JP3741805B2 - 燃料電池 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子電解質膜をアノード側電極とカソード側電極で挟んで構成された燃料電池に関する。
【0002】
【従来の技術】
固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜(陽イオン交換膜)からなる電解質とこの電解質の両側にそれぞれ配置されるアノード側電極およびカソード側電極とからなる燃料電池構造体(単位セル)をセパレータによって挟持することにより構成されている。
【0003】
この種の燃料電池において、アノード側電極に供給された燃料ガス、例えば、水素は、触媒電極上で水素イオン化され、適度に加湿された電解質を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、酸素ガスあるいは空気が供給されているために、このカソード側電極において、前記水素イオン、前記電子および酸素が反応して水が生成される。
【0004】
ところで、高分子イオン交換膜からなる電解質は、イオン透過性を保持するために十分に加湿させておく必要がある。このため、一般的には、燃料電池の外部に設けられているガス加湿装置を用いて酸化剤ガスと燃料ガスとを加湿し、これらを水蒸気として燃料電池に送ることにより、電解質を加湿するように構成されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、固体高分子型燃料電池は、作動温度が比較的低温(〜100℃)であるため、加湿用に供給された水分の中、電解質に吸収されなかった水分や、反応によって生成された水分が、液体(水)の状態で存在することがある。この水は、ガス拡散層に蓄積されてガス通路を閉塞してしまい、反応ガスである燃料ガスおよび酸化剤ガスの電極触媒層への拡散性が低下し、セル性能が著しく悪くなるという問題が指摘されている。
【0006】
そこで、特開平6−20713号公報に開示されているように、セパレータの両面に重力方向に延在して互いに平行な燃料ガス供給用溝と酸化剤ガス供給用溝とを設け、燃料ガスおよび酸化剤ガスが前記溝内を重力方向の下方に自然に排出されるように構成した燃料電池が知られている。ところが、上記の従来技術では、燃料ガスおよび酸化剤ガスが重力方向に排出されるため、特に燃料ガスの利用率が低下して燃料電池自体の性能が悪くなるという問題がある。
【0007】
本発明は、この種の問題を解決するものであり、簡単な構成で電解質に必要な水分の供給と不要な水分の排出とを確実に行うとともに、ガス拡散性に優れた高性能な燃料電池を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
前記の課題を解決するために、本発明は、第1セパレータがアノード側電極に燃料ガスを供給する第1流路を有し、この第1流路の中、重力方向に交差する水平方向に延在する部分は、重力方向の開口断面が、該第1セパレータから前記アノード側電極に向かって下方に傾斜する、例えば、鋸刃状に設定される。このため、燃料ガスに含まれる水分の凝縮水は、第1流路の傾斜に沿って燃料電池構造体側に移動し、電解質膜の加湿に使用される。
【0009】
一方、第2セパレータがカソード側電極に酸化剤ガスを供給する第2流路を有し、この第2流路の中、重力方向に交差する水平方向に延在する部分は、重力方向の開口断面が、前記カソード側電極から前記第2セパレータに向かって下方に傾斜する、例えば、鋸刃状に設定される。これにより、酸化剤ガスに含まれる水分の凝縮水や反応生成水は、第2流路の傾斜に沿ってカソード側電極から離間し、前記第2流路が閉塞されることを有効に阻止することができ、所望のガス拡散性を確保することが可能になる。
【0010】
また、第1および第2流路が、燃料電池構造体側に突出して燃料ガスおよび酸化剤ガスの流速を部分的に変化させるための邪魔部を有する。従って、第1および第2流路内で流速が上昇してガス圧力が増加し、電極触媒層へのガス拡散性が有効に向上する。
【0011】
さらにまた、第1および第2セパレータは、第1および第2流路を構成する部分に撥水化処理が施されるため、第1および第2流路内の凝縮水や反応生成水が前記第1および第2セパレータから離脱し易い。このため、第1および第2流路内に水が残存することがなく、この水を容易に排出することができる。
【0012】
さらに、本発明は、第1セパレータがアノード側電極に燃料ガスを供給する第1流路を有し、この第1流路の中、重力方向に交差する水平方向に延在する部分の重力方向の開口断面積が、該第1流路の重力方向に向かう部分の重力方向の開口断面積よりも小さく設定される。これにより、第1流路の重力方向に交差する部分でガス圧力が上昇し、この部分に存在する水を第1流路の重力方向に向かう部分に順次押し出して、前記水を容易かつ円滑に排出することが可能になる。
【0013】
一方、第2セパレータは、第1セパレータと同様に構成されており、第2流路内の水を外部に確実に排出することができる。この第1および第2流路は、例えば、重力方向に交差する部分が重力方向に向かう部分よりも浅く設定されることにより、構成が一層簡素化する。
【0014】
【発明の実施の形態】
図1は、本発明の第1の実施形態に係る燃料電池10の概略縦断面説明図である。
【0015】
燃料電池10は、燃料電池セル(燃料電池構造体)12と、この燃料電池セル12を挟持する第1および第2セパレータ14、16とを備え、必要に応じてこれらが複数組だけ積層されている。燃料電池セル12は、固体高分子電解質膜18と、この電解質膜18を挟んで配設されるアノード側電極20およびカソード側電極22とを有する。
【0016】
燃料電池セル12の両側には、第1および第2ガスケット24、26が設けられ、前記第1ガスケット24は、アノード側電極20を収納するための大きな開口部28を有する一方、前記第2ガスケット26は、カソード側電極22を収納するための大きな開口部30を有する。燃料電池セル12と第1および第2ガスケット24、26とが、第1および第2セパレータ14、16によって挟持される。 第1セパレータ14の面14aには、アノード側電極20に燃料ガスである水素を供給するための第1流路32が形成される。図2に示すように、第1流路32は、第1セパレータ14の上部側に設けられた燃料ガス供給口34に連通するとともに、前記第1セパレータ14の下部側に設けられた燃料ガス排出口36に連通する。
【0017】
第1流路32は、重力方向(矢印A方向)に交差する水平方向(矢印B方向)に延在する部分(以下、水平部分という)32aと、前記重力方向に延在する部分(以下、鉛直部分という)32bとを有する。図1および図3に示すように、第1流路32の水平部分32aは、開口断面形状が鋸刃状に設定されており、第1セパレータ14からアノード側電極20に向かって下方に傾斜する傾斜面38が設けられている。
【0018】
前記傾斜面38には、撥水化処理が施されており、具体的には、撥水性を有する材料、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)がコーティングされている。
【0019】
第2セパレータ16の面16aには、カソード側電極22に酸化剤ガスである空気(またはO2 )を供給するための第2流路40が形成される。図4に示すように、第2流路40は、第2セパレータ16の上部側に設けられた酸化剤ガス供給口42に連通するとともに、前記第2セパレータ16の下部側に設けられた酸化剤ガス排出口44に連通する。
【0020】
第2流路40は、重力方向に交差する方向に延在する部分(以下、水平部分という)40aと、前記重力方向に延在する部分(以下、鉛直部分という)40bとを有する。図1および図5に示すように、第2流路40の水平部分40aは、開口断面形状が鋸刃状に設定されており、カソード側電極22から第2セパレータ16に向かって下方に傾斜する傾斜面46が設けられている。前記傾斜面46には、第1セパレータ14と同様に、撥水化処理が施されている。
【0021】
このように構成される燃料電池10の動作について、以下に説明する。
【0022】
第1セパレータ14の上部側に設けられた燃料ガス供給口34から第1流路32に水素(燃料ガス)が供給されるとともに、第2セパレータ16の上部側に設けられた酸化剤ガス供給口42から第2流路40に空気(酸化剤ガス)が供給される。第1流路32に供給された水素は、水平部分32aおよび鉛直部分32bを通って重量方向に蛇行するように下方に移動し、燃料電池セル12のアノード側電極20に供給される。一方、第2流路40に供給された空気は、同様に水平部分40aおよび鉛直部分40bを通って重量方向に蛇行しながら下方に移動し、燃料電池セル12を構成するカソード側電極22に供給される。
【0023】
ここで、第1流路32に供給される水素は、予め電解質加湿用の水蒸気が含まれており、この水蒸気中には、電解質膜18に吸収されずに凝縮して水50の状態で存在するものがあり、この水50が前記第1流路32内に残存し易い。
【0024】
しかしながら、第1の実施形態では、図6に示すように、第1流路32を構成する水平部分32aが開口断面鋸刃状に設定されており、第1セパレータ14からアノード側電極20に向かって下方に傾斜する傾斜面38が設けられている。このため、水平部分32a内で発生した水50は、傾斜面38に沿ってアノード側電極20に向かって移動し(矢印X参照)、電解質膜18の加湿用に使用される。従って、第1流路32が水50により閉塞されることを阻止することができる。
【0025】
一方、空気が供給される第2流路40では、この空気中に含まれる水蒸気の凝縮や、反応生成水を含む水52が発生する。その際、第2流路40を構成する水平部分40aは、開口断面鋸刃状に設定されるとともに、カソード側電極22から第2セパレータ16に向かって下方に傾斜する傾斜面46を設けている。これにより、水平部分40aに生じた水52は、傾斜面46に沿ってカソード側電極22から離間する方向(矢印Y方向)に移動する(図6中、二点鎖線の位置から実線の位置参照)。従って、第2流路40が水52により閉塞されることを有効に阻止することが可能になる。
【0026】
このように、第1の実施形態では、水素が供給される第1流路32に発生した水50を、その自重によって電解質膜18側に移動させてこの電解質膜18の加湿用に使用する一方、空気が供給される第2流路40に発生した水52を、その自重によってカソード側電極22から離間する方向に移動させて外部に排出する。
【0027】
これにより、燃料電池セル12に必要な水分の供給と余分な水分の排出とを、確実に行うことができるとともに、ガス拡散性に優れるという効果が得られる。しかも、第1および第2流路32、40を開口断面鋸刃状に設定するだけでよく、燃料電池10全体の構成を有効に簡素化することが可能になる。
【0028】
さらに、第1の実施形態では、第1および第2セパレータ14、16の傾斜面38、46に溌水化処理が施されている。従って、第1および第2流路32、40内で発生する水50、52が第1および第2セパレータ14、16から離脱し易くなり、この第1および第2流路32、40内から前記水50、52を容易かつ確実に排出することができる。
【0029】
図7は、本発明の第2の実施形態に係る燃料電池60の概略縦断面説明図である。なお、第1の実施形態に係る燃料電池10と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【0030】
燃料電池60を構成する第1および第2セパレータ62、64は、互いに対向する面62a、64aに重力方向(矢印A方向)に蛇行する第1および第2流路66、68が形成される。
【0031】
図8に示すように、第1流路66は、水平方向(矢印B方向)に延在する水平部分66aと、重力方向に延在する鉛直部分66bとを有し、前記水平部分66aの開口断面積が前記鉛直部分66bの開口断面積よりも小さく設定される。具体的には、図9および図10に示すように、水平部分66aの深さd1と鉛直部分66bの深さd2とが、d1<d2の関係を有するように設定されている。
【0032】
第2流路68は、第1流路66と同様に構成されており、水平部分68aと鉛直部分68bとを有するとともに、この水平部分68aの開口断面積が前記鉛直部分68bの開口断面積よりも小さく設定されている(図8参照)。なお、第1流路66と第2流路68とは、同一形状に設定してもよく、あるいは対称形状に設定してもよい。
【0033】
第1および第2セパレータ62、64の第1および第2流路66、68の表面には、第1の実施形態に係る第1および第2セパレータ14、16と同様に、PTFEコート等の溌水化処理が施されている。
【0034】
このように構成される燃料電池60では、第1セパレータ62に形成された第1流路66に燃料ガスとして水素が供給される一方、第2セパレータ64に形成された第2流路68には、酸化剤ガスとして空気が供給される。第1流路66に供給された水素は、水平部分66aおよび鉛直部分66bを通って蛇行しながら重力方向の下方に向かって移動し、アノード側電極20に供給される。
【0035】
その際、水平部分66aが鉛直部分66bよりも浅く形成されており、この水平部分66aでガス圧力が上昇する。従って、水平部分66aに存在する水は、鉛直部分66b側に一旦押し出された後、さらにこの鉛直部分66bの下段側に連通する水平部分66aを介して反対側の鉛直部分66b側に押し出される。これにより、第1流路66内に発生する水は、下方に位置する鉛直部分66bに順次押し出され、この第1流路66から容易かつ円滑に排出されるという利点が得られる。
【0036】
ここで、図8〜図10に示すように、水平部分66aおよび鉛直部分66bの角部を円弧状に形成することにより、水の排出がより円滑に遂行されることになる。なお、第2流路68では、第1流路66と同様に、水平部分68aでガス圧力が上昇するため、この第2流路68内で発生する凝縮水や反応生成水は、重力方向に向かって、順次、鉛直部分68bに押し出され、外部に確実に排出される。
【0037】
図11は、本発明の第3の実施形態に係る燃料電池80の概略縦断面説明図である。この燃料電池80は、第1の実施形態に係る燃料電池10および第2の実施形態に係る燃料電池60を基にして構成されるものであり、この第3の実施形態では、燃料電池60に適用した例について説明する。
【0038】
燃料電池80は、第1および第2セパレータ82、84を備え、この第1および第2セパレータ82、84の第1および第2流路66、68には、燃料電池セル12側に突出して水素および空気の流速を部分的に変化させるための邪魔部86、88が設けられる。図12に示すように、邪魔部86、88は水素および空気の流れ方向(矢印C方向)に向かって燃料電池セル12側に傾斜する傾斜面90と、この傾斜面90の先端から前記矢印C方向に直交する方向に延在する垂直面92とを備えた略くさび状を有している。
【0039】
このように構成される燃料電池80では、第1セパレータ82の第1流路66に供給された水素が、図12中、矢印C方向に移動するとともに、その一部が邪魔部86の傾斜面90に沿って移動する。このため、第1流路66内で水素の流速が部分的に上昇してガス圧力の増加が惹起され、水素のアノード側電極20への拡散性が有効に向上するという効果が得られる。
【0040】
一方、第2セパレータ84の第2流路68に供給された空気は、同様に、図12中、矢印C方向に流れるとともに、その一部が邪魔部88の傾斜面90に沿って移動し、ガス圧力の増加が惹起される。
【0041】
これにより、第1および第2流路66、68に邪魔部86、88を設けるだけで、ガス拡散性が向上して燃料電池セル12を高性能に維持することが可能になる。なお、邪魔部86、88は、第1および第2セパレータ82、84に直接形成するものに代えて、この第1および第2セパレータ82、84にくさび状部材を固着することにより邪魔部86、88を構成してもよい。また、邪魔部86、88を、第1の実施形態に係る燃料電池10の第1および第2流路32、40に設けることも可能である。
【0042】
【発明の効果】
以上のように、本発明に係る燃料電池では、アノード側電極に燃料ガスを供給する第1流路の中、重力方向に交差する部分が、第1セパレータからこのアノード側電極に向かって下方に傾斜するため、前記燃料ガスに含まれる水分の凝縮水は、前記第1流路の傾斜に沿って燃料電池構造体側に移動し、電解質膜の加湿に使用される。
【0043】
一方、カソード側電極に酸化剤ガスを供給する第2流路の中、重力方向に交差する部分が、前記カソード側電極から第2セパレータに向かって下方に傾斜するため、前記酸化剤ガスに含まれる水分の凝縮水や反応生成水は、前記第2流路の傾斜に沿って前記カソード側電極から離間する。これにより、第1および第2流路に発生する水によってガス流路が閉塞することを有効に阻止するとともに、所望のガス拡散性を確保することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態に係る燃料電池の概略縦断面説明図である。
【図2】前記第1の実施形態に係る燃料電池を構成する第1セパレータの正面説明図である。
【図3】前記第1セパレータの一部断面斜視説明図である。
【図4】前記第1の実施形態に係る燃料電池を構成する第2セパレータの正面説明図である。
【図5】前記第2セパレータの一部断面斜視説明図である。
【図6】前記第1の実施形態に係る燃料電池の動作を説明する一部拡大縦断面図である。
【図7】本発明の第2の実施形態に係る燃料電池の概略縦断面説明図である。
【図8】前記第2の実施形態に係る燃料電池を構成する第1および第2セパレータの正面説明図である。
【図9】図8中、IX−IX線断面図である。
【図10】図8中、X−X線断面図である。
【図11】本発明の第3の実施形態に係る燃料電池の概略縦断面説明図である。
【図12】図11中、XII−XII線断面図である。
【符号の説明】
10、60、80…燃料電池 12…燃料電池セル
14、62、82…第1セパレータ 14a、16a、62a、64a…面
16、64、84…第2セパレータ 18…電解質膜
20…アノード側電極 22…カソード側電極極
32、66…第1流路
32a、40a、66a、68a…水平部分
32b、40b、66b、68b…鉛直部分
38、46、90…傾斜面 40、68…第2流路
86、88…邪魔部
Claims (8)
- 固体高分子電解質膜をアノード側電極とカソード側電極で挟んで構成される燃料電池構造体と、前記燃料電池構造体を挟持する第1および第2セパレータとを備え、
前記第1セパレータは、前記アノード側電極に燃料ガスを供給する第1流路を有するとともに、
前記第1流路の中、重力方向に交差する水平方向に延在する部分は、重力方向の開口断面が、該第1セパレータから前記アノード側電極に向かって下方に傾斜し、
前記第2セパレータは、前記カソード側電極に酸化剤ガスを供給する第2流路を有するとともに、
前記第2流路の中、重力方向に交差する水平方向に延在する部分は、重力方向の開口断面が、前記カソード側電極から該第2セパレータに向かって下方に傾斜することを特徴とする燃料電池。 - 請求項1記載の燃料電池において、前記第1および第2流路は、開口断面形状が鋸刃状に設定されることを特徴とする燃料電池。
- 請求項1記載の燃料電池において、前記第1および第2流路には、前記燃料電池構造体側に突出して前記燃料ガスおよび酸化剤ガスの流速を部分的に変化させるための邪魔部が設けられることを特徴とする燃料電池。
- 請求項1記載の燃料電池において、前記第1および第2セパレータは、前記第1および第2流路を構成する部分に撥水化処理が施されることを特徴とする燃料電池。
- 固体高分子電解質膜をアノード側電極とカソード側電極で挟んで構成される燃料電池構造体と、前記燃料電池構造体を挟持する第1および第2セパレータとを備え、
前記第1セパレータは、前記アノード側電極に燃料ガスを供給する第1流路を有するとともに、
前記第1流路は、重力方向に交差する水平方向に延在する部分の重力方向の開口断面積が、該第1流路の重力方向に向かう部分の重力方向の開口断面積よりも小さく設定され、
前記第2セパレータは、前記カソード側電極に酸化剤ガスを供給する第2流路を有するとともに、
前記第2流路は、重力方向に交差する水平方向に延在する部分の重力方向の開口断面積が、該第2流路の重力方向に向かう部分の重力方向の開口断面積よりも小さく設定されることを特徴とする燃料電池。 - 請求項5記載の燃料電池において、前記第1および第2流路は、重力方向に交差する部分が重力方向に向かう部分よりも浅く設定されることを特徴とする燃料電池。
- 請求項5記載の燃料電池において、前記第1および第2流路は、前記燃料電池構造体側に突出して前記燃料ガスおよび酸化剤ガスの流速を部分的に変化させるための邪魔部を有することを特徴とする燃料電池。
- 請求項5記載の燃料電池において、前記第1および第2セパレータは、前記第1および第2流路を構成する部分に撥水化処理が施されることを特徴とする燃料電池。
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