JP2004503068A - 固体高分子型燃料電池構造 - Google Patents

Abstract

本発明は、プロトン交換膜（４）により構成される固体高分子型燃料電池構造を開示する。陽極触媒層（１，１６）は、プロトン交換膜の片側に設置される。陰極触媒層（７）はプロトン交換膜の陽極触媒層と反対の側に設置され、ガス分配層（３，５）はプロトン交換膜（４）の両側に配置される。陽極側ガス分配層（３）は、プロトン交換膜（４）に対向する表面に形成された水の流路（３ａ）を有する平坦な多孔質構造である。陽極側ガス分配層（３）は、ガス分配層中の前記水の流路（３ａ）に連結される水の入口流路と同一平面にある封止板（２）により密閉されている。

Description

【０００１】
（技術分野）
本発明は、一般的には燃料電池に関し、詳細には固体高分子型燃料電池の性能向上に関する。
【０００２】
（発明の背景）
固体高分子型燃料電池は商業化の外縁ある。過去数年間における触媒および膜の研究の進歩により、燃料電池は適度の効率（４０％）で非常に高い電力密度（＞１Ｗ／ｃｍ^２）が得られるようになった。電極の触媒負荷は、高性能を維持しながら、０．１ｍｇＰｔ／ｃｍ^２に減少した。他にもプロトン導電膜の候補が発見されているが、ナフィオン（登録商標）のような過弗化スルホン酸膜の価格は、生産量の増加とともに下がることが予想される。
【０００３】
しかしながら、この固体高分子型燃料電池技術の規模を大きなセルおよび積層構成に拡大すると、様々な重大問題に直面する。プロトン導電膜は動作状態において十分に加湿され続けなければならないため、固体高分子型燃料電池自体を積層する際の主な問題の１つは水管理である。
【０００４】
積層構成における内部抵抗損失の支配的な要素は、膜のプロトン導電性に限界があるためである。プロトン移動が陽極から水分子を引き出すため、膜は高電流密度のとき特に陽極側で乾きやすい。
陽極の乾燥は、抵抗ばかりでなく水素還元反応（ＨＲＲ）の速度論にも影響を与える。
【０００５】
それゆえ、この問題を改善するために、陽極側はしばしば陰極側よりも強烈に加湿される。電池の陰極側は、膜を横断する圧力勾配を使用するように加圧して、水を陽極側へ押し戻すことも可能である。しかし、水の管理は、セル内部のガスの流れを妨げないことが重要である。
【０００６】
この問題に対する１つの解決法は薄い膜を使用することであろう、しかし、この方法は膜の機械的な剛性が十分でなければならないために限界がある。
【０００７】
他の解決法は、膜が水と平衡状態にあるとき膜の水分含有率および導電率が非常に高いため、陽極側で水を膜と直接接触させることである。また、燃料電池の内側で液体が蒸発するとき、相当な量（４０〜５０％）の熱も生成された水蒸気とともに電池から取除くことができる。
【０００８】
米国特許第５９５８６１３号（Ｈａｍａｄａ　ｅｔ　ａｌ）は、そのような燃料電池膜の直接水給湿に関するものである。そこにおいて、燃料ガスまたは酸化剤ガスを加湿する特別な給湿器を設けることなく、かつ冷却流路を設けることなく電池本体を冷却する、固体高分子膜を加湿させる特性を有する固体高分子型燃料電池システムが開示されている。この特許では、直接給湿が作用したときの、燃料電池の積層に関する具体的な動作原理が開示されていない。
【０００９】
米国特許第５９３５７２６号（Ｃｈｏｗ　ｅｔ　ａｌ）は、燃料電池の流れ場を通過する酸化剤の流れを周期的に逆転させることにより、固体高分子型燃料電池の膜の給湿を向上させる方法および装置を開示している。しかし、この特許は燃料電池の冷却について言及していない。
【００１０】
（発明の要約）
固体高分子型燃料電池中の水管理を向上させる様々な試みにもかかわらず、更に改良する余地がある。
【００１１】
従って、本発明の目的は、低コストで電池構造の簡単な、給湿性を向上させる手段を提供することである。性能とコストとのトレードオフは受け入れられるはずである。
【００１２】
本発明のセル構造においては、水性相、好適には水が、膜の直接給湿に用いられる。本発明による固体高分子型燃料電池構造は、プロトン交換膜、プロトン交換膜の片側の陽極触媒層、プロトン交換膜の陽極触媒と反対の側の陰極触媒層、およびプロトン交換膜の両側のガス分配層により構成される。陽極側ガス分配層は、膜に対抗する表面に形成された水の流路を有する平らな多孔質構造であり、かつ陽極側ガス分配層は、ガス分配層中の前記水の流路に連結される水の入口流路と同一平面にある封止板により密閉されていることを特徴とする。
【００１３】
それにより、陽極側での水と膜との直接接触を保つことが可能である。これは、膜が水と平衡状態にあるとき膜の水分含有率および導電率が非常に高いため、セルの動作にとって非常に有益である。また、燃料電池の内側で水が蒸発するとき、相当な量の熱も生成された水蒸気とともにセルから取除くことができる。
【００１４】
（発明の詳細な説明）
以下に、本発明を、添付の図面に関して限定することなくさらに説明する。
本発明による燃料電池構造の好適な実施例を、図１および図２に示す。燃料電池は、導電性陽極板１を含む。陽極封止枠２は、双極板１に隣接して設けられる。この枠は、陽極ガス分配層３のため、中央に長方形の開口を備える。枠２は陽極ガス入口９および出口１０をも備え、分配流路は水入口および出口１１、１２にもそれぞれ形成される。陽極ガス分配層３は、陽極板１に関して層３の反対側に、複数の狭い水の流路３ａを備える。プロトン交換膜４は、板１と協働するため、板１とプロトン交換膜４との間に枠２および拡散層３を挟み込むように配置される。
【００１５】
燃料電池の陰極側は、陽極側と同様に構成される。従って、プロトン交換膜４の反対側は、導電性陰極板７と協働するため、導電性陰極板７とプロトン交換膜４との間に封止枠６および陰極拡散層５を挟み込むように配置される。陰極拡散層５は、陽極拡散層３と異なり、水の流路を持たない。陰極封止枠６は、陰極ガス入口１３および出口１４を備える。
【００１６】
図２において、水の流路の詳細な構造および積層構造における水の分配する方法が示される。図の左手側は上面側を示し、図の右手側は下面側を示す。
【００１７】
積層構造中の各封止枠２は、多数の貫通孔を有する。四隅に位置する穴は、多数のセルユニットをセル積層構造に組み上げるときに用いられる締付ボルト用である。他の穴は、積層構造の他の構成部品の対応する穴とともに、それぞれ積層構造中を流れる水、燃料ガス、および酸化剤ガスの流路を形成する。
【００１８】
さらに、封止２の上側（先に定義したように）は、枠のような構造の内部端に沿って走るガス流路１５を有する。多数の分配用開口（図中では５個）が、流入するガスを枠内に設置された拡散／分配材料中に分配するように、各流路１５から流れをそらしている。穴の上面配置において（図中で）左から２つ目の穴は、流入するガス用の入口流路９であり、穴の下面配置において左から２つ目の穴は、陽極側でセルから流出するガス用の出口流路１０である。陽極封止２は、積層構造中の位置に関係なく同じガス流路の構成を有する。
【００１９】
各封止２の下面側（先に定義したように）では、共通の水入口１１および共通の水出口１２を有する水用の流路が設けられる。
【００２０】
積層構造の中央には、積層構造の陽極および陰極部分を分離するように、膜４が配置される。陰極側では、陰極ガス分配層５が設けられ、その後、陽極封止２と同様に、陰極ガス入口および出口１３、１４が形成されている陰極用封止６が配置される。
【００２１】
図３は、ガス分配層のより詳細な構造を示す。層３は、膜４に隣接する水の流路３ａを備える。本発明の代表的な実施例においては、水の流路３ａは、幅が約５０〜１００μｍで、深さが約１００〜３００μｍであり、各流路は約２００〜１０００μｍの間隔で分離されている。水の流路を狭くすることにより、膜の膨張による流路の詰りを防止する。水の流路３ａを作ることができる１つの方法は、所望の水の流路構造に対応する突条の構造表面を有する型板にガス分配層を押圧することである。
【００２２】
図４は、ガス分配層３は触媒層１６を有する本発明の実施例を示す。水の流路を一列に並べるように、無孔あるいはほぼ無孔のプロトン導電高分子層１７が配置される。
【００２３】
この実施例では、陽極側でセルに送り込まれる過酸化水素あるいは他の酸素放出化合物が、給湿および水冷却に追加される。酸素は触媒の近傍で放出されるため、効果的かつ酸素の消費が減るように陽極触媒でのＣＯ吸着が防止される。過酸化水素の一部は、電極表面で分解して、Ｈ_２Ｏ_２ ⁻＞Ｈ_２Ｏ＋１／２Ｏ_２の反応により酸素を発生する。このシステムでは、分解が完全に起こらなくても、過酸化水素の可能な利益が達成される。過酸化水素および放出された酸素の通路は、図４中に矢印で標記されている。しかしながら、この方法は、固体高分子型燃料電池の他の直接水給湿システムに適用することができる。
【００２４】
図５は、その縁部に疎水性高分子処理を施して水がセルのガスチャンバーに進入するのを防止する、ガス分配層３を示す。この構造においては、双極板１、７中に、またはガス分配層３，５中にガス流路がない。ガス分配層は９０％を超える多孔率を有することができ、電気良導体であり、酸性のプロトン導電膜に対して適当な耐食性を有するものとする。
【００２５】
本発明は、従来の蛇行する流路構造と組合せてもよい。この原理を図６に示す。図２の実施例と同一の符号番号を用いた。各双極板１、７の陽極層側は、陽極ガス流路１９および少なくとも１つの水入口２０を有してもよい。水出口２１を設けてもよい。各双極板の陰極層側は、少なくとも１つの陰極ガス流路２２を有する。
【００２６】
水流路用の代わりの構造を図７に示す。本発明のこの実施例において、触媒層１６は膜４の上端に設置される。疎水性物質層１８は、膜とガス分配層との間に位置する。この膜１８の機能は、ガスを電極（触媒層）に拡散させ、かつ水を拡散させずに水の流路３ａから逃がすことである。
【００２７】
図７による実施例は、直接メタノール型燃料電池の動作に用いてもよい。本発明のこのような実施例において、セルの陽極側には、セル中で全体的にあるいは部分的に蒸発する液状の水‐メタノール混合物が送り込まれる。陽極電極のほとんどの部分が液状の水‐メタノール混合物の薄膜と接触することにより、液状の混合物が供給される。陽極電極の残りの領域は、液体から分離した気相と接触している。これにより、陽極電極の残りの領域へ気体の二酸化炭素の放出を加速し、しかも水蒸気反応物による膜の給湿が順に可能になる。水およびメタノールは、燃料供給流路から陽極電極へ直接または気相を経由して移送される。これを図７中に矢印により示す。上記の方法は、直接液体冷却式である他の型の燃料電池構造にも適用してもよい。
【００２８】
水の流路構造は、好適には陽極側に適用される。しかし、この構造は陰極側にも、あるいは同時に両極にも適用可能である。
【００２９】
本発明は、上記実施例に限定されるものではなく、上記実施例に代わるいくつかの改良が次の特許請求の範囲内で可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に関する固体高分子型燃料電池構造の要素を示す斜視分解図である。
【図２】図１中の構造のすべての要素について、上方および下方から見た平面図である。
【図３】図１および２の構造に含まれるガス分配層の拡大断面図である。
【図４】ガス分配層の第２実施例を示す。
【図５】ガス分配層の第３実施例を示す。
【図６】図２と同様な方法で、代わりの構造配置を示す。
【図７】ガス分配層の更に別の実施例を示す。

Claims (20)

1. プロトン交換膜（４）、プロトン交換膜の片側の陽極触媒層（１，１６）、プロトン交換膜の反対側の陰極触媒層（７）、およびプロトン交換膜（４）の各側のガス分配層（３、５）から構成される固体高分子型燃料電池構造において、陽極側ガス分配層（３）はプロトン交換膜（４）に対向する表面に形成された水の流路（３ａ）を有する平坦な多孔質構造であり、陽極側ガス分配層（３）は、ガス分配層中の前記水の流路（３ａ）に連結される水入口流路と同一平面にある封止板（２）により密閉されていることを特徴とする固体高分子型燃料電池構造。
2. 水の流路（３ａ）は、幅が約５０〜１００μｍであることを特徴とする請求項１に記載の構造。
3. 水の流路（３ａ）は、深さが約１００〜３００μｍであることを特徴とする請求項１または２に記載の構造。
4. 水の流路（３ａ）は、約２００〜１０００μｍの間隔で離れていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の構造。
5. 陰極側ガス分配層（５）は、同一平面の封止板（６）により密閉された多孔質構造であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の構造。
6. 陰極側ガス分配層（５）は膜（４）に対向する表面に形成される水の流路を備え、かつガス分配層中の前記水の流路（３ａ）に連結される水入口流路と同一平面にある封止板（２）により密閉されていることを特徴とする請求項５に記載の構造。
7. 水の流路（３ａ）は、疎水性の被膜を備えることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の構造。
8. 双極板（１，７）が、膜（４）から離れた各封止板（２，６）の側面に設置されることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の構造。
9. 各双極板（１，７）は、片側に陽極触媒層および反対側に陰極触媒層を備えることを特徴とする請求項８に記載の構造。
10. 各双極板（１，７）の陰極層側は、少なくとも１つの陰極ガス流路（２２）を備え、かつ陽極層側は陽極ガス流路（１９）および少なくとも１つの水入口（２０）を備えることを特徴とする請求項９に記載の構造。
11. 陽極触媒層（１６）が、陽極側ガス分配層（３）上に設置されることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の構造。
12. 陰極触媒層が、陰極側ガス分配層（５）上に設置されることを特徴とする請求項１１に記載の構造。
13. 水は、プロトン導電材料である比較的無孔の層（１７）により、水の流路（３ａ）中に保持されることを特徴とする請求項１１または１２に記載の構造。
14. 少なくとも１つの触媒層（１６）が、膜（４）上に設置されることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の構造。
15. もう１つの触媒層が、膜（４）の反対側のガス分配層上に設置されることを特徴とする請求項１４に記載の構造。
16. 水は、ガス透過性の高い材料である比較的無孔の層（１８）により、水の流路（３ａ）中に保持されることを特徴とする請求項１４または１５に記載の構造。
17. プロトン交換膜（４）、プロトン交換膜の片側の陽極触媒層（１，１６）、プロトン交換膜の反対側の陰極触媒層（７）、およびプロトン交換膜（４）の各側のガス分配層（３，５）から構成され、冷却および給湿液体が燃料電池の陽極側に供給される固体高分子型燃料電池の動作方法において、酸素放出化合物を液体に追加する手段を特徴とする固体高分子型燃料電池の動作方法。
18. 酸素放出化合物は、過酸化水素であることを特徴とする請求項１７に記載の方法。
19. プロトン交換膜（４）、プロトン交換膜の片側の陽極触媒層（１，１６）、プロトン交換膜の反対側の陰極触媒層（７）、およびプロトン交換膜（４）の各側のガス分配層（３、５）から構成され、冷却および給湿液体が燃料電池の陽極側に供給される固体高分子型燃料電池の動作方法において、液状のメタノール燃料を液体に追加する手段を特徴とする固体高分子型燃料電池の動作方法。
20. 陽極触媒層の一部が、液状の水‐メタノール混合物の薄膜と接触し、かつ陽極触媒層の残りの部分が液体のない気相と接触することによる水‐メタノール混合物を分配する手段を特徴とする請求項１９に記載の方法。