JP2005310510A - 燃料電池 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】電解質1と、当該電解質1の両側に配置されるカソード2及びアノード3、を備えるMEA5の両側に、セパレータを配設して構成される、第1セル10及び第2セル20を有する燃料電池100であって、第1セル10及び第2セル20は、第1のセパレータ30を挟んで互いに隣接するように積層されるとともに、ガスAを供給すべき第1ガス供給路15及びガスBを供給すべき第2ガス供給路16、26を備え、ガスA及びガスBの流れ方向が、第1セル10内では同一の方向であるとともに、第2セル20内では対向する方向である燃料電池100とする。
【選択図】図1
Description
請求項1に記載の発明は、電解質と、当該電解質の両側に配置されるカソード及びアノード、を備えるMEAの両側に、セパレータを配設して構成される、第1セル及び第2セルを有する燃料電池であって、第1セル及び第2セルは、第1のセパレータを挟んで互いに隣接するように積層されるとともに、ガスAを供給すべき第1ガス供給路及びガスBを供給すべき第2ガス供給路を備え、第1セルにおける第1ガス供給路の下流部と第2セルにおける第1ガス供給路の上流部とは連結されているとともに、第1セルにおける第1ガス供給路の上流部と第2セルにおける該供給路の下流部とは、第1のセパレータ及び第1セルにおける第2ガス供給路を介して積層方向に隣接しており、第1セル及び第2セルに供給される、ガスA及びガスBの流れ方向が、第1セル内では同一の方向であるとともに、第2セル内では対向する方向であることを特徴とする、燃料電池である。
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の燃料電池であって、ガスBが、第1セルと第2セルとで、独立に供給されることを特徴とする。
請求項3に記載の発明は、請求項1又は2に記載の燃料電池であって、ガスAが酸化ガスであるとともにガスBが燃料ガスであり、第1のセパレータは、少なくとも一部が多孔質部材により形成されており、前記多孔質部材に少なくとも前記第1セルにおける前記第1ガス供給路の上流部と前記第2セルにおける前記第1ガス供給路の下流部とが設けられていることを特徴とする。
請求項4に記載の発明は、請求項3に記載の燃料電池であって、多孔質部材に、酸化触媒が坦持されていることを特徴とする。
請求項5に記載の発明は、請求項3又は4に記載の燃料電池であって、多孔質部材を乾燥させた後に始動されることを特徴とする。
本発明の燃料電池は、第1セル及び第2セルを積層して構成される2セルを最小単位とし、第1セルにおける最大電流密度部位と、第2セルにおける最小電流密度部位とを、セパレータを介してセルの積層方向に直列させるように配置する。このような配置とすることで、後述するように、第1セルにおける最大電流密度を低下させることが可能になるとともに、第2セルにおける最小電流密度を上昇させることが可能になる結果、当該2セル内における電流密度の均一化を図ることが可能になる。加えて、本発明の燃料電池は、かかる均一化を図るため、セル内へと供給される酸化ガス(以下において、「空気」と記述することがある。)及び燃料ガス(以下において、「水素ガス」と記述することがある。)の流れ方向、並びに、セパレータの構造を工夫することにより、上記課題の解決を図っている。
図1に、本発明の燃料電池の断面図を概略的に示す。本発明の燃料電池100の構成単位(モジュール)は、第1セル10及び第2セル20からなり、これらのセルは、それぞれ、電解質膜1、カソード2、及びアノード3を有するMEA5を備えている。第1セル10は、MEA5、第1ガス供給路15、及び、第2ガス供給路16、並びに、第1のセパレータ30、及び、セパレータ51を備える一方、第2セル20は、MEA5、第1ガス供給路15、及び、第2ガス供給路26、並びに、第1のセパレータ30、及びセパレータ52を備える。本発明の燃料電池100において、第1セル10の第2ガス供給路16と第2セル20の第1ガス供給路15との間に配置されている第1のセパレータ30は、少なくとも供給路16の上流部と供給路15の下流部とに挟まれる部位が多孔質部材35により構成されている。また、当該セパレータ30は、多孔質部材35以外の部位に、冷却水流路37が設けられている。なお、便宜上、第1セル10のセパレータ51の下端と第2セル20のセパレータ52の上端とは、直線で示したが、本発明の燃料電池100の通常使用時においては、これら2セルからなる構成単位が図1の上下方向へと積層されているものとする。また、ガス供給路15、16、26内の矢印は、各供給路内におけるガスの流れ方向を示している。
本発明の燃料電池100において、空気は第1ガス供給路15よりMEA5へと供給されるとともに、水素ガスは第2ガス供給路16、26よりMEA5へと供給されている。そして、本発明の燃料電池100では、第1セル10における第1ガス供給路15の下流部と、第2セル20における当該供給路15の上流部とが接続されている。すなわち、燃料電池100において、第1セル10の供給路15と第2セル20の供給路15とは通じている。そのため、第1セル10における供給路15の上流部より導入された空気は、第1セル10における供給路15の下流部、及び、第2セル20における供給路15の上流部を経て、第2セル20における供給路15の下流部よりセル外へと導かれる。したがって、図1に矢印として示すように、第1セル10内における空気の流れ方向と、第2セル内における空気の流れ方向とは、逆方向になり、第1セル10における供給路15の上流部から第2セル20における供給路15の下流部へと流れるにつれて、当該空気内に含まれる酸素の濃度は徐々に低下していく。
これに対し、水素ガスは、第1セル10内の供給路16、及び、第2セル20内の供給路26へと並列に供給されている。そのため、本発明の燃料電池100では、第1セル10内では、空気と水素ガスとの流れ方向が同一方向であるのに対し、第2セル20内では、これらのガスの流れ方向が対向する方向となる。
最大発電部の発電量が抑えられることで、当該部位において消費される空気内の酸素量が減少する。そして、空気内の酸素が、従来よりも供給路15の中流部及び下流部へと供給されやすくなり、中流部及び下流部における発電性能を向上させることが可能になる。その結果、本発明の燃料電池100では、電流密度の均一化を図ることが可能になる(図3参照)。なお、上流部における発電量を抑えると中下流部における発電性能が向上する関係は、上流部が例えば膜の乾燥により発電性能が低下した場合でも同様に生じることが、確認されている(図4参照)。
図中のA(実線)は、グラフにおける横軸半分の長さの空気流路を備えるセルにおける、典型的な発電分布を示している。空気流路内の各部位における電流密度は、このように、一般的には空気流路の上流から下流にかけて、単調に減少する分布を示す。また、図中のB(実線)は、グラフにおける横軸の長さ(上記Aにおける空気流路の2倍の長さ)の空気流路を備えるセルに、上記Aの2倍の量のガスを供給した場合における、発電分布を示している。この分布は、上記Aのセルを直列に2セル繋いだ場合に相当する。さらに、図中のC(点線)は、上記Bにおける下流側半分の特性を、中央にて半分に折って示した特性である。一方、図中のD(一点鎖線)は、本発明の燃料電池における、発電特性を示している。上述のように、本発明の燃料電池では、最大発電部の発電量が従来よりも抑えられる反面、最小発電部の発電量が従来よりも増加すると考えられるため、図2における上記Bの上流側半分と、上記Cとの中間の値を示す。
図中のA(実線)は、空気流路上流側に位置するMEA内の膜が乾燥している場合における、空気流路位置と電流密度との関係を示している。これに対し、図中のB(一点鎖線)は、空気流路上流側に位置するMEA内の膜が乾燥していない場合における、空気流路位置と電流密度との関係を示している。
図4におけるAでは、空気流路上流側に位置する膜が乾燥しているので、当該部位における空気内の酸素消費が抑えられる。その結果、上流部以外の中下流側へと酸素が届きやすくなり、図4のAは、Bよりも中下流側における発電性能が向上する。
図5に示すように、一般に、空気流路の上流部におけるI−V特性(A)と、空気流路の下流部におけるI−V特性(B)とは、異なっており、燃料電池全体のI−V特性(C)は、これら2つの特性を有する電池(A及びB)を並列に接続させた並列電池としての特性を示す。そして、燃料電池の使用時における最大負荷電流は、図中Cの電圧値が下がり過ぎない値(図中 d(V))として決定される。
このように、燃料電池全体としては平均して図のCの特性を示すため、空気流路の上流部において図のAの特性にて作動するということは、すなわち、当該部位における電流負荷が他の部位のそれと比べて多いことを示している。したがって、他よりも電流負荷が多い空気流路の上流部では、触媒層や電解質膜が劣化しやすく、これらの耐久性という観点からは、他の部位よりも部分的に劣る。燃料電池の耐久性は、最も劣化しやすい部位の寿命をその判断基準の1つとするため、耐久性の向上を図るためには、最も劣化しやすい部位の寿命を延ばすことが好ましい。そこで、本発明では、セル内における発電量を均一にすることで、触媒層や電解質膜等の部分的な劣化を抑制する。
均一電池及び不均一電池における最大負荷電流を与える電圧値(d(V))を一定とした場合における、
均一電池の空気流路上流部(図中A’)における電流密度を a’(A/mm2)
不均一電池の空気流路上流部(図中A)における電流密度を a (A/mm2)
均一電池の空気流路下流部(図中B’)における電流密度を b’(A/mm2)
不均一電池の空気流路下流部(図中B)における電流密度を b (A/mm2)
均一電池と不均一電池のセル全体(図中C’)における電流密度をc’(A/mm2)
とするとき、これらの値は、それぞれ、
a’<a
b<b’
の関係を満たす。すなわち、均一電池における最大電流密度a’は、不均一電池における最大電流密度aよりも小さいため、触媒層や電解質膜等の部分的な劣化を抑制することができ、燃料電池の長寿命化を図ることが可能になる。一方で、ガスの供給量を増やすことで、均一電池における最大電流密度a’は、aと同じにすることができる。
均一電池における最大電流密度a’をaと同じにした場合の、不均一電池のセル全体(図中の一点鎖線C)における電流密度を c (A/mm2)
とするとき、
c’<c
の関係が成り立つ。従って、最大電流密度a=(a’)が燃料電池の寿命に問題ないレベルであるならば、より多くのガスを供給することで、セル全体の電流密度をcに向上させることが可能である。すなわち、均一電池は、より多くのガスを供給して、不均一電池より大きな電流密度を同じ寿命レベルで実現できることから、不均一電池よりも単位体積あたりの発電量が大きい燃料電池であるということができる。ここで、本発明の燃料電池100は、従来の燃料電池よりも発電分布が均一な燃料電池であることから、本発明の燃料電池100は、単位体積あたりの発電量が大きい燃料電池であるといえる。
本発明の燃料電池において、マニホールドと各流路(空気流路、水素ガス流路、及び、冷却水流路)とは、マニホールドに形成された連通溝を介して接続される。また、本発明の燃料電池におけるマニホールドの配置形態を図7に示す形態とする場合、マニホールドにおける偏向口は、燃料電池において上記2セルにより構成される全ての構成単位において共有される。
また、本発明の燃料電池100において使用されるマニホールド、及び、電池100に供給される各流体の供給形態は、上記形態に限定されるものではなく、各流体の供給形態を別の形態とする場合には、その形態に応じてマニホールドの形態を適宜変更することができる。
別の方法としては、ターンする流体が、2セル1モジュールの隣のセルにのみ流れるように構成してもよい。この場合、マニホールドは全部貫通ではなく1セル飛ばしに閉じたマニホールドを挟む構成となる。つまり、偏向口(空気と水のマニホールドでUターンする部分)は、2セル1モジュールにのみ連通しており、隣のモジュールとは独立していてもよい。
図8に、図1における多孔質部35、及びその周囲を拡大して示す。なお、図8の燃料電池100において、図1と同じ構成部材については、図1と同一の参照符号を付して、それらの説明を省略することがある。
本発明の燃料電池100は、第1セル10と第2セル20とが第1のセパレータ30を挟んで積層されており、当該セパレータ30は、第1セル10における第2ガス供給路16と第2セル20における第1ガス供給路15との間の部位が、多孔質部35により構成されている。上述のように、図8において、多孔質部35の下方に位置している第1セル10内の第1ガス供給路15は、当該供給路15の上流部であるとともに、図8において多孔質部35の上方に位置している第2セル20内の第1ガス供給路15は、当該供給路15の下流部である。そのため、上述のように、多孔質部35は、第1セル10における最大発電部と第2セル20における最小発電部との間に配置されている。なお、セパレータ30における多孔質部35と非多孔質部との境界は、ガスパッキンによりシールされている。
2 カソード
3 アノード
5 MEA
10 第1セル
15 第1ガス供給路
16、26 第2ガス供給路
20 第2セル
30 第1のセパレータ
35 多孔質部
100 燃料電池
Claims (5)
- 電解質と、前記電解質の両側に配置されるカソード及びアノード、を備えるMEAの両側に、セパレータを配設して構成される、第1セル及び第2セルを有する燃料電池であって、
前記第1セル及び前記第2セルは、第1のセパレータを挟んで互いに隣接するように積層されるとともに、ガスAを供給すべき第1ガス供給路及びガスBを供給すべき第2ガス供給路を備え、
前記第1セルにおける前記第1ガス供給路の下流部と前記第2セルにおける前記第1ガス供給路の上流部とは連結されているとともに、前記第1セルにおける前記第1ガス供給路の上流部と前記第2セルにおける該供給路の下流部とは、前記第1のセパレータ及び前記第1セルにおける第2ガス供給路を介して前記積層方向に隣接しており、
前記第1セル及び前記第2セルに供給される、前記ガスA及び前記ガスBの流れ方向が、
前記第1セル内では同一の方向であるとともに、
前記第2セル内では対向する方向であることを特徴とする、燃料電池。 - 前記ガスBが、前記第1セルと前記第2セルとで、独立に供給され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Aが酸化ガスであるとともに前記ガスBが燃料ガスであり、
前記第1のセパレータは、少なくとも一部が多孔質部材により形成されており、前記多孔質部材に少なくとも前記第1セルにおける前記第1ガス供給路の上流部と前記第2セルにおける前記第1ガス供給路の下流部とが設けられていることを特徴とする、請求項1又は2に記載の燃料電池。 - 前記多孔質部材に、酸化触媒が坦持されていることを特徴とする、請求項3に記載の燃料電池。
- 前記多孔質部材を乾燥させた後に始動されることを特徴とする、請求項3又は4に記載の燃料電池。
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