JP2014017083A - 燃料電池セル及び燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】
アノード側の拡散基材を省略して、燃料電池の小型化ができるとともに、アノード（燃料極）の乾燥を防止することができ、高負荷、無加湿など、乾燥しやすい条件下での電池性能を向上できる燃料電池セル及び燃料電池を提供する。
【解決手段】
カソード側で電気化学反応により生成された水（生成水）は、アノード側に逆拡散すると、アノード側に逆拡散した生成水は、マイクロポーラス層１８が親水性を有しているため同部分で保水される。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池セル及び燃料電池に関する。

一般的な固体高分子型燃料電池の燃料電池セルは、膜電極接合体（ＭＥＡ）を有する。前記膜電極接合体（ＭＥＡ）は、イオン透過性の固体高分子電解質膜と、前記固体高分子電解質膜を挟持するアノード側触媒層及びカソード側触媒層とから構成されている。また、前記セルの膜電極接合体（ＭＥＡ）を挟持するようにして、燃料ガスもしくは酸化剤ガスを提供するとともに電気化学反応によって生じた電気を集電するためのアノード側ガス拡散層及びカソード側ガス拡散層（ＧＤＬ）が配置されることにより、前記膜電極接合体（ＭＥＡ）と、両ガス拡散層（ＧＤＬ）とにより、電極体（ＭＥＧＡ）が構成されている。さらに、前記セルは、前記電極体（ＭＥＧＡ）を、直線状もしくは蛇行状のガス流路溝が一体に形成されたセパレータが挟持した構成を有する。また、セパレータと電極体（ＭＥＧＡ）の間には、前記ガス流路溝の代わりにガス流路となる多孔体を配置した構成のものもある。すなわち、前記多孔体としてエキスパンドメタル等の金属多孔体から形成してセパレータから分離させた、いわゆるフラットタイプ型のセパレータもある。前記高分子電解質膜の一方の面はアノード（燃料極）として機能し、他方の面はカソード（空気極）として機能する。

このような燃料電池セルを複数積層して、この積層状態のセル群の両側端からテンションプレートを介して所与の圧縮力を付与することにより、燃料電池スタックが形成されている。

近年においては、燃料電池やそのシステムには、その高性能化に加えて小型化や軽量化が求められている。燃料電池の小型化では、前記スタッキング時の圧縮力により、ガス拡散層（ＧＤＬ）が弾性変形されるとともに、この弾性変形したガス拡散層（ＧＤＬ）を介して所望の圧縮力が固体高分子電解質膜に作用するようにしている。

前記ガス拡散層（ＧＤＬ）は、撥水作用と集電作用を有するマイクロポーラス層（ＭＰＬ：Ｍｉｃｒｏ Ｐｏｒｏｕｓ Ｌａｙｅｒ）と拡散層基材との積層構造となっており、特に拡散層基材が所与の厚みを有していることで、所望する弾性変形量が確保されている。すなわち、ガス拡散層（ＧＤＬ）は燃料ガスや酸化剤ガスを固体高分子電解質膜に拡散して供給する機能、電気化学反応によって生じた生成水を金属多孔体やセパレータに排水する機能、自身の弾性変形によって所望の圧縮力を固体高分子電解質膜に作用させる、或いは過度の圧縮力を固体高分子電解質膜に作用させないという機能がある。

また、マイクロポーラス層は、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）などの撥水性樹脂とカーボンブラックなどの導電性材料を主成分とするコーティング膜で形成されていることが多く、前記撥水性を持たせることにより、前記膜電極接合体（ＭＥＡ）中の余分な水の移動を起こさせて好適な水管理を行うようにしている。

ところで、前記燃料電池の小型化要求に対して、アノード側とカソード側のいずれか一方のガス拡散層、特に拡散層基材を廃した構造が提案されている（特許文献１参照）。しかし、カソード側の拡散基材を廃した場合には、カソード側に供給される酸化剤ガスが、燃料ガスよりも拡散しにくいため、好ましくなく、上記の小型化要求に応ずる場合、アノード側の拡散基材を廃する方が好ましい。

特開２０１０−１８２４８３号公報、

一方、アノード側の拡散層基材を廃すると、前述したようにマイクロポーラス層は、従来は撥水性であるため、カソード側で生成した生成水の逆拡散により、アノード側に移動してきた生成水の排水能が高まり、アノード（燃料極）が乾燥し、電池性能の低下が見られる問題がある。

本発明の目的は、アノード側の拡散基材を省略して、燃料電池の小型化ができるとともに、アノード（燃料極）の乾燥を防止することができ、高負荷、無加湿など、乾燥しやすい条件下での電池性能を向上できる燃料電池セル及び燃料電池を提供することにある。

上記問題点を解決するために、請求項１の発明は、固体高分子電解質膜の両側面に触媒層が配置された膜電極接合体と、前記膜電極接合体の両側面にそれぞれ配置された一対のマイクロポーラス層と、カソード側のマイクロポーラス層に積層配置されたＧＤＬ基材とを備え、アノード側のマイクロポーラス層の側面にはＧＤＬ基材レスの構成とし、前記カソード側のＧＤＬ基材と前記アノード側のマイクロポーラス層の外側からガス流路を形成するセパレータで挟持された燃料電池セルにおいて、前記アノード側のマイクロポーラス層を親水性とし、カソード側のマイクロポーラス層を撥水性としたことを特徴とする燃料電池セルを要旨としている。

請求項２の発明は、請求項１に記載の燃料電池セルが積層された燃料電池を要旨としている。

請求項１の発明によれば、アノード側の拡散基材を省略して、燃料電池の小型化ができるとともに、アノード（燃料極）の乾燥を防止することができ、高負荷、無加湿など、乾燥しやすい条件下での電池性能を向上できる燃料電池セルを提供できる。

請求項２の発明によれば、アノード側の拡散基材を省略して、燃料電池の小型化ができるとともに、アノード（燃料極）の乾燥を防止することができ、高負荷、無加湿など、乾燥しやすい条件下での電池性能を向上できる燃料電池を提供できる。

一実施形態の燃料電池セルの概略断面図。 他の実施形態の燃料電池セルの概略断面図。

以下、本発明を具体化した、燃料電池セル及び燃料電池の一実施形態を図１を参照して説明する。
燃料電池は、図１に示す単セル（すなわち、燃料電池セル）Ｔを単数、又は複数が積層されて構成されている。単セルＴは、膜電極接合体１０及び後述するその周辺構成と、前記周辺構成の両側面を挟むように配置されて、外部から導入されたガスを供給するアノード側のセパレータ２０及びカソード側のセパレータ３０と、両セパレータ２０，３０と膜電極接合体１０間に介在配置された図示しない樹脂フレーム（ガスケット）から構成されている。

膜電極接合体１０（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）は、イオン交換膜からなる電解質膜１１と、この電解質膜の一面に配置された触媒層アノード側の触媒層１２及び電解質膜１１の他面に配置されたカソード側の触媒層１３とからなる。電解質膜１１は、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を有する固体高分子材料で作製されている。固体高分子材料としてはフッ素系の高分子膜（例えば、デュポン社製のナフィオン膜等）がある。触媒層１２及び触媒層１３は、白金微粒子を担持させた導電性カーボンブラックにより形成されている。なお、触媒層１２，１３に含まれる白金は、水素をプロトンと電子に分けるのを促進したり、酸素とプロトンと電子から水を生成する反応を促進する作用を有するものであるが、同様の作用を有するものであれば白金以外のものを用いてもよい。

次に膜電極接合体１０の周辺構成について説明する。
膜電極接合体１０とカソード側のセパレータ３０との間には、ガス拡散層（ＧＤＬ）１５が配置されている。ガス拡散層１５は、ＧＤＬ基材としての拡散層基材１６と集電層であるマイクロポーラス層１７からなる。拡散層基材１６は、例えばカーボン繊維を含む布状あるいは板状が用いられている。拡散層基材１６は、触媒層を支持する機能を持ち、導電性もよく、集電体としての機能も持つ。

ガス拡散性のために多孔質であり、かつ導電性を備えた拡散層基材１６は、具体的には、導電性無機物質を主とするものを挙げることができ、この導電性無機物質としては、ポリアクリロニトリルからの焼成体、ピッチからの焼成体、黒鉛及び膨張黒鉛等の炭素材やこれらのナノカーボン材料、ステンレススチール、モリブデン、チタン等を挙げることができる。さらに、拡散層基材１６の導電性無機物質の形態は特に限定するものではない。たとえば繊維状あるいは粒子状でも用いることができるが、ガス透過性の点から無機導電性繊維であって、特に炭素繊維が好ましい。無機導電性繊維を用いた拡散層基材としては、織布あるいは不織布いずれの構造のものも使用することができ、カーボンペーパーやカーボンクロスなどを挙げることができる。織布としては、平織、紋織、綴織など、特に限定されるものではない。例えば、不織布としては、抄紙法、ウォータージェットパンチ法によるものなどを挙げることができる。

前記炭素繊維としては、フェノール系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）系炭素繊維、レーヨン系炭素繊維などを挙げることができる。このような材料から拡散層基材１６が形成されていることにより、酸化剤ガスが供給され、電池反応が連続して進行して発電が安定化する。また、拡散層基材１６は、ガス拡散を促進するために撥水性を有することが好ましい。

前記拡散層基材１６と触媒層１３の間には、マイクロポーラス層１７（ＭＰＬ：微多孔質層）が形成されている。マイクロポーラス層１７は、撥水性の樹脂、例えば、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）とカーボンブラックなどの導電性材料を主成分とする多孔体薄膜により構成されることにより、触媒層１３から電子を集める電極の役割を果たすとともにガス拡散を促進するための撥水作用を奏する。

一方、膜電極接合体１０とアノード側のセパレータ２０との間において、触媒層１２に隣接して、マイクロポーラス層１８（ＭＰＬ：微多孔質層）が配置されている。マイクロポーラス層１８は、撥水性の樹脂とカーボンブラックなどの導電性材料を主成分とする多孔体薄膜により構成され、さらにその表面に親水性を付与するために、親水性のコーティング材が付与されている。親水性のコーティング材としては、例えば、ＰＶＡ（ポリビニールアルコール）を挙げることができるが、コーティング材としてはＰＶＡに限定するものではなく、親水性を有していれば限定されるものではない。

上記のようにして、マイクロポーラス層１８は、触媒層１２から電子を集める電極の役割を果たすとともに親水作用を奏する。
アノード側のセパレータ２０及びカソード側のセパレータ３０は、カーボン、または金属板、又は導電性樹脂、または金属板と樹脂フレーム、の何れかまたはその組み合わせからなる。

アノード側のセパレータ２０には、触媒層１２に燃料ガス（水素）を供給するための燃料ガス流路２１が形成されている。燃料ガス流路２１は、セパレータ２０のマイクロポーラス層１８に接触する側の面に形成された突起部としての突起２２の間に形成されて、ガス流れ方向に沿って延出され溝状に形成されている。

カソード側のセパレータ３０には、拡散層基材１６に酸化剤ガス（酸素、通常は空気）を供給するための酸化剤ガス流路３１が形成されている。酸化剤ガス流路３１は、セパレータ３０の拡散層１５に接触する側の面に形成された突起部としての突起３２の間に形成されて、ガス流れ方向に沿って延出され溝状に形成されている。

突起２２，３２は、その先端面が、マイクロポーラス層１８、ガス拡散層１５に対して押圧することにより接触している。突起２２，３２は、図示はしないがガス流れ方向に連続した突起（リブ状の突起）であってもよいし、或いは、突起２２，３２は、非連続の突起としてもよい。図１では、ガス流れ方向は、図面において、直交する方向である。なお、燃料ガス及び酸化剤ガスのガス流れ方向は平行流でもよく、或いは対向流でもよい。図１では、対向流の場合のガス流れ方向を矢印で示している。

なお、非連続の突起２２，３２にした場合、突起２２、３２の先端のセル面（セパレータ面）と平行な面内の形状は、正方形状、矩形状などにしてもよく、或いは円形状としてもよい。矩形状とする場合は、ガス流れ方向と直交する方向を矩形の短辺とし、ガス流れ方向を矩形の長辺とする。

（実施形態の作用）
さて、上記のように構成された単セルＴ及び燃料電池の作用を説明する。
燃料ガス流路２１に水素ガスが供給され、酸化剤ガス流路３１に酸化ガス（酸素又は空気）が供給されると、アノード側では、水素を水素イオン（プロトン）と電子にする反応が行われる。水素イオンは触媒層１２、電解質膜１１を介してカソード側に移動する。又、カソード側では酸素と水素イオンおよび電子（隣りの膜電極接合体１０のアノードで生成した電子がカソード側のセパレータ３０等を通してくる）ため、電気化学反応により水を生成する。カソード側で生成された水（生成水）は、アノード側に逆拡散する。

アノード側に逆拡散した生成水は、マイクロポーラス層１８が親水性を有しているため同部分で保水される。このため、アノードの反応層（触媒層１２）の水が、従来と異なり、取られることがなく、アノード側の電極の乾燥が防止され、電池性能の低下が防止される。なお、マイクロポーラス層１８において、生成水の液滴が大きくなり、ガス拡散阻害の可能性が考えられるが、水素の拡散速度は速いため、その影響はない。

本実施形態では、下記の特徴を有する。
（１） 本実施形態の燃料電池セルは、固体高分子電解質膜の両側面に触媒層が配置された膜電極接合体１０（ＭＥＡ）と、前記膜電極接合体１０（ＭＥＡ）の両側面にそれぞれ配置された一対のマイクロポーラス層１７、１８と、カソード側のマイクロポーラス層１７に積層配置された拡散層基材１６（ＧＤＬ基材）とを備え、アノード側のマイクロポーラス層１８の側面にはＧＤＬ基材レスの構成としている。そして、カソード側の拡散層基材１６（ＧＤＬ基材）とアノード側のマイクロポーラス層１８の外側からガス流路３１、２１を形成するセパレータ３０、２０で挟持されている。また、アノード側のマイクロポーラス層１８を親水性とし、カソード側のマイクロポーラス層１７を撥水性とした。

この結果、本実施形態によれば、アノード側の拡散基材を省略して、燃料電池の小型化ができるとともに、アノード（燃料極）の乾燥を防止することができ、高負荷、無加湿など、乾燥しやすい条件下での電池性能を向上できる燃料電池セルを提供できる。

（２） 本実施形態の燃料電池は、上記（１）の燃料電池セルが積層されたものとしている。この結果、本実施形態では、アノード側の拡散基材を省略して、燃料電池の小型化ができるとともに、アノード（燃料極）の乾燥を防止することができ、高負荷、無加湿など、乾燥しやすい条件下での電池性能を向上できる燃料電池を提供できる。

なお、本発明の実施形態は前記実施形態に限定されるものではなく、下記のように変更しても良い。
・ 図２に示すように、マイクロポーラス層１８とセパレータ２０間、及び拡散層基材１６とセパレータ３０との間に、多孔体４０、５０を介在配置するようにしてもよい。多孔体４０、５０は、例えば、ラスカットメタル或いはエキスパンドメタルにより形成されている。

・ マイクロポーラス層１８に親水性を付与するためのコーティング材の代わりに、アノード側のマイクロポーラス層１８を、カソード側のマイクロポーラス層１７よりも撥水性が弱くするようにして、マイクロポーラス層１７よりも親水性を高めてもよい。この場合、マイクロポーラス層１８を、マイクロポーラス層１７よりも親水性を高めるためには、マイクロポーラス層１８のＰＴＦＥの量を少なくして形成する。

・ また、親水性を付与する技術は、前記コーティング方法に限定するものではなく、公知の方法により、表面を改質して、マイクロポーラス層１７よりも親水性を高めるようにしてもよい。

１０…膜電極接合体、１１…固体高分子電解質膜、１２，１３…触媒層、
１５…ガス拡散層、１６…拡散層基材（ＧＤＬ基材）、
１７…アノード側マイクロポーラス層、１８…カソード側マイクロポーラス層、
２０、３０…セパレータ、２１，３１…ガス流路。

Claims (2)

1. 固体高分子電解質膜の両側面に触媒層が配置された膜電極接合体と、前記膜電極接合体の両側面にそれぞれ配置された一対のマイクロポーラス層と、カソード側のマイクロポーラス層に積層配置されたＧＤＬ基材とを備え、アノード側のマイクロポーラス層の側面にはＧＤＬ基材レスの構成とし、前記カソード側のＧＤＬ基材と前記アノード側のマイクロポーラス層の外側からガス流路を形成するセパレータで挟持された燃料電池セルにおいて、
   前記アノード側のマイクロポーラス層を親水性とし、カソード側のマイクロポーラス層を撥水性としたことを特徴とする燃料電池セル。
2. 請求項１に記載の燃料電池セルが積層された燃料電池。