JP2009199742A

JP2009199742A - 燃料電池

Info

Publication number: JP2009199742A
Application number: JP2008037057A
Authority: JP
Inventors: Shinya Takeshita; 慎也竹下
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2008-02-19
Filing date: 2008-02-19
Publication date: 2009-09-03

Abstract

【課題】カソード側電極層からアノード側電極層への水配分が効果的に実行でき、もって高電流域における発電時においても燃料電池を構成する各単セルのＭＥＡにおける水分（加湿雰囲気）の均一性が十分に担保される燃料電池を提供する。
【解決手段】燃料電池を構成するスタック１００は、電解質膜１をカソード側電極層２およびアノード側電極層３が挟持してなる複数の単セル１０が隔膜７を介して並列して構成されており、隣接する一方の単セル１０のカソード側電極層２の横に他方の単セル１０のアノード側電極層３が位置し、隔膜７が、イオンおよびガスは不透過で、通水性を有するものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池に係り、特に、単セルを並列配置してスタックが形成される燃料電池に関するものである。

固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）の単セルは、イオン透過性の電解質膜と、該電解質膜を挟持するアノード側電極層（触媒層）およびカソード側電極層（触媒層）とからなる膜電極接合体（ＭＥＡ：ＭｅｍｂｒａｎｅＥｌｅｃｔｒｏｄｅＡｓｓｅｍｂｌｙ）と、該膜電極接合体に燃料ガスもしくは酸化剤ガスを提供するとともに電気化学反応によって生じた電気を集電するためのガス拡散層とセパレータを少なくとも備えている。なお、このセパレータは、各単セルを画成するとともにガス流路層となるものであり、このガス流路層がセパレータから分離した、いわゆるフラットタイプのセパレータもある。燃料電池スタックは、所要電力に応じてこの単セルを所定数だけ直列的に積層することによって形成されている。なお、単セルを並列配置することでスタックの厚みを小さくした平面型燃料電池に関する技術もたとえば特許文献１に開示されている。

上記する燃料電池では、アノード電極に燃料ガスとして水素ガス等が提供され、カソード電極には酸化剤ガスとして酸素や空気が提供され、各電極では固有のガス流路層（またはセパレータ）にて面内方向にガスが流れ、次いでガス拡散層にて拡散されたガスが電極触媒層に導かれて電気化学反応がおこなわれるものである。

上記する固体高分子型燃料電池の稼動時においては、発電時の熱や通電時の水分移動によって電解質膜が乾き、その性能が低下するという、いわゆるドライアップに関する課題や、加湿雰囲気のガス中の水分や電気化学反応によって生じる生成水が触媒層やガス拡散層に過剰に存在した場合に同層内の反応活性点やガス流路を閉塞してしまい、やはりセル性能が低下するという、いわゆるフラッティングに関する課題が存在している。

上記する課題の原因の一つとして、セル内での水配分のコントロールが不適切、もしくは該コントロールが困難であることが挙げられる。単セルのＭＥＡにおいては、そこに含まれる水分が少なすぎては上記するドライアップが、多すぎては上記するフラッティングが生じ得ることから、適所に適量な水分が含まれていることが発電性能の面で極めて重要である。通電時に水分はプロトンとともに移動するので、ドライアップはアノード側で生じ易い一方、生成水ができるカソード側ではフラッティングが生じ易い。発電が進行するとＭＥＡにおけるアノード側とカソード側で水配分の不均一化が生じてくる。

上記する水分の不均一化を解消するべく、カソード側でできた生成水をアノード側へ送り返す方法（逆拡散法）がある。水の逆拡散法は乾湿の濃度勾配によって生じる自然現象を利用したものであるが、燃料電池においては、高電流域における発電時においては水分移動や生成水の速度が速いために、水の逆拡散がそれに追い付かずに水の不均一化が解消されないことが往々にしてある。

そこで、水の逆拡散を促進させる方策として、ＭＥＡの電解質にＥＷ（イオン交換容量の逆数）の傾斜を設けたり(アノード側のＥＷを相対的に低くする（親水性を高くする）)、補強層の配置を中央ではなく側方にずらすことでアノード側の親水性を高めるということも考えられている。しかし、これらの方策はいずれも単セル内での水配分コントロールに留まっており、上記する高電流域における発電時の不均一性を効果的に解消するには至らない。その理由は、単セルごとに含有水分量もしくは加湿状態が異なっており、加湿状態が良好で発電が十分におこなわれている単セルが存在する一方で、常に乾いた状態で発電が十分でない単セルが存在していることが往々にしてあり、上記する加湿状態の不均一性の程度が単セルごとに相違していることに起因するものである。

特開２００４−１３４２５６号公報

本発明は、上記する問題に鑑みてなされたものであり、カソード側電極層からアノード側電極層への水配分が効果的に実行でき、もって高電流域における発電時においても燃料電池を構成する各単セルのＭＥＡにおける水分（加湿雰囲気）の均一性が十分に担保される燃料電池を提供することを目的とする。

前記目的を達成すべく、本発明による燃料電池は、電解質膜をカソード側電極層およびアノード側電極層が挟持してなる複数の単セルが隔膜を介して並列しており、隣接する一方の単セルのカソード側電極層の横に他方の単セルのアノード側電極層が位置しており、前記隔膜が、イオンおよびガスは不透過で、通水性を有するものである。

本発明の燃料電池は、従来の単セルを積層した構造の燃料電池に対して複数の単セルを並列に配置してスタックを形成したものであり、各単セル間に水は通すがイオンは通さない性質の隔膜を介在させることにより、水の分散を隣接する単セル間でおこないながら各ＭＥＡの加湿状態を良好かつ均一に調整できる、すなわち、水マネジメントに優れた燃料電池に関するものである。なお、複数の単セルを並列に配置し、たとえば隣接する一方の単セルのアノード側電極層と他方の単セルのカソード側電極層を電線で接続し、並列構造の両端に位置する単セルに正極、負極を設けることで、一つの回路で各単セルに通電することが可能となる。

ここで、隣接する単セルに関し、一方のアノード側電極層の横には他方のカソード側電極層が位置することにより、乾き易すいアノード側電極層には、同じ単セル内のカソード側電極層からの水の分散提供に加えて、隣接する単セルのカソード側電極層からの水の提供がおこなわれる。このことは、仮にＭＥＡ全体が乾いた単セル内でそのカソード側電極層からアノード側電極層への水分提供が十分におこなわれない場合においても、隣接する単セルから水が分散（分配）されることにより、発電が不十分な単セルの発生を効果的に抑止してスタック全体で発電性能に優れた燃料電池となるものである。この燃料電池は、所要電力に応じた基数の単セルを所定数並列配置することで構成される。

単セル間に介在する隔膜は、通水性であることに加えてイオンやガスは通さないものであることより、各単セル内での発電は十分に確保される。この隔膜は、かかる性能を有するものであれば特に限定されるものではないが、たとえば、水性樹脂、もしくは、保水性の無機物と樹脂マトリックスの混合材料から形成することができ、エーテル系物質やアルコール系物質、ポリアミドなどを挙げることができる。ここで、アルコール系物質の場合には、極性が強いとイオン性が強くなることから、極性の弱い物質が好ましい。また、隔膜安定性の観点から、単量体よりも重合体が好ましく、セルロースやアガロース（寒天）、ポリビニルエーテルやでんぷんなどから形成することができる。さらに、通水性であって、発電環境下で固体状態を維持することが困難な材料の場合には、ＰＴＦＥの多孔体やセラミックスなどの発泡焼結体、ガラス繊維などの支持体を備えた構成とすることもできる。

上記する本発明の燃料電池によれば、カソード側電極層で生成した生成水は隣接する単セルのアノード側電極層へも提供されることから、カソード側電極層にて生じ易いフラッティングの問題は効果的に解消される。その一方で、アノード側電極層には同じ単セル内のカソード側電極層からのみならず隣接する単セルのカソード側電極層からも水分提供がおこなわれることで、アノード側電極層にて生じ易いドライアップの問題も同時に解消されることになる。

また、本発明による燃料電池の他の実施の形態は、電解質膜をカソード側電極層およびアノード側電極層が挟持してなる複数の単セルが隔膜を介して並列しており、隣接する一方の単セルのカソード側電極層の横に他方の単セルのアノード側電極層が位置しており、前記隔膜が、イオンおよびガスは不透過で、通水性を有するものである、複数の単セルの並列ユニットが、２以上積層されてなるものである。

本実施の形態は、既述する単セルが並列配置してなる並列ユニットを、２以上直列的に積層することにより、複数の単セルが並列的かつ直列的に配置されたスタックからなる燃料電池に関するものである。たとえば、５つの単セルが並列配置されて一つの並列ユニットを形成し、１０基の該並列ユニットが積層されることにより、５列１０行の単セルからなるスタックが形成される。

この実施の形態では、直列関係にある複数の単セルにおいては、従来の燃料電池のごとく共通するガスマニホールドや冷却水マニホールドが形成され、セパレータにて単セル間が画成される。一方、並列関係にある単セル間は、既述する通水性でガスやイオン不透過の隔膜で画成される。

本実施の形態にかかる燃料電池によれば、スタックの水平規模、垂直規模を大きくすることなく、優れた水マネジメントにて各単セルの均一な加湿雰囲気が形成でき、もって発電性能に優れた燃料電池を得ることができる。

本発明による燃料電池によれば、水のマネジメントが単セル内のみならず、隣接する単セル同士でおこなわれることにより、各単セルの発電能力を高めることができ、もって発電性能に優れたスタックからなる燃料電池を提供することができる。したがって、この燃料電池は、近時その生産が拡大しており、車載される燃料電池の高性能化が叫ばれている電気自動車やハイブリッド車等に好適である。

以上の説明から理解できるように、本発明の燃料電池によれば、単セル内のみならず、隣接する単セル同士で水分移動（分散）を実行することができ、各単セル内の良好な加湿状態を維持できることで、発電性能に優れ、フラッティングやドライアップの発生が抑止された燃料電池を提供することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明の燃料電池を構成する複数の単セルの並列ユニットスタックの一部を示す縦断図である。

図１に示す並列ユニットスタック１００を構成する単セル１０の構造は、イオン交換膜である電解質膜１と、これを挟持するカソード側電極層２およびアノード側電極層３と、から形成される膜電極接合体４（ＭＥＡ）と、この膜電極接合体４を挟持するガス拡散層５，５と、ガス拡散層５，５を挟持する導電性多孔体のセパレータ６，６と、から大略構成される。

電解質膜１は、高分子材料であるフッ素系膜、ＨＣ膜などからなり、電極層２，３、ガス拡散層５は、白金やその合金からなる触媒をカーボン等に担持させた多孔質素材であり、カーボンペーパーやカーボンクロスから形成される。

なお、セパレータ６からガス流路層が分離した構成であってもよく、この形態では、多孔質のラスメタルからガス流路層を形成することができる。

実際の燃料電池においては、所望する発電量に応じて図示する単セル１０が所定基数並列に配置されてスタック１００が形成されるものである。なお、図示例では、不図示のガス供給管や冷却水供給管が各単セル１０に通じており、セパレータ６に形成されたガス流路６１を水素ガスや酸素ガスが通り、ガス拡散層５を介してＭＥＡに拡散提供される。

電気自動車等に車載される燃料電池システムは、この燃料電池と、水素ガスや空気を収容する各種タンク、これらのガスを燃料電池に提供するためのブロア、燃料電池を冷却するためのラジエータ、燃料電池で生成された電力を蓄電するバッテリ、この電力で駆動する駆動モータ等から大略構成されるものである。

並列に配置した隣接する単セル１０、１０に関し、一方の単セル１０のカソード側電極層２の横に他方の単セル１０のアノード側電極層３が位置している。さらに、単セル１０，１０間には、隔膜７が介在している。

この隔膜７は、通水性で、かつ、イオンやガスを不透過な素材の膜であり、セルロースやアガロース（寒天）、ポリビニルエーテルやでんぷんなどの一種もしくは複数の混合材料から形成される。

また、隣接する一方の単セル１０のアノード側と他方の単セル１０のカソード側を電線８で接続することにより、並列ユニットスタック１００の両端に位置する単セル１０，１０を正極、負極とした一つの回路にてすべての単セル１０に通電することができる。

図示する並列ユニットスタック１００によれば、各単セル１０内でそのカソード側電極層２からアノード側電極層３へ生成水の分散供給がおこなわれることに加えて（図中の矢印Ｘの流れ）、隣接する一方の単セル１０のカソード側電極層２から他方の単セル１０のアノード側電極層３へも隔膜７を介して生成水の分散供給がおこなわれる（図中の矢印Ｙの流れ）。

このように、カソード側電極層２からの生成水の分散が単セル１０内のみならず、隣接する単セル１０同士でおこなわれることにより、カソード側電極層２にて生じ易いフラッティングが防止されるとともに、アノード側電極層３にて生じ易いドライアップも防止される。

さらに、図示するＸ方向、Ｙ方向の水分の流れにより、加湿雰囲気の異なる単セル同士で水分のやりとりがおこなわれることから、各単セルで可及的に均一な加湿雰囲気を形成することができ、スタック全体として発電性能に優れた燃料電池を構成することに繋がる。

図２は、燃料電池を構成するスタックの他の実施の形態を示している。このスタックは、図１のごとき並列ユニットスタック１００Ａを複数層直列的に積層することにより形成される、並列／直列ユニットスタック２００である。

単セル１０Ａと単セル１０の相違点は、単セル１０Ａが直列関係にある隣接単セル１０Ａと共有するセパレータ６Ａが、その上下にガス流路６１，６１を備えている点である。

この並列／直列ユニットスタック２００においても、並列ユニットスタック１００Ａでは、隣接する単セル１０Ａ，１０Ａ間で生成水のやりとりがおこなわれる。なお、図示を省略するが、この並列／直列ユニットスタック２００では、その両端の直列ユニットスタックの上部の単セル１０Ａと下部の単セル１０Ａに正極、負極が形成され、直列ユニットスタックの端部同士を電線で繋ぐことで、一つの回路にてすべての単セル１０Ａに通電することができる。

[従来の直列積層型のスタック（比較例）と、図１で示す並列ユニットスタック（実施例）に関する発電試験とその結果]
本発明者等は、電解質にＮａｆｉｏｎｓｏｌｕｔｉｏｎＤＥ２０２０（Ｄｕｐｏｎｔ社製）を使用し、その内部にＰＴＦＥ多孔体を載置して補強した電解質膜を製作し、この電解質膜に触媒層を転写し、カーボンペーパーをガス拡散層に用いてなる単セルを製作し、５つの単セルを直列的に積層して従来構造のスタック（比較例）を製作するとともに、５つの単セルを並列させて本発明にかかるスタック（実施例）を製作した。

実験は、電流密度が０．１、０．５、１．０、１．２、１．５、１．６（Ａ／ｃｍ^２）の６パターンの電流を比較例および実施例の各スタックに通電した際の出力電圧を計測する方法でおこなった。その結果を以下の表１に示す。なお、表１において、比較例、実施例ともに、５基の単セルをそれぞれ、比較例−１、比較例−２、・・・・や実施例−１、実施例−２、・・・・と表記する。

表１より、電流密度が０．１、０．５（Ａ／ｃｍ^２）の低電流域では、比較例、実施例ともに発電性能に大きな違いはないものの、１．５、１．６（Ａ／ｃｍ^２）の高電流域では、比較例に対して実施例では発電能力が２〜３割程度向上することが実証された。

これは、比較例においては、高電流域にてカソード側電極層にて水溜まり等が相対的に生じ易く、面内均一な発電が相対的に抑止されていることが一因として挙げられる。

それに対し、実施例においては、カソード側電極層から隣接する単セルのアノード側電極層へ生成水が提供されることでカソード側電極層にて水溜まりが生じ難く、相対的に面内均一な発電が招来されている結果によるものと特定される。

以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。

本発明の燃料電池を構成する複数の単セルの並列ユニットスタックの一部を示す縦断図である。本発明の燃料電池を構成する複数の単セルの並列／直列ユニットスタックの一部を示す縦断図である。

符号の説明

１…電解質膜、２…カソード側電極層、３…アノード側電極層、４…膜電極接合体（ＭＥＡ）、５…ガス拡散層（ＧＤＬ）、６，６Ａ…セパレータ、６１…ガス流路、７…隔膜、８…電線、１０，１０Ａ…単セル、１００，１００Ａ…並列ユニットスタック、２００…並列／直列ユニットスタック

Claims

電解質膜をカソード側電極層およびアノード側電極層が挟持してなる複数の単セルが隔膜を介して並列しており、
隣接する一方の単セルのカソード側電極層の横に他方の単セルのアノード側電極層が位置しており、
前記隔膜が、イオンおよびガスは不透過で、通水性を有するものである、燃料電池。
電解質膜をカソード側電極層およびアノード側電極層が挟持してなる複数の単セルが隔膜を介して並列しており、隣接する一方の単セルのカソード側電極層の横に他方の単セルのアノード側電極層が位置しており、前記隔膜が、イオンおよびガスは不透過で、通水性を有するものである、複数の単セルの並列ユニットが、２以上積層されてなる、燃料電池。
前記隔膜は、水性樹脂、もしくは、保水性の無機物と樹脂マトリックスの混合材料からなる、請求項１または２に記載の燃料電池。