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JP5278393B2 - 燃料電池 - Google Patents

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Description

本発明は、発電セル及びセパレータを備えた燃料電池に関する。
燃料電池は、一般的には水素及び酸素を燃料として電気エネルギーを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れかつ高いエネルギー効率が実現できることから、今後のエネルギー供給システムとして広く開発が進められてきている。
この燃料電池には、固体高分子等からなる電解質膜の両側のそれぞれに、水素を含む燃料ガスを供給する流体通路を形成した電極プレートからなるセパレータと、酸素を含む酸化剤ガスを供給する流体通路を形成した電極プレートからなるセパレータとが設けられたものが知られている。
上記セパレータにおいてガス供給用流路とガス排出用流路とを分離して互いにかみ合うような櫛形形状にする技術が開示されている(例えば、特許文献1参照。)。この技術によれば、燃料ガスと酸化剤ガスとの反応がセパレータ反応帯域全体で効率よく行われる。
特開平11−16591号公報
しかしながら、特許文献1に記載のセパレータにおいては、ガス供給流路およびガス排出流路と反対側の面の流体流れを妨げてしまうおそれがある。以下、この問題点を説明する。
図9は、櫛型の流路が形成された従来のセパレータ30を説明する図である。図9(a)はセパレータ30の平面図であり、図9(b)および図9(c)はセパレータ30を燃料電池に適用した場合における燃料電池の断面図である。
図9(a)に示すように、セパレータ30の表面には櫛型の流路の一部であるガス供給流路31およびガス排出流路32が形成されている。ガス供給流路31およびガス排出流路32には反応ガスが流動する。ガス供給流路31およびガス排出流路32はプレス加工等により得られる溝状の流路からなる。プレス加工等によりガス供給流路31およびガス排出流路32を形成すれば、セパレータ30の裏面にも溝部が形成される。
図9(b)に示すように、セパレータ30をガス供給流路31同士が背向するように2枚重ねればセパレータ30の裏面の溝部を冷却媒体が流動する流路として用いることができる。しかしながら、図9(b)に示すように、冷却媒体が対流する対流部33が発生する。それにより、燃料電池の冷却効率が低下する。
また、図9(c)に示すように、冷却媒体の対流部33形成されないようにガス供給流路31およびガス排出流路32を形成すれば、ガス供給流路31およびガス排出流路32の深さが異なる対流部34が発生する。それにより、燃料電池の発電効率が低下する。
以上のことから、櫛型の流路のような閉塞流路を有する従来のセパレータ30の裏面を冷却媒体または反応ガスの流路として用いれば、冷却媒体または反応ガスが対流する対流部33,34が発生してしまう。その結果、冷却効率または反応効率が低下する。
本発明は、閉塞流路を有するセパレータの両面を冷却媒体または反応ガスの流路として利用しても冷却効率または反応効率が低下しない燃料電池を提供することを目的とする。
本発明に係る燃料電池は、電解質膜を有する発電セルと、発電セルに対向するセパレータとを備え、セパレータの発電セル側の面に、出口端に部材が配置された溝状の流路と、入口端と出口端との間に入口端および出口端と所定の間隔を空けて部材が配置された溝状の流路とが交互にストライプ状に並ぶガス流路が形成され、前記出口端に配置された部材および前記入口端と前記出口端との間に配置された部材のうち少なくとも1つは、ガス不透過性の閉塞部材であり、残りは、ガス透過性を有しかつガスの流動に対して抵抗を有する多孔質体であり、前記多孔質体は少なくとも1つ設けられていることを特徴とするものである。
本発明によれば、発電セル全体にガスが供給される。その結果、発電セルの発電効率が向上する。また、閉塞部材は、ガス流路の任意の位置に設けることができる。また、閉塞部材の長さを調整すれば、ガスがガス流路を流動する量を調整することができるとともに、ガスの配流を調整することができる。さらに、セパレータを積層する際に、特別な積層技術は不要である。また、ストライプ状の流路を利用した表裏一体構造の流路を発電セルと反対側の面に形成しても、その流路を流動する流体の流れに影響を与えない。
本発明に係る燃料電池の概略断面斜視図である。 セパレータの詳細を説明する図である。 ガス流路を流動する燃料ガスまたは酸化剤ガスのガス圧力について説明する図である。 セパレータを燃料電池へ適用した場合における燃料電池の断面図である。 閉塞部材の他の例を説明する図である。 一方のセパレータのガス流路に閉塞部材を設けた例を示す図である。 両方の閉塞部材を用いた例を示す図である。 閉塞部材の他の適用例を示す図である。 従来のセパレータを説明する図である。
以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。
図1は、本発明に係る燃料電池100の概略断面斜視図である。図1に示すように、燃料電池100は、発電セル10の両面のそれぞれにセパレータ1が設けられた単電池20が複数積層された構造を有する。発電セル10は、電解質膜6の両面のそれぞれに触媒層5およびガス拡散層4が順に積層された構造を有する。
電解質膜6としては、例えば固体高分子電解質膜等が用いられる。この固体高分子電解質膜は、プロトン導電性を有する高分子等から構成される。触媒層5は、カーボン担持白金触媒等を用いることができる。ガス拡散層4は、ガス透過性及び導電性に優れたカーボンペーパー等を用いることができる。セパレータ1は、金属プレートからなる。
一方のセパレータ1から供給される燃料ガス中の水素は、拡散効果によりガス拡散層4を透過し、触媒層5においてプロトン及び電子に分かれる。このプロトンは、電解質膜6を移動する。他方のセパレータ1から供給される酸化剤ガス中の酸素は、拡散効果によりガス拡散層4を透過し、触媒層5においてプロトンと反応して水が生成される。以上のプロセスにより、発電セル10による発電が行われる。発電セル10の発電により得られた電流は、セパレータ1により集電される。
図2は、セパレータ1の詳細を説明する図である。図2(a)はセパレータ1の平面図であり、図2(b)は図2(a)のA−A’線断面図であり、図2(c)は図2(a)のB−B’線断面図である。図2(a)に示すように、セパレータ1のガス拡散層4側の面には、燃料ガスまたは酸化剤ガスが流動するガス流路2が形成されている。ガス流路2は、出口部が閉塞部材3により閉塞された溝状の流路2aと入口部が閉塞部材3により閉塞された溝状の流路2bとが交互にストライプ状に並ぶ構造を有する。ガス流路2は、セパレータ1に対してプレス加工等を行うことにより形成することができる。
閉塞部材3としては、ガス不透過性の閉塞部材を用いることができる。例えば、セラミックス、カーボン、金属等を用いることができ、繊維、樹脂、ゴム等の樹脂等も用いることができる。特に、ガス不透過性および導電性を有するカーボン、金属等の材料が好ましい。閉塞部材3は、溶接、圧着等により流路2a,2bに設けることができる。
また、図2(b)に示すように、流路2bの入口部を閉塞する閉塞部材3は、流路2b全体を閉塞する。それにより、ガス流路2に供給される燃料ガスまたは酸化剤ガスは、流路2bには流入せずに流路2aに流入する。同様に、図2(c)に示すように、流路2aの出口部を閉塞する閉塞部材3は、流路2a全体を閉塞する。それにより、ガス流路2aを流動する燃料ガスまたは酸化剤ガスは、閉塞部材3を通過しない。
さらに、図2(b)および図2(c)に示すように、セパレータ1のガス拡散層4と反対側の面には、燃料電池100を冷却する冷却媒体が流動する冷却媒体流路7が複数形成されている。冷却媒体としては、例えば冷却水を用いることができる。冷却媒体流路7は、セパレータ1のガス流路2と反対側の面の溝状の流路からなる。このように、セパレータ1の両面に形成された溝部を流路2及び冷却媒体流路7に用いることから、燃料電池100を薄型化することができる。
図3は、ガス流路2を流動する燃料ガスまたは酸化剤ガスのガス圧力について説明する図である。図3(a)はガス流路2に供給されるガスの流動を説明する図であり、図3(b)は流路位置とガス圧力との関係を示す図である。
流路2aに供給される燃料ガスまたは酸化剤ガスは、流路2aを流動するにつれて図1の発電セル10の発電に用いられる。それにより、図3(b)に示すように、流路2aに供給される燃料ガスまたは酸化剤ガスの圧力は、ガスの流動にともない減少する。
流路2bの入口部は閉塞部材3により閉塞されていることから、流路2bの入口から燃料ガスまたは酸化剤ガスは供給されない。しかしながら、流路2aと流路2bとの間に圧力差が生じることから、流路2aを流動する燃料ガスまたは酸化剤ガスは、ガス拡散層4を通過して流路2bに流入する。流路2bに供給された燃料ガスまたは酸化剤ガスは、流路2bを流動するにつれて発電セル10の発電に用いされる。それにより、図3(b)に示すように、流路2bを流動する燃料ガスまたは酸化剤ガスの圧力は、ガスの流動方向に減少する。なお、燃料ガスまたは酸化剤ガスは、ガス拡散層4を通過する際にも発電セル10の発電に用いられる。それにより、流路2bを流動する燃料ガスまたは酸化剤ガスの圧力は、流路2aを流動する燃料ガスまたは酸化剤ガスの圧力に比較して低くなる。
このように、閉塞部材3をガス流路2に設けることにより、ガス拡散層4全体に燃料ガスまたは酸化剤ガスが供給される。したがって、発電セル10の発電効率が向上する。また、発電セル10の発電効率は、セパレータ1の拡散層4と反対側の面の構造から影響を受けない。
また、閉塞部材3は、ガス流路2をプレス加工等により形成した後に設けることから、流路2a,2bの任意の位置に設けることができる。さらに、閉塞部材3の長さを調整すれば、燃料ガスまたは酸化剤ガスがガス流路2を流動する量を調整することができるとともに、燃料ガスまたは酸化剤ガスの配流を調整することができる。また、セパレータ1を積層する際に、特別な積層技術は不要である。
図4は、セパレータ1を燃料電池100へ適用した場合における燃料電池100の断面図である。図4(a)および図4(b)は、冷却媒体流路7同士が対向するようにセパレータ1を積層した場合の燃料電池100の断面図である。図4(a)に示すようにそれぞれのセパレータ1の流路2aを背向させても、図4(b)に示すようにそれぞれのセパレータ1の流路2aと流路2bとを背向させても本発明の効果を得ることができる。また、図4(c)に示すように、冷却媒体流路7をガス流路2として用いることもできる。この場合、それぞれの発電セル10の間に設けるセパレータを積層させる必要がないので、燃料電池100が薄型化される。
図5は、閉塞部材3の他の例である閉塞部材3aを説明する図である。図5(a)はセパレータ1の平面図であり、図5(b)は図5(a)のC−C’線断面図である。
図5(a)および図5(b)に示すように、閉塞部材3aは、閉塞部材3と同様の位置に設けられる。閉塞部材3aは、ガス透過性を有する多孔質体からなる。多孔質体としては、カーボン、セラミックス、金属メッシュ等を用いることができる。また、繊維、樹脂、ゴム等の樹脂等も用いることができる。特に、導電性を有するカーボン、金属メッシュ等が好ましい。ただし、酸化剤ガスを流動させる流路に金属メッシュを用いる場合には、金、白金等の耐酸化性金属を用いることが好ましい。閉塞部材3aは、溶接、圧着等により流路2a,2bに設けることができる。なお、閉塞部材3aが、特許請求の範囲に記載の閉塞部材に相当する。
閉塞部材3と異なり、閉塞部材3aはガス透過性を有する。それにより、ガス流路2に供給される燃料ガスまたは酸化剤ガスは、流路2bにも流入する。したがって、ガス流路2に供給される燃料ガスまたは酸化剤ガスの圧損が低下する。また、流路2aに供給される燃料ガスまたは酸化剤ガスは、閉塞部材3aを透過して排出される。それにより、流路2aのフラッディングを抑制することができる。
また、閉塞部材3aは多孔質体であることから、燃料ガスまたは酸化剤ガスの流動に対して抵抗を有する。それにより、閉塞部材3を流路2a,2bに設けた場合と同様に、流路2aと流路2bとの間に圧力差が生じる。したがって、図3で説明したように、ガス拡散層4の全体に燃料ガスまたは酸化剤ガスが供給される。その結果、発電セル10の発電効率が向上する。また、ガス流路2に供給される燃料ガスまたは酸化剤ガスは、流路2a,2bの両方に供給される。それにより、燃料ガスまたは酸化剤ガスの流動断面積が大きくなる。したがって、燃料ガスまたは酸化剤ガスの流動速度が小さくなる。その結果、発電セル10の乾燥を抑制することができる。
さらに、発電セル10の発電効率は、セパレータ1の拡散層4と反対側の面の構造から影響を受けない。また、閉塞部材3aは、ガス流路2をプレス加工等により形成した後に設けることから、流路2a,2bの任意の位置に設けることができる。さらに、閉塞部材3aの長さまたはメッシュサイズ等を調整すれば、燃料ガスまたは酸化剤ガスがガス流路2を流動する量を調整することができるとともに、燃料ガスまたは酸化剤ガスの配流を調整することができる。また、セパレータ1を積層する際に、特別な積層技術は不要である。
図6は、一方のセパレータ1のガス流路2に閉塞部材3,3aを設けた例を示す図である。図6(a)および図6(b)には、隣接するセパレータ1の一方のガス流路2に閉塞部材3,3aを設けた燃料電池100が示されている。このように、隣接するセパレータ1の一方のガス流路2に閉塞部材3,3aを設けてもよい。特に、酸化剤ガスが供給されるセパレータ1のガス流路2に閉塞部材3,3aを設けることが好ましい。この場合、拡散性の低い酸素が効率よく拡散層4に供給される。また、燃料ガスが供給されるセパレータ1のガス流路2には閉塞部材3,3aを設ける必要がないことから、製造コストを低減させることができる。
また、図6(c)および図6(d)には、セパレータ1の両面にガス流路2を設けた場合において、いずれか一方のガス流路2に閉塞部材3,3aを設けた燃料電池100が示されている。このように、セパレータ1の両面にガス流路2を設けた場合に、一方のガス流路の流路に閉塞部材3,3aを設けてもよい。特に、図6(a)および図6(b)の燃料電池100と同様に、酸化剤ガスが供給されるガス流路2に閉塞部材3,3aを設けることが好ましい。
図7は、閉塞部材3および閉塞部材3aの両方を用いた例を示す図である。図7(a)には、一方のセパレータ1のガス流路2に閉塞部材3が設けられ、他方のセパレータ1のガス流路2に閉塞部材3aが設けられた燃料電池100が示されている。例えば、酸化剤ガスが供給されるセパレータ1のガス流路2に閉塞部材3を設け、かつ、燃料ガスが供給されるセパレータ1のガス流路2に閉塞部材3aを設けることにより、拡散層4に効率的に酸素が供給されるとともに発電セル10により生成された水によるフラッディングを抑制することができる。
また、図7(b)には、セパレータ1の両面にガス流路2を設けた場合において、一方のガス流路2に閉塞部材3が設けられ、他方のガス流路2に閉塞部材3aが設けられた燃料電池100が示されている。例えば、酸化剤ガスが供給されるガス流路2に閉塞部材3を設け、かつ、燃料ガスが供給されるガス流路2に閉塞部材3aを設けることにより、拡散層4に効率的に酸素が供給されるとともに発電セル10により生成された水によるフラッディングを抑制することができる。なお、閉塞部材と閉塞部材3aとの組合せは、図7(a)および図7(b)に示したものに限らず、任意に選択することができる。
図8は、閉塞部材3,3aの他の適用例を示す図である。図8(a)は流路2bに設ける閉塞部材3をガスの流動方向に移動させた場合を示す図であり、図8(b)は一部の閉塞部材3aの長さを変更した場合を示す図である。
図8(a)に示すように、ガス流路2に供給される燃料ガスまたは酸化剤ガスは、流路2aおよび2bの両方に供給される。それにより、燃料ガスまたは酸化剤ガスが流動する流動断面積が大きくなる。したがって、流路2a,2bを流動する燃料ガスまたは酸化剤ガスの流動速度が小さくなる。その結果、発電セル10の乾燥が抑制される。なお、閉塞部材3の代わりに閉塞部材3aを用いても同様の効果が得られる。また、閉塞部材3と閉塞部材3aとを任意に組み合わせることもできる。
また、図8(b)に示すように、一部の閉塞部材3aの長さは他の閉塞部材3aの長さと異なっている。それにより、ガス流路2を流動する燃料ガスまたは酸化剤ガスの流量を調整することができる。例えば、燃料ガスまたは酸化剤ガスが到達しにくい流路2a,2bの閉塞部材3aの長さを短くし、燃料ガスまたは酸化剤ガスが到達しやすい流路2a,2bの閉塞部材3aの長さを長くすることにより、燃料ガスまたは酸化剤ガスをガス流路2の全体に均一に供給することができる。なお、閉塞部材3aの代わりに閉塞部材3を用いても同様の効果が得られる。また、閉塞部材3と閉塞部材3aとを任意に組み合わせることもできる。
なお、本実施例においては、セパレータ3は金属プレートからなるが、導電性及びガス不透過性を有する導電性プレートであれば構わない。例えば、カーボンプレート等を用いることもできる。
また、本実施例においては、セパレータ3,3aを導電性プレートにプレス加工を施すことにより形成しているが、カーボンプレート等に切削加工を施すことにより形成しても構わない。
1 セパレータ
2 ガス流路
2a,2b 流路
3,3a 閉塞部材
4 ガス拡散層
5 触媒層
6 電解質膜
7 冷却媒体流路
10 発電セル
20 単電池
100 燃料電池

Claims (2)

  1. 電解質膜を有する発電セルと、
    前記発電セルに対向するセパレータとを備え、
    前記セパレータの前記発電セル側の面に、出口端に部材が配置された溝状の流路と、入口端と出口端との間に前記入口端および前記出口端と所定の間隔を空けて部材が配置された溝状の流路とが交互にストライプ状に並ぶガス流路が形成され、
    前記出口端に配置された部材および前記入口端と前記出口端との間に配置された部材のうち少なくとも1つは、ガス不透過性の閉塞部材であり、残りは、ガス透過性を有しかつガスの流動に対して抵抗を有する多孔質体であり、前記多孔質体は少なくとも1つ設けられていることを特徴とする燃料電池。
  2. 前記出口端に配置された部材および前記入口端と前記出口端との間に配置された部材のうち少なくとも1つのガスの流動方向の長さが、他の前記部材のガスの流動方向の長さと異なることを特徴とする請求項1記載の燃料電池。
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