JP2008251343A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の端部セルでのフラッディングを抑制可能な燃料電池を提供する。
【解決手段】電解質膜１０２と、電解質膜１０２の両面側に配置され、電気化学反応に用いられる反応ガスが通過する反応ガス流路１０５、１０６が形成された一対のセパレータ１０３、１０４とを有するセル１００が積層された燃料電池において、積層されたセル１００の少なくとも一方の端部に位置する端部セル１００と集電板１０１との間に水分除去用部材１０８が設けられる。水分除去用部材１０８には、端部セル１００の外側セパレータ１０３、１０４の反応ガス流路１０５、１０６に対応する位置に、反応ガスとしての空気が通過する水分除去用空気流路１０９が形成されており、外側セパレータ１０３、１０４の反応ガス流路１０５、１０６と、水分除去用空気流路１０９との間には、水分を透過可能な水分透過部材１１０が設けられている。
【選択図】図４

Description

本発明は、水素と酸素との電気化学反応により電気エネルギを発生させる燃料電池に関する。

燃料電池は、複数のセルが積層され、その両端を集電板で挟まれて構成されているため、両端に位置する端部セルは集電板の熱伝導により冷却されやすく、他のセルより低温になりやすい。このため、端部セルでは水が凝縮してフラッディングが生じやすい。特にセルの燃料ガス側流路では空気側流路よりも流速が遅いので水分が排出されにくく、フラッディングが生じやすい。このようなセル内部でのフラッディング発生は、セルの発電性能を悪化させることとなる。

このような問題に対し、冷却水流路と燃料ガス流路との間に、燃料ガス側セパレータよりも熱伝導率が低い材質よりなる断熱層を設ける構成が提案されている（特許文献１参照）。特許文献１の構成では、断熱層により燃料ガスを空気より冷却されにくくすることで燃料ガス温度を空気温度よりも高くして、水蒸気分圧差で燃料ガス側の水分を電解質膜を透過させて空気側へ移動させ、空気側よりも流速の遅い燃料ガス側流路内でのフラッディングを防止している。さらに、燃料電池の積層体の少なくとも両端部に位置するセパレータの外側面に当接されている集電板に、燃料電池が出力する電流によって加熱される発熱体を設け、端部セルの温度低下による水の凝縮を防止する構成が提案されている（特許文献２）。
特開２００５−２０３３１３号公報 特開平８−１６７４２４号公報

しかしながら、特許文献１の構成では、断熱層を設けることで冷却性能が低下してしまい、さらに燃料電池スタックの端部にある燃料ガス流路では、集電板の熱伝導による冷却で充分な効果が得られなくなるという問題がある。また、特許文献２の構成では、発熱体のために余分な電力を消費するため、燃料電池の燃費が悪化する問題がある。

本発明は上記点に鑑み、燃料電池の端部セルでのフラッディングを抑制可能な燃料電池を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、電気化学反応により発電するセル（１００）が複数積層され、その両端部に集電板（１０１）が設けられた燃料電池であって、セル（１００）は、電解質膜（１０２）と、電解質膜（１０２）の両面側に配置され、電気化学反応に用いられる反応ガスが通過する反応ガス流路（１０５、１０６）が形成された一対のセパレータ（１０３、１０４）とを有し、積層されたセル（１００）のうち少なくとも一方の端部に位置する端部セル（１００）と集電板（１０１）との間に水分除去用部材（１０８）が設けられており、水分除去用部材（１０８）には、端部セル（１００）における水分除去用部材（１０８）に隣接する側の外側セパレータ（１０３、１０４）に形成された反応ガス流路（１０５、１０６）に対応する位置に、反応ガスとしての空気が通過する水分除去用空気流路（１０９）が形成されており、外側セパレータ（１０３、１０４）に形成された反応ガス流路（１０５、１０６）と、水分除去用空気流路（１０９）との間には、水分を透過可能な水分透過部材（１１０）が設けられていることを特徴としている。

水分除去用部材（１０８）は、集電板（１０１）が接触しているため、集電板（１０１）の熱伝導により冷却され、水分除去用空気流路（１０９）を流れる空気は、外側セパレータ（１０３、１０４）の反応ガス流路（１０５、１０６）を流れる反応ガスよりも低温となる。このため、水分除去用空気流路（１０９）における水蒸気分圧は、外側セパレータ（１０３、１０４）の反応ガス流路（１０５、１０６）における水蒸気分圧より低くなり、外側セパレータ（１０３、１０４）の反応ガス流路（１０５、１０６）側に存在する水分が水分透過部材（１１０）を透過して水分除去用空気流路（１０９）に移動する。この結果、端部セル（１００）におけるフラッディングの発生を抑制することができる。なお、水分透過部材（１１０）としては、セルを構成する電解質膜と同様の電解質膜を好適に用いることができる。

また、セル（１００）の反応ガス流路のうち水素が通過する水素流路（１０６）は、空気が通過する空気流路（１０５）よりガス流量が少ないので水分を排出しにくくフラッディングが発生しやすい。このため、外側セパレータ（１０３、１０４）に形成された反応ガス流路が、水素が通過する水素流路（１０６）として構成することで、フラッディングの発生を効果的に抑制することができる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図１〜図５に基づいて説明する。図１は本実施形態に係る燃料電池システムを示す模式図で、この燃料電池システムは例えば電気自動車に適用される。

図１に示すように、本実施形態の燃料電池システムは、水素と酸素との電気化学反応を利用して電力を発生する燃料電池１０を備えている。この燃料電池１０は、図示しない電気負荷や２次電池等の電気機器に電力を供給するものである。電気自動車の場合には、車両走行駆動源としての電動モータが電気負荷に相当している。

図２は、燃料電池１０の斜視図である。本実施形態では燃料電池１０として固体高分子電解質型燃料電池を用いており、基本単位となる燃料電池セル１００が複数個積層され、且つ電気的に直列接続されている。積層されたセル１０の両端には集電板１０１が設けられている。なお、図２では積層されたセル１００から集電板１０１を分離した状態で図示している。燃料電池１０では、以下の水素と酸素の電気化学反応が起こり電気エネルギが発生する。

（負極側）Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^-
（正極側）２Ｈ⁺＋１／２Ｏ₂＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏ
図１に戻り、燃料電池システムには、燃料電池１０の空気極（正極）側に空気（酸素）を供給するための空気流路２０と、燃料電池１０の水素極（負極）側に水素を供給するための水素流路３０が設けられている。ここで、空気流路２０における燃料電池１０より上流側を空気供給流路２０ａといい、下流側を空気排出流路２０ｂという。また、水素流路３０における燃料電池１０より上流側を水素供給流路３０ａといい、下流側を水素排出流路３０ｂという。なお、空気は本発明の酸化ガスに相当し、水素は本発明の燃料ガスに相当している。

空気供給流路２０ａの最上流部には、大気中から吸入した空気を燃料電池１０に圧送するための空気供給装置２１が設けられ、空気供給流路２０ａにおける空気供給装置２１と燃料電池１０との間には、空気への加湿を行う加湿器２２が設けられている。空気供給装置２１としては、コンプレッサを用いることができる。水素供給流路３０ａの最上流部には、水素供給装置３１が設けられ、水素供給流路３０ａにおける水素供給装置３１と燃料電池１０との間には、燃料電池１０に供給される水素の圧力を調整するための水素調圧弁３２が設けられている。水素供給装置３１としては、高圧水素が充填された高圧水素タンクを用いることができる。

燃料電池１０は発電効率確保のために運転中一定温度（例えば８０℃程度）に維持する必要がある。このため、燃料電池１０を冷却するための冷却システムが設けられている。冷却システムには、燃料電池１０に冷却水（熱媒体）を循環させる冷却水経路４０、冷却水を循環させるウォータポンプ４１、ファン４２を備えたラジエータ（放熱器）４３が設けられている。冷却水経路４０には、冷却水をラジエータ４３をバイパスさせるためのバイパス経路４４が設けられている。冷却水経路４０とバイパス経路４４との合流点には、バイパス経路４４に流れる冷却水流量を調整するための流路切替弁４５が設けられている。

燃料電池システムには、各種制御を行う制御部（ＥＣＵ）５０が設けられている。制御部５０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等からなる周知のマイクロコンピュータとその周辺回路にて構成されている。制御部５０は、各種演算処理を行い、空気供給装置２１、加湿器２２、水素調圧弁３２、水素ポンプ３３、ウォータポンプ４１、流路切替弁４５等に制御信号を出力する。

次に、燃料電池セル１００の構成について説明する。図３は、燃料電池１０の空気および水素の流れを示す概念図である。図３に示すように、セル１００は、電解質膜の両側面に電極が配置されたＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：電解質・電極接合体）１０２と、このＭＥＡ１０２を挟持する空気側セパレータ１０３および水素側セパレータ１０４で構成されている。セパレータ１０３、１０４は、カーボン材または導電性金属よりなる板状部材からなる。空気側セパレータ１０３には空気が流れる空気流路１０５が形成され、水素側セパレータ１０４には水素が流れる水素流路１０６が形成されている。

図３に示すように、燃料電池１０に流入した空気（酸素）は各セル１００で分岐して、各セル１００の空気側セパレータ１０３の空気流路１０５に対して並列に供給される。また、燃料電池１０に流入した水素は各セル１００で分岐して、各セル１００の水素側セパレータ１０４の水素流路１０６に対して並列に供給される。空気および水素は、燃料電池１０の図３における左側から流入し、各セル１００の反応ガス流路１０５、１０６を通過した後、燃料電池１０の図３における左側から流出するようになっている。このため、本実施形態の各セル１００では、電解質膜１０２を中心として空気側セパレータ１０３が反応ガスの流入側に近い側（図３における左側）に配置され、水素側セパレータ１０４が反応ガスの流入側から遠い側（図３における右側）に配置されている。

図４は、燃料電池１０の断面図であり、図２の燃料電池１０における奥側部分の断面構成のみを示している。図４に示すように、空気側セパレータ１０３の空気流路１０５と水素側セパレータ１０４の水素流路１０６は、ＭＥＡ１０２を介して互いに対応する位置に形成されている。さらに、図４に示すように、空気側セパレータ１０３と水素側セパレータ１０４には、空気流路１０５と水素流路１０６が形成された面の反対面に冷却水が流れる冷却水流路１０７が形成されている。図４では紙面垂直方向に空気流路１０５、水素流路１０６、冷却水流路１０７が形成されている。

図３、図４に示すように、積層されたセル１００の一端側に接するように水分除去用セパレータ１０８が配置されている。水分除去用セパレータ１０８は、空気側セパレータ１０３と同様の構成を有しており、冷却水流路１０７と水分除去用空気流路１０９が形成されている。図３に示すように、水分除去用セパレータ１０８の水分除去用空気流路１０９は、各セル１００の空気側セパレータ１０３の空気流路１０５と並列に配置されており、反応ガスとしての水分除去用空気流路１０９には空気（酸素）が流れる。ただし、水分除去用セパレータ１０８の水分除去用空気流路１０９を流れる空気（酸素）は、上記電気化学反応に寄与していない。

本実施形態の水分除去用セパレータ１０８は、燃料電池１０における反応ガス流入口から最も離れた側、つまり図３、図４における右端に位置するセル１００（以下、「端部セル１００」という。）に隣接して配置されている。この結果、図４に示すように、端部セル１００と集電板１０１との間に水分除去用セパレータ１０８が配置される。端部セル１００は、水素側セパレータ１０４が集電板１０１側に位置している。このため、水分除去用セパレータ１０８は端部セル１００の外側セパレータである水素側セパレータ１０４に直接的に接している。

図５（ａ）は水分除去用セパレータ１０８の正面図とＡ−Ａ断面図であり、図５（ｂ）は端部セル１００の水素側セパレータ１０４の正面図とＢ−Ｂ断面図である。図４、図５に示すように、水分除去用セパレータ１０８の水分除去用空気流路１０９と、端部セル１００の水素側セパレータ１０４の水素流路１０６の間には、水分除去用電解質膜１１０が配置されている。具体的には、端部セル１００の水素側セパレータ１０４における水分除去用セパレータ１０８の水分除去用空気流路１０９に対応する部位には、水分除去用電解質膜１１０が設けられており、水分除去用セパレータ１０８における端部セル１００の水素側セパレータ１０４の水素流路１０６に対応する部位には、水分除去用貫通孔１１１が設けられている。水分除去用電解質膜１１０としては、セル１００のＭＥＡ１０２と同様の構成を有する電解質膜を用いることができる。なお、水分除去用電解質膜１１０が本発明の水分透過部材に相当している。

上記構成の燃料電池１０は、以下のように作動する。まず、空気供給装置２１から空気の供給が開始され、水素供給装置３１から水素の供給が開始されることで、各セル１００の空気流路１０５に空気が流れ、水素流路１０６に水素が流れ、燃料電池１０は発電を開始する。このとき、水分除去用セパレータ１０８の水分除去用空気流路１０９にも、空気側セパレータ１０３の空気流路１０５と同様に空気が流れる。

水分除去用セパレータ１０８は、集電板１０１が接触しているため、集電板１０１の熱伝導により冷却されて、各セル１００を構成しているセパレータ１０３、１０４より低温となる。このため、水分除去用セパレータ１０８の水分除去用空気流路１０９を流れる空気は、隣接する端部セル１００の水素側セパレータ１０４の水素流路１０６を流れる水素よりも低温となり、水分除去用セパレータ１０８の水分除去用空気流路１０９における水蒸気分圧は、端部セル１００の水素側セパレータ１０４の水素流路１０６における水蒸気分圧より低くなる。

この水蒸気分圧差により、水蒸気分圧が高い水素側セパレータ１０４の水素流路１０６側に存在する水分が、水分除去用電解質膜１１０を透過して、水蒸気分圧が低い水分除去用セパレータ１０８側の水分除去用空気流路１０９に移動することとなる。この結果、端部セル１００におけるフラッディングの発生を抑制することができる。そして、水分除去用セパレータ１０８の水分除去用空気流路１０９に移動した水分は、空気流れにより水分除去用空気流路１０９から排出される。このように、端部セル１００の外側に配置されるセパレータ１０４に接するように水分除去用セパレータ１０８を設け、端部セル１００の水素流路１０６と水分除去用セパレータ１０８の空気流路との間に水分除去用電解質膜１１０を設けることで、端部セル１００におけるフラッディングを抑制できる。

また、セル１００の水素流路１０６は空気流路１０５よりガス流量が少ないので水分を排出しにくくフラッディングが発生しやすい。このため、本実施形態のように端部セル１００の外側に水素流路１０６が位置する場合には、端部セル１００の水素流路１０６に接するように水分除去用セパレータ１０８を配置することで、効果的にフラッディングの発生を抑制することができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。以下、上記第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

図６は、本第２実施形態の燃料電池１０の断面図である。図７（ａ）は水分除去用セパレータ１０８の正面図とＡ−Ａ断面図であり、図７（ｂ）は端部セル１００の水素側セパレータ１０４の正面図とＢ−Ｂ断面図である。図６は、上記第１実施形態の図４に対応しており、図７は上記第１実施形態の図５に対応している。

図６、図７に示すように、本第２実施形態では、端部セル１００の水素側セパレータ１０４と、水分除去用セパレータ１０８には、冷却水流路１０７が設けられていない。これにより、水分除去用セパレータ１０８と、端部セル１００の外側セパレータである水素側セパレータ１０４とおける中空部を減少させることができ、強度を向上させることができる。また、燃料電池１０における温度低下しやすい部位である集電板１０１近傍の冷却水流路をなくすことで、燃料電池１０の端部で温度低下しすぎることを抑制しできる。これにより、端部セル１００の水素側セパレータ１０３の水素流路１０６での水分の凝縮を抑制でき、フラッディングの発生を効果的に抑制できる。

（他の実施形態）
なお、上記各実施形態では、水分除去用セパレータ１０８に隣接する水素側セパレータ１０４に水分除去用電解質膜１１０を設けたが、これに限らず、水分除去用セパレータ１０８側に水分除去用電解質膜１１０を設けてもよい。

また、上記各実施形態では、端部セル１００における水分除去用セパレータ１０８に隣接する外側セパレータが水素側セパレータ１０４である場合について説明したが、これに限らず、端部セル１００の外側セパレータが空気側セパレータ１０３である場合には、空気側セパレータ１０３に水分除去用セパレータ１０８を隣接させればよい。このような構成によっても、端部セル１００の空気側セパレータ１０３より水分除去用セパレータ１０８の方が低温になり、空気側セパレータ１０３の空気流路１０５と水分除去用セパレータ１０８の水分除去用空気流路１０９との水蒸気分圧差によって、空気側セパレータ１０３の空気流路１０５の水分を水分除去用電解質膜１１０を介して水分除去用空気流路１０９に移動させることができる。これにより、端部セル１００の空気側セパレータ１０３の空気流路１０５におけるフラッディングの発生を抑制することができる。

また、上記各実施形態では、積層されたセル１００の一方の端部セル１００と集電板１０１との間に水分除去用セパレータ１０８を設けたが、これに限らず、積層されたセル１００の両端に位置する端部セル１００と集電板１０１との間に水分除去用セパレータ１０８を設けてもよい。

また、上記各実施形態では、水分透過部材として電解質膜１１０を用いたが、水分透過部材は両面側のガスの透過を抑えつつ、水分を透過可能な材料であればよく、電解質膜以外の材料を用いることができる。

第１実施形態に係る燃料電池システムを示す模式図である。 燃料電池の斜視図である。 燃料電池の空気および水素の流れを示す概念図である。 燃料電池の断面図である。 （ａ）は水分除去用セパレータの正面図とＡ−Ａ断面図であり、（ｂ）は端部セルの水素側セパレータの正面図とＢ−Ｂ断面図である。 第２実施形態の燃料電池の断面図である。 （ａ）は水分除去用セパレータの正面図とＡ−Ａ断面図であり、（ｂ）は端部セルの水素側セパレータの正面図とＢ−Ｂ断面図である。

符号の説明

１０…燃料電池、１００…セル、１０１…集電板、１０２…ＭＥＡ、１０３…空気側セパレータ、１０４…水素側セパレータ、１０５…空気流路、１０６…水素流路、１０７…冷却水流路、１０８…水分除去用セパレータ、１１０…水分除去用電解質膜、１１１…水分除去用貫通孔。

Claims (3)

1. 電気化学反応により発電するセル（１００）が複数積層され、その両端部に集電板（１０１）が設けられた燃料電池であって、
   前記セル（１００）は、電解質膜（１０２）と、前記電解質膜（１０２）の両面側に配置され、前記電気化学反応に用いられる反応ガスが通過する反応ガス流路（１０５、１０６）が形成された一対のセパレータ（１０３、１０４）とを有し、
   前記積層されたセル（１００）のうち少なくとも一方の端部に位置する端部セル（１００）と前記集電板（１０１）との間に水分除去用部材（１０８）が設けられており、
   前記水分除去用部材（１０８）には、前記端部セル（１００）における前記水分除去用部材（１０８）に隣接する側の外側セパレータ（１０３、１０４）に形成された前記反応ガス流路（１０５、１０６）に対応する位置に、前記反応ガスとしての空気が通過する水分除去用空気流路（１０９）が形成されており、
   前記外側セパレータ（１０３、１０４）に形成された前記反応ガス流路（１０５、１０６）と、前記水分除去用空気流路（１０９）との間には、水分を透過可能な水分透過部材（１１０）が設けられていることを特徴とする燃料電池。
2. 前記外側セパレータ（１０３、１０４）に形成された前記反応ガス流路は、前記反応ガスとして水素が通過する水素流路（１０６）として構成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記水分透過部材（１１０）は、電解質膜であ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。

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