JP2010034005A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】 膜−電極接合体への反応ガスの供給の均一化を図ることができる燃料電池を提供する。
【解決手段】 本発明に係る燃料電池（４０）は、膜−電極接合体（１０）と、膜−電極接合体に沿って設けられたセパレータ（２０，３０）と、を備え、セパレータの膜−電極接合体側の面には、膜−電極接合体へ反応ガスを供給するための第１溝流路（２６）と、第１溝流路のガス流れ方向に反応ガスを排出するための第２溝流路（２７）とが形成され、第１溝流路の下流端および第２溝流路の上流端は閉塞されており、第１溝流路の断面積は上流側から下流側にかけて増加し、および／または、第２溝流路の断面積は上流側から下流側にかけて減少することを特徴とするものである。
【選択図】 図２

Description

本発明は、燃料電池に関する。

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

燃料電池は、膜−電極接合体と、膜−電極接合体を挟持するように配置されたセパレータと、を備える。例えば、セパレータの膜−電極接合体側の面には、反応ガスが流動するための溝流路が形成されている。

特許文献１には、電極層に反応ガスを供給するための溝流路の下流端が閉塞され、反応ガスを排出するための溝流路の上流端が閉塞された燃料電池が開示されている。この構成においては、供給用の溝流路に供給された反応ガスは、電極層を介して排出用の溝流路に流動する。

特開平１１−１６５９１号公報

しかしながら、特許文献１に係る技術では、マニホールドから遠い部分で反応ガスの流速が低下し、膜−電極接合体にガスを均一に供給することは困難である。

本発明は、膜−電極接合体への反応ガスの供給の均一化を図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−電極接合体と、膜−電極接合体に沿って設けられたセパレータと、を備え、セパレータの膜−電極接合体側の面には、膜−電極接合体へ反応ガスを供給するための第１溝流路と、第１溝流路のガス流れ方向に反応ガスを排出するための第２溝流路とが形成され、第１溝流路の下流端および第２溝流路の上流端は閉塞されており、第１溝流路の断面積は上流側から下流側にかけて増加し、および／または、第２溝流路の断面積は上流側から下流側にかけて減少す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よれば、第１溝流路のガス流れ方向に第２溝流路からガスが排出され、さらに第１溝流路の断面積は上流側から下流側にかけて増加し、および／または、第２溝流路の断面積は上流側から下流側にかけて減少することから、反応ガスの圧力損失を均一化させることができる。それにより、膜−電極接合体への反応ガスの供給の均一化を図ることができる。

本発明に係る他の燃料電池は、膜−電極接合体と、膜−電極接合体に沿って設けられたセパレータと、を備え、セパレータの膜−電極接合体側の面には、膜−電極接合体へ反応ガスを供給するための第１溝流路と、第１溝流路のガス流れ方向と反対方向に反応ガスを排出するための第２溝流路とが形成され、第１溝流路の下流端および第２溝流路の上流端は閉塞されており、第１溝流路および第２溝流路の断面積の少なくとも一方は、上流側から下流側にかけて増加することを特徴とするものである。

本発明に係る他の燃料電池によれば、第１溝流路のガス流れ方向と第２溝流路のガス流れ方向とは反対方向であり、さらに第１溝流路および第２溝流路の断面積の少なくとも一方は、上流側から下流側にかけて増加することから、反応ガスの圧力損失を均一化させることができる。それにより、膜−電極接合体への反応ガスの供給の均一化を図ることができる。

上記構成において、第１溝流路および第２溝流路は、それぞれ複数形成され、所定の間隔を空けて交互に隣接してもよい。上記構成において、セパレータは、膜−電極接合体のカソード側に配置されていてもよい。

本発明によれば、膜−電極接合体への反応ガスの供給の均一化を図ることができる燃料電池を提供することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。

本発明の実施例１に係る燃料電池４０について説明する。図１は、燃料電池４０の模式的断面図である。燃料電池４０は、膜−電極接合体１０がセパレータ２０とセパレータ３０とによって挟持された構造を有する。膜−電極接合体１０は、電解質膜１１と、カソード触媒層１２およびアノード触媒層１３と、カソードガス拡散層１４およびアノードガス拡散層１５と、を備える。電解質膜１１として、例えばプロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜が用いられる。

カソード触媒層１２は、電解質膜１１の一面側に配置されている。アノード触媒層１３は、電解質膜１１の他面側に配置されている。カソード触媒層１２は、プロトンと酸素との反応を促進する触媒を含む導電性材料からなる。アノード触媒層１３は、水素のプロトン化を促進する触媒を含む導電性材料からなる。カソード触媒層１２およびアノード触媒層１３は、例えば白金を担持したカーボンからなる。

カソードガス拡散層１４は、カソード触媒層１２の電解質膜１１と反対側に配置されている。アノードガス拡散層１５は、アノード触媒層１３の電解質膜１１と反対側に配置されている。カソードガス拡散層１４およびアノードガス拡散層１５は、導電性およびガス透過性を備えた材料からなる。導電性およびガス透過性を備えた材料として、例えばカーボンペーパ、カーボンクロス等のカーボン繊維が用いられる。

セパレータ２０は、カソードガス拡散層１４のカソード触媒層１２と反対側に配置されている。セパレータ３０は、アノードガス拡散層１５のアノード触媒層１３と反対側に配置されている。セパレータ２０およびセパレータ３０は、導電性を有する材料からなる。また、セパレータ２０およびセパレータ３０には、後述する溝流路が形成されている。

図２は、セパレータ２０をカソードガス拡散層１４側から見た平面図である。セパレータ２０には、カソードガスが供給されるガス供給口２１と、発電に供されたカソードガスが排出されるガス排出口２２と、が形成されている。ガス供給口２１およびガス排出口２２は、複数の燃料電池４０が積層された場合には、それぞれマニホールドを形成する。

また、セパレータ２０のカソードガス拡散層１４側の面には、膜−電極接合体１０にカソードガスを供給するための供給流路２３およびカソードガスを排出するための排出流路２４が形成されている。供給流路２３および排出流路２４は、セパレータ２０のカソードガス拡散層１４側の面に形成された凹溝によって構成された流路である。

供給流路２３は、供給用共通流路２５と、複数の供給用枝流路２６と、を備える。供給用共通流路２５の上流端は、ガス供給口２１に接続されている。供給用枝流路２６は、上流端が供給用共通流路２５に接続され、下流端が閉塞されている。本実施例においては、複数の供給用枝流路２６は、供給用共通流路２５からくし歯状に形成されている。

排出流路２４は、複数の排出用枝流路２７と、排出用共通流路２８と、を備える。排出用枝流路２７の上流端は閉塞され、下流端は排出用共通流路２８に接続されている。排出用共通流路２８の下流端は、ガス排出口２２に接続されている。本実施例においては、複数の排出用枝流路２７は、排出用共通流路２８からくし歯状に形成されている。

供給用枝流路２６と排出用枝流路２７とは、所定の間隔を空けて交互に隣接している。供給用共通流路２５および排出用共通流路２８は、枝流路を挟んで互いに反対側に設けられている。それにより、排出用枝流路２７においては、供給用枝流路２６に供給されるカソードガスの流動方向にカソードガスが排出される。すなわち、セパレータ２０は、コフロー構造を有している。また、供給用枝流路２６の断面積は上流側から下流側にかけて増加している。排出用枝流路２７の断面積は上流側から下流側にかけて減少している。

なお、本実施例において、セパレータ３０も、セパレータ２０と同様のガス流路を有している。セパレータ３０のガス流路の詳細な説明は省略する。

図３は、図２のＡ−Ａ線断面図である。なお、図３において、カソードガス拡散層１４も併せて図示されている。図１、図２および図３を参照して、燃料電池４０の動作について説明する。酸素を含むカソードガスは、ガス供給口２１から供給用共通流路２５を介して供給用枝流路２６に流入する。ここで、供給用枝流路２６の下流端は閉塞されていることから、供給用枝流路２６に流入したカソードガスは、カソードガス拡散層１４を介して排出用枝流路２７に流入する。それにより、カソードガスは、カソードガス拡散層１４全体にわたって供給される。

水素を含むアノードガスは、セパレータ３０のガス供給口（図示せず）からセパレータ３０の供給側の枝流路（図示せず）および排出側の枝流路（図示せず）を通ってアノードガス拡散層１５に拡散される。

アノードガス拡散層１５を拡散したアノードガスは、アノード触媒層１３に到達する。アノード触媒層１３に到達したアノードガス中の水素は、プロトンと電子とに分離される。プロトンは、電解質膜１１を伝導して、カソード触媒層１２に到達する。

カソードガス拡散層１４を拡散したカソードガスは、カソード触媒層１２に到達する。カソード触媒層１２においては、カソードガス中の酸素と電解質膜１１を伝導したプロトンとから水が生成されるとともに、電力が発生する。発生した電力は、セパレータ２０およびセパレータ３０を介して回収される。以上の動作によって、燃料電池４０は発電を行う。

なお、発電に供されたカソードガスは、セパレータ２０の排出用共通流路２８を通って、ガス排出口２２から燃料電池４０の外部へ排出される。

本実施例に係る燃料電池４０によれば、供給用枝流路２６のガス流動方向に排出用枝流路２７からガスが排出され、かつ供給用枝流路２６の断面積は上流側から下流側にかけて増加し、排出用枝流路２７の断面積は上流側から下流側にかけて減少している。以下、この効果について、図４（ａ）および図４（ｂ）を参照しつつ説明する。

図４（ａ）は、断面積が上流側から下流側にかけて一様である供給用枝流路および排出用枝流路を流動するガスの圧力変化を示す模式図である。縦軸は、供給用枝流路および排出用枝流路を流動するガスの圧力を示し、横軸は、それぞれの流路における位置を示している。横軸の左側（縦軸側）は供給用共通流路側であり、横軸の右側は排出用共通流路側である。実線１００は、供給用枝流路を流動するガスの圧力変化を示し、実線１１０は、排出用枝流路を流動するガスの圧力変化を示している。

供給用枝流路においては、反応ガスは、流動するとともにガス拡散層に供給される。それにより、上流側に比較して下流側においてはガス圧力が低下する。その結果、実線１００は負の傾きを有する。一方、排出用枝流路には、反応ガスがガス拡散層から流入する。それにより、上流側に比較して下流側においてはガス圧力が増加する。その結果、実線１１０の傾きは正の傾きを有する。

ここで、実線１００と実線１１０との差（ΔＰ）は、膜−電極接合体１０に供給されるガスの圧力損失を表している。図４（ａ）から判るように、断面積が上流側から下流側にかけて一様である場合、圧力損失は均一ではない。この場合、膜−電極接合体１０に反応ガスを均一に供給しにくくなる。そこで、膜−電極接合体１０にガスを均一に供給するためには、例えばガスを供給するための機器類の出力を上げてガスの供給流量を上げる、ガス拡散層の透気度を下げる等の対策を講じる必要がある。しかしながら、これらの対策を講じた場合、発電効率は低下する。したがって、断面積が上流側から下流側にかけて一様である場合には、発電効率を低下させずに膜−電極接合体１０にガスを均一に供給することは困難である。

図４（ｂ）は、図２に示すセパレータ２０の供給用枝流路２６および排出用枝流路２７を流動するカソードガスの圧力変化を示す模式図である。実線１２０は、供給用枝流路２６の圧力変化を示し、実線１３０は、排出用枝流路２７の圧力変化を示している。セパレータ２０においては、ガス流速の二乗とガス圧力との和は一定であるというベルヌーイの法則に従って、実線１２０の傾きは実線１００に比較して大きくなる。断面積が減少する程、ガス流速は上昇してガス圧力は低下し、断面積が増加する程、ガス流速は低下してガス圧力は上昇するからである。同様に、ベルヌーイの法則に従って、実線１３０の傾きは実線１１０に比べて小さくなる。それにより、圧力損失（ΔＰ）を均一化させることができる。したがって、セパレータ２０の場合、膜−電極接合体１０へのカソードガスの供給の均一化を図ることができる。

以上のように、本実施例に係る燃料電池４０によれば、燃料電池４０の発電効率を向上させることができるとともに、膜−電極接合体１０への反応ガスの供給の均一化を図ることができる。

なお、本実施例において、セパレータ３０もセパレータ２０と同様のガス流路を有しているがこれに限られない。セパレータ２０およびセパレータ３０の少なくとも一方が、図２に示すガス流路を有していればよい。ただし、カソード側のセパレータが図２に示すガス流路を有することが好ましい。カソードガスとしてエアを用いる場合にはカソードガス量が多くなるからである。

また、本実施例において、供給用枝流路２６および排出用枝流路２７のいずれか一方の断面積が上流側から下流側にかけて変化していてもよい。この構成においても、図４（ａ）および図４（ｂ）に示すように、供給用枝流路２６の断面積が上流側から下流側にかけて増加した場合には、実線１２０の傾きは実線１００に比較して大きくなり、排出用枝流路２７の断面積が上流側から下流側にかけて減少した場合には、実線１３０の傾きは実線１１０に比較して小さくなる。したがって、膜−電極接合体１０への反応ガスの供給の均一化を図ることができる。

また、供給用枝流路２６および排出用枝流路２７のそれぞれの最小断面積および最大断面積の平均断面積に対する割合は、図４（ｂ）のように圧力損失が均一化されるのであれば、特に限定されない。最小断面積および最大断面積の平均断面積に対する割合は、例えば供給用枝流路２６および排出用枝流路２７の平均流路長、ガスの流量、平均断面積、濡れ縁長さ、ガスの動粘性係数、ガスの密度、燃料電池４０の使用温度等に基づいて設計することができる。例えば、供給用枝流路２６および排出用枝流路２７の最小断面積が平均断面積の５％以上、最大断面積が平均断面積の１０倍以下であることが好ましい。また、最小断面積が平均断面積の２０％以上、最大断面積が平均断面積の３倍以下であることがより好ましい。

実施例１において、供給用枝流路２６が第１溝流路に相当し、排出用枝流路２７が第２溝流路に相当する。

続いて、実施例２に係るセパレータ２０ａについて説明する。図５は、実施例２に係るセパレータ２０ａをカソードガス拡散層１４側から見た平面図である。セパレータ２０ａは、供給流路２３および排出流路２４の代わりにそれぞれ供給流路２３ａおよび排出流路２４ａを備える。供給流路２３ａは、供給用枝流路２６の代わりに供給用枝流路２６ａを備える。排出流路２４ａは、排出用枝流路２７および排出用共通流路２８の代わりに排出用枝流路２７ａおよび排出用共通流路２８ａを備える。なお、実施例１と同様の形状を有する部分については、同一の符号を付すことによって説明を省略する。

供給用枝流路２６ａの上流端は、供給用共通流路２５に接続されている。供給用枝流路２６ａの下流端は、閉塞されている。供給用枝流路２６ａの断面積は、上流側から下流側にかけて減少している。排出用共通流路２８ａは、セパレータ２０ａ内部に形成された流路である。排出用枝流路２７ａの上流端は閉塞されている。排出用枝流路２７ａの下流端は、排出用共通流路２８ａに接続されている。排出用枝流路２７ａの断面積は、上流側から下流側にかけて減少している。また、供給用共通流路２５および排出用共通流路２８ａは、枝流路に対して同じ側に設けられている。それにより、排出用枝流路２７ａにおいては、供給用枝流路２６ａに供給されるカソードガスの流動方向と反対方向にカソードガスが排出される。すなわち、セパレータ２０ａは、カウンターフロー構造を有している。

図６（ａ）は、カウンターフロー構造を有するセパレータにおいて断面積が上流側から下流側にかけて一様である供給用枝流路および排出用枝流路を流動するガスの圧力変化を示す模式図である。図６（ｂ）は、セパレータ２０ａの供給用枝流路２６ａおよび排出用枝流路２７ａを流動するガスの圧力変化を示す模式図である。図６（ａ）および図６（ｂ）において、縦軸は、供給用枝流路および排出用枝流路を流動するガスの圧力を示し、横軸は、それぞれの流路における位置を示している。横軸の左側（縦軸側）は供給用共通流路側および排出用共通流路側である。

図６（ａ）の実線１４０は供給用枝流路を流動するガスの圧力変化を示し、実線１５０は排出用枝流路を流動するガスの圧力変化を示している。図６（ｂ）の実線１６０は供給用枝流路２６ａを流動するガスの圧力変化を示し、実線１７０は排出用枝流路２７ａを流動するガスの圧力変化を示している。

図６（ａ）および図６（ｂ）に示すように、供給用枝流路２６ａの断面積が上流側から下流側にかけて減少することによって、ベルヌーイの法則に従って実線１６０の傾きは実線１４０に比較して小さくなる。一方、排出用枝流路２７ａの断面積が上流側から下流側にかけて減少することによって、ベルヌーイの法則に従って実線１７０の傾きは実線１５０に比較して大きくなる。その結果、圧力損失（ΔＰ）が均一化される。それにより、セパレータ２０ａの場合、膜−電極接合体１０へのカソードガスの供給の均一化を図ることができる。

本実施例に係るセパレータ２０ａにおいても、燃料電池４０の発電効率を向上させることができるとともに、膜−電極接合体１０への反応ガスの供給の均一化を図ることができる。

なお、本実施例において、カソード側およびアノード側の少なくとも一方がセパレータ２０ａと同様の構造を有していてもよい。また、供給用枝流路２６ａおよび排出用枝流路２７ａのいずれか一方の断面積が上流側から下流側にかけて減少していてもよい。また、供給用枝流路２６ａおよび排出用枝流路２７ａのそれぞれの最小断面積および最大断面積の平均断面積に対する割合は、圧力損失が均一化されるのであれば、特に限定されない。最小断面積および最大断面積の平均断面積に対する割合は、例えば供給用枝流路２６ａおよび排出用枝流路２７ａの平均流路長、ガスの流量、平均断面積、濡れ縁長さ、ガスの動粘性係数、ガスの密度、燃料電池４０の使用温度等に基づいて設計することができる。例えば、供給用枝流路２６ａおよび排出用枝流路２７ａの最小断面積が平均断面積の５％以上、最大断面積が平均断面積の１０倍以下であることが好ましい。また、最小断面積が平均断面積の２０％以上、最大断面積が平均断面積の３倍以下であることがより好ましい。

実施例１において、供給用枝流路２６ａが第１溝流路に相当し、排出用枝流路２７ａが第２溝流路に相当する。

図１は、燃料電池４０の模式的断面図である。 図２は、セパレータ２０をカソードガス拡散層１４側から見た平面図である。 図３は、図２のＡ−Ａ線断面図である。 図４（ａ）は、断面積が上流側から下流側にかけて一様である供給用枝流路および排出用枝流路を流動するガスの圧力変化を示す模式図である。図４（ｂ）は、図２に示すセパレータ２０の供給用枝流路２６および排出用枝流路２７を流動するカソードガスの圧力変化を示す模式図である。 図５は、実施例２に係るセパレータ２０ａをカソードガス拡散層１４側から見た平面図である。 図６（ａ）は、カウンターフロー構造を有するセパレータにおいて断面積が上流側から下流側にかけて一様である供給用枝流路および排出用枝流路を流動するガスの圧力変化を示す模式図である。図６（ｂ）は、セパレータ２０ａの供給用枝流路２６ａおよび排出用枝流路２７ａを流動するガスの圧力変化を示す模式図である。

符号の説明

１０ 膜−電極接合体
１１ 電解質膜
１２ カソード
１３ アノード触媒層
１４ カソードガス拡散層
１５ アノードガス拡散層
２０ セパレータ
２１ ガス供給口
２２ ガス排出口
２３ 供給流路
２４ 排出流路
２５ 供給用共通流路
２６ 供給用枝流路
２７ 排出用枝流路
２８ 排出用共通流路
３０ セパレータ
４０ 燃料電池

Claims (4)

1. 膜−電極接合体と、
   前記膜−電極接合体に沿って設けられたセパレータと、を備え、
   前記セパレータの前記膜−電極接合体側の面には、前記膜−電極接合体へ反応ガスを供給するための第１溝流路と、前記第１溝流路のガス流れ方向に前記反応ガスを排出するための第２溝流路とが形成され、
   前記第１溝流路の下流端および前記第２溝流路の上流端は閉塞されており、
   前記第１溝流路の断面積は上流側から下流側にかけて増加し、および／または、前記第２溝流路の断面積は上流側から下流側にかけて減少することを特徴とする燃料電池。
2. 膜−電極接合体と、
   前記膜−電極接合体に沿って設けられたセパレータと、を備え、
   前記セパレータの前記膜−電極接合体側の面には、前記膜−電極接合体へ反応ガスを供給するための第１溝流路と、前記第１溝流路のガス流れ方向と反対方向に前記反応ガスを排出するための第２溝流路とが形成され、
   前記第１溝流路の下流端および前記第２溝流路の上流端は閉塞されており、
   前記第１溝流路および前記第２溝流路の断面積の少なくとも一方は、上流側から下流側にかけて増加することを特徴とする燃料電池。
3. 前記第１溝流路および前記第２溝流路は、それぞれ複数形成され、所定の間隔を空けて交互に隣接することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池。
4. 前記セパレータは、前記膜−電極接合体のカソード側に配置されてい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。

Images