JP2009218051A - 燃料電池、および、燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】電解質膜(固体高分子膜)の両面に、それぞれ、アノード、および、カソードを接合してなる膜電極接合体を、セパレータで挟持することによって、燃料電池を構成する。この燃料電池は、アノードの表面に沿って、第1の方向に燃料ガスを流すためのアノード側ガス流路と、カソードの表面に沿って、第1の方向と互いに対向する第2の方向に酸化剤ガスを流すためのカソード側ガス流路とを備える。そして、アノード側ガス流路における燃料ガスの流れ方向の最下流部、および、カソード側ガス流路における酸化剤ガスの流れ方向の最下流部の少なくとも一方に、アノードオフガスに含まれる発電時に精製された生成水、および、カソードオフガスに含まれる生成水の少なくとも一方を捕捉するための生成水捕捉部を備える。
【選択図】図5
Description
A.燃料電池システムの構成:
図1は、本発明の一実施例としての燃料電池システム1000の概略構成を示す説明図である。
第1実施例のセルモジュール40は、膜電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)の周囲にシールガスケットを配置したユニット(以下、シールガスケット一体型MEAと呼ぶ)を、後述するカソード側セパレータ、および、アノード側セパレータによって挟持することによって構成されている。
第2実施例のセルモジュール40の構成は、第1実施例のセルモジュール40の構成とほぼ同じである。ただし、第2実施例のセルモジュール40では、カソード側セパレータ42CA2、および、アノード側セパレータ42AN2の構成が、それぞれ、第1実施例のセルモジュール40におけるカソード側セパレータ42CA1、および、アノード側セパレータ42AN1の構成と一部異なっている。
第3実施例のセルモジュール40の構成は、第1実施例のセルモジュール40の構成とほぼ同じである。ただし、第3実施例のセルモジュール40では、カソード側セパレータ42CA3、および、アノード側セパレータ42AN3の構成が、それぞれ、第1実施例のセルモジュール40におけるカソード側セパレータ42CA1、および、アノード側セパレータ42AN1の構成と一部異なっている。
第4実施例のセルモジュール40は、後述するように、シールガスケット一体型MEAの両面に、金属多孔体を積層させ、これらを、セパレータによって挟持することによって構成されている。
第5実施例のセルモジュール40は、第4実施例のセルモジュール40と同様に、シールガスケット一体型MEAの両面に金属多孔体を積層させ、これらを、セパレータによって挟持することによって構成されている。
上記第1ないし第5実施例のセルモジュール40では、主として、カソード側ガス流路、および、アノード側ガス流路を改良することによって、効率的な電解質膜411mの自己加湿を実現した。第6実施例では、MEA411に改良を加えることによって、効果的な電解質膜411mの自己加湿を実現した。なお、本実施例のMEA411は、水素と酸素とが、MEA411を挟んで互いに対向する方向に流れる構成を有する種々のセルモジュール40に適用可能であり、上記第1ないし第5実施例のセルモジュール40、または、先に説明した比較例のセルモジュール40Rのいずれにも適用することができる。
以上、本発明のいくつかの実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形が可能である。
上記第1ないし第5実施例のセルモジュール40では、カソード側ガス流路、および、アノード側ガス流路の双方に、生成水捕捉部を備えるものとしたが、本発明は、これに限られない。カソード側ガス流路、および、アノード側ガス流路の少なくとも一方に生成水捕捉部を備えるようにすればよい。
上記第2実施例のセルモジュール40では、カソード側生成水捕捉部、および、アノード側生成水捕捉部は、蛇行した形状を有する空隙であるものとしたが、本発明は、これに限られない。これらの形状は、流路抵抗が、各ガス流路内の他の部位における流路抵抗よりも大きくなるような形状とすればよい。
上記第2実施例のセルモジュール40において、カソード側セパレータ42CA2の溝部422d2、および、溝部424d2の内部に、第3実施例のセルモジュール40で用いた吸湿材422a、および、吸湿材424aをそれぞれ充填するようにしてもよい。
上記第3実施例のセルモジュール40では、吸湿材422a、および、吸湿材424aに、それぞれ親水処理を施すものとしたが、親水処理を省略するようにしてもよい。
上記第4実施例のセルモジュール40では、図15に示したように、カソード側金属多孔体43cの、MEA411を挟んで水素供給口424hsと対向する部位に、他の部位よりも気孔率が低いカソード側金属多孔体43csを配置し、アノード側金属多孔体43aの、411を挟んで空気供給口422osと対向する部位に、他の部位よりも気孔率が低いアノード側金属多孔体43asを配置するものとしたが、本発明は、これに限られない。例えば、カソード側金属多孔体43csや、アノード側金属多孔体43asを省略するようにしてもよい。この場合、カソード側金属多孔体43csや、アノード側金属多孔体43asを配置していた部位を空隙としてもよいし、カソード側金属多孔体43cや、アノード側金属多孔体43aを延在させるようにしてもよい。
上記第5実施例のセルモジュール40では、図19に示したように、セパレータ42Bに設けられた凹部427で、カソードオフガスに含まれる生成水を捕捉するものとしたが、さらに、アノードオフガスに含まれる生成水を捕捉するための凹部を設けるようにしてもよい。
上記第6実施例では、電解質膜411mに添加する添加物として、白金を用いるものとしたが、本発明は、これに限られない。添加物として、例えば、セリアや、白金合金を用いるようにしてもよい。セリアや、白金合金も、白金と同様に、電解質膜411mよりも高い親水性を有するとともに、ヒドロキシラジカルの発生を抑制する性質を有しているので、同様の効果を得ることができる。つまり、電解質膜411mに添加する添加物としては、セリア、および、白金の少なくとも一方を含むようにすればよい。
上記第1ないし第6実施例のセルモジュール40における特徴部分を、適宜、組み合わせてもよい。また、上記第1ないし第3実施例では、空気、および、水素の流路はストレートであるものとしたが、本発明では、一般に、これらの流れ方向が互いに対向する方向になるようにすればよく、いわゆるサーペンタイン型のガス流路を適用するようにしてもよい。
上記実施例の燃料電池システム1000では、燃料電池スタック100を構成するセルモジュール40において、電解質膜411mの自己加湿を効果的に行うことが可能であるため、空気や、水素を加湿するための加湿器を備えないものとしたが、高温での運転時に補助的に用いられる小型の加湿器を備えるようにしてもよい。
100…燃料電池スタック
10a,10b…エンドプレート
20a,20b…絶縁板
30a,30b…集電板
40,40R…セルモジュール
41…シールガスケット一体型MEA
411…MEA
411m…電解質膜
411a…アノード
411ac…アノード側触媒層
411ad…アノード側ガス拡散層
411c…カソード
411cc…カソード側触媒層
411cd…カソード側ガス拡散層
410,410A,410B…シールガスケット
412i…空気供給用貫通孔
412o…カソードオフガス排出用貫通孔
414i…水素供給用貫通孔
414o…アノードオフガス排出用貫通孔
416i…冷却水供給用貫通孔
416o…冷却水排出用貫通孔
42CA1,42CA2,42CA3,42CAR…カソード側セパレータ
42AN1,42AN2,42AN3,42ANR…アノード側セパレータ
422i…空気供給用貫通孔
422o…カソードオフガス排出用貫通孔
422e…カソードオフガス排出口
422d,422d1,422d2,422d3…溝部
422r,422r1,422r2…リブ部
422a…吸湿材
424i…水素供給用貫通孔
424o…アノードオフガス排出用貫通孔
424e…アノードオフガス排出口
424d,424d1,424d2,424d3…溝部
424r,424r1,424r2…リブ部
424a…吸湿材
426i…冷却水供給用貫通孔
426o…冷却水排出用貫通孔
426d…溝部
426r…リブ部
41A,41B…シールガスケット一体型MEA
42A,42B…セパレータ
42c…カソード対向プレート
422ci…空気供給用貫通孔
422co…カソードオフガス排出用貫通孔
422os…空気供給口
422oe…カソードオフガス排出口
424ci…水素供給用貫通孔
424co…アノードオフガス排出用貫通孔
426ci…冷却水供給用貫通孔
426co…冷却水排出用貫通孔
427…凹部
42m…中間プレート
422mi…空気供給用貫通孔
422mip…空気供給用流路形成部
422mo…カソードオフガス排出用貫通孔
422mop…カソードオフガス排出用流路形成部
424mi…水素供給用貫通孔
424mip…水素供給用流路形成部
424mo…アノードオフガス排出用貫通孔
424mop…アノードオフガス排出用流路形成部
426m…冷却水流路形成用貫通孔
42a…アノード対向プレート
422ai…空気供給用貫通孔
422ao…カソードオフガス排出用貫通孔
424ai…水素供給用貫通孔
424ao…アノードオフガス排出用貫通孔
424hs…水素供給口
424he…アノードオフガス排出口
426ai…冷却水供給用貫通孔
426ao…冷却水排出用貫通孔
428…凸部
43a,43as…アノード側金属多孔体
43c,43cs…カソード側金属多孔体
50…水素タンク
51…シャットバルブ
52…レギュレータ
53…配管
54…循環配管
55…ポンプ
56…排出配管
57…排気バルブ
60…コンプレッサ
61…配管
62…排出配管
70…ポンプ
71…ラジエータ
72…配管
80…制御ユニット
SL…シールライン
Claims (25)
- 固体高分子からなる電解質膜の両面に、それぞれ、アノード、および、カソードを接合してなる膜電極接合体を、セパレータによって挟持した燃料電池であって、
前記アノードの表面に沿って、第1の方向に燃料ガスを流すためのアノード側ガス流路と、
前記カソードの表面に沿って、前記第1の方向と互いに対向する第2の方向に酸化剤ガスを流すためのカソード側ガス流路と、
前記アノード側ガス流路における前記燃料ガスの流れ方向の最下流部、および、前記カソード側ガス流路における前記酸化剤ガスの流れ方向の最下流部の少なくとも一方に設けられ、前記アノードから排出される排出ガスであるアノードオフガスに含まれる、発電時に生成された生成水、および、前記カソードから排出される排出ガスであるカソードオフガスに含まれる、前記生成水の少なくとも一方を捕捉するための生成水捕捉部と、
を備える燃料電池。 - 請求項1記載の燃料電池であって、
前記生成水捕捉部は、前記アノード側ガス流路内、および、前記カソード側ガス流路内の少なくとも一方に形成された、前記生成水を含むガスを滞留させるための空隙である、
燃料電池。 - 請求項2記載の燃料電池であって、
前記空隙は、前記空隙内の流路抵抗が、前記空隙が設けられた側の流路内の前記空隙以外の部位における流路抵抗よりも大きくなる形状を有している、
燃料電池。 - 請求項2または3記載の燃料電池であって、
前記空隙は、前記第1の方向、または、前記第2の方向に対して蛇行するように形成されている、
燃料電池。 - 請求項2ないし4のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記空隙内には、吸湿性を有する吸湿部材が充填されている、
燃料電池。 - 請求項5記載の燃料電池であって、
前記吸湿性部材は、多孔質部材である、
燃料電池。 - 請求項6記載の燃料電池であって、
前記多孔質部材の細孔内には、親水処理が施されている、
燃料電池。 - 請求項1記載の燃料電池であって、
前記アノード側ガス流路、および、前記カソード側ガス流路の少なくとも一方は、前記生成水捕捉部として、ガスの流れ方向への前記生成水の移動を抑制する移動抑制部材を備える、
燃料電池。 - 請求項8記載の燃料電池であって、
前記アノード側ガス流路、および、前記カソード側ガス流路の少なくとも一方は、導電性、および、ガス拡散性を有する多孔体を、前記膜電極接合体と前記セパレータとの間に介装することによって形成されており、
前記多孔体は、
第1の多孔体と、
前記移動抑制部材として、前記第1の多孔体よりも圧力損失が大きい第2の多孔体と、を備える、
燃料電池。 - 請求項9記載の燃料電池であって、
前記第2の多孔体におけるガスの流れ方向の流路抵抗は、前記第1の多孔体におけるガスの流れ方向の流路抵抗よりも大きい、
燃料電池。 - 請求項9または10記載の燃料電池であって、
前記第2の多孔体の気孔率は、前記第1の多孔体の気孔率よりも低い、
燃料電池。 - 請求項9ないし11のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記第2の多孔体には、親水処理が施されている、
燃料電池。 - 請求項1記載の燃料電池であって、
前記アノード側ガス流路、および、前記カソード側ガス流路の少なくとも一方は、導電性、および、ガス拡散性を有する多孔体を、前記膜電極接合体と前記セパレータとの間に介装することによって形成されており、
前記生成水捕捉部は、前記アノード側に配置されるセパレータの前記アノード側ガス流路を形成する多孔体と当接する表面、および、前記カソード側に配置されるセパレータの前記カソード側ガス流路を形成する多孔体と当接する表面の少なくとも一方に設けられ、前記生成水を含むガスを滞留させるための凹部である、
燃料電池。 - 請求項13記載の燃料電池であって、
前記セパレータは、少なくとも一方に前記凹部が形成された2枚の金属板を互いに接合することによって作製されている、
燃料電池。 - 請求項13または14記載の燃料電池であって、
前記凹部には、親水処理が施されている、
燃料電池。 - 請求項1ないし15のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記生成水捕捉部は、前記カソード側ガス流路における前記酸化剤ガスの流れ方向の最下流部に設けられており、
前記カソード側に配置されるセパレータは、前記カソードオフガスを、前記カソード側ガス流路から、前記カソードの表面に対して略垂直方向に排出するためのカソードオフガス排出口を備えており、
前記カソード側に配置されるセパレータにおいて、前記カソードオフガス排出口は、前記生成水捕捉部よりも前記酸化剤ガスの流れ方向の上流側に形成されている、
燃料電池。 - 請求項16記載の燃料電池であって、
前記アノード側に配置されるセパレータは、外部から供給された前記燃料ガスを、前記アノード側ガス流路に、前記アノードの表面に対して略垂直方向に供給するための燃料ガス供給口を備えており、
前記アノード側に配置されるセパレータにおいて、前記燃料ガス供給口は、前記膜電極接合体を挟んで、前記生成水捕捉部と互いに対向する部位に形成されている、
燃料電池。 - 請求項1ないし15のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記生成水捕捉部は、前記アノード側ガス流路における前記燃料ガスの流れ方向の最下流部に設けられており、
前記アノード側に配置されるセパレータは、前記アノードオフガスを、前記アノード側ガス流路から、前記アノードの表面に対して略垂直方向に排出するためのアノードオフガス排出口を備えており、
前記アノード側に配置されるセパレータにおいて、前記アノードオフガス排出口は、前記生成水捕捉部よりも前記燃料ガスの流れ方向の上流側に形成されている、
燃料電池。 - 請求項18記載の燃料電池であって、
前記カソード側に配置されるセパレータは、外部から供給された前記酸化剤ガスを、前記カソード側ガス流路に、前記カソードの表面に対して略垂直方向に供給するための酸化剤ガス供給口を備えており、
前記カソード側に配置されるセパレータにおいて、前記酸化剤ガス供給部は、前記膜電極接合体を挟んで、前記生成水捕捉部と互いに対向する部位に形成されている、
燃料電池。 - 請求項1ないし15のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記生成水捕捉部は、
前記カソード側ガス流路における前記酸化剤ガスの流れ方向の最下流部に設けられたカソード側生成水捕捉部と、
前記アノード側ガス流路における前記燃料ガスの流れ方向の最下流部に設けられたアノード側生成水捕捉部と、を含み、
前記カソード側に配置されるセパレータは、
外部から供給された前記酸化剤ガスを、前記カソード側ガス流路に、前記カソードの表面に対して略垂直方向に供給するための酸化剤ガス供給口と、
前記カソードオフガスを、前記カソード側ガス流路から、前記カソードの表面に対して略垂直方向に排出するためのカソードオフガス排出口と、を備えており、
前記アノード側に配置されるセパレータは、
外部から供給された前記燃料ガスを、前記アノード側ガス流路に、前記アノードの表面に対して略垂直方向に供給するための燃料ガス供給口と、
前記アノードオフガスを、前記アノード側ガス流路から、前記アノードの表面に対して略垂直方向に排出するためのアノードオフガス排出口と、を備えており、
前記カソード側に配置されるセパレータにおいて、前記カソードオフガス排出口は、前記カソード側生成水捕捉部よりも前記酸化剤ガスの流れ方向の上流側に形成されており、
前記アノード側に配置されるセパレータにおいて、前記燃料ガス供給口は、前記膜電極接合体を挟んで、前記カソード側生成水捕捉部と互いに対向する部位に形成されており、
前記アノード側に配置されるセパレータにおいて、前記アノードオフガス排出口は、前記アノード側生成水捕捉部よりも前記燃料ガスの流れ方向の上流側に形成されており、
前記カソード側に配置されるセパレータにおいて、前記酸化剤ガス供給部は、前記膜電極接合体を挟んで、前記アノード側生成水捕捉部と互いに対向する部位に形成されている、
燃料電池。 - 請求項1記載の燃料電池であって、
前記生成水捕捉部は、前記電解質膜に親水処理を施すことによって形成されている、
燃料電池。 - 請求項21記載の燃料電池であって、
前記親水処理は、前記電解質膜よりも高い親水性を有する酸化物、および、前記電解質膜よりも高い親水性を有する金属の少なくとも一方を含む添加物を、前記電解質膜に添加する処理である、
燃料電池。 - 請求項22記載の燃料電池であって、
前記添加物は、さらに、前記電解質膜を劣化させるラジカルの発生を抑制する性質を有する、
燃料電池。 - 請求項23記載の燃料電池であって、
前記添加物は、セリア、および、白金の少なくとも一方を含む、
燃料電池。 - 請求項1ないし24のいずれかに記載の燃料電池を備える燃料電池システム。
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