JP2006278177A - 燃料電池 - Google Patents

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Abstract

【課題】簡単且つ経済的な構成で、反応ガス流路から反応ガス出口連通孔に確実に排水することを可能にする。
【解決手段】第1セパレータ14の面14aには、燃料ガス入口連通孔34aと燃料ガス出口連通孔34bとを連通するサーペンタイン流路である燃料ガス流路36が形成される。燃料ガス流路36の出口側端部36bは、出口バッファ部38bを介して連結通路42bに連通するとともに、前記出口側端部36bの流路本数に対して前記連結通路42bを構成する通路溝44bの溝本数が削減されており、前記出口側端部36bから前記連結通路42bに排出される燃料ガスの流速を高く維持する。
【選択図】図3

Description

本発明は、電解質の両側に一対の電極が設けられた電解質・電極構造体とセパレータとが積層され、前記電解質・電極構造体と前記セパレータとの間には、電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路が形成されるとともに、前記反応ガス流路の入口側に連通する反応ガス入口連通孔と、前記反応ガス流路の出口側に連通する反応ガス出口連通孔とが、積層方向に貫通して形成される燃料電池に関する。
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる固体高分子電解質膜を採用している。この燃料電池は、固体高分子電解質膜の両側に、それぞれ電極触媒(電極触媒層)と多孔質カーボン(拡散層)からなるアノード側電極及びカソード側電極を対設した電解質膜・電極構造体を、セパレータ(バイポーラ板)によって挟持する燃料電池により構成されている。通常、燃料電池は、この燃料電池を所定の数だけ積層した燃料電池スタックとして使用されている。
上記の燃料電池では、積層されている各燃料電池のアノード側電極及びカソード側電極に、それぞれ反応ガスである燃料ガス及び酸化剤ガスを供給するため、内部マニホールドを構成する場合が多い。この内部マニホールドは、燃料電池の積層方向に貫通して設けられる反応ガス入口連通孔及び反応ガス出口連通孔を備えており、電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路の入口側及び出口側には、前記反応ガス入口連通孔及び前記反応ガス出口連通孔がそれぞれ連通している。
例えば、特許文献1に開示されているセパレータは、図8に示すように、中央部に燃料ガス流路溝部1が形成されており、この燃料ガス流路溝部1の上部側には、燃料ガス導入マニホールド孔2a、冷却水導入マニホールド孔3a、酸化剤ガス導入マニホールド孔4a、5aが設けられている。燃料ガス流路溝部1の下部側には、酸化剤ガス排出マニホールド孔4b、5b、冷却水排出マニホールド孔3b及び燃料ガス排出マニホールド孔2bが設けられている。
燃料ガス導入マニホールド孔2aは、複数の燃料ガス通流溝6aを介して燃料ガス流路溝部1に連結されるとともに、この燃料ガス通流溝6aは、図示しない固体高分子電解質膜で塞がれるのを防止するため、平板7aで覆われている。燃料ガス排出マニホールド孔2bは、複数の燃料ガス通流溝6bを介して燃料ガス流路溝部1に連通するとともに、前記燃料ガス通流溝6bは、平板7bに覆われて図示しない固体高分子電解質膜で塞がれるのを防止している。
燃料ガス通流溝6aの幅は、燃料ガス流路溝部1の溝幅よりも大きく形成されており、前記燃料ガス通流溝6aの断面積は、前記燃料ガス流路溝部1の断面積より大きくなっている。燃料ガス排出口を構成する燃料ガス通流溝6bは、燃料ガス通流溝6aと同一の構成を有している。
これにより、燃料ガス通流溝6a、6bの幅が広がって、この部分の流体抵抗を低下させることができ、燃料ガス流路溝部1の流体抵抗を下げて燃料電池の発電性能を高めることができる、としている。
特開2000−164227号公報(図1)
しかしながら、上記の特許文献1では、燃料ガス流路溝部1の出口側の流速が低下するとともに、この出口側に断面積の大きな燃料ガス通流溝6bが連通するため、流速がさらに低下する。従って、特定セルの燃料ガス流路溝部1の出口において、排水性が低くなってしまい、結露水が滞留して圧損が増加するおそれがある。これにより、スタック内での反応ガスの流配が変動し、特定セルにおける反応ガスのストイキ(反応ガス利用率)が低下し、発電電圧の低下が惹起してスタックを安定して発電させることができないという問題がある。
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単且つ経済的な構成で、反応ガス流路から反応ガス出口連通孔に確実な排水を行うことができ、効率的な発電を遂行することが可能な燃料電池を提供することを目的とする。
本発明は、電解質の両側に一対の電極が設けられた電解質・電極構造体とセパレータとが積層され、前記電解質・電極構造体と前記セパレータとの間には、電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路が形成されるとともに、前記反応ガス流路の入口側に連通する反応ガス入口連通孔と、前記反応ガス流路の出口側に連通する反応ガス出口連通孔とが、積層方向に貫通して形成される燃料電池である。
反応ガス流路の出口側と反応ガス出口連通孔とは、連結通路を介して連通するとともに、前記連結通路の流路開口断面積は、前記反応ガス流路の出口側の流路開口断面積よりも小さい。
また、電解質・電極構造体とセパレータとは、水平方向に積層される一方、反応ガス流路の出口側は、水平方向に向かって延在することが好ましい。セパレータの水平方向両端に連通孔を設けることができ、スタックの高さを低く抑える事が可能になり、特に床下搭載に好適である。
さらに、反応ガス流路の出口側には、出口バッファ部が設けられるとともに、前記出口バッファ部は、上部側に傾斜面を有することが好ましい。上部側に滞留し易い水を傾斜面に沿って流動させることができるからである。
さらにまた、反応ガス流路は、水平方向に折り返し部位を有するとともに、上方から下方に向かって反応ガスを流すことが好ましい。反応ガス流路の流体長が長尺化して生成水の排出性が向上するからである。
また、連結通路は、反応ガス流路の出口側の下部に寄って設けられることが好ましい。下部側に水滴が滞留することを防止するためである。さらに、セパレータは、連結通路の通路面が反応ガス流路の流路面に比べて親水性が高く設定されることが好ましい。水滴が滞留することがなく、排水が速やかに遂行されるからである。
本発明によれば、反応ガス流路の出口側と反応ガス出口連通孔とを連通する連結通路の流路開口断面積が、前記出口側の流路開口断面積よりも小さい。このため、反応ガス流路から反応ガス出口連通孔に向かって反応ガスの流速を高めることができる。
従って、反応ガス流路の出口側に滞留水が存在することを良好に阻止することが可能になり、排水性を一層向上させることができる。これにより、簡単且つ経済的な構成で、圧損の増加による反応ガス流配の低下を抑制し、安定した発電が効率的に行われる。
図1は、本発明の第1の実施形態に係る燃料電池10の要部分解斜視図であり、図2は、前記燃料電池10の一部断面図である。
燃料電池10は、電解質膜・電極構造体(電解質・電極構造体)12と、第1及び第2セパレータ14、16とを、水平方向(矢印A方向)に積層しており、通常、燃料電池スタックを構成する。第1及び第2セパレータ14、16は、例えば、金属プレート又はカーボンプレートで構成される。
電解質膜・電極構造体12は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜18と、該固体高分子電解質膜18を挟持するアノード側電極20及びカソード側電極22とを備える。
アノード側電極20及びカソード側電極22は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層(図示せず)と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子を前記ガス拡散層の表面に一様に塗布して形成される電極触媒層(図示せず)とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜18の両面に形成される。
燃料電池10の矢印B方向の一端縁部には、積層方向である矢印A方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔(反応ガス入口連通孔)30a、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔32a、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔(反応ガス出口連通孔)34bが、矢印C方向(鉛直方向)に配列して設けられる。
燃料電池10の矢印B方向の他端縁部には、矢印A方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔(反応ガス入口連通孔)34a、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔32b、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔(反応ガス出口連通孔)30bが、矢印C方向に配列して設けられる。
図1〜図3に示すように、第1セパレータ14の電解質膜・電極構造体12に向かう面14aには、燃料ガス流路(反応ガス流路)36が設けられる。燃料ガス流路36は、図3に示すように、複数の燃料ガス流路溝36aを有し、前記燃料ガス流路溝36aは、矢印B方向(水平方向)に蛇行しながら矢印C方向(鉛直方向)に延在しており、具体的には、矢印B方向に1往復半だけ屈曲するサーペンタイン流路を構成している。
燃料ガス流路36と燃料ガス入口連通孔34a及び燃料ガス出口連通孔34bとの間に、複数のエンボス(又はディンプル)を有する入口バッファ部38a及び出口バッファ部38bが設けられる。燃料ガス入口連通孔34a及び燃料ガス出口連通孔34bと、入口バッファ部38a及び出口バッファ部38bとは、連結通路42a、42bを介して連通する。連結通路42a、42bには、シールラインに沿ってブリッジ用の板体43a、43bが配設される。
連結通路42a、42bは、それぞれ水平方向(矢印B方向)に延在する複数本の通路溝44a、44bを有する。燃料ガス流路溝36aの出口側端部36bは、水平方向に向かって延在するとともに、連結通路42bの流路開口断面積は、前記出口側端部36bの流路開口断面積よりも小さく設定される。
具体的には、図3及び図4に示すように、出口側端部36bの溝本数が7本であるのに対して、連結通路42bを構成する通路溝44bの溝本数が4本に設定される。通路溝44bは、好ましくは、出口側端部36bの下部に寄って設けられるが、前記出口側端部36bの矢印C方向の幅寸法内に等間隔又は所望の間隔ずつ離間して設けてもよい。
第1セパレータ14の面14aは、連結通路42bの通路面が燃料ガス流路36の流路面に比べて親水性が高く設定される。親水性処理としては、例えば、親水性物質を液状媒体に混在させた溶液を、連結通路42bの通路面に接触させることにより、あるいは、有機化合物又は無機化合物からなる親水性塗膜を、前記通路面に形成することにより、行われる他、公知の種々の方法が適用される。親水性は、水滴と物質表面との接触角により表わされ、例えば、90度以下の接触角を設定される。
図5に示すように、第2セパレータ16の電解質膜・電極構造体12に向かう面16aには、酸化剤ガス流路(反応ガス流路)48が設けられる。酸化剤ガス流路48は、燃料ガス流路36と同様に、矢印B方向に1往復半だけ屈曲するサーペンタイン流路を構成する複数の酸化剤ガス流路溝48aを有する。
酸化剤ガス流路48と酸化剤ガス入口連通孔30a及び酸化剤ガス出口連通孔30bとの間に、複数のエンボス(又はディンプル)を有する入口バッファ部50a及び出口バッファ部50bが設けられる。酸化剤ガス入口連通孔30a及び酸化剤ガス出口連通孔30bと、入口バッファ部50a及び出口バッファ部50bとは、連結通路52a、52bを介して連通する。連結通路52a、52bには、シールラインに沿って板体54a、54bが配設される。
酸化剤ガス流路溝48aの出口側端部48bは、水平方向に延在しており、連結通路52bの流路開口断面積は、前記出口側端部48bの流路開口断面積よりも小さく設定される。具体的には、出口側端部48bの流路本数(例えば、7本)に対して、連結通路52bの通路溝56bの溝本数(例えば、4本)を削減して構成される。
連結通路52bは、出口側端部48bの下部側に寄って設けられることが好ましい。第2セパレータ16の面16aは、連結通路52bの通路面が酸化剤ガス流路48の流路面に比べて親水性が高く設定される。
第1セパレータ14と第2セパレータ16とは、互いに対向する面14b、16bに冷却媒体流路58を一体的に形成する(図1参照)。冷却媒体流路58は、矢印B方向に延在しており、冷却媒体入口連通孔32aと冷却媒体出口連通孔32bとに連通する。
図1〜図3に示すように、第1セパレータ14の面14a、14bには、この第1セパレータ14の外周縁部を周回して第1シール部材60が設けられるとともに、第2セパレータ16の面16a、16bには、この第2セパレータ16の外周縁部を周回して第2シール部材62が設けられる。
このように構成される燃料電池10の動作について、以下に説明する。
図1に示すように、酸化剤ガス入口連通孔30aに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔34aに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔32aに純水やエチレングリコール等の冷却媒体が供給される。
酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔30aから第2セパレータ16の酸化剤ガス流路48に導入される。酸化剤ガス流路48では、図5に示すように、酸化剤ガスが一旦入口バッファ部50aに導入された後、複数の酸化剤ガス流路溝48aに分散される。このため、酸化剤ガスは、各酸化剤ガス流路溝48aを介して蛇行しながら、電解質膜・電極構造体12のカソード側電極22に沿って移動する。
一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔34aから第1セパレータ14の燃料ガス流路36に導入される。この燃料ガス流路36では、図3に示すように、燃料ガスが一旦入口バッファ部38aに導入された後、複数の燃料ガス流路溝36aに分散される。さらに、燃料ガスは、各燃料ガス流路溝36aを介して蛇行し、電解質膜・電極構造体12のアノード側電極20に沿って移動する。
従って、電解質膜・電極構造体12では、カソード側電極22に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極20に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。
次いで、カソード側電極22に供給されて消費された酸化剤ガスは、出口バッファ部50bから酸化剤ガス出口連通孔30bに排出される(図1及び図5参照)。同様に、アノード側電極20に供給されて消費された燃料ガスは、出口バッファ部38bから燃料ガス出口連通孔34bに排出される(図3参照)。
一方、冷却媒体入口連通孔32aに供給された冷却媒体は、第1及び第2セパレータ14、16間に形成された冷却媒体流路58に導入される(図1参照)。この冷却媒体流路58では、冷却媒体が電解質膜・電極構造体12の発電面の全面にわたって冷却した後、冷却媒体出口連通孔32bに排出される。
この場合、第1の実施形態では、図3及び図4に示すように、燃料ガス流路36の出口側端部36bは、出口バッファ部38bを介して連結通路42bを構成する通路溝44bから燃料ガス出口連通孔34bに連通している。その際、出口側端部36bは、溝本数を略半減(例えば、7本から4本)されて通路溝44bに連通しており、連結通路42bの流路開口断面積は、前記出口側端部36bの流路開口断面積よりも小さい。
このため、連結通路42bから燃料ガス出口連通孔34bに向かって排出される燃料ガスの流速を高めることができる。従って、燃料ガス流路36に発生する結露水やカソード側電極22から逆拡散される生成水は、前記燃料ガス流路36から燃料ガス出口連通孔34bに良好且つ確実に排出され、前記燃料ガス流路36に滞留水が存在することを阻止することが可能になる。
これにより、第1の実施形態では、排水性を一層向上させることができ、簡単且つ経済的な構成で、圧損の増加による燃料ガスの流速の低下を抑制し、効率的な発電を良好に行うことが可能になるという効果が得られる。
しかも、連結通路42bは、燃料ガス流路36の出口側端部36bの下部に寄って設けられている。従って、出口側端部36bから出口バッファ部38bに排出される水は、前記連結通路42bを構成する各通路溝44bを介して容易且つ円滑に燃料ガス出口連通孔34bに排出され、下部の水滴の滞留を防止することができる。
さらに、連結通路42bの通路面は、燃料ガス流路36の流路面に比べて親水性が高く設定されている。このため、連結通路42bで水分が水滴化することがなく、この連結通路42bから燃料ガス出口連通孔34bへの排水性が一層向上するという利点がある。
さらにまた、電解質膜・電極構造体12と第1及び第2セパレータ14、16とは、水平方向に積層されるとともに、燃料ガス出口連通孔34bの出口側端部36bは、水平方向に向かって延在している。従って、第1及び第2セパレータ14、16の水平方向両端に連通孔を設けることができ、燃料電池スタックの高さを低く抑える事が可能になり、特に前記燃料電池スタックを床下に搭載する際に好適である。
一方、酸化剤ガス流路48では、図5に示すように、燃料ガス流路36と同様に出口側端部48bに、流路本数を略半減して連結通路52bが連通している。これにより、上記の燃料ガス流路36と同様の効果が得られる。
なお、第1の実施形態では、燃料ガス流路36の出口側端部36bの溝本数に対して、連結通路42bの通路溝44bの溝本数を削減しているが、これに限定されるものではない。例えば、通路溝44bを出口側端部36bと同数で且つ該出口側端部36bよりも幅狭に構成することによって、連結通路42bの流路開口断面積を小さく設定してもよい。
図6は、本発明の第2の実施形態に係る燃料電池80の要部分解斜視図である。なお、第1の実施形態に係る燃料電池10と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第3の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。
燃料電池80は、電解質膜・電極構造体(電解質・電極構造体)82と、前記電解質膜・電極構造体82を挟持する第1及び第2セパレータ(金属プレート又はカーボンプレート)84、86とを備える。
電解質膜・電極構造体82は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜88と、前記固体高分子電解質膜88を挟持するアノード側電極90及びカソード側電極92とを備える。アノード側電極90の表面積は、カソード側電極92の表面積よりも小さく設定される。
図6及び図7に示すように、第1セパレータ84は、燃料ガス入口連通孔34aの近傍に複数の供給孔部(連結通路)94aを設ける一方、燃料ガス出口連通孔34bの近傍に複数の排出孔部(連結通路)94bを設ける。排出孔部94bの流路開口断面積は、燃料ガス流路36の出口側端部36bの流路開口断面積よりも小さく設定される。
具体的には、図7に示すように、供給孔部94aは、燃料ガス流路36を構成する燃料ガス流路溝36aと同数に設定される一方、排出孔部94bは、前記燃料ガス流路溝36aの出口側端部36bの溝本数よりも少なく、例えば、半数に設定される。出口側端部36bが、例えば、6本の溝本数を有する際には、排出孔部94bが3本に設定されるとともに、前記排出孔部94bは、前記出口側端部36bの下部に寄って設けられる。第1セパレータ84の面14aは、排出孔部94bの孔部面が燃料ガス流路36の流路面に比べて親水性が高く設定される。
このように構成される燃料電池80では、燃料ガスが燃料ガス入口連通孔34aから第1セパレータ84の面14b側から供給孔部94aを通って面14a側に移動し、燃料ガス流路36に供給される。この燃料ガスは、燃料ガス流路36に沿って水平方向に蛇行しながら鉛直下方向に移動した後、排出孔部94bを通って面14b側に導入され、燃料ガス出口連通孔34bから排出される。
その際、排出孔部94bの流路開口断面積は、燃料ガス流路36の出口側端部36bの流路開口断面積よりも小さく設定されている。このため、排出孔部94bを通過する燃料ガスの流速を高く維持することができ、排水性の向上が図られる等、第1の実施形態と同様の効果が得られる。
なお、第2の実施形態では、供給孔部94a及び排出孔部94bと燃料ガス流路36との間には、図示していないが、バッファ部を設けてもよい。
図8は、本発明の第3の実施形態に係る燃料電池を構成する第1セパレータ100の正面説明図である。
第1セパレータ100は、燃料ガス流路36と燃料ガス出口連通孔34bとの間に、複数のエンボス(又はディンプル)を有する出口バッファ部102が設けられる。この出口バッファ部102は、上部側に傾斜面102aを有しており、図8中、エンボスの右上部に滞留し易く水は、前記傾斜面102aの傾斜に沿って円滑に流動する。これにより、出口バッファ部102に滞留水が発生することを一層確実に阻止することが可能になる。
本発明の第1の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視図である。 前記燃料電池の一部断面図である。 前記燃料電池を構成する第1セパレータの正面説明図である。 燃料ガス流路の出口側と連結通路の要部斜視説明図である。 前記燃料電池を構成する第2セパレータの正面説明図である。 本発明の第2の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視図である。 前記燃料電池を構成する第1セパレータの正面説明図である。 本発明の第3の実施形態に係る燃料電池を構成する第1セパレータの正面説明図ある。 特許文献1に開示されているセパレータの説明図である。
符号の説明
10、80…燃料電池 12、82…電解質膜・電極構造体
14、16、84、86、100…セパレータ
18、88…固体高分子電解質膜 20、90…アノード側電極
22、92…カソード側電極 30a…酸化剤ガス入口連通孔
30b…酸化剤ガス出口連通孔 32a…冷却媒体入口連通孔
32b…冷却媒体出口連通孔 34a…燃料ガス入口連通孔
34b…燃料ガス出口連通孔 36…燃料ガス流路
36a…燃料ガス流路溝 36b、48b…出口側端部
38a、50a…入口バッファ部
38b、50b、102…出口バッファ部
42a、42b、52a、52b…連結通路
44a、44b、56b…通路溝 48…酸化剤ガス流路
48a…酸化剤ガス流路溝 58…冷却媒体流路
94a…供給孔部 94b…排出孔部

Claims (6)

  1. 電解質の両側に一対の電極が設けられた電解質・電極構造体とセパレータとが積層され、前記電解質・電極構造体と前記セパレータとの間には、電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路が形成されるとともに、前記反応ガス流路の入口側に連通する反応ガス入口連通孔と、前記反応ガス流路の出口側に連通する反応ガス出口連通孔とが、積層方向に貫通して形成される燃料電池であって、
    前記反応ガス流路の出口側と前記反応ガス出口連通孔とは、連結通路を介して連通するとともに、
    前記連結通路の流路開口断面積は、前記反応ガス流路の出口側の流路開口断面積よりも小さいことを特徴とする燃料電池。
  2. 請求項1記載の燃料電池において、前記電解質・電極構造体と前記セパレータとは、水平方向に積層される一方、
    前記反応ガス流路の出口側は、水平方向に向かって延在することを特徴とする燃料電池。
  3. 請求項2記載の燃料電池において、前記反応ガス流路の出口側には、出口バッファ部が設けられるとともに、
    前記出口バッファ部は、上部側に傾斜面を有することを特徴とする燃料電池。
  4. 請求項1乃至3のいずれか1項に記載の燃料電池において、前記反応ガス流路は、水平方向に折り返し部位を有するとともに、上方から下方に向かって前記反応ガスを流すことを特徴とする燃料電池。
  5. 請求項1乃至4のいずれか1項に記載の燃料電池において、前記連結通路は、前記反応ガス流路の出口側の下部に寄って設けられることを特徴とする燃料電池。
  6. 請求項1乃至5のいずれか1項に記載の燃料電池において、前記セパレータは、前記連結通路の通路面が前記反応ガス流路の流路面に比べて親水性が高く設定されることを特徴とする燃料電池。
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