JP5439740B2 - 燃料電池および燃料電池スタック - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池および燃料電池スタックに関する。

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

この燃料電池において、反応ガスが流動するためのガス流路として、金属多孔体が用いられることがある（例えば、特許文献１参照）。この金属多孔体を用いれば、ガス流路として機能する溝が形成されたセパレータを用いなくてもよいため、燃料電池を小型化することができる。ただし、燃料電池の発電環境下においては金属多孔体が腐食するおそれがあることから、金属多孔体の導電性低下を抑制するために金属多孔体の表面に貴金属をコートすることがある。

特開２００４−１４６２６５号公報

しかしながら、金属多孔体は多孔体であることから、金属多孔体と金属多孔体に隣接する部材とが点接触する傾向にある。この場合、接触抵抗が大きくなってしまう。

本発明は、金属多孔体と金属多孔体と隣接する部材との間の接触抵抗を低下させることができる燃料電池および燃料電池スタックを提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池は、膜−電極接合体に沿って設けられたガス拡散層と、ガス流路および集電体として機能し表面に粒子状または島状に貴金属がコートされた金属多孔体と、ガス拡散層と金属多孔体との間に設けられ金属多孔体よりも柔軟性が高く厚み方向に貫通しガス拡散層の貫通孔よりも大きい貫通孔を備えつつガス拡散層よりも緻密度が高く導電性を有するシート部材と、を備え、シート部材の開口率は反応ガスの上流側に比較して下流側において高くなっていることを特徴とするものである。

本発明に係る燃料電池においては、金属多孔体よりも高い柔軟性を有するシート部材がガス拡散層と金属多孔体との間に配置されていることから、シート部材と金属多孔体とが面接触するとともに、シート部材とガス拡散層とが面接触する。また、シート部材は、ガス拡散層よりも高い緻密度を有している。それにより、ガス拡散層と金属多孔体との間における接触抵抗が低下する。

金属多孔体を構成する金属は、チタンであってもよい。

シート部材においては、反応ガスの上流側に比較して下流側において貫通孔数が多くてもよい。シート部材においては、反応ガスの上流側に比較して下流側において貫通孔の孔径が大きくてもよい。

シート部材は、黒鉛粒子焼結体、導電性樹脂、Ａｇ焼結体シートまたは金属／樹脂複合材からなるものであってもよい。

本発明に係る燃料電池スタックは、請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池が複数積層され、反応ガスが複数の燃料電池の積層方向に流動し、積層方向における反応ガスの下流側における一の燃料電池のシート部材の開口率は、積層方向における反応ガスの上流側における他の燃料電池に比較して高くなっていることを特徴とするものである。本発明に係る燃料電池スタックにおいては、各燃料電池間における反応ガスの供給量のばらつきを抑制することができる。それにより、燃料電池間における発電ばらつきを抑制することができる。

本発明によれば、金属多孔体とガス拡散層との間の接触抵抗または金属多孔体とセパレータとの間の接触抵抗を低下させることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。

図１は、本発明の第１実施例に係る燃料電池１００の模式的断面図である。図１に示すように、燃料電池１００は、膜−電極接合体１０の一面にガス拡散層１１、金属多孔体１２およびセパレータ１３が順に積層され、膜−電極接合体１０の他面にガス拡散層１４、金属多孔体１５およびセパレータ１６が順に積層された構造を有する。

膜−電極接合体１０は、電解質膜の一面にアノード触媒層が設けられ、電解質膜の他面にカソード触媒層が設けられた構造を有する。電解質膜は、プロトン伝導性電解質からなり、例えばパーフルオロスルホン酸等の固体高分子電解質からなる。アノード触媒層は、水素のプロトン化を促進する触媒を担持する導電性材料からなり、例えば白金担持カーボンからなる。カソード触媒層は、酸素とプロトンとの反応を促進する触媒を担持する導電性材料からなり、例えば白金担持カーボンからなる。

ガス拡散層１１，１４は、導電性およびガス透過性を有する材料からなり、例えばカーボンペーパ、カーボンクロス等のカーボン材料からなる。金属多孔体１２，１５は、ガス拡散層１１，１４よりも硬い導電性材料からなり、チタン等からなる発泡金属、金属メッシュ等の金属多孔体または金属三次元構造体からなる。本実施例においては、金属多孔体１２，１５は、発泡チタンからなる。金属多孔体１２，１５の耐食性向上のため、金属多孔体１２，１５の表面に金等の貴金属がコートされている。セパレータ１３，１６は、導電性材料からなり、例えばチタン等からなる。セパレータ１３，１６の耐食性向上のため、セパレータ１３，１６の表面に金等の貴金属がコートされている。

図２（ａ）は、ガス拡散層１１、金属多孔体１２およびセパレータ１３の拡大図である。図２（ｂ）は、ガス拡散層１４、金属多孔体１５およびセパレータ１６の拡大図である。図２（ｃ）は、後述するシート部材２１，２３の平面図である。図２（ｄ）は、後述するシート部材２２，２４の平面図である。

図２（ａ）に示すように、ガス拡散層１１と金属多孔体１２との間にシート部材２１が配置され、金属多孔体１２とセパレータ１３との間にシート部材２２が配置されている。図２（ｂ）に示すように、ガス拡散層１４と金属多孔体１５との間にシート部材２３が配置され、金属多孔体１５とセパレータ１６との間にシート部材２４が配置されている。

図２（ａ）および図２（ｃ）に示すように、シート部材２１には、厚み方向に貫通する貫通孔が形成されている。それにより、金属多孔体１２からガス拡散層１１に反応ガスが透過することができる。また、発電に伴って生じた水蒸気がガス拡散層１１から金属多孔体１２に透過することができる。さらに、シート部材２１によって、ガス拡散層１１における保水が調整される。シート部材２１は、金属多孔体１２よりも柔軟性が高く、ガス拡散層１１よりも緻密度が高く（気孔率が低く）、導電性を有する材料からなる。

図２（ａ）および図２（ｄ）に示すように、シート部材２２には、貫通孔は形成されていない。シート部材２２は、金属多孔体１２よりも柔軟性が高く、金属多孔体１２よりも緻密度が高く（気孔率が低く）、導電性を有する材料からなる。なお、シート部材２２は金属多孔体１２よりも高い緻密度を有していればよいので、シート部材２２に貫通孔が設けられていてもよい。

図２（ｂ）および図２（ｃ）に示すように、シート部材２３には、厚み方向に貫通する貫通孔が形成されている。また、シート部材２３は、金属多孔体１５よりも柔軟性が高く、ガス拡散層１４よりも緻密度が高く（気孔率が低く）、導電性を有する材料からなる。

図２（ｂ）および図２（ｄ）に示すように、シート部材２４には、貫通孔は形成されていない。シート部材２４は、金属多孔体１５よりも柔軟性が高く、金属多孔体１５よりも緻密度が高く（気孔率が低く）、導電性を有する部材からなる。なお、シート部材２４は金属多孔体１５よりも高い緻密度を有していればよいので、シート部材２４に貫通孔が設けられていてもよい。シート部材２１〜２４は、例えば、黒鉛粒子焼結体、導電性樹脂、Ａｇ焼結体シート、金属／樹脂複合材等からなる。発電環境下においては各シート部材は酸化性雰囲気または還元性雰囲気に触れまたは酸等の溶液に触れることがあることから、シート部材２１〜２４は、高い化学的安定性を有していることが好ましい。

なお、シート部材２１，２２は、図３に示す方法によって設けることができる。図３（ａ）に示すように、まず、金属多孔体１２の一面にシート部材２１を配置、金属多孔体１２の他面にシート部材２２を配置する。次に、図３（ｂ）に示すように、これらの部材をセパレータ１３に接合する。なお、隣接する燃料電池の金属多孔体１５およびシート部材２３，２４と共に、セパレータ１３に接合してもよい。シート部材２３，２４も、シート部材２１，２２と同様の方法により設けることができる。

続いて、図１および図２を参照しつつ、燃料電池１００の動作について説明する。まず、水素を含有する燃料ガスが金属多孔体１２に供給される。その後、燃料ガスは、金属多孔体１２を流動しつつ、ガス拡散層１１に供給される。燃料ガス中の水素は、ガス拡散層１１を拡散し、アノード触媒層においてプロトンと電子とに解離する。プロトンは電解質膜を伝導し、カソード触媒層に到達する。電子は、ガス拡散層１１、シート部材２１、金属多孔体１２、シート部材２２およびセパレータ１３を介して外部回路に取り出される。

一方、酸素を含有する酸化剤ガスが金属多孔体１５に供給される。その後、酸化剤ガスは、金属多孔体１５を流動しつつ、ガス拡散層１４に供給される。酸化剤ガスは、ガス拡散層１４を拡散してカソード触媒層に到達する。また、電子が、セパレータ１６、シート部材２４、金属多孔体１５、シート部材２３およびガス拡散層１４を介してカソード触媒層に供給される。カソード触媒層においては、酸化剤ガス中の酸素とプロトンと電子とから水が生成されるとともに電力が発生する。

ガス拡散層１１および金属多孔体１２は、多孔体であるため表面に凹凸を有する。また、金属多孔体１２は、ガス拡散層１１よりも硬い材料から構成されるため変形しにくい。したがって、ガス拡散層１１と金属多孔体１２とは、点接触する傾向にある。これに対して、本実施例においては、金属多孔体１２よりも高い柔軟性を有するシート部材２１がガス拡散層１１と金属多孔体１２との間に配置されていることから、シート部材２１と金属多孔体１２とが面接触するとともに、シート部材２１とガス拡散層１１とが面接触する。また、シート部材２１は、ガス拡散層１１よりも高い緻密度を有している。

この場合、シート部材２１と金属多孔体１２との間の接触面積およびシート部材２１とガス拡散層１１との間の接触面積は、シート部材２１が設けられていない場合におけるガス拡散層１１と金属多孔体１２との接触面積に比較して大きくなる。それにより、ガス拡散層１１から金属多孔体１２にかけての接触抵抗が低下する。同様に、シート部材２３を設けることによって、ガス拡散層１４から金属多孔体１５にかけての接触抵抗が低下する。

ここで、コスト低減を目的に、貴金属コート量を低減することがある。例えば、金属多孔体に対する貴金属のめっき量を数ｎｍ〜数十ｎｍ程度とすると、貴金属は粒子状または島状に形成される。この場合、金属多孔体の露出部が不動態化すると、金属多孔体とガス拡散層との接触抵抗が増大する。この場合においても、シート部材２１を設けることによって、ガス拡散層１１から金属多孔体１２にかけての接触抵抗を低下させることができる。シート部材２１と貴金属との接触面積が確保されるからである。したがって、シート部材２１を設けることによって、貴金属量を低下させることができる。同様に、シート部材２３を設けることによって、金属多孔体１５における貴金属量を低下させることができる。

また、シート部材２２が設けられていない場合には、金属多孔体１２とセパレータ１３とは、点接触する傾向にある。特に、セパレータ１３の導電性確保のために表面にエッチング処理を施す場合にはセパレータ１３表面に凹凸が形成されることから、点接触の傾向が大きくなる。これに対して、本実施例においては、金属多孔体１２よりも高い柔軟性を有するシート部材２２が金属多孔体１２とセパレータ１３との間に配置されていることから、シート部材２２と金属多孔体１２とが面接触するとともに、シート部材２２とセパレータ１３とが面接触する。また、シート部材２２は、金属多孔体１２よりも高い緻密度を有している。

この場合、シート部材２２と金属多孔体１２との間の接触面積およびシート部材２２とセパレータ１３との間の接触面積は、シート部材２２が設けられていない場合における金属多孔体１２とセパレータ１３との接触面積に比較して大きくなる。それにより、金属多孔体１２からセパレータ１３にかけての接触抵抗が低下する。同様に、シート部材２４を設けることによって、金属多孔体１５からセパレータ１６にかけての接触抵抗が低下する。貴金属がセパレータ１３，１６の表面全体を覆わずに粒子状または島状に形成されていても、金属多孔体１２からセパレータ１３にかけての接触抵抗が低下するとともに、金属多孔体１５からセパレータ１６にかけての接触抵抗が低下する。したがって、貴金属量を低下させることができる。

以上のことから、燃料電池１００全体の接触抵抗が低下する。それにより、燃料電池１００において高い発電能力が得られる。

続いて、本発明の第２実施例に係る燃料電池１００ａについて説明する。燃料電池１００ａにおいては、金属多孔体１２，１５の代わりに金属多孔体１２ａ，１５ａが用いられている。金属多孔体１２ａ，１５ａとして、発泡金属の代わりにパンチングメタルが用いられている。ここでいうパンチングメタルとは、金型等を用いて凹凸および貫通孔を設けた金属板であって、反応ガスが流動可能な３次元網目構造を有する。

図４（ａ）は、ガス拡散層１１、金属多孔体１２ａおよびセパレータ１３の拡大図である。図４（ｂ）は、ガス拡散層１４、金属多孔体１５ａおよびセパレータ１６の拡大図である。

本実施例においても、ガス拡散層１１と金属多孔体１２ａとが点接触し、ガス拡散層１４と金属多孔体１５ａとが点接触する傾向にある。また、セパレータ１３と金属多孔体１２ａとが点接触し、セパレータ１６と金属多孔体１５ａとが点接触する傾向にある。そこで、シート部材２１を設けることによって、ガス拡散層１１から金属多孔体１２ａにかけての接触抵抗を低下させることができ、シート部材２３を設けることによって、ガス拡散層１４から金属多孔体１５ａにかけての接触抵抗を低下させることができる。また、シート部材２２を設けることによって、金属多孔体１２ａからセパレータ１３にかけての接触抵抗を低下させることができ、シート部材２４を設けることによって、金属多孔体１５ａからセパレータ１６にかけての接触抵抗を低下させることができる。さらに、シート部材によって、パンチングメタルのガス拡散層への食い込みを抑制することができる。その結果、ガス拡散層１１，１４の目詰まりが抑制される。

続いて、本発明の第３実施例に係る燃料電池１００ｂについて説明する。燃料電池１００ｂにおいては、シート部材２１の代わりにシート部材２１ａが設けられ、シート部材２３の代わりにシート部材２３ａが設けられている。シート部材２１ａ，２３ａがシート部材２１，２３と異なる点は、面内における開口率である。

図５（ａ）は、シート部材２１ａ，２３ａの模式的な平面図である。図５（ａ）に示すように、シート部材２１ａ，２３ａにおいては、反応ガスの上流側における貫通孔の径が小さく、反応ガスの下流側における貫通孔の径が大きくなっている。この場合、シート部材２１ａ，２３ａの開口率は、反応ガスの上流側において低く、反応ガスの下流側において高くなる。

ここで、反応ガスに含まれる水素量および酸素量は、発電に供されるとともに低下する。したがって、反応ガス中の水素量および酸素量は、上流側において多く、下流側において少なくなる。本実施例においては、シート部材２１ａ，２３ａの開口率が反応ガスの上流側において低く反応ガスの下流側において高くなることから、ガス拡散層１１の面内方向において水素供給量のばらつきを抑制することができ、ガス拡散層１４の面内方向において酸素供給量のばらつきを抑制することができる。それにより、面内方向における発電ばらつきを抑制することができる。

図５（ｂ）は、シート部材２１ａ，２３ａの他の例を示す図である。図５（ｂ）に示すように、シート部材２１ａ，２３ａにおいては、反応ガスの上流側における貫通孔数が少なく、反応ガスの下流側における貫通孔数が多くなっている。それにより、シート部材２１ａ，２３ａの開口率は、反応ガスの上流側において低く、反応ガスの下流側において高くなる。この場合においても、ガス拡散層１１の面内方向において水素供給量のばらつきを抑制することができ、ガス拡散層１４の面内方向において酸素供給量のばらつきを抑制することができる。

以上のように、貫通孔の数、貫通孔の径にかかわらず、シート部材２１ａ，２３ａの開口率を反応ガスの上流側において低く反応ガスの下流側において高く設定することによって、ガス拡散層１１の面内方向において水素供給量のばらつきを抑制することができ、ガス拡散層１４の面内方向において酸素供給量のばらつきを抑制することができる。

続いて、本発明の第４実施例に係る燃料電池スタック２００について説明する。図６（ａ）は、燃料電池スタック２００の概観図である。図６（ａ）に示すように、燃料電池スタック２００は、複数の燃料電池１００が積層された構造を有する。また、積層方向のいずれか一方端に、反応ガスの供給口が設けられている。反応ガスは、燃料電池スタック２００内に設けられたマニホールド（図示せず）を通って、各燃料電池１００に供給される。

このスタック構造においては、反応ガスの上流側の燃料電池１００においては水素供給量および酸素供給量が多くなり、反応ガスの下流側の燃料電池１００においては水素供給量および酸素供給量が少なくなる。

そこで、本実施例においては、図６（ｂ）および図６（ｃ）に示すように、反応ガスの上流側の燃料電池１００においては比較的開口率の低いシート部材２１，２３を用い、反応ガスの下流側の燃料電池１００においては図２（ｂ）よりも開口率の高いシート部材２１，２３を用いる。この場合、各燃料電池１００間における水素供給量および酸素供給量のばらつきを抑制することができる。それにより、燃料電池スタック２００の積層方向における発電ばらつきを抑制することができる。

なお、燃料電池１００の代わりに燃料電池１００ａを積層させる場合、図６（ｄ）および図６（ｅ）に示すように、反応ガス上流側の燃料電池１００ａにおいては開口率が全体的に低いシート部材２１ａ，２３ａを用い、反応ガス下流側の燃料電池１００ａにおいては図６（ｄ）よりも全体的に開口率が高いシート部材２１ａ，２３ａを用いる。それにより、燃料電池スタック２００の積層方向における発電ばらつきをより抑制することができる。

なお、上記各実施例においては、アノード側およびカソード側の両方にシート部材が設けられているが、いずれか一方に設けられた場合においても本発明の効果が得られる。

本発明の第１実施例に係る燃料電池の模式的断面図である。 シート部材について説明するための図である。 シート部材の配置方法について説明するための図である。 金属多孔体の他の例について説明するための図である。 第３実施例に係るシート部材について説明するための図である。 燃料電池スタックについて説明するための図である。

符号の説明

１０ 膜−電極接合体
１１，１４ ガス拡散層
１２，１５ 金属多孔体
１３，１６ セパレータ
１００ 燃料電池
２００ 燃料電池スタック

Claims (6)

1. 膜−電極接合体に沿って設けられたガス拡散層と、
   ガス流路および集電体として機能し、表面に粒子状または島状に貴金属がコートされた金属多孔体と、
   前記ガス拡散層と前記金属多孔体との間に設けられ、前記金属多孔体よりも柔軟性が高く、厚み方向に貫通し前記ガス拡散層の貫通孔よりも大きい貫通孔を備えつつ前記ガス拡散層よりも緻密度が高く、導電性を有するシート部材と、を備え、
   前記シート部材の開口率は、反応ガスの上流側に比較して下流側において高くなっていることを特徴とする燃料電池。
2. 前記金属多孔体を構成する金属は、チタンであることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
3. 前記シート部材においては、反応ガスの上流側に比較して下流側において貫通孔数が多いことを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池。
4. 前記シート部材においては、反応ガスの上流側に比較して下流側において貫通孔の孔径が大きいことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池。
5. 前記シート部材は、黒鉛粒子焼結体、導電性樹脂、Ａｇ焼結体シートまたは金属／樹脂複合材からな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。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池が複数積層され、
   反応ガスが前記複数の燃料電池の積層方向に流動し、
   前記積層方向における前記反応ガスの下流側における一の燃料電池の前記シート部材の開口率は、前記積層方向における前記反応ガスの上流側における他の燃料電池に比較して高くなっていることを特徴とする燃料電池スタック。

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