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JP5928782B2 - 燃料電池 - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池に関する。更に詳細には、本発明は、燃料電池における腐食を抑制しつつ、優れた発電性能を実現し得る燃料電池に関する。
従来、低コストで発電効率の高い固体高分子形燃料電池を提供することを目的として、膜電極接合体と、ガス拡散層と、流体流路を形成する流体流路層と、金属製の冷却板とが積層され、更にガス拡散層に導通して膜電極接合体における発電出力を取り出す集電部材と、集電部材を流体流路層の流体流路とは気密遮断させ、流体流路層及び冷却板とを電気的に絶縁させるシール部材とを具備する固体高分子形燃料電池が提案されている（特許文献１参照。）。
特開２０１０−１０８７５９号公報
しかしながら、上記特許文献１に記載の固体高分子形燃料電池にあっては、セル抵抗の大幅な増加が生じるという問題点があった。
本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものである。そして、本発明の目的とするところは、燃料電池における腐食を抑制しつつ、優れた発電性能を実現し得る燃料電池を提供することにある。
本発明者は、上記目的を達成するため、鋭意検討を重ねた。
そして、その結果、所定の位置に配設される通電部材のガス拡散層−セパレータ間の貫通抵抗を特定の関係を満たす構成とすることにより、上記目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明の燃料電池は、触媒反応平面領域を形成する膜電極接合体と、該膜電極接合体の主面上に配設されたガス拡散層と、該ガス拡散層の主面上に配設され、該ガス拡散層と電気的に接続するセパレータと、該ガス拡散層と該セパレータとの間であって、該触媒反応平面領域外に配設され、該ガス拡散層及び該セパレータを電気的に接続する通電部材とを備える。
そして、本発明の燃料電池における通電部材は、当該通電部材のガス拡散層−セパレータ間の貫通抵抗が、触媒反応平面領域のガス拡散層−セパレータ間の貫通抵抗よりも小さい。
本発明によれば、所定の位置に配設される通電部材のガス拡散層−セパレータ間の貫通抵抗を特定の関係を満たす構成としたため、燃料電池における腐食を抑制しつつ、優れた発電性能を実現し得る燃料電池を提供することができる。
本発明の第１の実施形態に係る燃料電池における触媒反応平面領域と導電部材とを表した平面状態を示す説明図である。 第１の実施形態に係る燃料電池の一部の断面状態を示す説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池における触媒反応平面領域と導電部材とを表した平面状態を示す説明図である。 第２の実施形態に係る燃料電池の一部の断面状態を示す説明図である。 本発明の第３の実施形態に係る燃料電池における触媒反応平面領域と導電部材とを表した平面状態を示す説明図である。 本発明の第４の実施形態に係る燃料電池における触媒反応平面領域と導電部材とを表した平面状態を示す説明図である。 本発明の第５の実施形態に係る燃料電池における触媒反応平面領域と導電部材とを表した平面状態を示す説明図である。 本発明の第６の実施形態に係る燃料電池における触媒反応平面領域と導電部材とを表した平面状態を示す説明図である。 本発明の第７の実施形態に係る燃料電池の一部の断面状態を示す説明図である。
以下、本発明の一実施形態に係る燃料電池について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下の実施形態で引用する図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池における触媒反応平面領域と導電部材とを表した平面状態を示す説明図である。また、図２は、第１の実施形態に係る燃料電池の一部の断面状態を示す説明図である。
図１に示すように、本実施形態の燃料電池１においては、触媒反応平面領域Ａ外に通電部材４０が配設されている。また、図１に示すように、本実施形態の燃料電池１は、触媒反応平面領域Ａ外であって、通電部材４０より触媒反応平面領域Ａ側に配設された、従来公知の材料で形成されるガスシール部材５０、５２を備えている（図２参照。）。更に、燃料ガス、酸化剤ガス及び冷媒のマニホールドＭを備えている。
また、図２に示すように、本実施形態の燃料電池１は、触媒反応平面領域Ａを形成する膜電極接合体１０と、膜電極接合体１０の主面上に配設されたガス拡散層２０と、ガス拡散層２０の主面上に配設されたセパレータ３０と、ガス拡散層２０とセパレータ３０との間であって、触媒反応平面領域Ａ外に配設された、ガス拡散層２０及びセパレータ３０を電気的に接続する通電部材４０とを備えている。
更に、図２に示すように、ガス拡散層２０とセパレータ３０との間であって、触媒反応平面領域Ａ内に配設されたガス流路形成部材６０と、セパレータ３０の主面上に配設された他のセパレータ３０’と、セパレータ３０と他のセパレータ３０’との間であって、触媒反応平面領域Ａ外に配設された、セパレータ３０と他のセパレータ３０’と間に発生する応力を緩和する弾性部材７０やセパレータ３０と他のセパレータ３０’との間を通電する導通部材７２とを備えている。
そして、本実施形態の燃料電池においては、通電部材４０のガス拡散層２０−セパレータ３０間の貫通抵抗が、触媒反応平面領域Ａのガス拡散層２０−セパレータ３０間の貫通抵抗よりも小さいという所定の関係を満たす構成となっている。すなわち、通電部材４０の貫通抵抗値がガス流路形成部材６０の貫通抵抗値よりも小さくなるよう構成されている。
本実施形態の燃料電池は、このような特定の関係を満たす構成であるため、燃料電池における腐食を大幅に抑制しつつ、優れた発電性能を実現することができる。
つまり、腐食が大幅に抑制されるのは、特定の関係を満たす貫通抵抗を有する通電部材が、触媒反応平面領域外に配設されており、触媒反応平面領域において必ずしも導電させる必要がなく、腐食の原因因子となり得る表面処理層が不要になるためである。
また、本実施形態の燃料電池は、通電部材が、触媒反応平面領域の外周領域に配設された構成であるため、燃料電池における腐食を大幅に抑制しつつ、より優れた発電性能を実現することができる。また、コスト低減を図ることができるという利点もある。
更に、本実施形態の燃料電池は、触媒反応平面領域外であって、通電部材より触媒反応平面領域側にガスシール部材を備えた構成であり、通電部材の腐食環境が緩和され、抵抗増加が抑制されるため、燃料電池における腐食を大幅に抑制しつつ、より優れた発電性能を実現することができる。
また、本実施形態の燃料電池は、ガス拡散層とセパレータとの間であって、触媒反応平面領域内に配設されたガス流路形成部材を備えた構成であり、貫通抵抗についての特定の関係を満たすことができるため、燃料電池における腐食を大幅に抑制しつつ、より優れた発電性能を実現することができる。
更に、本実施形態の燃料電池は、セパレータと他のセパレータとの間であって、触媒反応平面領域外に配設された、セパレータと他のセパレータと間に発生する応力を緩和する弾性部材を備えた構成であり、セパレータ間の衝撃を吸収することができるという利点がある。弾性部材としては、例えば、フッ素ゴムやポリイソブチレンゴム、シリコーンゴムなどを挙げることができる。
（第２の実施形態）
図３は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池における触媒反応平面領域と導電部材とを表した平面状態を示す説明図である。また、図４は、第２の実施形態に係る燃料電池の一部の断面状態を示す説明図である。なお、第１の実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略する。
図３及び図４に示すように、本実施形態の燃料電池は、（１）ガスシール部材５０が通電部材４０より外側に配設されていること、及び（２）セパレータ３０と他のセパレータ３０’との間であって、触媒反応平面領域Ａ外に配設された、セパレータ３０と他のセパレータ３０’と間に発生する応力を緩和する弾性部材７０とを備えていないこと、という相違点を有している。
本実施形態の燃料電池は、上述した特定の関係を満たす構成であるため、燃料電池における腐食を大幅に抑制しつつ、優れた発電性能を実現することができる。
つまり、腐食が大幅に抑制されるのは、特定の関係を満たす貫通抵抗を有する通電部材が、触媒反応平面領域外に配設されており、触媒反応平面領域において必ずしも導電させる必要がなく、腐食の原因因子となり得る表面処理層が不要になるためである。
また、本実施形態の燃料電池は、通電部材が、触媒反応平面領域の外周領域に配設された構成であるため、燃料電池における腐食を大幅に抑制しつつ、より優れた発電性能を実現することができる。また、コスト低減を図ることができるという利点もある。
更に、本実施形態の燃料電池は、ガス拡散層とセパレータとの間であって、触媒反応平面領域内に配設されたガス流路形成部材を備えた構成であり、貫通抵抗についての特定の関係を満たすことができるため、燃料電池における腐食を大幅に抑制しつつ、より優れた発電性能を実現することができる。
（第３〜５の実施形態）
図５〜７は、本発明の第３〜５の実施形態に係る燃料電池における触媒反応平面領域と導電部材とを表した平面状態を示す説明図である。なお、第１及び第２の実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略する。
図５に示すように、第３の実施形態の燃料電池は、２つの通電部材４０が、触媒反応平面領域Ａの外周領域Ｂに配設された構成であり、燃料ガスや酸化剤ガス、冷媒などのマニホールドＭから構築されるいずれの流路とも干渉しない構成をとることができ、簡易な構造を採用することができる。
そのため、燃料電池における腐食を大幅に抑制しつつ、より優れた発電性能を実現することができる。また、コスト低減を図ることができるという利点もある。
図６に示すように、第４の実施形態の燃料電池は、４つの通電部材４０が、触媒反応平面領域Ａの外周領域Ｂに配設された構成であり、そのうち２つの通電部材４０が燃料ガスや酸化剤ガス、冷媒などのマニホールドＭから構築される流路と干渉する構成ではあるが、燃料ガスや酸化剤ガス、冷媒などの流路におけるディフューザー部材を通電部材４０と兼用させることにより、比較的簡易な構造とすることができる。
そのため、燃料電池における腐食を大幅に抑制しつつ、より優れた発電性能を実現することができる。また、コスト低減を図ることができるという利点もある。
図７に示すように、第５の実施形態の燃料電池は、４つの通電部材４０が、触媒反応平面領域Ａの外周領域Ｂに配設された構成であり、そのうち２つの通電部材４０が冷媒のマニホールドＭｗから構築される流路と干渉する構成ではあるが、冷媒などの流路におけるマニホールド部材を通電部材４０と兼用させることにより、比較的簡易な構造とすることができる。
そのため、燃料電池における腐食を大幅に抑制しつつ、より優れた発電性能を実現することができる。また、コスト低減を図ることができるという利点もある。
（第６の実施形態）
図８は、本発明の第６の実施形態に係る燃料電池における触媒反応平面領域と導電部材とを表した平面状態を示す説明図である。なお、第１〜第５の実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略する。
図８に示すように、本実施形態の燃料電池は、２つの通電部材が、触媒反応平面領域Ａの外周領域Ｂに配設された構成であり、それらが触媒反応平面領域の長手方向Ｘに沿って配設されている。
そのため、触媒反応平面領域から通電部材までの電子移動距離が相対的に短くなるため、電気抵抗を低減することができる。
その結果、燃料電池における腐食を大幅に抑制しつつ、より優れた発電性能を実現することができる。また、上記同様の理由から、コスト低減を図ることができるという利点もある。
（第７の実施形態）
図９は、本発明の第７の実施形態に係る燃料電池の一部の断面状態を示す説明図である。なお、第１〜第６の実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略する。
図９に示すように、本実施形態の燃料電池は、（１）セパレータ３０と他のセパレータ３０’との間であって、触媒反応平面領域Ａ外に配設された、セパレータ３０と他のセパレータ３０’とを電気的に接続する他の通電部材４０’を備えること、及び（２）他の通電部材４０のセパレータ３０−他のセパレータ３０’間の貫通抵抗が、触媒反応平面領域Ａのセパレータ３０−他のセパレータ３０’間の貫通抵抗よりも小さい、という相違点を有している。
本実施形態の燃料電池は、上述した特定の関係を満たす構成であるため、燃料電池における腐食を大幅に抑制しつつ、優れた発電性能を実現することができる。
つまり、腐食が大幅に抑制されるのは、特定の関係を満たす貫通抵抗を有する通電部材が、触媒反応平面領域外に配設されており、触媒反応平面領域において必ずしも導電させる必要がなく、腐食の原因因子となり得る表面処理層が不要になるためである。
また、本実施形態の燃料電池は、通電部材が、触媒反応平面領域の外周領域に配設された構成であるため、燃料電池における腐食を大幅に抑制しつつ、より優れた発電性能を実現することができる。また、コスト低減を図ることができるという利点もある。
更に、特定の関係を有する他の通電部材を所定の位置に有するため、触媒反応平面領域から通電部材までの電子移動距離が相対的に短くなり、電気抵抗を低減することができる。
更に、本実施形態の燃料電池は、ガス拡散層とセパレータとの間であって、触媒反応平面領域内に配設されたガス流路形成部材を備えた構成であり、貫通抵抗についての特定の関係を満たすことができるため、燃料電池における腐食を大幅に抑制しつつ、より優れた発電性能を実現することができる。
以下、各実施形態の各構成要素について詳細に説明する。
［膜電極接合体］
膜電極接合体１０は、高分子電解質膜と、これを挟持する一対の電極触媒層とを有する。
（高分子電解質膜）
高分子電解質膜は、燃料電池（スタック）の運転時にアノード電極触媒層で生成したプロトンを膜厚方向に沿ってカソード電極触媒層へと選択的に透過させる機能を有する。また、高分子電解質膜は、アノード側に供給される燃料ガスとカソード側に供給される酸化剤ガスとを混合させないための隔壁としての機能をも有する。
高分子電解質膜は、構成材料であるイオン交換樹脂の種類によって、フッ素系高分子電解質膜と炭化水素系高分子電解質膜とに大別される。
フッ素系高分子電解質膜を構成するイオン交換樹脂としては、例えば、ＮＡＦＩＯＮ、アシプレックス（登録商標、旭化成ケミカルズ株式会社製）、フレミオン＼ＦＬＥＭＩＯＮ（登録商標、旭硝子株式会社製）等のパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマー、パーフルオロカーボンホスホン酸系ポリマー、トリフルオロスチレンスルホン酸系ポリマー、エチレンテトラフルオロエチレン−ｇ−スチレンスルホン酸系ポリマー、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体、ポリビニリデンフルオリド−パーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーなどが挙げられる。
耐熱性、化学的安定性などの発電性能を向上させるという観点からは、これらのフッ素系高分子電解質膜が好ましく用いられ、特に好ましくはパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーから構成されるフッ素系高分子電解質膜が用いられる。
炭化水素系電解質膜を構成するイオン交換樹脂として、例えば、スルホン化ポリエーテルスルホン（Ｓ−ＰＥＳ）、スルホン化ポリアリールエーテルケトン、スルホン化ポリベンズイミダゾールアルキル、ホスホン化ポリベンズイミダゾールアルキル、スルホン化ポリスチレン、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン（Ｓ−ＰＥＥＫ）、スルホン化ポリフェニレン（Ｓ−ＰＰＰ）などが挙げられる。
原料が安価で製造工程が簡便であり、且つ材料の選択性が高いといった製造上の観点からは、これらの炭化水素系高分子電解質膜が好ましく用いられる。
なお、上述したイオン交換樹脂は、１種のみが単独で用いられてもよいし、２種以上が併用されてもよい。
また、上述した材料に限定されるものではなく、その他の材料を用いることもできる。
高分子電解質膜の厚みは、得られる燃料電池の特性を考慮して適宜決定すればよく、特に限定されるものではない。高分子電解質膜の厚みは、通常は５〜３００μｍである。高分子電解質膜の厚みがこのような数値範囲内であると、製膜時の強度や使用時の耐久性及び使用時の出力特性のバランスが適切を制御することができる。
（電極触媒層）
電極触媒層（アノード電極触媒層、カソード電極触媒層）は、導電性担体と導電性担体の表面に担持された触媒粒子とを含む電極触媒と、電極触媒を被覆するアイオノマとを含み、実際に電池反応が進行する層である。具体的には、アノード電極触媒層では水素の酸化反応が進行し、カソード電極触媒層では酸素の還元反応が進行する。
（触媒粒子）
アノード電極触媒層に用いられる触媒粒子は、水素の酸化反応に触媒作用を有するものであれば、特に限定されるものではなく、従来公知の触媒を適用することができる。また、カソード電極触媒層に用いられる触媒粒子もまた、酸素の還元反応に触媒作用を有するものであれば、特に限定されるものではなく、従来公知の触媒を同様に使用できる。
触媒粒子の具体例としては、白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、オスミウム（Ｏｓ）、タングステン（Ｗ）、鉛（Ｐｂ）、鉄（Ｆｅ）、クロム（Ｃｒ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、マンガン（Ｍｎ）、バナジウム（Ｖ）、モリブデン（Ｍｏ）、ガリウム（Ｇａ）及びアルミニウム（Ａｌ）からなる群より選ばれる少なくとも１種の粒子、これらの任意の組み合わせに係る混合物や合金などを挙げることができる。
触媒活性、一酸化炭素等に対する耐被毒性、耐熱性などを向上させるために、少なくとも白金を含むものが好適に用いられる。
上記合金の組成は、合金化する金属の種類にもよるが、白金の含有量を３０〜９０原子％とし、白金と合金化する金属の含有量を１０〜７０原子％とするのがよい。
なお、合金とは、一般に金属元素に１種以上の金属元素又は非金属元素を加えたものであって、金属的性質をもっているものの総称である。
合金の組織には、成分元素が別個の結晶となるいわば混合物である共晶合金、成分元素が完全に溶け合い固溶体となっているもの、成分元素が金属間化合物又は金属と非金属との化合物を形成しているものなどがあり、本発明においてはいずれであってもよい。
この際、アノード電極触媒層に用いられる触媒粒子及びカソード電極触媒層に用いられる触媒粒子は、上記の中から適宜選択することができる。
本発明においては、特記しない限り、アノード電極触媒層用及びカソード電極触媒層用の触媒粒子についての説明は、両者について同様の定義である。
よって、一括して「触媒粒子」と称する。しかしながら、アノード電極触媒層及びカソード電極触媒層の触媒粒子は同一である必要はなく、上記したような所望の作用を奏するように、適宜選択することができる。
触媒粒子の大きさは、特に限定されるものではなく、従来公知の触媒と同様の大きさを採用することができる。
この際、触媒粒子の平均粒子径は、好ましくは１〜３０ｎｍである。
触媒粒子の平均粒子径がこのような範囲内の値であると、電気化学反応が進行する有効電極面積に関連する触媒利用率と担持の簡便さとのバランスを適切に制御することができる。
なお、本発明における「触媒粒子の平均粒子径」は、Ｘ線回折における触媒粒子の回折ピークの半値幅より求められる結晶子径や、透過形電子顕微鏡像より調べられる触媒粒子の粒子径の平均値として測定することができる。
（導電性担体）
導電性担体は、上述した触媒粒子を担持するための担体、及び触媒粒子と他の部材との間での電子の授受に関与する電子伝導パスとして機能するものであれば、特に限定されるものではなく、従来公知の導電性担体を同様に使用できる。
導電性担体としては、触媒粒子を所望の分散状態で担持させるための比表面積を有し、充分な電子伝導性を有しているものであればよく、主成分がカーボンであることが好ましい。
具体的には、アセチレンブラック、チャンネルブラック、オイル（ガス）ファーネスブラック（例えばバルカンなど）、ランプブラック、サーマルブラック、ケッチェンブラックなどのカーボンブラック、ブラックパール、黒鉛化アセチレンブラック、黒鉛化チャンネルブラック、黒鉛化オイル（ガス）ファーネスブラック（例えばバルカンなど）、黒鉛化ランプブラック、黒鉛化サーマルブラック、黒鉛化ケッチェンブラック、黒鉛化ブラックパール、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、カーボンナノホーン、カーボンフィブリル、活性炭、コークス、天然黒鉛、人造黒鉛などを挙げることができる。
なお、「主成分がカーボンである」とは、主成分として炭素原子を含むことをいい、炭素原子のみからなる、実質的に炭素原子からなる、の双方を含む概念である。場合によっては、燃料電池の特性を向上させるために、炭素原子以外の元素が含まれていてもよい。
また、「実質的に炭素原子からなる」とは、２〜３質量％以下の不純物の混入が許容され得ることを意味する。
導電性担体のＢＥＴ比表面積は、触媒粒子を高分散担持させるのに充分な比表面積であれることが好ましく、好ましくは２０〜１６００ｍ２／ｇ、より好ましくは８０〜１２００ｍ２／ｇである。
導電性担体の比表面積がこのような数値範囲内であると、導電性担体での触媒粒子の分散性と触媒粒子の有効利用率とのバランスを適切に制御することができる。
導電性担体のサイズについても特に限定されるものではないが、担持の簡便さ、金属粒子の触媒として利用率、電極触媒層の厚みを適切な範囲で制御するなどの観点からは、平均粒子径を５〜２００ｎｍ程度、好ましくは１０〜１００ｎｍとするとよい。
導電性担体における触媒粒子の担持濃度は、電極触媒の全量に対して、好ましくは１０〜８０質量％、より好ましくは３０〜７０質量％である。触媒粒子の担持量がこのような数値範囲内であると、導電性担体上での触媒粒子の分散度と触媒性能とのバランスを適切に制御することができる。
なお、導電性担体における触媒粒子の担持濃度は、誘導結合プラズマ発光分光法（ＩＣＰ）によって測定することができる。
（アイオノマ）
アイオノマとしては、例えば、フッ素系高分子電解質材料や炭化水素系高分子電解質材料を挙げることができる。
構成材料であるイオン交換樹脂の種類によって、フッ素系高分子電解質材料と炭化水素系高分子電解質材料とに大別される。
フッ素系高分子電解質材料を構成するイオン交換樹脂としては、例えば、ＮＡＦＩＯＮ、アシプレックス、フレミオン等のパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマー、パーフルオロカーボンホスホン酸系ポリマー、トリフルオロスチレンスルホン酸系ポリマー、エチレンテトラフルオロエチレン−ｇ−スチレンスルホン酸系ポリマー、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体、ポリビニリデンフルオリド−パーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーなどが挙げられる。
耐熱性、化学的安定性などの発電性能を向上させるという観点からは、これらのフッ素系高分子電解質材料が好ましく用いられ、特に好ましくはパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーが用いられる。
炭化水素系電解質材料を構成するイオン交換樹脂として、例えば、スルホン化ポリエーテルスルホン（Ｓ−ＰＥＳ）、スルホン化ポリアリールエーテルケトン、スルホン化ポリベンズイミダゾールアルキル、ホスホン化ポリベンズイミダゾールアルキル、スルホン化ポリスチレン、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン（Ｓ−ＰＥＥＫ）、スルホン化ポリフェニレン（Ｓ−ＰＰＰ）などが挙げられる。
原料が安価で製造工程が簡便であり、且つ材料の選択性が高いといった製造上の観点からは、これらの炭化水素系高分子電解質材料が好ましく用いられる。
なお、上述したイオン交換樹脂は、１種のみが単独で用いられてもよいし、２種以上が併用されてもよい。
また、上述した材料に限定されるものではなく、その他の材料を用いることもできる。
また、上述したように、電極触媒層におけるアイオノマのイオン交換当量（ＥＷ）は８００以下であることが好ましい。
このような構成とすることにより、電極触媒層において、よりプロトン輸送抵抗を低減することが可能となるため、より良好な電流電圧特性を実現し得るものとなる。
しかしながら、本発明は、この好適な数値範囲内であることに限定されるものではない。
［ガス拡散層］
ガス拡散層２０（アノードガス拡散層、カソードガス拡散層）は、セパレータのガス流路を介して供給されたガス（燃料ガス又は酸化剤ガス）の電極触媒層への拡散を促進する機能、及び電子伝導パスとしての機能を有する。
ガス拡散層を構成する材料は特に限定されず、従来公知の知見が適宜参照され得る。例えば、金網や金属メッシュ、パンチングメタル、エキスパンドメタルといった導電性及び多孔質性を有する金属多孔体が挙げられる。
その中でも、導電性及び機械的強度を確保することができるという観点から、金属製のものを好適に用いることができる。
ガス拡散層は、撥水性をより高めてフラッディング現象などを防止することを目的として、撥水剤を含むことが好ましい。
撥水剤としては、特に限定されるものではないが、フッ素系の高分子材料やオレフィン系の高分子材料が挙げられる。
フッ素系の高分子材料としては、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）やポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）、ポリヘキサフルオロプロピレン（ＰＨＦＰ）、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＴＦＥ−ＨＦＰ）などが挙げられる。
また、オレフィン系の高分子材料としては、ポリプロピレン（ＰＰ）やポリエチレン（ＰＥ）などが挙げられる。
［セパレータ］
セパレータ３０は、金属製のものであれば、特に限定されることなく用いることができる。
例えば、セパレータとして、ＳＵＳ３１６Ｌのような耐食性に優れたステンレスを用いた場合、セパレータ自体が燃料電池内の腐食環境下に耐えられる。
薄肉化、低コスト化と言う観点から、ステンレスよりも薄肉軽量化に優れるアルミニウムもセパレータに適用することができる。
セパレータを構成する金属については特に限定されるものではなく、従来、金属セパレータの構成材料として用いられているものを適宜用いることができる。
セパレータの構成材料としては、例えば、鉄（Ｆｅ）やチタン（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、これらの合金を挙げることができる。
これらの材料は、機械的強度、汎用性、コストパフォーマンス、加工容易性などの観点から用いることが好ましい。ここで、鉄合金にはステンレスが含まれる。
その中でも、セパレータはステンレス、アルミニウム、アルミニウム合金などから構成されることが好ましい。ステンレスをセパレータとして用いると、上述したガス拡散層の構成材料であるガス拡散層基材との接触面の導電性を十分に確保することができる。その結果、たとえリブ肩部の膜の隙間などに水分が浸入したとしても、ステンレスから構成されるセパレータ基材自体に生じる酸化皮膜の有する耐食性により、耐久性が維持される。
ここで、ガス拡散層は、面圧が直接かかる部分（セパレータとの接触部分；リブ部分）と、直接はかからない部分（接触していない部分；流路部分）とからなり、上記リブ肩部は、上記セパレータと接触部分；リブ部分の肩部（コーナー部）を意味する。
なお、リブ部分については、別途ワイヤを用いて形成することができる。電導性、絶縁性いずれのワイヤであってもよいが、通電部材への電子輸送促進という観点からは、絶縁性ワイヤを用いることが好ましい。
ステンレスとしては、例えば、オーステナイト系、マルテンサイト系、フェライト系、オーステナイト・フェライト系、析出硬化系などを挙げることができる。
オーステナイト系としては、例えば、ＳＵＳ２０１、ＳＵＳ２０２、ＳＵＳ３０１、ＳＵＳ３０２、ＳＵＳ３０３、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３０５、ＳＵＳ３１６（Ｌ）、ＳＵＳ３１７を挙げることができる。
オーステナイト・フェライト系としては、例えば、ＳＵＳ３２９Ｊ１を挙げることができる。
マルテンサイト系としては、例えば、ＳＵＳ４０３、ＳＵＳ４２０を挙げることができる。
フェライト系としては、例えば、ＳＵＳ４０５、ＳＵＳ４３０、ＳＵＳ４３０ＬＸを挙げることができる。
析出硬化系としては、例えば、ＳＵＳ６３０を挙げることができる。
その中でも、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６等のオーステナイト系ステンレスを用いることがより好ましい。また、ステンレス中の鉄（Ｆｅ）の含有率は、好ましくは６０〜８４質量％であり、より好ましくは６５〜７２質量％である。更に、ステンレス中のクロム（Ｃｒ）の含有率は、好ましくは１６〜２０質量％であり、より好ましくは１６〜１８質量％である。
一方、アルミニウム合金としては、例えば、純アルミニウム系、アルミニウム・マンガン系、アルミニウム・マグネシウム系などを挙げることができる。
アルミニウム合金中におけるアルミニウム以外の元素については、アルミニウム合金として一般に使用可能なものであれば特に制限されるものではない。例えば、銅（Ｃｕ）、マンガン（Ｍｎ）、ケイ素（Ｓｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、ニッケル（Ｎｉ）などがアルミニウム合金に含まれることがある。
アルミニウム合金の具体例として、純アルミニウム系としてはＡ１０５０、Ａ１０５０Ｐが挙げられ、アルミニウム・マンガン系としてはＡ３００３Ｐ、Ａ３００４Ｐが挙げられ、アルミニウム・マグネシウム系としてはＡ５０５２Ｐ、Ａ５０８３Ｐが挙げられる。 また、セパレータには機械的な強度や成形性も求められるため、上記の合金種に加えて、合金の調質も適宜選択することができる。なお、セパレータ基材がチタンやアルミニウムの単体から構成される場合、当該チタンやアルミニウムの純度は、好ましくは９５質量％以上であり、より好ましくは９７質量％以上であり、更に好ましくは９９質量％以上である。
セパレータの厚さは、特に限定されるものではない。加工容易性、機械的強度、セパレータ自体を薄膜化することによる電池のエネルギー密度の向上等の観点から、好ましくは５０〜５００μｍであり、より好ましくは８０〜３００μｍであり、更に好ましくは８０〜２００μｍである。
特に、構成材料としてステンレスを用いた場合のセパレータ基材の厚さは、好ましくは８０〜１５０μｍである。一方、構成材料としてアルミニウムを用いた場合のセパレータの厚さは、好ましくは１００〜３００μｍである。上記した数値範囲内の値である場合、セパレータとして十分な強度を有しながらも、加工容易性に優れ、好適な薄さを達成可能である。
なお、例えばセパレータの構成材料として十分な強度を提供するという観点からは、セパレータは、ガス遮断性が高い材料から構成されることが好ましい。セパレータはセル同士を仕切る役割を担っているため、セパレータを挟んで両側で異なるガスが流れる構成となることがある。したがって、それぞれのセルユニットの各セルの隣り合うガスの混合やガス流量の変動をなくすという観点から、セパレータはガス遮断性が高いものであるほど好ましい。
上述したガス拡散層基材やセパレータと通電部材との界面は導電性表面処理した後接触させたり、溶接により接合させることが好ましい。
以上、本発明を若干の実施形態及び実施例によって説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形が可能である。
例えば、上述した各実施形態や実施例においては、燃料電池として固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）を例に挙げて説明したが、リン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）、アルカリ形燃料電池（ＡＦＣ）などの各種の燃料電池に適用することもできる。
また、例えば、上述した各実施形態に記載した構成は、各実施形態や実施例毎に限定されるものではなく、例えば、各実施形態の構成を上述した各実施形態以外の組み合わせにしたり、膜電極接合体やガス拡散層の構成の細部を変更したりすることができる。
１ 燃料電池
１０ 膜電極接合体
２０ ガス拡散層
３０、３０’ セパレータ
４０、４０’ 通電部材
５０、５２ ガスシール部材
６０ ガス流路形成部材
７０ 弾性部材
７２ 導通部材
Ａ 触媒反応平面領域
Ｂ 外周領域
Ｍ マニホールド

Claims (8)

  1. 触媒反応平面領域を形成する膜電極接合体と、
    上記膜電極接合体の主面上に配設されたガス拡散層と、
    上記ガス拡散層の主面上に配設され、該ガス拡散層と電気的に接続するセパレータと、
    上記ガス拡散層と上記セパレータとの間であって、上記触媒反応平面領域外に配設され、該ガス拡散層及び該セパレータを電気的に接続する通電部材と、
    を備え、
    上記通電部材のガス拡散層−セパレータ間の貫通抵抗が、上記触媒反応平面領域のガス拡散層−セパレータ間の貫通抵抗よりも小さい
    ことを特徴とする燃料電池。
  2. 上記通電部材が、上記触媒反応平面領域の外周領域に配設されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
  3. 上記通電部材が、上記触媒反応平面領域の長手方向に沿って配設されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池。
  4. 上記触媒反応平面領域外であって、上記通電部材より上記触媒反応平面領域側に配設されたガスシール部材を備えていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つの項に記載の燃料電池。
  5. 上記通電部材のガス拡散層及びセパレータとの界面が接合されている又は導電性表面処理されて接触していることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つの項に記載の燃料電池。
  6. 上記ガス拡散層が金属多孔体からなることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つの項に記載の燃料電池。
  7. 上記ガス拡散層と上記セパレータとの間であって、上記触媒反応平面領域内に配設されたガス流路形成部材を備えていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つの項に記載の燃料電池。
  8. 上記セパレータの主面上に配設された他のセパレータと、
    上記セパレータと上記他のセパレータとの間であって、上記触媒反応平面領域外に配設された、該セパレータと該他のセパレータとを電気的に接続する他の通電部材と、
    を備え、
    上記他の通電部材のセパレータ−他のセパレータ間の貫通抵抗が、上記触媒反応平面領域のセパレータ−他のセパレータ間の貫通抵抗よりも小さい
    ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つの項に記載の燃料電池。
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