JP5135370B2

JP5135370B2 - 固体高分子形燃料電池

Info

Publication number: JP5135370B2
Application number: JP2010060105A
Authority: JP
Inventors: 正也小境; 務奥澤
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2010-03-17
Filing date: 2010-03-17
Publication date: 2013-02-06
Anticipated expiration: 2030-03-17
Also published as: JP2011192617A; CN102195058B; US20110229787A1; CN102195058A

Description

本発明は、水素と酸素との化学反応により電気エネルギーを発生させる固体高分子形燃料電池に係わる。

固体高分子形燃料電池は、固体高分子電解質膜とその両側を燃料極触媒層（以降アノードと呼ぶ）と酸化剤極触媒層（以降カソードと呼ぶ）とで被覆した電解質膜・電極触媒接合体の両側を多孔質のカーボン材からなるガス拡散層で挟む。さらにその両側に燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給するためのバイポーラープレートを配置して構成する単位発電セルを複数積層して積層体（以降スタックと呼ぶ）を形成し、この積層体の両端を締付板により締め付けて燃料電池セルスタックが構成される。

バイポーラープレートは、その片面に燃料ガス又は酸化剤ガスの流路を、もう片方の面に冷却媒体流路を備えているのが一般的であり、例えば、金属薄板をプレス加工により凹凸を成形することにより製作される。このバイポーラープレートを用いた燃料電池の場合、アノード側では燃料ガス流路の凸面（以降リブと呼ぶ）が、カソード側では酸化剤ガス流路のリブがガス拡散層に接する。この接触部分において、反応で生じた電子の授受を行い、電気化学反応により生じた熱を冷却媒体へ伝える。また、燃料ガス又は酸化剤ガスは凹部を流れ、ガス拡散層を介して電極触媒へ供給される。

燃料電池は他の動力源に比べ効率が高いこと、環境負荷が低いことなどから、定置用分散電源や車載用電源への実用化が進んでいる。例えば、車載用電源の場合には小型軽量といった高出力密度化が求められている。このためには、発電面全体にわたり一様な発電をすること、発電に直接寄与しない部品の削減が必要となる。従来のバイポーラープレートは金属薄板をプレス加工することで反応ガス流路を形成していたが、ガス拡散層と接するリブでは通電のみを、流路部ではガス拡散を担うというように役割が分割されており、リブや流路幅のサイズで通電部とガス拡散部の分布が生じてしまう。発電の一様化にはリブと流路の幅を細分化することが必要であるが、加工の観点から細分化には限界がある。

このようなプレス加工のバイポーラープレートに代わり、細孔が連通した多孔質体を反応ガス流路に用いる方法が考えられる。すなわち、多孔質体を用いると通電部分である多孔質体骨格部とガス拡散部分の細孔が混合一様化することが可能となる。これにより発電反応の一様化が図られ、出力の増加が期待できる。

しかしながら、反応ガス流路の多孔質化のみでは高出力密度化にも限界がある。さらなる高出力化には、反応ガス流路以外の部分である冷却媒体流路における冷却の高冷却密度化を図り、燃料電池スタック内で冷却部の数を削減する必要がある。特に冷却部を発電部と一体化することができれば、より燃料電池をコンパクト化することが可能となる。例えば、反応ガス流路に反応ガスとともに冷却水を同時に導入すると、反応で生じた熱により冷却水が蒸発することで蒸発潜熱を奪うことによる冷却効果が得られる。

反応ガス中への水の供給方法としては、特許文献１において、水分の高圧噴射による微細水滴の反応ガス導入方法が示されている。

特開２００７−８７８０５号公報

特許文献１に示されている微細水滴導入方法は単位発電セルごとに微細水滴導入機構を備えており、各セルにおいて均等な冷却が期待できる。しかしながら、微細水滴の形成には、高圧で水を噴射することが必要となることから、補機や駆動動力の増加により燃料電池システムの小型化が難しい。

本発明は、これらの課題に鑑みてなされたものであり、簡易な冷却構造で小型化を実現する燃料電池を提供することを目的とする。

本発明の固体高分子形燃料電池は、電解質膜・電極触媒接合体と、前記接合体の燃料極に燃料ガスを供給する導電性のガス拡散層と、燃料ガス流路を備えた導電性セパレータおよび、前記接合体の酸化剤極に酸化剤ガスを供給する導電性のガス拡散層と、酸化剤ガス供給流路を備えた導電性セパレータと、燃料ガス流路と酸化剤ガス流路とを隔てるバイポーラープレートで構成される単位発電セルを複数積層した固体高分子形燃料電池であって、以下の特徴を持つ。
１）反応ガス流路（燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路）が導電性多孔質体の連通細孔から構成され、カソード側ガス流路に酸化剤ガスとともに液水を供給することを特徴とする。
２）カソード側ガス流路を構成する多孔質体の発電面側と反対の面に溝加工が施されていることを特徴とする。
３）アノード側ガス流路とカソード側ガス流路とを隔てるバイポーラープレートは、反応ガス流路の多孔質体に比べガス透過係数が小さい多孔質プレートであることを特徴とする。
４）前記多孔質プレートは、親水性であることを特徴とする。

本発明によれば、反応ガス流路を多孔質体から構成し、バイポーラープレートと接する
面に流路溝を備える構造としたことから、電解質膜・電極触媒接合体と対向する面は全面
にわたり多孔質体が接することができ、その細孔を通して反応ガスが電極触媒全面に供給
されるため、電極触媒全面での反応が可能となる。また、酸化剤ガス中に液水を供給し、
蒸発潜熱による冷却を行うため、冷却セルを削減することができ、燃料電池スタックの薄
型化が可能である。

本発明に係わる燃料電池の第一の実施形態に適用する単位セルの部分断面の模式図。本発明に係わる燃料電池の第二の実施形態に適用する単位セルの部分断面の模式図。本発明に係わる燃料電池の実施形態に適用する多孔質ガス流路を含むバイポーラープレートの構造を示す模式的平面図。多孔質ガス流路の溝を備える面を基準とした模式図であり、波線は反応ガスを供給・排出するマニホールドを含むバイポーラープレートの投影図。本発明に係わる燃料電池の実施形態に適用する燃料電池スタック構成とシステムの概略図。

以下、本発明の燃料電池について、図面を用いて実施例を説明する。

図１は本発明に係わる燃料電池の第一の実施形態に適用する単位セル断面の模式図であり、反応ガスの流れ方向に対して直角となる断面である。単位セルは固体高分子電解質膜１、固体高分子電解質膜１の両面に配置される触媒層のアノード２，カソード３から構成される電解質膜・電極触媒接合体１２、触媒層２，３の外側にそれぞれ配置されるガス拡散層４，５、多孔質ガス流路６，７および多孔質バイポーラープレート８から構成される。ただし、ガス拡散層は省略されることがある。また、図示していないが、単位セルには反応ガスと冷却水の漏洩を防止するためのシール部材を備えている。

固体高分子電解質膜１は炭化水素を含む固体高分子材料からなり、電極・触媒層２および３は白金などの触媒が坦持されたカーボンペースト，ガス拡散層４および５は炭素繊維を結着させたカーボンペーパーやカーボンフェルトから構成される。本発明に用いる電解質膜・電極触媒接合体１２は８０℃以上、望むべくは９０℃以上の燃料電池運転温度に耐えるものを用いる。以降、燃料ガスは水素、酸化剤ガスは空気として説明を進めるが、燃料ガスは水素リッチなガスであれば対応可能であり、酸化剤ガスは酸素であれば最も良い。

多孔質ガス流路６，７は金属材料からなる多孔質体であり、材料としては、チタン，アルミニウム，マグネシウム，ニッケル，クロム，モリブデンおよびこれらを一部に含む例えばＳＵＳなどの合金などから選定する。発泡や焼結，微細金属繊維の結着などにより製造され、空隙率は７５％以上で、気孔径に２００μｍ以上の細孔を含む多孔質体を用いる。

カソード側多孔質ガス流路７には、多孔質バイポーラープレート８と対向する面にプレス加工や切削加工などにより複数のカソード側流路溝１０が形成されている。カソード側流路溝１０は、図３ではガス流れ方向に直線形状であるが、直線に限定されるものではなく、曲線を含む形状，直線と曲線からなる溝なども適用できる。カソード側流路溝１０には図３に破線で図示された酸化剤ガス供給マニホールド２１から反応ガスである空気とともに供給される液水が流通する。酸化剤空気は多孔質ガス流路７の細孔を流動することでカソード３へ効率よくガスを供給することになるため、カソード流路溝１０のサイズとして、深さはカソード側多孔質ガス流路７の１／２以下とすることが望ましい。また、図１に示した断面において、流路溝断面積の総和はカソード側多孔質ガス流路７の断面積の１／４以下とすることが望ましい。また、複数のカソード側流路溝１０に供給した液水を発電面内一様に分配させるために、カソード側流路溝１０の出入口部に図示しない整流部を設けることも可能である。供給する液水量は電極面積，最大作動電流密度から決定し、発電における発熱量に対して蒸発潜熱により冷却できる量とする。

液水が混合された酸化剤空気は、多孔質体から構成されるカソード側多孔質ガス流路７へ導入される。カソード側多孔質ガス流路７は電解質膜・電極触媒接合体１２から発電によって生じた熱が伝導しており、供給された液水がカソード側多孔質ガス流路７を形成する金属の多孔質体骨格部分に接触することにより蒸発する。このとき多孔質体の骨格から蒸発潜熱を奪うため、反応ガス中での冷却が可能となる。従来の流路溝構造に比べ比表面積を大きくすることができる多孔質流路とすることが本発明には必要となる。蒸発した水蒸気は残留反応ガスとともに反応ガス排出マニホールド２６から排出される。これにより、冷却セルを別途設けることなく燃料電池を所定の温度に維持することができ、燃料電池の小型化に効果がある。

特に、燃料電池運転温度を９０℃以上とした場合、蒸発潜熱による冷却効果のみで冷却ができることから、反応ガス中に滲み出しにより供給する液水の流量は、従来独立に冷却セルで液水による顕熱冷却を利用する燃料電池に比べ大幅に少なくすることが可能となる。

多孔質バイポーラープレート８は、前記多孔質ガス流路６，７に用いられる金属材料またはカーボンを主原料とする材料などから形成され、ガス透過係数は前記多孔質ガス流路６，７やガス拡散層４および５に比べて小さくなるようにする。このような構成にすることで、カソード側多孔質ガス流路７に形成された複数のカソード側流路溝１０に供給される液水または電気化学反応により生成された水を吸収し、毛管力により水分を保持することができる。こうすることにより、多孔質バイポーラープレート８はガス不透過となり、燃料ガスである水素と酸化剤ガスである空気を分離することが可能である。水を保持するという観点から、多孔質バイポーラープレート８のぬれ性は親水性であることが望ましい。保持した水分はアノード側多孔質ガス流路６を介してアノードへ供給可能であり、高電流密度作動における固体高分子電解質膜１の乾燥を防止することができる。

アノード側多孔質ガス流路６とカソード側多孔質ガス流路７とで著しく圧力損失が異なる場合には、圧力の高い側からのガスの漏えいが心配される。このような動作条件となる場合には、圧力損失の低い多孔質ガス流路の多孔質体を圧力損失の高い多孔質ガス流路の多孔質体よりも気孔率，気孔径の組み合わせによりガス透過係数を小さくする。また、多孔質ガス流路の厚さを薄くすることでもガス透過係数を小さくすることができ、アノード側多孔質ガス流路６とカソード側多孔質ガス流路７での圧力損失が小さくなるようにする。

図４は本実施例を適用したスタックの一部を示す断面図である。図４は図３のセパレータをスタック化した際のＡ−Ａ断面を示す。セルの積層は図１と同様に固体高分子電解質膜１を挟んで上がアノード、下がカソードとなる構成例を示す。図４のスタック部分は上からアノード側多孔質流路６，アノード側ガス拡散層４，電解質膜・電極触媒接合体１２，カソード側ガス拡散層５，カソード側多孔質流路７，バイポーラープレート８、そしてアノード側多孔質流路６となり、この繰り返しとなる。また、シール２５により外部への反応ガスの漏えいおよびマニホールド周辺における燃料ガスと酸化剤ガスの混入を防止する。電解質膜・電極触媒接合体１２は、発電部分には電極触媒が塗布されているが、マニホールド周辺部，シール２５が接する部分では電極触媒は塗布されていない。

燃料電池スタックへのガス供給系は、酸化剤空気を供給する酸化剤ガスブロワ５２と、酸化剤空気へ液水を供給する液水注入ポンプ５１および酸化剤ガス供給マニホールド２１を結ぶ配管系、酸化剤ガス排出マニホールド２３から未反応のガスや水蒸気を排出する配管系からなる。燃料系統については図示していないが、供給はブロワまたは水素ボンベの圧力で行うものとする。

酸化剤ガスブロワ５２から供給された空気は途中の配管で液水注入ポンプ５１から供給された液水と合流し、酸化剤ガス供給マニホールドへ供給される。マニホールドではそれぞれのセルへ酸化剤ガスと液水が供給され、図１の説明で述べたように液水が蒸発することによりセル内温度を一定に保つことができる。排出ガスは酸化剤ガス排出マニホールド２３から排出系配管を介してスタック外部へ排出される。

液水は外部から供給することも可能であるが、排出ガス中の水分を熱交換器５３を介して凝縮させ、凝縮水回収タンク５４に溜めたものを再利用することで、発電反応で生成された水を有効に利用することができ、システムをコンパクト化することが可能である。

以上のような実施形態の場合、反応ガス流路を多孔質体から構成し、バイポーラープレートと接する面に流路溝を備える構造としたことにより、電解質膜・電極触媒接合体１２を挟持するガス拡散層５と対向する面は全面にわたり多孔質体が接することができ、反応ガスが電極触媒全面に供給されるため電極触媒全面で一様な反応が可能となる。また、酸化剤ガス中に液水を供給し、蒸発潜熱による冷却を行うため、冷却セルを削減することができ、燃料電池スタックの薄型化が可能である。

図２は本発明に係わる燃料電池の第二の実施形態に適用する単位セル断面の一部を示す模式図であり、反応ガスの流れ方向に対して直角となる断面である。本発明の第二実施例として、アノード側多孔質ガス流路６にもバイポーラープレート９と対向する面にアノード側流路溝１１を備え、かつ金属平板からなるバイポーラープレート９を備える燃料電池を提供する。

バイポーラープレート９は、厚さ０.２mm以下の純金属や合金、あるいはこれら複数の金属プレートを積層し圧延したクラッド材を用いる。材質としては、例えば、チタン，ＳＵＳ，アルミニウム，マグネシウムなどとする。

バイポーラープレート９を金属平板としたことにより、カソード側ガス流路７に供給した液水や発電反応による生成水をアノード側流路１１へ供給できなくなってしまう。このため、アノード側多孔質ガス流路６のバイポーラープレート９と対向する面にもアノード側流路溝１１を設け、カソード側流路溝１０と同様に液水を供給する。供給された液水は一部が蒸発し、アノードの保湿に利用することができる。確実な冷却を行うカソード側流路溝１０に比べ供給する水量よりさらに少量とすることができる。このため、アノード側流路溝１１はカソード側流路溝１０と比較して、図２に示した断面における流路溝一本当たりの断面積が小さくなるように設定する。このとき、流路幅および流路深さがカソード側流路溝１０より小さく設定する。さらに、複数からなるアノード側流路溝１１の総断面積も小さくなるように設定する。

このような構成とした場合、金属板からなるバイポーラープレート９とすることで確実にガス不透過とすることができる。また、アノード側流路溝１１にも水を供給することは、発電反応でプロトンとともにカソード側に移動する水分を補給することになり、固体高分子電解質膜１のアノード側の乾燥を防止することができる。

１固体高分子電解質膜
２アノード
３カソード
４アノード側ガス拡散層
５カソード側ガス拡散層
６アノード側多孔質ガス流路
７カソード側多孔質ガス流路
８多孔質バイポーラープレート
９バイポーラープレート
１０カソード側流路溝
１１アノード側流路溝
１２電解質膜・電極触媒接合体
２１酸化剤ガス供給マニホールド
２２燃料ガス供給マニホールド
２３酸化剤ガス排出マニホールド
２４燃料ガス排出マニホールド
２５シール
５１液水注入ポンプ
５２酸化剤ガスブロワ
５３熱交換器
５４凝縮水回収タンク

Claims

電解質膜・電極触媒接合体と、前記接合体の燃料極に燃料ガスを供給する導電性のガス拡散層と、燃料ガス流路および、前記接合体の酸化剤極に酸化剤ガスを供給する導電性のガス拡散層と、酸化剤ガス供給流路と、燃料ガス流路と酸化剤ガス流路とを隔てるバイポーラープレートで構成される単位発電セルを複数積層した固体高分子形燃料電池であって、
前記燃料ガス流路および酸化剤ガス流路が導電性多孔質体から構成され、前記酸化剤ガス流路を構成する多孔質体の発電面側と反対の面に溝加工が施されており、
前記酸化剤ガス流路に酸化剤ガスとともに液水を供給することを特徴とする固体高分子形燃料電池。
前記燃料ガス流路と酸化剤ガス流路とを隔てるバイポーラープレートは、燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路を構成する多孔質体に比べて、ガス透過係数が小さい多孔質プレートであることを特徴とする請求項１に記載の固体高分子形燃料電池。
前記多孔質プレートは、親水性であることを特徴とする請求項２に記載の固体高分子形燃料電池。
前記燃料ガス流路を構成する多孔質体の発電面側と反対の面に溝加工が施されていることを特徴とする請求項１に記載の固体高分子形燃料電池。
酸化剤ガス流路に形成された溝の断面積よりも燃料ガス流路に形成された溝の断面積が小さいことを特徴とする請求項４に記載の固体高分子形燃料電池。
前記燃料ガス流路と酸化剤ガス流路とを隔てるバイポーラープレートが金属板で構成されることを特徴とする請求項４に記載の固体高分子形燃料電池。