JP2009037860A - 燃料電池およびそれに用いるセパレータ - Google Patents
燃料電池およびそれに用いるセパレータ Download PDFInfo
- Publication number
- JP2009037860A JP2009037860A JP2007201026A JP2007201026A JP2009037860A JP 2009037860 A JP2009037860 A JP 2009037860A JP 2007201026 A JP2007201026 A JP 2007201026A JP 2007201026 A JP2007201026 A JP 2007201026A JP 2009037860 A JP2009037860 A JP 2009037860A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- separator
- flow path
- fuel cell
- porous member
- gas
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
【課題】高密度出力化のために、流路内のガス圧力を高めて均等にし、ガスの逆流を防止し、セル位置に応じて適切なガス圧力を設定する手段を提供する。
【解決手段】燃料電池のセパレータ201において、ガス流路部200の出口203に気孔率の小さい多孔質部材204を設置する。ガスはセパレータ流路の出口付近でせきとめられるので、ガス圧力は、セパレータ内で一様に高くなる。ガスは、多孔質部材内で生じた圧力勾配により出口から排出されるので、多孔質部材内を逆流してセパレータ流路に浸入しない。また、セパレータ流路のガス流速が遅くなるので、電解質膜の含水率の低下を防止することができる。さらに、燃料電池セルを複数積み重ねて構成するスタック形式の燃料電池では、多孔質部材の気孔率や形状をセル位置に応じて変えることにより、セルごとに適切な流路圧力を設定することができる。
【選択図】図1
【解決手段】燃料電池のセパレータ201において、ガス流路部200の出口203に気孔率の小さい多孔質部材204を設置する。ガスはセパレータ流路の出口付近でせきとめられるので、ガス圧力は、セパレータ内で一様に高くなる。ガスは、多孔質部材内で生じた圧力勾配により出口から排出されるので、多孔質部材内を逆流してセパレータ流路に浸入しない。また、セパレータ流路のガス流速が遅くなるので、電解質膜の含水率の低下を防止することができる。さらに、燃料電池セルを複数積み重ねて構成するスタック形式の燃料電池では、多孔質部材の気孔率や形状をセル位置に応じて変えることにより、セルごとに適切な流路圧力を設定することができる。
【選択図】図1
Description
本発明は、燃料電池およびそれに用いるセパレータに係わり、定置用電源および移動体用電源として有用な燃料電池に関する。
燃料電池は、燃料ガスと酸化剤ガスを電気化学的に反応させ、発電した電気を供給するものである。燃料電池の重要な構成要素にセパレータがある。セパレータは、燃料ガスと酸化剤ガスを分離し、ガスが均等に拡散層に行き渡るように工夫された流路構造を持ち、膜・電極接合体(MEA)で発電された電気を集電するものである。セパレータは黒鉛材料と金属材料のものが開発されている。金属材料のセパレータは、腐食への対策が必要になるが、金属材料をプレス成形にて流路を形成するので、コスト低減化や薄型化、軽量化が可能であり、体積あたりの出力向上が期待できる。従って、高密度出力化や低コスト化のニーズに伴い、金属材料セパレータは広い分野で展開が進められている。
燃料電池は、電気化学反応で発電する電気量が小さいので、発電単位要素であるセルを複数重ねて構成されるスタックと呼ばれる形式をとる。スタックでは、燃料ガスおよび酸化剤ガスを各発電セルに供給するために、マニホールドと呼ばれる大きな流路が設けられている。マニホールドは、各発電セルにガスを供給するための吸気マニホールドと、各発電セルから使用済みガスを排出するための排気マニホールドがある。吸気マニホールドから各セルに供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスは、吸気マニホールドの入口に設置される加圧器を用いて供給される。
一方、小さな燃料電池で、大きな出力を得るための高密度出力化の工夫が開発されている。例えば、電気化学反応における活性は燃料ガスおよび酸化剤ガスの圧力に比例することから、高密度出力化を実現させるためにガス流路内の圧力を高めて用いる場合がある。セパレータのガス流路内の圧力を高める手法に、排気マニホールドの出口に圧力調整弁を備え、これを用いる手段、または、各セルにおけるセパレータの流路出口で流路の高さ(厚さ)を調整する手段がある(例えば特許文献1および特許文献2参照)。
圧力調整弁を用いた手段は、排気マニホールドの出口を絞り、流路全体の圧力を一様に高めるものである。従って、複数のセルで構成されるスタック形式の燃料電池においては、各セルにおけるガス流路内の圧力を高め、電気化学反応を活性化させ、高い出力を得ることができる。しかし、全てのセルで流路圧力が一様になるため、セルが配置される位置に応じて、適切な流路圧力を設定することはできない。また、圧力調整弁を用いた手段は、排気マニホールド内の圧力も高めてしまう。この結果、排気マニホールド内の圧力がセルの流路出口における圧力と同じレベルになるので、排気マニホールド流路内のガスは、セルの流路に逆流するおそれがある。排気マニホールド内のガスは、電気化学反応で使われた使用済みガスであるため、水蒸気を多く含む。この使用済みガスがセルの流路に逆流すると、ガスは飽和水蒸気量を超え凝縮水を生成しやすくなる。生成された凝縮水は流路を防ぎ、性能低下の原因となる。
一方、セパレータ流路の出口付近の流路高さ(厚さ)を調整する手段は、流路の一部の高さを低くし拡散層の厚みを増やすことで、ガス流路内の圧力を高めている。しかし、流路の高さや拡散層の厚みを部分的に変えると、燃料電池を組み立てた場合、均等な面圧を実現するのが困難になる。この結果、接触抵抗の不均性から均等な電気集電ができず、性能や寿命に影響する。また、出口面積が小さくなるので、ガスの流速はその分、速くなる。従って、流速が速くなる分、出口付近の拡散層では水分が多く蒸発し、電解質膜における含水率が低下し、プロトン伝導率が低化して、性能低下の要因となる。これを防止するには、出口付近の拡散層の気孔率を下げ、保水性を上げなければならない。ところが、セパレータ流路の出口付近の流路高さ(厚さ)を調整する手段では、流路高さを低くした分、拡散層への面圧が小さくなり、拡散層の気孔率を逆に大きくしてしまう。
本発明の目的は、高密度出力化のためにガス流路内の圧力を高める手段において、セルが配置される位置に応じて、適切な流路圧力を設定し、排気マニホールドからセル流路への逆流を防止し、かつ、面圧の不均性からくる不具合や、保水性の不具合を解消する手段を提供するものである。
本発明は、セパレータ流路の出口に多孔質部材を設置する。多孔質部材は、多くの気孔が連なりあってできる連通孔と呼ばれる流路を有している。連通孔は複雑にねじれ、絡み合っているので、ガスの通りやすさを示すガス透過係数の値が非常に小さく、狭い領域に対して大きな圧力勾配を付けることができる。
図6は、カーボンペーパと呼ばれる多孔質部材について、気孔率とガス透過係数の関係を示したグラフである。図6において、横軸はカーボンペーパの気孔率を、縦軸はカーボンペーパのガス透過係数を示している。縦軸の値が対数で取られていることに注意すると、このグラフから、カーボンペーパの気孔率を少しだけ変えれば、ガスの通りやすさを示すガス透過係数が著しく変化することが分る。例えば、気孔率が0.6のカーボンペーパと0.8のカーボンペーパとでは、ガス透過係数の値が一桁違う。従って、気孔率の小さな調整で、ガスの通り易さを大きく変える事ができる。
それ故、気孔率の小さい多孔質部材をセパレータ流路の出口に設置すれば、加圧器で生じるガスの流れは、セパレータ流路の出口付近でせきとめられ、ガスの圧力がセパレータ内で一様に高い状態が得られる。多孔質部材内では圧力勾配が生まれ、連通孔で形成される流路では、圧力が出口に向かって徐々に小さくなる。この圧力勾配により、出口からガスが排出される。従って、排出されたガスは、多孔質部材内を逆流してセパレータ流路に浸入することは無い。また、セパレータ流路のガス流速が遅くなるので、電解質膜の含水率の低下を防止することができる。
さらに、多孔質部材の気孔率や形状を変えることにより、狭い領域に対しても圧力勾配を様々な値に設定することができる。複数のセルで構成されるスタック形式の燃料電池を作成する際、セルが配置される位置に応じて気孔率や形状の異なる多孔質部材をセパレータ流路の出口に設置すれば、セルごとに適切な流路圧力を設定することができる。
本発明により、高密度出力化のためにガス流路内の圧力を高める手段において、セルが配置される位置に応じて、適切な流路圧力を設定し、排気マニホールドからセル流路への逆流を防止し、かつ、面圧の不均性からくる不具合や、保水性の不具合を解消することができる。
以下に、本発明の実施例を、図面を参照して説明する。
図1は、本発明に関する第1の実施形態を示した燃料電池用セパレータ101の概念図である。セパレータ101は、例えば、ステンレスやチタン、アルミニュウムなどの、厚さ0.2mmの薄い金属の材料をプレス加工で形成したものである。燃料ガスと酸化剤ガスを分離し、ガスが均等に拡散層に行き渡るように工夫された流路構造を持ち、後で述べる膜・電極接合体(以下、MEAと称する)で発電された電気を集電する機能を持つ。セパレータ101は、ガスが注入される入口102、ガスが流れる流路100、電気集電部106、ガスが排出される出口103、出口103に面して設置される多孔質部材104、およびガスが外に漏れないように設置したシール材105からなる。本発明のセパレータ101は、出口103に面して多孔質部材104を設置したことを特徴とする。ここで、多孔質部材104は、気孔率が例えば40%のものを用い、横幅1mm、厚さ0.2mmで、長さ(縦幅)は出口部分と同じである。また、電気集電部106は、プレス加工で形成され、縦方向0.75mm間隔に配置された36本のリブ(凸設部)を有する。リブの長さ(横幅)は144mmで、高さ(図1で紙面方向の長さ)は、流路100の面から0.2mmである。
図2は、本発明に関する第2の実施形態を示した燃料電池用セパレータ201の概念図である。本実施例のセパレータ201は、リブを有さない平板状の集電板(図2では、第1の多孔質部材200で覆われているため、図示せず。図5の符号201’がこれを示す)、集電板201’上に配置した第1の多孔質部材により形成された流路部200、ガスが注入される入口202、ガスが排出される出口203、出口203に面して設置される第2の多孔質部材204、ガスが外に漏れないように設置したシール材205からなる。セパレータ201のうち、集電板201’は、例えば、ステンレスやチタン、アルミニュウムなどの、厚さ0.2mmの薄い金属の材料をプレス加工した薄板である。流路部200は、この薄板上に設置され、そのコア部がニッケルなどの多孔質金属であり、耐食用にクロム、チタンなどでコーティングした、厚さ0.2mm、気孔率95%である多孔質部材(第1の多孔質部材)を使用する。また、流路部200は、電気集電部も兼ね備えている。第2の多孔質部材204は、気孔率が流路部200に比べて小さい値、例えば40%であり、横幅1mm、厚さ0.2mmで、長さ(縦幅)は出口部分と同じである。
図3は、本発明のセパレータを用いて作成する燃料電池セル300を説明する図である。発電の基本ユニットである燃料電池セル300は、MEA302を、アノード側セパレータ301とカソード側セパレータ303とで、両側から挟むようにして形成される。アノード側セパレータ301とカソード側セパレータ303は、同じ形式のセパレータを2枚用意し、図3では図1のセパレータ101を使用する。このアノード側およびカソード側のセパレータは、図2のセパレータ201を用いてもよい。両セパレータは、一方のセパレータを、図3においてMEA302の横方向中央に設定したZ軸を中心に180度回転させて、もう一方のセパレータと重なる位置に来るように向きを整え、使用する。MEA302の大きさは、アノード側セパレータ301、カソード側セパレータ303として使用するセパレータ101あるいはセパレータ201の、それぞれの流路100および200の領域をカバーする大きさである。例えば、流路の大きさが横幅170mm、縦幅94mmであると、MEA302の大きさも横幅170mm、縦幅94mmである。なお、図3の例では、セパレータは、その両面に流路を形成し、その一方が燃料流路、他方が酸化剤流路となり、スタックタイプの各セルに使用される。これらの流路は、スタックタイプのセパレータで使用した場合、各セルの隣り合わせの流路を形成することになる(図4参照)。また、スタック構造では、最端のセパレータの片側が端板304で覆われる。
図4および図5は、燃料電池セル300を、図3のZ軸に沿って中央で切断したときの断面図で、一部分を拡大して示したものである。
図4の断面図は、セパレータに、図1で説明したセパレータ101が使われている場合である。アノード側セパレータ301とカソード側セパレータ303がMEA403を挟み込むように構成されている。アノード側セパレータ301の流路の断面405および電気集電部の断面407は、それぞれ0.75mm間隔に配置されるようプレス加工されている。電気集電部の断面407は、MEA403に接続され、MEA403で発電された電気を伝導することができる。同様に、カソード側セパレータ303の流路の断面406および電気集電部の断面408は、それぞれ、0.75mm間隔に配置されるようプレス加工されている。電気集電部の断面408は、MEA403に接続され、MEA403で発電された電気を伝導することができる。
図5は、セパレータに、図2で説明したセパレータ201が使われている場合の断面図である。アノード側セパレータ501とカソード側セパレータ502がMEA503を挟み込むように構成されている。アノード側セパレータ501およびカソード側セパレータ502の流路部200は、それぞれ気孔率95%、厚さ0.2mmの第1の多孔質部材が用いられている。上記流路部200は、多孔質部材のコア部(多孔質金属)である電気集電部と多孔質部材の気孔部とからなり、電気伝導とガス流の2つの機能を有する。アノード側、カソード側セパレータの各集電板201’は、厚さ0.2mmのアルミニュウムまたはニッケルなどの金属性の板で、電気集電を行うと同時に流路内のガスが漏れないようにしている。
次に、膜・電極接合体(MEA)403および503について説明する。MEAは、カソード側電極およびアノード側電極が固体高分子電解質膜を両面から挟み込む形で構成される。固体高分子電解質膜には、プロトン伝導性を有するイオン交換膜、例えば、ナフィオン117(Nafion117、175μm、DuPont社製)等を用いたフッ素系イオン交換膜が用いられる。カソード側電極およびアノード側電極は、拡散層と触媒反応層とで形成される。
カソード側電極およびアノード側電極の拡散層は、燃料ガスまたは酸化剤ガスの拡散性を高めるとともに、発電により発生した反応生成水の排出機能および電子伝導性を併せ持つ必要がある。その材料としては、例えば、カーボンペーパ、カーボンクロス等の導電性多孔質材料に、撥水処理を施したものを適用することができる。ここでは、導電性多孔質材料として厚さ0.2mmのカーボン不織布(東レ社製TGP−H060)を用い、撥水処理を施すためフッ素系撥水剤のエマルジョン液(ダイキン製D1)に浸し、乾燥後350℃で10分間熱処理し、拡散層を形成した。
カソード側電極およびアノード側電極の触媒反応層は、触媒金属を担持した導電性炭素粒子と高分子電解質を主成分とした厚さ0.005mm程度の薄膜である。アノード側触媒反応層には、平均一次粒子径が30nmである導電性炭素粒子のケッチェンブラック(AKZO Chemie社製)に、白金とルテニウムをそれぞれ25重量%担持させた、アノード用触媒担持粒子を使用した。カソード側触媒反応層には、ケッチェンブラックに白金を50重量%担持させた、カソード用触媒担持粒子を使用した。
ここで、カソード側触媒反応層およびアノード側触媒反応層の形成方法を述べる。まず、それぞれの触媒担持粒子をイソプロパノール水溶液に分散させた溶液と、高分子電解質、例えばナフィオン117をエタノールに分散させた溶液とを、触媒担持粒子と高分子電解質との重量比が1:1になるように混合する。次に、混合溶液をビーズミルで高分散させることにより、カソード用とアノード用のスラリーを作製する。このスラリーを、先に作成したカソード側拡散層およびアノード側拡散層に、スプレークオーターを用いて塗布し、これを大気中常温で6時間乾燥させる。このようにして、カソード側触媒反応層およびアノード側触媒反応層を形成することができる。カソード側電極とアノード側電極は、以上のように、各拡散層を形成し、それに触媒反応層をそれぞれ形成することで作成した。
次に、本発明に関する実施形態である燃料電池セル300について、多孔質部材の効果をシミュレーションを行って検証する。ここでは、セパレータとして、図2に示した、本発明に関する第2の実施形態における燃料電池用セパレータ201を用いた場合を検証する。
まず、解析モデルについて説明する。図7は、燃料電池セル300を解析対象とし、これをモデル化した形状データを説明する図である。形状データの正面図701において、燃料電池セル300の発電部分は、横幅170mm、縦幅94mm、厚さ1.04mmである。正面図701で、中央のA−Aを結ぶ線でモデルを切断したときの断面図が702である。断面図702において、領域704を拡大した図が703である。拡大図703に示すように、モデル化した燃料電池セル300は、中央に電解質膜があり、カソード側およびアノード側の触媒層(触媒反応層)、拡散層(GDL)、流路、および集電板が、この順序で電解質膜を両側から挟むようにして構成されている。集電板、流路、拡散層(GDL)、触媒層、および電解質膜の厚さおよび物性については、拡大図703内の表に示したとおりである。集電板と流路を合わせた物が、図2に示した、本発明に関する第2の実施形態における燃料電池用セパレータ201である。
正面図701で見えているのは、拡大図703で右方の、カソード側セパレータの集電板の部分である。正面図701において、カソード側セパレータの集電板の奥にあるのは、カソード側セパレータの流路(以後、カソード流路と称する)である。この流路の入口は、右上に示したAir Inletと呼ばれる面で、縦幅は32mm、奥行き(厚さ)は流路の厚さと同じ0.2mmである。同様に、カソード流路の出口は、左下に示したAir Outletと呼ばれる面で、縦幅は32mm、奥行き(厚さ)は流路の厚さと同じ0.2mmである。
正面図701において、カソード流路の次に配置されるのがカソード側GDLである。以下、順に、カソード側触媒層、電解質膜、アノード側触媒層、アノード側GDL、アノード側セパレータの流路(以後、アノード流路と称する)、アノード側セパレータの集電板と配置されている。
また、正面図701において、アノード流路の入口が、左上に示したH2 Inletと呼ばれる面で、縦幅32mm、奥行き(厚さ)は流路の厚さと同じ0.2mmである。同様に、アノード流路の出口が、右下に示したH2 Outletと呼ばれる面で、縦幅32mm、奥行き(厚さ)は流路の厚さと同じ0.2mmである。
図8は、図7に示した燃料電池セル300をモデル化した形状データにおいて、カソード流路の解析メッシュのみを抜き出し、カソード流路のモデルを詳述した図である。図8において、カソード流路801には、先に述べた入口802(Air Inlet)と出口803(Air Outlet)の他に、出口803に多孔質部材804が設置されている。多孔質部材804の形状は、横幅は1mmで、縦幅と厚さは出口の形状と同じ32mmと0.2mmである。多孔質部材804は、コア部がニッケル製の多孔質体であり、耐食用にチタンでコーティングをし、気孔率が40%のものを用いた。アノード流路に対しては、出口(H2 Outlet)に多孔質部材を設置しなかった。
図7に示した燃料電池セル300をモデル化した形状データを使って、シミュレーションによる解析を行った。解析は、水素利用率60%、酸素利用率40%、カソード電圧0.15Vの条件の下に、カソード流路の出口803(Air Outlet)に多孔質部材804が有る場合と無い場合について行った。
以下に、解析結果を述べる。図9は、シミュレーションの結果を、カソード流路出口に多孔質部材無しの場合と有りの場合について比較したものである。図9をみると、多孔質部材有りの場合は無しの場合に比べ、流路内ガスは、平均圧力が10倍ほど高く、平均流速が約3分の1となりゆっくりと流れ、カソード側触媒層における酸素濃度は、約2.5倍高くなった。また、電解質膜の性能を示す含水率は約2.6倍、燃料電池の性能の指標となる電流密度は約17%向上することが分った。
図10は、シミュレーション結果から、カソード流路内のガスの圧力分布を、カソード流路出口に多孔質部材無しの場合と有りの場合について比較したものである。図10をみると、カソード流路出口に多孔質部材が無しの場合、カソード流路内の圧力分布は、入口から出口にかけて徐々に低くなり、出口付近に圧力勾配が無いことが分る。一方、カソード流路出口に多孔質部材が有る場合は、カソード流路内の圧力分布は、入口から出口にかけて均等であるが、出口付近にだけ圧力勾配1001があることが分る。
以上の結果から、本発明のようにセパレータ流路の出口に多孔質部材を設置することにより、セパレータ流路のガスの圧力を均等に高められ、燃料電池の性能の指標となる電流密度が向上し、かつ、セパレータ流路の出口付近のガスに圧力勾配が生じることが分った。出口付近の圧力勾配により、出口から流出した使用済みガスが、逆流してセパレータ流路に戻ることはない。また、セパレータ流路のガス流速を遅くし、電解質膜の含水率の低下を防止することができるので、プロトン伝導率の低下による燃料電池の性能低下といった保水性の不具合を解消することができる。
このシミュレーションによる検証は、セパレータに、図2に示した、本発明に関する第2の実施形態における燃料電池用セパレータ201を用いた場合であったが、図1に示した、本発明に関する第1の実施形態である燃料電池用セパレータ101を用いた場合でも同様の結果が得られた。
図11は、図3にある燃料電池セル300を複数積み重ねて構成する、スタック形式の燃料電池1100を説明する概念図である。スタック形式の燃料電池1100は、図3で説明した燃料電池セル300を、例えば4枚(1106、1107、1108、1109)積層し、各燃料電池セルの流路の入口を、吸気マニホールド1102と呼ばれる流路に接続し、各燃料電池セルの流路の出口を、排気マニホールド1103と呼ばれる流路に接続するものである。吸気マニホールド1102の入口部には、加圧器1101が設置され、ガスを加圧器1101で加圧して流路に供給する。排気マニホールド1103の出口部には、圧力調整弁1105が備え付けられている。図11に示したスタック形式の燃料電池1100は、4枚の燃料電池セルを積層して構築したが、1つの燃料電池セルから得られる電力は小さいので、40枚から60枚程度の燃料電池セルを積層する場合がある。
このように多くの燃料電池セルを積層させると、中央に位置する燃料電池セルでは、電気化学反応に伴う反応熱の影響で温度が高くなる。一方、一番上や一番下など外層に位置する燃料電池セルでは、外壁に近く熱が逃げやすくなるので温度が低くなる。このような温度不均性が生じると、電気化学反応に不均一が生じる上に、不均一な熱応力が発生するのでスタックの歪みの原因となる。また、排気用マニホールド1103は、使用済みのガスが流れるので、水蒸気を多く含む。従って、燃料電池セルは、流路の出口が排気用マニホールド1103の下流に位置するほど、使用済みガスに含まれる水蒸気の影響を受けやすくなり、性能が低下しやすくなる。以上のように、スタック形式の燃料電池では、積層する燃料電池セルの位置により温度や流路出口の条件が異なるので、燃料電池セルごとに流路内のガス圧力を設定し、温度不均性や性能低下を防止する手段が必要である。
図1または図2に示した本発明のセパレータを用いて、使用する多孔質部材の気孔率や形状を燃料電池セルごとに調整すれば、積層する燃料電池セルの位置に応じた流路内圧力の設定が可能となる。例えば、上述の、中央に位置する燃料電池セルは温度が高く、外層に位置する燃料電池セルは温度が低い場合は、中央の燃料電池セルの流路出口に設けた多孔質部材の気孔率よりも、外層の燃料電池セルの流路出口に設けた多孔質部材の気孔率を小さくする。このようにすると、外層の燃料電池セルの電気化学反応を盛んにすることができるので、温度を均一化することができる。また、上述の、排気用マニホールド1103の下流に位置するほど、使用済みガスに含まれる水蒸気の影響を受けて、燃料電池セルの性能が低下する場合に対しては、下流位置に対応する燃料電池セルの流路出口に設けた多孔質部材の気孔率を、上流位置に対応する燃料電池セルの流路出口に設けた多孔質部材の気孔率よりも小さくする。このようにすると、下流位置に対応する燃料電池セルの電気化学反応を盛んにし、性能を向上させることができる。
図12および図13は、スタック形式の燃料電池1100について、領域ごとのガスの圧力を説明する概略図である。図12および図13において、横軸はガスが通る位置を示し、縦軸はガスの圧力を示している。ガスの圧力は、吸気マニホールド、セパレータ流路、排気マニホールドの順に進むにつれ、低下していく。図12は、排気マニホールドの出口に圧力調整弁を設置し、圧力調整弁によりセパレータ流路内の圧力を高めている様子を示している。この圧力調整弁によるセパレータ流路内の圧力設定方法では、セパレータ流路出口と排気マニホールドの圧力差が小さく、排気マニホールドからセパレータ流路出口に向かってガスが逆流するおそれがあることが図12から分る。一方、図13は、セパレータ流路出口に多孔質部材を設置し、圧力勾配を設けたので、排気マニホールドからセパレータ流路出口に向かってガスが逆流することがないことを示している。
以上に示した燃料電池用セパレータの実施形態では、カソード流路の出口に多孔質部材を設置したが、アノード流路の出口に多孔質部材を設置しても、上述したのと同様の効果を期待できる。すなわち、アノード流路内ではガス圧力が均等に高まり、ガス流速が遅くなるので電解質膜の含水率の低下を防止することができ、流路の出口付近ではガスの圧力勾配が生じて出口から流出した使用済みガスの逆流を防止することができ、触媒層内ではガス(例えば水素)の濃度や電流密度が高くなるなど、燃料電池セルの性能を向上させることができる。また、燃料電池セルを複数積み重ねて構成するスタック形式の燃料電池に対しても、アノード流路の出口に多孔質部材を設置するのは、上記と同様の理由により有効である。すなわち、燃料電池セルごとに使用する多孔質部材の気孔率や形状を調整することにより、積層する燃料電池セルの位置に応じたアノード流路内圧力の設定が可能となる。
さらに、カソード流路とアノード流路の両方の出口に多孔質部材を設置すると、上述の効果に加えて、次のような効果も期待できる。すなわち、電解質層の両面の圧力バランスを均衡させて、電解質層の一方側に偏った圧力が加わるのを防止する効果である。これにより、両面の圧力不均衡に起因する電解質層の損傷を防止することができる。
100…流路、101…第1の実施形態を示した燃料電池用セパレータ、102…第1の実施形態の入口、103…第1の実施形態の出口、104…第1の実施形態の多孔質部材、105…第1の実施形態のシール材、106…電気集電部、200…流路部、201…第2の実施形態を示した燃料電池用セパレータ、201’…セパレータ201の集電板、202…第2の実施形態の入口、203…第2の実施形態の出口、204…第2の実施形態の多孔質部材、205…第2の実施形態のシール材、300…セパレータを用いて作成する燃料電池セル、301…アノード側セパレータ、302…膜・電極接合体(MEA)、303…カソード側セパレータ、304…端板、403…膜・電極接合体(MEA)、405…アノード側セパレータの流路の断面、406…カソード側セパレータの流路の断面、407…アノード側セパレータの電気集電部の断面、408…カソード側セパレータの電気集電部の断面、501…アノード側セパレータ、502…カソード側セパレータ、503…膜・電極接合体(MEA)、701…解析形状データの正面図、702…解析形状データの断面図、703…領域704の拡大図、704…断面図702の領域、801…解析形状データのカソード側セパレータの流路、802…解析形状データの入口(Air Inlet)、803…解析形状データの出口(Air Outlet)、804…解析形状データの多孔質部材、1001…圧力勾配、1100…スタック形式の燃料電池、1101…加圧器、1102…吸気マニホールド、1103…排気マニホールド、1105…圧力調整弁、1106…スタック形式の燃料電池の燃料電池セル、1107…スタック形式の燃料電池の燃料電池セル、1108…スタック形式の燃料電池の燃料電池セル、1109…スタック形式の燃料電池の燃料電池セル。
Claims (7)
- 電解質層と、電解質層を挟んで対向配置される燃料極および酸素極と、前記燃料極に沿って燃料ガス流路を形成するセパレータと、前記酸素極に沿って酸化剤ガス流路を形成するセパレータとを備えた燃料電池において、
前記燃料ガス流路および酸化剤ガス流路のうち少なくともいずれか一方の流路の出口に多孔質部材を設けたことを特徴とする燃料電池。 - 電解質層と、電解質層を挟んで対向配置される燃料極および酸素極と、前記燃料極に沿って燃料ガス流路を形成するセパレータと、前記酸素極に沿って酸化剤ガス流路を形成するセパレータとを備えた燃料電池において、
前記燃料ガス流路および酸化剤ガス流路のうち少なくともいずれか一方の流路は、第1の多孔質部材により形成され、この流路の出口に第2の多孔質部材が形成され、前記第2の多孔質部材の気孔率が前記第1の多孔質部材の気孔率よりも小さいことを特徴とする燃料電池。 - 請求項1または2に記載の燃料電池において、
前記燃料電池は、前記電解質層、燃料極、酸素極、およびセパレータを有する燃料電池用セルを複数重ねてなるスタックタイプの燃料電池であって、それぞれのセルにおける前記燃料ガス流路および酸化剤ガス流路のうち少なくともいずれか一方の流路の出口に多孔質部材が設けられ、かつその多孔質部材の気孔率は、セルの積層位置に応じて異なるように設定されていることを特徴とする燃料電池。 - 請求項3に記載の燃料電池において、スタックの中央に位置する燃料電池用セルの前記流路の出口に設けた前記多孔質部材の気孔率よりも、外層の燃料電池用セルの前記流路の出口に設けた前記多孔質部材の気孔率を小さくしたことを特徴とする燃料電池。
- 請求項3に記載の燃料電池において、前記各セルの前記流路出口に設けられる多孔質部材の気孔率は、前記流路の排気マニホールドにおける上流位置に対応するセルの流路出口の多孔質部材よりも、下流位置に対応するセルの流路出口の多孔質部材の気孔率を小さくしたことを特徴とする燃料電池。
- 酸化剤ガス流路あるいは燃料ガス流路と、その流路入口および流路出口を有する燃料電池用のセパレータにおいて、
前記セパレータの流路の一端に多孔質部材を設けたことを特徴とする燃料電池用セパレータ。 - 酸化剤ガス流路あるいは燃料ガス流路と、その流路入口および流路出口を有する燃料電池用のセパレータにおいて、
前記ガス流路を第1の多孔質部材で形成し、前記セパレータの流路の一端に前記第1の多孔質部材よりも気孔率の小さい第2の多孔質部材を設けたことを特徴とする燃料電池用セパレータ。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2007201026A JP2009037860A (ja) | 2007-08-01 | 2007-08-01 | 燃料電池およびそれに用いるセパレータ |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2007201026A JP2009037860A (ja) | 2007-08-01 | 2007-08-01 | 燃料電池およびそれに用いるセパレータ |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2009037860A true JP2009037860A (ja) | 2009-02-19 |
Family
ID=40439584
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2007201026A Pending JP2009037860A (ja) | 2007-08-01 | 2007-08-01 | 燃料電池およびそれに用いるセパレータ |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2009037860A (ja) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2009096577A1 (en) * | 2008-01-28 | 2009-08-06 | Canon Kabushiki Kaisha | Fuel cell unit and fuel cell stack |
JP2010129265A (ja) * | 2008-11-26 | 2010-06-10 | Honda Motor Co Ltd | 燃料電池 |
CN115899726A (zh) * | 2023-02-10 | 2023-04-04 | 北京中科富海低温科技有限公司 | 氢气燃烧池的氢气点燃装置及氢气燃烧系统 |
Citations (11)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS58112266A (ja) * | 1981-12-25 | 1983-07-04 | Toshiba Corp | 燃料電池 |
JPS6096775U (ja) * | 1983-12-08 | 1985-07-02 | 株式会社富士電機総合研究所 | 積層型電池 |
JPS6298573A (ja) * | 1985-10-25 | 1987-05-08 | Toshiba Corp | 燃料電池 |
JPS649360U (ja) * | 1987-07-06 | 1989-01-19 | ||
JPH01320772A (ja) * | 1988-06-23 | 1989-12-26 | Hitachi Ltd | 燃料電池 |
JPH06267559A (ja) * | 1993-03-15 | 1994-09-22 | Toshiba Corp | 燃料電池 |
JPH10172594A (ja) * | 1996-12-05 | 1998-06-26 | Tokyo Gas Co Ltd | 平板型固体電解質燃料電池の導入ガス分配方法および装置 |
JP2001006695A (ja) * | 1999-06-23 | 2001-01-12 | Daihatsu Motor Co Ltd | 燃料電池のセパレータ |
JP2006012546A (ja) * | 2004-06-24 | 2006-01-12 | Toyota Motor Corp | 燃料電池 |
JP2006505910A (ja) * | 2002-11-11 | 2006-02-16 | ヌベラ・フュエル・セルズ・ヨーロッパ・ソチエタ・ア・レスポンサビリタ・リミタータ | 電気化学発電装置 |
JP2007188676A (ja) * | 2006-01-11 | 2007-07-26 | Toyota Motor Corp | 燃料電池における電解質層の損傷の抑制 |
-
2007
- 2007-08-01 JP JP2007201026A patent/JP2009037860A/ja active Pending
Patent Citations (11)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS58112266A (ja) * | 1981-12-25 | 1983-07-04 | Toshiba Corp | 燃料電池 |
JPS6096775U (ja) * | 1983-12-08 | 1985-07-02 | 株式会社富士電機総合研究所 | 積層型電池 |
JPS6298573A (ja) * | 1985-10-25 | 1987-05-08 | Toshiba Corp | 燃料電池 |
JPS649360U (ja) * | 1987-07-06 | 1989-01-19 | ||
JPH01320772A (ja) * | 1988-06-23 | 1989-12-26 | Hitachi Ltd | 燃料電池 |
JPH06267559A (ja) * | 1993-03-15 | 1994-09-22 | Toshiba Corp | 燃料電池 |
JPH10172594A (ja) * | 1996-12-05 | 1998-06-26 | Tokyo Gas Co Ltd | 平板型固体電解質燃料電池の導入ガス分配方法および装置 |
JP2001006695A (ja) * | 1999-06-23 | 2001-01-12 | Daihatsu Motor Co Ltd | 燃料電池のセパレータ |
JP2006505910A (ja) * | 2002-11-11 | 2006-02-16 | ヌベラ・フュエル・セルズ・ヨーロッパ・ソチエタ・ア・レスポンサビリタ・リミタータ | 電気化学発電装置 |
JP2006012546A (ja) * | 2004-06-24 | 2006-01-12 | Toyota Motor Corp | 燃料電池 |
JP2007188676A (ja) * | 2006-01-11 | 2007-07-26 | Toyota Motor Corp | 燃料電池における電解質層の損傷の抑制 |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2009096577A1 (en) * | 2008-01-28 | 2009-08-06 | Canon Kabushiki Kaisha | Fuel cell unit and fuel cell stack |
JP2009206076A (ja) * | 2008-01-28 | 2009-09-10 | Canon Inc | 燃料電池セルおよび燃料電池スタック |
JP2010129265A (ja) * | 2008-11-26 | 2010-06-10 | Honda Motor Co Ltd | 燃料電池 |
CN115899726A (zh) * | 2023-02-10 | 2023-04-04 | 北京中科富海低温科技有限公司 | 氢气燃烧池的氢气点燃装置及氢气燃烧系统 |
CN115899726B (zh) * | 2023-02-10 | 2024-01-19 | 北京中科富海低温科技有限公司 | 氢气燃烧池的氢气点燃装置及氢气燃烧系统 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP4309965B1 (ja) | 燃料電池 | |
JP4086894B2 (ja) | 燃料電池 | |
US7745063B2 (en) | Fuel cell stack | |
US20020146616A1 (en) | Fuel cell | |
JP5197995B2 (ja) | 燃料電池 | |
JP5240282B2 (ja) | 燃料電池セル | |
US9214682B2 (en) | Fuel cell | |
WO2005074062A1 (ja) | 高分子電解質型燃料電池 | |
CA2831549A1 (en) | Solid electrolyte fuel cell stack | |
JP7304524B2 (ja) | 燃料電池のカソード触媒層および燃料電池 | |
WO2004075326A1 (ja) | 高分子電解質型燃料電池および高分子電解質型燃料電池の運転方法 | |
EP2367227A2 (en) | A membrane electrode assembly for a fuel cell and a fuel cell stack incorporating the same | |
JP2007172953A (ja) | 燃料電池 | |
JP4894062B2 (ja) | 燃料電池 | |
JP6135644B2 (ja) | 膜電極接合体および燃料電池 | |
JP2009037860A (ja) | 燃料電池およびそれに用いるセパレータ | |
JP5389767B2 (ja) | 燃料電池用セパレータ及びこれを用いた燃料電池 | |
JP4606038B2 (ja) | 高分子電解質型燃料電池及びその運転方法 | |
JP2008027810A (ja) | 燃料電池、燃料電池用膜−電極接合体、および、燃料電池の製造方法 | |
JP4340417B2 (ja) | 高分子電解質型燃料電池 | |
JP5183130B2 (ja) | 燃料電池 | |
JP2010153158A (ja) | 燃料電池用セパレータおよび燃料電池 | |
JP4249563B2 (ja) | 燃料電池およびその運転方法 | |
JP2020107397A (ja) | 燃料電池セル | |
JP4397603B2 (ja) | 高分子電解質型燃料電池 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20090413 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20120327 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20120605 |
|
A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20121009 |