JP4935062B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

この発明は、燃料電池において、触媒電極層上に積層された導電性多孔質部材から形成されるガス拡散層に関する。

近年、水素と酸素の電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。このような燃料電池としては、一般に、電解質膜上に設けられた触媒電極（酸素極および水素極。酸素極を以下では、カソードと呼び、水素極を以下では、アノードと呼ぶ。）に対して反応ガス（燃料ガスまたは酸化ガス）を給排すると共に、ガス拡散性あるいは集電性を確保するために、触媒電極上に、多孔質な導電性部材から成る層（以下では、ガス拡散層とも呼ぶ。）が配設される（特許文献１参照）。

ところで、この燃料電池のカソードでは、電気化学反応によって水が生成される。また、アノードでも、カソード側から電解質膜を透過してくるなどして水が生じる。このような生成水は、ガス拡散層による毛管吸引力によって、触媒電極部分からガス拡散層内に拡散し、触媒電極に供給される反応ガスのガス圧等によって、燃料電池の外部に排出される。

特開平７−３２０７５３号公報

しかしながら、ガス拡散層は、構造的に生成水を保持し続けようとするため、ガス拡散層から生成水の排出が効率よく行うことができないというおそれがあった。その結果、ガス拡散層に生成水が滞留し、触媒電極に対して反応ガスの供給が抑制され、燃料電池の電池性能が低下するという問題があった。

本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池において、ガス拡散層から生成水を効率よく排出する技術を提供することを目的とする。

上記目的の少なくとも一部を達成するために、本発明の燃料電池は、
燃料電池であって、
電解質膜と、
前記電解質膜の膜面に形成された触媒電極層と、
前記触媒電極層の外側に積層され、電気化学反応に供される反応ガスを前記触媒電極に供給するための流路を構成し、導電性多孔質部材によって形成されるガス拡散層と、
前記ガス拡散層中に設けられ、重力方向下向きに沿って、断面積が小さくなっていく部分を少なくとも有し、前記ガス拡散層中の水を収集するための水収集部材と、
前記水収集部材より、前記重力方向下向きに対して下側に設けられる水排出口と、
を備えることを要旨とする。

上記構成の燃料電池によれば、水収集部材は、ガス拡散層中の水を収集し、特に、断面積が小さくなっていく部分で凝縮することができる。その後、その凝縮水は、重力方向下向きに、落下させることができる。このように、水を凝縮させて、落下させることができるので、水排出口から水を効率よく排出することができる。

上記燃料電池において、
前記水収集部材は、前記重力方向下向きの先端部分で、前記断面積が小さくなっていく構成としてもよい。

このようにすれば、水収集部材が収集し、凝縮した水は、水収集部材の先端部分から落下しやすくなる。その結果、ガス拡散層中の水を効率よく排出することができる。

上記燃料電池において、
前記水収集部材は、前記重力方向下向きの先端部分が鋭角を形成するようにしてもよい。

このようにすれば、水収集部材が収集し、凝縮した水は、水収集部材の先端部分から落下しやすくなる。その結果、ガス拡散層中の水を効率よく排出することができる。

上記燃料電池において、
前記ガス拡散層の外側に積層されるセパレータを備え、
前記水収集部材は、前記ガス拡散層において、前記セパレータ側に設けるようにしてもよい。

このように、水収集部材を、ガス拡散層におけるセパレータ側に設ければ、セパレータ側の水の排水が促進され、そのため、触媒電極側の水が、ガス拡散層中に拡散することを促進することができる。その結果、例えば、触媒電極において、フラッディングを抑制することができる。

上記燃料電池において、
前記水収集部材は、
少なくとも一部の表面に、前記ガス拡散層よりも親水性が高い部分を有するようにしてもよい。

このようにすれば、水収集部材において、水の収集、凝縮を促進することができる。その結果、水を効率よく排出することができる。

上記燃料電池において、
前記水収集部材は、
前記ガス拡散層中に離散的に複数設けるようにしてもよい。

このようにすれば、ガス拡散層中において、より均一に水を収集することができる。

本発明は、上記以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、本発明の燃料電池を備える燃料電池システムなどの形態で実現することが可能である。

以下では、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の手順で説明する。
Ａ．実施例：
Ａ１．燃料電池１００の構成：
Ａ２．単セル１０の構成：
Ｂ．変形例：

Ａ．実施例：
Ａ１．燃料電池１００の構成：
図１は、実施例に係る燃料電池１００の外観構成を示す説明図である。燃料電池１００は、比較的小型で発電効率に優れる固体高分子型燃料電池である。燃料電池１００は、スタック１１０と、エンドプレート３００と、テンションプレート３１０と、インシュレータ３３０と、ターミナル３４０とを備えている。スタック１１０は、モジュール２００が、設置面に対して垂直に複数個積層されて構成される。また、スタック１１０は、インシュレータ３３０およびターミナル３４０を挟んで、２枚のエンドプレート３００によって挟持される。そして、燃料電池１００は、テンションプレート３１０がボルト３２０によって各エンドプレート３００に結合されることによって、スタック１１０（各モジュール２００）を、積層方向に所定の力で締結する構造となっている。なお、設置面は、重力方向に垂直な面である。

燃料電池１００のカソード（図１には示さず）には、酸化ガス（カソードガス）が供給され、電気化学反応後、酸化排ガスとして燃料電池１００外に排出される。燃料電池１００のアノード（図１には示さず）には、燃料ガス（アノードガス）が供給され、電気化学反応後、燃料排ガスとして燃料電池１００外に排出される。また、燃料電池１００には、燃料電池１００を冷却するための冷却媒体（水、エチレングリコール等の不凍水、空気等）が供給される。

Ａ２．単セル１０の構成：
図２は、燃料電池１００を構成するモジュール２００の概略構成を示す説明図である。モジュール２００は、図２に示すように、本発明の特徴部分であるセパレータ３０と単セル１０とを交互に積層して構成される。なお、以下では、セパレータ３０と単セル１０とを積層する方向を積層方向とも呼び、単セル１０面に平行な方向を面方向とも呼ぶ。また、図２では、面方向うち、下側が重力方向下向きとなっている。

単セル１０は、ＭＥＡと、ＭＥＡの外側に配設された第２ガス拡散層１４，１５と、シール部１６とを備える。ここで、ＭＥＡは、電解質膜２０と、電解質膜２０を間に挟んでその表面に形成された触媒電極であるカソード２２およびアノード２４と、上記触媒電極のさらに外側に配設された第１ガス拡散層２６，２８とを備えている。

電解質膜２０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。カソード２２およびアノード２４は、電気化学反応を促進する触媒、例えば、白金、あるいは白金と他の金属から成る合金を備えている。第１ガス拡散層２６，２８は、例えばカーボン製の多孔質部材である。

第２ガス拡散層１４，１５は、例えば、チタン（Ｔｉ）などから成る発泡金属や金属メッシュなどの金属製多孔質体によって形成される。第２ガス拡散層１４，１５は、ＭＥＡとセパレータ３０との間に形成される空間全体を占めるように配設されており、内部に形成される多数の細孔から成る空間は、電気化学反応に供されるガス（反応ガス、すなわち、燃料ガスまたは酸化ガス）が通過する単セル内ガス流路として機能する。この場合、特に、第２ガス拡散層１４内に形成される単セル内ガス流路を酸化ガス流路とも呼び、第２ガス拡散層１５内に形成される単セル内ガス流路を燃料ガス流路とも呼ぶ。

ところで、本実施例の燃料電池１００は、図２のＲ領域に示すように、上述の第２ガス拡散層１４，１５中に、本発明の特徴部分である水収集部材５００が複数配設される。

図３は、第２ガス拡散層１４に配設される水収集部材５００をＭＥＡ側から見た模式図である。なお、図３では、水収集部材５００を強調して示しており、図３において、実際には、水収集部材５００の手前に第２ガス拡散層１４が存在している。この水収集部材５００は、形状が略四角錐（図２、図３参照。）であり、所定の樹脂から形成される。この場合、樹脂は、親水性の樹脂を用いることが好ましい。水収集部材５００において、樹脂が親水性で無い場合には、水収集部材５００を親水性材料（例えば、金（Ａｕ）や石英ガラス（ＳｉＯ２）など。）でコーティングする。樹脂としては、例えば、シリコン樹脂、エポキシ樹脂、および、ウレタン樹脂などを用いることができる。

また、この水収集部材５００は、図２に示すように、第２ガス拡散層１４，１５中において、四角錐の一側面がセパレータ３０と接し、底面と対峙する頂点（以下では、先端部とも呼ぶ。）が、重力方向下向きに向けられるように、配設され、さらに、図３に示すように、面方向に千鳥状に配設される。

シール部１６は、隣り合うセパレータ３０間であって、ＭＥＡの外周部に設けられている。このシール部１６は、例えば、シリコンゴム、ブチルゴム、フッ素ゴムなどの絶縁性ゴム材料によって形成されると共に、ＭＥＡと一体で形成されている。

図４は、ＭＥＡと一体形成されたシール部１６の概略構成を表わす平面図である。図４に示すように、シール部１６は、略四角形状の薄板状部材であり、外周部に設けられた６つの穴部と、中央部に設けられてＭＥＡが組み込まれている略四角形の穴部とを有している。なお、図４の平面図には表わしていないが、シール部１６は実際には図２に示すように所定の凹凸形状を有しており、燃料電池内では、上記６つの穴部および略四角形の穴部を取り囲む位置に設けられた凸部で、隣接するセパレータ３０と接触する。シール部１６とセパレータ３０との接触位置（図２において一点鎖線で示す）を、図４の平面図においてシールラインＳＬとして示している。シール部１６は、弾性を有する樹脂材料から成るため、燃料電池１００内で積層方向に平行な方向に押圧力が加えられることにより、上記シールラインＳＬを形成する。なお、図４では、シール部１６と一体化されたＭＥＡにおける外部に露出している部分（集電領域）を、ハッチを付して示している。

続いて、本実施例の燃料電池１００に用いられるセパレータ３０を説明する。セパレータ３０は、３枚のプレートから形成され、いわゆる、三層積層セパレータとなっている。セパレータ３０は、図２に示すように、第２ガス拡散層１４と接するカソード側プレート３１と、第２ガス拡散層１５と接するアノード側プレート３２と、カソード側プレート３１およびアノード側プレート３２に挟持される中間プレート３３と、を備えている。これら３枚のプレートは、導電性材料、例えばチタン（Ｔｉ）といった金属によって形成される薄板状部材であり、図２のごとく重ね合わせて、拡散接合等により接合されている。これら３種のプレートは、いずれも凹凸のない平坦な表面を有すると共に、各々、所定の位置に所定形状の穴部を有している。

図５は、カソード側プレート３１の形状を示す説明図である。図６は、アノード側プレート３２の形状を示す説明図である。図７は、中間プレート３３の形状を示す説明図である。カソード側プレート３１（図５）およびアノード側プレート３２（図６）は、同様の位置に、６つの穴部を備えている。これらの６つの穴部は、スタック１１０を形成するために各々の薄板状部材が積層された際に互いに重なり合って、燃料電池内部において積層方向に平行に流体を導くマニホールドを形成する。穴部４０は、燃料電池に対して供給された酸化ガスを各単セル１０に分配する酸化ガス供給マニホールドを形成し（図中、Ｏ２ inと表わす）、穴部４１は、各単セル１０から排出されて集合した酸化排ガスを外部へと導く酸化ガス排出マニホールドを形成する（図中、Ｏ２ outと表わす）。また、穴部４２は、燃料電池に対して供給された燃料ガスを各単セル１０に分配する燃料ガス供給マニホールドを形成し（図中、Ｈ２ inと表わす）、穴部４３は、各単セル１０から排出されて集合した燃料排ガスを外部へと導く燃料ガス排出マニホールドを形成する（図中、Ｈ２ outと表わす）。さらに、穴部４４は、燃料電池１００に供給された冷却媒体を各セパレータ３０内に分配する冷媒供給マニホールドを形成し（図中、水 inと表わす）、穴部４５は、各セパレータ３０から排出されて集合した冷媒を外部へと導く冷媒排出マニホールドを形成する（図中、水 outと表わす）。なお、中間プレート３３（図７）は、上記した穴部のうち、穴部４０，４１，４２，４３を備えており、また、後述する複数の冷媒孔５８が、穴部４４，４５に対応する位置に重なるように設けられている。

また、カソード側プレート３１は、図５に示すように、穴部４０の近傍に穴部４０に平行に配列する複数の穴部である連通孔５０を、穴部４１の近傍に穴部４１に平行に配列する複数の連通孔５１を、それぞれ備えている。アノード側プレート３２は、図６に示すように、穴部４２の近傍に、穴部４２に平行に配列する複数の穴部である連通孔５２を、穴部４３の近傍に穴部４３に平行に配列する複数の連通孔５３を、それぞれ備えている。中間プレート３３においては、図７に示すように、穴部４０の形状が他のプレートとは異なっており、突出する複数の突出部（以下では、連通部５４と呼ぶ。）を備える形状となっている。この連通部５４は、中間プレート３３とカソード側プレート３１とが積層されたときに連通孔５０と重なり合って、酸化ガス供給マニホールドと連通孔５０とが連通するように、各連通孔５０に対応して設けられている。中間プレート３３では、他の穴部４１，４２，４３においても同様に、連通孔５１，５２，５３に対応して、複数の連通部５５，５６，５７がそれぞれ設けられている。

図２に示すように、燃料電池１００（モジュール２００）の内部において、各プレートの穴部４０が形成する酸化ガス供給マニホールドを流れる酸化ガスは、中間プレート３３の連通部５４が形成する空間と、カソード側プレート３１の連通孔５０とを介して、第２ガス拡散層１４内に形成される酸化ガス流路へと流入し、面方向に流れると共に、積層方向へとさらに拡散する。積層方向に拡散した酸化ガスは、第２ガス拡散層１４から第１ガス拡散層２６を介してカソード２２に至り、電気化学反応に供される。このように電気化学反応に寄与しつつ酸化ガス流路を通過した酸化ガスは、第２ガス拡散層１４から、カソード側プレート３１の連通孔５１および中間プレート３３の連通部５５が形成する空間を介して、穴部４１が形成する酸化ガス排出マニホールドへと排出される。同様に、燃料電池の内部において、穴部４２が形成する燃料ガス供給マニホールドを流れる燃料ガスは、中間プレート３３の連通部５６が形成する空間と、アノード側プレート３２の連通孔５２とを介して、第２ガス拡散層１５内に形成される燃料ガス流路へと流入し、面方向に流れると共に、積層方向へとさらに拡散する。積層方向に拡散した燃料ガスは、第２ガス拡散層１５から第１ガス拡散層２８を介してアノード２４に至り、電気化学反応に供される。このように電気化学反応に寄与しつつ燃料ガス流路を通過した燃料ガスは、第２ガス拡散層１５から、アノード側プレート３２の連通孔５３および中間プレート３３の連通部５７が形成する空間を介して、穴部４３が形成する燃料ガス排出マニホールドへと排出される。

ところで、カソード２２では、電気化学反応により水が生成される。この生成水は、第２ガス拡散層１４の毛管吸引力により酸化ガス流路（第２ガス拡散層１４）中に拡散していく。一方、第２ガス拡散層１４中に配設される水収集部材５００の表面では、拡散した生成水が、表面張力によりしだいに凝縮されていく。そして、水収集部材５００は、上述したように、先端部が重力方向下向きに配設されているので、凝縮した水は、その自重により、水収集部材５００の表面を伝って、水収集部材５００の先端部に集まり、さらに凝縮されていく（図３参照）。そして、水収集部材５００の先端部に凝縮された水は、自重に耐えられなくなると、重力方向下向きに落下し、その後、酸化ガスと共に、穴部４１が形成する酸化ガス排出マニホールドから排出される。また、アノード２４においても、カソード２２側から電解質膜２０を透過してくるなどして水が生じ、上記同様に、水収集部材５００において、凝縮された後、重力方向下向きに落下し、燃料ガスと共に、穴部４３が形成する燃料ガス排出マニホールドから排出される。

また、中間プレート３３は、集電領域を含む領域に、互いに平行に形成された細長い複数の冷媒孔５８を備えている。これらの冷媒孔５８の端部は、中間プレート３３を他の薄板状部材と重ね合わせたときに、穴部４４，４５と重なり合い、冷媒が流れるためのセル間冷媒流路をセパレータ３０内で形成する。すなわち、燃料電池の内部において、穴部４４が形成する冷媒供給マニホールドを流れる冷媒は、上記冷媒孔５８によって形成されるセル間冷媒流路に分配され、セル間冷媒流路から排出される冷媒は、穴部４５が形成する冷媒排出マニホールドに排出される。

以上のように、本実施例の燃料電池１００では、第２ガス拡散層１４，１５中に、四角錐形状の水収集部材５００を、その先端部（図２、図３参照）が重力方向下向きになるように配設している。このようにすれば、第２ガス拡散層１４，１５中において、毛管吸引力により拡散した水を、まず、水収集部材５００の表面において凝縮させ、さらに、水収集部材５００の表面に沿って先端部に凝縮させ、その後、自重により落下させることにより、酸化ガス排出マニホールドまたは燃料ガス排出マニホールドから、効率よく排出することが可能となる。

また、上記水収集部材５００は、親水性の樹脂を用いたり、または、表面に親水性材料でコーティングされている。このようにすれば、水収集部材５００は、第２ガス拡散層１４，１５中の水を凝縮させやすくなり、それにより、先端部で多くの水を収集することができる。その結果、第２ガス拡散層１４，１５中の水を効率よく排出することができる。

さらに、本実施例の燃料電池１００では、第２ガス拡散層１４，１５中に、水収集部材５００を、ＭＥＡから離れた位置であり、セパレータ３０に接するように（セパレータ３０側に）配設している。このようにすれば、第２ガス拡散層１４，１５において、セパレータ３０側の水の排水が促進され、そのため、触媒電極（カソード２２またはアノード２４）で生じた水が、第２ガス拡散層１４，１５に拡散することを促進することができる。その結果、触媒電極（カソード２２またはアノード２４）において、フラッディングを抑制することができる。

本実施例の燃料電池１００では、第２ガス拡散層１４，１５中に、水収集部材５００を、図３に示すように、面方向に千鳥状に離散して配置するようにしている。このようにすれば、第２ガス拡散層１４，１５中において、均一に水を収集することが可能となる。

なお、水収集部材５００は、請求項における水収集部材に該当し、穴部４１および穴部４３は、請求項における水排出口に該当する。

Ｂ．変形例：
なお、本発明では、上記した実施の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て実施することが可能である。

Ｂ１．変形例１：
図８は、水収集部材５００の変形例を説明するための模式図である。
上記実施例の燃料電池１００における水収集部材５００は、形状が四角錐であるが、本発明は、これに限られるものではなく、重力方向下向きに沿って、断面積が小さくなっていく部分を少なくとも有する部材であればよい。例えば、上記水収集部材５００を、第２ガス拡散層１４，１５中に配設した場合に、ＭＥＡ側から見た形状が、図８（Ａ）に示す（ａ１）〜（ａ７）のいずれかの形状となるように形成してもよい。また、上記水収集部材５００を、第２ガス拡散層１４，１５中に配設した場合に、ｚ方向から見た形状（図２参照）が、図８の（Ｂ）に示す（ｂ１）〜（ｂ３）のいずれかの形状となるように形成してもよい。このようにしても、上記実施例と同様の効果を奏することができる。

Ｂ２．変形例２：
上記実施例の燃料電池１００において、水収集部材５００は、所定の樹脂で形成されることとなっているが、本発明は、これに限られるものではない。例えば、水収集部材５００を、樹脂の代わりに、例えば、エポキシ変成シリコン系接着剤などの各種接着剤を用いて形成したり、所定のゴム部材を用いて形成してもよい。この場合、これらが親水性材料でない場合には、親水性材料でコーティングするようにしてもよい。このようにしても、上記実施例と同様の効果を奏することができる。

実施例に係る燃料電池１００の外観構成を示す説明図である。 燃料電池１００を構成するモジュール２００の概略構成を示す説明図である。 第２ガス拡散層１４に配設される水収集部材５００をＭＥＡ側から見た模式図である。 ＭＥＡと一体形成されたシール部１６の概略構成を表わす平面図である。 カソード側プレート３１の形状を示す説明図である。 アノード側プレート３２の形状を示す説明図である。 中間プレート３３の形状を示す説明図である。 水収集部材５００の変形例を説明するための模式図である。

符号の説明

１０...単セル
１４...第２ガス拡散層
１５...第２ガス拡散層
１６...シール部
２０...電解質膜
２２...カソード
２４...アノード
２６...第１ガス拡散層
２８...第１ガス拡散層
３０...セパレータ
３１...カソード側プレート
３２...アノード側プレート
３３...中間プレート
１００...燃料電池
１１０...スタック
２００...モジュール
３００...エンドプレート
３１０...テンションプレート
３２０...ボルト
３３０...インシュレータ
３４０...ターミナル
５００...水収集部材

Claims (6)

1. 燃料電池であって、
   電解質膜と、
   前記電解質膜の膜面に形成された触媒電極層と、
   前記触媒電極層の外側に積層され、電気化学反応に供される反応ガスを前記触媒電極に供給するための流路を構成し、導電性多孔質部材によって形成されるガス拡散層と、
   前記ガス拡散層中に設けられ、重力方向下向きに沿って、断面積が小さくなっていく部分を少なくとも有し、前記ガス拡散層中の水を収集するための水収集部材と、
   前記水収集部材より、前記重力方向下向きに対して下側に設けられる水排出口と、
   を備えることを特徴とする燃料電池。
2. 請求項１に記載の燃料電池において、
   前記水収集部材は、前記重力方向下向きの先端部分で、前記断面積が小さくなっていく構成であることを特徴とする燃料電池。
3. 請求項１または請求項２に記載の燃料電池において、
   前記水収集部材は、前記重力方向下向きの先端部分が鋭角を形成することを特徴とする燃料電池。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の燃料電池において、
   前記ガス拡散層の外側に積層されるセパレータを備え、
   前記水収集部材は、前記ガス拡散層において、前記セパレータ側に設けられることを特徴とする燃料電池。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の燃料電池において、
   前記水収集部材は、
   少なくとも一部の表面に、前記ガス拡散層よりも親水性が高い部分を有することを特徴とする燃料電池。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の燃料電池において、
   前記水収集部材は、
   前記ガス拡散層中に離散的に複数設けられることを特徴とする燃料電池。

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