JP2008243491A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】直接燃料酸化型燃料電池においてアノード側の気液分離構造の信頼性を向上させることができる燃料電池を提供する。
【解決手段】電解質膜１１と、電解質膜１１を挟んで対向するアノード極及びカソード極とを有する膜電極複合体１と、アノード極の電解質膜１１とは反対側の面に設けられ、アノード極における反応により生成した流体を気体と液体に分離する気液分離層２と、アノード極に燃料を供給する燃料流路５、及び気体を排出する気体流路６を有するアノード流路板４と、気液分離層２とアノード流路板４との間に配置され、気液分離層２及びアノード流路板４よりも柔軟で、導電性、疎液性及び気体透過性を有する補助多孔体層３とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池に関し、特に直接燃料酸化型燃料電池に関する。

直接燃料酸化型燃料電池において、アノード側に気液分離構造を設け、アノード反応において生成された気体（ＣＯ₂ガス）をアノード側で液体燃料及び水と気液分離する手法が知られている（例えば、特許文献１参照。）。従来のアノード側の気液分離構造では、アノード流路板とアノード極との間に疎液性又は親液性の気液分離層を設け、気液分離層により気液分離を行う。これにより、システムのアノード循環系が不要もしくは小型化ができ、システム全体の小型化に寄与できる。

しかしながら、従来のアノード側の気液分離構造は、複雑な構造を複数の部品で構成するため一体成型が難しい。更に、電極に悪影響を及ぼす接着剤等の溶媒を含んだ材料や、金属イオンが溶出する材料を用いることはできない。このため、個々の部品を用意した後に位置決めを行い重ね合わせて押圧しているが、アノード流路板と疎液性又は親液性の気液分離層との間に隙間が生じ、燃料が気体流路側へ漏れる場合があり、気液分離の機能を失う可能性がある。
特開２００２−１７５８１７号公報

本発明は、直接燃料酸化型燃料電池においてアノード側の気液分離構造の信頼性を向上させることができる燃料電池を提供する。

本願発明の一態様によれば、（イ）電解質膜と、電解質膜を挟んで対向するアノード極及びカソード極とを有する膜電極複合体と、（ロ）アノード極の電解質膜とは反対側の面に設けられ、アノード極における反応により生成した流体を気体と液体に分離する気液分離層と、（ハ）アノード極に燃料を供給する燃料流路、及び気体を排出する気体流路を有するアノード流路板と、（ニ）気液分離層とアノード流路板との間に配置され、気液分離層及びアノード流路板よりも柔軟で、導電性、疎液性及び気体透過性を有する補助多孔体層とを備える燃料電池が提供される。

本発明によれば、直接燃料酸化型燃料電池においてアノード側の気液分離構造の信頼性を向上させることができる燃料電池を提供することができる。

次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。

また、以下に示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の技術的思想は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。

（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池として、燃料にメタノールを用いた直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）を採用した燃料電池を説明する。本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池は、図１に示すように、電解質膜１１、及び電解質膜１１を挟んで対向するアノード極及びカソード極を有する膜電極複合体（ＭＥＡ）１と、アノード極の電解質膜１１とは反対側の面に設けられ、アノード極における反応により生成した流体を気体と液体に分離する気液分離層２と、アノード極に燃料を供給する燃料流路５、及び気体を排出する気体流路６を有するアノード流路板４と、気液分離層２とアノード流路板４との間に配置され、気液分離層２及びアノード流路板４よりも柔軟で、疎液性、導電性及び気体透過性を有する補助多孔体層３とを備える。

膜電極複合体１において、アノード触媒層１２、カーボン緻密層１４及びアノードガス拡散層１６によりアノード極が構成されている。また、カソード触媒層１３、カーボン緻密層１５及びカソードガス拡散層１７によりカソード極が構成されている。

電解質膜１１は、例えばナフィオン膜（登録商標）等のプロトン（Ｈ⁺）導電性を有する固体高分子膜を有する。アノード触媒層１２は、例えば白金ルテニウム（ＰｔＲｕ）等を用いることができる。カソード触媒層１３は、例えば白金（Ｐｔ）等を用いることができる。アノードガス拡散層１６としては、例えば市販のカーボンペーパーにポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）で撥水処理を施したものを、カソードガス拡散層１７としては、例えば市販のカーボン緻密層付のカーボンクロスをそれぞれ使用可能である。アノードガス拡散層１６は、アノード触媒層１２への燃料供給、アノード反応による生成物の排出、及び集電を円滑に行う。カソードガス拡散層１７は、カソード触媒層１３への空気の供給、カソード反応による生成物の排出、及び集電を円滑に行う。

気液分離層２は、導電性、疎液性（撥水性）及び気体透過性を有する。気液分離層２としては、カーボンペーパー、カーボンクロス及びカーボン不織布等の多孔体層が使用可能である。

補助多孔体層３は、気液分離層２及びアノード流路板４よりも高い柔軟性を有し、疎液性（撥水性）、導電性及び気体透過性を有する。補助多孔体層３としては、ＭＰＬ（Micro Porous Layer）が使用可能である。ＭＰＬは、炭素粉とＰＴＦＥを溶媒でスラリー状にし、３８０℃で焼き固めて製造可能である。

アノード流路板４には、燃料流路５及び気体流路６が形成されている。燃料流路５は、燃料又は燃料水溶液を燃料供給口５０からアノード電極へ供給するとともに、アノード極により未反応の燃料水溶液等を燃料排出口５１から排出する。気体流路６は、アノード反応により生成した気体（ＣＯ₂ガス）を気体排出口６０から排出する。燃料流路５のアノード側の開口部は、補助多孔体層３の開口部３１及び気液分離層２の開口部２１と位置合わせされている。気体流路６のアノード側の開口部は、補助多孔体層３と接している。

カソードガス拡散層１７の外側には、カソード集電体（カソード流路板）７が配置されている。カソード集電体７は、空気を開口部８からカソード極に供給するとともに集電を行う。アノードガスケット９及びカソードガスケット１０は、燃料及び空気の外部へのリークを防止する。

本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池において、図２に示すように、メタノール水溶液が燃料流路５を通過して、補助多孔体層３の開口部３１、気液分離層２の開口部２１を介してアノード極に供給される。同時に、カソード集電体７の開口部８から空気が取り込まれ、カソード極に供給される。アノード極及びカソード極での反応は、それぞれ反応式（１），（２）で表される。

ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ→６Ｈ⁺＋６ｅ^-＋ＣＯ₂ …（１）
６Ｈ⁺＋６ｅ^-＋３／２Ｏ₂→３Ｈ₂Ｏ …（２）

アノード反応で生成したプロトン（H⁺）は電解質膜１１を通してカソード極へ流れる。アノード反応で生成した電子（ｅ^-）は、アノード集電体４、図示を省略した外部回路、カソード集電体７を経由してカソード極へ運ばれる。アノード反応で発生したＣＯ₂は、燃料流路５内の液中に気泡を形成するより、疎液性の気液分離層２を透過する方が容易なため、疎液性の気液分離層２及び補助多孔体層３を透過して、気体流路６から排出される。アノード極で未反応の水の一部は燃料流路５内のメタノール水溶液と混合し、残りは電解質膜１１を透過してカソード側から外部へ排出される。カソード反応で生成した水の一部は、電解質膜１１を通してアノード触媒層１２側へ逆拡散し、残りはカソード集電体７の開口部８から外部へ排出される。

このとき、気液分離層２とアノード流路板４との間に、気液分離層２及びアノード流路板４よりも高い柔軟性を有する補助多孔体層３が配置されているので、気液分離層２とアノード流路板４との間に隙間が形成されることなく、気体流路６への液漏れを防止でき、気液分離構造の信頼性を向上させることができる。また、膜電極複合体１を任意の方向に向けても、ＣＯ₂をメタノール水溶液と分離して排出することができる。

更に、補助多孔体層３はパッキンの効果だけでなく、気液分離の信頼性を上げるための流体要素としての機能を有する。図３に示すように、ある電流を引く場合、アノード反応におけるＣＯ₂の発生量は電流に対して決まることになり、疎液性の気液分離層２や補助多孔体層３の中の圧力損失が決まる。ここで、式（３）に示すように、気液分離層２及び補助多孔体層３を通過するときの圧力損失（ΔＰ₁＋ΔＰ₂）は、燃料流路５と気体流路６の圧力差（Ｐ_MeOH−Ｐ_CO2）より小さい。

Ｐ_MeOH−Ｐ_CO2≧ΔＰ₁＋ΔＰ₂ …（３）

気液分離層２及び補助多孔体層３を通過するときの圧力損失（ΔＰ₁＋ΔＰ₂）が、燃料流路５と気体流路６との圧力差（Ｐ_MeOH−Ｐ_CO2）より大きいと、アノード反応により生成したＣＯ₂は燃料流路５内に放出され、気液分離が破れる可能性がある。そこで、圧力損失（ΔＰ₁＋ΔＰ₂）が燃料流路５と気体流路６の圧力差（Ｐ_MeOH−Ｐ_CO2）より小さくなるように、気孔率や多孔率を制御できる補助多孔体層３により圧力損失（ΔＰ₁＋ΔＰ₂）の設計を行うことにより、気液分離の信頼性を向上することができる。

また、図４に示すように、補助多孔体層３は、補助多孔体層３の気孔径と接触角、液の表面張力係数から決まる表面張力ΔＰ_Cにより、燃料流路５から気体流路６への液体の侵入を抑えている。ここで、式（４）に示すように、表面張力ΔＰ_Cは、燃料流路５と気体流路６の圧力差（Ｐ_MeOH−Ｐ_CO2）よりも大きい。

ΔＰ_C＞Ｐ_MeOH−Ｐ_CO2 …（４）

表面張力ΔＰ_Cが燃料流路５と気体流路６の圧力差（Ｐ_MeOH−Ｐ_CO2）よりも小さいと、気液分離が破壊される場合がある。気孔径を制御できる補助多孔体層３を用い、表面張力ΔＰ_Cの大きさを制御することにより、気液分離構造の信頼性を向上させることができる。

以上説明したように、本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池によれば、疎液性の気液分離層２とアノード流路板４との間に補助多孔体層３を配置することにより、疎液性の気液分離層２とアノード流路板４との間に隙間を作ることなく、燃料流路５から気体流路６への液漏れを防止することができ、気液分離の信頼性を向上させることができる。

本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池の一実施例として、燃料流路５の幅が１ｍｍ、気体流路６の幅が１ｍｍ、ランド幅が０．８ｍｍのアノード流路板４を作製し、疎液性の気液分離層２としてカーボンペーパー、補助多孔体層３として厚み５０μｍのＭＰＬを用いてで加圧したところ、３ｋＰａ程度の燃料流路５の内圧に耐えることができた。一方、比較例として補助多孔体層３がない場合では、数十Ｐａで気液分離が破壊されたことから、気液分離構造の耐圧が２桁程度向上していることが分かる。

（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池は、図５に示すように、電解質膜１１、及び電解質膜１１を挟んで対向するアノード極及びカソード極を有する膜電極複合体（ＭＥＡ）１と、アノード極における反応により生成する流体を気体と液体に分離する気液分離層２と、アノード極に燃料を供給する燃料流路５、及び気体を排出する気体流路６を有するアノード流路板４と、気液分離層２とアノード流路板４との間に配置された補助多孔体層３とを備える。

本発明の第２の実施の形態においては、気液分離層２として、親液性の多孔体層を用いている点が、本発明の第１の実施の形態と異なる。気液分離層２としては、カーボンペーパー、カーボンクロス及びカーボン不織布等が使用可能である。

燃料流路５のアノード側の開口部は、補助多孔体層３の開口部３１を位置合わせされている。このため、補助多孔体層３は、燃料流路５から気液分離層２への燃料供給を妨げない。気体流路６のアノード側の開口部は、親液性の気液分離層２の開口部２１及び補助多孔体層３の開口部３１と位置合わせされている。他の構造は、図１に示した燃料電池と実質的に同様であるので、重複した説明を省略する。

本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池においては、図６に示すように、燃料流路５から供給されたメタノール水溶液が、補助多孔体層３の開口部３１を介して親液性の気液分離層２を透過してアノード極に供給される。親液性の気液分離層２は、メタノール水溶液を保持し孔部からＣＯ₂を排出する。

アノード反応により生成されたＣＯ₂は、親液性の気液分離層２の開口部２１、補助多孔体層３の開口部３１を介して、気体流路６から排出される。

ここで、図７に示すように、補助多孔体層３は、補助多孔体層３の気孔径と接触角、液体の表面張力係数から決まる表面張力により、燃料流路５から気体流路６への液体の侵入を抑えている。式（５）で表すように、表面張力ΔＰ_C´は、燃料流路５と気体流路６の圧力差（Ｐ´_MeOH−Ｐ´_CO2）よりも大きい。

ΔＰ´_C＞Ｐ´_MeOH−Ｐ´_CO2 …（５）

表面張力ΔＰ´_Cが燃料流路５と気体流路６の圧力差（Ｐ´_MeOH−Ｐ´_CO2）よりも小さいと、気液分離が破壊される場合がある。気孔径を制御できる補助多孔体層３を用い、表面張力ΔＰ´_Cの大きさを制御することにより、燃料流路５から気体流路６への液漏れを防止することができ、気液分離構造の信頼性を向上させることができる。

以上説明したように、本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池によれば、アノード流路板４と親液性の気液分離層２との間の隙間を作ることなく、燃料流路５から気体流路６への燃料漏れを防止することができ、気液分離構造の信頼性を向上させることができる。

（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は第１及び第２の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。本発明の第１及び第２の実施の形態に係る燃料電池システムとしてＤＭＦＣを説明したが、本発明は種々の燃料電池システムに採用可能であるのは勿論である。燃料としてメタノールの他に種々のアルコールやエーテル等を使用しても良い。このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池の断面図である。 本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池の要部断面図である。 本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池の他の要部断面図である。 本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池の更に他の要部断面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池の断面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池の要部断面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池の他の要部断面図である。

符号の説明

１…膜電極複合体（ＭＥＡ）
２…気液分離層
３…補助多孔体層
４…アノード流路板
５…燃料流路
６…気体流路
７…カソード集電体（カソード流路板）
８…開口部
９…アノードガスケット
１０…カソードガスケット
１１…電解質膜
１２…アノード触媒層
１３…カソード触媒層
１６…アノードガス拡散層
１７…カソードガス拡散層
２１…開口部
３１…開口部
５０…燃料供給口
５１…燃料排出口
６０…気体排出口

Claims (7)

1. 電解質膜と、前記電解質膜を挟んで対向するアノード極及びカソード極とを有する膜電極複合体と、
   前記アノード極の前記電解質膜とは反対側の面に設けられ、前記アノード極における反応により生成した流体を気体と液体に分離する気液分離層と、
   前記アノード極に燃料を供給する燃料流路、及び前記気体を排出する気体流路を有するアノード流路板と、
   前記気液分離層と前記アノード流路板との間に配置され、前記気液分離層及び前記アノード流路板よりも柔軟で、導電性、疎液性及び気体透過性を有する補助多孔体層
   とを備えることを特徴とする燃料電池。
2. 前記気液分離層が疎液性及び気体透過性を有し、
   前記気液分離層及び前記補助多孔体層が、前記気体流路の開口部と前記アノード極との間に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記気液分離層及び前記補助多孔体層が、前記気体を透過させて前記気体流路に排出することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
4. 前記気体が前記気液分離層及び前記補助多孔体層を透過する際に発生する圧力損失が、前記燃料流路と前記気体流路との圧力差よりも小さいことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池。
5. 前記気液分離層が親液性を有し、
   前記気液分離層が、前記燃料流路の開口部と前記アノード極の間に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
6. 前記気液分離層が、前記燃料を透過させて前記アノード極に供給することを特徴とする請求項５に記載の燃料電池。
7. 前記燃料流路と前記気体流路との圧力差が、前記補助多孔体層の気孔径と前記燃料の表面張力係数から求まる表面張力値よりも小さいことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池。

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