JP2009272166A

JP2009272166A - 燃料電池

Info

Publication number: JP2009272166A
Application number: JP2008122418A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Aoki; 敦青木; Yutaka Tazaki; 豊田崎; Yoshiro Uko; 義郎宇高
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd; Yokohama National University NUC
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd; Yokohama National University NUC
Priority date: 2008-05-08
Filing date: 2008-05-08
Publication date: 2009-11-19

Abstract

【課題】運転状態にかかわらずフラッディング現象を防止できるとともに、良好な発電効率が得ることができる燃料電池を提供する。
【解決手段】膜電極接合体１０の表裏両面に形成され、反応ガスを拡散して膜電極接合体に供給するカソードガス拡散層１２１及びアノードガス拡散層１２２と、カソードガス拡散層１２１及びアノードガス拡散層１２２に供給する反応ガスが流れる反応ガス流路を備えるカソードセパレータ１３１及びアノードセパレータ１３２と、を有する燃料電池であって、カソードガス拡散層１２１は、空孔径が一様ではなく大小が混在する多孔体であり、カソードセパレータのリブ１３１ａが当接する部分に形成された撥水性の撥水部１２１ａと、カソードセパレータの反応ガス流路１３１ｂが重なる部分に形成され、撥水部１２１ａから液水が移動する親水部１２１ｂと、を含む。
【選択図】図４

Description

この発明は、燃料電池に関する。

燃料電池に供給されたアノードガスＨ₂はアノードガス拡散層で拡散され、アノード電極触媒層に供給される。また燃料電池に供給されたカソードガスＯ₂はカソードガス拡散層で拡散され、カソード電極触媒層に供給される。そして、カソード電極触媒層、アノード電極触媒層において、以下の反応が進行する。

アノード電極触媒層：２Ｈ₂ → ４Ｈ⁺ ＋４ｅ^-
カソード電極触媒層：４Ｈ⁺ ＋４ｅ^- ＋Ｏ₂ → ２Ｈ₂Ｏ
この反応によって生じた液水Ｈ₂Ｏがガス流路を塞いでしまうフラッディング現象が発生するおそれがある。

そこでたとえば特許文献１では、カソードガス拡散層に液水が滞留しないように、カソードガス拡散層に撥水性材料を含有させるようにした。また発電効率が良くなるように、カソードガス拡散層の保湿状態を一様にすべく、カソードセパレータのガス流路に対向する部分の撥水性材料の含有量を、カソードセパレータのリブが当接する部分の撥水性材料の含有量よりも低くした。
特開２００２−１２４２７０号公報

このようにカソードガス拡散層に撥水性材料を含有させれば、確かにカソードガス拡散層に液水が滞留しにくくなる。

しかしながら、特許文献１では、カソードセパレータのガス流路対向部の撥水性材料の含有量と、リブ当接部の撥水性材料の含有量とを調整することで、両部の特性に差を付与しただけである。このような構成では、生成水の量が増える高電流密度時には、カソードセパレータのリブ当接部の空孔が液水によって閉塞されてしまうフラッディング現象を防止しきれない、ということが本件発明者らによって知見された。

本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、運転状態にかかわらずフラッディング現象を防止できるとともに、良好な発電効率が得ることができる燃料電池を提供することを目的とする。

本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために本発明の実施形態に対応する符号を付するが、これに限定されるものではない。

本発明は、膜電極接合体(１０)と、前記膜電極接合体(１０)の表裏両面に形成され、反応ガスを拡散して膜電極接合体に供給するカソードガス拡散層(１２１)及びアノードガス拡散層(１２２)と、前記カソードガス拡散層(１２１)及びアノードガス拡散層(１２２)に当接し、カソードガス拡散層(１２１)及びアノードガス拡散層(１２２)に供給する反応ガスが流れる反応ガス流路を備えるカソードセパレータ(１３１)及びアノードセパレータ(１３２)と、を有する燃料電池であって、前記カソードガス拡散層(１２１)は、空孔径が一様ではなく大小が混在する多孔体であり、カソードセパレータのリブ(１３１ａ)が当接する部分に形成された撥水性の撥水部(１２１ａ)と、カソードセパレータの反応ガス流路(１３１ｂ)が重なる部分に形成され、前記撥水部(１２１ａ)から液水が移動する親水部(１２１ｂ)と、を含む、ことを特徴とする。

本発明によれば、カソードガス拡散層を空孔径が一様ではなく大小が混在するように構成するとともに、撥水部と親水部とを含むようにした。このようにしたので、液水の撥水部から親水部への移動を促進できるとともに、高電流密度時でも、カソードガス拡散層の親水部において、反応ガスの拡散経路が確保され、燃料電池の良好な発電効率が得られるのである。

以下では図面等を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。
（第１実施形態）
図１は、本発明による燃料電池の第１実施形態を示す図であり、図１(Ａ)は分解斜視図、図１(Ｂ)は縦断面図である。

燃料電池セル１は、膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly；以下「ＭＥＡ」という)１０の表裏両面にカソードガス拡散層(Gas Diffusion Layer；ＧＤＬ)１２１及びアノードガス拡散層１２２を介してカソードセパレータ１３１及びアノードセパレータ１３２が配置された構成である。

ＭＥＡ１０は、電解質膜１１と、カソード電極触媒層１１１と、アノード電極触媒層１１２と、を含む。

電解質膜１１は、フッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜である。電解質膜１１は、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。そのため、電解質膜１１の性能を引き出して発電効率を向上させるには、電解質膜１１の含水状態を最適に保つ必要がある。そこで、本実施形態では、燃料電池セル１に導入する反応ガス(カソードガス及びアノードガス)を加湿している。なお、電解質膜１１の含水状態を最適に保つための水には純水を用いるとよい。これは不純物が混入した水を燃料電池セル１に供給しては、電解質膜１１に不純物が蓄積し発電効率が低下するからである。

カソード電極触媒層１１１は電解質膜１１の片面(図１(Ｂ)の上側)に設けられ、アノード電極触媒層１１２は反対面(図１(Ｂ)の下側)に設けられる。カソード電極触媒層１１１及びアノード電極触媒層１１２は、たとえば白金が担持されたカーボンブラック粒子で形成される。

カソードガス拡散層１２１は、カソード電極触媒層１１１の外側に配置される。アノードガス拡散層１２２は、アノード電極触媒層１１２の外側に配置される。カソードガス拡散層１２１及びアノードガス拡散層１２２は、十分なガス拡散性及び導電性を有する多孔体などで形成される。カソードガス拡散層１２１及びアノードガス拡散層１２２の空孔は、空孔径が一様ではなく大小が混在する。カソードガス拡散層１２１は、撥水部１２１ａと親水部１２１ｂとを含む。

カソードセパレータ１３１は、カソードガス拡散層１２１の外側に重なる。カソードセパレータ１３１は、たとえばカーボン製又は金属製である。カソードセパレータ１３１の片面(カソードガス拡散層１２１への対向面)には、リブ１３１ａが凸設され、リブ１３１ａの間に反応ガス流路１３１ｂが形成される。リブ１３１ａが、カソードガス拡散層１２１の撥水部１２１ａに当接する。反応ガス流路１３１ｂの下にはカソードガス拡散層１２１の親水部１２１ｂが形成される。

アノードセパレータ１３２は、アノードガス拡散層１２２の外側に重なる。アノードセパレータ１３２は、たとえばカーボン製又は金属製である。アノードセパレータ１３２の片面(アノードガス拡散層１２２への対向面)には、リブ１３２ａが凸設され、リブ１３２ａの間に反応ガス流路１３２ｂが形成される。

以上のような構成の燃料電池セル１が数百セル積層されて所定の面圧で保持されたものが燃料電池である。

図２は、本発明による燃料電池のガス拡散層構造を製造する方法について説明する図である。

まずはじめに図２(Ａ)に示すように、ガス拡散層基体１２に第１マスクＭ１を載置する(第１マスク工程＃１０１)。

次に図２(Ｂ)に示すように、スプレＳ１から撥水剤を噴霧して撥水部１２１ａを形成する(撥水部形成工程＃１０２)。

続いて図２(Ｃ)に示すように、撥水部１２１ａを覆うように第２マスクＭ２を載置する(第２マスク工程＃１０３)。

そして図２(Ｄ)に示すように、スプレＳ２から親水剤を噴霧して親水部１２１ｂを形成する(親水部形成工程＃１０４)。

以上のようにすれば、撥水部１２１ａと親水部１２１ｂとを含むカソードガス拡散層１２１を低コストで製造することができる。

なおこの方法では、親水部と撥水部の境界に親水性と撥水性とがミクロに混在する領域ができてしまうが、液水は撥水性の部分から、親水性と撥水性の混在する部分の親水部に吸引されて、親水性の部分まで到達するので、特に本発明の効果に影響はない。

図３は、撥水性及び親水性について説明する図である。

上述のように、本実施形態のカソードガス拡散層１２１は、撥水部１２１ａと親水部１２１ｂとを含むことが特徴である。そこで次に撥水性及び親水性の判別方法について説明しておく。

撥水性であるか親水性であるかは、JIS R 3257で規定されている静滴法を適用して判定できる。すなわち基体に水滴Ｗを滴下して図３に示す接触角θを測定する。図３(Ａ)のように接触角θが９０度以下であれば親水性である。図３(Ｂ)のように接触角θが９０度を超えていれば撥水性である。

図４は、本発明による燃料電池ガス拡散層構造の第１実施形態による作用を説明する図である。

本実施形態では、カソードガス拡散層１２１のうち、カソードセパレータ１３１のリブ１３１ａに当接する部分を撥水部１２１ａにし、反応ガス流路１３１ｂの下になる部分を親水部１２１ｂにした。そのため、カソード電極触媒層１１１で生成され、カソードガス拡散層１２１の撥水部１２１ａに浸透した液水Ｈ₂Ｏは、図４に矢印で示すように、親水部１２１ｂに移動する。

図５は、接触角と毛細管圧力との関係を示す図である。

上述の通り、接触角θの大小はガス拡散層の親水性・撥水性の指標となる。また液水はガス拡散層の空孔内を毛細管現象によって移動するので、毛細管圧力差の大小は、この移動力の指標となる。すなわち毛細管圧力差が大きいほど、液水はガス拡散層の空孔内を移動しやすくなる。

比較形態のように、カソードガス拡散層のうち反応ガス流路の下になる部分を弱撥水性にしても、リブに当接する部分から液水が移動する。しかしながら、毛細管圧力差が小さいので、移動量が比較的少なく、生成水量が増える高電流密度時にはリブ当接部の空孔が液水によって閉塞されてしまうフラッディング現象を防止しきれなかった。

これに対して本実施形態では、カソードガス拡散層のうち反応ガス流路の下になる部分を親水性にしたので、毛細管圧力差が大きくなり、リブに当接する部分から液水が移動しやすくなる。そのため高電流密度時であってもフラッディング現象を防止できる。

なおカソードガス拡散層１２１の空孔は、空孔径が一様ではなく大小が混在するので、反応ガス流路１３１ｂの下の親水部１２１ｂに液水が溜まってしまってガス拡散性が低下することを防止できる。すなわち、含水状態でのガス拡散層のガス拡散性を計測した。その結果によって、親水性であってもガスの拡散性は確保されることが明らかになった。これについて、空孔径が一様ではなく大小が混在するので、液水は、直線的な形状である相対的に径の大きな空孔から屈曲形状である相対的に径の小さな空孔に移動する。そして相対的に径の大きな空孔をガスが拡散する。

したがって高電流密度時でも、カソードガス拡散層１２１の反応ガス流路下の親水部１２１ｂにおいて、反応ガスの拡散経路が確保され、燃料電池の良好な発電効率が得られるのである。

（第２実施形態）
図６は、本発明による燃料電池の第２実施形態を示す縦断面図である。

なお以下では前述と同様の機能を果たす部分には同一の符号を付して重複する説明を適宜省略する。

本実施形態のカソードガス拡散層１２１は、カソードセパレータ１３１の反応ガス流路１３１ｂが重なる部分の中央付近に形成され、リブ１３１ａが当接する撥水部１２１ａから親水部１２１ｂに移動してきた液水の浸入を阻害する流路中央撥水部１２１ｃをさらに含んだ構成である。

本実施形態によれば、流路中央撥水部１２１ｃが、撥水部１２１ａから親水部１２１ｂに移動してきた液水の浸入を阻害するので、反応ガス流路１３１ｂが重なる全部分が液水によって閉塞されてしまうことを防止できる。このようにカソードガス拡散層１２１は、反応ガス流路１３１ｂが重なる部分に反応ガスの拡散経路を確保できるので、高電流密度時のさらに良好な発電効率が得ることができるのである。

（第３実施形態）
図７は、本発明による燃料電池の第３実施形態を示すカソードガス拡散層の平面図である。なお図中矢印はカソードガスの流れ方向である。

本実施形態では、カソードガス拡散層の撥水部及び親水部が混在する構成は、カソードガスの流れ方向下流側に形成されている。カソードガスの流れ方向上流側では、撥水性親水性がほぼ一様である。

上述のようにカソード電極触媒層では液水が生成されるが、カソードガス拡散層の含水量はカソードガスの流れ方向下流側ほど多くなる。またカソードガスの流れ方向上流側では含水量が少ないので、撥水部及び親水部を混在させると、液水が過剰に移動して撥水部で却って乾燥気味になってしまう可能性もある。そこで液水の含水状況に合わせてカソードガス拡散層の撥水部及び親水部が混在する構成とすることで、さらに良好な発電効率が得ることができるのである。

（第４実施形態）
図８は、本発明による燃料電池の第４実施形態を示す縦断面図である。

本実施形態のカソードセパレータ１３１は、表面が親水性である。このように表面の性状が親水性であるセパレータは、ステンレスなどの金属板を波板形状にプレス成型することで得られる。またカーボン製のセパレータの表面に親水性コーティングを施してもよい。

このように構成することで、カソードガス拡散層１２１の撥水部１２１ａから、親水部１２１ｂに移動する液水の一部が、カソードセパレータ１３１の表面を伝わって反応ガス流路１３１ｂに排出されるようになる。そしてカソードガス拡散層１２１の親水部１２１ｂの含水量が減少するので、この親水部１２１ｂでのガス拡散性が向上し、高電流密度時のさらに良好な発電効率が得ることができるのである。

（第５実施形態）
図９は、本発明による燃料電池の第４実施形態を示す図であり、図９(Ａ)は縦断面図、図９(Ｂ)は作用を説明する図である。

本実施形態では、アノードガス拡散層１２２にも撥水部及び親水部が混在する。アノードセパレータ１３２のリブ１３２ａが当接する部分が親水部１２２ａである。アノードセパレータ１３２の反応ガス流路１３２ｂに対向する部分が撥水部１２２ｂである。

このように構成することで、図９(Ａ)に矢印で示すように、湿潤されて供給されるアノードガスに含まれる水分が、アノードガス拡散層１２２の流路対向部１２２ｂから、リブ当接部１２２ａへ移動しやすくなる。電解質膜１１の含水量の分布は図９(Ｂ)のように、比較形態(撥水部及び親水部が混在せず一様な場合)に比較して、電解質膜１１の含水量の分布が大きく偏倚することとなる。そして電解質膜１１のアノード側からカソード側への水移動量が少ない低電流密度運転中に、アノードガス拡散層１２２のリブ当接部１２２ａに多量の液水が保持される。

その後、電解質膜１１のアノード側からカソード側への水移動量が多い高電流密度運転に切り替わると、カソード側で生成される液水がアノード側に到達するまでの間、この液水が蒸発するので、電解質膜１１が加湿される。これにより、電解質膜の導電率が向上し、発電の効率が向上する。

（第６実施形態）
図１０は、本発明による燃料電池の第５実施形態を示す図であり、図１０(Ａ)は縦断面図、図１０(Ｂ)は作用を説明する図である。

本実施形態では、アノードセパレータ１３２のリブ１３２ａが当接する部分が撥水部１２２ｃである。アノードセパレータ１３２の反応ガス流路１３２ｂに対向する部分が親水部１２２ｄである。

このように構成することで、図１０(Ａ)に矢印で示すように、湿潤されて供給されるアノードガスに含まれる水分が、アノードガス拡散層１２２のリブ当接部１２２ｃから流路対向部１２２ｄへ移動しやすくなる。電解質膜１１の含水量の分布は図１０(Ｂ)のように、比較形態(撥水部及び親水部が混在せず一様な場合)に比較して、電解質膜１１の含水量の分布の偏倚が緩和されることとなる。

そして電解質膜１１のアノード側からカソード側への水移動量が少ない低電流密度運転中に、アノードガス拡散層１２２の流路対向部１２２ｄに液水が保持される。

その後、電解質膜１１のアノード側からカソード側への水移動量が多い高電流密度運転に切り替わると、カソード側で生成される液水がアノード側に到達するまでの間、この液水が蒸発するので、電解質膜１１がほぼ均一に加湿されることとなる。これにより、発電にともなって局所的に温度が上昇してしまうことを防止でき、電解質膜(ＭＥＡ)の劣化を防止できて耐久性を向上できるのである。

（第７実施形態）
図１１は、本発明による燃料電池の第７実施形態を示すアノードガス拡散層の平面図である。なお図中矢印はアノードガスの流れ方向である。

本実施形態では、アノードガス拡散層の撥水部及び親水部が混在する構成は、アノードガスの流れ方向下流側に形成されている。アノードガスの流れ方向上流側では、撥水性親水性がほぼ一様である。

上述のようにアノードガスは湿潤状態で供給され、下流に流れるほど湿潤度合が下がる。そこで特に本実施形態のように構成すれば、下流側で含水量の分布の偏倚を調整できるのでさらに効果的である。

以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明の技術的範囲に含まれることが明白である。

本発明による燃料電池の第１実施形態を示す図である。本発明による燃料電池のガス拡散層構造を製造する方法について説明する図である。撥水性及び親水性について説明する図である。本発明による燃料電池ガス拡散層構造の第１実施形態による作用を説明する図である。接触角と毛細管圧力との関係を示す図である。本発明による燃料電池の第２実施形態を示す縦断面図である。本発明による燃料電池の第３実施形態を示すカソードガス拡散層の平面図である。本発明による燃料電池の第４実施形態を示す縦断面図である。本発明による燃料電池の第５実施形態を示す図である。本発明による燃料電池の第６実施形態を示す図である。本発明による燃料電池の第７実施形態を示すアノードガス拡散層の平面図である。

符号の説明

１０膜電極接合体
１２１カソードガス拡散層
１２１ａ撥水部
１２１ｂ親水部
１２２アノードガス拡散層
１３１カソードセパレータ
１３１ａカソードセパレータのリブ
１３１ｂカソードセパレータの反応ガス流路
１３２アノードセパレータ
１３２ａアノードセパレータのリブ
１３２ｂアノードセパレータの反応ガス流路

Claims

膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の表裏両面に形成され、反応ガスを拡散して膜電極接合体に供給するカソードガス拡散層及びアノードガス拡散層と、
前記カソードガス拡散層及びアノードガス拡散層に当接し、カソードガス拡散層及びアノードガス拡散層に供給する反応ガスが流れる反応ガス流路を備えるカソードセパレータ及びアノードセパレータと、
を有する燃料電池であって、
前記カソードガス拡散層は、
空孔径が一様ではなく大小が混在する多孔体であり、
カソードセパレータのリブが当接する部分に形成された撥水性の撥水部と、
カソードセパレータの反応ガス流路が重なる部分に形成され、前記撥水部から液水が移動する親水部と、を含む、
ことを特徴とする燃料電池。
前記カソードガス拡散層は、カソードセパレータの反応ガス流路が重なる部分の中央付近に形成され、前記リブが当接する撥水部から前記親水部に移動してきた液水の浸入を阻害する流路中央撥水部をさらに含む、
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
前記カソードガス拡散層は、前記撥水部及び親水部が混在する構成を、反応ガスの流れ方向下流側に有する、
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池。
前記カソードセパレータは、表面が親水性である、
ことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の燃料電池。
前記アノードガス拡散層は、
アノードセパレータの反応ガス流路が重なる部分に形成された撥水性の撥水部と、
アノードセパレータのリブが当接する部分に形成され、前記撥水部から液水が移動する親水部と、を含む、
ことを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の燃料電池。
前記アノードガス拡散層は、
アノードセパレータのリブが当接する部分に形成された撥水性の撥水部と、
アノードセパレータの反応ガス流路が重なる部分に形成され、前記撥水部から液水が移動する親水部と、を含む、
ことを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の燃料電池。
前記アノードガス拡散層は、前記撥水部及び親水部が混在する構成を、反応ガスの流れ方向下流側に有する、
ことを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の燃料電池。