燃料電池
【課題】 触媒の有効利用率を向上させることができる燃料電池の提供。
【解決手段】 （１） セパレータのリブ３４の縁３５からのセル面内方向の距離に応じて連続的または段階的に触媒量を変化させた触媒層１２、１５を有する燃料電池。
（２） リブ３４の縁３５から離れるにつれ触媒量が減少する燃料電池。
（３） リブ３４の縁３５から離れるにつれ触媒量が増大する燃料電池。
（４） 電解質１１と、リブとリブ間に形成されたガス流路を有するセパレータ１８と、電解質に塗布された、触媒を含む触媒層１２、１５と、を有する燃料電池１０であって、触媒は、セパレータのリブの縁からリブ内側に第１の距離隔たった位置とリブ外側に第２の距離隔たった位置との間の第１の領域Ｒ1 にある触媒量が、該第１の領域以外の第２の領域Ｒ2 にある触媒量よりも大とされている。
【解決手段】 （１） セパレータのリブ３４の縁３５からのセル面内方向の距離に応じて連続的または段階的に触媒量を変化させた触媒層１２、１５を有する燃料電池。
（２） リブ３４の縁３５から離れるにつれ触媒量が減少する燃料電池。
（３） リブ３４の縁３５から離れるにつれ触媒量が増大する燃料電池。
（４） 電解質１１と、リブとリブ間に形成されたガス流路を有するセパレータ１８と、電解質に塗布された、触媒を含む触媒層１２、１５と、を有する燃料電池１０であって、触媒は、セパレータのリブの縁からリブ内側に第１の距離隔たった位置とリブ外側に第２の距離隔たった位置との間の第１の領域Ｒ1 にある触媒量が、該第１の領域以外の第２の領域Ｒ2 にある触媒量よりも大とされている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関し、とくに燃料電池の触媒層に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池はＭＥＡ（膜−電極接合体）をセパレータで挟んだものから形成される。ＭＥＡは電解質の表面に触媒層を設けたものを含む。ＭＥＡとセパレータの間にはガス拡散層が設けられる。セパレータにはＭＥＡにガスを供給するガス流路が形成されている。ガス流路はセパレータのリブの間に形成される。
触媒層は、通常、セル発電領域にある電解質部分の全域に均一に触媒が塗布される。あるいは、特開２００３−１７３７８５号公報に開示されているように、セパレータのガス流路に対向する電解質部分に触媒が塗布され、セパレータリブに対向する部位には触媒が塗布されずに、オン・オフ的塗布となっている。
【特許文献１】特開２００３−１７３７８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、上記の触媒が均一に塗布されるか、あるいは、触媒がオン・オフ的に塗布される燃料電池は、触媒塗布量分布がセル面内での発電特性を十分に考慮したものではないという課題があった。その結果、実際には発電に寄与しない触媒が多く存在し、触媒の有効利用率が低下していた。
本発明の目的は、触媒の有効利用率を向上させることができる燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記課題を解決する、そして上記目的を達成する、本発明はつぎのとおりである。
（１） セパレータのリブの縁からのセル面内方向の距離に応じて連続的または段階的に触媒量を変化させた触媒層を有する燃料電池。
（２） 前記リブの縁から離れるにつれ触媒量が減少する（１）記載の燃料電池。
（３） 前記リブの縁から離れるにつれ触媒量が増大する（１）記載の燃料電池。
（４） 電解質と、
リブとリブ間に形成されたガス流路を有するセパレータと、
前記電解質に塗布された、触媒を含む触媒層と、
を有する燃料電池であって、
前記触媒は、セパレータのリブの縁からリブ内側に第１の距離隔たった位置とリブ外側に第２の距離隔たった位置との間の第１の領域にある触媒量が、該第１の領域以外の第２の領域にある触媒量よりも大とされている（１）記載の燃料電池。
（５） 前記第１の領域には触媒が含まれ、前記第２の領域には触媒が含まれない（４）記載の燃料電池。
（６） 前記触媒層は、面内発電量分布にほぼ比例した量の触媒を含む（４）記載の燃料電池。
【発明の効果】
【０００５】
発電領域において電解質膜の表面に触媒を均一に含む触媒層を塗布、形成した燃料電池を用いて、セル面内方向の発電量分布を測定したところ、図４に示す結果を得た。すなわち、発電量はセパレータのリブの縁に対応する触媒層部位で最大となり、リブの縁からセル面内方向にリブ外側およびリブ内側に離れるに従って下がる。このような発電量分布を示す理由は、リブの中央で、生成水の排出が阻害されて生成水によるガスの触媒への供給が阻害されて発電量が下がり、ガス流路の中央で、面圧が小さくなって電子の伝導が速やかに行われなくなって発電量が下がるからであると考えられる。
【０００６】
上記（１）の燃料電池によれば、触媒量をセパレータのリブの縁からのセル面内方向の距離に応じて変化させたので、また発電量分布はリブの縁で最大でリブの縁から離れるに従って低下するので（図４）、セルの発電量分布と触媒量の変化とを対応させることができる。
上記（２）の燃料電池によれば、リブの縁から離れるにつれ触媒量が減少するので、発電量が大の部位で触媒量を多くし、発電量が小の部位で触媒量を少なくしたので、実際には発電に寄与しない触媒が少なくなり、触媒の有効利用率を向上させることができる。
上記（３）の燃料電池によれば、リブの縁から離れるにつれ触媒量が増大するので、発電量が小の部位で触媒量を多くしたので、発電量が小の部位での発電量の低下が抑制され、発電量がセル面内で均一化される。
上記（４）の燃料電池によれば、リブの縁を含む第１の領域の触媒量を、第１の領域以外の（リブの縁を含まない）第２の領域の触媒量より大としたので、実際には発電に寄与しない触媒が少なくなり、触媒の有効利用率を向上させることができる。
上記（５）の燃料電池によれば、第１の領域には触媒が含まれ、第２の領域には触媒が含まれないので、第２の領域をマスキングして第１の領域に触媒を塗布するなどの塗布方法を採用でき、触媒を第１の領域にのみ容易に塗布することができる。
上記（６）の燃料電池によれば、触媒層が、面内発電量分布にほぼ比例した量の触媒を含むので、触媒量分布を面内発電量分布に比例させることができ、触媒の有効利用率を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下に、本発明の燃料電池を図１−図６を参照して説明する。
本発明が適用される燃料電池（セルともいう）は、たとえば固体高分子電解質型燃料電池１０である。ただし、固体高分子電解質型燃料電池以外の燃料であってもよい。燃料電池１０は、たとえば燃料電池自動車に搭載される。ただし、自動車以外に用いられてもよい。
【０００８】
図２、図５、図６に示すように、固体高分子電解質型燃料電池１０は、膜−電極接合体（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）１９とセパレータ１８とを重ね合わせて構成される。
膜−電極接合体１９は、イオン交換膜からなる電解質１１（膜状に構成されているので、以下、電解質膜ともいう）とこの電解質膜１１の一面に配置された触媒層１２からなる電極１４（アノード、燃料極）および電解質膜１１の他面に配置された触媒層１５からなる電極１７（カソード、空気極ともいう）とからなる。膜−電極接合体１９とセパレータ１８との間には、アノード側、カソード側にそれぞれ拡散層（ガス拡散層ともいう）１３、１６が設けられる。
膜−電極接合体１９とセパレータ１８を重ねてセル１０を構成し、セル１０を積層してセル積層体とし、セル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル２０、インシュレータ２１、エンドプレート２２を配置し、エンドプレート２２をセル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材（たとえば、テンションプレート２４）に、ボルト・ナット２５にて固定し、セル積層体にセル積層方向の締結荷重を付与して、燃料電池スタック２３を構成する。
【０００９】
セパレータ１８には、発電領域５１において、アノード１４に燃料ガス（水素）を供給するための燃料ガス流路２７が形成され、カソード１７に酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための酸化ガス流路２８が形成されている。また、セパレータ１８にはガス流路２７、２８と反対側の面に冷媒（通常、冷却水）を流すための冷媒流路２６も形成されている。セパレータ１８には、非発電領域５２において、燃料ガスマニホールド３０、酸化ガスマニホールド３１、冷媒マニホールド２９が形成されている。燃料ガスマニホールド３０は燃料ガス流路２７と連通しており、酸化ガスマニホールド３１は酸化ガス流路２８と連通しており、冷媒マニホールド２９は冷媒流路２６と連通している。
ガス流路２７、２８はセパレータ１８のリブ（セパレータ１８の凹凸面の凸部の部分）３４間に形成されている。リブ３４の頂面は拡散層１３、１６を押圧し、セパレータ１８と電極１４、１７間の電流通路となる。リブ３４は、図示例では、格子縞を形成するリブの場合を示したが、リブは格子縞を形成するリブに限るものではなく、ストレート流路やサーペンタイン流路を形成するリブでもよく、更には、直線状または曲線状に延びるリブを任意の長さで切断したリブでもよい。これらの何れのリブにも本発明を適用できる。
セパレータ１８は、カーボンセパレータ、またはメタルセパレータ（メタルセパレータと樹脂フレームとの組み合わせである場合を含む）、または導電性樹脂セパレータからなる。
【００１０】
各セル１０の、アノード１４では、水素を水素イオン（プロトン）と電子に変換する電離反応が行われ、水素イオンは電解質膜１１中をカソード１７側に移動し、カソード１７では酸素と水素イオンおよび電子（隣りのＭＥＡのアノードで生成した電子がセパレータを通してくる、またはセル積層方向一端のセルのアノードで生成した電子が外部回路を通して他端のセルのカソードにくる）から水が生成され、次式にしたがって発電が行われる。
アノード側：Ｈ2 →２Ｈ+ ＋２ｅ-
カソード側：２Ｈ+ ＋２ｅ- ＋（１／２）Ｏ2 →Ｈ2 Ｏ
【００１１】
各種流体（燃料ガス、酸化ガス、冷媒）は、互いに、かつ外部から、それぞれシールされる。各セル１０のＭＥＡ１９を挟む２つのセパレータ１８間は、第１のシール部材３２によってシールされており、隣接するセル１０同士の間は、第２のシール部材３３によってシールされている。
第１のシール部材３２は、たとえば接着剤シール（シール接着剤）からなり、第２のシール部材３３は、たとえば、ゴムガスケットからなる。ただし、第１のシール部材３２、第２のシール部材３３とも、接着剤シール剤、またはゴムガスケットから構成されてもよい。
【００１２】
発電領域５１において、電解質膜１１の表面には触媒層１２、１５が形成され、触媒層１２、１５は触媒を含む。
触媒層１２、１５は、触媒、カーボン、電解質を含む。
触媒は、Ｐｔをはじめとする貴金属（一元系触媒）、その貴金属とＣｏやＦｅ等との合金（二元系、三元系等を含む多元系）を用いる。ただし、貴金属以外の金属やその合金を使用してもよい。
発電領域５１における電解質膜１１の表面に触媒を含む触媒層材料を塗布して触媒層１２、１５を形成する時、触媒層材料は、触媒を担持したカーボンの粉末状態、触媒を担持したカーボンの粉末を電解質樹脂に混合したコロイド状態、触媒を担持したカーボンの粉末を電解質樹脂とアルコール等の溶液に混合したインク状態、の何れかの状態にある。
狙った部位への触媒層材料の塗布方法には、触媒塗布不要部位をマスキングしてアプリケータやダイヘッドによる塗工、スプレー法などがある。また、静電塗工でもよい。
拡散層１３、１６は、触媒層１２、１５と一体に形成されてもよいし、あるいは、触媒層１２、１５とは別体に形成されてもよい。
【００１３】
発電領域５１において、電解質膜１１に、触媒を均一に含む触媒層１２、１５を塗布、形成した燃料電池を用いて、セル面内方向の発電量分布を測定したところ、図４に示す結果を得た。すなわち、発電領域５１において、触媒を均一に含む触媒層１２、１５を有する燃料電池では、発電量は、セパレータ１８のリブ３４の縁３５に対応する触媒層部位で最大となり、リブ３４の縁３５から、セル面内方向に、リブ内側に向かって（Ａ方向）、またはリブ外側に向かって（Ｂ方向）、離れるに従って低下する。このような発電量分布を示す理由は、リブ３４の中央に対応する部位で、拡散層１３、１６および触媒層１２、１５からの生成水の排出が阻害されて、生成水によりガスの触媒への供給が阻害されて発電量が下がり、ガス流路２７、２８の中央で、セパレータ１８と電極１４、１７間の面圧が小さくなって、セパレータ１８と電極１４、１７間の接触部で、電子の伝導が速やかに行われなくなって発電量が下がるからであると考えられる。
【００１４】
本発明では、セルの発電領域の発電特性の分布を考慮に入れて触媒が塗布される。触媒を塗布する領域、部位、量は、面内発電量分布、および／または、セパレータのガス流路パターン、および／または、発電条件（ガス流量、ガス加湿量など）により、異なる。
本発明では、触媒層１２、１５中の触媒量が、セパレータ１８のリブ３４の縁３５からのセル面内方向（リブ内側に向かうＡ方向、および／または、リブ外側に向かうＢ方向）の距離に応じて、連続的または段階的に変化されている。
【００１５】
触媒の塗布量の変化は、セパレータ１８のリブ３４の縁３５からのセル面内方向（リブ内側に向かうＡ方向、および／または、リブ外側に向かうＢ方向）の距離に応じて、触媒量を連続的または段階的に減少させた場合と、触媒塗布量を連続的または段階的に増大させた場合の、何れであってもよい。
【００１６】
図１〜図３の例では、本発明の燃料電池１０は、リブ３４間にガス流路２７、２８を形成したセパレータ１８と、電解質面に塗布、形成された、触媒を含む触媒層１２、１５と、を有する。触媒は、セパレータ１８のリブ３４の縁３５からリブ内側に第１の距離Ｌ1 隔たった位置とリブ外側に第２の距離Ｌ2 隔たった位置との間の第１の領域Ｒ1 にある触媒量が、該第１の領域Ｒ1 以外の第２の領域Ｒ2 にある触媒量よりも大とされている。
【００１７】
たとえば、触媒層１２、１５の触媒は、セパレータ１８のリブ３４の縁３５からリブ内側に向かって（Ａ方向に）リブ幅Ｗの半分（Ｗ／２）以下の第１の距離Ｌ1 隔たった位置とリブ外側に向かって（Ｂ方向に）リブ外側にある流路２７、２８の幅Ｄの半分（Ｄ／２）以下の第２の距離Ｌ2 隔たった位置との間の領域である第１の領域Ｒ1 に、第１の領域Ｒ1 以外の領域である第２の領域Ｒ2 よりも多量に塗布されている。
【００１８】
第１の領域Ｒ1 は、セパレータ１８のリブ３４の縁３５からリブ内側に向かう領域部分とセパレータ１８のリブ３４の縁３５からリブ外側に向かう領域部分との両方を含む。
第２の領域Ｒ2 は、触媒量が０であってもよい。
触媒量が０である領域では、触媒層として触媒を担持しないカーボン担体を塗布してもよいし、あるいは、触媒層がなく電解質膜１１と拡散層１３、１６のみとしてもよい。
【００１９】
触媒の塗布は、つぎの態様をとることができる。
（イ）段階的変化を伴う塗布
第１の領域Ｒ1 には触媒が多く含まれ、第２の領域Ｒ2 には触媒が第１の領域Ｒ1 より少なく含まれるか、または含まれない（触媒量が０）。
（ロ）連続的変化を伴う塗布
第１の領域Ｒ1 における触媒の塗布量は、面内発電量分布（たとえば、図４に示す分布）にほぼ比例して連続的に変化される。第２の領域Ｒ2 における触媒の塗布量は、０か、または面内発電量分布にほぼ比例して連続的に変化される。第２の領域Ｒ2 における触媒量は第１の領域Ｒ1 の触媒量より小である。
【００２０】
触媒量をセパレータ１８のリブ３４の縁３５からのセル面内方向の距離に応じて変化させた触媒層は、カソード１７のみであってもよいし（その場合は、アノード１４は従来通り触媒量一定）、アノード１４のみであってもよいし（その場合は、カソード１７は従来通り触媒量一定）、あるいはカソード１７とアノード１４の両方であってもよい。
【００２１】
つぎに、本発明の作用、効果を説明する。
本発明では、触媒量をセパレータ１８のリブ３４の縁３５からのセル面内方向の距離に応じた量としたので、また発電量分布がリブ３４の縁３５で最大でリブ３４の縁３５から離れるに従って低下するので（図４）、セルの発電量分布と触媒量とを対応させることができる。その結果、セルの発電量分布が大の部位で触媒量を多くし、効率よく発電を行うことができ、セルの発電量分布が小の部位で触媒量を少なくして、触媒の有効利用率を向上させ、低コスト化を可能とする。
【００２２】
リブ３４の縁３５から離れるにつれ触媒量を減少させた場合は、発電量が大の部位で触媒量を多くし、発電量が小の部位で触媒量を少なくしたので、実際には発電に寄与しない触媒が少なくなり、触媒の有効利用率を向上させることができる。
【００２３】
リブ３４の縁３５から離れるにつれ触媒量を増大させた場合は、発電量が小の部位で触媒量を多くしたので、発電量が小の部位での発電量の低下が抑制され、発電量がセル面内で均一化される。
【００２４】
リブ３４の縁３５を含む第１の領域Ｒ1 の触媒量が、第１の領域Ｒ1 以外の第２の領域Ｒ2 の触媒量より大であるので、実際には発電に寄与しない触媒が少なくなり、触媒の有効利用率を向上させることができる。
第１の領域Ｒ1 には触媒が含まれ、第２の領域Ｒ2 には触媒が含まれない場合は、第２の領域Ｒ2 をマスキングして第１の領域Ｒ1 に触媒層材料を塗布するなどの塗装方法を採用でき、触媒層材料を第１の領域Ｒ1 にのみ容易に塗布することができる。
第１の領域Ｒ1 と第２の領域Ｒ2 に、面内発電量分布にほぼ比例して触媒が含まれる場合は、触媒量を面内発電量分布に比例させて最適化でき、触媒の有効利用率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の燃料電池のセパレータの正面図である。
【図２】本発明の燃料電池の、触媒層塗布、形成領域とリブとの関係を示す、ＭＥＡの正面図である。
【図３】図２のＭＥＡを含むセルの断面図である。
【図４】触媒を均一に含むセルとその発電量分布図である。
【図５】本発明の燃料電池を含む燃料電池スタックの側面図である。
【図６】図５の一部の拡大断面図である。
【符号の説明】
【００２６】
１０ （固体高分子電解質型）燃料電池
１１ 電解質（電解質膜）
１２、１５ 触媒層
１３、１６ 拡散層
１４ アノード
１７ カソード
１８ セパレータ
１９ ＭＥＡ
２０ ターミナル
２１ インシュレータ
２２ エンドプレート
２３ 燃料電池スタック
２４ 締結部材（テンションプレート）
２５ ボルト
２６ 冷媒流路（冷却水流路）
２７ 燃料ガス流路
２８ 酸化ガス流路
２９ 冷媒マニホールド
３０ 燃料ガスマニホールド
３１ 酸化ガスマニホールド
３２ 第１のシール部材
３３ 第２のシール部材
３４ リブ
３５ リブの縁
５１ 発電領域
５２ 非発電領域
Ｒ1 第１の領域
Ｒ2 第２の領域
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関し、とくに燃料電池の触媒層に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池はＭＥＡ（膜−電極接合体）をセパレータで挟んだものから形成される。ＭＥＡは電解質の表面に触媒層を設けたものを含む。ＭＥＡとセパレータの間にはガス拡散層が設けられる。セパレータにはＭＥＡにガスを供給するガス流路が形成されている。ガス流路はセパレータのリブの間に形成される。
触媒層は、通常、セル発電領域にある電解質部分の全域に均一に触媒が塗布される。あるいは、特開２００３−１７３７８５号公報に開示されているように、セパレータのガス流路に対向する電解質部分に触媒が塗布され、セパレータリブに対向する部位には触媒が塗布されずに、オン・オフ的塗布となっている。
【特許文献１】特開２００３−１７３７８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、上記の触媒が均一に塗布されるか、あるいは、触媒がオン・オフ的に塗布される燃料電池は、触媒塗布量分布がセル面内での発電特性を十分に考慮したものではないという課題があった。その結果、実際には発電に寄与しない触媒が多く存在し、触媒の有効利用率が低下していた。
本発明の目的は、触媒の有効利用率を向上させることができる燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記課題を解決する、そして上記目的を達成する、本発明はつぎのとおりである。
（１） セパレータのリブの縁からのセル面内方向の距離に応じて連続的または段階的に触媒量を変化させた触媒層を有する燃料電池。
（２） 前記リブの縁から離れるにつれ触媒量が減少する（１）記載の燃料電池。
（３） 前記リブの縁から離れるにつれ触媒量が増大する（１）記載の燃料電池。
（４） 電解質と、
リブとリブ間に形成されたガス流路を有するセパレータと、
前記電解質に塗布された、触媒を含む触媒層と、
を有する燃料電池であって、
前記触媒は、セパレータのリブの縁からリブ内側に第１の距離隔たった位置とリブ外側に第２の距離隔たった位置との間の第１の領域にある触媒量が、該第１の領域以外の第２の領域にある触媒量よりも大とされている（１）記載の燃料電池。
（５） 前記第１の領域には触媒が含まれ、前記第２の領域には触媒が含まれない（４）記載の燃料電池。
（６） 前記触媒層は、面内発電量分布にほぼ比例した量の触媒を含む（４）記載の燃料電池。
【発明の効果】
【０００５】
発電領域において電解質膜の表面に触媒を均一に含む触媒層を塗布、形成した燃料電池を用いて、セル面内方向の発電量分布を測定したところ、図４に示す結果を得た。すなわち、発電量はセパレータのリブの縁に対応する触媒層部位で最大となり、リブの縁からセル面内方向にリブ外側およびリブ内側に離れるに従って下がる。このような発電量分布を示す理由は、リブの中央で、生成水の排出が阻害されて生成水によるガスの触媒への供給が阻害されて発電量が下がり、ガス流路の中央で、面圧が小さくなって電子の伝導が速やかに行われなくなって発電量が下がるからであると考えられる。
【０００６】
上記（１）の燃料電池によれば、触媒量をセパレータのリブの縁からのセル面内方向の距離に応じて変化させたので、また発電量分布はリブの縁で最大でリブの縁から離れるに従って低下するので（図４）、セルの発電量分布と触媒量の変化とを対応させることができる。
上記（２）の燃料電池によれば、リブの縁から離れるにつれ触媒量が減少するので、発電量が大の部位で触媒量を多くし、発電量が小の部位で触媒量を少なくしたので、実際には発電に寄与しない触媒が少なくなり、触媒の有効利用率を向上させることができる。
上記（３）の燃料電池によれば、リブの縁から離れるにつれ触媒量が増大するので、発電量が小の部位で触媒量を多くしたので、発電量が小の部位での発電量の低下が抑制され、発電量がセル面内で均一化される。
上記（４）の燃料電池によれば、リブの縁を含む第１の領域の触媒量を、第１の領域以外の（リブの縁を含まない）第２の領域の触媒量より大としたので、実際には発電に寄与しない触媒が少なくなり、触媒の有効利用率を向上させることができる。
上記（５）の燃料電池によれば、第１の領域には触媒が含まれ、第２の領域には触媒が含まれないので、第２の領域をマスキングして第１の領域に触媒を塗布するなどの塗布方法を採用でき、触媒を第１の領域にのみ容易に塗布することができる。
上記（６）の燃料電池によれば、触媒層が、面内発電量分布にほぼ比例した量の触媒を含むので、触媒量分布を面内発電量分布に比例させることができ、触媒の有効利用率を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下に、本発明の燃料電池を図１−図６を参照して説明する。
本発明が適用される燃料電池（セルともいう）は、たとえば固体高分子電解質型燃料電池１０である。ただし、固体高分子電解質型燃料電池以外の燃料であってもよい。燃料電池１０は、たとえば燃料電池自動車に搭載される。ただし、自動車以外に用いられてもよい。
【０００８】
図２、図５、図６に示すように、固体高分子電解質型燃料電池１０は、膜−電極接合体（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）１９とセパレータ１８とを重ね合わせて構成される。
膜−電極接合体１９は、イオン交換膜からなる電解質１１（膜状に構成されているので、以下、電解質膜ともいう）とこの電解質膜１１の一面に配置された触媒層１２からなる電極１４（アノード、燃料極）および電解質膜１１の他面に配置された触媒層１５からなる電極１７（カソード、空気極ともいう）とからなる。膜−電極接合体１９とセパレータ１８との間には、アノード側、カソード側にそれぞれ拡散層（ガス拡散層ともいう）１３、１６が設けられる。
膜−電極接合体１９とセパレータ１８を重ねてセル１０を構成し、セル１０を積層してセル積層体とし、セル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル２０、インシュレータ２１、エンドプレート２２を配置し、エンドプレート２２をセル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材（たとえば、テンションプレート２４）に、ボルト・ナット２５にて固定し、セル積層体にセル積層方向の締結荷重を付与して、燃料電池スタック２３を構成する。
【０００９】
セパレータ１８には、発電領域５１において、アノード１４に燃料ガス（水素）を供給するための燃料ガス流路２７が形成され、カソード１７に酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための酸化ガス流路２８が形成されている。また、セパレータ１８にはガス流路２７、２８と反対側の面に冷媒（通常、冷却水）を流すための冷媒流路２６も形成されている。セパレータ１８には、非発電領域５２において、燃料ガスマニホールド３０、酸化ガスマニホールド３１、冷媒マニホールド２９が形成されている。燃料ガスマニホールド３０は燃料ガス流路２７と連通しており、酸化ガスマニホールド３１は酸化ガス流路２８と連通しており、冷媒マニホールド２９は冷媒流路２６と連通している。
ガス流路２７、２８はセパレータ１８のリブ（セパレータ１８の凹凸面の凸部の部分）３４間に形成されている。リブ３４の頂面は拡散層１３、１６を押圧し、セパレータ１８と電極１４、１７間の電流通路となる。リブ３４は、図示例では、格子縞を形成するリブの場合を示したが、リブは格子縞を形成するリブに限るものではなく、ストレート流路やサーペンタイン流路を形成するリブでもよく、更には、直線状または曲線状に延びるリブを任意の長さで切断したリブでもよい。これらの何れのリブにも本発明を適用できる。
セパレータ１８は、カーボンセパレータ、またはメタルセパレータ（メタルセパレータと樹脂フレームとの組み合わせである場合を含む）、または導電性樹脂セパレータからなる。
【００１０】
各セル１０の、アノード１４では、水素を水素イオン（プロトン）と電子に変換する電離反応が行われ、水素イオンは電解質膜１１中をカソード１７側に移動し、カソード１７では酸素と水素イオンおよび電子（隣りのＭＥＡのアノードで生成した電子がセパレータを通してくる、またはセル積層方向一端のセルのアノードで生成した電子が外部回路を通して他端のセルのカソードにくる）から水が生成され、次式にしたがって発電が行われる。
アノード側：Ｈ2 →２Ｈ+ ＋２ｅ-
カソード側：２Ｈ+ ＋２ｅ- ＋（１／２）Ｏ2 →Ｈ2 Ｏ
【００１１】
各種流体（燃料ガス、酸化ガス、冷媒）は、互いに、かつ外部から、それぞれシールされる。各セル１０のＭＥＡ１９を挟む２つのセパレータ１８間は、第１のシール部材３２によってシールされており、隣接するセル１０同士の間は、第２のシール部材３３によってシールされている。
第１のシール部材３２は、たとえば接着剤シール（シール接着剤）からなり、第２のシール部材３３は、たとえば、ゴムガスケットからなる。ただし、第１のシール部材３２、第２のシール部材３３とも、接着剤シール剤、またはゴムガスケットから構成されてもよい。
【００１２】
発電領域５１において、電解質膜１１の表面には触媒層１２、１５が形成され、触媒層１２、１５は触媒を含む。
触媒層１２、１５は、触媒、カーボン、電解質を含む。
触媒は、Ｐｔをはじめとする貴金属（一元系触媒）、その貴金属とＣｏやＦｅ等との合金（二元系、三元系等を含む多元系）を用いる。ただし、貴金属以外の金属やその合金を使用してもよい。
発電領域５１における電解質膜１１の表面に触媒を含む触媒層材料を塗布して触媒層１２、１５を形成する時、触媒層材料は、触媒を担持したカーボンの粉末状態、触媒を担持したカーボンの粉末を電解質樹脂に混合したコロイド状態、触媒を担持したカーボンの粉末を電解質樹脂とアルコール等の溶液に混合したインク状態、の何れかの状態にある。
狙った部位への触媒層材料の塗布方法には、触媒塗布不要部位をマスキングしてアプリケータやダイヘッドによる塗工、スプレー法などがある。また、静電塗工でもよい。
拡散層１３、１６は、触媒層１２、１５と一体に形成されてもよいし、あるいは、触媒層１２、１５とは別体に形成されてもよい。
【００１３】
発電領域５１において、電解質膜１１に、触媒を均一に含む触媒層１２、１５を塗布、形成した燃料電池を用いて、セル面内方向の発電量分布を測定したところ、図４に示す結果を得た。すなわち、発電領域５１において、触媒を均一に含む触媒層１２、１５を有する燃料電池では、発電量は、セパレータ１８のリブ３４の縁３５に対応する触媒層部位で最大となり、リブ３４の縁３５から、セル面内方向に、リブ内側に向かって（Ａ方向）、またはリブ外側に向かって（Ｂ方向）、離れるに従って低下する。このような発電量分布を示す理由は、リブ３４の中央に対応する部位で、拡散層１３、１６および触媒層１２、１５からの生成水の排出が阻害されて、生成水によりガスの触媒への供給が阻害されて発電量が下がり、ガス流路２７、２８の中央で、セパレータ１８と電極１４、１７間の面圧が小さくなって、セパレータ１８と電極１４、１７間の接触部で、電子の伝導が速やかに行われなくなって発電量が下がるからであると考えられる。
【００１４】
本発明では、セルの発電領域の発電特性の分布を考慮に入れて触媒が塗布される。触媒を塗布する領域、部位、量は、面内発電量分布、および／または、セパレータのガス流路パターン、および／または、発電条件（ガス流量、ガス加湿量など）により、異なる。
本発明では、触媒層１２、１５中の触媒量が、セパレータ１８のリブ３４の縁３５からのセル面内方向（リブ内側に向かうＡ方向、および／または、リブ外側に向かうＢ方向）の距離に応じて、連続的または段階的に変化されている。
【００１５】
触媒の塗布量の変化は、セパレータ１８のリブ３４の縁３５からのセル面内方向（リブ内側に向かうＡ方向、および／または、リブ外側に向かうＢ方向）の距離に応じて、触媒量を連続的または段階的に減少させた場合と、触媒塗布量を連続的または段階的に増大させた場合の、何れであってもよい。
【００１６】
図１〜図３の例では、本発明の燃料電池１０は、リブ３４間にガス流路２７、２８を形成したセパレータ１８と、電解質面に塗布、形成された、触媒を含む触媒層１２、１５と、を有する。触媒は、セパレータ１８のリブ３４の縁３５からリブ内側に第１の距離Ｌ1 隔たった位置とリブ外側に第２の距離Ｌ2 隔たった位置との間の第１の領域Ｒ1 にある触媒量が、該第１の領域Ｒ1 以外の第２の領域Ｒ2 にある触媒量よりも大とされている。
【００１７】
たとえば、触媒層１２、１５の触媒は、セパレータ１８のリブ３４の縁３５からリブ内側に向かって（Ａ方向に）リブ幅Ｗの半分（Ｗ／２）以下の第１の距離Ｌ1 隔たった位置とリブ外側に向かって（Ｂ方向に）リブ外側にある流路２７、２８の幅Ｄの半分（Ｄ／２）以下の第２の距離Ｌ2 隔たった位置との間の領域である第１の領域Ｒ1 に、第１の領域Ｒ1 以外の領域である第２の領域Ｒ2 よりも多量に塗布されている。
【００１８】
第１の領域Ｒ1 は、セパレータ１８のリブ３４の縁３５からリブ内側に向かう領域部分とセパレータ１８のリブ３４の縁３５からリブ外側に向かう領域部分との両方を含む。
第２の領域Ｒ2 は、触媒量が０であってもよい。
触媒量が０である領域では、触媒層として触媒を担持しないカーボン担体を塗布してもよいし、あるいは、触媒層がなく電解質膜１１と拡散層１３、１６のみとしてもよい。
【００１９】
触媒の塗布は、つぎの態様をとることができる。
（イ）段階的変化を伴う塗布
第１の領域Ｒ1 には触媒が多く含まれ、第２の領域Ｒ2 には触媒が第１の領域Ｒ1 より少なく含まれるか、または含まれない（触媒量が０）。
（ロ）連続的変化を伴う塗布
第１の領域Ｒ1 における触媒の塗布量は、面内発電量分布（たとえば、図４に示す分布）にほぼ比例して連続的に変化される。第２の領域Ｒ2 における触媒の塗布量は、０か、または面内発電量分布にほぼ比例して連続的に変化される。第２の領域Ｒ2 における触媒量は第１の領域Ｒ1 の触媒量より小である。
【００２０】
触媒量をセパレータ１８のリブ３４の縁３５からのセル面内方向の距離に応じて変化させた触媒層は、カソード１７のみであってもよいし（その場合は、アノード１４は従来通り触媒量一定）、アノード１４のみであってもよいし（その場合は、カソード１７は従来通り触媒量一定）、あるいはカソード１７とアノード１４の両方であってもよい。
【００２１】
つぎに、本発明の作用、効果を説明する。
本発明では、触媒量をセパレータ１８のリブ３４の縁３５からのセル面内方向の距離に応じた量としたので、また発電量分布がリブ３４の縁３５で最大でリブ３４の縁３５から離れるに従って低下するので（図４）、セルの発電量分布と触媒量とを対応させることができる。その結果、セルの発電量分布が大の部位で触媒量を多くし、効率よく発電を行うことができ、セルの発電量分布が小の部位で触媒量を少なくして、触媒の有効利用率を向上させ、低コスト化を可能とする。
【００２２】
リブ３４の縁３５から離れるにつれ触媒量を減少させた場合は、発電量が大の部位で触媒量を多くし、発電量が小の部位で触媒量を少なくしたので、実際には発電に寄与しない触媒が少なくなり、触媒の有効利用率を向上させることができる。
【００２３】
リブ３４の縁３５から離れるにつれ触媒量を増大させた場合は、発電量が小の部位で触媒量を多くしたので、発電量が小の部位での発電量の低下が抑制され、発電量がセル面内で均一化される。
【００２４】
リブ３４の縁３５を含む第１の領域Ｒ1 の触媒量が、第１の領域Ｒ1 以外の第２の領域Ｒ2 の触媒量より大であるので、実際には発電に寄与しない触媒が少なくなり、触媒の有効利用率を向上させることができる。
第１の領域Ｒ1 には触媒が含まれ、第２の領域Ｒ2 には触媒が含まれない場合は、第２の領域Ｒ2 をマスキングして第１の領域Ｒ1 に触媒層材料を塗布するなどの塗装方法を採用でき、触媒層材料を第１の領域Ｒ1 にのみ容易に塗布することができる。
第１の領域Ｒ1 と第２の領域Ｒ2 に、面内発電量分布にほぼ比例して触媒が含まれる場合は、触媒量を面内発電量分布に比例させて最適化でき、触媒の有効利用率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の燃料電池のセパレータの正面図である。
【図２】本発明の燃料電池の、触媒層塗布、形成領域とリブとの関係を示す、ＭＥＡの正面図である。
【図３】図２のＭＥＡを含むセルの断面図である。
【図４】触媒を均一に含むセルとその発電量分布図である。
【図５】本発明の燃料電池を含む燃料電池スタックの側面図である。
【図６】図５の一部の拡大断面図である。
【符号の説明】
【００２６】
１０ （固体高分子電解質型）燃料電池
１１ 電解質（電解質膜）
１２、１５ 触媒層
１３、１６ 拡散層
１４ アノード
１７ カソード
１８ セパレータ
１９ ＭＥＡ
２０ ターミナル
２１ インシュレータ
２２ エンドプレート
２３ 燃料電池スタック
２４ 締結部材（テンションプレート）
２５ ボルト
２６ 冷媒流路（冷却水流路）
２７ 燃料ガス流路
２８ 酸化ガス流路
２９ 冷媒マニホールド
３０ 燃料ガスマニホールド
３１ 酸化ガスマニホールド
３２ 第１のシール部材
３３ 第２のシール部材
３４ リブ
３５ リブの縁
５１ 発電領域
５２ 非発電領域
Ｒ1 第１の領域
Ｒ2 第２の領域
【特許請求の範囲】
【請求項１】
セパレータのリブの縁からのセル面内方向の距離に応じて連続的または段階的に触媒量を変化させた触媒層を有する燃料電池。
【請求項２】
前記リブの縁から離れるにつれ触媒量が減少する請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記リブの縁から離れるにつれ触媒量が増大する請求項１記載の燃料電池。
【請求項４】
電解質と、
リブとリブ間に形成されたガス流路を有するセパレータと、
前記電解質に塗布された、触媒を含む触媒層と、
を有する燃料電池であって、
前記触媒は、セパレータのリブの縁からリブ内側に第１の距離隔たった位置とリブ外側に第２の距離隔たった位置との間の第１の領域にある触媒量が、該第１の領域以外の第２の領域にある触媒量よりも大とされている請求項１記載の燃料電池。
【請求項５】
前記第１の領域には触媒が含まれ、前記第２の領域には触媒が含まれない請求項４記載の燃料電池。
【請求項６】
前記触媒層は、面内発電量分布にほぼ比例した量の触媒を含む請求項４記載の燃料電池。
【請求項１】
セパレータのリブの縁からのセル面内方向の距離に応じて連続的または段階的に触媒量を変化させた触媒層を有する燃料電池。
【請求項２】
前記リブの縁から離れるにつれ触媒量が減少する請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記リブの縁から離れるにつれ触媒量が増大する請求項１記載の燃料電池。
【請求項４】
電解質と、
リブとリブ間に形成されたガス流路を有するセパレータと、
前記電解質に塗布された、触媒を含む触媒層と、
を有する燃料電池であって、
前記触媒は、セパレータのリブの縁からリブ内側に第１の距離隔たった位置とリブ外側に第２の距離隔たった位置との間の第１の領域にある触媒量が、該第１の領域以外の第２の領域にある触媒量よりも大とされている請求項１記載の燃料電池。
【請求項５】
前記第１の領域には触媒が含まれ、前記第２の領域には触媒が含まれない請求項４記載の燃料電池。
【請求項６】
前記触媒層は、面内発電量分布にほぼ比例した量の触媒を含む請求項４記載の燃料電池。
【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２００７−２４２４１５（Ｐ２００７−２４２４１５Ａ）
【公開日】平成１９年９月２０日（２００７．９．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−６３１６３（Ｐ２００６−６３１６３）
【出願日】平成１８年３月８日（２００６．３．８）
【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１９年９月２０日（２００７．９．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年３月８日（２００６．３．８）
【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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