JP2006079874A

JP2006079874A - 燃料電池

Info

Publication number: JP2006079874A
Application number: JP2004260500A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Takahashi; 真一高橋
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2004-09-08
Filing date: 2004-09-08
Publication date: 2006-03-23

Abstract

【課題】セパレータとの密着性を高めると共に、高い水除去性能を得ることのできる燃料電池を提供する。
【解決手段】燃料ガス及び酸化剤ガスの供給により発電する膜電極接合体２と、この膜電極接合体２の両側にそれぞれ配置されたガス拡散層３と、膜電極接合体２に燃料ガスを供給する燃料ガス流路４が形成された第１セパレータ５と、膜電極接合体２に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路６が形成された第２セパレータ７とを有し、これら第１及び第２セパレータ５、７で前記膜電極接合体２及びガス拡散層３を挟み込んでなる燃料電池において、第１セパレータ５及び第２セパレータ７のうち、少なくとも第２セパレータ７に形成された酸化剤ガス流路６の流路内面のみ、且つ流路断面全体に水分を吸収する多孔部材８を設けた。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池に関し、詳細には、発電時に生じた純水を除去して発電性能を高めることのできる燃料電池に関する。

燃料電池は、水素と酸素の反応によって発電するため副生成物が水しか存在せず、内燃機関のような二酸化炭素など地球環境に対するダメージを与える物質を放出しない利点がある。

しかしながら、発電時に生成された純水が除去されない場合、この純水が反応ガス流路やガス拡散層などを塞ぐため、反応ガスが触媒に到達せず発電性能が低下する現象が起こる。この対策として反応ガスの温度や流量を増やすといった運転条件の変更によって純水の除去性能を向上させる手段のほかに、燃料電池のガス流路が形成されるセパレータ（バイポーラプレート）に多孔質部分を設け純水が容易に除去されるようにする方法も検討されている（例えば、特許文献１、２、３など参照）。

特許文献１では、固体高分子電解質膜をアノード側電極とカソード側電極で挟んで構成される燃料電池構造体と、前記燃料電池構造体を挟持する第１および第２セパレータとを備え、前記第１セパレータは、前記アノード側電極に燃料ガスを供給する第１流路を有するとともに、前記第２セパレータは、前記カソード側電極に酸化剤ガスを供給する第２流路を有し、前記第１及び／又は第２流路の一部には、吸水量に応じて流路断面積を変化させる吸水部材（高吸収性ポリマーシート）を配置し、この吸収部材でガス流路内の水分を除去して当該ガス流路が閉塞されることを阻止している。

特許文献２は、燃料極と酸化剤極の間に固体高分子電解質膜を介在させて構成される少なくとも１つの電池セルを備え、燃料ガスを燃料極に供給すると共に、酸化剤ガスを酸化剤極に供給して、電池セルに電力を発生させる固体高分子電解質型燃料電池において、燃料極及び酸化剤極の内、少なくとも何れか一方の電極の外側には、該電極の表面を覆って導電性プレートが配置されると共に、該導電性プレートの外側の表面を覆ってシート状の吸水材が配置され、該導電性プレートには、前記電極表面へガスを供給するためのガス流路が形成されると共に、吸水材の表面と前記電極の表面とを互いに連通させるための複数の連通孔を開設させているため、流路の水詰まりが防止される。

特許文献３は、アルミニウム金属板からなり、電極又は集電体との接触面及び反応ガス通気溝を有する燃料電池用セパレータにおいて、前記反応ガス通気溝の表面に多孔度５％以下の緻密質アルマイト被膜が形成され、前記緻密質アルマイト被膜上に多孔度１０％以上の多孔質アルマイト被膜を形成しているため、多孔質アルマイト被膜が水を保持し、該水によるアルミニウムの腐食を回避する。
特開平１０−１７２５８６号公報（第３頁及び第４頁、第１図及び第６図）特開２０００−２５１９１０号公報（第４頁及び第５頁、第３図）特許第３４０４３６３号公報（第３頁及び第４頁、第２図〜第４図）

しかしながら、特許文献１に記載の燃料電池では、吸水量に応じて高吸収性ポリマーシートの形状が変化するため、セパレータとの密着性が低く、当該高吸収性ポリマーシートがセパレータから外れやすい。

また、特許文献２に記載の固体高分子電解質型燃料電池では、セパレータ外側の表面を覆ってシート状の吸水材を設ける場合、吸水在中の水が少ないと吸水材シートをガスが透過するため、発電性能が低下してしまう。

また、特許文献３に記載の燃料電池用セパレータでは、多孔質アルマイト被膜がアルミニウム金属板全面に形成されるため、ガス拡散層との接触抵抗が増加する。導電性被膜を設ける方法もあるがセパレータとガス拡散層を直接接触させる場合よりも接触抵抗は増加するとともに、導電性被膜を設けるため製造工程が複雑になる欠点がある。

そこで、本発明は、かかる従来の課題に鑑みてなされたものであり、セパレータとの密着性を高めると共に、高い水除去性能を得ることのできる燃料電池を提供することを目的とする。

本発明は、膜電極接合体と、この膜電極接合体の両側にそれぞれ配置されたガス拡散層と、膜電極接合体に燃料ガスを供給する燃料ガス流路が形成された第１セパレータと、膜電極接合体に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路が形成された第２セパレータとを有し、これら第１及び第２セパレータで前記膜電極接合体及びガス拡散層を挟み込んでなる燃料電池である。

そして、本発明の燃料電池では、第１セパレータ及び第２セパレータのうち、少なくとも第２セパレータに形成された酸化剤ガス流路の流路内面のみ、且つ流路断面全体に水分を吸収する多孔部材を設けたことを特徴としている。

本発明によれば、第１セパレータ及び第２セパレータのうち、少なくとも第２セパレータに形成された酸化剤ガス流路の流路内面のみに水分を吸収する多孔部材を設けたので、多孔部材は流路面と広範囲に接触して高い水除去性能を得ることができる。また、酸化剤ガス流路の流路断面全体に多孔部材を設けたので、多孔部材をセパレータから外れ難くすることができる。

さらに、本発明によれば、多孔部材を流路内面のみに設け、酸化剤ガス流路と接していないセパレータ表面には多孔部材を設けないため、流路間のガスリークを防ぐと共に、ガス拡散層とセパレータの密着性が多孔部材によって阻害されず、接触抵抗を増加させない効果がある。

以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

「第１の実施の形態」
図１は第１の本実施の形態における燃料電池単セルの拡大断面図、図２は多孔部材を設けたときと設けなかったときの電流密度とセル電圧との関係を示す図である。

燃料電池は、単位電池としての燃料電池単セル１を複数積層し、それら積層体の両端に各燃料電池単セル１で発電した電流を取り出す集電板や、燃料電池単セル１との絶縁を取るための絶縁板、及びエンドプレートなどが取り付けられ、タイロッドで締結されることにより構成される。

燃料電池単セル１は、図１に示すように、例えば固体高分子電解質膜を挟んでその両側に燃料極と酸化剤極をそれぞれ配置してなる膜電極接合体（MEA:membrane electrode assembly ）２と、この膜電極接合体２の両側にそれぞれ配置したガス拡散層３と、膜電極接合体２の燃料極に燃料ガス（例えば水素）を供給する燃料ガス流路４が形成された第１セパレータ５と、膜電極接合体２の酸化剤極に酸化剤ガス（例えば酸素）を供給する酸化剤ガス流路６が形成された第２セパレータ７とを有し、これら第１及び第２セパレータ５、７で膜電極接合体２及びガス拡散層３を挟み込むことにより形成されている。

そして、この燃料電池単セル１では、燃料ガス流路４を通って膜電極接合体２の燃料極に供給された燃料ガスと、酸化剤ガス流路６を通って膜電極接合体２の酸化剤極に供給された酸化剤ガスとが固体高分子電解質膜を挟んで反応することによって発電すると共に水を生成する。各燃料電池単セル１で発電した電流は、燃料電池の両端に設けられた集電板へと集められた後、燃料電池の外部へと取り出される。

第１セパレータ５と第２セパレータ７は、何れも燃料ガス及び酸化剤ガスを透過させない材料、例えばカーボン繊維からなるいわゆるカーボンソリッドバイポーラプレートからなる。第１セパレータ５には、膜電極接合体２と接する面に、燃料ガスを燃料極に供給するための燃料ガス流路４が形成されている。燃料ガス流路４は、例えばガス導入口からガス出口側に向かって蛇腹形状となるように断面略コ字状をなす連通溝として形成されている。一方、第２セパレータ７には、同様に膜電極接合体２と接する面に、酸化剤ガスを酸化剤極に供給するための酸化剤ガス流路６が形成されている。酸化剤ガス流路６も同様に、例えばガス導入口からガス出口側に向かって蛇腹形状となるように断面略コ字状をなす連通溝として形成されている。

また、本実施の形態では、第２セパレータ７に形成された酸化剤ガス流路６の流路内面にのみ水分を吸収する多孔部材８が設けられている。言い換えれば、多孔部材８は、拡散層３との接触面及びその接触面と反対側の面などには設けられておらず、流路内面のみに設けられている。そしてさらに、多孔部材８は、酸化剤ガス流路６の流路断面全体、すなわち溝底面６ａ及び溝両側面６ｂにそれぞれ所定厚として形成されている。また、この多孔部材８は、例えば、含水率や温度によっては形状変化をせず、常に酸化剤ガス流路６の流路断面積を確保するため、本来必要とする酸化剤ガス流路６の流路断面積を狭めないようになっている。さらに、この多孔部材８は、ガス導入口からガス出口側に亘る酸化剤ガス流路６の全ての流路に形成されている。

かかる多孔部材８は、例えば粒径が１００ｎｍ以下の微小炭素（カーボン）粒子を酸化剤ガス流路６の溝底面６ａ及び溝両側面６ｂに積層させることによって、空孔率１５％程度の多孔構造とされる。本実施の形態では、例えば、多孔部材８の厚みを０．８ｎｍとした。この他、カーボン粒子に親水性処理を施してなる親水性カーボン粒子を酸化剤ガス流路６の溝内に積層させるようにしてもよい。親水性処理としては、例えばＯＨ基をもつ親水性ポリマーによってカーボン粒子をコーティングする方法やカーボン粒子の表面にセラミック結晶を結合させる方法が採用できる。親水性カーボン粒子を使用した場合は、多孔部材８の空孔率が３０％で厚みが０．５ｍｍ程度となる。

なお、多孔部材８は、予め酸化剤ガス流路６の流路形状と同一形状に成型したものを、当該酸化剤ガス流路６に配置することもできる。そうすることで、カーボン粉末を流路内面に積層する工程を無くすことができる。

このように、酸化剤ガス流路６の流路内面に多孔部材８を設ければ、特に低温環境下で燃料電池の発電を開始する場合、燃料電池に供給される空気温度が低く、また燃料電池の温度も低いことによる空気の飽和水蒸気圧が低い状態において、前記多孔部材８が酸化剤ガス流路６中に存在する水を保持し、当該酸化剤ガス流路６が閉塞されるのを防ぐ。なお、温度が低い場合は、飽和水蒸気圧が低くなるため、ガスが保持できる水の量が少なくなり、その結果、ガスが保持できない水が液水としてセル内部に残り、これらがガス拡散阻害を引き起こす。しかし、本実施の形態では、酸化剤ガス流路６の流路断面全体に多孔部材８を設けているので、当該多孔部材８が酸化剤ガス流路６と広範囲に接触することから高い水分除去性能を発揮する。

一方、発電時間の経過に伴い燃料電池の温度が上昇すると、反応ガスの飽和水蒸気圧が増加するため、多孔構造によらず空気によって酸化剤ガス流路６中の水が除去される。なお、発電停止中の凝縮水や発電開始時の生成水の多孔部材８への吸収量を大きくするためには、発電を停止するときに燃料電池に乾燥ガスを流して多孔部材８中の水を除去しておくことが望ましい。

また、本実施の形態の燃料電池では、酸化剤ガス流路６と接しない第２セパレータ７の表面（例えば、拡散層３と接触する面）には、多孔部材８を設けていないため、流路間のガスリークを防ぐと共に、ガス拡散層３と第２セパレータ７との密着性が多孔部材８によって阻害されないために接触抵抗を増加させない効果がある。

また、本実施の形態の燃料電池では、図２に示すように、酸化剤ガス流路６に多孔部材８を設けない燃料電池（破線で示す）に比べて、高電流密度領域において高い電圧を示しており、図１に示す燃料電池（実線で示す）がフラッディング（電気化学反応による生成水や、外部からの加湿水によって、ガス流路やＧＤＬ、触媒層などのガス拡散経路が閉塞し、反応ガスの拡散が阻害される現象をフラッディングと呼ぶ）を解消して良好なガス拡散状態を維持する。

また、本実施の形態の燃料電池では、酸化剤ガス流路６の流路断面全体に多孔部材８を設けているので、第２セパレータ７から多孔部材８が外れ難くなる。

また、本実施の形態では、多孔部材８が温度、含水率によって形状が変化しないように構成されているため、流路断面積がセル内の状態によらず一定に保たれる。したがって、酸化剤ガス流路６内の圧力損失が変動せず、スタックへのガス供給機構を簡素化することができる。さらに、多孔部材８の形状が変化することによる、第２セパレータ７との密着性低下を避けることができる。

また、本実施の形態の燃料電池では、多孔部材８の有無、或いは厚さによらずガス流路断面積は一定になるように構成されているため、ガス流路の圧力損失を大きくしないようにすることができる。

また、本実施の形態の燃料電池では、多孔部材８が親水性を有するため、多孔部材８がが水を保持しやすくなり、酸化剤ガス流路６内の水除去性能を高めることができる。その結果、発電性能の劣化を抑制できる。

「第２の実施の形態」
図３は第２の実施の形態の燃料電池において使用する第２セパレータに形成された酸化剤ガス流路を示す図である。

第２の実施の形態では、酸化剤ガス流路６の長さ方向の一部、例えばガス出口側の流路内面に、前記第１の実施の形態と同一構成の多孔部材８を設けている。ここでは、酸化剤ガス流路６の流路断面積が変化しないように、ガス出口側の一部に切り欠き９を形成し、その切り欠き９の中に多孔部材８を設けている。多孔部材８を設ける方法としては、前記第１の実施の形態と同一の方法を使用する。

前記酸化剤ガス流路６内における多孔部材８の占める割合としては、酸化剤ガス流路６の出口側から入口側に亘って当該酸化剤ガス流路６の全長さに対して４０％以上を占める範囲とすることが好ましい。表１には、酸化剤ガス流路６に多孔部材８が占める割合に対する燃料電池の発電可能または発電不可能状態を調べた結果を示す。

この結果から判るように、酸化剤ガス流路６に占める多孔部材８の割合を１０％まで低下させると、燃料電池は発電不可能となる。また、４０％まで酸化剤ガス流路６に占める多孔部材８の割合を低下させた場合でも発電への影響がないことが判る。したがって、本実施の形態の場合、酸化剤ガス流路出口から酸化剤ガス流路全長さの４０％以上を占める範囲まで多孔部材８を設けることによって、フラッディングによる発電性能低下を避けることができる。

このように、本実施の形態によれば、多孔部材８が設けられる部分であっても酸化剤ガス流路６の流路断面積が変化しないため、流路断面積がセル内の状態によらず一定に保たれ、空気圧力損失の増加、電極の反応面積低減を避けることができる。したがって、酸化剤ガス流路６内の圧力損失が変動せず、スタックへのガス供給機構を簡素化することができる。さらに、多孔部材８の形状が変化することによる、第２セパレータ７との密着性低下を避けることができる。

また、本実施の形態によれば、多孔部材８を酸化剤ガス流路６の長さ方向の一部に設けるようにしているので、予め生成水量が多い部分や水が凝縮しやすい部分に多孔部材８を設ければ、効率良く水分を除去することができる。

また、本実施の形態によれば、酸化剤ガス流路６の全長に対して多孔部材８を４０％以上を占める範囲で当該酸化剤ガス流路６の出口付近に設けることで、酸化剤ガスが飽和し易い酸化剤ガス流路出口付近における水除去性能を高めることができる。

「第３の実施の形態」
図４は第３の実施の形態の燃料電池において使用する第２セパレータに形成された酸化剤ガス流路を示す要部拡大断面図である。

第３の実施の形態では、先の第２の実施の形態のように酸化剤ガス流路６の出口近傍部に設けた多孔部材８の厚みを、当該酸化剤ガス流路６の長さ方向に対して変化させている。具体的には、多孔部材８を、ガス入口側からガス出口側に向かって次第にその厚みが増すように厚みを可変させている。

本実施の形態では、酸化剤ガス流路６の出口近傍部に傾斜面６ａを形成し、その傾斜面６ａの上にカーボン粒子を積層させることにより、出口側に行くに従って次第にその厚みが厚くなる多孔部材８を形成した。また、この多孔部材８を形成するに当たっては、当該多孔部材８が設けられていない部分と同じ流路断面積が確保されるようにする。

このように、本実施の形態では、多孔部材８の厚みを酸化剤ガス流路６の出口側に向かって厚くなるようにしたので、酸化剤ガスが飽和し易い酸化剤ガス流路付近における水除去性能を高めることができる。

また、本実施の形態では、多孔部材８の厚みを可変しても酸化剤ガス流路６の流路断面積を一定にしているので、当該酸化剤ガス流路６の圧力損失を大きくしないようにすることができる。

また、本実施の形態では、多孔部材８を設けない燃料電池と比べてフラッディングによるガス拡散阻害を小さなものとすることができる。

「その他の実施の形態」
以上、本発明を適用した具体的な実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に制限されることなく種々の変更が可能である。

例えば、上述の実施の形態では、何れも第２セパレータ７に形成した酸化剤ガス流路６の流路内面に多孔部材８を設けたが、第１セパレータ５に形成された燃料ガス流路４の流路内面にも同一構造の多孔部材８を設けるようにしてもよい。

第１の本実施の形態における燃料電池単セルの拡大断面図である。第１の実施の形態において多孔部材を設けたときと設けなかったときの電流密度とセル電圧との関係を示す図である。第２の実施の形態の燃料電池において使用する第２セパレータに形成された酸化剤ガス流路を示す図である。第３の実施の形態の燃料電池において使用する第２セパレータに形成された酸化剤ガス流路を示す要部拡大断面図である。

符号の説明

１…燃料電池単セル
２…膜電極接合体
３…ガス拡散層
４…燃料ガス流路
５…第１セパレータ
６…酸化剤ガス流路
７…第２セパレータ
８…多孔部材

Claims

燃料ガス及び酸化剤ガスの供給により発電する膜電極接合体と、この膜電極接合体の両側にそれぞれ配置されたガス拡散層と、膜電極接合体に燃料ガスを供給する燃料ガス流路が形成された第１セパレータと、膜電極接合体に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路が形成された第２セパレータとを有し、これら第１及び第２セパレータで前記膜電極接合体及びガス拡散層を挟み込んでなる燃料電池において、
前記第１セパレータ及び第２セパレータのうち、少なくとも第２セパレータに形成された酸化剤ガス流路の流路内面のみ、且つ流路断面全体に水分を吸収する多孔部材を設けた
ことを特徴とする燃料電池。
請求項１に記載の燃料電池であって、
前記多孔部材は、温度、含水率によって形状変化しない
ことを特徴とする燃料電池。
請求項１または請求項２に記載の燃料電池であって、
前記多孔部材は、前記酸化剤ガス流路の長さ方向の一部に設けられている
ことを特徴とする燃料電池。
請求項３に記載の燃料電池であって、
前記多孔部材は、前記酸化剤ガス流路の出口側に、該酸化剤ガス流路全長さの４０％以上を占める範囲として設けられている
ことを特徴とする燃料電池。
少なくとも請求項１から請求項４の何れか一つに記載の燃料電池であって、
前記酸化剤ガス流路の長さ方向に対して前記多孔部材の厚さを変化させた
ことを特徴とする燃料電池。
請求項５に記載の燃料電池であって、
前記多孔部材の厚さを、前記酸化剤ガス流路の出口側に向かって次第に厚くした
ことを特徴とする燃料電池。
少なくとも請求項１から請求項６の何れか一つに記載の燃料電池であって、
前記酸化剤ガス流路の長さ方向において、前記多孔部材の有無あるいは厚さによらず当該酸化剤ガス流路の断面積を一定とした
ことを特徴とする燃料電池。
少なくとも請求項１から請求項６の何れか一つに記載の燃料電池であって、
前記多孔部材が親水性を有する
ことを特徴とする燃料電池。
少なくとも請求項１から請求項８の何れか一つに記載の燃料電池であって、
前記多孔部材は、前記酸化剤ガス流路の流路内面に微小炭素粒子を積層して形成した
ことを特徴とする燃料電池。
少なくとも請求項１から請求項８の何れか一つに記載の燃料電池であって、
前記多孔部材は、予め酸化剤ガス流路の流路形状と同一形状に成型して該酸化剤ガス流路に配置してなる
ことを特徴とする燃料電池。