JP6156317B2 - 膜電極接合体及び燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池に用いられる膜電極接合体及び燃料電池に関する。

特許文献１には、積層方向におけるアノード側触媒層の厚みがＴ１であり、積層方向におけるカソード側触媒層の厚みがＴ２であり、積層方向におけるアノード側ガス拡散層の厚みがＴ３であり、積層方向におけるカソード側ガス拡散層の厚みがＴ４である時に、Ｔ１＋Ｔ３≧Ｔ２＋Ｔ４、Ｔ１＜Ｔ２、Ｔ３＞Ｔ４の関係を満たす膜電極接合体、燃料電池が記載されている。

特開２０１２−２４３６３０号公報

しかしながら、Ｔ１＋Ｔ３、Ｔ２＋Ｔ４の大きさの関係によっては、カソード側の断熱性を高めることが難しいことがわかってきた。また、高温低加湿状態では、アノードが乾燥しやすいため、カソードで生成した生成水をアノードに送りたい。しかし、従来の構成では、カソードからアノードへの水の移動を促進することが難しいこともわかってきた。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、燃料電池に用いられる膜電極接合体が提供される。この形態の膜電極接合体は、電解質膜と、前記電解質膜の第１の面に形成されるアノード側触媒層と、前記電解質膜の第２の面に形成されるカソード側触媒層と、前記アノード側触媒層に積層されるアノード側ガス拡散層と、前記カソード側触媒層に積層されるカソード側ガス拡散層と、を備える。前記アノード側触媒層と前記カソード側触媒層と前記アノード側ガス拡散層と前記カソード側ガス拡散層の厚さ当たりの断熱性能は同じであり、積層方向における前記アノード側触媒層の厚みをＴ１、積層方向における前記カソード側触媒層の厚みをＴ２、積層方向における前記アノード側ガス拡散層の厚みをＴ３、積層方向における前記カソード側ガス拡散層の厚みをＴ４、としたときに、Ｔ１＋Ｔ３＜Ｔ２＋Ｔ４、Ｔ１＜Ｔ２及びＴ３＞Ｔ４の関係をいずれも満たす。この形態によれば、カソード側の断熱性をアノード側の断熱性より高めることができ、カソードからアノードへの水の移動を促進できる。

（２）上記形態の膜電極接合体において、前記アノード側触媒層と前記カソード側触媒層と前記アノード側ガス拡散層と前記カソード側ガス拡散層は、カーボンを含んでもよい。断熱性を決める因子は主としてカーボンである。アノード側触媒層とカソード側触媒層の触媒を担持するカーボンが含まれており、アノード側ガス拡散層とカソード側ガス拡散層もカーボンを含んでいるので、カソード側の断熱性をアノード側の断熱性よりも大きく出来る。その結果、カソードからアノードへの水の移動を促進できる。

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能である。例えば、膜電極接合体の他、膜電極接合体を備える燃料電池等の形態で実現することができる。

本発明の実施形態としての燃料電池の構成を示す概略斜視図。 ユニットセルの酸化剤ガス排出孔近傍を模式的に示す断面図。 ＭＥＧＡ１１０の構成を示す説明図。 各サンプルの触媒層とガス拡散層の厚さをまとめた説明図。 （Ｔ２＋Ｔ４）／（Ｔ１＋Ｔ３）の値と、カソードからアノードへの水の移動量との関係を示す説明図。

図１は本発明の実施形態としての燃料電池１０の構成を示す概略斜視図である。燃料電池１０は、燃料電池セルたるユニットセル１００をＺ方向（以下、「積層方向」とも呼ぶ）に複数積層し、一対のエンドプレート１７０Ｆ，１７０Ｅで挟持したスタック構造を有している。燃料電池１０は、前端側のエンドプレート１７０Ｆとユニットセル１００との間に、前端側の絶縁板１６５Ｆを介在させて前端側のターミナルプレート１６０Ｆを有する。燃料電池１０は、後端側のエンドプレート１７０Ｅとユニットセル１００との間にも、同様に、後端側の絶縁板１６５Ｅを介在させて後端側のターミナルプレート１６０Ｅを有する。ユニットセル１００と、ターミナルプレート１６０Ｆ，１６０Ｅと、絶縁板１６５Ｆ，１６５Ｅおよびエンドプレート１７０Ｆ，１７０Ｅは、それぞれ、略矩形状の外形を有するプレート構造を有しており、長辺がＸ方向（水平方向）で短辺がＹ方向（垂直方向，鉛直方向）に沿うように配置されている。

前端側におけるエンドプレート１７０Ｆと絶縁板１６５Ｆとターミナルプレート１６０Ｆは、燃料ガス供給孔１７２ｉｎおよび燃料ガス排出孔１７２ｏｕｔと、複数の酸化剤ガス供給孔１７４ｉｎおよび酸化剤ガス排出孔１７４ｏｕｔと、複数の冷却水供給孔１７６ｉｎおよび冷却水排出孔１７６ｏｕｔとを有する。これらの供給孔及び排出孔は、各ユニットセル１００の対応する位置に設けられているそれぞれの孔（不図示）と連結して、それぞれに対応するガス或いは冷却水の供給マニホールドと排出マニホールドを構成する。その一方、後端側におけるエンドプレート１７０Ｅと絶縁板１６５Ｅとターミナルプレート１６０Ｅには、これらの供給孔及び排出孔は設けられていない。これは、反応ガス（燃料ガス，酸化剤ガス）および冷却水を前端側のエンドプレート１７０Ｆからそれぞれのユニットセル１００に対して供給マニホールドを介して供給しつつ、それぞれのユニットセル１００からの排出ガスおよび排出水を前端側のエンドプレート１７０Ｆから外部に対して排出マニホールドを介して排出するタイプの燃料電池であることによる。ただし、これに限定されるものではなく、例えば、前端側のエンドプレート１７０Ｆから反応ガスおよび冷却水を供給し、後端側のエンドプレート１７０Ｅから排出ガスおよび排出水が外部へ排出されるタイプ等の種々のタイプとすることができる。

複数の酸化剤ガス供給孔１７４ｉｎは、前端側のエンドプレート１７０Ｆの下端の外縁部にＸ方向（長辺方向）に沿って配置されており、複数の酸化剤ガス排出孔１７４ｏｕｔは、上端の外縁部にＸ方向に沿って配置されている。燃料ガス供給孔１７２ｉｎは、前端側のエンドプレート１７０Ｆの右端の外縁部のＹ方向（短辺方向）の上端部に配置されており、燃料ガス排出孔１７２ｏｕｔは、左端の外縁部のＹ方向の下端部に配置されている。複数の冷却水供給孔１７６ｉｎは、燃料ガス供給孔１７２ｉｎの下側にＹ方向に沿って配置されており、複数の冷却水排出孔１７６ｏｕｔは、燃料ガス排出孔１７２ｏｕｔの上側にＹ方向に沿って配置されている。

前端側のターミナルプレート１６０Ｆおよび後端側のターミナルプレート１６０Ｅは、各ユニットセル１００の発電電力の集電板であり、図示しない端子から集電した電力を外部へ出力する。

図２は、ユニットセル１００の酸化剤ガス排出孔１７４ｏｕｔ近傍を模式的に示す断面図である。ユニットセル１００は、膜電極接合体１１０（以下「ＭＥＧＡ１１０」と呼ぶ。）と、シール部材１４０と、カソード側セパレーター１３０と、アノード側セパレーター１２０と、ガス流路部材１５０と、シーリングプレート１５１と、を備える。酸化剤ガス供給孔１７４ｉｎ近傍については、上下方向が逆になるだけで、同様の構成であるので、説明を省略する。

シール部材１４０は、ＭＥＧＡ１１０を外縁から支持する部材であり、樹脂により形成されている。シール部材１４０は、カソード側セパレーター１３０と、アノード側セパレーター１２０と接着し、酸化剤ガスや燃料ガス、冷却水の漏れをシールする。シール部材１４０のカソード側には、シーリングプレート１５１が配置されている。シーリングプレート１５１は、金属製の板であり、一部が酸化剤ガス排出孔１７４ｏｕｔ内に突出している。ＭＥＧＡ１１０とシール部材１４０とシーリングプレート１５１のカソード側には、ガス流路部材１５０が配置されている。ガス流路部材１５０は、酸化剤ガスを流すための流路であり、例えば、エキスパンドメタルにより形成されている。ただし、エキスパンドメタルの代わりに、他の種類の金属多孔体により形成されていてもよい。ガス流路部材１５０は、シーリングプレート１５１と同位置まで酸化剤ガス排出孔１７４ｏｕｔ内に突出している。なお、図２において、カソード側セパレーター１３０、ガス流路部材１５０、シーリングプレート１５１の突出している大きさについては、模式的に示している。

ガス流路部材１５０の隣のユニットセル１００側にカソード側セパレーター１３０が配置される。カソード側セパレーター１３０は、金属製の板であり、一部が酸化剤ガス排出孔１７４ｏｕｔ内に突出している。ＭＥＧＡ１１０とシール部材１４０のガス流路部材１５０と反対側の面には、アノード側セパレーター１２０が配置される。アノード側セパレーター１２０は、凹凸のある金属製のプレートである。アノード側セパレーター１２０は、酸化剤ガス排出孔１７４ｏｕｔ内に突出していない。アノード側セパレーター１２０とＭＥＧＡ１１０との間には燃料ガス流路１２８が形成され、アノード側セパレーター１２０とカソード側セパレーター１３０との間には、冷媒流路１２９が形成される。

図３は、ＭＥＧＡ１１０の構成を示す説明図である。ＭＥＧＡ１１０は、電解質膜１１１と、カソード側触媒層１１４と、アノード側触媒層１１６と、カソード側ガス拡散層１１８と、アノード側ガス拡散層１１９と、を備える。電解質膜１１１は、プロトン伝導性を有する電解質膜であり、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸ポリマのようなフッ素系電解質樹脂（イオン交換樹脂）が用いられる。

カソード側触媒層１１４と、アノード側触媒層１１６は、触媒（例えば白金）を担持したカーボンを有している。本実施形態では、アノード側触媒層１１６は電解質膜１１１の第１の面の全領域にわたって塗工されているが、カソード側触媒層１１４は電解質膜１１１の第２の面のうちの一部の領域（発電領域）のみに塗工されている。この理由は、アノード側触媒層１１６は、カソード側触媒層１１４に比べて単位面積当たりの触媒量が少なくて良い（典型的には１／２以下であり、例えば約１／３）ので、電解質膜１１１の第１面の全領域に触媒を塗工しても過度の無駄とはならない反面、塗工工程が簡単になるからである。

カソード側触媒層１１４の上には、カソード側ガス拡散層１１８が配置され、アノード側触媒層１１６の上には、アノード側ガス拡散層１１９が配置されている。カソード側ガス拡散層１１８及びアノード側ガス拡散層１１９は、カーボンペーパーで形成されているただし、カーボンペーパーの代わりにカーボン不織布で形成されていてもよい。

本実施形態では、アノード側触媒層１１６の積層方向の厚さをＴ１、カソード側触媒層１１４の積層方向の厚さをＴ２、アノード側ガス拡散層１１９の積層方向の厚さをＴ３、カソード側ガス拡散層１１８の積層方向の厚さをＴ４とすると、以下の３つの式をいずれも満たす。
Ｔ１＋Ｔ３＜Ｔ２＋Ｔ４ …（１）
Ｔ１＜Ｔ２ …（２）
Ｔ３＞Ｔ４ …（３）
なお、式（１）と式（３）を満たせば、式（２）は必然的に満たされる。

式（１）、すなわち、カソード側触媒層１１４とカソード側ガス拡散層１１８の厚さの和（Ｔ２＋Ｔ４）が、アノード側触媒層１１６とアノード側ガス拡散層１１９の厚さの和（Ｔ１＋Ｔ３）よりも大きいことを満たすと、カソード側（カソード側触媒層１１４とカソード側ガス拡散層１１８）の断熱性を、アノード側（アノード側触媒層１１６とアノード側ガス拡散層１１９）の断熱性よりも高めることができる。ここで、断熱性を決める因子は、主としてカーボンである。カソード側触媒層１１４、アノード側触媒層１１６は、触媒を担持するカーボンを有している。カソード側ガス拡散層１１８、アノード側ガス拡散層１１９は、カーボンペーパーで形成されているので、基材に炭素繊維を含む。また、カソード側ガス拡散層１１８、アノード側ガス拡散層１１９は、撥水層を有する場合、撥水層を構成する材料として、カーボン粒子を含む。このように、カソード側触媒層１１４、アノード側触媒層１１６、カソード側ガス拡散層１１８、アノード側ガス拡散層１１９は断熱を決める因子であるカーボンを含み、厚みに対する断熱性能は、触媒層か、ガス拡散層か、に関わらずほぼ同じである。すなわち、触媒層とガス拡散層の厚さ当たりの断熱性能は、ほぼ同じである。したがって、断熱性の大小は、触媒層とガス拡散層の合計の厚みで評価可能である。

また、本実施形態において、カソード側触媒層１１４の積層方向の厚さＴ２は、アノード側触媒層１１６の積層方向の厚さＴ１よりも大きく形成されている。これにより、カソード側触媒層１１４の断熱性をアノード側触媒層の断熱性よりも高めることが出来る。なお、式（１）を満たせば、カソード側の断熱性をアノード側の断熱性よりも高めて、水をアノード側に移動させることができるが、さらに、式（２）を満たすことで、カソード側触媒層１１４で生成した生成水をアノード側触媒層１１６により効果的に拡散することができる。カソード側の断熱性がアノード側の断熱性よりも高いと、カソードの温度がアノードの温度よりも高くなる。その結果、カソード側の水蒸気分圧がアノード側の水蒸気分圧よりも高くなる。水蒸気分圧の差により、カソードからアノードへの水の移動が促進される。

さらに、本実施形態において、アノード側ガス拡散層１１９の積層方向の厚さＴ３は、カソード側ガス拡散層１１８の厚さＴ４よりも厚く形成されている。式（３）を満たすことにより、カソード側ガス拡散層１１８におけるガス拡散性を、アノード側ガス拡散層１１９におけるガス拡散性よりも大きくすることができ、カソード側ガス拡散層１１８の排水性を向上できる。

実施例：
図４は、各サンプルの触媒層とガス拡散層の厚さをまとめた説明図である。なお、これらの厚さは、燃料電池１０を締結した状態における値である。なお、図４では、式（１）の代わりに、（Ｔ２＋Ｔ４）／（Ｔ１＋Ｔ３）を用いている。（Ｔ２＋Ｔ４）／（Ｔ１＋Ｔ３）の値が１より大きければ、式（１）を満たす。

サンプル１：
アノード側触媒層の厚みＴ１：３．５μｍ
カソード側触媒層の厚みＴ２：１０．５μｍ
アノード側ガス拡散層の厚みＴ３：１５９μｍ
カソード側ガス拡散層の厚みＴ４：１５６μｍ
サンプル１は、式（１）〜（３）を全て満たしている。

サンプル２：
アノード側触媒層の厚みＴ１：３．５μｍ
カソード側触媒層の厚みＴ２：２０μｍ
アノード側ガス拡散層の厚みＴ３：１５９μｍ
カソード側ガス拡散層の厚みＴ４：１５６μｍ
サンプル２は、式（１）〜（３）を全て満たしている。

サンプル３：
アノード側触媒層の厚みＴ１：１０．５μｍ
カソード側触媒層の厚みＴ２：１０．５μｍ
アノード側ガス拡散層の厚みＴ３：１５９μｍ
カソード側ガス拡散層の厚みＴ４：１５９μｍ
サンプル３は、Ｔ１＝Ｔ２、Ｔ３＝Ｔ４、Ｔ１＋Ｔ３＝Ｔ２＋Ｔ４であり、式（１）〜（３）のいずれも満たしていない。

サンプル４：
アノード側触媒層の厚みＴ１：１０．５μｍ
カソード側触媒層の厚みＴ２：２０μｍ
アノード側ガス拡散層の厚みＴ３：１５９μｍ
カソード側ガス拡散層の厚みＴ４：１２６μｍ
サンプル１は、式（２）、（３）を満たしているが、Ｔ１＋Ｔ３＞Ｔ２＋Ｔ４であり、式（１）を満たしていない。

図５は、（Ｔ２＋Ｔ４）／（Ｔ１＋Ｔ３）の値と、カソードからアノードへの水の移動量との関係を示す説明図である。水の移動量については、以下のように測定した。
Ｓｔｅｐ１：
ユニットセル１００に酸化ガス及びアノードガスを供給して発電を行った。その後、ユニットセルの発電を停止した。ユニットセル１００のアノード及びカソードには、水が残存した。
Ｓｔｅｐ２：
アノードのアノードガスを供給して、アノード側に残存した水を排水した。なお、カソード側には、水が残存していた。
Ｓｔｅｐ３：
ユニットセル１００の重さＸ１を測定した。
Ｓｔｅｐ４：
ユニットセル１００を放置した。この結果、カソードに残存していた水がアノードに移動した。
Ｓｔｅｐ５：
アノードのアノードガスを供給して、アノード側の水を排水した。なお、このとき排水された水は、カソードから移動してきたものである。
Ｓｔｅｐ６：
ユニットセル１００の重さＸ２を測定した。
Ｓｔｅｐ７：
カソードからアノードへの水の移動量を計算した。水の移動量は、Ｘ１−Ｘ２で算出した。

図５からわかるように、（Ｔ２＋Ｔ４）／（Ｔ１＋Ｔ３）の値が大きくなると、カソードからアノードへの水の移動量が多くなることがわかる。さらに、（Ｔ２＋Ｔ４）／（Ｔ１＋Ｔ３）の値が１を越えると、すなわち、（Ｔ１＋Ｔ３）＜（Ｔ２＋Ｔ４）を満たすと、グラフの傾きが大きくなり、カソードからアノードへの水の移動量がより促進されることがわかる。

以上、本実施形態によれば、膜電極接合体１１０は、積層方向におけるアノード側触媒層１１６の厚みをＴ１、積層方向におけるカソード側触媒層１１４の厚みをＴ２、積層方向におけるアノード側ガス拡散層１１９の厚みをＴ３、積層方向におけるカソード側ガス拡散層１１８の厚みをＴ４、としたときに、Ｔ１＋Ｔ３＜Ｔ２＋Ｔ４、Ｔ１＜Ｔ２及びＴ３＞Ｔ４の関係をいずれも満たすので、カソード側の断熱性をアノード側の断熱性よりも大きくすることができ、カソードからアノードへの水の移動量を促進できる。

上記実施形態では、断熱性を決める因子は、主としてカーボンであるとし、カソード側触媒層１１４、アノード側触媒層１１６において、触媒を担持する担体としてカーボンを用い、カソード側ガス拡散層１１８、アノード側ガス拡散層１１９として、基材に炭素繊維を含むカーボンペーパーを用いた。しかし、触媒を担持する担体としては、カーボンを含まない担体であっても良い。例えばカーボンの代わりに、ゼオライト、アルミナ、セラミックなどの担体を用いても良い。かかる場合であっても、触媒を担持する担体としてカーボンを用いた場合と同様に、触媒層とガス拡散層の合計の厚さにより断熱性が決まる。

以上、いくつかの実施例に基づいて本発明の実施の形態について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。

１０…燃料電池
１００…ユニットセル
１１０…膜電極接合体
１１１…電解質膜
１１４…カソード側触媒層
１１６…アノード側触媒層
１１８…カソード側ガス拡散層
１１９…アノード側ガス拡散層
１２０…アノード側セパレーター
１２８…燃料ガス流路
１２９…冷媒流路
１３０…カソード側セパレーター
１４０…シール部材
１５０…ガス流路部材
１５１…シーリングプレート
１６０Ｅ…ターミナルプレート
１６０Ｆ…ターミナルプレート
１６５Ｅ…絶縁板
１６５Ｆ…絶縁板
１７０Ｅ…エンドプレート
１７０Ｆ…エンドプレート
１７２ｏｕｔ…燃料ガス排出孔
１７２ｉｎ…燃料ガス供給孔
１７４ｏｕｔ…酸化剤ガス排出孔
１７４ｉｎ…酸化剤ガス供給孔
１７６ｏｕｔ…冷却水排出孔
１７６ｉｎ…冷却水供給孔

Claims (3)

1. 燃料電池に用いられる膜電極接合体であって、
   電解質膜と、
   前記電解質膜の第１の面に形成されるアノード側触媒層と、
   前記電解質膜の第２の面に形成されるカソード側触媒層と、
   前記アノード側触媒層に積層されるアノード側ガス拡散層と、
   前記カソード側触媒層に積層されるカソード側ガス拡散層と
   を備え、
   前記アノード側触媒層と前記カソード側触媒層と前記アノード側ガス拡散層と前記カソード側ガス拡散層の厚さ当たりの断熱性能は同じであり、
   積層方向における前記アノード側触媒層の厚みをＴ１、
   積層方向における前記カソード側触媒層の厚みをＴ２、
   積層方向における前記アノード側ガス拡散層の厚みをＴ３、
   積層方向における前記カソード側ガス拡散層の厚みをＴ４、
   としたときに、
   Ｔ１＋Ｔ３＜Ｔ２＋Ｔ４、Ｔ１＜Ｔ２及びＴ３＞Ｔ４の関係をいずれも満たす、膜電極接合体。
2. 請求項１に記載の膜電極接合体において、
   前記アノード側触媒層と前記カソード側触媒層と前記アノード側ガス拡散層と前記カソード側ガス拡散層は、カーボンを含む、膜電極接合体。
3. 請求項１または２に記載の膜電極接合体を備える燃料電池。

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