JP5772554B2

JP5772554B2 - 燃料電池

Info

Publication number: JP5772554B2
Application number: JP2011267194A
Authority: JP
Inventors: 大雄吉川
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2011-12-06
Filing date: 2011-12-06
Publication date: 2015-09-02
Anticipated expiration: 2031-12-06
Also published as: JP2013120657A

Description

この発明は、燃料電池に関するものである。

アノード側のガス拡散層の厚みが、カソード側のガス拡散層の厚みよりも小さい燃料電池が知られている（特許文献１）。

特開２００８−０５３０６４号公報

かかる燃料電池では、燃料電池の電解質膜が膨潤したときに、厚いカソード側のガス拡散層がカソードガス流路に食い込んで、カソードガス流路を閉塞させてカソードガス流路の圧力損失を増加させる虞があった。そして、特にカソードのガス流量がアノードのガス流量よりも多い場合には、燃費を悪化させる虞があった。また、電解質膜を、カソードガス流路側ではなく、アノードガス流路側に変形させると、触媒層にひび割れが発生する虞があった。

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なされたものであり、カソードガス流路の圧力損失の増加を抑制し、燃料電池の効率を向上させ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なされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
本発明の一形態によれば、燃料電池が提供される。この形態の燃料電池は、電解質膜と、前記電解質膜の両側にそれぞれ形成されたアノード触媒層とカソード触媒層と、前記アノード触媒層の外側に配置されたアノード拡散層と、前記カソード触媒層の外側に配置されたカソード拡散層と、前記アノード拡散層の外側に配置され、溝によって形成されたアノードガス流路と、前記カソード拡散層の外側に配置され、溝によって形成されたカソードガス流路と、を備え、前記アノードガス拡散層の厚さは、前記カソードガス拡散層の厚さよりも厚く、前記カソードガス拡散層の弾性率は、前記アノードガス拡散層の弾性率よりも大きく、前記アノード拡散層と前記カソード拡散層が水を含んで膨潤したときに、前記カソードガス流路を形成する溝に食い込む前記カソードガス拡散層の食い込み量が、前記アノードガス流路を形成する溝に食い込む前記アノードガス拡散層の食い込み量よりも小さくなるように構成されている。この形態によれば、電解質膜が膨潤したときに、電解質膜等がアノード側に変形するので、カソードガス流路を閉塞させにくく、カソードガス流路の圧力損失の増加を抑制し、本適用例を適用しない場合に比べて、燃料電池の効率を向上させることが可能となる。

［適用例１］
燃料電池であって、電解質膜と、前記電解質膜の両側にそれぞれ形成されたアノード触媒層とカソード触媒層と、前記アノード触媒層の外側に配置されたアノード拡散層と、前記カソード触媒層の外側に配置されたカソード拡散層と、前記アノード拡散層の外側に配置されたアノードガス流路と、前記カソード拡散層の外側に配置されたカソードガス流路と、を備え、前記アノード拡散層と前記カソード拡散層は、前記電解質膜が膨潤したときに、前記アノード拡散層の方が前記カソード拡散層よりも大きく変形するように構成されている、燃料電池。
この適用例によれば、電解質膜が膨潤したときに、電解質膜等がアノード側に変形するので、カソードガス流路を閉塞させにくく、カソードガス流路の圧力損失の増加を抑制し、本適用例を適用しない場合に比べて、燃料電池の効率を向上させることが可能となる。

［適用例２］
適用例１に記載の燃料電池において、前記アノード拡散層の厚さは、前記カソード拡散層の厚さよりも厚い、燃料電池。
この適用例によれば、アノード拡散層の厚さは、カソード拡散層の厚さよりも厚いので、電解質膜等をアノード側に変形させやすい。

［適用例３］
適用例１または２に記載の燃料電池において、前記カソード拡散層の剛性は、アノード拡散層の剛性よりも大きい、燃料電池。
この適用例によれば、カソード拡散層の剛性は、アノード拡散層の剛性よりも大きいので、電解質膜等をアノード側に変形させやすい。

［適用例４］
適用例１〜３のいずれか一つの適用例に記載の燃料電池において、前記アノード触媒層と前記カソード触媒層は、前記電解質膜が膨潤したときに、前記アノード触媒層の方が前記カソード触媒層よりも大きく変形するように構成されている、燃料電池。
この適用例によれば、電解質膜が膨潤したときに、電解質膜等をアノード側に変形させることが可能となる。

［適用例５］
燃料電池であって、電解質膜と、前記電解質膜の両側にそれぞれ形成されたアノード触媒層とカソード触媒層と、前記アノード触媒層の外側に配置されたアノード拡散層と、前記カソード触媒層の外側に配置されたカソード拡散層と、前記アノード拡散層の外側に配置されたアノードガス流路と、前記カソード拡散層の外側に配置されたカソードガス流路と、を備え、前記アノード触媒層と前記カソード触媒層は、前記電解質膜が膨潤したときに、前記アノード触媒層の方が前記カソード触媒層よりも大きく変形するように構成されている、燃料電池。
この適用例によれば、電解質膜が膨潤したときに、電解質膜等をアノード側に変形させることが可能となる。また、電解質膜等がアノード側に変形しても、アノード触媒層のひび割れを抑制することが可能となる。

［適用例６］
適用例４または５に記載の燃料電池において、前記アノード触媒層の厚さは、前記カソード触媒層の厚さよりも薄い、燃料電池。
この適用例によれば、電解質膜等がアノード側に変形しても、アノード触媒層のひび割れを抑制することが可能となる。

［適用例７］
適用例４〜６のいずれか一つの適用例に記載の燃料電池において、前記アノード触媒層の弾性率は、前記カソード触媒層の弾性率よりも大きい、燃料電池。
この適用例によれば、電解質膜等がアノード側に変形しても、アノード触媒層のひび割れを抑制することが可能となる。

なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池の他、燃料電池用ガス拡散層、燃料電池用触媒層等の形態で実現することができる。

第１の実施例の燃料電池の単電池を示す説明図である。第１の実施例において燃料電池が発電状態にあるときの単電池の状態を模式的に示す説明図である。第２の実施例の燃料電池の単電池を示す説明図である。第２の実施例において燃料電池が発電状態にあるときの単電池の状態を模式的に示す説明図である。

［第１の実施例］
図１は、第１の実施例の燃料電池の単電池を示す説明図である。単電池１１０は、膜電極ガス拡散層接合体１３０と、アノードセパレータプレート１４２とカソードセパレータプレート１４３とを備えている。膜電極ガス拡散層接合体１３０は、アノードセパレータプレート１４２とカソードセパレータプレート１４３とに挟まれている。アノードセパレータプレート１４２とカソードセパレータプレート１４３は、金属で形成された平板であり、膜電極ガス拡散層接合体１３０側に、それぞれ溝１４２ａ、１４３ａを備えている。溝１４２ａは水素を流すための流路として用いられ、溝１４３ａは酸化ガスを流すための流路として用いられる。

膜電極ガス拡散層接合体１３０は、膜電極接合体１２０と、アノードガス拡散層１３２と、カソードガス拡散層１３３と、を備えている。膜電極接合体１２０は、アノードガス拡散層１３２と、カソードガス拡散層１３３とに挟まれている。アノードガス拡散層１３２と、カソードガス拡散層１３３は、カーボンファイバと、結着樹脂とを含んでいる。結着樹脂はカーボンファイバを結着する。カソードガス拡散層１３３の構成も同じである。ただし、アノードガス拡散層１３２の厚さや弾性率は、カソードガス拡散層１３３の厚さ、弾性率と異なっている。

本実施例では、アノードガス拡散層１３２の厚さＷＡ１は、カソードガス拡散層１３３の厚さＷＣ１よりも厚く形成されている。生成水により膨潤する場合、厚いアノードガス拡散層１３２の方がカソードガス拡散層１３３よりも大きく変位する。

なお、カソードガス拡散層１３３の弾性率を、アノードガス拡散層１３２の弾性率よりも大きくしてもよい。カソードガス拡散層１３３の弾性率を、アノードガス拡散層１３２の弾性率よりも大きくすることは、例えば、カソードガス拡散層１３３に含まれるカーボンファイバや結着樹脂の量を多くすることで実現可能である。なお、弾性率の大きいカソードガス拡散層１３３方が、弾性率の小さいアノードガス拡散層１３２よりも、剛性が高いとも言える。

また、燃料電池は、一定の締結加重で締結されている。したがって、各単電池１１０のアノードセパレータプレート１４２とカソードセパレータプレート１４３との間にも締結加重が掛かる。そのため、アノードセパレータプレート１４２の溝１４２ａにアノードガス拡散層１３２が食い込み、カソードセパレータプレート１４３の溝１４３ａにカソードガス拡散層１３３が食い込む。ここで、アノードガス拡散層１３２の方が厚く形成されていること（ＷＡ１＞ＷＣ１）、カソードガス拡散層１３３の方が、弾性率（あるいは剛性）が高いことから、溝１４２ａへのアノードガス拡散層１３２の食い込み量ＷＡ２は、溝１４３ａへのカソードガス拡散層１３３の食い込み量ＷＣ２よりも大きい。

膜電極接合体１２０は、電解質膜１２１と、アノード触媒層１２２と、カソード触媒層１２３とを備えている。アノード触媒層１２２と、カソード触媒層１２３とは、電解質膜１２１の両面にそれぞれ形成されている。電解質膜１２１は、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸ポリマなどのフッ素系樹脂や炭化水素系樹脂からなるプロトン伝導性のイオン交換膜を用いて形成されている。アノード触媒層１２２、カソード触媒層１２３は、例えば、白金触媒、あるいは白金と他の金属とからなる白金合金触媒を例えばカーボン粒子上に担持した触媒層を用いて形成されている。アノード触媒層１２２、カソード触媒層１２３の形成は、以下のように行う。まず、白金合金触媒をカーボン粒子上に担持させて触媒担持カーボン粒子を形成する。次に、この触媒担持カーボン粒子をアイオノマー、アルコール、水と混合して攪拌し、触媒インク（コロイド溶液）を得る。この触媒インクを電解質膜１２１に塗布し、ホットプレスにより電解質膜１２１に定着させた後、アニール処理を行う。そして、余分の溶媒を乾燥させて、アノード触媒層１２２、カソード触媒層１２３を形成する。

図２は、第１の実施例において燃料電池が発電状態にあるときの単電池の状態を模式的に示す説明図である。燃料電池が発電状態になると、水素と酸化ガス中の酸素との反応により水（生成水）が生成する。生成水は、カソード触媒層１２３、カソードガス拡散層１３３、および溝１４３ａを通って燃料電池の外部に排出されるが、一部は燃料電池に残る。この残った生成水は、膜電極接合体１２０や、アノードガス拡散層１３２、カソードガス拡散層１３３を膨潤させる。このとき、アノードガス拡散層１３２の方がカソードガス拡散層１３３よりも厚さが厚いので、アノードガス拡散層１３２側に生成水が移動し易く、アノードガス拡散層１３２が膨潤して、溝１４２ａに食い込む。一方、カソードガス拡散層１３３には、生成水は移動し難いので、カソードガス拡散層１３３は、あまり膨潤せず、溝１４２ａにあまり食い込まない。すなわち、膜電極ガス拡散層接合体１３０は、アノード側に変形し易い。これにより、アノード側の圧力損失は大きくなるが、カソード側の圧力損失は大きくなりにくい。一般に、アノードガスである水素の流量よりもカソードガスである空気の流量の方が多いため、圧力損失の影響は、カソード側で圧力損失が大きくなった方が大きい。本実施例では、圧力損失の影響が大きいカソード側で圧力損失が大きくなりにくいので、圧力損失の燃料電池への影響を小さくとどめ、本実施例を実施しないよりも、発電効率を向上させることが出来る。

また、本実施例では、カソードガス拡散層１３３の弾性率（あるいは剛性）を、アノードガス拡散層１３２の弾性率よりも大きくしている。弾性率が高い方が変形し難いので、膜電極ガス拡散層接合体１３０が膨潤し、変形する場合には、カソード側ではなく、アノード側に変形する。したがって、上述したアノードガス拡散層１３２の厚さをカソードガス拡散層１３３の厚さよりも厚くした場合と同様に、カソード側の圧力損失を大きくさせないで済む。したがって、カソードガス拡散層１３３の弾性率を、アノードガス拡散層１３２の弾性率よりも大きくした場合も同様に、圧力損失の影響が大きいカソード側で圧力損失が大きくなりにくいので、圧力損失の燃料電池への影響を小さくとどめ、本実施例を実施しないよりも、発電効率を向上させることが出来る。

［第２の実施例］
図３は、第２の実施例の燃料電池の単電池を示す説明図である。第２の実施例の単電池１１０は、第１の実施例の単電池１１０と、カソード触媒層１２３の厚さＷＣ３をアノード触媒層１２２の厚さＷＡ３よりも厚く形成している点が異なる。

図４は、第２の実施例において燃料電池が発電状態にあるときの単電池の状態を模式的に示す説明図である。第１の実施例のように膜電極ガス拡散層接合体１３０がアノード側に変形する場合、アノード触媒層１２２が伸びて、引っ張り張力がかかる。アノード触媒層１２２は、カーボン粒子、アイオノマーで形成されているため、引っ張り張力に強くなく、アノード触媒層１２２が伸びた場合、引っ張り張力により、ひび割れが生じる虞がある。第２の実施例では、カソード触媒層１２３の厚さＷＣ３をアノード触媒層１２２の厚さＷＡ３よりも厚く形成することにより、アノード触媒層１２２の変形量がカソード触媒層１２３の変形量よりも大きくできるように、すなわち、大きく変形してもひび割れが生じないようにしている。

触媒層の厚さを厚くするには、例えば、以下の手段を採用することができる。
（１）触媒である白金（白金合金）の目付量（ｍｇ／ｃｍ²）を大きくする。
白金担持密度が同じであれば、触媒である白金（白金合金）の目付量の大きくした方が、触媒層の厚さは厚くなる。
（２）白金担持密度を低くする。
白金担持密度を低くした場合、同じ白金量を維持するためには、触媒層の厚さを厚くするので、触媒層の厚さは厚くなる。
（３）触媒層を形成するときのホットプレスのプレス圧を下げる。
触媒層を形成するときのホットプレスのプレス圧を下げれば、圧縮量が少なくなるので、触媒層は厚くなる。

アノード触媒層１２２の変形量がカソード触媒層１２３の変形量よりも大きくできるようにするためには、アノード触媒層１２２の弾性率をカソード触媒層１２３の弾性率よりも小さく、すなわち、（アノード触媒層１２２の弾性率）＜（カソード触媒層１２３の弾性率）としてもよい。

触媒層の弾性率を上げるには、例えば、以下の手段を採用することができる。
（１）触媒インクを形成するときのアイオノマーの量を少なくする。
触媒層が変形する場合、アイオノマーの層が変形するため、アイオノマーの量が少ない方が変形し難い。すなわち、アイオノマーの量が少ない方が弾性率が高い。
（２）ホットプレス後のアニール温度を高くする。
アニール温度が高い方が触媒層中のアイオノマーの結晶化が促進されるので、触媒層の弾性率を上げることが可能となる。
（３）アイオノマーのＥＷ（Equivalent Weight、スルホン酸当量）を高くする。
アイオノマーのＥＷを高くすると、アイオノマーの主鎖部分が増加するため、触媒層の弾性率を上げることが可能となる。
（４）アイオノマーを構成する分子の分子量を大きくする。
アイオノマーを構成する分子の分子量を大きくする方が、分子鎖の長さが長くなり、より複雑に絡み合わせることが出来るので、触媒層の弾性率を上げることが可能となる。
（５）触媒インクの溶媒種について、水に対するアルコールの比率を上げる。
アルコールの方が蒸発し易いので、触媒層中の溶媒の量を少なくして触媒層の弾性率を上げることが可能となる。

［変形例］
上記説明した第１、第２の実施例は、それぞれ、ガス拡散層、触媒層に関するものである。したがって、第１の実施例の技術と、第２の実施例の技術とは、それぞれ単独で用いても良く、また組み合わせて用いてもよい。

以上、いくつかの実施例に基づいて本発明の実施の形態について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。

１１０…単電池
１２０…膜電極接合体
１２１…電解質膜
１２２…アノード触媒層
１２３…カソード触媒層
１３０…膜電極ガス拡散層接合体
１３２…アノードガス拡散層
１３３…カソードガス拡散層
１４２…アノードセパレータプレート
１４２ａ…溝
１４３…カソードセパレータプレート
１４３ａ…溝

Claims

燃料電池であって、
電解質膜と、
前記電解質膜の両側にそれぞれ形成されたアノード触媒層とカソード触媒層と、
前記アノード触媒層の外側に配置されたアノード拡散層と、
前記カソード触媒層の外側に配置されたカソード拡散層と、
前記アノード拡散層の外側に配置され、溝によって形成されたアノードガス流路と、
前記カソード拡散層の外側に配置され、溝によって形成されたカソードガス流路と、
を備え、
前記アノードガス拡散層の厚さは、前記カソードガス拡散層の厚さよりも厚く、
前記カソードガス拡散層の弾性率は、前記アノードガス拡散層の弾性率よりも大きく、
前記アノード拡散層と前記カソード拡散層が水を含んで膨潤したときに、前記カソードガス流路を形成する溝に食い込む前記カソードガス拡散層の食い込み量が、前記アノードガス流路を形成する溝に食い込む前記アノードガス拡散層の食い込み量よりも小さくなるように構成されている、燃料電池。
請求項１に記載の燃料電池において、
前記アノード触媒層と前記カソード触媒層は、前記アノード拡散層と前記カソード拡散層が水を含んで膨潤したときに、前記アノード触媒層の方が前記カソード触媒層よりも大きく伸びるように構成されている、燃料電池。
燃料電池であって、
電解質膜と、
前記電解質膜の両側にそれぞれ形成されたアノード触媒層とカソード触媒層と、
前記アノード触媒層の外側に配置されたアノード拡散層と、
前記カソード触媒層の外側に配置されたカソード拡散層と、
前記アノード拡散層の外側に配置され、溝によって形成されたアノードガス流路と、
前記カソード拡散層の外側に配置され、溝によって形成されたカソードガス流路と、
を備え、
前記アノード触媒層の厚さは、前記カソード触媒層の厚さよりも薄く、
前記アノード触媒層と前記カソード触媒層は、前記電解質膜が水を含んで膨潤したときに、前記アノード触媒層の方が前記カソード触媒層よりも大きく伸び、前記カソードガス流路を形成する溝に食い込む前記カソードガス拡散層の食い込み量が、前記アノードガス流路を形成する溝に食い込む前記アノードガス拡散層の食い込み量よりも小さくなるように構成されている、燃料電池。
請求項２または３に記載の燃料電池において、
前記アノード触媒層の弾性率は、前記カソード触媒層の弾性率よりも小さい、燃料電池。