JP2019032984A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】空冷式の燃料電池において、冷媒の出口近傍であるカソード出口領域における電解質膜の乾燥を抑制する。【解決手段】空冷式の燃料電池であって、カソード流路は、空気が流入するカソード入口領域７１と、カソード入口領域から流入した空気が流出するカソード出口領域７２とを有する。アノード流路は、膜電極接合体を挟んでカソード入口領域と対向して配置されており、アノードガスが流入する第１アノード流路８１と、膜電極接合体を挟んでカソード出口領域と対向して配置されている第２アノード流路８２と、第２アノード流路からアノードガスが流入し、膜電極接合体のアノード側における第１アノード流路と第２アノード流路とに挟まれた領域にアノードガスを供給する第３アノード流路８３とを有する。第１アノード流路と第２アノード流路とが、膜電極接合体のアノード側に面する領域を迂回する迂回流路９１によって接続されている。【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池に関する。

燃料電池に関して、例えば、特許文献１には、空冷式の燃料電池が開示されている。空冷式の燃料電池では、冷媒として、カソードガスと同じ空気が用いられている。

特開２０１６−３８９７３号公報

空冷式の燃料電池では、空気が冷媒として燃料電池の熱を受けるため、冷媒の出口近傍にて空気の温度が高くなる。空気の温度が高くなる冷媒の出口近傍では、水分の蒸発が促進され、電解質膜が乾燥しやすい。このため、電解質膜の乾燥により、燃料電池の発電性能が低下する可能性があった。

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、以下の形態として実現することが可能である。

本発明の一形態によれば、空冷式の燃料電池が提供される。この燃料電池は、膜電極接合体と；前記膜電極接合体のカソード側に面しており、カソードガスと冷媒とを兼ねる空気が前記カソード側に沿って流れるカソード流路と；前記膜電極接合体のアノード側に面しており、アノードガスが前記アノード側に沿って流れるアノード流路と；を備える。前記カソード流路は、前記膜電極接合体の前記カソード側の一端部に面し、前記空気が流入するカソード入口領域と；前記膜電極接合体の前記カソード側の他端部に面し、前記カソード入口領域から流入した前記空気が流出するカソード出口領域と；を有する。前記アノード流路は、前記膜電極接合体を挟んで前記カソード入口領域と対向して配置されており、前記アノードガスが流入する第１アノード流路と；前記膜電極接合体を挟んで前記カソード出口領域と対向して配置されている第２アノード流路と；前記第２アノード流路から前記アノードガスが流入し、前記膜電極接合体の前記アノード側における前記第１アノード流路と前記第２アノード流路とに挟まれた領域に前記アノードガスを供給する第３アノード流路と；を有する。前記第１アノード流路と前記第２アノード流路とは、前記膜電極接合体の前記アノード側に面する領域を迂回する迂回流路によって接続されている。この形態の燃料電池によれば、カソード入口領域における生成水によって加湿されたアノードガスが、迂回流路を通じてカソード出口領域に対向するアノード流路に供給される。このため、冷媒の出口近傍であるカソード出口領域における電解質膜の乾燥を抑制できる。

本発明は、燃料電池以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、燃料電池の加湿方法や、燃料電池システム等の形態で実現することができる。

第１実施形態における燃料電池の概略構成を示す断面図。 第１実施形態における燃料電池の概略構成を示す平面図。 第１実施形態における燃料電池のIII−III線断面図。 第１実施形態における燃料電池の積層状態を示す断面模式図。 反応ガスの湿度分布を示す説明図。 第２実施形態における燃料電池の概略構成を示す平面図。 第２実施形態における燃料電池のVII−VII線断面図。 第３実施形態における燃料電池の概略構成を示す平面図。

Ａ．第１実施形態
図１は、本発明の第１実施形態における空冷式の燃料電池１０の概略構成を示す断面図である。燃料電池１０は、イオン伝導性を有する固体高分子膜を電解質として用いる固体高分子形の燃料電池である。燃料電池１０の反応ガスとしては、アノードガスである水素ガスと、カソードガスである空気とが用いられる。燃料電池１０は、例えば、燃料電池車両に搭載される。図１には互いに直交するｘ軸、ｙ軸、ｚ軸を示している。これらの軸は図２以降に示した軸に対応している。

燃料電池１０は、カソード側セパレータ４１と、カソード側ガス拡散層３１と、膜電極接合体２０と、アノード側ガス拡散層３２と、アノード側セパレータ４２とが、積層された構造を有している。膜電極接合体２０の外周縁の外側であって、カソード側セパレータ４１とアノード側セパレータ４２との間には、樹脂フレーム４３が配置されている。

膜電極接合体２０は、電解質膜２１と、電解質膜２１の一方（カソード側）の面に形成されているカソード側電極触媒層２２と、電解質膜２１の他方（アノード側）の面に形成されているアノード側電極触媒層２３とを備えている。膜電極接合体２０は、アノード側電極触媒層２３に水素ガスを供給するとともに、カソード側電極触媒層２２に空気を供給することで、電気化学反応により起電力を発生する。電解質膜２１としては、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示すフッ素形樹脂などの固体高分子膜を用いることができる。カソード側電極触媒層２２およびアノード側電極触媒層２３としては、例えば、カーボン粒子に白金などの触媒を担持させた触媒層を用いることができる。

カソード側ガス拡散層３１は、膜電極接合体２０のカソード側電極触媒層２２が形成されている面に対して、供給された空気を拡散させる。アノード側ガス拡散層３２は、膜電極接合体２０のアノード側電極触媒層２３が形成されている面に対して、供給された水素ガスを拡散させる。カソード側ガス拡散層３１およびアノード側ガス拡散層３２としては、例えば、カーボンクロスやカーボンペーパーなどの気体透過性および導電性を有する材料を用いることができる。

樹脂フレーム４３は、膜電極接合体２０の外周縁の変形を抑制する。樹脂フレーム４３としては、例えば、エポキシ、ナイロン、フェノールなどの熱硬化性樹脂、もしくは、ポリプロピレン、ポリエチレンなどの熱可塑性樹脂を用いることができる。

カソード側セパレータ４１は、膜電極接合体２０にカソードガスとしての空気を供給するカソード流路７０を形成している。カソード流路７０は、カソード側ガス拡散層３１を介して膜電極接合体２０のカソード側に面しており、空気がカソード側に沿って流れる。本実施形態における燃料電池１０は、空冷式の燃料電池であり、燃料電池１０に導入される空気は、カソードガスと冷媒とを兼ねる。このため、カソード流路７０は冷媒の流路を兼ねている。燃料電池１０の厚さ方向（ｚ軸方向）に平行な第１の側面１１には、燃料電池１０内に空気を供給するためのカソード入口５１が形成されている。第１の側面１１と反対側の第２の側面１２には、燃料電池１０内から空気を排出するためのカソード出口５２が形成されている。

アノード側セパレータ４２は、膜電極接合体２０にアノードガスとしての水素ガスを供給するアノード流路８０を形成している。アノード流路８０は、アノード側ガス拡散層３２を介して膜電極接合体２０のアノード側に面しており、水素ガスがアノード側に沿って流れる。カソード側セパレータ４１およびアノード側セパレータ４２は、燃料電池１０の集電部としても用いられる。カソード側セパレータ４１およびアノード側セパレータ４２としては、例えば、ステンレスやチタンなどのガスバリア性および導電性を有する金属プレートを用いることができる。

図２は、第１実施形態における燃料電池１０の概略構成を示す平面図である。図１および図２を参照して、カソード流路７０およびアノード流路８０の構成について説明する。カソード流路７０は、膜電極接合体２０のカソード側の一端部に面し、空気が流入するカソード入口領域７１と、膜電極接合体２０のカソード側の他端部に面し、カソード入口領域７１から流入した空気が流出するカソード出口領域７２を有している。カソード入口領域７１は、カソード入口５１に接続されており、カソード出口領域７２は、カソード出口５２に接続されている。カソード流路７０は、平行する複数の直線状の流路により構成されている（図３参照）。

燃料電池１０内の空気の流れを図２に破線で示す。空気は、例えば、燃料電池車両の走行風等により、カソード入口５１からカソード流路７０内に流入する。カソード入口５１から流入した空気は、カソード入口領域７１、カソード出口領域７２の順に流れ、カソード出口５２から流出する。

燃料電池１０の周縁部であって、膜電極接合体２０の外側の一部（＋ｙ軸方向側）には、燃料電池１０内に水素ガスを供給するためのアノード入口マニホールド６１が、燃料電池１０を貫通するように形成されている。アノード入口マニホールド６１の近傍には、燃料電池１０内から水素ガスを排出するためのアノード出口マニホールド６２が、燃料電池１０を貫通するように形成されている。アノード流路８０は、膜電極接合体２０を挟んでカソード入口領域７１と対向して配置されており水素ガスが流入する第１アノード流路８１と、膜電極接合体２０を挟んでカソード出口領域７２と対向して配置されている第２アノード流路８２とを有している。また、第２アノード流路８２から水素ガスが流入し、膜電極接合体２０のアノード側における第１アノード流路８１と第２アノード流路８２とに挟まれた領域に水素ガスを供給する第３アノード流路８３とを有している。第１アノード流路８１と第２アノード流路８２とは、膜電極接合体２０のアノード側に面する領域を迂回する迂回流路９１によって接続されている。第１アノード流路８１は、アノード入口マニホールド６１に接続されており、第３アノード流路８３は、アノード出口マニホールド６２に接続されている。尚、カソード入口領域７１と対向する第１アノード流路８１の面積は、膜電極接合体２０の面積の１０〜２５％とすることが好ましい。カソード出口領域７２と対向する第２アノード流路の面積は、膜電極接合体２０の面積の１０〜２５％とすることが好ましい。乾燥する電解質膜２１に効率良く水分を供給することができるためである。

燃料電池１０内の水素ガスの流れを図２に実線で示す。水素ガスは、例えば、水素タンクからアノード入口マニホールド６１に流入する。アノード入口マニホールド６１から流入した水素ガスは、第１アノード流路８１へと流れる。第１アノード流路８１内に流入した水素ガスは、迂回流路９１へと向かって、カソード流路７０内を空気が流れる方向と直交する向きに流れる。迂回流路９１内に流入した水素ガスは、第２アノード流路８２へと向かって、カソード流路７０内を空気が流れる方向と平行に流れる。第２アノード流路８２内に流入した水素ガスは、第３アノード流路８３へと向かって、カソード流路７０内を空気が流れる方向と直交する向きに流れる。第３アノード流路８３内に流入した水素ガスは、カソード流路７０内を空気が流れる方向と逆方向に流れた後、アノード出口マニホールド６２から流出する。

図３は、図２における燃料電池１０のIII−III線断面図である。本実施形態では、迂回流路９１は、膜電極接合体２０の外周縁の外側に、燃料電池１０を貫くように形成されており、第１アノード流路８１および第２アノード流路８２に接続されている。迂回流路９１は、膜電極接合体２０のアノード側に面する領域を迂回している。

図４は、燃料電池１０の積層状態を示す断面模式図である。複数の燃料電池１０が厚さ方向（ｚ軸方向）に積層され、両端をエンドプレート１０１により挟持されることにより、燃料電池スタック１００が形成される。エンドプレート１０１には、アノード入口マニホールド６１とアノード出口マニホールド６２とに連通する孔が設けられている。エンドプレート１０１には、マニホールド状の迂回流路９１を形成する孔は設けられておらず、迂回流路９１は、エンドプレート１０１により封止されている。そのため、各燃料電池１０の第１アノード流路８１内に供給された水素ガスは、マニホールド状の迂回流路９１に一旦流出した後、各燃料電池１０の第２アノード流路８２内へと流れる。

図５は、反応ガスの湿度分布を示す説明図である。まず、カソード流路７０を流れる空気の湿度分布を説明する。カソード入口領域７１を流れる空気は、燃料電池１０の生成水により加湿されるため、湿度が上昇する。カソード流路７０を流れる空気は、冷媒として燃料電池１０の熱を受けるため、カソード入口領域７１からカソード出口領域７２に向かうにつれて、温度が上昇し、湿度が低下していく。このため、カソード出口領域７２付近では、電解質膜２１が乾燥しやすい。

次に、アノード流路８０を流れる水素ガスの湿度分布を説明する。第１アノード流路８１は、膜電極接合体２０を挟んでカソード入口領域７１と対向して配置されているため、第１アノード流路８１を流れる水素ガスは、カソード入口領域７１における発電によって生じた生成水により加湿され、迂回流路９１に流れる。迂回流路９１は、膜電極接合体２０のアノード側に面する領域を迂回するため、迂回流路９１を流れる水素ガスは、膜電極接合体２０に供給されることなく、流量と湿度とを維持したまま、第２アノード流路８２へと流れる。第２アノード流路８２は、膜電極接合体２０を挟んでカソード出口領域７２と対向して配置されているため、第２アノード流路８２を流れる水素ガスは、乾燥しやすいカソード出口領域７２の電解質膜２１を加湿する。第２アノード流路８２から流出した水素ガスは、第３アノード流路８３を通ることにより、燃料電池１０の発電に供され、アノード出口マニホールド６２から燃料電池１０の外に排出される。

以上で説明した第１実施形態の燃料電池１０によれば、カソード入口領域７１における生成水によって加湿されたアノードガスが、迂回流路９１を通じてカソード出口領域７２に対向する第２アノード流路８２に供給される。このため、冷媒の出口近傍であるカソード出口領域７２における電解質膜２１の乾燥を抑制でき、燃料電池１０の発電性能が低下することを防止できる。

Ｂ．第２実施形態
図６は、第２実施形態における燃料電池１０ｂの概略構成を示す平面図である。また、図７は、図６における燃料電池１０ｂのVII−VII線断面図である。第２実施形態の燃料電池１０ｂでは、迂回流路９１ｂの構造と、第３アノード流路８３ｂの構造とが、第１実施形態と異なる。迂回流路９１ｂは、マニホールド状ではなく、アノード側セパレータ４２に形成されている流路溝によって構成されている。また、第３アノード流路８３ｂは、第２アノード流路８２からアノード出口マニホールド６２へと向かって蛇行する流路により構成されている。尚、迂回流路９１ｂの構造と、第３アノード流路８３ｂの構造との内、いずれか一方のみが第１実施形態と異なっていてもよい。

以上で説明した第２実施形態の燃料電池１０ｂによっても、カソード入口領域７１における生成水によって加湿されたアノードガスが、迂回流路９１ｂを通じてカソード出口領域７２に対向する第２アノード流路８２に供給される。このため、冷媒の出口近傍であるカソード出口領域７２における電解質膜２１の乾燥を抑制でき、燃料電池１０ｂの発電性能が低下することを防止できる。

Ｃ．第３実施形態
図８は、第３実施形態における燃料電池１０ｃの概略構成を示す平面図である。第３実施形態の燃料電池１０ｃでは、マニホールド状のアノード中間流路９２ｃを備えることと、アノード出口マニホールド６２ｃの配置と、第３アノード流路８３ｃの構造とが、第１実施形態と異なる。アノード中間流路９２ｃは、膜電極接合体２０の外周縁の外側に形成されているマニホールド状の流路であり、第２アノード流路８２と第３アノード流路８３ｃとの間を接続している。また、アノード出口マニホールド６２ｃは、アノード入口マニホールド６１の近傍でなく、迂回流路９１の近傍に配置されている。さらに、第３アノード流路８３ｃは、アノード中間流路９２ｃからアノード出口マニホールド６２ｃへと向かって、カソード流路７０内を空気が流れる方向と直交する向きに水素ガスを流す。

アノード入口マニホールド６１から流入した水素ガスは、第１アノード流路８１、迂回流路９１、第２アノード流路８２の順に流れた後、第２アノード流路８２からアノード中間流路９２ｃへと流れる。アノード中間流路９２ｃ内に流入した水素ガスは、第３アノード流路８３ｃへと向かって、カソード流路７０内を空気が流れる方向と逆方向に流れる。第３アノード流路８３ｃ内に流入した水素ガスは、カソード流路７０内を空気が流れる方向と直交する向きに流れ、アノード出口マニホールド６２ｃから流出する。

以上で説明した第３実施形態の燃料電池１０ｃによっても、カソード入口領域７１における生成水によって加湿されたアノードガスが、迂回流路９１を通じてカソード出口領域７２に対向する第２アノード流路８２に供給される。このため、冷媒の出口近傍であるカソード出口領域７２における電解質膜２１の乾燥を抑制でき、燃料電池１０ｃの発電性能が低下することを防止できる。また、第２アノード流路８２と第３アノード流路８３ｃとの間が、マニホールド状のアノード中間流路９２ｃによって接続されているため、水素ガスの圧力損失を低減することができる。

Ｄ．他の実施形態
上記各実施形態では、カソード流路７０は、図３に示したように、平行する複数の直線状の流路により構成されている。これに対して、カソード流路７０は、一本の直線状の流路であってもよい。また、カソード流路７０は、直線状であることが好ましいが、一部が湾曲あるいは屈曲するなど、必ずしも直線状の流路でなくてもよい。

上記各実施形態では、迂回流路９１は、ｘ軸−ｙ軸平面（例えば、図２参照）内において膜電極接合体２０のアノード側に面する領域を迂回している。これに対して、迂回流路９１は、膜電極接合体２０のアノード側に面する領域を、ｚ軸方向に迂回してもよい。

本発明は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１０，１０ｂ，１０ｃ…燃料電池
１１…第１の側面
１２…第２の側面
２０…膜電極接合体
２１…電解質膜
２２…カソード側電極触媒層
２３…アノード側電極触媒層
３１…カソード側ガス拡散層
３２…アノード側ガス拡散層
４１…カソード側セパレータ
４２…アノード側セパレータ
４３…樹脂フレーム
５１…カソード入口
５２…カソード出口
６１…アノード入口マニホールド
６２，６２ｃ…アノード出口マニホールド
７０…カソード流路
７１…カソード入口領域
７２…カソード出口領域
８０…アノード流路
８１…第１アノード流路
８２…第２アノード流路
８３，８３ｂ，８３ｃ…第３アノード流路
９１，９１ｂ…迂回流路
９２ｃ…アノード中間流路
１００…燃料電池スタック
１０１…エンドプレート

Claims (1)

1. 空冷式の燃料電池であって、
   膜電極接合体と、
   前記膜電極接合体のカソード側に面しており、カソードガスと冷媒とを兼ねる空気が前記カソード側に沿って流れるカソード流路と、
   前記膜電極接合体のアノード側に面しており、アノードガスが前記アノード側に沿って流れるアノード流路と、
   を備え、
   前記カソード流路は、
   前記膜電極接合体の前記カソード側の一端部に面し、前記空気が流入するカソード入口領域と、
   前記膜電極接合体の前記カソード側の他端部に面し、前記カソード入口領域から流入した前記空気が流出するカソード出口領域と、
   を有し、
   前記アノード流路は、
   前記膜電極接合体を挟んで前記カソード入口領域と対向して配置されており、前記アノードガスが流入する第１アノード流路と、
   前記膜電極接合体を挟んで前記カソード出口領域と対向して配置されている第２アノード流路と、
   前記第２アノード流路から前記アノードガスが流入し、前記膜電極接合体の前記アノード側における前記第１アノード流路と前記第２アノード流路とに挟まれた領域に前記アノードガスを供給する第３アノード流路と、
   を有し、
   前記第１アノード流路と前記第２アノード流路とが、前記膜電極接合体の前記アノード側に面する領域を迂回する迂回流路によって接続されている、
   燃料電池。

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