JP2005322595A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】 ガスの拡散領域を拡大し、且つ生成水の排水性を向上させることが可能な燃料電池を提供する。
【解決手段】 燃料電池は、供給用ガス流路と排出用ガス流路が、セパレータに複数設けられている。これらのガス流路は非連通である。このように構成された燃料電池において、ガス流路間を形成するセパレータの部材が多孔質にて構成される。これにより、電極で生成された水を多孔質に吸引させることができる。したがって、電極に存在する水分による閉塞の発生を抑制することができる。即ち、フラッディングを防止することができる。これにより、燃料電池の実反応面積を拡大させ、出力密度を向上させることが可能となる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、燃料電池のセル構造に関する。

燃料電池の性能向上を狙い、燃料電池の触媒層へのガスの供給性促進や、酸素と水素の反応により生成される水（生成水）の排水性向上を目指して、燃料電池の構造などに様々な開発が行われている。例えば、燃料電池におけるセパレータのガス流路と電極が接する領域のガス拡散が悪いと電極全面が有効に発電できなくなるといった問題がある。そのため、ガスの供給用流路及び排出用流路の構成・形状に、これを解決するための試みがなされている。

例えば、特許文献１には、供給用流路及び排出用流路（以下、単に「ガス流路」と呼ぶ）に閉塞流路構造を適用した燃料電池が記載されている。具体的には、セパレータに設けられたガス流路において、供給用ガス流路と排出用ガス流路を分離し、且つ互いを非連通に構成した燃料電池が記載されている。また、特許文献２には、ガス流路に多孔流路構造を適用した燃料電池が記載されている。具体的には、板状のセパレータと電極基板との間に複数の多孔質集電体細片を配設することにより、ガス流路を形成する燃料電池が記載されている。

しかしながら、上記した特許文献１に記載された燃料電池では、触媒層及び拡散層に存在する水分量がガス流速に対して多くなると、水分を排出用ガス流路に十分に押し出すことができなくなり、水分による閉塞が発生してしまうといった問題があった。また、特許文献２に記載された燃料電池では、電池内で水分が滞留する場所が不均一になってしまい、実反応面積が縮小されてしまうといった問題があった。

特開平１１−１６５９１号公報 特開平７−４５２９４号公報

本発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、ガスの拡散領域を拡大し、且つ生成水の排水性を向上させることが可能な燃料電池を提供することにある。

本発明の１つの観点では、電極に積層されるセパレータに設けられた供給用ガス流路と排出用ガス流路とが非連通である燃料電池は、前記供給用ガス流路と前記排出用ガス流路との間を形成する前記セパレータの部材が多孔質であることを特徴とする。

上記の燃料電池は、供給されるガスが流通する供給用ガス流路と、排出されるガスが流通する排出用ガス流路（これらを、単に「ガス流路」と呼ぶ）とが、セパレータに複数設けられている。これらのガス流路は非連通、即ちお互いが繋がっていない。セパレータは、電極（アノード電極及びカソード電極）上に設けられる。このように構成された燃料電池において、ガス流路間を形成するセパレータの部材は多孔質にて構成される。これにより、電極で発電により生成された水を、この多孔質に吸引させることができる。したがって、電極に存在する水分による閉塞の発生を抑制することができる。即ち、フラッディングを防止することができる。これにより、燃料電池の実反応面積を拡大させ、出力密度を向上させることが可能となる。

上記の燃料電池の一態様では、前記電極の拡散層は多孔質であり、前記部材は、前記拡散層の気孔率よりも大きい気孔率を有する。この態様では、ガス流路間を形成するセパレータは、拡散層よりも気孔率が大きくなるように構成されている。即ち、セパレータの部材のガス透過抵抗を、拡散層のガス拡散抵抗よりも小さくする。これにより、供給用ガス流路から排出用ガス流への反応ガスの移動をより確保することになるので、多孔質に吸引させる水分量を増加させることができる。

上記の燃料電の他の一態様では、前記部材は、ガスの下流側に向かうほど気孔率が大きくなるよう構成されている。この態様では、ガス流路を形成するセパレータにおいて、ガスの下流側に向かうほど気孔率が大きくなるよう構成されている。即ち、ガスの下流側に位置する部材のガス透過抵抗を小さくする。これにより、ガスの上流部に比べ下流部に滞留しやすい生成水を、確実に多孔質に吸引させることができる。よって、生成水を効果的に排出することができる。

上記の燃料電池の他の一態様では、前記部材は、前記燃料電池のカソード極側のセパレータのみに設けられる。この態様では、燃料電池のアノード極側の部材には多孔質を適用せずに、カソード極側の部材のみに多孔質を用いる。ガス流路間を多孔質で構成することにより、供給されたガスも無駄に排出することになるため、燃料である水素を用いるアノード極側には多孔質を適用しない。水はカソード極側で主に生成されるので、カソード極側のみを多孔質としても、生成水を十分に排出することができる。

上記の燃料電池の他の一態様では、前記部材は、アノード極側よりもカソード極側のほうが気孔率が大きくなるよう構成されている。これにより、アノード極側の水素が無駄に排出されるのを抑制しつつ、アノード極側の水を適度に排出することができる。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施の形態について説明する。

［燃料電池の構成］
図１は、本発明の１つの実施形態である燃料電池１００の概略構成を示す斜視図である。図示のように、燃料電池１００は、単セル（単電池）５０が複数集積されて構成されている（以下では、この単セル５０のことを燃料電池とも呼ぶことがある）。この燃料電池１００は、燃料電池自動車（以下、単に「車両」と呼ぶ）などに搭載されて、生成した電力で車両を駆動する。

単セル５０の詳細な構造について、図２を用いて説明する。図２は、図１における破線領域Ａ１を拡大して示す断面図である。図２は、単セル５０のガスが流れる流路の長さ方向に対して垂直な面で切断した図を示す。単セル５０は、セパレータ１と、多孔体２と、拡散層３と、触媒層４と、電解質膜５と、供給用ガス流路６ａ、７ａと、排出用ガス流路６ｂ、７ｂと、を備える。図２において、紙面上側はアノード極側を示し、紙面下側はカソード極側を示している。

単セル５０は、電解質膜５を挟んで、アノード電極とカソード電極が形成されている。アノード電極側及びカソード電極側の双方において、電解質膜５上には触媒層４が形成されており、触媒層４上に拡散層３が形成されている。アノード極側の拡散層３上には供給用ガス流路６ａ及び排出用ガス流路６ｂが設けられており、カソード極側の拡散層３上には供給用ガス流路７ａ及び排出用ガス流路７ｂが設けられている。以下、これらをまとめて「ガス流路」と呼ぶ。アノード極側の供給用ガス流路６ａには単セル５０の外部から供給されるアノードガス（水素）が流通し、カソード極側の供給用ガス流路７ａには単セル５０の外部から供給されるカソードガス（酸素）が流通する。また、アノード極側の排出用ガス流路６ｂにはアノード極から排出されるガスが流通し、カソード極側の排出用ガス流路７ｂにはカソード極から排出されるガスが流通する。アノード極側及びカソード極側の両方において、ガス流路の間（ガス流路の上部も含む）には多孔体２が形成されおり、多孔体２上にはセパレータ１が設けられている。

セパレータ１は、平坦な平板にて構成されている。セパレータ１は、水素と酸素の反応により発生された電子を集電し、隣り合うセル間の電気的コネクタとして良好な導電性を有している。更に、セパレータ１は、弱酸性を示す電解質膜５に対しての耐食性も備えている。また、セパレータ１は、単セル５０を積層する場合にセル同士を隔離し、且つ酸素と水素を隔離する役目を果たしている。

多孔体２は、リブ２Ｒを有している。即ち、多孔体２の本体及びリブ２Ｒと拡散層３とに囲まれた空間がガス流路を形成している。アノード極側の多孔体２には、供給用ガス流路６ａと排出用ガス通路６ｂが、それらガス通路と垂直な方向に交互に設けられている。また、カソード側の多孔体２には、供給用ガス通路７ａと排出用ガス流路７ｂとが、それらガス通路と垂直な方向に交互に設けられている。多孔体２は多孔質の材質から形成され、その内部に多数の孔を有している。よって、多孔体２は、孔内に流体（ガス、液体を含む）を保持することができる。

拡散層３は、触媒層４上に形成されており、電解質膜５上にガスを均一に拡散させるための層であり、やはり多孔質の材料により構成される。また、拡散層３は、導電性と共に撥水性も有している。

触媒層４は、電解質膜５の表面上に形成されている層であり、吸着したガス（水素ガスなど）をイオン化する、即ちガスからイオンを引き抜く役目を担う。電解質膜５は、水素イオンのみを透過させる固体高分子膜などにて構成される。

次に、単セル５０内のガスの流れについて説明する。まず、大まかなガスの流れについて説明する。アノード極側の供給用ガス流路６ａを流通する水素は、矢印１０ａに示すように拡散層３にて拡散されながら触媒層４に到達する。そして、触媒層４により水素イオンとなって電解質膜５に取り込まれる。このとき、取り込まれなかった水素ガスは、排出用ガス流路６ｂを流通していく。一方、カソード極側の排出用ガス流路７ｂを流通する酸素は、矢印１０ｂに示すように拡散層３にて拡散されながら触媒層４に到達する。そして、カソード極側の触媒層４ではアノード極側より供給された水素イオンと酸素が反応して、水が生成される。また、電子は燃料電池１００の外部の負荷を経由してアノード極からカソード極へ移動する。なお、排出用ガス流路６ｂ、７ｂを流通するガス（未使用の水素や酸素が含まれている）も、電解質膜５に取り込まれて発電に用いられる。

本実施形態では、ガス流路間が多孔体２にて構成されているため、矢印２ａで示すように、供給用ガス流路６ａ、７ａ内のガスの一部は、各多孔体２のリブ２Ｒを透過して、排出用ガス流路６ｂ、７ｂへそれぞれ移動する。即ち、拡散層３を経由せずに排出用ガス流路６ｂ、７ｂへ移動する。このガスの移動により、供給用ガス流路６ａ、７ａ内には負圧が発生する。この負圧により、拡散層３と触媒層４に存在する水を、矢印１１に示すように多孔体２へ吸引させることができる。以上により、拡散層３及び触媒層４に存在する水分による閉塞の発生を抑制することができる。即ち、フラッディングを防止することができる。またこれにより、燃料電池１００の実反応面積を拡大させ、出力密度を向上させることが可能となる。

また、供給用ガス流路６ａ、７ａ内のガスの一部が拡散層３を経由せずに多孔体２のリブ２Ｒを通じて排出用ガス流路６ｂ、７ｂへ移動することは、電解質膜５を適度な湿潤状態に維持することを可能とする。通常、供給用ガス流路６ａ、７ａを流れる水素や酸素などのガスはドライである（乾燥している）。よって、多孔体２のリブ２Ｒが存在しない場合、そのドライなガスが全て拡散層３を経由して排出用ガス流路６ｂ、７ｂへ移動することとなり、電解質膜５がドライな状態になりすぎて発電効率が低下するという問題がある。この点、本実施形態では、上記のように多孔体２のリブ２Ｒを形成し、ドライなガスの一部が拡散層３を経由せずに多孔体２を経由して排出用ガス流路６ｂ、７ｂへ移動するので、電解質膜５が乾燥しすぎることを抑制することができる。

図３は、図１中の矢印Ａ２方向から見た多孔体２とガス流路の平面図を示す。図３では、図示の便宜上、アノード極側の水素のガス流路６ａ、６ｂと、カソード極側の酸素のガス流路７ａ、７ｂとを重ねて表示している。実線矢印１５はアノード極側の水素の流れを示し、破線矢印１６はカソード極側の酸素の流れを示している。また、範囲Ａ３内の実線矢印が示すように、アノード極側の水素は供給用ガス流路６ａから排出用ガス流路６ｂへ移動する。また、範囲Ａ３内の破線矢印が示すように、カソード極側の酸素は供給用ガス流路７ａから排出用ガス流路７ｂへ移動している。

本実施形態では、破線領域２ｂで示すように、ガス流路の端部で多孔体２を接続することにより、各ガス流路は閉塞流路を形成している。ガス流路を閉塞流路とすることで、より多くのガスを拡散層３へ移動させることが可能となる。

更に、本実施形態では、図３から理解されるように、拡散層３、触媒層４及び電解質５を挟んで対向する２つのガス流路においてガスの流れる方向は反対方向となっている（即ち、対向流となっている）。より具体的には、アノード極側の水素のガス流路６の入口は、カソード極側の酸素のガス流路７の出口と対向している。また、アノード極側の水素のガス流路６の出口は、カソード極側の酸素のガス流路７の入口と対向している。通常、ガス流路内の水素及び酸素は上流側ほど乾燥しており、下流に行くほど生成水などにより湿潤している。よって、水素のガス流路の上流側と酸素のガス流路の下流側を対向させ、水素のガス流路の下流側と酸素のガス流路の上流側とを対向させることにより、過乾燥になりやすい一方のガス流路の入口付近にある多孔体２や電解質膜５などを、他方のガス流路の出口付近にある生成水などの水分で加湿することができる。よって、燃料電池１００の発電性能を低下させるドライアウトを防止することができる。

図４は、拡散層３と多孔体２を、ガス流路の長さ方向に対して垂直な面にて切断した断面図を示す。図４に示すように、上記した多孔体２内の孔１１は拡散層３に存在する孔１２よりも多くする。即ち、多孔体２の気孔率は拡散層３の気孔率より大きくすることが好ましい。これにより、多孔体２のガス透過抵抗を拡散層３のガス拡散抵抗よりも小さくすることができる。したがって、供給用ガス流路６ａ、７ａから排出用ガス流６ｂ、７ｂへの反応ガスの移動を十分に確保することができ、多孔体２に吸引させる水分量を増加させることができる。

図５は、１つの供給用ガス流路６ａ、７ａを形成する多孔体２の断面図（ガスの流れ方向と平行な面で切断）を示す図である。図５に示すように、供給用ガス流路６ａ、７ａを形成する多孔体２は、ガスの下流側に向かうほど気孔率が大きくなるよう構成することが好ましい。即ち、上流側に比べて、下流側の多孔体２のガス透過抵抗を小さくする。これにより、ガス流路の上流部に比べ下流部に滞留しやすい生成水を確実に多孔体２に吸引させることができ、生成水を効果的に排出することができる。なお、同様の理由により、排出用ガス流路６ｂ、７ｂも同様に、ガスの下流側に向かうほど気孔率が大きくなるよう構成されることが好ましい。

更に、多孔体２の撥水性は拡散層３の撥水性よりも低くなるように構成されることが好ましい。これにより、排出用ガス流路６ｂ、７ｂへの排水性を更に高めることができる。

本発明においては、セパレータ１と多孔体２の構成・形状は、前述したものに限定されない。上記の例では、セパレータ１と多孔体２を別の要素で構成するものについて説明したが、多孔体２を用いずセパレータ１のみで構成してもよい。この場合、セパレータ１でガス流路を構成し、ガス流路の間の部材が多孔質となるようにセパレータ１を構成すればよい。

更に、セパレータ１と多孔体２の構成に係る第１の変形例を、図６に示す。本例の単セル５１は、ガス流路６ａ、６ｂ、７ａ、７ｂの上面部に多孔体２を設けずに、ガス流路間のみが多孔体２にて構成されている。これによっても、供給用ガス流路６ａ、７ａ内のガスの一部が多孔体２を透過し、排出用ガス流路６ｂ、７ｂへ移動することができる。これにより、拡散層３と触媒層４に存在する水を、多孔体２へ吸引させることが可能となる。この場合は、平面上の多孔体２にリブを設ける必要がなく、棒状の多孔体２を複数作成すればよいので、多孔体２を容易に作成することができる。

図７に、セパレータ１と多孔体２の構成に係る第２の変形例を示す。本例の単セル５２は、アノード極側には多孔体２を適用せずに（即ち、アノード極はセパレータ１によりガス流路を構成する）、カソード極側のみに多孔体２を用いている。上述のようにアノード極側のガス流路間を多孔体２で構成すると、供給用ガス流路６ａに供給された水素ガスの一部は、多孔体２を通じて排出用ガス流路６ｂへ移動する。燃料電池が水素循環型のガス流路系を備える場合には、排出用ガス流路６ｂへ移動した未反応の水素は再度供給用ガス流路６ａへ戻るので、水素ガスの無駄はほとんど生じない。しかしながら、排出用ガス流路６ｂから水素ガスがそのまま排出されるような水素無循環型のガス流路系を用いた場合には、電解質での反応により発電に寄与しない水素ガスの排出量が多くなり、燃料の無駄が生じる可能性がある。そこで、本例では、ガス流路に燃料である水素を流すアノード極側には多孔体２を用いないこととしている。言い換えると、アノード極側は多孔質でない材料で流路を構成するようにする。主に生成水はカソード極側で生成されるので、カソード極側のみに多孔体２を用いても、上記したような生成水の排出効果を十分に得ることができる。このように、本例の単セル５２から構成される燃料電池は、燃料電池の制御システムが水素無循環系である場合には、水素の利用効率を確保するために有効となる。

なお、上記の第２の変形例と同様の理由により、カソード極側に用いる多孔体２よりも気孔率が小さい多孔体２をアノード極側に用いてもよい。即ち、アノード極側の流路をセパレータ１のみにて構成する代わりに、カソード極側に用いる多孔体２よりも気孔率が小さい多孔体２で構成してもよい。これにより、アノード極側の水素が無駄に排出されるのを抑制しつつ、カソード極側から触媒層などを通じて逆拡散してきたアノード極側の生成水も排出することができる。

［実施例］
以下では、上記した実施形態に係る燃料電池の具体的な例について説明する。

本実施例に係る燃料電池（単セル）は、図１に示すように、セパレータ１と、多孔体２と、拡散層３と、触媒層４と、電解質膜５と、供給用ガス流路６ａ、７ａと、排出用ガス流路６ｂ、７ｂと、を備える。

電解質膜５にはパーフルオロススルホン酸系イオン交換膜を用い、これに白金担持カーボンと電解質からなる触媒層４を塗布して形成する。拡散層３は、多孔質のカーボンペーパーやカーボンクロスなどを基材としてカーボン及びＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）の粉末などを含浸塗布して焼成する。そして、この拡散層３を、電解質膜５及び触媒層４の上に圧熱接合して電極を構成する。

セパレータ１は、緻密体のカーボン板あるいはメタル板（例えば、ステンレス、チタン、ニッケル合金など）を用いる。メタル板を使用する場合は、表面に酸化被膜が形成されることによる接触抵抗の増加を防止するため、セパレータ１の表面に接触抵抗低減のためのＡｕコートなどの表面処理を行う。また、メタル板を使用する場合は、更に防食コートとして、カーボン粉末とゴムなどのバインダとを混ぜた塗料を塗布するなどの手法によりカーボンコートなどの処理を行う。

多孔体２は、拡散層３と同様のカーボン系材料（ポーラスカーボン、焼結カーボンなど）を用いる。また、多孔体２は、拡散層３の気孔率（例えば、無加湿状態で４０〜７０％、リブ面圧が１[ＭＰａ]の状態で３０〜６０％)に対して、これよりポーラスである気孔率（例えば、無加湿状態で５０〜８０％、リブ面圧が１[ＭＰａ]の状態で４０〜８０％）からなるカーボン多孔体とする。こうして製作した多孔体２に、上述のようなリブを形成することによりガス流路６、７を形成する。ガス流路６、７は、流路溝幅０．８ｍｍ、山幅０．８ｍｍ、溝深さ０．５ｍｍの非連通の閉塞流路を形成する。

そして、図３に示すように、水素のガス流路６と空気のガス流路７とが対向するように多孔体２を電極に対して配置し、さらに多孔体２上にセパレータ１を配置する。その積層体の外周を接着シール又はガスケットなどを用いてシールして燃料電池（単セル）を形成する。

以上のように構成された燃料電池と、既知の燃料電池との電池性能の比較結果を図８に示す。図８において、横軸は電流密度（Ａ/cm^２）を示し、縦軸はセル電圧（Ｖ）を示している。つまり、図８は燃料電池の電流−電圧特性（電池特性）を示している。曲線Ｂ１は、多孔体２を用いず閉塞流路も適用していない（即ち、ストレート流路を採用している）燃料電池における電流−電圧特性を示す（比較例１とする）。曲線Ａ２は、多孔体２を用いず閉塞流路のみを適用している燃料電池における電流−電圧特性を示す（比較例２とする）。曲線Ｂ３は、多孔体２を用いて閉塞流路で構成した本実施例に係る燃料電池における電流−電圧特性を示す。

図８より、本実施例に係る燃料電池は、比較例１と比較例２と比較して高電流密度域での電圧低下が少ないことがわかる。即ち、本実施例に係る燃料電池は、比較例１及び比較例２に係る燃料電池よりも電池性能が優れていることがわかる。この結果は、多孔体２及び閉塞流路にて燃料電池を構成することにより、ガス拡散領域の拡大、及び生成水の排水性向上によって実反応面積が拡大して電池性能が向上したことを示している。

本発明の実施形態に係る燃料電池の概略構成を示す斜視図である。 図１中の破線領域Ａ１を拡大して示した図である。 図１中の矢印Ａ２方向から見た平面図である。 本実施形態に係る拡散層と多孔体の断面図を示す。 本実施形態に係る供給用ガス流路を形成する多孔体の断面図を示す。 セパレータと多孔体の構成に係る第１の変形例を示す図である。 セパレータと多孔体の構成に係る第２の変形例を示す図である。 本実施例に係る燃料電池と既知の燃料電池の電流−電圧特性を示す図である。

符号の説明

１ セパレータ
２ 多孔体
３ 拡散層
４ 触媒層
５ 電解質膜
６ａ、７ａ 供給用ガス流路
６ｂ、７ｂ 排出用ガス流路
５０、５１、５２ 単セル
１００ 燃料電池

Claims (5)

1. 電極に積層されるセパレータに設けられた供給用ガス流路と排出用ガス流路とが非連通である燃料電池であって、
   前記供給用ガス流路と前記排出用ガス流路との間を形成する前記セパレータの部材は、多孔質であることを特徴とする燃料電池。
2. 前記電極の拡散層は多孔質であり、
   前記部材は、前記拡散層の気孔率よりも大きい気孔率を有することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記部材は、ガスの下流側に向かうほど気孔率が大きくなるよう構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池。
4. 前記部材は、前記燃料電池のカソード極側のセパレータのみに設けられることを特徴とする請求項１及至３のいずれか一項に記載の燃料電池。
5. 前記部材は、アノード極側よりもカソード極側のほうが気孔率が大きくなるよう構成されていることを特徴とする請求項１及至３のいずれか一項に記載の燃料電池。
   

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