JP2009146700A

JP2009146700A - 燃料電池

Info

Publication number: JP2009146700A
Application number: JP2007322194A
Authority: JP
Inventors: Yukihiro Shintani; 幸弘新谷; Daisuke Yamazaki; 大輔山崎; Nobuhiro Tomosada; 伸浩友定; Atsushi Kimura; 篤史木村; Tomomi Akutsu; 智美阿久津
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2007-12-13
Filing date: 2007-12-13
Publication date: 2009-07-02

Abstract

【課題】燃料電池セルのガス流路で発生した水塊が拡散層の近傍または孔内へ移動する事を防ぐ事により、流路内で発生した水塊がセル外部へ排出され、水塊が流入する事に起因する発電能低下を抑え、安定した発電制御を長期間維持することを実現する。
【解決手段】
固体高分子膜の両側に接合されるカソード電極およびアノード電極とこのそれぞれの電極に対向された流路とこの流路が形成されているセパレータを具備する燃料電池において、前記カソード電極および前記アノード電極と前記流路との間の少なくとも一方に防水透湿性材料が形成されることにより、ガス流路内に発生した水塊の拡散層流入を防ぎ、燃料電池の安定な発電制御に効果が期待できるように構成した。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池に関し、詳しくは、固体高分子型燃料電池に関するものである。

従来の燃料電池について、図４を参照して説明する。図４は、固体高分子型燃料電池の単セルの一例を示す構成図である。

図４において、単セル１１は、固体高分子電解質膜１の両面に、それぞれ貴金属、例えば白金を含むカソード極側触媒層２およびアノード極側触媒層３を接合一体化した膜電極接合体が使用される。カソード極側触媒層２およびアノード極側触媒層３と対向して、それぞれカソード極側ガス拡散層４およびアノード極側ガス拡散層５が配置される。これにより、カソード極側触媒層２およびカソード極側拡散層４から成るカソード極６とアノード極側触媒層３およびアノード極側拡散層５から成るアノード極７が構成される。また、カソード極６およびアノード極７は、それぞれ酸化剤ガス、例えば酸素あるいは空気および燃料ガス、例えば水素を導入させると同時に、電流を外部に伝える働きをする。

そして、セルに面して反応ガス流通用のガス流路８を備え、相対する面に冷却水流通用の冷却水流路９を備えた導電性でかつガス不透過性の材料よりなる一組のセパレータ１０により挟持して単セル１１が構成されている。

アノード極７に水素を含む燃料ガス、カソード極６に酸素を含む酸化剤ガスを供給すると、アノード極７では水素分子より水素イオンと電子を生成する化学反応をし、カソード極６では酸素と水素イオンと電子から水を生成する化学反応がそれぞれ行われ、アノード極７からカソード極６に向かって外部回路を移動する電子により電力が負荷に供給される。
また、燃料電池セル内は加圧系であるため、流路内に発生した水塊が拡散層４内部へ移動し易い。
このような固体高分子型燃料電池のセル内では、水の精密制御が行われている。

図５は、拡散層の撥水化の一例を示す図である。

拡散層１３は、耐熱性および耐酸性を有する網状シート１５の空隙部にカーボン粉末のような導電性粉末とフッ素樹脂のような撥水性充填剤との混合物１６が充填されて形成されている。ガス拡散層の上部には、触媒層１２が均一に形成されている。

一方、図６は、拡散層の親水化の一例を示す電池構成図である。

固体高分子電解質１の両側に水素極１７、空気極１８、集電体１９、ガスシール体２０からなっている。水素極１７、空気極１８のそれぞれの電極は触媒層及びガス拡散層より成る。

拡散層に使用される材料を親水化することにより、拡散層内部の水塊を制御することができる。

特許第３９５４７９３号公報特開平６−２７５２８２号公報

しかし、このような燃料電池には、次のような問題点があった。

一般的に、電解質膜は、ナフィオン（デュポン社商標）に代表されるパーフルオロカーボンスルホン酸系材料を使用する。パーフルオロカーボンスルホン酸系材料から成る電解質膜では、分子中にプロトン交換基を有し、水分を含んだ状態でイオン伝導性を示す。水分を含んだ状態でイオン伝導性を示すことにより、発電時に電解質膜は含水状態を保つ必要がある。一方、多孔質材より成るガス拡散層では、供給される反応ガスを触媒層に均一に供給するという働きを有している。反応ガスを触媒層に均一に供給する時に、ガス拡散層の孔に水塊が存在するとガス透過性を著しく低下させ、燃料電池の安定発電に影響を及ぼすという問題点がある。

また、従来の燃料電池において、電解質膜を含水状態に保つために使用される水は、供給ガス、例えば水素、空気あるいは酸素の加湿で燃料電池セルに供されている。
電解質膜を含水状態に保つために使用される水が供給ガスの加湿で燃料電池セルに供される時に、ガス流路中で水蒸気が一定数以上凝集して結露した水分子集合体（以下、水塊とする）が形成される事が知られている。
また、従来の燃料電池セルでは、ガス流路内で発生した水塊は流路、拡散層、膜電極接合体（ＭＥＡ）の間を自由に行き来する。
ガス流路内で発生した水塊が流路、拡散層、膜電極接合体（ＭＥＡ）の間を自由に行き来することができるため、ガス流路内で発生した水塊は拡散層側へ移動して拡散層内の孔に滞留し、拡散層が本来有するガス透過性能を低下させてしまう。
拡散層のガス透過性能が低下した結果、供給ガスを触媒層に均一に導く拡散層本来の機能が損なわれるという問題点があった。

また、上記課題点の回避技術として、拡散層に使用される材料を撥水化する事で拡散層内部に水塊を流入させ難くすることが知られている。
例えば、カーボンペーパ、カーボンクロスなどの導電性多孔性材料に対して撥水処理をした拡散層材料や、導電性多孔性材料にカーボン粉末と撥水性充填剤からなる混合物を付した拡散層材料が使用される。
しかし、燃料電池セル内は加圧系であり、流路内水塊は拡散層内部へ移動し易い構造であるため、拡散層の撥水処理により水塊移動を防ぐには至っていない。

一方、拡散層に使用される材料を親水化することにより、拡散層内部の水塊を制御する技術も講じられてきた。
しかし、拡散層内の孔に水が滞留して、拡散層が本来有するガス透過性能の低下を防ぐには至っていない。

以上、従来知られている方法では、上記課題の根本的解決には至っていない。

そこで、本発明は、上記のような従来技術の欠点をなくし、燃料電池セルのガス流路で発生した水塊が拡散層の近傍または孔内へ移動する事を防ぐ事により、流路内で発生した水塊がセル外部へ排出されることで、水塊が拡散層内部へ流入する事に起因する発電能低下を抑え、安定した発電制御を長期間維持することを目的としたものである。

上記のような目的を達成するために、本発明の請求項１では、固体高分子膜の両側に接合されるカソード電極およびアノード電極とこのそれぞれの電極に対向された流路とこの流路が形成されているセパレータを具備する燃料電池において、前記カソード電極および前記アノード電極と前記流路との間の少なくとも一方に防水透湿性材料が形成されることを特徴とする。

請求項２では、請求項１の燃料電池において、前記防水透湿性材料は、前記カソード電極および前記アノード電極と前記流路との間の両方に形成されることを特徴とする。

請求項３では、請求項１または２の燃料電池において、前記カソード電極および前記アノード電極と前記流路との間を除いた前記カソード電極および前記アノード電極と前記セパレータとの間に導体を設けることを特徴とする。

請求項４では、請求項１または２の燃料電池において、前記アノード電極および前記カソード電極は、これらの電極の一方または両方を複数に分割されることを特徴とする。

請求項５では、請求項４の燃料電池において、分割された前記アノード電極または分割された前記カソード電極は、複数に分割された前記アノード電極内で分割された前記アノード電極とこの分割されたアノード電極が隣接する間と複数に分割された前記カソード電極内で分割された前記カソード電極と分割されたこのカソード電極が隣接する間の少なくとも一方に絶縁材が配置されることを特徴とする。

請求項６では、請求項１乃至５いずれかの燃料電池において、前記防水透湿性材料として、ポリオレフィン、ポリオレフィンを含む混合物、ポリウレタン、ポリウレタンを含む混合物、ポリエステル、ポリエステルを含む混合物、ポリエーテル、ポリエーテルを含む混合物、ポリ塩化ビニール、ポリ塩化ビニールを含む混合物、セルロース重合体、セルロース重合体を含む混合物、ポリテトラフルオロエチレン、延伸ポリテトラフルオロエチレンとポリウレタンポリマの複合化物のいずれかを用いることを特徴とする。

請求項７では、請求項１乃至６いずれかの燃料電池において、前記燃料電池は、固体高分子型燃料電池単セルを含む燃料電池スタックを有することを特徴とする。

本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を説明すれば下記の通りである。

燃料電池セルにおいて、ガス流路と拡散層の間に防水透湿性材料を配置することでガス流路内に発生した水塊の拡散層流入を防ぐことができる。

ガス流路内に発生した水塊の拡散層流入を防ぐことができることにより、燃料電池の安定な発電制御に効果が期待できる。

以下、図面を用いて、本発明の燃料電池を説明する。

図１は、本発明の一実施例を示す構造図である。

図１に示すように、燃料電池において、先ず、固体高分子電解質膜１の両極側にカソード極側触媒層２およびアノード極側触媒層３と、カソード極側ガス拡散層４およびアノード極側ガス拡散層５と、カソード側ガス流路３０を有したカソード側セパレータ３２およびアノード側ガス流路３１を有したアノード側セパレータ３３がそれぞれ形成されている。

また、各電極と各電極側のガス流路との間に、防水透湿性材料３４が形成されている。

すなわち、カソード極６のカソード側ガス拡散層４とカソード側ガス流路３０を有したカソード側セパレータ３２との間と、アノード極７のアノード側ガス拡散層５とアノード側ガス流路３１を有したアノード側セパレータ３３との間に、それぞれ防水透湿性材料３４が形成されている。

なお、アノード側に使用する防水透湿性材料とカソード側に使用する防水透湿性材料は、異なる材料であってもよい。

また、各電極と各電極側のガス流路との間に防水透湿性材料を配置することにより、ガス流路内に発生した水塊の拡散層流入を防ぐことができる。

ガス流路内に発生した水塊の拡散層流入を防ぐことができることにより、燃料電池の安定な発電制御の効果が期待できる。

また、実施例１の燃料電池は、固体高分子型燃料電池単セルを含む燃料電池スタックとして使用することもできる。

なお、図示されていないが、各電極の拡散層とセパレータは、部分的に接する構造、もしくは導電体を介して接する構造であることにより、防水透湿性材料が高抵抗体である場合においても各電極の拡散層とセパレータの間（以下、両体間という）の通電は確保されている。

図２は、本発明の一実施例を示す構造図である。

図２に示すように、燃料電池において、先ず、固体高分子電解質膜１の両極側にカソード極側触媒層２およびアノード極側触媒層３と、カソード極側ガス拡散層４およびアノード極側ガス拡散層５と、カソード極側ガス流路３０を有したカソード極側セパレータ３２およびアノード極側ガス流路３１を有したアノード極側セパレータ３３がそれぞれ形成されている。

すなわち、カソード極６のカソード極側ガス拡散層４とカソード極側ガス流路３０を有したカソード極側セパレータ３２との間と、アノード極７のアノード極側ガス拡散層５とアノード極側ガス流路３１を有したアノード極側セパレータ３３との間に、それぞれ防水透湿性材料３４が形成されている。

また、図２ではカソード極６およびアノード極７の両極共に防水透湿性素材３４が形成されているが、カソード極６もしくはカソード極７のどちらか一方に形成しても良い。

また、図２では各電極側のガス流路と各電極側の拡散層が接する全面に防水透湿性素材３４が形成されているが、各電極側のガス流路３０、３１の水が溜まり易い場所の近傍のみに防水透湿性素材３４を部分的に形成しても良い。

また、各電極と各電極側のガス流路との間を除いた各電極と各電極側のセパレータとの間に導体３５が形成されている。

すなわち、カソード極６のカソード極側ガス拡散層４とカソード極側ガス流路３０との間を除いたカソード極６とカソード極側セパレータ３２との間に導体３５が形成されている。
また、アノード極７のアノード極側ガス拡散層５とアノード極側ガス流路３１との間を除いたアノード極７とアノード極側セパレータ３３との間に導体３５が形成されている。

すなわち、各電極と各電極側のガス流路との間を除いた各電極と各電極側のセパレータが接する部分は導体３５を介して接する構造であることにより、カソード極側ガス拡散層４とカソード極側セパレータ３２の間およびアノード極側ガス拡散層５とアノード極側セパレータ３３の間の通電は確保されている。

また、各電極と各電極側のガス流路との間を除いた各電極と各電極側のセパレータが接する部分に導体３５が形成されているが、導体３５を各電極と各電極側のセパレータが接する一部分に形成しても良い。

また、各電極と各電極側のガス流路との間に防水透湿性素材３４が形成されることにより、ガス流路内に発生した水塊の拡散層流入を防ぐことができる。

さらに、ガス流路内では上流側より下流側の方が水塊を生じ易いことにより、カソード極側ガス流路３０およびアノード極側ガス流路３１中の下流側領域にのみ部分的に防水透湿性素材３４を形成すること、あるいは、カソード極側ガス流路３０あるいはアノード極側ガス流路３１のどちらか一方の下流側領域にのみ部分的に防水透湿性素材３４を配置することが、水魂の制御に一層効果的である。

防水透湿性素材３４は、膜状、繊維状、結晶状、または一体型多孔質状（モノリス状、モノリシック状ともいう）であり、通気性を有すると共に、水蒸気粒子の粒径（一般に０．５ｎｍ程度の径とされる）より大きく、かつ水塊が通過する際には阻害となる径を有した孔を多数持つ事を特徴とする材料（多孔質材料）であれば、その他には特段の制限はない。また、防水透湿性素材３４の孔径が、０．０１〜２０μｍ程度であれば、好適である。

防水透湿性材料の例としては、ポリオレフィン系、ポリウレタン系、ポリエステル系、ポリエーテル系、ポリ塩化ビニール系、セルロース系重合体、延伸ポリテトラフルオロエチレンとポリウレタンポリマの複合化材料などが挙げられるが、好適なものは延伸ポリテトラフルオロエチレンとポリウレタンポリマの複合化物であり、ゴアテックス（デュポン社商標）を用いれば一層効果的である。

また、防水透湿性素材３４として、炭素、黒鉛、金属微粒子（アルミニウム、チタン、鉄など）を内含した延伸ポリテトラフルオロエチレンとポリウレタンポリマの複合化材料の使用も有効である。

炭素、黒鉛、金属微粒子（アルミニウム、チタン、鉄など）を内含した延伸ポリテトラフルオロエチレンとポリウレタンポリマの複合化材料は導電性を示すので、高抵抗体の防水透湿性材料３４を用いる場合と比較して、セパレータと拡散層の間の通電がよりスムーズに行なうことができる。この場合、導体３５を省いても良い。

また、実施例２の燃料電池は、固体高分子型燃料電池単セルを含む燃料電池スタックとして使用することもできる。

図３は、本発明の一実施例を示す構造図である。

図３に示すように、燃料電池において、先ず、固体高分子電解質膜１の両極側にカソード極６の側とアノード極７の側が形成されている。

カソード極６の側にはカソード極側触媒層２とカソード極側ガス拡散層４を、アノード極７の側にはカソード極側触媒層・拡散層の面積よりも小さい面積になるように複数に分割した（図３では、４分割にした）アノード極側触媒層３ａ〜３ｄとアノード極側ガス拡散層５ａ〜５ｄが形成されている。

更に、カソード極６およびアノード極７の両側には、カソード極側ガス流路３０を有したカソード極側セパレータ３２およびアノード極側ガス流路３１ａ〜３１ｄを有したアノード極側セパレータ３３ａ〜３３ｄがそれぞれ形成されている。

また、アノード極７の側のアノード極側ガス拡散層５ａ〜５ｄとアノード極側ガス流路３１ａ〜３１ｄを有したアノード極側セパレータ３３ａ〜３３ｄとの間には、防水透湿性材料３４ａ〜３４ｄが形成されている。
例えば、アノード極側ガス拡散層５ａとアノード極側ガス流路３１ａを有したアノード極側セパレータ３３ａとの間には、防水透湿性材料３４ａが形成されている。

絶縁材３６ａ〜３６ｃは、複数に分割されたアノード極７の側のアノード極側触媒層３ａ〜３ｄ、アノード極側ガス拡散層５ａ〜５ｄの絶縁を確保するために、複数に分割されたアノード極７の中で分割されたアノード極側触媒層３ａ〜３ｄおよびアノード極側ガス拡散層５ａ〜５ｄとこの分割されたアノード極側触媒層３ａ〜３ｄおよびアノード極側ガス拡散層５ａ〜５ｄが隣接する間にそれぞれ形成されている。
例えば、アノード極側触媒層３ａおよびアノード極側ガス拡散層５ａとアノード極側触媒層３ｂおよびアノード極側ガス拡散層５ｂの間に、絶縁材３６ａが形成されている。

また、分割された電極のセパレータと拡散層が、ここではアノード極側セパレータ３３ａ〜３３ｄとアノード極側ガス拡散層５ａ〜５ｄが接する全面に防水透湿性素材３４ａ〜３４ｄが形成されているが、例えばガス流路内に水が溜まり易い場所の近傍のみなどの必要に応じて、防水透湿性素材３４を部分的に形成しても良い。

また、実施例３ではアノード側電極を分割したが、カソード側電極を分割、あるいは、アノード側電極およびカソード側電極共に分割しても良い。

また、カソード側電極に絶縁材３６を形成する場合、絶縁材３６は、複数に分割されたカソード極６において、複数に分割されたカソード極６の側のカソード極側触媒層２、カソード極側ガス拡散層４の絶縁を確保するために、複数に分割されたカソード極６の中で分割されたカソード極側触媒層２およびカソード極側ガス拡散層４とこの分割されたカソード極側触媒層２およびカソード極側ガス拡散層４が隣接する間に形成されている。

ガス流路内では、上流側より下流側の方が水塊を生じ易いので、カソード極側ガス流路３０およびアノード極側ガス流路３１、もしくはカソード極側ガス流路３０またはアノード極側ガス流路３１中の下流側領域にのみ部分的に防水透湿性材料３４を形成すれば、水塊制御には一層効果的である。

また、実施例３の燃料電池は、固体高分子型燃料電池単セルを含む燃料電池スタックとして使用することもできる。

なお、図示されていないが、各電極の拡散層と各電極のセパレータは、部分的に接する構造、もしくは導電体を介して接する構造であることにより、防水透湿性材料３４が高抵抗体である場合においても各電極の拡散層とセパレータの間（以下、両体間という）の通電は確保されている。

本発明の一実施例を示す構造図である。本発明の一実施例を示す構造図である。本発明の一実施例を示す構造図である。従来の固体高分子型燃料電池の単セルの一例を示す構成図である。従来の拡散層の撥水化の一例を示す構成図である。従来の拡散層の撥水化の一例を示す電池構成図である。

符号の説明

１固体高分子電解質膜
２カソード極側触媒層
３、３ａ〜３ｄアノード極側触媒層
４カソード極側ガス拡散層
５、５ａ〜５ｄアノード極側ガス拡散層
６カソード極
７アノード極
８、８ａ〜８ｄガス流路
９冷却水流路
１０、１０ａ〜１０ｄセパレータ
１１単セル
１２触媒層
１３拡散層
１５網状シート
１６混合物
１７水素極
１８酸素極
１９集電体
２０ガスシール体
３０カソード極側ガス流路
３１、３１ａ〜３１ｄアノード極側ガス流路
３２カソード極側セパレータ
３３、３３ａ〜３３ｄアノード極側セパレータ
３４、３４ａ〜３４ｄ防水透湿性素材
３５導体
３６ａ〜３６ｃ絶縁材

Claims

固体高分子膜の両側に接合されるカソード電極およびアノード電極とこのそれぞれの電極に対向された流路とこの流路が形成されているセパレータを具備する燃料電池において、
前記カソード電極および前記アノード電極と前記流路との間の少なくとも一方に防水透湿性材料が形成されることを特徴とする燃料電池。
前記防水透湿性材料は、前記カソード電極および前記アノード電極と前記流路との間の両方に形成されることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
前記カソード電極および前記アノード電極と前記流路との間を除いた前記カソード電極および前記アノード電極と前記セパレータとの間に導体を設けることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池。
前記アノード電極および前記カソード電極は、これらの電極の一方または両方を複数に分割されることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池。
複数に分割された前記アノード電極または複数に分割された前記カソード電極は、複数に分割された前記アノード電極内で分割された前記アノード電極とこの分割されたアノード電極が隣接する間と、複数に分割された前記カソード電極内で分割された前記カソード電極と分割されたこのカソード電極が隣接する間の少なくとも一方に絶縁材が配置されることを特徴とする請求項４記載の燃料電池。
前記防水透湿性材料として、ポリオレフィン、ポリオレフィンを含む混合物、ポリウレタン、ポリウレタンを含む混合物、ポリエステル、ポリエステルを含む混合物、ポリエーテル、ポリエーテルを含む混合物、ポリ塩化ビニール、ポリ塩化ビニールを含む混合物、セルロース重合体、セルロース重合体を含む混合物、ポリテトラフルオロエチレン、延伸ポリテトラフルオロエチレンとポリウレタンポリマの複合化物のいずれかを用いることを特徴とする請求項１乃至５いずれかに記載の燃料電池。
前記燃料電池は、固体高分子型燃料電池単セルを含む燃料電池スタックを有することを特徴とする請求項１乃至６いずれかに記載の燃料電池。