JP2005327495A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】多孔質型のセパレータの乾燥を防ぎ、また生成水によるフラッティングを防ぐ燃料電池を提供する。
【解決手段】単位セル２とアノードセパレータ７とカソードセパレータ８を積層して構成する燃料電池において、アノード４（カソード５）に水素（空気）を供給する水素流路１２（空気流路２３）の底部１２ａ（２３ａ）と水流路１７（２４）の底部１７ａ（２４ａ）を、水素流路１２（空気流路２３）上流では対峙させず、下流では対峙させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は燃料電池に関するものであり、特にガス、水の流れる流路を備えたセパレータに関するものである。

燃料電池システムは、燃料が有する化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する装置であり、電解質膜を挟んで設けられた一対の電極のうち陽極に水素を含有する燃料ガスを供給するとともに、他方の陰極に酸素を含有する酸素剤ガスを供給し、これら一対の電極の電解質膜側表面で生じる下記の電気化学反応を利用して電極から電気エネルギーを取り出すものである。各電極では下記（１）（２）反応が行われる。

陽極（アノード）反応：Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻ （１）
陰極（カソード）反応：２Ｈ^＋＋２ｅ⁻＋（１／２）Ｏ_２→Ｈ_２Ｏ （２）

陽極に供給する燃料ガスは、水素貯蔵装置から直接供給する方法、例えばガソリンやアルコール、天然ガス等の燃料を改質した水素含有ガスを供給する方法が知られている。水素貯蔵装置としては、高圧ガスタンク、液化水素タンク、水素吸蔵合金タンク等がある。陰極に供給する燃料ガスとしては、一般的に空気が利用されている。

固体高分子型燃料電池では、水素および酸素ガスを電解質膜面内に効果的に分配するために、またこれらの反応ガスの混合を防止するためにセパレータを電解質膜および電極を挟持する形で配置する構造が一般的である。このセパレータに関する導電性、機械的特性、ガス配流、電池内で存在する水の管理手段向上を目的に様々な検討がなされている。

従来、セパレータに水素、または酸素が流れるガス流路と純水が流れる水流路を設け、ガス流路、または水流路の断面積を上流と下流によって変化させアノードでの水分不足による電解質の乾燥を防ぎ、また、カソードのフラティングを防ぐものが、特許文献１に開示されている。
特開２００３−９２１２１号公報

しかし、上記の発明では、多孔質型のセパレータに設けるガス流路の深さを変更した場合には、セパレータの厚さが厚くなり、燃料電池セルを積層すると積層方向の厚さが厚くなるといった問題点がある。また、ガス流路の幅を上流と下流で変更した場合には、上流と下流での冷媒流路とガス流路の間の厚さ（距離）が一定であるために、例えば厚さを厚くすると燃料電池セルを積層すると積層方向の厚さが厚くなり、逆に薄くするとセパレータからガスがリークするといった問題がある。

本発明ではこのような問題点を解決するために発明されたもので、燃料電池の積層方向の厚さを厚くせずに、セパレータからにガスのリークを防止することを目的とする。

本発明では、電解質膜と、前記電解質膜を挟持するアノードとカソードと、から構成される単位セルと、アノードとカソードの外側に単位セルを物理的に分離する多孔質型のセパレータを積層して構成する燃料電池において、セパレータは、単位セル積層方向の一つの面にアノードへ水素またはカソードへ酸化剤のどちらか一方を供給するガス流路と、ガス流路を設けた面の背面に水が流れる水流路と、を備える。そして、ガス流路上流側では、ガス流路の溝底と水流路の溝底が対峙せず、ガス流路下流側では、ガス流路の溝底と水流路の溝底の少なくとも一部が対峙する。

本発明によると、比較的乾燥したガス（水素または酸化剤）が供給されるガス流路上流では、ガス流路の溝底と水流路の溝底を対峙させず、またガス流路下流では、ガス流路の溝底と水流路の溝底を対峙させるので、ガス流路上流ではガス流路の溝底と水流路の溝底間の距離を長くすることでセパレータの乾燥によるガスのリークを防ぐことができ、ガス流路下流ではガス流路の溝底と水流路の溝底間の距離を短くすることで発電によって生成された水によるフラッティングを防ぐことができる。

本発明の実施形態の燃料電池１の単位セル２の構成を図１の概略図を用いて説明する。この実施形態の燃料電池１は、単位セル２とセパレータ６を積層して構成され、単位セル２は、電解質膜３と、水素が供給されるアノード４と、空気（酸化剤）が供給されるカソード５から構成される。

ここでセパレータ６にうちアノード４と接するセパレータをアノードセパレータ７とし、カソード５と接するセパレータをカソードセパレータ８とする。

ここで本発明のアノードセパレータ７について図２（ａ）、（ｂ）を用いて説明する。図２に示すアノードセパレータ７は、アノード４と接するアノードセパレータ７であり、図２（ａ）はアノードセパレータ７をアノード４と接する積層方向より見た正面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）の背面図である。アノードセパレータ７は、例えば黒鉛粉末と樹脂とを一定割合混合した複合材を加熱圧縮して成形された多孔質型のセパレータであり、セパレータの使用の際は、前記多孔質部にあらかじめ水を含浸させることにより水シールさせて使用する。アノードセパレータ７は、アノード４に水素を供給するガス流路である水素流路１２と、水素流路１２に水素を導入する水素供給マニホールド１０と、水素流路１２から未反応の水素を排出する水素排出マニホールド１１を備える。また、水素流路１２を設けた面の背面には、純水（水）が流れる水流路１７と、水流路１７に純水を導入する水供給マニホールド１５と、水流路１７から純水を排出する水排出マニホールド１６を備える。さらに、カソード５に空気（酸化剤）を供給する空気供給マニホールド１３と、カソード５から排出された排出空気が流れる空気排出マニホールド１４を備える。

水素流路１２は３パスのサーペンタイン（蛇状流路）形状であり、アノード４に水素を均一に供給することができ、また水流路１７もサーペンタイン（蛇状流路）形状であり、水を均一にアノードセパレータ７に供給する。なお、水素流路１２、水流路１７はこの形状に限られず、他の形状としてもよい。

水流路１７を流れる純水は、アノードセパレータ７に浸透し、アノード４を流れる水素を加湿する。また、アノードセパレータ７に純水が浸透することで、水素流路１２から水流路１７へ水素がリークするのを防ぐことができる。さらに、燃料電池１を冷却することができる。

ここで、水素流路１２と水流路５の配置について図３を説明する。図３は図２のＡ−Ａ断面図であり、図３（ａ）は水素供給マニホールド１０付近、すなわち水素流路１２上流の断面図であり、図３（ｂ）は水素流路１２下流の断面図である。アノードセパレータ７の水素流路１２と水流路１７は、水素流路１２の上流においては、水素流路１２と水流路１７が流路一本分ずれており、水素の流路となる凹状の底部（溝底）１２ａと水の流路となる凹状の底部（溝底）１７ａが互いに対峙しない、すなわち底部１２ａと底部１７ａの距離Ｌが長くなるように、水素流路１２と水流路１７を配置する。また、水素流路１２の下流においては、水素流路１２の底部１２ａと水流路１７の底部１７ａが完全に重なり、互いに対峙するように、すなわち底部１２ａと底部１７ａの距離Ｌが短くなるように水素流路１２と水流路１７を配置する。

図６に水素流路１２における水素供給マニホールド１０からの距離に対する水素流路１２内の相対湿度を示す。これによると、水素供給マニホールド１０付近、つまり水素流路１２の上流の湿度が低くなる。これは水素供給マニホールド１０から比較的乾燥した水素が供給され、さらに水素流路１２上流において発電反応が激しく起こっているためであり、水素供給マニホールド１０付近のアノードセパレータ７が乾燥しやすくなる。そこで水素流路１２の底部１２ａと水流路１７の底部１７ａの距離Ｌを長くすることで、アノードセパレータ７の乾燥を防ぐことができる。

また、水素流路１２の下流においては、図３（ｂ）に示す水素流路１２の底部１２ａと水流路の底部１７ａような形状の代わりに、図４に示すような、底部１２ａと底部１７ａが半分程ずれた形状、つまり底部１２ａと底部１７ａの一部が対峙する形状としても良い。

なお、図３（ａ）に示す水素流路１２と水流路１７の形状は、水素供給マニホールド１０から水素流路１２が最初に折り返す位置（図２（ａ）矢印Ｃの範囲）までとし、その下流では図３（ｂ）または図４となるように水素流路１２、水流路１７を形成する。

なお、カソード５と接するカソードセパレータ８について図５（ａ）、（ｂ）を用いて説明する。図５（ａ）はカソードセパレータ８の正面図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）の背面図である。カソードセパレータ８はアノードセパレータ７と同様の形状であり、カソード５に空気を供給するガス流路である空気流路２３と、空気流路２３に空気を導入する空気供給マニホールド１３と、空気流路２３から未反応の空気を排出する空気排出マニホールド１４を備える。また、空気流路２３を設けた面の背面には、純水が流れる水流路２４と、水流路２４に純水を導入する水供給マニホールド１５と、水流路１７から純水を排出する水排出マニホールド１６を備える。さらに、アノード４に水素を供給する水素供給マニホールド１０と、アノード４から排出された排出水素が流れる水素排出マニホールド１１を備える。

空気流路２３は３パスのサーペンタイン（蛇状流路）形状であり、カソード５に空気を均一に供給することができ、また水流路２４もサーペンタイン（蛇状流路）形状であり、水を均一にカソードセパレータ８に供給する。なお、空気流路２３、水流路２４はこの形状に限られず、他の形状としてもよい。

空気流路２３と水流路２４の関係については水素流路１２と水流路１７の関係と同じなので、詳しい説明は省略するが、空気供給マニホールド１３付近、つまり空気流路２３上流において、空気流路２３と水流路２４が一本分ずれた形状とし、空気流路２３の底部２３ａと水流路２４の底部２４ａの距離が長くなるようにする（図３（ａ）の形状）。また、空気流路２３下流において空気流路２３の底部２３ａと水流路２４の底部２４ａの距離が短くなるようにする（図３（ｂ）の形状）。なお、空気流路２３と水流路２４については、図３の括弧内の番号が対応する。

なお、図３（ａ）に示す空気流路２３と水流路２４の形状は、空気供給マニホールド１３から空気流路２３が最初に折り返す位置（図５（ａ）矢印Ｃの範囲）までとし、その下流では図３（ｂ）（図４）となるように空気流路２３、水流路２４を形成する。

空気流路２３における空気供給マニホールド１３からの距離に対する反応生成水の量を図７示す。これによると、空気供給マニホールド１３からの距離が長くなる、つまり空気流路２３の下流となるに従って、反応生成水の量が増える。空気流路２３の下流、つまり水素流路１２の上流では比較的多くの発電反応が起こっている。発熱量の多い水素供給マニホールド１０付近の空気流路２３、すなわち空気流路２３の下流では、空気流路２３の底部２３ａと水流路２４の底部２４ａの距離が短いので、純水による冷却機能が強くなり、隣接するアノードセパレータ７の温度を下げることができる。

また、空気流路２３の上流では、空気供給マニホールド１３から比較的乾燥した空気が供給されるので、空気供給マニホールド１１付近のカソードセパレータ８が乾燥しやすくなる。そこで、空気流路２３の底部２３ａと水流路２４の底部２４ａとの距離が長くし、空気供給マニホールド１１付近の乾燥を防ぐことができる。

本発明の実施形態の効果について説明する。

本発明の実施形態のアノードセパレータ７、カソードセパレータ８を使用した場合と、使用しない場合の燃料電池１の電流密度と電圧の関係を図８に示す。これによると、本発明のアノードセパレータ７、カソードセパレータ８を使用すると、電流密度が高い領域でも、電圧の低下を少なくすることができる。

また、図９にＣＩＰ（等方性黒鉛）材と、黒鉛の複合材の成形品である多孔質型セパレータの細孔径とその数の関係を示す。多孔質型のセパレータ使用する場合には、その材料となる黒鉛の複合材成形品では、ＣＩＰ材と比較すると、比較的大きな細孔が含まれる可能性があり（図９、Ａ領域）、そのために純水による水素、空気のリーク防止（シール性能）が低下する可能性がある。ここで、燃料電池の起動時間経過に対する水素、または空気のリーク量の関係を図１０に示す。これによると、本発明のアノードセパレータ７、カソードセパレータ８を使用すると、或る時間が経過すると本発明のアノードセパレータ７、カソードセパレータ８を使用しない場合には、水素、または空気のリークが発生するが、本発明のアノードセパレータ７、カソードセパレータ８を使用すると、水素、または空気のリークを防ぐことができる。

本発明では、水素流路１２の上流においては、水素流路１２の底部１２ａと水流路１７の底部１７ａを一本分ずらし、底部１２ａと底部１７ａを対峙させず底部１２ａと底部１７ａの距離Ｌを水素流路１２下流に比べ長くしたので、水素流路１２の上流の乾燥を防ぐことができ、水素のリークを防ぐことができる。また、底部１２ａと底部１７ａを単位セル２の積層方向に交差する方向にずらすだけで、底部１２ａと底部１７ａの距離を長くしたので、アノードセパレータ７、カソードセパレータ８の積層方向の厚さを厚くすることがなく、小型の燃料電池１で水素のリークを防ぐことができる。なお、これは空気流路２３においても同様の効果を得る音ができる。

また、発電反応により生成された水が溜まりやすい空気流路２３の下流において、空気流路の底部２３ａと水流路２４の底部２４ａを対峙させ、底部２３ａと底部２４ａ間の距離を短くするので、空気流路２３から水流路２４への生成水の移動を行いやすくし、フラッティングによる空気流路２３の閉塞を防ぐことができる。

本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内でなしうるさまざまな変更、改良が含まれることは言うまでもない。

多孔質型のセパレータを使用する燃料電池に利用することができる。

本発明の燃料電池の構成を示す概略図である。 本発明のアノードセパレータを説明する概略図である。 図２のＡ−Ａ断面図であり、図３（ａ）水素流路上流側の断面図である。図３（ｂ）水素流路下流側の断面図である。 水素流路下流側の変更例を示す断面図である。 本発明のカソードセパレータを説明する概略図である。 本発明の水素供給マニホールドからの距離に対する水素流路の相対湿度を示す図である。 本発明の空気供給マニホールドからの距離に対する反応生成水の量を示す図である。 本発明を用いた場合の電流密度に対する電圧変化を比較する図である。 ＣＩＰ材と、黒鉛の複合材を用いたセパレータの成形品における細孔径分布を示す図である。 本発明を用いた場合の燃料電池起動時間に対するガスリーク量を示す図である。

符号の説明

１ 燃料電池
２ 単位セル
３ 電解質膜
４ アノード
５ カソード
７ アノードセパレータ
８ カソードセパレータ
１２ 水素流路（ガス流路）
１２ａ 底部（溝底）
１７ 水流路
１７ａ 底部（溝底）
２３ 空気流路（ガス流路）
２３ａ 底部（溝底）
２４ 水流路
２４ａ 底部（溝底）

Claims (4)

1. 電解質膜と、前記電解質膜を挟持するアノードとカソードと、から構成される単位セルと、前記アノードと前記カソードの外側に前記単位セルを物理的に分離する多孔質型のセパレータを積層して構成する燃料電池において、
   前記セパレータは、前記単位セル積層方向の一つの面に前記アノードへ水素または前記カソードへ酸化剤のどちらか一方を供給するガス流路と、
   前記ガス流路を設けた面の背面に水が流れる水流路と、を備え、
   前記ガス流路上流側では、前記ガス流路の溝底と前記水流路の溝底が対峙せず、
   前記ガス流路下流側では、前記ガス流路の溝底と前記水流路の溝底の少なくとも一部が対峙することを特徴とする燃料電池。
2. 前記ガス流路はサーペンタイン形状であり、前記ガス流路の前記溝底と前記水流路の前記溝底は、少なくとも前記サーペンタイン形状が最初に折り返す位置まで対峙しないことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記サーペンタイン形状が最初に折り返した後の前記ガス流路は、前記ガス流路の前記溝底と前記水流路の前記溝底の少なくとも一部が対峙することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
4. 前記ガス流路に流れる前記水素または前記酸化剤と前記水流路に流れる前記水は、略同一方向から流れることを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の燃料電池。

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