JP2007026857A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】 より多くの生成水の保持を可能とする燃料電池を提供する。
【解決手段】 第１膜−電極接合体１１ａと、前記第１膜−電極接合体より多くの生成水を保持する第２膜−電極接合体１１ｂと、一面に燃料ガス流路６を、対面に酸化剤ガス流路７を備えた第１セパレータ１２と、一面に前記燃料ガス流路６を、対面に冷却水流路８を備えた第２セパレータ１３と、一面に前記酸化剤ガス流路７を、対面に冷却水流路８を備えた第３セパレータ１４とを備え、前記第１膜−電極接合体１１ａと前記第１セパレータ１２とが交互に積層され、前記第２、第３セパレータは、互いの冷却水流路８が対面するように構成され、前記第１セパレータと前記第２セパレータとの間、及び第１セパレータ１２と前記第３セパレータ１４との間にそれぞれ前記第２膜−電極接合体１１ｂを設けたことを特徴とする燃料電池である。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池に関する。

燃料電池システムは、燃料が有する化学エネルギを直接電気エネルギに変換する装置であり、電解質膜を挟んで設けられた一対の電極のうちアノードに水素を含有する燃料ガスを供給するとともに、他方のカソードに酸素を含有する酸化剤ガスを供給し、これら一対の電極の電解質膜側の反応面で生じる下記の電気化学反応を利用して電極から電気エネルギを取り出すものである（たとえば特許文献１参照）。

アノード反応：Ｈ₂ → ２Ｈ⁺ ＋ ２ｅ^- （１）
カソード反応：２Ｈ⁺ ＋ ２ｅ^- ＋ （１／２）Ｏ₂ → Ｈ₂Ｏ （２）
アノードに供給する燃料ガスは、水素貯蔵装置から直接供給する方法、水素を含有する燃料を改質して改質した水素含有ガスを供給する方法が知られている。水素貯蔵装置としては、高圧ガスタンク、液化水素タンク、水素吸蔵合金タンク等がある。水素を含有する燃料としては、天然ガス、メタノール、ガソリン等が考えられる。カソードに供給する酸化剤ガスとしては、一般的に空気が利用されている。

ところで、例えば燃料電池を自動車の動力源として使用する場合や、寒冷地での定置用電源として使用する場合には、燃料電池が氷点下の雰囲気に晒されることがあり、そのような状況下でも燃料電池が起動でき、通常通りに発電できることが望まれている。

しかしながら、氷点下状態では、燃料電池の発電に伴う生成水が凍結して、反応ガスの拡散を阻害することにより、発電ができなくなるという問題が生じる。したがって、燃料電池を氷点下状態から起動させるためには、通常温度運転時のように生成水が排出できなくても、ある一定時間、例えば凍結した生成水が解氷するまでの時間、発電が継続できる必要がある。そこで、生成水をより多く保持することができるＭＥＡを採用することによって、生成水が排出できなくてもより長い時間発電が継続できるので、氷点下からの起動が可能となる。

従来、生成水をより多く保持することができるＭＥＡの構造としては、下記に挙げるような技術がある。
・電極触媒層とガス拡散層との間に水の保水性を高める保水層を設ける（特許文献２、３）
・セパレータと触媒層との間に水分を吸着する吸水部材を配置する（特許文献４）
また、燃料電池を氷点下から起動させるためには、上記のＭＥＡが生成水を保持することができている間に、発電による反応熱によって、燃料電池、特にセパレータを０℃以上に昇温する必要がある。そこで、燃料電池スタックの熱容量を低減することにより上記ＭＥＡの生成水保持容量の要求値を緩和することができる。

スタックの熱容量を低減する方法としては、冷却水流路を１セルおきに設け、スタック中の冷却水量を半減させるという提案がある（特許文献５）。
特開平８−１０６９１４号公報 特開２００４−１５８３８８号公報 特開２００４−１５８３８７号公報 特開２００４−１０３２７７号公報 特開２００５−０８５５７８号公報

しかしながら、生成水をより多く保持することができるＭＥＡは、上述のように特殊な構造を有しているため、通常温度の運転時での発電効率が低下する可能性がある。また、複雑な構造のため、製造コストが高くなるという問題点がある。

このような問題点を鑑み、本発明では、製造コストが高い、生成水をより多く保持することができるＭＥＡの使用を最小限に抑えて、コストアップと通常運転時での性能低下を最小限に抑えるようにした燃料電池を提案するものである。

本発明は、第１膜−電極接合体と、前記第１膜−電極接合体より多くの生成水を保持する第２膜−電極接合体と、一面に前記アノードに燃料ガスを供給する燃料ガス流路を、対面に前記カソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路を備えた第１セパレータと、一面に前記燃料ガス流路を、対面に冷却水が流通する冷却水流路を備えた第２セパレータと、一面に前記酸化剤ガス流路を、対面に冷却水が流通する冷却水流路を備えた第３セパレータとを備え、前記第１膜−電極接合体と前記第１セパレータとが交互に積層され、前記第２、第３セパレータは、互いの冷却水流路が対面するように構成され、所定の間隔で前記第１膜−電極接合体に代えて、前記冷却水流路を形成する前記第２、第３セパレータが配置されるとともに、前記第１セパレータと前記第２セパレータとの間、及び第１セパレータと前記第３セパレータとの間にそれぞれ前記第２膜−電極接合体を設けたことを特徴とする燃料電池である。

本発明では、生成水を保持する容量が大きい第２膜−電極接合体を所定の間隔で設置するため、カソード電極で化学反応により生成された生成水を第２膜−電極接合体で保持することができ、生成水を排出しなくても燃料電池スタック１の発電を長い時間継続することができる。また、第２膜−電極接合体を所定間隔で設置するため、第２膜−電極接合体の設置数を低減し、コストアップを抑制することができる。さらに、第２膜−電極接合体を所定間隔で設置するため通常運転時の発電性能の低下を抑制することができる。

図１は、燃料電池スタック１を構成するセル積層体１０ａの正面断面図である。

燃料電池スタック１は、起電力を生じる単位電池としての単セル１０を所定数だけ積層したセル積層体１０ａからなる積層電池である。単セル１０は、それぞれが固体高分子型燃料電池として形成されており、各単セル１０が１Ｖ程度の起電圧を生じる。

燃料電池スタック１は、セル積層体１０ａの両端に集電板２を設置し、絶縁板３を介してエンドプレート４が配置される。さらにスタック１は、セル積層体１０ａを積層方向に締め付けるテンションロッド５を備える。

集電板２は、緻密質カーボンや銅板などガス不透過な導電性部材によって形成され、直列に接続された単セル１０からなるセル積層体１０ａで発電された起電力は、集電板２の端子２ａに接続された図示しない負荷に供給される。

絶縁板３は、ゴムや樹脂等の絶縁性部材によって形成され、集電板２とエンドプレート４間の絶縁を確保する。

エンドプレート４は、剛性を備えた材料、例えば鋼等の金属材料によって形成されている。

これら集電板２、絶縁板３及びエンドプレート４には、後述する単セル１０の燃料ガス流路６、酸化剤ガス流路７及び冷却水流路８に連通する貫通孔が形成される。

テンションロッド５は、各単セル１０に所定圧が作用するようにセル積層体１０ａをセル積層方向に締め付ける。テンションロッド５は、ボルト状に形成され、セル積層体１０ａの角部に貫通した貫通孔を挿通し、テンションロッド５の端部に形成したネジ部にナットが螺合することでセル積層体１０ａを積層方向に締め付ける。テンションロッド５は剛性を備えた材料、例えば鋼等の金属材料によって形成され、単セル１０同士の電気的短絡を防止するため、表面に絶縁処理を施す。

図２はセル積層体１０ａの一部断面図である。

単セル１０は、イオン交換膜からなる電解質膜と、この電解質膜の一面に配置され、燃料ガス拡散層、撥水層および触媒層からなるアノード（燃料極）、および電解質膜を挟んで対面に配置され、酸化剤ガス拡散層、撥水層および触媒層からなるカソード（空気極）とからなる膜−電極接合体（ＭＥＡ）１１を備える。

電解質膜は、固体高分子材料、例えばフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、所定の湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。

アノードおよびカソードは、ガス拡散電極であり、ガス拡散層、撥水層、触媒層からなる。ガス拡散層は、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスや、カーボンペーパ、あるいはカーボンフェルトなど、適当なガス拡散性および導電性を有する部材によって構成される。撥水層は、例えばポリエチレンフルオロエチレンと炭素材を含む層であり、触媒層は白金が担持されたカーボンブラックからなる。

なお、触媒層は前述のようにガス拡散層に担持され電極を形成するとは限らず、電解質膜の表面に、触媒としての白金または白金と他の金属からなる合金が担持されている場合がある。その場合、アノードおよびカソードは、ガス拡散層の表面に撥水層が積層されたガス拡散層接合体で形成される。

ＭＥＡ１１は、式（２）の電気化学反応時に生成された生成水を保持する保水能力により２種類に区別される。第１ＭＥＡ１１ａは、特別な保水能力を向上する構成を備えていない通常の保水能力を持った一般的なＭＥＡである。第２ＭＥＡ１１ｂは、第１ＭＥＡ１１ａより保水量が大きい、生成水の保水能力に優れたＭＥＡであり、その構成には第１ＭＥＡ１１ａの構成に保水能力を向上するために、保水手段として従来の技術で記した技術に基づく構成が追加される。

単セル１０は、ＭＥＡ１１に接して、アノードに面する面に燃料ガス（水素）が流通する燃料ガス流路６を、またカソードに面する面に酸化剤ガス（酸素、通常は空気）が流通する酸化剤ガス流路７とをそれぞれ形成する第１セパレータ１２を備え、さらにＭＥＡ１１に接して、アノードまたはカソードに面する面に燃料ガス流路６または酸化剤ガス流路７を形成し、対面に単セル１０の熱を放熱する冷媒が流通する冷却水流路８を形成する第２、第３セパレータ１３、１４とを備える。第２、第３セパレータ１３、１４は、互いの冷却水流路８が接し、１つの冷却水流路を形成するように一体的に構成される。

なお、第１〜第３セパレータ１２〜１４は、適当な導電性と強度と耐食性とを有する材料によって形成される。例えば、カーボン材料をプレス成形することによる製法や、充分な耐食性を有する金属など他の材料によって形成される。

次に、セル積層体１０ａを構成する第１セパレータ１２、第２セパレータ１３、第３セパレータ１４、第１ＭＥＡ１１ａおよび第２ＭＥＡ１１ｂの積層方向の配列について図２を用いて説明する。

第１の実施形態としての図２に示す配置は、通常の保水能力を備えた第１ＭＥＡ１１ａと第１セパレータ１２とを交互に積層したセル積層体１０ａに所定の間隔で、第１ＭＥＡ１１ａに代えて、一体の冷却水流路８を形成する第２、第３セパレータ１３、１４を配置し、さらに第２セパレータ１３と第１セパレータ１２の間、及び第３セパレータ１４と第１セパレータ１２と間に、保水能力の高い第２ＭＥＡ１１ｂを配置するものである。

冷却水流路８を構成する第２、第３セパレータ１３、１４と第２ＭＥＡ１１ｂの配置は、図２では第１ＭＥＡ１１ａが３枚積層する毎に配置されているが、第２ＭＥＡ１１ｂの保水能力や燃料電池スタック１の使用環境を考慮して配置すればよい。

この実施形態では、セル積層体１０ａに、生成水を保持する容量が大きい第２ＭＥＡ１１ｂを所定間隔で設置するため、カソード電極で化学反応により生成された生成水を第２ＭＥＡ１１ｂで保持することができ、生成水を排出しなくても燃料電池スタック１の発電を長い時間継続することができる。このため、冷却水流路８を形成したため熱容量が大きくなった第２、第３セパレータ１３、１４を用いても、熱容量の小さい第１セパレータ１２を用いた場合と同様にセル電圧を低下させることなく、氷点下からの起動が可能となる。また、第２ＭＥＡ１１ｂを所定の間隔で設置することで、複雑な構造でコストの高い第２ＭＥＡ１１ｂの使用を最小限にして、燃料電池スタック１のコストを下げることができるとともに、通常時の発電効率の低下を抑制することができる。

図３は、第２の実施形態のセル積層体１０ａの一部断面図を示し、本実施形態は、第１セパレータ１２、第２セパレータ１３、第３セパレータ１４、第１ＭＥＡ１１ａおよび第２ＭＥＡ１１ｂの積層方向の配列に特徴を有する。

この実施形態では、保水能力の高い第２ＭＥＡ１１ｂのアノード側に冷却水流路８を形成する第２、第３セパレータ１３、１４を配置する。また、第１ＭＥＡ１１ａのアノード側に第１セパレータ１２を配置し、第１セパレータ１２のカソード側に第２ＭＥＡ１１ｂのカソード側を配置する。そして、第１ＭＥＡ１１ａと第２ＭＥＡ１１ｂを交互に配置して燃料電池スタック１を構成する。

このような構造にすることにより、第１の実施形態と同様に複雑でコストの高い第２ＭＥＡ１１ｂの枚数を半減させ、コストを低減することができる。

次に、保水能力の高い第２ＭＥＡ１１ｂのアノード側に冷却水流路８を配置する理由について以下に説明する。

本発明者らが行った実験によると、生成水を多く保持できる第２ＭＥＡ１１ｂのアノード側に冷却水流路８を形成する第２、第３セパレータ１３、１４を配置した場合と、第２ＭＥＡ１１ｂのカソード側に第２、第３セパレータ１３、１４を配置した場合とで、図４のように氷点下からの起動性が異なることがわかった。

図４は、０℃以上の条件でカソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路７をパージした後、冷凍し、−２０℃から起動させたときの前記２つの冷却水流路８の配置での平均セル電圧の時系列データを示したものである。

図中ａ）が生成水を多く保持できる第２ＭＥＡ１１ｂのアノード側に冷却水流路８を含む第２、第３セパレータ１３、１４の冷却水流路８を配置した場合であり、本発明の第２の実施形態と同様の構成である。ｂ）は第２ＭＥＡ１１ｂのカソード側に第２、第３セパレータ１３、１４の冷却水流路８を配置した場合であり、ａ）と比較してセパレータが０℃以上に昇温する前に平均セル電圧が低下するという結果となった。この理由は、ＭＥＡの生成水保持容量とパージによる排水量の大小の組み合わせが異なるためである。詳細を図５を用いて以下に説明する。

一般的に氷点下からの起動のための電解質膜を乾燥するパージは、電気化学反応時に生成水が生じるカソード側を主に行うが、このパージ時に蒸発潜熱により特にカソード側のセパレータが冷却される。このため、カソード側のセパレータの熱容量が小さいとその単セルはより温度が低下してしまう（図５のＴ１）。パージ時に温度が低下すると飽和蒸気圧が下がるため乾燥の効果が薄れてしまう（図５のＱ１）。逆にカソード側のセパレータの熱容量が大きい場合は、温度が下がりにくいので（図５のＴ２）、パージによる乾燥の効果は大きい（つまり、排水量が多い。図５のＱ２）。

ここで、図３に示した実施例では、生成水を多く保持できる第２ＭＥＡ１１ｂのカソード側に、パージによる排水量が少ない（熱容量の小さい）第１セパレータ１２が配置され、通常の第１ＭＥＡ１１ａのカソード側に、パージによる排水量の多い（熱容量の大きい）第２、第３セパレータ１３、１４が配置されているため、ＭＥＡの生成水保持容量とパージによる排水量の大小の組み合わせが適正となり、セル電圧が落ちることなく発電が継続できる。

しかしながら図３の逆に、通常の第１ＭＥＡ１１ａのカソード側にパージによる排水量の少ない（熱容量の小さい）第１セパレータ１２を配置した場合には、氷点下から起動した場合に通常の第１ＭＥＡ１１ａが生成水を保持することができなくなり、図４のｂ）のようにセル温度が０℃に到達する前にセル電圧が低下してしまう。

以上のように、冷却水流路が複数セルに１セルの燃料電池スタックにおいて、その冷却水流路を含むセパレータと生成水をより多く保持できる第２ＭＥＡ１１ｂの配列を工夫することによって、氷点下からの起動性を確保したまま、生成水をより多く保持できる第２ＭＥＡ１１ｂの使用を最小限におさえることができる。

本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内でさまざまな変更がなしうることは明白である。

燃料電池スタックを構成するセル積層体の正面断面図である。 第１の実施形態のセル積層体の一部断面図である。 第２の実施形態のセル積層体の一部断面図である。 第２ＭＥＡに対する冷却水配置とセル電圧との関係図である。 パ−ジ時のＭＥＡ温度とパージ時の排水量の関係図である。

符号の説明

１ 燃料電池スタック
２ 集電板
２ａ 出力端子
３ 絶縁板
４ エンドプレート
５ テンションロッド
６ 燃料ガス流路
７ 酸化剤ガス流路
８ 冷却水流路
１０ 単セル
１０ａ セル積層体
１１ 膜−電極接合体（ＭＥＡ）
１１ａ 第１ＭＥＡ
１１ｂ 第２ＭＥＡ
１２ 第１セパレータ
１３ 第２セパレータ
１４ 第３セパレータ

Claims (2)

1. 固体高分子電解質膜及びこの固体高分子電解質膜を介して対峙するアノード及びカソードとからなる第１膜−電極接合体と、
   固体高分子電解質膜と、この固体高分子電解質膜を介して対峙するアノード及びカソードと、前記カソードで生成される生成水を保持する保水手段とを備え、前記第１膜−電極接合体より多くの生成水を保持する第２膜−電極接合体と、
   一面に前記アノードに燃料ガスを供給する燃料ガス流路を、対面に前記カソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路を備えた第１セパレータと、
   一面に前記燃料ガス流路を、対面に冷却水が流通する冷却水流路を備えた第２セパレータと、
   一面に前記酸化剤ガス流路を、対面に冷却水が流通する冷却水流路を備えた第３セパレータとを備え、
   前記第１膜−電極接合体と前記第１セパレータとが交互に積層され、
   前記第２、第３セパレータは、互いの冷却水流路が対面するように構成され、
   所定の間隔で前記第１膜−電極接合体に代えて、前記冷却水流路を形成する前記第２、第３セパレータが配置されるとともに、前記第１セパレータと前記第２セパレータとの間、及び第１セパレータと前記第３セパレータとの間にそれぞれ前記第２膜−電極接合体を設けたことを特徴とする燃料電池。
2. 前記第１セパレータと前記第３セパレータとの間の前記第２膜−電極接合体に代えて、前記第１膜−電極接合体とを配置するとともに、前記第１膜−電極接合体と前記第２膜−電極接合体とを交互に配置することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。