JP2008311043A

JP2008311043A - 固体高分子形燃料電池

Info

Publication number: JP2008311043A
Application number: JP2007156949A
Authority: JP
Inventors: Takanori Wada; 崇徳和田
Original assignee: Fuji Electric Holdings Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2007-06-14
Filing date: 2007-06-14
Publication date: 2008-12-25
Anticipated expiration: 2027-06-14
Also published as: JP5092560B2

Abstract

【課題】加湿装置などを使用しなくても膜内湿潤状態を良好に維持できる固体高分子形燃料電池を得ること。
【解決手段】固体高分子電解質膜１１及び触媒層１２，１３の電解質樹脂にカチオン交換樹脂を用いたカチオン交換膜型電池単セル１０と、固体高分子電解質膜２１及び触媒層２２，２３の電解質樹脂にアニオン交換樹脂を用いたアニオン交換膜型電池単セル２０とで構成された燃料電池スタック３０からなり、燃料ガスをアニオン交換膜型電池単セル２０のアノード電極２５側から供給してアニオン交換膜型電池単セル２０のアノード電極２５側とカチオン交換膜型電池単セル１０のアノード電極１５側とを通過させ、酸化剤ガスをカチオン交換膜型電池単セル１０のカソード電極１６側から供給してカチオン交換膜型電池単セル１０のカソード電極１６側とアニオン交換膜型電池単セル２０のカソード電極２６側とを通過させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池の内部の湿潤状態を面内均一に制御でき、電池が劣化することなく、長時間高い出力を得ることが可能な固体高分子形燃料電池に関する。

固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ:ＰｏｌｙｍｅｒＥｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅＦｕｅｌＣｅｌｌ）は、電解質に固体高分子膜を用いる燃料電池で、作動温度が低く取り扱い性に優れる、出力密度が高い、電池寿命が長いなどの特徴を有している。

図３は、一般的な固体高分子形燃料電池の概略構成図であり、図４は同固体高分子燃料電池を構成する電池単セルの断面図である。この燃料電池の電池単セル９は、固体高分子電解質膜１の両側に、アノード触媒層２及び拡散層４ａからなるアノード電極５と、カソード触媒層３及び拡散層４ｂからなるカソード電極６とが密着して配置され、更にその両外側にガス不透過性の良導電性材料よりなるガス流路７ａを備えたセパレータ７，７が配されて構成されている。図中の８はシール剤である。

固体高分子電解質膜１、アノード触媒層２及びカソード触媒層３の電解質樹脂には、通常、水素イオン（Ｈ^＋）に対し伝導性のあるカチオン交換樹脂などが用いられている。そして、固体高分子電解質膜は、湿潤状態で優れたイオン伝導性を発現するため、発電効率を向上させるには、固体高分子電解質膜の乾燥を極力防ぐことが必要とされている。

しかしながら、固体高分子電解質膜１、アノード触媒層２及びカソード触媒層３の電解質樹脂としてカチオン交換樹脂を用いたカチオン交換膜型電池単セルにおいて、アノード電極５側では、下記（１）の反応が行われており、また、カソード電極６側では、下記（２）の反応が行われており、反応によって生成する水はカソード電極６側のみである。また、アノード電極５側で生成した水素イオン（Ｈ^＋）は、固体高分子電解質膜１（カチオン交換膜）を通ってカソード電極６側に移動し、その際アノード電極５側からカソード電極６側に水が移動するため、カチオン交換型電池単セルでは、アノード電極５側の膜面が乾燥する傾向にある。

・アノード電極：２Ｈ_２→４Ｈ^＋＋４ｅ⁻ ・・・（１）
・カソード電極：Ｏ_２＋４Ｈ^＋＋４ｅ⁻→２Ｈ_２Ｏ・・・（２）

また、固体高分子電解質膜１、アノード触媒層２及びカソード触媒層３の電解質樹脂としてアニオン交換樹脂を用いたアニオン交換膜型電池単セルにおいては、アノード電極５側では、下記（３ａ）、（３ｂ）の反応が、また、カソード電極６側では下記（４）の反応が行われている。すなわち、カソード電極６側で生成した水酸イオン（ＯＨ⁻）は、固体高分子電解質膜１（アニオン交換膜）を通ってアノード電極５側に移動し、アノード電極５側で生成した水素イオンと反応して水が生成される。このように、アニオン交換型電池単セルでは、反応によって生成される水はアノード電極５側のみであるため、カソード電極６側の膜面は経時的に乾燥する傾向にある。

・アノード電極：２Ｈ_２→４Ｈ^＋＋４ｅ⁻・・・（３ａ）
４Ｈ^＋＋４ＯＨ⁻→４Ｈ_２Ｏ・・・（３ｂ）
・カソード電極：Ｏ_２＋２Ｈ_２Ｏ＋４ｅ⁻→４ＯＨ⁻ ・・・（４）

このため、従来は、固体高分子電解質膜１の乾燥を防止するため、各電極に燃料ガスや酸化剤ガスを供給するに際し、予めこれらのガスを加湿器などを用いて水蒸気を含ませた後、各電極に供給する試みがなされている。

しかしながら、加湿器などの付帯設備を新たに設置することとなると、燃料電池発電装置が全体として大型なものとなり、運転コストが増加する問題があった。

一方、下記特許文献１には、同一の単位セル内に、アニオン交換膜による電極とカチオン交換膜による電極とが接触せずに隣接して配置されており、それらの膜の両側に触媒上で発生した電子を通す共通のガス拡散層が設けられているとともに、さらにその外側に、ガス通路を有する通電体であるインターコネクターが備えられていることを特徴とする燃料電池が開示されており、この燃料電池によれば、加湿器などの補助装置を省略可能であるとされている。
特開２００２−８６７９号公報

上記特許文献１では、同一の電池単セル内に、アニオン交換膜による電極と、カチオン交換膜による電極とが、接触せずに隣接して配置されている。このような構造の電池単セルは、従来の電池単セルの構造と比較して複雑であり、製造するにあたり手間や時間を要する問題があった。このため、燃料電池の製造コストが、従来の燃料電池にくらべて増加する傾向にある。

したがって、本発明の目的は、加湿器などの補助装置を使用しなくても燃料電池の膜の湿潤状態を良好に保って優れたセル電圧を得ることができ、生産性に優れた固体高分子形燃料電池を提供することである。

上記目的を達成するため、本発明の固体高分子形燃料電池は、固体高分子電解質膜の両面に、電解質樹脂と触媒担持体とを含む触媒層と、ガス拡散層とからなる電極を配置した電池単セルを複数個積層してなる電池セルスタックからなる固体高分子形燃料電池であって、前記電池セルスタックが、前記固体高分子電解質膜、及び前記触媒層の電解質樹脂にカチオン交換樹脂を用いたカチオン交換膜型電池単セルと、前記固体高分子電解質膜、及び前記触媒層の電解質樹脂にアニオン交換樹脂を用いたアニオン交換膜型電池単セルとで構成され、燃料ガスを、前記アニオン交換膜型電池単セルのアノード電極側から供給して、前記アニオン交換膜型電池単セルのアノード電極側と、前記カチオン交換膜型電池単セルのアノード電極側とを通過させ、酸化剤ガスを、前記カチオン交換膜型電池単セルのカソード電極側から供給して、前記カチオン交換膜型電池単セルのカソード電極側と、前記アニオン交換膜型電池単セルのカソード電極側とを通過させるように構成されていることを特徴とする。

本発明の固体高分子形燃料電池によれば、電池セルスタックに、上記カチオン交換膜型電池単セルと、上記アニオン交換膜型電池単セルとを併用し、燃料ガスを、前記アニオン交換膜型電池単セルのアノード電極側から供給して、前記アニオン交換膜型電池単セルのアノード電極側と、前記カチオン交換膜型電池単セルのアノード電極側とを通過させ、酸化剤ガスを、前記カチオン交換膜型電池単セルのカソード電極側から供給して、前記カチオン交換膜型電池単セルのカソード電極側と、前記アニオン交換膜型電池単セルのカソード電極側とを通過させるように構成されているので、アニオン交換膜型電池単セルのアノード電極での電極反応で生成された水をカチオン交換膜型電池単セルのアノード電極に供給でき、また、カチオン交換膜型電池単セルのカソード電極での電極反応で生成された水をアニオン交換膜型電池単セルのカソード電極に供給できる。このため、特に加湿器などを用いなくとも、電解質膜の湿潤状態を長期にわたって均一かつ良好に維持することができる。そして、この電池セルスタックに使用するカチオン交換膜型電池単セル及びアニオン交換膜型電池単セルは、それぞれの固体高分子電解質膜及び触媒層の電解質樹脂を変更する以外は同一の部材を用いることができる。そして、従来のセル構造に比べ大幅な変更を加える必要がないことから、従来の製造設備を用いて製造することができ、固体高分子形燃料電池の製造コストを抑えることができる。

本発明の固体高分子形燃料電池は、燃料ガスを、前記アニオン交換膜型電池単セルのアノード電極側と、前記カチオン交換膜型電池単セルのアノード電極側とを交互に通過させ、酸化剤ガスを、前記カチオン交換膜型電池単セルのカソード電極側と、前記アニオン交換膜型電池単セルのカソード電極側とを交互に通過させるように構成されていることが好ましい。この態様によれば、膜の湿潤状態をより均一に保つことができる。

本発明の固体高分子形燃料電池は、前記電池セルスタックは、前記カチオン交換膜型電池単セルと、前記アニオン交換膜型電池単セルが層方向に積層されていることが好ましい。

本発明の固体高分子形燃料電池は、前記カチオン交換膜型電池単セルと、前記アニオン交換膜型電池単セルは、前記固体高分子電解質膜及び前記触媒層の電解質樹脂を除き、同一部材で構成されていることが好ましい。この態様によれば、固体高分子電解質膜及び触媒層の電解質樹脂を変更するだけで、カチオン交換膜型電池単セル、アニオン交換膜型電池単セルとすることができるので、燃料電池の製造コストを削減することができる。

本発明によれば、特に加湿器などの用いなくとも、膜の湿潤状態を長期にわたって均一かつ良好に維持することができ、安定した電力を得ることができる。そして従来のセル構造に比べ大幅な変更を加える必要がないことから、従来の製造設備を用いて燃料電池を製造することができ、固体高分子形燃料電池の製造コストを抑えることができる。

図１，２に、本発明の固体高分子形燃料電池の概略図構成図を示す。

本発明の固体高分子形燃料電池の電池セルスタック３０を構成する、カチオン交換膜型電池単セル１０及びアニオン交換膜型電池単セル２０の基本構成は、図４に示すセル構造と同一の構造をなしている。すなわち、図２に示すように、固体高分子電解質膜１１（２１）の両側に、アノード触媒層１２（２２）及び拡散層１４ａ（２４ａ）からなるアノード電極１５（２５）と、カソード触媒層１３（２３）及び拡散層１４ｂ（２４ｂ）からなるカソード電極１６（２６）とが密着して配置され、更にその両外側にガス不透過性の良導電性材料よりなる、ガス流路１７ａ（２７ａ）を備えたセパレータ１７（２７），１７（２７）が配されている。図中の８はシール剤である。

そして、本発明におけるカチオン交換膜型電池単セル１０及びアニオン交換膜型電池単セル２０は、固体高分子電解質膜、アノード触媒層及びカソード触媒層の電解質樹脂を、それぞれ、カチオン交換樹脂又はアニオン交換樹脂に変更したものを用いる以外は同一構成をなし、同一部材で構成されている。

すなわち、カチオン交換膜型電池単セル１０は、固体高分子電解質膜１１、アノード触媒層１２及びカソード触媒層１３の電解質樹脂が、カチオン交換樹脂で構成されている。

カチオン交換樹脂としては、カチオンである水素イオン（Ｈ^＋）を移動させることのできる固体高分子電解質であれば特に限定はない。例えば、パーフルオロカーボンスルフォン酸、パーフルオロカーボンカルボン酸等のフッ素系イオン交換樹脂、リン酸を含浸させたポリベンズイミダゾール、ポリスチレンスルフォン酸、スルフォン酸化スチレン・ビニルベンゼン共重合体等を挙げることができる。また、市販されているものとして、例えば、デュポン社製のナフィオン膜なども使用できる。

また、アニオン交換膜型電池単セル２０は、固体高分子電解質膜１１、アノード触媒層１２及びカソード触媒層１３の電解質樹脂が、アニオン交換樹脂で構成されている。

アニオン交換樹脂としては、アニオンである水酸イオン（ＯＨ⁻）を移動させることのできる固体高分子電解質であれば特に限定は無い。例えば、ポリオルトフェニレンジアミン、アンモニウム塩誘導体基を有するフッ素系イオン交換樹脂、アンモニウム塩誘導体基を有するビニルベンゼンポリマー、クロロメチルスチレン・ビニルベンゼン共重合体をアミノ化した樹脂が挙げられる。また、市販されているものとして、例えば、ＴＯＳＦＬＥＸ（商標）なども使用できる。

本発明の固体高分子形燃料電池の電池セルスタック３０は、カチオン交換膜型電池単セル１０と、アニオン交換膜型電池単セル２０が、セル方向に積層して構成されていることが好ましい。また、カチオン交換膜型電池単セル１０と、アニオン交換膜型電池単セル２０との面積比は特に限定はないが、同一にすることで、ガス利用率を統一でき、また、セルの生産性が向上する。

また、固体高分子形燃料電池の電池セルスタック３０が、複数個のカチオン交換膜型電池単セル１０と、アニオン交換膜型電池単セル２０とで構成されている場合においては、カチオン交換膜型電池単セル１０と、アニオン交換膜型電池単セル２０とが交互に積層されていることが好ましい。カチオン交換膜型電池単セル１０と、アニオン交換膜型電池単セル２０が交互に積層されていることで、燃料ガスを、アニオン交換膜型電池単セル２０のアノード電極２５側と、カチオン交換膜型電池単セル１０のアノード電極側１５とを交互に通過させ、また、酸化剤ガスを、カチオン交換膜型電池単セル１０のカソード電極１６側と、アニオン交換膜型電池単セル２０のカソード電極２６側とを交互に通過させることができるので、アニオン交換膜型電池単セル２０のアノード電極２５での電極反応で生成された水や、カチオン交換膜型電池単セル１０のカソード電極１６での電極反応で生成された水によって燃料ガスや酸化剤ガスの流路が閉塞されにくくなり、更には膜の湿潤状態をより均一に維持し易くなる。

本発明の固体高分子形燃料電池は、アニオン交換膜型電池単セル２０のアノード電極２５側から燃料ガス（水素）を供給して、アニオン交換膜型電池単セル２０のアノード電極２５側と、カチオン交換膜型電池単セル１０のアノード電極１５側とを通過させるように燃料ガス流通経路Ｌ１が形成されており、また、カチオン交換膜型電池単セル１０のカソード電極１６側から酸化剤ガス（酸素）を供給して、カチオン交換膜型電池単セル１０のカソード電極１６側と、アニオン交換膜型電池単セル２０のカソード電極２６側とを通過させるように酸化剤ガス流通経路Ｌ２が形成されている。

この実施形態では、アニオン交換膜型電池単セル２０のアノード電極２５側のセパレータ２７に燃料ガス導入口４１が形成されている。そして、アニオン交換膜型電池単セル２０のアノード電極２５側からカチオン交換膜型電池単セル１０のアノード電極１５側に向けて燃料ガスを供給できるように燃料ガス流通経路Ｌ１が形成されている。また、カチオン交換膜型電池単セル１０のカソード電極１６側のセパレータ１７に酸化剤ガス導入口４２が形成されている。そして、カチオン交換膜型電池単セル１０のカソード電極１６側からアニオン交換膜型電池単セル２０のカソード電極２６側に向けて酸化剤ガスを供給できるように酸化剤ガス流通経路Ｌ２が形成されている。

本発明の固体高分子形燃料電池は、アノード電極側では、まず、アニオン交換膜型電池単セル２０のアノード触媒層２２に、燃料である水素が供給されて、下式（５）の反応により水が生成される。そして、生成された水と、未反応の水素がカチオン交換膜型電池単セル１０のアノード触媒層１２に供給されて、下式（６）の反応が生じ、残ガスはスタック外に排気される。

２Ｈ_２＋４ＯＨ⁻→４Ｈ_２Ｏ＋４ｅ⁻ ・・・（５）
２Ｈ_２→４Ｈ^＋＋４ｅ⁻ ・・・（６）

また、カソード電極側では、酸素がカチオン交換膜型電池単セル１０のカソード触媒層１３に供給されて、下式（７）の反応により水が生成される。そして、生成された水と、未反応の酸素がアニオン交換膜型電池単セル２０のカソード触媒層２３に供給されて、下式（８）の反応が生じ、残ガスがスタック外に排気される。

Ｏ_２＋４Ｈ^＋＋４ｅ⁻→２Ｈ_２Ｏ・・・（７）
Ｏ_２＋２Ｈ_２Ｏ＋４ｅ⁻→４ＯＨ⁻ ・・・（８）

このように、本発明の固体高分子形燃料電池は、アニオン交換膜型電池単セル２０のアノード電極２５で生成された水を、カチオン交換膜型電池単セル１０のアノード電極１５に供給でき、また、カチオン交換膜型電池単セル１０のカソード電極１６で生成された水をアニオン交換膜型電池単セル２０のカソード電極２６に供給できるため、特に加湿器などを用いなくとも、固体高分子電解質膜１１，２１の湿潤状態を長期にわたって均一かつ良好に維持することができる。そして、この電池セルスタック３０に使用するカチオン交換膜型電池単セル１０及びアニオン交換膜型電池単セル２０は、それぞれの固体高分子電解質膜及び触媒層の電解質樹脂を変更する以外は同一の部材を用いることができ、また、従来のセル構造に比べ大幅な変更を加える必要がないことから、従来の製造設備を用いて製造することができ、固体高分子形燃料電池の製造コストを抑えることができる。

なお、この実施形態では、カチオン交換膜型電池単セル１０とアニオン交換膜型電池単セル２０とをそれぞれ１個ずつ積層させた電池セルスタック３０を用いているが、カチオン交換膜型電池単セル１０とアニオン交換膜型電池単セル２０とをそれぞれ多数積層させた電池セルスタックの場合も、上記実施形態と同様に、燃料ガスを、アニオン交換膜型電池単セル２０のアノード電極２５側から供給して、アニオン交換膜型電池単セル２０のアノード電極２５側と、カチオン交換膜型電池単セル１０のアノード電極１５側とを通過させ、酸化剤ガスを、カチオン交換膜型電池単セル１０のカソード電極１６側から供給して、カチオン交換膜型電池単セル１０のカソード電極１６側と、アニオン交換膜型電池単セル２０のカソード電極２６側とを通過させることで、特に加湿器などを用いなくとも、固体高分子電解質膜１１，２１の湿潤状態を長期にわたって均一かつ良好に維持することができる。

そして、カチオン交換膜型電池単セル１０とアニオン交換膜型電池単セル２０とをそれぞれ多数積層させた電池セルスタックを用いる場合、燃料ガスは、アニオン交換膜型電池単セル２０のアノード電極２５側と、カチオン交換膜型電池単セル１０のアノード電極側１５とを交互に通過させ、酸化剤ガスは、カチオン交換膜型電池単セル１０のカソード電極１６側と、アニオン交換膜型電池単セル２０のカソード電極２６側とを交互に通過させることで、アニオン交換膜型電池単セル２０のアノード電極２５での電極反応で生成された水や、カチオン交換膜型電池単セル１０のカソード電極１６での電極反応で生成された水によって燃料ガスや酸化剤ガスの流路が閉塞されにくくなり、更には膜の湿潤状態をより均一に維持し易くなる。

本発明の固体高分子形燃料電池の概略図構成図である。同固体高分子燃料電池を構成する電池単セルの断面構成図である。従来の固体高分子形燃料電池の概略構成図である。同固体高分子燃料電池を構成する電池単セルの断面構成図である。

符号の説明

１，１１，２１：固体高分子電解質膜
２，１２，２２：アノード触媒層
３，１３，２３：カソード触媒層
４ａ，４ｂ，１４ａ，１４ｂ，２４ａ，２４ｂ：拡散層
５，１５，２５：アノード電極
６，１６，２６：カソード電極
７，１７，２７：セパレータ
１０：カチオン交換膜型電池単セル
２０：アニオン交換膜型電池単セル
３０：電池セルスタック

Claims

固体高分子電解質膜の両面に、電解質樹脂と触媒担持体とを含む触媒層と、ガス拡散層とからなる電極を配置した電池単セルを複数個積層してなる電池セルスタックからなる固体高分子形燃料電池であって、
前記電池セルスタックが、前記固体高分子電解質膜、及び前記触媒層の電解質樹脂にカチオン交換樹脂を用いたカチオン交換膜型電池単セルと、前記固体高分子電解質膜、及び前記触媒層の電解質樹脂にアニオン交換樹脂を用いたアニオン交換膜型電池単セルとで構成され、
燃料ガスを、前記アニオン交換膜型電池単セルのアノード電極側から供給して、前記アニオン交換膜型電池単セルのアノード電極側と、前記カチオン交換膜型電池単セルのアノード電極側とを通過させ、
酸化剤ガスを、前記カチオン交換膜型電池単セルのカソード電極側から供給して、前記カチオン交換膜型電池単セルのカソード電極側と、前記アニオン交換膜型電池単セルのカソード電極側とを通過させるように構成されていることを特徴とする固体高分子形燃料電池。
燃料ガスを、前記アニオン交換膜型電池単セルのアノード電極側と、前記カチオン交換膜型電池単セルのアノード電極側とを交互に通過させ、
酸化剤ガスを、前記カチオン交換膜型電池単セルのカソード電極側と、前記アニオン交換膜型電池単セルのカソード電極側とを交互に通過させるように構成されている、請求項１に記載の固体高分子形燃料電池。
前記電池セルスタックは、前記カチオン交換膜型電池単セルと、前記アニオン交換膜型電池単セルが層方向に積層されている、請求項１又は２に記載の固体高分子形燃料電池。
前記カチオン交換膜型電池単セルと、前記アニオン交換膜型電池単セルは、前記固体高分子電解質膜及び前記触媒層の電解質樹脂を除き、同一部材で構成されている、請求項１〜３のいずれか一つに記載の固体高分子形燃料電池。