JP4881969B2

JP4881969B2 - 燃料電池

Info

Publication number: JP4881969B2
Application number: JP2009066702A
Authority: JP
Inventors: 堅太郎石田; 健牛尾; 江利寺田
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2009-03-18
Filing date: 2009-03-18
Publication date: 2012-02-22
Anticipated expiration: 2029-03-18
Also published as: JP2010218973A

Description

本発明は、電解質の両側に電極が配設される電解質・電極構造体とセパレータとが積層され、積層方向に反応ガスを通流させる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とともに、前記電解質・電極構造体と前記セパレータとの間には、電極面に沿って前記反応ガスを流す反応ガス流路が形成され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）をアノード側電極及びカソード側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、それぞれアノード側電極及びカソード側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、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、アノード側電極に対向して燃料ガスを流すための燃料ガス流路（反応ガス流路）と、カソード側電極に対向して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。

この場合、上記の反応ガス流路内には、凝縮水や反応による生成水が発生し、前記反応ガス流路の出口側に滞留水が惹起し易い。このため、反応ガス流路が滞留水によって閉塞され、燃料ガスや酸化剤ガスがアノード側電極やカソード側電極に良好に供給されないおそれがある。

そこで、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池は、図５に示すように、セパレータ１を備えている。このセパレータ１には、燃料電池の積層方向に貫通して、燃料ガス入口２ａ、空気入口３ａ及び冷却媒体入口４ａと、燃料ガス出口２ｂ、空気出口３ｂ及び冷却媒体出口４ｂとが、互いに対角位置に形成されている。

セパレータ１の一方の表面には、空気入口３ａから供給された空気を空気出口３ｂへと流すための溝状の空気通路群５が形成されている。この空気通路群５は、複数本の空気通路５ａを平行に維持して左右に蛇行しながら、鉛直下方向に向かうサーペンタイン流路を構成している。

そして、複数本の空気通路５ａは、空気入口３ａから空気出口３ｂに向かうにつれて、すなわち、下流に向かうにつれて、流路断面積が小さくなるように構成されている。従って、空気出口３ｂ側の流速低下を抑制することができ、この空気出口３ｂ側に水が滞留することを抑制するのに有利となる、としている。

特開２０００−２２３１３７号公報

しかしながら、上記の特許文献１では、複数本の空気通路５ａが、サーペンタイン流路を構成しているため、空気入口３ａから空気出口３ｂに連なる流路長は、相当に長尺化している。このため、各空気通路５ａの圧損が相当に大きなものとなり、特に、空気入口３ａに空気を供給するための機器、例えば、コンプレッサやスーパチャージャ等の出力を高く維持する必要がある。これにより、機器が大型化するとともに、経済的ではないという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、反応ガス流路の出口側に生成水が滞留することを確実に阻止し、良好な発電反応を継続して行う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、電解質の両側に電極が配設される電解質・電極構造体とセパレータとが積層され、積層方向に反応ガスを通流させる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とともに、前記電解質・電極構造体と前記セパレータとの間には、電極面に沿って前記反応ガスを流す反応ガス流路が形成され、前記反応ガス流路は、入口連結路を介して前記反応ガス入口連通孔に連通し、且つ、出口連結路を介して前記反応ガス出口連通孔に連通する燃料電池に関するものである。

そして、反応ガス流路は、入口連結路に連通する複数本の入口側流路と、出口連結路に連通する複数本の出口側流路と、前記入口側流路及び前記出口側流路に両端が連通する複数本の中間流路とを備え、前記出口側流路は、前記入口側流路よりも流路長が長尺に設定されている。

また、入口側流路は、中間流路から反応ガス入口連通孔に向かって流路幅が絞られる第１絞り部を構成し、出口側流路は、前記中間流路から反応ガス出口連通孔に向かって流路幅が絞られる第２絞り部を構成することが好ましい。

さらに、出口側流路は、中間流路から反応ガス出口連通孔に向かって流路数が減少することが好ましい。

さらにまた、複数本の中間流路は、各流路長が同一に設定されることが好ましい。

本発明では、中間流路と反応ガス出口連通孔とに連通する出口側流路は、前記中間流路と反応ガス入口連通孔とに連通する入口側流路よりも流路長が長尺である。このため、中間流路から反応ガス出口連通孔に向かって絞られる出口側流路は、比較的長尺化されて反応ガスの流速が早くなるとともに、広範囲にわたって結露し易い滞留水の排水性が向上する。

これにより、反応ガス流路の出口側に滞留し易い生成水を、反応ガス出口連通孔に容易且つ確実に排出させることができる。従って、簡単な構成で、排水性の向上を図ることが可能になり、良好な発電反応を継続して行うことができる。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の分解斜視説明図である。前記燃料電池を構成するカソード側セパレータの正面説明図である。本発明の第２の実施形態に係る燃料電池の分解斜視説明図である。前記燃料電池を構成するカソード側セパレータの正面説明図である。特許文献１の燃料電池を構成するセパレータの説明図である。

図１に示すように、本発明の第１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。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。なお、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、金属セパレータを波形状に成形して構成してもよい。

燃料電池１０の矢印Ｂ方向（水平方向）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、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔２０ａ、及び燃料ガス、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２２ｂが設けられる。

燃料電池１０の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔１８ｂ、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔２０ｂ、及び燃料ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔２２ａが設けられる。

図１及び図２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２４が形成される。

酸化剤ガス流路２４は、図２に示すように、酸化剤ガス入口連通孔１８ａに連通する複数本の入口側流路２４ａと、酸化剤ガス出口連通孔１８ｂに連通する複数本の出口側流路２４ｂと、前記入口側流路２４ａ及び前記出口側流路２４ｂに両端が連通する複数本の中間流路２４ｃとを備える。入口側流路２４ａの流路長Ｌ１は、出口側流路２４ｂの流路長Ｌ２よりも短尺に設定される（Ｌ１＜Ｌ２）。

入口側流路２４ａは、中間流路２４ｃから酸化剤ガス入口連通孔１８ａに向かって流路幅が絞られる第１絞り部を構成する一方、出口側流路２４ｂは、前記中間流路２４ｃから酸化剤ガス出口連通孔１８ｂに向かって流路幅が絞られる第２絞り部を構成する。中間流路２４ｃは、互いに平行して矢印Ｂ方向に延在するとともに、各流路長が同一長さに設定される。

酸化剤ガス入口連通孔１８ａと入口側流路２４ａとの間には、互いに平行な複数本の入口連結路２６ａが形成される。酸化剤ガス出口連通孔１８ｂと出口側流路２４ｂとの間には、互いに平行な複数本の出口連結路２６ｂが設けられる。

図１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には、冷却媒体流路２８が形成される。冷却媒体流路２８は、冷却媒体入口連通孔２０ａと冷却媒体出口連通孔２０ｂとに連通し、矢印Ｂ方向に延在する複数本の流路溝２８ａを有する。

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に沿って流すための燃料ガス流路３０が形成される。

燃料ガス流路３０は、燃料ガス入口連通孔２２ａに連通する複数本の入口側流路３０ａと、燃料ガス出口連通孔２２ｂに連通する複数本の出口側流路３０ｂと、前記入口側流路３０ａと前記出口側流路３０ｂとに両端が連通する複数本の中間流路３０ｃとを備える。入口側流路３０ａの流路長Ｌ３は、出口側流路３０ｂの流路長Ｌ４よりも短尺に設定される（Ｌ３＜Ｌ４）。

入口側流路３０ａは、中間流路３０ｃから燃料ガス入口連通孔２２ａに向かって流路幅が絞られる第１絞り部を構成する一方、出口側流路３０ｂは、前記中間流路３０ｃから燃料ガス出口連通孔２２ｂに向かって流路幅が絞られる第２絞り部を構成する。中間流路３０ｃは、互いに平行して矢印Ｂ方向に延在するとともに、各流路長が同一長さに設定される。

燃料ガス入口連通孔２２ａと入口側流路３０ａとの間には、互いに平行する複数本の入口連結路３２ａが設けられるとともに、燃料ガス出口連通孔２２ｂと出口側流路３０ｂとの間には、互いに平行する複数本の出口連結路３２ｂが設けられる。

カソード側セパレータ１４及びアノード側セパレータ１６には、図示しないが、シール部材が配設される。

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３４と、前記固体高分子電解質膜３４を挟持するカソード側電極３６及びアノード側電極３８とを備える。カソード側電極３６及びアノード側電極３８は、例えば、六角形状に設定される。

カソード側電極３６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３４の一方の面に形成される。

アノード側電極３８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３４の他方の面に形成される。

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。

図１に示すように、酸化剤ガス入口連通孔１８ａに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２２ａに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２４に導入される。これにより、酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路２４を移動しながら、電解質膜・電極構造体１２のカソード側電極３６に供給される。

一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔２２ａからアノード側セパレータ１６の燃料ガス流路３０に導入される。この燃料ガスは、燃料ガス流路３０に沿って移動しながら、電解質膜・電極構造体１２のアノード側電極３８に供給される。

従って、電解質膜・電極構造体１２では、カソード側電極３６に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極３８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３６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、アノード側電極３８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２２ｂに排出される。

また、冷却媒体入口連通孔２０ａ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２８に沿って移動し、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２０ｂから排出される。

この場合、第１の実施形態では、図２に示すように、カソード側セパレータ１４に設けられる酸化剤ガス流路２４は、第１絞り部を構成する入口側流路２４ａと、第２絞り部を構成する出口側流路２４ｂと、平行流路を構成する中間流路２４ｃとを有している。そして、出口側流路２４ｂの流路長Ｌ２は、入口側流路２４ａの流路長Ｌ１よりも長尺に設定されている。

このため、出口側流路２４ｂは、中間流路２４ｃから酸化剤ガス出口連通孔１８ｂに向かって絞られることにより流速勾配（増速）機能を有するとともに、比較的長尺化されている。従って、出口側流路２４ｂを流通する酸化剤ガスの流速が速くなるとともに、酸化剤ガス流路２４の出口側の広い範囲にわたって結露し易い生成水の排水性を高めることができる。

これにより、酸化剤ガス流路２４の出口側に滞留し易い生成水は、酸化剤ガス出口連通孔１８ｂに容易且つ確実に排出され、簡単な構成で、排水性の向上が図られて良好な発電反応を継続して行うことが可能になるという効果が得られる。

さらに、第１の実施形態では、酸化剤ガス流路２４を流れる酸化剤ガスと、燃料ガス流路３０を流れる燃料ガスとが、対向流に設定されるとともに、前記酸化剤ガスは、冷却媒体流路２８を流れる冷却媒体と平行流に設定されている。このため、電解質膜・電極構造体１２の発電面における湿度分布を均一化することができ、発電性能の向上が容易に図られる。

しかも、酸化剤ガス、燃料ガス及び冷却媒体は、蛇行することがなく直線的に流れている。従って、発電面内における分配を均一化することが可能になり、発電性能が良好に向上する。

図３は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池４０の分解斜視説明図である。

なお、第１の実施形態に係る燃料電池１０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。

燃料電池４０は、電解質膜・電極構造体４２と、前記電解質膜・電極構造体４２を挟持するカソード側セパレータ４４及びアノード側セパレータ４６とを備える。カソード側セパレータ４４及びアノード側セパレータ４６は、例えば、金属セパレータで構成されているが、カーボンセパレータにより構成してもよい。

燃料電池４０の矢印Ｂ方向の一端縁部には、上下に一対の酸化剤ガス入口連通孔１８ａ１、１８ａ２と、前記酸化剤ガス入口連通孔１８ａ１、１８ａ２間に配置される一対の冷却媒体入口連通孔２０ａ１、２０ａ２と、前記冷却媒体入口連通孔２０ａ１、２０ａ２間に配置される単一の燃料ガス出口連通孔２２ｂとが設けられる。

燃料電池４０の矢印Ｂ方向の他端縁部には、上下に一対の燃料ガス入口連通孔２２ａ１、２２ａ２と、前記燃料ガス入口連通孔２２ａ１、２２ａ２間に配置される一対の冷却媒体出口連通孔２０ｂ１、２０ｂ２と、前記冷却媒体出口連通孔２０ｂ１、２０ｂ２間に配置される単一の酸化剤ガス出口連通孔１８ｂとが設けられる。

図４に示すように、カソード側セパレータ４４の面１４ａには、酸化剤ガス流路２４が設けられる。酸化剤ガス流路２４は、酸化剤ガス入口連通孔１８ａ１、１８ａ２にそれぞれ連通する複数本の入口側流路２４ａ１、２４ａ２と、酸化剤ガス出口連通孔１８ｂに連通するそれぞれ複数本の出口側流路２４ｂ１、２４ｂ２と、前記入口側流路２４ａ１及び前記出口側流路２４ｂ１に両端が連通する複数本の中間流路２４ｃ１と、前記入口側流路２４ａ２及び前記出口側流路２４ｂ２に両端が連通する複数本の中間流路２４ｃ２とを備える。

入口側流路２４ａ１、２４ａ２は、第１絞り部を構成するとともに、酸化剤ガス入口連通孔１８ａ１、１８ａ２から中間流路２４ｃ１、２４ｃ２に向かって各流路が途中で２分割された後、水平方向に屈曲して各中間流路２４ｃ１、２４ｃ２に連通する。

出口側流路２４ｂ１、２４ｂ２は、中間流路２４ｃ１、２４ｃ２から連通して進行方向が中央線Ｏ１に向かって変化する。出口側流路２４ｂ１、２４ｂ２は、２本の流路が１本に合流する部位と、３本の流路が２本の流路に合流した後、さらに１本の流路に合流する部位とを有する。

酸化剤ガス入口連通孔１８ａ１、１８ａ２と、入口側流路２４ａ１、２４ａ２との間には、それぞれ互いに平行する複数本の入口連結路２６ａ１、２６ａ２が設けられる。酸化剤ガス出口連通孔１８ｂと、出口側流路２４ｂ１、２４ｂ２との間には、それぞれ互いに平行する複数本の出口連結路２６ｂ１、２６ｂ２が設けられる。

カソード側セパレータ４４は、矢印Ｃ方向中央に矢印Ｂ方向に延在する中心線Ｏ１を中心にして上下に対称形状に設定される（図４参照）。

図３に示すように、アノード側セパレータ４６の面１６ａには、燃料ガス流路３０が設けられる。燃料ガス流路３０は、各燃料ガス入口連通孔２２ａ１、２２ａ２に連通する複数本の入口側流路３０ａ１、３０ａ２と、単一の燃料ガス出口連通孔２２ｂに連通するそれぞれ複数本の出口側流路３０ｂ１、３０ｂ２と、前記入口側流路３０ａ１及び前記出口側流路３０ｂ１に両端が連通する複数本の中間流路３０ｃ１と、前記入口側流路３０ａ２及び前記出口側流路３０ｂ２に両端が連通する複数本の中間流路３０ｃ２とを備える。

出口側流路３０ｂ１、３０ｂ２は、入口側流路３０ａ１、３０ａ２よりも流路長が長尺に設定される。入口側流路３０ａ１、３０ａ２は、中間流路３０ｃ１、３０ｃ２に向かって流路数が増加する一方、出口側流路３０ｂ１、３０ｂ２は、前記中間流路３０ｃ１、３０ｃ２から燃料ガス出口連通孔２２ｂに向かって流路本数が２本から１本に減少する部位、及び３本から２本、さらに１本に減少する部位を有する。

燃料ガス入口連通孔２２ａ１、２２ａ２と入口側流路３０ａ１、３０ａ２との間には、入口連結路３２ａ１、３２ａ２が設けられる一方、燃料ガス出口連通孔２２ｂと出口側流路３０ｂ１、３０ｂ２との間には、出口連結路３２ｂ１、３２ｂ２が設けられる。

アノード側セパレータ４６は、矢印Ｃ方向中央に矢印Ｂ方向に延在する中心線Ｏ２を中心として上下に対称形状に設定される。

カソード側セパレータ４４の面１４ｂと、アノード側セパレータ４６の面１６ｂとが重なり合うことにより、酸化剤ガス流路２４の裏面形状と燃料ガス流路３０の裏面形状とによって冷却媒体流路２８が形成される。

このように構成される第２の実施形態では、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

しかも、図４に示すように、酸化剤ガス流路２４を構成する出口側流路２４ｂ１、２４ｂ２は、それぞれ流路本数が２本から１本に減少する部位と、３本から２本、さらに１本に減少する部位とを有している。これにより、絞り等の圧損要素を追加する必要がなく、流量調整が可能になり、特に水滴の滞留を可及的に阻止することができるという利点がある。

１０、４０…燃料電池１２、４２…電解質膜・電極構造体
１４、４４…カソード側セパレータ１６、４６…アノード側セパレータ
１８ａ、１８ａ１、１８ａ２…酸化剤ガス入口連通孔
１８ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
２０ａ、２０ａ１、２０ａ２…冷却媒体入口連通孔
２０ｂ、２０ｂ１、２０ｂ２…冷却媒体出口連通孔
２２ａ、２２ａ１、２２ａ２…燃料ガス入口連通孔
２２ｂ…燃料ガス出口連通孔２４…酸化剤ガス流路
２４ａ、２４ａ１、２４ａ２、３０ａ、３０ａ１、３０ａ２…入口側流路
２４ｂ、２４ｂ１、２４ｂ２、３０ｂ、３０ｂ１、３０ｂ２…出口側流路
２４ｃ、２４ｃ１、２４ｃ２、３０ｃ、３０ｃ１、３０ｃ２…中間流路
２６ａ、２６ａ１、２６ａ２、３２ａ、３２ａ１、３２ａ２…入口連結路
２６ｂ、２６ｂ１、２６ｂ２、３２ｂ、３２ｂ１、３２ｂ２…出口連結路
２８…冷却媒体流路３０…燃料ガス流路
３４…固体高分子電解質膜３６…カソード側電極
３８…アノード側電極

Claims

電解質の両側に電極が配設される電解質・電極構造体とセパレータとが積層され、積層方向に反応ガスを通流させる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とともに、前記電解質・電極構造体と前記セパレータとの間には、電極面に沿って前記反応ガスを流す反応ガス流路が形成され、前記反応ガス流路は、入口連結路を介して前記反応ガス入口連通孔に連通し、且つ、出口連結路を介して前記反応ガス出口連通孔に連通する燃料電池であって、
前記反応ガス流路は、前記入口連結路に連通する複数本の入口側流路と、
前記出口連結路に連通する複数本の出口側流路と、
前記入口側流路及び前記出口側流路に両端が連通する複数本の中間流路と、
を備え、
前記出口側流路は、前記入口側流路よりも流路長が長尺に設定されることを特徴とする燃料電池。
請求項１記載の燃料電池において、前記入口側流路は、前記中間流路から前記反応ガス入口連通孔に向かって流路幅が絞られる第１絞り部を構成し、
前記出口側流路は、前記中間流路から前記反応ガス出口連通孔に向かって流路幅が絞られる第２絞り部を構成することを特徴とする燃料電池。
請求項１又は２記載の燃料電池において、前記出口側流路は、前記中間流路から前記反応ガス出口連通孔に向かって流路数が減少することを特徴とする燃料電池。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池において、複数本の前記中間流路は、各流路長が同一に設定されることを特徴とする燃料電池。