JP5228699B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池に関する。

燃料電池は、一般的には水素および酸素を燃料として電気エネルギを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れており、また高いエネルギ効率を実現できることから、今後のエネルギ供給システムとして広く開発が進められてきている。

燃料電池は、例えば、プロトン伝導性を有する電解質膜と、電解質膜に沿って配置されたカソード触媒層およびアノード触媒層と、を備える。このような燃料電池においては、カソード側に酸素を含むカソードガスが供給され、アノード側に水素を含むアノードガスが供給される。それにより、発電が行われる。

特許文献１には、カソード触媒層およびアノード触媒層の内部に多孔質の集電体の一部を進入させた燃料電池が開示されている。特許文献２には、カソード触媒層およびアノード触媒層の内部に多孔質の集電体が埋設された燃料電池が開示されている。

特開平５−３１５０００号公報 特開２００５−１７４８７２号公報

ところで、発電時においては、触媒層の電解質膜に近い領域ほど発熱量が多くなる傾向にある。この場合、燃料電池の発電性低下を引き起こすおそれがある。特に、高温時に発電性低下が顕著にあらわれる傾向にある。特許文献１および特許文献２の燃料電池において触媒層を冷却するためには、冷却系統を新たに設ける必要がある。この場合、コストの増大およびエネルギ消費の増大をまねくおそれがある。

本発明は、触媒層に集電機能を有する燃料電池において、コストおよびエネルギ消費の増大を抑制しつつ触媒層の温度上昇を抑制することができる燃料電池を提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池は、電解質膜と、電解質膜の少なくともいずれか一方の面に配置された触媒層と、複数の金属線によって構成されたメッシュからなり、前記触媒層の内部に一部が配置された集電体と、集電体の一部が内部に配置された触媒層の電解質膜とは反対側に配置されたガス拡散層と、を備え、集電体の触媒層の内部に配置された部分以外の一部はガス拡散層の内部に配置され、集電体の触媒層の内部に配置された部分である第１領域の単位時間あたりの吸熱量は、集電体のガス拡散層の内部に配置された部分である第２領域の単位時間あたりの吸熱量に比較して高いことを特徴とするものである。

本発明に係る燃料電池によれば、触媒層の冷却効率が高まる。それにより、触媒層の温度上昇を抑制することができる。また、新たな冷却系統を設ける必要がないことから、コストおよびエネルギの消費の増大を抑制することができる。

上記構成において、集電体の第１領域の熱伝導率が集電体の第２領域の熱伝導率に比較して高いことによって、集電体の第１領域の単位時間あたりの吸熱量は集電体の第２領域の単位時間あたりの吸熱量に比較して高くなっていてもよい。

上記構成において、集電体の第１領域に存在する金属線の直径が集電体の第２領域に存在する金属線の直径よりも大きいことによって、集電体の第１領域の単位時間あたりの吸熱量は集電体の第２領域の単位時間あたりの吸熱量に比較して高くなっていてもよい。

上記構成において、集電体の第１領域の表面積が集電体の第２領域の表面積に比較して大きいことによって、集電体の第１領域の単位時間あたりの吸熱量は集電体の第２領域の単位時間あたりの吸熱量に比較して高くなっていてもよい。

上記構成において、集電体の一部が内部に配置されている触媒層は、カソード触媒層であってもよい。

本発明によれば、触媒層に集電機能を有する燃料電池において、コストおよびエネルギ消費の増大を抑制しつつ触媒層の温度上昇を抑制することができる燃料電池を提供することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。

本発明の実施例１に係る燃料電池５について説明する。図１は、実施例１に係る燃料電池５の模式的断面図である。なお、図１は、燃料電池５に負荷１００が接続された状態を示している。燃料電池５は、電解質膜１０と、触媒層（アノード触媒層２０およびカソード触媒層３０）と、集電体（アノード集電体４０およびカソード集電体５０）と、ガス拡散層（アノードガス拡散層６０およびカソードガス拡散層７０）と、セパレータ（セパレータ８０およびセパレータ９０）と、を備える。電解質膜１０としては、例えばプロトン伝導性を有する固体高分子電解質が用いられる。

アノード触媒層２０およびカソード触媒層３０は、電解質膜１０を挟持するように配置されている。アノード触媒層２０およびカソード触媒層３０は、触媒を含有する導電性材料からなる。アノード触媒層２０の触媒は、水素のプロトン化を促進させる。カソード触媒層３０の触媒は、プロトンと酸素との反応を促進させる。例えば、アノード触媒層２０およびカソード触媒層３０は、白金担持カーボン等を含む。

アノード集電体４０は、一部がアノード触媒層２０内に配置されている。また、カソード集電体５０は、一部がカソード触媒層３０内に配置されている。本実施例においては、アノード集電体４０およびカソード集電体５０の一部はそれぞれアノード触媒層２０およびカソード触媒層３０の内部に配置され、残りの一部はそれぞれアノードガス拡散層６０およびカソードガス拡散層７０に配置されている。

アノード集電体４０およびカソード集電体５０は、集電性に優れた電子伝導物質からなる。また、本実施例において、アノード集電体４０およびカソード集電体５０は、複数の孔を有する導電性多孔体である。アノード集電体４０およびカソード集電体５０として、例えば、金属メッシュ、金属発泡焼結体、エキスパンドメタル、カーボンファイバー、カーボン焼結体等が用いられる。本実施例において、アノード集電体４０は金属メッシュからなる。なお、アノード集電体４０およびカソード集電体５０の吸熱性については後述する。

アノードガス拡散層６０は、アノード触媒層２０の電解質膜１０と反対側に配置されている。カソードガス拡散層７０は、カソード触媒層３０の電解質膜１０と反対側に配置されている。アノードガス拡散層６０は、アノードガス拡散層６０に供給された水素を含むアノードガスを拡散させて、アノード触媒層２０に供給する。カソードガス拡散層７０は、カソードガス拡散層７０に供給された酸素を含むカソードガスを拡散させて、カソード触媒層３０に供給する。

アノードガス拡散層６０およびカソードガス拡散層７０の構成材料は、ガス透過性を備えた材料であれば、特に限定されない。また、アノード触媒層２０およびカソード触媒層３０が集電機能を有しているため、アノードガス拡散層６０およびカソードガス拡散層７０の構成材料は導電性を有していなくてもよい。

セパレータ８０は、アノードガス拡散層６０のアノード触媒層２０と反対側に配置されている。セパレータ９０は、カソードガス拡散層７０のカソード触媒層３０と反対側に配置されている。セパレータ８０およびセパレータ９０には、溝によって構成されたガス流路（図示せず）が形成されている。セパレータ８０のガス流路にはアノードガスが通り、セパレータ９０のガス流路にはカソードガスが通る。セパレータ８０およびセパレータ９０の材質は、特に限定されない。アノード触媒層２０およびカソード触媒層３０が集電機能を有しているため、セパレータ８０およびセパレータ９０は導電性を有していなくてもよい。

負荷１００は、モータ、補機等である。負荷１００とアノード集電体４０とカソード集電体５０とは、電気的に接続されて電気回路を形成する。

燃料電池５は、以下のように動作する。アノードガスは、セパレータ８０のガス流路を通ってアノードガス拡散層６０に供給される。アノードガス拡散層６０に供給されたアノードガスは、アノードガス拡散層６０を拡散した後に、アノード触媒層２０に到達する。アノード触媒層２０において、アノードガス中の水素はプロトンと電子とに分離される。プロトンは、電解質膜１０を伝導して、カソード触媒層３０に到達する。電子は、アノード集電体４０によって集電されて負荷１００に供給された後に、カソード集電体５０に到達する。

カソードガスは、セパレータ９０のガス流路を通ってカソードガス拡散層７０に供給される。カソードガス拡散層７０に供給されたカソードガスは、カソードガス拡散層７０を拡散した後に、カソード触媒層３０に到達する。カソード触媒層３０においては、カソードガス中の酸素と電解質膜１０を伝導したプロトンと負荷１００からの電子とから水が生成される。生成された水（生成水）は、主としてカソード触媒層３０およびカソードガス拡散層７０を通って、セパレータ９０のガス流路から外部へ排出される。以上のように、燃料電池５は動作する。

本実施例に係る燃料電池５によれば、触媒層内に集電体が配置されていることから、ガス拡散層およびセパレータに導電性材料を用いる必要がなくなる。この場合、ガス拡散層およびセパレータとして用いる材料に対する制約が抑制される。それにより、ガス拡散層およびセパレータとして安価かつ軽量な材料を用いることができる。

続いて、集電体の吸熱性の詳細について説明する。図２は、アノード集電体４０の模式的拡大図である。図２において、界面１１０はアノード触媒層２０とアノードガス拡散層６０との界面である。前述したように、本実施例においてアノード集電体４０は、アノード触媒層２０内に配置された部分と、アノードガス拡散層６０内に配置された部分と、を有している。図２において、アノード集電体４０のアノード触媒層２０内に配置された部分を第１領域４１と称し、アノードガス拡散層６０内に配置された部分を第２領域４２と称する。

本実施例においては、第１領域４１の金属線の直径（φ_１）および第２領域４２の金属線の直径（φ_２）は同じである。一方、アノード集電体４０の第１領域４１の熱伝導率（λ_１）は、第２領域４２の熱伝導率（λ_２）に比較して高い。この場合、熱伝導の物理法則に基づいて、第１領域４１の単位時間当たりにおける吸熱量は第２領域４２の単位時間当たりにおける吸熱量に比較して高くなる。

すなわち、本実施例において、第１領域４１の吸熱性は、第２領域４２の吸熱性に比較して高くなっている。第１領域４１の熱伝導率を第２領域４２の熱伝導率に比較して高くするためには、第１領域４１に第２領域４２よりも高い熱伝導率を有する材料を用いればよい。なお、カソード集電体５０もアノード集電体４０と同様に、電解質膜１０側に第１領域５１（図示せず）を有し、カソードガス拡散層７０側に第２領域５２（図示せず）を有している。これ以降、第１領域４１および第１領域５１並びに第２領域４２および第２領域５２を、それぞれ第１領域および第２領域と総称する。

図３は、所定の電圧における燃料電池５の各部位の温度を示すグラフである。横軸は燃料電池５の各部位を示し、縦軸は温度（℃）を示している。曲線２００は、集電体の熱伝導率に分布を設けなかった場合の温度曲線を示している。曲線２００に示すように、燃料電池５の発電に伴って、アノード触媒層２０およびカソード触媒層３０の電解質膜１０に近い部分が高温になる。特に、カソード触媒層３０の電解質膜１０に近い部分が最も高温になる。

一方、曲線２１０は、集電体の第１領域の熱伝導率が第２領域の熱伝導率に比較して高い場合の温度曲線を示している。曲線２１０は曲線２００に比較して、アノード触媒層２０およびカソード触媒層３０の電解質膜１０に近い部分の温度が低下している。それにより、燃料電池５の温度が全体的に低下している。これは、触媒層の冷却効率が高まったからであると考えられる。

ここで、曲線２００および曲線２１０のカソード触媒層３０の電解質膜１０に近い部分の温度差を△Ｔとした場合、△Ｔは熱伝導の物理法則に基づいて、下記式（１）で表される。ｋ_１は比例定数である。
△Ｔ＝ｋ_１×（λ_１−λ_２）・・・（１）

式（１）からΔＴは、第１領域の熱伝導率と第２領域の熱伝導率との差に比例することが判る。したがって、第１領域の熱伝導率が第２領域の熱伝導率に比較して高くなることによって、触媒層の電解質膜１０に近い部分の温度が低下することが式（１）からも確認される。

図４は、発電電圧の温度特性を示すグラフである。横軸は燃料電池５の温度（℃）を示し、縦軸は発電電圧（Ｖ）を示している。曲線２２０は、集電体の熱伝導率に分布を設けなかった場合の発電電圧の温度特性を示している。温度が上昇するにつれて徐々に発電電圧が低下している。そして、所定の温度以上になった場合に急激に発電電圧が低下している。発電電圧が低下するということは、燃料電池５の性能が低下することを意味する。したがって、曲線２２０から、特に高温時において燃料電池５の性能が顕著に低下することが確認される。

一方、曲線２３０は、本実施例に係る燃料電池５における電圧の温度特性、すなわち第１領域の熱伝導率が第２領域の熱伝導率に比較して高い場合の発電電圧の温度特性を示している。曲線２３０は、曲線２２０に比較して、発電電圧の低下が生じる温度が高温側にシフトしている。その結果、所定の発電電圧Ａに至る温度がΔＴだけ高温側にシフトしている。これは、曲線２３０の場合の方が曲線２２０の場合に比較して燃料電池５の性能低下が抑制されて、温度特性（性能）が向上したことを示している。

以上のように、本実施例に係る燃料電池５によれば、第１領域の吸熱性が第２領域の吸熱性に比較して高くなることから、触媒層の冷却効率が高まる。それにより、触媒層の電解質膜１０に近い領域が高温になることが抑制される。その結果、燃料電池５の性能低下が抑制される。

なお、燃料電池５の性能低下を抑制するために、触媒層を冷却することも考えられる。しかしながら、触媒層を冷却するためには、相応の冷却性を有する冷却系統が必要となる。その結果、製造コストは増加し、エネルギー消費量も増加する。一方、本実施例に係る燃料電池５によれば、新たな冷却系統を設けることなく燃料電池５の性能低下を抑制することができる。

また、本実施例において、集電体の熱伝導率は、ガス拡散層と触媒層との界面において段階的に高くなっているがこれに限られない。例えば、集電体の熱伝導率は、電解質膜１０に向かって徐々にまたは段階的に高くなってもよい。

また、本実施例において集電体は、アノード触媒層２０内およびカソード触媒層３０内の両方に配置されているが、これに限られない。集電体は、いずれか一方の触媒層内の少なくとも一部に配置されていればよい。ただし、図３に示すようにカソード触媒層３０の方がアノード触媒層２０に比較して高温になることから、集電体はカソード触媒層３０内に配置されていることが好ましい。

続いて、触媒層内に集電体を配置する方法について説明する。図５は、触媒層内に集電体を配置する方法の一例を示す模式的断面図である。図５に示すように、アノード集電体４０にアノード触媒層２０の原材料２１を塗工機１２０で塗布する。それにより、アノード触媒層２０内にアノード集電体４０を配置することができる。同様の方法で、カソード触媒層３０内にカソード集電体５０を配置することができる。

図６（ａ）および図６（ｂ）は、触媒層内に集電体を配置する他の方法を示す模式的断面図である。まず、図６（ａ）に示すように、電解質膜１０にアノード触媒層２０およびカソード触媒層３０が配置された膜−電極接合体１３０と、アノード集電体４０と、カソード集電体５０と、を準備する。次に、膜−電極接合体１３０にアノード触媒層２０およびカソード触媒層３０を、プレス機１４０を用いて圧着させる。その結果、図６（ｂ）に示すように、膜−電極接合体１３０にアノード集電体４０およびカソード集電体５０の一部が食い込む。以上の工程により、アノード触媒層２０内およびカソード触媒層３０内にアノード集電体４０およびカソード集電体５０を配置することができる。

なお、図６（ａ）および図６（ｂ）に示す方法において、プレス機１４０が集電体に加える面圧としては、例えば触媒層に集電体が食い込む面圧以上で、かつ電解質膜１０が破壊される面圧より小さければよい。

図７は、プレス機１４０が集電体に加える面圧の具体例を説明するための図である。横軸は面圧（ＭＰａ）を示し、縦軸は触媒層の硬度（ビッカース硬度：ＨＶ）を示している。実線２４０は、触媒層の硬度直線を示している。集電体に対する面圧は、集電体が触媒層に食い込みつつ電解質膜１０を破壊しない範囲内の値に設定することができる。

続いて、本発明の実施例２に係る燃料電池５ａ（図示せず）について説明する。燃料電池５ａは、アノード集電体４０およびカソード集電体５０の代わりにアノード集電体４０ａおよびカソード集電体５０ａ（図示せず）を備える点で、燃料電池５と異なる。その他の構成は燃料電池５と同様のため、説明を省略する。

図８は、実施例２に係るアノード集電体４０ａの模式的拡大図である。アノード集電体４０ａは、第１領域４１の代わりに第１領域４１ａを備える点で、図２に示すアノード集電体４０と異なる。第１領域４１ａの熱伝導率（λ_１）は、第２領域４２の熱伝導率（λ_２）と同じである。一方、第１領域４１ａの金属線の直径（φ_１）は、第２領域４２の金属線の直径（φ_２）よりも大きい。この場合、第１領域４１ａの断面積は第２領域４２の断面積よりも大きくなる。なお、カソード集電体５０ａにおいても、アノード集電体４０ａと同様に、第１領域（図示せず）の断面積は第２領域（図示せず）の断面積に比較して大きい。

第１領域の断面積が第２領域の断面積に比較して大きい場合、熱伝導の物理法則に基づいて、第１領域の単位時間当たりにおける吸熱量は第２領域の単位時間当たりにおける吸熱量に比較して高くなる。すなわち、第１領域の吸熱性は、第２領域の吸熱性に比較して高くなる。したがって、触媒層の電解質膜１０に近い領域が高温になることが抑制される。それにより、燃料電池５ａの性能低下が抑制される。

また、本実施例において図３および図４における△Ｔは、熱伝導の物理法則に基づいて、下記式（２）で表される。ｋ_２は比例定数である。
△Ｔ＝ｋ_２×（（φ_１／２）^２×π−（φ_２／２）^２×π）・・・（２）

式（２）から、ΔＴは、第１領域の断面積（（φ_１／２）^２×π）と第２領域の断面積（（φ_２／２）^２×π）の差に比例することが判る。したがって、第１領域の断面積が第２領域の断面積に比較して大きくなることによって、触媒層の電解質膜１０に近い部分の温度が低下することが式（２）からも確認される。

また、本実施例において、集電体の断面積は、電解質膜１０に向かって徐々にまたは段階的に大きくなってもよい。この場合、集電体の吸熱性を電解質膜１０に向かって徐々にまたは段階的に高くすることができる。

なお、本実施例において、さらに第１領域の熱伝導率が第２領域の熱伝導率に比較して高くてもよい。この場合、両者の熱伝導率が同じ場合に比較して第１領域の吸熱性がより高くなることから、燃料電池５ａの性能低下がより抑制される。

また、実施例１および実施例２において、第１領域の表面積は第２領域の表面積に比較して大きくてもよい。この場合、第１領域と触媒層との接触面積が大きくなることによって、第１領域の吸熱性が第２領域の吸熱性に比較して高くなるからである。例えば、図８の構成の場合には第１領域４１ａおよび第２領域４２の金属線の本数が同じであることから、第１領域４１ａの表面積は第２領域４２の表面積よりも大きくなっている。しかしながら、図８において、第１領域４１ａの断面積が第２領域４２の断面積と同じ場合若しくは第１領域４１ａの断面積が第２領域４２の断面積よりも小さい場合であっても、第１領域４１ａの金属線の本数を第２領域４２の金属線の本数よりも多くすることによって、第１領域４１ａの表面積を第２領域４２の表面積に比較して大きくすることができる。この場合においても、触媒層の電解質膜１０に近い領域が高温になることが抑制されることから、燃料電池５ａの性能低下が抑制される。

図１は、実施例１に係る燃料電池５の模式的断面図である。 図２は、実施例１に係るアノード集電体４０の模式的拡大図である。 図３は、所定の電圧における燃料電池５の各部位の温度を示すグラフである。 図４は、発電電圧の温度特性を示すグラフである。 図５は、触媒層内に集電体を配置する方法の一例を示す模式的断面図である。 図６（ａ）および図６（ｂ）は、触媒層内に集電体を配置する他の方法を示す模式的断面図である。 図７は、プレス機１４０が集電体に加える面圧の具体例を説明するための図である。 図８は、実施例２に係るアノード集電体４０ａの模式的拡大図である。

符号の説明

５ 燃料電池
１０ 電解質膜
２０ アノード触媒層
２１ 原材料
３０ カソード触媒層
４０ アノード集電体
４１ 第１領域
４２ 第２領域
５０ カソード集電体
６０ アノードガス拡散層
７０ カソードガス拡散層
８０，９０ セパレータ
１００ 負荷
１１０ 界面
１２０ 塗工機
１３０ 膜−電極接合体
１４０ プレス機

Claims (5)

1. 電解質膜と、
   前記電解質膜の少なくともいずれか一方の面に配置された触媒層と、
   複数の金属線によって構成されたメッシュからなり、前記触媒層の内部に一部が配置された集電体と、
   前記集電体の一部が内部に配置された前記触媒層の前記電解質膜とは反対側に配置されたガス拡散層と、を備え、
   前記集電体の前記触媒層の内部に配置された部分以外の一部は前記ガス拡散層の内部に配置され、
   前記集電体の前記触媒層の内部に配置された部分である第１領域の単位時間あたりの吸熱量は、前記集電体の前記ガス拡散層の内部に配置された部分である第２領域の単位時間あたりの吸熱量に比較して高いことを特徴とする燃料電池。
2. 前記集電体の前記第１領域の熱伝導率が前記集電体の前記第２領域の熱伝導率に比較して高いことによって、前記集電体の前記第１領域の単位時間あたりの吸熱量は前記集電体の前記第２領域の単位時間あたりの吸熱量に比較して高くなっていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
3. 前記集電体の前記第１領域に存在する前記金属線の直径が前記集電体の前記第２領域に存在する前記金属線の直径よりも大きいことによって、前記集電体の前記第１領域の単位時間あたりの吸熱量は前記集電体の前記第２領域の単位時間あたりの吸熱量に比較して高くなっていることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池。
4. 前記集電体の前記第１領域の表面積が前記集電体の前記第２領域の表面積に比較して大きいことによって、前記集電体の前記第１領域の単位時間あたりの吸熱量は前記集電体の前記第２領域の単位時間あたりの吸熱量に比較して高くなっていることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池。
5. 前記集電体の一部が内部に配置されている前記触媒層は、カソード触媒層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燃料電池。

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