JP4903770B2

JP4903770B2 - 燃料電池

Info

Publication number: JP4903770B2
Application number: JP2008300713A
Authority: JP
Inventors: 誠治杉浦; 康博渡邊
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2008-11-26
Filing date: 2008-11-26
Publication date: 2012-03-28
Anticipated expiration: 2028-11-26
Also published as: JP2010129265A; US20100129694A1; US9214682B2

Description

本発明は、電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層され、電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路が形成されるとともに、前記反応ガス流路の入口側に連通する入口バッファ部と、前記反応ガス流路の出口側に連通する出口バッファ部とが設けられる燃料電池に関する。

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、セパレータによって挟持した単位セルを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の単位セルを積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。

上記の燃料電池では、セパレータの面内に、アノード側電極に燃料ガスを流すための燃料ガス流路（反応ガス流路）と、カソード側電極に酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路（反応ガス流路）とが設けられている。さらに、各発電セル毎又は複数の発電セル毎に、冷却媒体を流すための冷却媒体流路がセパレータの面方向に沿って設けられている。

この種の燃料電池は、セパレータの積層方向に貫通する反応ガス入口連通孔、反応ガス出口連通孔、冷却媒体入口連通孔及び冷却媒体出口連通孔が前記燃料電池の内部に設けられる、所謂、内部マニホールドを構成する場合がある。

その際、一般的に、反応ガス入口連通孔と反応ガス流路との間には、前記反応ガス流路に反応ガスを均一に分散させて供給するために、入口バッファ部が設けられている。一方、反応ガス流路と反応ガス出口連通孔との間には、前記反応ガス出口連通孔に反応ガスを均一に合流させるために、出口バッファ部が設けられている。

例えば、特許文献１では、図１０に示すように、セパレータ１のガス流路２を、入口マニホールド３ａ及び出口マニホールド３ｂへの入口及び出口の通路幅より幅広に形成された流路幅を備え且つ流路を複数に分割するリブ４ａを備える主流路部２ａと、入口マニホールド３ａ若しくは出口マニホールド３ｂへの入口若しくは出口と主流路部２ａとの間に配置され、流路を複数に分割するリブ４ｂ、４ｃを備え且つリブ４ｂ、４ｃの端部と主流路部２ａのリブ４ａとの間に再配流若しくは再合流のための隙間５ａ、５ｂを備えた配流部２ｂ及び合流部２ｃと、から構成している。

そして、再配流若しくは再合流のための隙間５ａ、５ｂが存在するセパレータ１の長手方向位置には、主流路部２ａ又は配流部２ｂ若しくは合流部２ｃから当該流路を分割するリブ４ｂ、４ｃを延在させたリブが少なくとも一箇所存在するようにしている。

特開２００６−１７２９２４号公報

上記の特許文献１では、配流部２ｂ及び合流部２ｃが同等に構成されているため、前記配流部２ｂ及び前記合流部２ｃは、同等の流路抵抗を有している。ここで、ガス流路２が、特にアノード側電極に純水素を供給する燃料ガス流路である場合、発電によりこの燃料ガス流路において水素が消費され、前記燃料ガス流路の入口側に対して出口側で流量が減少している。

その際、上記の特許文献１では、配流部２ｂにおける圧損が、合流部２ｃにおける圧損よりも大きくなり、入口マニホールド３ａに近接する流路に水素が優先的に流れてしまう。一方、入口マニホールド３ａから離間する流路では、水素不足が発生してしまう。これにより、発電性能が低下するとともに、電極の劣化が惹起するという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、入口バッファ部及び出口バッファ部に連通する反応ガス流路に、反応ガスを均一に分配することができ、簡単な構成で、発電性能を良好に維持することが可能な燃料電池を提供することを目的とする。

本発明は、電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層され、電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路が形成されるとともに、前記反応ガス流路の入口側に連通する入口バッファ部と、前記反応ガス流路の出口側に連通する出口バッファ部とが設けられる燃料電池に関するものである。

この燃料電池では、反応ガス流路は、入口側から出口側にわたって同一の深さを有する一方、少なくとも入口バッファ部の一部の深さは、少なくとも出口バッファ部の一部の深さよりも大きく設定されている。

本発明によれば、入口バッファ部の圧損は、出口バッファ部の圧損よりも小さく設定されている。このため、発電により反応ガス流路で反応ガスが消費される際に、入口バッファ部の圧損と出口バッファ部の圧損とが同等になり、前記反応ガス流路に前記反応ガスを均等に分配することができる。これにより、簡単な構成で、所望の発電性能を良好に維持することが可能になる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池１０の分解斜視説明図である。

燃料電池１０は、電解質膜・電極構造体１４が、第１セパレータ（カソード側セパレータ）１６と第２セパレータ（アノード側セパレータ）１８とに挟持される。第１及び第２セパレータ１６、１８は、例えば、カーボンセパレータで構成されているが、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属セパレータにより構成してもよい。

燃料電池１０の矢印Ｂ方向（図１中、水平方向）の一端縁部には、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス（反応ガス）、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔２０ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔２２ａ、及び燃料ガス（反応ガス）、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔２４ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。

燃料電池１０の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔２４ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔２２ｂ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔２０ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。

電解質膜・電極構造体１４は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜２６と、前記固体高分子電解質膜２６を挟持するカソード側電極２８及びアノード側電極３０とを備える。アノード側電極３０は、カソード側電極２８よりも小さな表面積を有している。

カソード側電極２８及びアノード側電極３０は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層（図示せず）と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成される電極触媒層（図示せず）とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜２６の両面に形成される。

第１セパレータ１６の電解質膜・電極構造体１４に向かう面１６ａには、酸化剤ガス流路（反応ガス流路）３２が設けられる。酸化剤ガス流路３２は、図２に示すように、矢印Ｂ方向に延在する複数の直線状突起部３２ａ間に形成される複数の直線状流路溝３２ｂを有する。

酸化剤ガス流路３２の入口側には、入口バッファ部３４が連通するとともに、前記酸化剤ガス流路３２の出口側には、出口バッファ部３６が連通する。入口バッファ部３４は、複数のエンボス３４ａを有する一方、出口バッファ部３６は、複数のエンボス３６ａを有する。

図１に示すように、第１セパレータ１６の面１６ａとは反対の面１６ｂには、冷却媒体流路３８が設けられる。冷却媒体流路３８は、矢印Ｂ方向に延在する複数の直線状突起部３８ａ間に形成される複数の直線状流路溝３８ｂを有する。冷却媒体流路３８には、入口バッファ部４０及び出口バッファ部４２が連通する。入口バッファ部４０は、複数のエンボス４０ａを有する一方、出口バッファ部４２は、複数のエンボス４２ａを有する。

第２セパレータ１８の電解質膜・電極構造体１４に向かう面１８ａには、燃料ガス流路（反応ガス流路）４４が設けられる。燃料ガス流路４４は、矢印Ｂ方向に延在する複数の直線状突起部４４ａ間に形成される複数の直線状流路溝４４ｂを有する。

燃料ガス流路４４の入口側には、入口バッファ部４６が連通するとともに、前記燃料ガス流路４４の出口側には、出口バッファ部４８が連通する。入口バッファ部４６は、複数のエンボス４６ａを有する一方、出口バッファ部４８は、複数のエンボス４８ａを有する。

第２セパレータ１８には、燃料ガス入口連通孔２４ａの近傍に複数の供給孔部４９ａが形成されるとともに、燃料ガス出口連通孔２４ｂの近傍に複数の排出孔部４９ｂが形成される。供給孔部４９ａは、面１８ｂ側で燃料ガス入口連通孔２４ａに連通する一方、面１８ａ側で入口バッファ部４６に連通する。排出孔部４９ｂは、同様に面１８ｂ側で燃料ガス出口連通孔２４ｂに連通する一方、面１８ａ側で出口バッファ部４８に連通する。

燃料ガス流路４４側では、入口バッファ部４６の圧損は、出口バッファ部４８の圧損よりも小さく設定される。第１の実施形態では、図３に示すように、入口バッファ部４６の深さＨ１は、出口バッファ部４８の深さＨ２よりも大きく設定される（Ｈ１＞Ｈ２）。

燃料ガスの入口流量Ｑ１であり、前記燃料ガスの出口流量Ｑ２である際、入口バッファ部４６の圧損と出口バッファ部４８の圧損とを同等にするために、それぞれの深さＨ１、Ｈ２は、Ｈ１／Ｈ２＝³√Ｑ１／Ｑ２の関係から設定される。

酸化剤ガス流路３２側では、必要に応じて、上記の燃料ガス流路４４側と同様に、入口バッファ部３４の圧損は、出口バッファ部３６の圧損よりも小さく設定される。

図１及び図２に示すように、第１セパレータ１６の面１６ａ、１６ｂの外周縁部には、ガスケット等のシール部材５０、５２が設けられる。図１に示すように、第２セパレータ１８の面１８ａの外周縁部には、ガスケット等のシール部材５４が設けられる。

このように構成される燃料電池１０の動作について、以下に説明する。

先ず、図１に示すように、酸化剤ガス入口連通孔２０ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔２４ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔２２ａに純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。

このため、酸化剤ガスは、図２に示すように、酸化剤ガス入口連通孔２０ａから第１セパレータ１６の入口バッファ部３４に導入される。酸化剤ガスは、入口バッファ部３４から酸化剤ガス流路３２を構成する複数の流路溝３２ｂに分配供給される。酸化剤ガスは、各流路溝３２ｂに沿って矢印Ｂ方向に移動し、電解質膜・電極構造体１４のカソード側電極２８に供給される。

一方、燃料ガスは、図１に示すように、第２セパレータ１８の面１８ｂ側で燃料ガス入口連通孔２４ａから供給孔部４９ａを通って面１８ａ側に移動し、入口バッファ部４６に導入される。燃料ガスは、入口バッファ部４６から燃料ガス流路４４を構成する複数の流路溝４４ｂに分配供給される。この燃料ガスは、各流路溝４４ｂに沿って矢印Ｂ方向に移動し、電解質膜・電極構造体１４のアノード側電極３０に供給される。

従って、各電解質膜・電極構造体１４では、カソード側電極２８に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極３０に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。

各流路溝３２ｂに沿って流動する酸化剤ガスは、図２に示すように、出口バッファ部３６で合流した後、酸化剤ガス出口連通孔２０ｂに排出される。また、各流路溝４４ｂに沿って流動する燃料ガスは、図１に示すように、出口バッファ部４８で合流した後、排出孔部４９ｂを通って燃料ガス出口連通孔２４ｂに排出される。

また、冷却媒体は、冷却媒体入口連通孔２２ａから第１セパレータ１６と第２セパレータ１８との間に形成された入口バッファ部４０に導入される。冷却媒体は、入口バッファ部４０から冷却媒体流路３８を構成する複数の流路溝３８ｂに供給される。この冷却媒体は、各流路溝３８ｂに沿って矢印Ｂ方向に移動し、電解質膜・電極構造体１４の発電面を冷却した後、出口バッファ部４２で合流して冷却媒体出口連通孔２２ｂに排出される。

この場合、特に燃料ガス流路４４では、この燃料ガス流路４４に供給された燃料ガスが、発電反応により消費されている。このため、燃料ガスは、入口流量Ｑ１に対して出口流量Ｑ２が減少し（Ｑ１＞Ｑ２）、出口バッファ部４８の流路抵抗が低下する。

そこで、第１の実施形態では、入口バッファ部４６の圧損が、出口バッファ部４８の圧損よりも小さく設定されている。具体的には、図３に示すように、入口バッファ部４６の深さＨ１は、出口バッファ部４８の深さＨ２よりも大きく設定されている（Ｈ１＞Ｈ２）。

これにより、発電により燃料ガス流路４４で燃料ガスが消費される際に、入口バッファ部４６の圧損と出口バッファ部４８の圧損とが同等になる。従って、燃料ガス流路４４に燃料ガスを均等に分配することができ、簡単な構成で、所望の発電性能を良好に維持することが可能になるという効果が得られる。

図４には、入口バッファ部及び出口バッファ部の圧損が同等である従来例と、第１の実施形態とにおいて、流路溝４４ｂの入口側から出口側までの燃料ガス流量（水素流量）の変化が示されている。これにより、従来例では、流路溝４４ｂの出口側に行くのに従って燃料ガス流量が減少するのに対し、第１の実施形態では、前記流路溝４４ｂ全域にわたって燃料ガス流量が均一化されている。

なお、酸化剤ガス流路３２においても、必要に応じて、入口バッファ部３４の圧損は、出口バッファ部３６の圧損よりも小さく設定されている。このため、上記の燃料ガス流路４４と同様の効果が得られる。

図５は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池６０の分解斜視説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池１０と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第３及び第４の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。

燃料電池６０は、電解質膜・電極構造体１４が、第１セパレータ１６と第２セパレータ（アノード側セパレータ）６２とに挟持される。第２セパレータ６２は、燃料ガス流路４４の入口側に連通する入口バッファ部６６と、前記燃料ガス流路４４の出口側に連通する出口バッファ部４８とを設ける。

入口バッファ部６６は、図５及び図６に示すように、少なくとも一部に大きな深さＨ１を有する深溝領域６６ａを設ける。この深溝領域６６ａは、燃料ガス入口連通孔２４ａから離間するのに従って幅狭に、すなわち、略三角形状に構成される。入口バッファ部６６の他の部分は、出口バッファ部４８と同等の深さＨ２（Ｈ１＞Ｈ２）に設定される。

このように構成される第２の実施形態では、入口バッファ部６６の少なくとも一部に深溝領域６６ａを設けることにより、前記入口バッファ部６６の圧損は、出口バッファ部４８の圧損よりも小さく設定されている。従って、発電により燃料ガス流路４４で燃料ガスが消費される際に、入口バッファ部６６の圧損と出口バッファ部４８の圧損とが同等になり、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

図７は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池７０の分解斜視説明図である。

燃料電池７０は、電解質膜・電極構造体１４が、第１セパレータ１６と第２セパレータ（アノード側セパレータ）７２とに挟持される。第２セパレータ７２は、燃料ガス流路４４の入口側に連通する入口バッファ部４６と、前記燃料ガス流路４４の出口側に連通する出口バッファ部７４とを設ける。

出口バッファ部７４は、図７及び図８に示すように、少なくとも一部に小さな深さＨ２を有する浅溝領域７４ａを設ける。この浅溝領域７４ａは、燃料ガス出口連通孔２４ｂから離間するのに従って幅狭に、すなわち、略三角形状に構成される。出口バッファ部７４の他の部分は、入口バッファ部４６と同等の深さＨ１（Ｈ１＞Ｈ２）に設定される。

このように構成される第３の実施形態では、出口バッファ部７４の少なくとも一部に浅溝領域７４ａを設けることにより、入口バッファ部４６の圧損は、前記出口バッファ部７４の圧損よりも小さく設定されている。従って、発電により燃料ガス流路４４で燃料ガスが消費される際に、入口バッファ部４６の圧損と出口バッファ部７４の圧損とが同等になり、上記の第１及び第２の実施形態と同様の効果が得られる。

図９は、本発明に関連する燃料電池を構成する第２セパレータ（アノード側セパレータ）８０の正面説明図である。

第２セパレータ８０は、燃料ガス流路４４の入口側に連通する入口バッファ部８２と、前記燃料ガス流路４４の出口側に連通する出口バッファ部８４とを設ける。

入口バッファ部８２は、屈曲する線状及び略三角形状等の突起部８２ａを介して複数の溝部８２ｂを有する。出口バッファ部８４は、同様に屈曲する線状及び略三角形状等の突起部８４ａを介して複数の溝部８４ｂを有する。溝部８２ｂの溝部幅Ｓ１は、溝部８４ｂの溝部幅Ｓ２よりも幅広（Ｓ１＞Ｓ２）に設定することにより、入口バッファ部８２の圧損は、出口バッファ部８４の圧損よりも小さく設定される。

このように構成される第２セパレータ８０では、入口バッファ部８２の溝部８２ｂが、出口バッファ部８４の溝部８４ｂよりも幅広に設定されることにより、前記入口バッファ部８２の圧損は、前記出口バッファ部８４の圧損よりも小さく設定されている。従って、発電により燃料ガス流路４４で燃料ガスが消費される際に、入口バッファ部８２の圧損と出口バッファ部８４の圧損とが同等になる。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の分解斜視説明図である。前記燃料電池を構成する第１セパレータの正面説明図である。前記燃料電池を構成する第２セパレータの、図１中、ＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。従来例と第１の実施形態とにおいて、流路溝の入口側から出口側での燃料ガス流量の変化説明図である。本発明の第２の実施形態に係る燃料電池の分解斜視説明図である。前記燃料電池を構成する第２セパレータの、図５中、ＶＩ−ＶＩ線断面図である。本発明の第３の実施形態に係る燃料電池の分解斜視説明図である。前記燃料電池を構成する第２セパレータの、図７中、ＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線断面図である。本発明に関連する燃料電池を構成する第２セパレータの正面説明図である。特許文献１の燃料電池セパレータの正面説明図である。

符号の説明

１０、６０、７０…燃料電池１４…電解質膜・電極構造体
１６、１８、６２、７２、８０…セパレータ
２０ａ…酸化剤ガス入口連通孔２０ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
２２ａ…冷却媒体入口連通孔２２ｂ…冷却媒体出口連通孔
２４ａ…燃料ガス入口連通孔２４ｂ…燃料ガス出口連通孔
２６…固体高分子電解質膜２８…カソード側電極
３０…アノード側電極３２…酸化剤ガス流路
３２ａ、３８ａ、４４ａ…直線状突起部
３２ｂ、３８ｂ、４４ｂ…直線状流路溝
３４、４０、４６、６６、８２…入口バッファ部
３６、４２、４８、７４、８４…出口バッファ部
６６ａ…深溝領域７４ａ…浅溝領域
８２ｂ、８４ｂ…溝部

Claims

電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層され、電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路が形成されるとともに、前記反応ガス流路の入口側に連通する入口バッファ部と、前記反応ガス流路の出口側に連通する出口バッファ部とが設けられる燃料電池であって、
前記反応ガス流路は、前記入口側から前記出口側にわたって同一の深さを有する一方、
少なくとも前記入口バッファ部の一部の深さは、少なくとも前記出口バッファ部の一部の深さよりも大きく設定されることを特徴とする燃料電池。
請求項１記載の燃料電池において、前記入口バッファ部に隣接して前記反応ガスを前記セパレータの積層方向に流通させる反応ガス入口連通孔が設けられるとともに、
前記入口バッファ部の深溝領域は、前記反応ガス入口連通孔から離間するのに従って幅狭に構成されることを特徴とする燃料電池。
請求項１又は２記載の燃料電池において、前記出口バッファ部に隣接して前記反応ガスを前記セパレータの積層方向に流通させる反応ガス出口連通孔が設けられるとともに、
前記出口バッファ部の浅溝領域は、前記反応ガス出口連通孔から離間するのに従って幅狭に構成されることを特徴とする燃料電池。