JP2011210398A - 燃料電池 - Google Patents
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Abstract
【課題】流路端部を閉塞した櫛歯状の分岐流路を交互に有する燃料電池において、電池性能を向上する燃料電池を提供する。
【解決手段】燃料電池を構成する単セルは、カソードの側のガスセパレーター26に、エアー供給マニホールドの側から櫛歯状に分岐して流路末端で閉塞されたガス流入流路48inと、エアー排出マニホールドの側から櫛歯状に分岐して流路端部で閉塞されたガス流出流路48outとを、流路間リブを挟んで交互に備える。ガス流入流路48inに流れ込んだエアーは、流路間リブがリブ幅で当接する範囲のガス拡散層に潜り込んで隣のガス流出流路48outに入り込み、ガス拡散層において拡散する。リブ幅とガス拡散層のガス透過性は、リブ当接範囲のガス拡散層をエアーが透過する際のバラツキを抑制するように規定されている。
【選択図】図2
【解決手段】燃料電池を構成する単セルは、カソードの側のガスセパレーター26に、エアー供給マニホールドの側から櫛歯状に分岐して流路末端で閉塞されたガス流入流路48inと、エアー排出マニホールドの側から櫛歯状に分岐して流路端部で閉塞されたガス流出流路48outとを、流路間リブを挟んで交互に備える。ガス流入流路48inに流れ込んだエアーは、流路間リブがリブ幅で当接する範囲のガス拡散層に潜り込んで隣のガス流出流路48outに入り込み、ガス拡散層において拡散する。リブ幅とガス拡散層のガス透過性は、リブ当接範囲のガス拡散層をエアーが透過する際のバラツキを抑制するように規定されている。
【選択図】図2
Description
本発明は、燃料電池に関する。
燃料電池は、燃料ガス(例えば、水素)と酸化剤ガス(例えば、酸素)との電気化学反応によって発電し、新たなエネルギー源として注目されている。この燃料電池、概ね、電解質膜(例えば、プロトン伝導性を有する固体高分子膜)の両膜面にアノードとカソードの電極を形成した膜電極接合体(発電体)を、ガス拡散層を介在させた上でセパレーターで挟持して構成される。
このような燃料電池において、ガスの利用率を向上させて電池性能を向上させるための種々の提案がなされてきた。その一つとして、燃料ガスあるいは酸化ガスの流路の形状を、櫛歯状に分岐して流路末端で閉塞された複数の流路を、閉塞側が互い違いになるように交互に配列する構成が提案されている(例えば、特許文献1)。このような燃料電池は、上記した流路形状を実現する凹凸形状が形成されたセパレーターを、電解質膜上の電極に接合したガス拡散層上に、さらに積層することによって形成される。このような構成とすることにより、燃料電池に供給されたガスは、まず、ガス入口側が開放されて末端が閉塞された流路に流入する。この流路に流入したガスは、流路末端の閉塞により、流路を形成する凸部が当接するガス拡散層を透過して、隣の流路に流入する。この隣の流路は、先の流路とは逆にガス入口側で閉塞されガス出口側で解放されていることから、当該隣の流路に流入したガスは、ガス拡散層の表面に沿って流しつつガス排出を行うので、ガス拡散層全体にガスが行き渡る効率が高まり、電極面全体でガス利用率が向上する。
上記したような流路端部を閉塞した櫛歯状の分岐流路ではなく、ガス入口側からガス出口側まで延ばしたガス流路を備えた燃料電池であっても、電池性能向上の上から種々の手法が提案されている(例えば、特許文献2等)。
上記したような流路端部を閉塞した櫛歯状の分岐流路を交互に有する燃料電池にあっては、ガス利用率の向上により電池性能の向上が期待できるものの、更なる性能向上が要請されている。この場合、流路端部を閉塞した櫛歯状の分岐流路を交互に有する燃料電池の電池性能向上に、流路端部を閉塞した櫛歯状の分岐流路ではない流路構造の上記特許文献2〜3で提案された手法をそのまま適用することはできないのが実情である。
本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、流路端部を閉塞した櫛歯状の分岐流路を交互に有する燃料電池において、電池性能の向上に寄与する新たな手法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、以下の構成を採用した。
[適用1:燃料電池]
電解質膜の両膜面に電極を形成した膜電極接合体と、該膜電極接合体の少なくとも一方の電極面に設けられた拡散層と、該ガス拡散層に電気化学反応に供される反応ガスを供給するガス流路とを有する燃料電池であって、
前記ガス流路は、
前記反応ガスの供給用のガス供給マニホールドの側から櫛歯状に分岐して流路末端で閉塞され、前記ガス供給マニホールドから流入した前記反応ガスを前記ガス拡散層の表面に沿って流す複数のガス流入流路と、
ガス排出用のガス排出マニホールドの側から櫛歯状に分岐して流路端部で閉塞されて、前記複数のガス流入流路と流路間リブを挟んで交互に設けられ、前記複数のガス流入流路から前記ガス拡散層を透過したガスを受け取って、該ガスを前記ガス拡散層の表面に沿って流しつつ前記ガス排出マニホールドに流出させる複数のガス流出流路とを備え、
前記流路間リブが前記ガス拡散層に当接するリブ幅と、前記ガス拡散層を前記反応ガスが透過する際のガス透過性とは、前記流路間リブが前記リブ幅で当接した範囲の前記ガス拡散層における前記反応ガスの透過のバラツキを抑制するように関連付けてそれぞれ規定されている
ことを要旨とする。
電解質膜の両膜面に電極を形成した膜電極接合体と、該膜電極接合体の少なくとも一方の電極面に設けられた拡散層と、該ガス拡散層に電気化学反応に供される反応ガスを供給するガス流路とを有する燃料電池であって、
前記ガス流路は、
前記反応ガスの供給用のガス供給マニホールドの側から櫛歯状に分岐して流路末端で閉塞され、前記ガス供給マニホールドから流入した前記反応ガスを前記ガス拡散層の表面に沿って流す複数のガス流入流路と、
ガス排出用のガス排出マニホールドの側から櫛歯状に分岐して流路端部で閉塞されて、前記複数のガス流入流路と流路間リブを挟んで交互に設けられ、前記複数のガス流入流路から前記ガス拡散層を透過したガスを受け取って、該ガスを前記ガス拡散層の表面に沿って流しつつ前記ガス排出マニホールドに流出させる複数のガス流出流路とを備え、
前記流路間リブが前記ガス拡散層に当接するリブ幅と、前記ガス拡散層を前記反応ガスが透過する際のガス透過性とは、前記流路間リブが前記リブ幅で当接した範囲の前記ガス拡散層における前記反応ガスの透過のバラツキを抑制するように関連付けてそれぞれ規定されている
ことを要旨とする。
上記構成を備える燃料電池では、ガス供給マニホールドから流入した反応ガスを複数のガス流入流路に入り込ませる。当該流路は末端で閉塞されているので、ガス流入流路に入り込んだ反応ガスは、ガス流入流路とガス流出流路を区画する流路間リブがそのリブ幅で当接した範囲のガス拡散層を透過して隣のガス流出流路に入り込む。こうしてガス流出流路に入り込んだ反応ガスは、ガス拡散層の表面に沿って流れつつガス排出マニホールドから流出される。そして、反応ガスは、ガス流入流路を通過する際と、流路間リブがそのリブ幅で当接した範囲のガス拡散層を透過する際、および、ガス流出流路を通過する際に、ガス拡散層に供給される。
上記構成を備える燃料電池では、流路間リブのリブ幅とガス拡散層のガス透過性とを規定することで、流路間リブがそのリブ幅で当接した範囲のガス拡散層を反応ガスが透過する際において、そのガス拡散層における反応ガスの透過のバラツキを抑制するので、ガス拡散層の全面、詳しくは電極と接合した面全体において反応ガス透過を均一化することができる。この結果、上記構成を備える燃料電池によれば、ガスの利用率を電極面全体でより確実に確保できることから、燃料電池の性能を向上させることができる。
上記した燃料電池は、次のような態様とすることができる。例えば、前記リブ幅と前記ガス透過性の規定を通して、前記ガス流入流路の流路長に亘る前記ガス拡散層でのガスの透過流速の均一化を図るようにできる。こうすれば、流路間リブがそのリブ幅で当接した範囲のガス拡散層を反応ガスが透過する際において、ガス流入流路の流路に亘って反応ガス透過のバラツキをより高い実効性で抑制でき、電池性能の向上の実効性が高まる。
また、前記リブ幅と前記ガス透過性とを、この両者に依存して定まる前記ガス拡散層のガス透過流速を確保した上で、前記反応ガスの透過のバラツキを抑制することが望ましい。こうすれば、流路間リブがそのリブ幅で当接した範囲のガス拡散層でのガス拡散の実効性が高まり、ガス透過のバラツキ抑制の実効性も高まる。
また、前記ガス流路を前記ガス拡散層に接合されるセパレーターに形成すれば、セパレーターを挟んで積層状の燃料電池を簡便に得ることができる。
この他、本発明は、例えば、燃料電池のガス拡散層における反応ガスの透過のバラツキを抑制してガス透過を均一化する方法などの形態で実現することが可能である。
以下、本発明の実施の形態について、その実施例を図面に基づき説明する。図1は本発明の一実施例としての燃料電池10を構成する単セル15の概略構成を表わす断面模式図である。本実施例の燃料電池10は、図1に示す構成の単セル15を複数積層したスタック構造を有している。なお、本実施例の燃料電池10は、固体高分子型燃料電池であるが、異なる種類の燃料電池、例えば固体電解質型燃料電池においても、同様に適用可能である。
単セル15は、電解質膜20の両側にアノード21とカソード22の両電極を備える。このアノード21とカソード22は、電解質膜20の両膜面に形成され膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly/MEA)を形成する。この他、単セル15は、電極形成済みの電解質膜20を両側から挟持するガス拡散層23,24とガスセパレーター25,26を備え、両ガス拡散層は、対応する電極に接合されている。ガスセパレーター25は、ガス拡散層23の側に、水素を含有する燃料ガスを流すセル内燃料ガス流路47を備える。ガスセパレーター26は、ガス拡散層24の側に、酸素を含有する酸化ガス(本実施例では、空気)を流すセル内酸化ガス流路48を備える。なお、図1には記載していないが、隣り合う単セル15間には、例えば、冷媒が流れるセル間冷媒流路を形成することができる。
電解質膜20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、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。アノード21およびカソード22は、触媒(例えば白金、あるいは白金合金)を備えており、これらの触媒を、導電性を有する担体(例えば、カーボン粒子)上に担持させることによって形成されている。ガス拡散層23,24は、ガス透過性を有する導電性部材、例えば、カーボンペーパやカーボンクロスによって形成することができる。ガスセパレーター25,26は、ガス不透過な導電性部材、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、焼成カーボン、あるいはステンレス鋼などの金属材料により形成されている。ガスセパレーター25,26は、既述したセル内燃料ガス流路47およびセル内酸化ガス流路48の壁面を成す部材であって、その表面には、ガス流路を形成するための凹凸形状が形成されている。
なお、図1では図示していないが、ガスセパレーター25,26の外周近傍の所定の位置には、複数の孔部が形成されている。これらの複数の孔部は、ガスセパレーター25,26が他の部材と共に積層されて燃料電池10が組み立てられたときに互いに重なって、燃料電池10内を積層方向に貫通する流路を形成する。すなわち、上記したセル内燃料ガス流路47やセル内酸化ガス流路48、あるいはセル間冷媒流路に対して、燃料ガスや酸化ガス、あるいは冷媒を給排するためのマニホールドを形成する。
次に、上記したカソード22の側のガスセパレーター26におけるセル内酸化ガス流路48の詳細について説明する。図2はガスセパレーター26の具体的な形状の一例を平面視して示す説明図、図3は図2における3−3線の概略断面図、図4は図2における4−4線の概略断面図である。なお、以下の説明では、説明の便宜上、ガスセパレーター26がなす矩形形状の長辺方向を水平方向とし、矩形短辺方向を垂直方向と称する。
図示するように、ガスセパレーター26は、垂直方向の2辺に沿って、外周近傍に孔部40〜45を備える。孔部40は、燃料ガス供給マニホールドを形成し(図中、H2 inと示す)、孔部41は冷媒供給マニホールドを形成し(図中、CLT inと示す)、孔部42は酸化ガス供給マニホールドを形成し(図中、O2 inと示す)、孔部43は冷媒排出マニホールドを形成し(図中、CLT outと示す)、孔部44は酸化ガス排出マニホールドを形成し(図中、O2 outと示す)、孔部45は燃料ガス排出マニホールドを形成する(図中、H2 outと示す)。ガスセパレーター26は、カソード22の側のものであることから、孔部42の酸化ガス供給マニホールドからセル内に流入したエアー(酸化ガス)は、このガスセパレーター26で形成された後述のガス流路を通過して、孔部44の酸化ガス排出マニホールドから排出される。こうしたガス供給は、積層された単セル15のそれぞれでなされる。アノード21の側のガスセパレーター25では、孔部40の燃料ガス供給マニホールドからセル内に流入した水素ガス(燃料ガス)は、このガスセパレーター25で形成されたガス流路を通過して、孔部45の燃料ガス排出マニホールドから排出される。
図5に示すガスセパレーター26は、その中ほどに、セル内燃料ガス流路が形成されてカソード22と重なって孔部42および孔部44と連通する略四角形状の領域を、発電領域50とする。ガスセパレーター26は、この発電領域50に、水平方向に筋状の凸条として延在する複数の流路間リブ30と溝部32とを交互に備え、それぞれの流路間リブ30は、ガスセパレーター26内における水平方向の相対的位置が互いに揃った略同一の長さに形成されている。このような複数の流路間リブ30の間に形成される溝部32では、入口側閉塞部34と出口側閉塞部35とが交互に設けられている。
これら両閉塞部は、その設置箇所、即ち流路末端或いは端部において溝部32を閉塞する。このため、ガスセパレーター26は、孔部42の側に入口側閉塞部34を備えず孔部44の側に出口側閉塞部35を有する溝部32を複数備えることになり、この複数の溝部32を、ガス供給マニホールド(孔部40)の側から櫛歯状に分岐して流路末端で閉塞され、流入したエアーをカソード22のガス拡散層24の表面に沿って流すガス流入流路48inとする。その一方、ガスセパレーター26は、孔部42の側に入口側閉塞部34を備えて孔部44の側に出口側閉塞部35を有しない溝部32にあっても、これを複数備えることになり、この複数の溝部32を、ガス排出マニホールド(孔部44)の側から櫛歯状に分岐して流路端部で閉塞され、流路間リブ30を挟んでガス流入流路48inと交互に並んだガス流出流路48outとなる。つまり、単セル15は、櫛歯状に分岐したガス流入流路48inとガス流出流路48outとを流路間リブ30を挟んで交互に有することになる。両流路におけるガス透過の様子は後述する。入口側閉塞部34と出口側閉塞部35は、流路間リブ30および溝部32の加工の際に流路間リブ30と一体で形成できるほか、流路間リブ30とは別部材(例えば、セラミックス、カーボン、金属、あるいは、樹脂やゴムで形成の別部材)を溝部32に嵌合、接着、圧着等の固定手法で形成することもできる。なお、ガスセパレーター26とガス拡散層24との接触抵抗を低減するためには、入口側閉塞部34,35を、導電性を有する材料により構成することが望ましい。
また、ガスセパレーター26は、発電領域50において、複数の流路間リブ30の端部と孔部40〜42との間の領域、および、複数の流路間リブ30の端部と孔部43〜45との間の領域に、互いに離間して形成された複数の凸部36を備える。これら複数の凸部36は、燃料電池10内では、ガス拡散層24に当接して、セル内ガス流路の壁面の一部を構成する。孔部42が形成するガス供給マニホールドからセル内燃料ガス流路に流入したエアーは、上流側の凸部36の間に形成される空間を導かれて、複数のガス流入流路48inに分配される。
このガス流入流路48inに流れ込んだエアーは、当該流路が出口側閉塞部35でその末端において閉塞されていることから、図3に示すように、ガス流入流路48inとガス流出流路48outを区画する流路間リブ30がそのリブ幅Hdで当接した範囲のガス拡散層24を透過して隣のガス流出流路48outに入り込む。こうしてガス流出流路48outに入り込んだ反応ガスは、ガス拡散層24の表面に沿って流れつつガス排出マニホールド(孔部44)から流出される。そして、エアーは、ガス流入流路48inを通過する際と、流路間リブ30がそのリブ幅Hdで当接した範囲のガス拡散層24を透過する際(以下、この際のエアー透過をリブ当接箇所エアー透過と称する)、および、ガス流出流路48outを通過する際に、ガス拡散層24に供給される。アノード21の側においても、ガスセパレーター25において上記した流路構成とできる。
上記したように流路間リブ30を挟んで隣り合ったガス流入流路48inからガス流出流路48outに至るまでのガス拡散層24でのエアー透過、即ちリブ当接箇所エアー透過は、ガス拡散層24へのエアー供給の機会を与えることになり、電池性能に影響を与える。そして、このリブ当接箇所エアー透過は、カソード22の側のガス拡散層24自体の性質と、流路間リブ30のリブ幅Hdとの影響を受けることから、本実施例では、次のようにした。図5はガス拡散層24をエアーが透過する際の圧力損失の様子を模式的に説明する説明図である。
図3に示すように、リブ当接箇所エアー透過は、流路間リブ30がそのリブ幅Hdで当接した範囲のガス拡散層24にエアーが潜り込むようにして起きることになるが、この際の圧力損失は、ガス拡散層24それ自体の性質で定まると想定される。よって、隣り合うガス流入流路48inとガス流出流路48outとを、図5に示したようにあたかもガス拡散層24を挟んでその有効流路長に亘って対向させた場合の、圧力損失の発生状況をシミュレーションもしくは測定装置にて測定した。ガス流入流路48inに流入したエアーが上記のリブ当接箇所エアー透過を起こしてガス流出流路48outに入り込む場合、圧力損失は、ガス流入流路48inでのエアー通過に伴うガスin側流路圧損と、ガス拡散層24を通過する際のガス拡散層流路圧損と、ガス流出流路48outでのエアー通過に伴うガスout側圧損が起きる。そして、この状況を指数化するため、以下の数式により圧損比を定めた。
圧損比=(ガスin側流路圧損+ガスout側圧損)/ガス拡散層流路圧損
この圧損比は、ガス拡散層流路圧損が大きくなれば小さな値となり、同じ流速でガス拡散層24にエアーを供給した場合、小さな値の圧損比ほどガス拡散層24でのガス拡散(エアー拡散)は起きにくくなる。このため、圧損比は、ガス拡散層24でのガス拡散(エアー拡散)に必要なガス拡散層24におけるエアーの最低流速を規定する。図6はガス拡散層における圧力損失比とガス拡散層でのガス流速との関係を示すグラフである。今、ガス流入流路48inの側のガスin側流路圧損を考えると、図3〜図4に示した単位流路幅Rdに占める流路間リブ30のリブ幅Hdは、このガスin側流路圧損に影響を及ぼす。よって、ガス拡散層24でのガス拡散層流路圧損に関与するガス拡散層24のガス透過性と流路間リブ30のリブ幅Hdで、ガス流出流路48outでのガスout側圧損が同じという条件下において、ガス拡散層24におけるエアーの流速が図6のグラフから定まる。この場合、ガス拡散層24のガス透過性は、ガス拡散性にも影響を及ぼすものであり、ガス拡散層24の嵩(体積)をガス圧(Pa)と単位時間(s)で除算した単位次元の数値として得られ、種々の測定装置にて測定可能である。
次に、流路間リブ30がそのリブ幅Hdで当接した範囲のガス拡散層24にエアーが潜り込むリブ当接箇所エアー透過について、他の観点から説明する。図7はセルモデルSmにおけるリブ当接箇所エアー透過の様子をガス流入流路48inの有効流路長に亘って模式的に示す説明図、図8はセルモデルSmにおいてリブ当接箇所エアー透過の様子がガス流入流路48inの有効流路長に亘ってほぼ均一な様子を模式的に示す説明図、図9はセルモデルSmにおいてリブ当接箇所エアー透過の様子がガス流入流路48inの入口側と閉塞側で相違する様子を模式的に示す説明図である。セルモデルSmは、図3に示すように、ガス流入流路48inの両側にガス流出流路48outが並んだ単セルを想定したものであり、単位流路幅Rdを同じとした上で、流路間リブ30のリブ幅Hdが種々の物が用意されている。なお、セルモデルSmにおいてガス流入流路48inとガス流出流路48outとは本来はガス拡散層24に対して同じ側に並んでいるが、図示の都合上、図7〜図9では、ガス流入流路48inとガス流出流路48outをガス拡散層24を挟んで上下に示している。
図7に示すように、リブ当接箇所エアー透過は、ガス流入流路48inにおける有効流路の各箇所において起きている。セルモデルSmで説明すると、図3に示すガス流入流路48inから、図中点線で示すようにエアーが流路間リブ30がそのリブ幅Hdで当接した範囲のガス拡散層24に潜り込んで両隣のガス流出流路48outに流れ込むことになり、こうしたエアーの流れ込み(リブ当接箇所エアー透過)がガス流入流路48inにおける有効流路の各箇所において起きている。よって、このリブ当接箇所エアー透過が、図7や図8に示すようにガス流入流路48inの有効流路長に亘って同じように起きていれば、ガス拡散層24における均一なガス拡散、延いてはカソード22へのガス供給の電極面での均一化および電池性能の向上が可能となる。その反面、図9に示すように、リブ当接箇所エアー透過の様子がガス流入流路48inの有効流路長において相違すると、この相違に基づいて、ガス拡散層24におけるガス拡散の様子が異なり、ガス供給の電極面での均一化が阻害されるので、電池性能の向上が大きく望めないことになる。
今、セルモデルSmを、現実的な単セル15におけるガスセパレーター26と同程度のサイズとすると、ガス流入流路48inの有効流路長は、ほほセル長手方向サイズと同じとなる。便宜上、ガス流入流路48inの有効流路長をSL(mm)とする。単位流路幅Rdと流路深さについても、現実的な単セル15を想定し場合のそれぞれの寸法であるαmm、βmmとした。そして、セルモデルSmを構成するガス拡散層24についても、現実的な単セル15を想定して、そのガス透過性を7.82m3/Pa/sとした。なお、このガス透過性は、ガス拡散層24を10x10cm2(電極面積)で12mmの厚みの単位体積拡散層として測定した数値である。その上で、流路間リブ30のリブ幅Hdとガス透過性が電池性能に及ぼす影響を把握すべく、リブ幅Hdを、単位流路幅Rd(αmm)の46%程度のα1mm、流路幅を(α−α1)mmとしたセルモデルSmをモデルAとし、これと対比するセルモデルSmとしてのモデルBでは、リブ幅Hdを、単位流路幅Rd(αmm)の86%程度のα2mmと広くして、流路幅を(α−α2)mmと狭くした。このモデルAでは、図6に説明したガス拡散層24に対する圧損比から約50mm/s程度のガス流速でガス拡散層24をエアーが透過し、対比されるモデルBでは、約10mm/s程度のガス流速でエアーが透過することになる。
そして、上記のモデルA、BのセルモデルSmにおいて、そのガス拡散層24で上記した程度のエアー流速でエアー透過を起こすに必要なガス流速(必要エアー透過流速)は、流路間リブ30のリブ幅Hdと、所望される電流密度、単位流路幅Rd、ガス拡散層24の厚み、流入エアーの酸素濃度、ストイキで、次のように定まる。
必要エアー透過流速=(リブ幅Hdx単位流路幅Rdx電流密度/α)/(ガス拡散層24の厚みx単位流路幅Rdx流入エアー酸素濃度xストイキ)
=(リブ幅Hdx電流密度/α)/(ガス拡散層24の厚みx流入エアー酸素濃度xストイキ);
ここで、αは定数(=4/96485)である。
=(リブ幅Hdx電流密度/α)/(ガス拡散層24の厚みx流入エアー酸素濃度xストイキ);
ここで、αは定数(=4/96485)である。
今、電流密度、および水素と酸素のストイキを単セル15に現実的に求められる数値と仮定して上記のモデルA、BのセルモデルSmについての必要エアー透過流速をシミュレート演算すると、モデルAのセルモデルSmの必要エアー透過流速は0.014m/s、モデルBでは0.027m/sとなった。なお、シミュレート演算に際しては、他の演算条件として、セルモデルSmのセル温度を現実的に単セル15の発電状態に相当する60℃とし、水素ガス・エアーの露点とその背圧についても単セル15に現実的に求められる数値とした。そして、上記の電流密度での発電に必要なエアーをガス流入流路48inに流し込んで図7〜図9のようにリブ当接箇所エアー透過の様子をモデルA、BのセルモデルSmについて調べた。図10はモデルAおよびモデルBのセルモデルSmについてのリブ当接箇所エアー透過の状況を図7に倣って示す説明図である。
この図10に示すように、流路幅の広いモデルA(リブ幅Hd:α1mm、流路幅:(α−α1)mm)では、ガス流入流路48inにおけるエアー入口から出口側閉塞部35(図2参照)で流路が閉塞された流路エンドまでのガス流入流路48inの有効流路長に亘って、エアー透過の様子(既述したリブ当接箇所エアー透過の様子)がほぼ均一であり、上記した必要エアー透過流速以上の流速でエアーがガス拡散層24を透過することが確認できた。その一方、流路幅の狭いモデルB(リブ幅Hd:α2(>α1)mm、流路幅:(α−α2)mm)では、リブ当接箇所エアー透過の様子は、ガス流入流路48inと流路エンドでガス透過速度が顕著に高まるものの、流路中央では上記した必要エアー透過流速がようやく確保できているに過ぎないことが確認できた。つまり、同じガス透過性(7.82m3/Pa/s)のガス拡散層24でありながら、モデルAとモデルBとでは、リブ幅Hdの相違に基づいてリブ当接箇所エアー透過の様子が相違し、モデルAでは、ガス拡散層24における均一なガス拡散により、カソード22への電極面でのエアー供給の均一化および電池性能の向上が可能と予想される。その反面、モデルBでは、ガス拡散層24におけるガス拡散が不均一となって異なり、電極面でのエアー供給の均一化が阻害され、電池性能の向上が大きく望めないことが予想される。図11はモデルAおよびモデルBのセルモデルSmについてのリブ当接箇所エアー透過の状況を流入流出流路を平面視しつつシミュレートして示す説明図である。
この図11に示すように、モデルAでは、ガス流入流路48inにおいて、その入口側から流路閉塞側まで入口側ほど高い酸素濃度であり、流路間リブ30が当接した範囲のガス拡散層24では、エアー入口側で酸素濃度が高いものの、リブ当接範囲のガス拡散層24においては、ガス流入流路48inの有効流路長に亘って、大きな酸素濃度ムラがないことが確認された。その一方、モデルBでは、ガス流入流路48inの流路幅が狭くて流速が高まることもあって流路入口側から流路閉塞側まで大きな酸素濃度の変化は見られないものの、流路間リブ30が当接した範囲のガス拡散層24では、流路中央からその下流にかけての領域において、顕著な酸素濃度低下が起きていることが確認された。この様子は、図において、色の濃淡として現れている。
次に、このモデルAとモデルBのセルモデルSmにおいて、上記したストイキとなるよう水素ガスおよびエアーをセルモデルSmに供給し、各モデルについての電池性能を調べた。この場合、セル押圧力(セル締結力)は、単セル15を積層締結して燃料電池10(図1参照)とする際の現実的な締結力を採用した。図12はモデルAおよびモデルBのセルモデルSmについての電池性能を示す説明図である。
この図12に示すように、モデルAでは、既述した必要エアー透過流速をガス流入流路48inの経路中央領域において確保した上で、高い電池性能を得ることができた。その一方、モデルBでは、既述したような顕著な酸素濃度低下が起きていることに対応して、ガス流入流路48inの経路中央領域で必要エアー透過流速を確保することができず、電池性能についてもモデルAに劣っていた。これらの結果、ガス流入流路48inとガス流出流路48outを区画する流路間リブ30のリブ幅Hdとガス拡散層24のガス透過性を、ガス流入流路48inの有効流路長に亘ってガス透過流速が均一となるように規定することで(図10参照)、ガス拡散層24におけるガス拡散の均一化によるカソード電極面でのエアー供給の均一化(図11参照)をもたらし、エアー利用率のカソード電極面全体での確実な確保を通して、電池性能を向上させることができた(図12参照)。
この場合、モデルAのリブ幅Hd(=α1mm)は、現実的な単セル15において採用される単位流路幅Rdの約46%程度からのリブ幅とすればよいと判明した。また、リブ幅Hdを単位流路幅Rdの約86%程度を超えるまで広くし過ぎないようにすることは、電池性能確保の上から望ましいことも判明した。
次に、ガス拡散層24のガス透過性の影響について説明する。リブ幅HdをモデルAにおけるリブ幅Hdと同じにして、ガス拡散層24のガス透過性(7.82m3/Pa/s)を1/5程度と5倍にしたモデルHとモデルIをセルモデルSmとし、このモデルHとモデルIとについて、ガス流入流路48inに流路長に亘るリブ当接箇所エアー透過の状況と、平面視した場合のリブ当接箇所エアー透過の状況と、電池性能とについて調べた。図13はモデルHとモデルIのセルモデルSmについてのリブ当接箇所エアー透過の状況をモデルAおよびモデルBと併記して示す説明図、図14はモデルHとモデルIのセルモデルSmについてのリブ当接箇所エアー透過の状況を流入流出流路を平面視しつつシミュレートして示す説明図、図15はモデルHとモデルIのセルモデルSmについての電池性能をモデルAおよびモデルBと併記して示す説明図である。
図13に示すように、モデルAに比べてガス拡散層24のガス透過性(7.82m3/Pa/s)が1/5程度のモデルHでは、モデルAの場合よりも、エアー透過の様子(既述したリブ当接箇所エアー透過の様子)がより均一となり、上記した必要エアー透過流速以上の流速でエアーがガス拡散層24を透過することが確認できた。つまり、ガス透過性が小さくなってガス透過が起き難いとはいえ、リブ幅Hdとの関係でガス流入流路48inの流路長に亘るガス透過流速の均一化が図られたと想定され、このモデルHでは、流速均一化を通して、ガス拡散層24においてより良好なエアー拡散が起きると言える。
その一方、モデルAに比べてガス拡散層24のガス透過性(7.82m3/Pa/s)が5倍のモデルIでは、モデルA或いはモデルHよりもエアー透過は流路長において不均一となり、モデルBよりもリブ幅Hdが狭くてその分だけ流路幅が広いにも拘わらず、このモデルBと同程度のガス透過状況が見られた。これは、流路末端が閉塞されたガス流入流路48inへのエアー流入であること、および、モデルIのガス拡散層24のガス透過性が5倍と極めてガス透過が起きやすいことから、流路入口および閉塞端側で流速が高まったと想定される。これによる、電池性能への影響については後述する。
図14に示すように、モデルAに比べてガス拡散層24のガス透過性(7.82m3/Pa/s)が1/5程度のモデルHと5倍のモデルIの両モデルとも、モデルAと同様に、ガス流入流路48inにおいて、その入口側から流路閉塞側まで入口側ほど高い酸素濃度であり、流路間リブ30が当接した範囲のガス拡散層24では、エアー入口側で酸素濃度が高いものの、リブ当接範囲のガス拡散層24においては、ガス流入流路48inの有効流路長に亘って、大きな酸素濃度ムラがないことが確認された。しかも、図15に示すように、モデルHとモデルIの両モデルとも、既述した必要エアー透過流速をガス流入流路48inの経路中央領域において確保した上で、高い電池性能を得ることができた。こうした結果により、ガス流入流路48inとガス流出流路48outを区画する流路間リブ30のリブ幅Hdとガス拡散層24のガス透過性を、流路間リブ30がそのリブ幅Hdで当接した範囲のガス拡散層24にエアーが潜り込んでそのガス拡散層におけるエアー透過のバラツキを抑制するように規定することで(図11、図14参照)、電池性能を高めることができる(図12、図15参照)。この場合、モデルIでは、ガス流入流路48inの入口側と閉塞端側でのエアー透過速度が高まるものの(図13参照)、図14に示すように大きな酸素濃度ムラがない。これは、リブ幅Hdとの関係でガス拡散層24のガス透過性を高めたことにより、流路間リブ30がそのリブ幅Hdで当接した範囲のガス拡散層24にエアーが潜り込む際の抵抗が少なくなって、濃度ムラが見られないと考えられる。
以上説明したように、本実施例の燃料電池10によれば、ガス流入流路48inとガス流出流路48outを区画する流路間リブ30のリブ幅Hdとガス拡散層24のガス透過性を、この流入流出の両流路が閉塞されているという特有の燃料電池構成において、ガス拡散層24におけるエアー透過のバラツキを抑制するよう規定して、電池性能の向上を図ることができる。図16はガス流入流路48inとガス流出流路48outを区画する流路間リブ30のリブ幅Hdとガス拡散層24のガス透過性との関係を示す説明図である。
この図16に示すように、流路間リブ30のリブ幅Hdについては、現実的な単セル15を想定し場合の単位流路幅Rdに対して約46〜86%の範囲(例えば、0.2〜1.6mm)とした上で、このリブ幅Hdとの関係において、ガス拡散層24のガス透過性をモデルIに相当する1.5m3/Pa/s(単位体積拡散層換算)を確保する。そして、リブ幅Hdを広くするに従って、ガス透過性を低減させたガス拡散層24を用いることで、ガス拡散層24におけるエアー透過のバラツキを抑制して、電池性能の向上を図ることができる。この場合、ガス拡散層24のガス透過性については、カーボンペーパやカーボンクロスにおける短繊維或いは長繊維の繊維疎密程度、繊維絡まり程度、拡散層形成の際のペースト含浸の程度、ホットプレス圧等を調整することで種々のガス透過性とできる。
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、本実施例では、カソード22の側のエアー流路を流路端部を閉塞した櫛歯状の分岐流路を交互に有するものとしたが、アノード21の水素ガス流路についても櫛歯状の分岐流路を交互に有するものとできる。
10…燃料電池
15…単セル
20…電解質膜
21…アノード
22…カソード
23…ガス拡散層
24…ガス拡散層
25…ガスセパレーター
26…ガスセパレーター
30…流路間リブ
32…溝部
34…入口側閉塞部
35…出口側閉塞部
36…凸部
40〜45…孔部
47…セル内燃料ガス流路
48…セル内酸化ガス流路
48out…ガス流出流路
48in…ガス流入流路
50…発電領域
Hd…リブ幅
Rd…単位流路幅
Sm…セルモデル
15…単セル
20…電解質膜
21…アノード
22…カソード
23…ガス拡散層
24…ガス拡散層
25…ガスセパレーター
26…ガスセパレーター
30…流路間リブ
32…溝部
34…入口側閉塞部
35…出口側閉塞部
36…凸部
40〜45…孔部
47…セル内燃料ガス流路
48…セル内酸化ガス流路
48out…ガス流出流路
48in…ガス流入流路
50…発電領域
Hd…リブ幅
Rd…単位流路幅
Sm…セルモデル
Claims (4)
- 電解質膜の両膜面に電極を形成した膜電極接合体と、該膜電極接合体の少なくとも一方の電極面に設けられた拡散層と、該ガス拡散層に電気化学反応に供される反応ガスを供給するガス流路とを有する燃料電池であって、
前記ガス流路は、
前記反応ガスの供給用のガス供給マニホールドの側から櫛歯状に分岐して流路末端で閉塞され、前記ガス供給マニホールドから流入した前記反応ガスを前記ガス拡散層の表面に沿って流す複数のガス流入流路と、
ガス排出用のガス排出マニホールドの側から櫛歯状に分岐して流路端部で閉塞されて、前記複数のガス流入流路と流路間リブを挟んで交互に設けられ、前記複数のガス流入流路から前記ガス拡散層を透過したガスを受け取って、該ガスを前記ガス拡散層の表面に沿って流しつつ前記ガス排出マニホールドに流出させる複数のガス流出流路とを備え、
前記流路間リブが前記ガス拡散層に当接するリブ幅と、前記ガス拡散層を前記反応ガスが透過する際のガス透過性とは、前記流路間リブが前記リブ幅で当接した範囲の前記ガス拡散層における前記反応ガスの透過のバラツキを抑制するように関連付けてそれぞれ規定されている
燃料電池。 - 前記リブ幅と前記ガス透過性とは、前記ガス流入流路の流路長に亘る前記ガス拡散層でのガスの透過流速の均一化を図ることで、前記反応ガスの透過のバラツキを抑制する請求項1に記載の燃料電池。
- 前記リブ幅と前記ガス透過性とは、前記リブ幅と前記ガス透過性とに依存して定まる前記ガス拡散層のガス透過流速を確保した上で、前記反応ガスの透過のバラツキを抑制する請求項1または請求項2に記載の燃料電池。
- 前記ガス流路は、前記ガス拡散層に接合されるセパレーターに形成されている請求項1ないし請求項3いずれかに記載の燃料電池。
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