JP6423210B2 - ガス流路構造及び燃料電池 - Google Patents
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Description
電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池を積層するために挟まれるセパレータユニットであって、燃料極に供給される燃料ガスと酸素極に供給される酸化剤ガスとを遮断する板状のセパレータ本体と、セパレータ本体の一側に酸素極に当接させて設けられ、酸素極とセパレータ本体との間隔が酸化剤ガスの下流側ほど広くなるように変化する酸化剤流路を形成する酸素極側集電体とを備えたセパレータユニットも知られている(特許文献2)。
電解質膜、触媒層、ガス拡散層からなる膜電極接合体を挟持するセパレータの前記ガス拡散層に接する面側に形成された溝状のガス流路構造であって、
ガス供給口に連通するガス供給連通路と、
ガス排出口に連通するガス排出連通路と、
前記ガス供給連通路と前記ガス排出連通路との間で、上流端が前記ガス供給連通路に接続され、下流端が前記ガス排出連通路に接続され、反応ガスの流通方向と交差する横断面において、底面の中央部が前記ガス拡散層の表面に向かってR状凸面、両側方部が前記ガス拡散層表面に向かってR状凹面で、前記中央部が側面寄りよりも前記ガス拡散層表面との距離が小さくなるように形成された溝状流路と、を備えた、
ことを特徴とする。
前記反応ガスが酸化剤ガスである、
ことを特徴とする。
前記流路が、前記ガス供給連通路と前記ガス排出連通路との間で複数本並列配置されたストレート溝である、
ことを特徴とする。
請求項1ないし3のいずれか1項に記載のガス流路構造を備えたセパレータを含む、
ことを特徴とする。
請求項2に記載の発明によれば、流路の横断面両側方における酸素分圧の低下を抑制することができる。
請求項3に記載の発明によれば、入口から出口まで屈曲した流路で構成された場合に比して、必要供給圧力を抑制しつつ、流路の横断面両側方におけるガス分圧の低下を抑制することができる。
尚、以下の図面を使用した説明において、図面は模式的なものであり、各寸法の比率等は現実のものとは異なることに留意すべきであり、理解の容易のために説明に必要な部材以外の図示は適宜省略されている。
図1は本実施形態に係るガス流路構造を有する燃料電池が適用される燃料電池システムの一例を示す概略構成図、図2は燃料電池スタック50の斜視図、図3は燃料電池セル10を平面視した横断面模式図、図4は燃料電池セル10の発電原理を説明するための断面模式図である。
以下、図面を参照しながら、本実施形態に係るガス流路構造が提供されたセパレータ15が適用される燃料電池システム100、燃料電池スタック50、燃料電池セル10の全体構成及び動作について説明する。
燃料電池システム100は、燃料ガスと酸素ガスとを反応させて起電力を得るための燃料電池セル10が直列的に集合した燃料電池スタック50、燃料電池スタック50に燃料ガスを供給する燃料供給ライン110、燃料電池スタック50から排出された燃料排ガスを流通する燃料排気ライン120を備えて構成されている。
燃料供給ライン110には、燃料ガスとしての含水素燃料を供給する燃料供給源130を備え、燃料排気ライン120には、燃焼器等の水素含有ガス処理装置140を備える。
燃料電池スタック50は、複数の燃料電池セル10が直列的に積層した積層体として構成され、両端部のエンドプレート52を介して、例えばボルトBおよびナットNにより挟持されている。
それぞれのエンドプレート52には、燃料ガスの供給孔52a及び排出孔52b、酸素ガスの供給孔52c及び排出孔52dが形成され、積層された燃料電池セル10への燃料ガス及び酸素ガスの供給、排出が行われる。
燃料電池セル10は、燃料側電極30、酸素側電極40および電解質膜11を備え、燃料側電極30および酸素側電極40が、それらの間に電解質膜11を挟んだ状態で、対向配置されている。
燃料側電極30、酸素側電極40は、それぞれ電解質膜11に接する触媒層12と、その外側に配置されたガス拡散層(GDL:Gas Diffusion Layer)13から構成される。また、以下の説明において、電解質膜11、触媒層12、ガス拡散層(GDL)13からなる集合体を膜電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)20と記す。
燃料側電極30とセパレータ15との間には溝状流路の一例としての燃料側ガス流路16を、酸素側電極40とセパレータ15との間には溝状流路の一例としての酸素側ガス流路17を備え、反応ガスとしての燃料ガスである水素(H2)あるいは酸化ガスである空気(酸素:O2)の流路となる溝形状(凹形状)が形成されている。
燃料側ガス流路16の端部は供給孔52a及び排出孔52bに接続し、酸素側ガス流路17の端部は供給孔52c及び排出孔52dに接続する。
また、電解質膜11としては、例えば、アニオン導電性を示す陰イオン交換樹脂を用いて、水酸化物イオン(OH−)を選択的に通過させてもよい。
発電時には、燃料供給源130から燃料電池スタック50の供給孔52aに燃料ガスが供給され、各燃料電池セル10の燃料側電極30とセパレータ15との間に形成された燃料側ガス流路16に分配されることにより、燃料側電極30に含水素燃料ガスが供給される。含水素燃料としては、例えば、水素ガス、アルコール類、ヒドラジン類などが挙げられる。
生成した水素イオン(H+)は、プロトン交換膜からなる電解質膜11を、燃料側電極30から酸素側電極40へ移動する。そして、酸素側電極40においては、電解質膜11を通過した水素イオン(H+)と、電子(e−)と、酸素(O2)とが反応して水(H2O)が生成する。
図5はセパレータ15のガス流路側に視点をおいた平面模式図、図6はガス流通方向と交差する方向における流路の拡大断面模式図、図11はガス流路溝深さが一定に形成された矩形状の横断面を有する比較例のセパレータ200のガス流通方向と交差する方向における流路の拡大断面模式図、図12は比較例のセパレータ200における流路に沿った酸素分圧の一例を示す図、図13は比較例のセパレータ200における流路横断面のガス拡散層表面における酸素分圧の一例を示す図である。
以下、図面を参照しながら本実施形態に係るガス流路構造の形状及びガス流通について説明する。
セパレータ15の一端側にはガス供給連通路の一例としての供給孔52cと連通するガス流入側のガスマニホールド151が形成され、他端側にはガス排出連通路の一例としてのガス排出側のガスマニホールド152が形成されている。
流入側のガスマニホールド151は流入するガスをガス流路17(16)の全幅に均一に拡げてガス流路17(16)へ流出させ、排出側のガスマニホールド152はガス流路17(16)から流出するガスをガスマニホールド152の開口幅に縮小して流出させる。
尚、燃料側ガス流路16、酸素側ガス流路17は、セパレータ15の両面に設けられて、隣り合う燃料電池セル10同士で一枚のセパレータ15を共用できるようになっているが、以下の説明においては、酸素側ガス流路17を例に説明する。
また、図5は、ガス流路17(16)がストレート流路の場合を示しているが、本実施形態に係るガス流路構造が適用されるガス流路としては、流入側の流路と排出側の流路とが、隣接しながら互いに蛇行するように配置されたサーペンタイン流路であってもよい。
図12に示すように、発電状態の燃料電池セルにおいて、ガス流路内を流通する酸化剤ガスの分圧(酸素分圧)は、ガス流路に沿って下流ほど小さくなる。また、発電で得られる電流密度が増大するにつれ、酸素分圧の低下が増大する。
酸化剤ガスは、ガス拡散層(GDL)13を介して拡散し、MEA20内での発電反応で消費されるために、ガス流路に沿って下流ほど低濃度になり、分圧が小さくなるためと推察される。
そのために、凹溝のガス拡散層(GDL)13表面における横断面における両側方部で酸化剤ガスの供給が不十分になり発電効率が抑制される虞があった。
図6(a)に示すように、セパレータ15は、酸素側ガス流路17となる溝状流路の一例としての凹溝170と、凹溝170の両側に位置するリブ部171を有している。
凹溝170は、MEA20を構成するガス拡散層(GDL)13に向かって開口した開口部170a、開口部170aの両側方に立設しリブ部171を形成する側面170b、開口部170aに対向した溝底部170cから構成され、開口部170aがガス拡散層(GDL)13によって閉塞されることにより酸素側ガス流路17が形成される。酸素側ガス流路17内を流通する酸素は開口部170aからガス拡散層(GDL)13内に拡散していく。
リブ部171はガス拡散層(GDL)13に接触して配置され、MEA20で発生した電子の導電通路となる。
具体的には、凹溝170の溝底部170cが、中央部がガス拡散層(GDL)13表面に向かってR状凸面、両側方がガス拡散層(GDL)13表面に向かってR状凹面で構成され、ガスの流通に対して、中央部が狭く、両側方が広くなる断面形状を有して形成されている。
図6(b)は変形例の凹溝170Aを示す拡大断面模式図である。図6(b)に示すように、凹溝170Aは、溝底部が斜面部170Acを有して中央部がガス拡散層(GDL)13表面に向かって断面視三角形状に突出して形成されている。
図7はガス流路溝深さが一定に形成された矩形状の横断面を有する凹溝170Bを有する流路、ガス流路溝深さが両側方(リブ部近傍)に対して中央部が浅くなるように形成されている凹溝170、170Aを有する流路、におけるガス流通の流路横断面内のガス拡散層表面における流速分布を流体シミュレーションにより解析した結果を示す図である。解析条件は、
入口流量:200ml/min
出口圧力:大気圧
燃料電池セル温度:80°C
流通ガス:酸素
である。
尚、凹溝170、170A、170Bにおけるそれぞれの流路溝幅、流路断面積は同一とした。
その結果、凹溝170、170Aの横断面における両側方部で酸素分圧の低下が抑制され、酸化剤ガスの供給が促進される。
燃料電池セル10Aとして、フッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換樹脂(Nafion:商品名)からなる電解質膜11を有し、触媒層面積500mm2(流路長50mm、触媒層幅10mm)のMEA20Aに対して、ガス拡散層(GDL)表面に対するガス流路溝深さが一定に形成された矩形状の横断面の凹溝170B(比較例 図11参照)、ガス拡散層(GDL)表面に対するガス流路溝深さが両側方に対して中央部が浅くなるように形成されている凹溝170(本実施形態)を有する5本のガス流路17A、17Bが形成されたそれぞれのセパレータ15A、15Bを有する単セルを試作して、発電試験を行い電圧−電流密度特性を測定した。
尚、比較例及び本実施形態におけるそれぞれの流路溝幅、流路断面積、リブ幅は同一とした。
発電条件として、
アノード側ガス:水素(H2)
カソード側ガス:空気(O2、N2)
入口流量:200ml/min
燃料電池セル温度:80°C
ガス加湿度:80%RH
で発電して電圧−電流密度特性を測定した。
発電条件として、
アノード側ガス:水素(H2)
カソード側ガス:空気(O2、N2)
入口流量:200ml/min
燃料電池セル温度:80°C
ガス加湿度:53%RH
出口背圧:100kPa
で発電して電圧−電流密度特性を測定した。
本実施形態に係るガス流路構造は、ガス拡散層(GDL)13表面に対するガス流路溝深さが両側方に対して中央部が浅くなるように形成されている。
その結果、流路横断面における中央部に対する両側方側のガス流速が高まり、両側方側においてガスが流れやすくなっている。
そのために、凹溝170の横断面における両側方部で酸素分圧の低下が抑制されて、酸化剤ガスの供給が促進され、特に高電流密度領域において燃料電池セル10の濃度過電圧の発生を抑制することができる。
10、10A・・・燃料電池セル
11・・・電解質膜
12・・・触媒層
13・・・ガス拡散層(GDL)
15、15A・・・セパレータ
16・・・燃料側ガス流路
17、17A・・・酸素側ガス流路
170、170A、170B・・・凹溝
170a・・・開口部(凹溝)
170b・・・側面(凹溝)
170c・・・溝底部(凹溝)
170Ac・・・斜面部(凹溝)
171・・・リブ部
20・・・膜電極接合体(MEA)
30・・・燃料側電極
40・・・酸素側電極
50・・・燃料電池スタック
100・・・燃料電池システム
200・・・セパレータ(比較例)
Claims (4)
- 電解質膜、触媒層、ガス拡散層からなる膜電極接合体を挟持するセパレータの前記ガス拡散層に接する面側に形成された溝状のガス流路構造であって、
ガス供給口に連通するガス供給連通路と、
ガス排出口に連通するガス排出連通路と、
前記ガス供給連通路と前記ガス排出連通路との間で、上流端が前記ガス供給連通路に接続され、下流端が前記ガス排出連通路に接続され、反応ガスの流通方向と交差する横断面において、底面の中央部が前記ガス拡散層の表面に向かってR状凸面、両側方部が前記ガス拡散層表面に向かってR状凹面で、中央部が側面寄りよりも前記ガス拡散層表面との距離が小さくなるように形成された溝状流路と、を備えた、
ことを特徴とするガス流路構造。 - 前記反応ガスが酸化剤ガスである、
ことを特徴とする請求項1に記載のガス流路構造。 - 前記流路が、前記ガス供給連通路と前記ガス排出連通路との間で、複数本並列配置されたストレート溝である、
ことを特徴とする請求項1又は2に記載のガス流路構造。 - 請求項1ないし3のいずれか1項に記載のガス流路構造を備えたセパレータを含む、
ことを特徴とする燃料電池。
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