JP5098212B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池に関し、特に燃料ガスと酸化剤ガスが反応する部位において流量バラツキの少ない燃料電池に関する。

燃料電池は電解質膜を燃料極と酸化剤極によって挟み、燃料極に燃料ガス、酸化剤極に酸化剤ガスを供給することによって発電を行う。例えば自動車用途においては電解質膜として、一般的には水素イオン導電性を有する高分子固体電解質膜を利用する場合が多い。また、燃料ガスとして水素、酸化剤ガスとして空気を燃料電池に供給すると、以下のような反応が起こる。
燃料極：２Ｈ₂ → ４Ｈ⁺ ＋ ４ｅ^- ・・・式（１）
酸化剤極：Ｏ₂ ＋ ４Ｈ⁺ ＋ ４ｅ^- → ２Ｈ₂Ｏ ・・・式（２）
したがって燃料電池は副生成物として水しか排出しないため、内燃機関のような二酸化炭素など地球環境に対するダメージを与える物質を放出しないといった利点がある。

従来の燃料電池では、燃料ガスと酸化剤ガスの反応部である膜電極複合体（ＭＥＡ、Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）へこれらのガスを均一に流すために、反応部の流路断面積を流れ方向と直交する方向で変化させて、流路断面積が大きいところのガス流量を増やすようにしていた（例えば、特許文献１参照）。
特開２００５−２０３２８８号公報

しかし、従来の燃料電池では（例えば、特許文献１参照）、反応部の流路断面積を拡大するためにセパレータに形成された流路の幅を広くしているため、膜電極複合体が流路に落ち込んで（テンティング）実際の流路断面積が小さくなったり、セパレータの強度が低下してしまうという問題点があった。

本発明は、上記のような問題点を鑑みてなされたものであり、テンティングやセパレータの強度低下を招くことなく反応部における燃料ガスおよび酸化剤ガスの流量を均一にすることができ、発電効率を向上させることが可能な燃料電池を提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池は、燃料ガスと酸化剤ガスを反応させて発電を行う膜電極複合体と、この膜電極複合体の一方の面に設けられたアノードセパレータと、前記膜電極複合体の他方の面に設けられたカソードセパレータとを有する単セルが複数積層されたスタック構造の燃料電池において、前記単セルは、前記燃料ガスと前記酸化剤ガスが反応する反応部と、前記反応部に前記燃料ガスを供給するための燃料ガス入口と、前記反応部で反応しなかった前記燃料ガスを排出するための燃料ガス出口と、前記反応部に前記酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス入口と、前記反応部で反応しなかった前記酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口と、前記アノードセパレータに形成され、前記燃料ガス入口と前記反応部を接続する第１のディフューザーと、前記アノードセパレータに形成され、前記反応部と前記燃料ガス出口を接続する第２のディフューザーと、前記カソードセパレータに形成され、前記酸化剤ガス入口と前記反応部を接続する第３のディフューザーと、前記カソードセパレータに形成され、前記反応部と前記酸化剤ガス出口を接続する第４のディフューザーと、を備え、前記第１のディフューザー、前記第２のディフューザー、前記第３のディフューザーおよび前記第４のディフューザーのうち少なくとも一つのディフューザーの領域のうち、特定の位置にある反応部内流路に連通する領域の流路深さが、他の反応部内流路に連通する領域の流路深さよりも深く形成されていることを特徴とするものである。

本発明に係る燃料電池は、アノードセパレータに設けられ燃料ガス入口と反応部を接続する第１のディフューザーと、アノードセパレータに設けられ反応部と燃料ガス出口を接続する第２のディフューザーと、カソードセパレータに設けられ酸化剤ガス入口と反応部を接続する第３のディフューザーと、カソードセパレータに設けられ反応部と酸化剤ガス出口を接続する第４のディフューザーのうち少なくとも一つのディフューザーの領域のうち、特定の位置にある反応部内流路に連通する領域の流路深さが、他の反応部内流路に連通する領域の流路深さよりも深く形成されているため、テンティングやセパレータの強度低下を招くことなく反応部における燃料ガスおよび酸化剤ガスの流量を制御することができる。またこれにより、ディフューザーの形成されているセパレータ内のガス流量を均一にすることができ、発電効率を向上させることが可能となる。

（実施形態１．）
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態１に係る燃料電池について説明する。

図１は、本発明の実施形態１に係る燃料電池の単セル１の反応部を示す部分縦断面図である。燃料電池は単セル１を例えば１００から２００枚積層して構成されており、スタック構造を有する。なお図１は、図２におけるｂ−ｂ断面を示している。

単セル１は、固体高分子電解質膜（以下、電解質膜とする）２と、電解質膜２を挟持するアノード触媒層（電極層）３とカソード触媒層（電極層）４と、アノード触媒層３の外側に設けたアノードガス拡散層５と、カソード触媒層４の外側に設けたカソードガス拡散層６とを備える。また、アノードガス拡散層５側の面に設けられ、複数の水素流路（燃料ガス流路）７を有するアノードセパレータ８と、カソードガス拡散層６側の面に設けられ、複数の空気流路（酸化剤ガス流路）９を有するカソードセパレータ１０を備える。さらにアノードセパレータ８、カソードセパレータ１０には、水素流路７、空気流路９の間に冷却水流路１１、冷却水流路１２が設けられている。この冷却水流路１１、冷却水流路１２により、水素流路７、空気流路９がそれぞれ複数のガス流路に仕切られている。例えば複数の空気流路９は、後述する空気導入マニホールド２０側から空気排出マニホールド２１側に延び、互いに並列な状態で区画形成されている（図２参照）。

本発明では、電解質膜２とアノード触媒層３とカソード触媒層４とアノードガス拡散層５とカソードガス拡散層６が、膜電極複合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）１３を構成しているものとする。

アノード触媒層３、カソード触媒層４は、例えば白金などの触媒をカーボンブラック等に担持させて構成する。アノードガス拡散層５、カソードガス拡散層６は、導電性の多孔質材料からなり、例えばカーボンペーパーやカーボンクロスによって構成する。また本発明では、アノードセパレータ８、カソードセパレータ１０をカーボンから構成するものとするが、アノードセパレータ８、カソードセパレータ１０を貴金属メッキした金属等で構成するようにしてもよい。

図２は、電解質膜２側から見た単セル１を構成するカソードセパレータ１０の正面図である。図２では、膜電極複合体１３において燃料ガスと酸化剤ガスが反応する反応部２８を斜線で示している。なお本実施形態では、カソードセパレータ１０はカーボンセパレータであるものとする。

カソードセパレータ１０は、膜電極複合体１３と対峙する面に空気（酸化剤ガス）が流れる空気流路９を備え、空気流路９に空気を供給する空気導入マニホールド（酸化剤ガス入口）２０と、反応部２８において反応しなかった空気を空気流路９から排出する空気排出マニホールド（酸化剤ガス出口）２１を備える。空気流路９と空気導入マニホールド２０は第３のディフューザー２２によって連結し、空気流路９と空気排出マニホールド２１は第４のディフューザー２３によって連結している。すなわち、空気導入マニホールド２０と反応部２８は第３のディフューザー２２によって接続され、反応部２８と空気排出マニホールド２１は第４のディフューザー２３によって接続されている。

また、カソードセパレータ１０は、アノードセパレータ８に設けた水素流路７に水素（燃料ガス）を導入する水素導入マニホールド（燃料ガス入口）２４と、反応部２８において反応しなかった水素を水素流路７から排出する水素排出マニホールド（燃料ガス出口）２５とを備える。さらに、冷却水流路１１、１２に冷却水を導入するための冷却水導入マニホールド２６と、冷却水流路から冷却水を排出するための冷却水排出マニホールド２７とを備える。

なおアノードセパレータ８は、図２に示すカソードセパレータ１の左右および裏表を逆転させた形状を有し、水素導入マニホールド２４と反応部２８が第１のディフューザー（図示せず）によって接続され、反応部２８と水素排出マニホールド２５が第２のディフューザー（図２において図示せず）によって接続されている（図１参照）。このため本実施形態に係る単セル１は、燃料ガスと酸化剤ガスが互いに逆向きに流れる、いわゆる向流型のものである。

また図２に示す反応部２８は、中心点（特定の点）Ａを中心に点対称（図２では長方形）に形成されており、第３のディフューザー２２と第４のディフューザー２３も中心点Ａを中心として点対称に形成されている。なお、アノードセパレータ８に形成された第１のディフューザーと第２のディフューザーも、第３のディフューザー２２と第４のディフューザー２３と同様に特定の点を中心に点対称に形成されているものとする。

さらに単セル１も、中心点Ａを中心に点対称（図２では、略長方形）に形成されており、第１のディフューザーと第３のディフューザー２２は単セル１において対称な位置に形成され、第２のディフューザーと第４のディフューザー２３も単セル１において対称な位置に形成されている。このようにセパレータおよび単セル１を点対称に形成することで、中心点Ａを中心として単セル１を１８０度反転させることが可能となり、単セル１を積層したときにスタックの一方向への傾きを小さくすることができる。

第３のディフューザー２２には、流路深さが他の領域２２ｂよりも深く形成された特定の領域２２ａが設けられている。なお、特定の領域２２ａは第３のディフューザー２２において、酸化剤ガスの流れ方向に対する縁部から離れた位置（図２において、第３のディフューザー２２のほぼ中央）に形成されている。また第４のディフューザー２３にも、流路深さが他の領域２３ｂよりも深く形成された特定の領域２３ａが設けられている。なお本実施形態では、アノードセパレータ８の第１のディフューザーおよび第２のディフューザーにも、第３のディフューザー２２と第４のディフューザー２３と同様に、流路深さが他の領域よりも深く形成された特定の領域が設けられているものとする。

図３は、単セル１の第２のディフューザーおよび第３のディフューザー２２の部分を示す縦断面図である。なお図３は、図２におけるｃ−ｃ断面を示している。

図３に示すように、カソードセパレータ１０には第３のディフューザー２２が設けられており、特定の領域２２ａの流路深さが他の領域２２ｂの流路深さよりも深く形成されている。なお本実施形態では、第３のディフューザー２２の酸化剤ガス流路がリブ３１によって複数のガス流路に分割されているものとする。またアノードセパレータ８には、カソードセパレータ１０と同様に第２のディフューザーが設けられており、特定の領域３０ａの流路深さが他の領域３０ｂの流路深さよりも深く形成されている。なお本実施形態では、第２のディフューザーの燃料ガス流路もリブ３２によって複数のガス流路に分割されているものとする。また、第２のディフューザーと第３のディフューザー２２の間には、冷却水流路３３が設けられている。

本実施形態では、水素導入マニホールド２４と反応部２８を接続する第１のディフューザーと、反応部２８と水素排出マニホールド２５を接続する第２のディフューザーと、空気導入マニホールド２０と反応部２８を接続する第３のディフューザー２２と、反応部２８と空気排出マニホールド２１を接続する第４のディフューザー２３のすべてのディフューザーの特定の領域の流路深さが、他の領域の流路深さよりも深く形成されているため、テンティングやセパレータの強度低下を招くことなく反応部２８における燃料ガスおよび酸化剤ガスの流量を制御することができる。これは例えば、反応部２８の両端側でガス流量が多く、中央部でガス流量が少ないような場合に特に有用である。またこれにより、ディフューザーの形成されているセパレータ内のガス流量を均一にすることができ、発電効率を向上させることが可能となる。

（実施形態２．）
図４は、本発明の実施形態２に係る燃料電池の単セル１の第２のディフューザー３０および第３のディフューザー２２の部分を示す縦断面模式図である。なお、以下に示す点を除いて本実施形態２に係る燃料電池の単セル１は実施形態１に係る燃料電池と同様であり、同じ構成要素には同じ符号を付して説明する。また図４では、図２のｃ−ｃ断面に相当する部分を示しており、リブ３１、リブ３２等を省略して示している。

本実施形態に係る燃料電池の単セル１では、第３のディフューザー２２の特定の領域２２ａの流路深さが、他の領域２２ｂの流路深さよりも深く形成されている。しかし、第２のディフューザー３０の流路深さは全領域で一定に形成されている。また、第１のディフューザーは第３のディフューザー２２と同様に、特定の領域の流路深さが他の領域よりも深く形成されており、第４のディフューザー２３の流路深さは全領域で一定に形成されている。

これは、図５(ａ)、図５（ｂ）に示すように単セル１の厚さが薄い場合に、第２のディフューザー３０の特定の領域３０ａと第３のディフューザー２２の特定の領域２２ａが重なる部分（図５(ａ)の太線部分）においてｄ−ｄ断面が図５（ｂ）のようになり、冷却水流路３３の流路断面積が小さくなるためである。冷却水流路３３の流路断面積が小さすぎる場合には、燃料電池の冷却効率が低下するため、問題となることがある。

なお、第２のディフューザー３０と第４のディフューザー２３の特定の領域２３ａの流路深さを、他の領域の流路深さよりも深く形成し、第１のディフューザーと第３のディフューザー２２の流路深さを全領域で一定に形成するようにしてもよい。

本実施形態では、第３のディフューザー２２の特定の領域２２ａの流路深さが他の領域２２ｂの流路深さよりも深く形成され、第２のディフューザー３０の流路深さが全領域で一定に形成されているため、冷却水流路３３の流路断面積を確保することができ、冷却性能の低下を小さく抑えることが可能となる。なおその他の効果については、実施形態１に係る燃料電池と同様である。

（実施形態３．）
図６は、本発明の実施形態３に係る燃料電池の単セル１を示す図である。図６(ａ)は、本発明の実施形態３に係る燃料電池の単セル１の第２のディフューザー３０および第３のディフューザー２２の部分を示す平面図であり、図６（ｂ）は図６（ａ)のｆ−ｆ断面を示す図である。なお以下に示す点を除いて、本実施形態３に係る燃料電池の単セル１は実施形態１に係る燃料電池と同様であり、同じ構成要素には同じ符号を付して説明する。また図６では、リブ３１、リブ３２等を省略して示している。

本実施形態３に係る燃料電池の単セル１は、図６（ａ）に示すように第２のディフューザー３０と第３のディフューザー２２が単セル１の厚さ方向において重なる部分を有しており、第３のディフューザー２２の特定の領域２２ａの流路深さが他の領域２２ｂの流路深さよりも深く形成されている。第２のディフューザー３０は、第３のディフューザー２２の特定の領域２２ａと重なる部分３０ｃの流路深さが、第２のディフューザーにおける他の領域３０ｄの流路深さよりも浅く形成されている。また同様に、第１のディフューザーの特定の領域の流路深さは他の領域の流路深さよりも深く形成されており、第４のディフューザー２３は、第１のディフューザーの特定の領域と重なる部分の流路深さが、第４のディフューザーにおける他の領域の流路深さよりも浅く形成されている。

これは、実施形態２に係る燃料電池の単セル１と同様に、冷却水流路３３の流路断面積を確保して、冷却効率を高めるためである。その他の効果については、実施形態１に係る燃料電池と同様である。

本実施形態では、第３のディフューザー２２の特定の領域２２ａの流路深さと他の領域２２ｂの流路深さの差と、第２のディフューザー３０における第３のディフューザー２２の特定の領域２２ａと重なる部分３０ｃと第２のディフューザー３０における他の領域３０ｄの流路深さの差が同じになるように形成されており、第１のディフューザーと第４のディフューザー２３も同様に形成されている。しかし、これらの流路深さの差は必要に応じて変更することが可能である。

なお、それぞれのディフューザーに設ける特定の領域の位置を、単セル１が積層されている方向について単セル１ごとに変化させるようにしてもよい。これにより、単セル１ごとに最適なガス流量制御が可能となり、燃料電池全体にわたって効率的な発電が可能となる。

なお本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内でなしうるさまざまな変更、改良が含まれることは言うまでもない。例えば、実施形態１から３では、単セル１において燃料ガスと酸化剤ガスが互いに逆向きに流れる、いわゆる向流型の燃料電池を示したが、本発明は単セルにおいて燃料ガスと酸化剤ガスが同じ方向に流れる、いわゆる並流型の燃料電池にも応用することができる。

本発明の実施形態１に係る燃料電池の単セルの反応部を示す部分縦断面図である。 電解質膜側から見た単セルを構成するカソードセパレータの正面図である。 単セルの第２のディフューザーおよび第３のディフューザーの部分を示す縦断面図である。 本発明の実施形態２に係る燃料電池の単セルの第２のディフューザーおよび第３のディフューザーの部分を示す縦断面模式図である。 本発明の実施形態１に係る燃料電池の単セルを示す図である。 本発明の実施形態３に係る燃料電池の単セルを示す図である。

符号の説明

１ 単セル
２ 電解質膜
３ アノード触媒層
４ カソード触媒層
５ アノードガス拡散層
６ カソードガス拡散層
７ 水素流路
８ アノードセパレータ
９ 空気流路
１０ カソードセパレータ
１１ 冷却水流路
１２ 冷却水流路
１３ 膜電極複合体
２０ 空気導入マニホールド
２１ 空気排出マニホールド
２２ 第３のディフューザー
２２ａ 特定の領域
２２ｂ 他の領域
２３ 第４のディフューザー
２３ａ 特定の領域
２３ｂ 他の領域
２４ 水素導入マニホールド
２５ 水素排出マニホールド
２６ 冷却水導入マニホールド
２７ 冷却水排出マニホールド
２８ 反応部
３０ 第２のディフューザー
３０ａ 特定の領域
３０ｂ 他の領域
３１ リブ
３２ リブ
３３ 冷却水流路

Claims (13)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスを反応させて発電を行う膜電極複合体と、この膜電極複合体の一方の面に設けられたアノードセパレータと、前記膜電極複合体の他方の面に設けられたカソードセパレータとを有する単セルが複数積層されたスタック構造の燃料電池において、
   前記単セルは、前記燃料ガスと前記酸化剤ガスが反応する反応部と、前記反応部に前記燃料ガスを供給するための燃料ガス入口と、前記反応部で反応しなかった前記燃料ガスを排出するための燃料ガス出口と、前記反応部に前記酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス入口と、前記反応部で反応しなかった前記酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口と、前記アノードセパレータに形成され、前記燃料ガス入口と前記反応部を接続する第１のディフューザーと、前記アノードセパレータに形成され、前記反応部と前記燃料ガス出口を接続する第２のディフューザーと、前記カソードセパレータに形成され、前記酸化剤ガス入口と前記反応部を接続する第３のディフューザーと、前記カソードセパレータに形成され、前記反応部と前記酸化剤ガス出口を接続する第４のディフューザーと、を備え、
   前記第１のディフューザー、前記第２のディフューザー、前記第３のディフューザーおよび前記第４のディフューザーのうち少なくとも一つのディフューザーの領域のうち、特定の位置にある反応部内流路に連通する領域の流路深さが、他の反応部内流路に連通する領域の流路深さよりも深く形成されていることを特徴とする燃料電池。
2. 前記反応部が特定の点を中心に点対称に形成され、前記第１のディフューザーと前記第２のディフューザーも前記特定の点を中心に点対称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。
3. 前記反応部が特定の点を中心に点対称に形成され、前記第３のディフューザーと前記第４のディフューザーも前記特定の点を中心に点対称に形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池。
4. 前記第１のディフューザー、前記第２のディフューザー、前記第３のディフューザーおよび前記第４のディフューザーのすべてのディフューザーの領域のうち、特定の位置にある反応部内流路に連通する領域の流路深さが、他の反応部内流路に連通する領域の流路深さよりも深く形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の燃料電池。
5. 前記第１のディフューザーと前記第３のディフューザーの領域のうち、特定の位置にある反応部内流路に連通する領域の流路深さが、他の反応部内流路に連通する領域の流路深さよりも深く形成され、前記第２のディフューザーと前記第４のディフューザーの流路深さが全領域で一定に形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の燃料電池。
6. 前記単セルが点対称に形成され、前記第１のディフューザーと前記第３のディフューザーが、前記単セルにおいて対称な位置に形成されていることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池。
7. 前記第２のディフューザーと前記第４のディフューザーの領域のうち、特定の位置にある反応部内流路に連通する領域の流路深さが、他の反応部内流路に連通する領域の流路深さよりも深く形成され、前記第１のディフューザーと前記第３のディフューザーの流路深さが全領域で一定に形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の燃料電池。
8. 前記単セルが点対称に形成され、前記第２のディフューザーと前記第４のディフューザーが、前記単セルにおいて対称な位置に形成されていることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池。
9. 前記第１のディフューザーと前記第４のディフューザーは前記単セルの厚さ方向において重なる部分を有し、前記第１のディフューザーの領域のうち、特定の位置にある反応部内流路に連通する領域の流路深さが、他の反応部内流路に連通する領域の流路深さよりも深く形成され、前記第４のディフューザーにおける前記第１のディフューザーの特定の位置にある反応部内流路に連通する領域と重なる部分が、前記第４のディフューザーにおける他の反応部内流路に連通する領域の流路深さよりも浅く形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の燃料電池。
10. 前記第１のディフューザーの特定の位置にある反応部内流路に連通する領域の流路深さと他の反応部内流路に連通する領域の流路深さの差と、前記第４のディフューザーにおける前記第１のディフューザーの特定の位置にある反応部内流路に連通する領域と重なる部分と前記第４のディフューザーにおける他の反応部内流路に連通する領域の流路深さの差が、同じであることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池。
11. 前記第２のディフューザーと前記第３のディフューザーは前記単セルの厚さ方向において重なる部分を有し、前記第３のディフューザーの領域のうち、特定の位置にある反応部内流路に連通する領域の流路深さが、他の反応部内流路に連通する領域の流路深さよりも深く形成され、前記第２のディフューザーにおける前記第３のディフューザーの特定の位置にある反応部内流路に連通する領域と重なる部分が、前記第２のディフューザーにおける他の反応部内流路に連通する領域の流路深さよりも浅く形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の燃料電池。
12. 前記第３のディフューザーの特定の位置にある反応部内流路に連通する領域の流路深さと他の反応部内流路に連通する領域の流路深さの差と、前記第２のディフューザーにおける前記第３のディフューザーの特定の位置にある反応部内流路に連通する領域と重なる部分と前記第２のディフューザーにおける他の反応部内流路に連通する領域の流路深さの差が、同じであることを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池。
13. 前記特定の位置にある反応部内流路に連通する領域が形成される位置が、前記単セルが積層されている方向について前記単セルごとに異なることを特徴とする請求項１から１２のいずれか一つに記載の燃料電池。