JP2007103151A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】触媒層内に残留した水分の凍結による多孔質構造の潰れを抑制し、発電効率の低下を防止できる燃料電池スタックを提供すること。
【解決手段】本発明は、触媒層５ａ、５ｂとガス拡散層６ａ、６ｂからなり高分子電解質膜３を挟持する一対の電極４ａ、４ｂと、電極４ａ、４ｂの両側に配置され反応ガスを供給する流路７ａ、７ｂが形成された一対のセパレータ２ａ、２ｂと、電極４ａ、４ｂとセパレータ２ａ、２ｂからなるセル１０を複数積層した積層体を備え、積層体を積層方向に圧縮して挟持した燃料電池スタック２０である。この燃料電池スタック２０は、ガス拡散層６ａ、６ｂとして積層方向の圧縮に対して、潰れ代の異なる少なくとも２つ以上の拡散部材を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は燃料電池スタックに関し、発電性能の低下を防止する技術に関する。

燃料電池は水素等の燃料と空気等の酸化剤を反応ガスとして、電気化学反応によって化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する装置である。この燃料電池は電解質の違いにより種々のタイプにものに分類されるが、その一つとして電解質に固体高分子電解質を用いる固体高分子電解質型燃料電池が知られている。

この燃料電池において、燃料極（以下、「アノード」と称する）と酸化剤極（以下、「カソード」と称する）での電極反応は以下の通りである。
アノード： ２Ｈ₂ → ４Ｈ⁺ ＋ ４ｅ^-・・・（１）
カソード： ４Ｈ⁺ ＋ ４ｅ^- ＋Ｏ₂ → ２Ｈ₂Ｏ・・・（２）

上記の通り、アノードに水素が供給されると水素イオンが生成する。この水素イオンが水和状態で固体高分子電解質膜を透過してカソードに至り、カソードに供給されている酸素と反応して水が生成する。各電極において、これらの反応が進行することにより燃料電池は起電力を生じる。

このような燃料電池では、余剰水分やカソードで生成した水分によってアノードやカソードへの反応ガスの供給が妨げられる現象（以下、「フラッディング現象」と称する）が生じ、燃料電池の発電性能が低下するという問題がある。

特許文献１では、フラッディング現象の発生しやすいアノードやカソードのガス拡散層に透湿性の優れる織布を、その他のガス拡散層に保水性の優れる不織布を、それぞれを使用することにより発電性能の低下を防止する燃料電池スタックが開示されている。
特開２００５−３２６６７号公報

しかしながら、特許文献１の燃料電池スタックにおいて、運転停止後に燃料電池スタックが氷点下環境にある場合には、触媒層内に残留した水分等が凍結して膨張すると、その触媒層の多孔質構造が変形により潰れ、燃料電池スタックの発電性能が低下する可能性がある。

そこで、本発明は上記のような問題点に鑑みてなされたものであり、触媒層内に残留した水分の凍結による多孔質構造の潰れを抑制し、発電効率の低下を防止できる燃料電池スタックを提供することを目的とする。

本発明は、触媒層とガス拡散層からなり高分子電解質膜を挟持する一対の電極と、電極の両側に配置され反応ガスを供給する流路が形成された一対のセパレータと、電極とセパレータからなるセルを複数積層した積層体を備え、積層体を積層方向に圧縮して挟持した燃料電池スタックである。この燃料電池スタックは、ガス拡散層として積層方向の圧縮に対して、潰れ代の異なる少なくとも２つ以上の拡散部材を備えたことを特徴する。

本発明によれば、ガス拡散層に異なる２つの潰れ代特性を有する拡散部材を使用する。燃料電池スタックの運転停止後において、化学反応により生成された水分の凍結による多孔質構造の潰れを、潰れ代特性の大きい拡散部材により緩和吸収できる。また、潰れ代特性の小さい拡散部材により積層方向の圧縮圧力を支持し、燃料電池スタック組立時の接触抵抗ばらつきを抑制することができる。これにより、水分の凍結に基づく燃料電池スタックの発電効率の低下を効果的に抑制することが可能となる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。

（第１の実施形態）
図１及び図２は、本発明の第１の実施形態に係るセル１０と燃料電池スタック２０を示す構造図である。

セル１０は、酸化剤ガスに含まれる酸素と燃料ガスに含まれる水素により電気化学反応により発電する固体高分子電解質膜型の燃料電池であり、電極接合体（以下、「ＭＥＡ」と称する）１とセパレータ２ａ、２ｂから構成される。

ＭＥＡ１は、高分子電解質膜３と、高分子電解質膜３を挟持するアノード４ａとカソード４ｂから構成される。高分子電解質膜３はプロトン伝導性を有するフッ素系樹脂等の固体高分子材料の膜である。一対の電極であるアノード４ａ及びカソード４ｂは、白金または白金とその他の金属の白金合金からなる触媒層５ａ、５ｂと、カーボンペーパ等の多孔質構造を有する集電材からなるガス拡散層６ａ、６ｂとから構成されている。触媒層５ａ、５ｂは、それぞれ高分子電解質膜３に接触し、ガス拡散層６ａ、６ｂはそれぞれ触媒層５ａの外側に積層される。

一対のセパレータ２ａ、２ｂは緻密性カーボン材等からなり、アノード４ａのガス拡散層６ａとカソード４ｂのガス拡散層６ｂとに接触するように配置される。セパレータ２ａ、２ｂのガス拡散層６ａ、６ｂと接触する面側には、燃料ガス流路７ａ及び酸化剤ガス流路７ｂを形成する複数のリブ８ａ、８ｂが設けられている。

燃料電池スタック２０は、セル１０を複数積層した積層体からなり、集電板１１及び図示しない絶縁板を介して、エンドプレート１２により挟持されている（図２）。両側に配置されたエンドプレート１２は、図示しない締結ボルトにより互いに締結され、セル１０の積層体を両端から圧縮保持している。

セル１０の各構成部材は圧縮による積層方向への潰れ代が小さい。そのため、運転停止後に、燃料電池スタック２０が氷点下環境にある場合には、燃料電池スタック２０内に残留している水分が凍結して膨張すると圧縮圧力が高くなり、触媒層５ａ、５ｂの多孔質構造が変形し押し潰される。この凍結/解凍が繰り返し（以下、「Ｆ/Ｔサイクル」と称する）起こると、触媒層５ａ、５ｂの多孔質構造の潰れにより燃料電池スタック２０の発電効率が低下する。

そこで、本発明では、ガス拡散層に異なる２つの潰れ代特性を有する拡散部材を使用する。潰れ代の大きい拡散部材は、触媒層５ａ、５ｂ内に残留した水分の凍結による膨張を緩衝吸収する。また、潰れ代の小さい部材は、燃料電池スタック２０組立時における組立誤差に基づく接触抵抗のばらつきを抑制する。

図３は、セル１０におけるカソード４ｂ側の積層方向に直交する断面を示す。なお、図３においては、ガス流路の説明のため、酸化剤ガス流路７ｂを表示してある。

セパレータ２ｂには酸化剤ガス流路７ｂが設けられており、酸化剤ガスは入口部１３から出口部１４に向って流れている。ガス拡散層６ｂは、酸化剤ガス流路７ｂを覆うようにセパレータ２ｂに接触している。水分の残留しやすい出口部１３近傍の下流域１５のガス拡散層６ｂに潰れ代特性の大きい拡散部材３０ａを配置する。出口部１４近傍を除く上流域１６のガス拡散層６ｂには、潰れ代特性の小さい拡散部材３０ｂを配置する。また、水分の生成がないアノード４ａ側のガス拡散層６ａの全領域には潰れ代特性の小さい拡散部材３０ｂを使用する。

図４は、ガス拡散層６ａ、６ｂに潰れ代特性を有する拡散部材を使用したときの面圧−ＭＥＡ厚さ特性図である。横軸はＭＥＡ１が受ける面圧を示す。縦軸はＭＥＡ１厚さを示す。実線は異なる潰れ代特性を持つ拡散部材のうち潰れ代特性の大きい拡散部材を示す。また、破線は潰れ代特性の大きい拡散部材よりもその潰れ代特性の小さい拡散部材を示す。

図４に示す通り、潰れ代の大きい拡散部材においては、面圧に対するＭＥＡ１の厚さ変化量は潰れ代の小さい拡散部材のそれよりも大きい。そのため、燃料電池スタック２０組立後において凍結に基づいて生じる圧縮力の増加に対しても、潰れ代特性の大きい拡散部材を使用したＭＥＡ１の厚さ変化量は、潰れ代特性の小さい拡散部材を使用したものの変化量よりも大きい。潰れ代特性の大きい拡散部材は触媒層５ａ、５ｂに残留した水分が凍結しても、積層方向の潰れに柔軟性を示すため多孔質構造の膨張を緩衝吸収する作用を備える。

図５はＦ／Ｔサイクルによる燃料電池スタック２０の発電性能の低下率を示す。実線は潰れ代特性の大きい拡散部材の特性を示す。また、破線は潰れ代特性の小さい拡散部材の特性を示す。燃料電池スタック２０の全てのガス拡散層６ａ、６ｂに潰れ代特性の小さい拡散部材を使用した場合には、Ｆ／Ｔサイクルの回数が増加すると燃料電池スタック２０の発電性能が低下する。これに対し、潰れ代特性の大きい拡散部材を使用した場合は触媒層５ａ、５ｂの多孔質構造の変形が緩衝吸収されるため、Ｆ／Ｔサイクルの回数が増加しても燃料電池スタック２０の発電性能の低下は見られない。

このように、燃料電池スタック２０の凍結に基づいて圧縮力が増加した場合においても、潰れ代特性の大きい拡散部材をガス拡散層６ａ、６ｂとして使用することにより、燃料電池スタック２０の発電効率の低下を抑制することが可能となる。

しかしながら、燃料電池スタック２０の全てのガス拡散層６ａ、６ｂに潰れ代の大きい拡散部材のみを使用すると、燃料電池スタック２０組立時において組立誤差がある場合には、圧縮により構成部品が受ける面圧のばらつきが大きくなる。これにより、各構成部品間の接触抵抗のばらつきも大きくなり、燃料電池スタック２０の発電性能の低下を招く。

また、水分の生成はカソード４ｂにおいてのみ起こり、その水分は、図３に示すように酸化剤ガス流路７ｂに沿って流れる酸化剤ガスによって入口部１３側から出口部１４側に持ち去られる。しかし、出口部１４近傍では、酸化剤ガスの蒸気圧が飽和蒸気圧に達してしまうため、化学反応により生成された水分が除去できず、出口部１３近傍の触媒層５ｂ内には水分が残留しやすい。そのため、出口部１３近傍の触媒層５ｂにおいて、Ｆ/Ｔサイクルによる多孔質構造の潰れが進展する。

本実施形態では、水分が残留しやすい下流域１５のガス拡散層６ｂに潰れ代特性の大きい拡散部材３０ａを使用する。そのため、下流域１５に残留している水分が凍結により膨張しても、潰れ代特性の大きい拡散部材３０ａが下流域１５の触媒層５ｂに過大な荷重が掛からないように作用し、その荷重による多孔質構造の潰れを防止する。

また、水分の残留しにくい部分のガス拡散層６ｂ及びアノード４ａ側のガス拡散層６ａの全領域に使用される拡散部材３０ｂは潰れ代が小さい。そのため、燃料電池スタック２０組立時に組立誤差があっても、組立誤差によって生じる圧縮力のばらつきの影響を受けにくく、各構成部品間に生じる接触抵抗のばらつきを抑制するように作用する。

以上により、第１の実施形態では、カソード４ｂにおいて、水分の残留が多い酸化剤ガス流路７ｂの下流域１５のガス拡散層６ｂに潰れ代特性の大きい拡散部材３０ａを使用する。これにより、Ｆ／Ｔサイクルによる触媒層５ｂの多孔質構造の潰れを防止することができ、燃料電池スタック２０の発電性能の低減を抑制することが可能となる。

また、水分の残留が少ないカソード４ｂ側の酸化剤ガス流路７ｂの上流域１６及びカソード４ａ側のガス拡散層６ａに潰れ代特性の小さい拡散部材３０ｂを使用する。これにより、組立誤差による接触抵抗ばらつきを抑制でき、燃料電池スタック２０の発電性能の低減をより抑制することが可能となる。

（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態を図６に示す。セル１０及び燃料電池スタック２０の構成は、第１の実施形態と同様である。第２の実施形態では、第１の実施形態と同様にガス拡散層６ｂに異なる２つの潰れ代特性を有する拡散部材３０ａ、３０ｂをそれぞれ使用するようにしたものであるが、拡散部材３０ａ、３０ｂの配置において一部相違する。以下、その相違点について説明する。なお、図６においては、ガス流路の説明のため、酸化剤ガス流路７ｂを表示してある。

カソード４ｂ側において生成される水分は、セパレータ２ｂに形成された酸化剤ガス流路７ｂに沿って流れる酸化剤ガスによって、酸化剤ガス流路７ｂの入口部１３から出口部１４に持ち去られる。

図６に示すように、酸化剤ガス流路７ｂは、入口部１３から出口部１４までを、直線的な流路と曲がり部からなる屈曲的な流路とにより、セパレータ２ｂ内を蛇行するように形成する。酸化剤ガス流路７ｂのうち上下にある屈曲流路を有する屈曲域１７では、酸化剤ガスの滞留により酸化剤ガスに含まれる水分が凝集する。そのため、生成された水分が除去できず、運転停止後において屈曲域１７の触媒層５ｂ内には水分が残留しやすい。その結果、Ｆ/Ｔサイクルにより屈曲域１７の触媒層５ｂの多孔質構造が潰れ、燃料電池スタック２０の発電効率が低下する。

そこで、第２の実施形態においては、屈曲域１７のガス拡散層６ｂには、潰れ代特性の大きい拡散部材３０ａを使用する。これにより、屈曲域１７に残留している水分が凍結により膨張しても、潰れ代特性の大きい拡散部材３０ａが屈曲域１７の触媒層５ｂに過大な荷重が掛からないように作用し、その荷重による多孔質構造の潰れを防止する。

また、水分の残留が少ない直線的な流路を有する直線域部１８のガス拡散層６ｂ及びアノード４ａ側のガス拡散層６ａには、潰れ代特性の小さい拡散部材３０ｂを使用する。拡散部材３０ｂは潰れ代が小さいため、燃料電池スタック２０組立時において組立誤差があっても、組立誤差によって生じる圧縮力のばらつきの影響を受け難く、各構成部品間に生じる接触抵抗のばらつきを抑制するように作用する。

以上により、第２の実施形態では、酸化剤ガス流路７ｂの屈曲域１７の拡散層６ｂに潰れ代特性の大きい拡散部材３０ａを使用する。また、直線域１８及びカソード４ａ側のガス拡散層６ａに潰れ代特性の小さい拡散部材３０ｂを使用する。これにより、第１の実施形態と同様の効果を得ることが可能となる。

なお、カソード４ｂ側のガス拡散層６ｂにおいて、水分が残留しやすい酸化剤ガス流路７ｂの下流域１５と屈曲域１７に潰れ代特性の大きい拡散部材３０ａを使用し、水分が残留しにくいカソード４ｂ側の酸化剤ガス流路７ｂの上流域１６側の直線域１８とカソード４ａ側のガス拡散層６ａに潰れ代特性の小さい拡散部材３０ｂを使用するようにしてもよい。これにより、第１及び第２の実施形態と比較して、より効果的に燃料電池スタック２０の発電性能の低減を抑制することが可能となる。

（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態のセル１０及び燃料電池スタック２０の構成は、図１及び図２に示す第１の実施形態と基本的に同様であるが、燃料電池スタック２０の両端部に配置されるエンドセル２３の構成において一部相違する。つまり、第３の実施形態では、エンドセル２３のカソード４ｂのガス拡散層６ｂ全領域に潰れ代特性の大きい拡散部材を使用するようにしたもので、以下にその相違点について説明する。

図２に示す燃料電池スタック２０では、単セル１０の積層体の両端に配置されるエンドセル２３が周囲環境温度の影響を最も受けやすい。周囲環境温度が氷点下である場合には、エンドセル２３の温度が最も早く低下するため、Ｆ/Ｔサイクルによる触媒層５ｂの多孔質構造の潰れはエンドセル２３の触媒層５ｂにおいて発生しやすい。

そこで、第３の実施形態においては、エンドセル２３のカソード４ｂのガス拡散層６ｂの全領域に潰れ代特性の大きい拡散部材を使用する。また、エンドセル２３のアノード４ａ側のガス拡散層６ａ及びエンドセル以外の単セル１０のガス拡散層６ａ、６ｂには全領域において潰れ代特性の小さい拡散部材を使用する。

このように、第３の実施形態では、周囲環境温度の影響を最も受けやすいエンドセル２３のガス拡散層６ｂのみに潰れ代特性の大きい拡散部材を使用した。これにより、Ｆ／Ｔサイクルによる多孔質構造の潰れが最も発生しやすいエンドセル２３のカソード４ｂの触媒層５ｂに残留した水分の膨張を緩衝吸収することができる。

以上により、第３の実施形態では、周囲環境温度の影響を最も受けやすいエンドセル２３のガス拡散層６ｂに潰れ代特性の大きい拡散部材を使用する。これにより、Ｆ／Ｔサイクルによるエンドセル２３の触媒層５ｂの多孔質構造の潰れを防止することができ、燃料電池スタック２０の発電性能の低減を抑制することが可能となる。

また、それ以外のガス拡散層６ａ、６ｂには潰れ代特性の小さい拡散部材を使用する。これにより、組立誤差による接触抵抗ばらつきを抑制でき、燃料電池スタック２０の発電性能の低減をより抑制することが可能となる。

なお、本発明は上記の実施の形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなし得ることは明白である。

例えば、アノード４ａ側のガス拡散層６ａにおいて、カソード４ｂ側のガス拡散層６ｂと同様の配置で潰れ代特性の異なる２つの拡散部材を使用するようにしても良い。

本発明は、車両に搭載される燃料電池スタックの発電性能の低減防止に利用することができる。

本発明の第１の実施形態に係るセル断面の構成図。 同じく燃料電池スタックの構成図。 同じくカソード側のガス拡散層の配置構成図。 潰れ代特性の異なる拡散部材の面圧−ＭＥＡ厚さ特性図。 Ｆ／Ｔサイクル回数−燃料電池スタック発電性能低下率特性図。 本発明の第２の実施形態に係るカソード側のガス拡散層の配置構成図。

符号の説明

１０ セル
２０ 燃料電池スタック
２ａ、２ｂ セパレータ
３ 高分子電解質膜
４ａ アノード（電極）
４ｂ カソード（電極）
５ａ、５ｂ 触媒層
６ａ、６ｂ ガス拡散層
７ａ 燃料ガス流路（反応ガス流路）
７ｂ 酸化剤ガス流路（反応ガス流路）
１５ 下流域
１６ 上流域
１７ 屈曲域
１８ 直線域
３０ａ 潰れ代特性の大きい拡散部材
３０ｂ 潰れ代特性の小さい拡散部材

Claims (4)

1. 触媒層とガス拡散層からなり高分子電解質膜を挟持する一対の電極と、
   前記電極の両側に配置され反応ガスを供給する流路が形成された一対のセパレータと、
   前記電極と前記セパレータからなるセルを複数積層した積層体を備え、
   前記積層体を積層方向に圧縮して挟持した燃料電池スタックにおいて、
   前記ガス拡散層として前記積層方向の圧縮に対して、潰れ代の異なる少なくとも２つ以上の拡散部材を備えたことを特徴する燃料電池スタック。
2. 前記セパレータに形成された反応ガス流路の下流域の前記ガス拡散層として、上流域の前記ガス拡散層に備えた前記潰れ代を有する拡散部材よりも前記潰れ代の大きい拡散部材を備えたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック。
3. 前記反応ガス流路は、
   前記セパレータ内に形成された直線的な流路を有する直線域と、
   前記直線域の流路と連結する屈曲的な流路を有する屈曲域を備え、
   前記屈曲域の前記ガス拡散層として、前記直線域の前記ガス拡散層に備えた前記潰れ代を有する拡散部材よりも前記潰れ代の大きい拡散部材を備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池スタック。
4. 前記積層体の両端部に配置される少なくとも一つのセルの前記ガス拡散層として、前記両端部に配置されるセル以外のガス拡散層に備えた前記潰れ代を有する拡散部材よりも前記潰れ代の大きい拡散部材を備えたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック。