JP2010080378A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】 フラッディングを抑制することができる燃料電池を提供する。
【解決手段】 燃料電池（１０）は、電解質膜（１１）と、電解質膜の少なくとも一面に配置された触媒層（１２，１３）と、触媒層の少なくとも一部に埋設された多孔質状の集電体（１４，１５）と、を備え、触媒層および集電体は、水の表面張力をγ（Ｎ／ｍ）とし、触媒層の平均孔径をＤ_１（μｍ）とし、集電体の平均孔径をＤ_２（μｍ）とし、触媒層の接触角をθ_１（ｒａｄ）とし、集電体の接触角をθ_２（ｒａｄ）とした場合に、０＜４γｓｉｎ（θ_１−π／２）／Ｄ_１−４γｓｉｎ（θ_２−π／２）／Ｄ_２の関係式を満たすことを特徴とするものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池に関する。

燃料電池は、一般的には水素および酸素を燃料として電気エネルギを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れており、また高いエネルギ効率を実現できることから、今後のエネルギ供給システムとして広く開発が進められてきている。

燃料電池は、例えば、プロトン伝導性を有する電解質膜と、電解質膜に沿って配置されたカソード触媒層およびアノード触媒層と、それぞれの触媒層の電解質膜と反対側に配置されたセパレータと、を備える。このような燃料電池においては、カソード触媒層にカソードガスが供給され、アノード触媒層にアノードガスが供給される。それにより、発電が行われる。

特許文献１には、カソード触媒層およびアノード触媒層の内部に集電体が埋設された燃料電池が開示されている。この燃料電池によれば、ガス拡散層、セパレータ等が集電機能を有する必要がなくなる。

特開２００５−１７４８７２号公報

しかしながら、触媒層の内部に集電体が埋設された場合、集電体の開孔に溜まる生成水を排出するための駆動力がないため、触媒層にフラッディングが生じるおそれがある。

本発明は、フラッディングを抑制することができる燃料電池を提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池は、電解質膜と、電解質膜の少なくとも一面に配置された触媒層と、触媒層の少なくとも一部に埋設された多孔質状の集電体と、を備え、触媒層および集電体は、水の表面張力をγ（Ｎ／ｍ）とし、触媒層の平均孔径をＤ_１（μｍ）とし、集電体の平均孔径をＤ_２（μｍ）とし、触媒層の接触角をθ_１（ｒａｄ）とし、集電体の接触角をθ_２（ｒａｄ）とした場合に、０＜４γｓｉｎ（θ_１−π／２）／Ｄ_１−４γｓｉｎ（θ_２−π／２）／Ｄ_２の関係式を満たすことを特徴とするものである。

本発明に係る燃料電池によれば、触媒層および集電体が上記関係式を満たすことから、生成水の触媒層からの排出が促進される。それにより、フラッディングが抑制される。

上記構成において、触媒層は、カソード触媒層であってもよい。この場合、カソード触媒層で生成される水の排出が促進される。それにより、フラッディング抑制効果が大きくなる。

上記構成において、触媒層の電解質膜と反対側に配置され、集電体に比較して親水性を有する親水性部材をさらに備えていてもよい。この構成によれば、生成水の触媒層からの排出が促進される。

上記構成において、親水性部材は、ガス拡散層、多孔体流路およびセパレータの少なくともいずれか１つであってもよい。

本発明によれば、触媒層からの生成水の排出を促進することができる燃料電池を提供することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。

本発明の実施例１に係る燃料電池１０について説明する。図１は、実施例１に係る燃料電池１０の模式的断面図である。なお、図１において燃料電池１０には、後述する負荷２０が接続されている。燃料電池１０は、電解質膜１１と、触媒層（アノード触媒層１２およびカソード触媒層１３）と、集電体（アノード集電体１４およびカソード集電体１５）と、ガス拡散層（ガス拡散層１６およびガス拡散層１７）と、セパレータ（セパレータ１８およびセパレータ１９）と、を備える。電解質膜１１としては、例えばプロトン伝導性を有する固体高分子電解質を用いることができる。

アノード触媒層１２は、電解質膜１１の一面に配置されている。カソード触媒層１３は、電解質膜１１のアノード触媒層１２と反対側の面に配置されている。アノード触媒層１２およびカソード触媒層１３は、触媒を含有する導電性材料からなる。アノード触媒層１２の触媒は、水素のプロトン化を促進させる。カソード触媒層１３の触媒は、プロトンと酸素との反応を促進させる。

アノード集電体１４は、アノード触媒層１２の内部に電解質膜１１の面方向に沿って埋設されている。カソード集電体１５は、カソード触媒層１３の内部に電解質膜１１の面方向に沿って埋設されている。なお、アノード集電体１４およびカソード集電体１５はそれぞれ、アノード触媒層１２およびカソード触媒層１３の内部に少なくとも一部が埋設されていればよく、全体が埋設されている必要はない。

アノード集電体１４およびカソード集電体１５は、電子伝導物質からなる。また、アノード集電体１４およびカソード集電体１５は、多孔質状の物質である。それにより、アノード集電体１４およびカソード集電体１５は、ガス透過性を有している。アノード集電体１４およびカソード集電体１５として、例えば、金属メッシュ、金属発泡焼結体、エキスパンドメタル、カーボンファイバー、カーボン焼結体等が用いられる。本実施例においては、アノード集電体１４およびカソード集電体１５は、一例として金属メッシュからなる。この場合、ガスは、金属メッシュを構成する金属線のうち隣接する金属線で囲まれた領域を透過することができる。なお、アノード触媒層１２およびアノード集電体１４並びにカソード触媒層１３およびアノード集電体１４は、所定の関係式を満たしているが、それについては後述する。

ガス拡散層１６は、アノード触媒層１２の電解質膜１１と反対側に配置されている。ガス拡散層１７は、カソード触媒層１３の電解質膜１１と反対側に配置されている。ガス拡散層１６は、ガス拡散層１６に供給された水素を含むアノードガスを拡散させて、アノード触媒層１２に供給する機能を有する。ガス拡散層１７は、ガス拡散層１７に供給された酸素を含むカソードガスを拡散させて、カソード触媒層１３に供給する機能を有する。

セパレータ１８は、ガス拡散層１６のアノード触媒層１２と反対側に配置されている。セパレータ１９は、ガス拡散層１７のカソード触媒層１３と反対側に配置されている。セパレータ１８およびセパレータ１９は、溝によって構成されたガス流路（図示せず）が形成された板部材である。セパレータ１８のガス流路においてはアノードガスが流動し、セパレータ１９のガス流路においてはカソードガスが流動する。

負荷２０は、モータ、補機等である。負荷２０とアノード集電体１４とカソード集電体１５とは、電気的に接続されて電気回路を形成している。

燃料電池１０は、以下のように動作する。アノードガスは、セパレータ１８のガス流路を通ってガス拡散層１６に供給される。ガス拡散層１６に供給されたアノードガスは、ガス拡散層１６を拡散した後に、アノード触媒層１２に到達する。アノード触媒層１２において、アノードガス中の水素はプロトンと電子とに分離する。プロトンは、電解質膜１１を伝導して、カソード触媒層１３に到達する。電子は、アノード集電体１４によって集電されて負荷２０に供給された後に、カソード集電体１５に到達する。

カソードガスは、セパレータ１９のガス流路を通ってガス拡散層１７に供給される。ガス拡散層１７に供給されたカソードガスは、ガス拡散層１７を拡散した後に、カソード触媒層１３に到達する。カソード触媒層１３においては、カソードガス中の酸素と電解質膜１１を伝導したプロトンと負荷２０からの電子とから水が生成される。生成された水（生成水）は、主としてカソード触媒層１３およびガス拡散層１７を通って、セパレータ１９のガス流路から外部へ排出される。以上のように、燃料電池１０は動作する。

本実施例に係る燃料電池１０によれば、触媒層の内部に配置された集電体から集電可能であることから、ガス拡散層１６、ガス拡散層１７、セパレータ１８およびセパレータ１９が導電性を有していなくてもよい。その結果、ガス拡散層１６、ガス拡散層１７、セパレータ１８およびセパレータ１９に用いる材料に対する制約が抑制される。それにより、これらの部材に安価かつ軽量な材料を用いることができる。

なお、触媒層の内部に集電体を埋設する場合、触媒層を厚くする必要がある。それにより、触媒層の排水性が低下する。また、集電体の開孔に生成水が滞留しやすいことから、触媒層の排水性が低下する。以上のことから、触媒層にフラッディングが発生しやすくなる。そこで、フラッディングを抑制する手段について考察する。

図２（ａ）は、カソード触媒層１３の上に金属メッシュからなるカソード集電体１５が配置された状態を示す図である。図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。なお、図２（ｂ）には、水４０が図示されている。図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように、カソード集電体１５の孔３０（カソード集電体１５の構成金属線間の空間）に水４０が溜まった場合、水４０を孔３０から排出するためには、水４０にプラス方向の毛管力（図２（ｂ）において、上側方向の毛管力）が働く必要がある。

図２（ｃ）は、集電体の平均孔径と上記プラス方向の毛管力と集電体の接触角との関係を示す図である。図２（ｃ）に示すように、集電体の孔径を小さくすることによって毛管力が大きくなり、集電体の接触角を大きくすることによって毛管力が大きくなる。したがって、集電体の孔径を小さくするとともに集電体の接触角を大きくすることによって、生成水の排出を促進することができる。しかしながら、集電体の孔径を小さくすると集電体のガス透過性が低下してしまう。そこで、集電体の孔径を所定の大きさに維持しつつ、集電体の接触角を大きくすることが効果的である。

そこで、本実施例においては、毛細管現象における水の移動を支配する駆動差圧に着目する。図３は、水の駆動差圧を説明するためのモデル図である。図３は、一方端の径がＤ_１（μｍ）で他方端の径がＤ_２（μｍ）である孔５０に水４０が滞留する状態を示している。図３において、水４０を一方端から他方端に移動させるための駆動差圧Ｐ（Ｎ／ｍ^２）は下記式（１）によって表される。なお、γ（Ｎ／ｍ）は水４０の表面張力である。
Ｐ＝４γｓｉｎ（θ_１−π／２）／Ｄ_１−４γｓｉｎ（θ_２−π／２）／Ｄ_２・・（１）

式（１）を燃料電池１０に適用するには、アノード触媒層１２およびカソード触媒層１３の平均孔径をＤ_１（μｍ）とし、アノード集電体１４およびカソード集電体１５の平均孔径をＤ_２（μｍ）とし、アノード触媒層１２およびカソード触媒層１３の接触角をθ_１（ｒａｄ）とし、アノード集電体１４およびカソード集電体１５の接触角をθ_２（ｒａｄ）とすればよい。

ここで、水４０をアノード集電体１４およびカソード集電体１５の孔３０から排出するためには、駆動差圧Ｐが正の値を有することが必要である。よって、下記式（２）が成立することによって、アノード集電体１４およびカソード集電体１５からの水４０の排出を促進することができる。この場合、アノード集電体１４およびカソード集電体１５はそれぞれアノード触媒層１２およびカソード触媒層１３に埋設されていることから、アノード触媒層１２およびカソード触媒層１３からも水４０を排出することができる。
０＜４γｓｉｎ（θ_１−π／２）／Ｄ_１−４γｓｉｎ（θ_２−π／２）／Ｄ_２・・（２）

そこで、本実施例においては、アノード触媒層１２およびアノード集電体１４並びにカソード触媒層１３およびカソード集電体１５がそれぞれ式（２）の関係を満たしている。それにより、これらの集電体および触媒層からの水４０の排出を促進することができる。その結果、燃料電池１０のフラッディングを抑制することができる。また、式（２）によれば、集電体の平均孔径を所定の大きさに維持することができる。それにより、集電体のガス透過性を確保することができる。

なお、触媒層および集電体が式（２）を満たすためには、例えば、触媒層の平均孔径および接触角に対応するように集電体の平均孔径および接触角を調整すればよい。集電体の接触角は、集電体の表面に撥水処理を施すことによって、調整することができる。撥水処理としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）のコーティング等を用いることができる。

なお、燃料電池１０においてアノード触媒層１２およびカソード触媒層１の少なくとも一方の触媒層とその触媒層に埋設された集電体とが式（２）の関係を満たしていればよい。しかしながら、生成水は主としてカソード触媒層１３で発生することから、カソード触媒層１３はアノード触媒層１２に比較してフラッディングが生じ易い。したがって、少なくともカソード触媒層１３とカソード集電体１５とが式（２）を満たすことが好ましい。

なお、触媒層内に触媒層と異なるヤング率の集電体が配置されれば、触媒層に面圧のムラが生じることがある。この場合、この面圧のムラによって触媒層とガス拡散層との界面に生じる隙間に生成水が滞留することがある。そこで、ガス拡散層１７およびセパレータ１９は、カソード集電体１５に比較して親水性を有していることが好ましい。この場合、カソード触媒層１３とガス拡散層１７との界面および該界面よりもセパレータ１９側における生成水の排出を促進することができる。それにより、上記面圧のムラに起因する生成水の滞留を抑制することができる。その結果、フラッディングを抑制することができる。

同様に、ガス拡散層１６およびセパレータ１８は、アノード集電体１４に比較して親水性を有していることが好ましい。ただし、生成水は主としてカソード触媒層１３で発生することから、少なくともガス拡散層１７およびセパレータ１９が親水性を有していることがより好ましい。

ガス拡散層およびセパレータに親水性部材を用いれば、ガス拡散層およびセパレータは集電体に比較して親水性を有するようになる。また、ガス拡散層およびセパレータに親水処理を施してもよい。例えば、シリコンコーティングを施す、プラズマ処理を施す等の方法が有効である。

また、ガス拡散層およびセパレータの少なくともいずれか一方が集電体に比較して親水性を有していればよい。ただし、ガス拡散層が集電体に比較して親水性を有するものであれば、セパレータは集電体に比較して親水性を有していなくてもよい。この場合においても、触媒層とガス拡散層との界面からの生成水の排出を促進することができるからである。

また、セパレータと触媒層との間に多孔質部材からなる流路部材である多孔体流路が配置される場合には、多孔体流路は集電体に比較して親水性を有していてもよい。多孔体流路としては、例えば発泡焼結金属等が用いられる。

図１は、実施例１に係る燃料電池１０の模式的断面図である。 図２（ａ）は、カソード触媒層１３の上に金属メッシュからなるカソード集電体１５が配置された状態を示す図である。図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。図２（ｃ）は、集電体の平均孔径とプラス方向の毛管力と集電体の接触角との関係を示す図である。 図３は、水の駆動差圧を説明するためのモデル図である。

符号の説明

１０ 燃料電池
１１ 電解質膜
１２ アノード触媒層
１３ カソード触媒層
１４ アノード集電体
１５ カソード集電体
１６，１７ ガス拡散層
１８，１９ セパレータ
２０ 負荷
３０ 孔
４０ 水
５０ 孔

Claims (4)

1. 電解質膜と、
   前記電解質膜の少なくとも一面に配置された触媒層と、
   前記触媒層の少なくとも一部に埋設された多孔質状の集電体と、を備え、
   前記触媒層および前記集電体は、水の表面張力をγ（Ｎ／ｍ）とし、前記触媒層の平均孔径をＤ_１（μｍ）とし、前記集電体の平均孔径をＤ_２（μｍ）とし、前記触媒層の接触角をθ_１（ｒａｄ）とし、前記集電体の接触角をθ_２（ｒａｄ）とした場合に、０＜４γｓｉｎ（θ_１−π／２）／Ｄ_１−４γｓｉｎ（θ_２−π／２）／Ｄ_２の関係式を満たすことを特徴とする燃料電池。
2. 前記触媒層は、カソード触媒層であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
3. 前記触媒層の前記電解質膜と反対側に配置され、前記集電体に比較して親水性を有する親水性部材をさらに備えることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池。
4. 前記親水性部材は、ガス拡散層、多孔体流路およびセパレータの少なくともいずれか１つであることを特徴とする請求項３記載の燃料電池。

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