JP2009016290A - 燃料電池と燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】反応生成水の排出時間の短縮及びドライアップの抑制を良好に実現することができる燃料電池を提供する。
【解決手段】電解質膜１５ａと、その両側に配設される一対の電極としての触媒層１５ｂと、触媒層１５ｂの電解質膜１５ａとは反対側に配設される拡散層１６と、拡散層１６の触媒層１５ｂとは反対側に配設されてガスを拡散層１６に沿って流す流路形成部１７とを備え、流路形成部１７におけるガスの流通方向が掃気運転時と通常運転時とで反転可能とされ、拡散層１６に、流路形成部１７側の開口部２０が触媒層１５ｂ側の部分よりも掃気運転時のガスの流通方向上流側に位置する穴部２１が形成される。
【選択図】図２

Description

本発明は、ガス供給を受けて電気化学反応により発電する燃料電池と、該燃料電池を備えた燃料電池システムに関するものである。

反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）の電気化学反応で発電する燃料電池は、その基本構成が、電解質膜を一対の電極としての触媒層で挟んで構成されるＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ：膜−電極接合体）と、ＭＥＡの両側に配設される一対の拡散層と、両側の拡散層のさらに両外側に配設されて反応ガスを拡散層に沿って流す一対のセパレータとを備えて構成されている。
このような燃料電池では、電気化学反応により反応生成水を生じることになるが、例えば低温状況下での発電停止時においては、この反応生成水に凍結を生じる可能性があるため、セパレータを介して拡散層にガスを掃気して反応生成水を排出する必要がある。そこで、このような拡散層からの反応生成水の排出性を向上するために、拡散層に貫通孔を多数形成する技術が知られている（例えば特許文献１，２参照）。
また、反応生成水によって電解質膜のドライアップを抑制する一方、反応生成水のカソード側でのフラッディングを抑制するため、酸化ガスの流れ方向を燃料電池の運転状態によって重力方向と反重力方向とで変化させる技術が知られている（例えば特許文献３参照）。
特開２００５−８５５１７号公報 特開２００５−３８７３８号公報 特開２００２−１４１０８６号公報

しかしながら、例え上記のように拡散層に貫通孔を多数形成したとしても、貫通孔の延在方向とガスの流通方向とが直交しているのでは、反応生成水の排出に要する時間の短縮が十分ではないという課題が残る。また、拡散層に貫通孔を多数形成すると、発電中にドライアップを生じてしまう可能性もある。また、酸化ガスの流れ方向を燃料電池の運転状態によって重力方向と反重力方向とで変化させるとしても、反応生成水の排出時間の短縮及びドライアップの抑制が十分には行われない。

そこで、本発明は、反応生成水の排出時間の短縮及びドライアップの抑制を良好に実現することができる燃料電池および燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の燃料電池は、電解質膜と、該電解質膜の両側に配設される一対の電極としての触媒層と、該触媒層の前記電解質膜とは反対側に配設される拡散層と、該拡散層の前記触媒層とは反対側に配設されてガスを前記拡散層に沿って流す流路形成部とを備えた燃料電池であって、前記拡散層には、前記流路形成部側の開口部が前記触媒層側の部分よりも前記ガスの流通方向の上流側又は下流側に位置する穴部が形成された構成としている。

また、本発明の燃料電池システムは、電解質膜と、該電解質膜の両側に配設される一対の電極としての触媒層と、該触媒層の前記電解質膜とは反対側に配設される拡散層と、該拡散層の前記触媒層とは反対側に配設されてガスを前記拡散層に沿って流す流路形成部と、を備えてなる燃料電池と、前記燃料電池に対する発電要求に応じて実施される通常運転時と、前記燃料電池内の水分を強制的に減少させるために実施される掃気運転時とで、前記流路形成部におけるガスの流通方向を反転可能にする流通方向変換部と、を備えると共に、前記拡散層に、前記流路形成部側の開口部が前記触媒層側の部分よりも前記掃気運転時のガスの流通方向上流側に位置する穴部が形成された構成としている。

上記構成の燃料電池によれば、拡散層に形成された穴部における流路形成部側の開口部を、当該穴部における触媒層側の部分よりも掃気運転時のガスの流通方向上流側に位置させることができ、また、上記構成の燃料電池システムによれば、拡散層に形成された穴部における流路形成部側の開口部が、当該穴部における触媒層側の部分よりも掃気運転時のガスの流通方向上流側に位置することになる。
このため、燃料電池内の反応生成水を減少させるための掃気運転時には、ガスが開口部から穴部内に良好に進入し、燃料電池内の水分を効率良く減少させることができる。
他方、上記構成の燃料電池においては、ドライアップを抑制したい通常運転時（放電時あるいは発電時）には、拡散層に形成された穴部における流路形成部側の開口部を、当該穴部における触媒層側の部分よりもガスの流通方向下流側に位置させることができ、また、上記構成の燃料電池システムにおいては、拡散層に形成された穴部における流路形成部側の開口部が、当該穴部における触媒層側の部分よりもガスの流通方向下流側に位置することになる。
このため、ガスが開口部から穴部内に比較的進入し難くなり、ドライアップを抑制することができる。

本発明によれば、反応生成水の排出時間の短縮及びドライアップの抑制を良好に実現することができる。

本発明に係る燃料電池の第１実施形態を、図１乃至図３を参照しつつ説明する。
燃料電池システム１は、図１に示すように、燃料電池２を中心として構成され、燃料電池２に燃料ガス（反応ガス）としての水素ガスを供給するため水素供給源３、燃料電池２に酸化ガス（反応ガス）としての空気を供給するためのコンプレッサ４、燃料電池２に供給する空気の当該燃料電池２内での流通方向を反転可能にする流通方向変換部５、システム全体を統合制御する図示されていない制御装置等を備えて構成されている。

燃料電池２は、単電池（燃料電池セル）を所要数積層した燃料電池スタックを備えている。燃料電池２には、発電された電力を蓄える図示されていない蓄電池や、発電された電力及び／又は蓄電池に蓄えられた電力によって駆動する図示されていないモータ等が接続されている。水素供給源３としては、例えば高圧水素タンクを採用することができ、いわゆる燃料改質器や水素吸蔵合金等を採用することもできる。

燃料電池２の水素供給口には水素供給用配管２１が接続されており、この水素供給用配管２１を介して燃料ガスとしての水素ガスが水素供給源３から供給される。水素供給用配管２１には、水素供給源３から水素ガスを供給し又は供給を停止する遮断弁、燃料電池２への水素ガスの供給圧力を減圧して調整する水素調圧弁、燃料電池２の水素供給口と水素供給用配管２１との間を開閉する遮断弁等が設けられている。なお、各種弁については図示を省略している。

燃料電池２の水素排出口には水素循環用配管２３が接続されており、燃料電池２で消費されなかった水素ガスは、水素オフガス（燃料オフガス）として水素循環用配管２３に排出されて水素供給用配管２１に戻される。水素循環用配管２３には、燃料電池２と水素循環用配管２３とを連通させ又は遮断する遮断弁、水素オフガスから水分を回収する気液分離器２３ａ、水素オフガスを加圧する水素ポンプ２３ｂ等が設けられている。

水素オフガスは、水素供給用配管２１で水素ガスと合流し、燃料電池２に供給されて再利用される。また、水素循環用配管２３は、パージ弁及びパージ用配管２７を介して空気排出用配管２６に接続される。なお、遮断弁及びパージ弁については図示を省略している。

燃料電池２の空気供給口には空気供給用配管２２が接続されており、この空気供給用配管２２を介して酸化ガス（反応ガス）としての空気（例えば外気）が供給される。空気供給用配管２２には、空気を加圧するコンプレッサ４、燃料電池２に供給する空気の当該燃料電池２内での流通方向を反転可能にする流通方向変換部５、空気から微粒子を除去するエアフィルタ６等が設けられている。

また、燃料電池２の空気排出口には空気排出用配管２６が接続されており、この空気排出用配管２６を介して空気オフガス（排出ガス、酸化オフガス）が外部に放出される。

燃料電池２は、図２に示すように、固体高分子材料のイオン交換膜からなる電解質膜１５ａを一対の電極である触媒層１５ｂで挟んだＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ：膜−電極接合体）１５と、ＭＥＡ１５を挟む一対の拡散層１６と、ＭＥＡ１５および一対の拡散層１６をさらに挟む一対のセパレータ（流路形成部）１７とを備えている。

一対のセパレータ１７には、拡散層１６に沿って反応ガスを流すことで拡散層１６を介して触媒層１５ｂに反応ガスを供給するためのガス流路１８がそれぞれ形成されている。ここで、一方のカソード側のセパレータ１７のガス流路１８には空気が流されることになり、他方のアノード側のセパレータ１７のガス流路１８には水素ガスが流されることになる。

燃料電池２に供給された空気は、一方のセパレータ１７とこれに隣接する拡散層１６との間に画成されたガス流路１８に流入し、この拡散層１６を介してこれに隣接する一方のカソード電極としての触媒層１５ｂに接する。一方、燃料電池２に供給された水素ガスは、他方のセパレータ１７とこれに隣接する拡散層１６との間に画成されたガス流路１８に流入し、この拡散層１６を介してこれに隣接する他方のアノード電極としての触媒層１５ｂに接する。双方の触媒層１５ｂにそれぞれ接した空気および水素ガスは、電解質膜１５ａにおいて電気化学反応を起こし、起電力を発生させる。

第１実施形態では、図１に示す流通方向変換部５によって燃料電池２へのガス供給方向が切り替えられる。すなわち、流通方向変換部５内には、空気供給用配管２２と空気排出用配管２６のそれぞれについてそれぞれの上下流同士を接続する２本の順配管と、空気供給用配管２２と空気排出用配管２６とを相互接続する２本の反転配管と、が配設されており、更にこれら順配管と接続配管とにそれぞれ設けられている不図示のバルブを開閉することにより、セパレータ１７のガス流路１８におけるガスの流通方向が反転可能とされている。
そして、燃料電池２に対する発電要求に応じて実施される通常運転時は、コンプレッサ４からの空気および燃料電池２からの空気オフガスが順配管側を流通するように前記バルブの開閉が制御され、燃料電池２内の水分を強制的に減少させるために実施される掃気運転時は、コンプレッサ４からの空気および燃料電池２からの空気オフガスが反転配管側を流通するように前記バルブの開閉が制御される。

そして、拡散層１６には、セパレータ１７側つまりガス流路１８側の開口部２０が触媒層１５ｂ側の部分よりも掃気運転時のガスの流通方向（図２に示す実線矢印Ｘ１方向）の上流側に位置する穴部２１が多数形成されている。これらの穴部２１は、直線状をなしており、触媒層１５ｂに対してすべて同角度で傾斜している。また、これらの穴部２１は、ガス流通方向に平行な等間隔の線とガス流通方向に直交する等間隔の線との交点位置に形成されている。

このような第１実施形態によれば、拡散層１６に形成された穴部２１は、セパレータ１７側の開口部２０が触媒層１５ｂ側の部分よりも掃気運転時のガス流路１８におけるガスの流通方向（図２に示す実線矢印Ｘ１方向）の上流側に位置するため、反応生成水を排出する掃気運転時には、ガス流路１８を流れるガスが開口部２０から穴部２１内に良好に進入し、反応生成水を効率良く排出させることができる。
他方、ドライアップを抑制したい通常運転時（発電時）には、穴部２１は、セパレータ１７側の開口部２０が触媒層１５ｂ側の部分よりもガスの流通方向（図２に示す破線矢印Ｘ２方向）の下流側に位置するため、ガスが開口部２０から穴部２１内に比較的進入し難くなり、反応生成水の排出性ひいてはドライアップを抑制することができる。
したがって、反応生成水の排出時間の短縮及びドライアップの抑制を良好に実現することができる。

なお、第１実施形態においては、カソード側の拡散層１６とアノード側の拡散層１６との両方に穴部２１を形成する場合を例にとり説明したが、反応生成水の発生量の多いカソード側の拡散層１６のみに穴部２１を形成しても有効である。

次に、本発明に係る燃料電池の第２実施形態を、主に図３を参照しつつ第１実施形態との相違部分を中心に説明する。

第２実施形態では、第１実施形態に対して拡散層及び穴部の構成が異なっている。つまり、第２実施形態の拡散層１６Ａは、セパレータ１７側が、触媒層１５ｂ側の部分よりも掃気運転時のガスの流通方向（図３に示す実線矢印Ｘ１方向）の上流側に位置するように傾斜する同角度の傾斜面部２４が、ガスの流通方向に並設されており、隣り合う傾斜面部２４同士が、それぞれガスの流通方向に直交する直交面部２５で繋がれている。

そして、拡散層１６Ａには、セパレータ１７側の開口部２０Ａが触媒層１５ｂ側の部分よりも掃気運転時のガスの流通方向上流側に位置する穴部２１Ａが直交面部２５の触媒層１５ｂ側の端部に開口部２０Ａを配置して多数形成されている。これらの穴部２０Ａは、直線状をなして拡散層１６Ａを貫通しており、傾斜面部２４と同角度で傾斜している。

このような第２実施形態によれば、第１実施形態と同様、拡散層１６Ａに形成された穴部２１Ａは、セパレータ１７側の開口部２０Ａが触媒層１５ｂ側の部分よりも掃気運転時のガスの流通方向（図３に示す実線矢印Ｘ１方向）の上流側に位置するため、反応生成水を排出する掃気運転時には、ガスが開口部２０Ａから穴部２１Ａ内に良好に進入し、反応生成水を効率良く排出させることができる。
他方、ドライアップを抑制したい通常運転時（発電時）には、穴部２１Ａは、セパレータ１７側の開口部２０Ａが触媒層１５ｂ側の部分よりもガスの流通方向（図３に示す破線矢印Ｘ２方向）の下流側に位置するため、ガスが開口部２０Ａから穴部２１Ａ内に比較的進入し難くなり、反応生成水の排出性ひいてはドライアップを抑制することができる。
したがって、第２実施形態によっても、第１実施形態と同様に、反応生成水の排出時間の短縮及びドライアップの抑制を良好に実現することができる。

なお、第２実施形態においても、カソード側の拡散層１６Ａとアノード側の拡散層１６Ａとの両方に傾斜面部２４、直交面部２５及び穴部２１Ａを形成する場合を例にとり説明したが、反応生成水の発生量の多いカソード側の拡散層１６Ａのみに、傾斜面部２４、直交面部２５及び穴部２１Ａを形成しても有効である。

次に、本発明に係る燃料電池の第３実施形態を、主に図４を参照しつつ第１実施形態との相違部分を中心に説明する。

第３実施形態では、第１実施形態に対して拡散層及び穴部の構成が異なっている。つまり、第３実施形態の拡散層１６Ｂには、ガスの流通方向と直交する方向に所定の間隔をあけ、ガス流通方向に並設されて、多数の屈曲板状部３０が形成されている。
これらの屈曲板状部３０は、セパレータ１７側が触媒層１５ｂ側の部分よりも掃気運転時のガスの流通方向（図４に示す実線矢印Ｘ１方向）の上流側に位置するように傾斜する板部３１と、板部３１の触媒層１５ｂ側からガスの流通方向と平行に、掃気運転時のガスの流通方向下流側に延在する中間板部３２と、中間板部３２の下流側から、中間板部３２側が触媒層１５ｂ側の部分よりも掃気運転時のガスの流通方向上流側に位置するように傾斜する板部３３とからなる形状をなしている。
そして、ガスの流通方向に隣り合う屈曲板状部３０同士の間に、セパレータ１７側の開口部２０Ｂが触媒層１５ｂ側の部分よりも掃気運転時のガスの流通方向上流側に位置する穴部２１Ｂが形成されている。

このような第３実施形態によれば、第１，第２実施形態と同様、拡散層１６Ｂに形成された穴部２１Ｂは、セパレータ１７側の開口部２０Ｂが触媒層１５ｂ側の部分よりも掃気運転時のガスの流通方向（図４に示す実線矢印Ｘ１方向）の上流側に位置するため、反応生成水を排出したい掃気運転時には、ガスが開口部２０Ｂから穴部２１Ｂ内に良好に進入し、反応生成水を効率良く排出させることができる。
他方、ドライアップを抑制したい通常運転時（発電時）には、拡散層１６Ｂに形成された穴部２１Ｂは、セパレータ１７側の開口部２０Ｂが触媒層１５ｂ側の部分よりもガスの流通方向（図４に示す破線矢印Ｘ２方向）の下流側に位置するため、ガスが開口部２０Ｂから穴部２１Ｂ内に比較的進入し難くなり、反応生成水の排出ひいてはドライアップを抑制することができる。
したがって、第３実施形態によっても、第１及び第２実施形態と同様に、反応生成水の排出時間の短縮及びドライアップの抑制を良好に実現することができる。

なお、第３実施形態においても、カソード側の拡散層１６Ｂとアノード側の拡散層１６Ｂとの両方に穴部２１Ｂを形成する場合を例にとり説明したが、反応生成水の発生量の多いカソード側の拡散層１６Ｂのみに穴部２１Ｂを形成しても有効である。

ここで、上記した第１実施形態（実施例１）、第２実施形態（実施例２）および第３実施形態（実施例３）について、掃気に要する時間と、セル温度８０℃の加湿条件での１［Ａ／ｃｍ²］の時の起動直後のセル電圧とを測定し、拡散層に穴部が形成されていない比較例と比較する掃気評価・放電評価試験を行った。その結果を以下の表１に示す。

この表１から明らかなように、運転停止後の掃気に要する時間は、穴部が形成されていない比較例よりも、穴部が形成されている第１実施形態の方が短縮され、第１実施形態よりも、該第１実施形態とは触媒層及び穴部の構成が異なる第２実施形態の方がさらに短縮され、さらに第２実施形態よりも、該第２実施形態とは触媒層及び穴部の構成が異なる第３実施形態の方がさらに短縮されていることがわかる。

また、起動直後のセル電圧も、穴部が形成されていない比較例よりも、穴部が形成されている第１実施形態の方が高く、第１実施形態と第２実施形態とが同等で、第１実施形態及び第２実施形態よりも、それらの実施形態とは触媒層及び穴部が異なる第３実施形態の方が高くなることがわかる。

以上から、第１〜第３実施形態は、保水を維持しながらも余分な反応生成水を短時間で掃気により排出できることがわかる。

本発明に係る燃料電池システムの一実施形態を示す概略構成図である。 本発明に係る燃料電池の第１実施形態を示すもので、（ａ）は断面図、（ｂ）は拡散層の平面図である。 本発明に係る燃料電池の第２実施形態を示すもので、（ａ）は断面図、（ｂ）は拡散層の平面図である。 本発明に係る燃料電池の第３実施形態を示すもので、（ａ）は断面図、（ｂ）は拡散層の平面図である。

符号の説明

１…燃料電池、２…セル、５…流通方向変換部、１５ａ…電解質膜、１５ｂ…触媒層１５ｂ、１６，１６Ａ，１６Ｂ…拡散層、１７…セパレータ（流路形成部）、２０，２０Ａ，２０Ｂ…開口部、２１，２１Ａ，２１Ｂ…穴部。

Claims (2)

1. 電解質膜と、該電解質膜の両側に配設される一対の電極としての触媒層と、該触媒層の前記電解質膜とは反対側に配設される拡散層と、該拡散層の前記触媒層とは反対側に配設されてガスを前記拡散層に沿って流す流路形成部とを備えた燃料電池であって、
   前記拡散層には、前記流路形成部側の開口部が前記触媒層側の部分よりも前記ガスの流通方向の上流側又は下流側に位置する穴部が形成されている燃料電池。
2. 電解質膜と、該電解質膜の両側に配設される一対の電極としての触媒層と、該触媒層の前記電解質膜とは反対側に配設される拡散層と、該拡散層の前記触媒層とは反対側に配設されてガスを前記拡散層に沿って流す流路形成部と、を備えてなる燃料電池と、
   前記燃料電池に対する発電要求に応じて実施される通常運転時と、前記燃料電池内の水分を強制的に減少させるために実施される掃気運転時とで、前記流路形成部におけるガスの流通方向を反転可能にする流通方向変換部と、を備えると共に、
   前記拡散層に、前記流路形成部側の開口部が前記触媒層側の部分よりも前記掃気運転時のガスの流通方向上流側に位置する穴部が形成されている燃料電池システム。

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