(57)【要約】【課題】簡単且つコンパクトな構成で、反応ガス流路の下流側の滞留水を確実に排出することを可能にする。【解決手段】電解質膜・電極構造体１２は、固体高分子電解質膜４０と、前記固体高分子電解質膜４０を挟持するカソード側電極４２及びアノード側電極４４とを備える。カソード側電極４２及びアノード側電極４４は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層４２ａ、４４ａと、電極触媒である白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層４２ａ、４４ａの表面に一様に塗布して形成される第１電極触媒層４２ｂ、４４ｂと、酸化剤ガス流路２６の出口バッファ部２８ｂ及び燃料ガス流路３０の出口バッファ部３２ｂに対応し且つ前記第１電極触媒層４２ｂ、４４ｂよりも少量の電極触媒を設けることにより形成される第２電極触媒層４２ｃ、４４ｃとを有する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体とセパレータとを有し、前記セパレータは、電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路が形成されるとともに、前記反応ガス流路の少なくとも下流側に出口バッファ部が設けられる燃料電池であって、
前記電解質・電極構造体は、前記反応ガス流路に対応して電極触媒を設けることにより形成される第１電極触媒層と、
前記出口バッファ部に対応して前記第１電極触媒層よりも少量の電極触媒を設けることにより形成される第２電極触媒層と、
を有することを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体とセパレータとを有し、前記セパレータは、電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路が形成されるとともに、前記反応ガス流路の少なくとも下流側に出口バッファ部が設けられる燃料電池の排水方法であって、
前記反応ガス流路に反応ガスを供給することにより、電極面で発電を行う工程と、
前記出口バッファ部に対応して前記電極面よりも少量の電極触媒を設けることにより形成される発熱面に、前記電極面に沿って移動した前記反応ガスが供給されることにより、前記発熱面の発熱作用下に前記出口バッファ部から生成水を除去する工程と、
を有することを特徴とする燃料電池の排水方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体とセパレータとを有し、前記セパレータは、電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路が形成されるとともに、前記反応ガス流路の少なくとも下流側に出口バッファ部が設けられる燃料電池及びその排水方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜（電解質）の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体を、セパレータによって挟持した発電セルを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の発電セルを積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
上記の燃料電池では、セパレータの面内に、アノード側電極に燃料ガスを流すための燃料ガス流路（以下、反応ガス流路ともいう）と、カソード側電極に酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路（以下、反応ガス流路ともいう）とが設けられている。さらに、各発電セル毎又は複数の発電セル毎に、冷却媒体を流すための冷却媒体流路がセパレータの面方向に沿って設けられている。
【０００４】
この種の燃料電池は、発電反応によりカソード側電極に生成水が発生する一方、アノード側電極には、前記生成水が逆拡散している。このため、反応ガス流路の下端側には、水分が凝縮して滞留し易く、凝縮水によるフラッディングが惹起するおそれがある。
【０００５】
そこで、例えば、特許文献１に開示されている固体高分子電解質燃料電池では、図５に示すように、電解質１の両面側にアノード極２ａ、カソード極２ｂがそれぞれ配置される積層体３と、前記積層体３のアノード極２ａ側に設けられ、前記アノード極２ａに燃料を供給する燃料流路４ａを有する燃料配流板４と、前記積層体３のカソード極２ｂ側に設けられ、前記カソード極２ｂに酸化剤を供給する酸化剤流路５ａを有する酸化剤配流板５とを具備している。
【０００６】
そして、酸化剤配流板５の酸化剤流路５ａの深さあるいは幅の少なくともいずれかを酸化剤の上流流路域から下流流路域に沿って徐々に小さくしている。このため、酸化剤の下流流路域での流速が早くなり、カソード極２ｂ側での生成水や移動水の排出が良好になり、さらに酸化剤中の酸素のガス拡散も良好となり、安定した電池反応を維持できる、としている。
【０００７】
【特許文献１】特開平６−２６７５６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記の特許文献１では、酸化剤流路５ａの深さや幅を変更させるため、酸化剤配流板５の厚さや面方向の寸法が大きくなるおそれがある。しかも、酸化剤流路５ａの溝形状が複雑化するとともに、酸化剤配流板５の製造コストが高騰して経済的ではないという問題がある。
【０００９】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単且つ経済的な構成で、反応ガス流路の下流側に滞留し易い生成水を確実に排出することが可能な燃料電池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】
【００１０】
本発明は、電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体とセパレータとを有し、前記セパレータは、電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路が形成されるとともに、前記反応ガス流路の少なくとも下流側に出口バッファ部が設けられる燃料電池に関するものである。
【００１１】
電解質・電極構造体は、反応ガス流路に対応して電極触媒を設けることにより形成される第１電極触媒層と、出口バッファ部に対応して前記第１電極触媒層よりも少量の電極触媒を設けることにより形成される第２電極触媒層とを有している。
【００１２】
また、本発明は、電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体とセパレータとを有し、前記セパレータは、電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路が形成されるとともに、前記反応ガス流路の少なくとも下流側に出口バッファ部が設けられる燃料電池の排水方法に関するものである。
【００１３】
この排水方法は、反応ガス流路に反応ガスを供給することにより、電極面で発電を行う工程と、出口バッファ部に対応して前記発電面よりも少量の電極触媒を設けることにより形成される発熱面に、前記電極面に沿って移動した前記反応ガスが供給されることにより、前記発熱面の発熱作用下に前記出口バッファ部から生成水を除去する工程とを有している。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、入口バッファ部から反応ガス流路に反応ガスを供給することにより、第１電極触媒層（電極面）で発電が行われる。この発電時の生成水は、反応ガス流路の下流側に設けられる出口バッファ部に移動する一方、この出口バッファ部に対応して形成される第２電極触媒層（発熱面）は、残余の反応ガスが供給されることにより発電し、発熱する。
【００１５】
従って、出口バッファ部に移動した生成水は、気化して結露することがなく、前記出口バッファ部から良好に除去される。これにより、反応ガスは、反応ガス流路に沿って円滑に流れることができ、効率的な発電が確実に遂行可能になる。
【００１６】
さらに、第２電極触媒層（発熱面）は、第１電極触媒層（電極面）よりも少量（単位面積量で少量）の電極触媒を設けて形成されている。このため、第２電極触媒層（発熱面）では、活性化過電圧が増加して発熱量が大きくなり、生成水が気化し易くなり、排水性が向上するとともに、電極触媒量が削減されて経済的である。
【００１７】
しかも、第２電極触媒層（発熱面）は、出口バッファ部に対応する部位にのみ設けられており、入口バッファ部に対応する部位には、電極触媒が使用されていない。従って、コストの削減が容易に図られるとともに、入口バッファ部に対応して発電されることがなく、発電時の生成水が、反応ガスの流配性を低下させることを回避することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池１０の要部分解斜視説明図である。燃料電池１０は、単セルで、又は複数の単セルを積層してスタックとして構成されるが、以下、便宜上単セルとして説明する。
【００１９】
燃料電池１０は、電解質膜・電極構造体１２が、カソード側の第１セパレータ１４とアノード側の第２セパレータ１６とに挟持される。第１及び第２セパレータ１４、１６は、例えば、カーボンセパレータで構成される。
【００２０】
なお、第１及び第２セパレータ１４、１６は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した緻密質の金属プレートにより構成してもよい。
【００２１】
燃料電池１０の長辺方向（図１中、矢印Ｃ方向）の上端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔１８ａと、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔２０ａとが設けられる。
【００２２】
燃料電池１０の長辺方向の下端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔２０ｂと、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔１８ｂとが設けられる。
【００２３】
燃料電池１０の短辺方向（矢印Ｂ方向）の一端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔２２ａが設けられるとともに、短辺方向の他端縁部には、前記冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔２２ｂが設けられる。
【００２４】
第１セパレータ１４の電解質膜・電極構造体１２に向かう面１４ａには、酸化剤ガス供給連通孔１８ａと酸化剤ガス排出連通孔１８ｂとを連通して酸化剤ガス流路２６が形成される。この酸化剤ガス流路２６は、重力方向（矢印Ｃ方向）に延在するとともに、前記酸化剤ガス流路２６の矢印Ｃ方向上端（上流）と下端（下流）とに位置して、入口バッファ部２８ａと出口バッファ部２８ｂとが設けられる。入口バッファ部２８ａ及び出口バッファ部２８ｂは、複数のエンボスを有する。
【００２５】
図１及び図２に示すように、第２セパレータ１６の電解質膜・電極構造体１２に向かう面１６ａには、燃料ガス供給連通孔２０ａと燃料ガス排出連通孔２０ｂとを連通する燃料ガス流路３０が形成される。この燃料ガス流路３０は、重力方向（矢印Ｃ方向）に延在するとともに、前記燃料ガス流路３０の矢印Ｃ方向上端と下端とに位置して、入口バッファ部３２ａと出口バッファ部３２ｂとが設けられる。入口バッファ部３２ａと出口バッファ部３２ｂとは、複数のエンボスを有する。
【００２６】
図１に示すように、第２セパレータ１６の面１６ｂと、第１セパレータ１４の面１４ｂとの間には、冷却媒体供給連通孔２２ａと冷却媒体排出連通孔２２ｂとに連通する冷却媒体流路３４が形成される。この冷却媒体流路３４は、矢印Ｂ方向に延在して形成される。
【００２７】
第１セパレータ１４の面１４ａ、１４ｂには、この第１セパレータ１４の外周端縁部を周回して第１シール部材（ガスケット）３６が配設される。第２セパレータ１６の面１６ａ、１６ｂには、この第２セパレータ１６の外周端縁部を周回して第２シール部材（ガスケット）３８が配設される。
【００２８】
電解質膜・電極構造体１２は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜４０と、前記固体高分子電解質膜４０を挟持するカソード側電極４２及びアノード側電極４４とを備える。
【００２９】
図２〜図４に示すように、カソード側電極４２及びアノード側電極４４は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層４２ａ、４４ａと、電極触媒である白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層４２ａ、４４ａの表面に一様に塗布して形成される第１電極触媒層（電極面）４２ｂ、４４ｂと、酸化剤ガス流路２６の出口バッファ部２８ｂ及び燃料ガス流路３０の出口バッファ部３２ｂに対応し且つ前記第１電極触媒層４２ｂ、４４ｂよりも少量（単位面積量で少量）の電極触媒を設けることにより形成される第２電極触媒層（発熱面）４２ｃ、４４ｃとを有する。第１電極触媒層４２ｂ、４４ｂ及び第２電極触媒層４２ｃ、４４ｃは、固体高分子電解質膜４０の両面に形成される。
【００３０】
カソード側電極４２及びアノード側電極４４は、酸化剤ガス流路２６の入口バッファ部２８ａ及び燃料ガス流路３０の入口バッファ部３２ａに対応する部位に電極触媒層が設けられていない。
【００３１】
このように構成される燃料電池１０の動作について、本実施形態に係る排水方法との関連で、以下に説明する。
【００３２】
先ず、図１に示すように、酸化剤ガス供給連通孔１８ａには、酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス供給連通孔２０ａには、水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。一方、冷却媒体供給連通孔２２ａには、純水やエチレングリコール等の冷却媒体が供給される。
【００３３】
酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給連通孔１８ａから第１セパレータ１４の酸化剤ガス流路２６に導入され、電解質膜・電極構造体１２のカソード側電極４２に沿って重力方向（矢印Ｃ方向下方）に移動する。このため、酸化剤ガスは、電解質膜・電極構造体１２のカソード側電極４２に供給される。
【００３４】
また、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔２０ａから第２セパレータ１６の燃料ガス流路３０に導入され、電解質膜・電極構造体１２のアノード側電極４４に沿って重力方向（矢印Ｃ方向下方）に移動する。従って、燃料ガスは、電解質膜・電極構造体１２のアノード側電極４４に供給される。
【００３５】
これにより、電解質膜・電極構造体１２では、カソード側電極４２に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極４４に供給される燃料ガスとが、第１電極触媒層４２ｂ、４４ｂ内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。
【００３６】
一方、冷却媒体は、冷却媒体供給連通孔２２ａから第１及び第２セパレータ１４、１６間の冷却媒体流路３４に導入された後、矢印Ｂ方向（水平方向）に沿って流動する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体１２を冷却した後、冷却媒体排出連通孔２２ｂから排出される。
【００３７】
次いで、カソード側電極４２に供給されて消費された酸化剤ガスは、図１及び図２に示すように、酸化剤ガス流路２６の下部に連通する出口バッファ部２８ｂに送られる。同様に、アノード側電極４４に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス流路３０の下部に連通する出口バッファ部３２ｂに送られる。
【００３８】
この場合、本実施形態では、カソード側電極４２及びアノード側電極４４は、酸化剤ガス流路２６の出口バッファ部２８ｂ及び燃料ガス流路３０の出口バッファ部３２ｂに対応し且つ第１電極触媒層４２ｂ、４４ｂよりも少量の電極触媒を設ける第２電極触媒層４２ｃ、４４ｃを有している。
【００３９】
このため、第２電極触媒層４２ｃ、４４ｃでは、残存する酸化剤ガス及び燃料ガスにより発電することにより発熱する。従って、第１電極触媒層４２ｂ、４４ｂの発電時の生成水（逆拡散する水を含む）は、重力方向に沿って移動した後、気化するために、出口バッファ部２８ｂ、３２ｂに滞留して結露することがない。
【００４０】
これにより、生成水は、排出される酸化剤ガス及び燃料ガスを介して、出口バッファ部２８ｂ、３２ｂから酸化剤ガス排出連通孔１８ｂ及び燃料ガス排出連通孔２０ｂに円滑且つ確実に排出される。このため、酸化剤ガス及び燃料ガスは、酸化剤ガス流路２６及び燃料ガス流路３０に沿って円滑に流れることができ、効率的な発電が遂行可能になるという効果が得られる。
【００４１】
さらに、第２電極触媒層４２ｃ、４４ｃは、第１電極触媒層４２ｂ、４４ｂよりも少量の電極触媒を設けて形成されている。その際、第２電極触媒層４２ｃ、４４ｃに塗布される電極触媒の量は、出口バッファ部２８ｂ、３２ｂに結露を生じさせない発熱が得られる最小限でよい。従って、第２電極触媒層４２ｃ、４４ｃでは、活性化過電圧が増加して発熱量が大きくなり、生成水が気化し易くなって、排水性が向上するとともに、電極触媒量が有効に削減されて経済的である。
【００４２】
しかも、出口バッファ部２８ｂ、３２ｂに対応する部位にのみ第２電極触媒層４２ｃ、４４ｃが設けられており、入口バッファ部２８ａ、３２ａに対応する部位には、電極触媒が使用されていない。このため、コストの削減が図られるとともに、入口バッファ部２８ａ、３２ａに対応して発電されることがなく、発電時の生成水が、酸化剤ガス及び燃料ガスの流配性を低下させることを回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視説明図である。
【図２】前記燃料電池の断面説明図である。
【図３】前記燃料電池を構成する電解質膜・電極構造体のカソード側電極を説明する正面図である。
【図４】前記電解質膜・電極構造体のアノード側電極を説明する正面図である。
【図５】特許文献１の固体高分子電解質燃料電池の説明図である。
【符号の説明】
【００４４】
１０…燃料電池                      １２…電解質膜・電極構造体
１４、１６…セパレータ              １８ａ…酸化剤ガス供給連通孔
１８ｂ…酸化剤ガス排出連通孔        ２０ａ…燃料ガス供給連通孔
２０ｂ…燃料ガス排出連通孔          ２２ａ…冷却媒体供給連通孔
２２ｂ…冷却媒体排出連通孔          ２６…酸化剤ガス流路
２８ａ、３２ａ…入口バッファ部      ２８ｂ、３２ｂ…出口バッファ部
３０…燃料ガス流路                  ３４…冷却媒体流路
４２ａ、４４ａ…ガス拡散層
４２ｂ、４２ｃ、４４ｂ、４４ｃ…電極触媒層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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