JP5073723B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、電解質の両側に一対の電極が設けられた電解質・電極構造体と、セパレータとが水平方向に積層され、前記電解質・電極構造体と一方のセパレータとの間には、前記電極の面方向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、積層方向に貫通して前記反応ガス流路の複数の出口側端部に連通する反応ガス出口連通孔が形成さ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固体高分子電解質膜を採用している。この燃料電池は、固体高分子電解質膜の両側に、それぞれ電極触媒（電極触媒層）と多孔質カーボン（拡散層）からなるアノード側電極及びカソード側電極を対設した電解質膜・電極構造体を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持する発電セルを構成している。通常、燃料電池では、この発電セルを所定の数だけ積層した燃料電池スタックが使用されている。

この種の燃料電池において、アノード側電極には、燃料ガス（反応ガス）、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう）が供給される一方、カソード側電極には、酸化剤ガス（反応ガス）、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう）が供給されている。アノード側電極に供給された燃料ガスは、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質膜を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子は外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。

上記の燃料電池では、積層されている各発電セルのアノード側電極及びカソード側電極に、それぞれ反応ガスである燃料ガス及び酸化剤ガスを供給するため、内部マニホールドを構成する場合が多い。この内部マニホールドは、発電セルの積層方向に貫通して設けられる反応ガス入口連通孔及び反応ガス出口連通孔を備えており、電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路（酸化剤ガス流路及び燃料ガス流路）の入口及び出口には、前記反応ガス入口連通孔及び前記反応ガス出口連通孔がそれぞれ連通している。

ところで、酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス流路では、発電時に反応生成水が生成される一方、燃料ガスが流れる燃料ガス流路では、前記反応生成水の逆拡散や結露等による凝縮水が発生し易い。その際、凝縮水が酸化剤ガス流路や燃料ガス流路に付着すると、酸化剤ガスや燃料ガスの流れが阻害されてしまい、発電性能の低下が惹起される。このため、酸化剤ガス流路及び燃料ガス流路から酸化剤ガス出口連通孔及び燃料ガス出口連通孔（反応ガス出口連通孔）にそれぞれ凝縮水を確実に排出させる必要がある。

そこで、例えば、特許文献１に開示されている固体高分子型燃料電池では、図６に示すように、電池プレート（セパレータ）１を備えている。この電池プレート１には、反応ガス、例えば、酸化剤流路２が蛇行状に屈曲形成され、前記酸化剤流路２の下端部を流路入口２ａ、上端部を流路出口２ｂとしている。流路入口２ａが酸化剤供給マニホールド３に連通する一方、流路出口２ｂが酸化剤排出マニホールド４に連通している。

酸化剤供給マニホールド３は、凹溝状を有して鉛直方向に長尺に形成され、その上部に供給口３ａが電池プレート１を貫通して設けられている。酸化剤排出マニホールド４は、同様に、凹溝状を有して鉛直方向に長尺に形成されるとともに、その下部には、電池プレート１を貫通して排出口４ａが設けられている。

このような構成において、発電時に酸化剤流路２で水分が凝縮して凝縮水５が発生すると、この凝縮水５は、流路出口２ｂから酸化剤排出マニホールド４に沿って下方に移動し、排出口４ａの下端部に溜まる。その際、排出口４ａが酸化剤ガスの流路出口２ｂよりも下方に位置しているため、前記流路出口２ｂが凝縮水５によって閉塞されることがなく、酸化剤流路２を流れる酸化剤ガスの流れが阻止されず、良好な発電性能を維持することができる、としている。

特開２００３−２２３９２２号公報（図１）

しかしながら、上記の特許文献１では、酸化剤排気マニホールド４の上壁面４ｂに酸化剤ガスが吹き付けられないため、この上壁面４ｂに水滴が発生して凝縮水５ａが滞留し易い。さらに、酸化剤排気マニホールド４の側壁面４ｃの上部側にも、水滴化により凝縮水５ａが滞留するおそれがある。これにより、酸化剤排出マニホールド４の流路面積が縮小されて、酸化剤ガスの円滑な排気が遂行されないという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単な構成で、反応ガス出口連通孔の凝縮水及びガス流が、反応ガス流路からのガス流の排出を妨げることがなく、良好な発電性能を確保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、電解質の両側に一対の電極が設けられた電解質・電極構造体と、セパレータとが水平方向に積層され、前記電解質・電極構造体と一方のセパレータとの間には、前記電極の面方向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、積層方向に貫通して前記反応ガス流路の複数の出口側端部群に連通する反応ガス出口連通孔が形成される燃料電池である。

この燃料電池では、反応ガス流路は、複数本の反応ガス流路溝を有し、且つ、出口側端部群は、前記反応ガス流路溝に連通する複数本の出口側端部を有し、前記反応ガス流路の前記出口側端部群と反応ガス出口連通孔とは、水平方向に配置され、前記反応ガス出口連通孔を形成する壁面下部側には、前記出口側端部群の最も下方の前記出口側端部よりも下方に且つ前記反応ガス流路側に突出して凹部が設けられている。

本発明によれば、反応ガス出口連通孔に排出された凝縮水は、反応ガス流路からの反応ガス流によって前記反応ガス出口連通孔の壁面下部側の凹部に移動する。このため、反応ガス出口連通孔の凝縮水及びガス流は、反応ガス流路からのガス流の排出を妨げることがない。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視図である。 前記燃料電池を構成する第１金属セパレータの正面説明図である。 前記第１金属セパレータの要部拡大説明図である。 前記燃料電池を構成する第２金属セパレータの正面説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池を構成する第１金属セパレータの要部拡大説明図である。 特許文献１の固体高分子型燃料電池を構成する電池プレートの正面説明図である。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池１０の要部分解斜視図である。燃料電池１０は、電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）１２と第１及び第２金属セパレータ１４、１６とを、水平方向（矢印Ａ方向）に積層しており、通常、燃料電池スタックを構成する。なお、第１及び第２金属セパレータ１４、１６に代替して、例えば、カーボンセパレータを使用してもよい。

電解質膜・電極構造体１２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１８と、該固体高分子電解質膜１８を挟持するアノード側電極２０及びカソード側電極２２とを備える。

アノード側電極２０及びカソード側電極２２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を前記ガス拡散層の表面に一様に塗布して形成される電極触媒層（図示せず）とを有する。

燃料電池１０の矢印Ｂ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、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３０ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔３２ａ、及び燃料ガス、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（反応ガス出口連通孔）３４ｂ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３４ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔３２ｂ、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（反応ガス出口連通孔）３０ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。

図１及び図２に示すように、第１金属セパレータ１４の電解質膜・電極構造体１２に向かう面１４ａには、酸化剤ガス流路（反応ガス流路）３６が設けられる。酸化剤ガス流路３６は、複数の酸化剤ガス流路溝３６ａを有するとともに、前記酸化剤ガス流路溝３６ａは、矢印Ｂ方向に延在している。なお、酸化剤ガス流路溝３６ａは、例えば、矢印Ｂ方向に一往復半だけ折り返すサーペタイン流路溝を構成してもよい。

酸化剤ガス流路溝３６ａは、入口側端部群３８ａを介して酸化剤ガス入口連通孔３０ａに連通する一方、出口側端部群３８ｂを介して酸化剤ガス出口連通孔３０ｂに連通する。

図３に示すように、出口側端部群３８ｂは、鉛直方向（矢印Ｃ方向）に配列される複数の出口側端部３８ｂ１、３８ｂ２、３８ｂ３、３８ｂ４及び３８ｂ５を有する。最上部の出口側端部３８ｂ１は、水平方向から上方に角度θ１°傾斜しており、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂを形成する上壁面４０ａに酸化剤ガスを斜め方向から吹き付け可能に設定される。

出口側端部３８ｂ２は、水平方向から上方に角度θ２°だけ傾斜しており、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂを形成する側壁面４０ｂに対して傾斜し、あるいは、前記側壁面４０ｂと上壁面４０ａとの境界部近傍に向かって酸化剤ガスを吹き付けるように構成される。

出口側端部３８ｂ３は、水平方向に指向する一方、出口側端部３８ｂ４は、水平方向から下方向に角度θ３°傾斜する。最下部の出口側端部３８ｂ５は、水平方向から下方向に角度θ４°傾斜しており、出口側端部３８ｂ４、３８ｂ５は、側壁面４０ｂに対して傾斜する酸化剤ガス流れ方向に設定される。

酸化剤ガス出口連通孔３０ｂを構成する壁面下部側には、酸化剤ガス流路３６の最下部に位置する出口側端部３８ｂ５の下方に突出して開口断面円弧状の凹部４２が設けられる。

図４に示すように、第２金属セパレータ１６の電解質膜・電極構造体１２に向かう面１６ａには、燃料ガス流路（反応ガス流路）４８が設けられる。燃料ガス流路４８は、酸化剤ガス流路３６と同様に、矢印Ｂ方向に延在する複数の燃料ガス流路溝４８ａを有する。燃料ガス流路溝４８ａは、入口側端部群５０ａを介して燃料ガス入口連通孔３４ａに連通する一方、出口側端部群５０ｂを介して燃料ガス出口連通孔３４ｂに連通する。

なお、燃料ガス出口連通孔３４ｂ及び出口側端部群５０ｂは、上記の酸化剤ガス出口連通孔３０ｂ及び出口側端部群３８ｂと同様に構成されており、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。

第１金属セパレータ１４と第２金属セパレータ１６とは、互いに対向する面１４ｂ、１６ｂに冷却媒体流路５２を一体的に形成する（図１参照）。冷却媒体流路５２は、酸化剤ガス流路３６の裏面側、及び燃料ガス流路４８の裏面側に一体的に形成され、矢印Ｂ方向に延在する複数の冷却媒体流路溝５２ａを有する。この冷却媒体流路５２は、冷却媒体入口連通孔３２ａと冷却媒体出口連通孔３２ｂとに連通する。

第１金属セパレータ１４の面１４ａ、１４ｂには、この第１金属セパレータ１４の外周縁部を周回して第１シール部材５４が射出成形等により一体的に設けられる。第１シール部材５４は、面１４ａにおいて、酸化剤ガス入口連通孔３０ａ、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂ及び酸化剤ガス流路３６を覆って酸化剤ガスの洩れ止めを行う。

第２金属セパレータ１６の面１６ａ、１６ｂには、この第２金属セパレータ１６の外周縁部を周回して第２シール部材５６が射出成形等により一体的に設けられる。第２シール部材５６は、面１６ａにおいて、図４に示すように、燃料ガス入口連通孔３４ａ、燃料ガス出口連通孔３４ｂ及び燃料ガス流路４８を覆って燃料ガスの洩れ止めを行う。第２シール部材５６は、面１６ｂにおいて、図１に示すように、冷却媒体入口連通孔３２ａ、冷却媒体出口連通孔３２ｂ及び冷却媒体流路５２を覆って冷却媒体の漏れ止めを行う。

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。

図１に示すように、酸化剤ガス入口連通孔３０ａ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３４ａ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３２ａに純水やエチレングリコール等の冷却媒体が供給される。

酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔３０ａから第１金属セパレータ１４の酸化剤ガス流路３６に導入される。酸化剤ガス流路３６では、図２に示すように、酸化剤ガスが複数の酸化剤ガス流路溝３６ａに分散される。このため、酸化剤ガスは、各酸化剤ガス流路溝３６ａを介して電解質膜・電極構造体１２のカソード側電極２２に沿って移動する。

一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔３４ａから第２金属セパレータ１６の燃料ガス流路４８に導入される。この燃料ガス流路４８では、図４に示すように、燃料ガスが複数の燃料ガス流路溝４８ａに分散される。さらに、燃料ガスは、各燃料ガス流路溝４８ａを介して電解質膜・電極構造体１２のアノード側電極２０に沿って移動する。

従って、電解質膜・電極構造体１２では、カソード側電極２２に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極２０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。

次いで、カソード側電極２２に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂに排出される（図１及び図２参照）。同様に、アノード側電極２０に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔３４ｂに排出される（図４参照）。

一方、冷却媒体入口連通孔３２ａに供給された冷却媒体は、第１及び第２金属セパレータ１４、１６間に形成された冷却媒体流路５２に導入される（図１参照）。この冷却媒体流路５２では、冷却媒体が水平方向（矢印Ｂ方向）に移動する。従って、冷却媒体は、電解質膜・電極構造体１２の発電面全面にわたって冷却した後、冷却媒体出口連通孔３２ｂに排出される。

この場合、第１の実施形態では、図３に示すように、例えば、酸化剤ガス流路３６の出口側端部群３８ｂにおいて、鉛直方向に配列される複数の出口側端部３８ｂ１〜３８ｂ５を設けるとともに、少なくとも最上部の前記出口側端部３８ｂ１は、水平方向から鉛直上方向に角度θ１°だけ傾斜している。

このため、出口側端部３８ｂ１から酸化剤ガス出口連通孔３０ｂに向かう酸化剤ガスの流れ方向は、上壁面４０ａに対し傾斜する方向に向かっている。従って、出口側端部３８ｂ１から酸化剤ガス出口連通孔３０ｂに排出される酸化剤ガスは、上壁面４０ａに傾斜して吹き付けられるため、前記上壁面４０ａに沿って酸化剤ガス流を円滑に行きわたらせることができ、該上壁面４０ａに凝縮水の滞留による水滴化が良好に阻止される。

すなわち、上壁面４０ａに対して斜め方向から酸化剤ガス流が直接吹き付けられるため、この上壁面４０ａに付着する水分が、前記上壁面４０ａから側壁面４０ｂに沿って矢印方向に移動し、該上壁面４０ａでの水滴化が阻止される。

さらに、側壁面４０ｂでは、出口側端部３８ｂ２から斜め方向に吹き付けられる酸化剤ガスの他、出口側端部３８ｂ４、３８ｂ５から斜め下方に向かって吹き付けられる酸化剤ガスによって、前記側壁面４０ｂに付着する水分が下方に移動する。従って、側壁面４０ｂに水滴化が発生することを阻止することができる。

これにより、第１の実施形態では、出口側端部３８ｂ１〜３８ｂ５のそれぞれの反応ガス流れ方向を、上壁面４０ａ及び側壁面４０ｂに対応して設定するだけでよく、簡単な構成で、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂに凝縮水が滞留することを確実に阻止することが可能になり、良好な発電性能を確保することができるという効果が得られる。

さらに、第１の実施形態では、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂの下部側に、出口側端部群３８ｂの下方に突出して凹部４２が設けられている。このため、出口側端部群３８ｂから酸化剤ガス出口連通孔３０ｂに排出された酸化剤ガス流によって矢印方向に移動する凝縮水及び酸化剤ガスは、凹部４２に移動する。

従って、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂの凝縮水流及び酸化剤ガス流は、凹部４２で旋回するため、特に、出口側端部３８ｂ５から前記酸化剤ガス出口連通孔３０ｂへの酸化剤ガスの排出を妨げることはない。凝縮水流及び酸化剤ガス流が、出口側端部３８ｂ５に逆流することがないからである。しかも、凝縮水が、出口側端部３８ｂ５に飛散することがなく、前記出口側端部３８ｂ５の閉塞を有効に回避することができる。

なお、燃料ガス出口連通孔３４ｂ及び出口側端部群５０ｂでは、上記の酸化剤ガス出口連通孔３０ｂ及び出口側端部群３８ｂ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を構成する第１金属セパレータ６０の要部拡大説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池１０を構成する第１金属セパレータ１４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。

酸化剤ガス流路３６の出口側端部群６２は、鉛直方向に配列される複数の出口側端部６２ａ〜６２ｅを有する。出口側端部６２ａ〜６２ｄは、酸化剤ガスの流れ方向が水平方向に指向する一方、出口側端部６２ｅは、酸化剤ガスの流れ方向が水平方向から鉛直下方向に角度θ５°だけ傾斜する。

酸化剤ガス出口連通孔３０ｂの上壁面６４ａは、水平方向から傾斜しており、出口側端部６２ａ、６２ｂから排出される酸化剤ガスは、前記上壁面６４ａに対し傾斜して吹き付けられる。

酸化剤ガス出口連通孔３０ｂの側壁面６４ｂ、６４ｃは、鉛直方向に対して傾斜しており、出口側端部６２ｃ、６２ｄ及び６２ｅから排出される酸化剤ガスは、前記側壁面６４ｂ、６４ｃに対し傾斜して吹き付けられる。上壁面６４ａ及び側壁面６４ｂ、６４ｃは、それぞれ傾斜して形成されることにより、この上壁面６４ａ及びこの側壁面６４ｂ、６４ｃに沿って酸化剤ガス流及び凝縮水流の移動が円滑に行われる。酸化剤ガス出口連通孔３０ｂの下部側には、出口側端部群６２の下方に突出して凹部６６が設けられる。

このように構成される第２の実施形態では、出口側端部６２ａ〜６２ｅから酸化剤ガス出口連通孔３０ｂに酸化剤ガスが排出されると、この酸化剤ガスは、上壁面６４ａ及び側壁面６４ｂに傾斜して吹き付けられる。このため、上壁面６４ａ及び側壁面６４ｂに凝縮水が滞留した水滴が存在することがなく、簡単な構成で、凝縮水の滞留を確実に阻止することができる等、第１の実施形態と同様の効果が得られる。

１０…燃料電池 １２…電解質膜・電極構造体
１４、１６、６０…金属セパレータ １８…固体高分子電解質膜
２０…アノード側電極 ２２…カソード側電極
３０ａ…酸化剤ガス入口連通孔 ３０ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
３２ａ…冷却媒体入口連通孔 ３２ｂ…冷却媒体出口連通孔
３４ａ…燃料ガス入口連通孔 ３４ｂ…燃料ガス出口連通孔
３６…酸化剤ガス流路 ３６ａ…酸化剤ガス流路溝
３８ａ、５０ａ…入口側端部群 ３８ｂ、５０ｂ、６２…出口側端部群
３８ｂ１〜３８ｂ５、６２ａ〜６４ｅ…出口側端部
４０ａ、６４ａ…上壁面 ４０ｂ、６４ｂ、６４ｃ…側壁面
４２、６６…凹部 ４８…燃料ガス流路
４８ａ…燃料ガス流路溝 ５２…冷却媒体流路

Claims (4)

1. 電解質の両側に一対の電極が設けられた電解質・電極構造体と、セパレータとが水平方向に積層され、前記電解質・電極構造体と一方のセパレータとの間には、前記電極の面方向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、積層方向に貫通して前記反応ガス流路の出口側端部群に連通する反応ガス出口連通孔が形成される燃料電池であって、
   前記反応ガス流路は、複数本の反応ガス流路溝を有し、且つ、前記出口側端部群は、前記反応ガス流路溝に連通する複数本の出口側端部を有し、
   前記反応ガス流路の前記出口側端部群と前記反応ガス出口連通孔とは、水平方向に配置され、
   前記反応ガス出口連通孔を形成する壁面下部側には、前記出口側端部群の最も下方の前記出口側端部よりも下方に且つ前記反応ガス流路側に突出して凹部が設けられることを特徴とする燃料電池。
2. 請求項１記載の燃料電池において、前記反応ガスは、燃料ガス及び酸化剤ガスであり、
   冷却媒体入口連通孔、冷却媒体出口連通孔、燃料ガス入口連通孔、前記反応ガス出口連通孔である燃料ガス出口連通孔、酸化剤ガス入口連通孔及び前記反応ガス出口連通孔である酸化剤ガス出口連通孔の６つの連通孔を備え、
   前記セパレータの水平方向一端側及び水平方向他端側に、それぞれ鉛直方向に３つの前記連通孔が配置されるとともに、
   前記燃料ガス出口連通孔は、前記セパレータの前記水平方向一端側の最下部に配置され、且つ前記酸化剤ガス出口連通孔は、前記セパレータの前記水平方向他端側の最下部に配置されることを特徴とする燃料電池。
3. 請求項１又は２記載の燃料電池において、前記出口側端部群は、水平方向から上方又は下方に傾斜した前記出口側端部を備えることを特徴とする燃料電池。
4. 請求項１又は２記載の燃料電池において、前記反応ガス出口連通孔を形成する壁面には、水平方向から傾斜した上壁面が設けられるとともに、
   前記出口側端部群は、水平方向から上方又は下方に傾斜した前記出口側端部を備えることを特徴とする燃料電池。

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