JP2004164927A

JP2004164927A - 燃料電池

Info

Publication number: JP2004164927A
Application number: JP2002327185A
Authority: JP
Inventors: Hideaki Kume; 英明久米
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2002-11-11
Filing date: 2002-11-11
Publication date: 2004-06-10

Abstract

【課題】燃料電池の出力性能の維持とスタックのコンパクト化の両方をはかることができる燃料電池の提供。
【解決手段】セパレータ１８を有する燃料電池であって、セパレータ１８の燃料ガス流路２７間のリブ２９の幅Ｗ_１を酸化ガス流路２８間のリブ２９の幅Ｗ_２より大とし、かつ、セパレータ１８の燃料ガス流路２７間のリブ２９の裏側部位にのみ冷媒流路２６を形成した、燃料電池。アノード側セパレータ１８の厚さを冷媒流路が無い場合に比べて厚くすることなく、アノード側セパレータ１８に冷媒流路２６を設ける。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池（たとえば、固体高分子電解質型燃料電池）に関し、とくに電池性能を低下させずにコンパクト化をはかった燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図２、図３に示すように、固体高分子電解質型燃料電池１０は、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ−ＥｌｅｃｔｒｏｄｅＡｓｓｅｍｂｌｙ）とセパレータ１８との積層体からなる。膜−電極アッセンブリは、イオン交換膜からなる電解質膜１１とこの電解質膜の一面に配置された触媒層１２からなる電極（アノード、燃料極）１４および電解質膜の他面に配置された触媒層１５からなる電極（カソード、空気極）１７とからなる。膜−電極アッセンブリとセパレータ１８との間には、アノード側、カソード側にそれぞれ拡散層１３、１６が設けられてもよい。セパレータ１８にはアノード１４、カソード１７に燃料ガス（水素）および酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するためのガス流路２７、２８（燃料ガス流路２７、酸化ガス流路２８）および／または冷媒（通常、冷却水）を流すための冷媒流路２６が形成されている。膜−電極アッセンブリとセパレータ１８を重ねてセルを構成し、少なくとも１つのセルからモジュール１９を構成し、モジュールを積層してセル積層体とし、セル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル２０、インシュレータ２１、エンドプレート２２を配置し、セル積層体をセル積層方向に締め付け、セル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材（たとえば、テンションプレート２４）、ボルト・ナット２５にて固定して、スタック２３を構成する。
各セルの、アノード側では、水素を水素イオン（プロトン）と電子にする反応が行われ、水素イオンは電解質膜中をカソード側に移動し、カソード側では酸素と水素イオンおよび電子（隣りのＭＥＡのアノードで生成した電子がセパレータを通してくる、またはセル積層方向一端のセルのアノードで生成した電子が外部回路を通して他端のセルのカソードにくる）から水を生成する反応が行われ、かくして発電が行われる。
アノード側：Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻
カソード側：２Ｈ^＋＋２ｅ⁻＋（１／２）Ｏ_２→Ｈ_２Ｏ
通常、アノード側セパレータの燃料ガス流路の幅、ピッチは、カソード側セパレータの酸化ガス流路の幅、ピッチと、同じに設定されている。しかし、水素の拡散係数が空気の拡散係数より高いこと、および燃料ガスの水素の濃度の方が酸化ガスの酸素の濃度より高いことにより、空気側の拡散の方が水素側の拡散より悪いので、空気側の拡散を良くするために、特開平８−２０３５４６号公報は、酸化ガス流路幅を燃料ガス流路幅より大きくし（ただし、酸化ガス流路のピッチと燃料ガス流路のピッチとは同じ）、酸化ガス流路間のリブの拡散層との接触幅を燃料ガス流路間のリブの拡散層との接触幅より小さくした燃料電池を開示している。
【０００３】
【特許文献１】
特開平８−２０３５４６号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、燃料電池においては、燃料電池の出力性能の維持とスタックのコンパクト化の両方をはかることが重要である。
出力性能とコンパクト化から見た場合、特開平８−２０３５４６号公報の従来技術には、つぎの問題がある。
特開平８−２０３５４６号公報の燃料電池では、酸化ガス流路幅を大としたため空気側の拡散は良くなるが、酸化ガス流路間のリブと拡散層との接触面積が減少するために、接触抵抗が増加してしまい、燃料電池の出力性能がかえって低下する。
また、冷媒流路を、セパレータの燃料ガス流路の溝底部と酸化ガス流路の溝底部との何れか一方または両方に形成しなければならないので、冷媒流路形成分、セパレータは必然的に厚くなり、セル積層方向に燃料電池スタックのコンパクト化をはかることができない。
本発明の目的は、燃料電池の出力性能の維持と燃料電池スタックのコンパクト化の両方をはかることができる燃料電池を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明はつぎの通りである。
セパレータを有する燃料電池であって、セパレータの燃料ガス流路間のリブの幅を酸化ガス流路間のリブの幅より大とし、かつ、セパレータの燃料ガス流路間のリブの裏側部位にのみ冷媒流路を形成した、燃料電池。
【０００６】
上記本発明の燃料電池では、燃料ガス流路間のリブの幅を酸化ガス流路間のリブの幅より大としたので、アノード側セパレータと拡散層との接触面積が大であり、アノード側セパレータと拡散層との接触抵抗が小さくなり、燃料電池の出力性能が維持される。燃料ガス流路間のリブの幅を大きくした場合に問題になるのは、拡散層のうち、燃料ガス流路間のリブ下部分への燃料ガスの拡散であるが、元々燃料ガスは酸化ガスに比べて拡散係数が高く拡散性が良いこと、および燃料ガス濃度が酸化ガス中の酸素濃度に比べて高いことにより、拡散層のうち、燃料ガス流路間のリブ下部分への燃料ガスの拡散は、拡散層のうち、酸化ガス流路間のリブ下部分への酸化ガスの拡散と同等以上に良い拡散となり、燃料電池の出力性能が維持される。
また、セパレータの燃料ガス流路間のリブの幅を大としたので、セパレータのうち燃料ガス流路間のリブの裏側部位に冷媒流路を形成することができ、それによって、セパレータ厚さを冷媒流路を形成しない場合に比べて厚くすることなく、またはほとんど厚くすることなく、冷媒流路を設けることができ、冷媒流路をセパレータの反応ガス流路の背面部分に形成していた従来に比べて、セパレータ厚さを大幅に薄くすることができる。その結果、燃料電池スタックをセル積層方向にコンパクト化することができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の燃料電池の望ましい実施例を、図１を参照して説明する。図２、図３とその説明は、セパレータの燃料ガス流路および冷媒流路構成を除いて、本発明の燃料電池にもそのまま準用される。
本発明の燃料電池１０は、たとえば低温型燃料電池であり、たとえば固体高分子電解質型燃料電池である。燃料電池１０は、たとえば車両に搭載される。ただし、車両搭載用に限るものではない。
【０００８】
図１に示すように、固体高分子電解質型燃料電池１０は、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ−ＥｌｅｃｔｒｏｄｅＡｓｓｅｍｂｌｙ）とセパレータ１８との積層体からなる。膜−電極アッセンブリは、イオン交換膜からなる電解質膜１１とこの電解質膜の一面に配置された触媒層１２からなる電極（アノード、燃料極）１４および電解質膜の他面に配置された触媒層１５からなる電極（カソード、空気極）１７とからなる。膜−電極アッセンブリとセパレータ１８との間には、アノード側、カソード側にそれぞれ拡散層１３、１６が設けられてもよい。拡散層１３に接するセパレータ１８がアノード側セパレータで、拡散層１６に接するセパレータ１８がカソード側セパレータである。
図１は１セルの一部断面を示しており、１セルが１モジュールを構成している場合を示している。
【０００９】
アノード側セパレータ１８には、拡散層１３側に、アノード１４に燃料ガス（水素）を供給するための燃料ガス流路２７と、拡散層１３と反対側に、冷媒（通常、冷却水）を流すための冷媒流路２６が形成されている。カソード側セパレータ１８には、拡散層１６側に、カソード１７に酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための酸化ガス流路２８が形成されている。
カソード側のセパレータ１８には冷媒流路２６は形成されていない。
【００１０】
電極１４、１７は、たとえば、カーボンと触媒（たとえば、Ｐｔ）と電解質とから構成されている。
拡散層１３、１６は、たとえば、通気性カーボン層から構成されている。
セパレータ１８は燃料ガス、酸化ガス、冷媒を区画するため不透過性でなければならず、また隣接セル間の電子通路となるため導電性をもたなければならない。そのために、セパレータ１８は、通常、カーボンプレート（カーボン、黒鉛等の導電材料と樹脂との混合材料の成型カーボンプレート、あるいはカーボン、黒鉛等の導電材料の焼結カーボンプレート）、導電性樹脂に流体流路を形成したもの、あるいはメタルプレート（たとえば、ＳＵＳプレート）に流体流路を形成したもの、あるいはメタルプレートに流体流路を形成したものと樹脂フレームとの組み合わせ、等からなる。図１は、セパレータ１８がカーボンセパレータからなる場合を示しているが、セパレータ１８がカーボンセパレータに限るものではない。
【００１１】
冷媒流路２６、燃料ガス流路２７、酸化ガス流路２８は、それぞれ、矩形状またはほぼ矩形状の流路断面を有する。
セパレータ１８のうち反応ガス流路２７、２８間で反応ガス流路溝の底面より拡散層側の部分を、リブ２９と呼ぶ。
アノード側セパレータ１８の燃料ガス流路２７間のリブ２９の幅Ｗ_１は、カソード側セパレータ１８の酸化ガス流路２８間のリブ２９の幅Ｗ_２より大とされている。
図１の例では、燃料ガス流路２７の幅をＳ_１、酸化ガス流路２８の幅をＳ_２とした場合、Ｓ_１＝Ｓ_２、Ｗ_１＝２Ｗ_２＋Ｓ_２に設定されている。ただし、Ｓ_１、Ｓ_２、Ｗ_１、Ｗ_２の関係は、これに限るものではない。
【００１２】
燃料ガス流路２７のピッチＰ_１（燃料ガス流路伸長方向と直交方向のピッチ）は、酸化ガス流路２８のピッチＰ_２（酸化ガス流路伸長方向と直交方向のピッチ）より大とされている。図１の例ではＰ_１＝２Ｐ_２であり、２つの酸化ガス流路２８につき１つの燃料ガス流路２７が設けられている。ただし、Ｐ_１、Ｐ_２の関係は、これに限るものではない。
【００１３】
また、アノード側セパレータ１８の燃料ガス流路２７間のリブ２９の裏側（拡散層と反対側）部位にのみ冷媒流路２６が形成されている。冷媒流路２６は、燃料ガス流路２７の背面には形成されていないし、また、カソード側セパレータ１８にも形成されていない。カソード側セパレータ１８に形成された凹状の冷媒流路２６は、セルを積層してスタックとした時に、隣接するセルのカソード側セパレータ１８の裏面（拡散層と反対側の面）によって解放した断面の一辺を閉じられる。
冷媒流路２６の幅Ｓ_３は、アノード側セパレータ１８の燃料ガス流路２７間のリブ２９の幅Ｗ_１より小である。冷媒流路２６はアノード側セパレータ１８のリブ２９の裏側に収まる。冷媒流路２６はセパレータ厚さ方向にリブ２９にかかってもよい。
【００１４】
アノード側セパレータ１８の厚さをＴ_１、カソード側セパレータ１８の厚さをＴ_２、燃料ガス流路２７の深さをＤ_１、酸化ガス流路２８の深さをＤ_２、冷媒流路２６の深さをＤ_３、反応ガス流路２７、２８、冷媒流路２６を形成した部分でセパレータ強度を維持する上に必要な流路溝底に残されるべき最小セパレータ厚さをＮ、とした場合、Ｔ_１＝Ｔ_２またはＴ_１≒Ｔ_２、Ｄ_１＋Ｎ≦Ｔ_１、Ｄ_２＋Ｎ≦Ｔ_２、Ｄ_３＋Ｎ≦Ｔ_１、である。
【００１５】
また、燃料ガス流路の背面に冷媒流路が形成されていた従来セパレータでは、Ｄ_１＋Ｄ_３＋Ｎ≦Ｔ_１である必要があったため、Ｄ_１＋Ｎ≦Ｔ_１さえ満足されればよい場合（燃料ガス流路の背面に冷媒流路を形成しない場合）に比べてＴ_１がＤ_３分厚くなっていた。それに対し、本発明では、リブ２９裏側に冷媒流路２６が納めらるため、厚さ方向にはアノード側セパレータはＤ_１＋Ｎ≦Ｔ_１が満足されればよく、したがってＤ_１＋Ｄ_３＋Ｎ＞Ｔ_１であってもよく、従来に比べてＤ_３分、アノード側セパレータの厚さを薄くすることが可能になっている。
その結果、セルの断面を見た場合、セパレータ１８と拡散層１３、１６との接触面積が、アノード側の方が大きくなっており、その間に冷媒流路２６を設けることでセル１組の厚さを薄くしている。
【００１６】
つぎに、本発明の燃料電池の作用を説明する。
燃料電池１０の出力を高く維持するには、電極に反応ガスが十分に拡散、供給されて発電性能が高いことと、接触抵抗などによる出力損失が小さいことが必要である。
本発明では、燃料ガス流路２７間のリブ２９の幅Ｗ_１を酸化ガス流路２８間のリブ２９の幅Ｗ_２より大としたので、アノード側セパレータ１８と拡散層１３との接触面積が大であり、アノード側セパレータ１８と拡散層１３との接触抵抗が小さくなる。これは、燃料電池の出力性能が維持される方向に働く。
【００１７】
しかし、燃料ガス流路２７間のリブ２９の幅Ｗ_１を大きくしたことによって、拡散層１３のうち、燃料ガス流路２７間のリブ２９下部分１３ａへの燃料ガスの拡散低下（リブ下拡散層部分１３ａはリブ２９で押されているので、燃料ガス流路２７に接触している拡散層部分１３ｂに比べて、燃料ガスの拡散性が低下する）と、それによるアノード１４への燃料ガスの供給不足が、問題にならないかが、検討されなければならない。
【００１８】
これに対しては、元々燃料ガス（水素）は酸化ガス（空気）に比べて拡散係数が高く（空気の約２〜３倍）拡散性が良いこと、および燃料ガス濃度が酸化ガス中の酸素濃度に比べて高いこと（酸素容積は空気容積の約１／５）により、拡散層１３のうち、燃料ガス流路２７間のリブ２９下部分１３ａへの燃料ガスの拡散は、拡散層１６のうち、酸化ガス流路２８間のリブ２９下部分１６ａへの酸化ガスの拡散と同等以上に良い拡散が維持されており、燃料ガス流路２７間のリブ２９下部分１３ａへの燃料ガスの拡散低下が律速となることはない。すなわち、燃料ガス流路２７間のリブ２９下部分１３ａへの燃料ガスの拡散低下が起こっても、燃料電池の出力性能は維持される。
【００１９】
また、セパレータ１８の燃料ガス流路２７間のリブ２９の幅を大とし、セパレータ１８のうち燃料ガス流路２７間のリブ２９の裏側部位（リブ２９にかかってもよい）に冷媒流路２６を形成したので、アノード側セパレータ１８厚さを冷媒流路を形成しない場合に比べて厚くすることなく、またはほとんど厚くすることなく、冷媒流路２６を設けることができる。これにって、冷媒流路をセパレータの反応ガス流路の背面部分に形成していた従来に比べて、アノード側セパレータの厚さを大幅に薄くすることができる。その結果、燃料電池スタック２３をセル積層方向にコンパクト化することができる。
【００２０】
すなわち、従来は、冷媒流路をアノード側セパレータに設ける場合、アノード側セパレータは冷媒流路の深さかそれに近い寸法だけカソード側セパレータに比べて厚くなっていたが、本発明では、アノード側セパレータ１８の厚さをカソード側セパレータ１８の厚さと等しいかまたはほぼ等しいとしたまま、冷媒流路２６をアノード側セパレータ１８に設けることができ、燃料電池スタック２３の長さをセル積層方向に短縮することができる。
これによって、燃料電池の出力を高く維持することと、燃料電池スタック２３のコンパクト化の両方を達成できる。
【００２１】
【発明の効果】
請求項１の燃料電池によれば、燃料ガス流路間のリブの幅を酸化ガス流路間のリブの幅より大としたので、アノード側セパレータと拡散層との接触面積が大であり、アノード側セパレータと拡散層との接触抵抗が小さくなり、燃料電池の出力性能を維持できる。また、燃料ガス流路間のリブの幅を大きくしたにかかわらず、元々燃料ガスは酸化ガスに比べて拡散係数が高く拡散性が良いこと、および燃料ガス濃度が酸化ガス中の酸素濃度に比べて高いことにより、拡散層のうち、燃料ガス流路間のリブ下部分への燃料ガスの拡散は、拡散層のうち、酸化ガス流路間のリブ下部分への酸化ガスの拡散と同等以上に良い拡散となり、燃料電池の出力性能を維持できる。
また、セパレータの燃料ガス流路間のリブの幅を大としたので、セパレータのうち燃料ガス流路間のリブの裏側部位に冷媒流路を形成することができ、冷媒流路をセパレータの反応ガス流路の背面部分に形成していた従来に比べて、セパレータ厚さを大幅に薄くすることができる。その結果、燃料電池スタックをセル積層方向にコンパクト化することができる。
これらによって、燃料電池の高い出力維持と燃料電池スタックのコンパクト化の両方が達成される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池の一部の、セル積層方向を上下方向にして示した、拡大断面図である。
【図２】一般（燃料ガス流路、酸化ガス流路、冷媒流路を除き本発明にも準用可能）の燃料電池の、セル積層方向を水平方向にして示した、側面図である。
【図３】図２の燃料電池の一部の拡大断面図である。
【符号の説明】
１０（固体高分子電解質型）燃料電池
１１電解質膜
１２触媒層
１３拡散層
１３ａ拡散層のセパレータリブ下部分
１３ｂ拡散層の燃料ガス流路に接する部分
１４電極（アノード、燃料極）
１５触媒層
１６拡散層
１６ａ拡散層のセパレータリブ下部分
１７電極（カソード、空気極）
１８セパレータ
１９モジュール
２０ターミナル
２１インシュレータ
２２エンドプレート
２３スタック
２４締結部材（テンションプレート）
２５ボルト・ナット
２６冷媒流路
２７燃料ガス流路
２８酸化ガス流路
２９リブ

Claims

セパレータを有する燃料電池であって、セパレータの燃料ガス流路間のリブの幅を酸化ガス流路間のリブの幅より大とし、かつ、セパレータの燃料ガス流路間のリブの裏側部位にのみ冷媒流路を形成した、燃料電池。