JP5278042B2

JP5278042B2 - 燃料電池

Info

Publication number: JP5278042B2
Application number: JP2009046437A
Authority: JP
Inventors: 博之川合
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-02-27
Filing date: 2009-02-27
Publication date: 2013-09-04
Anticipated expiration: 2029-02-27
Also published as: JP2010205428A

Description

この発明は、燃料電池に関し、特に、燃料電池の内部構造に関する。

燃料電池は、複数枚の単位電池が積層された燃料電池スタックとして使用される。単位電池自体も平面状の部材の積層体であり、電解質膜をその両側から電極で挟んで構成された膜電極接合体（ＭＥＡ;Membrane Electrode Assembly）を有し、該ＭＥＡをその両側から拡散層、ガス流路、およびセパレータで挟むことで構成されている。

このような燃料電池に関しては、発電効率の向上の観点から種々の構造のものが提案されている。例えば、特開２００７−２５７８８６号公報には、電極にカーボンナノチューブを用いた燃料電池が提案されている。より具体的には、この燃料電池は、アノードおよびカソードの少なくとも一方が電解質膜の面方向に対して６０°以下の傾斜をもって配向されたカーボンナノチューブと、カーボンナノチューブに担持された触媒および電解質樹脂とを有している。カーボンナノチューブを傾斜配置することで、電解質膜上でのカーボンナノチューブ間の間隔が同等であっても、隣接しあうカーボンナノチューブ間の距離は小さくなる。その結果、隣接しあうカーボンナノチューブの表面を被覆する電解質樹脂同士が接触し、カーボンナノチューブを被覆する電解質樹脂の厚みが見かけ上大きくなる。これにより、電解質膜とカーボンナノチューブに担持された触媒との間のプロトン伝導性を向上させることができる。

特開２００７−２５７８８６号公報特開２００８−５９８４１号公報

ところで、燃料電池内部の電解質膜は、発電反応により生成される水分と反応ガスが該燃料電池内部に持ち込む水分とによって均一に加湿されることが好ましい。しかしながら、燃料電池内部の水分は、反応ガスのガス流の影響を受けて下流側へ流通する。このため、ガス流路の上流側に対向する発電領域では、加湿不足により発電効率が低下するおそれがある。また、反対に、ガス流路の下流側に対向する発電領域では、多量の水分が滞留することによってフラッディングが発生するおそれがある。このように、従来の燃料電池では、該燃料電池内部を常に最適な加湿状態に保つことができず、改善が望まれていた。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、燃料電池内部の加湿の最適化を図ることによって、発電効率を向上させることのできる燃料電池を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池であって、
電解質膜と、前記電解質膜の面上に一端が固定された複数のカーボンナノチューブからなる電極層と、前記電解質膜に対向して配置された反応ガス流路と、を有する燃料電池において、
前記電極層は、前記反応ガス流路の上流側に対向する領域では、前記カーボンナノチューブが反応ガスの流れ方向に対向する方向に傾斜するように固定され、前記反応ガス流路の下流側に対向する領域では、前記カーボンナノチューブが反応ガスの流れ方向に沿った方向に傾斜するように固定されていることを特徴とする。

第１の発明によれば、燃料電池の電極層は、電解質膜に一端が固定された複数のカーボンナノチューブで構成されている。そして、反応ガス流路の上流側に対向する領域では、カーボンナノチューブがガス流れ方向に対向する方向へ傾斜するように固定されている。かかる方向に傾斜したカーボンナノチューブは、該カーボンナノチューブの周囲の水分の流れを妨げる。このため、本発明によれば、反応ガス流路の上流側に対向する発電領域の水分保持能力を向上させることができるので、かかる発電領域で加湿不足による発電効率の低下が発生する事態を効果的に抑制することができる。

また、本発明によれば、反応ガス流路の下流側に対向する領域では、カーボンナノチューブがガス流れ方向に沿った方向へ傾斜するように固定されている。かかる方向に傾斜したカーボンナノチューブは、該カーボンナノチューブの周囲の水分の流れを促進させる。このため、本発明によれば、反応ガス流路の下流側に対向する発電領域の水分排出能力を向上させることができるので、かかる発電領域でフラッディングによる発電効率の低下が発生する事態を効果的に抑制することができる。

本実施の形態の燃料電池の構成を模式的に示す図である。ＭＥＡ２０を積層方向に沿って切断した断面図である。ＭＥＡ２０を図２中のＡ方向から見た図である。本実施の形態の電極層２６に用いるカーボンナノチューブの弾性特性を示す図である。

以下、図面に基づいてこの発明の実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。また、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態．
［実施の形態の構成］
図１は、本実施の形態における燃料電池の構成を模式的に示す断面図である。燃料電池１０は、発電反応により発生した電力をモータ等の負荷装置に供給する燃料電池システムとして使用される。燃料電池１０は単位電池１２を複数積層したスタック構造を有している。単位電池１２は、発電体１４、反応ガスが流れるガス流路１６、隣接する発電体１４を隔離するセパレータ１８によって構成されている。発電体１４は、電解質膜を挟んでアノードとカソードが配置された膜電極接合体（ＭＥＡ）２０の外側に、カーボン繊維からなるガス拡散層２２をシールガスケットで囲んで一体として形成されている。各単位電池１２は、アノードに燃料ガス（例えば、水素ガス）の供給を受け、カソードに空気の供給を受けて発電する。尚、本実施の形態１において、燃料ガスの供給／排気系の構成、および空気の供給／排気系の構成に限定はないので、それらについての説明は省略する。

次に、図２および図３を参照して本発明の特徴的構成であるＭＥＡ２０の構成について更に詳しく説明する。図２は、ＭＥＡ２０を積層方向に沿って切断した断面図である。また、図３は、ＭＥＡ２０を図２中のＡ方向から見た図である。尚、図２では、説明の便宜上ＭＥＡ２０のアノード側の形状のみを図示しているが、カソード側にも同形状を設けることとしてもよい。

図２に示すとおり、電解質膜２４のアノード側には、電極層２６が設けられている。電極層２６は、複数のカーボンナノチューブの一端が該電解質膜２４に固定された形状を有している。また、図２に示すとおり、電極層２６は、反応ガス（アノードガス）のガス流れ方向に沿って３つの領域に分類されている。より具体的には、図２および図３に示すとおり、ガス流路１６の上流側に対向する領域には、電極層２６１が設けられている。電極層２６１は、カーボンナノチューブの先端側がガス流れ方向に対向する方向に傾斜している。また、ガス流路１６の下流側に対向する領域には、電極層２６３が設けられている。電極層２６３は、カーボンナノチューブの先端側がガス流れ方向に沿った方向に傾斜している。さらに、ガス流路１６の中流に対向する領域には、電極層２６２が設けられている。電極層２６２は、カーボンナノチューブの先端が電解質膜２４面に対して垂直方向に向いている。尚、電極層２６１，２６２，２６３の領域の比率は、１：０：１〜１：１０：１程度が望ましい。

［電極層の形成方法］
次に、本実施の形態の燃料電池における電極層２６の形成方法の一例について詳細に説明する。電極層２６は、電解質膜２４にカーボンナノチューブを所定の温度および所定の面圧で熱転写することにより形成される。図４は、本実施の形態の電極層２６に用いるカーボンナノチューブの弾性特性を示す図である。この図に示すとおり、カーボンナノチューブに対する面圧が０．５ＭＰａ〜２ＭＰａである領域は、該カーボンナノチューブの弾性領域になっている。一方、カーボンナノチューブに対する面圧が２ＭＰａ以上の領域は塑性領域、つまり、該カーボンナノチューブが塑性変形する領域となっている。

そこで、本実施の形態では、電極層２６２は、該カーボンナノチューブが電解質膜２４に対して垂直方向に向くように配置して、弾性領域内の面圧（０．５ＭＰａ〜２ＭＰａ）で転写することとする。これにより、電極層２６１はカーボンナノチューブが塑性変形することなく、所定の方向を向いて固定される。

また、電極層２６１は、該カーボンナノチューブがガス流れ方向に対向する方向に向くように配置して、弾性領域を超える面圧（２ＭＰａ以上）で転写することとする。これにより、電極層２６２は塑性変形して所定の方向に潰れた状態で固定される。更に、電極層２６３は、該カーボンナノチューブがガス流れ方向に沿った方向に向くように配置して、弾性領域を超える面圧（２ＭＰａ以上）で転写することとする。これにより、電極層２６３は塑性変形して所定の方向に潰れた状態で固定される。このような電極層の形成方法によれば、電極層２６１，２６３を構成するカーボンナノチューブに塑性領域の面圧を加えることで、該カーボンナノチューブを所望の方向へ変形させることができる。

［実施の形態の特徴］
次に、本実施の形態の燃料電池１０の特徴について説明する。ガス流路１６の上流側に対応する発電領域では、ガス流で水分が下流へ流されてしまうため、電解質膜２４が加湿不足になり易い。この点、本実施の形態の燃料電池１０では、かかる領域に電極層２６１が配置されている。上述したとおり、本実施の形態の電極層２６１は、カーボンナノチューブの先端側がガス流れ方向に対向する方向へ傾斜するように固定されている。かかる方向に傾斜したカーボンナノチューブは、該カーボンナノチューブの周囲の水分の流れを妨げる。このため、本実施の形態の燃料電池１０によれば、ガス流路１６の上流側の発電領域の水分保持能力を向上させることができるので、かかる領域で加湿不足による発電効率の低下が発生する事態を効果的に抑制することができる。

また、ガス流路１６の下流側に対応する発電領域では、ガス流で水分が下流へ流されるため、かかる領域でフラッディングが発生しやすい。この点、本実施の形態の燃料電池１０では、かかる領域に電極層２６３が配置されている。上述したとおり、本実施の形態の電極層２６３は、カーボンナノチューブの先端側がガス流れ方向に沿った方向へ傾斜するように固定されている。かかる方向に傾斜したカーボンナノチューブは、該カーボンナノチューブの周囲の水分の流れを促進させる。このため、本実施の形態の燃料電池１０によれば、ガス流路１６の下流側の発電領域の水分排出能力を向上させることができるので、かかる領域でフラッディングによる発電効率の低下が発生する事態を効果的に抑制することができる。

また、本実施の形態の燃料電池１０では、カーボンナノチューブを電解質膜２４へ熱転写して電極層２６を形成する場合に、電極層２６１，２６３の形成の際の面圧が２ＭＰａ以上（塑性領域）に設定される。これにより、簡易な方法で所望の方向に傾斜したカーボンナノチューブからなる電極層を形成することができる。

１０燃料電池
１２単位電池
１４発電体
１６ガス流路
１８セパレータ
２０膜電極接合体（ＭＥＡ）
２２ガス拡散層
２４電解質膜
２６電極層
２６１，２６２，２６３電極層

Claims

電解質膜と、前記電解質膜の面上に一端が固定された複数のカーボンナノチューブからなる電極層と、前記電解質膜に対向して配置された反応ガス流路と、を有する燃料電池において、
前記電極層は、前記反応ガス流路の上流側に対向する領域では、前記カーボンナノチューブが反応ガスの流れ方向に対向する方向に傾斜するように固定され、前記反応ガス流路の下流側に対向する領域では、前記カーボンナノチューブが反応ガスの流れ方向に沿った方向に傾斜するように固定されていることを特徴とする燃料電池。