JP2007018742A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池の発電性能の低下を抑制することを可能とする。
【解決手段】 燃料電池は、電解質層と、電解質層の両側に配置され、内部において反応ガスを流通させて電解質層に反応ガスを供給する拡散層と、拡散層の両側に配置され、拡散層に反応ガスを供給するセパレータと、を備える。セパレータは、拡散層に対向する表面が平坦形状である。拡散層は、少なくとも１つの層を含み、拡散層の少なくとも１つの層は、反応ガスの流れの上流側に近い部分ほど、内部における反応ガスの流路抵抗が小さくなるように構成されている。
【選択図】 図５

Description

本発明は、燃料電池に関し、特に燃料電池の発電性能の低下を抑制するための技術に関する。

水素と酸素との電気化学反応を利用して発電する燃料電池が注目されている。燃料電池は、一般に、発電体とセパレータとが交互に積層された構成を有する。発電体は、例えば、電解質層の一方の表面にカソード電極層が配置され他方の表面にアノード電極層が配置されたＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly、「膜・電極接合体」とも呼ぶ）と、ＭＥＡの両側に配置された多孔体層と、から構成される。一般に、カソード電極層およびアノード電極層（以下まとめて「電極層」と呼ぶ）と、多孔体層とは、内部において反応ガス（酸素を含む空気および水素を含む燃料ガス）を拡散させるために、内部空隙率の大きい多孔体によって構成される。なお、本明細書では、電極層と多孔体層とを、まとめて、「拡散層」とも呼ぶ。

拡散層には、セパレータを介して、反応ガスが供給される。拡散層に供給された反応ガスは、拡散層内部で拡散され、電気化学反応に利用される。

拡散層内部には、燃料電池における電気化学反応に伴って生成・凝縮された水（以下「凝縮水」と呼ぶ）が流入することがある。拡散層内部の凝縮水は、反応ガスの流れによって下流側へと運ばれ、拡散層の外部へと排出される。しかし、凝縮水が排出されず拡散層内部に滞留すると、拡散層内部における反応ガスの流通が阻害され、燃料電池の発電性能が低下するおそれがある。凝縮水は、反応ガスの流れによって運ばれるため、特に、反応ガスの下流側の拡散層の部分において、凝縮水の滞留による反応ガスの流通阻害が発生しやすい。

このような反応ガスの流通阻害を抑制するために、拡散層内部の気孔の数を反応ガスの上流側の部分より下流側の部分ほど多くする技術が開示されている（例えば特許文献１）。

特開平８−１２４５８３号公報

しかし、上記従来技術では、拡散層内部において、下流側の部分の気孔の数が多いため、下流側の部分における反応ガスの流路抵抗が小さくなり、反応ガスの流速が減少する。そのため、凝縮水は、反応ガスの流れによって拡散層外部へと排出されにくくなり、拡散層内部に滞留しやすくなる。この結果、上記従来技術では、拡散層内における反応ガスの流通が阻害されやすくなり、燃料電池の発電性能が低下するおそれがある。

本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池の発電性能の低下を抑制することを可能とする技術を提供することを目的とする。

上記課題の少なくとも一部を解決するために、本発明の燃料電池は、
電解質層と、
前記電解質層の両側に配置され、内部において反応ガスを流通させて前記電解質層に反応ガスを供給する拡散層と、
前記拡散層の両側に配置され、前記拡散層に反応ガスを供給するセパレータと、を備え、
前記セパレータは、前記拡散層に対向する表面が平坦形状であり、
前記拡散層は、少なくとも１つの層を含み、
前記拡散層の少なくとも１つの層は、反応ガスの流れの上流側に近い部分ほど、内部における反応ガスの流路抵抗が小さくなるように構成されている。

この燃料電池は、拡散層の少なくとも１つの層が、反応ガスの流れの上流側に近い部分ほど、内部における反応ガスの流路抵抗が小さくなるように構成されているため、反応ガスの流速が、上流側に近い部分ほど小さく、下流側に近い部分ほど大きくなる。そのため、凝縮水の滞留が発生しやすい下流側に近い部分において、反応ガスの流れによる凝縮水の排出が促進される。従って、この燃料電池では、発電性能の低下を抑制することができる。

上記燃料電池において、前記拡散層の少なくとも１つの層は、前記反応ガスの流れの上流側に近い部分ほど、空隙率が大きいとしてもよい。

このようにすれば、拡散層の少なくとも１つの層を、反応ガスの流れの上流側に近い部分ほど、内部における反応ガスの流路抵抗が小さくなるように構成することができる。

また、上記燃料電池において、前記セパレータは、前記拡散層に対向する表面に、前記拡散層に反応ガスを供給するための供給口と、前記拡散層から反応ガスを排出するための排出口と、を有し、前記拡散層の少なくとも１つの層における反応ガスの流れの方向は、前記供給口に近い部分から前記排出口に近い部分へと向かう方向であるとしてもよい。

また、上記燃料電池において、前記拡散層は、ガス拡散層と多孔体層とから構成され、前記多孔体層は、前記セパレータ表面に接しており、前記拡散層の少なくとも１つの層は、前記多孔体層であるとしてもよい。

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、燃料電池、燃料電池システム、燃料電池車両、それらの製造方法等の態様で実現することができる。

次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．実施例：
Ｂ．変形例：

Ａ．実施例：
図１および図２は、本発明の実施例としての燃料電池１００の断面構成を概略的に示す説明図である。図３は、本発明の実施例としての燃料電池１００に用いられるセパレータ３００の平面構成を概略的に示す説明図である。図４は、本発明の実施例としての燃料電池１００に用いられる発電体２００およびシート部４００の平面構成を概略的に示す説明図である。図１（ａ）は、図３および図４における１−１切断面に沿った燃料電池１００の断面構成を表しており、図２（ａ）は、図３および図４における２−２切断面に沿った燃料電池１００の断面構成を表している。図１（ｂ）は、図１（ａ）におけるＸ１部を拡大して表しており、図２（ｂ）は、図２（ａ）におけるＸ２部を拡大して表している。図３は、図１および図２における下側から見たセパレータ３００の平面を表している。図４は、図１および図２における下側から見た発電体２００およびシート部４００の平面を表している。図３において、二点鎖線で囲んだ領域ＰＡは、発電体２００（図１および図２参照）と接する領域を表している。

本実施例の燃料電池１００は、図１および図２に示すように、発電体２００とセパレータ３００とが交互に積層された構成を有している。図１および図２では、燃料電池１００に含まれる発電体２００およびセパレータ３００の内の一部（単セル）を抜き出して示しており、他の発電体２００およびセパレータ３００は図示を省略している。なお、本実施例の燃料電池１００は、固体高分子型の燃料電池である。

発電体２００は、図１（ａ）および図２（ａ）に示すように、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly、「膜・電極接合体」とも呼ぶ）２１０と、ＭＥＡ２１０を両側から挟むように配置されたアノード側多孔体層２２０およびカソード側多孔体層２３０と、を有している。またＭＥＡ２１０は、図１（ｂ）および図２（ｂ）に示すように、イオン交換膜によって構成された電解質層２１２と、電解質層２１２を両側から挟むように配置されたアノード側ガス拡散電極層２１４およびカソード側ガス拡散電極層２１６と、を有している。本明細書では、アノード側多孔体層２２０とカソード側多孔体層２３０とを、まとめて、単に「多孔体層」とも呼ぶ。また、アノード側ガス拡散電極層２１４とカソード側ガス拡散電極層２１６とを、まとめて、単に「電極層」とも呼ぶ。また、本明細書では、多孔体層と電極層とを、まとめて、「拡散層」とも呼ぶ。

多孔体層（アノード側多孔体層２２０およびカソード側多孔体層２３０）と、電極層（アノード側ガス拡散電極層２１４およびカソード側ガス拡散電極層２１６）とは、内部空隙率が高く気体が内部を流通する際の圧力損失が小さい金属製多孔体やカーボン製多孔体を用いて構成されている。多孔体層の詳細構造については、後述する。

セパレータ３００は、図１（ｂ）および図２（ｂ）に示すように、カソード側多孔体層２３０に対向するカソード対向プレート３１０と、アノード側多孔体層２２０に対向するアノード対向プレート３３０と、カソード対向プレート３１０およびアノード対向プレート３３０に狭持された中間プレート３２０と、を積層した３層構造を有している。セパレータ３００を構成する３枚のプレート（カソード対向プレート３１０、アノード対向プレート３３０、中間プレート３２０）は、金属製の略四角形平面の薄板である。

セパレータ３００には、図１および図３に示すように、酸化ガスとしての空気が流通する流路が形成されている。すなわち、セパレータ３００は、空気供給路６１０（図１（ａ））を形成する貫通口３４２と、空気排出路６２０（図１（ａ））を形成する貫通口３５２と、空気を空気供給路６１０から内部へと導くための空気流路３４４と、空気を空気排出路６２０へと導くための空気流路３５４と、空気流路３４４および３５４とカソード側多孔体層２３０とをそれぞれ連通するためにカソード対向プレート３１０に形成された空気供給口３４６および空気排出口３５６と、を有している。図１において矢印で示したように、空気供給路６１０に供給された空気は、貫通口３４２、空気流路３４４、空気供給口３４６を経てカソード側多孔体層２３０内部に流入する。その後、空気は、カソード側多孔体層２３０内部を通過しつつ電気化学反応に利用され、利用されなかった空気は、空気排出口３５６、空気流路３５４、貫通口３５２を経て空気排出路６２０に排出される。

同様に、セパレータ３００には、図２および図３に示すように、水素リッチな燃料ガスが流通する流路が形成されている。すなわち、セパレータ３００は、燃料供給路６３０（図２（ａ））を形成する貫通口３６２と、燃料排出路６４０（図２（ａ））を形成する貫通口３７２と、燃料ガスを燃料供給路６３０から内部へと導くための燃料流路３６４と、燃料ガスを燃料排出路６４０へと導くための燃料流路３７４と、燃料流路３６４および３７４とアノード側多孔体層２２０とをそれぞれ連通するためにアノード対向プレート３３０に形成された燃料供給口３６６および燃料排出口３７６と、を有している。図２において矢印で示したように、燃料供給路６３０に供給された燃料ガスは、貫通口３６２、燃料流路３６４、燃料供給口３６６を経てアノード側多孔体層２２０内部に流入する。その後、燃料ガスは、アノード側多孔体層２２０内部を通過しつつ電気化学反応に利用され、利用されなかった燃料ガスは、燃料排出口３７６、燃料流路３７４、貫通口３７２を経て燃料排出路６４０に排出される。

さらに、セパレータ３００には、燃料電池１００を冷却する冷却媒体が流通する流路が形成されている。すなわち、セパレータ３００は、冷却媒体を供給する図示しない冷却媒体供給路を形成する貫通口３８２（図３）と、冷却媒体を排出する図示しない冷却媒体排出路を形成する貫通口３９２（図３）と、２つの貫通口３８２および３９２を連通する冷却媒体流路３８４（図３および図１（ａ））と、を有している。冷却媒体供給路に供給された冷却媒体は、貫通口３８２、冷却媒体流路３８４、貫通口３９２を経て、冷却媒体排出路に排出される。

なお、上述したセパレータ３００における空気、燃料ガス、冷却媒体が流通する流路の形成は、セパレータ３００を構成する３枚のプレート（カソード対向プレート３１０、アノード対向プレート３３０、中間プレート３２０）に、所定の打ち抜き加工を施すことによって行われる。そのため、本実施例の燃料電池１００では、セパレータ３００の製造の容易化・低コスト化を図ることができる。

ＭＥＡ２１０の周囲には、図１および図２に示すように、シート部４００が設けられている。シート部４００は、図４に示すように、上述の空気、燃料ガス、冷却媒体が流通する流路を形成するための複数の孔を有している。すなわち、シート部４００は、空気供給路６１０（図１（ａ））を形成する空気供給路形成孔４４２と、空気排出路６２０（図１（ａ））を形成する空気排出路形成孔４５２と、燃料供給路６３０（図２（ａ））を形成する燃料供給路形成孔４６２と、燃料排出路６４０（図２（ａ））を形成する燃料排出路形成孔４７２と、冷却媒体供給路（図示せず）を形成する冷却媒体供給路形成孔４８２と、冷却媒体排出路（図示せず）を形成する冷却媒体排出路形成孔４９２と、を有している。

シート部４００とセパレータ３００との間には、図１および図２に示すように、シール部５００が設けられている。本実施例では、シール部５００は、例えば、シリコンゴム、ブチルゴム、フッ素ゴム等の樹脂材料により形成される。シール部５００は、セパレータ３００とシート部４００とに挟まれて圧縮されることにより、セパレータ３００およびシート部４００に密着し、シールを行う。シール部５００は、アノード側多孔体層２２０およびカソード側多孔体層２３０に供給された反応ガス（空気および燃料ガス）の層方向に沿った漏洩を抑制すると共に、上述した各種流路（空気供給路６１０、空気排出路６２０、燃料供給路６３０、燃料排出路６４０、冷却媒体供給路、冷却媒体排出路）を形成するために、設けられる。そのため、シール部５００は、図４に示すように、発電体２００のアノード側多孔体層２２０の周囲を取り囲むと共に、シート部４００に形成された各孔の周囲を取り囲むように配置されている。なお、図５には、シール部５００として、シール部５００のセパレータ３００との当接部（シールライン）を示している。また、カソード側も同様に、シール部５００が、発電体２００のカソード側多孔体層２３０の周囲を取り囲むと共に、シート部４００に形成された各孔の周囲を取り囲むように配置されている。

図５は、本実施例におけるカソード側多孔体層２３０の構造を示す説明図である。図５には、カソード側多孔体層２３０の平面における空気供給口３４６および空気排出口３５６に面する位置（図１および図４参照）を破線で示すと共に、カソード側多孔体層２３０内部における空気の流れ方向を矢印で示している。

図５に示すように、本実施例のカソード側多孔体層２３０は、第１多孔体層２３１と、第２多孔体層２３２と、第３多孔体層２３３と、第４多孔体層２３４と、から構成されている。カソード側多孔体層２３０を構成する各多孔体層（第１多孔体層２３１、第２多孔体層２３２、第３多孔体層２３３、第４多孔体層２３４）は、それぞれ、空気の流れ方向に垂直な方向に伸びる帯状の矩形形状に形成されている。カソード側多孔体層２３０を構成する各多孔体層は、空気の流れ方向に沿って、第１多孔体層２３１、第２多孔体層２３２、第３多孔体層２３３、第４多孔体層２３４の順に配置されている。なお、空気供給口３４６は第１多孔体層２３１に面しており、空気排出口３５６は第４多孔体層２３４に面している。

カソード側多孔体層２３０を構成する各多孔体層は、それぞれ、異なる空隙率の多孔体によって構成されている。図５には、各多孔体層の内部に形成された空隙２３９の様子を、一部（Ｙ１部、Ｙ２部、Ｙ３部、Ｙ４部）を拡大して概念的に示している。図５に示すように、各多孔体層の空隙率は、第１多孔体層２３１が一番大きく、第２多孔体層２３２、第３多孔体層２３３、第４多孔体層２３４の順に小さくなっている。すなわち、空気の流れの上流側に近い多孔体層ほど、空隙率が大きくなっている。そのため、各多孔体層の内部の流路抵抗は、空気の流れの上流側に近い多孔体層ほど小さい。なお、図５では、多孔体層内部の空隙率を概念的に示すため、各空隙２３９を独立した空隙として示しているが、実際には、空隙２３９は他の空隙２３９と連通し、空気の流路を形成している。

本実施例におけるカソード側多孔体層２３０は、内部の流路抵抗が空気の流れの上流側に近い部分ほど小さくなるように構成されているため、カソード側多孔体層２３０内部を流通する空気の流速は、上流側に近い部分ほど小さく、下流側に近い部分ほど大きくなる。カソード側多孔体層２３０の下流側に近い部分では、凝縮水の滞留が発生しやすいが、本実施例のカソード側多孔体層２３０では、下流側に近い部分の空気の流速が大きいので、凝縮水の排出が促進される。その結果、凝縮水の滞留によるカソード側多孔体層２３０内部における空気の流通阻害を抑制することができる。従って、本実施例の燃料電池１００では、発電性能の低下を抑制することができる。

なお、本実施例の燃料電池１００は、多孔体層に対向する表面が平坦形状であるセパレータ３００を採用しているため、空気は、セパレータ３００の空気供給口３４６（図１）からカソード側多孔体層２３０の上流側の部分（第１多孔体層２３１）に供給された後は、カソード側多孔体層２３０内部を拡散しつつ発電に供される。そのため、例えば、表面に空気の流路としての溝が形成されたセパレータを採用した場合と比較して、カソード側多孔体層２３０内部における凝縮水の滞留が発生しやすく、また、凝縮水の滞留による発電性能への影響も大きい。本実施例の燃料電池１００では、このような多孔体層に対向する平面が平坦形状であるセパレータ３００を採用した場合にも、凝縮水の滞留によるカソード側多孔体層２３０内部における空気の流通阻害を抑制することができ、発電性能の低下を抑制することができる。

また、本実施例の燃料電池１００では、空気の流れの上流側に近いカソード側多孔体層２３０の部分では、空気の流速を小さくすることができるため、空気流によるＭＥＡ２１０（図１）の乾燥を抑制することができ、ＭＥＡ２１０の乾燥による電気抵抗の増加を抑制することができる。そのため、本実施例の燃料電池１００では、燃料電池１００の発電性能の低下を抑制することができる。

さらに、本実施例の燃料電池１００では、カソード側多孔体層２３０内部の流路抵抗が空気の流れの上流側に近い部分ほど小さくなるように構成されているため、上流側に近い部分における空気の圧力の低下が小さい。そのため、カソード側多孔体層２３０内部の空気の圧力は比較的高く保たれ、飽和蒸気圧も高く保たれる。その結果、電気化学反応によって生成された水が凝縮しにくくなり、凝縮水の滞留によるカソード側多孔体層２３０内部における空気の流通阻害を抑制することができる。従って、本実施例の燃料電池１００では、燃料電池１００の発電性能の低下を抑制することができる。

Ｂ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

Ｂ−１．変形例１：
上記実施例における、燃料電池１００の構成は、あくまで一例であり、燃料電池１００の構成を他の構成とすることもできる。例えば、上記実施例では、図５に示すように、カソード側多孔体層２３０を４つの多孔体層（第１多孔体層２３１、第２多孔体層２３２、第３多孔体層２３３、第４多孔体層２３４）によって構成しているが、カソード側多孔体層２３０を３つ以下の多孔体層によって構成したり、５つ以上の多孔体層によって構成したりしてもよい。また、カソード側多孔体層２３０は、かならずしも複数の多孔体層によって構成される必要は無く、流路抵抗が空気の流れの上流側に近い部分ほど小さくなるように構成されていれば、１つの多孔体層によって構成されてもよい。

また、上記実施例では、カソード側多孔体層２３０について、内部の流路抵抗が空気の流れの上流側に近い部分ほど小さくなるように構成されるとしているが、同様にして、カソード側ガス拡散電極層２１６についても、内部の流路抵抗が空気の流れの上流側に近い部分ほど小さくなるように構成されるとしてもよい。また、同様にして、アノード側多孔体層２２０およびアノード側ガス拡散電極層２１４についても、内部の流路抵抗が燃料ガスの流れの上流側に近い部分ほど小さくなるように構成されるとしてもよい。

また、上記実施例では、各多孔体層と各電極層とを、金属多孔体やカーボン多孔体によって構成しているが、各多孔体層と各電極層とを、カーボンクロス等の他の材料によって構成してもよい。

本発明の実施例としての燃料電池の断面構成を概略的に示す説明図。 本発明の実施例としての燃料電池の断面構成を概略的に示す説明図。 本発明の実施例としての燃料電池に用いられるセパレータの平面構成を概略的に示す説明図。 本発明の実施例としての燃料電池に用いられる発電体およびシート部の平面構成を概略的に示す説明図。 本実施例における多孔体層の構造を示す説明図。

符号の説明

１００...燃料電池
２００...発電体
２１０...ＭＥＡ
２１２...電解質層
２１４...アノード側ガス拡散電極層
２１６...カソード側ガス拡散電極層
２２０...アノード側多孔体層
２３０...カソード側多孔体層
２３１...第１多孔体層
２３２...第２多孔体層
２３３...第３多孔体層
２３４...第４多孔体層
２３９...空隙
３００...セパレータ
３１０...カソード対向プレート
３２０...中間プレート
３３０...アノード対向プレート
３４２...貫通口
３４４...空気流路
３４６...空気供給口
３５２...貫通口
３５４...空気流路
３５６...空気排出口
３６２...貫通口
３６４...燃料流路
３６６...燃料供給口
３７２...貫通口
３７４...燃料流路
３７６...燃料排出口
３８２...貫通口
３８４...冷却媒体流路
３９２...貫通口
４００...シート部
４４２...空気供給路形成孔
４５２...空気排出路形成孔
４６２...燃料供給路形成孔
４７２...燃料排出路形成孔
４８２...冷却媒体供給路形成孔
４９２...冷却媒体排出路形成孔
５００...シール部
６１０...空気供給路
６２０...空気排出路
６３０...燃料供給路
６４０...燃料排出路

Claims (4)

1. 燃料電池であって、
   電解質層と、
   前記電解質層の両側に配置され、内部において反応ガスを流通させて前記電解質層に反応ガスを供給する拡散層と、
   前記拡散層の両側に配置され、前記拡散層に反応ガスを供給するセパレータと、を備え、
   前記セパレータは、前記拡散層に対向する表面が平坦形状であり、
   前記拡散層は、少なくとも１つの層を含み、
   前記拡散層の少なくとも１つの層は、反応ガスの流れの上流側に近い部分ほど、内部における反応ガスの流路抵抗が小さくなるように構成されている、燃料電池。
2. 請求項１記載の燃料電池であって、
   前記拡散層の少なくとも１つの層は、前記反応ガスの流れの上流側に近い部分ほど、空隙率が大きい、燃料電池。
3. 請求項１または請求項２のいずれかに記載の燃料電池であって、
   前記セパレータは、前記拡散層に対向する表面に、前記拡散層に反応ガスを供給するための供給口と、前記拡散層から反応ガスを排出するための排出口と、を有し、
   前記拡散層の少なくとも１つの層における反応ガスの流れの方向は、前記供給口に近い部分から前記排出口に近い部分へと向かう方向である、燃料電池。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の燃料電池であって、
   前記拡散層は、ガス拡散層と多孔体層とから構成され、
   前記多孔体層は、前記セパレータ表面に接しており、
   前記拡散層の少なくとも１つの層は、前記多孔体層である、燃料電池。

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