JP4205774B2 - 燃料電池 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電解質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セルと、前記燃料電池セルを挟持する第１および第２セパレータとを備えた燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、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）からなる電解質の両側にそれぞれアノード側電極およびカソード側電極を対設して構成された燃料電池構造体（以下、燃料電池セルという）を、セパレータによって挟持することにより構成されており、通常、この燃料電池セルを所定数だけ積層して燃料電池セルスタックとして使用している。
【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、アノード側電極およびカソード側電極にそれぞれ燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給するために、通常、触媒電極層（電極面）に導電性を有する多孔質層、例えば、多孔質カーボンペーパがセパレータにより挟持されるとともに、各セパレータの互いに対向する面には、均一な幅寸法に設定された１本または複数本のガス流路が設けられている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の構成では、ガス流路に供給された燃料ガスや酸化剤ガスがセパレータの面内で消費されるため、このガス流路の出口付近における単位面積当たりの反応分子数が該ガス流路の入口側に比べて減少してしまう。これにより、電極面内での反応が不均一になり、セル性能が不安定になるという問題が指摘されている。
【０００６】
さらに、ガス流路内には、凝結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。この水が多孔質層に蓄積されると、燃料ガスおよび酸化剤ガスの触媒電極層への拡散性が低下してしまい、セル性能が著しく悪くなるおそれがある。
【０００７】
そこで、例えば、特開平６−２６７５６４号公報に開示されているように、アノード極に燃料を供給する燃料流路を有した燃料配流板と、カソード極に酸化剤を供給する酸化剤流路を有した酸化剤配流板とを具備し、前記酸化剤配流板の酸化剤流路の深さあるいは幅の少なくともいずれかを酸化剤の上流流路域から下流流路域に沿って徐々に小さくした燃料電池が知られている。
【０００８】
ところが、燃料ガスおよび酸化剤ガスをそれぞれ電極面に十分に供給するために、ガス流路がセパレータの面方向に蛇行してあるいは周回して設けられている。このため、ガス流路がセパレータの面内で相当に長尺化しており、上記の従来技術では、酸化剤流路の上流流路域の深さが大きくなって前記セパレータ自体が相当に肉厚なものとなってしまう。これにより、燃料電池全体の小型化が容易に遂行されないという問題が指摘されている。しかも、ガス流路の上流から下流に向かって深さを徐々に小さくする加工作業が、極めて煩雑なものとなるという問題がある。
【０００９】
本発明は、この種の問題を解決するものであり、良好なガス拡散性および排水性を確保するとともに、有効に小型化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。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る燃料電池では、燃料電池セルを挟持する第１および第２セパレータが、アノード側電極およびカソード側電極に燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給する第１および第２ガス流路を有するとともに、少なくともこの第１または第２ガス流路は、蛇行流路を構成し、前記第１または第２セパレータの面内において、ガス入口側のガス流路溝が前記ガス入口側からガス出口側に向かって半数に、あるいは半数ずつに段階的に設定されるとともに、前記ガス流路溝本数が奇数である際に１を足した該ガス流路溝本数の半数に設定されている。このため、第１および／または第２セパレータの面内でガスが消費される際に、ガス流路溝本数が減少することによってガス出口側の単位面積当たりの反応分子数がガス入口側に比べて減少することがなく、電極面内での反応の均一化を図ることができる。
【００１１】
しかも、第１および／または第２セパレータの面内では、ガス流動によりガス入口側に比べてガス出口側での湿度が高くなるが、このガス出口側のガス流路溝本数が減少することにより、ガス流速が速くなって排水性を有効に向上させることができる。また、出口側のガス流路溝本数が減少することにより、溝１本当たりのガス流量が増加し、ガス流速が上がってガス流に乱れが生じ、ガス拡散性が効果的に向上する。
【００１２】
また、第１および／または第２ガス流路は、第１および／または第２セパレータの面に対して複数本のガス流路溝を設けており、この第１および／または第２セパレータの厚さ方向、すなわち、深さ方向に変化を有していない。このため、第１および／または第２セパレータ自体を相当に薄肉状に構成することができ、燃料電池全体の小型化が容易に図られるとともに、前記第１および／または第２セパレータの加工作業が有効に簡素化する。
【００１３】
さらにまた、ガス入口側のガス流路溝本数とガス出口側のガス流路溝本数とが燃料ガスおよび酸化剤ガスのガス利用率に相当する減少率に設定されている。これにより、ガス消費量に対応してガス流路溝本数が減少され、第１および／または第２セパレータの面内での単位面積当たりの反応分子数を高精度に均一化することが可能になる。
【００１４】
具体的には、ガス流路溝本数がガス入口側からガス出口側に向かって半数に、あるいは半数ずつに段階的に設定されるとともに、このガス流路溝本数が奇数である際に、１を足した前記ガス流路溝本数の半数に設定される。従って、第１および／または第２セパレータの面積、溝幅、山幅およびガス分配連通孔面積等の変化に応じ、ガス流路溝本数の減少率をガス利用率に対応して容易かつ確実に設定することができる。
【００１５】
【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の要部分解斜視図であり、図２は、前記燃料電池１０の概略縦断面説明図である。
【００１６】
燃料電池１０は、燃料電池セル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とを有するとともに、前記アノード側電極２０および前記カソード側電極２２には、例えば、多孔質層である多孔質カーボンペーパ等からなる第１および第２ガス拡散層２４、２６が配設される。
【００１７】
燃料電池セル１２の両側には、第１および第２ガスケット２８、３０が設けられ、前記第１ガスケット２８は、アノード側電極２０および第１ガス拡散層２４を収納するための大きな開口部３２を有する一方、前記第２ガスケット３０は、カソード側電極２２および第２ガス拡散層２６を収納するための大きな開口部３４を有する。燃料電池セル１２と第１および第２ガスケット２８、３０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。
【００１８】
図１および図３に示すように、第１セパレータ１４は、その上部側に水素等の燃料ガスを通過させるための孔部３６ａと、冷却水を通過させるための孔部３６ｂと、酸素または空気である酸化剤ガスを通過させるための孔部３６ｃとを設ける。第１セパレータ１４の下部側には、燃料ガスを通過させるための孔部３８ａと、冷却水を通過させるための孔部３８ｂと、酸化剤ガスを通過させるための孔部３８ｃとが設けられる。
【００１９】
第１セパレータ１４のアノード側電極２０に対向する面１４ａには、孔部３６ａ、３８ａを連通する燃料ガス流路（第１ガス流路）４０が形成される。燃料ガス流路４０では、ガス入口側である孔部３６ａ側の溝本数がガス出口側である孔部３８ａ側の溝本数よりも多い数に設定されている。この燃料ガス流路４０の溝本数の減少率は、燃料ガスのガス利用率（ここでは、改質ガス等のガス全体に対する水素ガスの利用率をいう）に相当するように設定されている。
【００２０】
具体的には、水素ガス１００％の純水な燃料ガスの場合、燃料ガス流路４０の溝本数の減少率は、出口側溝本数／入口側溝本数＝ガス利用率（％）／１００となる。一方、水素ガスの他、ＣＯ2 ガスやＮ2 ガス等を含有する改質ガスの場合には、出口側溝本数／入口側溝本数＝〔｛改質ガス中の燃料ガス（％）×（１００−利用率（％））｝／１００＋｛１００−改質ガス中の燃料ガス（％）｝〕／１００＝出口側ガス量／入口側ガス量となる。
【００２１】
改質ガスの組成例は、例えば、表１に示されている。
【００２２】
【表１】
【００２３】
この組成例▲１▼〜▲３▼では、水素ガス利用率とガス全体における水素ガス利用率であるガス利用率とは、表２、表３および表４に示す関係を有している。
【００２４】
【表２】
【００２５】
【表３】
【００２６】
【表４】
【００２７】
また、溝本数の削減形態と減少率との関係が、表５に示されている。
【００２８】
【表５】
【００２９】
表１に示す▲１▼の「定常（１）」の場合には、表２に示すように、ガス利用率が略５０％程度であり、溝本数の減少率として、表５中、（Ａ）、（Ｃ）、（Ｅ）および（Ｈ）が使用される。表１に示す▲２▼の「加速」の場合には、表３に示すように、ガス利用率が略３０〜４０％であるが、燃料ガス流路４０の溝形状が５０％以上のガス利用率から設定されており、▲１▼の場合と同様に、表５中、（Ａ）、（Ｃ）、（Ｅ）および（Ｈ）が使用される。
【００３０】
表１に示す▲３▼の「定常（２）」の場合には、表４に示すように、ガス利用率が略５０〜７０％である。このため、ガス利用率を５０％に設定すると、表５中、（Ａ）、（Ｃ）、（Ｅ）および（Ｈ）が使用される一方、ガス利用率を７０％以上に設定する際には、表５中、（Ｂ）、（Ｄ）、（Ｆ）、（Ｇ）および（Ｉ）が使用される。
【００３１】
第１の実施形態では、表５中、（Ｆ）が採用される。図３に示すように、第１セパレータ１４の面１４ａには、ガス入口側である孔部３６ａ側に対応して１２本の第１ガス流路溝４２ａ〜４２ｌが形成される。第１ガス流路溝４２ａ〜４２ｌは、互いに所定の間隔ずつ離間して鉛直下方向（矢印Ａ方向）に向かって蛇行するように、第１セパレータ１４の面１４ａの面方向に形成される。
【００３２】
第１ガス流路溝４２ａ〜４２ｌは、セパレータ１４の略中間の高さ位置で半数に削減されて６本の第２ガス流路溝４４ａ〜４４ｆを構成し、この第２ガス流路溝４４ａ、４４ｆは、矢印Ａ方向に向かって蛇行するとともに、その終端部で半数に削減されて３本の第３ガス流路溝４６ａ〜４６ｃを形成する。この第３ガス流路溝４６ａ〜４６ｃは、矢印Ａ方向に向かって蛇行した後、ガス出口である孔部３８ａに連通する。
【００３３】
図１に示すように、第２セパレータ１６は、上部側に燃料ガス用孔部４７ａと、冷却水用孔部４７ｂと、酸化剤ガス用孔部４７ｃとが設けられる。この第２セパレータ１６の下部側には、燃料ガス用孔部４８ａと、冷却水用孔部４８ｂと、酸化剤ガス用孔部４８ｃとが設けられる。
【００３４】
第２セパレータ１６のカソード側電極２２に対向する面１６ａには、図２に示すように、孔部４７ｃ、４８ｃを連通する酸化剤ガス流路（第２ガス流路）５０が形成される。酸化剤ガス流路５０では、出口側溝本数／入口側溝本数＝〔｛空気中の酸素ガス（％）×（１００−ガス利用率（％））｝／１００＋｛１００−空気中の酸素ガス（％）｝〕／１００＝出口側ガス量／入口側ガス量に設定される。
【００３５】
酸化剤ガス流路５０は、燃料ガス流路４０と同様に構成されており、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。
【００３６】
このように構成される第１の実施形態に係る燃料電池１０の動作について、以下に説明する。
【００３７】
燃料電池１０内には、燃料ガスとして改質ガスが供給されるとともに、酸化剤ガスとして空気が供給され、この改質ガスが、第１セパレータ１４の孔部３６ａから燃料ガス流路４０に導入される。燃料ガス流路４０に供給された改質ガスは、図３に示すように、先ず、第１ガス流路溝４２ａ〜４２ｌに導入され、第１セパレータ１４の面方向に沿って蛇行しながら重力下方向（矢印Ａ方向）に移動する。その際、改質ガス中の水素ガスが、第１ガス拡散層２４を通って燃料電池セル１２のアノード側電極２０に供給される。
【００３８】
残余の改質ガスは、第１ガス流路溝４２ａ〜４２ｌの終端に連結されている第２ガス流路溝４４ａ〜４４ｆに導入され、面１４ａに沿って蛇行しながら重力方向に移動し、水素ガスの拡散が行われる。さらに、第２ガス流路溝４４ａ〜４４ｆの終端に連結された第３ガス流路溝４６ａ〜４６ｃに導入された改質ガスは、重力方向に移動しながら水素ガスの拡散が行われた後、第１セパレータ１４の孔部３８ａから排出される。
【００３９】
この場合、第１の実施形態では、燃料ガス流路４０がガス入口側である孔部３６ａからガス出口側である孔部３８ａに向かって溝本数を半数ずつ段階的に減ぜられている。すなわち、燃料ガス流路４０は、第１ガス流路溝４２ａ〜４２ｌと、第２ガス流路溝４４ａ〜４４ｆと、第３ガス流路溝４６ａ〜４６ｃとを備えており、溝本数の減少率が改質ガスのガス利用率に対応して７５％に設定されている。
【００４０】
従って、第１セパレータ１４の面１４ａ内で水素ガスが第１ガス拡散層２４を通ってアノード側電極２０に供給されることにより改質ガスが消費される際、燃料ガス流路４０の溝本数が減少するため、結果的に、単位面積当たりの反応分子数が減少することがない。これにより、アノード側電極２０の電極面全体で均一かつ円滑な反応が有効に行われるという効果が得られる。
【００４１】
しかも、燃料ガス流路４０は、孔部３６ａから孔部３８ａに向かって溝本数を減らすように構成されるため、出口側である前記孔部３８ａ側のガス流速を向上させることができる。このため、第１セパレータ１４の面１４ａ内のガス流速を上げることができ、ガス流の乱れを惹起させてガス拡散性を有効に向上させるとともに、排水性の向上を図ることが可能になるという効果がある。従って、燃料電池１０のセル性能の向上が確実に図られるという利点が得られる。
【００４２】
また、第１セパレータ１４では、燃料ガス流路４０が深さ方向に変化することがなく、この第１セパレータ１４自体の厚さを有効に薄肉化することができる。これにより、燃料電池１０全体の小型化（薄肉化）が容易に遂行されるとともに、加工作業の簡素化が図られる。
【００４３】
一方、第２セパレータ１６では、孔部４７ｃから酸化剤ガス流路５０に供給された空気は、燃料ガス流路４０に供給された改質ガスと同様に、ガス入口側である前記孔部４７ｃからガス出口側である孔部４８ｃに向かって供給される。その際、酸化剤ガス流路５０の溝本数が段階的に半数ずつに設定されており、酸素ガスが第２ガス拡散層２６からカソード側電極２２に供給される一方、単位面積当たりの反応分子数を減少させることがなく、しかもガス流速を上げることができる。これにより、セル性能の向上が図られるという効果がある。
【００４４】
図４には、第１の実施形態に係る燃料電池１０と従来の燃料電池とにおける電流密度と電圧との特性を検出した結果が示されている。なお、改質ガスのガス利用率が７５％、酸化剤ガスの利用率が５０％であり、改質ガスを加湿する一方、酸化剤ガスは無加湿とし、改質ガスおよび酸化剤ガスがともに１００Ｋｐａのガス加圧に設定された。これにより、第１の実施形態では、従来例１および２に比べて電流密度が高くなり、セル性能が大幅に向上するという結果が得られている。
【００４５】
なお、この第１の実施形態では、燃料ガス流路４０および酸化剤ガス流路５０がガス入口側からガス出口側に向かって溝本数を減少させているが、前記燃料ガス流路４０または前記酸化剤ガス流路５０の一方のみをこのように構成してもよい。
【００４６】
また、第１および第２セパレータ１４、１６では、ガス入口側が上部に、ガス出口側が下部に設けられ、燃料ガスおよび酸化剤ガスが上方から下方に向かって流れるように構成されている。これに対して、ガス入口側を下部に、ガス出口側を上部に設け、燃料ガスおよび酸化剤ガスを下方から上方に向かって流すように構成された第１および第２セパレータを使用してもよい。その際、燃料ガス流路および／または酸化剤ガス流路は、ガス入口側からガス出口側に向かって、すなわち、下方から上方に向かって溝本数を減少させるように構成することにより、第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００４７】
図５は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池を構成する第１セパレータ６０の正面説明図であり、図６は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池を構成する第１セパレータ８０の正面説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池１０を構成する第１セパレータ１４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。
【００４８】
図５に示すように、第２の実施形態に係る第１セパレータ６０の面６０ａには、燃料ガス流路６２が設けられており、この燃料ガス流路６２は、表５中、（Ｈ）に示す５０％のガス利用率に相当している。具体的には、ガス入口側である孔部３６ａに１０本のガス流路溝６４ａ〜６４ｊが連通し、この第１ガス流路溝６４ａ〜６４ｊが重力方向に沿って蛇行しながら延在し、その終端部で５本の第２ガス流路溝６６ａ〜６６ｅに連通する。第２ガス流路溝６６ａ〜６６ｅは、重力方向に沿って蛇行しながら面６０ａ内に延在し、ガス出口側である孔部３８ａに連通する。
【００４９】
図６に示す第３の実施形態に係る第１セパレータ８０の面８０ａには、燃料ガス流路８２が設けられており、この燃料ガス流路８２は、表５中、（Ｇ）に示す９２％のガス利用率に相当している。すなわち、燃料ガス流路８２は、孔部３６ａに連通する１２本の第１ガス流路溝８４ａ〜８４ｌと、この第１ガス流路溝８４ａ〜８４ｌの終端部に連結される６本の第２ガス流路溝８６ａ〜８６ｆと、この第２ガス流路溝８６ａ〜８６ｆの終端部に連通する３本の第３ガス流路溝８８ａ〜８８ｃと、この第３ガス流路溝８８ａ〜８８ｃの終端部に連通する２本の第４ガス流路溝９０ａ、９０ｂと、この第４ガス流路溝９０ａ、９０ｂの終端部に連通する第５ガス流路溝９２とを有し、この第５ガス流路溝９２が孔部３８ａに連通する。
【００５０】
燃料ガス流路８２では、孔部３６ａから孔部３８ａに向かって溝本数が半数ずつ段階的に設定される一方、この溝本数が奇数である第３ガス流路溝８８ａ〜８８ｃの終端部では、半数に削減不能である。このため、第３ガス流路溝８８ａ〜８８ｃの溝本数３に１を足した溝本数（４本）の半数、すなわち、２本の第４ガス流路溝９０ａ、９０ｂが設けられている。
【００５１】
このように構成される第２および第３実施形態では、各燃料ガス流路６２、８２がガス入口側である孔部３６ａからガス出口側である孔部３８ａに向かって溝本数を減少させることにより、それぞれ所望のガス拡散率に設定することができる。これにより、第１セパレータ６０、８０の面６０ａ、８０ａ内で単位面積当たりの反応分子数を維持して反応の均一化を図ることができるとともに、排水性およびガス拡散性を向上させることが可能になる等、第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００５２】
なお、上記の実施形態では、第１セパレータ１４、６０および８０の溝幅および山幅は、切削加工等により１ｍｍ程度に設定されているが、１ｍｍ以下の寸法に設定することも可能である。また、溝本数は、セパレータ面積等の種々の要因によって容易に変更、設定されるものである。例えば、入口側が８本で出口側が２本であるもの、入口側が２０本で出口側が１本であるもの等、種々の組み合わせが可能であり、セパレータ面積が大きければ、入口側の溝本数は２０本以上に設定することもできる。さらにまた、排水性を向上させるために、例えば、燃料ガス流路４０、６２および８２の溝部分、すなわち、改質ガスの接触部分に撥水性を持たせてもよい。
【００５３】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池では、燃料電池セルを挟持する第１および第２セパレータに燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給する第１および第２ガス流路が設けられるとともに、この第１および／または第２ガス流路は、ガス入口側のガス流路の溝本数がガス出口側のガス流路の溝本数に比べて多い数に設定されている。このため、第１および／または第２セパレータの面内でガスが消費される際に、ガス流路溝本数が減少することによって単位面積当たりの反応分子数の減少を阻止し、電極面内での反応の均一化を図ることができる。しかも、ガス出口側でのガス流速を有効に上げることができ、排水性およびガス拡散性の向上が容易に図られる。
【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要部分解斜視図である。
【図２】前記燃料電池の概略縦断面説明図である。
【図３】前記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４】前記燃料電池と従来の燃料電池とにおける電圧と電流密度との特性図である。
【図５】本発明の第２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６】本発明の第３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。
【符号の説明】
１０…燃料電池 １２…燃料電池セル
１４、１６、６０、８０…セパレータ
１４ａ、１６ａ、６０ａ、８０ａ…面
１８…電解質膜 ２０…アノード側電極
２２…カソード側電極 ２４、２６…ガス拡散層
２８、３０…ガスケット ４０、６２、８２…燃料ガス流路
４２ａ〜４２ｌ、４４ａ〜４４ｆ、４６ａ〜４６ｃ、６４ａ〜６４ｊ、６６ａ〜６６ｅ、８４ａ〜８４ｌ、８６ａ〜８６ｆ、８８ａ〜８８ｃ、９０ａ、９０ｂ、９２…ガス流路溝
５０…酸化剤ガス流路
【発明の属する技術分野】
本発明は、電解質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セルと、前記燃料電池セルを挟持する第１および第２セパレータとを備えた燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、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）からなる電解質の両側にそれぞれアノード側電極およびカソード側電極を対設して構成された燃料電池構造体（以下、燃料電池セルという）を、セパレータによって挟持することにより構成されており、通常、この燃料電池セルを所定数だけ積層して燃料電池セルスタックとして使用している。
【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、アノード側電極およびカソード側電極にそれぞれ燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給するために、通常、触媒電極層（電極面）に導電性を有する多孔質層、例えば、多孔質カーボンペーパがセパレータにより挟持されるとともに、各セパレータの互いに対向する面には、均一な幅寸法に設定された１本または複数本のガス流路が設けられている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の構成では、ガス流路に供給された燃料ガスや酸化剤ガスがセパレータの面内で消費されるため、このガス流路の出口付近における単位面積当たりの反応分子数が該ガス流路の入口側に比べて減少してしまう。これにより、電極面内での反応が不均一になり、セル性能が不安定になるという問題が指摘されている。
【０００６】
さらに、ガス流路内には、凝結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。この水が多孔質層に蓄積されると、燃料ガスおよび酸化剤ガスの触媒電極層への拡散性が低下してしまい、セル性能が著しく悪くなるおそれがある。
【０００７】
そこで、例えば、特開平６−２６７５６４号公報に開示されているように、アノード極に燃料を供給する燃料流路を有した燃料配流板と、カソード極に酸化剤を供給する酸化剤流路を有した酸化剤配流板とを具備し、前記酸化剤配流板の酸化剤流路の深さあるいは幅の少なくともいずれかを酸化剤の上流流路域から下流流路域に沿って徐々に小さくした燃料電池が知られている。
【０００８】
ところが、燃料ガスおよび酸化剤ガスをそれぞれ電極面に十分に供給するために、ガス流路がセパレータの面方向に蛇行してあるいは周回して設けられている。このため、ガス流路がセパレータの面内で相当に長尺化しており、上記の従来技術では、酸化剤流路の上流流路域の深さが大きくなって前記セパレータ自体が相当に肉厚なものとなってしまう。これにより、燃料電池全体の小型化が容易に遂行されないという問題が指摘されている。しかも、ガス流路の上流から下流に向かって深さを徐々に小さくする加工作業が、極めて煩雑なものとなるという問題がある。
【０００９】
本発明は、この種の問題を解決するものであり、良好なガス拡散性および排水性を確保するとともに、有効に小型化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。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る燃料電池では、燃料電池セルを挟持する第１および第２セパレータが、アノード側電極およびカソード側電極に燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給する第１および第２ガス流路を有するとともに、少なくともこの第１または第２ガス流路は、蛇行流路を構成し、前記第１または第２セパレータの面内において、ガス入口側のガス流路溝が前記ガス入口側からガス出口側に向かって半数に、あるいは半数ずつに段階的に設定されるとともに、前記ガス流路溝本数が奇数である際に１を足した該ガス流路溝本数の半数に設定されている。このため、第１および／または第２セパレータの面内でガスが消費される際に、ガス流路溝本数が減少することによってガス出口側の単位面積当たりの反応分子数がガス入口側に比べて減少することがなく、電極面内での反応の均一化を図ることができる。
【００１１】
しかも、第１および／または第２セパレータの面内では、ガス流動によりガス入口側に比べてガス出口側での湿度が高くなるが、このガス出口側のガス流路溝本数が減少することにより、ガス流速が速くなって排水性を有効に向上させることができる。また、出口側のガス流路溝本数が減少することにより、溝１本当たりのガス流量が増加し、ガス流速が上がってガス流に乱れが生じ、ガス拡散性が効果的に向上する。
【００１２】
また、第１および／または第２ガス流路は、第１および／または第２セパレータの面に対して複数本のガス流路溝を設けており、この第１および／または第２セパレータの厚さ方向、すなわち、深さ方向に変化を有していない。このため、第１および／または第２セパレータ自体を相当に薄肉状に構成することができ、燃料電池全体の小型化が容易に図られるとともに、前記第１および／または第２セパレータの加工作業が有効に簡素化する。
【００１３】
さらにまた、ガス入口側のガス流路溝本数とガス出口側のガス流路溝本数とが燃料ガスおよび酸化剤ガスのガス利用率に相当する減少率に設定されている。これにより、ガス消費量に対応してガス流路溝本数が減少され、第１および／または第２セパレータの面内での単位面積当たりの反応分子数を高精度に均一化することが可能になる。
【００１４】
具体的には、ガス流路溝本数がガス入口側からガス出口側に向かって半数に、あるいは半数ずつに段階的に設定されるとともに、このガス流路溝本数が奇数である際に、１を足した前記ガス流路溝本数の半数に設定される。従って、第１および／または第２セパレータの面積、溝幅、山幅およびガス分配連通孔面積等の変化に応じ、ガス流路溝本数の減少率をガス利用率に対応して容易かつ確実に設定することができる。
【００１５】
【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の要部分解斜視図であり、図２は、前記燃料電池１０の概略縦断面説明図である。
【００１６】
燃料電池１０は、燃料電池セル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とを有するとともに、前記アノード側電極２０および前記カソード側電極２２には、例えば、多孔質層である多孔質カーボンペーパ等からなる第１および第２ガス拡散層２４、２６が配設される。
【００１７】
燃料電池セル１２の両側には、第１および第２ガスケット２８、３０が設けられ、前記第１ガスケット２８は、アノード側電極２０および第１ガス拡散層２４を収納するための大きな開口部３２を有する一方、前記第２ガスケット３０は、カソード側電極２２および第２ガス拡散層２６を収納するための大きな開口部３４を有する。燃料電池セル１２と第１および第２ガスケット２８、３０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。
【００１８】
図１および図３に示すように、第１セパレータ１４は、その上部側に水素等の燃料ガスを通過させるための孔部３６ａと、冷却水を通過させるための孔部３６ｂと、酸素または空気である酸化剤ガスを通過させるための孔部３６ｃとを設ける。第１セパレータ１４の下部側には、燃料ガスを通過させるための孔部３８ａと、冷却水を通過させるための孔部３８ｂと、酸化剤ガスを通過させるための孔部３８ｃとが設けられる。
【００１９】
第１セパレータ１４のアノード側電極２０に対向する面１４ａには、孔部３６ａ、３８ａを連通する燃料ガス流路（第１ガス流路）４０が形成される。燃料ガス流路４０では、ガス入口側である孔部３６ａ側の溝本数がガス出口側である孔部３８ａ側の溝本数よりも多い数に設定されている。この燃料ガス流路４０の溝本数の減少率は、燃料ガスのガス利用率（ここでは、改質ガス等のガス全体に対する水素ガスの利用率をいう）に相当するように設定されている。
【００２０】
具体的には、水素ガス１００％の純水な燃料ガスの場合、燃料ガス流路４０の溝本数の減少率は、出口側溝本数／入口側溝本数＝ガス利用率（％）／１００となる。一方、水素ガスの他、ＣＯ2 ガスやＮ2 ガス等を含有する改質ガスの場合には、出口側溝本数／入口側溝本数＝〔｛改質ガス中の燃料ガス（％）×（１００−利用率（％））｝／１００＋｛１００−改質ガス中の燃料ガス（％）｝〕／１００＝出口側ガス量／入口側ガス量となる。
【００２１】
改質ガスの組成例は、例えば、表１に示されている。
【００２２】
【表１】
この組成例▲１▼〜▲３▼では、水素ガス利用率とガス全体における水素ガス利用率であるガス利用率とは、表２、表３および表４に示す関係を有している。
【００２４】
【表２】
【表３】
【表４】
また、溝本数の削減形態と減少率との関係が、表５に示されている。
【００２８】
【表５】
表１に示す▲１▼の「定常（１）」の場合には、表２に示すように、ガス利用率が略５０％程度であり、溝本数の減少率として、表５中、（Ａ）、（Ｃ）、（Ｅ）および（Ｈ）が使用される。表１に示す▲２▼の「加速」の場合には、表３に示すように、ガス利用率が略３０〜４０％であるが、燃料ガス流路４０の溝形状が５０％以上のガス利用率から設定されており、▲１▼の場合と同様に、表５中、（Ａ）、（Ｃ）、（Ｅ）および（Ｈ）が使用される。
【００３０】
表１に示す▲３▼の「定常（２）」の場合には、表４に示すように、ガス利用率が略５０〜７０％である。このため、ガス利用率を５０％に設定すると、表５中、（Ａ）、（Ｃ）、（Ｅ）および（Ｈ）が使用される一方、ガス利用率を７０％以上に設定する際には、表５中、（Ｂ）、（Ｄ）、（Ｆ）、（Ｇ）および（Ｉ）が使用される。
【００３１】
第１の実施形態では、表５中、（Ｆ）が採用される。図３に示すように、第１セパレータ１４の面１４ａには、ガス入口側である孔部３６ａ側に対応して１２本の第１ガス流路溝４２ａ〜４２ｌが形成される。第１ガス流路溝４２ａ〜４２ｌは、互いに所定の間隔ずつ離間して鉛直下方向（矢印Ａ方向）に向かって蛇行するように、第１セパレータ１４の面１４ａの面方向に形成される。
【００３２】
第１ガス流路溝４２ａ〜４２ｌは、セパレータ１４の略中間の高さ位置で半数に削減されて６本の第２ガス流路溝４４ａ〜４４ｆを構成し、この第２ガス流路溝４４ａ、４４ｆは、矢印Ａ方向に向かって蛇行するとともに、その終端部で半数に削減されて３本の第３ガス流路溝４６ａ〜４６ｃを形成する。この第３ガス流路溝４６ａ〜４６ｃは、矢印Ａ方向に向かって蛇行した後、ガス出口である孔部３８ａに連通する。
【００３３】
図１に示すように、第２セパレータ１６は、上部側に燃料ガス用孔部４７ａと、冷却水用孔部４７ｂと、酸化剤ガス用孔部４７ｃとが設けられる。この第２セパレータ１６の下部側には、燃料ガス用孔部４８ａと、冷却水用孔部４８ｂと、酸化剤ガス用孔部４８ｃとが設けられる。
【００３４】
第２セパレータ１６のカソード側電極２２に対向する面１６ａには、図２に示すように、孔部４７ｃ、４８ｃを連通する酸化剤ガス流路（第２ガス流路）５０が形成される。酸化剤ガス流路５０では、出口側溝本数／入口側溝本数＝〔｛空気中の酸素ガス（％）×（１００−ガス利用率（％））｝／１００＋｛１００−空気中の酸素ガス（％）｝〕／１００＝出口側ガス量／入口側ガス量に設定される。
【００３５】
酸化剤ガス流路５０は、燃料ガス流路４０と同様に構成されており、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。
【００３６】
このように構成される第１の実施形態に係る燃料電池１０の動作について、以下に説明する。
【００３７】
燃料電池１０内には、燃料ガスとして改質ガスが供給されるとともに、酸化剤ガスとして空気が供給され、この改質ガスが、第１セパレータ１４の孔部３６ａから燃料ガス流路４０に導入される。燃料ガス流路４０に供給された改質ガスは、図３に示すように、先ず、第１ガス流路溝４２ａ〜４２ｌに導入され、第１セパレータ１４の面方向に沿って蛇行しながら重力下方向（矢印Ａ方向）に移動する。その際、改質ガス中の水素ガスが、第１ガス拡散層２４を通って燃料電池セル１２のアノード側電極２０に供給される。
【００３８】
残余の改質ガスは、第１ガス流路溝４２ａ〜４２ｌの終端に連結されている第２ガス流路溝４４ａ〜４４ｆに導入され、面１４ａに沿って蛇行しながら重力方向に移動し、水素ガスの拡散が行われる。さらに、第２ガス流路溝４４ａ〜４４ｆの終端に連結された第３ガス流路溝４６ａ〜４６ｃに導入された改質ガスは、重力方向に移動しながら水素ガスの拡散が行われた後、第１セパレータ１４の孔部３８ａから排出される。
【００３９】
この場合、第１の実施形態では、燃料ガス流路４０がガス入口側である孔部３６ａからガス出口側である孔部３８ａに向かって溝本数を半数ずつ段階的に減ぜられている。すなわち、燃料ガス流路４０は、第１ガス流路溝４２ａ〜４２ｌと、第２ガス流路溝４４ａ〜４４ｆと、第３ガス流路溝４６ａ〜４６ｃとを備えており、溝本数の減少率が改質ガスのガス利用率に対応して７５％に設定されている。
【００４０】
従って、第１セパレータ１４の面１４ａ内で水素ガスが第１ガス拡散層２４を通ってアノード側電極２０に供給されることにより改質ガスが消費される際、燃料ガス流路４０の溝本数が減少するため、結果的に、単位面積当たりの反応分子数が減少することがない。これにより、アノード側電極２０の電極面全体で均一かつ円滑な反応が有効に行われるという効果が得られる。
【００４１】
しかも、燃料ガス流路４０は、孔部３６ａから孔部３８ａに向かって溝本数を減らすように構成されるため、出口側である前記孔部３８ａ側のガス流速を向上させることができる。このため、第１セパレータ１４の面１４ａ内のガス流速を上げることができ、ガス流の乱れを惹起させてガス拡散性を有効に向上させるとともに、排水性の向上を図ることが可能になるという効果がある。従って、燃料電池１０のセル性能の向上が確実に図られるという利点が得られる。
【００４２】
また、第１セパレータ１４では、燃料ガス流路４０が深さ方向に変化することがなく、この第１セパレータ１４自体の厚さを有効に薄肉化することができる。これにより、燃料電池１０全体の小型化（薄肉化）が容易に遂行されるとともに、加工作業の簡素化が図られる。
【００４３】
一方、第２セパレータ１６では、孔部４７ｃから酸化剤ガス流路５０に供給された空気は、燃料ガス流路４０に供給された改質ガスと同様に、ガス入口側である前記孔部４７ｃからガス出口側である孔部４８ｃに向かって供給される。その際、酸化剤ガス流路５０の溝本数が段階的に半数ずつに設定されており、酸素ガスが第２ガス拡散層２６からカソード側電極２２に供給される一方、単位面積当たりの反応分子数を減少させることがなく、しかもガス流速を上げることができる。これにより、セル性能の向上が図られるという効果がある。
【００４４】
図４には、第１の実施形態に係る燃料電池１０と従来の燃料電池とにおける電流密度と電圧との特性を検出した結果が示されている。なお、改質ガスのガス利用率が７５％、酸化剤ガスの利用率が５０％であり、改質ガスを加湿する一方、酸化剤ガスは無加湿とし、改質ガスおよび酸化剤ガスがともに１００Ｋｐａのガス加圧に設定された。これにより、第１の実施形態では、従来例１および２に比べて電流密度が高くなり、セル性能が大幅に向上するという結果が得られている。
【００４５】
なお、この第１の実施形態では、燃料ガス流路４０および酸化剤ガス流路５０がガス入口側からガス出口側に向かって溝本数を減少させているが、前記燃料ガス流路４０または前記酸化剤ガス流路５０の一方のみをこのように構成してもよい。
【００４６】
また、第１および第２セパレータ１４、１６では、ガス入口側が上部に、ガス出口側が下部に設けられ、燃料ガスおよび酸化剤ガスが上方から下方に向かって流れるように構成されている。これに対して、ガス入口側を下部に、ガス出口側を上部に設け、燃料ガスおよび酸化剤ガスを下方から上方に向かって流すように構成された第１および第２セパレータを使用してもよい。その際、燃料ガス流路および／または酸化剤ガス流路は、ガス入口側からガス出口側に向かって、すなわち、下方から上方に向かって溝本数を減少させるように構成することにより、第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００４７】
図５は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池を構成する第１セパレータ６０の正面説明図であり、図６は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池を構成する第１セパレータ８０の正面説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池１０を構成する第１セパレータ１４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。
【００４８】
図５に示すように、第２の実施形態に係る第１セパレータ６０の面６０ａには、燃料ガス流路６２が設けられており、この燃料ガス流路６２は、表５中、（Ｈ）に示す５０％のガス利用率に相当している。具体的には、ガス入口側である孔部３６ａに１０本のガス流路溝６４ａ〜６４ｊが連通し、この第１ガス流路溝６４ａ〜６４ｊが重力方向に沿って蛇行しながら延在し、その終端部で５本の第２ガス流路溝６６ａ〜６６ｅに連通する。第２ガス流路溝６６ａ〜６６ｅは、重力方向に沿って蛇行しながら面６０ａ内に延在し、ガス出口側である孔部３８ａに連通する。
【００４９】
図６に示す第３の実施形態に係る第１セパレータ８０の面８０ａには、燃料ガス流路８２が設けられており、この燃料ガス流路８２は、表５中、（Ｇ）に示す９２％のガス利用率に相当している。すなわち、燃料ガス流路８２は、孔部３６ａに連通する１２本の第１ガス流路溝８４ａ〜８４ｌと、この第１ガス流路溝８４ａ〜８４ｌの終端部に連結される６本の第２ガス流路溝８６ａ〜８６ｆと、この第２ガス流路溝８６ａ〜８６ｆの終端部に連通する３本の第３ガス流路溝８８ａ〜８８ｃと、この第３ガス流路溝８８ａ〜８８ｃの終端部に連通する２本の第４ガス流路溝９０ａ、９０ｂと、この第４ガス流路溝９０ａ、９０ｂの終端部に連通する第５ガス流路溝９２とを有し、この第５ガス流路溝９２が孔部３８ａに連通する。
【００５０】
燃料ガス流路８２では、孔部３６ａから孔部３８ａに向かって溝本数が半数ずつ段階的に設定される一方、この溝本数が奇数である第３ガス流路溝８８ａ〜８８ｃの終端部では、半数に削減不能である。このため、第３ガス流路溝８８ａ〜８８ｃの溝本数３に１を足した溝本数（４本）の半数、すなわち、２本の第４ガス流路溝９０ａ、９０ｂが設けられている。
【００５１】
このように構成される第２および第３実施形態では、各燃料ガス流路６２、８２がガス入口側である孔部３６ａからガス出口側である孔部３８ａに向かって溝本数を減少させることにより、それぞれ所望のガス拡散率に設定することができる。これにより、第１セパレータ６０、８０の面６０ａ、８０ａ内で単位面積当たりの反応分子数を維持して反応の均一化を図ることができるとともに、排水性およびガス拡散性を向上させることが可能になる等、第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００５２】
なお、上記の実施形態では、第１セパレータ１４、６０および８０の溝幅および山幅は、切削加工等により１ｍｍ程度に設定されているが、１ｍｍ以下の寸法に設定することも可能である。また、溝本数は、セパレータ面積等の種々の要因によって容易に変更、設定されるものである。例えば、入口側が８本で出口側が２本であるもの、入口側が２０本で出口側が１本であるもの等、種々の組み合わせが可能であり、セパレータ面積が大きければ、入口側の溝本数は２０本以上に設定することもできる。さらにまた、排水性を向上させるために、例えば、燃料ガス流路４０、６２および８２の溝部分、すなわち、改質ガスの接触部分に撥水性を持たせてもよい。
【００５３】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池では、燃料電池セルを挟持する第１および第２セパレータに燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給する第１および第２ガス流路が設けられるとともに、この第１および／または第２ガス流路は、ガス入口側のガス流路の溝本数がガス出口側のガス流路の溝本数に比べて多い数に設定されている。このため、第１および／または第２セパレータの面内でガスが消費される際に、ガス流路溝本数が減少することによって単位面積当たりの反応分子数の減少を阻止し、電極面内での反応の均一化を図ることができる。しかも、ガス出口側でのガス流速を有効に上げることができ、排水性およびガス拡散性の向上が容易に図られる。
【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要部分解斜視図である。
【図２】前記燃料電池の概略縦断面説明図である。
【図３】前記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４】前記燃料電池と従来の燃料電池とにおける電圧と電流密度との特性図である。
【図５】本発明の第２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６】本発明の第３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。
【符号の説明】
１０…燃料電池 １２…燃料電池セル
１４、１６、６０、８０…セパレータ
１４ａ、１６ａ、６０ａ、８０ａ…面
１８…電解質膜 ２０…アノード側電極
２２…カソード側電極 ２４、２６…ガス拡散層
２８、３０…ガスケット ４０、６２、８２…燃料ガス流路
４２ａ〜４２ｌ、４４ａ〜４４ｆ、４６ａ〜４６ｃ、６４ａ〜６４ｊ、６６ａ〜６６ｅ、８４ａ〜８４ｌ、８６ａ〜８６ｆ、８８ａ〜８８ｃ、９０ａ、９０ｂ、９２…ガス流路溝
５０…酸化剤ガス流路
Claims (7)
- 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セルと、前記燃料電池セルを挟持する第１および第２セパレータとを備え、
前記第１および第２セパレータは、前記アノード側電極および前記カソード側電極に燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給する第１および第２ガス流路を有するとともに、
少なくとも前記第１または第２ガス流路は、蛇行流路を構成し、前記第１または第２セパレータの面内において、ガス入口側のガス流路溝が２本ずつ１本に直接合流することにより、前記ガス流路溝本数が前記ガス入口側からガス出口側に向かって半数に、あるいは半数ずつに段階的に設定されるとともに、前記ガス流路溝本数が奇数である際に１を足した該ガス流路溝本数の半数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、前記ガス入口側の前記ガス流路溝本数と前記ガス出口側のガス流路溝本数とは、前記燃料ガスおよび前記酸化剤ガスのガス利用率に相当する減少率に設定されることを特徴とする燃料電池。
- 請求項１または２記載の燃料電池において、少なくとも前記第１または第２ガス流路のガス流路溝は、前記ガス入口側が上部に配設されるとともに、前記ガス出口側が下部に配設され、前記ガス入口側から前記ガス出口側に重力方向に向かって蛇行することを特徴とする燃料電池。
- 請求項１乃至３のいずれか１項に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、セパレータ面を鉛直方向に向けて水平方向に積層され、
前記ガス入口側は、前記第１および第２セパレータの上部に設けられるとともに、前記ガス出口側は、前記第１および第２セパレータの下部に設けられ、
少なくとも第１または第２流路のガス流路溝は、前記第１および第２セパレータの水平方向一端部から他端部に延在する水平部分と、
下方に延在して近接する前記水平部分同士を連結する鉛直部分と、
を有す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セルと、前記燃料電池セルを挟持する第１および第２セパレータとを備え、
少なくとも前記第１または第２セパレータは、前記アノード側電極または前記カソード側電極に燃料ガスまたは酸化剤ガスを供給するガス流路を有するとともに、
前記ガス流路は、蛇行流路を構成する複数のガス流路溝を有し、ガス入口側のガス流路溝が２本ずつ１本に直接合流することにより、前記ガス流路溝本数が前記ガス入口側からガス出口側に向かって半数に、あるいは半数ずつに段階的に設定されるとともに、前記ガス流路溝本数が奇数である際に１を足した該ガス流路溝本数の半数に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、前記ガス入口側の前記ガス流路溝本数と前記ガス出口側のガス流路溝本数とは、前記燃料ガスおよび前記酸化剤ガスのガス利用率に相当する減少率に設定されることを特徴とする燃料電池。
- 請求項５または６記載の燃料電池において、前記ガス流路溝は、実質的に同一の深さおよび同一の幅に設定されることを特徴とする燃料電池。
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