JP2013037903A

JP2013037903A - 燃料電池

Info

Publication number: JP2013037903A
Application number: JP2011173198A
Authority: JP
Inventors: Masashi Maeda; 正史前田; Kazuo Horibe; 和夫堀部; Naohiro Takeshita; 直宏竹下; Shigetaka Hamada; 成孝浜田; Hiroki Okabe; 裕樹岡部
Original assignee: Nippon Soken Inc; Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp; Soken Inc
Priority date: 2011-08-08
Filing date: 2011-08-08
Publication date: 2013-02-21
Anticipated expiration: 2031-08-08
Also published as: JP5730708B2

Abstract

【課題】水分をカソード側からアノード側へ迅速に且つ十分に運搬・供給することができ、電解質膜の湿潤状態を良好に維持して出力低下を抑止することが可能な燃料電池を提供する。
【解決手段】燃料電池スタック１１０のカソードセパレータ１２６及びアノードセパレータ１２８においては、所定の一辺にカソード入口１３１及びカソード出口１３２が並設されており、その所定の一辺に対して垂直な辺におけるカソード出口１３２の近傍にアノード入口１４１が配置されている。また、アノードガス流路１４０は、カソード入口１３１及びカソード出口１３２の近傍において、カソード出口１３２からカソード入口１３１に向かってアノードガスが流通するように形成されている。
【選択図】図５

Description

本発明は、燃料電池に関し、特に、燃料電池の内部構造に関する。

燃料電池は、電解質膜がカソード及びアノードの両電極間に挟持された構造を有しており、カソードに空気等の酸素を含むカソードガスが接触する一方、アノードに水素を含むアノードガスが接触することにより、両電極で電気化学反応が生じ、その結果、両電極間に電圧が生起されるように構成されている。

かかる燃料電池の構造としては、種々のものが提案されており、例えば、特許文献１には、電極面における局所的な電流密度の集中や温度上昇を防止して長期間の安定運転を実現するべく、セパレータの一方の両端に燃料ガス出入口を交互に設け、且つ、セパレータの他方の両端（燃料ガス出入口が設けられていない両端）に空気出入口を交互に設けた構造を備える燃料電池が記載されている。

特開平７−２４９４２０号公報

ところで、上述した電気化学反応が生じる際、燃料電池の両電極間においては、電解質膜を介して電荷移動が生じるので、発電を維持するには、電解質膜が湿潤している必要がある。そこで、一般に、カソード出口（カソードガスが流出する部位）にアノード入口（アノードガスが流入する部位）を配置し、且つ、アノード出口（アノードガスが流出する部位）にカソード入口（カソードガスが流入する部位）を配置し、カソード側で生じる水を、カソード出口（アノード入口）からアノード出口（カソード入口）へ運搬することにより、電解質膜の湿潤状態（すなわち、燃料電池における水バランス）を保持する方法が広く採用されている。

しかし、例えば、高温無加湿運転と呼ばれるような高温条件で燃料電池の運転を続けると、アノード入口からアノード出口へ運搬される水分が、カソード側に奪われ易くなったり、発電による燃料ガスの消費に伴ってアノード側の水分が奪われ易くなったりする傾向にある。そうすると、アノード出口への水分の供給が不十分となり、その近傍の電解質膜が局所的に乾燥してしまい、その結果、その部位で発電ができなくなって出力が低下するといった問題が起こり得る。これは、上記特許文献１に記載された燃料電池においても懸念される事象である。

そこで、本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、水分（反応生成水）をカソード側からアノード側へ迅速に且つ十分に運搬・供給することができ、これにより、高温運転時においても、電解質膜の湿潤状態を良好に維持して出力低下を抑止することが可能な燃料電池を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明による燃料電池は、電解質膜の両面にカソード及びアノードが配置された膜電極接合体と、その膜電極接合体に対向して設けられたセパレータとを備え、セパレータが、所定の一辺に並設されたカソード入口及びカソード出口と、その所定の一辺に対して垂直な辺に設けられており且つカソード出口の近傍に配置されたアノード入口とを有しており、カソード入口及びカソード出口の近傍において、カソード出口からカソード入口に向かってアノードガスが流通するように構成されたアノードガス流路が形成されたものである。

このように構成された本発明による燃料電池においては、アノードガスが、カソード出口近傍のアノード入口からアノードガス流路を通してアノード出口に向かって流通することにより、カソード出口側に残留し易い水分（反応生成水）が、そのアノードガスとともにアノード出口すなわちカソード入口側に運搬される。このとき、カソード入口及びカソード出口がセパレータの所定の一辺に並設されているので、カソード入口及びカソード出口間の距離、つまり、アノードガスによる水分の運搬距離を効果的に短縮することができ、カソード出口側の水分が減少しないうちに、その水分をカソード入口側（アノード出口側）に供給することができる。

したがって、本発明によれば、水分（反応生成水）をカソード側からアノード側に迅速に運搬・供給することができ、これにより、たとえ高温運転時であっても、水分の減少を抑えて電解質膜の湿潤状態を良好に維持することが可能となり、その結果、燃料電池の出力低下を有効に防止することができる。また、水分が運搬される先のアノード出口とカソード入口が近接しているので、カソード入口付近の乾燥を防止することもできる。さらに、カソード出口から水分を迅速に奪うことができるので、カソード出口におけるフラッィングの発生を防止することも可能である。

本発明による燃料電池の第１実施形態の構成の一部を模式的に示す部品分解図である。図１に示す燃料電池のカソードセパレータの構造を概略的に示す斜視図である。図１に示す燃料電池のアノードセパレーの構造を概略的に示す斜視図である。本発明による燃料電池内部における水分の分布（高温運転時）を模式的に示すグラフである。本発明による燃料電池の第２実施形態の構成の一部を模式的に示す部品分解図である。従来構成の燃料電池内部における水分の分布（通常運転時）を模式的に示すグラフである。従来構成の燃料電池内部における水分の分布（高温運転時）を模式的に示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、上下左右等の位置関係は、特に断らない限り、図面に示す位置関係に基づくものとする。また、図面の寸法比率は、図示の比率に限定されるものではない。さらに、以下の実施の形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をその実施の形態のみに限定する趣旨ではない。またさらに、本発明は、その要旨を逸脱しない限り、さまざまな変形が可能である。
（第１実施形態）
図１は、本発明による燃料電池の好適な一実施形態の構成の一部を模式的に示す部品分解図（一点透視図法による）である。燃料電池スタック１０は、固体高分子分離膜を備えた固体高分子型の燃料電池（ＰＥＭＦＣ）であり、主として燃料電池自動車等に搭載されるものである。この燃料電池スタック１０は、単位セル２０を複数積層したスタック構造を有している（なお、図示においては一単位のみ示す）。また、単位セル２０は、電解質膜を挟んでアノードとカソードが配置されたＭＥＡ２１（膜電極接合体：Membrane Electrode Assembly）の外側に、ガス拡散層２２がシールガスケット（図示せず）によって一体に形成された発電体２３、及び、隣接する発電体２３，２３を隔離する例えばステンレス鋼やチタン等の導電性金属材料からなるカソードセパレータ２６及びアノードセパレータ２８から構成されている。

なお、隣接する発電体２３，２３を隔離するセパレータは、上記のカソードセパレータ２６、中間プレート（図示せず；主として冷却水の流路となる）、及び、上記のアノードセパレータ２８が積層された三層積層型のユニットをなしており、図示との整合をとるべく、ここでは、単位セル２０を上述の如く定義した。また、カソードセパレータ２６と発電体２３との間には、カソードガスが流通するカソードガス流路３０（後述）が画成され、アノードセパレータ２８と発電体２３との間には、アノードガスが流通するアノードガス流路４０（後述）が画成されている。

ここで、図２及び図３は、それぞれ、図１に示す燃料電池スタック１０のカソードセパレータ２６及びアノードセパレータ２８の構造を概略的に示す斜視図である。図１〜図３に示す如く、発電体２３、カソードセパレータ２６、及びアノードセパレータ２８は、略同外形の矩形部材であり、カソードセパレータ２６は、その中央部において図示鉛直方向に延在するリブＲＣを有する枠状をなしており、また、アノードセパレータ２８は、その中央部において図示水平方向に延在するリブＲＡを有する枠状をなしている。

これらの発電体２３、カソードセパレータ２６、及びアノードセパレータ２８の縁周部には、図１において白抜矢印で示すカソードガス流路３０に連通するカソード入口３１，３１、及び、同カソード出口３２，３２、並びに、図１において実線矢印で示すアノードガス流路４０に連通するアノード入口４１，４１、及び、同アノード出口４２，４２が設けられている。このように、カソード入口３１，３１は、空気等のカソードガスの供給口であるカソードガス入口マニホールドとして、また、カソード出口３２，３２は、カソードガスの排出口であるカソードガス出口マニホールドとして機能する。同様に、アノード入口４１，４１は、水素を含む燃料ガスであるアノードガスの供給口であるアノードガス入口マニホールドとして、また、アノード出口４２，４２は、アノードガスの排出口であるアノードガス出口マニホールドとして機能する。

すなわち、カソードセパレータ２６及びアノードセパレータ２８においては、所定の一辺（図示上辺及び下辺）にカソード入口３１及びカソード出口３２が並設されており、その所定の一辺に対して垂直な辺（図示右辺及び左辺）におけるカソード出口３２の近傍（カソード出口３２に近い角部）にアノード入口４１が配置されている。また、アノードガス流路４０は、カソード入口３１及びカソード出口３２の近傍において、カソード出口３２からカソード入口３１に向かってアノードガスが流通するように形成されている。

このように構成された燃料電池スタック１０によれば、アノードガスが、カソード出口３２近傍のアノード入口４１からアノードガス流路４０を通してアノード出口４２に向かって流通することにより、カソード出口３２側に残留し易い水分（反応生成水）が、そのアノードガスとともにアノード出口４２すなわちカソード入口３１側に運搬される。このとき、カソード入口３１及びカソード出口３２がカソードセパレータ２６及びアノードセパレータ２８の所定の一辺に並設されているので、カソード入口３１及びカソード出口３２間の距離、つまり、アノードガスによる水分の運搬距離を効果的に短縮することができ、カソード出口３２側の水分が減少しないうちに、その水分をカソード入口３１側（アノード出口４２側）に供給することができる。

これにより、水分（反応生成水）をカソード側からアノード側に迅速に運搬・供給することが可能となり、たとえ高温運転時であっても、水分の減少を抑えてＭＥＡ２１の電解質膜の湿潤状態を良好に維持することができ、その結果、燃料電池スタック１０の出力低下を有効に防止することができる。また、水分が運搬される先のアノード出口４２とカソード入口３１が近接しているので、カソード入口３１付近の乾燥を防止することもできる。さらに、カソード出口３２から水分を迅速に奪うことができるので、カソード出口３２におけるフラッィングの発生を防止することもできる。

ここで、図４は、本発明による燃料電池スタック１０の内部における水分の分布（高温運転時）を模式的に示すグラフである。また、図６及び図７は、従来の構成を有する燃料電池の内部における水分の分布を模式的に示すグラフであり、それぞれ、通常運転時（非高温時）及び高温運転時における水分分布を示す。図示のグラフにおける横軸は、カソード出入口及びアノード出入口の相対的な位置を示し、縦軸は、相対湿度（％）を示す。また、太い実線は、カソード相対湿度分布ＬＣを示し、破線は、アノード相対湿度分布ＬＡを示す。

図６に示す如く、従来構成の燃料電池の通常運転時においては、カソードの相対湿度は、カソード出口側及びアノード入口側で高く、カソード入口側及びアノード出口側で低い傾向にあり、また、アノードの相対湿度は、カソード出口側及びアノード入口側で低く、カソード入口側及びアノード出口側で高い傾向にある。この場合、図示白抜き矢印で概念的に示すとおり、カソード出口側及びアノード入口側では、カソードからアノードへ水分が供給され、且つ、カソード入口側及びアノード出口側では、アノードからカソードへ水分が供給されて、全体的な水分バランス及び電解質膜の湿潤状態が保たれ得る。

一方、図７に示す如く、従来構成の燃料電池の高温運転時においては、カソードの相対湿度は、カソード出口及びアノード入口で高く、カソード入口側及びアノード出口側へ向かって低下する傾向にあり、また、アノードの相対湿度は、カソード出口及びアノード入口で低く、ややカソード入口及びアノード出口寄りで一旦高くなるものの、カソード入口側及びアノード出口側へ向かって低下する傾向にある。この場合、図示白抜き矢印で概念的に示すとおり、カソード出口側及びアノード入口側では、カソードからアノードへ水分が供給されるとともに、カソード入口側及びアノード出口側では、アノードからカソードへ水分が奪われ、カソード入口及びアノード出口（図示二点鎖線で示す領域）では、電解質膜が乾燥し、その状態が改善され難い傾向にある。

これに対し、図４に示す如く、本発明による燃料電池スタック１０の高温運転時においては、カソードの相対湿度は、カソード出口３２及びアノード入口４１で高く、カソード入口３１側及びアノード出口４２側へ向かって低下する傾向にあるものの、アノードの相対湿度は、カソード出口３２及びアノード入口４１で低く、ややカソード入口３１及びアノード出口４２寄りで一旦高くなり、さらに、カソード入口３１側へ向かって低下していく傾向にある。しかし、上述したとおり、カソード入口３１では、アノードガスによって水分が運搬・供給されることにより、相対湿度は高くなるので、図示白抜き矢印で概念的に示すとおり、カソード入口３１（図示二点鎖線で示す領域）における乾燥状態の電解質膜に対し、アノードから水分が供給されて電解質膜の湿潤状態が好適に維持される。
（第２実施形態）
図５は、本発明による燃料電池の好適な他の一実施形態の構成の一部を模式的に示す部品分解図（一点透視図法による）である。燃料電池スタック１１０は、サーペンタイン形状のカソード流路を有する燃料電池であり、単位セル２０に替えて、カソードセパレータ１２６及びアノードセパレータ１２８を備える単位セル１２０を備えること以外は、燃料電池スタック１０と同様に構成されたものである。単位セル１２０の発電体２３、カソードセパレータ１２６、及びアノードセパレータ１２８の縁周部には、カソードガス流路１３０に連通するカソード入口１３１、及び、同カソード出口１３２、並びに、アノードガス流路１４０に連通するアノード入口１４１、及び、同アノード出口１４２が設けられている。このように、燃料電池スタック１１０には、一組のカソード入口１３１及びカソード出口１３２、並びに、一組のアノード入口１４１及びアノード出口１４２が設けられている。

このように構成された燃料電池スタック１１０においても、先述した燃料電池スタック１０と同様の作用効果が奏されるとともに、カソードセパレータ１２６、及びアノードセパレータ１２８の構造を簡略化することができる利点がある。

なお、上述したとおり、本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、その要旨を変更しない限度において様々な変形が可能である。例えば、カソードガス流路３０，１３０及び／又はアノードガス流路４０，１４０の形状は図示のものに限定されない。

以上説明したとおり、本発明は、燃料電池の出力低下を有効に防止することができるので、燃料電池全般、燃料電池を備える機器、システム、設備等、及び、それらの製造に広く且つ有効に利用することができる

１０，１１０…燃料電池スタック、２０，１２０…単位セル、２１…ＭＥＡ、２２…ガス拡散層、２３…発電体、２６，１２６…カソードセパレータ、２８，１２８…アノードセパレータ、３０，１３０…カソードガス流路、４０，１４０…アノードガス流路、ＲＡ，ＲＣ…リブ、３１，１３１…カソード入口、３２，１３２…カソード出口、４１，１４１…アノード入口、４２，１４２…アノード出口、ＬＣ…カソード相対湿度分布、ＬＡ…アノード相対湿度分布。

Claims

電解質膜の両面にカソード及びアノードが配置された膜電極接合体と、
前記膜電極接合体に対向して設けられたセパレータと、
を備え、
前記セパレータは、所定の一辺に並設されたカソード入口及びカソード出口と、前記所定の一辺に対して垂直な辺に設けられており且つ前記カソード出口の近傍に配置されたアノード入口と、を有しており、
前記カソード入口及び前記カソード出口の近傍において、前記カソード出口から前記カソード入口に向かってアノードガスが流通するアノードガス流路が形成されている、
燃料電池。