(57)【要約】【課題】燃料電池の運転状態にかかわらず発電効率の良い燃料電池を提供する。【解決手段】電解質膜２を挟持するガス拡散層３ａ、３ｂと、ガス拡散層３ａに水素を供給する水素流路４を有するセパレータ５と、ガス拡散層３ｂに空気を供給する空気流路６を備えた燃料電池において、水素供給マニホールド９または空気供給マニホールド１１から水素排出マニホールド１０または空気供給排出マニホールド１２へ空気流路５または水素流路４に沿わずにガス拡散層３ａ、３ｂの内部を通る水素または空気の流れの一部を燃料電池の運転負荷が低い場合に遮断し、運転負荷が低い場合に遮断しないガス通路変更部８を備える。【選択図】        図３
2006079920.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜と、
前記電解質膜を挟持するガス拡散層と、
前記ガス拡散層に水素または酸化剤を供給するガス流路が前記ガス拡散層と接するセパレータと、
前記水素または前記酸化剤を前記ガス流路に導入するガス導入マニホールドと、
前記水素または前記酸化剤を含んだ排出ガスを前記ガス流路から排出するガス排出マニホールドと、を備えた燃料電池において、
前記ガス拡散層内に配置され、前記燃料電池の低負荷運転時に、前記ガス導入マニホールドから前記ガス排出マニホールドへ前記ガス流路に沿わずに前記ガス拡散層の内部を流れる前記水素または前記酸化剤の流れの一部を遮断し、前記燃料電池の高負荷運転時に、前記ガス拡散層の内部を流れる前記水素または前記酸化剤の流れを遮断しないガス通路変更手段を備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記ガス流路は前記水素または前記酸化剤の流れる方向を変える折り返し部を備え、
前記ガス通路変更手段は、前記折り返し部で折り返す前の前記ガス流路と折り返した後の前記ガス流路の間に設けることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記ガス通路変更手段は、前記折り返し部で折り返す前の前記ガス流路と折り返した後の前記ガス流路の間の圧力差に応じて、前記ガス拡散層の内部を流れる前記水素または前記酸化剤の流れを遮断するか否かを切り換えることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記ガス通路変更手段は、
前記圧力差が所定圧力差よりも小さい場合に、前記ガス拡散層の内部を流れる前記水素または前記酸化剤の流れの一部を遮断し、
前記圧力差が所定圧力差よりも大きい場合に、前記ガス拡散層の内部を流れる前記水素または前記酸化剤の流れを遮断しないことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記ガス通路変更手段は、弾性部材を備え、
前記圧力差が所定圧力差よりも小さい場合に、前記弾性部材によって前記ガス拡散層の内部を流れる前記水素または前記酸化剤の流れの一部を遮断し、
前記圧力差が所定圧力差よりも大きい場合に、前記弾性部材が変形することで前記ガス拡散層の内部を流れる前記水素または前記酸化剤の流れを遮断しないことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池に関するものであり、特にガス拡散層内を流れる水素または空気の流れに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池では、燃料電池の全体で発電を行わせるためにガス流路を設け、そのガス流路に水素、または空気を流して燃料電池全体に水素または空気を均一に供給する。
【０００３】
しかし、ガス流路の構成によってはガス流路を燃料電池で生成された水などによって閉塞するフラッディング現象が発生し、燃料電池の発電効率を低下させる恐れがあった。
【０００４】
そこで、フラッディングが起こり、隣り合うガス流路の圧力差が大きくなった場合に隣り合うガス流路を連通させる可動構造を有するガス流路を設け、フラッディングが起きた箇所をバイパスさせるものが、特許文献１に開示されている。
【特許文献１】特開２００１−１３５３２４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、燃料電池の低負荷時にはガス流路を流れる水素、または空気の流量少ない、つまり流速が遅いためにガス流路を流れるガスの流れよりも、ガス拡散層を通過するガスの流れが支配的となる。
【０００６】
上記発明では、燃料電池の低負荷時に水素または空気がガス拡散層を通過するので、水素または空気が均一に拡散せずに、燃料電池の発電効率を低下させると、いった問題点がある。
【０００７】
本発明ではこのような問題点を解決するために発明されたもので、燃料電池の運転負荷の状態にかかわらず、燃料電池の発電効率を良くすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明では、電解質膜と、電解質膜を挟持するガス拡散層と、ガス拡散層に水素または空気を供給するガス流路がガス拡散層と接するセパレータと、水素または空気をガス流路に導入するガス導入マニホールドと、水素または空気を含んだ排出ガスをガス流路から排出するガス排出マニホールドと、を備えた燃料電池において、ガス拡散層内に配置され、燃料電池の低負荷運転時に、ガス導入マニホールドからガス排出マニホールドへガス流路に沿わずにガス拡散層の内部を流れる水素または空気の流れを遮断し、燃料電池の高負荷運転時に、ガス拡散層の内部を流れる水素または空気の流れを遮断しないガス通路変更手段を備える。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によると、燃料電池の運転負荷状態にかかわらず、燃料電池の発電効率を良くすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明の実施形態の構成を図１、図２、図３を用いて説明する。図１はこの実施形態の単位セル１の一部を示す分解斜視図であり、図２はセパレータ７の平面図であり、図３は単位セル１の断面図の一部を示す図である。なお、図２においてガス通路変更部８を斜線部で示す。また、図３においては、図３中の一部に説明のため部材の間に隙間を設けている。
【００１１】
単位セル１は電解質膜２と、電解質膜２を挟持するガス拡散層３ａ、３ｂと、ガス拡散層３ａの外側に水素流路４（図３中、破線部）を有するセパレータ５と、ガス拡散層３ｂの外側に空気流路６を有するセパレータ７を備える。また、電解質膜２とセパレータ７の間にガス通路変更部（ガス通路変更手段）８を備える。また、水素流路４に水素を供給する水素供給マニホールド（ガス導入マニホールド）９と、水素流路４から発電に使用されなかった排出水素などを排出する水素排出マニホールド（ガス導入マニホールド）１０と、空気流路６に空気を供給する空気供給マニホールド（ガス導入マニホールド）１１と、空気流路６から発電に使用されなかった排出空気などを排出する空気排出マニホールド（ガス導入マニホールド）１２を備える。また、単位セル１を冷却する冷却水が供給される冷却水供給マニホールド１３と、冷却水を排出する冷却水排出マニホールド１４を備える。燃料電池は単位セル１を積層して構成される。
【００１２】
セパレータ７に設けた空気流路６の断面は矩形波形状をしており、矩形波形状のリブ部６ａによってガス拡散層３ｂと当接している。空気流路６は空気供給マニホールド１１と空気排出マニホールド１２と接続し、空気流路６の形状はサーペンタイン形状をしている。つまり空気流路６は折り返し部によって空気流路６を流れる空気の流れが反対方向となる。
【００１３】
ガス拡散層３ｂは空気流路６のリブ部６ａの両側で空気の流れが反対方向となるリブ部６ａと対峙する位置に該当する箇所に切り込み部３ｃが入っており、切り込み部３ｃにガス通路変更部８が設けられる。すなわちガス拡散層３ｂも空気流路６に応じたサーペンタイン形状となる。
【００１４】
ガス通路変更部８は例えばＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）やＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）のような弾性部材である樹脂で構成され、切り込み部３ｃの電解質膜２と空気流路６のリブ部６ａ間に設けられ、その断面はＬ字状となっている。そして、Ｌ字状の底部８ａがリブ部６ａと当接し、Ｌ字状の側面部８ｂがガス拡散層３ｂの切り込み部３ｃの側面３ｄと当接している。つまり側面部８ｂによって空気供給マニホールド１１から空気排出マニホールド１２へ直線的にガス拡散層３ｂの内部を流れる空気の流れを遮断する。なお、側面部８ｂは空気流路６の上流側となるガス拡散層３ｂの側面３ｄと接している。
【００１５】
次にガス通路変更部８による空気流路６、およびガス拡散層３ｂの空気に流れについて図４、図５を用いて説明する。図４は燃料電池の低負荷運転時の単位セル１の断面図の一部を示す図であり、図５は燃料電池の高負荷運転時の単位セル１の断面図の一部を示す図である。また、図４、５においては、図４、５中の一部に説明のため部材の間に隙間を設けている。
【００１６】
燃料電池の低負荷運転時には、燃料電池の発電量が少ないので空気流路６に供給される空気量も少なくなる。つまり空気流路６における空気の流速が遅くなる。空気の流速が遅いので空気流路６の折り返し部において圧力損失が小さく、側面部８ｂの両側の空気流路５（ガス拡散層３ｂ）での圧力差が小さい。ガス通路変更部８の側面部８ｂは、圧力差が小さいので切り込み部３ｃへ倒れることなく、ガス拡散層３ｂの流れを遮断する。そのため空気供給マニホールド１１によって供給された空気は空気流路６に従って流れ、ガス拡散層３ｂにおいても空気流路６に従って流れ、拡散する。これによってガス拡散層３ｂにおいて均一に空気が供給され、単位セル１の発電効率を良くすることができる。
【００１７】
一方、燃料電池の高負荷運転時には、燃料電池の発電量が多くなるので空気流路６に供給される空気量も多くなる。つまり空気流路６における空気の流速が速くなる。空気の流速が速いので空気流路６の折り返し部で圧力損失が大きくなり、折り返し部下流での圧力が小さくなり、側面部８ｂの両側のガス流路５での圧力差が大きくなる。ガス通路変更部８の側面部８ｂは、圧力差が大きいので、圧力の低い空気流路６の下流側へ変形し、切り込み部３へ倒れる。これによって空気が空気流路６に従った流れの他に切り込み部３ｃを通った流れによりガス拡散層３ｂに拡散される。また、切り込み部３ｃを通る空気の量は、空気流路６に従って流れる空気の量よりも相対的に小さいので、ガス拡散層３ｂにおいて均一に空気が供給され、単位セル１の発電効率を良くすることができる。
【００１８】
なお、側面部８ｂの弾性力と側面部８ｂの両側での圧力差によって側面部８ｂの変形量（倒れ込み量）は決定され、側面部８ｂの材質や厚さなどを設定することで、ガス拡散層３ｂ内の空気の流れを遮断するか否かを決定することができる。つまり側面部８ｂの両側の圧力差が所定圧力差となると、側面部８ｂが変形し、切り込み部３ｃを通り、空気の一部が流れる。この所定圧力差は実験などから燃料電池の発電効率が良くなるように設定され、それに伴って側面部８ｂの材質や厚さなども設定される。
【００１９】
空気流路６をサーペンタイン形状とすると空気流路６の折り返し部、特に折り返し部の内側となる領域（図２中領域Ａ）において生成水などによってフラッディング（空気流路６の閉塞）が起こり易いが、空気流路６を流れる空気の流れがリブ部６ａの両側で反対方向となるリブ部６ａと電解質膜２との間にガス通路変更部８を設けるので、領域Ａにおいてフラッディングが起こった場合でも、フラッディングよる圧力差が高くなると、側面部８ｂが切り込み部８ｃに倒れることで、切り込み部３ｃを通して空気を流すことができる。つまりフラッディングが生じている領域Ａをバイパスして空気を流すことができる。これによってフラッディングが生じた場合に燃料電池の発電効率の低下を抑制することができる。
【００２０】
この実施形態ではガス通路変更部８の底部８ａをリブ部６ａと当接させたが、図６、図７に示すように底部８ａを電解質膜２と当接させても良い。図６、７においては、図６、７中の一部に説明のため部材の間に隙間を設けている。これによっても燃料電池の低負荷運転時には図６に示すように側面部８ｂによって空気の流れを遮断することができ、燃料電池の高負荷運転時には図７に示すように切り込み部８ｃによって側面部８ｂが切り込み部８ｃに倒れることで、切り込み部３ｃによって空気の流れを遮断することなく、ガス拡散層３ｂに空気を拡散することができる。また、ガス通路変更部８はＬ字状以外の形状でも良く、圧力差によってガス拡散層３ｂの流れを変更できれば良い。
【００２１】
また、このガス通路変更部８は空気流路６だけでなく、水素流路４にも用いる。
【００２２】
本発明の第１実施形態の効果について説明する。
【００２３】
図８に本発明を用いない場合の燃料電池であり、ガス通路変更部８を設けないガス拡散層、つまり切り込み部８ｃを設けないガス拡散層を用いた燃料電池（以下、燃料電池Ａ）と、切り込み部８ｃにガス通路変更部８の代わりに剛体、例えばこの実施形態のリブ部６ａを長くしたものを設け、空気の流れを制限し、ガス流路５に沿った流れのみとした燃料電池（以下、燃料電池Ｂ）と、本発明を用いた場合の燃料電池（以下、燃料電池Ｃ）の性能曲線（Ｉ−Ｖカーブ）を示す。なお、燃料電池Ａを破線、燃料電池Ｂを実線（細線）、燃料電池Ｃを実線（太線）で示す。
【００２４】
燃料電池Ａと燃料電池Ｂを比較すると低電流密度、つまり低負荷運転時の場合には、ガス拡散層３ｂ内の空気の流れを制限した燃料電池Ｂの方がガス拡散層３ｂ内の空気の流れを制限しない燃料電池Ａよりも効率良く発電を行うことができる。これは低負荷運転時には空気量少ないので、ガス拡散層３ｂ内の空気の流れを制限しない燃料電池Ａでは、空気流路に沿って流れる空気量よりもガス拡散層３ｂを流れる空気量が多くなり、単位セルの端部、特に空気排出マニホールドを設けていない端部付近に供給される空気量が少ないためである。
【００２５】
一方、高電流密度、つまり高負荷運転時の場合には、燃料電池Ａの方が燃料電池Ｂよりも効率良く発電を行うことができる。これは高負荷運転時には空気量が増えるので、燃料電池Ａにおいて空気流路に沿って空気が流れるので、単位セルの全体に空気を供給することができるためである。
【００２６】
本発明の燃料電池Ｃは、ガス拡散層３ｂに切り込み部３ｃを設け、切り込み部３ｃにガス通路変更部８を備える。そして低負荷運転時にはガス通路変更部８によって空気供給マニホールド１１から空気排出マニホールド１２へ直線的にガス拡散層３ｂ内を流れる空気の流れ遮断し、高負荷運転時にはガス通路変更部８によるガス拡散層３ｂ内の空気の流れを遮断しないので、低負荷運転時および高負荷運転時にも単位セル１に空気を均一に供給し、燃料電池の発電効率を良くすることができる。
【００２７】
切り込み部３ｃは空気流路６のサーペンタイン形状の折り返し部で折り返した空気の流れがリブ部６ａの両側で逆方向となるリブ部６ａと対峙するガス拡散層３ｂに設けられるので、切り込み部３ｃに設けたガス通路変更部８によって低負荷運転時には空気の流れが空気流路６の形状に沿った流れとなり、空気流路６に沿って空気を単位セル１に均一に供給することができる。これによって低負荷運転時に燃料電池の発電効率を良くすることができる。また、高負荷運転時には、ガス通路変更部８によって切り込み部３ｃを空気が流れるので、空気流路６に沿った流れの他に切り込み部３ｃを通して空気が流れ、燃料電池の発電効率を良くすることができる。
【００２８】
この実施形態では、側面部８ｂの両側の圧力差によってガス拡散層３ｂの内部を流れる空気の流れを遮断するか否かを制御するので、空気流路６の折り返し部でフラッディングが生じ、側面部８ｂの両側で圧力差が大きくなると側面部８ｂが切り込み部３ｃに変形することで、空気の流れを確保することができ、フラッディングが生じた場合でも燃料電池の発電効率の低下を抑制することができる。
【００２９】
ガス通路変更部８は弾性部材で構成され、側面部８ｂが側面部８ｂの弾性力と側面部８ｂの両側の圧力差に応じて変形するので、簡易な構造でガス拡散層３ｂ内の空気の流れを遮断するか否かを制御することができる。
【００３０】
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内でなしうるさまざまな変更、改良が含まれることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
ガス流路に折り返し部を設けた燃料電池に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の実施形態の単位セルの一部を示す分解斜視図である。
【図２】本発明の実施形態のセパレータの平面図である。
【図３】本発明の実施形態の単位セルの断面図の一部を示す図である。
【図４】本発明の実施形態の低負荷運転時のガス通路変更部を説明する図である。
【図５】本発明の実施形態の高負荷運転時のガス通路変更部を説明する図である。
【図６】本発明の実施形態のガス通路変更部を変更した場合の低負荷運転時のガス通路変更部を説明する図である。
【図７】本発明の実施形態のガス通路変更部を変更した場合の高負荷運転時のガス通路変更部を説明する図である。
【図８】本発明の実施形態と、本発明を用いない場合の燃料電池の性能曲線を示す図である。
【符号の説明】
【００３３】
１      単位セル
２      電解質膜
３ａ    ガス拡散層
３ｂ    ガス拡散層
３ｃ    切り込み部
３ｄ    側面部
４      水素流路
５      セパレータ
６      空気流路
６ａ    リブ部
７      セパレータ
８      ガス通路変更部（ガス通路変更手段）
８ａ    底部
８ｂ    側面部
【図１】
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【図２】
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【図３】
2006079920.tif 000005
【図４】
2006079920.tif 000006
【図５】
2006079920.tif 000007
【図６】
2006079920.tif 000008
【図７】
2006079920.tif 000009
【図８】
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