JP5316648B2 - 燃料電池 - Google Patents
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Description
電解質膜と前記電解質膜の両側に配置されたアノードおよびカソードとを含む発電体層と、
前記発電体層の前記アノード側に配置され、前記燃料電池の各層を積層する積層方向に略直交する燃料ガス流れ方向に沿って燃料ガスを流動させつつ前記アノードに燃料ガスを供給する燃料ガス流路層と、
前記発電体層の前記カソード側に配置され、前記燃料ガス流れ方向に対向する酸化ガス流れ方向に沿って酸化ガスを流動させつつ前記カソードに酸化ガスを供給する酸化ガス流路層と、を備え、
前記燃料電池において発電が行われる領域である発電領域の前記燃料ガス流れ方向に沿った最上流位置を含む上流領域および前記発電領域の前記燃料ガス流れ方向に沿った最下流位置を含む下流領域と比較して、前記発電領域の残りの領域である中流領域は、前記アノード側と前記カソード側との間の水蒸気移動抵抗が大きい、燃料電池。
前記アノードと前記燃料ガス流路層との間に配置されたアノード側拡散層を備え、
前記燃料ガス流路層は、前記上流領域および前記下流領域におけるガス流動抵抗が前記中流領域におけるガス流動抵抗より大きく構成されている、燃料電池。
前記上流領域および前記下流領域における前記燃料ガス流路層に、ガス流路が閉塞された閉塞部が形成されている、燃料電池。
前記アノードと前記燃料ガス流路層との間に配置されたアノード側拡散層を備え、
前記アノード側拡散層は、前記中流領域における拡散抵抗が前記上流領域および前記下流領域における拡散抵抗より大きく構成されている、燃料電池。
前記アノード側拡散層は、前記中流領域における緻密度が前記上流領域および前記下流領域における緻密度より大きい、燃料電池。
前記アノード側拡散層は、前記中流領域における厚さが前記上流領域および前記下流領域における厚さより厚い、燃料電池。
前記アノードは、前記中流領域における触媒担持カーボン量に対するアイオノマー量の比の値が前記上流領域および前記下流領域における前記比の値より大きい、燃料電池。
前記アノードは、前記中流領域における厚さが前記上流領域および前記下流領域における厚さより厚い、燃料電池。
前記電解質膜は、前記中流領域におけるイオン交換容量が前記上流領域および前記下流領域におけるイオン交換容量より小さい、燃料電池。
前記アノードと前記燃料ガス流路層との間に配置されたアノード側拡散層を備え、
前記アノード側拡散層は、前記中流領域において圧縮されていることにより、前記中流領域における厚さが前記上流領域および前記下流領域における厚さより薄く、
前記アノードは、前記中流領域における厚さが前記上流領域および前記下流領域における厚さより厚い、燃料電池。
前記酸化ガス流路層は、前記燃料電池の前記上流領域に配置されると共に水の滞留を促進する水滞留部を有する、燃料電池。
前記燃料ガス流路層は、前記燃料電池の前記上流領域および前記下流領域に、前記燃料ガス流れ方向に沿った燃料ガスの流れを閉塞する部分を有する閉塞流路が形成されていると共に、前記燃料電池の前記中流領域に、前記燃料ガス流れ方向に沿った燃料ガスの流れを閉塞する部分を有しない直線状の流路が形成されている、燃料電池。
前記中流領域は、前記発電領域の前記燃料ガス流れ方向に沿った中央位置を含む領域である、燃料電池。
図1および図2は、第1実施例における燃料電池の構成を概略的に示す説明図である。図1および図2に示すように、本実施例の燃料電池100は、発電モジュール200とセパレータ600とが交互に積層されたスタック構造を有している。なお、図2には、スタック構造をわかりやすく示すために、燃料電池100に含まれる複数の発電モジュール200およびセパレータ600の内の一部のみを抜き出して示している。
図18および図19は、第2実施例における燃料電池の構成を示す説明図である。図18は、図9(a)のX1部に相当する部分の拡大断面図であり、図19は、図9(a)のX2部に相当する部分の拡大断面図である。第2実施例の燃料電池では、アノード側拡散層820の構造が、各領域間で相違している。具体的には、アノード中流領域におけるアノード側拡散層820のPTFE含有率をアノード上流領域およびアノード下流領域におけるPTFE含有率より大きくすることにより、アノード中流領域におけるアノード側拡散層820の緻密度を、アノード上流領域およびアノード下流領域における緻密度より大きくしている。そのため、本実施例では、アノード中流領域におけるアノード側拡散層820の拡散抵抗は、アノード上流領域およびアノード下流領域におけるアノード側拡散層820の拡散抵抗より大きい。図20は、アノード側拡散層のPTFE含有率と相対有効拡散係数との関係を示す説明図である。図20に示すように、アノード側拡散層820のPTFE含有率が大きい(すなわち緻密度が大きい)ほど、アノード側拡散層820の拡散係数は小さい(すなわち拡散抵抗は大きい)。なお、緻密度は、「1.0−空隙率」に等しい。
図22は、第3実施例における燃料電池の構成を示す説明図である。図22には、第3実施例の燃料電池100の積層部800の断面構成を拡大して示している。図22に示すように、第3実施例では、アノード中流領域に配置される部分がプレス圧縮加工されたアノード側拡散層820が採用されており、アノード中流領域におけるアノード側拡散層820の緻密度がアノード上流領域およびアノード下流領域における緻密度より大きく(すなわち、より緻密に)なっている。そのため、第3実施例では、アノード中流領域におけるアノード側拡散層820の拡散抵抗は、アノード上流領域およびアノード下流領域におけるアノード側拡散層820の拡散抵抗より大きくなっている。なお、プレス圧縮加工により、アノード中流領域におけるアノード側拡散層820の厚さTGmは、アノード上流領域におけるアノード側拡散層820の厚さTGuおよびアノード下流領域におけるアノード側拡散層820の厚さTGlよりも薄くなっている。
図25は、第4実施例の燃料電池を構成するアノード側流路層860の平面構成を示す説明図である。第4実施例におけるアノード側流路層860は、第1実施例のアノード側多孔体流路層840と同様に、燃料ガス流路層として機能する。すなわち、第4実施例の燃料電池においても、燃料ガス供給マニホールド130に供給された燃料ガスは、図25において矢印で示すように、アノード側流路層860の内部を燃料ガス排出マニホールド140に向かう方向に沿って流動し、燃料ガス排出マニホールド140へと排出される。アノード側流路層860を流動する燃料ガスは、アノード側流路層860に当接しているアノード側拡散層820の全体に亘って拡散し、発電体層810のアノードに供給され、アノード反応に供される。
図27は、第5実施例の燃料電池を構成するアノード側流路層880の平面構成を示す説明図である。第5実施例におけるアノード側流路層880は、第1実施例のアノード側多孔体流路層840と同様に、燃料ガス流路層として機能する。すなわち、第5実施例の燃料電池においても、燃料ガス供給マニホールド130に供給された燃料ガスは、アノード側流路層880の内部を燃料ガス排出マニホールド140に向かう方向に沿って流動し、燃料ガス排出マニホールド140へと排出される。アノード側流路層880を流動する燃料ガスは、アノード側流路層880に当接しているアノード側拡散層820の全体に亘って拡散し、発電体層810のアノードに供給され、アノード反応に供される。
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
上記各実施例では、アノード上流領域およびアノード下流領域においてアノード側多孔体流路層840に閉塞部842を形成したり、アノード中流領域においてアノード側拡散層820の拡散抵抗を大きくしたりして、アノード中流領域における水蒸気移動抵抗をアノード上流領域およびアノード下流領域における水蒸気移動抵抗より大きくしていたが、他の構成によってアノード中流領域における水蒸気移動抵抗をアノード上流領域およびアノード下流領域における水蒸気移動抵抗より大きくしても、上記各実施例と同様に、燃料電池の発電領域の全体にわたって乾燥を十分に抑制し発電性能の低下を十分に抑制することができるという効果を得ることができる。例えば、アノード中流領域におけるアノード(アノード触媒層)の触媒担持カーボン量に対するアイオノマー量の比(以下、I/C値と呼ぶ)がアノード上流領域およびアノード下流領域におけるI/C値より大きくなるように各領域における触媒担持カーボン量やアイオノマー量が設定された構成を採用してもよい。図31は、触媒層のI/C値と両極間の水移動量との関係を示す説明図である。図31に示すように、I/C値が大きいほど両極間の水(水蒸気)移動量は少ない(すなわち、両極間の水蒸気移動抵抗は大きい)。これは、I/C値が大きいほど、触媒層における空隙率が小さくなり(すなわち、触媒層内の表面積が小さくなり)、水分蒸発量が少なくなるからである。従って、アノード中流領域におけるI/C値をアノード上流領域およびアノード下流領域におけるI/C値より大きくすれば、アノード中流領域における水蒸気移動抵抗をアノード上流領域およびアノード下流領域における水蒸気移動抵抗より大きくすることができ、その結果、燃料電池の発電領域の全体にわたって乾燥を十分に抑制し発電性能の低下を十分に抑制することができるという効果を得ることができる。
上記第2実施例では、アノード中流領域におけるアノード側拡散層820のPTFE含有率をアノード上流領域およびアノード下流領域におけるPTFE含有率より大きくすることにより、アノード中流領域におけるアノード側拡散層820の緻密度をアノード上流領域およびアノード下流領域における緻密度より大きくしているが、アノード中流領域においてアノード側拡散層820をプレス圧縮加工したり基材繊維密度のより大きいアノード側拡散層820を用いたりすることにより、アノード中流領域におけるアノード側拡散層820の緻密度をアノード上流領域およびアノード下流領域における値より大きくするとしてもよい。このようにしても、第2実施例と同様に、アノード中流領域における水蒸気移動抵抗をアノード上流領域およびアノード下流領域における水蒸気移動抵抗より大きくすることができ、燃料電池の発電領域の全体にわたって乾燥を十分に抑制し発電性能の低下を十分に抑制することができるという効果を得ることができる。
上記各実施例では、アノード上流領域は、発電領域DAの燃料ガス流れ方向に沿った全幅の4分の1の幅を有し、アノード下流領域は、当該全幅の8分の1の幅を有し、アノード中流領域は、残りの幅(すなわち全幅の8分の5の幅)を有するとしているが、各領域の幅はこれに限られない。アノード上流領域は、発電領域DAの内の燃料ガス流れ方向に沿った最上流位置を含む領域であればよく、アノード下流領域は、発電領域DAの内の燃料ガス流れ方向に沿った最下流位置を含む領域であればよい。図33は、アノード上流領域およびアノード下流領域の幅を種々変更した場合における燃料電池の性能試験結果の一例を示す説明図である。図33に示す結果に基づけば、アノード上流領域は、発電領域DAの燃料ガス流れ方向に沿った全幅の3分の1の幅以下であることが好ましく、アノード下流領域は、発電領域DAの燃料ガス流れ方向に沿った全幅の6分の1の幅以下であることが好ましい。また、アノード中流領域は、発電領域DAの燃料ガス流れ方向に沿った中央位置を含む領域であることが好ましい。
上記各実施例において、燃料電池100はカウンターフロー型であり、図8に示すように、燃料ガス流れ方向と酸化ガス流れ方向とが逆向き(2つの方向のなす角が180度)であるとしているが、燃料ガス流れ方向と酸化ガス流れ方向との関係は対向する関係であればよく、完全に逆向きの関係である必要はない。燃料ガス流れ方向と酸化ガス流れ方向とが対向する関係であるとは、燃料ガス流れ方向と酸化ガス流れ方向とが同一でない(すなわち、平行ではない)ことを意味する。燃料ガス流れ方向と酸化ガス流れ方向との関係は、発電領域DAの燃料ガス流れ方向に沿った上流側半分の領域と酸化ガス流れ方向に沿った下流側半分の領域との積層方向から見た重なりが、各領域の過半を超える関係であることが好ましい。燃料ガス流れ方向と酸化ガス流れ方向とのなす角は、180度±60度の範囲にあることが好ましく、180度±30度の範囲にあることがさらに好ましい。
上記各実施例では、積層部800の各部材やセパレータ600の各部材の材料を特定しているが、これらの材料に限定されるものではなく、適正な種々の材料を用いることができる。例えば、アノード側多孔体流路層840およびカソード側多孔体流路層850を、金属多孔体を用いて形成するとしているが、例えばカーボン多孔体といった他の材料を用いて形成することも可能である。また、セパレータ600は、金属を用いて形成するとしているが、例えばカーボンといった他の材料を用いることも可能である。
110…酸化ガス供給マニホールド
120…酸化ガス排出マニホールド
130…燃料ガス供給マニホールド
140…燃料ガス排出マニホールド
150…冷却媒体供給マニホールド
160…冷却媒体排出マニホールド
200…発電モジュール
300…アノードプレート
322…マニホールド形成部
350…燃料ガス供給スリット
354…燃料ガス排出スリット
400…カソードプレート
422…マニホールド形成部
440…酸化ガス供給スリット
444…酸化ガス排出スリット
500…中間プレート
522…マニホールド形成部
524…マニホールド形成部
526…マニホールド形成部
528…マニホールド形成部
542…酸化ガス供給流路形成部
544…酸化ガス排出流路形成部
546…燃料ガス供給流路形成部
548…燃料ガス排出流路形成部
550…冷却媒体流路形成部
600…セパレータ
630…燃料ガス供給流路
640…燃料ガス排出流路
650…酸化ガス供給流路
660…酸化ガス排出流路
670…冷却媒体流路
700…シール部材
710…支持部
720…リブ
800…積層部
802…電解質膜
804…アノード側触媒層
806…カソード側触媒層
810…発電体層
820…アノード側拡散層
830…カソード側拡散層
840…アノード側多孔体流路層
842…閉塞部
850…カソード側多孔体流路層
852…カソード側流路層
860…アノード側流路層
870…カソード側流路層
880…アノード側流路層
890…冷却媒体流路
Claims (12)
- 燃料電池であって、
電解質膜と前記電解質膜の両側に配置されたアノードおよびカソードとを含む発電体層と、
前記発電体層の前記アノード側に配置され、前記燃料電池の各層を積層する積層方向に略直交する燃料ガス流れ方向に沿って燃料ガスを流動させつつ前記アノードに燃料ガスを供給する燃料ガス流路層と、
前記発電体層の前記カソード側に配置され、前記燃料ガス流れ方向に対向する酸化ガス流れ方向に沿って酸化ガスを流動させつつ前記カソードに酸化ガスを供給する酸化ガス流路層と、
前記アノードと前記燃料ガス流路層との間に配置されたアノード側拡散層と、を備え、
前記燃料電池において発電が行われる領域である発電領域の前記燃料ガス流れ方向に沿った最上流位置を含む上流領域および前記発電領域の前記燃料ガス流れ方向に沿った最下流位置を含む下流領域と比較して、前記発電領域の残りの領域である中流領域は、前記アノード側と前記カソード側との間の水蒸気移動抵抗が大きく、
前記燃料ガス流路層は、前記上流領域および前記下流領域におけるガス流動抵抗が前記中流領域におけるガス流動抵抗より大きく構成されている、燃料電池。 - 請求項1に記載の燃料電池であって、
前記上流領域および前記下流領域における前記燃料ガス流路層に、ガス流路が閉塞された閉塞部が形成されている、燃料電池。 - 燃料電池であって、
電解質膜と前記電解質膜の両側に配置されたアノードおよびカソードとを含む発電体層と、
前記発電体層の前記アノード側に配置され、前記燃料電池の各層を積層する積層方向に略直交する燃料ガス流れ方向に沿って燃料ガスを流動させつつ前記アノードに燃料ガスを供給する燃料ガス流路層と、
前記発電体層の前記カソード側に配置され、前記燃料ガス流れ方向に対向する酸化ガス流れ方向に沿って酸化ガスを流動させつつ前記カソードに酸化ガスを供給する酸化ガス流路層と、
前記アノードと前記燃料ガス流路層との間に配置されたアノード側拡散層と、を備え、
前記燃料電池において発電が行われる領域である発電領域の前記燃料ガス流れ方向に沿った最上流位置を含む上流領域および前記発電領域の前記燃料ガス流れ方向に沿った最下流位置を含む下流領域と比較して、前記発電領域の残りの領域である中流領域は、前記アノード側と前記カソード側との間の水蒸気移動抵抗が大きく、
前記アノード側拡散層は、前記中流領域における拡散抵抗が前記上流領域および前記下流領域における拡散抵抗より大きく構成されている、燃料電池。 - 請求項3に記載の燃料電池であって、
前記アノード側拡散層は、前記中流領域における緻密度が前記上流領域および前記下流領域における緻密度より大きい、燃料電池。 - 請求項3に記載の燃料電池であって、
前記アノード側拡散層は、前記中流領域における厚さが前記上流領域および前記下流領域における厚さより厚い、燃料電池。 - 燃料電池であって、
電解質膜と前記電解質膜の両側に配置されたアノードおよびカソードとを含む発電体層と、
前記発電体層の前記アノード側に配置され、前記燃料電池の各層を積層する積層方向に略直交する燃料ガス流れ方向に沿って燃料ガスを流動させつつ前記アノードに燃料ガスを供給する燃料ガス流路層と、
前記発電体層の前記カソード側に配置され、前記燃料ガス流れ方向に対向する酸化ガス流れ方向に沿って酸化ガスを流動させつつ前記カソードに酸化ガスを供給する酸化ガス流路層と、を備え、
前記燃料電池において発電が行われる領域である発電領域の前記燃料ガス流れ方向に沿った最上流位置を含む上流領域および前記発電領域の前記燃料ガス流れ方向に沿った最下流位置を含む下流領域と比較して、前記発電領域の残りの領域である中流領域は、前記アノード側と前記カソード側との間の水蒸気移動抵抗が大きく、
前記アノードは、前記中流領域における触媒担持カーボン量に対するアイオノマー量の比の値が前記上流領域および前記下流領域における前記比の値より大きい、燃料電池。 - 燃料電池であって、
電解質膜と前記電解質膜の両側に配置されたアノードおよびカソードとを含む発電体層と、
前記発電体層の前記アノード側に配置され、前記燃料電池の各層を積層する積層方向に略直交する燃料ガス流れ方向に沿って燃料ガスを流動させつつ前記アノードに燃料ガスを供給する燃料ガス流路層と、
前記発電体層の前記カソード側に配置され、前記燃料ガス流れ方向に対向する酸化ガス流れ方向に沿って酸化ガスを流動させつつ前記カソードに酸化ガスを供給する酸化ガス流路層と、を備え、
前記燃料電池において発電が行われる領域である発電領域の前記燃料ガス流れ方向に沿った最上流位置を含む上流領域および前記発電領域の前記燃料ガス流れ方向に沿った最下流位置を含む下流領域と比較して、前記発電領域の残りの領域である中流領域は、前記アノード側と前記カソード側との間の水蒸気移動抵抗が大きく、
前記アノードは、前記中流領域における厚さが前記上流領域および前記下流領域における厚さより厚い、燃料電池。 - 請求項1に記載の燃料電池であって、
前記電解質膜は、前記中流領域におけるイオン交換容量が前記上流領域および前記下流領域におけるイオン交換容量より小さい、燃料電池。 - 燃料電池であって、
電解質膜と前記電解質膜の両側に配置されたアノードおよびカソードとを含む発電体層と、
前記発電体層の前記アノード側に配置され、前記燃料電池の各層を積層する積層方向に略直交する燃料ガス流れ方向に沿って燃料ガスを流動させつつ前記アノードに燃料ガスを供給する燃料ガス流路層と、
前記発電体層の前記カソード側に配置され、前記燃料ガス流れ方向に対向する酸化ガス流れ方向に沿って酸化ガスを流動させつつ前記カソードに酸化ガスを供給する酸化ガス流路層と、
前記アノードと前記燃料ガス流路層との間に配置されたアノード側拡散層と、を備え、
前記燃料電池において発電が行われる領域である発電領域の前記燃料ガス流れ方向に沿った最上流位置を含む上流領域および前記発電領域の前記燃料ガス流れ方向に沿った最下流位置を含む下流領域と比較して、前記発電領域の残りの領域である中流領域は、前記アノード側と前記カソード側との間の水蒸気移動抵抗が大きく、
前記アノード側拡散層は、前記中流領域において圧縮されていることにより、前記中流領域における厚さが前記上流領域および前記下流領域における厚さより薄く、
前記アノードは、前記中流領域における厚さが前記上流領域および前記下流領域における厚さより厚い、燃料電池。 - 請求項2に記載の燃料電池であって、
前記酸化ガス流路層は、前記燃料電池の前記上流領域に配置されると共に水の滞留を促進する水滞留部を有する、燃料電池。 - 燃料電池であって、
電解質膜と前記電解質膜の両側に配置されたアノードおよびカソードとを含む発電体層と、
前記発電体層の前記アノード側に配置され、前記燃料電池の各層を積層する積層方向に略直交する燃料ガス流れ方向に沿って燃料ガスを流動させつつ前記アノードに燃料ガスを供給する燃料ガス流路層と、
前記発電体層の前記カソード側に配置され、前記燃料ガス流れ方向に対向する酸化ガス流れ方向に沿って酸化ガスを流動させつつ前記カソードに酸化ガスを供給する酸化ガス流路層と、を備え、
前記燃料電池において発電が行われる領域である発電領域の前記燃料ガス流れ方向に沿った最上流位置を含む上流領域および前記発電領域の前記燃料ガス流れ方向に沿った最下流位置を含む下流領域と比較して、前記発電領域の残りの領域である中流領域は、前記アノード側と前記カソード側との間の水蒸気移動抵抗が大きく、
前記燃料ガス流路層は、前記燃料電池の前記上流領域および前記下流領域に、前記燃料ガス流れ方向に沿った燃料ガスの流れを閉塞する部分を有する閉塞流路が形成されていると共に、前記燃料電池の前記中流領域に、前記燃料ガス流れ方向に沿った燃料ガスの流れを閉塞する部分を有しない直線状の流路が形成されている、燃料電池。 - 請求項1ないし請求項11のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記中流領域は、前記発電領域の前記燃料ガス流れ方向に沿った中央位置を含む領域である、燃料電池。
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