JP2002270197A - 高分子電解質型燃料電池 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 特に低電流密度での連続作動で安定した特性
を示す高分子電解質型燃料電池を提供する。 【解決手段】 カソード側冷却板の冷却効率をアノード
側冷却板より高くする。好ましくは、カソード側冷却板
の冷却媒体の流路の断面積をアノード側冷却板の冷却媒
体の流路の断面積よりも大きくする。また、カソード側
冷却板の冷却媒体の流路からカソード側導電性セパレー
タ板の外側の面までの距離を、アノード側冷却板の冷却
媒体の流路からアノード側導電性セパレータ板の外側の
面までの距離よりも小さくする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高分子電解質を用
いた高分子電解質型燃料電池に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】高分子電解質型燃料電池は、水素などの
燃料ガスと空気などの酸化剤ガスを白金などの触媒層の
触媒作用によって電気化学的に反応させ、これにより電
気と熱とを同時に発生させるものである。このような燃
料電池の一般的な構成を従来例として図３に示した。

【０００３】図３において水素イオンを選択的に輸送す
る高分子電解質膜１１の両面には白金系の金属触媒を担
持したカーボン粉末を主成分とするアノード側触媒層１
２ａおよびカソード側触媒層１２ｂが密着して配置され
ている。さらに各触媒層１２ａおよび１２ｂの外側に
は、それぞれガス透過のための気孔を有する導電性の拡
散層１３ａおよび１３ｂが密着して配置されている。こ
れら拡散層１３ａ、１３ｂと触媒層１２ａ、１２ｂによ
りアノード１４ａおよびカソード１４ｂが構成されてい
る。電解質膜１１の両面にアノード１４ａおよびカソー
ド１４ｂを重ねた状態でガスケット２３が高分子電解質
膜１１の周縁部の両面に接着され、電解質膜−電極接合
体（ＭＥＡ）が形成されている。各拡散層１３ａおよび
１３ｂの外側には、それぞれアノード側導電性セパレー
タ板１７ａおよびカソード側導電性セパレータ板１７ｂ
が配置されている。これら導電性セパレータ板１７ａお
よび１７ｂはＭＥＡを機械的に固定するとともに、隣接
するＭＥＡと電気的に導通し、さらにアノード１４ａお
よびカソード１４ｂに反応ガスを供給し、かつ反応によ
り発生した水や余剰のガスを運び去るためのもので、電
極側の面にはそれぞれアノード側ガス流路１６ａおよび
カソード側ガス流路１６ｂが形成されている。

【０００４】各導電性セパレータ板１７ａおよび１７ｂ
のそれぞれの外側には、電池反応により発生した熱を外
部に除去し安定した運転を継続する目的で、冷却媒体の
流路１８を有する冷却板１９が配置されている。図中の
破線は冷却板１９の中心面を示し、これを中心にして冷
却媒体の流路１８が形成されている。このような燃料電
池においては、水素イオンがアノード１４ａよりカソー
ド１４ｂに向かって電解質膜１１中を移動する際に水素
イオンの移動に随伴して水分子が運ばれるため、カソー
ド１４ｂの拡散層１３ｂ近傍では多量の水分が蓄積す
る。この水分がセパレータ板１７ｂのガス流路１６ｂを
流通するガスによって、適度に外部に排出されることに
より、燃料電池の安定な作動が可能となる。

【０００５】上記のように燃料電池の安定な作動は、カ
ソードにおける水の蓄積と排水という水分バランスによ
って左右され、このバランスが崩れた場合、以下の問題
が発生する。第１の問題として、特に高い電流密度で燃
料電池を作動させたとき、電池反応によって多量の水が
生成し、カソードの拡散層近傍に多量の水が蓄積され
る。そのため、拡散層からの排水が追いつかず、拡散層
の気孔が水で閉塞され、酸化剤ガスの供給不足により電
池電圧が低下する。また、第２の問題として、特に低い
電流密度で燃料電池を作動させたとき、カソードの拡散
層からの水分の排水が優勢となり、水分不足によりカソ
ード側から電解質膜の乾燥を引き起こす。高分子電解質
膜の乾燥は水素イオンの導電性を低下させ、電池電圧を
低下させるという致命的な問題を引き起こす。第１の問
題に対しては、例えば、特開平１１−９７０４１号公報
に開示されているように、セパレータ板のガス流路の表
面に撥水処理を施し、カソードからの排水を促進するこ
となどで対策は可能である。しかし、第２の問題につい
ては有効な対策が無いのが現状である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記の問題
を解決し、特に低電流密度域で安定作動が可能な高分子
電解質型燃料電池を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の高分子電解質型
燃料電池は、高分子電解質膜、前記高分子電解質膜を挟
むアノードおよびカソード、前記アノードに燃料ガスを
供給するガス流路を有するアノード側導電性セパレータ
板、前記カソードに酸化剤ガスを供給するガス流路を有
するカソード側導電性セパレータ板、前記アノード側導
電性セパレータ板を冷却する冷却媒体の流路を有するア
ノード側冷却板、および前記カソード側導電性セパレー
タ板を冷却する冷却媒体の流路を有するカソード側冷却
板を具備し、前記カソード側冷却板の冷却効率が前記ア
ノード側冷却板の冷却効率よりも高いことを特徴とする
ものである。本発明は、カソード側冷却板の冷却効率を
アノード側冷却板の冷却効率よりも高くする手段とし
て、カソード側冷却板の冷却媒体の流路の断面積を、ア
ノード側冷却板の冷却媒体の流路の断面積よりも大きく
する。また、カソード側冷却板の冷却効率をアノード側
冷却板のそれより高くする他の手段として、カソード側
冷却板の冷却媒体の流路からカソード側導電性セパレー
タ板の外側の面までの距離を、アノード側冷却板の冷却
媒体の流路からアノード側導電性セパレータ板の外側の
面までの距離よりも小さくする。

【０００８】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態の例を図１〜
２により説明する。

【０００９】《実施の形態１》図１は本発明の燃料電池
の実施の形態の一例を示す概略の縦断面図である。電解
質膜１１の両面に、触媒層１２ａおよび１２ｂを密着さ
せて配置する。さらに各触媒層１２ａおよび１２ｂの外
面のそれぞれに、拡散層１３ａおよび１３ｂを密着させ
て配置する。次いで、これらとガスケット２３を一体化
してＭＥＡを構成する。各拡散層１３ａおよび１３ｂの
それぞれの外側に、アノード側導電性セパレータ板１７
ａおよびカソード側導電性セパレータ板１７ｂを配置す
る。以上の構成は、図３の従来例の燃料電池の構成と全
く同じである。各導電性セパレータ板１７ａおよび１７
ｂの外側には、それぞれアノード側冷却板１９ａおよび
カソード側冷却板１９ｂを配置する。カソード側冷却板
１９ｂの冷却媒体の流路１８ｂの断面積は、アノード側
冷却板１９ａの冷却媒体の流路１８ａの断面積よりも大
きくする。上記のように作製した燃料電池の単電池を複
数個積層することにより、複数の単電池が直列に接続さ
れた燃料電池スタックを構成することもできる。

【００１０】《実施の形態２》図２は本発明の燃料電池
の実施の形態の他の例を示す概略の縦断面図である。Ｍ
ＥＡを構成し、各導電性セパレータ板１７ａおよび１７
ｂを配置するまでの工程は、実施の形態１と全く同じで
ある。各導電性セパレータ板１７ａおよび１７ｂのそれ
ぞれの外側には、アノード側冷却板２１ａおよびカソー
ド側冷却板２１ｂを配置する。冷却板２１ａおよび２１
ｂのそれぞれの冷却媒体の流路２２ａおよび２２ｂを、
冷却板２１ａおよび２１ｂのそれぞれの中心面（図２の
破線の面）から偏在した位置に設ける。これにより、カ
ソード側冷却板２１ｂの冷却媒体の流路２２ｂからカソ
ード側導電性セパレータ板１７ｂの外側の面までの距離
（Ｄ２）が、アノード側冷却板２１ａの冷却媒体の流路
２２ａからアノード側導電性セパレータ板１７ａの外側
の面までの距離（Ｄ１）よりも小さくなる。上記のよう
に作製された燃料電池の単電池を複数個積層することに
より、複数の単電池が直列に接続された燃料電池スタッ
クを構成することもできる。燃料電池スタックを構成す
る場合には、各単電池間に介在させる冷却板は、アノー
ド側冷却板２１ａおよびカソード側冷却板２１ｂのうち
の何れか一方のみを用いるのが合理的である。この方法
により、上記何れか一方の冷却板が、当該単電池のアノ
ード側の冷却板と隣接する単電池のカソード側の冷却板
の役割を同時に果たし、かつ、Ｄ１＞Ｄ２の条件を満た
す燃料電池スタックを作製することができる。

【００１１】上記の実施の形態１および２に例示したよ
うな方法により、カソード側冷却板の冷却効率がアノー
ド側冷却板の冷却効率よりも高い本発明の燃料電池を構
成することができる。これら本発明の燃料電池では、カ
ソード側導電性セパレータ板のガス流路の相対湿度が高
まるためにカソード側拡散層からの水分の除去が抑制さ
れ、電解質膜の乾燥に起因する水素イオン導電性の低下
が抑えられる。これにより、低電流密度でも安定して連
続作動する燃料電池を供給することができる。

【００１２】

【実施例】以下、本発明を実施例により具体的に説明す
る。

【００１３】《実施例１》図１に示した構成の燃料電池
の単電池を作製した。アノード１４ａおよびカソード１
４ｂは下記のように作製した。粒径３μｍ以下のカーボ
ン粉末を塩化白金酸水溶液に浸漬し、還元処理によりカ
ーボン粉末の表面に白金触媒を担持させた。カーボンと
担持させた白金の重量比は１：１とした。次いで、この
触媒担持カーボン粉末を高分子電解質パーフルオロスル
ホン酸イオノマーのエタノール溶液（旭硝子（株）製の
フレミオン）に分散させ、スラリー化した。拡散層１３
ａおよび１３ｂとして気孔率７５％、厚み３６０μｍ、
長さ２０ｃｍ、幅１０ｃｍのカーボンペーパを用い、そ
れらの片面にそれぞれ前記の触媒担持カーボン粉末を含
むスラリーを均一に塗布して触媒層１２ａおよび１２ｂ
を形成した。

【００１４】次いで、上記のように作製したアノード１
４ａおよびカソード１４ｂを、これらより一回り外寸の
大きい厚み高分子電解質膜（デュポン社製ナフィオン１
１２膜）１１の両面に、それぞれの触媒層側の面が電解
質膜１１と向き合ように重ね合わせ、さらに厚み２５０
μｍのシリコンゴム製ガスケット２３を電解質膜１１の
両面の周縁部に位置合わせした後、１３０℃、５分間ホ
ットプレスし、ＭＥＡを構成した。各導電性セパレータ
板１７ａおよび１７ｂの各拡散層１３ａおよび１３ｂと
接する側には、それぞれ幅２ｍｍ、深さ１ｍｍのガス流
路１６ａおよび１６ｂを切削加工により形成した。カソ
ード側冷却板１９ｂは、冷却媒体の流路１８ｂを形成す
るための幅２ｍｍ、深さ１ｍｍの溝を切削加工した厚さ
５ｍｍの冷却板２枚を前記溝が向き合うように接合して
作製した。また、アノード側冷却板１９ａは、同様に冷
却媒体の流路１８ａを形成するための幅２ｍｍ、深さ
０．１５ｍｍの溝を形成した厚さ５ｍｍの冷却板２枚を
接合して作製した。導電性セパレータ板１７ａおよび１
７ｂの材料にはカーボン板を用いた。また、冷却板１９
ａおよび１９ｂの材料には同じくカーボン板を用い、フ
ェノール樹脂により接合した。

【００１５】上記のように作製した燃料電池の単電池に
ついて、アノード側に燃料ガスとして水素を、カソード
側に酸化剤ガスとして空気をそれぞれ供給し、水素利用
率７０％、酸素利用率４０％の条件で連続作動させた。
各冷却板の流路から冷却媒体として水を流通し、電流密
度０．２Ａ／ｃｍ²で１０００時間以上にわたり作動さ
せた結果、作動電圧が低下することなく初期値０．７５
Ｖを維持し、安定した特性を示した。これはカソード側
にアノード側よりも大きな断面積の冷却媒体の流路を有
する冷却板を用いることで、カソードの冷却効率が向上
し、カソード側の拡散層からの水分の除去が抑制され、
電解質膜の乾燥による水素イオン導電性の低下が抑えら
れたことによるものである。

【００１６】《実施例２》図２に示した構成の燃料電池
の単電池を作製した。冷却板は、冷却媒体の流路を形成
するための幅２ｍｍ、深さ０．５ｍｍの溝を設けた冷却
板と溝を設けない冷却板とを接合して作製した。そし
て、カソード側冷却板２１ｂは、冷却媒体の流路２２ｂ
を形成するための溝を設けた冷却板をカドード側に配
し、アノード側冷却板２１ａは、冷却媒体の流路２２ａ
を形成するための溝を設けた冷却板を外側に配した。こ
うしてカソード側には、冷却媒体の流路２２ｂがカソー
ド１４ｂから近い方向に偏在するように、また、アノー
ド側には、冷却媒体の流路２２ａがアソード１４ａから
遠い方向に偏在するようにそれぞれ冷却板を配置した。
上記以外は実施例１と同様にして単電池を作製した。こ
うして作製した燃料電池の単電池について、実施例１の
場合と同様にして連続作動試験を行った。その結果、１
０００時間以上にわたり電圧が低下することなく初期値
０．７５Ｖを維持し、安定した特性を示した。これはカ
ソード側の冷却板に冷却媒体の流路の位置がカソード側
に偏在したものを用いたことで、カソード側の冷却効率
が向上し、カソード側の拡散層からの水分の除去が抑制
され、電解質膜の乾燥による水素イオン導電性の低下が
抑えられたことによるものである。

【００１７】《実施例３》実施例１と同様にして作製し
た燃料電池の単電池を１０個積層して直列に接続した燃
料電池スタックを作製した。作製した燃料電池スタック
について、実施例１の場合と同様にして連続作動試験を
行った。その結果、１０００時間以上にわたり電圧が低
下することなく初期値７．５２Ｖを維持し、安定した特
性を示した。これはカソード側にアノード側よりも大き
な冷却媒体の流路を有する冷却板を用いることで、カソ
ードの冷却効率が向上し、拡散層からの水分の除去が抑
制され、電解質膜の乾燥による水素イオン導電性の低下
が抑えられたことによるものである。

【００１８】《実施例４》実施例２と同様にして作製し
た燃料電池を最下端の単電池として用い、その上に、ア
ノード側冷却板２１ａを用いない以外は実施例２と同様
にして作製した単電池を９個積層して、１０個の単電池
を直列に接続した燃料電池スタックを作製した。この場
合、各単電池の冷却板２１ｂは燃料電池スタック内にお
いて、当該単電池のカソード側の冷却板と隣接単電池の
アノード側の冷却板の双方の役割を兼ねている。さら
に、各単電池のカソード側の冷却媒体の流路２２ｂは冷
却板２１ｂの中心面からカソード側に偏在しているの
で、カソード側導電性セパレータの外側の面からカソー
ド側の冷却媒体の流路までの距離（Ｄ２）は、アノード
側導電性セパレータの外側の面からアノード側の冷却媒
体の流路からの距離（Ｄ１）よりも小さい関係が保たれ
ている。作製した燃料電池スタックについて、実施例１
の場合と同様にして連続作動試験を行った。その結果、
１０００時間以上にわたり電圧が低下することなく初期
値７．５Ｖを維持し、安定した特性を示した。これはカ
ソード側に冷却媒体の流路の位置がカソード側に偏在し
た冷却板を用いたことで、カソードの冷却効率が向上
し、拡散層からの水分の除去が抑制され、電解質膜の乾
燥による水素イオン導電性の低下が抑えられたことによ
るものである。

【００１９】《比較例１》カソード側とアノード側のい
ずれも冷却板にも、図１の１９ａと同じ冷却板を用いた
以外は、実施例１と同様にして燃料電池の単電池を作製
した。作製した単電池について、実施例１の場合と同様
にして連続作動試験を行った。その結果、電池電圧が経
時的に低下し、１０００時間後には初期値０．７５Ｖか
ら９００ｍｖの電圧低下が起こり作動は不安定なもので
あった。これはカソード側の拡散層からの水分の排水が
促進され、電解質膜の乾燥によって水素イオン導電性が
経時的に低下したためである。

【００２０】《比較例２》比較例１と同様にして作製し
た燃料電池の単電池を１０個積層して直列に接続した燃
料電池スタックを作製した。作製した燃料電池スタック
について、実施例１の場合と同様にして連続作動試験を
行った。その結果、電池電圧が経時的に低下し、１００
０時間後には初期値７．５Ｖから６．５Ｖへの電圧低下
が起こり作動は不安定なものであった。これはカソード
側の拡散層からの水分の排水が促進され、電解質膜の乾
燥によって水素イオン導電性が経時的に低下したためで
ある。

【００２１】

【発明の効果】本発明により、低電流密度での連続作動
においても安定した特性を示す高分子電解質型燃料電池
を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１の高分子電解質型燃料電
池の縦断面図である。

【図２】本発明の実施の形態２の高分子電解質型燃料電
池の縦断面図である。

【図３】従来の高分子電解質型燃料電池の縦断面図であ
る。

【符号の説明】

１１ 高分子電解質膜 １２ａ、１２ｂ 触媒層 １３ａ、１３ｂ 拡散層 １４ａ アノード １４ｂ カソード １６ａ、１６ｂ ガス流路 １７ａ、１７ｂ 導電性セパレータ板 １８、１８ａ、２２ａ、１８ｂ、２２ｂ 冷却媒体の流
路 １９、１９ａ、２１ａ、１９ｂ、２１ｂ 冷却板 ２３ ガスケット

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 高分子電解質膜、前記高分子電解質膜を
   挟むアノードおよびカソード、前記アノードに燃料ガス
   を供給するガス流路を有するアノード側導電性セパレー
   タ板、前記カソードに酸化剤ガスを供給するガス流路を
   有するカソード側導電性セパレータ板、前記アノード側
   導電性セパレータ板を冷却する冷却媒体の流路を有する
   アノード側冷却板、および前記カソード側導電性セパレ
   ータ板を冷却する冷却媒体の流路を有するカソード側冷
   却板を具備し、前記カソード側冷却板の冷却効率が前記
   アノード側冷却板の冷却効率よりも高いことを特徴とす
   る高分子電解質型燃料電池。
2. 【請求項２】 前記カソード側冷却板の冷却媒体の流路
   の断面積が、前記アノード側冷却板の冷却媒体の流路の
   断面積よりも大きい請求項１に記載の高分子電解質型燃
   料電池。
3. 【請求項３】 前記カソード側冷却板の冷却媒体の流路
   から前記カソード側導電性セパレータ板の外側の面まで
   の距離が、前記アノード側冷却板の冷却媒体の流路から
   前記アノード側導電性セパレータ板の外側の面までの距
   離よりも小さい請求項１に記載の高分子電解質型燃料電
   池。