JP5311586B2 - 燃料電池及び燃料電池システム - Google Patents

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Description

本発明は、電解質膜と、電解質膜の両側に設けられたアノード側触媒及びカソード側触媒とを具備する燃料電池及び燃料電池システムに関する。
燃料電池は、電解質膜と、電解質膜の両面側に設けられたアノード側触媒及びカソード側触媒とを備えた膜電極接合体(以下MEA;Membrane Electrode Assembly)を具備する。燃料電池は、MEAのアノード側触媒にガス拡散層を介してアノード流体を供給するアノード流体流路が設けられたアノード部材(アノード)と、MEAのカソード側触媒にカソード流体を供給するカソード流体流路が設けられたカソード部材(カソード)とを具備する。
このような燃料電池では、発電停止時に電解質膜を介して大気中の空気(特に不活性ガスである窒素)が不純ガスとしてアノード側に混入する。この状態で運転を開始して水素リッチとなるアノード流体を導入しても水素がすぐには置換されず、十分な発電量を得ることができないという問題があった。特に、燃料電池を長期間放置すると、アノード側に混入した不純ガスの分圧が上昇し、発電量が低下してしまうという問題があった。
このため、起動前にアノードに蓄積された不純ガスを水素リッチのアノード流体にパージする技術が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
具体的に特許文献1では、アノードに蓄積した不純ガスを水素リッチのアノード流体にパージするためのパージ弁と、パージ弁から排出する水素を含んだ排出ガスを希釈して外部に排出する排出ガス処理装置とを具備する。
この特許文献1の構成によれば、アノード側の不純ガスを水素リッチのアノード流体に置換することができるため、発電量の低下を防止することができる。
特開2004−193107号公報
しかしながら、特許文献1の構成では、パージ弁及び排出ガス処理装置が必要となり、装置が大型化してしまうと共に高コスト化してしまうという問題がある。
また、特許文献1の構成では、起動時にパージすることで、不純ガスをアノードから排除することができるものの、発電中であっても不純ガスは電解質膜を通してアノードに通過するため、長期間の発電中では発電状況をモニタリングしてパージ弁の開閉を制御しなくてはならず、制御が複雑になってしまうという問題がある。
本発明はこのような事情に鑑み、不純ガスによる発電不良を防止して、発電を長期間に亘って継続して行うことができると共に小型化した燃料電池及び燃料電池システムを提供することを目的とする。
上記課題を解決する本発明の第1の態様は、電解質膜とアノード側触媒とを具備する膜電極接合体と、該膜電極接合体にアノード流体を供給する供給部材と、該供給部材と前記膜電極接合体との間に設けられたガス拡散層と、を具備する燃料電池において、前記供給部材には、前記膜電極接合体に向けて前記アノード流体を供給するアノード流体流路が設けられており、当該供給部材には、前記ガス拡散層側に突出すると共に内部に前記アノード流体流路が設けられた突出部が設けられ、前記突出部の先端面が前記ガス拡散層に接触して設けられ、前記ガス拡散層の前記供給部材側に前記アノード流体の供給により押し退けられた気体を貯留する領域を有することを特徴とする燃料電池にある。
かかる第1の態様では、アノード流体流路によって膜電極接合体に向けてアノード流体を供給することで、アノード側触媒の表面に存在する不純ガスをアノード流体によって押し退けて、アノード側触媒の表面に亘ってアノード流体を均一に供給することができる。これにより発電量、特に初期電圧を高くすることができると共に、発電を長期間に亘って維持することができる。
また、突出部を設けることによって、ガス拡散層と供給部材との間には、突出部以外の領域に空間が画成されるため、この空間に不純ガスを押し退け易く、また多くの不純ガスを空間内で貯留することができるため、発電をさらに長期間継続させることができる。
本発明の第の態様は、前記突出部は、前記膜電極接合体側に向かって先鋭化したテーパ形状を有することを特徴とする第の態様の燃料電池にある。
かかる第の態様では、突出部を先鋭化することで、突出部以外の領域で大きな空間を画成することができるため、さらに多くの不純ガスを空間内で貯留することができる。
本発明の第の態様は、前記アノード流体流路は、前記膜電極接合体側に向かって先鋭化したテーパ形状を有することを特徴とする第1又は2の態様の燃料電池にある。
かかる第の態様では、アノード流体流路を先鋭化することで、アノード流体流路から噴射するアノード流体の流速を早めて、アノード側触媒の表面に存在する不純ガスをアノード流体によってさらに効率的に押し退けることができる。
本発明の第の態様は、前記アノード流体流路が、1つの供給部材に複数設けられていることを特徴とする第1〜の何れか1つの態様の燃料電池にある。
かかる第の態様では、複数のアノード流体流路によって比較的広い面積を有するアノード側触媒の表面に均一にアノード流体を供給することができる。
本発明の第の態様は、前記アノード流体流路が、1つの供給部材に複数設けられており、複数の前記アノード流体流路に前記ガス拡散層とは反対側で連通するチャンバと、該チャンバに前記アノード流体を供給するアノード流体導入口と、を具備し、前記供給部材には、前記ガス拡散層側に突出すると共に内部に前記アノード流体流路が設けられた第1の突出部及び第2の突出部を有する突出部が設けられ、前記第2の突出部は、前記アノード流体導入口からの距離が、前記第1の突出部の前記アノード流体導入口からの距離よりも長く、且つ前記第1の突出部の突出量は、前記第2の突出部の突出量よりも大きく、前記突出部の先端面が、前記ガス拡散層に接触していることを特徴とする第1〜の何れか1つの態様の燃料電池にある。
かかる第の態様では、複数のアノード流体流路から噴射されるアノード流体の圧力を均一化して、アノード側触媒の表面にアノード流体を比較的均一に供給することができる。
本発明の第の態様は、複数の前記アノード流体流路に前記ガス拡散層とは反対側で連通するチャンバと、該チャンバに前記アノード流体を供給するアノード流体導入口と、を具備し、前記アノード流体流路の圧力損失が前記アノード流体導入口から各前記アノード流体流路までの圧力損失よりも大きいことを特徴とする第1〜の何れか1つの態様の燃料電池にある。
かかる第の態様では、アノード流体流路からアノード流体を勢いよく吐出させて、アノード側触媒の表面に存在する不純ガスを吹き飛ばすことができる。
本発明の第の態様は、複数の前記アノード流体流路に前記ガス拡散層とは反対側で連通するチャンバと、該チャンバに前記アノード流体を供給するアノード流体導入口と、を具備し、複数の前記アノード流体流路は、第1のアノード流体流路、および、前記アノード流体導入口からの距離が前記第1のアノード流体流路よりも長い第2のアノード流体流路を備え、前記第1のアノード流体流路の圧力損失は、前記第2のアノード流体流路の圧力損失よりも大きいことを特徴とする第4〜6の何れか1つの態様の燃料電池にある。
かかる第の態様では、複数のアノード流体流路から噴射されるアノード流体の圧力を均一化して、アノード側触媒の表面に均一にアノード流体を供給することができる。
本発明の第の態様は、複数の前記アノード流体流路に前記ガス拡散層とは反対側で連通するチャンバと、該チャンバに前記アノード流体を供給するアノード流体導入口と、を具備し、複数の前記アノード流体流路は、第1のアノード流体流路、および、前記アノード流体導入口からの距離が前記第1のアノード流体流路よりも長い第2のアノード流体流路を備え、前記アノード流体導入口から前記第1のアノード流体流路までの前記チャンバ内の第1の誘導路における圧力損失は、前記アノード流体導入口から前記第2のアノード流体流路までの前記チャンバ内の第2の誘導路における圧力損失よりも大きいことを特徴とする第4〜7の何れか1つの態様の燃料電池にある。
かかる第の態様では、複数のアノード流体流路から噴射されるアノード流体の圧力を均一化して、アノード側触媒の表面に均一にアノード流体を供給することができる。
本発明の第の態様は、前記供給部材の複数の前記アノード流体流路が互いに隣り合う間隔は、前記アノード流体導入口からの距離が短い前記アノード流体流路側から前記アノード流体導入口からの距離が長い前記アノード流体流路側に向かって徐々に漸小することを特徴とする第の態様の燃料電池にある。
かかる第の態様では、アノード流体流路の圧力損失を変更することにより、流速にばらつきが生じ、流速分布に応じてアノード流体の広がる範囲が異なるが、互いに隣り合うアノード流体流路の間隔を変更することにより、アノード流体の面内分布の偏りを低減することができる。
本発明の第10の態様は、前記アノード流体から押し退けられた気体を貯留する領域から、該気体を除去する除去手段を有することを特徴とする第1〜の何れか1つの態様の燃料電池にある。
かかる第10の態様では、除去手段によって、アノード流体が充填される空間内で押し退けられた不純ガス等の気体を、アノード流体が充填される空間から除去することができるため、さらに発電量を向上することができると共に発電を長期間に亘って維持することができる。
本発明の第11の態様は、前記除去手段が、アノード流体の供給により押し退けられた気体を貯留する領域と連通し、該気体をバッファ排出するための導出路であることを特徴とする第10の態様の燃料電池にある。
かかる第11の態様では、不純ガス等の気体を導出路を介してバッファ排出することができるため、さらに発電量を向上することができると共に発電を長期間に亘って維持することができる。
本発明の第12の態様は、前記導出路には、前記気体が貯留される領域から前記バッファへの気体の流動は許可し、逆方向の気体の流動を制限する逆止弁を有することを特徴とする第11の態様の燃料電池にある。
かかる第12の態様では、バッファに排出した気体が逆止弁によって戻ることがなく、さらに発電量を向上することができると共に発電を長期間に亘って維持することができる。
本発明の第13の態様は、前記除去手段が、前記アノード流体から押し退けられた気体を貯留する領域に備えられた吸着剤であることを特徴とする第10の態様の燃料電池にある。
かかる第13の態様では、吸着剤に不純ガス等の気体を選択的に吸着させることで、除去することができるため、さらに発電量を向上することができると共に発電を長期間に亘って維持することができる。
本発明の第14の態様は、電解質膜とアノード側触媒とを具備する膜電極接合体と、該膜電極接合体にアノード流体を供給する供給部材と、該供給部材と前記膜電極接合体との間に設けられたガス拡散層と、を具備する燃料電池において、
前記供給部材には、前記膜電極接合体に向けて前記アノード流体を供給するアノード流体流路が設けられており、前記アノード流体流路の前記アノード流体の吐出側の開口が、前記ガス拡散層に接触して設けられ、前記ガス拡散層の前記供給部材側に前記アノード流体の供給により押し退けられた気体を貯留する領域を有し、前記アノード流体から押し退けられた気体を貯留する領域から、該気体を除去する除去手段を有することを特徴とする燃料電池にある。
かかる第14の態様では、アノード流体流路によって膜電極接合体に向けてアノード流体を供給することで、アノード側触媒の表面に存在する不純ガスをアノード流体によって押し退けて、アノード側触媒の表面に亘ってアノード流体を均一に供給することができる。これにより発電量、特に初期電圧を高くすることができると共に、発電を長期間に亘って維持することができる。
また、除去手段によって、アノード流体が充填される空間内で押し退けられた不純ガス等の気体を、アノード流体が充填される空間から除去することができるため、さらに発電量を向上することができると共に発電を長期間に亘って維持することができる。
本発明の第15の態様は、第1〜14の何れか1つの態様に記載の燃料電池と、前記アノード流体を前記燃料電池に供給する燃料供給手段と、を具備することを特徴とする燃料電池システムにある。
かかる第15の態様では、不純ガスによる発電不良を防止して、発電を長期間に亘って継続して行うことができると共に小型化した燃料電池システムを実現できる。
本発明は、アノード流体流路によってアノード流体を直接ガス拡散層を介して膜電極接合体に向かって流すことで、アノード側触媒の表面の不純ガスを押し退けて、アノード側触媒の表面に亘ってアノード流体を供給することができる。このため、パージ弁やガス処理装置などの複雑な機構を設けることなく、不純ガスによる発電不良や発電量の低下を防止して、発電量を向上すると共に、長期間の発電を維持することができる。また、アノード流体を膜電極接合体に向かって流すアノード流体流路を設けるだけなので、パージ弁やパージ弁の複雑な開閉制御などが不要となって、小型化することができると共にコストを低減することができる。
本発明の実施形態1に係る燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態1に係る燃料電池を示す分解斜視図である。 本発明の実施形態1に係る燃料電池を示す断面図である。 本発明の実施形態1に係る燃料電池のアノード流体の供給状態を示す要部断面図である。 本発明の実施形態2に係る燃料電池の要部断面図である。 本発明の実施形態2に係る燃料電池の変形例を示す要部断面図である。 本発明の他の実施形態に係る燃料電池を示す要部平面図である。 本発明の他の実施形態に係る燃料電池を示す要部平面図である。 本発明の他の実施形態に係る燃料電池を示す要部断面図である。 本発明の他の実施形態に係る燃料電池を示す要部平面図である。 本発明の他の実施形態に係る燃料電池を示す要部断面図である。 本発明の他の実施形態に係る燃料電池を示す要部断面図である。 本発明の他の実施形態に係る燃料電池を示す要部断面図である。 本発明の他の実施形態に係る燃料電池を示す要部断面図である。 本発明の試験結果を示すグラフである。
以下に本発明を実施形態に基づいて詳細に説明する。
(実施形態1)
図1は、本発明の燃料電池システムの概略構成を示す図である。
図1に示すように、本実施形態の燃料電池システム1は、燃料供給手段100と、燃料電池200と、制御回路300とを具備する。
燃料供給手段100は、アノード流体としての燃料を燃料電池200に供給するものである。燃料としては水素が最適であり、燃料供給手段100としては、水素吸蔵合金や、水素を封入したボンベなどが挙げられる。また、燃料供給手段100は、水素を発生させるものであってもよく、例えば、水素発生物質と水素発生促進物質とを混合して水素を発生させる構成が挙げられる。水素発生物質としては、例えば水素化ホウ素ナトリウム、水素発生促進物質としては、例えば、リンゴ酸水溶液を用いることができる。また、燃料としてメタノールなどの溶液を供給してもよい。
制御回路300は、燃料電池200に接続されて、燃料電池200によって供給される電圧によって駆動する。
ここで、燃料電池200について図2〜図4を参照して詳細に説明する。なお、図2は、燃料電池の概略構成を示す分解斜視図であり、図3は、燃料電池の断面図であり、図4は、燃料電池のアノード流体の供給状態を示す要部断面図である。
図2及び図3に示すように、燃料電池200は、電解質膜として固体高分子電解質膜201と、固体高分子電解質膜201の両面側に設けられたアノード側触媒202及びカソード側触媒203とで構成された膜電極接合体204(以下、MEAと言う)を具備する。
MEA204の各面には、アノード部材210とカソード部材220とが設けられている。すなわち、MEA204は、アノード部材210とカソード部材220との間に挟持されている。
カソード部材220は、MEA204のカソード側触媒203側に設けられた板状部材からなる。カソード部材220には、カソード側触媒203にカソード流体として酸化剤(酸素を含む空気)を供給するカソード流体流路221が設けられている。すなわち、カソード部材220は、カソード流体をカソード側触媒203に供給する供給部材として機能する。このカソード流体流路221は、本実施形態では、カソード部材220のカソード側触媒203側に開口する凹形状を有し、カソード流体流路221の底面には、カソード流体流路221内に空気を供給するためのカソード流体導入口222が設けられている。
アノード部材210は、MEA204のアノード側触媒202側に設けられた板状部材からなり、アノード側触媒202側に開口する凹形状を有するチャンバ211と、チャンバ211の底面に厚さ方向に貫通して設けられたアノード流体導入口212とを具備する。
チャンバ211は、アノード側触媒202の表面積と同等の開口面積を有する。そして、チャンバ211内には、底面に設けられたアノード流体導入口212を介してアノード流体が供給される。
また、アノード部材210とMEA204との間には、ガス拡散層230と、このガス拡散層230にチャンバ211内のアノード流体を供給する供給部材240とが設けられている。
ガス拡散層(GDL)230は、アノード部材210とMEA204との間のMEA204側、すなわち、MEA204のアノード側触媒202上に設けられており、アノード流体を透過可能な透過性を有する部材からなる。ガス拡散層230としては、例えば、金属メッシュや、カーボンクロス、カーボンペーパー、カーボンフェルトなどの多孔質構造を有する従来周知のものを用いることができる。
供給部材240は、ガス拡散層230のMEA204とは反対側に設けられた板状部材からなる。この供給部材240は、ガス拡散層230に一方面が接触するように設けられている。また、供給部材240のガス拡散層230に接触する面とは反対側の他方面は、チャンバ211の一方面を封止している。
供給部材240には、厚さ方向に貫通してチャンバ211とガス拡散層230とを連通するアノード流体流路241が設けられている。すなわち、アノード流体流路241は、一端がチャンバ211に開口すると共に、他端がガス拡散層230に開口することで両者を連通している。そして、上述のように供給部材240の一方面をガス拡散層230に接触させることで、アノード流体流路241のアノード流体の吐出側の開口(ガス拡散層230側の開口)は、ガス拡散層230に接触して設けられている。
本実施形態では、アノード流体流路241を所定の間隔で複数(6個)配置したアノード流体流路241の列を2列設け、合計12個のアノード流体流路241を設けるようにした。なお、アノード流体流路241の圧力損失は、アノード流体導入口212から各アノード流体流路241までの圧力損失よりも大きくなるように設けられている。具体的には、本実施形態では、チャンバ211を複数のアノード流体流路241に共通して連通する大きさ(アノード側触媒202の表面と同等の開口面積)で設け、アノード流体流路241の開口面積(断面積)をチャンバ211の開口面積よりも大幅に小さくすることで、アノード流体流路241の圧力損失をチャンバ211のアノード流体導入口212から各アノード流体流路241までの圧力損失よりも大きくしている。このようにアノード流体流路241の圧力損失を大きくすることで、詳しくは後述するが、チャンバ211内に供給されたアノード流体をアノード流体流路241によって、アノード側触媒202の表面に向かって所望の圧力で噴射するように供給することができる。アノード流体流路241は、アノード側触媒202に向かって先鋭化した形状であってもよい。もちろん、アノード流体流路241の大きさ(開口面積)や、数並びに位置などは特に限定されるものではなく、チャンバ211内のアノード流体の圧力と、アノード側触媒202の表面側の不純ガスの分圧、アノード流体をアノード側触媒202に供給して不純ガスを押し退けるための流速などに基づいて適宜決定すればよい。ちなみに、上述のようにアノード流体流路241を、アノード側触媒202側に向かって先鋭化したテーパ形状とすることで、アノード流体流路241から噴射されるアノード流体の流速を速めて、詳しくは後述するが、アノード側触媒202の表面にアノード流体を供給し易く、すなわち、アノード側触媒202の表面に存在する不純ガスを押し退け易くすることができる。
このような供給部材240のアノード流体流路241は、供給部材240を厚さ方向に貫通することで、アノード側触媒202の表面に対して交差する方向に沿って設けられている。これにより、チャンバ211内に供給されたアノード流体をアノード流体流路241によって、ガス拡散層230を通過させてアノード側触媒202の表面に向かって供給することができる。すなわち、供給部材240のアノード流体流路241は、アノード側触媒202の表面に対して交差する方向に沿って設けられていればよく、アノード側触媒202の表面に直交していても、また、所定角度傾斜していてもよい。
このような燃料電池200では、カソード流体流路221が大気開放しているため、燃料電池を長期間放置すると、固体高分子電解質膜201を通して大気中の空気(特に不活性ガスである窒素)がアノード側触媒202が設けられた空間、すなわち、ガス拡散層230内に不純ガスとして混入してしまう。この不純ガス(窒素)の分圧が上昇すると、アノード側触媒202におけるアノード流体の分圧が低下し、発電するのに十分なアノード流体を供給することができず発電量が低下してしまう。
しかしながら、本実施形態の燃料電池200では、図4に示すように、アノード流体流路241によってアノード流体をアノード側触媒202の表面に向かって吹き付けるように供給するため、アノード側触媒202の表面に存在する不純ガスを押し退けてアノード流体をアノード側触媒202の表面に供給することができる。すなわち、アノード流体流路241によってアノード側触媒202の表面に向かって(表面に交差する方向から)供給されたアノード流体は、アノード側触媒202の雰囲気として充填されたガス拡散層230内の不純ガスを押し退けながらアノード側触媒202の表面に沿って広がる。このとき、アノード側触媒202の表面側から押し退けられた不純ガスは、ガス拡散層230のアノード側触媒202とは反対側、すなわち供給部材240側の領域Aに留まる。
このように、アノード流体流路241によって、アノード流体をアノード側触媒202の表面に向かって供給して、不純ガス(窒素)をアノード側触媒202の表面から押し退けることで、アノード側触媒202の発電効率を向上することができる。例えば、アノード流体流路241を設けていない場合、すなわち、チャンバ211が直接ガス拡散層230に臨むように設けられている場合には、アノード流体導入口212から供給されたアノード流体はアノード側触媒202の表面に沿って供給されることになる。このようにアノード側触媒202の表面の面方向にアノード流体が供給されると、アノード流体が供給される側のみ発電し、アノード流体が供給される側から長い領域では、不純ガスの分圧が大きくなって実質的に発電しなくなる。すなわち、アノード流体をアノード側触媒202の表面に沿って供給すると、アノード側触媒202の全面を効率よく使用することができなくなり、発電量が低下してしまう。これに対して、本実施形態のようにアノード側触媒202の表面にアノード流体を吹きつけるように供給するアノード流体流路241を設けることで、アノード流体をアノード側触媒202の表面の全面に亘って均一に供給することができるため、アノード側触媒202の表面の全面を利用して発電させることができ、発電量、特に初期電圧を高くすることができる。
また、燃料電池200では、アノード側触媒202側(ガス拡散層230側)への空気中の窒素等の不純ガスの混入は、発電中にも発生するため、アノード流体流路241を設けていない場合には、長期間の発電を維持することができない。これに対して、本実施形態では、アノード流体流路241によってアノード流体をアノード側触媒202の表面に向かって供給することで、アノード側触媒202の表面に存在する不純ガスを常に押し退けながらアノード流体をアノード側触媒202の表面に供給し続けることができ、長期間の発電を維持することができる。
なお、本実施形態では、アノード流体流路241の開口をガス拡散層230の供給部材240側の表面に直接接触させることで、常に高濃度のアノード流体をアノード側触媒202に供給することができる。すなわち、アノード流体流路241の開口とガス拡散層230との間に空間が存在すると、アノード流体によって押し退けた不純ガスが、その空間に充満し、アノード流体流路241から供給されたアノード流体と共に空間に充満した不純ガスがアノード側触媒202に供給されてしまう。これに対して、アノード流体流路241の開口をガス拡散層230に直接接触させて、アノード流体を直接ガス拡散層230に流すことで、不純ガスがアノード側触媒202に供給され難くして、高濃度のアノード流体をアノード側触媒202に供給することができる。このように、比較的高濃度のアノード流体をアノード側触媒202に供給することで、発電効率(発電量)の低下を低減することができるという効果を奏する。
(実施形態2)
図5は、本発明の実施形態2に係る燃料電池の要部断面図である。なお、上述した実施形態1と同様の部材には同一の符号を付して重複する説明は省略する。
図5に示すように、実施形態2の燃料電池200Aは、MEA204と、アノード部材210と、カソード部材(図示なし)と、ガス拡散層230と、供給部材240Aとを具備する。
供給部材240Aのガス拡散層230側の面には、ガス拡散層230側に突出すると共に、内部にそれぞれアノード流体流路241が設けられた突出部242が設けられている。すなわち、突出部242は、内部にアノード流体流路241が設けられた円筒形状を有するノズル状に設けられている。なお、突出部242の形状は、円筒形状に限られるものではなく、角柱形状、あるいは、ガス拡散層230に向かって先鋭化したテーパ形状等であってもよい。例えば、突出部242をガス拡散層230に向かって先鋭化したテーパ形状で形成することで、詳しくは後述するが、隣り合う突出部の間の空間の容積を円筒形状の突出部242に比べて大きくして、さらにこの空間に貯留可能な不純ガスの量を多くして、長期間の発電を維持することができる。
この突出部242の突出した先端面は、ガス拡散層230の表面に当接しており、供給部材240Aの突出部242以外の領域ではガス拡散層230との間に空間243が画成されている。
このような燃料電池200Aでは、上述した実施形態1と同様に、アノード流体流路241によってアノード流体がアノード側触媒202の表面に向かって供給されることで、窒素等の不純ガスを押し退けて初期発電量を向上すると共に発電を長期間維持させることができる。そして、本実施形態では、ガス拡散層230と供給部材240Aとの間の突出部242以外の領域に空間243を画成することで、アノード側触媒202の表面から立ち退かせた窒素等の不純ガスをこの空間243を含む領域A´に貯留することができる。したがって、アノード側触媒202の表面側の不純ガスを領域A´側に押し退けやすく、また、押し退けた不純ガスを比較的広い領域A´に貯留することができるため、さらに長期間の発電を維持することができる。
なお、本実施形態では、突出部242の先端面をガス拡散層230の表面に当接させるようにしたが、特にこれに限定されず、例えば、突出部242の先端部をガス拡散層230の内部に埋め込むようにしてもよい。このような例を図6に示す。なお、図6は、本発明の実施形態2に係る燃料電池の変形例を示す要部断面図である。
図6に示すように、ガス拡散層230Aの供給部材240A側の表面には、供給部材240Aの突出部242に相対向する位置に凹部231が設けられている。そして、突出部242は、凹部231の内部に嵌合することで、突出部242の先端部がガス拡散層230A内に埋め込まれている。このような状態としても、上述した実施形態2と同様の効果を奏することができる。
また、突出部242をガス拡散層230Aに埋め込む場合には、例えば、供給部材240Aとガス拡散層230Aとの間の突出部242以外の領域に空間243を画成しないように、すなわち、供給部材240Aのガス拡散層230A側の表面が全てガス拡散層230Aに当接するようにしても、上述した実施形態1と同様の効果を奏することができる。
(他の実施形態)
以上、本発明の各実施形態について説明したが、本発明の基本的構成は上述したものに限定されるものではない。
例えば、上述した実施形態1及び2では、供給部材240、240Aに同じ開口面積となる複数のアノード流体流路241を設けるようにしたが、特にこれに限定されず、例えば、アノード流体導入口212からの距離に応じて、アノード流体流路241の圧力損失を変更するようにしてもよい。ここで、具体的な例を図7に示す。なお、図7は、上述した実施形態1の変形例であるが、上述した実施形態2にも図7の構成を適用することができるものである。図7に示すように、複数のアノード流体流路241の内、アノード流体導入口212(アノード流体導入口212を投影した投影部212A)から距離が短いアノード流体流路241(距離L側)ほどその断面積を小さくして圧力損失を高くし、アノード流体導入口212からの距離が長いアノード流体流路241(距離L側)ほどその断面積を大きくして圧力損失を低くしている。すなわち、アノード流体導入口212からの距離が短いアノード流体流路241を第1のアノード流体流路とし、アノード流体導入口212からの距離が長いアノード流体流路241を第2のアノード流体流路としたとき、第1のアノード流体流路の圧力損失を、第2のアノード流体流路の圧力損失よりも大きくすればよい。
なお、本実施形態では、アノード流体導入口212は、チャンバ211の底面に、アノード流体流路241の並設された列の外側に設けられているが、アノード流体流路241の並設された列の途中にアノード流体導入口212を設けるようにしてもよい。また、アノード流体導入口212からアノード流体流路241までの距離とは、実際には、アノード流体導入口212の位置を、供給部材240に投影した投影部212Aの位置とすればよい。
このように、アノード流体流路241の開口面積(断面積)をアノード流体導入口212からの距離に基づいて変更することで、アノード流体流路241の圧力損失をアノード流体導入口212からの距離に基づいて変更することができる。すなわち、アノード流体流路241の開口面積が小さいということは、アノード流体流路241の圧力損失が大きく、逆にアノード流体流路241の開口面積が大きいということは、アノード流体流路241の圧力損失が小さくなる。そして、アノード流体導入口212から距離が短いアノード流体流路241までのチャンバ211内を経路は短いため、チャンバ211を通過するアノード流体の圧力損失は小さく、アノード流体導入口212から距離が遠くなるほどアノード流体流路241に供給されるチャンバ211を通過するアノード流体の圧力損失は大きくなる。したがって、チャンバ211内を通過するアノード流体の圧力損失のばらつきを、アノード流体流路241の圧力損失を変更することで、各アノード流体流路241から供給されるアノード流体の圧力を均一化することができる。これにより、アノード側触媒202の表面にアノード流体を均一に供給することができ、アノード側触媒202の面内での発電量を均一化して発電効率を向上することができる。
また、図7に示す例では、各アノード流体流路241から供給されるアノード流体の流量を均一化することができるものの、アノード流体導入口212(アノード流体導入口212を投影した投影部212A)からのアノード流体流路241の距離が長くなるに従ってアノード流体流路241の径口が異なるので、アノード流体流路241から流出されるアノード流体の流速が変わってしまう。このようにアノード流体流路241から流出されるアノード流体の流速が変わってしまうと、流速分布に応じてアノード流体の広がる範囲が異なるため、アノード流体の面内分布に偏りが生じ、発電効率が低下してしまう虞がある。このため、複数のアノード流体流路241において、互いに隣り合うアノード流体流路241の間隔を、アノード流体導入口212からの距離が長くなるに応じて徐々に漸小させるようにすることで、アノード流体の面内分布の偏りを低減することができる。ここで、このような例を図8及び図9に示す。なお、図8は、本発明の他の実施形態に係る燃料電池の要部平面図であり、図9は、図8の要部断面図である。
図8及び図9に示すように、図7と同じ構成の開口面積となる複数のアノード流体流路241において、アノード流体導入口212(投影部212A)から距離が短いアノード流体流路241が互いに隣り合う間隔(間隔d側)に比べて、アノード流体導入口212(投影部212A)から距離が長いアノード流体流路241が互いに隣り合う間隔(間隔d側)ほど、漸小させている。これにより、互いに隣り合うアノード流体流路241の間隔が広い側(間隔d側)から狭い側(間隔d側)に向かって流速が遅くなり、流出されるアノード流体の広がる範囲が徐々に狭くなったとしても、アノード流体の面内分布の偏りを低減することができる。したがって、複数のアノード流体流路241から流出されるアノード流体の流量及び流速を均一化して、アノード側触媒202の表面に存在する不純ガス(窒素)をアノード側触媒202の表面から均一に押し退けることができると共に高効率で発電を行うことができる。ちなみに、隣り合うアノード流体流路の間隔を全て同じにすると、アノード流体導入口212からの距離が短いアノード流体流路241を第1のアノード流体流路とし、アノード流体導入口212からの距離が長いアノード流体流路241を第2のアノード流体流路としたとき、第2のアノード流体流路から流出するアノード流体の流速は、第1のアノード流体流路から流出するアノード流体の流速よりも遅くなる。すると、流速の遅い第2のアノード流体流路から流出したアノード流体が気体を押し退けてアノード側触媒202表面上に広がる範囲は、流速の速い第1のアノード流体流路から流出したアノード流体が広がる範囲よりも狭くなり、アノード側触媒202の表面の面内でアノード流体が供給される濃度分布に偏りが生じ、不純ガスの押し退け不良や発電効率の低下などの不具合が生じてしまう虞がある。
図8及び図9に示す例では、複数のアノード流体流路241から流出されたアノード流体の面内分布の偏りを低減することができるため、アノード側触媒202の表面の面内でアノード流体が供給される濃度分布が均一化してアノード側触媒202の発電効率を向上することができると共に長期間に亘って発電量を維持することができる。なお、図8及び図9に示す例では、互いに隣り合うアノード流体流路241の中心の間隔を、アノード流体流路の間隔d〜dとしているが、特にこれに限定されず、アノード流体流路の開口縁部同士の間隔をアノード流体流路の間隔としてもよい。
さらに、アノード流体流路241の圧力損失を変更することなく、チャンバ211内にアノード流体導入口212からアノード流体流路241までを連通する誘導路を形成し、この誘導路の圧力損失を変更するようにしてもよい。このような例を図10に示す。
図10に示すように、チャンバ211内には、アノード流体導入口212から各アノード流体流路241に連通する誘導路213が設けられている。誘導路213は、アノード流体導入口212から距離が短いアノード流体流路241を連通する誘導路213ほど幅(断面積)を狭く(小さく)して圧力損失を大きくし、アノード流体導入口212から距離が長いアノード流体流路241を連通する誘導路213ほど幅(断面積)を広く(大きく)して圧力損失を小さくしている。すなわち、アノード流体導入口212からの距離が短いアノード流体流路241を第1のアノード流体流路とし、アノード流体導入口212からの距離が長いアノード流体流路241を第2のアノード流体流路としたとき、アノード流体導入口212から第1のアノード流体流路までの第1の誘導路における圧力損失を、アノード流体導入口212から第2のアノード流体流路までの第2の誘導路の圧力損失に比べて大きくすればよい。これによっても、各アノード流体流路241から供給されるアノード流体の圧力を均一化することができる。これにより、アノード側触媒202の表面にアノード流体を均一に供給することができ、アノード側触媒202の面内での発電量を均一化して発電効率を向上することができる。
さらに、例えば、上述した実施形態2の突出部242を有する供給部材240Aを設けた場合には、例えば、図11に示すように、複数のアノード流体流路241の内、アノード流体導入口212からの距離が短いアノード流体流路241ほど突出部242の突出量を大きくし、アノード流体導入口212からの距離が長いアノード流体流路241ほど突出部242の突出量を小さくしてもよい。すなわち、アノード流体導入口212からの距離が短い突出部242を第1の突出部とし、アノード流体導入口212からの距離が長い突出部を第2の突出部としたとき、第1の突出部の突出量は、第2の突出部の突出量よりも大きくすればよい。このとき、各突出部242に設けられたアノード流体流路241の開口がガス拡散層230Aに接触するように、突出部242の先端をガス拡散層230Aに埋め込むようにすればよい。このように、突出部242の突出量を変更することで、アノード流体導入口212から近いアノード流体流路241の圧力損失を大きく、アノード流体導入口212から遠いアノード流体流路241の圧力損失を小さくして、アノード流体導入口212からの距離に関わらず各アノード流体流路241から供給されるアノード流体の圧力を均一化することができる。これにより、アノード側触媒202の面内における発電量を均一化して発電効率を向上することができる。
また、アノード流体流路241から流出されたアノード流体によって押し退けられた気体が貯留する領域に、この領域の気体を外部に排出するための除去手段を設けるようにしてもよい。このような例を図12に示す。なお、図12は、上述した実施形態2の変形例を示す燃料電池の要部断面図である。
図12に示すように、供給部材240Aには、アノード流体によって押し退けられた気体を貯留する領域である空間243に連通する導出路250の一端が接続されており、導出路250の他端は、貯留手段251に接続されている。貯留手段251は、空間243からの窒素等の不純ガスを貯留する空間を有し、導出路250を介して接続された空間243の気体を外部にバッファ排出させるためのものである。このような貯留手段251としては、例えば、封止された空間を有する中空部材が挙げられる。中空部材からなる貯留手段251を設けることで、燃料電池の動作が停止している間は、貯留手段251の内部の圧力は燃料電池(チャンバ211)の内部の圧力と同等となる。そして、アノード流体流路241からアノード流体を流出させると、流出されたアノード流体によって空間243に押し退けられた不純ガスは、アノード流体の導入圧力によって導出路250を介して貯留手段251にバッファ排出される。そして、空間243の不純ガスが貯留手段251にバッファ排出されると、空間243の内部の圧力と貯留手段251の内部の圧力とが同じとなる。そして、燃料電池の動作を停止すると、空間243の内部と貯留手段251の内部とで圧力の均衡が崩れ、貯留手段251内の不純ガスが空間243側に戻る。このように、燃料電池の動作時に空間243の不純ガスを燃料電池の外部にバッファ排出させることで、発電量(特に初期電圧)の向上及び発電を長期間維持することができる。
なお、貯留手段251として、中空部材を例示したが、特にこれに限定されるものではない。例えば、貯留手段251の内部に気体を吸着する吸着剤を設けるようにしてもよい。例えば、吸着剤としては、気体として窒素を吸着させたい場合には、活性炭やゼオライト等を用いることができる。
また、上述した図12に示す導出路250に逆止弁を設けるようにしてもよい。このような例を図13に示す。図13に示すように、導出路250の途中、すなわち、供給部材240と貯留手段251との間には、逆止弁252が設けられている。逆止弁252は、気体が貯留される空間243から貯留手段251(バッファ)への気体の流動を許可し、逆方向の気体の流動を制限する向きとなるように取り付けられている。このように導出路250に逆止弁252を設けることにより、貯留手段251に貯留された気体が、空間243に逆流することがなく、また、燃料電池の動作を停止した際にも、貯留手段251に貯留された気体が空間243に戻ることがない。なお、図13では、上述した実施形態2の変形例を示したが、特にこれに限定されず、例えば、上述した実施形態1の空間243が存在しない構成や、図7〜図11等に示す構成であっても、気体が貯留される領域の気体を除去する除去手段を設けることで同様の効果を奏することができる。
さらに、アノード流体の供給によって押し退けられた気体が貯留される領域に吸着剤を設けるようにしてもよい。このような例を図14に示す。なお、図14は、上述した実施形態2の変形例を示す要部断面図である。
図14に示すように、供給部材240Aには、アノード流体によって押し退けられた気体を貯留する領域である空間243内に吸着剤260が設けられている。吸着剤260としては、例えば、気体として窒素を吸着させたい場合には、活性炭やゼオライト等を用いることができる。勿論、吸着剤は、これに限定されず、吸着させたい気体によってその材料を適宜決定すればよい。
このような構成であっても、空間243に押し退けられた気体を吸着剤260に吸着させて、燃料電池内の余分な気体を除去することができ、発電量(特に初期電圧)の向上及び発電を長期間維持することができる。もちろん、吸着剤260は、上述した実施形態1に設けるようにしてもよい。
また、上述した図7〜図14の構成は、何れか2つ以上を組み合わせてもよい。
さらに、上述した例では、アノード部材210とは別部材として供給部材240、240Aを設けるようにしたが、これらが一体的に設けられた部材としてもよい。また、供給部材240、240Aは、アノード流体流路241が設けられた領域のみを供給部材としてもよい。すなわち、上述した実施形態1及び2の供給部材240、240Aに相当する部材として、板状部材からなるベース部材と、ベース部材に固定されてアノード流体流路が個別に設けられた複数の供給部材とで構成してもよい。
また、例えば、上述した例では、アノード側触媒202側のみにガス拡散層230を設けるようにしたが、特にこれに限定されず、例えば、カソード側触媒203側にもアノード側触媒202側と同等のガス拡散層230を設けるようにしてもよい。
また、例えば、上述した燃料電池200、200Aは、電池スタックを構成する電池セルとして利用することもできる。すなわち、上述した燃料電池200、200Aを複数積層することで電池スタックを形成してもよい。
(実施例)
上述した実施形態2の図5に示すものを実施例の燃料電池とした。
(比較例)
供給部材240,240A等を設けずに、チャンバ211内にガス拡散層230が直接設けられたものを比較例の燃料電池とした。
(試験例)
初期状態として、実施例及び比較例の燃料電池のアノードに窒素を封入して100kPa(大気圧相当)とした。また、カソード流体導入口222を大気開放することで、カソード流体流路221内に空気が自然供給されるようにした。
そして、実施例及び比較例のアノード流体導入口212から分圧30kPaの純水素を供給し、電流を一定にして実施例と比較例との発電特性を測定した。この結果を図15に示す。なお、試験例では、電圧(V)と、発電時間(h)とを測定した。
図15に示すように、実施例の燃料電池は、比較例の燃料電池に比べて初期電圧が約1.5倍程度大きくなった。
また、実施例の燃料電池は、少なくとも45分以上、安定して連続発電することができたのに対し、比較例の燃料電池では、約4秒程度で発電が停止してしまった。
このことから、実施例の燃料電池は、比較例の燃料電池に比べて、発電量(Wh)が約920倍以上の性能向上が認められた。
本発明は、アノード側触媒の表面の面内でのアノード流体の濃度分布を均一にして発電量を向上すると共に発電を長期間継続する燃料電池の産業分野で利用することができる。
A、A´ 領域
1 燃料電池システム
100 燃料供給手段
200 燃料電池
201 固体高分子電解質膜(電解質膜)
202 アノード側触媒
203 カソード側触媒
210 アノード部材
220 カソード部材
230、230A ガス拡散層
240、240A 供給部材
241 アノード流体流路
242 突出部
250 導出路
251 貯留手段
252 逆止弁
260 吸着剤
300 制御回路

Claims (15)

  1. 電解質膜とアノード側触媒とを具備する膜電極接合体と、
    該膜電極接合体にアノード流体を供給する供給部材と、
    該供給部材と前記膜電極接合体との間に設けられたガス拡散層と、を具備する燃料電池において、
    前記供給部材には、前記膜電極接合体に向けて前記アノード流体を供給するアノード流体流路が設けられており、当該供給部材には、前記ガス拡散層側に突出すると共に内部に前記アノード流体流路が設けられた突出部が設けられ、前記突出部の先端面が前記ガス拡散層に接触して設けられ、前記ガス拡散層の前記供給部材側に前記アノード流体の供給により押し退けられた気体を貯留する領域を有することを特徴とする燃料電池。
  2. 前記突出部は、前記膜電極接合体側に向かって先鋭化したテーパ形状を有することを特徴とする請求項記載の燃料電池。
  3. 前記アノード流体流路は、前記膜電極接合体側に向かって先鋭化したテーパ形状を有することを特徴とする請求項1又は2に記載の燃料電池。
  4. 前記アノード流体流路が、1つの供給部材に複数設けられていることを特徴とする請求項1〜の何れか一項に記載の燃料電池。
  5. 前記アノード流体流路が、1つの供給部材に複数設けられており、
    複数の前記アノード流体流路に前記ガス拡散層とは反対側で連通するチャンバと、該チャンバに前記アノード流体を供給するアノード流体導入口と、を具備し、
    前記供給部材には、前記ガス拡散層側に突出すると共に内部に前記アノード流体流路が設けられた第1の突出部及び第2の突出部を有する突出部が設けられ、
    前記第2の突出部は、前記アノード流体導入口からの距離が、前記第1の突出部の前記アノード流体導入口からの距離よりも長く、且つ前記第1の突出部の突出量は、前記第2の突出部の突出量よりも大きく、
    前記突出部の先端面が、前記ガス拡散層に接触していることを特徴とする請求項1〜の何れか一項に記載の燃料電池。
  6. 複数の前記アノード流体流路に前記ガス拡散層とは反対側で連通するチャンバと、該チャンバに前記アノード流体を供給するアノード流体導入口と、を具備し、
    前記アノード流体流路の圧力損失が前記アノード流体導入口から各前記アノード流体流路までの圧力損失よりも大きいことを特徴とする請求項1〜の何れか一項に記載の燃料電池。
  7. 複数の前記アノード流体流路に前記ガス拡散層とは反対側で連通するチャンバと、該チャンバに前記アノード流体を供給するアノード流体導入口と、を具備し、
    複数の前記アノード流体流路は、第1のアノード流体流路、および、前記アノード流体導入口からの距離が前記第1のアノード流体流路よりも長い第2のアノード流体流路を備え、
    前記第1のアノード流体流路の圧力損失は、前記第2のアノード流体流路の圧力損失よりも大きいことを特徴とする請求項4〜6の何れか一項に記載の燃料電池。
  8. 複数の前記アノード流体流路に前記ガス拡散層とは反対側で連通するチャンバと、該チャンバに前記アノード流体を供給するアノード流体導入口と、を具備し、
    複数の前記アノード流体流路は、第1のアノード流体流路、および、前記アノード流体導入口からの距離が前記第1のアノード流体流路よりも長い第2のアノード流体流路を備え、
    前記アノード流体導入口から前記第1のアノード流体流路までの前記チャンバ内の第1の誘導路における圧力損失は、前記アノード流体導入口から前記第2のアノード流体流路までの前記チャンバ内の第2の誘導路における圧力損失よりも大きいことを特徴とする請求項4〜7の何れか一項に記載の燃料電池。
  9. 前記供給部材の複数の前記アノード流体流路が互いに隣り合う間隔は、前記アノード流体導入口からの距離が短い前記アノード流体流路側から前記アノード流体導入口からの距離が長い前記アノード流体流路側に向かって徐々に漸小することを特徴とする請求項に記載の燃料電池。
  10. 前記アノード流体から押し退けられた気体を貯留する領域から、該気体を除去する除去手段を有することを特徴とする請求項1〜の何れか一項に記載の燃料電池。
  11. 前記除去手段が、アノード流体の供給により押し退けられた気体を貯留する領域と連通し、該気体をバッファ排出するための導出路であることを特徴とする請求項10記載の燃料電池。
  12. 前記導出路には、前記気体が貯留される領域から前記バッファへの気体の流動は許可し、逆方向の気体の流動を制限する逆止弁を有することを特徴とする請求項11記載の燃料電池。
  13. 前記除去手段が、前記アノード流体から押し退けられた気体を貯留する領域に備えられた吸着剤であることを特徴とする請求項10記載の燃料電池。
  14. 電解質膜とアノード側触媒とを具備する膜電極接合体と、
    該膜電極接合体にアノード流体を供給する供給部材と、
    該供給部材と前記膜電極接合体との間に設けられたガス拡散層と、を具備する燃料電池において、
    前記供給部材には、前記膜電極接合体に向けて前記アノード流体を供給するアノード流体流路が設けられており、前記アノード流体流路の前記アノード流体の吐出側の開口が、前記ガス拡散層に接触して設けられ、前記ガス拡散層の前記供給部材側に前記アノード流体の供給により押し退けられた気体を貯留する領域を有し、
    前記アノード流体から押し退けられた気体を貯留する領域から、該気体を除去する除去手段を有することを特徴とする燃料電池。
  15. 請求項1〜14の何れか一項に記載の燃料電池と、前記アノード流体を前記燃料電池に供給する燃料供給手段と、を具備することを特徴とする燃料電池システム。
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