(57)【要約】【課題】セル電圧及びスタック電圧の効率を向上させる。【解決手段】本発明の燃料電池のセルは、膜電極接合体５とセパレータ４とを備えている。膜電極接合体５は、電解質膜５ａと、電解質膜５ａの一面に接合されて空気が供給されるカソード極５ｂと、電解質膜５ａの他面に接合されて燃料が供給されるアノード極５ｃとからなる。セパレータ４は、カソード極５ｂ側に空気室を形成するとともに、アノード極５ｃ側に燃料室を形成するように膜電極接合体５を挟持する対をなすものである。第１網材２の線材間に形成される空気室は、上流域が下流域よりも連通面積が小さくなるように形成されている。【選択図】図１
2007273100.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜と、該電解質膜の一面に接合されて空気が供給されるカソード極と、該電解質膜の他面に接合されて燃料が供給されるアノード極とを有する膜電極接合体と、
該カソード極側に空気室を形成するとともに、該アノード極側に燃料室を形成するように該膜電極接合体を挟持する対をなす導電性材料製のセパレータとを備えている燃料電池のセルにおいて、
前記空気室は、上流域が下流域よりも連通面積が小さくなるように形成されていることを特徴とする燃料電池のセル。
【請求項２】
前記セパレータは、導電性材料製のプレートと、該プレートの一面に設けられ、導電性及び親水性を有し、かつ多くの空孔を有する多孔質状に形成され、各該空孔に前記空気室を構成する網材とを有している請求項１記載の燃料電池のセル。
【請求項３】
前記網材は、導電性の線材と親水性の線材とによって、三次元の網目状に形成され、該線材間に前記空気室が形成されている請求項２記載の燃料電池のセル。
【請求項４】
前記網材には、前記プレート側に吸水性の貯水層が形成されている請求項２又は３記載の燃料電池のセル。
【請求項５】
前記膜電極接合体は、前記電解質膜側に位置する触媒層からなり、該触媒層と前記網材とが接合されている請求項２乃至４のいずれか１項記載の燃料電池のセル。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項記載のセルを多数積層してなることを特徴とする燃料電池のスタック。
【請求項７】
請求項６記載のスタックと、各前記空気室に前記空気を供給する空気供給装置と、各前記燃料室に前記燃料を供給する燃料供給装置とを備え、
前記スタックは各前記空気室が上下方向に延びており、前記空気供給装置は各該空気室に下方から前記空気を供給することを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池のセル及びスタック並びに燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１開示の一般的な燃料電池のスタックは、図８に示すように、複数のセル１０が積層されてなる。各セル１０は、導電性材料製のセパレータ１２、膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）１１及びセパレータ１２によって構成されている。スタックにおいては、隣り合うセル１０はセパレータ１２を共通にしている。
【０００３】
各膜電極接合体１１は、ナフィオン（登録商標、Nafion（Dupon社製））等の固体高分子膜からなる電解質膜１１ａと、この電解質膜１１ａの一面に接合されて空気が供給されるカソード極１１ｂと、電解質膜１１ａの他面に接合されて燃料が供給されるアノード極１１ｃとを有している。
【０００４】
図９に示すように、カソード極１１ｂは、電解質膜１１ａ側に位置し、カーボン粒子に触媒が担持された触媒担持カーボンと電解質とを有する触媒層１３ａと、触媒層１３ａに隣接して空気を拡散する拡散層１３ｂとからなる。アノード極１１ｃは、電解質膜１１ａ側に位置し、触媒担持カーボンと電解質とを有する触媒層１４ａと、触媒層１４ａに隣接して燃料を拡散する拡散層１４ｂとからなる。
【０００５】
図８に示すように、各セパレータ１２は各膜電極接合体１１を間に挟んで積層される。個々のセパレータ１２における各カソード極１１ｂ側の一面には空気室１２ｂが複数本の溝状に形成されており、各アノード極１１ｃ側の他面には燃料室１２ｃが複数本の溝状に形成されている。各空気室１２ｂ及び各燃料室１２ｃは、ともに溝状に形成されていることから、上流域から下流域まで連通面積が等しく形成されている。また、各空気室１２ｂと各燃料室１２ｃとは逆方向又は互いに直交する方向に延びている。スタックに供給される空気は各セル１０の全ての空気室１２ｂを流通するようになっており、スタックに供給される燃料は各セル１０の全ての燃料室１２ｃを流通するようになっている。
【０００６】
このスタックは、各空気室１２ｂに空気を供給する空気ブロワ等の空気供給装置と、各燃料室１２ｃに燃料としての水素を供給する水素タンク等の燃料供給装置とともに、燃料電池システムとされる。そして、この燃料電池システムは、スタックにおいて、空気室１２ｂに供給される空気と、燃料室１２ｃに供給される燃料との電気化学反応を生じる。具体的には、アノード極１１ｃで得られた水素イオンがプロトン（Ｈ3Ｏ+）の形態で水分を含んだ電解質膜１１ａ中をカソード極１１ｂ側に移動し、カソード極１１ｂで空気中の酸素と反応し、水を生成する。一方、アノード極１１ｃで得られた電子は負荷を通ってカソード極１１ｂ側に移動する。こうして、このスタックにおいては、起電力を生じる。
【０００７】
この際、多くのスタックでは、良好な発電状態を維持するため、空気室１２ｂ内を加湿し、各セル１０の電解質膜１１ａを適度に湿潤させることがなされている。なぜなら、電解質膜１１ａが乾燥してしまうと、燃料室１２ｃから電解質膜１１ａを介して空気室１２ｂへプロトンが移動することが阻害されることとなり、その結果、セル１０の発電能力が低下するからである。そして、その状態が継続すれば、スタックに回復困難な性能低下や故障が生じ得るからである。
【０００８】
【特許文献１】特開平３−２９５１７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、発明者の知見によれば、従来のセル１０は、空気室１２ｂの上流域において、それ以外の部分と比べ、ドライアップが生じやすい。空気室１２ｂの上流域以外の部分では、カソード極１１ｂで生じる生成水の量が多いのであるが、空気室１２ｂの上流域では、順次大気から空気が供給され、上流域の流速が他の部分と比べて大きいことから、電解質１１ａ内の含水率が低下すると考えられるからである。
【００１０】
かといって、空気室１２ｂの上流域に対し、より積極的に加湿の水を供給することとすれば、その位置のカソード極１１ｂに空気が供給され難くなったり、その位置のアノード極１１ｃに燃料が供給され難くなったりしてしまう。
【００１１】
このため、従来のセルは、アノード極１１ｃ及びカソード極１１ｂに過電圧の上昇する部位が発生し易く、その場合にはセル電圧が低下してしまう。このため、複数のセル１０が積層されたスタックにおいては、十分なスタック電圧を生じ難い。
【００１２】
本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、セル電圧及びスタック電圧の効率を向上させることを解決すべき課題としている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の燃料電池のセルは、電解質膜と、該電解質膜の一面に接合されて空気が供給されるカソード極と、該電解質膜の他面に接合されて燃料が供給されるアノード極とを有する膜電極接合体と、
【００１４】
該カソード極側に空気室を形成するとともに、該アノード極側に燃料室を形成するように該膜電極接合体を挟持する対をなす導電性材料製のセパレータとを備えている燃料電池のセルにおいて、
【００１５】
前記空気室は、上流域が下流域よりも連通面積が小さくなるように形成されていることを特徴とする。
【００１６】
上流域が下流域よりも連通面積が小さくなるように形成された空気室、例えばディフューザ（Diffuser）形状の空気室では、空気の流れる方向と垂直な方向である膜電極接合体側及びセパレータの壁面側において、静圧が上流域で低く、下流域で高くなる。このため、本発明のセルでは、空気室の膜電極接合体側及びセパレータの壁面側において、下流域から上流域に向かって生成水等の水が流れ、空気室の上流域におけるドライアップを緩和する。なお、空気室は空気を下流側に向かって流通可能であるため、上流域における電気化学反応は阻害されない。
【００１７】
このため、このセルでは、空気室の上流域に対して加湿の水をより積極的に供給する必要がないことから、カソード極全体に空気が好適に供給される。このため、カソード極全体が好適に電気化学反応を生じ、セル電圧の効率が向上する。そして、複数のセルを積層したスタックにおいては、十分なスタック電圧を生じる。
【００１８】
したがって、本発明のセルによれば、セル電圧及びスタック電圧の効率が向上する。
【００１９】
セパレータは、導電性材料製のプレートと、プレートの一面に設けられ、導電性及び親水性を有し、かつ多くの空孔を有する多孔質状に形成され、各空孔に空気室を構成する網材とを有し得る。
【００２０】
この場合、網材の表面張力によって生成水等の水が厚さ方向に拡散し、水が詰まり難い。このため、このセルにおいては、空気の圧力損失を生じ難く、優れた供給性を発揮できる。このため、このセルにおいては、優れた集電性も発揮できる。
【００２１】
網材は、導電性の線材と親水性の線材とによって、三次元の網目状に形成され、線材間に空気室が形成されることもできる。導電性の線材としては、通常のニッケル、チタン、ＳＵＳ、タンタル、カーボン等の導電性繊維を採用することができる。また、親水性の線材としては、金属酸化物のウィスカー、植物繊維等を採用することができる。導電性及び親水性の線材としては、親水処理したニッケル、チタン、ＳＵＳ、タンタル、カーボン等の導電性繊維を採用することができる。親水処理としては、アルカリ処理、表面の酸化処理等を採用することができる。
【００２２】
網材には、プレート側に吸水性の貯水層が形成されていることが好ましい。この場合、網材の厚さ方向に拡散した水が貯水層に集められ、静圧によって上流側に流れやすい。
【００２３】
膜電極接合体は、電解質膜側に位置する触媒層からなり、触媒層と網材とが接合されているものであり得る。セパレータの網材が従来の拡散層の役割を担うことができるからである。この場合、膜電極接合体の構造が簡易になり、製造コストの低廉化を実現することができる。
【００２４】
本発明の燃料電池のスタックは、上記本発明のセルを多数積層してなることを特徴とする。このスタックによれば、スタック電圧の効率を向上させることが可能である。
【００２５】
また、本発明の燃料電池システムは、上記本発明のスタックと、各前記空気室に前記空気を供給する空気供給装置と、各前記燃料室に前記燃料を供給する燃料供給装置とを備え、
【００２６】
前記スタックは各前記空気室が上下方向に延びており、前記空気供給装置は各該空気室に下方から前記空気を供給することを特徴とする。
【００２７】
本発明の燃料電池システムでは、スタックの各空気室が上下方向に延び、空気供給装置は、各空気室に対し、下方から空気を供給する。この場合、各空気室の下流側で生じた生成水が重力によって空気室の上流域を潤し、そこでのドライアップをより効果的に緩和する。また、過剰な水を重力によって効果的に空気室から下方に排出し、そこでのフラッディングも防止する。プレート側に貯水層が形成されている場合には、特にこれらの作用が顕著となる。また、各空気室の上流域で生じた生成水は、周囲の未反応の空気より軽い水蒸気となって上方に位置する下流域に移動し、空気室から排出されるため、空気室の下流域でのフラッディングも生じ難い。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明を具体化した実施例１、２を図面を参照しつつ説明する。
【実施例１】
【００２９】
実施例１の燃料電池のスタックは、図１〜３に示すように、プレート１、第１網材２及び第３網材３からなるセパレータ４と、一対のセパレータ４によって挟まれて積層される膜電極接合体５とを採用している。
【００３０】
プレート１は、空気の流れる方向を上下とした場合、垂直に延びる両側面１ａ、１ｂを有している。両側面１ａ、１ｂは、上辺が短く、下辺が長い台形をしている。プレート１の第１網材２側の面１ｃは、空気の流れる方向に対し、上方に向かう程離れるように傾斜した斜面になっている。プレート１の第１網材２とは逆側の面１ｄには、図３に示すように、凹部１ｅが凹設されている。
【００３１】
図２に示すように、第１網材２は、チタン繊維からなる導電性及び親水性の線材によって三次元の網目状に形成されている。この第１網材２はプレート１の上下を入れ替えた形状をしている。すなわち、第１網材２は、空気の流れる方向を上下とした場合、垂直に延びる両側面２ａ、２ｂを有している。両側面２ａ、２ｂは、上辺が長く、下辺が短い台形をしている。第１網材２のプレート１側の面２ｃは、空気の流れる方向に対し、上方に向かう程離れるように傾斜した斜面になっている。第１網材２のプレート１側の面２ｃには吸水性のある貯水層２ｄが形成されている。第１網材２のプレート１とは逆側の面１ｅは垂直にされている。
【００３２】
図３に示すように、第２網材３も、チタン繊維からなる導電性及び親水性の線材によって三次元の網目状に形成されている。この第２網材３は平板状をしている。第２網材３のプレート１側の面には吸水性のある貯水層３ａが形成されている。
【００３３】
第１網材２は、図１及び図３に示すように、貯水層２ｄがプレート１の斜面１ｃに当接する状態で設けられ、これによって線材間に上流域が下流域よりも連通面積が小さくなるディフューザ形状の空気室が形成されている。一方、第２網材３は、図３に示すように、貯水層３ａがプレート１の凹部１ｅの底面に当接する状態で設けられ、これによって線材間に燃料室が形成されている。
【００３４】
図４に膜電極接合体５の断面の一部を示す、この膜電極接合体５は、固体高分子膜からなる電解質膜５ａと、この電解質膜５ａの一面に接合されて空気が供給されるカソード極５ｂと、電解質膜５ａの他面に接合されて燃料が供給されるアノード極５ｃとを有している。カソード極５ｂ及びアノード極５ｃは、電解質膜５ａ側に位置する触媒層からなり、触媒層に隣接する従来のような拡散層を有さない。
【００３５】
図５に示すように、プレート１、第１網材２、膜電極接合体５及び第２網材３によってセルが構成される。複数のセルがハウジング７内で積層されることによってスタック６が構成される。スタック６では、各空気室が上下方向に延び、各燃料室が水平方向に延びている。全ての空気室に連通する空気通路６ａは上方で水平に設けられているとともに、全ての空気室に連通する空気通路６ｂが下方で水平に設けられている。また、全ての燃料室に連通する燃料通路が空気通路６ａ、６ｂと９０°ずれて水平方向に設けられている。
【００３６】
図６に示すように、空気ブロワ３０はスタック６の下方に位置する吸引口に空気を吹き込むように設けられており、空気ブロワ３０から供給された空気は全ての空気室に下方から導かれるようになっている。また、スタック６は各空気室から排出された排気を上方から排気されるようになっている。
【００３７】
また、スタック６の燃料通路には、バルブ３２を介して水素タンク３１が接続されている。そして、スタック６の両端のプレート１は自動車のモータ等の負荷３５に電気的に接続され、スタック６の側端はポンプ３６によって冷却水が循環するようにラジエータ３７に接続されている。こうして燃料電池システムが構成されている。
【００３８】
以上のように構成されたスタック６においては、空気室に供給される空気と、燃料室に供給される水素との電気化学反応により、起電力を生じる。そして、カソード極５ｂには生成水を生じる。また、空気室内は加湿される。
【００３９】
この際、ディフューザ形状の空気室では、空気の流れる方向と垂直な方向である膜電極接合体５側及びプレート１の斜面１ｃ側において、静圧が上流域で低く、下流域で高くなる。このため、この燃料電池システムでは、空気室の膜電極接合体５側及びプレート１の斜面１ｃ側において、下流域から上流域に向かって生成水等の水が流れ、空気室の上流域におけるドライアップを緩和する。なお、空気室は空気を下流側に向かって流通可能であるため、上流域における電気化学反応は阻害されない。
【００４０】
このため、この燃料電池システムでは、空気室の上流域に対して加湿の水をより積極的に供給する必要がないことから、カソード極５ｂ全体に空気が好適に供給される。このため、カソード極５ｂ全体が好適に電気化学反応を生じ、セル電圧の効率が向上する。そして、複数のセルを積層したスタック６においては、十分なスタック電圧を生じる。
【００４１】
また、この燃料電池システムでは、スタック６の各空気室が上下方向に延び、空気ブロア３０は、各空気室に対し、下方から空気を供給する。この場合、各空気室の下流側で生じた生成水が重力によって空気室の上流域を潤し、そこでのドライアップをより効果的に緩和する。また、過剰な水を重力によって効果的に空気室から下方に排出し、そこでのフラッディングも防止する。特に、この燃料電池システムでは、第１網材２のプレート１側に貯水層２ｄを設けているため、第１網材２の厚さ方向に拡散した水が貯水層２ｄに集められ、静圧によって上流側に流れやすい。また、各空気室の上流域で生じた生成水は、周囲の未反応の空気より軽い水蒸気となって上方に位置する下流域に移動し、空気室から排出されるため、空気室の下流域でのフラッディングも生じ難い。
【００４２】
したがって、この燃料電池システムでは、セル電圧が低下し難く、十分なスタック電圧を安定して生じ易くなっている。
【００４３】
また、この燃料電池システムでは、第１、２網材２、３の線材による表面張力によって生成水や残留水が厚さ方向に拡散し、生成水や残留水が詰まり難い。このため、この燃料電池システムにおいては、空気及び水素の圧力損失を生じ難く、優れた供給性を発揮できる。また、この空気室及び燃料室では、線材による表面張力によって生成水や残留水が厚さ方向に拡散して乾き難く、また安定した接触面積を確保できる。このため、この燃料電池システムにおいては、優れた集電性も発揮できる。特に、この燃料電池システムでは、第１、２網材２、３のプレート１側に貯水層２ｄ、３ａが形成されているため、一時的な水不足が生じた時に貯水層２ｄ、３ａが電極の乾きを抑える。
【００４４】
また、このスタック６においては、膜電極接合体５のカソード極５ｂ及びアノード極５ｃが触媒層だけからなることから、膜電極接合体５の構造が簡易であり、製造コストの低廉化を実現することもできる。なお、このスタック１において、図９に示す膜電極接合体１１を採用することも可能である。
【実施例２】
【００４５】
実施例２のスタックは、図７に示すように、プレート１０、第１網材２０、図示しない第３網材及び膜電極接合体５０を採用している。
【００４６】
プレート１０は、空気の流れる方向を上下とした場合、垂直に延びる側面１０ａと、下方ほどその側面１０ａに近づく側面１０ｂとを有している。第１網材２０はプレート１０の上下を入れ替えた形状をしている。すなわち、第１網材２０は、空気の流れる方向を上下とした場合、垂直に延びる側面２０ａと、下方ほどその側面２０ａに近づく側面２０ｂとを有している。第１網材２０のプレート１０側の面には吸水性のある貯水層２０ｃが形成されている。膜電極接合体５０は、台形板形状をしている。
【００４７】
プレート１０、第１網材２０、第３網材及び膜電極接合体５０の下方にはインテークマニホールド８が設けられている。インテークマニホールド８の下方には、空気ブロワ３０から供給される空気を第１網材２０の線材間からなる空気室に導くための開口８ａが形成されている。なお、プレート１０、第１網材２０、第３網材及び膜電極接合体５０の上方には図示しないエキゾーストマニホールドが設けられている。他の構成は実施例１と同様である。
【００４８】
この燃料電池システムの空気室は、上流域が下流域よりも連通面積が一層小さくされている。このため、この燃料電池システムでは、静圧が上流域でより低く、下流域でより高くなるため、一層本発明の作用効果を生じる。他の作用効果は実施例１と同様である。
【００４９】
以上において、本発明を実施例１、２に即して説明したが、本発明は上記実施例１、２に制限されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更して適用できることはいうまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明は、電気自動車等の移動用電源、屋外据え置き用電源、ポータブル電源等の燃料電池システムに利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】実施例１のセルの分解斜視図である。
【図２】実施例１に係る第１網材の断面図である。
【図３】実施例１のセルの断面図である。
【図４】実施例１のセルに係る膜電極接合体の模式拡大一部断面図である。
【図５】実施例１のスタックの断面図である。
【図６】実施例１の燃料電池システムの構成図である。
【図７】実施例２のセルの分解斜視図である。
【図８】従来のセルの分解斜視図である。
【図９】従来の膜電極接合体の模式拡大一部断面図である。
【符号の説明】
【００５２】
５…膜電極接合体
５ａ…電解質膜
５ｂ…カソード極
５ｃ…アノード極
４…セパレータ
１、１０…プレート
２、２０…第１網材
２ｄ、２０ｃ…貯水層
６…スタック
３０…空気ブロワ（空気供給装置）
３１…水素タンク（水素供給装置）
【図１】
2007273100.tif 000003
【図２】
2007273100.tif 000004
【図３】
2007273100.tif 000005
【図４】
2007273100.tif 000006
【図５】
2007273100.tif 000007
【図６】
2007273100.tif 000008
【図７】
2007273100.tif 000009
【図８】
2007273100.tif 000010
【図９】
2007273100.tif 000011