JP2013131300A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】反応ガスの供給口近傍の乾燥を抑制することのできる技術を提供する。
【解決手段】燃料電池は、複数のセルが水平方向に積層されたスタックと、スタックの下部に設けられ、反応ガスの供給を受けるための反応ガス供給口と、スタックの上部に設けられ、反応ガス供給口と連通し、反応ガスを排出するための反応ガス排出口と、スタックの側面に設けられ、燃料ガスの供給を受ける燃料ガス供給口と、スタックの側面であって燃料ガス供給口よりも下方に設けられ、燃料ガスを排出する燃料ガス排出口と、燃料ガス供給口と燃料ガス排出口とを接続するとともに、スタック内で水平方向に折り返す流路である燃料ガス流路とを備える。燃料ガス流路の下流側近傍における触媒層のアイオノマーの膨潤率は、燃料ガス流路の上流側近傍における触媒層のアイオノマーの膨潤率よりも高い値に設定されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池に関するものである。

近年、自動車に搭載される燃料電池が注目を集めている。電解質膜を用いた燃料電池において、カソードガス（空気）の供給口近傍は、電気化学反応によって生じる生成水が少ないため、乾燥しやすい。このため、燃料電池には、カソードガスを加湿するための加湿器が設けられている。しかし、燃料電池の低コスト化を実現するために加湿器を廃止したいといった要望や、自動車の登坂時などにおける高温時の性能を向上させたいという要望があった。

なおこのような問題は、自動車に搭載される燃料電池に限らず、据え置き型の燃料電池等を含む燃料電池全般に共通する問題であった。

特開２０１０−０６１８６５号公報

本発明は、上述した従来の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、反応ガスの供給口近傍の乾燥を抑制することのできる技術を提供することを目的とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するために、以下の形態または適用例を取ることが可能である。

[適用例１]
燃料電池であって、
複数のセルが水平方向に積層されたスタックと、
前記スタックの下部に設けられ、反応ガスの供給を受けるための反応ガス供給口と、
前記スタックの上部に設けられ、前記反応ガス供給口と連通し、前記反応ガスを排出するための反応ガス排出口と、
前記スタックの側面に設けられ、前記燃料ガスの供給を受ける燃料ガス供給口と、
前記スタックの側面であって前記燃料ガス供給口よりも下方に設けられ、前記燃料ガスを排出する燃料ガス排出口と、
前記燃料ガス供給口と前記燃料ガス排出口とを接続するとともに、前記スタック内で水平方向に折り返す流路である燃料ガス流路と
を備え、
前記各セルは、電解質膜を有しており、当該電解質膜の表面には、アイオノマーを含む触媒層が形成されており、
前記燃料ガス流路の下流側近傍における前記触媒層の前記アイオノマーの膨潤率は、前記燃料ガス流路の上流側近傍における前記触媒層の前記アイオノマーの膨潤率よりも高い値に設定されている、
燃料電池。
この構成によれば、アイオノマーの膨潤率が適切に設定されるので、反応ガスの供給口近傍の乾燥を抑制することができる。アオイノマーの膨潤率とは、アイオノマーが含むことのできる水分の体積比率である。

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能である。例えば、燃料電池の製造方法および製造装置、燃料電池の乾燥を抑制する方法等の形態で実現することができる。

本発明の一実施例としての燃料電池の概略構成及び燃料電池のセル環境等を示す説明図である。 第２実施例における燃料電池の概略構成及び燃料電池のセル環境等を示す説明図である。

Ａ．第１実施例：
図１は、本発明の一実施例としての燃料電池１００の概略構成及び燃料電池１００のセル環境等を示す説明図である。本実施例では、この図１に示すＸ方向を水平方向とし、Ｙ方向を上下方向とし、Ｚ方向を奥行き方向とする。燃料電池１００は、複数のセルが水平方向に積層されたスタック１０を有している。この図１では、セルの積層方向は、奥行き方向である。スタック１０の下部（本実施例ではスタック１０の底面）には、反応ガスとしての空気の供給を受けるための空気供給口２０が設けられており、スタック１０の上部（本実施例では、スタック１０の上面）には、空気供給口２０と連通し、空気を排出するための空気排出口３０が設けられている。

スタック１０の側面には、燃料ガスとしての水素ガスの供給を受ける水素供給口４０が設けられており、スタック１０の側面であって水素供給口４０よりも下方には、水素ガスを排出する水素排出口５０が設けられている。スタック１０の内部には、水素供給口４０と水素排出口５０とを接続する水素ガス流路６０が設けられている。水素ガス流路６０は、スタック１０内で上流から下流に至る途中で水平方向（Ｘ方向）に複数回折り返す形状、すなわち、蛇のように曲がりくねった形状である「サーペンタイン形状」となっている。

なお、図示は省略するが、各セル内には、電解質膜が配置されており、電解質膜の両面には、電極触媒層が形成されている。本実施例では、電極触媒層は、担持カーボン（カーボンブラック）、触媒、及びアイオノマーによって形成されている。電極触媒層の外側には、ガス拡散層が配置される。

このような構成の燃料電池１００では、空気は、スタック１０の下方から上方に向けて流れ、水素ガスは、空気とは反対方向、すなわちスタック１０の上方から下方に向けて流れることになる（いわゆるカウンターフロー）。このような構成とすれば、水素ガス流路６０の上流近傍（すなわちスタック１０の上方）で生じた生成水が、下方に移動しやすくなるため、空気供給口２０の近傍における乾燥を抑制することができる。ただし、本実施例では、水素ガス流路６０がサーペンタイン形状となっているため、セル内における乾湿の環境が、水素ガス流路６０の上流近傍、中流近傍、及び下流近傍で異なってくる。

そこで、本実施例では、電極触媒層におけるアイオノマーの膨潤率を、水素ガス流路６０の構造に応じて設定している。アオイノマー膨潤率とは、アイオノマーが含むことのできる水分の体積比率であり、膨潤率が高いほど、多くの水分を含むことができ、高温、無加湿環境下で乾燥しにくくなる。

具体的には、水素ガス流路６０の上流側（本実施例ではスタック１０の上方側）においては、セル内の環境は湿潤状態になりやすいため、アイオノマーの膨潤率は、低い値（本実施例では１４０％）に設定されている。一方、水素ガス流路６０の下流側（本実施例ではスタック１０の下方側）においては、セル内の環境は乾燥状態になりやすいため、アイオノマーの膨潤率は、高い値（本実施例では３００％）に設定されている。水素ガス流路６０の中流近傍においては、セル内の環境は上流側と下流側の中間程度の状態であるため、アイオノマーの膨潤率は、中程度の値（本実施例では２２０％）に設定されている。

アイオノマーの膨潤率の制御は、Ｉ／Ｃ、熱処理温度、熱処理時間のうちの少なくとも１つの条件を以下の範囲で調整することによって実現することができる。
・Ｉ／Ｃ ０．８５〜０．６５
・熱処理温度 １３５℃〜１６５℃
・熱処理時間 １５分〜６０分
上記の条件を調整すれば、アイオノマー膨潤率を以下の範囲で制御することができる。
・アイオノマー膨潤率 ３００％〜１４０％
すなわち、上記の条件を組み合わせてアイオノマーの膨潤率を制御してもよいし、例えば、Ｉ／Ｃの値だけを調整し、熱処理の条件は同一として、アイオノマーの膨潤率を制御してもよい。

なお、Ｉ／Ｃとは、電解質膜に塗布する触媒インクにおけるアイオノマーの質量Ｉとカーボンブラックの質量Ｃとの比である。また、上記の熱処理は、担持カーボン、触媒、及びアイオノマーを混合して作成した触媒インクを電解質膜に塗布した後にホットプレスすることにより実施する。ホットプレスによれば、塗布された触媒インクの領域毎に異なった熱処理温度や熱処理時間を適用することができる。

本実施例では、図１の右側の表に示すように、水素ガス流路６０の上流側では、アイオノマーの膨潤率を１４０％とするために、Ｉ／Ｃを０．６５、熱処理温度を１６５℃、熱処理時間を６０分とした。水素ガス流路６０の中流近傍では、アイオノマーの膨潤率を２２０％とするために、Ｉ／Ｃを０．７５、熱処理温度を１３５℃、熱処理時間を３０分とした。水素ガス流路６０の下流側では、アイオノマーの膨潤率を３００％とするために、Ｉ／Ｃを０．８５、熱処理温度を１４５℃、熱処理時間を１５分とした。

このように、第１実施例では、アイオノマーの膨潤率を水素ガス流路６０の構造に応じて設定しているので、水素ガス流路６０の上流側、すなわち空気排出口３０の近傍におけるフラッディングを抑制することができるとともに、水素ガス流路６０の下流側、すなわち空気供給口２０の近傍における乾燥を抑制することが可能である。

Ｂ．第２実施例：
図２は、第２実施例における燃料電池１００ｂの概略構成及び燃料電池１００ｂのセル環境等を示す説明図である。図１に示した第１実施例との違いは、アイオノマーの膨潤率の代わりに、ＭＰＬ（Micro Porous Layer）の透水圧が水素ガス流路６０の構造に応じて設定されているという点であり、他の構成は第１実施例と同じである。

ＭＰＬとは、ガス拡散層の触媒層側の表面に形成された撥水層であり、ガス拡散層よりも微細な気孔を有する層である。ＭＰＬは、ガス拡散層の表面に撥水ペーストを塗布して焼成することによって形成することができる。ＭＰＬの透水圧が高いほど、生成水が透過しにくくなるため、本実施例では、乾燥状態になりやすい位置におけるＭＰＬの透水圧を高く設定し、湿潤状態になりやすい位置におけるＭＰＬの透水圧を低く設定している。

具体的には、本実施例では、水素ガス流路６０の上流側（本実施例ではスタックの上方側）においては、セル内は湿潤状態になりやすいため、ＭＰＬの透水圧は低い値に設定されている。一方、水素ガス流路６０の下流側（本実施例ではスタックの下方側）においては、セル内は乾燥状態になりやすいため、ＭＰＬの透水圧は高い値に設定されている。水素ガス流路６０の中流近傍においては、セル内の環境は上流側と下流側の中間程度の状態であるため、ＭＰＬの透水圧は、中程度の値に設定されている。

ＭＰＬの透水圧の制御は、ＭＰＬのカーボン粒径を調整したり、ＭＰＬの撥水性、親水性を調整することによって実現することができる。具体的には、ＭＰＬの透水圧を高くするには、ＭＰＬのカーボン粒径を小さくしたり、ＭＰＬの撥水性を高めればよい。一方、ＭＰＬの透水圧を低くするには、ＭＰＬのカーボン粒径を大きくしたり、ＭＰＬの撥水性を低くすればよい。

このように、本実施例においても、ＭＰＬの透水圧を水素ガス流路６０の構造に応じて設定しているので、水素ガス流路６０の上流側、すなわち空気排出口３０の近傍におけるフラッディングを抑制することができるとともに、水素ガス流路６０の下流側、すなわち空気供給口２０の近傍における乾燥を抑制することが可能である。

Ｃ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

Ｃ１．変形例１：
上記実施例では、水素ガス流路６０は、水平方向に２回折り返していたが、折り返し回数は、１回でもよく、３回以上であってもよい。

Ｃ２．変形例２：
上記第１実施例では、３つの領域に分けてアイオノマーの膨潤率を設定していたが、２つの領域または４つ以上の領域に分けてアイオノマー膨潤率を設定してもよい。また、水素供給口４０の上流側から下流側にかけて、アイオノマーの膨潤率を、無段階に連続して変化するように設定してもよい。第２実施例におけるＭＰＬ透水圧の設定に関しても同様である。

１０…スタック
２０…空気供給口
３０…空気排出口
４０…水素供給口
５０…水素排出口
６０…水素ガス流路
１００…燃料電池
１００ｂ…燃料電池

Claims (1)

1. 燃料電池であって、
   複数のセルが水平方向に積層されたスタックと、
   前記スタックの下部に設けられ、反応ガスの供給を受けるための反応ガス供給口と、
   前記スタックの上部に設けられ、前記反応ガス供給口と連通し、前記反応ガスを排出するための反応ガス排出口と、
   前記スタックの側面に設けられ、前記燃料ガスの供給を受ける燃料ガス供給口と、
   前記スタックの側面であって前記燃料ガス供給口よりも下方に設けられ、前記燃料ガスを排出する燃料ガス排出口と、
   前記燃料ガス供給口と前記燃料ガス排出口とを接続するとともに、前記スタック内で水平方向に折り返す流路である燃料ガス流路と
   を備え、
   前記各セルは、電解質膜を有しており、当該電解質膜の表面には、アイオノマーを含む触媒層が形成されており、
   前記燃料ガス流路の下流側近傍における前記触媒層の前記アイオノマーの膨潤率は、前記燃料ガス流路の上流側近傍における前記触媒層の前記アイオノマーの膨潤率よりも高い値に設定されている、
   燃料電池。

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