JP4957015B2 - 燃料電池のセル及びスタック - Google Patents

Description

本発明は燃料電池のセル及びスタックに関する。

特許文献１開示の一般的な燃料電池のスタックは、図１８に示すように、複数のセル１０が積層されてなる。各セル１０は、導電性材料製のセパレータ１２、膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）１１及びセパレータ１２によって構成されている。スタックにおいては、隣り合うセル１０はセパレータ１２を共通にしている。

各膜電極接合体１１は、ナフィオン（登録商標、Nafion（Du pont社製））等の固体高分子膜からなる電解質膜１１ａと、この電解質膜１１ａの一面に接合されて空気が供給されるカソード極１１ｂと、電解質膜１１ａの他面に接合されて燃料が供給されるアノード極１１ｃとを有している。

図１９に示すように、カソード極１１ｂは、電解質膜１１ａ側に位置し、カーボン粒子に触媒が担持された触媒担持カーボンと電解質とを有する触媒層１３ａと、触媒層１３ａに隣接して空気を拡散する拡散層１３ｂとからなる。アノード極１１ｃは、電解質膜１１ａ側に位置し、触媒担持カーボンと電解質とを有する触媒層１４ａと、触媒層１４ａに隣接して燃料を拡散する拡散層１４ｂとからなる。

図１８に示すように、各セパレータ１２は各膜電極接合体１１を間に挟んで積層される。個々のセパレータ１２における各カソード極１１ｂ側の一面には空気室１２ｂが複数本の溝状に形成されており、各アノード極１１ｃ側の他面には燃料室１２ｃが複数本の溝状に形成されている。各空気室１２ｂと各燃料室１２ｃとは逆方向又は互いに直交する方向に延びている。また、スタックに供給される空気は各セル１０の全ての空気室１２ｂを流通するようになっており、スタックに供給される燃料は各セル１０の全ての燃料室１２ｃを流通するようになっている。

このスタックにおいては、空気室１２ｂに供給される空気と、燃料室１２ｃに供給される燃料との電気化学反応を生じる。具体的には、アノード極１１ｃで得られた水素イオンがプロトン（Ｈ³Ｏ⁺）の形態で水分を含んだ電解質膜中をカソード極１１ｂ側に移動し、カソード極１１ｂで空気中の酸素と反応し、水を生成する。一方、アノード極１１ｃで得られた電子は負荷を通ってカソード極１１ｂ側に移動する。こうして、このスタックにおいては、起電力を生じる。

この際、多くのスタックでは、良好な発電状態を維持するため、空気室内を加湿し、各セルの電解質膜を適度に湿潤させることがなされている。なぜなら、電解質膜が乾燥してしまうと、燃料室から電解質膜を介して空気室へプロトンが移動することが阻害されることとなり、その結果、セルの発電能力が低下するからである。そして、その状態が継続すれば、スタックに回復困難な性能低下や故障が生じ得るからである。

特開平３−２９５１７６号公報

しかしながら、発明者の知見によれば、従来のセルは、燃料室１２ｃの上流域において、それ以外の部分と比べ、ドライアップが生じやすい。燃料室１２ｃの上流域以外の部分では、カソード極１１ｂで生じる生成水や空気室１２ｂに加湿のために供給される水が電解質膜１１ａを逆方向に拡散する量が多いのであるが、燃料室１２ｃの上流域では逆拡散量が少ないことと、順次燃料が供給され、上流域の流速が他の部分と比べて大きいことから、上流域ではアノード極１１ｃ側の電解質内の含水率が低下すると考えられるからである。

かといって、燃料室１２ｃの上流域と膜電極接合体１１を挟んで対面する空気室１２ｂの位置に対し、より積極的に加湿の水を供給することとすれば、その位置のカソード極１１ｂに空気が供給され難くなってしまう。

このため、従来のセルは、アノード極１１ｃ及びカソード極１１ｂに反応が生じない部位が発生し易く、その場合にはセル電圧が低下してしまう。このため、複数のセル１０が積層されたスタックにおいては、十分なスタック電圧を生じ難い。

本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、セル電圧及びスタック電圧の効率を向上させることを解決すべき課題としている。

本発明の燃料電池のセルは、電解質膜と、該電解質膜の一面に接合されて空気が供給されるカソード極と、該電解質膜の他面に接合されて燃料が供給されるアノード極とを有する膜電極接合体と、

該カソード極側に空気室を形成するとともに、該アノード極側に燃料室を形成するように該膜電極接合体を挟持する対をなす導電性材料製のセパレータとを備えている燃料電池のセルにおいて、

前記燃料室の上流域には、前記燃料を出口に向かって流通可能であるとともに前記膜電極接合体から毛管現象によって水を吸引可能な吸水部を有することを特徴とする。

本発明の燃料電池のセル（以下、セルという。）は、燃料室の上流域に吸水部を有している。この吸水部は、膜電極接合体から毛管現象によって水を吸引可能である。このため、このように構成された燃料室では、上流域に生成水等の水が電解質膜を逆方向に拡散し易い。また、この吸水部は、燃料を出口に向かって流通可能であるため、当然に燃料室全体に燃料を供給し、アノード極全体における電気化学反応は阻害されない。このため、燃料室の上流域における逆拡散水の量は燃料室の他の部分における逆拡散水の量との差が少なくなり、燃料室の上流域におけるドライアップが有効に防止される。

また、そのために空気室の特定位置に対して加湿の水をより積極的に供給する必要がないことから、カソード極全体に空気が好適に供給される。

このため、このセルでは、アノード極全体及びカソード極全体が好適に電気化学反応を生じ、セル電圧の効率が向上する。そして、複数のセルを積層したスタックにおいては、十分なスタック電圧を生じる。

したがって、本発明のセルによれば、セル電圧及びスタック電圧の効率が向上する。

吸水部を設けないとすれば相対湿度が未飽和となる領域に、吸水部が設けられていることが好ましい。相対湿度が飽和している領域では、水が結露してドライアップを生じないのであるが、相対湿度が未飽和の領域ではドライアップを生じるからである。相対湿度は、燃料の供給圧力、燃料室の形状等の条件の下、燃料が流れる方向に位置をとった場合、位置と湿度との関係で決定される。通常、燃料室の長さの１／５〜１／３程度に吸水部を設けることが好ましい。

吸水部は、燃料が流れる方向に向かって徐々に毛管現象が弱くなるように形成されている。相対湿度は燃料が流れる方向で連続的に高くなるからである。

吸水部は、導電性及び親水性を有し、かつ多くの空孔を有する多孔質状に形成され、各空孔に上流域を構成する第１網材であることが好ましい。

この場合、第１網材の表面張力によって生成水等の水が厚さ方向に拡散し、水が詰まり難い。このため、このセルにおいては、燃料の圧力損失を生じ難く、優れた供給性を発揮できる。また、この燃料室では、第１網材の表面張力によって水が厚さ方向に拡散して乾き難く、また安定した接触面積を確保できる。このため、このセルにおいては、優れた集電性も発揮できる。

燃料室内に吸水部を設ける場合、燃料室における吸水部以外の部分は、通常の溝状に形成されていてもよく、第２網材によって形成されていてもよい。つまり、燃料室は、第１網材と第２網材とからなり得る。第２網材は、導電性及び親水性を有し、かつ第１網材よりも疎に多くの空孔を有する多孔質状に形成され、各空孔に上流域以外の部分を構成するものである。

この場合、第２網材の表面張力によって生成水等の水が厚さ方向に拡散し、水が詰まり難い。このため、このセルにおいては、燃料の圧力損失を生じ難く、優れた供給性を発揮できる。また、この燃料室では、第２網材の表面張力によって水が厚さ方向に拡散して乾き難く、また安定した接触面積を確保できる。このため、このセルにおいては、優れた集電性も発揮できる。

第１網材及び第２網材の少なくとも一方は、導電性の線材と親水性の線材とによって、三次元の網目状に形成され、線材間に燃料室が形成されることもできる。導電性の線材としては、通常のニッケル、チタン、ＳＵＳ、タンタル、カーボン等の導電性繊維を採用することができる。また、親水性の線材としては、金属酸化物のウィスカー、植物繊維等を採用することができる。導電性及び親水性の線材としては、親水処理したニッケル、チタン、ＳＵＳ、タンタル、カーボン等の導電性繊維を採用することができる。親水処理としては、アルカリ処理、表面の酸化処理等を採用することができる。

第１網材や第２網材は、金属等の繊維を束ね、任意の目付量に対して焼結、圧延を行うことによって製造可能である。目付量を変更することによって、空孔の内径を変更し、毛管現象の程度及び燃料の流通性を変更することができるとともに、燃料の流通性を変更することもできる。

また、第１網材や第２網材は、金属粉末と樹脂等の有機物の粉末とを混合して成形することにより成形体とし、この成形体を加熱することにより有機物の粉末を溶出又は消失させることによっても製造可能である。有機物の粉末の粒径を変更することによって、空孔の内径を変更し、毛管現象の程度及び燃料の流通性を変更することができる。また、金属粉末と有機物の粉末との混合比を変更することによって、燃料の流通性を変更することができる。

セパレータは、板状をなす導電性材料製のプレートと、プレートの一面に設けられた第１網材及び第２網材とからなることが好ましい。これにより、容易に本発明のセルを得ることができる。

第１網材及び第２網材の少なくとも一方には、プレート側に吸水性の排水層が形成されていることが好ましい。この場合、第１網材及び第２網材の少なくとも一方の厚さ方向に拡散した水が排水層に集められ、自重や空気の圧力によって好適に排出される。排水層における水の接触角は、４０°未満であることが好ましく、３０°未満であることがより好ましい。また、排水層の吸水率は５０％超であることが好ましく、１００％超であることがより好ましい。

本発明のセルにおいては、膜電極接合体は、電解質膜側に位置する触媒層からなり、触媒層と少なくとも第１網材とが接合されているものであり得る。第１網材又は第１網材及び第２網材が従来の拡散層の役割を担うことができるからである。この場合、膜電極接合体の構造が簡易になり、製造コストの低廉化を実現することができる。

本発明の燃料電池のスタック（以下、スタックという。）は、上記本発明のセルを多数積層してなることを特徴とする。このスタックによれば、スタック電圧の効率を向上させることが可能である。

以下、本発明を具体化した実施例１〜６を図面を参照しつつ説明する。

実施例１のスタック３８は、図１及び図２に示すように、板状の吸水部としての第１網材２１ａと、板状の第２網材２１ｂと、図３及び図４に示すように、第３網材２２とを採用している。第１〜３網材２１ａ、２１ｂ、２２は、チタン繊維からなる導電性及び親水性の線材によって三次元の網目状に形成されている。第１〜３網材２１ａ、２１ｂ、２２における水の接触角は、それぞれ４０°、３０°である。

図１及び図２に示すように、第１網材２１ａは、燃料室の上流域に位置するように、第２網材２１ｂの一方側に一体に設けられている。第１網材２１ａは、図５の破線に示すように、第１網材２１ａを設けないとすれば相対湿度Ｒｈ（％）が未飽和となる領域に設けられている。具体的には、燃料室の長さの１／５〜１／３程度になるように第１網材２１ａが設けられている。

第１網材２１ａは第２網材２１ｂよりも網目が密になっている。換言すれば、第２網材２１ｂは第１網材２１ａよりも網目が疎になっている。具体的には、第１網材２１ａは網目による細孔径が１００〜数μｍであり、第２網材２１ｂは網目による細孔径が１００〜５００μｍである。図３及び図４に示す第３網材２２には網目の粗密が異なる他の網材は設けられていない。

図２及び図４に示すように、第１、２網材２１ａ、２１ｂ及び第３網材２２の一面側には導電性ポリマーからなる吸水性の排水層２１ｃ、２２ａが形成されている。排水層２１ｃ、２２ａにおける水の接触角は３０°、吸水率は２００％である。

また、このスタック３８は、図６に示す板状をなす導電性材料製のプレート２３も採用している。プレート２３の一面には、第１、２網材２１ａ、２１ｂを収納する第１凹部２３ａが凹設されている。また、プレート２３の他面には、第３網材２２を収納する第２凹部２３ｂと、膜電極接合体（図７参照）２４を収納する第３凹部２３ｃとが凹設されている。

このプレート２３には、第１凹部２３ａの両端に連通する一対の燃料通路２３ｄ、２３ｅが貫設されている。また、このプレート２３には、第２凹部２３ｂの両端に連通する図示しない一対の空気通路も貫設されている。燃料通路２３ｄ、２３ｅと燃料通路とは貫設される位置が９０度ずれている。

プレート２３の第１凹部２３ａに第１、２網材２１ａ、２１ｂが収納される。この際、第１網材２１ａが燃料の上流域側であるようにする。また、第１、２網材２１ａ、２１ｂの排水層２１ｃが第１凹部２３ａの底面と接触するようにする。こうして、第１、２網材２１ａ、２１ｂは線材間に燃料室を構成する。

また、プレート２３の第２凹部２３ｂに第３網材２２が収納される。この際、第３網材２２の排水層２２ａが第２凹部２３ｂの底面と接触するようにする。こうして、第３網材２２は線材間に空気室を構成する。これにより１枚のセパレータ２０が得られる。

一方、このスタック３８に用いる膜電極接合体２４は、図７に示すように、電解質膜２５と、電解質膜２５の一面に接合されたカソード極２６と、電解質膜２５の他面に接合されたアノード極２７とからなる。カソード極２６及びアノード極２７は、電解質膜２５側に位置する触媒層からなり、触媒層に隣接する従来のような拡散層を有さない。

図８に示すように、セパレータ２０におけるプレート２３の第３凹部２３ｃには膜電極接合体２４が収納され、セパレータ２０、膜電極接合体２４及びセパレータ２０によってセル３１が構成される。隣り合うセル３１はセパレータ２０を共通にしている。

そして、複数のセル３１が積層され、スタック３８が構成される。スタック３８では、全てのセル３１の燃料通路２３ｄ、２３ｅが連通しているとともに、全てのセル３１の空気通路が連通している。

スタック３８の燃料通路２３ｄ、２３ｅには、図９に示すように、バルブ３２を介して水素タンク３３が接続される。また、スタック３８の空気通路には、空気ファン３４によって空気が供給されるようになっている。そして、スタック３８の両端のプレート２３は自動車のモータ等の負荷３５に電気的に接続され、スタック３８の下端はポンプ３６によって循環するようにラジエータ３７に接続されている。こうして燃料電池システムが構成される。

以上のように構成されたスタック３８においては、空気流路に供給される空気と、燃料流路２３ｄ、２３ｅに供給される水素との電気化学反応により、起電力を生じる。

この際、このスタック３８においては、燃料室は、上流域に膜電極接合体２４から毛管現象によって水を吸引可能な第１網材２１ａを有している。このため、燃料室の上流域に生成水等の水が電解質膜２５を逆方向に拡散し易い。これにより、図５の実線に示すように、燃料室の上流域で相対湿度Ｒｈ（％）が飽和に近づく。また、第１網材２１ａは、水素を出口に向かって流通可能であるため、当然に燃料室全体に水素を供給し、アノード極２７全体における電気化学反応は阻害されない。このため、燃料室の上流域における逆拡散水の量は燃料室の他の部分における逆拡散水の量との差が少なくなり、燃料室の上流域におけるドライアップが有効に防止される。

また、このスタック３８においては、空気室の特定位置に対して加湿の水を積極的に供給する必要がないことから、カソード極２６全体に空気が好適に供給される。

したがって、このスタック３８では、アノード極２７全体及びカソード極２６全体が好適に電気化学反応を生じ、セル電圧及びスタック電圧の効率が向上する。

また、このスタック３８では、第１〜３網材２１ａ、２１ｂ、２２の線材による表面張力によって生成水や残留水が厚さ方向に拡散し、生成水や残留水が詰まり難い。このため、このスタック３８においては、空気及び水素の圧力損失を生じ難く、優れた供給性を発揮できる。また、この空気室及び燃料室では、線材による表面張力によって生成水や残留水が厚さ方向に拡散して乾き難く、また安定した接触面積を確保できる。このため、このスタック３８においては、優れた集電性も発揮できる。

さらに、このスタック３８では、プレート２３側に排水層２１ａ、２２ａが形成されているため、第１〜３網材２１ａ、２１ｂ、２２の厚さ方向に拡散した水が排水層２１ａ、２２ａに集められ、自重や空気圧によって好適に排出される。

また、このスタック３８においては、膜電極接合体２４のカソード極２６及びアノード極２７が触媒層だけからなることから、膜電極接合体２４の構造が簡易であり、製造コストの低廉化を実現することもできる。なお、このスタック３８において、図１９に示す膜電極接合体１１を採用することも可能である。

実施例２のスタックは、図１０及び図１１に示す第１網材２１ｄを採用している。この第１網材２１ｄは、水素が流れる方向に向かって徐々に網目が粗くなり、これによって毛管現象が弱くなるように形成されている。他の構成は実施例１と同様である。

このスタックにおいては、燃料室の上流域で相対湿度Ｒｈ（％）がより飽和に近づく。他の作用効果は実施例１と同様である。

実施例３のスタックは、図１２〜１４に示す複数個の第１網材２１ｅを採用している。各第１網材２１ｅは、燃料室の上流域において、幅方向に等間隔隔てられて設けられている。また、各第１網材２１ｅは排水層２１ｃ側には存在しない。他の構成は実施例１と同様である。

このスタックにおいては、各第１網材２１ｅ間及び各第１網材と排水層２１ｃとの間の第２網材２１ｂにより、水素の圧力損失を低く維持することができる。他の作用効果は実施例１と同様である。

実施例４のスタックは、図１５に示す複数個の第１網材２１ｆを採用している。各第１網材２１ｆは、燃料室の上流域において、幅方向に等間隔隔てられて設けられている。また、各第１網材２１ｆは排水層２１ｃ側まで存在する。他の構成は実施例１と同様である。

このスタックにおいては、各第１網材２１ｆ間の第２網材２１ｂにより、水素の圧力損失を低く維持することができる。他の作用効果は実施例１と同様である。

実施例５のスタックは、図１６に示す第１網材２１ｇを採用している。この第１網材２１ｇは、膜電極接合体２４側が深く、排水層２１ｃ側が浅く形成されている。他の構成は実施例１と同様である。

このスタックにおいては、第１網材２１ｇの排水層２１ｃ側の浅さにより、水素の圧力損失を低く維持することができる。他の作用効果は実施例１と同様である。

実施例６のスタックは、図１７に示すセル４３を採用している。このセル４３では、膜電極接合体２４のアノード極２７側に従来のセパレータ１２によって従来の溝状の燃料室１２ｃを位置させ、膜電極接合体２４のカソード極２６側にはセパレータ１２によって従来の溝状の空気室１２ｂを構成している。そして、燃料室１２ｃの上流域に実施例１の第１網材２１ａを設けている。他の構成は実施例１と同様である。

このスタックにおいても、実施例１と同様の作用効果を奏することができる。なお、実施例１の第１網材２１ａの代わりに実施例２の第１網材２１ｄを採用することもできる。

以上において、本発明を実施例１〜６に即して説明したが、本発明は上記実施例１〜６に制限されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更して適用できることはいうまでもない。

本発明は、電気自動車等の移動用電源、屋外据え置き用電源、ポータブル電源等の燃料電池システムに利用可能である。

実施例１のスタックに係り、第１網材及び第２網材を厚さ方向に直交する方向で切断して示す断面図である。 実施例１のスタックに用いる第１網材及び第２網材を厚さ方向で切断して示す断面図である。 実施例１のスタックに係り、第２網材を厚さ方向に直交する方向で切断して示す断面図である。 実施例１のスタックに用いる第２網材を厚さ方向で切断して示す断面図である。 実施例１のスタックに係り、燃料室の入口から出口までの長さと相対湿度との関係を模式的に示すグラフである。 実施例１のスタックに用いるセパレータの断面図である。 実施例１のスタックに用いる膜電極接合体の模式拡大一部断面図である。 実施例１のスタックにおけるセルの断面図である。 実施例１のスタックを用いた燃料電池システムの構成図である。 実施例２のスタックに係り、第１網材及び第２網材を厚さ方向に直交する方向で切断して示す断面図である。 実施例２のスタックに用いる第１網材及び第２網材を厚さ方向で切断して示す断面図である。 実施例３のスタックに係り、第１網材及び第２網材を厚さ方向に直交する方向で切断して示す断面図である。 実施例３のスタックに用いる第１網材及び第２網材を厚さ方向で切断して示す断面図である。 実施例３のスタックに用いる第１網材及び第２網材を幅方向で切断して示す断面図である。 実施例４のスタックに用いる第１網材及び第２網材を幅方向で切断して示す断面図である。 実施例５のスタックに用いる第１網材及び第２網材を厚さ方向で切断して示す断面図である。 実施例６のスタックにおけるセルの断面図である。 従来のセルの分解斜視図である。 従来の膜電極接合体の模式拡大一部断面図である。

符号の説明

２４…膜電極接合体
２５…電解質膜
２６…カソード極
２７…アノード極
２０…セパレータ
２１ａ、２１ｄ、２１ｅ、２１ｆ、２１ｇ…吸水部、第１網材
２１ｂ…第２網材
２０…プレート
２１ｃ…排水層
３８…スタック

Claims (9)

1. 電解質膜と、該電解質膜の一面に接合されて空気が供給されるカソード極と、該電解質膜の他面に接合されて燃料が供給されるアノード極とを有する膜電極接合体と、
   該カソード極側に空気室を形成するとともに、該アノード極側に燃料室を形成するように該膜電極接合体を挟持する対をなす導電性材料製のセパレータとを備えている燃料電池のセルにおいて、
   前記燃料室の上流域には、前記燃料を出口に向かって流通可能であるとともに前記膜電極接合体から毛管現象によって水を吸引可能な吸水部を有し、
   該吸水部は、該燃料が流れる方向に向かって徐々に毛管現象が弱くなるように形成されていることを特徴とする燃料電池のセル。
2. 前記吸水部を設けないとすれば相対湿度が未飽和となる領域に、該吸水部が設けられている請求項１記載の燃料電池のセル。
3. 前記吸水部は、導電性及び親水性を有し、かつ多くの空孔を有する多孔質状に形成され、各該空孔に前記上流域を構成する第１網材である請求項１又は２項記載の燃料電池のセル。
4. 前記燃料室は、前記第１網材と、導電性及び親水性を有し、かつ該第１網材よりも疎に多くの空孔を有する多孔質状に形成され、各該空孔に前記上流域以外の部分を構成する第２網材とからなる請求項３記載の燃料電池のセル。
5. 前記第１網材及び前記第２網材の少なくとも一方は、導電性の線材と親水性の線材とによって、三次元の網目状に形成され、該線材間に前記燃料室が形成されている請求項４記載の燃料電池のセル。
6. 前記セパレータは、板状をなす導電性材料製のプレートと、該プレートの一面に設けられた前記第１網材及び前記第２網材とからなる請求項４又は５記載の燃料電池のセル。
7. 前記第１網材及び前記第２網材の少なくとも一方には、前記プレート側に吸水性の排水層が形成されている請求項６記載の燃料電池のセル。
8. 前記膜電極接合体は、前記電解質膜側に位置する触媒層からなり、該触媒層と少なくとも前記第１網材とが接合されている請求項３乃至７のいずれか１項記載の燃料電池のセル。
9. 請求項１乃至８のいずれか１項記載の燃料電池のセルを多数積層してなることを特徴とする燃料電池のスタック。

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