JP4122047B2 - 燃料電池 - Google Patents
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Description
水素イオン伝導性を有する高分子電解質膜並びに高分子電解質膜を挟むアノード及びカソードを含む膜電極接合体と、
アノードに燃料ガスを供給及び排出するための燃料ガス用流路を含む導電性を有するアノード側セパレータと、
カソードに酸化剤ガスを供給及び排出するための酸化剤ガス用流路を含む導電性を有するカソード側セパレータと、
アノード側セパレータ及びカソード側セパレータの膜電極接合体側の面において、膜電極接合体の外周部に配置され、それぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスをシールするためのアノード側ガスケット及びカソード側ガスケットと、
を具備する単電池を含んでおり、
アノード側及びカソード側において、それぞれアノード側ガスケット及びカソード側ガスケットと膜電極接合体との間に略矩形のアノード側隙間及びカソード側隙間が形成された構成を有し、
アノード側ガスケット及びカソード側ガスケットのうちの少なくとも一方が、膜電極接合体の外周部に沿って配置された環状の本体部と;アノード側隙間及びカソード側隙間において互いに対向する二対の隙間部分のうちの、燃料ガス用流路及び酸化剤ガス用流路の上流側から下流側に向けて燃料ガス及び酸化剤ガスの圧力勾配の大きいほうの一対の隙間部分、と交差するように本体部に連結された追加シール部と;を有すること、
を特徴とする燃料電池を提供する。
なお、本明細書における「反応ガス」には、燃料ガス及び酸化剤ガスはもとより、当該燃料ガス及び酸化剤ガスが、電極反応により生成した生成物や未反応の反応物を含む場合も含まれる。
図1は、本発明の高分子電解質形燃料電池の第一実施形態の基本構成の要部を示す概略分解断面図である。本発明の燃料電池10は、図1に示す構成要素を破線で示される位置関係で組み合わせることにより構成され、主として膜電極接合体(MEA)5と、膜電極接合体5を挟持する一対の板状のセパレータ、即ちアノード側セパレータ6a及びカソード側セパレータ6bを含む構成の単電池を少なくとも1つ具備する。
なお、図示しないが、カソード側にも、アノード側ガスケット9aと同様の追加シール部、及び仕切板を設ける。
次に、本発明の燃料電池の第二実施形態について説明する。この第二実施形態の燃料電池(図示せず)は、図1に示した第一実施形態の燃料電池10におけるアノード4a、カソード4b及び追加シール部11aを異なる構成に代えたものであり、アノード4a、カソード4b及び追加シール部11a以外の構成は第一実施形態の燃料電池10と同様である。以下、第二実施形態の燃料電池に備えられるアノード4a、カソード4b及び追加シール部11aについて説明する。
図6に示すように、本実施形態におけるアノード4aは、追加シール部11aの部分で略同一の面積を有するように分割されており、このように分割されている部分では追加シール部11aはアノード4aを押しつぶすことがない。
図7に示すように、本実施形態におけるアノード側ガスケット9aは、環状の本体部12aと追加シール部11aとを有しているが、第一実施形態と異なり、直角形状を有する部分R1を設けず、環状の本体部12aの高さと追加シール部11aの高さとを略同一にすることができる。これにより、アノード側隙間10aが確実に遮断されるとともに、アノード4aが追加シール部11aに押しつぶされることがないという効果が得られる。なお、図示しないが、カソード側にも、アノード側ガスケット9aと同様の追加シール部を設ける。
次に、本発明の燃料電池の第三実施形態について説明する。この第三実施形態の燃料電池(図示せず)は、図1に示した第一実施形態の燃料電池10における追加シール部11aを異なる構成に代えたものであり、追加シール部11a以外の構成は第一実施形態の燃料電池10と同様である。以下、第三実施形態の燃料電池に備えられる追加シール部11aについて説明する。
MEAとしては、図1に示した構成を有する株式会社ジャパンゴアテックス製の「PRIMEA(商品名)」を用意し、ホットプレスにより、図1に示した構成となるように高分子電解質膜の外周部にガスケットを接合した。
ここで、本実施例では、カソード側のガス拡散層とガスケットの間に3mm幅のバイトンのシール材をはめ込んで、図2〜図4に示した追加シール部11aとした。その具体的な設置位置は、酸化剤ガスの圧力損失が大きくなる1対の辺を横断するように設置し、上流と下流部の真ん中の位置になるようにした。
アノード側セパレータ、カソード側セパレータにMEAを配置し、その両端にそれぞれ集電板および絶縁板を重ね合わせ、その積層体を一対のエンドプレートの間に配置し、バネおよび締結具を用いて積層体を一対のエンドプレートの間に固定することにより本実施例の燃料電池を得た。
なお、アノード側セパレータ及びカソード側セパレータは、上記MEAの大きさにあわせた導電性の平板の一方の主面にガス流路を切削加工により形成した。
また、この実施例1においては、2本のガス流路のかわりに7本のガス流路を形成したこと以外は図2に示したガス流路と同様の幾何学的条件でカソード側セパレータの酸化剤ガスのガス流路を形成した。
実施例1の燃料電池と比較し、追加シール部がないこと以外は実施例1と同一の構成を有する燃料電池を作成した。
実施例1の燃料電池及び比較例1の燃料電池スタックを用い、以下の作動条件で限界酸素ガス利用率を測定した。結果を表1に示す。
なお、この評価試験においては、実施例1の燃料電池スタック及び比較例1の燃料電池ごとに限界酸素ガス利用率を求め、相加平均を算出してこれを限界酸素ガス利用率とした。また、「限界酸素ガス利用率」とは、燃料電池が電圧降下を起こさずに安定して発電できる最大の酸素ガス利用率をいう。
・燃料電池温度:62℃
・燃料ガス(H2)利用率:75%
・酸化剤ガス(O2)利用率:50〜98%
・燃料ガス及び酸化剤ガス加湿温度:66℃
表1に示した結果から明らかなように、本発明の燃料電池は、高い限界酸素ガス利用率を有し、充分な発電性能を発揮することが確認された。
Claims (6)
- 水素イオン伝導性を有する高分子電解質膜並びに前記高分子電解質膜を挟むアノード及びカソードを含む膜電極接合体と、
前記アノードに燃料ガスを供給及び排出するための燃料ガス用流路を含む導電性を有するアノード側セパレータと、
前記カソードに酸化剤ガスを供給及び排出するための酸化剤ガス用流路を含む導電性を有するカソード側セパレータと、
前記アノード側セパレータ及び前記カソード側セパレータの前記膜電極接合体側の面において、前記膜電極接合体の外周部に配置され、それぞれ前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスをシールするためのアノード側ガスケット及びカソード側ガスケットと、
を具備する単電池を含んでおり、
前記アノード側及び前記カソード側において、それぞれ前記アノード側ガスケット及び前記カソード側ガスケットと前記膜電極接合体との間に略矩形のアノード側隙間及びカソード側隙間が形成された構成を有し、
前記アノード側ガスケット及び前記カソード側ガスケットのうちの少なくとも一方が、前記膜電極接合体の外周部に沿って配置された環状の本体部と;前記アノード側隙間及び前記カソード側隙間において互いに対向する二対の隙間部分のうちの、前記燃料ガス用流路及び前記酸化剤ガス用流路の上流側から下流側に向けて前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの圧力勾配の大きいほうの一対の前記隙間部分の一部、と交差するように前記本体部に連結された追加シール部と;を有すること、
を特徴とする燃料電池。 - 前記燃料ガス用流路及び前記酸化剤ガス用流路のうちの少なくとも一方が、複数の直線部と、隣接する前記直線部を連結する曲線部と、を含む蛇行形状を有すること、を特徴とする請求項1に記載の燃料電池。
- 前記追加シール部が、前記複数の直線部の間のリブに位置すること、を特徴とする請求項2に記載の燃料電池。
- 前記追加シール部が、前記追加シール部と前記本体部とを連結している1対の連結部分に隣接する一対の隙間部分の間で切断されていること、を特徴とする請求項1に記載の燃料電池。
- 前記アノード側隙間及び前記カソード側隙間のうちの少なくとも一方の幅が0.3mm超で1.5mm未満であること、特徴とする請求項1に記載の燃料電池。
- 前記追加シール部が、前記燃料ガス用流路及び前記酸化剤ガス用流路の出口側より入口側に位置すること、を特徴とする請求項1に記載の燃料電池。
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