JP5011763B2

JP5011763B2 - 燃料電池

Info

Publication number: JP5011763B2
Application number: JP2006066717A
Authority: JP
Inventors: 康貴大竹
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-03-10
Filing date: 2006-03-10
Publication date: 2012-08-29
Anticipated expiration: 2026-03-10
Also published as: JP2007242564A

Description

本発明は、多孔体流路を備えた燃料電池に関する。

燃料電池は、一般的には水素及び酸素を燃料として電気エネルギーを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れかつ高いエネルギー効率が実現できることから、今後のエネルギー供給システムとして広く開発が進められてきている。特に、固体高分子型燃料電池は、各種の燃料電池の中でも比較的低温で作動することから、良好な起動性を有する。そのため、多方面における実用化のために盛んに研究がなされている。

固体高分子型燃料電池は、固体高分子電解質膜の両面に触媒層およびガス拡散層を順に接合して構成された膜電極接合体の両面に、ガス流路かつ集電体として機能する導電性多孔体を配置する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。この技術によれば、導電性多孔体と膜電極接合体との接触抵抗を低減させることができる。

特開２００４−０６３０９５号公報

しかしながら、特許文献１の技術では、アノード側の導電性多孔体の毛細管作用によってカソード側から発電生成水の逆拡散を促進してしまう。この場合、アノード側のガス流路にて生成水による閉塞等の不具合が生じるおそれがある。

本発明は、アノード側のガス流路における閉塞を防止することができる燃料電池を提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池は、プロトン伝導性電解質層の両面に、触媒層およびガス拡散層が順に形成された発電部と、発電部のアノード側に設けられた多孔体からなる燃料ガス流路と、発電部のカソード側に設けられた多孔体からなる酸化剤ガス流路と、燃料ガス流路の発電部と反対側および酸化剤ガス流路の発電部と反対側に設けられたセパレータと、を備え、燃料ガス流路における水の接触角は、酸化剤ガス流路における水の接触角よりも大きく、燃料ガス流路は、表面に撥水剤が形成された多孔体であり、燃料ガス流路および酸化剤ガス流路は、ガス拡散層よりも平均孔径および／または空隙率が大きいことを特徴とするものである。

本発明に係る燃料電池においては、燃料ガス流路の親水性は酸化剤ガス流路の親水性よりも低くなる。この場合、発電に伴って生成された発電生成水は、酸化剤ガス流路から外部に効率よく排水される。また、カソード側からアノード側への逆拡散を抑制することができる。それにより、発電生成水が燃料ガス流路を閉塞することが抑制される。この効果は、燃料ガス流路を流動する燃料ガス量が少ない場合においても発揮される。

燃料ガス流路の残水率は、酸化剤ガス流路の残水率より小さくてもよい。この場合、燃料ガス流路および酸化剤ガス流路の親水性をより精度よく判断することができる。したがって、燃料ガス流路から外部への排水をより確実に抑制することができる。

本発明によれば、発電生成水が燃料ガス流路を経由して外部に排水されることが抑制される。その結果、燃料ガス流路の閉塞を抑制することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。

（実施の形態）
図１は、本発明の一実施の形態に係る燃料電池１００の模式的断面図である。図１に示すように、燃料電池１００は、膜電極接合体（以下、ＭＥＡと称する。）１０のアノード側に多孔体流路２０およびセパレータ４０が積層され、ＭＥＡ１０のカソード側に多孔体流路３０およびセパレータ５０が積層された構造を有する。ＭＥＡ１０は、電解質層１１のアノード側に触媒層１２およびガス拡散層１４が順に接合され、電解質層１１のカソード側に触媒層１３およびガス拡散層１５が順に接合された構造を有する。

電解質層１１は、例えば、プロトン伝導性を有する固体高分子からなる。触媒層１２，１３は、例えば、白金を担持したカーボン等から構成される。触媒層１２中の白金は、水素のプロトン化のための触媒として用いられる。触媒層１３中の白金は、プロトンと酸素との反応のための触媒として用いられる。ガス拡散層１４，１５は、例えば、カーボンペーパ、カーボンクロス等の導電性材料から構成される。ガス拡散層１４，１５は、触媒層にガスを拡散させる機能を有する。すなわち、ガス拡散層１４に供給された燃料ガスは、主として触媒層１２に向かって拡散する。また、ガス拡散層１５に供給された酸化剤ガスは、主として触媒層１３に向かって拡散する。

多孔体流路３０は、発泡焼結金属体等の導電性多孔体から構成される。本実施の形態においては、多孔体流路３０として、チタン発泡焼結金属体が用いられている。例えば、多孔体流路３０の発泡空孔の平均孔径は０．０５ｍｍ〜３ｍｍ程度であり、粒子間空孔の平均孔径は０．１μｍ〜４０μｍ程度であり、気孔率は４０％〜９９％程度である。多孔体流路３０は、ドクターブレード法等によって作製することができる。

多孔体流路２０は、多孔体流路３０の接触角よりも大きい接触角を備える導電性多孔体から構成される。本実施の形態においては、多孔体流路２０として、多孔体流路３０と同様のチタン発泡焼結金属体の表面に撥水剤が形成されたもの等を用いることができる。多孔体流路２０は、例えば、多孔体流路３０に用いた材料を１０ｐｐｍ程度のフッ素溶液に２０時間程度浸漬させることによって作製することができる。なお、フッ素溶液以外にも、１０ｐｐｍ程度のＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）溶液、シリコン溶液等を用いることもできる。

多孔体流路２０はガス拡散層１４よりも平均孔径および／または空隙率が大きく、多孔体流路３０はガス拡散層１５よりも平均孔径および／または空隙率が大きくなっている。したがって、多孔体流路２０，３０は、セパレータ４０，５０から供給されるガスをＭＥＡ１０の面全体に供給するガス流路として機能する。すなわち、多孔体流路２０に供給された燃料ガスは、主としてガス拡散層１４に平行に流動する。また、多孔体流路３０に供給された酸化剤ガスは、主としてガス拡散層１５に平行に流動する。このように、多孔体流路２０，３０とガス拡散層１４，１５とは、異なる機能を有している。

セパレータ４０，５０は、ステンレス等の導電性材料から構成される。セパレータ４０の多孔体流路２０側には燃料ガス流路が形成され、セパレータ５０の多孔体流路３０側には酸化剤ガス流路が形成されている。また、セパレータ４０，５０の内部には冷却媒体流路が形成されている。本実施の形態においては上記のような単セルが記載されているが、実際の燃料電池はこの単セルが複数積層されたスタック構造を有する。

続いて、燃料電池１００の作用について説明する。まず、水素を含有する燃料ガスがセパレータ４０から多孔体流路２０に供給される。燃料ガスは、多孔体流路２０をガス拡散層１４に平行に流動しつつ、ガス拡散層１４に供給される。その後、燃料ガスは、ガス拡散層１４を透過して触媒層１２に到達する。触媒層１２に到達した燃料ガス中の水素は、プロトンと電子とに分離される。プロトンは、電解質層１１を伝導し、触媒層１３に到達する。

一方、酸素を含有する空気等の酸化剤ガスは、セパレータ５０から多孔体流路３０に供給される。酸化剤ガスは、多孔体流路３０をガス拡散層１５に平行に流動しつつ、ガス拡散層１５に供給される。その後、酸化剤ガスは、ガス拡散層１５を透過して触媒層１３に到達する。触媒層１３に到達した酸化剤ガス中の酸素とプロトンとから水が発生するとともに電力が発生する。発生した電力は、セパレータ４０，５０等によって回収される。燃料電池１００は、以上の動作によって発電を行う。

本実施の形態においては、多孔体流路２０の接触角が多孔体流路３０の接触角よりも大きいことから、多孔体流路２０の親水性は多孔体流路３０の親水性よりも低くなる。この場合、図２に示すように、発電に伴って生成された発電生成水は、多孔体流路３０からセパレータ５０側に効率よく排水される。また、カソード側からアノード側への逆拡散を抑制することができる。それにより、発電生成水が多孔体流路２０からセパレータ４０側に排水されることが抑制される。その結果、多孔体流路２０の閉塞を抑制することができる。この効果は、多孔体流路２０を流動する燃料ガス量が少ない場合においても発揮される。この場合、多孔体流路２０から排出された未使用燃料ガスを再度多孔体流路２０に供給する循環系において、燃料ガス中の水分を除去する気液分離器の負荷を抑制することができる。

なお、本実施の形態においては多孔体流路２０の接触角が多孔体流路３０の接触角に比較して大きくなっているが、多孔体流路２０の残水率が多孔体流路３０の残水率に比較して小さくなっていてもよい。ここで、残水率とは、多孔体流路の空隙体積に対する含水体積の比率を意味する。この場合、多孔体流路２０，３０の親水性をより精度よく判断することができる。したがって、多孔体流路２０からセパレータ４０側への排水をより確実に抑制することができる。

なお、本実施の形態においては、電解質層１１がプロトン伝導性電解質層に相当し、多孔体流路２０が燃料ガス流路に相当し、多孔体流路３０が酸化剤ガス流路に相当し、ＭＥＡ１０が発電部に相当する。

以下、上記実施の形態にしたがって本発明に係る燃料電池を作製し、その特性を調べた。

（実施例）
実施例においては、図１の燃料電池１００を作製した。多孔体流路２０，３０は、平均孔径が２００μｍであり、気孔率が６０％であるチタン発泡焼結金属体からなる。また、多孔体流路２０を１０ｐｐｍのフッ素溶液に２０時間浸漬させて、多孔体流路２０に撥水性を持たせた。

（比較例）
比較例においては、アノード側の多孔体流路に撥水処理を施さなかった。したがって、比較例に係る燃料電池は、図１の燃料電池１００において多孔体流路２０の代わりに撥水処理を施していない多孔体流路を備えている。

（分析）
まず、実施例に係る多孔体流路２０，３０および比較例に係る多孔体流路の接触角を調べた。その測定方法を図３に示す。まず、図３（ａ）に示すように、多孔体流路の表面に水を付着させる。次に、多孔体流路の表面上に張出している水滴の接触角を測定する。なお、図３（ｂ）に示すように、多孔体流路に水が吸い込まれた場合は、接触角が０°であると推定する。

図４は、実施例に係る多孔体流路２０，３０および比較例に係る多孔体流路の接触角の測定結果を示す図である。図４の縦軸は、接触角を示す。図４に示すように、比較例に係る燃料電池においては、アノード側多孔体流路およびカソード側多孔体流路の接触角のいずれも、ほぼゼロとなった。一方、実施例に係る燃料電池１００においては、多孔体流路３０の接触が０°であるのに対して、多孔体流路２０の接触角は１００°程度まで大きくなった。以上のことから、上記の撥水処理によって多孔体流路２０の接触角が大きくなり、多孔体流路２０の撥水性が高くなっていることがわかる。

次に、実施例に係る多孔体流路２０，３０および比較例に係る多孔体流路の残水率を調べた。その測定方法を図５に示す。まず、図５（ａ）に示すように、多孔体流路を水に浸して１分間放置する。そして、多孔体流路の気泡が確認される場合は、振動等により気泡を除去する。次に、図５（ｂ）に示すように、多孔体流路を水から取り出して、多孔体流路の表裏面が鉛直方向に対して平行になるようにしつつ多孔体流路を３０秒保持し、重力により落水させる。なお、多孔体流路の表裏面または下部にたまった余分な水分は、拭い去っておく。

次いで、図５（ｃ）に示すように、多孔体流路の重量を測定する。次に、図５（ｄ）に示すように、多孔体流路を乾燥させて再度重量を測定する。以上の作業によって、多孔対流路に吸水された水分体積を測定することができる。最後に、得られた水分体積を多孔体流路の空隙体積で除することによって、残水率を測定することができる。

図６は、実施例に係る多孔体流路２０，３０および比較例に係る多孔体流路の残水率の測定結果を示す図である。図６の縦軸は、残水率を示す。図６に示すように、比較例に係る燃料電池においては、アノード側多孔体流路およびカソード側多孔体流路のいずれの残水率も、８０％程度となった。一方、実施例に係る燃料電池１００においては、多孔体流路２０の残水率は５０％程度まで低下した。以上のことから、上記の撥水処理によって多孔体流路２０の親水性が低下し、残水率が低下したことがわかる。

続いて、実施例に係る燃料電池１００および比較例に係る燃料電池に酸化剤ガスおよび燃料ガスを供給することによって発電をさせて、各多孔体流路における排水率を測定した。ここで、排水率とは、アノード側およびカソード側の多孔体流路の全排水量に対する、各多孔体流路から排出される水分量の比である。したがって、アノード側の排水率とカソード側の排水率とを足し合わせると１００％になる。なお、実施例に係る燃料電池１００および比較例に係る燃料電池において、酸化剤ガスおよび燃料ガスの供給量を同一とした。

図７は、実施例に係る多孔体流路２０，３０および比較例に係る多孔体流路の排水率の測定結果を示す図である。図７に示すように、比較例に係る燃料電池においては、アノード側およびカソード側における多孔体流路の排水率は、ほぼ同一となった。したがって、アノード側の多孔体流路から排出される水分量とカソード側の多孔体流路から排出される水分量とはほぼ同一である。

一方、実施例に係る燃料電池１００においては、カソード側の排水率がアノード側の排水率を大幅に上回っている。したがって、実施例に係る燃料電池１００においては、発電生成水のほとんどがカソード側から排出されたことになる。以上のことから、多孔体流路２０に撥水性を持たせることによって、発電生成水のアノード側への排出を抑制することが実証された。

本発明の一実施の形態に係る燃料電池の模式的断面図である。発電生成水の排水について説明するための図である。実施例および比較例に係る多孔体流路の接触角の測定方法を示す図である。実施例および比較例に係る多孔体流路の接触角の測定結果を示す図である。実施例および比較例に係る多孔体流路の残水率の測定方法を示す図である。実施例および比較例に係る多孔体流路の残水率の測定結果を示す図である。実施例および比較例に係る多孔体流路の排水率の測定結果を示す図である。

符号の説明

１０ＭＥＡ
１１電解質層
１２，１３触媒層
１４，１５ガス拡散層
２０，３０多孔体流路
４０，５０セパレータ
１００燃料電池

Claims

プロトン伝導性電解質層の両面に、触媒層およびガス拡散層が順に形成された発電部と、
前記発電部のアノード側に設けられた多孔体からなる燃料ガス流路と、
前記発電部のカソード側に設けられた多孔体からなる酸化剤ガス流路と、
前記燃料ガス流路の前記発電部と反対側および前記酸化剤ガス流路の前記発電部と反対側に設けられたセパレータと、を備え、
前記燃料ガス流路における水の接触角は、前記酸化剤ガス流路における水の接触角よりも大きく、
前記燃料ガス流路は、表面に撥水剤が形成された多孔体であり、
前記燃料ガス流路および前記酸化剤ガス流路は、前記ガス拡散層よりも平均孔径および／または空隙率が大きいことを特徴とする燃料電池。
前記燃料ガス流路の残水率は、前記酸化剤ガス流路の残水率よりも小さいことを特徴とする請求項１記載の燃料電池。