燃料電池に用いられるガス拡散層、および、燃料電池
【課題】燃料電池において、水素と酸素との電気化学反応によって生成された生成水を、触媒層からガス拡散層の表面上の所望の位置に移動させる。
【解決手段】燃料電池に用いられるガス拡散層（例えば、アノード側ガス拡散層１４０）において、親水性繊維（１４８）を、親水性繊維の一部が撥水性を有する拡散層基材（１４２）の両面に露出するように、所望の位置に縫い付ける。
【解決手段】燃料電池に用いられるガス拡散層（例えば、アノード側ガス拡散層１４０）において、親水性繊維（１４８）を、親水性繊維の一部が撥水性を有する拡散層基材（１４２）の両面に露出するように、所望の位置に縫い付ける。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に用いられるガス拡散層、および、燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、水素と酸素との電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。この燃料電池は、所定の電解質膜の両面に、それぞれアノード（水素極）、および、カソード（酸素極）を接合した膜電極接合体を有しており、アノード、および、カソードには、反応ガスとしての水素、および、酸素がそれぞれ供給される。そして、アノード、および、カソードは、上記電気化学反応を促進するための触媒層と、この触媒層に反応ガスを拡散させつつ供給するためのガス拡散層とをそれぞれ備えており、カソード側の触媒層では、発電時にカソード反応によって、水（生成水）が生成される。この生成水は、カソード側の触媒層からガス拡散層を透過し、カソード反応で消費されずに燃料電池の外部に排出されるカソードオフガスとともに排出される。また、生成水は、カソード側から電解質膜を透過してアノード側に染み出す場合があり、この場合、アノード側に染み出した生成水は、アノード側の触媒層からガス拡散層を透過し、アノード反応で消費されずに燃料電池の外部に排出されるアノードオフガスとともに排出される。
【０００３】
上記生成水が燃料電池の電解質膜近傍で過剰に滞留すると、いわゆるフラッディングが発生し、反応ガスの拡散、および、供給が、生成水によって阻害され、燃料電池の発電性能が低下する。そこで、従来、フラッディングを抑制するために、カーボンクロスや、カーボンペーパのカーボン繊維の間にポリテトラフルオロエチレンや、カーボンブラックを分散させることによって、撥水性を有するガス拡散層を構成することが行われている。しかし、このガス拡散層では、生成水を撥水することによって、反応ガスの通路を確保することはできるが、過剰な生成水を触媒層からガス拡散層の表面に速やかに移動させることはできなかった。
【０００４】
近年では、ガス拡散層における反応ガスの通路を確保するとともに、過剰な生成水を触媒層からガス拡散層の表面に速やかに移動させる技術が提案されている。例えば、下記特許文献１には、親水性炭素繊維と、撥水性炭素繊維とを織り込んだ織布をガス拡散層として用いる技術が記載されている。この技術では、撥水性炭素繊維によって生成水を撥水し、ガス拡散層における反応ガスの通路を確保するとともに、生成水を親水性炭素繊維に沿ってガス拡散層の表面に速やかに移動させることができる。
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−１５７４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、燃料電池において、膜電極接合体は、一般に、セパレータによって挟持されるので、例えば、セパレータの形状等に起因して、ガス拡散層の表面上には、生成水の排出に適した領域と、適さない領域とが生じる場合がある。この場合、生成水は、ガス拡散層の表面上の生成水の排出に適した領域に移動させ、生成水の排出に適さない領域には移動させないようにすることが望ましい。しかし、上記特許文献１に記載された技術では、ガス拡散層の表面上の所望の位置に、親水性炭素繊維を精度良く配置することができないので、上記要望を実現することができなかった。
【０００７】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池において、水素と酸素との電気化学反応によって生成された生成水を、触媒層からガス拡散層の表面上の所望の位置に移動させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明では、以下の構成を採用した。
本発明のガス拡散層は、
所定の電解質膜の両面に、それぞれアノード、および、カソードを接合した膜電極接合体を備え、前記カソードが、前記電解質膜に接合され、水素と酸素との電気化学反応を促進するための触媒層と、該触媒層に所定のガスを拡散させつつ供給するためのガス拡散層とを備える燃料電池に用いられる前記ガス拡散層であって、
撥水性を有する拡散層基材と、
親水性を有する親水性繊維と、を備え、
前記親水性繊維は、該親水性繊維の一部が前記拡散層基材の両面に露出するように、前記拡散層基材に縫い付けられていることを要旨とする。
【０００９】
なお、親水性繊維としては、例えば、カーボン繊維や、アラミド繊維等を用いることができる。
【００１０】
本発明では、拡散層基材に親水性繊維を縫い付けるので、ガス拡散層の表面上の所望の位置に、親水性繊維を精度良く配置することができる。そして、親水性繊維の一部は、拡散層基材の両面に露出しているので、ガス拡散層の一方の面から他方の面に、親水性繊維に沿って、速やかに水を移動させることができる。したがって、このガス拡散層を用いた燃料電池において、水素と酸素との電気化学反応によって生成された生成水を、触媒層からガス拡散層の表面上の生成水の排出に適した領域に移動させるようにするとともに、生成水の排出に適さない領域には移動させないようにすることができる。つまり、本発明によって、燃料電池において、水素と酸素との電気化学反応によって生成された生成水を、触媒層からガス拡散層の表面上の所望の位置に移動させるようにすることができる。
【００１１】
上記ガス拡散層において、
前記拡散層基材は、比較的撥水性が低い低撥水層と、比較的撥水性が高い高撥水層とを備え、
前記高撥水層は、前記触媒層と当接する面に備えられているようにしてもよい。
【００１２】
こうすることによって、このガス拡散層を用いた燃料電池において、さらに、ガス拡散層の、触媒層との界面におけるガスの拡散性を向上させ、ガスの供給効率を向上させることができる。この結果、燃料電池の発電効率を向上させることができる。
【００１３】
上述したいずれかのガス拡散層において、
前記親水性繊維は、前記拡散層基材の面に対して垂直方向に貫通するように縫い付けられているようにすることが好ましい。
【００１４】
こうすることによって、ガス拡散層の一方の面から他方の面に、最短距離で生成水を移動させることができる。
【００１５】
本発明は、燃料電池の発明として構成することもできる。すなわち、
本発明の第１の燃料電池は、
所定の電解質膜の両面に、それぞれアノード、および、カソードを接合した膜電極接合体を備え、前記カソードが、前記電解質膜に接合され、水素と酸素との電気化学反応を促進するための触媒層と、該触媒層に所定のガスを拡散させつつ供給するためのガス拡散層とを備える燃料電池であって、
前記膜電極接合体は、前記ガス拡散層として、上述した本発明のいずれかのガス拡散層を備えており、
前記燃料電池は、前記膜電極接合体の両面を挟持するセパレータを備え、
該セパレータは、
前記ガス拡散層と当接するリブ部と、
前記ガスが流れるガス流路となる溝部と、を備え、
少なくとも前記リブ部の表面は、親水性を有しており、
前記ガス拡散層において、前記親水性繊維は、該親水性繊維の一部が前記リブ部に当接するように、前記拡散層基材に縫い付けられていることを要旨とする。
【００１６】
こうすることによって、触媒層からガス拡散層の親水性繊維に沿って移動した生成水を、セパレータのリブ部の表面に速やかに広げ、ガス流路に流れるガスの流れによって外部に排出することができる。この結果、燃料電池におけるフラッディングを抑制することができる。
【００１７】
上記燃料電池において、
前記リブ部は、多孔質の部材からなるようにしてもよい。
【００１８】
こうすることによって、触媒層からガス拡散層の親水性繊維に沿って移動した生成水を、セパレータのリブ部の内部にも広げることができる。
【００１９】
また、本発明の第２の燃料電池は、
所定の電解質膜の両面に、それぞれアノード、および、カソードを接合した膜電極接合体を備え、前記カソードが、前記電解質膜に接合され、水素と酸素との電気化学反応を促進するための触媒層と、該触媒層に所定のガスを拡散させつつ供給するためのガス拡散層とを備える燃料電池であって、
前記膜電極接合体は、前記ガス拡散層として、上述した本発明のいずれかのガス拡散層を備えており、
前記燃料電池は、前記膜電極接合体の両面を挟持するセパレータを備え、
該セパレータは、
前記ガス拡散層と当接するリブ部と、
前記ガスが流れるガス流路となる溝部と、を備え、
前記ガス流路は、乾燥した前記ガスが流れるガス流路であり、
前記ガス拡散層において、前記親水性繊維は、該親水性繊維の一部が前記ガス流路に露出するように、前記拡散層基材に縫い付けられていることを要旨とする。
【００２０】
こうすることによって、触媒層からガス拡散層の親水性繊維に沿って移動した生成水を、乾燥ガスによって乾燥させるとともに、ガス流路に流れるガスの流れによって外部に排出することができる。この結果、燃料電池におけるフラッディングを抑制することができる。
【００２１】
また、本発明の第２の燃料電池では、上述した本発明の第１の燃料電池と異なり、セパレータの表面が親水性を有していないので、ガス拡散層において、親水性繊維の一部がセパレータのリブ部と当接するように拡散層基材に親水性繊維を縫い付けると、ガス拡散層の親水性繊維に沿って移動した生成水は、リブ部の表面に広がりにくくなる。このため、リブ部とガス拡散層との当接部に生成水が滞留して、排出されにくくなるおそれがある。本発明では、ガス拡散層において、親水性繊維の一部がセパレータのリブ部と当接しないように、拡散層基材に親水性繊維を縫い付けるので、上述したリブ部とガス拡散層との当接部に生成水が滞留して、排出されにくくなる不具合を回避することができる。
【００２２】
また、本発明は、先に説明したガス拡散層の製造方法の発明として構成することもできる。すなわち、
本発明の製造方法は、
所定の電解質膜の両面に、それぞれアノード、および、カソードを接合した膜電極接合体を備え、前記カソードが、前記電解質膜に接合され、水素と酸素との電気化学反応を促進するための触媒層と、該触媒層に所定のガスを拡散させつつ供給するためのガス拡散層とを備える燃料電池に用いられる前記ガス拡散層の製造方法であって、
撥水性を有する拡散層基材を用意する工程と、
親水性を有する親水性繊維を用意する工程と、
前記親水性繊維の一部が前記ガス拡散性基材の両面に露出するように、前記親水性繊維を前記拡散層基材に縫い付ける工程と、
を備えることを要旨とする。
【００２３】
こうすることによって、先に説明した本発明のガス拡散層を製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき以下の順序で説明する。
Ａ．燃料電池スタックの構成：
Ｂ．単セル：
Ｃ．ガス拡散層：
Ｃ１．アノード側ガス拡散層：
Ｃ２．カソード側ガス拡散層：
Ｃ３．ガス拡散層の製造方法
Ｄ．変形例：
【００２５】
Ａ．燃料電池スタックの構成：
図１は、本発明の一実施例としての燃料電池スタック１０の概略構成を示す説明図である。燃料電池スタック１０は、図示するように、水素と酸素の電気化学反応によって発電する単セル１００を所定数積層して形成される。単セル１００の積層数は、燃料電池スタック１０に要求される出力に応じて任意に設定可能である。単セル１００の詳細については、後述する。
【００２６】
燃料電池スタック１０は、一端からエンドプレート１２、絶縁板１６、集電板１８、複数の単セル１００、集電板２０、絶縁板２２、エンドプレート１４の順に積層されて構成される。エンドプレート１２、１４は、剛性を確保するため、鋼等の金属によって形成されている。集電板１８、２０は、緻密質カーボンや銅板などガス不透過な導電性部材によって形成されている。絶縁板１６、２２は、ゴムや樹脂等の絶縁性部材によって形成されている。集電板１８、２０には、それぞれ出力端子１９、２１が設けられており、燃料電池スタック１０で発電した電力を出力可能となっている。
【００２７】
一方のエンドプレート１４には、燃料ガス供給口３５や、燃料ガス排出口３６や、酸化剤ガス供給口３３や、酸化剤ガス排出口３４や、冷却水供給口３１や、冷却水排出口３２が設けられている。燃料ガス供給口３５から燃料電池スタック１０に供給された燃料ガスは、エンドプレート１２に向かって流れながら各単セル１００に分配される。各単セル１００に配分された燃料ガスは、図中の上方から下方に単セル１００内の流路を流れた後、エンドプレート１４側に流れ、燃料ガス排出口３６から排出される。酸化剤ガスも同様に、酸化剤ガス供給口３３から供給された後、エンドプレート１２に向かって流れながら各単セル１００に分配され、各単セル１００内の流路を流れた後、酸化剤ガス排出口３４から排出される。燃料電池スタック１０は、このようなガスの流れを実現できるよう内部で各単セル１００のガス流路が形成されている。
【００２８】
なお、酸化剤ガス排出口３４、および、燃料ガス排出口３６からは、排出ガスとともに、各単セル１００において発電時に水素と酸素との電気化学反応によって生成された生成水も排出される。
【００２９】
また、図示は省略しているが、燃料電池スタック１０には、スタック構造のいずれかの箇所における接触抵抗の増加等による電池性能の低下を抑制したり、ガスの漏洩を抑制したりするために、スタック構造の積層方向に、押圧力が加えられている。
【００３０】
Ｂ．単セル：
図２は、単セル１００の断面構造を模式的に示す説明図である。この単セル１００は、膜電極接合体１１０の両面を、セパレータ１７０，１８０で挟持することによって構成されている。
【００３１】
膜電極接合体１１０は、プロトン伝導性を有する電解質膜１２０の一方の面に、アノード（水素極）として、アノード側触媒層１３０と、アノード側ガス拡散層１４０とを、この順に積層し、他方の面に、カソード（酸素極）として、カソード側触媒層１５０と、カソード側ガス拡散層１６０とを、この順に積層することによって構成されている。本実施例では、電解質膜１２０として、固体高分子型の電解質膜を用いるものとした。電解質膜１２０として、他の電解質膜を用いるものとしてもよい。
【００３２】
なお、膜電極接合体１１０のアノード、および、カソードには、それぞれ燃料ガスとしての水素、および、酸化剤ガスとしての酸素を含む空気が供給され、水素と酸素との電気化学反応によって、発電が行われる。このとき、カソード側触媒層１５０では、カソード反応によって、生成水も生成される。カソード側触媒層１５０で生成された生成水は、電解質膜１２０を透過して、アノード側触媒層１３０にも染み出す。そして、これらの生成水は、膜電極接合体１１０中に過剰に滞留すると、フラッディングが生じるため、後述する方法によって、外部に速やかに排出される。
【００３３】
膜電極接合体１１０のアノード側に配置されるセパレータ１７０は、図示するように、リブ部１７２と、溝部１７４とを備える凹凸形状を有しており、溝部１７４は、水素が流れるガス流路を形成する。なお、本実施例では、リブ部１７２は、多孔体によって形成されている。また、リブ部１７２の表面には、親水処理が施されている。
【００３４】
膜電極接合体１１０のカソード側に配置されるセパレータ１８０も、図示するように、リブ部１８２と、溝部１８４とを備える凹凸形状を有しており、溝部１８４は、空気が流れるガス流路を形成する。本実施例では、セパレータ１８０の溝部１８４には、乾燥した空気が流れるものとする。なお、セパレータ１８０におけるリブ部１８２は、膜電極接合体１１０のアノード側に配置されるセパレータ１７０とは異なり、多孔体ではなく、また、表面に親水処理も施されていない。
【００３５】
セパレータ１７０，１８０の材料としては、カーボンや、金属など、導電性を有する種々の材料を適用可能である。
【００３６】
Ｃ．ガス拡散層：
以下、本発明における特徴的な構成要素であるガス拡散層について説明する。
【００３７】
Ｃ１．アノード側ガス拡散層：
図３は、膜電極接合体１１０のアノード側ガス拡散層１４０の断面構造を模式的に示す説明図である。また、この図では、膜電極接合体１１０と、セパレータ１７０とを当接させたときの、アノード側ガス拡散層１４０と、セパレータ１７０との配置関係、および、膜電極接合体１１０における電解質膜１２０との配置関係も併せて示した。
【００３８】
図示するように、アノード側ガス拡散層１４０は、比較的撥水性が低い低撥水性拡散層１４４と、比較的撥水性が高い高撥水性拡散層１４６とを備える拡散層基材１４２に、親水性を有する親水性繊維１４８を、その一部が拡散層基材１４２の両面に露出するように縫い付けたものである。親水性繊維１４８は、拡散層基材１４２の面に対して垂直方向に貫通するように縫い付けられている。拡散層基材１４２は、例えば、カーボン繊維の間にポリテトラフルオロエチレンや、カーボンブラックを分散させたカーボンクロスの一方の面に、撥水剤を塗布することによって形成される。親水性繊維１４８としては、例えば、アラミド繊維等を用いることができる。
【００３９】
膜電極接合体１１０において、アノード側ガス拡散層１４０は、高撥水性拡散層１４６がアノード側触媒層１３０と当接するように接合されている。こうすることによって、アノード側ガス拡散層１４０の、アノード側触媒層１３０との界面における水素の拡散性を向上させ、アノード側触媒層１３０への水素の供給効率を向上させることができる。この結果、燃料電池スタック１０の発電効率を向上させることができる。
【００４０】
また、アノード側ガス拡散層１４０において、親水性繊維１４８は、膜電極接合体１１０と、セパレータ１７０とを当接させたときに、セパレータ１７０のリブ部１７２と、親水性繊維１４８の一部とが当接するように、拡散層基材１４２に縫い付けられている。このリブ部１７２の表面には、先に説明したように、親水処理が施されている。また、リブ部１７２は、多孔質によって形成されている。したがって、発電時にカソード側触媒層１５０で生成され、電解質膜１２０を透過して、アノード側触媒層１３０に染み出した生成水は、親水性繊維１４８に沿ってアノード側ガス拡散層１４０の表面に速やかに移動し、リブ部１７２の表面、および、内部に広がって、アノードオフガスとともに外部に排出される。この結果、膜電極接合体１１０のアノード側でのフラッディングを抑制することができる。
【００４１】
Ｃ２．カソード側ガス拡散層：
図４は、膜電極接合体１１０のカソード側ガス拡散層１６０の断面構造を模式的に示す説明図である。また、この図では、膜電極接合体１１０と、セパレータ１８０とを当接させたときの、カソード側ガス拡散層１６０と、セパレータ１８０との配置関係、および、膜電極接合体１１０における電解質膜１２０との配置関係も併せて示した。
【００４２】
図示するように、カソード側ガス拡散層１６０は、アノード側ガス拡散層１４０と同様に、比較的撥水性が低い低撥水性拡散層１６４と、比較的撥水性が高い高撥水性拡散層１６６とを備える拡散層基材１６２に、親水性を有する親水性繊維１６８を、その一部が拡散層基材１６２の両面に露出するように縫い付けたものである。親水性繊維１６８は、拡散層基材１６２の面に対して垂直方向に貫通するように縫い付けられている。拡散層基材１６２、および、親水性繊維１６８の材質等は、先に説明した拡散層基材１４２、および、親水性繊維１４８と同じである。
【００４３】
膜電極接合体１１０において、カソード側ガス拡散層１６０は、アノード側ガス拡散層１４０と同様に、高撥水性拡散層１６６がカソード側触媒層１５０と当接するように接合されている。こうすることによって、カソード側ガス拡散層１６０の、カソード側触媒層１５０との界面における空気の拡散性を向上させ、カソード側触媒層１５０への酸素の供給効率を向上させることができる。この結果、燃料電池スタック１０の発電効率を向上させることができる。
【００４４】
また、カソード側ガス拡散層１６０において、親水性繊維１６８は、膜電極接合体１１０と、セパレータ１８０とを当接させたときに、セパレータ１８０の溝部１８４に親水性繊維１６８が露出するように、拡散層基材１６２に縫い付けられている。そして、セパレータ１８０の溝部１８４には、先に説明したように、乾燥した空気が流れる。したがって、発電時にカソード側触媒層１５０で生成された生成水は、親水性繊維１４８に沿ってカソード側ガス拡散層１６０の表面に移動し、乾燥した空気によって乾燥するとともに、カソードオフガスとともに外部に排出される。この結果、膜電極接合体１１０のカソード側でのフラッディングを抑制することができる。
【００４５】
なお、上述したアノード側ガス拡散層１４０、および、カソード側ガス拡散層１６０において、親水性繊維１４８，１６８は、それぞれアノード側ガス拡散層１４０、および、カソード側ガス拡散層１６０の面に対して垂直方向に貫通するように縫い付けられているので、アノード側触媒層１３０、および、カソード側触媒層１５０から、生成水を最短距離で、アノード側ガス拡散層１４０、および、カソード側ガス拡散層１６０の表面に移動させることができる。
【００４６】
また、アノード側ガス拡散層１４０、および、カソード側ガス拡散層１６０には、セパレータ１７０，１８０との位置合わせを容易に行うことができるように、マーキングがなされている。
【００４７】
Ｃ３．ガス拡散層の製造方法：
拡散層基材１４２，１６２は、比較的破損しやすいため、上述したアノード側ガス拡散層１４０、および、カソード側ガス拡散層１６０は、例えば、以下に説明する製造方法にように製造される。ここでは、アノード側ガス拡散層１４０の製造方法について説明するが、カソード側ガス拡散層１６０の製造方法も同様である。
【００４８】
図５は、アノード側ガス拡散層１４０の製造方法の一例を示す説明図である。まず、拡散層基材１４２と、親水性繊維１４８と、拡散層基材１４２に親水性繊維１４８を縫い付けるための中空針２００とを用意する。そして、拡散層基材１４２に、アノード側ガス拡散層１４０と、セパレータ１７０との位置合わせを行うためのマーキングを付ける。そして、図５（ａ）に示したように、拡散層基材１４２の所望の位置に、中空針２００を垂直に刺す。そして、図５（ｂ）に示したように、中空針２００の内部に親水性繊維１４８を通す。そして、図５（ｃ）に示したように、親水性繊維１４８を通した中空針２００を、拡散層基材１４２から抜く。そして、拡散層基材１４２の所望の位置にすべて親水性繊維１４８が縫い付けられるまで、図５（ａ）〜（ｃ）に示した工程を繰り返す。こうすることによって、アノード側ガス拡散層１４０を製造することができる。
【００４９】
以上説明した本実施例の燃料電池スタック１０では、アノード側ガス拡散層１４０、および、カソード側ガス拡散層１６０において、拡散層基材１４２，１６２に親水性繊維１４８，１６８を縫い付けるので、アノード側ガス拡散層１４０、および、カソード側ガス拡散層１６０の表面上の所望の位置に、親水性繊維１４８，１６８を精度良く配置することができる。そして、親水性繊維１４８，１６８の一部は、それぞれ拡散層基材１４２，１６２の両面に露出しているので、アノード側触媒層１３０、および、カソード側触媒層１５０からそれぞれ、親水性繊維１４８，１６８に沿って、アノード側ガス拡散層１４０、および、カソード側ガス拡散層１６０の表面に、速やかに生成水を移動させることができる。したがって、燃料電池スタック１０において、水素と酸素との電気化学反応によって生成された生成水を、アノード側触媒層１３０、および、カソード側触媒層１５０からアノード側ガス拡散層１４０、および、カソード側ガス拡散層１６０の表面上の所望の位置に移動させるようにすることができる。そして、この生成水を、アノードオフガス、または、カソードオフガスオフガスとともに、燃料電池スタック１０の外部に速やかに排出することができる。この結果、燃料電池スタック１０におけるフラッディングを抑制することができる。
【００５０】
Ｄ．変形例：
以上、本発明のいくつかの実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形例が可能である。
【００５１】
Ｄ１．変形例１：
上記実施例では、アノード側ガス拡散層１４０は、拡散層基材１４２と親水性繊維１４８とを備えるものとしたが、これに限られない。先に説明したように、拡散層基材１４２は破損しやすいため、拡散層基材１４２を縫い付けたときの補強用の補強糸１４９をさらに備えるようにしてもよい。カソード側ガス拡散層１６０についても同様である。
【００５２】
図６は、変形例としてのアノード側ガス拡散層の断面構造を模式的に示す説明図である。図６（ａ）に示したように、拡散層基材１４２のガス流路側に補強糸１４９を配置し、この補強糸１４９を跨いで、所望の位置に１本の親水性繊維１４８を縫い付けるようにしてもよい。また、図６（ｂ）に示したように、拡散層基材１４２のガス流路側に補強糸１４９を配置し、この補強糸１４９を跨いで、複数の親水性繊維１４８を縫い付けるようにしてもよい。この場合、アノード側触媒層１３０側の余った親水性繊維１４８は、拡散層基材１４２の面に沿うように貼り付けられる。また、図６（ｃ）に示したように、図６（ｂ）に示した例と同様に、拡散層基材１４２のガス流路側に補強糸１４９を配置し、この補強糸１４９を跨いで、複数の親水性繊維１４８を縫い付けるようにして、アノード側触媒層１３０側の余った親水性繊維１４８の先をほぐして、拡散層基材１４２の面に沿うように広げて貼り付けるようにしてもよい。また、図６（ｂ），（ｃ）における補強糸１４９を省略してもよい。
【００５３】
Ｄ２．変形例２：
上記実施例では、アノード側ガス拡散層１４０は、低撥水性拡散層１４４と、高撥水性拡散層１４６とを備えるものとしたが、いずれか一方のみを備えるようにしてもよい。カソード側ガス拡散層１６０についても同様である。
【００５４】
Ｄ３．変形例３：
上記実施例では、アノード側ガス拡散層１４０において、親水性繊維１４８は、拡散層基材１４２の面に対して垂直に縫い付けられるものとしたが、斜めに縫い付けられるものとしてもよい。
【００５５】
Ｄ４．変形例４：
上記実施例では、セパレータ１７０のリブ部１７２は、多孔体によって形成されているものとしたが、多孔体でなくてもよい。
【００５６】
Ｄ５．変形例５：
上記実施例では、膜電極接合体１１０のアノード側に当接するセパレータ１７０と、カソード側に当接するセパレータ１８０とは、異なるものを用いるものとしたが、これに限られない。例えば、単セル１００のカソード側に当接するセパレータとして、セパレータ１８０の代わりに、セパレータ１７０を用いるようにしてもよい。この場合、カソード側ガス拡散層１６０における拡散層基材１６２への親水性繊維１６８の縫い付け方は、アノード側ガス拡散層１４０における拡散層基材１４２への親水性繊維１４８の縫い付け方と同じにしてもよい。
【００５７】
なお、上記実施例では、膜電極接合体１１０のカソードには、乾燥した空気が供給されるものとしたが、加湿された空気が供給されるようにしてもよい。この場合には、カソード側ガス拡散層１６０の表面に移動した生成水を乾燥させることができないので、セパレータ１８０の代わりに、セパレータ１７０を用いるようにするとともに、カソード側ガス拡散層１６０における拡散層基材１６２への親水性繊維１６８の縫い付け方（セパレータ１７０との配置関係配置）を、アノード側ガス拡散層１４０における拡散層基材１４２への親水性繊維１４８の縫い付け方と同じにすることが好ましい。
【００５８】
Ｄ６．変形例６：
上記実施例において、図３に示した例では、アノード側ガス拡散層１４０において、親水性繊維１４８は、セパレータ１７０の複数のリブ部１７２を横断する方向に縫い付けられているものとしたが、これに限られない。例えば、親水性繊維１４８を、１つのリブ部１７２を縦断する方向に縫い付けるようにしてもよい。カソード側ガス拡散層１６０についても同様である。
【００５９】
Ｄ７．変形例７：
上記実施例では、本発明のガス拡散層を、膜電極接合体１１０のアノード側、および、カソード側の両方に適用した場合について説明したが、これに限られない。例えば、生成水の量が多くなるカソード側についてのみ、本発明のガス拡散層を適用するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明の一実施例としての燃料電池スタック１０の概略構成を示す説明図である。
【図２】単セル１００の断面構造を模式的に示す説明図である。
【図３】膜電極接合体１１０のアノード側ガス拡散層１４０の断面構造を模式的に示す説明図である。
【図４】膜電極接合体１１０のカソード側ガス拡散層１６０の断面構造を模式的に示す説明図である。
【図５】アノード側ガス拡散層１４０の製造方法の一例を示す説明図である。
【図６】変形例としてのアノード側ガス拡散層の断面構造を模式的に示す説明図である。
【符号の説明】
【００６１】
１０...燃料電池スタック
１２，１４...エンドプレート
１６，２２...絶縁板
１８，２０...集電板
１９，２１...出力端子
３１...冷却水供給口
３２...冷却水排出口
３３...酸化剤ガス供給口
３４...酸化剤ガス排出口
３５...燃料ガス供給口
３６...燃料ガス排出口
１００...単セル
１１０...膜電極接合体
１２０...電解質膜
１３０...アノード側触媒層
１４０...アノード側ガス拡散層
１４２...拡散層基材
１４４...低撥水性拡散層
１４６...高撥水性拡散層
１４８...親水性繊維
１５０...カソード側触媒層
１６０...カソード側ガス拡散層
１６２...拡散層基材
１６４...低撥水性拡散層
１６６...高撥水性拡散層
１６８...親水性繊維
１７０...セパレータ
１７２...リブ部
１７４...溝部
１８０...セパレータ
１８２...リブ部
１８４...溝部
２００...中空針
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に用いられるガス拡散層、および、燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、水素と酸素との電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。この燃料電池は、所定の電解質膜の両面に、それぞれアノード（水素極）、および、カソード（酸素極）を接合した膜電極接合体を有しており、アノード、および、カソードには、反応ガスとしての水素、および、酸素がそれぞれ供給される。そして、アノード、および、カソードは、上記電気化学反応を促進するための触媒層と、この触媒層に反応ガスを拡散させつつ供給するためのガス拡散層とをそれぞれ備えており、カソード側の触媒層では、発電時にカソード反応によって、水（生成水）が生成される。この生成水は、カソード側の触媒層からガス拡散層を透過し、カソード反応で消費されずに燃料電池の外部に排出されるカソードオフガスとともに排出される。また、生成水は、カソード側から電解質膜を透過してアノード側に染み出す場合があり、この場合、アノード側に染み出した生成水は、アノード側の触媒層からガス拡散層を透過し、アノード反応で消費されずに燃料電池の外部に排出されるアノードオフガスとともに排出される。
【０００３】
上記生成水が燃料電池の電解質膜近傍で過剰に滞留すると、いわゆるフラッディングが発生し、反応ガスの拡散、および、供給が、生成水によって阻害され、燃料電池の発電性能が低下する。そこで、従来、フラッディングを抑制するために、カーボンクロスや、カーボンペーパのカーボン繊維の間にポリテトラフルオロエチレンや、カーボンブラックを分散させることによって、撥水性を有するガス拡散層を構成することが行われている。しかし、このガス拡散層では、生成水を撥水することによって、反応ガスの通路を確保することはできるが、過剰な生成水を触媒層からガス拡散層の表面に速やかに移動させることはできなかった。
【０００４】
近年では、ガス拡散層における反応ガスの通路を確保するとともに、過剰な生成水を触媒層からガス拡散層の表面に速やかに移動させる技術が提案されている。例えば、下記特許文献１には、親水性炭素繊維と、撥水性炭素繊維とを織り込んだ織布をガス拡散層として用いる技術が記載されている。この技術では、撥水性炭素繊維によって生成水を撥水し、ガス拡散層における反応ガスの通路を確保するとともに、生成水を親水性炭素繊維に沿ってガス拡散層の表面に速やかに移動させることができる。
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−１５７４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、燃料電池において、膜電極接合体は、一般に、セパレータによって挟持されるので、例えば、セパレータの形状等に起因して、ガス拡散層の表面上には、生成水の排出に適した領域と、適さない領域とが生じる場合がある。この場合、生成水は、ガス拡散層の表面上の生成水の排出に適した領域に移動させ、生成水の排出に適さない領域には移動させないようにすることが望ましい。しかし、上記特許文献１に記載された技術では、ガス拡散層の表面上の所望の位置に、親水性炭素繊維を精度良く配置することができないので、上記要望を実現することができなかった。
【０００７】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池において、水素と酸素との電気化学反応によって生成された生成水を、触媒層からガス拡散層の表面上の所望の位置に移動させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明では、以下の構成を採用した。
本発明のガス拡散層は、
所定の電解質膜の両面に、それぞれアノード、および、カソードを接合した膜電極接合体を備え、前記カソードが、前記電解質膜に接合され、水素と酸素との電気化学反応を促進するための触媒層と、該触媒層に所定のガスを拡散させつつ供給するためのガス拡散層とを備える燃料電池に用いられる前記ガス拡散層であって、
撥水性を有する拡散層基材と、
親水性を有する親水性繊維と、を備え、
前記親水性繊維は、該親水性繊維の一部が前記拡散層基材の両面に露出するように、前記拡散層基材に縫い付けられていることを要旨とする。
【０００９】
なお、親水性繊維としては、例えば、カーボン繊維や、アラミド繊維等を用いることができる。
【００１０】
本発明では、拡散層基材に親水性繊維を縫い付けるので、ガス拡散層の表面上の所望の位置に、親水性繊維を精度良く配置することができる。そして、親水性繊維の一部は、拡散層基材の両面に露出しているので、ガス拡散層の一方の面から他方の面に、親水性繊維に沿って、速やかに水を移動させることができる。したがって、このガス拡散層を用いた燃料電池において、水素と酸素との電気化学反応によって生成された生成水を、触媒層からガス拡散層の表面上の生成水の排出に適した領域に移動させるようにするとともに、生成水の排出に適さない領域には移動させないようにすることができる。つまり、本発明によって、燃料電池において、水素と酸素との電気化学反応によって生成された生成水を、触媒層からガス拡散層の表面上の所望の位置に移動させるようにすることができる。
【００１１】
上記ガス拡散層において、
前記拡散層基材は、比較的撥水性が低い低撥水層と、比較的撥水性が高い高撥水層とを備え、
前記高撥水層は、前記触媒層と当接する面に備えられているようにしてもよい。
【００１２】
こうすることによって、このガス拡散層を用いた燃料電池において、さらに、ガス拡散層の、触媒層との界面におけるガスの拡散性を向上させ、ガスの供給効率を向上させることができる。この結果、燃料電池の発電効率を向上させることができる。
【００１３】
上述したいずれかのガス拡散層において、
前記親水性繊維は、前記拡散層基材の面に対して垂直方向に貫通するように縫い付けられているようにすることが好ましい。
【００１４】
こうすることによって、ガス拡散層の一方の面から他方の面に、最短距離で生成水を移動させることができる。
【００１５】
本発明は、燃料電池の発明として構成することもできる。すなわち、
本発明の第１の燃料電池は、
所定の電解質膜の両面に、それぞれアノード、および、カソードを接合した膜電極接合体を備え、前記カソードが、前記電解質膜に接合され、水素と酸素との電気化学反応を促進するための触媒層と、該触媒層に所定のガスを拡散させつつ供給するためのガス拡散層とを備える燃料電池であって、
前記膜電極接合体は、前記ガス拡散層として、上述した本発明のいずれかのガス拡散層を備えており、
前記燃料電池は、前記膜電極接合体の両面を挟持するセパレータを備え、
該セパレータは、
前記ガス拡散層と当接するリブ部と、
前記ガスが流れるガス流路となる溝部と、を備え、
少なくとも前記リブ部の表面は、親水性を有しており、
前記ガス拡散層において、前記親水性繊維は、該親水性繊維の一部が前記リブ部に当接するように、前記拡散層基材に縫い付けられていることを要旨とする。
【００１６】
こうすることによって、触媒層からガス拡散層の親水性繊維に沿って移動した生成水を、セパレータのリブ部の表面に速やかに広げ、ガス流路に流れるガスの流れによって外部に排出することができる。この結果、燃料電池におけるフラッディングを抑制することができる。
【００１７】
上記燃料電池において、
前記リブ部は、多孔質の部材からなるようにしてもよい。
【００１８】
こうすることによって、触媒層からガス拡散層の親水性繊維に沿って移動した生成水を、セパレータのリブ部の内部にも広げることができる。
【００１９】
また、本発明の第２の燃料電池は、
所定の電解質膜の両面に、それぞれアノード、および、カソードを接合した膜電極接合体を備え、前記カソードが、前記電解質膜に接合され、水素と酸素との電気化学反応を促進するための触媒層と、該触媒層に所定のガスを拡散させつつ供給するためのガス拡散層とを備える燃料電池であって、
前記膜電極接合体は、前記ガス拡散層として、上述した本発明のいずれかのガス拡散層を備えており、
前記燃料電池は、前記膜電極接合体の両面を挟持するセパレータを備え、
該セパレータは、
前記ガス拡散層と当接するリブ部と、
前記ガスが流れるガス流路となる溝部と、を備え、
前記ガス流路は、乾燥した前記ガスが流れるガス流路であり、
前記ガス拡散層において、前記親水性繊維は、該親水性繊維の一部が前記ガス流路に露出するように、前記拡散層基材に縫い付けられていることを要旨とする。
【００２０】
こうすることによって、触媒層からガス拡散層の親水性繊維に沿って移動した生成水を、乾燥ガスによって乾燥させるとともに、ガス流路に流れるガスの流れによって外部に排出することができる。この結果、燃料電池におけるフラッディングを抑制することができる。
【００２１】
また、本発明の第２の燃料電池では、上述した本発明の第１の燃料電池と異なり、セパレータの表面が親水性を有していないので、ガス拡散層において、親水性繊維の一部がセパレータのリブ部と当接するように拡散層基材に親水性繊維を縫い付けると、ガス拡散層の親水性繊維に沿って移動した生成水は、リブ部の表面に広がりにくくなる。このため、リブ部とガス拡散層との当接部に生成水が滞留して、排出されにくくなるおそれがある。本発明では、ガス拡散層において、親水性繊維の一部がセパレータのリブ部と当接しないように、拡散層基材に親水性繊維を縫い付けるので、上述したリブ部とガス拡散層との当接部に生成水が滞留して、排出されにくくなる不具合を回避することができる。
【００２２】
また、本発明は、先に説明したガス拡散層の製造方法の発明として構成することもできる。すなわち、
本発明の製造方法は、
所定の電解質膜の両面に、それぞれアノード、および、カソードを接合した膜電極接合体を備え、前記カソードが、前記電解質膜に接合され、水素と酸素との電気化学反応を促進するための触媒層と、該触媒層に所定のガスを拡散させつつ供給するためのガス拡散層とを備える燃料電池に用いられる前記ガス拡散層の製造方法であって、
撥水性を有する拡散層基材を用意する工程と、
親水性を有する親水性繊維を用意する工程と、
前記親水性繊維の一部が前記ガス拡散性基材の両面に露出するように、前記親水性繊維を前記拡散層基材に縫い付ける工程と、
を備えることを要旨とする。
【００２３】
こうすることによって、先に説明した本発明のガス拡散層を製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき以下の順序で説明する。
Ａ．燃料電池スタックの構成：
Ｂ．単セル：
Ｃ．ガス拡散層：
Ｃ１．アノード側ガス拡散層：
Ｃ２．カソード側ガス拡散層：
Ｃ３．ガス拡散層の製造方法
Ｄ．変形例：
【００２５】
Ａ．燃料電池スタックの構成：
図１は、本発明の一実施例としての燃料電池スタック１０の概略構成を示す説明図である。燃料電池スタック１０は、図示するように、水素と酸素の電気化学反応によって発電する単セル１００を所定数積層して形成される。単セル１００の積層数は、燃料電池スタック１０に要求される出力に応じて任意に設定可能である。単セル１００の詳細については、後述する。
【００２６】
燃料電池スタック１０は、一端からエンドプレート１２、絶縁板１６、集電板１８、複数の単セル１００、集電板２０、絶縁板２２、エンドプレート１４の順に積層されて構成される。エンドプレート１２、１４は、剛性を確保するため、鋼等の金属によって形成されている。集電板１８、２０は、緻密質カーボンや銅板などガス不透過な導電性部材によって形成されている。絶縁板１６、２２は、ゴムや樹脂等の絶縁性部材によって形成されている。集電板１８、２０には、それぞれ出力端子１９、２１が設けられており、燃料電池スタック１０で発電した電力を出力可能となっている。
【００２７】
一方のエンドプレート１４には、燃料ガス供給口３５や、燃料ガス排出口３６や、酸化剤ガス供給口３３や、酸化剤ガス排出口３４や、冷却水供給口３１や、冷却水排出口３２が設けられている。燃料ガス供給口３５から燃料電池スタック１０に供給された燃料ガスは、エンドプレート１２に向かって流れながら各単セル１００に分配される。各単セル１００に配分された燃料ガスは、図中の上方から下方に単セル１００内の流路を流れた後、エンドプレート１４側に流れ、燃料ガス排出口３６から排出される。酸化剤ガスも同様に、酸化剤ガス供給口３３から供給された後、エンドプレート１２に向かって流れながら各単セル１００に分配され、各単セル１００内の流路を流れた後、酸化剤ガス排出口３４から排出される。燃料電池スタック１０は、このようなガスの流れを実現できるよう内部で各単セル１００のガス流路が形成されている。
【００２８】
なお、酸化剤ガス排出口３４、および、燃料ガス排出口３６からは、排出ガスとともに、各単セル１００において発電時に水素と酸素との電気化学反応によって生成された生成水も排出される。
【００２９】
また、図示は省略しているが、燃料電池スタック１０には、スタック構造のいずれかの箇所における接触抵抗の増加等による電池性能の低下を抑制したり、ガスの漏洩を抑制したりするために、スタック構造の積層方向に、押圧力が加えられている。
【００３０】
Ｂ．単セル：
図２は、単セル１００の断面構造を模式的に示す説明図である。この単セル１００は、膜電極接合体１１０の両面を、セパレータ１７０，１８０で挟持することによって構成されている。
【００３１】
膜電極接合体１１０は、プロトン伝導性を有する電解質膜１２０の一方の面に、アノード（水素極）として、アノード側触媒層１３０と、アノード側ガス拡散層１４０とを、この順に積層し、他方の面に、カソード（酸素極）として、カソード側触媒層１５０と、カソード側ガス拡散層１６０とを、この順に積層することによって構成されている。本実施例では、電解質膜１２０として、固体高分子型の電解質膜を用いるものとした。電解質膜１２０として、他の電解質膜を用いるものとしてもよい。
【００３２】
なお、膜電極接合体１１０のアノード、および、カソードには、それぞれ燃料ガスとしての水素、および、酸化剤ガスとしての酸素を含む空気が供給され、水素と酸素との電気化学反応によって、発電が行われる。このとき、カソード側触媒層１５０では、カソード反応によって、生成水も生成される。カソード側触媒層１５０で生成された生成水は、電解質膜１２０を透過して、アノード側触媒層１３０にも染み出す。そして、これらの生成水は、膜電極接合体１１０中に過剰に滞留すると、フラッディングが生じるため、後述する方法によって、外部に速やかに排出される。
【００３３】
膜電極接合体１１０のアノード側に配置されるセパレータ１７０は、図示するように、リブ部１７２と、溝部１７４とを備える凹凸形状を有しており、溝部１７４は、水素が流れるガス流路を形成する。なお、本実施例では、リブ部１７２は、多孔体によって形成されている。また、リブ部１７２の表面には、親水処理が施されている。
【００３４】
膜電極接合体１１０のカソード側に配置されるセパレータ１８０も、図示するように、リブ部１８２と、溝部１８４とを備える凹凸形状を有しており、溝部１８４は、空気が流れるガス流路を形成する。本実施例では、セパレータ１８０の溝部１８４には、乾燥した空気が流れるものとする。なお、セパレータ１８０におけるリブ部１８２は、膜電極接合体１１０のアノード側に配置されるセパレータ１７０とは異なり、多孔体ではなく、また、表面に親水処理も施されていない。
【００３５】
セパレータ１７０，１８０の材料としては、カーボンや、金属など、導電性を有する種々の材料を適用可能である。
【００３６】
Ｃ．ガス拡散層：
以下、本発明における特徴的な構成要素であるガス拡散層について説明する。
【００３７】
Ｃ１．アノード側ガス拡散層：
図３は、膜電極接合体１１０のアノード側ガス拡散層１４０の断面構造を模式的に示す説明図である。また、この図では、膜電極接合体１１０と、セパレータ１７０とを当接させたときの、アノード側ガス拡散層１４０と、セパレータ１７０との配置関係、および、膜電極接合体１１０における電解質膜１２０との配置関係も併せて示した。
【００３８】
図示するように、アノード側ガス拡散層１４０は、比較的撥水性が低い低撥水性拡散層１４４と、比較的撥水性が高い高撥水性拡散層１４６とを備える拡散層基材１４２に、親水性を有する親水性繊維１４８を、その一部が拡散層基材１４２の両面に露出するように縫い付けたものである。親水性繊維１４８は、拡散層基材１４２の面に対して垂直方向に貫通するように縫い付けられている。拡散層基材１４２は、例えば、カーボン繊維の間にポリテトラフルオロエチレンや、カーボンブラックを分散させたカーボンクロスの一方の面に、撥水剤を塗布することによって形成される。親水性繊維１４８としては、例えば、アラミド繊維等を用いることができる。
【００３９】
膜電極接合体１１０において、アノード側ガス拡散層１４０は、高撥水性拡散層１４６がアノード側触媒層１３０と当接するように接合されている。こうすることによって、アノード側ガス拡散層１４０の、アノード側触媒層１３０との界面における水素の拡散性を向上させ、アノード側触媒層１３０への水素の供給効率を向上させることができる。この結果、燃料電池スタック１０の発電効率を向上させることができる。
【００４０】
また、アノード側ガス拡散層１４０において、親水性繊維１４８は、膜電極接合体１１０と、セパレータ１７０とを当接させたときに、セパレータ１７０のリブ部１７２と、親水性繊維１４８の一部とが当接するように、拡散層基材１４２に縫い付けられている。このリブ部１７２の表面には、先に説明したように、親水処理が施されている。また、リブ部１７２は、多孔質によって形成されている。したがって、発電時にカソード側触媒層１５０で生成され、電解質膜１２０を透過して、アノード側触媒層１３０に染み出した生成水は、親水性繊維１４８に沿ってアノード側ガス拡散層１４０の表面に速やかに移動し、リブ部１７２の表面、および、内部に広がって、アノードオフガスとともに外部に排出される。この結果、膜電極接合体１１０のアノード側でのフラッディングを抑制することができる。
【００４１】
Ｃ２．カソード側ガス拡散層：
図４は、膜電極接合体１１０のカソード側ガス拡散層１６０の断面構造を模式的に示す説明図である。また、この図では、膜電極接合体１１０と、セパレータ１８０とを当接させたときの、カソード側ガス拡散層１６０と、セパレータ１８０との配置関係、および、膜電極接合体１１０における電解質膜１２０との配置関係も併せて示した。
【００４２】
図示するように、カソード側ガス拡散層１６０は、アノード側ガス拡散層１４０と同様に、比較的撥水性が低い低撥水性拡散層１６４と、比較的撥水性が高い高撥水性拡散層１６６とを備える拡散層基材１６２に、親水性を有する親水性繊維１６８を、その一部が拡散層基材１６２の両面に露出するように縫い付けたものである。親水性繊維１６８は、拡散層基材１６２の面に対して垂直方向に貫通するように縫い付けられている。拡散層基材１６２、および、親水性繊維１６８の材質等は、先に説明した拡散層基材１４２、および、親水性繊維１４８と同じである。
【００４３】
膜電極接合体１１０において、カソード側ガス拡散層１６０は、アノード側ガス拡散層１４０と同様に、高撥水性拡散層１６６がカソード側触媒層１５０と当接するように接合されている。こうすることによって、カソード側ガス拡散層１６０の、カソード側触媒層１５０との界面における空気の拡散性を向上させ、カソード側触媒層１５０への酸素の供給効率を向上させることができる。この結果、燃料電池スタック１０の発電効率を向上させることができる。
【００４４】
また、カソード側ガス拡散層１６０において、親水性繊維１６８は、膜電極接合体１１０と、セパレータ１８０とを当接させたときに、セパレータ１８０の溝部１８４に親水性繊維１６８が露出するように、拡散層基材１６２に縫い付けられている。そして、セパレータ１８０の溝部１８４には、先に説明したように、乾燥した空気が流れる。したがって、発電時にカソード側触媒層１５０で生成された生成水は、親水性繊維１４８に沿ってカソード側ガス拡散層１６０の表面に移動し、乾燥した空気によって乾燥するとともに、カソードオフガスとともに外部に排出される。この結果、膜電極接合体１１０のカソード側でのフラッディングを抑制することができる。
【００４５】
なお、上述したアノード側ガス拡散層１４０、および、カソード側ガス拡散層１６０において、親水性繊維１４８，１６８は、それぞれアノード側ガス拡散層１４０、および、カソード側ガス拡散層１６０の面に対して垂直方向に貫通するように縫い付けられているので、アノード側触媒層１３０、および、カソード側触媒層１５０から、生成水を最短距離で、アノード側ガス拡散層１４０、および、カソード側ガス拡散層１６０の表面に移動させることができる。
【００４６】
また、アノード側ガス拡散層１４０、および、カソード側ガス拡散層１６０には、セパレータ１７０，１８０との位置合わせを容易に行うことができるように、マーキングがなされている。
【００４７】
Ｃ３．ガス拡散層の製造方法：
拡散層基材１４２，１６２は、比較的破損しやすいため、上述したアノード側ガス拡散層１４０、および、カソード側ガス拡散層１６０は、例えば、以下に説明する製造方法にように製造される。ここでは、アノード側ガス拡散層１４０の製造方法について説明するが、カソード側ガス拡散層１６０の製造方法も同様である。
【００４８】
図５は、アノード側ガス拡散層１４０の製造方法の一例を示す説明図である。まず、拡散層基材１４２と、親水性繊維１４８と、拡散層基材１４２に親水性繊維１４８を縫い付けるための中空針２００とを用意する。そして、拡散層基材１４２に、アノード側ガス拡散層１４０と、セパレータ１７０との位置合わせを行うためのマーキングを付ける。そして、図５（ａ）に示したように、拡散層基材１４２の所望の位置に、中空針２００を垂直に刺す。そして、図５（ｂ）に示したように、中空針２００の内部に親水性繊維１４８を通す。そして、図５（ｃ）に示したように、親水性繊維１４８を通した中空針２００を、拡散層基材１４２から抜く。そして、拡散層基材１４２の所望の位置にすべて親水性繊維１４８が縫い付けられるまで、図５（ａ）〜（ｃ）に示した工程を繰り返す。こうすることによって、アノード側ガス拡散層１４０を製造することができる。
【００４９】
以上説明した本実施例の燃料電池スタック１０では、アノード側ガス拡散層１４０、および、カソード側ガス拡散層１６０において、拡散層基材１４２，１６２に親水性繊維１４８，１６８を縫い付けるので、アノード側ガス拡散層１４０、および、カソード側ガス拡散層１６０の表面上の所望の位置に、親水性繊維１４８，１６８を精度良く配置することができる。そして、親水性繊維１４８，１６８の一部は、それぞれ拡散層基材１４２，１６２の両面に露出しているので、アノード側触媒層１３０、および、カソード側触媒層１５０からそれぞれ、親水性繊維１４８，１６８に沿って、アノード側ガス拡散層１４０、および、カソード側ガス拡散層１６０の表面に、速やかに生成水を移動させることができる。したがって、燃料電池スタック１０において、水素と酸素との電気化学反応によって生成された生成水を、アノード側触媒層１３０、および、カソード側触媒層１５０からアノード側ガス拡散層１４０、および、カソード側ガス拡散層１６０の表面上の所望の位置に移動させるようにすることができる。そして、この生成水を、アノードオフガス、または、カソードオフガスオフガスとともに、燃料電池スタック１０の外部に速やかに排出することができる。この結果、燃料電池スタック１０におけるフラッディングを抑制することができる。
【００５０】
Ｄ．変形例：
以上、本発明のいくつかの実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形例が可能である。
【００５１】
Ｄ１．変形例１：
上記実施例では、アノード側ガス拡散層１４０は、拡散層基材１４２と親水性繊維１４８とを備えるものとしたが、これに限られない。先に説明したように、拡散層基材１４２は破損しやすいため、拡散層基材１４２を縫い付けたときの補強用の補強糸１４９をさらに備えるようにしてもよい。カソード側ガス拡散層１６０についても同様である。
【００５２】
図６は、変形例としてのアノード側ガス拡散層の断面構造を模式的に示す説明図である。図６（ａ）に示したように、拡散層基材１４２のガス流路側に補強糸１４９を配置し、この補強糸１４９を跨いで、所望の位置に１本の親水性繊維１４８を縫い付けるようにしてもよい。また、図６（ｂ）に示したように、拡散層基材１４２のガス流路側に補強糸１４９を配置し、この補強糸１４９を跨いで、複数の親水性繊維１４８を縫い付けるようにしてもよい。この場合、アノード側触媒層１３０側の余った親水性繊維１４８は、拡散層基材１４２の面に沿うように貼り付けられる。また、図６（ｃ）に示したように、図６（ｂ）に示した例と同様に、拡散層基材１４２のガス流路側に補強糸１４９を配置し、この補強糸１４９を跨いで、複数の親水性繊維１４８を縫い付けるようにして、アノード側触媒層１３０側の余った親水性繊維１４８の先をほぐして、拡散層基材１４２の面に沿うように広げて貼り付けるようにしてもよい。また、図６（ｂ），（ｃ）における補強糸１４９を省略してもよい。
【００５３】
Ｄ２．変形例２：
上記実施例では、アノード側ガス拡散層１４０は、低撥水性拡散層１４４と、高撥水性拡散層１４６とを備えるものとしたが、いずれか一方のみを備えるようにしてもよい。カソード側ガス拡散層１６０についても同様である。
【００５４】
Ｄ３．変形例３：
上記実施例では、アノード側ガス拡散層１４０において、親水性繊維１４８は、拡散層基材１４２の面に対して垂直に縫い付けられるものとしたが、斜めに縫い付けられるものとしてもよい。
【００５５】
Ｄ４．変形例４：
上記実施例では、セパレータ１７０のリブ部１７２は、多孔体によって形成されているものとしたが、多孔体でなくてもよい。
【００５６】
Ｄ５．変形例５：
上記実施例では、膜電極接合体１１０のアノード側に当接するセパレータ１７０と、カソード側に当接するセパレータ１８０とは、異なるものを用いるものとしたが、これに限られない。例えば、単セル１００のカソード側に当接するセパレータとして、セパレータ１８０の代わりに、セパレータ１７０を用いるようにしてもよい。この場合、カソード側ガス拡散層１６０における拡散層基材１６２への親水性繊維１６８の縫い付け方は、アノード側ガス拡散層１４０における拡散層基材１４２への親水性繊維１４８の縫い付け方と同じにしてもよい。
【００５７】
なお、上記実施例では、膜電極接合体１１０のカソードには、乾燥した空気が供給されるものとしたが、加湿された空気が供給されるようにしてもよい。この場合には、カソード側ガス拡散層１６０の表面に移動した生成水を乾燥させることができないので、セパレータ１８０の代わりに、セパレータ１７０を用いるようにするとともに、カソード側ガス拡散層１６０における拡散層基材１６２への親水性繊維１６８の縫い付け方（セパレータ１７０との配置関係配置）を、アノード側ガス拡散層１４０における拡散層基材１４２への親水性繊維１４８の縫い付け方と同じにすることが好ましい。
【００５８】
Ｄ６．変形例６：
上記実施例において、図３に示した例では、アノード側ガス拡散層１４０において、親水性繊維１４８は、セパレータ１７０の複数のリブ部１７２を横断する方向に縫い付けられているものとしたが、これに限られない。例えば、親水性繊維１４８を、１つのリブ部１７２を縦断する方向に縫い付けるようにしてもよい。カソード側ガス拡散層１６０についても同様である。
【００５９】
Ｄ７．変形例７：
上記実施例では、本発明のガス拡散層を、膜電極接合体１１０のアノード側、および、カソード側の両方に適用した場合について説明したが、これに限られない。例えば、生成水の量が多くなるカソード側についてのみ、本発明のガス拡散層を適用するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明の一実施例としての燃料電池スタック１０の概略構成を示す説明図である。
【図２】単セル１００の断面構造を模式的に示す説明図である。
【図３】膜電極接合体１１０のアノード側ガス拡散層１４０の断面構造を模式的に示す説明図である。
【図４】膜電極接合体１１０のカソード側ガス拡散層１６０の断面構造を模式的に示す説明図である。
【図５】アノード側ガス拡散層１４０の製造方法の一例を示す説明図である。
【図６】変形例としてのアノード側ガス拡散層の断面構造を模式的に示す説明図である。
【符号の説明】
【００６１】
１０...燃料電池スタック
１２，１４...エンドプレート
１６，２２...絶縁板
１８，２０...集電板
１９，２１...出力端子
３１...冷却水供給口
３２...冷却水排出口
３３...酸化剤ガス供給口
３４...酸化剤ガス排出口
３５...燃料ガス供給口
３６...燃料ガス排出口
１００...単セル
１１０...膜電極接合体
１２０...電解質膜
１３０...アノード側触媒層
１４０...アノード側ガス拡散層
１４２...拡散層基材
１４４...低撥水性拡散層
１４６...高撥水性拡散層
１４８...親水性繊維
１５０...カソード側触媒層
１６０...カソード側ガス拡散層
１６２...拡散層基材
１６４...低撥水性拡散層
１６６...高撥水性拡散層
１６８...親水性繊維
１７０...セパレータ
１７２...リブ部
１７４...溝部
１８０...セパレータ
１８２...リブ部
１８４...溝部
２００...中空針
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の電解質膜の両面に、それぞれアノード、および、カソードを接合した膜電極接合体を備え、前記カソードが、前記電解質膜に接合され、水素と酸素との電気化学反応を促進するための触媒層と、該触媒層に所定のガスを拡散させつつ供給するためのガス拡散層とを備える燃料電池に用いられる前記ガス拡散層であって、
撥水性を有する拡散層基材と、
親水性を有する親水性繊維と、を備え、
前記親水性繊維は、該親水性繊維の一部が前記拡散層基材の両面に露出するように、前記拡散層基材に縫い付けられている、
ガス拡散層。
【請求項２】
請求項１記載のガス拡散層であって、
前記拡散層基材は、比較的撥水性が低い低撥水層と、比較的撥水性が高い高撥水層とを備え、
前記高撥水層は、前記触媒層と当接する面に備えられている、
ガス拡散層。
【請求項３】
請求項１または２記載のガス拡散層であって、
前記親水性繊維は、前記拡散層基材の面に対して垂直方向に貫通するように縫い付けられている、
ガス拡散層。
【請求項４】
所定の電解質膜の両面に、それぞれアノード、および、カソードを接合した膜電極接合体を備え、前記カソードが、前記電解質膜に接合され、水素と酸素との電気化学反応を促進するための触媒層と、該触媒層に所定のガスを拡散させつつ供給するためのガス拡散層とを備える燃料電池であって、
前記膜電極接合体は、前記ガス拡散層として、請求項１ないし３のいずれかに記載のガス拡散層を備えており、
前記燃料電池は、前記膜電極接合体の両面を挟持するセパレータを備え、
該セパレータは、
前記ガス拡散層と当接するリブ部と、
前記ガスが流れるガス流路となる溝部と、を備え、
少なくとも前記リブ部の表面は、親水性を有しており、
前記ガス拡散層において、前記親水性繊維は、該親水性繊維の一部が前記リブ部に当接するように、前記拡散層基材に縫い付けられている、
燃料電池。
【請求項５】
請求項４記載の燃料電池であって、
前記リブ部は、多孔質の部材からなる、
燃料電池。
【請求項６】
所定の電解質膜の両面に、それぞれアノード、および、カソードを接合した膜電極接合体を備え、前記カソードが、前記電解質膜に接合され、水素と酸素との電気化学反応を促進するための触媒層と、該触媒層に所定のガスを拡散させつつ供給するためのガス拡散層とを備える燃料電池であって、
前記膜電極接合体は、前記ガス拡散層として、請求項１ないし３のいずれかに記載のガス拡散層を備えており、
前記燃料電池は、前記膜電極接合体の両面を挟持するセパレータを備え、
該セパレータは、
前記ガス拡散層と当接するリブ部と、
前記ガスが流れるガス流路となる溝部と、を備え、
前記ガス流路は、乾燥した前記ガスが流れるガス流路であり、
前記ガス拡散層において、前記親水性繊維は、該親水性繊維の一部が前記ガス流路に露出するように、前記拡散層基材に縫い付けられている、
燃料電池。
【請求項７】
所定の電解質膜の両面に、それぞれアノード、および、カソードを接合した膜電極接合体を備え、前記カソードが、前記電解質膜に接合され、水素と酸素との電気化学反応を促進するための触媒層と、該触媒層に所定のガスを拡散させつつ供給するためのガス拡散層とを備える燃料電池に用いられる前記ガス拡散層の製造方法であって、
撥水性を有する拡散層基材を用意する工程と、
親水性を有する親水性繊維を用意する工程と、
前記親水性繊維の一部が前記ガス拡散性基材の両面に露出するように、前記親水性繊維を前記拡散層基材に縫い付ける工程と、
を備える製造方法。
【請求項１】
所定の電解質膜の両面に、それぞれアノード、および、カソードを接合した膜電極接合体を備え、前記カソードが、前記電解質膜に接合され、水素と酸素との電気化学反応を促進するための触媒層と、該触媒層に所定のガスを拡散させつつ供給するためのガス拡散層とを備える燃料電池に用いられる前記ガス拡散層であって、
撥水性を有する拡散層基材と、
親水性を有する親水性繊維と、を備え、
前記親水性繊維は、該親水性繊維の一部が前記拡散層基材の両面に露出するように、前記拡散層基材に縫い付けられている、
ガス拡散層。
【請求項２】
請求項１記載のガス拡散層であって、
前記拡散層基材は、比較的撥水性が低い低撥水層と、比較的撥水性が高い高撥水層とを備え、
前記高撥水層は、前記触媒層と当接する面に備えられている、
ガス拡散層。
【請求項３】
請求項１または２記載のガス拡散層であって、
前記親水性繊維は、前記拡散層基材の面に対して垂直方向に貫通するように縫い付けられている、
ガス拡散層。
【請求項４】
所定の電解質膜の両面に、それぞれアノード、および、カソードを接合した膜電極接合体を備え、前記カソードが、前記電解質膜に接合され、水素と酸素との電気化学反応を促進するための触媒層と、該触媒層に所定のガスを拡散させつつ供給するためのガス拡散層とを備える燃料電池であって、
前記膜電極接合体は、前記ガス拡散層として、請求項１ないし３のいずれかに記載のガス拡散層を備えており、
前記燃料電池は、前記膜電極接合体の両面を挟持するセパレータを備え、
該セパレータは、
前記ガス拡散層と当接するリブ部と、
前記ガスが流れるガス流路となる溝部と、を備え、
少なくとも前記リブ部の表面は、親水性を有しており、
前記ガス拡散層において、前記親水性繊維は、該親水性繊維の一部が前記リブ部に当接するように、前記拡散層基材に縫い付けられている、
燃料電池。
【請求項５】
請求項４記載の燃料電池であって、
前記リブ部は、多孔質の部材からなる、
燃料電池。
【請求項６】
所定の電解質膜の両面に、それぞれアノード、および、カソードを接合した膜電極接合体を備え、前記カソードが、前記電解質膜に接合され、水素と酸素との電気化学反応を促進するための触媒層と、該触媒層に所定のガスを拡散させつつ供給するためのガス拡散層とを備える燃料電池であって、
前記膜電極接合体は、前記ガス拡散層として、請求項１ないし３のいずれかに記載のガス拡散層を備えており、
前記燃料電池は、前記膜電極接合体の両面を挟持するセパレータを備え、
該セパレータは、
前記ガス拡散層と当接するリブ部と、
前記ガスが流れるガス流路となる溝部と、を備え、
前記ガス流路は、乾燥した前記ガスが流れるガス流路であり、
前記ガス拡散層において、前記親水性繊維は、該親水性繊維の一部が前記ガス流路に露出するように、前記拡散層基材に縫い付けられている、
燃料電池。
【請求項７】
所定の電解質膜の両面に、それぞれアノード、および、カソードを接合した膜電極接合体を備え、前記カソードが、前記電解質膜に接合され、水素と酸素との電気化学反応を促進するための触媒層と、該触媒層に所定のガスを拡散させつつ供給するためのガス拡散層とを備える燃料電池に用いられる前記ガス拡散層の製造方法であって、
撥水性を有する拡散層基材を用意する工程と、
親水性を有する親水性繊維を用意する工程と、
前記親水性繊維の一部が前記ガス拡散性基材の両面に露出するように、前記親水性繊維を前記拡散層基材に縫い付ける工程と、
を備える製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００８−１０１６４（Ｐ２００８−１０１６４Ａ）
【公開日】平成２０年１月１７日（２００８．１．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１７６１８６（Ｐ２００６−１７６１８６）
【出願日】平成１８年６月２７日（２００６．６．２７）
【出願人】（０００００４６９５）株式会社日本自動車部品総合研究所 (1,981)
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１月１７日（２００８．１．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年６月２７日（２００６．６．２７）
【出願人】（０００００４６９５）株式会社日本自動車部品総合研究所 (1,981)
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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