JP2012248523A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の燃料電池では、中心部が高温になって発熱分布が不均一になるという問題点があった。
【解決手段】電解質層を燃料極層と空気極層とで挟んだ構造を有する単セル１と、単セル１の燃料極層との間に閉空間を形成するセパレータ２と、閉空間内に所定形状のガス流路を形成するガスガイド部材３を備えると共に、ガス流路の下流域Ｂの断面積を上流域Ａの断面積よりも小さくした燃料電池Ｃ１としたことで、単セル１における発熱分布を均一化した。
【選択図】図３

Description

本発明は、単セルとセパレータとの間の閉空間に反応用ガスを流通させる構造を有する固体電解質型の燃料電池の改良に関するものである。

従来、上記したような燃料電池としては、例えば、特許文献１に記載されているものがあった。特許文献１に記載の燃料電池は、電解質層を燃料極層と空気極層とで挟んだ構造を有する発電セルと、燃料極層及び空気極層の間に閉空間（ガス流路）を形成するセパレータを備えている。各セパレータは、その内部に、外周部から中心部に至る供給路が形成してある。閉空間には、その外周部に排出路が設けてある。

上記の燃料電池は、燃料極層及び空気極層に対して、各セパレータの中心部から燃料ガス（水素）及び酸化剤ガス（空気）を夫々供給し、発電セルにおいて電気化学反応により電気エネルギを発生する。そして、各閉空間の外周部から夫々の排ガスを共に排出する構造になっている。

特開２００２−２０３５７９号公報

ところが、上記したような従来の燃料電池にあっては、燃料ガス及び酸化剤ガスが、いずれも中心部から外周部に流れる構成であるため、下流域である外周部におけるガス濃度が低下して、発熱分布が不均一（中心部が高温）になるという問題点があり、このような問題点を解決することが課題であった。なお、燃料電池では、発熱分布が不均一になると、経年とともに発電セルへの負荷が増すおそれがある。

本発明は、上記従来の課題に着目して成されたもので、単セルとセパレータとの間に反応用ガスを流通させる構造を有する燃料電池において、単セルにおける発熱分布を均一にすることができる燃料電池を提供することを目的としている。

本発明の燃料電池は、電解質層を燃料極層と空気極層とで挟んだ構造を有する単セルと、単セルの燃料極層との間に閉空間を形成するセパレータと、閉空間内に所定形状のガス流路を形成するガスガイド部材を備えている。そして、燃料電池は、ガス流路の下流域の断面積を上流域の断面積よりも小さくした構成としており、上記構成をもって従来の課題を解決するための手段としている。

また、本発明の燃料電池は、より好ましい実施形態として、前記ガス流路の上流域の断面積と下流域の断面積の比が３以上であることを特徴とし、さらに、前記ガスガイド部材が、上流域と下流域とが隣接する形状のガス流路を形成することを特徴としている。

本発明によれば、単セルとセパレータとの間に反応用ガスを流通させる構造を有する燃料電池において、単セルにおける発熱分布を均一にすることができる。

本発明の燃料電池の一実施形態を説明する分解斜視図である。 図１に示す燃料電池のガスガイド部材を説明する平面図である。 図１に示す燃料電池のガス流路を説明する平面図である。 図１に示す燃料電池を積層した燃料電池スタックを説明する斜視図である。 ガス流路の幅比と発熱のばらつきとの関係を示すグラフである。 本発明の燃料電池の他の実施形態を説明する平面図である。

図１〜図５は、本発明の燃料電池の一実施形態を説明する図である。図１に示す燃料電池Ｃ１は、概略として、円板状の単セル１と、同じく円板状のセパレータ２と、単セル１とセパレータ２との間に介装したガスガイド部材３を同心状に備えている。

単セル１は、固体電解質層を燃料極層と空気極層とで挟んだ構造を有しており、中央に円形状の開口部４を有している。したがって、各層は円環状である。また、単セル１において、開口部４の内径は、円環状を成す空気極層の内径よりも小さい。一例として、固体電解質層は、８モル％イットリア安定化ジルコニアであり、燃料極層は、ニッケル＋イットリア安定化ジルコニアのサーメットであり、空気極層は、ランタンストロンチュウムマンガナイトである。

セパレータ２は、金属製であって、一例としてステンレス製である。このセパレータ２は、図１中で上側の燃料極層に相対向する状態にして単セル１に接合してある。具体的には、単セル１の空気極層側（図１中で下側）の面において、単セル１の外周部に、水ガラスやロウ付けなどの接合材を介して、外周リング部材６を接合する。そして、外周リング部材６とセパレータ２の外周部を拡散接合により気密的に接合する。これにより、単セル１の燃料極層とセパレータ２との間には、一定の厚さを有する閉空間（ガス流路）が形成され、この閉空間にアノードガス（水素）を流通させる。

単セル１の開口部４には、開口部４の内径よりも小さい直径を有する中央流路部材７を同心状に配置する。中央流路部材７は、金属製であって、単セル１と同等の厚さを有し、スペーサとして機能する。

また、単セル１の空気極層側の中央には、開口部４の内径よりも大きい直径を有する内周リング部材８を同心状に配置する。内周リング部材８は、金属製であって、中央流路部材７に対して拡散接合により接合され、この際、単セル１の固体電解質層との間には接合材を介装する。

上記のように燃料電池Ｃ１を組立てた状態において、空気極層は，外周リング部材６と内周リング部材８との間で電池外部に露出している。

ここで、前記セパレータ２、ガスガイド部材３、中央流路部材７及び内周リング部材８は、いずれも中心部にガス排出孔ＨＢを有し、このガス排出孔ＨＢから外周側に離間した位置に、４つのガス導入孔ＨＡが９０度間隔で形成してある。各ガス排出孔ＨＢは、上記各部材（２，３，７，８）を組立てた状態において、互いに連通してアノードガスの排出路を形成する。また、各ガス導入孔ＨＡは、同じく組立てた状態において、互いに連通してアノードガスの供給路を形成する。

前記ガスガイド部材３は、単セル１の燃料極層とセパレータ２との間に介装してあり、アノードガスの導入部と、この導入部に隣接した排出部と、閉空間内に導入部から排出部に至る所定形状のガス流路を形成するための仕切り部を有するものである。

図示例のガスガイド部材３は、円板状である単セル１及びセパレータ２に対応して、図２に示すように、外周に沿って複数の導入部１０Ａと複数の排出部１０Ｂを交互に配置した円形状の本体部３Ａと、この本体部３Ａから放射状に配置した複数のリブ状の仕切り部３Ｂを有している。この実施形態では、導入部１０Ａ及び排出部１０Ｂが夫々４つずつであり、これらを互いに隔てるように８本の仕切り部３Ｂが設けてある。仕切り部３Ｂは、単セル１の外周部における周方向のガスの流れを妨げない長さである。

上記のガスガイド部材３は、単セル１側となる面に、多数の溝が放射状に形成してあり、これらの溝を有する面を前記中央流路部材７に接合する。この接合には、例えば拡散接合が用いられる。これにより、前記ガス導入孔ＨＡから本体部３Ａの外周面に至る溝がアノードガスの導入流路となり、本体部３Ａの外周面における導入流路の開放端が前記導入部１０Ａである。また、前記ガス排出孔ＨＢから本体部３Ａの外周面に至る溝がアノードガスの排出流路となり、本体部３Ａの外周面における排出流路の開放端が前記排出部１０Ｂである。

このようにして、ガスガイド部材３は、本体部３Ａの円周方向に沿って、導入部１０Ａと排出部１０Ｂを交互に配置したものとなっている。また、ガスガイド部材３は、上記の本体部３Ａ及び複数の仕切り部３Ｂを有する構成により、折り返し状の複数のガス流路を形成している。各ガス流路は、各導入部１０Ａから、その両側の仕切り部３Ｂの先端を折り返して、両側に隣接する排出部１０Ｂに至る形状である。すなわち、燃料電池Ｃ１は、単セル１とセパレータ２との間の閉空間において、図３に示すように、上流域Ａと下流域Ｂとが隣接する形状のガス流路を形成している。

さらに、上記の燃料電池Ｃ１は、図３に示すように、ガス流路の下流域Ｂの断面積を上流域Ａの断面積よりも小さくしている。具体的には、前記ガスガイド部材３における導入部１０Ａの角度θＡを排出部１０Ｂの角度θＢよりも大きくしている。各領域Ａ，Ｂの断面積は、夫々最小又は最大の断面積や、平均の断面積であり、また、この実施形態のように円盤状である場合には、任意の同一円周上の断面積である。そして、より望ましくは、前記ガス流路の上流域Ａの断面積と下流域Ｂの断面積の比を３以上にしている。

上記の燃料電池Ｃ１は、図４に示すように、互いに間隙を介して複数積層され、その積層方向に所定の荷重が付与されて燃料電池スタックＳを構成する。この際、燃料電池スタックＳは、中心のガス排出路すなわち各ガス排出孔ＨＢにボルト（図２中の符号５０）を挿通させ、このボルト５０及びナットにより各燃料電池Ｃ１を積層方向に固定する。この燃料電池スタックＳは、図中仮想線で示すケース６０に収容する。

そして、燃料電池Ｃ１は、電池内部の燃料極層にアノードガスを供給し、ケース６０内にカソードガス（空気）を導入してこれを電池外部の空気極層に供給することで、単セル１における電気化学反応により電気エネルギを発生する。

上記の燃料電池Ｃ１において、アノードガスは、図３中の矢印ＧＡで示すように、各ガス導入孔ＨＡから導入部１０Ａを経て、ガス流路の上流域Ａに供給される。さらに、アノードガスは、仕切り部３Ｂの先端を折り返した後、ガス流路の下流域Ｂから排出部１０Ｂを経て中心のガス排出孔ＨＢに流れる。他方、カソードガスは、図３中の矢印ＧＣで示すように、燃料電池Ｃ１に対して一方向に流れている。

燃料電池Ｃ１では、単セル１において、ガスガイド部材３の導入部１０Ａの出口近傍が高温領域となり、また、下流側になるほどガス濃度が低下する。これに対して、上記の燃料電池Ｃ１では、ガス流路の下流域Ｂの断面積を上流域Ａの断面積よりも小さくしたので、下流域Ｂのガスが速く排出され、これにより、単セル１における発熱分布や電流密度分布の均一化を図ることができる。

また、燃料電池Ｃ１は、上記の断面積の設定に加えて、上流域Ａと下流域Ｂとが隣接する形状のガス流路を形成したことから、上流域Ａの高温領域の熱がその両側の下流域Ｂに伝わり易く、これにより、単セル１における発熱分布や電流密度分布を均一にすることができる。さらに、燃料電池Ｃ１は、使用したアノードガスとカソードガスを別々に排出するので、アノードオフガス（排ガス）の再循環利用にも容易に対処し得る。

図５は、ガス流路の幅比と発熱ばらつきとの関係を示すグラフである。この場合、ガス流路の幅は、図３に示す燃料電池Ｃ１において、同一円周上の長さである。すなわち、上流域Ａと下流域Ｂの幅比は、角度比であり、断面積比でもある。そして、前記幅比を変化させて、単位面積あたりの発熱量の変動係数を算出した。その結果、上流域Ａと下流域Ｂの幅比（断面積比）が３以上になると、発熱のばらつきが小さくなることを確認した。

ここで、図５のグラフの縦軸は、発熱量のばらつきを表しており、このばらつきは小さいほうが良い。よって、中間部を除く左右側が好ましい範囲となるが、グラフの左側（上流域Ａが下流域Ｂより狭い）では、入口側が狭いことになる。燃料電池は、一般に反応成分の濃度が高い燃料上流の反応性が高いので、入口側を狭くしてしまうと、発電性能（セル全体での出力）が低下するおそれがある。また、入口側の方が狭いと、圧力損失も入口側が大きくなり、積層して燃料電池スタックを構成した際に、ガス流れのばらつきが大きくなる懸念がある。そこで、図５においては、上流域Ａよりも下流域Ｂを狭くする方（グラフの右側）だけを良好とした。

なお、燃料電池Ｃ１では、下流域Ｂの断面積比を小さくし過ぎると、出口部分での圧力損失が過大になって、閉空間における良好なガスの流れが損なわれるおそれがあり、また、流路自体の形成も困難になる。このような観点から、上流域Ａと下流域Ｂの断面積比を３以上で１０以下とするのがより望ましい。

さらに、燃料電池Ｃ１は、円板形状の単セル１、セパレータ２及びガスガイド部材３を採用し、ガス導入路及びガス排出路を中心部分に配置しているので、構造が簡単になり、小型で発電効率の良好なものとなる。これにより、燃料電池スタックＳも小型で高効率となるので、電気自動車等の車両の車載用電力源としても非常に有用である。

さらに、燃料電池Ｃ１は、ガスガイド部材３として、その片面に複数の溝を形成したものを採用したことから、簡単な加工手段によって導入部１０Ａ及び排出部１０Ｂや夫々の流路を容易に形成し得ると共に、溝同士の間の突部分により流路の潰れを防止することができる。つまり、機械的強度の高いガスガイド部材３となる。

さらに、燃料電池セルＣは、電池内部にアノードガスを流通させるものとしている。この場合、先述したように導入部１０Ａの出口近傍が高温領域になる。これに対して、燃料電池セルＣは、ボルト５０が存在する中心部をガス排出孔ＨＢとし、その外周側にガス導入孔ＨＡを配置しているので、ボルト５０から高温領域遠くなり、その分、ボルト５０の熱影響を低減し得る。つまり、ボルト５０は、燃料電池スタックＳにおいて積層方向の加圧状態を維持するものであるから、上記の如く熱影響を低減することで、良好な固定機能を保つことができる。

図６は、本発明の燃料電池の他の実施形態を説明する図である。
図示の燃料電池Ｃ２は、単セル１１及びセパレータ１２が矩形板状であると共に、その一対の対向辺にガスガイド部材１３が配置してある。

前記ガスガイド部材１３は、一方の辺（図中上側の辺）に沿ってアノードガスの導入部１０Ａ及び排出部１０Ｂを交互に配置した第１部材１３Ａを備えている。また、前記ガスガイド部材１３は、他方の辺に沿って、第１部材１３Ａとは逆の順序で排出部１０Ｂと導入部１０Ａを交互に配置した第２部材１３Ｂを備えている。

さらに、前記ガスガイド部材１３は、第１部材１３Ａと第２部材１３Ｂの間に配置した複数の仕切り部１３Ｃを有し、複数のガス流路を並列に形成している。図示例の燃料電池Ｃ２では、第１部材１３Ａ及び第２部材１３Ｂが、導入部１０Ａ及び排出部１０Ｂを夫々２個ずつ備え、３本の仕切り部１３Ｃにより４つのガス流路を形成している。

各ガス流路は、導入部１０Ａから、仕切り部１３Ｃに沿って、相対向する排出部１０Ｂに至る形状であると共に、図中に矢印ＧＡで示すように、隣接する流路同士でアノードガスの流れ方向が互いに逆向きになっている。すなわち、燃料電池Ｃ２は、単セル１１とセパレータ１２との間の閉空間において、上流域Ａと下流域Ｂとが隣接する形状のガス流路を形成している。なお、カソードガスは、図中に矢印ＧＣで示すように、アノードガスのガス流路の配列方向に流れる。

そして、燃料電池Ｃ２は、各仕切り部１３Ｃの位置や傾斜角度により、ガス流路の下流域Ｂの断面積を上流域Ａの断面積よりも小さくしており、より望ましい構成として、上流域Ａの断面積と下流域Ｂの断面積の比を３以上にしている。

上記の燃料電池Ｃ２にあっても、先の実施形態と同様に、ガス流路の下流域Ｂの断面積を上流域Ａの断面積よりも小さくしたので、下流域Ｂのガスが速く排出されることとなり、単セル１１における発熱分布や電流密度分布の均一化を図ることができる。また、上流域Ａと下流域Ｂとが隣接する形状のガス流路を形成したので、上流域Ａの高温領域の熱が隣接する下流域Ｂに伝わり易く、これにより、単セル１１における発熱分布や電流密度分布を均一にすることができる。

本発明の燃料電池は、その構成が上記各実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において構成の細部を適宜変更することが可能であり、例えば、単セルの燃料極層及び空気極層の両側にセパレータを夫々備えた燃料電池にも当然適用することが可能である。

１ １１ 単セル
２ １２ セパレータ
３ １３ ガスガイド部材
１０Ａ 導入部
１０Ｂ 排出部
３Ａ 本体部
３Ｂ １３Ｃ 仕切り部
１３Ａ 第１部材
１３Ｂ 第２部材
Ａ ガス流路の上流域
Ｂ ガス流路の下流域
Ｃ１ Ｃ２ 燃料電池

Claims (7)

1. 電解質層を燃料極層と空気極層とで挟んだ構造を有する単セルと、
   単セルの燃料極層との間に閉空間を形成するセパレータと、
   閉空間内に所定形状のガス流路を形成するガスガイド部材を備えると共に、
   ガス流路の下流域の断面積を上流域の断面積よりも小さくしたことを特徴とする燃料電池。
2. 前記ガス流路の上流域の断面積と下流域の断面積の比が３以上であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記ガスガイド部材が、上流域と下流域とが隣接する形状のガス流路を形成することを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池。
4. 前記単セル、セパレータ及びガスガイド部材が円板形状であって、
   前記ガスガイド部材が、外周に沿ってアノードガスの導入部及び排出部を交互に有する本体部と、本体部から放射状に配置した複数の仕切り部を有して、複数のガス流路を円周方向に形成しており、
   各ガス流路が、導入部から仕切り部の先端を折り返して隣接する排出部に至る形状であることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池。
5. 単セル及びセパレータが矩形板状であると共に、その一対の対向辺にガスガイド部材が配置してあり、
   前記ガスガイド部材が、一方の辺に沿ってアノードガスの導入部及び排出部を交互に配置した第１部材と、他方の辺に沿って第１部材とは逆に排出部と導入部を交互に配置した第２部材と、第１部材と第２部材の間に配置した複数の仕切り部を有して、複数のガス流路を並列に形成しており、
   各ガス流路が、導入部から仕切り部に沿って相対向する排出部に至る形状であると共に、隣接する流路同士でガスの流れ方向が互いに逆向きであることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池を、互いに間隙を介して複数積層したことを特徴とする燃料電池スタック。
7. 請求項６に記載の燃料電池スタックを電力源として搭載したことを特徴とする車両。

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