JP2006147429A

JP2006147429A - 燃料電池

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Publication number: JP2006147429A
Application number: JP2004337941A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Takahashi; 真一高橋; Naoya Matsuoka; 直哉松岡
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2004-11-22
Filing date: 2004-11-22
Publication date: 2006-06-08
Anticipated expiration: 2024-11-22
Also published as: JP4784075B2

Abstract

【課題】ガス拡散性を維持できる保水層を備えた燃料電池を提供する。
【解決手段】適切な湿潤状態でプロトン伝導性を示す電解質膜１０を備える燃料電池１において、発電開始から、少なくとも単位時間あたりに導入される水量と生成される水量の和で示される増加量Ｑ₊から、外部に排出される水量で示される減少量Ｑ_-を差し引くことにより規定される残留水量ΔＱがゼロ以下となるまでの間、電池電圧が下限電圧を下回らないように水を保持できる保水層１１を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は燃料電池に関する。特に、電解質膜を備えた燃料電池において、湿潤状態を適切に維持するための保水機構を有する燃料電池に関する。

従来の燃料電池として、固体高分子膜と、前記固体高分子膜を挟んで設けられた一対の電極触媒層と、電極触媒層の上に設けられた一対のガス拡散層とから構成された固体高分子型燃料電池用の電極構造体を有するものが知られている。電極触媒層は、水の排出性を高めるための造孔材を含んで構成され、かつ、電極触媒層とガス拡散層との間に、水の保持性を高める保水層を備えている。これにより、燃料電池にフラッディングが生じることによりガス拡散が阻害されるのを抑制し、燃料不足に起因するカーボン腐食を抑制している（例えば、特許文献１、参照。）。
特開２００４−１５８３８７号公報

しかしながら、保水層の容量が大き過ぎると、反応ガスの拡散が阻害されるという問題があった。一方、保水層の容量が十分でないと、発電に伴って生成された水が保水層に留まらずガス拡散層まで達してしまうという問題があった。燃料電池内の飽和水蒸気圧が低い起動時には、ガス拡散層に達した水は燃料電池外部に排出されにくいため、ガス拡散が阻害される可能性がある。特に、雰囲気温度が氷点下の場合には、ガス拡散層内で水が凍結して、ガス拡散阻害に加えて燃料電池内部の細部構造の破壊が生じる可能性があるといった問題があった。

そこで、本発明は、上記問題を鑑みて、起動時の保水層の水保持性を向上した燃料電池を提供することを目的とする。

本発明は、適切な湿潤状態でプロトン伝導性を示す電解質膜を備える燃料電池において、発電開始から、少なくとも単位時間あたりに導入される水量と生成される水量の和で示される増加量から、排出される水量で示される減少量を差し引くことにより規定される残留水量がゼロ以下となるまでの間、電池電圧が下限電圧を下回らないように水を保持できる保水機構を備える。

このような保水機構を燃料電池に備えることで、発電開始直後のように、定常時に比較して排水性が十分ではない状態において、単位時間あたりの残留水量がゼロ以下となるまでの間、電池電圧が下限圧を下回らないように保水機構中に水が保持されるので、燃料電池のガス拡散性を維持することができる。

以下、図面を用いて本願発明の実施形態を説明する。先ず、第１の実施形態に用いる燃料電池１の構成を、図１を用いて説明する。

燃料電池１は、プロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜（以下、電解質膜）１０を備える。電解質膜１０として、湿潤状態で高いプロトン伝導性を示すパーフルオロスルホン酸膜を使用する。

また、燃料電池１の内部に水を保持する残留水保持機構を備える。ここでは、残留水保持機構として、電解質膜１０の両面に保水層１１を備える。

電解質膜１０との接続性を考慮して、保水層１１をパーフルオロスルホン酸ポリマーを用いて構成する。また、保水層１１の外側には、白金等の触媒を含有する電極触媒層１２を備え、さらにその外側には、電極触媒層１２の外側にガスを拡散する多孔構造を有するガス拡散層１３を備える。

また、ガス拡散層１３の外側には、ガス拡散層１３に対峙する表面にアノードガス流路１６を有するアノードセパレータ１４と、カソードガス流路１７を有するカソードセパレータ１５と、を備える。ここでは、各ガス流路１６、１７を、ガス供給口からガス排出口にかけて流路がほぼ直線状となる、一般にストレート流路と呼ばれる形状に構成する。ガス流路１６、１７をストレート流路とすると、ガスの流れによって、水の一部が液相のまま燃料電池１の外部に排出される。セパレータ１４、１５のガス拡散層１３に対峙する表面に撥水処理を施し、ガス流路１６、１７の撥水性を向上させることにより液水の滞留を抑制する。なお、ここでは、アノードガスとして水素を、カソードガスとして酸素を含有する空気を用いる。

次に、燃料電池１を構成する構成部材の容量の設定方法について説明する。なお、保水層１１の容量（体積）と保水可能な水量（保水能力）とは略比例する。

保水層１１の容量が大きいと、燃料電池１の運転時に、保持された水によりガスの拡散が阻害される可能性がある。一方、保水層１１の容量が小さいと、反応ガスの飽和水蒸気圧が低く、排水性の悪い起動時などに、生成水の一部が保水層１１から溢れ出てガス拡散層１３にまで達し、ガスの拡散を阻害する可能性がある。特に、氷点下からの起動時には、ガス拡散層１３に溢れ出た水が凍結して破損に繋がる可能性もある。そのため、保水層１１は、運転時のガス拡散性を維持できる程度に小さく、かつ、起動時にガス拡散層１３へ水が溢れない程度に大きく構成されることが望まれる。

そこで、排水性の悪い起動時に、ガス拡散性が低下することにより電圧低下が引き起こされ、燃料電池１が劣化するのを防ぐことができるように、保水層１１の容量を設定する。なお、ここでは、通常運転時のガス拡散性については記載しないが、起動時のガス拡散性を維持できる範囲で、出来るだけ小さく保水層１１の容量を設定することで、運転時のガス拡散性も維持することができる。

起動時の保水能力を維持するために、保水層１１の容量を、少なくとも単位時間あたりの燃料電池１内への残留水量ΔＱがゼロ以下となるまでの間、ガス拡散性を維持できるように設定する。

なお、上記「単位時間あたりの燃料電池１内への残留水量ΔＱがゼロ以下となるまでの間」は、単位時間あたりに燃料電池１に導入される水量と燃料電池１内で生成された水量との和で示される増加量Ｑ₊から、外部に排出される水量で示される減少量Ｑ_-を差し引いた残留水量ΔＱ（＝Ｑ₊―Ｑ_-）がゼロ以下となるまでの間とする。ここでは、ガス流路１６、１７をストレート形状としているため、減少量Ｑ_-を、単位時間あたりに燃料電池から排出される反応ガスに含まれる水蒸気量と、燃料電池１の外部に排出される液相の水量との和で示す。

また、上記「ガス拡散性を維持できる」とは、燃料電池１が予め設定した下限電圧を下回るのを回避できる範囲でガス拡散性が維持されることを示す。ここでは、転極を防ぐために下限電圧として０Ｖより高い値を設定し、これを下回るのを回避できるような保水層１１の水回収性を得られるように、保水層１１の容量を設定する。

このような保水層１１の容量を設定する際には、例えば、単位時間当たりの燃料電池１内の水量変化を示す残留水量ΔＱがゼロまたはゼロ以下となる燃料電池１の内部温度Ｔ₀に達するまでの時間、燃料電池１に滞留する水を含有できるように保水層１１の容量を設定する。なお、発電開始時の燃料電池１の内部温度Ｔによって、所定の内部温度Ｔ₀に達するまでに導入される水量、生成される水量が異なるが、発電開始時の温度を発電開始可能な下限温度とした水量に応じて保水層１１の容量を設定することで、ガス拡散性をより確実に維持することができる。

ここでは、特に、燃料電池１のガス流路１６、１７をストレート形状としているため、液相の水が排出されるか否かにより排水性が大きく異なってくる。そこで、内部温度が氷点下で発電を開始する燃料電池１に対して、所定の内部温度Ｔ₀を０℃に設定する。燃料電池１の内部温度Ｔが０℃より低い場合には、燃料電池１内で水の再凍結が生じて液相の水は排出されにくい。これに対して、燃料電池１の内部温度Ｔが０℃以上となると再凍結を避けることができるので、燃料電池１から液相の水が排出されて、燃料電池の排水性が飛躍的に向上する。

なお、燃料電池１内の再凍結を避けるため、ここでは０℃より低い温度での起動運転時には、燃料電池１への水の導入を避ける。そのため、増加量Ｑ₊は、単位時間あたりに燃料電池１で生成される水量となる。

次に、ストレート形状のガス流路１６、１７を有し、かつ、０℃より低い温度で発電を開始する燃料電池１の保水層１１の容量を、図２を用いて設定する。図２には、発電開始からの時間と、燃料電池１内に滞留する水量、つまり保水層１１に要求される容量との関係を実線で示し、燃料電池１を０℃まで暖機するのに必要な時間を点線で示す。

燃料電池１の内部温度が０℃となる時間は、電解質膜１０、電極触媒層１２、ガス拡散層１３、セパレータ１４、１５の熱容量により異なる。図２に示すように、各構成部材の組み合わせにより異なる構成Ａ、Ｂ、Ｃに対して、発電開始から所定温度Ｔ₀、ここでは０℃に達するまでの時間ｔ_A、ｔ_B、ｔ_Cが異なる。構成Ａは熱容量が最も大きく、構成Ｃは熱容量が最も小さくなるように構成されている。ここでは、燃料電池１を構成Ｃとし、図２の実線と点線が交差するときの保水層１１の容量Ｖｃを選択する。これにより、燃料電池１の内部温度が０℃に達するまでの時間に生成される水を保持できるように保水層１１の容量が設定される。

つまり、燃料電池１が所定温度Ｔ₀に達するまでに、保水層１１に保持される水量が限界となるのを避けるように保水層１１の容量が設定される。言い換えれば、燃料電池１を構成する構成部材である電解質膜１０、電極触媒層１２、ガス拡散層１３、セパレータ１４、１５を、所定温度Ｔ₀まで上昇させるのに必要な熱量が、保水層１１に保持される水量が限界に達するまでに燃料電池１で発生される熱量より小さくなるように、電解質膜１０、電極触媒層１２、ガス拡散層１３、セパレータ１４、１５の熱容量が設定される。

次に、このように保水層１１の容量、および電解質膜１０、電極触媒層１２、ガス拡散層１３、セパレータ１４、１５の熱容量を設定した燃料電池１を、−２０℃で発電開始した場合の電圧値を図３に示す。

保水層１１を有さず、他の構成を本実施形態と同様とした燃料電池においては、−20℃から発電を開始した場合、発電開始後セル電圧が０Ｖまで低下して発電を継続することができない場合がある。これに比較して、本実施形態では、図３に示すように発電開始後暫くすると電圧が安定し、その後定常の発電を行うことができる。

なお、所定温度Ｔ₀を０℃としたがこの限りではない。例えば、０℃より低い温度から発電を開始する燃料電池１において、単位時間あたりの残留水量ΔＱがゼロとなる所定の内部温度Ｔ₀が０℃以上である場合にも同様に設定することができる。この場合には、保水層１１の容量は、発電開始から所定温度Ｔ₀に達するまでに燃料電池１に導入される水量と生成される水量の和から、０℃から所定温度Ｔ₀に達するまでに燃料電池１から排出される水量を差し引いた水量を保持するのに必要な容量とする。

また、発電開始時の燃料電池１の内部温度を０℃以上とした場合には、発電開始から所定温度Ｔ₀に達するまでに燃料電池１内に導入された水量と生成された水量の和から、発電開始から所定温度Ｔ₀に達するまでに排出された水量を差し引いた量を保持できるように、保水層１１の容量を設定すればよい。

さらに、ガス流路１６、１７はストレート形状に限定するわけではなく、燃料電池１内部で液相の水が移動しやすい反応ガス流速が得られる構造であればよい。

次に、本実施形態の効果について説明する。

適切な湿潤状態でプロトン伝導性を示す電解質膜１０を備える燃料電池１において、発電開始から、少なくとも単位時間あたりに導入される水量と生成される水量の和で示される増加量Ｑ₊から、外部に排出される水量で示される減少量Ｑ_-を差し引くことにより規定される残留水量ΔＱがゼロ以下となるまでの間、電池電圧が下限電圧を下回らないように水を保持できる保水層１１を備える。これにより、発電開始直後の排水性が悪化した状態で燃料電池１内に滞留する水が回収される保水層１１を有し、ガス拡散層１３に水が溢れてガス拡散阻害が生じるのを抑制できる燃料電池１を提供することができる。

減少量Ｑ_-を、単位時間あたりに燃料電池１から排出される反応ガスの飽和水蒸気量と、単位時間あたりに外部に排出される液相の水量の和とする。このように水蒸気だけでなく、液相の水量を考慮することで、ストレート形状などの液相の排水が見込まれる流路１６、１７を有する燃料電池１に対して、適切に保水層１１の容量の設定を行うことができる。

保水層１１は、発電開始から、増加量Ｑ₊と減少量Ｑ_-が等しくなる燃料電池１の内部温度Ｔ₀に達するまでの間に、電池内部に滞留する水を保持できる容量を有する。これにより、燃料電池１のガス拡散性を維持できるので、発電開始時の燃料電池１の電圧低下を抑制することができる。

複数の構成部材（１０、１２〜１５）を積層して構成される燃料電池１であって、増加量Ｑ₊と減少量Ｑ_-が等しくなる燃料電池１の内部温度Ｔ₀に達するのに要する熱量が、保水層１１の保水量が限界に達するまでに発生する熱量より小さくなるように、構成部材（１０、１２〜１５）の熱容量を設定する。ここでは、構成部材を、電解質膜１０、電極触媒層１２、ガス拡散層１３、セパレータ１４とする。これにより、保水層１１の保水能力が限界となった時点で、既に燃料電池１の内部温度は、単位時間あたりに導入される水量と生成される水量の和と、外部に排出される水蒸気量と液相の水の量の和と、が等しくなる温度に達しているので、十分な排水性を得ることができ、ガス拡散性を維持することができる。

内部温度が０℃より低い状態から発電を開始する燃料電池１であって、保水層１１は、少なくとも発電開始から０℃以上となるまでの間に導入される水量と生成される水量の合計を保持できる容量を有する。これにより、内部温度Ｔが０℃より低い燃料電池１における水の再凍結による反応ガスの拡散阻害を起こすことなく、発電を継続することができる。

次に、第２の実施形態について説明する。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。

ここでは、アノードガス流路１６、カソードガス流路１７を、ガス供給口からガス排出口にかけて屈曲部分を有する、一般的にサーペンタイン流路と呼ばれる形状とする。サーペンタイン形状においては、水は主に水蒸気としてガスの流れによって燃料電池１外部に排出される。そこで、本実施形態では、燃料電池１内の水の減少量Ｑ_-を、単位時間あたりに燃料電池１から排出される反応ガスの飽和水蒸気量により示す。なお、ガス流路１６、１７の形状はサーペンタイン形状に限定するのではなく、燃料電池１から水蒸気として排水されるものであればよい。

次に、保水層１１の容量と、電解質膜１０、電極触媒層１２、ガス拡散層１３、セパレータ１４、１５の熱容量を決める上でのベースとなるデータを図４に示す。

図４には、発電開始からの時間と、保水層１１に要求される容量との関係を実線で示す。また、各種構成Ｄ〜Ｆに対して、燃料電池１内の残留水量ΔＱがゼロとなる時間を点線で示す。なお、上記「燃料電池１内の残留水量ΔＱがゼロとなる時間」を、一定の取り出し電流において発電開始から単位時間あたりに燃料電池１に流入する水量と生成される水量の合計に等しい水量に等しい水蒸気量が、排出される反応ガスに含まれることが可能な温度まで燃料電池１の温度が達するのに必要な時間とする。

ここでは、熱容量の最も小さい構成Ｆを選択し、また、実線と構成Ｆの点線が交差するときの保水層１１の容量Ｖ_Fを選択する。これにより、発電開始から、燃料電池１の温度が一定の取り出し電流において発電開始から増加量Ｑ₊に等しい飽和水蒸気量を得ることが可能な温度に到達するまでの時間に、燃料電池１内に滞留する水を保持できるように、保水層１１の容量を設定することができる。言い換えれば、一定の取り出し電流において発電開始から増加量Ｑ₊に等しい飽和水蒸気量を得ることが可能な温度まで上昇させるのに必要な熱量が、保水層１１の保持水量が限界となるまでに生成される熱量以下となるように、電解質膜１０、触媒電極層１２、ガス拡散層１３、セパレータ１４、１５の熱容量を設定する。

次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第１の実施形態と異なる効果のみを説明する。

減少量Ｑ_-を、単位時間あたりに燃料電池１から排出される反応ガスの飽和水蒸気量とする。これにより、水蒸気の状態で排水される燃料電池１に対して、適切に保水層１１の容量を設定することができる。

なお、保水層１１は、ガス拡散を阻害しない限り、燃料電池１内の設置場所には制約はない。但し、電解質膜１０及び触媒電極層１２の内部、あるいは、その二つの部材の間に保水層１１を設ける場合には、水素イオン伝導性を低下しない構成とする。

このように、本発明は、上記発明を実施するための最良の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術思想の範囲内で、様々な変更を為し得ることはいうまでもない。

本発明は、燃料電池に適用することができる。例えば、自動車等の移動体に搭載する燃料電池に適用することができる。

第１の実施形態に用いる燃料電池の概略断面図である。第１の実施形態に用いる残留水保持機構の容量設定に用いるデータを示す図である。第１の実施形態による燃料電池を用いて起動した場合の電圧変化を示す図である。第２の実施形態に用いる残留水保持機構の容量設定に用いるデータを示す図である。

符号の説明

１燃料電池
１０電解質膜
１１保水層
１２電極触媒層
１３ガス拡散層
１４アノードセパレータ
１５カソードセパレータ
１６アノードガス流路
１７カソードガス流路

Claims

湿潤状態で適切なプロトン伝導性を示す電解質膜を備える燃料電池において、
発電開始から、少なくとも単位時間あたりに導入される水量と生成される水量の和で示される増加量から、排出される水量で示される減少量を差し引くことにより規定される残留水量がゼロ以下となるまでの間、電池電圧が下限電圧を下回らないように水を保持できる保水機構を備えることを特徴とする燃料電池。
前記減少量は、単位時間あたりに燃料電池から排出される反応ガスの飽和水蒸気量と、単位時間あたりに外部に排出される液相の水量の和である請求項１に記載の燃料電池。
前記減少量は、単位時間あたりに燃料電池から排出される反応ガスの飽和水蒸気量である請求項１に記載の燃料電池。
前記保水機構は、発電開始から、前記増加量と前記減少量が等しくなる燃料電池内部温度に達するまでの間に、電池内部に滞留する水を保持できる容量を有する請求項２または３に記載の燃料電池。
複数の構成部材を積層して構成される燃料電池であって、
前記増加量と前記減少量が等しくなる燃料電池内部温度に達するのに要する熱量が、前記保水機構の保水量が限界に達するまでに発生する熱量より小さくなるように、前記構成部材の熱容量を設定する請求項４に記載の燃料電池。
燃料電池内部温度が０℃より低い状態から発電を開始する燃料電池であって、
前記保水機構は、発電開始から内部温度が０℃以上となるまでの間に、導入される水量と生成される水量の合計を保持できる容量を有する請求項２に記載の燃料電池。