JP2010205622A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】 水の排出を促進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（１０）と、膜−電極接合体を挟持する一対のガス拡散層（２０，３０）と、一対のガス拡散層を挟持する一対のセパレータ（４０，５０）と、を備え、少なくともいずれか一方のセパレータにおいて、膜−電極接合体における発電に伴って生成する水が滞留する滞留領域の熱膨張率が、他の領域の熱膨張率に比較して低いことを特徴とするものである。
【選択図】 図１

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、例えば、電解質膜および触媒層を有する膜−電極接合体と、膜−電極接合体に隣接配置されたガス拡散層と、反応ガス流路を有するセパレータと、を備える。例えば、特許文献１には、下流端が閉塞しガス拡散層に反応ガスを供給する供給流路と、上流端が閉塞しガス拡散層から反応ガスを回収する排出流路と、が所定間隔を有して交互に配置された反応ガス流路（櫛型流路）を有するセパレータが開示されている。

特開２００５−８５６２６号公報

発電に伴って水が生成されることから、反応ガス流路に水が滞留することがある。特に、特許文献１のような櫛型流路においては、供給流路の下流端が閉塞されていることから、供給流路の下流側に水が滞留することがある。反応ガス流路に水が滞留すると、発電不良が生じるおそれがある。

本発明は、水の排出を促進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−電極接合体と、膜−電極接合体を挟持する一対のガス拡散層と、一対のガス拡散層を挟持する一対のセパレータと、を備え、少なくともいずれか一方のセパレータにおいて、膜−電極接合体における発電に伴って生成する水が滞留する滞留領域の熱膨張率が、他の領域の熱膨張率に比較して低い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、生成水の滞留によって滞留領域の温度が他の領域に比較して低くなることから、滞留領域の熱膨張量を滞留領域以外の部分の熱膨張量に比較して小さくすることができる。それにより、滞留領域がガス拡散層に加える圧力は、滞留領域以外の部分がガス拡散層に加える圧力に比較して小さくなる。その結果、滞留領域周辺のガス拡散層における反応ガスの流速を上昇させることができる。それにより、生成水は、滞留領域周辺のガス拡散層を通過して、外部に排出され易くなる。よって、燃料電池からの水の排出を促進させることができる。

上記構成において、セパレータは、膜−電極接合体に供給される反応ガスが流動する反応ガス流路を形成し、滞留領域は、反応ガス流路の下流側の領域であってもよい。

上記構成において、反応ガス流路は、セパレータとガス拡散層とによって区画された流路であって、下流端が閉塞されガス拡散層に反応ガスを供給する供給流路と、上流端が閉塞されガス拡散層から反応ガスを排出する排出流路と、が所定間隔を有して交互に配置された櫛型流路であり、滞留領域は、供給流路の下流端部であってもよい。

上記構成において、少なくともカソード側のセパレータの滞留領域の熱膨張率が滞留領域以外の部分の熱膨張率に比較して低くてもよい。燃料電池のカソード側はアノード側に比較して滞留水が発生し易いからである。

上記構成において、膜−電極接合体の電解質膜は、固体高分子電解質膜であってもよい。

上記構成において、ガス拡散層は、導電性カーボン繊維であってもよい。導電性カーボン繊維の場合、セパレータからガス拡散層に加わる圧力が大きいほど圧損が大きくなり、セパレータからガス拡散層に加わる圧力が小さいほど圧損が小さくなる。よって、滞留領域がガス拡散層に加える圧力が滞留領域以外の部分がガス拡散層に加える圧力に比較して小さくなることによって、滞留領域周辺のガス拡散層における反応ガスの流速を上昇させることができる。

本発明によれば、水の排出を促進することができる燃料電池を提供することができる。

図１（ａ）は、燃料電池の模式的断面図である。図１（ｂ）は、カソードセパレータを膜−電極接合体側から見た図である。図１（ｃ）は、カソードセパレータを図１（ｂ）のＡ−Ａ線方向から見た断面図である。 図２（ａ）は、発電に伴って温度上昇した燃料電池の模式的断面図である。図２（ｂ）は、ガス拡散層に加わる圧力の違いが反応ガスの流速に及ぼす影響を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態を説明する。

本発明の実施例１に係る燃料電池１００について説明する。図１（ａ）は、燃料電池１００の模式的断面図である。燃料電池１００は、膜−電極接合体１０と、一対のガス拡散層（アノードガス拡散層２０およびカソードガス拡散層３０）と、一対のセパレータ（アノードセパレータ４０およびカソードセパレータ５０）と、を備える。膜−電極接合体１０は、電解質膜１１と、アノード触媒層１２と、カソード触媒層１３と、を備える。電解質膜１１としては、例えばプロトン伝導性を有する固体高分子電解質を用いることができる。プロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜として、例えばパーフルオロスルホン酸膜を用いることができる。

アノード触媒層１２およびカソード触媒層１３は、電解質膜１１を挟持するように配置されている。アノード触媒層１２の触媒は、水素のプロトン化を促進させる。カソード触媒層１３の触媒は、プロトンと酸素との反応を促進させる。例えば、アノード触媒層１２およびカソード触媒層１３は、白金担持カーボン等を含んでいる。

アノードガス拡散層２０およびカソードガス拡散層３０は、導電性およびガス拡散性を有し、膜−電極接合体１０を挟持するように配置されている。アノードガス拡散層２０は、アノード触媒層１２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３０は、カソード触媒層１３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２０は、水素を含むアノードガスを拡散させて、アノード触媒層１２に供給する機能を有する。カソードガス拡散層３０は、酸素を含むカソードガスを拡散させて、カソード触媒層１３に供給する機能を有する。アノードガス拡散層２０およびカソードガス拡散層３０としては、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を用いることができる。

アノードセパレータ４０およびカソードセパレータ５０は、膜−電極接合体１０を挟持するように配置されている。アノードセパレータ４０は、アノード触媒層１２の電解質膜１１とは反対側の面に配置され、カソードセパレータ５０は、カソード触媒層１３の電解質膜１１とは反対側の面に配置されている。アノードセパレータ４０およびカソードセパレータ５０は、補機等の負荷と電気的に接続されている。アノードセパレータ４０およびカソードセパレータ５０の材質は、後述する。

図１（ｂ）は、カソードセパレータ５０を膜−電極接合体１０側から見た図である。図１（ｃ）は、カソードセパレータ５０を図１（ｂ）のＡ−Ａ線方向から見た断面図である。本実施例において、カソードセパレータ５０のカソードガス拡散層３０側の面には、凹部が形成されている。この凹部とカソードガス拡散層３０とによって区画された領域は、反応ガス（カソードガス）が流動するための反応ガス流路として機能する。本実施例において、反応ガス流路は、導入流路６０と、複数の供給流路６１と、複数の排出流路６２と、導出流路６３と、を有する。

導入流路６０は、カソードセパレータ５０に形成された反応ガスの入口５１と複数の供給流路６１の上流端とを連通する流路である。供給流路６１は、上流端が導入流路６０に接続され、下流端が閉塞されている。供給流路６１は、カソードガス拡散層３０に反応ガスを供給するための流路である。排出流路６２は、上流端が閉塞され、下流端が導出流路６３に接続されている。排出流路６２は、カソードガス拡散層３０から反応ガスを排出するための流路である。導出流路６３は、複数の排出流路６２の下流端とカソードセパレータ５０に形成された反応ガスの出口５２とを連通する流路である。供給流路６１と排出流路６２とは、所定間隔を有して交互に配置されている。本実施例においては、導入流路６０と供給流路６１とによって櫛型流路が形成され、導出流路６３と排出流路６２とによって櫛型流路が形成される。

なお、アノードセパレータ４０は、図１（ｂ）および図１（ｃ）と同様の構成を有している。すなわち、燃料電池１００は、アノードセパレータ４０とアノードガス拡散層２０とによって区画された反応ガス流路（アノードガス流路）を有している。アノードセパレータ４０の詳細な説明は省略する。

燃料電池１００は、以下のように動作する。アノードガスは、アノードセパレータ４０の入口から導入流路に流入する。導入流路に流入したアノードガスは、導入流路を通過後、供給流路に流入する。供給流路に流入したアノードガスは、供給流路を流動しつつアノードガス拡散層２０に流入する。その後アノードガスは、アノードガス拡散層２０を拡散して、アノード触媒層１２に到達する。アノード触媒層１２において、アノードガス中の水素はプロトンと電子とに分離する。プロトンは、電解質膜１１を伝導して、カソード触媒層１３に到達する。電子は、アノードガス拡散層２０およびアノードセパレータ４０を伝導後、燃料電池１００の外部に取り出される。燃料電池１００の外部に取り出された電子は、負荷の仕事に供された後に、カソードセパレータ５０に到達する。

カソードガスは、カソードセパレータ５０の入口５１から導入流路６０に流入する。導入流路６０に流入したカソードガスは、導入流路６０を通過後、供給流路６１に流入する。供給流路６１に流入したカソードガスは、供給流路６１を通過しつつカソードガス拡散層３０に流入する。その後カソードガスは、カソードガス拡散層３０を拡散して、カソード触媒層１３に到達する。カソード触媒層１３において、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アノード側から伝導した電子とによって水が生成される。以上の過程を経て、燃料電池１００は発電を行う。

なお、アノードガス拡散層２０を拡散した後のアノードガスは、アノードセパレータ４０の排出流路および導出流路を流動して、燃料電池１００の外部へ排出される。カソードガス拡散層３０を拡散した後のカソードガスは、カソードセパレータ５０の排出流路６２および導出流路６３を流動して、燃料電池１００の外部へ排出される。

発電に伴って水が生成されることから、燃料電池１００に水が滞留する場合がある。例えば、本実施例のような櫛型流路においては、図１（ｂ）に示すように供給流路６１の下流端が閉塞していることから、供給流路６１の下流端近傍に生成水１１０が滞留し易い傾向にある。同様に、アノードセパレータ４０においても、供給流路の下流端近傍に生成水１１０が滞留し易い傾向にある。生成水１１０が滞留する部位では、反応ガスの生成水１１０の周辺への供給が抑制される。その結果、発電不良が生じるおそれがある。

上記のような生成水１１０が滞留し易い領域では、他の領域に比較して温度が低下する。そこで、本実施例に係るカソードセパレータ５０は、供給流路６１の下流端部（以下、滞留領域と称する）の熱膨張率が、滞留領域以外の部分の熱膨張率に比較して低い構成を有する。この場合、カソードセパレータ５０において、滞留領域の熱膨張量は、滞留領域以外の部分の熱膨張量に比較して小さくなる。同様に、アノードセパレータ４０も、供給流路の下流端部（滞留領域）の熱膨張率が他の領域の熱膨張率よりも低い構成を有する。

図２（ａ）は、発電に伴って温度上昇した燃料電池１００の模式的断面図である。各セパレータにおいて滞留領域の熱膨張量が滞留領域以外の部分の熱膨張量に比較して小さいことから、滞留領域がガス拡散層に加える圧力は、滞留領域以外の部分がガス拡散層に加える圧力に比較して、小さくなる。

図２（ｂ）は、ガス拡散層に加わる圧力の違いが反応ガスの流速に及ぼす影響を示す図である。縦軸はガス拡散層における反応ガスの流速を示し、横軸はガス拡散層の面内方向の位置を示す。横軸の原点側がセパレータの反応ガスの入口側に対応し、横軸の原点から遠ざかる側がセパレータの反応ガスの出口側に対応している。曲線２００は、図１（ａ）に示すようにセパレータからガス拡散層に加わる圧力が均一の場合のグラフである。曲線２００の場合には、出口側の流速が大きくないため、供給流路６１の下流端部に生成水１１０が滞留し易くなる。

一方、曲線２１０は、反応ガスの入口側から出口側にかけてガス拡散層にかかる圧力が大きくなる場合のグラフである。ガス拡散層にかかる圧力が大きいほど圧損が大きくなり、ガス拡散層にかかる圧力が小さいほど圧損が小さくなるため、曲線２１０の場合、曲線２００に比較して反応ガスの出口側の流速が上昇している。この場合、生成水１１０は、滞留領域周辺のガス拡散層を通過して、外部に排出され易くなる。その結果、燃料電池１００からの水の排出を促進させることができる。

なお、セパレータの熱膨張率を変化させるためには、例えばセパレータの材質を調整すればよい。セパレータがカーボンおよび樹脂を主成分とする場合には、例えば、熱膨張率が低い部分（滞留領域）のカーボン比率を高くする（例えば、カーボンと樹脂との重量比率を９０％：１０％にする）。一方で、熱膨張率が高い部分（滞留領域以外の部分）のカーボン比率を低くする（例えば、カーボンと樹脂との重量比率を５０％：５０％にする）。また、セパレータが金属を主成分とする場合には、例えば、熱膨張率が低い部分にはＳＵＳを用い、熱膨張率が高い部分にはＡｌを用いればよい。あるいは、熱膨張率が低い部分にはＴｉを用い、熱膨張率が高い部分にはＡｌまたはＳＵＳを用いればよい。

本実施例においては滞留領域の熱膨張率を小さくしているが、それに限られない。例えば、各セパレータの供給流路の上流側から下流側（滞留領域）にかけて徐々にまたは段階的に熱膨張率を低くしてもよい。

なお、本実施例においてアノードセパレータ４０およびカソードセパレータ５０のいずれも同様の構成を有しているが、これに限られない。少なくとも一方のセパレータが本実施例の構成を有していればよい。この場合、生成水１１０が滞留し易い側のセパレータが本実施例の構成を有していることが好ましい。例えば、カソード側はアノード側に比較して生成水１１０の発生量が多いことから、生成水１１０が発生し易い。よって、少なくともカソードセパレータ５０が本実施例の構成を有していることが好ましい。

また、本実施例の反応ガス流路は櫛型流路であるがこれに限られない。この場合、滞留領域は、実験等によってあらかじめ調査すればよい。例えば、あらかじめ生成水が滞留する領域を調査し、その領域を上記の滞留領域に設定してもよい。また、発電時に温度が相対的に低くなる領域においては、生成水が滞留し易い。そこで、あらかじめ測定された温度分布に基づいて、セパレータの相対的に温度が低い部分の熱膨張率を、他の部分の熱膨張率に比較して低く設定してもよい。

なお、生成水１１０が滞留する場合にガス拡散層に加わる圧力を変化させる構成として、例えば、燃料電池に加圧手段を配置して、その加圧手段によってガス拡散層に外部から圧力を加える構成も考えられる。しかしながら、この場合、加圧手段が必要となるとともに、加圧手段を制御する制御装置も必要となる。そのため、燃料電池が重量化し、燃料電池の構成が複雑化する。この点、本実施例に係る燃料電池１００によれば、加圧手段および制御装置を備えることなくガス拡散層に加わる圧力を変化させることができることから、燃料電池１００の重量化および構成の複雑化という問題は生じない。また、制御装置を用いると、状態を検知して制御するまでのタイムラグが発生するが、本実施例に係る燃料電池１００によれば、状態を検知する必要がないためタイムラグが発生し難い。

１０ 膜−電極接合体
１１ 電解質膜
１２ アノード触媒層
１３ カソード触媒層
２０ アノードガス拡散層
３０ カソードガス拡散層
４０ アノードセパレータ
５０ カソードセパレータ
５１ 入口
５２ 出口
６０ 導入流路
６１ 供給流路
６２ 排出流路
６３ 導出流路
１００ 燃料電池

Claims (6)

1. 膜−電極接合体と、
   前記膜−電極接合体を挟持する一対のガス拡散層と、
   前記一対のガス拡散層を挟持する一対のセパレータと、を備え、
   少なくともいずれか一方の前記セパレータにおいて、前記膜−電極接合体における発電に伴って生成する水が滞留する滞留領域の熱膨張率が、他の領域の熱膨張率に比較して低いことを特徴とする燃料電池。
2. 前記セパレータは、前記膜−電極接合体に供給される反応ガスが流動する反応ガス流路を形成し、
   前記滞留領域は、前記反応ガス流路の下流側の領域であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
3. 前記反応ガス流路は、前記セパレータと前記ガス拡散層とによって区画された流路であって、下流端が閉塞され前記ガス拡散層に反応ガスを供給する供給流路と、上流端が閉塞され前記ガス拡散層から反応ガスを排出する排出流路と、が所定間隔を有して交互に配置された櫛型流路であり、
   前記滞留領域は、前記供給流路の前記下流端部であることを特徴とする請求項２記載の燃料電池。
4. 少なくともカソード側の前記セパレータの前記滞留領域の熱膨張率が前記滞留領域以外の部分の熱膨張率に比較して低い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. 前記膜−電極接合体の電解質膜は、固体高分子電解質膜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。
6. 前記ガス拡散層は、導電性カーボン繊維であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池。

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