JP4397215B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

この発明は、燃料電池の構造に関する。

燃料電池は、環境に優しいクリーンな電源として注目されており、また、燃料電池を改良するための種々の努力がなされている。例えば、特許文献１には、設計者の意図通りの物性を備えたガス透過層を得るために、アノード側とカソード側のガス拡散層１，５として厚み方向にプレス加圧したものを用いた燃料電池が記載されている。

特開２００３−３４３３７９号公報 特開平１０−２６１４２１号公報

燃料電池では、電気化学反応によってカソード電極で水が生成され、この水の一部が電解質膜を介してアノード電極に移動する。ところが、アノードガスはカソードガス（通常は空気）に比べてガスの流量が少ないので、水を排出しにくい。このため、アノード電極の水を十分に排出できずに、発電効率が低下するという問題があった。

本発明は、アノード電極において水を十分に排出できないことに起因する発電効率の低下を緩和できる技術を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明による燃料電池は、
高分子固体電解質膜と、
前記高分子固体電解質膜の両側に設けられたカソード電極およびアノード電極と、
を備え、
前記カソード電極は前記高分子固体電解質膜に接して設けられたカソード触媒層と、前記カソード触媒層に接して設けられたカソード拡散層とを有し、
前記アノード電極は前記高分子固体電解質膜に接して設けられたアノード触媒層と、前記アノード触媒層に接して設けられたアノード拡散層とを有し、
前記カソード拡散層は５秒／１００ｃｃ以下の透気度を有し、前記アノード拡散層は１６０秒／１００ｃｃから４４０秒／１００ｃｃの範囲の透気度を有する。

この燃料電池によれば、カソード拡散層は水の透過性が比較的高く、アノード拡散層は水の透過性が比較的低い。従って、カソード電極で生成された水の一部がアノード電極に移動すると、アノード拡散層での水濃度が高くなり易く、カソード電極からアノード電極への水の移動が抑制される。また、カソード拡散層は水の透過性が高いので、カソードガス（酸化ガス）の流れによって水が排出され易い。この結果、アノード電極において水を十分に排出できないことに起因する発電効率の低下を緩和することができる。

なお、前記アノード拡散層は２００秒／１００ｃｃから４００秒／１００ｃｃの範囲の透気度を有することが好ましい。

この構成によれば、カソード電極とアノード電極における水濃度がより適切で効果的な値となる。

前記アノード拡散層は、比較的高い透気度を有する高拡散層と、比較的低い透気度を有する低拡散層とで構成されているものとしてもよい。

また、前記高拡散層は、カーボンペーパーまたはカーボンクロスで構成されており、
前記低拡散層は、導電性フィルムまたは前記高拡散層上に形成されたカーボン層で構成されているものとしてもよい。

図１（Ａ）は、本発明の第１実施形態の燃料電池１０（「単セル」とも呼ぶ）の構造を示しており、図１（Ｂ）はその分解図を示している。この単セル１０は、電解質膜３０と、電解質膜３０の両側に接した状態で設けられたカソード電極２０ｃおよびアノード電極２０ａと、単セル１０を積層する際にカソード電極２０ｃとアノード電極２０ａとの間に介挿されるセパレータ６０とを有している。セパレータ６０とカソード電極２０ｃとの間には酸化ガス流路ＦＬｃが形成され、また、セパレータ６０とアノード電極２０ａとの間には燃料ガス流路ＦＬａが形成される。電解質膜３０は、例えば高分子固体電解質で構成されている。セパレータ６０は、水素透過性が低く導電性の良好な材料で形成されており、例えば樹脂に導電材料を混入して成形したものが用いられる。

図１（Ｂ）に示すように、カソード電極２０ｃは、電解質膜３０に接して設けられたカソード触媒層４０ｃと、カソード触媒層４０ｃに接して設けられたカソード拡散層５０ｃとで構成されている。カソード拡散層５０ｃは、セパレータ側の高拡散層５１ｃと、触媒層側の低拡散層５２ｃとで構成されている。アノード電極２０ａも同様に、電解質膜３０に接して設けられたアノード触媒層４０ａと、アノード触媒層４０ａに接して設けられたアノード拡散層５０ａとで構成されている。アノード拡散層５０ａは、セパレータ側の高拡散層５１ａと、触媒層側の低拡散層５２ａとで構成されている。なお、カソード電極２０ｃとアノード電極２０ａを構成する各層は、いずれも導電性である。

図２は、第１実施形態におけるカソード拡散層５０ｃとアノード拡散層５０ａの構成を示している。第１実施形態では、高拡散層５１ｃ，５１ａはカーボンペーパーであり、低拡散層５２ｃ，５２ａはカーボン層である。このカーボン層は、例えばカーボンブラックを混入したフッ素樹脂（例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）や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））のディスパージョン（分散液）をカーボンペーパーの上に塗布し、乾燥した後に、焼成することによって形成することができる。この際、カーボンブラックとフッ素樹脂の混合割合を調整することによって低拡散層５２ｃ，５２ａの透気度を望ましい値に設定することができ、ひいてはカソード拡散層５０ｃとアノード拡散層５０ａの透気度をそれぞれ望ましい値に設定することができる。なお、透気度の値を大きく（透過性を低く）するためには、フッ素樹脂の割合を大きくすれば良い。また、フッ素樹脂と混合するカーボンの一部または全部に繊維状カーボンを用いると、透気度の値を小さく（透過性を高く）することができる。

カソード拡散層５０ｃの透気度は、５秒／１００ｃｃ以下の値とすることができるが、１秒／１００ｃｃ〜５秒／１００ｃｃの範囲の値とすることが好ましく、２秒／１００ｃｃ〜４秒／１００ｃｃの範囲の値とすることが最も好ましい。アノード拡散層５０ａの透気度は、１６０秒／１００ｃｃ〜４４０秒／１００ｃｃの値とすることができるが、２００秒／１００ｃｃ〜４００秒／１００ｃｃの範囲の値とすることが好ましく、２１０秒／１００ｃｃ〜３８０秒／１００ｃｃの範囲の値とすることが最も好ましい。なお、透気度は、ＪＩＳ Ｐ８１１７として規格化されているガーレー試験機法によって測定することができる。透気度の測定は、拡散層５０ｃ，５０ａについてそれぞれ単品の状態で行われる。

透気度の単位［秒／１００ｃｃ］は、１００ｃｃの空気が通過する時間を意味している。従って、透気度の値が大きいほど気体が透過し難く、透気度の値が小さいほど気体が透過し易い。水分子についても同様に、透気度の値が大きいものほど透過し難く、透気度の値が小さいものほど透過し易い。カソード拡散層５０ｃは透気度の値が比較的小さいので気体や水が透過し易く、アノード拡散層５０ａは透気度の値が比較的大きいので気体や水が透過し難い。なお、本明細書では、気体や水が透過し易い性質を「拡散性が高い」あるいは「高拡散」とも呼び、気体や水が透過し難い性質を「拡散性が低い」あるいは「低拡散」とも呼ぶ。カーボンペーパーで構成されている高拡散層５１ｃ，５１ａは、カーボン層で構成されている低拡散層５２ｃ，５２ａよりも拡散性が高い。

カソード電極２０ｃにおいて電気化学反応で生成された水の一部は、電解質膜３０を透過してアノード電極２０ａ側に移動する。しかし、アノード拡散層５０ａは水が透過し難いので、アノード電極２０ａにおける水濃度がすぐに高くなり、それ以上の水がアノード電極２０ａ側に移動してくることが防止される。アノードガス流路ＦＬａにはアノードガス（燃料ガス）が流れるので、空気が流れるカソードガス流路ＦＬｃよりも流量が小さく、水の排出能力が低い。しかし、本実施形態では、カソード電極２０ｃからアノード電極２０ａ側にあまり水が蓄積されないので、アノードガス流路ＦＬａの水の排出能力が低いことは問題とはならず、アノード電極２０ａにおけるガスの拡散性を高いレベルに維持することができる。

一方、カソード拡散層５０ｃは水が透過しやすいので、カソード電極２０ｃで生成された水は、カソード拡散層５０ｃを介してカソードガス流路ＦＬｃに容易に排出される。カソードガスとしては、通常は空気が用いられるので、電気化学反応で消費される酸素量に比べてかなり大量のカソードガス（空気）が流路ＦＬｃを流れる。すなわち、カソードガス流路ＦＬｃの流量と流速は、アノードガス流路ＦＬａの流量と流速よりも大きく、水の排出能力も高い。従って、電気化学反応で生成された水を、カソードガスによって大量に排出することができる。

このように、本実施形態では、カソード電極２０ｃ側のガス流路ＦＬｃから水が優先的に排出されるので、アノード電極２０ａにおけるガスの拡散性を高いレベルに維持することができる。従って、アノード電極２０ａのガス流路ＦＬａから水を十分に排出できないことに起因していた発電効率低下の問題を緩和することができる。

図３は、第１実施形態の実施例と比較例における拡散層の透気度の測定結果と、単セル１０の電流／電圧性能試験結果とを示す図である。実施例１−１では、カソード拡散層５０ｃの透気度が３秒／１００ｃｃ、アノード拡散層５０ａの透気度が２１０秒／１００ｃｃであり、電流密度１．５Ａ／ｃｍ² のときのセル電圧が０．６３ボルトであった。実施例１−２では、カソード拡散層５０ｃの透気度が４秒／１００ｃｃ、アノード拡散層５０ａの透気度が３８０秒／１００ｃｃであり、電流密度１．５Ａ／ｃｍ² のときのセル電圧が０．６６ボルトであった。これらの実施例１−１，１−２における拡散層５０ｃ，５０ａは、いずれも上述した好ましい透気度の値の範囲内にあり、高いセル電圧を示している。

比較例１−１は、カソード拡散層５０ｃの透気度が３秒／１００ｃｃ、アノード拡散層５０ａの透気度が１５０秒／１００ｃｃであり、電流密度１．５Ａ／ｃｍ² のときのセル電圧が０．５１ボルトであった。比較例１−２は、カソード拡散層５０ｃの透気度が３秒／１００ｃｃ、アノード拡散層５０ａの透気度が４５０秒／１００ｃｃであり、電流密度１．５Ａ／ｃｍ² のときのセル電圧が０．５３ボルトであった。比較例１−３は、カソード拡散層５０ｃの透気度が７秒／１００ｃｃ、アノード拡散層５０ａの透気度が３００秒／１００ｃｃであり、電流密度１．５Ａ／ｃｍ² のときのセル電圧が０．５２ボルトであった。比較例１−１および比較例１−２は、カソード拡散層５０ｃの透気度は好ましい範囲にあるものの、アノード拡散層５０ａの透気度の値が過度に小さい（比較例１−１）か、あるいは過度に大きい（比較例１−２）。また、比較例１−３は、カソード拡散層５０ｃの透気度の値が過度に大きい。このため、比較例１−１，１−２，１−３では、いずれもセル電圧が実施例１−１，１−２に比べて低い値になっている。

なお、比較例１−１のように、アノード拡散層５０ａの透気度の値が過度に小さい（拡散性が高い）場合には、水の拡散性が高くなるので、アノード電極２０ａに水が過度に貯まってしまい、セル電圧が低下すると推定される。一方、比較例１−２のように、アノード拡散層５０ａの透気度の値が過度に大きい（拡散性が低い）場合には、アノードガスの透過性も悪くなるので、アノード電極２０ａへのアノードガスの供給不足によってセル電圧が低下すると推定される。また、比較例１−３のように、カソード拡散層５０ｃの透過度の値が大きく（拡散性が低く）なると、カソードガス流路ＦＬｃの水の排出能力が低下してしまうためにセル電圧が低下すると推定される。

図４は、実施例１−１，１−２および比較例１−１，１−２におけるアノード拡散層５０ａの透気度とセル電圧との関係を示すグラフである。図３に示した比較例１−３は、カソード拡散層５０ｃの透気度の値が他に比べて高いので図４では省略されている。図４から、アノード拡散層５０ａの透気度は、１６０秒／１００ｃｃ〜４４０秒／１００ｃｃの値とすることができ、２００秒／１００ｃｃ〜４００秒／１００ｃｃの範囲の値とすることが好ましく、２１０秒／１００ｃｃ〜３８０秒／１００ｃｃの範囲の値とすることが最も好ましいことが理解できる。

図５（Ａ）は、第２実施形態におけるカソード拡散層５０ｃとアノード拡散層５０ａの構成を示している。第１実施形態との違いは、アノード拡散層５０ａの低拡散層５２ａがカーボン層でなく導電性フィルムで構成されている点だけである。この導電性フィルムは、例えばカーボンブラック等の導電性材料とフッ素樹脂とを混練した後に膜形成し、膜を延伸することによって形成することができる。この際、膜の延伸度合いを調整することによって低拡散層５２ａの透気度を望ましい値に設定することができる。

図５（Ｂ）は、第３実施形態におけるカソード拡散層５０ｃとアノード拡散層５０ａの構成を示している。第２実施形態との違いは、カソード拡散層５０ｃの低拡散層５２ｃもカーボン層でなく導電性フィルムで構成されている点だけである。第２、第３実施形態においても、カソード拡散層５０ｃとアノード拡散層５０ａの透気度をそれぞれ適切な値に調整することが可能である。

上述した第１ないし第３実施形態では、拡散層５０ｃ，５０ａが高拡散層５１ｃ，５１ａと低拡散層５２ｃ，５２ａの２層構造をそれぞれ有しているので、低拡散層５２ｃ，５２ａの透気度を調整することによって、拡散層５０ｃ，５０ａの透気度をそれぞれ容易に調整することができる。但し、カソード拡散層５０ｃとアノード拡散層５０ａは、必ずしも２層構造を有している必要は無く、１層構造あるいは３層以上の多層構造を有していてもよい。

本発明の第１実施形態の燃料電池１０の構造を示す図。 第１実施形態におけるカソード拡散層５０ｃとアノード拡散層５０ａの構成を示す図。 第１実施形態の実施例と比較例における拡散層の透気度と、電流／電圧試験結果とを示す図。 第１実施形態の実施例と比較例におけるアノード拡散層５０ａの透気度とセル電圧との関係を示すグラフ。 他の実施形態におけるカソード拡散層５０ｃとアノード拡散層５０ａの構成を示す図。

符号の説明

１０…燃料電池（単セル）
２０…電解質膜
２０ａ…アノード電極
２０ｃ…カソード電極
３０…電解質膜
４０ａ…アノード触媒層
４０ｃ…カソード触媒層
５０ａ…アノード拡散層
５０ｃ…カソード拡散層
５１ｃ，５１ａ…高拡散層
５２ｃ，５２ａ…低拡散層
６０…セパレータ

Claims (2)

1. 燃料電池であって、
   高分子固体電解質膜と、
   前記高分子固体電解質膜の両側に設けられたカソード電極およびアノード電極と、
   を備え、
   前記カソード電極は前記高分子固体電解質膜に接して設けられたカソード触媒層と、前記カソード触媒層に接して設けられたカソード拡散層とを有し、
   前記アノード電極は前記高分子固体電解質膜に接して設けられたアノード触媒層と、前記アノード触媒層に接して設けられたアノード拡散層とを有し、
   前記カソード拡散層は５秒／１００ｃｃ以下の透気度を有し、前記アノード拡散層は１６０秒／１００ｃｃから４４０秒／１００ｃｃの範囲の透気度を有する、燃料電池。
2. 請求項１記載の燃料電池であって、
   前記アノード拡散層は２００秒／１００ｃｃから４００秒／１００ｃｃの範囲の透気度を有する、燃料電池。

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