JP2005268042A - 燃料電池セル - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池セルのセパレータに形成された流路において、ガス圧の差が大きい隣接する流路間でのバイパスガスを低減し、ガス利用率を向上させる。
【解決手段】 触媒層とガス拡散層とを具備する燃料電極および酸化剤電極で電解質膜を挟持した単セルを介して、流路を設けたセパレータを積層した燃料電池セルにおいて、ガス拡散層のガス透過率を、流路の長手方向よりも短手方向が小さいように設定する。具体的にはガス拡散層に用いる繊維布の縦横の編密度を変える。
【選択図】
【図３】

Description

この発明は、燃料電池セル内の流路構造に関するものであり、特にガス拡散層内を通るガス量を妥当な範囲に収め、ガスのバイパスを低減させる構造に関するものである。

従来の燃料電池セルは、電解質膜を、触媒層およびガス拡散層を有する１対の燃料電極と酸化剤電極で狭持し、その両面に燃料ガス、酸化剤ガスが流通する流路を有するセパレータで狭持した積層体で構成されている。通常、燃料ガスとして水素ガス、酸化剤ガスとして酸素ガスが用いられ、燃料触媒層で、
Ｈ₂ → ２H^＋ ＋ ２ｅ⁻
酸化剤触媒層で、
２Ｈ^＋ ＋ ２ｅ⁻ ＋ １／２Ｏ_２ → Ｈ_２Ｏ
の電気化学反応が生じる。

このような燃料電池セルでは、流路を流れるガスのうちある割合でガス拡散層を透過して触媒層まで達したガスが上記のような電気化学反応を生じて電力の取り出しが可能となる。電解質膜では燃料の触媒層から酸化剤の触媒層へイオン伝導が起こるが、このイオン伝導性を確保するためには電解質膜の適度な湿潤状態が必要である。一方、酸化剤の触媒層で生成された水が必要以上にガス拡散層内に滞留すると、酸化剤ガスである酸素ガスの流れが悪くなる。このような理由から、電解質膜の適度な湿潤と生成された水の速やかな排出を両立させるため、ガス拡散層として、炭素繊維からなるカーボンペーパーやカーボンクロスなどが用いられている。とくに排水性を考慮して、触媒層側の細孔分布を細かくし、触媒層と反対側の細孔分布を粗くしたカーボンクロスや、異なる大きさの網目を面方向に間欠的に分布させたカーボンクロスが用いられている（例えば、特許文献１参照）。

また、通常の燃料電池セルでは、電気化学反応を起こす面積が広くなるように、流路は折り返してガス拡散層の表面を覆うように形成されている。この場合、隣接する流路において、ガス圧が高い流路からガス拡散層を通してガス圧が低い流路へと流れるガス、いわゆるバイパスガスがある割合で発生する。このバイパスガスが多いと電気化学反応に供するガスが減少し、発電効率が低下する。このような現象を回避するために、隣接する流路において、ガスの流れる方向が逆方向の流路間の間隔をガスの流れる方向が同方向の流路間の間隔より広くすることが行なわれている（例えば、特許文献２参照）。

また、燃料電池セルの大型化に伴ってセパレータに形成される流路が長くなる傾向にある。しかし、流路が長くなると圧力損失が増大し、上流側と下流側でのガス圧の差圧が大きくなるため、バイパスガスが発生しやすくなる。そこで、流路の長さを短くするために複数に分割して流路群を配置することが行なわれている。流路群とは、供給孔と排出孔とを複数本の流路でつなぐ流路の集合体のことである。

特開２００３−１７３７８９号公報（第３頁、第２図） 特開２００１−７６７４６号公報（第３頁、第１図）

上述のように、複数に分割された流路群を有する燃料電池セルでは、第１の流路群内の低ガス圧となる下流側の流路と、第２の流路群内の高ガス圧となる上流側の流路が隣接することになり、流路群の間でバイパスガスが多くなるという問題が発生することがわかった。とくに分割された流路群間で発生するバイパスガスは第２の流路群の入口付近から第１の流路群の出口付近で起こる。このバイパスガスは電気化学反応に寄与しないまま排出されるため、発電効率の低下が顕著になるという問題がある。とくに酸化剤側の酸化剤ガスのガス利用率４０〜５０％に比べて７０〜８０％のガス利用率で動作する燃料ガス側で顕著な性能低下が見られた。ここで、ガス利用率とは供給ガス量に対して電気化学反応で使用されるガス量の割合のことであり、このガス利用率が高いほうがバイパスガスの影響が大きい。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、流路間のバイパスガス量を低減させるものである。

この発明に関わる燃料電池セルにおいては、流路の主方向の面内ガス透過率よりも主方向に直角方向の面内ガス透過率が小さいガス拡散層で構成したものである。

この発明は、ガス拡散層において、流路の主方向の面内ガス透過率よりも主方向に直角方向の面内ガス透過率が小さいので、隣接する流路間のバイパスガスを少なくすることができ、ガス利用率を向上させることができる。

実施の形態１．
図１は、この発明を実施するための実施の形態１による燃料電池セルを模式的に示す断面図である。ガス拡散層１と触媒層２とで構成された燃料電極３ａと酸化剤電極３ｂとで電解質膜４を挟み、燃料電極３ａと酸化剤電極３ｂの周囲には、燃料ガスおよび酸化剤ガスが漏れないようにバリア層５が形成されている。ガス拡散層１およびバリア層５の外側に燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給するための流路６が形成されたセパレータ７が配置されてひとつのユニット８となる。このユニット８が積層（図示せず）されて燃料電池セルが構成される。図２はセパレータ７を模式的に示した上面図である。図２に示すように、セパレータ７には、供給孔２１と排出孔２２とガスを供給する溝状の流路６とが設けられている。流路６は、複数の略平行に延びる溝が折り返して、ガス拡散層１の表面を覆うよう形成されており、長い直線と、これに略垂直な短い直線とで構成されている。流路６の主方向とは長い直線の方向と略平行な方向（図２における矢印６ａの方向およびこれに略平行な方向）と定義する。本実施の形態においては、一対の供給孔２１と排出孔２２およびそれをつなぐ流路６をひとつの群として流路群とし、２つの流路群２３ａと２３ｂとを備えた例を示す。

本実施の形態において、電解質膜４は、例えば水素イオン伝導性固体高分子膜で構成される。触媒層２は例えば白金を主成分とするものであり、ガス拡散層１は例えばカーボンクロスで形成されている。セパレータ７は例えば導電性の樹脂で形成されている。図３は、ガス拡散層１に用いるカーボンクロスの網目を示す模式図である。図３に示すように、本実施の形態において、カーボンクロスは横糸３１に対して縦糸３２が密に編まれたものである。使用する糸は、例えば太さ１０μmのカーボン繊維を寄り合わせた糸径約２００μmのものであり、糸の編密度を切り口幅１インチ当りの糸の本数と定義すると、横糸３１は切り口幅１インチ当り５０本であるのに対して、縦糸３２は切り口幅１インチ当り７０本である。このカーボンクロスをガス拡散層１として使用するときに、縦糸３２の方向と、図２の流路６の主方向６ａとが同方向になるように配置する。

上記のように構成されたガス拡散層１では、縦糸３２が横糸３１より密に編まれているので、ガスの透過率は縦糸３２に平行な方向よりも縦糸３２に直角な方向の方が小さくなる。本実施の形態では流路６の主方向、つまり図２に示す矢印６ａと縦糸３２の方向とが同方向になるように配置しているので、ガス拡散層での燃料ガスまたは酸化剤ガスのガス透過率は流路の主方向に平行な方向よりも主方向に垂直な方向の方が小さくなる。その結果、隣接する流路間でガス圧の差が大きい場合でも流路間をバイパスするガスが少なくなる。とくに流路群間の隣接する流路（図２のＡの部分）において、流路群２３ａの流路内を流れるガスは、流路群２３ａの下流であるためガス圧が低く、流路群２３ｂの流路内を流れるガスは、流路群２３ｂの上流であるためガス圧が高い。その結果、隣接する流路で矢印２４に示すようなバイパスガスが起こりやすいが、本実施例ではこのような流路群間のバイパスガスを少なくすることができる。図４は、本実施の形態におけるガス利用率と、比較のために燃料電極３ａのガス拡散層１に縦糸と横糸の編密度が同じ５０本のカーボンクロスを用いた場合におけるガス利用率とを示した説明図である。図４に示すように、縦糸と横糸の編密度が同じカーボンクロスで構成したガス拡散層では燃料ガスの透過率が等方的であるのに対して、本実施の形態では拡散層の燃料ガスの透過率が流路の主方向に対してよりも主方向に直角な方向に対して小さいために、流路群間のバイパスガスが減少し、燃料ガスのガス利用率が向上することがわかる。

実施の形態２．
本実施の形態では、図５に示すように、燃料ガス拡散層あるいは酸化剤ガス拡散層に使用するカーボンクロスが横糸５１に比べて縦糸５２の糸径が太いもので編まれたものである。編密度は縦横とも同じ切り口幅１インチ当り５０本である。横糸５１の糸径約２００μｍに対して、縦糸５２の糸径は３００μｍから３５０μｍの範囲である。燃料電池セルの基本的構造は実施の形態１と同様である。このカーボンクロスを燃料ガス拡散層あるいは酸化剤ガス拡散層として使用するときに、縦糸５２の方向と、図２の流路６の主方向６ａとが同方向になるように配置する。

このように構成された燃料電池セルでは、縦糸５２の糸径が太いので、同じ編密度でも糸間の空隙が横糸５１より狭くなり、縦糸５２に直角な方向のガス透過率が縦糸５２に並行な方向のガス透過率より低くなる。そのため、流路の主方向と同方向のガスは比較的よくガス拡散層を透過するが、流路の主方向に直角な方向へはガスの透過が少なくなる。その結果、隣接する流路間でガス圧の差が大きい場合でも流路間をバイパスするガスが減少し、燃料ガスあるいは酸化剤ガスのガス利用率が向上する。

なお、上記の説明ではガス拡散層に使用するものとしてカーボンクロスについて述べたが、導電性を有するその他の繊維、例えば、カーボンペーパー、カーボンフェルトで縦横の目付け量（密度）を変えた場合でも同様な効果が得られる。

この発明の実施の形態１を示す燃料電池セルの断面図である。 この発明の実施の形態１を示すセパレータの上面図である。 この発明の実施の形態１を示すカーボンクロスの模式図である。 この発明の実施の形態１における燃料ガスのガス利用率を比較する説明図である。 この発明の実施の形態２を示すカーボンクロスの模式図である。

符号の説明

１ ガス拡散層
２ 触媒層
３ａ 燃料電極、３ｂ 酸化剤電極
４ 電解質膜
６ 流路
７ セパレータ
８ ユニット
２１ 供給孔、２２ 排出孔
３１、５１ 横糸
３２、５２ 縦糸

Claims (3)

1. 電解質膜と、
   上記電解質膜を挟時し、触媒層とガス拡散層とを具備する燃料電極および酸化剤電極と、
   上記燃料電極側の上記ガス拡散層に燃料ガスを、
   上記酸化剤電極側の上記ガス拡散層に酸化剤ガスを
   それぞれ送る流路を設けたセパレータとを備え、
   上記燃料電極側および上記酸化剤電極側の少なくとも何れかの上記ガス拡散層のガス透過率は、上記流路の主方向よりも上記主方向に直角な方向が小さいことを特徴とする燃料電池セル。
2. ガス拡散層は、横糸と縦糸とが編みこまれた繊維布であって、上記縦糸は上記横糸より大きい編密度で編みこまれ、かつ上記縦糸は流路の主方向と同方向になるように配置されたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池セル。
3. ガス拡散層は、横糸と縦糸とが編みこまれた繊維布であって、上記縦糸の糸径は上記横糸の糸径より大きく、かつ上記縦糸は流路の主方向と同方向になるように配置されたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池セル。

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