【手続補正書】
【提出日】平成20年2月22日(2008.2.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【書類名】      明細書
【発明の名称】  高分子電解質型燃料電池
【特許請求の範囲】
【請求項１】  高分子電解質膜、前記高分子電解質膜を挟むアノードおよびカソード、前記アノードに燃料ガスを供給するガス流路を有するアノード側導電性セパレータ板、前記カソードに酸化剤ガスを供給するガス流路を有するカソード側導電性セパレータ板、前記アノード側導電性セパレータ板を冷却する冷却媒体の流路を有するアノード側冷却板、および前記カソード側導電性セパレータ板を冷却する冷却媒体の流路を有するカソード側冷却板を具備し、前記カソード側冷却板の冷却媒体の流路から前記カソード側導電性セパレータ板の外側の面までの距離が、前記アノード側冷却板の冷却媒体の流路から前記アノード側導電性セパレータ板の外側の面までの距離よりも小さいことを特徴とする高分子電解質型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高分子電解質を用いた高分子電解質型燃料電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
高分子電解質型燃料電池は、水素などの燃料ガスと空気などの酸化剤ガスを白金などの触媒層の触媒作用によって電気化学的に反応させ、これにより電気と熱とを同時に発生させるものである。このような燃料電池の一般的な構成を従来例として図３に示した。
【０００３】
図３において水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜１１の両面には白金系の金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とするアノード側触媒層１２ａおよびカソード側触媒層１２ｂが密着して配置されている。さらに各触媒層１２ａおよび１２ｂの外側には、それぞれガス透過のための気孔を有する導電性の拡散層１３ａおよび１３ｂが密着して配置されている。これら拡散層１３ａ、１３ｂと触媒層１２ａ、１２ｂによりアノード１４ａおよびカソード１４ｂが構成されている。電解質膜１１の両面にアノード１４ａおよびカソード１４ｂを重ねた状態でガスケット２３が高分子電解質膜１１の周縁部の両面に接着され、電解質膜−電極接合体（ＭＥＡ）が形成されている。各拡散層１３ａおよび１３ｂの外側には、それぞれアノード側導電性セパレータ板１７ａおよびカソード側導電性セパレータ板１７ｂが配置されている。これら導電性セパレータ板１７ａおよび１７ｂはＭＥＡを機械的に固定するとともに、隣接するＭＥＡと電気的に導通し、さらにアノード１４ａおよびカソード１４ｂに反応ガスを供給し、かつ反応により発生した水や余剰のガスを運び去るためのもので、電極側の面にはそれぞれアノード側ガス流路１６ａおよびカソード側ガス流路１６ｂが形成されている。
【０００４】
各導電性セパレータ板１７ａおよび１７ｂのそれぞれの外側には、電池反応により発生した熱を外部に除去し安定した運転を継続する目的で、冷却媒体の流路１８を有する冷却板１９が配置されている。図中の破線は冷却板１９の中心面を示し、これを中心にして冷却媒体の流路１８が形成されている。このような燃料電池においては、水素イオンがアノード１４ａよりカソード１４ｂに向かって電解質膜１１中を移動する際に水素イオンの移動に随伴して水分子が運ばれるため、カソード１４ｂの拡散層１３ｂ近傍では多量の水分が蓄積する。この水分がセパレータ板１７ｂのガス流路１６ｂを流通するガスによって、適度に外部に排出されることにより、燃料電池の安定な作動が可能となる。
【０００５】
上記のように燃料電池の安定な作動は、カソードにおける水の蓄積と排水という水分バランスによって左右され、このバランスが崩れた場合、以下の問題が発生する。第１の問題として、特に高い電流密度で燃料電池を作動させたとき、電池反応によって多量の水が生成し、カソードの拡散層近傍に多量の水が蓄積される。そのため、拡散層からの排水が追いつかず、拡散層の気孔が水で閉塞され、酸化剤ガスの供給不足により電池電圧が低下する。また、第２の問題として、特に低い電流密度で燃料電池を作動させたとき、カソードの拡散層からの水分の排水が優勢となり、水分不足によりカソード側から電解質膜の乾燥を引き起こす。
高分子電解質膜の乾燥は水素イオンの導電性を低下させ、電池電圧を低下させるという致命的な問題を引き起こす。第１の問題に対しては、例えば、特開平１１−９７０４１号公報に開示されているように、セパレータ板のガス流路の表面に撥水処理を施し、カソードからの排水を促進することなどで対策は可能である。しかし、第２の問題については有効な対策が無いのが現状である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記の問題を解決し、特に低電流密度域で安定作動が可能な高分子電解質型燃料電池を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の高分子電解質型燃料電池は、高分子電解質膜、前記高分子電解質膜を挟むアノードおよびカソード、前記アノードに燃料ガスを供給するガス流路を有するアノード側導電性セパレータ板、前記カソードに酸化剤ガスを供給するガス流路を有するカソード側導電性セパレータ板、前記アノード側導電性セパレータ板を冷却する冷却媒体の流路を有するアノード側冷却板、および前記カソード側導電性セパレータ板を冷却する冷却媒体の流路を有するカソード側冷却板を具備し、カソード側冷却板の冷却媒体の流路からカソード側導電性セパレータ板の外側の面までの距離を、アノード側冷却板の冷却媒体の流路からアノード側導電性セパレータ板の外側の面までの距離よりも小さいことを特徴とするものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態及び参考の形態の例を図１〜図２により説明する。
【０００９】
《参考の形態１》
図１は燃料電池の参考の形態の一例を示す概略の縦断面図である。電解質膜１１の両面に、触媒層１２ａおよび１２ｂを密着させて配置する。さらに各触媒層１２ａおよび１２ｂの外面のそれぞれに、拡散層１３ａおよび１３ｂを密着させて配置する。次いで、これらとガスケット２３を一体化してＭＥＡを構成する。各拡散層１３ａおよび１３ｂのそれぞれの外側に、アノード側導電性セパレータ板１７ａおよびカソード側導電性セパレータ板１７ｂを配置する。以上の構成は、図３の従来例の燃料電池の構成と全く同じである。各導電性セパレータ板１７ａおよび１７ｂの外側には、それぞれアノード側冷却板１９ａおよびカソード側冷却板１９ｂを配置する。カソード側冷却板１９ｂの冷却媒体の流路１８ｂの断面積は、アノード側冷却板１９ａの冷却媒体の流路１８ａの断面積よりも大きくする。上記のように作製した燃料電池の単電池を複数個積層することにより、複数の単電池が直列に接続された燃料電池スタックを構成することもできる。
【００１０】
《実施の形態１》
図２は本発明の燃料電池の実施の形態を示す概略の縦断面図である。
ＭＥＡを構成し、各導電性セパレータ板１７ａおよび１７ｂを配置するまでの工程は、参考の形態１と全く同じである。各導電性セパレータ板１７ａおよび１７ｂのそれぞれの外側には、アノード側冷却板２１ａおよびカソード側冷却板２１ｂを配置する。冷却板２１ａおよび２１ｂのそれぞれの冷却媒体の流路２２ａおよび２２ｂを、冷却板２１ａおよび２１ｂのそれぞれの中心面（図２の破線の面）から偏在した位置に設ける。これにより、カソード側冷却板２１ｂの冷却媒体の流路２２ｂからカソード側導電性セパレータ板１７ｂの外側の面までの距離（Ｄ２）が、アノード側冷却板２１ａの冷却媒体の流路２２ａからアノード側導電性セパレータ板１７ａの外側の面までの距離（Ｄ１）よりも小さくなる。上記のように作製された燃料電池の単電池を複数個積層することにより、複数の単電池が直列に接続された燃料電池スタックを構成することもできる。燃料電池スタックを構成する場合には、各単電池間に介在させる冷却板は、アノード側冷却板２１ａおよびカソード側冷却板２１ｂのうちの何れか一方のみを用いるのが合理的である。この方法により、上記何れか一方の冷却板が、当該単電池のアノード側の冷却板と隣接する単電池のカソード側の冷却板の役割を同時に果たし、かつ、Ｄ１＞Ｄ２の条件を満たす燃料電池スタックを作製することができる。
【００１１】
上記の参考の形態１および実施の形態１に例示したような方法により、カソード側冷却板の冷却効率がアノード側冷却板の冷却効率よりも高い燃料電池を構成することができる。これらの燃料電池では、カソード側導電性セパレータ板のガス流路の相対湿度が高まるためにカソード側拡散層からの水分の除去が抑制され、電解質膜の乾燥に起因する水素イオン導電性の低下が抑えられる。これにより、低電流密度でも安定して連続作動する燃料電池を供給することができる。
【００１２】
【実施例】
以下、本発明を実施例により具体的に説明する。
【００１３】
《参考例１》
図１に示した構成の燃料電池の単電池を作製した。
アノード１４ａおよびカソード１４ｂは下記のように作製した。粒径３μｍ以下のカーボン粉末を塩化白金酸水溶液に浸漬し、還元処理によりカーボン粉末の表面に白金触媒を担持させた。カーボンと担持させた白金の重量比は１：１とした。次いで、この触媒担持カーボン粉末を高分子電解質パーフルオロスルホン酸イオノマーのエタノール溶液（旭硝子（株）製のフレミオン）に分散させ、スラリー化した。拡散層１３ａおよび１３ｂとして気孔率７５％、厚み３６０μｍ、長さ２０ｃｍ、幅１０ｃｍのカーボンペーパを用い、それらの片面にそれぞれ前記の触媒担持カーボン粉末を含むスラリーを均一に塗布して触媒層１２ａおよび１２ｂを形成した。
【００１４】
次いで、上記のように作製したアノード１４ａおよびカソード１４ｂを、これらより一回り外寸の大きい厚み高分子電解質膜（デュポン社製ナフィオン１１２膜）１１の両面に、それぞれの触媒層側の面が電解質膜１１と向き合ように重ね合わせ、さらに厚み２５０μｍのシリコンゴム製ガスケット２３を電解質膜１１の両面の周縁部に位置合わせした後、１３０℃、５分間ホットプレスし、ＭＥＡを構成した。各導電性セパレータ板１７ａおよび１７ｂの各拡散層１３ａおよび１３ｂと接する側には、それぞれ幅２ｍｍ、深さ１ｍｍのガス流路１６ａおよび１６ｂを切削加工により形成した。カソード側冷却板１９ｂは、冷却媒体の流路１８ｂを形成するための幅２ｍｍ、深さ１ｍｍの溝を切削加工した厚さ５ｍｍの冷却板２枚を前記溝が向き合うように接合して作製した。また、アノード側冷却板１９ａは、同様に冷却媒体の流路１８ａを形成するための幅２ｍｍ、深さ０．１５ｍｍの溝を形成した厚さ５ｍｍの冷却板２枚を接合して作製した。導電性セパレータ板１７ａおよび１７ｂの材料にはカーボン板を用いた。また、冷却板１９ａおよび１９ｂの材料には同じくカーボン板を用い、フェノール樹脂により接合した。
【００１５】
上記のように作製した燃料電池の単電池について、アノード側に燃料ガスとして水素を、カソード側に酸化剤ガスとして空気をそれぞれ供給し、水素利用率７０％、酸素利用率４０％の条件で連続作動させた。各冷却板の流路から冷却媒体として水を流通し、電流密度０．２Ａ／ｃｍ2で１０００時間以上にわたり作動させた結果、作動電圧が低下することなく初期値０．７５Ｖを維持し、安定した特性を示した。これはカソード側にアノード側よりも大きな断面積の冷却媒体の流路を有する冷却板を用いることで、カソードの冷却効率が向上し、カソード側の拡散層からの水分の除去が抑制され、電解質膜の乾燥による水素イオン導電性の低下が抑えられたことによるものである。
【００１６】
《実施例１》
図２に示した構成の燃料電池の単電池を作製した。冷却板は、冷却媒体の流路を形成するための幅２ｍｍ、深さ０．５ｍｍの溝を設けた冷却板と溝を設けない冷却板とを接合して作製した。そして、カソード側冷却板２１ｂは、冷却媒体の流路２２ｂを形成するための溝を設けた冷却板をカドード側に配し、アノード側冷却板２１ａは、冷却媒体の流路２２ａを形成するための溝を設けた冷却板を外側に配した。こうしてカソード側には、冷却媒体の流路２２ｂがカソード１４ｂから近い方向に偏在するように、また、アノード側には、冷却媒体の流路２２ａがアソード１４ａから遠い方向に偏在するようにそれぞれ冷却板を配置した。上記以外は参考例１と同様にして単電池を作製した。
こうして作製した燃料電池の単電池について、参考例１の場合と同様にして連続作動試験を行った。その結果、１０００時間以上にわたり電圧が低下することなく初期値０．７５Ｖを維持し、安定した特性を示した。これはカソード側の冷却板に冷却媒体の流路の位置がカソード側に偏在したものを用いたことで、カソード側の冷却効率が向上し、カソード側の拡散層からの水分の除去が抑制され、電解質膜の乾燥による水素イオン導電性の低下が抑えられたことによるものである。
【００１７】
《参考例２》
参考例１と同様にして作製した燃料電池の単電池を１０個積層して直列に接続した燃料電池スタックを作製した。作製した燃料電池スタックについて、参考例１の場合と同様にして連続作動試験を行った。その結果、１０００時間以上にわたり電圧が低下することなく初期値７．５２Ｖを維持し、安定した特性を示した。これはカソード側にアノード側よりも大きな冷却媒体の流路を有する冷却板を用いることで、カソードの冷却効率が向上し、拡散層からの水分の除去が抑制され、電解質膜の乾燥による水素イオン導電性の低下が抑えられたことによるものである。
【００１８】
《実施例２》
実施例１と同様にして作製した燃料電池を最下端の単電池として用い、その上に、アノード側冷却板２１ａを用いない以外は実施例１と同様にして作製した単電池を９個積層して、１０個の単電池を直列に接続した燃料電池スタックを作製した。この場合、各単電池の冷却板２１ｂは燃料電池スタック内において、当該単電池のカソード側の冷却板と隣接単電池のアノード側の冷却板の双方の役割を兼ねている。さらに、各単電池のカソード側の冷却媒体の流路２２ｂは冷却板２１ｂの中心面からカソード側に偏在しているので、カソード側導電性セパレータの外側の面からカソード側の冷却媒体の流路までの距離（Ｄ２）は、アノード側導電性セパレータの外側の面からアノード側の冷却媒体の流路からの距離（Ｄ１）よりも小さい関係が保たれている。
作製した燃料電池スタックについて、参考例１の場合と同様にして連続作動試験を行った。その結果、１０００時間以上にわたり電圧が低下することなく初期値７．５Ｖを維持し、安定した特性を示した。これはカソード側に冷却媒体の流路の位置がカソード側に偏在した冷却板を用いたことで、カソードの冷却効率が向上し、拡散層からの水分の除去が抑制され、電解質膜の乾燥による水素イオン導電性の低下が抑えられたことによるものである。
【００１９】
《比較例１》
カソード側とアノード側のいずれも冷却板にも、図１の１９ａと同じ冷却板を用いた以外は、参考例１と同様にして燃料電池の単電池を作製した。作製した単電池について、参考例１の場合と同様にして連続作動試験を行った。その結果、電池電圧が経時的に低下し、１０００時間後には初期値０．７５Ｖから９００ｍｖの電圧低下が起こり作動は不安定なものであった。これはカソード側の拡散層からの水分の排水が促進され、電解質膜の乾燥によって水素イオン導電性が経時的に低下したためである。
【００２０】
《比較例２》
比較例１と同様にして作製した燃料電池の単電池を１０個積層して直列に接続した燃料電池スタックを作製した。作製した燃料電池スタックについて、参考例１の場合と同様にして連続作動試験を行った。その結果、電池電圧が経時的に低下し、１０００時間後には初期値７．５Ｖから６．５Ｖへの電圧低下が起こり作動は不安定なものであった。これはカソード側の拡散層からの水分の排水が促進され、電解質膜の乾燥によって水素イオン導電性が経時的に低下したためである。
【００２１】
【発明の効果】
本発明により、低電流密度での連続作動においても安定した特性を示す高分子電解質型燃料電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
参考の形態１の高分子電解質型燃料電池の縦断面図である。
【図２】
本発明の実施の形態１の高分子電解質型燃料電池の縦断面図である。
【図３】
従来の高分子電解質型燃料電池の縦断面図である。
【符号の説明】
１１  高分子電解質膜
１２ａ、１２ｂ  触媒層
１３ａ、１３ｂ  拡散層
１４ａ  アノード
１４ｂ  カソード
１６ａ、１６ｂ  ガス流路
１７ａ、１７ｂ  導電性セパレータ板
１８、１８ａ、２２ａ、１８ｂ、２２ｂ  冷却媒体の流路
１９、１９ａ、２１ａ、１９ｂ、２１ｂ  冷却板
２３  ガスケット