JP2008159444A - 燃料電池スタック及び燃料電池用セパレータ - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池スタックに用いられる多孔質セパレータにおいて、カソードガス拡散基板からの凝縮水吸収除去を効果的に行い、カソードガス拡散基板の凝縮水の過剰占有を防ぐことのできる燃料電池用セパレータを提供する。
【解決手段】カソードガス拡散基板１５中の凝縮水の占有体積率をガス拡散阻害を生じない所定値以下に維持するように凝縮水を除去するため、カソードガス拡散基板１５の気孔分布とカソード側セパレータ部品プレート１３の気孔分布に改良を加える。また、反応生成水及びドラッグ水の多孔質セパレータ４への吸収除去するため、カソードガス拡散基板１５とカソード側セパレータ部品プレート１３との接触部分であるリブ部１７の界面の気孔分布、すなわち凹凸状態に改良を加える。
【選択図】図４

Description

本発明は、燃料電池スタック及び燃料電池用セパレータに係り、特に、燃料電池スタックからの凝縮水を吸収除去する技術の改良に関する。

燃料電池は、電解質の違い等により様々なタイプのものに分類されるが、電解質にプロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜を用いた固体高分子形燃料電池は、低温動作性や高出力密度等の特徴から、一般家庭用を視野に入れた小型コージェネレーションシステムや電気自動車用の動力源としての用途に適しており、今後、市場規模が急激に拡大しているタイプの燃料電池である。

このような燃料電池システムでは、図３及び図４に示すように水素を含む燃料ガスをアノード極１に供給し、酸素を含む酸化剤ガスをカソード極２に供給して発電を行うが、この燃料ガスと酸化剤ガスは層状のアノード極１、固体高分子電解質膜３及びカソード極２に対して電気伝導性材料の平板であるセパレータ４の表面に設けられた反応ガス流路５及び６に沿ってそれぞれ垂直に供給される。

反応ガス流路５及び６は、図３に示すガス供給マニホルド７及び９と、ガス排出マニホルド８及び１０と連通している。燃料ガスと酸化剤ガスとは、ガス供給マニホルド７及び９を介して反応ガス流路に供給され、反応ガス流路を上流から下流へと流れ、ガス排出マニホルド８及び１０から外部へ排出される。また、電池反応によって燃料ガス中の水素と酸化剤ガス中の酸素が消費され、反応生成物の水が水蒸気として排出される。

図４は、図３に示す燃料電池スタック１１のＡ−Ａ’断面図を示したものである。固体高分子電解質膜３は、平衡する水蒸気圧により膜の含水率が変化し、電解質膜の抵抗が変化する特性がある。そこで、電解質膜の抵抗を小さくし、十分な発電性能を得るためには固体高分子電解質膜に水分を加える、つまり加湿が必要になる。この加湿は燃料ガスや酸化剤ガスに予め水蒸気を添加する外部加湿方式と、セパレータ４を介して水を直接添加する内部加湿方式とが知られている。

固体高分子形燃料電池スタック１１は、図４に示すように、一般的には１セル毎にセパレータ４が挿入されて構成される。このセパレータ４は、セル発電に伴う発熱を除去するための冷却除熱機能、セルを電気的に直列に接続するための導電機能を備える。また、セパレータを介し配置された一方のセルのセパレータ側に流通するアノード反応ガス又はカソード反応ガスと、セパレータを介し配置された他の一方のセルのセパレータ側に流通するカソード反応ガス又はアノード反応ガスとがセパレータ４を貫通して混合することを防止する反応ガス遮断機能を備えている。さらに、セパレータ４は所定の積層締付下で形状を保持できる機械的強度も有している。

なお、所定の湿度分を反応ガスに加湿する外部加湿型の固体高分子型燃料電池にあっては、下記特許文献１に記載されているように、通常、セパレータの材質自体は緻密構造からなり、反応ガス及び冷却水に対し不浸透性を有している。

また、下記特許文献２に記載される燃料電池では、上記セパレータ４の機能に加え、反応ガスの加湿機能とセル内凝縮生成水除去機能を持つ多孔質セパレータが開示されている。

これらの多孔質セパレータ４は、図４で例示すると、プレート１３とプレート１４とを冷却水流路形成面と平面を接着面として一体化して形成されるのが一般的である。このプレート１３は一方の面にカソード反応ガスをセル反応面に供給するための反応ガス流路６を他の面に冷却水を流通させるための流路１２を備え、プレート１４は一方の面のみアノード反応ガスをセル反応面に供給するための反応ガス流路したものである。このように上記の多孔質セパレータ４は、反応ガス流路５及び６に導入された反応ガスに十分な水分を与える加湿機能を有している。

また、他の機能として、アノード極１では、アノード反応ガス流路５内において、加湿蒸気の生成凝縮水が発電消費による燃料ガス分圧低下を起因として発生するが、この生成凝縮水を多孔質セパレータ４内へ吸収除去することにより、凝縮水が流路を閉塞することによる燃料ガスの導入阻害を防止する。

カソード極２においては、カソード反応ガス流路６において、生成凝縮水が、発電消費による酸化ガス分圧低下により発生するが、この凝縮水を多孔質セパレータ４内へ吸収除去する以外にも、重要な機能として、凝縮反応生成水及び反応ドラッグ水をカソードガス拡散基板１６から多孔質セパレータ４側に速やかに除去し、カソード反応部の健全性の維持も果たしている。

これらの凝縮水の除去を実現させるため、多孔質セパレータ４内部の冷却水流通路１２を流通する冷却水の圧力がアノード反応ガス及びカソード反応ガスの圧力に比して負圧で運転され、多孔質セパレータ４上に生じた凝縮水はその負圧により多孔質セパレータ４内部に吸収されるようになっている。

また、負圧差は、多孔質セパレータの持つ泡出圧バブルプレッシャーよりも低く設定されており、反応ガスが多孔質セパレータ４内を貫通流入することはないように構成されている。
特開２００４−２８１２６１号公報 特公平７−９５４４７号公報

ところで、上記のような燃料電池スタック１１において、カソード極２においては、凝縮反応生成水及び反応ドラック水はカソードガス拡散基板１５を経由して、それと接触している多孔質セパレータ４の構成部品であるカソード側セパレータ部品プレート１３のリブ部１７から吸収除去される。

しかし、凝縮反応生成水及び反応ドラッグ水がカソードガス拡散基板１５から速やかに除去できない場合は、この凝縮反応生成水及び反応ドラック水がカソードガス拡散基板１５中に充満し、結果的に反応酸化ガス拡散透過が阻害され、カソード触媒層への反応酸化ガス供給が不十分となってしまう。これは反応ガス拡散抵抗の増大を引き起こし、結果的に電池特性低下の原因となっていた。

この反応酸化ガスの拡散阻害を防止するためには、カソードガス拡散基板１５中の凝縮水の占有体積率を、ガス拡散阻害を生じない所定値以下に常に維持するように、カソードガス拡散基板１５中の凝縮水を除去することが望まれていた。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、燃料電池スタックに用いられる多孔質セパレータにおいて、カソードガス拡散基板からの凝縮水吸収除去を効果的に行い、カソードガス拡散基板の凝縮水の過剰占有を防ぐことのできる燃料電池スタック及び燃料電池用セパレータを提供することにある。

以上の課題を解決するため、本発明は、電解質としてプロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜を用い、前記固体高分子電解質膜を燃料ガスを供給するアノード極と酸化剤ガスを供給するカソード極で挟み、このアノード極とカソード極の外側に多孔質のセパレータをアノード側及びカソード側にそれぞれ配置し、これらのセパレータを介して燃料ガスや酸化剤ガスに水蒸気を添加する内部加湿方式の燃料電池スタックであって、前記アノード極と前記カソード極とは、前記セパレータとの間に、凝縮反応生成水又は反応ドラッグ水を前記セパレータ側に除去するガス拡散層を備え、前記カソード側セパレータの最高気孔直径が、前記カソード極の前記ガス拡散層の累積気孔率の４０％以下であることを特徴とする。

以上のような本発明によれば、カソードガス拡散層中の凝縮水の占有体積率をガス拡散阻害が生じない所定値以下に維持するように凝縮水を除去することができるとともに、反応生成水及びドラッグ水の多孔質セパレータへの吸収除去を行うことが可能となる。

本発明によれば、燃料電池スタックに用いられる多孔質セパレータにおいて、カソードガス拡散層からの凝縮水吸収除去を効果的に行い、カソードガス拡散層の凝縮水の過剰占有を防ぐことのできる燃料電池用セパレータを提供することができる。

以下、本発明に係る代表的な実施形態について、図１及び図２を参照して具体的に説明する。

本発明の実施形態（本実施形態という。）の燃料電池用セパレータは、図３及び図４を参照すると、カソードガス拡散基板１５の気孔分布とカソード側セパレータ部品プレート１３の気孔分布、すなわち凹凸状態に改良を加えたものである。

より具体的には、本発明のリブ部表面の粗さを含む多孔質セパレータの最大気孔直径が対応するガス拡散基板の累積気孔率の４０％以下となるようにしたものである。

このような本実施形態の燃料電池用セパレータによれば、カソードガス拡散基板１５中の凝縮水の占有体積率をガス拡散阻害が生じない所定値以下に維持するように凝縮水を除去することができるとともに、反応生成水及びドラッグ水の多孔質セパレータ４への吸収除去を行うことが可能となる。

以下、具体的な実施例を示す。
この実施例では、同一組成成形材料を用い、３種のリブ表面粗さを有するカソード側セパレータ部品プレートを試作した。このカソード側セパレータ部品プレートのリブ表面の粗さを表１に示す。測定は触針式表面粗さ計を使用した。

次に、カソード側セパレータ部品プレートを切り出し、水銀圧入法により気孔分布を測定した。併せてカソードガス拡散基板の気孔分布を測定した。それぞれ累積気孔率分布を図１に示す。

図１からわかるとおり、サンプル１が最大気孔径が最も小さく、サンプル３が最も大きい結果になっている。

次に、表２に、これらの最大気孔直径とそれと対応するガス拡散基板の累積気孔率との関係を示す。サンプル１の最大気孔直径は約５μｍであり、これに対応するガス拡散基板の累積気孔率は３％と非常に少ないことがわかる。

また、サンプル３については８０μｍであり、これに対応するガス拡散基板の累積気孔率は９８％でありガス拡散基板の最大気孔直径と一致していることがわかる。

次に、これらのサンプルと同一のリブ部表面粗さを有するアノード側セパレータ部品プレート１４を作製し、それぞれ対応するカソード側セパレータ部品プレート１３を接着し多孔質セパレータ４を作製した。これらの多孔質セパレータ４を用い各々電池を作製し、同一条件でこれら電池の特性評価を実施した。

図２に、これら電池の電流―電圧特性を示す。サンプル１及び２の多孔質セパレータを用いた電池の特性はほぼ同一であるが、サンプル３を用いた電池特性はサンプル１及び２の電池に比して低い特性を示した。電流密度２００ｍＡ／ｃｍ² で約６ｍＶ低く、高電流密度になるにつれ特性低下量は更に大きくなる傾向が示され、ガス拡散阻害の傾向を示していた。

以上のことから、多孔質セパレータのリブ部表面粗さが電池特性に影響を与えることがわかる。このことは、この表面粗さがカソードガス拡散基板からの凝縮水の移動に影響を与え、表面粗さが大きいほど、平衡するカソードガス拡散基板中の凝縮水の占有率が高くなり、ガス拡散阻害が発生しやすくなることを示している。

この実施例で示したように、本発明のリブ部表面の粗さを含む多孔質セパレータの最大気孔直径が対応するガス拡散基板の累積気孔率の４０％以下である多孔質セパレータ４を用いることにより、カソードガス拡散基板の凝縮水フラディングに起因するガス拡散阻害のない燃料電池を提供できる。

なお、本実施形態では、ある特定の気孔分布を持つセパレータと、ある特定の気孔分布を持つガス拡散基板について説明したが、これら以外の気孔分布を有するセパレータ及びガス拡散基板であっても気孔間に上記関係を有するものであれば本発明と同様な効果を得られることはいうまでもない。

セパレータ部品プレート及びガス拡散基板の累積気孔率を示す図。 各種セパレータ部品プレートから構成されたセパレータを用いた電池の電流―電圧特性を示す図。 従来の固体高分子膜型燃料電池のスタックの一部断面を示す図。 従来の固体高分子燃料電池スタックを示す図。

符号の説明

１…アノード極
２…カソード極
３…固体高分子電解質膜
４…多孔質セパレータ
５…アノード反応ガス流路
６…カソード反応ガス流路
７,９…ガス供給マニホルド
８,１０…ガス排出マニホルド
１１…燃料電池スタック
１２…冷却水流通路
１３…カソード側セパレータ部品プレート
１４…アノード側セパレータ部品プレート
１５…カソードガス拡散基板
１６…カソードガス拡散基板
１７…リブ部

Claims (4)

1. 電解質としてプロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜を用い、前記固体高分子電解質膜を燃料ガスを供給するアノード極と酸化剤ガスを供給するカソード極で挟み、このアノード極とカソード極の外側に多孔質のセパレータをアノード側及びカソード側にそれぞれ配置し、これらのセパレータを介して燃料ガスや酸化剤ガスに水蒸気を添加する内部加湿方式の燃料電池スタックであって、
   前記アノード極と前記カソード極とは、前記セパレータとの間に、凝縮反応生成水又は反応ドラッグ水を前記セパレータ側に除去するガス拡散層を備え、
   前記カソード側セパレータの最高気孔直径が、前記カソード極の前記ガス拡散層の累積気孔率の４０％以下であることを特徴とする燃料電池スタック。
2. 電解質としてプロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜を用い、前記固体高分子電解質膜を燃料ガスを供給するアノード極と酸化剤ガスを供給するカソード極で挟み、このアノード極とカソード極の外側に多孔質のセパレータをアノード側及びカソード側にそれぞれ配置し、これらのセパレータを介して燃料ガスや酸化剤ガスに水蒸気を添加する内部加湿方式の燃料電池スタックであって、
   前記アノード極と前記カソード極とは、前記セパレータとの間に、凝縮反応生成水又は反応ドラッグ水を前記セパレータ側に除去するガス拡散層を備え、
   前記カソード側セパレータの前記ガス拡散層と接するリブ表面部の最高気孔直径が、前記ガス拡散層の累積気孔率の４０％以下であることを特徴とする燃料電池スタック。
3. 電解質としてプロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜を用い、前記固体高分子電解質膜を燃料ガスを供給するアノード極と酸化剤ガスを供給するカソード極で挟み、前記アノード極と前記カソード極とは前記セパレータとの間に凝縮反応生成水又は反応ドラッグ水を前記セパレータ側に除去するガス拡散層を備え、燃料ガスや酸化剤ガスに水蒸気を添加する内部加湿方式の燃料電池スタックのアノード極とカソード極の外側にそれぞれ配置して用いる燃料電池用セパレータであって、
   前記カソード側に配置されるセパレータの最高気孔直径が、前記カソード極の前記ガス拡散層の累積気孔率の４０％以下であることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
4. 電解質としてプロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜を用い、前記固体高分子電解質膜を燃料ガスを供給するアノード極と酸化剤ガスを供給するカソード極で挟み、前記アノード極と前記カソード極とは前記セパレータとの間に凝縮反応生成水又は反応ドラッグ水を前記セパレータ側に除去するガス拡散層を備え、燃料ガスや酸化剤ガスに水蒸気を添加する内部加湿方式の燃料電池スタックのアノード極とカソード極の外側にそれぞれ配置して用いる燃料電池用セパレータであって、
   前記カソード側セパレータの前記ガス拡散層と接するリブ表面部の最高気孔直径が、前記ガス拡散層の累積気孔率の４０％以下であることを特徴とする燃料電池用セパレータ。

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