JP2004079245A - 燃料電池 - Google Patents

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Abstract

【課題】簡単な構成で、電極面内での反応生成水の結露を可及的に阻止することができ、良好な発電性能を確保することを可能にする。
【解決手段】燃料電池10は、電解質膜・電極構造体12と、前記電解質膜・電極構造体12を挟持する第1および第2金属製セパレータ14、16とを備える。第1金属製セパレータ14は、カソード側電極30に当接する平坦部38と、前記平坦部38を挟んで酸化剤ガス流路36を形成する凹状部40とを備えるとともに、前記平坦部38は、前記酸化剤ガス流路36の上流から下流に向かって幅寸法が小さくなるように設定される。
【選択図】図1

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子電解質膜の両側にそれぞれ電極を設けた電解質膜・電極構造体と、前記電解質膜・電極構造体を挟持するとともに、各電極に対向する面にそれぞれ所定の反応ガスを供給する反応ガス流路が形成された一組の金属製セパレータとを備える燃料電池に関する。
【0002】
【従来の技術】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜(陽イオン交換膜)からなる固体高分子電解質膜を採用している。この燃料電池は、固体高分子電解質膜の両側に、それぞれ電極触媒と多孔質カーボンからなるアノード側電極およびカソード側電極を対設して構成される電解質膜・電極構造体を、セパレータ(バイポーラ板)によって挟持することにより構成されている。通常、この燃料電池を所定数だけ積層した燃料電池スタックが使用されている。
【0003】
この種の燃料電池において、アノード側電極に供給された燃料ガス(反応ガス)、例えば、主に水素を含有するガス(以下、水素含有ガスともいう)は、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質膜を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。なお、カソード側電極には、酸化剤ガス(反応ガス)、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気(以下、酸素含有ガスともいう)が供給されているために、このカソード側電極において、水素イオン、電子および酸素が反応して水が生成される。
【0004】
上記の燃料電池では、セパレータの面内に、アノード側電極に対向して燃料ガスを流すための燃料ガス流路(反応ガス流路)と、カソード側電極に対向して酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路(反応ガス流路)とが設けられている。また、セパレータ間には、必要に応じて冷却媒体を流すための冷却媒体流路が前記セパレータの面方向に沿って設けられている。
【0005】
この種のセパレータは、通常、カーボン系材料で構成されているが、前記カーボン系材料では、強度等の要因で薄肉化が図れないという不具合が指摘されている。そこで、最近、この種のカーボン製セパレータよりも強度に優れかつ薄肉化が容易な金属薄板製のセパレータ(以下、金属製セパレータともいう)を用い、この金属製セパレータにプレス加工を施して所望の反応ガス流路を成形することにより、該金属製セパレータの厚さの減少を図って燃料電池全体を小型化かつ軽量化する工夫がなされている。
【0006】
例えば、図11に示す燃料電池1は、アノード側電極2とカソード側電極3との間に電解質膜4が介装されることにより構成された電解質膜・電極構造体5と、前記電解質膜・電極構造体5を挟持する一組の金属製のセパレータ6a、6bとを備えている。
【0007】
セパレータ6aには、アノード側電極2に対向する面に燃料ガス(例えば、水素含有ガス)を供給するための燃料ガス流路7aが設けられる一方、セパレータ6bには、カソード側電極3に対向する面に酸化剤ガス(例えば、空気等の酸素含有ガス)を供給するための酸化剤ガス流路7bが設けられている。セパレータ6a、6bには、アノード側電極2およびカソード側電極3に当接する平坦部8a、8bが設けられるとともに、前記平坦部8a、8bの裏面(当接面とは反対の面)側には、冷却媒体を流すための冷却媒体流路9a、9bが形成されている。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の酸化剤ガス流路7bおよび燃料ガス流路7aでは、生成水の発生や反応ガスの消費等により、入口側から出口側に向かうにつれて相対湿度が上昇してしまう。このため、出口側が入口側よりも結露し易くなり、薄肉でかつ裏面に沿って冷却媒体が流れる金属製のセパレータ6a、6bでは、冷却効率が高くなって高湿度状態で結露が発生してしまう。
【0009】
特に、反応ガス出口側の平坦部8a、8bでは、裏面側に冷却媒体が直接流れているために当接面側が結露し易くなるとともに、反応ガスの流速が低下しているために結露水が排出され難く、滞留する場合が多い。従って、電解質膜・電極構造体5には、反応ガス出口側の平坦部8a、8bが当接する部分に対応して滞留水が発生し、この滞留水により反応ガスが拡散されない部分、すなわち、未反応面部分Sが存在してしまう。これにより、電解質膜・電極構造体5では、触媒反応に有効な面積が減少してしまい、良好かつ効率的な発電性能を維持することができないという問題が指摘されている。
【0010】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単な構成で、電極面内での反応生成水の結露を可及的に阻止することができ、良好な発電性能を確保することが可能な燃料電池を提供することを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項1に係る燃料電池では、固体高分子電解質膜の両側にそれぞれ電極を設けた電解質膜・電極構造体を、一組の金属製セパレータで挟持するとともに、前記金属製セパレータは、それぞれの電極に当接する平坦部と、前記平坦部を挟んで前記電極から離間することにより、反応ガス流路を形成する凹状部とを備えている。そして、平坦部は、反応ガス流路の上流から下流に向かって、電極に当接する幅寸法が小さくなるように設定されている。
【0012】
このため、例えば、生成水が多く発生して相対温度が高くなり易い反応ガス流路の下流側では、金属製セパレータが電極に当接する面積を大幅に削減することができる。さらに、冷却媒体が電極に接する面積も小さくなり、電極面が冷却され難くなって結露の発生を抑制することが可能になる。これにより、滞留水による電極面の未反応面部分を有効に削減して前記電極面の反応有効面積を良好に確保することができ、濃度過電圧の上昇を抑えることが可能になる。
【0013】
一方、反応ガス流路の上流側では、相対湿度が低いために結露し難い。従って、金属製セパレータが電極に当接する平坦部の面積を大きく設定することにより、抵抗過電圧を有効に低減することが可能になる。このため、簡単な構成で、燃料電池の良好な発電性能を確実に維持することができる。
【0014】
【発明の実施の形態】
図1は、本発明の第1の実施形態に係る燃料電池10の要部分解斜視図である。
【0015】
燃料電池10は、電解質膜・電極構造体12と、前記電解質膜・電極構造体12を挟持する第1および第2金属製セパレータ14、16とを備える。電解質膜・電極構造体12と第1および第2金属製セパレータ14、16との間には、後述する連通孔の周囲および電極面(発電面)の外周を覆って、ガスケット等のシール部材18が介装されている。
【0016】
電解質膜・電極構造体12と第1および第2金属製セパレータ14、16の矢印B方向の一端縁部には、積層方向である矢印A方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔20a、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔22b、および燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔24bが、矢印C方向(鉛直方向)に配列して設けられる。
【0017】
電解質膜・電極構造体12と第1および第2金属製セパレータ14、16の矢印B方向の他端縁部には、矢印A方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔24a、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔22a、および酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔20bが、矢印C方向に配列して設けられる。
【0018】
電解質膜・電極構造体12は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸されてなる固体高分子電解質膜26と、該固体高分子電解質膜26を挟持するアノード側電極28およびカソード側電極30とを備える。
【0019】
アノード側電極28およびカソード側電極30は、カーボンペーパー等からなるガス拡散層と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子を前記ガス拡散層の表面に一様に塗布した電極触媒層とをそれぞれ有する。電極触媒層は、互いに固体高分子電解質膜26を介装して対向するように、前記固体高分子電解質膜26の両面に接合されている。シール部材18の中央部には、アノード側電極28およびカソード側電極30に対応して開口部34が形成されている。
【0020】
第1金属製セパレータ14の電解質膜・電極構造体12側の面14aには、例えば、矢印B方向に延在する複数本の溝部からなる酸化剤ガス流路36が設けられるとともに、この酸化剤ガス流路36は、酸化剤ガス供給連通孔20aと酸化剤ガス排出連通孔20bとに連通する。
【0021】
図2および図3に示すように、第1金属製セパレータ14は、電解質膜・電極構造体12のカソード側電極30に当接する平坦部38と、前記平坦部38を挟んで前記カソード側電極30から離間することにより酸化剤ガス流路36を形成する凹状部40とを備える。平坦部38は、第1金属製セパレータ14にプレス成形処理等を施すことにより一体成形されており、酸化剤ガス流路36の上流から下流に向かって(矢印B1方向)、カソード側電極30に当接する幅寸法Lが小さくなるように設定される(図4参照)。
【0022】
各平坦部38は、矢印C方向に所定間隔ずつ離間しかつ矢印B方向に互いに平行に設けられており、酸化剤ガス流路36の上流側である矢印B2方向先端側が、図5に示すように、最大幅寸法L1に設定された略台形状に構成される。平坦部38は、酸化剤ガス流路36の下流側である矢印B1方向先端部が、図6に示すように、最小幅寸法L2に設定された略円弧状に構成される。平坦部38の幅寸法Lは、最大幅寸法L1から最小幅寸法L2に向かって連続的にあるいは段階的に小さくなるように設定される。
【0023】
第2金属製セパレータ16の電解質膜・電極構造体12側の面16aには、燃料ガス供給連通孔24aと燃料ガス排出連通孔24bとに連通する燃料ガス流路42が形成される。この燃料ガス流路42は、矢印B方向に延在する複数本の溝部を備えている。第2金属製セパレータ16の面16bには、冷却媒体供給連通孔22aと冷却媒体排出連通孔22bとに連通する冷却媒体流路44が形成される。この冷却媒体流路44は、矢印B方向に延在する複数本の溝部を備えている。
【0024】
図7に示すように、第2金属製セパレータ16の面16a側には、電解質膜・電極構造体12のアノード側電極28に当接する平坦部46と、前記平坦部46を挟んで前記アノード側電極28から離間することにより燃料ガス流路42を形成する凹状部48とが設けられる。
【0025】
平坦部46は、矢印C方向に所定間隔ずつ離間し、かつ矢印B方向に互いに平行して延在している。各平坦部46は、燃料ガス流路42の上流から下流に向かって(矢印B1方向)、アノード側電極28に当接する幅寸法Lが小さくなるように設定される。この平坦部46は、第1金属製セパレータ14の平坦部38と同様に構成されており、その詳細な説明は省略する。
【0026】
このように構成される燃料電池10の動作について、以下に説明する。
【0027】
図1に示すように、燃料ガス供給連通孔24aに水素含有ガス等の燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤ガス供給連通孔20aに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給される。さらに、冷却媒体供給連通孔22aに純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。
【0028】
酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給連通孔20aから第1金属製セパレータ14の酸化剤ガス流路36に導入され、電解質膜・電極構造体12を構成するカソード側電極30に沿って移動する。一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔24aから第2金属製セパレータ16の燃料ガス流路42に導入され、電解質膜・電極構造体12を構成するアノード側電極28に沿って移動する。
【0029】
従って、電解質膜・電極構造体12では、カソード側電極30に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極28に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。
【0030】
次いで、アノード側電極28に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔24bに沿って矢印A方向に排出される。同様に、カソード側電極30に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔20bに沿って矢印A方向に排出される。
【0031】
また、冷却媒体供給連通孔22aに供給された冷却媒体は、第2金属製セパレータ16の冷却媒体流路44に導入された後、矢印B方向に沿って流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体12を冷却した後、冷却媒体排出連通孔22bから排出される。
【0032】
ここで、例えば、電解質膜・電極構造体12を構成するカソード側電極30では、反応により生成水が発生し、この生成水が酸化剤ガスの流れ方向に沿って増加している。このため、第1金属製セパレータ14に形成される酸化剤ガス流路36では、出口側(酸化剤ガス排出連通孔20b側)に結露水が発生し易い。
【0033】
そこで、第1の実施形態では、酸化剤ガス流路36を構成する平坦部38が、酸化剤ガス流路36の上流から下流に向かってカソード側電極30に接触する幅寸法Lが小さくなるように構成されている(図3および図4参照)。このため、生成水が多く発生して相対湿度が高くなり易い酸化剤ガス流路36の下流側では、第1金属製セパレータ14がカソード側電極30に当接する平坦部38の面積を大幅に削減することができる。
【0034】
従って、カソード側電極30の滞留水による未反応面部分が、図6に示すように、最小幅寸法L2まで大幅に削減される。これにより、カソード側電極30の反応有効面積を良好に確保することが可能になり、濃度過電圧の上昇を抑えることができるという効果が得られる。
【0035】
一方、酸化剤ガス流路36の上流側では、相対湿度が低いために結露し難く、第1金属製セパレータ14がカソード側電極30に当接する平坦部38の面積を大きく設定することが可能になる。このため、酸化剤ガス流路36の上流側における抵抗過電圧を有効に低減することができるという利点がある。
【0036】
これにより、第1の実施形態では、特に、第1金属製セパレータ14が用いられる際、生成水の増加および酸化剤ガスの流速の低下に起因して結露水が排出され難い場合であっても、平坦部38の幅寸法Lを上流側から下流側に向かって小さくなるように設定することにより、簡単な構成で、未反応面部分を有効に削減することができ、燃料電池10の発電性能を確実に維持することが可能になる。
【0037】
なお、第2金属製セパレータ16に形成された燃料ガス流路42においても同様に、燃料ガスが消費されることによって上流側に比べて下流側の相対湿度が高くなり易い。その際、図7に示すように、平坦部46の幅寸法Lを、上流から下流に向かって小さくなるように設定するだけで、滞留水を大幅に削減して良好な発電性能を維持することができる。
【0038】
図8は、本発明の第2の実施形態に係る燃料電池を構成する第1金属製セパレータ60の一部拡大斜視図であり、図9は、前記第1金属製セパレータ60の一部断面説明図である。なお、第1の実施形態に係る燃料電池10と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第3の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。
【0039】
第1金属製セパレータ60は、電解質膜・電極構造体12を構成するカソード側電極30に当接する平坦部62と、前記平坦部62を挟んで前記カソード側電極30から離間することにより、酸化剤ガス流路36を形成する凹状部64とを備える。
【0040】
平坦部62は、酸化剤ガス流路36の上流から下流に向かってカソード側電極30に当接する幅寸法Lが小さくなるように設定される。平坦部62は、下流側の最小幅寸法L2を構成するために断面多角形状に設定されるとともに、この下流側の酸化剤ガス流路36の流路断面積が、上流側の前記酸化剤ガス流路36の流路断面積よりも同等以下に設定されている。
【0041】
これにより、第2の実施形態では、相対湿度が高くなる酸化剤ガス流路36の下流側に最小幅寸法L2に設定された平坦部62を設けることによって、滞留水を有効に削減して良好な発電性能を維持することができる等、第1の実施形態と同様の効果が得られる。
【0042】
しかも、第2の実施形態では、酸化剤ガス流路36の流路断面積が、上流から下流に向かって同等以下に設定されている。このため、酸化剤ガスの流速の低下を阻止するとともに、カソード側電極30の全面にわたって酸化剤ガスを円滑かつ確実に供給することが可能になり、発電性能を高く維持することができるという利点がある。
【0043】
図10は、本発明の第3の実施形態に係る燃料電池を構成する第1金属製セパレータ80の正面説明図である。
【0044】
第1金属製セパレータ80は、酸化剤ガスの流れ方向に平行して第1平坦部82と第2平坦部84とを交互に設けるとともに、前記第1および第2平坦部82、84間には、酸化剤ガス流路36を形成する凹状部86が設けられている。第1平坦部82は、矢印B方向に長尺に構成される一方、第2平坦部84は、上流側が前記第1平坦部82と略同一位置に設定され、下流側が前記第1平坦部82の途上で終端する短尺に構成されている。
【0045】
このため、第3の実施形態では、第1および第2平坦部82、84のカソード側電極30に接触する面積が、上流から下流に向かって減少しており、下流側での滞留水の発生を有効に削減することができる等、第1および第2の実施形態と同様の効果が得られる。
【0046】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池では、例えば、生成水が多く発生して相対温度が高くなり易い反応ガス流路の下流側で、金属製セパレータが電極に当接する面積を大幅に削減することができる。これにより、滞留水による電極面の未反応面部分を有効に削減して前記電極面の反応有効面積を良好に確保することが可能になり、濃度過電圧の上昇を抑えることができる。
【0047】
一方、反応ガス流路の上流側では、相対湿度が低いために結露し難い。従って、金属製セパレータが電極に当接する平坦部の面積を大きく設定することにより、抵抗過電圧を有効に低減することが可能になる。このため、簡単な構成で、燃料電池の良好な発電性能を確実に維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視図である。
【図2】前記燃料電池の一部断面説明図である。
【図3】前記燃料電池を構成する第1金属製セパレータの正面説明図である。
【図4】前記第1金属製セパレータの一部拡大斜視図である。
【図5】図3中、V−V線断面図である。
【図6】図3中、VI−VI線断面図である。
【図7】前記燃料電池を構成する第2金属製セパレータの正面説明図である。
【図8】本発明の第2の実施形態に係る燃料電池を構成する第1金属製セパレータの一部拡大斜視図である。
【図9】前記第1金属製セパレータの一部断面説明図である。
【図10】本発明の第3の実施形態に係る燃料電池を構成する第1金属製セパレータの正面説明図である。
【図11】従来技術に係る燃料電池の一部断面説明図である。
【符号の説明】
10…燃料電池          12…電解質膜・電極構造体
14、16、60、80…金属製セパレータ
20a…酸化剤ガス供給連通孔   20b…酸化剤ガス排出連通孔
22a…冷却媒体供給連通孔    22b…冷却媒体排出連通孔
24a…燃料ガス供給連通孔    24b…燃料ガス排出連通孔
26…固体高分子電解質膜     28…アノード側電極
30…カソード側電極       36…酸化剤ガス流路
38、46、62、82、84…平坦部
40、48、64…凹状部     42…燃料ガス流路
44…冷却媒体流路

Claims (1)

  1. 固体高分子電解質膜の両側にそれぞれ電極を設けた電解質膜・電極構造体と、前記電解質膜・電極構造体を挟持するとともに、各電極に対向する面にそれぞれ所定の反応ガスを供給する反応ガス流路が形成された一組の金属製セパレータとを備える燃料電池であって、
    前記金属製セパレータは、前記電極に当接する平坦部と、
    前記平坦部を挟んで該電極から離間することにより、前記反応ガス流路を形成する凹状部と、
    を備えるとともに、
    前記平坦部は、前記反応ガス流路の上流から下流に向かって、前記電極に当接する幅寸法が小さくなるように設定されることを特徴とする燃料電池。
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