JP2009245892A - 水素流路及び水素流路を備える燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池に要求される高出力化・安定化に対応するためには、電解質膜の湿潤状態をより一層均一化する。
【解決手段】燃料電池１００のアノードセパレータ１２０に設けられる水素流路１２１をセパレータ１２０の対向する辺に沿って設けられる導入部１２３及び排出部２５と、該導入部１２３と排出部２５との間に設けられる分散部１２８とし、かつ分散部１２８に平行な流路１２６、１２７を形成して、隣あうその平行流路１２６、１２７において水素ガスを逆方向に流す。平行流路は導入部１２３及び排出部２５に開口した第１の流路１２６と排出部２５のみに開口した第２の流路１２７とが交互に配置されている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、燃料電池のアノードセパレータの水素流路の改良に関する。

ＰＥＭ型の燃料電池本体は、燃料極と空気極との間に高分子固体電解質膜が挟持された構成である。燃料極及び空気極はともに触媒物質を含む触媒層と、前記触媒層を支持すると共に反応ガスを供給しさらに集電体としての機能を有する拡散層からなる。燃料極と空気極の更に外側には、反応ガスを外部より電極内に均一に供給するとともに、余剰ガスを外部に排出するためのガス流路を設けたセパレータ（コネクタ板）が積層される。このセパレータはガスの透過を防止するとともに発生した電流を外部へ取り出すための集電を行う。

上記燃料電池本体とセパレータとで単位構造の燃料電池（以下、「単セル」ということがある）が構成される。実際の燃料電池システムでは、かかる単セルの多数個が直列に積層されてスタックが構成される。このような構成の燃料電池の起電力は、燃料極側（アノード）に燃料ガスとして水素ガスが供給され、空気極側に酸化ガスとして空気が供給された結果、電気化学反応の進行に伴い電子が発生し、この電子を外部回路に取り出すことにより、発生される。即ち、燃料極（アノード）にて得られる水素イオンがプロトン（Ｈ＋)の形態で、水分を含んだ電解質膜中を空気極（カソード）側に移動し、また燃料極（アノード）にて得られた電子が外部負荷を通って空気極（カソード）側に移動して酸化ガス（空気を含む）中の酸素とプロトンが反応して発電し、反応生成物として水を排出する。

発電効率を向上させる見地から燃料電池システムの補機を省略することが検討されている。補機の代表例として電解質膜の湿潤状態を維持するための加湿器がある。この加湿器を省略すると、反応ガス（導入空気及び水素ガス）が乾燥しているため、反応ガスの導入側で電解質膜が乾燥傾向にある。流路を流通するに従って反応ガスは発電反応に伴う生成水により加湿されるので、反応ガス流路の排出側では反応ガスは導入口側より水蒸気リッチな状態となる。そのため、電解質膜から水分が蒸発し難くなり、電解質膜は湿潤傾向となる。
そこで、空気と水素ガスを反対方向に流通させることが提案されている。
図１（Ａ）にかかる従来例の燃料電池１の構成を示す。この燃料電池１は燃料電池本体２をアノードセパレータ２０とカソードセパレータ３０とで挟持した構成である。
燃料電池本体２は固体高分子電解質膜３をアノード側電極４とカソード側電極５とで挟持した構成である。各電極４、５は触媒層６，７及び拡散層８，９を備える。
このように構成された燃料電池本体２はアノードセパレータ２０及びカソードセパレータ３０で挟持される。図中の符号１０はシール材である。

この燃料電池１のアノードセパレータ２０は、図１（Ｂ）に示す水素流路２１を備える。この水素流路２１はアノードセパレータ２０へ溝を彫ることにより形成される。水素流路２１は、水素導入口２２に連通した導入部２３と水素排出口２４に連通した排出部２５とを備える。水素導入口２２は図示しない水素ボンベへ管路連結されている。水素排出口２４は開閉弁などを介して管路大気へ連通される。導入部２３と排出部２５とはアノードセパレータ２０の対向する上辺及び下辺にそって形成されている。
導入部２３と排出部２５との間には複数の流路が平行に形成されている（平行流路２６）。各平行流路２６には、図中矢印で示すとおり、導入部２３から排出部２５方向へ水素ガスが流される。この平行流路２６により水素流路の分散部２７が形成される。

この燃料電池１のカソードセパレータ２０は、図１（Ｃ）に示す空気流路３１を備える。この空気流路３１はカソードセパレータ３０へ溝を彫ることにより形成される。空気流路流路３１は、空気導入口３２に連結した導入部３３と空気排出口３４に連結した排出部３５とを備える。空気導入口３２は図示しないブロアへ管路連結されている。空気排出口３４は開閉弁などを介して管路大気へ連通される。導入部３３と排出部３５とはカソードセパレータ３０の対向する下辺及び上辺にそって形成されている。
導入部３３と排出部３５との間には複数の流路が平行に形成されている（平行流３６）。各平行流路３６には、図中矢印で示すとおり、導入部３３から排出部３５方向へ空気が流される。この空気の流れ方向は、アノードセパレータ２３の平行流路２６における水素流れ方向と逆方向である。

このように構成された燃料電池によれば、空気と水素ガスとが反対方向に流通するので、各反応ガスの導入部（乾燥傾向にある）が他方の反応ガスの排出部（湿潤傾向にある）と対向するので、電解質膜３を介して水分の均等化が図られる。
なお、本件に関連する文献として特許文献１を参照されたい。
特開２００４−３３５１４７号公報

昨今、燃料電池に要求される高出力化・安定化に対応するためには、電解質膜の湿潤状態をより一層均一化することが必要である。
この発明は、かかる課題を解決するためになされたものである。即ち、この発明の第１の局面は次のように規定される。即ち。
燃料電池のアノードセパレータに設けられる水素流路であって、前記セパレータの対向する辺に沿って設けられる導入部及び排出部と、該導入部と排出部との間に設けられる分散部とを備える水素流路において、
前記分散部は平行な流路を備え、隣あう前記平行流路において水素ガスが逆方向に流れる、ことを特徴とする水素流路。

このように規定される第１の局面の水素流路によれば、分散部において隣り合う平行流路の水素ガスの流れ方向が逆となっているので、導入部から排出部側への流れにおいては、アノードに供給された水素ガスがそのまま流されるので、比較的乾いた水素ガスが流れる。これに対し、分散部から導入部側への流れにおいては、前提として水素ガスが一旦導入部から分散部側まで流れているのでその間に加湿され、もって比較的加湿された水素ガス流となる。これにより、一対の平行流路をみれば水分状態が平均化される。よって、電解質膜の湿潤状態がより均一化され、燃料電池の出力が安定する。

この発明の第２の局面は次のように規定される。即ち、
第１の局面に規定の水素流路において、前記平行流路は前記導入部及び前記排出部に開口した第１の流路と前記排出部のみに開口した第２の流路とが交互に配置されている。
このように規定される第２の局面の水素流路は、水素加圧デッドエンド型の燃料電池に好適に用いられる。当該水素加圧デッドエンド型では、水素排出口を閉塞状態としてかつ水素流路を加圧状態とし、水素が消費されるに応じて水素流路内を水素ガスが流れる。
第２の局面で規定するように、隣あう一方の平行流路（第１の流路）を導入部と排出部に開口し、他方の平行流路（第２の流路）は排出部のみに開口して導入部には開口させない。従って、第１の流路では導入部側から排出部側へと向かう水素ガス流れが生じ、他方第２の流路においては排出部側から導入部側へと向かう水素ガス流れが生じる。即ち、隣り合う平行流路において逆方向の水素ガス流れが生じ、その結果、一対の平行流路をみれば水分状態が平均化される。よって、電解質膜においてもその湿潤状態がより均一化され、燃料電池の出力が安定する。

この発明の第３の局面は次のように規定される。即ち、
第１又は第２の局面で規定の水素流路において、前記導入部は前記アノードセパレータの一辺に沿ってＵ字形に形成されており、
前記燃料電池のカソード側では、前記導入部に対向する部分が空気流れの最下流である。
このように規定される水素流路によれば、水素導入部の流路が長くなるので、乾燥状態の水素ガスがより長く燃料電池本体等に触れて加湿される。ここに、水素導入部に対向するカソード側の部分は空気流れの最下流とされているため、その部分の燃料電池本体は高い湿潤状態となる。従って、長い導入部を流通する際に水素ガスが燃料電池本体の水分で加湿される。
ここに、水素ガスをより効率よく加湿するためには、この発明の第４の局面で規定するように、導入部に直接燃料電池の電解質膜を表出させ、該導入部に対向するカソード側においても空気流路に電解質膜を表出させることが好ましい。即ち、導入部に対向する部分において、燃料電池本体は電極構造を備えず、電解質膜を直接カソードセパレータ及びアノードセパレータに表出させることが好ましい。カソード側からアノード側への水分移動の抵抗が減少し、水素ガスをより効率よく加湿できるとともに、乾燥部位に電極構造を備えないことで発電効率を高めることができる。

本発明の一実施の形態の燃料電池１００を図２に基づいて説明する。なお、図２において、図１と同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。
アノードセパレータ１２０において、その水素流路１２１は導入部１２３、排出部２５及び両者の間に形成される分散部１２８（平行流路１２６、１２７）を備えてなる。
導入部１２３はアノードセパレータの一辺に沿ってＵ字形に形成される。即ち、水素ガス導入口２２に連通した上側流路１２４とこの上側流路１２４から折り返されてかつ上側流路１２４と平行な下側流路１２５とを備えている。
図２（Ａ）から明らかなとおり、燃料電池本体２においてこの導入部１２３に対向する部分には反応層及び拡散層はない。従って、導入部１２３とカソードセパレータ３０の空気排出部３５及びその他の空気流路下流部分との間には電解質膜２のみ介在している。これにより、空気流路下流部分の水分がより効率よくアノード側へ浸透し、導入部１２３を流れる水素ガスを加湿する。
導入部１２３における流路の折り返しを３段以上とすることができる。この場合においても、Ｕ字状部分が含まれている。

導入部１２３と排出部２５との間にはそれぞれに連通するように第１の流路１２６が形成されている。第１の流路１２６の排出側端部から第２の流路１２７が枝分かれして導入部１２３側へ伸びている。この第１の流路１２６と第２の流路１２７とは平行である。第２の流路１２７の先端部は閉じており、導入部１２３に連通していない。
第１の流路１２６と第２の流路１２７とは同じ径に形成され、導入部１２３及び排出部２５に対して垂直である。
水素ガス排出口２４を閉じた状態で、即ちデッドエンド状態で加圧した水素ガスをこの水素流路へ供給すると、図２（Ｂ）に矢印で示した水素ガス流が生じる。矢印の長さは水素ガス流の流速を示している。第１の流路１２６と第２の流路１２７とは同じ径で形成されているため、水素ガス流の速さは逓減している。

このような第１の流路１２６において導入部１２３に開口する部分では、導入部１２３による加湿効果があるものの、水素ガスは比較的乾燥傾向にある。他方、第２の流路１２７において末端部分（導入部１２３に近い部分）は比較的湿潤状態となる。これは、第１の流路１２６から流入した水素ガスが第２の流路１２７の末端部分まで到達するのに長い時間（長い距離）に渡り燃料電池本体２に接触したためである。
これにより、第１の流路１２６と第２の流路１２７で構成される水素流路の分散部１２８では、当該流路に対向する燃料電池本体において水分の分布がより均一化される。

図３〜図５において、実施例で使用するアノードセパレータ１２０、燃料電池本体２及びカソードセパレータ３０の各平面図、正面図、下面図及び断面図を示した。
図６は燃料電池（単セル）１００の分解図であり、図７は当該単セル１００のスタック状態を示す。図８は燃料電池装置２００の斜視図である。図８に示すように、単セル１００のスタックの両端には集電板１３０が取り付けられる。集電板１３０の側面から集電端子１３１が立設されている。集電板１３０には絶縁板１３３及び終端板１３５が順次積層されている。

図９は、図８に示した燃料電池装置２００を組み込んだ燃料電池システム３００を示す。
この燃料電池システム３００は、水素ガス供給系３１０、空気供給系３３０及び冷却系３５０を備えてなる。
水素ガス供給系３１０では、水素タンク３１１の水素ガス圧がレギュレータ３１３で調圧され、水素導入弁３１５を介して燃料電池装置２００の水素供給口１４０へ供給される。水素供給口１４０へ供給された水素ガスは単セル１００の水素流路１２１へ供給される。パージ弁３１９を所定のタイミングで開閉することにより、燃料電池装置２００から水素ガスが排出される。この水素排出ガスを排気空気へ混合させて強制的に水素濃度の低下を図ることが好ましい。

空気供給系３３０は空気導入ファン３３１により、常圧で空気を空気流路へ送風している。
冷却系３５０は冷却水ポンプ３５１とラジエータ３５３を備え、カソードセパレータ３０に形成されている冷却水路３８へ冷却水を循環させている。

このように構成された実施例の燃料電池１００によれば、導入部１２３がＵ字形に形成されてその流路が長くされ、かつ導入部１２３に直接表出する電解質膜３はカソード側において湿潤傾向にあるので、導入部を流れる水素ガスが効率的に加湿される。

また、図２において燃料電池本体２の中央部分に対向する分散部１２８においても、第1の流路１２６と第2の流路１２７とがＵ字形に配置され、平行に配置された第1の流路１２６と第2の流路１２７とを流れる水素ガスの流れが逆向きとなる。このような第１の流路１２６において導入部１２３に開口する部分では、導入部１２３による加湿効果があるものの、水素ガスは比較的乾燥傾向にある。他方、第２の流路１２７において末端部分（導入部１２３に近い部分）は比較的湿潤状態となる。これは、第１の流路１２６から流入した水素ガスが第２の流路１２７の末端部分まで到達するのに長い時間（長い距離）に渡り燃料電池本体２に接触したためである。
これにより、第１の流路１２６と第２の流路１２７で構成される水素流路の分散部１２８では、当該流路に対向する燃料電池本体２において水分の分布がより均一化される。

本発明は、上記発明の実施の形態及び実施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様も本発明に含まれる。

従来例の燃料電池の構成を説明する図である。 この発明の実施例の燃料電池の構成を説明する図である。 実施例のアノードセパレータの構成を示す。 同じく燃料電池本体の構成を示す。 同じくカソードセパレータの構成を示す。 単位構造の燃料電池（単セル）の分解図である。 単セルのスタック状態を示す。 燃料電池装置の斜視図である。 燃料電池装置を備えた燃料電池システムの概略構成図である。

符号の説明

１、１００ 燃料電池（単セル）、 ２ 燃料電池本体、 ３ 電解質膜、 4 アノード電極、 ５ カソード電極、 ２０、１２０ アノードセパレータ、 ２１、１２１ 水素流路 ２３、１２３ 導入部、 ２５ 排出部、 ２７、１２８ 分散部、 ３０ カソードセパレータ

Claims (4)

1. 燃料電池のアノードセパレータに設けられる水素流路であって、前記セパレータの対向する辺に沿って設けられる導入部及び排出部と、該導入部と排出部との間に設けられる分散部とを備える水素流路において、
   前記分散部は平行な流路を備え、隣あう前記平行流路において水素ガスが逆方向に流れる、ことを特徴とする水素流路。
2. 前記平行流路は前記導入部及び前記排出部に開口した第１の流路と前記排出部のみに開口した第２の流路とが交互に配置されている、ことを特徴とする水素流路。
3. 請求項１又は請求項２に記載の水素流路の導入部は、前記アノードセパレータの一辺に沿ってＵ字形に形成されており、かつ膜電極接合体を挟んで積層されたカソードセパレータに設けられる酸素流路は、前記Ｕ字形の導入部と対向する部分に、空気流れの最下流が配置されている、ことを特徴とする燃料電池。
4. 前記導入部に電解質膜が表出しており、該導入部に対向するカソード側においては空気流路に前記電解質膜が表出している、ことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池。