(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の膜・電極接合体および複数の多孔質セパレータを相互に積層してなる固体高分子電解質型燃料電池において、
前記膜・電極接合体それぞれは、高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜の第１の面に隣接して配置された燃料極触媒層およびこの燃料極触媒層に隣接して配置された燃料極ガス拡散層を含む燃料極と、前記高分子電解質膜の第２の面に隣接して配置された酸化剤極触媒層およびこの酸化剤極触媒層に隣接して配置された酸化剤極ガス拡散層を含む酸化剤極と、を有し、
前記多孔質セパレータそれぞれは、前記燃料極の外側に隣接する燃料ガス流路溝を有しその背面には水を流通する水流路を有する多孔質の燃料極セパレータと、前記酸化剤極の外側に隣接する酸化剤ガス流路溝を有しその背面には水を流通する水流路を有する多孔質の酸化剤極セパレータと、を有し、
前記燃料極セパレータの両面に差圧をかけた場合にガスのシール機能を保つことのできる圧力の限界値である第１バブルプレッシャが、前記酸化剤極セパレータの両面に差圧をかけた場合の前記圧力の限界値である第２バブルプレッシャよりも高く設定されていること、
を特徴とする固体高分子電解質型燃料電池。
【請求項２】
前記燃料極セパレータのかさ密度が前記酸化剤極セパレータのかさ密度よりも高いことを特徴とする請求項１に記載の固体高分子電解質型燃料電池。
【請求項３】
前記燃料極セパレータの平均気孔径が前記酸化剤極セパレータの平均気孔径よりも小さいことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の固体高分子電解質型燃料電池。
【請求項４】
燃料極セパレータおよび酸化剤極セパレータそれぞれの外側に隣接して水セパレータが配置され、前記水流路は前記水セパレータに形成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の固体高分子電解質型燃料電池。
【請求項５】
前記燃料極セパレータの厚さから前記燃料ガス流路溝の深さを引いた燃料極セパレータ底部厚さが、前記酸化剤極セパレータの厚さから前記酸化剤ガス流路溝の深さを引いた酸化剤極セパレータ底部厚さよりも厚いことを特徴とする請求項４に記載の固体高分子電解質型燃料電池。
【請求項６】
前記水流路は、前記燃料極セパレータおよび酸化剤極セパレータの少なくとも一方に形成された水流路溝によって形成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の固体高分子電解質型燃料電池。
【請求項７】
前記水流路溝が前記酸化剤極セパレータに形成されており、
前記燃料極セパレータの厚さから前記燃料ガス流路溝の深さを引いた燃料極セパレータ底部厚さが、前記酸化剤極セパレータの厚さから前記酸化剤ガス流路溝の深さおよび前記水流路溝の深さを引いた酸化剤極セパレータ底部厚さよりも厚いこと、
を特徴とする請求項６に記載の固体高分子電解質型燃料電池。
【請求項８】
前記水流路溝が前記燃料極セパレータに形成されており、
前記燃料極セパレータの厚さから前記燃料ガス流路溝の深さおよび前記水流路溝の深さを引いた燃料極セパレータ底部厚さが、前記酸化剤極セパレータの厚さから前記酸化剤ガス流路溝の深さを引いた酸化剤極セパレータ底部厚さよりも厚いこと、
を特徴とする請求項６に記載の固体高分子電解質型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、複数の膜・電極接合体および多孔質セパレータなどを相互に積層してなる固体高分子電解質型燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に固体高分子電解質型燃料電池においては、燃料極に水素を含む燃料ガスを供給し、酸化剤極に酸素を含む酸化剤ガスを供給し、電気化学反応によって電気と熱とを発生する。燃料極で生じる反応は下記（１）式、酸化剤極で生じる反応は（２）式で表わされる。これらの反応の結果、酸化剤極では水が生成される。
【０００３】
Ｈ２  →  ２Ｈ＋  ＋  ｅ-                  （１）
４Ｈ＋  ＋  Ｏ２  ＋  ｅ-  →  ２Ｈ２Ｏ    （２）
上記の反応は、各々の電極に塗布された触媒において生じる。通常、白金あるいは白金と他元素との合金を炭素担体上に分散した触媒が用いられる。
【０００４】
固体高分子電解質型燃料電池においては、燃料極と酸化剤極の間に、プロトン伝導性の高分子電解質膜を配する（たとえば特許文献１参照）。この高分子膜はプロトン伝導体としての役割を有すると同時に、両極の気体を分離する役割を有する。燃料極および酸化剤極はガス拡散層上に、前述の触媒および電解質から成る触媒層を塗布して形成される。これらの燃料極および酸化剤極を高分子膜の両面にそれぞれ配して、１２０℃以上１５０℃以下の温度で、熱圧着し一体化する。
【０００５】
こうして形成された電解質膜と電極が一体となったものを膜・電極接合体（ＭＥＡ）と呼ぶ。あるいは、触媒層を高分子膜上に塗布し、その触媒層付きの高分子膜をガス拡散層で挟んで膜・電極接合体を構成することもできる。
【０００６】
前述の高分子電解質膜がプロトン伝導体として機能するためには、水分を含有する必要がある。そのため、固体高分子電解質型燃料電池においては、外部から加湿することによって高分子電解質膜の水分を保つことが必要である。プロトンが燃料極から酸化剤極に移動する際には水分子を伴うため、燃料極は水を失う傾向にある。他方、酸化剤極では生成した水が電極の気孔に溜まると、ガスの拡散を阻害し、電池性能を低下させることがある。したがって、燃料電池の安定な運転のためには、燃料極には水を供給し、酸化剤極からは水を除去しなければならない。水の供給方法としては、ガス中に蒸気として水を供給する外部加湿法と、燃料電池スタックに水として供給し燃料電池内部で蒸発する内部加湿法とがある。
【０００７】
膜・電極接合体の両面にはガス流路を有するセパレータを配する。多孔質材料の板に溝を形成したセパレータを適用するのが一般に行なわれている。この場合、前述の内部加湿に該当し、発電に必要な水はセパレータの気孔を通して燃料電池に供給される。燃料極においては、セパレータから電極に水が供給され、酸化剤極においてはセパレータを通して水が除去される。燃料極セパレータおよび酸化剤極セパレータはともに多孔質セパレータであり、その背面にある冷却水溝を流れる水が、セパレータの気孔を通して膜・電極接合体へと供給される。
【０００８】
これらの多孔質セパレータの製造方法の例は、特許文献２および特許文献３などに開示されている。いずれも、炭素粉末と樹脂とを混合し成形した後に、８００℃あるいは１２００〜１５００℃で熱処理を施している。８００℃の熱処理では樹脂を炭素化し、１２００〜１５００℃の熱処理では黒鉛化している。すなわち、燃料電池に必要な耐食性に優れた材料としている。
【０００９】
燃料電池の運転中は、多孔質セパレータの気孔中には水が含浸された状態で維持される。このとき、セパレータは加湿機能だけでなく、気孔中の水がシールとなって、ガス流路から水流路へのガスの透過を防止する機能も果たしている。セパレータ中の水分量が不十分であると、シール機能が弱く水流路へのガスの透過量が増加する。
【００１０】
バブルプレッシャはセパレータの両面に差圧をかけた場合に、ガスのシール機能を保つことのできる圧力の限界値である。バブルプレッシャの測定には、気孔中に十分に水を含浸させたセパレータの一方の面に水を張り、他方の面の気圧を大気圧から徐々に増加させ、水側にガスが漏れ始める圧力をもってバブルプレッシャとする。バブルプレッシャの高いセパレータは、水の保持力が強く、ガスが透過しにくい。
【００１１】
バブルプレッシャは、多孔質体の持つ気孔率および気孔径や多孔質体の厚さによって決まる。水が透過するためには、気孔率を高くする、すなわち気孔の数を増やして水の通り道を増やす。または多孔質体を薄くする。一方で、ガスの透過を防止するために気孔径を適正に制御し、気孔中に水を保持させる必要がある。多孔質セパレータの製造にあたっては、適正な気孔率および気孔径を持たせなければならない。
【特許文献１】特開２００２−３７３６８０号公報
【特許文献２】特開２００５−１９７０２２号公報
【特許文献３】特開２００５−２６１３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
上述した固体高分子電解質型燃料電池においては、冷却水と反応ガスの間にバブルプレッシャを越える差圧がかかると、反応ガスが冷却水中に漏れてしまう。特に、燃料極側のセパレータを燃料ガスが透過し、水系に水素を含む可燃ガスが混入することが問題であった。すなわち、可燃ガスが水系を通って燃料電池スタック外に排出されてしまうと、安全に運転することの妨げとなる可能性がある。
【００１３】
本発明は上述した課題を解決するためになされたものであり、安価な材料を適用しても安全な運転が可能な固体高分子電解質型燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的を達成するために、本発明は、複数の膜・電極接合体および複数の多孔質セパレータを相互に積層してなる固体高分子電解質型燃料電池において、前記膜・電極接合体それぞれは、高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜の第１の面に隣接して配置された燃料極触媒層およびこの燃料極触媒層に隣接して配置された燃料極ガス拡散層を含む燃料極と、前記高分子電解質膜の第２の面に隣接して配置された酸化剤極触媒層およびこの酸化剤極触媒層に隣接して配置された酸化剤極ガス拡散層を含む酸化剤極と、を有し、前記多孔質セパレータそれぞれは、前記燃料極の外側に隣接する燃料ガス流路溝を有しその背面には水を流通する水流路を有する多孔質の燃料極セパレータと、前記酸化剤極の外側に隣接する酸化剤ガス流路溝を有しその背面には水を流通する水流路を有する多孔質の酸化剤極セパレータと、を有し、前記燃料極セパレータの両面に差圧をかけた場合にガスのシール機能を保つことのできる圧力の限界値である第１バブルプレッシャが、前記酸化剤極セパレータの両面に差圧をかけた場合の前記圧力の限界値である第２バブルプレッシャよりも高く設定されていること、を特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
この発明によれば、安価な材料を適用しても安全な運転が可能な固体高分子電解質型燃料電池を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明に係る固体高分子電解質型燃料電池の実施形態について、図面を参照して説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には共通の符号を付して、重複説明は省略する。
【００１７】
初めに、図１を参照して本発明に係る固体高分子電解質型燃料電池の第１の実施形態を説明する。図１は、第１の実施形態の単位電池の断面図である。この単位電池複数が図１の左右方向に積層されて積層体としての固体高分子電解質型燃料電池が構成される。
【００１８】
図１に示すように、燃料極６０と酸化剤極６１にはさまれて高分子電解質膜１１が配置されている。高分子電解質膜１１は、プロトン伝導体としての機能を有するとともに、燃料極６０と酸化剤極６１の気体を分離する機能を有する。燃料極６０、酸化剤極６１および高分子電解質膜１１は一体に形成されて膜・電極接合体（ＭＥＡ）１０と呼ばれる。燃料極６０および酸化剤極６１はそれぞれ、高分子電解質膜１１に隣接する触媒層１２と、触媒層１２の外側の電極基材（ガス拡散層）１３と、触媒層１２と電極基材（ガス拡散層）１３の間に形成された中間層１４とからなっていて、ガス拡散層１３上に触媒および電解質からなる触媒層を塗布して形成される。
【００１９】
燃料極６０の外側に隣接して多孔質材料の燃料極セパレータ３０が配置されている。燃料極セパレータ３０には燃料ガス流路溝６２が形成され、この燃料ガス流路溝６２は燃料極６０の電極基材１３に隣接するように配置されている。
【００２０】
同様に、酸化剤極６１の外側に隣接して多孔質材料の酸化剤極セパレータ４０が配置されている。酸化剤極セパレータ４０には酸化剤ガス流路溝６４が形成され、この酸化剤ガス流路溝６４は酸化剤極６１の電極基材１３に隣接するように配置されている。
【００２１】
燃料極セパレータ３０および酸化剤極セパレータ４０の外側に水セパレータ５０が配置されている。水セパレータ５０には水流路溝２２が形成され、水流路溝２２はそれぞれ、燃料極セパレータ３０および酸化剤極セパレータ４０に隣接して配置されている。
【００２２】
この実施形態では、燃料極６０および燃料極セパレータ３０の形状および寸法はそれぞれ、酸化剤極６１および酸化剤極セパレータ４０の形状および寸法と共通であり、高分子電解質膜１１の中心面を対称面として面対称の形状になっている。ただし、本実施形態では、燃料極セパレータ３０のバブルプレッシャは、酸化剤極セパレータ４０のバブルプレッシャに比べて高くなっている。たとえば、燃料セパレータ３０の気孔率を低くする、すなわち、かさ密度を高くすることによってバブルプレッシャを高くすることができる。あるいは気孔率が同じであっても、平均気孔径を小さくすることによって、同様の効果が得られる。
【００２３】
気孔径および気孔率は一般に水銀ポロシメトリーで測定する。この測定法は、多孔質体の気孔中に水銀を圧入していった時の圧入された水銀の体積を測定する。円筒形の気孔を仮定すると、圧力から気孔径を算出することができる。ある圧力における水銀の体積は、すなわちその圧力に対応する気孔径の体積に他ならない。このように多孔質体の持つ気孔径と気孔体積を求めることができる。気孔体積の総和から、多孔質体の体積における気孔体積の割合すなわち気孔率が求められる。
【００２４】
固体高分子電解質型燃料電池内では、燃料極６０から酸化剤極６１へのプロトンの移動に伴って、水も燃料極６０から酸化剤極６１へと移動する。多孔質セパレータを適用した場合において、燃料極６０へは燃料極セパレータ３０を通して水が供給される。このとき燃料極セパレータ３０の含水量が減少すると、バブルプレッシャが弱くなり、燃料ガスが水系へと透過し易い状態になる。
【００２５】
一方で、酸化剤極６１では電池反応によって水が生成され、余剰な水は多孔質セパレータへと流れ込む。したがって、酸化剤極セパレータ４０では含水量が多い状態を保つことができるため、高いバブルプレッシャを有するセパレータを適用する必要がない。むしろ、バブルプレッシャが低く水の透過性の高いセパレータを酸化剤極セパレータ４０に適用することで、生成水を効率的に除去し、酸化剤ガスの触媒層への拡散を良好に保つことで、燃料電池の性能を高くすることができる。すなわち、本実施形態を適用することによって、酸化剤極６１側のガス拡散阻害を防止し、かつ燃料ガスの水流路への透過を防止することが可能である。
【００２６】
汎用品では３０ｋＰａ程度のバブルプレッシャを、材料の気孔率および気孔径を適正化することで５０ｋＰａまで改善することができる。適正化されたセパレータを燃料極に適用し、汎用品を酸化剤極に適用することで、コストも安く抑えることが可能になる。
【００２７】
次に、図２を参照して、本発明に係る固体高分子電解質型燃料電池の第２の実施形態を説明する。図２は、第２の実施形態の単位電池の断面図である。この実施形態は第１の実施形態の変形例であって、第１の実施形態と違って水セパレータはなく、酸化剤極セパレータ４０の裏面に冷却水の流通する水流路溝２２が形成されている。冷却水は酸化剤極セパレータ４０の水流路溝２２を通して、膜・電極接合体１０に供給される。
【００２８】
燃料電池スタックは、図２に示される単位電池を複数枚積層して形成される。このとき酸化剤極セパレータ４０の隣（図２では右隣）には、次の単位電池の燃料極セパレータ３０が配置される。したがって、水流路溝２２を流れる冷却水は、燃料極セパレータ３０を通して次の膜・電極接合体にも供給される。
【００２９】
燃料極セパレータ３０の気孔率を酸化剤極セパレータ４０の気孔率よりも低くすることなどによって燃料極セパレータ３０のバブルプレッシャを酸化剤極セパレータ４０のバブルプレッシャよりも高くすることは第１の実施形態と同様である。
【００３０】
この第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様に、安価な材料を適用しつつ、可燃ガスである水素を含む燃料ガスが水流路に混入することが防止できるので、燃料電池をより安全に運転することができる。
【００３１】
次に、図３を参照して、本発明に係る固体高分子電解質型燃料電池の第３の実施形態を説明する。図３は、第３の実施形態の単位電池の断面図である。この実施形態は第２の実施形態の変形例であって、酸化剤極セパレータ４０の裏面に水流路溝２２を形成する代わりに、燃料極セパレータ３０の裏面に水流路溝２２を形成している。このとき燃料極セパレータ３０の隣（図３では左隣）には、次の単位電池の酸化剤極セパレータ４０が配置される。したがって、水流路溝２２を流れる冷却水は、酸化剤極セパレータ４０を通して次の膜・電極接合体にも供給される。
【００３２】
燃料極セパレータ３０と酸化剤極セパレータ４０のバブルプレッシャの関係は第２の実施形態と同様である。
【００３３】
この第３の実施形態によれば、第２の実施形態と同様に、安価な材料を適用しつつ、可燃ガスである水素を含む燃料ガスが水流路に混入することが防止できるので、燃料電池をより安全に運転することができる。
【００３４】
次に、図４を参照して、本発明に係る固体高分子電解質型燃料電池の第４の実施形態を説明する。図４は、第４の実施形態の単位電池の断面図である。この実施形態は第１の実施形態の変形例である。
【００３５】
この第４の実施形態では、第１の実施形態と同様に、燃料極セパレータ３０および酸化剤極セパレータ４０の外側に水セパレータ５０が配置され、水セパレータ５０には水流路溝２２が形成され、水流路溝２２はそれぞれ、燃料極セパレータ３０および酸化剤極セパレータ４０に隣接して配置されている。
【００３６】
第１の実施形態では、燃料極６０および燃料極セパレータ３０の形状および寸法はそれぞれ、酸化剤極６１および酸化剤極セパレータ４０の形状および寸法と共通であり、高分子電解質膜１１の中心面を対称面として面対称の形状になっている。そして、燃料極セパレータ３０のかさ密度を酸化剤極セパレータ４０のかさ密度よりも高くことするなどにより、燃料極セパレータ３０のバブルプレッシャが、酸化剤極セパレータ４０のバブルプレッシャに比べて高くなっている。
【００３７】
これに対して第４の実施形態では、燃料極セパレータ３０と酸化剤極セパレータ４０寸法が異なり、非対称形状となっている。すなわち、燃料極セパレータ底部厚さＬ３ｆが酸化剤極セパレータ底部厚さＬ３ｏよりも大きくなっている。ここで、燃料極セパレータ３０の厚さをＬ１ｆ、燃料ガス流路溝６２の深さをＬ２ｆとするとき、Ｌ３ｆ＝Ｌ１ｆ−Ｌ２ｆと表わされる。同様に、酸化剤極セパレータ４０の厚さをＬ１ｏ、酸化剤ガス流路溝６４の深さをＬ２ｏとするとき、Ｌ３ｏ＝Ｌ１ｏ−Ｌ２ｏと表わされる。
【００３８】
燃料極セパレータ３０または酸化剤極セパレータ４０の厚さを厚くすると、そのセパレータのシール距離が長くなりシール性能が向上し、バブルプレッシャを高くする効果が得られる。セパレータ３０、４０はガス流路溝６２、６４を有しており、ガス流路溝６２、６４の底部でシール距離が短いために、シール性能に影響する。したがって、セパレータ厚さＬ１ｆ、Ｌ１ｏからガス流路溝深さＬ２ｆ、Ｌ２ｏを引いた残りのセパレータ底部厚さＬ３ｆ、Ｌ３ｏに注目する必要がある。
【００３９】
この実施形態では、燃料極セパレータ３０と酸化剤極セパレータ４０のかさ密度および平均気孔率が同じであっても、燃料極セパレータ３０のバブルプレッシャを、酸化剤極セパレータ４０のバブルプレッシャに比べて高くすることができる。ただし、燃料極セパレータ３０のかさ密度を酸化剤極セパレータ４０のかさ密度よりも高くこと、または、燃料極セパレータ３０の気孔率を酸化剤極セパレータ４０の気孔率よりも低くすることなどを組み合わせてもよいのはいうまでもない。
【００４０】
次に、図５を参照して、本発明に係る固体高分子電解質型燃料電池の第５の実施形態を説明する。図５は、第５の実施形態の単位電池の断面図である。この実施形態は第２の実施形態の変形例であって、かつ第４の実施形態の変形例でもある。すなわち、この第５の実施形態では、第２の実施形態と同様に、水セパレータはなく、酸化剤極セパレータ４０の裏面に冷却水の流通する水流路溝２２が形成されている。
【００４１】
冷却水は酸化剤極セパレータ４０の水流路溝２２を通して、膜・電極接合体１０に供給される。ただし、第４の実施形態と同様に、燃料極セパレータ底部厚さＬ３ｆが酸化剤極セパレータ底部厚さＬ３ｏよりも大きくなっている。ただしこの第５の実施形態では、酸化剤極セパレータ底部厚さＬ３ｏは、酸化剤ガス流路溝６４の底部と水流路溝２２の底部との間の酸化剤極セパレータ４０の最も薄い部分の厚さとして定義される。
【００４２】
次に、図６を参照して、本発明に係る固体高分子電解質型燃料電池の第６の実施形態を説明する。図６は、第６の実施形態の単位電池の断面図である。この実施形態は第３の実施形態の変形例であって、かつ第５の実施形態の変形例でもある。すなわち、この第６の実施形態では、第３の実施形態と同様に、水セパレータはなく、燃料極セパレータ３０の裏面に水流路溝２２を形成している。
【００４３】
冷却水は燃料極セパレータ３０の水流路溝２２を通して、膜・電極接合体１０に供給される。ただし、第５の実施形態と同様に、燃料極セパレータ底部厚さＬ３ｆが酸化剤極セパレータ底部厚さＬ３ｏよりも大きくなっている。ただしこの第６の実施形態では、燃料極セパレータ底部厚さＬ３ｆは、燃料ガス流路溝６２の底部と水流路溝２２の底部との間の燃料極セパレータ３０の最も薄い部分の厚さとして定義される。
【００４４】
図７に上記各実施形態の効果を示す。図は燃料極セパレータに適用するバブルプレッシャの違いによる、水系へのガス混入量を比較したものである。図に示したとおり、燃料極セパレータのバブルプレッシャを上げることによって、ガスの混入量を低減することができる。
【００４５】
以上、種々の実施形態について説明したが、これらは単なる例示であって、この発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。また、各実施形態の特徴部分を組み合わせることも可能である。たとえば、第１〜第３の実施形態におけるかさ密度や気孔率の関係と第４〜第６の実施形態におけるセパレータ底部厚さの関係とを両方とも満足する構成としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明に係る固体高分子電解質型燃料電池の第１の実施形態の単位電池の断面図。
【図２】本発明に係る固体高分子電解質型燃料電池の第２の実施形態の単位電池の断面図。
【図３】本発明に係る固体高分子電解質型燃料電池の第３の実施形態の単位電池の断面図。
【図４】本発明に係る固体高分子電解質型燃料電池の第４の実施形態の単位電池の断面図。
【図５】本発明に係る固体高分子電解質型燃料電池の第５の実施形態の単位電池の断面図。
【図６】本発明に係る固体高分子電解質型燃料電池の第６の実施形態の単位電池の断面図。
【図７】本発明に係る固体高分子電解質型燃料電池における燃料極セパレータのバブルプレッシャと水系へのガス混入量の関係を示すグラフ。
【符号の説明】
【００４７】
１０…膜・電極接合体（ＭＥＡ）
１１…高分子電解質膜
１２…触媒層
１３…電極基材（ガス拡散層）
１４…中間層
２２…水流路溝（水流路）
３０…燃料極セパレータ
４０…酸化剤極セパレータ
５０…水セパレータ
６０…燃料極
６１…酸化剤極
６２…燃料ガス流路溝
６４…酸化剤ガス流路溝
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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