JP5653867B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、電解質膜の両側にカソード電極及びアノード電極が配設される電解質膜・電極構造体を、横長形状の一対のセパレータで挟持する燃料電池に関する。

燃料電池は、燃料ガス（主に水素を含有するガス）及び酸化剤ガス（主に酸素を含有するガス）をアノード電極及びカソード電極に供給して電気化学的に反応させることにより、直流の電気エネルギを得るシステムである。

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、それぞれアノード電極及びカソード電極を設けた電解質膜・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。この種の発電セルは、通常、電解質膜・電極構造体及びセパレータを所定数だけ交互に積層することにより、例えば、車載用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、カソード電極に対向して酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路と、アノード電極に対向して燃料ガスを流すための燃料ガス流路と、が設けられている。また、各発電セル間又は複数の発電セル間には、セパレータ面方向に沿って冷却媒体を流すための冷却媒体流路が形成されている。

そして、酸化剤ガス流路に連通して発電セルの積層方向に貫通する酸化剤ガス入口連通孔及び酸化剤ガス出口連通孔と、燃料ガス流路に連通して前記積層方向に貫通する燃料ガス入口連通孔及び燃料ガス出口連通孔と、冷却媒体流路に連通して前記積層方向に貫通する冷却媒体入口連通孔及び冷却媒体出口連通孔とが設けられる、所謂、内部マニホールド型燃料電池が広く用いられている。

この種の燃料電池として、例えば、特許文献１に開示されている固体高分子型燃料電池スタックが知られている。この燃料電池スタックは、図６に示すように、縦長形状の膜電極複合体１とセパレータ２とが交互に積層された複数の燃料電池を備えている。燃料電池の一方の長辺側には、酸化剤ガス整流マニホールド３と酸化剤ガス入口マニホールド４ａとがガス分岐溝５を介して連通している。

燃料電池の他方の長辺側には、酸化剤ガス出口マニホールド４ｂと水マニホールド６とが形成されている。さらに、燃料電池の上端縁部には、燃料ガス入口マニホールド７ａが設けられる一方、前記燃料電池の下端縁部には、燃料ガス出口マニホールド７ｂが設けられている。

セパレータ２の一方の面には、酸化剤ガス流路８が形成されている。この酸化剤ガス流路８は、酸化剤ガス入口マニホールド４ａと酸化剤ガス出口マニホールド４ｂとに連通するとともに、略Ｚ字状を有している。なお、セパレータ２の他方の面には、燃料ガス入口マニホールド７ａと燃料ガス出口マニホールド７ｂとに連通して重力方向に延在する燃料ガス流路（図示せず）が形成されている。

このような構成において、酸化剤ガス整流マニホールド３に供給された酸化剤ガスは、圧損要素であるガス分岐溝５を通って酸化剤ガス入口マニホールド４ａで合流した後、酸化剤ガス流路８に導入されている。この酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路８に沿って略Ｚ字状に流通し、酸化剤ガス出口マニホールド４ｂで合流した後、排出されている。

特開２００１−２０２９８４号公報

ところで、上記の特許文献１では、酸化剤ガス流路８における酸化剤ガスの流れ方向と、燃料ガス流路における燃料ガスの流れ方向とは、略同一方向、すなわち、並行流となっている。このため、特に、低加湿環境では、ガス入口近傍に乾燥ガスが供給されてしまい、固体高分子電解質膜が部分的に乾燥し易くなって発電性能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、電解質膜の乾燥を可及的に阻止することができ、簡単且つコンパクトな構成で、良好な発電性能を確保す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、電解質膜の両側にカソード電極及びアノード電極が配設される電解質膜・電極構造体を、横長形状の一対のセパレータで挟持するとともに、前記電解質膜・電極構造体と一方の前記セパレータとの間に、酸化剤ガスをカソード電極面に沿って流通させる酸化剤ガス流路が形成され、前記電解質膜・電極構造体と他方の前記セパレータとの間に、燃料ガスをアノード電極面に沿って流通させる燃料ガス流路が形成され、互いに隣接する前記セパレータ間に、冷却媒体をセパレータ面方向に沿って流通させる冷却媒体流路が形成される燃料電池に関するものである。

この燃料電池では、セパレータの長辺方向両端縁部には、酸化剤ガス流路に連通する酸化剤ガス入口連通孔と酸化剤ガス出口連通孔とが、一方の対角位置に設けられ、且つ、燃料ガス流路に連通する燃料ガス入口連通孔と燃料ガス出口連通孔とが、他方の対角位置に設けられている。そして、セパレータの対向する各短辺には、冷却媒体流路に連通する冷却媒体入口連通孔と冷却媒体出口連通孔とが設けられている。

しかも、酸化剤ガス流路と燃料ガス流路とは、対向流をなす一方、冷却媒体流路と前記酸化剤ガス流路とは、並行流をなしている。そして、酸化剤ガス流路は、水平方向に延在する水平部と、酸化剤ガス入口連通孔及び酸化剤ガス出口連通孔に向かって鉛直方向に延在する垂直部とを備える複数本のＺ状酸化剤ガス流路溝を有する一方、燃料ガス流路は、水平方向に延在する水平部と、燃料ガス入口連通孔及び燃料ガス出口連通孔に向かって鉛直方向に延在する垂直部とを備える複数本のＺ状燃料ガス流路溝を有することが好ましい。

さらに、この燃料電池では、複数本のＺ状酸化剤ガス流路溝及び複数本のＺ状燃料ガス流路溝は、それぞれ同一の流路長に設定されることが好ましい。

さらにまた、この燃料電池では、冷却媒体流路は、酸化剤ガス流路の水平部と並行流をなして水平方向に延在する複数本の冷却媒体流路溝を備えるとともに、前記複数本の冷却媒体流路溝は、同一の流路長に設定されることが好ましい。

本発明では、セパレータの長辺方向両端縁部の一方の対角位置には、酸化剤ガス入口連通孔と酸化剤ガス出口連通孔とが設けられるとともに、他方の対角位置には、燃料ガス入口連通孔と燃料ガス出口連通孔とが設けられている。これにより、酸化剤ガス入口連通孔と酸化剤ガス出口連通孔とに連通する酸化剤ガス流路と、燃料ガス入口連通孔と燃料ガス出口連通孔とに連通する燃料ガス流路とでは、酸化剤ガスと燃料ガスとが互いに対向流をなしている。

このため、一方のガス入口側を他方のガス出口側の生成水により加湿することができ、燃料電池は、低加湿環境でも有効に発電することが可能になる。従って、電解質膜の乾燥を可及的に阻止することができ、簡単且つコンパクトな構成で、良好な発電性能を確保することが可能になる。

本発明の実施形態に係る燃料電池の分解斜視説明図である。 前記燃料電池の、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面図である。 前記燃料電池の、図１中、ＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。 前記燃料電池を構成するカソード側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アノード側セパレータの正面説明図である。 特許文献１の燃料電池スタックの分解斜視説明図である。

図１〜図３に示すように、本発明の実施形態に係る燃料電池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を挟持するカソード側セパレータ１４及びアノード側セパレータ１６とを備える。

電解質膜・電極構造体１２、カソード側セパレータ１４及びアノード側セパレータ１６は、矢印Ｂ方向に長尺な横長形状を有するとともに、各長辺の中央には、凹部１７Ｕ及び１７Ｄが矢印Ｂ方向に所定の長さにわたって設けられる。カソード側セパレータ１４及びアノード側セパレータ１６は、例えば、カーボンセパレータにより構成される。

燃料電池１０の長辺方向（矢印Ｂ方向）両端縁部の一方の対角位置には、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、前記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。酸化剤ガス入口連通孔１８ａは、燃料電池１０の長辺方向一端縁部の下部に設けられるとともに、酸化剤ガス出口連通孔１８ｂは、前記燃料電池１０の長辺方向他端縁部の上部に設けられる。

燃料電池１０の長辺方向（矢印Ｂ方向）両端縁部の他方の対角位置には、矢印Ａ方向に互いに連通して、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入口連通孔２０ａと、前記燃料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。燃料ガス入口連通孔２０ａは、燃料電池１０の長辺方向他端縁部の下部に設けられるとともに、燃料ガス出口連通孔２０ｂは、前記燃料電池１０の長辺方向一端縁部の上部に設けられる。

燃料電池１０の対向する各短辺には、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔２２ａと、前記冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔２２ｂとが設けられる。

図４に示すように、酸化剤ガス入口連通孔１８ａ及び酸化剤ガス出口連通孔１８ｂの幅寸法Ｌ１と、燃料ガス入口連通孔２０ａ及び燃料ガス出口連通孔２０ｂの幅寸法Ｌ２と、冷却媒体入口連通孔２２ａ及び冷却媒体出口連通孔２２ｂの幅寸法Ｌ３とは、略同一寸法に設定される（Ｌ１＝Ｌ２＝Ｌ３）。

図１〜図３に示すように、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電極２６及びアノード電極２８とを備える。

カソード電極２６は、カーボンペーパ等の多孔質導電体からなるガス拡散層と、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ることにより形成される電極触媒層とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜２４の一方の面に形成される。

アノード電極２８は、カーボンペーパ等の多孔質導電体からなるガス拡散層と、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ることにより形成される電極触媒層とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜２４の他方の面に形成される。

図１及び図４に示すように、カソード側セパレータ１４の電解質膜・電極構造体１２側の面１４ａには、前記電解質膜・電極構造体１２との間に、酸化剤ガスをセパレータ面方向に流すための酸化剤ガス流路３０が形成される。

酸化剤ガス流路３０は、水平方向（矢印Ｂ方向）に延在する水平部３０ａｈと、酸化剤ガス入口連通孔１８ａ及び酸化剤ガス出口連通孔１８ｂに向かって鉛直方向（矢印Ｃ方向）に延在する垂直部３０ａｖとを備える複数本のＺ状酸化剤ガス流路溝３０ａを有する。酸化剤ガス流路３０は、直接、酸化剤ガス入口連通孔１８ａ及び酸化剤ガス出口連通孔１８ｂに連通する。

各Ｚ状酸化剤ガス流路溝３０ａは、酸化剤ガス入口連通孔１８ａ及び酸化剤ガス出口連通孔１８ｂの幅方向（矢印Ｂ方向）に沿って等間隔ずつ離間して設けられるとともに、それぞれ前記酸化剤ガス入口連通孔１８ａから前記酸化剤ガス出口連通孔１８ｂに至るまで同一の流路長に設定される。

図５に示すように、アノード側セパレータ１６の電解質膜・電極構造体１２側の面１６ａには、前記電解質膜・電極構造体１２との間に燃料ガスをセパレータ面方向に沿って流すための燃料ガス流路３２が形成される。

燃料ガス流路３２は、水平方向に延在する水平部３２ａｈと、燃料ガス入口連通孔２０ａ及び燃料ガス出口連通孔２０ｂに向かって鉛直方向に延在する垂直部３２ａｖとを備える複数本のＺ状燃料ガス流路溝３２ａを有する。燃料ガス流路３２は、直接、燃料ガス入口連通孔２０ａ及び燃料ガス出口連通孔２０ｂに連通する。

各Ｚ状燃料ガス流路溝３２ａは、燃料ガス入口連通孔２０ａ及び燃料ガス出口連通孔２０ｂの幅方向（矢印Ｂ方向）に沿って等間隔ずつ離間して設けられるとともに、それぞれ前記燃料ガス入口連通孔２０ａから前記燃料ガス出口連通孔２０ｂに至るまで同一の流路長に設定される。

図１〜図３に示すように、カソード側セパレータ１４の面１４ａとは反対の面１４ｂ及びアノード側セパレータ１６の面１６ａとは反対の面１６ｂには、冷却媒体流路３４が一体に形成される。

冷却媒体流路３４は、冷却媒体入口連通孔２２ａと冷却媒体出口連通孔２２ｂとに連通し、酸化剤ガス流路３０の水平部３０ａｈと並行流をなして水平方向（矢印Ｂ方向）に延在する複数本の冷却媒体流路溝３４ａを備える。冷却媒体流路３４は、直接、冷却媒体入口連通孔２２ａ及び冷却媒体出口連通孔２２ｂに連通する。なお、冷媒体流路３４は、燃料電池１０毎（各セル毎）に設けられているが、これに限定されるものではなく、例えば、２セル毎に設けてもよい。

各冷却媒体流路溝３４ａは、冷却媒体入口連通孔２２ａ及び冷却媒体出口連通孔２２ｂの幅方向（矢印Ｃ方向）に沿って等間隔ずつ離間して設けられるとともに、それぞれ同一の流路長に設定される。

カソード側セパレータ１４の両方の面１４ａ、１４ｂには、第１シール部材３６が設けられるとともに、アノード側セパレータ１６の両方の面１６ａ、１６ｂには、第２シール部材３８が設けられる。

第１シール部材３６は、酸化剤ガス入口連通孔１８ａ及び酸化剤ガス出口連通孔１８ｂと酸化剤ガス流路３０とを囲繞する第１凸部３６ａを有する。第２シール部材３８は、燃料ガス入口連通孔２０ａ及び燃料ガス出口連通孔２０ｂと燃料ガス流路３２とを囲繞する第２凸部３８ａを有する。

第１シール部材３６及び第２シール部材３８は、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコンゴム、フロロシリコンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン、又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材を使用する。

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。

図１に示すように、酸化剤ガス入口連通孔１８ａには、空気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には、水素ガス等の燃料ガスが供給される。

酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔１８ａからカソード側セパレータ１４の面１４ａに設けられた酸化剤ガス流路３０に導入される。図４に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路３０を構成する複数本のＺ状酸化剤ガス流路溝３０ａに沿って流通することにより、電解質膜・電極構造体１２のカソード電極２６に供給される。

一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔２０ａからアノード側セパレータ１６の燃料ガス流路３２に導入される。この燃料ガスは、図５に示すように、燃料ガス流路３２を構成する複数本のＺ状燃料ガス流路溝３２ａに沿って流通することにより、電解質膜・電極構造体１２のアノード電極２８に供給される。

従って、電解質膜・電極構造体１２では、カソード電極２６に供給される酸化剤ガスと、アノード電極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、酸化剤ガス出口連通孔１８ｂに排出されるとともに、アノード電極２８に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔２０ｂに排出される。

また、冷却媒体入口連通孔２２ａには、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。この冷却媒体は、アノード側セパレータ１６とカソード側セパレータ１４との間に形成される冷却媒体流路３４に導入される。この冷却媒体は、冷却媒体流路３４を構成する複数本の冷却媒体流路溝３４ａに沿って水平方向に流通することにより、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、燃料電池１０の長辺方向（矢印Ｂ方向）両端縁部の一方の対角位置には、酸化剤ガス流路３０に連通する酸化剤ガス入口連通孔１８ａと酸化剤ガス出口連通孔１８ｂとが設けられている。さらに、燃料電池１０の長辺方向両端縁部の他方の対角位置には、燃料ガス流路３２に連通する燃料ガス入口連通孔２０ａと燃料ガス出口連通孔２０ｂとが設けられている。

このため、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３０と、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３２とは、互いに対向流をなしている。

従って、酸化剤ガス流路３０の出口側では、多くの生成水が存在しており、この酸化剤ガス流路３０の出口側に対応する燃料ガス流路３２の入口側に、固体高分子電解質膜２４を介して前記生成水が透過することができる。一方、燃料ガス流路３２の出口側に存在する生成水は、固体高分子電解質膜２４を介して酸化剤ガス流路３０の入口側に透過することができる。

これにより、燃料ガス流路３２に導入される燃料ガス及び酸化剤ガス流路３０に導入される酸化剤ガスを、良好に加湿することが可能になる。しかも、燃料電池１０の各短辺には、冷却媒体流路３４に連通する冷却媒体入口連通孔２２ａと冷却媒体出口連通孔２２ｂとが設けられている。このため、冷却媒体流路３４は、酸化剤ガス流路３０の水平部３０ａｈと並行流をなしており、前記酸化剤ガス流路３０の出口側は、比較的高温の冷却媒体が流通して前記出口側での結露を有効に抑制することができる。

従って、燃料電池１０は、低加湿環境でも良好に発電することが可能になる。これにより、固体高分子電解質膜２４の乾燥を可及的に阻止することができ、簡単且つコンパクトな構成で、良好な発電性能を確保することが可能になるという効果が得られる。

さらに、酸化剤ガス流路３０を構成する複数本のＺ状酸化剤ガス流路溝３０ａ、燃料ガス流路３２を構成する複数本のＺ状燃料ガス流路溝３２ａ、及び冷却媒体流路３４を構成する複数本の冷却媒体流路溝３４ａは、それぞれ同一の流路長に設定されている。このため、発電面内全面での均一な反応が遂行されるとともに、発電面積を効率的に確保することができるという利点がある。

なお、Ｚ状酸化剤ガス流路溝３０ａ及びＺ状燃料ガス流路溝３２ａは、それぞれの屈曲部位にＲを設けてもよい。酸化剤ガス及び燃料ガスの流動抵抗を低減することが可能になるからである。

１０…燃料電池 １２…電解質膜・電極構造体
１４…カソード側セパレータ １６…アノード側セパレータ
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…カソード電極
２８…アノード電極 ３０…酸化剤ガス流路
３０ａ…Ｚ状酸化剤ガス流路溝 ３０ａｈ、３２ａｈ…水平部
３０ａｖ、３２ａｖ…垂直部 ３２…燃料ガス流路
３２ａ…Ｚ状燃料ガス流路溝 ３４…冷却媒体流路
３４ａ…冷却媒体流路溝

Claims (3)

1. 電解質膜の両側にカソード電極及びアノード電極が配設される電解質膜・電極構造体を、横長形状の一対のセパレータで挟持するとともに、前記電解質膜・電極構造体と一方の前記セパレータとの間に、酸化剤ガスをカソード電極面に沿って流通させる酸化剤ガス流路が形成され、前記電解質膜・電極構造体と他方の前記セパレータとの間に、燃料ガスをアノード電極面に沿って流通させる燃料ガス流路が形成され、互いに隣接する前記セパレータ間に、冷却媒体をセパレータ面方向に沿って流通させる冷却媒体流路が形成される燃料電池であって、
   前記セパレータの長辺方向両端縁部には、前記酸化剤ガス流路に連通する酸化剤ガス入口連通孔と酸化剤ガス出口連通孔とが、一方の対角位置に設けられ、且つ、前記燃料ガス流路に連通する燃料ガス入口連通孔と燃料ガス出口連通孔とが、他方の対角位置に設けられるとともに、
   前記セパレータの対向する各短辺には、前記冷却媒体流路に連通する冷却媒体入口連通孔と冷却媒体出口連通孔とが設けられ、
   前記酸化剤ガス流路と前記燃料ガス流路とは、対向流をなす一方、前記冷却媒体流路と前記酸化剤ガス流路とは、並行流をなし、
   前記酸化剤ガス流路は、水平方向に延在する水平部と、
   前記酸化剤ガス入口連通孔及び前記酸化剤ガス出口連通孔に向かって鉛直方向に延在する垂直部と、
   を備える複数本のＺ状酸化剤ガス流路溝を有する一方、
   前記燃料ガス流路は、水平方向に延在する水平部と、
   前記燃料ガス入口連通孔及び前記燃料ガス出口連通孔に向かって鉛直方向に延在する垂直部と、
   を備える複数本のＺ状燃料ガス流路溝を有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、前記複数本のＺ状酸化剤ガス流路溝及び前記複数本のＺ状燃料ガス流路溝は、それぞれ同一の流路長に設定さ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、前記冷却媒体流路は、前記酸化剤ガス流路の水平部と並行流をなして前記水平方向に延在する複数本の冷却媒体流路溝を備えるとともに、
   前記複数本の冷却媒体流路溝は、同一の流路長に設定されることを特徴とする燃料電池。

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