JP2010244910A

JP2010244910A - 燃料電池

Info

Publication number: JP2010244910A
Application number: JP2009093524A
Authority: JP
Inventors: Mikikane Hirohata; 幹鐘弘畑
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-04-08
Filing date: 2009-04-08
Publication date: 2010-10-28
Anticipated expiration: 2029-04-08
Also published as: JP5212235B2

Abstract

【課題】フラッディングの発生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（１００）は、膜−電極接合体（１０）と、膜−電極接合体の一面に配置された多孔質部材（３０）と、多孔質部材の膜−電極接合体とは反対側の面に配置された板部材（５０）と、を備え、板部材の多孔質部材側の面には、塗布材（６０）が線状に複数本塗布されており、塗布材は、多孔質部材および板部材に比較して高い親水性または高い撥水性を有し、塗布材の線幅をＬ_ｗとし、隣接する塗布材間の距離をＬ_ｉとし、多孔質部材の代表細孔径をＤとし、水の毛管長をＬ_ｃとした場合に、Ｄ＜Ｌ_ｗ，Ｌ_ｉ＜Ｌ_ｃ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。

特許文献１には、膜−電極接合体と、膜−電極接合体の両面に配置され、膜−電極側の面にガス流動用の流路溝を有するセパレータと、を備える燃料電池が開示されている。この燃料電池において、燃料電池の発電時に生じた水は、流路溝に沿って燃料電池から排出される。

特開２００６−２６１０６８号公報

特許文献１に係る燃料電池において流路溝を無くして多孔体流路を配置した場合、水は重力の影響を受ける。その結果、燃料電池にフラッディングが発生するおそれがある。特に、燃料電池の運転停止時、燃料電池のガス流量が比較的少ない低負荷運転時等において、フラッディングが発生しやすくなる。

本発明は、フラッディングの発生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、膜−電極接合体と、膜−電極接合体の一面に配置された多孔質部材と、多孔質部材の膜−電極接合体とは反対側の面に配置された板部材と、を備え、板部材の多孔質部材側の面には、塗布材が線状に複数本塗布されており、塗布材は、多孔質部材および板部材に比較して高い親水性または高い撥水性を有し、塗布材の線幅をＬ_ｗとし、隣接する塗布材間の距離をＬ_ｉとし、多孔質部材の代表細孔径をＤとし、水の毛管長をＬ_ｃとした場合に、Ｄ＜Ｌ_ｗ，Ｌ_ｉ＜Ｌ_ｃ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、塗布材がＤ＜Ｌ_ｗ，Ｌ_ｉ＜Ｌ_ｃを満たすことから、塗布材が多孔質部材および板部材に比較して高い親水性を有する場合には、塗布材の表面に沿って導水部を形成し、維持することができる。また、塗布材が多孔質部材および板部材に比較して高い撥水性を有する場合には、隣接する塗布材間の領域に沿って導水部を形成し、維持することができる。それにより、フラッディングの発生を抑制することができる。

本発明によれば、フラッディングの発生を抑制することができる燃料電池を提供することができる。

図１（ａ）は、実施例１に係る燃料電池の模式的断面図である。図１（ｂ）は、カソードセパレータをカソード多孔体側から見た模式図である。図２（ａ）は、水銀ポロシメトリ法によって計測された多孔体の細孔径の微分分布である。図２（ｂ）は、Ｌ_ｃより小さいサイズの水が板に付着した様子を示す模式図である。図２（ｃ）は、Ｌ_ｃ以上のサイズの水が板に付着した様子を示す模式図である。図３（ａ）は、カソードセパレータおよびカソード多孔体の斜視図である。図３（ｂ）は、実施例１に係る燃料電池の塗布材近傍の拡大断面図である。図４（ａ）は、実施例２に係る燃料電池のカソードセパレータの模式図である。図４（ｂ）は、実施例２に係る燃料電池のカソードセパレータの模式図（塗料材が水平方向の場合）である。図４（ｃ）は、実施例２に係る燃料電池のカソードガス用マニホールド近傍の拡大断面図である。図５（ａ）は、実施例３に係る燃料電池のカソードセパレータおよびカソード多孔体の斜視図である。図５（ｂ）は、実施例３に係る燃料電池の塗布材近傍の拡大断面図である。図６は、実施例４に係る燃料電池の模式的断面図である。

以下、本発明を実施するための形態を説明する。

本発明の実施例１に係る燃料電池１００について説明する。図１（ａ）は、燃料電池１００の模式的断面図である。燃料電池１００のセル面は、重力方向に対して垂直に設置されている。図１（ａ）において下方が、重力方向に相当する。燃料電池１００は、主として、膜−電極接合体１０と、一対の多孔体（アノード多孔体２０およびカソード多孔体３０）と、一対のセパレータ（アノードセパレータ４０およびカソードセパレータ５０）と、を備える。膜−電極接合体１０は、電解質膜１１と、一対の触媒層（アノード触媒層１２およびカソード触媒層１３）と、一対のガス拡散層（アノードガス拡散層１４およびカソードガス拡散層１５）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膜を用いることができる。プロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜として、例えばパーフルオロスルホン酸膜を用いることができる。

アノード触媒層１２およびカソード触媒層１３は、電解質膜１１を挟持するように配置されている。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。例えば、アノード触媒層１２およびカソード触媒層１３は、白金担持カーボン等を含んでいる。

アノードガス拡散層１４は、アノード触媒層１２の電解質膜１１と反対側の面に配置されている。カソードガス拡散層１５は、カソード触媒層１３の電解質膜１１と反対側の面に配置されている。アノードガス拡散層１４は、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。カソードガス拡散層１５は、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。アノードガス拡散層１４およびカソードガス拡散層１５としては、例えばカーボンペーパ、カーボンクロス等のカーボン繊維を用いることができる。

アノード多孔体２０は、アノードガス拡散層１４のアノード触媒層１２とは反対側の面に配置されている。カソード多孔体３０は、カソードガス拡散層１５のカソード触媒層１３とは反対側の面に配置されている。アノード多孔体２０およびカソード多孔体３０としては、発泡状多孔体、フィン状多孔体（例えばエキスパンドメタル）、織布状多孔体（例えばカーボン繊維）、不織布状多孔体（例えばカーボンペーパ）等の多孔質部材が用いられる。本実施例においては、一例として、アノード多孔体２０およびカソード多孔体３０に金属製の発泡状多孔体を用いる。

アノードセパレータ４０は、アノードガス拡散層１４のアノード触媒層１２とは反対側の面に配置されている。カソードセパレータ５０は、カソードガス拡散層１５のカソード触媒層１３とは反対側の面に配置されている。アノードセパレータ４０およびカソードセパレータ５０の材質は、特に限定されないが、例えば金属等の導電性材料を用いることができる。本実施例において、カソードセパレータ５０は、多孔質部材（カソード多孔体３０）の膜−電極接合体１０とは反対側の面に配置された板部材に相当する。

図１（ｂ）は、カソードセパレータ５０をカソード多孔体３０側から見た模式図である。カソードセパレータ５０の外周縁には、カソードガス用マニホールド７０、カソードガス用マニホールド７１、アノードガス用マニホールド７２およびアノードガス用マニホールド７３が形成されている。これらのマニホールドは、カソードセパレータ５０を厚み方向に貫通している。カソードガス用マニホールド７０は、カソード多孔体３０に流入するカソードガスが流動するための通路である。カソードガス用マニホールド７１は、カソード多孔体３０から排出されたカソードガスが流動するための通路である。アノードガス用マニホールド７２は、アノード多孔体２０に流入するアノードガスが流動するための通路である。アノードガス用マニホールド７３は、アノード多孔体２０から排出されたアノードガスが流動するための通路である。

カソードガス用マニホールド７０およびカソードガス用マニホールド７１は、カソードセパレータ５０の４隅のうち対角上の２隅にそれぞれ位置している。また、カソードガス用マニホールド７１は、カソードガス用マニホールド７０に比較して下方に位置している。アノードガス用マニホールド７２およびアノードガス用マニホールド７３は、カソードセパレータ５０の残りの対角上の２隅にそれぞれ位置している。

図１（ａ）および図１（ｂ）を参照して、カソードセパレータ５０のカソード多孔体３０側の面には、塗布材６０が所定の間隔を空けて線状に複数塗布されている。具体的には、塗布材６０は、カソードガス用マニホールド７０方向からカソードガス用マニホールド７１方向に向かって、所定の間隔を空けて線状に複数塗布されている。また、塗布材６０のカソードガス用マニホールド７１側の端は、連結してカソードガス用マニホールド７１に到達している。塗布材６０の詳細については後述する。

燃料電池１００は、発電時に以下のように作動する。まず、アノードガス用マニホールド７２を流動したアノードガスは、アノード多孔体２０に流入する。アノード多孔体２０に流入したアノードガスは、アノード多孔体２０を流動する。アノード多孔体２０を流動するアノードガスは、アノードガス拡散層１４を拡散後、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、燃料電池１００の外部に取り出される。燃料電池１００の外部に取り出された電子は、負荷の仕事に供された後に、カソード触媒層１３に到達する。

カソードガス用マニホールド７０を流動したカソードガスは、カソード多孔体３０に流入する。カソード多孔体３０に流入したカソードガスは、カソード多孔体３０を流動する。カソード多孔体３０を流動するカソードガスは、カソードガス拡散層１５を拡散後、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外部から伝導した電子とによって水が生成される。発電に供された後のカソードガスは、カソードガス用マニホールド７１を流動して燃料電池１００の外部に排出される。発電に供された後のアノードガスは、アノードガス用マニホールド７３を流動して燃料電池１００の外部に排出される。以上のように、燃料電池１００は発電時に作動する。

続いて、塗布材６０の詳細について説明する。本実施例において、塗布材６０として、カソード多孔体３０およびカソードセパレータ５０に比較して高い親水性を有するものが用いられる。具体的には、塗布材６０として、９０°以下の静止接触角を有し、かつカソード多孔体３０およびカソードセパレータ５０の表面素材に対する静止接触角より小さい静止接触角を有するものが用いられる。本実施例においては、塗布材６０の原料として、ナフィオンとカーボンブラックとが混合した混合物をアルコール溶媒に混ぜた塗料を用いる。この塗料をカソードセパレータ５０に線状に塗布して乾燥させることによって、塗布材６０は形成される。

ここで、塗布材６０の線幅をＬ_ｗとし、隣接する塗布材６０間の距離をＬ_ｉとし、カソード多孔体３０の代表細孔径をＤとし、水の毛管長をＬ_ｃとした場合、塗布材６０は、以下の関係式（１）を満たしている。すなわち、線幅Ｌ_ｗおよび距離Ｌ_ｉが代表細孔径Ｄよりも大きくかつ毛管長Ｌ_ｃ未満である。
Ｄ＜Ｌ_ｗ，Ｌ_ｉ＜Ｌ_ｃ・・・（１）

代表細孔径Ｄとは、水銀ポロシメトリ法によって計測される多孔体の細孔径の微分分布において最大ピーク値を有する細孔径をいう。具体的には、図２（ａ）に示す微分分布において、最大のピーク値を有する細孔径が、代表細孔径Ｄである。

毛管長Ｌ_ｃとは、表面張力によって板に付着した液体が重力の影響を受けて変形するか否かの閾値を表す長さをいう。図２（ｂ）に示すように、水２００のサイズがＬ_ｃより小さい場合、垂直な板２１０に付着した水２００は重力の影響を受けても変形しない。すなわち、水は板２１０から垂れない。一方、図２（ｃ）に示すように、水２００のサイズがＬ_ｃ以上の場合、板２１０に付着した水は重力の影響を受けて変形する。その結果、水２００は板２１０から垂れる。

なお、空気中の水の表面張力係数をσとし、水の密度をρとし、重力加速度をｇとした場合、Ｌ_ｃは下記式（２）で表される。燃料電池１００の運転温度が０℃〜９０℃の場合、Ｌ_ｃは２．５（ｍｍ）＜Ｌ_ｃ＜２．７（ｍｍ）の関係を満たす。
Ｌ_ｃ＝（σ／（ρ×ｇ））^１／２・・・（２）

式（１）を参照して、塗布材６０がＤ＜Ｌ_ｗ，Ｌ_ｉを満たすことによって、カソード多孔体３０中の水は、塗布材６０に接する部分の細孔に選択的に保水される。この原理は、以下のとおりである。まず、水は、多孔体とセパレータとの界面に集まり易い性質を有している。また、水は、多孔体の細孔内に保水される。具体的には、水は、隣接する複数の細孔に跨るようにして保水される。そのため、Ｄ≧Ｌ_ｗ，Ｌ_ｉの場合は、多孔体の細孔に保水された水が塗布材６０の隣接する線を跨いでしまうことから、水は塗布材６０に接する部分の細孔に選択的に保水されなくなってしまう。よって、Ｄ＜Ｌ_ｗ，Ｌ_ｉが満たされることにより、水は塗布材６０に接する部分の細孔に選択的に保水される。その結果、塗布材６０に沿って導水部を形成することができる。

また、塗布材６０がＬ_ｗ，Ｌ_ｉ＜Ｌ_ｃを満たすことによって、導水部の水が重力方向に垂れることが抑制される。この場合、導水部の水の幅がＬ_ｃより小さくなるからである。それにより、塗布材６０に沿った導水部を維持することができる。

図３（ａ）は、カソードセパレータ５０およびカソード多孔体３０の斜視図である。図３（ａ）において、カソード多孔体３０は透視されている。図３（ｂ）は、燃料電池１００の塗布材６０近傍の拡大断面図である。本実施例に係る燃料電池１００によれば、塗布材６０が式（１）を満たすことから、塗布材６０に沿った導水部を形成し、維持することができる。その結果、水２００が重力の影響を受けて垂直方向に垂れることが抑制されることから、燃料電池１００の下部にフラッディングが発生することを抑制することができる。

また、前述したように、塗布材６０はカソードセパレータ５０のカソード多孔体３０側の面に塗布されている。その結果、カソード多孔体３０表面またはカソード多孔体３０内部に塗布材６０が配置されている場合に比較して、塗布材６０による空孔閉塞および気孔率減少が抑制されることから、反応ガス偏流に起因する発電分布ムラが生じにくくなる。

また、図１（ｂ）で前述したように、各々の塗布材６０のカソードガス用マニホールド７１側が連結してカソードガス用マニホールド７１に到達していることから、導水部の水をカソードガス用マニホールド７１に導きやすくなる。さらに、塗布材６０がカソードセパレータ５０の表面に塗布されていることにより、導水部の水がカソード触媒層１３に接触することが抑制される。その結果、導水部の水がカソード触媒層１３に接触することに伴って生じるカソード触媒層１３のフラッディングの発生、およびフラッディングによる発電量低下が抑制される。

なお、塗布材６０の線方向は、カソードガスの流線方向に一致していることが好ましい。この場合、カソード多孔体３０中の水２００が連続的に線状に繋がることによって、毛管圧のみならずガス差圧による排水が促進される。その結果、Ｗｅｔ圧損が低くなり、燃費向上を図ることができる。なお、カソードガスの流線方向は、数値解析によって予測することができる。

塗布材６０の厚みは、代表細孔径Ｄより小さいことが好ましい。塗布材６０の厚みが代表細孔径Ｄ以上の場合、カソード多孔体３０と塗布材６０との接触圧力と、カソード多孔体３０とカソードセパレータ５０の塗布材６０が配置されていない部分との接触圧力と、にムラが生じるおそれがある。このようなムラが生じた場合、カソード多孔体３０と塗布材６０およびカソードセパレータ５０との間の接触抵抗が増大するおそれがあるからである。

塗布材６０は導電性を有することが好ましい。塗布材６０によって通電が妨げられることを抑制できるからである。本実施例で用いた塗料は、導電性を有している。

一対のセパレータおよび一対の多孔体は導電性を有することが好ましい。また、一対のセパレータおよび一対の多孔体は、静止接触角が９０°以下の親水性を有することが好ましい。この場合、一対のセパレータおよび一対の多孔体の静止接触角が９０°より大きい場合（すなわち、セパレータおよび多孔体が撥水性を有する場合）に比較して、表面の濡れ性が高くなることから、排水性が向上する。例えば、表面に金がコーティングされたセパレータおよび多孔体は、導電性を有するとともに、静止接触角が９０°以下の親水性を有する。

なお、例えば、金コーティングされたセパレータおよび多孔体の静止接触角は、６０°〜８０°の範囲を有する。Ｄが約１００μｍであるカソード多孔体３０を用いて、Ｌ_ｃが２．６ｍｍ、Ｌ_ｗが１ｍｍおよびＬ_ｉが１ｍｍとなるように塗布材６０を図１（ｂ）のように塗布した場合、塗布材６０の静止接触角は、１０°〜２０°の値を有する。

塗布材６０は、アノードセパレータ４０のアノード多孔体２０側の表面に塗布されていてもよい。

図４（ａ）は、実施例２に係る燃料電池１００ａのカソードセパレータ５０ａの模式図である。図４（ａ）のカソードセパレータ５０ａは、塗布材６０の形状が図１（ｂ）と異なっている。塗布材６０のカソードガス用マニホールド７１側の位置と、カソードガス用マニホールド７０側の位置と、の差が、毛管長Ｌ_ｃ以下となっている。なお、この条件を満たす限り、例えば図４（ｂ）に示すように、塗布材６０は水平方向に塗布されていてもよい。

塗布材６０のカソードガス用マニホールド７１側の端は、出口側塗布材６１によって連結されている。出口側塗布材６１は、カソードガス用マニホールド７１に接続している。それにより、塗布材６０に沿って保水された水は、カソードガス用マニホールド７１に流入しやすくなる。なお、本実施例においては、塗布材６０のカソードガス用マニホールド７０側の端は、入口側塗布材６２によって連結されている。入口側塗布材６２は、カソードガス用マニホールド７０に接続している。

ここで、例えば図１（ｂ）に示すカソードセパレータ５０の場合、燃料電池１００の運転停止後において、水は重力の影響を受けて下方に移動する。その結果、燃料電池１００の運転停止後には、カソードガス用マニホールド７１近傍の水量が多くなる。一方、図４（ａ）および図４（ｂ）に示すカソードセパレータ５０ａの場合、重力が水の移動に及ぼす影響が小さくなる。その結果、水は、燃料電池１００ａの運転中は主としてガス差圧および毛管圧によって、燃料電池１００ａの運転停止後は主として毛管圧によって、移動する。この場合、図１（ｂ）に示すカソードセパレータ５０を用いた場合に比較して、燃料電池１００ａの運転停止後における導水部の水分布を一様にすることができる。

また、出口側塗布材６１によって、各々の塗布材６０に沿って保水された水は、カソードガス用マニホールド７１に流入しやすくなる。なお、出口側塗布材６１は、発電領域の外にあることが好ましい。発電領域とは、触媒層が形成されている領域をいう。図４（ｃ）は、燃料電池１００ａのカソードガス用マニホールド７１近傍の拡大断面図である。膜−電極接合体１０の外周にはシール部材８０が配置されている。この場合、発電領域は、膜−電極接合体１０および膜−電極接合体１０の上方および下方の多孔体である。出口側塗布材６１が発電領域の外にあることによって、出口側塗布材６１近傍に保水された水によって燃料電池１００ａの発電量が低下することが抑制される。

図５（ａ）は、実施例３に係る燃料電池１００ｂのカソードセパレータ５０ｂおよびカソード多孔体３０の斜視図である。カソードセパレータ５０ｂは、塗布材６０の代わりに塗布材６０ｂが塗布されている点において、図３（ａ）に示すカソードセパレータ５０と異なる。

塗布材６０ｂは、カソード多孔体３０およびカソードセパレータ５０ｂに比較して高い撥水性を有する点において、塗布材６０と異なる。塗布材６０ｂとしては、９０°より大きい静止接触角を有し、かつカソード多孔体３０およびカソードセパレータ５０ｂの表面素材に対する静止接触角より大きい静止接触角を有するものが用いられる。本実施例においては、塗布材６０ｂの原料として、フッ素樹脂とカーボンブラックとを混合した混合物を溶媒に混ぜた塗料を用いる。この塗料をカソードセパレータ５０ｂに線状に塗布して乾燥させることによって、塗布材６０ｂは形成される。なお、塗布材６０ｂは、導電性を有している。

図５（ｂ）は、燃料電池１００ｂの塗布材６０ｂ近傍の拡大断面図である。燃料電池１００ｂにおいて、塗布材６０ｂは式（１）を満たす。この場合、水２００は、隣接する塗布材６０ｂ間の領域の細孔に保水される。それにより、隣接する塗布材６０ｂ間の領域に沿った導水部を形成し、維持することができる。

なお、Ｄが約１００μｍであるカソード多孔体３０を用いて、Ｌ_ｃが２．６ｍｍ、Ｌ_ｗが１ｍｍおよびＬ_ｉが１ｍｍとなるように塗布材６０ｂを図１（ｂ）のように塗布した場合、塗布材６０ｂの静止接触角は、９５°〜１１０°の値を有する。

図６は、実施例４に係る燃料電池１００ｃの模式的断面図である。燃料電池１００ｃは、カソードセパレータ５０の代わりにカソードセパレータ５０ｃを有する点と、塗布材６０が塗布された導電フィルム９０を有する点と、において、図１（ａ）に示す燃料電池１００と異なる。カソードセパレータ５０ｃは、カソード多孔体３０側の面に塗布材６０が塗布されていない点において、カソードセパレータ５０と異なる。

導電フィルム９０としては、導電性を有するシート部材であれば特に限定されず、例えばカーボン樹脂等のシート部材が用いられる。なお、導電フィルム９０に塗布材６０を塗布する方法としては、印刷による方法が用いられる。導電フィルム９０は、多孔質部材（カソード多孔体３０）の膜−電極接合体１０とは反対側の面に配置された板部材に相当する。

燃料電池１００ｃにおいても、塗布材６０が式（１）を満たすことから、塗布材６０に沿った導水部を形成し、維持することができる。また、印刷によって導電フィルム９０に塗布材６０を塗布することができることから、カソードセパレータ５０ｃに塗布材６０を塗布する場合に比較して、燃料電池１００ｃを容易に製造することができる。その結果、製造コスト低減を図ることができる。

１０膜−電極接合体
１１電解質膜
１２アノード触媒層
１３カソード触媒層
１４アノードガス拡散層
１５カソードガス拡散層
２０アノード多孔体
３０カソード多孔体
４０アノードセパレータ
５０カソードセパレータ
６０塗布材
６１出口側塗布材
６２入口側塗布材
７０，７１カソードガス用マニホールド
７２，７３アノードガス用マニホールド
８０シール部材
９０導電フィルム
１００燃料電池

Claims

膜−電極接合体と、
前記膜−電極接合体の一面に配置された多孔質部材と、
前記多孔質部材の前記膜−電極接合体とは反対側の面に配置された板部材と、を備え、
前記板部材の前記多孔質部材側の面には、塗布材が線状に複数本塗布されており、
前記塗布材は、前記多孔質部材および前記板部材に比較して高い親水性または高い撥水性を有し、前記塗布材の線幅をＬ_ｗとし、隣接する前記塗布材間の距離をＬ_ｉとし、前記多孔質部材の代表細孔径をＤとし、水の毛管長をＬ_ｃとした場合に、Ｄ＜Ｌ_ｗ，Ｌ_ｉ＜Ｌ_ｃを満たすことを特徴とする燃料電池。