JP3448550B2 - 固体高分子型燃料電池スタック - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、固体高分子型燃料
電池スタックに関し、特にスタックの両端部に位置する
単セルの電池性能の低下を防止できるようにした固体高
分子型燃料電池スタックに関する。

【０００２】

【従来の技術】固体高分子型燃料電池は、固体高分子電
解質膜を電解質層として用い、この固体高分子電解質膜
の両側にアノードとカソードを設け、水素を含む燃料ガ
ス（水素リッチガス）及び酸素を含む酸化剤ガス（空
気）を供給して電気化学反応により起電力を得るもので
ある。この固体高分子型燃料電池の基本となるセル構造
は、図１に示すように固体高分子電解質膜１の両側の主
面にアノード２とカソード３とを接合してセルユニット
４が構成され、このセルユニット４の両側にセパレータ
５，６をそれぞれ配して単セル７が構成される。

【０００３】前記固体高分子電解質膜１は、例えばスル
ホン酸基を有するポリスチレン系陽イオン交換膜をカチ
オン導電性膜としたもの、フロロカーボンスルホン酸と
ポリビニリデンフロライドの混合膜、フロロカーボンマ
トリックスにトリフロロエチレンをグラフト化したも
の、及びパーフロロカーボンスルホン酸膜（デュポン社
製Ｎａｆｉｏｎ膜）等が知られている。これら固体高分
子電解質膜１は、分子中にプロトン交換基を有してお
り、含水量を飽和させると比抵抗が常温で２０Ωｃｍ^２
以下となり、プロトン導電性電解質として機能する。

【０００４】前記アノード２は、アノード触媒層２ａ
と、ガス拡散層２ｂと、これらの間に介在する混合物層
２ｃとから構成され、カソード３はカソード触媒層３ａ
と、ガス拡散層３ｂと、これらの間に介在する混合物層
３ｃとから構成される。このアノード２とカソード３
は、前記固体高分子電解質膜１の両側の主面に配置し、
ホットプレスすることにより電極／高分子膜接合体であ
るセルユニット４が形成される。

【０００５】前記単セル７のセパレータ５，６は、内面
側にはガス流路５ａ、６ａが、外面側には冷却水流路５
ｂ、６ｂがそれぞれ設けられおり、アノード２側のセパ
レータ５のガス流路５ａには水素を含む燃料ガス（水素
リッチガス）が、カソード側３側のセパレータ６のガス
流路６ａには酸素を含む酸化剤ガス（空気）がそれぞれ
供給される。

【０００６】このようにガスが供給されると、アノード
２では水素分子を水素イオンと電子に分解するアノード
反応が、カソード３では酸素と水素イオンと電子から水
を生成する電気化学反応がそれぞれ行われ、アノード２
からカソード３に向かって外部回路を移動する電子によ
り起電力が生じると共に、カソード３側に水が生成され
る。即ち、次のような電気化学反応が行われる。 アノード：Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻（アノード反応） カソード：２Ｈ^＋＋１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ（カソ
ード反応） 全体：Ｈ_２＋１／２Ｏ_２→Ｈ_２Ｏ

【０００７】固体高分子電解質膜１は、上記のように含
水状態に保持することによって導電性を適正に発揮する
ため、燃料ガス及び／又は酸化剤ガスは加湿して一定の
水分を含ませた後供給し、この加湿水分によって湿潤さ
れるようにしてある。又、固体高分子電解質膜１の比抵
抗を小さくして発電効率を高く維持するために、通常５
０〜１００℃で運転されるが、前記電気化学反応に伴う
発熱により温度が高温にならないように、前記セパレー
タ５，６の冷却水流路５ｂ、６ｂに冷却水を供給して前
記所定の運転温度を保持するようにしている。

【０００８】前記単セル７の起電力は少量であるため、
図２のように複数の単セル７を直列方向に積層し、両側
に集電板８，９を配置すると共に、それらの外側に電気
絶縁板１０，１１を配置し、更にその外側に締付板１
２，１３を配置し、これらの締付板１２，１３をボルト
１４とナット１５で締め付け固定してスタック１６が構
成される。尚、１７は皿ばねであって、スタック１６に
適度の締め付け力を付与している。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上記構成の固体高分子
型燃料電池スタックにおいて、スタック１６の両端部に
位置する単セル７Ａ、７Ｂは、片側端面を集電板８，９
に接触させた状態で保持されているため、両側に単セル
を配して積層された他の部分に位置する単セル７に比し
て、側面より熱伝導により放熱される割合が大きくな
る。このため、スタック１６の両端部に位置する単セル
７Ａ、７Ｂの温度は他の部分に位置する単セル７の温度
より低くなる傾向がある。

【００１０】図４は、単セル７を１０個積層してなる１
０セルスタックにおけるセル温度分布を測定したグラフ
であり、この場合セル番号１と１０とがスタックの両端
部に位置する単セルであって、両方とも他の部分に位置
する単セル７よりも温度が低かった。

【００１１】このようにスタック１６の両端部に位置す
る単セル７Ａ、７Ｂの温度が低くなると、これらセルの
カソード３では、電極反応生成水及びアノード２からの
移動水の蒸気圧が低下し、カソード側触媒層３ａ或はガ
ス拡散層３ｂに凝縮水が滞留することにより、電池性能
低下を招くという問題が発生する。

【００１２】上記問題を解決するには、従来例えば特開
平１０−３０８２２９号公報に開示された技術がある。
この従来技術は、スタックの電気絶縁板に冷却水流路を
設け、この冷却水流路にスタック中を通過し電池反応の
熱を受けて温度上昇した冷却水を流すことで、スタック
両端部からの放熱を抑制し、両端部に位置する単セルの
温度低下を抑えるようにしたものである。

【００１３】しかしながら、この従来技術によると、電
気絶縁板に冷却水の専用通路を設ける必要があって電池
モジュール構造が複雑になる。又、内部マニホールドを
介して各セルに反応ガスを供給する場合、通常反応ガス
はスタック両端に位置する締付板側から供給される。反
応ガスが空気の場合、供給量が燃料に比べて相当多いた
め、内部マニホールド内での空気流速が高まる結果、締
付板近傍に位置するセル（７Ａ、７Ｂに相当する部分）
では他の部分のセルに比べ供給量が小さくなることがあ
る。このような場合、スタック両端部からの放熱を抑制
する手段を施しても、前述したような水凝縮により電池
性能低下を招く場合がある。

【００１４】更に他の解決手段としては、例えばスタッ
クの両端部に位置する単セルの側部に、断熱部材を取り
付けて単セルの側部からの放熱を防止する手段が考えら
れるが、スタックの構成部材が増えてコスト高になった
り、スタックのサイズが大きくなる等の難点が生じる。

【００１５】そこで、本発明は、スタックの構成部材は
変えることなく、スタックの両端部に位置する単セルの
温度低下を容認しつつ、これら両端部の単セルの電池性
能の低下を防止できるようにした固体高分子型燃料電池
スタックを提供することを目的とする。

【００１６】

【課題を解決する手段】上記の目的を達成するために本
発明は、第１の手段として、固体高分子電解質膜の両面
にカソードとアノードを接合したセルユニットと、この
セルユニットの両面に配され、酸化剤ガス又は燃料ガス
を流通するためのガス流路を有するセパレータとから構
成される単セルを複数積層してなる固体高分子型燃料電
池スタックであって、このスタックの両端部に位置する
単セルにおいて、前記カソードのガス拡散層を構成する
カーボン材料の比表面積を、他の部分に位置する単セル
のそれよりも大きくしたことを特徴とする。

【００１７】本発明の前記第１の手段によれば、スタッ
クの両端部に位置する単セルのカソードのガス拡散層を
構成するカーボン材料の比表面積を大きくすることで、
カーボン材料により形成される細孔部の毛細管力による
水吸収力が増大し、このため反応生成水及び移動水がガ
ス拡散層中を移動し易くなり、酸化剤ガス中に放散され
て排出され易くなる。その結果、カソード触媒層中には
過剰に水が滞留せず、ガス拡散性が良好となる。

【００１８】更に、前記第１の手段に加えて、第２の手
段として、上記固体高分子型燃料電池スタックにおい
て、このスタックの両端部に位置する単セルのカソード
側ガス流路の圧力損失を、他の部分に位置する単セルの
それよりも小さくする。

【００１９】前記第２の手段によれば、スタックの両端
部に位置する単セルのカソード側ガス流路の圧力損失を
小さくすることで、ガス流路を流れる酸化剤ガスの流量
が増大し、反応生成水及び移動水が排出され易くなる。
これにより、カソード触媒層中には過剰に水が滞留せ
ず、ガス拡散性が良好となる。

【００２０】そして、第３の手段として、固体高分子電
解質膜の両面にカソードとアノードを接合したセルユニ
ットと、このセルユニットの両面に配され、酸化剤ガス
又は燃料ガスを流通するためのガス流路を有するセパレ
ータとから構成される単セルを複数積層してなる固体高
分子型燃料電池スタックであって、このスタックの両端
部に位置する単セルにおいて、前記カソード側ガス拡散
層の撥水性を、他の部分に位置する単セルのそれよりも
低くすると共に、前記カソード側ガス流路の圧力損失
を、他の部分に位置する単セルのそれよりも小さくした
ことを特徴とする。

【００２１】前記第３の手段によれば、スタックの両端
部に位置する単セルのカソード側ガス拡散層の撥水性を
低くすることで、カソードでの反応生成水及びアノード
からの移動水がガス拡散層側に透過し易くなり、酸化剤
ガスとの接触面積が増加することから、酸化剤ガスと共
にガス流路を介して排出され易くなる。これにより、カ
ソード触媒層中には過剰に水が滞留せず、ガス拡散性が
良好となる。

【００２２】また、スタックの両端部に位置する単セル
のカソード側ガス流路の圧力損失を小さくすることで、
ガス流路を流れる酸化剤ガスの流量が増大し、反応生成
水及び移動水が排出され易くなる。これにより、カソー
ド触媒層中には過剰に水が滞留せず、ガス拡散性が良好
となる。

【００２３】

【００２４】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施形態について
説明する。固体高分子型燃料電池スタックの基本的構成
は、図２に示すスタック１６と同じであり、前記の要領
にて形成される。但し、単セル７の積層数は１０とし、
スタック１６の両端部に位置する単セル（セル番号１及
び１０とする）のセルユニット４は以下の実施例のよう
に製造する。

【００２５】（実施例１） カソード３のガス拡散層３ｂとして用いるカーボン
ペーパー（東レ社製：ＴＧＰ−Ｈ０６０）を所定寸法に
カットする。 カットしたカーボンペーパーを水との混合により比
重調整を行ったＦＥＰ（テトラフルオロエチレン−ヘキ
サフルオロプロピレン共重合体）分散液に浸漬する。こ
の時、スタック１６の両端部に位置する単セルのガス拡
散層については、ＦＥＰ量を１０重量％、その他に位置
する単セルのガス拡散層については、ＦＥＰ量を２０重
量％に調整した。その後乾燥し、３８０℃で約１時間熱
処理する。 熱処理を終了したカーボンペーパー上に白金担持カ
ーボン、固体高分子からなる触媒層３ａを形成してカソ
ード３を完成させる。 既存の方法で作成したアノード２とで完成したカ
ソード３を固体高分子電解質膜１（デュポン社製：Ｎａ
ｆｉｏｎ１１２）の両面に配置し、ホットプレスするこ
とによりセルユニット４を得る。 〜の方法で作成したセルユニット４のうち、ガ
ス拡散層３ｂのＦＥＰ量の少ない即ち撥水性の低いセル
ユニットを、スタックの両端部に位置する単セルのセル
ユニットとして用い、ＦＥＰ量の多いセルユニットを他
の部分に位置する単セルのセルユニットとして用いて積
層を行い１０セルスタックを作成した。

【００２６】この実施例１は、スタック１６の両端部に
位置する単セルのカソードガス拡散層３ｂの撥水性を、
他の部分に位置する単セルのカソードガス拡散層の撥水
性よりも低く構成したものである。

【００２７】（実施例２） カソード３のガス拡散層３ｂとして用いるカーボン
ペーパー（東レ社製：ＴＧＰ−Ｈ０６０で厚み約０．２
ｍｍ、ＴＧＰ−Ｈ０９０で厚み約０．３ｍｍ）をそれぞ
れ所定寸法にカットする。 これらカーボンペーパーを水との混合により比重調
整を行ったＦＥＰ分散液に浸漬する。この時、ＦＥＰ量
をいずれの厚みのカーボンペーパーにおいても２０重量
％とした。その後乾燥し、３８０℃で約１時間熱処理す
る。 熱処理を終了したカーボンペーパー上に白金担持カ
ーボン、固体高分子からなる触媒層３ａを形成してカソ
ード３を完成させる。 既存の方法で作成したアノード２とで完成したカ
ソード３を固体高分子電解質膜１（デュポン社製：Ｎａ
ｆｉｏｎ１１２）の両面に配置し、ホットプレスするこ
とによりセルユニット４を得る。 〜の方法で作成したセルユニット４のうち、カ
ソードガス拡散層３ｂのカーボンペーパーの厚みが小さ
い即ちガス透過度の高いセルユニットを、スタック１６
の両端部に位置する単セルのセルユニットとして用い、
カーボンペーパー厚みが大きいセルユニットを、他の部
分に位置する単セルのセルユニットとして用いて積層を
行い１０セルスタックを作成する。

【００２８】この実施例２は、スタック１６の両端部に
位置する単セルのカソードガス拡散層３ｂのガス透過度
を、他の部分に位置する単セルのカソードガス拡散層の
ガス透過度よりも高く構成したものである。

【００２９】（実施例３） カソード３のガス拡散層３ｂとして用いるカーボン
ペーパー（東レ社製：ＴＧＰ−Ｈ０６０）を所定寸法に
カットする。 そのカーボンペーパーを水との混合により比重調整
を行ったＦＥＰ分散液に浸漬し、その後乾燥し、熱処理
（３８０℃、１時間）する。 カーボンブラック（表面積７００〜８００ｍ^２／
ｇ）粉末１０ｇと６０重量％ＰＴＦＥ（ポリテトラフル
オロエチレン）分散液１６．７ｇを、数ｃｃの界面活性
剤を添加したテルピネオールを分散剤として混合し、ペ
ーストを作成する。 又、カーボンブラック（表面積２００〜３００ｍ^２
／ｇ）粉末１０ｇと６０重量％ＰＴＦＥ分散液１６．７
ｇを、数ｃｃの界面活性剤を添加したテルピネオールを
分散剤として混合し、ペーストを作成する。 、で得られたペーストを、で得られたカーボ
ンペーパー上に塗布する。スタック１６の両端部に位置
する単セルのセルユニットは、で得られたペーストを
用い、その他の部分に位置する単セルのセルユニット
は、で得られたペーストを用いる。 ペーストを塗布したカーボンペーパーを乾燥後、３
６０℃で１時間熱処理してガス拡散層３ｂを完成する。 熱処理を終了したカーボンペーパー上に白金担持カ
ーボン（担持カーボン比表面積２００〜３００ｍ^２／
ｇ）、固体高分子からなる触媒層３ａを形成してカソー
ド３を完成させる。 既存の方法で作成したアノード２とで完成したカ
ソード３を固体高分子電解質膜１（デュポン社製のＮａ
ｆｉｏｎ１１２）の両面に配置し、ホットプレスするこ
とによりセルユニット４を得る。 〜の方法で作成したセルユニットのうち、カソ
ードガス拡散層３ｂに添加したペーストのカーボン比表
面積が大きいものは、スタック１６の両端部に位置する
単セルのセルユニットとして用い、カーボン比表面積の
小さいものは他の部分に位置する単セルのセルユニット
として用いて１０セルスタックを作成する。

【００３０】この実施例３は、スタックの両端部に位置
する単セルのカソード３中の混合物層３ｃにおけるカー
ボン材料の比表面積を、スタックの両端部に位置する単
セルでは、他の部分に位置する単セルより大きく構成し
たものである。

【００３１】（実施例４）実施例１において、スタック
の両端部以外の単セルに用いたセルユニット４を用いて
１０セルスタックを作成する際、両端部に位置する単セ
ルのカソード３に対峙するセパレータ６のガス流路６ａ
の溝深さを、他の部分に位置する単セルのガス流路に比
べ１０％増加させたものを用いて１０セルスタックを作
成する。

【００３２】この実施例４は、スタック１６の両端部に
位置する単セルのカソード側セパレータ６のガス流路６
ａの圧力損失を、他の部分に位置する単セルのカソード
側セパレータのガス流路の圧力損失に比べて小さく構成
したものである。

【００３３】（比較例）これらの実施例１〜４と比較す
るために、スタック１６の両端部の単セルをその他の部
分の単セルと同一仕様に形成した以外は実施例１と同一
の方法で１０セルスタックを作成した。

【００３４】次に、実施例１〜４で形成した１０セルス
タックと、比較例で形成した１０セルスタックとのセル
電圧分布試験を行った。その試験結果を図３に示す。こ
の試験結果によると、実施例１〜４では、全体として殆
ど同じ分布傾向を示し、セル番号２〜９のセル電圧は６
８５〜６９５ｍＶの範囲内の値が得られ、セル番号１で
は６７２〜６８０ｍＶ、セル番号１０では６７５〜６８
０ｍＶの範囲の値が得られ、スタック１６の両端部に位
置する単セルでは他の部分に位置する単セルより僅かに
低い値に過ぎなかった。これに対して比較例では、セル
番号２〜９のセル電圧は実施例１〜４でのセル番号２〜
９とほぼ同じ範囲内の値が得られたが、セル番号１では
６５６ｍＶであって、実施例１〜４でのセル番号１に比
して遥かに低く、セル番号１０では６６２ｍＶであっ
て、実施例１〜４でのセル番号１０に比して遥かに低か
った。

【００３５】このことから、実施例１〜４では、１０セ
ルスタックの両端部に位置する単セルの電池性能は他の
部分に位置する単セルより多少劣るとは言え、比較例で
の１０セルスタックの両端部に位置する単セルよりも遥
かに優れていることが判明した。

【００３６】実施例１では、前記のように１０セルスタ
ックの両端部に位置する単セルのカソードガス拡散層３
ｂの撥水性を、他の部分に位置する単セルよりも低く構
成したため、カソード３での反応生成水及びアノード２
からの移動水がガス拡散層３ｂ側に透過し易くなり、酸
化剤ガスとの接触面積が増加することから、酸化剤ガス
と共にガス流路６ａを介して排出され易くなる。これに
より、カソード３の触媒層３ａ中には過剰に水が滞留せ
ず、ガス拡散性が良好となったものと考えられる。

【００３７】実施例２では、前記のように１０セルスタ
ックの両端部に位置する単セルのカソードガス拡散層３
ｂのガス透過度を、他の部分に位置する単セルよりも高
く構成したため、酸化剤ガスの透過量を増大し、カソー
ド３での反応生成水及びアノード２側からの移動水が酸
化剤ガスと共に移動し易くなってセパレータ６のガス流
路６ａに排出され易くなり、これによりカソード触媒層
３ａ中には過剰に水が滞留せず、ガス拡散性が良好とな
ったものと考えられる。

【００３８】実施例３では、前記のように１０セルスタ
ックの両端部に位置する単セルのカソード３中の混合物
層３ｃにおけるカーボン材料の比表面積を、他の部分に
位置する単セルより大きく構成したため、カーボン材料
粒子により形成される細孔部の毛細管力による水吸収力
が増大し、カソード３での反応生成水及びアノード２側
からの移動水が混合物層３ｃ中を移動し易くなり、酸化
剤ガス中に放散されて排出され易くなり、これによりカ
ソード触媒層３ａ中には過剰に水が滞留せず、ガス拡散
性が良好となったものと考えられる。

【００３９】実施例４では、前記のように１０セルスタ
ックの両端部に位置する単セルのカソード３に対峙する
セパレータ６のガス流路６ａの溝深さを、他の部分に位
置する単セルのガス流路より深くし、ガス流路６ａの圧
力損失を小さく構成することで、ガス流路６ａを流れる
酸化剤ガスの流量を増大し、カソード３での反応生成水
及びアノード２側からの移動水が排出され易くなり、こ
れによりカソード触媒層３ａ中には過剰に水が滞留せ
ず、ガス拡散性が良好となったものと考えられる。

【００４０】このように本発明においては、スタック１
６の両端部に位置する単セルの温度低下は容認しつつ、
上記いずれかの手段によって両端部に位置する単セルの
電池性能を従来のものよりも向上させることができ、こ
れにより安定した運転が可能となり、且つ良好な出力特
性を備えたスタック１６を形成することができる。

【００４１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明は、固体高
分子型燃料電池スタックにおいて、 （１）スタックの両端部に位置する単セルのカソードの
ガス拡散層を構成するカーボン材料の比表面積を、他の
部分に位置する単セルよりも大きく構成する、 （２）スタックの両端部に位置する単セルのカソード側
ガス流路の圧力損失を、他の部分に位置する単セルに比
べて小さく構成する、 （３）スタックの両端部に位置する単セルのカソードガ
ス拡散層の撥水性を、他の部分に位置する単セルよりも
低く構成すると共に、スタックの両端部に位置する単セ
ルのカソード側ガス流路の圧力損失を、他の部分に位置
する単セルに比べて小さく構成する、といったいずれか
の手段を採用することで、スタックの両端部に位置する
単セルにおけるカソードでの反応生成水及びアノード側
からの移動水を排出し易くし、電池性能の低下を防止す
る効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】固体高分子型燃料電池の単セルの構成例を示す
分解斜視図

【図２】固体高分子型燃料電池スタックの構成例を示す
説明図

【図３】１０セルスタックにおけるセル電圧分布の試験
結果を示すグラフ図

【図４】１０セルスタックにおけるセル温度分布の測定
結果を示すグラフ図

【符号の説明】

１…固体高分子電解質膜 ２…アノード ３…カソード ３ａ…触媒層 ３ｂ…ガス拡散層 ３ｃ…混合物層 ４…セルユニット ５，６…セパレータ ５ａ、６ａ…ガス流路 ５ｂ、６ｂ…冷却水流路 ７…単セル ８，９…集電板 １０，１１…電気絶縁板 １２，１３…締付板 １４…ボルト １５…ナット １６…スタック １７…皿ばね

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平９−283153（ＪＰ，Ａ) 特開2001−57218（ＪＰ，Ａ) 特開2001−135326（ＪＰ，Ａ) 特開2001−118587（ＪＰ，Ａ) 特開2001−15145（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−251086（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−163173（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−167424（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01M 4/86 - 4/98 H01M 8/00 - 8/24

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】固体高分子電解質膜の両面にカソードとア
   ノードを接合したセルユニットと、このセルユニットの
   両面に配され、酸化剤ガス又は燃料ガスを流通するため
   のガス流路を有するセパレータとから構成される単セル
   を複数積層してなる固体高分子型燃料電池スタックであ
   って、 このスタックの両端部に位置する単セルにおいて、 前記カソードのガス拡散層を構成するカーボン材料の比
   表面積を、 他の部分に位置する単セルのそれよりも大き
   くしたことを特徴とする固体高分子型燃料電池スタッ
   ク。
2. 【請求項２】請求項１記載の固体高分子型燃料電池スタ
   ックにおいて、 このスタックの両端部に位置する単セルのカソード側ガ
   ス流路の圧力損失を、他の部分に位置する単セルのそれ
   よりも小さく したことを特徴とする固体高分子型燃料電
   池スタック。
3. 【請求項３】固体高分子電解質膜の両面にカソードとア
   ノードを接合したセルユニットと、このセルユニットの
   両面に配され、酸化剤ガス又は燃料ガスを流通するため
   のガス流路を有するセパレータとから構成される単セル
   を複数積層してなる固体高分子型燃料電池スタックであ
   って、 このスタックの両端部に位置する単セルにおいて、 前記カソード側ガス拡散層の撥水性を、他の部分に位置
   する単セルのそれよりも低くすると共に、 前記カソード側ガス流路の圧力損失を、他の部分に位置
   する単セルのそれよりも小さく したことを特徴とする固
   体高分子型燃料電池スタック。