JP2005135763A - 燃料電池および燃料電池用セパレータ - Google Patents

Abstract

【課題】 エネルギー効率に優れた水管理機能を有する固体高分子型燃料電池および燃料電池用セパレータを提供する。
【解決手段】 イオン透過性を有する電解質膜１１と、この電解質膜１１を挟んで対向する各ガス拡散層１２ａ，１２ｃと、この各電解質膜１１と各ガス拡散層１２ａ，１２ｃの間に介在する各触媒層９ａ，９ｃと、この各触媒層９ａ，９ｃに燃料ガスまたは酸化剤ガスを供給する各ガス流路１５，１７と、各ガス流路１５，１７を画成する各セパレータ１３ａ，１３ｃと、冷却媒体が流れる冷媒流路１６とを備える燃料電池のセル１０において、セパレータ１３ｃに設けた対流室１８と、この対流室１８とガス拡散層１２ｃを連通する毛細管構造体１９とを備え、セル１０が水分濃度勾配および温度勾配を小さくする自己制御を行う構成とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、固体高分子型燃料電池およびこの燃料電池に用いられるセパレータの改良に関するものである。

固体高分子型燃料電池のセルは、イオン透過性を有する電解質膜と、この電解質膜を挟んで対向するアノード側とカソード側の各電極と、この各電極と各電解質膜の間に介在する各触媒層と、各触媒層に燃料ガスまたは酸化剤ガスを供給する各ガス流路とを備える。この燃料電池のスタックは複数のセルを積層して形成される。

この種の燃料電池は、アノード側電極に燃料ガスとして例えば水素ガスが供給される一方、カソード側電極に酸化剤ガスとして例えば酸素が供給される。アノード側電極では水素ガスが電極のガス拡散層を介して触媒に導かれ、触媒を介してＨ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^-の電気化学反応が行われる。カソード側電極では触媒を介してＯ₂＋４Ｈ⁺＋４ｅ^-→２Ｈ₂Ｏの電気化学反応が行われて水が生成される。これにより、各電極に起電力が生じ、直流の電気エネルギーとして取り出される。

イオン透過性を有する電解質膜は、プロトン（水素イオン）の導電性を保つため、十分に加湿させておく必要がある。このため、一般的には、燃料電池の外部に設けられているガス加湿装置を用いて酸化剤ガスと燃料ガスをそれぞれ加湿し、加湿された反応ガスを燃料電池に供給することにより、電解質膜を加湿するように構成されている。

ところで、固体高分子型燃料電池は、作動温度が例えば１００℃以下と比較的低温であるため、加湿用に供給された水分のなかで電解質膜に吸収されなかった水分や、反応によって生成された水分が、液体（水）の状態で存在することがある。この水は、電極となるガス拡散層のガス流路を塞いでしまう可能性があった。

特に、電気化学反応によって水が生成されるカソード側では、この反応水によってガスの相対湿度が、ガス入口近傍、セル中央部、ガス出口近傍の順で高くなる。このため、電解質膜はガス入口近傍で乾き気味、ガス出口近傍では水没気味となり、セル全面が有効に発電に寄与できない状態となる可能性があった。

また、液体として存在する水がガス拡散層内におけるガスの流れを塞ぐフラッディングが生じる可能性がある。フラッディングが生じた場合には、反応ガスである燃料ガスおよび酸化剤ガスが触媒層へ十分に拡散することができず、セルの発電性能が低下するとともに、触媒層のカーボンが腐食するなどの劣化が進行する。このため、固定高分子型燃料電池においては、ガス流路における水分濃度を適切に管理する必要がある。

この対策として、例えば、特許文献１に開示されたものは、ガス流路を画成するガスセパレ一夕を導電性を有する親水性多孔質体によって形成し、このガスセパレ一夕の内部に冷却水供給通路を設けている。これにより、冷却水供給通路を流れる冷却水は、親水性多孔体が有する毛細管作用によってガスセパレータを浸透し、電解質膜に到達して加湿する。そして、カソード電極に生じる反応水は同じく毛細管作用によってガスセパレータを浸透して排出される。
特開平６−２３１７９３号公報

しかしながら、ガスセパレ一夕を親水性多孔質体によって形成した燃料電池にあっては、カソード側から酸化剤ガスがガスセパレータの細孔を通って冷却水供給通路に侵入し、冷却水中に混入した酸化剤ガスがアノード側へと到達し、酸化剤ガスと燃料ガスの混合気を形成する可能性がある。

この対策として、冷却水をアノード側とカソード側に分けて供給し、冷却水中に混入した酸化剤ガスがアノード側へと到達しないように構成する必要がある。このため、セル構造が複雑化し、部品点数も増加せざるを得ない。

また、カソード側から酸化剤ガスがガスセパレータの細孔を通って冷却水供給通路に侵入することによって、カソード側電極の圧力が低下すると、ガスセパレータ内の冷却水がカソード側へと流れるため、カソード側電極に対する酸化剤ガスの供給量が減少する可能性があった。

本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、エネルギー効率に優れた水管理機能を有する固体高分子型燃料電池および燃料電池用セパレータを提供することを目的とする。

本発明では、イオン透過性を有する電解質膜と、この電解質膜を挟んで対向するアノード側とカソード側の各ガス拡散層と、各電解質膜とこの各ガス拡散層の間に介在するアノード側とカソード側の各触媒層と、この各触媒層に燃料ガスまたは酸化剤ガスをそれぞれ供給する各ガス流路を形成したアノード側とカソード側のセパレータとを備える燃料電池において、少なくともカソード側のセパレータに設けた対流室と、ガス拡散層または触媒層の一方をこの対流室に連通し毛細管作用によって水を運ぶ毛細管構造体とを備える。

本発明によると、電気化学反応によって生成される水分が毛細管構造体における毛細管作用と対流室における自然対流によって循環し、水分濃度勾配および温度勾配を小さくする自己制御が行われる。水分濃度の分布が均一化されることにより、フラッディングを抑制するとともに、電解質膜の乾燥を防止し、セルの全面が有効に発電に寄与できる。さらに、水分が過剰になることによって触媒層のカーボンなどが劣化することを防止できる。また、ガス流路に供給される反応ガスの加湿量を減らすことができ、外部加湿システムの小型化や省力化がはかれ、エネルギー効率に優れたシステムとなる。

本発明の第１の実施形態の燃料電池の構成を説明する。

図１に示すように、この燃料電池のセル１０は、イオン透過性を有する電解質膜１１と、この電解質膜１１を挟んで対向するアノード側とカソード側の電極として設けられる各ガス拡散層（ＧＤＬ）１２ａ，１２ｃと、この各電解質膜１１と各ガス拡散層１２ａ，１２ｃの間に介在する各触媒層（ＣＣＭ）９ａ，９ｃと、この各触媒層９ａ，９ｃに燃料ガスまたは酸化剤ガスを供給するアノード側とカソード側の各ガス流路１５，１７と、各ガス流路１５，１７を画成する各セパレータ１３ａ，１３ｃと、冷却媒体が流れる冷媒流路１６と、水分が熱によって対流する空間を画成する対流室１８と、この対流室１８とガス拡散層１２ｃまたは触媒層９ｃを連通する毛細管構造体１９と、冷媒流路１６と対流室１８を仕切るソリッドプレート１４とを主体として構成される。

図２に示すように、燃料電池は複数のセル１０を積層して形成される。燃料電池は各セル１０が鉛直方向に延び、かつ上下方向を向く部位を限定して設置される。

触媒層９ａ，９ｃはこの電解質膜１１のアノード側とカソード側の両面に白金などの触媒を担持したカーボン粒子などの導電性粒子を敷き詰めたコーティングによって形成する。なお、これに限らず、触媒層９ａ，９ｃは電解質膜１１に対峙する各ガス拡散層１２ａ，１２ｃの電極面にコーティングして形成してもよい。

各セパレータ１３ａ，１３ｃは各ガス拡散層１２ａ，１２ｃを介して電解質膜１１を挟持するとともに、ソリッドプレート１４を挟持している。

セル１０を流れる冷却媒体と燃料ガスと酸化剤ガスはいずれもセル１０の上方から下方に向けて流れる構成とする。

冷媒流路１６には冷却媒体として例えば冷却水が循環する。図３の（ａ）に示すように、冷媒流路１６の入口１６ｉはセパレータ１３ａの上部に開口する。冷媒流路１６の出口１６ｏはセパレータ１３ａの下部に開口する。冷媒流路１６は、この入口１６ｉから出口１６ｏへと蛇行して延び、冷却水を蛇行させながら図中矢印で示すように鉛直方向下向きに導くようになっている。

アノード側のガス流路１５には燃料ガスとして例えば水素ガスが供給される。図３の（ｂ）に示すように、ガス流路１５の入口１５ｉはセパレータ１３ａの上部に開口する。ガス流路１５の出口１５ｏはセパレータ１３ａの下部に開口する。ガス流路１５は、この入口１５ｉから出口１５ｏへと蛇行して延び、燃料ガスを蛇行させながら図中矢印で示すように鉛直方向下向きに導くようになっている。

カソード側のガス流路１７には酸化剤ガスとして例えば空気が供給される。図４に示すように、ガス流路１７の入口１７ｉはセパレータ１３ｃの上部に開口する。ガス流路１７の出口１７ｏはセパレータ１３ａの下部に開口する。ガス流路１７は、この入口１７ｉから出口１７ｏへと蛇行して延び、酸化剤ガスを蛇行させながら図中矢印で示すように鉛直方向下向きに導くようになっている。

カソード側のセパレータ１３ｃは略水平方向に延びる複数のリブ７を有し、このリブ７によって蛇行して延びるガス流路１７を画成している。毛細管構造体１９を板状に形成し、このリブ７内に介装する。毛細管構造体１９はリブ７とともに略水平方向に延びている。

図５に示すように、毛細管構造体１９はセパレータ１３ｃのリブ７を貫通している。毛細管構造体１９はその一端をガス拡散層１２ｃに面し、その他端を対流室１８に面して設け、このガス拡散層１２ｃと対流室１８を連通する構成とする。

なお、これに限らず、毛細管構造体１９はその一端を触媒層９ｃに面して設け、この触媒層９ｃと対流室１８を連通する構成としてもよい。

セパレータ１３ｃは気体および液体が透過しない緻密材によって形成する。セパレータ１３ｃは毛細管構造体１９のまわりを密封し、毛細管構造体１９の両端部をその外側に臨ませている。これにより、ガス流路１７の酸化剤ガスがセパレータ１３ｃを透過して毛細管構造体１９に入らないようになっている。

毛細管構造体１９は、例えば親水性多孔質カーボンなどの親水性多孔体によって形成し、毛細管作用によって水を運ぶ構成とする。

ソリッドプレート１４も気体および液体が透過しない緻密材によって形成する。これにより、対流室１８のガスがソリッドプレート１４を透過して冷媒流路１６に入らないようになっている。

以上のように構成されて、次に作用について説明する。

セル１０は各触媒層９ａ，９ｃにて行われる電気化学反応によって発電する。これについて詳述すると、アノード側のガス流路１５を通して供給される燃料ガスはガス拡散層１２ａを介して触媒層９ａに導かれる。この触媒層９ａにおいて、燃料ガス中の水素がプロトンに変換される（Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^-）。このプロトンは水和状態で電解質膜１１を透過（拡散）してカソード側の触媒層９ｃに至る。カソード側のガス流路１７を通して供給される酸化剤ガスはガス拡散電極７を介して触媒層９ｃに導かれる。この触媒層９ｃにおいて、電解質膜１１を透過したプロトンと酸化剤ガス中の酸素が結びつくことにより、水が生成される（Ｏ₂＋４Ｈ⁺＋４ｅ^-→２Ｈ₂Ｏ）。このようにして、各触媒層９ａ，９ｃにて電気化学反応が進行することで、各ガス拡散層１２ａ，１２ｃに起電力が生じ、各ガス拡散層１２ａ，１２ｃから外部回路に直流電気エネルギーとして取り出される。

図４、図６に矢印で示すように、酸化剤ガスはセル１０の上部側から供給され、蛇行しながら下部側に向かって流れる。触媒層９ｃにて行われる電気化学反応によって水が生成されることにより、酸化剤ガスの相対湿度は出口１７ｏ側、つまりセル１０下部側ほど高くなる。

このため、酸化剤ガス出口１７ｏに近い部位の触媒層９ｃおよびガス拡散層１２ｃにて存在する水分が多くなって対流室１８との水分濃度差が生じると、図６に矢印で示すように、この水分が毛細管作用によって各毛細管構造体１９を通って対流室１８へと流出する。

一方、酸化剤ガス入口１７ｉに近い部位の触媒層９ｃおよびガス拡散層１２ｃにて存在する水分が少なくなって対流室１８との水分濃度差が生じると、図６に矢印で示すように、対流室１８の水分が毛細管作用によって各毛細管構造体１９を通って触媒層９ｃおよびガス拡散層１２ｃに流入する。

図３の（ａ）、図６に矢印で示すように、冷却媒体はセル１０の上部側から供給され、蛇行しながら下部側に向かって流れる。冷却媒体は、触媒層９ｃにて行われる電気化学反応によって生じる熱を受けるため、冷却媒体の温度は流れ方向に進むにつれて上昇する。このため、酸化剤ガス流路１７の上流側であり水分量の少ないセル１０の上部側が低温となり、酸化剤ガス流路１７の下流側であり水分量の多いセル１０の下部側が高温となる。

こうしてセル１０の温度勾配が生じると、対流室１８に存在する水分は、水の蒸発と自然対流による移動ならびに水蒸気の凝縮が行われ、図６に矢印で示すように、セル１０の鉛直面方向について水が循環する。これにより水分が各毛細管構造体１９と対流室１８を介してセル１０を循環することが促され、セル１０の鉛直面方向について生じる水分濃度勾配を小さくする自己制御が行われる。

こうしてセル１０の水分濃度が均一化されることにより、酸化剤ガス出口１７ｏ側で起こりやすいフラッディングを抑制するとともに、酸化剤ガス入口１７ｉ側で起こりやすい電解質膜１１の乾燥を防止し、セル１０の全面が有効に発電に寄与できる。さらに、水分が過剰になることによって触媒層９ａ，９ｃのカーボンが腐食するなどの劣化が進行することを防止できる。また、供給される反応ガスの加湿量を減らすことができ、外部加湿システムの小型化や省力化がはかれ、エネルギー効率に優れたシステムとなる。

セル１０は各毛細管構造体１９と対流室１８を介して行われる水の移動によって熱の移動も同時に行われ、セル１０の鉛直面方向の温度分布を均一化する。

毛細管構造体１９はその周囲がセパレータ１３ｃによって包囲されてガス流路１７に直接露出することがなく、かつガス拡散層１２ｃまたは電解質膜表面の触媒層９ａ，９ｃと接する端部が生成水や凝縮水によってシールされるため、ガス流路１７の酸化剤ガスが毛細管構造体１９に入らない。このため、カソード側から酸化剤ガスが冷媒流路１６に侵入することを防止し、酸化剤ガスと燃料ガスの混合気が形成されることを回避できる。

さらに、ソリッドプレート１４を介して冷媒流路１６と対流室１８を仕切ることにより、カソード側から酸化剤ガスが冷媒流１６路に侵入することを防止し、酸化剤ガスと燃料ガスの混合気が形成されることを回避できる。

次に図７に示す第２の実施形態を説明する。なお、前記実施形態と同一構成部には同一符号を付す。

対流室１８内において毛細管作用によって水を運ぶ毛細管輸送手段として、毛細管構造体２１を設ける。この毛細管構造体２１はセパレータ１３ｃの毛細管構造体１９が臨む壁面に沿って設ける。

この場合、対流室１８内の水は、自然対流するとともに、毛細管作用によって毛細管構造体２１を通って移動するため、水分の移動をより効率的にすることが可能となる。特に、重力と垂直方向となる横方向について水分の移動が促進される。

なお、これに限らず、対流室１８内において毛細管作用によって水を移動する毛細管輸送手段として、親水性コーティングを施してもよく、同様の作用効果が得られる。

次に図８に示す第３の実施形態を説明する。なお、前記実施形態と同一構成部には同一符号を付す。

冷媒流路１６と対流室１８を仕切る隔壁部２２をセパレータ１３ｃに一体形成してもよい。この場合、前記実施形態において冷媒流路１６と対流室１８を仕切るソリッドプレート１４を廃止して構造の簡素化がはかれる。

さらに第４の実施形態として、カソード側のセパレータを親水性多孔質カーボンなどの親水性多孔質材によって形成し、セパレータ自体を毛細管作用によって水を運ぶ毛細管構造体としてもよい。

図示しないが、この燃料電池のセルは、イオン透過性を有する電解質膜と、この電解質膜を挟んで対向するアノード側とカソード側の電極として設けられる各ガス拡散層と、この各電解質膜と各ガス拡散層の間に介在する各触媒層と、この各触媒層に燃料ガスまたは酸化剤ガスを供給するアノード側とカソード側の各ガス流路と、冷却媒体が流れる冷媒流路と、自然対流によって水分が移動する対流室と、この対流室と各ガス流路を画成する各セパレータと、冷媒流路と対流室を仕切るソリッドプレートとを主体として構成する。

この場合、セパレータが毛細管構造体として対流室とガス拡散層を連通することにより、水分が対流室を介してセルを循環することが促され、セルの鉛直面方向について生じる水分濃度勾配および温度勾配を小さくする自己制御が行われる。

ソリッドプレートを介して冷媒流路と対流室を仕切ることにより、カソード側から酸化剤ガスが冷媒流路に侵入することを防止し、酸化剤ガスと燃料ガスの混合気が形成されることを回避できる。

本発明は上記の実施形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。

本発明は、燃料電池、燃料電池を構成するセパレータなどに適用できる。

本発明の第１の実施形態を示す燃料電池のセルの概略断面図。 同じく燃料電池の概略断面図。 同じく（ａ）は冷媒流路の概略断面図、（ｂ）は酸化剤ガス流路の概略断面図。 同じく燃料ガス流路の概略断面図。 同じく燃料電池のセルの概略断面図。 同じく燃料電池のセルの作用を示す図。 第２の実施形態を示す燃料電池のセルの概略断面図。 第３の実施形態を示す燃料電池のセルの概略断面図。

符号の説明

１０ セル
１１ 電解質膜
１２ａ アノード側ガス拡散層
１２ｃ カソード側ガス拡散層
１３ａ アノード側セパレータ
１３ｃ カソード側セパレータ
１４ ソリッドプレート
１５ 燃料ガス流路
１６ 冷媒流路
１７ 酸化剤ガス流路
１８ 対流室
１９ 毛細管構造体
２１ 毛細管構造体
２２ 隔壁部

Claims (8)

1. イオン透過性を有する電解質膜と、
   この電解質膜を挟んで対向するアノード側とカソード側の各ガス拡散層と、
   前記各電解質膜とこの各ガス拡散層の間に介在するアノード側とカソード側の各触媒層と、
   この各触媒層に燃料ガスまたは酸化剤ガスをそれぞれ供給する各ガス流路を形成したアノード側とカソード側のセパレータとを備える燃料電池において、
   少なくとも前記カソード側のセパレータに設けた対流室と、
   前記ガス拡散層または前記触媒層の一方をこの対流室に連通し毛細管作用によって水を運ぶ毛細管構造体とを備えことを特徴とする燃料電池。
2. 前記対流室を前記ガス流路の上流から下流に沿って形成し、
   前記セパレータに複数の前記毛細管構造体を配置したことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記対流室を前ガス流路の上流から下流に沿って形成し、
   前記セパレータを多孔質材によって形成したことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
4. 前記カソード側のガス流路は酸化剤ガスを流入させる入口を酸化剤ガスを流出させる出口より上方に配置して酸化剤ガスを鉛直方向下向きに導く構成としたことを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の燃料電池。
5. 冷却媒体が流れる冷媒流路を備え、
   この冷媒流路は冷却媒体を流入させる入口を冷媒流路を流出させる出口より上方に配置して冷却媒体を鉛直方向下向きに導く構成としたことを特徴とする請求項１から４に記載の燃料電池。
6. 前記対流室内において毛細管作用によって水を運ぶ毛細管輸送手段を備えたことを特徴とする請求項１から５のいずれか一つに記載の燃料電池。
7. 前記セバレータに冷却媒体が流れる冷媒流路を備え、
   この冷媒流路と前記対流室とを仕切るソリッドプレートを備えたことを特徴とする請求項１から６に記載の燃料電池。
8. イオン透過性を有する電解質膜と、
   この電解質膜を挟んで対向するアノード側とカソード側の各ガス拡散層と、
   前記各電解質膜とこの各ガス拡散層の間に介在するアノード側とカソード側の各触媒層とを備える燃料電池に用いられる燃料電池用セパレータにおいて、
   この各触媒層に燃料ガスまたは酸化剤ガスをそれぞれ供給するアノード側とカソード側の各ガス流路を一面に形成し
   水の対流が行われる対流室を他面に形成し、
   前記ガス拡散層または前記触媒層の一方をこの対流室に連通し毛細管作用によって水を運ぶ毛細管構造体を備えたことを特徴とする燃料電池用セパレータ。

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