JP2012048937A - ガス流路構造及びこのガス流路構造を有する燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】ガス供給口に接続された第１の流路の閉塞された下流端部に液体の水が滞留することを抑制する。
【解決手段】ガス流路は、上流端がガス供給口に接続され、下流端が閉塞された第１の流路と、上流端が閉塞され、下流端がガス排出口に接続された第２の流路とに分離されており、第１の流路の下流端の閉塞面には、第１の流路の反応ガスの流れが、閉塞面で斜め方向に折り返されて、ガス拡散層方向を向くように、折り返し面が形成されている。
【選択図】図４

Description

この発明は、反応ガスの流路がガス供給口に接続された第１の流路とガス排出口に接続された第２の流路とに分離されたガス流路構造、および、このガス流路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電気エネルギーを取り出す発電装置である。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、膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly）を、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。膜電極接合体は、プロトン（Ｈ^＋）伝導性を有する固体高分子型電解質膜（以下、単に「電解質膜」とも呼ぶ）の両面に、それぞれ、触媒電極層およびガス拡散層が順に形成された構造を有している。セパレータは、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構造を有している。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がガス供給口に接続された第１の流路とガス排出口に接続された第２の流路とに分離され、第１の流路のガスの下流端および第２の流路のガスの上流端が閉塞されたたガス流路構造を有する燃料電池が知られている（特許文献１，２参照）。このガス流路構造の場合、ガス供給口から第１の流路を経て供給される反応ガスは、ガス拡散層や触媒電極層を介して第２の流路からガス排出口へと排出される。

特開平１１−０１６５９１号公報 特開２００５−１４９８０１号公報

しかしながら、上記ガス流路構造の場合には、第１の流路の下流端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液体の水（以下、「液水」とも呼ぶ）が上記下流端の部分（以下、「下流端部」あるいは「閉塞部」とも呼ぶ）に滞留しやすく、排水不良が生じて燃料電池セルにフラッディングが発生しやすくなる、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ガス流路構造であれば、アノード側に比べてより下流端部（閉塞部）に液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、下流端部（閉塞部）に水が滞留しやすくなる。

そこで、本発明は、ガス供給口に接続された第１の流路の下流端部（閉塞部）に液体の水が滞留すること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］
膜電極接合体を挟持するセパレータの前記膜電極接合体のガス拡散層に接する面側に形成された溝状のガス流路構造であって、
前記ガス流路は、上流端がガス供給口に接続され、下流端が閉塞された第１の流路と、上流端が閉塞され、下流端がガス排出口に接続された第２の流路とに分離されており、
前記第１の流路の下流端の閉塞面には、前記第１の流路の反応ガスの流れが、前記閉塞面で斜め方向に折り返されて、前記ガス拡散層方向を向くように、折り返し面が形成されている
ことを特徴とするガス流路構造。
このガス流路構造によれば、第１の流路の下流端において、第１の流路を流れる反応ガスの流れを、ガス拡散層内の反応ガスの流れ方向とは反対方向を向くようにして、ガス拡散層内に流入させやすくすることができる。これにより、下流端に滞留する液体の水をガス拡散層に押し出しやすくすることができ、排水性を向上させて、液体の水が滞留することを抑制することが可能である。

［適用例２］
適用例１記載のガス流路構造であって、
前記反応ガスは酸化ガスであることを特徴とするガス流路構造。
酸化ガスのガス流路構造を上記構造とすれば、より効果的に排水性を向上させることができる。

［適用例３］
膜電極接合体と、前記膜電極接合体を挟持する２つのセパレータとを備える燃料電池であって、
前記各セパレータの前記膜電極接合体のガス拡散層に接する面側には、それぞれ、溝状のガス流路が形成されており、
少なくとも一方のセパレータに形成された前記ガス流路は、上流端がガス供給口に接続され、下流端が閉塞された第１の流路と、上流端が閉塞され、下流端がガス排出口に接続された第２の流路とに分離されており、
前記第１の流路の下流端の閉塞面には、前記第１の流路の反応ガスの流れが、前記閉塞面で斜め方向に折り返されて、前記ガス拡散層方向を向くように、折り返し面が形成されている
ことを特徴とする燃料電池。
この燃料電池によれば、第１の流路の下流端において、第１の流路を流れる反応ガスの流れを、ガス拡散層内の反応ガスの流れ方向とは反対方向を向くようにして、ガス拡散層内に流入させやすくすることができる。これにより、下流端に滞留する液体の水をガス拡散層に押し出しやすくすることができ、排水性を向上させて、液体の水が滞留することを抑制することが可能である。

本発明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。 カソード側のセパレータ３０に形成されている酸化ガス流路３２を示す説明図である。 セパレータ２０に形成されている燃料ガス流路２２を示す説明図である。 第１の流路である酸化ガス供給用流路の流路溝３２ｂの下流端の構造を示す説明図である。

Ａ．実施例：
Ａ１．燃料電池の構成概要：
図１は、本発明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２０およびカソード側のセパレータ３０と、を備えている。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、例えば、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２０，３０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２０，３０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空気（厳密には酸素［Ｏ_２］）の流路となる溝形状（凹凸形状）が形成されている。すなわち、アノード側のガス拡散層１６Ａとセパレータ２０との間には、アノードでの電気化学反応に供される水素が通過する燃料ガス流路２２が形成されている。カソード側のガス拡散層１６Ｃとセパレータ３０との間には、カソードでの電気化学反応に供される酸素（Ｏ_２）が通過する酸化ガス流路３２が形成されている。なお、これらセパレータ２０，３０に形成されるガス流路については、さらに後述する。

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設けられている。冷媒流路は、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２０，３０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３０，２０との間に設ければよい。

図２は、カソード側のセパレータ３０に形成されている酸化ガス流路３２を示す説明図である。なお、この図は、セパレータ３０の酸化ガス流路３２を膜電極接合体１０側から見た図である。外周部の右上部には、酸化ガス供給マニホールド用の孔（以下、「酸化ガス供給マニホールド孔」あるいは「酸化ガス供給口」と呼ぶ）３０Ｃｉが設けられ、左下部には、酸化ガス排出マニホールド用の孔（以下、「酸化ガス排出マニホールド孔」あるいは「酸化ガス排出口」と呼ぶ）３０Ｃｏが設けられている。また、外周部の右下部には、燃料ガス供給マニホールド用の孔（以下、「燃料ガス供給マニホールド孔」と呼ぶ）３０Ａｉが設けられ、左上部には、燃料ガス排出マニホールド用の孔（以下、「燃料ガス排出マニホールド孔」と呼ぶ）３０Ａｏが設けられている。さらにまた、外周部の右中央部には、冷媒供給マニホールド用の孔（以下、「冷媒供給マニホールド孔」と呼ぶ）３０Ｍｉが設けられ、左中央部には、冷媒排出マニホールド用の孔（以下、「冷媒排出マニホールド孔」と呼ぶ）３０Ｍｏが設けられている。なお、酸化ガス流路３２の形成面とは反対の面には、破線で示すように、冷媒流路３４が形成されている。

酸化ガス流路３２は、酸化ガス供給マニホールド孔３０Ｃｉから下方向に延びる流路溝３２ａから分岐して、酸化ガス排出マニホールド孔３０Ｃｏ側に向かって横方向に延びる複数の流路溝３２ｂと、酸化ガス排出マニホールド孔３０Ｃｏから上方向に延びる流路溝３２ｃから分岐して、酸化ガス供給マニホールド孔３０Ｃｉ側に向かって横方向に延びる複数の流路溝３２ｄとに分離されている。また、酸化ガス供給マニホールド孔３０Ｃｉに接続されている流路溝３２ｂと、酸化ガス排出マニホールド孔３０Ｃｏに接続されている流路溝３２ｄとは、上下方向に沿って交互に配置されている。なお、酸化ガス供給マニホールド孔３０Ｃｉに接続されている流路溝３２ａ，３２ｂが酸化ガス供給用流路であり、本願の第１の流路に対応する。酸化ガス排出マニホールド孔３０Ｃｏに接続されている流路溝３２ｃ，３２ｄが酸化ガス排出用流路であり、本願の第２の流路に対応する。

図３は、セパレータ２０に形成されている燃料ガス流路２２を示す説明図である。なお、この図は、セパレータ２０の燃料ガス流路２２を膜電極接合体１０側から見た図である。外周部の左下部には、燃料ガス供給マニホールド孔（「燃料ガス供給口」とも呼ぶ）２０Ａｉが設けられ、右上部には、燃料ガス排出マニホールド孔（「燃料ガス排出口」とも呼ぶ）２０Ａｏが設けられている。また、外周部の左上部には、酸化ガス供給マニホールド孔２０Ｃｉが設けられ、右下部には、酸化ガス排出マニホールド孔２０Ｃｏが設けられている。さらにまた、外周部の左中央部には、冷媒供給マニホールド孔２０Ｍｉが設けられ、左中央部には、冷媒排出マニホールド孔２０Ｍｏが設けられている。なお、燃料ガス流路２２の形成面とは反対の面には、破線で示すように、冷媒流路２４が形成されている。

燃料ガス流路２２は、燃料ガス供給マニホールド孔２０Ａｉから上方向に延びる流路溝２２ａから分岐して、燃料ガス排出マニホールド孔２０Ａｏ側に向かって横方向に延びる複数の流路溝２２ｂと、燃料ガス排出マニホールド孔２０Ａｏから下方向に延びる流路溝２２ｃから分岐して、燃料ガス供給マニホールド孔２０Ａｉ側に向かって横方向に延びる複数の流路溝２２ｄとに分離されている。また、燃料ガス供給マニホールド孔２０Ａｉに接続されている流路溝２２ｂと、燃料ガス排出マニホールド孔２０Ａｏに接続されている流路溝３２ｄとは、上下方向に沿って交互に配置されている。なお、燃料ガス供給マニホールド孔２０Ａｉに接続されている流路溝２２ａ，２２ｂが燃料ガス供給用流路であり、本願の第１の流路に対応する。燃料ガス排出マニホールド孔２０Ａｏに接続されている流路溝２２ｃ，２２ｄ燃料ガス排出用流路であり、本願の第２の流路に対応する。

上記燃料電池セル１００では、アノード側のセパレータ２０の燃料ガス供給用流路の流路溝２２ａ，２２ｂに供給される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、燃料ガス排出用流路の流路溝２２ｄ，２２ｃを介して排出される。同様に、カソード側のセパレータ３０の酸化ガス供給用流路の流路溝３２ａ，３２ｂ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、酸化ガス排出用流路の流路溝３２ｄ，３２ｃ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、カソード側の触媒電極素１４Ｃにおいて水を生成する。

本願の特徴は、第１の流路である酸化ガス供給用流路の下流端および燃料ガス供給用流路の下流端が以下で説明する構造となっている点にある。

Ａ２．第１の流路の下流端構造：
図４は、第１の流路である酸化ガス供給用流路の流路溝３２ｂの下流端の構造を示す説明図である。図は、酸化ガス流路３２の形成面、すなわち、ガス拡散層に接する面、に垂直な方向および酸化ガスの流れ方向に沿った、第１の流路である酸化ガス供給用流路の流路溝３２ｂの下流端付近の断面を、拡大して示している。図４（ａ）に示すように、酸化ガス供給用流路の流路溝３２ｂの下流端の閉塞面３２ｂｆｓｔｐには、酸化ガスの流れが閉塞面３２ｂｆｓｔｐで斜め方向に折り返されて、ガス拡散層１６Ｃの方向を向くように形成された折り返し面３２ｂｆｒを備える折り返し構造が設けられている。この折り返し構造により、図４（ｂ）に示すように、上流から酸化ガス供給用流路の流路溝３２を流れて、下流端の閉塞面で斜め方向に折り返された酸化ガスと、ガス拡散層１６Ｃを上流方向から下流方向に向かって流れてくる酸化ガスとに衝突が発生する。この衝突によって、図４（ｃ）に示すように、酸化ガスの乱流発生を促進させることができる。

上記したように酸化ガスの乱流発生を促進させた場合には、酸化ガス供給用流路の流路溝３２ｂを流れる酸化ガスを、より多くガス拡散層１６Ｃに導き、触媒電極層１４Ｃに導くことが可能となり、酸化ガス供給用流路の流路溝３２ｂからガス拡散層１６Ｃおよび触媒電極層１４Ｃを経て酸化ガス排出用流路の流路溝３２ｃ，３２ｄへ排出される酸化ガスの流量を高めることが可能となる。これにより、触媒電極層１４Ｃで生成されて滞留する水の、酸化ガス排出用流路の流路溝３２ｃ、３２ｄへの排出性を高めることが可能となる。

また、酸化ガス供給用流路の流路溝３２ｂの下流端部（閉塞部）に溜まる液水は、折り返し構造によって発生する酸化ガスの流れによって、ガス拡散層１６Ｃへ向けて押し出されやすくなる。これにより、酸化ガス供給用流路の流路溝３２ｂの下流端部（閉塞部）に液水が滞留するのを抑制することが可能である。

また、触媒電極層１４Ｃで生成される水の排水性が高まることにより、アノード側から電解質層１２を介して移動してくる水が増加することになる。これにより、高温時における発電性能を向上させることもできる。

なお、図４は、カソード側のセパレータ３０に形成された酸化ガス流路３２の第１の流路である酸化ガス供給用流路を構成する流路溝３２ｂの下流端の構造について説明したが、アノード側のセパレータ２０に形成された燃料ガス流路２２の第１の流路である燃料ガス供給用流路を構成する流路溝２２ｂの下流端の構造も同様の構造であり、同様の効果を得ることができる。

なお、上記したような乱流の発生がなく、反応ガスの流れの方向性が強い場合には、触媒電極層に導かれる反応ガスが少なくなり、電気化学反応に供されずに排出されてしまう未反ガスが増加することになる。このような場合には、燃費の低下が生じることになる。また、燃料電池セルの面内方向における水の分布に偏りが生じて、面内における均一な発電性能を得ることが難しくなる。一方、本実施例においては、上記折り返し構造によって乱流を発生させることにより、燃費の低下を抑制することが可能であり、また、面内における発電性能の均一性を高めることが可能である。

Ｂ．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。

折り返し構造としては、実施例に限定されるものではなく、第１の流路である反応ガス供給用流路における反応ガスの流れが、下流端の閉塞面で斜め方向に折り返されて、ガス拡散層の方向を向くように形成された折り返し面を備える構造であれば、どのような構造であってもよい。

上記実施例では、酸化ガス流路および燃料ガス流路の第１の流路の下流端に折り返し構造を設けた場合を例に説明したが、少なくとも、酸化ガス流路の第１の流路の下流端に折り返し構造を設けるようにすればよい。

１０…膜電極接合体
１２…電解質層
１４Ａ，１４Ｃ…触媒電極層
１６Ａ，１６Ｃ…ガス拡散層
２０…セパレータ
２０Ａｉ…燃料ガス供給マニホールド孔
２０Ｃｉ…酸化ガス供給マニホールド孔
２０Ａｏ…燃料ガス排出マニホールド孔
２０Ｃｏ…酸化ガス排出マニホールド孔
２０Ｍｉ…冷媒供給マニホールド孔
２０Ｍｏ…冷媒排出マニホールド孔
２２…燃料ガス流路
２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ…流路溝
２４…冷媒流路
３０…セパレータ
３０Ｃｉ…酸化ガス供給マニホールド孔
３０Ｃｏ…酸化ガス排出マニホールド孔
３０Ｍｉ…冷媒供給マニホールド孔
３０Ｍｏ…冷媒排出マニホールド孔
３２…酸化ガス流路
３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄ…流路溝
３４…冷媒流路
３２ｂｆｓｔｐ…閉塞面
３２ｂｆｒ…折り返し面
１００…燃料電池セル

Claims (3)

1. 膜電極接合体を挟持するセパレータの前記膜電極接合体のガス拡散層に接する面側に形成された溝状のガス流路構造であって、
   前記ガス流路は、上流端がガス供給口に接続され、下流端が閉塞された第１の流路と、上流端が閉塞され、下流端がガス排出口に接続された第２の流路とに分離されており、
   前記第１の流路の下流端の閉塞面には、前記第１の流路の反応ガスの流れが、前記閉塞面で斜め方向に折り返されて、前記ガス拡散層方向を向くように、折り返し面が形成されている
   ことを特徴とするガス流路構造。
2. 請求項１記載のガス流路構造であって、
   前記反応ガスは酸化ガスであることを特徴とするガス流路構造。
3. 膜電極接合体と、前記膜電極接合体を挟持する２つのセパレータとを備える燃料電池であって、
   前記各セパレータの前記膜電極接合体のガス拡散層に接する面側には、それぞれ、溝状のガス流路が形成されており、
   少なくとも一方のセパレータに形成された前記ガス流路は、上流端がガス供給口に接続され、下流端が閉塞された第１の流路と、上流端が閉塞され、下流端がガス排出口に接続された第２の流路とに分離されており、
   前記第１の流路の下流端の閉塞面には、前記第１の流路の反応ガスの流れが、前記閉塞面で斜め方向に折り返されて、前記ガス拡散層方向を向くように、折り返し面が形成されている
   ことを特徴とする燃料電池。

Images