JP2022039169A - 固体高分子形燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】単位投影面積当りの特性を大幅に改善することができるとともに、簡素で安価な固体高分子形燃料電池スタックを提供する。【解決手段】固体高分子電解質膜の一方の面に水素酸化性能を有するアノード触媒を含むアノード触媒層を配置し、他方の面に酸化還元性能を有するカソード触媒を含むカソード触媒層を配置し、アノード触媒層及びカソード触媒層にそれぞれ接してガス拡散層を配置して構成した単位電池と、ガス拡散層にそれぞれ接して配置され、燃料ガス流通路または酸化剤ガス流通路が設けられた、電気伝導性材料からなるセパレータと、を具備した基本構成要素を複数個積層して積層体を構成する燃料電池スタックであって、固体高分子電解質膜と、アノード触媒層及びカソード触媒層を、一定の周期で厚み方向に凹凸形状を繰り返す台形波状又は矩形波状に構成した。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、固体高分子形燃料電池スタックに関する。

電解質としてプロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜を用いた燃料電池スタックは、電解質膜をアノード電極とカソード電極で狭持した膜電極複合体（ＭＥＡ）の両面に、ガス流通路を設けた電気伝導性のセパレータを配置して単セル電池（単位電池）を構成し、単セル電池を複数積層して構成される。

一般的に、膜電極複合体（ＭＥＡ）を構成する固体高分子電解質膜、アノード電極、カソード電極は全て平板状すなわちシート状で積層されており、その有効面積はアノード電極及びカソード電極の面積で規定される。有効面積の単位面積当りの特性、すなわちセル電圧と電流は同一構成の材料では一定であり、燃料電池出力を大きくするために、より活性が高く、電気的抵抗が低く、ガス拡散性に優れる電池材料を選定し、単位面積当りの特性を改善する試みがなされてきた。

単位面積当りの特性を改善する方法に関して、特許文献１では、電解質膜表面及び反応膜に波形形状の凹凸を設けて、実質的な有効面積を増加させる構造が提案されている。

特許第２８３１０６１号公報

上述した従来の技術では、電解質膜表面及び反応膜に波形形状の凹凸を設けることで、接触面積すなわち実質的な有効面積を増やして特性を改善することに成功している。しかし、その改善の度合いは平滑面と比較して限界電流密度が５０％増加するに留まっており、大幅な特性改善とはならないという課題があった。

本発明は上述した課題を解決するためになされたものであり、単位投影面積当りの特性を大幅に改善することができるとともに、簡素で安価な固体高分子形燃料電池スタックを提供することを目的とする。

実施形態の固体高分子形燃料電池スタックは、固体高分子電解質膜の一方の面に水素酸化性能を有するアノード触媒を含むアノード触媒層を配置し、前記固体高分子電解質膜の他方の面に酸化還元性能を有するカソード触媒を含むカソード触媒層を配置し、前記アノード触媒層及び前記カソード触媒層にそれぞれ接してガス拡散層を配置して構成した単位電池と、前記ガス拡散層にそれぞれ接して配置され、燃料ガス流通路又は酸化剤ガス流通路が設けられた、電気伝導性材料からなるセパレータと、を具備した基本構成要素を複数個積層して積層体を構成する燃料電池スタックであって、前記固体高分子電解質膜と、前記アノード触媒層及び前記カソード触媒層を、一定の周期で厚み方向に凹凸形状を繰り返す台形波状又は矩形波状に構成したことを特徴とする。

実施形態の固体高分子形燃料電池スタックの概略構成を模式的に示す図。 図１の固体高分子形燃料電池スタックのＡ－Ａ´断面の構成を示す図。 図１の固体高分子形燃料電池スタックのＡ－Ａ´断面の構成を示す拡大図。 実施例２の固体高分子形燃料電池スタックのＡ－Ａ´断面の構成を示す拡大図。

以下、実施形態に係る固体高分子形燃料電池スタックについて、図面を参照して説明する。

図１は、実施形態の固体高分子形燃料電池スタック１００の概略構成を模式的に示す図であり、図２は、図１の固体高分子形燃料電池スタック１００のＡ－Ａ´断面の構成を示す図、図３は図１のＡ－Ａ´断面の構成を拡大して示す図である。

図２に示すように、単位電池（単セル電池）１０１は、高分子電解質膜１０２、アノード電極１０３、カソード電極１０４からなる膜・電極複合体（ＭＥＡ）と、燃料ガス流路付セパレータ１０５と、酸化剤ガス流路付セパレータ１０６とで構成されている。

燃料ガス流路付セパレータ１０５の一方の表面には、燃料ガス流通路１０３ｃが設けられており、その端部は燃料ガス流路付セパレータ１０５の側面に開口している。酸化剤ガス流路付セパレータ１０６の一方の表面には、酸化剤ガス流通路１０４ｃが設けられ、他方の表面には冷却水流通路１０７ｃが設けられており、それらの端部は、酸化剤ガス流路付セパレータ１０６の側面に開口している。

単位電池（単セル電池）１０１は、複数積層されて積層体を構成する。積層体の側面には、図１に示すように、空気（酸化剤ガス）入口マニホールド１１０と冷却水出口マニホールド１１１とを有する空気（酸化剤ガス）入口・冷却水出口マニホールド、空気（酸化剤ガス）出口マニホールド１１２と冷却水入口マニホールド１１３とを有する空気（酸化剤ガス）出口・冷却水入口マニホールド、燃料入口マニホールド１１４、燃料出口マニホールド１１５が配置されている。そして、これらは空気（酸化剤ガス）流通路、燃料ガス流通路、冷却水流通路と連通していて、反応に必要な燃料・空気（酸化剤ガス）を膜・電極複合体（ＭＥＡ）に供給・排出し、所定の流量の冷却水を供給し、反応に伴う発熱の冷却を行う。

図２、図３に示すように、膜・電極複合体（ＭＥＡ）は、高分子電解質膜１０２の両側に、アノード触媒層１０３ａ及びカソード触媒層１０４ａを配置し、さらに外側にはアノードガス拡散層及びカソードガス拡散層を配置して構成される。高分子電解質膜１０２は、イオン伝導性とともにガスバリア性が必要であり、反応ガスの混合を防ぐため、燃料ガス流路付セパレータ１０５及び酸化剤ガス流路付セパレータ１０６と同じ大きさまで延長されている。

ガス拡散層は、燃料ガス流路付セパレータ１０５及び酸化剤ガス流路付セパレータ１０６や、高分子電解質膜１０２よりも一回り小さく、その周囲には反応ガスをシールするエッジシール材１０９が配置される。エッジシール材１０９はガス流通路の端部の溝よりも外側に配置されている。

本実施形態では、高分子電解質膜１０２とアノード触媒層１０３ａ及びカソード触媒層１０４ａとに、セル厚み方向に高低差を設けている。すなわち、図３に示すように、燃料電池スタックの膜・電極複合体（ＭＥＡ）の断面を見た時に、これらが一定の周期Ｐで凹凸形状となっており、高低差Ｈを設けた構成となっている。また、凹凸の切替え部分には、垂直方向に対して斜面の角度θ（例えば、１５°程度）が設けられている。したがって、高分子電解質膜１０２とアノード触媒層１０３ａ及びカソード触媒層１０４ａの断面は、厚み方向に台形波状に構成されている。

しかしながら、上記の角度θは、必ずしも設ける必要はなく、角度θを０°としてもよい。この場合、図４に示すように、高分子電解質膜１０２とアノード触媒層１０３ａ及びカソード触媒層１０４ａの断面は、その凹凸の切替え部分の角度が９０°となり、厚み方向に矩形波状に構成される。上記のように、台形波状とした場合及び矩形波状とした場合のいずれの場合も、高低差Ｈが、周期Ｐの１／２（図４の場合高さが一定の部分の幅）より大きくなるようにする、すなわち、
Ｈ＞Ｐ／２
とすることが好ましい。これによって後述する有効面積を広げることが可能になる。

ここで、本実施形態では、図２に示すように、膜・電極複合体（ＭＥＡ）における高分子電解質膜１０２とアノード触媒層１０３ａ及びカソード触媒層１０４ａからなる凹凸形状の周期と、酸化剤ガス流通路１０４ｃ及び燃料ガス流通路１０３ｃの溝形状の周期を同一とし、燃料ガス流通路１０３ｃの溝部と、アノード触媒層１０３ａが近接し、かつ酸化剤ガス流通路１０４ｃの土手部とカソード触媒層１０４ａが近接するように構成している。

また、本実施形態では、燃料ガス流路付セパレータ１０５、酸化剤ガス流路付セパレータ１０６を、導電性多孔質材料で構成している。この場合、冷却水流通路１０７ｃの冷却水圧力を、燃料ガス流通路１０３ｃの燃料ガス及び酸化剤ガス流通路１０４ｃの酸化剤ガスの圧力よりも低く設定することにより、燃料電池反応で生じた生成水を、セパレータを介して冷却水流通路１０７ｃを流通する冷却水に排出することが可能になる。さらに、酸化剤ガス流通路１０４ｃの土手部とカソード触媒層１０４ａが近接するように構成することにより、土手部に接するカソード拡散層に堆積する水分を速やかに排水することが可能となり、溝部の反応が促進され、全体として出力が向上する効果が得られる。なお、燃料ガス流通路１０３ｃの土手部と、アノード触媒層１０３ａが近接し、かつ酸化剤ガス流通路１０４ｃの溝部とカソード触媒層１０４ａが近接するようにしてもよい。

（実施例１）
表１は、従来の燃料電池スタックと、実施例１ａ、実施例１ｂの燃料電池スタックの触媒層寸法の比較を示している。なお、実施例１ａ、実施例１ｂでは、高分子電解質膜１０２とアノード触媒層１０３ａ及びカソード触媒層１０４ａの形状は図３に示した台形波状である。

従来の燃料電池スタックでは、電解質膜及び触媒層を平板状に構成し、触媒有効面積は２１６ｃｍ^２となった。実施例１ａの燃料電池スタックでは、周期Ｐ＝０．５ｍｍ、高低差Ｈ＝０．２ｍｍ、角度θ=１５度で凹凸を設けることで、触媒層の幅を拡大し、有効面積は１３２ｃｍ^２（６０％）増加した。

さらに、実施例１ｂでは周期Ｐ＝０．１５ｍｍ、高低差Ｈ＝０．１ｍｍ、角度θ=１５度で凹凸を設けることで、触媒層の幅を拡大し、有効面積は２２０ｃｍ^２（１００％）増加した（この場合、Ｈ＞Ｐ／２となる。）。以上の構成により、電解質膜及びアノード・カソード触媒層を周期的にセル厚み方向に高低差を設ける、つまり反応有効部分を広げることが可能となり、単位体積当りの燃料電池の出力が向上する。

（実施例２）
次に、実施例２について説明する。図４は、図３と同様な、燃料電池スタックの膜・電極複合体（ＭＥＡ）の断面の構成を拡大して示す図である。図４に示すように、実施例２では、実施例１と同様に、膜・電極複合体（ＭＥＡ）における高分子電解質膜１０２とアノード触媒層１０３ａ及びカソード触媒層１０４ａについて、セル厚み方向に高低差を設けている。この場合、一定の周期Ｐで凹凸形状とし、高低差Ｈを設けている。これは、前述した凹凸の切替え部分における、垂直方向に対して斜面の角度θを０度とした場合に相当する。すなわち、この場合矩形波状となっている。

表２は、従来の燃料電池スタックと、実施例２に係る燃料電池スタックの触媒層寸法の比較を示している。

従来の燃料電池スタックでは、電解質膜及び触媒層を平板状に構成し、触媒有効面積は２１６ｃｍ^２となった。実施例２ａでは周期Ｐ＝０．５ｍｍ、高低差Ｈ＝０．２ｍｍで凹凸を設けることで、触媒層の幅を拡大し、有効面積は１７２ｃｍ^２（８０％）増加した。

さらに、実施例２ｂでは、周期Ｐ＝０．１５ｍｍ、高低差Ｈ＝０．１ｍｍで凹凸を設けることで、触媒層の幅を拡大し、有効面積は２８８ｃｍ^２（１３０％）増加した（この場合、Ｈ＞Ｐ／２となる。）。以上のように、実施例２においても、実施例１の場合と同様に、電解質膜及びアノード・カソード触媒層を周期的にセル厚み方向に高低差を設けることによって、反応有効部分を広げることが可能となり、単位体積当りの燃料電池の出力が向上する。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１００……燃料電池スタック、１０１……単位電池、１０２……高分子電解質膜、１０３……アノード電極、１０３ａ……アノード触媒層、１０３ｃ……燃料ガス流通路、１０４……カソード電極、１０４ａ……カソード触媒層、１０４ｃ……酸化剤ガス流通路、１０５……燃料ガス流通路付セパレータ、１０６……酸化剤ガス流通路付セパレータ、１０７ｃ……冷却水流通路、１０９……エッジシール材、１１０……空気入口マニホールド、１１１……冷却水出口マニホールド、１１２……空気出口マニホールド、１１３……冷却水入口マニホールド、１１４……燃料入口マニホールド、１１５……燃料出口マニホールド。

Claims (4)

1. 固体高分子電解質膜の一方の面に水素酸化性能を有するアノード触媒を含むアノード触媒層を配置し、前記固体高分子電解質膜の他方の面に酸化還元性能を有するカソード触媒を含むカソード触媒層を配置し、前記アノード触媒層及び前記カソード触媒層にそれぞれ接してガス拡散層を配置して構成した単位電池と、
   前記ガス拡散層にそれぞれ接して配置され、燃料ガス流通路又は酸化剤ガス流通路が設けられた、電気伝導性材料からなるセパレータと、
   を具備した基本構成要素を複数個積層して積層体を構成する燃料電池スタックであって、
   前記固体高分子電解質膜と、前記アノード触媒層及び前記カソード触媒層を、一定の周期で厚み方向に凹凸形状を繰り返す台形波状又は矩形波状に構成した
   ことを特徴とする燃料電池スタック。
   
2. 請求項１に記載の燃料電池スタックであって、
   前記台形波状又は前記矩形波状の形状は、前記周期をＰ、厚み方向の高低差をＨ、としたときに
   Ｈ＞Ｐ／２
   であることを特徴とする燃料電池スタック。
   
3. 請求項１又は２に記載の燃料電池スタックであって、
   前記台形波状又は前記矩形波状の前記周期を、
   前記燃料ガス流通路又は前記酸化剤ガス流通路の溝形状の周期と同一とし、かつ、前記燃料ガス流通路又は前記酸化剤ガス流通路の溝の開口部と、前記固体高分子電解質膜とアノード触媒層及びカソード触媒層が近接するようにしたことを特徴とする燃料電池スタック。
   
4. 請求項１乃至３の何れか１項に記載の燃料電池スタックであって、
   前記セパレータが導電性多孔質材料で構成されていることを特徴とする燃料電池スタック。

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