JP2006073343A - 燃料電池の排水機構 - Google Patents

Abstract

【課題】 触媒電極層で発生した液水の流路側への排出を促進し、フラッディング（水つまり）を防止する。
【解決手段】 燃料電池の１セルは、固体高分子膜の電解質層の両面に触媒電極層を配置してなる膜・電極接合体（ＭＥＡ）２０と、このＭＥＡ２０の両面に配置したガス拡散層（ＧＤＬ）２１、２２と、各ＧＤＬ２１、２２の外側に配置した反応ガス供給セパレータ２３、２４とから構成される。ここで、特にカソード側のＧＤＬ２２の、その外側のセパレータ２４に形成されるガス流路（空気流路２６）の流れ方向での終点部分の透過性を、その部分のマイクロレイヤ２２ａをなくすことにより、他の部分の透過性よりも大きくする。又は、ガス流路（空気流路２６）の終点部分に絞りを設ける。
【選択図】 図４

Description

本発明は、固体高分子型燃料電池に関し、特に、反応により生成される水を触媒電極層から流路側に排出させる排水機構に関するものである。

燃料電池内では電気化学反応の進行に伴ってカソード側で生成水が生じる。生じた生成水はカソード側に供給されている酸化ガス中に気化し、酸化ガスと共に燃料電池外に排出されるが、生成水量が多い時、あるいは始動後等の運転温度が低い時には、生成水が触媒電極層内で凝縮し、反応ガスの移動パスを塞いでしまうことがある。

アノード側では、電気化学反応に伴って生成水が生じることはないが、膜を通して生成水がカソード側からアノード側に移動してくるため、カソード側と同様に、生成水が触媒電極層内で凝縮し、反応ガスの移動パスを塞いでしまうことがある。

触媒電極層内の反応ガスの移動パスが閉塞するとフラッディング（水つまり）が起こり、燃料電池の性能が悪化してしまう。

フラッディング防止技術としては、特許文献１、２を挙げることができる。
特開平７−１３４９９３号公報 特開２００３−１７３７８８号公報

電気化学反応で生じた生成水によるフラッディング（水つまり）を防止するために、ガス拡散層の厚さ方向に対して、疎水性の強さを変える技術が、特許文献１に開示されている。本技術では、空気極のガス拡散層は触媒電極層側ほど疎水性が高くなるように、疎水性に傾斜を設けて、生成水の排出性を改善している。

しかしながら、生成水排出の困難差はガスの流れ方向に対して変化する。

図１１にはカソード流路中の湿度（ＲＨ）及び凝縮水量の変化を示している。固体高分子型燃料電池では膜のドライアウトによる性能低下を防止するため、入口ガスを加湿する。燃料電池に入ったガスは電気化学反応によって生成水ができるため、ＲＨが１００％に向かって、急減に増加する。流路中全般に渡って、電気化学反応による生成水は発生するため、流路後半ではガス中の水蒸気が飽和し、凝縮水が発生する。

図１２にはアノード流路中の湿度（ＲＨ）及び凝縮水量の変化を示している。アノードでは、生成水の発生がないのに加えて、電気浸透水によって水がアノードからカソードに移動するため、カソードにもまして、膜のドライアウト防止が重要となる。よって、入口ガスの要求相対湿度は高くなる。アノードでは生成水の発生はないが、カソードの生成水が膜を通して、アノード側に移動してくるのに加えて、水素の消費によりガス量が低下するため、流路の流れに沿って、ＲＨが増加する。よって、カソードと同じように、流路後半ではガス中の水蒸気が飽和し、凝縮水が発生する。

特許文献１に開示の技術では、流れの方向に対しては排水性向上のための言及はなく、本技術のままでは、流路後半でのフラッディングが防止できない。

また、フラッディング（水つまり）を防止するために、ガスの流れ方向に対して、ガス拡散層の透過性を変える技術が、特許文献２に開示されている。本技術では、ガスの流れに対して、ガス拡散層の透過性を上流から下流に向かって大きくしている。流路後半の透過性の大きくすることによって、流路後半でのフラッディングを防止しようとしている。

しかしながら、触媒電極層内で生成された液水の排出性を支配しているのは、ガス拡散層のマイクロレイヤ（カーボン層）である。図１３には、ガス拡散層のマイクロレイヤの有り・無しでの液水の移動抵抗を圧力差で示している。マイクロレイヤが有ると、液水の移動抵抗が非常に大きくなり、水が排出されにくい。

よって、特許文献２に開示の技術のままでは、触媒電極層で生成された液水を排出できないため、流路後半でのフラッディングが防止できない。

以上の問題に鑑みて、本発明の目的は、触媒電極層で発生した液水の流路側への排水を促進し、フラッディング（水つまり）を防止できる燃料電池の排水機構を提供することにある。

このため、第１の発明（請求項１）では、ガス拡散層の、その外側のセパレータに形成されるガス流路の流れ方向での終点部分の透過性を、他の部分よりも大きくしたことを特徴とする。

第２の発明（請求項３）では、セパレータに形成されるガス流路の終点部分に絞りを設けたことを特徴とする。

第１の発明では、ガス拡散層の流れ方向終点部分の透過性を他の部分よりも大きくしている。従来のガス拡散層で液水を移動させるためには十分な圧力差が必要で、流路側を流れるガスによる静圧差では液水は排出できない。そこで、流れ方向終点部分の透過性を大きくして、液水が排出できるようにしている。これにより、生成水が触媒電極層内で凝縮した場合においても、反応ガスの移動パスを水が塞いでしまうことがないため、フラッディング（水つまり）を防止できるという効果がある。

第２の発明では、ガス流路の終点部分に絞りを設けている。これにより、絞りの下流では、流路と触媒電極層間で圧力差が発生し、触媒電極層から流路側に液水が排出できるようになる。これにより、生成水が触媒電極層内で凝縮した場合においても、反応ガスの移動パスを水が塞いでしまうことがないため、フラッディング（水つまり）を防止できるという効果がある。

以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１は本発明の第１実施形態の燃料電池システム全体の構成図である。

本燃料電池システムは、燃料電池本体１１と、燃料電池を運転するための補機類とから構成される。

燃料電池本体１１には、燃料電池温度を最適な温度に保つため、冷却水として不凍液であるロングライフクーラント（以下ＬＬＣという）を流す。ＬＬＣとしては、例えば、エチレングライコールと水の混合液等が考えられる。ＬＬＣの循環系には、ＬＬＣタンク１２、ＬＬＣポンプ１３、温度センサ１４、バイパスバルブ１５、ラジエータ１６を有する。ここで、ＬＬＣタンク１２内のＬＬＣをＬＬＣポンプ１３により燃料電池本体１１に供給し、燃料電池本体１１からの戻り側のＬＬＣはラジエータ１６により冷却してＬＬＣタンク１２に戻すが、燃料電池本体１１に供給されるＬＬＣの温度を温度センサ１４により検出し、その温度に応じて、ラジエータ１６をバイパスする流量をバイパスバルブ１５で調整することにより、燃料電池を最適な温度に保つ。

また、燃料電池本体１１には、電池内で電気化学反応によって発電を行うため、燃料ガス供給手段と酸化ガス供給手段とにより、水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化ガスとを供給する。また、燃料電池内の水分状態を最適に保つため、燃料ガス供給系にはアノード水回収装置１７を、酸化ガス供給系にはカソード水回収装置１８をそれぞれ設置している。水回収装置としては、ガス間で水移動を行うための、膜、中空糸あるいはポーラス材を用いたプレート等からなる水回収装置あるいは加湿された燃料電池からの排出ガスを入口に循環させるポンプあるいはイジェクタでも良いし、また燃料ガスと酸化ガスとの間で水移動を行っても良い。

図２には、燃料電池本体内のセル構成（ガスの流れる方向と直交する方向の断面図）を示す。

１つのセル（単セル）は、固体高分子膜の電解質層の両面に触媒電極層（例えばカーボンペーパーに白金などの触媒を担持させたもの）を配置してなる膜・電極接合体（以下ＭＥＡという）２０と、このＭＥＡ２０の両面に配置したガス拡散層（以下ＧＤＬという）２１、２２と、各ＧＤＬ２１、２２の外側に配置した反応ガス供給セパレータ２３、２４とから構成される。

反応ガス供給セパレータ２３、２４のうち、２３は水素を含む燃料ガスの供給用で、アノードバイポーラプレート（アノードＢＰＰ）といい、ＭＥＡ２０側（ＧＤＬ２１側）の面に燃料ガスのガス流路（燃料流路）２５が形成されている。

２４は酸素を含む酸化ガス（例えば空気）の供給用で、カソードバイポーラプレート（カソードＢＰＰ）といい、ＭＥＡ２０側（ＧＤＬ２２側）の面に酸化ガスのガス流路（空気流路）２６が形成されている。

また、カソードＢＰＰ２４の外側の面には、冷却水としてＬＬＣを通流させるための冷却水流路（ＬＬＣ流路）２７が形成されている。尚、本実施形態では、冷却水流路はカソードＢＰＰ２４側に設けているが、アノードＢＰＰ２３側に設けても良いし、アノードＢＰＰ２３、カソードＢＰＰ２４の両方に分けて設けても良い。

図３には、カソードＢＰＰ２４に形成された空気流路２６とＬＬＣ流路２７の詳細構造を示す。

図３（Ａ）はカソードＢＰＰ２４のＭＥＡ側の面（空気面）を示したもので、この面には、複数本のストレートな溝状の空気流路２６が平行に形成されている。酸化ガスである空気は、空気マニホールド入口３１からセルに導入された後、空気入口ディフューザ３２を経て、複数本の空気流路２６を平行に流れ、空気出口ディフューザ３３を経て、空気出口マニホールド３４から排出される。

図３（Ｂ）は、カソードＢＰＰ２４の外側の面（ＬＬＣ面）を示したもので、この面には、複数本のストレートな溝状のＬＬＣ流路２７が平行に形成されている。冷却水であるＬＬＣは、ＬＬＣマニホールド入口３５からセルに導入された後、ＬＬＣ入口ディフューザ３６を経て、複数本のＬＬＣ流路２７を平行に流れ、ＬＬＣ出口ディフューザ３７を経て、ＬＬＣ出口マニホールド３８から排出される。

アノードＢＰＰ２３に形成された燃料流路２５の詳細構造については図示しないが、流れる方向が逆になる以外、カソードＢＰＰ２４に形成された空気流路２６と同様の構成である。

尚、本実施形態では、流路がストレートタイプの場合について説明しているが、サーペンタイン（蛇行状）流路についても同様な考え方で適用可能である。

図４には、ガスの流れる方向に対するＧＤＬの構成（ガスの流れる方向でのセルの断面図）を示している。

ＧＤＬ２１、２２は、ＭＥＡ２０側のカーボン粒子からなるマイクロレイヤ２１ａ、２２ａと、ＢＰＰ２３、２４側（流路２５、２６側）のカーボンペーパーあるいはカーボンクロスからなるマクロレイヤ２１ｂ、２２ｂとから構成されている。尚、図中２８はシール部材である。

従って、ＭＥＡ２０のカソード側の触媒電極層で生成された水は、ＧＤＬ２２のマイクロレイヤ２２ａ、マクロレイヤ２２ｂを介して、空気流路２６側に排出される。

しかし、図１４に液水排出に必要な圧力差と流路側を流れるガスによる静圧差との関係を示すように、従来のＧＤＬでは、生成水が触媒電極層で液水となった場合、流路側を流れるガスによる静圧差（流路と触媒電極層との静圧差）では液水は排出することができない。

そこで、本実施形態では、流路と触媒電極層との静圧差で液水を排出できるように、流路２６の終点部分には、ＧＤＬ２２のマイクロレイヤ２２ａを設けていない（図４のＸＥ部）。その結果、図１３からわかるように、液水を排出するための圧力差を大幅に低下でき、流路と触媒電極層との間で発生する静圧差で触媒電極層にできた液水を排出できる。

ＧＤＬ２２の透過性を更に向上するため、図５に示すように、流路２６の終点部分のマクロレイヤ２２ｂを無くしても良い（図５のＸＥ部）。

ＧＤＬ２２のマイクロレイヤ２２ａあるいはマクロレイヤ２２ｂをなくした場合には、そこでの電子の移動が困難になるため、反応が起こりにくくなるが、本実施形態では、流路の終点部分のみマイクロレイヤ２２ａあるいはマクロレイヤ２２ｂをなくしているため、影響は小さい。また、反応への影響をより少なくするために、図３を参照し、流路２６と出口マニホルド３４とをつなぐ出口ディフューザ３３に対応する部分のみ、マイクロレイヤ２２ａあるいはマクロレイヤ２２ｂをなくすようにしても良い。

本実施形態によれば、ＧＤＬ２２の、その外側のＢＰＰ２４に形成される流路２６の流れ方向での終点部分の透過性を、その部分のマイクロレイヤ２２ａ（更にはマクロレイヤ２２ｂ）を除去することにより、他の部分の透過性より大きくしたことにより、液水を排出できようになり、生成水が触媒層内で凝縮した場合においても、反応ガスの移動パスを水が塞いでしまうことがないため、フラッディング（水つまり）を防止できる。

尚、本実施形態では、カソード側についてのみ排水機構を設けているが、アノード側のフラッディング（水つまり）が問題になる場合には、アノード側にも（カソード側とアノード側との両方、又は、アノード側のみに）設けることができる。

次に、本発明の第２実施形態について説明する。尚、第２〜第４実施形態のシステム構成図は第１実施形態（図１）を同じであり、セル構成も第１実施形態（図２）と同じである。

第２実施形態では、ＧＤＬの流路終点部分の透過性と共に、流路始点部分の透過性を、他の部分よりも大きくしたことを特徴としている。

図６に、ガスの流れる方向に対するＧＤＬの構成を示している。本実施形態では、流路２６の始点部分と終点部分とにおいて、ＧＤＬ２２のマイクロレイヤ２２ａを設けていない（図示ＸＳ部、ＸＥ部）。

マイクロレイヤ２２ａのない部分ではＧＤＬ２２の透過性が良くなっている。このため、流路入口部では、流路から触媒電極層に向かうガス流れが発生する。また、流路の終点部分においても、触媒電極層から流路に向かうガスの流れが生じる。その結果、触媒電極層内において、流路入口部から流路出口部に向かうガス流れが生じる。よって、流路終点部において、触媒電極層に溜まった液水を効率良く排出できるため、生成水が触媒電極層内で凝縮した場合においても、反応ガスの移動パスを水が塞いでしまうことがなく、フラッディング（水つまり）を防止できる。

ＧＤＬ２２の透過性を更に向上するため、図７に示すように、流路２６の始点部分及び終点部分のマクロレイヤ２２ｂを無くしても良い（図示ＸＳ部、ＸＥ部）。

本実施形態によれば、ＧＤＬ２２の流路終点部分の透過性と共に、流路始点部分の透過性を、他の部分より大きくしたことにより、前記第１実施形態の効果に加え、流路始点部にて、流路から触媒電極層へのガスの流れが発生するため、流路終点部での排水が更に改善され、反応ガスの移動パスを水が塞いでしまうことがないため、フラッディング（水つまり）を防止できるという効果がある。また、触媒電極層内において、流路始点部から流路終点部に対するガスの流れが発生するため、反応が促進され、効率が改善する効果もある。

次に、本発明の第３実施形態について説明する。

第３実施形態では、ガス流路の終点部分に絞りを設け、絞りの下流で触媒電極層と流路との間に圧力差を設けることを特徴としている。

図８に、ガスの流れる方向に対するＧＤＬの構成とカソードＢＰＰの流路形状とを示している。ここで、カソードＢＰＰ２４に形成される空気流路２６の終点部分に、空気流路２６の底面側から凸部を設けることにより、絞り４１を設けている。この絞り４１によって、空気流路２６の絞り４１の下流部とＭＥＡ２０の触媒電極層との間に圧力差が発生する。よって、この圧力差によって、触媒電極層に溜まった液水を空気流路２６側に排出できる。

図９には、更に、流路始点部分及び流路終点部分において、ＧＤＬ２２のマイクロレイヤ２２ａを設けていない場合の構成を示す。これらの部分（図示ＸＳ部、ＸＥ部）のマイクロレイヤ２２ａを設けないことによって、触媒電極層から流路に液水を排出するために必要な圧力差を低減できる。よって、触媒電極層に溜まった液水をより効率良く排出できる。

本実施形態によれば、流路の終点部分に絞りを設けることにより、触媒電極層から流路側に液水を排出できるようになり、生成水が触媒電極層内で凝縮した場合においても、反応ガスの移動パスを水が塞いでしまうことがないため、フラッディング（水つまり）を防止できるという効果がある。

また、流路の終点部分に絞りを設け、更に、ＧＤＬの流路終点部分の透過性を他の部分よりも大きくすることにより、流路終点部での排水が更に改善される。

また、流路の終点部分に絞りを設け、更に、ＧＤＬの流路終端部分の透過性と共に、流路始点部分の透過性を、他の部分よりも大きくすることにより、流路終点部での排水がより更に改善される。また、触媒電極層内において、流路始点部から流路終点部に対するガスの流れが発生するため、反応が促進され、効率が改善する効果もある。

次に、本発明の第４実施形態について説明する。

第４実施形態では、流路の終点部分に設けた絞りの形状を流路に溜まった液水が排出され易いようにするため、絞りを、上流側から下流側に向かって、段差のない流路面で形成したことを特徴としている。

図１０に、ガスの流れる方向に対するＧＤＬの構成とカソードＢＰＰの流路形状とを示している。ここで、カソードＢＰＰ２４に形成される空気流路２６の終端部分に、空気流路２６の底面側から凸部を設けることにより、絞り４１を設けるが、この絞り４１の形状を流路面が連続的に変化するようにしている。具体的には、絞り４１を形成するための凸部の上流側を流れ方向に次第に高くなる傾斜面４１ａとしている。

これにより、流路２６で発生した液水をガスの流れによって上流から下流にスムーズに排出することができる。その結果、流路２６で液水が滞留し、流路２６が閉塞するタイプのフラッディング（水つまり）を防止することができる。

尚、第２〜第４実施形態でも、カソード側についてのみ排水機構を設けているが、アノード側のフラッディング（水つまり）が問題になる場合には、アノード側にも（カソード側とアノード側との両方、又は、アノード側のみに）設けることができる。

本発明の第１実施形態の燃料電池システム全体の構成図 第１実施形態のセル構成を説明する図 第１実施形態の空気流路及びＬＬＣ流路を説明する図 第１実施形態のＧＤＬの構成を説明する図 第１実施形態においてマクロレイヤをなくした場合の構成を説明する図 第２実施形態のＧＤＬの構成を説明する図 第２実施形態においてマクロレイヤをなくした場合の構成を説明する図 第３実施形態のＧＤＬ構成と流路形状を説明する図 第３実施形態においてマイクロレイヤをなくした場合の構成を説明する図 第４実施形態のＧＤＬ構成と流路形状を説明する図 カソード流路の流れ方向に対する湿度及び凝縮水量の特性図 アノード流路の流れ方向に対する湿度及び凝縮水量の特性図 マイクロレイヤが液水排出に必要な圧力差に与える影響を説明する図 液水排出に必要な圧力差と静圧差との関係を説明する図

符号の説明

１１ 燃料電池本体
１２ ＬＬＣタンク
１３ ＬＬＣポンプ
１４ 温度センサ
１５ バイパスバルブ
１６ ラジエータ
１７ アノード水回収装置
１８ カソード水回収装置
２０ ＭＥＡ（膜・電極接合体）
２１、２２ ＧＤＬ（ガス拡散層）
２１ａ、２２ａ マイクロレイヤ
２１ｂ、２２ｂ マクロレイヤ
ＸＥ 流路終点側の２２ａ（及び２２ｂ）除去部分
ＸＳ 流路始点側の２２ａ（及び２２ｂ）除去部分
２３ アノードＢＰＰ（セパレータ）
２４ カソードＢＰＰ（セパレータ）
２５ 燃料流路
２６ 空気流路
２７ ＬＬＣ流路
３１ 空気入口マニホールド
３２ 空気入口ディフューザ
３３ 空気出口ディフューザ
３４ 空気出口マニホールド
４１ 絞り

Claims (6)

1. 固体高分子膜の電解質層の両面に触媒電極層を配置してなる膜・電極接合体と、この膜・電極接合体の両面に配置したガス拡散層と、各ガス拡散層の外側に配置した反応ガス供給セパレータとにより、単セルを構成して、この単セルを積層してなり、
   前記単セルの一方のセパレータの前記膜・電極接合体側の面に水素を含む燃料ガスを通流可能なガス流路を形成し、他方のセパレータの前記膜・電極接合体側の面に酸素を含む酸化ガスを通流可能なガス流路を形成し、これらのセパレータのうち少なくとも１つのセパレータの外側の面にセル温調用の冷却水を通流可能な冷却水流路を形成してなる燃料電池において、
   前記単セルの少なくとも１つのガス拡散層の、その外側のセパレータに形成されるガス流路の流れ方向での終点部分の透過性を、他の部分よりも大きくしたことを特徴とする燃料電池の排水機構。
2. 前記終点部分の透過性と共に、始点部分の透過性を、他の部分よりも大きくしたことを特徴とする請求項１記載の燃料電池の排水機構。
3. 固体高分子膜の電解質層の両面に触媒電極層を配置してなる膜・電極接合体と、この膜・電極接合体の両面に配置したガス拡散層と、各ガス拡散層の外側に配置した反応ガス供給セパレータとにより、単セルを構成して、この単セルを積層してなり、
   前記単セルの一方のセパレータの前記膜・電極接合体側の面に水素を含む燃料ガスを通流可能なガス流路を形成し、他方のセパレータの前記膜・電極接合体側の面に酸素を含む酸化ガスを通流可能なガス流路を形成し、これらのセパレータのうち少なくとも１つのセパレータの外側の面にセル温調用の冷却水を通流可能な冷却水流路を形成してなる燃料電池において、
   前記単セルの少なくとも１つのセパレータに形成されるガス流路の終点部分に絞りを設けたことを特徴とする燃料電池の排水機構。
4. 前記終点部分に絞りを設けたガス流路と対面するガス拡散層の、前記ガス流路の流れ方向での終点部分の透過性を、他の部分よりも大きくしたことを特徴とする請求項３記載の燃料電池の排水機構。
5. 前記終点部分の透過性と共に、始点部分の透過性を、他の部分よりも大きくしたことを特徴とする請求項４記載の燃料電池の排水機構。
6. 前記絞りは、上流側から下流側に向かって、段差のない流路面で構成したことを特徴とする請求項３〜請求項５のいずれか１つに記載の燃料電池の排水機構。

Images