JP5141474B2 - 燃料電池および燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池および燃料電池システムに関する。

燃料電池は、一般的には水素および酸素を燃料として電気エネルギを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れており、また高いエネルギ効率を実現できることから、今後のエネルギ供給システムとして広く開発が進められてきている。

燃料電池は、例えば、プロトン伝導性を有する電解質膜と、電解質膜に沿って配置されたカソード触媒層およびアノード触媒層と、それぞれの触媒層の電解質膜と反対側に配置されたセパレータと、を備える。このような燃料電池においては、カソード触媒層にカソードガスが供給され、アノード触媒層にアノードガスが供給される。それにより、発電が行われる。

特許文献１には、カソード触媒層およびアノード触媒層の内部に集電体が埋設された燃料電池が開示されている。この燃料電池によれば、ガス拡散層、セパレータ等が集電機能を有する必要がなくなる。

特開２００５−１７４８７２号公報

しかしながら、特許文献１の技術では、高温運転時に触媒層にドライアップが生じるおそれがある。

本発明は、内部に集電体を備える触媒層のドライアップを抑制することができる燃料電池および燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池は、電解質膜と、電解質膜の少なくとも一方の面に配置された触媒層と、触媒層の少なくとも一部に埋設された多孔質状の集電体と、を備え、触媒層および集電体の少なくとも一部は、水の表面張力をγ（Ｎ／ｍ）とし、触媒層の平均孔径をＤ_１（μｍ）とし、集電体の平均孔径をＤ_２（μｍ）とし、触媒層の接触角をθ_１（ｒａｄ）とし、集電体の接触角をθ_２（ｒａｄ）とした場合に、０＞４γｓｉｎ（θ_１−π／２）／Ｄ_１−４γｓｉｎ（θ_２−π／２）／Ｄ_２の関係式を満たすことを特徴とするものである。

本発明に係る燃料電池によれば、触媒層および集電体の少なくとも一部が上記関係式を満たすことから、触媒層および集電体が水を保持し易くなる。それにより、触媒層のドライアップが抑制される。

上記構成において、触媒層は、カソード触媒層であってもよい。この場合、カソード触媒層で生成される水がカソード触媒層に保持される。それにより、ドライアップ抑制効果が高まる。上記構成において、触媒層は、アノード触媒層であってもよい。上記構成において、触媒層および集電体は、電解質膜の両面に配置されていてもよい。上記構成において、電解質膜は、固体高分子型電解質からなるものであってもよい。

本発明に係る燃料電池システムは、請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池と、燃料電池のカソードオフガスの相対湿度が１００％未満になるように燃料電池の発電条件を制御する制御手段と、を備えることを特徴とするものである。本発明に係る燃料電池システムによれば、カソードオフガスの相対湿度が１００％未満の場合であっても、触媒層のドライアップを抑制することができる。

上記構成において、制御手段は、燃料電池に供給される反応ガスのストイキ比、反応ガスの背圧、および、燃料電池の温度の少なくともいずれかを制御してもよい。

本発明によれば、内部に集電体を備える触媒層のドライアップを抑制することができる燃料電池および燃料電池システムを提供することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。

本発明の実施例１に係る燃料電池システム１００について説明する。図１は、実施例１に係る燃料電池システム１００の模式図である。燃料電池システム１００は、燃料電池１０と、負荷２０と、反応ガス供給手段（アノードガス供給手段３０およびカソードガス供給手段３５）と、検出手段（温度検出手段４０および圧力検出手段４５）と、調整手段（温度調整手段５０および圧力調整手段５５）と、制御装置６０と、を備える。

燃料電池１０は、電解質膜１１と、触媒層（アノード触媒層１２およびカソード触媒層１３）と、集電体（アノード集電体１４およびカソード集電体１５）と、ガス拡散層（ガス拡散層１６およびガス拡散層１７）と、セパレータ（セパレータ１８およびセパレータ１９）と、を備える。電解質膜１１としては、例えばプロトン伝導性を有する固体高分子電解質を用いることができる。

アノード触媒層１２は、電解質膜１１の一面に配置されている。カソード触媒層１３は、電解質膜１１のアノード触媒層１２と反対側の面に配置されている。アノード触媒層１２およびカソード触媒層１３は、触媒を含有する導電性材料からなる。アノード触媒層１２の触媒は、水素のプロトン化を促進させる。カソード触媒層１３の触媒は、プロトンと酸素との反応を促進させる。

アノード集電体１４は、アノード触媒層１２の内部に電解質膜１１の面方向に沿って埋設されている。カソード集電体１５は、カソード触媒層１３の内部に電解質膜１１の面方向に沿って埋設されている。なお、アノード集電体１４およびカソード集電体１５はそれぞれ、アノード触媒層１２およびカソード触媒層１３の内部に少なくとも一部が埋設されていればよく、全体が埋設されている必要はない。

アノード集電体１４およびカソード集電体１５は、電子伝導物質からなる。また、アノード集電体１４およびカソード集電体１５は、多孔質状の物質である。それにより、アノード集電体１４およびカソード集電体１５は、ガス透過性を有している。アノード集電体１４およびカソード集電体１５として、例えば、金属メッシュ、金属発泡焼結体、エキスパンドメタル、カーボンファイバー、カーボン焼結体等が用いられる。本実施例においては、アノード集電体１４およびカソード集電体１は、一例として金属メッシュからなる。この場合、ガスは、金属メッシュを構成する金属線のうち隣接する金属線で囲まれた領域を透過することができる。なお、アノード触媒層１２およびアノード集電体１４並びにカソード触媒層１３およびアノード集電体１４の少なくとも一部は、所定の関係式を満たしているが、それについては後述する。

ガス拡散層１６は、アノード触媒層１２の電解質膜１１と反対側に配置されている。ガス拡散層１７は、カソード触媒層１３の電解質膜１１と反対側に配置されている。ガス拡散層１６は、ガス拡散層１６に供給された水素を含むアノードガスを拡散させて、アノード触媒層１２に供給する機能を有する。ガス拡散層１７は、ガス拡散層１７に供給された酸素を含むカソードガスを拡散させて、カソード触媒層１３に供給する機能を有する。

セパレータ１８は、ガス拡散層１６のアノード触媒層１２と反対側に配置されている。セパレータ１９は、ガス拡散層１７のカソード触媒層１３と反対側に配置されている。セパレータ１８およびセパレータ１９は、溝によって構成されたガス流路（図示せず）が形成された板部材である。セパレータ１８のガス流路においてはアノードガスが流動し、セパレータ１９のガス流路においてはカソードガスが流動する。

負荷２０は、モータ、補機等である。負荷２０とアノード集電体１４とカソード集電体１５とは、電気的に接続されて電気回路を形成している。アノードガス供給手段３０は、制御装置６０の指示を受けて水素を含むアノードガスを燃料電池１０に供給する。カソードガス供給手段３５は、制御装置６０の指示を受けて酸素を含むカソードガスを燃料電池１０に供給する。

温度検出手段４０は、燃料電池１０の温度を検出して、検出結果を制御装置６０に伝える。本実施例においては、温度検出手段４０は、燃料電池１０の内部を流動する冷媒の温度を検出する。圧力検出手段４５は、反応ガスの背圧を検出して、検出結果を制御装置６０に伝える。本実施例においては、圧力検出手段４５は、燃料電池１０のカソード出口からの排気ガス（以下、カソードオフガスと称する）が通過する排気管７０に接続されている。この場合、圧力検出手段４５はカソードオフガスの圧力を検出する。

温度調整手段５０は、制御装置６０の指示を受けて燃料電池１０の温度を調整する。温度調整手段５０として、例えば、燃料電池１０内部の冷媒流路に冷媒を供給する冷媒ポンプ等が用いられる。圧力調整手段５５は、制御装置６０の指示を受けて反応ガスの背圧を調整する。本実施例において、圧力調整手段５５は、燃料電池１０の排気管７０に接続されている。この場合、圧力調整手段５５は、制御装置６０の指示を受けてカソードオフガスの圧力を調整する。圧力調整手段５５として、例えば圧力調整弁等が用いられる。

制御装置６０は、ＣＰＵ（ｃｅｎｔｒａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｕｎｉｔ）６１、ＲＯＭ（ｒｅａｄ ｏｎｌｙ ｍｅｍｏｒｙ）６２、ＲＡＭ（ｒａｎｄａｍ ａｃｃｅｓｓ ｍｅｍｏｒｙ）６３等を有するマイクロコンピュータである。制御装置６０は、反応ガスのストイキ比が所定の値になるようにアノードガス供給手段３０およびカソードガス供給手段３５を制御する。また、制御装置６０は、圧力検出手段４５の検出結果を受けて、反応ガスの背圧（本実施例においてはカソードオフガスの圧力）が所定の値になるように圧力調整手段５５を制御する。さらに、制御装置６０は、温度検出手段４０の検出結果を受けて、燃料電池１０の温度が所定の値になるように温度調整手段５０を制御する。

燃料電池システム１００は、以下のように動作する。制御装置６０がアノードガス供給手段３０を制御することによって、アノードガスが燃料電池１０に供給される。燃料電池１０に供給されたアノードガスは、セパレータ１８のガス流路を流動してガス拡散層１６に拡散する。ガス拡散層１６を拡散したアノードガスは、アノード触媒層１２に到達する。アノード触媒層１２において、アノードガス中の水素はプロトンと電子とに分離する。プロトンは、電解質膜１１を伝導して、カソード触媒層１３に到達する。電子は、アノード集電体１４によって集電されて負荷２０に供給された後に、カソード集電体１５に到達する。

また、制御装置６０がカソードガス供給手段３５を制御することによって、カソードガスが燃料電池１０に供給される。燃料電池１０に供給されたカソードガスは、セパレータ１９のガス流路を流動してガス拡散層１７に拡散する。ガス拡散層１７を拡散したカソードガスは、カソード触媒層１３に到達する。カソード触媒層１３においては、カソードガス中の酸素と電解質膜１１を伝導したプロトンと負荷２０からの電子とから水が生成される。生成された水（生成水）は、カソード触媒層１３、ガス拡散層１７およびセパレータ１９のガス流路を流動して、排気管７０から外部へ排出される。カソードオフガスも排気管７０から外部へ排出される。以上のように、燃料電池システム１００は動作する。

本実施例に係る燃料電池１０によれば、触媒層の内部に配置された集電体から集電可能であることから、ガス拡散層１６、ガス拡散層１７、セパレータ１８およびセパレータ１９が導電性を有していなくてもよい。その結果、ガス拡散層１６、ガス拡散層１７、セパレータ１８およびセパレータ１９に用いる材料に対する制約が抑制される。それにより、これらの部材に安価かつ軽量な材料を用いることができる。

なお、燃料電池１０に対する要求負荷が大きくなると、制御装置６０は、燃料電池１０の発電量が多くなるように各部を制御する。例えば、制御装置６０は、アノードガス供給手段３０、カソードガス供給手段３５および圧力調整手段５５を制御することによって、反応ガスのストイキ比、反応ガスの背圧等を制御する。また、制御装置６０は、燃料電池１０の温度が所定の温度範囲になるように温度調整手段５０を制御する。

燃料電池１０の発電量が多くなると、燃料電池１０の温度が高くなる。この場合、燃料電池１０が高温無加湿条件で発電することがある。本実施例において、高温無加湿条件とは、カソードオフガスの相対湿度が１００％未満となる条件をいう。一例として、ストイキ比が１．５、背圧が１７０ｋＰａ、燃料電池１０の温度が８０℃以上になる場合に、燃料電池１０が高温無加湿条件で発電を行うことがある。この場合、ドライアップが生じることがある。

また、触媒層の内部に集電体を埋設する場合、触媒層を厚くすることが好ましい。それにより、触媒層の熱伝導率が悪化する結果、発電に伴って触媒層近傍の温度が上昇する。この場合、反応ガスによる触媒層の水分の持ち去りによって触媒層にドライアップが生じるおそれがある。そこで、このドライアップを抑制する手段について考察する。

図２（ａ）は、カソード触媒層１３の上に金属メッシュからなるカソード集電体１５が配置された様子を示している。図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。また、図２（ｂ）には、水１２０が図示されている。図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように、カソード集電体１５の孔１１０（カソード集電体１５の構成金属線間の空間）に溜まった水１２０をカソード触媒層１３およびカソード集電体１５が保持するためには、水１２０にマイナス方向の毛管力（図２（ｂ）において、下側方向の毛管力）が働く必要がある。すなわち、水１２０にマイナス方向の毛管力が働くことによって、触媒層および集電体からの水分の持ち去りが抑制されて、触媒層のドライアップが抑制される。

図２（ｃ）は、集電体の平均孔径と上記マイナス方向の毛管力と集電体の接触角との関係を示す図である。図２（ｃ）に示すように、集電体の孔径を小さくすることによって毛管力が大きくなり、集電体の接触角を小さくすることによって毛管力が大きくなる。したがって、集電体の孔径を小さくするとともに集電体の接触角を小さくすることによって、触媒層のドライアップを抑制することができる。しかしながら、集電体の孔径を小さくすると集電体のガス透過性が低下してしまう。そこで、集電体の孔径を所定の大きさに維持しつつ、集電体の接触角を小さくすることが効果的である。

そこで、本実施例においては、毛細管現象における水の移動を支配する駆動差圧に着目する。図３は、水の駆動差圧を説明するためのモデル図である。図３は、一方端の径がＤ_１（μｍ）で他方端の径がＤ_２（μｍ）である孔１１５に水１２０が滞留する状態を示している。図３において、水１２０を一方端から他方端に移動させるための駆動差圧Ｐ（Ｎ／ｍ^２）は下記式（１）によって表される。なお、γ（Ｎ／ｍ）は水１２０の表面張力である。
Ｐ＝４γｓｉｎ（θ_１−π／２）／Ｄ_１−４γｓｉｎ（θ_２−π／２）／Ｄ_２・・（１）

式（１）を燃料電池１０に適用するには、アノード触媒層１２およびカソード触媒層１３の平均孔径をＤ_１（μｍ）とし、アノード集電体１４およびカソード集電体１５の平均孔径をＤ_２（μｍ）とし、アノード触媒層１２およびカソード触媒層１３の接触角をθ_１（ｒａｄ）とし、アノード集電体１４およびカソード集電体１５の接触角をθ_２（ｒａｄ）とすればよい。

ここで、触媒層および集電体が水１２０を保持するためには、駆動差圧Ｐが負の値を有することが必要である。よって、下記式（２）が成立することによって、触媒層および集電体は水１２０を保持することができる。
０＞４γｓｉｎ（θ_１−π／２）／Ｄ_１−４γｓｉｎ（θ_２−π／２）／Ｄ_２・・（２）

そこで、本実施例においては、アノード触媒層１２およびアノード集電体１４並びにカソード触媒層１３およびカソード集電体１５の少なくとも一部がそれぞれ式（２）の関係を満たしている。それにより、これらの触媒層および集電体が水１２０を保持し易くなることから、触媒層のドライアップを抑制することができる。また、カソードオフガスの相対湿度が１００％未満となる発電条件においては触媒層にドライアップが生じ易いが、燃料電池システム１００によれば、このような発電条件下においても触媒層のドライアップを抑制することができる。それにより、カソードオフガスの相対湿度が１００％未満となる条件下において発電を安定して行うことができる。さらに、式（２）によれば、集電体の平均孔径を所定の大きさに維持することができる。それにより、集電体のガス透過性を確保することができる。

なお、触媒層および集電体が式（２）を満たすためには、例えば、触媒層の平均孔径および接触角に対応するように集電体の平均孔径および接触角を調整すればよい。集電体の接触角は、集電体の表面に親水処理を施すことによって、調整することができる。親水処理としては、例えば、シリコンコート、プラズマ処理等を用いることができる。

なお、燃料電池１０においてアノード触媒層１２およびアノード集電体１４並びにカソード触媒層１３およびカソード集電体１５の両者とも、式（２）の関係を満たしているが、これに限られない。例えば、アノード側およびカソード側のいずれか一方が式（２）の関係を有していてもよい。この場合、式（２）の関係を有する触媒層のドライアップが抑制されることから、燃料電池１０の発電性能低下が抑制されるからである。ただし、生成水は主としてカソード触媒層１３で発生することから、少なくともカソード触媒層１３およびカソード集電体１５が式（２）の関係を有していることがより好ましい。

図１は、実施例１に係る燃料電池システム１００の模式図である。 図２（ａ）は、カソード触媒層１３の上に金属メッシュからなるカソード集電体１５が配置された様子を示している。図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。図２（ｃ）は、集電体の平均孔径とマイナス方向の毛管力と集電体の接触角との関係を示す図である。 図３は、水の駆動差圧を説明するためのモデル図である。

符号の説明

１０ 燃料電池
１１ 電解質膜
１２ アノード触媒層
１３ カソード触媒層
１４ アノード集電体
１５ カソード集電体
１６，１７ ガス拡散層
１８，１９ セパレータ
２０ 負荷
３０ アノードガス供給手段
３５ カソードガス供給手段
４０ 温度検出手段
４５ 圧力検出手段
５０ 温度調整手段
５５ 圧力調整手段
６０ 制御装置
６１ ＣＰＵ
６２ ＲＯＭ
６３ ＲＡＭ
７０ 排気管
１００ 燃料電池システム
１１０，１１５ 孔
１２０ 水

Claims (7)

1. 電解質膜と、
   前記電解質膜の少なくとも一方の面に配置された触媒層と、
   前記触媒層の少なくとも一部に埋設された多孔質状の集電体と、を備え、
   前記触媒層および前記集電体の少なくとも一部は、水の表面張力をγ（Ｎ／ｍ）とし、前記触媒層の平均孔径をＤ_１（μｍ）とし、前記集電体の平均孔径をＤ_２（μｍ）とし、前記触媒層の接触角をθ_１（ｒａｄ）とし、前記集電体の接触角をθ_２（ｒａｄ）とした場合に、０＞４γｓｉｎ（θ_１−π／２）／Ｄ_１−４γｓｉｎ（θ_２−π／２）／Ｄ_２の関係式を満たすことを特徴とする燃料電池。
2. 前記触媒層は、カソード触媒層であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
3. 前記触媒層は、アノード触媒層であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
4. 前記触媒層および前記集電体は、前記電解質膜の両面に配置されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
5. 前記電解質膜は、固体高分子型電解質からなることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池と、
   前記燃料電池のカソードオフガスの相対湿度が１００％未満になるように前記燃料電池の発電条件を制御する制御手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
7. 前記制御手段は、前記燃料電池に供給される反応ガスのストイキ比、前記反応ガスの背圧、および、前記燃料電池の温度の少なくともいずれかを制御することを特徴とする請求項６記載の燃料電池システム。

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