JP5549478B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、発電効率を向上することができる燃料電池に関する。

固体高分子型の燃料電池は、平板状の膜電極構造体（ＭＥＡ：Membran ｅ・Electrode ・Asembly ）の両側に正極（カソード）及び負極（アノード）のセパレータが積層された発電セルを、複数積層して燃料電池のスタックとしている。前記膜電極構造体は、正極（カソード）及び負極（アノード）を構成する一対のガス拡散型の正電極層及び負電極層の間にイオン交換樹脂等からなる電解質膜が挟着された三層構造となっている。前記セパレータは、膜電極構造体の両電極層に接触され、両電極層との間にガスを流通させる酸化ガス流路及び燃料ガス流路が形成されている。そして、例えば正電極層に面するガス流路に酸素や空気等の酸化性ガスを流し、負電極層に面するガス流路に燃料である水素ガスを流すことにより、電気化学反応が起こり、電気が発生する。

燃料電池として、特許文献１に開示されたものが提案されている。この燃料電池は、図９に示すように、膜電極構造体１２の図示下側にアノード側のセパレータ４１が配設され、図示上側にカソード側のセパレータ４２が配設されている。膜電極構造体１２とセパレータ４１との間に形成されたガス流路には燃料ガスとしての水素ガスが供給され、膜電極構造体１２とセパレータ４２との間に形成されたガス流路には、酸化ガスとしての空気（酸素）が供給されるようになっている。前記セパレータ４１及びセパレータ４２には、ガス流路内の燃料ガスと酸化ガスをそれぞれ蛇行させることにより拡散させる複数の突起４１ａ，４２ａが形成されている。

特開２００３−３１７７３４号公報（要約書参照）

ところが、図９に示す燃料電池においては、燃料ガスと酸化ガスをそれぞれ蛇行させて、膜電極構造体１２のガス拡散電極１９，２０に作用するガス量を増加し、水素と酸素の電気化学反応を促進することができるが、次のような問題があった。即ち、燃料電池が発電を行っているとき、膜電極構造体１２のカソード側において、水素と酸素の電気化学反応によって水が生成され、この生成水の大半はガス流路を流れる酸化（酸素）ガス流によって外部に排出される。残りの生成水は膜電極構造体１２の内部に浸透し、アノード側のガス流路に浸透水として浸入する。カソード側の生成水は、膜電極構造体１２のガス拡散電極１９の表面に付着し易く、前記ガス拡散電極１９の表面に付着する生成水の量が多くなると、膜電極構造体１２に供給される酸化ガスの供給量が減少して、前述した水素と酸素の電気化学反応が抑制され、発電効率が低下するという問題があった。

本発明は、上記従来の技術に存する問題点を解消して、膜電極構造体の表面に付着する水の量を低減して、燃料ガスと酸化ガスの電気化学反応を促進して、発電効率を向上することができる燃料電池を提供することにある。

上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、膜電極構造体の表面とアノード側及びカソード側のセパレータとの間にアノード側及びカソード側のガス流路を形成するガス流路形成部材を介在させた燃料電池において、前記ガス流路形成部材にガス流を膜電極構造体に向かって変向させるためのガス流変向手段を設けるとともに、膜電極構造体の表面に沿って流れる水を該表面から離隔する方向に変向させるための水流変向手段を設け、前記ガス流路形成部材は、ガス流路を膜電極構造体側の内側ガス流路とセパレータ側の外側ガス流路との二つのガス流路に区画する区画板と、該区画板に切り起こし成形され、かつ外側ガス流路のガス流を内側ガス流路に変向させるための複数のガス流変向部と、前記区画板に切り起こし成形され、かつ内側ガス流路内の水を外側ガス流路に変向させるための水流変向部とにより構成されていることを要旨とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１において、前記内側ガス流路の上流側入口は、シール部材によって閉塞されていることを要旨とする。
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２において、前記水流変向部は、膜電極構造体の表面に接触され、かつ該表面側の水を毛細管作用によって、該表面から離隔させて外側ガス流路に導くように円錐筒状に構成されていることを要旨とする。

請求項４に記載の発明は、請求項３において、前記膜電極構造体と前記ガス流路形成部材とを備えた発電セルにより構成され、前記発電セルはガス流を上方から下方へ移動させるように配置され、前記水流変向部の円錐筒状の内周面には水を下方に導く導水溝が形成されていることを要旨とする。
（作用）
この発明は、ガス流路形成部材にガス流を膜電極構造体に向かって変向させるためのガス流変向手段が設けられているので、ガス流が膜電極構造体の表面に効率よく供給され、このため燃料ガスと酸化ガスの電気化学反応が促進され、発電効率が向上する。又、膜電極構造体の表面に沿って流れる水が水流変向手段によって、該表面から離隔されて、膜電極構造体の表面に残留する水の量が低減される。従って、膜電極構造体に供給される酸化ガス又は燃料ガスの供給量が増加され、発電効率が向上する。

本発明によれば、膜電極構造体の表面に付着する水の量を低減して、燃料ガスと酸化ガスの電気化学反応を促進して、発電効率を向上することができる。

この発明のセパレータを用いた燃料電池の図３の１−１線断面図。 燃料電池の図３の２−２線断面図。 燃料電池の図１の３−３線断面図。 （ａ）（ｂ）は、この発明の燃料電池の別の実施形態を示す発電セルの半縦断面図。 燃料電池のガス流路形成部材の別の実施形態を示す正面図。 （ａ）は図５の４−４線断面図、（ｂ）は図５の５−５線断面図。 燃料電池のガス流路形成部材の別の実施形態を示す正面図。 （ａ）は図７の６−６線断面図、（ｂ）は図７の７−７線断面図。 従来の燃料電池の部分断面図。

以下、本発明を具体化した燃料電池の一実施形態を図１〜図６にしたがって説明する。
図１に示すように、この燃料電池を構成する発電セル１１は、中心部に位置する膜電極構造体１２と、該膜電極構造体１２の図示左側のアノード側に接合された燃料ガス流路形成部材１３と、膜電極構造体１２の図示右側のカソード側に接合された酸化ガス流路形成部材１４とを備えている。又、この膜電極構造体１２は、前記燃料ガス流路形成部材１３、酸化ガス流路形成部材１４の外側面に接合されたアノード側及びカソード側のセパレータ１５，１６を備えている。この発電セル１１が多数枚積層されて燃料電池スタックとして構成される。

前記膜電極構造体１２は、四角環状の絶縁材料よりなる枠体１７と、該枠体１７の内側に収容された固体高分子電解質膜１８と、該固体高分子電解質膜１８のアノード側及びカソード側の表面に積層されたガス拡散電極１９，２０とによって構成されている。

前記燃料ガス流路形成部材１３は前記枠体１７のアノード側の面に接合された四角環状のフレーム２１と、該フレーム２１の内側に収容された燃料ガス拡散部材２２とによって構成されている。前記酸化ガス流路形成部材１４は前記枠体１７のカソード側の面に接合された四角環状のフレーム２３と、該フレーム２３の内側に収容された酸化ガス拡散部材２４とによって構成されている。前記燃料ガス流路形成部材１３及び酸化ガス流路形成部材１４は同様に構成されている。図１に示すように、酸化ガス流路形成部材１４の酸化ガス拡散部材２４が酸化ガスを矢印で示すように上方から下方に流動させる構成となっているのに対し、燃料ガス流路形成部材１３の燃料ガス拡散部材２２は、図１において燃料ガスを紙面直交方向に流動させる構成となっている点が相違する。従って、以下では酸化ガス流路形成部材１４側のフレーム２３及び酸化ガス拡散部材２４について説明し、燃料ガス流路形成部材１３側のフレーム２１及び燃料ガス拡散部材２２の構成の説明を省略する。

図１に示すように、前記セパレータ１５，１６、枠体１７及びフレーム２１，２３の上部には、酸化ガスを各セル１１に供給するための共通の酸化ガス通路Ｔ１を形成する開口１５ａ，１６ａ，１７ａ，２１ａ，２３ａが形成されている。前記ガス拡散電極２０、前記セパレータ１６及びフレーム２３によって酸化ガス流路Ｒが形成されている。前記セパレータ１５，１６、枠体１７及びフレーム２１，２３の下部には、発電に用いられた酸化オフガスを各セル１１の酸化ガス流路Ｒから外部に排出するための共通の酸化オフガス通路Ｔ２を形成する開口１５ｂ，１６ｂ，１７ｂ，２１ｂ，２３ｂが形成されている。

前記酸化ガス流路Ｒには、前記酸化ガス拡散部材２４が収容されている。該酸化ガス拡散部材２４は、図３に示すように四角形状の区画板３１を備えている。この区画板３１は、図１に示すように前記酸化ガス流路Ｒを、ガス拡散電極２０側の内側酸化ガス流路Ｒ１と、セパレータ１６側の外側酸化ガス流路Ｒ２とに区画する。前記区画板３１には、図示しない成型装置により図１に示すように、ガス流変向手段としての複数のガス流変向部３２が前記セパレータ１６側に切り起こし成形されている。各ガス流変向部３２によって、前記外側酸化ガス流路Ｒ２側の酸化ガスが内側酸化ガス流路Ｒ１側に変向されるようになっている。前記区画板３１には、図２に示すように、水流変向手段としての複数の水流変向部３３が前記ガス拡散電極２０側に切り起こし成形されている。各水流変向部３３によって、発電時に内側酸化ガス流路Ｒ１内に生成され、ガス拡散電極２０の表面に付着した生成水が前記外側酸化ガス流路Ｒ２側に酸化ガスとともに流入されるようになっている。前記ガス流変向部３２は、図１に示すように、前記区画板３１に貫通された孔３２ａと、該孔３２ａを覆うように成形されたポケット状の変向板３２ｂとによって構成されている。前記水流変向部３３は、図２に示すように、前記区画板３１に貫通された孔３３ａと、該孔３３ａを覆うように成形されたポケット状の変向板３３ｂとによって構成されている。

図３に示すように、前記ガス流変向部３２及び水流変向部３３は、所定のピッチで上下方向及び水平方向にそれぞれほぼ均等に配設されている。
図１に示すように、前記セパレータ１５、ガス拡散電極１９及びフレーム２１によって形成された燃料ガス流路Ｆには、前記酸化ガス拡散部材２４と同様に構成された燃料ガス拡散部材２２が収容されている。この燃料ガス拡散部材２２の区画板３１によって、燃料ガス流路Ｆは、前記ガス拡散電極１９側の内側燃料ガス流路Ｆ１と、セパレータ１５側の外側燃料ガス流路Ｆ２とに区画されている。前記燃料ガス流路Ｆには、図示しないが、前記セパレータ１５，１６、枠体１７及びフレーム２１，２３に形成された共通の燃料ガス通路から燃料ガスが分配供給されるようになっている。発電に用いられた燃料オフガスは図示しない共通の燃料オフガス通路から外部に排出されるようになっている。

次に、前記のように構成された燃料電池の作用について説明する。
燃料電池の発電状態においては、図示しない燃料ガス供給装置によって、図示しない共通の燃料ガス供給通路から前記燃料ガス流路Ｆに燃料ガスとしての水素ガスが供給される。又、図示しない酸化ガス供給装置によって、酸化ガス通路Ｔ１に酸化ガスが供給され、この酸化ガスは図１の矢印で示すように、酸化ガス流路Ｒに供給される。そして、外側酸化ガス流路Ｒ２に流入された酸化ガスの一部は、前記ガス流変向部３２によって内側酸化ガス流路Ｒ１に流入され、ガス拡散電極２０に供給される。一方、内側酸化ガス流路Ｒ１側に流入した酸化ガスの一部は、内側酸化ガス流路Ｒ１を通して下方に導かれるとともに、残りの酸化ガスは、水流変向部３３によって、内側酸化ガス流路Ｒ１から外側酸化ガス流路Ｒ２側に流入される。このようにして、内側酸化ガス流路Ｒ１及び外側酸化ガス流路Ｒ２の内部に流入した酸化ガスは、前記ガス流変向部３２及び水流変向部３３によって内側酸化ガス流路Ｒ１及び外側酸化ガス流路Ｒ２との間で流入出を繰り返して、酸化ガス流路Ｒの下流側に流動される。又、発電によってカソード側の内側酸化ガス流路Ｒ１に生じた生成水は、前記ガス拡散電極２０の表面に付着しようとする。この生成水は、内側酸化ガス流路Ｒ１内を流れる酸化ガスによって、下方に流動され、酸化ガスとともに各水流変向部３３によって内側酸化ガス流路Ｒ１から外側酸化ガス流路Ｒ２に導かれる。外側酸化ガス流路Ｒ２に導かれた生成水は、区画板３１の外側酸化ガス流路Ｒ２側の表面に沿って下方に流動され、酸化オフガスとともに酸化オフガス通路Ｔ２の内部に導かれ、その後、燃料電池スタックの外部に排出される。

前記内側酸化ガス流路Ｒ１内の生成水の一部は、膜電極構造体１２のガス拡散電極２０、固体高分子電解質膜１８及びガス拡散電極１９を通して内側燃料ガス流路Ｆ１側に浸透水として浸入する。この浸透水は、前記酸化ガス拡散部材２４の水流変向部３３の作用と同様にして、内側燃料ガス流路Ｆ１から外側燃料ガス流路Ｆ２側に導かれる。

上記実施形態の燃料電池によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）上記実施形態では、図１に示すように、フレーム２３の酸化ガス流路Ｒに収容された酸化ガス拡散部材２４の区画板３１にガス流変向部３２及び水流変向部３３を設け、多数のガス流変向部３２によって、外側酸化ガス流路Ｒ２を流れる酸化ガスを内側酸化ガス流路Ｒ１側に導くようにした。このため、外側酸化ガス流路Ｒ２を流れる酸化ガスを内側酸化ガス流路Ｒ１側に導くことができ、前記ガス拡散電極２０に作用する酸化ガスの流量が多くなって、水素と酸素の電気化学反応が促進され、発電効率を向上することができる。

（２）上記実施形態では、酸化ガス拡散部材２４を構成する区画板３１に複数の水流変向部３３を設け、前記ガス拡散電極２０の表面に付着した生成水を酸化ガスとともに水流変向部３３を通して内側酸化ガス流路Ｒ１側から外側酸化ガス流路Ｒ２側に流入させることができる。この結果、生成水がガス拡散電極２０の表面に付着することによって、酸化ガスがガス拡散電極２０に供給される供給量が不足するのを解消することができ、水素と酸素の電気化学反応が促進され、この点からも発電効率を向上することができる。

（３）上記実施形態では、前記区画板３１に対しガス流変向部３２及び水流変向部３３を成形装置によって切り起こし成形したので、部品点数を低減して、酸化ガス拡散部材２４の製造を容易に行うことができ、酸化ガス拡散部材２４の組付作業を容易に行い、コストを低減することができる。
（第２の実施形態）
次に、図４に基づいて、この発明の第２の実施形態の燃料電池について説明する。

この実施形態においては、図４（ａ）に示すように、前記内側酸化ガス流路Ｒ１の上流側の前記ガス拡散電極２０と区画板３１との間に、四角棒状のシール部材３５を介在させ、酸化ガス通路Ｔ１からの酸化ガスが外側酸化ガス流路Ｒ２の上流側の開口部のみから酸化ガス流路Ｒに流入されるようにしている。

この実施形態においては、前記シール部材３５によって、内側酸化ガス流路Ｒ１の上流側開口部が閉塞されているので、酸化ガス通路Ｔ１から外側酸化ガス流路Ｒ２に流入した酸化ガスが多数のガス流変向部３２によって、外側酸化ガス流路Ｒ２から内側酸化ガス流路Ｒ１に流入するガス流量が増加し、ガス拡散電極２０への酸化ガスの供給量が第１の実施形態の燃料電池よりも増加し、発電効率をさらに向上することができる。
（第３の実施形態）
この実施形態においては、図５に示すように、前記酸化ガス拡散部材２４に形成された水流変向部３３を省略し、該水流変向部３３の箇所に、毛細管作用により生成水をガス拡散電極２０の表面から離隔させる水流変向部３４を絞り成形している。この水流変向部３４は、図６（ａ）に示すように、前記区画板３１からガス拡散電極２０の表面に近づくほど小径寸法となる円錐台筒状部３４ａと、該円錐台筒状部３４ａの先端部に形成された開口３４ｂとによって形成されている。この水流変向部３４は前記ガス拡散電極２０に接触され、該ガス拡散電極２０の表面及びガス拡散電極２０の内部に含浸された生成水を、水流変向部３４の開口３４ｂの毛管作用によってガス拡散電極２０から離隔し、内側酸化ガス流路Ｒ１側から外側酸化ガス流路Ｒ２側に導くようになっている。

図７及び図８に示すように、前記水流変向部３４の円錐台筒状部３４ａの内周面に、円錐台筒状部３４ａ内に導入された水を下方に円滑に流動させるための導水溝３４ｃを形成してもよい。
（変更例）
なお、上記実施形態は以の下のように変更してもよい。

前記実施形態では、アノード側の燃料ガス拡散部材２２及びカソード側の酸化ガス拡散部材２４にガス流変向部３２及び水流変向部３３を設けたが、カソード側のみに酸化ガス拡散部材２４を設けでもよい。又、アノード側のみに燃料ガス拡散部材２２を設けてもよい。

１２…膜電極構造体、１５，１６…セパレータ、３１…区画板、３２…ガス流変向部、３３，３４…水流変向部、３４ａ…円錐台筒状部、３４ｂ…開口、３４ｃ…導水溝、３５…シール部材。

Claims (4)

1. 膜電極構造体の表面とアノード側及びカソード側のセパレータとの間にアノード側及びカソード側のガス流路を形成するガス流路形成部材を介在させた燃料電池において、
   前記ガス流路形成部材にガス流を膜電極構造体に向かって変向させるためのガス流変向手段を設けるとともに、膜電極構造体の表面に沿って流れる水を該表面から離隔する方向に変向させるための水流変向手段を設け、
   前記ガス流路形成部材は、ガス流路を膜電極構造体側の内側ガス流路とセパレータ側の外側ガス流路との二つのガス流路に区画する区画板と、該区画板に切り起こし成形され、かつ外側ガス流路のガス流を内側ガス流路に変向させるための複数のガス流変向部と、前記区画板に切り起こし成形され、かつ内側ガス流路内の水を外側ガス流路に変向させるための水流変向部とにより構成されていることを特徴とする燃料電池。
2. 請求項１において、前記内側ガス流路の上流側入口は、シール部材によって閉塞されていることを特徴とする燃料電池。
3. 請求項１又は２において、前記水流変向部は、膜電極構造体の表面に接触され、かつ該表面側の水を毛細管作用によって、該表面から離隔させて外側ガス流路に導くように円錐筒状に構成されていることを特徴とする燃料電池。
4. 請求項３において、前記膜電極構造体と前記ガス流路形成部材とを備えた発電セルにより構成され、前記発電セルはガス流を上方から下方へ移動させるように配置され、前記水流変向部の円錐筒状の内周面には水を下方に導く導水溝が形成されていることを特徴とする燃料電池。

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