JP2011171028A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】ガス供給用流路の下流端部に水が滞留することを抑制し、発電性能の低下を抑制する。
【解決手段】発明の燃料電池は、電解質層の両面にそれぞれ触媒電極層とガス拡散層とガス流路形成部とを、水平方向に沿って備える。少なくとも一方のガス流路形成部には、ガス拡散層に接する側に、ガス拡散層の面に沿って、その下流端が閉塞されたガス供給用流路およびその上流端が閉塞されたガス排出用流路が閉塞部を挟んで鉛直方向に交互に配列された分離構造のガス流路が形成されている。ガス供給用流路は、その上流端からその下流端までの流路のうち、中央部位よりも上流端側の中間部位が、鉛直方向に対して最も低い部位となるように形成されている。
【選択図】図２

Description

この発明は、固体高分子電解質型の燃料電池に関し、特に、反応ガスの流路が供給用と排出用とに分離された構造を有する燃料電池に関する。

燃料電池は、燃料ガスとしての水素と酸化ガスとしての酸素（Ｏ_２）との電気化学反応によって発電する装置である。なお、以下では、燃料ガスや酸化ガスを、特に区別することなく単に「反応ガス」あるいは「ガス」と呼ぶ場合もある。この燃料電池は、プロトン（Ｈ^＋）伝導性を有する固体高分子電解質膜（以下、単に「電解質膜」とも呼ぶ）の両面に、それぞれ触媒電極層を接合し、さらに、それぞれガス拡散層を配置した膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly）を有しており、ガス拡散層に当接する面に反応ガスの流路としての溝が形成されたセパレータにより挟持した燃料電池セル（単に「セル」とも呼ぶ）により構成される。なお、このセパレータは発電した電気の集電体としても機能する。

上記燃料電池の一例として、セパレータに形成された反応ガスの流路をガス供給用流路とガス排出用流路とに分離し、ガス供給用流路を経て供給される反応ガスが上記したガス拡散層や触媒電極層を介してガス排出用流路から排出される構造の燃料電池が知られている（特許文献１参照）。

特開２００８−１７１６０８号公報 特開２００４−０７９４５７号公報

しかしながら、上記ガス供給用流路とガス排出用流路とが分離された構造のガス流路では、ガス供給用流路の下流端部が閉塞状態となるため、電気化学反応によって生成された水が排水されずに下流端部（閉塞部）に滞留してしまい、燃料電池セルにフラッディングが発生しやすいという問題がある。なお、通常、電気化学反応により、水が生成されるのはカソード側であるため、カソード側のガス流路が上記分離構造であれば、閉塞部に水が滞留し易くなる。また、カソード側で生成された水は電解質膜を介してアノード側にも移動するため、アノード側のガス流路が、上記分離構造である場合にも、閉塞部に水が滞留し易くなる。

そこで、本発明は、ガス供給用流路の下流端部（閉塞部）に水が滞留することを抑制し、発電性能の低下を抑制する技術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、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

［適用例１］
電解質層の両面にそれぞれ触媒電極層とガス拡散層とガス流路形成部とを、水平方向に沿って備える燃料電池であって、
少なくとも一方の前記ガス流路形成部には、前記ガス拡散層に接する側に、前記ガス拡散層の面に沿って、その下流端が閉塞されたガス供給用流路およびその上流端が閉塞されたガス排出用流路が閉塞部を挟んで鉛直方向に交互に配列された分離構造のガス流路が形成されており、
前記ガス供給用流路は、その上流端からその下流端までの流路のうち、中央部位よりも上流端側の中間部位が、鉛直方向に対して最も低い部位となるように形成されていることを特徴とする燃料電池。
この燃料電池によれば、中央部位よりも上流端側の中間部位が鉛直方向に対して最も低い部位となるので、この中間部位に水が溜まることになるため、下流端に水が滞留することを抑制することができる。また、この中間部位を流れるガスの流量は、中央部位よりも上流端に近い側にあるので、下流端に比べて多くなるため、このガスの圧力によって中間部位に溜まる水を、ガス拡散層および触媒電極層を介してガス排出用流路側に押し出して排出することが可能となる。

［適用例２］
適用例１記載の燃料電池であって、
前記ガス流路形成部には、さらに、前記ガス供給用流路のそれぞれの前記中間部位を連通する排水連通路が形成されていることを特徴とする燃料電池。
このようにすれば、中間部位に溜まる水を、排水連通路を介して排出することが可能となる。

［適用例３］
適用例２記載の燃料電池であって、
前記前記ガス供給用流路にガスを供給するためのガス供給マニホールドを備えており、
前記排水連通路は前記ガス供給マニホールドに接続されていることを特徴とする燃料電池。
このようにすれば、ガス供給用流路を流れるガスを加湿することが可能となる。

本発明の実施例を適用した燃料電池を構成する燃料電池セルの概略構成を表わす断面模式図である。 第１実施例としてのカソード側のセパレータに形成されているガス流路をガス拡散層側から見た概略構造図である。 比較例としてのカソード側のセパレータに形成されているガス流路をガス拡散層側から見た概略構造図である。 第２実施例としてのカソード側のセパレータに形成されているガス流路をガス拡散層側から見た概略構造図およびＡ−Ａ断面図である。 第３実施例としてのカソード側のセパレータに形成されているガス流路をガス拡散層側から見た概略構成図である。 実施例の効果を示す説明図である。

Ａ．燃料電池の構成概要：
図１は、本発明の実施例を適用した燃料電池を構成する燃料電池セルの概略構成を表わす断面模式図である。この燃料電池セル１００は、膜電極接合体１０と、膜電極接合体１０を両面から挟持するアノード側のセパレータ２０Ａおよびカソード側のセパレータ２０Ｃと、を備えている。すなわち、この燃料電池セル１００は、水平方向に沿って、アノード側のセパレータ２０Ａと、膜電極接合体１０と、カソード側のセパレータ２０Ｃとが配列されている。

膜電極接合体１０は、電解質層１２と、電解質層１２のそれぞれの面上に形成されるアノード側の触媒電極層１４Ａおよびカソード側の触媒電極層１４Ｃと、上記各触媒電極層に隣接して設けられたアノード側のガス拡散層１６Ａおよびカソード側のガス拡散層１６Ｃと、で構成されている。なお、触媒電極層およびガス拡散層を纏めてガス拡散電極あるいはガス拡散電極層とも呼ぶ。

電解質層１２は、固体高分子材料、例えばフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す。この電解質層１２としては、例えば、ナフィオン膜（デュポン社製）が利用される。

アノード側の触媒電極層１４Ａおよびカソード側の触媒電極層１４Ｃは、電気化学反応を促進する触媒金属と、プロトン伝導性を有する電解質と、電子伝導性を有するカーボン粒子と、を備える。触媒金属としては、例えば、白金（Ｐｔ）、あるいはＰｔと他の金属とから成る合金（例えばコバルトやニッケルを混合したＰｔ合金）を用いることができる。また、電解質としては、電解質層１２と同様に、スルホン酸基を介して水和プロトンを伝導するフッ素系樹脂、例えば、ナフィオン溶液を用いている。上記触媒金属はカーボン粒子上に担持されており、各触媒電極層では、触媒金属を担持したカーボン粒子（触媒粒子）と電解質とが混在している。触媒金属を担持するためのカーボン粒子（以下、「担持用カーボン粒子」と呼ぶ。）は、一般に市販されているカーボン粒子（カーボン粉末）を加熱処理することにより自身の撥水性が高められた撥水化カーボン粒子が用いられる。

ガス拡散層１６Ａ，１６Ｃは、ガス透過性を有する導電性部材、例えば、カーボンクロスやカーボンペーパー等のカーボン多孔質体、あるいは、金属メッシュや発泡金属などの金属多孔質体によって構成することができる。

セパレータ２０Ａ，２０Ｃは、ガス不透過の導電性部材、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンや、プレス成形した金属板によって形成することができる。セパレータ２０Ａ，２０Ｃのガス拡散層１６Ａ，１６Ｃ側の表面には、燃料電池セル１００に供給される反応ガスとしての燃料ガスである水素（Ｈ_２）あるいは酸化ガスである酸素（より具体的に空気）の流路を形成するための凹凸形状が形成されている。すなわち、ガス拡散層１６Ａ、１６Ｃとセパレータ２０Ａ、２０Ｃとの間には、電気化学反応に供される反応ガスが通過するガス流路３０が形成されている。具体的には、図示しないガス供給マニホールドに連通するガス供給用流路３０ｉと、燃料電池から流出する未反応ガスを排出するガス排出マニホールドに連通するガス排出用流路３０ｏとが形成されている。ガス供給用流路３０ｉとガス排出用流路３０ｏは互いに分離された構造となっている。すなわち、ガス供給用流路３０ｉの下流端部およびガス排出用流路３０ｏの上流端部は閉塞状態となっている。そして、ガス供給用流路３０ｉおよびガス排出用流路３０ｏは、ガス排出用流路３０ｏがガス供給用流路３０ｉの下流端部（閉塞部）を挟んで鉛直方向に交互に配列されている。なお、これらのセパレータ２０Ａ，２０Ｃが本発明におけるガス流路形成部に相当する。

燃料電池セル１００の外周部には、反応ガスのガスシール性を確保するための図示しないシール部材が配設されている。なお、通常燃料電池は、燃料電池セル１００を複数積層したスタック構造を有しており、このスタック構造の外周部には、燃料電池セル１００の積層方向と平行であって反応ガス（燃料ガスあるいは酸化ガス）や冷媒が流通する複数のマニホールドが設けられている（図示せず）。これら複数のマニホールドのうちの燃料ガス供給マニホールドを流れる燃料ガスは、各燃料電池セル１００に分配され、電気化学反応に供されつつ各燃料電池セルの燃料ガス用のガス流路を通過し、その後、燃料ガス排出マニホールドに集合する。同様に、酸化ガス供給マニホールドを流れる酸化ガスは、各燃料電池セル１００に分配され、電気化学反応に供されつつ各燃料電池セルの酸化ガス用のガス流路を通過し、その後、酸化ガス排出マニホールドに集合する。

なお、図示は省略しているが、スタック構造の内部温度を調節するために、各燃料電池セル間に、冷媒の通過する冷媒流路が形成された冷媒流路形成部が設けられている。冷媒流路形成部は、隣り合う燃料電池セルの間において、一方の燃料電池セルが備えるセパレータ２０Ａ、２０Ｃと、これに隣接して設けられる他方の燃料電池セルのセパレータ２０Ｃ，２０Ａとの間に設ければよい。

上記燃料電池セル１００では、アノード側のセパレータ２０Ａのガス供給用流路３０ｉに供給された燃料ガスとしての水素は、ガス拡散層１６Ａを介して触媒電極層１４Ａに供給されて触媒電極層１４Ａによる電気化学反応に寄与した後、ガス排出用流路３０ｏを介して排出される。同様に、カソード側のセパレータ２０Ｃのガス供給用流路３０ｉに供給された酸化ガスとしての酸素も、ガス拡散層１６Ｃを介して触媒電極層１４Ｃに供給されて触媒電極層１４Ｃによる電気化学反応に寄与した後、ガス排出用流路３０ｏを介して排出される。燃料電池セル１００は、以上のように、アノード側およびカソード側に供給された反応ガスが電気化学反応に供され、その結果として電力を発生するとともに、その副産物として水を生成する。そして、この水は、電解質層１２を介してアノード側へも移動する。

Ｂ．第１実施例：
図２は、第１実施例としてのカソード側のセパレータ２０Ｃに形成されているガス流路３０をガス拡散層１６Ｃ側から見た概略構造図である。図３は、比較例としてのカソード側のセパレータ２０Ｃｃに形成されているガス流路３０ｃをガス拡散層１６Ｃ側から見た概略構造図である。なお、実線矢印はガスの流れを示している。

図３に示すように、比較例のガス流路３０ｃは、水平方向に延びる酸化ガスのガス供給用流路３０ｃｉとガス排出用流路３０ｃｏとを備えており、鉛直方向に沿って交互に配置されている。また、ガス供給用流路３０ｃｉは、酸化ガスのガス供給マニホールド４０ｉに接続されて鉛直方向に延びる連通路３０ｃｓｉに接続されている。また、ガス排出用流路３０ｃｏは、酸化ガスのガス排出マニホールド４０ｏに接続されて鉛直方向に延びる連通路３０ｃｓｏに接続されている。すなわち、比較例のガス流路３０ｃも、ガス供給用流路とガス排出用流路とが分離された構造を有している。

一方、図４に示すように、本実施例のガス流路３０は、後述するように「への字」状に折れまがったガス供給用流路３０ｉとガス排出用流路３０ｏとを備えており、鉛直方向に沿って交互に配置されている。また、ガス供給用流路３０ｉは、酸化ガスのガス供給マニホールド４０ｉに接続されて鉛直方向に延びる連通路３０ｓｉに接続されている。また、ガス排出用流路３０ｏは、酸化ガスのガス排出マニホールド４０ｏに接続されて鉛直方向に延びる連通路３０ｓｏに接続されている。すなわち、比較例のガス流路３０ｃも、ガス供給用流路とガス排出用流路とが分離された構造を有している。

ガス供給用流路３０ｉの折れ曲がった折れ曲がり部位３０ｉｒ（本発明の中間部位に相当する）は、その上流端からその下流端までの流路のうち、中央部位よりも上流端側に設けられており、かつ、鉛直方向に対して最も低い部位となるように形成されている。ガス排出用流路３０ｏもガス供給用流路３０ｉの折れ曲がりに対応して折れ曲がって形成されている。

図２の比較例のガス供給用流路３０ｃｉの場合には、ガス流路を流れるガスに押されてガス流路の下流端部３０ｓｔｐに水が溜まることになる。これに対して、図３の実施例のガス供給用流路の場合には、水は、破線矢印で示すように、ガス流路中最下点である折れ曲がり部位３０ｉｒに移動して溜まることになる。しかしながら、この折れ曲がり部位３０ｉｒは上流端に近い部位に形成されているので、この部位を流れるガスの流量は下流端に比べて多くなるため、このガスの圧力に押されてガス拡散層１６Ｃや触媒電極層１４Ｃを介してガス排出用流路３０ｏに押し出されて排出され易くなり、水の滞留を抑制して発電性能の低下を抑制することが可能となる。

なお、上記実施例は、カソード側を例に説明したがアノード側も同様である。

Ｃ．第２実施例：
図４は、第２実施例としてのカソード側のセパレータ２０Ｃａに形成されているガス流路３０Ａをガス拡散層１６Ｃ側から見た概略構造図およびＡ−Ａ断面図である。このガス流路３０Ａの構造は、図４（Ａ）に示すように、基本的には、第１実施例のガス流路３０（図２）と同じであり、ガス供給用流路３０ｉの上流端から下流端までの流路のうち、中央部位よりも上流端側に折れ曲がり部位３０ｉｒが形成されている。また、ガス排出用流路３０ｏもガス供給用流路３０ｉの折れ曲がりに対応して折れ曲がって形成されている。第１実施例と相異するのは、図４（Ａ）の折れ曲がり部位３０ｉｒの並びに沿ったＡ−Ａ線における断面を表した図４（Ｂ）に示すように、折れ曲がり部位３０ｉｒを連通し、排水マニホールド５０（図４（Ａ））に接続される排水連通路３０ｉｒｔが形成されている点である。

本実施例のように、排水連通路３０ｉｒｔおよび排水マニホールド５０を設けたことにより、折れ曲がり部３０ｉｒに溜まる水を積極的に排水連通路３０ｉｒｔおよび排水マニホールド５０を介して排出することができる。これにより、第１実施例よりも、さらに、水の滞留を抑制して発電性能の低下を抑制することが可能となる。

なお、上記実施例は、カソード側を例に説明したがアノード側も同様である。

Ｄ．第３実施例：
図５は、第３実施例としてのカソード側のセパレータ２０Ｃｂに形成されているガス流路３０Ｂをガス拡散層１６Ｃ側から見た概略構成図である。このセパレータ２０Ｃｂは、排水マニホールド５０が設けられていない点および排水連通路３０ｉｒｔがガス供給マニホールド４０ｉに接続されている点を除いて第２実施例のセパレータ２０Ｃａと同じである。

本実施例のように排水連通路３０ｉｒｔをガス供給マニホールド４０ｉに接続することにより、ベンチュリ効果により排水連通路３０ｉｒｔを介してガス供給マニホールドに水が排出されやすくなり、ガス供給マニホールド４０ｉからガス供給用流路３０ｉに供給されるガスを加湿することができ、発電性能の向上に有利である。

なお、上記実施例は、カソード側を例に説明したがアノード側も同様である。

Ｅ．実施例の効果：
図６は、実施例の効果を示す説明図である。図は、図３の比較例と、図２の第１実施例、図４の第２実施例を適用した燃料電池セルそれぞれのセル電圧対電流密度の特性を示している。図からわかるように比較例の場合に比べて第１実施例の特性が向上していることがわかる。また、第２実施例は、積極的に排水を行なっているので、第１実施例に比べてさらに特性が向上していることがわかる。従って、各実施例の燃料電池セルを適用した燃料電池では、ガス供給用流路の下流端部（閉塞部）に水が滞留することを抑制し、発電性能の低下を抑制することが可能である。

Ｆ．変形例：
なお、上記各実施例における構成要素の中の、独立クレームでクレームされた要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。また、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能である。

例えば、上記各実施例では、カソード側のガス流路およびアノード側のガス流路がガス供給用流路とガス排出用流路とに分離された構造の場合を例に説明しているが、これに限定されるものではなく、いずれか一方のガス流路が、従来と同じで、ガス供給用流路とガス排出用流路とが共通である構造としてもよい。

１０…膜電極接合体
１２…電解質層
１４Ａ…触媒電極層
１４Ｃ…触媒電極層
１６Ａ…ガス拡散層
１６Ｃ…ガス拡散層
２０Ａ…セパレータ
２０Ｃ…セパレータ
２０Ｃａ…セパレータ
２０Ｃｂ…セパレータ
２０Ｃｃ…セパレータ
３０ｉｒｔ…排水連通路
３０ｓｔｐ…下流端部
３０…ガス流路
３０ｃｓｉ…連通路
３０ｃｓｏ…連通路
３０Ａ…ガス流路
３０Ｂ…ガス流路
３０ｃ…ガス流路
３０ｉ…ガス供給用流路
３０ｏ…ガス排出用流路
３０ｃｉ…ガス供給用流路
３０ｃｏ…ガス排出用流路
３０ｉｒ…折れ曲がり部位
３０ｓｉ…連通路
３０ｓｏ…連通路
４０ｉ…ガス供給マニホールド
４０ｏ…ガス排出マニホールド
５０…排水マニホールド
１００…燃料電池セル

Claims (3)

1. 電解質層の両面にそれぞれ触媒電極層とガス拡散層とガス流路形成部とを、水平方向に沿って備える燃料電池であって、
   少なくとも一方の前記ガス流路形成部には、前記ガス拡散層に接する側に、前記ガス拡散層の面に沿って、その下流端が閉塞されたガス供給用流路およびその上流端が閉塞されたガス排出用流路が閉塞部を挟んで鉛直方向に交互に配列された分離構造のガス流路が形成されており、
   前記ガス供給用流路は、その上流端からその下流端までの流路のうち、中央部位よりも上流端側の中間部位が、鉛直方向に対して最も低い部位となるように形成されていることを特徴とする燃料電池。
2. 請求項１記載の燃料電池であって、
   前記ガス流路形成部には、さらに、前記ガス供給用流路のそれぞれの前記中間部位を連通する排水連通路が形成されていることを特徴とする燃料電池。
3. 請求項２記載の燃料電池であって、
   前記前記ガス供給用流路にガスを供給するためのガス供給マニホールドを備えており、
   前記排水連通路は前記ガス供給マニホールドに接続されていることを特徴とする燃料電池。

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