JP5017080B2

JP5017080B2 - 燃料電池用の単電池

Info

Publication number: JP5017080B2
Application number: JP2007334349A
Authority: JP
Inventors: 洋二中森; 直俊鈴木
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Fuel Cell Power Systems Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Priority date: 2007-12-26
Filing date: 2007-12-26
Publication date: 2012-09-05
Anticipated expiration: 2027-12-26
Also published as: JP2009158255A

Description

本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスを導入して化学反応により発電を行う燃料電池の触媒層に係り、特に、燃料電池の局部電池による燃料電池の劣化を抑制すべく改良した燃料電池用の単電池に関するものである。

従来、この種の燃料電池は、複層構成された単電池の各々に水素等の燃料と空気等の酸化剤を供給して、電気化学的に反応させることにより、燃料の持つ化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換して外部へ取り出すことのできる電池である。

この種の燃料電池は、比較的小型であるにもかかわらず高効率で、環境性に優れており、また発電に伴う発熱を温水や蒸気として回収することにより、コージェネレーションシステムとしての適用が可能であることから、工場や病院などの業務用、一般家庭用、自動車用など、幅広い用途への採用が期待されている。

また、特に固体高分子形燃料電池の単電池は、高分子電解質膜の両面に燃料極及び酸化剤極を接合した膜電極接合体を、その両側に燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路が形成されたセパレータで挟んだ構造を有している。

これらの燃料極及び酸化剤極は触媒層及びガス拡散層からなる。触媒層は、白金や白金合金のような金属触媒を担持した炭素担体と高分子電解質との複合体から構成されている。ガス拡散層はカーボンペーパーやカーボンクロス、またはこれらに炭素粉末を結着したものから構成されている。

この種の燃料電池の単電池は、一般に、このような構造を備えた単電池を多数積層してなるスタックから構成されている。

このような膜電極接合体は、燃料極触媒層及び酸化剤極触媒層を高分子電解質膜に対して部分的に接合し、燃料極及び酸化剤極の周囲にガスケットを設置している。この構造は電池組み立て時において燃料極触媒層及び酸化剤極触媒層の位置がずれると電池特性が不十分であったり、電池材料劣化を加速させたり、また位置あわせが煩雑となったりする可能性がある。

従来のこの種の燃料電池の単電池として、燃料極触媒層及び酸化剤触媒層を高分子電解質膜に部分的に接合する単電池構造に対して、燃料極触媒層及び酸化剤極触媒層をガス供給部材よりも広く接合し、製造誤差や組み付け誤差によっても燃料ガス及び酸化剤ガスを有効に活用する単電池構造のものが出現している（例えば、特許文献１参照）。

図８は、従来の燃料電池の単電池の概要を示す要部断面図である。図８に示す燃料電池の単電池１は、触媒を担持した触媒電極２，２が両面に塗布された電解質膜３と、この電解質膜３の両面の触媒電極２，２に燃料ガスａと酸化剤ガスｂとを拡散供給するガス拡散層４，４およびこのガス拡散電極４，４にガスを供給するガス供給部材（セパレータ）５，５とを備えている。

ガス供給部材５は、電解質膜３に塗布された触媒電極２，２の塗布領域より内側の領域に燃料ガスａと酸化ガスｂを供給する作用をなす単電池である。

電解質膜３には、ガス供給部材５により供給される燃料ガスａおよび酸化ガスｂの供給領域の外周部の所定の範囲（図８のｅ参照）にも触媒電極２，２が塗布されている。

この所定の範囲とは、製造誤差および組み付け誤差等の要因により供給領域の外周部に燃料ガスａと酸化ガスｂが供給されないよう調整された範囲である。

ガス供給部材（セパレータ）５は、電解質膜３の流路を形成し、燃料ガスａを一方の面に塗布された触媒電極２に供給する流路６を形成している。

一方、酸化ガスｂを、電解質膜３の他方の面に塗布された触媒電極２に供給する流路７を形成している。

また、一方のガス供給部材５の流路６は、燃料ガスａが流通して電解質膜３の一方の面の燃料ガス供給領域では、一方の面に塗布された触媒電極２の塗布領域の一部が含まれないよう形成される。

他方のガス供給部材５の流路７は、酸化ガスｂの流路７により電解質膜３の他方の面に酸化ガスｂを供給可能な酸化ガス供給領域では、前記他方の面に塗布された触媒電極２の塗布領域の一部が含まれないよう形成されている。

このように、燃料ガスａや酸化ガスｂの供給領域を有効に用いて所望の電力が得られる構成とすることにより、燃料電池の単電池として小型化を図ることができるものである。
特開２００２−３７３６８０号公報

しかしながら、燃料電池の単電池の製造時にあっては、一般的に各部品間の位置合わせ、特にガス拡散電極４，４とガス供給部材５，５の位置関係は、ガス漏れ対策として重要であって、ガス漏れを防止するためにガスケットを敷設してガス漏れを防ぐように構成したものがあるが、燃料電池の長期運転によりガスケットが劣化してくると、両触媒層の一部はマニホールド内のガスに暴露することとなる。

また、位置合わせ誤差によっては微調整が必要となるため、相応の寸法精度や電池製造時の位置合わせ技術が必要であった。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、電池作製上の要求される寸法の緩和による製作の簡素化を図ると共に、この種の電池における使用材料の劣化を防止し、燃料電池の寿命が向上する燃料電池の単電池を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明によれば、電解質膜と、燃料極と、酸化剤極と、前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料極セパレータと、前記酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤極セパレータから構成される燃料電池用の単電池において、前記燃料極は、前記電解質膜に接して設けられた燃料極触媒層と、前記燃料極触媒層と前記燃料極セパレータとによってはさまれた燃料極ガス拡散層とを備え、前記酸化剤極は、前記電解質膜に接して設けられた酸化剤極触媒層と、前記酸化剤極触媒層と前記酸化剤極セパレータとによってはさまれた酸化剤極ガス拡散層とを備え、前記燃料極触媒層の少なくとも一辺が、前記燃料極セパレータの端部位置まで延長し、前記酸化剤極触媒層の少なくとも一辺が、前記酸化剤極セパレータの端部位置まで延長し、且つ、燃料電池の通常発電部を除く前記燃料極触媒層の延長部と前記酸化剤極触媒層の延長部が電解質膜を介して重ならないことを特徴とする燃料電池用の単電池を提供する。

本発明によれば、燃料極及び酸化剤極を拡大することにより電池作製時における燃料極及び酸化剤極の位置あわせ等の煩雑な作業が低減され、電池作製の簡素化ができる。

また、長期発電において燃料極ガスケットが劣化し、局部電池が形成されても酸化剤極が部分的に高電位に保持されることを抑制し、局部電池による電池材料劣化加速を抑制することができる。

本発明に係る燃料電池の単電池の実施形態について説明する。

図１は、本発明の燃料電池の単電池の一実施形態における、燃料ガス及び酸化剤ガスのガス流れ方向と触媒層と電解質膜の位置関係を一部の部品を省略して示す概要図である。図２は、図１のＡ−Ａ線に沿う断面図で、図３は、図１のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。

図２及び図３に示す燃料電池の単電池１０は、単セルの中心部を構成する電解質膜１１と、その両側面に白金または白金合金を担持した炭素を塗布して形成した燃料極触媒層２０及び酸化剤極触媒層２１と、各々に燃料極ガス拡散層１７及び酸化剤極ガス拡散層１８と、燃料極触媒層２０及び燃料極ガス拡散層１７に燃料ガスｘを供給する燃料極セパレータ２３Ａと酸化剤極触媒層２１及び酸化剤極ガス拡散層１８に酸化剤ガスｙを供給する酸化剤極セパレータ２３Ｂと、燃料極１２内の燃料ガスｘと燃料極１２外のガス（例えば、外気）の混合を防止する燃料極ガスケット１４と、酸化剤極１５内の酸化剤ガスｙと酸化剤極１５外のガスの混合を防止する酸化剤極ガスケット１６を備えている。

また、電極である燃料極１２及び酸化剤極１５の電極において、それぞれ電極１２および１５が燃料極セパレータ２３Ａ及び酸化剤極セパレータ２３Ｂの端まで延長して設けられる。

電解質膜１１は、その一方の壁面側に燃料極触媒層２０と酸化剤極触媒層２１が接合され、各々に燃料ガス拡散層１７と酸化剤ガス拡散層１８が接合され、両側から燃料ガス流路ｒ１を形成するセパレータ２３Ａと酸化剤ガス流路ｒ２を形成するセパレータ２３Ｂにより挟持した重層構成に形成される。

セパレータ２３Ａには、複数の交差するトンネル状に形成した燃料ガス流路ｒ１が形成され、この燃料ガス流路ｒ１を流れる燃料ガスｘが、燃料ガス拡散層１７に拡散して流入するように設けられる。

セパレータ２３Ｂには、複数の交差するトンネル状に形成した酸化剤ガス流路ｒ２が形成され、この酸化剤ガス流路ｒ２を流れる酸化剤ガスｙが、酸化剤ガス拡散層１８に拡散して流入するように設けられる。

これらの燃料極ガスケット１４及び酸化剤極ガスケット１６は、燃料極１２及び酸化剤極１５内のガスが周囲のガスと混合しないようにシール作用をなすために設けられる。

また、燃料極セパレータ及び酸化剤極セパレータに燃料ガスｘ及び酸化剤ガスｙを導入・導出するために、図１に示すように、それぞれ相対向して一対のマニホールド２５Ａおよび２５Ｂ（想像線図示）が設けられる。

この一対のマニホールド２５Ａは、燃料極１２側において、燃料ガスｘを導き入れる燃料ガス入口マニホールド２５Ａ１と、燃料極セパレータ２３Ａを通過した後、この燃料ガスｘを外部へ導出する燃料ガス出口マニホールド２５Ａ２が設けられる。

また、他方の一対のマニホールド２５Ｂは、酸化剤極１５側において、酸化剤ガスｙを導き入れる酸化剤ガス入口マニホールド２５Ｂ１と、酸化剤極セパレータ２３Ｂを通過した後、この酸化剤ガスｙを外部へ導出する酸化剤ガス出口マニホールド２５Ｂ２が設けられる。

燃料極１２及び酸化剤極１５が、図示のように、電池断面にて燃料ガス入口マニホールド２５Ａ１もしくは燃料ガス出口マニホールド２５Ａ２に面する燃料極セパレータ２３Ａ及び酸化剤極セパレータ２３Ｂの端部位置まで延長して設けられる。

なお、燃料極１２および酸化剤極１５の両端は、図１及び図２に示すように、燃料ガスｘが供給もしくは排出される側において、電解質膜１１の幅員とほぼ同等幅に設けられ、酸化剤ガスｙが供給もしくは排出される側においては、図１及び図３に示すように、電解質膜１１の幅員と同等幅とせず、燃料極１２及び酸化剤極１５の両端は、燃料極１２側については、図２に示すように、電池断面において、相対向して設けられる燃料ガスマニホールド２５Ａの燃料ガス入口マニホールド２５Ａ１および燃料極ガス出口マニホールド２５Ａ２に面する燃料極セパレータ２３Ａ及び酸化剤極セパレータ２３Ｂの端部位置まで延長して設けられる。

また、燃料極１２及び酸化剤極１５は、図３に示す電池断面において、両辺に相対向して設けられる酸化剤ガスマニホールド２５Ｂの酸化剤ガス入口マニホールド２５Ｂ１および酸化剤ガス出口マニホールド２５Ｂ２（いずれも図示せず）に面する燃料極セパレータ２３Ａ及び酸化剤極セパレータ２３Ｂの端部位置までは延長して設けない構成である。

次に、本発明の燃料電池の単電池１０の作用について、図４〜図７を参照して説明する。

図４は、図１及び図２に示す燃料極触媒層および酸化剤極触媒層に流入する燃料ガスおよび酸化剤ガスの電気化学反応を示す説明図である。図５は、図１及び図３に示す燃料極触媒層および酸化剤極触媒層を、酸化剤ガスマニホールドまで延長したと仮定した際に生じる局部電池において、燃料極触媒層および酸化剤極触媒層に流入する燃料ガスおよび酸化剤ガスの電気化学反応を示す説明図である。図６は、図４に示す燃料電池の電気化学反応を模擬した試験における燃料電池の特性を示すグラフである。図７は、図６に示す局部電池の電気化学反応を模擬した試験結果を示すグラフである。

単電池１０の通常発電部では、図２に示す燃料極１２部分に水素が存在し、触媒上にて水素酸化反応が生じる。また単電池１０の通常発電部の酸化剤極１５には酸素が存在し、触媒上にて酸素還元反応が生じる。この状態において、燃料極１２及び酸化剤極１５は燃料ガスマニホールド２５Ａまで延長しているので、燃料極１２の延長部位と燃料ガスマニホールド２５Ａに接する部位とで局部電池が形成され燃料極１２の延長部でプロトン還元反応が生じる。

他方、酸化剤極１５の延長部位と燃料ガスマニホールド２５Ａに接する部位で局部電池が形成され、酸化剤極１５の延長部位で水素酸化反応が生じる。

これらの局部電池ではカーボン酸化反応は生じないため、電池特性低下は加速されない。

この結果、図４の構成による通常発電部の試験結果について、図６のグラフに示すように、発電作用時間が経過しても燃料電池の特性に大きな影響を与える触媒表面積が低下しない特性が得られた。

ここで、上述した実施態様においては、燃料極１２及び酸化剤極１５を、燃料ガスマニホールド２５Ａ側へ延長した際に生じる局部電池であるのに対して、燃料極１２および酸化剤極１５を、酸化剤ガスマニホールド２５Ｂ側へ延長したと仮定した際に生じる局部電池においての燃料電池特性について実験を試み、その作用・効果について比較検証した。

この結果、図５に示すような電気化学反応が生じた。図５に示す燃料極１２及び酸化剤極１５における電気化学反応は、単電池１０の通常発電部では燃料極１２側には水素が存在するため、触媒上で水素酸化反応が生じ、酸化剤極１５側には酸素が存在するため、触媒上で酸素還元反応が生じる。

また燃料極１２および酸化剤極１５を酸化剤ガスマニホールド２５Ｂまで延長しているので、酸化剤ガスマニホールド２５Ｂ内の酸素によって燃料極１２の延長部の触媒上で酸素還元反応が生じ、燃料極１２の発電部位と酸化剤ガスマニホールド２５Ｂに接する延長部位とで局部電池が形成される。

他方で、酸化剤極１５の発電部位と酸化剤ガスマニホールド２５Ｂに接する部位とで局部電池が形成され、酸化剤極１５の酸化剤ガスマニホールド２５Ｂに面する部位では酸化剤極１５中のカーボンの酸化反応が生じる。

これにより、カーボン酸化反応は電池特性を著しく低下させることになり、白金触媒面積低減やガス拡散阻害、またはガスリークを引き起こす。

図７は、図５の電気化学反応を模擬した試験結果を示す。これより、時間が経過するに従って酸化剤極中の触媒表面積が低下していくことがわかる。これは、酸化剤極にてカーボン酸化反応が進行し、それに伴いカーボンに担持されている白金触媒が溶解、脱離していることを示している。

以上のことから、燃料極１２及び酸化剤極１５を酸化剤ガスマニホールド２５Ｂまで延長すると、局部電池が形成されることによるカーボン酸化反応から電池特性が顕著に低下することが明らかである。

したがって、本実施形態においては、図２に示すように燃料極１２及び酸化剤極１５は共に酸化剤ガスマニホールド２５Ｂ側には延長しない。

以上のように、燃料電池を構成する単電池１０は、燃料極１２及び酸化剤極１５を燃料極セパレータ２３Ａ及び酸化剤極セパレータ２３Ｂが電池断面にて燃料極マニホールド２５Ａに面する端部位置まで延長して設けた構成としたことにより、単電池１０の燃料極１２及び酸化剤極１５の積層加工工程において、電解質膜１１または燃料極１２または酸化剤極１５またはセパレータ２３Ａまたは２３Ｂ端面との位置合わせが容易であり、加工作業が容易となる効果がある。

また、単電池１０によれば、燃料極１２に燃料ガスｘを導く燃料ガスマニホールド２５Ａを備え、酸化剤極１５に酸化剤ガスyを導く酸化剤ガスマニホールド２５Ｂを備え、燃料極１２及び酸化剤極１５を電池断面にて燃料ガスマニホールド２５Ａに面する燃料極セパレータ２３Ａ及び酸化剤極セパレータ２３Ｂの端部位置まで延長し、さらには燃料極１２及び酸化剤極１５を電池断面にて酸化剤ガスマニホールド２５Ｂに面する燃料極セパレータ２３Ａ及び酸化剤極セパレータ２３Ｂの端部位置まで延長しない、すなわち電解質膜１１と同等幅としない構成を採用したため、酸化剤極１５のカーボン腐食の進行を低減することができ、単電池１０としての耐久性をより一層改善することができる。

従って、単電池１０によれば、燃料極１２および酸化剤極１５の少なくとも一方が、両燃料ガスマニホールド２５Ａに面する側のみ延長して設けた構成、すなわち、燃料極１２及び酸化剤極１５を燃料ガス入口マニホールド２５Ａ１及び燃料ガス出口マニホールド２５Ａ２まで延長した電池構造を採用したことにより、電解質膜１１または燃料極１２または酸化剤極１５またはセパレータ２３Ａまたは２３Ｂ端面との位置合わせの上で燃料電池製造工程の簡素化を図ることができ、かつ電池材料劣化の加速を抑制することができる。

なお、本発明の燃料電池用の単電池１０の燃料極１２及び酸化剤極１５は、その両方を、電池断面にて燃料ガス入口マニホールド２５Ａ１及び燃料ガス出口マニホールド２５Ａ２に面する端部位置まで延長するとし、電池断面にて酸化剤ガス入口マニホールド２５Ｂ１及び酸化剤ガス出口マニホールド２５Ｂ２に面する端部位置までは延長しないとしたが、必ずしもその必要はなく、燃料極１２及び酸化剤極１５のどちらか一方の電極を、燃料極セパレータ及び酸化剤極セパレータのどちらか一方の、少なくとも一辺の端部位置まで延長しても良い。ただしその際に限っては、通常発電部位を除く燃料極１２の延長部位と酸化剤極１５の延長部位を、電解質膜１１を間に挟んで重ならないようにする。これは図６における局部電池は、通常発電部を除いた燃料極１２及び酸化剤極１５の延長部が電解質膜１１を間に挟んで重なることによって形成されるためである。仮に通常発電部位を除く燃料極１２の延長部位と酸化剤極１５の延長部が電解質膜１１を介して重なり、且つ延長部が空気等の酸化剤ガスに接する場合には図６に示す局部電池が形成され、その結果酸化剤極の延長部でカーボン酸化反応が起こり、電池特性が劣化する。従って、燃料極セパレータ及び酸化剤極セパレータのどちらか一方の、少なくとも一辺の端部位置まで延長し、その際に限っては、通常発電部位を除く燃料極１２の延長部位と酸化剤極１５の延長部位を、電解質膜１１を介して重ならない構造をとることで、電解質膜１１または燃料極１２または酸化剤極１５またはセパレータ２３Ａまたは２３Ｂ端面との位置合わせの上で燃料電池製造工程の簡素化を図ることができ、また、カーボン酸化反応による電池材料劣化加速を抑制することができ、電池の耐久性を向上することができる。

また、発明の燃料電池用の単電池１０の燃料極１２及び酸化剤極１５は、両電極を燃料極セパレータ及び酸化剤極セパレータの端部位置まで延長する必要はなく、両電極の燃料極触媒層及び酸化剤極触媒層のみを両セパレータの端部位置まで延長しても良い。図４及び図６で説明される局部電池は、触媒層で起こるためであり、これによって電解質膜１１または燃料極触媒層２０または酸化剤極触媒層２１との位置あわせの上で燃料電池製造工程の簡素化を図ることができ、また、カーボン酸化反応による電池材料劣化加速を抑制することができ、電池の耐久性を向上することができる。

本発明の燃料電池の一実施形態における、燃料ガス及び酸化剤ガスのガス流れ方向と触媒層と電解質膜の位置関係を一部の部品を省略して示す概要図。図１のＡ−Ａ線に沿う断面図。図１のＢ−Ｂ線に沿う断面図。図１及び図２に示す燃料極触媒層および酸化剤極触媒層に流入する燃料ガスおよび酸化剤ガスの電気化学反応を示す説明図。図１及び図３に示す燃料極触媒層および酸化剤極触媒層を、酸化剤ガスマニホールドまで延長したと仮定した際に生じる局部電池において、燃料極触媒層および酸化剤極触媒層に流入する燃料ガスおよび酸化剤ガスの電気化学反応を示す説明図。図４に示す燃料電池の電気化学反応を模擬した試験における燃料電池の特性を示すグラフ。図６に示す局部電池の電気化学反応を模擬した試験結果を示すグラフ。従来の燃料電池の単電池の概要を示す要部断面図。

符号の説明

１０単電池（燃料電池）
１１電解質膜
１２燃料極（電極）
１４燃料極ガスケット
１５酸化剤極（電極）
１６酸化剤極ガスケット
１７燃料ガス拡散層
１８酸化剤ガス拡散層
２０燃料極触媒層
２１酸化剤極触媒層
２３Ａ，２３Ｂセパレータ
２５Ａ燃料ガスマニホールド
２５Ｂ酸化剤ガスマニホールド
２５Ａ１燃料ガス入口マニホールド
２５Ａ２燃料ガス出口マニホールド
２５Ｂ１酸化剤ガス入口マニホールド
２５Ｂ２酸化剤ガス出口マニホールド
ｒ１燃料ガス流路
ｒ２酸化剤ガス流路
ｘ燃料ガス
ｙ酸化剤ガス

Claims

電解質膜と、燃料極と、酸化剤極と、前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料極セパレータと、前記酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤極セパレータから構成される燃料電池用の単電池において、
前記燃料極は、前記電解質膜に接して設けられた燃料極触媒層と、前記燃料極触媒層と前記燃料極セパレータとによってはさまれた燃料極ガス拡散層とを備え、
前記酸化剤極は、前記電解質膜に接して設けられた酸化剤極触媒層と、前記酸化剤極触媒層と前記酸化剤極セパレータとによってはさまれた酸化剤極ガス拡散層とを備え、
前記燃料極触媒層の少なくとも一辺が、前記燃料極セパレータの端部位置まで延長し、前記酸化剤極触媒層の少なくとも一辺が、前記酸化剤極セパレータの端部位置まで延長し、且つ、燃料電池の通常発電部を除く前記燃料極触媒層の延長部と前記酸化剤極触媒層の延長部が電解質膜を介して重ならない構成としたことを特徴とする燃料電池用の単電池。
前記燃料極セパレータに燃料ガスを導く燃料ガス入口マニホールドと、前記燃料極セパレータから燃料ガスを排出する燃料ガス出口マニホールドと、をさらに備え、前記燃料極触媒層及び酸化剤極触媒層が、電池断面にて前記燃料ガス入口マニホールドまたは前記燃料ガス出口マニホールドの少なくともどちらか一方に面する前記燃料極セパレータ及び前記酸化剤極セパレータの端部位置まで延長して設けた構成であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池用の単電池。
前記燃料電池の通常発電部を除く前記燃料極触媒層の延長部と前記酸化剤極触媒層の延長部が、前記酸化剤極に酸化剤ガスを供給する端部付近および前記酸化剤極から酸化剤ガスを排出する端部付近で、電解質膜を介して重ならない構成としたことを特徴とする請求項１記載の燃料電池用の単電池。