JP4972884B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、電解質を備える燃料電池に関する。

燃料電池は、一般的には水素及び酸素を燃料として電気エネルギーを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れかつ高いエネルギー効率が実現できることから、今後のエネルギー供給システムとして広く開発が進められてきている。

燃料電池は、例えば、アノードとカソードとにより電解質が挟持された発電部がセパレータを介して積層される構造を有する。セパレータには、外部から供給される反応ガスの通路となる凹部が形成されている。燃料電池においては、このような構成により外部からセパレータに供給された反応ガスがアノードおよびカソードに供給され、発電が行われる。

このセパレータと上記電解質を補強する補強板とを有する燃料電池が開示されている（例えば、特許文献１参照）。この技術によれば、部材間の電気的な接続が確保されることによって接触抵抗が低減される。それにより、燃料電池の発電効率が向上する。

特開平３−１１０７６１号公報

しかしながら、特許文献１の技術では、セパレータにおける凹凸の配置と補強板の孔の配置とがランダムである。したがって、発電部における有効発電面積が減少するおそれがある。

本発明は、発電部における有効発電面積を増大させることができる燃料電池を提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池は、電解質と、貫通部位を有し電解質を補強する電解質補強部材とを備え、電解質は、電解質補強部材とは反対側の面において、電流密度が電解質の平均電流密度よりも高い高電流密度部と電流密度が電解質の平均電流密度よりも低い低電流密度部とを有し、貫通部位と高電流密度部とが対向する面積は、貫通部位と低電流密度部とが対向する面積よりも大きいことを特徴とするものである。

本発明に係る燃料電池においては、燃料ガスは貫通部位を通って電解質に供給される。それにより、電解質の電解質補強部材側の面においては貫通部位において電流密度が高くなる。この場合、貫通部位と高電流密度部とが対向する面積は貫通部位と低電流密度部とが対向する面積よりも大きいことから、有効発電面積が増大する。その結果、本発明に係る燃料電池の発電効率が向上する。

貫通部位は、高電流密度部と対向する位置に設けられていてもよい。この場合、電解質の電解質補強部材側の面における高電流密度部と、電解質の電解質補強部材とは反対側の面における高電流密度部とが一致することになる。それにより、本発明に係る燃料電池の発電効率を最大限に向上させることができる。

電解質の電解質補強部材とは反対側に設けられる電極と、電極の電解質とは反対側に設けられるセパレータとをさらに備え、セパレータの電解質側の面には凹凸が形成され、高電流密度部とは、セパレータの凸部と電極とが接触する部位に対向する部位であってもよい。この場合、セパレータの凹凸により電流密度にばらつきが生じても、有効発電面積を増大させることができる。

本発明によれば、有効発電面積が増大する。その結果、発電効率が向上する。

以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。

図１は、本発明の第１実施例に係る燃料電池１００の模式的断面図である。本実施例においては、燃料電池として水素分離膜電池を用いた。ここで、水素分離膜電池とは、水素分離膜層を備えた燃料電池である。水素分離膜層は水素透過性を有する金属によって形成される層である。水素分離膜電池は、この水素分離膜層及びプロトン導電性を有する電解質を積層した構造をとっている。水素分離膜電池のアノードに供給された水素は触媒を介してプロトンに変換され、プロトン導電性の電解質中を移動し、カソードにおいて酸素と結合して水となる。

図１に示すように、燃料電池１００は、補強板１０上に水素分離膜２０、電解質３０、カソード４０およびセパレータ５０が順に積層された構造を有する。補強板１０は、複数の貫通孔１１が形成された金属板からなる。補強板１０は、例えば、ステンレス板等の導電性材料等からなる。補強板１０において水素分離膜２０と接触する部位を補強部１２と呼ぶ。

水素分離膜２０は、燃料ガスが供給される電極として機能し、水素透過性金属からなる。水素分離膜２０を構成する金属は、例えば、パラジウム、バナジウム、チタン、タンタル等である。電解質３０は、プロトン導電性電解質からなる。電解質３０を構成する電解質は、例えば、ペロブスカイト型プロトン導電体（ＢａＣｅＯ_３等）、固体酸型プロトン導電体（ＣｓＨＳＯ_４）等からなる。

カソード４０は、酸化剤ガスが供給される電極であり、例えば、ランタンコバルトタイト、ランタンマンガネート、銀、白金、白金担持カーボン等の導電性材料から構成される。セパレータ５０は、ステンレス等の導電性材料からなり、カソード４０側に複数の溝が形成されている。この溝のことをガス流路５１と呼ぶ。また、セパレータ５０においてカソード４０と接触する部分のことを接触部５２と呼ぶ。本実施例においては、補強板１０およびセパレータ５０は、貫通孔１１と接触部５２とが対向し補強部１２とガス流路５１とが対向するように形成されている。

次に、燃料電池１００の動作について説明する。まず、水素を含有する燃料ガスが補強板１０に供給される。それにより、燃料ガスは、貫通孔１１を通って水素分離膜２０に供給される。燃料ガス中の水素は、水素分離膜２０においてプロトンに変換される。変換されたプロトンは、水素分離膜２０および電解質３０を伝導し、カソード４０に到達する。

一方、セパレータ５０のガス流路５１には酸素を含有する酸化剤ガスが供給される。ガス流路５１に供給された酸化剤ガスは、接触部５２に接触するカソード部分にも拡散する。それにより、酸化剤ガスは、カソード４０上面の全体に供給される。カソード４０においては、酸化剤ガス中の酸素とカソード４０に到達したプロトンとから水が発生するとともに電力が発生する。発生した電力は、セパレータ５０の接触部５２を介して回収される。

ガス流路５１に供給された酸化剤ガスはカソード４０上面の全体に供給されることから、カソード４０上面の全体において発電反応が行われる。しかしながら、カソード４０とセパレータ５０とは接触部５２を介して接触していることから、カソード４０においては接触部５２と接触する部分において最も効率よく発電反応が行われる。したがって、カソード４０においては、ガス流路５１部分の電流密度に比較して、接触部５２と接触する部分の電流密度の方が大きくなる。

一方、水素分離膜２０においては、貫通孔１１から燃料ガスが供給される。したがって、水素分離膜２０においては、補強部１２と接触する部分の電流密度に比較して、貫通孔１１の部分の電流密度の方が大きくなる。本実施例に係る燃料電池１００においては貫通孔１１と接触部５２とが対向することから、電流密度が高くなる部位も対向することになる。したがって、電解質３０の電気抵抗の影響を受けにくくなる。その結果、本実施例に係る燃料電池１００の発電効率が向上する。

図２は、貫通孔１１および接触部５２の形状について説明するための図である。図２（ａ）は補強板１０の平面図であり、図２（ｂ）はセパレータ５０の底面図である。図２（ａ）に示すように、補強板１０には複数の貫通孔１１が形成されている。また、図２（ｂ）に示すように、セパレータ５０には複数の突起からなる接触部５２が形成されている。接触部５２のセパレータ５０における面積率は、１〜１０％程度であることが望ましい。貫通孔１１の補強板１０における面積率も同程度である。

補強板１０およびセパレータ５０は、貫通孔１１と接触部５２とが対向するように水素分離膜２０、電解質３０およびカソード４０を介して積層される。なお、接触部５２および貫通孔１１は、それぞれセパレータ５０の下面および補強板１０において等間隔に形成されている必要はない。その場合、接触部５２と貫通孔１１とが対向していれば本発明の効果が得られる。

なお、貫通孔１１の開口面積と接触部５２の接触面積とは一致していなくてもよい。例えば、接触部５２の接触面積が貫通孔１１の開口面積よりも小さくても、接触部５２が貫通孔１１に収まるように対向している場合には、水素分離膜２０における発電領域を最大限に活用することができる。一方、貫通孔１１の開口面積が接触部５２の接触面積よりも小さくても、貫通孔１１が接触部４２に収まるように対向している場合には、カソード４０における発電領域を最大限に活用することができる。

図３〜図５は、それぞれ補強板１０の他の例である補強板１０ａ〜１０ｃおよびセパレータ５０の他の例であるセパレータ５０ａ〜５０ｃの形状について説明するための図である。図３（ａ）は補強板１０ａの平面図であり、図３（ｂ）はセパレータ５０ａの底面図である。図３（ａ）に示すように、補強板１０の中央部にはストライプ状の貫通孔１１ａが形成されている。また、図３（ｂ）に示すように、セパレータ５０の底面にはストライプ状の接触部５２ａが形成されている。貫通孔１１ａの幅は例えば０．５ｍｍ〜２ｍｍ程度であり、各貫通孔１１ａの平均間隔は例えば５ｍｍ〜２０ｍｍ程度である。

図４（ａ）は補強板１０ｂの平面図であり、図４（ｂ）はセパレータ５０ｂの底面図である。図４（ａ）に示すように、補強板１０ｂには複数の円柱状の貫通孔１１ｂが形成されている。また、図４（ｂ）に示すように、セパレータ５０ｂには複数の円柱状の突起からなる接触部５２ｂが形成されている。貫通孔１１ｂの直径は例えば０．５ｍｍ〜５ｍｍ程度であり、各貫通孔１１ｂの平均間隔は例えば５ｍｍ〜５０ｍｍ程度である。

図５（ａ）は補強板１０ｃの平面図であり、図５（ｂ）はセパレータ５０ｃの底面図である。図５（ａ）に示すように、補強板１０ｃには複数の多角柱状の貫通孔１１ｃが形成されている。また、図５（ｂ）に示すように、セパレータ５０ｃには複数の多角柱状の突起からなる接触部５２ｃが形成されている。貫通孔１１ｃの一辺は例えば０．５ｍｍ〜５ｍｍ程度であり、各貫通孔１１ｃの平均間隔は例えば５〜５０ｍｍ程度である。

以上のように図２〜図５を用いて補強板１０の貫通孔１１およびセパレータ５０の接触部５２の形状について説明したが、貫通孔１１および接触部５２の形状はこれらに限られるものではない。貫通孔１１および接触部５２が他の形状を有していても、貫通孔１１と接触部５２とが対抗するように形成されていれば本発明の効果が得られる。また、貫通孔１１の開口面積と接触部５２の接触面積とが異なっていても、貫通孔１１の開口面積および接触部５２の接触面積が互いにいずれか一方に収まるように形成されていれば本発明の効果が得られる。なお、本実施例においては、貫通孔１１が貫通部位に相当し、補強板１０が電解質補強部材に相当し、接触部５２が凸部に相当し、カソード４０が電極に相当する。

ここで、ガス流路を流動する酸化剤ガス中の酸素は、燃料電池における発電反応によって消費される。それにより、ガス流路を流動する酸化剤ガス中の酸素濃度は、酸化剤ガス出口に近づくほど低くなる。したがって、酸化剤ガス出口付近においては、ガス流路部分のカソードに酸素が供給されてもカソードとセパレータとの接触部分には十分な酸素が供給されなくなることがある。その結果、カソードとセパレータとの接触部における発電効率よりもガス流路部分のカソードにおける発電効率の方が高くなる場合がある。本実施例においては、以上のことを考慮した燃料電池について説明する。

図６は、本発明の第２実施例に係る燃料電池１００ａの模式的断面図である。燃料電池１００ａが図１の燃料電池１００と異なる点は、補強板１０の代わりに補強板１０ｄが形成されている点およびセパレータ５０の代わりにセパレータ５０ｄが形成されている点である。補強板１０ｄは、補強板１０と同様の材料から構成され、貫通孔１１ｄおよび補強部１２ｄを備える。セパレータ５０ｄは、セパレータ５０と同様の材料から構成され、ガス流路５１ｄおよび接触部５２ｄを備える。

本実施例においては、セパレータ５０ｄに酸化剤ガスが供給される側において補強板１０ｄの貫通孔１１ｄとセパレータ５０ｄの接触部５２ｄとが対向し、セパレータ５０ｄから酸化剤ガスが排出される側において貫通孔１１ｄとガス流路５１ｄと対向する。それにより、酸化剤ガス中の酸素が燃料電池１００における発電反応に用いられても、水素分離膜２０における高電流密度領域とカソード４０における高電流密度領域とが対向することになる。その結果、燃料電池１００ａの発電効率が向上する。

また、セパレータ下面における接触部の面積率と補強板における開口面積率とは異なる場合もある。この場合、セパレータの接触部と補強板の貫通孔とが対向しない場合がある。第３実施例においては、セパレータの接触部と補強板の貫通孔とが完全には対向しない場合について説明する。

図７は、本発明の第３実施例に係る燃料電池１００ｂの模式的断面図である。燃料電池１００ｂが図１の燃料電池１００と異なる点は、補強板１０の代わりに補強板１０ｅが形成されている点およびセパレータ５０の代わりにセパレータ５０ｅが形成されている点である。補強板１０ｅは、補強板１０と同様の材料から構成され、貫通孔１１ｅおよび補強部１２ｅを備える。セパレータ５０ｅは、セパレータ５０と同様の材料から構成され、ガス流路５１ｅおよび接触部５２ｅを備える。

補強板１０ｅにおける貫通孔１１ｅの面積率は４０％〜８０％程度であり、セパレータ５０ｅの下面における接触部５２ｅの面積率は５％〜５０％程度である。本実施例においては、セパレータ５０ｅの下面における接触部５２ｅの面積率よりも補強板１０ｅにおける貫通孔１１ｅの面積率の方が大きい場合について考える。

本実施例においては、補強板１０ｅにおける貫通孔１１ｅの面積率とセパレータ５０ｅの下面における接触部５２ｅの面積率とが異なることから、補強板１０ｅの貫通孔１１ｅとセパレータ５０ｅの接触部５２ｅとが対向するとは限らない。したがって、補強板１０ｅの補強部１２ｅとセパレータ５０ｅのガス流路５１ｅとが対向するとは限らない。以下、貫通孔１１ｅの位置と接触部５２ｅとの位置関係の詳細について説明する。

図８は、貫通孔１１ｅの位置と接触部５２ｅとの位置関係について説明するための図である。図８（ａ）は補強板１０ｅの平面図であり、図８（ｂ）はセパレータ５０ｅの底面図である。それぞれの接触部５２ｅにおいて貫通孔１１ｅと対向する部分を部分Ｘとし、それぞれの接触部５２ｅにおいて補強部１２ｅと対向する部分を部分Ｙとする。本実施例においては、部分Ｘの面積の合計が部分Ｙの面積の合計よりも大きくなるように、接触部５２ｅおよび貫通孔１１ｅが形成されている。

なお、従来の燃料電池においては接触部と貫通孔とがランダムな位置に形成されていたことから、部分Ｘの面積の合計と部分Ｙの面積の合計とは等しくなる。それにより、従来の燃料電池の発電効率は高くなかった。一方、本実施例においては部分Ｘの面積の合計が部分Ｙの面積の合計よりも大きくなっている。したがって、本実施例に係る燃料電池１００ｂの発電効率は従来の燃料電池の発電効率に比較して向上している。

続いて、本発明を水素分離膜電池以外の燃料電池に適用する場合について説明する。本実施例においては、水素分離膜電池以外の燃料電池であって、電解質を補強する補強板を備える燃料電池について説明する。図９は、本発明の第４実施例に係る燃料電池２００の模式的断面図である。図９に示すように、燃料電池２００は、補強板２１０上にアノード２２０、電解質２３０、カソード２４０およびセパレータ２５０が積層された構造を有する。

補強板２１０は、複数の貫通孔２１１が形成された金属板からなる。補強板２１０としては、例えば、ステンレス等の金属板を用いることができる。補強板２１０においてアノード２２０と接触する部位を補強部２１２と呼ぶ。アノード２２０は燃料ガスが供給される電極であり、カソード２４０は酸化剤ガスが供給される電極である。電解質２３０は、水素イオンまたは酸素イオンを伝導する電解質である。セパレータ２５０は、ステンレス等の導電性材料からなり、カソード４０側に複数の溝が形成されている。この溝のことをガス流路２５１と呼ぶ。また、セパレータ２５０においてカソード２４０と接触する部分を接触部２５２と呼ぶ。

セパレータ２５０においては、ガス流路２５１だけではなく接触部２５２にも酸化剤ガスが供給されかつ接触部２５２とカソード２５０とが接触していることから、接触部２５２とカソード２４０とが接触する部分において最も効率よく発電反応が行われる。アノード２２０においては、補強板２１０の貫通孔２１１に燃料ガスが供給される。

本実施例においては、貫通孔２１１と接触部２５２とが対向し、補強部２１２とガス流路２５１とが対向するように補強板２１０およびセパレータ２５０が形成されている。それにより、電流密度が高くなる部位が対向することになる。したがって、電解質２３０の電気抵抗の影響を受けにくくなる。その結果、本実施例に係る燃料電池２００の発電効率が向上する。

なお、補強板２１０下に設けられるセパレータのガス流路と貫通孔２１１とが対向してもよい。図１０にその場合の例を示す。図１０は、補強板２１０下にセパレータが設けられた構造の燃料電池２００ａの模式的断面図である。図１０に示すように、補強板２１０の下にはセパレータ２６０が設けられている。燃料電池２００ａは、セパレータ２６０以外の構成において図９の燃料電池２００と同一のものである。

セパレータ２６０の上面にはガス流路２６１と補強板２１０に接触する接触部２６２とが形成されている。接触部２６２は、補強部２１２と対向するように形成されている。この場合、ガス流路２６１に供給された燃料ガスがアノード２２０に供給されやすくなる。したがって、燃料電池２００ａの発電効率が向上する。

以上のことから、アノード側のセパレータのガス流路と補強板の貫通孔とカソード側のセパレータの接触部とを一致させることにより、燃料電池の発電効率は向上する。なお、補強板２１０は、カソード２４０とセパレータ２５０との間に設けられていてもよい。その場合、セパレータ２６０の接触部２６２と補強板２１０の貫通孔２１１とセパレータ２５０のガス流路２５１とを一致させることにより、燃料電池２００ａの発電効率を向上させることができる。

本発明の第１実施例に係る燃料電池の模式的断面図である。 貫通孔および接触部の形状について説明するための図である。 補強板およびセパレータの形状について説明するための図である。 補強板およびセパレータの形状について説明するための図である。 補強板およびセパレータの形状について説明するための図である。 本発明の第２実施例に係る燃料電池の模式的断面図である。 本発明の第３実施例に係る燃料電池の模式的断面図である。 貫通孔の位置と接触部との位置関係について説明するための図である。 本発明の第４実施例に係る燃料電池の模式的断面図である。 補強板下にセパレータが設けられた構造の燃料電池の模式的断面図である。

符号の説明

１０，２１０ 補強板
１１，２１１ 貫通孔
１２，２１２ 補強部
２０，２２０ 水素分離膜
３０，２３０ 電解質
４０，２４０ カソード
５０，２５０，２６０ セパレータ
５１，２５１，２６１ ガス流路
５２，２５２，２６２ 接触部
１００，２００ 燃料電池

Claims (3)

1. 電解質と、
   貫通部位を有し、前記電解質を補強する電解質補強部材とを備え、
   前記電解質は、前記電解質補強部材とは反対側の面において、電流密度が前記電解質の平均電流密度よりも高い高電流密度部と電流密度が前記電解質の平均電流密度よりも低い低電流密度部とを有し、
   前記貫通部位と前記高電流密度部とが対向する面積は、前記貫通部位と前記低電流密度部とが対向する面積よりも大きいことを特徴とする燃料電池。
2. 前記貫通部位は、前記高電流密度部と対向する位置に設けられていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
3. 前記電解質の前記電解質補強部材とは反対側に設けられる電極と、
   前記電極の前記電解質とは反対側に設けられるセパレータとをさらに備え、
   前記セパレータの前記電解質側の面には凹凸が形成され、
   前記高電流密度部とは、前記セパレータの凸部と前記電極とが接触する部位に対向する部位であることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池。

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