JP6696279B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池に関し、特に、膜電極接合体の両側に配置したセパレータと、前記膜電極接合体を構成するガス拡散層との間にガス流路形成体を配置した形態の固体高分子型燃料電池に関する。

電解質膜の両側に積層した触媒層と該触媒層の両側に積層したガス拡散層とを備えた膜電極接合体と、該膜電極接合体の両側に配置したセパレータとを少なくとも備える燃料電池は知られている。また、そのような燃料電池において、前記膜電極接合体を構成するガス拡散層と前記セパレータとの間に、ガス流路形成体を備えるようにした燃料電池も知られており、その一例が、特許文献１あるいは特許文献２に記載されている。

特許文献１に記載される燃料電池では、セパレータにおけるガス拡散層に面する側に、ガス流路形成体としてのガス流路を一体に形成するとともに、該ガス流路内にガスの流れ方向に直交する方向に延びる複数の突出部を、ガスの流れ方向に分散配置するようにしている。ガス流路内にこのような突出部を設けることで、それが流路に対する絞り部として機能し、ガス流路内を流れるガス、すなわち、アノードガスあるいはカソードガスの濃度の均一化が図られる。

特許文献２に記載される燃料電池では、セパレータとガス拡散層との間に別途配置したガス流路形成体に多数の凹凸を形成することで、ガス流路形成体のガス拡散層側に開放したガス流路とセパレータ側に開放した水流路を交互に形成するとともに、前記凹凸の一部にスリットによる連通部を形成している。この形態のガス流路形成体を備えることで、前記スリット部位での毛管力により、ガス拡散層側に開放したガス流路からセパレータ側に液水の引き抜きを生じさせて気液分離を行い、大電流での濃度過電圧制御と、低負荷での液水詰まり抑制により、高い電圧安定性を確保できることが期待できる。

特開平１０−２１９４４号公報 特許第５２４６３３１号公報

特許文献１に記載のように、ガス流路に絞り部を設けることでガス拡散性の向上は期待できる。しかし、特許文献１に開示される形状の絞り付き流路では、ガス流路内からの排水性に課題があり、大電流での濃度過電圧向上、低負荷での液水詰まり、電圧安定性に課題が残っている。

特許文献２に記載される形状のガス流路形成体を用いる場合には、上記の課題、すなわちガス拡散層側のガス流路での液水詰まりの課題はある程度解決することができるが、前記ガス流路を流れるガスのガス拡散層内への潜り込み力が十分でなく、ガス拡散層内での液水溜まりが発生しやすいという課題が残っている。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、電解質膜の両側に積層した触媒層と該触媒層の両側に積層したガス拡散層とを備えた膜電極接合体と、該膜電極接合体の両側に配置したセパレータと、前記ガス拡散層と前記セパレータとの間に配置したガス流路形成体とを少なくとも備える燃料電池において、ガス拡散層内へのガスの拡散性の向上とガス拡散層からの積極排水、およびガス流路内での気液分離によるガス流路内での液水詰まりの抑制、の双方を、確実に実現できるようにした燃料電池を提供することを課題とする。

本発明による燃料電池は、電解質膜の両側に積層した触媒層と該触媒層の両側に積層したガス拡散層とを備えた膜電極接合体と、該膜電極接合体の両側に配置したセパレータと、前記ガス拡散層と前記セパレータとの間に配置したガス流路形成体とを少なくとも備える燃料電池であって、前記ガス流路形成体は、前記ガス拡散層側に開放したガス流路と前記セパレータ側に開放した水流路を有した形状であり、前記ガス拡散層側に開放したガス流路には一部に流路断面積が狭くなる絞り部が形成されており、かつ、該絞り部には前記ガス流路と水流路とを繋ぐ連通部が形成されていることを特徴とする。

本発明による燃料電池では、ガス拡散層とセパレータとの間に配置したガス流路形成体のガス拡散層側に開放したガス流路は絞り部を有しており、該絞り部の上流側ではガス圧力が向上する。それにより、ガス流路がガス拡散層に面している部分に加えて、ガス流路の両側でガス拡散層に接している部分、すなわちリブの下を跨いでのガス拡散層側へのガスの潜り込み効果を期待できる。それにより、ガスのガス拡散層内への拡散性は一層向上するとともに、特に、空気極側において、ガス拡散層内の酸素分圧を全体的に上げることができる。また、絞り部以外にはガス流路と水流路とを繋ぐ連通部は形成されていないので、セパレータ側へガスが逃げ込むのも阻止することができる。一方、絞り部に連通部を設けたことで、特に空気極側で、ガス拡散層側に溜まった液水をセパレータ側に毛管力により積極的に排水することができるとともに、セパレータ側の空気と混合させることでガス拡散層面側の酸素分圧の低下も抑制することができる。

本発明による燃料電池の一例を説明するための図。 本発明による燃料電池で用いるガス流路形成体の一例を示す斜視図。 図２に示すガス流路形成体の上面図。 図３のＡ−Ａ線に沿う断面図（ａ）とＢ−Ｂ線に沿う断面図（ｂ）。 図３のＣ−Ｃ線に沿う断面図。 図２に示すガス流路形成体の図３のＣ−Ｃ線に沿う断面を含む斜視図。 ガス流路形成体におけるガス拡散層側へのガスの潜り込みの一例を示す図。 絞り流路の酸素分圧向上効果を説明する図。 高負荷での排水性の違いによる電圧と電流密度の関係を示すグラフ。 絞り部の他の形態を示す上面図。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明による燃料電池１の一例を示す概略図である。図において、１０は膜電極接合体（ＭＥＡ）であり、電解質膜１１と、その両側に積層された触媒層１２ａ、１２ｂと、該触媒層１２ａ、１２ｂの両側に積層されたガス拡散層１３ａ、１３ｂとからなる。この例において、触媒層１２ａとガス拡散層１３ａは空気極を構成しており、触媒層１２ｂとガス拡散層１３ｂは燃料極を構成している。

空気極を構成するガス拡散層１３ａの外側には、後に説明する本発明によるガス流路形成体２０が積層されており、該ガス流路形成体２０の外側にはセパレータ３０が積層されている。図１では省略しているが、燃料極を構成するガス拡散層１３ｂの外側にもガス流路形成体が積層されており、該ガス流路形成体の外側にはセパレータが積層されている。燃料極側でのガス流路形成体を省略することもでき、積層する場合には、本発明によるガス流路形成体２０であってもよく、他の形状のガス流路形成体であってもよい。好ましくは、本発明によるガス流路形成体２０が空気極側とは９０度方向を変えた姿勢で積層される。

図２〜図６を参照して、本発明によるガス流路形成体２０を説明する。ガス流路形成体２０は平板状のものであり、図２に示す斜視図において、上面側が空気極を構成するガス拡散層１３ａに、下面側がセパレータ３０に接するようにして、膜電極接合体１０とセパレータ３０との間に配置される。ガス流路形成体２０は、この例においては、凹溝２１と凸溝２２が平行かつ交互に繰り返す形状をなしており、図４に示すように、凸溝２２の上面２２ａがガス拡散層１３ａの裏面に当接し、凹溝２１の底面２１ａがセパレータ３０の上面に当接するようにして、膜電極接合体１０とセパレータ３０との間に配置されている。この形態において、前記凹溝２１で形成される流路が本発明でいう「ガス拡散層側に開放したガス流路」に相当し、凸溝２２で形成される流路が本発明でいう「セパレータ側に開放した水流路」に相当する。

前記凹溝２１のすべてまたは何本かには、好ましくはガス（酸化剤ガス）の流れ方向の下流側に偏位した位置に、絞り部２３が形成されている。各絞り部２３は、溝幅が他の領域と比較して狭くなる絞り壁部２１ｂと、絞り壁部２１ｂの最も溝幅が狭くなった部分において、底面２１ａが図で上方、すなわちガス拡散層１３ａ側に向けて浮き上がった領域２１ｃによって形成されている。そして、前記底面の浮き上がった領域２１ｃには、凹溝２１の軸線方向に直交する適数本（図では４本）のスリット２４が形成されており、該スリット２４を介して、凹溝２１で形成される流路と凸溝２２で形成される流路とが連通するようになっている。このスリット２４が本発明でいう「ガス流路と水流路とを繋ぐ連通部」に相当する。

上記構成のガス流路形成体２０を備えた燃料電池１において、発電時に、酸化剤ガス（空気）が、図２で左下側からガス流路である凹溝２１内に供給される。図示しないが、膜電極接合体１０の燃料極側には、燃料ガス（水素ガス）が供給される。酸化剤ガスは、凹溝２１内を流れる過程で、凹溝２１の開放側に面している領域からガス拡散層１３ａ内に入り込む。酸化剤ガスの流れが前記絞り部２３に達すると、流路断面積が狭くなることから、絞り部２３の上流側での圧力が高くなる。それにより、酸化剤ガスは、ガス拡散層１３ａの前記凹溝２１の開放側に面している領域に加えて、凸溝２２の上面２２ａがガス拡散層１３ａの裏面に接している界面にも侵入していき、いわばリブ下を跨ぐようにしてガス拡散層１３ａへ潜り込む。そのために、ガス拡散層１３ａ内の酸素分圧を全体的に上げることができる。

また、絞り部２３に形成した前記スリット２４により、前記凹溝２１内に溜まった液水は、毛管力によって、前記凸溝２２で形成される流路内へ円滑に排水することが可能となるとともに、酸化剤ガスが凸溝２２で形成される流路、すなわち水流路内に流入するのを抑えることができ、排水によってガス拡散層１３ａ側で酸素分圧が低下するのも抑制することができる。

すなわち、上記した燃料電池では、空気極側での酸化剤ガスの拡散性の向上、および積極排水、ガス流路内での気液分離による液水溜まりの抑制を、効果的に実現可能となり、大電流での濃度過電圧制御と、低負荷での液水詰まり抑制により、高い電圧安定性を確保できることが可能となる。

図７は、本発明者らが実験で行った、図２〜図６に基づき説明したガス流路形成体２０を、空気極を構成するガス拡散層１３ａとセパレータ３０とは間に配置して酸化剤ガスを凹溝２１（「ガス拡散層側に開放したガス流路」）に流したときのガスの潜り込みの状態を示している。図示のように、絞り部２３の上流側（図７で左側）で、ガスが、隣接する凸溝２２の上面２２ａとガス拡散層１３ａとの界面にも侵入して潜り込んでいるのがわかる。

上記した実施の形態では、１段の絞り部２３を設けるようにしたが、１段以上の絞り部を１つの凹溝２１内に設けることができる。図８のグラフは、本発明者らが実験で行った、図２〜図６に基づき説明したガス流路形成体２０において、凹溝２１内に上流側から下流側に向けて多段に絞り部２３を形成したガス流路形成体２０を、空気極を構成するガス拡散層１３ａとセパレータ３０との間に配置したとき（鎖線）と、ガス流路形成体２０から前記絞り部２３をなくして凹溝２１をストレートな溝としたとき（実線）と、での空気極側における触媒層（１２ａ）での酸素濃度を測定した結果のグラフである。本発明によるガス流路形成体２０を用いた場合には、前記した絞り部に起因する流路での酸素分圧向上効果から、多段に設けたすべての絞り部において、触媒層での酸素濃度が向上していることがわかる。

図９のグラフは、本発明者らが実験で行った、図２〜図６に基づき説明したガス流路形成体２０を用いた燃料電池（「絞り＋スリット」）と、前記特許文献２に記載されたようなスリットはあるが絞り部のないガス流路形成体を用いた燃料電池（「３Ｄメッシュ」）と、図２〜図６に基づき説明したガス流路形成体２０からスリットをなくしたガス流路形成体を用いた燃料電池（「絞り流路」）と、を同じ条件で発電したときの、電圧（Ｖ）と電流密度（Ａｃｍ^２）との関係を示している。図のグラフからわかるように、本発明によるガス流路形成体２０を用いた燃料電池では、排水性の違い（スリット２４での気液分離）から、大電流での濃度過電圧向上が図られることがわかる。

なお、本発明によるガス流路形成体２０において、凹溝２１であるガス流路に１段の絞り部２３を設ける場合には、上流側よりも下流側に偏位した場所に設けることがより効果的である。その理由は、上流では水が少なく、酸素リッチなので、絞り部２３および連通部（スリット２４）の効果が十分に発揮されないことによる。下流側に設けることで電極から液水を強制的に排水させつつ、酸素を電極（空気極）へ送り込めるようになり、より高い効果が得られる。

上記した絞り部２３およびそこに形成した連通部としてのスリット２４の形状は、一実施の形態であって、他に多くの変形例が存在する。その幾つかの例を図１０に示す。図１０（ａ）では、スリット２４の本数が４本でなく、同じ方向に６本形成されている点で、図２〜図６に示したものと相違する。このように、スリットの本数は任意であり、実験的に最適な本数を設定すればよい。１０（ｂ）では、スリット２４の方向が、凹溝２１の軸線方向と直交する方向ではなく、軸線方向に平行に適数本形成されている点で、図２〜図６に示したものと相違する。図１０（ｃ）では、連通部が線状のスリットでなく、微細な多数の孔２４ａから形成されている点で、図２〜図６に示したものと相違する。

図１０（ｄ）では、絞り部がベンチュリー構造２５を備えている点で、図２〜図６に示したものと相違する。この形態では、図示のように、絞り部２３を流れるガスの流速で、セパレータ面のガスを吸い込むことができる。それにより、凹溝２１内の酸素濃度、特に絞り部２３より下流側において、酸素濃度を上昇させることが可能となる。

なお、上記では、１段の絞り部２３を設けるようにしたが、１段以上の絞り部を１つの凹溝２１内に設けることもできる。それにより、酸化剤ガスの拡散層１３ａ側への潜り込み量をより大きくすることができる。また、スリット２４（ガス流路と水流路とを繋ぐ連通部）を絞り部２３における底面の浮き上がった領域２１ｃに形成したが、前記浮き上がった領域２１ｃにではなく、該領域の側壁側にスリット２４を形成しても、また、双方に形成しても、所期の目的は達成可能である。

また、上記した形態のガス流路形成体２０は、燃料極側のガス拡散層１３ｂとセパレータ３０との間にも配置することができる。この態様では、電極および拡散層での液水溜まりを防止でき、触媒劣化の抑制効果がある。

１…燃料電池、
１０…膜電極接合体、
１１…電解質膜、
１２ａ、１２ｂ…触媒層、
１３ａ、１３ｂ…ガス拡散層、
２０…ガス流路形成体、
２１…凹溝（ガス拡散層側に開放したガス流路）、
２２…凸溝（セパレータ側に開放した水流路）、
２２ａ…凸溝の上面
２１ａ…凹溝の底面、
２１ｂ…絞り部における溝幅が他の領域と比較して狭くなる絞り壁部、
２１ｃ…凹溝の底面におけるガス拡散層側に向けて浮き上がった領域、
２３…絞り部、
２４…スリット（ガス流路と水流路とを繋ぐ連通部）。

Claims (1)

1. 電解質膜の両側に積層し燃料極および空気極を構成する触媒層と該触媒層の両側に積層したガス拡散層とを備えた膜電極接合体と、該膜電極接合体の両側に配置したセパレータと、前記空気極側において前記ガス拡散層と前記セパレータとの間に配置したガス流路形成体とを少なくとも備える燃料電池であって、
   前記ガス流路形成体は、前記空気極側において前記ガス拡散層と前記セパレータとに交互に当接するように形成されているとともに、前記ガス拡散層側に開放した複数のガス流路と前記セパレータ側に開放した複数の水流路を有した形状であり、前記複数のガス流路および前記複数の水流路は、ガス流れ方向と交差する方向に交互に配置されており、前記ガス拡散層側に開放したガス流路には一部に流路断面積が狭くなる絞り部が形成されており、かつ、該絞り部には前記ガス流路と水流路とを繋ぐ連通部が形成されており、
   前記連通部は、前記絞り部のみに形成されており、
   前記ガス流路形成体は、前記ガス流れ方向に沿って前記セパレータに当接して前記ガス流路を形成する第１溝部と、前記ガス流れ方向に沿って前記ガス拡散層に当接して前記水流路を形成する第２溝部とを有し、
   前記第１溝部の一部が前記セパレータ側に向けて溝幅が狭くなるとともに、前記セパレータから離間することにより、前記絞り部が形成されていることを特徴とする燃料電池。

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