JP2012174360A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の運転温度が高温となった場合において、無加湿な燃料ガスを供給しても発電を継続可能とする。
【解決手段】電解質膜の一方の面上に触媒電極層によるアノードが形成され、他方の面上に触媒電極層によるカソードが形成された膜電極接合体と、複数の気孔部が連通する多孔体で構成され、膜電極接合体のアノード側に配された燃料ガス流路部およびカソード側に配された酸化ガス流路部と、を有する燃料電池である。酸化ガス流路部は、酸化ガス流路部の入口から出口までの範囲のうち、入口を含む所定の範囲の第１流路部と、第１流路部を除く第２流路部と、に区分され、第１流路部の熱膨張係数が第２流路部の熱膨張係数に比べて大きい。
【選択図】図１

Description

この発明は、燃料電池に関する。

燃料電池は、燃料ガスとしての水素（Ｈ_２）と酸化ガスとしての酸素（Ｏ_２）との電気化学反応によって電気エネルギーを取り出す発電装置である。なお、以下では、燃料ガスや酸化ガスを、特に区別することなく単に「反応ガス」あるいは「ガス」と呼ぶ場合もある。燃料電池は、通常、燃料電池セルをセパレーターで挟持し、複数積層して構成されている。

燃料電池セルは、膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly）のアノードの面上に燃料ガスの拡散層（「燃料ガス拡散層」とも呼ぶ）および流路部（「燃料ガス流路部」とも呼ぶ）を順に密接配置するとともに、カソードの面上に酸化ガスの拡散層（「酸化ガス拡散層」とも呼ぶ）および流路部（「酸化ガス流路部」とも呼ぶ）を密接配置して構成している。膜電極接合体は、プロトン（Ｈ^＋）伝導性を有する固体高分子型電解質膜（以下、単に「電解質膜」とも呼ぶ）の両面に、それぞれ、アノードとなる触媒電極層およびカソードとなる触媒電極層を接合した構造体である。

この燃料電池セルでは、アノードにおいて、燃料ガス流路部を流れ、燃料ガス拡散層を介して到達した水素（Ｈ_２）が、プロトンと呼ばれる水素イオン（Ｈ^＋）と電子（ｅ⁻）に分解される。一方、カソードにおいて、酸化ガス流路部を流れ、酸化ガス拡散層を介して到達した酸素（Ｏ_２）と、電解質膜を透過してカソードに到達したプロトン（Ｈ^＋）との電気化学反応により、水（Ｈ_２Ｏ）が生成される。すなわち、燃料電池セルは、アノードおよびカソードにおける電気化学反応によって電気エネルギーを得る発電モジュールである。従って、この燃料電池セルにより構成された燃料電池は、外部回路を接続した際に、アノードに供給された水素（燃料ガス）およびカソードに供給された酸素（酸化ガス）の電気化学反応によって発電し、得られた電気エネルギーを外部回路に供給することが可能となる。

従来技術の燃料電池の例として、特許文献１には、燃料電池の発電性能の向上を目的として、発電モジュールである燃料電池セルの互いに向かい合う２辺に沿って燃料ガスおよび酸化ガスのための流路が設けられており、かつ、燃料ガスと酸化ガスが対向して逆向きに流れるようにした構成、いわゆるカウンターフロー型の燃料電池が開示されている。

特開２００８−１８６６７１号公報 特開２００８−１１７７８６号公報

ここで、上記した固体高分子型電解質膜は、湿潤状態において高いプロトン伝導性は有するため、電解質膜が乾燥すると発電性能の低下を招くことになる。上記従来技術の燃料電池に対して、燃料ガスおよび酸化ガスを無加湿で供給することを想定した場合には、以下で説明する問題が発生する。すなわち、高温運転時において、酸化ガスの入口から出口に向かって、無加湿で高温な酸化ガスが流れるため、酸化ガスの入口に対局する燃料ガスの出口側の水分が不足することになる。発電により生成される水（以下、「生成水」と呼ぶ）は、カソードで発生するが、酸化ガスの入口には乾燥したガスが入ってくるため、酸化ガスの入口近傍の生成水は蒸発し易く、酸化ガスの入口近傍のＭＥＡは乾燥しやすくなる。一方、酸化ガスの出口側近傍は上流側から蒸発した生成水が運ばれるため、生成水は比較的蒸発しにくくなり、酸化ガスの出口側近傍のＭＥＡは乾燥しにくくなる。また、発電中はアノードからプロトンの移動と共に、プロトンに随伴して移動する水も存在するため、ＭＥＡのアノードからカソードに向かう方向の水分はアノード側がカソード側と比較して少なくなる傾向にある。従って、燃料ガスの出口側の水分が不足しやすく、対応する電解質膜の湿潤状態が不十分となって、十分な発電性能を得ることができず、発電を継続できない、という問題が発生する。

そこで、本発明は、燃料電池の運転温度が高温となった場合において、無加湿な燃料ガスを供給しても発電を継続可能とする技術を提供することを目的とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。

［適用例１］
電解質膜の一方の面上に触媒電極層によるアノードが形成され、他方の面上に触媒電極層によるカソードが形成された膜電極接合体と、複数の気孔部が連通する多孔体で構成され、前記膜電極接合体のアノード側に配された燃料ガス流路部およびカソード側に配された酸化ガス流路部と、を有する燃料電池であって、前記酸化ガス流路部は、前記酸化ガス流路部の入口から出口までの範囲のうち、前記入口を含む所定の範囲の第１流路部と、前記第１流路部を除く第２流路部と、に区分され、前記第１流路部の熱膨張係数が前記第２流路部の熱膨張係数に比べて大きいことを特徴とする燃料電池。
適用例１に記載の燃料電池では、高温時において酸化ガス流路部の入口側の第１流路部中の熱膨張係数が第２流路部中の熱膨張係数に比べて大きいので、第１流路部中の気孔径および気孔率が第２流路部中の気孔径および気孔率に比べて小さくなることにより、第１流路部中の圧力損失が上昇することになり、第１流路部の酸化ガスの圧力を上昇させることができる。これにより、カソードで生成された水のうち、酸化ガス流路部の第１流路部に対向する燃料ガス流路の部分側に逆拡散する水の量を増加させることができるので、電解質膜の燃料ガス側の乾燥を抑制することが可能となり、燃料電池の運転温度が高温となった場合に、無加湿な燃料ガスを供給しても発電を継続可能とすることができる。また、高温時においてのみ第１流路部における圧力損失を上昇させることができるので、低温時においては、カソードで生成された水の酸化ガス流路部における排水性を保つことができる。

なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池や、燃料電池を構成する燃料電池セル、燃料電池を備える燃料電池システム等の種々の形態で実現することが可能である。

燃料電池を構成する燃料電池セルの概略構成を示す断面模式図である。

Ａ．実施例：
図１は、燃料電池を構成する燃料電池セルの概略構成を示す断面模式図である。燃料電池セル１００は、図１（Ａ）に示すように、ＭＥＡ１０と、ＭＥＡ１０の一方の外側に配設された燃料ガス拡散層２０および燃料ガス流路部４０と、他方の外側に配設された酸化ガス拡散層３０および酸化ガス流路部５０と、を備える。なお、燃料電池は、１つの燃料電池セル１００をセパレーターで挟持して構成することもできるが、セパレーターを介して複数の燃料電池セル１００を積層したスタック構造とするのが一般的である。

ＭＥＡ１０は、電解質膜１２の一方の面に燃料ガス触媒層（触媒電極層）１４および他方の面に酸化ガス触媒層１６が形成された接合体である。なお、以下では、燃料ガス触媒層を「アノード触媒層」あるいは単に「アノード」とも呼ぶ。また、酸化ガス触媒層を「カソード触媒層」あるいは単に「カソード」とも呼ぶ。

電解質膜１２は、固体高分子材料、例えばパーフルオロカーボンスルホン酸を備える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り、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。例えば、デュポン社製のナフィオン膜等を用いることができる。

燃料ガス触媒層（アノード）１４および酸化ガス触媒層（カソード）１６は、電気化学反応を促進する触媒と、プロトン伝導性を有する電解質と、電子伝導性を有するカーボン粒子と、を備える。触媒としては、例えば、白金（Ｐｔ）、あるいはＰｔと他の金属とから成る合金（例えばコバルトやニッケルを混合したＰｔ合金）を用いることができる。また、電解質としては、電解質膜１２と同様に、スルホン酸基を介して水和プロトンを伝導するフッ素系樹脂、例えば、ナフィオン溶液を用いることができる。上記触媒はカーボン粒子上に担持されており、各触媒電極(カソード，アノード)では、触媒を担持したカーボン粒子（触媒粒子）と電解質とが混在している。

燃料ガス拡散層２０および酸化ガス拡散層３０は、例えばカーボン製の多孔質部材である。なお、これらのガス拡散層は、各触媒電極に対するガス供給効率を向上させるとともに、燃料ガス流路部４０と燃料ガス触媒層（触媒電極：アノード）１４との間や酸化ガス流路部５０と酸化ガス触媒層（触媒電極：カソード）１６との間の集電性を高め、電解質膜１２を保護する働きを有するが、燃料ガス流路部４０や酸化ガス流路部５０の構成材料や気孔率によっては、ガス拡散層を設けないこととしてもよい。

燃料ガス流路部４０に沿って流れる燃料ガスと、酸化ガス流路部５０に沿って流れる酸化ガスとは、互いに逆方向を向くように流す構造、いわゆるカウンターフロー構造としている。

酸化ガス流路部５０は、入口側の第１流路部５２と、第１流路部５２よりも下流側の第２流路部５４とに区分された構造となっている。第１流路部５２は酸化ガス流路部５０の全長の１／１０〜１／４の範囲、第２流路部５４は酸化ガス流路部５０の全長の３／４〜９／１０の範囲に設定される。本例では、第１流路部５２が１／４で第２流路部５４が３／４に設定されている。

第１流路部５２は、第１の材料を用いた多孔体で構成されており、図１（Ｂ）に示すように、用いた第１の材料で構成された第１流路骨格部５２ａの内部に多数の第１流路気孔部５２ｂが形成された構造を有している。第２流路部５４も、同様に、第２の材料を用いた多孔体で構成されており、図１（Ｂ）に示すように、用いた第２の材料で構成された第２流路骨格部５４ａの内部に多数の第２流路気孔部５４ｂが形成された構造を有している。多数の第１流路気孔部５２ｂが互いに繋がって形成される連通空間や、多数の第２流路気孔部５４ｂが互いに繋がって形成される連通空間、多数の第１流路気孔部５２ｂおよび第２流路気孔部５４ｂが互いに繋がって形成される連通空間は、酸化ガスや液水が通過する流路として機能する。

ここで、第２流路部５４の第２の材料としては熱膨張係数が３０×１０^−６／℃以下の材料を用いる。この第２の材料としては、従来の多孔体流路の材料として用いている金属材料、例えば、チタンやステンレス鋼、炭素等を用いることができる。一方、第１流路部５２の第１の材料としては、第２流路部５４の第２の材料よりも大きい熱膨張係数の材料を用いる。例えば、３０×１０^−６／℃以上の材料を用いることが好ましく、熱膨張係数が１３０×１０^−６／℃以上の材料を用いることがより望ましい。この第２の材料としては、熱膨張係数を大きくするために、ポリスチレンやポリエチレン、ポリプロピレン、シリコン等の樹脂材料を用いればよい。ただし、樹脂材料では発電した電気エネルギーを集電するための導電性が無いので、導電性を確保するために金メッキ処理等を行なっておけば良い。

なお、燃料ガス流路部４０は、酸化ガス流路部５０の第２流路部５４と同様の金属多孔体で構成することができる。ただし、燃料ガス流路部４０は、多孔体によるガス流路ではなく、溝状のガス流路としてもよい。

上記構成の燃料電池セル１００では、酸化ガス流路部５０の入口側の第１流路部５２の熱膨張係数が第２流路部５４の熱膨張係数に比べて大きく、また、通常、酸化ガス流路部５０の外形は、図示しないセパレーターやシール部材等により変形が拘束されている。これにより、運転温度の上昇に応じて、第１流路部５２の気孔部５２ｂの気孔径および気効率が第２流路部５４の気孔部５４ｂの気孔径および気孔率に比べて小さくなるため、第１流路部５２の圧力損失が第２流路部５４の圧力損失よりも高くなっていく。第１流路部５２の圧力損失が高くなっていくと、第１流路部５２における酸化ガスの圧力が高くっていき、第１流路部５２に対応する位置のカソードで生成された水のうち、カソード側からアノード側へ逆拡散する水の量を増加させることができる。この結果、第１流路部５２に対向する燃料ガス流路部４０の部分、すなわち、燃料ガス流路部４０の出口側の部分の電解質膜の乾燥を抑制することが可能となり、運転温度が高温となった場合に、無加湿な燃料ガスを供給しても発電を継続可能とすることができる。また、第２流路部５４に対する第１流路部５２の圧力損失は運転温度の上昇に応じて高くなるのであって、運転温度が低くカソードで生成する水が液水状態となるような場合には、第１流路部５２と第２流路部５４の圧力損失の差は低く抑えられることになる。従って、この場合には、カソードで生成された液水の酸化ガス流路部５０を介する排水性が良くなり、また、酸化ガスを燃料電池に供給する図示しないエアーコンプレッサーへの負担も少なくなるので、効率的な発電が可能である。

Ｂ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能である。

例えば、上記実施例では、カウンターフロー型の燃料電池セルを例に説明しているが、これに限定されるものではなく、燃料ガスと酸化ガスが同一方向に流れるコーフロー型の燃料電池セルであってもよい。この場合においても、運転温度が高温となった場合に、無加湿な燃料ガスを供給しても、電解質膜の乾燥を抑制して、発電を継続可能とすることができる。

また、上記実施例では、酸化ガス流路部５０の第１流路部５２の熱膨張係数を第２流路部５４の熱膨張係数に対して大きい材料を用いた多孔体構造を例に説明しているが、以下のように酸化ガス流路部を構成してもよい。すなわち、酸化ガス流路部のうち、入口を含む所定の範囲（例えば、全長の１／１０〜１／４の範囲）のいずれかの位置における、所定の領域（例えば、全長の１／１００〜１／１０の領域）の気孔率が、他の部分の気孔率に比べて小さくなっている(例えば、１／１０〜１／２)ようにしてもよい。この場合においても、運転温度が高温となった場合に、同様に、気孔率の小さい領域の圧力損失が高いことにより、逆拡散する水分量を増加させることができるので、無加湿な燃料ガスを供給しても、電解質膜の乾燥を抑制して、発電を継続可能とすることができる。また、運転温度が低い場合においては、気孔率の小さい領域の圧力損失が高いことにより、その領域より入口側の領域に液水を比較的溜め易くすることができ、高温運転時における乾燥を抑制するための水として利用することが可能である。

１０…ＭＥＡ（膜電極接合体）
１２…電解質膜
１４…燃料ガス触媒層（アノード）
１６…酸化ガス触媒層（カソード）
２０…燃料ガス拡散層
３０…酸化ガス拡散層
４０…燃料ガス流路部
５０…酸化ガス流路部
５２…第１流路部
５２ａ…第１流路骨格部
５２ｂ…第１流路気孔部
５４…第２流路部
５４ａ…第２流路骨格部
５４ｂ…第２流路気孔部
１００…燃料電池セル

Claims (1)

1. 電解質膜の一方の面上に触媒電極層によるアノードが形成され、他方の面上に触媒電極層によるカソードが形成された膜電極接合体と、複数の気孔部が連通する多孔体で構成され、前記膜電極接合体のアノード側に配された燃料ガス流路部およびカソード側に配された酸化ガス流路部と、を有する燃料電池であって、
   前記酸化ガス流路部は、前記酸化ガス流路部の入口から出口までの範囲のうち、前記入口を含む所定の範囲の第１流路部と、前記第１流路部を除く第２流路部と、に区分され、前記第１流路部の熱膨張係数が前記第２流路部の熱膨張係数に比べて大きい
   ことを特徴とする燃料電池。

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