JP4770196B2

JP4770196B2 - 燃料電池

Info

Publication number: JP4770196B2
Application number: JP2005045916A
Authority: JP
Inventors: 利之戸沼
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-02-22
Filing date: 2005-02-22
Publication date: 2011-09-14
Anticipated expiration: 2025-02-22
Also published as: JP2006236620A

Description

本発明は、積層された複数の単セルを有し、各単セルに、ガス流路と、該ガス流路の両端部それぞれに連結するガスマニホールドとが形成された燃料電池に関する。

例えば、固体高分子型燃料電池では、電池の単位である単セルが複数積層され、各単セルは、電解質膜と該電解質膜を挟む一対の触媒層と各触媒層の外側に位置する一対の拡散層とを含む膜・電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）が一対のセパレータによって挟まれた構造となっている。各セパレータには、ＭＥＡに対して酸化剤ガス（例えば、空気）または燃料ガス（例えば、水素ガス）を供給するためのガス流路が形成されると共に、そのガス流路の両端部それぞれに連結するガスマニホールドが形成されている。

このような構造の燃料電池では、各単セルにおいて、一方のセパレータに形成されたガス流路を流れる加湿状態の酸化剤ガスがＭＥＡのカソード（触媒層及び拡散層に対応）に供給され、他方のセパレータに形成されたガス流路を流れる加湿状態の燃料ガスがＭＥＡのアノード（触媒層及び拡散層に対応）に供給される。そして、ＭＥＡにおいて前記酸化剤ガスと前記燃料ガスとが水分の存在下にて反応し、発電がなされる。

各セパレータでは、反応ガス（酸化剤ガス、燃料ガス）が加湿状態にあり、また、ＭＥＡでの反応の過程で水が生成されることから、ガス流路に結露が生じ得る。この現象は、酸化剤ガスが流通するカソード側のセパレータで顕著に現れる。このようにガス流路に結露した水分が溜まると、ガス流路が部分的に閉塞してしまい、特に、常温または低温時における再起動特性が悪化してしまう。

そこで、このように結露した水分がガス流路に滞留することを防止するためのセパレータ構造が従来提案されている（例えば、特許文献１参照）。

この従来のセパレータでは、複数の仕切り壁を挟んで折返されるガス流路（サーペンタイン型）において水分が溜まりやすい仕切り壁を傾斜させている。このような構造により、重力によってガス流路の仕切り壁まで達した水分は、傾斜した仕切り壁を伝って移動することから、仕切り壁に水溜りが生ずることを防止することができる。

特開２００２−２１６８０５号公報

しかしながら、前述した構造のセパレータを有する燃料電池では、仕切り壁に水溜りが生ずることは防止することはできるものの、ガス流路の折返し部の重力方向下方隅部に水分が溜まりやすい。また、前述した構造のセパレータでは、ガス流路の折返される部位が小突起を格子状に配列して形成される格子状流路となって、その折返し部でのガスの拡散性を改善している。このようにしてガス流路の折返し部でのガスの拡散性は改善されるものの、当該折返し部の重力方向下方隅部でのガスの滞留が生じ得、その滞留したガスに含まれる水分がその部位に溜まることを有効に防止するまでにはいたらない。

本発明は、前述した従来の問題を解決するためになされたもので、各単セルに形成されるガス流路、特に、そのガス流路の折返し部に水分が溜まることを有効に防止することのできる構造となる燃料電池を提供するものである。

本発明に係る燃料電池は、積層された複数の単セルを有し、各単セルに、一又は複数の折返しのあるガス流路と、該ガス流路の両端部それぞれに連結するガスマニホールドとが形成され、前記ガス流路の少なくとも折返し部が格子状流路となる燃料電池であって、前記ガス流路の折返し部から所定のマニホールドまで前記ガス流路に沿って形成された水分排出路を有し、前記水分排出路が、前記ガス流路のガス流通底面より低い溝面を有する溝である構成となる。

このような構成により、ガス流路の折返し部に水分が付着しても、その水分は、水分排出路を通して所定のマニホールドまで流れ得るようになる。更に、ガス流路の重力方向におけるより上方に位置するガスマニホールドからより下方に位置するガスマニホールドに向けてガスを流通させることにより（掃気）、当該ガス流路の折返し部に付着した水分を前記水分排出路を通して確実に流すことができるようになる。
そして、このような構成により、ガス流路のガス流通底面に付着した水分が水分排出路としての溝に集まり安くなり、当該水分がその溝に沿って前記所定のマニホールドまで導かれ易くなる。

前記所定のマニホールドは、ガス流路の両端部それぞれに連結するガスマニホールドのいずれかであっても、また、別途専用に形成されたマニホールドであってもよい。前者の場合、本発明に係る燃料電池は、前記所定のマニホールドが、前記ガス流路の端部に連結するガスマニホールドである構成となる。

前記水分排水路は、ガス流路内の他の部位に比べて水分が流れやすい構造とすることができる。それを具体的に実現した本発明に係る燃料電池は、前記水分排出路が、前記ガス流路内の他の部位より親水性が高い領域として形成した構成とすることができる。

このような構成により、水分排出路の濡れ性がガス流路内の他の部位に比べて良くなり、水分排出路内を水分が玉状になり難く、流れやすいものとなる。

更に、本発明に係る燃料電池は、前記ガス流路の折返し部の重力方向下方コーナ部に前記格子状流路を埋める傾斜部が形成され、前記水分排出路が、前記傾斜部に沿って形成された構成とすることができる。

このような構成により、水分が溜まりやすいガス流路の折返し部の重力方向下方コーナ部に格子状流路を埋める傾斜部が形成されているので、当該コーナ部に付着した水分は傾斜部を流れつつ水分排出路に導入され得るようになる。
更に、本発明に係る燃料電池は、積層された複数の単セルを有し、各単セルに、一又は複数の折返しのあるガス流路と、該ガス流路の両端部それぞれに連結するガスマニホールドとが形成され、前記ガス流路の少なくとも折返し部が格子状流路となる燃料電池であって、前記ガス流路の折返し部から所定のマニホールドまで前記ガス流路に沿って形成された水分排出路を有し、前記ガス流路の折返し部の重力方向下方コーナ部に前記格子状流路を埋める傾斜部が形成され、前記水分排出路が、前記傾斜部に沿って形成された構成となる。

本発明に係る燃料電池によれば、ガス流路の折返し部に水分が付着しても、その水分は、水分排出路を通して所定のマニホールドまで流れ得るようになるので、ガス流路、特に、そのガス流路の折返し部に水分が溜まることを有効に防止することができるようになる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。

本発明の実施の一形態に係る燃料電池の基本的な構造は、図１に示すようになっている。

図１において、この燃料電池は、固体高分子型燃料電池であって、電池の単位である単セル１０が複数積層された構造となっている。積層された単セル１０のそれぞれは、電解質膜と該電解質膜を挟む一対の触媒層と各触媒層の外側に位置する一対の拡散層とを含む膜・電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）がカソード側セパレータ１０ａとアノード側セパレータ１０ｂとによって挟まれた構造となっている。

各単セル１０におけるカソード側セパレータ１０ａ及びアノード側セパレータ１０ｂの外周所定部位には、酸化剤ガス供給マニホールド１１ａ、酸化剤ガス排出マニホールド１１ｂが形成され、また、図示していないが、燃料ガス供給マニホールド、燃料ガス排出マニホールド、冷却水供給マニホールド、及び冷却水排出マニホールドが形成されている。各単セル１０における各セパレータ１０ａ、１０ｂに形成された前記各マニホールドは、単セル10の積層方向Ｚに連通してガス供給路（酸化剤ガス供給路等）を形成する。

カソード側セパレータ１０ａのＭＥＡとの対向面には、仕切り壁１３、１４、１５、１６，１７，１８を挟んで折返されてサーペンタイン状となる酸化剤ガス流路（以下、単にガス流路という）１２が形成されている。ガス流路１２の一端部が酸化剤ガス供給マニホールド１１ａに連結すると共に、酸化剤ガス流路１２の他端部が酸化剤ガス排出マニホールド１１ｂに連結している。また、図示はされていないが、アノード側セパレータ１０ｂのＭＥＡとの対向面にも、同様に、両端部が燃料ガス供給マニホールドと燃料ガス排出マニホールドとに連結された燃料ガス流路が形成され、更に、各セパレータ１０ａ、１０ｂには、両端部が冷却水供給マニホールドと冷却水排出マニホールドとに連結された冷却水流路が形成されている。

カソード側セパレータ１０ａの詳細な構造（第一の構造例）は、図２に示すようになっている。

図２において、前述したように仕切り壁１３、１４、１５、１６、１７、１８によって折返し構造となるガス流路１２は、重力方向Ｙの上方から下方に向かって、ストレート部１２ａａ、折返し部１２ｂａ、ストレート部１２ａｂ、折返し部１２ｂｂ、ストレート部１２ａｃ、折返し部１２ｂｃ、ストレート部１２ａｄ、折返し部１２ｂｄ、ストレート部１２ａｅ、折返し部１２ｂｅ、ストレート部１２ａｆ、折返し部１２ｂｆ、ストレート部１２ａｇが続いた構成となっている。そして、ガス流路１２の下方端部が酸化剤ガス供給マニホールド１１ａに連結し、その上方端部が酸化剤ガス排出マニホールド１１ｂに連結している。

各ストレート部１２ａａ、１２ａｂ、１２ａｃ、１２ａｄ、１２ａｅ、１２ａｆ、１２ａｇは、平行配列された複数の細溝が形成され、各折返し部１２ｂａ、１２ｂｂ、１２ｂｃ、１２ｂｄ、１２ｂｅ、１２ｂｆ、ガス流路１２の上端部及び下端部は、小突起が格子状に配列された格子状流路になっている。また、ガス流路１２には、折返し部１２ｂａから、その外壁、仕切り壁１４、折返し部１２ｂｂの外壁、仕切り壁１５、折返し部１２ｂｃの外壁、仕切り壁１６、折返し部１２ｂｄの外壁、仕切り壁１７、折返し部１２ｂｅの外壁、仕切り壁１８、折返し部１２ｂｆ、ストレート部１２ａｇの外壁、に沿って酸化剤ガス供給マニホールド１１ａに至る水分排出路１９が形成されている。この水分排出路１９は、ガス流路１２のガス流通底面より低い溝面を有する溝となっている。

各単セル１０が前述したような構造のカソード側セパレータ１０ａを有する燃料電池では、発電時に、酸化剤ガス供給マニホールド１１ａから加湿状態の酸化剤ガス（例えば、空気）がガス流路１２に導入される。そして、その酸化剤ガスが、図３の破線矢印［１］に示すように、ガス流路１２のストレート部１２ａｇ、折返し部１２ｂｆ、ストレート部１２ａｆ、折返し部１２ｂｅ、ストレート部１２ａｅ、折返し部１２ｂｄ、ストレート部１２ａｄ、折返し部１２ｂｃ、ストレート部１２ａｃ、折返し部１２ｂｂ、ストレート部１２ａｂ、折返し部１２ｂａ及びストレート部１２ａａを通って酸化剤ガス排出マニホールド１１ｂまで流れ、酸化剤ガス排出マニホールド１１ｂからオフガスとして排出される。このガス流路１２を流れる酸化剤ガスがＭＥＡのカソードに供給される。

発電停止後、掃気処理では、発電時とは逆に、乾燥した酸化剤ガスが酸化剤ガス排出マニホールド１１ｂから導入され、その酸化剤ガスが、図３の破線矢印［２］に示すように、ガス流路１２のストレート部１２ａａ、折返し部１２ｂａ、ストレート部１２ａｂ、折返し部１２ｂｂ、ストレート部１２ａｃ、折返し部１２ｂｃ、ストレート部１２ａｄ、折返し部１２ｂｄ、ストレート部１２ａｅ、折返し部１２ｂｅ、ストレート部１２ａｆ、折返し部１２ｂｆ、及びストレート部１２ａｇを通って酸化剤ガス供給マニホールド１１ａに向けて流れる。その過程で、前記発電時にガス流路１２に付着した水分、特に、折返し部１２ｂａ、１２ｂｂ、１２ｂｃ、１２ｂｄ、１２ｂｅ、１２ｂｆの重力方向Ｙ下方コーナ部に付着した水分Ｄｎ１、Ｄｎ２、Ｄｎ３、Ｄｎ４、Ｄｎ５、Ｄｎ６は、その自重及びガス流路１２を上方端部（酸化剤ガス排出マニホールド１１ｂ側）から下方端部（酸化剤ガス供給マニホールド１１ａ側）に流れる酸化剤ガス（掃気）によって、ガス流通底面から水分排出路１９の溝に入り込みその水分排出路１９を伝って流れる。そして、酸化剤ガス供給マニホールド１１ａに排出される。

このように、発電時にガス流路１２、特に、折返し部１２ｂａ、１２ｂｂ、１２ｂｃ、１２ｂｄ、１２ｂｅ、１２ｂｆに付着した水分は、掃気処理時に水分排出路１９を通して酸化剤ガス供給マニホールド１１ａに排出されるようになるので、ガス流路１２に水分が滞留することが防止され、燃料電池の再起動特性を正常に維持することができるようになる。

また、水分排出路１９は、ガス流路１２に沿って形成されているので、発電時においてガス流路１２中の酸化剤ガスの流れを妨げることはない。即ち、水分排水路１９を形成することによって当該燃料電池の発電性能が低下することはない。

なお、前述した例では、発電停止後に掃気処理を実行する場合について説明したが、特に掃気処理を実行しなくても、発電時に各折返し部１２ｂａ、１２ｂｂ、１２ｂｃ、１２ｂｄ、１２ｂｅ、１２ｂｆに付着した水分は、その自重によって水分排水路１９を通して酸化剤ガス供給マニホールド１１ａに排出され得るようになる。

カソード側セパレータ１０ａは、図４に示すように構成することもできる（第二の構造例）。

この場合、ガス流路１２における折返し部１２ｂａ、１２ｂｂ、１２ｂｃ、１２ｂｄ、１２ｂｅ、１２ｂｆの重力方向Ｙ下方コーナ部に格子状流路を埋める傾斜部２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ、２０ｅ、２０ｆが形成される。そして、折返し部１２ｂａから酸化剤ガス供給マニホールド１１ａまで延びる水分排出路１９は、各折返し部１２ｂａ、１２ｂｂ、１２ｂｃ、１２ｂｄ、１２ｂｅ、１２ｂｆにおいて、そのコーナ部に形成された傾斜部２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ、２０ｅ、２０ｆに沿って形成されたものとなる。

このような構造のカソード側セパレータ１０ａでは、水分が溜まりやすいガス流路１２の各折返し部１２ｂａ、１２ｂｂ、１２ｂｃ、１２ｂｄ、１２ｂｅ、１２ｂｆの重力方向下方コーナ部に格子状流路を埋める傾斜部２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ、２０ｅ、２０ｆが形成されているので、当該コーナ部に付着した水分は傾斜部２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ、２０ｅ、２０ｆを流れつつ水分排出路に導入され得るようになる。従って、より効率的に水分を水分排出路１９を通して排出できるようになる。

カソード側セパレータ１０ａは、更に、図５に示すように構成することもできる（第三の構造例）。

この場合、カソード側セパレータ１０ａの外周部位に、ガス流路１２の折返し部１２ｂｆの重力方向Ｙ下方コーナ部に連通する排水マニホールド２１が形成される。これにより、ガス流路１２に付着した水分は、前述したように水分排出路１９を伝って流れ、排水マニホールド２１に排出される。また、特に折返し部１２ｂｆの重力方向Ｙ下方コーナ部に付着した水分は、その一部が排出マニホールド２１に排出され、残りが水分排出路１９を通して酸化剤ガス供給マニホールド１１ａに排出される。

前述した各構造例において、水分排出路１９に対して親水性化処理を施すようにしてもよい。この親水性化処理は、例えば、Ti0_２を水分排出路１９にコートすることによりなされる。このように、水分排出路１９の溝面を親水性化することにより、水分排出路１９の濡れ性がガス流路１２内の他の部位に比べて良くなり、水分排出路１９内を水分が玉状になり難く、流れやすいものとなる。従って、より確実に水分排出路１９を通して水分を排出することができるようになる。

なお、水分排出路１９の溝に対して親水性化処理をほどこすようにしたが、水分排出路１９としての溝を形成することなく、ガス流路１２内の他の部位より親水性の高い領域として水分排出路１９を形成することもできる。この場合、水分排出路１９とガス流路１２の他の部位との濡れ性の違いから、水分がより濡れ性の高い領域（水分排出路１９）を伝って流れやすくなる。これにより、掃気処理時に水分はその親水性の高い領域（水分排出路１９）を伝って酸化剤ガス供給マニホールド１１ａまたは排水マニホールド２１に排出されるようになる。

また、前記親水性化処理は、前記水分排水路１９（特に溝を形成しない場合も含む）の全体にわたって均一に施すものであっても、水分の溜まりやすいガス流路１２の各折返し部１２ｂａ、１２ｂｂ、１２ｂｃ、１２ｂｄ、１２ｂｅ、１２ｂｆに施すようにしてもよい。更に、その親水性の度合いを水分排水路１９が開始される折返し部１２ｂａから酸化剤ガス供給マニホールド１１ａに向けて次第に高くなるようにすることもできる。これにより、下方に向かうほどガス流路１２に溜まり易い水分を水分排出路１９に沿わせて有効に排出できるようになる。

なお、前述した各例では、ガス流路１２の各折返し部１２ｂａ、１２ｂｂ、１２ｂｃ、１２ｂｄ、１２ｂｅ、１２ｂｆだけが格子状流路になっていたが、各ストレート部１２ａａ、１２ａｂ、１２ａｃ、１２ａｄ、１２ａｅ、１２ａｆ、１２ａｇも格子状流路であってもよい。

また、前述した各例は、カソード側セパレータ１０ａについてのものであったが、燃料ガス流路の形成されるアノード側セパレータ１０ｂも同様の構成とすることができる。

以上、説明したように、本発明に係る燃料電池は、各単セルに形成されるガス流路、特に、そのガス流路の折返し部に水分が溜まることを有効に防止することのできる構造となるので、各単セルに、ガス流路と、該ガス流路の両端部それぞれに連結するガスマニホールドとが形成された燃料電池として有用である。

本発明の実施の一形態に係る燃料電池の基本的な構造を示す図である。図１に示す各単セルに含まれるカソード側セパレータの第一の構造例を示す図である。図２に示すカソード側セパレータに形成されたガス流路を流れる酸化剤ガスの状態を示す図である。カソード側セパレータの第二の構造例を示す図である。カソード側セパレータの第三の構造例を示す図である。

符号の説明

１０単セル
１０ａカソード側セパレータ
１０ｂアノード側セパレータ
１１ａ酸化剤ガス供給側マニホールド
１１ｂ酸化剤ガス排出側マニホールド
１２ガス流路
１２ａａ、１２ａｂ、１２ａｃ、１２ａｄ、１２ａｅ、１２ａｆ、１２ａｇストレート部
１２ｂａ、１２ｂｂ、１２ｂｃ、１２ｂｄ、１２ｂｅ、１２ｂｆ折返し部
１３、１４、１５、１６、１７、１８仕切り壁
１９水分排出路
２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ、２０ｅ、２０ｆ傾斜部
２１排水マニホールド

Claims

積層された複数の単セルを有し、各単セルに、一又は複数の折返しのあるガス流路と、該ガス流路の両端部それぞれに連結するガスマニホールドとが形成され、前記ガス流路の少なくとも折返し部が格子状流路となる燃料電池であって、
前記ガス流路の折返し部から所定のマニホールドまで前記ガス流路に沿って形成された水分排出路を有し、
前記水分排出路は、前記ガス流路のガス流通底面より低い溝面を有する溝であることを特徴とする燃料電池。
前記所定のマニホールドは、前記ガス流路の端部に連結するガスマニホールドであることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
前記水分排出路は、前記ガス流路内の他の部位より親水性が高い領域として形成したことを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池。
前記ガス流路の折返し部の重力方向下方コーナ部に前記格子状流路を埋める傾斜部が形成され、前記水分排出路は、前記傾斜部に沿って形成されたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の燃料電池。
積層された複数の単セルを有し、各単セルに、一又は複数の折返しのあるガス流路と、該ガス流路の両端部それぞれに連結するガスマニホールドとが形成され、前記ガス流路の少なくとも折返し部が格子状流路となる燃料電池であって、
前記ガス流路の折返し部から所定のマニホールドまで前記ガス流路に沿って形成された水分排出路を有し、
前記ガス流路の折返し部の重力方向下方コーナ部に前記格子状流路を埋める傾斜部が形成され、前記水分排出路は、前記傾斜部に沿って形成されたことを特徴とする燃料電池。