JP5051979B2 - 燃料電池 - Google Patents
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Description
本発明の第1の燃料電池は、
所定の電解質膜の両面に、それぞれアノード、および、カソードを配置した積層体を、セパレータを介在させて、複数積層させたスタック構造を有する燃料電池であって、
前記セパレータは、
前記積層体の表面に対して垂直な方向に、所定のガスを供給するための供給口を有する供給用流路と、
前記積層体の表面に対して垂直な方向に、前記ガスを排出するための排出口を有する排出用流路と、を備え、
前記積層体は、
前記セパレータと当接する少なくとも一方の面に、前記ガスについて、面に対して平行な方向の通気抵抗よりも、面に対して垂直な方向の通気抵抗が高い拡散層を備えるとともに、
前記供給口に対向する位置に設けられ、前記拡散層の側面の少なくとも一部から、前記面に対して平行な方向に、前記ガスを供給するための供給部と、
前記排出口に対向する位置に設けられ、前記拡散層の側面の少なくとも一部から、前記面に対して平行な方向に、前記ガスを排出するための排出部と、
のうちの少なくとも一方を備えることを要旨とする。
前記積層体は、
少なくとも前記カソード側に積層される前記セパレータと当接する面側に、前記拡散層を備えるとともに、
少なくとも前記カソード側の前記セパレータが有する前記供給口に対向する位置に設けられ、前記拡散層の側面の少なくとも一部から、前記面に対して平行な方向に、前記ガスを供給するための供給部と、
少なくとも前記カソード側の前記セパレータが有する前記排出口に対向する位置に設けられ、前記拡散層の側面の少なくとも一部から、前記面に対して平行な方向に、前記ガスを排出するための排出部と、
のうちの少なくとも一方を備えるようにしてもよい。
前記供給部、および、前記排出部のうちの少なくとも一方は、それぞれ前記供給口から前記拡散層の側面の少なくとも一部に前記ガスを導くための空隙、または、前記拡散層の側面の少なくとも一部から前記排出口に前記ガスを導くための空隙を備えるようにしてもよい。
前記供給部、および、前記排出部のうちの少なくとも一方は、前記空隙のみからなるようにしてもよい。
前記積層体は、前記電解質膜を挟んで前記空隙と対向する位置に、さらに、前記空隙とほぼ同一形状を有する空隙を備えるようにすることが好ましい。
前記供給部、および、前記排出部のうちの少なくとも一方は、少なくとも前記面に対して垂直な方向の通気抵抗が、前記拡散層よりも低い拡散部材を備えるようにしてもよい。
前記供給部、および、前記排出部のうちの少なくとも一方は、前記スタック構造を積層方向に押圧したときに生じる変形を抑制するための補強部材を備えるようにすることが好ましい。
前記供給口、および、前記排出口のうちの少なくとも一方は、複数設けられているとともに、前記供給部、および、前記排出部のうちの少なくとも一方は、前記複数の供給口、または、前記複数の排出口に対応して、複数設けられており、
前記積層体は、前記複数の供給部間、および、前記複数の排出部間のうちの少なくとも一方に、前記スタック構造を積層方向に押圧したときに生じる変形を抑制するための補強部材を備えるようにすることが好ましい。
さらに、前記複数の供給部、および、前記複数の排出部のうちの少なくとも一方は、少なくとも前記面に対して垂直な方向の通気抵抗が、前記拡散層よりも低い拡散部材を備えるようにしてもよい。
前記補強部材は、櫛形構造を有する部材であるものとしてもよい。
前記補強部材は、導電性を有する導電性部材であるものとしてもよい。
前記補強部材は、ガス拡散性を有する拡散部材であるものとしてもよい。
所定の電解質膜の両面に、それぞれアノード、および、カソードを配置した積層体を、セパレータを介在させて、複数積層させたスタック構造を有する燃料電池であって、
前記セパレータは、
前記積層体の表面に対して垂直な方向に、所定のガスを供給するための供給口を有する供給用流路と、
前記積層体の表面に対して垂直な方向に、前記ガスを排出するための排出口を有する排出用流路と、を備え、
前記積層体は、
少なくとも前記カソード側に積層される前記セパレータと当接する面側に、前記ガスについて、面に対して平行な方向の通気抵抗よりも、面に対して垂直な方向の通気抵抗が高い第1の拡散層を備えるとともに、
前記セパレータと、前記第1の拡散層との間に、少なくとも前記面に対して垂直な方向の通気抵抗が、前記第1の拡散層よりも低い第2の拡散層を備えることを要旨とする。
A.燃料電池スタックの構成:
B.燃料電池モジュールの構成:
C.MEGAユニットの構成(第1実施例):
D.第1実施例の変形例:
E.第2実施例:
F.第3実施例:
G.第3実施例の変形例:
H.他の変形例:
図1は、第1実施例の燃料電池スタック100の概略構成を示す側面図である。この燃料電池スタック100は、水素と酸素との電気化学反応によって発電する単セルを複数積層させたスタック構造を有する。各単セルは、概ね、プロトン伝導性を有する電解質膜を挟んで、アノードと、カソードとを配置した構成となっている(図示省略)。本実施例では、電解質膜として、固体高分子膜を用いるものとした。電解質として、固体酸化物等、他の電解質を用いるものとしてもよい。また、本実施例では、セパレータは、後述するように、3枚の平板にそれぞれ複数の貫通孔を設け、これらを重ね合わせて接合することによって、アノードに供給すべき燃料ガスとしての水素の流路や、カソードに供給すべき酸化剤ガスとしての空気の流路や、冷却水の流路が形成されている。単セルの積層数は、燃料電池スタック100に要求される出力に応じて任意に設定可能である。
図2は、燃料電池モジュール40の構成部品の平面図である。先に説明したように、燃料電池モジュール40は、セパレータ41と、MEGAユニット45とによって構成されている。そして、セパレータ41は、それぞれ複数の貫通孔が設けられた3枚の平板、すなわち、カソード対向板42と、流路形成板43と、アノード対向板44とを、この順に重ね合わせ、ホットプレス接合することによって作製されている。本実施例では、カソード対向板42と、流路形成板43と、アノード対向板44とは、同一の四角形の形状を有するSUS製の平板を用いるものとした。カソード対向板42と、流路形成板43と、アノード対向板44として、他の金属製の平板を用いるものとしてもよい。
図4は、第1実施例のMEGAユニット45の構造を示す説明図である。図4(a)には、図3におけるA−A断面図を示し、図4(b)には、図3におけるB−B断面図を示した。
以下、第1実施例の変形例としてのMEGAユニットについて説明する。なお、以下では、第1実施例のMEGAユニット45と異なる点について説明し、共通する点については、説明を省略する。
D1.変形例1:
図5は、第1実施例の第1の変形例としてのMEGAユニット45Aの構造を示す説明図である。図示するように、本変形例のMEGAユニット45Aでは、MEGA部451の領域Ra、および、領域Rbに、それぞれ空隙49ci、および、空隙49coが設けられているとともに、各領域Ra、Rbにおける電解質膜46の表面に、拡散層49cid、および、拡散層49codが設けられている。本変形例では、拡散層49cid、および、拡散層49codとして、カソード用拡散層48cと同じカーボンクロスを用いるものとした。拡散層49cid、および、拡散層49codの代わりに、他の被覆部材を用いるようにしてもよい。
図6は、第1実施例の第2の変形例としてのMEGAユニット45Bの構造を示す説明図である。図示するように、本変形例のMEGAユニット45Bでは、MEGA部451の領域Ra、および、領域Rbに、それぞれ空隙49ci、および、空隙49coが設けられているとともに、電解質膜46を挟んで、空隙49ci、および、空隙49coと対向するアノード側の領域に、空隙49ci、および、空隙49coとそれぞれ同一形状を有する空隙49ai、および、空隙49aoが設けられている。
図7は、第1実施例の第3の変形例としてのMEGAユニット45Cの構造を示す説明図である。本変形例のMEGAユニット45Cは、図から分かるように、先に説明した第1実施例の第1の変形例としてのMEGAユニット45Aの特徴と、第1実施例の第2の変形例としてのMEGAユニット45Bの特徴とを組み合わせたものである。すなわち、本変形例のMEGAユニット45Cでは、MEGA部451の領域Ra、および、領域Rbに、それぞれ空隙49ci、および、空隙49coが設けられているとともに、各領域Ra、Rbにおける電解質膜46の表面に、拡散層49cid、および、拡散層49codが設けられており、さらに、電解質膜46を挟んで、空隙49ci、および、空隙49coと対向するアノード側の領域に、空隙49ci、および、空隙49coとそれぞれ同一形状を有する空隙49ai、および、空隙49aoと、拡散層49aid、および、拡散層49aodが設けられている。こうすることによって、電解質膜46の乾燥を抑制するとともに、電解質膜46の破損を防止することができる。
図8は、第1実施例の第4の変形例としてのMEGAユニット45Dの構造を示す説明図である。図示するように、本変形例のMEGAユニット45Dでは、MEGA部451の領域Ra、および、領域Rbに、空隙49ci、および、空隙49coの代わりに、ガス拡散性を有する拡散部材49cid2、および、拡散部材49cod2を備えている。本変形例では、拡散部材49cid2、および、拡散部材49cod2として、先に説明した通気抵抗についての異方性を有していない金属多孔体を用いるものとした。そして、拡散部材49cid2、および、拡散部材49cod2の通気抵抗は、カソード用拡散層48cの表面に対して垂直な方向の通気抵抗よりも低い。
図9は、第2実施例のMEGAユニット45Eの構造を示す説明図である。図示するように、本実施例のMEGAユニット45Eのカソード側には、電解質膜46側から、第1の拡散層48c1と、第2の拡散層48c2とがこの順に積層されている。そして、第2の拡散層48c2は、MEGAユニット45Eと、セパレータ41とを積層させたときに、セパレータ41のカソード対向板42と当接するように配置されている。また、第1の拡散層48c1は、第1実施例のカソード用拡散層48cと同じカーボンクロスからなり、表面に対して垂直な方向の通気抵抗が、表面に平行な方向の通気抵抗よりも大きいという異方性を有している。一方、第2の拡散層48c2は、金属多孔体からなり、上述した通気性についての異方性を有していない。そして、第2の拡散層48c2の通気抵抗は、第1の拡散層48c1の表面に対して垂直な方向の通気抵抗よりも低い。したがって、第1の拡散層48c1に、面に対して垂直な方向から、直接、ガスの供給、または、排出を行うよりも、圧力損失を低減させることができる。なお、空気供給口422iから第2の拡散層48c2に、表面に対して垂直な方向に供給された空気は、表面に対して平行な方向に拡散しつつ流れ、この過程で、空気は、その濃度勾配によって、第2の拡散層48c2から第1の拡散層48c1に拡散する。
図10は、第3実施例のMEGAユニット45Fの構造を示す説明図である。図10(a)には、MEGAユニット45Fの平面図を示し、図10(b)には、図10(a)におけるC−C断面図を示した。
G1.変形例1
図11は、第3実施例の第1の変形例として補強部材49mの構造を示す説明図である。図11(a)には、補強部材49mの平面図を示し、図11(b)には、図11(a)におけるD−D断面図を示した。図示するように、本変形例の補強部材49mも、第3実施例の補強部材49と同様に、櫛形構造の部材を有している。ただし、本変形例の補強部材49mは、櫛形構造の歯の間の部分に、カソード用拡散層48cよりも、面に対して垂直な方向の通気抵抗が低い拡散部材49dを備えている。こうすることによって、拡散部材49dも補強材として機能させることができるので、MEGAユニット45Fの局所的な変形を、さらに抑制することができる。
図12は、第3実施例の第2の変形例として補強部材49nの構造を示す説明図である。図12(a)には、補強部材49nの平面図を示し、図12(b)には、図12(a)におけるE−E断面図を示した。図示するように、本変形例の補強部材49nは、複数の部材からなる。そして、各部材は、上記第3実施例における補強部材49の櫛形構造の歯の位置に対応する位置に配置される。こうすることによっても、第3実施例の補強部材49と同様に、複数箇所で押圧力を支えることができ、スタック構造を積層方向に押圧したときに生じるMEGAユニット45Fの局所的な変形を抑制することができる。ただし、第3実施例における補強部材49によれば、補強部材49を一体的に形成することができるという利点がある。
以上、本発明のいくつかの実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形例が可能である。
上記第1実施例、および、第3実施例では、MEGAユニット45、および、MEGAユニット45Fに、本発明における供給部、および、排出部の両方を適用した場合について説明したが、供給部、および、排出部のうちのいずれか一方のみを適用するようにしてもよい。ただし、供給部、および、排出部の両方を適用した方が、先に説明した圧力損失を低減する効果が高い。
上記第1実施例、および、第3実施例では、本発明における供給部、および、排出部を、MEGAユニット45、および、MEGAユニット45Fのカソード側にのみ適用した例を示したが、アノード側と、カソード側とのうちの少なくとも一方に適用するようにしてもよい。ただし、上述した供給部、および、排出部を、MEGAユニット45、および、MEGAユニット45Fのうちの少なくともカソード側に適用することによって、先に説明した圧力損失を効果的に低減することができる。これは、燃料電池において、燃料ガスとして水素を用い、酸化剤ガスとして空気を用いる場合、一般に、空気の流量は、水素の流量の3倍程度必要とされ、上述した圧力損失は、アノード側よりも、カソード側の方が大きいからである。
上記実施例では、セパレータ41は、3枚の平板を重ね合わせて接合したものを用いるものとしたが、1枚の平板のセパレータの内部に、各流路を形成するようにしてもよい。ただし、上記実施例のように、3枚の平板を重ね合わせて接合することによってセパレータ41を作製するようにすれば、各平板の貫通孔は、比較的生産性の高い打ち抜き加工によって作製することができるので、セパレータ41の製造を容易にすることができる。
上記実施例では、セパレータ41において、空気供給口422iと、空気排出口422oと、水素供給口444iと、水素排出口444oとは、複数設けられているものとしたが、これに限られない。例えば、矩形の空気供給口と、空気排出口と、水素供給口と、水素排出口とを、それぞれ1つずつ備えるようにしてもよい。
上記実施例では、アノード用拡散層48a、および、カソード用拡散層48cとして、カーボンクロスを用いるものとしたが、これに限られない。アノード用拡散層48a、および、カソード用拡散層48cとして、先に説明した通気性についての異方性を有する他の部材を用いるようにしてもよい。
10...エンドプレート
20...絶縁板
30...集電板
40...燃料電池モジュール
50...集電板
60...絶縁板
70...エンドプレート
41...セパレータ
42...カソード対向板
43...流路形成板
44...アノード対向板
45、45A〜45G...MEGAユニット
451...MEGA部
46...電解質膜
47a...アノード用触媒層
47c...カソード用触媒層
48a...アノード用拡散層
48c...カソード用拡散層
48c1...第1の拡散層
48c2...第2の拡散層
48cb...流路壁
49cid、49cod、49aid、49aod...拡散層
49cid2、49cod2、49d...拡散部材
49、49m、49n...補強部材
49ci、49co、49ai、49ao...空隙
422a、432a、442a、452a...空気供給用貫通孔
422b、432b、442b、452b...空気排出用貫通孔
422i...空気供給口
422o...空気排出口
424a、434a、444a、454a...水素供給用貫通孔
424b、434b、444b、454b...水素排出用貫通孔
426a、446a、456a...冷却水供給用貫通孔
426b、446b、456b...冷却水排出用貫通孔
432c...空気供給用流路形成部
432d...空気排出用流路形成部
432e...水素供給用流路形成部
432f...水素排出用流路形成部
436...冷却水流路形成用貫通孔
444i...水素供給口
444o...水素排出口
Claims (14)
- 所定の電解質膜の両面に、それぞれアノード、および、カソードを配置した積層体を、セパレータを介在させて、複数積層させたスタック構造を有する燃料電池であって、
前記セパレータは、
前記積層体の表面に対して垂直な方向に、所定のガスを供給するための供給口を前記積層体の表面と同一面上に有する供給用流路と、
前記積層体の表面に対して垂直な方向に、前記ガスを排出するための排出口を前記積層体の表面と同一面上に有する排出用流路と、を備え、
前記積層体は、
前記セパレータと当接する少なくとも一方の面に、前記ガスについて、面に対して平行な方向の通気抵抗よりも、面に対して垂直な方向の通気抵抗が高い拡散層を備えるとともに、
前記供給口に対向する位置に設けられ、前記供給口から供給された前記ガスの流れ方向を変換して、前記拡散層の側面の少なくとも一部から、前記面に対して平行な方向に、前記ガスを供給するための供給部と、
前記排出口に対向する位置に設けられ、前記拡散層の側面の少なくとも一部から、前記面に対して平行な方向に排出された前記ガスの流れ方向を変換して、前記排出口に前記ガスを排出するための排出部と、
のうちの少なくとも一方を備える、
燃料電池。 - 請求項1記載の燃料電池であって、
前記積層体は、
少なくとも前記カソード側に積層される前記セパレータと当接する面側に、前記拡散層を備えるとともに、
少なくとも前記カソード側の前記セパレータが有する前記供給口に対向する位置に設けられ、前記少なくとも前記カソード側の前記セパレータが有する前記供給口から供給された前記ガスの流れ方向を変換して、前記拡散層の側面の少なくとも一部から、前記面に対して平行な方向に、前記ガスを供給するための供給部と、
少なくとも前記カソード側の前記セパレータが有する前記排出口に対向する位置に設けられ、前記拡散層の側面の少なくとも一部から、前記面に対して平行な方向に排出された前記ガスの流れ方向を変換して、前記少なくともカソード側の前記セパレータが有する前記排出口に前記ガスを排出するための排出部と、
のうちの少なくとも一方を備える、
燃料電池。 - 請求項1記載の燃料電池であって、
前記供給部、および、前記排出部のうちの少なくとも一方は、それぞれ前記供給口から前記拡散層の側面の少なくとも一部に前記ガスを導くための空隙、または、前記拡散層の側面の少なくとも一部から前記排出口に前記ガスを導くための空隙を備える、
燃料電池。 - 請求項3記載の燃料電池であって、
前記供給部、および、前記排出部のうちの少なくとも一方は、前記空隙のみからなる、
燃料電池。 - 請求項3記載の燃料電池であって、
前記供給部、および、前記排出部のうちの少なくとも一方は、前記空隙と、前記積層体の表面を被覆する被覆部材と、を備える、
燃料電池。 - 請求項3記載の燃料電池であって、
前記積層体は、前記電解質膜を挟んで前記空隙と対向する位置に、さらに、前記空隙とほぼ同一形状を有する空隙を備える、
燃料電池。 - 請求項1記載の燃料電池であって、
前記供給部、および、前記排出部のうちの少なくとも一方は、少なくとも前記面に対して垂直な方向の通気抵抗が、前記拡散層よりも低い拡散部材を備える、
燃料電池。 - 請求項1記載の燃料電池であって、
前記供給部、および、前記排出部のうちの少なくとも一方は、前記スタック構造を積層方向に押圧したときに生じる変形を抑制するための補強部材を備える、
燃料電池。 - 請求項1記載の燃料電池であって、
前記供給口、および、前記排出口のうちの少なくとも一方は、複数設けられているとともに、前記供給部、および、前記排出部のうちの少なくとも一方は、前記複数の供給口、または、前記複数の排出口に対応して、複数設けられており、
前記積層体は、前記複数の供給部間、および、前記複数の排出部間のうちの少なくとも一方に、前記スタック構造を積層方向に押圧したときに生じる変形を抑制するための補強部材を備える、
燃料電池。 - 請求項9記載の燃料電池であって、
さらに、前記複数の供給部、および、前記複数の排出部のうちの少なくとも一方は、少なくとも前記面に対して垂直な方向の通気抵抗が、前記拡散層よりも低い拡散部材を備える、
燃料電池。 - 請求項8または9記載の燃料電池であって、
前記補強部材は、櫛形構造を有する部材である、
燃料電池。 - 請求項8または9記載の燃料電池であって、
前記補強部材は、導電性を有する導電性部材である、
燃料電池。 - 請求項8または9記載の燃料電池であって、
前記補強部材は、ガス拡散性を有する拡散部材である、
燃料電池。 - 所定の電解質膜の両面に、それぞれアノード、および、カソードを配置した積層体を、セパレータを介在させて、複数積層させたスタック構造を有する燃料電池であって、
前記セパレータは、
前記積層体の表面に対して垂直な方向に、所定のガスを供給するための供給口を前記積層体の表面と同一面上に有する供給用流路と、
前記積層体の表面に対して垂直な方向に、前記ガスを排出するための排出口を前記積層体の表面と同一面上に有する排出用流路と、を備え、
前記積層体は、
少なくとも前記カソード側に積層される前記セパレータと当接する面側に、前記ガスについて、面に対して平行な方向の通気抵抗よりも、面に対して垂直な方向の通気抵抗が高い第1の拡散層を備えるとともに、
前記セパレータと、前記第1の拡散層との間に、少なくとも前記面に対して垂直な方向の通気抵抗が、前記第1の拡散層よりも低い第2の拡散層を備える、
燃料電池。
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