JP2006079919A

JP2006079919A - 燃料電池

Info

Publication number: JP2006079919A
Application number: JP2004262175A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Miyazawa; 篤史宮澤
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2004-09-09
Filing date: 2004-09-09
Publication date: 2006-03-23

Abstract

【課題】ガス流路の全体で排水性を調整し、特にガス流路下流での排水性を高めた燃料電池を提供する。
【解決手段】電解質膜と、電解質膜の両側に配置されるガス拡散層１０と、ガス拡散層１０に水素または空気を供給する水素流路、空気流路を有するセパレータ６を備えた燃料電池において、ガス拡散層１０がセパレータ６の水素流路、空気流路を構成するリブ５ｂによって圧縮され、ガス拡散層１０の圧縮率を水素流路、空気流路の上流側から下流側にかけて次第に低くする。
【選択図】図２ｃ

Description

本発明はフラッディングを抑制する燃料電池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アノードに水素を含有する燃料ガスを供給するとともに、他方のカソードに酸素を含有する酸化ガス（空気）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：Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^- 式（１）
陰極（カソード）反応：２Ｈ⁺＋２ｅ^-＋（１／２）Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ式（２）
アノード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。カソードに供給する酸化ガスとしては、一般的に空気が利用されている。

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に供給されている酸化ガス中に気化し、酸化ガスとともに燃料電池外に排出されるが、生成水量が多いとき、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からアノードに移動してくるため、カソードと同様に、生成水が触媒層内で凝縮し、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。

そこでフラッディングを防止する方法として、アノード、カソードに反応ガスを拡散させるガス拡散層を形成する多孔質層の気孔径を変えたものが、特許文献１に開示されている。
特開２００１−５７２１８号公報

カソードではガス流路の下流で急激な相対湿度の増加が発生し、更に電気化学反応によって生成した水蒸気が凝縮し凝縮水が生成される。

また、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、ガスの流れに沿って、相対湿度が増加する。よって、カソードと同じように、ガス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。

そのため、上記の発明では、アノード、カソードの下流において増加する水蒸気を十分に排水できない可能性がある。

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、アノード、カソードの上流、下流での排水性を調整し、アノード、カソードの全域、特に下流側においてフラッディングを抑制することを目的とする。

本発明では、電解質膜を挟持し、水素または酸化ガスが供給されるガス拡散層と、ガス拡散層に水素または酸化ガスを供給するガス流路を有するセパレータと、を備えた燃料電池において、ガス拡散層はセパレータのガス流路と接し、ガス流路によって圧縮され、ガス拡散層の圧縮率はガス流路の上流側よりも下流側が低いことを特徴とする。

本発明によると、アノード、カソードに設けたガス拡散層の圧縮率をガス流路の状両側から下流側にかけて低くすることで、ガス拡散層の気孔径を下流側で大きくすることができできる。ガス流路の上流と下流において排水性を調整し、フラッディングを防止することができる。

本発明の第１実施形態の燃料電池を構成する単位セルを図１の構成概略図を用いて説明する。燃料電池は単位セル１を積層して構成され、単位セル１は高分子電解質膜２（以下、電解質膜とする）と、電解質膜２の一方の面に設けたアノード３と、電解質膜２のもう一方の面に設けたカソード４と、水素が流れる後述する水素流路５を有するセパレータ６と、空気が流れる後述する空気流路（図示しない、以下同様とする）を有するセパレータ８によって構成される。なお、この実施形態では図示しないが、水素や空気などのリークを防ぐためにシール材をセパレータ６、８などに備える。

アノード３は例えば白金などの触媒層９と、触媒層９に水素を拡散するガス拡散層１０によって構成し、またカソード４は例えば白金などの触媒層１１と、触媒層１１に空気を拡散するガス拡散層１２によって構成する。

次にセパレータ６、８について図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）を用いて説明する。図２（ａ）はガス拡散層１０を配置した場合のセパレータ６を単位セルの積層方向から見た正面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ断面概略図であり、図２（ｃ）は図２（ａ）のＢ−Ｂ断面概略図である。なお、図２（ａ）ではガス拡散層１０を斜線部で示す。また、実際に燃料電池として組んでスタッキングする際には、ガス拡散層１０と後述する水素流路５のリブ５ｂの両者は接した状態でスタッキングされているが、図２中では、それぞれの構成が理解され易くするように、ガス拡散層１０とリブ５ｂは離れて図示している。

セパレータ６は、等方性グラファイトに樹脂含浸を行い緻密化した部材から構成される。なお、カーボン粉末と樹脂を主成分とする複合材のプレス品や金属製のプレートを用いてもよい。セパレータ６は、アノード３に水素を供給する水素流路５と、水素流路５に外部より水素を導入する水素供給マニホールド１３と、発電に使用されなかった水素を排出する水素排出マニホールド１４と、水素流路５と水素供給マニホールド１３を接続する拡散部１５と、水素流路５と水素排出マニホールド１３を接続する集約部１６を備える。また、カソード４に空気を供給する空気供給マニホールド１７と、発電によって生成された水を含んだ空気を外部へ排出する空気排出マニホールド１８を備える。更に単位セル１を冷却する温度調整媒体として冷却水が流れる冷却水供給マニホールド１９と、冷却水排出マニホールド２０を備える。

セパレータ６はその一部が矩形波形状に成形され、成形された凹部を水素流路５とする。水素流路５は水素供給マニホールド１３から水素が供給され、その水素をガス拡散層１０に拡散させる。水素流路５は上流から下流にかけて、つまり水素供給マニホールド１３から水素排出マニホールド１４にかけて水素流路５の溝底５ａが次第に低くなり、かつリブ５ｂの高さｔ１が水素流路５よりも外側のセパレータ６の外周部６ａよりも次第に低くなる。すなわち上流から下流にかけて水素流路５の溝底５ａを次第に低くなるように傾斜をつけ、更に水素流路５の側面となる矩形波形状の凸部のリブ５ｂの高さｔ１を次第に低くなるように傾斜をつける。なお、水素流路５の断面形状は矩形波形状に限られず、例えば波形形状などとしても良い。また、この実施形態では水素流路５の深さ、幅については変化しないが、水素流路５の深さ、幅に変化を付けても良い。

これによって単位セル１をスタッキングした際に水素流路５の上流ではガス拡散層１０の圧縮率が大きく、下流では小さくなる、つまり上流ではガス拡散層１０の気孔径が小さく、下流では大きくなる。そのため、水素流路５の排水性を調整でき、特に相対湿度が高くなる下流の排水性を高めることができる。

ここで、スタッキングの際の単位セル１の面圧と、ガス拡散層１０とセパレータ６間の接触抵抗の関係を図５に示す。また、スタッキングの際の単位セル１の面圧と、ガス拡散層１０の水素流路５への垂れ込み量の関係を図６に示す。

スタッキングの際の締結力である単位セル１の面圧が低くなると、ガス拡散層１０の圧縮率が小さくなるので気孔径は大きくなり、排水性が高くなるが、ガス拡散層１０とセパレータ６間での接触面積が少なくなるので、接触抵抗が大きくなり、この結果燃料電池１の発電効率を下げてしまう。

一方、単位セル１の面圧が大きくなると、接触抵抗は小さくなるが、ガス拡散層１０の気孔径は小さくなり、排水性が低くなる。またガス拡散層１０の圧縮率が大きくなるので水素流路５への垂れ込み量が増加し、水素流路５の断面積を小さくするためにガス拡散性が低下する。

そのため、水素流路５のリブ５ｂの高さは、前記条件から接触抵抗と排水性を考慮して設定する。

なお、この水素流路５における溝底５ａ、リブ５ｂが低くなる傾斜はガス拡散層１０と対峙する領域について設け、下流においてガス拡散層１０と対峙しない領域については水素流路５の溝底５ａ、リブ５ｂを徐々に高くする。また、水素流路５と水素排出マニホールド１４を接続する集約部１６についても徐々に高さを高くしても良い。これによってガス拡散層１０と対峙しない水素流路５の下流側では断面積を小さくし、流速を速くし燃料電池の発電反応を起こさない水素流路５の下流部におけるフラッディングを防止することができる。

セパレータ９については空気供給マニホールド１６と空気排出マニホールド１７間に空気流路などを設ける。セパレータ６と同様の構成なので、詳しい説明は省略する。これによって空気流路においても水素流路と同様に空気流路の排水性を調整し、特に下流側の排水性を高めることができる。

また、ガス拡散層１０、１２の厚さに変化を付け、水素流路５または空気流路の上流ではガス拡散層１０、１２の厚さを厚くし、下流では薄くしても良い。

本発明の第１実施形態の効果について説明する。

この実施形態ではセパレータ６、８に設けた水素流路５、空気流路の溝底とリブを上流側から下流側に向かうに従って次第に低くなるように傾斜をつけることで、ガス拡散層１０、１２の圧縮率を上流側から下流側にかけて次第に低くする。これによってガス拡散層１０、１２の気孔径を下流になるにつれて大きくし、水素流路５、空気流路の全体で排水性を調整することができ、特に湿度の高い下流において排水性を高めることができ、フラッディングを防止することができる。

また、単位セル１のスタッキング際に圧縮率を変えてガス拡散層１０、１２の気孔径に変化をつけるので、ガス拡散層１０、１２において予め気孔径に変化をつけていない気孔径の一定の部材を使用することができ、製造コストを削減することができる。

ガス拡散層１０、１２と対峙しない水素流路５、空気流路の下流において水素流路５、空気流路の溝底を次第に高くすることで、燃料電池１の発電反応に関係のない下流端部において流速を速くしフラッディングをより防止することができる。

更にガス拡散層１０、１２の厚さを水素流路５、空気流路の上流側から下流側にかけて厚くすることでガス拡散層１０、１２の圧縮率を調整することができ、水素流路５、空気流路内の排水性を調整することができる。

次に本発明の第２実形態について図３（ａ）、（ｂ）を用いて説明する。図３（ａ）はセパレータ６、８にスペーサー（圧縮部材）２１を設けた場合の単位セル積層方向から見た正面図であり、図３（ｂ）は側面図である。この実施形態ではセパレータ６、８に水素流路５、空気流路の上流から下流に向けて厚さの異なるスペーサー２１を備える。その他の構成については第１実施形態と同じなのでここでの説明は省略する。この構成によって下流側のガス拡散層１０、１２の圧縮率を大きくし、下流の排水性を高めることができる。

スペーサー２１は、樹脂、金属、セラミックまたはこれらを組み合わせた何れの部材を使用してもよいが、その使用用途から単位セル１のスタッキングの際に組み立て性を損なわない程度のフレキシブル性と、耐熱、耐スチーム性、反応ガスに対する耐腐食、脆化性を有し、電解質膜２と触れる構成の場合には耐酸性の部材を使用する。

スペーサー２１はガス拡散層１０をセパレータ６とによって挟むように設けられる。スペーサー２１は、水素流路５の上流から下流にかけて厚さが薄くなっており、単位セル１のスタッキングの際にセパレータ６とによってガス拡散層１０の圧縮率を変えることができる。つまり、水素流路５の上流においてスペーサー２１の厚さが厚く、下流において薄くなるので、上流においてガス拡散層１０の圧縮率を高くし、下流において圧縮率を低くする。これによって水素流路５の排水性を調整し、特に下流における排水性を高くすることができる。

また、セパレータ８においても同様に空気流路の下流における排水性を高くすることができる。

なお、この実施形態では水素供給マニホールド１３と空気供給マニホールド１６などの配置により水素の流れ方向と空気の流れ方向が逆方向となり、スペーサー２１の厚さ、つまりスペーサー２１の傾斜も逆方向となる。つまりセパレータ６とセパレータ８は図４に示すようにセパレータ６とセパレータ８の厚さが厚い箇所が反対の位置となる。図４では電解質膜２０などは省略する。これにより単位セル１のセパレータ６とセパレータ８の端面は略平行となり、単位セル１を積層した場合にずれなどを生じることなく、容易にスタッキングを行うことができる。

なお、スペーサー２１に傾斜を付ける代わりにセパレータ６、８に傾斜を付けても良い。これによっても、上記説明と同じように水素流路５、空気流路の下流の排水性を高めることができ、また容易にスタッキングを行うことができる。

また、この実施形態では第１実施形態の水素流路５のように水素流路５に傾斜を設けない場合でも水素流路５、空気流路の全体で排水性を調整することができ、特に下流の排水性を高めることができる。

本発明の第２実施形態の効果について説明する。

この実施形態は、セパレータ６、８においてスペーサー２１を設け、このスペーサー２１の厚さを水素流路５、空気流路の上流側から下流側にかけて薄くすることで、上流側での圧縮率を高くし、下流側での圧縮率を低くすることができる。これによってガス拡散層１０、１２の気孔径を下流になるにつれて大きくし、水素流路５、空気流路の全体で排水性を調整することができ、特に湿度の高い下流においてもフラッディングを防止することができる。また、スペーサー２１の厚さを変化する代わりに、セパレータ６、８の厚さを水素流路５、空気流路の上流側から下流側となるに従って次第に厚くしても同様の効果を得ることができる。

また、水素流路５と空気流路を流れる水素または空気の流れが反対方向となるので、単位セル１の端面においては略平行とすることができ、スタッキングの際にずれなどを防止し、正確にスタッキングを行うことができる。

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。

排水性を必要とする様々な燃料電池に利用することができる。

本発明の第１実施形態の単位セルの概略構成図である。本発明の第１実施形態のセパレータの構成図であり、図２（ａ）単位セル積層方向の正面図である。図２（ｂ）Ａ−Ａ断面図である。図２（ｃ）Ｂ−Ｂ断面図である。図３（ａ）本発明の第２実施形態のセパレータを単位セル積層方向正面図である。図３（ｂ）側面図である。本発明の第２実施形態の単位セルの概略図である。単位セルをスタッキングした場合の面圧と、ガス拡散層とセパレータ間の接触抵抗の関係を示す図である。単位セルをスタッキングした場合の面圧と、ガス拡散層の水素流路への垂れ込み量の関係を示す図である。

符号の説明

１単位セル
５水素流路（ガス流路）
５ａ溝底
５ｂリブ
６セパレータ
６ａ外周部
８セパレータ
１０ガス拡散層
１２ガス拡散層
２１スペーサー（圧縮部材）

Claims

電解質膜を挟持し、水素または酸化ガスが供給されるガス拡散層と、
前記ガス拡散層に前記水素または前記酸化ガスを供給するガス流路を有するセパレータと、を備えた燃料電池において、
前記ガス拡散層は前記セパレータの前記ガス流路と接し、前記ガス流路によって圧縮され、
前記ガス拡散層の圧縮率は前記ガス流路の上流側よりも下流側が低いことを特徴とする燃料電池。
前記セパレータは、前記ガス流路のリブで前記ガス拡散層と当接し、
前記ガス拡散層と対峙する前記ガス流路の溝底は前記上流側から前記下流側となるにつれて次第に低くなり、かつ前記ガス拡散層と対峙する前記リブが前記上流側から前記下流側となるにつれて次第に低くなることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
前記ガス拡散層と対峙する前記リブは前記上流側から前記下流側となるにつれて前記セパレータの高さよりも次第に低くなることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
前記ガス流路の下流側で前記ガス拡散層と対峙しない前記ガス流路の溝底が、次第に高くなることを特徴とする請求項２または３に記載の燃料電池。
前記ガス拡散層を前記セパレータとによって挟み、圧縮する圧縮部材を備え、
前記圧縮部材は前記ガス流路の前記上流側から前記下流側となるにつれて次第に厚さが薄くなることを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載の燃料電池。
前記ガス拡散層を前記セパレータとによって挟み、圧縮する圧縮部材を備え、
前記セパレータは、前記ガス流路の前記上流側から前記下流側となるにつれて次第に厚さが薄くなることを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載の燃料電池。
前記ガス拡散層は、前記ガス流路の前記上流側から前記下流側となるにつれて厚さが厚くなることを特徴とする請求項１から６のいずれか一つに記載の燃料電池。
前記ガス流路を流れる前記水素と前記酸化剤ガスの流れが反対方向の流れであることを特徴とする請求項１から７のいずれか一つに記載の燃料電池。