JP5678276B2 - 燃料電池 - Google Patents
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Description
以下、本発明を具体化した第1実施形態の燃料電池を図1〜図6を参照して説明する。図6に示すように、燃料電池10は、単セル12(図2参照)が多数積層されたスタック構造を有し、その両端に一対の集電板11、前記集電板11の外側に絶縁板13及び前記絶縁板13の外側にエンドプレート15を配置して、締め付けボルト17で両端の前記エンドプレート15に挟まれた単セル群等を積層した状態で締め付けされている。
図2に示すように、単セル12は、固体高分子電解質膜(以下、単に「電解質膜」という)14の両面に電極であるアノード16とカソード18が配置された膜電極接合体(MEA:Membrane−Electrode Assembly、以下MEAという)20と、MEA20を両面から挟み込む第1セパレータ22,第2セパレータ24、及び第1セパレータ22とMEA20間、第2セパレータ24とMEA20間にそれぞれ配置される多孔体26,28とを備えている。
電解質膜14は、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を有する固体高分子材料で作製されている。固体高分子材料としてはフッ素系の高分子膜(例えば、デュポン社製のナフィオン膜等)がある。
第1セパレータ22は、導電性を有するチタンよりなる。なお、第1セパレータ22の材質はチタンに限定されるものではなく、導電性を有する炭素系や金属系を用いることができる。図2、図3に示すように第1セパレータ22とMEA20間は、酸化剤ガス流路30となる。酸化剤ガス流路30は、燃料電池10に設けられた前記酸化剤ガス供給口及び酸化剤ガス排出口に対して、図示しないマニホールドホールを介して接続されている。
前記突条35がプレス成形されることより、第2セパレータ24側に相対する面には、第1流路方向Uに延びる溝36が形成されるとともに、各突条35間には、図1、図2に示すように複数の第1溝35bが形成されている。又、突条35のMEA20に相対する壁部35aは、図1に示すように平面に形成されるとともに、図2,図3に示すように酸化剤ガス流路30の上流側であるMEA20のカソード18(ガス拡散層18b)に対して密接されている。
第2セパレータ24は、導電性を有するチタンよりなる。なお、第2セパレータ24の材質はチタンに限定されるものではなく、導電性を有する炭素系や金属系を用いることができる。
又、第2セパレータ24の各溝46と、第1セパレータ22の各溝36とは、図3において、Aの範囲でオーパラップするように配置されている。このオーパラップする部分において、溝36と溝46とが連通されている。
このようにして、隣接する第1セパレータ22と第2セパレータ24との間において、溝36,46を流路本体とし、第1セパレータ22の短片34と第2セパレータ24の平板部42間を流路本体の入口とし、第2セパレータ24の短片44と第1セパレータ22の平板部32間を流路本体の出口とする冷却媒体流路50が形成されている。
次に、多孔体26,28について説明する。多孔体26,28は同一構成であるため、図4を参照して多孔体26について説明する。なお、多孔体28を構成する各部の構成において、多孔体26と同一構成に対しては、多孔体26の各構成に付した番号26のサフィックスの符号を番号28に付す。
次に、本実施形態の作用について説明する。
燃料電池10の発電が行われると、図2に示す酸化剤ガス流路30及び燃料ガス流路40には、それぞれ酸化剤ガス(本実施形態では空気)及び燃料ガス(本実施形態では水素ガス)が互いに対向流となるように通過する。又、冷却媒体流路50には、酸化剤ガス流路30を通過する酸化剤ガスの流れと平行流となる冷却媒体(本実施形態では冷却水)が通過する。
発電により、酸化剤ガス流路の下流側は、空気中の酸素が消費されて濃度低下を起こすとともに、カソード18側の電極触媒層18a、ガス拡散層18b及び多孔体26において生成水が生成され、この生成水の結露により形成された水滴は、多孔体26のガス流路26cを流れる酸化剤ガス(酸化オフガス)により外部に導出される。上記のように本実施形態では、酸化剤ガス流路30の下流側に多孔体26が配置されているため、生成水によるガス拡散層18bにおけるガス拡散の阻害を抑制して、燃料電池10の発電性能を高めるとともに、排水性が向上することにより生成水が溜まりやすい常温域での電圧安定性を向上させる。
(1) 本実施形態の燃料電池10は、MEA20(膜電極接合体)を、第1セパレータ22及び第2セパレータ24間に配置して、MEA20の両面と両セパレータ間に、酸化剤ガスと燃料ガスの流れが対向流となる酸化剤ガス流路30及び燃料ガス流路40を有した単セル12を構成して、前記単セル12を複数積層している。又、酸化剤ガス流路30は、その上流側が第1セパレータ22に複数併設された第1溝35bとMEA20間で区画される第1溝流路を備えるとともに下流側にはガス拡散を行う多孔体26(第1多孔体)が配置されている。燃料ガス流路40は、その上流側が第2セパレータ24に複数併設された第2溝45bとMEA20間で区画される第2溝流路を備えるとともに下流側にはガス拡散を行う多孔体28(第2多孔体)が配置されている。又、互いに隣接する単セル12の第1セパレータ22と第2セパレータ24間には、空気(酸化剤ガス)の流れと平行流となる冷却水(冷却媒体)が通過する冷却媒体流路50が形成されている。冷却媒体流路50の上流側が下流側よりもMEA20の酸化剤ガス流路30側の部位に近位に位置するように配置されている。この結果、本実施形態によれば、高温性能及び高温・無加湿性能の向上及び発電性能を向上できるとともに、特に水分の多い酸化剤ガス流路下流側の排水性・ガス拡散性を良好にして、常温域での電圧安定性を向上することができる。又、高温・無加湿性能の向上及び発電性能を向上できる結果、小型化及び低コスト化できるとともに、小型化ができる。
次に、第2実施形態を、図7(a)、(b)及び図8を参照して説明する。第2実施形態は、第1実施形態の構成中、多孔体26の代わりに図7(a)に示す多孔体70が、及び多孔体28の代わりに多孔体80が、燃料電池10において、前記多孔体26,28を配置したスペースにそれぞれ配置されている。なお、多孔体70,80の構成以外は、第1実施形態と同一構成又は相当する構成については同一符号を付す。
多孔体70は、第1セパレータ22に近接配置される平板部72)と、カソード18のガス拡散層18bに接触するように前記平板部72に一体に切り起こし成形されて多数の突部74及び水流路形成突部76を備えている。突部74は、第1流路方向Uと直交するQ方向から見て偏平台形状をなす。なお、前記突部74は半円弧状にしてもよい。
図7(a)、図8に示すように、前記水流路形成突部76によって第1セパレータ22と平板部72との間に所定の隙間が形成されている。この隙間が生成水を第1流路方向Uにおいて、下流側から流路本体の出口へ排出するように導くための第1水流路としての水流路78となっている。図7(b)の二点鎖線は、前記水流路形成突部76によって第1セパレータ22と平板部72との間に所定の隙間が形成された水流路78を透視図的に描いたものである。
前記突部74の多数の切り起こしによって、前記流路方向から見て各突部74の左右両側に成形された開口が酸化剤ガス流路30と水流路78を連通する第1連通孔としての連通路75となっている。酸化剤ガス流路30の深さ(例えば100μm〜500μm)は、水流路78の深さ(5μm〜30μm)よりも深く形成され、水流路78の毛管作用によって、酸化剤ガス流路30側の生成水が連通路75を通して水流路78に吸い込まれるようにしている。
図7(a)に示すように、前記水流路形成突部86によって第2セパレータ24と平板部82との間に所定の隙間が形成されている。この隙間が浸透水を第2流路方向Pにおいて、下流側から流路本体の出口へ排出するように導くための第2水流路としての水流路88となっている。
なお、二点鎖線の矢印の向きとは180度反対方向が、多孔体80の場合の水流路88における浸透水の流れる方向となる。
上記のよう構成された燃料電池10の作用を説明する。
酸化剤ガス流路30の下流側において水流路78が設けられているため、カソード18側の多孔体70内の生成水が連通路75を通して毛管作用によって、水流路78に吸い込まれる。そして、水流路78内の生成水は、酸化剤ガス流路30を流れる酸化剤ガスの流動圧力によって排出されて排水性が向上し、このため、電極触媒層18aに酸化剤ガスが適正に供給される。そのため、酸化剤ガス欠乏の発生が回避され、発電効率が向上する。又、酸化剤ガス流路30に生成水が残留するのが防止され、酸化剤ガス流路30内を流れる酸化剤ガスの生成水による圧力損失が低減されて発電効率が向上する。又、前述のように生成水の排水性が向上するため、生成水が滞留しやすい常温域での電圧安定性をも向上させることができる。
(1) 本実施形態の燃料電池10は、第1セパレータ22と多孔体70(第1多孔体)間には、多孔体70が有する連通路75(第1連通孔)に連通する水流路78(第1水流路)が形成されている。又、連通路75(第1連通孔)を介して水流路78に移動した水が、酸化剤ガスの流動圧力によって水流路78を流れて酸化剤ガス流路30の下流側へ移動させる。このように、水流路78が形成されてその水流路に移動した水を酸化剤ガスの流動圧力によって排出することができ、このため排水性が向上できるとともに電極触媒層に酸化剤ガスが適正に供給でき、その結果、発電効率を向上できるとともに、生成水が滞留しやすい常温域での電圧安定性をも向上させることができる。
次に、第3実施形態の燃料電池10を図9及び図10を参照して説明する。なお、第3実施形態では、第1実施形態と異なる構成について説明する。
本実施形態においても、第2セパレータ24の各溝46と、第1セパレータ22の各溝36とは、図10において、Aの範囲でオーパラップするように配置されている。このオーパラップする部分において、溝36と溝46とが連通されていることにより、冷却媒体流路50が形成されている。そして、冷却水(冷却媒体)の流れる方向は、第1実施形態と同様に酸化剤ガスの流れと平行流となっている。
(1) 本実施形態の燃料電池10は、MEA20(膜電極接合体)を、第1セパレータ22及び第2セパレータ24間に配置して、MEA20の両面と両セパレータ間に、酸化剤ガスと燃料ガスの流れが対向流となる酸化剤ガス流路30及び燃料ガス流路40を有した単セル12を構成して、前記単セル12を複数積層している。又、酸化剤ガス流路30は、その上流側が第1セパレータ22に複数併設された第1溝35bとMEA20間で区画される第1溝流路を備えるとともに下流側にはガス拡散を行う多孔体26(第1多孔体)が配置されている。燃料ガス流路40は、その上流側が第2セパレータ24に複数併設された第2溝45bを含むとともに、上流及び下流側にはガス拡散を行う多孔体29及び多孔体28(第2多孔体)が配置されている。又、互いに隣接する単セル12の第1セパレータ22と第2セパレータ24間には、酸化剤ガスの流れと平行流となる冷却水(冷却媒体)が通過する冷却媒体流路50が形成されている。又、冷却媒体流路50の上流側を下流側よりもMEA20の酸化剤ガス流路30側の部位に近位に位置するように配置されている。この結果、燃料ガス流路40の上流側において、アノード16からの浸透水が多孔体29のガス流路を流れる燃料ガス(燃料オフガス)により外部に導出できる。
・ 第2実施形態では、燃料ガス流路40において、第2流路方向P(ガス燃料が流れる方向)を、第1流路方向U(酸化剤ガスが流れる方向)と対向流となるようにしたが、第2実施形態において、第2流路方向P(ガス燃料が流れる方向)を、第1流路方向U(酸化剤ガスが流れる方向)と平行流となるようにしてもよい。
又、上記の実施形態では、第2流路方向P(ガス燃料が流れる方向)を、第1流路方向U(酸化剤ガスが流れる方向)と平行流となるようにして、第2溝45b(図2参照)を形成した。この構成に代えて、第2流路方向P(ガス燃料が流れる方向)を、第1流路方向U(酸化剤ガスが流れる方向)と平行流となるようにするとともに、図11に示すように第2溝45bを省略し、多孔体29の代わりに多孔体28を、燃料ガス流路40の下流側まで延出するようにしてもよい。この場合においても、第2実施形態と同様の効果を奏する。この実施形態は請求項3の実施形態に相当する。
・ 第2実施形態では、酸化剤ガス流路30の深さ(例えば100μm〜500μm)は、水流路78(88)の深さ(5μm〜30μm)よりも深く形成した。又、燃料ガス流路40の深さ(例えば100μm〜500μm)を、水流路88の深さ(5μm〜30μm)よりも深く形成した。この数値は前記範囲に限定するものではなく、両水流路の深さは10μm〜50μmとし、両ガス流路の深さを30μm〜1000μmの範囲であってもよい。
14…固体高分子電解質膜(電解質膜)、15…エンドプレート、
16…電極(カソード)、16a…電極触媒層、16b…ガス拡散層、
17…ボルト、18…電極(アノード)、18a…電極触媒層、
18b…ガス拡散層、20…MEA(膜電極接合体)、
22…第1セパレータ、24…第2セパレータ、26…多孔体、
28…多孔体、30…酸化剤ガス流路、32…平板部、33…段差部、
34…短片、35…突条、36…溝、40…燃料ガス流路、42…平板部、
43…段差部、44…短片、45…突条、46…溝、
50…冷却媒体流路、52…酸化剤ガス排出管、54…燃料ガス供給管、
56…燃料ガス排出管、58…冷却媒体供給管、60…冷却媒体排出管、
70…多孔体、72…平板部、74…突部、76…水流路形成突部、
78,88…水流路。
Claims (6)
- 固体高分子電解質膜の両面に電極を配置した膜電極接合体を、第1セパレータ及び第2セパレータ間に配置して、前記膜電極接合体の両面と前記第1セパレータ及び第2セパレータ間に、酸化剤ガスと燃料ガスの流れが対向流となる酸化剤ガス流路及び燃料ガス流路を有した単セルを構成して、前記単セルを複数積層した燃料電池において、
前記酸化剤ガス流路は、その上流側が前記第1セパレータに複数併設された第1溝と前記膜電極接合体間で区画される第1溝流路を備えるとともに下流側にはガス拡散を行う第1多孔体が配置され、前記燃料ガス流路は、その上流側が前記第2セパレータに複数併設された第2溝と前記膜電極接合体間で区画される第2溝流路を備えるとともに下流側にはガス拡散を行う第2多孔体が配置され、互いに隣接する単セルの第1セパレータと第2セパレータ間には、前記酸化剤ガスの流れと平行流となる冷却媒体が通過する冷却媒体流路が形成され、互いに隣り合う単セル同士の間の冷却媒体流路を冷却媒体が流れる方向は、それらの単セルの酸化剤ガス流路を酸化剤ガスが流れる方向と同じであり、冷却媒体流路の上流部分は、同じ冷却媒体流路の下流部分と比べて、その冷却媒体流路と隣接する酸化剤ガス流路に面する膜電極接合体の面に近接して位置することを特徴とする燃料電池。 - 固体高分子電解質膜の両面に電極を配置した膜電極接合体を、第1セパレータ及び第2セパレータ間に配置して、前記膜電極接合体の両面と前記第1セパレータ及び第2セパレータ間に、酸化剤ガスと燃料ガスの流れが対向流となる酸化剤ガス流路及び燃料ガス流路を有した単セルを構成して、前記単セルを複数積層した燃料電池において、
前記酸化剤ガス流路は、その上流側が前記第1セパレータに複数併設された第1溝と前記膜電極接合体間で区画される第1溝流路を備えるとともに下流側にはガス拡散を行う第1多孔体が配置され、前記燃料ガス流路は、その上流側が前記第2セパレータに複数併設された第2溝を含むとともに上流及び下流側にはガス拡散を行う第2多孔体が配置され、互いに隣接する単セルの第1セパレータと第2セパレータ間には、前記酸化剤ガスの流れと平行流となる冷却媒体が通過する冷却媒体流路が形成され、互いに隣り合う単セル同士の間の冷却媒体流路を冷却媒体が流れる方向は、それらの単セルの酸化剤ガス流路を酸化剤ガスが流れる方向と同じであり、冷却媒体流路の上流部分は、同じ冷却媒体流路の下流部分と比べて、その冷却媒体流路と隣接する酸化剤ガス流路に面する膜電極接合体の面に近接して位置することを特徴とする燃料電池。 - 固体高分子電解質膜の両面に電極を配置した膜電極接合体を、第1セパレータ及び第2セパレータ間に配置して、前記膜電極接合体の両面と前記第1セパレータ及び第2セパレータ間に、酸化剤ガスと燃料ガスの流れが平行流となる酸化剤ガス流路及び燃料ガス流路を有した単セルを構成して、前記単セルを複数積層した燃料電池において、
前記酸化剤ガス流路は、その上流側が前記第1セパレータに複数併設された第1溝と前記膜電極接合体間で区画される第1溝流路を備えるとともに下流側にはガス拡散を行う第1多孔体が配置され、前記燃料ガス流路の上流側及び下流側にはガス拡散を行う第2多孔体が配置され、互いに隣接する単セルの第1セパレータと第2セパレータ間には、前記酸化剤ガスの流れと平行流となる冷却媒体が通過する冷却媒体流路が形成され、互いに隣り合う単セル同士の間の冷却媒体流路を冷却媒体が流れる方向は、それらの単セルの酸化剤ガス流路を酸化剤ガスが流れる方向と同じであり、冷却媒体流路の上流部分は、同じ冷却媒体流路の下流部分と比べて、その冷却媒体流路と隣接する酸化剤ガス流路に面する膜電極接合体の面に近接して位置することを特徴とする燃料電池。 - 前記第1セパレータにおいて、前記冷却媒体流路を形成する上流側の部位は、その冷却媒体流路と隣接する酸化剤ガス流路に面する膜電極接合体の面に当接されていることを特徴とする請求項1乃至請求項3のうちいずれか1項に記載の燃料電池。
- 前記第1セパレータと第1多孔体間には、該第1多孔体が有する第1連通孔に連通する第1水流路が形成され、前記第1連通孔を介して前記第1水流路に移動した水が、前記酸化剤ガスの流動圧力によって前記第1水流路を流れて排出されることを特徴とする請求項1乃至請求項4のうちいずれか1項に記載の燃料電池。
- 前記第2セパレータと第2多孔体間には、該第2多孔体が有する第2連通孔に連通する第2水流路が形成され、
前記第2連通孔を介して前記第2水流路に移動した水が、前記燃料ガスの流動圧力によって前記第2水流路を流れて排出されることを特徴とする請求項1乃至請求項5のうちいずれか1項に記載の燃料電池。
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