JP2007194041A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単且つ経済的な構成で、排水性を良好に向上させることができ、所望の発電性能を確保することを可能にする。
【解決手段】燃料電池１０は、電解質膜・電極構造体１２と第１及び第２セパレータ１４、１６とを備える。電解質膜・電極構造体１２を構成するカソード側電極２８及びアノード側電極３０は、ガス拡散層２８ａ、３０ａを設けるとともに、前記ガス拡散層２８ａ、３０ａは、均一の細孔径に設定された細孔３２ａ、３２ｂを有する。第１及び第２セパレータ１４、１６は、ガス拡散層２８ａ、３０ａに当接する凸部３６、４２の先端に湾曲形状面３６ａ、４２ａを有し、前記湾曲形状面３６ａ、４２ａで前記ガス拡散層２８ａ、３０ａを押圧している。
【選択図】図２

Description

本発明は、固体高分子電解質膜の両面に、触媒層とガス拡散層とを有するカソード側電極及びアノード側電極を設ける電解質膜・電極構造体と、前記カソード側電極との間に酸化剤ガス流路を形成するとともに、前記アノード側電極との間に燃料ガス流路を形成するセパレータとが積層される燃料電池に関する。

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、セパレータによって挟持した単位セルを備えている。アノード側電極及びカソード側電極は、電解質膜の両面に設けられる触媒層と、ガス拡散層とにより構成されている。なお、この種の燃料電池は、通常、所定の数の単位セルを積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。

上記の燃料電池では、各セパレータの面内に、アノード側電極に対向して燃料ガス（反応ガス）を流すための燃料ガス流路と、カソード側電極に対向して酸化剤ガス（反応ガス）を流すための酸化剤ガス流路とが設けられている。

ところで、燃料電池の運転時には、発電反応によりカソード側電極に生成水が発生し易い。一方、アノード側電極では、生成水の逆拡散等によって水分が生じ易い。このため、カソード側電極及びアノード側電極の各触媒層には、それぞれ所望の反応ガス、すなわち、酸化剤ガス及び燃料ガスが十分に供給されず、発電性能が低下するおそれがある。

そこで、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池が知られている。この特許文献１では、固体高分子電解質膜の両面に触媒層及びガス拡散層を配して構成される電解質膜・電極構造体を用いる固体高分子型燃料電池において、上記の触媒層が、細孔径及び細孔容積が相対的に小さい第１の触媒層と、細孔径及び細孔容積が相対的に大きい第２の触媒層からなり、且つ第１の触媒層が反応ガスの入口側に、又は第２の触媒層が反応ガスの出口側に配されている。これにより、細孔径及び細孔容積が小さくなったことによって、反応ガスの入口側の水分の排出が抑えられる一方、細孔径及び細孔容積が大きくなったことによって、反応ガスの出口側の細孔を通してのガス拡散性が向上する、としている。

特開２００２−２３７３０６号公報（図１）

しかしながら、上記の従来技術では、固体高分子電解質膜の面方向に細孔径及び細孔径分布の傾斜、すなわち、異方性を持たせなければならない。このため、固体高分子電解質膜の製造工程が相当に複雑化してしまい、前記固体高分子電解質膜の製造コストが増大するという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単且つ経済的な構成で、排水性を良好に向上させることができ、所望の発電性能を確保することが可能な燃料電池を提供することを目的とする。

本発明は、固体高分子電解質膜の両面に、触媒層とガス拡散層とを有するカソード側電極及びアノード側電極を設ける電解質膜・電極構造体と、前記カソード側電極との間に酸化剤ガス流路を形成するとともに、前記アノード側電極との間に燃料ガス流路を形成するセパレータとが積層される燃料電池に関するものである。

ガス拡散層は、反応ガスを透過させる細孔を有する多孔質体で構成される一方、セパレータは、前記ガス拡散層に当接する凸部の先端に湾曲形状面を有し、前記湾曲形状面で前記ガス拡散層を押圧することにより、前記ガス拡散層の細孔は、前記凸部の当接領域の細孔径が他の領域の細孔径よりも小さく、且つ前記凸部中央付近ほど細孔径が小さく維持される。

また、凸部は、先端に湾曲形状面を有するとともに、前記湾曲形状面から直線形状面が連続して設けられることが好ましい。

さらに、ガス拡散層には、撥水処理が施されることが好ましい。さらにまた、セパレータは、ガス拡散層に接する領域に撥水処理が施されることが好ましく、また、前記セパレータは、前記ガス拡散層に接する領域以外の領域に親水処理が施されることが好ましい。さらに、セパレータは、金属プレートで構成されることが好ましい。

本発明によれば、電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層された状態で、積層方向に荷重が付与されると、前記セパレータの凸部先端に設けられた湾曲形状面が前記電解質膜・電極構造体を構成するガス拡散層を押圧する。このため、ガス拡散層の細孔は、押し潰されるように変形し、凸部の当接領域の細孔径が他の領域の細孔径よりも小さくなる。特に、凸部中央付近ほど細孔が顕著に変形し、細孔径が小さくなる。これにより、当接領域では、生成水の表面張力によるガス拡散層からの排出力が顕著になり、前記生成水が、小さな細孔から大きな細孔に向かって、すなわち、セパレータによる当接中央部から周辺部に向かって強制的且つ良好に排出される。

これにより、セパレータのガス拡散層に当接する凸部の先端に、湾曲形状面を設けるだけでよく、簡単且つ経済的な構成で、排水性を良好に向上させることができ、所望の発電性能を確保することが可能になる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池１０の要部分解斜視説明図であり、図２は、前記燃料電池１０の一部断面説明図である。

燃料電池１０は、電解質膜・電極構造体１２が、第１セパレータ１４と第２セパレータ１６とに挟持される。第１及び第２セパレータ１４、１６は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属板等により構成される金属プレートを用いている。

燃料電池１０の矢印Ｂ方向（図１中、水平方向）の一端縁部には、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス（反応ガス）、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔２０ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔２２ａ、及び燃料ガス（反応ガス）、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔２４ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。

燃料電池１０の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔２４ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔２２ｂ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔２０ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。

電解質膜・電極構造体１２は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜２６と、前記固体高分子電解質膜２６を挟持するカソード側電極２８及びアノード側電極３０とを備える。

図２に示すように、カソード側電極２８及びアノード側電極３０は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層２８ａ、３０ａと、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層２８ａ、３０ａの表面に一様に塗布されて形成される電極触媒層２８ｂ、３０ｂとを有する。電極触媒層２８ｂ、３０ｂは、固体高分子電解質膜２６の両面に形成される。

ガス拡散層２８ａ、３０ａは、それぞれ酸化剤ガス及び燃料ガスを透過させる細孔３２ａ、３２ｂを有する多孔質体であるとともに、前記ガス拡散層２８ａ、３０ａには、撥水処理が施されている。この撥水処理は、例えば、撥水塗料によるコーティング処理等、通常の撥水処理が採用される。撥水塗料としては、例えば、ＰＴＥＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＦＥＰ（パーフルオロエチレンプロピレン）、ＰＦＡ（四フッ化エチレンとパーフルオロアルコキシエチレンとの共重合体）、又はそれ以外のフッ素系樹脂が使用される。ガス拡散層２８ａ、３０ａでは、水との接触角が９０度以上に設定される。なお、細孔３２ａ、３２ｂは、例えば、略均一の細孔径に設定されている。

第１セパレータ１４は、波板形状に成形されることにより、電解質膜・電極構造体１２に向かう面１４ａには、酸化剤ガス入口連通孔２０ａと酸化剤ガス出口連通孔２０ｂとに連通する酸化剤ガス流路３４が設けられる。図２に示すように、第１セパレータ１４は、カソード側電極２８を構成するガス拡散層２８ａに当接する凸部３６の先端に湾曲形状面３６ａを有する。

第１セパレータ１４は、ガス拡散層２８ａに接する領域、すなわち、湾曲形状面３６ａに撥水処理が施される一方、前記領域以外に親水処理が施される。親水処理は、例えば、第１セパレータ１４の表面に、シリコン樹脂等の親水性塗料を塗布し、あるいは、前記第１セパレータ１４の表面を親水性金属で形成することが好ましい。酸化剤ガス流路３４では、水との接触角が９０度以下に設定される。

第１セパレータ１４の面１４ｂには、凸部３８が設けられる。この凸部３８は、第２セパレータ１６の後述する凸部４４と共に冷却媒体流路４６を構成する。なお、凸部３８、４４は、直線状であることが好ましい。凸部３８、４４は、互いに接触して導電性を確保する必要があり、所望の接触面積を有することが望ましいからである。

第２セパレータ１６は、波板形状に成形されることにより、電解質膜・電極構造体１２に向かう面１６ａには、燃料ガス入口連通孔２４ａと燃料ガス出口連通孔２４ｂとを連通する燃料ガス流路４０が形成される。第２セパレータ１６は、アノード側電極３０を構成するガス拡散層３０ａに当接する凸部４２の先端に湾曲形状面４２ａを有する。

第２セパレータ１６の面１６ｂには、凸部４４が設けられる。この凸部４４は、第１セパレータ１４の凸部３８と共に冷却媒体流路４６を構成する。第１及び第２セパレータ１４、１６の外周縁部には、第１及び第２シール部材４８、５０が一体成形される。

このように構成される燃料電池１０の動作について、以下に説明する。

先ず、図１に示すように、酸化剤ガス入口連通孔２０ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔２４ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔２２ａに純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。

このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔２０ａから第１セパレータ１４の酸化剤ガス流路３４に導入される。これにより、酸化剤ガスは、矢印Ｂ方向に移動し、電解質膜・電極構造体１２のカソード側電極２８に供給される。使用済みの酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔２０ｂに排出される。

一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔２４ａから第２セパレータ１６の燃料ガス流路４０に供給される。このため、燃料ガスは、燃料ガス流路４０に沿って矢印Ｂ方向に移動しながら、電解質膜・電極構造体１２のアノード側電極３０に供給される。使用済みの燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔２４ｂに排出される。

従って、各電解質膜・電極構造体１２では、カソード側電極２８に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極３０に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。

また、冷却媒体入口連通孔２２ａに供給された冷却媒体は、第１及び第２セパレータ１４、１６間に形成される冷却媒体流路４６に導入された後、矢印Ｂ方向に流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体１２を冷却した後、冷却媒体出口連通孔２２ｂに排出される。

この場合、第１の実施形態では、図３に示すように、カソード側電極２８を構成するガス拡散層２８ａは、細孔３２ａを有する一方、第１セパレータ１４は、前記ガス拡散層２８ａに当接する凸部３６の先端に湾曲形状面３６ａを有している。そして、電解質膜・電極構造体１２の両側に第１及び第２セパレータ１４、１６が積層された状態で、積層方向に締め付け荷重が付与されることにより、燃料電池１０が構成されている。

その際、図４に示すように、第１セパレータ１４の凸部３６の先端に設けられた湾曲形状面３６ａは、ガス拡散層２８ａの細孔３２ａを押し潰すようにして、カソード側電極２８に押し付けられている。このため、ガス拡散層２８ａには、湾曲形状面３６ａにより押し潰された細孔３２ａｓが存在している。

細孔３２ａｓは、湾曲形状面３６ａに当接する部分に発生するとともに、凸部３６による押圧力に影響されない領域に存在する細孔３２ａよりも細孔径が小さくなっている。さらに、細孔３２ａｓは、第１セパレータ１４による当接中央部付近ほど、細孔径がより小さくなっている。

ここで、ガス拡散層２８ａには、撥水処理が施されており、細孔３２ａ（３２ａｓ）に水滴の表面張力が発生している。このため、細孔径が小さい細孔３２ａ（３２ａｓ）では、細孔径の大きな細孔３２ａ（３２ａｓ）に比べてガス拡散層２８ａからの排出力が著しくなる。従って、ガス拡散層２８ａ内の水滴は、細孔径の小さな細孔、すなわち、第１セパレータ１４による当接中央部付近の細孔３２ａｓから細孔径の大きな細孔、すなわち、前記第１セパレータ１４による当接周辺部付近の細孔３２ａｓ、あるいは、凸部３６による押圧力に影響されない領域に存在する細孔３２ａに向かって移動する。

これにより、ガス拡散層２８ａには、第１セパレータ１４が当接する部分から前記第１セパレータ１４が当接しない部分に向かって排水力が発生し（図４中、矢印参照）、燃料電池１０の発電時に前記ガス拡散層２８ａの内部に発生した水分を、カソード側電極２８から強制的且つ確実に排出させることができる。このため、電解質膜・電極構造体１２に特別な構造（細孔径分布に異方性を持たせる等）を採用する必要がなく、簡単且つ経済的な構成で、フラッディングを確実に阻止し、所望の発電性能を確保することが可能になるという効果が得られる。

さらに、ガス拡散層２８ａと、このガス拡散層２８ａに接する湾曲形状面３６ａとには、撥水処理が施されている。これにより、ガス拡散層２８ａの内部からの生成水の排出とともに、湾曲形状面３６ａの表面からの生成水の排出を効果的に行うことができる。

さらにまた、第１セパレータ１４では、ガス拡散層２８ａと接しない領域に親水処理が施されている。従って、ガス拡散層２８ａから排出された生成水は、凸部３６に接して水滴となることがなく、酸化剤ガス流路３４から酸化剤ガス出口連通孔２０ｂに良好に排出される。

また、第１セパレータ１４は、金属プレートで構成されており、凸部３６の先端に湾曲形状面３６ａが形成されている。このため、第１セパレータ１４の凸部３６をカソード側電極２８に押圧する際、このカソード側電極２８のガス拡散層２８ａが損傷することを阻止することができる。

しかも、凸部３６は、湾曲形状面３６ａが形成されることによってばね機能が付与されており、例えば、燃料電池１０に熱膨張等によって荷重変化が惹起されても、前記凸部３６のばね機能によって前記荷重変化を吸収することが可能になる。従って、簡単な構成で、カソード側電極２８の破損等を有効に阻止することができる。

なお、第２セパレータ１６及びアノード側電極３０は、上記の第１セパレータ１４及びカソード側電極２８と同様に構成されており、同様の効果が得られる。

図５は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池６０の断面説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池１０と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。

燃料電池６０は、電解質膜・電極構造体１２を挟持する金属プレート製の第１及び第２セパレータ６２、６４を備える。第１セパレータ６２は、カソード側電極２８を構成するガス拡散層２８ａに当接する凸部６６を有する。この凸部６６は、先端に湾曲形状面６８を有するとともに、前記湾曲形状面６８の周囲から直線形状面７０が連続して設けられる。

湾曲形状面６８及び直線形状面７０には、ガス拡散層２８ａに接する領域に対応して撥水処理が施される一方、前記領域以外の領域に対応して親水処理が施される。

第２セパレータ６４は、アノード側電極３０を構成するガス拡散層３０ａに当接する凸部７２を有する。この凸部７２の先端に湾曲形状面７４が設けられ、前記湾曲形状面７４の周囲から直線形状面７６が連続して設けられる。湾曲形状面７４及び直線形状面７６には、ガス拡散層３０ａに接触する領域に対応して撥水処理が施される一方、前記領域以外の領域に対応して親水処理が施される。

このように構成される第２の実施形態では、図６に示すように、第１セパレータ６２の凸部６６は、カソード側電極２８を構成するガス拡散層２８ａに押し込まれる湾曲形状面６８と直線形状面７０とを連続して設けている。このため、湾曲形状面６８及び直線形状面７０によりガス拡散層２８ａを押し潰すように変形させ、このガス拡散層２８ａに設けられた細孔３２ａの一部が小径な細孔３２ａｓとなっている。

この第２の実施形態では、凸部６６が直線形状面７０を設けるため、前記直線形状面７０によって潰されたガス拡散層２８ａの部分の細孔３２ａｓは、細孔径の変化率が略一定になる。従って、ガス拡散層２８ａ内の生成水は、第１セパレータ６２による当接中央部付近から周辺部に向かって略一定の駆動力で排出され、水滴の排出が一層円滑且つ確実に遂行されるという効果が得られる。

その際、直線形状面７０は、湾曲形状面６８に連続しており、凸部６６には鋭角状の先端形状部が存在していない。これにより、凸部６６をガス拡散層２８ａに押圧する際に、このガス拡散層２８ａに破損等が惹起することを良好に阻止することができる。

なお、第２セパレータ６４及びアノード側電極３０では、上記の第１セパレータ６２及びカソード側電極２８と同様の効果が得られる。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視説明図である。 前記燃料電池の一部断面説明図である。 前記燃料電池を構成する第１セパレータとカソード側電極とが離間した状態の説明図である。 前記第１セパレータと前記カソード側電極とが積層された状態の説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池の断面説明図である。 前記燃料電池を構成する第１セパレータとカソード側電極とが積層された状態の説明図である。

符号の説明

１０、６０…燃料電池 １２…電解質膜・電極構造体
１４、１６、６２、６４…セパレータ ２０ａ…酸化剤ガス入口連通孔
２０ｂ…酸化剤ガス出口連通孔 ２２ａ…冷却媒体入口連通孔
２２ｂ…冷却媒体出口連通孔 ２４ａ…燃料ガス入口連通孔
２４ｂ…燃料ガス出口連通孔 ２６…固体高分子電解質膜
２８…カソード側電極 ２８ａ、３０ａ…ガス拡散層
３０…アノード側電極 ３２ａ、３２ａｓ、３２ｂ…細孔
３４…酸化剤ガス流路
３６、３８、４２、４４、６６、７２…凸部
３６ａ、４２ａ、６８、７４…湾曲形状面
４０…燃料ガス流路 ４６…冷却媒体流路
７０、７６…直線形状面

Claims (6)

1. 固体高分子電解質膜の両面に、触媒層とガス拡散層とを有するカソード側電極及びアノード側電極を設ける電解質膜・電極構造体と、前記カソード側電極との間に酸化剤ガス流路を形成するとともに、前記アノード側電極との間に燃料ガス流路を形成するセパレータとが積層される燃料電池であって、
   前記ガス拡散層は、反応ガスを透過させる細孔を有する多孔質体で構成される一方、
   前記セパレータは、前記ガス拡散層に当接する凸部の先端に湾曲形状面を有し、
   前記湾曲形状面で前記ガス拡散層を押圧することにより、前記ガス拡散層の細孔は、前記凸部の当接領域の細孔径が他の領域の細孔径よりも小さく、且つ前記凸部中央付近ほど細孔径が小さく維持されることを特徴とする燃料電池。
2. 請求項１記載の燃料電池において、前記凸部は、先端に前記湾曲形状面を有するとともに、
   前記湾曲形状面から直線形状面が連続して設けられることを特徴とする燃料電池。
3. 請求項１又は２記載の燃料電池において、前記ガス拡散層には、撥水処理が施されることを特徴とする燃料電池。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記セパレータは、前記ガス拡散層に接する領域に撥水処理が施されることを特徴とする燃料電池。
5. 請求項４記載の燃料電池において、前記セパレータは、前記ガス拡散層に接する領域以外の領域に親水処理が施されることを特徴とする燃料電池。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記セパレータは、金属プレートで構成されることを特徴とする燃料電池。

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