JP5463256B2 - 固体高分子形燃料電池 - Google Patents

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等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流路に流れる冷却媒体へ伝える。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有効であるが、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、細孔が連通した導電性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金属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、出力の向上が期待できる。

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、冷却部の構造が簡易で小型化を実現でき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、前記接合体のアノード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多孔質体および、前記接合体のカソード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多孔質体と、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）酸化剤ガス流路を構成する導電性多孔質体のバイポーラープレートと対向する面に溝加工が施されていることを特徴とする。
２）溝を構成する多孔質体流路壁の少なくとも一つの壁面に凹部を備えることを特徴とする。
３）凹部の間隔はガス流れ方向に沿って上流ほど密となることを特徴とする。
４）前記バイポーラープレート表面が、親水性であることを特徴とする。
５）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した細孔から構成され、酸化剤ガス流路に酸化剤ガスとともに冷却水を混入して供給す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で構成し、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、多孔質体の金属部分で電子の移動が可能となるため、電極全面での反応が可能となる。また、酸化剤ガス中に冷却水を混入し、蒸発潜熱による冷却を行うため、冷却水量や冷却セル数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。 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。 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。 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、具体的には図２で示すＢ−Ｂ断面の一部である。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２０、この外側にそれぞれ配置されるアノード側ガス拡散層４，カソード側ガス拡散層５，アノード側多孔質ガス流路６，カソード側多孔質ガス流路７およびバイポーラープレート８から構成される。ただし、多孔質ガス流路にガス拡散層の機能を一体化させることで、ガス拡散層を省略することも可能である。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。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。

固体高分子電解質膜１はフッ素系あるいは炭化水素系の固体高分子材料からなる。アノード２およびカソード３は、白金などの触媒が坦持されたカーボン担体と、プロトン伝導性を付与するための電解質（バインダ）との混合体で構成される。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２０は８０℃以上、望むべくは９０℃以上の燃料電池の運転温度に耐えるものを用いる。

バイポーラープレート８は、燃料ガス流路と酸化剤ガス流路を隔てるもので、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からなる緻密な金属板を用いる。材質としては、例えば、チタン，ＳＵＳ，アルミニウム，マグネシウムなどを用いることができる。

アノード側多孔質ガス流路６，カソード側多孔質ガス流路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以上の細孔を含む連通細孔多孔質体を用いる。

カソード側多孔質ガス流路７には、バイポーラープレート８と対向する面に多孔質体の細孔径よりも大きな断面積を持つ複数のカソード側流路溝１０が形成されている。さらに、このカソード側流路溝１０の多孔質体からなる流路壁の少なくとも一面には複数の凹部１１が形成される。この凹部１１は図２や図３に示す形状のみならず、加工が可能な様々な形状とすることが可能である。カソード側流路溝１０や凹部１１の成形方法としては、例えば、多孔質体を製造する際に溝形状をした型の利用、製造後にプレス加工や切削加工をする方法などがある。図２では、カソード側流路溝１０は、酸化剤ガス供給マニホールド２１から酸化剤排出マニホールド２３へ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、曲線を含む形状なども適用できる。

カソード側流路溝１０には図２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冷却水が流通する。酸化剤空気はカソード側多孔質ガス流路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ができる。

複数のカソード側流路溝１０に供給した冷却水を発電面内に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。供給する冷却水量は電極面積，作動電流密度から決定し、少なくとも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。

冷却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やカソード側流路溝１０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２０から発電によって生じた熱が伝導しており、供給された冷却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。

カソード側流路溝１０へ導入された冷却水の一部が蒸発することで、蒸発潜熱によりセルの冷却が行われるともに、冷却水の一部は凹部１１に保持される。燃料電池の運転条件が急激に変化した際に、流路を流れる水が不足した部分でも凹部１１に保持された水が利用可能となる。酸化剤ガス流路の下流に行くほど相対湿度が高くなり、生成水が凝縮しやすく、酸化剤ガス流路の上流ほど乾燥し易くなるため、凹部は酸化剤流路の上流ほど密に配置することが望ましい。

一方、供給した冷却水の大部分がカソード側多孔質ガス流路７に導入されてしまうと、ガス拡散を阻害する恐れがある。バイポーラープレート８のカソード側多孔質ガス流路７と接する面を親水化処理することにより、導入された冷却水はバイポーラープレート８に付着し易くなり、カソード側流路溝１０を流動し易くできる。

蒸発した水蒸気は残留反応ガスとともに酸化剤ガス排出マニホールド２３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期待できることから、反応ガス中に混入供給する冷却水の流量は、従来独立に冷却セルで冷却媒体の循環による顕熱冷却を利用する燃料電池に比べて大幅に少なくすることが可能となる。

本実施例のように、カソード側流路溝１０に凹部１１を設け、冷却水を保持する構成とすることで、発電面内における冷却水の分布の偏りを小さくすることができ、冷却に斑が生じることを防止することができる。

図５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り、図２のバイポーラープレート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５のスタック部分は上からアノード側多孔質ガス流路６，アノード側ガス拡散層４，電解質膜・電極触媒接合体２０，カソード側ガス拡散層５，カソード側多孔質ガス流路７，バイポーラープレート８、そしてアノード側多孔質ガス流路６となり、この繰り返しとなる。また、シール２６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２０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２６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、酸化剤空気へ冷却水を供給する冷却水注入ポンプ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冷却水注入ポンプ５１から供給された冷却水と合流し、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冷却水が供給され、図１の説明で述べたように冷却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。

冷却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により凝縮させ、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で構成し、バイポーラープレート８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２０を挟持するガス拡散層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、酸化剤ガス中に冷却水を混入し、蒸発潜熱による冷却を行うため、冷却水量および冷却セル数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４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を示す。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である。

本実施例では、バイポーラープレート８において、酸化剤ガス供給マニホールド２１と同じ側に冷却水供給マニホールド２５を備えている。潜熱蒸発による冷却を行う場合、冷却水は酸化剤ガスと比較して少量となることから、マニホールドの大きさも流量に応じて酸化剤ガス供給マニホールド２１に比べ冷却水供給マニホールド２５は小さな形状とする。図４では冷却水供給マニホールド２５はバイポーラープレート８の角部に設けられているが、酸化剤ガス供給マニホールド２１と燃料ガス排出マニホールド２４の間に設けられてもよい。

カソード側流路溝１０は、冷却水供給マニホールド２５に接続されており、冷却水はカソード側流路溝１０に導入される。冷却水をセル内全域に供給するために、カソード側多孔質ガス流路７に設けられるカソード側流路溝１０は、酸化剤ガス供給マニホールド２１から酸化剤ガス排出マニホールド２３へ向かう方向と、隣接する流路溝を接続する溝から構成される。図４では、冷却水供給マニホールド２５から１本のカソード側流路溝１０がカソード側多孔質ガス流路７へ設けられ、分岐していく構造例を示すが、冷却水を発電面全域に供給できるものであれば、図４の形状に限定されるものではない。酸化剤ガス供給マニホールド２１には酸化剤空気のみが流動するため、カソード側多孔質ガス流路７のみ接続される。

本構成では、マニホールドで酸化剤ガスと冷却水を分離し、各セルにおいて独立に酸化剤ガスと冷却水を供給することが可能となる。また、カソード側流路溝１０が冷却水供給マニホールド２５のみに接続されることから、冷却水は主にカソード側流路溝１０を流動する。

本実施例によれば、スタック内で冷却水を酸化剤ガスに供給することから、セル間でばらつきの少ない冷却水供給が可能となる。

以上説明した実施例によれば、カソードガス流路において効率的な冷却を行うことで、高電流密度で作動の際にセル温度を適正に保つとともに小型の燃料電池を提供することができる。

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 バイポーラープレート
１０ カソード側流路溝
１１ 凹部
２０ 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 冷却水供給マニホールド
２６ シール
５１ 冷却水注入ポンプ
５２ 酸化剤ガスブロワ
５３ 熱交換器
５４ 凝縮水回収タンク
５５ 冷却水経路
５６ 酸化剤ガス経路

Claims (5)

1. 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多孔質体からなる燃料ガス流路と、前記接合体の酸化剤極に酸化剤ガスを供給する導電性多孔質体からなる酸化剤ガス流路と、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、
   前記酸化剤ガス流路を構成する導電性多孔質体がバイポーラープレートと対向する面に溝を備え、
   酸化剤ガス流路に酸化剤ガスとともに冷却水を供給することを特徴とする固体高分子形燃料電池。
2. 請求項１に記載の固体高分子形燃料電池において、
   前記バイポーラープレートの少なくとも酸化剤ガス流路を構成する導電性多孔質体と接する面が親水性であることを特徴とする固体高分子形燃料電池。
3. 請求項２に記載の固体高分子形燃料電池において、
   前記酸化剤ガス流路を構成する導電性多孔質体に形成された溝を構成する流路壁の少なくとも一つの壁面に凹部を備えることを特徴とする固体高分子形燃料電池。
4. 請求項３に記載の固体高分子形燃料電池において、
   前記導電性多孔質体の溝の壁面に形成された凹部は、多孔質体の表面粗さよりもサイズが大きいことを特徴とする固体高分子形燃料電池。
5. 請求項３に記載の固体高分子形燃料電池において、
   前記導電性多孔質体の溝の壁面に形成された前記凹部の間隔はガス流れ方向に沿って上流ほど密となることを特徴とする固体高分子形燃料電池。

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