JP2017059439A - 燃料電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】セルを縦向きに配置した場合であっても、良好に水を排出することができ、フラッディングの発生を抑制することができる燃料電池モジュールを提供する。【解決手段】本発明に係る燃料電池モジュールは、ガス流路３８１が燃料電池セル２０の長手方向に複数延在して配置されており、燃料電池セル２０の長手方向の一辺３０１を重力方向上側に且つ当該一辺３０１と対向する他辺３０２を重力方向下側に配置したときに、ガス流路３８１における重力方向上側の側面３８ａに、ガス流路３８１の流路断面積を絞る凸部３９２が設けられ、ガス流路３８１における重力方向下側の側面には凸部３９２が設けられていないことを特徴とする。【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池モジュールに関する。

燃料電池は、燃料ガス（主に水素を含有するガス）及び酸化剤ガス（主に酸素を含有するガス）をアノード側電極及びカソード側電極に供給して電気化学的に反応させることにより、直流の電気エネルギを得るシステムである。

一般に、燃料電池は、積層された多数枚の発電セル（以下、単にセルとも称する）によって構成された燃料電池スタックを備えている。この発電セルは、電解質膜の両側にアノード側電極及びカソード側電極を設けた膜電極接合体（ＭＥＡ）と、当該膜電極接合体を挟持する一対のセパレータとを備える。

ところで、燃料電池は通常、図６に示すように、電解質膜・電極構造体１をアノード側セパレータ２及びカソード側セパレータ３で挟持している。電解質膜・電極構造体１は、固体高分子電解質膜４を備え、この固体高分子電解質膜４の両面には、アノード側電極５及びカソード側電極６が設けられている。アノード側電極５は、電極触媒層５ａ及びガス拡散層５ｂを有する一方、カソード側電極６は、電極触媒層６ａ及びガス拡散層６ｂを有している。

アノード側セパレータ２には、複数の燃料ガス流路２ａが山部２ｂ間に形成されるとともに、カソード側セパレータ３には、複数の酸化剤ガス流路３ａが山部３ｂ間に形成されている。

上記燃料電池において、発電性能を良好に維持することを目的として、燃料ガス流路の入口及び出口近傍に絞り部を設けた構成が知られている（下記特許文献１参照）。下記特許文献１によれば、絞り部を設けることで隣り合う燃料ガス流路間で差圧を発生させ、一方の燃料ガス流路に流れるガスを、他方の燃料ガス流路に移動させることができる。その結果、隣り合う燃料ガス流路を仕切る山部に対面するガス拡散層に燃料ガスが供給され、発電性能を良好に維持することができる、とされている。

特開２０１０−０６１９８１号公報

ところで、燃料電池では、電気化学反応により水が生成する。この水は、ガス流路を通して燃料電池の外に排出される。上記した、ガス流路に絞り部を設けた燃料電池にあっては、セルを縦向きに配置した場合（平面視略矩形状のセルの長手方向の一辺を重力方向上側に且つセルの長手方向の他辺を重力方向下側に配置した場合）に、言い換えれば、絞り部５４ａ、５４ｂの上側凸部５５ａ、５５ｂ（図７参照）を重力方向上側に配置する一方で、絞り部５４ａ、５４ｂの下側凸部５６ａ、５６ｂを重力方向下側に配置した場合に、絞り部の下側凸部５６ａ、５６ｂに付着した水が排出されにくいという問題があった。

本発明の目的は、セルを縦向きに配置した場合であっても、良好に水を排出することができ、フラッディングの発生を抑制することができる燃料電池モジュールを提供することにある。

上記課題を解決するために本発明に係る燃料電池モジュールは、膜電極接合体と前記膜電極接合体の両側に配置されたガス拡散層とを有する電極体と、前記電極体の両側に配置されたガス流路とを備えた燃料電池セルを有する燃料電池モジュールであって、前記ガス流路は、前記燃料電池セルの長手方向に複数延在して配置されており、前記燃料電池セルの長手方向の一辺を重力方向上側に且つ前記一辺に対向する他辺を重力方向下側に配置したときに、前記ガス流路における重力方向上側の側面に、前記ガス流路の流路断面積を絞る凸部が設けられ、前記ガス流路における重力方向下側の側面には前記凸部が設けられていないことを特徴とする。

かかる構成によれば、ガス流路の重力方向上側の側面に、ガス流路の流路断面積を絞る凸部（絞り部）が設けられる一方で、ガス流路の重力方向下側の側面には凸部が設けられていないので、燃料電池セルを縦向きに配置（燃料電池セルの長手方向の一辺を重力方向上側に且つ当該一辺に対向する他辺を重力方向下側に配置）したとしても、凸部に付着した水は良好に排出されることとなる。その結果、フラッディングの発生を抑制することができる。

また本発明では、前記凸部は、隣り合う前記ガス流路において互い違いになるように設けられていることが好ましい。

かかる構成によれば、ガス流路の流路断面積を絞る凸部が隣り合うガス流路で互い違いに設けられているので、隣り合うガス流路間に差圧を発生させ、一方のガス流路から、ガス拡散層を経由して、他方のガス流路へガスを移動させることができる。その結果、ガス拡散層により一層ガスが供給され、燃料電池の出力を向上させることができる。

本発明によれば、セルを縦向きに配置した場合であっても、良好に水を排出することができ、フラッディングの発生を抑制することができる燃料電池モジュールを提供することができる。

燃料電池の概略構成を示す斜視図である。 セパレータの概略構成を示す平面図である。 図２に示す領域Ｃの拡大平面図である。 図３のＡ−Ａ線における断面図であって、ガスの流れを説明するための図である。 ガス流路に流れるガス流量を制御した場合の実験結果を比較して表すグラフである。 従来の燃料電池の断面説明図である。 従来の燃料電池が備えるセパレータの平面説明図である。

以下添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。なお、以下の実施形態はあくまでも好適な適用例であって、本発明の適用範囲がこれに限定されるものではない。

まず、燃料電池の構成について説明する。図１は、燃料電池の概略構成を示す斜視図である。

燃料電池１００は、膜電極ガス拡散層接合体２００と、セパレータ３００と、エンドプレート２０２、２０４とを少なくとも備える。エンドプレート２０２、２０４は、膜電極ガス拡散層接合体２００とセパレータ３００の積層方向両端にそれぞれ配置されている。

燃料電池１００には、燃料ガス供給マニホールド１１２と、燃料ガス排出マニホールド１１４と、冷媒供給マニホールド１１６と、冷媒排出マニホールド１１８と、酸化剤ガス供給マニホールド１２０と、酸化剤ガス排出マニホールド１２２とが形成されており、これらの各種マニホールド１１２〜１２２は、膜電極ガス拡散層接合体２００とセパレータ３００とが積層する方向に燃料電池１００を貫通している。以下、燃料ガス及び酸化剤ガスを総称して、反応ガスとも称する。

図１に示す膜電極ガス拡散層接合体２００と、セパレータ３００とにより燃料電池セル２０（図４参照。以下、「セル」とも称する）が構成される。図４に示すように、燃料電池セル２０は、固体高分子電解質膜２２１を一対の電極（アノード側電極２４１及びカソード側電極２６１）で挟持した膜電極ガス拡散層接合体２００と、当該膜電極ガス拡散層接合体２００を挟持した一対のセパレータ（カソード側セパレータ３００ｂ及びアノード側セパレータ３００ａ）とを備える。アノード側電極２４１及びカソード側電極２６１は、固体高分子電解質膜２２１の両面に形成され、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子からなる電極触媒層２４１ａ、２６１ａと、カーボンペーパ等からなるガス拡散層２４１ｂ、２６１ｂとを有する。なお、膜電極ガス拡散層接合体２００は、膜電極接合体（固体高分子電解質膜２２１と電極触媒層２４１ａ、２６１ａとを含む）とガス拡散層２４１ｂ、２６１ｂとを合わせたものである。

アノード側セパレータ３００ａには、複数の酸化剤ガス流路２９１が山部２９２間に設けられる。カソード側セパレータ３００ｂには、複数の酸化剤ガス流路３８１が山部３９１間に設けられる。

図２は、カソード側セパレータ３００ｂの概略構成を示す平面図である。図３は、図２に示す領域Ｃの拡大平面図である。図４は、図３のＡ−Ａ線における燃料電池セルの断面図であって、ガスの流れを説明するための図である。なお、図２における左右方向が、「燃料電池セルの長手方向」に相当する。

図２に示すように、カソード側セパレータ３００ｂは、例えば略矩形の板状部材であり、外縁部に、複数の開口部３６２、３６４、３６６、３６８、３７０、３７２が設けられている。これらの開口部３６２〜３７２は、それぞれ、図１で示した各種マニホールド１１２〜１２２の一部を形成する。

また、カソード側セパレータ３００ｂには、酸化剤ガスが流れる溝流路（酸化剤ガス流路３８１）が形成されている。詳細には、図３に示すように、カソード側セパレータ３００ｂにおけるガス拡散層２６１ｂ（図４参照）に向かう面に、酸化剤ガス流路３８１が複数形成され、当該酸化剤ガス流路３８１の間には山部３９１（リブとも称する）が複数形成されている。酸化剤ガス流路３８１及び山部３９１は、燃料電池セルの長手方向（図２及び図３では左右方向）、言い換えればカソード側セパレータ３００ｂの長手方向に沿って延びるように設けられている。

図３に示す酸化剤ガス流路３８１には、以下のように凸部３９２が設けられている。詳細には、燃料電池セル２０を縦向きに配置したときに、言い換えれば、カソード側セパレータ３００ｂの長手方向（燃料電池セル２０の長手方向）の一辺３０１を重力方向上側に且つカソード側セパレータ３００ｂの長手方向（燃料電池セル２０の長手方向）の他辺３０２を重力方向下側にしたときに、酸化剤ガス流路３８１における重力方向上側の側面３８ａの一部に、酸化剤ガス流路３８１の流路断面積を絞る凸部３９２が設けられている。一方で、酸化剤ガス流路３８１における重力方向下側の側面３８ａａには酸化剤ガス流路３８１の流路断面積を絞る凸部３９２が設けられていない。

このように酸化剤ガス流路３８１の一方の側面３８ａのみに凸部３９２が設けられているため、燃料電池セル２０を縦向きに配置したときに（すなわち、カソード側セパレータ３００ｂの一辺３０１を重力方向上側に、当該一辺３０１に対向する他辺３０２を重力方向下側に配置したとき）、酸化剤ガス流路３８１の流路断面積を絞る凸部３９２に燃料電池から生成された水が付着しても、当該付着した水は重力方向下側に流れる。このため、酸化剤ガス流路３８１に設けられた凸部３９２によって水の排出が阻害されることなく、酸化剤ガス流路３８１の出口側に流れて水は良好に排出される。従来の構成にあっては、燃料電池セルを縦向きに配置した際に、絞り部５４ａ、５４ｂの重力方向下側の凸部５６ａ、５６ｂ（図７参照）によって水の排出が阻害され、フラッディングが生じる問題があった。これに対し、本実施形態では、上述したように、燃料電池セル２０を縦向きに配置した際に、酸化剤ガス流路３８１の重力方向上側の側面３８ａにのみ凸部３９２（図３参照）を設けているので、凸部３９２によって水の排出が阻害されることを抑えられ、フラッディングの発生を抑制することができる。

また本実施形態では、凸部３９２は、隣り合う酸化剤ガス流路３８１ａ、３８１ｂで互い違いになるように設けられている、言い換えれば同じ位相には設けられていないことが好ましい。つまり、一方の酸化剤ガス流路３８１ａにおいて凸部３９２が設けられる部分と同じ位相には、他方の酸化剤ガス流路３８１ｂに凸部３９２が設けられていないことが好ましい。これにより、一方の酸化剤ガス流路３８１ａにおける凸部３９２が設けられた部分の酸化剤ガス圧力は、他方の酸化剤ガス流路３８１ｂにおける酸化剤ガス圧力よりも高圧になる。従って、隣り合う酸化剤ガス流路３８１ａ、３８１ｂ間に酸化剤ガス圧力の差圧が発生し、高圧側である酸化剤ガス流路３８１ａ内の酸化剤ガスは、山部３９１に対面するガス拡散層２６１ｂ内（図４に示す山部３９１下）を通って、低圧側の酸化剤ガス流路３８１ｂに移動する。

このように、酸化剤ガス流路３８１内の酸化剤ガスをガス拡散層２６１ｂ内に潜り込ませることで（図４の白抜矢印参照）、ガス拡散層２６１ｂ内ひいては電極触媒層内の酸素濃度を向上させ、その結果、燃料電池の出力を向上させることができる。

なお、図３に示す凸部３９２について、酸化剤ガス流路３８１ａの流路断面積を縮小させるものであれば、その長さ方向、幅方向又は高さ方向の大きさは適宜設定することが可能である。例えば、酸化剤ガス流路３８１ａの幅Ｄ１が０．２〜１．０ｍｍ程度の場合には、断面積比０．１〜０．８程度となるように、酸化剤ガス流路３８１ａの流路断面積を絞る凸部３９２が設けられていることが好ましい。また、例えば、酸化剤ガス流路３８１ａの幅Ｄ１が、０．９５ｍｍ程度であれば、酸化剤ガス流路３８１ａの凸部３９２の長さＬ＝８．０ｍｍ程度であり、当該凸部３９２が設けられている部分の流路幅Ｄ２が０．４５ｍｍ程度とすることが好ましい。

また、図３には、１つの酸化剤ガス流路３８１ａに１つの凸部３９２を設けた例が示されているが、この例に限定されず、酸化剤ガス流路３８１ａに複数の凸部３９２を設けることが可能であり、その個数や大きさ等は適宜設定される。同様に、酸化剤ガス流路３８１ｂに複数の凸部３９２を設けることが可能であり、その個数や大きさ等は適宜設定される。

なお、酸化剤ガス流路３８１ａに供給されるガス流量を制御するために、酸化剤ガス流路３８１ａの両端に凸部３９２を設けることも可能である。詳細には、隣り合う酸化剤ガス流路３８１ａ、３８１ｂにおいて、一方の酸化剤ガス流路３８１ａを流れるガス流量が平均ガス流量（カソード側セパレータ３００ｂに形成された複数の酸化剤ガス流路３８１内に流れるガス流量を均一に調整した場合のガス流量）に対して約６７％に調整され、他方の酸化剤ガス流路３８１ｂ内を流れるガス流量が上記平均ガス流量に対して約１３３％に調整されるように、凸部３９２を酸化剤ガス流路３８１ａの両端に設置することが好適である。

上記のように、隣り合う酸化剤ガス流路３８１ａ、３８１ｂでガス流量を約６７％、約１３３％に制御する例の他、カソード側セパレータ３００ｂ面内でガス流量に傾斜をもたせるように、凸部３９２を酸化剤ガス流路３８１ａの両端に設置することも好適である。詳細には、例えば、セパレータの一端に配置される酸化剤ガス流路からセパレータの他端に配置される酸化剤ガス流路に向かって、ガス流量が上記平均ガス流量に対して６７％、１００％、１３３％と徐々に増えるように制御する。

上述したように、酸化剤ガス流路３８１に供給されるガス流量を制御することにより、図５（Ａ）〜（Ｃ）の実験結果に示すように、酸化剤ガス流路に供給されるガス流量を均一にした場合（図５（Ａ）〜（Ｃ）に示すグラフＡ）と比較して、イオン抵抗と濃度過電圧が低減され、電圧性能を向上させることができる。なお、図５（Ａ）〜（Ｃ）のグラフＡは、セパレータに形成された酸化剤ガス流路に供給されるガス流量を均一にした場合の結果を示す。図５（Ａ）〜（Ｃ）のグラフＢは、セパレータの一端に配置される酸化剤ガス流路から他端に配置される酸化剤ガス流路に向かって、ガス流量が６７％から１３３％になるように調整した場合の結果を示す。図５（Ａ）〜（Ｃ）のグラフＣは、セパレータの一端に配置される酸化剤ガス流路から他端に配置される酸化剤ガス流路に向かって、ガス流量が交互に６７％と１３３％となるように調整した場合の結果、言い換えれば、隣り合う酸化剤ガス流路に流れるガス流量が６７％と１３３％になるように調整した場合の結果を示す。

なお、凸部３９２には締結荷重がかかるため、アノード側セパレータに形成される凹凸流路（アノード流路）の山部（リブ）がくる位置に凸部３９２を設置することが好ましい。これにより、凸部３９２にかかる荷重をアノード流路の山部（リブ）で受けることができるため、当該山部（リブ）間の溝部がくる位置に凸部３９２を設置した構成と比較して、締結荷重がかかることによる撓みを抑えることができる。

以上説明した本実施形態における燃料電池モジュールは、膜電極接合体と当該膜電極接合体の両側に配置されたガス拡散層とを有する電極体と、当該電極体の両側に配置されたガス流路とを備える燃料電池セルを有する燃料電池モジュールであって、酸化剤ガス流路は、燃料電池セルの長手方向に複数延在して配置されており、燃料電池セルの長手方向の一辺を重力方向上側に且つ一辺と対向する他辺を重力方向下側に配置したときに、酸化剤ガス流路における重力方向上側の側面に、酸化剤ガス流路の流路断面積を絞る凸部が設けられ、酸化剤ガス流路における重力方向下側の側面には凸部が設けられていないことを特徴とする。

以上、本発明の実施形態を説明したが、これは本発明の説明のための例示であって、本発明の範囲をこの実施形態にのみ限定する趣旨ではない。例えば、上述した実施形態では、カソード側セパレータに形成されたガス流路に凸部（絞り部）を設けた例を説明したが、アノード側セパレータに形成されたガス流路に凸部（絞り部）を設けても良い。その他、本発明は、他の種々の実施形態でも実施することが可能である。

１００：燃料電池（燃料電池モジュール）
１１２：燃料ガス供給マニホールド
１１４：燃料ガス排出マニホールド
１１６：冷媒供給マニホールド
１１８：冷媒排出マニホールド
１２０：酸化剤ガス供給マニホールド
１２２：酸化剤ガス排出マニホールド
２００：膜電極ガス拡散層接合体
３００：セパレータ
３８１：酸化剤ガス流路（ガス流路）
３９１：山部
３９２：凸部

Claims (2)

1. 膜電極接合体と前記膜電極接合体の両側に配置されたガス拡散層とを有する電極体と、前記電極体の両側に配置されたガス流路とを備える燃料電池セルを有する燃料電池モジュールであって、
   前記ガス流路は、前記燃料電池セルの長手方向に複数延在して配置されており、
   前記燃料電池セルの長手方向の一辺を重力方向上側に、且つ、前記一辺に対向する他辺を重力方向下側に配置したときに、前記ガス流路における重力方向上側の側面に、前記ガス流路の流路断面積を絞る凸部が設けられ、前記ガス流路における重力方向下側の側面には前記凸部が設けられていないことを特徴とする燃料電池モジュール。
2. 前記凸部は、隣り合う前記ガス流路において互い違いになるように設けられていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池モジュール。

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