JP2009266684A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】 残留水による反応ガス流れへの影響を抑制することができる燃料電池を提供する。
【解決手段】 燃料電池（１００）は、膜−電極接合体（２１）に沿って設けられ反応ガスが流動するための多孔体（２３）と、多孔体の膜−電極接合体と反対側に設けられ、多孔体へ反応ガスを供給するための第１コモンレール（４５ａ）を備え、多孔体から反応ガスを排出するための第２コモンレール（４５ｂ）を第１コモンレールよりも重力方向下側に備えるセパレータ（１３）と、第２コモンレールよりも重力方向下側に設けられた生成水貯留部（２３ｂ）と、第２コモンレールよりも重力方向上側から生成水貯留部へ生成水を案内する案内路（４５ｃ）と、を備える。
【選択図】 図３

Description

本発明は、燃料電池に関する。

燃料電池は、一般的には水素及び酸素を燃料として電気エネルギーを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れかつ高いエネルギー効率を実現できることから、今後のエネルギー供給システムとして広く開発が進められてきている。

この燃料電池においては、ガス流路として機能する溝が表面に形成されたセパレータが用いられることがある。スタックを小型化・高性能化する手段として、多孔体を用いる技術が開発されている。多孔体を用いると、反応ガスの流速（差圧）に頼らずに排水することができる反面、低流速な流路構造となり、残水量が多くなってしまう。この場合、掃気に時間がかかるおそれがある。そこで、特許文献１には、エアコンプレッサを用いて排水処理を行う技術が開示されている。

特開２００７−３３５１０３号公報

しかしながら、特許文献１の技術では、多孔体に水が残留する場合がある。この場合、残留水の凍結によって反応ガスの流れが不均一になって圧力損失が増大するおそれがある。

本発明は、残留水による反応ガス流れへの影響を抑制することができる燃料電池を提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池は、膜−電極接合体に沿って設けられ反応ガスが流動するための多孔体と、多孔体の膜−電極接合体と反対側に設けられ多孔体へ反応ガスを供給するための第１コモンレールを備え多孔体から反応ガスを排出するための第２コモンレールを第１コモンレールよりも重力方向下側に備えるセパレータと、第２コモンレールよりも重力方向下側に設けられた生成水貯留部と、第２コモンレールよりも重力方向上側から生成水貯留部へ生成水を案内する案内路と、を備えることを特徴とするものである。

本発明に係る燃料電池においては、発電停止後に、多孔体に保持されている生成水が、重力によって重力方向下側へ移動して第２コモンレールへと移動し、橋部によって案内されて生成水貯留部へと移動する。それにより、第１コモンレールと第２コモンレールとの間における残水量が低下する。また、第２コモンレールにおける生成水の滞留を抑制することができる。以上のことから、残留水による反応ガス流れへの影響を抑制することができる。

生成水貯留部は、多孔体において第２コモンレールよりも重力方向下側の部分であってもよい。この場合、新たに生成水貯留部を設ける必要がない。生成水貯留部は、多孔体において第１コモンレールよりも重力方向上側の部分の容積よりも大きい容積を有していてもよい。この場合、貯留部における貯留可能な残水量が多くなる。案内路は、第２コモンレールの一部を重力方向上下につなげる橋部であってもよい。多孔体を流動する反応ガスは、燃料ガスであってもよい。

本発明によれば、残留水による反応ガス流れへの影響を抑制することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。

図１は、本発明の第１実施例に係る燃料電池１００の模式的断面図である。図１においては、複数の燃料電池１００が積層されている場合が示されている。図１に示すように、燃料電池１００は、シールガスケット一体型ＭＥＡ（膜電極接合体）２０が２枚のセパレータ１０によって挟持された構造を有する。セパレータ１０は、カソード対向プレート１１とアノード対向プレート１３とによって、中間プレート１２が挟持された構造を有する。セパレータ１０を構成するこれら３枚のプレートは、ロウ付け、拡散接合等によって接合されている。

シールガスケット一体型ＭＥＡ２０は、ＭＥＡ２１およびシールガスケット２２を備える。ＭＥＡ２１は、電解質膜の両面に触媒層およびガス拡散層が順に形成された構造を有する。電解質膜は、プロトン導電性を備える固体高分子型電解質等からなる。触媒層は、触媒を担持する導電性材料からなり、例えば白金担持カーボン等からなる。ガス拡散層は、ガス透過性を有する導電性材料からなり、例えばカーボンクロス、カーボンペーパ等からなる。本実施例においては、ＭＥＡ２１の上面側（図中左側）がアノードとして機能し、ＭＥＡ２１の下面側（図中右側）がカソードとして機能する。

ＭＥＡ２１の上面側（図中左側）には、多孔体２３が配置されている。ＭＥＡ２１の下面側（図中右側）には、多孔体２４が配置されている。多孔体２３，２４は、ガス拡散層よりも硬い導電性材料からなり、チタン等からなる発泡金属、金属メッシュ等の金属多孔体または金属三次元構造体からなる。多孔体２３，２４は、セパレータ１０のディンプルの有無にかかわらず、厚みが略一定になるような強度を有していることが好ましい。この場合、ディンプルの有無にかかわらず、気孔率がほとんど変化しない。また、ディンプルの有無にかかわらず、拡散層に対する面圧を面内略一定にすることができる。したがって、拡散層における局所的圧縮を低減することができるため、排水性が向上する。

図２は、セパレータ１０およびシールガスケット一体型ＭＥＡ２０の詳細について説明するための図である。図２（ａ）はカソード対向プレート１１の模式的平面図であり、図２（ｂ）はアノード対向プレート１３の模式的平面図であり、図２（ｃ）は中間プレート１２の模式的平面図であり、図２（ｄ）はシールガスケット一体型ＭＥＡ２０の模式的平面図である。なお、図２（ａ）〜図２（ｄ）において、図中上側が重力方向上側であり、図中下側が重力方向下側である。

図２（ａ）に示すように、カソード対向プレート１１は矩形の金属製のプレートである。この金属製プレートとしては、チタン、チタン合金、ステンレス等の表面に腐食防止のためのメッキ処理が施されたものを用いることができる。

カソード対向プレート１１において発電領域Ｘと対向する部分は平面である。なお、発電領域Ｘとは、ＭＥＡ２１において触媒層が形成されている領域のことである。カソード対向プレート１１の外周縁部には、燃料ガス供給マニホールド４１ａ、燃料ガス排出マニホールド４１ｂ、酸化剤ガス供給マニホールド４２ａ、酸化剤ガス排出マニホールド４２ｂ、冷却媒体供給マニホールド４３ａおよび冷却媒体排出マニホールド４３ｂが形成されている。また、カソード対向プレート１１には、複数の酸化剤ガス供給口４４ａおよび複数の酸化剤ガス排出口４４ｂが形成されている。上記各マニホールド、各排出口および各供給口は、カソード対向プレート１１を厚さ方向に貫通している。

図２（ｂ）に示すように、アノード対向プレート１３は、カソード対向プレート１１と略同形状の矩形の金属製のプレートであり、カソード対向プレート１１と同様の材料から構成される。アノード対向プレート１３における発電領域Ｘは平面である。

カソード対向プレート１１と同様に、アノード対向プレート１３の外周縁部には、燃料ガス供給マニホールド４１ａ、燃料ガス排出マニホールド４１ｂ、酸化剤ガス供給マニホールド４２ａ、酸化剤ガス排出マニホールド４２ｂ、冷却媒体供給マニホールド４３ａおよび冷却媒体排出マニホールド４３ｂが形成されている。また、アノード対向プレート１３には、燃料ガス供給用のコモンレール４５ａおよび燃料ガス排出用のコモンレール４５ｂが形成されている。コモンレール４５ａは、燃料ガス供給マニホールド４１ａから発電領域Ｘの上端に沿って延びるように形成されている。コモンレール４５ｂは、燃料ガス排出マニホールド４１ｂから発電領域Ｘの下端に沿って延びるように形成されている。上記各マニホールドおよび上記各コモンレールは、アノード対向プレート１３を厚さ方向に貫通している。

図２（ｃ）に示すように、中間プレート１２は、カソード対向プレート１１と同形状の矩形の金属製プレートであり、カソード対向プレート１１と同様の材料から構成される。カソード対向プレート１１と同様に、中間プレート１２の外周縁部には、燃料ガス供給マニホールド４１ａ、燃料ガス排出マニホールド４１ｂ、酸化剤ガス供給マニホールド４２ａおよび酸化剤ガス排出マニホールド４２ｂが形成されている。

また、中間プレート１２には、一端が酸化剤ガス供給マニホールド４２ａに連通し、他端が酸化剤ガス供給口４４ａに連通する複数の酸化剤ガス供給流路４７ａが形成されている。同様に、中間プレート１２には、一端が酸化剤ガス排出マニホールド４２ｂに連通し、他端が酸化剤ガス排出口４４ｂに連通する複数の酸化剤ガス排出流路４７ｂが形成されている。また、中間プレート１２には、一端が冷却媒体供給マニホールド４３ａに連通し、他端が冷却媒体排出マニホールド４３ｂに連通する複数の冷却媒体流路４８が形成されている。上記各流路は、中間プレート１２を厚さ方向に貫通している。

図２（ｄ）に示すように、シールガスケット一体型ＭＥＡ２０は、ＭＥＡ２１の外周縁部にシールガスケット２２が接合された構造を有する。シールガスケット２２は、絶縁性およびシール性を有し、例えばシリコンゴム、ブチルゴム、フッ素ゴム等の樹脂材料から構成される。シールガスケット２２は、金型のキャビティにＭＥＡ２１の外周端部を臨ませて、上記樹脂材料を射出成形することによって作製される。この方法によれば、ＭＥＡ２１とシールガスケット２２とが隙間なく接合される。それにより、冷却媒体、酸化剤ガスおよび燃料ガスの接合部からの漏出を防止することができる。

カソード対向プレート１１と同様に、シールガスケット２２には、燃料ガス供給マニホールド４１ａ、燃料ガス排出マニホールド４１ｂ、酸化剤ガス供給マニホールド４２ａ、酸化剤ガス排出マニホールド４２ｂ、冷却媒体供給マニホールド４３ａおよび冷却媒体排出マニホールド４３ｂが形成されている。シールガスケット２２は、上面および下面に当接する２枚のセパレータ１０をシールしている。また、シールガスケット２２は、ＭＥＡ２１の外周と各マニホールドの外周との間をシールしている。

続いて、図１および図２を参照しつつ、燃料電池１００の発電時の動作の概要について説明する。まず、水素を含有する燃料ガスが燃料ガス供給マニホールド４１ａに供給される。この燃料ガスは、コモンレール４５ａを介して、多孔体２３に供給される。その後、燃料ガスは、多孔体２３を流動しつつ、アノード側のガス拡散層に供給される。燃料ガス中の水素は、ガス拡散層を拡散し、アノード側の触媒層においてプロトンに変換される。変換されたプロトンは電解質膜を伝導し、カソード側の触媒層に到達する。

一方、酸化剤ガス供給マニホールド４２ａには、酸素を含有する酸化剤ガスが供給される。この酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給流路４７ａを介して、多孔体２４に供給される。その後、酸化剤ガスは、多孔体２４を流動しつつ、カソード側のガス拡散層に供給される。酸化剤ガスは、ガス拡散層を拡散してカソード側の触媒層に到達する。カソード側の触媒層においては、酸化剤ガス中の酸素とプロトンとから水が発生するとともに電力が発生する。発生した電力は、セパレータ１０を介して回収される。また、多孔体２４が吸水性を有することから、発電に伴って生成された水は、多孔体２４においてセパレータ１０側に滞留しやすい傾向にある。

冷却媒体供給マニホールド４３ａには冷却水等の冷却媒体が供給される。この冷却媒体は、冷却媒体流路４８を流動して燃料電池１００を冷却する。それにより、燃料電池１００の温度を適切な温度に調整することができる。なお、冷却媒体流路４８を流動した冷却媒体は、冷却媒体排出マニホールド４３ｂを介して外部に排出される。

また、発電に用いられなかった酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出流路４７ｂおよび酸化剤ガス排出マニホールド４２ｂを介して外部に排出される。発電に用いられなかった燃料ガスは、コモンレール４５ｂを介して燃料ガス排出マニホールド４１ｂに流動する。

次に、図３に、アノード対向プレート１３の詳細を示す。なお、図３においては、多孔体２３を破線で示す。図３に示すように、コモンレール４５ｂには、重力方向上下にコモンレール４５ｂを接続する橋部４５ｃがコモンレール４５ｂの長さ方向に所定の間隔で設けられている。

多孔体２３において、コモンレール４５ａよりも重力方向上側の領域をデッドボリューム２３ａと称し、コモンレール４５ｂよりも重力方向下側の領域をデッドボリューム２３ｂと称する。燃料ガスは、主として、コモンレール４５ａとコモンレール４５ｂとの間を流動する。それにより、デッドボリューム２３ａ，２３ｂにおいては、燃料ガスはほとんど流動しない。

続いて、発電停止後における生成水の挙動について説明する。発電停止時においては、生成水は、多孔体２３に保持されている。この生成水は、重力によって重力方向下側へ移動してコモンレール４５ｂへと移動する。本実施例においては橋部４５ｃが設けられていることから、生成水は、橋部４５ｃによって案内されてデッドボリューム２３ｂへと移動する。この場合、生成水は、デッドボリューム２３ｂに貯留される。それにより、コモンレール４５ａとコモンレール４５ｂとの間における残水量が低下する。また、コモンレール４５ｂにおける生成水の滞留を抑制することができる。以上のことから、反応ガス流れへの影響を抑制することができる。

デッドボリューム２３ｂに貯留された水は、次回の発電時に蒸発して外部に排出される。それにより、次回の発電停止時に、再度、デッドボリューム２３ｂに生成水を貯留することができる。なお、本実施例のように多孔体の一部を生成水貯留部として用いることができることから、新たに生成水貯留部を設ける必要がない。

デッドボリューム２３ｂの容量は、デッドボリューム２３ａの容量に比較して大きいことが好ましい。貯留可能な残留水が多くなるからである。また、本実施例においては、アノード側の多孔体に注目したが、それに限られない。カソード側にコモンレールが設けられる場合には、カソード側の多孔体にも本発明を適用することができる。それにより、酸化剤ガス流れへの影響を抑制することができる。

なお、本発明は、本実施例のようにコモンレールが形成されたセパレータを備える燃料電池に適用される。特に、ガス給排用のマニホールドが矩形セパレータの一辺の長さ方向の一部に形成され、該マニホールドからコモンレールが該長さ方向に伸びている場合に効果を有する。

本実施例においては、請求項との関係において、コモンレール４５ａが第１コモンレールに相当し、コモンレール４５ｂが第２コモンレールに相当し、橋部４５ｃが案内路に相当し、デッドボリューム２３ｂが生成水貯留部に相当する。

本発明の第１実施例に係る燃料電池の模式的断面図である。 セパレータおよびシールガスケット一体型ＭＥＡの詳細について説明するための図である。 アノード対向プレートの詳細を示す図である。

符号の説明

１３ アノード対向プレート
２３ 多孔体
２３ａ，２３ｂ デッドボリューム
４１ａ 燃料ガス供給マニホールド
４１ｂ 燃料ガス排出マニホールド
４５ａ，４５ｂ コモンレール
４５ｃ 橋部
１００ 燃料電池

Claims (5)

1. 膜−電極接合体に沿って設けられ、反応ガスが流動するための多孔体と、
   前記多孔体の前記膜−電極接合体と反対側に設けられ、前記多孔体へ反応ガスを供給するための第１コモンレールを備え、前記多孔体から反応ガスを排出するための第２コモンレールを前記第１コモンレールよりも重力方向下側に備えるセパレータと、
   前記第２コモンレールよりも重力方向下側に設けられた生成水貯留部と、
   前記第２コモンレールよりも重力方向上側から前記生成水貯留部へ生成水を案内する案内路と、を備えることを特徴とする燃料電池。
2. 前記生成水貯留部は、前記多孔体において前記第２コモンレールよりも重力方向下側の部分であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
3. 前記生成水貯留部は、前記多孔体において前記第１コモンレールよりも重力方向上側の部分の容積よりも大きい容積を有することを特徴とする請求項２記載の燃料電池。
4. 前記案内路は、前記第２コモンレールの一部を重力方向上下につなげる橋部であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池。
5. 前記多孔体を流動する反応ガスは、燃料ガスであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池。

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