JP5552985B2 - 燃料電池 - Google Patents
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Description
[形態1]
燃料電池であって、
電解質膜と前記電解質膜の両面に積層された電極とを含む膜電極接合体と、前記膜電極接合体の一方の面に積層された第1のガス拡散層と、前記膜電極接合体の他方の面に積層された第2のガス拡散層と、を有する発電モジュールと、
前記発電モジュールの前記第1のガス拡散層側に更に積層された第1のセパレータと、を備え、
前記第1のセパレータの2つの面のうち前記第1のガス拡散層と対向する面には、前記燃料電池の設置状態において、
下流側が閉塞した水平方向に延びる凹状の一次流路であって、外部から供給された第1の反応ガスを流通させる一次流路と、
上流側が閉塞し、水平方向に延びると共に前記一次流路の上下にそれぞれ位置する凹状の二次流路であって、前記第1のガス拡散層を介して導入された前記第1の反応ガスを外部へ排出させるための二次流路と、
前記一次流路と前記二次流路との間に配置され、面方向において前記一次流路と前記二次流路とを区画する凸状の流路壁部と、が設けられ、
前記第1のガス拡散層は、前記発電モジュールの各構成の積層方向に沿って見たときに、前記一次流路の上側に設けられた前記流路壁部である上部流路壁部と重なる領域である上部領域と、前記一次流路の下側に設けられた前記流路壁部である下部流路壁部と重なる領域である下部領域とを有し、
前記上部領域は、前記一次流路と前記二次流路とを繋ぐように切り込みが形成されていることで、前記下部領域よりも透気度が高い部分を有する、燃料電池。
この形態の燃料電池によれば、第1のガス拡散層に切り込みを形成することで容易に透気度が高い部分を形成することができる。
[形態2]
形態1に記載の燃料電池であって、
前記切り込みは、前記一次流路側から前記二次流路側に向かうに従い、前記一次流路及び前記二次流路を流れる前記第1の反応ガスの流れ方向について、下流側に位置するように形成されている、燃料電池。
[形態3]
形態1又は形態2に記載の燃料電池であって、
前記切り込みは、複数箇所に形成され、
前記一次流路及び前記二次流路を流れる前記第1の反応ガスの流れ方向について、
上流側から下流側に向かうに従って、隣り合う前記切り込みの距離が短くなる、燃料電池。
[形態4]
形態3に記載の燃料電池であって、
前記上流側から前記下流側に向かうに従って、前記切り込みの幅が大きくなる、燃料電池。
電解質膜と前記電解質膜の両面に積層された電極とを含む膜電極接合体と、前記膜電極接合体の両面に積層された第1と第2のガス拡散層と、を有する発電モジュールと、
前記発電モジュールの前記第1のガス拡散層側に更に積層された第1のセパレータと、を備え、
前記第1のセパレータの2つの面のうち前記第1のガス拡散層と対向する面には、前記燃料電池の設置状態において、
下流側が閉塞した略水平方向に延びる凹状の一次流路であって、外部から供給された第1の反応ガスを流通させる一次流路と、
上流側が閉塞し、略水平方向に延びると共に前記一次流路の上下にそれぞれ位置する凹状の二次流路であって、前記第1のガス拡散層を介して導入された前記第1の反応ガスを外部へ排出させるための二次流路と、
前記一次流路と前記二次流路との間に配置され、面方向において前記一次流路と前記二次流路とを区画する凸状の流路壁部と、が設けられ、
前記第1のガス拡散層は、前記発電モジュールの各構成の積層方向に沿って見たときに、前記一次流路の上側に設けられた前記流路壁部である上部流路壁部と重なる領域である上部領域と、前記一次流路の下側に設けられた前記流路壁部である下部流路壁部と重なる領域である下部領域とを有し、
前記上部領域と前記下部領域とは、少なくとも一部において、ガス拡散性と親水性の少なくとも一方の程度が異なるように構成されている、燃料電池。
前記上部領域の少なくとも一部は、前記下部領域よりも高い親水性を有する、燃料電池。
前記上部領域の少なくとも一部は、前記下部領域よりも高いガス拡散性を有する、燃料電池。
前記下部領域の少なくとも一部は、前記上部領域よりも高いガス拡散性を有する、燃料電池。
下部領域では、重力が加わる方向と反応ガスの流れが同じ方向(重力下方向)であるため、上部領域に比べ多くの水が存在する傾向にある。適用例4に記載の燃料電池によれば、下部領域の少なくとも一部は、上部領域よりも高いガス拡散性を有することから、一次流路を流れる第1の反応ガスのより多くを下部領域に分配することができる。よって、第1の反応ガスの流れによって、下部領域の水を二次流路へと容易に移動させることができる。これにより、下部領域に滞留する水の量を低減できるため第1のガス拡散層内の面方向の水の分布のばらつきを低減できる。よって、電極に供給される反応ガスの量にばらつきが生じる可能性を低減できる。
前記上部領域と前記下部領域のいずれか一方の少なくとも一部は、他の領域よりも透気度が高い部分を有する、燃料電池。
一般に、透気度が高いほど、ガス拡散性が高くなる。適用例5に記載の燃料電池によれば、上部領域と下部領域のいずれか一方の一部の透気度を、他の領域の透気度よりも高くすることで、第1のガス拡散層内の面方向の水の分布のばらつきを低減できる。ここで、「透気度」とは、板状(膜状)の繊維基材や多孔質基材について、一方の面の側と他方の面の側との間に所定の圧力差を付与したときに、当該基材を厚み方向に通過する気体の単位時間あたりの量として求めることができる値である。
前記上部領域に、前記一次流路と前記二次流路とを繋ぐように切り込みが形成されている、燃料電池。
適用例6に記載の燃料電池によれば、第1のガス拡散層に切り込みを形成することで容易にガス拡散性の程度を高くすることができる。
前記切り込みは、前記一次流路側から前記二次流路側に向かうに従い、前記一次流路及び前記二次流路を流れる前記第1の反応ガスの流れ方向について、下流側に位置するように形成されている、燃料電池。
適用例7に記載の燃料電池によれば、一次流路と二次流路の反応ガスの流れ方向に沿って切り込みが形成されていることから、第1の反応ガスの流れを効率良く利用して一次流路の水を切り込みを介して二次流路に移動させることができる。これにより、第1のガス拡散層内の面方向の水の分布のばらつきを低減し、電極に供給される反応ガスの量にばらつきが生じる可能性を低減できる。
前記切り込みは、複数箇所に形成され、
前記一次流路及び前記二次流路を流れる前記第1の反応ガスの流れ方向について、
上流側から下流側に向かうに従って、隣り合う前記切り込みの距離が短くなる、燃料電池。
一般に、一次流路や二次流路の反応ガスの流れ方向について、一次流路において、下流側の方が上流側よりも存在する水の量が多くなる傾向にある。適用例9に記載の燃料電池によれば、下流側に向かうに従って、隣り合う切り込み同士の距離が短くなることから、より多くの水が存在する領域部分において、切り込みを介して一次流路から二次流路により多くの水を移動させることができる。これにより、一次流路内に水が滞留する可能性をより低減できるため、電極に供給される反応ガスの量をより均一にできる。
前記上流側から前記下流側に向かうに従って、前記切り込みの幅が大きくなる、燃料電池。
適用例9に記載の燃料電池によれば、一次流路の下流側に存在するより多くの水を、切り込みを介して一次流路から二次流路へと移動させることができる。これにより、一次流路内に水が滞留する可能性をより低減できるため、電極に供給される反応ガスの量をより均一にできる。
前記上部流路壁部と前記下部流路壁部のいずれか一方の流路壁部は、他方の流路壁部よりも幅の小さい狭小部分を有する、燃料電池。
適用例10に記載の燃料電池によれば、第1のセパレータの流路壁部の幅を小さくすることによって、幅を小さくした流路壁部と重なる第1のガス拡散層のガス拡散性の程度を容易に高くすることができる。
前記狭小部分の幅は、前記一次流路及び前記二次流路を流れる前記第1の反応ガスの流れ方向について、上流側から下流側に向かうに従って単調減少する、燃料電池。
適用例11に記載の燃料電池によれば、水がより多く存在する一次流路及び第1のガス拡散層の下流側に向かうに従ってガス拡散性の程度を高くすることで、下流側に存在するより多くの水を一次流路から二次流路に容易に移動させることができる。これにより、第1の反応ガスの流通を良好に維持でき、電極に供給される反応ガスの量にばらつきが生じる可能性を低減できる。
前記上部領域と前記下部領域のいずれか一方の領域は、他方の領域よりも厚みの大きい肉厚部分を有する、燃料電池。
適用例12に記載の燃料電池によれば、第1のガス拡散層の厚みを大きくすることで、ガス拡散性の程度を容易に高くすることができる。
A.各種実施例及び変形態様:
B.変形例:
A−1:第1実施例:
図1は、本発明の第1実施例としての燃料電池1の構成を示す概略図である。図1では方向を特定するために互いに直交するXYZ軸を付している。なお、これ以降の図についても、必要に応じて互いに直交するXYZ軸を付している。燃料電池1は、水素と酸素の供給を受けて発電する固体高分子型燃料電池である。燃料電池1は、例えば車両等の移動体に搭載され、移動体の動力源として使用される。また、定置型の家庭用電源としても使用される。燃料電池1の設置状態では、Z軸方向が重力方向となり、Z軸負方向が重力下方向となる。燃料電池1は、複数の単セル10が積層されたスタック構造を有する。単セル10は、発電モジュール20と、発電モジュール20を挟むように両側に積層(配置)されたアノードセパレータ30及びカソードセパレータ50とを備える。
図7は、第2実施例の燃料電池1aを説明するための図である。図7(A)は第1実施例の図5(A)に相当する図であり、図7(B)は第1実施例の図5(B)に相当する図である。第2実施例の燃料電池1aと第1実施例の燃料電池1との違いは、アノードガス拡散層24aの構成である。その他の構成(例えばアノードセパレータ30等)は第1実施例と同様の構成であるため、同様の構成については同一符号を付すと共に説明を省略する。
図8は、第3実施例の燃料電池1bを説明するための図である。図8(A)は第1実施例の図5(A)に相当する図であり、図8(B)は第1実施例の図5(B)に相当する図である。第3実施例の燃料電池1bと第1実施例の燃料電池1との違いは、アノードガス拡散層24aの構成である。その他の構成(例えばアノードセパレータ30等)は第1実施例と同様の構成であるため、同様の構成については同一符号を付すと共に説明を省略する。
図9は、第3実施例の変形態様を説明するための図である。図9(A)は第3実施例の第1の変形態様を説明するための図である。図9(B)は第3実施例の第2の変形態様を説明するための図である。図9(A)は、第1の変形態様のアノードガス拡散層24b1の構成を模式的に示した図であり、図8(B)に相当する図である。図9(B)は、第2変形態様のアノードガス拡散層24b2の構成を模式的に示した図であり、図8(B)に相当する図である。なお、図9(A)及び図9(B)は、アノードガス拡散層24b1,24b2の各領域24e〜24iを全長に亘って図示している。また、図中の矢印の向きは、アノードセパレータ30の一次流路32in及び二次流路32outを流れる水素ガスの向きを表している。
図10及び図11を用いて第4実施例の説明を行う。図10は、第4実施例のアノードセパレータ30cを説明するための図である。図10は、図2に相当する図であり、アノードセパレータ30cをY軸正方向から見たときの図である。図11は、第4実施例の燃料電池1cを説明するための図である。図11(A)は第1実施例の図5(A)に相当する図であり、図11(B)は第1実施例の図5(B)に相当する図である。なお、図11(B)には、アノードセパレータ30cの一次流路32in及び二次流路32outを流れる水素の流れを矢印で示している。第1実施例の燃料電池1(図5)との違いは、アノードセパレータ30cとアノードガス拡散層24cの構成である。その他の構成(例えば、一次流路32in等)については同様の構成であるため、同様の構成については同一符号を付すと共に説明を省略する。
図12は、第4実施例の変形態様のアノードセパレータ30dを説明するための図である。上記第4実施例では、上部流路壁部35fcは全長に亘って下部流路壁部35gよりも幅が小さい構成であったが、これに限定されるものではない。上部流路壁部35fcの上流端から下流端の間の少なくとも一部において、下部流路壁部35gよりも幅の小さい狭小部分を有すれば良い。この場合において、上流側よりも下流側の方がより幅が小さくなるように構成することが好ましい。例えば、図12に示すように、上流側よりも下流側の方が、幅を次第に小さくすることが好ましい。上流側よりも下流側の方が上部流路壁部35fdの幅を小さくすることで、より多くの水が滞留する一次流路32inの下流側の水を二次流路32outにスムーズに移動させることができる。なお、上流側から下流側に向かうに従って、次第に幅が小さくなる構成でなくても良い。例えば、上部流路壁部35fdは、上流側から下流側に向かうに従って段階的に幅が小さくなる構成でも良い。すなわち、上部流路壁部35fdは上流側から下流側に向かうに従って幅が単調減少する構成でも良い。こうすることで、より多くの水が存在する一次流路32in(詳細には上部32in1)の水をスムーズに二次流路32outに移動させることができる。これにより、上記第4実施例と同様の効果を奏する。
図13及び図14を用いて第5実施例の燃料電池1eについて説明を行う。図13は、第5実施例のアノードセパレータ30eについて説明するための図であり、アノードセパレータ30eをY軸正方向側から見た図である。図14は、第5実施例の燃料電池1eを説明するための図である。図14(A)は第1実施例の図5(A)に相当する図であり、図14(B)は第1実施例の図5(B)に相当する図である。なお、図14(B)には、アノードセパレータ30eの一次流路32in及び二次流路32outを流れる水素の流れを矢印で示している。第1実施例の燃料電池1(図5)との違いは、アノードセパレータ30eとアノードガス拡散層24e1の構成である。その他の構成(例えば、一次流路32in等)については第1実施例と同様の構成であるため、同様の構成については同一符号を付すと共に説明を省略する。
幅Tf:幅Tg=Pg:Pf (1)
ここで、Pfは所定の発電量(発電量Wt)における上部領域24fの圧力損失であり、Pgは所定の発電量(発電量Wt)における下部領域24gの圧力損失である。
図16は第6及び第7実施例の燃料電池1f,1gを説明するための図である。図16(A)は第6実施例の燃料電池1fを説明するための図であり、第1実施例の図5(A)に相当する図である。図16(B)は第7実施例の燃料電池1gを説明するための図であり、第1実施例の図16(B)に相当する図である。第6実施例の燃料電池1fと第1実施例の燃料電池1との違いは、アノードガス拡散層24f1の構成である。その他の構成(例えば、一次流路32in等)については第1実施例と同様の構成であるため、同様の構成については同一符号を付すと共に説明を省略する。また、第7実施例の燃料電池1gと第1実施例の燃料電池1との違いは、アノードガス拡散層24g1とアノードセパレータ30gの構成である。その他の構成については第1実施例と同様の構成であるため、同様の構成については同一符号を付すと共に説明を省略する。
上記第6実施例では、下部領域24gは、上部領域24fを含む他の領域よりも透気度の程度が高い構成であったが、上部領域24fの透気度の程度を、下部領域24gを含む他の領域よりも低くしても良い。このようにしても、第6実施例と同様の効果を奏する。
上記第7実施例では、下部領域24gは、上部領域24fを含む他の領域よりも厚さが大きい構成であったが、上部領域24fの厚さを、下部領域24gを含む他の領域よりも小さくしても良い。このようにしても、第7実施例と同様の効果を奏する。例えば、上部流路壁部35fの厚さを下部流路壁部35ggの厚さよりも大きくし、上部領域24fへの荷重を増加させることで、厚さを小さくする。
図17は、第8実施例の燃料電池1hを説明するための図である。図17(A)は、第1実施例の図5(A)に相当する図であり、MEA20も図示されている。図17(B)は、第8実施例のアノード22kの作製方法を説明するための図である。第1実施例の燃料電池1との違いは、アノードガス拡散層24kの構成と、アノード22kの構成である。その他の構成(アノードセパレータ30等)については、第1実施例と同様の構成であるため、同様の構成については同一符号を付すと共に説明を省略する。
なお、上記実施例における構成要素の中の、特許請求の範囲の独立項に記載した要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。また、本発明の上記実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の形態において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
上記実施例では、アノードガス拡散層24,24a,24b,24b1,24b2,24c,24eにおいて、上部領域24fと下部領域24gとが少なくとも一部について親水性の程度やガス拡散性の程度が異なるように構成されていたが、これに限定されるものではない。カソードガス拡散層25においても、上部領域と下部領域とが少なくとも一部において親水性の程度やガス拡散性の程度が異なるように構成されても良い。このようにしても上記実施例と同様の効果を奏する。また、両方のガス拡散層24,24a,24b,24b1,24b2,24c,24e,25において、上部領域と下部領域とが少なくとも一部において親水性の程度やガス拡散性の程度が異なるように構成されても良い。このようにしても上記実施例と同様の効果を奏する。
また、上記実施例では、アノードセパレータ30c,30d,30eについて、上部流路壁部35fと下部流路壁部35gのいずれか一方の少なくとも一部の幅を小さくするようにしたが、これに限定されるものではない。例えば、カソードセパレータ50においても、上部流路壁部と下部流路壁部のいずれか一方の少なくとも一部の幅を小さくするようにしても良いし、両方のセパレータ30c,30d,30e,50について、上部流路壁部と下部流路壁部のいずれか一方の少なくとも一部の幅を小さくするようにしても良い。このようにしても、上記実施例と同様の効果を奏する。
また、上記実施例では、アノード22k(図17)において、電気化学的表面積を変化させたが、カソード23に適用しても良い。また、両極に適用しても良い。このようにしても、上記実施例と同様の効果を奏する。
上記実施例では、燃料電池1〜1hに固体高分子型燃料電池を用いたが、リン酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、固体酸化物形燃料電池等、種々の燃料電池を用いることができる。
1a…燃料電池
1b…燃料電池
1c…燃料電池
1d…燃料電池
1e…燃料電池
1f…燃料電池
1g…燃料電池
1h…燃料電池
1k…参照燃料電池
10…単セル
20…発電モジュール
21…電解質膜
22…アノード
22e…一次電極領域
22f…上部電極領域
22g…下部電極領域
22h…二次上部電極領域
22i…二次下部電極領域
22k…アノード
23…カソード
24out…二次流路
24…アノードガス拡散層
24a…アノードガス拡散層
24b…アノードガス拡散層
24c…アノードガス拡散層
24e…一次領域
24f…上部領域
24g…下部領域
24h…二次上部領域
24i…二次下部領域
24k…アノードガス拡散層
24b1…アノードガス拡散層
24b2…アノードガス拡散層
24e1…アノードガス拡散層
24f1…アノードガス拡散層
24g1…アノードガス拡散層
25…カソードガス拡散層
28…外周シール部
30…アノードセパレータ
30c…アノードセパレータ
30d…アノードセパレータ
30e…アノードセパレータ
30g…アノードセパレータ
31…供給側連絡流路
32in…一次流路
32out…二次流路
32in1…上部
32in2…下部
32…反応ガス流路
33…突起部
35…流路壁部
35f…上部流路壁部
35g…下部流路壁部
35fc…上部流路壁部
35fd…上部流路壁部
35gc…下部流路壁部
35ge…下部流路壁部
35gg…下部流路壁部
36…合流流路
37…排出側連絡流路
38…分配流路
50…カソードセパレータ
51…供給側連絡流路
52out…二次流路
52in…一次流路
53…突起部
56…合流流路
57…排出側連絡流路
58…分配流路
M1…燃料ガス供給マニホールド
M2…燃料ガス排出マニホールド
M3…酸化剤ガス供給マニホールド
M4…酸化剤ガス排出マニホールド
M5…冷却媒体供給マニホールド
M6…冷却媒体排出マニホールド
GE…発電領域
GW…水
Claims (4)
- 燃料電池であって、
電解質膜と前記電解質膜の両面に積層された電極とを含む膜電極接合体と、前記膜電極接合体の一方の面に積層された第1のガス拡散層と、前記膜電極接合体の他方の面に積層された第2のガス拡散層と、を有する発電モジュールと、
前記発電モジュールの前記第1のガス拡散層側に更に積層された第1のセパレータと、を備え、
前記第1のセパレータの2つの面のうち前記第1のガス拡散層と対向する面には、前記燃料電池の設置状態において、
下流側が閉塞した水平方向に延びる凹状の一次流路であって、外部から供給された第1の反応ガスを流通させる一次流路と、
上流側が閉塞し、水平方向に延びると共に前記一次流路の上下にそれぞれ位置する凹状の二次流路であって、前記第1のガス拡散層を介して導入された前記第1の反応ガスを外部へ排出させるための二次流路と、
前記一次流路と前記二次流路との間に配置され、面方向において前記一次流路と前記二次流路とを区画する凸状の流路壁部と、が設けられ、
前記第1のガス拡散層は、前記発電モジュールの各構成の積層方向に沿って見たときに、前記一次流路の上側に設けられた前記流路壁部である上部流路壁部と重なる領域である上部領域と、前記一次流路の下側に設けられた前記流路壁部である下部流路壁部と重なる領域である下部領域とを有し、
前記上部領域は、前記一次流路と前記二次流路とを繋ぐように切り込みが形成されていることで、前記下部領域よりも透気度が高い部分を有する、燃料電池。 - 請求項1に記載の燃料電池であって、
前記切り込みは、前記一次流路側から前記二次流路側に向かうに従い、前記一次流路及び前記二次流路を流れる前記第1の反応ガスの流れ方向について、下流側に位置するように形成されている、燃料電池。 - 請求項1又は請求項2に記載の燃料電池であって、
前記切り込みは、複数箇所に形成され、
前記一次流路及び前記二次流路を流れる前記第1の反応ガスの流れ方向について、
上流側から下流側に向かうに従って、隣り合う前記切り込みの距離が短くなる、燃料電池。 - 請求項3に記載の燃料電池であって、
前記上流側から前記下流側に向かうに従って、前記切り込みの幅が大きくなる、燃料電池。
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