JP4498797B2

JP4498797B2 - 燃料電池

Info

Publication number: JP4498797B2
Application number: JP2004097298A
Authority: JP
Inventors: 英男加藤; 弘道吉田; 直樹満田; 伸之松本; 勝美林; 浩相馬; 亮神馬; 滋稲井
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2004-03-30
Filing date: 2004-03-30
Publication date: 2010-07-07
Anticipated expiration: 2024-03-30
Also published as: JP2005285524A

Description

この発明は、固体高分子電解質膜型の燃料電池に関するものである。

燃料電池車両等に搭載される燃料電池には、固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで挟んで膜電極構造体を形成し、アノード電極に燃料ガス（例えば水素ガス）を供給し、カソード電極に酸化剤ガス（例えば酸素を含む空気）を供給して、これら反応ガスの電気化学反応により電気エネルギを抽出するものがある。また、この固体高分子電解質膜型の燃料電池には、反応ガスの流路を蛇行して設けたものもある（例えば、特許文献１参照）。
この種の燃料電池は発電に伴い水が生成されるが、液滴となった水を燃料電池内に滞留させたまま氷点下環境に放置すると、液滴が凍結して燃料電池の構成部材（特に膜電極構造体）を損傷する虞がある。

そこで、一般に、燃料電池を停止するときに燃料電池内の反応ガス流路に乾燥ガスを流し、燃料電池内に滞留する液滴を吹き飛ばして除去するパージ処理を行っている。
特開２００３−１７０９１号公報

しかしながら、前述したパージ処理を行っても、燃料電池内の反応ガス流路の構造に起因して、滞留している液滴を完全に吹き飛ばすことができない場合がある。
特に、アノード側の反応ガス流路が蛇行して形成されている場合には、流れの向きが反転する折り返し部の直後であって内側の部分に対応する膜電極構造体の内部に液滴が滞留し易く、ここに滞留した液滴は前述したパージ処理では除去することが難しく、膜電極構造体の内部に残留した液滴が氷点下環境で凍結して、膜電極構造体および固体高分子電解質膜を損傷させる場合がある。
そこで、この発明は、膜電極構造体および固体高分子電解質膜の凍結による損傷を防止することができる燃料電池を提供するものである。

上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、固体高分子電解質膜（例えば、後述する実施例における固体高分子電解質膜５１）をアノード電極（例えば、後述する実施例におけるアノード電極５２）とカソード電極（例えば、後述する実施例におけるカソード電極５３）とで挟んでなる膜電極構造体（例えば、後述する実施例における膜電極構造体５４）を備え、アノード電極およびカソード電極に面してそれぞれ複数本の反応ガス流路（例えば、後述する実施例における燃料流路５８ａ〜５８ｇ、空気流路５９ａ〜５９ｇ）が設けられた燃料電池（例えば、後述する実施例におけるセル５０）において、少なくともいずれか一方の前記電極に面して設けられた前記複数本の反応ガス流路（例えば、後述する実施例における燃料流路５８ａ〜５８ｇ）は流れの向きを反転させる折り返し部（例えば、後述する実施例における折り返し部６２）を有し、
この折り返し部よりも下流側の少なくとも一部の領域で、前記複数本の反応ガス流路の中で前記折り返し部にて最も内側に位置する反応ガス流路の流路断面積が前記折り返し部にて他に位置する反応ガス流路の流路断面積よりも小さいことを特徴とする。
このように構成することにより、前記折り返し部にて最も内側に位置する反応ガス流路のガス流速を、流路断面積を小さくした部位において速めることができ、該部位における液滴の排出を促進し、該部位に液滴が滞留するのを防止することができる。
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の発明において、前記領域以外では、前記折り返し部にて最も内側に位置する反応ガス流路の流路断面積が前記折り返し部にて他に位置する反応ガス流路の流路断面積よりも大きいことを特徴とする。
このように構成することにより、前記折り返し部にて最も内側に位置する反応ガス流路の流路抵抗を、前記折り返し部にて他に位置する反応ガス流路の流路抵抗よりも小さくすることができる。

請求項３に係る発明は、請求項１または請求項２に記載の発明において、前記領域を有する反応ガス流路は、前記アノード電極に面して設けられた反応ガス流路（例えば、後述する実施例における燃料流路５８ｇ）であることを特徴とする。
このように構成することにより、アノード電極側の反応ガス流路の前記部位における液滴の排出を促進し、該部位に液滴が滞留するのを防止することができる。特に、カソード電極側から逆拡散によりアノード電極側に移動してくる液滴の排出を促進することができる。

請求項４に係る発明は、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の発明において、前記領域を有する反応ガス流路は、蛇行する流路であることを特徴とする。
このように構成することにより、当該反応ガス流路の流路長を長くすることができ、流路の圧力損失を大きくすることが可能となり、反応ガスの流速を速くすることができる。その結果、蛇行する反応ガス流路の前記部位における液滴の排出性が向上し、該部位に液滴が滞留するのを防止することができる。

請求項５に係る発明は、請求項４に記載の発明において、前記領域を有する反応ガス流路は、鉛直方向の上側を上流とし鉛直方向下側を下流としていることを特徴とする。
このように構成することにより、重力により液滴の排出を付勢することができ、前記部位における液滴の排出を促進することができ、液滴の滞留を防止することができる。

請求項１に係る発明によれば、折り返し部にて最も内側に位置する反応ガス流路のガス流速を、流路断面積を小さくした部位において速めることができ、該部位における液滴の排出を促進し、該部位に液滴が滞留するのを防止することができるので、発電を停止して氷点下環境に放置したときに、該部位に対応する膜電極構造体の内部で水が凍結することがなく、膜電極構造体および固体高分子電解質膜の損傷を防止することができる。
請求項２に係る発明によれば、前記折り返し部にて最も内側に位置する反応ガス流路の流路抵抗を、前記折り返し部にて他に位置する反応ガス流路の流路抵抗よりも小さくすることができるので、前記部位におけるガス流速を確実に速めることができる。

請求項３に係る発明によれば、アノード電極側の反応ガス流路の前記部位における液滴の排出を促進し、該部位に液滴が滞留するのを防止することができるので、発電を停止して氷点下環境に放置したときに、該部位に対応する膜電極構造体の内部で水が凍結することがなく、膜電極構造体および固体高分子電解質膜の損傷を防止することができる。

請求項４に係る発明によれば、蛇行する反応ガス流路の前記部位における液滴の排出性が向上し、該部位に液滴が滞留するのを防止することができるので、発電を停止して氷点下環境に放置したときに、該部位に対応する膜電極構造体の内部で水が凍結することがなく、膜電極構造体および固体高分子電解質膜の損傷を防止することができる。

請求項５に係る発明によれば、さらに前記部位における液滴の排出を促進することができ、液滴の滞留を防止することができる。

以下、この発明に係る燃料電池の一実施例を図１から図３の図面を参照して説明する。
この燃料電池は固体高分子電解質膜型の燃料電池であり、図１に示すように、例えばフッ素系電解質材料等からなる固体高分子電解質膜５１をアノード電極５２とカソード電極５３とで両側から挟み込んで膜電極構造体５４を形成し、膜電極構造体５４の両側にセパレータ５５，５６を密接して配置してセル（単位燃料電池）５０が構成される。また、このセル５０を複数積層して燃料電池スタックが構成される。

セパレータ５５，５６は金属プレートを断面波形にプレス成形して形成されている。金属製のセパレータは、カーボン製のセパレータよりも薄くでき燃料電池スタックの積層方向寸法を短くすることができるとともに、カーボン製のセパレータよりも熱容量が小さくでき暖め易いという特徴を有している。
アノード電極５２に面して配置されるアノード側セパレータ５５は、アノード電極５２に対向して配置される面に燃料流路溝５５ｃを備え、反対側の面に冷媒流路溝５５ｄを備えている。
一方、カソード電極５３に面して配置されるカソード側セパレータ５６は、カソード電極５３に対向して配置される面に酸化剤流路溝５６ｃを備え、反対側の面に冷媒流路溝５６ｄを備えている。

図２は、アノード側セパレータ５５を燃料流路溝５５ｃが形成されている側から見た正面図であり、裏面に冷媒流路溝５５ｄが形成されている。燃料流路溝５５ｃは所定本数（この実施例では７本）平行に配列されていて、正面から見てＳ字状に蛇行して形成されており、アノード側セパレータ５５の燃料流路溝５５ｃとアノード電極５２との間に形成される空間は水素ガス（燃料）が流通する燃料流路５８ａ〜５８ｇとされている。この実施例における燃料流路５８ａ〜５８ｇは、流れの向きが水平となる水平部６１と流れの向きを反転させる折り返し部６２とが交互に連なって構成されている。

図３は、カソード側セパレータ５６を空気流路溝５６ｃが形成されている側から見た正面図であり、裏面に冷媒流路溝５６ｄが形成されている。空気流路溝５６ｃは、燃料流路溝５５ｃと同本数だけ平行に配列され、Ｓ字状に蛇行して形成されており、カソード側セパレータ５６の酸化剤流路溝５６ｃとカソード電極５３との間に形成される空間は酸化剤としての酸素を含む空気が流通する空気流路（酸化剤流路）５９ａ〜５９ｇとされている。この実施例における空気流路５９ａ〜５９ｇは、流れの向きが水平となる水平部６３と流れの向きを反転させる折り返し部６４とが交互に連なって構成されている。
また、セル５０を複数積層したときに互いに隣接して配置された両セパレータ５５，５６の冷媒流路溝５５ｄ，５６ｄ間に形成される空間は、冷却液が流通する冷媒流路６０とされている。

図１に示すように、膜電極構造体５４は、固体高分子電解質膜５１の周縁部に電極５２，５３を有さない領域（以下、電極５２，５３を有する領域を「発電部」、有さない領域を「非発電部」と称す）を有し、前述した燃料流路５８、空気流路５９、および冷媒流路６０は発電部に対応する領域に形成されている。
図１において、膜電極構造体５４の非発電部には、左端部に３つの開口７１，７２，７３が設けられ、右端部に３つの開口７４，７５、７６が設けられている。また、セパレータ５５，５６の左右端部にも膜電極構造体５４と同様に開口７１〜７６が設けられている。これら開口７１〜７６は膜電極構造体５４とセパレータ５５，５６を積層した状態（すなわち、燃料電池スタックとして組み立てられた状態）においてシール材（図示略）を介して各開口毎にそれぞれ１本の管の如く連通し、分配流路もしくは集合流路として機能する。

ここで、図１において、左端部側の開口は上から順に、燃料供給開口７１，冷媒排出開口７２、空気排出開口７３とされており、右端部側の開口は上から順に、空気供給開口７４、冷媒供給開口７５、燃料排出開口７６とされている。そして、燃料供給開口７１同士が連通して燃料分配流路７１Ａを構成し、冷媒排出開口７２同士が連通して冷媒集合流路７２Ａを構成し、空気排出開口７３同士が連通して空気集合流路７３Ａを構成し、空気供給開口７４同士が連通して空気分配流路７４Ａを構成し、冷媒供給開口７５同士が連通して冷媒分配流路７５Ａを構成し、燃料排出開口７６同士が連通して燃料集合流路７６Ａを構成する。

さらに、図２に示すように、アノード側セパレータ５５において燃料流路溝５５ｃの始端が燃料供給開口７１に連通し、燃料流路溝５５ｃの終端が燃料排出開口７６に連通している。したがって、水素ガスは、燃料分配流路７１Ａから燃料供給開口７１を介して燃料流路５８ａ〜５８ｇに導入され、Ｓ字状に蛇行する燃料流路５８ａ〜５８ｇに沿い鉛直方向下方に向かって流通した後、燃料排出開口７６を介して燃料集合流路７６Ａに排出される。

一方、図３に示すように、カソード側セパレータ５６において空気流路溝５６ｃの始端が空気供給開口７４に連通し、空気流路溝５６ｃの終端が空気排出開口７３に連通している。したがって、空気は、空気分配流路７４Ａから空気供給開口７４を介して空気流路５９ａ〜５９ｇに導入され、Ｓ字状に蛇行する空気流路５９ａ〜５９ｇに沿い鉛直方向下方に向かって流通した後、空気排出開口７３を介して空気集合流路７３Ａに排出される。

また、図１に示すように、両セパレータ５５，５６において右側に位置する冷媒流路溝５５ｄ，５６ｄの始端が冷媒供給開口７５に連通し、図中左側に位置する冷媒流路溝５５ｄ，５６ｄの終端が冷媒排出開口７２に連通しており、冷却液は、冷媒分配流路７５Ａから冷媒供給開口７５を介して冷媒流路６０に導入され、冷媒流路６０を水平方向に流通した後、冷媒排出開口７２を介して冷媒集合流路７２Ａに排出される。

このように構成された燃料電池スタックでは、アノード電極５２で触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜５１を透過してカソード電極５３まで移動し、カソード電極５３で酸素と電気化学反応を起こして発電し、その際に水を生成し、生成水の一部はカソード電極５３側から逆拡散によりアノード電極５２側に移動してくる。このこの発電に伴う発熱により燃料電池スタックが所定の作動温度を越えないように、冷媒流路６０を流れる冷却液で熱を奪い冷却する。

ところで、この実施例のように水素ガスが流れる場合には、水素ガスの流れ方向が最初に反転せしめられる部位において一番内側に位置する燃料流路５８ｇであって、最初の折り返し部６２の直ぐ下流の領域（図２において二点鎖線で示す領域Ａ）に液滴が滞留し易い。
そこで、この燃料電池スタックにおいては、燃料流路５８ｇの流路抵抗を燃料流路５８ａ〜５８ｆの流路抵抗よりも小さくして燃料流路５８ｇに水素ガスを流れ易くし、且つ、燃料流路５８ｇの領域Ａの流路断面積Ｓ１を、他の燃料流路５８ａ〜５８ｆの流路断面積Ｓ３よりも小さくして（Ｓ１＜Ｓ３）、燃料流路５８ｇにおける領域Ａのガス流速を速めることにより、液滴の排出を促進させ、燃料流路５８ｇの領域Ａに液滴が滞留するのを防止している。これは、発電時だけでなく発電停止後に実施するパージ処理においても同様に作用する。
特に、この実施例では、燃料流路５８ｇが蛇行しているので、燃料流路５８ｇの流路長を長くすることができ、流路の圧力損失を大きくすることが可能となり、水素ガスの流速を速くすることができて、液滴の排出性がさらに向上する。また、水素ガスは蛇行しながら鉛直方向下方に向かって流れるので、重力が液滴の排出を支援し、排出性を向上させる。

なお、他の燃料流路５８ａ〜５８ｆはその始端から終端まで流路断面積Ｓ３が同じ大きさにされている。また、燃料流路５８ｇの流路抵抗を燃料流路５８ａ〜５８ｆの流路抵抗よりも小さくするために、燃料流路５８ｇにおいて領域Ａ以外の流路断面積Ｓ２は、他の燃料流路５８ａ〜５８ｆの流路断面積Ｓ３よりも大きくされている（Ｓ２＞Ｓ３）。
また、空気流路５９ａ〜５９ｇはいずれもその全長に亘って同じ流路断面積にされている。

このように領域Ａにおける燃料流路５８ｇに液滴が滞留するのを防止することができるので、領域Ａに対応する部分の膜電極構造体５４の内部に液滴が滞留するのを防止することができる。
その結果、発電を停止して氷点下環境に放置しても、領域Ａにおける燃料流路５８ｇ内および膜電極構造体５４の内部で水が凍結することがなく、膜電極構造体５４および固体高分子電解質膜５１の損傷を防止することができる。

〔他の実施例〕
なお、この発明は前述した実施例に限られるものではない。
例えば、前述した実施例では、燃料流路に本発明を実施した例で説明したが、空気流路に本発明を実施してもよいし、あるいは、燃料流路と空気流路の両方に本発明を実施することも可能である。また、本発明を実施しない方の反応ガス流路（前述した実施例における空気流路）が折り返し部を有さない場合も、本発明は成立する。
また、前述した実施例において本発明が実施される反応ガス流路をＳ字状に蛇行する流路としたが、折り返し部を有している限り、迷路状やそのほか種々の形状に屈曲形成された流路でもよい。
また、反応ガス流路はカーボン製のセパレータに形成されたものであってもよい。

この発明に係る燃料電池スタックの一実施例の分解斜視図である。前記実施例における燃料電池スタックのアノード側セパレータの正面図である。前記実施例における燃料電池スタックのカソード側セパレータの正面図である。

符号の説明

５０セル（燃料電池）
５１固体高分子電解質膜
５２アノード電極
５３カソード電極
５４膜電極構造体
５８ａ〜５８ｇ燃料流路（反応ガス流路）
５９ａ〜５９ｇ空気流路（反応ガス流路）
６２折り返し部

Claims

固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで挟んでなる膜電極構造体を備え、アノード電極およびカソード電極に面してそれぞれ複数本の反応ガス流路が設けられた燃料電池において、
少なくともいずれか一方の前記電極に面して設けられた前記複数本の反応ガス流路は流れの向きを反転させる折り返し部を有し、この折り返し部よりも下流側の少なくとも一部の領域で、前記複数本の反応ガス流路の中で前記折り返し部にて最も内側に位置する反応ガス流路の流路断面積が前記折り返し部にて他に位置する反応ガス流路の流路断面積よりも小さいことを特徴とする燃料電池。
前記領域以外では、前記折り返し部にて最も内側に位置する反応ガス流路の流路断面積が前記折り返し部にて他に位置する反応ガス流路の流路断面積よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
前記領域を有する反応ガス流路は、前記アノード電極に面して設けられた反応ガス流路であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池。
前記領域を有する反応ガス流路は、蛇行する流路であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池。
前記領域を有する反応ガス流路は、鉛直方向の上側を上流とし鉛直方向下側を下流としていることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池。