JP7048254B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池に関する。

燃料ガス流路と酸化剤ガス流路とが交差して配置された空冷式燃料電池において、セルの面内温度差を小さくするために、燃料ガス流路の上流側に位置する酸化剤ガス流路の流路断面積を下流側に位置する酸化剤ガス流路の流路断面積よりも大きくすることが知られている（例えば、特許文献１）。

特開平１０－１３４８３３

燃料ガスが流れる燃料ガス流路と冷媒が流れる冷媒流路とが交差して配置された燃料電池において、発電部のうちの冷媒流路の上流側に位置する部位において発電性能が低下することがある。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、発電性能の低下を抑制することを目的とする。

本発明は、膜電極接合体と、前記膜電極接合体の一方の面側に配置され、前記膜電極接合体に供給される燃料ガスが流れる複数の燃料ガス流路が形成されたアノード側セパレータと、前記膜電極接合体の他方の面側に配置され、前記膜電極接合体に供給される酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス流路が形成されたカソード側セパレータと、を備え、前記複数の燃料ガス流路は、燃料ガス供給マニホールドと燃料ガス排出マニホールドとの間に接続され且つ前記アノード側セパレータと前記カソード側セパレータとの間に形成された冷媒流路に交差し、前記冷媒流路は、前記複数の燃料ガス流路の配列方向に冷媒が流れるように前記配列方向に直線状に延びていて、前記複数の燃料ガス流路のうちの前記冷媒流路の下流側に位置する第１燃料ガス流路の前記燃料ガスの流通方向に交差する方向における流路断面積を、前記第１燃料ガス流路の流路幅と、前記第１燃料ガス流路に隣接する燃料ガス流路と前記第１燃料ガス流路との間の幅と、の和で割った値は、前記燃料ガス供給マニホールドから前記燃料ガス排出マニホールドにかけての全範囲において前記第１燃料ガス流路より前記冷媒流路の上流側に位置する第２燃料ガス流路の前記燃料ガスの流通方向に交差する方向における流路断面積を、前記第２燃料ガス流路の流路幅と、前記第２燃料ガス流路に隣接する燃料ガス流路と前記第２燃料ガス流路との間の幅と、の和で割った値より小さい、燃料電池である。

本発明によれば、発電性能の低下を抑制することができる。

図１（ａ）は、実施例に係る燃料電池を構成する単セルの分解斜視図、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ－Ａ間におけるアノード側セパレータの断面図である。 図２（ａ）は、比較例に係る燃料電池を構成する単セルの分解斜視図、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ－Ａ間におけるアノード側セパレータの断面図である。 図３は、比較例の燃料電池で生じる課題を説明するための図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。

実施例の燃料電池は、反応ガスとして燃料ガス（例えば水素）と酸化剤ガス（例えば空気）の供給を受けて発電する固体高分子形燃料電池であり、多数の単セルを積層したスタック構造を有する。図１（ａ）は、実施例に係る燃料電池を構成する単セル１００の分解斜視図、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ－Ａ間におけるアノード側セパレータ１８ａの断面図である。

図１（ａ）のように、実施例の単セル１００は、アノード側セパレータ１８ａ、膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ：Membrane Electrode Gas diffusion layer Assembly）２０、及びカソード側セパレータ１８ｃを備える。ＭＥＧＡ２０は、絶縁部材４０の内側に配置されている。絶縁部材４０は、例えばエポキシ樹脂又はフェノール樹脂などの樹脂で形成されている。ＭＥＧＡ２０及び絶縁部材４０は、アノード側セパレータ１８ａとカソード側セパレータ１８ｃによって挟持されている。

アノード側セパレータ１８ａは、ガス遮断性及び電子伝導性を有する部材によって形成され、例えばカーボンを圧縮してガス不透過とした緻密性カーボンなどのカーボン部材又はステンレス鋼などの金属部材によって形成されている。アノード側セパレータ１８ａには孔ａ１及び孔ａ２が設けられ、絶縁部材４０には孔ｓ１及び孔ｓ２が設けられ、カソード側セパレータ１８ｃの両側に配置された絶縁部材４２には孔ｃ１及び孔ｃ２が設けられている。孔ａ１と孔ｓ１と孔ｃ１は連通し、水素を供給する燃料ガス供給マニホールド４４を画定する。孔ａ２と孔ｓ２と孔ｃ２は連通し、水素を排出する燃料ガス排出マニホールド４６を画定する。アノード側セパレータ１８ａのＭＥＧＡ２０側の面には、燃料ガス供給マニホールド４４から燃料ガス排出マニホールド４６に向かって直線状に延在し、ＭＥＧＡ２０に供給される水素が流れる複数の燃料ガス流路３２が設けられている。

カソード側セパレータ１８ｃは、ガス遮断性及び電子伝導性を有する部材によって形成されている。カソード側セパレータ１８ｃは、例えばプレス成型による曲げ加工によって凹凸形状が形成されたステンレス鋼などの金属板からなる。カソード側セパレータ１８ｃには、厚み方向の凹凸形状によって、それぞれ空気が流れる酸化剤ガス流路２２と冷媒流路２４が形成されている。酸化剤ガス流路２２と冷媒流路２４は、カソード側セパレータ１８ｃの一端から他端に向かって直線状に延在し、互いに隣り合って配置されている。酸化剤ガス流路２２及び冷媒流路２４を流れる空気は、カソード側セパレータ１８ｃの一端側である空気供給口から他端側である空気排出口に向かって流れる。

酸化剤ガス流路２２は、カソード側セパレータ１８ｃのＭＥＧＡ２０側の面に設けられてＭＥＧＡ２０側に開口した凹部２６によって形成されている。したがって、酸化剤ガス流路２２を流れる空気は、ＭＥＧＡ２０に供給されて主に発電に用いられる。冷媒流路２４は、カソード側セパレータ１８ｃのＭＥＧＡ２０とは反対側の面に設けられてＭＥＧＡ２０とは反対側に開口した凹部２８によって形成されている。したがって、冷媒流路２４は、アノード側セパレータ１８ａとカソード側セパレータ１８ｃの間に形成され、ＭＥＧＡ２０の冷却に用いられる空気（冷媒）が主に流れる。このように、実施例の燃料電池は、空冷式の燃料電池である。

ＭＥＧＡ２０は、電解質膜１２、アノード触媒層１４ａ、カソード触媒層１４ｃ、アノードガス拡散層１６ａ、及びカソードガス拡散層１６ｃを備える。アノード触媒層１４ａは電解質膜１２の一方の面に設けられ、カソード触媒層１４ｃは電解質膜１２の他方の面に設けられている。これにより、膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）１０が形成されている。電解質膜１２は、例えばスルホン酸基を有するフッ素系樹脂材料又は炭化水素系樹脂材料で形成された固体高分子膜であり、湿潤状態において良好なプロトン伝導性を有する。アノード触媒層１４ａ及びカソード触媒層１４ｃは、例えば電気化学反応を進行する触媒（白金又は白金－コバルト合金など）を担持したカーボン粒子（カーボンブラックなど）と、スルホン酸基を有する固体高分子であって湿潤状態で良好なプロトン伝導性を有するアイオノマーと、を含む。

アノードガス拡散層１６ａとカソードガス拡散層１６ｃは、ＭＥＡ１０の両側に設けられ、ＭＥＡ１０を挟持している。アノードガス拡散層１６ａ及びカソードガス拡散層１６ｃは、ガス透過性及び電子伝導性を有する部材によって形成されていて、例えばカーボンクロス又はカーボンペーパなどの多孔質カーボン製部材によって形成されている。

図１（ａ）及び図１（ｂ）のように、アノード側セパレータ１８ａに形成された複数の燃料ガス流路３２は、アノード側セパレータ１８ａとカソード側セパレータ１８ｃの間に形成された冷媒流路２４に交差（例えば直交）して延在している。複数の燃料ガス流路３２の全てにおいて深さＤは略同じである。なお、略同じとは製造誤差程度のずれを含むものである（以下においても同じである）。一方、複数の燃料ガス流路３２の水素の流通方向に交差（例えば直交）する方向における幅に関しては、複数の燃料ガス流路３２のうちの冷媒流路２４の下流側（空気排出口側）に位置する燃料ガス流路３２ｂの幅Ｗ２は、燃料ガス流路３２ｂよりも冷媒流路２４の上流側（空気供給口側）に位置する燃料ガス流路３２ａの幅Ｗ１よりも小さくなっている。このため、燃料ガス流路３２ｂは、燃料ガス流路３２ａに比べて、水素の流通方向に交差（例えば直交）する方向における流路断面積が小さくなっている。例えば、発電面積あたりの流路断面積が、冷媒流路２４の下流側に位置する燃料ガス流路３２ｂは上流側の位置する燃料ガス流路３２ａに比べて小さくなっている。発電面積あたりの流路断面積とは、燃料ガス流路３２の流路断面積Ｓを燃料ガス流路３２の幅と燃料ガス流路３２間のリブ幅との和Ｘで割った値（Ｓ／Ｘ）である。したがって、燃料ガス流路３２の流路断面積Ｓを燃料ガス流路３２の幅と燃料ガス流路３２間のリブ幅との和Ｘである燃料ガス流路３２間のピッチで割った値（Ｓ／Ｘ）が、冷媒流路２４の下流側に位置する燃料ガス流路３２ｂは上流側の位置する燃料ガス流路３２ａに比べて小さくなっている。なお、複数の燃料ガス流路３２において、燃料ガス流路３２の幅と燃料ガス流路３２間のリブ幅との和Ｘは略同じである。したがって、実施例においては発電面積当たりの流路断面積は、燃料ガス流路３２の流路断面積を所定の長さ（一定の値）で割った値と言い換えることもできる。

ここで、実施例の燃料電池の効果を説明するにあたり、比較例の燃料電池について説明する。図２（ａ）は、比較例に係る燃料電池を構成する単セル５００の分解斜視図、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ－Ａ間におけるアノード側セパレータ１８ａの断面図である。図２（ａ）及び図２（ｂ）のように、比較例の単セル５００は、アノード側セパレータ１８ａに形成された複数の燃料ガス流路３２の全てにおいて、水素の流通方向に交差（例えば直交）する方向における幅Ｗが略同じになっている。したがって、複数の燃料ガス流路３２の全てにおいて、水素の流通方向に交差（例えば直交）する方向における流路断面積が略同じになっている。例えば、複数の燃料ガス流路３２の幅Ｗは実施例における燃料ガス流路３２ａの幅Ｗ１と略同じになっていて、複数の燃料ガス流路３２の流路断面積は実施例における燃料ガス流路３２ａの流路断面積と略同じになっている。その他の構成は実施例と同じであるため説明を省略する。

図３は、比較例の燃料電池で生じる課題を説明するための図である。燃料電池では、ＭＥＡ１０で電気化学反応が進行することによって水分が生成される。カソード側で多くの水分が生成されるが、カソード側で生成された水分は電解質膜１２を介してアノード側に透過する。ここで、図３のように、比較例の燃料電池では、複数の燃料ガス流路３２を流れる水素の流通方向と、冷媒流路２４を流れる空気（冷媒）の流通方向と、は交差（例えば直交）している。ＭＥＡ１０（発電部）のうちの空気（冷媒）供給口側に位置する部位は、空気（冷媒）によって十分に冷却されて温度が低くなる。このため、ＭＥＡ１０のうちの空気（冷媒）供給口側で生成された水分は気化され難く液水の状態で存在し易い。よって、ＭＥＡ１０のうちの空気（冷媒）供給口側に位置する部位では、カソード側で生成された液水がアノード側に透過して、アノード側セパレータ１８ａに形成された燃料ガス流路３２に液水が到達し易い。酸化剤ガス流路２２は大流量の空気が流れるため、酸化剤ガス流路２２内に液水は滞留し難いが、燃料ガス流路３２を流れる水素は流量が比較的少ないため、燃料ガス流路３２内に液水が滞留し易い。特に、燃料ガス流路３２を流れる水素は発電で消費されることから、燃料ガス流路３２の下流側に向かうに連れて水素の流量が減少していき、燃料ガス流路３２の下流側において燃料ガス流路３２内に液水が滞留し易い。したがって、図３のように、ＭＥＡ１０のうちの空気（冷媒）供給口側で且つ水素排出口側に位置する部位５０において、燃料ガス流路３２内に液水が溜まり易い。

比較例のように複数の燃料ガス流路３２の全ての流路断面積が略同じである場合、液水が溜まっている燃料ガス流路３２の圧力損失は液水が溜まっていない燃料ガス流路３２の圧力損失よりも大きくなる。このため、水素は、液水が溜まっていない燃料ガス流路３２を流れ、液水が溜まった燃料ガス流路３２は流れ難くなる。このため、液水が溜まることで水素が流れ難くなった燃料ガス流路３２が設けられている部位では、発電性能の低下が生じてしまう。

一方、実施例では、図１（ａ）及び図１（ｂ）のように、複数の燃料ガス流路３２のうちの冷媒流路２４の下流側に位置する燃料ガス流路３２ｂは、燃料ガス流路３２ｂより上流側に位置する燃料ガス流路３２ａよりも水素の流通方向に交差する方向において小さな流路断面積を有する。これにより、例えば冷媒流路２４の上流側に位置する燃料ガス流路３２ａに液水が溜まった場合でも、燃料ガス流路３２ａの圧力損失と冷媒流路２４の下流側に位置する燃料ガス流路３２ｂの圧力損失との差を小さくすることができる。よって、燃料ガス流路３２ａに水素が流れ難くなることを抑制できる。燃料ガス流路３２ａに水素が流れ難くなることを抑制できるため、燃料ガス流路３２ａ内の液水が外部に排水され易くなる。このようなことから、発電性能の低下を抑制できる。なお、冷媒流路２４の下流側に位置する燃料ガス流路３２ｂの流路断面積が小さいことで水素流量は少なくなるが、冷媒流路２４の下流側でのＭＥＡ１０の温度は高く乾燥していることから、ガス拡散性が良好であるため、発電性能が大きく低下することはない。

また、実施例によれば、冷媒流路２４の下流側に位置する燃料ガス流路３２ｂの幅Ｗ２が上流側に位置する燃料ガス流路３２ａの幅Ｗ１よりも狭いことで、燃料ガス流路３２ｂの流路断面積が燃料ガス流路３２ａの流路断面積よりも小さくなっている。ＭＥＡ１０（発電部）のうちの冷媒流路２４の下流側に位置する部位は温度が高くなり易いが、燃料ガス流路３２ｂの幅Ｗ２が狭いことで、この部位のアノード側セパレータ１８ａによる熱伝導性を向上させることができる。よって、ＭＥＡ１０のうちの冷媒流路２４の下流側に位置する部位の乾燥を抑制することができる。なお、複数の燃料ガス流路３２の幅が一定で且つ深さが変わることで、冷媒流路２４の下流側に位置する燃料ガス流路３２ｂの流路断面積が上流側に位置する燃料ガス流路３２ａの流路断面積よりも小さくなるようにしてもよい。

なお、実施例では、冷媒流路２４の下流側に位置する燃料ガス流路３２ｂの流路断面積が、水素の流通方向で一定である場合を例に示したが、この場合に限られる訳ではない。燃料ガス流路３２ｂの一部において、燃料ガス流路３２ａよりも流路断面積が小さくなっていればよい。また、別の例においては、複数の燃料ガス流路３２それぞれの流路断面積は同じで、冷媒流路２４の下流側に位置する発電面積あたりの燃料ガス流路３２の本数が、冷媒流路２４の上流側に位置する発電面積あたりの燃料ガス流路３２の本数よりも少なくてもよい。言い換えると、複数の燃料ガス流路３２それぞれの流路断面積は同じで、流路間のリブ幅が冷媒流路２４の下流側では上流側よりも長い場合でもよい。燃料電池の発電面において発電量がほぼ均一である場合、燃料電池から生成される水分の量もほぼ均一となる。ここで水分には、液水と水蒸気の両方を含む。冷媒流路２４の上流側では、水分中の液水の割合が大きくなるが、冷媒流路２４の上流側に位置する発電面積あたりの燃料ガス流路３２の本数が冷媒流路２４の下流側に位置する発電面積あたりの燃料ガス流路３２の本数よりも多いため、発電面積あたりの燃料ガスの流量が多くなり、実施例と同様に液水を排水しやすくすることができる。

なお、実施例において、小さい流路断面積を有する燃料ガス流路３２ｂは、ＭＥＡ１０のうちの冷媒流路２４の出口側の０～２０％の範囲に設けられることが好ましく、０～１８％の範囲に設けられることがより好ましく、０～１５％の範囲に設けられることが更に好ましい。この部位ではＭＥＡ１０の温度が高くなり易いため、生成水が気化されて、燃料ガス流路３２に液水が溜まり難いためである。

なお、実施例では空冷式の燃料電池の場合を例に示したが、水冷式の燃料電池の場合でもよい。しかしながら、空冷式の燃料電池では、発電部のうちの冷媒流路の下流側で温度が高くなり易い一方で、上流側では温度が低くなり易い。したがって、本発明を空冷式の燃料電池に適用することが好ましい。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０ 膜電極接合体
１２ 電解質膜
１４ａ アノード触媒層
１４ｃ カソード触媒層
１６ａ アノードガス拡散層
１６ｃ カソードガス拡散層
１８ａ アノード側セパレータ
１８ｃ カソード側セパレータ
２０ 膜電極ガス拡散層接合体
２２ 酸化剤ガス流路
２４ 冷媒流路
２６、２８ 凹部
３２～３２ｂ 燃料ガス流路
４０、４２ 絶縁部材
４４ 燃料ガス供給マニホールド
４６ 燃料ガス排出マニホールド
５０ 部位
１００、５００ 単セル

Claims (1)

1. 膜電極接合体と、
   前記膜電極接合体の一方の面側に配置され、前記膜電極接合体に供給される燃料ガスが流れる複数の燃料ガス流路が形成されたアノード側セパレータと、
   前記膜電極接合体の他方の面側に配置され、前記膜電極接合体に供給される酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス流路が形成されたカソード側セパレータと、を備え、
   前記複数の燃料ガス流路は、燃料ガス供給マニホールドと燃料ガス排出マニホールドとの間に接続され且つ前記アノード側セパレータと前記カソード側セパレータとの間に形成された冷媒流路に交差し、
   前記冷媒流路は、前記複数の燃料ガス流路の配列方向に冷媒が流れるように前記配列方向に直線状に延びていて、
   前記複数の燃料ガス流路のうちの前記冷媒流路の下流側に位置する第１燃料ガス流路の前記燃料ガスの流通方向に交差する方向における流路断面積を、前記第１燃料ガス流路の流路幅と、前記第１燃料ガス流路に隣接する燃料ガス流路と前記第１燃料ガス流路との間の幅と、の和で割った値は、前記燃料ガス供給マニホールドから前記燃料ガス排出マニホールドにかけての全範囲において前記第１燃料ガス流路より前記冷媒流路の上流側に位置する第２燃料ガス流路の前記燃料ガスの流通方向に交差する方向における流路断面積を、前記第２燃料ガス流路の流路幅と、前記第２燃料ガス流路に隣接する燃料ガス流路と前記第２燃料ガス流路との間の幅と、の和で割った値より小さい、燃料電池。

Images