JP2005044797A - 燃料電池及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】発電の集中を緩和して発電の均一化を図るとともに、効率的な発電を遂行可能にする。
【解決手段】電解質膜・電極構造体１２を構成する電極触媒層４６は、燃料ガス流路２８の流れ方向に沿って、すなわち、矢印Ｃ方向に沿って、例えば、上流部４６ａ、中流部４６ｂ及び下流部４６ｃの３つに区分される。上流部４６ａに含有する触媒（Ｐｔ）量は、中流部４６ｂ及び下流部４６ｃに含有する触媒（Ｐｔ）量よりも少ない量に設定され、燃料ガス流路２８の上流側では、前記燃料ガス流路２８の下流側に比べて反応が鈍くなる。
【選択図】図４

Description

本発明は、電解質を一対の電極間に配設した電解質・電極構造体とセパレータとを積層するとともに、前記電解質・電極構造体と前記セパレータとの間に、電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路が形成される燃料電池及びその製造方法に関する。

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる電解質（電解質膜）の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を対設した電解質・電極構造体を、セパレータによって挟持している。この種の燃料電池は、通常、電解質・電極構造体及びセパレータを所定の数だけ積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。

この燃料電池において、アノード側電極に供給された燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう）は、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子は外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。なお、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう）が供給されているために、このカソード側電極において、水素イオン、電子及び酸素が反応して水が生成される。

上記の燃料電池では、セパレータの面内に、アノード側電極に対向して燃料ガス（反応ガス）を流すための燃料ガス流路（反応ガス流路）と、カソード側電極に対向して酸化剤ガス（反応ガス）を流すための酸化剤ガス流路（反応ガス流路）とが設けられている。その際、特に高負荷発電時では、反応ガス流路の反応ガス入口側に電流密度が集中する場合があり、電解質・電極構造体が劣化し易いという問題がある。

そこで、例えば、特許文献１に開示されている固体電解質型燃料電池では、図７に示すように、固体電解質１の両面に燃料極２と空気極３とが形成されて単セルを構成している。空気極３は、具体的には、鋸歯状の切り欠き４を設けており、空気入口３ａ側の面積が空気出口３ｂ側の面積よりも減少している。これにより、単セル内における発電反応の均一化を図ることができ、セル面内での電流密度の均一化と温度分布の抑制が可能になる、としている。

特開平６−８９７２７号公報（段落［００１２］、図１）

しかしながら、上記の特許文献１では、空気極３に比較的大きな切り欠き４が設けられるため、単セルの発電面積率が相当に減少してしまい、効率的な発電が遂行されないという問題がある。従って、高負荷発電を可能にするためには、単セル全体が大型化してしまう。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、発電の集中を緩和して発電の均一化を図るとともに、効率的な発電が遂行可能な燃料電池及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明の請求項１に係る燃料電池では、電解質・電極構造体の電極面全面に、触媒を含有する電極触媒層が設けられるとともに、前記電極触媒層の少なくとも一方は、反応ガス流路の上流側の部位に含有する触媒量が、前記反応ガス流路の下流側の部位に含有する触媒量よりも少ない量に設定されている。

また、本発明の請求項２に係る燃料電池では、反応ガス流路がサーペンタイン型流路に構成されており、前記反応ガス流路の折り返し部位で対向して流れる反応ガスがガス拡散層を介して流通する。

さらに、本発明の請求項３に係る燃料電池の製造方法では、触媒担持カーボンと触媒無担持カーボンとを用いて第１電極触媒が形成される一方、触媒担持カーボンのみを用いて第２電極触媒が形成される。次いで、電極の反応ガス流路の上流側に対応する部位には、第１電極触媒が設けられるとともに、前記電極の前記反応ガス流路の下流側に対応する部位には、第２電極触媒が設けられることにより、電極面全面には触媒を含有する電極触媒層が形成される。

本発明によれば、特に発電が集中し易い反応ガス流路の上流側で、前記反応ガス流路の下流側に比べて反応が鈍くなり、前記反応ガス流路の上流側における発電の集中が有効に緩和されて電極面全面で発電分布が均一化される。これにより、反応ガス濃度、生成水量及び温度勾配が急激に変動することがなく、良好な発電が遂行されるとともに、フラッディングの抑制が可能になる。

しかも、電極面全面に電極触媒層が設けられており、発電面積率が良好に増加して効率的な発電が遂行可能になるとともに、燃料電池自体の小型化が容易に図られる。

また、反応の集中を緩和することができるため、発電の集中による発熱を防止して電解質・電極構造体の損傷を有効に阻止することが可能になる。

さらに、触媒担持カーボンに必要に応じて触媒無担持カーボンを混合するだけで、反応ガス流路の上流側での触媒活性（触媒量）を抑えることができるとともに、任意の比率で混合することによって上流側での触媒活性を自由に設定することが可能になる。従って、簡単な作業で、発電の集中を良好に緩和することができ、電極面全面で発電分布が均一化されるとともに、発電面積率が良好に増加して燃料電池自体を有効に小型化することが可能になる。

図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池１０の要部分解斜視説明図である。

燃料電池１０は、電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）１２と、前記電解質膜・電極構造体１２を挟持する第１及び第２セパレータ１４、１６とを備える。第１及び第２セパレータ１４、１６は、例えば、金属製の板材により構成されている。なお、第１及び第２セパレータ１４、１６をカーボン材等により構成してもよい。

燃料電池１０の長辺方向（矢印Ｂ方向）の一端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔１８ａと、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔２０ｂとが設けられる。

燃料電池１０の長辺方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔２０ａと、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔１８ｂとが設けられる。

燃料電池１０の短辺方向（矢印Ｃ方向）の一端縁部には、冷却媒体を供給するための２つの冷却媒体供給連通孔２２ａが設けられるとともに、前記燃料電池１０の短辺方向の他端縁部には、前記冷却媒体を排出するための２つの冷却媒体排出連通孔２２ｂが設けられる。

第１セパレータ１４の電解質膜・電極構造体１２に向かう面１４ａには、例えば、矢印Ｂ方向に１往復半だけ折り返すサーペンタイン型流路である酸化剤ガス流路（反応ガス流路）２４が設けられる。酸化剤ガス流路２４は、第１セパレータ１４を波形状に成形することにより設けられる複数の溝部２６を備えており、前記酸化剤ガス流路２４と酸化剤ガス供給連通孔１８ａ及び酸化剤ガス排出連通孔１８ｂとが連通する。酸化剤ガス流路２４は、矢印Ｃ方向に平行に離間し且つ矢印Ｂ方向に延在する折り返し部位２４ａ、２４ｂを有する。

図２に示すように、第２セパレータ１６の電解質膜・電極構造体１２に向かう面１６ａには、矢印Ｂ方向に１往復半だけ折り返すサーペンタイン型流路を構成する燃料ガス流路（反応ガス流路）２８が形成される。燃料ガス流路２８は、複数の溝部３０を備えるとともに、前記燃料ガス流路２８と燃料ガス供給連通孔２０ａ及び燃料ガス排出連通孔２０ｂとが連通する。燃料ガス流路２８は、矢印Ｃ方向に平行に離間し且つ矢印Ｂ方向に延在する折り返し部位２８ａ、２８ｂを有する。

図１に示すように、第２セパレータ１６の面１６ｂには、冷却媒体供給連通孔２２ａと冷却媒体排出連通孔２２ｂとを連通する冷却媒体流路３２が形成される。この冷却媒体流路３２は、矢印Ｃ方向に延在する複数の溝部３４を設ける。

電解質膜・電極構造体１２は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜３６と、該固体高分子電解質膜３６を挟持するアノード側電極３８及びカソード側電極４０とを備える。

アノード側電極３８及びカソード側電極４０は、図３に示すように、カーボンペーパ等からなるガス拡散層４２、４４と、後述するように、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層４２、４４の表面に一様に塗布された電極触媒層４６、４８とをそれぞれ有する。電極触媒層４６、４８は、固体高分子電解質膜３６の両面に接合されている。

図４に示すように、アノード側電極３８の電極触媒層４６は、燃料ガス流路２８の流れ方向に沿って、すなわち、矢印Ｃ方向に沿って、例えば、上流部４６ａ、中流部４６ｂ及び下流部４６ｃの３つに区分される。本実施形態では、上流部４６ａに含有する触媒（Ｐｔ）量が、中流部４６ｂ及び下流部４６ｃに含有する触媒（Ｐｔ）量よりも少ない量に設定される。

図５に示すように、カソード側電極４０の電極触媒層４８は、酸化剤ガス流路２４の流れ方向に沿って、すなわち、矢印Ｃ方向に沿って、例えば、上流部４８ａ、中流部４８ｂ及び下流部４８ｃの３つに区分される。本実施形態では、上流部４８ａに含有する触媒（Ｐｔ）量が、中流部４８ｂ及び下流部４８ｃに含有する触媒（Ｐｔ）量よりも少ない量に設定される。

図１に示すように、電解質膜・電極構造体１２と第１及び第２セパレータ１４、１６との間には、シール部材５０ａ、５０ｂが介装されている。なお、第１及び第２セパレータ１４、１６に、シール部材５０ａ、５０ｂを焼き付けや射出成形等によって一体化してもよい。

このように構成される燃料電池１０では、電解質膜・電極構造体１２を構成する電極触媒層４６、４８が、例えば、以下の工程で製造される。

先ず、粉砕ボールとして、例えば、ＺｒＯ₂のボールが用意される。そして、Ｐｔ−５０ｗｔ％担持カーボン（触媒担持カーボン）とＰｔ無担持カーボン（触媒無担持カーボン）とが、１：１〜９：１の混合比で添加される。さらに、脱気用に水を加えた状態で、ボールミル撹拌が行われる。

次いで、ＮＡＦＩＯＮ１１７溶液（市販品）を添加するとともに、固形分濃度の調整用溶媒としてＮＰＡ（ｎ−プロピルアルコール）を加え、ボールミル撹拌が行われる。これにより、スラリー状の第１電極触媒が形成され、この第１電極触媒は、固体高分子電解質膜３６に直接塗工され、あるいは、ＰＥＴフイルム上に一時的に印刷された後、前記固体高分子電解質膜３６に転写されて、電極触媒層４６、４８の上流部４６ａ、４８ａが形成される。

一方、粉砕ボールとして、例えば、ＺｒＯ₂のボールが用意され、Ｐｔ−５０ｗｔ％担持カーボン（触媒担持カーボン）が添加されるとともに、水を加えた状態で、ボールミル撹拌が行われる。

次に、上記と同様に、ＮＡＦＩＯＮ１１７溶液（市販品）を添加するとともに、固形分濃度の調整用溶媒としてＮＰＡ（ｎ−プロピルアルコール）を加え、ボールミル撹拌が行われる。このため、スラリー状の第２電極触媒が形成され、この第２電極触媒は、固体高分子電解質膜３６に直接塗工され、あるいは、ＰＥＴフイルム上に一時的に印刷された後、前記固体高分子電解質膜３６に転写されて、電極触媒層４６、４８の中流部４６ｂ、４８ｂ及び下流部４６ｃ、４８ｃが形成される。

電極触媒層４６、４８には、カーボンペーパ等からなるガス拡散層４２、４４が設けられ、これによって電解質膜・電極構造体１２が製造される。さらに、この電解質膜・電極構造体１２が、第１及び第２セパレータ１４、１６で挟持されて、燃料電池１０が組み付けられる。

次いで、このように製造される燃料電池１０の動作について、以下に説明する。

先ず、図１に示すように、燃料ガス供給連通孔２０ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤ガス供給連通孔１８ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給される。さらに、冷却媒体供給連通孔２２ａに純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。

このため、燃料ガスは、図２に示すように、燃料ガス供給連通孔２０ａから第２セパレータ１６の燃料ガス流路２８に導入される。燃料ガスは、燃料ガス流路２８を構成する溝部３０に沿って、矢印Ｂ方向に蛇行しながら鉛直上方向に移動し、電解質膜・電極構造体１２のアノード側電極３８に供給される。

一方、酸化剤ガスは、図１に示すように、酸化剤ガス供給連通孔１８ａから第１セパレータ１４の酸化剤ガス流路２４に導入される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路２４を構成する溝部２６に沿って、矢印Ｂ方向に蛇行しながら鉛直上方向に移動し、電解質膜・電極構造体１２のカソード側電極４０に供給される。

従って、電解質膜・電極構造体１２では、アノード側電極３８に供給される燃料ガスと、カソード側電極４０に供給される酸化剤ガスとが、電極触媒層４６、４８内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。

この場合、本実施形態では、電極触媒層４６、４８において、燃料ガス流路２８及び酸化剤ガス流路２４の流れ方向上流部４６ａ、４８ａに含有する触媒（Ｐｔ）量が、中流部４６ｂ、４８ｂ及び下流部４６ｃ、４８ｃに含有する触媒（Ｐｔ）量よりも少ない量に設定されている。

このため、特に発電が集中し易い燃料ガス流路２８及び酸化剤ガス流路２４の上流側では、前記燃料ガス流路２８及び前記酸化剤ガス流路２４の下流側に比べて反応が鈍くなる。従って、燃料ガス流路２８及び酸化剤ガス流路２４の上流側における発電の集中が有効に緩和され、電極触媒層４６、４８の全面で発電分布が均一化されるという効果が得られる。

図６は、本実施形態（傾斜触媒担持）と比較例（均一触媒担持）とによる反応ガス流路（酸化剤ガス流路２４及び／又は燃料ガス流路２８）の電流密度分布を示している。ここで、比較例は、反応ガス流路の上流から下流にわたって電極触媒層中の触媒（Ｐｔ）量が均一に設定される一方、理想線は、均一発電が行われる電流密度分布を示し、電流密度が１Ａ／ｃｍ² の場合に増減割合を１００％とした。

運転条件は、燃料ガスのストイキ（空気利用率）が１．５、酸化剤ガスのストイキが２．０であり、作動温度が７０℃に設定されるとともに、作動圧は、燃料ガスが１１０ｋＰａＧ、酸化剤ガスが１００ｋＰａＧであった。

図６から了解されるように、本実施形態では、反応ガス流路の上流と下流との電流密度の増減割合が１２０％〜８５％であるのに対し、比較例では、前記反応ガス流路の上流と下流との電流密度の増減割合が１５０％〜７０％であった。従って、本実施形態では、比較例に比べて電流密度のばらつきが相当に小さくなった。 これにより、本実施形態では、反応ガス濃度、生成水量及び温度勾配が急激に変動することがなく、良好な発電が遂行されるとともに、フラッディングの抑制が可能になる。しかも、発電の集中が緩和されることにより、発電性能の劣化や電解質膜・電極構造体１２の損傷を有効に阻止することが可能になる。

さらに、電解質膜・電極構造体１２の電極面全面に、触媒（Ｐｔ）を含有する電極触媒層４６、４８が設けられており、発電面積率が良好に増加する。これにより、効率的な発電が遂行可能になるとともに、燃料電池１０自体の小型化が容易に図られる。

また、図１及び図２に示すように、燃料ガス流路２８及び酸化剤ガス流路２４は、サーペンタイン型流路を構成しており、前記燃料ガス流路２８及び前記酸化剤ガス流路２４の折り返し部位２８ａ、２８ｂ及び２４ａ、２４ｂで対向して流れる燃料ガス及び酸化剤ガスがガス拡散層４２、４４を介して流通するため、反応の集中を緩和することができる。このため、発電の集中による発熱を阻止して電解質膜・電極構造体１２の損傷等を有効に阻止することが可能になる。しかも、例えば、図２に示すように、燃料ガス流路２８では、反応区画Ａ、Ｂ及びＣを折り返し部位２８ａ、２８ｂにより容易に形成することができる。

さらにまた、触媒担持カーボンに必要に応じて触媒無担持カーボンを混合するだけで、燃料ガス流路２８及び酸化剤ガス流路２４の上流側での触媒活性（触媒量）を抑えることができる。従って、簡単な作業で、発電の集中を良好に緩和することが可能になる。

ところで、アノード側電極３８に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔２０ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。同様に、カソード側電極４０に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔１８ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。

また、冷却媒体供給連通孔２２ａに供給された冷却媒体は、第１及び第２セパレータ１４、１６間の冷却媒体流路３２に導入された後、鉛直上方向（矢印Ｃ方向上方）に流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体１２を冷却した後、冷却媒体排出連通孔２２ｂから排出される。

なお、本実施形態では、第１及び第２電極触媒を固体高分子電解質膜３６に直接塗工し、あるいは、ＰＥＴフイルム上に一時的に印刷しているが、これに限定されるものではない。例えば、触媒をインクジェット等で固体高分子電解質膜３６に直接塗布することにより、燃料ガス流路２８及び酸化剤ガス流路２４の流れ方向に沿って触媒活性（触媒量）を連続的に傾斜させた電極触媒層４６、４８を製造することができる。

また、電解質膜・電極構造体１２を構成するアノード側電極３８の電極触媒層４６と、カソード側電極４０の電極触媒層４８とは、燃料ガス流路２８及び酸化剤ガス流路２４の流れ方向に沿って触媒量を減少させているが、前記電極触媒層４６、４８のいずれか一方のみの触媒量を減少させてもよい。

本発明の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視説明図である。 前記燃料電池を構成する第２セパレータの正面図である。 前記燃料電池の断面説明図である。 前記燃料電池を構成する電解質膜・電極構造体の一方の面の正面説明図である。 前記電解質膜・電極構造体の他方の面の正面説明図である。 本実施形態と比較例とによる反応ガス流路の電流密度分布を示す図である。 特許文献１に係る燃料電池の正面説明図である。

符号の説明

１０…燃料電池 １２…電解質膜・電極構造体
１４、１６…セパレータ １８ａ…酸化剤ガス供給連通孔
１８ｂ…酸化剤ガス排出連通孔 ２０ａ…燃料ガス供給連通孔
２０ｂ…燃料ガス排出連通孔 ２４…酸化剤ガス流路
２８…燃料ガス流路 ３２…冷却媒体流路
３６…固体高分子電解質膜 ３８…アノード側電極
４０…カソード側電極 ４２、４４…ガス拡散層
４６、４８…電極触媒層 ４６ａ、４８ａ…上流部
４６ｂ、４８ｂ…中流部 ４６ｃ、４８ｃ…下流部

Claims (3)

1. 電解質を一対の電極間に配設した電解質・電極構造体とセパレータとを積層するとともに、前記電解質・電極構造体と前記セパレータとの間に、電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路が形成される燃料電池であって、
   前記電極は、電極面全面に触媒を含有する電極触媒層を設けるとともに、
   前記電極触媒層の少なくとも一方は、前記反応ガス流路の上流側の部位に含有する触媒量が、前記反応ガス流路の下流側の部位に含有する触媒量よりも少ない量に設定されることを特徴とする燃料電池。
2. 請求項１記載の燃料電池において、前記反応ガス流路は、サーペンタイン型流路に構成されることを特徴とする燃料電池。
3. 電解質を一対の電極間に配設した電解質・電極構造体とセパレータとを積層するとともに、前記電解質・電極構造体と前記セパレータとの間に、電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路が形成される燃料電池の製造方法であって、
   触媒担持カーボンと触媒無担持カーボンとを用いて第１電極触媒を形成する工程と、
   触媒担持カーボンのみを用いて第２電極触媒を形成する工程と、
   前記電極の前記反応ガス流路の上流側に対応する部位に、前記第１電極触媒を設けるとともに、前記電極の前記反応ガス流路の下流側に対応する部位に、前記第２電極触媒を設けることにより、電極面全面に触媒を含有する電極触媒層を形成する工程と、
   を有することを特徴とする燃料電池の製造方法。
   
   

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