JP2008047395A

JP2008047395A - 燃料電池

Info

Publication number: JP2008047395A
Application number: JP2006221105A
Authority: JP
Inventors: Katsuya Matsuoka; 克弥松岡; Yumiko Tsugawa; 祐美子津川
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-08-14
Filing date: 2006-08-14
Publication date: 2008-02-28

Abstract

【課題】発電層の温度分布を均一化した燃料電池の提供。
【解決手段】燃料電池を構成するセパレータ２０内に形成された冷媒通路２２ａ，ｂは、燃料供給側の冷媒供給マニホールド２４，２５からセパレータ２０の長辺に沿って内部に向かって流れ、所定の位置で直角に折れ曲がって重力方向に流れ、再び直角に折れ曲がって長辺に沿ってもとの短辺方向に戻り、燃料排出側の冷媒排出マニホールド２７，２８に接続される略Ｕ字形の通路を内側に並べた構造を有している。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池に関する。

発熱を伴う電気化学反応が行われる燃料電池では、発電層の全面で安定した発電を行うために、発電層を作動温度域に保つと同時に、温度分布を均一化することが望ましい。そのため、従来から、燃料電池には、単一または複数のセルごとに熱交換用の流体（以下、冷媒という）の通路が設けられ、セル内温度の制御及び均一化を図ることが行われている。このような冷媒通路を備えた燃料電池は、例えば、下記特許文献１に記載のものが知られている。

特開２００２−１８４４２８号公報

このような冷媒通路を備えた燃料電池では、例えば、矩形の発電層の長辺側から燃料ガス及び酸化ガスを供給し、短辺側から直線的に冷媒を供給するものが考えられる。冷媒は、入口側から出口側に向かって流れるに従い吸収した熱が冷媒に蓄積されていくため、次第に冷媒の熱交換能力が低下するので、このような方式では、冷媒の通路延長が長い長辺方向の発電層温度に大きな温度差を生じてしまう。また、燃料ガスの供給側では燃料ガスの濃度が高く、発熱（発電）反応が活発に行われ、燃料ガスの排出側では、これに比して反応が緩慢であるために、短辺方向にも大きな温度差を生じてしまう。これにより、発電層全面での安定的な発電が行われないという問題を生じていた。このような問題は、上記の燃料電池に限らず、冷媒通路の延長距離が長い、あるいは燃料供給側の冷媒通路の延長距離が長い燃料電池共通の課題であった。

上記課題を解決する本発明の燃料電池は、
燃料電池であって、
燃料の供給を受け、発熱を伴う電気化学反応により発電を行う矩形形状の発電層と、
前記矩形形状の発電層の長辺側から前記発電層に前記燃料を供給する燃料通路と、
前記発電層を挟持するセパレータと、
前記発電層の両短辺の、前記燃料の供給側にそれぞれ偏って設けられ、前記セパレータに熱交換用の流体を供給する供給口と、
該各々の供給口に連通して前記セパレータに形成された少なくとも２組の通路であって、前記供給口から少なくとも所定の範囲に亘っては前記長辺に沿っており、前記供給口から、前記供給口に対応して該供給口よりも前記燃料の下流側に設けられた各排出口まで連通する前記流体用の通路と
を備えたことを要旨とする。

かかる構成を有する燃料電池は、発電層の両側から冷媒が供給され、所定の範囲に亘って長辺に沿って流れるので、発電層の温度が高くなる燃料供給側を冷媒が流れる距離が一つの冷媒通路当たりで短くなることから、冷媒に熱が蓄積されることを抑制して、発電層の長辺方向の温度分布を均一化できる。また、発電層の温度が高い部分に最も温度が低い状態の冷媒を最初に流すことで、当該部分が十分に冷却でき、発電層の短辺方向についても温度分布を均一化できる。その結果、発電層全面での均一的な発電を促進するという優れた効果を奏する。

こうした燃料電池において、発電層及びセパレータは、複数積層することができる。これにより、所望の電圧等の電池性能を有する燃料電池とすることができる。

また、こうした燃料電池において、燃料は、水素、一酸化炭素などの燃料ガスとすることができる。

また、こうした燃料電池において、発電層は、アノード、電解質膜、カソードを備えた固体高分子形燃料電池とすることができる。固体高分子形燃料電池は、比較的低温で作動し、起動性、小型・軽量化に優れているため、自動車用、携帯機器用、家庭用など広範な利用が可能となる。

また、こうした燃料電池において、更に発電層に酸化ガスを供給する酸化ガス通路を備えたものとすることができる。この場合、燃料の通路及び酸化ガスの通路は、多孔体により形成することが望ましい。これにより、燃料及び酸化ガスはアノード面及びカソード面と均一に接触できるため、発熱分布が均一化され、発電層全面での均一的な発電を促進するという優れた効果を奏する。

また、こうした燃料電池において、更に発電層の長辺から発電層に酸化ガスを供給する酸化ガス通路を備えたものとすることができ、この場合、燃料及び酸化ガスの通路は、重力方向とすることができる。これにより、燃料電池が固体高分子形燃料電池や直接メタノール形燃料電池である場合、アノードに供給される燃料の水分及びカソードで発生する水分は、フラッディングを生じることなく、重力及びガス等の流れを利用して確実に排出させることができるため、安定した発電が可能となる。

また、こうした燃料電池において、冷媒の通路は、略Ｕ字形をなし、冷媒の供給口側の短辺に折り返して形成することが望ましい。かかる燃料電池の冷媒の通路は、発電層の形状に合わせて効率的に冷却通路群を配置することができる。

さらに、冷媒通路が略Ｕ字形の場合、冷媒の排出口は、発電層の両短辺の、燃料の排出側にそれぞれ偏って設けることが望ましい。これにより、冷媒の供給口と排出口を発電層の短辺側に集めることができ、効率の良い取り回しが可能になる。

本発明の実施例について説明する。図１は、実施例としての自動車に搭載する固体高分子形燃料電池を形成する発電層及びセパレータの概略構成を示す説明図である。図示するように、固体高分子形燃料電池を構成する単一のセル１０は、隔壁として機能するセパレータ２０、燃料として用いる水素ガスの通路となる多孔体３０、発電反応が行われる発電層を備えた発電体４０、酸化ガスとして用いる空気の通路となる多孔体５０を備えている。また、セル１０の多孔体５０側には、セパレータ２０と同一形状を有するセパレータ６０が配置されている。なお、セルとは、燃料電池の動作を司る基本的な最小単位であり、この両セパレータ２０，６０に狭持されるセパレータを含めた構成物がセルと呼ばれることもあるが、ここでは、セパレータ６０は、図示しない他の水素ガスの通路となる多孔体、発電体及び空気の通路となる多孔体と一対をなすものと見なして、単一のセル１０には含めないものとして扱う。また、本実施例においては、燃料として水素ガスを、酸化ガスとして空気を用いたが、燃料電池の形式などに応じて、燃料としての一酸化炭素ガス、メタノール、酸化ガスとしての酸素ガス、富化酸素ガスなど、種々の資材を用いることができる。

この燃料電池セル１０は、厚み方向に複数個繰り返して積層され、その積層方向の両端に図示しないターミナル、インシュレータ、エンドプレートが配置されて燃料電池が形成される。なお、本実施例では、セル１０は、自動車用燃料電池としておよそ３００ミリ×１００ミリの矩形に形成されているが、燃料電池の用途や必要な性能に応じて他の形状のセルを用いて構成しても差し支えない。

セル１０の詳細について、まず、発電体４０を説明する。発電体４０は、発電層としての矩形の膜・電極接合体（Membrane-Electrode Assembly、以下「ＭＥＡ」という。）４１と、その外周を囲むシールガスケット４９を備えている。

ＭＥＡ４１は、ガス拡散層４２及び触媒層４３から構成されるアノード４７と、ガス拡散層４６及び触媒層４５から構成されるカソード４８と、その間に配される電解質膜４４とを備えている。ガス拡散層４２，４６は、カーボン製の多孔体であり、本実施例では、カーボンクロスによって形成されているが、カーボンペーパーなどを用いてもよい。触媒層４３，４５は、電気化学反応を促進する触媒、例えば白金などを担持している。電解質膜４４は、湿潤状態でプロトン伝導性を備えた固体高分子材料の薄膜である。

シールガスケット４９は、その外形がセパレータ２０と同一の矩形に形成されており、その４辺に沿って水素、空気及び冷却水のマニホールドを形成する貫通孔が設けられている。このマニホールド用の貫通孔は、セパレータ２０に設けられた貫通孔と同一であるため、セパレータ２０の構造とともに後述する。

次に、多孔体３０及び多孔体５０について説明する。多孔体３０，５０は、反応ガスの通路を形成するものであり、ステンレス、チタン等の金属、またはカーボン材料などから形成される。本実施例では、チタンを用いた。多孔体３０は、水素ガスをアノード４７へ供給するための通路であり、後述する水素供給マニホールド３２，３３から多孔体３０供給される水素ガスは、多孔体３０の内部を重力方向に送られてアノード４７に供給され、残った水素は後述する水素排出マニホールド３５，３６へ排出される。同様に、多孔体５０は、空気をカソード４８へ供給するための通路であり、後述する空気供給マニホールド５２，５３から多孔体５０に供給される空気は、多孔体５０の内部を重力方向に送られて、カソード４８に供給され、残った空気は後述する空気排出マニホールド５５，５６へ排出される。

本実施例では、水素ガス及び空気の通路が多孔体で形成されることにより、水素及び空気はそれぞれアノード面、カソード面に均一に接触することができ、ＭＥＡ４１の全面での安定的な発電を促進する。また、多孔体３０及び多孔体５０においては、水素ガス及び空気の通路が重力方向に形成されることから、水素ガス中に含まれる、あるいはカソードで発生する水分は重力により滞留することなく適正に排出される。なお、本実施例では、水素ガス及び空気の通路を多孔体３０，５０により形成したが、セパレータ２０の両表面に溝を形成して通路としても差し支えない。また、多孔体内での水素ガス及び空気の流れ方向は、重力方向としたが、他の方向であっても差し支えない。

次に、セパレータ２０について説明する。図２はセパレータ２０の内部に形成された冷媒通路２２ａ，２２ｂの構造を示す説明図である。セパレータ２０は、その上部の２隅に水素供給マニホールド３２，３３、下部の２隅に水素排出マニホールド３５，３６を備えている。また、セパレータ２０の長辺には、水素供給マニホールド３２，３３の間に空気供給マニホールド５２，５３を、水素排出マニホールド３５，３６の間に空気排出マニホールド５５，５６を備えている。また、セパレータ２０の両短辺には、水素供給マニホールド３２，３３側に冷媒供給マニホールド２４，２５を、水素排出マニホールド３５，３６側に冷媒排出マニホールド２７，２８を備えている。さらに、セパレータ２０は、その内部にＭＥＡ４１の温度を均一かつ適正域に制御するための冷媒通路２２ａ，２２ｂを備えている。

水素供給マニホールド３２，３３に供給された水素ガスは、前述の通り、多孔体３０を経てアノード４７に供給され、アノード４７で消費されなかった残りの水素ガスが水素排出マニホールド３５，３６から排出される。なお、マニホールド３２，３３，３５，３６と多孔体３０との間の水素ガスの移動は、セパレータ２０に形成された図示しない内部通路及び表面孔を通じて行われる。

同様に、空気供給マニホールド５２，５３に供給された空気は、多孔体５０を経てカソード４８に供給され、カソード４８で消費されなった残りの空気が、カソード４８で生成された水分と共に空気排出マニホールド５５，５６から排出される。マニホールド５２，５３，５５，５６と多孔体５０との間の空気の移動は、セパレータ６０に形成された図示しない内部通路及び表面孔を通じて行われる。

冷媒供給マニホールド２４，２５に供給された冷媒ＲＥは、セパレータ２０の内部に形成された冷媒通路２２ａ，２２ｂにそれぞれ供給され、多孔体３０，５０を介してＭＥＡ４１と熱交換を行った後、冷媒排出マニホールド２７，２８に排出される。この冷媒通路２２ａ，２２ｂは、冷媒供給マニホールド２４，２５からセパレータ２０の長辺に沿って内部に向かって流れ、所定の位置で直角に折れ曲がって重力方向に流れ、再び直角に折れ曲がって長辺に沿ってもとの短辺方向に戻り、冷媒排出マニホールド２７，２８に接続される略Ｕ字形の通路を５重に並べた構造を左右対照に有している。本実施例では、冷媒ＲＥは、エチレングリコールを含む不凍水を用いたが、他の不凍水や純水、それらに防錆添加剤、イオン交換樹脂を添加したもの、空気などを用いてもよい。なお、マニホールド２４，２８と図示する冷媒通路２２ａ、マニホールド２５，２７と図示する冷媒通路２２ｂとは、それぞれセパレータ２０の内部の図示する断面とは異なる断面上に形成される冷媒通路により連通している。また、本実施例では、セパレータ２０は、２枚または３枚のチタンプレートにエッチング加工を施して貼り合わせることにより冷媒通路を形成しているが、他の金属やカーボン、合成樹脂などの他の部材から形成してもよく、打ち抜き加工やプレス加工を施して貼り合わせることにより冷媒通路を形成してもよい。

一方、比較例として、従来のセパレータの一例としてのセパレータ１２０の内部に形成された冷却通路の構造を図３に示す。図３に示す従来のセパレータ１２０は、セパレータ１２０の短辺に沿って、水素供給マニホールド３２と水素排出マニホールド３６の間に冷媒供給マニホールド１２４，１２８を、水素供給マニホールド３３と水素排出マニホールド３５の間に冷媒排出マニホールド１２５，１２７を備えている。また、セパレータ１２０の内部に形成された冷媒通路１２２は、冷媒供給マニホールド１２４または１２８からセパレータ１２０の長辺に沿って直線的に流れ、冷媒排出マニホールド１２５または１２７に接続される直線形通路を１０本並べた構造を有している。その他の構造は、セパレータ２０と同様である。

ここで、本実施例のセパレータ２０と従来のセパレータ１２０を比較する。図４は、従来のセパレータ１２０を用いた場合のＭＥＡ温度分布を模式的に表した図である。図中のＰ１ないしＰ４は、説明の便宜上、図２及び図３の所定の位置に付した符号である。まず、前提として、ＭＥＡの発熱分布について説明する。多孔体３０の上流側からアノード４７に供給される水素ガス及び多孔体５０の上流側からカソード４８に供給される空気は、上流側では十分な水素または酸素濃度を有しており、活発な発熱反応を起こさせるが、下流側に向かうに従って、発電反応で消費された分だけ水素濃度及び酸素濃度が低下し、発熱反応が緩慢となる。すなわち、ＭＥＡでの発熱量は、図４（ａ）に示すように、水素ガス通路の上流側（Ｐ１-Ｐ２側）の領域Ａ１が下流側（Ｐ４-Ｐ３側）の領域Ａ２よりも大きくなる。

ここで、長辺に沿った直線的な冷媒通路１２２を備えた従来のセパレータ１２０では、冷媒通路１２２を流れる冷媒ＲＥの温度は、通路の入口側（Ｐ１-Ｐ４側）では低温であるが、出口側（Ｐ２-Ｐ３側）に向かうに従いＭＥＡの熱を吸収して次第に高温となる。すなわち、冷媒ＲＥの冷却能力は、図４（ｂ）に示すように、入口側の領域Ａ３で大きく、出口側の領域Ａ４で小さくなる。

したがって、従来のセパレータ１２０では、前述のＭＥＡ発熱分布（図４（ａ））と冷媒冷却能力分布（図４（ｂ））とを合わせれば、ＭＥＡ表面の温度は、図４（ｃ）に示すように、Ｐ４からＰ２に向かって次第に温度が高くなる分布を形成し、Ｐ２付近では冷媒ＲＥによる冷却が困難な状況が発生する。

一方、図５は、本実施例のセパレータ２０を用いた場合のＭＥＡ温度分布を模式的に表した図である。ＭＥＡの発熱分布については、従来のセパレータ１２０と同様である（図５（ａ））。

本実施例のセパレータ２０では、両短辺から長辺に沿って流れる冷媒通路２２ａ，２２ｂがセパレータ２０の中央部でＵターンする構造となっており、ＭＥＡ発熱温度が高くなりがちな水素ガス通路の上流側（Ｐ１-Ｐ２側）の領域Ａ１を一つの冷媒通路が通過する距離を、従来のセパレータ１２０と比べておよそ半分以下とすることができるため、上流側では従来のセパレータ１２０に比べて低温とすることができる。下流側では、次第に熱を吸収するために高温となる。すなわち、冷媒ＲＥの冷却能力は、図４（ｂ）に示すように、上流側の領域Ａ１で大きく、下流側の領域Ａ２で小さくなる。また、同時に、上述の冷媒通路の構造から、冷媒ＲＥの冷却能力は、長辺方向の差が緩和される。

したがって、本実施例のセパレータ２０では、前述のＭＥＡ発熱分布（図５（ａ））と冷媒冷却能力分布（図５（ｂ））を合わせれば、ＭＥＡの発熱量の大きな領域Ａ１にける冷媒ＲＥの冷却能力を大きくし、ＭＥＡの発熱量の小さな領域Ａ２にける冷媒ＲＥの冷却能力を小さくすることから、短辺方向の温度分布を均一化できると同時に、冷媒ＲＥの長辺方向の冷却能力の差が緩和されることから、長辺方向の温度分布も均一化できる（図５（ｃ））。さらに、短辺方向の温度分布について細かく見れば、本実施例の略Ｕ字形の冷媒の通路の集合体は、例えば、第１の流路が、発熱（発電）反応が最も活発に行われる領域Ａ１の最上流部を冷媒供給口から長辺に沿って流れ、略Ｕ字形に折り返して、発熱反応が最も緩慢となる領域Ａ２の最下流部を長辺に沿って流れ、第２の通路が、第１の流路の内側の２番目に発熱の大きい部分を流れた後、２番目に発熱の小さい部分を流れる、といったように、発熱の大きい領域Ａ１と発熱の小さい領域Ａ２をバランス良く組み合わせて流れるために、冷媒通路ごとの吸収熱量が均一化され、発電層の短辺方向の温度分布について均一化できる。以上のことから、本実施例の構成を有する燃料電池は、発電層全体の温度分布を均一化でき、発電層全面での均一的な発電を促進するという優れた効果を奏する。

なお、本実施例のセパレータ２０及び従来のセパレータ１２０を用いたセルについて、それぞれのセルを１万個の区画に分け、シミュレーションにより各区画のＭＥＡ表面温度を算出し、次式（１）で表される各区画の温度の分散σ²を求めたところ、従来のセパレータ１２０の分散σ² ₁₂₀＝26.8に対して、本実施例のセパレータ２０の分散σ² ₂₀＝5.1となり、本発明により温度分布を大幅に均一化できた。

本実施例では、Ｕ字形の冷媒通路２２ａ，２２ｂは、セパレータ２０の長辺または短辺に対して平行としたが、傾斜があっても差し支えない。また、本実施例では、冷媒通路２２ａ，２２ｂは、直角に曲がる通路としたが、円や楕円を描きながら曲がる通路であってもよい。さらに、本実施例の冷媒通路数は、左右に５本ずつとしたが、セルの寸法や求められる温度分布の均一性から最適な本数を適宜選択することができる。

以上本発明の実施例について説明したが、本発明はこうした実施例に限られるものではなく、本発明の要旨を脱しない範囲において、種々なる態様で実施できることは勿論である。例えば、空気の供給方向を重力方向と逆にしたものや、セルの長辺を重力方向として配置し、水素及び空気を重力と交差する方向に、冷媒ＲＥを重力方向に流すものや、略Ｕ字形の冷媒通路の代わりにＬ字形の冷媒通路を用いるものなど種々の変形例を考えることができる。もとより、本発明の燃料電池の構成は、固形高分子形燃料電池に限らず、直接メタノール形、リン酸形、溶融炭酸塩形、固体酸化物形など種々の燃料電池に適用することができる。なお、本実施例では、発電層は矩形形状としたが、縦横の長さが略等しいものであっても適用可能である。

本発明の実施例としての燃料電池のセル１０の概略構成を示す説明図である。本発明の実施例としてのセパレータ２０の内部に形成された冷媒通路２２ａ，２２ｂの構造を示す説明図である。比較例としての従来のセパレータ１２０の内部に形成された冷媒通路１２２の構造を示す説明図である。従来のセパレータ１２０を用いた場合のＭＥＡ温度分布を模式的に表した図である。実施例としてのセパレータ２０を用いた場合のＭＥＡ温度分布を模式的に表した図である。

符号の説明

１０…燃料電池セル
２０，１２０，６０…セパレータ
２２ａ，２２ｂ，１２２…冷媒通路
２４，２５，１２４，１２８…冷媒供給マニホールド
２７，２８，１２５，１２７…冷媒排出マニホールド
３０，５０…多孔体
３２，３３…水素供給マニホールド
３５，３６…水素排出マニホールド
４０…発電体
４１…ＭＥＡ
４２，４６…ガス拡散層
４３，４５…触媒層
４４…電解質膜
４７…アノード
４８…カソード
４９…シールガスケット
５２，５３…空気供給マニホールド
５５，５６…空気排出マニホールド

Claims

燃料電池であって、
燃料の供給を受け、発熱を伴う電気化学反応により発電を行う矩形形状の発電層と、
前記矩形形状の発電層の長辺側から前記発電層に前記燃料を供給する燃料通路と、
前記発電層を挟持するセパレータと、
前記発電層の両短辺の、前記燃料の供給側にそれぞれ偏って設けられ、前記セパレータに熱交換用の流体を供給する供給口と、
該各々の供給口に連通して前記セパレータに形成された少なくとも２組の通路であって、前記供給口から少なくとも所定の範囲に亘っては前記長辺に沿っており、前記供給口から、前記供給口に対応して該供給口よりも前記燃料の下流側に設けられた各排出口まで連通する前記流体用の通路と
を備えた燃料電池。
前記発電層及び前記セパレータは、複数積層される請求項１記載の燃料電池。
前記燃料は、燃料ガスである請求項１または請求項２記載の燃料電池。
前記発電層は、アノード、電解質膜及びカソードを備えた請求項１ないし請求項３のいずれか記載の燃料電池。
前記発電層に酸化ガスを供給する酸化ガス通路を備え、
前記燃料通路及び前記酸化ガス通路は、多孔体により形成される請求項１ないし請求項４のいずれか記載の燃料電池。
前記発電層の長辺側から前記発電層に酸化ガスを供給する酸化ガス通路を備え、
前記燃料通路及び前記酸化ガス通路は、重力方向に形成される請求項１ないし請求項５のいずれか記載の燃料電池。
前記流体用の通路は、略Ｕ字形をなし、前記短辺に折り返して形成される請求項１ないし請求項６のいずれか記載の燃料電池。
前記排出口は、前記発電層の両短辺の、前記燃料の排出側にそれぞれ偏って設けられる請求項７記載の燃料電池。