JP2008525943A - アノードより優れたカソード熱コンダクタンスを有する燃料電池 - Google Patents

Abstract

ＰＥＭ（９）と、ＰＥＭの一方の側に少なくとも触媒（１０）および支持基板（１７）（場合によって拡散層（１６）を有する）を含むカソードと、ＰＥＭの他方の側に少なくともアノード支持基板（１４）およびアノード触媒（１１）を含むアノードと、前記支持基板の各々に隣接する反応ガス流れ場チャネル（３１、３２）を有する多孔性の水移送プレート（２１、２８）と、を有し、前記水移送プレートの少なくとも一方に水流チャネル（２２）を有する燃料電池発電設備用燃料電池において、カソードからアノードおよび隣接する水移送プレートへの水の流れを促進して、場合によっては、水圧力ポンプまたは反応物圧力ポンプを不要にするように、カソードの熱コンダクタンスが、アノードの熱コンダクタンスの約２分の１未満であり、好ましくは、アノードの熱コンダクタンスの４分の１未満であることを特徴とする燃料電池発電設備用燃料電池。

Description

本発明は、高分子電解質、プロトン交換膜型の燃料電池に関し、該燃料電池におけるカソード基板の熱コンダクタンス（熱伝導係数）がアノード基板の熱コンダクタンスの半分未満であり、そのため、カソードからの熱流出が遅れ、それによって、水路（水移送プレートなど）内の水に対してより高い水蒸気圧をもたらすとともに、水を高温のカソードから低温のアノードに移動させ、それによって、生成水をカソードから除去するとともに、アノード側の膜の湿度を高める。

典型的な燃料電池、特に、高分子電解質プロトン交換膜（ＰＥＭ）型の燃料電池では、水素燃料と酸素（空気など）との間の相互作用によって、熱、電気、および水が生成される。知られているように、カソードから水が除去されない場合、水により酸素ガスがカソード触媒に到達せず、それによって、燃料電池システムの性能が低下し得る。

また、ＰＥＭのアノード側の不適切な湿度により、イオノマーが劣化して、燃料電池の有効寿命が減少することも知られている。

これまでは、個々の燃料電池がスタック状に互いに押圧された際に、水移送チャネルを備える多孔性の反応物流れ場プレートを利用する水管理が最も成功を収めてきた。生成水は、多孔性のプレートを通って水チャネルに流れ込み、外部で循環され、冷却され、十分な水が燃料電池に戻される。アノード側では、水チャネルを流れる水が、多孔性反応ガス流れ場プレートを通ってアノードに向かって移動し、膜が乾燥しきらないようにする。この形態のシステムは、米国特許第５，７００，５９５号明細書および第５，５０３，９４４号明細書に開示されている。

水の循環を伴う水管理では、水ポンプが必須であり、また、凍結温度下の動作の問題が伴う。燃料電池発電設備の正味効率は、水の循環に利用される電気（一般的に寄生電力と呼ばれる）により低下する。

同時係属中の米国特許出願公開第１０／０３６，１８１号明細書（２００１年１２月２８日出願）では、水を燃料電池の外部で循環させない燃料電池システムが開示されている。その場合、水流チャネルは、空気吸入口の近くで行き止まりとなり、空気出口マニホールドに直接流出する。

同時係属中の米国特許出願公開第１０／４６５，００６号明細書（２００３年６月１９日出願）では、水は、水流れ場にしみ込んだ気泡から、およびスタック内の水とスタック外の水との温度差から、対流によって循環する。この出願における他の実施形態では、水は循環しないが、セルの底部から上部に向かって泡立ち、大気中に放出され得る。これらのいずれの場合も、水には大気圧がかかっているので、前述の米国特許第５，５０３，９４４号明細書に記載されているように、水が水流チャネルに向かって流れるのに必要な圧力差を与えるためには、反応ガスに圧力を加えなければならない。したがって、そのような場合には、水循環ポンプを排除しても、寄生電力は必ずしも減少しない。

本発明の目的は、膜のアノード側の湿度が高められ、よりシンプルな構成を有し、カソードから生成水を除去する方法が改良され、寄生電力が少なくなり、水循環ポンプなしで作動し、かつポンプ手段で反応ガスに圧力を加える必要性が排除される燃料電池発電設備を提供することを含む。

本発明は、水が、高温の場所から低温の場所に移動する（ＰＥＭを通る移動も含む）傾向があるという観測結果に部分的に基づいている。さらに、本発明は、より高いカソードの温度によって、水蒸気圧が高まり、それによって、水が、カソード触媒から、多孔性の反応ガス流れ場プレートを通って、水チャネルに移動しやすくなるという観測結果に部分的に基づいている。

本発明によれば、燃料電池発電設備の燃料電池は、カソード基板を含み、このカソード基板の面貫通（面を通る）熱コンダクタンスは、アノード基板の面貫通熱コンダクタンスの少なくとも５０％未満であり、優先的には、カソード基板の熱コンダクタンスは、アノード基板の熱コンダクタンスの２５％未満である。

本発明によれば、より低いカソード基板の熱コンダクタンスによって、カソードからの熱流出が遅れて、カソードは常にアノードより温度が高くなる。これにより、ＰＥＭを通って水がアノードに移動し、かつカソード自体における水蒸気圧が、隣接する反応ガス流れ場プレート（多孔性の水移送プレートなど）における水蒸気圧より高くなり、それによって、水がカソードから、カソード反応ガス流れ場プレートに向かって、膜を通ってアノードに流れる。

本発明によれば、熱コンダクタンス（材料の熱コンダクタンスを材料の厚さで割って定義される）は、（ａ）材料の熱処理温度を選択することによって、（ｂ）材料の厚さを変えることによって、（ｃ）触媒層や拡散層の場合は、異なった構造インデックスまたは異なった熱処理温度を有するカーボンブラックを用いることによって、制御可能である。さらに、熱コンダクタンスは、カーボンブラック層のポリマー含有率を制御することによって制御可能である。基板の熱コンダクタンスは、ピッチベースのカーボンファイバを用いることによって、または、長いチョップドファイバ（短繊維）（約５．０ｍｍ〜１０．０ｍｍ程度）ではなく、短いミルドファイバ（０．２５ｍｍ〜０．５０ｍｍ程度の）を用いることによって高めることが可能である。

本発明の一実施形態によれば、カソードの面貫通熱コンダクタンスは、約３．３×１０³Ｗ／ｍ²ＥＣ未満であり、好ましくは、１．７×１０³Ｗ／ｍ²ＥＣ未満である。

本発明の他の目的、特徴、および利点は、以下の本発明の例示的な実施形態（添付図面により示されている）の詳細な説明を参照することにより明らかになる。

図１を参照すると、一般的に周知のように、スタック状で利用される燃料電池８は、高分子電解質プロトン交換膜９を含み、高分子電解質プロトン交換膜９は、一方の面にカソード触媒１０を有し、他方の面にアノード触媒１１を有する。アノードは、多孔性基板１４を有し、この多孔性基板１４は、親水性、部分的に親水性、または疎水性であってもよく、拡散層（二重層）を備えていてもよいが、本実施形態では、拡散層を備えていない。しかし、カソードは、多孔性のカソード基板１７とカソード触媒１０との間に拡散層１６を有する。他の実施例として、カソードから拡散層を省くことも可能である。カソード基板は、周知のように、親水性、部分的に親水性、または疎水性であってもよい。

各基板に多孔性の反応物流れ場プレートが隣接しており、本実施例では、水移送プレートと呼ぶ。カソード水移送プレート２１は、その表面２３に水流チャネル２２を有しており、燃料電池８が、アノード水移送プレート２８に平坦面２７を備えた同様の燃料電池と隣接すると水流チャネルが形成される。あるいは、水流れ場は、ソリッドの分離プレートや冷却プレート（これらは全て周知である）の平坦面に対して突き合わされた表面２３からなっていてもよく、この場合は、アノード水移送プレート２８がチャネル２２と同様の水流チャネルを有する。他の実施例として、流れ場プレートは、ソリッドのプレートであってもよく、この場合は、周知のように、蒸発およびエントレインメントによって生成水が除去される。

カソード水移送プレート２１は、空気流れ場３１などの酸化剤反応ガス流れ場を有し、アノード水移送プレート２８は、燃料反応ガス流れ場３２を有する。

典型的なアノード基板１４は、長繊維ＰＡＮ（ポリアクリロニトリル）ベースのカーボンファイバで作られおり、熱コンダクタンス（熱伝導係数）は、約１．２ワット毎メートル毎℃（Ｗ／ｍＥＣ）である。アノード基板１４の厚さは、通常、約０．１８ｍｍであり、したがって、そのような基板の熱コンダクタンスは、６．７×１０³Ｗ／ｍ²ＥＣである。したがって、本発明の場合、触媒１０、拡散層１６（１つを使用する場合）、基板１７を含むカソードの熱コンダクタンスは、約３．３×１０³Ｗ／ｍ²ＥＣ未満、より好ましくは、１．７×１０³Ｗ／ｍ²ＥＣ未満とすべきである。

カソードの熱コンダクタンスを下げる簡単な方法は、材料の厚さを増加させることであり、厚さが３．６ｍｍであれば、熱コンダクタンスは３．３×１０³Ｗ／ｍ²ＥＣとなる。しかし、厚さを増加させると、特に電流密度が最大のときには、酸化剤反応物の流れが妨げられる可能性がある。したがって、その代わりに、少なくとも２対１（カソード対アノード）となる同等の熱コンダクタンスの関係を実現するように、アノード基板の厚さを０．０９ｍｍまで減少させることができる。

一方、材料の熱処理温度を変更するか、カーボンブラック層のポリマー含有率を変更することによって、アノード基板またはカソード基板を変質させることが好ましい場合がある。基板の熱コンダクタンスは、ＰＡＮベースのカーボンファイバではなくピッチベースのカーボンファイバを用いることによって、または、より長いチョップドファイバ（短繊維）（５．０ｍｍ〜１０．０ｍｍ程度）の代わりに短いミルドファイバ（０．２５ｍｍ〜０．５０ｍｍ程度）を用いることによって高くなり得る。触媒層または拡散層（二重層）の場合は、異なった構造インデックスまたは異なった熱処理温度を有するカーボンブラックを用いることによって、熱コンダクタンスを変えることが可能である。

０．２５ｍｍ〜０．５０ｍｍのピッチベースのカーボンファイバから形成された基板を、２１００℃〜３０００℃の温度で熱処理した。これらの基板の熱コンダクタンスを測定したものを図２に示す。３０００℃で熱処理された基板の熱コンダクタンスは、２１００℃で熱処理された同じ基板の２．５倍である。ＰＡＮベースのカーボンファイバでも、同じ結果が得られる。

本発明を用いると、水はアノードに移動する（図１の矢印３６）だけでなく、カソード水移送プレートへの流れ（矢印３８）を強める。

本発明は、水循環ポンプを排除するが、必要に応じて、低出力水ポンプおよび／または低出力反応ガスポンプとともに使用され得る。

本発明によるアノードの熱コンダクタンスがカソードの熱コンダクタンスより格段に高い燃料電池、および本発明により改良された水流を示す燃料電池の部分側方断面図。 熱処理温度に対する伝導率のグラフ。

Claims (7)

1. 水素および酸素を、電気、熱および水に変換する燃料電池発電設備用燃料電池（８）であって、
   高分子電解質プロトン交換膜（ＰＥＭ）（９）と、
   前記ＰＥＭの第１の面に配設されたカソード触媒（１０）と、
   前記ＰＥＭにおける前記第１の面の反対側に位置する第２の面に配設されたアノード触媒（１１）と、
   前記カソード触媒に隣接する多孔性のカソード基板（１７）と、
   前記アノード触媒に隣接するとともに、所定の面貫通熱コンダクタンスを有する多孔性のアノード基板（１４）と、
   前記カソード基板に隣接するとともに、酸化剤反応ガス流れ場チャネル（３１）を有する流れ場プレート（２１）と、
   前記アノード基板に隣接するとともに、燃料反応ガス流れ場チャネル（３２）を有する流れ場プレート（２８）と、
   を備え、
   前記カソード（１０，１７）の面貫通熱コンダクタンスが、前記アノード（１１，１４）の面貫通熱コンダクタンスの約２分の１未満であることを特徴とする燃料電池。
2. 前記カソードの前記熱コンダクタンスが、前記アノードの前記熱コンダクタンスの約４分の１未満であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記アノードの前記熱コンダクタンスが、約６．７×１０³Ｗ／ｍ²ＥＣであり、
   前記カソードの前記熱コンダクタンスが、約３．３×１０³Ｗ／ｍ²ＥＣであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
4. 前記アノードの前記熱コンダクタンスが、約６．７×１０³Ｗ／ｍ²ＥＣであり、
   前記カソードの前記熱コンダクタンスが、約１．７×１０³Ｗ／ｍ²ＥＣであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
5. 前記アノードおよび前記カソード（１７）の少なくとも一方の前記基板と前記触媒との間に拡散層（１６）をさらに備える請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の燃料電池。
6. 各基板が、疎水性の基板、部分的に疎水性の基板、および親水性の基板から選択されることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の燃料電池。
7. 各流れ場プレートが、多孔性水移送プレート（２１，２８）およびソリッドな流れ場プレートから選択される請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の燃料電池。

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