WO2007099982A1 - 燃料電池装置 - Google Patents

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WO2007099982A1
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Toshihiko Nonobe
Noriyuki Takada
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Equos Research Co., Ltd.
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    • Y02T90/00Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/40Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell device.
  • fuel cells do not emit harmful substances with high power generation efficiency, they have been put into practical use as industrial and household power generation devices or as power sources for artificial satellites and spacecrafts. It is being developed as a power source for vehicles such as passenger cars, buses, trucks, passenger carts, and luggage carts.
  • the fuel cell is of an alkaline aqueous solution type (AFC), phosphoric acid type (PAFC), molten carbonate type (MCFC), solid oxide type (SOFC), direct methanol (DMFC), etc.
  • PAFC phosphoric acid type
  • MCFC molten carbonate type
  • SOFC solid oxide type
  • DMFC direct methanol
  • PEMFC polymer electrolyte fuel cells
  • the solid polymer electrolyte membrane is sandwiched between two gas diffusion electrodes and joined together. Then, when one of the gas diffusion electrodes is used as a fuel electrode (anode electrode) and hydrogen gas as fuel is supplied to the surface, hydrogen is decomposed into hydrogen ions (protons) and electrons, and the hydrogen ions become solid high. Permeates through the molecular electrolyte membrane. Moreover, when the other of the gas diffusion electrodes is an oxygen electrode (force sword electrode) and air as an oxidant is supplied to the surface, oxygen in the air is combined with the hydrogen ions and electrons to generate water. Is done. An electromotive force is generated by such an electrochemical reaction.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Laid-Open No. 2005-209470
  • the conventional fuel cell device does not have a means for discharging the accumulated water in the hydrogen gas flow path, so that the water accumulated in the hydrogen gas flow path When the amount increased, a part of the fuel electrode was covered with moisture, and an abnormal reaction occurred and the fuel electrode deteriorated.
  • the present invention solves the problems of the above-described conventional fuel cell device so that the lower surface on the fuel electrode side of the separator of the fuel cell stack has water-repellent water properties. It is an object of the present invention to provide a fuel cell device that can appropriately discharge water accumulated in a flow path and can reliably prevent deterioration of the performance of the fuel cell and deterioration of the fuel electrode. Means for solving the problem
  • a fuel cell in which an electrolyte layer is sandwiched between a fuel electrode and an oxygen electrode is stacked with a separator in which a fuel gas flow path is formed along the fuel electrode.
  • a fuel cell device in which the fuel gas circulates in a direction substantially perpendicular to the direction of gravity, and the separator is disposed in the fuel gas flow path.
  • a water-repellent surface is provided at the bottom on the pole side.
  • the separator further includes a cavity through which the fuel gas flows, and at least a part of the inner surface of the cavity is a water repellent surface.
  • the separator further includes the water repellent surface at a portion corresponding to a water retention portion where moisture stays in the fuel gas flow path.
  • the fuel cell in which the electrolyte layer is sandwiched between the fuel electrode and the oxygen electrode is stacked with the separator having the fuel gas flow path formed along the fuel electrode.
  • the fuel cell has a cell module, and the fuel gas flows into the fuel gas flow path.
  • a fuel cell device that circulates in a direction substantially perpendicular to the direction of gravity, wherein the separator includes a water repellent surface at a lower portion on the fuel electrode side.
  • the moisture accumulated in the fuel gas flow path is smoothly discharged from the fuel gas flow path through the portion where the water repellent surface is formed, so that an abnormal reaction does not occur in the fuel electrode. It is possible to reliably prevent the deterioration of the fuel electrode and the deterioration of the performance of the fuel cell.
  • the separator further includes a cavity through which the fuel gas flows, and at least a part of the inner surface of the cavity is a water repellent surface.
  • the moisture that has flowed into the cavity can move smoothly in the cavity, so that even if the amount of moisture in the fuel gas channel increases, excess moisture passes through the cavity.
  • the separator further includes the water repellent surface at a portion corresponding to a water retention portion where moisture is retained in the fuel gas flow path.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a separator in an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram showing a fuel cell stack and an air supply fan of a fuel cell device mounted on a vehicle in an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a schematic perspective view showing a configuration of a fuel cell stack in the embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a schematic top view showing the configuration of the fuel cell stack in the embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a schematic perspective view showing the configuration of the cell module in the embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a schematic perspective view showing the flow of hydrogen gas in the cell module in the embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a diagram showing a hydrogen gas flow path on the fuel electrode side of the separator in the embodiment of the present invention. Explanation of symbols
  • FIG. 2 is a diagram showing a fuel cell stack and an air supply fan of the fuel cell device mounted on the vehicle in the embodiment of the present invention.
  • 2A is a perspective view
  • FIG. 2B is a schematic side view.
  • reference numeral 11 denotes a fuel cell stack as a fuel cell (FC) device, which is used as a power source for vehicles such as passenger cars, buses, trucks, passenger carts and luggage carts.
  • FC fuel cell
  • the vehicle is equipped with a large number of auxiliary devices that consume electricity, such as lighting devices, radios, power windows, etc., which are used even when the vehicle is stopped. Since the output range is extremely wide, it is desirable to use a fuel cell stack 11 as a power source in combination with a secondary battery or capacitor as a power storage means (not shown).
  • the fuel cell stack 11 may be of an alkaline aqueous solution type, a phosphoric acid type, a molten carbonate type, a solid oxide type, a direct type methanol or the like, but is a solid polymer type fuel cell. It is desirable.
  • a PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) type fuel cell in which hydrogen gas is used as a fuel gas, that is, an anode gas, and oxygen or air is used as an oxidative homogeneous IJ, that is, a power sword gas, or PEM (Proton Exchange Membrane) Type fuel cell.
  • the PEM type fuel cell is a stack in which a plurality of cells (cells) in which a catalyst, an electrode, and a separator are combined are connected in series on both sides of an electrolyte layer that transmits ions such as protons. ).
  • the fuel cell stack 11 has a plurality of cell modules 21 to be described later.
  • the cell module 21 is a unit cell (MEA: Membrane Electrode Assembly) 35 to be described later as a fuel cell, and an anode gas introduced into the unit senore 35 while electrically connecting the unit senoules 35 to each other.
  • the separator 22 described later that separates the hydrogen gas flow path as the cathode gas and the air flow path as the cathode gas is set as one set, and a plurality of sets are stacked in the thickness direction.
  • the unit cells 35 and the separators 22 are stacked and stacked in multiple stages so that the unit cells 35 are arranged with a predetermined gap.
  • the cell modules 21 are connected to each other so that they can conduct electricity and the fuel gas passages, that is, hydrogen gas passages are continuous.
  • the unit cell 35 includes a solid polymer electrolyte membrane as an electrolyte layer, as will be described later.
  • the air electrode 32 and the fuel electrode 33 are formed on the electrode diffusion layer made of a conductive material that permeates while diffusing the reaction gas, and are supported on the solid polymer electrolyte membrane 31 in contact with the electrode diffusion layer. And a catalyst layer.
  • the reverse diffusion water means that water generated in an oxygen chamber as an air channel diffuses into the solid polymer electrolyte membrane 31 and permeates through the solid polymer electrolyte membrane 31 in the direction opposite to the hydrogen ions. And penetrated into the fuel chamber.
  • an apparatus for supplying air as an oxidant to the fuel cell stack 11 is shown.
  • air passes through an air filter (not shown) and is sucked into an air supply fan 13 as an oxidant supply source, and from the air supply fan 13 through an air supply line 14 and an intake manifold 12.
  • the fuel cell stack 11 is supplied to the oxygen chamber, that is, the air flow path.
  • the pressure of the supplied air is a normal pressure of about atmospheric pressure.
  • the air supply fan 13 may be of any type as long as it can suck and discharge air.
  • the air filter may be of any kind as long as it can remove dust, impurities, etc. contained in the air. Note that oxygen can be used as the oxidizing agent instead of air.
  • the air discharged from the air flow path is discharged into the atmosphere through an exhaust manifold (not shown). In the example shown in the figure, air flows through the fuel cell stack 11 from the top to the bottom in FIG. 2 (b).
  • water is sprayed into the air supplied to the air flow path to the air supply pipe 14, and the air electrode as the oxygen electrode of the fuel cell stack 11 is maintained in a wet state.
  • a water supply nozzle can be provided for this purpose.
  • a condensing unit for condensing and removing moisture in the air discharged from the fuel cell stack 11 may be disposed at the end of the exhaust manifold. In this case, it is desirable that the water condensed by the condenser is collected in a water tank (not shown). Then, by supplying the water in the water tank to the water supply nozzle, the water can be circulated and reused without being wasted.
  • hydrogen gas as a fuel gas includes a container storing a hydrogen storage alloy, a container storing a hydrogen storage liquid such as decalin, a hydrogen gas cylinder (not shown), and a fuel supply pipe from a fuel storage means.
  • the fuel cell stack 11 is supplied to the inlet of the fuel gas flow path through the channel.
  • the hydrogen gas discharged as an unreacted component at the outlet force of the fuel gas flow path of the fuel cell stack 11 is discharged out of the fuel cell stack 11 through a fuel discharge pipe (not shown).
  • a water recovery drain tank for separating and recovering water containing the discharged hydrogen gas is disposed in the fuel discharge pipe. This As a result, the hydrogen gas separated from the water and discharged from the water recovery drain tank can be recovered, supplied to the fuel gas flow path of the fuel cell stack 11, and reused.
  • FIG. 3 is a schematic perspective view showing the configuration of the fuel cell stack according to the embodiment of the present invention
  • FIG. 4 is a schematic top view showing the configuration of the fuel cell stack according to the embodiment of the present invention
  • FIG. FIG. 6 is a schematic perspective view showing the flow of hydrogen gas in the cell module according to the embodiment of the present invention.
  • Fig. 5 (a) shows a normal cell module
  • Fig. 5 (b) shows a cell module with separators separated
  • Fig. 6 (a) shows the hydrogen gas in the odd-numbered cell modules.
  • Fig. 6 (b) shows the flow of hydrogen gas in the even-numbered cell modules.
  • the fuel cell stack 11 as a whole has a flattened rectangular parallelepiped shape, and the air flow in the inside is in the direction of gravity, as indicated by an arrow A in FIG. In other words, it is linear from top to bottom.
  • the flow of hydrogen gas is in a serpentine shape that folds for each cell module 21 in the direction of gravity, that is, in a horizontal plane substantially orthogonal to the direction of the arrow A. That is, it is meandering.
  • 15a is an end plate disposed on the hydrogen gas inlet side (lower side in FIG. 4)
  • 15b is an end plate disposed on the outlet side (upper side in FIG. 4). .
  • the end plate 15a and the end plate 15b are connected to each other in a state where a force for fastening the cell module 21 is applied by a fastening shaft (not shown).
  • Each cell module 21 has a rectangular parallelepiped shape as a whole as shown in FIG. 5 (a), and includes 11 separators 22 as described above.
  • the separator 22 includes a frame-shaped frame portion 23 that surrounds a rectangular opening, and the vicinity of both ends in the longitudinal direction. It has a long hole 23a formed in.
  • the separators 22 are stacked so that they are in close contact with each other and the long holes 23a are aligned with each other, so that the long holes 23a are aligned in the stacking direction of the separators 22.
  • a penetrating hydrogen gas flow path is formed.
  • FIG. 5 (b) shows the cell module 21 in a state where the separators 22 are spaced apart from each other, that is, in a disassembled state, for the sake of explanation.
  • the flow of hydrogen gas in the odd-numbered cell modules 21 in FIG. 4 is as indicated by arrow C in FIG. 6 (a).
  • the long holes 23a aligned on the left and right sides there are two passages formed by the long holes 23a aligned on the left and right sides, and ten hydrogen gas flow paths formed so as to connect the left and right long holes 23a on the fuel electrode 33 side of the separator 22. It can be seen that hydrogen gas flows. Further, the flow of hydrogen gas in the even-numbered cell modules 21 from the top in FIG. 4 is indicated by an arrow D in FIG. 6 (b).
  • the two passages formed by the long holes 23a aligned on both the left and right sides are connected to the left and right long holes 23a on the fuel electrode 33 side of the separator 22. It can be seen that hydrogen gas flows through the 10 hydrogen gas channels formed in this way.
  • FIG. 7 is a diagram showing a hydrogen gas channel on the fuel electrode side of the separator in the embodiment of the present invention.
  • the separator 22 includes a rectangular plate-like main body portion 25 disposed in the opening of the frame portion 23 and supported by the frame portion 23, and the main body portion 25.
  • a plate-shaped outer peripheral reinforcing plate 24 having a rectangular opening attached to the periphery thereof is provided.
  • the hydrogen gas circulates in a direction substantially orthogonal to the direction of gravity, as indicated by an arrow E.
  • the main body 25 separates the hydrogen gas flow path from the air flow path and functions as a current collector with a function of blocking the hydrogen gas supplied to the fuel electrode 33 and the air supplied to the oxygen electrode 32. It is a plate-like member made of a material with low electrical resistance, such as carbon and metal.
  • the outer peripheral reinforcing plate 24 also functions as a sealing member for preventing hydrogen gas leakage, and may be omitted if other members can prevent hydrogen gas leakage. it can.
  • the water retention part 26 is a band-like region extending in a direction parallel to the hydrogen gas flow direction.
  • the fuel electrode 33 is locally or entirely covered with moisture, so that the area of the fuel electrode 33 in which an electrochemical reaction occurs due to contact with hydrogen gas is small. Become. In addition, the flow of hydrogen gas is hindered by moisture, and the hydrogen gas tends to remain in the hydrogen gas flow path. The hydrogen gas and air remaining at the start and stop of the fuel cell stack 11 are mixed to cause a potential shift. An abnormal reaction like this occurs and the fuel electrode 33 deteriorates.
  • the water repellent treatment is applied to the lower surface of the separator 22 to reduce the water flow resistance, and the water force retained in the water retention portion 26 is smoothly laterally directed.
  • the fuel electrode 33 is localized locally. But the whole thing is not covered by moisture.
  • the area of the hydrogen gas that comes into contact with the fuel electrode 33 and an electrochemical reaction is prevented from decreasing, so that the performance of the fuel cell is deteriorated or the fuel electrode 33 is deteriorated. Can be prevented.
  • the distribution of hydrogen gas is smooth and the hydrogen gas does not remain in the hydrogen gas flow path, the hydrogen gas and air remaining when the fuel cell stack 11 is started and stopped are mixed. As a result, the anode 33 does not deteriorate without potential shift.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a separator in an embodiment of the present invention.
  • 1 (a) is a cross-sectional view taken along the arrow F_F in FIG. 7, and
  • FIG. 1 (b) is an enlarged view of the G part in FIG. 1 (a).
  • FIG. 1 (a) shows a state in which the separator 22 is stacked on the fuel electrode 33 side of the unit cell 35.
  • the unit cell 35 includes a solid polymer electrolyte membrane 31, and an air electrode 32 and a fuel electrode 33 provided on both sides of the solid polymer electrolyte membrane 31.
  • the solid polymer electrolyte membrane 31 is, for example, a product name of Nafion (R). Power made of perfluorosulfonic acid polymer on the market. It can be made of any material.
  • Each of the air electrode 32 and the fuel electrode 33 includes a catalyst layer and an electrode diffusion layer.
  • the catalyst layer may be composed of, for example, a force composed of particles of platinum, ruthenium or the like supported on the surface of carbon particles as a catalyst substance, or a material force.
  • the electrode diffusion layer may be made of any material, for example, a cloth (cloth), paper (paper) or the like as a base material. Then, the unit cell 35 can be obtained by laminating the polymer electrolyte membrane 31, the air electrode 32, and the fuel electrode 33 and bringing them into close contact with each other.
  • the separator 22 includes a fuel electrode side collector 27 as a current collector on one side surface.
  • the fuel electrode side collector 27 is a member for contacting the electrode diffusion layer of the fuel electrode 33 to lead the current to the outside and supplying the fuel gas to the fuel electrode, and has an electric resistance such as carbon and metal. It is made of a porous material made of a low conductive material. Further, since the fuel electrode side collector 27 is located in the hydrogen gas flow path, a plurality of cavities 27 a for circulating hydrogen gas are formed between the separator 22 and the fuel electrode side collector 27. The inner surface of the hollow portion 27a functions as a hydrogen gas channel surface.
  • the fuel electrode side collector 27 includes an electrode contact surface 27 c that contacts the electrode diffusion layer of the fuel electrode 33.
  • the separator 22 has an air electrode side collector (not shown) as a current collector on the other side surface.
  • the air electrode side collector is a member for contacting the electrode diffusion layer of the air electrode 32 of the adjacent unit cell 35 (not shown) to derive the current to the outside, and has the same configuration as the fuel electrode side collector 27. The description thereof is omitted here.
  • the water repellent treatment is performed on the inner surface of the one or more cavities 27a located in the lower part of the separator 22, more preferably in the part corresponding to the water retention part 26, thereby forming a water repellent surface 27b.
  • the water repellent treatment is, for example, a treatment in which a material having water repellency such as polytetrafluoroethylene (PTFE) is partially applied by masking or the like.
  • the water repellent treatment can also be performed on the other surface of the separator 22 including the fuel electrode side collector 27 except for the electrode contact surface 27c so that the contact resistance does not increase.
  • FIG. 1 (b) there are three cavities 27a in which the water-repellent surfaces 27b are formed.
  • the number of cavities 27a in which the water-repellent surfaces 27b are formed can be arbitrarily set. it can. [0047] Since the affinity between the separator 22 and water is reduced by forming the water repellent surface 27b, the water droplet 34 as water flowing into the cavity 27a is a force that moves smoothly in the cavity 27a. S can. Therefore, even if the amount of reverse diffusion water increases and the amount of water in the hydrogen gas channel increases, excess water passes through the cavity 27a in which the water-repellent surface 27b is formed and passes through the hydrogen gas channel. It is discharged smoothly.
  • the fuel cell stack 11 has the water repellent surface 27b having water repellency at the lower part of the separator 22 on the fuel electrode 33 side. For this reason, the water accumulated in the fuel gas flow path is smoothly discharged from the hydrogen gas flow path through the cavity 27a in which the water repellent surface 27b is formed. Is not covered by moisture. This prevents a reduction in the area for hydrogen gas to contact the fuel electrode 33 to cause an electrochemical reaction, so that the performance of the fuel cell is deteriorated or the fuel electrode 33 is deteriorated. Can be prevented. In addition, since the hydrogen gas flows smoothly and does not remain in the hydrogen gas flow path, the remaining hydrogen gas and air are mixed when the fuel cell stack 11 is started or stopped. There is no deterioration of the anode 33 without potential shift.
  • a separator in which the flow direction of the fuel gas is formed downward with respect to the direction perpendicular to the direction of gravity is such that water is against gravity.
  • the invention can be modified in various ways based on the gist of the present invention, such as being applicable to a separator formed at an upward angle to the extent that it can be discharged by a fuel gas flow. It is not excluded from.
  • the present invention can be applied to a fuel cell device.

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Abstract

 燃料電池スタックのセパレータにおける燃料極側の下部の面が撥(はっ)水性を備えるようにして、燃料ガス流路内に溜まった水分を適切に排出することができ、燃料電池の性能低下及び燃料極の劣化を確実に防止することができるようにする。そのため、電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池が、前記燃料極に沿って燃料ガス流路が形成されたセパレータを挟んで積層されているセルモジュールを有し、前記燃料ガス流路内において燃料ガスが重力方向に対してほぼ直交する方向に流通する燃料電池装置であって、前記セパレータは前記燃料極側における下部に撥水面を備える。

Description

明 細 書
燃料電池装置
技術分野
[0001] 本発明は、燃料電池装置に関するものである。
背景技術
[0002] 従来、燃料電池は発電効率が高ぐ有害物質を排出しないので、産業用、家庭用 の発電装置として、又は、人工衛星や宇宙船などの動力源として実用化されてきた 力 近年は、乗用車、バス、トラック、乗用カート、荷物用カート等の車両用の動力源 として開発が進んでいる。そして、前記燃料電池は、アルカリ水溶液型 (AFC)、リン 酸型(PAFC)、溶融炭酸塩型 (MCFC)、固体酸化物型(SOFC)、直接型メタノー ノレ(DMFC)等のものであってもよいが、固体高分子型燃料電池(PEMFC)が一般 的である。
[0003] この場合、固体高分子電解質膜を 2枚のガス拡散電極で挟み、一体化させて接合 する。そして、該ガス拡散電極の一方を燃料極(アノード極)とし、その表面に燃料と しての水素ガスを供給すると、水素が水素イオン (プロトン)と電子とに分解され、水素 イオンが固体高分子電解質膜を透過する。また、前記ガス拡散電極の他方を酸素極 (力ソード極)とし、その表面に酸化剤としての空気を供給すると、空気中の酸素と、 前記水素イオン及び電子とが結合して、水が生成される。このような電気化学反応に よって起電力が生じるようになつている。
[0004] そして、固体高分子型燃料電池においては、固体高分子電解質膜の両側を湿潤 な状態に維持する必要があるので、燃料極側及び酸素極側のそれぞれに水を供給 するようになつている。この場合、水分は、燃料極側から酸素極側に向けてプロトン同 伴水として移動し、酸素極側から燃料極側に向けて逆拡散水として移動する。
[0005] ところで、逆拡散水の量が多くなると、燃料極側において局所的に水素ガス流路が 水分によって塞(ふさ)がれてしまレ、、燃料電池の性能が低下したり、燃料極が劣化し たりしてしまうことが知られている。そこで、網目が形成された導電体をセパレータと燃 料極との間の水素ガス流路内に配設して、水分が適切に拡散されるようにする技術 が提案されている (例えば、特許文献 1参照。)。
特許文献 1 :特開 2005— 209470号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0006] し力 ながら、前記従来の燃料電池装置においては、水素ガス流路内に溜(た)ま つた水分を排出する手段を有していないので、水素ガス流路内に溜まった水分の量 が増加すると、燃料極の一部が水分によって覆われてしまい、異常反応が発生して 燃料極が劣化してしまうことがあった。
[0007] 本発明は、前記従来の燃料電池装置の問題点を解決して、燃料電池スタックのセ パレータにおける燃料極側の下部の面が撥(はつ)水性を備えるようにして、燃料ガス 流路内に溜まった水分を適切に排出することができ、燃料電池の性能低下及び燃料 極の劣化を確実に防止することができる燃料電池装置を提供することを目的とする。 課題を解決するための手段
[0008] そのために、本発明の燃料電池装置においては、電解質層を燃料極と酸素極とで 挟持した燃料電池が、前記燃料極に沿って燃料ガス流路が形成されたセパレータを 挟んで積層されてレ、るセルモジュールを有し、前記燃料ガス流路内にぉレ、て燃料ガ スが重力方向に対してほぼ直交する方向に流通する燃料電池装置であって、前記 セパレータは前記燃料極側における下部に撥水面を備える。
[0009] 本発明の他の燃料電池装置においては、さらに、前記セパレータは前記燃料ガス が流通する空洞部を備え、該空洞部の少なくとも一部の内面は撥水面である。
[0010] 本発明の更に他の燃料電池装置においては、さらに、前記セパレータは、前記燃 料ガス流路内において水分が滞留する水滞留部に対応する部分に前記撥水面を備 る。
発明の効果
[0011] 本発明によれば、燃料電池装置においては、電解質層を燃料極と酸素極とで挟持 した燃料電池が、前記燃料極に沿って燃料ガス流路が形成されたセパレータを挟ん で積層されてレ、るセルモジュールを有し、前記燃料ガス流路内にぉレ、て燃料ガスが 重力方向に対してほぼ直交する方向に流通する燃料電池装置であって、前記セパ レータは前記燃料極側における下部に撥水面を備える。
[0012] この場合、燃料ガス流路内に溜まった水分は、撥水面が形成された部位を通って 燃料ガス流路からスムーズに排出されるので、燃料極に異常反応が発生することが なぐ燃料極の劣化及び燃料電池の性能低下を確実に防止することができる。
[0013] 他の燃料電池装置においては、さらに、前記セパレータは前記燃料ガスが流通す る空洞部を備え、該空洞部の少なくとも一部の内面は撥水面である。
[0014] この場合、空洞部内に流入した水分は、空洞部内をスムーズに移動することができ るので、燃料ガス流路内の水分の量が増加しても、余分な水分が空洞部内を通って
、燃料ガス流路力 スムーズに排出される。
[0015] 更に他の燃料電池装置においては、さらに、前記セパレータは、前記燃料ガス流 路内において水分が滞留する水滞留部に対応する部分に前記撥水面を備える。
[0016] この場合、水滞留部に滞留した水分力 Sスムーズに排出されるので、燃料電極の水 滞留部に対応する部分にぉレ、て異常反応が発生することがなレ、。
図面の簡単な説明
[0017] [図 1]本発明の実施の形態におけるセパレータを示す断面図である。
[図 2]本発明の実施の形態における車両に搭載された燃料電池装置の燃料電池スタ ック及び空気供給ファンを示す図である。
[図 3]本発明の実施の形態における燃料電池スタックの構成を示す模式斜視図であ る。
[図 4]本発明の実施の形態における燃料電池スタックの構成を示す模式上面図であ る。
[図 5]本発明の実施の形態におけるセルモジュールの構成を示す模式斜視図である
[図 6]本発明の実施の形態におけるセルモジュール内の水素ガスの流れを示す模式 斜視図である。
[図 7]本発明の実施の形態におけるセパレータの燃料極側の水素ガス流路を示す図 である。 符号の説明
[0018] 11 燃料電池スタック
21 セノレモジユーノレ
22 セパレータ
26 水滞留部
27a 空洞部
27b 撥水面
31 固体高分子電解質膜
32 空気極
33 燃料極
発明を実施するための最良の形態
[0019] 以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
[0020] 図 2は本発明の実施の形態における車両に搭載された燃料電池装置の燃料電池 スタック及び空気供給ファンを示す図である。なお、図 2 (a)は斜視図であり、図 2 (b) は模式側面図である。
[0021] 図において、 11は燃料電池 (FC)装置としての燃料電池スタックであり、乗用車、 バス、トラック、乗用カート、荷物用カート等の車両用の動力源として使用される。ここ で、前記車両は、照明装置、ラジオ、パワーウィンドウ等の車両の停車中にも使用さ れる電気を消費する補機類を多数備えており、また、走行パターンが多様であり動力 源に要求される出力範囲が極めて広いので、動力源としての燃料電池スタック 11と 図示されない蓄電手段としての二次電池やキャパシタを併用して使用することが望ま しい。
[0022] そして、燃料電池スタック 11は、アルカリ水溶液型、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体 酸化物型、直接型メタノール等のものであってもよいが、固体高分子型燃料電池で あることが望ましい。
[0023] なお、更に望ましくは、水素ガスを燃料ガス、すなわち、アノードガスとし、酸素又は 空気を酸化斉 IJ、すなわち、力ソードガスとする PEMFC (Proton Exchange Mem brane Fuel Cell)型燃料電池、又は、 PEM (Proton Exchange Membrane) 型燃料電池と呼ばれるものである。ここで、該 PEM型燃料電池は、一般的に、プロト ン等のイオンを透過する電解質層の両側に触媒、電極及びセパレータを結合したセ ノレ(Cell)を複数及び直列に結合したスタック(Stack)から成る。
[0024] 本実施の形態において、燃料電池スタック 11は、後述される複数のセルモジユー ル 21を有する。該セルモジュール 21は、燃料電池としての後述される単位セル(ME A : Membrane Electrode Assembly) 35と、該単位セノレ 35同士を電気的に接 続するとともに、単位セノレ 35に導入される、アノードガスとしての水素ガスの流路とカ ソードガスとしての空気の流路とを分離する後述されるセパレータ 22とを 1セットとして 、板厚方向に複数のセットを重ねて構成されている。なお、セルモジュール 21は、単 位セル 35同士が所定の間隙(げき)を隔てて配置されるように、単位セル 35とセパレ ータ 22とが、多段に重ねられて積層されている。この場合、セルモジュール 21は、導 電可能に、かつ、燃料ガス流路、すなわち、水素ガス流路が連続するように相互に接 続されている。
[0025] そして、単位セル 35は、後述されるように、電解質層としての固体高分子電解質膜
31、並びに、該固体高分子電解質膜 31の一側に設けられた酸素極としての空気極 32及び他側に設けられた燃料極 33から成る。前記空気極 32及び燃料極 33は、反 応ガスを拡散しながら透過する導電性材料から成る電極拡散層と、該電極拡散層上 に形成され、固体高分子電解質膜 31と接触させて支持される触媒層とから成る。
[0026] 前記単位セル 35においては、水が移動する。この場合、セパレータ 22の燃料極 3
3側に形成された燃料室内に燃料ガス、すなわち、アノードガスとしての水素ガスを 供給すると、水素が水素イオンと電子とに分解され、水素イオンがプロトン同伴水を 伴って、固体高分子電解質膜 31を透過する。また、前記空気極 32を力ソード極とし、 セパレータ 22の空気極 32側に形成された空気流路としての酸素室内に酸化剤、す なわち、力ソードガスとしての空気を供給すると、空気中の酸素と、前記水素イオン及 び電子とが結合して、水が生成される。なお、水分が逆拡散水として固体高分子電 解質膜 31を透過し、燃料室内に移動する。ここで、逆拡散水とは、空気流路としての 酸素室において生成される水が固体高分子電解質膜 31内に拡散し、該固体高分子 電解質膜 31内を前記水素イオンと逆方向に透過して燃料室にまで浸透したものであ る。
[0027] 図には、燃料電池スタック 11に酸化剤としての空気を供給する装置が示されている 。この場合、空気は、図示されないエアフィルタを通って、酸化剤供給源としての空 気供給ファン 13に吸引され、該空気供給ファン 13から、空気供給管路 14及び吸気 マ二ホールド 12を通って、燃料電池スタック 11の酸素室、すなわち、空気流路に供 給される。この場合、供給される空気の圧力は大気圧程度の常圧である。なお、前記 空気供給ファン 13は、空気を吸引して吐出することができるものであれば、いかなる 種類のものであってもよい。また、前記エアフィルタは、空気に含まれる塵埃 (じんあ レ、)、不純物等を除去することができるものであれば、いかなる種類のものであっても よい。なお、酸化剤として、空気に代えて酸素を使用することもできる。そして、空気 流路から排出される空気は、図示されない排気マ二ホールドを通って大気中へ排出 される。図に示される例において、空気は燃料電池スタック 11内を図 2 (b)における 上から下へ流通する。
[0028] また、前記空気供給管路 14には、空気流路に供給される空気中に水をスプレーし て供給し、燃料電池スタック 11の酸素極としての空気極を湿潤な状態に維持するた めの水供給ノズノレを配設することもできる。さらに、前記排気マ二ホールドの端部に、 前記燃料電池スタック 11から排出される空気中の水分を凝縮して除去するための凝 縮器を配設することもできる。この場合、該凝縮器によって凝縮された水は図示され ない水タンクに回収されることが望ましい。そして、該水タンク内の水を前記水供給ノ ズノレに供給することによって水を無駄に廃棄することなぐ循環させて再利用すること ができる。
[0029] 一方、燃料ガスとしての水素ガスは、水素吸蔵合金を収納した容器、デカリンのよう な水素吸蔵液体を収納した容器、水素ガスボンベ等から成る図示されなレ、燃料貯蔵 手段から燃料供給管路を通って、燃料電池スタック 11の燃料ガス流路の入口に供給 される。そして、燃料電池スタック 11の燃料ガス流路の出口力 未反応成分として排 出される水素ガスは、図示されない燃料排出管路を通って燃料電池スタック 11外に 排出される。なお、前記燃料排出管路には、排出された水素ガスが含まれる水分を 分離して回収するための水回収ドレインタンクが配設されていることが望ましい。これ により、水分が分離されて水回収ドレインタンクから排出された水素ガスを回収し、燃 料電池スタック 11の燃料ガス流路に供給して再利用することができる。
[0030] 次に、前記燃料電池スタック 11の構成を詳細に説明する。
[0031] 図 3は本発明の実施の形態における燃料電池スタックの構成を示す模式斜視図、 図 4は本発明の実施の形態における燃料電池スタックの構成を示す模式上面図、図 5は本発明の実施の形態におけるセルモジュールの構成を示す模式斜視図、図 6は 本発明の実施の形態におけるセルモジュール内の水素ガスの流れを示す模式斜視 図である。なお、図 5 (a)は通常のセルモジュールを示す図、図 5 (b)はセパレータを 分離させたセルモジュールを示す図、図 6 (a)は奇数番目のセルモジュール内の水 素ガスの流れを示す図、図 6 (b)は偶数番目のセルモジュール内の水素ガスの流れ を示す図である。
[0032] ここでは、単位セル 35及びセパレータ 22のセットを 10個積層し、さらに、単位セル の両側には必ずセパレータ 22が配設されるようセパレータ 22をもう一枚積層して 1つ のセルモジュール 21を形成し、該セルモジュール 21を 10個積層して 1つの燃料電 池スタック 11を形成したものを例に採つて説明する。
[0033] この場合、燃料電池スタック 11は、全体として扁(へん)平な直方体状の形状を有し 、内部における空気の流れは、図 3において矢印 Aで示されるように、重力方向、す なわち、上から下に直線状になっている。また、水素ガスの流れは、図 3及び 4におい て矢印 Bで示されるように、重力方向、すなわち、前記矢印 Aの方向とほぼ直交する 水平面内において、セルモジュール 21毎に折り返すサーペンタイン状に、すなわち 、蛇行状になっている。なお、図 4において、 15aは水素ガスの入口側(図 4における 下側)に配設されたエンドプレートであり、 15bは出口側(図 4における上側)に配設さ れたエンドプレートである。そして、前記エンドプレート 15a及びエンドプレート 15bは 、図示されない締め付け用シャフトによって、セルモジュール 21を締め付ける力が付 与された状態で、相互に接続されている。
[0034] また、各セルモジュール 21は、図 5 (a)に示されるように、全体として直方体状の形 状を有し、前述のように、 11枚のセパレータ 22を備える。なお、該セパレータ 22は、 長方形状の開口の周囲を取り囲む枠状のフレーム部 23、及び、長手方向両端近傍 に形成された長孔(あな) 23aを有する。各セパレータ 22は、図 5 (a)に示されるように 、相互に密着し、かつ、長孔 23a同士が相互に整列するように積層され、これにより、 長孔 23aはセパレータ 22の積層方向に貫通する水素ガス流路を形成する。なお、図 5 (b)は、説明のために、セパレータ 22同士の間隔を開けた状態、すなわち、分解し た状態のセルモジュール 21を示している。
[0035] ここで、図 4において上力、ら数えて奇数番目のセルモジュール 21内における水素 ガスの流れは、図 6 (a)における矢印 Cで示されるようになつている。この場合、左右 両側において整列する長孔 23aによって形成された 2本の通路と、セパレータ 22の 燃料極 33側において左右の長孔 23aを接続するように形成された 10本の水素ガス 流路とを水素ガスが流れることが分かる。また、図 4において上から数えて偶数番目 のセルモジュール 21内における水素ガスの流れは、図 6 (b)における矢印 Dで示さ れるようになっている。この場合、奇数番目のセルモジュール 21内と同様に、左右両 側において整列する長孔 23aによって形成された 2本の通路と、セパレータ 22の燃 料極 33側において左右の長孔 23aを接続するように形成された 10本の水素ガス流 路とを水素ガスが流れることが分かる。
[0036] 次に、セパレータ 22の燃料極 33側における水素ガス流路について説明する。
[0037] 図 7は本発明の実施の形態におけるセパレータの燃料極側の水素ガス流路を示す 図である。
[0038] 図に示されるように、セパレータ 22は、フレーム部 23の開口内に配設されて該フレ ーム部 23に支持される長方形の板状の本体部 25、及び、該本体部 25の周囲に貼( てん)付された長方形状の開口を備える板状の外周補強板 24を有する。ここで、水 素ガスは、矢印 Eで示されるように、重力方向に対してほぼ直交する方向に流通する 。そして、前記本体部 25は、水素ガス流路と空気流路とを分離して燃料極 33に供給 される水素ガスと酸素極 32に供給される空気とを遮断する機能とともに集電体として の機能を備えるものであり、カーボン、金属等の電気抵抗の低い材料から成る板状の 部材である。また、前記外周補強板 24は、水素ガスのリークを防止するためのシール 部材としても機能するものであり、他の部材で水素ガスのリークを防止することができ る場合には省略することもできる。 [0039] そして、逆拡散水として燃料室にまで浸透した水分は、 自重によって、すなわち、重 力の作用によって水素ガス流路内を下方に移動する。そのため、逆拡散水の量が増 加して水素ガス流路内の水分の量が増加すると、余分な水分が水素ガス流路内の 下部に滞留して水滞留部 26が発生する。該水滞留部 26は、水素ガスの流通方向と 平行な方向に延在する帯状の領域である。
[0040] 通常、該水滞留部 26では、燃料極 33が局部的又は全体的にも水分によって覆わ れてしまうので、水素ガスと接触して電気化学反応が発生する燃料極 33の面積が狭 くなる。また、水素ガスの流通が水分によって妨げられ、水素ガスが水素ガス流路内 に残留しやすくなり、燃料電池スタック 11の起動時や停止時に残留した水素ガスと空 気とが混合して電位シフトのような異常反応が発生し、燃料極 33が劣化してしまう。
[0041] そこで、本実施の形態においては、セパレータ 22の下部の面に撥水処理を施すこ とによって通水抵抗を減少させ、前記水滞留部 26に滞留した水分力 Sスムーズに横方 向に流通して燃料電池スタック 11に排出されるようにする。これにより、逆拡散水の 量が増加して水素ガス流路内の水分の量が増加しても、余分な水分が水素ガス流路 力 スムーズに排出されるので、燃料極 33が局部的にも全体的にも水分によって覆 われてしまうことがなレ、。そのため、水素ガスが燃料極 33と接触して電気化学反応が 発生するための面積の減少が防止されるので、燃料電池の性能が低下したり、燃料 極 33が劣化したりしてしまうことを防止することができる。また、水素ガスの流通がスム ーズになり、水素ガスが水素ガス流路内に残留してしまうことがないので、燃料電池 スタック 11の起動時や停止時に残留した水素ガスと空気とが混合して電位シフトが 発生することもなぐ燃料極 33が劣化することがない。
[0042] 次に、セパレータ 22の下部の構成について詳細に説明する。
[0043] 図 1は本発明の実施の形態におけるセパレータを示す断面図である。なお、図 1 (a )は図 7の F_F矢視断面図、図 1 (b)は図 1 (a)の G部拡大図である。
[0044] 図 1 (a)は、セパレータ 22が単位セル 35の燃料極 33側に重ねられた状態を示して いる。そして、単位セル 35は、図 1 (b)に示されるように、固体高分子電解質膜 31、 並びに、該固体高分子電解質膜 31の両側に設けられた空気極 32及び燃料極 33か ら成る。ここで、前記固体高分子電解質膜 31は、例えば、 Nafion (R)という商品名で 販売されているパーフルォロスルホン酸系ポリマーから成る力 いかなる材料から成 るものであってもよレ、。また、前記空気極 32及び燃料極 33は、いずれも触媒層と電 極拡散層とから成る。そして、前記触媒層は、例えば、カーボン微粒子の表面に触媒 物質として白金、ルテニウム等の微粒子を担持させたものから成る力 レ、かなる材料 力、ら成るものであってもよレ、。また、前記電極拡散層は、例えば、クロス(布)、ぺーパ (紙)等を基材とするものである力 いかなる材料から成るものであってもよレ、。そして 、前記高分子電解質膜 31、空気極 32及び燃料極 33を積層し、相互に密着させて一 体化することによって、単位セル 35を得ることができる。
[0045] また、セパレータ 22は、図 1 (b)に示されるように、一側面に集電体としての燃料極 側コレクタ 27を含むものである。該燃料極側コレクタ 27は、燃料極 33の電極拡散層 に接触して電流を外部に導出するとともに、燃料ガスを燃料極に供給するための部 材であり、カーボン、金属等の電気抵抗の低い導電性材料から成る多孔質体で形成 されている。また、燃料極側コレクタ 27は、水素ガス流路内に位置するので、水素ガ スを流通させるための複数の空洞部 27aをセパレータ 22との間に形成する。該空洞 部 27aの内面は、水素ガス流路表面として機能する。さらに、燃料極側コレクタ 27は 、前記燃料極 33の電極拡散層に接触する電極接触面 27cを備える。なお、セパレー タ 22は、他側面に集電体としての図示されない空気極側コレクタを有する。該空気 極側コレクタは、図示されない隣接する単位セル 35の空気極 32の電極拡散層に接 触して電流を外部に導出するための部材であり、前記燃料極側コレクタ 27と同様の 構成を有するものであるが、ここでは、その説明を省略する。
[0046] そして、セパレータ 22の下部、より望ましくは、前記水滞留部 26に対応する部分に 位置する 1つ以上の空洞部 27aの内面には、撥水処理が施され、撥水面 27bが形成 されている。前記撥水処理は、例えば、ポリテトラフロォロエチレン(PTFE)等の撥水 性を備える物質を、マスキング等によって部分的に塗布する処理である。なお、前記 撥水処理は、接触抵抗が上がらないよう電極接触面 27cを除き、燃料極側コレクタ 2 7を含むセパレータ 22の他の面にも施すことができる。また、図 1 (b)に示される例に おいて、撥水面 27bが形成された空洞部 27aは 3つである力 撥水面 27bが形成さ れる空洞部 27aの数は任意に設定することができる。 [0047] 前記撥水面 27bを形成することによって、セパレータ 22と水との親和力が低下する ので、空洞部 27a内に流入した水分としての水滴 34は、空洞部 27a内をスムーズに 移動すること力 Sできる。そのため、逆拡散水の量が増加して水素ガス流路内の水分 の量が増加しても、余分な水分が撥水面 27bが形成された空洞部 27aを通って、水 素ガス流路からスムーズに排出される。
[0048] このように、本実施の形態において、燃料電池スタック 11は、セパレータ 22におけ る燃料極 33側の下部に、撥水性を備える撥水面 27bを有する。そのため、燃料ガス 流路内に溜まった水分は、撥水面 27bが形成された空洞部 27aを通って、水素ガス 流路からスムーズに排出されるので、燃料極 33が局部的にも全体的にも水分によつ て覆われてしまうことがない。これにより、水素ガスが燃料極 33と接触して電気化学 反応が発生するための面積の減少が防止されるので、燃料電池の性能が低下したり 、燃料極 33が劣化したりしてしまうことを防止することができる。また、水素ガスの流通 がスムーズになり、水素ガスが水素ガス流路内に残留してしまうことがないので、燃料 電池スタック 11の起動時や停止時に残留した水素ガスと空気とが混合して電位シフ トが発生することもなぐ燃料極 33が劣化することがない。
[0049] なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなぐ例えば、燃料ガスの流 通方向が重力方向と直交する方向に対して下向きに形成されたセパレータゃ、水を 重力に逆らって燃料ガス流によって排出できる程度に上向きの角度に形成されたセ パレータにも適用することができるなど、本発明の趣旨に基づいて種々変形させるこ とが可能であり、それらを本発明の範囲から排除するものではない。
産業上の利用可能性
[0050] この発明は、燃料電池装置に適用することができる。

Claims

請求の範囲
[1] 電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池が、前記燃料極に沿って燃料ガ ス流路が形成されたセパレータを挟んで積層されてレ、るセルモジュールを有し、前記 燃料ガス流路内において燃料ガスが重力方向に対してほぼ直交する方向に流通す る燃料電池装置であって、
前記セパレータは前記燃料極側における下部に撥水面を備えることを特徴とする 燃料電池装置。
[2] 前記セパレータは前記燃料ガスが流通する空洞部を備え、該空洞部の少なくとも 一部の内面は撥水面である請求項 1に記載の燃料電池装置。
[3] 前記セパレータは、前記燃料ガス流路内において水分が滞留する水滞留部に対 応する部分に前記撥水面を備える請求項 1に記載の燃料電池装置。
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