JP4997791B2 - 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１２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１３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１２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により、起電力を生じる。

特開平３−２９５１７６号公報

しかしながら、この電気化学反応は水の生成を伴う反応であるため、動作条件によっては、発生したその生成水が各セル１０の空気室１２ｂ内でカソード極１１ｂへの空気の供給を阻害し易く、これによってカソード極１１ｂにおいて反応が生じない部位が発生し、セル電圧が低下してしまう。生成水以外に加湿のための水を供給している場合も同様である。これらの水がアノード極１１ｃへ逆拡散する場合も、同様である。

また、複数のセル１０が積層されたスタックにおいては、空気が供給され易いセル１０と、空気が供給され難いセル１０とを生じやすく、一部のセル１０の電圧が低いことにより、十分なスタック電圧を生じ難い。燃料の供給においても、同様の問題を生じ得る。

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を安定化できるようにす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、

前記空気室及び前記燃料室の少なくとも一方の出口には、連通面積が絞られた絞り部が設けられていることを特徴とする。

本発明のセルは、空気室の出口に連通面積が絞られた絞り部を有している。この絞り部は、連通面積がそれより上流側と比較して小さくはなっているが、連通状態は維持しており、空気の排出は当然に可能である。このため、このように構成された空気室では、出口で空気の流速が大きくなり、空気室内の水滴を好適に排除する。このため、このセルでは、動作条件が異なっても、カソード極への空気の供給が阻害され難く、これによってカソード極全体が好適に反応し、セル電圧が安定する。燃料室も同様である。

本発明の作用は低電流時に特に効果的である。エアストイキ比の要求により、セルは、低電流時に空気の供給量が減少するため、この際に空気室内における水滴の排除圧が不足しやすいのであるが、本発明に係る絞り部によってセルはこの際でも水滴の排除圧を十分に高くすることができるからである。燃料室も同様である。

また、複数のセルを積層したスタックにおいては、個々のセルが絞り部によって背圧を有することとなり、セル間の空気の分配が均一化する。このため、一部のセルの電圧が低下することが防止され、十分なスタック電圧を生じる。燃料室も同様である。

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を安定化することが可能である。

絞り部としては、連通面積を絞るものであれば種々のものが採用され得る。例えば、絞り部は、空気室又は燃料室における空気又は燃料が流れる方向と直交しつつ各々が平行に延び、一端側と他端側とが交互に下流側に向かって開口する複数本の案内壁によって構成され得る（サーペンタイン（Serpentine）型）。また、絞り部は、空気室又は燃料室における空気又は燃料が流れる方向に各々整列し、上流側が幅狭に形成され、下流側が幅広に形成された複数本の案内壁によっても構成され得る（レデューサ（Reducer）型）。

本発明のセルは、セパレータ内に絞り部を有している。セパレータ内に絞り部を有していた方が流路のガス流速を上げる作用として利用できるので、優れた性能のスタックを製造し易いからである。

また、空気室又は燃料室における絞り部以外の部分は、網材によって形成されている。この網材は、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、各空孔に空気室又は燃料室を構成するものである。つまり、セパレータは、板状をなす導電性材料製のプレートと、このプレートの一面に設けられた網材と、絞り部とを有することとなる。

これにより、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、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、この空気室では、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。

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。

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。

そして、網材には、プレート側に吸水性の排水層が形成されている。このため、網材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。

また、網材には、膜電極接合体側に撥水性の撥水層が形成されていることも好ましい。この場合、膜電極接合体側からプレート側に水が拡散し易くなる。撥水層における水の接触角は１００°超であることが好ましく、１２０°超であることがより好ましい。

本発明のセルにおいては、カソード極及びアノード極は、電解質膜側に位置する触媒層からなり、触媒層と網材とが接合されているものであり得る。セパレータの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、膜電極接合体のカソード極及びアノード極が触媒層だけからなることから、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、スタック電圧を安定化することが可能である。

以下、本発明を具体化した実施例１、２及び参考例を図面を参照しつつ説明する。
（実施例１）

実施例１の燃料電池のスタックは、図１及び図２に示す板状の第１網材２１と、図３及び図４に示す第２網材２２とを採用している。第１、２網材２１、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、２網材２１、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に示す第１網材２１の一端側（図中、下側）には、絞り部３０が設けられている。絞り部３０は、絞り部３０の長手方向に各々平行に延び、一端側と他端側とが交互に幅方向で開口する４本の案内壁３０ａが設けられたものである。図３及び図４に示す第２網材２２には絞り部３０は設けられていない。

図２及び図４に示すように、第１網材２１及び絞り部３０並びに第２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２１ａ、２２ａが形成され、第１網材２１及び絞り部３０並びに第２網材２２の他面側にはカーボン／ＰＴＦＥからなる撥水性の撥水層２１ｂ、２２ｂが形成されている。排水層２１ａ、２２ａにおける水の接触角は３０°、吸水率は２００％である。また、撥水層２１ｂ、２２ｂにおける水の接触角は１２０°超である。

また、このスタックは、図５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網材２１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２網材２２を収納する第２凹部２３ｂと、膜電極接合体（図６参照）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空気通路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燃料通路も貫設されている。空気通路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網材２１及び絞り部３０が収納される。この際、絞り部３０が空気の出口側である下方になるようにする。また、第１網材２１及び絞り部３０の排水層２１ａが第１凹部２３ａの底面と接触し、撥水層２１ｂが外側になるようにする。こうして、第１網材２１及び絞り部３０は線材間に空気室を構成する。

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

一方、このスタックに用いる膜電極接合体２４は、図６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７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の空気通路２３ｄ、２３ｅが連通しているとともに、全てのセル３１の燃料通路が連通している。

スタック３８の燃料通路には、図８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２３ｄ、２３ｅ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。空気は空気室を上方から下方に向かって流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２３ｄ、２３ｅに供給される空気と、燃料流路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、第１網材２１の線材間である空気室では、出口の絞り部３０で空気の流速が大きくなり、空気室内の水滴を好適に排除する。このため、このセル３１では、動作条件が異なっても、カソード極２６への空気の供給が阻害され難く、これによってカソード極２６全体が好適に反応し、セル電圧が安定する。

また、エアストイキ比の要求により、セル３１は、低電流時に空気ファン３４の回転数が抑えられることにより空気の供給量が減少する。この際、従来のスタックにおいては、空気室内における水滴の排除圧が不足しやすいのであるが、このスタック３８においては、絞り部３０によってセル３１はこの際でも水滴の排除圧を十分に高くすることができる。

さらに、このスタック３８においては、個々のセル３１が絞り部３０によって背圧を有することとなり、セル３１間の空気の分配が均一化する。このため、一部のセル３１の電圧が低下することが防止され、十分なスタック電圧を生じる。

したがって、このセル３１及びスタック３８によれば、セル電圧及びスタック電圧を安定化することが可能である。

また、このスタック３８では、第１、２網材２１、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、２網材２１、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、膜電極接合体２４側に撥水層２１ｂ、２２ｂが形成されているため、膜電極接合体２４側からプレート２３側に水が拡散し易い。

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１３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）

実施例２のスタックは、図９及び図１０に示す絞り部４０を採用している。この絞り部４０は、空気室における空気が流れる方向に各々整列し、上流側が幅狭に形成され、下流側が幅広に形成された複数本の案内壁４０ａによって構成されている。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も、実施例１と同様の作用効果を奏することができる。
（参考例）

参考例のスタックは、図１１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のカソード極２６側に従来のセパレータ１２によって従来の溝状の空気室１２ｂを位置させ、膜電極接合体２４のアノード極２７側にはセパレータ１２によって従来の溝状の燃料室１２ｃを構成している。そして、空気室１２ｂの出口に実施例１の絞り部３０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の絞り部３０の代わりに実施例２の絞り部４０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、２及び参考例に即して説明したが、本発明は上記実施例１、２及び参考例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。例えば、燃料室の出口に絞り部３０、４０を設けることも可能である。

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網材及び絞り部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網材及び絞り部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のセパレータの断面図である。 実施例１の膜電極接合体の模式拡大一部断面図である。 実施例１のセルの断面図である。 実施例１の燃料電池システムの構成図である。 実施例２のスタックに係り、第１網材及び絞り部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網材及び絞り部を厚さ方向で切断して示す断面図である。 参考例の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
３０、４０…絞り部
３０ａ、４０ａ…案内壁
２３…プレート
２１…第１網材
２２…第２網材
２１ａ、２２ａ…排水層
２１ｂ、２２ｂ…撥水層

Claims (7)

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、
   前記空気室及び前記燃料室の少なくとも一方の出口には、連通面積が絞られた絞り部が設けられ、
   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、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、各該空孔に前記空気室又は前記燃料室を構成する網材と、該セパレータ内に前記絞り部とを有し、
   該網材には、該プレート側に吸水性の排水層が形成されていることを特徴とする燃料電池のセル。
2. 前記絞り部は、前記空気室又は前記燃料室の前記空気又は前記燃料が流れる方向と直交しつつ各々が平行に延び、一端側と他端側とが交互に下流側に向かって開口する複数本の案内壁によって構成されている請求項１記載の燃料電池のセル。
3. 前記絞り部は、前記空気室又は前記燃料室の前記空気又は前記燃料が流れる方向に各々整列し、上流側が幅狭に形成され、下流側が幅広に形成された複数本の案内壁によって構成されている請求項１記載の燃料電池のセル。
4. 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撥水性の撥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. 前記カソード極及び前記アノード極は、前記電解質膜側に位置する触媒層からなり、該触媒層と前記網材とが接合されている請求項１乃至５のいずれか１項記載の燃料電池のセル。
7. 請求項１乃至６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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