JP4967394B2 - 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９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（Dupon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１０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９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の一面には複数本のリブ１２ｄが形成されており、各リブ１２ｄが各カソード極１１ｂに当接することによって空気室１２ｂが複数本の溝状に形成されている。また、個々のセパレータ１２の他面にはリブ１２ｄと直交する複数本のリブ１２ｅが形成されており、各リブ１２ｅが各アノード極１１ｃに当接することによって燃料室１２ｃが複数本の溝状に形成されている。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１１ａ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１２ｂ内を加湿し、各セル１０の電解質膜１１ａ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１１ａが乾燥してしまうと、燃料室１２ｃから電解質膜１１ａを介して空気室１２ｂ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１０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１０は、空気室１２ｂや燃料室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。空気室１２ｂや燃料室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、空気室１２ｂや燃料室１２ｃの上流域では逆拡散量が少ないことと、順次空気や燃料が供給され、上流域の流速が他の部分と比べて大きいことから、上流域では電解質１１ａ内の含水率が低下すると考えられるからである。空気は大気から供給されるものであるため、空気室１２ｂの上流域は特にこの傾向が強い。

かといって、空気室１２ｂや燃料室１２ｃの上流域に対し、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たり、その位置のアノード極１１ｃに燃料が供給され難くなったりしてしまう。

このため、従来のセルは、アノード極１１ｃ及びカソード極１１ｂに過電圧の上昇する部位が発生し易く、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、

前記セパレータは、前記膜電極接合体に当接する複数本のリブを有し、各該リブが該膜電極接合体に当接することによって前記空気室又は前記燃料室の上流域を形成する上流用部材と、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て該上流用部材と一体をなし、該膜電極接合体に対面して該空気室又は該燃料室の残部を形成する網材とを有していることを特徴とする。

本発明のセルでは、セパレータが上流側部材と網材とを有している。発明者らの知見によれば、リブと膜電極接合体とが当接している部分には水が貯留される。このため、膜電極接合体にリブを当接させる上流用部材は、空気室又は燃料室の上流域を構成し、リブと膜電極接合体とが当接している部分に貯留される水によってドライアップを緩和する。なお、リブ間は空気や燃料を下流側に向かって流通可能であるため、上流域における電気化学反応は阻害されない。

そして、多くの空孔を有する多孔質状に形成された網材は、空気室又は燃料室の残部を構成する。なお、網材も空気や燃料を下流側に向かって流通可能であるため、残部における電気化学反応は阻害されない。このように構成された空気室又は燃料室の残部では、網材の表面張力によって生成水が厚さ方向に拡散し、生成水が詰まり難い。このため、このセルにおいては、空気又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、この空気室又は燃料室の残部では、網材の表面張力によって生成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。

このため、このセルでは、空気室や燃料室の上流域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、かつアノード極全体に燃料が好適に供給される。このため、カソード極全体及びアノ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。

各リブを空気室又は前記燃料室の上流域に設けないとすれば、空気室内又は燃料室内の相対湿度が未飽和となる領域に、各リブ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、空気や燃料の供給圧力、空気室や燃料室の形状等の条件の下、空気や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、空気室や燃料室の長さの１／５〜１／３程度に各リブを設けることが好ましい。

網材は、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、線材間に空気室又は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。

各リブには、膜電極接合体側に吸水性の貯水層が形成されていることが好ましい。また、網材には、膜電極接合体側に吸水性の貯水層が形成されていることが好ましい。これらの場合、一時的な水不足が生じた時に貯水層が電極の乾きを抑える。貯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、貯水層の吸水率は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。

本発明の燃料電池のスタックは、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１〜３を図面を参照しつつ説明する。

実施例１の燃料電池のスタックは、図１に示すように、上流用部材１、板状の第１網材２及び板状の第２網材３からなるセパレータ４と、一対のセパレータ４によって挟まれて積層される膜電極接合体５とを採用している。

上流用部材１はステンレス製のものである。この上流用部材１の一端側（図では上端側）の一面には複数本のリブ１ａが互いに平行に形成されている。また、上流用部材１のその一面には、図２及び図３にも示すように、各リブ１ａの底面と面一をなす凹部１ｂが他端側（図１では下端側）まで形成されている。各リブ１ａは、図４の破線に示すように、各リブ１ａを空気室６の上流域に設けないとすれば、空気室６の相対湿度Ｒｈ（％）が未飽和となる領域に設けられている。具体的には、空気室６の長さの１／５〜１／３程度になるように各リブ１ａが設けられている。

図１〜３に示すように、第１網材２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網材２は上流用部材１の凹部１ｂに収納され、その一面は各リブ１ａの先端面と面一になっている。上流用部材１の各リブ１ａが膜電極接合体５のカソード極５ａに当接することによって空気室６の上流域６ａが複数本の溝状に形成され、第１網材２が膜電極接合体５のカソード極５ａに当接することによって線材間に空気室６の残部６ｂが形成されている。

第２網材３も、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２網材３は、第１網材２を収納した上流用部材１と同じ大きさを有している。第２網材３が膜電極接合体５のアノード極５ｃに当接することによって線材間に燃料室７が形成されている。

膜電極接合体５は、固体高分子膜からなる電解質膜５ａと、この電解質膜５ａの一面に接合されて空気が供給されるカソード極５ｂと、電解質膜５ａの他面に接合されて燃料が供給されるアノード極５ｃとを有している。

上流用部材１、第１網材２、膜電極接合体５及び第２網材３によってセルが構成される。複数のセルが積層されることによってスタック３１が構成される。スタック３１では、全てのセルの燃料室７が連通しているとともに、全てのセルの空気室６が連通している。

スタック３１の燃料室７には、図５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３１の空気室には、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。この際、空気は、空気室６の上流域６ａから残部６ｂへと供給される。そして、スタック３１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３１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３１においては、空気室６に供給される空気と、燃料室７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。そして、カソード極５ａには生成水を生じる。また、空気室１２ｂ内は加湿される。

この際、図６に示すように、膜電極接合体５にリブ１ａを当接させる上流用部材１は、空気室６の上流域６ａを構成し、リブ１ａと膜電極接合体５とが当接している部分に貯留される水Ｗによってドライアップを緩和する。これにより、図４の実線に示すように、空気室６の上流域６ａで相対湿度Ｒｈ（％）が飽和に近づく。なお、リブ１ａ間は空気を下流側に向かって流通可能であるため、上流域６ａにおける電気化学反応は阻害されない。

また、第２網材３も燃料を下流側に向かって流通可能であるため、燃料室７における電気化学反応は阻害されない。このように構成された燃料室７では、第２網材３の表面張力によって逆拡散水が厚さ方向に拡散し、逆拡散水が詰まり難い。

このため、このセルにおいては、空気及び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、この空気室６の残部６ｂ及び燃料室７では、第１、２網材２、３の表面張力によって生成水や逆拡散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。

このため、このセルでは、空気室６の上流域６ａ及び燃料室７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５ａ全体に空気が好適に供給され、かつアノード極５ｃ全体に燃料が好適に供給される。

したがって、このスタック３１では、カソード極５ａ全体及びアノード極５ｃ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。

実施例２のスタックは、図７に示すように、上流側部材１の各リブ１ａの先端面に貯水層１ｃが形成されている。他の構成は実施例１と同様である。

このスタックでは、一時的な水不足が生じた時に貯水層１ｃが電極の乾きを抑える。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８に示すように、上流側部材１の各リブ１ａの先端面及び第１網材２の先端面に貯水層１ｄが形成されている。他の構成は実施例１と同様である。

このスタックでは、一時的な水不足が生じた時に貯水層１ｄが電極の乾きを抑える。他の作用効果は実施例１と同様である。

以上において、本発明を実施例１〜３に即して説明したが、本発明は上記実施例１〜３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のセルの分解斜視図である。 実施例１のセルに係り、上下方向の模式断面図である。 実施例１のセルに係り、上部における水平方向の模式断面図である。 実施例１のセルに係り、空気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の燃料電池システムの構成図である。 実施例１のセルに係り、要部拡大模式断面図である。 実施例２のセルの分解斜視図である。 実施例３のセルの分解斜視図である。 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

５…膜電極接合体
５ｂ…電解質膜
５ａ…カソード極
５ｃ…アノード極
４…セパレータ
６…空気室
６ａ…上流域
６ｂ…残部
７…燃料室
１…上流用部材
１ａ…リブ
２…第１網材
３…第２網材
１ｃ、１ｄ…貯水層
３１…スタック

Claims (6)

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、
   前記セパレータは、前記膜電極接合体に当接する複数本のリブを有し、各該リブが該膜電極接合体に当接することによって前記空気室又は前記燃料室の上流域を形成する上流用部材と、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て該上流用部材と一体をなし、該膜電極接合体に対面して該空気室又は該燃料室の残部を形成する網材とを有していることを特徴とする燃料電池のセル。
2. 各前記リブを前記空気室又は前記燃料室の上流域に設けないとすれば、該空気室内又は該燃料室内の相対湿度が未飽和となる領域に、各該リブが設けられている請求項１記載の燃料電池のセル。
3. 前記網材は、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、該線材間に前記空気室又は前記燃料室が形成されている請求項１又は２記載の燃料電池のセル。
4. 各前記リブには、前記膜電極接合体側に吸水性の貯水層が形成されている請求項１乃至３のいずれか１項記載の燃料電池のセル。
5. 前記網材には、前記膜電極接合体側に吸水性の貯水層が形成されている請求項１乃至４のいずれか１項記載の燃料電池のセル。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項記載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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