JP2005141958A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】 多孔質体のセパレータを備える燃料電池において不凍液を冷却液として用いること。
【解決手段】カソードセパレータ２２の第２の面２２ｂは、緻密質部である上位領域ＵＡに冷却液流路形成部２２６、多孔質部４０を含む下位領域ＬＡに冷却ガス流路形成部２２７を備えている。冷却液流路形成部２２６は、冷却液供給マニホールド形成部２２３ａと冷却液排出マニホールド形成部２２３ｂと連通されており、液冷によって燃料電池１０を冷却する。冷却ガス流路形成部２２７は、冷却ガス供給マニホールド形成部２２４ａと冷却ガス排気マニホールド形成部２２４ｂと連通されており、空冷によって燃料電池１０を冷却する。冷却液流路形成部２２６と冷却ガス流路形成部２２７との間には、水分のみの透過を許容する透過質性材料からなる分離シール材６０が配置されている。
【選択図】 図３

Description

本発明は、単電池からなる燃料電池、または単電池が複数積層されてなる燃料電池に関する。

固体電解質膜型の燃料電池においては、起電反応に伴いカソード側に生成される水分（生成水）による発電効率の低下が問題となっている。そこで、生成水を除去するための技術が種々提案されている。例えば、燃料電池を構成するセパレータの素材に多孔質体（ポーラス）を用いることで、生成水をセパレータに吸い上げる技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特表平１１−５０８７２６号公報

しかしながら、上記従来の技術では、燃料電池を冷却する冷却液として不凍液を用いた場合に、セパレータ上を流れる不凍液成分が多孔質体を介して電解質膜に到達し、電解質膜に損傷を与えてしまうおそれがあった。一方、冷却液として純水を使用すれば、氷点下以下の環境下で凍結してしまうため現実的でない。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、多孔質体のセパレータを備える燃料電池において不凍液を冷却液として用いることを目的とする。

上記課題を解決するために本発明の第１の態様は、燃料電池を提供する。本発明の第１の態様に係る燃料電池は、
膜電極接合体と、
液体の透過を許容しない緻密質部と液体の透過を許容する多孔質部とから成り、前記膜電極接合体と当接した際に反応ガス流路を形成する反応ガス流路形成部を有する第１の面と、前記緻密質部に形成された第１の冷却液流路形成部と前記多孔質部に形成された第１の冷却ガス流路形成部とを有する第２の面とを備える第１のセパレータと、
前記膜電極接合体と当接した際に反応ガス流路を形成する反応ガス流路形成部を有する第１の面と、第２の冷却液流路形成部と第２の冷却ガス流路形成部とを有する第２の面とを備える第２のセパレータとを備える単電池と、
前記単電池が積層され、前記第１のセパレータの第２の面と前記第２のセパレータの第２の面とが組み合わされた際に、前記第１の冷却液流路形成部と前記第２の冷却液流路形成部とによって形成されると共に不凍液が流れる冷却液流路と、前記第１の冷却ガス流路形成部と前記第２の冷却ガス流路形成部とによって形成されると共に冷却ガスが流れる冷却ガス流路との間に配置されると共に、水分のみを透過する透過性シール材とを備えることを特徴とする。

本発明の第１の態様に係る燃料電池によれば、冷却液流路と冷却ガス流路との間に水分のみを透過する透過性シール材を備えるので、多孔質体のセパレータを備える燃料電池において不凍液を冷却液として用いることができる。冷却液中の不凍液成分は、透過性シール材によって冷却ガス流路への移動が阻止され、冷却液中の水分のみが冷却ガス流路へと移動することができる。この結果、多孔質部を介して不凍液成分が膜電極接合体に到達することはなく、膜電極接合体が不凍液成分によって損傷されず、冷却効果の大きな不凍液を冷却液として用いることができる。

本発明の第１の態様に係る燃料電池において、前記第２のセパレータは、液体の透過を許容しない緻密質部と液体の透過を許容する多孔質部とから成り、前記第２の冷却液流路形成部は前記緻密質部に形成され、前記第２の冷却ガス流路形成部は前記多孔質部に形成されてもよい。かかる場合には、多孔質部から生成水を始めとする水分を排出することができる。

本発明の第１の態様に係る燃料電池において、前記冷却ガス流路の下流端は、前記第１のセパレータと膜電極接合体によって形成される反応ガス流路と連通していてもよい。かかる場合には、多孔質部並びに透過性シール材によって加湿された冷却ガスを反応ガスとして用いることができるので、反応ガスを加湿するための加湿器が不要、あるいは加湿器の小型化を図ることができる。

本発明の第１の態様に係る燃料電池において、前記第１のセパレータはカソード側のセパレータであり、前記第２のセパレータはアノード側のセパレータであり、前記冷却ガスは酸化ガスとしての空気であってもよい。かかる場合には、冷却ガスを反応ガスとしての酸化ガスとして用いることができる。

本発明の第１の態様に係る燃料電池において、前記不凍液はエチレングリコール水溶液であってもよい。

本発明の第２の態様は、燃料電池を提供する。本発明の第２の態様に係る燃料電池は、少なくとも一方が液体の透過を許容しない緻密質部と液体の透過を許容する多孔質部とからなる一組のセパレータと一組のセパレータによって挟持される膜電極接合体とを備える複数の単電池から構成される燃料電池を提供する。本発明の第２の態様に係る燃料電池は、前記各単電池の隣接部において、前記緻密質部に対応する部分に形成され、不凍液が流れる冷却液流路と、前記多孔質部に対応する部分に形成される冷却ガス流路と、前記冷却液流路と前記冷却ガス流路との間に配置される、水分のみを透過する透過性シール材とを備えることを特徴とする。

本発明の第２の態様に係る燃料電池によれば、本発明の第１の態様に係る燃料電池と同様の作用効果を得ることができると共に、本発明の第２の態様に係る燃料電池は、本発明の第１の態様に係る燃料電池と同様にして種々の態様にて実現され得る。

以下、本発明に係る燃料電池について図面を参照しつつ、実施例に基づいて説明する。

図１〜図４を参照して本実施例に係る燃料電池の概略構成について説明する。図１は本実施例に係る燃料電池の外観構成の一例を模式的に示す説明図である。図２は本実施例の燃料電池の構成要素であるカソードセパレータの第１の面（膜電極接合体との接触面）の構成を模式的に示す説明図である。図３は本実施例の燃料電池の構成要素であるカソードセパレータの第２の面（冷却流路側面）の構成を模式的に示す説明図である。図４は本実施例の燃料電池の構成要素であるアノードセパレータの第１の面（膜電極接合体との接触面）の構成を模式的に示す説明図である。

本実施例に係る燃料電池１０は、複数の単セル２０と、エンドプレート３０と、テンションプレート３１を備えている。複数の単セル２０は、２枚のエンドプレート３０によって挟まれ、テンションプレート３１がボルト３２によって各エンドプレート３０に結合されることによって、スタック状の燃料電池１０を形成する。

単セル２０は、膜電極接合体２１、カソードセパレータ２２、アノードセパレータ２３とによって構成されている。単セル２０は、カソードセパレータ２２とアノードセパレータ２３とが接するようにして複数個積層される。

膜電極接合体２１は、イオン交換膜からなる電解質膜と、電解質膜の一方の面に配置された触媒層からなる電極（例えば、アノード電極）、および電解質膜の他方の面に配置された触媒層からなる電極（例えば、カソード電極）とを備えている。

カソードセパレータ２２は、例えば、カーボン、金属、導電性樹脂といった導電性材料から形成されている。カソードセパレータ２２は、そのほとんどが緻密質部で形成されているが、図２および図３における下側中央領域には多孔質部４０にて形成されている。多孔質部４０は、例えば、ポーラス状に形成されたカーボン、燒結金属または金属メッシュといった多孔質の金属を用いることで緻密質部と同一の材料にて形成され得る。多孔質部４０は緻密質部と一体に成形されても良く、あるいは別に成形した後に緻密質部と接合または結合されても良い。

カソードセパレータ２２は、膜電極接合体２１（カソード電極）との接触面である第１の面２２ａと冷却流路が形成されている第２の面２２ｂとを備えている。カソードセパレータ２２は、酸化ガス供給マニホールド形成部２２１ａ、酸化ガス排気マニホールド形成部２２１ｂ、燃料ガス供給マニホールド形成部２２２ａ、燃料ガス排気マニホールド形成部２２２ｂを備えている。これら各形成部２２１ａ、２２１ｂ、２２２ａ、２２２ｂは、積層時に酸化ガス供給マニホールド、酸化ガス排気マニホールド、燃料ガス供給マニホールド、および燃料ガス排気マニホールドをそれぞれ形成する。なお、酸化ガスとしては空気が一般的に用いられ、燃料ガスとしては水素が一般的に用いられる。また、酸化ガス、燃料ガスは共に反応ガスとも呼ばれる。

カソードセパレータ２２は、さらに、冷却液供給マニホールド形成部２２３ａ、冷却液排出マニホールド形成部２２３ｂ、冷却ガス供給マニホールド形成部２２４ａ、冷却ガス排気マニホールド形成部２２４ｂを備えている。これら各形成部２２３ａ、２２３ｂ、２２４ａ、２２４ｂは、積層時に冷却液供給マニホールド、冷却液排出マニホールド、冷却ガス供給マニホールド、および冷却ガス排気マニホールドをそれぞれ形成する。これら冷却液および冷却ガスは、燃料電池１０を冷却するために用いられる。冷却液としては、氷点下環境下における凍結を防止するために、例えば、エチレングリコールを成分に含む不凍液が用いられている。冷却ガスとしては、例えば、酸化ガスとしても利用可能な空気が用いられる。各マニホールド形成部の周囲には、各流体の混合を防止するためにシール材６５が配置されている。

カソードセパレータ２２の第１の面２２ａについて、図２を参照して詳述する。カソードセパレータ２２の第１の面２２ａの略中央には、膜電極接合体２１と接し、覆われることにより酸化ガス流路（反応ガス流路）を形成する酸化ガス（反応ガス）流路形成部２２５が形成されている。酸化ガス流路形成部２２５は、直線状の流路、サーペンタイン流路、溝状（リブ状）流路のいずれの形状であっても良い。さらに、酸化ガス流路形成部２２５は、筋状および溝状の流路に代えて、複数の突起を備えていても良い。

酸化ガス供給マニホールド形成部２２１ａから酸化ガス流路形成部２２５に導入された酸化ガスは、例えば、図２に示すように流動して、酸化ガス排気マニホールド形成部２２１ｂからセパレータ外へ排出される。

一般的に、燃料電池１０のカソード側では、起電反応に伴い水（生成水）が生成されるため、酸化ガス流路形成部２２５の領域のうち、酸化ガス供給マニホールド形成部２２１ａに近い領域ＤＡは比較的乾燥している一方で、酸化ガス排気マニホールド形成部２２１ｂに近い領域ＷＡは湿潤傾向となりやすい。これに対して、本実施例では、カソードセパレータ２２の下部は、多孔質部４０から構成されているので、生成された水は多孔質部４０に吸収され、いわゆるフラッディングが防止される。

カソードセパレータ２２の第２の面２２ｂについて、図３を参照して詳述する。カソードセパレータ２２の第２の面２２ｂは、緻密質部である上位領域ＵＡに冷却液流路形成部２２６、多孔質部４０を含む下位領域ＬＡに冷却ガス流路形成部２２７を備えている。冷却液流路形成部２２６および冷却ガス流路形成部２２７は、カソードセパレータ２２の第２の面２２ｂと、同様の各流路形成部を有するアノードセパレータ２３の第２の面２３ｂとが組み合わされることにより、それぞれ冷却液流路５０および冷却ガス流路５５を形成する。

冷却液流路形成部２２６は、冷却液供給マニホールド形成部２２３ａと冷却液排出マニホールド形成部２２３ｂと連通されており、液冷によって燃料電池１０を冷却する。冷却ガス流路形成部２２７は、冷却ガス供給マニホールド形成部２２４ａと冷却ガス排気マニホールド形成部２２４ｂと連通されており、空冷によって燃料電池１０を冷却する。

冷却ガス流路形成部２２７を通過する冷却ガスは、多孔質部４１を通過する際に加湿される。多孔質部４０は、既述のように生成水を含んでいるので、乾いた冷却ガスが通過（接触）すると、毛細管現象、気化現象によって含有している水分が冷却ガスによって奪われる、すなわち、冷却ガスが加湿される。したがって、冷却ガス排気マニホールドの末端（下流）部分ＭＥと、酸化ガス供給マニホールドの先端（上流）部分ＭＴとを連通することによって、加湿された冷却ガスを酸化ガスとして利用することができる。

冷却液流路形成部２２６と冷却ガス流路形成部２２７との間には、水分のみの透過を許容する透過質性材料からなる分離シール材６０が配置されている。透過質性材料としては、逆浸透膜、浸透気化膜等を用いることができる。

アノードセパレータ２３は、カソードセパレータ２２と同様にして、例えば、カーボン、金属、導電性樹脂といった導電性材料から形成されている。本実施例におけるアノードセパレータ２３は、緻密質部のみで形成されている。アノードセパレータ２３は、膜電極接合体２１（アノード電極）との接触面である第１の面２３ａと冷却流路が形成されている第２の面２３ｂとを備えている。

アノードセパレータ２３は、酸化ガス供給マニホールド形成部２３１ａ、酸化ガス排気マニホールド形成部２３１ｂ、燃料ガス供給マニホールド形成部２３２ａ、燃料ガス排気マニホールド形成部２３２ｂを備えている。これら各形成部２３１ａ、２３１ｂ、２３２ａ、２３２ｂは、積層時に酸化ガス供給マニホールド、酸化ガス排気マニホールド、燃料ガス供給マニホールド、および燃料ガス排気マニホールドをそれぞれ形成する。

アノードセパレータ２３は、さらに、冷却液供給マニホールド形成部２３３ａ、冷却液排出マニホールド形成部２３３ｂ、冷却ガス供給マニホールド形成部２３４ａ、冷却ガス排気マニホールド形成部２３４ｂを備えている。これら各形成部２３３ａ、２３３ｂ、２３４ａ、２３４ｂは、積層時に冷却液供給マニホールド、冷却液排出マニホールド、冷却ガス供給マニホールド、および冷却ガス排気マニホールドをそれぞれ形成する。

アノードセパレータ２３の第１の面２３ａについて、図４を参照して詳述する。アノードセパレータ２３の第１の面２３ａの略中央には、膜電極接合体２１と接し、覆われることにより燃料ガス流路（反応ガス流路）を形成する燃料ガス（反応ガス）流路形成部２３５が形成されている。燃料ガス流路形成部２３５は、サーペンタイン流路、直線状の流路、溝状（リブ状）流路のいずれの形状であっても良い。さらに、燃料ガス流路形成部２３５は、筋状および溝状の流路に代えて、複数の突起を備えていても良い。

燃料ガス供給マニホールド形成部２３２ａから燃料ガス流路形成部２３５に導入された燃料ガスは、例えば、図４中矢印にて示すように流動して、燃料ガス排気マニホールド形成部２３２ｂからセパレータ外へ排出される。

アノードセパレータ２３の第２の面２３ｂの構成は、多孔質部４０を備えていない点を除いて、カソードセパレータ２２の第２の面２２ｂと同様であるから、同一の構成要素については同一の符号を付してその説明を省略する。

図５および図６を参照して分離シール材６０を備えることにより得られる作用効果について説明する。図５は、本実施例に係る燃料電池１０の一部を縦方向に（例えば、図３の５−５線にて）切断した縦断面を模式的に示す説明図である。図６は分離シール材６０により得られる作用効果を模式的に示す説明図である。

各単セル２０は、カソードセパレータ２２の第２面２２ｂとアノードセパレータ２３の第２面２３ｂとが接することによって、互いに隣接している。カソードセパレータ２２の第２面２２ｂとアノードセパレータ２３の第２面２３ｂによって形成された冷却液流路５０および冷却ガス流路５５は、図５に示すように配置されている。

カソードセパレータ２２の第２面２２ｂとアノードセパレータ２３の第２面２３ｂとは、十分な面圧によって当接されているが、微視的には図６に示すように両者２２ｂ、２３ｂとの間には隙間が存在し、冷却液流路５０から冷却ガス流路５５への冷却液漏れを防止することはできない。本実施例では、冷却液流路５０および冷却ガス流路５５との間には、冷却液の水分の透過のみを許容する分離シール材６０が配置されているため、冷却ガス流路５５に対しては、水分のみが供給される。不凍液成分であるエチレングリコールは、冷却液流路５０に留められる。

以上説明したように、本実施例に係る燃料電池１０によれば、冷却液流路５０および冷却ガス流路５５との間に、冷却液の水分の透過のみを許容する分離シール材６０が配置されているので、冷却液としてエチレングリコールを含む不凍液を用いても、電解質膜を損傷させることがない。より具体的には、冷却ガス流路５５は、カソードセパレータ２２の多孔質部４０上に形成されているが、分離シール材６０によって、不凍液成分が多孔質部４０を介して電解質膜に到達することが防止され、エチレングリコールに含まれるアルコール成分による、電解質膜の溶解を防止することができる。

本実施例の構成では、カソード側において発生した生成水が、多孔質部４０を介して冷却ガス流路５５に供給され、冷却ガスの加湿に供される。これに加えて、本実施例では、冷却ガス流路５５には、分離シール材６０を経て冷却液流路５０から水分が供給されるため、供給された水分によって冷却ガスをさらに加湿することができる。特に、高温運転時等、必要水分量が多い場合に、有効である。

さらに、本実施例では、冷却ガスマニホールドの末端（下流）部分ＭＥと、酸化ガス供給マニホールドの先端（上流）部分ＭＴとが連通されているので、加湿された冷却ガスを酸化ガスとして利用することができる。したがって、酸化ガスを加湿するための加湿器が不要、若しくは加湿器を小型化することができる。

また、分離シール材６０を用いることによって、冷却効果の高い不凍液成分を含む冷却液を用いることが可能となり、冷却液の凍結防止と電解質膜の劣化防止の双方を達成することができる。

・その他の実施例：
上記実施例では、カソードセパレータ２２のみが多孔質部４０を備えているが、アノードセパレータ２３に多孔質部４０を備えても良い。アノード側においても逆浸透等により水分が出現することがあり、多孔質部４０を備えることにより、出現した水分を容易に除去することができる。

上記実施例では、冷却ガスとして空気を用いているが、水素等の燃料ガスを用いても良い。かかる場合には、乾燥しがちなアノード側に対して、別体の加湿装置を備えることなく加湿された水素を供給することができる。

上記実施例において、冷却液濃度を検出または監視する冷却液濃度検出器を備えていても良い。冷却液中の水分が減少した場合に適切に水分を補給することができる。

上記実施例では、酸化ガス、燃料ガス、冷却液、冷却ガスの供給態様について詳細に説明されていないが、気体であれば外部の気体ポンプ、液体であれば外部の液体ポンプによってそれぞれ供給され得る。燃料ガスについては、高圧燃料ガスが用いられる場合、ポンプを用いることなく圧力制御によって供給量が調整されても良い。

以上、実施例に基づき本発明に係る燃料電池を説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。

本実施例に係る燃料電池の外観構成の一例を模式的に示す説明図である。 本実施例の燃料電池の構成要素であるカソードセパレータの第１の面（膜電極接合体との接触面）の構成を模式的に示す説明図である。 本実施例の燃料電池の構成要素であるカソードセパレータの第２の面（冷却流路側面）の構成を模式的に示す説明図である。 本実施例の燃料電池の構成要素であるアノードセパレータの第１の面（膜電極接合体との接触面）の構成を模式的に示す説明図である。 本実施例に係る燃料電池１０の一部を縦方向に（例えば、図３の５−５線にて）切断した縦断面を模式的に示す説明図である。 分離シール材６０により得られる作用効果を模式的に示す説明図である。

符号の説明

１０…燃料電池
２０…単セル
２１…膜電極接合体
２２…カソードセパレータ
２２１ａ…酸化ガス供給マニホールド形成部
２２１ｂ…酸化ガス排気マニホールド形成部
２２２ａ…燃料ガス供給マニホールド形成部
２２２ｂ…燃料ガス排気マニホールド形成部
２２３ａ…冷却液供給マニホールド形成部
２２３ｂ…冷却液排出マニホールド形成部
２２４ａ…冷却ガス供給マニホールド形成部
２２４ｂ…冷却ガス排気マニホールド形成部
２２５…酸化ガス流路形成部
２２６…冷却液流路形成部
２２７…冷却ガス流路形成部
２２ａ…第１の面
２２ｂ…第２の面
２３…アノードセパレータ
２３１ａ…酸化ガス供給マニホールド形成部
２３１ｂ…酸化ガス排気マニホールド形成部
２３２ａ…燃料ガス供給マニホールド形成部
２３２ｂ…燃料ガス排気マニホールド形成部
２３３ａ…冷却液供給マニホールド形成部
２３３ｂ…冷却液排出マニホールド形成部
２３４ａ…冷却ガス供給マニホールド形成部
２３４ｂ…冷却ガス排気マニホールド形成部
２３ａ…第１の面
２３ｂ…第２の面
２３５…燃料ガス流路形成部
３０…エンドプレート
３１…テンションプレート
４０…多孔質部
５０…冷却液流路
５５…冷却ガス流路
６０…分離シール材
６５…シール材

Claims (6)

1. 燃料電池であって、
   膜電極接合体と、
   液体の透過を許容しない緻密質部と液体の透過を許容する多孔質部とから成り、前記膜電極接合体と当接した際に反応ガス流路を形成する反応ガス流路形成部を有する第１の面と、前記緻密質部に形成された第１の冷却液流路形成部と前記多孔質部に形成された第１の冷却ガス流路形成部とを有する第２の面とを備える第１のセパレータと、
   前記膜電極接合体と当接した際に反応ガス流路を形成する反応ガス流路形成部を有する第１の面と、第２の冷却液流路形成部と第２の冷却ガス流路形成部とを有する第２の面とを備える第２のセパレータと、
   を備える単電池と、
   前記単電池が積層され、前記第１のセパレータの第２の面と前記第２のセパレータの第２の面とが組み合わされた際に、前記第１の冷却液流路形成部と前記第２の冷却液流路形成部とによって形成されると共に不凍液が流れる冷却液流路と、前記第１の冷却ガス流路形成部と前記第２の冷却ガス流路形成部とによって形成されると共に冷却ガスが流れる冷却ガス流路との間に配置されると共に、水分のみを透過する透過性シール材とを備える燃料電池。
2. 請求項１に記載の燃料電池において、
   前記第２のセパレータは、液体の透過を許容しない緻密質部と液体の透過を許容する多孔質部とから成り、前記第２の冷却液流路形成部は前記緻密質部に形成され、前記第２の冷却ガス流路形成部は前記多孔質部に形成される燃料電池。
3. 請求項１に記載の燃料電池において、
   前記冷却ガス流路の下流端は、前記第１のセパレータと膜電極接合体によって形成される反応ガス流路と連通している燃料電池。
4. 請求項３に記載の燃料電池において、
   前記第１のセパレータはカソード側のセパレータであり、
   前記第２のセパレータはアノード側のセパレータであり、
   前記冷却ガスは酸化ガスとしての空気である燃料電池。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の燃料電池において、
   前記不凍液はエチレングリコール水溶液である燃料電池。
6. 少なくとも一方が液体の透過を許容しない緻密質部と液体の透過を許容する多孔質部とからなる一組のセパレータと一組のセパレータによって挟持される膜電極接合体とを備える複数の単電池から構成される燃料電池であって、
   前記各単電池の隣接部において、
   前記緻密質部に対応する部分に形成され、不凍液が流れる冷却液流路と、
   前記多孔質部に対応する部分に形成される冷却ガス流路と、
   前記冷却液流路と前記冷却ガス流路との間に配置される、水分のみを透過する透過性シール材とを備える燃料電池。

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