JP2007335223A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】単電池（セル）を複数積層して構成した積層体を有する燃料電池において、端部セルにおける排水性を向上させる。
【解決手段】電極用の触媒層１２が両面に設けられた電解質膜１１を有し外部からの反応ガスの供給を受けて電気化学反応により発電を行う単電池と、単電池が複数積層されてなる積層体２と、積層体２を挟持する集電板３と、を備える燃料電池１である。積層体２の端部に配置される単電池（端部セル１０Ａ）の触媒層面積Ｓ_Ａを、前記端部を除く位置に配置される単電池（中央セル１０）の触媒層面積Ｓ_０よりも小さく設定する。
【選択図】図６Ａ

Description

本発明は、燃料電池に関する。

従来より、電解質膜の両面に電極用の触媒層を設けて構成した膜・電極接合体と、この膜・電極接合体を挟持するセパレータと、を有する燃料電池が提案され、実用化されている。かかる燃料電池を含む燃料電池システムにおいては、燃料電池の膜・電極接合体を構成する一方の触媒層（アノード電極）に燃料ガスを、他方の触媒層（カソード電極）に酸化ガスを、各々供給して電気化学反応を起こすことにより発電を行っている。現在においては、膜・電極接合体とセパレータとを有する単電池（セル）を複数積層した積層体（スタック）と、このスタックを挟持する集電板と、を備える燃料電池が提案されている。このような燃料電池の各セルで発生した電力は、集電板を介して所定の電力消費装置（トラクションモータや補機モータ等）に供給されることとなる。

ところで、前記したスタックを構成する各セルでは、電気化学反応によって水が生成され、燃料電池の運転状態によってはこの生成水がセルの触媒層中に溜まり、触媒層内のガス拡散性が低下する現象（フラッディング）が発生する場合がある。このため、フラッディングを抑制することを目的として、スタック端部に配置されるセル（端部セル）の触媒層面積を他のセルの触媒層面積よりも大きくすることにより、端部セルの単位面積当りの水生成量を低減させる技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００５−３４０１７３号公報

しかし、近年においては、燃料電池で生成された水が端部セル（特に燃料電池の総マイナス側に配置された端部セル）に溜まり易いことが明らかになっており、特許文献１に記載されたような技術を採用するだけでは、端部セルにおけるフラッディングを効果的に抑制することは困難であった。特に、セルではカソード電極側で水が生成されるため、カソード電極に酸化ガスを導入するためのマニホールド（導入口）が鉛直方向下方に配置された場合には重力の影響でこのマニホールド付近に生成水が溜まり、排水性が低下してしまうという問題があった。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、単電池（セル）を複数積層して構成した積層体を有する燃料電池において、端部セルにおける排水性を向上させることを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明に係る燃料電池は、電極用の触媒層が両面に設けられた電解質膜を有し外部からの反応ガスの供給を受けて電気化学反応により発電を行う単電池と、この単電池が複数積層されてなる積層体と、この積層体を挟持する集電板と、を備える燃料電池であって、積層体の少なくとも一方の端部に配置される単電池の触媒層の面積が、前記端部を除く位置に配置される単電池の触媒層の面積よりも小さく設定されてなる（例えば、積層体を構成する単電池の触媒層の面積が、前記端部から中央部になるに従って漸次増大するように設定されてなる）ものである。

かかる構成を採用すると、積層体の少なくとも一方の端部に配置された単電池（端部セル）における水生成量を、この端部を除く位置に配置された単電池における水生成量よりも低減させることができる。従って、端部セルにおける排水性を向上させることができる。

前記燃料電池において、単電池が重力方向に対して垂直な方向に積層されてなる積層体を採用することができる。かかる場合において、積層体の少なくとも一方の端部に配置される単電池（端部セル）は、触媒層が電解質膜の重力方向に対して上方領域に設けられてなるものであることが好ましい。

かかる構成を採用すると、端部セルの重力方向下方領域における発電及び水生成を抑制することができる。従って、端部セルの重力方向下部におけるフラッディングを抑制して排水性を向上させることが可能となる。

また、前記燃料電池において、前記端部として積層体の総マイナス側の端部を採用することが好ましい。

かかる構成を採用すると、生成水が溜まり易い総マイナス側の端部セルにおけるフラッディングを効果的に抑制することが可能となる。

また、前記燃料電池において、単電池は、外部から酸化ガスを導入するための酸化ガス導入口と、この酸化ガス導入口を経由して導入された酸化ガスを触媒層に供給するための酸化ガス流路と、外部から燃料ガスを導入するための燃料ガス導入口と、この燃料ガス導入口を経由して導入された燃料ガスを触媒層に供給するための燃料ガス流路と、を有するものを採用することができる。かかる場合において、酸化ガス流路における酸化ガスの流れと燃料ガス流路における燃料ガスの流れとが対向流になるように構成するとともに、酸化ガス導入口及び燃料ガス導入口の何れか一方を重力方向下部に配置することが好ましい。

かかる構成を採用すると、単電池の酸化ガス流路における酸化ガスの流れと燃料ガス流路における燃料ガスの流れとを対向流にすることができるので、単電池の反応面内における温度差を低減させることができる。また、重力の作用方向に逆らって燃料電池内に導入されるガスの導入口における排水性を向上させることが可能となる。

本発明によれば、単電池（セル）を複数積層して構成した積層体を有する燃料電池において、端部セルにおける排水性を向上させることが可能となる。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る燃料電池について説明する。以下の各実施形態に係る燃料電池は、車載に好適な固体高分子電解質型の燃料電池である。

まず、図１を用いて、本実施形態に係る燃料電池１の構成について説明する。燃料電池１は、複数の単電池１０を積層したスタック本体（積層体）２を備えており、スタック本体２の両端に位置する単電池１０の外側に、出力端子付の集電板３、絶縁板４及び端板５がこの順に配置されて構成されている。両端板５の間には図示していない締結板が架け渡され、これら締結板が各々端板５にボルト固定されることにより、単電池１０の積層方向に所定の圧縮力が加えられるようになっている。本実施形態における燃料電池１は、図１に示すように、スタック本体２を構成する単電池１０の積層方向が鉛直方向に対して直角な方向になるように燃料電池車両に搭載されるものである。

次に、図２〜図４を用いて、単電池１０の構成について説明する。単電池１０は、図２に示すように、電解質膜１１、電解質膜１１の両面に設けられた電極用の触媒層１２、触媒層１２の外側に配設される拡散層１３、反応ガス流路が設けられたセパレータ１４、拡散層１３とセパレータ１４との間をシールする図示していないシール部材等から構成されている。電解質膜１１、触媒層１２及び拡散層１３により、膜・電極接合体が構成される。

電解質膜１１は、固体高分子材料のイオン交換膜から構成され、主として、水素ガス等の燃料ガスから供給された水素イオンをアノード電極からカソード電極へと移動させる機能を有する。

触媒層１２は、電解質膜１１に隣接配置され、例えば、固体電解質と炭素粒子とその炭素粒子に担持された触媒とから構成される。触媒層１２と、後述する拡散層１３と、によってアノード電極及びカソード電極が構成される。触媒としては、例えば、白金又は白金合金等が好適に用いられる。燃料ガスから供給された水素（Ｈ_２）は、触媒層１２に到達すると触媒の表面で活性な２個の水素原子（水素活性種：Ｈ^＊）に解離する。さらに、触媒表面では酸化反応が進行して水素活性種から水素イオン（Ｈ^＋）と電子（ｅ⁻）とが生じ、これらのうち水素イオンは電解質膜１１中に移入する。触媒層１２では、触媒と固体電解質との配合割合を適宜設定することにより、触媒利用効率の低下を抑えて電池性能を向上させることができる。電解質膜１１及び触媒層１２は何れも平面視で矩形形状を呈している。

本実施形態においては、図３及び図４に示すように、スタック本体２の両端部に配置される単電池（以下、「端部セル」と称することがある）１０Ａの触媒層１２Ａの面積を、スタック本体２の端部を除く位置に配置される単電池（以下、これらを「中央セル」と称することがある）１０の触媒層１２の面積よりも小さく設定している。また、本実施形態においては、図４に示すように、端部セル１０Ａの触媒層１２Ａを電解質膜１１の重力方向上方領域（重力方向に対して上方領域）に配置しているため、端部セル１０Ａでは重力方向上方領域のみにおいて発電及び水生成が行われることとなる。従って、端部セル１０Ａにおける排水性を向上させてフラッディングを抑制することが可能となる。なお、中央セル１０においては、触媒層１２の面積が電解質膜１１の面積と略同一か電解質膜１１の面積よりも若干小さくなるように設定されている。このため、中央セル１０では重力方向上方領域から重力方向下方領域において発電が行われることとなる。

端部セル１０Ａの触媒層面積と中央セル１０の触媒層面積との比は、燃料電池１の規模、仕様、使用環境等に応じて適宜設定することができる。例えば、端部セル１０Ａの触媒層面積を、中央セル１０の触媒層面積の１／５〜１／３に設定することができる。端部セル１０Ａの触媒層面積が中央セル１０の触媒層面積の１／５未満であると、端部セル１０Ａの発電量が中央セル１０の発電量よりも大幅に減少し、発電効率が低下してしまうため、好ましくない。一方、端部セル１０Ａの触媒層面積が中央セル１０の触媒層面積の１／３を超えると、端部セル１０Ａにおける水生成量が比較的多くなり、排水性が低下してしまうため、好ましくない。

拡散層１３は、流体（生成水及び反応ガス）を通過させる機能と、触媒層１２及びセパレータ１４を導通させる機能と、を有する導電体であり、燃料電池１の外部からセパレータ１４を介して触媒層１２側に供給された反応ガスを拡散させて触媒層１２側へ移動させるものである。拡散層１３は、電解質膜１１及び触媒層１２と同様に、平面視で矩形形状を呈している。

セパレータ１４は、積層された各々の単電池１０同士を区切る境界であり、隣接する単電池１０間でアノード電極とカソード電極とが接触することによる単電池１０同士の短絡を防止する機能と、隣接する単電池１０同士を導通させる機能と、を有する。セパレータ１４は、図２に示すように、シール部材１５を介して拡散層１３に隣接配置され、その拡散層１３側の面にはガス流路（燃料ガス流路１４ａ及び酸化ガス流路１４ｂ）が形成されている。セパレータ１４は、電子伝導性が高く、耐食性に優れており、しかもガス雰囲気において金属イオンを放出しないという特性を有するように構成される。かかる条件を満足する材料として、例えば、カーボン等の炭素質材料やステンレス鋼等の金属材料が採用される。

セパレータ１４には、反応ガスの入口及び出口となる複数のマニホールドが設けられており、これらマニホールドはガス流路に連通するようになっている。本実施形態においては、図２〜図４に示すように、燃料ガス入口側マニホールド１４ｃ、酸化ガス入口側マニホールド１４ｄ、燃料ガス出口側マニホールド１４ｅ及び酸化ガス出口側マニホールド１４ｆを設けている。図２に示すように、燃料ガス入口側マニホールド１４ｃ及び燃料ガス出口側マニホールド１４ｅは燃料ガス流路１４ａに連通し、酸化ガス入口側マニホールド１４ｄ及び酸化ガス出口側マニホールド１４ｆは酸化ガス流路１４ｂに連通する。

燃料ガス入口側マニホールド１４ｃ及び酸化ガス入口側マニホールド１４ｄは、外部から燃料ガス及び酸化ガスを導入するためのものであり、各々、本発明における燃料ガス導入口及び酸化ガス導入口として機能する。また、燃料ガス出口側マニホールド１４ｅ及び酸化ガス出口側マニホールド１４ｆは、燃料ガス及び酸化ガスを外部に排出するためのものである。セル外から燃料ガス入口側マニホールド１４ｃを経由して導入された燃料ガスは、燃料ガス流路１４ａ内を流れてアノード電極（拡散層１３及び触媒層１２）に供給され、発電に使用された後、燃料ガス出口側マニホールド１４ｅを経由してセル外に排出される。一方、セル外から酸化ガス入口側マニホールド１４ｄを経由して導入された酸化ガスは、酸化ガス流路１４ｂ内を流れてカソード電極（拡散層１３及び触媒層１２）に供給され、発電に使用された後、酸化ガス出口側マニホールド１４ｆを経由してセル外に排出されることとなる。

また、本実施形態においては、図３及び図４に示すように、酸化ガス入口側マニホールド１４ｄを重力方向下部に配置する一方、酸化ガス出口側マニホールド１４ｆを重力方向上部に配置している。端部セル１０Ａにおいては、図４に示すように、電解質膜１１の重力方向上方領域にのみ触媒層１２Ａが配置されているため、酸化ガス出口側マニホールド１４ｆに近い領域で発電及び水生成が行われることとなる。従って、発電により生成された水（生成水）を酸化オフガスとともに酸化ガス出口側マニホールド１４ｆから容易に排出することができる。このため、端部セル１０Ａの重力方向下部におけるフラッディングを抑制することができる。

また、本実施形態においては、図３及び図４に示すように、燃料ガス入口側マニホールド１４ｃを重力方向上部に配置する一方、燃料ガス出口側マニホールド１４ｆを重力方向下部に配置している。このため、燃料ガス流路１４ａにおける燃料ガスの流れと、酸化ガス流路１４ｂにおける酸化ガスの流れと、が対向流になり、セル反応面内における温度差を低減させることが可能となる。

続いて、図５Ａ〜図６Ｂを用いて、本実施形態に係る燃料電池１の排水効果について説明する。

まず、本実施形態に係る燃料電池１の比較対象となる燃料電池（比較燃料電池）を構成する。かかる比較燃料電池は、図５Ａに示すような端部セル１０Ｂを有するものであり、端部セル１０Ｂは、酸化ガス入口側マニホールド１４ｄに近い重力方向下方領域に触媒層１２Ｂを配置するとともに、その触媒層面積Ｓ_Ｂを中央セルの触媒層面積Ｓ_０の１／２に設定したものである。なお、比較燃料電池の中央セルは、本実施形態に係る燃料電池１の中央セルと共通のものを採用している。また、図５Ａに示す比較燃料電池の端部セル１０Ｂにおいて、本実施形態に係る燃料電池１と共通する構成については、本実施形態と共通の符号を付すこととした。

前記した端部セル１０Ｂを有する比較燃料電池を用いて定常発電を一定時間行った場合における各セル（セル番号「１」〜「Ｎ」）の含水量を、図５Ｂに示す。比較燃料電池においては、図５Ｂに示すように、セル番号が大きいセルほど（総マイナス側のセルほど）含水量が多くなっており、特にセル番号「Ｎ」のセル（総マイナス側の端部セル）の含水量が最も多くなっていることが明らかである。

これに対し、本実施形態に係る燃料電池１の端部セル１０Ａを図６Ａに示すように構成する。端部セル１０Ａは、図６Ａに示すように、酸化ガス出口側マニホールド１４ｆに近い重力方向上方領域に触媒層１２Ａを配置するとともに、その触媒層面積Ｓ_Ａを中央セル１０の触媒層面積Ｓ_０の１／４に設定したものである。

前記した端部セル１０Ａを有する燃料電池１を用いて定常発電を一定時間行った場合における各セルの含水量を、図６Ｂに示す。燃料電池１においては、図６Ｂに示すように、セル番号「１」及び「Ｎ」のセル（総プラス側及び総マイナス側の端部セル）の含水量と、セル番号「２」〜「Ｎ−１」のセル（中央セル）の含水量と、を比較すると、両者に大幅な差はなく、むしろセル番号「Ｎ」のセル（総マイナス側の端部セル）の含水量が最も少なくなっている。これは、図６Ａに示すような端部セル１０Ａを採用することにより、総マイナス側の端部セルにおいても生成水が効果的に排出されることを示すものである。

以上説明した実施形態に係る燃料電池１においては、端部セル１０Ａの触媒層面積を中央セル１０の触媒層面積よりも小さく設定しているため、端部セル１０Ａにおける水生成量を中央セル１０における水生成量よりも低減させることができる。従って、端部セル１０Ａにおける排水性を向上させることができる。

また、以上説明した実施形態に係る燃料電池１においては、各セルの積層方向が重力方向に対して垂直な方向とされており、端部セル１０Ａの触媒層１２Ａが電解質膜１１の重力方向上方領域に設けられているため、端部セル１０Ａの重力方向下方領域における発電及び水生成を抑制することができる。従って、端部セル１０Ａの重力方向下部におけるフラッディングを抑制して排水性を向上させることが可能となる。

また、以上説明した実施形態に係る燃料電池１においては、各セルの燃料ガス流路１４ａにおける燃料ガスの流れと酸化ガス流路１４ｂにおける酸化ガスの流れとが対向流になるように構成されているので、各セルの反応面内における温度差を低減させることができる。また、各セルの酸化ガス入口側マニホールド１４ｄを重力方向下部に配置しているので、重力の作用方向に逆らって燃料電池１内に導入される酸化ガスの導入側における排水性を向上させることが可能となる。

なお、以上の実施形態においては、端部セル１０Ａの触媒層面積を中央セルの触媒層面積より小さく設定し、中央セルについては触媒層面積を一定にした例を示したが、スタック本体２の端部から中央部になるに従ってセルの触媒層面積を漸次増大させるように設定することもできる。

また、以上の実施形態においては、スタック本体２の両端部（総プラス側の端部及び総マイナス側の端部）に配置される端部セル１０Ａの触媒層面積を中央セルの触媒層面積より小さく設定した例を示したが、総マイナス側の端部セルの触媒層面積のみをその他のセルの触媒層面積より小さく設定することもできる。かかる場合においても、生成水が溜まり易い総マイナス側の端部セルにおけるフラッディングを効果的に抑制することが可能となる。

また、以上の実施形態においては、酸化ガス入口側マニホールド１４ｄのみを重力方向下部に配置した例を示したが、各マニホールドの位置は適宜変更することができる。例えば、図７及び図８に示すように、燃料ガス入口側マニホールド１４ｃ及び酸化ガス入口側マニホールド１４ｄの双方を重力方向下部に配置することができる。

本発明の実施形態に係る燃料電池を示す斜視図である。 図１に示す燃料電池を構成する単電池の分解斜視図である。 図２に示す単電池のスタック本体の斜視図である。 図２に示す単電池の端部セルの平面図である。 比較燃料電池の端部セルの平面図である。 比較燃料電池の各セルの含水量を示すグラフである。 本発明の実施形態に係る燃料電池の端部セルの平面図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池の各セルの含水量を示すグラフである。 本発明の他の実施形態に係る燃料電池の端部セルの平面図である。 同上。

符号の説明

１…燃料電池、２…スタック本体（積層体）、３…集電板、１０…単電池、１０Ａ…端部セル（積層体の端部に配置される単電池）、１１…電解質膜、１２・１２Ａ…触媒層、１４ａ…燃料ガス流路、１４ｂ…酸化ガス流路、１４ｃ…燃料ガス入口側マニホールド（燃料ガス導入口）、１４ｄ…酸化ガス入口側マニホールド（酸化ガス導入口）。

Claims (5)

1. 電極用の触媒層が両面に設けられた電解質膜を有し外部からの反応ガスの供給を受けて電気化学反応により発電を行う単電池と、この単電池が複数積層されてなる積層体と、この積層体を挟持する集電板と、を備える燃料電池であって、
   前記積層体の少なくとも一方の端部に配置される前記単電池の前記触媒層の面積が、前記端部を除く位置に配置される前記単電池の前記触媒層の面積よりも小さく設定されてなる燃料電池。
2. 前記積層体を構成する前記単電池の前記触媒層の面積が、前記端部から中央部になるに従って漸次増大するように設定されてなる請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記積層体は、前記単電池が重力方向に対して垂直な方向に積層されてなるものであり、
   前記端部に配置される前記単電池は、前記触媒層が前記電解質膜の重力方向に対して上方領域に設けられてなるものである、
   請求項１又は２に記載の燃料電池。
4. 前記端部は、前記積層体の総マイナス側の端部である請求項１から３の何れか一項に記載の燃料電池。
5. 前記単電池は、外部から酸化ガスを導入するための酸化ガス導入口と、この酸化ガス導入口を経由して導入された酸化ガスを前記触媒層に供給するための酸化ガス流路と、外部から燃料ガスを導入するための燃料ガス導入口と、この燃料ガス導入口を経由して導入された燃料ガスを前記触媒層に供給するための燃料ガス流路と、を有するとともに、前記酸化ガス流路における酸化ガスの流れと前記燃料ガス流路における燃料ガスの流れとが対向流になるように構成され、かつ、前記酸化ガス導入口及び前記燃料ガス導入口の何れか一方が重力方向下部に配置されてなる請求項１から４の何れか一項に記載の燃料電池。

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