JP2010170896A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、乾燥した環境下での発電性能を向上させることができる燃料電池を提供することを目的とする。
【解決手段】燃料電池１０は、ＭＥＡ２００と、アノードセパレータ１００と、カソードセパレータ３００とを備え、アノードセパレータ１００およびカソードセパレータ３００の各々には、中央部が閉塞した第１の流路１１０，３１０と、両端部が閉塞した第２の流路１２０，３２０とが交互に配列され、アノードセパレータ１００における燃料ガスの流れ方向は、カソードセパレータ３００における酸化ガスの流れ方向に対向する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料ガスおよび酸化ガス（本明細書では、これらのガスを「反応ガス」と総称する）を用いて電気化学的に発電する燃料電池に関し、特に、燃料電池の内部において反応ガスを流す流路に関する。

燃料電池の構造としては、電解質膜に電極層を積層した膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly、以下、「ＭＥＡ」という）と、このＭＥＡに反応ガスを流す流路を形成するセパレータとを交互に積層したものがある。

従来、反応ガスの流路形状によって燃料電池の発電効率を高めるために、ガス供給口からＭＥＡの電極面へと反応ガスを流す供給流路と、ＭＥＡの電極面からオフガスをガス排出口へと流す排出流路とを、それぞれ櫛歯状とし互いにかみ合うように分離して形成した燃料電池が提案されていた（特許文献１）。

特開平１１−１６５９１号公報

しかしながら、特許文献１の燃料電池では、排出流路がＭＥＡの電極面の全域に亘って連通して延びていることから、ＭＥＡにおける水分がオフガスと共にＭＥＡから過剰に排出されてしまうことによって、乾燥した環境下で発電性能が低下してしまうという問題があった。

本発明は、上記した課題を踏まえ、乾燥した環境下での発電性能を向上させることができる燃料電池を提供することを目的とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。

［適用例１］ 適用例１の燃料電池は、反応ガスを用いて電気化学的に発電する燃料電池であって、電解質膜に電極層を積層した膜電極接合体と、前記膜電極接合体に反応ガスを流すセパレータとを備え、前記セパレータには、中央部が閉塞した第１の流路と、両端部が閉塞した第２の流路とが交互に配列されたことを特徴とする。

適用例１の燃料電池によれば、第１の流路における上流側から膜電極接合体を通じて第２の流路へと流動する反応ガスを加湿し、第２の流路における下流側から膜電極接合体を通じて第１の流路へと流動する反応ガスを除湿することによって、膜電極接合体からオフガスと共に排出される水分量を抑制することができる。その結果、乾燥した環境下での発電性能を向上させることができる。

［適用例２］ 適用例１の燃料電池において、前記セパレータは、前記膜電極接合体のアノード側に燃料ガスを流すアノードセパレータと、前記膜電極接合体のカソード側に酸化ガスを流すカソードセパレータとを含み、前記アノードセパレータにおける前記燃料ガスの流れ方向は、前記カソードセパレータにおける前記酸化ガスの流れ方向に対向するとしても良い。適用例２の燃料電池では、燃料ガス（アノードガス）と酸化ガス（カソードガス）とは対向する流れであることから、発電生成水により加湿されたカソードガスから、アノードセパレータにて第１の流路における上流側から膜電極接合体を通じて第２の流路へと流動するアノードガスへと水分が移動すると共に、この水分移動により加湿されたアノードガスから、カソードセパレータにて第１の流路における上流側から膜電極接合体を通じて第２の流路へと流動するカソードガスへと水分が移動するため、膜電極接合体からオフガスと共に排出される水分量を抑制することができる。

［適用例３］ 適用例２の燃料電池において、前記アノードセパレータおよび前記カソードセパレータは、同一の部材であっても良い。適用例３の燃料電池によれば、燃料電池の部品構成を簡素化することができる。

本発明の形態は、燃料電池に限るものではなく、例えば、燃料電池の電力を利用して走行する車両、燃料電池の電力を供給する発電システム、燃料電池の製造方法などの種々の形態に適用することも可能である。また、本発明は、前述の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において様々な形態で実施し得ることは勿論である。

以上説明した本発明の構成および作用を一層明らかにするために、以下本発明を適用した燃料電池について説明する。

図１は、燃料電池１０の構成を模式的に示す説明図である。燃料電池１０は、タンクや改質器などのガス供給部（図示しない）から供給される反応ガスの電気化学反応によって発電する。本実施例では、燃料電池１０は、固体高分子型の燃料電池である。本実施例では、燃料電池１０に用いられる反応ガスは、水素を含有する燃料ガスと、酸素を含有する酸化ガスとを含む。燃料電池１０に用いられる燃料ガスは、水素タンクや水素吸蔵合金に貯蔵した水素ガスであっても良いし、炭化水素系燃料を改質して得られる水素ガスであっても良い。燃料電池１０で用いられる酸化ガスは、例えば、外気から取り込んだ空気を用いることができる。

本実施例では、燃料電池１０は、燃料ガスを循環して再利用する循環方式の燃料電池である。燃料電池１０に供給された燃料ガス（アノードガス）は、電気化学反応の進行に伴って水素濃度が低下し、アノードオフガスとして燃料電池１０の外部に排出される。本実施例では、アノードオフガスは、燃料ガスとして再利用される。燃料電池１０に供給された酸化ガス（カソードガス）は、電気化学反応の進行に伴って、酸素濃度が低下し、カソードオフガスとして燃料電池１０の外部に排出される。

燃料電池１０は、ＭＥＡ２００をアノードセパレータ１００とカソードセパレータ３００との間に挟んで積層したセル１２を備える。本実施例では、燃料電池１０は、複数のセル１２を積層して備える。

燃料電池１０のＭＥＡ２００は、電解質膜の両面に電極層を積層して形成されている。ＭＥＡ２００の電解質膜は、プロトン伝導体から成り、本実施例では、Dupont社製「Nafion112」（Nafion［ナフィオン］は登録商標）を用いて膜厚２５マイクロメートルで形成されたパーフルオロスルホン酸イオン交換膜である。ＭＥＡ２００の電極層は、反応ガスの電気化学反応を促進させる触媒層と、触媒層に反応ガスを拡散させる拡散層とを備える。本実施例では、電極層の触媒層は、触媒担持カーボンとアイオノマ樹脂とを混合した材料を用いて電解質膜上に形成され、電極層の拡散層は、カーボン製の多孔体を用いて触媒層上に形成されている。

燃料電池１０のアノードセパレータ１００およびカソードセパレータ３００は、ＭＥＡ１００に反応ガスを流すと共に、ＭＥＡ１００で生じた電気を集電する。アノードセパレータ１００は、ＭＥＡ１００のアノード側にアノードガスを流し、カソードセパレータ３００は、ＭＥＡ１００のカソード側にカソードガスを流す。アノードセパレータ１００およびカソードセパレータ３００の材料は、電気を集電するのに十分な導電性を有すると共に、ＭＥＡ１００に反応ガスを流すのに十分な耐久性，耐熱性，ガス不透過性を有する。本実施例では、アノードセパレータ１００およびカソードセパレータ３００を形成する材料は、カーボン樹脂であるが、他の実施形態において、ステンレス，チタン，チタン合金，導電性セラミックスであっても良い。本実施例では、アノードセパレータ１００とカソードセパレータ３００とを別々に構成したが、他の実施形態において、アノードセパレータ１００とカソードセパレータ３００とを一体的に構成しても良い。

燃料電池１０のアノードセパレータ１００には、中央部が閉塞した第１の流路１１０と、両端部が閉塞した第２の流路１２０とが交互に配列され、第１の流路１１０と第２の流路１２０との間はリブ１３０によって仕切られている。第１の流路１１０は、閉塞部材１１２によって中央部が閉塞された溝状の流路である。第１の流路１１０の一端は、アノードガスが流入するアノード流入口１１１を形成し、第１の流路１１０の他端は、アノードオフガスが流出するアノード流出口１１９を形成する。第２の流路１２０は、アノードセパレータ１００にアノードガスが流入する側の端部が閉塞部材１２２によって閉塞されると共に、アノードセパレータ１００にアノードガスが流出する側の端部が閉塞部材１２４によって閉塞された溝状の流路である。本実施例では、閉塞部材１１２，１２２，１２４は、アノードセパレータ１００本体とは別部材であるが、他の実施形態において、アノードセパレータ１００本体と一体的に形成してもよい。本実施例では、第１の流路１１０および第２の流路１２０の幅，深さ、リブ１３０の幅、閉塞部材１１２，１２２，１２４の幅は、それぞれ１ミリメートルである。

燃料電池１０のカソードセパレータ３００には、中央部が閉塞した第１の流路３１０と、両端部が閉塞した第２の流路３２０とが交互に配列され、第１の流路３１０と第２の流路３２０との間はリブ３３０によって仕切られている。第１の流路３１０は、閉塞部材３１２によって中央部が閉塞された溝状の流路である。第１の流路３１０の一端は、カソードガスが流入するカソード流入口３１１を形成し、第１の流路１１０の他端は、カソードオフガスが流出するカソード流出口３１９を形成する。第２の流路３２０は、カソードセパレータ３００にカソードガスが流入する側の端部が閉塞部材３２２によって閉塞されると共に、カソードセパレータ３００にカソードガスが流出する側の端部が閉塞部材３２４によって閉塞された溝状の流路である。本実施例では、閉塞部材３１２，３２２，３２４は、カソードセパレータ３００本体とは別部材であるが、他の実施形態において、カソードセパレータ３００本体と一体的に形成してもよい。本実施例では、第１の流路３１０および第２の流路３２０の幅，深さ、リブ３３０の幅、閉塞部材３１２，３２２，３２４の幅は、それぞれ１ミリメートルである。本実施例では、アノードセパレータ１００およびカソードセパレータ３００は同じ部材である。

ＭＥＡ２００にアノードセパレータ１００およびカソードセパレータ３００が積層された状態で、アノードセパレータ１００のアノード流入口１１１は、カソードセパレータ３００のカソード流出口３１９とＭＥＡ２００を挟んで対向する位置にあり、カソードセパレータ３００のカソード流入口３１１は、アノードセパレータ１００のアノード流出口１１９とＭＥＡ２００を挟んで対向する位置にある。すなわち、アノードセパレータ１００におけるアノードガスの流れ方向は、カソードセパレータ３００におけるカソードガスの流れ方向に対向する。

図２は、燃料電池１０における反応ガスの主な流れを示す説明図である。図２では、燃料電池１０をアノードセパレータ１００側から臨む方向に、アノードセパレータ１００およびカソードセパレータ３００の流路構成をそれぞれ投影した形状を示す。

アノードセパレータ１００におけるアノードガスは、第１の流路１１０におけるアノード流入口１１１から流入した後（過程Ａ１）、第１の流路１１０における閉塞部材１１２よりも上流側の空間からＭＥＡ２００へと拡散する（過程Ａ２）。その後、第１の流路１１０からＭＥＡ２００に拡散したアノードガスは、リブ１３０におけるリブ上流部１４２下のＭＥＡ２００を移動して第２の流路１２０における上流側に流入し（過程Ａ３）、第２の流路１２０における下流側へと流動する（過程Ａ４）。その後、第２の流路１２０におけるアノードガスは、第２の流路１２０における下流側からＭＥＡ２００へと拡散する（過程Ａ５）。その後、第２の流路１２０からＭＥＡ２００に拡散したアノードガスは、リブ１３０におけるリブ下流部１４４下のＭＥＡ２００を移動して第１の流路１１０における閉塞部材１１２よりも下流側の空間に流入する（過程Ａ６）。その後、第１の流路１１０における下流側のアノードガスは、第１の流路１１０におけるアノード流出口１１９から流出する（過程Ａ７）。

カソードセパレータ３００におけるカソードガスは、第１の流路３１０におけるカソード流入口３１１から流入した後（過程Ｃ１）、第１の流路３１０における閉塞部材３１２よりも上流側の空間からＭＥＡ２００へと拡散する（過程Ｃ２）。その後、第１の流路３１０からＭＥＡ２００に拡散したカソードガスは、リブ３３０におけるリブ上流部３４２下のＭＥＡ２００を移動して第２の流路３２０における上流側に流入し（過程Ｃ３）、第２の流路３２０における下流側へと流動する（過程Ｃ４）。その後、第２の流路３２０におけるカソードガスは、第２の流路３２０における下流側からＭＥＡ２００へと拡散する（過程Ｃ５）。その後、第２の流路３２０からＭＥＡ２００に拡散したカソードガスは、リブ３３０におけるリブ下流部３４４下のＭＥＡ２００を移動して第１の流路３１０における閉塞部材３１２よりも下流側の空間に流入する（過程Ｃ６）。その後、第１の流路３１０における下流側のカソードガスは、第１の流路３１０におけるカソード流出口３１９から流出する（過程Ｃ７）。

アノードセパレータ１００のリブ上流部１４２は、カソードセパレータ３００のリブ下流部３４４とＭＥＡ２００を挟んで対向する位置にあり、カソードセパレータ３００のリブ上流部３４２は、アノードセパレータ１００のリブ下流部３４４とＭＥＡ２００を挟んで対向する位置にある。カソードセパレータ３００における第２の流路３２０に流動したカソードガス（過程Ｃ４）は、ＭＥＡ２００における発電反応で生成された生成水によって加湿されており、カソードセパレータ３００のリブ下流部３４４下に拡散するカソードガス（過程Ｃ５）から、アノードセパレータ１００のリブ上流部１４２下に拡散するアノードガス（過程Ａ２）へと、ＭＥＡ２００を介して水分が移動する。アノードセパレータ１００における第２の流路１２０に流動したアノードガス（過程Ａ４）は、カソードガスからの水分移動で加湿されており、アノードセパレータ１００のリブ下流部１４４下に拡散するアノードガス（過程Ａ５）から、カソードセパレータ３００のリブ上流部３４２下に拡散するカソードガス（過程Ｃ２）へと、ＭＥＡ２００を介して水分が移動する。

図３は、実施例および比較例におけるセル電圧およびセル抵抗の実験値を示す説明図である。図４は、実施例および比較例におけるカソード排水量および移動水量の実験値を示す説明図である。

図３および図４の実施例では、カーボン製のアノードセパレータ１００およびカソードセパレータ３００を備えるセル１２を用意した。この実施例におけるセル１２のアノードセパレータ１００およびカソードセパレータ３００には、中央部がリブで閉塞した流路と、両端部がリブで閉塞した流路とが交互に配列され、流路の幅、流路の深さ、リブの幅は、それぞれ１ミリメートル（ｍｍ）である。

図３および図４の比較例では、カーボン製のアノードセパレータおよびカソードセパレータを備えるセルを用意した。この比較例のセルにおけるアノードセパレータおよびカソードセパレータには、入口側がリブで閉塞した流路と、出口側がリブで閉塞した流路とが交互に配列され、流路の幅、流路の深さ、リブの幅は、それぞれ１ミリメートルである。

図３および図４の実施例および比較例における各セルのＭＥＡは、Dupont社製「Nafion112」を用いて膜厚２５マイクロメートル（μｍ）に形成された電解質膜を有し、そのＭＥＡの電極面積は、１３平方センチメートル（ｃｍ^２）である。図３および図４の実施例および比較例では、各セルを温度８０℃に調節し、電流密度１．０アンペア／平方センチメートル（Ａ／ｃｍ^２）で発電を行った。実施例および比較例の各セルには、燃料ガスである水素を湿度６０パーセント、水素ストイキ比５で供給すると共に、酸化ガスである空気を湿度６０パーセント、空気ストイキ比を約４または約５で供給した。その結果、図３および図４に示す結果を得た。

図３に示すように、空気ストイキ比が約４および約５のいずれの場合も、実施例のセル１２は、比較例のセルよりも低いセル抵抗を示し、比較例のセルよりも高いセル電圧を維持していることが分かる。実施例におけるセル抵抗値が比較例よりも低くなる要因としては、図４に示すように、実施例におけるカソードからアノードへの移動水量が比較例よりも多いことから、実施例における電解質膜が比較例よりも湿潤しているためと考えられる。なお、図４に示すように、実施例におけるカソードからアノードへの移動水量が比較例よりも多いことから、実施例におけるカソードからの排水量は、比較例よりも少なくなっていることが分かる。

以上説明した燃料電池１０によれば、下流側のカソードガスから上流側のアノードガスに水分を移動（過程Ｃ５，Ａ２）させると共に、下流側のアノードガスから上流側のカソードガスに水分を移動（過程Ａ５，Ｃ２）させることができる。その結果、乾燥した環境下での発電性能を向上させることができる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこうした実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において様々な形態で実施し得ることは勿論である。

燃料電池の構成を模式的に示す説明図である。 燃料電池における反応ガスの主な流れを示す説明図である。 実施例および比較例におけるセル電圧およびセル抵抗の実験値を示す説明図である。 実施例および比較例におけるカソード排水量および移動水量の実験値を示す説明図である。

１０...燃料電池
１２...セル
１００...アノードセパレータ
１１０...第１の流路
１１１...アノード流入口
１１２...閉塞部材
１１９...アノード流出口
１２０...第２の流路
１２２...閉塞部材
１２４...閉塞部材
１３０...リブ
１４２...リブ上流部
１４４...リブ下流部
２００...ＭＥＡ
３００...カソードセパレータ
３１０...第１の流路
３１１...カソード流入口
３１２...閉塞部材
３１９...カソード流出口
３２０...第２の流路
３２２...閉塞部材
３２４...閉塞部材
３３０...リブ
３４２...リブ上流部
３４４...リブ下流部

Claims (3)

1. 反応ガスを用いて電気化学的に発電する燃料電池であって、
   電解質膜に電極層を積層した膜電極接合体と、
   前記膜電極接合体に反応ガスを流すセパレータと
   を備え、
   前記セパレータには、中央部が閉塞した第１の流路と、両端部が閉塞した第２の流路とが交互に配列された、燃料電池。
2. 請求項１に記載の燃料電池であって、
   前記セパレータは、
   前記膜電極接合体のアノード側に燃料ガスを流すアノードセパレータと、
   前記膜電極接合体のカソード側に酸化ガスを流すカソードセパレータと
   を含み、
   前記アノードセパレータにおける前記燃料ガスの流れ方向は、前記カソードセパレータにおける前記酸化ガスの流れ方向に対向する、燃料電池。
3. 前記アノードセパレータおよび前記カソードセパレータは、同一の部材である請求項２記載の燃料電池。

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