JP5409142B2

JP5409142B2 - 燃料電池

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Publication number: JP5409142B2
Application number: JP2009154531A
Authority: JP
Inventors: 弘之佐竹; 正也小境; 務奥澤; 宏高橋
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2009-06-30
Filing date: 2009-06-30
Publication date: 2014-02-05
Anticipated expiration: 2029-06-30
Also published as: JP2011014243A

Description

本発明の燃料電池は、定置用電源および移動体用電源として有用である。

燃料電池は、燃料ガスと酸化剤ガスを電気化学反応により電気を供給するものである。燃料電池の重要な構成要素にセパレータがある。セパレータは、燃料ガスと酸化剤ガスを分離し、ガスが均等に拡散層に行き渡るように工夫された流路構造を持ち、膜・電極接合体（ＭＥＡ）で発電された電気を伝導する電気誘導部をもつものである。セパレータは黒鉛材料と金属材料のものが開発されている。金属材料のセパレータは、腐食への対策が必要になるが、金属板をプレス成形して流路を形成することが可能であり、コスト低減や薄型化・軽量化が可能である。金属材料を用いたセパレータは、体積あたりの出力向上が期待でき、高密度出力化や低コスト化のニーズに伴い、広い分野で展開が進められている。

ところで、燃料電池は、電気化学反応により電気を生成する際、反応に伴い熱を生じ、これを冷却する必要がある。冷却には冷却流路を構成する専用のセパレータと、ポンプを初めとする冷却水を循環させる装置、および熱を外部に排出する熱交換器を必要とする。

一方、空気などの酸化剤ガスに液滴を含ませ、セパレータ流路内で液滴を気化させることにより冷却を行う潜熱冷却の手法がある。液滴を気化させるための熱量は、液体に働く分子間力に打ち勝つためのエネルギーであると解釈され、液滴に水を用いた場合、水分子の間には水素結合の作用が働くため、蒸発に必要な熱は４０.８kJ／molと大きく、水を０℃から１００℃まで加熱するときの熱容量（７.５３kJ／mol）のおよそ５倍の値となる。したがって、少量の液滴で大きな熱を奪うことができ、この手法を用いれば、冷却にかかる仕組みを簡略化でき、製作コストを大幅に削減することができる。

潜熱冷却を用いた燃料電池の冷却方法としては、例えば特許文献１にあるように、２層の冷却流路を用意し、第一の冷却流路に冷却水を循環させ、第一の冷却流路から第二の冷却流路に冷却水を吹きかけて潜熱冷却を行うものがある。また、特開２００７−２４２３２８号公報では、潜熱冷却に用いる冷却水の供給を水の重力を用いて供給し液滴を生成するのに必要な圧力に活用している。また、特開２０００−２４３４２２号公報は、酸化剤ガスにインジェクターから噴霧する液滴を混合させ、燃料電池内で気化させることで冷却を行い、温度センサを用いて適切に噴霧量を制御することを特徴としたものがある。

特開２００８−０８４７０２号公報特開２００７−２４２３２８号公報特開２０００−２４３４２２号公報

燃料電池はセルと呼ばれる発電要素を複数積層して作成するため、燃料ガス，酸化剤ガスおよび冷却剤の各流路は数mm程度の高さで構成される。また、流路は電気化学反応生成による電気をできるだけ多く取り出すために流路長が長くなるように設計される。しかしながら、液滴は、燃料ガスや酸化剤ガスに比べ質量が大きく直線的に流れ、障壁に当たることで壁面から熱を奪い冷却を行う。したがって、流路全体に液滴が行きにくく、液滴が特定の壁面に偏って衝突しやすくなり、冷却にむらが生じる。従来技術では、液滴の流れと衝突については配慮されていない。

本発明は、潜熱冷却を用いた燃料電池において、流路全域に渡り液滴の気化による潜熱冷却の均一性を向上できる燃料電池を提供することを目的とする。

本発明は、電解質層を燃料極と酸素極とで挟持し、前記燃料極に沿って燃料ガス流路を形成し前記燃料極に対し電気を伝導する電気誘導部をもつ燃料極セパレータと、前記酸素極に沿って酸化剤ガス流路を形成し前記酸素極に対し電気を伝導する電気誘導部をもつ酸素極セパレータを備えた燃料電池であって、前記燃料ガス流路または前記酸化剤ガス流路に霧状の液滴を供給する液滴供給手段を有し、前記酸素極セパレータまたは前記燃料極セパレータは、流路入口から出口に向かって液滴の衝突を調整する衝突面積調整部を備えていることを特徴とする。

また、前記液滴供給手段が異なる粒径の液滴を生成する複数の液滴供給手段で構成されることを特徴とする。

また、前記衝突面積調整部は、流路入口側ではガス透過性の大きい多孔質部材を用い、流路出口側ではガス透過性の小さい多孔質部材を用いたことを特徴とする。

また、前記衝突面積調整部は、流路入口側では疎水性部材を用い、流路出口側では親水性部材を用いたことを特徴とする。

また、前記衝突面積調整部は、流路入口側では液滴の流れ方向に対し格子状に配置したリブで構成し、流路出口側では液滴の流れ方向に対し千鳥状に配置したリブで構成したことを特徴とする。

本発明により、潜熱冷却を用いた燃料電池において、流路全域に渡り液滴の気化による潜熱冷却の均一性を向上することができる。

本発明に関する第１の実施の形態を示した燃料電池用セパレータ。燃料電池用セパレータの液滴生成部を示した概念図。燃料電池セパレータを切断したときの断面図。燃料電池セルを切断したときの断面図。本発明に関する第２の実施の形態を示した燃料電池用セパレータ。本発明に関する第３の実施の形態を示した燃料電池用セパレータ。本発明に関する第４の実施の形態を示した燃料電池用セパレータ。本発明の燃料電池セパレータを用いて作成した燃料電池セルを示した図。液滴の流れ解析に用いる形状モデルを示した図。液滴の流れ解析の解析結果を示した図。

セパレータ流路内で液滴がどのように流れるのかを調べるために、シミュレーションを用いて解析を行った。図９はシミュレーションに用いた形状モデルの概要を説明する図である。図９の９０１は、シミュレーションの解析領域を示すもので、高さ１０mm，幅１０mm，流路長さ２０mmの流れの領域を六面体からなる複数の計算用メッシュで構成している。図９の９０２は、縦０.５mm，横０.５mm，高さ１０mmのカーボン材料を１mm間隔で３０本配置したものである。この３０本のカーボン材料９０２は、図９の９０３に示すように、解析領域９０１の中央に配置され、発熱体であり冷却の対象である。

シミュレーションを用いた解析は、９０１に示す入口端面９１０から出口端面９１１に向かって液滴を混入した空気を流し、中央に配した３０本のカーボン材料９０２に液滴を衝突させ、液滴の気化による潜熱冷却の様子を、液滴の流れとともに解析する。

解析は、混入する液滴の粒径を１００μと１０００μの２つのケースと、液滴の粒子径が１０００μで、３０本のカーボン材料９０２の配置を格子状から千鳥状に変更したケースの、合計３つの場合についてシミュレーションによる解析を行った。混入する液滴の量を固定し、液滴温度を２０℃に、カーボン材料９０２の温度を７０℃に設定し、シミュレーションによる解析を実施した。

シミュレーションを用いた解析結果を図１０に示す。図１０の解析結果は、形状モデル９０３を流れ方向と平行に流路中央部の断面における液滴の分布を示したものであり、液滴分布を単位体積に締める液滴の質量分率で表している。１００４に示すゲージは、白い領域ほど液滴の量が多く、黒い領域ほど液滴の量は少なくなることを意味している。

断面表示１００１は、粒子径が１００μｍの液滴を流入させた場合の解析結果を示し、液滴の分布を単位体積に締める液滴の質量分率で表示したものである。

断面表示１００１を見ると、液滴が入口端面から出口端面に向かって徐々に蒸発し、流れの道のりの途中で全て蒸発してしまったことが分かる。この結果、出口側のカーボン材料９０２は冷却されず温度が上昇する危険性がある。

断面表示１００２は、粒子径が１０００μｍの液滴を流入させた場合の解析結果を示し、液滴の分布を単位体積に締める液滴の質量分率で表示したものである。断面表示１００２を見ると、液滴が入口端面から出口端面に向かって流れ、一部の液滴はカーボン材料９０２に衝突するが、残りの液滴は衝突せずそのまま出口端面から排出される。また、流れ方向から見て、液滴はカーボン材料９０２の最初の１列のみに衝突し、２列目移行のカーボン材料背面では、液滴が存在しないことがわかる。

断面表示１００３は、液滴の粒子径が１０００μで、３０本のカーボン材料９０２の配置を格子状から千鳥状に変更した場合の解析結果を示したもので、液滴の分布を単位体積に締める液滴の質量分率で表示している。断面表示１００３を見ると、液滴が入口端面から出口端面に向かって流れ、ほとんどの液滴はカーボン材料９０２の３列目までに衝突し、蒸発しているのがわかる。

これらの解析結果から、同じ量の液滴を流入しても、液滴の粒径が小さいほうが蒸発しやすく、流路の途中ですべて蒸発し、流路の後半で冷却が困難になる危険性がある。一方、液滴の粒径が大きいと、壁面に衝突しない液滴は、そのまま流路の出口に達し排出，気化による冷却は行われず効率が悪い。しかし、カーボン材料９０２の配列を格子状から千鳥状に変更すると、流れ方向に対して、液滴が衝突する面積が増え、液滴は気化し、潜熱による冷却が実施される。

本発明は、セパレータ流路において、流路内における液滴の衝突を調整する衝突面積調整部を設け、衝突面積調整部は、流れに沿って、障害物の配列を格子状から徐々に千鳥状にすることを特徴とした衝突面積調整部であり、障害物の配列を格子状から徐々に千鳥状にすることで、流れの直線性が強い液滴が、流路の道のりに沿って、障害物に徐々に衝突し、衝突することで障害物から奪う気化熱を流路全域で均等になるように制御できる。また、流れに沿って、障害物の表面処理を疎水性から徐々に親水性にすることを特徴とした衝突面積調整部である。こうすることで、液滴が障害物の壁面に衝突した時、疎水処理を施された障害物の壁面では液滴が付着しにくく、壁面から液滴への熱移動が抑制され気化による冷却が少なく、一方、親水処理を施された障害物の壁面では液滴が付着しやすく、壁面から液滴への熱移動が活性され気化による冷却が大きくなる。したがって、流れに沿って、障害物の表面処理を疎水性から徐々に親水性にすることで、流路の前半では気化が抑制され、後半では気化が活性化される。したがって、流路の道のりに沿って、徐々に気化が活性化され障害物から奪う気化熱を流路全域で均等になるように制御できる。

さらに、液滴供給手段は、異なる粒径の液滴を生成する複数の液滴供給手段で構成する。

粒径の小さい液滴は、同じ液滴の流量でも液滴の数が増えるためトータルの表面積が大きくなるので、気化がしやすく、先に示したシミュレーションによる解析では、流路前半で液滴が全て気化し、流路後半で冷却が困難になる危険性がある。一方、粒径の大きい液滴はトータルの表面積が小さく、また慣性の性質から直線的な流れが強くなり、壁面に衝突しない液滴は、流路の後半まで達することができる。したがって、異なる粒径の液滴を供給すれば、粒径の小さい液滴は流路前半の冷却を、粒径の大きい液滴は流路後半の冷却を実施すると考えられるので、流路全域に渡り液滴の気化による潜熱冷却の均一化が可能になる。

以下に、本発明の実施例を、図面を参照して説明する。

図１は本発明に関する第１の実施の形態を示した燃料電池用セパレータの概念図である。セパレータ１００は、例えば、幅１８０mm，高さ１００mmとするとステンレスやチタン，アルミニウムなどの厚さ０.２mmの薄い金属の材料をプレス加工で形成されたものであり、燃料ガスと酸化剤ガスを分離し、ガスが均等に行き渡るように工夫された流路構造を持ち、後で述べる膜・電極接合体（ＭＥＡ）で発電された電気を伝導するものである。セパレータ１００は、ガスが注入される入口１０２と、流路全域にガスが均等に流れるようにガス流を振り分ける流量制御を行い、ＭＥＡで発電した電気を伝導しかつ、液滴による潜熱冷却を行わせる流路壁を形成する衝突面積調整部１０１，ガスが排出される出口１０３，ガスが外に漏れないように設置したシール材１０６、および液滴を生成し流路に供給する液滴生成部１０９とから構成される。

衝突面積調整部１０１は、プレス加工された複数の凸状のリブで構成され、凸状リブ壁面がＭＥＡと接触し、ＭＥＡで発電された電気を伝導する。また、ＭＥＡにおいて発電に伴う反応熱も衝突面積調整部１０１の凸状リブ壁面から伝達される。この凸状リブ壁面に液滴が衝突することで壁面から液滴に熱が移動し、液滴が気化することで、壁面から熱を奪い、冷却が行われる。

衝突面積調整部１０１の凸状リブの配列は、入口１０２から出口１０３に向かってガスが流れる方向１２０に対し、液滴と凸状リブ壁面との衝突面積が徐々に大きくなるように配置してある。たとえば、流路前半の入口１０２から中央部までの領域１１１では凸状リブを格子状に配置し、流路後半の中央部から出口１０３までの領域１１２では凸状リブを千鳥状に配置している。格子状に配置された領域１１１では、５列の凸状リブが流れ方向に対して直線的に配置され、入口１０２から流入するガスに含まれる液滴は、領域１１１の第１列の凸状リブ壁面に衝突するが、２列目以降のリブ壁面は、１列目の凸状リブ壁面の影に隠れるため、２列目以降の凸状リブ壁面に液滴が当たり難くなっている。この結果、領域１１１では液滴の凸状リブ壁面に衝突する面積が小さいので、液滴がリブ壁面に衝突せず、領域１１１を通過することができる。

一方、千鳥状に配置された領域１１２は、流路後半部に設置され、領域１１１と同様、５列の凸状リブで構成されるが、各列の配置が少しずつ、ずれて配置され、前列で衝突を免れた液滴が後列で衝突するように配置がずらされている。この結果、領域１１１のように、流れ方向１２０から見て、後列のリブ壁面が前列のリブ壁面に隠れてしまうことは無く、ずらした分だけ後列のリブ壁面が現れることになり、液滴と衝突する。したがって、流れ方向１２０に対して、リブの壁面の配置を格子状から千鳥状へと徐々に配置をずらしてゆくことで、前列を通過した液滴が後列で徐々に衝突させることができる。このように、流路の流れ方向１２０に対して、リブ壁面の配置をずらして行くことで、液滴とリブ壁面が衝突する割合を制御することができる。本実施例では、千鳥状に配置された領域１１２における各列の配置を３.５mmずつ横にずらして配置してある。

図２は液滴生成部１０９を説明する概念図である。液滴生成部１０９は、粒径が１０から１００ミクロン程度の液滴を生成するノズル２０１と、粒径が１００から５００ミクロン程度の液滴を生成するノズル２０２と、冷却水管２０３と冷却水を供給する供給ポンプ２０４で構成されており、ノズル２０１とノズル２０２が設置されている冷却水管２０３の部分２０５が、セパレータ１００のガスが注入される入口１０２に図１のように設置されている。

本発明では、液滴生成部１０９に、小さな粒径の液滴を生成するノズル２０１と、大きな粒径の液滴を生成するノズル２０５とを混在して配置することで、入口１０２から見て、流路の手前側は小さな粒径の液滴の作用で冷却し、流路の奥域は大きな粒径の液滴の作用で冷却させることを特徴とする。

図３は、図１にあるセパレータ１００において、Ａ１，Ａ２にある線での断面を拡大した断面図である。断面図において、凸状にプレス成型されるリブとリブとの間隔は７mmで、リブの高さは２mmとなっている。断面図において３０１は、ガスが外に漏れないように設置したシール材１０６の断面を示すものである。あとで説明するように、本セパレータ１００を用いて作成する燃料電池では、リブの端面３０２に、ＭＥＡの電極部分が接続される。

図５は本発明に関する第２の実施形態を示した燃料電池用セパレータの概念図である。図５にあるセパレータ５００は、図１のセパレータ１００の衝突面積調整部１０１において、プレス加工された複数の凸状のリブ構造に改良を加えたものである。凸状リブの壁面はＭＥＡと接触し、ＭＥＡで発電された電気を伝導するが、接触面積に比例して電気的抵抗が小さくなり発電効率が改善される。しかしながら、凸状リブの数を増やしたり、リブ壁面を大きくしたりすれば、ＭＥＡとの接触面が増え、電気的抵抗が小さくなるが、流れ方向５２０に対し、衝突面積が増え、流れ抵抗を増大させてしまう。そこで、図５にあるセパレータ５００の衝突面積調整部５０１のように、凸状リブの形状を流れ方向５２０に平行して長く伸ばせば、流れ方向５２０に対し、衝突面積を増やすことなく、流れ抵抗を保ったまま、ＭＥＡとの接触面積を増加させ電気的抵抗を小さくすることができる。

図６は本発明に関する第３の実施形態を示した燃料電池用セパレータの概念図である。図６にあるセパレータ６００は、図１のセパレータ１００の衝突面積調整部１０１において、多孔質部材を用いた実施例である。図６にあるセパレータ６００は、衝突面積調整部６０１に多孔質部材６１１，６１２を適用して作成した。多孔質部材６１１，６１２は、導電性グラファイト発泡媒体又は伝導金属発泡媒体などの伝導発泡媒体から形成されものであり、導電性グラファイト発泡媒体には黒鉛化熱分解グラファイトを用いたものでもよく、伝導金属発泡媒体には高いグレードのステンレス鋼やニッケル鋼など、低い接触抵抗を備えた金属合金で、これらの表面にメッキなどの耐酸化処理を施されたものを用いる。ここでは、ニケッルなどの金属製の多孔質体をコア部に、耐食用にクロム，チタンなどでコーティングした厚さ２mmの多孔質部材を図６に示すように配置する。入口に近い領域の多孔質部材６１１は気孔率９５％の多孔質部材を、出口に近い領域の６１２は気孔率８５％の多孔質部材を用い、衝突面積調整部６０１を異なるガス等透過性の多孔質部材で構成する。異なるガス等透過性の多孔質部材を配置することで、領域によりガスや液滴が多孔質材料の壁面に衝突する面積が異なり、先に述べたように液滴が壁面に衝突する度合いを制御することができる。したがって、入口に近い領域の多孔質部材６１１にはガス透過性の多きものを、出口に近い領域の多孔質部材６１２にはガス透過性の小さいものを使用することで、液滴が壁面に衝突する度合いを調整することができる。

異なるガス等透過性を実現する手段としては、気孔率を調整する他に、多孔質内の流路のねじれ度合いを調整してもよい。

図７は本発明に関する第４の実施形態を示した燃料電池用セパレータの概念図である。図７にあるセパレータ７００は、衝突面積調整部７０１において、流れ方向７２０に沿って、リブ壁面の表面処理を疎水性から徐々に親水性にしたことを特徴とするセパレータである。

リブ壁面の表面処理には、表面粗さを調整する機械加工などが考えられる。たとえばプレス成型された後に、領域７１２にあるリブ壁面にサンドブラスト処理を施し、表面を粗くし液滴が付着しやすいようにする。一方、領域７１１にあるリブ壁面には、電解研磨法による表面加工を実施し、表面を滑らかにし、液滴が付着しにくいようにする。

これにより、領域７１１では、液滴がリブの壁面に衝突した時、電解研磨処理を施されたリブ壁面では液滴が付着しにくく、壁面から液滴への熱移動が抑制され気化による冷却が少なくなる一方、領域７１２では、サンドブラスト処理を施されたリブ壁面では液滴が付着しやすく、壁面から液滴への熱移動が活性され気化による冷却が大きくなる。したがって、流れ方向７２０に沿って、流路の前半では気化が抑制され、後半では気化が活性化され、先に示したシミュレーションによる解析のように、液滴が流路の前半で全て蒸発してしまい、流路の後半で潜熱冷却が実施できず温度上昇の危険性を緩和できる。

図８は、本発明のセパレータを用いて作成した燃料電池セルを説明する図である。セパレータには、図１で説明したセパレータ１００が使われている。燃料電池セルは発電の基本ユニットで、膜・電極接合体（ＭＥＡ）８０２を、アノード側セパレータ８０１と、カソード側セパレータ８０３とで両側から挟むようにして作成される。膜・電極接合体（ＭＥＡ）８０２は、セパレータ８０１の流路領域をカバーする広さを持つ必要がある。例えば、流路の領域を幅１７０mm，高さ９４mmとすると、膜・電極接合体（ＭＥＡ）８０２も幅１７０mm，高さ９４mmとなる。

図４は、燃料電池セルを切断したときの断面図で、一部分を拡大して示したものである。図４において、アノード側セパレータ４０１とカソード側セパレータ４０２がＭＥＡ４０３を挟み込むように構成されており、アノード側セパレータ４０１の流路の断面４０５および電気誘電部の断面４０７は、それぞれ、７mm間隔に配置されるようプレス加工されている。誘電部の断面４０７がＭＥＡ４０３に接続され、ＭＥＡ４０３で発電された電気を伝導することができる。同様に、カソード側セパレータ４０２の流路の断面４０６および電気誘電部の断面４０８は、それぞれ、７mm間隔に配置されるようプレス加工されている。誘電部の断面４０８がＭＥＡ４０３に接続され、ＭＥＡ４０３で発電された電気を伝導することができる。

次に、膜・電極接合体（ＭＥＡ）８０２について説明する。ＭＥＡは、固体高分子電解質膜の両側にカソード側電極およびアノード側電極が挟み込む形で構成され、固体高分子電解質膜には、プロトン伝導性を有するイオン交換膜、例えば、ナフィオン１１７（Ｎａｆｉｏｎ１１７、１７５μｍ、Ｄｕｐｏｎｔ社製）等を用いたフッ素系イオン交換膜が用いられ、カソード側電極およびアノード側電極は、それぞれ触媒反応層と拡散層とで形成される。カソード側拡散層およびアノード側拡散層は、燃料ガスまたは酸化剤ガスの拡散性を高め、発電により発生した反応生成水の排出機能、および電子伝導性を併せ持つ必要があり、例えば、カーボンペーパ，カーボンクロス等の導電性多孔質材料に撥水処理を施したものを適用することができる。ここでは、導電性多孔質材料に厚さ０.２mmのカーボン不織布（東レ社製ＴＧＰ−Ｈ０６０）を用い、撥水処理を施すためフッ素系撥水剤のエマルジョン液（ダイキン製Ｄ１）に浸し、乾燥後３５０℃で１０分間熱処理し、拡散層を形成した。

触媒反応層は、触媒金属を担持した導電性炭素粒子と高分子電解質を主成分とした厚さ０.００５mm程度の薄膜である。アノード側触媒反応層には、平均一次粒子径３０ｎｍを持つ導電性炭素粒子であるケッチェンブラック（ＡＫＺＯＣｈｅｍｉｅ社製）に、白金とルテニウムを、それぞれ２５重量％担持させたアノード用触媒担持粒子を使用した。また、カソード側触媒反応層には、ケッチェンブラックに、白金を５０重量％担持させたカソード用触媒担持粒子を使用した。カソード側触媒反応層およびアノード側触媒反応層は、それぞれの触媒担持粒子をイソプロパノール水溶液に分散させた溶液と、高分子電解質、例えばナフィオン１１７をエタノールに分散させた溶液とを、触媒担持粒子と高分子電解質との重量比を１：１になるように混合した後、ビーズミルで高分散させることによりカソード用とアノード用のスラリーを作製し、先に作成したカソード側拡散層およびアノード側拡散層にスプレークオーターを用いて塗布し、これを大気中常温で６時間乾燥させることで形成させた。このようにして、それぞれの拡散層上にカソード側触媒反応層およびアノード側触媒反応層を形成させることで、カソード側電極とアノード側電極を作成した。

カソード側流路に空気を、アノード側流路に純水素を入れ、また、カソード側流路に異なる粒径の液滴を生成する複数の液滴供給手段により液滴を空気に混在させて加え、発電を行わせると、電気化学反応に伴う熱は、カソード側流路の衝突面積調整部において、液滴により潜熱冷却される。このとき、流れに沿って、リブ壁面の配列を格子状から徐々に千鳥状にしたので、液滴が、流路に沿って、リブ壁面に徐々に衝突し、流路における冷却が均等化される。また、異なる粒径の液滴を供給したので、粒径の小さい液滴は流路前半の冷却を、粒径の大きい液滴は流路後半の冷却を実施し、流路全域に渡り液滴の気化による潜熱冷却の均一化が図られる。

１００セパレータ
１０１衝突面積調整部
１０２ガスが注入される入口
１０３ガスが排出される出口
１０６シール材
１０９液滴生成部
２０１，２０２ノズル
２０３冷却水管
２０４供給ポンプ

Claims

電解質層を燃料極と酸素極とで挟持し、前記燃料極に沿って燃料ガス流路を形成し前記燃料極に対し電気を伝導する電気誘導部をもつ燃料極セパレータと、前記酸素極に沿って酸化剤ガス流路を形成し前記酸素極に対し電気を伝導する電気誘導部をもつ酸素極セパレータを備えた燃料電池であって、
前記燃料極セパレータまたは前記酸素極セパレータにおける燃料ガスまたは酸化剤ガスが注入される入口部に設けられ、前記燃料ガス流路または前記酸化剤ガス流路に霧状の液滴を供給する液滴供給手段を有し、
前記液滴供給手段が設けられた前記酸素極セパレータまたは前記燃料極セパレータは、流路入口から出口に向かって液滴の衝突を調整する多孔質部材で構成された衝突面積調整部を備え、
前記衝突面積調整部を構成する多孔質部材は、流路入口側の領域と流路出口側の領域とでガス透過性が異なり、流路入口側の領域はガス透過性が大きく、流路出口側の領域はガス透過性が小さいことを特徴とする燃料電池。
電解質層を燃料極と酸素極とで挟持し、前記燃料極に沿って燃料ガス流路を形成し前記燃料極に対し電気を伝導する電気誘導部をもつ燃料極セパレータと、前記酸素極に沿って酸化剤ガス流路を形成し前記酸素極に対し電気を伝導する電気誘導部をもつ酸素極セパレータを備えた燃料電池であって、
前記燃料極セパレータまたは前記酸素極セパレータにおける燃料ガスまたは酸化剤ガスが注入される入口部に設けられ、前記燃料ガス流路または前記酸化剤ガス流路に霧状の液滴を供給する液滴供給手段を有し、
前記液滴供給手段が設けられた前記酸素極セパレータまたは前記燃料極セパレータは、流路入口から出口に向かって液滴の衝突を調整する衝突面積調整部を備え、
前記衝突面積調整部の表面は、流路入口側の領域が疎水性であり、流路出口側の領域が親水性であることを特徴とする燃料電池。
電解質層を燃料極と酸素極とで挟持し、前記燃料極に沿って燃料ガス流路を形成し前記燃料極に対し電気を伝導する電気誘導部をもつ燃料極セパレータと、前記酸素極に沿って酸化剤ガス流路を形成し前記酸素極に対し電気を伝導する電気誘導部をもつ酸素極セパレータを備えた燃料電池であって、
前記燃料極セパレータまたは前記酸素極セパレータにおける燃料ガスまたは酸化剤ガスが注入される入口部に設けられ、前記燃料ガス流路または前記酸化剤ガス流路に霧状の液滴を供給する液滴供給手段を有し、
前記液滴供給手段が設けられた前記酸素極セパレータまたは前記燃料極セパレータは、流路入口から出口に向かって液滴の衝突を調整する複数の凸状のリブで構成された衝突面積調整部を備え、
前記衝突面積調整部を構成する複数の凸状のリブは、流路入口側では流れ方向に対し格子状に配置され、流路出口側では流れ方向に対し千鳥状に配置されていることを特徴とする燃料電池。
請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池において、前記液滴供給手段は、異なる粒径の液滴を生成する複数の液滴供給手段で構成されることを特徴とする燃料電池。