JP2004039525A

JP2004039525A - 燃料電池

Info

Publication number: JP2004039525A
Application number: JP2002197115A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Aoki; 青木　敦; Atsushi Miyazawa; 宮澤　篤史
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2002-07-05
Filing date: 2002-07-05
Publication date: 2004-02-05
Also published as: EP1378955A2; US20040009387A1

Abstract

【課題】ＧＤＬ内の水分分布を均一化して全体の発電効率を向上する燃料電池を提供することを目的とする。
【解決手段】反応生成物として水を生じる燃料電池において、表面に反応ガスの流路５、６を形成したセパレータ１と、セパレータ１に狭持されたガス拡散層２と、さらにガス拡散層２に狭持された電解質膜８と、を備える。反応ガス流路５、６を、ガス拡散層２に反応ガスを供給する供給用ガス流路５と、ガス拡散層２から反応ガスを回収する排出用ガス流路６と、を交互に配置することにより構成する。このような燃料電池において、供給用ガス流路５内と排出用ガス流路６内で流れる反応ガスの流れ方向を逆方向となるようにした。
【選択図】　　　図３

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、燃料電池に関する、特に燃料電池の発電効率を向上するための構成に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池として、プロトン透過膜型燃料電池（ＰＥＭＦＣ）または固体高分子電解質型燃料電池（ＰＥＦＣ）と称されるものが知られている。このような燃料電池は、例えば、電解質膜、電解質膜を狭持するガス拡散層（ＧＤＬ）、ＧＤＬに接する面にガス流路を形成したセパレータを主な構成要素としている。運転時には、一対のセパレータに設けたガス流路のうち一方には水素含有ガスを流通させて陽極に水素を供給し、他方には酸素含有ガスを流通させて陰極に酸素を供給する。これにより、電解質膜とＧＤＬとの間に担持されている白金触媒で下記の電気化学反応を生じて発電を行う。
【０００３】
【化式】
陽極反応：　Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻　　・・・　（１）
陰極反応：　２Ｈ^＋＋２ｅ⁻＋（１／２）Ｏ_２→Ｈ_２Ｏ　　・・・（２）
上記の反応に伴う生成水が電解質膜の表面付近に滞留すると、水素含有ガスや酸素含有ガスの供給を妨げる原因となり、発電能力が低下するという問題が生じる。また、ＰＥＭＦＣではプロトンの移動に水が必要であり、電解質膜が乾燥すると発電能力が低下するという問題が生じる。
【０００４】
これに対して、特開平１１−１６５９１号公報においては、セパレータに刻んだガス流路を、触媒層に反応ガスを供給する供給用ガス流路と、触媒層からガスを回収する排出用ガス流路に分離して構成する。これにより、供給用ガス流路の全てのガスがＧＤＬや触媒層内を通って排出用ガス流路へ排出される。ここでは、供給用ガス流路と排出用ガス流路を交互に配置し、供給用ガス流路に積極的にガスを供給することにより、反応面積を増やすとともに生成水の排水性を向上させている。
【０００５】
【発明が解決しようとしている問題点】
しかしながら、従来の技術では、供給用ガス流路の入口側付近では反応ガスは生成水を含んでおらず、特に電解質膜の乾燥が生じ易い。これにより、供給用ガス流路の入口側では発電反応が生じ難くなり、全体の発電効率が低下するという問題が生じる。
【０００６】
そこで本発明は、ＧＤＬ内の水分分布を均一化することで全体の発電効率を向上することのできる燃料電池を提供することを目的とする。
【０００７】
【問題点を解決するための手段】
本発明は、反応生成物として水を生じる燃料電池において、表面に反応ガスの流路を形成したセパレータと、前記セパレータに狭持され、前記流路に供給された反応ガスを反応面に拡散するガス拡散層と、さらに前記ガス拡散層に狭持された電解質膜と、を備える。前記流路を、前記ガス拡散層に反応ガスを供給する供給流路と、前記ガス拡散層から反応後のガスを回収する排出流路と、を間隔を空けて交互に配置することにより構成する。このような燃料電池において、前記供給流路内を流れる反応ガスの流れ方向と、前記排出流路内を流れる反応ガスの流れ方向が、逆方向となるようにした。
【０００８】
【作用及び効果】
このように、流路を供給流路と排出流路とを間隔を空けて交互に配置することにより構成し、供給流路内を流れる反応ガスの流れ方向と、排出流路内を流れる反応ガスの流れ方向が逆方向となるようにする。これにより、ガス拡散層内で水分の拡散を促進することができ、ガス拡散層内の水分を均一化することができる。その結果、過剰な排水による電解質膜の乾燥や、排水不足による水詰まりの発生を抑制することができ、発電効率を向上することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
第１の実施形態に用いる燃料電池を構成する電池セルの断面を図１に示す。
【００１０】
電解質膜８をガス拡散層２により狭持し、さらにガス拡散層２の外側にセパレータ１を配置する。セパレータ１の表面には各極に反応ガスを供給するガス流路５、６を形成し、電解質膜８表面に形成した触媒層７に、ガス拡散層２を介して反応ガスを供給する。触媒層７において（１）式または（２）式を生じ、電解質膜８内をプロトンが移動することにより電気エネルギを生じる。このように形成した電池セルを複数積層することにより燃料電池を構成する。
【００１１】
このような燃料電池のセパレータ１およびガス拡散層２により構成される反応ガスの経路を図２に示す。
【００１２】
セパレータ１の表面に、一端が供給用マニホルド３に連通した複数の供給用ガス流路５と、一端が排出用マニホルド４に連通した複数の排出用ガス流路６を形成する。供給用ガス流路５と排出用ガス流路６はガス流路５、６間に形成されたセパレータリブ部１０を介して交互に配置する。ここでは、ガス流路５、６は互いに並行になるように構成する。また、供給用ガス流路５内と排出用ガス流路６内での反応ガスの流れの向きが逆となるように構成する。つまり、供給用ガス流路５の上流部５ａと排出用ガス流路６の下流部６ｂをセパレータリブ部１０を介して隣接させ、供給用ガス流路５の下流部５ｂと排出用ガス流路６の上流部６ａをセパレータリブ部１０を介して隣接させる。
【００１３】
このように構成することで、供給用ガス流路５に供給された全ての反応ガスが、セパレータリブ部１０と電解質膜８に挟まれたガス拡散層２内を通って排出用ガス流路６側に回収される。このとき、供給用ガス流路５の上流部５ａからガス拡散層２に浸透した反応ガスは、排出用ガス流路６の下流部６ｂから回収される。また、供給用ガス流路５の下流部５ｂからガス拡散層２に浸透した反応ガスは、排出用ガス流路６の上流部６ａから回収される。回収された反応ガスは、排出用ガス流路６を通って排出用マニホルド４に回収され、燃料電池から排出される。
【００１４】
ここで、供給用ガス流路５内では、下流部５ｂの反応ガスには上流部５ａで生じた生成水が含まれるので、上流部５ａに比べて下流部５ｂの含水量が多くなる。また、排出用ガス流路６内では、ガス拡散層２から上流部６ａで排出された生成水が下流部６ｂに流れ込むので、上流部６ａに比べて下流部６ｂの含水量が多くなる。
【００１５】
従来の技術では、上流部５ａ、６ａ同士、下流部５ｂ、６ｂ同士が隣接するように配置している。そのため、ガス拡散層２内は、反応ガスが上流部５ａから６ａへ流れる部分よりも、反応ガスが下流部５ｂから下流部６ｂへ流れる部分の含水率のほうが高くなる。これにより、ガス拡散層２内の含水率に分布が生じて、電解質膜８で湿潤が不足する部分（上流部５ａ側）と、水分が過剰となる部分（下流部５ｂ側）が生じる。その結果、発電反応が生じにくかったり、反応ガスが供給されにくい部分が生じたりするおそれがあった。
【００１６】
これに対して本実施形態は、隣接する供給用ガス流路５と排出用ガス流路６とで、内部を流れる反応ガスの流れる方向を逆方向とする。これにより、含水量の多い供給用ガス流路５の下流部５ｂと、含水量の少ない排出用ガス流路６の上流部６ａとが隣接し、この間の水の濃度分布に応じて水の拡散を生じる。その結果、下流部５ｂから上流部６ａにガス拡散層２内を水が移動する。また、含水率の小さい供給用ガス流路５の上流部５ａと含水量の多い排出用ガス流路６の下流部６ｂを隣接させる。これにより、上流部５ａと下流部６ｂとの間に水の濃度勾配が生じてガス拡散層２内で水が下流部６ｂから上流部５ａに拡散する。
【００１７】
次に、本実施形態における効果を説明する。
【００１８】
ガス流路５、６を、ガス拡散層２に反応ガスを供給する供給用ガス流路５と、ガス拡散層２から反応ガスを回収する排出用ガス流路６と、を間隔を空けて交互に配置することにより構成する。さらに、供給用ガス流路５内を流れる反応ガスの流れ方向と、排出用ガス流路６内を流れる反応ガスの流れ方向が、逆方向となるようにする。これにより、ガス拡散層２内で水分の拡散を促進することができ、ガス拡散層２内の水分を均一化することができる。その結果、過剰な排水による電解質膜８の乾燥や、排水不足による水詰まりの発生を抑制することができ、発電効率を向上することができる。
【００１９】
言い換えると、供給用ガス流路５と排出用ガス流路６内の反応ガスについて含水率の傾向が反対となるように反応ガス流路５、６を形成する。ここでは、ガス拡散層２内で、供給用ガス流路５の上流５ａ付近へ排出用ガス流路６の下流６ｂ付近に含まれる水分を拡散し、供給用ガス流路５の下流５ｂ付近に含まれる水分を排出用ガス流路６の上流６ａ付近に拡散する。含水量の少ない部分と含水量の多い部分とを隣接させるので、水の濃度勾配を大きくすることができ、水の拡散を促進して水分過剰である部分から水分不足である部分へ水を移動させることができる。これにより、ガス拡散層２内の含水率を均一化して電解質膜８の湿潤の不足や、水分過剰によるガス拡散層２の水詰まりを防ぎ、発電効率を向上することができる。
【００２０】
次に、第２の実施形態に用いる燃料電池のセパレータ１およびガス拡散層２によるガスの経路を図３に示す。燃料電池の構成の概略は、第１の実施形態と同様に図１に示す構成とする。
【００２１】
ガス流路５、６の形状を第１の実施形態に示すように構成し、供給用マニホルド３から上流部５ａを通りガス拡散層２に浸透し、下流部６ｂに排出されて排出用マニホルド４に回収される反応ガスの経路を経路Ａとする。また、供給用マニホルド３から供給用ガス流路５を通り下流部５ｂからガス拡散層２に浸透し、上流部６ａから排出用ガス流路６を通って排出用マニホルド４に回収される反応ガスの経路を経路Ｂとする。
【００２２】
このとき、経路Ｂは経路Ａより長く、反応ガスが流れる際の圧力損失が大きくなるため、経路Ａに比べて反応ガスが流れ難くなる。このとき、第１の実施形態で説明したように、経路Ｂ中の供給用ガス流路５の下流部５ｂには水分が比較的多く含まれるが、経路Ｂには反応ガスが流れ難いことからガス拡散層２で水詰まりが生じやすくなる。
【００２３】
そこで、本実施形態では、セパレータ１に面するガス拡散層２の気体透過率を、供給用ガス流路５の上流部５ａから下流部５ｂにかけて徐々に大きくする。ここでは、例えば、ガス拡散層２の気体透過率を変化させるために、気体透過率の異なるガス拡散層２を複数用意して燃料電池の組み立て時に組み合わせる。
【００２４】
次に、上記のような構成とすることにより得られる効果について説明する。ここで、本実施形態と従来例との供給側から排出側へ反応ガスが流れる際の抵抗についての比較を図４に示す。従来例に比べて、本実施形態では供給側と排出側の圧力差についての経路Ａと経路Ｂ間での分布を小さくすることができる。
【００２５】
供給用ガス流路５の上流から下流に向かう方向について、ガス拡散層２の気体透過率を大きくする。ここでは、ガス拡散層２の気体透過率を供給用ガス流路５の上流部５ａから下流部５ｂにかけて徐々に大きくすることで、供給用ガス流路５から排出用ガス流路６へガス拡散層２を通過する反応ガスの流量分布を均一化することができる。
【００２６】
このようにガス拡散層２を通過する反応ガスの流量、ひいては触媒層７に供給される反応ガスの流量を均一化することで、排水の性能を場所によらずに均一化することができ、発電効率を向上することができる。また、供給される反応ガスの流量を場所によらず均一化することにより、反応効率を均一化することができ、全体の発電効率を向上することができる。
【００２７】
次に、第３の実施形態に用いる燃料電池について説明する。
【００２８】
ここでは、第２の実施形態において、供給用ガス流路５と排出用ガス流路６の圧力差が場所に寄らず略一定となるようにガス拡散層２の気体透過率を設定する。つまり、上流部５ａから下流部６ｂに一定流量の反応ガスを流す場合と、下流部５ｂから上流部６ａに一定流量の反応ガスを流す場合とで、反応ガスを流すための力が同じとなるように気体透過率を設定する。
【００２９】
反応ガスが流れる際の圧力損失は、供給用ガス流路５の上流部５ａからガス拡散層２へ供給される経路Ａでは小さく、下流側５ｂからガス拡散層２へ供給される経路Ｂにいくに従って大きくなる。この圧力損失は反応ガスが通過する管路の長さにほぼ比例するため、供給用ガス流路５の上流部５ａから下流部５ｂに沿って線形にガス拡散層２の気体透過率を大きくする。これにより、図４に示すように、ガス拡散層２を通過する反応ガスの流量を経路Ａから経路Ｂにかけて均一化することができる。
【００３０】
このように、形成することで、第２の実施形態に加えて以下のような効果を得ることができる。
【００３１】
供給用ガス流路５から排出用ガス流路６へ流れる反応ガスの流量分布が均一化するように構成する。ここでは、ガス流路５、６内の流れの方向に関してガス拡散層２に供給される反応ガスの流量分布が略均一となるようにガス拡散層２の気体透過率を設定する。これにより、ガス拡散層２へ、ひいては触媒層７へ供給する反応ガスの流量をさらに均一化することができる。これにより、ガス拡散層２内の過剰な水を排水する排水性能を均一化することができ、水詰まりをさらに抑制することができる。また、触媒層７へ供給される反応ガスを均一化することで全体の発電効率をさらに向上することができる。
【００３２】
本実施形態のように、ガス流路５、６内の流れ方向に関する供給側と排出側の圧力差の分布を一定にするように気体透過率を設定することで、図４に示すように第２の実施形態の効果をさらに向上することができる。
【００３３】
次に、第４の実施形態について説明する。燃料電池および反応ガスの経路の構成を第２または第３の実施形態と同様とする。
【００３４】
本実施形態では、ガス拡散層２内で気体透過率を変化させる方法として、ガス拡散層２を構成する繊維の数密度を変化させる。ガス拡散層２は、カーボンの短繊維を平面上に配置し、それを固めることにより製造する。繊維を平面上に配置する際に場所により配置する量を変えることで、気体透過率を変化させる。
【００３５】
このように、ガス拡散層２の気体透過率が大きいほどガス拡散層２を構成する繊維の数密度を小さくする。繊維密度を小さくすることで気体透過率を大きくすることができ、ガス拡散層２内での気体透過率の変化を低コストで設定することができる。
【００３６】
次に、第５の実施形態について説明する。燃料電池およびガス拡散層２の構成を第２、第３の実施形態と同様とする。
【００３７】
本実施形態では、ガス拡散層２内で気体透過率を変化させる方法として、気体透過率が大きい場所ほど、空孔の径が大きい、または、空孔の曲率が小さいガス拡散層２を備える。これは、例えばガス拡散層２の製造時に、気体透過率が大きい場所ほど繊維長さの大きいカーボン繊維を用いることにより製造する。
【００３８】
ガス拡散層２を構成するカーボン繊維の長さは一般的に１００μｍ〜５００μｍ位である。ガス拡散層２を構成する際には、このような長さの繊維をバインダーに混ぜて構成するが、このとき繊維は密着して絡み合うというよりあらゆる方向に向きつつ空隙を伴って積み重なる。このため、ガス拡散層２は、図５（ｂ）に示す短い繊維、例えば１００μｍ程度の繊維で構成するよりも、図５（ａ）に示す長い繊維、例えば５００μｍの繊維で構成したほうが空隙が大きくなる傾向がある。これにより長い繊維で構成したガス拡散層２は気体透過率が大きく、空孔の曲率が小さいものとなる。
【００３９】
このように、気体透過率を大きく設定する場所ほど長い繊維を用いることで、ガス拡散層２に設ける空隙を大きく形成することができる。ガス拡散層２の気体透過率が大きいほどガス拡散層２に形成する空孔の径を大きくする、または、空孔の曲率を小さくすることで、低コストでガス拡散層２内の気体透過率の変化を設定することができる。
【００４０】
次に、第６の実施形態について説明する。燃料電池およびガス拡散層２の構成を第２、第３実施形態と同様とする。
【００４１】
本実施形態では、ガス拡散層２内で気体透過率を変化させる方法として、気体透過率が大きいほど、ガス拡散層２を構成する繊維の径を大きくする。繊維の径が大きいほど繊維間に大きな空隙を生じやすく、単位体積当たりに占める繊維の密度が小さくなるため、気体透過率を大きくすることができる。これは、ガス拡散層２の製造時にカーボン繊維を平面上に配置する際に、場所によって径が異なるカーボン繊維を使用し、固定することにより形成する。
【００４２】
このように、気体透過率を大きくする部分ほど径の大きい繊維を用いることで、低コストでガス拡散層２内の気体透過率の変化を設定することができる。
【００４３】
次に、第７の実施形態について説明する。燃料電池およびガス拡散層２の構成を第２〜５のいずれか一つの実施形態と同様とする。
【００４４】
ここでは、気体透過率を大きく設定する場所ほどガス拡散層２を構成する繊維の強度を大きくする。ここで、気体透過率を大きくするために、ガス拡散層２を形成する繊維の密度や空孔の大きさを変化させる等の方法を用いた場合には、気体透過率を大きく設定した場所の強度が小さくなる恐れがある。セパレータ１等の部材を積層、締結する際には、シール部の気密性およびセパレータ１や電解質膜８とガス拡散層２との接触抵抗を維持するために所定の圧力がかけられる。ここで、本実施形態ではガス拡散層２の厚みが一定であるため、気体透過率、ひいては強度に差がある部分にも一定の圧力がかかるので、気体透過率の大きな場所で破損が生じやすくなる。
【００４５】
このように、ガス拡散層２を、気体透過率が大きい部分ほど強度が大きい繊維で構成することで、ガス拡散層２の耐久性を平均化することができる。これにより、シール部の気密性やセパレータ１や電解質膜８とのガス拡散層２の接触抵抗を従来と同様に保持したまま第２〜第５のいずれか一つの実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００４６】
次に、第８の実施形態について説明する。燃料電池およびガス拡散層２の構成を第６の実施形態と同様とする。
【００４７】
ここでは、気体透過率が小さい場所ほどガス拡散層２の厚みが大きくなるように構成する。第６の実施形態においては、気体透過率が小さい部位ほど径が小さい繊維を用いている。このようなガス拡散層２において、細い繊維により構成された気体透過率の小さい部分の厚みを大とする。
【００４８】
セパレータ１等の部材を積層、締結する際には、シール部の気密性を保持するためや、接触抵抗を低減するために、積層方向に圧力をかけて積層、締結する。このとき、第６の実施形態のような構成をした場合には、ガス拡散層２全体に同等の圧力がかかり、強度が小さい細い繊維で構成されている場所の厚みが、太い繊維で構成されている場所の厚みよりも小さくなるおそれがある。
【００４９】
そこで本実施形態では、強度が小さい細い繊維で構成されている場所を他の場所に比べて厚く構成する。
【００５０】
このようにガス拡散層２を、気体透過率が小さい部分ほど厚くすることで、セパレータ１等の部材を積層、締結する際にガス拡散層２の厚みを均一化することができる。その結果、シール部の気密性およびセパレータ１や電解質膜８とガス拡散層２との接触抵抗を従来と同等に保持したまま、第６の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００５１】
ここで、本実施形態は、ガス拡散層２の内側に触媒層７を形成したが、ガス拡散層２内に触媒粒子を拡散させることにより触媒を形成してもよい。
【００５２】
このように、本発明は上記実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術思想の範囲内で様々な変更が為されることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に用いる燃料電池の構成図である。
【図２】第１の実施形態に用いるセパレータおよびガス拡散層の構成図である。
【図３】第２の実施形態に用いるセパレータおよびガス拡散層の構成図である。
【図４】従来例に対する第２、３の実施形態のガス拡散層内の流動抵抗を示す図である。
【図５】第５の実施形態に用いるガス拡散層を構成する繊維の説明図である。
【符号の説明】
１　　セパレータ
２　　ガス拡散層
３　　供給用マニホルド
４　　排出用マニホルド
５　　供給用ガス流路（供給流路）
５ａ　上流部
５ｂ　下流部
６　　排出用ガス流路（排出流路）
６ａ　上流部
６ｂ　下流部
８　　電解質膜

Claims

反応生成物として水を生じる燃料電池において、
表面に反応ガスの流路を形成したセパレータと、
前記セパレータに狭持され、前記流路に供給された反応ガスを反応面に拡散するガス拡散層と、
さらに前記ガス拡散層に狭持された電解質膜と、を備え、
前記流路を、前記ガス拡散層に反応ガスを供給する供給流路と、前記ガス拡散層から反応ガスを回収する排出流路と、を間隔を空けて交互に配置することにより構成し、
前記供給流路内を流れる反応ガスの流れ方向と、前記排出流路内を流れる反応ガスの流れ方向が、逆方向となるようにしたことを特徴とする燃料電池。
前記供給流路の上流から下流に向かう方向について、前記ガス拡散層の気体透過率を大きくする請求項１に記載の燃料電池。
前記供給流路と前記排出流路が対向して隣接する部分を通過するガス流量を均一化した請求項１または２記載の燃料電池。
前記ガス拡散層の気体透過率が大きい部分ほど前記ガス拡散層を構成する繊維の数密度を小さくする請求項２に記載の燃料電池。
前記ガス拡散層の気体透過率が大きい部分ほど前記ガス拡散層に形成する空孔の径を大きくする、または、空孔の曲率を小さくする請求項２に記載の燃料電池。
前記ガス拡散層の気体透過率が大きい部分ほど前記ガス拡散層を構成する繊維の径を大きくする請求項２に記載の燃料電池。
前記ガス拡散層を、気体透過率が大きい部分ほど強度が大きい繊維で構成する請求項２から５のいずれか一つに記載の燃料電池。
前記ガス拡散層を、気体透過率が小さい部分ほど厚くする請求項６に記載の燃料電池。
電解質膜を湿潤することによりプロトンの移動を速やかに行う燃料電池において、
集電体としての役目を持つセパレータ表面に形成する反応ガスの流路を、前記セパレータに狭持されるガス拡散層に反応ガスを供給する供給流路と、前記ガス拡散層から反応後のガスを回収する排出流路と、から構成し、
前記ガス拡散層の前記供給流路の上流付近へ前記排出流路の下流付近に含まれる水分を拡散し、
前記ガス拡散層の前記供給流路の下流付近に含まれる水分を前記排出流路の上流付近に拡散することにより、前記ガス拡散層に含まれる水分を均一化することを特徴とする燃料電池。