JP4917755B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、電解質の両側に一対の電極が設けられた電解質・電極構造体と、セパレータとが積層され、前記電解質・電極構造体と一方のセパレータとの間には、前記電極の面方向に沿って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、互いに積層される前記セパレータ間には、前記反応ガスの流れ方向と略直交する冷却媒体の流れ方向を有する冷却媒体流路が形成さ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（電解質）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（ＭＥＡ）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。

上記の発電セルでは、アノード側電極の面方向に沿って燃料ガスを供給するための燃料ガス流路（反応ガス流路）と、カソード側電極の面方向に沿って酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路（反応ガス流路）とが、それぞれ電解質膜・電極構造体を挟持する一対のセパレータに形成されている。さらに、互いに積層されるセパレータ間には、電解質膜・電極構造体の発電面を冷却するための冷却媒体流路が形成されている。

その際、例えば、特許文献１には、燃料ガスや酸化剤ガスである反応ガスの流れ方向に直交する方向に冷却媒体を供給することにより、効率的な冷却を行うとともに、発電効率を確保することが可能な燃料電池が提案されている。

この燃料電池は、図１１に示すように、それぞれ隣接する単位セルの第１セパレータ１と第２セパレータ２とが互いに重なり合っており、前記第１セパレータ１には、屈曲する燃料ガス流路３が形成される一方、前記第２セパレータ２には、カソード側電極４に向かって対向され且つ直線状の酸化剤ガス流路５が形成されている。

第１セパレータ１は、直線部６の頂面が第２セパレータ２の突部７の頂面と当接する一方、屈曲部８の頂面が前記突部７の頂面から離間している。この離間する部位によって第１及び第２セパレータ１、２間には、酸化剤ガス流路５と直交する冷媒流れ方向を有する冷却媒体流路９が形成されている。

特開２００３−３３８３００号公報（図４）

本発明はこの種の反応ガスと冷却媒体とが略直交する流れ方向に設定された燃料電池において、冷却媒体流路での冷却媒体の流れを制御するだけで、電極面内の温度分布を均一に設定するとともに、構成の簡素化を図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、電解質の両側に一対の電極が設けられた電解質・電極構造体と、セパレータとが積層され、前記電解質・電極構造体と一方のセパレータとの間には、前記電極の面方向に沿って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、互いに積層される前記セパレータ間には、前記反応ガスの流れ方向と略直交する冷却媒体の流れ方向を有する冷却媒体流路が形成され、さらに積層方向に貫通して前記反応ガス流路の反応ガス入口連通孔及び反応ガス出口連通孔が設けられる燃料電池である。

一方のセパレータは、反応ガス入口連通孔と反応ガス流路とを連結する入口バッファ部と、反応ガス出口連通孔と前記反応ガス流路とを連結する出口バッファ部とを設けるとともに、冷却媒体流路は、セパレータ間で前記入口バッファ部に対応する領域に冷却媒体が流入することを規制し、且つ前記出口バッファ部に対応する領域に前記冷却媒体が流入することを許容する流路壁部を有している。

また、セパレータには、積層方向に貫通して冷却媒体流路の冷却媒体入口連通孔及び冷却媒体出口連通孔が設けられるとともに、前記冷却媒体出口連通孔は、出口バッファ部から離間して設けられることが好ましい。出口バッファ部から冷却媒体出口連通孔までの距離が長尺化して冷却媒体が回り込む経路が長くなるため、冷却媒体流路では、前記出口バッファ部の近傍に前記冷却媒体が滞留し易くなる。これにより、反応ガス流路の出口側の温度が上昇し、前記反応ガス流路から排出されるガス中に水分が取り込まれて凝縮水の滞留を良好に抑制することができる。

さらに、入口バッファ部及び出口バッファ部は、電解質・電極構造体の電極反応面の外方に配設されることが好ましい。出口バッファ部に比較的多量の冷却媒体が流れることにより、この出口バッファ部が冷却されても、電極反応面に結露水が発生することがない。

本発明によれば、流路壁部は、セパレータ間で入口バッファ部に対応する領域に冷却媒体が流入することを規制するため、前記冷却媒体を発電領域に集中的に供給することができ、熱交換効率が良好に向上する。

一方、出口バッファ部に対応する領域に冷却媒体が流入するとともに、この冷却媒体の流速は、冷却媒体流路を流れる冷却媒体の流速よりも速くなる。このため、発電領域の出口バッファ部近傍に対応する領域では、冷却媒体の流れが妨げられる。従って、反応ガス流路では、出口バッファ部近傍の温度が上昇し、反応ガスが温められて前記反応ガス流路中の凝縮水等が水蒸気化して前記反応ガス中に取り込まれる。これにより、反応ガス流路に凝縮水が滞留することを抑制し、良好な排水処理が確実に遂行可能になる。

図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池を構成する発電セル１０の要部分解斜視説明図であり、図２は、前記発電セル１０の、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面説明図であり、図３は、前記発電セル１０の、図１中、ＩＩＩ−ＩＩＩ線断面説明図である。複数の発電セル１０が積層されることによりスタック化された燃料電池が構成される。

図１に示すように、発電セル１０は、電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）１２をアノード側金属セパレータ１４とカソード側金属セパレータ１６とで挟持する。アノード側金属セパレータ１４及びカソード側金属セパレータ１６は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属板により構成されている。

発電セル１０の長辺方向（図１中、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、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入口連通孔１８ａと、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔２０ｂとが設けられる。

発電セル１０の長辺方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔２０ａと、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔１８ｂとが設けられる。

発電セル１０の上端縁部には、冷却媒体を供給するための、例えば、２つの冷却媒体入口連通孔２２ａ、２２ａが設けられるとともに、前記発電セル１０の下端縁部には、冷却媒体を排出するための、例えば、２つの冷却媒体出口連通孔２２ｂ、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を挟持するアノード側電極２６及びカソード側電極２８とを備える。アノード側電極２６は、カソード側電極２８よりも小さな表面積を有している（図１乃至図３参照）。

アノード側電極２６及びカソード側電極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され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。

図１及び図４に示すように、アノード側金属セパレータ１４の電解質膜・電極構造体１２に向かう面１４ａには、燃料ガス入口連通孔２０ａと燃料ガス出口連通孔２０ｂとに連通する燃料ガス流路（反応ガス流路）３０が形成される。この燃料ガス流路３０は、矢印Ｂ方向に延在する複数の流路溝３２と、前記流路溝３２の矢印Ｂ方向両端に位置して設けられる複数のエンボス部３４ａ及びエンボス部３４ｂとを有する。

流路溝３２は、アノード側電極２６の発電面（電極反応面）内に対応して設けられる一方、エンボス部３４ａ及びエンボス部３４ｂは、前記アノード側電極２６の発電面の外方に設けられる。エンボス部３４ａは、実質的に、上部側に燃料ガス用入口バッファ部３６ａを形成するとともに、エンボス部３４ｂは、実質的に、下部側に燃料ガス用出口バッファ部３６ｂを形成する。出口バッファ部３６ｂは、冷却媒体出口連通孔２２ｂから離間する。

図１に示すように、カソード側金属セパレータ１６の電解質膜・電極構造体１２に向かう面１６ａには、酸化剤ガス流路（反応ガス流路）３８が設けられるとともに、この酸化剤ガス流路３８は、酸化剤ガス入口連通孔１８ａと酸化剤ガス出口連通孔１８ｂとに連通する。

酸化剤ガス流路３８は、上記の燃料ガス流路３０と同様に、矢印Ｂ方向に延在する複数の流路溝４０と、前記流路溝４０の矢印Ｂ方向両端部に設けられる複数のエンボス部４２ａ及びエンボス部４２ｂとを有する。エンボス部４２ａは、実質的に、上部側に酸化剤ガス用入口バッファ部４４ａを形成するとともに、エンボス部４２ｂは、実質的に、下部側に酸化剤ガス用出口バッファ部４４ｂを形成する。出口バッファ部４４ｂは、冷却媒体出口連通孔２２ｂから離間する。

流路溝４０は、カソード側電極２８の発電面（電極反応面）内に対応して設けられる一方、エンボス部４２ａ及びエンボス部４２ｂは、前記カソード側電極２８の発電面の外方に設けられる。

図５に示すように、アノード側金属セパレータ１４の面１４ｂには、冷却媒体入口連通孔２２ａと冷却媒体出口連通孔２２ｂとに連通する冷却媒体流路４６が形成される。この冷却媒体流路４６は、燃料ガス流路３０の裏面側と酸化剤ガス流路３８の裏面側とが重なり合うことによって、矢印Ｃ方向に延在して形成される。

冷却媒体流路４６は、面１４ｂにそれぞれ入口バッファ部４４ａ、３６ａに対応してエンボス部３４ｂ、３４ａの上部側を囲繞する流路壁部４８ａ、４８ｂを有する。流路壁部４８ａ、４８ｂは、面１４ｂ側に突出し且つそれぞれ矩形状に連続する凸形状部を有する。カソード側金属セパレータ１６の面１６ｂには、入口バッファ部４４ａ、３６ａに対応して前記面１６ｂ側に突出する流路壁部５０ａ、５０ｂが設けられる。流路壁部５０ａ、５０ｂは、流路壁部４８ａ、４８ｂと同様に構成される。

一方の発電セル１０を構成するアノード側金属セパレータ１４と他方の発電セル１０を構成するカソード側金属セパレータ１６とが積層される際、前記アノード側金属セパレータ１４の面１４ｂと、前記カソード側金属セパレータ１６の面１６ｂとの間では、冷却媒体流路４６の入口バッファ部４４ａに対応する領域において、流路壁部４８ａ、５０ａ同士が互いに当接する（図２及び図６参照）。

流路壁部４８ａ、５０ａにより囲繞される部位、すなわち、入口バッファ部４４ａに対応する領域は、冷却媒体流路４６から遮蔽されて冷却媒体が流入することを規制される。同様に、面１４ｂ、１６ｂ間では、冷却媒体流路４６の入口バッファ部３６ａに対応する領域において、流路壁部４８ｂ、５０ｂが互いに当接することにより、冷却媒体が流入することを規制する。

図３に示すように、冷却媒体流路４６の出口バッファ部３６ｂに対応する領域では、アノード側金属セパレータ１４のエンボス部３４ｂと、カソード側金属セパレータ１６のエンボス部４２ａとが当接し、前記冷却媒体流路４６に連通する通路５２ａが形成される。この通路５２ａには、冷却媒体流路４６から冷却媒体が流入することを許容する。同様に、出口バッファ部４４ｂに対応する領域では、エンボス部３４ａ、４２ｂが当接して、冷却媒体流路４６に連通する通路５２ｂが形成される（図５参照）。

アノード側金属セパレータ１４の面１４ａ、１４ｂには、このアノード側金属セパレータ１４の外周端縁部を周回して第１シール部材５４が一体化される。カソード側金属セパレータ１６の面１６ａ、１６ｂには、このカソード側金属セパレータ１６の外周端縁部を周回して第２シール部材５６が一体化される。

アノード側金属セパレータ１４には、燃料ガス入口連通孔２０ａ及び燃料ガス出口連通孔２０ｂに近接して複数の供給孔部５５ａ及び排出孔部５５ｂが貫通形成される。

このように構成される発電セル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、酸化剤ガス入口連通孔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、燃料ガス入口連通孔２０ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔２２ａに純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。

このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔１８ａからカソード側金属セパレータ１６の入口バッファ部４４ａから酸化剤ガス流路３８に導入され、矢印Ｂ方向に移動して電解質膜・電極構造体１２のカソード側電極２８に供給される。一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔２０ａから供給孔部５５ａを通ってアノード側金属セパレータ１４の入口バッファ部３６ａから燃料ガス流路３０に導入される。燃料ガスは、燃料ガス流路３０に沿って矢印Ｂ方向に移動し、電解質膜・電極構造体１２のアノード側電極２６に供給される。

従って、各電解質膜・電極構造体１２では、カソード側電極２８に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極２６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て発電が行われる。

次いで、カソード側電極２８に供給されて消費された酸化剤ガスは、出口バッファ部４４ｂから酸化剤ガス出口連通孔１８ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。同様に、アノード側電極２６に供給されて消費された燃料ガスは、出口バッファ部３６ｂから排出孔部５５ｂを通り燃料ガス出口連通孔２０ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。

また、冷却媒体入口連通孔２２ａに供給された冷却媒体は、アノード側金属セパレータ１４とカソード側金属セパレータ１６との間に形成される冷却媒体流路４６に導入された後、矢印Ｃ方向に流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体１２を冷却した後、冷却媒体出口連通孔２２ｂから排出される。

この場合、本実施形態では、冷却媒体流路４６において、酸化剤ガスの入口バッファ部４４ａに対応する領域に、流路壁部４８ａ、５０ａが当接して冷却媒体の流入を規制する一方、酸化剤ガスの出口バッファ部４４ｂに対応する領域に、前記冷却媒体の流入を許容している。

このため、図５に示すように、酸化剤ガス入口連通孔１８ａに近接する冷却媒体入口連通孔２２ａから冷却媒体流路４６に供給される冷却媒体は、入口バッファ部４４ａに対応する領域に供給されることがない。従って、冷却媒体をカソード側電極２８の発電領域に集中的に供給することができ、熱交換効率が良好に向上する。

一方、酸化剤ガス出口連通孔１８ｂの近傍では、酸化剤ガスの出口バッファ部４４ｂに対応する領域に通路５２ｂが形成されており、冷却媒体流路４６に供給された冷却媒体は、この通路５２ｂを通って冷却媒体出口連通孔２２ｂに排出される。これにより、カソード側電極２８の発電領域内では、出口バッファ部４４ｂ近傍の領域で冷却媒体の流れが妨げられる。

以下に、図７〜図９を用いて具体的に説明すると、先ず、図７では、冷却媒体流路４６が発電面６０に対応して設けられるとともに、この発電面６０の酸化剤ガス出口連通孔１８ｂ側の端部にバッファ部６２が設けられる。

そして、バッファ部６２を閉塞して冷却媒体の流れを規制した際、測定位置１〜７における冷却媒体の流速測定結果が、図８に示される。一方、バッファ部６２への冷却媒体の流れを許容した際、測定位置１〜７及びａ〜ｃにおける流速測定結果が、図９に示されている。

これにより、バッファ部６２に冷却媒体の流れを許容すると、このバッファ部６２に冷却媒体が流れることによって、前記バッファ部６２に近接する測定位置７での流速が、図８に比べて大幅に低下する。

従って、酸化剤ガス流路３８では、発電面６０の出口バッファ部４４ｂ近傍での冷却作用が大幅に低下し、この出口バッファ部４４ｂ近傍の温度が上昇する。この出口バッファ部４４ｂ近傍では、反応生成水が発電面６０内で最も多量に発生し易い。このため、使用済みの酸化剤ガスは、冷却媒体の供給量が制限されることによって温められ、この反応済みの酸化剤ガス中に生成水が水蒸気化して取り込まれる。これにより、酸化剤ガス流路３８に凝縮水が滞留することを抑制し、良好な排水処理が確実に遂行可能になるという効果が得られる。

さらに、冷却媒体流路４６では、発電面６０に対応する領域内に矢印Ｃ方向に延在する流路溝が設けられており、出口バッファ部４４ｂに対応する領域は、この発電面６０の外方に設定されている。従って、出口バッファ部４４ｂに対応する領域に冷却媒体が大量に流れても、カソード側電極２８の電極反応面に結露水が発生することを阻止することができる。

しかも、冷却媒体出口連通孔２２ｂは、出口バッファ部４４ｂから離間して設けられている。このため、出口バッファ部４４ｂに対応する領域から冷却媒体出口連通孔２２ｂまでの距離が長尺化し、前記出口バッファ部４４ｂに対応する領域を比較的高速で流れる冷却媒体は、発電面６０に対応する領域を比較的低速で流れる冷却媒体を回り込んで長尺な経路を流れることができる。

これにより、冷却媒体流路４６では、出口バッファ部４４ｂの近傍で冷却媒体が滞留し易くなり、この領域に対応する酸化剤ガス流路３８の出口近傍の温度がさらに上昇する。従って、使用済み酸化剤ガス中に取り込まれる水分量が有効に増加して、酸化剤ガス流路３８での凝縮水の滞留を抑制することが可能になる。

また、冷却媒体流路４６では、燃料ガスの入口バッファ部３６ａに対応する領域で流路壁部４８ｂ、５０ｂが当接して冷却媒体の流入を規制する一方、燃料ガスの出口バッファ部３６ｂに対応する領域では、前記冷却媒体の流れを許容している。

このため、燃料ガス流路３０の上流側に冷却媒体を確実に供給して熱交換効率の向上を図るとともに、出口バッファ部３６ｂの近傍の使用済み燃料ガスを良好に温めることができる。これにより、燃料ガス流路３０中の凝縮水を良好に水蒸気化して、使用済みの燃料ガス中に取り込むことが可能になり、上記の酸化剤ガス流路３８と同様の効果が得られる。なお、冷却媒体流路４６における発電面６０内では、冷却媒体が、図１０に示す流速分布を示すことになる。

本発明の実施形態に係る燃料電池を構成する発電セルの要部分解斜視説明図である。 前記発電セルの、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面説明図である。 前記発電セルの、図１中、ＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。 前記発電セルを構成するアノード側金属セパレータの正面説明図である。 前記アノード側金属セパレータの反対側の面の説明図である。 流路壁部の一部斜視説明図である。 バッファ部近傍における冷却媒体の流れ状態を説明するためのセパレータの正面図である。 前記バッファ部に冷却媒体が流れない場合の流速説明図である。 前記バッファ部に冷却媒体が流れる場合の流速説明図である。 前記冷却媒体流路内の冷却媒体流れ分布説明図である。 特許文献１の燃料電池の一部斜視説明図である。

符号の説明

１０…発電セル １２…電解質膜・電極構造体
１４…アノード側金属セパレータ １６…カソード側金属セパレータ
１８ａ…酸化剤ガス入口連通孔 １８ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
２０ａ…燃料ガス入口連通孔 ２０ｂ…燃料ガス出口連通孔
２２ａ…冷却媒体入口連通孔 ２２ｂ…冷却媒体出口連通孔
２４…固体高分子電解質膜 ２６…アノード側電極
２８…カソード側電極 ３０…燃料ガス流路
３２、４０…流路溝
３４ａ、３４ｂ、４２ａ、４２ｂ…エンボス部
３６ａ、４４ａ…入口バッファ部 ３６ｂ、４４ｂ…出口バッファ部
３８…酸化剤ガス流路 ４６…冷却媒体流路
４８ａ、４８ｂ、５０ａ、５０ｂ…流路壁部
５２ａ、５２ｂ…通路 ５４、５６…シール部材

Claims (3)

1. 電解質の両側に一対の電極が設けられた電解質・電極構造体と、セパレータとが積層され、前記電解質・電極構造体と一方のセパレータとの間には、前記電極の面方向に沿って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、互いに積層される前記セパレータ間には、前記反応ガスの流れ方向と略直交する冷却媒体の流れ方向を有する冷却媒体流路が形成され、さらに積層方向に貫通して前記反応ガス流路の反応ガス入口連通孔及び反応ガス出口連通孔が設けられる燃料電池であって、
   前記反応ガス入口連通孔として、燃料ガス入口連通孔及び酸化剤ガス入口連通孔とを有し、
   前記反応ガス出口連通孔として、燃料ガス出口連通孔及び酸化剤ガス出口連通孔とを有し、
   前記一方のセパレータの前記冷却媒体流路の上流側の一端部には、前記燃料ガス入口連通孔と、該燃料ガス入口連通孔に連通する入口バッファ部が配設され、
   前記冷却媒体流路の上流側の他端部には、前記酸化剤ガス入口連通孔と、該酸化剤ガス入口連通孔に連通する入口バッファ部が配設され、
   前記冷却媒体流路の下流側の他端部には、前記燃料ガス出口連通孔と、該燃料ガス出口連通孔に連通する出口バッファ部が配設され、
   前記冷却媒体流路の下流側の一端部には、前記酸化剤ガス出口連通孔と、該酸化剤ガス出口連通孔に連通する出口バッファ部が配設されるとともに、
   前記セパレータ間で前記入口バッファ部に対応する領域に流路壁部を有することにより前記冷却媒体が流入することを規制し、且つ前記出口バッファ部に対応する領域に流路壁部を有しないことにより前記冷却媒体が流入することを許容す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、前記セパレータには、積層方向に貫通して前記冷却媒体流路の冷却媒体入口連通孔及び冷却媒体出口連通孔が設けられるとともに、
   前記冷却媒体出口連通孔は、前記出口バッファ部から離間して設けられることを特徴とする燃料電池。
3. 請求項１又は２記載の燃料電池において、前記入口バッファ部及び前記出口バッファ部は、前記電解質・電極構造体の電極反応面の外方に配設されることを特徴とする燃料電池。

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