JP2005079063A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】生成水の凝縮によって燃料電池の熱効率や出力密度が低下するのを抑制する。
【解決手段】アノード側セパレータ４ａに形成されるアノードガス流路８、１１と、カソード側セパレータ４ｂに形成される上流側カソードガス流路１６及び下流側カソードガス流路１９と、上流側カソードガス流路１６と下流側カソードガス流路１９の間に形成され、ガス拡散層３に接触して上流側カソードガス流路１６と下流側カソードガス流路１９との連通を遮断するリブ部２０とを備える。そして、アノードガス流路８、１１が電解質膜１、触媒層２及びガス拡散層３を挟んでリブ部２０の反対側に配置される。これにより、ガス流路間の水の移動が促進されて燃料電池内での水分分布を均一にし、生成水がガス流路に滞留することによる燃料電池の効率、出力密度の低下を防止できる。
【選択図】 図１

Description

本発明は燃料電池に関し、特に、そのガス流路の構成に関する。

水素と酸素の電気化学反応から電気エネルギーを取り出す燃料電池は、排出物が無害な水だけであることと高効率であることから将来の自動車用の動力源としても注目されているが、自動車に適用する場合には、車内の限られた空間に搭載する必要があることから、高効率とともに高出力密度であることが要求される。

特許文献１に記載される燃料電池では、ガス拡散層の上にセパレータを配置し、ガス供給口に連通し櫛状に分岐する入口側ガス流路と、ガス排出口に連通し同じく櫛状に分岐する出口側ガス流路を、入口側の分岐路が出口側の分岐路の間に挟まれるようかつ互いに連通しないようにセパレータに形成している。このような流路構成とすることで、ガス供給口から入口側ガス流路に流入したガスがすべてガス拡散層内を通過してから出口側ガス流路、ガス排出口へと流れるようにし、ガス拡散層でのガス交換と凝縮した生成水のガス拡散層からの排出を促進させ、燃料電池の出力を向上させている。
特開平１１−１６５９１号

しかしながら、上記従来技術の流路構成では、ガス流路の総断面積が大きいため、ガス流路内のガスの流速が低く、凝縮した生成水がガス拡散層やガス流路内に滞留しやすくなっている。このため、ガス流量が少ない運転領域では、ガス拡散層やガス流路内に滞留した生成水によりガスの流れが阻害され、熱効率や出力密度が低下してしまうという問題があった。

本発明は、かかる技術的課題を鑑みてなされたものであり、ガス拡散層やガス流路内に滞留した生成水によって熱効率や出力密度が低下するのを抑制することを目的とする。

本発明に係る燃料電池では、第１のセパレータに形成され、第１ガスの供給口あるいは第１ガスの排出口に連通する第１ガス流路と、第２のセパレータに形成され、第２ガスの供給口に連通する上流側第２ガス用流路と、第２のセパレータに形成され、第２ガスの排出口に連通する下流側第２ガス用流路と、上流側第２ガス用流路と下流側第２ガス用流路の間に形成され、ガス拡散層に接触して上流側第２ガス用流路と下流側第２ガス用流路との連通を遮断するリブ部と、を備える。そして、第１ガス用流路が電解質膜、触媒層及びガス拡散層を挟んでリブ部の反対側に配置される。

上流側第２ガス流路に流入した第２ガスは、ガス拡散層のうちリブ部に接する部分を通って下流側第２ガス流路へと流れる。これにより、ガス拡散層内のガスが強制的に排出されてガス拡散層内のガス交換が促進されるとともに、ガス拡散層内の水を強制的に下流側第２ガス流路へと排出させることができる。

さらに、電解質膜、触媒層及びガス拡散層を挟んでリブ部の反対側に第１ガス流路が配置されているので、電解質膜、触媒層及びガス拡散層を介しての第１ガス流路、第２ガス流路間の水の移動が促進されて燃料電池内での水分分布を均一にし、生成水がガス拡散層、ガス流路に滞留することによる燃料電池の効率、出力密度の低下を防止できる。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。

図１は本発明に係る燃料電池の単位セルの断面を示しており、燃料電池はこの単位セルを積層して構成される。図２は図１の丸Ａで囲んだ部分を拡大したものである。

電解質膜１の両側には薄い触媒層２が配設されており、その両側をガス拡散層３で挟んでいる。さらに、ガス拡散層３の外側をアノード側セパレータ４ａ、カソード側セパレータ４ｂで挟んでいる。アノード側セパレータ４ａに形成されたガス流路８、１１にアノードガス（水素、第１ガス）を供給し、カソード側セパレータ４ｂに形成された流路１６、１９にカソードガス（酸素、第２ガス）を供給すると、アノードガス、カソードガスがガス拡散層３内へと流入し、触媒層２で起こる以下の電気化学反応により発電が行なわれる。

アノード反応：Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^-
カソード反応：１／２Ｏ₂＋２Ｈ⁺＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏ
反応式からも明らかなように、カソード側では反応により水が生成される。

図３はアノード側セパレータ４ａをガス拡散層側から見たものである。アノード側セパレータ４ａのガス拡散層側の面にはアノードガスを流すための複数の流路８、１１が形成されており、各流路はガス拡散層側が開口した凹状の溝として構成される。

アノード側セパレータ４ａにはアノードガスを供給するアノードガス供給口６が開口している。これに上流側マニホールド７が接続し、上流側マニホールド７に複数のガス流路（上流側ガス流路）８が接続している。また、アノード側セパレータ４ａには発電に使用されたアノードガスを排出するアノードガス排出口９が開口しており、これに下流側マニホールド１０が接続し、下流側マニホールド１０に複数のガス流路（下流側ガス流路）１１が接続している。なお、図ではマニホールド７、１０に接続するガス流路８、１１はそれぞれ３本づつ形成されているが、ガス流路８、１１の数は必要に応じて増減される。

上流側ガス流路８と下流側ガス流路１１は交互に配置され、上流側ガス流路８を２つの下流側ガス流路１１で、あるいは下流側ガス流路１１を２つの上流側ガス流路８で挟む構成となっている。上流側ガス流路８と下流側ガス流路１１の間にはリブ部１２が形成され、リブ部１２はガス拡散層３に接触して上流側ガス流路８と下流側ガス流路１１の連通を遮断する。

図４はカソード側セパレータ４ｂをガス拡散層３から見たものである。カソード側セパレータ４ｂにも、アノード側セパレータ４ａと同様に、カソードガスを供給するカソードガス供給口１４、カソードガス供給口１４に接続する上流側マニホールド１５、上流側マニホールドに接続する複数の上流側ガス流路１６、発電に使用されたカソードガスを排出するカソードガス排出口１７、カソードガス排出口１７に連通する下流側マニホールド１８、下流側マニホールド１８に接続する複数の下流側ガス流路１９、上流側ガス流路１６と下流側ガス流路１９の間に形成されるとともにガス拡散層３に接触し、上流側ガス流路１６、下流側ガス流路１９の連通を遮断するリブ部２０が形成されている。

このような流路構成により、アノードガス供給口６から供給されたアノードガスは、上流側マニホールド７を経て上流側ガス流路８に流入し、リブ部１２に接触するガス拡散層３内を通って下流側ガス流路１１に流入し、下流側マニホールド１０を経てカソードガス排出口９から排出される。同様に、カソードガス供給口１４から供給されたカソードガスは、上流側マニホールド１５を経て上流側ガス流路１６に流入し、リブ部２０に接触するガス拡散層３内を通って下流側ガス流路１９に流入し、下流側マニホールド１８を経てカソードガス排出口１７から排出される。アノードガス、カソードガスが全てガス拡散層３を通ってから排出されるので、ガス拡散層３内のガスが強制的に排出されてガス交換が促進され、カソード側のガス拡散層３では生成水の排出が促進される。

このような構成のもと、本発明に係る燃料電池では、図１に示すように、アノード側セパレータ４ａに形成されたガス流路８、１１が電解質膜１、触媒層２及びガス拡散層３を挟んでカソード側セパレータ４ｂに形成されたリブ部２０の反対側に位置するように、また、カソード側セパレータ４ｂに形成されたガス流路１６、１９が電解質膜１、触媒層２及びガス拡散層３を挟んでアノード側セパレータ４ａに形成されたリブ部１２の反対側に位置するように構成される。

図５は燃料電池内でのガスの流れを示し、図中中実の矢印はカソードガスの流れを示している。

上流側ガス流路１６に流入したカソードガスはリブ部２０に隣接するガス拡散層３を通って下流側ガス流路１９に流入するが、このとき電気反応により水が生成する。この生成水が多くなってガス拡散層３や下流側ガス流路１９に滞留するようになると、ガスの流れを阻害し（フラッディング）、熱効率や出力密度を低下させる原因となる。

しかしながら、本発明に係る燃料電池では、電解質膜１、触媒層２及びガス拡散層３を挟んでリブ部２０の反対側にアノード側のガス流路８、１１が配置されていて、しかも、アノードガスの水分濃度はカソードガスよりも低いので、カソード側で生成し凝縮した水が図中白抜きの矢印で示すように電解質膜１、触媒層２及びガス拡散層３を介してアノード側のガス流路８、１１へと移動する。これにより、カソード側で生成した水を下流側ガス流路１９だけでなくアノード側のガス流路８、１１にも排出することが可能となり、生成水がガス拡散層３や下流側ガス流路１１に滞留することによる燃料電池の熱効率、出力密度の低下（フラッディング）を抑えることができる。

さらに、上流側ガス流路８に流入したアノードガスはリブ部１２に隣接するガス拡散層３を通って下流側ガス流路１１に流入するが（図中破線）、電解質膜１、触媒層２及びガス拡散層３を挟んでリブ部１２の反対側にカソード側のガス流路１６、１９が配置されていて、しかも、アノードガスの水分濃度が低いことから、ガス拡散層３を通過する際にカソード側流路１９で生成された水が吸収される。この作用によっても、カソード側で生成水が多くなるのを防止し、フラッディングが発生するのを防止することができる。

なお、好適には、図１に示すように、ガス流路８、１１、１６、１９の幅Ｗｐをリブ部１２、２０の幅Ｗｒの０．５倍以下とする。これにより、セパレータ４ａ、４ｂ（リブ部１２、２０）と接触するガス拡散層３の面積が相対的に増加し、アノードガス、カソードガスが流れるガス拡散層３の領域、すなわち触媒層２との接触面積が増えることから、燃料電池の効率、出力密度を向上させることができる。ガス流路８、１１、１６、１９の幅が相対的に減少することになるが、触媒層２での反応は主としてリブ部１２、２０に近いところで起こり、ガス流路８、１１、１６、１９に近いところでの反応は少ないことから、ガス流路８、１１、１６、１９の幅が相対的に減少することによる発電性能の低下はごく僅かである。

また、好適には、図６に示すように、単位セルをその積層方向から見た場合に、アノード側のガス流路８、１１を流れるアノードガスの向きが、カソード側のガス流路１６、１９を流れるカソードガスの向きと逆になるようにする。図ではアノード側のガス流路８、１１を実線で示すとともにカソード側のガス流路１６、１９を破線で示し、図中中実矢印はアノードガスの流れ、破線矢印はカソードガスの流れを示している。

上記の通り、カソード側では触媒層２での反応により水が生成するので、カソード側では下流に行くほどガス流路１６、１９を流れるカソードガス中の水分が多くなる。逆に、アノード側では上流側ほどガス流路８、１１を流れるアノードガス中の水分が少なくなる傾向があるが、このように、アノードガスの向きとカソードガスの向きを逆にすれば、カソード側のガス流路１６、１９のうち水分が多い下流側からアノード側のガス流路８、１１のうち水分の少ない上流側へと水分が移動するようになり、燃料電池内での水分分布を均一にして燃料電池の効率、出力密度を向上させることができる。

次に、本発明の第２の実施形態を図７を参照しながら説明する。

第２の実施形態では、触媒層２の両側に配置されるガス拡散層３のうち、アノード側に配置されるガス拡散層３の厚さＤ１をカソード側に配置されるガス拡散層３の厚さＤ２よりも薄くする。

これにより、アノード側のガス拡散層３内を流れるアノードガスの流速が増加し、カソード側で生成した水のアノード側への移動が促進されるので、第１の実施形態の作用効果に加え、生成水過多によるフラディングをより一層防止することができるという作用効果が得られる。

次に、本発明の第３の実施形態を図８を参照しながら説明する。

第３の実施形態では、アノード側のガス流路８、１１の幅Ｗ１をカソード側ガス流路１６、１９の幅Ｗ２よりも狭くし、アノードガス側のガス流路８、１１の断面積（ガスの流れに垂直な面で切った場合の断面積）をカソード側ガス流路６、１９の断面積よりも小さくしている。

これにより、アノード側のガス流路８、１１を流れるアノードガスの流速が増加し、これによってカソード側で生成した水のアノード側への移動が促進されるので、第１の実施形態の作用効果に加え、生成水過多によるフラディングをより一層防止することができる。なお、触媒層２での反応は主としてリブ部１２に近いところで起こり、ガス流路８、１１に近いところでの反応は少ないことから、ガス流路８、１１の幅を減少させることによる燃料電池の発電性能の低下はごく僅かである。

また、ここではアノード側のガス流路８、１１両方の幅をカソード側ガス流路１６、１９の幅Ｗ２よりも狭くしているが、いずれか一方の幅のみをカソード側ガス流路の幅Ｗ２よりも狭くしてもよい。アノード側のガス流路８、１１を同じ幅にする必要もない。

さらに、ここでは流路の幅を変更することでアノードガス側のガス流路８、１１の断面積をカソード側ガス流路６、１９の断面積よりも小さくしているが、アノード側のガス流路８、１１の高さ（溝の深さ）をカソード側ガス流路１６、１９よりも低くすることでアノードガス側のガス流路８、１１の断面積をカソード側ガス流路１６、１９の断面積よりも小さくしてもよい。

次に、本発明の第４の実施形態について説明する。

上記実施形態ではガス拡散層３の外側にセパレータ４ａ、４ｂを配置しているが、ガス流路８、１１、１６、１９が形成されている部分ではガス拡散層３はガス流路８、１１、１６、１９に露出し、ガス拡散層３を支持するものがなにもない。したがって、ガス流路８、１１、１６、１９の圧力が低下した場合には、ガス拡散層３がガス流路８、１１、１６、１９内に向けて湾曲し、ガス流路８、１１、１６、１９の有効流路断面積を変化させて流れるガスの抵抗を変化させる可能性がある。ガス拡散層３がガス流路８、１１、１６、１９内に向けて湾曲する状態を想定せずにいると、ガスの抵抗が増大した場合に有効流路断面積が減少し、期待した発電性能が得られなくなる可能性がある。

そこで、第４の実施形態では、図９に示すように、リブ部１２、２０のガス拡散層３と接触する面を凸状に形成し、これによってガス拡散層３に若干の張力が作用するようにする。これにより、ガス流路８、１１、１６、１９内の圧力が低下したとしてもガス拡散層がガス流路８、１１、１６、１９に向けて湾曲するのが抑えられ、ガス抵抗が変化するのを抑えることができる。すなわち、第４の実施形態では、上記実施形態の作用効果に加え、安定した燃料電池の性能を確保することができるという作用効果がある。

なお、リブ部１２、１９のガス拡散層３と接触する面の形状は、図９に示される尾根状形状に限らず、台形状やなだらかな中高形状としてもよい。また、リブ部１２、２０の両方についてガス拡散層３と接触する面を凸状に形成する必要はなく、いずれか一方のみについてガス拡散層３と接触する面を凸状に形成するようにしても構わない。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用可能な範囲を上記構成に限定する趣旨ではない。上記実施形態は可能な限り組み合わせて実施することも可能である。

本発明は、自動車用をはじめとして様々な用途の燃料電池に適用することができ、生成水の凝縮によって燃料電池の熱効率や出力密度が低下するのを抑制するのに有用である。

本発明に係る燃料電池の単位セルの断面図である。 図１の丸Ａで囲んだ部分の拡大図である。 アノード側セパレータの平面図である。 カソード側セパレータの平面図である。 燃料電池内のガスの流れを示した図である。 アノード側ガス流路を流れるガスとカソード側ガス流路を流れるガスの流れの向きを示した図である。 本発明の第２の実施形態を示し、単位セルの断面図である。 本発明の第３の実施形態を示し、単位セルの断面図である。 本発明の第４の実施形態を示し、リブ部の拡大図である。

符号の説明

１ 電解質膜
２ 触媒層
３ ガス拡散層
４ａ アノード側セパレータ
４ｂ カソード側セパレータ
６ アノードガス供給口
８ アノード側の上流側ガス流路（第１ガス流路）
９ アノードガス排出口
１１ アノード側の下流側ガス流路（第１ガス流路）
１２ リブ部
１４ カソードガス供給口
１６ カソード側の上流側ガス流路（上流側第２ガス流路）
１７ カソードガス排出口
１９ カソード側の下流側ガス流路（下流側第２ガス流路）
２０ リブ部

Claims (7)

1. 電解質膜の両側に触媒層を配し、前記触媒層の外側にそれぞれガス拡散層を配し、前記ガス拡散層の外側に第１及び第２のセパレータを配した燃料電池において、
   前記第１のセパレータに形成され、第１ガスの供給口あるいは第１ガスの排出口に連通する第１ガス流路と、
   前記第２のセパレータに形成され、第２ガスの供給口に連通する上流側第２ガス用流路と、
   前記第２のセパレータに形成され、第２ガスの排出口に連通する下流側第２ガス用流路と、
   前記上流側第２ガス用流路と前記下流側第２ガス用流路の間に形成され、前記ガス拡散層に接触して前記上流側第２ガス用流路と前記下流側第２ガス用流路との連通を遮断するリブ部と、
   を備え、
   前記第１ガス用流路が前記電解質膜、触媒層及びガス拡散層を挟んで前記リブ部の反対側に配置されることを特徴とする燃料電池。
2. 前記第１ガスがアノードガス、前記第２ガスがカソードガスであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記第１ガス用流路の幅が前記リブ部の幅の０．５倍以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池。
4. 前記電解質膜、触媒層、ガス拡散層及びセパレータの積層方向から見た場合、前記第１ガス用流路を流れる第１ガスの流れの向きが、前記上流側あるいは下流側第２ガス用流路を流れる第２ガスの流れの向きと反対になるように構成されることを特徴とする請求項１から３のいずれかひとつに記載の燃料電池。
5. 前記第１ガスがアノードガス、前記第２ガスがカソードガスであり、
   前記第１のセパレータに接触するガス拡散層の厚さが前記第２のセパレータに接触するガス拡散層の厚さよりも薄いことを特徴とする請求項１から４のいずれかひとつに記載の燃料電池。
6. 前記第１ガスがアノードガス、前記第２ガスがカソードガスであり、
   前記第１ガス用流路の断面積が前記上流側あるいは下流側第２ガス用流路の断面積よりも小さいことを特徴とする請求項１から５のいずれかひとつに記載の燃料電池。
7. 前記ガス拡散層に接触する前記リブ部の面が凸形状になっていることを特徴とする請求項１から６のいずれかひとつに記載の燃料電池。

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