JP4661103B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池に関し、特に、発電性能を向上させることが可能な燃料電池に関する。

固体高分子型燃料電池（以下において、「ＰＥＦＣ（Polymer Electrolyte Fuel Cell）」と記述する。）は、各種の燃料電池の中でも、低温領域での運転が可能であるとともに、５０〜６０％の高いエネルギー変換効率を示し、起動時間が短く、かつシステムが小型軽量であることから、電気自動車の最適な動力源として注目されている。このＰＥＦＣの電解質は、陽イオン交換樹脂膜を、カチオン伝導性膜として使用するものである。ＰＥＦＣのカチオン伝導性膜は、分子中にプロトン（水素イオン（Ｈ^＋））交換基を有しており、これを飽和状態に含水させることにより、常温で２０Ω・ｃｍ以下の比抵抗を示し、プロトン伝導性電解質として機能している。そして、電解質膜の飽和含水量は、温度によって可逆的に変化する。すなわち、ＰＥＦＣの運転中においては、電解質膜からの蒸散を防止するために燃料ガス中および酸化ガス中に水蒸気の形で添加された加湿水と、カソード側における電気化学反応によって生成される水とによって常に飽和状態が維持される。

上述のように、通常、カソード側に供給される酸化ガスは水蒸気を用いて加湿されるが、少なくともカソードの酸化ガス供給路の入口近傍では、当該供給路内を流れる酸化ガスにより水分が持ち去られる等の理由により、電解質膜が乾燥しやすい。電解質膜が乾燥すると、電解質膜のプロトン伝導性電解質としての機能が低下するため、ＰＥＦＣの発生電圧が低下する。したがって、ＰＥＦＣの発電性能の向上を図るためには、電解質膜の乾燥を抑制することが重要である。

他方、カソード側において生成される水が増加するか、あるいは燃料ガスおよび酸化ガスが消費されて残留ガス中の水蒸気が過飽和となって水が凝結して、水の供給が過剰となると、この電解質膜の表面に触媒やガス拡散層、ひいてはガス供給路が水浸しとなり、いわゆる「フラッディング」状態となる。このフラッディングが発生すると、セル内のガス接触面積が減少し、更にはカソードへの酸素ガスの供給が阻害されて、ＰＥＦＣの発生電圧が低下する。この電圧低下は、ＰＥＦＣの効率の低下に繋がるため、ＰＥＦＣの発電性能の向上を図るためには、フラッディングを抑制することが重要である。

これまでに、燃料電池の発電性能を向上させることを目的とした技術は開示されてきている。例えば、特許文献１には、電解質膜・電極構造体、流路用溝部が形成されていないセパレータ、及び、金属材料製の発泡体からなる拡散部材を積層することにより厚み方向の電気抵抗の低減を図ることが可能な燃料電池に関する技術が開示されている。また、関連する技術が、特許文献２及び特許文献３に開示されている。
特開２００４−８７３１８号公報 特開平８−１２４５８３号公報 特開２０００−５８０７３号公報

しかし、特許文献１に開示されている技術では、拡散部材の積層方向における当該拡散部材の構造については検討されておらず、特に、反応ガスの下流部においてフラッディングが生じやすく、燃料電池の発電性能を向上させ難いという問題があった。

そこで本発明は、発電性能を向上させることが可能な燃料電池を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段をとる。すなわち、
請求項１に記載の発明は、電解質及び当該電解質の両側に設けられる触媒層を備える電解質・触媒構造体と、電解質・触媒構造体の両側に設けられる集電体層と、集電体層の外側に設けられるセパレータと、を備える燃料電池であって、集電体層には反応ガスが供給されるとともに、当該集電体層は生成水排出促進手段及び乾燥抑制手段を備え、反応ガスの下流部であるとともに集電体層における触媒層側の部位を第１の部位、反応ガスの下流部であるとともに集電体層におけるセパレータ側の部位を第２の部位、反応ガスの上流部であるとともに集電体層におけるセパレータ側の部位を第３の部位、反応ガスの上流部であるとともに集電体層における触媒層側の部位を第４の部位、とするとき、第２の部位をなす部材及び第４の部位をなす部材よりも大きな気孔率を有する、第１の部位をなす部材が、生成水排出促進手段であり、第２の部位をなす部材及び第４の部位をなす部材よりも大きな気孔率を有する、第３の部位をなす部材が、乾燥抑制手段であり、反応ガスの供給口が第３の部位に開口しており、反応ガスの排出口が第１の部位に開口していることを特徴とする、燃料電池により、上記課題を解決する。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の燃料電池において、集電体層に当接するセパレータの当接面は平面であることを特徴とする。
ここに、「反応ガスの下流部」とは、集電体層内における反応ガスの流れの前半を含まない、集電体層の部位であって、電解質・触媒構造体の面方向に長さを有している。また、「反応ガスの上流部」とは、集電体層内における反応ガスの流れの後半を含まない、集電体層の部位であって、電解質・触媒構造体の面方向に長さを有している。一方、「集電体層における触媒層側の部位」とは、触媒層に当接すべき集電体層の面の少なくとも一部を含む部位であって、電解質・触媒構造体、集電体層、及び、セパレータを積層すべき方向に長さを有し、かつ、セパレータとは当接しない部位である。当該部位の具体例としては、集電体層を、上記積層すべき方向を法線方向とする面により、等しい厚さの２つの領域に切断した場合における、触媒層側に位置する集電体層等を挙げることができる。さらに、「集電体層におけるセパレータ側の部位」とは、電解質・触媒構造体、集電体層、及び、セパレータを積層すべき方向に長さを有し、かつ、触媒層とは当接しない部位である。当該部位の具体例としては、集電体層を、上記積層すべき方向を法線方向とする面により等しい厚さの２つの領域に切断した場合における、セパレータ側に位置する集電体層等を挙げることができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の燃料電池において、集電体層は、発泡金属により形成されていることを特徴とする。

請求項１及び請求項２に記載の発明によれば、反応ガスの下流部であるとともに触媒層側である集電体層部位に生成水排出促進手段が備えられているので、触媒層内の反応場において生成された水を、生成水排出促進手段によりセル外へと排出することができる。したがって、反応ガスの下流部において発生しやすいフラッディングを抑制することが可能であるため、発電性能を向上させることが可能な燃料電池を提供することができる。また、第１の部位をなす部材が生成水排出促進手段であり、生成水排出促進手段としての役割を兼ねる集電体層の当該部材は、大きな気孔率を有しているので、反応ガスは第１の部位を流れやすい。そのため、反応ガスの下流部では、集電体層の中でも触媒層側の部位に多くの反応ガスが流れる結果、触媒層の反応場において生成された水が反応ガスによりセル外へと持ち去られやすくなる。したがって、本発明によれば、フラッディングを抑制することが可能であるため、発電性能を向上させることが可能な燃料電池を容易に提供することができる。さらに、第３の部位をなす部材が乾燥抑制手段であり、乾燥抑制手段としての役割を兼ねる集電体層の当該部材は、大きな気孔率を有しているので、反応ガスは第３の部位を流れやすい。そのため、反応ガスの上流部では、集電体層の中でも触媒層から離れたセパレータ側の部位に多くの反応ガスが流れる結果、触媒層近傍からの生成水蒸発速度が小さくなるため、反応ガスの上流部における電解質の乾燥が抑制される。したがって、本発明によれば、発電性能を向上させることが可能な燃料電池を容易に提供することができる。

請求項３に記載の発明によれば、集電体層は、発泡金属により形成されるため、発電性能を向上させることが可能な燃料電池を容易に提供することができる。

ＰＥＦＣのカソードに供給される酸化ガス（以下において、「空気」と記述することがある。）は、通常、水蒸気により加湿された後にカソードへと供給されるが、かかる酸化ガスのカソードにおける上流部、特に入口近傍では、電解質膜が乾燥しやすいことが知られている。この乾燥は、集電体層内を流れる空気によって、触媒層及び電解質膜の水分が持ち去られることが一因となっているため、集電体層内における空気の流れを制御することにより、電解質膜の乾燥を抑制することが可能であると考えられる。

一方、カソードにおける空気の出口近傍では、カソードの触媒層における反応場で生成された水が溜まりやすく、かかる滞留水はフラッディングの原因となる。したがって、フラッディングを抑制するためには、カソードの空気出口近傍における排水性を向上させることが必要であり、カソードの集電体層内における空気の流れを制御することで、カソードの空気出口近傍における排水性を向上させることが可能であると考えられる。

本発明は、このような観点からなされたものであり、集電体層における反応ガスの下流部では、触媒層の近傍に多くの反応ガスを流し、反応ガスが触媒層内の水を持ち去りやすくすることでフラッディングを抑制する一方、集電体層における反応ガスの上流部では、触媒層から離れた部位に多くの反応ガスを流すことで電解質膜の乾燥を抑制する。

以下に図面を参照しつつ、本発明の燃料電池の各実施形態について、具体的に説明する。

図１は、第１実施形態にかかる本発明の燃料電池を概略的に示す断面図である。第１実施形態にかかる燃料電池１００は、電解質（以下において、「電解質膜」と記述する。）１及び当該電解質膜１の両側に設けられる触媒層２、３を備える電解質・触媒構造体４と、当該構造体４の両側に設けられる集電体層１０、２０と、集電体層１０、２０の外側に設けられるセパレータ３０、４０とを備えている。そして、集電体層１０及び２０に当接するセパレータ３０及び４０の当接面は平面であって、セパレータ３０及び４０の当接面には、反応ガス供給路としての溝は形成されていない。

第１実施形態にかかる燃料電池１００において、カソードに供給される空気は、空気用供給孔５０及び空気供給口６０を通って集電体層２０へと供給される一方、アノードに供給される反応ガス（以下において、「水素ガス」と記述することがある。）は、図示されていない水素ガス用供給孔及び水素ガス供給口を通って集電体層１０へと供給されている。そして、集電体層２０へと供給された空気は、空気排出部としての空気排出口７０及び空気用排出孔８０を通ってカソードの外部へと排出される一方、集電体層１０へと供給された水素ガスは、図示されていない水素ガス排出部としての水素ガス排出口及び水素ガス用排出孔を通って、アノードの外部へと排出される。なお、図１において、図の上下方向が、電解質・触媒構造体４の面方向であり、図の左右方向が、電解質・触媒構造体４、集電体層１０、２０、及び、セパレータ３０、４０を積層すべき方向である。また、図中の矢印は、反応ガスが流れる方向を示している。

図１に示す本発明の第１実施形態にかかる燃料電池１００の集電体層２０において、反応ガスの下流部であるとともに触媒層３側である部位２０ａをなす部材は、大きな気孔率を有する一方、集電体層２０における当該部位２０ａ以外をなす部材は、上記部位２０ａをなす部材よりも小さな気孔率を有している。したがって、大きな気孔率を有する部位２０ａをなす部材は、小さな気孔率を有する部材のみと隣接している。そして、集電体層の部位２０ａをなす部材は、生成水排出促進手段として機能している。第１実施形態にかかる燃料電池１００をこのような構成とすることにより、空気は、集電体層２０の下流部において、小さな気孔率を有するように形成されているセパレータ４０の近傍よりも、大きな気孔率を有するように形成されている触媒層３側の部位２０ａを流れやすくなる。そのため、カソード側の触媒層３の反応場において生成された水は、２０ａを流れる空気により持ち去られやすくなり、空気の下流部における滞留水を低減させることができる。したがって、かかる形態とすることで、フラッディングを抑制することにより発電効率を向上させることが可能な、燃料電池１００を提供することができる。

図２は、第２実施形態にかかる本発明の燃料電池を概略的に示す断面図である。第２実施形態にかかる燃料電池２００の集電体層２０において、反応ガスの上流部であるとともにセパレータ側である部位２０ｂをなす部材は、大きな気孔率を有している。そして、当該部位２０ｂをなす部材は、乾燥抑制手段として機能している。一方、燃料電池２００の集電体層２０において、上記部位２０ｂ以外をなす部材は、部位２０ｂをなす部材よりも小さな気孔率を有しており、部位２０ｂをなす部材は、小さな気孔率を有する部材のみと隣接している。ここに、図２において、図１と同じ構成を採る部位については同じ符号を付し、その説明を省略する。

第２実施形態にかかる燃料電池２００をこのような構成とすることにより、集電体層２０における空気の上流部において、多くの空気は、小さな気孔率を有するように形成されている触媒層３の近傍よりも、大きな気孔率を有するように形成されているセパレータ側の部位２０ｂを流れやすくなる。そのため、上記上流部において、触媒層及び電解質膜の水分が空気により持ち去られる量を低減することができる。したがって、空気の上流部における電解質膜の乾燥を抑制することができるため、電解質膜の乾燥を抑制することにより発電効率を向上させることが可能な、燃料電池２００とすることができる。

図３は、第３実施形態にかかる本発明の燃料電池を概略的に示す断面図である。第３実施形態にかかる燃料電池３００の集電体層２０において、反応ガスの下流部であるとともに触媒層３側である部位２０ａをなす部材は、大きな気孔率を有しており、さらに、反応ガスの上流部であるとともにセパレータ４０側である部位２０ｂをなす部材も大きな気孔率を有している。そして、上記部位２０ａをなす部材は生成水排出促進手段として機能しており、上記部位２０ｂをなす部材は乾燥抑制手段として機能している。一方、燃料電池３００の集電体層２０において、上記部位２０ａ及び２０ｂ以外をなす部材は、これらの部位２０ａ及び２０ｂをなす部材よりも小さな気孔率を有している。そのため、上記部位２０ａ及び２０ｂをなす部材は、電解質・触媒構造体４の面方向、並びに、電解質・触媒構造体４、集電体層１０、２０、及び、セパレータ３０、４０を積層すべき方向において、小さな気孔率を有する部材のみと隣接している。ここに、図３において、図１と同じ構成を採る部位については同じ符号を付し、その説明を省略する。

第３実施形態にかかる燃料電池３００をこのような構成とすることにより、空気は、集電体層２０の上流部において、大きな気孔率を有するように形成されているセパレータ４０側の部位２０ｂを流れやすくなる一方、小さな気孔率を有するように形成されている触媒層３の近傍は流れ難い。そのため、空気の上流部において、触媒層を介して電解質膜の水分が空気により持ち去られる量を低減することができる結果、空気の上流部における電解質膜の乾燥を抑制することが可能になる。

他方、空気は、集電体層２０の下流部において、小さな気孔率を有するように形成されているセパレータ４０の近傍よりも、大きな気孔率を有するように形成されている触媒層３側の部位２０ａを流れやすくなる。そのため、本実施形態にかかる燃料電池は、第１実施形態にかかる燃料電池と同様に、フラッディングを抑制することができる。したがって、第３実施形態にかかる燃料電池３００とすることで、電解質膜の乾燥及びフラッディングを抑制することにより発電効率を向上させることが可能な、燃料電池３００を提供することができる。

なお、第３実施形態にかかる燃料電池は、反応ガスの上流部であるとともにセパレータ側である集電体層部位をなす部材、及び、反応ガスの下流部であるとともに触媒層側である集電体層部位をなす部材が大きな気孔率を有しており、これらの部位をなす部材が、それぞれ乾燥抑制手段及び生成水排出促進手段として機能していれば、図３に示す形態に限定されるものではない。

図４は、第３実施形態にかかる本発明の燃料電池における他の態様を概略的に示す断面図である。図４に示すように、本実施形態にかかる燃料電池３５０の集電体層２０は、反応ガスの上流部から下流部にかけて徐々に触媒層へと近づくような形態で、大きな気孔率を有する部位２０ｃが形成されている。図４において、図１と同じ構成を採る部位については同じ符号を付し、その説明を省略する。
かかる形態の燃料電池３５０では、上記部位２０ｃをなす部材が、反応ガスの上流部では乾燥抑制手段として機能するとともに、反応ガスの下流部では生成水排出促進手段として機能することで、発電効率を向上させることが可能な燃料電池３５０とすることができる。

本発明において、燃料電池１００、２００、３００、及び３５０が備える集電体層１０、２０を構成すべき物質は、導電性を有していれば特に限定されるものではないが、例えば、導電性を有する多孔質材料により形成することが好ましい。集電体層１０、２０をかかる多孔質材料により形成する場合、その多孔質材料は、特に限定されるものではなく、例えば、メッキ法、発泡法等により製造されるステンレス、チタン又はニッケル等の発泡金属、あるいは焼結金属、あるいはポーラスに形成されたカーボン等を使用することができる。

また、集電体層１０、２０に大きな気孔率を有する部位及び小さな気孔率を有する部位を設ける方法は、特に限定されるものではない。例えば、焼結金属からなる集電体層１０、２０とする場合には、大きな径を有する焼結体からなる部位と小さな径を有する焼結体からなる部位とを設けたうえで、焼結することにより、本発明にかかる集電体層１０、２０とすることができる。

さらに、便宜上、各実施形態にかかる燃料電池の説明では、大きな気孔率を有する集電体層部位がカソード側にのみ配置されている形態について記載したが、当該集電体層の配置形態は、かかる形態に限定されるものではなく、アノード側のみに配置されている形態、又は、アノード側及びカソード側に配置されている形態であっても良い。ここで、燃料電池内部の電気化学反応により水が生成される場所は、カソード側の触媒層であるため、フラッディングを抑制することにより燃料電池の発電効率を向上させるという観点からは、少なくともカソード側の集電体層に大きな気孔率を有する部位を形成することが好ましい。

加えて、上記実施形態にかかる説明では、単一層からなる集電体層１０、２０を備える燃料電池１００、２００、３００、及び、３５０を想定したが、本発明における集電体層１０、２０の形態は、単一層からなる形態に限定されるものではなく、二層以上の多層からなる形態であっても良い。集電体層１０、２０を二層以上からなる形態とする場合、集電体層を構成すべき層は、電解質・触媒構造体４、集電体層１０、２０、及び、セパレータ３０、４０の積層方向に積層することが好ましい。

第１実施形態にかかる本発明の燃料電池を概略的に示す断面図である。 第２実施形態にかかる本発明の燃料電池を概略的に示す断面図である。 第３実施形態にかかる本発明の燃料電池を概略的に示す断面図である。 第３実施形態にかかる本発明の燃料電池の他の態様を概略的に示す断面図である。

符号の説明

１ 電解質
２、３ 触媒層
４ 電解質・触媒構造体
１０、２０ 集電体層
３０、４０ セパレータ
１００、２００、３００、３５０ 燃料電池

Claims (3)

1. 電解質及び前記電解質の両側に設けられる触媒層を備える電解質・触媒構造体と、前記電解質・触媒構造体の両側に設けられる集電体層と、前記集電体層の外側に設けられるセパレータと、を備える燃料電池であって、
   前記集電体層には反応ガスが供給されるとともに、前記集電体層は生成水排出促進手段及び乾燥抑制手段を備え、
   前記反応ガスの下流部であるとともに前記集電体層における前記触媒層側の部位を第１の部位、
   前記反応ガスの下流部であるとともに前記集電体層における前記セパレータ側の部位を第２の部位、
   前記反応ガスの上流部であるとともに前記集電体層における前記セパレータ側の部位を第３の部位、
   前記反応ガスの上流部であるとともに前記集電体層における前記触媒層側の部位を第４の部位、とするとき、
   前記第２の部位をなす部材及び前記第４の部位をなす部材よりも大きな気孔率を有する、前記第１の部位をなす部材が、前記生成水排出促進手段であり、
   前記第２の部位をなす部材及び前記第４の部位をなす部材よりも大きな気孔率を有する、前記第３の部位をなす部材が、前記乾燥抑制手段であり、
   前記反応ガスの供給口が前記第３の部位に開口しており、前記反応ガスの排出口が前記第１の部位に開口していることを特徴とする、燃料電池。
2. 前記集電体層に当接する前記セパレータの当接面は平面であることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記集電体層は、発泡金属により形成されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の燃料電池。

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