(57)【要約】【課題】電解質膜の乾燥による発電効率の低下を低減した燃料電池を提供する。【解決手段】電極２により狭持した高分子電解質膜３間を水素イオンが移動することにより発電を生じる燃料電池１において、電極２に沿って反応ガスを流通させる複数の反応ガス流路５を、電極２の有効発電範囲１５の上流端付近で反応ガスの圧力が一時的に上昇するように形成する。ここでは、電極２の有効発電範囲１５の上流端付近に流路断面積減少部材１０を備える。【選択図】　　　図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極により狭持した電解質膜間を水素イオンが移動することにより発電する燃料電池において、
前記電極に沿って反応ガスを流通させる複数の反応ガス流路内で、前記電極において発電反応を生じる有効発電範囲の上流端付近に接触する反応ガスの圧力が一時的に上昇するように前記反応ガス流路を形成することを特徴とする固体高分子型燃料電池。
【請求項２】
電解質膜間を水素イオンが移動することにより発電する燃料電池において、
前記電解質膜を狭持し、発電反応を生じる有効発電範囲を有する電極と、
前記電極に沿って反応ガスを流通させる複数の反応ガス流路と、
前記反応ガス流路内の前記有効発電範囲の上流端付近に配置した、前記反応ガス流路の断面を減少させる流路断面積減少部材と、を備えることを特徴する固体高分子型燃料電池。
【請求項３】
前記電極の一部として前記流路断面積減少部材を形成する請求項２に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項４】
前記流路断面積減少部材を吸湿性の多孔質体により形成する請求項２に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項５】
前記複数の反応ガス流路のうち供給される反応ガス流量が多い流路ほど前記流路断面積減少部材により減少させる断面を大きくする請求項２に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項６】
前記電極の発電面を底面とした際の前記流路断面積減少部材の高さを、反応ガスの流れに沿って徐々に低くする請求項２に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項７】
前記電極を狭持するセパレータを備え、
前記反応ガス流路を、前記セパレータの表面に平行に設けた複数の溝により構成し、
前記流路断面積減少部材を平行に並ぶ前記反応ガス流路に垂直な方向に延びる線形状の部材により形成し、
前記セパレータの溝の間に形成されるリブに前記流路断面積減少部材と嵌合する溝を形成する請求項２に記載の固体高分子型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、燃料電池に関する、特に燃料電池の発電効率を向上するための反応ガス流路の形状に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の固体高分子型燃料電池として、特開平９−９２３１０号公報に提示されたようなものが知られている。
【０００３】
これは、固体高分子電解質膜をガス拡散層および触媒層としての機能を有する一対の多孔質電極、つまり燃料極および酸化剤極により狭持する。さらに、多孔質電極の外側に、燃料流路および酸化剤流路となる溝を設けた集電体を配置し、これを単位セルとする。このような単位セルをセパレータや冷却板等を介して、水平方向に複数個積層することにより固体高分子型燃料電池を構成している。
【０００４】
さらに直接水供給加湿方式の燃料電池においては、燃料流路の外側面に多孔質体からなる加湿水透過板を介して冷却水流路を配置する。冷却水流路に供給された冷却水の一部が加湿水透過板および燃料極側の集電体、燃料極に浸透し、固体高分子電解質膜の加湿を行う。
【０００５】
【発明が解決しようとしている問題点】
しかしながら従来の技術においては、発電量に対してガス流量が多い場合には、ガス導入口付近の電極に含まれる水が蒸発して反応ガス流路の下流部に移動しやすいため、ガス導入口付近の膜が乾燥しやすいという問題がある。特に発電を行っていない状態でガス流量を多くした場合には、この傾向が顕著になる。
【０００６】
電解質膜付近の電極の水分が蒸発して減少することにより、ガス導入口付近の電解質膜は乾燥状態になりやすくなる、このため、水を介して移動する水素イオンが燃料極から酸化剤極に到達し難くなり、発電効率が低下する恐れがある。
【０００７】
そこで本発明は、ガス導入口における電極からの水分の蒸発を抑制し、電解質膜の乾燥による発電効率の低下を低減することができる燃料電池を提供することを目的とする。
【０００８】
【問題点を解決するための手段】
本発明は、電極により狭持した電解質膜間を水素イオンが移動することにより発電する燃料電池に関する。このような燃料電池において、前記電極に沿って反応ガスを流通させる複数の反応ガス流路内の、前記電極において発電反応を生じる有効発電範囲の上流端付近に接触する反応ガスの圧力が一時的に上昇するように前記反応ガス流路を形成する。
【０００９】
ここでは、発電反応を生じる有効発電範囲を有する電極と、前記電極に沿って反応ガスを流通させる複数の反応ガス流路と、前記反応ガス流路内の前記有効発電範囲の上流端付近に配置した、前記反応ガス流路の断面を減少させる流路断面積減少部材と、を備える。
【００１０】
【作用及び効果】
電極に沿って反応ガスを流通させる複数の反応ガス流路内の、電極において発電反応を生じる有効発電範囲の上流端付近に接触する反応ガスの圧力が一時的に上昇するように反応ガス流路を形成する。これにより、有効発電範囲の上流における水分の蒸発を抑制することができるので、電極により狭持した電解質膜の乾燥を抑制し、発電効率の低下を低減することができる。
【００１１】
また、反応ガス流路内の有効発電範囲の上流端付近に配置した、反応ガス流路の断面を減少させる流路断面積減少部材を備えることで、流路断面積減少部材の後流側の圧力を上昇することができる。これにより有効発電面の上流部の蒸発を抑えることができるので、電解質膜の乾燥を抑制して発電効率の低下を低減することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
第１の実施形態に用いる固体高分子型燃料電池１（以下、燃料電池１）の概略構成を図１に示す。
【００１３】
燃料電池１の単位セルを、高分子電解質膜３、高分子電解質膜３を狭持する一対の電極２、電極２をさらに狭持する集電体としてのセパレータ４、から構成する。さらに、電極２のうち燃料極２ａの外側に、冷却水透過板６を配置し、冷却水透過板６を介して表面に冷却水流路８となる溝を構成した冷却水流路形成部材７を配置する。このように形成した積層体を複数個重ねることで燃料電池１を構成する。
【００１４】
電極２のうち燃料極２ａには、図示しない燃料供給源から、多孔質体により形成した燃料極側セパレータ４ａの表面に平行に設けた複数の燃料ガス流路５ａを通じて水素含有ガスを供給する。また、酸化剤極２ｂには、図示しない空気源から酸化剤極側セパレータ４ｂに形成した酸化剤ガス流路５ｂを通じて酸素含有ガス、ここでは空気を供給する。この燃料極２ａ、酸化剤極２ｂとの間で高分子電解質膜３を介して水素イオンを移動させることにより発電を行う。
【００１５】
水素イオンが高分子電解質膜３内部を移動する際には、水素イオンと水により構成されるプロトン水和物の状態となって移動するので、高分子電解質膜３が加湿されている必要がある。そこで、燃料極２ａの外側に水を透過する加湿水透過板６を配置し、さらにその外側に冷却水流路形成部材７を配置する。冷却水流路形成部材７の加湿水透過板６側の表面には冷却水流路８となる複数の溝を設ける。冷却水流路８には、図示しない冷却水タンクの水をポンプにより供給し、冷却水を流すことにより発電に伴って生じる熱を除去して燃料電池１の温度を調節する。
【００１６】
このように構成することで、冷却水流路８を流れる冷却水の一部は、多孔質体により形成した加湿水透過板６および燃料極側セパレータ４ａを介して燃料極２ａに供給され、高分子電解質膜３の加湿を行う。このように、冷却水流路８を流通する冷却水を、燃料電池１の温度調整に用いると同時に、高分子電解質膜３を湿潤させる加湿水として用いる。
【００１７】
次に、上述したような燃料電池１に設ける反応ガス流路５の形状を説明する。ここではまず、図２に示す従来の反応ガス流路の形状を説明する。
【００１８】
反応ガスはセパレータ４に形成された反応ガス流路５を流通する際に電極２内に拡散して発電反応に利用される。燃料極２ａ側では、加湿水透過板６を透過した水が、燃料極側セパレータ４ａのリブ部１６を介して燃料極２ａに浸透し、高分子電解質膜３を加湿する。このとき、反応ガスである燃料ガスは、燃料ガス流路５ａの表面から蒸発する水分により加湿される。また、酸化剤極２ｂには、発電反応に伴う生成水が存在するため、酸化剤ガス流路５ｂを流れて酸化剤極２ｂに拡散する空気も加湿される。
【００１９】
しかしながら、反応ガス流量が増大すると燃料ガス流路５ａ表面からの蒸発が活発になり、燃料極２ａに含まれる水分が蒸発により減少する。これは、特に燃料ガスの乾燥が著しい燃料ガス流路５ａの入口付近で顕著であり、この部分で燃料極２ａに面する高分子電解質膜３が乾燥する可能性が生じる。一方、酸化剤極２ｂにおいては、供給される反応ガスに対して発電量が少ない場合には、生成される水の量が反応ガス量に対して少なくなるので、酸化剤極２ｂ内の水分の蒸発が活発化する。この傾向は、燃料極２ａ側と同様に酸化剤ガス流路５ｂの入口付近で顕著であり、この部分の高分子電解質膜３の乾燥につながる。
【００２０】
このように、加湿に用いられる水と反応ガス流量とのバランスが崩れると、反応ガス流路５の入口付近に含まれる水の蒸発が顕著になり、局所的に高分子電解質膜３の乾燥が進む。これにより、反応ガス流路５の入口付近の高分子電解質膜３内を水素イオンが移動しにくくなり、発電効率の低下につながる。
【００２１】
そこで本実施形態では、燃料電池１の断面を図３に示すような構成とすることで、局所的な高分子電解質膜３の乾燥を抑制する。ここでは、発電反応が生じる有効発電範囲１５を反応ガス流路５全体とする。つまり、電極２の反応ガス流路５方向全体に触媒を分布させる、もしくは触媒層を形成する。
【００２２】
有効発電範囲１５のすぐ上流側、ここでは、反応ガス流路５の入口直前に流路断面積減少部材１０を配置する。流路断面積減少部材１０はセル面内に並列させた反応ガス流路５の並び方向に延びる線形状とする。この線形状を断面が円形状である円柱もしくは膜表面の部材により構成し、反応ガス流の上流側からみた場合に、流路断面積減少部材１０の一部が電極２に重なるように配置する。つまり、線形状の流路断面積減少部材１０を反応ガス流路５入口部の電極２側に配置する。
【００２３】
このような流路断面積減少部材１０を配置することで、反応ガス流路５に反応ガスが供給される際に流路断面積減少部材１０の後流に乱流を生じさせて、この部分の反応ガスの圧力を上昇させる。高圧力下では水分の蒸発が生じにくいので、反応ガス流路５の入口部付近で電極２に含まれた水分の過度の蒸発を防ぐことができ、ひいては高分子電解質膜３の乾燥を抑制する。また、流路断面積減少部材１０による反応ガス流の影響がなくなる下流側の反応ガスには、流路断面積減少部材１０の後流の高圧部において穏やかに加湿された反応ガスが含まれているので、過剰な蒸発を抑制することができる。
【００２４】
このとき、燃料極２ａ側では、燃料ガス流路５ａを形成する燃料極側セパレータ４ａに含有している水分が蒸発するため、燃料極２ａの燃料ガス流路５ａの入口付近の部分の水分の蒸発が抑制されるとともに、加えて、燃料極側セパレータ４ａのほぼ全域からの水分の蒸発で燃料ガスが加湿されるので、流路断面積減少部材１０の影響がなくなる下流側でも燃料極２ａからの局部的な水分の蒸発を、同様に抑制することができる。
【００２５】
更にはまた、酸化剤極２ｂにおいても、酸化剤極側セパレータ４ｂを水分保持のできる部材により形成することで、発電に伴って生じる生成水や高分子電解質膜３を透過した水分などを酸化剤極側セパレータ４ｂに含有しておくことができる。これにより、燃料極２ａ側と同様に、高分子電解質膜３からの蒸発が抑えられた酸化剤ガス流路５ｂの入口側で、酸化剤極側セパレータ４ｂに含有された水を用いて酸化剤ガスを加湿することができる。この結果、酸化剤ガス流路５ｂ全域に関して高分子電解質膜３の乾燥を防ぐことができ、高分子電解質膜３の乾燥による発電効率の低下を抑制することができる。
【００２６】
このように、電極２に沿って反応ガスを流通させる複数の反応ガス流路５を、電極２の有効発電範囲１５の上流端付近で、反応ガスの圧力が一時的に上昇するように構成することで、有効発電範囲１５の上流における蒸発を抑制することができる。この結果、電極２により狭持した高分子電解質膜３の乾燥を抑制することができ、これによる発電効率の低下を低減することができる。
【００２７】
また、反応ガス流路５内の有効発電範囲１５の上流端付近に流路断面積減少部材１０を備えることで、流路断面積減少部材１０の後流側の圧力を上昇することができる。これにより有効発電範囲１５の上流部の蒸発を抑えることができるので、高分子電解質膜３の乾燥を抑制して発電効率の低下を低減することができる。
【００２８】
次に、第２の実施形態について説明する。本実施形態の反応ガス流路５の形状を図３に示す。また、電池反応に有効な有効発電範囲１５を、反応ガス流路５の内側の範囲とする。
【００２９】
本実施形態では、流路断面積減少部材１０を電極２の一部とする。流路断面積減少部材１０を有効発電範囲１５、つまり触媒を分布した、もしくは触媒層を形成した範囲のすぐ上流側に配置する。また、流路断面積減少部材１０を、断面が半円の線形状の部材とし、第１の実施形態と同様に単位セル内に平行に形成した反応ガス流路５内の反応ガスの主流に垂直になるように配置する。また、流路断面積減少部材１０を吸湿性の多孔質体により形成する。
【００３０】
このような流路断面積減少部材１０を配置するために、セパレータ４には図５に示すような嵌合部１１を形成する。ここでは流路断面積減少部材１０は並列に配置された反応ガス流路５内部を横断しているので、反応ガス流路５間に形成されるセパレータ４のリブ部１６に流路断面積減少部材１０に嵌合するような溝（嵌合部１１）を形成する。ここに流路断面積減少部材１０を嵌め込むことで、電極２やセパレータ４に余分な圧力をかけずに流路断面積減少部材１０を配置する。
【００３１】
また、このような流路断面積減少部材１０の断面積を単位セルの位置により変化させる。
【００３２】
例えば、燃料電池１を図８に示すような構成とする。つまり、図示しない反応ガスの供給源から供給配管１２を介してマニホールド１３に反応ガスを供給する供給口１４を、単位セルの積層方向の中央部に配置する。マニホールド１３に供給された反応ガスは、積層方向中央部から両端部に向かって流れる際に、各セルの反応ガス流路５に分配される。マニホールド１３内の圧力を考えると、上流側、ここでは供給口１４側の圧力が最も高く、端部に向かうにつれて徐々に小さくなる。そのため、複数積層された単位セルのうち、積層方向中央部に位置する単位セルに多くの反応ガスが供給され、端部にいくに従って分配される反応ガスの流量が少なくなる。よって、反応ガス流路５の入口付近の電極２に含まれる水分は、積層方向中央部に位置する単位セルほど蒸発しやすい。
【００３３】
そこで、マニホールド１３の上流側、ここでは積層方向中央部の単位セルほど、断面積の大きな流路断面積減少部材１０を設ける。これにより、電極２の水分が蒸発しやすい反応ガス流路５に備える流路断面積減少部材１０ほど、その断面積を大きくするので、後流の広い範囲で電極２からの水の蒸発を抑えることができる。
【００３４】
また、例えば、燃料電池１を図７に示すような構成とする。つまり、マニホールド１３への供給口１４をセルの積層方向端部に設け、反応ガスはマニホールド１３内を他端に向かって流れる際に各セルに形成した反応ガス流路５に分配される。このように形成することで、マニホールド１３内は、供給口１４側、図７においては右側が上流側となり、他端側、図７においては左側が下流側となる。図６と同様に、反応ガス流路５に分配される反応ガスの流量はマニホールド１３の上流にいくに従って多くなる。よって、マニホールド１３の上流側にいくに従って、流路断面積減少部材１０の断面積を大きくする。これにより、図６と同様に、電極２の蒸発が過剰に生じやすい部分の反応ガス圧力を上昇させて、水の蒸発を抑えることができる。
【００３５】
ここでは、単位セルの積層方向についての反応ガス流量の分布に応じて、流路断面積減少部材１０の断面の大きさを変化させたが、セル面内の反応ガス流量に分布が生じている場合も同様とすることができる。つまり、反応ガス流路５を流れる反応ガス流量が多いほど流路断面積減少部材１０の断面を大きくすることにより、全ての反応ガス流路５における蒸発を抑制することができる。ただし、流路断面積減少部材１０を同一セル面内の反応ガス流量の分布に応じた形状とする場合には、一つの線形状の流路断面積減少部材１０内で、断面の大きさを変える必要がある。
【００３６】
このように構成することで、第１の実施形態における効果に加えて、以下のような効果を得ることができる。
【００３７】
電極２の一部として流路断面積減少部材１０を形成する。これにより、燃料電池１を組み立てる手順を容易にすることができる。
【００３８】
また、流路断面積減少部材１０を吸湿性の多孔質体により形成することで、余剰水分が発生したときに、流路断面積減少部材１０において水分を保持し、乾燥が進んだ際に保持していた水分を高分子電解質膜３の加湿に用いることができる。また、乾燥した反応ガスが流路断面積減少部材１０に衝突する際に、流路断面積減少部材１０に保持された水分を反応ガスの加湿に用いることができるので、有効発電範囲１５に供給される前に反応ガスの加湿を促進することができる。
【００３９】
また、複数の反応ガス流路５のうち供給される反応ガス流量が多い流路ほど流路断面積減少部材１０の断面を大きくする。これにより、過剰な蒸発が生じ易い流路ほど、その蒸発を抑える効果を大きくすることができるので、電極２からの水分の過剰な蒸発を燃料電池１全体で抑えることができる。その結果、燃料電池１の発電効率を全体的に向上することができる。
【００４０】
また、電極２を狭持するセパレータ４を備え、反応ガス流路５を、セパレータ４の表面に形成した溝により構成する。流路断面積減少部材１０を反応ガス流路５が並ぶ方向に延びる線形状の部材により形成し、セパレータ４の溝の間に形成されるリブ部１６に流路断面積減少部材１０と嵌合する嵌合部１１を形成する。これにより、燃料電池１を組み立てる際に、セパレータ４や電極２に局所的に圧力をかけることによりセパレータ４や電極２が損傷するのを防ぐことができる。
【００４１】
次に、第３の実施形態について説明する。ここに用いる反応ガス流路５の断面を図８に示す。反応ガスの流れ方向に関する電池反応に有効な有効発電範囲１５を、反応ガス流路５の内部側とする。
【００４２】
第２の実施形態と同様に、流路断面積減少部材１０を有効発電範囲１５のすぐ上流側に配置する。ただし、ここで用いる流路断面積減少部材１０の断面を反応ガスの流れに沿って高さが徐々に減少する形状とし、ここでは例えば、直角三角形とする。
【００４３】
このように構成することで、第２の実施形態に加えて以下のような効果が得られる。
【００４４】
流路断面積減少部材１０の高さが、反応ガス流の下流方向に沿って低くなるように流路断面積減少部材１０を形成する。これにより、発電量がガス流量に対して適切な場合に、電極２側から余分な水を適度に蒸発させて除去することができる。
【００４５】
なお、上記実施の形態においては、流路断面積減少部材１０を有効発電範囲１５のすぐ上流側に配置したが、有効発電範囲１５上流部における水分の過剰な蒸発を抑制できる位置であれば、有効発電範囲１５と流路断面積減少部材１０との間に隙間を設けてもよい。
【００４６】
また、前述の如く流路断面積減少部材１０については、反応ガス極の双方の入口部分に設置しても良く、双方の流路で同様の効果が奏されるものである。
【００４７】
このように、本発明は上記実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更が成し得ることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に用いる燃料電池の単位セルの構成を示す図である。
【図２】従来の燃料電池にける反応ガス流路の縦断面を示す図である。
【図３】第１の実施形態に用いる反応ガス流路の縦断面を示す図である。
【図４】第２の実施形態に用いる反応ガス流路の縦断面を示す図である。
【図５】第２の実施形態に用いる反応ガス流路の横断面を示す図である。
【図６】第２の実施形態の断面積減少部材の場所による断面積の変化の例を示す図である。
【図７】第２の実施形態の断面積減少部材の場所による断面積の変化の別例を示す図である。
【図８】第３の実施形態に用いる反応ガス流路の縦断面を示す図である。
【符号の説明】
１　　燃料電池
２　　電極
３　　高分子電解質膜（電解質膜）
４　　セパレータ
５　　反応ガス流路
１０　流路断面積減少部材
１１　嵌合部
１３　マニホールド
１５　有効発電範囲
１６　リブ部（リブ）
【図１】
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【図２】
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【図３】
2004031197.tif 000005
【図４】
2004031197.tif 000006
【図５】
2004031197.tif 000007
【図６】
2004031197.tif 000008
【図７】
2004031197.tif 000009
【図８】
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