JP5410352B2

JP5410352B2 - 燃料電池の可視化セル

Info

Publication number: JP5410352B2
Application number: JP2010083705A
Authority: JP
Inventors: 豪士加藤; 卓馬勝村
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2010-03-31
Filing date: 2010-03-31
Publication date: 2014-02-05
Anticipated expiration: 2030-03-31
Also published as: JP2011216344A

Description

本発明は、燃料電池の開発時などにセパレータに形成された流路内の状態を観察するために使用される可視化セルに関する。

近年、省エネルギー化および環境対策の観点から、自動車用や家庭用の発電装置として、燃料電池が非常に注目を集めている。

燃料電池は、複数のセルが積み重ねられたセルスタック構造を有している。各単セルは、膜／電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）の両側にガス拡散層（ＧＤＬ：Gas Diffusion Layer）を配置し、その両側から膜／電極接合体およびガス拡散層をセパレータで挟み込むことにより構成されている。膜／電極接合体は、固体高分子膜と、固体高分子膜の一方側および他方側にそれぞれ接合されたアノード（燃料極）およびカソード（酸素極）とを備えている。一方のセパレータ（アノード側のセパレータ）の拡散層に接する面には、燃料流路が形成されている。他方のセパレータ（カソード側のセパレータ）の拡散層に接する面には、空気流路が形成されている。燃料流路に燃料が供給されるとともに、空気流路に空気が供給されると、電気化学反応が生じ、アノードとカソードとの間に起電力が発生する。

電気化学反応の結果、燃料流路または空気流路内に生成物が生じる。たとえば、燃料が水素ガスである場合、空気流路内に水（Ｈ_２Ｏ）が生じる。生成物が燃料流路または空気流路内に滞留すると、燃料または空気の流れが悪くなり、発電効率（反応効率）が低下する。そのため、燃料電池の開発においては、セパレータの構造の改良が重ねられており、この改良のためには、開発者が燃料や生成物の流れやその分布状況などを正確に把握する必要がある。

そこで、セパレータを透明樹脂により形成し、空気流路内に生じた水を外部から観察できるようにした構成が提案されている。

特開２００５−７９０７６号公報

電気化学反応で生じる電子（ｅ⁻）を外部回路へと導くため、セパレータは、通常、導電性を有する材料からなる。しかしながら、透明樹脂は、導電性を有していない。そのため、前述の提案に係る燃料電池では、透明樹脂からなるセパレータと膜／電極接合体との間に金属網などの導電部材を集電手段として設けるとともに、その集電手段から電流を外部に取り出すための部材が必要となり、構成が複雑である。

本発明の目的は、簡素な構成でありながら、セパレータに形成された流路内を外部から視認することができる、燃料電池の可視化セルを提供することである。

前記の目的を達成するため、本発明は、可視化セルにおいて、膜／電極接合体と、導電性を有する材料からなり、前記膜／電極接合体に対向して配置されるセパレータと、透明材料からなり、前記セパレータに対して前記膜／電極接合体と反対側に、前記セパレータに対向して配置されるエンドプレートとを備え、前記セパレータには、前記膜／電極接合体側に開放され、前記膜／電極接合体に供給すべき流体が流通する複数の流路が形成されており、各流路は、前記セパレータを前記膜／電極接合体と前記エンドプレートとの対向方向に貫通する貫通部分と、前記セパレータを前記膜／電極接合体と前記エンドプレートとの対向方向に貫通しない非貫通部分とを有していることを特徴としている。

この燃料電池の可視化セルでは、膜／電極接合体にセパレータが対向して配置され、セパレータを挟んで膜／電極接合体と反対側にエンドプレートが配置されている。セパレータは、導電性を有する材料からなる。エンドプレートは、透明材料（たとえば、透明樹脂）からなり、セパレータに対向している。

セパレータには、膜／電極接合体に供給すべき流体が流通する複数の流路が形成されている。各流路は、全体として、膜／電極接合体側に開放される溝状に形成されている。各流路の一部は、セパレータを膜／電極接合体とエンドプレートとの対向方向に貫通している。すなわち、各流路は、セパレータを膜／電極接合体とエンドプレートとの対向方向に貫通する貫通部分と、セパレータを膜／電極接合体とエンドプレートとの対向方向に貫通しない非貫通部分とを有している。

そのため、透明なエンドプレートを通して、セパレータに形成されている各流路の貫通部分内を視認することができる。したがって、可視化セルで電気化学反応を生じさせたときに、その電気化学反応により生じる生成物などの流れやその分布状況を観察することができるので、燃料電池の開発に大変有用である。

また、セパレータが導電性を有する材料（たとえば、カーボン）からなるので、セパレータとは別に、電気化学反応で生じる電子を外部回路に導くための導電部材が不要である。そのため、セパレータとエンドプレートとの間に、導電性を有する材料からなる集電板などを介在させる必要がなく、集電板などにより流路の視認が阻害されるといったことがない。

よって、簡素な構成でありながら、セパレータに形成されている各流路内を視認することができる。

なお、膜／電極接合体とセパレータとの間には、流路内を流れる流体が膜／電極接合体に均一に供給されるように、その流体を拡散させる拡散層が介在されていてもよい。

また、セパレータとエンドプレートとの間には、流路内を流れる流体が漏れるのを防止するために、透明なシール材（たとえば、シリコンゴムからなるシート）が介在されてもよい。

本発明によれば、セパレータに接触して配置されるエンドプレートが透明材料からなり、セパレータに形成された各流路は、セパレータを膜／電極接合体とエンドプレートとの対向方向に貫通する貫通部分と、セパレータを膜／電極接合体とエンドプレートとの対向方向に貫通しない非貫通部分とを有している。そのため、透明なエンドプレートを介して、セパレータに形成されている各流路の貫通部分内を視認することができる。そして、セパレータが導電性を有する材料からなるので、セパレータと別に、電気化学反応で生じる電子を外部回路に導くための導電部材を設ける必要がない。よって、簡素な構成でありながら、セパレータに形成されている各流路内を視認することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池の可視化セルの模式的な断面図である。図２は、アノード側のセパレータの構造を図解的に示す平面図である。図３は、アノード側のセパレータの他の構造を図解的に示す平面図である。

以下では、本発明の実施の形態について、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池の可視化セルの模式的な断面図である。

燃料電池の可視化セル１は、たとえば、燃料電池の開発に際し、発電時の生成物の状態を観察するためなどに使用される。

可視化セル１は、膜／電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）２と、膜／電極接合体２の両側に配置される拡散層３と、各拡散層３の外側に配置されるセパレータ４と、各セパレータ４のさらに外側に配置されるエンドプレート５とを備えている。

膜／電極接合体２は、アノード（燃料極）６およびカソード（酸素極）７が固体高分子膜８を挟んで互いに対向した構造を有している。

アノード６側の拡散層３は、アノード６に燃料が均一に供給されるように、燃料を拡散させるために設けられている。カソード７側の拡散層３は、カソード７に空気が均一に供給されるように、空気を拡散させるために設けられている。

セパレータ４は、導電性を有する材料、たとえば、カーボンからなる。各セパレータ４は、拡散層３に接触している。アノード６側のセパレータ４における拡散層３との接触面には、燃料が流通する複数の燃料流路９が形成されている。各燃料流路９は、全体として、拡散層３側に開放された溝状をなし、葛折り状に屈曲している。燃料流路９については、後に詳述する。カソード７側のセパレータ４における拡散層３との接触面には、空気が流通する複数の空気流路１０が形成されている。各空気流路１０は、拡散層３側に開放された溝状をなし、葛折り状に屈曲している。

エンドプレート５は、たとえば、透明樹脂からなる。アノード６側のエンドプレート５は、セパレータ４に対向し、燃料流路９を流通する燃料が漏れるのを防止するため、たとえば、透明なシリコンゴムからなるシート（図示せず）をセパレータ４との間に挟んで、セパレータ４に接合されている。カソード７側のエンドプレート５は、セパレータ４と非接触で対向し、そのエンドプレート５とセパレータ４との間には、導電性を有する材料からなる集電板１１が介在されている。

燃料流路９には、燃料の一例として、ヒドラジン類が供給される。ヒドラジン類としては、ヒドラジン（ＮＨ_２ＮＨ_２）、水加ヒドラジン（ＮＨ_２ＮＨ_２・Ｈ_２Ｏ）、トリアザン（ＮＨ_２ＮＨＮＨ_２）、テトラザン（ＮＨ_２ＮＨＮＨＮＨ_２）などが例示される。

燃料流路９にヒドラジン類が供給され、その一方で、空気流路１０に空気が供給されることにより、電気化学反応が生じ、その電気化学反応による起電力が発生する。

すなわち、アノード６において、反応式（１）で示される反応が生じ、窒素ガス（Ｎ_２）、水（Ｈ_２Ｏ）および電子（ｅ⁻）が生成される。電子は、外部回路（図示せず）を介して、カソード７に移動する。具体的には、電子は、アノード６側のセパレータ４を伝導し、外部回路を介して、集電板１１に流れ込み、集電板１１からカソード側７のセパレータ４を伝導してカソード７に達する。一方、カソード７では、反応式（２）で示される反応が生じ、アニオン（ＯＨ⁻）が生成される。アニオンは、固体高分子膜８を透過して、アノード６に移動する。

ＮＨ_２ＮＨ_２＋４ＯＨ⁻→Ｎ_２＋４Ｈ_２Ｏ＋４ｅ⁻ ・・・（１）
Ｏ_２＋２Ｈ_２Ｏ＋４ｅ⁻→４ＯＨ⁻ ・・・（２）
この結果、アノード６とカソード７との間に、電気化学反応による起電力が発生する。

図２は、アノード側のセパレータの構造を図解的に示す平面図である。

アノード６側のセパレータ４は、四角形板状をなしている。

セパレータ４における拡散層３（図１参照）との接触面には、燃料が導入される導入凹部２１および燃料が排出される排出凹部２２が形成されている。導入凹部２１および排出凹部２２は、所定方向（図２における上下方向。以下、この所定方向を「上下方向」という。）に互いに間隔を空けて、その上下方向と直交する方向（図２における左右方向。以下、この方向を「左右方向」という。）の一方側（以下、この一方側を「右側」という。）に片寄った位置に設けられている。

複数の燃料流路９は、各一端が導入凹部２１に接続され、各他端が排出凹部２２に接続されている。導入凹部２１と排出凹部２２との間において、複数の燃料流路９は、左右方向に一定間隔ごとに形成され、互いに平行をなしている。各燃料流路９は、たとえば、導入凹部２１から上下方向に排出凹部２２に向かって延び、左右方向に屈曲して延び、上下方向に屈曲して排出凹部２２側に延び、折り返すように左右方向に屈曲して延び、さらに上下方向に屈曲して排出凹部２２側に伸びる葛折り状に形成されている。

そして、各燃料流路９は、導入凹部２１から排出凹部２２に向かう燃料の流通方向において、セパレータ４を厚さ方向（図１における膜／電極接合体２とエンドプレート５との対向方向）に貫通する貫通部分２３と、セパレータ４を厚さ方向に貫通しない非貫通部分２４とを交互に有している。

なお、図２では、貫通部分２３と非貫通部分２４とを識別可能とするために、非貫通部分２４にハッチングが付されている。

より具体的には、左右方向の右側端に形成されている燃料流路９は、左右方向に延びる部分が貫通部分２３とされ、上下方向に延びる部分が非貫通部分２４とされている。右側端から２本目の燃料流路９は、上下方向に延びる部分が貫通部分２３とされ、左右方向に延びる部分が非貫通部分２４とされている。右側端から３本目の燃料流路９は、左右方向に延びる部分が貫通部分２３とされ、上下方向に延びる部分が非貫通部分２４とされている。右側端から４本目の燃料流路９は、上下方向に延びる部分が貫通部分２３とされ、左右方向に延びる部分が非貫通部分２４とされている。

また、セパレータ４には、その右端縁の上下方向の中央部から右側に突出する電流引出部２５が形成されている。電流引出部２５に外部回路が接続されることにより、セパレータ４を伝導する電子が外部回路に流出する。

以上のように、可視化セル１では、膜／電極接合体２にセパレータ４が対向して配置され、セパレータ４を挟んで膜／電極接合体２と反対側にエンドプレート５が配置されている。セパレータ４は、導電性を有する材料からなる。

アノード６側のセパレータ４には、燃料が流通する複数の燃料流路９が形成されている。各燃料流路９は、全体として、膜／電極接合体２側に開放される溝状に形成されている。各燃料流路９の一部は、セパレータ４を膜／電極接合体２とエンドプレート５との対向方向に貫通している。すなわち、各燃料流路９は、セパレータ４を膜／電極接合体２とエンドプレート５との対向方向に貫通する貫通部分２３と、セパレータ４を膜／電極接合体２とエンドプレート５との対向方向に貫通しない非貫通部分２４とを有している。

そして、アノード６側のエンドプレート５は、透明材料（たとえば、透明樹脂）からなり、透明なシリコンゴムからなるシート（図示せず）を挟んで、セパレータ４に対向している。

そのため、透明なエンドプレート５を通して、セパレータ４に形成されている各燃料流路９の貫通部分２３内を視認することができる。したがって、可視化セル１で電気化学反応を生じさせたときに、その電気化学反応により生じる生成物などの流れやその分布状況を観察することができるので、可視化セル１は、燃料電池の開発に大変有用である。

また、セパレータ４が導電性を有する樹脂からなるので、セパレータ４とは別に、電気化学反応で生じる電子を外部回路に導くための導電部材が不要である。

よって、可視化セル１では、簡素な構成でありながら、セパレータ４に形成されている各流路内を視認することができる。

また、各燃料流路９において、貫通部分２３および非貫通部分２４は、燃料の流通方向に交互に形成されている。そのため、アノード６で生成された電子は、その生成された部分からセパレータ４の電流引出部２５まで、セパレータ４における各燃料流路９の間および非貫通部分２４を伝導して、ほぼ直線的に移動することができる。たとえば、右側端から４本目の燃料流路９の途中の貫通部分２３の近傍で生成された電子は、図２に破線で示すように、その４本目の燃料流路９と右側端から３本目の燃料流路９との間の部分、３本目の燃料流路９の非貫通部分２４、３本目の燃料流路９と右側端から２本目の燃料流路９との間の部分、２本目の燃料流路９の非貫通部分２４、２本目の燃料流路９と右側端の燃料流路９との間の部分、および右側端の燃料流路９の非貫通部分２４を伝導して、電流引出部２５に到達する。よって、電子の伝導経路が短いので、セパレータ４が高抵抗となって発電効率が低下することを防止できる。

なお、燃料流路９は、葛折り状に形成されなくてもよい。たとえば、図３に示すように、複数の燃料流路９が一定間隔で互いに平行をなす直線状に形成されてもよい。この図３に示す構造では、導入凹部２１および排出凹部２２は、所定方向（図３における上下方向）に互いに間隔を空けて、導入凹部２１は、所定方向と直交する方向（図３における左右方向）の一方側に片寄った位置に形成され、排出凹部２２は、その他方側に片寄った位置に形成されている。そして、導入凹部２１と各燃料流路９との間には、導入凹部２１から各燃料流路９に向けて流れる燃料を拡散させるために、導入凹部２１側が窄まった平面視台形状の拡散凹部３１が形成されている。また、排出凹部２２と各燃料流路９との間には、各燃料流路９から排出凹部２２に向けて流れる燃料を集合させるために、排出凹部２２側が窄まった平面視大形状の集合凹部３２が形成されている。

また、アノード６側のセパレータ４の燃料流路９が貫通部分２３および非貫通部分２４を有している構造を例にとったが、カソード７側のセパレータ４の空気流路１０が貫通部分および非貫通部分を有していてもよい。この場合、カソード７側のセパレータ４とエンドプレート５との間の集電板１１が省略されて、そのエンドプレート５がセパレータ４と直に接触して配置される。また、カソード７側のエンドプレート５は、透明樹脂などの透明材料からなる。これにより、透明なエンドプレート５を通して、セパレータ４に形成されている各空気流路１０の貫通部分内を視認することができる。

燃料の一例として、ヒドラジン類を挙げたが、燃料は、ヒドラジン類に限らず、メタノール（ＣＨ_３ＯＨ）などの液体燃料であってもよいし、水素ガスなどの燃料ガスであってもよい。

その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。

１可視化セル
２膜／電極接合体
４セパレータ
５エンドプレート
９燃料流路
１０空気流路
２３貫通部分
２４非貫通部分

Claims

膜／電極接合体と、
導電性を有する材料からなり、前記膜／電極接合体に対向して配置されるセパレータと、
透明材料からなり、前記セパレータに対して前記膜／電極接合体と反対側に、前記セパレータに対向して配置されるエンドプレートとを備え、
前記セパレータには、前記膜／電極接合体側に開放され、前記膜／電極接合体に供給すべき流体が流通する複数の流路が形成されており、
各流路は、前記セパレータを前記膜／電極接合体と前記エンドプレートとの対向方向に貫通する貫通部分と、前記セパレータを前記膜／電極接合体と前記エンドプレートとの対向方向に貫通しない非貫通部分とを有している、燃料電池の可視化セル。