JP4939103B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体と、セパレータとが積層され、電極面に沿って重力方向に反応ガスを供給する反応ガス流路が形成されるとともに、前記反応ガス流路の上部及び下部には、反応ガス供給連通孔及び反応ガス排出連通孔が積層方向に貫通して設けられる燃料電池に関する。

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体を、セパレータによって挟持した発電セルを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の発電セルを積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。

上記の燃料電池では、セパレータの面内に、アノード側電極に燃料ガスを流すための燃料ガス流路（反応ガス流路）と、カソード側電極に酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路（反応ガス流路）とが設けられている。さらに、セパレータ間には、冷却媒体を流すための冷却媒体流路が前記セパレータの面方向に沿って設けられている。

一般的に、燃料電池は、セパレータの積層方向に貫通する流体供給連通孔及び流体排出連通孔が燃料電池内部に設けられた、所謂、内部マニホールドを構成している。そして、流体である燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却媒体は、それぞれの流体供給連通孔から燃料ガス流路、酸化剤ガス流路及び冷却媒体流路に供給された後、それぞれの流体排出連通孔に排出されている。

ところで、カソード側電極では、発電反応により生成水が生じており、この生成水は、酸化剤ガス流路に沿って下流側に移動するとともに、凝縮して水滴となり易い。このため、酸化剤ガス流路の下流には、凝縮水が滞留して前記酸化剤ガス流路が閉塞されるとともに、電解質膜の劣化が促進されるおそれがある。一方、アノード側電極では、生成水の逆拡散が惹起し易く、この生成水が燃料ガス流路の下流に移動して凝縮し、凝縮水の滞留が生じるという問題がある。

そこで、例えば、特許文献１に開示されている固体高分子形燃料電池が知られている。この燃料電池は、図８に示すように、ガスセパレータ１を備えており、このガスセパレータ１の面内には、凹溝状の流路２が複数本併設されるとともに、この流路２の出口部には、前記流路２が合流する凹部状のヘッダー部３が形成されている。ヘッダー部３の出口部は、積層方向の開口したマニホールド４に連通するとともに、前記流路２の出口部と前記ヘッダー部３との接続端部を覆うようにプレート板５が配設されている。

この場合、ヘッダー部３に開口する流路２の出口部の開口面積は、この出口部以外の流路２の開口面積よりも小さく設定されている。このため、流路２を流れる反応ガスの流速は、出口部付近で加速され、前記流路２の下流側に生じた凝縮水が反応ガスと共にヘッダー部３に速やかに押し出されるとともに、前記ヘッダー部３内で反応された反応ガスは、マニホールド４内に強制的に押し出される、としている。

特開２００４−１８５９４４号公報（図１）

しかしながら、上記の特許文献１では、流路２の出口部の開口面積を小さく設定するため、この出口部での圧損が増加してしまう。このため、流路２に供給する反応ガスの供給圧力を増加させる必要があり、例えば、コンプレッサの負荷が増加して、システム効率が低下するという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単な構成で、反応ガス流路から生成水を容易且つ確実に排出するとともに、システム効率を良好に向上させることが可能な燃料電池を提供することを目的とする。

本発明は、電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体と、セパレータとが積層され、電極面に沿って重力方向に反応ガスを供給する反応ガス流路が形成されるとともに、前記反応ガス流路の上部及び下部には、反応ガス供給連通孔及び反応ガス排出連通孔が積層方向に貫通して設けられる燃料電池に関するものである。

そして、反応ガス流路は、重力方向に延在する複数の凸部間に形成されるとともに、前記凸部の出口側端部先端には、下方に向かって幅狭な先細り形状に設定される湾曲部が設けられ、少なくとも前記出口側端部先端間には、反応ガスの流れを乱すための邪魔部材が設けられている。

また、邪魔部材は、出口側端部先端よりも下方に配設されることが好ましい。

本発明によれば、反応ガス流路に生じた生成水（逆拡散水を含む）は、重力方向に沿って下方（下流）に移動するとともに、凸部の出口側端部に至ると、この出口側端部先端に設けられている湾曲部を介して前記出口側端部から離脱し易い。

しかも、出口側端部先端間には、邪魔部材が設けられており、前記出口側端部先端近傍に反応ガスの乱流が発生する。従って、出口側端部先端に向かう反応ガスの流れが生じ、前記出口側端部先端に付着する凝縮水を容易且つ確実に除去することができる。

これにより、例えば、反応ガスの供給圧力を増加させる必要がなく、簡単且つ経済的な構成で、反応ガス流路から生成水を確実に排出するとともに、燃料電池の発電を停止した後、前記反応ガス流路を掃気する時間が短縮される。従って、システム効率を良好に向上させることが可能になる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池１０の要部分解概略斜視図である。

燃料電池１０は、電解質膜・電極構造体１２と、前記電解質膜・電極構造体１２を挟持する第１カーボンセパレータ１４及び第２カーボンセパレータ１６とを備える。なお、第１カーボンセパレータ１４及び第２カーボンセパレータ１６に代えて、金属製薄板を波形状にプレス加工された金属セパレータを採用してもよい。

第１カーボンセパレータ１４及び第２カーボンセパレータ１６は、縦長形状を有するとともに、長辺が重力方向（矢印Ｃ方向）に向かい且つ短辺が水平方向（矢印Ｂ方向）に向かうように構成される。

燃料電池１０の長辺方向の上端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔（反応ガス供給連通孔）１８ａ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔（反応ガス供給連通孔）２０ａが設けられる。

燃料電池１０の長辺方向の下端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔（反応ガス排出連通孔）２０ｂ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔（反応ガス排出連通孔）１８ｂが設けられる。

燃料電池１０の短辺方向（矢印Ｂ方向）の一端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、冷却媒体を供給するための複数の冷却媒体供給連通孔２２ａが設けられるとともに、短辺方向の他端縁部には、前記冷却媒体を排出するための複数の冷却媒体排出連通孔２２ｂが設けられる。

電解質膜・電極構造体１２は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜２４と、前記固体高分子電解質膜２４を挟持するカソード側電極２６及びアノード側電極２８とを備える。

カソード側電極２６及びアノード側電極２８は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層（図示せず）と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布して形成される電極触媒層（図示せず）とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜２４の両面に形成される。

第１カーボンセパレータ１４の電解質膜・電極構造体１２に向かう面１４ａには、酸化剤ガス供給連通孔１８ａと酸化剤ガス排出連通孔１８ｂとを連通する酸化剤ガス流路（反応ガス流路）３０が形成される。酸化剤ガス流路３０は、図１及び図２に示すように、矢印Ｃ方向に延在する複数の直線状流路溝３０ａを有するとともに、前記直線状流路溝３０ａは、重力方向に延在する複数の凸部３２間に形成される。各凸部３２の出口側端部先端（下端部先端）には、湾曲部３２ａが設けられ、前記湾曲部３２ａは、下方に向かって幅狭な先細り形状に設定される。

各凸部３２の出口側端部先端間には、酸化剤ガスの流れを乱すための邪魔部材として、例えば、突起部３４が設けられる。突起部３４は、断面円柱形状を有するとともに、前記突起部３４の外径寸法が直線状流路溝３０ａの幅寸法よりも小さく、且つ前記突起部３４の高さ寸法が凸部３２の高さ寸法と同等以下に設定される。突起部３４は、各凸部３２の出口側端部先端よりも下方に配設されており、必要に応じて複数の前記突起部３４が下方に向かって千鳥状に配設される。

第２カーボンセパレータ１６の電解質膜・電極構造体１２に向かう面１６ａには、燃料ガス供給連通孔２０ａと燃料ガス排出連通孔２０ｂとを連通する燃料ガス流路（反応ガス流路）３６が形成される。燃料ガス流路３６は、図３に示すように、矢印Ｃ方向に延在する複数の直線状流路溝３６ａを有するとともに、前記直線状流路溝３６ａは、重力方向に延在する複数の凸部３８間に形成される。各凸部３８の出口側端部先端（下端部先端）には、湾曲部３８ａが設けられ、前記湾曲部３８ａは、下方に向かって幅狭な先細り形状に設定される。

各凸部３８の出口側端部先端間には、燃料ガスの流れを乱すための邪魔部材として、例えば、突起部４０が設けられる。突起部４０は、円柱形状を有するとともに、前記突起部４０の外径寸法が直線状流路溝３６ａの幅寸法よりも小さく、且つ前記突起部４０の高さ寸法が凸部３８の高さ寸法と同等以下に設定される。突起部４０は、各凸部３８の出口側端部先端よりも下方に配設されており、必要に応じて複数の前記突起部４０が下方に向かって千鳥状に配設される。

図１に示すように、第２カーボンセパレータ１６の面１６ｂと、第１カーボンセパレータ１４の面１４ｂとの間には、冷却媒体供給連通孔２２ａと冷却媒体排出連通孔２２ｂとに連通する冷却媒体流路４２が形成される。冷却媒体流路４２は、矢印Ｂ方向に延在する複数の直線状流路溝４２ａを有する。

電解質膜・電極構造体１２と第１カーボンセパレータ１４及び第２カーボンセパレータ１６との間、並びに前記第１カーボンセパレータ１４と前記第２カーボンセパレータ１６との間には、図示しないが、ガスケット等のシール部材が配設される。

このように構成される燃料電池１０の動作について、以下に説明する。

先ず、図１に示すように、燃料電池１０では、酸化剤ガス供給連通孔１８ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス供給連通孔２０ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体供給連通孔２２ａに純水やエチレングリコール等の冷却媒体が供給される。

酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給連通孔１８ａから第１カーボンセパレータ１４の酸化剤ガス流路３０に導入され、電解質膜・電極構造体１２のカソード側電極２６に沿って移動する。

その際、第１の実施形態では、図２に示すように、酸化剤ガス流路３０は、重力方向に延在する複数の凸部３２間に形成される複数の直線状流路溝３０ａを有するとともに、各凸部３２の出口側端部先端には、下方に向かって幅狭な先細り形状に設定される湾曲部３２ａが設けられている。従って、酸化剤ガス流路３０に生じた生成水は、重力方向に向かって流動した後、出口側端部先端から酸化剤ガス排出連通孔１８ｂ側に離脱し易い。

しかも、各凸部３２の出口側端部先端間には、酸化剤ガスの流れを乱すための邪魔部材として突起部３４が設けられている。このため、図４に示すように、各直線状流路溝３０ａに沿って重力方向に流れる酸化剤ガスは、突起部３４によって乱流を発生する。従って、酸化剤ガスは、矢印に示すように、各凸部３２の出口側端部先端に向かう流れを惹起し、各凸部３２の出口側端部先端に付着する凝縮水を容易且つ確実に除去することができる。これにより、酸化剤ガス流路３０に凝縮水が滞留することを確実に阻止することが可能になる。

従って、第１の実施形態では、例えば、酸化剤ガス流路３０に供給される酸化剤ガスの供給圧力を増加させる必要がなく、簡単且つ経済的な構成で、酸化剤ガス流路３０から生成水を確実に排出するとともに、燃料電池１０の発電を停止した後、前記酸化剤ガス流路３０を掃気する時間が短縮される。これにより、システム効率を良好に向上させることが可能になるという効果が得られる。

一方、燃料ガスは、図３に示すように、燃料ガス供給連通孔２０ａから第２カーボンセパレータ１６の燃料ガス流路３６に導入され、電解質膜・電極構造体１２のアノード側電極２８に沿って移動する。その際、燃料ガス流路３６では、上記の酸化剤ガス流路３０と同様に、重力方向に延在する複数の凸部３８間に直線状流路溝３６ａが形成されるとともに、前記凸部３８の出口側端部先端には、下方に向かって幅狭な先細り形状の湾曲部３８ａが形成されている。そして、各凸部３８の出口側端部先端間には、燃料ガスの流れを乱すための突起部４０が設けられている。

このため、各直線状流路溝３６ａに沿って重力方向に流れる燃料ガスは、突起部４０により乱流を惹起し、各凸部３８の出口側端部先端に付着する凝縮水を容易且つ確実に除去することができる。

上記のように、各電解質膜・電極構造体１２では、カソード側電極２６に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極２８に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。

次いで、カソード側電極２６に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔１８ｂに排出されるとともに、アノード側電極２８に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔２０ｂに排出される。

また、冷却媒体は、冷却媒体供給連通孔２２ａから第１及び第２カーボンセパレータ１４、１６間の冷却媒体流路４２に導入された後、矢印Ｂ方向（水平方向）に沿って流動する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体１２を冷却した後、冷却媒体排出連通孔２２ｂから排出される。

図５は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池を構成する第１カーボンセパレータ５０の要部拡大説明図である。図示しないが、第２カーボンセパレータは、第１カーボンセパレータ５０と同様であり、その詳細な説明は省略する。

なお、第１の実施形態に係る燃料電池１０を構成する第１カーボンセパレータ１４と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第３及び第４の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。

第１カーボンセパレータ５０には、各凸部３２の出口側端部先端間に酸化剤ガス流れを乱すための邪魔部材として、例えば、突起部５２が設けられる。突起部５２は、断面矩形状を有するとともに、前記突起部５２の幅寸法が、直線状流路溝３０ａの幅寸法よりも小さく、且つ前記突起部５２の高さ寸法が、凸部３２の高さ寸法と同等以下に設定される。突起部５２は、各凸部３２の出口側端部先端よりも下方に配置されており、必要に応じて複数の突起部５２が下方に向かって千鳥状に配設される。

図６は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池を構成する第１カーボンセパレータ６０の要部拡大説明図であり、図７は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池を構成する第１カーボンセパレータ７０の要部拡大説明図である。なお、それぞれ図示しないが、各第２カーボンセパレータは、第１カーボンセパレータ６０、７０と同様に構成される。

第１カーボンセパレータ６０には、各凸部３２の出口側端部先端間に酸化剤ガスの流れを乱すための邪魔部材として突起部６２が設けられるとともに、第１カーボンセパレータ７０には、同様に各凸部３２の出口側端部先端間には、酸化剤ガスの流れを乱すための邪魔部材として突起部７２が設けられる。

突起部６２は、平坦面を上流側に向けた断面略三角形状を有する一方、突起部７２は、断面菱形形状を有する。突起部６２、７２は、上記の突起部３４（４０）、５２と同様に配置される。

上記の第２〜第４の実施形態では、それぞれ各凸部３２の出口側端部先端間に邪魔部材として突起部５２、６２及び７２が設けられており、前記出口側端部先端に酸化剤ガスの乱流が発生している。従って、出口側端部先端に付着する凝縮水を容易且つ確実に除去することができ、システム効率を良好に向上させることが可能になる等、第１の実施形態と同様の効果が得られる。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の要部分解概略斜視図である。 前記燃料電池を構成する第１カーボンセパレータの正面説明図である。 前記燃料電池を構成する第２カーボンセパレータの正面説明図である。 前記第１カーボンセパレータの要部拡大説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池を構成する第１カーボンセパレータの要部拡大説明図である。 本発明の第３の実施形態に係る燃料電池を構成する第１カーボンセパレータの要部拡大説明図である。 本発明の第４の実施形態に係る燃料電池を構成する第１カーボンセパレータの要部拡大説明図である。 特許文献１に係る燃料電池を構成するセパレータの要部説明図である。

符号の説明

１０…燃料電池 １２…電解質膜・電極構造体
１４、１６、５０、６０、７０…カーボンセパレータ
１８ａ…酸化剤ガス供給連通孔 １８ｂ…酸化剤ガス排出連通孔
２０ａ…燃料ガス供給連通孔 ２０ｂ…燃料ガス排出連通孔
２４…固体高分子電解質膜 ２６…カソード側電極
２８…アノード側電極 ３０…酸化剤ガス流路
３０ａ、３６ａ、４２ａ…直線状流路溝 ３２、３８…凸部
３２ａ、３８ａ…湾曲部 ３４、４０、５２、６２、７２…突起部
３６…燃料ガス流路

Claims (2)

1. 電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体と、セパレータとが積層され、電極面に沿って重力方向に反応ガスを供給する反応ガス流路が形成されるとともに、前記反応ガス流路の上部及び下部には、反応ガス供給連通孔及び反応ガス排出連通孔が積層方向に貫通して設けられる燃料電池であって、
   前記反応ガス流路は、重力方向に延在する複数の凸部間に形成されるとともに、前記凸部の出口側端部先端には、下方に向かって幅狭な先細り形状に設定される湾曲部が設けられ、
   少なくとも前記出口側端部先端間には、反応ガスの流れを乱すための邪魔部材が設けられることを特徴とする燃料電池。
2. 請求項１記載の燃料電池において、前記邪魔部材は、前記出口側端部先端よりも下方に配設されることを特徴とする燃料電池。

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