JP5439737B2

JP5439737B2 - 燃料電池

Info

Publication number: JP5439737B2
Application number: JP2008115097A
Authority: JP
Inventors: 隆士山本; 敏也土生; 信也坂口; 博道佐藤; 宏藤谷; 修弓田; 佳史大田; 誠治佐野
Original assignee: Nippon Soken Inc; Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp; Soken Inc
Priority date: 2008-04-25
Filing date: 2008-04-25
Publication date: 2014-03-12
Anticipated expiration: 2028-04-25
Also published as: JP2009266632A

Description

本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により電気エネルギを発生させる燃料電池に関する。

従来より、固体高分子型燃料電池において、酸化剤ガスと燃料ガスを加湿することなく供給し、発電に伴って生成した水で電解質膜を加湿するために、燃料ガスの入口近傍が酸化剤ガスの出口近傍に対応して配置された燃料電池が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この燃料電池では、酸化剤ガス流路の出口近傍に多量に存在する生成水が固体高分子膜を介して燃料ガス流路に逆拡散し、燃料ガス流路側の電解質膜を加湿するように構成されている。
特開２００１−１８５１７２号公報

しかしながら、上記特許文献１の構成では、燃料電池の温度が上昇すると、酸化剤ガス流路での水分の蒸発による持ち去りが増加し、酸化剤ガス流路側から電解質膜を介して燃料ガス流路側に逆拡散する水分量が減少する。この結果、燃料ガス流路の入口側から出口側に向かって充分な水分供給ができなくなり、燃料ガス流路の出口側で水分が不足し、発電が継続できなくなるという問題がある。

そこで、本発明は上記点に鑑み、高温になった場合においても無加湿運転が可能な燃料電池を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の請求項１に記載の発明では、固体高分子型電解質膜と前記固体高分子型電解質膜の両側に配置されたカソードおよびアノードとを有する膜電極接合体（１０１）と、前記膜電極接合体（１０１）の両側に配置された一対のセパレータ（１０２、１０３）と、前記セパレータ（１０２）の前記カソード側に形成され、前記膜電極接合体（１０１）に供給される酸化剤ガスが通過する酸化剤ガス流路（１０４）と、前記セパレータ（１０３）の前記アノード側に形成され、前記膜電極接合体（１０１）に供給される燃料ガスが通過する燃料ガス流路（１０５）とを備え、
前記酸化剤ガス流路（１０４）に前記酸化剤ガスを流入させる酸化剤ガス入口部（１００ａ）と、前記燃料ガス流路（１０５）から前記燃料ガスを流出させる燃料ガス出口部（１００ｄ）は近接して配置されているとともに、前記酸化剤ガス流路（１０４）から前記酸化剤ガスを流出させる酸化剤ガス出口部（１００ｂ）と前記燃料ガス流路（１０５）に前記燃料ガスを流入させる燃料ガス入口部（１００ｃ）は近接して配置されており、
前記酸化剤ガス入口部（１００ａ）の開口面積を、前記酸化剤ガス出口部（１００ｂ）より大きくすることにより、前記酸化剤ガス流路（１０４）における前記酸化剤ガス入口部（１００ａ）側の酸化剤ガス流速が前記酸化剤ガス出口部（１００ｂ）側の酸化剤ガス流速よりも低下するようにしたことを特徴としている。

これにより、酸化剤ガス流路（１０４）の酸化剤ガス入口部（１００ａ）側の酸化剤ガスの流速を酸化剤ガス出口部（１００ｂ）側より遅くすることができる。このため、酸化剤ガス流路（１０４）の酸化剤ガス入口部（１００ａ）側における水分持ち去り量が減少し、水分量が減少することを抑制できる。
本発明では、酸化剤ガス入口部（１００ａ）と燃料ガス出口部（１００ｄ）が近接して配置されているので、酸化剤ガス流路（１０４）の酸化剤ガス入口部（１００ａ）近傍で発生した生成水を燃料ガス流路（１０５）の燃料ガス出口部（１００ｄ）近傍に移動させることができ、燃料ガス流路（１０５）の燃料ガス出口部（１００ｄ）近傍での水分量を確保することができる。このため、燃料電池が高温となった場合においても、燃料ガス流路（１０５）の燃料ガス出口部（１００ｄ）近傍での水分量不足を解消でき、無加湿運転を継続させることが可能となる。

また、請求項２に記載の発明のように、請求項１に記載の燃料電池において、前記酸化剤ガス入口部（１００ａ）の開口面積は、前記酸化剤ガス出口部（１００ｂ）より２０％以上大きくすることで、燃料ガス流路（１０５）の燃料ガス出口部（１００ｄ）近傍での水分量を確実に確保することができる。

また、請求項３に記載の発明では、前記燃料ガス入口部（１００ｃ）の開口面積を、前記燃料ガス出口部（１００ｄ）より小さくすることにより、前記燃料ガス流路（１０５）における前記燃料ガス出口部（１００ｄ）側の燃料ガス流速が前記燃料ガス入口部（１００ｃ）側の燃料ガス流速よりも低下するようにしたことを特徴としている。
これにより、燃料ガス流路（１０５）の燃料ガス出口部（１００ｄ）側での燃料ガスの流速が燃料ガス入口部（１００ｃ）側より低下する。このため、燃料ガス流路（１０５）の燃料ガス出口部（１００ｄ）近傍での水分持ち去り量が減少し、水分量が減少することを抑制できる。このため、燃料電池が高温となった場合においても、燃料ガス流路（１０５）の燃料ガス出口部（１００ｄ）近傍での水分量不足を解消でき、無加湿運転を継続させることが可能となる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

以下、本発明の一実施形態について図１〜図４に基づいて説明する。図１は本実施形態に係る燃料電池を備える燃料電池システムを示す模式図で、この燃料電池システムは例えば電気自動車に適用することができる。

図１に示すように、本実施形態の燃料電池システムは、水素と酸素との電気化学反応を利用して電力を発生する燃料電池１０を備えている。この燃料電池１０は、図示しない電気負荷や２次電池等の電気機器に電力を供給するものである。電気自動車の場合には、車両走行駆動源としての電動モータが電気負荷に相当している。

図２は、燃料電池１０の斜視図である。本実施形態では燃料電池１０として固体高分子電解質型燃料電池を用いており、基本単位となる燃料電池セル１００が複数個積層され、且つ電気的に直列接続されている。燃料電池１０では、以下の水素と酸素の電気化学反応が起こり電気エネルギが発生する。

（アノード側）Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^-
（カソード側）２Ｈ⁺＋１／２Ｏ₂＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏ
図１に戻り、燃料電池システムには、燃料電池１０の空気極（正極）側に空気（酸素）を供給するための空気流路２０と、燃料電池１０の水素極（負極）側に水素を供給するための水素流路３０が設けられている。ここで、空気流路２０における燃料電池１０より上流側を空気供給流路２０ａといい、下流側を空気排出流路２０ｂという。また、水素流路３０における燃料電池１０より上流側を水素供給流路３０ａといい、下流側を水素排出流路３０ｂという。なお、空気は本発明の酸化剤ガスに相当し、水素は本発明の燃料ガスに相当している。

空気供給流路２０ａの最上流部には、大気中から吸入した空気を燃料電池１０に圧送するための空気供給装置２１が設けられている。空気供給装置２１としては、コンプレッサを用いることができる。なお、本実施形態では、上記電気化学反応で燃料電池１０内で発生する生成水を用いて電解質膜を加湿するので、燃料電池１０に供給される空気を加湿するための加湿器は設けられていない。

水素供給流路３０ａの最上流部には、水素供給装置３１が設けられ、水素供給流路３０ａにおける水素供給装置３１と燃料電池１０との間には、燃料電池１０に供給される水素の圧力を調整するための水素調圧弁３２が設けられている。水素供給装置３１としては、高圧水素が充填された高圧水素タンクを用いることができる。

燃料電池１０は発電効率確保のために運転中一定温度（例えば８０℃程度）に維持する必要がある。このため、燃料電池１０を冷却するための冷却システムが設けられている。冷却システムには、燃料電池１０に冷却水（熱媒体）を循環させる冷却水経路４０、冷却水を循環させるウォータポンプ４１、ファン４２を備えたラジエータ（放熱器）４３が設けられている。冷却水経路４０には、冷却水をラジエータ４３をバイパスさせるためのバイパス経路４４が設けられている。冷却水経路４０とバイパス経路４４との合流点には、バイパス経路４４に流れる冷却水流量を調整するための流路切替弁４５が設けられている。

燃料電池システムには、各種制御を行う制御部（ＥＣＵ）５０が設けられている。制御部５０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等からなる周知のマイクロコンピュータとその周辺回路にて構成されている。制御部５０は、各種演算処理を行い、空気供給装置２１、水素調圧弁３２、ウォータポンプ４１、流路切替弁４５等に制御信号を出力する。

次に、燃料電池セル１００の構成について説明する。図３は、燃料電池セル１００の構成を示す断面図である。図３に示すように、セル１００は、電解質膜の両側面に電極が配置されたＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：膜電極接合体）１０１と、このＭＥＡ１０１を挟持する空気側セパレータ１０２および水素側セパレータ１０３で構成されている。セパレータ１０２、１０３は、カーボン材または導電性金属よりなる板状部材からなる。空気側セパレータ１０２には空気が流れる酸化剤ガス流路１０４が形成され、水素側セパレータ１０４には水素が流れる燃料ガス流路１０５が形成されている。本実施形態では、酸化剤ガス流路１０４および燃料ガス流路１０５は連通した多数の気孔を有する多孔質体からなり、多孔質体の気孔を反応ガス（空気、水素）が通過するように構成されている。本実施形態の反応ガス流路１０４、１０５を構成する多孔質体は、気孔の大きさが全体的にほぼ同一に形成されている。

また、図３に示すように、上述の電気化学反応によりＭＥＡ１０１のカソード側で発生した生成水は、アノードとカソードの水蒸気分圧差により電解質膜を介してアノード側に逆拡散するようになっている。なお、電解質膜の膜厚が厚すぎると水移動時の抵抗が大きくなり水が逆拡散しにくくなるので、膜厚は薄い方が望ましい。

図４は、セパレータ１０２、１０３とＭＥＡ１０１との位置関係を示している。図４に示すように、セパレータ１０２、１０３には、酸化剤ガス入口部１００ａ、酸化剤ガス出口部１００ｂ、燃料ガス入口部１００ｃ、燃料ガス出口部１００ｄ、冷却水入口部１００ｅ、冷却水出口部１００ｆが形成されている。

図４の斜線で示す部位が、セパレータ１０２、１０３におけるＭＥＡ１０１に対応する発電部位（反応ガス流路）となっており、空気側セパレータ１０２には発電部位に対応して酸化剤ガス流路１０４が設けられ、水素側セパレータ１０３には発電部位に対応して燃料ガス流路１０５が設けられている。本実施形態では、反応ガス流路は台形状となっている。図４中の下方側に位置する酸化剤ガス入口部１００ａから酸化剤ガス流路１０４に流入した空気は、酸化剤ガス流路１０４で電気化学反応に用いられる。そして、電気化学反応に用いられなかった空気が図中の上方側に位置する酸化剤ガス出口部１００ｂから流出する。また、図４に示すように、図中の左上側に位置する燃料ガス入口部１００ｃから燃料ガス流路１０５に流入した水素は、燃料ガス流路１０５で電気化学反応に用いられる。そして、電気化学反応に用いられなかった水素が図中の右下側に位置する燃料ガス出口部１００ｄから流出する。

図４に示すように、酸化剤ガス出口部１００ｂと燃料ガス入口部１００ｃが近接して配置され、さらに酸化剤ガス入口部１００ａと燃料ガス出口部１００ｄが近接して配置されている。上述のように、電気化学反応によりＭＥＡ１０１の酸化剤ガス流路１０４側で生成水が発生するが、酸化剤ガス流路１０４では空気流れ方向に沿って生成水が増加するため、酸化剤ガス流路１０４の酸化剤ガス出口部１００ｂ近傍で生成水が多く存在する。このため、酸化剤ガス出口部１００ｂと燃料ガス入口部１００ｃとを近接して配置することで、酸化剤ガス流路１０４の酸化剤ガス出口部１００ｂ近傍で発生した生成水を燃料ガス流路１０５の燃料ガス入口部１００ｃ近傍に移動させることができる。そして、燃料ガス流路１０５では、燃料ガス入口部１００ｃ側から燃料ガス出口部１００ｄ側に向かって水分を供給することができる。

また、本実施形態では、酸化剤ガス入口部１００ａの開口面積が酸化剤ガス出口部１００ｂより大きくなっている。これにより、酸化剤ガス流路１０４における酸化剤ガス入口１００ａ側の空気の流速が酸化剤ガス出口１００ｂ側より遅くなる。このため、酸化剤ガス流路１０４の酸化剤ガス入口部１００ａ側における水分持ち去り量が減少し、水分量が減少することを抑制できる。本実施形態では、酸化剤ガス入口部１００ａと燃料ガス出口部１００ｄが近接して配置されているので、酸化剤ガス流路１０４の酸化剤ガス入口部１００ａ近傍で発生した生成水を燃料ガス流路１０５の燃料ガス出口部１００ｄ近傍に移動させることができ、燃料ガス流路１０５の燃料ガス出口部１００ｄ近傍での水分量を確保することができる。このため、燃料電池１０が高温となった場合においても、燃料ガス流路１０５の燃料ガス出口部１００ｄ近傍での水分量不足を解消でき、無加湿運転を継続させることが可能となる。なお、酸化剤ガス流路１０４の酸化剤ガス入口部１００ａ側での水分量減少を抑制し、燃料ガス流路１０５の燃料ガス出口部１００ｄ近傍での水分量を確保するために、酸化剤ガス入口部１００ａの開口面積は酸化剤ガス出口部１００ｂの開口面積より２０％以上大きくすることが好ましい。

また、本実施形態では、燃料ガス入口部１００ｃの開口面積が燃料ガス出口部１００ｄより小さくなっている。これにより、燃料ガス流路１０５の燃料ガス出口部１００ｄ側での水素の流速が燃料ガス入口部１００ｃ側より低下する。このため、燃料ガス流路１０５の燃料ガス出口部１００ｄ近傍での水分持ち去り量が減少し、水分量が減少することを抑制できる。つまり、燃料ガス入口部１００ｃの開口面積が燃料ガス出口部１００ｄより小さいことによっても、燃料ガス流路１０５の燃料ガス出口部１００ｄ近傍での水分量を確保することができる。このため、燃料電池１０が高温となった場合においても、燃料ガス流路１０５の燃料ガス出口部１００ｄ近傍での水分量不足を解消でき、無加湿運転を継続させることが可能となる。

（他の実施形態）
なお、上記実施形態では、セパレータ１０２、１０３のＭＥＡ１０１に対応する発電部位を台形状として構成したが、特に形状は限定されず、酸化剤ガス入口部１００ａの開口面積が酸化剤ガス出口部１００ｂより大きくなっていればよく、あるいは燃料ガス入口部１００ｃの開口面積が燃料ガス出口部１００ｄより小さくなっていればよい。

また、上記実施形態では、反応ガス流路１０４、１０５を構成する多孔質体として、気孔の大きさが全体的にほぼ均一に形成されたものを用いたが、多孔質体の気孔の大きさをガス入口部からガス出口部にかけて変化させてもよい。つまり、酸化剤ガス流路１０４を構成する多孔質体の気孔を、酸化剤ガス入口部１００ａから酸化剤ガス出口部１００ｂにかけて小さくなるようにすることで、酸化剤ガス入口部１００ａ側の酸化剤ガスの流速を酸化剤ガス出口部１００ｂ側より遅くすることができる。同様に、燃料ガス流路１０５を構成する多孔質体の気孔を、燃料ガス入口部１００ｃから燃料ガス出口部１００ｄにかけて大きくなるようにすることで、燃料ガス出口部１００ｄ側の燃料ガスの流速を燃料ガス入口部１００ｃ側より遅くすることができる。

また、上記実施形態では、酸化剤ガス入口部１００ａの開口面積を酸化剤ガス出口部１００ｂより大きくし、同時に燃料ガス入口部１００ｃの開口面積を燃料ガス出口部１００ｄより小さくしたが、これらは必ずしも同時に実施する必要はなく、それぞれを個別に実施するように構成してもよい。

上記実施形態に係る燃料電池を備える燃料電池システムを示す模式図である。燃料電池１０の斜視図である。燃料電池セル１００の構成を示す断面図である。セパレータ１０２、１０３とＭＥＡ１０１の位置関係を示す説明図である。

符号の説明

１０燃料電池
１００セル
１００ａ酸化剤ガス入口部
１００ｂ酸化剤ガス出口部
１００ｃ燃料ガス入口部
１００ｄ燃料ガス出口部
１０１ＭＥＡ
１０２空気側セパレータ
１０３水素側セパレータ
１０４酸化剤ガス流路
１０５燃料ガス流路

Claims

固体高分子型電解質膜と前記固体高分子型電解質膜の両側に配置されたカソードおよびアノードとを有する膜電極接合体（１０１）と、
前記膜電極接合体（１０１）の両側に配置された一対のセパレータ（１０２、１０３）と、
前記セパレータ（１０２）の前記カソード側に形成され、前記膜電極接合体（１０１）に供給される酸化剤ガスが通過する酸化剤ガス流路（１０４）と、
前記セパレータ（１０３）の前記アノード側に形成され、前記膜電極接合体（１０１）に供給される燃料ガスが通過する燃料ガス流路（１０５）とを備え、
前記酸化剤ガス流路（１０４）に前記酸化剤ガスを流入させる酸化剤ガス入口部（１００ａ）と、前記燃料ガス流路（１０５）から前記燃料ガスを流出させる燃料ガス出口部（１００ｄ）は近接して配置されているとともに、前記酸化剤ガス流路（１０４）から前記酸化剤ガスを流出させる酸化剤ガス出口部（１００ｂ）と前記燃料ガス流路（１０５）に前記燃料ガスを流入させる燃料ガス入口部（１００ｃ）は近接して配置されており、
前記酸化剤ガス入口部（１００ａ）の開口面積を、前記酸化剤ガス出口部（１００ｂ）より大きくすることにより、前記酸化剤ガス流路（１０４）における前記酸化剤ガス入口部（１００ａ）側の酸化剤ガス流速が前記酸化剤ガス出口部（１００ｂ）側の酸化剤ガス流速よりも低下するようにしたことを特徴とする燃料電池。
前記酸化剤ガス入口部（１００ａ）の開口面積は、前記酸化剤ガス出口部（１００ｂ）より２０％以上大きくなっていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
前記燃料ガス入口部（１００ｃ）の開口面積を、前記燃料ガス出口部（１００ｄ）より小さくすることにより、前記燃料ガス流路（１０５）における前記燃料ガス出口部（１００ｄ）側の燃料ガス流速が前記燃料ガス入口部（１００ｃ）側の燃料ガス流速よりも低下するようにしたことを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池。