燃料電池
【課題】電解質膜のより確実な湿潤を図ることで発電能力を向上させる。
【解決手段】燃料電池１０は、それぞれの単セル１５において、アノード側ガス拡散層２３のアノード側ＭＰＬ層２３ａに有底の溝部３０を多列に有する。この溝部３０は、アノード側ＭＰＬ層２３ａにおいてＭＥＡの逆側に位置する。そして、アノード側ＭＰＬ層２３ａからアノード側ガス拡散層２３に流入した水素ガスは、溝部３０を通過した上で、下流側に流れ、有底の溝部３０を通過する際に、その溝部３０に入り込んでいる水成分を下流側に持ち去る。
【解決手段】燃料電池１０は、それぞれの単セル１５において、アノード側ガス拡散層２３のアノード側ＭＰＬ層２３ａに有底の溝部３０を多列に有する。この溝部３０は、アノード側ＭＰＬ層２３ａにおいてＭＥＡの逆側に位置する。そして、アノード側ＭＰＬ層２３ａからアノード側ガス拡散層２３に流入した水素ガスは、溝部３０を通過した上で、下流側に流れ、有底の溝部３０を通過する際に、その溝部３０に入り込んでいる水成分を下流側に持ち去る。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、カソード側とアノード側とでガスの流れを逆向きとした燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料とその酸化剤、例えば、水素と酸素の電気化学反応によって発電する。この燃料電池では、プロトン伝導性を有する電解質膜（例えば、固体高分子膜）の両膜面に形成したアノードとカソードの両電極に、ガス拡散層を経て燃料ガスと酸化ガス、例えば水素ガスと空気を供給する。
【０００３】
電解質膜のプロトン伝導性は、電解質膜の湿潤状態の影響を受け、電解質膜が湿潤不足となると概ね低下する。このため、電解質膜の湿潤を維持することで発電能力を高める技術が種々提案されている（例えば、下記特許文献１等）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１５６１４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記公報で提案された技術では、発電に伴って生成される生成水を運ぶガス（空気）の流路に対して電解質膜の膜面の一部を露出させ、電解質膜に生成水を直接与えている。電解質膜の露出部位には電極がないことから、この露出部位においては、電解質膜を介した電気化学反応の低下が危惧される。
【０００６】
本発明は、上述した従来の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、電解質膜のより確実な湿潤を図ることで発電能力を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決することを目的としてなされたものであり、以下の構成を採用した。
【０００８】
[適用１：燃料電池]
プロトン伝導性を有する電解質膜の両膜面に電極を形成した膜電極接合体と、該膜電極接合体の一方の電極面に設けられたアノード側拡散層と、前記膜電極接合体の他方の電極面に設けられたカソード側拡散層とを備え、該カソード側拡散層と前記アノード側拡散層におけるガスの流れを逆向きとした燃料電池であって、
前記アノード側拡散層の前記膜電極接合体とは逆側の表面に有底の凹部を備え、
該凹部は、前記アノード側拡散層に流入する前記ガスの流入側に位置する
ことを要旨とする。
【０００９】
上記構成を備える燃料電池のアノード側拡散層では、燃料ガスは、その流入側（以下、アノード流入側と称する）において有底の凹部を通過した上で、下流側に流れ、燃料ガスが有底の凹部を通過する際に、その凹部に入り込んでいる水もしくは水蒸気（以下、これを総称して水成分と称する）を下流側に持ち去る。そうすると、有底の凹部の底部分のアノード側拡散層を挟んだ膜電極接合体と凹部の内側領域とで水成分の分布（水成分の濃度）にズレが起き、有底の凹部の底部分は水成分の透過が可能であることから、膜電極接合体から凹部の内側領域に向けた水成分の移動が進むことになる。
【００１０】
その一方、膜電極接合体を挟んで向かい合うアノード側拡散層とカソード側拡散層とでガスの流れが逆向きであることから、アノード流入側は、カソード側拡散層では酸化ガスの流れの下流側（以下、カソード下流側と称する）となる。カソード側では、電気化学反応に伴い水が生成され、その生成水は、カソード側拡散層を流れる酸化ガスに運ばれてカソード下流側で多くなる。つまり、アノード側拡散層の側で膜電極接合体から凹部の内側領域に向けた水成分の移動が進む領域と、カソード側拡散層で生成水過多となりがちな領域が、膜電極接合体を挟んで一致する。その上で、膜電極接合体にあっても生成水の拡散浸透を起こすので、カソード側拡散層の生成水は、膜電極接合体を拡散して通過した後に、膜電極接合体から凹部の内側領域に向けて移動する。
【００１１】
こうした現象は、アノード側拡散層における燃料ガスの凹部通過の間、即ち電池発電のためのガス供給の間に継続するので、膜電極接合体、詳しくはこれに含まれる電解質膜は、カソード側拡散層からの生成水の拡散浸透により自ずと湿潤状態となる。この結果、上記構成の燃料電池によれば、電解質膜をより確実に湿潤させて発電能力を高めることができる。しかも、膜電極接合体は、アノード流入側において、アノード側拡散層の有底の凹部の底部分外表を電極に接合させているので、膜電極接合体に含まれる電解質膜を、その全ての発電領域において活用でき、発電能力の低下を来さないようにできる。
【００１２】
上記した燃料電池は、次のような態様とすることができる。例えば、有底の前記凹部を、最大で、前記ガスの流入側部位から前記アノード側拡散層の中央までとすることができる。アノード側拡散層は、膜電極接合体の一方の電極面に燃料ガスを供給することから、膜電極接合体と逆側のアノード側拡散層表面の全てに亘って凹部を有するようにしてしまうと、燃料ガスがこの凹部を通過してしまい膜電極接合体の電極面への燃料ガス供給の効率が悪くなる。よって、上記のように凹部の形成領域を規定すれば、凹部の形成領域では、凹部の底部位から電極面へのガス供給が可能なほか、凹部の形成領域以外でもアノード側拡散層を通過する際にガスが電極面に供給されるので、ガス供給の効率低下を抑制できる。
【００１３】
また、前記凹部を、多列の有底の溝部とした上で、該溝部を、前記アノード側拡散層における前記ガスの流入側の部位から下流側に延在するようにできる。こうすれば、有底に窪んだだけの凹部に比べて、それぞれの溝部を通過するガスの流れは均一化する。よって、それぞれの溝部の底部位において起きるカソード側拡散層からの生成水の拡散浸透も溝部ごとにほぼ均一化するので、膜電極接合体に含まれる電解質膜の湿潤化が均等となり、望ましい。
【００１４】
この場合、前記溝部を前記アノード側拡散層を流れる前記ガスの流れ方向と平行に延在させれば、各溝部を流れるガス流がより均一となるので、より望ましい。
【００１５】
また、更に、前記アノード側拡散層に接合したセパレーターを備えた上で、このセパレーターを、前記アノード側拡散層における前記ガスの流れ方向を規定するガス流路を前記アノード側拡散層の側に多列に備えたものとし、多列のガス流路の間のリブを前記多列の前記溝部の間のリブに当接させるようにできる。こうすれば、各溝部を流れるガス流の均一化が簡便となる。
【００１６】
また、前記凹部にプロトン伝導性を有する電解質樹脂を凹部のガス通過を許容して有するようにすれば、この凹部の電解質樹脂のイオン交換基による水成分の保持により、アノード側拡散層における水分量を増加できる。通常、燃料電池が高温で運転を継続すると、水分不足になりがちであるが、上記のようにアノード側拡散層での保水により、水分不足を補えるので、発電能力を維持できる。この場合、凹部に有する電解質樹脂による水分保持により、無加湿状態での燃料ガス供給に際しても、発電能力の低下を抑制できる。
【００１７】
また、前記膜電極接合体の側のアノード側拡散層表面に、導電性の粉体をプロトン伝導性を有する電解質樹脂で保持して気孔を形成し気孔層を形成することができる。こうすれば、気孔層での水成分保持により、アノード側拡散層における水分量を増加させて、高温運転の際の水分不足を補えるので、発電能力を維持できる。この場合、気孔は連続気孔であることが望ましい。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本実施例の燃料電池１０を構成する単セル１５の概略構成を分解して斜視にて示す説明図である。
【図２】この単セル１５を断面視して概略的に示す説明図である。
【図３】無加湿で水素ガスを供給した場合の単セル１５のセル全長Ｌに対する溝部３０の長さと発電電圧との関係を示すグラフである。
【図４】アノード側ＭＰＬ層２３ａの形成の際の目付け量と当該ＭＰＬ層での含水量との関係を示すグラフである。
【図５】アノード側ＭＰＬ層２３ａの形成の際の目付け量とその層厚との関係を示すグラフである。
【図６】無加湿で水素ガスを供給した場合のアノード側ＭＰＬ層２３ａの層厚と発電電圧との関係を示すグラフである。
【図７】無加湿で水素ガスを供給して発電した場合の発電電圧とセル内部抵抗のセル温度に対する依存の様子を示すグラフである。
【図８】変形例の単セル１５Ａの概略構成を分解して斜視にて示す説明図である。
【図９】この変形例の単セル１５Ａを断面視して概略的に示す説明図である。
【図１０】多列の溝部３０をガスの流れ方向に斜めに配置した変形例の単セル１５Ｂの概略構成を分解して斜視にて示す説明図である。
【図１１】多列の溝部３０を並べて陥没した凹部３０Ａを有する変形例の単セル１５Ｃを断面視して概略的に示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態について、その実施例を図面に基づき説明する。図１は本実施例の燃料電池１０を構成する単セル１５の概略構成を分解して斜視にて示す説明図、図２はこの単セル１５を断面視して概略的に示す説明図である。本実施例の燃料電池１０は、図１〜図２に示す構成の単セル１５を複数積層したスタック構造を有している。なお、本実施例の燃料電池１０は、固体高分子型燃料電池であるが、異なる種類の燃料電池、例えば固体電解質型燃料電池においても、同様に適用可能である。
【００２０】
単セル１５は、電解質膜２０の両側にアノード２１とカソード２２の両電極を備える。このアノード２１とカソード２２は、電解質膜２０の両膜面に形成され膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly／ＭＥＡ）を形成する。この他、単セル１５は、電極形成済みの電解質膜２０を両側から挟持するアノード側ガス拡散層２３とカソード側ガス拡散層２４とガスセパレーター２５，２６を備え、両ガス拡散層は、対応する電極に接合されている。ガスセパレーター２５は、アノード側ガス拡散層２３の側に、水素を含有する燃料ガスを流すセル内燃料ガス流路４７を備える。ガスセパレーター２６は、カソード側ガス拡散層２４の側に、酸素を含有する酸化ガス（本実施例では、空気）を流すセル内酸化ガス流路４８を備える。なお、図１〜図２には記載していないが、隣り合う単セル１５間には、例えば、冷媒が流れるセル間冷媒流路を形成することができる。
【００２１】
電解質膜２０は、固体高分子材料、例えばフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。アノード２１およびカソード２２は、触媒（例えば白金、あるいは白金合金）を備えており、これらの触媒を、導電性を有する担体（例えば、カーボン粒子）上に担持させることによって形成されている。
【００２２】
アノード側ガス拡散層２３とカソード側ガス拡散層２４は、ガス透過性を有する導電性部材、例えば、カーボンペーパやカーボンクロスによって形成することができる。アノード側ガス拡散層２３は、ＭＥＡにおけるアノード２１と逆側の拡散層表面、つまり図示するようにガスセパレーター２５の側の表面に、有底の溝部３０を多列に備える。この溝部３０と水素ガスの流れとの関係については、後述する。また、アノード側ガス拡散層２３は、ＭＥＡにおけるアノード２１の側の拡散層表面に、アノード側ＭＰＬ層（Micro Porous Layer）２３ａを有する。このアノード側ＭＰＬ層２３ａは、導電性の粉体であるカーボン粒子をプロトン伝導性を有する電解質樹脂（本実施例では、電解質膜２０を構成するフッ素系樹脂）で保持することで、層において連続気孔を形成する。このアノード側ＭＰＬ層２３ａは、種々の手法で形成可能であり、例えば、フッ素系樹脂の溶液にカーボン粒子を分散させたスラリーを、アノード側ガス拡散層２３の表面に塗布して乾燥することで、１００〜２００μｍ程度の層厚で形成可能である。また、アノード側ＭＰＬ層２３ａは、単位面積当たりのいわゆる目付け量も規定でき、本実施例では、２．６〜５．３ｍｇ／ｃｍ2とした。なお、アノード側ＭＰＬ層２３ａに代えて、保水機能を有する親水性の薬剤層とすることもできる。
【００２３】
カソード側ガス拡散層２４は、ＭＥＡにおけるカソード２２の側の拡散層表面に、カソード側撥水層２４ａを有する。このカソード側撥水層２４ａは、撥水剤をカソード側ガス拡散層２４の表面にスプレー塗布して形成される。
【００２４】
ガスセパレーター２５，２６は、ガス不透過な導電性部材、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンや、焼成カーボン、あるいはステンレス鋼などの金属材料により形成されている。ガスセパレーター２５，２６は、既述したセル内燃料ガス流路４７およびセル内酸化ガス流路４８の壁面を成す部材であって、その表面には、ガス流路を形成するための凹凸形状が形成されている。
【００２５】
図１〜図２では図示していないが、ガスセパレーター２５，２６の外周近傍の所定の位置には、複数の孔部が形成されている。これらの複数の孔部は、ガスセパレーター２５，２６が他の部材と共に積層されて燃料電池１０が組み立てられたときに互いに重なって、燃料電池１０内を積層方向に貫通する流路を形成する。すなわち、上記したセル内燃料ガス流路４７やセル内酸化ガス流路４８、あるいはセル間冷媒流路に対して、燃料ガスや酸化ガス、あるいは冷媒を給排するためのマニホールドを形成する。
【００２６】
本実施例の燃料電池１０は、上記したガスセパレーター２５の外周近傍の孔部からセル内燃料ガス流路４７に水素ガスを流すに当たり、図１における左方側から水素ガスを供給する。また、ガスセパレーター２６外周近傍の孔部からセル内酸化ガス流路４８に空気を流すに当たり、図１における右方側から空気を供給する。つまり、本実施例の燃料電池１０は、アノード側ガス拡散層２３とカソード側ガス拡散層２４とで、それぞれのガスの流れを逆向きとし、アノード側ガス拡散層２３におけるガス流入側２３ｂの側に、既述した有底の溝部３０を多列に備えることになる。そして、本実施例の燃料電池１０は、ガス流入側２３ｂからアノード側ガス拡散層２３に流入した水素ガスを、溝部３０の底部分２３ｃに当たるアノード側ガス拡散層２３と溝部３０より下流側のアノード側ガス拡散層２３とで拡散ししつつアノード２１に供給する。空気については、水素ガスと逆向きの流れでカソード側ガス拡散層２４に流入した空気を、カソード側ガス拡散層２４で拡散ししつつカソード２２に供給する。この場合、図１〜図２は単セル１５の一部範囲を示しているのであって、図１においては３列の溝部３０がガス流入側２３ｂに位置するが、溝部３０の列数は、単セル１５の寸法により定まる。
【００２７】
ここで、溝部３０の寸法やアノード側ＭＰＬ層２３ａの層厚、目付け量等について説明する。図３は無加湿で水素ガスを供給した場合の単セル１５のセル全長Ｌに対する溝部３０の長さと発電電圧との関係を示すグラフである。図示するように、溝部３０の長さがゼロ、即ち溝部３０を有しない比較例燃料電池に対して、溝部３０を図１に示すようにガス流入側２３ｂの側に有する燃料電池１０では、溝部３０の長さがセル全長Ｌの２／５とすると発電電圧の顕著な上昇が観察され、セル全長Ｌの１／２程度であれば、上記した比較例より確実に高い発電能力が得られることが判明した。また、溝部３０がセル全長Ｌの１／２を超えるようになると、発電能力は低下し、セル全長Ｌの全てに亘る場合には、溝部３０を有しない比較例燃料電池より発電能力が劣ることが判明した。これは、溝部３０が長くなれば、溝部３０の下流側は、カソード側ガス拡散層２４における上流側なために生成水が少ない領域に重なり、こうした領域においても後述の水成分の持ち去りが起き、アノード側ガス拡散層２３の乾燥が助長されるためと考えられる。そして、溝部３０がセル全長Ｌの全長に亘れば、溝部３０を通過するだけの燃料ガスが増えるため、その分、アノード側ガス拡散層２３からＭＥＡ（詳しくは、アノード２１）へのガス拡散供給が進まないので、溝部３０を有しない比較例燃料電池より発電能力が劣ると考えられる。
【００２８】
この場合、溝部３０の深さについては、アノード側ガス拡散層２３の厚みより小さくすれば、溝部３０は有底となってその底部分２３ｃをアノード側ガス拡散層２３に残すことができる。よって、燃料電池１０に求められる発電能力を勘案して、適宜定めればよい。
【００２９】
こうした溝部３０の影響を、他の観点から調べた。一般に、電解質膜２０の湿潤が不足すると、電解質膜２０のプロトン伝導性は低下するので、発電能力は低下し、単セル１５の内部抵抗値は上昇する。溝部３０を有しない比較例燃料電池とセル全長Ｌの２／５の長さで溝部３０を有する本実施例の燃料電池１０（以下、これを単に溝部３０を有する燃料電池１０と称する）とについて、両燃料電池を定常状態において運転し、ガス供給を停止して発電を停止してから３０秒に亘って乾燥させ、その乾燥後のセル内部抵抗を測定した。溝部３０を有しない比較例燃料電池の単位面積当たりのセル内部抵抗は０．３３８Ω／ｃｍ2であったのに対し、溝部３０を有する燃料電池１０では２．０５４Ω／ｃｍ2であった。この現象を、図３に見られる発電能力向上との関係から以下、説明する。なお、通常は、運転停止の後に乾燥を行うことはないので、溝部３０を有しない比較例燃料電池および溝部３０を有する燃料電池１０にあっても、セル内部抵抗の上昇は問題とはならない。
【００３０】
セル内部抵抗の上昇は、電解質膜２０の湿潤不足によるプロトン伝導性の低下によって現れるので、溝部３０を有する燃料電池１０でのセル内部抵抗上昇から、この燃料電池１０では、発電停止後の僅かな期間の乾燥で電解質膜２０の湿潤不足が起きたことになる。こうした電解質膜２０の湿潤不足は、溝部３０の溝内に、溝部３０の底部分２３ｃ（図２参照）におけるアノード側ガス拡散層２３および当該底部分のアノード側ガス拡散層２３と接合したＭＥＡから水成分が引き抜かれたための電解質膜２０の湿潤不足に符合する。つまり、本実施例の燃料電池１０では、有底の溝部３０を有することで、この溝部３０の溝内への水成分の引き抜きを起こすと言える。それでいながら、図３のように発電能力が向上したことは、次のように説明できる。
【００３１】
溝部３０を有する燃料電池１０のアノード側ガス拡散層２３では、水素ガスは、ガス流入側２３ｂからアノード側ガス拡散層２３に流入するに当たり、有底の溝部３０を通過した上で、下流側に流れる。こうして流れる水素ガスは、有底の溝部３０を通過する際、その溝部３０の内部に入り込んでいる水成分を下流側に持ち去る。そうすると、有底の溝部３０の底部分２３ｃに当たるアノード側ガス拡散層２３を挟んだＭＥＡと溝部３０の内側領域とで水成分の分布（水成分の濃度）にズレが起きる。この場合、有底の溝部３０の底部分２３ｃに当たるアノード側ガス拡散層２３は水成分の透過が可能であることから、電解質膜２０を含むＭＥＡから溝部３０の内側領域に向けた水成分の移動が進むことになる。
【００３２】
その一方、電解質膜２０を含むＭＥＡを挟んで向かい合うアノード側ガス拡散層２３とカソード側ガス拡散層２４とでは、既述したようにガスの流れが逆向きであることから、アノード側ガス拡散層２３におけるガス流入側２３ｂは、カソード側ガス拡散層２４では空気の流れの下流側（カソード下流側）となる。カソード２２では、電気化学反応に伴い水が生成され、その生成水は、カソード側ガス拡散層２４を流れる空気に運ばれてカソード下流側で多くなる。つまり、アノード側ガス拡散層２３の側でＭＥＡから溝部３０の内側領域に向けた水成分の移動が進む領域と、カソード側ガス拡散層２４で生成水過多となりがちな領域が、電解質膜２０を含むＭＥＡを挟んで一致する。その上で、電解質膜２０を含むＭＥＡにあっても生成水の拡散浸透を起こすので、カソード側ガス拡散層２４の生成水は、電解質膜２０を含むＭＥＡを拡散して通過した後に、ＭＥＡから溝部３０の内側領域に向けて移動する。
【００３３】
こうした現象は、アノード側ガス拡散層２３における水素ガスの溝部３０の通過の間、即ち電池発電のためのガス供給の間に継続するので、ＭＥＡ、詳しくはこれに含まれる電解質膜２０は、カソード側ガス拡散層２４からの生成水の拡散浸透により自ずと湿潤状態となる。この結果、溝部３０を有する本実施例の燃料電池１０では、電解質膜２０をより確実に湿潤させて発電能力を高めることができると言え、この結果が図３に反映したことになる。しかも、電解質膜２０を含むＭＥＡは、アノード側ガス拡散層２３の全面、詳しくはガス流入側２３ｂの側の溝部３０の底部分２３ｃに当たるアノード側ガス拡散層２３の外表と、溝部３０より下流側のアノード側ガス拡散層２３の外表とにアノード２１に接合させている。よって、ガス流入側２３ｂの側の溝部３０の底部分２３ｃに当たるアノード側ガス拡散層２３からアノード２１へのガス供給が可能なほか、溝部３０の下流側のアノード側ガス拡散層２３からもアノード２１にガス供給ができるので、ガス供給の効率低下を抑制できると共に、ＭＥＡに含まれる電解質膜２０を、その全ての発電領域において活用でき、発電能力の低下を来さないようにできる。
【００３４】
このように溝部３０の底部分２３ｃに当たるアノード側ガス拡散層２３を通して、アノード側ガス拡散層２３には、カソード側ガス拡散層２４の側から生成水を浸透させることができるので、アノード側ガス拡散層２３に無加湿の水素ガスが供給されても、アノード側ガス拡散層２３には水成分が行き渡るようにできる。よって、本実施例の燃料電池１０では、水素ガスを無加湿状態で供給しても高い発電能力を得ることができると共に、水素ガス加湿用の構成が不要もしくは簡略化でき、その分、コスト低減を図ることができる。つまり、本実施例の燃料電池１０によれば、無加湿運転への適用を高めることができるほか、ガス加湿用の加湿器を備えた場合には、小さな容量の加湿器でのガス加湿による発電運転を行うことが可能となる。
【００３５】
また、本実施例では、有底の溝部３０を多列にガス流入側２３ｂに配設して下流側に延在させると共に、溝部３０をアノード側ガス拡散層２３を流れる水素ガスの流れ方向と平行に延在させたので、それぞれの溝部３０で水素ガスの流れをほぼ均一とできる。このため、それぞれの溝部３０の底部分２３ｃに当たるアノード側ガス拡散層２３において起きるカソード側ガス拡散層２４の側からの生成水の拡散浸透も溝部３０ごとにほぼ均一化するので、ＭＥＡに含まれる電解質膜２０の湿潤化が均等となり、発電能力向上の上からより好ましい。
【００３６】
しかも、アノード側ガス拡散層２３に接合するガスセパレーター２５において、多列のセル内燃料ガス流路４７にてアノード側ガス拡散層２３における水素ガスの流れ方向を規定した上で、図１〜図２に示すように、多列のセル内燃料ガス流路４７の間のリブを多列の溝部３０の間のリブに当接させた。よって、それぞれの溝部３０には、該当するセル内燃料ガス流路４７から水素ガスを簡便且つより均一に供給できるので、発電能力向上の上から更に好ましい。
【００３７】
次に、本実施例の燃料電池１０では、溝部３０に加えてアノード側ＭＰＬ層２３ａを設けたので、このアノード側ＭＰＬ層２３ａの利点について説明する。アノード側ＭＰＬ層２３ａは、既述したようにカーボン粒子を電解質樹脂（電解質膜２０を構成するフッ素系樹脂）で保持して連続気孔し、電解質樹脂のイオン交換基（フッ素系樹脂ではスルホン基）によりこの連続気孔に水成分を保持する。図４はアノード側ＭＰＬ層２３ａの形成の際の目付け量と当該ＭＰＬ層での含水量との関係を示すグラフ、図５はアノード側ＭＰＬ層２３ａの形成の際の目付け量とその層厚との関係を示すグラフ、図６は無加湿で水素ガスを供給した場合のアノード側ＭＰＬ層２３ａの層厚と発電電圧との関係を示すグラフである。
【００３８】
図４〜図５のグラフに示すように、アノード側ＭＰＬ層２３ａの目付け量が増えるに連れてアノード側ＭＰＬ層２３ａでの含水量（保水量）は増加し、その層厚も増加する。その反面、図６に示すように、アノード側ＭＰＬ層２３ａの層厚は、発電電圧に影響を及ぼし、層厚が１００〜２００μｍの範囲であれば、発電能力の低下抑制の上で効果がある。つまり、アノード側ＭＰＬ層２３ａの層厚が２００μｍを超えると、層厚増加によるアノード側ＭＰＬ層２３ａ自体の内部抵抗の増加も顕著となり、発電電圧の低下が起きると考えられる。その一方、アノード側ＭＰＬ層２３ａの層厚が１００μｍを下回ると、このアノード側ＭＰＬ層２３ａでの水成分保持が不足となり、無加湿での水素ガス供給ではアノード側ガス拡散層２３の側における水分不足により発電電圧の低下が起きると考えられる。こうした知見に立ち、本実施例では、アノード側ＭＰＬ層２３ａを１００〜２００μｍの範囲の層厚とした上で、この層厚に対応させて、目付け量を２．６〜５．３ｇ／ｃｍ2の範囲とした。
【００３９】
次に、溝部３０とアノード側ＭＰＬ層２３ａとを備えた本実施例の燃料電池１０の利点について説明する。図７は無加湿で水素ガスを供給して発電した場合の発電電圧とセル内部抵抗のセル温度に対する依存の様子を示すグラフである。
【００４０】
図示するグラフには、溝部３０もアノード側ＭＰＬ層２３ａも備えない比較例燃料電池と、溝部３０を有するもののアノード側ＭＰＬ層２３ａを有しない参考燃料電池と、アノード側ＭＰＬ層２３ａを有するものの溝部３０を有しない参考燃料電池と、溝部３０とアノード側ＭＰＬ層２３ａとを備えた本実施例の燃料電池１０とについて、発電電圧とセル内部抵抗のセル温度に対する依存の様子を示している。図示するように、セル温度が低い領域Ｔｘでは、比較例燃料電池、両参考燃料電池および本実施例の燃料電池１０において、発電電圧とセル内部抵抗に有意な差は見られないものの、セル温度が上昇すると、比較例燃料電池では、電圧の著しい低下とセル内部抵抗の上昇が見られ、電池性能は低下する。溝部３０或いはアノード側ＭＰＬ層２３ａのいずれかを有する参考燃料電池では、比較例燃料電池より高い電池能力を得られ、溝部３０とアノード側ＭＰＬ層２３ａの両者を有する本実施例の燃料電池１０では、溝部３０とアノード側ＭＰＬ層２３ａの相乗効果により、より高い電池性能を得ることができた。つまり、本実施例の燃料電池１０によれば、通常の運転ではあまり起き得ない無加湿での水素ガス供給によっても、溝部３０によるカソード側ガス拡散層２４から電解質膜２０を経た生成水のアノード側ガス拡散層２３への拡散浸透とアノード側ＭＰＬ層２３ａによる保水とにより、高い電池性能を得ることができる。
【００４１】
また、本実施例の燃料電池１０では、カソード側ガス拡散層２４におけるＭＥＡの側にカソード側撥水層２４ａを有する。よって、このカソード側撥水層２４ａによる撥水機能により、カソード側ガス拡散層２４の生成水を、積極的に電解質膜２０を経てアノード側ガス拡散層２３に拡散浸透させることができる。
【００４２】
以上、本発明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。図８は変形例の単セル１５Ａの概略構成を分解して斜視にて示す説明図、図９はこの変形例の単セル１５Ａを断面視して概略的に示す説明図である。
【００４３】
図示するように、この変形例の単セル１５Ａは、ＭＥＡや溝部３０、アノード側ガス拡散層２３、カソード側ガス拡散層２４等の構成において既述した実施例の単セル１５と代わるものではなく、溝部３０に、電解質膜２０を構成する電解質樹脂（フッ素系樹脂３１）を備える点で相違し、溝部３０にフッ素系樹脂３１を備える様子は、図において３０／３１と付して示されている。この場合、例えば、溝部３０の壁面に電解質樹脂（フッ素系樹脂３１）を塗布したりして、溝部３０を水素ガスが通過できるようにする。この変形例の単セル１５Ａでは、溝部３０に有する電解質樹脂（フッ素系樹脂３１）のイオン交換基（スルホン基）による水成分の保持により、アノード側ガス拡散層２３における水分量を増加できる。この溝部３０の電解質樹脂（フッ素系樹脂３１）による水成分保持は、既述した溝部３０を通過する水素ガスによる水成分の持ち去りと並行して起きる。よって、この変形例では、溝部３０の内部に入り込んでいる水成分の持ち去りによる既述した電解質膜２０の湿潤化を図りつつ、アノード側ガス拡散層２３における水分量を増加できる。通常、燃料電池が高温で運転を継続すると、水分不足になりがちであるが、上記のように溝部３０のフッ素系樹脂３１での保水により、水分不足を補えるので、この変形例によれば、発電能力を維持できる。この場合、溝部３０に有するフッ素系樹脂３１による水分保持により、無加湿状の水素ガス供給に伴う運転に際しても、発電能力の低下を抑制できる。
【００４４】
なお、この変形例の単セル１５Ａでは、溝部３０のフッ素系樹脂３１にて水成分保持を図るので、アノード側ＭＰＬ層２３ａについては、省略することもできる。或いは、アノード側ガス拡散層２３におけるガスの流れ方向に沿った筋状のアノード側ＭＰＬ層２３ａと筋状の撥水層とを、ガスの流れに交差する方向に交互に並べた層構成としたり、アノード側ＭＰＬ層２３ａに代わり撥水層を有するようにすることもできる。筋状のアノード側ＭＰＬ層２３ａと筋状の撥水層とを交互に並べるには、フッ素系樹脂の溶液にカーボン粒子を分散させたスラリーの噴射ノズルと、撥水剤の噴射ノズルとがガスの流れに交差する方向に交互に並んだ噴射装置から、スラリーおよび撥水剤をアノード側ガス拡散層２３の表面に噴射塗布して乾燥させればよい。撥水層とする場合には、アノード側ガス拡散層２３の表面に撥水剤を塗布して乾燥させればよい。こうしてアノード側ガス拡散層２３に形成した撥水層は、溝部３０からの水成分の持ち去りに寄与するように働く。即ち、底部分２３ｃに当たるアノード側ガス拡散層２３では、カソード側ガス拡散層２４の側からの生成水の浸透が起きているので、アノード側ガス拡散層２３の表面の撥水層は、溝部３０の内部の側への水の移動を助けることになり、溝部３０からの水成分の持ち去りに寄与する。
【００４５】
この他、次のように変形することもできる。既述した実施例では、アノード側ガス拡散層２３のアノード側ＭＰＬ層２３ａにガスの流れ方向に沿った溝部３０を設けたが、この溝部３０については、アノード側ガス拡散層２３にアノード側ＭＰＬ層２３ａの側から流入した水素ガスが溝部を通過すればよい。また、溝部３０が並んで陥没したような単純な凹部とすることもできる。図１０は多列の溝部３０をガスの流れ方向に斜めに配置した変形例の単セル１５Ｂの概略構成を分解して斜視にて示す説明図、図１１は多列の溝部３０を並べて陥没した凹部３０Ａを有する変形例の単セル１５Ｃを断面視して概略的に示す説明図である。これらに示す変形例であっても、斜めの溝部３０或いは凹部３０Ａを通過する水素ガスによる水成分の持ち去りによる電解質膜２０の湿潤化に伴う効果を奏することができる。なお、図１１では、凹部３０Ａをアノード側ガス拡散層２３の一部部位に描画して示しているが、凹部３０Ａは、アノード側ガス拡散層２３の図における紙面手前側から紙面奥側に掛けた拡散層幅方向に亘って幅広に形成したり、この拡散層幅においてガス流入側２３ｂに点在させてもよい。
【００４６】
また、上記の実施例では固体高分子形燃料電池を例に説明したが、ダイレクトメタノール形燃料電池、リン酸形燃料電池など種々の燃料電池に適用することができる。
【符号の説明】
【００４７】
１０…燃料電池
１５、１５Ａ〜１５Ｃ…単セル
２０…電解質膜
２１…アノード
２２…カソード
２３…アノード側ガス拡散層
２３ａ…アノード側ＭＰＬ層
２３ｂ…ガス流入側
２３ｃ…底部分
２４…カソード側ガス拡散層
２４ａ…カソード側撥水層
２５…ガスセパレーター
２６…ガスセパレーター
３０…溝部
３０Ａ…凹部
３１…フッ素系樹脂
４７…セル内燃料ガス流路
４８…セル内酸化ガス流路
【技術分野】
【０００１】
本発明は、カソード側とアノード側とでガスの流れを逆向きとした燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料とその酸化剤、例えば、水素と酸素の電気化学反応によって発電する。この燃料電池では、プロトン伝導性を有する電解質膜（例えば、固体高分子膜）の両膜面に形成したアノードとカソードの両電極に、ガス拡散層を経て燃料ガスと酸化ガス、例えば水素ガスと空気を供給する。
【０００３】
電解質膜のプロトン伝導性は、電解質膜の湿潤状態の影響を受け、電解質膜が湿潤不足となると概ね低下する。このため、電解質膜の湿潤を維持することで発電能力を高める技術が種々提案されている（例えば、下記特許文献１等）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１５６１４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記公報で提案された技術では、発電に伴って生成される生成水を運ぶガス（空気）の流路に対して電解質膜の膜面の一部を露出させ、電解質膜に生成水を直接与えている。電解質膜の露出部位には電極がないことから、この露出部位においては、電解質膜を介した電気化学反応の低下が危惧される。
【０００６】
本発明は、上述した従来の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、電解質膜のより確実な湿潤を図ることで発電能力を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決することを目的としてなされたものであり、以下の構成を採用した。
【０００８】
[適用１：燃料電池]
プロトン伝導性を有する電解質膜の両膜面に電極を形成した膜電極接合体と、該膜電極接合体の一方の電極面に設けられたアノード側拡散層と、前記膜電極接合体の他方の電極面に設けられたカソード側拡散層とを備え、該カソード側拡散層と前記アノード側拡散層におけるガスの流れを逆向きとした燃料電池であって、
前記アノード側拡散層の前記膜電極接合体とは逆側の表面に有底の凹部を備え、
該凹部は、前記アノード側拡散層に流入する前記ガスの流入側に位置する
ことを要旨とする。
【０００９】
上記構成を備える燃料電池のアノード側拡散層では、燃料ガスは、その流入側（以下、アノード流入側と称する）において有底の凹部を通過した上で、下流側に流れ、燃料ガスが有底の凹部を通過する際に、その凹部に入り込んでいる水もしくは水蒸気（以下、これを総称して水成分と称する）を下流側に持ち去る。そうすると、有底の凹部の底部分のアノード側拡散層を挟んだ膜電極接合体と凹部の内側領域とで水成分の分布（水成分の濃度）にズレが起き、有底の凹部の底部分は水成分の透過が可能であることから、膜電極接合体から凹部の内側領域に向けた水成分の移動が進むことになる。
【００１０】
その一方、膜電極接合体を挟んで向かい合うアノード側拡散層とカソード側拡散層とでガスの流れが逆向きであることから、アノード流入側は、カソード側拡散層では酸化ガスの流れの下流側（以下、カソード下流側と称する）となる。カソード側では、電気化学反応に伴い水が生成され、その生成水は、カソード側拡散層を流れる酸化ガスに運ばれてカソード下流側で多くなる。つまり、アノード側拡散層の側で膜電極接合体から凹部の内側領域に向けた水成分の移動が進む領域と、カソード側拡散層で生成水過多となりがちな領域が、膜電極接合体を挟んで一致する。その上で、膜電極接合体にあっても生成水の拡散浸透を起こすので、カソード側拡散層の生成水は、膜電極接合体を拡散して通過した後に、膜電極接合体から凹部の内側領域に向けて移動する。
【００１１】
こうした現象は、アノード側拡散層における燃料ガスの凹部通過の間、即ち電池発電のためのガス供給の間に継続するので、膜電極接合体、詳しくはこれに含まれる電解質膜は、カソード側拡散層からの生成水の拡散浸透により自ずと湿潤状態となる。この結果、上記構成の燃料電池によれば、電解質膜をより確実に湿潤させて発電能力を高めることができる。しかも、膜電極接合体は、アノード流入側において、アノード側拡散層の有底の凹部の底部分外表を電極に接合させているので、膜電極接合体に含まれる電解質膜を、その全ての発電領域において活用でき、発電能力の低下を来さないようにできる。
【００１２】
上記した燃料電池は、次のような態様とすることができる。例えば、有底の前記凹部を、最大で、前記ガスの流入側部位から前記アノード側拡散層の中央までとすることができる。アノード側拡散層は、膜電極接合体の一方の電極面に燃料ガスを供給することから、膜電極接合体と逆側のアノード側拡散層表面の全てに亘って凹部を有するようにしてしまうと、燃料ガスがこの凹部を通過してしまい膜電極接合体の電極面への燃料ガス供給の効率が悪くなる。よって、上記のように凹部の形成領域を規定すれば、凹部の形成領域では、凹部の底部位から電極面へのガス供給が可能なほか、凹部の形成領域以外でもアノード側拡散層を通過する際にガスが電極面に供給されるので、ガス供給の効率低下を抑制できる。
【００１３】
また、前記凹部を、多列の有底の溝部とした上で、該溝部を、前記アノード側拡散層における前記ガスの流入側の部位から下流側に延在するようにできる。こうすれば、有底に窪んだだけの凹部に比べて、それぞれの溝部を通過するガスの流れは均一化する。よって、それぞれの溝部の底部位において起きるカソード側拡散層からの生成水の拡散浸透も溝部ごとにほぼ均一化するので、膜電極接合体に含まれる電解質膜の湿潤化が均等となり、望ましい。
【００１４】
この場合、前記溝部を前記アノード側拡散層を流れる前記ガスの流れ方向と平行に延在させれば、各溝部を流れるガス流がより均一となるので、より望ましい。
【００１５】
また、更に、前記アノード側拡散層に接合したセパレーターを備えた上で、このセパレーターを、前記アノード側拡散層における前記ガスの流れ方向を規定するガス流路を前記アノード側拡散層の側に多列に備えたものとし、多列のガス流路の間のリブを前記多列の前記溝部の間のリブに当接させるようにできる。こうすれば、各溝部を流れるガス流の均一化が簡便となる。
【００１６】
また、前記凹部にプロトン伝導性を有する電解質樹脂を凹部のガス通過を許容して有するようにすれば、この凹部の電解質樹脂のイオン交換基による水成分の保持により、アノード側拡散層における水分量を増加できる。通常、燃料電池が高温で運転を継続すると、水分不足になりがちであるが、上記のようにアノード側拡散層での保水により、水分不足を補えるので、発電能力を維持できる。この場合、凹部に有する電解質樹脂による水分保持により、無加湿状態での燃料ガス供給に際しても、発電能力の低下を抑制できる。
【００１７】
また、前記膜電極接合体の側のアノード側拡散層表面に、導電性の粉体をプロトン伝導性を有する電解質樹脂で保持して気孔を形成し気孔層を形成することができる。こうすれば、気孔層での水成分保持により、アノード側拡散層における水分量を増加させて、高温運転の際の水分不足を補えるので、発電能力を維持できる。この場合、気孔は連続気孔であることが望ましい。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本実施例の燃料電池１０を構成する単セル１５の概略構成を分解して斜視にて示す説明図である。
【図２】この単セル１５を断面視して概略的に示す説明図である。
【図３】無加湿で水素ガスを供給した場合の単セル１５のセル全長Ｌに対する溝部３０の長さと発電電圧との関係を示すグラフである。
【図４】アノード側ＭＰＬ層２３ａの形成の際の目付け量と当該ＭＰＬ層での含水量との関係を示すグラフである。
【図５】アノード側ＭＰＬ層２３ａの形成の際の目付け量とその層厚との関係を示すグラフである。
【図６】無加湿で水素ガスを供給した場合のアノード側ＭＰＬ層２３ａの層厚と発電電圧との関係を示すグラフである。
【図７】無加湿で水素ガスを供給して発電した場合の発電電圧とセル内部抵抗のセル温度に対する依存の様子を示すグラフである。
【図８】変形例の単セル１５Ａの概略構成を分解して斜視にて示す説明図である。
【図９】この変形例の単セル１５Ａを断面視して概略的に示す説明図である。
【図１０】多列の溝部３０をガスの流れ方向に斜めに配置した変形例の単セル１５Ｂの概略構成を分解して斜視にて示す説明図である。
【図１１】多列の溝部３０を並べて陥没した凹部３０Ａを有する変形例の単セル１５Ｃを断面視して概略的に示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態について、その実施例を図面に基づき説明する。図１は本実施例の燃料電池１０を構成する単セル１５の概略構成を分解して斜視にて示す説明図、図２はこの単セル１５を断面視して概略的に示す説明図である。本実施例の燃料電池１０は、図１〜図２に示す構成の単セル１５を複数積層したスタック構造を有している。なお、本実施例の燃料電池１０は、固体高分子型燃料電池であるが、異なる種類の燃料電池、例えば固体電解質型燃料電池においても、同様に適用可能である。
【００２０】
単セル１５は、電解質膜２０の両側にアノード２１とカソード２２の両電極を備える。このアノード２１とカソード２２は、電解質膜２０の両膜面に形成され膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly／ＭＥＡ）を形成する。この他、単セル１５は、電極形成済みの電解質膜２０を両側から挟持するアノード側ガス拡散層２３とカソード側ガス拡散層２４とガスセパレーター２５，２６を備え、両ガス拡散層は、対応する電極に接合されている。ガスセパレーター２５は、アノード側ガス拡散層２３の側に、水素を含有する燃料ガスを流すセル内燃料ガス流路４７を備える。ガスセパレーター２６は、カソード側ガス拡散層２４の側に、酸素を含有する酸化ガス（本実施例では、空気）を流すセル内酸化ガス流路４８を備える。なお、図１〜図２には記載していないが、隣り合う単セル１５間には、例えば、冷媒が流れるセル間冷媒流路を形成することができる。
【００２１】
電解質膜２０は、固体高分子材料、例えばフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。アノード２１およびカソード２２は、触媒（例えば白金、あるいは白金合金）を備えており、これらの触媒を、導電性を有する担体（例えば、カーボン粒子）上に担持させることによって形成されている。
【００２２】
アノード側ガス拡散層２３とカソード側ガス拡散層２４は、ガス透過性を有する導電性部材、例えば、カーボンペーパやカーボンクロスによって形成することができる。アノード側ガス拡散層２３は、ＭＥＡにおけるアノード２１と逆側の拡散層表面、つまり図示するようにガスセパレーター２５の側の表面に、有底の溝部３０を多列に備える。この溝部３０と水素ガスの流れとの関係については、後述する。また、アノード側ガス拡散層２３は、ＭＥＡにおけるアノード２１の側の拡散層表面に、アノード側ＭＰＬ層（Micro Porous Layer）２３ａを有する。このアノード側ＭＰＬ層２３ａは、導電性の粉体であるカーボン粒子をプロトン伝導性を有する電解質樹脂（本実施例では、電解質膜２０を構成するフッ素系樹脂）で保持することで、層において連続気孔を形成する。このアノード側ＭＰＬ層２３ａは、種々の手法で形成可能であり、例えば、フッ素系樹脂の溶液にカーボン粒子を分散させたスラリーを、アノード側ガス拡散層２３の表面に塗布して乾燥することで、１００〜２００μｍ程度の層厚で形成可能である。また、アノード側ＭＰＬ層２３ａは、単位面積当たりのいわゆる目付け量も規定でき、本実施例では、２．６〜５．３ｍｇ／ｃｍ2とした。なお、アノード側ＭＰＬ層２３ａに代えて、保水機能を有する親水性の薬剤層とすることもできる。
【００２３】
カソード側ガス拡散層２４は、ＭＥＡにおけるカソード２２の側の拡散層表面に、カソード側撥水層２４ａを有する。このカソード側撥水層２４ａは、撥水剤をカソード側ガス拡散層２４の表面にスプレー塗布して形成される。
【００２４】
ガスセパレーター２５，２６は、ガス不透過な導電性部材、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンや、焼成カーボン、あるいはステンレス鋼などの金属材料により形成されている。ガスセパレーター２５，２６は、既述したセル内燃料ガス流路４７およびセル内酸化ガス流路４８の壁面を成す部材であって、その表面には、ガス流路を形成するための凹凸形状が形成されている。
【００２５】
図１〜図２では図示していないが、ガスセパレーター２５，２６の外周近傍の所定の位置には、複数の孔部が形成されている。これらの複数の孔部は、ガスセパレーター２５，２６が他の部材と共に積層されて燃料電池１０が組み立てられたときに互いに重なって、燃料電池１０内を積層方向に貫通する流路を形成する。すなわち、上記したセル内燃料ガス流路４７やセル内酸化ガス流路４８、あるいはセル間冷媒流路に対して、燃料ガスや酸化ガス、あるいは冷媒を給排するためのマニホールドを形成する。
【００２６】
本実施例の燃料電池１０は、上記したガスセパレーター２５の外周近傍の孔部からセル内燃料ガス流路４７に水素ガスを流すに当たり、図１における左方側から水素ガスを供給する。また、ガスセパレーター２６外周近傍の孔部からセル内酸化ガス流路４８に空気を流すに当たり、図１における右方側から空気を供給する。つまり、本実施例の燃料電池１０は、アノード側ガス拡散層２３とカソード側ガス拡散層２４とで、それぞれのガスの流れを逆向きとし、アノード側ガス拡散層２３におけるガス流入側２３ｂの側に、既述した有底の溝部３０を多列に備えることになる。そして、本実施例の燃料電池１０は、ガス流入側２３ｂからアノード側ガス拡散層２３に流入した水素ガスを、溝部３０の底部分２３ｃに当たるアノード側ガス拡散層２３と溝部３０より下流側のアノード側ガス拡散層２３とで拡散ししつつアノード２１に供給する。空気については、水素ガスと逆向きの流れでカソード側ガス拡散層２４に流入した空気を、カソード側ガス拡散層２４で拡散ししつつカソード２２に供給する。この場合、図１〜図２は単セル１５の一部範囲を示しているのであって、図１においては３列の溝部３０がガス流入側２３ｂに位置するが、溝部３０の列数は、単セル１５の寸法により定まる。
【００２７】
ここで、溝部３０の寸法やアノード側ＭＰＬ層２３ａの層厚、目付け量等について説明する。図３は無加湿で水素ガスを供給した場合の単セル１５のセル全長Ｌに対する溝部３０の長さと発電電圧との関係を示すグラフである。図示するように、溝部３０の長さがゼロ、即ち溝部３０を有しない比較例燃料電池に対して、溝部３０を図１に示すようにガス流入側２３ｂの側に有する燃料電池１０では、溝部３０の長さがセル全長Ｌの２／５とすると発電電圧の顕著な上昇が観察され、セル全長Ｌの１／２程度であれば、上記した比較例より確実に高い発電能力が得られることが判明した。また、溝部３０がセル全長Ｌの１／２を超えるようになると、発電能力は低下し、セル全長Ｌの全てに亘る場合には、溝部３０を有しない比較例燃料電池より発電能力が劣ることが判明した。これは、溝部３０が長くなれば、溝部３０の下流側は、カソード側ガス拡散層２４における上流側なために生成水が少ない領域に重なり、こうした領域においても後述の水成分の持ち去りが起き、アノード側ガス拡散層２３の乾燥が助長されるためと考えられる。そして、溝部３０がセル全長Ｌの全長に亘れば、溝部３０を通過するだけの燃料ガスが増えるため、その分、アノード側ガス拡散層２３からＭＥＡ（詳しくは、アノード２１）へのガス拡散供給が進まないので、溝部３０を有しない比較例燃料電池より発電能力が劣ると考えられる。
【００２８】
この場合、溝部３０の深さについては、アノード側ガス拡散層２３の厚みより小さくすれば、溝部３０は有底となってその底部分２３ｃをアノード側ガス拡散層２３に残すことができる。よって、燃料電池１０に求められる発電能力を勘案して、適宜定めればよい。
【００２９】
こうした溝部３０の影響を、他の観点から調べた。一般に、電解質膜２０の湿潤が不足すると、電解質膜２０のプロトン伝導性は低下するので、発電能力は低下し、単セル１５の内部抵抗値は上昇する。溝部３０を有しない比較例燃料電池とセル全長Ｌの２／５の長さで溝部３０を有する本実施例の燃料電池１０（以下、これを単に溝部３０を有する燃料電池１０と称する）とについて、両燃料電池を定常状態において運転し、ガス供給を停止して発電を停止してから３０秒に亘って乾燥させ、その乾燥後のセル内部抵抗を測定した。溝部３０を有しない比較例燃料電池の単位面積当たりのセル内部抵抗は０．３３８Ω／ｃｍ2であったのに対し、溝部３０を有する燃料電池１０では２．０５４Ω／ｃｍ2であった。この現象を、図３に見られる発電能力向上との関係から以下、説明する。なお、通常は、運転停止の後に乾燥を行うことはないので、溝部３０を有しない比較例燃料電池および溝部３０を有する燃料電池１０にあっても、セル内部抵抗の上昇は問題とはならない。
【００３０】
セル内部抵抗の上昇は、電解質膜２０の湿潤不足によるプロトン伝導性の低下によって現れるので、溝部３０を有する燃料電池１０でのセル内部抵抗上昇から、この燃料電池１０では、発電停止後の僅かな期間の乾燥で電解質膜２０の湿潤不足が起きたことになる。こうした電解質膜２０の湿潤不足は、溝部３０の溝内に、溝部３０の底部分２３ｃ（図２参照）におけるアノード側ガス拡散層２３および当該底部分のアノード側ガス拡散層２３と接合したＭＥＡから水成分が引き抜かれたための電解質膜２０の湿潤不足に符合する。つまり、本実施例の燃料電池１０では、有底の溝部３０を有することで、この溝部３０の溝内への水成分の引き抜きを起こすと言える。それでいながら、図３のように発電能力が向上したことは、次のように説明できる。
【００３１】
溝部３０を有する燃料電池１０のアノード側ガス拡散層２３では、水素ガスは、ガス流入側２３ｂからアノード側ガス拡散層２３に流入するに当たり、有底の溝部３０を通過した上で、下流側に流れる。こうして流れる水素ガスは、有底の溝部３０を通過する際、その溝部３０の内部に入り込んでいる水成分を下流側に持ち去る。そうすると、有底の溝部３０の底部分２３ｃに当たるアノード側ガス拡散層２３を挟んだＭＥＡと溝部３０の内側領域とで水成分の分布（水成分の濃度）にズレが起きる。この場合、有底の溝部３０の底部分２３ｃに当たるアノード側ガス拡散層２３は水成分の透過が可能であることから、電解質膜２０を含むＭＥＡから溝部３０の内側領域に向けた水成分の移動が進むことになる。
【００３２】
その一方、電解質膜２０を含むＭＥＡを挟んで向かい合うアノード側ガス拡散層２３とカソード側ガス拡散層２４とでは、既述したようにガスの流れが逆向きであることから、アノード側ガス拡散層２３におけるガス流入側２３ｂは、カソード側ガス拡散層２４では空気の流れの下流側（カソード下流側）となる。カソード２２では、電気化学反応に伴い水が生成され、その生成水は、カソード側ガス拡散層２４を流れる空気に運ばれてカソード下流側で多くなる。つまり、アノード側ガス拡散層２３の側でＭＥＡから溝部３０の内側領域に向けた水成分の移動が進む領域と、カソード側ガス拡散層２４で生成水過多となりがちな領域が、電解質膜２０を含むＭＥＡを挟んで一致する。その上で、電解質膜２０を含むＭＥＡにあっても生成水の拡散浸透を起こすので、カソード側ガス拡散層２４の生成水は、電解質膜２０を含むＭＥＡを拡散して通過した後に、ＭＥＡから溝部３０の内側領域に向けて移動する。
【００３３】
こうした現象は、アノード側ガス拡散層２３における水素ガスの溝部３０の通過の間、即ち電池発電のためのガス供給の間に継続するので、ＭＥＡ、詳しくはこれに含まれる電解質膜２０は、カソード側ガス拡散層２４からの生成水の拡散浸透により自ずと湿潤状態となる。この結果、溝部３０を有する本実施例の燃料電池１０では、電解質膜２０をより確実に湿潤させて発電能力を高めることができると言え、この結果が図３に反映したことになる。しかも、電解質膜２０を含むＭＥＡは、アノード側ガス拡散層２３の全面、詳しくはガス流入側２３ｂの側の溝部３０の底部分２３ｃに当たるアノード側ガス拡散層２３の外表と、溝部３０より下流側のアノード側ガス拡散層２３の外表とにアノード２１に接合させている。よって、ガス流入側２３ｂの側の溝部３０の底部分２３ｃに当たるアノード側ガス拡散層２３からアノード２１へのガス供給が可能なほか、溝部３０の下流側のアノード側ガス拡散層２３からもアノード２１にガス供給ができるので、ガス供給の効率低下を抑制できると共に、ＭＥＡに含まれる電解質膜２０を、その全ての発電領域において活用でき、発電能力の低下を来さないようにできる。
【００３４】
このように溝部３０の底部分２３ｃに当たるアノード側ガス拡散層２３を通して、アノード側ガス拡散層２３には、カソード側ガス拡散層２４の側から生成水を浸透させることができるので、アノード側ガス拡散層２３に無加湿の水素ガスが供給されても、アノード側ガス拡散層２３には水成分が行き渡るようにできる。よって、本実施例の燃料電池１０では、水素ガスを無加湿状態で供給しても高い発電能力を得ることができると共に、水素ガス加湿用の構成が不要もしくは簡略化でき、その分、コスト低減を図ることができる。つまり、本実施例の燃料電池１０によれば、無加湿運転への適用を高めることができるほか、ガス加湿用の加湿器を備えた場合には、小さな容量の加湿器でのガス加湿による発電運転を行うことが可能となる。
【００３５】
また、本実施例では、有底の溝部３０を多列にガス流入側２３ｂに配設して下流側に延在させると共に、溝部３０をアノード側ガス拡散層２３を流れる水素ガスの流れ方向と平行に延在させたので、それぞれの溝部３０で水素ガスの流れをほぼ均一とできる。このため、それぞれの溝部３０の底部分２３ｃに当たるアノード側ガス拡散層２３において起きるカソード側ガス拡散層２４の側からの生成水の拡散浸透も溝部３０ごとにほぼ均一化するので、ＭＥＡに含まれる電解質膜２０の湿潤化が均等となり、発電能力向上の上からより好ましい。
【００３６】
しかも、アノード側ガス拡散層２３に接合するガスセパレーター２５において、多列のセル内燃料ガス流路４７にてアノード側ガス拡散層２３における水素ガスの流れ方向を規定した上で、図１〜図２に示すように、多列のセル内燃料ガス流路４７の間のリブを多列の溝部３０の間のリブに当接させた。よって、それぞれの溝部３０には、該当するセル内燃料ガス流路４７から水素ガスを簡便且つより均一に供給できるので、発電能力向上の上から更に好ましい。
【００３７】
次に、本実施例の燃料電池１０では、溝部３０に加えてアノード側ＭＰＬ層２３ａを設けたので、このアノード側ＭＰＬ層２３ａの利点について説明する。アノード側ＭＰＬ層２３ａは、既述したようにカーボン粒子を電解質樹脂（電解質膜２０を構成するフッ素系樹脂）で保持して連続気孔し、電解質樹脂のイオン交換基（フッ素系樹脂ではスルホン基）によりこの連続気孔に水成分を保持する。図４はアノード側ＭＰＬ層２３ａの形成の際の目付け量と当該ＭＰＬ層での含水量との関係を示すグラフ、図５はアノード側ＭＰＬ層２３ａの形成の際の目付け量とその層厚との関係を示すグラフ、図６は無加湿で水素ガスを供給した場合のアノード側ＭＰＬ層２３ａの層厚と発電電圧との関係を示すグラフである。
【００３８】
図４〜図５のグラフに示すように、アノード側ＭＰＬ層２３ａの目付け量が増えるに連れてアノード側ＭＰＬ層２３ａでの含水量（保水量）は増加し、その層厚も増加する。その反面、図６に示すように、アノード側ＭＰＬ層２３ａの層厚は、発電電圧に影響を及ぼし、層厚が１００〜２００μｍの範囲であれば、発電能力の低下抑制の上で効果がある。つまり、アノード側ＭＰＬ層２３ａの層厚が２００μｍを超えると、層厚増加によるアノード側ＭＰＬ層２３ａ自体の内部抵抗の増加も顕著となり、発電電圧の低下が起きると考えられる。その一方、アノード側ＭＰＬ層２３ａの層厚が１００μｍを下回ると、このアノード側ＭＰＬ層２３ａでの水成分保持が不足となり、無加湿での水素ガス供給ではアノード側ガス拡散層２３の側における水分不足により発電電圧の低下が起きると考えられる。こうした知見に立ち、本実施例では、アノード側ＭＰＬ層２３ａを１００〜２００μｍの範囲の層厚とした上で、この層厚に対応させて、目付け量を２．６〜５．３ｇ／ｃｍ2の範囲とした。
【００３９】
次に、溝部３０とアノード側ＭＰＬ層２３ａとを備えた本実施例の燃料電池１０の利点について説明する。図７は無加湿で水素ガスを供給して発電した場合の発電電圧とセル内部抵抗のセル温度に対する依存の様子を示すグラフである。
【００４０】
図示するグラフには、溝部３０もアノード側ＭＰＬ層２３ａも備えない比較例燃料電池と、溝部３０を有するもののアノード側ＭＰＬ層２３ａを有しない参考燃料電池と、アノード側ＭＰＬ層２３ａを有するものの溝部３０を有しない参考燃料電池と、溝部３０とアノード側ＭＰＬ層２３ａとを備えた本実施例の燃料電池１０とについて、発電電圧とセル内部抵抗のセル温度に対する依存の様子を示している。図示するように、セル温度が低い領域Ｔｘでは、比較例燃料電池、両参考燃料電池および本実施例の燃料電池１０において、発電電圧とセル内部抵抗に有意な差は見られないものの、セル温度が上昇すると、比較例燃料電池では、電圧の著しい低下とセル内部抵抗の上昇が見られ、電池性能は低下する。溝部３０或いはアノード側ＭＰＬ層２３ａのいずれかを有する参考燃料電池では、比較例燃料電池より高い電池能力を得られ、溝部３０とアノード側ＭＰＬ層２３ａの両者を有する本実施例の燃料電池１０では、溝部３０とアノード側ＭＰＬ層２３ａの相乗効果により、より高い電池性能を得ることができた。つまり、本実施例の燃料電池１０によれば、通常の運転ではあまり起き得ない無加湿での水素ガス供給によっても、溝部３０によるカソード側ガス拡散層２４から電解質膜２０を経た生成水のアノード側ガス拡散層２３への拡散浸透とアノード側ＭＰＬ層２３ａによる保水とにより、高い電池性能を得ることができる。
【００４１】
また、本実施例の燃料電池１０では、カソード側ガス拡散層２４におけるＭＥＡの側にカソード側撥水層２４ａを有する。よって、このカソード側撥水層２４ａによる撥水機能により、カソード側ガス拡散層２４の生成水を、積極的に電解質膜２０を経てアノード側ガス拡散層２３に拡散浸透させることができる。
【００４２】
以上、本発明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。図８は変形例の単セル１５Ａの概略構成を分解して斜視にて示す説明図、図９はこの変形例の単セル１５Ａを断面視して概略的に示す説明図である。
【００４３】
図示するように、この変形例の単セル１５Ａは、ＭＥＡや溝部３０、アノード側ガス拡散層２３、カソード側ガス拡散層２４等の構成において既述した実施例の単セル１５と代わるものではなく、溝部３０に、電解質膜２０を構成する電解質樹脂（フッ素系樹脂３１）を備える点で相違し、溝部３０にフッ素系樹脂３１を備える様子は、図において３０／３１と付して示されている。この場合、例えば、溝部３０の壁面に電解質樹脂（フッ素系樹脂３１）を塗布したりして、溝部３０を水素ガスが通過できるようにする。この変形例の単セル１５Ａでは、溝部３０に有する電解質樹脂（フッ素系樹脂３１）のイオン交換基（スルホン基）による水成分の保持により、アノード側ガス拡散層２３における水分量を増加できる。この溝部３０の電解質樹脂（フッ素系樹脂３１）による水成分保持は、既述した溝部３０を通過する水素ガスによる水成分の持ち去りと並行して起きる。よって、この変形例では、溝部３０の内部に入り込んでいる水成分の持ち去りによる既述した電解質膜２０の湿潤化を図りつつ、アノード側ガス拡散層２３における水分量を増加できる。通常、燃料電池が高温で運転を継続すると、水分不足になりがちであるが、上記のように溝部３０のフッ素系樹脂３１での保水により、水分不足を補えるので、この変形例によれば、発電能力を維持できる。この場合、溝部３０に有するフッ素系樹脂３１による水分保持により、無加湿状の水素ガス供給に伴う運転に際しても、発電能力の低下を抑制できる。
【００４４】
なお、この変形例の単セル１５Ａでは、溝部３０のフッ素系樹脂３１にて水成分保持を図るので、アノード側ＭＰＬ層２３ａについては、省略することもできる。或いは、アノード側ガス拡散層２３におけるガスの流れ方向に沿った筋状のアノード側ＭＰＬ層２３ａと筋状の撥水層とを、ガスの流れに交差する方向に交互に並べた層構成としたり、アノード側ＭＰＬ層２３ａに代わり撥水層を有するようにすることもできる。筋状のアノード側ＭＰＬ層２３ａと筋状の撥水層とを交互に並べるには、フッ素系樹脂の溶液にカーボン粒子を分散させたスラリーの噴射ノズルと、撥水剤の噴射ノズルとがガスの流れに交差する方向に交互に並んだ噴射装置から、スラリーおよび撥水剤をアノード側ガス拡散層２３の表面に噴射塗布して乾燥させればよい。撥水層とする場合には、アノード側ガス拡散層２３の表面に撥水剤を塗布して乾燥させればよい。こうしてアノード側ガス拡散層２３に形成した撥水層は、溝部３０からの水成分の持ち去りに寄与するように働く。即ち、底部分２３ｃに当たるアノード側ガス拡散層２３では、カソード側ガス拡散層２４の側からの生成水の浸透が起きているので、アノード側ガス拡散層２３の表面の撥水層は、溝部３０の内部の側への水の移動を助けることになり、溝部３０からの水成分の持ち去りに寄与する。
【００４５】
この他、次のように変形することもできる。既述した実施例では、アノード側ガス拡散層２３のアノード側ＭＰＬ層２３ａにガスの流れ方向に沿った溝部３０を設けたが、この溝部３０については、アノード側ガス拡散層２３にアノード側ＭＰＬ層２３ａの側から流入した水素ガスが溝部を通過すればよい。また、溝部３０が並んで陥没したような単純な凹部とすることもできる。図１０は多列の溝部３０をガスの流れ方向に斜めに配置した変形例の単セル１５Ｂの概略構成を分解して斜視にて示す説明図、図１１は多列の溝部３０を並べて陥没した凹部３０Ａを有する変形例の単セル１５Ｃを断面視して概略的に示す説明図である。これらに示す変形例であっても、斜めの溝部３０或いは凹部３０Ａを通過する水素ガスによる水成分の持ち去りによる電解質膜２０の湿潤化に伴う効果を奏することができる。なお、図１１では、凹部３０Ａをアノード側ガス拡散層２３の一部部位に描画して示しているが、凹部３０Ａは、アノード側ガス拡散層２３の図における紙面手前側から紙面奥側に掛けた拡散層幅方向に亘って幅広に形成したり、この拡散層幅においてガス流入側２３ｂに点在させてもよい。
【００４６】
また、上記の実施例では固体高分子形燃料電池を例に説明したが、ダイレクトメタノール形燃料電池、リン酸形燃料電池など種々の燃料電池に適用することができる。
【符号の説明】
【００４７】
１０…燃料電池
１５、１５Ａ〜１５Ｃ…単セル
２０…電解質膜
２１…アノード
２２…カソード
２３…アノード側ガス拡散層
２３ａ…アノード側ＭＰＬ層
２３ｂ…ガス流入側
２３ｃ…底部分
２４…カソード側ガス拡散層
２４ａ…カソード側撥水層
２５…ガスセパレーター
２６…ガスセパレーター
３０…溝部
３０Ａ…凹部
３１…フッ素系樹脂
４７…セル内燃料ガス流路
４８…セル内酸化ガス流路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プロトン伝導性を有する電解質膜の両膜面に電極を形成した膜電極接合体と、該膜電極接合体の一方の電極面に設けられたアノード側拡散層と、前記膜電極接合体の他方の電極面に設けられたカソード側拡散層とを備え、該カソード側拡散層と前記アノード側拡散層におけるガスの流れを逆向きとした燃料電池であって、
前記アノード側拡散層の前記膜電極接合体とは逆側の表面に有底の凹部を備え、
該凹部は、前記アノード側拡散層に流入する前記ガスの流入側に位置する
燃料電池。
【請求項２】
有底の前記凹部は、最大で、前記ガスの流入側部位から前記アノード側拡散層の中央までとされている請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記凹部は、多列の有底の溝部とされ、該溝部は、前記アノード側拡散層における前記ガスの流入側の部位から下流側に延在する請求項１または請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記溝部は、前記アノード側拡散層を流れる前記ガスの流れ方向と平行に延在する請求項３に記載の燃料電池。
【請求項５】
請求項３または請求項４に記載の燃料電池であって、
更に、
前記アノード側拡散層に接合したセパレーターを備え、
該セパレーターは、
前記アノード側拡散層における前記ガスの流れ方向を規定するガス流路を、前記アノード側拡散層の側に多列に備え、該多列のガス流路の間のリブを前記多列の前記溝部の間のリブに当接させている
燃料電池。
【請求項６】
前記凹部に、プロトン伝導性を有する電解質樹脂を前記凹部のガス通過を許容して有する請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項７】
前記アノード側拡散層は、前記膜電極接合体の側の表面に、導電性の粉体をプロトン伝導性を有する電解質樹脂で保持して気孔を形成した気孔層を有する請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項１】
プロトン伝導性を有する電解質膜の両膜面に電極を形成した膜電極接合体と、該膜電極接合体の一方の電極面に設けられたアノード側拡散層と、前記膜電極接合体の他方の電極面に設けられたカソード側拡散層とを備え、該カソード側拡散層と前記アノード側拡散層におけるガスの流れを逆向きとした燃料電池であって、
前記アノード側拡散層の前記膜電極接合体とは逆側の表面に有底の凹部を備え、
該凹部は、前記アノード側拡散層に流入する前記ガスの流入側に位置する
燃料電池。
【請求項２】
有底の前記凹部は、最大で、前記ガスの流入側部位から前記アノード側拡散層の中央までとされている請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記凹部は、多列の有底の溝部とされ、該溝部は、前記アノード側拡散層における前記ガスの流入側の部位から下流側に延在する請求項１または請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記溝部は、前記アノード側拡散層を流れる前記ガスの流れ方向と平行に延在する請求項３に記載の燃料電池。
【請求項５】
請求項３または請求項４に記載の燃料電池であって、
更に、
前記アノード側拡散層に接合したセパレーターを備え、
該セパレーターは、
前記アノード側拡散層における前記ガスの流れ方向を規定するガス流路を、前記アノード側拡散層の側に多列に備え、該多列のガス流路の間のリブを前記多列の前記溝部の間のリブに当接させている
燃料電池。
【請求項６】
前記凹部に、プロトン伝導性を有する電解質樹脂を前記凹部のガス通過を許容して有する請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項７】
前記アノード側拡散層は、前記膜電極接合体の側の表面に、導電性の粉体をプロトン伝導性を有する電解質樹脂で保持して気孔を形成した気孔層を有する請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の燃料電池。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１２−６９２６０（Ｐ２０１２−６９２６０Ａ）
【公開日】平成２４年４月５日（２０１２．４．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２１０６４７（Ｐ２０１０−２１０６４７）
【出願日】平成２２年９月２１日（２０１０．９．２１）
【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２４年４月５日（２０１２．４．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月２１日（２０１０．９．２１）
【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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