JP4321041B2 - 固体高分子型燃料電池 - Google Patents
固体高分子型燃料電池 Download PDFInfo
- Publication number
- JP4321041B2 JP4321041B2 JP2002313827A JP2002313827A JP4321041B2 JP 4321041 B2 JP4321041 B2 JP 4321041B2 JP 2002313827 A JP2002313827 A JP 2002313827A JP 2002313827 A JP2002313827 A JP 2002313827A JP 4321041 B2 JP4321041 B2 JP 4321041B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- oxidant gas
- passage
- separator
- fuel
- water
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、細孔を備えた多孔質の酸化剤ガスセパレータをもつタイプの固体高分子型燃料電池に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、環境保護、エネルギ等の面から固体高分子型燃料電池が着目されている。固体高分子型燃料電池は、一般に、酸化剤及び燃料に基づいて発電を行うものである。固体高分子型燃料電池は、イオン伝導性をもつ電解質膜と、電解質膜の厚み方向の片側に設けられた燃料極と、電解質膜の厚み方向の他の片側に設けられた酸化剤極と、燃料極に燃料を供給する燃料通路を形成する燃料セパレータと、酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス通路を形成する酸化剤ガスセパレータとを備えている。膜・電極接合体であるMEAは、電解質膜と燃料極と酸化剤極とで形成される。一般的には、酸化剤ガスセパレータ及び燃料セパレータは、ガスリークが生じないように緻密体で形成されている。
【0003】
上記した固体高分子型燃料電池によれば、イオン伝導性をもつ電解質膜が過剰乾燥すると、電解質膜のイオン伝導性が低下する。そこで電解質膜の過剰乾燥を抑える必要がある。上記した従来の固体高分子型燃料電池によれば、固体高分子型燃料電池に供給される酸化剤ガス、燃料を加湿することが行われている。
【0004】
また、近年、細孔をもつ多孔質体で酸化剤ガスセパレータ、燃料セパレータを形成した固体高分子型燃料電池も開発されている。このものによれば、液相としての水を細孔に浸透させてMEAに供給すると共に、水を酸化剤ガスセパレータ、燃料セパレータの細孔に浸透させて細孔を封止することができる。
【0005】
特許文献1には、多数の細孔をもつ導電性多孔質体で親水性をもつ水平方向に沿った燃料セパレータを配置すると共に、燃料セパレータの裏面側には、MEAと背向する位置に、撥水性をもつ導電性多孔質体で形成した水平方向に沿った加湿水透過体を配置した固体高分子型燃料電池が開示されている。このものでは、下から上に向けて、燃料セパレータ、膜・電極接合体、酸化剤ガスセパレータの順に配置されている。このものによれば、加湿水透過体に保持されている液相としての水は、導電性多孔質体で形成された燃料セパレータの細孔を経てMEA側に移行し、電解質の過剰乾燥を抑える。このものによれば、燃料セパレータは親水性をもつので、燃料セパレータの細孔には液相としての水が浸透し、細孔を封止できる。
【0006】
また特許文献2には、多孔質の酸化剤ガスセパレータ、膜・電極接合体であるMEA、多孔質の燃料セパレータを水平向に沿って配置した固体高分子型燃料電池が開示されている。このものでは、下から上に向けて、燃料セパレータ、膜・電極接合体であるMEA、酸化剤ガスセパレータの順に上下方向に積層されている。
【0007】
【特許文献1】
特許番号第2922132号(特開平8−250130号公報)
【特許文献2】
特公平7−95447号
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
上記した固体高分子型燃料電池によれば、酸化剤ガス(一般的には、酸素を含む空気)の流れの上流領域では、運転条件によっては、電解質膜の乾燥の不具合が生じるおそれがある。酸化剤ガスの流れの下流領域では、発電反応に基づいて生成された水が余剰に溜まることがあり、ガスの流れる通路を水が塞ぐフラッティング現象が生じ易い。フラッディング現象とは、酸化剤ガスや燃料が通る流路を水が閉鎖するため、MEAに対して酸化剤ガスや燃料の供給が制約されることをいう。フラッディング現象が生じると、MEAにおいて発電密度のむらが生じるおそれがある。
【0009】
そこで、近年、酸化剤ガス通路の酸化剤ガスを水蒸気で加湿する方式の燃料電池が本出願人により開発されている(本出願時に未公知)。酸化剤ガス通路の酸化剤ガスを水蒸気で加湿する方式によれば、酸化剤ガス通路におけるフラッティング現象の抑制に有利であり、MEAにおける発電密度の均一化に有利である。
【0010】
ここで、酸化剤ガス通路の酸化剤ガスを水蒸気で加湿する方式を、特許文献1,2に示す燃料電池に適用することも考えられる。この場合、図7に示すように、下から上に向けて、燃料セパレータ200、膜・電極接合体であるMEA100、酸化剤ガス通路310、酸化剤ガスセパレータ300、通水路410の順に位置するように上下方向に積層される。
【0011】
しかしこの場合には、酸化剤ガスセパレータ300を矢印N1方向に透過して酸化剤ガス通路310に到達した液相状態の水は、これに作用する重力の影響で、酸化剤ガス通路310の底面となる直ちにMEA100の上面100uに直ちに接触してしまい、酸化剤ガス通路310の酸化剤ガスを水蒸気で加湿するためには好ましくない。
【0012】
また、酸化剤ガス通路310の酸化剤ガスを水蒸気で加湿せんとすると、酸化剤ガス通路310内に溜まっている水をこれがMEA100の上面100uから離れるように持ち上げねばならず、酸化剤ガス通路310に供給する酸化剤ガスの圧力をかなり高圧化させる必要がある。従って、酸化剤ガス通路31に供給する酸化剤ガスの圧力を大気圧よりもかなり高圧化させる必要がある。この場合、酸化剤ガスを加圧する圧縮機等の加圧手段の能力を高める必要があり、設備上の問題も生じる。
【0013】
本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、酸化剤ガス通路の酸化剤ガスを水蒸気で加湿するのに有利であり、しかも、酸化剤ガス通路に供給する酸化剤ガスの圧力を過剰に高圧化せずともよく、従って、酸化剤ガス通路に供給する酸化剤ガスの低圧化を図り得る固体高分子型燃料電池を提供することを課題とする。
【0014】
【課題を解決するための手段】
様相1に係る固体高分子型燃料電池は、イオン伝導性をもつ電解質膜と、電解質膜の厚み方向の片側に設けられた燃料極と、電解質膜の厚み方向の他の片側に設けられた酸化剤極とからなる膜・電極接合体と、
燃料極に燃料を供給する燃料通路を形成する燃料セパレータと、
酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス通路と水が収容される通水路を仕切ると共に、多数の細孔をもつ多孔質性の酸化剤ガスセパレータとを具備する固体高分子型燃料電池において、
酸化剤ガスセパレータの酸化剤ガス通路が上面開放され、且つ、下から上に向けて、通水路、酸化剤ガスセパレータ、酸化剤ガス通路、膜・電極接合体、燃料セパレータの順に位置するように、
酸化剤ガスセパレータ、膜・電極接合体、燃料セパレータが積層されており、
酸化剤ガス通路において、酸化剤ガスが流れる上流を上流領域とし、酸化剤ガスが流れる下流を下流領域とするとき、酸化剤ガスセパレータの厚み方向に沿った断面で視たとき、上流領域では、通水路の水は酸化剤ガスセパレータの厚みを上向きに透過すると共に、
酸化剤ガスセパレータの厚み方向に沿った断面で視たとき、酸化剤ガス通路の下流領域の水は酸化剤ガスセパレータの厚みを下向きに通水路に向けて透過することを特徴とするものである。この場合、酸化剤ガス通路の下流領域に溜まっている水を、これに作用する重力を利用して、酸化剤ガスセパレータの下方の通水路に戻すことができる。このため、酸化剤ガス通路の水を通水路に早期に戻すことができる。
【0015】
様相2に係る固体高分子型燃料電池は、イオン伝導性をもつ電解質膜と、電解質膜の厚み方向の片側に設けられた燃料極と、電解質膜の厚み方向の他の片側に設けられた酸化剤極とからなる膜・電極接合体と、
燃料極に燃料を供給する燃料通路を形成する燃料セパレータと、
酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス通路と水が収容される通水路を仕切ると共に、多数の細孔をもつ多孔質性の酸化剤ガスセパレータとを具備する固体高分子型燃料電池において、
酸化剤ガスセパレータの酸化剤ガス通路が上面開放され、且つ、下から上に向けて、通水路、酸化剤ガスセパレータ、酸化剤ガス通路、膜・電極接合体、燃料セパレータの順に位置するように、
酸化剤ガスセパレータ、膜・電極接合体、燃料セパレータが上下方向に積層されており、
酸化剤ガス通路において、酸化剤ガスが流れる上流を上流領域とし、酸化剤ガスが流れる下流を下流領域とするとき、酸化剤ガスセパレータの厚み方向に沿った断面で視たとき、上流領域では、通水路の水は酸化剤ガスセパレータの厚みを上向きに透過すると共に、酸化剤ガスセパレータの酸化剤ガス通路のうち上流領域は、下流領域よりも疎水性が強く設定されていることを特徴とするものである。この場合、酸化剤ガスセパレータの上流領域の細孔は疎水性をもつため、水を液相よりも水蒸気として存在させるのに有利となる。このため、酸化剤ガスセパレータの上流領域においては、水蒸気によって酸化剤ガスを加湿させ易くなる。この場合、上流領域から下流領域に向かうにつれて、疎水性が弱くなるように設定されている形態を採用することができる。
【0016】
様相3に係る固体高分子型燃料電池は、イオン伝導性をもつ電解質膜と、前記電解質膜の厚み方向の片側に設けられた燃料極と、電解質膜の厚み方向の他の片側に設けられた酸化剤極とからなる膜・電極接合体と、
燃料極に燃料を供給する燃料通路を形成する燃料セパレータと、
酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス通路と水が収容される通水路を仕切ると共に、多数の細孔をもつ多孔質性の酸化剤ガスセパレータとを具備する固体高分子型燃料電池において、
酸化剤ガスセパレータの酸化剤ガス通路が上面開放され、且つ、下から上に向けて、通水路、酸化剤ガスセパレータ、酸化剤ガス通路、膜・電極接合体、燃料セパレータの順に位置するように、
酸化剤ガスセパレータ、膜・電極接合体、燃料セパレータが上下方向に積層されており、
酸化剤ガス通路において、酸化剤ガスが流れる上流を上流領域とし、酸化剤ガスが流れる下流を下流領域とするとき、酸化剤ガスセパレータの厚み方向に沿った断面で視たとき、上流領域では、通水路の水は酸化剤ガスセパレータの厚みを上向きに透過すると共に、
酸化剤ガスセパレータの酸化剤ガス通路のうち下流領域は、上流領域よりも親水性が強く設定されていることを特徴とするものである。この場合、酸化剤ガスセパレータの下流領域は親水性をもつため、当該細孔には、水は水蒸気よりも液相として存在し易くなる。この状態において、酸化剤ガスの流れの下流領域に存在している液相としての水を、酸化剤ガスセパレータの親水性をもつ細孔を経て、通水路に戻すのに寄与することができる。この結果、通水路へ水を補給できるばかりか、酸化剤ガス通路の下流領域における余剰水の滞留を抑制することができ、下流領域におけるフラッディング現象を抑制することができる。更に、フラッディング現象に起因する発電ムラを低減させることができる。
【0017】
各様相に係る燃料電池によれば、下から上に向けて、通水路、酸化剤ガスセパレータ、酸化剤ガス通路、膜・電極接合体、燃料セパレータの順に位置するように積層されている。このため酸化剤ガス通路に水が溜まったとき、その水は酸化剤ガス通路の底面に溜まるため、酸化剤ガス通路内の水蒸気と膜・電極接合体とを効果的に接触させることができる(図2,図3参照)。故に、酸化剤ガス通路に供給する酸化剤ガスの圧力を過剰に高圧化せずともよく、酸化剤ガス通路に供給する酸化剤ガスの低圧化を図り得、酸化剤ガス通路に供給する酸化剤ガスの圧力を大気圧または大気圧の近くに設定できる。このように酸化剤ガス通路に供給する酸化剤ガスの圧力を過剰に高圧化せずともよいため、酸化剤ガス通路に供給する酸化剤ガスの制御が容易化する。
【0018】
【発明の実施の形態】
本発明に係る固体高分子型燃料電池は、次の形態のうちの少なくとも一つを採用することができる。
【0019】
・本発明に係る固体高分子型燃料電池によれば、前述したように、下から上に向けて、通水路、酸化剤ガスセパレータ、酸化剤ガス通路、膜・電極接合体、燃料セパレータの順に位置するように積層されている。この場合、酸化剤ガスセパレータの厚み方向に沿った断面で視たとき、下流領域では、通水路の水は酸化剤ガスセパレータの厚みを下向きに通水路に向けて透過する形態を採用することが好ましい。このようにすれば、酸化剤ガス通路に溜まっている水を、これに作用する重力を利用して、酸化剤ガス通路内の水を酸化剤ガスセパレータの下方の通水路に戻すことができる。このため、酸化剤ガス通路の下流領域における酸化剤ガスの圧力がさほど高圧でないときであっても、酸化剤ガス通路の水を通水路に早期に戻すことができる。
【0020】
・酸化剤ガスセパレータの酸化剤ガス通路のうち上流領域は、下流領域よりも疎水性が強く設定されている形態を例示することができる。上記したように酸化剤ガスセパレータの上流領域の細孔は疎水性をもてば、水を液相よりも水蒸気として存在させるのに有利となる。このため、酸化剤ガスセパレータの上流領域においては、水蒸気によって酸化剤ガスを加湿させ易くなる。この場合、上流領域から下流領域に向かうにつれて、疎水性が弱くなるように設定されている形態を採用することができる。疎水性を連続的に変化させても良いし、段階的に変化させても良い。
【0021】
・酸化剤ガスセパレータの酸化剤ガス通路のうち下流領域は、上流領域よりも親水性が強く設定されている形態を例示することができる。この場合、酸化剤ガスセパレータの下流領域は親水性をもつため、当該細孔には、水は水蒸気よりも液相として存在し易くなる。この状態において、酸化剤ガス通路の圧力が通水路の圧力よりも高ければ、酸化剤ガス通路において、酸化剤ガスの流れの下流領域に存在している液相としての水を、酸化剤ガスセパレータの親水性をもつ細孔を経て、通水路に戻すのに寄与することができる。この結果、通水路へ水を補給できるばかりか、酸化剤ガス通路の下流領域における余剰水の滞留を抑制することができ、下流領域におけるフラッディング現象を抑制することができる。更に、フラッディング現象に起因する発電ムラを低減させることができる。
【0022】
・酸化剤ガスセパレータの厚み方向に沿った断面で、酸化剤ガスセパレータのうち通水路に対向する対向面は、上流領域から下流領域にかけて、親水性を有する形態を採用することができる。通水路では水は主として液相として存在する。通水路に存在する液相としての水は、親水性により、酸化剤ガスセパレータの細孔に浸透し易くなる。この結果、水による細孔封止を期待できる。
【0023】
・上記したように酸化剤ガスセパレータは細孔を有する。細孔径としては適宜選択できるが、1〜200μm、1〜100μm、殊に2〜30μm、2〜15μm、更に3〜4μmを例示することができる。酸化剤ガスセパレータの気孔率としては適宜選択できるが、体積比で10〜90%、15〜60%、殊に20〜40%とすることができる。但し細孔径、気孔率は上記した範囲に限定されるものではない。なお、固体高分子型燃料電池としては、車載用、定置用、ポータブル用、家庭用、業務用等を問わない。
【0024】
【実施例】
以下、本発明の第1実施例について図1〜図3を参照して説明する。図1は本実施例に係る固体高分子型燃料電池の概念図を模式的に示し、電解質膜11の厚み方向に沿った断面を模式的に示す。図1に示すように、本実施例に係る固体高分子型燃料電池の主要素である膜・電極接合体であるMEA1は、プロトン伝導性を有する電解質膜11と、電解質膜11の厚み方向の片側(上側)に設けられアノードとも呼ばれる燃料極12と、電解質膜11の厚み方向の他の片側(下側)に設けられカソードとも呼ばれる酸化剤極15とを有する。
【0025】
更に、固体高分子型燃料電池は、MEA1の上側に配置されMEA1の燃料極12にガス状の燃料を供給する溝状の燃料通路21を形成する案内凸部27を有する燃料セパレータ2と、MEA1の下側に配置されMEA1の酸化剤極15に酸化剤ガス(一般的には空気)を供給する溝状の酸化剤ガス通路31を形成する案内突部37を形成すると共に酸化剤極15に背向する位置に通水路41を形成する案内突部38を有する酸化剤ガスセパレータ3と、集電板4とを有する。図1に示すセル構造が上下方向に積層されて固体高分子型燃料電池が形成される。
【0026】
図1に示すように、MEA1、燃料セパレータ2、酸化剤ガスセパレータ3は横方向、特に水平方向に沿っており、水平な設置面に沿って配置されている。図1において、MEA1の酸化剤極15は、多孔質性及び導電性をもつカーボン系の第1ガス拡散層16と、触媒を主要成分とする多孔質性及び導電性をもつ第1触媒層17とを有する。MEA1の燃料極12は、多孔質性及び導電性をもつカーボン系の第2ガス拡散層13と、触媒を主要成分とする多孔質性及び導電性をもつ第2触媒層14とを有する。触媒としては、白金、パラジウム、ルテニウム、ロジウム等の少なくとも1種を例示できる。燃料セパレータ2は、導電性をもつ材料(カーボン材料)で形成されており、封止用の樹脂を含浸させた緻密体とされている。従って燃料通路21からの燃料リークは抑制される。
【0027】
酸化剤ガスセパレータ3は、これの厚み方向に連通する連通孔となりうる多数の細孔をもつ多孔質体で形成されており、多孔質性及び導電性を有する。酸化剤ガスセパレータ3は、水蒸気を利用した加湿機能を有する。酸化剤ガス通路31において、酸化剤ガスが流れる上流を上流領域91とする。酸化剤ガスが流れる下流を下流領域93とする。
【0028】
図1に示すように、酸化剤ガスセパレータ3は溝状の酸化剤ガス通路31を形成するものであり、導電性をもつ材料(カーボン材料等)を基材として形成されており、厚み方向に連通する連通孔となる多数の細孔をもつ。酸化剤ガスセパレータ3の細孔の細孔径は、これの上流から下流にかけてほぼ均一範囲とされている。
【0029】
図1に示すように、酸化剤ガス通路31の酸化剤ガス入口は、搬送源47に繋がれている。燃料通路21の燃料入口は燃料搬送源28に繋がれている。図1に示すように、通水路41は、給水源に繋がる給水口43と、吐水口44とをもつ。更に給水源45からの水を通水路41に供給する通水駆動部49が設けられている。通水駆動部49は例えばポンプで形成できる。通水駆動部49は、通水路41の給水口43の上流側に設けられている。
【0030】
固体高分子型燃料電池を運転する際には、酸化剤ガス(一般的にはガス状の空気)が搬送源47により酸化剤極15用の酸化剤ガスセパレータ3の溝状の酸化剤ガス通路31に供給される。この酸化剤ガスは、酸化剤ガス通路31から酸化剤極15の第1ガス拡散層16、第1触媒層17に向けて矢印E1方向に流入する。更に、ガス状の燃料(純水素ガスや改質ガス等の水素含有ガス)は、燃料搬送源28により、燃料セパレータ2の溝状の燃料通路21に供給される。ガス状の燃料は、燃料通路21から燃料極12の第2ガス拡散層13及び第2触媒層14に向けて矢印E2方向に流入する。
【0031】
そして、第2触媒層14の触媒作用により、燃料に含まれている水素からプロトン(水素イオン)と電子(e−)とが生成される。生成されたプロトンは、電解質膜11を厚み方向に透過して酸化剤極15に至る。電子は図略の導電経路を流れ、導電経路の負荷で電気的仕事を行った後に、酸化剤極15に至る。そして酸化剤極15では、酸化剤極15の第1触媒層17の触媒作用により、酸化剤極15に供給された酸化剤ガス(一般的に空気)とプロトンと電子とが反応して水が生成される。このような発電反応により熱が発生するが、通水路41の水により固体高分子型燃料電池は冷却される。
【0032】
固体高分子型燃料電池の運転の際には、上記した発電反応に基づいてMEA1では水が生成され、その生成水が下流領域93に移送される等の理由により、酸化剤ガスの上流領域91よりも下流領域93の方が生成水が相対的に多くなる傾向となる。上記したMEA1では、上流領域91では乾燥が生じるおそれがあり、下流領域93では余剰水が滞留するおそれがある。
【0033】
なお固体高分子型燃料電池の酸化剤ガス通路31の酸化剤ガス入口に供給される酸化剤ガスとしては、加湿されていないものでも良いし、加湿されているものでも良い。固体高分子型燃料電池の燃料通路21に供給される燃料についても、同様に、加湿されていないものでも良いし、加湿されているものでも良い。
【0034】
ところで、フラッティングを抑制するためには、MEA1に水分を供給するにあたり、酸化剤ガス通路31の酸化剤ガスを水蒸気で加湿させる方式を採用させることが好ましい。この点について本実施例によれば、図1〜図3に示すように、酸化剤ガスセパレータ3の酸化剤ガス通路31が上面開放され、燃料セパレータ2の燃料通路21が下面開放されるように、酸化剤ガスセパレータ3、MEA1、燃料セパレータ2が配置されており、且つ、下から上に向けて(矢印Y1方向)、通水路41、酸化剤ガスセパレータ3、酸化剤ガス通路31、MEA1、燃料セパレータ2の順に位置するように上下方向に積層されている。
【0035】
このため上流領域91では、通水路41の水は、多孔質の酸化剤ガスセパレータ3の細孔による毛細管圧を利用して、酸化剤ガスセパレータ3をこれの厚み方向に沿って上向き(矢印Y2方向)に透過し、酸化剤ガス通路31の上流領域91に供給される。このように通水路41の水を酸化剤ガス通路31の上流領域91に供給するにあたり、重力の反対方向へ水を持ち上げることにしている。このため図2に示すように、酸化剤ガス通路31に供給された水80は、酸化剤ガス通路31の底面31bに溜まり、その水80の水面81の上方に水蒸気空間83が形成され、水蒸気空間83の水蒸気を利用して酸化剤ガス通路31の酸化剤ガスの加湿を行うことができる。
【0036】
更に本実施例によれば、図2に示すように、酸化剤ガス通路31に水80が溜まったとき、その水80は酸化剤ガス通路31の底面31bに溜まるため、酸化剤ガス通路31内の水を持ち上げずとも、酸化剤ガス通路31内の水80の水面81上の水蒸気と、酸化剤ガス通路31内の酸化剤ガスひいてはMEA2とを効果的に接触させることができる。故に、酸化剤ガス通路31に供給する酸化剤ガス(一般的には空気)の圧力を過剰に高圧化せずともよく、酸化剤ガス通路31に供給する酸化剤ガスを大気圧近くに設定できる。このように酸化剤ガス通路31に供給する酸化剤ガスの圧力を過剰に高圧化せずともよいため、酸化剤ガス通路31に供給する酸化剤ガスの制御が容易化される。
【0037】
ここで本実施例によれば、酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス通路31のうち上流領域91の圧力をPaとし、通水路41のうち上流領域91に背向する通水路部分41uの圧力をPwとすると、PwはPaよりも大きく設定されている(Pw>Pa)。PwとPaとの差圧はΔP1として示す(ΔP1=Pw−Pa)。本実施例によれば、上流領域91では、差圧ΔP1の他に、多孔質の酸化剤ガスセパレータ3の細孔による毛細管圧を利用して、通水路41の水を酸化剤ガスセパレータ3にこれの厚み方向に沿って上向き(矢印Y2方向)に透過させ、酸化剤ガス通路31に供給する。このように通水路41の水を酸化剤ガス通路31に供給するにあたり、差圧ΔP1及び細孔による毛細管圧を利用するものの、水に作用する重力の影響をできるだけ抑え得る。
【0038】
これに対して下流領域93については、図3に示すように、酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス通路31のうち下流領域93の圧力をPa’とし、通水路41のうち下流領域93に背向する通水路部分41dの圧力をPw’とすると、Pa’はPw’よりも大きくなるように、通水条件、酸化剤ガスの供給条件等が設定されている(Pa’>Pw’)。Pa’とPw’との差圧はΔP2として示す(ΔP2=Pa’−Pw’)。従って、酸化剤ガスセパレータ3の厚み方向に沿った断面(図3参照)で視たとき、酸化剤ガス通路31の下流領域93の底面31bに溜まっている水は、酸化剤ガスセパレータ3の厚みを下向き(矢印Y3方向)に通水路41に向けて透過する。即ち、酸化剤ガス通路31の下流領域93に溜まっている水を、酸化剤ガスセパレータ3の下方に配置されている通水路41に戻す際には、差圧ΔP2を利用する他に、水に作用する重力を利用して戻すことができる。故に、余剰の水を矢印Y3方向への戻すことを早期に行うことができる。このように余剰の水を通水路41に戻すことを早期に行ない得るため、酸化剤ガス通路31の下流領域93におけるフラッディング現象を抑えるのに寄与できる。
【0039】
即ち、本実施例に係る酸化剤ガスセパレータ3も、上流領域91では、酸化剤ガス通路31を加湿できる加湿機能を有し、下流領域93では、酸化剤ガス通路31の水分を吸収する吸湿機能を有する。
【0040】
ところで、酸化剤ガス通路31の上流領域91では、酸化剤ガス通路31の下流領域93よりも湿度が低いため、乾燥が生じるおそれがある。これに対して、燃料通路21の下流領域21dでは、燃料通路21の上流領域21uよりも湿分が多くなりがちである。この点本実施例によれば、図1から理解できるように、燃料通路21における燃料の主流れ方向と、酸化剤ガス通路31における酸化剤ガスの主流れ方向とは、基本的には逆の配向性をもつ。従って、図1に示すように、酸化剤ガスセパレータ3の厚み方向に沿った断面(図1)において、酸化剤ガス通路31の上流領域91は、燃料通路21の下流領域21dとはMEA1を介して対向するように設定されている。このため、燃料通路21の下流領域21dにおける湿分を酸化剤ガス通路31の上流領域91に矢印B1方向(図1参照)に移行させるのに貢献でき、上流領域91における電解質膜11の過剰乾燥を抑制するのに一層有利である。
【0041】
(第2実施例)
図4及び図5は第2実施例を示す。第2実施例は第1実施例と基本的には同様の構成であり、基本的には同様の作用効果を奏する。第2実施例に係る酸化剤ガスセパレータ3Bの酸化剤ガス通路31に対向する対向面34のうち、上流領域91が疎水性とされていると共に、下流領域93が親水性とされている。
【0042】
図5は、酸化剤ガスセパレータ3Bにおける疎水性及び親水性の強さの変化を模式的に示す。図5の横軸は酸化剤ガスセパレータ3Bの上流端から下流端までの位置を示す。図5の縦軸は疎水性及び親水性の強さを示す。図5の特性線S1,S2に示すように、酸化剤ガスセパレータ3の疎水性は上流端から下流領域93に向かうにつれて傾斜的にまたは段階的に弱くなり、下流領域93では傾斜的にまたは段階的に親水性が強くなるように設定されている。
【0043】
本実施例によれば、酸化剤ガスセパレータ3Bのうち通水路41に対向する対向面30(下面)は、親水性を有するため、通水路41に存在する液相としての水を、毛細管圧により、酸化剤ガスセパレータ3において矢印Y2方向に向けて浸透させて、酸化剤ガスセパレータ3Bの細孔を封止させ易くなる。この結果、液相としての水を利用して酸化剤ガスセパレータ3Bの細孔のシールを図ることができ、酸化剤ガス通路31の酸化剤ガスが通水路41に洩れることが効果的に抑えられる。
【0044】
酸化剤ガスセパレータ3Bのうち酸化剤極15に対向する対向面34において、下流領域93側は親水性とされている。このため酸化剤ガスセパレータ3の下流領域93側の細孔には、液相としての水を良好に浸透させることができる。そして酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス通路31の下流領域93の酸化剤ガスの圧力をPa’は、通水路41のうち下流領域93に背向する下流通水路部分41dの水の圧力Pw’よりも大きく設定されている(Pa’>Pw’)。このため、酸化剤ガスセパレータ3Bのうち下流領域93においては、下流領域93に滞留する余剰の水を、酸化剤ガスセパレータ3Bの細孔を経て、通水路41へと矢印Y3方向に押し出すことを期待できる。これにより下流領域93において液相としての水が余剰に滞留するようなときであっても、下流領域93における余剰水を通水路41に効果的に戻すのに寄与することができる。この結果、酸化剤ガスの下流領域93における水の余剰滞留を一層抑制することができ、下流領域93におけるフラッディング現象の抑制に寄与することができる。
【0045】
即ち、本実施例に係る酸化剤ガスセパレータ3Bも、上流領域91では、酸化剤ガス通路31を加湿できる加湿機能を有し、下流領域93では、酸化剤ガス通路31の水分を吸収する吸湿機能を有する。
【0046】
(製造例)
上記した多孔質な酸化剤ガスセパレータ3,3Bは次のように形成できる。即ち、カーボン系材料(天然黒鉛、人造黒鉛等)とバインダ(熱硬化性樹脂、例えばフェノール樹脂)と消失可能な造孔材(セルロース系有機質材)とを混合した混合材料を用いる。この混合材料を成形型のキャビティ型面でプレス成形して成形体とし、その成形体を焼成温度(例えば500〜600℃)において焼成し、成形体の造孔材を消失させることにより、多数の細孔をもつ酸化剤ガスセパレータ3,3Bを形成することができる。造孔材のサイズが大きいと、細孔径を大きくできる。造孔材のサイズが小さいと、細孔径を小さくできる。細孔径としては例えば、1〜100μm、2〜30μm、2〜15μm、殊に3〜4μmとすることができる。気孔率としては体積比で10〜90%、15〜60%、殊に20〜40%とすることができる。
【0047】
酸化剤ガスセパレータ3Bに疎水性を与える場合には、疎水性物質としては、フッ素原子,CF2基,CF3基,CH3基,CH2基等を有するものがあげられ、フッ素、フッ素樹脂(PTFE、FEP、PFA、PVDF等)、フッ化黒鉛、疎水性カーボン、シラン化合物、パラフィン等を例示できる。
【0048】
疎水性処理の代表例としては、酸化剤ガスセパレータ3Bの上流領域91では、疎水処理時間を長めとし、上流領域91から下流領域93にかけて疎水処理時間を次第に短くすることができる。これにより上流領域91から下流領域93にかけて疎水性に強さの勾配を与えることができる。
【0049】
例えば次のように行うことができる。図6に示すように、疎水処理を行う処理容器100の処理室101を、仕切部材102により疎水処理室103と隔離室104とに仕切る。仕切部材102としてはゴムシール材等の可撓性材料を採用できる。疎水処理室103には、疎水処理を行う疎水性物質を含む改質ガスが供給される。隔離室104への改質ガスの供給は、仕切部材102により制約される。そして、酸化剤ガスセパレータ3をこれの先端3xから疎水処理室103に向けて矢印W1方向に所定の速度で移動させる。酸化剤ガスセパレータ3の先端3xでは、疎水処理室103で改質ガスにより改質される改質時間が長くなるため、疎水処理が進行して、疎水性物質が多く付着し、酸化剤ガスセパレータ3の疎水性が強めとなる。この結果、酸化剤ガスセパレータ3の上流領域91で疎水性を強くでき、上流領域91から下流領域93に向かうにつれて疎水性を次第に低下させることができ、疎水性の強さの勾配をつけることができる。
【0050】
疎水処理を行う改質ガスとしては、フッ素ガス、あるいは、フッ素ガスと不活性ガス(窒素等)とを主要成分とするガスを用いることができる。疎水処理室103の雰囲気温度としては適宜選択できるが、一般的には、室温から400℃程度とすることができる。
【0051】
親水性を与える場合には、親水性物質を液状媒体(水、アルコール等)に溶解または分散させた溶液を用い、その溶液と酸化剤ガスセパレータ3とを接触させることにより行い得る。親水性物質としては、過酸化水素水、二酸化珪素の粉末、酸化アルミニウムの粉末等を例示することができ、その表面に水酸基やカルボキシル基等の親水性の官能基を多量に含むものを例示することができる。更に、吸水性の樹脂である、デンプン・アクリル酸共重合体、ポリアクリル酸塩、ポリビニルアルコール等を用いることもできる。また、イオン交換樹脂、吸水性多糖類を親水性物質として例示できる。いずれもその構造内に、水酸基、カルボキシル基、アルデヒド基、アミノ基、スルホ基等の親水性の官能基のうちの少なくとも1種を有するものを例示することができる。親水性の勾配を付けるにあたっては、親水性物質を有する溶液と酸化剤ガスセパレータ3とを用い、酸化剤ガスセパレータ3の先端から溶液に浸漬し、浸漬量を次第に増加させることにより、酸化剤ガスセパレータ3とを接触させる接触時間を調整して行い得る。
【0052】
(その他)
上記した実施例によれば、燃料極12は緻密体とされているが、これに限らず、細孔をもつ多孔質体とすることもでき、その細孔を水で封止してシールすることができる。第1触媒層17及び第2触媒層14は電解質膜11の表裏に直接的に被覆されていても良い。その他、本発明は上記した実施例のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施できるものである。上記した記載から次の技術的思想を把握できる。
【0053】
【発明の効果】
以上説明したように本発明に係る固体高分子型燃料電池によれば、酸化剤ガスセパレータの酸化剤ガス通路が上面開放され、且つ、下から上に向けて、通水路、酸化剤ガスセパレータ、酸化剤ガス通路、膜・電極接合体、燃料セパレータの順に位置するように積層されている。このため酸化剤ガス通路に水が溜まったとき、その水は底に溜まるため、水蒸気により酸化剤ガスを加湿させることができ、フラッティング現象を抑制するのに有利である。
【0054】
更に、酸化剤ガス通路内の水を持ち上げずとも、酸化剤ガス通路内の水蒸気と膜・電極接合体とを接触させるのに有利となり、酸化剤ガス通路に供給する酸化剤ガスの圧力を過剰に高圧化せずともよく、酸化剤ガス通路に供給する酸化剤ガスの圧力を大気圧または大気圧の近くにできる。このように酸化剤ガス通路に供給する酸化剤ガスの圧力を過剰に高圧化せずともよいため、酸化剤ガス通路に供給する酸化剤ガスの制御が容易化する。
【0055】
更に、酸化剤ガスセパレータの厚み方向に沿った断面で視たとき、下流領域では、水が酸化剤ガスセパレータの厚みを下向きに透過する形態を採用した場合には、酸化剤ガス通路の下流領域に溜まっている水を、これに作用する重力を利用して、酸化剤ガスセパレータの下方の通水路に戻すことができるため、酸化剤ガス通路の下流領域における酸化剤ガスの圧力がさほど高圧でないときであっても、酸化剤ガス通路の水を通水路に早期に戻すことができる。このため下流領域におけるフラッティング現象を抑制するのに有利である。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1実施例に係り、固体高分子型燃料電池の概念を模式的に示す断面図である。
【図2】酸化剤ガス通路の上流領域付近の正面図である。
【図3】酸化剤ガス通路の下流領域付近の正面図である。
【図4】第2実施例に係り、固体高分子型燃料電池の概念を模式的に示す断面図である。
【図5】酸化剤ガスセパレータにおける疎水性及び親水性の強さの変化を示すグラフである。
【図6】酸化剤ガスセパレータに処理容器により疎水処理を行っている状態を示す斜視図である。
【図7】従来例に係り、固体高分子型燃料電池の要部を模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
図中、1はMEA、11は電解質膜、12は燃料極、15は酸化剤極、2は燃料セパレータ、21は燃料通路、3は酸化剤ガスセパレータ、31は酸化剤ガス通路、41は通水路、91は上流領域、93は下流領域を示す。
Claims (3)
- イオン伝導性をもつ電解質膜と、前記電解質膜の厚み方向の片側に設けられた燃料極と、前記電解質膜の厚み方向の他の片側に設けられた酸化剤極とからなる膜・電極接合体と、
前記燃料極に燃料を供給する燃料通路を形成する燃料セパレータと、
前記酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス通路と水が収容される通水路を仕切ると共に、多数の細孔をもつ多孔質性の酸化剤ガスセパレータとを具備する固体高分子型燃料電池において、
前記酸化剤ガスセパレータの前記酸化剤ガス通路が上面開放され、且つ、下から上に向けて、前記通水路、前記酸化剤ガスセパレータ、前記酸化剤ガス通路、前記膜・電極接合体、前記燃料セパレータの順に位置するように、
前記酸化剤ガスセパレータ、前記膜・電極接合体、前記燃料セパレータが上下方向に積層されており、
前記酸化剤ガス通路において、酸化剤ガスが流れる上流を上流領域とし、酸化剤ガスが流れる下流を下流領域とするとき、前記酸化剤ガスセパレータの厚み方向に沿った断面で視たとき、前記上流領域では、前記通水路の水は前記酸化剤ガスセパレータの厚みを上向きに透過すると共に、
前記酸化剤ガスセパレータの厚み方向に沿った断面で視たとき、前記酸化剤ガス通路の前記下流領域の水は前記酸化剤ガスセパレータの厚みを下向きに前記通水路に向けて透過することを特徴とする固体高分子型燃料電池。 - イオン伝導性をもつ電解質膜と、前記電解質膜の厚み方向の片側に設けられた燃料極と、前記電解質膜の厚み方向の他の片側に設けられた酸化剤極とからなる膜・電極接合体と、
前記燃料極に燃料を供給する燃料通路を形成する燃料セパレータと、
前記酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス通路と水が収容される通水路を仕切ると共に、多数の細孔をもつ多孔質性の酸化剤ガスセパレータとを具備する固体高分子型燃料電池において、
前記酸化剤ガスセパレータの前記酸化剤ガス通路が上面開放され、且つ、下から上に向けて、前記通水路、前記酸化剤ガスセパレータ、前記酸化剤ガス通路、前記膜・電極接合体、前記燃料セパレータの順に位置するように、
前記酸化剤ガスセパレータ、前記膜・電極接合体、前記燃料セパレータが上下方向に積層されており、
前記酸化剤ガス通路において、酸化剤ガスが流れる上流を上流領域とし、酸化剤ガスが流れる下流を下流領域とするとき、前記酸化剤ガスセパレータの厚み方向に沿った断面で視たとき、前記上流領域では、前記通水路の水は前記酸化剤ガスセパレータの厚みを上向きに透過すると共に、
前記酸化剤ガスセパレータの前記酸化剤ガス通路のうち前記上流領域は、前記前記下流領域よりも疎水性が強く設定されていることを特徴とする固体高分子型燃料電池。 - イオン伝導性をもつ電解質膜と、前記電解質膜の厚み方向の片側に設けられた燃料極と、前記電解質膜の厚み方向の他の片側に設けられた酸化剤極とからなる膜・電極接合体と、
前記燃料極に燃料を供給する燃料通路を形成する燃料セパレータと、
前記酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス通路と水が収容される通水路を仕切ると共に、多数の細孔をもつ多孔質性の酸化剤ガスセパレータとを具備する固体高分子型燃料電池において、
前記酸化剤ガスセパレータの前記酸化剤ガス通路が上面開放され、且つ、下から上に向けて、前記通水路、前記酸化剤ガスセパレータ、前記酸化剤ガス通路、前記膜・電極接合体、前記燃料セパレータの順に位置するように、
前記酸化剤ガスセパレータ、前記膜・電極接合体、前記燃料セパレータが上下方向に積層されており、
前記酸化剤ガス通路において、酸化剤ガスが流れる上流を上流領域とし、酸化剤ガスが流れる下流を下流領域とするとき、前記酸化剤ガスセパレータの厚み方向に沿った断面で視たとき、前記上流領域では、前記通水路の水は前記酸化剤ガスセパレータの厚みを上向きに透過すると共に、
前記酸化剤ガスセパレータの前記酸化剤ガス通路のうち下流領域は、前記上流領域よりも親水性が強く設定されていることを特徴とする固体高分子型燃料電池。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2002313827A JP4321041B2 (ja) | 2002-10-29 | 2002-10-29 | 固体高分子型燃料電池 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2002313827A JP4321041B2 (ja) | 2002-10-29 | 2002-10-29 | 固体高分子型燃料電池 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2004152517A JP2004152517A (ja) | 2004-05-27 |
JP4321041B2 true JP4321041B2 (ja) | 2009-08-26 |
Family
ID=32458312
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2002313827A Expired - Fee Related JP4321041B2 (ja) | 2002-10-29 | 2002-10-29 | 固体高分子型燃料電池 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP4321041B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP5332092B2 (ja) * | 2006-09-11 | 2013-11-06 | トヨタ自動車株式会社 | 燃料電池 |
-
2002
- 2002-10-29 JP JP2002313827A patent/JP4321041B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2004152517A (ja) | 2004-05-27 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP5109311B2 (ja) | 膜電極接合体、および、これを用いた燃料電池 | |
JP2006523936A (ja) | 直接メタノール燃料電池における受動的水管理技術 | |
EP2352194A1 (en) | Membrane electrode assembly for fuel cell, and fuel cell utilizing same | |
TWI431843B (zh) | 膜電極組結構及其製作方法 | |
JP2009026762A (ja) | 濃縮燃料で作動する直接酸化燃料電池システム用の多孔質輸送構造体 | |
JP4180404B2 (ja) | 燃料電池、酸化剤配流板 | |
JP2002367655A (ja) | 燃料電池 | |
JPWO2007123066A1 (ja) | 固体高分子型燃料電池 | |
WO2010084753A1 (ja) | 燃料電池 | |
KR100645832B1 (ko) | 고분자 전해질형 연료전지용 막전극접합체, 그 제조방법 및상기 막전극접합체를 포함하는 연료전지 | |
JP4321039B2 (ja) | 固体高分子型燃料電池、固体高分子型燃料電池用の酸化剤ガスセパレータ | |
CA2685798C (en) | Membraneless fuel cell and method of operating same | |
JP4321040B2 (ja) | 固体高分子型燃料電池 | |
JP2011096460A (ja) | 燃料電池用カソード電極および燃料電池 | |
JP2011134600A (ja) | 膜電極接合体及び燃料電池 | |
JP4321041B2 (ja) | 固体高分子型燃料電池 | |
JP5186778B2 (ja) | 液体燃料供給板、それを用いて成る燃料電池、並びに、液体燃料供給方法 | |
JP2007299712A (ja) | 燃料電池 | |
JP4300455B2 (ja) | 固体高分子型燃料電池 | |
JPWO2006104128A1 (ja) | 燃料電池 | |
JP2007042600A (ja) | 燃料電池 | |
JP2011096468A (ja) | 燃料電池 | |
JP2011096466A (ja) | 燃料電池 | |
KR20060093792A (ko) | 연료전지용 전극 및 이를 포함하는 연료전지 시스템 | |
JP5176316B2 (ja) | 燃料電池セル及び燃料電池スタック |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20050915 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20070914 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20071106 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20071219 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20090512 |
|
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20090525 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120612 Year of fee payment: 3 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130612 Year of fee payment: 4 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |