JP2008293745A - 燃料電池 - Google Patents

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Abstract

【課題】反応ガス流路の圧損を良好に増加させるとともに、発電面全面に反応ガスを良好に供給することができ、発電性能を向上させることを可能にする。
【解決手段】酸化剤ガス流路28は、カソード側セパレータ16のカソード側電極22に向かって設けられ、前記カソード側電極22の一端側から他端側に発電面に沿って酸化剤ガスを流通させる第1反応流路部28aと、前記カソード側セパレータ16の裏面側に設けられ、前記第1反応流路部28aに連通するとともに前記酸化剤ガスを前記他端側から前記一端側に戻す戻し流路部28bと、前記戻し流路部28bに連通し、前記一端側から前記他端側に前記発電面に沿って前記酸化剤ガスを流通させる第2反応流路部28cとを有する。
【選択図】図2

Description

本発明は、電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体と、セパレータとを積層し、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電解質膜(電解質)の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体(MEA)を、セパレータによって挟持している。この種の燃料電池は、通常、所定の数の燃料電池を積層することにより、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、所望の発電機能を維持するために、それぞれのセパレータの面内には、アノード側電極及びカソード側電極の発電面全面にわたって燃料ガス及び酸化剤ガスを確実に供給する必要がある。このため、セパレータには、例えば、長尺な反応ガス流路(燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路)が蛇行するように設けられている構成(特許文献1)や、相当に長尺な直線状の反応ガス流路が設けられている構成(特許文献2)が知られている。
米国特許第5,108,849号明細書 国際公開第00/41260号パンフレット
この場合、例えば、図13に示すサーペンタイン流路1は、互いに平行する複数の流路溝1a〜1nを有しており、前記流路溝1a〜1nは、矢印H方向に延在する直線部と、矢印V方向に延在して折り返す折り返し部とを連続して設けている。
上記のサーペンタイン流路1では、折り返し部のコーナにおける圧損により、流路間を跨ぐようにして反応ガスが拡散層(図示せず)内を通過する、所謂、ショートカットが発生し易い。特に、サーペンタイン流路1において、各流路溝1a〜1nは、折り返し部を挟んで直線部の流れ方向が対向流となっており、前記直線部の圧損と前記折り返し部の圧損とが発生している。
具体的には、流路溝1aの上流側の直線部2a、折り返し部2b及び下流側の直線部2cでは、図14に示すように、圧損が発生している。流路溝1nにおいても、同様である。これにより、反応ガスが拡散層内を通るショートカット流量は、サーペンタイン流路1の流れ方向(矢印H方向)に対して不均一となり、流路溝間の発電利用率に不均一が生じるという問題がある。
しかも、流路溝1aの上流側の折り返し部位及び流路溝1nの下流側の折り返し部位以外では、流路溝間に反応ガスが供給され難い。従って、発電面の電流密度が小さく、MEAの耐久劣化に偏りが発生し易いという問題がある。
一方、長尺な直線状反応ガス流路を用いる構造では、流路溝間でショートカットがほとんど発生しないため、隣り合う流路溝間に対応してMEAの反応が起こり難い。このため、発電面の電流密度が小さく、MEAの耐久劣化に偏りが発生し易いという問題がある。さらに、セパレータ自体が相当に長尺な形状となるため、自動車等の車両用燃料電池として搭載する際に、搭載スペースの制約が大きくなるという問題がある。
本発明はこの種の問題を解決するものであり、反応ガス流路の圧損を良好に増加させるとともに、発電面全面に反応ガスを良好に供給することができ、コンパクトな構成で、発電性能を向上させ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を設けた電解質・電極構造体と、セパレータとを積層し、発電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燃料電池に関するものである。
反応ガス流路は、セパレータの電極側の面に設けられ、前記電極の一端側から他端側に発電面に沿って反応ガスを流通させる第1反応流路部と、前記セパレータの前記電極側の面とは反対の面側に設けられ、前記第1反応流路部に連通するとともに、前記反応ガスを前記電極の前記他端側から前記一端側に戻す戻し流路部と、前記戻し流路部に連通し、前記電極の前記一端側から前記他端側に前記発電面に沿って前記反応ガスを流通させる第2反応流路部とを有している。
また、戻し流路部は、冷却媒体流路の一部を閉塞して構成されることが好ましい。
さらに、セパレータは、波板状の金属セパレータで構成されるとともに、前記金属セパレータには、第1反応流路部と戻し流路部とを連通する第1連通孔と、前記戻し流路部と第2反応流路部とを連通する第2連通孔とが形成されることが好ましい。
本発明によれば、反応ガス流路の全長が有効に長尺化されるため、前記反応ガス流路の圧損の増加を図ることができる。しかも、反応ガス流路は、戻し流路部により折り返されるため、第1反応流路部と第2反応流路部との間に圧力差が発生する。その際、第1反応流路部と第2反応流路部とは、反応ガスの流れが平行流であるため、圧力差が均一に維持されている。
これにより、第1反応流路部と第2反応流路部との間における反応ガスのショートカット流量は、反応ガス流れ方向に沿って均一に維持される。従って、発電面全面に反応ガスを良好に供給することができ、コンパクトな構成で、発電性能を向上させることが可能になる。
図1は、本発明の第1の実施形態に係る燃料電池10の概略断面説明図であり、図2は、前記燃料電池10の概略斜視説明図である。
燃料電池10は、電解質膜・電極構造体12と、前記電解質膜・電極構造体12を挟持するアノード側セパレータ14及びカソード側セパレータ16とを備える。アノード側セパレータ14及びカソード側セパレータ16は、金属製薄板を波形状にプレス加工することにより、断面凹凸形状を有する金属セパレータで構成される。燃料電池10は、必要に応じて矢印A方向に所定数だけ積層することにより燃料電池スタックを構成する。
なお、アノード側セパレータ14及びカソード側セパレータ16は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属板により構成される。また、アノード側セパレータ14及びカソード側セパレータ16は、金属セパレータに換えて、例えば、カーボンセパレータを使用してもよい。
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、前記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が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。
アノード側セパレータ14の電解質膜・電極構造体12に向かう面14aには、燃料ガスをアノード側電極20の電極面に供給するための燃料ガス流路24が形成される。この燃料ガス流路24は、矢印B方向(図2参照)に延在する複数の流路溝24aを有する。
アノード側セパレータ14の面14aとは反対の面14bには、冷却媒体をセパレータ面方向に沿って供給するための冷却媒体流路26が形成される。この冷却媒体流路26は、矢印B方向(図2参照)に延在する複数の流路溝26aを有する。
カソード側セパレータ16は、図1〜図3に示すように、複数の酸化剤ガス流路28を備える。各酸化剤ガス流路28は、カソード側セパレータ16の電解質膜・電極構造体12に向かう面16a側に設けられ、カソード側電極22の一端側(図2中、矢印B1方向端部側)から他端側(図2中、矢印B2方向端部側)に発電面に沿って酸化剤ガスを流通させる第1反応流路部28aと、前記カソード側セパレータ16の前記面16aとは反対の面16b側に設けられ、前記第1反応流路部28aに連通するとともに、前記酸化剤ガスを前記カソード側電極22の前記他端側から前記一端側に戻す戻し流路部28bと、前記戻し流路部28bに連通し、前記カソード側電極22の前記一端側から前記他端側に前記発電面に沿って前記酸化剤ガスを流通させる第2反応流路部28cとを有する。
カソード側セパレータ16は、矢印B2方向先端縁部に、第1反応流路部28aと戻し流路部28bとを連通する第1連通孔30aを形成するとともに、矢印B1方向先端縁部に、前記戻し流路部28bと第2反応流路部28cとを連通する第2連通孔30bを形成する。なお、第1連通孔30a及び第2連通孔30bを設けずに、燃料電池10の外部に酸化剤ガス戻し用マニホールドを設けてもよい。
カソード側セパレータ16の面16b側には、冷却媒体流路26を構成する流路溝26bが形成される。流路溝26bは、一つ置きに仕切り板32を介して閉塞されることにより、戻し流路部28bが冷却媒体流路26から分離して形成される。カソード側セパレータ16には、戻し流路部28bの矢印B方向両端を閉塞するための壁板33a、33bが設けられる(図2参照)。
図3に示すように、各酸化剤ガス流路28は、入口側に供給路34aが連通するとともに、出口側に排出路34bが連通する。冷却媒体流路26は、入口側に供給マニホールド36aが矢印C方向に延在して連通する一方、出口側に排出マニホールド36bが矢印C方向に延在して連通する。
図4に示すように、供給路34aの高さは、供給マニホールド36aの高さよりも低く設定されることにより、冷却媒体は、前記供給マニホールド36aに沿って矢印C方向に流通することができる。同様に、図示していないが、排出路34bの高さは、排出マニホールド36bの高さより低く設定される。
なお、図示していないが、燃料ガス流路24は、燃料ガス供給源に連通し、酸化剤ガス流路28は、酸化剤ガス供給源に連通し、さらに、冷却媒体流路26は、冷却媒体供給源に連通している。
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。
先ず、図2に示すように、燃料電池10では、燃料ガス流路24に水素含有ガス等の燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤ガス流路28に酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給される。さらに、冷却媒体流路26には、純水やエチレングリコール等の冷却媒体が供給される。
燃料ガス流路24は、複数の流路溝24aを有しており、前記流路溝24aに沿って流動する燃料ガスは、電解質膜・電極構造体12のアノード側電極20に供給される(図1及び図2参照)。
一方、酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路28を構成する第1反応流路部28aを、図2中、矢印B2方向に流通することにより、電解質膜・電極構造体12のカソード側電極22に供給される。さらに、酸化剤ガスは、カソード側セパレータ16に形成された第1連通孔30aを通って戻し流路部28bに導入され、この戻し流路部28bに沿って矢印B1方向に移動する。
戻し流路部28bの矢印B1方向先端縁部には、第2連通孔30bが設けられており、酸化剤ガスは、この第2連通孔30bを通って第2反応流路部28cに供給された後、矢印B2方向に移動しながら電解質膜・電極構造体12のカソード側電極22に供給される。
従って、各電解質膜・電極構造体12では、アノード側電極20に供給される燃料ガスと、カソード側電極22に供給される酸化剤ガスとが、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。
また、冷却媒体は、冷却媒体流路26を構成する複数の流路溝26aに沿って流動する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体12を冷却した後、例えば、燃料電池10に循環供給される。
この場合、第1の実施形態では、酸化剤ガス流路28は、図2及び図3に示すように、カソード側電極22の発電面に沿って矢印B2方向に酸化剤ガスを流通させる第1反応流路部28aと、前記第1反応流路部28aに連通するとともに、酸化剤ガスを裏面側、すなわち、冷却媒体流路26側に沿って矢印B1方向に戻す戻し流路部28bと、前記戻し流路部28bと前記戻し流路部28bに連通し、前記酸化剤ガスを前記カソード側電極22の発電面に沿って矢印B2方向に流通させる第2反応流路部28cとを有している。
このため、酸化剤ガス流路28は、全長が有効に長尺化され、前記酸化剤ガス流路28の圧損の増加を図ることができる。しかも、酸化剤ガス流路28は、戻し流路部28bにより一旦、矢印B1方向に戻されるため、第1反応流路部28aと第2反応流路部28cとの間に圧力差が発生する。
その際、第1反応流路部28aと第2反応流路部28cとは、酸化剤ガスの流れが平行流(矢印B2方向)であるため、圧力差が均一に維持されている(図5参照)。従って、図1及び図2に示すように、第1反応流路部28aから第2反応流路部28cに酸化剤ガスがショートカットするとともに、この酸化剤ガスのショートカット量は、酸化剤ガス流れ方向(矢印B2方向)に沿って均一になる。
これにより、第1の実施形態では、カソード側電極22の発電面全面にわたり、酸化剤ガスを良好且つ均一に供給することができ、コンパクトな構成で、燃料電池10の発電性能を向上させることが可能になるという効果が得られる。
さらに、図5に示すように、第1反応流路部28aと第2反応流路部28cとの間には、比較的大きな圧力差が発生している。このため、第1反応流路部28aと第2反応流路部28cとの間隔(リブ幅)は、比較的大きく設定することができる。従って、カソード側セパレータ16とアノード側電極20との接触抵抗を有効に低減し得るとともに、流路本数の削減することが可能になり、酸化剤ガスの流速を上げて生成水の排水性が良好に遂行されるという利点がある。
さらにまた、冷却媒体流路26を構成する流路溝26aは、仕切り板32を設けることによって一つ置きに形成されている。このため、冷却媒体流路26の流れる冷却媒体の流速低下による冷却効率の低下を阻止するとともに、冷却媒体の保有量を削減することにより、特に低温起動時間が短縮されるという効果がある。
なお、第1の実施形態では、酸化剤ガス流路28が、第1反応流路部28a、戻し流路部28b及び第2反応流路部28cにより構成される一方、燃料ガス流路24が、複数の流路溝24aにより構成されているが、この燃料ガス流路24を前記酸化剤ガス流路28と同様に構成してもよい。また、以下に説明する第3の実施形態以降においても、同様である。
図6は、本発明の第2の実施形態に係る燃料電池40の流路説明図である。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の実施形態以降においても同様に、その詳細な説明は省略する。
燃料電池40は、複数の波状を有する酸化剤ガス流路42を備える。各酸化剤ガス流路42は、屈曲乃至湾曲する波状の第1反応流路部42aと、この第1反応流路部42aの流れ方向先端(矢印B2方向先端)に連通し且つ矢印B1方向に流れ方向を有する波状の戻し流路部42bと、前記戻し流路部42bの矢印B1方向先端に連通し、矢印B2方向に流れ方向を有する波状の第2反応流路部42cとを備える。
一方、図示しないが、燃料ガス流路は、矢印B2方向に流れ方向を有する複数の流路溝を有する。酸化剤ガス流路42及び燃料ガス流路は、それぞれ波状に形成されるため、セパレータ間には、矢印C方向に延在する冷却媒体流路44が形成される。
図7は、本発明の第3の実施形態に係る燃料電池50の流路説明図である。
燃料電池50は、酸化剤ガス流路28を有するとともに、この酸化剤ガス流路28の入口側及び出口側には、それぞれ波状供給路52a及び波状排出路52bが連通する。波状供給路52a及び波状排出路52bでは、図示しないが、燃料ガス供給路に連通する波状供給路及び波状排出路がそれぞれ積層方向に位相をずらして重なり合うことにより、これらの間に矢印C方向に延在する冷却媒体供給マニホールド54a及び冷却媒体排出マニホールド54bが形成される。
このように構成される第2及び第3の実施形態では、第1の実施形態と同様の効果が得られる。
図8は、本発明の第4の実施形態に係る燃料電池60の流路説明図である。
燃料電池60は、酸化剤ガス流路28の入口及び出口に連通する酸化剤ガス供給マニホールド62a及び酸化剤ガス排出マニホールド62bと冷却媒体流路26の入口及び出口に連通する冷却媒体供給マニホールド64a及び冷却媒体排出マニホールド64bとを、内部マニホールド又は外部マニホールドとして構成する。
酸化剤ガス供給マニホールド62aと酸化剤ガス流路28とを繋ぐ連通部分と、冷却媒体供給マニホールド64aと冷却媒体流路26とを繋ぐ連通部分とは、交差部位66aで、互いに交差する。同様に、酸化剤ガス排出マニホールド62bと酸化剤ガス流路28とを繋ぐ連結部分と、冷却媒体排出マニホールド64bと冷却媒体流路26とを繋ぐ連結部分とは、交差部位66bとで互いに交差している。この交差部位66a、66bでは、流路高さを低く設定することにより、酸化剤ガス及び冷却媒体を、互いに分離した状態で流通可能に構成している。
図9は、本発明の第5の実施形態に係る燃料電池80の概略断面説明図である。
燃料電池80は、電解質膜・電極構造体12をアノード側セパレータ82及び及びカソード側セパレータ84により挟持して構成される。カソード側セパレータ84に設けられる酸化剤ガス流路28では、第1反応流路部28aと第2反応流路部28cとの間隔が、冷却媒体流路26を構成する流路溝26bの幅寸法に比べて相当に長尺に設定されている。アノード側電極20の発電面拡散層が冷却媒体により直接冷却されて、生成水等の水蒸気が凝縮し結露することを阻止するためである。
カソード側セパレータ84では、戻し流路部28bを形成するガイド板86を設ける。このガイド板86は、戻し流路部28bを流通する酸化剤ガスの流速が低下することを阻止するために、高さ方向を低く設定することにより、前記ガイド板86の裏面側を冷却媒体流路26の一部として利用することができる。なお、ガイド板86は、金属材の他、樹脂材によっても構成することができる。
図10は、本発明の第6の実施形態に係る燃料電池90の概略断面説明図である。この燃料電池90は、基本的には第5の実施形態に係る燃料電池80と同様に構成されており、この燃料電池80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。
燃料電池90を構成するカソード側セパレータ84には、冷却媒体流路26を構成する流路溝26bに対応してガイド板92が設けられる。このガイド板92は、戻し流路部28bを構成するとともに、冷却媒体によってカソード側電極22が直接冷却されることを阻止する機能を有する。
図11は、本発明の第7の実施形態に係る燃料電池100の流路説明図である。
この燃料電池100は、酸化剤ガス流路102を備え、前記酸化剤ガス流路102は、矢印B2方向に向かう第1反応流路部102aと、この第1反応流路部102aに連通し、矢印B1方向に向かう第1戻し流路部102bと、前記第1戻し流路部102bに連通し、矢印B2方向に向かう第2反応流路部102cと、前記第2反応流路部102cに連通し、矢印B1方向に向かう第2戻し流路部102dと、前記第2戻し流路部102bに連通し、矢印B2に向かう第3反応流路部102eとを有する。
これにより、第7の実施形態では、酸化剤ガス流路102の全長を相当に長尺化することができ、圧損の増加が容易に遂行されるという利点が得られる。
なお、反応ガス流路部及び戻し流路部の数は、システム設計上、種々の設定が可能である。さらに、より複雑な流路パターンを用いることもできる。
図12は、本発明の第8の実施形態に係る燃料電池110の流路説明図の一例である。
燃料電池110は、酸化剤ガス流路28に酸化剤ガス流路112を組み込むとともに、冷却媒体流路26に平行して冷却媒体流路114が設けられる。酸化剤ガス流路112は、矢印B2方向に向かう反応流路部112aと、この反応流路部112aに連通し、矢印B1方向に向かう戻し流路部112bとを有する。
従って、第8の実施形態では、より複雑な流路パターンを設定することができ、所望の発明性能を容易に得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概略断面説明図である。 前記燃料電池の概略斜視説明図である。 前記燃料電池の流路説明図である。 前記燃料電池の、図3中、IV−IV線断面図である。 前記燃料電池を構成する酸化剤ガス流路の圧力状態説明図である。 本発明の第2の実施形態に係る燃料電池の流路説明図である。 本発明の第3の実施形態に係る燃料電池の流路説明図である。 本発明の第4の実施形態に係る燃料電池の流路説明図である。 本発明の第5の実施形態に係る燃料電池の概略断面説明図である。 本発明の第6の実施形態に係る燃料電池の概略断面説明図である。 本発明の第7の実施形態に係る燃料電池の流路説明図である。 本発明の第8の実施形態に係る燃料電池の流路説明図である。 従来技術のサーペンタイン流路の説明図である。 前記サーペンタイン流路の圧力状態説明図である。
符号の説明
10、40、50、60、80、90、100、110…燃料電池
12…電解質膜・電極構造体 14、82…アノード側セパレータ
16、84…カソード側セパレータ 18…固体高分子電解質膜
20…アノード側電極 22…カソード側電極
24…燃料ガス流路 24a、26a…流路溝
26、114…冷却媒体流路
28、42、102、112…酸化剤ガス流路
28a、28c、42a、42c、102a、102c、102e、112a…反応流路部
28b、42b、102b、102d、112b…戻し流路部
30a、30b…連通孔 32…仕切り板
33a、33b…壁板 34a…供給路
34b…排出路 36a…供給マニホールド
36b…排出マニホールド 52a…波状供給路
52b…波状排出路 54a…冷却媒体供給マニホールド
54b…冷却媒体排出マニホールド 62a…酸化剤ガス供給マニホールド
62b…酸化剤ガス排出マニホールド 64a…冷却媒体供給マニホールド
64b…冷却媒体排出マニホールド 66a、66b…交差部位
86、92…ガイド板

Claims (3)

  1. 電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体と、セパレータとを積層し、発電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燃料電池であって、
    前記反応ガス流路は、前記セパレータの前記電極側の面に設けられ、前記電極の一端側から他端側に前記発電面に沿って前記反応ガスを流通させる第1反応流路部と、
    前記セパレータの前記電極側の面とは反対の面側に設けられ、前記第1反応流路部に連通するとともに、前記反応ガスを前記電極の前記他端側から前記一端側に戻す戻し流路部と、
    前記戻し流路部に連通し、前記電極の前記一端側から前記他端側に前記発電面に沿って前記反応ガスを流通させる第2反応流路部と、
    を有する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、前記戻し流路部は、冷却媒体流路の一部を閉塞して構成されることを特徴とする燃料電池。
  3. 請求項1又は2記載の燃料電池において、前記セパレータは、波板状の金属セパレータで構成されるとともに、
    前記金属セパレータには、前記第1反応流路部と前記戻し流路部とを連通する第1連通孔と、
    前記戻し流路部と前記第2反応流路部とを連通する第2連通孔と、
    が形成されることを特徴とする燃料電池。
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