JP4453426B2

JP4453426B2 - 燃料電池

Info

Publication number: JP4453426B2
Application number: JP2004118880A
Authority: JP
Inventors: 仁濱田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-04-14
Filing date: 2004-04-14
Publication date: 2010-04-21
Anticipated expiration: 2024-04-14
Also published as: JP2005302596A

Description

本発明は、燃料電池に関し、電解質膜へガスを供給する流路を備えた燃料電池に適用して好適である。

燃料電池は、アノード側に供給した水素と、カソード側に供給した酸素を反応させて電力を発生するため、アノード側、カソード側にはそれぞれ水素、酸素の流路が設けられている。例えば、特開平１１−１６５９１号公報には、ガス供給用流路と、ガス供給用流路とは不連続に配設されたガス排出用流路とをセパレータに配設し、ガス供給用流路に供給されたガスが電極を通り抜けてガス排出用流路へ排出される構成が開示されている。

特開平１１−１６５９１号公報特開２００３−１００３２１号公報特開２００２−３１３３６７号公報特開平６−１６８７２８号公報

しかしながら、特開平１１−１６５９１号公報に記載された技術では、ガス供給用流路に供給されたガスはあらゆる方向に拡散しながら電極を通過するため、拡散方向が触媒層の方向でないガスは、触媒層の手前で他の方向に拡散してしまい、触媒層に到達しない。このため、ガスの利用効率が低下し、燃料電池の効率が低下する虞がある。

この発明は、上述のような問題を解決するためになされたものであり、電極に供給したガスの利用効率を高め、燃料電池の効率を向上させることを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、電解質と、電解質との接触面に触媒を有する電極と、前記電極に隣接して配設されたセパレータと、を備えた燃料電池であって、前記セパレータに配設され、ガス供給流路とのみ連通し、前記電極にガスを供給する第１のガス流路と、前記第１のガス流路と前記電極との間に連通して配設され、前記第１のガス流路の圧力が前記電極近傍よりも高圧となるように差圧を発生させる差圧発生手段と、を備えたことを特徴とする。

第２の発明は、第１の発明において、前記第１のガス流路は、前記電極と対向する面に沿って延在し、前記差圧発生手段は、前記第１のガス流路内のガスの流れ方向に連続的に設けられたことを特徴とする。

第３の発明は、第１又は第２の発明において、前記差圧発生手段は、ガスが透過可能な多孔質体からなることを特徴とする。

第４の発明は、第３の発明において、前記第１のガス流路内のガスの流れ方向において、下流側に位置する前記多孔質体ほどガスの透過性を高くしたことを特徴とする。

第５の発明は、第１〜第４の発明のいずれかにおいて、前記セパレータに配設され、ガス排出流路とのみ連通し、前記電極に供給されたガスを排出する第２のガス流路を備えたことを特徴とする。

第６の発明は、第１〜第５の発明のいずれかにおいて、前記ガス排出流路から排出されるガスの流れを停止する運転モードを備えたことを特徴とする。

第１の発明によれば、第１のガス流路の圧力が電極近傍よりも高圧となるように差圧を発生させるため、電極の手前でガスが拡散してしまうことを抑止でき、ガスを電極に確実に到達させることが可能となる。従って、より多くのガスを電極に供給することが可能となり、ガスの利用効率の低下を抑止することができる。

第２の発明によれば、差圧発生手段をガスの流れ方向に連続的に設けたため、差圧発生手段の平面的なスペースを広くすることができ、電極により多くのガスを到達させることができる。

第３の発明によれば、差圧発生手段をガスが透過可能な多孔質体から構成したため、第１のガス流路の圧力が電極近傍よりも高圧となるように差圧を発生させることが可能となる。

第４の発明によれば、第１のガス流路内のガスの流れ方向において、下流側に位置する多孔質体ほどガスの透過性を高くしたため、第１のガス流路における圧力損失の影響を排除することができ、第１のガス流路の上流側と下流側で圧力を均一にすることができる。これにより、電極に対して均一にガスを供給することが可能となる。

第５の発明によれば、電極に供給されたガスを排出する第２のガス流路を設けたため、電極に供給したガスを第２のガス流路から排出することが可能となる。また、第２のガス流はガス排出流路とのみ連通し、ガス供給流路と連通していないため、ガス供給流路を流れるガスは、電極に到達した後、第２のガス流路から排出されることとなる。従って、ガス供給流路に供給したガスを確実に電極に供給することが可能となる。

第６の発明によれば、ガス排出流路から排出されるガスの流れを停止する運転モードを備えるため、燃料電池に供給したガスを燃料電池内部に留めることができ、燃料電池内の反応を促進することができる。

以下、図面に基づいてこの発明の一実施形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。なお、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

図１は、本発明の実施の形態１にかかる燃料電池１０とその周辺の構成を示す模式図である。燃料電池１０は、例えば固体高分子型分離膜を備えた燃料電池（ＰＥＭＦＣ）であり、複数の単位セルを積層して構成されている。各単位セルは、電解質膜（分離膜）、アノード電極、カソード電極、およびセパレータを有して構成されている。

燃料電池１０のアノード電極には水素を含むアノードガスが送られ、カソード電極には酸素を含む酸化ガスが送られる。アノード電極では、アノードガスが送り込まれると、このアノードガス中の水素から水素イオンを生成し（Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻）、カソード電極は、カソードガスが送り込まれると、このカソードガス中の酸素から酸素イオンを生成し、燃料電池１０内では電力が発生する。また、これと同時にカソード電極において、上記の水素イオンと酸素イオンとから水が生成される（（１／２）Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ）。この水のほとんどは、燃料電池１０内で発生する熱を吸収して水蒸気として生成される。

図１に示すように、アノード側から排出されたアノードオフガスの流路には、制御弁１１が設けられている。本実施形態の燃料電池１０は、アノードガス中の水素の利用効率を高めるため、制御弁１１によってアノードオフガスの流れを適宜停止させる運転（デッドエンド運転）を行う。これにより、アノードガス中の水素が燃料電池１０外に排出される量を少なくすることができ、アノードガス中の水素が反応に使われる割合をより高めることができる。

図２は、積層方向のアノード側から単位セルを見た状態を示す模式図であって、主にアノード側に配置されたセパレータ１８の構成を示している。また、図３は、図２の一点鎖線I−I’に沿った断面を示す模式図であって、主として電解質膜１２よりもアノード側の断面を示している。図３に示すように、燃料電池１０のアノード電極は、電解質膜１２上に積層された触媒層１４、拡散層１６を有しており、拡散層１６上にはセパレータ１８が積層されている。電解質膜１２は、フッ素系樹脂などの固体高分子材料で形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜である。触媒層１４は、例えば白金（Ｐｔ）を担持したカーボンペーストを電解質膜１２の表面に塗布することで構成されている。拡散層１６は、カーボン繊維を織成したカーボンクロス等により構成されている。セパレータ１８は、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンなどガス不透過の導電性部材により形成されている。

図２に示すように、単位セルの平面領域の端部には、アノードガスを供給するアノードガス供給流路２０が設けられている。アノードガス供給流路２０には複数の流路２２が接続されており、アノードガス供給流路２０に供給されたアノードガスは、流路２２を通って単位セルの平面領域のほぼ全域に送られる。

図３に示すように、単位セルの積層方向においては、流路２２は拡散層１６から離れた位置に設けられている。そして、セパレータ１８の拡散層１６と対向する面には、隣接する流路２２の間に流路２４が設けられている。

図２に示すように、流路２４はアノードガス排出流路２５と接続されている。流路２２から供給されたアノードガスは拡散層１６、触媒層１４へ送られ、その後、流路２４を経由してアノードガス排出流路２５に送られ、排出される。

図２に示すように、流路２２の端部とアノードガス排出流路２５は接続されておらず、また流路２４の端部とアノードガス供給流路２０も接続されていない。従って、流路２２に送られたアノードガスは、必ずアノード側の拡散層１６、触媒層１４に送られ、その後、流路２４を経由してアノードガス排出流路２５から排出される。従って、アノードガスが電極に供給されずに排出されることを抑止でき、反応を促進することができる。

図３に示すように、流路２２と拡散層１６の間には溝状の差圧発生部２６が設けられている。図２に示すように、差圧発生部２６は、流路２２よりも狭い幅で流路２２に沿って設けられている。そして、流路２２に供給されたアノードガスは、差圧発生部２６を通って拡散層１６、触媒層１４へ送られる。

差圧発生部２６は流路２２よりも幅が狭く形成されているため、流路２２を流れるガスと差圧発生部２６を流れるガスの間に差圧が発生し、流路２２側のガスの圧力が拡散層１６側よりも高くなる。

従って、流路２２を流れるガスは圧力差によってアノード電極の触媒層１４に向かって流れることとなり、アノード電極に向かうガスの流れを強制的に発生させることができる。これにより、拡散層１６、触媒層１４の表面に対して垂直な方向にアノードガスを流すことができ、アノードガスが拡散層１６内で他の方向に拡散してしまうことを抑止することができる。従って、アノードガスを確実に触媒層１４に到達させることが可能となり、触媒層１４におけるガスの攪拌効果により反応の活性化を高めることができる。これにより、アノードガスの利用効率を高めることができ、燃料電池１０の効率を大幅に向上させることが可能となる。

特に、アノード側でデッドエンド運転が行われる燃料電池１０では、制御弁１１を適宜に開いて燃料電池１０内にアノードガスの流れを生じさせる必要があるが、本実施形態によれば、差圧発生部２６によって触媒層１４へ向かうアノードガスの流れを確実に生じさせることができるため、制御弁１１を開く時間をより短くすることができる。従って、未反応の水素が燃料電池１０から排出されることを抑えることができ、アノードガス供給流路２０から供給したアノードガスの殆どを燃料電池１０内の反応に用いることが可能となる。

また、燃料電池１０のカソード側では、上述したように反応により水分が生成されるが、この水分の一部はカソードガスに含まれる窒素とともにアノード側に透過し、アノード側の触媒層１４に吸収される場合がある。特に、アノード側でデッドエンド運転を行う場合、アノードガスの流れが少ないために触媒層１４に水分、窒素が含まれ易い状況となり、触媒層１４に水分、窒素が含まれると発電反応が阻害される場合がある。しかし、本実施形態によれば、流路２２から触媒層１４に向かうアノードガスの流れを強制的に作ることができるため、触媒層１４に流れ込んだアノードガスによって触媒層１４中に含まれる水分、窒素を押し出して排除することができる。

従って、触媒層１４に水分、窒素が含まれて反応が抑制されてしまうことがなく、燃料電池１０の効率を高めることが可能となる。なお、触媒層１４から取り除かれた水分、窒素は、流路２４からアノードガス排出流路２５へ流れるが、流路２４またはアノードガス排出流路２５に水分、窒素等の不純物が多く蓄積された場合は、制御弁１１を開いてこれらの不純物を外部に排出する。

また、本実施形態の燃料電池１０では、図３に示すように、単位セルの積層方向において流路２２と拡散層１６とを離間させたため、流路２２と流路２４の単位セルの積層方向における位置が相違することとなり、流路２２と流路２４を同一階層位置に設けた場合と比べると、流路２２と流路２４をより近接させることが可能となる。従って、流路２２と流路２４を配置する平面的なスペースを縮小することができ、燃料電池１０の小型化を図ることが可能となる。

図４は、本実施形態の他の例を示す模式図であって、図２と同様に積層方向から単位セルを見た状態を示している。図４の例では、差圧発生部２６を流路２２内に分割して設けている。このように、差圧発生部２６は流路２２内の一部の領域のみに設けても良い。差圧発生部２６の形状は、差圧を生じさせて流路２２を流れるガスの圧力を高めることのできる形状であれば、様々な形状を採用することができる。

図５は、カソードガスの供給側にも差圧発生部を設けた例を示している。図５において、カソードガスは流路２８から差圧発生部３０を通ってカソード側の拡散層１６、触媒層１４へ供給される。そして、拡散層１６、触媒層１４に供給されたカソードガスは、流路３２から排出される。このように、カソード側においても差圧発生部３０を設けることで、アノード側と同様に、触媒層１４へカソードガスを確実に到達させることができ、カソードガスの利用効率を高めることが可能となる。

以上説明したように実施の形態１によれば、アノードガスを供給する流路２２とアノード電極（拡散層１６、触媒層１４）を離間させ、流路２２とアノード電極の間に差圧発生部２６を設けたため、流路２２から拡散層１６、触媒層１４に向かって確実にアノードガスを送ることが可能となる。これにより、拡散層１６内においてアノードガスが他の方向へ拡散してしまうことを抑止することができ、アノードガスを確実に触媒層１４へ到達させることが可能となる。従って、アノードガスの利用効率を高めることができ、燃料電池１０の効率を向上させることが可能となる。

また、アノードガスを確実に触媒層１４に送ることができるため、カソード側からアノード側へ透過してアノード側の触媒層１４に含まれた水分、窒素を、アノードガスによって除去することが可能となる。従って、触媒層１４に水分、窒素が含まれることによる発電の阻害要因を排除することができ、燃料電池１０における反応を促進することができ、燃料電池１０の効率を高めることが可能となる。

実施の形態２．
次に、本発明の実施の形態２について説明する。図６及び図７は、実施の形態２の構成を示す模式図である。図６は、実施の形態２に係る燃料電池１０の単位セルの平面構成を示す模式図であって、積層方向のアノード側から単位セルを見た状態を示している。また、図７は、図６の一点鎖線I−I’に沿った断面を示す断面図であって、主として電解質膜１２よりもアノード側の断面を示している。

実施の形態２では、流路２２と拡散層１６の間に多孔質部３４を配設している。多孔質部３４は、例えば図２の差圧発生部２６に多孔質材料（ポーラス材料）を埋め込むことで構成され、図６に示すように流路２２よりも狭い幅で流路２２に沿って設けられている。流路２２に供給されたアノードガスは、多孔質部３４の微細な孔を通って拡散層１６、触媒層１４へ送られる。

このように、多孔質材料からなる多孔質部３４を構成することで、流路２２を流れるガスと多孔質部３４を流れるガスの間に差圧が発生し、流路２２側のガスの圧力が拡散層１６側よりも高くなる。

従って、流路２２を流れるガスは圧力差によってアノード電極の触媒層１４に向かって流れることとなり、アノード電極に向かうガスの流れを強制的に発生させることができる。これにより、拡散層１６、触媒層１４の表面に対して垂直な方向にアノードガスを流すことができ、アノードガスが拡散層１６内で他の方向に拡散してしまうことを抑止することができる。従って、アノードガスを確実に触媒層１４に到達させることが可能となり、アノードガスの利用効率を高めることができる。

また、多孔質部３４を設けることで、図２のように溝状に差圧発生部２６を形成した場合であっても、セパレータ１８の強度を高めることができる。

セパレータ１８をカーボンから構成した場合、多孔質部３４も多孔質のカーボンから構成することが好適である。この場合、図２の差圧発生部２６に多孔質のカーボンを埋め込むことで多孔質部３４を配設することができる。セパレータ１８を金属から構成した場合も、金属セパレータに多孔質材料を組み合わせることで多孔質部３４を配設することができる。

以上説明したように実施の形態２によれば、流路２２とアノード電極との間に多孔質部３４を設けたため、流路２２から拡散層１６、触媒層１４に向けて確実にアノードガスを送ることが可能となる。これにより、拡散層１６内においてアノードガスが他の方向へ拡散してしまうことを抑止することができ、アノードガスを確実に触媒層１４へ到達させることが可能となる。従って、アノードガスの利用効率を高めることができ、燃料電池１０の効率を向上させることが可能となる。

実施の形態３．
次に、本発明の実施の形態３について説明する。図８は、実施の形態３の構成を示す模式図である。実施の形態３では、実施の形態２と同様に、流路２２と拡散層１６との間に多孔質部３４を設けることで差圧を生じさせている。図８は、図６と同様に積層方向のアノード側から単位セルを見た状態を示しており、説明の便宜上、アノードガス供給流路２０、流路２２、及び多孔質部３４のみを示している。

実施の形態１で説明したように、アノードガスは流路２２を通って拡散層１６、触媒層１４へ供給される。この際、流路２２を通る間に圧力損失が生じるため、流路２２におけるアノードガスの圧力は、アノードガス供給流路２０から離れるほど小さくなる。従って、アノードガス供給流路２０から離れた位置ほど、拡散層１６、触媒層１４へ送られるアノードガスの圧力は低くなる。

実施の形態３では、多孔質部３４における微細孔の分布（密度）を流路２２の長手方向で可変して、アノードガス供給流路２０から離れるほど多孔質部３４におけるガスの透過性を高くしている。これにより、流路２２の下流側に位置する多孔質部３４ほどガスが抜け易くなり、アノードガス供給流路２０から離れた位置においても、拡散層１６、触媒層１４へ確実にアノードガスを供給することが可能となる。従って、流路２２の延在する方向の全域において、拡散層１６、触媒層１４に均一にアノードガスを供給することができる。

なお、流路２２の長手方向で多孔質部３４のガスの透過性を可変するため、多孔質部３４の微細孔の径の分布、微細孔の屈曲度、などを可変しても良い。また、流路２２の長手方向に沿って、多孔質部３４の幅を可変しても良い。

以上説明したように実施の形態３によれば、アノードガス供給流路２０から離れるほど多孔質部３４におけるガスの透過性を高くしたため、流路２２における圧力損失の影響を排除することができる。従って、流路２２の長手方向の全域において、アノード電極へ均一にアノードガスを供給することが可能となる。これにより、アノード電極での反応を均一に行うことができ、燃料電池１０の効率を高めることが可能となる。

本発明の実施の形態１にかかる燃料電池とその周辺の構成を示す模式図である。本発明の実施の形態１にかかる燃料電池の構成を示す模式図である。図２の一点鎖線I−I’に沿った断面を示す模式図である。実施の形態１の他の例を示す模式図である。カソード側にも差圧発生部を設けた例を示す模式図である。本発明の実施の形態２にかかる燃料電池の構成を示す模式図である。図６の一点鎖線I−I’に沿った断面を示す模式図である。本発明の実施の形態３の構成を示す模式図である。

符号の説明

１０燃料電池
１２電解質膜
１４触媒層
１６拡散層
１８セパレータ
２０アノードガス供給流路
２２流路
２４流路
２５アノードガス排出流路
２６差圧発生部
３４多孔質部

Claims

電解質と、電解質との接触面に触媒を有する電極と、前記電極に隣接して配設されたセパレータと、を備えた燃料電池であって、
前記セパレータに配設され、ガス供給流路とのみ連通し、前記電極にガスを供給する第１のガス流路と、
前記第１のガス流路と前記電極との間に連通して配設され、前記第１のガス流路の圧力が前記電極近傍よりも高圧となるように差圧を発生させる差圧発生手段と、
を備えたことを特徴とする燃料電池。
前記第１のガス流路は、前記電極と対向する面に沿って延在し、前記差圧発生手段は、前記第１のガス流路内のガスの流れ方向に連続的に設けられたことを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
前記差圧発生手段は、ガスが透過可能な多孔質体からなることを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池。
前記第１のガス流路内のガスの流れ方向において、下流側に位置する前記多孔質体ほどガスの透過性を高くしたことを特徴とする請求項３記載の燃料電池。
前記セパレータに配設され、ガス排出流路とのみ連通し、前記電極に供給されたガスを排出する第２のガス流路を備えたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池。
前記ガス排出流路から排出されるガスの流れを停止する運転モードを備えたことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池。