JP5763982B2

JP5763982B2 - 燃料電池

Info

Publication number: JP5763982B2
Application number: JP2011133777A
Authority: JP
Inventors: 稲井　滋; 滋稲井; 清秀日比野; 恵子山崎; 山崎　　恵子
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2011-06-16
Filing date: 2011-06-16
Publication date: 2015-08-12
Anticipated expiration: 2031-06-16
Also published as: JP2013004289A

Description

本発明は、電解質膜の両側にそれぞれ電極触媒層及びガス拡散層を有する電極が設けられた電解質膜・電極構造体が、一対のセパレータ間に挟持され、前記電解質膜・電極構造体と各セパレータとの間には、それぞれ電極反応面の面方向に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路が形成されるとともに、積層方向に貫通して前記反応ガス流路に連通する反応ガス連通孔が形成される燃料電池に関する。

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固体高分子電解質膜を採用している。この燃料電池は、固体高分子電解質膜の両側に、それぞれ電極触媒（電極触媒層）と多孔質カーボン（ガス拡散層）からなるアノード電極及びカソード電極を配設した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持する発電セルを構成している。通常、燃料電池では、発電セルを所定の数だけ積層した燃料電池スタックが、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用されている。

燃料電池では、積層されている各発電セルのアノード電極及びカソード電極に、それぞれ反応ガスである燃料ガス及び酸化剤ガスを供給するため、内部マニホールドを構成する場合が多い。この内部マニホールドは、発電セルの積層方向に貫通して設けられる反応ガス入口連通孔及び反応ガス出口連通孔を備えており、電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路（酸化剤ガス流路及び燃料ガス流路）の入口及び出口には、前記反応ガス入口連通孔及び前記反応ガス出口連通孔がそれぞれ連通している。

ところで、酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス流路では、発電時に反応生成水が生成される一方、燃料ガスが流れる燃料ガス流路では、固体高分子電解質膜を介して前記反応生成水の逆拡散や結露等による凝縮水が発生し易い。その際、凝縮水（生成水）が酸化剤ガス流路や燃料ガス流路に付着すると、酸化剤ガスや燃料ガスの流れが阻害されてしまい、発電性能の低下が惹起される。このため、酸化剤ガス流路及び燃料ガス流路から酸化剤ガス出口連通孔及び燃料ガス出口連通孔（反応ガス出口連通孔）に、それぞれ凝縮水を確実に排出させる必要がある。

そこで、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池システムが知られている。この特許文献１は、燃料極に供給された燃料ガスと空気極に供給された空気中の酸素との電気化学反応により発電する固体高分子型の燃料電池システムにおいて、燃料極通路に燃料ガスを供給するか空気を供給するかを切り換える燃料極通路切換弁と、空気極と燃料極とを連通させる連通弁とを備え、運転状況に応じて燃料極通路に空気を供給するように前記燃料極通路切換弁を切り換えるとともに、前記連通弁を連通させて、空気で燃料極をパージする空気パージを行うことを要旨としている。

これにより、燃料ガスの代わりに空気により燃料極に溜まった水等を吹き飛ばして除去することができるので、発電に使われずに消費されてしまう燃料の量を減らし、燃費を向上させることができる、としている。

特許第３６６４１５０号公報

上記の特許文献１では、燃料電池システムの起動時及び発電終了時に、空気により燃料極に溜まった水等を吹き飛ばしている。このため、反応ガス連通孔内には、水素ガス、窒素ガス及び酸素が混在した混合ガスが残存し易い。また、電解質膜を水素が透過して拡散し易いため、反応ガス連通孔内に水素ガス、窒素ガス及び酸素が混在した混合ガスが残存し易い。

従って、例えば、燃料電池システムを停止している際に、燃料電池の外部からシール等を通って進入した酸素と、前記燃料電池の内部に蓄積されていた水素とが、電解質膜上で反応する場合がある。このため、電解質膜上では、酸素と水素との反応により、例えば、ヒドロキシラジカル（・ＯＨ）が発生し易く、前記電解質膜を劣化させ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、外部から燃料電池内部に進入した酸素を良好且つ確実に反応させることができ、簡単な構成で、電解質膜の劣化を有効に抑制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、電解質膜の両側にそれぞれ電極触媒層及びガス拡散層を有する電極が設けられた電解質膜・電極構造体が、一対のセパレータ間に挟持され、前記電解質膜・電極構造体と各セパレータとの間には、それぞれ電極反応面の面方向に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路が形成されるとともに、積層方向に貫通して前記反応ガス流路に連通する反応ガス連通孔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、電解質膜・電極構造体の外周部分には、ガス拡散層の表面外側であって、反応ガス流路である酸化剤ガス流路の両端部分に対応する部位、及び前記酸化剤ガス流路の両端部分に隣接するバッファ部を含んだ部位に対向し、且つ該ガス拡散層の外周端部を周回する表面全周に、酸化触媒が塗布されるとともに、前記酸化触媒は、電極触媒層と平面上重なる領域を有していない。

本発明によれば、電解質膜・電極構造体の外周部分には、酸化触媒が塗布されており、燃料電池の外部から進入した酸素は、前記酸化触媒により強制的に反応される。このため、外部から燃料電池内部に進入した酸素を、電解質膜から離間した位置で良好且つ確実に反応させることができ、簡単な構成で、前記電解質膜の劣化を有効に抑制することが可能になる。

本発明に関連する燃料電池の要部分解斜視図である。前記燃料電池を構成するカソード側セパレータの正面説明図である。前記燃料電池の、図１中、ＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。前記燃料電池を構成する電解質膜・電極構造体の、図１中、ＩＶ−ＩＶ線断面図である。本発明に関連する燃料電池の要部分解斜視図である。前記燃料電池を構成するカソード側セパレータの正面説明図である。本発明に関連する燃料電池を構成するカソード側セパレータの正面説明図である。本発明に関連する燃料電池を構成するカソード側セパレータの正面説明図である。本発明の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視図である。

図１に示すように、本発明に関連する燃料電池１０は、電解質膜・電極構造体１２とアノード側セパレータ１４及びカソード側セパレータ１６とが、矢印Ａ方向（例えば、水平方向）に積層される。複数の燃料電池１０が矢印Ａ方向に積層されることにより、例えば、車載用燃料電池スタックが構成される。なお、アノード側セパレータ１４及びカソード側セパレータ１６としては、金属セパレータ又はカーボンセパレータが使用される。

燃料電池１０は、横長形状を有し、矢印Ｂ方向の一端縁部には、積層方向である矢印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入口連通孔（反応ガス連通孔）１８ａ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔（反応ガス連通孔）２０ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。

燃料電池１０の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔（反応ガス連通孔）２０ａ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔（反応ガス連通孔）１８ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。

燃料電池１０の矢印Ｃ方向の一端縁部（上端縁部）には、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔２２ａが設けられるとともに、前記燃料電池１０の矢印Ｃ方向の他端縁部（下端縁部）には、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔２２ｂが設けられる。

アノード側セパレータ１４の電解質膜・電極構造体１２に向かう面１４ａには、燃料ガス入口連通孔２０ａと燃料ガス出口連通孔２０ｂとに連通する燃料ガス流路（反応ガス流路）２４が設けられる。燃料ガス流路２４は、複数の燃料ガス流路溝２４ａを有するとともに、前記燃料ガス流路溝２４ａは、矢印Ｂ方向に延在する。

燃料ガス流路溝２４ａの入口側には、入口バッファ部２４ｂが設けられる一方、前記燃料ガス流路溝２４ａの出口側には、出口バッファ部２４ｃが設けられる。燃料ガス入口連通孔２０ａと入口バッファ部２４ｂとの間には、入口連結流路（ブリッジ部）２６ａが形成され、燃料ガス出口連通孔２０ｂと出口バッファ部２４ｃとの間には、出口連結流路（ブリッジ部）２６ｂが形成される。

図２に示すように、カソード側セパレータ１６の電解質膜・電極構造体１２に向かう面１６ａには、酸化剤ガス入口連通孔１８ａと酸化剤ガス出口連通孔１８ｂとに連通する酸化剤ガス流路（反応ガス流路）２８が設けられる。酸化剤ガス流路２８は、燃料ガス流路２４と同様に、矢印Ｂ方向に延在する複数の酸化剤ガス流路溝２８ａを有する。

酸化剤ガス流路溝２８ａの入口側には、入口バッファ部２８ｂが設けられる一方、前記酸化剤ガス流路溝２８ａの出口側には、出口バッファ部２８ｃが設けられる。酸化剤ガス入口連通孔１８ａと入口バッファ部２８ｂとの間には、入口連結流路（ブリッジ部）３０ａが形成され、酸化剤ガス出口連通孔１８ｂと出口バッファ部２８ｃとの間には、出口連結流路（ブリッジ部）３０ｂが形成される。

アノード側セパレータ１４とカソード側セパレータ１６とは、互いに対向する面１４ｂ、１６ｂに冷却媒体流路３２を一体的に形成する（図１参照）。

アノード側セパレータ１４の面１４ａ、１４ｂには、このアノード側セパレータ１４の外周縁部を周回して第１シール部材３４が射出成形等により一体的に設けられる。カソード側セパレータ１６の面１６ａ、１６ｂには、このカソード側セパレータ１６の外周縁部を周回して第２シール部材３６が射出成形等により一体的に設けられる。第１シール部材３４及び第２シール部材３６は、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコンゴム、フロロシリコンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン、又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材を使用する。

電解質膜・電極構造体１２は、横長形状を有するとともに、矢印Ｂ方向の両端上下には、燃料ガス流路２４及び酸化剤ガス流路２８から燃料ガス入口連通孔２０ａ、酸化剤ガス入口連通孔１８ａ、燃料ガス出口連通孔２０ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔１８ｂに向かって突出する突出部１２ａ、１２ｂ、１２ｃ及び１２ｄが設けられる。突出部１２ａ、１２ｂ、１２ｃ及び１２ｄは、入口連結流路２６ａ、入口連結流路３０ａ、出口連結流路２６ｂ及び出口連結流路３０ｂを覆って配置される。

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３８と、前記固体高分子電解質膜３８を挟持するカソード電極４０及びアノード電極４２とを備える。

図３に示すように、カソード電極４０及びアノード電極４２は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層４０ａ、４２ａと、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子を前記ガス拡散層４０ａ、４２ａの表面に一様に塗布して形成される電極触媒層４０ｂ、４２ｂとを有する。

ガス拡散層４０ａ、４２ａは、下地層４０ｃ、４２ｃを介して電極触媒層４０ｂ、４２ｂに積層される。下地層４０ｃ、４２ｃは、例えば、フッ素系樹脂とカーボン粉末からなり、ガス拡散層４０ａ、４２ａに触媒粒子がしみ出すことを阻止する。ガス拡散層４０ａ、４２ａの端部は、電極触媒層４０ｂ、４２ｂの端部よりも外方に突出するとともに、前記電極触媒層４０ｂ、４２ｂにより電極反応面が形成される。

図４に示すように、電解質膜・電極構造体１２の突出部１２ｂ（突出部１２ｄも同様）では、カソード電極４０のガス拡散層４０ａの先端側には、前記ガス拡散層４０ａの表面を切り欠いて溝部４４が形成される。この溝部４４には、酸化触媒と溶剤を含むペーストが塗布されて酸化触媒層４６が設けられる。酸化触媒層４６は、ガス拡散層４０ａの表面外側に塗布されるとともに、電極触媒層４０ｂの外側であって該電極触媒層４０ｂと平面上、重なる領域を有していない。なお、酸化触媒層４６は、ガス拡散層４０ａの表面を切り欠くことなく、前記ガス拡散層４０ａの表面外側に塗布してもよい。

酸化触媒は、水素と酸素との反応を促進させる触媒である。酸化触媒として、例えば、Ｐｔ（白金）、ＰｔＣｏ（白金コバルト）、ＰｔＮｉ（白金ニッケル）、カーボンアロイ又は酸化物（Ｔａ、Ｚｒ、Ｔｉ等）等が使用される。カーボンアロイは、窒素原子を数％だけ含有するグラフェンから構成される。

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、酸化剤ガス入口連通孔１８ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔２０ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔２２ａに純水やエチレングリコール等の冷却媒体が供給される。

図２に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔１８ａからカソード側セパレータ１６の酸化剤ガス流路２８に導入される。酸化剤ガス流路２８では、酸化剤ガスが入口連結流路３０ａから入口バッファ部２８ｂに導入された後、複数の酸化剤ガス流路溝２８ａに分散される。さらに、酸化剤ガスは、各酸化剤ガス流路溝２８ａを介して電解質膜・電極構造体１２のカソード電極４０に沿って移動する。

一方、燃料ガスは、図１に示すように、燃料ガス入口連通孔２０ａからアノード側セパレータ１４の燃料ガス流路２４に導入される。この燃料ガス流路２４では、燃料ガスが入口連結流路２６ａから入口バッファ部２４ｂに導入された後、複数の燃料ガス流路溝２４ａに分散される。このため、燃料ガスは、各燃料ガス流路溝２４ａを介して電解質膜・電極構造体１２のアノード電極４２に沿って移動する。

従って、電解質膜・電極構造体１２では、カソード電極４０に供給される酸化剤ガスと、アノード電極４２に供給される燃料ガスとが、電極触媒層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、カソード電極４０に供給されて消費された酸化剤ガスは、図２に示すように、出口バッファ部２８ｃから出口連結流路３０ｂを介して酸化剤ガス出口連通孔１８ｂに排出される。同様に、アノード電極４２に供給されて消費された燃料ガスは、図１に示すように、出口バッファ部２４ｃから出口連結流路２６ｂを介して燃料ガス出口連通孔２０ｂに排出される。

一方、冷却媒体入口連通孔２２ａに供給された冷却媒体は、アノード側セパレータ１４及びカソード側セパレータ１６間に形成された冷却媒体流路３２に導入される（図１参照）。この冷却媒体流路３２では、冷却媒体が重力方向（矢印Ｃ方向）に移動する。従って、冷却媒体は、電解質膜・電極構造体１２の発電面全面にわたって冷却した後、冷却媒体出口連通孔２２ｂに排出される。

燃料電池１０では、発電終了時に、燃料ガス流路２４及び酸化剤ガス流路２８に空気（酸化剤ガス）による掃気が行われている。また、燃料電池１０の起動時に、酸化剤ガス流路２８及び燃料ガス流路２４に燃料ガスを供給する場合がある。このため、燃料電池１０の内部には、Ｏ_２、Ｎ_２及びＨ_２等を含む混合ガスが存在し易い。

一方、燃料電池１０の外部から前記燃料電池１０の内部に酸素が進入する経路としては、特に酸化剤ガス入口連通孔１８ａ及び酸化剤ガス出口連通孔１８ｂが主となっている。従って、酸化剤ガス入口連通孔１８ａ及び酸化剤ガス出口連通孔１８ｂから燃料電池内部、すなわち、電解質膜・電極構造体１２内方に酸素が進入し易い。

そこで、図２及び図４に示すように、電解質膜・電極構造体１２を構成する突出部１２ｂでは、酸化剤ガス入口連通孔１８ａと入口バッファ部２８ｂとの間、すなわち、入口連結流路３０ａに対応して酸化触媒層４６が設けられている。このため、酸化剤ガス入口連通孔１８ａから酸化剤ガス流路２８（電極反応面側）に進入した酸素と残存する混合ガス、特に水素とは、酸化触媒層４６により反応が促進される。

しかも、酸化触媒層４６は、酸化剤ガス入口連通孔１８ａに最も隣接する入口連結流路３０ａに対応して配置されている。従って、酸化剤ガス入口連通孔１８ａから流入した酸素は、電解質膜・電極構造体１２を構成する固体高分子電解質膜３８から離間した位置で水素と良好且つ確実に反応することができる。

これにより、簡単な構成で、固体高分子電解質膜３８の劣化を良好に抑制することが可能になるという効果が得られる。

また、電解質膜・電極構造体１２を構成する突出部１２ｄにも同様に、酸化触媒層４６は、酸化剤ガス出口連通孔１８ｂと出口バッファ部２８ｃとの間、すなわち、出口連結流路３０ｂに対応して配置されている。これにより、酸化剤ガス出口連通孔１８ｂから酸化剤ガス流路２８に進入した酸素は、固体高分子電解質膜３８から離間した位置で酸化触媒層４６により水素との反応が促進される。このため、固体高分子電解質膜３８の劣化を良好に抑制することができるという効果が得られる。

図５に示すように、本発明に関連する燃料電池６０は、アノード側セパレータ１４とカソード側セパレータ１６の間に、電解質膜・電極構造体（電解質膜・電極構造体）６２を挟持する。

電解質膜・電極構造体６２は、横長形状を有するとともに、矢印Ｂ方向の両端上下には、入口連結流路２６ａ、入口連結流路３０ａ、出口連結流路２６ｂ及び出口連結流路３０ｂに向かって突出する突出部６２ａ、６２ｂ、６２ｃ及び６２ｄが設けられる。突出部６２ａ、６２ｂ、６２ｃ及び６２ｄは、入口バッファ部２４ｂ、入口バッファ部２８ｂ、出口バッファ部２４ｃ及び出口バッファ部２８ｃの一部を覆って配置される。

突出部６２ｂ及び６２ｄには、酸化触媒層４６が設けられる。酸化触媒層４６は、図５及び図６に示すように、入口バッファ部２８ｂ及び出口バッファ部２８ｃの一部を覆って入口連結流路３０ａ及び出口連結流路３０ｂに隣接する位置に配置される。酸化触媒層４６は、実質的に連結流路幅と略同一のバッファ領域に設定される（図６参照）。酸化触媒層４６は、電極触媒層の外側であって該電極触媒層と平面上、重なる領域を有していない。

このように構成される燃料電池６０では、反応面積を有効に確保することができるという利点がある。

図７に示すように、本発明に関連する燃料電池では、酸化触媒層４６は、バッファ領域全域に設けられており、図８に示すように、酸化触媒層４６は、バッファ領域全域及び連結流路全域に設けられている。

図９に示す本発明の実施形態に係る燃料電池７０は、アノード側セパレータ１４とカソード側セパレータ１６の間に、電解質膜・電極構造体（電解質膜・電極構造体）７２を挟持する。

電解質膜・電極構造体７２は、横長形状を有するとともに、矢印Ｂ方向の両端上下には、突出部１２ａ、１２ｂ、１２ｃ及び１２ｄが設けられる。本実施形態では、ガス拡散層４０ａの表面に切り欠き溝部を形成することがない。ガス拡散層４０ａの表面には、電極触媒層４０ｂ、４２ｂの外方を周回して、すなわち、前記ガス拡散層４０ａの外周端縁部を周回して、酸化触媒を塗布することにより酸化触媒層４６が設けられる。

このように、本実施形態では、ガス拡散層４０ａの外周端縁部を周回して酸化触媒層４６が設けられるため、特に燃料電池７０の外部からシールを介して侵入する酸素を強制的に反応させることができる。これにより、簡単な構成で、固体高分子電解質膜３８の劣化を良好に抑制することが可能になるという効果が得られる。

１０、６０、７０…燃料電池１２、６２、７２…電解質膜・電極構造体
１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、６２ａ、６２ｂ、６２ｃ、６２ｄ…突出部
１４、１６…セパレータ１８ａ…酸化剤ガス入口連通孔
１８ｂ…酸化剤ガス出口連通孔２０ａ…燃料ガス入口連通孔
２０ｂ…燃料ガス出口連通孔２２ａ…冷却媒体入口連通孔
２２ｂ…冷却媒体出口連通孔２４…燃料ガス流路
２４ｂ、２８ｂ…入口バッファ部２４ｃ、２８ｃ…出口バッファ部
２６ａ、３０ａ…入口連結流路２６ｂ、３０ｂ…出口連結流路
２８…酸化剤ガス流路３２…冷却媒体流路
３４、３６…シール部材３８…固体高分子電解質膜
４０…カソード電極４０ａ、４２ａ…ガス拡散層
４０ｂ、４２ｂ…電極触媒層４０ｃ、４２ｃ…下地層
４２…アソード電極４４…溝部
４６…酸化触媒層

Claims

電解質膜の両側にそれぞれ電極触媒層及びガス拡散層を有する電極が設けられた電解質膜・電極構造体が、一対のセパレータ間に挟持され、前記電解質膜・電極構造体と各セパレータとの間には、それぞれ電極反応面の面方向に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路が形成されるとともに、積層方向に貫通して前記反応ガス流路に連通する反応ガス連通孔が形成される燃料電池であって、
前記電解質膜・電極構造体の外周部分には、前記ガス拡散層の表面外側であって、前記反応ガス流路である酸化剤ガス流路の両端部分に対応する部位、及び前記酸化剤ガス流路の両端部分に隣接するバッファ部を含んだ部位に対向し、且つ該ガス拡散層の外周端部を周回する表面全周に、酸化触媒が塗布されるとともに、
前記酸化触媒は、前記電極触媒層と平面上重なる領域を有していないことを特徴とする燃料電池。