JP2005190774A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】凝縮水を適切に排出すると共に、膜電極複合体へのガス分配を的確に行う。
【解決手段】電解質膜と電極との膜電極複合体１と、膜電極複合体１に面してガス流路１７を形成するセパレータプレート３とを有する燃料電池であって、セパレータプレート３の膜電極複合体１に面する面部に、並行に複数のガス流路１７を有し、該複数のガス流路１７をガス入口マニホールド１０からガス出口マニホールド１１の間で、少なくとも１つの曲がり部３２を有するように形成する。そして、その曲がり部３２より下流側においてそれぞれのガス流路１７にセパレータプレート厚さ方向に貫通する貫通孔１８を設け、セパレータプレート３の複数のガス流路１７を形成する面部の背面側に、貫通孔１８と連通して水通過可能な水流路１９を設ける。
【選択図】図４

Description

この発明は、燃料電池に関する。

固体高分子型燃料電池のガス流路内に凝縮した水を排水する技術として、１つのガス流路からなるサーペンタイン（蛇行）の折り返し部に、排水流路を設けるものがある（例えば、特許文献１）。

また、ガス流路の出口付近に貫通孔を介してドライガスを供給して、水蒸気の分圧を下げて、凝縮を抑えるものがある（例えば、特許文献２）。
特開２００２−１９８０６９ 特開平６−０６８８８６号

しかし、前者にあっては、１つのガス流路からなるサーペンタイン状に形成され曲がり部を有するため、ガス流路の断面積は広く、そのため凝縮水があっても、ガスの流れ自体に大きな影響を与えず、ガスが凝縮水に与える流れの力は小さく、凝縮水が排水流路に移動しにくいという問題点があった。

また、後者にあっては、ドライガスを供給するための配管や動力の確保と共に、供給量の制御を要する等、システムとして複雑になるという問題点があった。

この発明は、このような問題点を解決することを目的としている。

本発明は、電解質膜と電極との膜電極複合体と、膜電極複合体に面してガス流路を形成するセパレータプレートとを有する燃料電池であって、セパレータプレートの膜電極複合体に面する面部に、並行に複数のガス流路を有し、該複数のガス流路をガス入口マニホールドからガス出口マニホールドの間で、少なくとも１つの曲がり部を有するように形成する。そして、その曲がり部より下流側においてそれぞれのガス流路にセパレータプレート厚さ方向に貫通する貫通孔を設け、セパレータプレートの複数のガス流路を形成する面部の背面側に、前記貫通孔と連通して水通過可能な水流路を設ける。

本発明によれば、それぞれのガス流路において、貫通孔の上流のガス流路で生じた水の壁流を適切に排出して、貫通孔の下流のガス流路に流れるのを低減でき、ガス流路の閉塞の要因となる水の壁流の成長を抑えることが可能となると共に、ガス流路毎に独立に排水を行えるので、複数のガス流路によって、膜電極複合体へのガス分配を的確に行える。

以下、第１の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は固体高分子型燃料電池の単位セルの構成を表す。膜電極複合体（ＭＥＡ）１、ガスケット２、空気（酸化剤ガス）極セパレータ３、ガスケット４、燃料（水素ガス）極セパレータ５、ガスケット６を一つの単位として、所要数積層して、スタックを構成する。

図２はＭＥＡ１の平面図である。

ＭＥＡ１は、高分子電解質膜７の両面に触媒層８、ガス拡散層９を一体化して、空気極（電極）３０、燃料極（電極）３１を形成する。

電解質膜７の外周部には、図左上部に空気入口マニホールド１０を形成するための貫通部を、図右下部に空気出口マニホールド１１を形成するための貫通部を、図下左部に水素入口マニホールド１５を形成するための貫通部を、図上右部に水素出口マニホールド１６を形成するための貫通部を、図右上部に冷却水入口マニホールド１３を形成するための貫通部および排水（凝縮水）マニホールド１２を形成するための貫通部を、図左下部に冷却水出口マニホールド１４を形成するための貫通部を、設けてある。

図３は空気極セパレータ３（セパレータプレート）の空気側の平面図である。

空気極セパレータ３には、ＭＥＡ１に面する面部に、図左上部を始点（入口）に、複数の溝状のガス流路（空気流路）１７を並行に複数の曲がり部（第１の曲がり部３２、第２の曲がり部３３、第３の曲がり部３４、第４の曲がり部３５）を含みサーペンタイン状に、図右下部を終点（出口）に形成している。

第１〜第４の曲がり部３２〜３５は、向きを変える部位で、図のように折曲状、あるいは所定曲率の曲路状に形成して良い。第１〜第４の曲がり部３２〜３５における空気の流れは、曲がり部において内側にあるガス流路１７の方が、外側にあるガス流路１７よりも流れの向きが急に変わるため、その内側にあるガス流路１７の方が、外側にあるガス流路１７よりも路壁に強く衝突しながら流れる。

この第１〜第４の曲がり部３２〜３５のうち上流側の第１の曲がり部３２より下流側において、それぞれのガス流路１７に、セパレータ３の厚さ方向に貫通してその背面に開口する所定孔径の貫通孔１８を設ける。

空気極セパレータ３の外周部には、図左上部に空気入口マニホールド１０を形成するための貫通部（ガス流路１７の入口につながる）を、図右下部に空気出口マニホールド１１を形成するための貫通部（ガス流路１７の出口につながる）を、図下左部に水素入口マニホールド１５を形成するための貫通部を、図上右部に水素出口マニホールド１６を形成するための貫通部を、図右上部に冷却水入口マニホールド１３を形成するための貫通部および排水（凝縮水）マニホールド１２を形成するための貫通部を、図左下部に冷却水出口マニホールド１４を形成するための貫通部を、設けてある。

図４は燃料極セパレータ５（セパレータプレート）の背面図（クーラープレート部の平面図）である。

燃料極セパレータ５には、空気極セパレータ３の背面に面する面部に、図右上部を始点（入口）に、複数の溝状の冷媒流路２０を並行に曲がり部を含みサーペンタイン状に、図左下部を終点（出口）に形成している。

この冷媒流路２０の上流部近傍に、空気極セパレータ３の背面の貫通孔１８に接続する溝状の排水流路１９を形成する。排水流路１９は、冷媒流路２０の沿壁部に、冷媒流路２０と隔てて、後述の排水マニホールド１２の貫通部に接続するよう形成する。

燃料極セパレータ５の外周部には、図左上部に空気入口マニホールド１０を形成するための貫通部を、図右下部に空気出口マニホールド１１を形成するための貫通部を、図下左部に水素入口マニホールド１５を形成するための貫通部（後述のガス流路２１の入口につながる）を、図上右部に水素出口マニホールド１６を形成するための貫通部（後述のガス流路２１の出口につながる）を、図右上部に冷却水入口マニホールド１３を形成するための貫通部（冷媒流路２０の入口につながる）および排水（凝縮水）マニホールド１２を形成するための貫通部を、図左下部に冷却水出口マニホールド１４を形成するための貫通部（冷媒流路２０の出口につながる）を、設けてある。

図５は燃料極セパレータ５の燃料側の平面図である。

燃料極セパレータ５には、ＭＥＡ１に面する面部に、図下右部を始点（入口）に、複数の溝状のガス流路（水素流路）２１を並行に曲がり部を含みサーペンタイン状に、図上左部を終点（出口）に形成している。

図６はＭＥＡ１と空気極セパレータ３との間のガスケット（カソードガスケット）２の平面図である。

ガスケット２は、外周ならびに水素入口マニホールド１５、水素出口マニホールド１６、冷却水入口マニホールド１３、冷却水出口マニホールド１４、排水マニホールド１２の縁部をシールする形状に形成する。

図７は空気極セパレータ３と燃料極セパレータ５との間のガスケット（クーラーガスケット）４の平面図である。

ガスケット４は、外周ならびに空気入口マニホールド１０、空気出口マニホールド１１、水素入口マニホールド１５、水素出口マニホールド１６の縁部、および燃料極セパレータ５の背面の排水流路１９、排水マニホールド１２の回りをシールする形状に形成する。

図８はＭＥＡ１と燃料極セパレータ５との間のガスケット（アノードガスケット）６の平面図である。

ガスケット６は、外周ならびに空気入口マニホールド１０、空気出口マニホールド１１、冷却水入口マニホールド１３、冷却水出口マニホールド１４、排水マニホールド１２の縁部をシールする形状に形成する。

図９はＭＥＡ１、ガスケット２、空気極セパレータ３、ガスケット４、燃料極セパレータ５、ガスケット６を、所要数積層して、スタックを構成した図を示す。

水素入口マニホールド１５には、水素貯蔵手段（図示しない）等に貯蔵された水素を導入する。

空気入口マニホールド１０には、コンプレッサ（図示しない）等によって空気を導入する。

冷却水入口マニホールド１３には、水タンク（図示しない）の水（純水）をポンプ等によって導入する。

排水マニホールド１２の出口後流は、空気出口マニホールド１１の出口後流に接続して、その下流に浄化装置（図示しない）等を配設する。

次に、動作を説明する。

燃料電池の生成物である水は空気極セパレータ３に面するＭＥＡ１で生成される。この水は過飽和状態で空気極セパレータ３のガス流路１７を流れるが、均一核生成もしくは不均一核生成で、微小液滴へと成長する。微小液滴は、その慣性力によりガス流路１７の曲がり部３２〜３５で壁面に沈着し、壁流となる。

空気極セパレータ３に複数のガス流路１７を設け、複数のガス流路１７を並行に曲がり部３２〜３５を含みサーペンタイン状に形成してあるため、微小液滴は、曲がり部３２〜３５で壁面に沈着しやすくなる。

一方、ガス流路１７の上流側の第１の曲がり部３２より下流側において、ガス流路１７にセパレータ３の厚さ方向に貫通してその背面に開口する貫通孔１８を設け、貫通孔１８を排水流路１９を介して排水マニホールド１２に接続したので、貫通孔１８、排水流路１９、排水マニホールド１２の流量係数に応じた微小な流れが生じ、その微小流れによって、ガス流路１７で生じた水の壁流は、貫通孔１８を通して、排水流路１９、排水マニホールド１２に排出される。

この場合、それぞれのガス流路１７にセパレータ３の背面に開口する貫通孔１８を設けたので、ガス流路１７毎に独立に排水を行える。

また、排水マニホールド１２を静圧の低い空気出口マニホールド１１に接続したので、各ガス流路１７で生じた水の壁流は、適切に排出される。

このため、それぞれのガス流路１７において、貫通孔１８の上流のガス流路１７で生じた水の壁流が貫通孔１８の下流のガス流路１７に伝わるのを低減でき、ガス流路１７の閉塞の要因となる水の壁流の成長を抑えることが可能となる。

そして、ガス流路１７毎に独立に排水を行えるので、複数のガス流路１７からなるサーペンタインによって、ＭＥＡ１へのガス分配を的確に行える。

また、排水流路１９は冷媒流路２０と隔てて冷媒流路２０の沿壁部に形成すると共に、ガスケット４で排水流路１９と排水マニホールド１２を囲むようにシールするため、セルピッチを厚くすること無く、排水流路１９を冷媒流路２０と同じ面内に確保できる。

また、冷媒流路２０の上流部近傍に貫通孔１８を配しているため、貫通孔１８付近を冷却できる。そのため、貫通孔１８を通過したガスの露点を下げることにより、貫通孔１８で凝縮水分が排水される。

なお、曲がり部３３、３４、３５に対して、同様に貫通孔、排水流路、排水マニホールド等を設けて良いが、曲がり部３４、３５はガス流路１７の下流側にあるため、曲がり部３４、３５で生じた水の壁流は、空気の流れによって空気出口マニホールド１１に速やかに排出されるようになる。

本実施形態は、空気極セパレータ３に適用したが、当然に燃料極セパレータ５に適用することも可能である。

また、本実施形態は、冷媒流路２０と排水流路１９を燃料極セパレータ５に形成したが、当然に空気極セパレータ３に形成することも可能である。

図１０は別の実施形態を示す。

これは、ガス流路１７（１７ａ〜１７ｄ）の第１の曲がり部３２より下流側において設ける貫通孔１８（１８ａ〜１８ｄ）は、曲がり部３２に対して内側のガス流路１７に設けられるものの方を、外側のガス流路１７に設けられるものよりも径を大きくしたものである。

曲がり部３２における空気の流れは、曲がり部３２において内側にあるガス流路１７の方が、外側にあるガス流路１７よりも流れの向きが急に変わるため、内側にあるガス流路１７の方が、外側にあるガス流路１７よりも路壁に強く衝突しながら流れる。

したがって、内側のガス流路１７の方が、ガス流れとミスト流れの解離が大きく、壁面に沈着する液体量が多い。このため、内側の貫通孔１８を大きくすることにより、貫通孔１８を通過するバイパスガス流を小さく保ちながら、効率的に排水できる。

図１１は別の実施形態を示す。

これは、ガス流路１７（１７ａ〜１７ｄ）の第１の曲がり部３２より下流側において設ける貫通孔１８（１８ａ〜１８ｄ）は、曲がり部３２に対して内側のガス流路１７に、外側のガス流路１７よりも多く設けたものである。

したがって、内側のガス流路１７の方が、ガス流れとミスト流れの解離が大きく、壁面に沈着する液体量が多いため、内側の貫通孔１８の数を多くすることにより、貫通孔１８を通過するバイパスガス流を小さく保ちながら、効率的に排水できる。

図１２は別の実施形態を示す。

これは、冷媒流路２０が排水流路１９を囲うように形成したものである。

したがって、貫通孔１８付近を優先的に冷却して、貫通孔１８を通過したガスの露点を下げることにより、より貫通孔１８で凝縮水分が排水され、ガスが凝縮しにくくなる。

各実施形態は、複数のガス流路をサーペンタイン状に形成したセパレータに適用した例を述べたが、これに限定されるものではなく、少なくとも１つの曲がり部が形成された流路を有するセパレータに適用できる。

燃料電池のほか、化学反応を利用する各装置に適用できる。

固体高分子型燃料電池の単位セルの構成を表す図である。 膜電極複合体の平面図である。 空気極セパレータの空気側の平面図である。 燃料極セパレータの背面図である。 燃料極セパレータの燃料側の平面図である。 カソードガスケットの平面図である。 クーラーガスケットの平面図である。 アノードガスケットの平面図である。 スタック構成図である。 別の実施形態の部分詳細図である。 別の実施形態の部分詳細図である。 別の実施形態の部分詳細図である。

符号の説明

１ 膜電極複合体（ＭＥＡ）
２ ガスケット
３ 空気極セパレータ
４ ガスケット
５ 燃料極セパレータ
６ ガスケット
７ 高分子電解質膜
８ 触媒層
９ ガス拡散層
１０ 空気入口マニホールド
１１ 空気出口マニホールド
１２ 排水マニホールド
１３ 冷却水入口マニホールド
１４ 冷却水出口マニホールド
１５ 水素入口マニホールド
１６ 水素出口マニホールド
１７ ガス流路
１８ 貫通孔
１９ 排水流路
２０ 冷媒流路
２１ ガス流路
３２、３３、３４、３５ 曲がり部

Claims (7)

1. 電解質膜と電極との膜電極複合体と、膜電極複合体に面してガス流路を形成するセパレータプレートとを有する燃料電池であって、
   前記セパレータプレートに、膜電極複合体に面する面部に、並行に複数のガス流路を有し、該複数のガス流路をガス入口マニホールドからガス出口マニホールドの間で、少なくとも１つの曲がり部を有するように形成して、
   前記曲がり部より下流側においてそれぞれのガス流路にセパレータプレート厚さ方向に貫通する貫通孔を設けると共に、
   前記セパレータプレートの複数のガス流路を形成する面部の背面側に、前記貫通孔と連通して水通過可能な水流路を設けることを特徴とする燃料電池。
2. 前記セパレータプレートの複数のガス流路を形成する面部の背面側には、冷却用の冷媒流路が形成されるクーラープレートを有し、
   前記水流路は、前記クーラープレートに形成される冷媒流路の沿壁部に冷媒流路と隔てて設けられることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記セパレータプレートの複数のガス流路を形成する面部の背面部には、冷却用の冷媒流路が形成され、
   前記水流路は、前記冷媒流路の沿壁部に冷媒流路と隔てて設けられることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
4. 前記貫通孔は、曲がり部に対して内側のガス流路に設けられるものの方が、外側のガス流路に設けられるものよりも径が大きいことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の燃料電池。
5. 前記貫通孔は、曲がり部に対して外側のガス流路よりも内側のガス流路に多く設けることを特徴とすることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の燃料電池。
6. 前記貫通孔は、前記冷媒流路の上流側近傍に設けることを特徴とする請求項２〜５のいずれか１つに記載の燃料電池。
7. 前記水流路と連通する排水マニホールドと、前記ガス流路と連通するガス出口マニホールドとを備え、この排水マニホールドとガス出口マニホールドとを接続することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の燃料電池。