JP2009117101A - 燃料電池セルおよび燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池セルの新しい構造を提供する。
【解決手段】燃料電池セル１０は、全体的に略円錐面形状であり筒状に形成される。燃料電池セル１０内には、燃料ガス（Ｈ_２）が流れる燃料ガス流路２２と酸化ガス（エア）が流れる酸化ガス流路２４が設けられる。燃料ガス流路２２と酸化ガス流路２４は、互いに異なる方向に螺旋状に伸長されることが望ましい。つまり、例えば、燃料ガス流路２２が先頭部から見て左回りの螺旋状に形成され、酸化ガス流路２４が先頭部から見て右回りの螺旋状に形成される。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池セルおよび燃料電池に関する。

水素を含有した燃料ガスと酸素を含有した酸化ガスとを反応させて得られる化学エネルギーを電気エネルギーに変換する燃料電池が知られている。一般に、燃料電池は、上述した化学反応をおこす燃料電池セルを何枚も重ねて形成される。各燃料電池セルは、例えば、膜電極接合体を二枚のセパレータで挟んだ構造になっている。各燃料電池セルの形状としては、平板状の他に略円錐面形状のタイプも提案されている（特許文献１〜３参照）。

例えば、特許文献１には、燃料電池セルを円錐状にして撥水性を向上させる旨の技術が記載されている。特許文献１に記載された技術においては、酸化剤ガス流路と燃料ガス流路が直線状に形成される。特許文献２および特許文献３にも、複数の円錐形の燃料電池セルを積層した燃料電池が記載されている。

特許文献１に記載された技術では、酸化剤ガス流路と燃料ガス流路が互いに同じ方向に形成されており、燃料電池の電流電圧特性（ＩＶ特性）の面で最適とは言い難い。なお、特許文献２や特許文献３においては、ガス流路の位置や方向が詳細に記載されていない。

特開２００４−４７１５５号公報 特開２００３−３１７７９０号公報 特開平６−２４３８７９号公報

上記のように、燃料電池セルに関する様々な技術が提案されているなかで、本願発明者は、燃料電池セルの構造に関する改良技術について研究開発を重ねてきた。特に、燃料電池セルの形状、ガス流路の位置や方向などに注目した。

本発明は、その研究開発の過程において成されたものであり、その目的は、燃料電池セルの新しい構造を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の好適な態様である燃料電池セルは、略円錐面形状に形成された積層体と、積層体内に設けられた燃料ガス流路と、積層体内に設けられた酸化ガス流路とを有し、前記燃料ガス流路と前記酸化ガス流路は、互いに異なる方向に伸長され、共に重力方向の上側から下側に向かう流路を形成することを特徴とする。

上記態様により、燃料電池セルの新しい構造が提供される。例えば、燃料ガス流路と酸化ガス流路が互いに同じ方向に形成されて燃料電池セル内で燃料ガスと酸化ガスが同じ方向に流れる場合に比べて、上記態様によれば、燃料電池の電流電圧特性（ＩＶ特性）を向上させることができる。なお、板状に形成される燃料電池セルに比べて、上記態様によれば、排水性を向上させることができる。

望ましい態様において、前記燃料ガス流路と前記酸化ガス流路は、前記積層体の円錐面に沿って互いに異なる方向に螺旋状に伸長されることを特徴とする。

望ましい態様において、前記積層体は、重力方向の上側から下側に向かって広がるように配置されることを特徴とする。

望ましい態様において、前記積層体は、略扇形のアノードセパレータとアノード拡散層とアノード触媒層と電解質膜とカソード触媒層とカソード拡散層とカソードセパレータを積層させてアノードセパレータを内側にして略円錐面形状に成形されることを特徴とする。

望ましい態様において、前記積層体は、その円錐面の表面に冷却水の流路を備えることを特徴とする。

また、上記目的を達成するために、本発明の好適な態様である燃料電池は、前記燃料電池セルを複数積層させて直列接続したセル群と、セル群の積層方向の両端に設けられた略円錐面形状のターミナルと、を有することを特徴とする。

望ましい態様において、前記燃料電池セルの各々にガス入口が設けられ、前記燃料電池セルが複数積層されて複数のガス入口が線上に沿って並べられ、前記線上に沿った形状の共通のガス配管を介して複数のガス入口にガスが供給されることを特徴とする。

本発明により、燃料電池セルの新しい構造が提供される。例えば、本発明の好適な態様により、燃料電池セル内で燃料ガスと酸化ガスが同じ方向に流れる場合に比べて、燃料電池の電流電圧特性（ＩＶ特性）を向上させることができる。また、本発明の好適な態様により、板状に形成される燃料電池セルに比べて、排水性を向上させることができる。

以下、本発明の好適な実施形態を説明する。図１は、本発明の好適な実施形態を説明するための図であり、図１には、本発明に係る燃料電池セル１０の斜視図が示されている。

図１の燃料電池セル１０は、全体的に略円錐面形状であり筒状に形成される。つまり、図１に示すように、燃料電池セル１０は、一方側（図の上側）において比較的小さな直径の円に形成され、他方側（図の下側）に向かうにしたがって直径を徐々に大きくした末広がりの筒に形成される。そして、円錐面の内側と外側に電極が設けられ、円錐面の内側がアノード面（マイナス極）として機能し、円錐面の外側がカソード面（プラス極）として機能する。図１の燃料電池セル１０は、略円錐面形状の積層体によって形成される。

図２は、図１の燃料電池セル１０の部分断面図である。燃料電池セル１０は、略円錐面形状の積層体によって形成される。積層体は、内側から順に、アノードセパレータ１２ａ、アノード拡散層１４ａ、アノード触媒層１６ａ、電解質膜１８、カソード触媒層１６ｋ、カソード拡散層１４ｋ、カソードセパレータ１２ｋを積層したものである。例えば、略扇形（円錐面が展開された形）のアノードセパレータ１２ａからカソードセパレータ１２ｋまでの各層を上記の順に積層させ、アノードセパレータ１２ａを内側にして略円錐面形状を成形することにより、略円錐面形状の積層体が形成される。積層体内には、ガスの流路が形成される。

図３は、図１の燃料電池セル１０内に形成されるガス流路を説明するための図である。略円錐面形状の燃料電池セル１０（積層体）は、例えば、重力方向の上側から下側に向かって広がるように配置される。つまり、燃料電池セル１０の先頭部（円錐の頂点側）を上側に向け、燃料電池セル１０の底辺部（円錐の底辺側）を下側に向けて燃料電池セル１０が配置される。そして、燃料電池セル１０には、その先頭部から、水素を含有した燃料ガス（Ｈ_２）と、酸素を含有した酸化ガス（エア）が供給される。

燃料電池セル１０内には、燃料ガス（Ｈ_２）が流れる燃料ガス流路２２と酸化ガス（エア）が流れる酸化ガス流路２４が設けられる。先頭部に設けられたガス入口から供給された各ガスは、対応するガス流路を通って、燃料電池セル１０内において反応に利用されてから底辺部へ向かって流れ、底辺部に設けられたガス出口から排出される。なお、燃料電池セル１０の積層体の円錐面の表面には冷却水の流路も形成される。

燃料ガス流路２２と酸化ガス流路２４は、燃料電池セル１０の積層体内に形成される。つまり、略円錐面形状の燃料電池セル１０の肉厚部分の内部に形成される。燃料ガス流路２２と酸化ガス流路２４は、各々、燃料電池セル１０の円錐面に沿って、重力方向の上側から下側に向かう螺旋状の流路を形成する。重力方向の上側から下側に向かう流路とすることにより、例えば、重力により生成水が落下し易くなり、排水性が向上してフラッディングが起こり難くなる。

燃料ガス流路２２と酸化ガス流路２４は、互いに異なる方向に螺旋状に伸長されることが望ましい。つまり、例えば、燃料ガス流路２２が先頭部から見て左回りの螺旋状に形成され、酸化ガス流路２４が先頭部から見て右回りの螺旋状に形成される。燃料ガス流路２２と酸化ガス流路２４を互いに異なる方向に伸長させて、燃料ガスと酸化ガスが対向するような流れを形成することにより、例えば、燃料ガスと酸化ガスが同じ方向に流れる場合に比べて、燃料電池の電流電圧特性（ＩＶ特性）を向上させることができる。また、各流路を螺旋状とすることにより、燃料電池セル１０内における各ガスの拡散性を向上させることができる。

なお、燃料ガス流路２２が先頭部から見て右回りの螺旋状に形成され、酸化ガス流路２４が先頭部から見て左回りの螺旋状に形成されてもよい。また、燃料ガス流路２２と酸化ガス流路２４を互いに同じ方向に螺旋状に形成してもよい。また、燃料電池セル１０の上下を反転させ、燃料電池セル１０の底辺部を上側に向け、燃料電池セル１０の先頭部を下側に向けて燃料電池セル１０を配置してもよい。この場合には、上側の底辺部に各ガス流路の入口が設けられ、下側の先頭部に各ガス流路の出口が設けられる。

図４は、図１の燃料電池セル１０を複数積層させたスタックを示す図である。図４においては、各燃料電池セル１０の先頭部（円錐の頂点側）を上側に向けて、複数の燃料電池セル１０が重ねられている。隣接する二つの燃料電池セル１０は、一方の燃料電池セル１０のアノード面と他方の燃料電池セル１０のカソード面とを接触させて重ねられている。こうして、複数の燃料電池セル１０が電気的に直列接続される。

燃料電池を形成する場合には、スタックの両端に、つまり、図４に示す複数の燃料電池セル１０の積層方向の両端に、略円錐面形状のターミナルが設けられる。積層方向の両端にターミナルが設けられたスタックを、積層方向の両端から挟むように適切な圧力を加えて押さえつけることにより、例えば、隣接する二つの燃料電池セル１０のアノード面とカソード面との間の電気的な接触抵抗（電気抵抗）を低くすることが可能になる。スタックの両端にターミナルが設けられて形成された燃料電池は、例えば、車両などに搭載されて車両駆動用モータの電力源などとして利用される。

なお、二つの燃料電池セル１０の接合面に冷却水の流路を形成してもよいが、セル同士が重なり合わない部分の冷却を考慮すると、各燃料電池セル１０ごとに、その表面（内側または外側）に冷却水流路を設けることが望ましい。冷却水流路は、螺旋状であってもよいし直線またはその他の線でもよい。

図５は、複数の燃料電池セル１０を積層させた場合における燃料ガス流路の入口２２Ｉを説明するための図である。図５に示すように、各燃料電池セル１０には、その先頭部に、燃料ガス流路の入口２２Ｉとなる切り込みが形成される。そして、複数の燃料電池セル１０が積層される際に、複数の入口２２Ｉが線上に沿って並べられる。例えば、複数の入口２２Ｉが直線に沿って並べられる。そして、直線状の共通のガス配管を介して複数の入口２２Ｉにガスが供給される。

図６は、ガス配管２６を示す図である。例えば、図５に示す複数の入口２２Ｉに蓋をするように図６のガス配管２６を設け、ガス配管２６からスタック内に燃料ガスを供給することにより、共通のガス配管２６を介して複数の入口２２Ｉに燃料ガスが供給される。つまり、ガス配管２６がマニホールドとして機能する。

なお、各燃料電池セル１０には、その先頭部に、酸化ガス流路の入口となる切り込みも形成され、複数の燃料電池セル１０が積層される際に、酸化ガス流路の複数の入口も直線に沿って並べられ、そして、直線状の共通のガス配管を介して酸化ガスが供給される。また、各燃料電池セル１０には、その底辺部に、各ガス流路の出口となる切り込みが形成され、複数の燃料電池セル１０が積層される際に、各ガス流路の出口も直線に沿って並べられて、直線状の共通のガス配管を介してガスが排出される。

以上、本発明の好適な実施形態を説明したが、上述した実施形態は、あらゆる点で単なる例示にすぎず、本発明の範囲を限定するものではない。本発明は、その本質を逸脱しない範囲で各種の変形形態を包含する。

本発明に係る燃料電池セルの斜視図である。 本発明に係る燃料電池セルの部分断面図である。 燃料電池セル内に形成されるガス流路を説明するための図である。 燃料電池セルを複数積層させたスタックを示す図である。 燃料ガス流路の入口を説明するための図である。 ガス配管を示す図である。

符号の説明

１０ 燃料電池セル、２２ 燃料ガス流路、２４ 酸化ガス流路。

Claims (7)

1. 略円錐面形状に形成された積層体と、
   積層体内に設けられた燃料ガス流路と、
   積層体内に設けられた酸化ガス流路と、
   を有し、
   前記燃料ガス流路と前記酸化ガス流路は、互いに異なる方向に伸長され、共に重力方向の上側から下側に向かう流路を形成する、
   ことを特徴とする燃料電池セル。
2. 請求項１に記載の燃料電池セルであって、
   前記燃料ガス流路と前記酸化ガス流路は、前記積層体の円錐面に沿って互いに異なる方向に螺旋状に伸長される、
   ことを特徴とする燃料電池セル。
3. 請求項１または２に記載の燃料電池セルであって、
   前記積層体は、重力方向の上側から下側に向かって広がるように配置されて発電する、
   ことを特徴とする燃料電池セル。
4. 請求項３に記載の燃料電池セルであって、
   前記積層体は、略扇形のアノードセパレータとアノード拡散層とアノード触媒層と電解質膜とカソード触媒層とカソード拡散層とカソードセパレータを積層させてアノードセパレータを内側にして略円錐面形状に成形される、
   ことを特徴とする燃料電池セル。
5. 請求項４に記載の燃料電池セルであって、
   前記積層体は、その円錐面の表面に冷却水の流路を備える、
   ことを特徴とする燃料電池セル。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載の燃料電池セルを備えた燃料電池であって、
   前記燃料電池セルを複数積層させて直列接続したセル群と、
   セル群の積層方向の両端に設けられた略円錐面形状のターミナルと、
   を有する、
   ことを特徴とする燃料電池。
7. 請求項６に記載の燃料電池であって、
   前記燃料電池セルの各々にガス入口が設けられ、
   前記燃料電池セルが複数積層されて複数のガス入口が線上に沿って並べられ、
   前記線上に沿った形状の共通のガス配管を介して複数のガス入口にガスが供給される、
   ことを特徴とする燃料電池。

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