JP2010205496A

JP2010205496A - 燃料電池

Info

Publication number: JP2010205496A
Application number: JP2009048252A
Authority: JP
Inventors: Keisuke Fujita; 敬祐藤田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-03-02
Filing date: 2009-03-02
Publication date: 2010-09-16

Abstract

【課題】電解質膜から分解した膜分解物の排出を促進して電圧低下を抑制することのできる燃料電池を提供する。
【解決手段】プロトン伝導性を有する電解質膜２４を備える燃料電池１０であって、電解質膜２４は、７０ｍｇ／ｈｒ／ｃｍ^２以上の液水移動性を有している。好ましくは、１０００ｍｇ／ｈｒ／ｃｍ^２以下の液水移動性を有している。
【選択図】図４

Description

この発明は、燃料電池に関する。

燃料電池は、複数枚の単位電池が積層された燃料電池スタックとして使用される。単位電池自体も平面状の部材の積層体であり、電解質膜をその両側から電極で挟んで構成された膜電極接合体（ＭＥＡ;Membrane Electrode Assembly）を有し、該ＭＥＡをその両側から拡散層、ガス流路、およびセパレータで挟むことで構成されている。

このような燃料電池に関しては、電解質膜の劣化を抑制するための種々の技術が開示されている。例えば、特開２００６−１０７７７３号公報には、燃料電池に供給される水分に含まれる不純物イオンに起因する電解質膜の劣化を抑制することのできる燃料電池システムが提案されている。ＰｂイオンとＦｅイオンとが含まれた水分が電解質膜に接触すると、該電解質膜の劣化反応が加速される。そこで、上記従来のシステムでは、Ｐｂ元素の混入を抑制する手段を加湿経路の途中に設けることとし、ＰｂイオンとＦｅイオンとが共存することに起因する電解質膜の劣化を抑制することとしている。

特開２００６−１０７７７３号公報特開２００６−１２７９１号公報特開２００８−２７６０６号公報

しかしながら、上記従来の技術を駆使しても、電解質膜の化学劣化を完全に抑制することはできない。電解質膜から分解した膜分解物は、該電解質膜内の水の移動に伴い電極側へ移動して付着してしまう。このため、これらの膜分解物によって、触媒被毒やガス拡散阻害に伴う電圧低下を引き起こすおそれがある。したがって、これらの付着した膜分解物は、速やかに系外へ排出されることが望ましい。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、電解質膜から分解した膜分解物の排出を促進して電圧低下を抑制することのできる燃料電池を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、プロトン伝導性を有する電解質膜を備える燃料電池であって、
前記電解質膜は、７０ｍｇ／ｈｒ／ｃｍ^２以上の液水移動性を有することを特徴とする。

燃料電池の電解質膜が化学劣化して膜分解物が流出した場合、該電解質膜を通過する液水量が少量であると、これらの膜分解物が系内に残存してしまう。第１の発明によれば、燃料電池の電解質膜は、７０ｍｇ／ｈｒ／ｃｍ^２以上の液水移動性を有している。このため、本発明によれば、これらの膜分解物を効率よく系外に排出することができる。これにより、これらの膜分解物が触媒等に付着して発電電圧が低下する事態を効果的に抑制することができる。

本実施の形態の燃料電池の構成を模式的に示す図である。電解質膜２４の液水移動性と膜分解物の流出との関係を説明するための図である。過加湿条件での液水移動量と電圧低下率との関係を示す図である。低加湿条件での液水移動量と電圧低下率との関係を示す図である。

以下、図面に基づいてこの発明の実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。また、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態．
［実施の形態の構成］
図１は、本実施の形態における燃料電池の構成を模式的に示す断面図である。燃料電池１０は、発電反応により発生した電力をモータ等の負荷装置に供給する燃料電池システムとして使用される。燃料電池１０は単位電池１２を複数積層したスタック構造を有している。単位電池１２は、発電体１４、反応ガスが流れるガス流路１６、隣接する発電体１４を隔離するセパレータ１８によって構成されている。発電体１４は、プロトン伝導性の電解質膜２４を挟んでアノード２６とカソード２８とが配置された膜電極接合体（ＭＥＡ）２０の外側に、カーボン繊維からなるガス拡散層（図示せず）をシールガスケットで囲んで一体として形成されている。尚、電解質膜２４には、液水の移動量が７０ｍｇ／ｈｒ／ｃｍ^２以上、且つ１０００ｍｇ／ｈｒ／ｃｍ^２以下の物性を有する膜が使用される。各単位電池１２は、アノードに燃料ガス（例えば、水素ガス）の供給を受け、カソードに空気の供給を受けて発電する。尚、本実施の形態１において、燃料ガスの供給／排気系の構成、および空気の供給／排気系の構成に限定はないので、それらについての説明は省略する。

［実施の形態の特徴］
次に、本実施の形態の燃料電池１０の特徴について説明する。電解質膜２４は、燃料電池１０内で発生するラジカル等によって次第に分解・劣化される。分解された膜分解物は、該電解質膜２４内の水の移動に伴いアノード２６やカソード２８の内部へ移動する。これらの膜分解物が該電極に付着すると、触媒被毒やガス拡散阻害等により燃料電池の電圧低下が発生してしまう。

そこで、本実施の形態の燃料電池１０では、液水移動性の高い電解質膜２４を使用することとしている。図２は、電解質膜２４の液水移動性と膜分解物の流出との関係を説明するための図である。尚、この図中（Ａ）は、液水移動性が低い電解質膜２４を用いた場合のＭＥＡ２０の断面を、図中（Ｂ）は、液水移動性が高い電解質膜２４を用いた場合のＭＥＡ２０の断面を、それぞれ模式的に示している。この図中（Ａ）に示すとおり、電解質膜２４の液水移動性が低い場合、該電解質膜２４から分解した膜分解物が液水とともに流出せずに多量に電極に付着してしまう。

一方、図中（Ｂ）に示すとおり、電解質膜２４の液水移動性が高い場合、これらの膜分解物は電極に付着せずに多量の液水とともに系外へ流出される。これにより、膜分解物が電極内に留まる事態を抑制することができるので、触媒被毒やガス拡散阻害等による電圧低下の発生を効果的に抑制することができる。

本願の発明者は、後述する評価試験によって、電解質膜２４の液水移動量と電圧低下率との関係を評価した。その結果、電解質膜２４の液水移動量が７０ｍｇ／ｈｒ／ｃｍ^２以上では、電圧低下率が顕著に抑制されることが分かった。そこで、本実施の形態の燃料電池１０では、液水移動量が７０ｍｇ／ｈｒ／ｃｍ^２以上となる電解質膜２４を用いることとした。

また、現行の燃料電池の最大発電電流密度はおよそ３Ａ／ｃｍ^２であり、このときの生成水量はおよそ１０００ｍｇ／ｈｒ／ｃｍ２となる。１００％加湿の条件で３Ａ／ｃｍ^２を発電した場合、生成された水は殆ど液体状態であると考えられるため、この生成水をなるべく多く移動しうる電解質膜が好ましい。この観点から、電解質膜２４の液水移動量の上限を１０００ｍｇ／ｈｒ／ｃｍ^２と規定した。

以上説明したとおり、本実施の形態の燃料電池１０では、液水移動性が高い電解質膜２４を用いることで、該電解質膜２４から分解した膜分解物の排出を促進して、電圧低下を効果的に抑制することができる。

［実施の形態についての評価試験］
次に、図３および図４を用いて、実施の形態に示す発明の効果を確認するために行った評価試験について説明する。

（液水移動性測定）
電解質膜２４の片側に純水５０ｍｌを設置し、空気により５０ＫＰａＧの圧力をかけた。一定時間後に膜の反対面に出てきた純水の量を測定し、これを液水移動性（ｍｇ／ｈｒ／ｃｍ^２）とした。

（ＭＥＡ２０の作製手順）
炭化水素電解質膜状に、Ｐｔを含む電極触媒とプロトン伝導性を有する電解質とからなる電極をアノード側およびカソード側にスプレー塗布し、両極にカーボンペーパーからなる拡散層を熱圧着させてＭＥＡ２０を作製した。尚、ＭＥＡ２０は、上述した実施の形態で用いた液水移動性が７０ｍｇ／ｈｒ／ｃｍ^２のＭＥＡ（実施例１）、および９１ｍｇ／ｈｒ／ｃｍ^２のＭＥＡ（実施例２）に加え、比較例として、液水移動性が３６ｍｇ／ｈｒ／ｃｍ^２のＭＥＡ（比較例１）、および１９ｍｇ／ｈｒ／ｃｍ^２のＭＥＡ（比較例２）を作製した。

（耐久試験）
上記ＭＥＡ２０をセル温度８０℃（出口制御）、アノード露点４５℃、カソード露点５５℃、アノードストイキ１．５、カソードストイキ２．０とし、０．０１Ａ／ｃｍ^２の発電と０．１Ａ／ｃｍ^２の発電とを繰り返す試験をおよそ２００時間行った。耐久試験前後における評価測定では、０．２Ａ／ｃｍ^２の電圧値をそれぞれ測定した。尚、評価測定は、セル温度７０℃（入口制御）、アノード露点８０℃、カソード露点８０℃の過加湿条件と、セル温度７０℃（入口制御）、アノード露点４５℃、カソード露点５５℃の低加湿条件との２つの条件でそれぞれ行った。

（試験結果）
図３は、過加湿条件での液水移動量と電圧低下率との関係を示す図である。また、図４は、低加湿条件での液水移動量と電圧低下率との関係を示す図である。これらの図に示すとおり、液水移動性が７０ｍｇ／ｈｒ／ｃｍ^２のＭＥＡ（実施例１）では、耐久試験前後の電圧低下率が、過加湿条件で０．６％、低加湿条件では２．５％となった。また、液水移動性が９１ｍｇ／ｈｒ／ｃｍ^２のＭＥＡ（実施例２）では、耐久試験前後の電圧低下率が、過加湿条件で０．８％、低加湿条件では０．５％となった。一方、液水移動性が３６ｍｇ／ｈｒ／ｃｍ^２のＭＥＡ（比較例１）では、耐久試験前後の電圧低下率が、過加湿条件で３．３％、低加湿条件では１８．５％となった。更に、液水移動性が１９ｍｇ／ｈｒ／ｃｍ^２のＭＥＡ（比較例２）では、耐久試験前後の電圧低下率が、過加湿条件で２．７％、低加湿条件では１９．１％となった。

上記試験結果から、比較例１および比較例２では、実施例１および実施例２に比べて５倍以上の高い電圧低下率になった。このことから、液水移動性が７０ｍｇ／ｈｒ／ｃｍ^２以上のＭＥＡを用いることで、電圧低下を効果的に抑制できることがわかる。

１０燃料電池
１２単位電池
１４発電体
１６ガス流路
１８セパレータ
２０膜電極接合体（ＭＥＡ）
２４電解質膜
２６アノード
２８カソード

Claims

プロトン伝導性を有する電解質膜を備える燃料電池であって、
前記電解質膜は、７０ｍｇ／ｈｒ／ｃｍ^２以上の液水移動性を有することを特徴とする燃料電池。