JP2006004803A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池の各セル内において、水分を均一に分布させること。
【解決手段】 電解質膜１２を備え、アノードに水素を含むアノードガスの供給を受けると共に、カソードに酸素を含むカソードガスの供給を受けて、電力を発生する燃料電池１０であって、電解質膜１２と対向し、電解質膜１２にカソードガスを供給する流路２２と、少なくとも流路２２の壁面を含む所定部位が多孔質材料から構成されたセパレータ１９，５０と、上記所定部位に設けられ、多孔質材料よりも水分輸送機能に優れた水分輸送路５２と、を備える。
【選択図】 図１

Description

この発明は、アノードに供給した水素とカソードに供給した酸素とを反応させて電力を発生する燃料電池に関する。

燃料電池は、アノードに供給した水素とカソードに供給した酸素とを反応させて電力を発生する。このような燃料電池において、特開平６−２３１７７３号公報には、固体高分子型燃料電池において、カソードガスの拡散電極側のセパレータ表面が多孔質の導電材から構成され、多孔質の孔内に水分が保持されることで、固体高分子膜の湿潤状態が維持される構成が開示されている。

特開平６−２３１７７３号公報 特表平１１−５０８７２６号公報 特開平７−３２０７５３号公報 特開平６−２７５２８４号公報 特開平６−２３１７９３号公報

しかしながら、上記公報に開示された技術では、燃料電池の各セル内での湿潤状態分布については何ら考慮されていない。従って、セル内においては、水分が一部の領域に偏ってしまい、燃料電池の発電効率が低下するという問題が生じる。

また、セル内において湿潤状態分布が変動すると、発電領域に偏りが生じる為、電解質膜の耐久性が低下する虞も生じる。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、燃料電池の各セル内において、水分を均一に分布させることを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、電解質膜を備え、アノードに水素を含むアノードガスの供給を受けると共に、カソードに酸素を含むカソードガスの供給を受けて、電力を発生する燃料電池であって、前記電解質膜と対向し、前記電解質膜に前記アノードガス又は前記カソードガスのいずれかを供給するガス流路と、少なくとも前記ガス流路の壁面を含む所定部位が多孔質材料から構成されたセパレータと、前記所定部位に設けられた、前記多孔質材料よりも水分輸送機能に優れた水分輸送手段と、を備えたことを特徴とする。

第２の発明は、第１の発明において、前記水分輸送手段は、前記所定部位に設けられた空隙であることを特徴とする。

第３の発明は、第１の発明において、前記水分輸送手段が多孔質材料で構成されたことを特徴とする。

第４の発明は、第３の発明において、前記水分輸送手段を構成する前記多孔質材料は、細孔径、空隙率とも前記セパレータを構成する前記多孔質材料よりも大きく構成されたことを特徴とする。

第５の発明は、第１の発明において、前記水分輸送手段は、吸水樹脂、保水充填材、又は毛管吸引力を生じさせる素材、の少なくとも１つを含むことを特徴とする。

第６の発明は、第１〜第５の発明のいずれかにおいて、前記水分輸送手段は、前記ガス流路の延在する方向に沿って設けられたことを特徴とする。

第７の発明は、第１〜第６の発明のいずれかにおいて、前記所定部位は、隣接する前記ガス流路の間のリブ状の部位であることを特徴とする。

第１の発明によれば、ガス流路の壁面を含む所定部位を多孔質材料から構成したため、所定部位に貯水機能を持たせることができる。これにより、ガス流路内で加湿が過剰となっている領域では、多孔質材料の貯水機能により過剰水分を貯水することができる。また、多孔質材料で構成される所定部位に水分輸送機能に優れた水分輸送手段を設けたため、所定部位内で貯水された水分を水蒸気圧の低い領域へ輸送することができ、輸送された水分をガス流路内の加湿不足領域に排出することができる。従って、ガス流路内で加湿が過剰となることを抑止することができ、反応効率を向上させることができる。また、ガス流路内で加湿が不足している領域では、貯水された水分を供給することができ、加湿不足による反応効率の低下、電極の耐性の低下を抑えることができる。

第２の発明によれば、水分輸送手段を所定部位に設けた空隙から構成することで、空隙内に確実に水分を移動させることができる。

第３の発明によれば、水分輸送手段を多孔質材料から構成することで、水分輸送手段によって確実に水分を移動させることができる。

第４の発明によれば、水分輸送手段を構成する多孔質材料は、細孔径、空隙率ともセパレータを構成する多孔質材料よりも大きく構成されているため、水分輸送手段に沿って確実に水分を移動させることができる。

第５の発明によれば、水分輸送手段が吸水樹脂、保水充填材、又は毛管吸引力を生じさせる素材、の少なくとも１つを含むため、水分輸送手段によって確実に水分を移動させることができる。

第６の発明によれば、水分輸送手段をガス流路の延在する方向に沿って設けたため、ガス流路内において水蒸気分圧の高い領域の水分を貯水するとともに、貯水した水分をガス流路内で水蒸気分圧の低い領域に輸送することができる。従って、ガス流路内の全域において、水分の濃度をほぼ均一にすることができる。

第７の発明によれば、隣接するガス流路の間のリブ状の部位が多孔質材料で構成され、また、リブ状の部位に水分輸送手段が設けられるため、リブ上の部位に水分の貯水、輸送機能を持たせることができる。

以下、図面に基づいてこの発明のいくつかの実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。なお、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池１０の構成を示す断面図である。燃料電池１０は、発電を行う際に水（水蒸気）を生成する種類のものであればよく、ここでは固体高分子型（ＰＥＭ）の燃料電池を例示する。図１は、燃料電池１０を構成する複数の単位セルの１つを示している。

図１に示すように、燃料電池１０の単位セルは、電解質膜１２、電解質膜１２の両側にそれぞれ配置される触媒層１４、拡散層１６、およびセパレータ１８，１９を有して構成される。セパレータ１８はアノード側に配置され、セパレータ１９はカソード側に配置されている。

電解質膜１２は、フッ素系樹脂などの固体高分子材料で形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜である。触媒層１４は、例えば、白金（Ｐｔ）を担持したカーボンペーストを電解質膜１２の表面に塗布することで形成されている。拡散層１６は、例えばカーボン繊維を織成したカーボンクロスにより形成されている。そして、電解質膜１２、触媒層１４、拡散層１６によって固体高分子型ガス拡散電極接合体（ＭＥＡ）が構成されている。

セパレータ１８，１９は、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンなどガス不透過の導電性部材により形成されている。セパレータ１８には、拡散層１６と対向する面にアノードガス（水素ガス）の流路２０が設けられている。また、セパレータ１９と拡散層１６との間には、カソードガス（酸素ガス）の流路２２が設けられている。拡散層１６は、流路２２と触媒層１４の間を接続する層であって、面内の水分布を均一にするために面直方向の繊維層が組み込まれているとともに、吸水樹脂、保水充填材のいずれか１つまたは双方を含むように構成されている。従って、拡散層１６は、水分を貯水する機能と、水分を面直方向へ移動させる導水機能を備えている。これにより、拡散層１６の内部では水移動と面内水分布の均一化が行われ、流路２２への水蒸気排出効率が向上される。従って、濃度過電圧を低減することができ、この結果、燃料電池１０の電圧上昇効果を得ることができる。

図１に示すように、カソードガスの流路２２は所定の距離を隔てて形成され、隣接する流路２２間にはリブ部５０が設けられている。リブ部５０は、セパレータ１９の一部を構成しており、ポーラス材料などの水分が移動可能な微細孔を備えた多孔質材料から構成されている。

流路２２の幅方向（図１における上下方向）において、リブ部５０の幅は流路２２の幅の２倍以上とされている。これにより、拡散層１６と触媒層１４を間に介在させた状態で、リブ部５０と電解質膜１２の接触面積を増やすことができ、接触抵抗の低減、集電効率の向上を図ることができる。また、リブ部５０と電解質膜１６の接触面積の増加により、接触部の面圧を低下することができ、燃料電池１０の耐久性を向上させることができる。

リブ部５０内には、リブ部５０の延在する方向、すなわち流路２２の延在方向に沿って水分輸送路５２が設けられている。水分輸送路５２は、その周囲のリブ部５０よりも水分が移動し易いように構成されており、例えばリブ部５０内に形成した空隙、リブ部５０内に挿入した吸水樹脂、保水充填材、毛管吸引力に優れた素材等、またはこれらの組み合わせから構成されている。また、水分輸送路５２は、周囲のリブ部５０と同じ多孔質材料から構成し、微細孔の密度を周辺よりも高くすることによって、または微細孔の細孔径、空隙率を周辺よりも大きくすることによって構成しても良い。また、図１では、リブ部５０の内部に水分輸送路５２を設けているが、リブ部５０の表面、すなわち流路２２の壁面に水分輸送路５２を設けても良い。

図２は、図１中の一点鎖線Ｉ−Ｉ’に沿った断面を示している。図２に示すように、流路２０は流路２４を介して水素タンク２６と接続されており、水素タンク２６から流路２０へ水素リッチなアノードガスが送られる。水素タンク２６と流路２０の間には、流路２０へ送る水素量を調整するため、水素バルブ２８および水素レギュレータ３０が設けられている。流路２０から排出されるアノードオフガスは、流路２９から排出される。流路２９には、流路２０内の水素の内圧を調整するためのバルブ３１が設けられている。なお、流路２９に排出されたアノードオフガスを流路２４に戻すことで、アノードオフガスを循環させても良い。

また、流路２２は流路３２を介してポンプ３４と接続されており、ポンプ３４から流路２２へカソードガスが送られる。ポンプ３４と流路２２の間には、カソードガスを加湿するための加湿器３６が設けられている。

図１及び図２に示すように、セパレータ１９には冷却液流路３８が設けられている。冷却液流路３８には、流路４０から冷却水が送られる。流路４０には、熱交換器４２、冷却水ポンプ４６、冷却水タンク４８が接続されている。冷却水ポンプ４６を作動させると、流路４０を循環する冷却水が冷却液流路３８に送られ、各単位セルが冷却される。単位セルを冷却した冷却水は、熱交換器４２において冷却される。熱交換器４２の近傍には、熱交換器４２を冷却するための冷却ファン４４が設けられている。

アノードガスとカソードガスを反応させることで水分（水蒸気）が生成される。この水分は、拡散層１６から流路２２へ排出されるとともに、毛管現象によって多孔質材料で構成されるリブ部５０の微細孔に侵入し、リブ部５０内に貯水される。そして、リブ部５０内に貯水された水分は、適宜に流路２２へ排出される。従って、リブ部５０による流路２２への排水機能（加湿機能）と、拡散層１６から流路２２への水蒸気排出機能とによる単独または相乗効果が発揮され、生成水によるカソードガスの内部加湿（自己加湿）が実現されている。これにより、燃料電池内部抵抗を低減することができ、燃料電池１０の効率を高めることができる。

そして、リブ部５０には水分輸送路５２が設けられているため、リブ部５０内の水蒸気分圧が領域毎に異なる場合は、水蒸気分圧が一定となるように水分輸送路５２内を水分が移動する。従って、リブ部５０内における水蒸気分圧を常に均一に保つことができる。

流路２２内では、流路２２内の水蒸気分圧に応じて、リブ部５０から水分が排出され、また、流路２２内の水分がリブ部５０へ送られる。そして、以下に詳細に説明するように、リブ部５０における水蒸気分圧を一定に保つことで、流路２２内の水分の濃度を均一にすることができる。

すなわち、流路２２内ではカソードガスが流れているため、通常、流路２２の下流側ほど水分の濃度（水蒸気分圧）は高くなり、流路２２の下流側では、濃度拡散により流路２２内の水分がリブ部５０内に貯水される。リブ部５０内に貯水された水分は水分輸送路５２を伝わり、水蒸気分圧が低い流路２２の上流側へ移動する。そして、流路２２の上流側へ移動したリブ部５０内の水分は、水蒸気分圧の低い流路２２の上流部へ排出される。これにより、水蒸気分圧が比較的低く、水分が不足し易い流路２２の上流側に十分な量の水分を供給することができる。従って、流路２２の上流において乾き抑制効果が得られ、この結果、反応効率を高めることができ、セル電圧を上昇させることができる。

一方、水分の濃度分圧が高い流路２２の下流側では、流路２２内の水分がリブ部５０内に貯水されていく。これにより、流路２２の下流側において、水分をリブ部５０内に貯水することができ、流路２２から更に下流に流れて外部へ持ち去られる水分量を最小限に抑えることができると共に流路の液水閉塞による濃度過電圧上昇を抑制できる。

このように、本実施形態では、流路２２内の水分をリブ部５０、および水分輸送路５２を介して循環させることができ、流路２２内の上流から下流の全域において水分の濃度を均一化することができる。これにより、流路２２の延在する方向に沿って配置された電解質膜構成部位に均一に水分を供給することができ、発電効率を向上させることができる。

特に、流路２２の延在する方向に沿って配置された電解質膜構成部位の一部の領域のみで発電効率が高くなると、その領域の水分が不足して電解質膜１２の耐久性に影響を及ぼす場合があるが、本実施形態では流路２２の内部において水分の濃度を均一化することができるため、電解質膜１２の耐久性を向上させることができる。そして、水分が流路２２の下流側に多く滞留してしまうことを抑止できるため、拡散層１６、触媒層１４が過剰な水分によって覆われてしまうことを抑止でき、発電効率の低下を抑止することができる。

また、リブ部５０と拡散層１６が接触する領域近傍では、生成水の吸引効果が生じるため、ＭＥＡからの排水能力が向上することに起因して濃度過電圧を低減することができる。従って、電解質膜１２における発電効率を高めることが可能となる。

図３は、流路２２内の相対湿度変化を示す特性図である。図３において、破線および一点鎖線の特性は比較のために従来の構造による特性を示している。ここで、破線はリブ部５０を多孔質材料から構成せずに、セパレータ１８，１９と同一の材料から構成し、かつリブ部５０に水分輸送路５２を設けていない場合の特性を示している。また、一点鎖線は、リブ部５０を多孔質材料から構成し、リブ部５０に水分輸送路５２を設けていない場合の特性を示している。そして、実線は、本実施形態の構造による特性を示している。

図３に示すように、リブ部５０を多孔質材料で構成せず、かつリブ部５０に水分輸送路５２を設けていない場合は、流路２２の下流側（出口側）と上流側（入口側）での相対湿度変化が大きくなる。リブ部５０を多孔質材料で構成した一点鎖線の特性では、リブ部５０が水分の貯水、排出機能を有しているため、相対湿度変化は破線の特性に比べて小さくなる。そして、実線の特性に示すように、リブ部５０に水分輸送路５２を設けることで、流路２２の上流と下流における相対湿度変化を最小限に抑えることが可能となる。

図４は、隣接するアノードガスの流路２０間にも多孔質材料からなるリブ部５０を設け、リブ部５０内に水分輸送路５２を設けた構成を示している。図４の構成によれば、上述したカソード側での効果をアノード側においても得ることができる。従って、水分輸送路５２によって水蒸気分圧の低い流路２０内の領域に水分を供給することができ、アノードガス中の水素を確実に電解質膜１２へ供給することが可能となる。また、リブ部５０に貯水機能および水輸送機能を発揮させることができるため、拡散層１６への水素ガスの供給効率を向上することができ、リブ部５０と拡散層１６との接触部近傍において水素分圧低下を抑止できるとともに、電極部の有効面積拡大による発電効率の上昇を達成できる。

以上説明したように本実施形態によれば、隣接するカソードガスの流路２２を仕切るリブ部５０を多孔質材料から構成し、リブ部５０に水分輸送路５２を設けたため、反応によって生成され、流路２２に溜まった水分を流路２２内に均一に分布させることができる。従って、流路２２の全域において反応を均一に生じさせることができ、燃料電池１０の効率を向上させることが可能となる。

本発明の一実施形態に係る燃料電池の構成を示す断面図である。 図１中の一点鎖線Ｉ−Ｉ’に沿った断面を示す模式図である。 カソードガスの流路内の相対湿度変化を示す特性図である。 アノードガスの流路間に多孔質材料からなるリブ部を設け、リブ部内に水分輸送路を設けた構成を示す断面図である。

符号の説明

１０ 燃料電池
１２ 電解質膜
２０，２２ 流路
５０ リブ部
５２ 水分輸送路

Claims (7)

1. 電解質膜を備え、アノードに水素を含むアノードガスの供給を受けると共に、カソードに酸素を含むカソードガスの供給を受けて、電力を発生する燃料電池であって、
   前記電解質膜と対向し、前記電解質膜に前記アノードガス又は前記カソードガスのいずれかを供給するガス流路と、
   少なくとも前記ガス流路の壁面を含む所定部位が多孔質材料から構成されたセパレータと、
   前記所定部位に設けられた、前記多孔質材料よりも水分輸送機能に優れた水分輸送手段と、
   を備えたことを特徴とする燃料電池。
2. 前記水分輸送手段は、前記所定部位に設けられた空隙であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
3. 前記水分輸送手段が多孔質材料で構成されたことを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
4. 前記水分輸送手段を構成する前記多孔質材料は、細孔径、空隙率とも前記セパレータを構成する前記多孔質材料よりも大きく構成されたことを特徴とする請求項３記載の燃料電池。
5. 前記水分輸送手段は、吸水樹脂、保水充填材、又は毛管吸引力を生じさせる素材、の少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
6. 前記水分輸送手段は、前記ガス流路の延在する方向に沿って設けられたことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池。
7. 前記所定部位は、隣接する前記ガス流路の間のリブ状の部位であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の燃料電池。

Images