JP5404594B2

JP5404594B2 - 燃料電池

Info

Publication number: JP5404594B2
Application number: JP2010289074A
Authority: JP
Inventors: 将平豊田
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2010-12-27
Filing date: 2010-12-27
Publication date: 2014-02-05
Anticipated expiration: 2030-12-27
Also published as: JP2012138224A

Description

本発明は、電解質膜の両側に一対の電極が設けられる電解質膜・電極構造体とセパレータとが水平方向に沿って積層されるとともに、反応面が鉛直姿勢で且つ水平方向に長尺な横長形状を有し、酸化剤ガス又は燃料ガスである反応ガスを前記反応面の長手方向に沿って流通させる反応ガス流路が設けら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電解質膜の両側に、それぞれアノード電極及びカソード電極を設けた電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、一対のセパレータによって挟持している。燃料電池は、通常、複数積層されて燃料電池スタックを構成するとともに、定置用の他、車載用として燃料電池車両に組み込まれることにより、車載用燃料電池システムとして使用されている。

上記の燃料電池では、セパレータの面内に、アノード電極に燃料ガスを流すための燃料ガス流路（以下、反応ガス流路ともいう）と、カソード電極に酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路（以下、反応ガス流路ともいう）とが設けられている。さらに、各発電セル毎又は複数の発電セル毎に、冷却媒体を流すための冷却媒体流路がセパレータの面方向に沿って設けられている。

この種の燃料電池は、発電反応によりカソード電極に生成水が発生する一方、アノード電極には、電解質膜を介して前記生成水が逆拡散している。このため、反応ガス流路の下端側には、水分が凝縮して滞留し易く、凝縮水によるフラッディングが惹起するおそれがある。

そこで、例えば、特許文献１に開示されている固体高分子電解質型燃料電池のセル構造が知られている。このセル構造は、図４に示すように、イオン導電性を有する固体高分子膜１及びその両面に密着して配された燃料電極２ａ及び酸化剤電極２ｂからなる単セル３と、ガス不透過性板の両面に凹溝として形成した燃料ガス通路４ａ及び酸化剤通路４ｂを有するバイポ−ラプレ−ト５とを交互に積層したスタックからなっている。

そして、燃料ガス通路４ａ及び酸化剤通路４ｂそれぞれの入口側セルマニホ−ルドから予め加湿された燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されることにより、運転中発生する固体高分子膜１の乾燥を防止するよう形成されている。その際、酸化剤通路４ｂの流路の途中には、未加湿の酸化剤ガスを供給するための凝縮水除去手段６が設けられている。

このセル構造では、凝縮水除去手段６から供給される乾燥した酸化剤ガスが上流側からの湿った酸化剤ガスに加わるため、下流の酸化剤ガス中の水蒸気分圧を低下させ、酸化剤ガスの過飽和状態が解消されて酸化剤通路４ｂの内壁面への水分の凝縮を防止できるとともに、凝縮水の蒸発が促され、酸化剤電極触媒層への酸化剤ガスの供給障害を防止する機能が得られる、としている。

特開平６−６８８８６号公報

ところで、一般的に、燃料電池は、種々の異なる構成を有している。例えば、水平方向に沿って積層されるとともに、反応面が鉛直姿勢で且つ水平方向に長尺な横長形状を有し、反応ガス（酸化剤ガス又は燃料ガス）を前記反応面の長手方向に沿って流通させる反応ガス流路が設けられる燃料電池が採用されている。

この燃料電池では、特に重力方向下方に水の分布が集中してしまう。このため、上記の特許文献１のセル構造を適用しても、水の分布の集中を解消することができず、反応面内には、発電環境が異なる部位が発生して最適な発電環境を維持することができ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、反応面内の重力方向下方に滞留し易い生成水を、容易且つ確実に前記反応面から排出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、電解質膜の両側に一対の電極が設けられる電解質膜・電極構造体とセパレータとが水平方向に沿って積層されるとともに、反応面が鉛直姿勢で且つ水平方向に長尺な横長形状を有し、酸化剤ガス又は燃料ガスである反応ガスを前記反応面の長手方向に沿って流通させる反応ガス流路が設けられる燃料電池に関するものである。

この燃料電池は、長手方向一端側の上方角部に設けられ、反応ガスを反応ガス流路に供給するための反応ガス供給連通孔と、前記反応ガス供給連通孔の下方に隣接して設けられ、該反応ガス供給連通孔から供給される前記反応ガスよりも湿度の低い低湿度反応ガスを前記反応ガス流路に供給するための低湿度反応ガス供給連通孔と、前記低湿度反応ガス供給連通孔と前記反応ガス流路とを連結し、該低湿度反応ガス供給連通孔から反応面重力方向下方に傾斜する方向に向かって前記低湿度反応ガスを案内する傾斜ガイド部とを備えている。

また、この燃料電池は、長手方向他端側の下方角部には、反応ガスを反応ガス流路から排出するための反応ガス排出連通孔が設けられることが好ましい。

本発明では、反応面の長手方向一端側の上方角部に設けられた反応ガス供給連通孔から反応ガス流路に反応ガスが供給されるとともに、前記反応ガス供給連通孔の下方に隣接して設けられた低湿度反応ガス供給連通孔から前記反応ガス流路の反応面重力方向下方に傾斜する方向に向かって低湿度反応ガスが供給されている。

このため、反応ガス流路の反応面重力方向下方に生成水が滞留しても、前記反応面重力方向下方に傾斜する方向に向かって供給される低湿度反応ガスにより、前記生成水が前記反応ガス流路から良好に排出される。これにより、簡単な構成で、反応面内の重力方向下方に滞留し易い生成水を、容易且つ確実に前記反応面から排出することが可能になる。従って、燃料電池は、最適な発電環境を良好に維持することができる。

本発明の実施形態に係る燃料電池が組み込まれる燃料電池システムの概略斜視説明図である。前記燃料電池の分解斜視説明図である。前記燃料電池を構成するカソード側セパレータの正面説明図である。特許文献１に開示されたセル構造の断面説明図である。

図１に示すように、本発明の実施形態に係る燃料電池１０が組み込まれる燃料電池システム１２は、燃料電池スタック１４と、前記燃料電池スタック１４に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置１６と、前記燃料電池スタック１４に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置１８と、前記燃料電池スタック１４に冷却媒体を供給するための冷却媒体供給装置２０とを備える。燃料電池システム１２は、例えば、車載用燃料電池システムを構成し、図示しない燃料電池車両（燃料電池自動車）に搭載される。

燃料電池スタック１４は、複数の燃料電池１０を積層して構成される。図２に示すように、各燃料電池１０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２２をカソード電極２４とアノード電極２６とで挟持した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）２８を備える。

カソード電極２４及びアノード電極２６は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、白金合金（又はＲｕ等）が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成された電極触媒層とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜２２の両面に形成される。

電解質膜・電極構造体２８は、鉛直方向（矢印Ｃ方向）に面方向を向けて立位姿勢で配置されるとともに、カソード電極２４及びアノード電極２６は、反応面が鉛直姿勢で且つ水平方向（矢印Ｂ方向）に長尺な横長形状を有する。

電解質膜・電極構造体２８は、カソード側セパレータ３０及びアノード側セパレータ３２で挟持され、水平方向（矢印Ａ方向）に沿って積層される。カソード側セパレータ３０及びアノード側セパレータ３２は、例えば、カーボンセパレータ又は金属セパレータで構成される。

カソード側セパレータ３０と電解質膜・電極構造体２８との間には、酸化剤ガス流路（反応ガス流路）３４が設けられるとともに、アノード側セパレータ３２と前記電解質膜・電極構造体２８との間には、燃料ガス流路（反応ガス流路）３６が設けられる。カソード側セパレータ３０とアノード側セパレータ３２との間には、冷却媒体流路３８が設けられる。

図２及び図３に示すように、酸化剤ガス流路３４は、反応面の長手方向（矢印Ｂ方向）に沿って酸化剤ガスを流通させる複数本の直線状に伸びる流路溝３４ａを有する。燃料ガス流路３６は、同様に反応面の長手方向（矢印Ｂ方向）に沿って燃料ガスを流通させる複数本の直線状に伸びる流路溝３６ａを有する。

燃料電池１０には、各燃料電池１０の積層方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガス（以下、空気ともいう）を供給する酸化剤ガス供給連通孔（反応ガス供給連通孔）４０ａ、燃料ガス、例えば、水素含有ガス（以下、水素ガスともいう）を供給する燃料ガス供給連通孔（反応ガス供給連通孔）４２ａ、冷却媒体を供給する冷却媒体供給連通孔４４ａ、前記酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス排出連通孔（反応ガス排出連通孔）４０ｂ、前記燃料ガスを排出する燃料ガス排出連通孔（反応ガス排出連通孔）４２ｂ、及び前記冷却媒体を排出する冷却媒体排出連通孔４４ｂが設けられる。

酸化剤ガス供給連通孔４０ａは、燃料電池１０の長手方向（矢印Ｂ方向）一端側の上方角部に設けられ、燃料ガス供給連通孔４２ａは、前記燃料電池１０の長手方向他端側の上方角部に設けられる。酸化剤ガス排出連通孔４０ｂは、燃料電池１０の長手方向他端側の下方角部に設けられるとともに、燃料ガス排出連通孔４２ｂは、前記燃料電池１０の長手方向一端側の下方角部に設けられる。冷却媒体供給連通孔４４ａは、燃料電池１０の短手方向（矢印Ｃ方向）の上端側に矢印Ｂ方向に延在して設けられる一方、冷却媒体排出連通孔４４ｂは、前記燃料電池１０の短手方向の下端側に矢印Ｂ方向に延在して設けられる。

燃料電池１０は、酸化剤ガス供給連通孔４０ａの下方に隣接して低湿度酸化剤ガス供給連通孔（低湿度反応ガス供給連通孔）４６を設ける。低湿度酸化剤ガス供給連通孔４６は、酸化剤ガス供給連通孔４０ａから供給される空気よりも湿度の低い低湿度空気を酸化剤ガス流路３４に供給する。

燃料電池１０は、酸化剤ガス供給連通孔４０ａと酸化剤ガス流路３４とを連通するガイド部４７と、低湿度酸化剤ガス供給連通孔４６と前記酸化剤ガス流路３４とを連結する傾斜ガイド部４８を設ける。

図３に示すように、ガイド部４７は、酸化剤ガス供給連通孔４０ａから酸化剤ガス流路３４に水平方向に向かって（傾斜することなく）延在する平行ガイド流路を構成する。傾斜ガイド部４８は、低湿度酸化剤ガス供給連通孔４６から反応面重力方向下方に傾斜する方向に向かって低湿度空気を案内するために、流れ方向が水平方向（矢印Ｂ方向）から下方に角度α゜だけ傾斜する。

カソード側セパレータ３０には、第１シール部材５０が、一体的又は個別に設けられるとともに、アノード側セパレータ３２には、第２シール部材５２が、一体的に又は個別に設けられる。傾斜ガイド部４８は、第１シール部材５０により一体成形されているが、前記第１シール部材５０とは別体で構成されてもよい。

第１シール部材５０及び第２シール部材５２は、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコンゴム、フロロシリコンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン、又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材を使用する。

図１に示すように、酸化剤ガス供給装置１６は、大気からの空気を圧縮して供給するエアポンプ５４を備え、前記エアポンプ５４が空気供給流路５６に配設される。空気供給流路５６には、供給ガス（供給空気）と排出ガス（排出空気）との間で水分と熱を交換する加湿器５８が配設されるとともに、前記空気供給流路５６は、燃料電池スタック１４の酸化剤ガス供給連通孔４０ａに連通する。

酸化剤ガス供給装置１６は、酸化剤ガス排出連通孔４０ｂに連通する空気排出流路６０を備える。空気排出流路６０は、加湿器５８の加湿媒体通路（図示せず）に連通するとともに、この空気排出流路６０には、エアポンプ５４から空気供給流路５６を通って燃料電池スタック１４に供給される空気の圧力を調整するための開度調整可能な背圧制御弁６２が設けられる。背圧制御弁６２は、ノーマルオープン型（通電されない時に開放される）背圧弁により構成される。

空気供給流路５６には、エアポンプ５４と加湿器５８との間に位置して分岐流路６４の一端が連通する。分岐流路６４には、電磁バルブ（開閉弁や開度調整弁等）６６が介装されるとともに、前記分岐流路６４の他端は、燃料電池スタック１４の低湿度酸化剤ガス供給連通孔４６に連通する。

燃料ガス供給装置１８は、図示しないが、高圧水素を貯留する水素タンクを備える。燃料ガス供給装置１８では、水素タンクから供給される水素ガスを、燃料電池スタック１４に供給し、前記燃料電池スタック１４で使用されなかった未使用の水素ガスを含む排ガスを循環させて、再度、前記燃料電池スタック１４に燃料ガスとして供給する。

冷却媒体供給装置２０は、図示しないが、冷却媒体を燃料電池スタック１４に循環させるために、冷媒ポンプ及びラジエータを備える。

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、酸化剤ガス供給装置１６を構成するエアポンプ５４を介して、空気供給流路５６に空気が送られる。この空気は、加湿器５８を通って加湿された後、燃料電池スタック１４の酸化剤ガス供給連通孔４０ａに供給される。加湿された空気は、図２に示すように、燃料電池スタック１４内の各燃料電池１０に設けられている酸化剤ガス流路３４に沿って移動することにより、カソード電極２４に供給される。

使用済みの空気は、図１に示すように、酸化剤ガス排出連通孔４０ｂから空気排出流路６０に排出されて加湿器５８に送られる。これにより、使用済みの空気は、加湿媒体として新たに供給される空気を加湿した後、背圧制御弁６２を介して外部に排出される。

一方、燃料ガス供給装置１８から供給される水素ガスは、燃料電池スタック１４の燃料ガス供給連通孔４２ａに供給される。燃料電池スタック１４内に供給された水素ガスは、各燃料電池１０の燃料ガス流路３６に沿って移動することにより、アノード電極２６に供給される（図２参照）。

使用済みの水素ガスは、燃料ガス排出連通孔４２ｂから排出されるとともに、燃料ガスとして、再度、燃料電池スタック１４に供給される。従って、カソード電極２４に供給される空気とアノード電極２６に供給される水素ガスとが電気化学的に反応して発電が行われる。

また、冷却媒体供給装置２０では、燃料電池スタック１４内に冷却媒体が導入される。冷却媒体は、冷却媒体流路３８に沿って移動することにより、燃料電池１０を冷却した後、冷却媒体排出連通孔４４ｂから戻される。

酸化剤ガス供給装置１６では、通常発電（運転）時に電磁バルブ６６が閉塞されており、燃料電池スタック１４に供給される空気は、加湿器５８により加湿されている。一方、酸化剤ガス流路３４の重力方向下方に生成水が滞留した際には、例えば、検出される発電電力が変動した際には、電磁バルブ６６が開放側に操作される。

このため、エアポンプ５４から空気供給流路５６に供給される空気の一部は、分岐流路６４を通って、すなわち、加湿されずに低湿度空気として燃料電池スタック１４の低湿度酸化剤ガス供給連通孔４６に供給される。図２及び図３に示すように、低湿度酸化剤ガス供給連通孔４６を流通した低湿度空気は、傾斜ガイド部４８の案内作用下に、酸化剤ガス流路３４の反応面重力方向下方に傾斜する方向に向かって供給されている。

従って、図３に示すように、酸化剤ガス流路３４の反応面重力方向下方に滞留水Ｗが存在しても、前記反応面重力方向下方に傾斜する方向に向かって供給される低湿度空気により、前記滞留水Ｗが前記酸化剤ガス流路３４から酸化剤ガス排出連通孔４０ｂに良好に排出される。これにより、簡単な構成で、反応面内の重力方向下方に滞留し易い生成水（滞留水Ｗ）を、容易且つ確実に前記反応面から排出することが可能になるという効果が得られる。このため、燃料電池スタック１４は、最適な発電環境を良好に維持することができる。

なお、本実施形態では、酸化剤ガス供給連通孔４０ａの下方に隣接して低湿度酸化剤ガス供給連通孔４６を設け、この低湿度酸化剤ガス供給連通孔４６から酸化剤ガス流路３４に低湿度空気を供給しているが、これに限定されるものではない。この構成に代え、あるいは、この構成に加え、燃料ガス供給連通孔４２ａの下方に隣接して低湿度燃料ガス供給連通孔（図示せず）を設け、この低湿度燃料ガス供給連通孔から燃料ガス流路３６に低湿度水素ガスを供給してもよい。

１０…燃料電池１２…燃料電池システム
１４…燃料電池スタック１６…酸化剤ガス供給装置
１８…燃料ガス供給装置２０…冷却媒体供給装置
２２…固体高分子電解質膜２４…カソード電極
２６…アノード電極２８…電解質膜・電極構造体
３０…カソード側セパレータ３２…アノード側セパレータ
３４…酸化剤ガス流路３６…燃料ガス流路
３８…冷却媒体流路４０ａ…酸化剤ガス供給連通孔
４０ｂ…酸化剤ガス排出連通孔４２ａ…燃料ガス供給連通孔
４２ｂ…燃料ガス排出連通孔４４ａ…冷却媒体供給連通孔
４４ｂ…冷却媒体排出連通孔４６…低湿度酸化剤ガス供給連通孔
４８…傾斜ガイド部５０、５２…シール部材
５４…エアポンプ５８…加湿器
６４…分岐流路６６…電磁バルブ

Claims

電解質膜の両側に一対の電極が設けられる電解質膜・電極構造体とセパレータとが水平方向に沿って積層されるとともに、反応面が鉛直姿勢で且つ水平方向に長尺な横長形状を有し、酸化剤ガス又は燃料ガスである反応ガスを前記反応面の長手方向に沿って流通させる反応ガス流路が設けられる燃料電池であって、
前記長手方向一端側の上方角部に設けられ、前記反応ガスを前記反応ガス流路に供給するための反応ガス供給連通孔と、
前記反応ガス供給連通孔の下方に隣接して設けられ、該反応ガス供給連通孔から供給される前記反応ガスよりも湿度の低い低湿度反応ガスを前記反応ガス流路に供給するための低湿度反応ガス供給連通孔と、
前記低湿度反応ガス供給連通孔と前記反応ガス流路とを連結し、該低湿度反応ガス供給連通孔から反応面重力方向下方に傾斜する方向に向かって前記低湿度反応ガスを案内する傾斜ガイド部と、
を備えることを特徴とする燃料電池。
請求項１記載の燃料電池において、前記長手方向他端側の下方角部には、前記反応ガスを前記反応ガス流路から排出するための反応ガス排出連通孔が設けられることを特徴とする燃料電池。