JP2004179074A

JP2004179074A - 燃料電池

Info

Publication number: JP2004179074A
Application number: JP2002346298A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Ikoma; 吉弘生駒
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2002-11-28
Filing date: 2002-11-28
Publication date: 2004-06-24

Abstract

【課題】セパレータのガス流路内を流れる反応ガスがガス拡散層を経て隣のガス流路にショートカットして流れるのを防止し、電極面内において均一な反応を行わせて規定の電力が得られる燃料電池用電極の提供。
【解決手段】電解質膜１の両面に燃料極側触媒層３および空気極側触媒層２を配置し、その外面にそれぞれガス拡散層４、５を配置し、さらにその外面に前記触媒層２、３に面して反応ガス流通用ガス流路８を形成する複数の凹部と凸部２０を備えた一組みのセパレータ１０を配置し、前記一組みのセパレータ１０の凸部２０間で電解質膜１と触媒層２、３とガス拡散層４、５とを締め付けて挟持した燃料電池用電極１１Ａ（燃料電池単セル）において、挟持する前の前記ガス拡散層の厚みＤ１が、挟持後にＤ１×０．９＝Ｄ２以下となるように締め付けて挟持する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池用電極に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図３は、従来の燃料電池の１形態である固体高分子形燃料電池の電極（単セル）の基本構成を示す分解断面図である。固体高分子電解質膜１の両側の主面にそれぞれ貴金属（主として白金）を含む空気極（カソード）側触媒層２および燃料極（アノード）側触媒層３を接合してあり、空気極側触媒層２および燃料極側触媒層３と対向して、それぞれ空気極側ガス拡散層４および燃料極側ガス拡散層５が配置される。これによりそれぞれ空気極６および燃料極７が構成される。これらのガス拡散層４および５は、それぞれ酸化剤ガスおよび燃料ガスを通過させると同時に、電流を外部に伝える働きをする。そして、ガス拡散層４、５の外面にガス拡散層４、５に面して反応ガス流通用ガス流路８を形成する複数の凹部と凸部２０を備え、相対する主面に冷却水流通用の冷却水流路９を備えた導電性でかつガス不透過性の材料よりなる一組みのセパレータ１０を配置し、前記凸部２０間で前記電解質膜１と前記触媒層２、３と前記ガス拡散層４、５とを締め付けて挟持して燃料電池用電極１１（燃料電池単セル）が構成されている。
【０００３】
図４は、固体高分子形燃料電池スタックの基本構成を示す断面図である。多数の燃料電池用電極１１（燃料電池単セル）を積層し、集電板１２、電気絶縁と熱絶縁を目的とする絶縁板１３ならびに荷重を加えて積層状態を保持するための締付板１４によって挟持し、ボルト１５とナット１７により締め付けられており、締め付け荷重は、皿バネ１６により加えられている。
【０００４】
固体高分子電解質膜１は分子中にプロトン交換基を有しており、含水量を飽和させると比抵抗が常温で２０Ωｃｍ^２以下となり、プロトン導電性電解質として機能する。このように固体高分子電解質膜１は含水させることによりプロトン導電性電解質として機能するもので、固体高分子形燃料電池においては、反応ガスに水蒸気を飽和に含ませて各燃料電池用電極１１（燃料電池単セル）に供給して運転する方法が採られている。
【０００５】
燃料極７に水素を含む燃料ガス、空気極６に酸素を含む酸化剤ガスを供給すると、燃料極７では、水素分子を水素イオンと電子に分解する燃料極反応、空気極６では、酸素と水素イオンと電子から水を生成する以下の電気化学反応がそれぞれ行われ、燃料極から空気極に向かって外部回路を移動する電子により電力が負荷に供給されるとともに、空気極側に水が生成されることとなる。
【０００６】
燃料極；Ｈ_２ →２Ｈ^＋＋２ｅ⁻ （燃料極反応）
空気極；２Ｈ^＋＋（１／２）Ｏ_２＋２ｅ⁻ →Ｈ_２Ｏ（空気極反応）
全体；Ｈ_２＋（１／２）Ｏ_２ →Ｈ_２Ｏ
【０００７】
このように、空気極６側では反応により水が生成される上に、燃料極７側からの水素イオンの移動に伴って空気極６側に移動する水も存在する。
そのためガス拡散層４および５は、１）反応ガス流通用ガス流路８を形成する複数の凹部より供給される反応ガスを触媒層２、３に均一に供給する、２）電流を外部に伝える、３）触媒層２、３からの反応生成水および移動水の排出ならびに飽和水蒸気を含んだ反応ガスからの固体高分子電解質膜１および触媒層２、３への給水を良好にコントロールするなどの機能が要求される。
【０００８】
そのため、従来は、ガス拡散層４および５としてカーボンペーパや、カーボン織布、カーボン不織布および金属繊維からなる多孔質体などを含む導電性多孔性材料や、この導電性多孔性材料に撥水処理をした材料や、この導電性多孔性材料にカーボン粉末と撥水性充填剤からなる混合物を塗布した材料が使用されていた（例えば、特許文献１参照）。
【０００９】
【特許文献１】
特開平１０−２８９７２３号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図５に示すように従来の燃料電池用電極１１（燃料電池単セル）は、ガス流路８内を流れる反応ガスの一部が白矢印で示したように、凸部２０間で挟持されたガス拡散層５を経て隣のガス流路８にショートカットしてしてしまい、均一に反応ガスがガス流路８内を流れないという問題があった。反応ガスがガス流路８内を流れないと電極面内において十分に発電できない部分が生じ、規定の電力が得られないとともに、触媒層２、３から排出される反応生成水および移動水と反応ガスに含まれる飽和水蒸気が結露して生じる水滴がガス流路８内に溜って良好に排出できない。
本発明の目的は、従来の問題を解決し、反応ガスが凸部２０間で挟持されたガス拡散層５を経て隣のガス流路８にショートカットして流れるのを防止し、電極面内において均一な反応を行わせて規定の電力が得られるようにするとともに、ガス流路８内に結露した水滴が万一溜っても良好に排出できる燃料電池用電極を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
課題を解決するための本発明の請求項１記載の燃料電池用電極は、電解質膜の両面に燃料極側触媒層および空気極側触媒層を配置し、さらに燃料極側触媒層および空気極側触媒層の外面にそれぞれガス拡散層を配置し、さらにガス拡散層の外面に前記ガス拡散層に面して反応ガス流通用ガス流路を形成する複数の凹部と凸部を備えた一組みのセパレータを配置し、前記一組みのセパレータの前記凸部間で前記電解質膜と前記触媒層と前記ガス拡散層とを締め付けて挟持した燃料電池用電極において、
挟持する前の前記ガス拡散層の厚みＤ１が、挟持後にＤ１×０．９＝Ｄ２以下となるように締め付けて挟持したことを特徴とする。
【００１２】
ガス拡散層を挟持する前の、すなわち締めつけ圧力をかけていない状態でのガス拡散層を厚みをＤ１とし、締めつけ後のガス拡散層の厚さをＤ２とすると、締めつけ圧力をかけて挟持後にＤ２がＤ１×０．９以下となるようにすることにより、反応ガスが凸部間で挟持されたガス拡散層を経て隣のガス流路にショートカットして流れるのを防止できる。反応ガスのショートカットして流れるのを防止すると、電極面内において均一な反応を行わせて規定の電力が得られるようになり、かつ、ガス流路内に結露した水滴が万一溜っても反応ガスで吹き飛ばして良好に排出できる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。
図１は本発明の燃料電池用電極の部分拡大断面説明図である。
図１に示すように本発明の燃料電池用電極１１Ａ（燃料電池単セル）は、前記図３に示すように、固体高分子電解質膜１の両側の主面にそれぞれ空気極側触媒層２および燃料極側触媒層３を接合し、空気極側触媒層２および燃料極側触媒層３と対向して、それぞれ空気極側ガス拡散層４および燃料極側ガス拡散層５を配置し、そして、ガス拡散層４、５の外面に前記ガス拡散層４、５に面して反応ガス流通用ガス流路８を形成する複数の凹部と凸部２０を備え、相対する主面に冷却水流通用の冷却水流路９を備えたセパレータ１０を配置し、前記凸部２０間で前記電解質膜１と前記触媒層２、３と前記ガス拡散層４、５とを締め付けて挟持して構成されており、前記ガス拡散層４、５として、挟持する前の厚さ、すなわち締めつけ圧力をかけていない状態での厚みＤ１を有するガス拡散層を用い、締めつけ圧力をかけて挟持後にＤ２（締めつけ圧力をかけて締めつけ後のガス拡散層の厚さ）がＤ１×０．９以下となるように締め付けて挟持して構成する。
【００１４】
このように構成することにより反応ガスが凸部間で挟持されたガス拡散層を経て隣のガス流路にショートカットして流れるのを防止でき、電極面内において均一な反応を行わせて規定の電力が得られるようになり、かつガス流路内に結露した水滴が万一溜っても反応ガスで吹き飛ばして良好に排出できる。
【００１５】
図２は、拡散層厚み（％）と締めつけ圧力との関係を示すグラフである。
図２において拡散層厚みが１００％は、締めつけ圧力をかけていない状態でのガス拡散層の厚みＤ１に対応し、図２に示すように締めつけ圧力をかけると締めつけ圧力の大きさに対応して拡散層厚みは徐々に低下する。ａの曲線およびａの曲線より上方の範囲は従来の燃料電池用電極の拡散層厚み（％）と締めつけ圧力との関係を示すものであり、例えば締めつけ圧力１０ｋｇｆ／ｃｍ^２において元の厚さの約９０％に達する。前記範囲では前記図５に示したように反応ガスの一部が凸部２０間で挟持されたガス拡散層５を経て隣のガス流路８にショートカットしてしてしまう。
【００１６】
一方、ｂの曲線は本発明における拡散層厚み（％）と締めつけ圧力との関係を示すものであり、本発明においては所定の締め付け圧力（例えば１０ｋｇｆ／ｃｍ^２）をかけて挟持前の厚さＤ１が挟持後に厚さＤ２がＤ１×０．９以下となるように締め付けて挟持する。
【００１７】
このようにすることにより凸部２０間で挟持されたガス拡散層４、５はガス透過性が小さくなり、逆に締め付け圧力がかからないかほとんどかからないガス流路８間のガス拡散層４、５はガス透過性が大きくなる。この差が大きいと反応ガスが凸部２０間で挟持されたガス拡散層４、５を経て隣のガス流路８にショートカットして流れるのが抑制、防止され、反応ガスが均一に各ガス流路８内を流れる。
これによりガス流路８内に万一結露した水滴が溜っても反応ガスにより吹き飛ばすことができ、結露した水滴を良好に排出できる。
また、締め付け圧力は凸部２０間のガス拡散層４、５にかかり最も強く圧縮されるため接触抵抗が低減する効果がある。
【００１８】
本発明で用いるガス拡散層４および５としては、特に限定されるものではないが、具体的には、例えば石油系、ポリアクリロニトリル系、セルロース系などのカーボン繊維を用いたカーボンペーパや、カーボン織布、カーボン不織布および金属繊維からなる多孔質体などを含む導電性多孔性材料や、この導電性多孔性材料に撥水処理をした材料や、この導電性多孔性材料にカーボン粉末とポリテトラフルオロエチレン、パーフルオロカーボンスルホン酸、テトラフルオロエチレン−ペルフルオロアルキルビニルエーテル共重合体、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、ポリクロロトリフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリフッ化ビニルおよびテトラフルオロエチレン−エチレン共重合体などの撥水性充填剤からなる混合物を塗布した材料などを挙げることができる。
【００１９】
これらのガス拡散層の中でも、弾力性のあるカーボンペーパ、繊維の太さの細いカーボン繊維を用いたカーボンペーパあるいはポリテトラフルオロエチレンなどの前記撥水性充填剤の配合量を最適量に制御したものなどは所定の締めつけ圧力（例えば通常使用される１０ｋｇｆ／ｃｍ^２程度の締めつけ圧力）により容易に元の厚さの９０％以下になり、反応ガスのショートカットを抑制、防止できるので本発明において好ましく使用できる。
本発明においてはこのような特別のガス拡散層を使用することが好ましいが、通常のガス拡散層を使用し、締めつけ圧力を通常の締めつけ圧力より高くして、元の厚さの９０％以下になるように締め付けることもできる。
【００２０】
上記実施の形態の説明は、本発明を説明するためのものであって、特許請求の範囲に記載の発明を限定し、或は範囲を減縮するものではない。又、本発明の各部構成は上記実施の形態に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能である。
【００２１】
【発明の効果】
本発明の請求項１記載の燃料電池用電極は、電解質膜の両面に燃料極側触媒層および空気極側触媒層を配置し、さらに燃料極側触媒層および空気極側触媒層の外面にそれぞれガス拡散層を配置し、さらにガス拡散層の外面に前記ガス拡散層に面して反応ガス流通用ガス流路を形成する複数の凹部と凸部を備えた一組みのセパレータを配置し、前記一組みのセパレータの前記凸部間で前記電解質膜と前記触媒層と前記ガス拡散層とを締め付けて挟持した燃料電池用電極において、
挟持する前の前記ガス拡散層の厚みＤ１が、挟持後にＤ１×０．９＝Ｄ２以下となるように締め付けて挟持したことを特徴とするものであり、締めつけ圧力をかけて挟持後にＤ２がＤ１×０．９以下となるようにすることにより、反応ガスが凸部間で挟持されたガス拡散層を経て隣のガス流路にショートカットして流れるのを防止でき、電極面内において均一な反応を行わせて規定の電力が得られるようになり、かつ、ガス流路内に結露した水滴が万一溜っても反応ガスで吹き飛ばして良好に排出できるという顕著な効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池用電極の部分拡大断面説明図である。
【図２】拡散層厚み（％）と締めつけ圧力との関係を示すグラフである。
【図３】従来の燃料電池の１形態である固体高分子形燃料電池の電極（単セル）の基本構成を示す分解断面図である。
【図４】固体高分子形燃料電池スタックの基本構成を示す断面図である。
【図５】図３、４に示した燃料電池用電極の部分拡大断面説明図である。
【符号の説明】
１固体高分子電解質膜
２空気極（カソード）側触媒層
３燃料極（アノード）側触媒層
４空気極側ガス拡散層
５燃料極側ガス拡散層
６空気極
７燃料極
８反応ガス流通用ガス流路
９冷却水流路
１０セパレータ
１１、１１Ａ燃料電池用電極（燃料電池単セル）
２０凸部

Claims

電解質膜の両面に燃料極側触媒層および空気極側触媒層を配置し、さらに燃料極側触媒層および空気極側触媒層の外面にそれぞれガス拡散層を配置し、さらにガス拡散層の外面に前記ガス拡散層に面して反応ガス流通用ガス流路を形成する複数の凹部と凸部を備えた一組みのセパレータを配置し、前記一組みのセパレータの前記凸部間で前記電解質膜と前記触媒層と前記ガス拡散層とを締め付けて挟持した燃料電池用電極において、
挟持する前の前記ガス拡散層の厚みＤ１が、挟持後にＤ１×０．９＝Ｄ２以下となるように締め付けて挟持したことを特徴とする燃料電池用電極。