JP2012243630A

JP2012243630A - 燃料電池

Info

Publication number: JP2012243630A
Application number: JP2011113631A
Authority: JP
Inventors: Tsunemasa Nishida; 恒政西田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2011-05-20
Filing date: 2011-05-20
Publication date: 2012-12-10

Abstract

【課題】カソード側からアノード側へ水を逆拡散させ、かつ電解質膜の損傷を防止する。
【解決手段】燃料電池１０は、電解質膜１２と、電解質膜１２の一方面に形成され触媒を担持するアノード側触媒層１４と、電解質膜１２の他方面に形成され触媒を担持するカソード側触媒層１５と、アノード側触媒層１４に積層され多孔質のアノード側ガス拡散層１６と、カソード側触媒層１５に積層され多孔質のカソード側ガス拡散層１７と、を備え、積層方向におけるアノード側触媒層１４の厚みがＴ₁であり、積層方向におけるカソード側触媒層１５の厚みがＴ₂であり、積層方向におけるアノード側ガス拡散層１６の厚みがＴ₃であり、積層方向におけるカソード側ガス拡散層１７の厚みがＴ₄である時に、Ｔ₁＋Ｔ₃≧Ｔ₂＋Ｔ₄）、Ｔ₁＜Ｔ₂、Ｔ₃＞Ｔ₄の関係を満たす。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池に関する。

例えば、固体高分子型燃料電池は、図５に示すように、固体高分子膜からなる電解質膜７２を燃料極７０と空気極７４との２枚の電極で挟んだ膜電極接合体（ＭＥＡ：ＭｅｍｂｒａｎｅＥｌｅｃｔｒｏｄｅＡｓｓｅｍｂｌｙ）を、さらに２枚のセパレータ８０に挟持してなるセルを最小単位とし、通常、このセルを複数積み重ねて燃料電池スタック（ＦＣスタック）とし、高圧電圧を得るようにしている。

固体高分子型燃料電池の発電の仕組みは、一般に、燃料極（アノード側電極）７０に燃料ガス、例えば水素含有ガスが、一方、空気極（カソード側電極）７４には酸化剤ガス、例えば主に酸素（Ｏ₂）を含有するガスあるいは空気が供給される。水素含有ガスは、燃料ガス流路を通って燃料極７０に供給され、電極の触媒の作用により電子と水素イオン（Ｈ⁺）に分解される。電子は外部回路を通って、燃料極７０から空気極７４に移動し、電流を作り出す。一方、水素イオン（Ｈ⁺）は電解質膜７２を通過して空気極７４に達し、酸素および外部回路を通ってきた電子と結合し、反応水（Ｈ₂Ｏ）になる。水素（Ｈ₂）と酸素（Ｏ₂）および電子の結合反応と同時に発生する熱は、冷却水によって回収される。また、空気極７４のあるカソード側に生成した水（以下「生成水」という）は、カソード側から排出される。

上述した燃料電池の燃料極及び空気極は、それぞれ触媒層からなり、この触媒層にはそれぞれ水素含有ガス、酸化剤ガスを拡散するためのガス拡散層が積層されている。ところで、上述の反応により生成した生成水の排出がカソード側で滞った場合、空気極に閉塞現象（「フラッディング現象」ともいう）が生じる場合がある。

そこで、特許文献１には、アノード側触媒層の厚みをカソード側触媒層の厚みよりも薄くすることにより、カソード側で生成した生成水をアノード側へ効率的に逆拡散させ、かつ、アノード側の排水性能もしくは蒸散性能を担保させることが提案されている。

なお、特許文献２には、２セル１冷却型燃料電池において、冷媒流路に近接するガス拡散層の厚みを、冷媒流路から遠設されたガス拡散層の厚みよりも薄くすることが提案され、この構成によって、排熱性を向上させることが記載されている。

特許文献３には、アノード側ガス拡散層は、供給されるガスの流れ方向において、下流側よりも上流側が薄く形成され、カソード側ガス拡散層は、供給されるガスの流れ方向において、下流側よりも上流側が厚く形成されていることが提案され、この構成により、電解質膜内ではカソード側からアノード側へ水の移動が促進され、アノード側のガスの流れの上流側におけるアノード側の電解質膜の乾燥が抑制されることが記載されている。

特開２０１１−８９４０号公報特開２０１０−２５７７６７号公報特開２００９−６４６１５号公報

ところで、ガス拡散層は、生成水の排水促進、ガス拡散性機能および導電性機能を付与するため、例えば、導電性材料の炭素繊維からなる層と撥水層とからなる。上述したように、膜電極接合体の両面をそれぞれガス拡散層で挟み、さらに一対のセパレータで挟んで形成された燃料電池のセルを、複数積み重ねて燃料電池スタック（ＦＣスタック）とした場合、ガス拡散層の厚みは元の厚みよりも薄くなり、ガス拡散層の内部に隠れていた炭素繊維の一部が突出してしまう可能性がある。ここで、仮に、触媒層の厚みを従来に比べ薄くし過ぎると、炭素繊維の一部の突出によって電解質膜への損傷が生じるおそれがある。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、カソード側で生成した生成水をアノード側へ効率的に逆拡散させ、かつ、アノード側の排水性能もしくは蒸散性能を担保しつつ、電解質膜の損傷が防止される燃料電池を提供する。

上記目的を達成するために、本発明の燃料電池は以下の特徴を有する。

（Ｉ）電解質膜と、電解質膜の一方面に形成され触媒を担持するアノード側触媒層と、電解質膜の他方面に形成され触媒を担持するカソード側触媒層と、アノード側触媒層に積層され多孔質のアノード側ガス拡散層と、カソード側触媒層に積層され多孔質のカソード側ガス拡散層と、アノード側ガス拡散層に積層されアノード側に燃料ガスを供給する燃料ガス流路部材と、カソード側ガス拡散層に積層されカソード側に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路部材と、を備えた燃料電池であって、積層方向におけるアノード側触媒層の厚みが、Ｔ₁であり、積層方向におけるカソード側触媒層の厚みが、Ｔ₂であり、積層方向におけるアノード側ガス拡散層の厚みが、Ｔ₃であり、積層方向におけるカソード側ガス拡散層の厚みが、Ｔ₄である時に、
Ｔ₁＋Ｔ₃≧Ｔ₂＋Ｔ₄ ・・・（１）
Ｔ₁＜Ｔ₂ ・・・（２）
Ｔ₃＞Ｔ₄ ・・・（３）
上記の式（１）から式（３）の関係を満たす燃料電池である。

上記式（２）の関係を満たすことにより、カソード側の断熱性がアノード側の断熱性よりも高くなるため、カソード側触媒層からアノード側触媒層への水分の逆拡散が促進され、式（３）の関係を満たすことにより、アノード側に比べカソード側のガス拡散性が向上し、カソード側の排水性が向上し、さらに、式（１）の関係を満たすことによって、複数セルを積み重ねて燃料電池スタックとした時に、電解質膜への損傷が防止される。

（ＩＩ）上記（Ｉ）に記載の燃料電池において、アノード側ガス拡散層およびカソード側ガス拡散層は、それぞれ、炭素繊維から成る層と撥水層とが積層してなり、積層方向におけるアノード側ガス拡散層の撥水層の厚みは、積層方向におけるカソード側ガス拡散層の撥水層の厚みよりも厚い燃料電池である。

上記式（２）の関係を満たし、アノード側触媒層の厚みが薄くなったとしても、アノード側ガス拡散層の撥水層の厚みを厚くすることにより、アノード側ガス拡散層の炭素繊維の一部に起因する電解質膜への損傷が防止される。

（ＩＩＩ）上記（Ｉ）または（ＩＩ）に記載の燃料電池において、アノード側ガス拡散層に対する燃料ガス流路部材の局所面圧が、カソード側ガス拡散層に対する酸化剤ガス流路部材の局所面圧よりも大きい燃料電池である。

複数セルを重ねて燃料電池スタックとした場合、アノード側およびカソード側の全面にかかる面圧は略同圧である。しかし、例えば、ガス流路部材に形成されたガス流路の形状やガス拡散部材とガス拡散層との接触面積によって、ガス流路部材と接触するガス拡散層に加わる局所面圧は異なる。上記式（１）〜（３）の関係を満たす場合、局所面圧が異なる関係であっても、アノード側ガス拡散層の炭素繊維の一部に起因する電解質膜への損傷が防止される。

本発明によれば、カソード側の排水性を向上させるとともに、カソード側で生成した生成水をアノード側へ効率的に逆拡散させ、かつ、アノード側の排水性能もしくは蒸散性能を担保しつつ、電解質膜の損傷が防止される。

本発明の実施の形態における燃料電池の一例の概略構成を示す断面模式図である。本発明の実施の形態における燃料電池のスタック時の局所面圧が加わった際のガス拡散層における炭素繊維の挙動の一例を説明する図である。本発明の式（１）〜（３）の関係を満たす場合と満たさない場合とにおける電解質膜への損傷を比較したグラフである。従来の燃料電池の一例の概略構成を示す断面模式図である。燃料電池のセルの構成および発電時のメカニズムを説明する図である。

以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。

図１に示すように、本実施の形態における燃料電池１０は、電解質膜１２と、電解質膜１２の一方面に形成され触媒を担持するアノード側触媒層１４と、電解質膜１２の他方面に形成され触媒を担持するカソード側触媒層１５と、アノード側触媒層１４に積層され多孔質のアノード側ガス拡散層１６と、カソード側触媒層１５に積層され多孔質のカソード側ガス拡散層１７と、アノード側ガス拡散層１６に積層されアノード側に燃料ガスを供給する燃料ガス流路部材２０と、カソード側ガス拡散層１７に積層されカソード側に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路部材３０とを備え、積層方向におけるアノード側触媒層１４の厚みが、Ｔ₁であり、積層方向におけるカソード側触媒層１５の厚みが、Ｔ₂であり、積層方向におけるアノード側ガス拡散層１６の厚みが、Ｔ₃であり、積層方向におけるカソード側ガス拡散層１７の厚みが、Ｔ₄である時に、以下の式（１）から式（３）の関係を満たす。

Ｔ₁＋Ｔ₃≧Ｔ₂＋Ｔ₄ ・・・（１）
Ｔ₁＜Ｔ₂ ・・・（２）
Ｔ₃＞Ｔ₄ ・・・（３）

上記式（２）の関係を満たすことによって、カソード側の断熱性がアノード側の断熱性よりも高くなるため、カソード側触媒層からアノード側触媒層への水分の逆拡散が促進される。これにより、燃料電池の停止時におけるカソード側の残水量が低減され、特に、低温時、例えば氷点下における燃料電池の始動性が向上する。また、無加湿条件下であっても、アノード側のドライアップが抑制される。

上記式（３）の関係を満たすことにより、アノード側に比べカソード側のガス拡散性が向上し、カソード側の排水性が向上する。また、アノード側の熱抵抗が小さくなるので、カソード側からアノード側への水の移動が促進される。

さらに、上記式（１）の関係を満たすことにより、複数セルを積み重ねて燃料電池スタックとした時に、電解質膜への損傷が防止される。さらに、電解質膜への損傷をより確実に防止するために、Ｔ₁＋Ｔ₃＞Ｔ₂＋Ｔ₄の関係を満たすことがより好ましい。

また、図１に示す燃料電池１０における燃料ガス流路部材２０は、燃料ガス流路リブ２２が予め定められた間隔で複数形成されており、一方、酸化剤ガス流路部材３０は、多孔体ガス流路部材３２からなる。そして、多孔体ガス流路部材としては、例えば、エキスパンドメタルやラスカットメタルが挙げられる。

ここで、本明細書中の「燃料ガス流路部材」および「酸化剤ガス流路部材」という用語は、燃料ガスや酸化剤ガスのガス流路が形成された「セパレータ」、ならびに、セパレータとは別に設けられた、燃料ガスまたは酸化剤ガスを供給するためのガス供給流路を形成する「多孔体ガス流路部材」のいずれをも含む意味で用いる。従って、「燃料ガス流路部材」、「酸化剤ガス流路部材」のいずれかが「多孔体ガス流路部材」である場合には、この「多孔体ガス流路部材」の外表面に、セパレータを別途設けてもよい。

また、本明細書において、「ラスカットメタル」とは、平板状の薄肉金属板に対して、順次千鳥配置の切れ目を加工するとともに加工した切れ目を押し曲げることによって、網目状の小径の貫通孔が形成されたものである。また、「エキスパンドメタル」とは、平板状の薄肉金属板に対して、順次千鳥配置の切れ目を加工するとともに加工した切れ目を押し曲げることによって網目状の小径の貫通孔が形成され、さらに、圧延加工されて略平板状とされたものである。エキスパンドメタルは略平板状に成形されるため、例えば、最終成形後の製品において不必要な曲がりや凹凸などを除去するための工程を設ける必要がなく、製造コストを低減することができる。

上述したように、本実施の形態では、図１に示すように、燃料ガス流路部材２０と酸化剤ガス流路部材３０との構造が相違する。図２の黒塗り矢印で示すように、複数セルを重ねて燃料電池スタックとした時の、アノード側およびカソード側の全面にかかる面圧は、略同圧である。しかし、図２の白抜き矢印で示すように、アノード側ガス拡散層１６に対する燃料ガス流路部材２０の局所面圧は、カソード側ガス拡散層１７に対する酸化剤ガス流路部材３０の局所面圧よりも大きい。このような構成であっても、上記式（１）〜（３）の関係を満たす場合、アノード側ガス拡散層の炭素繊維の一部に起因する電解質膜への損傷が防止される。

ここで、「面圧」とは、膜電極接合体やガス拡散層などの厚み方向にかかる圧力をいう。また、「局所面圧」とは、アノード側ガス拡散層と燃料ガス流路部材とが接触する部分に加わる局所的な面圧、ならびに、カソード側ガス拡散層と酸化剤ガス流路部材とが接触する部分に加わる局所的な面圧をいう。

また、図２に示すように、本実施の形態における燃料電池における、アノード側ガス拡散層１６およびカソード側ガス拡散層１７は、それぞれ、炭素繊維から成る層４４，４５と撥水層４２，４３とが積層してなり、積層方向におけるアノード側ガス拡散層１６の撥水層４２の厚みは、積層方向におけるカソード側ガス拡散層１７の撥水層４３の厚みよりも厚い。

上記式（２）の関係を満たし、アノード側触媒層１４の厚みが薄くなったとしても、アノード側ガス拡散層１６の撥水層４２の厚みを厚くすることにより、アノード側ガス拡散層１６の炭素繊維の一部に起因する電解質膜１２への損傷が防止される。

本実施の形態の燃料電池の各構成部品について、以下に説明する。

電解質膜としては、例えば、プロトン伝導性の高さと安定性から、主にナフィオン(登録商標）（Ｎａｆｉｏｎ、アメリカのデュポン社の商標）などのスルホン酸基を持ったフッ素系ポリマーが用いられ、また、旭硝子の「Ｆｌｅｍｉｏｎ」、旭化成の「Ａｃｉｐｌｅｘ」等が用いられる。

アノード側触媒層としては、例えば、カーボンブラック担体上に白金触媒、あるいはルテニウム−白金合金触媒を担持したものが用いられる。一方、カソード側触媒層としては、カーボンブラック担体上に白金触媒を担持したものが用いられる。

アノード側ガス拡散層およびカソード側ガス拡散層は、上述したように、炭素繊維から成る層と撥水層とからなる場合、炭素繊維の集合体として、例えば、カーボンペーパ、カーボンクロスなどの炭素質多孔質体が用いられ、炭素繊維として、例えば、アクリル繊維や、加熱溶融して紡糸したピッチを高温で炭化させたＰＡＮ（Ｐｏｌｙａｃｒｙｌｏｎｉｔｒｉｌｅ）系炭素繊維が用いられる。また、撥水層としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン／ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）などのフッ素系ポリマーとカーボンブラックにより形成され、炭素繊維の集合体に撥水層が接合されて、アノード側およびカソード側のガス拡散層が形成されている。

また、図１に示す燃料ガス流路部材２０としては、燃料ガス流路リブ２２が複数形成された金属板が用いられ、集電体を兼ねる場合およびセパレータとして用いる場合、金属材料であればいかなるものでも用いることができるが、燃料電池の製造時に上述したセルを積層圧縮する際の圧力に抗し所定のガス流通を可能とするある程度の剛性を有する材料が好ましく、例えば、チタン、ステンレス材、アルミニウムが好ましい。

図１に示す酸化剤ガス流路部材３０としては、上述したように、エキスパンドメタルやラスカットメタルが用いられ、集電体を兼ねる場合には、金属セパレータに用いる金属材料であればいかなるものでも用いることができるが、燃料電池の製造時に上述したセルを積層圧縮する際の圧力に抗し所定のガス流通を可能とするある程度の剛性を有する材料が好ましく、例えば、チタン、ステンレス材、アルミニウム材が好ましい。なお、ステンレス材やアルミニウム材を用いる場合には、加工の後に表面処理を行い、表面に導電性を付与することが好ましい。

以下、本発明を実施例に基づきさらに詳細に説明するが、本発明は下記実施例により限定されるものではない。

以下に示す、実施例１，２および比較例１，２では、燃料電池の単セルに、「燃料電池の複数のセルをスタック状に積層した際に加わる面圧相当の圧力」として、約０．１ＭＰａ〜２ＭＰａを加えた。さらに、燃料ガス流路部材と酸化剤ガス流路部材の形状、構成を変えて、アノード側局所面圧Ｐ_アノード／カソード側局所面圧Ｐ_カソードとを変えながら、電解質膜の積層面中央部分へのダメージを観察した。

図３に示すように、『ダメージ許容基準』は、電解質膜がアノード側ガス拡散層由来の炭素繊維によって損傷するか否かを基準とする。

表１に、実施例１，２および比較例１，２に用いた、アノード側およびカソード側の触媒層ならびにガス拡散層の厚みを具体的に示す。なお、比較例１は、図４に示す構成であって、積層方向におけるアノード側触媒層１１４の厚みが、Ｔ₁であり、積層方向におけるカソード側触媒層１１５の厚みが、Ｔ₂であり、積層方向におけるアノード側ガス拡散層１１６の厚みが、Ｔ₃であり、積層方向におけるカソード側ガス拡散層１１７の厚みが、Ｔ₄である時に、以下の式（４）から式（６）の関係を満たす。

Ｔ₁＋Ｔ₃＝Ｔ₂＋Ｔ₄ ・・・（４）
Ｔ₁＝Ｔ₂ ・・・（５）
Ｔ₃＝Ｔ₄ ・・・（６）

本発明の燃料電池は、燃料電池を用いる用途であれば、如何なる用途にも有効であるが、特に車両用の燃料電池に供することができる。

１０燃料電池、１２電解質膜、１４アノード側触媒層、１５カソード側触媒層、１６アノード側ガス拡散層、１７カソード側ガス拡散層、２０燃料ガス流路部材、２２燃料ガス流路リブ、３０酸化剤ガス流路部材、３２多孔体ガス流路部材、４２、４３撥水層、４４，４５炭素繊維から成る層。

Claims

電解質膜と、
電解質膜の一方面に形成され触媒を担持するアノード側触媒層と、
電解質膜の他方面に形成され触媒を担持するカソード側触媒層と、
アノード側触媒層に積層され多孔質のアノード側ガス拡散層と、
カソード側触媒層に積層され多孔質のカソード側ガス拡散層と、
アノード側ガス拡散層に積層されアノード側に燃料ガスを供給する燃料ガス流路部材と、
カソード側ガス拡散層に積層されカソード側に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路部材と、
を備えた燃料電池であって、
積層方向におけるアノード側触媒層の厚みが、Ｔ₁であり、
積層方向におけるカソード側触媒層の厚みが、Ｔ₂であり、
積層方向におけるアノード側ガス拡散層の厚みが、Ｔ₃であり、
積層方向におけるカソード側ガス拡散層の厚みが、Ｔ₄である時に、
Ｔ₁＋Ｔ₃≧Ｔ₂＋Ｔ₄ ・・・（１）
Ｔ₁＜Ｔ₂ ・・・（２）
Ｔ₃＞Ｔ₄ ・・・（３）
上記の式（１）から式（３）の関係を満たすことを特徴とする燃料電池。
請求項１に記載の燃料電池において、
アノード側ガス拡散層およびカソード側ガス拡散層は、それぞれ、炭素繊維から成る層と撥水層とが積層してなり、
積層方向におけるアノード側ガス拡散層の撥水層の厚みは、積層方向におけるカソード側ガス拡散層の撥水層の厚みよりも厚いことを特徴とする燃料電池。
請求項１または請求項２に記載の燃料電池において、
アノード側ガス拡散層に対する燃料ガス流路部材の局所面圧が、カソード側ガス拡散層に対する酸化剤ガス流路部材の局所面圧よりも大きいことを特徴とする燃料電池。