JP2009252581A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池を均一に冷却することが可能な燃料電池を提供する。
【解決手段】燃料電池であって、電解質膜と、前記電解質膜を冷却するための中央冷媒流路と、前記燃料電池の冷媒供給用マニホールドから供給される冷媒を前記中央冷媒流路に導入する冷媒導入部と、前記中央冷媒流路から前記冷媒を集めて、前記燃料電池の冷媒排出用マニホールドに排出する冷媒排出部とを備え、前記冷媒導入部と前記中央冷媒流路の境界部及び前記中央冷媒流路と前記冷媒排出部の境界部のうちの、少なくとも一方の境界部の一部に流路抵抗用凹部３３６ａ、３３６ｂが設けられている。
【選択図】図２

Description

本発明は燃料電池に関する。

従来から、燃料電池を冷却するための種々の冷却構造が知られている（例えば、特許文献１）。

特開２００８−２１６５２号公報

ところで、燃料電池は、一般的に、電解質膜の中央付近での反応性が高いため、中央付近は外縁部よりも発熱する。しかし、従来では、燃料電池を均一に冷却することに関して十分な工夫がされていないのが実情であった。

本発明は上記課題の少なくとも１つを解決し、燃料電池を均一に冷却することを目的とする。

上記課題の少なくとも一部を解決するために、本発明は以下の態様をとる。

本発明の態様は、燃料電池であって、電解質膜と、前記電解質膜を冷却するための中央冷媒流路と、前記燃料電池の冷媒供給用マニホールドから供給される冷媒を前記中央冷媒流路に導入する冷媒導入部と、前記中央冷媒流路から前記冷媒を収集して、前記燃料電池の冷媒排出用マニホールドに排出する冷媒排出部とを備え、前記冷媒導入部と前記中央冷媒流路の境界部及び前記中央冷媒流路と前記冷媒排出部の境界部のうちの、少なくとも一方の境界部の一部に流路抵抗部が設けられている。この態様によれば、流路抵抗部がある部分は、冷媒が流れ難くなり、流路抵抗部がない部分は、冷媒が流れ易くなる。これにより、電解質膜の平面的な位置に応じて冷却され易い部分と冷却され難い部分とを設けることができ、燃料電池を均一に冷却することが可能となる。

本発明の第１の態様において、前記境界部の一部は、前記境界部の２つの端部のうちの少なくとも一方の端部であってもよい。燃料電池は、一般的に中央部分での発熱が強いので、燃料電池の端部の冷媒の流れを少なくし、中央部の冷媒の流れを多くすることによって燃料電池を均一に冷却することが可能となる。

本発明の第１の態様において、前記電解質膜は、表面に触媒層を備えており、前記境界部は、前記触媒層の外縁より外側に位置していてもよい。この態様によれば、境界部が触媒層の外縁より外側に位置しているので、境界部にある流路抵抗部が、燃料電池の反応に影響を与え難くすることが可能となる。

本発明の第１の態様において、さらに、複数のセパレータプレートで構成されるセパレータを備え、前記冷媒流路は、第１のセパレータプレートと第２のセパレータプレートの間に形成され、前記流路抵抗部は、前記第１と第２のセパレータプレートの間隔を他の部分よりも狭めることにより形成されていてもよい。この態様によれば、セパレータ形成時に流路抵抗部を容易に形成することが可能となる。

なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池の他、燃料電池用セパレータ、燃料電池の冷却方法等、様々な形態で実現することができる。

第１の実施例：
図１は、本発明の第１の実施例に係る燃料電池の外観を示す斜視図である。燃料電池１００は、膜電極接合体２００と、セパレータ３００と、エンドプレート２０２、２０４を備える。本実施例では、膜電極接合体２００とセパレータ３００は、交互に積層されている。エンドプレート２０２、２０４は、膜電極接合体２００とセパレータ３００の積層方向両端にそれぞれ配置されている。燃料電池１００には、燃料ガス供給マニホールド１１２と、燃料ガス排出マニホールド１１４と、酸化ガス供給マニホールド１１６と、酸化ガス排出マニホールド１１８と、冷媒供給マニホールド１２０と、冷媒排出マニホールド１２２とが膜電極接合体２００とセパレータ３００の積層方向に貫通している。

図２は、セパレータ３００を示す斜視図である。なお、この図では、左上４５度から光線が当たったと仮定したときの陰影をハッチングで付している。本実施例では、セパレータ３００は、第１のセパレータプレート３１０と第２のセパレータプレート３６０の２枚で構成されている。図２では第１のセパレータプレート３１０のみが見えており、第２のセパレータプレート３６０は第１のセパレータプレート３１０の下側に隠れて見えない状態にある。第１のセパレータプレート３１０は、例えば金属製の板状部材であり、外縁部に、複数の開口部３１２〜３２２が設けられている。これらの開口部３１２〜３２２は、それぞれ、図１で示した各種マニホールド１１２〜３２２を形成する。第１のセパレータプレート３１０の中央部には、第２のセパレータプレート３６０と反対側に凸となる第１の凸部３３０が形成されている。この凸部３３０は、冷媒マニホールド用の開口部３２０、３２２とを繋ぐ流路を構成している。凸部３３０は、その中央に設けられた中央凸部３３２と、中央凸部３３２の左右の両端に設けられた端部凸部３３１ａ，３３１ｂとに区分されている。第１の端部凸部３３１ａは、冷媒供給マニホールド用開口部３２０と連通する流路を形成する。また、第２の端部凸部３３１ｂは、冷媒排出マニホールド用開口部３２２と連通する流路を形成する。後述するように、中央凸部３３２は、電解質膜の全領域を覆うように形成されており、主として電解質膜を冷却するための流路を形成する。本実施例では、中央凸部３３２は、端部凸部３３１ａ，３３１ｂよりも高い凸部として形成されている。但し、これらの凸部３３２，３３１ａ，３３１ｂの高さを同じとしてもよい。

中央凸部３３２には、細長い複数の整流用凹部３３４が形成されている。これらの整流用凹部３３４は、冷媒の流路方向（図の左右方向）に沿って互いに平行に形成されており、冷媒を流路方向に沿って整流する機能を有している。また、中央凸部３３２と第１の端部凸部３３１ａの間の境界部分には、その両端において、細長い２つの流路抵抗用凹部３３６ａが形成されている。これらの流路抵抗用凹部３３６ａは、冷媒が第１の端部凸部３３１ａから中央凸部３３２に導かれる際に、大きな流路抵抗を有する部分として機能する。中央凹部３３２と第２の端部凸部３３１ｂの間の境界部分の両端にも、２つの流路抵抗用凹部３３６ｂが形成されている。これらの流路抵抗用凹部３３６ｂは、冷媒が中央凸部３３２から第２の端部凸部３３１ｂに導かれる際に、大きな流路抵抗を有する部分として機能する。なお、流路抵抗用凹部３３６ａ，３３６ｂの長手方向は、冷媒の流路方向（図の左右方向）とは垂直である。

第１のセパレータプレート３１０の開口部３１２〜３２２、凸部３３０〜３３２、凹部３３４、３３６は、プレス加工により容易に形成することが可能である。第２のセパレータプレート３６０は、第１のセパレータプレート３１０と第２のセパレータプレート３６０の境界面を対称面とする面対称の形状をしており、第１のセパレータプレート３１０と同様に開口部３６２〜３７２、凸部３８０〜３８２、凹部３８４、３８６が形成されている。

図３は、図２に示す３−３切断線でセパレータ３００を切ったときの断面図である。上記説明した、端部凸部３３１、３８０、中央凸部３３２、３８２、流路抵抗用３３６が表示されている。第１のセパレータプレート３１０の端部凸部３３１ａ、３３１ｂ、中央凸部３３２と、第２のセパレータの端部凸部３８１ａ、３８１ｂ、中央凸部３８２により、３つの空間５００、５１０、５２０が形成されている。第１の空間５００は、中央凸部３３２，３８２に挟まれた空間であり、主として電解質膜を冷却するための冷媒流路として機能する。第２の空間５１０は、第１の端部凸部３３１ａ，３８１ａに挟まれた空間であり、冷媒を冷媒供給マニホールド用開口部３２０から第１の空間５００に導く冷媒導入部として機能する。第３の空間５２０は、第２の端部凸部３３１ｂ，３８１ｂに挟まれた空間であり、冷媒を第１の空間５００から収集して冷媒排出マニホールド用開口部３２２に排出する冷媒排出部として機能する。なお、以下では、第１の空間を「中央冷媒流路５００」と呼び、第２の空間５１０を「冷媒導入部５１０」と、第３の空間５２０を「冷媒排出部５２０」と呼ぶ。

図４は、図２に示す４−４切断線でセパレータ３００を切ったときの断面図である。上記説明した、端部凸部３３１ａ、３３１ｂ、３８１ａ、３８１ｂ、中央凸部３３２、３８２、整流用凹部３３４、３８４が表示されている。図４に示す断面では、流路抵抗用凹部３３６ａ、３３６ｂ、３８６ａ、３８６ｂが存在しない。

図５は、膜電極接合体２００の構成を示す説明図である。膜電極接合体２００は、枠部材としてのフレーム２１０と、電解質膜２３０とを備える。電解質膜２３０としては、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸ポリマなどのフッ素系樹脂や炭化水素系樹脂からなるプロトン伝導性のイオン交換膜を用いることが可能である。電解質膜２３０の表面には、触媒層２３２が配置されている。触媒としては、例えば、白金触媒、あるいは白金と他の金属とからなる白金合金触媒を用いることが可能である。これらの触媒は、例えばカーボン粒子上に担持されて電解質膜２３０上に塗布される。フレーム２１０は、電解質膜２３０の外縁を囲うように形成されている。フレーム２１０は、例えば、射出成形により、電解質膜２３０と一体に成形される。また、フレーム２１０の外縁には、複数の開口部２１２〜２２２が設けられている。これらの開口部２１２〜２２２は、それぞれ、図１で示した各種マニホールド１１２〜３２２を形成する。図５には、セパレータプレート３１０の整流用凹部３３４と流路抵抗用凹部３３６の位置が波線で示されている。図から分かるように、流路抵抗用凹部３３６は、触媒層２３２の外縁よりも外側に位置している。

次に、本実施例における冷媒の流れについて説明する。冷媒は、燃料電池１００の外部より、冷媒供給マニホールド１２０（図１参照）に供給される。冷媒は冷媒供給マニホールド用開口部３２０から冷媒導入部５１０に入り、中央冷媒流路５００に導かれる（図２参照）。ここで、図２、図３に示すように、冷媒導入部５１０と中央冷媒流路５００との境界部の両端は、流路抵抗用凹部３３６ａと３８６ａにより狭められており流路抵抗が高くなっている。したがって、冷媒が冷媒導入部５１０から中央冷媒流路５００に流れる流量は、中央部で多く、端部で少ない。次に、冷媒が中央冷媒流路５００を流れるとき、中央冷媒流路５００には、図２、図４で示すように整流用凹部３３４が突き出ている。そのため、冷媒は、流れの向きが規制され、中央冷媒流路５００の中をほぼ平行に流れる。したがって、中央部を流れる冷媒の流量は多く、外縁部に比べて電解質膜を強く冷却する。次に、冷媒は、中央冷媒流路５００から冷媒排出部５２０に流れる。同様に、図２、図３に示すように、中央冷媒流路５００と冷媒排出部５２０との境界部の両端は、流路抵抗用凹部３３６ｂと３８６ｂにより狭められており流路抵抗が高くなっている。したがって、冷媒が中央冷媒流路５００から冷媒排出部５２０に流れる流量は、中央部で多く、端部で少ない。冷媒は、冷媒排出部５２０を流れる間に集められ、開口部３２２から冷媒排出マニホールド１２２に排出される。

以上、本実施例によれば、冷媒導入部５１０と中央冷媒流路５００の境界部及び中央冷媒流路５００と冷媒排出部５２０の境界部の両端において、セパレータプレート３１０と３６０の間隔は流路抵抗用凹部３３６、３８６により狭められて、流路抵抗が高くなっている。そのため、冷媒は中央部を流れやすく、端部を流れ難い。その結果、冷却の強弱をつけることが可能となり、燃料電池１００を均一に冷却することが可能となる。

また、本実施例によれば、流路抵抗用凹部３３６と３８６は、触媒層２３２の外縁部よりも外側に位置している。そのため、流路抵抗用凹部３３６、３８６が燃料電池１００の電気化学反応に与える影響を抑制することが可能となる。

さらに、本実施例では、流路抵抗部を、各セパレータプレート３１０、３６０に形成された流路抵抗用凹部３３６、３８６により形成している。したがって、セパレータプレート３１０、３６０を形成する際に容易に流路抵抗部を形成することが可能となる。

他の実施例：
図６は、第２の実施例のセパレータ３００を示す斜視図である。第２の実施例では、中央冷媒流路５００と冷媒導入部５１０の間の流路抵抗用凹部３３６ａ、３８６ａは形成されているが、中央冷媒流路５００と冷媒排出部５２０の間の流路抵抗用凹部３３６ｂ、３８６ｂは形成されていない点が異なる。図７は、図６に示す７−７切断線でセパレータ３００を切ったときの断面図である。流路抵抗用凹部３３６、３８６は、図の左側にのみ設けられている。

第２の実施例によれば、端部において、凹部３３６ａ、３３６ｂ、３８６ａ、３８６ｂのいずれも形成しない場合の冷媒流量と、凹部３３６ａ、３３６ｂ、３８６ａ、３８６ｂのいずれも形成した場合（第１の実施例）の冷媒流量との中間の冷媒流量の冷媒を流すことが可能となる。なお、本実施例とは逆に、中央冷媒流路５００と冷媒導入部５１０の間の流路抵抗用凹部３３６ａ、３８６ａを形成せず、中央冷媒流路５００と冷媒排出部５２０の間の流路抵抗用凹部３３６ｂ、３８６ｂを形成してもよい。また、流路抵抗用凹部３３６の底と流路抵抗用凹部３８６の凹部の底との間隔を変えることにより、流路抵抗を変えてもよい。

図８は、第３の実施例のセパレータ３００を示す斜視図である。第３の実施例では、冷媒の流れる方向の一方の片側にのみ流路抵抗用凹部３３６ａ、３３６ｂ、３８６ａ、３８６ｂが形成されている点が異なる。なお、第３の実施例において、反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）は共に、図の上から下に向けて流れるものとしている。燃料電池において、例えば、燃料ガスと酸化ガスとを同じ方行に流した場合、一般に、反応ガスの上流部は反応ガスの濃度が高いため反応し易く、発熱し易い。したがって、反応ガスの下流部側にのみ流路抵抗用凹部３３６ａ、３３６ｂ、３８６ａ、３８６ｂを設けて冷媒の流量を絞ることにより、燃料電池１００全体を均一に冷却することが可能となる。

以上、いくつかの実施例に基づいて本発明の実施の形態について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。

本発明の第１の実施例に係る燃料電池の外観を示す斜視図である。 セパレータ３００を示す斜視図である。 図２に示す３−３切断線でセパレータ３００を切ったときの断面図である。 図２に示す４−４切断線でセパレータ３００を切ったときの断面図である。 膜電極接合体２００の構成を示す説明図である。 第２の実施例のセパレータ３００を示す斜視図である。 図６に示す７−７切断線でセパレータ３００を切ったときの断面図である。 第３の実施例のセパレータ３００を示す斜視図である。

符号の説明

１００…燃料電池
１１２…燃料ガス供給マニホールド
１１４…燃料ガス排出マニホールド
１１６…酸化ガス供給マニホールド
１１８…酸化ガス排出マニホールド
１２０…冷媒供給マニホールド
１２２…冷媒排出マニホールド
２００…膜電極接合体
２０２、２０４…エンドプレート
２１０…フレーム
２１２〜２２２…開口部
２３０…電解質膜
２３２…触媒層
３００…セパレータ
３１０、３６０…セパレータプレート
３１２〜３２２、３６２〜３７２…開口部
３３０〜３３２、３８０〜３８２…凸部
３３４、３３６、３８４、３８６…凹部
５００…中央冷媒流路（空間）
５１０…冷媒導入部（空間）
５２０…冷媒排出部（空間）

Claims (4)

1. 燃料電池であって、
   電解質膜と、
   前記電解質膜を冷却するための中央冷媒流路と、
   前記燃料電池の冷媒供給用マニホールドから供給される冷媒を前記中央冷媒流路に導入する冷媒導入部と、
   前記中央冷媒流路から前記冷媒を収集して、前記燃料電池の冷媒排出用マニホールドに排出する冷媒排出部とを備え、
   前記冷媒導入部と前記中央冷媒流路の境界部及び前記中央冷媒流路と前記冷媒排出部の境界部のうちの、少なくとも一方の境界部の一部に流路抵抗部が設けられている、燃料電池。
2. 請求項１に記載の燃料電池において、
   前記境界部の一部は、前記境界部の２つの端部のうちの少なくとも一方の端部である、燃料電池。
3. 請求項１又は請求項２に記載の燃料電池において、
   前記電解質膜は、表面に触媒層を備えており、
   前記境界部は、前記触媒層の外縁より外側に位置している、燃料電池。
4. 請求項１から請求項３のいずれかに記載の燃料電池において、さらに、
   複数のセパレータプレートで構成されるセパレータを備え、
   前記冷媒流路は、第１のセパレータプレートと第２のセパレータプレートの間に形成され、
   前記流路抵抗部は、前記第１と第２のセパレータプレートの間隔を他の部分よりも狭めることにより形成されている、燃料電池。

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