JP2008027859A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】この発明は、燃料電池に関し、燃料電池を構成する各単位セルでの圧力損失の均一化を図り、各単位セルに反応ガスが均一に供給されることのできる燃料電池を提供することを目的とする。
【解決手段】所定ガスの供給を受けて発電を行う複数の単位セルを積層した燃料電池であって、前記単位セルに設けられ、前記所定ガスを供給する多孔体流路２４と、多孔体流路２４の出口に配置され、多孔体流路２４内の水分を保水することでガス通過容積を低下させる詰物５０と、を前記単位セル毎に備える。好ましくは、詰物５０には多孔体が使用される。
【選択図】図３

Description

この発明は、燃料電池に関する。

燃料電池は、電解質膜を挟んでアノードとカソードが配置された単位セルを複数積層したスタック構造を有している。そして、アノードに水素を含むアノードガスが接触し、カソードに空気などの酸素を含むカソードガスが接触することによって、両電極で電気化学反応が起こり、両電極間に電圧が発生する仕組みになっている。

このような燃料電池スタックにおいて、発電性能を効率よく維持するためには、各単位セルに均一に反応ガスが供給されることが望ましい。このため、各単位セルの備えるガス流路が一同に連通した入口側マニホールドを備え、反応ガスが当該入口側マニホールドを介して各単位セルに均一に供給される仕組みになっている。

しかしながら、各単位セルは製造時のばらつきなどの要因により、反応ガスの流れの圧力損失にばらつきが生じる。このため、上述した各単位セルに入口側マニホールドを介して反応ガスを供給することとしても、圧力損失の高い単位セルには反応ガスが供給され難くなり、その結果、各セル間での発電性能に不均一が生じ、燃料電池の性能低下や破損等を生じる可能性がある。また、かかる問題の解決方法として、反応ガスの流量（ストイキ比）を増加させることが考えられるが、未反応ガスの増加や、コンプレッサの負荷上昇によるシステム全体の効率低下を起こす可能性がある。

このような事態を防止するため、従来、例えば特開２００３−１５１６０４号公報に開示されるように、圧力損失のレベルの近い単位セルを積層して燃料電池スタックを形成する組付方法が開示されている。この組付方法によれば、各単位セルの圧力損失をそれぞれ測定した後、圧力損失のレベルの近い単位セルを選択して使用するため、燃料電池スタックの各単位セルの圧力損失のばらつきを抑制することができ、燃料電池全体としての性能低下を抑制することができる。

特開２００３−１５１６０４号公報 特開平１０−１７２５９４号公報

しかしながら、上述した従来の手法により、圧力損失のレベルの近い単位セルを選択して燃料電池を製造することとすると、通常の製造工程に加えて単位セル毎に圧力損失を実測する工程、およびレベルの近い単位セルを選択する工程が更に必要となり、製造工程の複雑化、および製造に要する時間の長期化などの問題が生じる可能性があった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、燃料電池を構成する各単位セルでの圧力損失の均一化を図り、各単位セルに反応ガスが均一に供給されることのできる燃料電池を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、所定ガスの供給を受けて発電を行う複数の単位セルを積層した燃料電池であって、
前記単位セルに設けられ、前記所定ガスを供給するガス流路と、
前記ガス流路の出口に配置された詰物と、を前記単位セル毎に備え、
前記詰物は、水分を保水することで内部のガス通過容積を低下させる部材であることを特徴とする。

第２の発明は、第１の発明において、
前記ガス流路の下流側の末端に接続され、複数の前記ガス流路から排出された前記所定ガスが送られる出口マニホールドを更に備え、
前記詰物は、前記出口マニホールドとの接続部の近傍の前記ガス流路に設けられたことを特徴とする。

第３の発明は、第１または２の発明において、
前記詰物は多孔体であることを特徴とする。

第１の発明によれば、保水によりガス通過容積が低下する詰物が各単位セルのガス流路の出口に配置されるため、流路出口の水分が多いほど流路の開口率を低下させることができる。圧力損失の低い単位セルには高湿潤の反応ガスが多量に流入するため、当該単位セル内の水分量が多量となる。このため、本発明によれば、圧力損失の低い単位セル程、当該詰物のガス通過容積が低下し、圧力損失を高めることができる。したがって、燃料電池に設けられた各単位セルの圧力損失が均一化され、各単位セルに供給される反応ガスの流量を均一にすることが可能となり、燃料電池全体の性能低下を抑制することが可能となる。

第２の発明によれば、供給される反応ガスの流量が多量であるほど、ガス流路内の水分量は増加する。そして、当該水分はガス流路の下流側の末端に最も溜まり易い。このため、本発明によれば、ガス流路と出口マニホールドとの接続部近傍のガス流路に詰物を配置することにより、ガス流路内の水分量に応じてガス通過容積を変化させることができ、各単位セルに供給される反応ガスの流量を均一にすることが可能となる。

第３の発明によれば、詰物には多孔体が使用される。多孔体は水分を保水する機能を有し、水分量が多量であるほど内部の気孔に多量の水分が目詰まりし、ガス通過容積が低下する。このため、本発明によれば、当該多孔体がガス流路内に配置されることで、ガス流路の水分量に応じてガス流路の開口率を変化させることができる。

以下、図面に基づいてこの発明の一実施形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。なお、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
［実施の形態１の構成］
図１は、本発明の実施形態にかかる燃料電池システムを示す模式図である。本システムは、燃料電池スタック１０を備えている。燃料電池スタック１０は、固体高分子分離膜を備えた固体高分子型の燃料電池（ＰＥＭＦＣ）であり、主として燃料電池自動車などに搭載されるものである。また、燃料電池スタック１０には、カソードガス流路１２、およびアノードガス流路１４が接続されている。燃料電池スタック１０には、大気からカソードガス流路１２を介して酸素を含むカソードガス（空気）が送られ、水素タンク等の燃料源からアノードガス流路を介して水素を含むアノードガスが送られる。

図１に示すように、燃料電池スタック１０には、カソードオフガス流路１６が接続されている。また、燃料電池スタック１０には、アノードオフガス流路１８が接続されている。燃料電池スタック１０内のカソードで反応した後のガスは、カソードオフガスとして、カソードオフガス流路１６から排出される。また、アノードで反応した後のガスは、アノードオフガスとして、アノードオフガス流路から排出される。

図２は、図１に示す燃料電池スタック１０の一部を積層方向に切断した断面の詳細図である。図２に示すとおり、燃料電池スタック１０は単位セル２０を複数積層したスタック構造を有している。単位セル２０は、発電体２２、カソードガスおよびアノードガスが流れる多孔体流路２４および２６、隣接する発電体２２を隔離するセパレータ２８によって構成されている。発電体２２は、電解質膜を挟んでアノードとカソードが配置された膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly，以下、「ＭＥＡ」と称す）３０の外側に、図示しないガス拡散層をシールガスケットで囲んで一体として形成されている。

セパレータ２８は、３つの金属の薄板を積層して形成される三層積層型のセパレータである。より具体的には、多孔体流路２４と接触するカソードプレート３２と、多孔体流路２６と接触するアノードプレート３４と、これらのプレートの中間に挟まれ、主として冷却水の流路となる中間プレート３６とから構成されている。これらのプレートにはステンレス鋼、チタンなどの導電性の金属材料が使用される。

多孔体流路２４および２６は、ステンレス鋼やチタン、或いはチタン合金などの発砲焼結金属や、金属メッシュなどの内部に多数の細孔を備えた多孔体によって形成されている。多孔体流路２４および２６は所定方向へ反応ガスを流すことを主目的としているため、反応ガスの流れの圧力損失を抑え、排水性を構造させるように、比較的気孔率の大きい多孔体が使用される。より具体的には、気孔率が９５％程度の多孔体が使用され、当該多孔体流路２４および２６に導入された反応ガスは内部の細孔を通過しＭＥＡ３０のアノードおよびカソードに供給される。

ＭＥＡ３０のアノードでは、アノードガスが送り込まれると、このアノードガス中の水素から水素イオンを生成し（Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻）、カソードは、カソードガスが送り込まれると、このカソードガス中の酸素から酸素イオンを生成し、燃料電池内では電力が発生する。また、これと同時にカソードにおいて、上記の水素イオンと酸素イオンとから水（生成水）が生成される（（１／２）Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ）。この水のほとんどは、燃料電池内で発生する熱を吸収して水蒸気となり、カソードオフガス中に含まれて排出される。

また、多孔体流路２４は、燃料電池スタック１０の内部に設けられた入口側マニホールド４０、および出口側マニホールド４２と接続されている。入口側マニホールド４０、および出口側マニホールド４２は、単位セル２０の積層方向に延在している。ここで、上述した多孔体流路２４は、入口側マニホールド４０と出口側マニホールド４２の間に介在するように設けられている。このため、入口側マニホールド４０へ送られたカソードガスは、多孔体流路２４の内部を通過し、各単位セル２０のカソード面へ均一に送られる仕組みになっている。そして、反応後のカソードガスは、カソードオフガスとして再び多孔体流路２４を通過し、出口側マニホールド４２へ送られ、更にカソードオフガス流路１６へ送られて、燃料電池スタック１０の外部に排出される。

同様に、燃料電池スタック１０には、図示しないアノードガスの入口側マニホールドと出口側マニホールドが設けられている。アノードガスは、入口側マニホールドから各単位セル２０のアノードへ送られ、出口側マニホールドを経由して、アノードオフガス流路から排出される。

［実施の形態１の特徴的構成］
次に、図３および図４を参照して、本実施の形態の特徴的構成について説明する。ここで、図３は、図１に示す燃料電池スタック１０の一部を積層方向に切断した断面の詳細図である。

図３に示すように、入口側マニホールド４０を流通するカソードガスは、セパレータ２８の内部を通って、カソードプレート３２に設けられた複数の貫通孔４４から多孔体流路２４に供給される。そして、カソードでの化学反応の後のカソードオフガスは、多孔体流路２４の出口部近傍に設けられたカソードプレート３２の貫通孔４６から出口側マニホールド４２へ送られ、燃料電池スタック１０の外部に排出される仕組みになっている。

ここで、多孔体流路２４の出口部には、詰物５０が配置されている。図４は、図３中の矢印Ａ方向からみた燃料電池スタック１０の一部を示す模式図である。図４に示すとおり、詰物５０は、多孔体流路２４と同様に発砲焼結金属などの多孔体で構成され、複数の貫通孔４６を覆うように多孔体流路２４の出口部に配置されている。詰物５０は、後述するとおり、反応ガスの流れの圧力損失を発生させることを主目的としているため、多孔体流路２４に使用される多孔体に比して、気孔率の低い多孔体が使用される。尚、詰物５０の気孔率、或いは配置される範囲などは、カソードガスが閉塞する弊害が生じない範囲で選択される（例えば、φ0.005mm，気孔率８０％，大きさ10mm幅程度）。

［実施の形態１の動作］
次に、図５乃至９を参照して、本実施の形態の特徴的動作について説明する。上述したとおり、入口側マニホールド４０を流通するカソードガスは、単位セル２０の多孔体流路２４を通過した後、当該多孔体流路２４の出口部に設けられた詰物５０を通過し、出口側マニホールド４２へ送られる。ここで、カソードガスが多孔体流路２４、および詰物５０を通過する際には、反応ガスの流れの圧力損失がそれぞれ発生する。以下、多孔体流路２４を通過する際に発生する圧力損失を「第１圧力損失」と称し、詰物５０を通過する際に発生する圧力損失を「第２圧力損失」と称することとする。

図５は、燃料電池スタック１０の備える複数の単位セル２０の中から任意に選択されたセルａ、セルｂ、およびセルｃに反応ガスが同条件で供給された場合の多孔体流路２４における第１圧力損失を比較した図である。この図に示すように、各単位セルの第１圧力損失は製造時の個体差などによりばらつきが生じる。ここでは、図５に示すとおり、上記各セルの第１圧力損失の大小関係がセルａ＜セルｂ＜セルｃであるとする。

図６は、単位セル２０に流れる反応ガス流量と、当該反応ガスの流れの圧力損失との関係を示している。この図によれば、単位セル２０の圧力損失が高いほど当該単位セル２０に流入するガス流量が少量となる傾向を示している。このため、カソードガスが入口側マニホールド４０を介して各単位セル２０へ一斉に供給される構成であっても、図５に示すセルａ、セルｂ、およびセルｃに流れるガス流量は、各単位セルの圧力損失の大小により異なる量となる。具体的には、セルａ、セルｂ、およびセルｃの第１圧力損失には図５に示す大小関係があるため、当該第１圧力損失に基づくガス流量の大小関係は、図６に示すとおり、セルａ＞セルｂ＞セルｃとなる。このため、かかる状態においては、各セル間での発電性能に不均一が生じ、燃料電池の性能低下や破損等を生じる可能性がある。

ここで、上述したとおり、本実施の形態１に示す各単位セル２０には第１圧力損失に加え、詰物５０を通過する際に第２圧力損失が発生している。図７は、多孔体の内部に滞留する水分の、ガス通過容積に対する依存性を説明するための図である。図７に示す関係は、多孔体の内部に滞留する水分が増加するほどガス通過容積が低下する傾向を示している。かかる傾向は、水分が増加するほど当該多孔体の細孔に水分が詰まることによるものである。

供給されるカソードガスは高湿潤状態に加湿されている。このため、多孔体流路２４内の水分は、当該流路内に流入するカソードガス量が多いほど増加する。また、流入するカソードガスの流量が多い多孔体流路２４はガスの流れが良いため、当該流路内に滞留している水分が流路出口方向へ押し出されることとなる。ここで、本実施の形態においては、詰物５０が多孔体流路２４の出口部に配置されている。このため、多孔体流路２４内の水分を詰物５０に効果的に保水させ、カソードガスの流量が多いほど当該詰物５０のガス通過容積を低下させることができる。

図８は、単位セル２０に発生する第２圧力損失と、当該単位セル２０に流れるガス流量との関係を示している。上述したとおり、カソードガスの流量が多いほど当該詰物５０のガス通過容積が低下する。詰物５０のガス通過容積が低下すると、当該詰物５０を通過する際の第２圧力損失が大きくなる。このため、セルａ、セルｂ、およびセルｃに図６に示すガス流量のカソードガスがそれぞれ供給された場合、図８に示すとおり、第２圧力損失はガス流量が多いセルほど大きくなる。

このように、ある単位セル２０において、多孔体流路２４内の水分が多くなると、詰物５０における第２圧力損失が上昇し、当該単位セル２０のガス流量が減少する。一方、ガス流量が減少すると、多孔体流路２４内の水分が減少するため、詰物５０における第２圧力損失が下降し、カソードガス流量が増大する。

図９は、図５に示すセルａ、セルｂ、およびセルｃの第１圧力損失に、図８に示す各セルの第２圧力損失を加えて単位セル毎の圧力損失を比較した図である。この図に示すように、各単位セルの第１圧力損失が小さいセルほど、他の単位セルに比してガスが多量に流れるため、第２圧力損失は増大する。このように、他の単位セル２０との圧力損失の差が小さくなるように常に第２圧力損失が変化するため、燃料電池スタック１０の備える各単位セル２０の圧力損失を均一に保つことが可能となる。

以上説明したように実施の形態１によれば、燃料電池スタック１０内のカソードガスの多孔体流路２４の出口部近傍に詰物５０を設けたため、多孔体流路２４おける水分の滞留状態に応じて、各単位セル２０における圧力損失を自律的に制御することが可能となる。従って、各単位セル２０に流れるカソードガスの流量を均一化することができ、カソードガスの反応効率を均一化することができる。これにより、圧力損失のばらつきに起因して燃料電池スタック１０の発電効率が低下してしまうことを抑止できる。

また、本実施の形態１に示す燃料電池スタック１０は、多孔体流路２４の出口部近傍に詰物５０を設けた単位セル２０を積層することにより製造することができる。このため、単位セル毎に圧力損失を実測することなく燃料電池スタック１０を形成することができ、製造工程の複雑化、および製造に要する時間の長期化などの問題を回避することができる。

ところで、上述した実施の形態１においては、多孔体流路２４を備える燃料電池スタック１０について、当該流路出口部近傍に詰物５０を配置することとしているが、燃料電池スタック１０の構成はこれに限られない。すなわち、セパレータに形成された溝をガス流路とする燃料電池スタックにおいて、当該流路に介在するように詰物を配置する構成としてもよい。

また、上述した実施の形態１においては、詰物５０として発砲焼結金属などの多孔体を使用することとしているが、使用する部材はこれに限られない。すなわち、水分を保水することにより、気孔率が小さくなる部材であれば、特に本実施の形態において示した多孔体に限定されない。

また、上述した実施の形態１においては、燃料電池スタック１０のカソードにおいて多孔体流路２４に詰物５０を配置することで圧力損失の均一化を図り、カソードガスの反応効率を均一化することとしているが、かかる構成はカソードに限定されない。すなわち、燃料電池スタック１０のアノードにおいて同様の構成を備え、アノードガスの反応効率の均一化を図ることとしてもよい。

また、上述した実施の形態１においては、多孔体流路２４の水分が溜まりやすい出口部近傍に詰物５０を配置することとしているが、詰物５０の配置はこれに限られない。すなわち、多孔体流路２４内の水分量に応じて、当該多孔体流路２４を通過するカソードガスの圧力損失を変化させることができるのであれば、他の場所に配置されることとしてもよい。また、同様の理由により、本実施の形態に示した詰物５０の形状、大きさなどに関しても特に限定されない。

尚、上述した実施の形態１においては、多孔体流路２４および２６が前記第１の発明における「ガス流路」に相当している。

本発明の実施形態１の燃料電池システム構成を説明するための模式図である。 本発明の実施形態１の燃料電池の一部を積層方向に切断した断面の模式図である。 本発明の実施形態１の燃料電池の一部を積層方向に切断した断面の模式図である。 本発明の実施形態１の燃料電池の一部を積層方向から見た断面の模式図である。 本発明の実施形態１の燃料電池の備える単位セルの多孔体流路における第１圧力損失を比較した図である。 本発明の実施形態１の燃料電池の各単位セルに流れるガス流量の、多孔体流路における第１圧力損失に対する依存性を説明するための図である。 多孔体の内部に滞留する水分の、ガス通過容積に対する依存性を説明するための図である。 本発明の実施形態１の燃料電池の各単位セルに流れるガス流量の、詰物における第２圧力損失に対する依存性を説明するための図である。 本発明の実施形態１の燃料電池の備える単位セルの圧力損失を比較した図である。

符号の説明

１０ 燃料電池スタック
１２ カソードガス流路
１４ アノードガス流路
１６ カソードオフガス流路
１８ アノードオフガス流路
２０ 単位セル
２２ 発電体
２４、２６ 多孔体流路
２８ セパレータ
３０ ＭＥＡ(Membrane Electrode Assembly)
３２ カソードプレート
３４ アノードプレート
３６ 中間プレート
４０ 入口側マニホールド
４２ 出口側マニホールド
４４、４６ 貫通孔
５０ 詰物

Claims (3)

1. 所定ガスの供給を受けて発電を行う複数の単位セルを積層した燃料電池において、
   前記単位セルに設けられ、前記所定ガスを供給するガス流路と、
   前記ガス流路の出口に配置された詰物と、を前記単位セル毎に備え、
   前記詰物は、水分を保水することで内部のガス通過容積を低下させる部材であることを特徴とする燃料電池。
2. 前記ガス流路の下流側の末端に接続され、複数の前記ガス流路から排出された所定ガスが送られる出口マニホールドを更に備え、
   前記詰物は、前記出口マニホールドとの接続部の近傍の前記ガス流路に設けられることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
3. 前記詰物は多孔体であることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池。

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