JP5633492B2

JP5633492B2 - 燃料電池

Info

Publication number: JP5633492B2
Application number: JP2011202163A
Authority: JP
Inventors: 梨良平澤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2011-09-15
Filing date: 2011-09-15
Publication date: 2014-12-03
Anticipated expiration: 2031-09-15
Also published as: JP2013065413A

Description

本発明は、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、電解質膜がカソード及びアノードの両電極間に挟持された構造を有しており、空気等の酸素を含むカソードガス（酸化ガス）がカソードに接触する一方、水素を含むアノードガス（燃料ガス）がアノードに接触することにより、両電極で電気化学反応が生じ、その結果、両電極間に電圧が生起されるように構成されている。また、一般に、燃料電池には、生成・凝縮された水分をガス流路側に効率よく排出することと、十分に加湿されたガスを電解質膜に均等に供給することの互いに相反する特性が要求される。

かかる燃料電池の構造としては、種々のものが提案されており、例えば、特許文献１には、プロトンイオン伝導性の電解質膜が一対の電極（電極触媒層）で挟持され、さらに、その両外側にガス拡散層を介してガス流路を形成するためのセパレータが設けられており、電極及びガス拡散層が、撥水性を有する撥水部と親水性を有する親水部とを有しており、積層面に垂直な方向において、それらの撥水部と親水部の分布の比率を異ならしめた燃料電池が記載されている。

特開２００３−１５１５６５号公報

ところで、特許文献１記載の燃料電池では、電解質膜からセパレータ側（ガス流路が形成されている部位側）に向かって撥水部の分布比率が減少するように形成されており、また逆に、電解質膜からセパレータ側（ガス流路が形成されている部位側）に向かって親水部の分布比率が増加するように形成されている。

しかし、本発明者の知見によれば、電極及びガス拡散層からの排水性を高めて低温運転時の性能を向上させようとすると、高温運転時（特に、高温無加湿運転時）には、触媒を含む電極及びその近傍或いはガスが過度に乾燥してしまい、却って発電性能が低下してしまう傾向にある。逆に、電極及びガス拡散層からの排水性を弱めて（緩めて）先述の高温運転時の乾燥を抑制すると、低温運転時には、電極近傍及びガス拡散層に水分が過度に滞留してしまい、却って発電性能が低下してしまう傾向にある。かかる問題は、電極及びガス拡散層が撥水部と親水部を有する上述した燃料電池においても、ガス拡散層の撥水性勾配によっては同様に発生する可能性がある。

そこで、本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、低温運転時の排水性を高めつつ、高温運転時の局所的な過度の乾燥を抑止して湿潤性を好適に保持することができる燃料電池を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明による燃料電池は、電解質膜の両面にそれぞれカソード及びアノードが配置された膜電極接合体と、膜電極接合体の両面に対向して設けられており、且つ、カソードガスが流通するカソードガス流路、及び、アノードガスが流通するアノードガス流路を画成するセパレータと、膜電極接合体とセパレータとの間に配置されたガス拡散層とを備えており、ガス拡散層は、膜電極接合体に当接する撥水部とセパレータに当接する基材部とを有しており、ガス拡散層の厚さ方向に沿って膜電極接合体からセパレータへ向かうにつれて、撥水比率が一旦高められてから低下するように構成されている。

このように構成された本発明による燃料電池においては、膜電極接合体（のカソード）近傍で生じた水分が、ガス拡散層を、膜電極接合体に当接する撥水部、及び、セパレータに当接する基材部の順に通過して、セパレータのガス流路側へ排出される。そして、ガス拡散層は、その厚さ方向に沿って膜電極接合体からセパレータへ向かうにつれて、撥水比率が一旦高められてから低下するように、すなわち、ガス拡散層の内部において、撥水比率の厚さ方向分布が極大値（ピーク）を有するように構成されている。

ガス拡散層がこのような撥水比率のプロファイルを有することにより、膜電極接合体の近傍で生じた水分がガス拡散層を通してガス流路側へ排出される際、電極に近い部位では、撥水比率が極大値（ピーク）よりも小さくされているので、高温運転時において触媒を含む電極及びその近傍或いはガスの過度の乾燥を防止することができる。また、膜電極接合体の近傍で排水比率が一旦急激に高まった後にその先で撥水比率が低下するので、排水力（速度）にいわば慣性が生じ、特に低温運転時における排水性が格段に向上される。

したがって、本発明の燃料電池によれば、低温運転時の排水性を高めつつも、高温無加湿運転時等の高温運転における局所的な過度の乾燥を抑止して湿潤性を好適に保持することができ、これにより、運転条件に拘らず、出力の不都合な低下を抑止して運転性能を向上させることが可能になる。

本発明による燃料電池の好適な一実施形態の構成の一部を模式的に示す断面図である。図１に示す燃料電池の一部を拡大して模式的に示す断面図である。図２におけるガス拡散層の断面位置における撥水比率の一例を示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、上下左右等の位置関係は、特に断らない限り、図面に示す位置関係に基づくものとする。また、図面の寸法比率は、図示の比率に限定されるものではない。さらに、以下の実施の形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をその実施の形態のみに限定する趣旨ではない。またさらに、本発明は、その要旨を逸脱しない限り、さまざまな変形が可能である。

図１は、本発明による燃料電池の好適な一実施形態の構成の一部を模式的に示す断面図である。燃料電池スタック１０は、固体高分子分離膜（電解質膜）を備えた固体高分子型の燃料電池（ＰＥＭＦＣ）であり、主として燃料電池自動車等に搭載されるものである。この燃料電池スタック１０（燃料電池）は、単位セル２０を複数積層したスタック構造を有している（なお、図示においては一単位のみ示す）。また、単位セル２０は、電解質膜２を挟んでカソード２ａとアノード２ｂ（ともに電極触媒層）とが配置されたＭＥＡ２１（膜電極接合体：Membrane Electrode Assembly）の両面外側に、ガス拡散層２２，２２がシールガスケット（図示せず）によって一体に形成された発電体２３、及び、隣接する発電体２３，２３を隔離する例えばステンレス鋼やチタン等の導電性金属材料からなるカソードセパレータ２６及びアノードセパレータ２８から構成されている。

なお、隣接する発電体２３，２３を隔てるセパレータは、上記のカソードセパレータ２６、中間プレート（図示せず；主として冷却水の流路となる）、及び、上記のアノードセパレータ２８が積層された３層積層型のユニットをなしており、図示との整合をとるべく、ここでは、単位セル２０を上述の如く定義した。

また、カソードセパレータ２６と発電体２３との間には、カソードガスが流通するカソードガス流路３０が画成されており、さらに、アノードセパレータ２８と発電体２３との間には、アノードガスが流通するアノードガス流路４０が画成されている。なお、発電体２３、カソードセパレータ２６及びアノードセパレータ２８のそれぞれの縁周部には、カソードガス流路３０に連通するカソード入口及び同カソード出口、並びに、アノードガス流路４０に連通するアノード入口及び同アノード出口（いずれも図示を省略）が設けられている。

図２は、図１に示す燃料電池スタック１０の一部を拡大して模式的に示す断面図であり、主として、ＭＥＡ２１のカソード２ａとカソードガス流路３０が画成されたセパレータ２６との間に配置されたガス拡散層２２の断面構成を示す。同図に示す如く、ガス拡散層２２は、カソード２ａからセパレータ２６に向かって、撥水部２２１及び基材部２２２がこの順に、双方の一部が重なり合うように積層されたものであり、その厚さ方向（図示一点鎖線矢印Ｙで示す方向）に沿って、互いに撥水比率が異なる複数の領域Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３に分画されている。

図３は、図２におけるガス拡散層２２の断面位置における撥水比率の一例を示すグラフである。同図に示す如く、ガス拡散層２２においては、その厚さ方向Ｙに沿う撥水比率の分布が一様ではなく、領域Ｒ２＞領域Ｒ１＞領域Ｒ３とされている。すなわち、ＭＥＡ２１のカソード２ａに隣接する領域Ｒ１とセパレータ２６に隣接する領域Ｒ３との中間に位置する領域Ｒ２の撥水比率が、領域Ｒ１，Ｒ３の撥水比率よりも大きくされており、換言すれば、ガス拡散層２２の断面における撥水比率プロファイルが、領域Ｒ２において極大値（ピーク）を示す。

このように、ガス拡散層２２は、ＭＥＡ２１に当接する撥水部２２１、及び、セパレータ２６に当接する基材部２２２を有しており、その厚さ方向Ｙに沿ってＭＥＡ２１からセパレータ２６へ向かって、撥水比率が一旦高められてから低下するように構成されたものである。

なお、ＭＥＡ２１のアノード２ｂとアノードガス流路４０が画成されたセパレータ２８との間に配置されたガス拡散層２２も、図２に示すガス拡散層２２と同様の構成を有している。すなわち、アノード２ｂからセパレータ２８に向かって、撥水部２２１及び基材部２２２がこの順に、双方の一部が重なり合うように積層されており、その厚さ方向Ｙに沿って、互いに撥水比率が異なる３つの領域Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３に分画されている。そして、その厚さ方向Ｙに沿ってＭＥＡ２１からセパレータ２８へ向かって、撥水比率が一旦高められてから低下するように、換言すれば、中間の領域Ｒ２の撥水比率が最も高くなるように構成されている。

かかる構成のガス拡散層２２は、例えば、適宜の撥水性を有する撥水部２２１と、基材部２２２との重なり合う部位である領域Ｒ２に、適宜の撥水性材料の所望量を含浸させることにより形成することができる。より具体的には、例えば、撥水性材料としてＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）を含み且つ適宜の粘度を有する液状材料を、適宜の塗工条件（塗工クリアランス、吐出量、塗工速度等）下、領域Ｒ２に塗布してその撥水性材料を含浸させる方法等が挙げられる。

このように構成された燃料電池スタック１０によれば、ＭＥＡ２１のカソード２ａ近傍で生じた水分（反応生成水）が、ガス拡散層２２を、ＭＥＡ２１に当接する撥水部２２１、及び、セパレータ２６に当接する撥水部２２２の順に通過して、発電体２３とセパレータ２６によって画成されたカソードガス流路３０側へ排出される。

このとき、ガス拡散層２２が、図３に示す撥水比率のプロファイルを有することにより、ＭＥＡ２１のカソード２ａ近傍で生じた水分がガス拡散層２２を通してカソードガス流路３０側へ排出される際、カソード２ａに近い部位では、撥水比率が極大値（ピーク）よりも小さくされているので、高温運転時においてカソード２ａ及びその近傍が過度に乾燥してしまうことを防止することができる。また、ガス拡散層２２において、ＭＥＡ２１の近傍で、領域Ｒ１から領域Ｒ２にかけて排水比率が一旦急激に高まった後、その先の領域Ｒ３で撥水比率が低下するので、排水力（速度）にいわば慣性が生じ、これにより、特に低温運転時における排水性を格段に向上させることができる。

このように、燃料電池スタック１０によれば、内部の余分な水分のみを効率よく排出することにより、低温運転時の排水性を高めつつも、高温無加湿運転時等の高温運転における局所的な過度の乾燥を抑止して湿潤性を好適に保持することが可能となる。

なお、上述したとおり、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を変更しない限度において様々な変形が可能である。例えば、燃料電池スタック１０におけるカソードガス流路３０及びアノードガス流路４０の具体的な形状は、ストレート流路であってもよいし、サーペンタイン流路であってもよく、両者は流路方向が対向していてもよく、或いは、交差又は直交していてもよい。また、スタック状に構成されていない燃料電池も本発明の構成に含まれ得る。さらに、ガス拡散層２２は、３つの領域Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３に明確に分画されていなくてもよく（それぞれの境界を明別することができなくてもよく）、また、領域の数も３つに限定されない。

以上説明したとおり、本発明によれば、燃料電池における水分の排出性を高めつつ、過度の乾燥を抑止して良好且つ適度な湿潤状態を維持することにより、燃料電池の出力等の性能低下を有効に防止することができるので、本発明は、燃料電池全般、燃料電池を備える車両、機器、システム、設備等、及び、それらの製造に広く且つ有効に利用することができる。

２電解質膜
２ａカソード
２ｂアノード
１０燃料電池スタック（燃料電池）
２０単位セル
２１ＭＥＡ
２２ガス拡散層
２３発電体、
２６カソードセパレータ
２８アノードセパレータ
３０カソードガス流路
４０アノードガス流路
２２１撥水部
２２２基材部
Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３領域（ガス拡散層）
Ｙ厚さ方向

Claims

電解質膜の両面にそれぞれカソード及びアノードが配置された膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の両面に対向して設けられており、且つ、カソードガスが流通するカソードガス流路、及び、アノードガスが流通するアノードガス流路を画成するセパレータと、
前記膜電極接合体と前記セパレータとの間に配置されたガス拡散層と、
を備えており、
前記ガス拡散層は、前記膜電極接合体に当接する領域Ｒ１、前記セパレータに当接する領域Ｒ３、及び前記領域Ｒ１と前記領域Ｒ３との間に位置する領域Ｒ２とを有しており、当該ガス拡散層の厚さ方向に沿って、撥水比率の大きさが前記領域Ｒ２、前記領域Ｒ１及び前記領域Ｒ３の順になるように構成されたものである、
燃料電池。