JP2005327613A

JP2005327613A - 燃料電池

Info

Publication number: JP2005327613A
Application number: JP2004145026A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Sha; 剛謝
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2004-05-14
Filing date: 2004-05-14
Publication date: 2005-11-24
Also published as: EP1596456A3; US20050255375A1; EP1596456A2

Abstract

【課題】拡散層での圧力損失を低減するとともにセパレータの製造コストを低減する。
【解決手段】平板状の電解質１と、電解質１の一方面に設けられた燃料極触媒層２と、電解質１の他方面に設けられた酸化剤極触媒層３と、燃料極触媒層２の電解質１側に対して背向する面に設けられた燃料拡散層４と、酸化剤極触媒層３の電解質１側に対して背向する面に設けられた酸化剤拡散層５とが設けられた燃料電池において、燃料拡散層４、酸化剤拡散層５の少なくとも一方の拡散層に活物質を含む流体が流通する流路空間５１が設けられていることを特徴とする燃料電池。
【選択図】図１

Description

本発明は燃料電池に関する。

大気汚染防止、ＣＯ_２排出規制および石油資源枯渇といった地球規模での環境・資源問題に対処するため、クリーンでエネルギー密度が高く、充電時間が不要な燃料電池は最も脚光を浴び、世界中で急ピッチに研究開発が進められている。すなわち、燃料電池は水素と酸素を使用して電気分解の逆反応で発電し、水以外の排出物がなくクリーンな発電装置として注目されている。燃料電池の中でも固体高分子電解質型燃料電池が低温で作動するため家庭用、業務用などの定置用あるいは自動車用として有望視されている。

燃料電池は、一般的に多数の単セルが積層されて構成されている。単セルは、二つの電極（燃料極と酸化剤極）で電解質を挟持したものを、燃料極の活物質を含む燃料の流路を有するセパレータと、酸化剤極の活物質を含む酸化剤の流路を有するセパレータで挟んだ構造をしている。

このセパレータは金属あるいはカーボン板の表面に機械加工によって流路を形成しており、そのコストは燃料電池全体の中で大きな割合を占めている。

燃料極は多孔質の平板からなる燃料拡散層とその一方面に設けられた燃料極触媒層が設けられ、単セル中で燃料極触媒層が電解質に当接するように配置されている。酸化剤極は多孔質の平板からなる酸化剤拡散層とその一方面に設けられた酸化剤極触媒層が設けられ、単セル中で酸化剤極触媒層が電解質に当接するように配置されている。

燃料あるいは酸化剤はセパレータに形成された流路から拡散層を拡散して触媒層に供給され、電極反応に供される。

非特許文献１には、セパレータ中の流路の途中を遮断して燃料あるいは酸化剤のガスを拡散層中に強制的に流すようにし活物質供給の律速を緩和しようとした技術が開示されている。

非特許文献２は、燃料あるいは酸化剤のガスを拡散層と触媒層の当接面に平行に拡散層中を流すフラクタル流路を拡散層に形成することによりセパレータに非常に薄い平板を用いること提案している。

特許文献１は、平板状のセパレータの表面にガス流路の溝を形成する代わりに互いに通気性が異なる複数の通気部分を形成する構造が開示されている。このものは触媒層へのガス供給を均一にするとともにコスト低減を図ろうとしたものである。
特開２００４−３９５０８号公報（段落[００２８]、[００３０]、図５、図８） Electrochimica Acta, Vol.43, No.24, pp.3795-3809 第７０回電気化学会春大会講演要旨集 P310、「フラクタル流路による燃料電池の構成」しかしながら、非特許文献１は、通気抵抗が大きな拡散層中にガスを強制的に流すので、圧力損失が大きくなり、かつセパレータには流路が必要であるのでセパレータの製造コストの問題は残っている。

非特許文献２は、通気抵抗が大きな拡散層内部を通してガスを流すため、圧力損失が大きくこと、ガスが拡散層内部を拡散する距離が長いため、電極で供給される活物質が不均一となる問題点がある。

特許文献１は、ガス流路を多孔体で構成しているので、圧力損失が大きくなる問題点がある。

本発明は上記課題を解決したもので、拡散層での圧力損失を低減するとともにセパレータの製造コストを低減できる燃料電池を提供する。

上記技術的課題を解決するために、請求項１の発明では、平板状の電解質と、前記電解質の一方面に設けられた燃料極触媒層と、前記電解質の他方面に設けられた酸化剤極触媒層と、前記燃料極触媒層の前記電解質側に対して背向する面に設けられた燃料拡散層と、前記酸化剤極触媒層の前記電解質側に対して背向する面に設けられた酸化剤拡散層とが設けられた燃料電池において、前記燃料拡散層、前記酸化剤拡散層の少なくとも一方の拡散層に活物質を含む流体が流通する流路空間が設けられていることを特徴とする燃料電池としている。

請求項２の発明では、前記流路空間は、前記拡散層の一方面および他方面に開口していることを特徴とする請求項１記載の燃料電池としている。

請求項３の発明では、前記燃料拡散層の前記燃料極触媒層側に対して背向する面に燃料極側セパレータが設けられ、前記酸化剤拡散層の前記酸化剤極触媒層側に対して背向する面に酸化剤極側セパレータが設けられ、前記燃料極側セパレータ、前記酸化剤極側セパレータの少なくとも一方のセパレータは前記拡散層に面する面が平面であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池としている。

請求項１の発明によれば、拡散層に活物質を含む流体が流通する流路空間が設けられているので、流路空間から電極反応の活物質を直接電極に供給でき、かつ拡散層を介して活物質を電極に供給する経路も短いため、拡散層での圧力損失を低減でき、かつ活物質を含む流体が流通する流路空間を拡散層に形成しているので、セパレータに流路を形成する必要がなく、セパレータの製造コストを低減できる。

請求項２の発明によれば、流路空間は、拡散層の一方面および他方面に開口しているので、流路空間を有する拡散層を製造するコストを低減できる。

請求項３の発明によれば、セパレータは拡散層に面する面が平面であるので、セパレータの構造を簡略化でき、セパレータの製造コストをより低減できる。

以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。

（実施形態１）
図１は実施形態１の燃料電池の単セルの概略断面図である。本燃料電池は高分子電解質型燃料電池である。この燃料電池では、電解質にはイオン交換膜が使用され、燃料には一般的に活物質としての水素を含む燃料ガスが使用され、酸化剤には活物質としての酸素を含む酸化剤ガスが使用される。酸化剤ガスは一般的には空気が使用される。

膜状のイオン交換膜１の一方面には燃料極触媒層２が設けられ、他方面には酸化剤極触媒層３が設けられている。燃料極触媒層２、酸化剤極触媒層３は、触媒（一般的にはＰｔなどの貴金属触媒）が担持されたカーボン粒子とイオン交換溶液と撥水性物質を混合してシート状にしたものが使用される。イオン交換膜１と燃料極触媒層２および酸化剤極触媒層３はホットプレスなどによって接合されて膜電極接合体１０とされている。

膜電極接合体１０の燃料極触媒層２側、すなわち燃料極触媒層２のイオン交換膜１側に対して背向する面に燃料拡散層４が設けられている。一方、膜電極接合体１０の酸化剤極触媒層３側、すなわち酸化剤極触媒層３のイオン交換膜１側に対して背向する面に酸化剤拡散層５が設けられている。燃料拡散層４の燃料極触媒層２側に対して背向する面に燃料極側セパレータ６が設けられている。酸化剤拡散層５の酸化剤極触媒層３側に対して背向する面に酸化剤極側セパレータ７が設けられている。燃料極側セパレータ６と酸化剤極側セパレータ７の外周部は接着剤によって接合されている。この接着剤によって接着層８が形成される。接着層８は燃料拡散層４、酸化剤拡散層５から外部に漏れようとするガスをシールする役割も持っている。接着層８はイオン交換膜１の周辺部を包んでおり、互いに相手側に移動しようとする燃料ガスと酸化剤ガスをシールしている。燃料拡散層４、酸化剤拡散層５は、いずれも導電性を有する多孔体を基材としており、必要に応じて撥水処理、親水処理が施される。

図２は膜電極接合体１０側から見た酸化剤拡散層５の概略平面図である。図３は酸化剤拡散層５側から見た酸化剤極側セパレータ７の概略平面図である。

酸化剤拡散層５には酸化剤ガスは流通する流路空間５１が設けられている。拡散層は流体を拡散させるためにカーボンペーパーなどの通気性を有する多孔体で形成されている。流路空間５１は拡散層などの多孔体が全く存在しない空間である。流路空間５１は、その入口部５１ａから出口部５１ｂに向かってつづら折り状の通路が形成されている。流路空間５１は、その一方面５ａ（燃料極触媒層２側の面）および他方面（酸化剤極側セパレータ７側の面）に開口している。すなわち図２の面に垂直な方向に貫通している。燃料拡散層４も酸化剤拡散層５と同様な構造である。

酸化剤極側セパレータ７には、単セル１００が多数積層されて燃料電池スタックに形成されたときに酸化剤ガス供給マニホールド１１となる酸化剤ガス供給孔７１と、酸化剤ガス排出マニホールド１２となる酸化剤ガス排出孔７４が設けられている。また酸化剤極側セパレータ７には、酸化剤ガス供給孔７１に連通し、酸化剤ガス供給マニホールド１１から供給された酸化剤ガスを流路空間５１の入口部５１ａに供給するための供給溝部７ａが設けられている。入口部５１ａと連通する供給溝部７ａの供給口７２を除いた部分は蓋部７ｂによって蓋がされており、接着部８によって供給溝部７ａが塞がれないようになっている。蓋部７ｂの供給溝部７ａ側の反対面と酸化剤極側セパレータ７の酸化剤拡散層５側の面は略同一平面になるように設計されている。同様に、酸化剤極側セパレータ７には、酸化剤ガス排出孔７４に連通し、流路空間５１の出口部５１ｂから排出された酸化剤ガスを酸化剤ガス排出マニホールド１２に排出するための排出溝部７ｃが設けられている。出口部５１ｂと連通する排出溝部７ｃの排出口７５を除いた部分は蓋部７ｄによって蓋がされており、接着部８によって排出溝部７ｃが塞がれないようになっている。蓋部７ｄの排出溝部７ｃ側の反対面と酸化剤極側セパレータ７の酸化剤拡散層５側の面は略同一平面になるように設計されている。

外部から燃料電池スタックの酸化剤ガス供給マニホールド１１に供給された酸化剤ガスは供給溝部７ａを介してその供給口７２から流路空間５１の入口部５１ａに供給される。入口部５１ａに供給された酸化剤ガスは、づら折り状の流路空間５１を通ってその出口部５１ｂに至る。そして出口部５１ｂから排出口７５から排出溝部７ｃを経て酸化剤ガス排出マニホールド１２に排出されて燃料電池スタックの外部へ排出される。

図４は酸化剤ガスの活物質が触媒層に供給される経路を説明する説明図であり、酸化剤極触媒層３の周辺を拡大して示されている。図４に示すように、流路空間５１を通過している間に酸化剤ガスの活物質である酸素が矢印Ａのように直接酸化剤極触媒層３に供給され電極反応に供されるとともに矢印Ｂのように酸化剤拡散層５の多孔体部分を拡散し酸化剤極触媒層３に供給され電極反応に供される。

矢印Ａのように直接酸化剤極触媒層３に供給される場合だけでなく、矢印Ｂのように酸化剤拡散層５介して活物質を電極に供給される場合もその経路は短いので、拡散層での圧力損失を低減できる。また流路空間５１を酸化剤拡散層５に形成しているので、酸化剤極側セパレータ７に流路を形成する必要がなく、セパレータの製造コストを低減できる。

酸化剤拡散層５は、シート状の導電性多孔体をプレス打ち抜き加工、ワイヤカット加工などによって流路空間５１を形成することによって製造するる。また樹脂をバインダーとしてシート状に成形後、シートが柔らかいうちに打ち抜き加工によって流路空間５１を形成し、その後、脱バインダー処理により樹脂を除去して多孔体にすることによっても製造することができる。酸化剤拡散層５は、流路空間５１が酸化剤拡散層５の一方面および他方面に開口しているので、低コストに製造できる。

酸化剤極側セパレータ７は、酸化剤拡散層５に面する面が実質的に平面であるので、セパレータの構造を簡略化でき、セパレータの製造コストをより低減できる。

燃料拡散層４は酸化剤拡散層５と同様の構造になっており、燃料極側セパレータ６は酸化剤極側セパレータ７と同様の構造になっている。したがって、酸化剤拡散層５、酸化剤極側セパレータ７と同様の効果を奏する。

（実施形態２）
実施形態２は拡散層の構造が異なる以外は実施形態１と同じ構造になっている。実施形態２でも燃料拡散層と酸化剤拡散層も同じ構造となっている。図５は実施形態２の酸化剤拡散層５２の概略断面図である。酸化剤拡散層５２に設けられている流路空間５２ａは実施形態１と同様のつづら折り状となっている。しかし、その入口部５２ｂ、出口部５２ｃを除いて、酸化剤極触媒層３側の面５２ｄには開口しているが、酸化剤極側セパレータ側の面５２ｅには開口していない。入口部５２ｂ、出口部５２ｃは酸化剤拡散層５２の一方面５２ｄにも他方面５２ｅにも開口している。酸化剤拡散層５２は、加工によって製造したり、樹脂をバインダーとして射出成形などにより成形後、脱バインダー処理により樹脂を除去することによって製造する。

入口部５２ｂから入った酸化剤ガスは流路空間５２ａを通って出口部５２ｃに至る。流路空間５２ａを通過している間に酸化剤ガスの活物質である酸素が直接酸化剤極触媒層３に供給され電極反応に供されるとともに酸化剤拡散層５の多孔体部分を拡散し酸化剤極触媒層３に供給され電極反応に供される。したがって、流路空間５２ａは流路空間５１とは構造が異なるが実施形態１と同様の効果を奏する。

以下、実施例および比較例について説明する。

（実施例）
膜電極接合体は以下のように製作した。白金担持濃度が５５ｗｔ％の白金担持カーボン触媒（田中貴金属工業株式会社製、ＴＥＣ１０Ｅ６０Ｅ、以下Ｐｔ／Ｃと称する。）１２ｇと５ｗｔ％濃度のイオン交換樹脂溶液（旭化成工業株式会社製、ＳＳ−１０８０）１０６ｇと水２３ｇ、成形助剤としてのイソプロピルアルコール２３ｇとを十分に混合し触媒ペーストを作製した。この触媒ペーストをドクターブレード法により白金担持量が０．８ｍｇ／ｃｍ^２になるようにテトラフルオロエチレンシート上に酸化剤極触媒層を形成後、乾燥させて、酸化剤極触媒層シートとした。同様な方法によって白金担持量が０．４ｍｇ／ｃｍ^２になるように燃料極触媒層がテトラフルオロエチレンシート上に形成されたものを燃料極触媒層シートとした。

厚さが５０μｍのイオン交換膜（デュポン社製、Ｎａｆｉｏｎ１１２）を使用し、その一方面に上記の酸化剤極触媒層シートの酸化剤極触媒層が接するように、他方面に上記の燃料極触媒層シートの燃料極触媒層が接するように、イオン交換膜を酸化剤極触媒層シートと燃料極触媒層シートで挟んで、１５０℃、１０ＭＰａ、３分間でホットプレスしイオン交換膜と触媒層を接合後、テトラフルオロエチレンシートを剥がし、膜電極接合体を作製した。

拡散層は以下のように製作した。１０００ｇの水にカーボンブラックを３００ｇ、テトラフルオロエチレンの含有濃度が６０％のディスパージョン原液（ダイキン工業株式会社製、ＰＯＬＹＦＬＯＮＤ１グレード）を２５０ｇ添加して十分間攪拌しカーボンインクを作製した。このカーボンインク中にカーボンペーパー（東レ株式会社製、トレカＴＧＰ−１２０、厚さ３７０μｍ、７２ｍｍ×９１ｍｍ）を投入して、十分にカーボンインクを含浸させた。次に８０℃の温度に保った乾燥炉で余分な水分を蒸発させた後、焼結温度３９０℃で６０分保持して、撥水カーボンペーパーを作製した。この撥水カーボンペーパーをそのまま酸化剤拡散層として使用する。

上記のカーボンペーパーから幅３ｍｍの短冊状カーボンペーパーを切り出して、上記と同様にカーボンインク含浸処理を行い、短冊状撥水カーボンペーパーを作製した。これを燃料拡散層として使用する。

図６は酸化剤極側セパレータの概略平面図である。酸化剤極側セパレータ１０２は緻密質カーボン板を加工することによって図６のように流路９１を形成されている。流路９１には図６の上下方向に細長い複数の直線部９１ａが設けられている。この直線部９１ａ同士は凸部９４によって形成されている。凸部９４の大きさは、高さ０．４ｍｍ、幅３ｍｍ、長さ９１ｍｍである。凸部９４間のピッチは６ｍｍである。

また流路９１に酸化剤極ガスを供給する供給口９２、流路９１から酸化剤極ガスを排出する排出口９３を形成した。供給口９２、排出口９３は緻密質カーボン板を貫通する貫通孔である。

図７は燃料極側セパレータの概略平面図である。燃料極側セパレータ１０１は供給口８１、排出口８２となる貫通孔が設けられているだけである。

上記で作製した膜電極接合体の酸化剤極触媒層に酸化剤拡散層を当接させ、膜電極接合体の燃料極触媒層に短冊状撥水カーボンペーパーを、その長手方向が直線部９１ａの長手方向と同じになるように３ｍｍの間隔で複数当接させた状態で、１４０℃、８ＭＰａ、３分間ホットプレスした。短冊状撥水カーボンペーパーが複数並んだ部分が燃料拡散層となる。ホットプレス後、酸化剤拡散層に上記の酸化剤極側セパレータと当接させ、燃料拡散層に上記の燃料極側セパレータと当接させて単セルを作製した。

図８は実施例の、流路９１の直線部９１ａを横断する単セルの概略断面図である。膜電極接合体１０の燃料極触媒層２に短冊状撥水カーボンペーパーが複数並んだ燃料拡散層４０１が当接され、その外側に燃料極側セパレータ１０１が配設されている。なお、図示されていないが、燃料拡散層４０１の側面から単セル外に燃料が漏れないようにシールされている。一方、膜電極接合体１０の燃料極触媒層３には平板状の酸化剤拡散層５０１が当接され、その外側に酸化剤極側セパレータ１０２が配設されている。

この単セルを用いて、セル温度７５℃、酸化剤電極に空気（利用率４０％）、燃料電極に水素ガス（利用率９０％）をそれぞれ常圧で供給して、発電実験を行った。

（比較例）
実施例と同様に膜電極接合体を作製した。酸化剤拡散層および燃料拡散層は、いずれも実施例の酸化剤拡散層と同様に作製した。酸化剤極側セパレータおよび燃料極側セパレータは。いずれも実施例の酸化剤極側セパレータと同様のものを用いた。

膜電極接合体の酸化剤極触媒層に酸化剤拡散層を当接させ、膜電極接合体の燃料極触媒層に燃料拡散層を当接させた状態で、１４０℃、８ＭＰａ、３分間ホットプレスした。ホットプレス後、酸化剤拡散層に上記の酸化剤極側セパレータと当接させ、燃料拡散層に上記の燃料極側セパレータと当接させて単セルを作製した。そして実施例と同じ条件で発電試験を行った。

図９は比較例の、流路９１の直線部９１ａを横断する単セルの概略断面図である。膜電極接合体１０の燃料極触媒層２には、実施例の酸化剤極側と同様、平板状の燃料拡散層５０２が当接され、その外側に燃料極側セパレータ１０３が配設されている。一方、膜電極接合体１０の燃料極触媒層３は、実施例と同様、平板状の酸化剤拡散層５０１が当接され、その外側に酸化剤極側セパレータ１０２が配設されている。

図１０は実施例、比較例の発電試験結果を示すグラフ図である。実施例の燃料極側セパレータ１０１は単純な平板構造であるにも係わらず、発電特性に優れていることがわかる。

なお、実施例では燃料極側の拡散層、セパレータに本発明を適用した場合を示したが、酸化剤極側の拡散層、セパレータにも適用することができる。

実施例では直線的な流路空間で試験し、実施形態ではつづら折り状の流路空間で示したが、これに限定されない。例えば、つづら折り状の流路空間が複数本設けられていてもよい。複数本の流路の間隔は等間隔でも等間隔でなくてもよい。

実施形態、実施例では、酸化剤極側の流体が酸素を活物質として含むガス、燃料極側の流体が水素を活物質として含むガスであるとして説明したが、ダイレクトメタノール型燃料電池（燃料としてメタノールを使用）のように流体が液体であってもよい。

実施形態１の燃料電池の単セルの概略断面図膜電極接合体側から見た酸化剤拡散層の概略平面図酸化剤拡散層側から見た酸化剤極側セパレータの概略平面図酸化剤ガスの活物質が触媒層に供給される経路を説明する説明図実施形態２の酸化剤拡散層の概略断面図酸化剤極側セパレータの概略平面図燃料極側セパレータの概略平面図実施例の単セルの概略断面図比較例の単セルの概略断面図実施例、比較例の発電試験結果を示すグラフ図

符号の説明

１…イオン交換膜（電解質）
２…燃料極触媒層
３…酸化剤極触媒層
４…燃料拡散層
５…酸化剤拡散層
６…燃料極側セパレータ
７…酸化剤極側セパレータ
５１…流路

Claims

平板状の電解質と、
前記電解質の一方面に設けられた燃料極触媒層と、
前記電解質の他方面に設けられた酸化剤極触媒層と、
前記燃料極触媒層の前記電解質側に対して背向する面に設けられた燃料拡散層と、
前記酸化剤極触媒層の前記電解質側に対して背向する面に設けられた酸化剤拡散層とが設けられた燃料電池において、
前記燃料拡散層、前記酸化剤拡散層の少なくとも一方の拡散層に活物質を含む流体が流通する流路空間が設けられていることを特徴とする燃料電池。
前記流路空間は、前記拡散層の一方面および他方面に開口していることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
前記燃料拡散層の前記燃料極触媒層側に対して背向する面に燃料極側セパレータが設けられ、前記酸化剤拡散層の前記酸化剤極触媒層側に対して背向する面に酸化剤極側セパレータが設けられ、前記燃料極側セパレータ、前記酸化剤極側セパレータの少なくとも一方のセパレータは前記拡散層に面する面が平面であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池。