JP2009093889A - 燃料電池 - Google Patents
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Abstract
【課題】燃料電池において、膜電極接合体の表面を流れる反応ガスの流量分布に起因した発電分布の不均一を抑制する。
【解決手段】燃料電池は、電解質膜の両面に、それぞれ、触媒電極(アノード側触媒層、および、カソード側触媒層)を接合してなる膜電極接合体(MEA)と、各触媒電極の表面にそれぞれ積層され、各触媒電極に供給すべき反応ガスを流すための流路構成部材と、を備える。そして、触媒電極における発電に供する発電部分の平面形状を、その触媒電極の表面に積層された流路構成部材における反応ガスの流量分布に基づいて、膜電極接合体の発電部分における単位面積当たりの発電量がほぼ等しくなるように設定する。
【選択図】図6
【解決手段】燃料電池は、電解質膜の両面に、それぞれ、触媒電極(アノード側触媒層、および、カソード側触媒層)を接合してなる膜電極接合体(MEA)と、各触媒電極の表面にそれぞれ積層され、各触媒電極に供給すべき反応ガスを流すための流路構成部材と、を備える。そして、触媒電極における発電に供する発電部分の平面形状を、その触媒電極の表面に積層された流路構成部材における反応ガスの流量分布に基づいて、膜電極接合体の発電部分における単位面積当たりの発電量がほぼ等しくなるように設定する。
【選択図】図6
Description
本発明は、燃料電池に関するものである。
反応ガス、すなわち、燃料ガス(例えば、水素)と酸化剤ガス(例えば、酸素)との電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。この燃料電池は、概ね、電解質膜(例えば、プロトン伝導性を有する固体高分子膜)の両面に、それぞれ、触媒電極(アノード、および、カソード)を接合してなる膜電極接合体を、セパレータ(集電部材)によって挟持することによって構成される。
このような燃料電池では、発電によって、膜電極接合体の表面における反応ガスの流れ方向の上流から下流に掛けて、反応ガスが消費されていくため、反応ガスの流れ方向の上流側では、反応ガスの濃度が比較的高く、反応ガスの下流側では、反応ガスの濃度が比較的低くなるという濃度勾配が生じる。このため、膜電極接合体において、反応ガスの流れ方向の上流から下流に掛けて、発電分布が不均一になるという課題があった。
そこで、従来、膜電極接合体において、反応ガスの流れ方向の上流から下流に掛けて、触媒電極(触媒層)の厚さ等を変化させることによって、反応ガスの流れ方向の上流から下流に掛けての発電分布の均一化を図る技術が提案されている(例えば、下記特許文献1,2参照)。
しかし、上記特許文献に記載された技術では、膜電極接合体の表面における反応ガスの濃度分布に関しては、考慮されているものの、膜電極接合体の表面を流れる反応ガスの流量分布に関しては、何ら考慮されていなかった。つまり、従来の燃料電池では、膜電極接合体の表面を流れる反応ガスの流量分布の不均一に起因して、発電分布が不均一になる場合があった。
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池において、膜電極接合体の表面を流れる反応ガスの流量分布に起因した発電分布の不均一を抑制することを目的とする。
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するために以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
[適用例1]燃料電池であって、電解質膜の両面に、それぞれ、触媒電極を接合してなる膜電極接合体と、前記各触媒電極の表面にそれぞれ積層され、前記各触媒電極に供給すべき反応ガスを流すための流路構成部材と、を備え、前記触媒電極における発電に供する発電部分の平面形状は、該触媒電極の表面に積層された前記流路構成部材における前記反応ガスの流量分布に基づいて設定されている、燃料電池。
適用例1の燃料電池では、上記発電部分の平面形状を、触媒電極の表面に積層された流路構成部材における反応ガスの流量分布に基づいて設定している。したがって、膜電極接合体の表面を流れる反応ガスの流量分布に起因した発電分布の不均一を抑制するようにすることができる。
なお、上記発電部分の平面形状とは、実際に発電に供する触媒電極の平面形状を意味しており、例えば、触媒電極の平面形状自体を流路構成部材における反応ガスの流路分布に基づいて設定するようにしてもよいし、膜電極接合体や、触媒電極の表面の一部にガス不透過な被覆を施すことによって、実質的に発電に寄与する部分の平面形状を流路構成部材における反応ガスの流路分布に基づいて設定するようにしてもよい。
[適用例2]適用例1記載の燃料電池であって、前記発電部分の平面形状は、さらに、前記流路構成部材における前記反応ガスの流量が比較的少ない領域と対向する部分の触媒電極の面積が、前記流路構成部材における前記反応ガスの流量が比較的多い領域と対向する部分の触媒電極の面積よりも小さくなるように設定されている、燃料電池。
適用例2の燃料電池では、流路構成部材における反応ガスの流量が比較的少ない領域と対向する領域の発電部分の面積が、流路構成部材における反応ガスの流量が比較的多い領域と対向する領域の発電部分の面積よりも狭くなるように設定されている。換言すれば、膜電極接合体の表面において、反応ガスの流量が少ないほど、触媒電極における発電部分の面積を狭く設定している。こうすることによって、膜電極接合体の表面を流れる反応ガスの流量分布に起因した発電分布の不均一を抑制するようにすることができる。
[適用例3]適用例1または2記載の燃料電池であって、前記発電部分の平面形状は、さらに、前記発電部分における単位面積当たりの発電量がほぼ等しくなるように設定されている、燃料電池。
本適用例によって、膜電極接合体の表面を流れる反応ガスの流量分布に起因した発電分布の不均一を抑制するようにすることができる。
[適用例4]適用例1ないし3のいずれかに記載の燃料電池であって、前記流路構成部材の表面に積層され、前記膜電極接合体で発電された電力を集電する集電部材を備え、前記集電部材は、前記集電部材の内部に設けられ、外部から供給された前記反応ガスを流すための反応ガス流路と、前記流路構成部材の一方の端部領域に対向する位置に形成され、前記反応ガス流路から前記流路構成部材の表面に対して略垂直方向に前記反応ガスを供給するための反応ガス供給口と、前記流路構成部材の他方の端部領域に対向する位置に形成され、前記流路構成部材内を流れ、前記膜電極接合体において発電に供されなかった前記反応ガスであるオフガスを、前記流路構成部材の表面から略垂直方向に排出するためのオフガス排出口と、前記オフガス排出口から前記オフガスを外部に流すためのオフガス流路と、を有しており、前記集電部材において、前記反応ガス供給口、および、前記オフガス排出口は、それぞれ、前記流路構成部材内における前記反応ガス、および、前記オフガスの流れ方向に対して略垂直な方向の前記流路構成部材の幅とほぼ等しい長さを有するスリット形状を有しており、前記反応ガス流路は、前記反応ガス供給口の長さ方向の少なくとも一方の端部から延設されており、前記オフガス流路は、前記オフガス排出口の長さ方向の少なくとも一方の端部から延設されている、燃料電池。
集電部材が上述した構造を有する燃料電池では、反応ガス供給口の形状がスリット形状を有しているため、反応ガス供給口の長さ方向について、膜電極接合体の表面における反応ガスの流量分布が比較的不均一になりやすい。したがって、本発明は、特に効果的である。
[適用例5]適用例1ないし4のいずれかに記載の燃料電池であって、前記反応ガスは、燃料ガスと酸化剤ガスとのうちの少なくとも燃料ガスである、燃料電池。
膜電極接合体において、燃料ガスが供給されるアノード側の触媒電極と、酸化剤ガスが供給されるカソード側の触媒電極とでは、一般に、アノード側の触媒電極の方が、いわゆるカーボン酸化等によって劣化しやすい傾向にある。したがって、本発明は、特に効果的である。なお、膜電極接合体における発電は、アノード側の触媒電極とカソード側の触媒電極とが対となって行われるので、カソード側の触媒電極にも、本発明を適用することが好ましい。
[適用例6]適用例1ないし5のいずれかに記載の燃料電池であって、前記電解質膜と前記触媒電極との平面形状は、ほぼ等しい、燃料電池。
本適用例によって、膜電極接合体のサイズを必要最小限に抑えることができるので、膜電極接合体、さらには、燃料電池の製造コストを抑制することができる。
本発明は、上述の燃料電池としての構成の他、燃料電池の製造方法、あるいは、燃料電池に用いられる膜電極接合体の製造方法の発明として構成することもできる。
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき説明する。
A.第1実施例:
A1.燃料電池スタックの構成:
図1は、本発明の第1実施例としての燃料電池スタック100の概略構成を示す斜視図である。この燃料電池スタック100は、概ね、プロトン伝導性を有する電解質膜の両面に、それぞれアノード、および、カソードを接合した膜電極接合体を、セパレータを介在させて、複数積層させたスタック構造を有している。本実施例では、電解質膜として、固体高分子膜を用いるものとした。電解質として、固体酸化物等、他の電解質を用いるものとしてもよい。また、本実施例では、セパレータは、後述するように、3層構造を有しており、セパレータ内には、アノードに供給すべき燃料ガスとしての水素の流路や、カソードに供給すべき酸化剤ガスとしての空気の流路や、冷却水の流路が形成されている。なお、燃料電池スタック100における膜電極接合体の積層数は、燃料電池スタック100に要求される出力に応じて任意に設定可能である。
A.第1実施例:
A1.燃料電池スタックの構成:
図1は、本発明の第1実施例としての燃料電池スタック100の概略構成を示す斜視図である。この燃料電池スタック100は、概ね、プロトン伝導性を有する電解質膜の両面に、それぞれアノード、および、カソードを接合した膜電極接合体を、セパレータを介在させて、複数積層させたスタック構造を有している。本実施例では、電解質膜として、固体高分子膜を用いるものとした。電解質として、固体酸化物等、他の電解質を用いるものとしてもよい。また、本実施例では、セパレータは、後述するように、3層構造を有しており、セパレータ内には、アノードに供給すべき燃料ガスとしての水素の流路や、カソードに供給すべき酸化剤ガスとしての空気の流路や、冷却水の流路が形成されている。なお、燃料電池スタック100における膜電極接合体の積層数は、燃料電池スタック100に要求される出力に応じて任意に設定可能である。
燃料電池スタック100は、図示するように、一端から、エンドプレート10a、絶縁板20a、集電板30a、複数の燃料電池モジュール40、集電板30b、絶縁板20b、エンドプレート10bの順に積層することによって構成されている。本実施例では、これらは、それぞれ略矩形形状を有している。そして、燃料電池スタック100内部には、水素や、空気や、冷却水を、それぞれ各膜電極接合体に分配して供給するための供給マニホールド(水素供給マニホールド、空気供給マニホールド、冷却水供給マニホールド)や、各膜電極接合体のアノードおよびカソードからそれぞれ排出されるアノードオフガスおよびカソードオフガスや、冷却水を集合させて燃料電池スタック100の外部に排出するための排出マニホールド(アノードオフガス排出マニホールド、カソードオフガス排出マニホールド、冷却水排出マニホールド)が形成されている。
そして、図示するように、エンドプレート10aの下側長辺の内側には、下側長辺に沿って、空気供給マニホールドを構成する空気供給口12iが形成されている。また、エンドプレート10aの上側長辺の内側には、上側長辺に沿って、カソードオフガス排出マニホールドを構成するカソードオフガス排出口12oが形成されている。また、エンドプレート10aの左側短辺の内側には、水素供給マニホールドを構成する水素供給口14i、および、冷却水供給マニホールドを構成する冷却水供給口16iが、上下に互いに隣接して形成されている。また、エンドプレート10aの右側短辺には、冷却水排出マニホールドを構成する冷却水排出口16o、および、アノードオフガス排出マニホールドを構成するアノードオフガス排出口14oが、上下に互いに隣接して形成されている。
水素供給口14iには、図示しない水素タンクから、燃料ガスとしての水素が供給され、燃料電池スタック100のアノードから排出されるアノードオフガスは、アノードオフガス排出口14oから排出される。また、空気供給口12iには、図示しないエアコンプレッサによって圧縮された酸化剤ガスとしての酸素を含む空気が供給され、燃料電池スタック100のカソードから排出されるカソードオフガスは、カソードオフガス排出口12oから排出される。また、冷却水供給口16iには、図示しないラジエータによって冷却され、ポンプによって加圧された冷却水が供給され、燃料電池スタック100の内部を流れて、冷却水排出口16oから排出されて循環する。
燃料電池モジュール40は、膜電極接合体、および、シールガスケットを一体的に備えるユニットと、セパレータとによって構成されている。この燃料電池モジュール40については、後述する。
エンドプレート10a,10bは、剛性を確保するために、鋼等の金属によって形成されている。また、絶縁板20a,20bは、ゴムや、樹脂等の絶縁性部材によって形成されている。また、集電板30a,30bは、緻密質カーボンや、銅板などのガス不透過な導電性部材によって形成されている。集電板30a,30bには、それぞれ出力端子32a,32bが設けられており、燃料電池スタック100で発電した電力を出力可能となっている。
A2.燃料電池モジュールの構成:
燃料電池スタック100を構成する各燃料電池モジュール40は、膜電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)の周囲にシールガスケットを配置したユニット(以下、シールガスケット一体型MEAと呼ぶ)の両面に、後述する金属多孔体を積層させ、これらを、後述するセパレータ42によって挟持することによって構成されている。そして、本実施例において、膜電極接合体は、電解質膜の一方の面に、カソードとして、触媒層(触媒電極)が接合され、他方の面にアノードとして、触媒層(触媒電極)が接合されたものである。なお、本実施例の膜電極接合体において、アノード側の触媒層の表面、および、カソード側の触媒層の表面には、後述するように、導電性、および、ガス拡散性を有し、アノード側の触媒層、および、カソード側の触媒層に、それぞれ供給すべき水素、および、空気を流すための反応ガス流路を構成するガス拡散層もそれぞれ接合されている。このガス拡散層としては、例えば、カーボンクロスや、カーボンペーパ等を適用可能である。これは、後述する第2実施例においても同様である。以下、シールガスケット一体型MEA41、セパレータ42、および、燃料電池モジュール40の断面構造について説明する。
燃料電池スタック100を構成する各燃料電池モジュール40は、膜電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)の周囲にシールガスケットを配置したユニット(以下、シールガスケット一体型MEAと呼ぶ)の両面に、後述する金属多孔体を積層させ、これらを、後述するセパレータ42によって挟持することによって構成されている。そして、本実施例において、膜電極接合体は、電解質膜の一方の面に、カソードとして、触媒層(触媒電極)が接合され、他方の面にアノードとして、触媒層(触媒電極)が接合されたものである。なお、本実施例の膜電極接合体において、アノード側の触媒層の表面、および、カソード側の触媒層の表面には、後述するように、導電性、および、ガス拡散性を有し、アノード側の触媒層、および、カソード側の触媒層に、それぞれ供給すべき水素、および、空気を流すための反応ガス流路を構成するガス拡散層もそれぞれ接合されている。このガス拡散層としては、例えば、カーボンクロスや、カーボンペーパ等を適用可能である。これは、後述する第2実施例においても同様である。以下、シールガスケット一体型MEA41、セパレータ42、および、燃料電池モジュール40の断面構造について説明する。
A2.1.シールガスケット一体型MEA:
図2は、第1実施例におけるシールガスケット一体型MEA41の概略構造を示す説明図である。図2(a)に、シールガスケット一体型MEA41のカソード側から見た平面図を示した。また、図2(b)には、図2(a)におけるA−A断面図を示した。
図2は、第1実施例におけるシールガスケット一体型MEA41の概略構造を示す説明図である。図2(a)に、シールガスケット一体型MEA41のカソード側から見た平面図を示した。また、図2(b)には、図2(a)におけるA−A断面図を示した。
図2(a)に示したように、シールガスケット一体型MEA41は、略矩形形状を有しており、等脚台形形状を有するMEA411の周囲に、シリコーンゴムからなるシールガスケット410を一体形成したものである。MEA411は、図2(b)に示したように、電解質膜411mの両面に、それぞれカソード411c(カソード側触媒層411cc、カソード側ガス拡散層411cd)、および、アノード411a(アノード側触媒層411ac、アノード側ガス拡散層411ad)を接合したものである。本実施例では、アノード側触媒層411ac、および、カソード側触媒層411ccは、これらの全面において、ほぼ均等な厚さを有しており、ほぼ均質であるものとした。
なお、本実施例では、MEA411の平面形状は、図示した左側ほど(後述する水素供給用貫通孔414iからの距離が近いほど)、図示した縦方向の長さが長く、図示した右側ほど(水素供給用貫通孔414iからの距離が遠いほど)、図示した縦方向の長さが短くなるように設定されている。本実施例において、MEA411の平面形状を上述した台形形状とした理由については、後述する。
そして、シールガスケット410の下側長辺部のMEA411の近傍領域には、空気供給マニホールドを構成する空気供給用貫通孔412iが、シールガスケット410の下側長辺に沿って形成されている。シールガスケット410における空気供給用貫通孔412iの形成位置は、エンドプレート10aに形成された空気供給口12iの形成位置と対応している。
また、シールガスケット410の上側長辺部のMEA411の近傍領域には、カソードオフガス排出マニホールドを構成するカソードオフガス排出用貫通孔412oが、シールガスケット410の上側長辺に沿って形成されている。シールガスケット410におけるカソードオフガス排出用貫通孔412oの形成位置は、エンドプレート10aに形成されたカソードオフガス排出口12oの形成位置と対応している。
また、シールガスケット410の左側短辺部のMEA411の近傍領域には、水素供給マニホールドを構成する水素供給用貫通孔414iと、冷却水供給マニホールドを構成する冷却水供給用貫通孔416iとが、上下に配置して形成されている。シールガスケット410における水素供給用貫通孔414i、および、冷却水供給用貫通孔416iの形成位置は、それぞれエンドプレート10aに形成された水素供給口14i、および、冷却水供給口16iの形成位置と対応している。
また、シールガスケット410の右側短辺部のMEA411の近傍領域には、冷却水排出マニホールドを構成する冷却水排出用貫通孔416oと、アノードオフガス排出マニホールドを構成するアノードオフガス排出用貫通孔414oとが、上下に配置して形成されている。シールガスケット410における冷却水排出用貫通孔416o、および、アノードオフガス排出用貫通孔414oの形成位置は、それぞれエンドプレート10aに形成された冷却水排出口16o、および、アノードオフガス排出口14oの形成位置と対応している。
また、図2(a),(b)に示したように、シールガスケット410における、上述した各貫通孔、および、MEA411の周囲には、シールガスケット410の両面にライン状の突起部を形成することによって、シールラインSLがそれぞれ形成されている。このシールラインSLによって、シールガスケット一体型MEA41と後述するセパレータ42とを積層したときに、上述した各貫通孔内を流れる水素や、空気や、冷却水、および、MEA411の表面を流れる水素や、空気等の外部へ漏洩を抑制することができる。
A2.2.セパレータ:
図3は、第1実施例におけるセパレータ42の構成部品の平面図である。本実施例におけるセパレータ42は、それぞれ複数の貫通孔が設けられた3枚の金属製の平板、すなわち、カソード対向プレート42cと、中間プレート42mと、アノード対向プレート42aとから構成されている。そして、セパレータ42は、中間プレート42mを、カソード対向プレート42cと、アノード対向プレート42aとによって挟み、これらをホットプレス接合することによって作製されている。本実施例では、カソード対向プレート42cと、中間プレート42mと、アノード対向プレート42aとは、シールガスケット一体型MEA41と同一の略矩形形状を有するステンレス鋼製の平板を用いるものとした。カソード対向プレート42cと、中間プレート42mと、アノード対向プレート42aとして、ステンレス鋼の代わりに、チタンやアルミニウム等、他の金属製の平板を用いるものとしてもよい。
図3は、第1実施例におけるセパレータ42の構成部品の平面図である。本実施例におけるセパレータ42は、それぞれ複数の貫通孔が設けられた3枚の金属製の平板、すなわち、カソード対向プレート42cと、中間プレート42mと、アノード対向プレート42aとから構成されている。そして、セパレータ42は、中間プレート42mを、カソード対向プレート42cと、アノード対向プレート42aとによって挟み、これらをホットプレス接合することによって作製されている。本実施例では、カソード対向プレート42cと、中間プレート42mと、アノード対向プレート42aとは、シールガスケット一体型MEA41と同一の略矩形形状を有するステンレス鋼製の平板を用いるものとした。カソード対向プレート42cと、中間プレート42mと、アノード対向プレート42aとして、ステンレス鋼の代わりに、チタンやアルミニウム等、他の金属製の平板を用いるものとしてもよい。
図3(a)は、シールガスケット一体型MEA41のカソード側の面と当接するカソード対向プレート42cの平面図である。図中の破線で囲った等脚台形の領域は、先に説明したシールガスケット一体型MEA41におけるMEA411に対応する領域を表している。また、図中の一点鎖線で囲った矩形の領域は、後述する金属多孔体に対応する領域を表している。
図示するように、カソード対向プレート42cには、シールガスケット一体型MEA41に形成された各貫通孔と対応する位置に、空気供給マニホールドを構成する空気供給用貫通孔422ciと、カソードオフガス排出マニホールドを構成するカソードオフガス排出用貫通孔422coと、水素供給マニホールドを構成する水素供給用貫通孔424ciと、冷却水供給マニホールドを構成する冷却水供給用貫通孔426ciと、冷却水排出マニホールドを構成する冷却水排出用貫通孔426coと、アノードオフガス排出マニホールドを構成するアノードオフガス排出用貫通孔424coとが形成されている。これらの各貫通孔の形状は、シールガスケット一体型MEA41において、これらと対応する各貫通孔の形状と同じである。
また、カソード対向プレート42cには、図示するように、空気供給用貫通孔422ci近傍の金属多孔体の下端領域と対向する位置に配置された空気供給口422osと、カソードオフガス排出用貫通孔422co近傍の金属多孔体の上端領域と対向する位置に配置されたカソードオフガス排出口422oeとが形成されている。本実施例では、空気供給口422osと、カソードオフガス排出口422oeとは、金属多孔体の長辺の長さとほぼ等しい幅を有するスリット形状を有するものとした。
図3(b)は、中間プレート42mの平面図である。図中の破線で囲った等脚台形の領域は、先に説明したシールガスケット一体型MEA41におけるMEA411に対応する領域を表している。また、図中の一点鎖線で囲った矩形の領域は、後述する金属多孔体に対応する領域を表している。
図示するように、中間プレート42mには、シールガスケット一体型MEA41に形成された各貫通孔と対応する位置に、空気供給マニホールドを構成する空気供給用貫通孔422miと、カソードオフガス排出マニホールドを構成するカソードオフガス排出用貫通孔422moと、水素供給マニホールドを構成する水素供給用貫通孔424miと、アノードオフガス排出マニホールドを構成するアノードオフガス排出用貫通孔424moとが形成されている。これらの各貫通孔の形状は、シールガスケット一体型MEA41において、これらと対応する各貫通孔の形状と同じである。また、中間プレート42mには、冷却水供給マニホールドを構成する複数の冷却水流路形成用貫通孔426mも形成されている。
また、中間プレート42mにおいて、空気供給用貫通孔422miには、空気供給用貫通孔422miから、カソード対向プレート42cに形成された空気供給口422osに、空気を流すための複数の空気供給用流路形成部422mipが、櫛歯状に設けられている。また、カソードオフガス排出用貫通孔422moには、カソード対向プレート42cに形成されたカソードオフガス排出口422oeから、カソードオフガス排出用貫通孔422moに、カソードオフガスを流すための複数のカソードオフガス排出用流路形成部422mopが、櫛歯状に設けられている。また、水素供給用貫通孔424miには、この水素供給用貫通孔424miから、後述するアノード対向プレート42aに形成された水素供給口424hsに、水素を流すための水素供給用流路形成部424mipが設けられている。また、アノードオフガス排出用貫通孔424moには、後述するアノード対向プレート42aに形成されたアノードオフガス排出口424heから、アノードオフガス排出用貫通孔424moに、アノードオフガスを流すためのアノードオフガス排出用流路形成部424mopが設けられている。
図3(c)は、シールガスケット一体型MEA41のアノード側の面と当接するアノード対向プレート42aの平面図である。図中の破線で囲った等脚台形の領域は、先に説明したシールガスケット一体型MEA41におけるMEA411に対応する領域を表している。また、図中の一点鎖線で囲った矩形の領域は、後述する金属多孔体に対応する領域を表している。
図示するように、アノード対向プレート42aには、シールガスケット一体型MEA41に形成された各貫通孔と対応する位置に、空気供給マニホールドを構成する空気供給用貫通孔422aiと、カソードオフガス排出マニホールドを構成するカソードオフガス排出用貫通孔422aoと、水素供給マニホールドを構成する水素供給用貫通孔424aiと、冷却水供給マニホールドを構成する冷却水供給用貫通孔426aiと、冷却水排出マニホールドを構成する冷却水排出用貫通孔426aoと、アノードオフガス排出マニホールドを構成するアノードオフガス排出用貫通孔424aoとが形成されている。これらの各貫通孔の形状は、シールガスケット一体型MEA41において、これらと対応する各貫通孔の形状と同じである。
また、アノード対向プレート42aには、図示するように、カソードオフガス排出用貫通孔422ao近傍の金属多孔体の上端領域と対向する位置に配置された水素供給口424hsと、空気供給用貫通孔422ai近傍の金属多孔体の下端領域と対向する位置に配置されたアノードオフガス排出口424heとが形成されている。本実施例では、水素供給口424hsと、アノードオフガス排出口424heとは、カソード対向プレート42cに形成された空気供給口422os、および、カソードオフガス排出口422oeと同様に、金属多孔体の長辺の長さとほぼ等しい幅を有するスリット形状を有するものとした。
図4は、セパレータ42の平面図である。このセパレータ42は、先に説明したように、カソード対向プレート42cと、中間プレート42mと、アノード対向プレート42aとを、ホットプレス接合することによって形成されている。ここでは、アノード対向プレート42a側から見た様子を示した。
図から分かるように、アノード対向プレート42aにおいて、水素供給口424hsは、中間プレート42mに形成された水素供給用流路形成部424mipと重なるように形成されている。また、アノード対向プレート42aにおいて、アノードオフガス排出口424heは、中間プレート42mに形成されたアノードオフガス排出用流路形成部424mopと重なるように形成されている。
また、カソード対向プレート42cにおいて、空気供給口422osは、中間プレート42mに形成された複数の空気供給用流路形成部422mipの各上端部と重なるように形成されている。また、カソード対向プレート42cにおいて、カソードオフガス排出口422oeは、中間プレート42mに形成された複数のカソードオフガス排出用流路形成部422mopの各下端部と重なるように形成されている。
また、中間プレート42mにおいて、複数の冷却水流路形成用貫通孔426mは、それぞれ、その一端が、アノード対向プレート42aに形成された冷却水供給用貫通孔426ai、および、カソード対向プレート42cに形成された冷却水供給用貫通孔426ciと重なるとともに、その他端が、アノード対向プレート42aに形成された冷却水排出用貫通孔426ao、および、カソード対向プレート42cに形成された冷却水排出用貫通孔426coと重なるように形成されている。
A2.3.燃料電池モジュールの断面構造:
図5は、燃料電池モジュール40の断面構造を示す説明図である。セパレータ42と、シールガスケット一体型MEA41とを積層させたときの、図4におけるA−A断面図を示した。
図5は、燃料電池モジュール40の断面構造を示す説明図である。セパレータ42と、シールガスケット一体型MEA41とを積層させたときの、図4におけるA−A断面図を示した。
なお、本実施例の燃料電池モジュール40では、シールガスケット一体型MEA41のアノード411aと、シールガスケット一体型MEA41のアノード対向プレート42aとの間には、導電性、および、ガス拡散性を有する多孔質部材(アノード側金属多孔体43a)が介装され、アノード側ガス拡散層411adの表面に沿って水素を流すための流路が形成されている。また、シールガスケット一体型MEA41のカソード411cと、シールガスケット一体型MEA41のカソード対向プレート42cとの間にも、導電性、および、ガス拡散性を有する多孔質部材(カソード側金属多孔体43c)が介装され、カソード側ガス拡散層411cdの表面に沿って空気を流すための流路が形成されている。上記多孔質部材の代わりに、例えば、エキスパンドメタルを適用するようにしてもよい。これは、後述する第2実施例においても同様である。アノード側金属多孔体43a、および、カソード側金属多孔体43cは、アノード側ガス拡散層411ad、および、カソード側ガス拡散層411cdと同様に、本発明における流路構成部材に相当する。
図中に矢印で示したように、燃料電池モジュール40において、燃料電池スタック100の外部から供給された空気は、アノード対向プレート42aの空気供給用貫通孔422aiを通り、中間プレート42mの空気供給用貫通孔422miから分岐して、空気供給用流路形成部422mipを通り、カソード対向プレート42cの空気供給口422osから、カソード側金属多孔体43cの表面に対して垂直な方向に供給される。
そして、空気供給口422osから供給された空気は、カソード側金属多孔体43c中、および、カソード側ガス拡散層411cd中を拡散しつつ流れ、カソード対向プレート42cのカソードオフガス排出口422oeから、カソード側金属多孔体43cの表面に対して垂直な方向に排出され、中間プレート42mのカソードオフガス排出用流路形成部422mop、カソードオフガス排出用貫通孔422moを通って、アノード対向プレート42aのカソードオフガス排出用貫通孔422ao等を通じて、燃料電池スタック100の外部に排出される。
また、図4、および、図5から分かるように、燃料電池スタック100の外部から供給された水素は、アノード対向プレート42aの水素供給用貫通孔424aiを通り、中間プレート42mの水素供給用貫通孔424miから分岐して、水素供給用流路形成部424mipを通り、アノード対向プレート42aの水素供給口424hsから、アノード側金属多孔体43aの表面に対して垂直な方向に供給される。
そして、水素供給口424hsから供給された水素は、アノード側金属多孔体43a中、および、アノード側ガス拡散層411ad中を拡散しつつ流れ、アノード対向プレート42aのアノードオフガス排出口424heから、アノード側金属多孔体43aの表面に対して垂直な方向に排出され、中間プレート42mのアノードオフガス排出用流路形成部424mop、アノードオフガス排出用貫通孔424moを通って、アノード対向プレート42aのアノードオフガス排出用貫通孔424ao等を通じて、燃料電池スタック100の外部に排出される。
また、図4、および、図5から分かるように、燃料電池スタック100の外部から供給された冷却水は、アノード対向プレート42aの冷却水供給用貫通孔426ai、中間プレート42mの冷却水流路形成用貫通孔426mを通って、アノード対向プレート42aの冷却水排出用貫通孔426ao等を通じて、燃料電池スタック100の外部に排出される。
A3.第1実施例の作用、および、効果:
図6は、第1実施例の作用、および、効果を示す説明図である。図6(a)に、アノード対向プレート42aに形成された水素供給口424hsからアノードオフガス排出口424heへの水素の流れを示した。また、図6(b)に、本実施例の作用、および、効果を示すグラフを示した。なお、ここでは、本実施例の作用、および、効果について、MEA411のアノード側についてのみ説明し、カソード側については、アノード側と同様であるので、説明を省略する。
図6は、第1実施例の作用、および、効果を示す説明図である。図6(a)に、アノード対向プレート42aに形成された水素供給口424hsからアノードオフガス排出口424heへの水素の流れを示した。また、図6(b)に、本実施例の作用、および、効果を示すグラフを示した。なお、ここでは、本実施例の作用、および、効果について、MEA411のアノード側についてのみ説明し、カソード側については、アノード側と同様であるので、説明を省略する。
上述した燃料電池モジュール40では、先に説明したように、水素供給マニホールドの主流路(水素供給用貫通孔424ci、水素供給用貫通孔424mi、水素供給用貫通孔424ai、水素供給用貫通孔414i)を流れる水素は、中間プレート42mに形成された水素供給用流路形成部424mipを流れ、アノード対向プレート42aに形成されたスリット形状を有する水素供給口424hsからアノード側金属多孔体43aに供給される。このとき、水素供給口424hsからアノード側金属多孔体43aに供給される水素の流量は、図6(a)中に長さの異なる複数の実線矢印で示したように、あるいは、図6(b)に実線で示したように、例えば、水素供給用貫通孔424aiから近いほど多くなり、水素供給用貫通孔424aiから遠ざかるほど少なくなる。したがって、アノード対向プレート42aと当接するアノード側金属多孔体43a内を流れる水素も、例えば、水素供給用貫通孔424aiから近いほど多くなり、水素供給用貫通孔424aiから遠ざかるほど少なくなる。つまり、アノード側金属多孔体43aにおいて、水素供給口424hsからアノードオフガス排出口424heへの水素の流量分布は不均一となる。
そして、本実施例の燃料電池モジュール40では、シールガスケット一体型MEA41において、MEA411の平面形状を、先に説明したように(図2参照)、等脚台形形状としており、水素供給用貫通孔414iからの距離が近いほど、水素の流れ方向の長さが長く、水素供給用貫通孔414iからの距離が遠いほど、水素の流れ方向の長さが短くなるように設定されている。つまり、図6(b)に破線で示したように、MEA411の平面形状は、MEA411の表面上を流れる水素の流量が多いほど、水素の流れ方向の長さが長く、MEA411の表面上を流れる水素の流量が少ないほど、水素の流れ方向の長さが短く設定されている。換言すれば、MEA411の平面形状は、MEA411の表面上を流れる水素の流量が多い領域ほど、その面積が広く、MEA411の表面上を流れる水素の流量が少ない領域ほど、その面積が狭く設定されている。したがって、MEA411の表面において、水素の流量が比較的多い領域では、比較的広い面積で発電が行われ、水素の流量が比較的少ない領域では、比較的狭い面積で発電が行われる。この結果、図6(b)に一点鎖線で示したように、MEA411の発電部分における単位面積当たりの発電量は均一化される。
以上説明した第1実施例の燃料電池スタック100によれば、燃料電池モジュール40において、MEA411の平面形状、すなわち、MEA411におけるアノード側触媒層411ac、および、カソード側触媒層411ccの平面形状を、アノード側金属多孔体43a、および、カソード側金属多孔体43cにおける反応ガスの流量分布に基づいて、MEA411の発電部分における単位面積当たりの発電量がほぼ等しくなるように設定している。したがって、MEA411の表面を流れる反応ガスの流量分布に起因した発電分布の不均一を抑制することができる。
B.第2実施例:
B1.燃料電池スタックの構成:
図7は、本発明の第2実施例としての燃料電池スタック100Aの概略構成を示す斜視図である。図1と図7との比較から分かるように、第2実施例の燃料電池スタック100Aの構成は、第1実施例の燃料電池スタック100の構成とほぼ等しい。ただし、図7に示したように、第2実施例の燃料電池スタック100Aでは、第1実施例の燃料電池スタック100とは異なり、エンドプレート10aに、2つの水素供給口14i1,14i2、および、2つのアノードオフガス排出口14o1,14o2が、図示した位置に形成されている。また、第2実施例の燃料電池スタック100Aでは、第1実施例の燃料電池スタック100における燃料電池モジュール40の代わりに、燃料電池モジュール40Aを備えており、その構成が、第1実施例の燃料電池スタック100における燃料電池モジュール40の構成と異なっている。以下、第2実施例の燃料電池モジュール40Aについて説明する。
B1.燃料電池スタックの構成:
図7は、本発明の第2実施例としての燃料電池スタック100Aの概略構成を示す斜視図である。図1と図7との比較から分かるように、第2実施例の燃料電池スタック100Aの構成は、第1実施例の燃料電池スタック100の構成とほぼ等しい。ただし、図7に示したように、第2実施例の燃料電池スタック100Aでは、第1実施例の燃料電池スタック100とは異なり、エンドプレート10aに、2つの水素供給口14i1,14i2、および、2つのアノードオフガス排出口14o1,14o2が、図示した位置に形成されている。また、第2実施例の燃料電池スタック100Aでは、第1実施例の燃料電池スタック100における燃料電池モジュール40の代わりに、燃料電池モジュール40Aを備えており、その構成が、第1実施例の燃料電池スタック100における燃料電池モジュール40の構成と異なっている。以下、第2実施例の燃料電池モジュール40Aについて説明する。
B2.燃料電池モジュールの構成:
第2実施例における燃料電池モジュール40Aも、第1実施例における燃料電池モジュール40と同様に、シールガスケット一体型MEAの両面に、金属多孔体を積層させ、これらを、後述するセパレータ42Aによって挟持することによって構成されている。以下、第2実施例におけるシールガスケット一体型MEA41A、セパレータ42Aについて説明する。なお、燃料電池モジュール40Aの断面構造や、反応ガス等の流れについては、第1実施例における燃料電池モジュール40とほぼ同様であるので、図示、および、説明を省略する。
第2実施例における燃料電池モジュール40Aも、第1実施例における燃料電池モジュール40と同様に、シールガスケット一体型MEAの両面に、金属多孔体を積層させ、これらを、後述するセパレータ42Aによって挟持することによって構成されている。以下、第2実施例におけるシールガスケット一体型MEA41A、セパレータ42Aについて説明する。なお、燃料電池モジュール40Aの断面構造や、反応ガス等の流れについては、第1実施例における燃料電池モジュール40とほぼ同様であるので、図示、および、説明を省略する。
B2.1.シールガスケット一体型MEA:
図8は、第2実施例におけるシールガスケット一体型MEA41Aの概略構造を示す説明図である。図8(a)に、シールガスケット一体型MEA41Aのカソード側から見た平面図を示した。また、図8(b)には、図8(a)におけるA−A断面図を示した。
図8は、第2実施例におけるシールガスケット一体型MEA41Aの概略構造を示す説明図である。図8(a)に、シールガスケット一体型MEA41Aのカソード側から見た平面図を示した。また、図8(b)には、図8(a)におけるA−A断面図を示した。
図8(a)に示したように、シールガスケット一体型MEA41Aは、略矩形形状を有しており、矩形の長辺の中央部がくびれた六角形形状、すなわち、2つの等脚台形を左右対称に隣接させた形状を有するMEA411Aの周囲に、シリコーンゴムからなるシールガスケット410Aを一体形成したものである。MEA411Aは、図8(b)に示したように、電解質膜411mの両面に、それぞれカソード411c(カソード側触媒層411cc、カソード側ガス拡散層411cd)、および、アノード411a(アノード側触媒層411ac、アノード側ガス拡散層411ad)を接合したものである。本実施例においても、アノード側触媒層411ac、および、カソード側触媒層411ccは、これらの全面において、ほぼ均等な厚さを有しており、ほぼ均質であるものとした。
なお、本実施例では、MEA411Aの平面形状は、図示した両側ほど(後述する水素供給用貫通孔414i1,414i2からの距離が近いほど)、図示した縦方向の長さが長く、図示した中央部ほど(水素供給用貫通孔414i1,414i2からの距離が遠いほど)、図示した縦方向の長さが短くなるように設定されている。本実施例において、MEA411Aの平面形状を上述した形状とした理由については、後述する。
そして、シールガスケット410Aには、第1実施例におけるシールガスケット410と同じ位置に、空気供給マニホールドを構成する空気供給用貫通孔412iと、カソードオフガス排出マニホールドを構成するカソードオフガス排出用貫通孔412oと、冷却水排出マニホールドを構成する冷却水排出用貫通孔416oと、冷却水供給マニホールドを構成する冷却水供給用貫通孔416iとが形成されている。
また、シールガスケット410Aの左側短辺、および、右側短辺のMEA411Aの近傍領域であって、冷却水供給用貫通孔416i、および、冷却水排出用貫通孔416oの上側に、水素供給マニホールドを構成する2つの水素供給用貫通孔414i1,414i2がそれぞれ形成されている。また、シールガスケット410Aの左側短辺、および、右側短辺のMEA411Aの近傍領域であって、冷却水供給用貫通孔416i、および、冷却水排出用貫通孔416oの下側に、アノードオフガス排出マニホールドを構成する2つのアノードオフガス排出用貫通孔414o1,414o2がそれぞれ形成されている。
また、図8(a),(b)に示したように、シールガスケット410Aにおける、上述した各貫通孔、および、MEA411Aの周囲には、シールガスケット410Aの両面にライン状の突起部を形成することによって、シールラインSLがそれぞれ形成されている。このシールラインSLによって、シールガスケット一体型MEA41Aと後述するセパレータ42Aとを積層したときに、上述した各貫通孔内を流れる水素や、空気や、冷却水、および、MEA411Aの表面を流れる水素や、空気等の外部へ漏洩を抑制することができる。
B2.2.セパレータ:
図9は、第2実施例におけるセパレータ42Aの構成部品の平面図である。本実施例におけるセパレータ42Aは、第1実施例におけるセパレータ42と同様に、それぞれ複数の貫通孔が設けられた3枚の金属製の平板、すなわち、カソード対向プレート42Acと、中間プレート42Amと、アノード対向プレート42Aaとから構成されている。そして、セパレータ42Aは、中間プレート42Amを、カソード対向プレート42Acと、アノード対向プレート42Aaとによって挟み、これらをホットプレス接合することによって作製されている。本実施例においても、カソード対向プレート42Acと、中間プレート42Amと、アノード対向プレート42Aaとは、シールガスケット一体型MEA41Aと同一の略矩形形状を有するステンレス鋼製の平板を用いるものとした。カソード対向プレート42Acと、中間プレート42Amと、アノード対向プレート42Aaとして、ステンレス鋼の代わりに、チタンやアルミニウム等、他の金属製の平板を用いるものとしてもよい。
図9は、第2実施例におけるセパレータ42Aの構成部品の平面図である。本実施例におけるセパレータ42Aは、第1実施例におけるセパレータ42と同様に、それぞれ複数の貫通孔が設けられた3枚の金属製の平板、すなわち、カソード対向プレート42Acと、中間プレート42Amと、アノード対向プレート42Aaとから構成されている。そして、セパレータ42Aは、中間プレート42Amを、カソード対向プレート42Acと、アノード対向プレート42Aaとによって挟み、これらをホットプレス接合することによって作製されている。本実施例においても、カソード対向プレート42Acと、中間プレート42Amと、アノード対向プレート42Aaとは、シールガスケット一体型MEA41Aと同一の略矩形形状を有するステンレス鋼製の平板を用いるものとした。カソード対向プレート42Acと、中間プレート42Amと、アノード対向プレート42Aaとして、ステンレス鋼の代わりに、チタンやアルミニウム等、他の金属製の平板を用いるものとしてもよい。
図9(a)は、シールガスケット一体型MEA41Aのカソード側の面と当接するカソード対向プレート42Acの平面図である。図中の破線で囲った六角形の領域は、先に説明したシールガスケット一体型MEA41AにおけるMEA411Aに対応する領域を表している。また、図中の一点鎖線で囲った矩形の領域は、金属多孔体に対応する領域を表している。
図示するように、カソード対向プレート42Acには、シールガスケット一体型MEA41Aに形成された各貫通孔と対応する位置に、空気供給マニホールドを構成する空気供給用貫通孔422ciと、カソードオフガス排出マニホールドを構成するカソードオフガス排出用貫通孔422coと、水素供給マニホールドを構成する2つの水素供給用貫通孔424ci1,424ci2と、冷却水供給マニホールドを構成する冷却水供給用貫通孔426ciと、冷却水排出マニホールドを構成する冷却水排出用貫通孔426coと、アノードオフガス排出マニホールドを構成する2つのアノードオフガス排出用貫通孔424co1,424co2とが形成されている。これらの各貫通孔の形状は、シールガスケット一体型MEA41Aにおいて、これらと対応する各貫通孔の形状と同じである。
また、カソード対向プレート42Acには、図示するように、空気供給用貫通孔422ci近傍の金属多孔体の下端領域と対向する位置に配置された空気供給口422osと、カソードオフガス排出用貫通孔422co近傍の金属多孔体の上端領域と対向する位置に配置されたカソードオフガス排出口422oeとが形成されている。本実施例においても、空気供給口422osと、カソードオフガス排出口422oeとは、金属多孔体の長辺の長さとほぼ等しい幅を有するスリット形状を有するものとした。
図9(b)は、中間プレート42Amの平面図である。図中の破線で囲った六角形の領域は、先に説明したシールガスケット一体型MEA41AにおけるMEA411Aに対応する領域を表している。また、図中の一点鎖線で囲った矩形の領域は、金属多孔体に対応する領域を表している。
図示するように、中間プレート42Amには、シールガスケット一体型MEA41Aに形成された各貫通孔と対応する位置に、空気供給マニホールドを構成する空気供給用貫通孔422miと、カソードオフガス排出マニホールドを構成するカソードオフガス排出用貫通孔422moと、水素供給マニホールドを構成する2つの水素供給用貫通孔424mi1,424mi2と、アノードオフガス排出マニホールドを構成する2つのアノードオフガス排出用貫通孔424mo1,424mo2とが形成されている。これらの各貫通孔の形状は、シールガスケット一体型MEA41Aにおいて、これらと対応する各貫通孔の形状と同じである。また、中間プレート42Amには、冷却水供給マニホールドを構成する複数の冷却水流路形成用貫通孔426mも形成されている。
また、中間プレート42Amにおいて、空気供給用貫通孔422miには、空気供給用貫通孔422miから、カソード対向プレート42Acに形成された空気供給口422osに、空気を流すための複数の空気供給用流路形成部422mipが、櫛歯状に設けられている。また、カソードオフガス排出用貫通孔422moには、カソード対向プレート42Acに形成されたカソードオフガス排出口422oeから、カソードオフガス排出用貫通孔422moに、カソードオフガスを流すための複数のカソードオフガス排出用流路形成部422mopが、櫛歯状に設けられている。また、水素供給用貫通孔424mi1,424mi2には、これら水素供給用貫通孔424mi1,424mi2から、それぞれ、後述するアノード対向プレート42Aaに形成された水素供給口424hsに、水素を流すための水素供給用流路形成部424mipが設けられている。また、アノードオフガス排出用貫通孔424mo1,424mo2には、後述するアノード対向プレート42Aaに形成されたアノードオフガス排出口424heから、それぞれ、アノードオフガス排出用貫通孔424mo1,424mo2に、アノードオフガスを流すためのアノードオフガス排出用流路形成部424mopが設けられている。
図9(c)は、シールガスケット一体型MEA41Aのアノード側の面と当接するアノード対向プレート42Aaの平面図である。図中の破線で囲った六角形の領域は、先に説明したシールガスケット一体型MEA41AにおけるMEA411Aに対応する領域を表している。また、図中の一点鎖線で囲った矩形の領域は、金属多孔体に対応する領域を表している。
図示するように、アノード対向プレート42Aaには、シールガスケット一体型MEA41Aに形成された各貫通孔と対応する位置に、空気供給マニホールドを構成する空気供給用貫通孔422aiと、カソードオフガス排出マニホールドを構成するカソードオフガス排出用貫通孔422aoと、水素供給マニホールドを構成する2つの水素供給用貫通孔424ai1,424ai2と、冷却水供給マニホールドを構成する冷却水供給用貫通孔426aiと、冷却水排出マニホールドを構成する冷却水排出用貫通孔426aoと、アノードオフガス排出マニホールドを構成する2つのアノードオフガス排出用貫通孔424ao1,424ao2とが形成されている。これらの各貫通孔の形状は、シールガスケット一体型MEA41Aにおいて、これらと対応する各貫通孔の形状と同じである。
また、アノード対向プレート42Aaには、図示するように、カソードオフガス排出用貫通孔422ao近傍の金属多孔体の上端領域と対向する位置に配置された水素供給口424hsと、空気供給用貫通孔422ai近傍の金属多孔体の下端領域と対向する位置に配置されたアノードオフガス排出口424heとが形成されている。本実施例においても、水素供給口424hsと、アノードオフガス排出口424heとは、カソード対向プレート42cに形成された空気供給口422os、および、カソードオフガス排出口422oeと同様に、金属多孔体の長辺の長さとほぼ等しい幅を有するスリット形状を有するものとした。
図10は、セパレータ42Aの平面図である。このセパレータ42Aは、先に説明したように、カソード対向プレート42Acと、中間プレート42Amと、アノード対向プレート42Aaとを、ホットプレス接合することによって形成されている。ここでは、アノード対向プレート42Aa側から見た様子を示した。
図から分かるように、アノード対向プレート42Aaにおいて、水素供給口424hsは、中間プレート42Amに形成された水素供給用流路形成部424mipと重なるように形成されている。また、アノード対向プレート42Aaにおいて、アノードオフガス排出口424heは、中間プレート42Amに形成されたアノードオフガス排出用流路形成部424mopと重なるように形成されている。
また、カソード対向プレート42Acにおいて、空気供給口422osは、中間プレート42Amに形成された複数の空気供給用流路形成部422mipの各上端部と重なるように形成されている。また、カソード対向プレート42Acにおいて、カソードオフガス排出口422oeは、中間プレート42Amに形成された複数のカソードオフガス排出用流路形成部422mopの各下端部と重なるように形成されている。
また、中間プレート42Amにおいて、複数の冷却水流路形成用貫通孔426mは、それぞれ、その一端が、アノード対向プレート42Aaに形成された冷却水供給用貫通孔426ai、および、カソード対向プレート42Acに形成された冷却水供給用貫通孔426ciと重なるとともに、その他端が、アノード対向プレート42Aaに形成された冷却水排出用貫通孔426ao、および、カソード対向プレート42Acに形成された冷却水排出用貫通孔426coと重なるように形成されている。
B3.第2実施例の作用、および、効果:
図11は、第2実施例の作用、および、効果を示す説明図である。図11(a)に、アノード対向プレート42Aaに形成された水素供給口424hsからアノードオフガス排出口424heへの水素の流れを示した。また、図11(b)に、本実施例の作用、および、効果を示すグラフを示した。なお、ここでは、本実施例の作用、および、効果について、MEA411Aのアノード側についてのみ説明し、カソード側については、アノード側と同様であるので、説明を省略する。
図11は、第2実施例の作用、および、効果を示す説明図である。図11(a)に、アノード対向プレート42Aaに形成された水素供給口424hsからアノードオフガス排出口424heへの水素の流れを示した。また、図11(b)に、本実施例の作用、および、効果を示すグラフを示した。なお、ここでは、本実施例の作用、および、効果について、MEA411Aのアノード側についてのみ説明し、カソード側については、アノード側と同様であるので、説明を省略する。
上述した燃料電池モジュール40Aでは、先に説明したように、水素供給マニホールドの主流路(水素供給用貫通孔424ci1,424ci2、水素供給用貫通孔424mi1,424mi2、水素供給用貫通孔424ai1,424ai2、水素供給用貫通孔414i1,414i2)を流れる水素は、中間プレート42Amに形成された水素供給用流路形成部424mipを流れ、アノード対向プレート42Aaに形成されたスリット形状を有する水素供給口424hsからアノード側金属多孔体43aに供給される。したがって、水素供給口424hsから供給される水素の流量は、図11(a)中に長さの異なる複数の実線矢印で示したように、あるいは、図1(b)に実線で示したように、例えば、水素供給用貫通孔424ai1,424ai2から近いほど、すなわち、水素供給口424hsの両側ほど多くなり、水素供給用貫通孔424ai1,424ai2から遠ざかるほど、すなわち、水素供給口424hsの中央部ほど少なくなる。したがって、アノード対向プレート42aと当接するアノード側金属多孔体43a内を流れる水素も、例えば、水素供給用貫通孔424aiから近いほど、すなわち、水素供給口424hsの両側ほど多くなり、水素供給用貫通孔424aiから遠ざかるほど、すなわち、水素供給口424hsの中央部ほど少なくなる。つまり、アノード側金属多孔体43aにおいて、水素供給口424hsからアノードオフガス排出口424heへの水素の流量分布は不均一となる。
そして、本実施例の燃料電池モジュール40Aでは、シールガスケット一体型MEA41Aにおいて、MEA411Aの平面形状を、先に説明したように(図8参照)、2つの等脚台形を左右対称に隣接させた六角形形状としており、水素供給用貫通孔414i1,414i2からの距離が近いほど、すなわち、MEA411Aの両側ほど、水素の流れ方向の長さが長く、水素供給用貫通孔414i1,414i2からの距離が遠いほど、すなわち、MEA411Aの中央部ほど、水素の流れ方向の長さが短くなるように設定されている。つまり、図11(b)に破線で示したように、MEA411Aの平面形状は、MEA411Aの表面上を流れる水素の流量が多いほど、水素の流れ方向の長さが長く、MEA411Aの表面上を流れる水素の流量が少ないほど、水素の流れ方向の長さが短く設定されている。換言すれば、MEA411Aの平面形状は、MEA411Aの表面上を流れる水素の流量が多い領域ほど、その面積が広く、MEA411Aの表面上を流れる水素の流量が少ない領域ほど、その面積が狭く設定されている。したがって、MEA411Aの表面において、水素の流量が比較的多い領域では、比較的広い面積で発電が行われ、水素の流量が比較的少ない領域では、比較的狭い面積で発電が行われる。この結果、図11(b)に一点鎖線で示したように、MEA411Aの発電部分における単位面積当たりの発電量は均一化される。
以上説明した第2実施例の燃料電池スタック100Aによれば、燃料電池モジュール40Aにおいて、MEA411Aの平面形状、すなわち、MEA411Aにおけるアノード側触媒層411ac、および、カソード側触媒層411ccの平面形状を、アノード側金属多孔体43a、および、カソード側金属多孔体43cにおける反応ガスの流量分布に基づいて、MEA411Aの発電部分における単位面積当たりの発電量がほぼ等しくなるように設定している。したがって、MEA411Aの表面を流れる反応ガスの流量分布に起因した発電分布の不均一を抑制することができる。
C.変形例:
以上、本発明のいくつかの実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形が可能である。
以上、本発明のいくつかの実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形が可能である。
C1.変形例1:
上記第1実施例では、MEA411の平面形状、すなわち、アノード側触媒層411ac、および、カソード側触媒層411ccの平面形状は、等脚台形形状を有するものとしたが、本発明は、これに限られない。本発明は、一般に、触媒層(触媒電極)における発電に供する発電部分の平面形状を、触媒電極の表面に積層された流路構成部材(例えば、アノード側金属多孔体43a)における反応ガスの流量分布に基づいて設定されていればよい。
上記第1実施例では、MEA411の平面形状、すなわち、アノード側触媒層411ac、および、カソード側触媒層411ccの平面形状は、等脚台形形状を有するものとしたが、本発明は、これに限られない。本発明は、一般に、触媒層(触媒電極)における発電に供する発電部分の平面形状を、触媒電極の表面に積層された流路構成部材(例えば、アノード側金属多孔体43a)における反応ガスの流量分布に基づいて設定されていればよい。
図12は、第1実施例におけるMEA411(図2参照)の変形例としてのMEA、すなわち、MEAにおけるアノード側触媒層、および、カソード側触媒層の平面形状を示す説明図である。図12(a),(b)に示したように、MEAにおけるアノード側触媒層、および、カソード側触媒層の平面形状を、等脚台形以外の台形形状としてもよい。また、図12(c)に示したように、MEAにおけるアノード側触媒層、および、カソード側触媒層の平面形状を、2つの台形を図示した上下方向に並べた形状としてもよい。また、図12(d)に示したように、MEAにおけるアノード側触媒層、および、カソード側触媒層の平面形状を、水素の流れ方向の長さが段階的に変化する多角形形状としてもよい。また、MEAにおけるアノード側触媒層、および、カソード側触媒層の平面形状を、曲線を含む多角形以外の形状としてもよい。
C2.変形例2:
上記実施例では、MEA411,411Aの平面形状を、等脚台形形状、あるいは、2つの等脚台形を左右対称に隣接させた六角形形状を有するものとしたが、本発明は、これに限られない。本発明は、一般に、触媒層(触媒電極)における発電に供する部分の平面形状を、触媒電極の表面に積層された流路構成部材(例えば、アノード側金属多孔体43a)における反応ガスの流量分布に基づいて設定されていればよく、MEA411,411Aの平面形状を、例えば、矩形形状とし、その表面の一部にガス不透過な被覆を施すことによって、発電部分の形状を設定するようにしてもよい。また、MEAにおいて、電解質膜上に、サイズの異なる複数の触媒層を島状に形成するようにしてもよい。
上記実施例では、MEA411,411Aの平面形状を、等脚台形形状、あるいは、2つの等脚台形を左右対称に隣接させた六角形形状を有するものとしたが、本発明は、これに限られない。本発明は、一般に、触媒層(触媒電極)における発電に供する部分の平面形状を、触媒電極の表面に積層された流路構成部材(例えば、アノード側金属多孔体43a)における反応ガスの流量分布に基づいて設定されていればよく、MEA411,411Aの平面形状を、例えば、矩形形状とし、その表面の一部にガス不透過な被覆を施すことによって、発電部分の形状を設定するようにしてもよい。また、MEAにおいて、電解質膜上に、サイズの異なる複数の触媒層を島状に形成するようにしてもよい。
C3.変形例3:
上記実施例では、セパレータ42,42Aにおいて、水素供給口424hs、アノードオフガス排出口424he、空気供給口422os、カソードオフガス排出口422oeの形状は、MEA411の図示した横方向の長さとほぼ等しい幅を有するスリット形状を有するものとしたが、本発明は、これに限られない。水素供給口424hs、アノードオフガス排出口424he、空気供給口422os、カソードオフガス排出口422oeの形状は、任意に設定可能である。また、セパレータ42の内部構造も、先に説明した構造に限られず、任意に設定可能であり、例えば、水素供給口424hs、アノードオフガス排出口424he、空気供給口422os、カソードオフガス排出口422oeを、円形形状を有する複数の貫通孔によって構成するようにしてもよい。
上記実施例では、セパレータ42,42Aにおいて、水素供給口424hs、アノードオフガス排出口424he、空気供給口422os、カソードオフガス排出口422oeの形状は、MEA411の図示した横方向の長さとほぼ等しい幅を有するスリット形状を有するものとしたが、本発明は、これに限られない。水素供給口424hs、アノードオフガス排出口424he、空気供給口422os、カソードオフガス排出口422oeの形状は、任意に設定可能である。また、セパレータ42の内部構造も、先に説明した構造に限られず、任意に設定可能であり、例えば、水素供給口424hs、アノードオフガス排出口424he、空気供給口422os、カソードオフガス排出口422oeを、円形形状を有する複数の貫通孔によって構成するようにしてもよい。
C4.変形例4:
上記実施例では、本発明を、膜電極接合体のアノード側とカソード側との双方に適用するものとしたが、アノード側のみに適用するようにしてもよい。
上記実施例では、本発明を、膜電極接合体のアノード側とカソード側との双方に適用するものとしたが、アノード側のみに適用するようにしてもよい。
C5.変形例5:
上記実施例では、MEA411,411Aにおいて、アノード側触媒層411ac、および、カソード側触媒層411ccの平面形状を、反応ガスの流量分布に基づいて設定するものとしたが、さらに、反応ガスの濃度分布に基づいて、アノード側触媒層411ac、および、カソード側触媒層411ccに含まれる触媒の単位面積当たりの量(密度)や、触媒の比表面積や、厚さ等を変化させることによって、MEAにおける反応ガスの流れ方向の発電分布を均一させるようにしてもよい。
上記実施例では、MEA411,411Aにおいて、アノード側触媒層411ac、および、カソード側触媒層411ccの平面形状を、反応ガスの流量分布に基づいて設定するものとしたが、さらに、反応ガスの濃度分布に基づいて、アノード側触媒層411ac、および、カソード側触媒層411ccに含まれる触媒の単位面積当たりの量(密度)や、触媒の比表面積や、厚さ等を変化させることによって、MEAにおける反応ガスの流れ方向の発電分布を均一させるようにしてもよい。
C6.変形例6:
上記実施例では、MEA411,411Aにおいて、アノード411a、および、カソード411cは、それぞれ、アノード側ガス拡散層411ad、および、カソード側ガス拡散層411cdを備えるものとしたが、本発明は、これに限られない。アノード側ガス拡散層411ad、および、カソード側ガス拡散層411cdの少なくとも一方を省略するようにしてもよい。
上記実施例では、MEA411,411Aにおいて、アノード411a、および、カソード411cは、それぞれ、アノード側ガス拡散層411ad、および、カソード側ガス拡散層411cdを備えるものとしたが、本発明は、これに限られない。アノード側ガス拡散層411ad、および、カソード側ガス拡散層411cdの少なくとも一方を省略するようにしてもよい。
C7.変形例7:
上記実施例では、セパレータ42,42Aは、3枚の金属製の平板からなり、フラットな形状を有するものとしたが、本発明はこれに限られない。セパレータのMEAと対向する面に、リブ、および、溝を設け、燃料ガス流路や、酸化剤ガス流路とするようにしてもよい。この場合、セパレータが本発明における流路構成部材に相当することになる。そして、セパレータの表面に反応ガスの流路を形成するようにした場合、アノード側金属多孔体43aや、カソード側金属多孔体43cを省略するようにしてもよい。
上記実施例では、セパレータ42,42Aは、3枚の金属製の平板からなり、フラットな形状を有するものとしたが、本発明はこれに限られない。セパレータのMEAと対向する面に、リブ、および、溝を設け、燃料ガス流路や、酸化剤ガス流路とするようにしてもよい。この場合、セパレータが本発明における流路構成部材に相当することになる。そして、セパレータの表面に反応ガスの流路を形成するようにした場合、アノード側金属多孔体43aや、カソード側金属多孔体43cを省略するようにしてもよい。
100,100A…燃料電池スタック
10a,10b…エンドプレート
12i…空気供給口
12o…カソードオフガス排出口
14i,14i1,14i2…水素供給口
14o,14o1,14o2…アノードオフガス排出口
16i…冷却水供給口
16o…冷却水排出口
20a,20b…絶縁板
30a,30b…集電板
32a,32b…出力端子
40,40A…燃料電池モジュール
41,41A…シールガスケット一体型MEA
410,410A…シールガスケット
411,411A…MEA
411a…アノード
411ac…アノード側触媒層
411ad…アノード側ガス拡散層
411c…カソード
411cc…カソード側触媒層
411cd…カソード側ガス拡散層
411m…電解質膜
412i…空気供給用貫通孔
412o…カソードオフガス排出用貫通孔
414i,414i1,414i2…水素供給用貫通孔
414o,414o1,414o2…アノードオフガス排出用貫通孔
416i…冷却水供給用貫通孔
416o…冷却水排出用貫通孔
42,42A…セパレータ
42c,42Ac…カソード対向プレート
422ci…空気供給用貫通孔
422os…空気供給口
422co…カソードオフガス排出用貫通孔
422oe…カソードオフガス排出口
424ci,424ci1,424ci2…水素供給用貫通孔
424co,424co1,424co2…アノードオフガス排出用貫通孔
426ci…冷却水供給用貫通孔
426co…冷却水排出用貫通孔
42m,42Am…中間プレート
422mi…空気供給用貫通孔
422mip…空気供給用流路形成部
422mo…カソードオフガス排出用貫通孔
422mop…カソードオフガス排出用流路形成部
424mi,424mi1,424mi2…水素供給用貫通孔
424mip…水素供給用流路形成部
424mo,424mo1,424mo2…アノードオフガス排出用貫通孔
424mop…アノードオフガス排出用流路形成部
426m…冷却水流路形成用貫通孔
42a,42Aa…アノード対向プレート
422ai…空気供給用貫通孔
422ao…カソードオフガス排出用貫通孔
424ai,424ai1,424ai2…水素供給用貫通孔
424hs…水素供給口
424ao,424ao1,424ao2…アノードオフガス排出用貫通孔
424he…アノードオフガス排出口
426ai…冷却水供給用貫通孔
426ao…冷却水排出用貫通孔
43a…アノード側金属多孔体
43c…カソード側金属多孔体
SL…シールライン
10a,10b…エンドプレート
12i…空気供給口
12o…カソードオフガス排出口
14i,14i1,14i2…水素供給口
14o,14o1,14o2…アノードオフガス排出口
16i…冷却水供給口
16o…冷却水排出口
20a,20b…絶縁板
30a,30b…集電板
32a,32b…出力端子
40,40A…燃料電池モジュール
41,41A…シールガスケット一体型MEA
410,410A…シールガスケット
411,411A…MEA
411a…アノード
411ac…アノード側触媒層
411ad…アノード側ガス拡散層
411c…カソード
411cc…カソード側触媒層
411cd…カソード側ガス拡散層
411m…電解質膜
412i…空気供給用貫通孔
412o…カソードオフガス排出用貫通孔
414i,414i1,414i2…水素供給用貫通孔
414o,414o1,414o2…アノードオフガス排出用貫通孔
416i…冷却水供給用貫通孔
416o…冷却水排出用貫通孔
42,42A…セパレータ
42c,42Ac…カソード対向プレート
422ci…空気供給用貫通孔
422os…空気供給口
422co…カソードオフガス排出用貫通孔
422oe…カソードオフガス排出口
424ci,424ci1,424ci2…水素供給用貫通孔
424co,424co1,424co2…アノードオフガス排出用貫通孔
426ci…冷却水供給用貫通孔
426co…冷却水排出用貫通孔
42m,42Am…中間プレート
422mi…空気供給用貫通孔
422mip…空気供給用流路形成部
422mo…カソードオフガス排出用貫通孔
422mop…カソードオフガス排出用流路形成部
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424mo,424mo1,424mo2…アノードオフガス排出用貫通孔
424mop…アノードオフガス排出用流路形成部
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424hs…水素供給口
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424he…アノードオフガス排出口
426ai…冷却水供給用貫通孔
426ao…冷却水排出用貫通孔
43a…アノード側金属多孔体
43c…カソード側金属多孔体
SL…シールライン
Claims (6)
- 燃料電池であって、
電解質膜の両面に、それぞれ、触媒電極を接合してなる膜電極接合体と、
前記各触媒電極の表面にそれぞれ積層され、前記各触媒電極に供給すべき反応ガスを流すための流路構成部材と、を備え、
前記触媒電極における発電に供する発電部分の平面形状は、該触媒電極の表面に積層された前記流路構成部材における前記反応ガスの流量分布に基づいて設定されている、
燃料電池。 - 請求項1記載の燃料電池であって、
前記発電部分の平面形状は、さらに、前記流路構成部材における前記反応ガスの流量が比較的少ない領域と対向する領域の前記発電部分の面積が、前記流路構成部材における前記反応ガスの流量が比較的多い領域と対向する領域の前記発電部分の面積よりも狭くなるように設定されている、燃料電池。 - 請求項1または2記載の燃料電池であって、
前記発電部分の平面形状は、さらに、前記発電部分における単位面積当たりの発電量がほぼ等しくなるように設定されている、燃料電池。 - 請求項1ないし3のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記流路構成部材の表面に積層され、前記膜電極接合体で発電された電力を集電する集電部材を備え、
前記集電部材は、
前記集電部材の内部に設けられ、外部から供給された前記反応ガスを流すための反応ガス流路と、
前記流路構成部材の一方の端部領域に対向する位置に形成され、前記反応ガス流路から前記流路構成部材の表面に対して略垂直方向に前記反応ガスを供給するための反応ガス供給口と、
前記流路構成部材の他方の端部領域に対向する位置に形成され、前記流路構成部材内を流れ、前記膜電極接合体において発電に供されなかった前記反応ガスであるオフガスを、前記流路構成部材の表面から略垂直方向に排出するためのオフガス排出口と、
前記オフガス排出口から前記オフガスを外部に流すためのオフガス流路と、
を有しており、
前記集電部材において、
前記反応ガス供給口、および、前記オフガス排出口は、それぞれ、前記流路構成部材内における前記反応ガス、および、前記オフガスの流れ方向に対して略垂直な方向の前記流路構成部材の幅とほぼ等しい長さを有するスリット形状を有しており、
前記反応ガス流路は、前記反応ガス供給口の長さ方向の少なくとも一方の端部から延設されており、
前記オフガス流路は、前記オフガス排出口の長さ方向の少なくとも一方の端部から延設されている、
燃料電池。 - 請求項1ないし4のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記反応ガスは、燃料ガスと酸化剤ガスとのうちの少なくとも燃料ガスである、
燃料電池。 - 請求項1ないし5のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記電解質膜と前記触媒電極との平面形状は、ほぼ等しい、燃料電池。
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