JP2006156042A - 燃料電池のセル構造 - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池のセル構造に関し、特に、電極反応を生じさせる酸化剤ガス及び燃料ガスが流動する流路に特徴をもたせ、カーボン素材の腐食を防止することができる燃料電池のセル構造を提供することを課題とする。
【解決手段】 燃料電池のセル構造(10)において、電界質膜(21)を挟持するカソード電極(22)及びアノード電極(23)に、それぞれ酸化剤ガス及び燃料ガスが供給されると電極反応をおこす接合体(20)と、前記電極反応に伴う電子の移動を媒介する第１セパレータ(32)及び第２セパレータ(42)と、供給される前記酸化剤ガスが流動するカソードガス流路(33)と、このカソードガス流路(33)よりも拡幅して設けられ供給される前記燃料ガスが流動するアノードガス流路(43)と、を備えることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池のセル構造に関し、特に、電極反応を生じさせる酸化剤ガス及び燃料ガスが流動する流路に関する。

燃料電池は、酸素を含有する気体（空気）を酸化剤ガスとして単セルの酸化剤極側（カソード電極側）に供給させ、水素を燃料ガスとして単セルの燃料極側（アノード電極側）に供給させて電極反応により起電力を発生するものである。この燃料電池は、化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換するものであり、高い発電効率を有することや有害物質の排出量が極めて少ないこと等から最近注目されている。そして、燃料電池の単セルを構成する要素部材には、種々の優れた特性を利用するためにカーボン素材が多く使用されている。

従来において、燃料電池の発電特性や耐久特性の向上を目的として、単セルに供給される燃料ガス及び酸化剤ガスの流路に特徴を有するセル構造が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
特開平８−２０３５４６号公報

しかし、すでに開示されている燃料電池のセル構造にかかる従来技術において、燃料ガス及び酸化剤ガスの流路構成が特徴的であることにより、燃料電池を構成するカーボン素材が腐食される問題を解決した事例は報告されていない。
このカーボン素材が腐食される問題とは、単セルの燃料極側に供給される燃料ガスが、酸化剤極側に供給される酸化剤ガスに比較して相対的に欠乏することにより、次式に示されるような腐食反応が進行することによる。
Ｃ＋２Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋４Ｈ⁺＋４ｅ^-

そこで、本発明は、このような問題を解決することを課題とし、燃料電池を構成するカーボン素材の腐食を防止することにより耐久性の高い燃料電池のセル構造を提供する。

本発明は、次のような構成を、前記した課題を解決するための手段として備えるものである。
すなわち、請求項１に係る燃料電池のセル構造において、電界質膜を挟持するカソード電極及びアノード電極に、それぞれ酸化剤ガス及び燃料ガスが供給されて起電力を発生する接合体と、供給される前記酸化剤ガスの流動するカソードガス流路が形成される第１セパレータと、供給される前記燃料ガスの流動するアノードガス流路が、前記カソードガス流路より拡幅して形成される第２セパレータと、を備えることを特徴とする。

そのような構成をとることにより、アノードガス流路がアノード電極に対して開口して燃料ガスを供給する領域が、カソードガス流路がカソード電極に対して開口して酸化剤ガスを供給する領域よりも広くなる。このため、燃料ガスの接合体に対する供給が不足することがなくなり、アノード電極側（燃料極側）で水素分子からプロトンに変換される電極反応（アノード反応）が全体の電極反応を制限することがなくなる。このため、カソード電極側（酸化剤極側）における電極反応（カソード反応）の需要に応えられるだけのプロトンの供給がアノード反応のみで賄えることとなり、前記したカーボンの腐食反応が進行することがない。

請求項２に係る燃料電池のセル構造においては、さらに前記カソードガス流路は、前記接合体を挟んで対向する前記アノードガス流路の流路幅の範囲内に位置していることを特徴とする。

そのような構成をとることにより、アノード反応で生成したプロトンは、接合体の膜厚方向に向かって拡散すれば、酸化剤ガス（酸素）が供給されるカソードガス流路に最短距離で到達することができる。よって、プロトンの移動行程が短縮化されるので高効率な発電が実現される。また、このようなカソードガス流路及びアノードガス流路の位置関係は、後者の流路が拡幅に形成されていることにより、接合体に固定される第１、第２セパレータの位置精度が厳密でなくとも達成される。

本発明によれば、燃料電池の単セルに対する燃料ガスの供給が酸化性ガスの供給に比較して欠乏する問題を解決することができる。これにより、このような燃料ガスの供給の欠乏に伴う、カーボン素材の腐食を防止することができるとともに、効率の高い発電が実現される。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る燃料電池のセル構造について説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池の単セルの構造を模式的に示す断面図である。図２は、他の実施形態を示す断面図である。
図１に示すように、燃料電池の単セル１０（以下,単に単セル１０という）は、電解質膜２１と、この電解質膜２１の両面に積層されたカソード電極２２及びアノード電極２３（以下、単に「電極２２，２３」という場合がある。）と、これら電極２２，２３の上に積層されたガス拡散層３１，４１と、これらガス拡散層３１，４１の上にさらに積層された第１セパレータ３２及び第２セパレータ４２とを有するセル構造をなしている。そして、このように構成される燃料電池の単セル１０の出力電圧は１Ｖ以下と低いので、このような単セル１０が多数積層してスタックを形成することにより燃料電池が形成される。

なお、以下において、電解質膜２１、カソード電極２２及びアノード電極２３の集合体を接合体２０と呼び、カソード電極２２、ガス拡散層３１及び第１セパレータ３２の集合体を酸化剤極側（カソード電極側）３０と呼び、アノード電極２３、ガス拡散層４１及び第２セパレータ４２の集合体を燃料極側（アノード電極側）４０と呼ぶ。

電解質膜２１は、プロトン（水素イオン：Ｈ⁺）の導伝性を有する固体高分子膜であって、例えばプロトン交換膜であるパーフルオロカーボンスルホン酸膜が一般に使われている。この電解質膜２１は、固体高分子中にプロトン交換基を多数持ち、飽和含水することにより常温で２０Ωｃｍ以下の低い比抵抗を示すものである。
なお、本発明において使用できる電解質膜２１は、燃料電池の単セル１０において使用可能であればこれに限定されるものではない。

カソード電極２２及びアノード電極２３は、電解質膜２１の両面に密着するように支持されている。そして、カソード電極２２及びアノード電極２３は、イオン（プロトン）導電性樹脂に、触媒粒子が分散して構成されている。ここで、触媒粒子とは、白金族金属（一般には白金）等の触媒金属がカーボンの担体に担持されて形成されたものである。

ガス拡散層３１，４１は、後記するカソードガス流路３３及びアノードガス流路４３を流動する酸化剤ガス（酸素分子）及び燃料ガス（水素分子）を、これら流路が開口する界面において吸収し、接合体２０の方向に拡散移動させてカソード電極２２及びアノード電極２３の表面に均一に供給させるものである。またガス拡散層３１，４１は、カソード電極２２及びアノード電極２３と、それぞれに対応する第１セパレータ３２及び第２セパレータ４２との間の電子移動を媒介する役目も果たすので、一般にカーボンペーパー、カーボンクロス、カーボンフェルト等のカーボン系の多孔質の導電性材料から形成されている。

第１セパレータ３２及び第２セパレータ４２は、導電性を有するとともにガス不透過性を有する板であり、緻密カーボングラファイト、炭素板等のカーボン製や、ステンレス等の金属製のものが知られている。この第１、第２セパレータ３２，４２は、単セル１０が多数積層してなるスタックの境界を形成するとともに、後記する電極反応に伴う外部負荷（図示せず）との電子の移動を媒介するものである。なお、第１、第２セパレータ３２，４２には、発電反応に伴う発熱により燃料電池が温度上昇するのを抑制するための循環冷却水の流路（図示せず）が設けられている場合がある。

第１セパレータ３２は、カソード電極２２の側のガス拡散層３１に接して設けられるとともに、その界面に断面凹形状のカソードガス流路３３が刻まれている。このカソードガス流路３３は、酸化剤ガスである酸素を含む気体（空気）が流動するところである。そして、カソードガス流路３３は、第１セパレータ３２とガス拡散層３１との界面において、酸化剤ガスが流動流路幅の値がＷｃを示すものである。

第２セパレータ４２は、アノード電極２３の側のガス拡散層４１に接して設けられるとともに、その界面に断面凹形状のアノードガス流路４３が刻まれている。このアノードガス流路４３は、燃料ガスである水素を含む気体が流動するところである。そして、アノードガス流路４３は、第２セパレータ４２とガス拡散層４１との界面において、燃料ガスが流動する流路幅の値がＷａ（＞Ｗｃ）を示すものである。

このように、アノードガス流路４３は、カソードガス流路３３よりも拡幅して前記第２セパレータ４２に設けられている。なお、図１に示すように、流路幅Ｗａ，Ｗｃに沿った切断面で単セル１０の構造を見ると、カソードガス流路３３の流路幅Ｗｃは、接合体２０を挟んで対向するアノードガス流路４３の流路幅Ｗａの範囲内に位置するように設けられている。このような構造は、アノード電極２３における電極反応で生成したプロトンが、膜厚方向に直進すればカソードガス流路３３の界面へ最短距離で移動することを可能にし、酸素イオンとの結合が効率よく進行する。このことは、燃料電池が高効率で発電される点において好ましい。しかし、本発明の保護される範囲は、図１に示すようにカソードガス流路３３の流路幅Ｗｃが、対向するアノードガス流路４３の流路幅Ｗａの範囲に含まれる形態をとることに限定されるものではない。例えば、図２に示すように、カソードガス流路３３がアノードガス流路４３の流路幅Ｗａの範囲の左右いずれかに偏って設けられていたり、流路幅Ｗａの範囲を外れて設けられていたりする場合も含まれる。

（動作説明）
まずカソードガス流路３３に、酸素を含む酸化剤ガス（通常は空気）が流動すると、酸素が、ガス拡散層３１の内部を拡散してカソード電極２２の界面に到達する。そして、カソード電極２２に含まれる触媒粒子の働きにより、界面に酸素が到達して、酸素イオンが生成する。この生成した酸素イオンは、後記するアノード極側から供給されるプロトンと、外部負荷を通して供給される電子と結合して水を生成し、次式に示されるような電極反応（カソード反応）を生じさせる。
２Ｈ⁺＋１／２・Ｏ₂＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏ （１）

次に、アノードガス流路４３に水素を含む燃料ガスが流動すると、水素が、ガス拡散層４１の内部を拡散してアノード電極２３の界面に到達する。そして、アノード電極２３に含まれる触媒粒子の働きにより、水素分子がプロトンと電子に分離する次式に示される電極反応（アノード反応）が生じる。
Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^- （２）

そして、このアノード反応で発生した電子は、外部負荷（図示せず）を経由して、酸化剤極側３０に供給される。また、アノード反応で発生したプロトンは、電解質膜２１を横断して、カソード電極２２に到達する。そして、これらプロトン及び電子は前記したカソード反応に供されることになる。このようにして、燃料電池の単セル１０では、全体として次式に示される電極反応が進行するとともに起電力が発生する。
Ｈ₂＋１／２・Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ （３）

ところで、アノードガス流路４３の流路幅Ｗａは、カソードガス流路３３の流路幅Ｗｃよりも拡幅に形成されているので、燃料ガス（水素分子）のアノード電極２３への供給能力は、酸化剤ガス（酸素分子）のカソード電極２２への供給能力より勝っているといえる。よって、前記した（１）式に示されたカソード反応で消費されるプロトン（Ｈ⁺）の供給は充分なものである。すなわち、式（３）で示される全体の電極反応において、式（２）で示されるアノード反応が律速となることはなく、従って、プロトンの供給不足に伴う次式で示される異常反応が起きることはない。
Ｃ＋２Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋４Ｈ⁺＋４ｅ^- （４）

このようにして、式（３）に示されるような電極反応が連続しても、アノード電極２３に供給される燃料ガス（水素分子）が欠乏することがないので、燃料電池の単セル１０を構成するカーボン素材が（４）式に従い腐食することがない。なお、式（３）で示される電極反応により生成した水は、未使用の酸化剤ガス（空気）とともに外部に排出される（排出空気は多量の水分を含む）。また、電極反応に伴い発生した起電力により、燃料電池に接続するモータなどの外部負荷を駆動させる。

以上の説明において、燃料ガスは水素を例示して説明したが、これに限定されることなく、電極反応により酸化して電子を外部に放出しうるものであれば適宜用いることができる。同様に、酸化剤ガスは空気を例示して説明したが、これに限定されることなく、電極反応により還元して電子を外部から取得しうるものであれば適宜用いることができる。
そして、実施形態で説明した燃料電池のセル構造においては、ガス拡散層３１，４１が第１，第２セパレータ３２，４２と接合体２０との間に介在する構成を有しているが、これらガス拡散層３１，４１が無い構成であっても本発明の効果は発揮され得る。
また、本発明の燃料電池のセル構造は、電気自動車用の駆動電源に好適に用いられるほか、各種電気駆動製品に用いることができる。

本発明の実施形態に係る燃料電池のセル構造を模式的に示す断面図である。 本発明の他の実施形態に係る燃料電池のセル構造を模式的に示す断面図である。

符号の説明

２０ 接合体
２１ 電解質膜
２２ カソード電極
２３ アノード電極
３０ 酸化剤極側（カソード電極側）
３１、４１ ガス拡散層
３２ 第１セパレータ
３３ カソードガス流路
４０ 燃料極側（アノード電極側）
４２ 第２セパレータ
４３ アノードガス流路
Ｗａ，Ｗｃ 流路幅

Claims (2)

1. 電界質膜を挟持するカソード電極及びアノード電極に、それぞれ酸化剤ガス及び燃料ガスが供給されて起電力を発生する接合体と、
   供給される前記酸化剤ガスの流動するカソードガス流路が形成される第１セパレータと、
   供給される前記燃料ガスの流動するアノードガス流路が、前記カソードガス流路より拡幅して形成される第２セパレータと、を備えることを特徴とする燃料電池のセル構造。
2. 前記カソードガス流路は、前記接合体を挟んで対向する前記アノードガス流路の流路幅の範囲内に位置していることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池のセル構造。

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