JP2011076814A

JP2011076814A - 燃料電池用バイポーラープレートおよび燃料電池

Info

Publication number: JP2011076814A
Application number: JP2009225881A
Authority: JP
Inventors: Masaya Kosakai; 正也小境; Tsutomu Okuzawa; 務奥澤; Hiroshi Takahashi; 宏高橋; Hiroyuki Satake; 弘之佐竹
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2009-09-30
Filing date: 2009-09-30
Publication date: 2011-04-14
Anticipated expiration: 2029-09-30
Also published as: US20110076590A1; JP5011362B2

Abstract

【課題】ガス拡散層における凝縮水滞留を抑制し、ガス拡散性を向上させる燃料電池用バイポーラープレートを提供する。
【解決手段】反応ガスを発電面に供給するバイポーラープレートにおいて、その流路は導電性材料を積層したリブで形成される。このリブは多孔質構造とし、撥水性を付与する。リブの撥水性は隣接するガス拡散層より低く設定する。これにより、ガス拡散層とリブが接する部分で凝縮水をガス拡散層からリブへ移動させることができ、ガス拡散層内での凝縮水の滞留によるガス拡散性低下を防止できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料と酸化剤ガスとの化学反応により電気エネルギーを発生させる燃料電池に係わり、特にバイポーラープレートに関する。

固体高分子形燃料電池は、固体高分子電解質膜とその両側を燃料極触媒層（以降アノードと呼ぶ）と酸化剤極触媒層（以降カソードと呼ぶ）とで被覆した電解質膜・電極触媒接合体の両側を多孔質のカーボン材からなるガス拡散層で挟む。さらにその両側に燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給するためのセパレータを配置して構成する単位発電セルを複数積層して積層体を形成し、この積層体の両端を締付板により締め付けて燃料電池セルスタックを構成する。

バイポーラープレートは、その片面に燃料ガス又は酸化剤ガスの流路を、もう片方の面に冷却媒体流路を備えているのが一般的である。このバイポーラープレートを用いた燃料電池の場合、アノード側では燃料ガス流路の凸面（以降リブと呼ぶ）が、カソード側では酸化剤ガス流路のリブがガス拡散層に接する。この接触部分において、反応で生じた電子の授受を行い、電気化学反応により生じた熱を冷却媒体へ伝える。また、燃料ガス又は酸化剤ガスは凹部を流れ、ガス拡散層を介して電極触媒へ供給される。

固体高分子形燃料電池では、バイポーラープレートの流路を流れる燃料ガス中の水素がガス拡散層内を拡散し、アノードに至ると触媒反応により電子を放出してプロトンになる。プロトンはアノード側からカソード側に固体高分子電解質膜を経て移動するが、電子はアノード側からカソード側に移動することができないため、導電性のガス拡散層とバイポーラープレートを介して外部回路を経由してカソード側に移動する。

一方、カソード側では、固体高分子電解質膜を経て移動したプロトンと外部回路から送られてくる電子と、バイポーラープレートに形成された流路を流れ、ガス拡散層内を拡散してきた酸化剤ガス（空気）中の酸素とが反応して水を生成する。その生成水の一部は未反応ガス中に蒸発し、そのままセルスタック外に排出されるが、過飽和となる状態では液相の水として残留する。

液相の水がバイポーラープレートに形成された流路やガス拡散層内部に滞留してしまうと、反応ガスの拡散が阻害され、燃料電池出力の低下に繋がる。例えば、単位発電セルを複数積層するスタック化の際には締付け力を付与するため、バイポーラープレートに形成された流路のリブとガス拡散層が接する部分では、ガス拡散層がつぶれてしまい、水の排出性が悪くなる。そのため、ガス拡散層にこの問題を解決するための方法が検討されている。

例えば、特許文献１にはバイポーラープレートに形成された流路のリブと接するガス拡散層表面が撥水性を有する構造とすることを開示している。この方法によると、電気化学反応で生じた水は、撥水性の部分ではじかれ、バイポーラープレートに設けられた流路へ導かれ流路を通り排出されるものである。

特開２００８−１０８５４４号公報

しかしながら、特許文献１に示されている方法の場合、電極面からガス拡散層へ排出された水がバイポーラープレートに形成された流路のリブと接する撥水処理された部分に到達した際、周辺より撥水性が高いため、水が移動するには撥水性が弱い部分に対してより高い圧力が必要となり、水が効率よく排出できない懸念がある。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、ガス拡散層内の水を速やかに排出できる固体高分子形燃料電池用バイポーラープレートを提供する。

燃料電池のアノード又はカソードに燃料あるいは酸化剤を供給するための流路を有する燃料電池用バイポーラープレートにおいて、平板と、平板上に形成され、燃料あるいは酸化剤流路を構成する複数の導電性構造体とを有し、前記導電性構造体が撥水性の異なる複数の層を積層した積層構造を有することを特徴とする。

また、プロトン導電性を有する電解質膜と、前記電解質膜を挟持する一対の電極触媒からなる電解質膜・電極触媒接合体と、前記電解質膜・電極触媒接合体の両側に配置された一対のガス拡散層と、前記電極触媒へ燃料または酸化剤を供給するための流路を有するバイポーラープレートとを有する燃料電池において、前記バイポーラープレートが、平板と、平板上に形成され、燃料あるいは酸化剤流路を構成する複数の導電性構造体とを有し、前記導電性構造体が撥水性の異なる複数の層を積層した積層構造を有することを特徴とする。

本発明の固体高分子形燃料電池用バイポーラープレートによれば、導電性平板のバイポーラープレート上に形成される反応ガス流路壁を厚さ方向に複数の層から構成することにより、層毎にぬれ性を自由に与えられ、ガス拡散層からの水を効果的に排出することができ、安定した発電が可能となる固体高分子形燃料電池を提供することができる。

本発明に係わる燃料電池の第一実施形態に適用するセル構造を示す模式的断面図。本発明に係わる燃料電池の第二実施形態に適用するセル構造を示す模式的断面図。本発明に係わる燃料電池の実施形態に適用するセル構造を示す模式的平面図１。本発明に係わる燃料電池の実施形態に適用するセル構造を示す模式的平面図２。本発明に係わる燃料電池の実施形態に適用するセル構造を示す模式的平面図３。本発明に係わる燃料電池の実施形態に適用するセル構造を示す模式的平面図４。

以下、実施例を用いて本発明の実施形態を説明する。なお、以下の実施例では、主に水素を含むガスを燃料とする固体高分子形燃料電池について示すが、燃料がメタノールやエタノールを使用する燃料電池、例えば、直接メタノール燃料電池にも適用可能である。

図１は、本発明に係わる燃料電池の第一の実施形態に適用するセル構造を示す模式的断面図である。

単位発電セルの構成として、固体高分子膜１，燃料極触媒層２および酸化剤極触媒層３からなる膜・電極接合体２０を燃料極ガス拡散層４，酸化剤極ガス拡散層５および燃料流路側バイポーラープレート６と酸化剤流路側バイポーラープレート７により挟持する。図１では上側が燃料極、下側が酸化剤極を示す。バイポーラープレート６および７には、複数のガス流路が形成されており、燃料ガスの水素はこの流路を流れながら燃料極側ガス拡散層４へ移動し、燃料極電極触媒２へ至る。酸化剤ガスの酸素または空気も同様に、流路を流れながら酸化剤極側ガス拡散層５へ移動し、酸化剤極電極３へ至る。

燃料流路側バイポーラープレート６と酸化剤流路側バイポーラープレート７は金属からなる薄い平板から構成される。例えば、チタン，アルミニウム，マグネシウム，ステンレス合金、あるいはこれらを組み合わせたクラッド材などからなる厚さは０.３mm以下の平板を用いる。このバイポーラープレート上に導電性材料、例えば、金，銀，ニッケル，チタン，アルミニウム，マグネシウム，カーボン，鉄およびこれら金属が含まれる合金、例えばステンレス鋼などの微細粉末または微細繊維またはフレークなどを樹脂と混合し、バイポーラープレート６および７の上に塗布または発泡法，焼結法などで製造した多孔体を積層し、流路リブを形成する。このとき、撥水性を付与する材料、例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）を混ぜる量を調整することで、各層の撥水性を制御することができる。

固体高分子形燃料電池において一般的に用いられるガス拡散層は、約５〜２０ｗｔ％のＰＴＦＥが添着されており、撥水性を示す。塗布する導電性材料を撥水化するためにＰＴＦＥを用いる場合、下記の関係となるようにＰＴＦＥの量（重量％）を制御する。
（１）流路リブ第１層のＰＴＦＥ量＜流路リブ第２層のＰＴＦＥ量＜ガス拡散層のＰＴＦＥ量

または、ぬれ性は接触角で評価されることから次のような関係となるよう制御する。ここで、接触角は水との接触角である。
（２）流路リブ第１層の接触角＜流路リブ第２層の接触角＜ガス拡散層の接触角

例えば、上記の（１）または（２）の関係となるように予め濃度が調整されたＰＴＦＥ微粒子を含む分散液を印刷する導電性材料に混ぜる。水分を蒸発させた後、恒温槽などに入れ、温度３５０℃で２０分から１時間保持する。こうすることで、ＰＴＦＥ粒子が溶解し導電性材料の表面に膜が形成されることで、撥水性を付与することができる。

導電性材料により平板バイポーラープレート６および７上に流路壁を形成する方法として、印刷方法、例えばスクリーン印刷法，ドクターブレード法などにより厚さを制御しながら形成する。図１では、リブは燃料極側バイポーラープレート上に形成された第１層８，第２層１０，酸化剤極側バイポーラープレート上に形成された第１層９，第２層１１からなる２層リブ構造を示している。導電性材料の印刷を行った状態で、リブが多孔質構造または金属多孔体を積層した構成であればそのまま発電に使用できる。

一方、印刷する際に混入した樹脂などにより多孔質構造とならない場合には、樹脂が蒸発する程度の熱処理を加え、樹脂を取り除くことで多孔質構造とすることが可能である。ただし、前述の方法で撥水化処理した場合には、混入する樹脂は３５０℃以下で溶解するものを用いる。

このようにしてバイポーラープレート上に成形されたリブの第１層８および９を第２層１０および１１よりもそれぞれ撥水性を弱く、リブ第２層１０および１１をガス拡散層４および５よりもそれぞれ撥水性を弱く設定することで、水管理に適したバイポーラープレートとすることができる。例えば、酸化剤電極触媒３で生成された水がガス拡散層５を移動してリブ第２層１１に接する部分に到達すると、毛管力によりリブ第２層１１に吸収される。

ガス拡散層５の毛管力をＰ_gdl、バイポーラープレート７に形成された多孔体のリブ第１層９の毛管力をＰ_1st、多孔体のリブ第２層１１の毛管力をＰ_2ndとすると、
Ｐ_gdl＜Ｐ_2nd＜Ｐ_1st
の関係が成り立てば、毛管力により凝縮水をガス拡散層５からリブ第２層１１へ移動させることが可能となる。また、導電性材料層の厚さｈ_tに対して、第１層９での毛管力による水の吸上げ高さをｈ_1st、第２層１１ではｈ_2ndとすれば、
ｈ_t1st＜ｈ_1st
ｈ_t2nd＜ｈ_2nd
の関係が成り立てば、リブを構成する２つの第１層９および第２層１１を介して水の移動が可能となる。毛管力と吸上げ高さの関係式は円管内に働く力により次式で示される。
２π・ｒ・σ・cosθ＝π・ｒ²・ρ・ｇ・ｈ

これより吸上げ高さは次式で表される。
ｈ＝２σcosθ／ｒρｇ
ここで、σ：液体の表面張力，θ：接触角，ｒ：細孔半径，ρ：液体密度，ｇ：重力加速度

このような関係で構成された流路リブに移動した水は、発電反応に伴う発熱により酸化剤ガス流路１６へ蒸発させることが可能である。水の蒸発によりリブ温度が低下することから、本構成の燃料電池では反応ガス流路での冷却が可能となり、冷却セルの冷却水量を削減あるいは冷却水による冷却系を削減することができ、燃料電池システムをコンパクトにすることが可能である。本構成は、複数の層からなる流路リブを多孔質構造としていることから、比表面積を大きくすることができ、水の蒸発、すなわち冷却効率を高めることが可能である。

印刷法による流路リブ成形方法では、従来のプレス加工や切削加工による流路成形に比べ流路形状を自由に設計できる利点がある。図３〜図６は本発明に係わる燃料電池の実施形態に適用する流路形状を示す模式的平面図である。本実施例において、印刷する導電性材料の積層厚さは、５μｍ〜０.７mmの範囲とすることが望ましい。

例えば、図３に示すように、反応ガス入り口マニホールド２１から反応ガス流量分配制御を行う構造体２８と直線流路を形成する直線状のリブ２７とする構成も可能である。なお、図３では構造体２８は円柱としたが、多角形，楕円形等の他の形状とすることも可能である。また、図４に示すように、反応ガス入り口マニホールド２１から出口マニホールド２６へ複数回の曲がりを有する流路２９、一般的にサーペンタイン流路と呼ばれる形状などプレス加工や切削加工などで成形できる流路構造とすることも可能である。

さらに、流路全面を微小な構造体から構成することも可能である。例えば、図５に示す実施例では、直径０.５mmの円柱構造体３０を発電面全域にわたり配置した。図５における円柱構造体３０の配置は規則性を持った配置を示しているが、ガスが発電面全域に供給されるように任意の位置に配置することも可能である。また、流れ方向に対して構造体の形状、例えば半径を変化させることも可能である。例えば、アノード側では水素が消費されるため、下流に行くに従いガス流量が減少することから、流路を次第に狭くなる構成にすることでガス流速を維持でき、下流部の電極触媒層２へも反応に必要な水素を供給することが可能となり、発電面での反応の偏りを小さくすることが可能である。

図６は、少なくとも流路の一部にガスの流れ方向にジグザグでかつ複数の構造体を形成する実施例を示す。反応ガスは入り口マニホールド２１から出口マニホールド２６へ向けた全体の流れ方向には折れ曲がりあるいは湾曲したリブ３１により蛇行しながら流れ、かつ、構造体３１同士の隙間により隣接する流路方向にも拡散していくため、流路全面に反応ガスを拡散させることが可能である。このような構成では図５の構成と同様に反応ガスが発電面全域に供給されることで燃料電池の発電性能向上に有効である。

図２は、本発明に係わる燃料電池の第二の実施形態に適用するセル構造を示す模式的断面図である。本構成では、バイポーラープレート１２に形成される流路リブを３層で構成した例を示す。以下の説明では、特にカソード側について説明する。

バイポーラープレート１２は導電性材料からなる多孔質体であり、例えば、ニッケル，チタン，アルミニウム，カーボン，マグネシウム、これらを含む合金、例えばステンレス合金などが挙げられる。その表面には流路リブ第１層９と同じ導電性材料を全面に厚さ５μｍ〜２００μｍの範囲で印刷する。この面の上にリブ第１層９，第２層１１そして第３層１４を順次印刷する。ここで、印刷する各層の導電性材料の撥水性は、毛管力が以下の関係になるようにする。
Ｐ_gdl＜Ｐ_3rd
Ｐ_2nd＜Ｐ_3rd
Ｐ_2nd＜Ｐ_1st

ここで、Ｐ_gdlはガス拡散層５における毛管力、Ｐ_1stはリブ第１層９に塗布される導電性材料の毛管力、Ｐ_2ndはリブ第２層１１に塗布される導電性材料の毛管力、Ｐ_3rdはリブ第３層１４に塗布される導電性材料の毛管力である。また、３つの層からなるリブのうち、第２層１１は最も撥水性を高くする。

このような構成として、多孔質バイポーラープレート１２に水を含浸すると、毛管力によりリブ第１層９まで水は浸透するが、第２層１１では高い撥水性により浸透し難くなるため、リブ第１層９で水が保持される。一方、発電で生成された水は、ガス拡散層５を介してリブ第３層１４へ吸収される。このとき水は第２層１１の撥水性により第２層１１へは浸透し難くなる。発電反応により生じた熱によりリブ第１層９やリブ第３層１４に蓄えられた水はガス流路に蒸発する。このとき、リブ第１層９では流路へ蒸発した分、水が多孔質バイポーラープレート１２からリブ第１層９へ浸透する。一方、リブ第３層１４はガス拡散層５から水を吸収し、ガス流路へ蒸発させる。リブ第２層１１はリブ第１層９と第３層１４より撥水性を高く設定することで、リブ第１層９と第３層１４を分離し、互いの層からの水の浸透を防止する。リブ第３層１４は実施例１に示したように更に２層に分割することも可能である。

本実施例のバイポーラープレートを適用する燃料電池では、多孔質バイポーラープレート１２から常に水を供給し、流路リブ第１層９において蒸発による冷却が可能であり、従来必要であった冷却機構を削減することが可能である。流路構造としては、実施例１で示した図３〜図６の何れの構造も本実施例に適用できる。

本発明のバイポーラープレートは、プロトン導電性を有する電解質膜と、前記電解質膜を挟持する一対の電極触媒からなる電解質膜・電極触媒接合体と、電解質膜・電極触媒接合体の両側に配置された一対のガス拡散層と、燃料および酸化剤を一対の前記電極触媒へそれぞれに分離供給し、燃料極で発生した電荷を反対側の電極へ移動させるバイポーラープレートと、反応ガス，冷却媒体の漏洩を防止するためのシールからなる単位発電セルを複数積層した積層体を一対のエンドプレートで荷重を付与する燃料電池に適用することができる。

６アノード側バイポーラープレート
７カソード側バイポーラープレート
８アノード側リブ第１層
９カソード側リブ第１層
１０アノード側リブ第２層
１１カソード側リブ第２層
１２多孔質バイポーラープレート
１３アノード側リブ第３層
１４カソード側リブ第３層

Claims

燃料電池のアノード又はカソードに燃料あるいは酸化剤を供給するための流路を有する燃料電池用バイポーラープレートにおいて、
平板と、平板上に形成され、燃料あるいは酸化剤流路を構成する複数の導電性構造体とを有し、前記導電性構造体が撥水性の異なる複数の層を積層した積層構造を有することを特徴とする燃料電池用バイポーラープレート。
請求項１において、前記導電性構造体が多孔質構造であることを特徴とする燃料電池用バイポーラープレート。
請求項１において、前記導電性構造体は、前記平板上に形成された第１の層と、前記第１の層の上に積層された第２の層で構成され、第１の層は前記第２の層よりも撥水性が低いことを特徴とする燃料電池用バイポーラープレート。
請求項１において、前記導電性構造体は、前記平板上に形成された第１の層と、前記第１の層の上に積層された第２の層と、前記第２の層の上に積層された第３の層で構成され、前記第２の層は前記第１の層および前記第３の層よりも撥水性が高いことを特徴とする燃料電池用バイポーラープレート。
請求項３又は４において、前記導電性構造体の燃料電池のガス拡散層と接する層は、前記ガス拡散層よりも撥水性が低いことを特徴とする燃料電池用バイポーラープレート。
請求項１において、前記導電性構造体は印刷法により積層されていることを特徴とする燃料電池用バイポーラープレート。
プロトン導電性を有する電解質膜と、前記電解質膜を挟持する一対の電極触媒からなる電解質膜・電極触媒接合体と、前記電解質膜・電極触媒接合体の両側に配置された一対のガス拡散層と、前記電極触媒へ燃料または酸化剤を供給するための流路を有するバイポーラープレートとを有し、
前記バイポーラープレートが、平板と、平板上に形成され、燃料あるいは酸化剤流路を構成する複数の導電性構造体とを有し、前記導電性構造体が撥水性の異なる複数の層を積層した積層構造を有することを特徴とする燃料電池。
請求項７において、前記導電性構造体が多孔質構造であることを特徴とする燃料電池。
請求項７において、前記導電性構造体は、前記平板上に形成された第１の層と、前記第１の層の上に積層された第２の層で構成され、第１の層は前記第２の層よりも撥水性が低いことを特徴とする燃料電池。
請求項７において、前記導電性構造体は、前記平板上に形成された第１の層と、前記第１の層の上に積層された第２の層と、前記第２の層の上に積層された第３の層で構成され、前記第２の層は前記第１の層および前記第３の層よりも撥水性が高いことを特徴とする燃料電池。
請求項９又は１０において、前記導電性構造体の前記ガス拡散層と接する層は、前記ガス拡散層よりも撥水性が低いことを特徴とする燃料電池。