JP5430991B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、電解質の両側にガス拡散層を有する電極が配設される電解質・電極構造体を、一対のセパレータ間に挟持するとともに、前記セパレータは、前記ガス拡散層から離間する流路溝と前記ガス拡散層に接するリブ部とを交互に有し、前記流路溝及び前記リブ部により前記電極に沿って反応ガスを流通させる反応ガス流路が形成される燃料電池に関する。

燃料電池は、燃料ガス（主に水素を含有するガス）及び酸化剤ガス（主に酸素を含有するガス）をアノード側電極及びカソード側電極に供給して電気化学的に反応させることにより、直流の電気エネルギを得るシステムである。

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を設けた電解質膜・電極構造体を、セパレータによって挟持した発電セルを備えている。この種の発電セルは、通常、電解質膜・電極構造体及びセパレータを所定数だけ交互に積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。

上記の燃料電池では、アノード側電極及びカソード側電極が、電解質膜の両面に形成される電極触媒層と多孔質導電体であるガス拡散層とを有している。ガス拡散層は、反応ガス（酸化剤ガス及び燃料ガス）を電極触媒層に拡散させる機能を有するとともに、前記電極触媒層で生成された水を反応ガス流路へ排出する機能を有している。このため、ガス拡散層において、反応ガスの移動する方向と生成水の移動する方向とが逆方向であり、ガス拡散と生成水排水とを良好に行うための工夫がなされている。

例えば、特許文献１に開示されている燃料電池は、図１２に示すように、膜・電極接合体１を一対のセパレータ２により挟持して構成されるとともに、前記膜・電極接合体１は、高分子電解質膜３の両側にそれぞれ燃料極４及び空気極５が配置されている。

燃料極４は、高分子電解質膜３に接する触媒層４ａと、前記触媒層４ａの外面側に配置されるガス拡散層４ｂとを有している。このガス拡散層４ｂには、複数の貫通孔６ａが形成されている。空気極５は、同様に、高分子電解質膜３に接する触媒層５ａと、前記触媒層５ａの外側面に配置されるガス拡散層５ｂとを有している。このガス拡散層５ｂには、複数の孔部６ｂが形成されている。

セパレータ２の電極側表面には、複数の溝２ａ、２ｂが設けられており、前記溝２ａに燃料が流通される一方、前記溝２ｂに空気が流通されている。

このような構成において、燃料極４のガス拡散層４ｂに厚み方向に貫通する貫通孔６ａが設けられているため、燃料ガスを拡散させつつ、触媒層４ａに効率よく接触させることができる、としている。

一方、空気極５のガス拡散層５ｂに厚み方向に貫通する孔部６ｂが設けられているため、空気を拡散させつつ、触媒層５ａに効率よく接触させるとともに、前記ガス拡散層５ｂから過剰な水を適切に排水することができる、としている。

特開２００６−３３１７８６号公報

しかしながら、上記の燃料電池では、特に高電流密度になると生成水が増加し、ガス拡散層４ｂ内には、孔部６ｂを中心にした排水経路が拡大し易い。これにより、生成水の流動方向とは逆方向に向かう酸素の拡散が阻害されてしまい、濃度過電圧が上昇するという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、ガス拡散層の排水性を向上させるとともに、ガス拡散性を良好に確保することが可能な燃料電池を提供することを目的とする。

本発明は、電解質の両側にガス拡散層を有する電極が配設される電解質・電極構造体を、一対のセパレータ間に挟持するとともに、前記セパレータは、前記ガス拡散層から離間する流路溝と前記ガス拡散層に接するリブ部とを交互に有し、前記流路溝及び前記リブ部により前記電極に沿って反応ガスを流通させる反応ガス流路が形成される燃料電池に関するものである。

この燃料電池は、少なくとも一方のガス拡散層には、リブ部との接触領域にのみ孔部が形成され、且つ前記孔部の孔径の平均値は、前記ガス拡散層自体の孔径の平均値よりも大きく設定されるとともに、前記孔部の孔径の分布幅は、前記ガス拡散層自体の孔径の分布幅よりも小さく設定されている。

さらに、孔部の分布は、反応ガス流路の上流側の分布が、前記反応ガス流路の下流側の分布に比べて密に設定されることが好ましい。

さらにまた、孔部の孔径は、反応ガス流路の上流側の孔径が、前記反応ガス流路の下流側の孔径に比べて大径に設定されることが好ましい。

また、孔部は、電解質側からリブ部側に向かって縮径するテーパ孔により構成されることが好ましい。

さらに、少なくとも孔部の内周面には、親水化処理が施されることが好ましい。

さらにまた、孔部は、一方の電極であるカソード側電極を構成するガス拡散層に設けられることが好ましい。

本発明では、生成水がガス拡散層に形成された孔部に優先的に流入し、セパレータのリブ部に対向して滞留するため、反応ガス流路を流通する反応ガスは、前記リブ部間の前記ガス拡散層に良好に拡散され、拡散が阻害されることはない。従って、反応ガスの拡散不良による濃度過電圧の上昇を抑制することができ、効率的な発電処理が遂行可能になるとともに、所望の排水性を確保することができる。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の分解斜視説明図である。 前記燃料電池の、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面図である。 カソード側セパレータの正面説明図である。 孔部と多孔質の細孔容積と孔径との関係説明図である。 酸素分子と生成水との挙動説明図である。 比較例の説明図である。 前記比較例と第１の実施形態とのセル電圧の説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池の要部断面説明図である。 本発明の第３の実施形態に係る燃料電池の要部断面説明図である。 本発明の第４の実施形態に係る燃料電池の分解斜視説明図である。 本発明の第５の実施形態に係る燃料電池の分解斜視説明図である。 特許文献１の燃料電池の説明図である。

図１及び図２に示すように、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池１０は、電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）１２と、前記電解質膜・電極構造体１２を挟持するカソード側セパレータ１４及びアノード側セパレータ１６とを備える。カソード側セパレータ１４及びアノード側セパレータ１６は、例えば、カーボンセパレータにより構成される。なお、カソード側セパレータ１４及びアノード側セパレータ１６は、金属薄板を波形状に成形して構成される金属セパレータを採用してもよい。

燃料電池１０の矢印Ｃ方向（鉛直方向）の一端縁部（上端縁部）には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔１８ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔２０ａ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔２２ａが設けられる。

燃料電池１０の矢印Ｃ方向の他端縁部（下端縁部）には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔１８ｂ、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔２０ｂ、及び燃料ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔２２ｂが設けられる。

図３に示すように、カソード側セパレータ１４の電解質膜・電極構造体１２側の面１４ａには、例えば、矢印Ｃ方向に延在する酸化剤ガス流路２４が設けられる。酸化剤ガス流路２４は、面１４ａにそれぞれ矢印Ｃ方向に延在する流路溝２４ａとリブ部２４ｂとを、矢印Ｂ方向に交互に設けることにより構成される。この酸化剤ガス流路２４は、酸化剤ガス供給連通孔１８ａ及び酸化剤ガス排出連通孔１８ｂに連通する。

図１に示すように、カソード側セパレータ１４の面１４ａとは反対の面１４ｂには、冷却媒体流路２６が形成される。冷却媒体流路２６は、面１４ｂにそれぞれ矢印Ｃ方向に延在する流路溝２６ａとリブ部２６ｂとを、矢印Ｂ方向に交互に設けることにより構成される。冷却媒体流路２６は、冷却媒体供給連通孔２０ａ及び冷却媒体排出連通孔２０ｂに連通する。

アノード側セパレータ１６の電解質膜・電極構造体１２側の面１６ａには、燃料ガス供給連通孔２２ａと燃料ガス排出連通孔２２ｂとに連通し、矢印Ｃ方向に延在する燃料ガス流路２８が形成される。燃料ガス流路２８は、面１６ａにそれぞれ矢印Ｃ方向に延在する流路溝２８ａとリブ部２８ｂとを、矢印Ｂ方向に交互に設けることにより構成される。

アノード側セパレータ１６の面１６ａとは反対の面１６ｂには、カソード側セパレータ１４の面１４ｂと重なり合うことにより、冷却媒体供給連通孔２０ａと冷却媒体排出連通孔２０ｂとに連通する冷却媒体流路２６が形成される。

カソード側セパレータ１４及びアノード側セパレータ１６には、図示しないが、シール部材が配設される。

電解質膜・電極構造体１２は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜３０と、前記固体高分子電解質膜３０を挟持するカソード側電極３２及びアノード側電極３４とを備える。

図２に示すように、カソード側電極３２は、カーボンペーパ等の多孔質導電体からなるガス拡散層３２ａと、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層３２ａの表面に一様に塗布されることにより形成される電極触媒層３２ｂとを有する。電極触媒層３２ｂは、固体高分子電解質膜３０の一方の面に形成される。

アノード側電極３４は、カーボンペーパ等の多孔質導電体からなるガス拡散層３４ａと、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層３４ａの表面に一様に塗布されることにより形成される電極触媒層３４ｂとを有する。電極触媒層３４ｂは、固体高分子電解質膜３０の他方の面に形成される。

図１〜図３に示すように、カソード側電極３２のガス拡散層３２ａには、カソード側セパレータ１４のリブ部２４ｂとの接触領域にのみ複数の孔部３６が形成される。孔部３６は、エッチング、ドリル、放電加工、電子ビーム、レーザ又はプレス等により形成され、孔径は、１０μｍ〜１ｍｍの範囲に設定される。ガス拡散層３２ａ自体の孔径は、平均細孔径が１０μｍ未満に設定される。

図４に示すように、孔部３６の孔径の平均値は、ガス拡散層３２ａ自体の孔径の平均値よりも大きく設定される。孔部３６の分布幅は、ガス拡散層３２ａ自体の分布幅よりも小さく設定される。なお、ガス拡散層３２ａの細孔分布は、例えば、水銀圧入法により測定することができる。

このように構成される燃料電池１０の動作について、以下に説明する。

図１に示すように、酸化剤ガス供給連通孔１８ａには、空気等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス供給連通孔２２ａには、水素ガス等の燃料ガスが供給される。

酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給連通孔１８ａからカソード側セパレータ１４の面１４ａに設けられた酸化剤ガス流路２４に導入される。これにより、酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路２４を重力方向に移動しながら、電解質膜・電極構造体１２のカソード側電極３２に供給される。

一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔２２ａからアノード側セパレータ１６の燃料ガス流路２８に導入される。この燃料ガスは、燃料ガス流路２８に沿って重力方向に移動しながら、電解質膜・電極構造体１２のアノード側電極３４に供給される。

従って、電解質膜・電極構造体１２では、カソード側電極３２に供給される酸化剤ガスとアノード側電極３４に供給される燃料ガスとが、電極触媒層３２ｂ、３４ｂ内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。

次いで、カソード側電極３２に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔１８ｂに排出されるとともに、アノード側電極３４に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔２２ｂに排出される。

また、冷却媒体供給連通孔２０ａには、純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。この冷却媒体は、アノード側セパレータ１６とカソード側セパレータ１４との間に形成される冷却媒体流路２６に沿って重力方向に移動し、電解質膜・電極構造体１２を冷却した後、冷却媒体排出連通孔２０ｂから排出される。

この場合、第１の実施形態では、カソード側電極３２のガス拡散層３２ａには、カソード側セパレータ１４のリブ部２４ｂとの接触領域にのみ複数の孔部３６が形成されている。このため、特に、燃料電池１０が高電流密度で運転される際に生成水が増加し、この生成水は、図５に示すように、優先的に孔部３６に流入する。

従って、生成水は、カソード側セパレータ１４のリブ部２４ｂに対向して孔部３６に滞留し、流路溝２４ａに供給された酸化剤ガス中の酸素分子は、前記リブ部２４ｂ間のガス拡散層３２ａに良好に拡散される。これにより、ガス拡散層３２ａへの酸素分子の拡散不良による濃度過電圧の上昇を抑制することができ、効率的な発電処理が遂行可能になるとともに、良好な排水性を確保することができるという効果が得られる。

ここで、図６に示すように、カソード側電極３２のガス拡散層３２ａに、リブ部２４ｂとの接触領域以外にも複数の孔部３６ａが形成された比較例では、前記孔部３６ａに沿って酸素分子の拡散方向とは逆方向に生成水が流動している。従って、特に高電流密度で運転を行った場合に、酸素分子のガス拡散層３２ａへの拡散が阻害され、濃度過電圧が上昇してセル電圧が急激に低下している（図７参照）。

これに対して、第１の実施形態では、リブ部２４ｂ間のガス拡散層３２ａで、酸素分子が良好に拡散することができ、セル電圧の低下が有効に抑制されるという利点が得られる。

なお、第１の実施形態では、アノード側電極３４のガス拡散層３４ａには、孔部が設けられていないが、カソード側電極３２と同様に、リブ部２８ｂとの接触領域のみに複数の孔部を形成してもよい。

図８は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池４０の要部断面説明図である。

なお、第１の実施形態に係る燃料電池１０と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第３の実施形態以降においても同様に、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。

燃料電池４０を構成するカソード側電極３２のガス拡散層３２ａには、カソード側セパレータ１４のリブ部２４ｂとの接触領域にのみ複数の孔部４２が形成される。この孔部４２の内面には、親水処理することにより親水処理層４４が形成される。

親水処理としては、金属酸化物、例えば、ＴｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ＳｎＯ₂、ＺｎＯ、ＳｉＯ₂等の材料を塗布したり、親水性の高分子材料、例えば、ＯＨ基を有するＰＶＡ（ポリビニルアルコール）等の材料を塗布することができる。

このように構成される第２の実施形態では、孔部４２が親水性を有するため、生成水の流動性が一層向上する他、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

図９は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池５０の要部断面説明図である。

燃料電池５０では、カソード側電極３２のガス拡散層３２ａには、カソード側セパレータ１４のリブ部２４ｂの接触領域にのみ複数のテーパ孔部５２が形成される。このテーパ孔部５２は、固体高分子電解質膜３０からリブ部２４ｂに向かって縮径する。

従って、第３の実施形態では、固体高分子電解質膜３０側に生成される生成水は、テーパ孔部５２を介してリブ部２４ｂ側に良好に移動することができる他、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

図１０は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池６０の分解斜視説明図である。

燃料電池６０を構成する電解質膜・電極構造体６２は、カソード側電極３２のガス拡散層３２ａに、カソード側セパレータ１４のリブ部２４ｂとの接触領域にのみ複数の孔部６４が形成される。孔部６４は、酸化剤ガス流路２４の上流側の分布が、前記酸化剤ガス流路２４の下流側の分布に比べて密に設定される。

このため、第４の実施形態では、特に生成水が多量に発生し易い酸化剤ガス流路２４の上流側に、複数の孔部６４が密に配置されている。従って、生成水を容易且つ確実に孔部６４に導くことができ、排水性が良好に向上するという効果が得られる。

図１１は、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池７０の分解斜視説明図である。

燃料電池７０を構成する電解質膜・電極構造体７２は、カソード側電極３２のガス拡散層３２ａに、カソード側セパレータ１４のリブ部２４ｂとの接触領域にのみ複数の孔部７４が形成される。孔部７４は、酸化剤ガス流路２４の上流側の孔径が、前記酸化剤ガス流路２４の下流側の孔径に比べて大径に設定される。

これにより、第５の実施形態では、特に生成水量が多い酸化剤ガス流路２４の上流側に大径な孔部７４が設けられるため、前記生成水の排水性が良好に向上する等、上記の第４の実施形態と同様の効果が得られる。

１０、４０、５０、６０、７０…燃料電池
１２、６２、７２…電解質膜・電極構造体
１４…カソード側セパレータ １６…アノード側セパレータ
２４…酸化剤ガス流路 ２４ａ、２６ａ、２８ａ…流路溝
２４ｂ、２６ｂ、２８ｂ…リブ部 ２６…冷却媒体流路
２８…燃料ガス流路 ３０…固体高分子電解質膜
３２…カソード側電極 ３２ａ、３４ａ…ガス拡散層
３２ｂ、３４ｂ…電極触媒層 ３４…アノード側電極
３６、３６ａ、４２、６４、７４…孔部
４４…親水処理層 ５２…テーパ孔部

Claims (6)

1. 電解質の両側にガス拡散層を有する電極が配設される電解質・電極構造体を、一対のセパレータ間に挟持するとともに、前記セパレータは、前記ガス拡散層から離間する流路溝と前記ガス拡散層に接するリブ部とを交互に有し、前記流路溝及び前記リブ部により前記電極に沿って反応ガスを流通させる反応ガス流路が形成される燃料電池であって、
   少なくとも一方の前記ガス拡散層には、前記リブ部との接触領域にのみ孔部が形成され、且つ前記孔部の孔径の平均値は、前記ガス拡散層自体の孔径の平均値よりも大きく設定されるとともに、
   前記孔部の孔径の分布幅は、前記ガス拡散層自体の孔径の分布幅よりも小さく設定されることを特徴とする燃料電池。
2. 請求項１記載の燃料電池において、前記孔部の分布は、前記反応ガス流路の上流側の分布が、前記反応ガス流路の下流側の分布に比べて密に設定されることを特徴とする燃料電池。
3. 請求項１記載の燃料電池において、前記孔部の孔径は、前記反応ガス流路の上流側の孔径が、前記反応ガス流路の下流側の孔径に比べて大径に設定されることを特徴とする燃料電池。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記孔部は、前記電解質側から前記リブ部側に向かって縮径するテーパ孔により構成されることを特徴とする燃料電池。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池において、少なくとも前記孔部の内周面には、親水化処理が施されることを特徴とする燃料電池。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記孔部は、一方の前記電極であるカソード側電極を構成する前記ガス拡散層に設けられることを特徴とする燃料電池。

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