JP2005340098A - 燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 セパレータの一部が多孔質体で形成されていると共に、該多孔質体の電極に接する多孔質体表面部に配設され、電極に反応ガスを供給する反応流路と、該多孔質体内部に配設され、反応流路を流れる反応ガスに比べて湿度の低い冷却ガスを流通させる冷却流路とを備えることを特徴とする燃料電池システムである。
【選択図】 図5
Description
固体高分子電解質型燃料電池では、高分子電解質膜の片面に燃料極、他面に酸化剤極を設けた膜−電極接合体のさらに両側を、集電体の役割を兼ねている2枚のセパレータで狭持して単セルを形成している。通常、燃料極側セパレータの燃料極と接する側には燃料ガス流路が形成され、酸化剤極側セパレータの酸化剤極と接する側には反応流路が形成されている。
H2 → 2H+ + 2e− …(1)
この(1)式で生じたプロトンは、水と水和した状態で、高分子電解質膜内を燃料極側から酸化剤極側に、電気浸透により移動する。
また、酸化剤ガスが供給される酸化剤極は、酸化剤極側ガス拡散層と酸化剤極側触媒層とからなっており、酸化剤ガスを酸素含有気体とした場合、(2)式の反応が進行する。
2H+ + (1/2)O2 + 2e− → H2O …(2)
酸化剤極で生成した水の一部は、濃度勾配によって、燃料極方向へ逆拡散するが、残りの多くは、燃料電池外部へと排出される。
また、この技術は、冷却水を用いて加湿を行うものであり、生成水を発生させる酸化剤ガス流路の上流側を、生成水を用いて加湿することについては考慮していない。
(1)冷却流路の表面積が大きい方が、冷却流路内への蒸発量が多い。
(2)冷却流路の流路断面積が小さい方が、冷却流路内への蒸発量が多い、つまり、空気流速が速い方が蒸発量が多い。
(3)多孔質体の熱伝導度が高いと気化熱の供給が早く、冷却流路内への蒸発量が多い。
また、上記気化により冷却流路内のガスは加湿される。そこで加湿された冷却ガスを反応ガスとして用いることによって、燃料電池自身の発電のために使用することもできる。特に、冷却ガスと反応ガスを同じ種類のガスとし、前記冷却ガスをそのまま加湿された反応ガスとして利用することが好ましい。
(a)前記冷却流路の内面の少なくとも一領域を、流路内面積を増大させる起伏形状に形成することで、水の気化に有効な冷却流路の表面積を増加させる。
(b)前記冷却流路と前記反応流路を隔てる領域及び冷却流路の周囲の少なくとも一領域を、多孔質体の母材よりも熱伝導率が大きい材料を分散させた多孔質体により形成することで、多孔質体の熱伝導度を高める。
(c)前記冷却流路の内面の少なくとも一領域に、酸化剤ガス流の乱流を発生させる乱流発生手段を設けることで、水の気化を促す。
(d)前記冷却流路と前記反応流路を隔てる領域及び冷却流路の周囲の少なくとも一領域を、多孔質体の母材中に微細チューブ材料を分散させた多孔質体により形成することで、水の移動効率を高める。
(e)前記冷却流路の内面の少なくとも一領域に、周囲の多孔質体に侵入する切り込みを形成することで、水の移動効率を高める。
(f)前記冷却流路の底部と前記反応流路の底部が正面に向き合うように流路を配置することで、水の移動効率を高める。
(g)前記冷却流路の下流側に前記反応流路が接続されていることで、加湿した冷却ガスを反応ガスとして電極近傍へ導く。
(第1実施形態)
図4は、本発明の第1実施形態に係る燃料電池システムを適用した固体高分子電解質型燃料電池のセルの構成を示す分解斜視図である。
図5は、本発明の第1実施形態に係る燃料電池システムを適用したセルの流路の流れ方向と垂直な面での断面図である。
前記膜−電極接合体2は、ここでは図示しないが、中央の固体高分子電解質膜とその両側の燃料極と酸化剤極とからなっている。
固体高分子電解質膜の両側に設けられる燃料極と酸化剤極は、電解質膜上に当該電解質膜を挟んで対峙する触媒層(燃料極側触媒層、酸化剤極側触媒層)とその触媒層上に設けられるガス拡散層(燃料極側ガス拡散層、酸化剤極側ガス拡散層)からなる。これら、触媒層とガス拡散層は、公知のものが適用できる。
また、燃料極側セパレータ3は、燃料ガスのガス漏れを防ぎ、また、セル1を積層して燃料電池スタックとした時に、各セル1間を電気的につなぐものである。
従って、燃料極側セパレータ3は、例えば高密度のカーボンシートや金属シートなどの導電性があり且つ緻密な材料から形成されている。 また、図5に示すように、酸化剤極側セパレータ4は、冷却流路9と反応流路10を備え、該反応流路10を通じて酸化剤ガスを膜−電解質接合体2に導く他、その酸化剤ガスのガス漏れを防ぎ、また、セル1を積層して燃料電池スタックとした時に、各セル1間を電気的につなぐものである。
前記第1及び第2の多孔質体13、14を形成する物質としては、導電性を有するものが好ましく、それぞれ独立に多孔質カーボンシート、多孔質カーボンフィルム、多孔質カーボンペーパーなどの多孔質カーボン、金属メッシュ、金属発泡体などの多孔質金属などの他、非導電性多孔質体中に導電性物質を分散させて導電性を持たせたもの等も適用できる。
前記冷却流路9は、前記第1の多孔質体13の第2の多孔質体14と接する表面に形成された溝16と、組み合わせた時にその溝16に位置が合うように第2の多孔質体14の表面に形成された溝17とで形成されている。従って、本実施形態の冷却流路9は、その全ての周囲が前記多孔質体13、14により形成されているものである。また、冷却流路9は、本実施形態のように、燃料電池単セルの生成水発生側のセパレータ4内に形成されていることが、その生成水を有効利用して、燃料電池を冷却することができるので好ましい。
すなわち本実施形態においては、「冷却流路9をセパレータ4内の比較的隣接セル寄りの深さに設ける」、及び「反応流路10をセパレータ4内の比較的電極寄りの深さに設ける」とは、冷却流路9と反応流路10の相対的位置関係の点で、「セパレータ4内において、冷却流路9を反応流路10よりも隣接セル寄りの位置に形成し、一方、反応流路8を冷却流路9よりも電極寄りの位置に形成する」ことを意味する。
図6に第1実施形態の第1変形例を示す。
第1変形例の固体高分子電解質型燃料電池では、冷却流路9と反応流路10の空気の流れ方向と垂直な面での断面形状、及び、反応流路10の配置が第1実施形態の燃料電池とは異なり、冷却流路9の断面形状が楕円形状で、反応流路10の断面形状が円形状で、且つ、反応流路10の周囲が全て多孔質体で形成されている。
この変形例のように、本発明に係る固体高分子電解質型燃料電池では、冷却流路9と反応流路10の空気の流れ方向と垂直な面での断面形状には特に制限はない。
また、反応流路10はこの変形例のように、多孔質体13、14中に埋没した配置としてもよい。
図7は、本発明の第2実施形態に係る燃料電池システムを適用した固体高分子電解質型燃料電池のセルの構成を示す分解斜視図である。
図8は、本発明の第2実施形態に係る燃料電池システムを適用したセルの流路の流れ方向と垂直な面での断面図である。
第2実施形態の燃料電池システムは、第1実施形態の好ましい形態であって、燃料電池システムにおいて、冷却流路がその下流端で反応流路の上流端と接続部を介して接続されているものである。従って、第1実施形態の燃料電池と類似点が多いものであり、以下では相違点のみ説明する。また、図7及び8においては、第1実施形態の燃料電池と同一構成要素であるものには同一符号を付けてある。
冷却流路9は、前記反応流路10が設けられている深さ(セパレータ4の厚み方向距離)に比べ比較的隣接セル寄りの深さを、セパレータ4の面方向に沿って延在するように設けられており、その下流端において接続部分に接続する。接続部分は、膜−電極接合体2に向かってセパレータ4内を垂直に進み、比較的電極寄りの深さで終了し、そこで反応流路10の上流端と接続する。反応流路10は、前記接続部分と接続した深さでセパレータ4の面方向に延在する。従って、冷却流路9、接続部分及び反応流路10を含む酸化剤ガス流路6全体としては、上流側流路9がセパレータ4内を水平方向に延在し、接続部分において垂直方向に折り返され、下流側流路10が上流側流路9の延在する深さとは異なる深さで、再びセパレータ4内を水平方向に延在する流路パターンとなっている。
図9に第2実施形態の第2変形例を示す。なお、構成要素は第2の実施形態と同一であるので、同一の符号で示す。
本発明に係る燃料電池システムを適用した第2変形例の固体高分子電解質型燃料電池では、反応流路10に対する冷却流路9の配置が第1実施形態の燃料電池システムのものとは異なる。先ず、酸化剤極側セパレータ4の面方向(膜−電極接合体2に水平な方向)では、冷却流路9は、複数の反応流路10間に規則的に配置されている。また、酸化剤極側セパレータ4の厚み方向(膜−電極接合体2に垂直な方向)では、冷却流路9の最も膜−電極接合体2寄りの部分9a(冷却流路9の底部)が、反応流路10の最も隣接セル寄りの部分10a(反応流路10の底部)よりも膜−電極接合体2に接近している。
(1)冷却流路9の最も膜−電極接合体2寄りの部分9aは、反応流路10の最も膜−電極接合体2寄りの部分10bよりも、隣接セルに接近している。
(2)冷却流路9の最も隣接セル寄りの部分9bは、反応流路10の最も隣接セル寄りの部分10aよりも、隣接セルに接近している。
図10は、本発明の第3実施形態に係る燃料電池システムを適用した固体高分子電解質型燃料電池のセルの流路の流れ方向と垂直な面での断面図である。
第3実施形態の燃料電池システムは、冷却流路の形状が第1実施形態のものと異なるのみなので、それについてのみ説明し、同一構成要素には同一符号を付けてある。
また、結果的に冷却流路19を流れる空気がより効率的に加湿されることとなる。この加湿された空気等の冷却ガスは、燃料電池の発電に有効利用することもできる。
図11は第3実施形態の変形例に係る燃料電池システムで、第3実施形態とは冷却流路20の断面形状のみ異なる。そして、図11において第3実施形態の構成要素と同一のものには同一の符号を付けた。
本変形例でも、冷却流路20の空気の流れ方向と垂直な面での断面の膜−電極接合体2に対向する領域が凹凸形状21となっているが、その凹凸形状21はサインカーブのような滑らかな曲線形状である。
このように流路内面積を増大させる起伏形状を曲面形状としてもよい。
図12は、本発明の第4実施形態に係る燃料電池システムを適用した固体高分子電解質型燃料電池のセルの流路の流れ方向と垂直な面での断面図である。図12において、第1実施形態と同一の構成要素には同一の符号を付けた。
前記母材は多孔質カーボンに限られず、例えば、金属メッシュ、金属発泡体などの多孔質金属などでもよく、本実施形態のように、分散された該母材より熱伝導度が大きい材料が金属などの導電性材料である場合には、非導電性多孔質体であってもよい。
このように、本実施形態に係る燃料電池システムでは、水の気化効率が高いので、周囲から奪う気化熱も大きくなる。従って、本実施形態の燃料電池システムは冷却効率に優れている。
また、水の気化量が多いので、冷却流路9を流れる空気を効率よく加湿することとなる。加湿されたその空気は、例えば、次に反応流路10に導入することで、その上流に位置する酸化剤極側に水分を供給し、固体高分子電解質膜の局部的な乾燥を防ぐために使うことができる他、次に改質器に導入することで改質反応の反応水を供給するために使うこと等で有効利用することもできる。
図13は、本発明の第5実施形態に係る燃料電池システムを適用した固体高分子電解質型燃料電池のセルの流路の流れ方向に沿った面での断面図である。
第5実施形態の燃料電池システムは、冷却流路の形状が第1実施形態のものと異なり、冷却流路26の内面の少なくとも一領域に、酸化剤ガス流の乱流を発生させる乱流発生手段(例えば、矩形状凹凸27など)を設ける。以下、第1実施形態と異なる点についてのみ説明する。なお、図13中、第1実施形態の構成要素と同一のものには同一符号を付けた。
このように、本実施形態に係る燃料電池システムでは、水の気化効率が高いので、水の気化量が多くなりまた、水の気化効率の増大によって、周囲から奪う気化熱も大きくなる。従って、本実施形態の燃料電池システムは冷却効率に優れている。
また、結果的に冷却流路26を流れる空気を効率よく加湿することとなる。この加湿された空気は、燃料電池の発電のために有効利用することもできる。
図14は、本発明の第6実施形態に係る燃料電池システムを適用した固体高分子電解質型燃料電池のセルの流路の流れ方向に垂直な面での断面図である。
第6実施形態の燃料電池システムは、酸化剤側セパレータを形成する多孔質層が第1実施形態のものと異なり、冷却流路9と反応流路10を隔てる領域及び冷却流路9の周囲の少なくとも一領域を、多孔質体の母材中に微細チューブ材料31を分散させた多孔質体により形成する。以下、第1実施形態と異なる点についてのみ説明する。図14において、第1実施形態と同一の構成要素には同一の符号を付けた。なお、冷却流路の形状には特に制限がなく、矩形状、円形状、その他全ての形状が適用できる。
チューブ材料31の材質は、特に制限されるものではなく、ガラス、樹脂、金属あるいは繊維などあらゆるものが適用できる。ただし、耐蝕性に優れるものが好ましく、例えば、ガラス、樹脂、チタン、ステンレス等の耐腐食性の高いものなどが好適である。
図15は、本発明の第7実施形態に係る燃料電池システムを適用した固体高分子電解質型燃料電池のセルの流路の流れ方向と垂直な面での断面図である。
第7実施形態の燃料電池システムは、冷却流路の形状が第1実施形態のものと異なり、冷却流路32の内面の少なくとも一領域に、周囲の多孔質体に侵入する切り込み33を形成する。以下、第1実施形態と異なる点についてのみ説明する。なお、図15において、第1実施形態と同一の構成要素は同一の符号で示した。
この切り込み33の長さ、孔形状、口径、及び設けられる数は特に制限されるものではない。また、設けられる方向についても特に制限はないが、本実施形態のように膜−電極接合体2に向けて設けられることが好ましい。
また、単位時間当たり、多くの水を冷却流路32に到達させることになるので、冷却流路32内での水の気化量が多くなり、それに伴って周囲から奪う気化熱も大きくなる。従って、本実施形態の燃料電池システムは冷却効率に優れている。
図16は、本発明の第8実施形態に係る燃料電池システムを適用した固体高分子電解質型燃料電池のセルの流路の流れ方向と垂直な面での断面図である。
第8実施形態の燃料電池システムは、冷却流路の形状及びそれを設ける位置が第1実施形態のものと異なり、冷却流路9の底部9aと反応流路10の底部10aとが正面に向き合うように流路を配置する。なお、図16において、第1実施形態と同一の構成要素は同一の符号で示してある。
このように、冷却流路の底部9aと反応流路の底部10aとを正面に向き合うように流路9、10を配置しているので、両流路間の距離が短くなり、反応流路10から冷却流路9への水の移動距離が短くなる。そのため、膜−電極接合体2の酸化剤極で生成した水は、より素早く冷却流路9に到達する。従って、酸化剤極から水が効果的に排出され、フラッディングの発生が防止される。
また、膜−電極接合体2で生成した水の除去がより効率的になり、反応ガス流路10の下流側(反応流路の出口付近)のフラッディングの発生が防止される。
冷却流路9を流れる空気は効率良く加湿される。加湿されたその空気は、次に反応流路10に導入することで、その上流に位置する酸化剤極側に水分を供給し、固体高分子電解質膜の局部的な乾燥を防ぐために使うことができる他、次に改質器に導入することで改質反応の反応水を供給するために使うこともできる。
また、結果的に冷却流路を流れる空気を充分に加湿することができ、そのまま反応ガスとして利用し固体高分子電解質膜を湿潤に保ったり、水蒸気改質反応や水性ガスシフト反応の改質器に水蒸気を供給したりすることもできる。
2…膜−電極接合体
3…燃料極側セパレータ
4…酸化剤極側セパレータ
6…酸化剤ガス流路
7…溝
8…燃料ガス流路
9…冷却流路
9a…冷却流路の底部
9b…冷却流路の最も隣接セル寄りの部分
10…反応流路
10a…反応流路の底部
10b…反応流路の最も隣接セル寄りの部分
11…多孔質層
12…緻密層
13…第1の多孔質体
14…第2の多孔質体
15…溝
16…溝
17…溝
18…凹凸形状
19…冷却流路
20…冷却流路
21…凹凸形状
22…第1の多孔質体
23…第2の多孔質体
24…多孔質層
25…金属粉
26…冷却流路
27…矩形状凹凸
28…多孔質層
29…第1の多孔質体
30…第2の多孔質体
31…チューブ材料
32…冷却流路
33…切り込み
Claims (8)
- 電解質の両側に配設された電極と、電極のさらに外側に配設されたセパレータと、を有するセルを少なくとも一つ備えてなる燃料電池システムであって、
セパレータの一部が多孔質体で形成されていると共に、該多孔質体の電極に接する多孔質体表面部に配設され、電極に反応ガスを供給する反応流路と、該多孔質体内部に配設され、反応流路を流れる反応ガスに比べて湿度の低い冷却ガスを流通させる冷却流路とを備えることを特徴とする燃料電池システム。 - 前記冷却流路の内面の少なくとも一領域を、流路内面積を増大させる起伏形状にした、請求項1に記載の燃料電池システム。
- 前記冷却流路と前記反応流路を隔てる領域及び冷却流路の周囲の少なくとも一領域を、多孔質体の母材よりも熱伝導率が大きい材料を分散させた多孔質体により形成した、請求項1又は2に記載の燃料電池システム。
- 前記冷却流路の内面の少なくとも一領域に、酸化剤ガス流の乱流を発生させる乱流発生手段を設けた、請求項1乃至3のいずれかに記載の燃料電池システム。
- 前記冷却流路と前記反応流路を隔てる領域及び冷却流路の周囲の少なくとも一領域を、多孔質体の母材中に微細チューブ材料を分散させた多孔質体により形成した、請求項1乃至4のいずれかに記載の燃料電池システム。
- 前記冷却流路の内面の少なくとも一領域に、周囲の多孔質体に侵入する切り込みを形成した、請求項1乃至5のいずれかに記載の燃料電池システム。
- 前記冷却流路の底部と前記反応流路の底部が正面に向き合うように流路を配置した、請求項1乃至5のいずれかに記載の燃料電池システム。
- 前記冷却流路の下流側に前記反応流路が接続されていることを特徴とする請求項1乃至7のいずれかに記載の燃料電池システム。
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