JP2005149931A - 燃料電池およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】セル電圧安定性，耐フラッディング特性、および耐久劣化特性を向上させた燃料電池とその製造方法を提供する。
【解決手段】単セルでのガス利用率に対するセル電圧安定性（Ｓ１）と、耐久劣化特性（Ｓ２）を測定し、セル電圧と耐久劣化特性の良好なガス利用率範囲を設定する（Ｓ３）。ガス利用率範囲を設定した後に、燃料電池の全ての単セルが前記ガス利用率範囲となるように圧力損失範囲を設定する（Ｓ４）。次に、各単セルでの圧力損失を全て測定し（Ｓ５）、圧力損失が設定されている圧力損失範囲内にある単セルを選別し（Ｓ６）、その単セルを積層して組立し（Ｓ７）、燃料電池を完成させる（Ｓ８）。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池、特に固体高分子型燃料電池とその製造方法に関する。

燃料電池は、水素を含有する燃料ガスと、空気など酸素を含有する燃料ガスとを、電気化学的に反応させることにより、電力と熱とを同時に発生させるものである。

従来の燃料電池を固体高分子型燃料電池を例に説明する。

固体高分子型燃料電池の基本構成は、ＭＥＡ（電極電解質膜接合体）の外側に２つのセパレータで挟み込んで構成された単セルを複数枚積層し、集電板，絶縁板，端板により所定の荷重で締結したものである。

前記ＭＥＡは、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜の両面に、白金触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする触媒層を形成し、触媒層外面に、燃料ガスあるいは酸化剤ガスの通気性と、電子導電性を併せ持つガス拡散層を形成したものである。ＭＥＡの外側には、これを機械的に固定するとともに、隣接した単セル同士を互いに電気的に直列に接続するための導電性のセパレータが配置されている。セパレータのＭＥＡと接触する部分には、電極面に燃料ガスあるいは酸化剤ガスを供給し、余剰ガスを排出するためのガス流路が形成されている。

単セルへの燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給および排出は、セパレータの側面に形成された燃料ガス入口マニホールドと燃料ガス出口マニホールド、および酸化剤ガス入口マニホールドと酸化剤ガス出口マニホールドから行われる。すなわち、燃料ガスおよび酸化剤ガスは、端板に形成された燃料ガスおよび酸化剤ガス入口部から一括して供給され、各単セルの入口マニホールドから電極部へ分散して送られ，電気化学反応した後、未反応ガスは各単セルの出口マニホールドを通して、端板に形成された燃料ガスおよび酸化剤ガス出口から一括して排出される。

このように、固体高分子型燃料電池は、セパレータの側面のマニホールドから各単セルに燃料ガスおよび酸化剤ガスを並列に分散して供給する方式が採られている。そのため、各単セルのガス通路の溝形状あるいはガスケット形状，ＭＥＡ厚さなどのバラツキにより、各セルの圧力損失が異なると、それぞれの単セルに供給されるガス流量がセル毎に異なることとなる。

その結果、従来の固体高分子型燃料電池においては、セル電圧がばらついたり、セル電圧が不安定になるセルが生じたり、特定のセルが劣化したりする可能性がある。

前記のような課題に対して、特許文献１には、単セルの圧力損失を測定し、あらかじめ定められたランクに分け、同じランクの単セルを集めて燃料電池を製作することにより、各単セルの特性バラツキを抑えるようにした燃料電池とその製造方法が開示されている。
特開２００３−１５１６０４号公報

しかしながら、特許文献１には、圧力損失値の同じランクの単セルに関して、単セルの圧力損失値を所定の許容範囲内にて２以上に分割した範囲に応じてランク分けすると記載されている。なお、前記許容範囲とは、「実用上支障のない範囲であり、例えば経験的に決められた範囲であっても良いし、理論的に決められた範囲であってもよい。」と記載されている。このように、圧力損失の許容範囲に関しては、セル電圧安定性，耐フラッディング特性、あるいは耐久特性を全て考慮した圧力損失の許容範囲となっていない可能性が高い。その例として、「燃料ガスあるいは酸化剤ガスが電気化学反応に必要な量を満たしている場合は、圧力損失が略同等の単セルを組み付ける必要はない。」と記載されていることからも推測される。

すなわち、単セルにおいて、燃料ガスあるいは酸化剤ガスが電気化学反応に必要な量を満たしていても、ある量より小さくなるとフラッディングが生じる。

本発明は、前記従来の課題を解決し、単セルの圧力損失値の許容範囲の決め方を明確にし、燃料電池のセル電圧安定性，耐フラッディング特性、あるいは耐久特性を向上させた燃料電池、およびその燃料電池の製造方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、燃料ガスと酸化剤ガスを供給／排出するためのガス流路が設けられている単セルを複数積層してなる燃料電池において、前記全ての単セルのガス利用率が、セル電圧安定性と耐久劣化特性があらかじめ設定されたガス利用率範囲内にあることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、燃料ガスと酸化剤ガスを供給／排出するためのガス流路が設けられている単セルを複数積層してなる燃料電池において、単セルのガス利用率に対するセル電圧安定性と耐久劣化特性を測定して、セル電圧安定性と耐久劣化特性の良好なガス利用率範囲をあらかじめ設定し、全ての単セルのガス利用率が同じガス利用率範囲内になるように、各単セルの圧力損失値の範囲を計算により求め、前記圧力損失値の範囲内の単セルを集めて組み付けたことを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の燃料電池において、ガス利用率は、燃料利用率と酸化剤利用率の少なくともいずれか一方であることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１，２または３に記載の燃料電池において、セル電圧安定性と耐久劣化特性の良好なガス利用率範囲が、実運転時の負荷変動範囲内で全て満たされていることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、燃料ガスと酸化剤ガスを供給／排出するためのガス流路が設けられている単セルを複数積層してなる燃料電池の製造方法において、少なくとも、単セルでのガス利用率に対するセル電圧安定性と耐久劣化特性を測定して、セル電圧安定性と耐久劣化特性の良好なガス利用率範囲をあらかじめ設定し、各単セルの圧力損失値の範囲を計算により求める準備工程と、単セルの圧力損失値を全数測定して、前記圧力損失値の範囲内の単セルのみで燃料電池を製作する工程とを含むことを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の燃料電池の製造方法において、単セルでの圧力損失値の測定が非発電状態で行われることを特徴とする。

本発明によれば、単セルでのガス利用率に対するセル電圧安定性と耐久劣化特性を測定して、セル電圧安定性と耐久劣化特性の良好なガス利用率範囲をあらかじめ設定し、全ての単セルがガス利用率範囲内になるように、各単セルの圧力損失値の範囲を計算により求め、圧力損失値の範囲内の単セルを集めて組み付けたことにより、燃料電池のセル電圧安定性，耐フラッディング特性、あるいは耐久特性を向上させることが可能となる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の実施形態を説明するための燃料電池の各部を分解して示す概略構成図である。本実施形態の燃料電池は、固体高分子型燃料電池であって、基本単位である単セル１０を複数枚積層し、集電板１１，絶縁板１２，端板１３により両側から所定の荷重で締結したものである。

集電板１１は、ガス不透過性の導電性材料、例えば銅，真鍮などが使用される。集電板１１には、電流取り出し端子部が設けられており、この端子部から発電時に電流を取り出す。絶縁板１２は絶縁性樹脂、例えばテフロン（登録商標）系樹脂，ＰＰＳ樹脂などが使用される。端板１３は剛性の高い金属材料、例えば鋼などが使用される。端板１３は、複数枚積層された単セル１０と集電板１１と絶縁板１２を図示しない加圧手段によって所定の荷重で締結、保持している。

単セル１０はＭＥＡ５をセパレータ６で挟み込んだものである。ＭＥＡ５は、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜１のアノード面側に、白金−ルテニウム合金触媒を担持したカーボン粉末を主成分とするアノード触媒層２を形成し、カソード面側には、白金触媒を担持したカーボン粉末を主成分とするカソード触媒層３を形成し、触媒層外面に、燃料ガスあるいは酸化剤ガスの通気性と、電子導電性を併せ持つガス拡散層４を配置したものである。高分子電解質膜１は、プロトン導電性を示す固体高分子材料、例えば、パーフルオロスルホン酸膜（デュポン社製ナフィオン膜）を使用することができる。

ガス拡散層４は、カーボンクロスまたはカーボンペーパーまたはカーボンフェルトを使用することができる。セパレータ６は、ガス不透過性の導電性材料であればよく、例えば樹脂含浸カーボン材料を所定の形状に切削したもの、カーボン粉末と樹脂材料の混合物を成形したものが使用できる。セパレータ６のＭＥＡ５と接触する部分には、電極面に燃料ガスあるいは酸化剤ガスを供給し、余剰ガスを運び去るためのガス流路が形成されている。

一方、セパレータ６のガス流路と反対側の面には、冷却水の流路が形成されている。また、セパレータ６の側面には、単セル１０への燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給および排出のため、燃料ガス入口マニホールドと燃料ガス出口マニホールド、および酸化剤ガス入り口マニホールドと酸化剤ガス出口マニホールドが形成されている。よって、単セル１０を複数枚積層した燃料電池では、燃料ガス入口マニホールドと燃料ガス出口マニホールド、および酸化剤ガス入口マニホールドと酸化剤ガス出口マニホールドが全ての単セル１０で連通している。

なお、セパレータ６，集電板１１，絶縁板１２，端板１３には、図示しないシール部材が配置されており、燃料ガス、および酸化剤ガスが混ざり合ったり、外部へ漏れたりすることを防止している。

本実施形態の燃料電池は、全ての単セル１０がセル電圧安定性と耐久劣化特性の良好な燃料ガス利用率でかつ酸化剤ガス利用率の範囲内にあるものを積層したものである。以下にその製造方法について説明する。

図２は、本実施形態の燃料電池の製造工程を説明するためのフロー図である。このフロー図に示す通り、まず単セルでのガス利用率に対するセル電圧安定性（Ｓ１）と、耐久劣化特性（Ｓ２）を測定し、セル電圧と耐久劣化特性の良好なガス利用率範囲を設定する（Ｓ３）。

単セルでのガス利用率に対するセル電圧安定性と耐久劣化特性の測定は、酸化剤ガス利用率および燃料ガス利用率のそれぞれについて行う。その具体例を図３に示す。

図３（ａ）に、定格運転時の酸化剤ガス利用率に対するセル電圧安定性と耐久劣化特性の測定結果を示す。この測定では、燃料ガス利用率を定格運転時の燃料ガス利用率に固定して行う。図３（ａ）に示す通り、セル電圧安定性の測定は、酸化剤ガス利用率を２０％から８０％まで５％段階で行った。酸化剤ガス利用率に対するセル電圧の測定は、それぞれ３時間ずつ行い、酸化剤ガス利用率変更前の１０分間の平均電圧を、図３（ａ）のグラフにプロットした。一方、耐久劣化特性の測定は、酸化剤ガス利用率２０％から６５％まで５％段階（４５％と５５％は除く）で、１０００時間の測定を行い、１０００時間あたりのセル電圧の劣化率を図３（ａ）にプロットした。

図３（ａ）より、酸化剤ガス利用率に対するセル電圧安定性と耐久劣化特性の良好な酸化剤ガス利用率範囲は、３５％以上６５％以下であることがわかる。

図３（ｂ）には、定格運転時の燃料ガス利用率に対するセル電圧安定性と耐久劣化特性の測定結果を示す。この測定も酸化剤ガス利用率に対するセル電圧安定性と耐久劣化特性の測定と同様である。

図３（ｂ）より、燃料ガス利用率に対するセル電圧安定性と耐久劣化特性の良好な燃料ガス利用率範囲は、６０％以上８５％以下であることがわかる。

上述した具体例のように、酸化剤ガス利用率範囲ＵｏＬ≦単セルでの酸化剤ガス利用率≦ＵｏＨと、燃料ガス利用率範囲ＵｆＬ≦単セルでの燃料ガス利用率≦ＵｆＨを設定する。ただし、具体例では、定格運転時の単セルのセル電圧安定性と耐久劣化特性の良好なガス利用率範囲を設定したが、定格運転時のみでなく、実運転での負荷範囲でそれぞれガス利用率範囲を設定することにより、実運転時での燃料電池のセル電圧安定性と耐久劣化特性を向上させることができる。

次に、図２に示すように、ガス利用率範囲を設定した後に、燃料電池のすべてのセルが、前記ガス利用率範囲となるように、圧力損失範囲を設定する。これは、単セルでの圧力損失値から燃料電池としたときに各単セルのガス利用率を計算し、すべての単セルが前記ガス利用率範囲となるように単セルでの圧力損失値範囲を設定する（Ｓ４）。この具体例を図４に示す。

図４は、単セルでの圧力損失値に対して、燃料電池ではどのくらいのガス利用率となるかを計算した表を示す図である。この計算から、燃料電池の全ての単セルでガス利用率が前記設定範囲内となるように単セルでの圧力損失範囲を設定する。

以上で、図２の単セルでの圧力損失範囲の設定作業（Ｓ１〜Ｓ４）を終る。次に、図２（Ｓ５〜Ｓ８）に示すように、単セルでの圧力損失を全て測定し（Ｓ５）、前記圧力損失範囲内のセルを選別して（Ｓ６）、積層，組立てを行い（Ｓ７）、本実施形態の燃料電池を完成させる（Ｓ８）。

このように本実施形態の燃料電池によれば、燃料ガスおよび酸化剤ガスは、端板１３に形成された燃料ガス入口部および酸化剤ガス入口部から一括して供給され、各単セルの入口マニホールドから電極部へ分散して送られるが、全ての単セル１０のガス利用率は、単セルにおけるセル電圧安定性と耐久劣化特性とが良好になる範囲内になるため、従来の燃料電池のようにセル電圧がばらついたり、不安定になるセルが生じることがない。また、耐久劣化特性も特定のセルが劣化することがなく、燃料電池としての耐久性が向上する。

本発明は、燃料電池、特に固体高分子型燃料電池に適用され、セル電圧安定性，耐フラッディング特性、あるいは耐久特性を向上させる燃料電池に実施して有効である。

本発明の実施の形態の固体高分子型燃料電池の概略構成図 本実施の形態の固体高分子型燃料電池の製造工程を示すフロー図 図２に示すフロー図における単セルのセル電圧と耐久劣化特性の良好なガス利用率範囲の設定方法に係る説明図 図２に示すフロー図における燃料電池の全ての単セルがセル電圧と耐久劣化特性の良好なガス利用率範囲内となる単セルの圧力損失値範囲の設定方法に係る説明図

符号の説明

１ 高分子電解質膜
２ アノード触媒層
３ カソード触媒層
４ ガス拡散層
５ ＭＥＡ
６ セパレータ
１０ 単位セル
１１ 集電板
１２ 絶縁板
１３ 端板

Claims (6)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスを供給／排出するためのガス流路が設けられている単セルを複数積層してなる燃料電池において、
   前記全ての単セルのガス利用率が、セル電圧安定性と耐久劣化特性があらかじめ設定されたガス利用率範囲内にあることを特徴とする燃料電池。
2. 燃料ガスと酸化剤ガスを供給／排出するためのガス流路が設けられている単セルを複数積層してなる燃料電池において、
   単セルのガス利用率に対するセル電圧安定性と耐久劣化特性を測定して、セル電圧安定性と耐久劣化特性の良好なガス利用率範囲をあらかじめ設定し、全ての単セルのガス利用率が同じガス利用率範囲内になるように、各単セルの圧力損失値の範囲を計算により求め、前記圧力損失値の範囲内の単セルを集めて組み付けたことを特徴とする燃料電池。
3. 前記ガス利用率は、燃料利用率と酸化剤利用率の少なくともいずれか一方であることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池。
4. 前記セル電圧安定性と前記耐久劣化特性の良好なガス利用率範囲が、実運転時の負荷変動範囲内で全て満たされていることを特徴とする請求項１，２または３に記載の燃料電池。
5. 燃料ガスと酸化剤ガスを供給／排出用するためのガス流路が設けられている単セルを複数積層してなる燃料電池の製造方法において、
   少なくとも、
   単セルでのガス利用率に対するセル電圧安定性と耐久劣化特性を測定して、セル電圧安定性と耐久劣化特性の良好なガス利用率範囲をあらかじめ設定し、各単セルの圧力損失値の範囲を計算により求める準備工程と、
   単セルの圧力損失値を全数測定して、前記圧力損失値の範囲内の単セルのみで燃料電池を製作する工程とを含むことを特徴とする燃料電池の製造方法。
6. 単セルでの圧力損失値の測定が非発電状態で行われることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池の製造方法。

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