JP2010232021A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の発電効率の低下を抑制することを目的とする。
【解決手段】燃料電池１０であって、膜電極接合体１００と、前記膜電極接合体の両面に配置される反応ガス流路２００、２５０と、を備え、前記反応ガス流路２００、２５０は、反応ガスの流れ方向に対して垂直な断面の面積が、前記反応ガス流路の上流から下流に向けて次第に小さくなるように構成されているとともに、前記ガス流路の上流側において、前記反応ガス流路を前記反応ガス流路の厚み方向に分離する隔壁３００を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池に関し、特に反応ガスの流路の構造に関するものである。

燃料電池では、電気化学反応により水が生成する。従来の燃料電池では、ガス流路のガス流れ方向に対し垂直な方向の断面積を、ガス流路の上流から下流に向けて小さくし、ガス流路の上流側から下流側に向けてガスの流速を上げて、生成水の排出を促進するものが知られている（特許文献１）。

特開２００６−１３４５８２号公報

しかし、従来の構成では、ガス流路の上流部では、流速が低く、特に低温では生成水が蒸発し難いため、生成水を除去し難い。そのため、ガス流路上流部に液水が滞留して、反応ガス流路下流部への反応ガスの拡散を阻害し、燃料電池の発電効率を低下させるという問題があった。

本発明は、上記課題の少なくとも１つを解決し、燃料電池の発電効率の低下を抑制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、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

［適用例１］
燃料電池であって、膜電極接合体と、前記膜電極接合体の両面に配置される反応ガス流路と、を備え、前記反応ガス流路は、反応ガスの流れ方向に対して垂直な断面の面積が、前記反応ガス流路の上流から下流に向けて次第に小さくなるように構成されているとともに、前記ガス流路の上流側において、前記反応ガス流路を前記反応ガス流路の厚み方向に分離する隔壁を備える、燃料電池。
反応生成水が大量に発生すると、ガス流路上流部に液水が滞留して反応ガス流路を閉塞して反応ガスの流れを抑制する場合がある。しかし、この適用例によれば、隔壁両側の流路部分のうち膜電極接合体の反対側の流路部分に反応ガスを流し、ガス流路下流部に供給することが可能となるため、燃料電池の下流部において、発電を維持することが可能となる。すなわち、燃料電池の発電効率の低下を抑制することが可能となる。

本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池の他、燃料電池の発電効率改善方法等、様々な形態で実現することができる。

本実施例の燃料電池の構成を示す説明図である。 生成水が生じた時の本実施例の燃料電池と比較例の燃料電池を比較する説明図である。 本実施例の燃料電池と他の比較例の燃料電池の構成を比較する説明図である。

図１は、本実施例の燃料電池の構成を示す説明図である。燃料電池１０は、膜電極接合体１００と、反応ガス流路２００、２５０と、隔壁３００、３５０と、セパレータプレート４００、４５０と、マニホールド５００、５２０、５５０、５７０とを備える。反応ガス流路２００、２５０は、膜電極接合体１００の両面に配置されている。隔壁３００、３５０は、それぞれ、反応ガス流路２００、２５０の中に設けられている。セパレータプレート４００、４５０は、反応ガス流路２００、２５０の外側に配置されている。マニホールド５００、５２０は、それぞれ反応ガス流路２００の端部に接続され、マニホールド５５０、５７０は、それぞれ反応ガス流路２５０の端部に接続されている。

膜電極接合体１００は、電解質膜１１０と、触媒層１２０、１７０とを備える。電解質膜１１０として、固体高分子材料、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸ポリマなどのフッ素系樹脂からなるプロトン伝導性のイオン交換膜を用いることが可能である。触媒層１２０、１７０は、電解質膜１１０の両面に形成されている。触媒層１２０、１７０としては、電気化学反応を促進する触媒、例えば、白金触媒、あるいは白金と他の金属とからなる白金合金触媒をカーボンに担持した触媒層を用いることが可能である。

反応ガス流路２００、２５０は、それぞれ、カソードガス、アノードガスを供給し、あるいは拡散するための反応ガス流路である。反応ガス流路２００、２５０としては、例えば、不織布により形成されたカーボンクロスやカーボンペーパーを用いることが可能である。また、反応ガス流路２００、２５０として、樹脂製や金属製の多孔体を用いることも可能である。反応ガス流路２００、２５０は、上流部の方が下流部よりも厚く形成されている。本実施例では、最上流部の反応ガス流路２００の厚さをＴ１、最下流部に反応ガス流路の厚さをＴ２とすると、本実施例では、Ｔ２＝Ｔ１／２となっている。なお、Ｔ１、Ｔ２は、Ｔ１＞Ｔ２であればよく、Ｔ１、Ｔ２の厚さの比は、２：１以外の他の値、例えば３：１、３：２など様々な値を採用することが可能である。なお、反応ガス流路２００、２５０は、後述する隔壁３００、３５０を内部に納めるため、複数の部分に分割可能に構成されていてもよい。

カソードガス用の反応ガス流路２００は、隔壁３００を備える。隔壁３００は、反応ガス流路２００の上流部に設けられており、反応ガス流路２００の上流部を、膜電極接合体側流路２１０と、セパレータ側流路２２０に分離する。なお、反応ガス流路２００の隔壁に分離されていない部分を合流流路２３０と呼ぶ。本実施例では、膜電極接合体側流路２１０の長さと、合流流路２３０の長さとが、同じになるように構成されている。すなわち、本実施例では、反応ガス流路２００の長さをＬ１とすると、隔壁３００の長さはＬ２（＝Ｌ１／２）である。また、隔壁３００は、セパレータプレート４００とほぼ平行である。本実施例では、反応ガス流路入口部における膜電極接合体側流路２１０と、セパレータ側流路２２０の厚さは、それぞれＴ２であり、反応ガス流路２００の入口部の厚さＴ１の半分の厚さである。アノードガス用の反応ガス流路２５０についても同様に、隔壁３５０があり、反応ガス流路２５０の上流部を、膜電極接合体側流路２６０と、セパレータ側流路２７０とに分離している。反応ガス流路２５０の隔壁に分離されていない部分を合流流路２８０と呼ぶ。

セパレータプレート４００、４５０は、膜電極接合体１００と反応ガス流路２００、２５０とを挟む板状部材である。セパレータプレート４００、４５０は、例えば、金属製のプレートで出来ている。セパレータプレート４００、４５０は、アノードガスとカソードガスとが接触しないように分離する。

マニホールド５００、５２０、５５０、５７０は、それぞれ、カソードガスを反応ガス流路２００に供給し、反応ガス流路２００から排出し、アノードガスを反応ガス流路２５０に供給し、反応ガス流路２５０から排出するために用いられる。

図２は、生成水が生じた時の本実施例の燃料電池と比較例の燃料電池を比較する説明図である。なお、図２では、セパレータプレート、マニホールドの図示を省略している。図２（Ａ）は、本実施例において反応ガス流路２００に溜まる生成水６００の量が少ないときを示し、図２（Ｂ）は、比較例において反応ガス流路２００に溜まる生成水６００の量が少ないとき、図２（Ｃ）は、本実施例において反応ガス流路２００に溜まる生成水６００の量が多いとき、図２（Ｄ）は、比較例において反応ガス流路２００に溜まる生成水６００の量が多いとき、を示している。反応ガス流路２００に溜まる生成水６００の量が少ないときは、図２（Ａ）、（Ｂ）に示すように、本実施例、比較例とも、反応ガス流路２００の下流部に反応ガスを供給することが可能である。なお、燃料電池１０における電気化学反応による生成水６００が多くても、燃料電池１０の運転温度が高い場合には、生成水が蒸発しやすいので、図２（Ａ）、（Ｂ）に示すように、反応ガス流路２００に溜まる生成水６００の量は少ない。

燃料電池では、一般に反応ガス流路の長さをＬ１、厚さをＴ１とすると、Ｔ１≪Ｌ１である。反応ガス流路２００の厚さは薄いため、生成水６００の量が多い場合や、燃料電池の運転温度が低くて生成した生成水が蒸発し難い場合には、反応ガス流路２００に生成水が溜まり、反応ガス流路２００を閉塞し易い。図２（Ｄ）に示す比較例の場合のように、反応ガス流路２００が生成水６００により閉塞されてしまうと、反応ガス流路２００の下流部に反応ガスを拡散し難い。これに対し、図２（Ｃ）に示す本実施例の場合では、膜電極接合体側流路２１０が生成水により閉塞されても、生成水６００は、隔壁３００によりセパレータ側流路２２０には浸入しない。そのため、セパレータ側流路２２０を通して反応ガス流路２００の下流部に反応ガスを、供給、拡散することが可能である。そのため、燃料電池１０の発電を維持し、発電効率の低下を抑制することが可能となる。

図３は、本実施例の燃料電池と他の比較例の燃料電池の構成を比較する説明図である。なお、図３では、セパレータプレート、マニホールドの図示を省略している。図３（Ａ）が本実施例を示し、図３（Ｂ）が比較例を示している。実施例、比較例とも、燃料電池１０、膜電極接合体１００、反応ガス流路２００、２５０の体積は同じである。しかし、本実施例では、膜電極接合体１００が斜めに配置されている。ここで、本実施例における触媒層１２０の長さをＬ３、比較例における触媒層１２２の長さをＬ４とすると、Ｌ３＞Ｌ４である。すなわち、比較例の触媒層１２０の面積の大きさよりも、本実施例の触媒層１２０の面積の大きさの方が大きい。これにより、本実施例の方が、比較例よりも、発電効率を向上させることが可能である。

以上のように、本実施例によれば、生成水の量が多くなっても、燃料電池の発電を維持し、発電効率の低下を抑制することが可能となる。また、触媒層１２０、１７０の面積を大きくすることが可能となるので、発電効率を向上させることが可能となる。

［変形例］
本実施例では、反応ガス流路２００が有する隔壁３００の数は１枚であるが、隔壁３００の数は、複数枚であってもよい。本実施例では、膜電極接合体側流路２１０の長さと、合流流路２３０の長さとが、同じになるように構成されているが、膜電極接合体側流路２１０の長さと、合流流路２３０の長さとは、同じでなくてもよい。本実施例では、隔壁３００は、セパレータプレート４００とほぼ平行であるが、平行でなくてもよい。本実施例では、反応ガス流路入口部における膜電極接合体側流路２１０と、セパレータ側流路２２０の厚さは同じであるが、異なっていてもよい。

以上、いくつかの実施例に基づいて本発明の実施の形態について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。

１０…燃料電池
１００…膜電極接合体
１１０…電解質膜
１２０、１２２…触媒層
２００、２５０…反応ガス流路
２１０、２６０…膜電極接合体側流路
２２０、２７０…セパレータ側流路
２３０、２８０…合流流路
３００、３５０…隔壁
４００、４５０…セパレータプレート
５００、５２０、５５０、５７０…マニホールド
６００…生成水

Claims (1)

1. 燃料電池であって、
   膜電極接合体と、
   前記膜電極接合体の両面に配置される反応ガス流路と、
   を備え、
   前記反応ガス流路は、
   反応ガスの流れ方向に対して垂直な断面の面積が、前記反応ガス流路の上流から下流に向けて次第に小さくなるように構成されているとともに、
   前記ガス流路の上流側において、前記反応ガス流路を前記反応ガス流路の厚み方向に分離する隔壁を備える、
   燃料電池。

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