JP2009277557A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】発電部の湿度状態を最適化できて燃料電池の発電効率を高めることができ、また、発電部自体の構成を変更することがなく簡単な構造で安価に製作できる燃料電池を提供する。
【解決手段】燃料電池は、発電部２の両側面に接合されるセパレータ３のガス流路９を上流側ほど幅を広く深さを浅く形成することで生成水の発生を多くしてドライアップを防止し、下流側ほど幅を狭く深さを深く形成することで生成水の排水性を高めてフラッディングを防止する。
【選択図】図２

Description

本発明は、発電部の両側面にセパレータを接合した燃料電池セルを複数連設して成る燃料電池に関する。

一般に燃料電池は発電に伴って熱と生成水を発生する。生成水は反応ガス（燃料ガス、酸化剤ガス）に押し出され、ガス流路の上流側から下流側に流れる。これにより、発電部はガス上流側でドライアップ状態（低湿度状態）となり、ガス下流側でフラッディング状態（過剰湿度状態）となる。ドライアップ状態になると、電解質膜のプロトン導電性が低下し、発電効率が低下する。フラッディング状態になると、結露により反応ガスの拡散が阻害され、やはり、発電効率が低下する。そこで、従来、ガス流路の上流側と下流側とで発電部の構造を変更することにより、発電部の湿度状態を適正化する技術が提案されている。

例えば、特許文献１には、発電部に接合するセパレータに反応ガスが流れるガス流路を形成した燃料電池において、一対のセパレータのテーパ面で発電部を圧縮し、電解質膜を挟む燃料極と酸素極の気孔率をガス上流側で低くし下流側で高くし、発電部の湿度を上流側で上昇させ下流側で低下させる技術が記載されている。特許文献２には、燃料極及び酸素極をガス流路の上流側ほど密な構造となるように製作することで、ドライアップ及びフラッディング現象を抑制する技術が記載されている。

特開２００４−３１９１３７号公報 特開２００２−４２８２３号公報

しかしながら、従来の燃料電池は発電部の湿度状態を適正化するために発電部自体の構造を変更しているので、特許文献１の場合は、組立時にセパレータと電解質膜との間隔を正確に管理する必要があって、燃料電池の組立に手間がかかる問題点があり、特許文献２の場合は、燃料極及び酸素極に特殊な組成または構造の部材を使用する必要があって、燃料電池の制作費が高くつくという欠点があった。

本発明は、発電部に接合するセパレータに反応ガスを流すためのガス流路を形成して成る燃料電池において、ガス流路の断面形状を発電部に接合する面を幅方向として上流側ほど幅を広く深さを浅くし、下流側ほど幅を狭く深さを深くしたことを特徴とする。

本発明によれば、ガス流路の上流側ではガス流路の幅が広いことで反応ガスと発電部の接触面積が大きくなって発電が増え、生成水の発生量が増加するためドライアップを防止し、下流側ではガス流路の幅が狭いことで反応ガスと発電部の接触面積が小さくなって発電が少なくなるために生成水の発生量を抑え、深さが深いことで生成水の排水性が向上して生成水が溜まらないのでフラッディングを防止し、生成水により反応ガスと発電部の接触面積を少なくすることがないので、発電部の湿度状態を最適化できて燃料電池の発電効率を高めることができる。更にガス流路の断面積が全体を通してほぼ一定なので反応ガスの圧力変動が少なく、反応ガスを安定して流すことができる。また、発電部自体の構成を変更することがなく簡単な構造で安価に製作できるという効果がある。

燃料電池は、発電部の両側面に接合されるセパレータのガス流路を上流側ほど幅を広く深さを浅く形成し、下流側ほど幅を狭く深さを深く形成する。

本発明に係る燃料電池の実施例１を図１及び図２の添付図面に基づいて説明する。

燃料電池は、複数の燃料電池セル１を連設して構成される。燃料電池セル１は発電部２とセパレータ３とを備え、一対のセパレータ３が発電部２の両側面に接合する状態で組み立てられている。発電部２は、電解質膜４と燃料極５と酸素極６とから構成され、燃料極５及び酸素極６がそれぞれ拡散層７と触媒層８とを備えている。そして、拡散層７及び触媒層８が多孔質材料を用いて各部均一な構造で形成されている。

二枚のセパレータ３の表面（発電部に接合する面）には、反応ガスを一方向（図２の上から下）に流すガス流路９が蛇行状に形成されている。ガス流路９は上流側ほど流路の幅が広く深さが浅く形成され、下流側ほど流路の幅が狭く深さが深く形成され、断面積が全体を通してほぼ一定となるように形成している。各セパレータ３のコーナ部において、ガス流路９の上流端には供給口１０が設けられ、ガス流路９の下流端に排出口１１が設けられている。そして、水素を含む燃料ガスが一方のセパレータ３の供給口１０からガス流路９を通って排出口１１に流れる過程で燃料極５に供給され、酸素を含む酸化剤ガスが他方のセパレータ３の供給口１０からガス流路９を通って排出口１１に流れる過程で酸素極６に供給される。なお、二枚のセパレータ３はそれぞれ焼成カーボン等で各部同じ厚さに形成されている。

このように形成されたセパレータ３はガス流路９の上流側では流路の幅が広いので反応ガスと発電部２の接触面積が大きく、発電量が増加する。従って生成水の発生量も増加するため、ドライアップが防止できる。また、ガス流路９の下流側では流路の幅が狭いので反応ガスと発電部２の接触面積が小さく、発電量が少ないので生成水の発生量が抑えられ、深さが深いので生成水の排水性が良く上流から流れてきた生成水も溜まらないのでフラッディングが防止できる。また、ガス流路９の断面が全体を通してほぼ一定なので反応ガスの圧力変動が少なく、反応ガスを安定して流すことができる。

本発明に係る燃料電池の燃料電池セル単体を示す斜視図である。 本発明に係るセパレータを示し、（ａ）は発電部接合面を表す正面図、（ｂ）はＡ−Ａ線断面図である。

符号の説明

１ 燃料電池セル
２ 発電部
３ セパレータ
９ ガス流路

Claims (1)

1. 発電部に接合するセパレータに反応ガスを流すためのガス流路を形成して成る燃料電池において、前記ガス流路は上流側ほど幅を広く深さを浅くし、下流側ほど幅を狭く深さを深くしたことを特徴とする燃料電池。

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