JP2005149801A

JP2005149801A - 燃料電池

Info

Publication number: JP2005149801A
Application number: JP2003382629A
Authority: JP
Inventors: Ryoichi Shimoi; 亮一下井; Kenha Cho; 剣波張
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-11-12
Filing date: 2003-11-12
Publication date: 2005-06-09

Abstract

【課題】燃料電池を構成する電解質膜の乾燥を防止する。
【解決手段】電解質膜８ａと、電解質膜の両面に形成され、燃料極及び酸化剤極としてのガス拡散電極８ｂからなる膜電極接合体８と、前記膜電極接合体を挟持し、前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス流路と酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路をそれぞれに形成したセパレータとからなる燃料電池において、前記燃料ガス流路と前記酸化剤ガス流路の少なくとも一方のガス流路の上流部５ａを閉鎖する閉止部材７を設け、前記閉止部材を設けたガス流路を流通するガスが、ガス流路に面するガス拡散電極を通じて前記閉止部材を設けたガス流路の下流５ｂに流通する。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池に関する。

燃料電池内を流通する流体の流路形状として櫛型状の流路としたものがある（例えば、特許文献１参照）。これは、２つの櫛型の流路を連通しないように構成して、一方をガス供給用流路、他方をガス排出用流路として機能させるものである。この構成では、ガス拡散電極内を強制的にガスを拡散させて、ガスを供給用流路から排出用流路に流通させている。
特開平１１−１６５９１号公報

しかしながら、前述の従来技術では、ガス供給流路の上流側、特に入口付近において、電解質膜が乾燥（ドライアウトという）が生じやすく、電解質の劣化を招く恐れがある。

本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、電解質膜のドライアウトを防止し、電解質膜の耐久性、信頼性を向上した燃料電池を提供することにある。

本発明は、電解質膜と、電解質膜の両面に形成され、燃料極及び酸化剤極としてのガス拡散電極からなる膜電極接合体と、前記膜電極接合体を挟持し、前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス流路と酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路をそれぞれに形成したセパレータとからなる燃料電池において、前記燃料ガス流路と前記酸化剤ガス流路の少なくとも一方のガス流路の上流部を閉鎖する閉止部材を設け、前記閉止部材を設けたガス流路を流通するガスが、前記閉止部材を設けたガス流路に面するガス拡散電極を通じて前記閉止部材を設けたガス流路の下流に流通することを特徴とする。

本発明においては、ガスが電解質膜の両面に形成したガス拡散電極を通って下流のガス流路へと流れるが、その際に、流れるガスは閉止部材の直前にある多量の水によって加湿され、または小さな水滴を含むため、ガス中の水がガス拡散電極を介して閉止部材付近の電解質膜を加湿する。このようにして入口付近の電解質膜を湿潤させることで、従来の問題点であった入口側の電解質膜がドライアウトし、電解質膜が劣化することを防止して、耐久・信頼性のある燃料電池を提供することができる。

図１は、本発明を適用したサーペンタイン型のガス流路を備えたセパレータの構成を説明する平面図である。燃料や酸化剤が流通するガス流路を形成し、膜電極接合体８を挟持するセパレータ１には、ガスを各ガス流路５に分配する入口マニホールド２及び各ガス流路５を流通してきたガスを集めて排出する出口マニホールド３が形成される。また、ガス流路５を形成するためのリブ６を備える。

ガス流路５は、ガス流路上流側の入口マニホールド２近傍に設置された閉止部材７を挟んで、上流側の入口側ガス流路５ａと下流側の出口側ガス流路５ｂに分割される。入口側マニホールド２から上流側ガス流路５ａに流入したガスは、閉止部材７により出口側ガス流路５ｂに直接流入することはできず、膜電極接合体８のガス拡散電極８ｂに浸透する。ガスは、その後、ガス拡散電極８ｂから出口側ガス流路５ｂに流出して出口側マニホールド３から排出される。

このような構成により、入口マニホールド２からセル温度に対し同程度の加湿温度で加湿したガスを流すと、入口側ガス流路５ａの閉止部材７付近に加湿ガスに含有された凝縮した水や反応により生成した水が溜まる。さらに、露点以上のガスをガス流路５に供給したり、間欠的に水をガス流路５内に供給したりすることで閉止部材７付近に水を常に溜めておくことが可能となる。なお、本実施例の閉止部材は、ガス流路を完全に閉鎖するように構成したが、一部を閉鎖するように構成してもよい。

閉止部材７により、ガスはガス流路５を通過して流れることができないため、図２の局部断面図に示すように、閉止部材の上流側ガス流路に面する面にはガス中に含まれていた水分が凝縮して貯留する。ガスは、電解質膜８ａの両面に形成したガス拡散電極８ｂを通って出口側ガス流路へと流れるが、その際に、流れるガスは閉止部材７の直前にある多量の水によって加湿され、または小さな水滴を含むため、ガス拡散電極８ｂを介して水が閉止部材７付近の電解質膜８ａを加湿する。このようにして入口付近の電解質膜８ａを湿潤させることで、従来の問題点であった入口側の電解質膜８ａがドライアウトし、電解質膜８ａが劣化することを防止して、耐久・信頼性のある燃料電池を提供することができる。

なお、閉止部材７を設けるガス流路形状は、図２８に示すサーペンタイン型に限らず、図２９や図３０に示すパラレル型流路形状の他、一般的なガス流路形状であっても構わない。また、閉止部材７の設置場所は、入口マニホールド２からの距離が１本の流路の全長に対し１０分の１以下であることが望ましい。

また図３のように、流路下流部にも閉止部材７を設けることで、さらにガスの配流を均一にして燃料電池の発電性能を向上することができる。

図４は、第２の実施例のガス流路形状を示す平面図であり、この実施例では、ガス流路５を閉鎖する閉止部材７が、複数のガス流路の一部にのみ形成されている。例えば、ドライアウトが生じやすい箇所が推定できるような場合には、その箇所のみに閉止部材７を設置してドライアウトを防止できる。

さらに、図５に示す第３の実施例は、閉止部材７の直下流の出口側ガス流路５ｂに中間マニホールド４を設けたもので、このような構成により、出口側ガス流路５ｂの配流を均一にして、発電効率を向上できる。

なお、閉止部材７を設置することで、ガスが隣接した下流のガス流路５に流れてしまう場合は、隣接するガス流路のリブ６の幅を広くしたりすることでガスが他の流路に行くことを防止することができる。

図６は、第４の実施例を示し、この実施例は閉止部材７の配置を所定の範囲に点在させている。図６では、閉止部材７を所定範囲内に規則的に配置している。このような閉止部材７の配置とすることにより、より広範囲に電解質膜８ａの加湿を行うことができ、ドライアウトを防止できる。

図７は、第５の実施例を示しており、この実施例では、閉止部材７の形状が他の実施例と異なっている。これまでの閉止部材７はガスの流れを塞き止めるように流れに垂直に形成している。つまり、ガス拡散電極８ｂ内のガスの流れもガス流路５内の流れと同一方向である。この実施例の閉止部材７は、ガス拡散電極８ｂ内のガスの流れの一部が、ガス流路５内の流れ方向に対して直交するように形成される。図に示すような上流側ガス流路５ａと下流側ガス流路５ｂの一部がガス流れ方向の垂直方向に面して構成することで、この領域でガスの流れが促進されて、広範囲に電解質膜８ａの加湿が行われ、ドライアウトを防止できる。なお、この実施例に図５に示した中間マニホールドを組み合わせても良い。

図８は、第６の実施例を示している。これまでの実施例のガス流路５は直線状のガス流路５を閉止部材７で閉鎖して、上流側ガス流路５ａと下流側ガス流路５ｂとを形成していた。この実施例では、上流側ガス流路５ａと下流側ガス流路５ｂの少なくとも一部を隣接するように平行に形成したことを特徴とする。このような構成とすることで、隣接した領域でガスの流れが促進されて、広範囲に電解質膜８ａの加湿が行われ、ドライアウトを防止できる。

図９は、第７の実施例を示し、この実施例は図１に示す第１の実施例に対して閉止部材７のガス流れ方向の長さを変化させたことを特徴とする。この実施例では、閉止部材７の上流側の始点７ａは各流路とも同一であり、閉止部材７のガス流れ方向の終点７ｂの位置が各流路ごとに異なることで、閉止部材７の長さを変化させる。具体的には第７の実施例では、図９に示す各ガス流路が上下方向に形成されているとして、下側のガス流路５ほど閉止部材７の長さが長いなるように構成した。また、類似の構成として、図１０に示す第８の実施例では、第７の実施例とは逆に、上側の閉止部材７の長さが長くなるように構成した。さらに図１１に示す第９の実施例では、中央部に位置する閉止部材７の長さが長くなるように構成した。なお、第７から第９の実施例では、閉止部材７の始点７ａを変化させず、終点７ｂを変化させて閉止部材７の長さを変化させたが、図１２に示すように、終点７ｂを変化させず、始点７ａを変化させても良い。

図１３は第１０の実施例を示し、この実施例は係止部材７の配置に特徴を持つ実施例である。ガス流路５が上下方向に配置されているとして、同一の長さを有する係止部材７の配置を、中央部ほど下流側に配置されるようにした。類似の配置として、図１４に示す配置は、閉止部材７が中央側のガス流路７ほど上流側に配置されている。また図１５に示す配置は、閉止部材７が下側のガス流路７ほど下流側に配置されている。逆に図１６に示す配置では、閉止部材７が上側のガス流路７ほど下流側に配置されている。このように図９から図１６に示すような閉止部材の配置を考慮することにより、ガスの流れを均一にする配流が可能となる。

図１７に示す第１１の実施例は、これまでの実施例では上流側ガス流路５ａと下流側ガス流路５ｂの流路断面積を同じとして説明してきたが、この実施例では下流側ガス流路５ｂの流路断面積を上流側ガス流路５ａの流路断面積より大きく設定したことを特徴とする。また、図１８に示すように第１１の実施例とは逆に、上流側ガス流路の流路断面積を下流側ガス流路５ｂの流路断面積より大きく設定するようにしてもよい。このような構成とすることで、水の蒸発量を増加させたり、水滴を飛ばし易い形状とすることができ、ガス流路形状を最適な形状とすることができる。

図１９に示す第１２の実施例は、第１の実施例に対して上流側ガス流路５ａの閉止部材７側端部の流路断面積を段階的に減少させるように構成した実施例である。類似の構成として図２０や図２１に示すように一定減少率で直線状に流路断面積を減少させるようにしても良いし、図２２に示すように曲線状に流路断面積を減少させてもよい。このような形状とすることでガス及び水の流れを促進することができる。また、下流側ガス流路５ｂの閉止部材７側端部の流路断面積を下流側に向けて徐々に大きくするように構成してもよく、この構成によってもガス及び水の流れを促進できる。

図２３は第１２の実施例の閉止部材７の詳細形状を示す正面断面図であり、流路断面積がガス拡散電極８ｂに沿って減少する。第１２の実施例では、上流側ガス流路５ａの閉止部材７側端部の流路断面積は、流路断面積の減少率を一定にして、直線状に形状を変化させた。また図２４に示すように下流側ガス流路５ｂについても同様に、下流側ほど流路断面積が大きくなるように構成してもよい。また、図２５や図２６に示すように曲線状に変化させても良い。

図２７は第１３の実施例を示す、この実施例は、上流側ガス流路５ａの閉止部材７側端部のリブ６の表面に親水処理を施した親水膜９を形成したことを特徴とする。親水膜９を形成したことにより、親水膜に水を含ませて水の膜を形成しガスへの水の蒸発量を増大することができる。この実施例を他の実施例に適用することが可能であることはいうまでもない。さらにガス拡散電極８ｂの表面に親水処理を施すことで、ガス拡散電極８ｂ内の水の移動を促進することができる。

本発明は、電解質膜の乾燥を防ぐことができ、燃料電池に有用である。

本発明のガス流路の形状を説明する平面図である。閉止部材部の形状及びガスの流れを説明する正面図である。第１の実施例の関連形状を示す平面図である。第２の実施例のガス流路を示す平面図である。第３の実施例の関連形状を示す平面図である。第４の実施例のガス流路を示す平面図である。第５の実施例の関連形状を示す平面図である。第６の実施例のガス流路を示す平面図である。第７の実施例の関連形状を示す平面図である。第８の実施例のガス流路を示す平面図である。第９の実施例のガス流路を示す平面図である。第９の実施例の関連形状を示す平面図である。第１０の実施例のガス流路を示す平面図である。第１１の実施例の関連形状を示す平面図である。第１１の実施例の関連形状を示す平面図である。第１１の実施例の関連形状を示す平面図である。第１１の実施例の関連形状を示す平面図である。第１１の実施例の関連形状を示す平面図である。第１２の実施例のガス流路を示す平面図である。第１２の実施例の関連形状を示す平面図である。第１２の実施例の関連形状を示す平面図である。第１２の実施例の関連形状を示す平面図である。第１２の実施例のガス流路を示す正面図である。第１１の実施例の関連形状を示す正面図である。第１１の実施例の関連形状を示す正面図である。第１１の実施例の関連形状を示す正面図である。第１３の実施例の関連形状を示す正面図である。従来のガス流路形状を示す平面図である。従来のガス流路形状を示す平面図である。従来のガス流路形状を示す平面図である。

符号の説明

１…セパレータ
２…入口マニホールド
３…出口マニホールド
４…中間マニホールド
５…ガス流路
５ａ…上流側ガス流路
５ｂ…下流側ガス流路
６…リブ
７…閉止部材
８…膜電極接合体
８ａ…電解質膜
８ｂ…ガス拡散電極
９…親水層

Claims

電解質膜と、電解質膜の両面に形成され、燃料極及び酸化剤極としてのガス拡散電極からなる膜電極接合体と、前記膜電極接合体を挟持し、前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス流路と酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路をそれぞれに形成したセパレータとからなる燃料電池において、
前記燃料ガス流路と前記酸化剤ガス流路の少なくとも一方のガス流路の上流部を閉鎖する閉止部材を設け、
前記閉止部材を設けたガス流路を流通するガスが、ガス流路に面するガス拡散電極を通じて前記閉止部材を設けたガス流路の下流に流通することを特徴とする燃料電池。
前記燃料流路と前記酸化材ガス流路は、並列に形成された複数のガス流路からなり、
前記閉止部材は、前記閉止部材を設けるガス流路のすべての流路を閉鎖することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
前記燃料流路と前記酸化材ガス流路は、並列に形成された複数のガス流路からなり、
前記閉止部材は、前記閉止部材を設けるガス流路の一部のガス流路を閉鎖することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
前記燃料ガス流路と前記酸化剤ガス流路は、燃料ガスまたは酸化剤ガスが導入される入口マニホールドに接続し、
前記閉止部材を設置する前記ガス流路の上流部は、前記入口マニホールド近傍であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
前記ガス流路は、前記閉止部材を介して上流側ガス流路と下流側ガス流路とに区画され、
前記閉止部材は、前記上流側ガス流路の一部と前記下流側ガス流路の一部とが前記ガスの流れ方向に沿って面するように構成されることを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載の燃料電池。
前記閉止部材は、ガス流れ方向の長さがそれぞれ異なることを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載の燃料電池。
前記上流側ガス流路と前記下流側ガス流路の本数が異なることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池。
前記上流側ガス流路と前記下流側ガス流路の流路断面積が異なることを特徴とする請求項５または７に記載の燃料電池。
前記上流側ガス流路は、前記閉止部材近傍の断面積が前記閉止部材に近づくほど段階的に小さくなることを特徴とする請求項５または８に記載の燃料電池。
前記上流側ガス流路は、前記閉止部材近傍の断面積が前記閉止部材に近づくほど徐々に小さくなることを特徴とする請求項５または８に記載の燃料電池。
前記上流側ガス流路に親水処理を施したことを特徴とする請求項７から１０のいずれか一つに記載の燃料電池。