JP5326309B2 - 固体高分子形燃料電池用評価セル - Google Patents

Description

本発明は、セパレータを流通するガス組成を測定する固体高分子形燃料電池用評価セルに関する。

固体高分子電解質形燃料電池（ＰＥＦＣ:Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）は、電解質に固体高分子膜を用いる燃料電池であって、動作温度が低い、出力密度が高い、電池寿命が長いなどの特徴を有する。

上記固体高分子電解質形燃料電池の最小発電単位であるセル６の構成は、一般に、図５のように表わされる。膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）４は、電解質膜１の両面に、貴金属（主として白金）を含む触媒層２ａ，３ａを接合して形成される。ＭＥＡ４の外側には、多孔質の拡散層２ｂ，３ｂがあって、反応ガスとしての燃料ガスと酸化剤ガスを通過させると同時に、電流を外部に伝える働きをする。多孔質の拡散層２ｂ，３ｂと触媒層２ａ，３ａとを合わせて、燃料ガスが通流される側をアノード電極２といい、酸化剤ガスが通流される側をカソード電極３という。また、広義のＭＥＡ４には、後記のように拡散層２ｂ，３ｂを含めることもある。

上記両電極を、燃料ガス流通溝と、酸化剤ガス流通溝とを備えたセパレータ５ａ，５ｂで挟むことにより、セル６が構成される。なお、各セパレータが備えるガス通流溝は、図示のようにセパレータ拡散層側の片側にのみ形成される場合と、両側に形成される場合とがある。

ところで、セパレータ５ａ，５ｂは、燃料ガス（水素）と酸化剤ガス（空気）とを流通させ、燃料電池で発電した電気を外部へ伝導する役割を持っており、セパレータ材料としては、導電性の炭素複合材料や金属が一般的に用いられる。炭素複合材料は、炭素粉末と樹脂とを混合したコンパウンドである。前記炭素粉末としては、燐片状黒鉛紛、人造黒鉛、膨張黒鉛、カーボンブラックなどが用いられている。前記樹脂としては、熱硬化性樹脂及び熱可塑性樹脂のどちらでもかまわないが、フェノール樹脂、エポキシ樹脂などが主に用いられる。

しかしながら、このようにして作製されたセパレータは、一般的に黒色ないし灰色であって、可視光や赤外線を通さない。このため、燃料電池の運転中に、外部からガス流通溝内を観察することや、ガス流通溝を流れるガスの濃度を測定することができなかった。ガス流通溝内の可視化やガス組成測定を実施できないと、セパレータのガス流通溝を流れる液滴やガス組成が分からず、電極の改良やガス流通溝の改良を効率的に実施できないという問題点がある。

そこで、固体高分子電解質形燃料電池用評価セルでは、セパレータ材料に透明樹脂を用い、セル内を可視化する試みが行われている。

例えば、下記特許文献１には、セパレータ全体に透明樹脂を用い、拡散層として用いるカーボンペーパーにガス溝をつけて、正・負両極側における反応ガスの状態をセパレータを通して外部から観察するように構成された固体高分子電解質形燃料電池用評価セルが開示されている。

また、下記特許文献２には、酸素濃度により光特性が変化する酸素モニタ物質を酸素導入空間内及び／又は燃料導入空間内のいずれかの酸素濃度測定部位に固定し、酸素モニタ物質を固定した側のアノード側セパレータ又は／およびカソード側セパレータの一部に光透過性材料からなる光透過窓を形成し、燃料電池セルの外部から光透過窓を介して酸素導入空間中及び／又は燃料導入空間中の酸素モニタ物質の変化を光学的に測定可能に構成された固体高分子電解質形燃料電池用評価セルが開示されている。

また、下記特許文献３には、セパレータの両外側に、集電板及び／又は端板を備え、前記集電板及び／又は端板は、評価セルのスタック軸方向において前記光透過材料によって可視化してなるセパレータの部位と略同位置に設けた可視化窓を備えた固体高分子形燃料電池用評価セルが開示されている。
特開２００１−７６７４７号公報 特開２００７−８７６９１号公報 特開２００６−３１０１５２号公報

しかしながら、透明樹脂は一般的に電気抵抗が高いため、上記特許文献１のようにセパレータ全体に透明樹脂を用いた場合、電流がほとんど流れず、実際の電池の運転状態を模擬出来ないという問題があった。

また、特許文献２，３のように、セパレータの一部を透明樹脂で形成するような構成にした場合、観察できる場所が限定されてしまうので、ガス流路内を流通するガスの流通状態やガス組成を十分把握できない問題があった。更には、複雑なガス流路を有するセパレータには適用し難い問題があった。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、実際の運転状態を模擬可能とし、かつガス流通溝内の可視化や通流ガスの組成測定等が可能な固体高分子電解質形燃料電池用評価セルを提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の固体高分子電解質形燃料電池用評価セルは、固体高分子電解質膜の両側に電極層を接合してなる膜電極接合体と、少なくとも片面にガス流通溝を有し、該ガス流通溝を接合面側にして前記膜電極接合体の両側にそれぞれ接合された少なくとも一対のセパレータとを備え、一方の前記セパレータのガス流通溝を水素を含む燃料ガスの流路とし、他方の前記セパレータのガス流通溝を酸化剤ガスの流路とした固体高分子形燃料電池用評価セルにおいて、前記セパレータの少なくとも一方は、光透過性材料からなる基板と、前記ガス流通溝の両側壁の少なくとも一部を構成するように、前記基板に接合された導電性材料からなるリブとを有しており、前記光透過性部材からなる基板表面には、前記ガス流通溝となる部分の両側に沿って凹溝が設けられており、該凹溝に前記導電性材料からなるリブが嵌合配置されて、前記ガス流路溝が形成されており、前記導電性材料からなるリブに電流取出し手段が接続されていることを特徴とする。

本発明の固体高分子電解質形燃料電池用評価セルによれば、光透過性材料からなる基板と、ガス流通溝の両側壁の少なくとも一部を構成するように前記基板に接合された導電性材料からなるリブとを有するセパレータを用いたので、ガス流通溝を可視化でき、また、赤外センサーなどを使用することで、ガス流通溝内を流通するガスの組成分析を行なうことができる。また、膜電極接合体で発電した電流は、導電性材料からなるリブで集電できるので、該リブに取り付けた電流取り出し手段から電力を取り出すことで、実際の燃料電池の発電状態を再現することができる。

また、前記光透過性部材からなる基板表面には、前記ガス流通溝となる部分の両側に沿って凹溝が設けられており、該凹溝に前記導電性材料からなるリブが嵌合配置されて、前記ガス流路溝が形成されているので、蛇行溝などのような複雑なガス流通溝を備えたセパレータであっても容易に可視化することができる。このため、実際の固体高分子電解質形燃料電池のセルに使用するものと同様のガス流通溝を備えたセパレータであっても、可視化でき、実機の発電状態を精度良く再現できる。

本発明の固体高分子電解質形燃料電池用評価セルの前記ガス流通溝は、両側で折り返して連続した複数列の蛇行溝からなり、該ガス流通溝の折り返し部の両側壁は、前記光透過性部材からなるリブで形成されていることが好ましい。この態様によれば、ガス流通溝の折り返し部分を可視化できるので、折り返し部分における凝縮水の滞留状態などを把握することができる。

本発明の固体高分子電解質形燃料電池用評価セルの前記電流取出し手段には、前記導電性材料で形成されたリブのそれぞれから取り出した電流を、個別に又は複数集合して計測する電流計測手段が設けられていることが好ましい。この態様によれば、セルのそれぞれの部位の電流量や、セル個別の電流量を測定することができ、ガス流路内のガス濃度分布や発電の分布状態を評価できる。

本発明によれば、光透過性材料からなる基板と、ガス流通溝の両側壁の少なくとも一部を構成するように前記基板に接合された導電性材料からなるリブとを有するセパレータを用いたので、ガス流通溝を可視化でき、また、赤外センサーなどを使用することで、ガス流通溝内を流通するガスの組成分析を行なうことができる。また、導電性材料からなるリブは、電極層で発電した電流が導電する部分でもあるので、該リブに電流取り出し手段を接続することで、実際の燃料電池の発電状態を再現することができる。

まず、図１，２を用いて、本発明の固体高分子形燃料電池用評価セルに用いるセパレータについて説明する。図１は、本発明の固体高分子形燃料電池用評価セルに用いるセパレータの概略図であり、図２は、同セパレータの部分拡大分解図であり、図３は、同セパレータの概念図である。

図１において、１１はガス入り口マニホールドであり、１２はガス出口マニホールドであり、１３はガス流通溝である。このセパレータ１０は、光透過性材料からなる基板（以下、「透明基板」と記す）２０と、ガス流通溝１３の両側壁の少なくとも一部を構成するように透明基板２０に接合された、導電性材料からなるリブ（以下、「集電リブ」と記す）３０とで、主に構成されている。そして、集電リブ３０の一方の端部が、透明基板の端面側から延出して、電流取り出し手段４０をなしている。

図２，３を併せて参照すると、この実施形態では、ガス流通溝１３は、両側で折り返して連続した、縦溝１３ａと横溝１３ｂとからなる複数列の蛇行溝をなしている。横溝１３ｂが本発明による折り返し部を構成している。

透明基板２０の表面には、ガス流通溝１３となる部分の両側に沿って凹溝１４が設けられている。そして、該凹溝１４に集電リブ３０を嵌合配置して、透明基板２０の表面にガス流通溝１３が形成されている。透明基板２０と集電リブ３０との接合方法は特に限定はなく、例えば接着剤により接着して一体化する方法が一例として挙げられる。

この実施形態では、縦溝１３ａとなる部分の両側にそって凹溝１４が設けられており、該凹溝１４に集電リブ３０が嵌合配置されて、縦溝１３ａの両側壁が集電リブ３０で形成されている。また、折り返し部を構成する横溝１３ｂの両側壁は、光透過性部材からなるリブ（以下、「光透過性リブ」）３１で形成されている。

光透過材料としては、可視光領域および赤外光領域の光を透過させ、ガス不透過性の材料であれば特に限定はなく、例えばポリカーボネート樹脂、アクリル樹脂などが一例として挙げられる。

導電性材料としては、導電性を有する材料であれば特に限定はなく、例えば導電性の炭素複合材料などが挙げられる。

次に、上記セパレータを用いた本発明の固体高分子形燃料電池用評価セルについて説明する。

図４に示されるように、本発明の固体高分子形燃料電池用評価セルは、固体高分子電解質膜とアノード電極とカソード電極とを一体化したＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）５０の一方の外側面に、上記構成からなるセパレータ（以下、「可視化セパレータ」と記す）１０が配置され、他方の外側面に、導電材料からなるセパレータ１０’が配置されて構成されている。そして、可視化セパレータ１０の外側には、可視化窓６０が形成された分配板５１及び端板５２が配置され、セパレータ１０’の外側には、集電板５３、分配板５４及び端板５５が配置され、それぞれがボルト５６で締め付け固定されている。

セパレータ１０のガス流通溝１３は、縦溝１３ａと、横溝１３ｂの折り返し部１３ｃとが少なくとも光透過性材料からなるので、可視化窓６０を通して、ガス流通溝内の可視化や赤外センサーによる通流ガスの組成分析が、外部から観測することができる。

また、ＭＥＡ５０で発電した電力は、集電リブ３０にて集電されるので、集電リブ３０に取付けられた電流取り出し手段４０から電力を取り出すことで、実際の燃料電池の発電状態を再現することができる。

また、電流取り出し手段４０に、集電リブ３０のそれぞれから取り出した電流を、個別に又は複数集合して計測する電流計測手段を設置することで、ＭＥＡのそれぞれの部位の電流量や、セル個別の電流量を測定することができ、ガス流路内のガス濃度分布や発電の分布状態などを評価できる。

なお、この実施形態では、可視化セパレータ１０は、ＭＥＡ５０の一方の外側面のみに配置したが、可視化セパレータ１０は、ＭＥＡ５０の両側に配置してもよい。

以下、実施例を用いて本発明を更に詳細に説明する。
まず、白金―ルテニウム合金（合金比２：１）をカーボン担体に担持した白金―ルテニウム合金担持カーボン触媒と、電解質樹脂溶液（ナフィオン溶液，デュポン社製）と、を混合し、アノード用の触媒分散スラリーを作製した。このスラリーを、ガス拡散層すなわち、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）により撥水処理したカーボンペーパー基材（１２０ｍｍ×１２０ｍｍ 厚み１９０μｍ 商品名「ＴＧＰＨ６０」 東レ社製）上に、触媒量が０．３ｍｇＰｔ／ｃｍ^２になるように塗布し（１０５ｍｍ×１０５ｍｍの範囲）し、アノード電極を作製した。
次に、白金をカーボン担体に担持した白金担持カーボン触媒と、電解質樹脂溶液（ナフィオン溶液，デュポン製）と、を混合し、カソード用の触媒分散スラリーを作製した。このスラリーを、ガス拡散層すなわち、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）により撥水処理したカーボンペーパー基材（１２０ｍｍ×１２０ｍｍ 厚み１９０μｍ 商品名「ＴＧＰＨ６０」 東レ社製）上に、触媒量が０．３ｍｇＰｔ／ｃｍ^２になるように塗布し（１０５ｍｍ×１０５ｍｍの範囲）し、カソード電極を作製した。
次に、電解質膜として、ナフィオンＮ−１１２（デュポン社製商品名）を用い、該電解質膜を上記アノード電極とカソード電極とで挟み込んだ（この時、触媒層が電解質膜側を向くようにセットした）。そして、この状態で、熱プレス装置にセットして、温度１４０℃、圧力５ＭＰａ、時間５分の条件でホットプレスを行い、ＭＥＡ５０を作製した。
セパレータは、透明アクリル板２０を図３に示すように加工し、ガス流通溝となる部分の両側に沿って凹溝１４を設けた。そして、この凹溝１４に、金メッキＳＵＳ板３０を嵌合配置して、図２に示すセパレータ１０を作製した。
以上のようにして作製したＭＥＡ５０及びセパレータ１０を、可視化窓６０の開いた分配板５１、端板５２と共に組み立てて、図４に示す固体高分子形燃料電池用評価セルを作製した。

この固体高分子形燃料電池用評価セルを用いて、アノード反応ガスとして８０％Ｈ_２＋２０％ＣＯ_２の混合ガスを、カソード反応ガスと空気を使用して発電試験を行なった。発電条件は、セル温度８０℃、アノード加湿温度８０℃、カソード加湿温度８０℃、電流密度０．４Ａ／ｃｍ２、常圧で行ったところ、当該セルのセル特性は、通常のセルに比べて、セル抵抗が０．１Ω・ｃｍ^２高いだけで、その他の特性は大きな違いがなかった。また、光透過材料を介してガス流通溝内を外部から観察したところ、液滴が流れる様子等、ガス流通溝内の様子（滞留水の発生状況など）を観察することができた。さらに、酸素検知試薬を用い、通流ガスのセル面内の酸素分圧変化を観察することができた。

本発明の固体高分子形燃料電池用評価セルに用いるセパレータの斜視図である。 同セパレータの部分拡大図である。 同セパレータの概念図である。 本発明の固体高分子形燃料電池用評価セルの概略構成図である。 固体高分子形燃料電池単セルの概略図である。

符号の説明

１：電解質膜
２：アノード電極
３：カソード電極
２ａ，３ａ：触媒層
２ｂ，３ｂ：拡散層
５ａ，５ｂ：セパレータ
６：セル
１０：セパレータ（可視化セパレータ）
１０’：導電性セパレータ
１３：ガス流通溝
１３ａ：縦溝
１３ｂ：横溝
１４：凹溝
２０：透明基板
３０：集電リブ
４０：電流取り出し手段
６０：可視化窓

Claims (3)

1. 固体高分子電解質膜の両側に電極層を接合してなる膜電極接合体と、少なくとも片面にガス流通溝を有し、該ガス流通溝を接合面側にして前記膜電極接合体の両側にそれぞれ接合された少なくとも一対のセパレータとを備え、一方の前記セパレータのガス流通溝を水素を含む燃料ガスの流路とし、他方の前記セパレータのガス流通溝を酸化剤ガスの流路とした固体高分子形燃料電池用評価セルにおいて、
   前記セパレータの少なくとも一方は、光透過性材料からなる基板と、前記ガス流通溝の両側壁の少なくとも一部を構成するように、前記基板に接合された導電性材料からなるリブとを有しており、
   前記光透過性部材からなる基板表面には、前記ガス流通溝となる部分の両側に沿って凹溝が設けられており、該凹溝に前記導電性材料からなるリブが嵌合配置されて、前記ガス流路溝が形成されており、
   前記導電性材料からなるリブに電流取出し手段が接続されている、ことを特徴とする固体高分子形燃料電池用評価セル。
2. 前記ガス流通溝は、両側で折り返して連続した複数列の蛇行溝からなり、該ガス流通溝の折り返し部の両側壁は、前記光透過性部材からなるリブで形成されている、請求項１に記載の固体高分子形燃料電池用評価セル。
3. 前記電流取出し手段には、前記導電性材料で形成されたリブのそれぞれから取り出した電流を、個別に又は複数集合して計測する電流計測手段が設けられている、請求項１又は２に記載の固体高分子形燃料電池用評価セル。

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