JP2006049226A - 燃料電池 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】ガス拡散層104,105のうち、セパレータ102,103の溝102a,103a内に張り出す隆起部104a,105aの大きさ(高さh1,h2)をアノード電極側とカソード電極側とで異ならせる。アノード電極側でこの隆起部104aを大きくすることで、アノード側セパレータ102の溝102a内で形成される実質的な通路102bの断面積を、カソード側セパレータ103におけるものよりも小さくする。
【選択図】 図2
Description
しかしながら、この燃料電池には、次のような問題がある。すなわち、アノード側セパレータ及びカソード側セパレータとして、燃料ガス又は酸化ガスの流量に応じて反応ガスの通路の断面積を異ならせた2つのセパレータを個別に用意することが必要となることである。また、アノード電極側及びカソード電極側の双方において、ガス拡散層と対応するセパレータとの接触部の面積が等しく小さくなるため、ガス拡散層とセパレータとの接触抵抗が大きくなり、燃料電池の出力が抑えられてしまうことである。
図1は、本発明の第1の実施形態に係る燃料電池の構成を示している。なお、以下に説明するすべての実施形態(第9の実施形態を除く。)において、燃料電池としてこれと共通した構成のものが採用される。
本実施形態に係る燃料電池は、燃料電池本体1と、燃料電池の運転のための補機類とを含んで構成される。
図2は、燃料電池本体1の構成を断面で示している。
アノード側BBP102及びカソード側BBP103には、電極に対峙する面よりも水素又は空気の実質的な流通方向(ここでは、実装状態の燃料電池本体1に関する上下方向)Fh,Foに関する上流に、燃料ガス供給用の集合通路(以下「第1の集合通路」という。)201及び酸化ガス供給用の集合通路(以下「第2の集合通路」という。)202が形成されるとともに、この対峙する面よりも下流に、燃料ガス排出用の集合通路(以下「第3の集合通路」という。)203及び酸化ガス排出用の集合通路(以下「第4の集合通路」という。)204が形成されている。アノード側BBP102において、溝102aは、第1及び第3の集合通路201,203に接続され、かつこれらの集合通路201,203の間を水素の流通方向Fhとは垂直な方向に蛇行させて形成されている。他方、カソード側BBP103において、溝103aは、第2及び第4の集合通路202,204に接続され、かつこれらの集合通路202,204の間を空気の流通方向Foとは垂直な方向に蛇行させて形成されている。また、各BBP102,103には、供給又は排出される冷却液を流通させるための第5及び第6の集合通路205,206が形成されている。各BBP102,103の溝102c,103cは、これらの集合通路205,206に接続されている。
第1に、アノード側ガス拡散層104の隆起部104aをカソード側ガス拡散層105の隆起部105aよりも大きくしたので、各溝102a,103aの寸法が等しいBBP102,103を採用した場合でも、各BBP102,103で反応ガスの実質的な通路102b,103bの断面積を異ならせ、各通路102b,103bにおける反応ガスの流速を等しくすることができる。このため、水素の要求流量が少ないとしても、燃料ガス通路102bにおける流速を増大させ、この通路102b内に存在する水蒸気を良好に排出し、結露を抑制することができる。
図8は、本発明の第2の実施形態に係る燃料電池を構成するアノード側BBP102(a)及びカソード側BBP103(b)の、各MEA101側の接合面(以下、単に「接合面」という。)を示している。
本実施形態では、アノード側BBP102及びカソード側BBP103のうち、燃料電池本体1の左右の一側(ここでは、紙面に対して左側)における第1の辺に、アノード側BBP102の溝102aと接続する燃料ガスの供給又は排出用の2つの集合通路201,203が形成されている。また、この第1の辺に対向する第2の辺に、カソード側BBP103の溝103aと接続する酸化ガスの供給又は排出用の2つの集合通路202,204が形成されている。後者の2つの集合通路202,204は、前者の2つの集合通路201,203に対し、燃料電池本体1の中心軸と交差し、かつ各接合面における燃料ガス又は酸化ガスの流通方向(ここでは、上下方向)Fh,Foと平行な軸Axを基準とした線対称な位置に形成されている。アノード側BBP102の溝102aは、燃料の集合通路201,203の間で、燃料ガスの流通方向Fhとは垂直な方向に折り返して形成されている。カソード側BBP103の溝103aは、酸化ガスの集合通路202,204の間で、酸化ガスの流通方向Foとは垂直な方向に折り返して形成されている。また、各集合通路201〜204と、対応する溝102a,103aとは、幅を徐々に広げ又は狭めた溝として形成された、通路の拡大又は縮小部102d,102e,103d,103eを介して接続されている。アノード側BBP102に設けられる溝(拡大及び縮小部を含む。)102a,102d,102eと、カソード側BBP103に設けられる溝(拡大及び縮小部を含む。)103a,103d,103eとは、同じ形状に形成されている。なお、アノード電極側及びカソード電極側の各ガス拡散層104,105は、第1の実施形態のものと同様に、これらを形成するポーラス材の初期厚さ又は圧縮剛性を異ならせることで、隆起部104a,105aの大きさを異ならせている。
図9は、本発明の第3の実施形態に係る燃料電池を構成するアノード側BBP102(a)及びカソード側BBP103(b)の接合面を示している。
本実施形態では、各接合面において、アノード側BBP102の溝102aと接続する燃料ガスの供給又は排出用の2つの集合通路201,203が一方の対角線上に形成されるとともに、カソード側BBP103の溝103aと接続する酸化ガスの供給又は排出用の2つの集合通路202,204が他方の対角線上に形成されている。後者の2つの集合通路202,204は、前者の2つの集合通路201,203に対し、燃料電池本体1の中心軸と交差し、かつ各接合面における燃料ガス又は酸化ガスの流通方向Fh,Fo(ここでは、左右方向)に平行な軸Axを基準とした線対称な位置に形成されている。また、本実施形態では、第3の実施形態のものと同様に、各溝102a,103aが直線状に形成されるとともに、対応する集合通路201〜204に対し、拡大又は縮小部102d〜103eを介して接続されている。アノード側ガス拡散層104とカソード側ガス拡散層105とで隆起部104a,105aの大きさを異ならせることは、第1の実施形態のものと同様である。
本実施形態では、各BBP102,103において、アノード側BBP102の溝102aと接続する燃料ガスの供給又は排出用の2つの集合通路201,203が一方の対角線上に形成されるとともに、カソード側BBP103の溝103aと接続する酸化ガスの供給又は排出用の2つの集合通路202,204が他方の対角線上に形成されている。後者の2つの集合通路202,204は、前者の2つの集合通路201,203に対し、燃料電池本体1の中心軸と交差し、かつ各接合面における燃料ガス又は酸化ガスの流通方向Fh,Fo(ここでは、上下方向)に平行な軸Axを基準とした線対称な位置に形成されている。アノード側BBP102の溝102aは、燃料ガスの流通方向Fhとは垂直な方向に蛇行させて形成されており、カソード側BBP103の溝103aは、酸化ガスの流通方向Foとは垂直な方向に蛇行させて接続されている。本実施形態では、各溝102a,103aが燃料電池本体1の中心軸を基準とした回転対称な形状に形成されている。また、本実施形態では、各BBP102,103のうち、燃料電池本体1の上下の一側における辺と、この辺に対向する辺とに、冷却液の供給又は排出用の2つの集合通路205,206が形成されている。これらの集合通路205,206は、対称軸Ax上に設けられている。アノード側ガス拡散層104とカソード側ガス拡散層105とで隆起部104a,105aの大きさを異ならせることは、第1の実施形態のものと同様である。
各BBP102,103において、この反対側の面には、冷却液の集合通路205,206と接続する直線状の溝102cが形成されている。溝102cは、対称軸Axを基準とした線対称な形状に形成されており、集合通路205,206に対し、幅を拡大又は縮小させた溝205a,206aを介して接続されている。
図13において、各BBP102,103における燃料ガス又は酸化ガスの集合通路201〜204及び溝102a〜103eは、第2の実施形態のもの(図8)と同様に形成されている。また、各BBP102,103のうち、対称軸Axの各側の辺には、冷却液の供給又は排出用の2つの集合通路205,206が形成されている。冷却液の集合通路205,206は、対称軸Axを基準とした線対称な位置に形成されており、接合面とは反対側の面には、これらの集合通路205,206と接続する直線状の溝102cが形成されている。溝102cは、集合通路205,206に対し、幅を拡大又は縮小させた溝102f,102gを介して接続されており、溝102c,102f,102gは、対称軸Axを基準とした線対称な形状に形成されている。
本実施形態では、燃料電池本体1の冷却装置として空冷式のものを採用している。このため、アノード側BBP102及びカソード側BBP103において、冷却液を流通させる集合通路及び溝が設けられておらず、その分、単位セル当たりの厚さが抑えられている。冷却系以外の構成、すなわち、アノード電極側及びカソード電極側の各ガス拡散層104,105で隆起部104a,105aの大きさ(すなわち、高さ)が異なること、及び各BBP102,103において、燃料ガス又は酸化ガスの集合通路201〜204が対角線上にあり、かつ各溝102a,103aが回転対称な形状であることは、第5の実施形態のもの(図11)と同様であり、各BBP102,103を共用することができる。
以上では、燃料電池の運転時全般において、燃料ガスの要求流量が酸化ガスの要求流量よりも少ないことを前提として、アノード側ガス拡散層104の隆起部104aをカソード側ガス拡散層105の隆起部105aよりも大きくすることで、アノード側BBP102における燃料ガス通路の断面積をカソード側BBP103における酸化ガス通路の断面積よりも小さくしたものについて説明した。しかしながら、本発明は、このような設定に限らず、たとえば、カソード電極側に酸素がより高い濃度で供給され、酸化ガスの要求流量の方が少なくなる場合は、酸化ガス通路の断面積が燃料ガス通路の断面積よりも小さくなるように各隆起部104a,105aの大きさを調整し、カソード側BBP103における流速を確保することができる。
Claims (15)
- 電解質膜の一側にアノード電極が、他側にカソード電極が夫々形成された膜・電極接合体と、
燃料ガスをアノード電極上で拡散させるための第1のガス拡散層と、
アノード電極に対して第1のガス拡散層を介在させて圧着され、第1のガス拡散層との接合面に、アノード電極上で拡散させる燃料ガスを流通させるための第1の溝が形成されたアノード側セパレータと、
酸化ガスをカソード電極上で拡散させるための第2のガス拡散層と、
カソード電極に対して第2のガス拡散層を介在させて圧着され、第2のガス拡散層との接合面に、カソード電極上で拡散させる酸化ガスを流通させるための第2の溝が形成されたカソード側セパレータと、を含んで構成され、
前記第1及び第2のガス拡散層のうち、対応するセパレータとの接合面よりも前記第1又は第2の溝の内側に張り出すガス拡散層の隆起部の大きさが、前記第1のガス拡散層と前記第2のガス拡散層とで異なり、
前記第1の溝内で前記第1のガス拡散層の隆起部以外の部分として形成される燃料ガス通路の第1の断面積と、前記第2の溝内で前記第2のガス拡散層の隆起部以外の部分として形成される酸化ガス通路の第2の断面積とが異なる燃料電池。 - 前記第1の断面積が前記第2の断面積よりも小さい請求項1に記載の燃料電池。
- 前記第1の溝と前記第2の溝とで断面積が等しく、かつ前記第1の溝内で前記第1のガス拡散層の隆起部が占める割合が、前記第2の溝内で前記第2のガス拡散層の隆起部が占める割合よりも大きい請求項2に記載の燃料電池。
- 前記第1のガス拡散層と前記第2のガス拡散層とで圧縮剛性を異ならせて、各隆起部の大きさを異ならせた請求項1〜3のいずれかに記載の燃料電池。
- 前記第1のガス拡散層と前記第2のガス拡散層とで初期厚さを異ならせて、各隆起部の大きさを異ならせた請求項1〜3のいずれかに記載の燃料電池。
- 前記アノード側セパレータ及び前記カソード側セパレータにおいて、前記第1の溝に接続する燃料ガスの供給又は排出用の2つの集合通路が対角上に形成されるとともに、この2つの集合通路に対し、前記第2の溝に接続する酸化ガスの供給又は排出用の2つの集合通路が、燃料電池の中心軸と交差する上下又は左右方向の直線を基準とする線対称の位置に形成された請求項1〜5のいずれかに記載の燃料電池。
- 前記アノード側セパレータ及び前記カソード側セパレータにおいて、燃料電池の上下又は左右の一側における第1の辺に、前記第1の溝に接続する燃料ガスの供給又は排出用の2つの集合通路が形成されるとともに、この第1の辺に対向する第2の辺に、前記第2の溝に接続する酸化ガスの供給又は排出用の2つの集合通路が、前記2つの燃料ガスの集合通路とは線対称の位置に形成された請求項1〜5のいずれかに記載の燃料電池。
- 前記第1及び第2の溝が直線状に形成された請求項6又は7に記載の燃料電池。
- 前記第1及び第2の溝が蛇行又は屈曲し、かつ燃料電池の中心軸を基準とする回転対称な形状に形成された請求項6又は7に記載の燃料電池。
- 前記アノード側セパレータ又は前記カソード側セパレータにおいて、燃料電池の冷却液を循環させるための2つの集合通路が、前記線対称の基準となる直線上に形成された請求項6〜9のいずれかに記載の燃料電池。
- 前記アノード側セパレータ及び前記カソード側セパレータにおいて、前記線対称の基準となる直線の一側の辺と、この辺に対向する辺とに、燃料電池の冷却液を循環させるための2つの集合通路が線対称の位置に形成された請求項6〜9のいずれかに記載の燃料電池。
- 前記アノード側セパレータ及び前記カソード側セパレータの少なくとも一方において、前記冷却液の2つの集合通路と接続し、冷却液をそのセパレータ内で流通させるための通路が、前記基準となる直線に関して線対称な形状に形成された請求項10又は11に記載の燃料電池。
- 前記冷却液の2つの集合通路に接続された冷却液循環路と、この冷却液循環路に設置され、冷却液の温度を低下させる冷却手段と、この冷却手段による冷却度合いを調節して、燃料電池の温度を制御する制御手段と、を更に含んで構成される請求項10〜12のいずれかに記載の燃料電池。
- 前記第1のガス拡散層と前記第2のガス拡散層とで保水性が異なる請求項1〜13のいずれかに記載の燃料電池。
- 前記第1のガス拡散層の保水性が前記第2のガス拡散層の保水性よりも高い請求項14に記載の燃料電池。
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