JP4889983B2

JP4889983B2 - 燃料電池

Info

Publication number: JP4889983B2
Application number: JP2005254611A
Authority: JP
Inventors: 之人田中
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2005-09-02
Filing date: 2005-09-02
Publication date: 2012-03-07
Anticipated expiration: 2025-09-02
Also published as: JP2007066829A

Description

本発明は、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なる膜電極構造体を、一対のセパレータで挟持してなる燃料電池セルを複数積層してなる燃料電池に関するものである。

近年、燃料電池車両等に搭載される燃料電池として、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だ膜電極構造体を一対のセパレータで挟持して燃料電池セルを形成し、これらの燃料電池セルを複数積層する構造をとるものが知られている。そして、アノード電極にアノードガス（例えば水素ガス）を供給し、カソード電極にカソードガス（例えば酸素を含む空気）を供給して、これら反応ガス（アノードガス、カソードガス）の電気化学反応により電気エネルギを抽出する。また、この発電に伴ってカソード電極側で水が生成される（生成水、と称す）。

この燃料電池での発電には発熱を伴うため、発電を継続すると燃料電池の温度が上昇していくことになる。このため、燃料電池に冷却媒体を供給して温度上昇を抑制する技術が知られている。
ところで、この冷却媒体は燃料電池の発電生成熱を奪って冷却媒体の温度が上昇するため、冷却媒体の温度は冷却媒体流路の入口側（上流側）で低く、出口側で高くなる。そうすると、冷却媒体の入口側に位置する温度領域の低い燃料電池セル部分では、反応ガスの相対湿度が高くなり、冷却媒体の出口側に位置する温度領域の高い燃料電池セル部分では、反応ガスの相対湿度が低くなる。その結果、アノード電極やカソード電極、固体高分子電解質膜の湿度が変動して、発電性能が低下することとなる。

この対策として、冷却媒体とカソードガスとを並行に流すことにより、カソードガス流路において上流側から下流側に向って温度を上昇させ、カソードガス中に含まれる水分量を高めることにより、反応生成水を除去し、カソード電極の発電面内での結露を防止するとともに発電性能の低下の防止を図る技術が提案されている（特許文献１、特許文献２参照）。
米国特許第５５４７７７６号公報特開平５−１４４４５１号公報

しかしながら、従来の技術では、以下のような問題がある。
すなわち、電極反応面の電流密度を増加させようとすると、これに伴い電極反応による反応生成水の量が増加する。したがって反応ガス流路の上流側と下流側とで相対湿度の差が増大し、特に下流側では大量の反応生成水が蓄積し、電極反応面が閉塞したり、反応生成水が結露して反応ガス流路が閉塞したりしてしまう。その結果、従来技術のように単に冷却媒体とカソードガスとを平行に流すだけでは、反応ガス流路の下流側に蓄積する反応生成水を十分に除去することは出来ず発電性能が低下してしまうという問題がある。

特に、燃料電池が車両の駆動源として搭載される場合には小型軽量化が求められ、限られた大きさで比較的大きな発電量が必要となるため電極反応面の電流密度が増加する。従って、冷却媒体とカソードガスとを平行に流すことのみでは、反応生成水を十分に除去することが出来ず、所望の発電性能を達成することは困難であった。
本発明は、電極反応面の電流密度が高い場合であっても反応ガス流路の相対湿度を一定に維持しながら反応生成水を十分に除去することが出来、発電性能に優れた燃料電池を提供することを目的とする。

請求項１に係る発明は、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なる膜電極構造体を、一対のセパレータで挟持してなる燃料電池セルを複数積層してなる燃料電池であって、各燃料電池セルにおける、一方のセパレータ（例えば、実施の形態におけるアノード側セパレータ５５）と前記アノード電極との間には、アノードガス流路（例えば、実施の形態におけるアノードガス流路５８）が形成され、各燃料電池セルにおける、他方のセパレータ（例えば、実施の形態におけるカソード側セパレータ５６）と前記カソード電極との間には、カソードガス流路（例えば、実施の形態におけるカソードガス流路５９）が形成され、積層方向に隣合う燃料電池セル同士における、互いに対向するセパレータ（例えば、実施の形態におけるアノード側セパレータ５５、カソード側セパレータ５６）間には、冷却媒体（例えば、実施の形態における冷却水）が流通する冷却流路（例えば、実施の形態における冷却流路６０）が形成され、前記冷却流路は、その上流側の部位における冷却媒体との接触面積を下流側の部位よりも大きくなるように形成されるとともに、前記冷却流路における前記冷却媒体の流通方向と前記カソードガス流路におけるカソードガスの流通方向とを略一致させるように、前記冷却流路と前記カソードガス流路とを配置している。
請求項２に係る発明は、前記冷却流路の上流側における前記冷却媒体との接触面には、凹凸からなる波状部が形成され、前記冷却流路の上流側から下流側に向けて前記波状部を消失させることにより、前記冷却流路の上流側の部位における冷却媒体との接触面積が下流側の部位よりも大きくなるように形成されていることを特徴とする。

この発明によれば、上流側の部位における冷却媒体との接触面積を下流側の部位よりも大きくなるように冷却流路が形成されるので、冷却媒体による冷却能力が上流側で上昇するとともに下流側で抑制される。そして、冷却媒体の流路方向はカソードガス流路と略一致させているので、上流側のカソードガス（例えば、実施の形態における空気）は上流側の冷却媒体により冷却を促進される一方、下流側のカソードガスは下流側の冷却媒体により冷却を抑制される。これにより、生成水をあまり含まない上流側のカソードガスの温度を低く抑えることができ、生成水を多く含む下流側のカソードガスの温度を高めることができる。従って、発電量が多くなり生成水が多量に発生する場合であっても、カソードガスの相対湿度を略均一に維持しながら反応生成水を除去することができるので、カソード電極や固体高分子電解質膜の機能を維持できる。

請求項３に係る発明は、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なる膜電極構造体を、一対のセパレータで挟持してなる燃料電池セルを複数積層してなる燃料電池であって、各燃料電池セルにおける、一方のセパレータと前記アノード電極との間には、アノードガス流路が形成され、各燃料電池セルにおける、他方のセパレータと前記カソード電極との間には、カソードガス流路が形成され、積層方向に隣合う燃料電池セル同士における、互いに対向するセパレータ間には、冷却媒体が流通する冷却流路が形成され、前記冷却流路は、その上流側の部位における断面積を下流側の部位よりも大きくなるように形成されるとともに、前記冷却流路における前記冷却媒体の流通方向と前記カソードガス流路におけるカソードガスの流通方向とを略一致させるように、前記冷却流路と前記カソードガス流路とを配置していることを特徴とする。
請求項４に係る発明は、前記セパレータにおける前記冷却流路の上流側を区画する部位の厚さが下流側を区画する部位よりも厚く形成されることにより、前記冷却流路の上流側の部位における断面積が下流側の部位よりも大きくなるように形成されていることを特徴とする。

この発明によれば、上流側の部位における断面積を下流側の部位よりも大きくなるように冷却流路が形成されるので、冷却媒体による冷却能力が上流側で上昇するとともに下流側で抑制される。そして、冷却媒体の流路方向はカソードガス流路と略一致させているので、上流側のカソードガスは上流側の冷却媒体により冷却を促進される一方、下流側のカソードガスは下流側の冷却媒体により冷却を抑制される。これにより、生成水をあまり含まない上流側のカソードガスの温度を低く抑えることができ、生成水を多く含む下流側のカソードガスの温度を高めることができる。従って、発電量が多くなり生成水が多量に発生する場合であっても、カソードガスの相対湿度を略均一に維持しながら反応生成水を除去することができるので、カソード電極や固体高分子電解質膜の機能を維持できる。

本発明によれば、発電量が多くなり生成水が多量に発生する場合であっても、カソードガスの相対湿度を略均一化することができるので、カソード電極や固体高分子電解質膜の機能を維持できる。

以下、本発明の実施の形態に係る燃料電池について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燃料電池セル５０が構成される。また、この燃料電池セル５０を複数積層して燃料電池が構成される。
セパレータ５５，５６はカーボン製であり、膜電極構造体５４に面して反応ガス流路溝が形成されている。

アノード側セパレータ５５には、膜電極構造体５４に対向する面にアノードガス流路溝５５ｃが形成されている。アノードガス流路溝５５ｃは所定本数配列されていて、アノード側セパレータ５５のアノードガス流路溝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）が流通するアノードガス流路５８とされている。

カソード側セパレータ５６には、膜電極構造体５４に対向する面にカソードガス流路溝５６ｃが形成されている。カソードガス流路溝５６ｃは所定本数配列されていて、カソード側セパレータ５６のカソードガス流路溝５６ｃとカソード電極５３との間に形成される空間は空気（カソードガス）が流通するカソードガス流路５９とされている。

アノード側セパレータ５５、カソード側セパレータ５６には、アノードガス流路溝５５ｃ、カソードガス流路溝５６ｃが形成される面と反対側の面に、冷却流路溝５５ｄ、５６ｄがそれぞれ形成されている。
図２は、アノード側セパレータ５５を冷却流路溝５５ｄが形成されている側から見た正面図であり、冷却流路溝５５ｄは、アノードガス流路溝５５ｃが形成されている領域（換言すると、アノード電極５２の反応面に対応する領域）に対応して、その全域に亘って形成されている。互いに隣り合う冷却流路溝５５ｄ，５５ｄ間には両者を仕切る隔壁部５５ｆが形成されている。

また、冷却流路溝５６ｄは、カソードガス流路溝５６ｃが形成されている領域（換言すると、カソード電極５３の反応面に対応する領域）に対応して、その全域に亘って形成されている。互いに隣り合う冷却流路溝５６ｄ，５６ｄ間には両者を仕切る隔壁部５６ｆが形成されている（図３参照）。
そして、燃料電池セル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間において、アノード側セパレータ５５の冷却流路溝５５ｄとカソード側セパレータ５６の冷却流路溝５６ｄとの間に形成される空間は、冷却液が流通する冷却流路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、前述したアノードガス流路５８、カソードガス流路５９、および冷却流路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，冷却液排出開口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、冷却液供給開口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、冷却液排出開口７２同士が連通して冷却液集合流路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、冷却液供給開口７５同士が連通して冷却液分配流路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、アノード側セパレータ５５においてアノードガス流路溝５５ｃの始端が燃料供給開口７１に連通し、アノードガス流路溝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を介してアノードガス流路溝５５ｃによりう形成されるアノードガス流路に導入され、アノードガス流路に沿って流通した後、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、カソード側セパレータ５６においてカソードガス流路溝５６ｃの始端が空気供給開口７４に連通し、カソードガス流路溝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を介してカソードガス流路に導入され、カソードガス流路に沿って流通した後、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、アノード側セパレータ５５において右側に位置する冷却流路溝５５ｄの始端が冷却液供給開口７５に連通し、冷却流路溝５５ｄの終端が冷却液排出開口７２に連通しており、冷却液は、冷却液分配流路７５Ａから冷却液供給開口７５を介して冷却流路６０に導入され、冷却流路６０を水平方向に流通した後、冷却液排出開口７２を介して冷却液集合流路７２Ａに排出される。
このように、カソードガス流路５９と冷却流路６０は、一方の端部（図２（ａ）の右端部）側から他方の端部（図２（ａ）の左端部）に向けて形成されているので、互いの流路方向は略一致していると言える。また、図２（ｂ）に示すように、冷却流路６０が略直線状に形成される一方でカソードガス流路５９が蛇行して形成されていても、平均的に視て、冷却流路６０の流路方向とカソードガス流路５９の流路方向とが略一致していると言える。換言すれば、冷却流路６０の流路方向と、カソードガス流路５９の折り返す部位（折り返し部５９ａ）での流路方向とが略一致していればよい。さらに、冷却流路６０とカソードガス流路５９の一方または双方が蛇行している場合であっても、上述のように進行方向が略一致していればよい。

本実施の形態における冷却流路６０を構成する冷却流路溝５５ｄ、５６ｄの形状について、図３、図５を用いて説明する。
図３に示すように、冷却液供給開口７５付近（冷却流路上流側）に形成される冷却流路溝５９、６０には、一定パターンの凹凸からなる波状部５５ｅ、５６ｅがそれぞれの底面に形成されている。

また、図２に示すように、セパレータ５５、５６において、波状部５５ｅ、５６ｅの数は冷却流路６０の上流側から下流側に向けて段階的に減少していき、中間部より下流側では波状部５５ｅ、５６ｅは消失している。すなわち、図５に示すように、冷却液排出開口７２付近（冷却流路下流側）に形成される冷却流路溝５９、６０の底面は、平板状に形成されている。このように、冷却流路６０の上流側に波状部５５ｅ、５６ｅを形成することにより、冷却液との接触面積を下流側の部位よりも上流側の部位で大きくなるようにしている。

このように構成された燃料電池では、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が所定の作動温度を越えないように、冷却流路６０を流れる冷却液で熱を奪い冷却する。

このとき、上述したように、冷却流路６０は、その上流側の部位における冷却液との接触面積を下流側の部位よりも大きくなるように形成されているので、冷却液による冷却能力が上流側で上昇するとともに下流側で抑制される。
従って、図７に示すように、電極反応面の温度は、カソードガス入口側から出口側に向かうにつれて急激に上昇し（ラインＬ１）、接触面積を一定にした場合（ラインＬ２）に比して急峻な温度勾配となる。
そして、冷却液の流路方向はカソードガス流路５９と略一致させているので、カソードガス流路５９の上流側を流れる空気の冷却が促進される一方、カソードガス流路５９の上流側を流れる空気の冷却が抑制される。

これにより、生成水をあまり含まないカソードガス流路５９上流側の空気の温度を低く抑えることができ、生成水を多く含むカソードガス流路５９下流側の空気の温度を高めることができる（図８参照）。従って、発電量が多くなり生成水が多量に発生する場合であっても、カソードガス流路５９を流れる空気の相対湿度を略均一に維持しながら反応生成水を除去することができるので、カソード電極５３や固体高分子電解質膜５１の機能を維持できる。

以下、本発明の変形例を図４、図６を用いて説明する。図４は上流側冷却流路の他の例を示す断面図である。図６は下流側冷却流路の他の例を示す断面図である。これらの図に示すように、セパレータ５５、５６は、冷却流路６０を区画する部位の高さ方向（積層方向）厚さを、上流側の厚さＨ１に比して下流側の厚さＨ２を大きく（即ち肉厚に）形成している。これにより、冷却流路６０の上流側はセパレータ５５、５６における薄肉の部位で区画されるので断面積は大きくなり、冷却流路６０の下流側はセパレータ５５、５６における圧肉の部位で区画されるので断面積は小さくなる。

このように、冷却流路６０は、その上流側の部位における断面積を下流側の部位における断面積よりも大きくなるように形成されているので、冷却液による冷却能力が上流側で上昇するとともに下流側で抑制される。従って、上述の実施の形態と同様に、カソードガス流路５９を流れる空気の相対湿度を略均一化することができる。
また、図５に示すように、下流側の幅方向の厚さＷ２を上流側の厚さＷ１に比して大きく（即ち肉厚に）形成した場合であっても、同様の効果を得ることができる。

以上説明したように、本発明によれば、電極反応面の電流密度が高い場合であっても反応ガス流路の相対湿度を一定に維持しながら反応生成水を十分に除去することが出来、発電性能に優れた燃料電池を提供することができる。
なお、本発明の内容は実施の形態のみに限定されるものでないことはもちろんである。例えば、実施の形態では、カーボン製の平板でセパレータを構成してその表面に複数の水を削り込んで反応ガスや冷却媒体の流路を形成しているので、反応ガス流路の断面積や接触面積を一定に維持しつつ冷却媒体流路の断面積や接触面積の調整を精度良く行える点で好ましいが、これに限らず、セパレータをステンレススチールやチタン等の金属で構成してもよい。金属製のセパレータの場合、セパレータ板の肉厚を上流から下流に向けて増加させることにより、反応ガス流路の流路断面積を一定に保ったまま冷却流路の断面積を上流から下流に向けて小さくすることができる。

本発明の実施の形態における燃料電池の分解斜視図である。アノード側セパレータの冷却流路を有する側から見た正面図であり（同図（ａ））、冷却流路とカソードガス流路との関係を示す概略説明図である（同図（ｂ））。図１の燃料電池に形成される上流側冷却流路の一例を示す、図２（ａ）の線Ａ−Ａ断面で切断した縦断面図である。図１の燃料電池に形成される上流側冷却流路の他の例を示す、図２（ａ）の線Ａ−Ａ断面で切断した縦断面図である。図１の燃料電池に形成される下流側冷却流路の一例を示す、図２（ａ）の線Ｂ−Ｂ断面で切断した縦断面図である。図１の燃料電池に形成される下流側冷却流路の他の例を示す、図２（ａ）の線Ｂ−Ｂ断面で切断した縦断面図である。入口（上流）側から出口（下流）側の電極反応面と電極反応面温度との関係を示すグラフ図である。入口（上流）側から出口（下流）側の電極反応面と、反応ガスである空気の相対湿度との関係を、従来例と本発明について示すグラフ図である。

符号の説明

５０…燃料電池セル
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
５５…アノード側セパレータ（一方のセパレータ）
５５ｃ…アノードガス流路溝
５５ｅ…波状部
５６…カソード側セパレータ（他方のセパレータ）
５６ｃ…カソードガス流路溝
５６ｅ…波状部
５８…アノードガス流路
５９…カソードガス流路
６０…冷却流路

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、一対のセパレータで挟持してなる燃料電池セルを複数積層してなる燃料電池であって、
各燃料電池セルにおける、一方のセパレータと前記アノード電極との間には、アノードガス流路が形成され、
各燃料電池セルにおける、他方のセパレータと前記カソード電極との間には、カソードガス流路が形成され、
積層方向に隣合う燃料電池セル同士における、互いに対向するセパレータ間には、冷却媒体が流通する冷却流路が形成され、
前記冷却流路は、その上流側の部位における冷却媒体との接触面積を下流側の部位よりも大きくなるように形成されるとともに、前記冷却流路における前記冷却媒体の流通方向と前記カソードガス流路におけるカソードガスの流通方向とを略一致させるように、前記冷却流路と前記カソードガス流路とを配置していることを特徴とする燃料電池。
前記冷却流路の上流側における前記冷却媒体との接触面には、凹凸からなる波状部が形成され、
前記冷却流路の上流側から下流側に向けて前記波状部を消失させることにより、前記冷却流路の上流側の部位における冷却媒体との接触面積が下流側の部位よりも大きくなるように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
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、一対のセパレータで挟持してなる燃料電池セルを複数積層してなる燃料電池であって、
各燃料電池セルにおける、一方のセパレータと前記アノード電極との間には、アノードガス流路が形成され、
各燃料電池セルにおける、他方のセパレータと前記カソード電極との間には、カソードガス流路が形成され、
積層方向に隣合う燃料電池セル同士における、互いに対向するセパレータ間には、冷却媒体が流通する冷却流路が形成され、
前記冷却流路は、その上流側の部位における断面積を下流側の部位よりも大きくなるように形成されるとともに、前記冷却流路における前記冷却媒体の流通方向と前記カソードガス流路におけるカソードガスの流通方向とを略一致させるように、前記冷却流路と前記カソードガス流路とを配置していることを特徴とする燃料電池。
前記セパレータにおける前記冷却流路の上流側を区画する部位の厚さが下流側を区画する部位よりも厚く形成されることにより、前記冷却流路の上流側の部位における断面積が下流側の部位よりも大きくなるように形成されていることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池。