JP2009238601A - 膜電極接合体 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池システムがより優れた出力特性、始動特性及び耐久性を発揮可能な膜電極接合体を提供する。
【解決手段】膜電極接合体１０は、電解質膜１の両側に電極が積層されている。各電極は、電解質膜１側に位置する反応層２１、３１と、反応層２１、３１と一体をなし、電解質膜１とは逆側に位置する拡散層２２、３２とからなる。反応層２１、３１は、電解質膜１から拡散層２２、３２まで厚さ方向に延びる無数の貫通孔２１ｃ、３１ｃが形成された排水部２１ａ、３１ａを有している。排水部２１ａ、３１ａは、隣り合う各貫通孔２１ｃ、３１ｃが互いに連通している。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池に用いられる膜電極接合体に関する。

従来、電解質膜の両側に電極が積層された膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）が知られている。この膜電極接合体は、イオン交換膜からなる電解質膜と、この電解質膜の一面側に積層されたアノード極と、電解質膜の他面側に積層されたカソ−ド極とからなる。

アノード極は、電解質膜の一面側に位置する反応層と、反応層と一体をなし、電解質膜とは逆側に位置する拡散層とからなる。また、カソード極は、電解質膜の他面側に位置する反応層と、反応層と一体をなし、電解質膜とは逆側に位置する拡散層とからなる。

この膜電極接合体をセパレータで挟むことにより最小発電単位であるセルが構成され、このセルが多数積層されて燃料電池スタックが構成される。アノード極の拡散層には燃料供給手段によって燃料が供給されるようになっており、カソード極の拡散層には空気供給手段によって空気が供給されるようになっている。こうして燃料電池システムが構成される。

燃料はアノード極の拡散層で拡散され、アノード極の反応層において、水素イオンと電子とが生成される。そして、水素イオンは電解質膜内をカソード極の反応層に向かって水を伴って移動する。また、電子は、燃料電池システムに接続された負荷を通り、カソード極の反応層に流れる。一方、空気はカソード極の拡散層で拡散され、カソード極の反応層において、空気中に含まれる酸素と水素イオンと電子とから水が生成される。このような反応が連続して起こることにより、燃料電池システムは起電力を連続して発生することができる。

この際、膜電極接合体では、カソード極の反応層で生成した生成水がカソード極の反応層への酸素の供給を妨げる。また、カソード極の反応層で生じた生成水が電解質膜をアノード極側に逆拡散し、アノード極の反応層への水素の供給を妨げる。このような現象（フラッディング）が生じると、セル電圧が低下し易く、十分なスタック電圧を安定して生じ難くなる。また、氷点下においては、凝縮した水が凍結し、始動が損なわれる。さらに、反応層内の触媒が劣化し易く、耐久性が損なわれる。

このため、特許文献１、２は、電解質膜から拡散層まで厚さ方向に延びる無数の貫通孔が形成された反応層を有する膜電電極接合体を提案している。隣り合う各貫通孔は互いに連通しておらず、かつ反応層の全面に形成されている。

反応層に各貫通孔が形成された膜電極接合体では、カソード極の反応層で生成した生成水やアノード極の反応層に逆拡散した水が各貫通孔を経て拡散層に移動し、カソード極の反応層への酸素の供給やアノードの反応層への水素の供給を妨げないと考えられる。このため、この膜電極接合体はフラッディングを生じ難く、燃料電池システムは優れた出力特性、始動特性及び耐久性を発揮可能であると考えられる。

特開２００６−２４５５６号公報 特開２００６−１３９９２１号公報

しかし、上記特許文献１、２の膜電極接合体を用いた燃料電池システムを適用したとしても、これらの膜電極接合体は、隣り合う各貫通孔が互いに連通していないため、排出すべき水が多い場合に、貫通孔に水詰まりが生じると考えられ、燃料電池システムが未だ十分な出力特性、始動特性及び耐久性を発揮できない恐れがある。

本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、燃料電池システムがより優れた出力特性、始動特性及び耐久性を発揮可能な膜電極接合体を提供することを解決すべき課題としている。

本発明の膜電極接合体は、電解質膜の両側に電極が積層され、該電極は、該電解質膜側に位置する反応層と、該反応層と一体をなし該電解質膜とは逆側に位置する拡散層と、からなる膜電極接合体において、
前記反応層は、前記電解質膜から前記拡散層まで厚さ方向に延びる無数の貫通孔が形成された排水部を有し、
該排水部は、隣り合う前記各貫通孔が互いに連通していることを特徴とする。

本発明の膜電極接合体は、排水部の隣り合う各貫通孔が互いに連通しているため、排出すべき水が多い場合でも、貫通孔に水詰まりを生じ難い。例えば、ある貫通孔が水詰まりを生じそうであっても、そこの水はその貫通孔と連通する他の貫通孔に移動して拡散層まで迅速に移動する。このため、この膜電極接合体はフラッディングをより一層生じ難い。

したがって、本発明の膜電極接合体によれば、燃料電池システムがより優れた出力特性、始動特性及び耐久性を発揮可能である。

カソード極の反応層に生じた生成水は空気の下流側に滞留し易いことが判明している。また、アノード極の反応層に逆拡散した水も燃料の下流側に滞留し易いことが判明している。空気や燃料の下流側の方が反応が進みやすいからである。

このため、排水部は、反応層に供給されるガスの下流側に位置していることが好ましい。この場合、カソード極の反応層で生じ、空気の下流側に滞留する水が排水部によって迅速に拡散層まで移動し、そこでのフラッディングを生じない。また、アノード極の反応層まで逆拡散し、燃料の下流側に滞留する水も排水部によって迅速に拡散層まで移動し、そこでのフラッディングを生じない。

また、排水部は、反応層に供給されるガスの上流側から下流側に向かうにつれ、貫通孔の数が多くなることも好ましい。例えば、反応層における排水部以外の部分の排水性がさほど高くなく、その部分が湿潤を保てるのであれば、ガスの下流側の排水性を高くすればよい。この場合、反応層における排水部以外の部分の乾燥を防止しつつ、ガスの下流側でのフラッディングを防止することができる。

排水部は、（１）プレス等の物理的加工方法、（２）マスク等を用いた印刷による加工方法、（３）ＵＶ、ＩＲ、ＶＩＳ、ＣＯ₂、ＳＲ、エキシマレーザ、電子ビーム等のレーザや熱等による加工方法等により形成し得る。

拡散層は、電解質膜とは逆側程吸水率が低くされていることが好ましい。この場合、排水部によって電解質膜側から拡散層まで移動してきた水が拡散層のより外側まで移動し易く、拡散層でフラッディングを生じ難くなる。

このような拡散層は、電解質膜とは逆側程目が粗くなるようにシートを積層する方法等で形成し得る。シートとしては、カーボンペーパ、カーボンクロス、Bucky Paper、金属多孔体等を採用することができる。

以下、本発明の膜電極接合体を具体化した実施例１、２を図面を参照しつつ説明する。

図１に示すように、実施例１の膜電極接合体１０は、イオン交換膜からなる電解質膜１と、この電解質膜１の一面に一体に形成されたアノード極２と、電解質膜１の他面に一体に形成されたカソード極３とからなる。

アノード極２は、電解質膜１の一面側に位置する反応層２１と、反応層２１と一体をなし、電解質膜１とは逆側に位置する拡散層２２とからなる。また、カソード極３は、電解質膜１の他面側に位置する反応層３１と、反応層３１と一体をなし、電解質膜１とは逆側に位置する拡散層３２とからなる。

図２及び図３に示すように、反応層２１、３１は、空気又は燃料の下流側に排水部２１ａ、３１ａを有している。反応層２１、３１における排水部２１ａ、３１ａ以外の部分は本体部２１ｂ、３１ｂとされている。本体部２１ｂ、３１ｂは、排水性がさほど高くなく、湿潤を保てるようにされている。

排水部２１ａ、３１ａには、図２及び図４に示すように、電解質膜１から拡散層２２、３２まで厚さ方向に延びる無数の貫通孔２１ｃ、３１ｃが形成されている。隣り合う各貫通孔２１ｃ、３１ｃは反応層２１、３１の縦方向及び横方向で規則的に互いに連通している。なお、本実施形態では、各管通孔２１ｃ、３１ｃの間を規則的に連通させているが、特に規則的なものでなくても、互いに連通していればよい。

図２に示すように、拡散層２２、３２は、反応層２１、３１側に位置する第１拡散層２２ａ、３２ａと、反応層２１、３１の逆側に位置する第２拡散層２２ｂ、３２ｂとからなる。第２拡散層２２ｂ、３２ｂは第１拡散層２２ａ、３２ａよりも目が粗く、吸水率が低くされている。逆に言えば、第１拡散層２２ａ、３２ａは第２拡散層２２ｂ、３２ｂよりも目が細かく、吸水率が高くされている。

この膜電極接合体１０をセパレータで挟むことにより最小発電単位であるセルが構成され、このセルが多数積層されて燃料電池スタックが構成される。アノード極２の拡散層２２には燃料供給手段によって燃料が供給されるようになっており、カソード極３の拡散層３２には空気供給手段によって空気が供給されるようになっている。こうして燃料電池システムが構成される。

燃料としての水素ガスはアノード極２の拡散層２２で拡散され、アノード極２の反応層２１において、水素イオンと電子とが生成される。そして、水素イオンは電解質膜１内をカソード極３の反応層３１に向かって水を伴って移動する。また、電子は、燃料電池システムに接続された負荷を通り、カソード極３の反応層３１に流れる。一方、空気はカソード極３の拡散層３２で拡散され、カソード極３の反応層３１において、空気中に含まれる酸素と水素イオンと電子とから水が生成される。このような反応が連続して起こることにより、燃料電池システムは起電力を連続して発生することができる。

この際、この膜電極接合体１０では、カソード極３の反応層３１で生成した生成水がカソード極３の反応層３１への酸素の供給を妨げようとする。しかし、排水部３１ａの隣り合う各貫通孔３１ｃが互いに連通しているため、ある貫通孔３１ｃが水詰まりを生じそうであっても、そこの水は、その貫通孔３１ｃと連通する他の貫通孔３１ｃに毛管現象によって移動し、第１拡散層３２ａまで迅速に移動する。このため、排出すべき水が多い場合でも、貫通孔３１ｃに水詰まりを生じ難い。

また、カソード極３の反応層３１で生じた生成水が電解質膜１をアノード極２側に逆拡散し、アノード極２の反応層２１への水素の供給を妨げようとする。しかし、やはり排水部２１ａの隣り合う各貫通孔２１ｃが互いに連通しているため、ある貫通孔２１ｃ内の水が他の貫通孔２１ｃを介して第１拡散層２２ａまで迅速に移動する。このため、排出すべき水が多い場合でも、貫通孔２１ｃに水詰まりを生じ難い。

第１拡散層２２ａ、３２ａまで移動した水は、高い吸水率によって第１拡散層２２ａ、３２ａを迅速に移動して第２拡散層２２ｂ、３２ｂに至り、そこで低い吸水率によって移動速度が落ちる。そして、水素ガスや空気の流れによってセルから排出され、各セルから集められた水として燃料電池スタックから排出される。

こうして、この膜電極接合体１０はフラッディングをより一層生じ難い。このため、燃料電池スタックは、セル電圧が低下し難く、十分なスタック電圧を安定して生じ易い。また、氷点下においては、凝縮した水が凍結し難く、速やかな始動が可能となる。さらに、反応層２１、３１内の触媒が劣化し難く、優れた耐久性を発揮する。

なお、上記実施例１では、各貫通孔２１ｃ、３１ｃが縦方向及び横方向で規則的に互いに連通しているため、製造時にバラツキが少ないとともに、排水性をより把握し易くなっている。

図５に示すように、実施例２の膜電極接合体１０は、反応層２１、３１の全面に排水部２１ｄ、３１ｄを有している。排水部２１ｄ、３１ｄは、反応層２１、３１に供給される空気又は燃料の上流側から下流側に向かうにつれ、貫通孔２１ｅ、３１ｅの数が多くなっている。

この膜電極接合体１０では、反応層２１、３１全体で乾燥を防止しつつ、空気又は燃料の下流側でのフラッディングを防止することができる。他の作用効果は実施例１と同様である。

以上において、本発明を実施例１、２に即して説明したが、本発明は上記実施例１、２に制限されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更して適用できることはいうまでもない。

例えば、上記実施例１では、反応層２１、３１における排水部２１ａ、３１ａ以外の部分である本体部２１ｂ、３１ｂが湿潤を保てるようにされていたため、排水部２１ａ、３１ａをガスの下流側にのみ位置させたが、本体部２１ｂ、３１ｂと排水部２１ａ、３１ａとの間に徐々に貫通孔２１ｃ、３１ｃを形成することも可能である。また、本体部２１ｂ、３１ｂが湿潤を保ち難い場合には、排水部２１ａ、３１ａをガスの下流側以外の部分、例えば全体に位置させることも可能である。

また、上記実施例１、２では、拡散層２２、３２を第１拡散層２２ａ、３２ａ及び第２拡散層２２ｂ、３２ｂの２層で構成したが、３層以上で構成したり、連続的に吸水率が変化するように構成したりすることも可能である。

さらに、上記実施例１、２では、アノード極２の反応層２１及びカソード極３の反応層３１に排水部２１ａ、３１ａを設けたが、いずれか一方の反応層だけに排水部を設けることも可能である。

本発明は電気自動車等の移動用電源、あるいは据え置き用電源に利用可能である。

実施例１に係る膜電極接合体の模式断面図である。 実施例１に係る膜電極接合体の要部拡大断面図である。 実施例１に係る膜電極接合体の反応層の平面図である。 実施例１に係る膜電極接合体の電解質膜及び反応層の拡大斜視図である。 実施例２に係る膜電極接合体の反応層の平面図である。

符号の説明

１…電解質膜
２、３…電極（２…アノード極、３…カソード極）
２１、３１…反応層
２２、３２…拡散層
１０…膜電極接合体
２１ｃ、３１ｃ、２１ｅ、３１ｅ…貫通孔
２１ａ、３１ａ、２１ｄ、３１ｄ…排水部

Claims (3)

1. 電解質膜の両側に電極が積層され、該電極は、該電解質膜側に位置する反応層と、該反応層と一体をなし該電解質膜とは逆側に位置する拡散層と、からなる膜電極接合体において、
   前記反応層は、前記電解質膜から前記拡散層まで厚さ方向に延びる無数の貫通孔が形成された排水部を有し、
   該排水部は、隣り合う前記各貫通孔が互いに連通していることを特徴とする膜電極接合体。
2. 前記排水部は、前記反応層に供給されるガスの下流側に位置している請求項１記載の膜電極接合体。
3. 前記排水部は、前記反応層に供給されるガスの上流側から下流側に向かうにつれ、前記貫通孔の数が多くなる請求項１又は２記載の膜電極接合体。

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