JP4385773B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、水素と酸素との電気化学反応により電気エネルギを発生させる燃料電池システムに関するものである。

燃料電池の酸化ガス側（空気極側）では発電に伴い水が生成されるが、生成水の一部は電解質膜を透過して燃料ガス側（燃料極側）へ移動する。燃料ガス側へ透過した水分が凝縮すると、酸化ガス側よりも流速の遅い燃料ガス側では、燃料ガス流路内でフラッディング（水滴がガス流路に滞留することにより、電解質膜へのガス供給が阻害され、発電性能が低下する現象）を起こしやすい。このフラッディングを防止するために、燃料ガス側のセパレータの厚みを酸化ガス側のセパレータの厚みに比べて厚くし、燃料ガスの冷却性をやや低下させて燃料ガス側へ透過した水分の凝縮を抑制するようにした方法が提案されている（例えば、特許文献１、２、３参照）。

即ち、特許文献１および特許文献２ではアノード側（燃料極側）のセパレータ部分の厚みをカソード側（空気極側）のそれに対して厚くしている。特許文献３ではアノード側およびカソード側のセパレータの冷却水が接触する側をフィン形状としており、このフィン形状のため、セパレータの厚みが厚く設定される。
特開２００２−２７０１９７号公報 特開２００３−４５４５１号公報 特開平８−３２１３１４号公報

しかしながら、特許文献１〜特許文献３に示された従来の燃料電池システムでは、セパレータの厚さを大きくする必要がある。 本発明は上記点に鑑みて、セパレータの厚さを大きく設定することなくフラッディングを防止可能にすることを目的としている。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、酸素を主成分とする酸化ガスと水素を主成分とする燃料ガスとを電気化学反応させて電気エネルギを発生させる燃料電池を備える燃料電池システムにおいて、燃料電池は、電解質膜を有するＭＥＡ（１）と、酸化ガスが流れる酸化ガス流路（２１）が一方の面側に形成されるとともに、ＭＥＡの一方の面側に酸化ガス流路を対向させて配置された酸化ガス側セパレータ（２）と、燃料ガスが流れる燃料ガス流路（３１）が一方の面側に形成されるとともに、ＭＥＡの他方の面側に燃料ガス流路を対向させて配置された燃料ガス側セパレータ（３）とを備え、冷却水が流れる冷却水流路（２４、３４）が、酸化ガス側セパレータの他方の面側および燃料ガス側セパレータの他方の面側に形成され、燃料ガス側セパレータの冷却水流路（３４）から燃料ガス流路への熱伝導率が酸化ガス側セパレータの冷却水流路（２４）から酸化ガス流路への熱伝導率よりも低くなるように、燃料ガス側セパレータの冷却水流路と燃料ガス流路との間に断熱層（４）を備えることを特徴とする。

これにより、燃料ガスは酸化ガスよりも冷却されにくいため、燃料ガスの温度は酸化ガスの温度に比べ高くなり、アノード側でのフラッディングの発生を抑制することができる。このように、セパレータの厚さを大きく設定することなくフラッディングを防止することができる。
また、断熱層は例えばコーティングにより形成することができ、その場合、各セパレータの形状、寸法、材質を変更する必要がないため、容易に実施することが可能である。
請求項２に記載の発明では、燃料ガス側セパレータ（３）と酸化ガス側セパレータ（２）とが、直接接触している部位を有することを特徴とする。

これによると、両セパレータが直接接触する部位を有する結果、該部位にて導電性を確保することができる。このため、導電率を低下させずに熱伝導性を下げることができるものである。
請求項３の記載の発明では、酸素を主成分とする酸化ガスと水素を主成分とする燃料ガスとを電気化学反応させて電気エネルギを発生させる燃料電池を備える燃料電池システムにおいて、燃料電池は、電解質膜を有するＭＥＡ（１）と、酸化ガスが流れる酸化ガス流路（２１）が一方の面側に形成されるとともに、ＭＥＡの一方の面側に酸化ガス流路を対向させて配置された酸化ガス側セパレータ（２）と、燃料ガスが流れる燃料ガス流路（３１）が一方の面側に形成されるとともに、ＭＥＡの他方の面側に燃料ガス流路を対向させて配置された燃料ガス側セパレータ（３）とを備え、冷却水が流れる冷却水流路（２４、３４）が、酸化ガス側セパレータの他方の面側および燃料ガス側セパレータの他方の面側に形成され、冷却水流路を構成する酸化ガス側セパレータおよび燃料ガス側セパレータのうち、燃料ガス側セパレータのみの冷却水流路の表面の少なくとも一部に、燃料ガス側セパレータよりも熱伝導率が低い材質よりなる断熱層（４）を備えることを特徴とする。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

本発明の一実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。図１は一実施形態に係る燃料電池システムにおける燃料電池の構成を示す断面図である。

燃料電池は、水素供給装置から燃料ガス（水素）が供給され、空気供給装置から酸化ガス（酸素を含んだ空気）が供給され、冷却装置から冷却水が供給されるようになっている。

図１において、燃料電池はセルを多数積層して構成されており、そのセルは、電解質膜と触媒層と拡散層からなる薄板状のＭＥＡ１を、酸化ガス側セパレータ２と燃料ガス側セパレータ３とで挟み込む格好で形成される。

酸化ガス側セパレータ２は、例えばカーボンにて板状に形成され、酸化ガスが流れる酸化ガス流路２１が一方の面側に形成されている。空気供給装置から供給される酸化ガスは、酸化ガス入口２２から流入し、酸化ガス流路２１を通って酸化ガス出口２３から流出するようになっている。そして、酸化ガス流路２１をＭＥＡ１に対向して配置することにより、酸化ガス流路２１を通る酸化ガスをＭＥＡ１に接触させるようになっている。また、酸化ガス側セパレータ２は、冷却水が流れる冷却水流路２４が他方の面側に形成されており、この冷却水流路２４は燃料ガス側セパレータ３に対向している。

燃料ガス側セパレータ３は、酸化ガス側セパレータ２と同材質にて板状に形成され、燃料ガスが流れる燃料ガス流路３１が一方の面側に形成されている。水素供給装置から供給される燃料ガスは、燃料ガス入口３２から流入し、燃料ガス流路３１を通って燃料ガス出口３３から流出するようになっている。そして、燃料ガス流路３１をＭＥＡ１に対向して配置することにより、燃料ガス流路３１を通る燃料ガスをＭＥＡ１に接触させるようになっている。

また、燃料ガス側セパレータ３は、冷却水が流れる冷却水流路３４が他方の面側に形成されており、この冷却水流路３４は酸化ガス側セパレータ２に対向している。そして、燃料ガス側セパレータ３の冷却水流路３４と燃料ガス流路３１との間、より詳細には、燃料ガス側セパレータ３の冷却水流路３４における底部には、燃料ガス側セパレータ３よりも熱伝導率が低い材質（例えば、樹脂）よりなる断熱層４がコーティングによって形成されている。熱伝導率が低い断熱層４を設けることにより、燃料ガスは酸化ガスよりも冷却されにくくなり、燃料ガスの温度は酸化ガスの温度に比べ高くなる。

酸化ガス側セパレータ２における冷却水流路２４が形成された面と、燃料ガス側セパレータ３における冷却水流路３４が形成された面とは、冷却水通路２４、３４の部位を除いて直接接触している。このように、両セパレータ２、３が直接接触する部位を有する結果、該部位にて導電性を確保することができる。このため、導電率を低下させずに熱伝導性を下げることができる。

酸化ガスと燃料ガスの流れの向きは対向しており、ＭＥＡ１を介して酸化ガス入口２２の反対側に燃料ガス出口３３が形成され、酸化ガス出口２３の反対側に燃料ガス入口３３が形成されている。

次に、上記構成になる燃料電池システムの作動を説明する。図２は、従来の燃料電池システム、すなわち酸化ガスの温度と燃料ガスの温度が等しい燃料電池システム（以下、従来システムという）の作動説明に供する図である。図３は本実施形態に係る燃料電池システムの作動説明に供する図である。図２および図３の横軸は、酸化ガス流路２１および燃料ガス流路３１の位置である。

まず、従来システムの作動を、図２に基づいて説明する。なお、図２中の水蒸気分圧は、酸化ガスおよび燃料ガスのガス温度がともに８０℃のときの値である。

酸化ガス側は、発電により酸化ガスが消費されるため、酸化ガス入口側から酸化ガス出口側へ向かってガス流量が減少する。ただし、一般に酸化ガスとして空気を使用する場合、その減少量は少ない（図２のａ参照）。また酸化ガス側は発電に伴う生成水により、酸化ガス流路中の水分量が酸化ガス出口側へ向かって増加し（図２のｂ参照）、水蒸気分圧が飽和水蒸気圧に達すると（図２のｃ点）、酸化ガス流路内には水滴が現れる。

一方、燃料ガス側は、酸化ガスと同様に発電により燃料ガスが消費されるため、燃料ガス入口側から出口側へ向かってガス流量が減少する（図２のｄ参照）。燃料ガス側は酸化ガス側とは異なり発電に伴う生成水は存在しないが、電解質膜を透過する水分の影響により燃料ガス側の水分量は変動する。

燃料ガス入口付近（＝酸化ガス出口付近）においては、酸化ガスの水蒸気分圧が燃料ガスの水蒸気分圧に比べ高いため、酸化ガス側から燃料ガス側へ透過する水分が存在し（図２のｅ参照）、これにより燃料ガス中の水分量は燃料ガス出口側へ向かって増加するとともに、燃料ガス中の水蒸気分圧は燃料ガス出口側へ向かって上昇する（図２のｆ参照）。酸化ガスと同様に燃料ガスの水蒸気分圧が飽和水蒸気圧に達すると（図２のｇ点）、燃料ガス流路内には水滴が現れる。

逆に、燃料ガス出口付近（＝酸化ガス入口付近）においては、燃料ガスの水蒸気分圧が酸化ガスの水蒸気分圧に比べ高いため、燃料ガス側から酸化ガス側へ透過する水分が存在し（図２のｈ参照）、これにより燃料ガスの水分量は燃料ガス出口側へ向かって減少するが（図２のｉ参照）、燃料ガス側の飽和水分量も燃料ガス出口側に向かって減少するため、燃料ガスの水蒸気分圧は低下しない（図２のｊ参照）。

次に、本実施形態に係る燃料電池システムの作動を、図３に基づいて説明する。なお、図３中の水蒸気分圧は、酸化ガスのガス温度が８０℃、燃料ガスのガス温度が８３℃のときの値である。

本実施形態では、熱伝導率が低い断熱層４を設けることにより、燃料ガスは酸化ガスよりも冷却されにくくなり、燃料ガスの温度は酸化ガスの温度に比べ高くなる（図３のｋ参照）。燃料ガス側のガス温度が酸化ガス側のガス温度に比べ高くなると、燃料ガス側の飽和水蒸気圧は酸化ガス側の飽和水蒸気圧に比べ高くなる（図３のｌ参照）。燃料ガス側の飽和水蒸気圧が高くなると、今まで飽和に達していた燃料ガス側の水蒸気分圧はさらに高くなることができ、酸化ガス側の水蒸気分圧との分圧差が生じることにより、電解質膜を透過して、燃料ガス側から酸化ガス側への水分透過量を増やすことができる（図３のｍ参照）。この電解質膜を透過する水分量が変化すると、酸化ガス側の水分量も変化するが、その量は生成水量に比べて少なく、無視できる程度である。しかし、元々水分量の少ない燃料ガス側は、この透過水分量の変化の影響を大きく受ける。

以下、従来システムと比較して説明する。従来システムの場合、燃料ガス入口３２と燃料ガス出口３３の中間付近においては、酸化ガス及び燃料ガスの各水蒸気分圧がともに飽和に達していたが、本実施形態の場合、燃料ガス入口３２と燃料ガス出口３３の中間付近において、燃料ガスの水蒸気分圧が酸化ガスの水蒸気分圧より高くなるため（図３のｎ参照）、燃料ガス側から酸化ガス側へ水分が透過するようになる（図３のｏ参照）。これにより、燃料ガス流路３１における後半（下流域）での水蒸気分圧を低減でき（図３のｐ参照）、酸化ガス側よりも流速の遅い燃料ガス側でのフラッディングを防止することができる。

以上述べたように、本実施形態によると、熱伝導率が低い断熱層４を設けることにより、燃料ガスは酸化ガスよりも冷却されにくくなるため、燃料ガスの温度は酸化ガスの温度に比べ高くなる。その結果、燃料ガス側の水分を電解質膜を透過させて酸化ガス側へ移動させ、酸化ガス側よりも流速の遅い燃料ガス側流路３１内でのフラッディングを防止することができる。

なお、本実施形態では、断熱層４をコーティングによって形成したが、断熱層４の形成方法としては、セパレータの表面全体に例えばステンレス、テトラフルオロエチレン樹脂をスパッタリングし、必要な部分を残して削り取る方法でもよい。

また、図４のように、燃料ガス側セパレータの冷却水通路の全体に断熱層４を形成しても勿論よい。

本発明の一実施形態に係る燃料電池システムにおける燃料電池の構成を示す断面図である。 従来の燃料電池システムの作動説明に供する図である。 一実施形態に係る燃料電池システムの作動説明に供する図である。 他の実施形態に係る燃料電池システムにおける燃料電池の構成を示す断面図である。

符号の説明

１…ＭＥＡ、２…酸化ガス側セパレータ、２１…酸化ガス流路、２４、３４…冷却水流路、３…燃料ガス側セパレータ、３１…燃料ガス流路。

Claims (3)

1. 酸素を主成分とする酸化ガスと水素を主成分とする燃料ガスとを電気化学反応させて電気エネルギを発生させる燃料電池を備える燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池は、電解質膜を有するＭＥＡ（１）と、前記酸化ガスが流れる酸化ガス流路（２１）が一方の面側に形成されるとともに、前記ＭＥＡの一方の面側に前記酸化ガス流路を対向させて配置された酸化ガス側セパレータ（２）と、前記燃料ガスが流れる燃料ガス流路（３１）が一方の面側に形成されるとともに、前記ＭＥＡの他方の面側に前記燃料ガス流路を対向させて配置された燃料ガス側セパレータ（３）とを備え、
   冷却水が流れる冷却水流路（２４、３４）が、前記酸化ガス側セパレータの他方の面側および前記燃料ガス側セパレータの他方の面側に形成され、
   前記燃料ガス側セパレータの前記冷却水流路（３４）から前記燃料ガス流路への熱伝導率が前記酸化ガス側セパレータの前記冷却水流路（２４）から前記酸化ガス流路への熱伝導率よりも低くなるように、前記燃料ガス側セパレータの前記冷却水流路と前記燃料ガス流路との間に断熱層（４）を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記燃料ガス側セパレータ（３）と前記酸化ガス側セパレータ（２）とが、直接接触している部位を有することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 酸素を主成分とする酸化ガスと水素を主成分とする燃料ガスとを電気化学反応させて電気エネルギを発生させる燃料電池を備える燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池は、電解質膜を有するＭＥＡ（１）と、前記酸化ガスが流れる酸化ガス流路（２１）が一方の面側に形成されるとともに、前記ＭＥＡの一方の面側に前記酸化ガス流路を対向させて配置された酸化ガス側セパレータ（２）と、前記燃料ガスが流れる燃料ガス流路（３１）が一方の面側に形成されるとともに、前記ＭＥＡの他方の面側に前記燃料ガス流路を対向させて配置された燃料ガス側セパレータ（３）とを備え、
   冷却水が流れる冷却水流路（２４、３４）が、前記酸化ガス側セパレータの他方の面側および前記燃料ガス側セパレータの他方の面側に形成され、
   前記冷却水流路を構成する前記酸化ガス側セパレータおよび前記燃料ガス側セパレータのうち、前記燃料ガス側セパレータのみの前記冷却水流路の表面の少なくとも一部に、前記燃料ガス側セパレータよりも熱伝導率が低い材質よりなる断熱層（４）を備えることを特徴とする燃料電池システム。

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