(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の一方の面に設けられたアノード電極層と、
前記電解質膜のもう一方の面に設けられたカソード電極層と、
前記アノード電極層及びカソード電極層のうちの一方の電極層に重なり、その電極層に第１反応ガスを供給する第１ガス流路を有する第１のセパレータと、
前記第１のセパレータに隣設され、冷媒が通流する冷却体と、
前記アノード電極層及びカソード電極層のうちの他方の電極層に重なり、その電極層に第２反応ガスを供給する第２ガス流路と、その第２ガス流路の下流に連続し前記冷却体に重なり、第２ガス流路を流れた第２反応ガスに含まれる水分を凝縮可能な凝縮水生成流路と、を有する第２のセパレータと、
を有する燃料電池の反応水回収構造。
【請求項２】
前記凝縮水生成流路は、前記第２反応ガスの流れ方向を面方向で変更する流路である、
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の反応水回収構造。
【請求項３】
前記凝縮水生成流路内に形成され、少なくとも凝縮水生成流路の一部を閉塞する流路閉塞部材を備える、
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池の反応水回収構造。
【請求項４】
前記流路閉塞部材は、表面が親水性の多孔質体で形成される、
ことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池の反応水回収構造。
【請求項５】
前記凝縮水生成流路内に形成され、前記第２反応ガスの流れ方向を積層方向で変更する流れ方向変更部材を備える、
ことを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の燃料電池の反応水回収構造。
【請求項６】
前記流れ方向変更部材は、表面が疎水性の多孔質体で形成される、
ことを特徴とする請求項５に記載の燃料電池の反応水回収構造。
【請求項７】
前記凝縮水生成流路の少なくとも一部の流路断面積は、前記第２ガス流路の流路断面積よりも小さい、
ことを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の燃料電池の反応水回収構造。
【請求項８】
前記第２のセパレータの透過係数は、第２ガス流路部分よりも凝縮水生成流路部分が大きい、
ことを特徴とする請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載の燃料電池の反応水回収構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池の触媒反応によって生成される生成水を回収する構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
たとえば特許文献１の燃料電池は、触媒反応後のカソードガスが流れる反応後カソードガス流路を設け、その反応後カソードガス流路で液水を凝縮して反応水を回収するようにしていた。
【特許文献１】特開２００５−２８５６９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、前述した従来の燃料電池では、反応領域以降のカソードガス流路の流路幅が反応領域におけるカソードガス流路の流路幅に比べて狭く、カソードガスが流れにくかった。反応後カソードガス流路の流路幅を拡幅しては大形化してしまう。
【０００４】
本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、反応ガスがスムーズに流れ、反応水を効率よく回収できる反応水回収構造を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために本発明の実施形態に対応する符号を付するが、これに限定されるものではない。
【０００６】
本発明は、電解質膜(１１ａ)の一方の面に設けられたアノード電極層(１１ｂ)と、前記電解質膜(１１ａ)のもう一方の面に設けられたカソード電極層(１１ｃ)と、前記アノード電極層及びカソード電極層のうちの一方の電極層(１１ｂ)に重なり、その電極層(１１ｂ)に第１反応ガスを供給する第１ガス流路(１２ａ)を有する第１のセパレータ(１２)と、前記第１のセパレータ(１２)に隣設され、冷媒が通流する冷却体(１４)と、前記アノード電極層及びカソード電極層のうちの他方の電極層(１１ｃ)に重なり、その電極層(１１ｃ)に第２反応ガスを供給する第２ガス流路(１３ａ)と、その第２ガス流路(１３ａ)の下流に連続し前記冷却体(１４)に重なり、第２ガス流路(１３ａ)を流れた第２反応ガスに含まれる水分を凝縮可能な凝縮水生成流路(１３ｃ)と、を有する第２のセパレータ(１３)と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、第２のセパレータの凝縮水生成流路に冷却体が重なるように形成されている。第２ガス流路を流れた第２反応ガスには、電極層の触媒反応によって生成された水分が含まれており、また高温になっている。本発明は、上述の構成であるので、第２反応ガスが凝縮水生成流路を流れるときに、冷却体を流れる冷媒によって冷却され、水分が凝縮し、純水流路に回収されることとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下では図面等を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。
（第１実施形態）
図１は、本発明による燃料電池の反応水回収構造の第１実施形態を示す断面図である。
【０００９】
燃料電池スタック１は、複数の発電セル１０を積層し、その両側からエンドプレート４０で挟持する構成である。
【００１０】
発電セル１０は、燃料電池の単位セルである。各発電セル１０は、１ボルト(Ｖ)程度の起電圧を生じる。
【００１１】
発電セル１０は、膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly；以下「ＭＥＡ」という)１１の表裏面にアノードセパレータ１２及びカソードセパレータ１３が積層された構造である。
【００１２】
ＭＥＡ１１は、イオン交換膜からなる電解質膜１１ａの一方の面にアノード電極層１１ｂ(ガス拡散層を含む)が設けられ、もう一方の面にカソード電極層１１ｃ(ガス拡散層を含む)が設けられる。ＭＥＡ１１は、極薄であり数十ミクロン厚程度である。
【００１３】
アノードセパレータ１２は、アノード電極層１１ｂに重なる。アノードセパレータ１２には、アノード電極層１１ｂへの対向面に、アノード電極層１１ｂにアノードガスを供給するアノードガス流路１２ａが形成される。その反対面には、反応ガスを加湿する純水が流れる凹部１２ｂが形成される。アノードセパレータ１２は多孔質体である。なおガス圧力が常に水圧力よりも高く設定されることが望ましい。また、液水を透過しやすくするために、多孔質体に親水処理をすることが望ましい。
【００１４】
カソードセパレータ１３は、カソード電極層１１ｃに重なる。カソードセパレータ１３には、カソード電極層１１ｃへの対向面に、カソード電極層１１ｃにカソードガスを供給するカソードガス流路１３ａが形成される。その反対面には、反応ガスを加湿する純水が流れる凹部１３ｂが形成される。カソードセパレータ１３は、透水性の多孔質体で形成される。なおガス圧力が常に水圧力よりも高く設定されることが望ましい。アノードセパレータ１２の凹部１２ｂ及びカソードセパレータ１３の凹部１３ｂによって、純水が流れる純水流路が形成される。
【００１５】
図２はアノードセパレータを示す図であり、図２(Ａ)はアノード電極層への対向面、図２(Ｂ)はその裏面である。
【００１６】
アノードセパレータ１２は、アノード電極層１１ｂへの対向面に、アノードガス流路１２ａが形成されている。アノードガス流路１２ａは、アノード電極層１１ｂに重なる。アノードガス入口マニホールド２１ａから流入したアノードガスは、アノードガス流路１２ａを流れてアノードガス出口マニホールド２１ｂから流出する。
【００１７】
アノードセパレータ１２は、アノード電極層１１ｂへの対向面の反対面に、純水が流れる純水流路１２ｂが形成される。本実施形態では純水流路１２ｂは、直線流路である。
【００１８】
アノードセパレータ１２に隣設して冷却体１４が設けられる。冷却体１４は、後述のように、凝縮水生成流路１３ｃに重なって凝縮水生成流路１３ｃを流れるカソードガスを冷却する。冷却体１４は高さ(図２の上下長)及び厚さ(図２の奥行長)がアノードセパレータ１２と略同等である。冷却体１４をアノードセパレータ１２と一体成形してもよい。冷却水が流れる冷却水通路１４ａは、冷却体１４に流路が形成されおり、シールキャリアとの間で構成されている。なお冷却水流路１４ａは、アノードガス流路１２ａ及びカソード流路１３ａに冷却水が流出しない構成とすればよい。たとえば、冷却体１４を燃料電池積層方向で２枚のセパレータを重ねることとし、セパレータ間で冷却水流路１４ａを構成してもよい。冷却水入口マニホールド２２ａから流入した冷却水は、冷却水流路１４ａを流れて冷却水出口マニホールド２２ｂから流出する。冷却体１４は緻密な材料で形成される。冷却体１４はたとえば金属製である。なお、一方のセパレータの流路側表面外周に、通常のシリコン、またはゴム等の圧縮ガスケットを配置し、他方のセパレータで挟持することで、反応ガス、冷却水、純水の流路外への流出を防止できる。また、多孔質体で形成されたセパレータにおいては、セパレータ側方外周に液状ガスケットを使用することで、多孔質体から外部への流出を防止できる。
【００１９】
図３はカソードセパレータを示す図であり、図３(Ａ)はカソード電極層への対向面、図３(Ｂ)はその裏面である。
【００２０】
カソードセパレータ１３は、カソード電極層１１ｃへの対向面に、カソードガス流路１３ａが形成されている。カソードガス流路１３ａは、カソード電極層１１ｃに重なる。カソードガス流路１３ａには、カソードガス入口マニホールド２３ａからカソードガスが流入する。
【００２１】
さらにカソードセパレータ１３は、カソード電極層１１ｃへの対向面のカソードガス流路１３ａの下流に凝縮水生成流路１３ｃが連続する。凝縮水生成流路１３ｃは、冷却体１４に重なる。凝縮水生成流路１３ｃは、カソードガス流路１３ａを流れたカソードガスに含まれる水分を凝縮するための流路である。凝縮水生成流路１３ｃを流れるカソードガスが、冷却体１４で冷却されると、カソードガス中に含まれる反応水が凝縮する。本実施形態の凝縮水生成流路１３ｃは、図３(Ａ)に示されているように、カソードガスの流れ方向を面方向で変更するようになっている。すなわち図３(Ａ)ではカソードガス流路１３ａから流れてきたカソードガスが一旦図３(Ａ)の上方へ流れてから下方に流れ、再び上方へ流れてカソードガス出口マニホールド２３ｂから流出するようになっている。このように凝縮水生成流路１３ｃは、蛇行流路で形成される。さらに凝縮水生成流路１３ｃは、カソードガス流路１３ａよりも流路断面積を小さくした。このような構成とすることで、凝縮水生成流路１３ｃのガス流速が速くなり、凝縮成長した液滴が蛇行流路による流路方向変更によって、分離されやすくなる。また蛇行流路を複数備えることでカソードセパレータ１３に液滴が衝突する回数を増加させることができ、液滴とカソードセパレータ１３と接触効率を向上させ、液水回収効率を向上させることができる。カソードセパレータ１３の透過係数は、カソードガス流路１３ａ(より詳しくは、電気化学反応面(反応領域)に対向するガス流路部分)の部分よりも凝縮水生成流路１３ｃの部分が大きく、より液滴の吸収を促進させる部材とすることが望ましい。このようにすれば、一層、液水回収効率が向上し、燃料電池を小形化できるからである。
【００２２】
カソードセパレータ１３は、カソード電極層１１ｃへの対向面の反対面に、純水が流れる純水流路１３ｂが形成される。本実施形態では純水流路１３ｂは、直線流路である。純水入口マニホールド２４ａから流入した純水は、純水流路１３ｂを流れて純水出口マニホールド２４ｂから流出する。
【００２３】
図４は第１実施形態の効果を説明する図であり、図１のIV-IV断面に相当する図である。
【００２４】
上述のように、アノードセパレータ１２のアノードガス流路１２ａは、ＭＥＡ１１のアノード電極層１１ｂに重なる。そして冷却体１４がアノードセパレータ１２に隣設される。カソードセパレータ１３は、カソードガス流路１３ａがＭＥＡ１１のカソード電極層１１ｃに重なり、カソードガス流路１３ａの下流に凝縮水生成流路１３ｃが連続する。カソードセパレータ１３の凝縮水生成流路１３ｃは、冷却体１４に重なる。
【００２５】
カソードガス流路１３ａを流れたカソードガスには、カソード電極層１１ｃの触媒反応によって生成された水分が含まれており、また高温になっている。本実施形態は上述の構成であるので、カソードガスが凝縮水生成流路１３ｃを流れるときに、冷却体１４を流れる冷却水(冷媒)によって冷却され、水分が凝縮する。特に本実施形態の凝縮水生成流路１３ｃは、上述の通り、カソードガスの流れ方向を面方向で変更するようになっている。そこで、凝縮水生成流路１３ｃを流れるカソードガスは、流れ方向が変更されるたびに凝縮水生成流路１３ｃの壁面に衝突し、その壁面に液水となって付着しやすくなる。そしてカソードセパレータ１３は、透水性の多孔質体で形成されているので、壁面に付着した液水が、凝縮水生成流路１３ｃの裏面に形成されている純水流路１３ｂに移動し、純水流路１３ｂに回収される。
【００２６】
また本実施形態では、冷却体１４を流れる冷却水の流れ方向は、カソードガス流路１３ａを流れるカソードガスの流れ方向と逆方向である。したがって冷却水は、一層効率的にカソードガスを冷却することができ、液水を凝縮させやすい。この場合、反応ガスは、ＭＥＡ１１において触媒上に設けられているガス拡散層を通して、カソードガス出口マニホールド２３ｂに排気される。
【００２７】
（第２実施形態）
図５は、本発明による燃料電池の反応水回収構造の第２実施形態を示すカソードセパレータの平面図である。
【００２８】
なお以下では前述と同様の機能を果たす部分には同一の符号を付して重複する説明を適宜省略する。
【００２９】
本実施形態のカソードセパレータ１３の凝縮水生成流路１３ｃは、直線流路である。そして凝縮水生成流路１３ｃの下流側に、凝縮水生成流路１３ｃを閉塞する流路閉塞部材３１を設けた。流路閉塞部材３１は、表面が親水性の多孔質体で形成される。
【００３０】
このような構成になっているので、凝縮水生成流路１３ｃを流れて凝縮した液水は、流路閉塞部材３１に衝突する。そして流路閉塞部材３１が親水性多孔質体であるので、液水をトラップする効率が向上し、かつ多孔質体に液水が留まらない。そして流路閉塞部材３１からカソードセパレータ１３に導かれ、凝縮水生成流路１３ｃの裏面に形成されている純水流路１３ｂに移動し、純水流路１３ｂに回収される。
【００３１】
（第３実施形態）
図６は、本発明による燃料電池の反応水回収構造の第３実施形態を示す図であり、図６(Ａ)はカソードセパレータのカソード電極層への対向面側を示す平面図、図６(Ｂ)は積層状態を示す断面図である。
【００３２】
本実施形態のカソードセパレータ１３の凝縮水生成流路１３ｃは、直線流路である。そして凝縮水生成流路１３ｃの下流側に流路閉塞部材３２を設けた。また凝縮水生成流路１３ｃの下流側は、リブ高さが低められており、この低部分に表面が疎水性の多孔質体３３が設けられている。
【００３３】
このような構成になっているので、凝縮水生成流路１３ｃを流れて凝縮した液水は、疎水性多孔質体３３に衝突して気液分離する。このように多孔質体３３を疎水性にしておくことで液水をフィルタリングしやすく、より液水回収効率を向上できる。そして、流路閉塞部材３２に衝突するので、カソードガスとともに流出していく液水を一層回収しやすくなる。このように簡単な構成で、より体積効率、コスト効率を向上できるのである。
【００３４】
以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明の技術的範囲に含まれることが明白である。
【００３５】
たとえば、上記実施形態では、カソードガス中に含まれる水分を回収する構造を例示したが、カソード側／アノード側の構成を逆にすれば、同様の構成でアノードガス中に含まれる水分を回収できる。
【００３６】
また第１実施形態においては、凝縮水生成流路１３ｃを蛇行流路として例示したが、直線流路であってもよい。また第２実施形態や第３実施形態においては、凝縮水生成流路１３ｃを直線流路として例示したが、第１実施形態のような蛇行流路であってもよい。
【００３７】
さらに凝縮水生成流路１３ｃの少なくとも一部の流路断面積を、カソードガス流路１３ａの流路断面積よりも小さくすれば、凝縮水生成流路１３ｃを流れるガス流速が上がり、凝縮成長した液滴をより分離しやすくすることができる。
【００３８】
さらにまたカソードセパレータ１３の透過係数は、カソードガス流路１３ａの部分よりも、凝縮水生成流路１３ｃの部分のほうで大きくすれば、一層、液水回収効率、熱伝達率が向上し、燃料電池を小形化できる。なお透過係数の大小は、多孔体セパレータがさらされるガス−純水最大差圧と、ガス−純水最低差圧と、の範囲から決定される細孔径範囲から決定することができる。
【００３９】
また上記実施形態では、多孔体を挿入しているが、ＭＥＡのガス拡散層をこの多孔体に代用してもよい。
【００４０】
さらにまた図７に示すように、冷却水の流れ方向が、カソードガスの流れ方向に直交するように、冷却水通路１４ａを形成してもよい。具体的には冷却水入口マニホールド２２ａの位置を変更すればよい。
【００４１】
また凝縮水生成流路１３ｃに対する冷却体１４の接触面積ができるだけ大きいことが望ましいので、積層した場合に、冷却水通路１４ａと凝縮水生成流路１３ｃとが、できるだけ重なるような構造とすることが望ましい。
【００４２】
さらに熱交換効率、反応水回収効率を向上させるには、ガス流路の表面積を大きくすることが望ましい。そのため、流路にフィン、凹凸、突起物等を設けるとよい。
【００４３】
さらにまた上記実施形態においては、冷却体１４をカソードセパレータ１３の凝縮水生成流路１３ｃに直接重ねていたが、間に緩衝材を設けてもよい。このようにすれば、冷却体１４とカソードセパレータ１３との接触面積が向上し、熱伝導率が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明による燃料電池の反応水回収構造の第１実施形態を示す断面図である。
【図２】アノードセパレータを示す図である。
【図３】カソードセパレータを示す図である。
【図４】第１実施形態の効果を説明する図である。
【図５】本発明による燃料電池の反応水回収構造の第２実施形態を示すカソードセパレータの平面図である。
【図６】本発明による燃料電池の反応水回収構造の第３実施形態を示す図である。
【図７】冷却水通路の変形形態を説明する図である。
【符号の説明】
【００４５】
１  燃料電池スタック
１０  発電セル
１１  ＭＥＡ
１１ａ  電解質膜
１１ｂ  アノード電極層
１１ｃ  カソード電極層
１２  アノードセパレータ(第１のセパレータ)
１２ａ  アノードガス流路(第１ガス流路)
１２ｂ  純水流路
１３  カソードセパレータ(第２のセパレータ)
１３ａ  カソードガス流路(第２ガス流路)
１３ｂ  純水流路
１３ｃ  凝縮水生成流路
１４  冷却体
１４ａ  冷却水通路
３１  流路閉塞部材
３２  流路閉塞部材
３３  疎水性多孔質体(流れ方向変更部材)
【図１】
0005125455.tif 000002
【図２】
0005125455.tif 000003
【図３】
0005125455.tif 000004
【図４】
0005125455.tif 000005
【図５】
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【図６】
0005125455.tif 000007
【図７】
0005125455.tif 000008