の両端を締付板等により締め付けて燃料電池スタックが構成される。
【０００３】
バイポーラープレートは、その片面に燃料ガス又は酸化剤ガスの流路を、もう片方の面に冷却媒体流路を備えているのが一般的であり、例えば、金属薄板をプレス加工により凹凸を成形することにより製作される。このバイポーラープレートを用いた燃料電池の場合、アノード側では燃料ガス流路の凸面（以降リブと呼ぶ）が、カソード側では酸化剤ガス流路のリブがガス拡散層に接する。この接触部分において、反応で生じた電子の授受を行い、電気化学反応により生じた熱を冷却流路に流れる冷却媒体へ伝える。また、燃料ガス又は酸化剤ガスは凹部を流れ、ガス拡散層を介して電極触媒へ供給される。
【０００４】
燃料電池は他の動力源に比べ効率が高いこと、環境負荷が低いことなどから、定置用分散電源や車載用電源への実用化が進んでいる。例えば、車載用電源の場合には小型軽量といった高出力密度化が求められている。このためには、発電面全体にわたり一様な発電をすること、発電に直接寄与しない部品の削減が必要となる。
【０００５】
従来のバイポーラープレートは金属薄板をプレス加工することで反応ガス流路を形成していたが、ガス拡散層と接するリブでは通電のみを、流路部ではガス拡散を担うというように役割が分割されており、リブや流路幅のサイズで通電部とガス拡散部の分布が生じてしまう。発電の一様化にはリブと流路の幅を細分化することが有効であるが、加工の観点から細分化には限界がある。
【０００６】
このようなプレス加工のバイポーラープレートに代わり、細孔が連通した導電性多孔質体を反応ガス流路に用いる方法が考えられる。すなわち、多孔質体を用いると、通電部分である多孔質体の骨格部とガス拡散部分の連通細孔が混合一様化することが可能となる。
これにより発電反応の一様化が図られ、出力の向上が期待できる。
【０００７】
しかしながら、固体高分子形燃料電池では電気化学反応により水が生成されるため、この水が多孔質体の細孔に滞留し、ガス拡散を阻害する可能性があることから、ガス拡散性だけでなく、水管理も考慮しなければならない。
【０００８】
例えば、特許文献１には、燃料ガスを供給するガス拡散層と酸化ガスを供給するガス拡散層によって膜電極接合体を挟持した電池セルを備える燃料電池において、膜電極接合体側に設けられた撥水性カーボンペーパー層と、その上に積層されたポーラスカーボンペーパー層でガス拡散層を構成し、ポーラスカーボンペーパー層内にガス中空流路を形成した構成が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００６−３３９０８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
燃料電池では、下記反応により燃料である水素と、酸化剤である空気中の酸素が消費されて、水と熱と電力が発生する。
【００１１】
２Ｈ2＋Ｏ2 → ２Ｈ2Ｏ＋（熱）＋（電力）
この反応は、流路に沿って上流から下流に流れる間に生じているので、下流に行くにしたがい反応ガス流量が減り、酸化剤ガス側であれば反応で発生された水蒸気が流入し、燃料ガス側でも濃度拡散及び電気浸透に基づきカソード側から固体高分子電解質膜を介して移動してきた水が流入する。水蒸気濃度が増大し、飽和濃度を超えれば凝縮水が発生してガス欠を、また凝縮水によるフラディングを生じて、セル電圧の低下や寿命の低下を招くという課題がある。
【００１２】
特許文献１に示されているガス流路は、カーボン繊維を用いた多孔質のガス拡散層にガス流路が形成されており、ガスの拡散性向上が期待できるが、撥水層が電解質膜・電極触媒接合体側に配置されることから、電気化学反応により生成される水が液相となる条件では触媒層と撥水層の間に水が滞留し、ガス拡散を阻害されることが考えられる。すなわち、多孔質ガス流路内の発電面側における領域に水が滞留してしまうと、触媒層へのガス供給流路が遮断されガスの拡散を阻害することになる。従来、多孔質ガス流路の内の発電面側における領域のフラディングの抑制に関しては十分な検討がなされていなかった。
【００１３】
本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたもので、多孔質ガス流路内の発電面側における水の移動を促進することで、ガスの拡散性を確保し、出力を向上することができる固体高分子型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】
【００１４】
本発明の固体高分子形燃料電池は、電解質膜・電極触媒接合体と、前記接合体のアノードに燃料ガスを供給する導電性多孔質体および、前記接合体のカソードに酸化剤ガスを供給する導電性多孔質体と、燃料ガス流路と酸化剤ガス流路とを隔てるセパレータで構成される単位発電セルを複数積層した固体高分子形燃料電池であって、ガス流路を構成する前記導電性多孔質体は、前記接合体側に配置される第一の多孔質層と、セパレータ側に配置される第二の多孔質層の少なくとも２層から構成され、前記第二の多孔質層の細孔のモード径は、前記第一の多孔質層の細孔のモード径よりも小さく、前記第一の多孔質層と前記第二の多孔質層の間には、前記第一の多孔質層及び前記第二の多孔質層を流路壁とする流路が設けられていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の固体高分子型燃料電池によれば、多孔質ガス流路内の発電面側における水の移動が促進され、ガスの拡散性を確保し、出力を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明に係わる燃料電池の第一の実施形態に適用するスタック断面の模式図。
【図２】本発明に係わる燃料電池の第一の実施形態に適用する単位セルの部分断面の模式図。
【図３】本発明に係わる燃料電池の第一の実施形態に適用する多孔質ガス流路の加工方法。
【図４】本発明に係わるバイポーラープレート構造を示す分解図である。
【図５】本発明に係わる燃料電池の第一の実施形態における反応ガスの移動と水の移動を示す模式図。
【図６】本発明に係わる燃料電池の第一の実施形態における変形例を示す単位セルの部分断面の模式図。
【図７】本発明に係わる燃料電池の第一の実施形態における変形例を示す単位セルの部分断面の模式図。
【図８】本発明に係わる燃料電池の第二の実施形態を示す単位セルの部分断面の模式図。
【図９】本発明に係わる導電性多孔質体の変形例を示す単位セルの部分断面の模式図。
【図１０】本発明に係わる導電性多孔質体の変形例を示す単位セルの部分断面の模式図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明の固体高分子型燃料電池は、電解質膜・電極触媒接合体（以下、ＭＥＡと呼ぶ）と、ＭＥＡのアノードに燃料ガスを供給する導電性多孔質体および、ＭＥＡのカソードに酸化剤ガスを供給する導電性多孔質体と、燃料ガス流路と酸化剤ガス流路とを隔てるセパレータで構成される単位発電セルを複数積層して構成したものである。
【００１８】
ガス流路となる導電性多孔質体は、ＭＥＡ側に配置される第一の多孔質層と、セパレータ側に配置される第二の多孔質層の少なくとも２層から構成されており、第二の多孔質層の細孔のモード径を、第一の多孔質層の細孔のモード径よりも小さくし、第一の多孔質層と第二の多孔質層の間には、第一の多孔質層及び第二の多孔質層を流路壁とする流路が設けられていることを特徴とする。
【００１９】
この構成により、毛管力の差によって第一の多孔質層の生成水を第二の多孔質層に移動させることができる。これにより、多孔質ガス流路内の発電面側となる第一の多孔質層での生成水の滞留が抑制され、ガスの拡散経路を確保することができる。さらに、この構成では、流路全体が多孔質構造である場合に比べて、流路を設けたことによって圧力損失を低減することが可能となる。また、上記流路を第一の多孔質層と第二の多孔質層の間に設けたことにより、電解質膜・電極触媒接合体およびセパレータに接する面には流路を形成していないため、多孔質体の金属部分が発電面全域にわたりほぼ均一に接することができるため、発電面積の有効利用が可能になる。さらに、反応ガスは第一の多孔質層及び第二の多孔質層の間に設けた流路を流れ、流路壁の一部となっている第一の多孔質層の細孔内を通って触媒層に供給される。上述の通り、第一の多孔質層は生成水の滞留が抑制されているため、安定したガス拡散性を維持することができ、セル電圧の低下や寿命の低下を防止することができる。
【００２０】
また、本発明の導電性多孔質体の好ましい形態は以下である。
【００２１】
第一の多孔質層は、細孔のモード径が大きい領域と小さい領域が所定のパターンで設けられている。多孔質ガス流路内の発電面側となる第一の多孔質層では、毛管力の差によって生成水が細孔径の大きい領域から細孔径の小さい領域に移動することにより、細孔径の大きい領域での水の滞留が抑制され、触媒層へのガスの拡散経路を確保することができる。したがって、第一の多孔質層の内部でも生成水の移動を促進することができる。
ここで、モード径とは、多孔質体の細孔径分布を測定した際の最頻細孔径をいう。
【００２２】
第二の多孔質層が第一の多孔質層のモード径が小さい領域と接するように第一の多孔質層と第二の多孔質層とを積層した構成とする。この構成において、第一の多孔質層において、細孔径の大きい領域から細孔径の小さい領域に移動した生成水を、毛管力の差によって第二の多孔質層に移動させることができる。これにより、多孔質ガス流路内の発電面側となる第一の多孔質層での生成水の滞留がさらに抑制されることになる。
【００２３】
導電性多孔質体を構成する材質としては、強度に優れる金属材料を用いることが好ましい。金属多孔質体を用いることにより、気孔率を大きくすることができ、ガス拡散性を向上することができる。
【００２４】
第二の多孔質層は、第一の多孔質層と対向する面に凹凸を備え、第二の多孔質層の凸部上面が第一の多孔質層のモード径が小さい領域と接していることが好ましい。この構成により、第一の多孔質層のモード径が小さい領域から第二の多孔質層への生成水の移動を促進するとともに、第二の多孔質層の凹部の空間によって流路を形成することができる。
【００２５】
また、第一の多孔質層および第二の多孔質層が、互いに向き合う面に凹凸を備え、一方の凸部上面と他方の凹部底面が接するように積層された構成とすることもできる。この場合、第一の多孔質層の凹部底面に位置する領域が、モード径の小さい領域となっており、第一の多孔質層の凸部に位置する領域が、モード径の大きい領域となっていることが好ましい。これにより、第一の多孔質層凹部に移動してきた水を第一の多孔質層凹部に接している第二の多孔質層凸部へ毛管力により移動させることが可能であり、電解質膜・電極触媒接合体と第一の多孔質層との界面で水が滞留することを防止することができ、ガスの拡散経路を確保することができる。また、第一の多孔質層の凹部底面における厚さ方向の細孔のモード径を水平方向の細孔のモード径よりも小さくすることが好ましい。あるいは、第一の多孔質層の凹部底面における水平方向の細孔径を厚さ方向の細孔径よりも小さくすることが好ましい。このように凹部底面における厚さ方向と水平方向でモード径を変えることで、隣接する細孔径の大きい領域から小さい領域への生成水の移動を厚さ方向の細孔径の差による毛管力で行い、触媒層へのガスの拡散は比較的細孔径の大きい水平方向の細孔から行うことで、生成水の移動とガス拡散の両立を図ることができる。このような構成は、細孔径の異なる多孔質体を組み合わせたり、多孔質層の凹凸をプレス加工で成形することにより作製することができる。
【００２６】
第一の多孔質層および第二の多孔質層の両側に凹凸を設ける場合、層間に設ける流路の隙間を確保するために、凸部の幅を対向する凹部の幅より小さくなるようにして、積層した後の隣り合う凸部側面と凹部側面との間にできる間隔を流路とすることが好ましい。
【００２７】
導電性多孔質体としては、第一の多孔質層よりも第二の多孔質層の親水性を強くすることが好ましい。すなわち、第二の多孔質層と水との接触角を第一の多孔質層と水との接触角よりも小さくすることが好ましい。これにより、第一の多孔質層から第二の多孔質層への生成水の移動をより促進することができる。ここで、生成水の移動を促進させるために、第二の多孔質層の水との接触角は９０度未満とすることが好ましい。
【００２８】
また、本発明の固体高分子型燃料電池としては、ＭＥＡと導電性多孔質体との間にガス拡散層を設けてもよい。また、ガス拡散層を省略してＭＥＡと導電性多孔質体が接した構成とすることも可能である。
【００２９】
ガス拡散層を用いる場合には、ガス拡散層から第一の多孔質層への生成水の移動を促進するために、第一の多孔質層の水との接触角を、ガス拡散層の水との接触角よりも小さくすることが好ましい。
【００３０】
以下、本発明の燃料電池について、図面を用いて実施例を説明する。図１に示すのは、本実施例を適用した燃料電池スタック１００である。このスタックの構成は、燃料ガスをアノードに供給する供給口１１１，アノード排ガスを排出する排出口１１２，酸化剤ガスをスタックに供給する供給口１１３，カソード排ガスを排出する排出口１１４，電力を外部に取り出すための集電板１１５，集電板１１５の外側に配置される絶縁板１１６，反応ガスの漏洩を防止するためのシール部材１１７，反応ガスの供給口または排出口を備えた端板１１８と、発電部１０５よりなる。
【００３１】
図示していないが、電解質膜・電極触媒接合体１に１ＭＰａ程度の面圧が付与されるようにスタック構成部材の積層方向に荷重を付与する機構を備える。燃料電池スタックの運転温度上限を制限するために、一般的には冷却セルを備えるが、本実施例では冷却セルは反応ガス流路と一体化されていると仮定して省略した。スタックを構成する単位発電セルの詳細については後述する。
【００３２】
端板１１８はＳＵＳといった金属材料を用いてもよいが、ＰＰＳ（Poly Phenylene Sulfide）といった絶縁性樹脂を用いることで、絶縁板１１６と端板を兼ねる構造としても良い。集電板１１５は、燃料電池が発電した電気エネルギーを外部に取り出す端子であり、銅に金メッキしたものを使用することで耐食性と導電性を両立できる。
【実施例１】
【００３３】
図２は本発明に係わる燃料電池の第一の実施形態に適用する単位セル断面の一部を示す模式図である。単位セルは、発電反応が生じる電解質膜・電極触媒接合体１、この外側にそれぞれ配置されるアノード側およびカソード側ガス拡散層２，第一の多孔質層４，第二の多孔質層５およびセパレータ３から構成される。
【００３４】
本実施例では電解質膜・電極触媒接合体１と第一の多孔質層４との間にカーボンペーパーやカーボンフェルトからなるガス拡散層２を備えた例を示すが、多孔質ガス流路４に機能一体化される場合は省略されることがある。また、図示していないが、単位セルには反応ガスの漏洩を防止するためのシール部材を備えている。
【００３５】
電解質膜・電極触媒接合体１は、フッ素系あるいは炭化水素系の固体高分子材料からなる固体高分子電解質膜，白金などの触媒が坦持されたカーボンペーストからなるアノードおよびカソードから構成される。
【００３６】
第一の多孔質層４および第二の多孔質層５は金属材料からなる連通細孔の多孔質体であり、材料としては、チタン，アルミニウム，マグネシウム，ニッケル，クロム，モリブデンおよびこれらを一部に含む例えばＳＵＳなどの合金などから選定する。発泡や焼結，微細金属繊維の結着などにより製造され、気孔率はどちらも７５％以上であることが望ましい。細孔分布としては、第一の多孔質層４はモード径が３００μｍ以上で、第二の多孔質層５はモード径が３００μｍ未満とする。
【００３７】
さらに、第二の多孔質層５は第一の多孔質層４に比べ親水性が強くなるようにする。親水化する方法としては、スパッタリングやメッキ，イオンプレーティングなどにより金をコーティングする方法やオゾン雰囲気中でのＵＶ照射、テトラ−ｉ−プロポキシチタンなどの有機チタン化合物を用いて表面にコーティングする方法などがある。
【００３８】
セパレータ３は、厚さ０.２mm以下の純金属や合金、あるいはこれら複数の金属プレートを積層し圧延したクラッド材を用いる。材質としては、例えば、チタン，ＳＵＳ，アルミニウム，マグネシウムなどとする。
【００３９】
以降、燃料ガスは水素、酸化剤ガスは空気として説明を進めるが、燃料ガスは水素リッチなガスであれば対応可能であり、酸化剤ガスは酸素であれば最も良い。
【００４０】
第一の多孔質層４および第二の多孔質層５の互いに対向する面には凹凸が形成されており、第一の多孔質層４の凸部と第二の多孔質層５凹部、第一の多孔質層４の凹部と第二の多孔質層５の凸部を対向させ、互いの凸部上面が相手側の凹部底面に接するよう積層されている。
【００４１】
図３は本実施形態に適用する多孔質ガス流路の成形例を示す。厚さ０.３mm〜１.０mmの多孔質平板である第一の多孔質層４および第二の多孔質層５（図３Ａ）に対して、片面に凹凸を有する多孔質流路成形型１５ａおよび１５ｂを用いてプレス加工する（図３Ｂ）。
多孔質流路成形型１５ａおよび１５ｂに加工された凹凸形状は、凸部の上面幅Ｌ１が凹部の底面幅Ｌ２より大きくなる形状とする（図３Ｅ）。即ち、加工された多孔質層４および５の凹部底面の幅に比べ、凸部の上面幅が小さくなるようにする。ここで、凸部の上面幅が１mm以上となることが望ましい。また、凹凸の高さは、それぞれの多孔質体厚みの２／３以下とすることが望ましい。本実施例の凹凸形状は台形であるが、台形に限定されるものではない。
【００４２】
プレス加工された多孔質体は、多孔質流路成形型１５ａおよび１５ｂの凹部により圧縮された第一の多孔質層凸部４ａ，第二の多孔質層凸部５ａ，多孔質流路成形型１５ａおよび１５ｂの凸部により圧縮された第一の多孔質層凹部４ｂ，第二の多孔質層凹部５ｂに分類される（図３Ｃ）。前述の通り、第一の多孔質層凸部４ａ上面が第二の多孔質層凹部５ｂの底面に接し、第二の多孔質層凸部５ａの上面が第一の多孔質層凹部４ｂの底面に接するよう積層されることで２層からなる多孔質流路が構成される。ここで、凸部上面の幅と凹部底面の幅の中心がほぼ等しくなるように積層されることが望ましい。このとき、対向する凹凸はサイズが異なることから、隣り合う凸部側面と凹部側面の間に間隔ができる（図３Ｄ）。
【００４３】
図４は本実施例のバイポーラープレート構造を示す分解図である。セパレータの役割を担う金属平板からなるセパレータ３には、反応ガスや冷却水を供給または排出するためのマニホールドが設けられている。セパレータ３が電解質膜・電極触媒接合体１と対峙する面には、セパレータ３側から順に第二の多孔質層５の凹凸加工されていない面が積層され、多孔質層５の凹凸面と第二の多孔質層４の凹凸面が向き合うように積層される。
【００４４】
本実施例における反応ガスの移動と生成水の移動を示した模式図を図５に示す。まず図５Ａにガスの移動を示す。ガスは流路６を図の紙面垂直方向に流れながら第一の多孔質層４へ拡散し、さらにガス拡散層２を介して電解質膜・電極触媒接合体１へ供給される（図５Ａにセル断面内でのガスの移動を矢印で示した）。ここで、プレス加工により圧縮された第一の多孔質層凹部５ｂは、圧縮方向の気孔径はほとんど変化しないことから、流路６から電解質膜・電極触媒接合体１方向へのガスの拡散性は圧縮された第一の多孔質層凸部４ａと同等と考えられる。このため、発電面へのガスの拡散性はほぼ一様となると期待できる。
【００４５】
次に、図５Ｂを用いて生成水の移動を説明する（図５Ｂにセル断面内での生成水の移動を矢印で示した）。ここで、生成水は液相の水を意味する。ガス拡散層２から排出された生成水は第一の多孔質層４へ流入するが、プレス加工により圧縮された第一の多孔質層凹部４ｂの圧縮方向と垂直方向は気孔径が小さくなる。細孔を簡単な円筒形状と考えると毛管力ｐは次式で表される。
【００４６】
ｐ＝４γcosθ／Ｄ （１）
ここで、γは水の表面張力、θは水と壁面との接触角、Ｄは円筒直径である。これより、円筒直径、即ち細孔直径が小さいほど毛管力は強くなることから、圧縮方向と垂直方向の毛管力が第一の多孔質層凸部４ａよりも大きくなる。この毛管力の差により、生成水は圧縮された第一の多孔質層凹部４ｂへ移動させることができる。
【００４７】
圧縮された第一の多孔質層凹部４ｂには、第一の多孔質層４よりも気孔径が小さく且つ親水性が強い、即ちθが小さい第二の多孔質層凸部５ａが接触していることから、生成水は毛管力の大きな第二の多孔質層凸部５ａへ移動する。第二の多孔質層５においても前述と同様に、圧縮された第二の多孔質層凹部５ｂの圧縮方向と垂直方向の毛管力が強くなることから、生成水は第二の多孔質層凸部５ａから第二の多孔質層凹部５ｂへ移動する。
【００４８】
第二の多孔質層５は、第一の多孔質層４よりも親水性を強くすること、即ち（１）式のθが小さくなるようにすることで、より毛管力を大きくすることができ、速やかに生成水を移動させることが可能となる。
【００４９】
流路６を流動する反応ガスは、第二の多孔質層５内へも拡散することができる。第二の多孔質層５では第一の多孔質層４より移動させた生成水を保持するとともに、発電で生じた熱も伝わっている。供給する反応ガスの水蒸気濃度を飽和以下にすることで、保持した生成水が蒸発し、反応ガスを加湿することができる。
【００５０】
さらに、本実施例の構成では、第一の多孔質層４および第二の多孔質層５の平坦な面がそれぞれガス拡散層２およびセパレータ３に接続されることから、電子は発電面全域に供給され、発電面全体に亘りほぼ一様な発電反応を期待できる。
【００５１】
図６は第一の実施形態の変形例であり、複数の多孔質体からなる多孔質ガス流路構造を示す。図６Ａがセル断面方向から見た分解図で、図６Ｂがセル断面の一部を示す模式図である。電解質膜・電極触媒接合体１側に配置される多孔質層は多孔質体７と、多孔質体７よりも燃料電池セル積層方向の厚さが薄く、かつ発電面と対峙する面と水平な方向の気孔径が小さな多孔質体８から構成される。
【００５２】
セパレータ側に配置される多孔質層は多孔質体９および１０からなり、多孔質体１０は多孔質体９よりも燃料電池セル積層方向の厚さが薄く、何れも多孔質体７および８よりも細孔モード径が小さく、親水性が強くなるようにする。
【００５３】
多孔質体７が多孔質体１０に接する面の幅は多孔質体１０の幅より小さく、多孔質体９が多孔質体８に接する面の幅は多孔質体８の幅より小さくし、多孔質体７，８，９，１０で囲まれる部分が流路６となる。
【００５４】
多孔質体７と８の組合せはどちらも同じ細孔モード径、気孔率の多孔質体を用いることができ、多孔質体をプレス加工などの方法により圧縮すればよいが、前述の条件を満たす、異なる仕様の多孔質体、例えば、製造段階で厚さ方向や幅方向に細孔の異方性を持たせることで、生成水の移動をより促進できる構造とすることが可能となる。多孔質体９と１０の組合せも同様である。
【００５５】
図７は第一の実施形態の変形例であり、図７Ａが単位セル断面方向から見た分解図で、図７Ｂがセル断面の一部を示す模式図である。本構成では、第一の多孔質層４はプレス加工などにより形成した凹凸を有する多孔質体からなり、第一の多孔質層４の多孔質層凹部に積層される第二の多孔質層１１および第一の多孔質層４凸部および第二の多孔質層１１に積層される第三の多孔質層１２からなる。第一から第三の多孔質層で囲まれる部分が流路６となる。第二の多孔質層１１は第一の多孔質層４よりも細孔モード径を小さく、且つ親水性を強くし、第三の多孔質層１２は第二の多孔質層１１よりも細孔モード径を小さく、且つ親水性を強くすることで、生成水の移動を促進できる。
【００５６】
以上の構成によれば、多孔質ガス流路内の発電面側における凝縮水をセパレータ側への移動を促進し、ガス拡散経路を確保することができるため、燃料電池を高電流密度で作動させることができ、高出力の燃料電池を提供することができる。
【実施例２】
【００５７】
図８は、本発明に係わる燃料電池の第二の実施例に適用する単位セル断面の一部で、カソード側を示す模式図である。実施例１と共通する部分の説明は省略する。本実施例における第一の多孔質層４は平板状の多孔質体からなり、第二の多孔質層５は第一の多孔質層４と対峙する面に溝６が加工されている多孔質層である。第二の多孔質層５に設けられた溝６は、幅が０.５mm〜２mmで、深さが第二の多孔質層５の厚さの２／３以内とし、１mm以上の任意の間隔で配置する。
【００５８】
第一の多孔質層４はモード径が３００μｍ以上で、第二の多孔質層５はモード径が３００μｍ未満とする。さらに、第二の多孔質層５は第一の多孔質層４に比べ親水性が強くなるようにする。
【００５９】
本発明に適用する多孔質体の製造方法としては、例えば以下に示す焼結の方法が適用できる。まず、ステンレスやチタンといった金属粉末を分粒し、粒径２００μｍ以下の粉末を用いる。この粉末に空孔を形成するスペーサーとなる樹脂を混入する。樹脂は、所望の空孔を形成できるもので、焼結の際や焼結前後に除去可能な材質からなるものであればよい。例えば、溶剤での除去や、熱溶融により除去できるパラフィンでスペーサーを作製する。スペーサーの形状としては様々な形状が使用でき、例えば球状，線状が考えられる。
線状としては、形成する多孔質体厚さよりも長く、太さは１０μｍ〜４００μｍの範囲とする。特に、第一の多孔質層４に線状のスペーサーを混入させることにより、多孔質層の面と水平方向に確実な連通孔が形成される。また、球状スペーサーにより、厚さ方向や、線状スペーサーとの連通孔が形成される。
【００６０】
多孔質層の細孔は樹脂の体積部分と考えた場合、金属粉末と樹脂との混合体は樹脂の体積分率が７５％〜９５％とする。この混合体を所定の厚さに成形し、スペーサーの除去及び焼結を行う。
【００６１】
第二の多孔質層５に形成される溝６は、焼結後の多孔質層を切削したり、焼結前に予め溝形状になるように成形しておいたり、空孔を形成するスペーサーと同じ材質で、溝形状となるスペーサーを備えることが可能であり、溝の断面は図８に示したような矩形に限定されるものではない。
【００６２】
以上の構成によれば、ガス拡散層から排出された凝縮水は、第一の多孔質層４に流入した後、線状スペーサーにより形成された面内方向空孔により面内方向に容易に移動できるようになるとともに、第二の多孔質層５と接する部分では球状スペーサーにより形成された厚さ方向の空孔を移動することで、第二の多孔質層５へ移動することができる。このため、第一の多孔質層４での凝縮水の滞留を防止でき、ガス拡散性が確保されることから、高出力な燃料電池を提供することができる。
【実施例３】
【００６３】
導電性多孔質体の変形例を図９，図１０に示す。図９の導電性多孔質体は、実施例２と同様に第一の多孔質層４は平板状の多孔質体からなり、第二の多孔質層５は第一の多孔質層４と対峙する面に溝６が加工されている多孔質層である。実施例２と異なる点は、第一の多孔質層４が細孔のモード径が小さい領域４ｃと細孔のモード径が大きい領域４ｄが所定のパターンで設けられており、モード径が小さい領域４ｃと第二の多孔質層５の凸部上面が接するように積層されている点である。その他の構成は実施例２と同様である。図９の構成によれば、ガス拡散層から排出された凝縮水は第一の多孔質層４の内部で毛管力の差によって細孔のモード径が大きい領域４ｄからモード径が小さい領域４ｃへ移動する。
さらに、モード径が小さい領域４ｃへ移動した凝縮水は第二の多孔質層５へ移動する。これにより、第一の多孔質層４での凝縮水の滞留を防止でき、ガスの拡散経路が確保されることから、高出力な燃料電池を提供することができる。
【００６４】
図１０の導電性多孔質体は、実施例２とは逆に第一の多孔質層４は第二の多孔質層５と対峙する面に溝６が加工され、第二の多孔質層５は平板状の多孔質体からなる多孔質層である。第一の多孔質層４に設けられた溝６は、幅が０.５mm〜２mmで、深さが第二の多孔質層５の厚さの２／３以内とし、１mm以上の任意の間隔で配置されている。また、第一の多孔質層４はモード径が３００μｍ以上で、第二の多孔質層５はモード径が３００μｍ未満とする。さらに、第二の多孔質層５は第一の多孔質層４に比べ親水性が強くなるようにする。図１０の構成においても、ガス拡散層から排出された凝縮水は、第一の多孔質層４に流入した後、毛管力の差によって第二の多孔質層５に移動する。これにより、第一の多孔質層４での凝縮水の滞留を防止でき、ガスの拡散経路が確保されることから、高出力な燃料電池を提供することができる。
【符号の説明】
【００６５】
１ 電解質膜・電極触媒接合体
２ ガス拡散層
３ セパレータ
４，７ 第一の多孔質層
４ａ 第一の多孔質層凸部
４ｂ 第一の多孔質層凹部
５，８，１１ 第二の多孔質層
５ａ 第二の多孔質層凸部
５ｂ 第二の多孔質層凹部
６ 流路
９，１２ 第三の多孔質層
１０ 成形用型
１５ 多孔質流路成形用型
１００ 燃料電池スタック
１０５ 発電部
１１１ 燃料ガス供給口
１１２ 燃料ガス排出口
１１３ 酸化剤ガス供給口
１１４ 酸化剤ガス排出口
１１５ 集電板
１１６ 絶縁板
１１７ シール
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜・電極触媒接合体と、前記接合体の燃料極に燃料ガスを供給する導電性多孔質体からなる燃料ガス流路と、前記接合体の酸化剤極に酸化剤ガスを供給する導電性多孔質体からなる酸化剤ガス流路と、燃料ガス流路と酸化剤ガス流路とを隔てるセパレータで構成される単位発電セルを複数積層した固体高分子形燃料電池であって、
ガス流路を構成する前記導電性多孔質体は、前記接合体側に配置される第一の多孔質層と、セパレータ側に配置される第二の多孔質層の少なくとも２層から構成され、
前記第二の多孔質層の細孔のモード径は、前記第一の多孔質層の細孔のモード径よりも小さく、
前記第一の多孔質層と前記第二の多孔質層の間には、前記第一の多孔質層及び前記第二の多孔質層を流路壁とする流路が設けられていることを特徴とする固体高分子形燃料電池。
【請求項２】
請求項１において、前記第一の多孔質層は、細孔のモード径が大きい領域と小さい領域が所定のパターンで設けられ、前記第一の多孔質層と前記第二の多孔質層は、前記第二の多孔質層が前記第一の多孔質層のモード径が小さい領域と接するように積層されていることを特徴とする固体高分子形燃料電池。
【請求項３】
請求項２において、前記第二の多孔質層は、前記第一の多孔質層と対向する面に凹凸を備え、前記第二の多孔質層の凸部上面が前記第一の多孔質層のモード径が小さい領域と接していることを特徴とする固体高分子形燃料電池。
【請求項４】
請求項２において、前記第一の多孔質層および前記第二の多孔質層は、互いに向き合う面に凹凸を備え、一方の凸部上面と他方の凹部底面が接するように積層されていることを特徴とする固体高分子形燃料電池。
【請求項５】
請求項４において、前記第一の多孔質層の凹部底面に位置する領域が、モード径の小さい領域となっており、前記第一の多孔質層の凸部に位置する領域が、モード径の大きい領域となっていることを特徴とする固体高分子形燃料電池。
【請求項６】
請求項５において、前記第一の多孔質層の凹部底面における厚さ方向の細孔径が、凸部における厚さ方向の細孔径よりも小さいことを特徴とする固体高分子形燃料電池。
【請求項７】
請求項５において、前記第一の多孔質層の凹部底面における面内方向の細孔径が、凸部における面内方向の細孔径よりも小さいことを特徴とする固体高分子形燃料電池。
【請求項８】
請求項４において、第一の多孔質層と第二の多孔質層の凹凸はプレス加工で成形されていることを特徴とする固体高分子形燃料電池。
【請求項９】
請求項４において、前記凸部の幅は前記凹部の幅より小さく、隣り合う凸部側面と凹部側面との間にできる間隔を前記流路としたことを特徴とする固体高分子形燃料電池。
【請求項１０】
請求項１において、前記第二の多孔質層は、前記第一の多孔質層よりも水との接触角が小さいことを特徴とする固体高分子形燃料電池。
【請求項１１】
請求項１０において、前記第二の多孔質層の水との接触角が９０度未満であることを特徴とする固体高分子形燃料電池。
【請求項１２】
請求項１において、前記電解質膜・電極触媒接合体と前記燃料ガス流路との間、及び、前記電解質膜・電極触媒接合体と前記酸化剤ガス流路との間にガス拡散層を備えることを特徴とする固体高分子形燃料電池。
【請求項１３】
請求項１２において、前記第一の多孔質層は、前記ガス拡散層よりも水との接触角が小さいことを特徴とする固体高分子形燃料電池。
【請求項１４】
請求項１において、前記第一の多孔質層および前記第二の多孔質層を構成する多孔質体が金属であることを特徴とする固体高分子形燃料電池。
【請求項１】
電解質膜・電極触媒接合体と、前記接合体の燃料極に燃料ガスを供給する導電性多孔質体からなる燃料ガス流路と、前記接合体の酸化剤極に酸化剤ガスを供給する導電性多孔質体からなる酸化剤ガス流路と、燃料ガス流路と酸化剤ガス流路とを隔てるセパレータで構成される単位発電セルを複数積層した固体高分子形燃料電池であって、
ガス流路を構成する前記導電性多孔質体は、前記接合体側に配置される第一の多孔質層と、セパレータ側に配置される第二の多孔質層の少なくとも２層から構成され、
前記第二の多孔質層の細孔のモード径は、前記第一の多孔質層の細孔のモード径よりも小さく、
前記第一の多孔質層と前記第二の多孔質層の間には、前記第一の多孔質層及び前記第二の多孔質層を流路壁とする流路が設けられていることを特徴とする固体高分子形燃料電池。
【請求項２】
請求項１において、前記第一の多孔質層は、細孔のモード径が大きい領域と小さい領域が所定のパターンで設けられ、前記第一の多孔質層と前記第二の多孔質層は、前記第二の多孔質層が前記第一の多孔質層のモード径が小さい領域と接するように積層されていることを特徴とする固体高分子形燃料電池。
【請求項３】
請求項２において、前記第二の多孔質層は、前記第一の多孔質層と対向する面に凹凸を備え、前記第二の多孔質層の凸部上面が前記第一の多孔質層のモード径が小さい領域と接していることを特徴とする固体高分子形燃料電池。
【請求項４】
請求項２において、前記第一の多孔質層および前記第二の多孔質層は、互いに向き合う面に凹凸を備え、一方の凸部上面と他方の凹部底面が接するように積層されていることを特徴とする固体高分子形燃料電池。
【請求項５】
請求項４において、前記第一の多孔質層の凹部底面に位置する領域が、モード径の小さい領域となっており、前記第一の多孔質層の凸部に位置する領域が、モード径の大きい領域となっていることを特徴とする固体高分子形燃料電池。
【請求項６】
請求項５において、前記第一の多孔質層の凹部底面における厚さ方向の細孔径が、凸部における厚さ方向の細孔径よりも小さいことを特徴とする固体高分子形燃料電池。
【請求項７】
請求項５において、前記第一の多孔質層の凹部底面における面内方向の細孔径が、凸部における面内方向の細孔径よりも小さいことを特徴とする固体高分子形燃料電池。
【請求項８】
請求項４において、第一の多孔質層と第二の多孔質層の凹凸はプレス加工で成形されていることを特徴とする固体高分子形燃料電池。
【請求項９】
請求項４において、前記凸部の幅は前記凹部の幅より小さく、隣り合う凸部側面と凹部側面との間にできる間隔を前記流路としたことを特徴とする固体高分子形燃料電池。
【請求項１０】
請求項１において、前記第二の多孔質層は、前記第一の多孔質層よりも水との接触角が小さいことを特徴とする固体高分子形燃料電池。
【請求項１１】
請求項１０において、前記第二の多孔質層の水との接触角が９０度未満であることを特徴とする固体高分子形燃料電池。
【請求項１２】
請求項１において、前記電解質膜・電極触媒接合体と前記燃料ガス流路との間、及び、前記電解質膜・電極触媒接合体と前記酸化剤ガス流路との間にガス拡散層を備えることを特徴とする固体高分子形燃料電池。
【請求項１３】
請求項１２において、前記第一の多孔質層は、前記ガス拡散層よりも水との接触角が小さいことを特徴とする固体高分子形燃料電池。
【請求項１４】
請求項１において、前記第一の多孔質層および前記第二の多孔質層を構成する多孔質体が金属であることを特徴とする固体高分子形燃料電池。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１２−２４８４９２（Ｐ２０１２−２４８４９２Ａ）
【公開日】平成２４年１２月１３日（２０１２．１２．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１２１２２０（Ｐ２０１１−１２１２２０）
【出願日】平成２３年５月３１日（２０１１．５．３１）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月１３日（２０１２．１２．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年５月３１日（２０１１．５．３１）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
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