JP2006269160A

JP2006269160A - 燃料電池

Info

Publication number: JP2006269160A
Application number: JP2005083345A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Takahashi; 真一高橋
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2005-03-23
Filing date: 2005-03-23
Publication date: 2006-10-05

Abstract

【課題】燃料電池を氷点下で発電開始しようとする場合、発電効率、または電解質膜の劣化を抑制する燃料電池を提供する。
【解決手段】膜電極複合体ＭＥＡを挟持するアノードセパレータ８とカソードセパレータのディフューザー２２に保水材として多孔質カーボン１４を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は燃料電池に関するものである。

燃料電池は電解質膜を燃料極と酸化剤極によって挟み、燃料極に燃料ガス、酸化剤極に酸化剤ガスを供給することによって発電を行う。例えば自動車用途においては電解質膜として、一般的には水素イオン導電性を有する高分子固体電解質膜を利用する場合が多い。また、燃料ガスとして水素、酸化剤ガスとして空気を燃料電池に供給すると、以下のような反応が起こる。

燃料極：２Ｈ₂ → ４Ｈ⁺ ＋４ｅ^- ・・・式（１）
酸化剤極：Ｏ₂ ＋４Ｈ⁺ ＋４ｅ^- → ２Ｈ₂Ｏ・・・式（２）
したがって燃料電池は副生成物として水しか排出しないため、内燃機関のような二酸化炭素など地球環境に対するダメージを与える物質を放出しないといった利点がある。

しかし、プロトンの移動媒体として高分子固体電解質膜を利用する場合、高分子固体電解質膜の含水量が少ないと電解質膜での抵抗が大きくなり、発電性能が大きく低下する。

そのため、一般的には燃料電池外部に燃料ガスや酸化剤ガスの反応ガスを加湿する加湿器を設け、加湿した反応ガスを燃料電池に供給している。

また、ガス供給用マニホールド内部に吸水体を設け、加湿ガスの配管系やガス供給用マニホールドで結露した水分を補足することで、燃料極、または酸化剤極の加湿状態を安定に保ち、燃料電池の発電性能の低下を防止するものが特許文献１に開示されている。
特開２００１−１５５７５９号公報

しかしながら、上記発明では、燃料電池を氷点下で発電開始しようとする場合、ガス供給用マニホールドで吸水体が凍結し、凍結した吸水体が解凍するまで時間が掛かり、その間ガスの加湿が不足する恐れがある。反応ガスを加湿できない状態で発電を続けると、高分子固体電解質膜の加湿が不足し発電特性が大きく低下する問題があった。

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、燃料電池の起動時、特に氷点下起動時において素早く反応ガスの加湿を行い、燃料電池の発電効率を向上することを目的とする。

本発明では、電解質膜を有する膜電極複合体と、膜電極複合体を挟持し、燃料ガスまたは酸化剤ガスが流れるガス流路を有するセパレータと、ガス流路に燃料ガスまたは酸化剤ガスを導入するガス導入マニホールドと、を備えた燃料電池において、セパレータは、電気化学反応が生じる膜電極複合体の面に向かい合うガス流路とガス導入マニホールドとの間に燃料ガスまたは酸化剤ガスの湿度を調整する湿度調整手段を備える。

本発明によると、ガス導入マニホールドと発電反応が生じる膜電極複合体に向かい合うガス流路との間に例えば保水材などの湿度調整手段を設けることで、燃料ガスまたは酸化剤ガス中に含まれる水蒸気を吸水し、保水し、燃料ガスまたは酸化剤ガス中に含まれる水蒸気が少ない場合に、保水する水によって燃料ガスまたは酸化剤ガスを加湿することができる。これにより例えば氷点下起動時に燃料ガスまたは酸化剤ガスを加湿する加湿器などの暖機が完了していない場合でも、保水材が素早く暖まり、保水材に吸収している水分によって燃料ガスまたは酸化剤ガスを素早く加湿することができる。

本発明の第１実施形態の構成を図１を用いて説明する。図１は単位セル１の概略構成図である。燃料電池は単位セル１を例えば１００から２００枚積層して構成する。

単位セル１は、固体高分子電解質膜（以下、電解質膜とする）２と、電解質膜２を挟持するアノード触媒層３とカソード触媒層４と、アノード触媒層３の外側に設けたアノードガス拡散層５と、カソード触媒層４の外側に設けたカソードガス拡散層６と、を備える。また、アノードガス拡散層５の外側に設けられ、水素流路（ガス流路）７を有するアノードセパレータ８と、カソードガス拡散層６の外側に設けられ、空気流路（ガス流路）９を有するカソードセパレータ１０を備える。さらに水素または空気がリークしないようにエッジシール１１を備える。以下において、電解質膜２とアノード触媒層３とカソード触媒層４とアノードガス拡散層５とカソードガス拡散層６を膜電極複合体（以下、ＭＥＡ：ＭｅｍｂｒａｎｅＥｌｅｃｔｒｏｄｅＡｓｓｅｍｂｌｙ）１３とする。また、単位セル１を冷却するための冷却水が流れる冷却水流路（図示せず）を備える。

アノード触媒層３、カソード触媒層４は、例えば白金などの触媒を例えばカーボンブラックなどに担持体して構成する。アノードガス拡散層５、カソードガス拡散層６は、例えばカーボンペーパーなどから構成する。

アノードセパレータ８について図２を用いて説明する。図２は単位セル１を構成する電解質膜２側から見たアノードセパレータ８の正面図である。図２においてアノード触媒層３、アノードガス拡散層５を配置し、発電を行う領域（反応面）を斜線部２８で示す。

アノードセパレータ８は、例えばステンレスなどを基板として、基板上にめっき処理を施した金属セパレータである。なお、金属セパレータに限られず、例えば黒鉛などを用いたカーボンセパレータを用いても良い。

アノードセパレータ８は、ＭＥＡ１３と対峙する面に水素（燃料ガス）が流れる水素流路７を備え、水素流路７に例えば図示しない水素ボンベから水素を供給する水素導入マニホールド（ガス導入マニホールド）２０と、単位セル１における発電反応に使用されなかった水素を水素流路７から排出する水素排出マニホールド２１を備える。水素流路７と水素導入マニホールド２０はディフューザー（第１の連結部）２２によって連結し、水素流路７と水素排出マニホールド２１はディフューザー２３によって連結する。

また、アノードセパレータ８は、カソードセパレータ１０に設けた空気流路９に空気（酸化剤ガス）を導入する空気導入マニホールド（ガス導入マニホールド）２４と、単位セル１における発電反応に使用されなかった空気を空気流路９から排出する空気排出マニホールド２５と、を備える。さらに、冷却水流路に冷却水を導入するための冷却水導入マニホールド２６と、冷却水流路から冷却水を排出するための冷却水排出マニホールド２７と、を備える。

ディフューザー２２は、図示しない加湿器などによって加湿された水素中に含まれる水蒸気の一部を吸水し、保水する保水材として多孔質カーボン（湿度調整手段）１４を備える。多孔質カーボン１４は水素中の水蒸気が多い場合、つまり水素の湿度が高い場合には水素中の水蒸気の一部を吸水し、水素中の水蒸気が少ない場合、つまり水素の湿度が低い場合には、多孔質カーボン１４に含んでいる水が水蒸気となり、水素を加湿する。ディフューザー２２に設ける保水材としては多孔質カーボンに限られることはなく、例えばポリメチルメタアクリレート（ＰＭＭＡ）などの高分子吸収層を用いてもよい。

多孔質カーボン１４は、水素が流れるディフューザー２２を形成する底面または側面の一部に凹部を設け、その凹部内に配設する。また、多孔質カーボン１４によってディフューザー２２の流路断面積を狭めないように、つまり多孔質カーボン１４によるディフューザー２２の流路抵抗が大きくならないように配設することが望ましい。

カソードセパレータ１０について図３を用いて説明する。図３は単位セル１を構成する電解質膜２側から見たカソードセパレータ１０の正面図である。図３においてカソード触媒層４、カソードガス拡散層６を配置し、発電を行う領域（反応面）を斜線部２９で示す。

カソードセパレータ１０は、ＭＥＡ１３と向かい合う面に空気が流れる空気流路９を備え、空気流路９と空気導入マニホールド２４はディフューザー（第１の連結部）３０によって連結し、空気流路９と空気排出マニホールド２５はディフューザー３１によって連結する。なお、カソードセパレータ１０はアノードセパレータ８と同様に、水素導入マニホールド２０と水素排出マニホールド２１と冷却水導入マニホールド２６と冷却水排出マニホールド２７と、を備える。

ディフューザー３０は、空気中に含まれる水蒸気の一部を吸水する多孔質カーボン１５（湿度調整手段）を備える。多孔質カーボン１５は、ディフューザー２２に設けた多孔質カーボン１４と同様に設ける。

なお、多孔質カーボン１４、１５は氷点下起動時に加湿器などの暖機が完了するまでの間に水素または空気を加湿することができる水量を含水可能となるように設けることが望ましい。

以上の構成によって、多孔質カーボン１４、１５によって、水素または空気中に含まれる水蒸気量を調整することができる。

燃料電池では電解質膜２の乾燥による抵抗の増加を抑制するため、特に水素または空気の流れ方向上流側での乾燥を抑制するために水素または空気を図示しない加湿器などによって加湿して単位セル１に供給する。

しかし、燃料電池の運転を停止し、長時間経過後に再び燃料電池を起動すると、加湿器などの暖機が完了していないために水素または空気を十分に加湿することができず、乾燥した水素または空気を燃料電池に供給することになる。そのため電解質膜２が乾燥した状態で発電反応を行い、燃料電池の発電効率の低下を招く恐れがあり、また電解質膜２の劣化を招く恐れがある。

この実施形態では、水素流路７または空気流路９の水素または空気の流れ方向の上流側となるディフューザー２２、３０に多孔質カーボン１４、１５を設け、通常の燃料電池の運転中に水素または空気中に含まれる水蒸気の一部を多孔質カーボン１４、１５に吸水、保水させる。

そして、燃料電池の長時間停止後の起動時に加湿器などが十分に暖機されておらず、水素または空気を十分に加湿することができない場合に、乾燥した水素または空気が多孔質カーボン１４、１５を上を通る時に多孔質カーボン１４、１５に吸収された水の一部が水蒸気となり、この水蒸気よって水素または空気を加湿する。

また、氷点下起動時などに多孔質カーボン１４、１５に吸収された水が凍結する可能性があるが、多孔質カーボン１４、１５は発電反応が生じる反応面（図２中、斜線部２８または図３中、斜線部２９）と近いために、燃料電池の発電反応に伴う発熱によって多孔質カーボン１４、１５で凍結した水を素早く解凍し、解凍した水によって水素または空気を素早く加湿する。

この実施形態では、多孔質カーボン１４を、水素流路７と水素導入マニホールド２０とを連結するディフューザー２２に設けたが、例えば図４に示すように、発電反応が生じる反応面よりも上流側の水素流路７に設けてもよい。なお、多孔質カーボン１５も同様に発電反応が生じる反応面よりも上流側の空気流路９に設けても良い。

また、この実施形態ではアノードセパレータ８、カソードセパレータ１０に多孔質カーボン１４、１５を設けたが、アノードセパレータ８、カソードセパレータ１０のどちらか一方にだけ多孔質カーボンを設けても良い。

本発明の第１実施形態の効果について説明する。

水素流路７と水素導入マニホールド２０とを連結するディフューザー２２、または空気流路９と空気導入マニホールド２４とを連結するディフューザー３０に保水材として多孔質カーボン１４、１５をそれぞれ設ける。これにより燃料電池の通常の運転時に例えば加湿器などによって加湿された水素または空気中の水蒸気の一部を多孔質カーボン１４、１５に吸水し、保水する。燃料電池の長時間停止後の起動時に加湿器などの暖機が完了しない場合でも、多孔質カーボン１４、１５が保水する水によって水素または空気を加湿することができる。そのため燃料電池の長時間停止後の起動時に加湿器などの暖機が完了していない場合でも、多孔質カーボン１４、１５が保水する水によって水素または空気を素早く加湿し、電解質膜２の乾燥を抑制することができ、燃料電池の発電効率の低下を防止することができる。また電解質膜２の劣化を抑制することができる。

また、単位セル１において発電が生じる反応面に近い箇所に多孔質カーボン１４、１５を設けることで、氷点下起動時の多孔質カーボン１４、１５が保水する水が凍結した場合でも燃料電池の発電による発熱によって多孔質カーボン１４、１５で凍結した水を素早く解凍することができ、解凍した水によって水素または空気を素早く加湿することができ、燃料電池の発電効率の低下を防止することができる。また電解質膜２の劣化を抑制することができる。

次に本発明の第２実形態について図５を用いて説明する。図５はアノードセパレータ４０の水素導入マニホールド２０近傍の拡大図である。ここでは第１実施形態と異なる箇所を中心に説明する。

この実施形態では、アノードセパレータ４０のディフューザー４５と水素流路４６との間に、貯留部４１と、ディフューザー４５と貯留部４１とを連結する連結部４２と、貯留部４１と水素流路４６とを連結する連結部（第２の連結部）４３と、を備える。また、貯留部４１などの周囲には図示しないがシール材などを備える。その他の構成については第１実施形態と同じ構成なので、ここでの説明は省略する。

この実施形態では、重力方向下向きに貯留部４１が位置するように、燃料電池を配置する。

連結部４３は、貯留部４１と水素流路４６とを連結し、その途中に屈曲部４３ａを備える。

図示しない加湿器などによって加湿された水素は、連結部４２、貯留部４１、連結部４３を通り水素流路４６に供給されるが、水素は屈曲部４３ａにおいてその流れが屈曲部４３ａに沿って変更される。

水素流路４６に供給される水素中の水蒸気を多い場合には屈曲部４３ａにおいて水素の流れ方向が変化し、この時の圧力の変化により水蒸気の一部が凝縮し、凝縮した水は貯留部４１に貯留する。また水素中の水蒸気が少ない場合には、貯留部４１を水素が通る際に貯留した水が水蒸気となり、その水蒸気によって水素を加湿する。

以上のようにこの実施形態でも第１実施形態と同様に、水素流路４６に供給する水素の湿度を調整することができ、燃料電池の起動時に加湿器などの暖機が完了していない場合でも水素を加湿することができる。

なお、図示しないがカソードセパレータにアノードセパレータ４０と同様に貯留部４１などを設けても良い。

本発明の第２実施形態の効果について説明する。

ディフューザー４５と水素流路４６との間に、水素中の水蒸気の一部を凝縮させる屈曲部４３ａを有する連結部４３と、貯留部４１と、を設ける。これにより、水素中の水蒸気が多い場合には水蒸気の一部を屈曲部４３ａによって凝縮させ、その凝縮水を貯留部４１に貯留し、水素中の水蒸気が少ない場合には貯留部４１の水によって水素を加湿することができる。そのため燃料電池の起動時に、例えば加湿器などの暖機が完了していない場合でも水素を加湿することができ、燃料電池の発電効率の低下を防止し、電解質膜２の劣化を抑制することができる。

連結部４３に屈曲部４３ａを設け、この屈曲部４３ａによって水蒸気の一部を凝縮させ、貯留部４１に凝縮水を貯留することで、他の部材を用いずに水素を加湿することができる。

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。

燃料電池の起動、停止が多く行われる燃料電池車両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実施形態のアノードセパレータの概略構成図である。本発明の第１実施形態のカソードセパレータの概略構成図である。本発明の第１実施形態の変更例を示す図である。本発明の第２実施形態のアノードセパレータの概略構成図である。

符号の説明

１単位セル
２電解質膜
７水素流路
８、４０アノードセパレータ
９空気流路
１０カソードセパレータ
１３膜電極複合体（ＭＥＡ）
１４、１５多孔質カーボン
２２、３０ディフューザー（第１の連結部）
２０水素導入マニホールド（ガス導入マニホールド）
２４空気導入マニホールド（ガス導入マニホールド）
４１貯留部
４３連結部（第２の連結部）
４３ａ屈曲部

Claims

電解質膜を有する膜電極複合体と、
前記膜電極複合体を挟持し、燃料ガスまたは酸化剤ガスが流れるガス流路を有するセパレータと、
前記ガス流路に前記燃料ガスまたは前記酸化剤ガスを導入するガス導入マニホールドと、を備えた燃料電池において、
前記セパレータは、電気化学反応が生じる前記膜電極複合体に向かい合う前記ガス流路と前記ガス導入マニホールドとの間に、前記燃料ガスまたは前記酸化剤ガスの湿度を調整する湿度調整手段を備えたことを特徴とする燃料電池。
前記ガス流路と前記ガス導入マニホールドとを連結する第１の連結部を備え、
前記湿度調整手段を前記第１の連結部に配設することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
前記湿度調整手段は、前記電気化学反応が生じる前記膜電極複合体に向かい合う前記ガス流路よりも前記燃料ガスまたは前記酸化剤ガスの上流側の前記ガス流路に配設することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池。
前記湿度調整手段は、前記燃料ガスまたは前記酸化剤ガス中の水蒸気を吸収保水し、かつ吸収保水した水によって前記燃料ガスまたは前記酸化剤ガスを加湿可能な保水材であ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。
前記セパレータは、
前記ガス導入マニホールドと前記ガス流路との間に水を貯留する貯留部と、
前記貯留部と前記ガス流路とを連結し、屈曲部を有する第２の連結部と、を備え、
前記湿度調整手段は前記貯留部であり、
前記貯留部は、前記燃料ガスまたは前記酸化剤ガス中に含まれる水蒸気が前記屈曲部によって凝縮した凝縮水を貯留することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。