JP2013069541A - 燃料電池セル及び燃料電池 - Google Patents

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Abstract

【課題】発電面積を減少させることなく簡単な構成でパスカットを低減させる燃料電池セル及び燃料電池を提供する。
【解決手段】拡散層25に対向するカソードセパレータ22の内向き面に第1流路26が形成される一方で、拡散層25に対向するアノードセパレータ23の内向き面に第2流路28が形成される。第2流路28はリブ30a、30bで仕切られる。拡散層25に当接するリブ30a、30の当接面には突部36a、36bが形成される。突部36a、36bは、リブ30a、30bから突き出て拡散層25内に食い込む。こうした燃料電池セル12によれば、拡散層25に当接するリブ30a、30bの当接面に突部36a、36bを設けるのみの簡単な構成でパスカットの発生を抑制することができる。しかも、拡散層25への液状封止材の漏れ出しなどによる発電面積の減少を回避することができるとともに、液状封止材の含浸などの余計な作業が不要である。
【選択図】図2

Description

本発明は、燃料電池に用いられる燃料電池セルに関する。
一般に、例えば固体高分子形燃料電池(PEFC)といった燃料電池のセルは、電解質膜に電極触媒を塗布した膜電極膜電極接合体(MEA)と、膜電極接合体を挟み込む1対の拡散層と、その拡散層をさらに挟み込む1対のセパレータと、を備えている。このセルを複数積層した積層体から燃料電池スタックが形成される。特許文献1の図4に開示されているように、セパレータには、燃料ガスや酸化ガスといった反応ガスが流れる流路を仕切るリブが例えば相互に平行に設けられている。リブは拡散層に当接しており、このリブによっていわゆるサーペンタイン型の流路が形成されている。
拡散層は多孔質材料から形成されることから、リブの当接している領域で拡散層の気孔を通って反応ガスがリブをすり抜けるいわゆるパスカットが発生することがある。このパスカットを防止すべく、リブと拡散層とが液状封止材で固定されている。この液状封止材は、拡散層に含浸されて拡散層の気孔率を低下させることによって、反応ガスが通過可能な透孔を詰まらせる分だけパスカットを抑制することができる。その結果、ガス流路に沿って反応ガスが流れるので、発電性能を向上させることができる。
特開2008−4478号公報
しかしながら、こうしたセルでは、余剰な液状封止材がリブの周囲に漏れ出したり、液状封止材溜まり部の形成によって発電面積が減少したりすることが想定される。また、液状封止材の含浸や液状封止材溜まり部の形成に余計な工程が必要とされる。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、発電面積を減少させることなく簡単な構成でパスカットを低減させる燃料電池セル及び燃料電池を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明によれば、
電解質膜の両面との間に拡散層をそれぞれ挟み込む第1及び第2セパレータを有する燃料電池セルにおいて、
一方の前記拡散層に対向する前記第1セパレータの内向き面に形成される反応ガスの第1流路と、
他方の前記拡散層に対向する前記第2セパレータの内向き面に形成される反応ガスの第2流路と、
前記第2セパレータに形成されて前記第2流路を仕切るリブと、
前記拡散層に当接する前記リブの当接面に形成されて前記当接面から突き出る突部と、
を備える燃料電池セルが提供される。
こうした燃料電池セルによれば、拡散層に当接するリブの当接面から突部が突き出ることによって、突部が拡散層に食い込み、拡散層の気孔率を低下させることができる。こうしてリブの当接面に突部を設けるのみの簡単な構成でパスカットの発生を抑制することができる。しかも、拡散層への液状封止材の漏れ出しなどによる発電面積の減少を回避することができるとともに、液状封止材の含浸などの余計な作業は必要とされない。
この燃料電池セルでは、前記突部は前記リブの全長に対して部分的に形成される。こうした構成によれば、反応ガスのパスカットを部分的に抑制するとともに部分的に許容することによって、第2流路に沿った反応ガスの適度な流れを確立するとともに、反応ガスによって電解質膜の全体に適度に水分を運ぶことができ、電解質膜の全体にわたって乾燥を抑制することができる。こうして燃料電池セルの発電領域内においてガスストイキの低下を抑制することができ、発電性能の低下を抑制することができる。
こうした燃料電池セルでは、
前記第1セパレータはカソードセパレータであるとともに前記第2セパレータがアノードセパレータであり、
前記第1流路は、前記第1セパレータの下端から上端に向かって第1方向に延び、
前記第2流路は、前記リブで仕切られることによって、前記第2セパレータの上端から下端に向かって前記第1方向に直交する第2方向に蛇行しつつ延び、
前記突部は、前記第2流路のターン部に隣接する前記リブの基端から前記リブの先端に向かって延びる。
この燃料電池セルでは、発電反応によって生じた生成水が、第1流路を流れる反応ガスによってカソードセパレータの下端から上端に向かって運ばれるので、第1流路ではカソードセパレータの上端付近で反応ガス中の水蒸気は飽和する。その結果、その上端付近で電解質膜は高い湿潤状態に保たれる。その一方で、アノードセパレータの第2流路では反応ガスはアノードセパレータの上端から下端に向かって蛇行しつつ流れる。このとき、第2流路の上流から下流に向かうにしたがって消費されることによって反応ガスのガス圧は低下していく。その結果、第2流路のターン部に隣接するリブの基端の領域を挟んで最も大きな差圧が生成される。この差圧の大きな領域で突部によってパスカットが抑制される結果、第2流路で適度な量の反応ガスが流れる。しかも、突部の形成されていない領域ではパスカットが許容される結果、リブがあっても反応ガスはショートカットすることができる。こうして、水分を含んだ反応ガスが第2流路に適度に拡散されるので、第2流路では上端から下端まで全体的に水分を運ぶことができる。
こうした燃料電池セルでは、前記突部の長さは、前記ターン部の幅にほぼ等しく設定されることが好ましい。また、本発明によれば、以上のような燃料電池セルを複数積層した積層体を備える燃料電池が提供される。
本発明によれば、発電面積を減少させることなく簡単な構成でパスカットを低減させる燃料電池セル及び燃料電池を提供することができる。
本発明の一実施形態に係る燃料電池の構造を概略的に示す斜視図である。 本発明の一実施形態に係る燃料電池セルの構造を概略的に示す分解斜視図である。 アノードセパレータの構造を概略的に示す正面図である。 図3の4−4線に沿った部分拡大断面図である。 図3の5−5線に沿った部分拡大断面図である。 燃料電池の運転温度とセル電圧との関係を示すグラフである。 図5に対応し、一具体例に係る突部の構造を概略的に示す部分拡大断面図である。 図5に対応し、一具体例に係る突部の構造を概略的に示す部分拡大断面図である。 図5に対応し、一具体例に係る突部の構造を概略的に示す部分拡大断面図である。 図5に対応し、一具体例に係る突部の構造を概略的に示す部分拡大断面図である。
以下、添付図面を参照しつつ本発明の一実施形態を説明する。図1は、本発明の一実施形態に係る燃料電池11の構造を概略的に示す斜視図である。この燃料電池11は例えば固体高分子形燃料電池(PEFC)を構成する。この燃料電池11は、例えば燃料電池車両(FCHV:Fuel Cell Hybrid Vehicle)の車載発電システムとして利用可能であることはもちろん、例えば船舶や飛行機などの各種の移動体やロボットといった自走可能な移動体に搭載される発電システム、さらには定置の発電システムとして用いられることが可能である。
この燃料電池11は、複数の燃料電池セル12を積層して形成されるセル積層体13と、燃料電池セル12の積層方向にセル積層体13を挟み込む1対のエンドプレート14、14と、を備えている。セル積層体13とエンドプレート14との間には出力端子付きの集電板と絶縁板とが挟み込まれている(いずれも図示せず)。セル積層体13と一方のエンドプレート14との間に1対の板状部材15、15が配置されている。この板状部材15、15は例えばコイルスプリングなどの弾性モジュールを挟み込んでおり、弾性モジュールの弾性復元力によってセル積層体13の積層方向に所定の締結力(圧縮荷重)を作用させる。
燃料電池11は、エンドプレート14、14同士を相互に連結する1対のテンションプレート16、16を備えている。テンションプレート16、16同士の間にセル積層体13が配置される。テンションプレート16、16は、セル積層体13の積層方向に所定の締結力(圧縮荷重)を作用させた状態を維持している。セル積層体13に対向するテンションプレート16の内向き面には、漏電やスパークの発生を防止する絶縁膜(図示せず)が形成されている。絶縁膜は、内向き面に貼り付けられる絶縁テープや内向き面に塗布される樹脂コーティングを含む。
エンドプレート14には、セル積層体13に対する反応ガス(酸化ガス)の供給及び排出に用いられる例えば3つの流入口17と3つの流出口18とが形成されている。同様に、エンドプレート14には、セル積層体13に対する水素ガスなどの反応ガス(燃料ガス)の供給及び排出に用いられる例えば1つの流入口19と流出口20とが形成されている。流入口17、19及び流出口18、20はそれぞれセル積層体13に接続されている。こうして酸化ガスや水素ガスがそれぞれの燃料電池セル12に供給され、酸化ガスと水素ガスとが各燃料電池セル12を介して電気化学反応することにより発電される。
図2は、本発明の一実施形態に係る燃料電池セル12の構造を概略的に示す分解斜視図である。この燃料電池セル12は、膜電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)21と、この膜電極接合体21を両面から挟み込むカソードセパレータ22及びアノードセパレータ23と、を備えている。膜電極接合体21やカソードセパレータ22、アノードセパレータ23は矩形の板状に形成されている。膜電極接合体21は電解質膜24を備えている。膜電極接合体21とセパレータ22、23との間には1対の拡散層25、25が配置されている。
電解質膜24は、高分子材料のイオン交換膜から形成されている。電解質膜24の輪郭は拡散層25の輪郭よりも一回り大きく形成されている。電解質膜24には例えばホットプレス法によって拡散層25が接合される。拡散層25は、流体(酸化ガス、水素ガス、生成水)を透過させる多孔質の炭素素材などの導電体から形成されている。拡散層25の内向き面に対向する電解質膜24には触媒層(図示せず)が配置される。触媒層は、例えば固体電解質と、炭素粒子と、その炭素粒子に担持された触媒と、を備えている。触媒には例えば白金又は白金合金などが好適に用いられる。
セパレータ22、23はガス不透過性の導電性材料から形成されている。導電性材料には、例えば炭素や導電性を有する硬質樹脂のほか、アルミニウムやステンレス鋼などの金属材料が含まれる。本実施形態のセパレータ22、23は例えば金属板から形成されており、いわゆるメタルセパレータである。膜電極接合体21に対向するセパレータ22、23の内向き面には耐食性に優れた膜(例えば金メッキによって形成された膜)が形成されている。
図2から明らかなように、膜電極接合体21に対向するカソードセパレータ22の内向き面には酸化ガスの第1流路26が形成される。第1流路26は、カソードセパレータ22の内向き面に例えばプレス成形によって形成される窪みから形成される。第1流路26よりも外側では、カソードセパレータ22の外周に酸化ガスの流入側のマニホールド27a及び流出側のマニホールド27bが複数形成される。マニホールド27aはカソードセパレータ22の下端に隣接して配列される一方で、マニホールド27bはカソードセパレータ22の上端に隣接して配置される。
マニホールド27aは前述のエンドプレート14の流入口17に連通する一方で、マニホールド27bはエンドプレート14の流出口18に連通する。これらマニホールド27a、27bに第1流路26が接続されることによって第1流路26に酸化ガスが流れる。ここでは、図2の矢印で示すように、酸化ガスは、マニホールド27aから第1流路26に流入してマニホールド27bから流出するので、セル積層体13の下端から上端に向かって第1方向に流れる。第1流路26を流れる酸化ガスは拡散層25を介して電解質膜24に供給される。
その一方で、膜電極接合体21に対向するアノードセパレータ23の内向き面には水素ガスの第2流路28が形成される。第2流路28は、アノードセパレータ23の内向き面に例えばプレス成形によって形成される窪みから形成される。第2流路28よりも外側では、アノードセパレータ23の外周に水素ガスの流入側のマニホールド29a及び流出側のマニホールド29bが形成される。マニホールド29aはアノードセパレータ23の左上端に隣接して配置される一方で、マニホールド29bはアノードセパレータ23の右下端に隣接して配置される。
マニホールド29aは前述のエンドプレート14の流入口19に連通する一方で、マニホールド29bはエンドプレート14の流出口20に連通する。これらマニホールド29a、29bに第2流路28が接続されることによって第2流路28に水素ガスが流れる。図2に示すように、第2流路28は例えば複数のリブ30a、30bによって仕切られている。リブ30a、30bは例えば相互に平行に延びる。各リブ30a、30bはその基端でアノードセパレータ23の外周に接続されている。こうして第2流路28は、いわゆるサーペンタイン型の流路に形成されており、前述の第1方向に直交する第2方向に蛇行しつつ延びる。
図3はアノードセパレータ23の正面図である。第2流路28は、リブ30aの基端から先端に向かって延びる第1直線部31と、第1直線部31に接続されてリブ30aの先端周りに延びる第1ターン部32と、第1ターン部32に接続されてリブ30aの先端から基端に向かって延びる第2直線部33と、第2直線部33に接続されてリブ30bの先端周りに延びる第2ターン部34と、第2ターン部34に接続されてリブ30bの先端から基端に向かって延びる第3直線部35と、を有する。第2直線部33は、リブ30bの基端から先端に向かって延びる。
第1直線部31の一端にはマニホールド29aが接続される一方で、第3直線部35の他端にはマニホールド29bが接続される。その結果、図2の矢印で示すように、水素ガスは、第1直線部31、第1ターン部32、第2直線部33、第2ターン部34及び第3直線部35を順番に通って流れる。従って、第1直線部31と第2直線部33との間では水素ガスは相互に逆向きに流れる。同様に、第2直線部33と第3直線部35との間では水素ガスは相互に逆向きに流れる。こうして水素ガスはアノードセパレータ23の上端から下端に向かって第1方向に直交する第2方向に蛇行して流れる。
リブ30a、30bにはそれぞれ部分的に突部36a、36bが形成される。突部36a、36bは、リブ30a、30bから膜電極接合体21に向かって突き出る。本実施形態では、リブ30aの基端から先端に向かう方向に規定される突部36aの長さは第2ターン部34の幅にほぼ等しく設定される。同様に、リブ30bの基端から先端に向かう方向に規定される突部36bの長さは第1ターン部32の幅にほぼ等しく設定される。なお、突部36a、36bの長さは、この大きさに限定されるものではなく、拡散層25の透気度などに応じて適切な大きさに設定される。
図4は図3の4−4線に沿った部分拡大断面図である。リブ30a(30b)は例えば直方体形状の輪郭を有しており、その断面は矩形に形成されている。リブ30a(30b)はその先端面で膜電極接合体21の拡散層25に当接している。図5は図3の5−5線に沿った部分拡大断面図である。リブ30a(30b)には、そのリブ30a(30b)の先端面すなわち当接面に突部36a(36b)が形成されている。本実施形態では、突部36a(36b)は例えば直方体形状の輪郭を有しており、その断面は矩形に形成されている。
図5に示すように、突部36a(36b)は、リブ30a(30b)から拡散層25に向かって突き出て拡散層25に食い込んでいる。その結果、拡散層25が部分的に圧縮されることによって突部36a(36b)の形成箇所において水素ガスが透過可能な気孔が減少して拡散層25の気孔率(透気度)が低下する。その結果、突部36a(36b)の形成箇所において拡散層25を通じた水素ガスのすり抜けすなわちパスカットの発生を抑制することができる。パスカットの発生の抑制による作用効果は後述する。
本実施形態では、リブ30a、30bの当接面からの突部36a、36bの突き出し量は例えば拡散層25の厚みの20〜50%程度に設定されることが好ましい。ただし、突部36a、36bの突き出し量は、小さすぎると気孔率を低下させる効果に乏しい。その一方で、突き出し量が大きすぎると、突部36a、36b以外のリブ30a、30bの拡散層25に対する面圧が確保できない。さらに、突き出し量が大きすぎると、拡散層25を形成する繊維によって電解質膜24が損傷するおそれがある。従って、突き出し量は、リブ30a、30bの幅や拡散層25の厚み、電解質膜24の強度などに応じて適宜調整されることが好ましい。
次に、燃料電池11を運転する場合を説明する。カソードセパレータ22の第1流路26にドライガスである酸化ガスが供給される一方で、アノードセパレータ23の第2流路28には水素ガスが供給される。その結果、アノード極において酸化反応が生じる一方で、カソード極で還元反応が生じ、セル積層体13全体として起電反応が生じる。この起電反応によって生じた生成水は第1流路26を流れる酸化ガスによってカソードセパレータ22の下端から上端に向かって運ばれる。こうして第1流路26ではカソードセパレータ22の上端すなわちマニホールド27b付近で酸化ガス中の水蒸気量は飽和する。その結果、燃料電池セル12の上端付近で電解質膜24は高い湿潤状態に保たれる。
その一方で、アノードセパレータ23の第2流路28では水素ガスはアノードセパレータ23の上端から下端に向かって蛇行しつつ流れる。このとき、第2流路28の上流から下流に向かうにしたがって水素ガスが消費されることによって水素ガスのガス圧は低下していく。その結果、第2ターン部34に隣接するリブ30aの基端の領域及び第1ターン部32に隣接するリブ30bの基端の領域を挟んで最も大きな差圧が生成される。本発明では、この差圧が大きな領域を仕切る突部36a、36bが形成されていることから、差圧が大きな領域でパスカットが抑制される。その結果、例えば第1ターン部32のガス圧と第2ターン部34のガス圧との間で適度な差圧が生じるので、第1直線部31から第2直線部33を通って第3直線部35まで適度な量の水素ガスが流れる。
前述のように、アノードセパレータ23の上端に配置される第1直線部31に隣接する電解質膜24の上端付近では高い湿潤状態が保持されることから、第1直線部31を流れる水素ガスは電解質膜24から比較的多くの水分の供給を受ける。突部36aの形成されていない領域ではリブ30aの下方の拡散層25を介して第1直線部31から第2直線部33にパスカットが許容される。その結果、第1直線部31から第2直線部33に、また、第2直線部33から第3直線部35に、水素ガスがショートカットすることができる。こうして、水分を含んだ水素ガスが第2流路28に適度に拡散されるので、第2流路28では上端から下端まで全体的に水分を運ぶことができる。
特に、マニホールド27aからドライガスが流入する燃料電池セル12の下端側で電解質膜24は乾燥しやすいものの、本発明によれば、第2流路28側で上端から下端に向かって運ばれる水分によってその上端から下端まで電解質膜24を適度に加湿することができる。その結果、乾燥しやすい下端を含めて電解質膜24の全体で適度な湿潤状態を確保することができる。一般に、電解質膜24が乾燥するとその抵抗値が増大してしまうので、発電性能が低下するものの、本発明によれば、電解質膜24の全体を適度に加湿することによって抵抗値の上昇を回避し、燃料電池セル12の発電性能を向上させることができる。
これに対して、突部36a、36bの形成を省略してリブ30a、30bの全体でパスカットを許容してしまうと、第1ターン部32や第2ターン部34に隣接するリブ30a、30bの基端の差圧が大きい領域で水素ガスがショートカットしてしまう。その結果、例えば第1ターン部32のガス圧と第2ターン部34のガス圧との間で本発明に比べて小さな差圧しか生成されず、第2流路28に沿って水素ガスの円滑な流れを確立することができない。その結果、部分水素欠による発電性能の低下が生じる。また、第1直線部31で供給された水分を第3直線部35まで運ぶことができず、発電性能を低下させてしまう。
また、特許文献1のように、リブ30a、30bがその全体で拡散層25に液状封止材で固定されてしまうと、第2流路28の全体でパスカットが抑制される。その結果、例えば第1ターン部32のガス圧と第2ターン部34のガス圧との間で本発明に比べて大きな差圧が生成され、第2流路28で水素ガスの円滑な流れを確保することができる。しかしながら、パスカットによる水素ガスの拡散がないため、第1直線部31で供給された水分が例えば第2直線部33での電解質膜24の加湿に消費されてしまい、第3直線部35まで十分に水分を行き渡らせることができず、発電性能を低下させてしまう。
以上のことから、本実施形態に係る燃料電池11では、リブ30a、30bに突部36a、36bを設けるのみの簡単な構成でパスカットの発生を抑制することができる。しかも、拡散層25への液状封止材の漏れ出しなどによる発電面積の減少を回避することができるとともに、液状封止材の含浸などの余計な作業が不要である。また、突部36a、36bの形成によって水素ガスのパスカットを部分的に抑制するとともに部分的に許容することができる。その結果、第2流路28に沿った水素ガスの適度な流れを確立するとともに、燃料電池セル12の上端で供給された水分を下端に向かって運ぶことができ、電解質膜24の全体にわたって乾燥を抑制することができる。こうして燃料電池セル11の発電領域内においてガスストイキの低下を抑制することができ、発電性能の低下を抑制することができる。
次に、燃料電池11の運転時の性能を比較した。具体例には本発明に係る燃料電池11を用意するとともに、比較例として特許文献1の燃料電池を用意した。図6に示すように、運転温度が85℃から95℃まで上昇するにつれてセル電圧が低下したものの、比較例に比べて具体例では低下は抑制された。一般に、運転温度が高温になるにつれて電解質膜の乾燥の度合いが上昇することによって電解質膜の抵抗値が増大するため、セル電圧は低下していく。本発明の具体例では、電解質膜をその全体にわたって適度に加湿することによって、高温時にセル電圧の低下の抑制が可能であることが確認された。
以上のような燃料電池11では、突部36a、36bの形状は上述の形状に限定されない。図7に示すように、突部36aの形成にあたってリブ30aの当接面に所定の径の線材が接着されてもよい。ここでは、線材は円柱形状であるものの、線材の形状はこれに限定されない。また、図8に示すように、突部36aは、例えばリブ30aの当接面の全体が拡散層25に向かって半円柱状に突き出るドーム状突起から形成されてもよく、図9に示すように、当接面に形成される三角柱状の突起から形成されてもよく、また、図10に示すように、当接面に形成される半円柱状の突起から形成されてもよい。こうした形状は例えば2段プレス工程によって形成される。
11 燃料電池
12 燃料電池セル
13 積層体(セル積層体)
21 膜電極接合体
22 カソードセパレータ
23 アノードセパレータ
24 電解質膜
25 拡散層
26 第1流路
28 第2流路
30a リブ
30b リブ
36a 突部
36b 突部

Claims (5)

  1. 電解質膜の両面との間に拡散層をそれぞれ挟み込む第1及び第2セパレータを有する燃料電池セルにおいて、
    一方の前記拡散層に対向する一方の前記第1セパレータの内向き面に形成される反応ガスの第1流路と、
    他方の前記拡散層に対向する他方の前記第2セパレータの内向き面に形成される反応ガスの第2流路と、
    前記第2セパレータに形成されて前記第2流路を仕切るリブと、
    前記拡散層に当接する前記リブの当接面に形成されて前記当接面から突き出る突部と、
    を備えることを特徴とする燃料電池セル。
  2. 前記突部は前記リブの全長に対して部分的に形成されることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池セル。
  3. 前記第1セパレータはカソードセパレータであるとともに前記第2セパレータがアノードセパレータであり、
    前記第1流路は、前記第1セパレータの下端から上端に向かって第1方向に延び、
    前記第2流路は、前記リブで仕切られることによって、前記第2セパレータの上端から下端に向かって前記第1方向に直交する第2方向に蛇行しつつ延び、
    前記突部は、前記第2流路のターン部に隣接する前記リブの基端から前記リブの先端に向かって延びることを特徴とする請求項2に記載の燃料電池セル。
  4. 前記突部の長さは、前記ターン部の幅にほぼ等しいことを特徴とする請求項3に記載の燃料電池セル。
  5. 請求項1〜4のいずれか1項に記載の燃料電池セルを複数積層した積層体を備えることを特徴とする燃料電池。
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