(57)【要約】【課題】低加湿状態の反応ガスを用いても電力を発生可能な燃料電池を提供する。【解決手段】電解質膜１１ａの表裏両面側に設けられ、リブ１３ａの間に反応ガスの流れるガス流路１３ｂが形成されたセパレータ１３と、電解質膜１１ａに形成され、セパレータ１３のリブが重なる領域とガス流路１３ｂが重なる領域とで、触媒の反応表面積が異なる触媒層１１ｂと、を有する。【選択図】図１
2009187877.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の表裏両面側に設けられ、リブの間に反応ガスの流れるガス流路が形成されたセパレータと、
前記電解質膜に形成され、前記セパレータのリブが重なる領域とガス流路が重なる領域とで、触媒の反応表面積が異なる触媒層と、
を有する燃料電池。
【請求項２】
前記触媒層は、前記ガス流路を流れる反応ガスが未飽和状態の領域で、そのガス流路が重なる領域の触媒の反応表面積よりも前記リブが重なる領域の触媒の反応表面積が大きい、
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記触媒層は、反応ガスの入口側で、前記ガス流路が重なる領域の触媒の反応表面積よりも、前記リブが重なる領域の触媒の反応表面積が大きい、
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記触媒層は、反応ガスの入口側ほど、前記ガス流路が重なる領域の触媒の反応表面積よりも、前記リブが重なる領域の触媒の反応表面積が大きくなる、
ことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記触媒層は、ガス流路に直交する断面であって、ガス流路を流れる反応ガスが未飽和状態である断面で見たときに、そのガス流路に隣設するガス流路に重なる触媒の反応表面積よりも、その隣設ガス流路を形成するリブに重なる領域の触媒の反応表面積が大きい、
ことを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記触媒層は、前記ガス流路を流れる反応ガスが飽和状態の領域で、そのガス流路が重なる領域の触媒の反応表面積よりも、前記リブが重なる領域の触媒の反応表面積が小さい、
ことを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記触媒層は、反応ガスの出口側で、前記ガス流路が重なる領域の触媒の反応表面積よりも、前記リブが重なる領域の触媒の反応表面積が小さい、
ことを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項８】
前記触媒層は、反応ガスの出口側ほど、前記ガス流路が重なる領域の触媒の反応表面積よりも、前記リブが重なる領域の触媒の反応表面積が小さくなる、
ことを特徴とする請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項９】
前記触媒層は、ガス流路に直交する断面であって、ガス流路を流れる反応ガスが飽和状態である断面で見たときに、そのガス流路に隣設するガス流路に重なる触媒の反応表面積よりも、その隣設ガス流路を形成するリブに重なる領域の触媒の反応表面積が小さい、
ことを特徴とする請求項１から請求項８までのいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項１０】
前記触媒層は、触媒貴金属量によって触媒の反応表面積の大小を調整する、
ことを特徴とする請求項１から請求項９までのいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項１１】
前記触媒層は、触媒貴金属の粒径によって触媒の反応表面積の大小を調整する、
ことを特徴とする請求項１から請求項９までのいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項１２】
前記触媒層は、触媒の電解質／カーボン比(ＩＣ比)によって触媒の反応表面積の大小を調整する、
ことを特徴とする請求項１から請求項９までのいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項１３】
前記触媒層は、カソード極の触媒層である、
ことを特徴とする請求項１から請求項１２までのいずれか１項に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
リブ間にガス流路を形成したセパレータの間に電解質膜を配置するとともに、電解質膜上のガス流路部分に触媒層を形成した燃料電池セルが知られている(特許文献１参照)。
【特許文献１】特開２００３−６８３２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、電解質膜は発電時のプロトン移動を促進するために湿潤状態である。そこで従来は、反応ガスを十分に加湿して供給できるように、大形の加湿機構を必要としておりシステムが大形化してしまっていた。そこで本件発明者らは、低加湿状態の反応ガスによって十分な発電量を得られる燃料電池の開発を進めている。そこで以下の知見を得た。
【０００４】
すなわち低加湿状態の反応ガスによって発電しようとすると、電解質膜の湿潤度が下がり、電解質膜のプロトン伝導度が下がる。するとプロトンが移動する際の抵抗が増し、抵抗過電圧が上昇し発熱量が増大して電解質膜の温度が上昇する。すると電解質膜の湿潤度がさらに下がり、・・・・・、というサイクルに陥ってしまい、ドライアウト状態になってしまって発電できなくなる。
【０００５】
本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、低加湿状態の反応ガスを用いても電力を発生可能な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】
【０００６】
本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために本発明の実施形態に対応する符号を付するが、これに限定されるものではない。
【０００７】
本発明は、電解質膜(１１ａ)の表裏両面側に設けられ、リブ(１３ａ)の間に反応ガスの流れるガス流路(１３ｂ)が形成されたセパレータ(１３)と、前記電解質膜(１１ａ)に形成され、前記セパレータ(１３)のリブが重なる領域とガス流路(１３ｂ)が重なる領域とで、触媒の反応表面積が異なる触媒層(１１ｂ)と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、セパレータのリブが重なる領域とガス流路が重なる領域とで、触媒の反応表面積が異なるように触媒層を形成したので、低加湿の反応ガスを供給しても、発電部位から熱が逃げやすくなり、温度上昇を抑制できる。また発電部位から水蒸気が逃げにくくなり、加湿量が確保されプロトン伝導度が増加する。このため低加湿環境下においても高電流密度まで発電することができ、高出力を確保することができるのである。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下では図面等を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。
（第１実施形態）
はじめに本発明の理解を容易にするために基本的な技術思想について説明する。
【００１０】
上述のように、本件発明者らは、低加湿状態の反応ガスによって十分な発電量を得られる燃料電池の開発を進めている。
【００１１】
燃料電池の電解質膜では以下の反応が生じる。
アノード極：２Ｈ2→４Ｈ+＋４ｅ-
カソード極：Ｏ2＋４Ｈ+＋４ｅ-→Ｈ2Ｏ
電解質膜が乾燥しているとプロトンＨ+の伝導度が下がる。すなわち低加湿状態の反応ガスによって発電しようとすると、電解質膜の湿潤度が下がり、電解質膜のプロトン伝導度が下がる。するとプロトンが移動する際の抵抗が増し、抵抗過電圧が上昇し発熱量が増大して電解質膜の温度が上昇する。すると電解質膜の乾燥が進んで湿潤度がさらに下がり、・・・・、というサイクルに陥ってしまい、ドライアウト状態になってしまって発電できなくなる、ということを知見した。
【００１２】
本件発明者らは、この現象についてさらに研究を進め、特にガス流路において電解質膜の温度が上昇することを突き止め、このようになるのは、リブが当接する部分では熱がリブに伝導して放熱されるが、ガス流路部分では熱が逃げにくいためであると考えた。そこで本件発明者らは、特にリブ下で電解質膜を発電させるべく、触媒層の触媒の反応表面積を調整することに着想したのである。そのような技術思想を実現する具体的な構造について以下に説明する。
【００１３】
図１は、本発明による燃料電池の第１実施形態の構造を示す図であり、図１(Ａ)は断面図、図１(Ｂ)は図１(Ａ)の一部拡大図、図１(Ｃ)(Ｄ)は触媒層の反応領域の構造のモデル図である。
【００１４】
図１(Ａ)に示すように、燃料電池は、複数の発電セル１０を積層する構造である。
【００１５】
発電セル１０は、燃料電池の単位セルである。各発電セル１０は、１ボルト(Ｖ)程度の起電圧を生じる。発電セル１０は、膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly；ＭＥＡ)１１の表裏面にガス拡散層(Gas Diffusion Layer；ＧＤＬ)１２を介してカソードセパレータ１３及びアノードセパレータ１４が積層された構造である。膜電極接合体(ＭＥＡ)１１は、厚さが数十μｍ程度である。ガス拡散層(ＧＤＬ)１２は、厚さが数百μｍ程度である。カソードセパレータ１３及びアノードセパレータ１４は、厚さが１ｍｍ程度である。
【００１６】
カソードセパレータ１３の膜電極接合体１１への対向面には、リブ１３ａの間に、カソードガスが流れるカソードガス流路１３ｂが形成される(図１(Ｂ)参照)。その反対面には、反応ガスを加湿する純水が流れる凹部１３ｃが形成される。カソードセパレータ１３は透水性の多孔質体である。
【００１７】
アノードセパレータ１４の膜電極接合体１１への対向面には、リブ１４ａの間に、アノードガスを供給するアノードガス流路１４ｂが形成される。その反対面には、反応ガスを加湿する純水が流れる凹部１４ｃが形成される。アノードセパレータ１４は透水性の多孔質体である。
【００１８】
図１(Ｂ)に示すように、膜電極接合体１１は、イオン交換膜からなる電解質膜１１ａの一方の面にカソード電極触媒層１１ｂが設けられ、もう一方の面にアノード電極触媒層１１ｃが設けられる。触媒層は厚さが数μｍ程度である。なお図１(Ｂ)では上面のみ図示した。下面は上面と対称のため省略した。また図１(Ｂ)では層構成がわかりやすくなるようにデフォルメしてある。
【００１９】
カソード電極触媒層１１ｂは、図１(Ｂ)に濃淡で表現したように、触媒の反応表面積が調整されている。カソードセパレータ１３のリブ１３ａが重なる領域では、触媒の反応表面積が大きく図中では濃着色してある。カソードセパレータ１３のカソードガス流路１３ｂが重なる領域では、触媒の反応表面積が小さく図中では淡着色してある。本実施形態では、触媒の反応表面積は、触媒量によって調整する。すなわちカソードセパレータ１３のリブ１３ａが重なる領域の触媒構造は、図１(Ｃ)に示すような構造であり、たとえばカーボンなどの触媒担体１１１、アイオノマなどの電解質成分１１２、白金などの触媒貴金属１１３などで構成される。アノードセパレータ１４のリブ１４ａが重なる領域の触媒構造は、図１(Ｄ)に示すような構造であり、触媒貴金属１１３の量が図１(Ｃ)に比べて少ない。触媒担持量が多いほど、反応に必要な触媒表面積が大きくなる。その結果、電解質、プロトン、電子、酸素、水蒸気が接触できる表面積を増やすことができる。
【００２０】
図２は、電解質膜の温度分布を示す図である。
【００２１】
電極触媒層の触媒の反応表面積を調整しない比較形態では、図２に一点鎖線で示したように、特に電解質膜の温度はセパレータの流路下で高くなり、リブ下で低くなっていた。電解質膜に温度が高い領域があると、上述のようなメカニズムにより電解質膜が乾燥するおそれがある。そのため比較形態では一点鎖線で示したような電流密度しか得ることができなかった。
【００２２】
しかしながら、本実施形態では、電極触媒層の触媒の反応表面積を、セパレータの当接部分に応じて調整した。具体的にはセパレータのリブに当接する領域では触媒の反応表面積を大きくし、セパレータの流路下となる領域では触媒の反応表面積を小さくしたのである。このようにすることで、図２に実線で示したように、セパレータ１３のリブ１３ａの当接部分において高電密まで発電できるが、ここの発熱はリブに伝導して放熱されるので高温にならない。そのため図２に実線で示したように、電解質膜は位置にかかわらず温度がほぼ均一化された。
【００２３】
また低加湿環境下においては、相対的に加湿量が少ないのでプロトン伝導度が低下していくものの、リブ下部位はガス流路までの拡散距離が遠いため発電反応で生じた生成水(水蒸気)がガス流路へ排出されにくい。そのためリブ下部位は、流路下に比べて加湿量が多い。したがってリブ下は流路下よりもプロトン伝導度がよく効率的に発電反応が可能になるのである。このように、熱が逃げやすい環境によって温度上昇を抑制できることや、水蒸気が逃げにくいために加湿量が確保されプロトン伝導度が増加することから、低加湿環境下においても高電流密度まで発電することができ、高出力を確保することができるのである。
【００２４】
（第２実施形態）
図３は、流路位置における燃料電池に供給された反応ガスの湿潤度合いを示す図である。
【００２５】
燃料電池に供給された反応ガスの湿潤度合いは、流路位置によっても相違する。すなわちガス入口から供給された反応ガスは、下流に流れて発電反応するにつれて生成された水分をも含有するようになるので、図中実線で示すようにガス出口側ほど湿潤度合いが大きくなる。またガス出口側ほど発電反応によってガス温度が上昇するので、図中一点鎖線で示すように飽和水蒸気量が大きくなるものの、実線の変化量の方が大きく、図中破線を境にして出口側では水分が飽和状態になり、余剰水が液化する。
【００２６】
したがってこのような飽和領域では、上記第１実施形態とは反対に、流路下の触媒表面積を大きくしておくことで、温度の上昇しやすい流路下での発電反応を促進するとよい。このようにすれば、電解質膜の余剰水分が発電反応に利用されやすくなる。
【００２７】
なお投入水量(単セルに供給する水蒸気量)、生成水量(単セル内での生成水量)、飽和水蒸気量は、以下のようにして求まる。
【００２８】
単位時間当たり(１秒当たり)の投入水量ｍw1[mol/sec]は、供給する乾燥ガス量ｍg[mol/sec]に水蒸気分圧Ｐw[kPa]を乗じて全体の圧力Ｐa[kPa]で除して次式(１)のように算出される。
【００２９】
【数１】
2009187877.tif 000003
単位時間当たり(１秒当たり)の生成水量ｍw2[mol/sec]は、負荷電流ＩL[C/sec]をファラデー定数Ｆ[C/mol]で除したものをさらにカソード、アノードの反応式から導き出される電流と生成水との等価係数である２で除して次式(２)のように算出される。なお負荷電流とは供給ガス入口側から、供給ガス流れ方向のある距離までの電解質膜の反応に有効な面積に流れる電流の積算値である。
【００３０】
【数２】
2009187877.tif 000004
単位時間当たり(１秒当たり)の飽和水蒸気量ｍw0[mol/sec]は、不図示の入口マニホールドの冷却水温を代表温度として求めた入口マニホールドの飽和水蒸気分圧Ｐw0[kPa]に基づいて次式(３)のように算出される。
【００３１】
【数３】
2009187877.tif 000005
これらの式に基づいて、図３の境界(破線)の位置が求まるのである。
【００３２】
以上のような知見に基づき、発明者らは流路位置にも応じて、触媒層の触媒の反応表面積を調整することに着想したのである。そのような技術思想を実現する具体的な構造について以下に説明する。
【００３３】
図４は、本発明による燃料電池の第２実施形態を説明する図であり、図４(Ａ)は触媒層の触媒の反応表面積の分布図、図４(Ｂ)はガス入口側の断面図、図４(Ｃ)はガス出口側の断面図である。
【００３４】
図４(Ｂ)に示すようにガス入口側では、第１実施形態と同様に、カソードセパレータ１３のリブ１３ａが重なる領域で、触媒の反応表面積を大きくした。またカソードセパレータ１３のカソードガス流路１３ｂが重なる領域で、触媒の反応表面積を小さくした。
【００３５】
これに対してガス出口側では、図４(Ｃ)に示すように、第１実施形態とは反対に、カソードセパレータ１３のリブ１３ａが重なる領域で、触媒の反応表面積を小さくした。またカソードセパレータ１３のカソードガス流路１３ｂが重なる領域で、触媒の反応表面積を大きくした。
【００３６】
そして図４(Ａ)に示すように、反応ガスの流れ方向に応じて触媒の反応表面積が徐々に変化するようにしたのである。なお図４(Ａ)の破線位置が図３の破線位置に対応する。
【００３７】
図５は、ガス出口側の電解質膜の温度分布を示す図である。
【００３８】
電極触媒層の触媒の反応表面積を調整しない比較形態では、図５に一点鎖線で示したように、セパレータの流路下でしか発電反応せず、リブ下では発電反応しなかった。また電解質膜の温度も低く飽和水が液化する可能性があった。
【００３９】
しかしながら、本実施形態では、反応ガスの流れ方向に応じて電極触媒層の触媒の反応表面積を調整するようにしたので、ガス出口付近においては、電解質膜の温度が全体的に高く水蒸気が液化する可能性が低く、セル内の液水量が全体的に少なくなる。また水蒸気は液体よりも速く拡散してガス流路へと排出されるので、相対的に流路下の酸素濃度が上昇し、発電性能が向上したのである。
【００４０】
なお未飽和領域／飽和領域は、各セルに流れるガスの配流ばらつきや、セルの長さ方向及び幅方向の温度分布、それに起因する発電分布などの影響を受けるので、厳密にはセルを構成する各流路ごとに相違する。したがって少なくとも供給ガスが生成水によって飽和しないガス流路に隣接した領域を少なくとも一部含む触媒層領域においては、リブ下の触媒反応面積を、流路下の触媒反応面積よりも大きくしておくとよい。このようにしておけば発電に有効利用できる部位がリブ下に多くなる。
【００４１】
（第３実施形態）
図６は、第３実施形態の流路位置における燃料電池に供給された反応ガスの湿潤度合いを示す図である。
【００４２】
ガス入口から出口にかけての流路長さ方向の温度分布が非常に大きい場合などは、図６に示すようにガス出口側でも投入水量及び生成水量の合計量が飽和水蒸気量に達せず、全体が未飽和領域となることもある。
【００４３】
図７は、本発明による燃料電池の第３実施形態の触媒層の触媒の反応表面積の分布を示す図である。
【００４４】
図６のような特性のときには、図７に示したように、ガス入口側では、カソードセパレータ１３のリブ１３ａが重なる領域で、触媒の反応表面積を大きくし、カソードセパレータ１３のカソードガス流路１３ｂが重なる領域で、触媒の反応表面積を小さくするとよい。そしてガス出口側に向けてカソードセパレータ１３のリブ１３ａが重なる領域で、触媒の反応表面積を徐々に小さくしていくとよい。
【００４５】
（第４実施形態）
図８は、第４実施形態の流路位置における燃料電池に供給された反応ガスの湿潤度合いを示す図である。
【００４６】
ガス入口から出口にかけての流路長さ方向の温度分布が非常に大きい、かつ生成水量も多い場合は、図８に示すようにガス入口側からガス出口側にかけて、未飽和領域→飽和領域→未飽和領域となることもある。
【００４７】
このような特性のときにはその特性に応じて、カソードセパレータ１３のリブ１３ａが重なる領域及びカソードガス流路１３ｂが重なる領域の触媒の反応表面積を調整すればよい。
【００４８】
（第５実施形態）
図９は、第５実施形態の燃料電池の触媒層の反応領域の構造のモデル図である。
【００４９】
上述した各実施形態では、触媒の反応表面積は、触媒量によって調整したが、図９に示すように、触媒の粒径を小さくすることによって反応表面積を増やしてもよい。触媒の粒径を小さくすれば、反応に必要な電解質、プロトン、電子、酸素、水蒸気が触媒と接触できる表面積を増やすことができる。また、プロトンや酸素がこのように粒径を小さくしてできた空孔に拡散し易くなる。したがって触媒の粒径を小さくすることによって反応表面積を大きくしても、前述と同様の効果が得られる。
【００５０】
（第６実施形態）
図１０は、第６実施形態の燃料電池の触媒層の反応領域の構造のモデル図である。
【００５１】
触媒の反応表面積を調整するには、図１０に示すように、電解質／カーボン比(ＩＣ比)を増やすことで反応表面積を増やしてもよい。このように相対的に電解質成分(アイオノマ)を増やすことによって、電解質の親水性による加湿量を確保できるので、低加湿側でのプロトン伝導度を維持できる。そのため反応表面積を大きくすることができる。このようにして触媒の反応表面積を大きくしても、前述と同様の効果が得られる。
【００５２】
以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明の技術的範囲に含まれることが明白である。
【００５３】
たとえば、上述した以外にも触媒の反応表面積を大きくする方法としては、白金触媒のみからなる触媒に限らず、白金触媒に合金触媒が加わった触媒にすることで反応表面積を大きくすることができる。また触媒が一部に集中して重なり合っていれば反応に寄与しない面積もできてしまう。そこで触媒の分散性を均一にすれば、反応表面積が大きくなる。
【００５４】
またガス流路はストレートタイプの流路に限らず、リブ下強制対流タイプの流路や、折り返しタイプの流路であってもよい。さらにドット形状流路であってもよい。すなわち乾燥領域(未飽和領域)で、リブと流路の温度差が発生するような流路構造をもつ燃料電池に好適である。
【００５５】
なお上述の構造の触媒層は、特にカソード極に適用するとよい。低加湿環境下において、燃料電池の性能を下げるもっとも大きな因子である過電圧が大きいのがカソード反応だからである。またアノード過電圧に比してカソード過電圧は大きいので、この電圧ロスを抑制することが、出力向上に大きく寄与するからである。しかしながらアノード極に適用してもよいことはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明による燃料電池の第１実施形態の構造を示す図である。
【図２】電解質膜の温度分布を示す図である。
【図３】流路位置における燃料電池に供給された反応ガスの湿潤度合いを示す図である。
【図４】本発明による燃料電池の第２実施形態を説明する図である。
【図５】ガス出口側の電解質膜の温度分布を示す図である。
【図６】第３実施形態の流路位置における燃料電池に供給された反応ガスの湿潤度合いを示す図である。
【図７】本発明による燃料電池の第３実施形態の触媒層の触媒の反応表面積の分布を示す図である。
【図８】第４実施形態の流路位置における燃料電池に供給された反応ガスの湿潤度合いを示す図である。
【図９】第５実施形態の燃料電池の触媒層の反応領域の構造のモデル図である。
【図１０】第６実施形態の燃料電池の触媒層の反応領域の構造のモデル図である。
【符号の説明】
【００５７】
１０  発電セル(単位セル)
１１  膜電極接合体(ＭＥＡ)
１１ａ  電解質膜
１１ｂ  電極触媒層
１１１  触媒担体
１１２  電解質成分
１１３  触媒貴金属
１２  ガス拡散層(ＧＤＬ)
１３，１４  セパレータ
１３ａ，１４ａ  リブ
１３ｂ，１４ｂ  ガス流路
【図２】
2009187877.tif 000006
【図３】
2009187877.tif 000007
【図５】
2009187877.tif 000008
【図６】
2009187877.tif 000009
【図８】
2009187877.tif 000010
【図１】
2009187877.tif 000011
【図４】
2009187877.tif 000012
【図７】
2009187877.tif 000013
【図９】
2009187877.tif 000014
【図１０】
2009187877.tif 000015