(57)【要約】      （修正有）【課題】多孔体流路に多量の掃気ガスを供給することなく滞留水を排出することが可能な燃料電池およびそれを備えた燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池は、膜−電極接合体と、膜−電極接合体に沿って設けられ膜−電極接合体に反応ガスを供給するための多孔体２４と、多孔体の膜−電極接合体と反対側に設けられ多孔体から反応ガスを排出するための排出孔１１１を備えるセパレータと、多孔体の下流側に掃気ガスを導入するための掃気ガス導入部２２１と、を備え、多孔体は、反応ガスの下流側かつ排出孔より上流側において、セパレータ側に比較して膜−電極接合体側の気孔率が小さくなっている低気孔率領域Ｙを有する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜−電極接合体と、
前記膜−電極接合体に沿って設けられ、前記膜−電極接合体に供給される反応ガスが流動するための多孔体と、
前記多孔体の前記膜−電極接合体と反対側に設けられ、前記多孔体から反応ガスを排出するための排出孔を備えるセパレータと、
前記多孔体の下流側に掃気ガスを導入するための掃気ガス導入部と、を備え、
前記多孔体は、反応ガスの下流側かつ前記排出孔より上流側において、前記セパレータ側に比較して前記膜−電極接合体側の気孔率が小さくなっている低気孔率領域を有することを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記掃気ガス導入部は、前記膜−電極接合体の発電領域よりも下流側に配置されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記掃気ガス導入部は、前記排出孔に対して反応ガスの供給側と反対側に配置されていることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池。
【請求項４】
前記低気孔率領域は、前記膜−電極接合体の発電領域よりも下流側に配置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項５】
膜−電極接合体と、前記膜−電極接合体に沿って設けられ前記膜−電極接合体に反応ガスを供給するための多孔体と、前記多孔体の前記膜−電極接合体と反対側に設けられ前記多孔体から反応ガスを排出するための排出孔を備えるセパレータと、前記多孔体の下流側に掃気ガスを導入するための掃気ガス導入部と、を備える燃料電池と、
前記燃料電池の発電停止時に、前記掃気ガス導入部に掃気ガスを供給する掃気ガス供給手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
前記掃気ガス供給手段は、さらに前記燃料電池の発電時に前記掃気ガス導入部に掃気ガスを供給することを特徴とする請求項５記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池およびそれを備えた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、一般的には水素及び酸素を燃料として電気エネルギーを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れかつ高いエネルギー効率を実現できることから、今後のエネルギー供給システムとして広く開発が進められてきている。
【０００３】
この燃料電池においては、ガス流路として機能する溝が表面に形成されたセパレータが用いられることがある。この場合、セパレータの厚みが大きくなってしまうことから、多孔体を用いる技術が開発されている。多孔体を用いると、反応ガスのせん断力に頼らずに排水することができる。それにより、反応ガスの流速を抑制することができる。しかしながら、多孔体を用いると、残水量が多くなってしまう。この場合、掃気に時間がかかるおそれがある。そこで、特許文献１には、多孔体流路の酸化ガス排出流路部に、高親水性部位と低親水性部位とを設ける技術が開示されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−００４４２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１の技術では、多孔体流路の滞留水を排出しようとすると、多孔体流路に多量の掃気ガスを供給する必要がある。
【０００６】
本発明は、多孔体流路に多量の掃気ガスを供給することなく滞留水を排出することが可能な燃料電池およびそれを備えた燃料電池システム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】
【０００７】
本発明に係る燃料電池は、膜−電極接合体と、膜−電極接合体に沿って設けられ膜−電極接合体に反応ガスを供給するための多孔体と、多孔体の膜−電極接合体と反対側に設けられ多孔体から反応ガスを排出するための排出孔を備えるセパレータと、多孔体の下流側に掃気ガスを導入するための掃気ガス導入部と、を備え、多孔体は、反応ガスの下流側かつ排出孔より上流側において、セパレータ側に比較して膜−電極接合体側の気孔率が小さくなっている低気孔率領域を有することを特徴とするものである。
【０００８】
本発明に係る燃料電池においては、多孔体の下流側において流路断面積が低下することから、反応ガスの流速が増加する。それにより、セパレータ表面に滞留する水に対するせん断力が増加する。その結果、排出孔からの水の排出が促進される。また、掃気時には、掃気ガスの排出に伴って、排出孔付近の滞留水が排出孔から排出される。この場合、排出孔近傍の表面エネルギーが、多孔体上流側の表面エネルギーに比較して小さくなる。それにより、表面エネルギーを安定化するために多孔体上流側の水が排出孔に向かって移動する。その結果、多孔体に滞留する生成水の排出が促進される。以上のことから、多孔体全体に多量の掃気ガスを供給しなくても、多孔体の滞留水を排出することができる。
【０００９】
掃気ガス導入部は、膜−電極接合体の発電領域よりも下流側に配置されていてもよい。また、掃気ガス導入部は、排出孔に対して反応ガスの供給側と反対側に配置されていてもよい。これらの場合、膜−電極接合体の電解質膜の乾燥を抑制することができる。それにより、燃料電池の発電性能低下を抑制することができる。さらに、低気孔率領域は、膜−電極接合体の発電領域よりも下流側に配置されていてもよい。
【００１０】
本発明に係る燃料電池システムは、膜−電極接合体と膜−電極接合体に沿って設けられ膜−電極接合体に反応ガスを供給するための多孔体と多孔体の膜−電極接合体と反対側に設けられ多孔体から反応ガスを排出するための排出孔を備えるセパレータと多孔体の下流側に掃気ガスを導入するための掃気ガス導入部とを備える燃料電池と、燃料電池の発電停止時に掃気ガス導入部に掃気ガスを供給する掃気ガス供給手段と、を備えることを特徴とするものである。
【００１１】
本発明に係る燃料電池システムにおいては、多孔体の下流側において流路断面積が低下することから、反応ガスの流速が増加する。それにより、セパレータ表面に滞留する水に対するせん断力が増加する。その結果、排出孔からの水の排出が促進される。また、掃気時には、掃気ガス供給手段から供給された掃気ガスの排出に伴って、排出孔付近の滞留水が排出孔から排出される。この場合、排出孔近傍の表面エネルギーが、多孔体上流側の表面エネルギーに比較して小さくなる。それにより、表面エネルギーを安定化するために多孔体上流側の水が排出孔に向かって移動する。その結果、多孔体に滞留する生成水の排出が促進される。以上のことから、多孔体全体に多量の掃気ガスを供給しなくても、多孔体の滞留水を排出することができる。
【００１２】
掃気ガス供給手段は、さらに燃料電池の発電時に掃気ガス導入部に掃気ガスを供給してもよい。この場合、発電時においても滞留水の排出を促進することができる。それにより、掃気効率が向上する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、多孔体流路に多量の掃気ガスを供給することなく滞留水を排出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。
【実施例１】
【００１５】
図１は、本発明の第１実施例に係る燃料電池システム２００の全体構成を示す模式図である。図１に示すように、燃料電池システム２００は、燃料電池スタック２１０、燃料ガス供給手段２２０、酸化剤ガス供給手段２３０、掃気ガス供給手段２４０、スイッチ２５０および制御部２６０を含む。
【００１６】
燃料電池スタック２１０は、１以上の燃料電池１００が積層された構造を有する。燃料電池１００の詳細は、後述する。燃料ガス供給手段２２０は、制御部２６０の指示に従って水素を含む燃料ガスを燃料電池スタック２１０に供給する装置であり、水素ボンベ、改質器等からなる。酸化剤ガス供給手段２３０は、制御部２６０の指示に従って酸素を含む酸化剤ガスを燃料電池スタック２１０に供給する装置であり、エアポンプ等からなる。掃気ガス供給手段２４０は、制御部２６０の指示に従って掃気用のエアを燃料電池スタック２１０に供給する装置であり、エアポンプ等からなる。なお、酸化剤ガス供給手段２３０を掃気ガス供給手段２４０として兼用してもよい。
【００１７】
スイッチ２５０は、制御部２６０の指示に従って、燃料電池スタック２１０および負荷を含む負荷回路を遮断または導通させる切替装置である。負荷は、モータ、補機等である。制御部２６０は、ＣＰＵ（中央演算処理装置）、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）等から構成され、燃料ガス供給手段２２０、酸化剤ガス供給手段２３０、掃気ガス供給手段２４０およびスイッチ２５０を制御する。
【００１８】
図２（ａ）は、燃料電池スタック２１０の模式的断面図である。図２（ａ）においては、複数の燃料電池１００が積層されている場合が示されている。図２（ａ）に示すように、燃料電池１００は、シールガスケット一体型ＭＥＡ（膜電極接合体）２０が２枚のセパレータ１０によって挟持された構造を有する。セパレータ１０は、カソード対向プレート１１とアノード対向プレート１３とによって、中間プレート１２が挟持された構造を有する。セパレータ１０を構成するこれら３枚のプレートは、ホットプレス等によって接合されている。シールガスケット一体型ＭＥＡ２０は、ＭＥＡ２１およびガスケット２２を備える。
【００１９】
図２（ｂ）は、ＭＥＡ２１の模式的断面図である。図２（ｂ）に示すように、ＭＥＡ２１は、プロトン導電性を備える電解質膜２１１の上面にアノード触媒層２１２およびガス拡散層２１３が順に形成され、下面にカソード触媒層２１４およびガス拡散層２１５が順に形成された構造を有する。アノード触媒層２１２およびカソード触媒層２１４は、触媒を担持する導電性材料からなり、例えば白金担持カーボン等からなる。ガス拡散層２１３，２１５は、ガス透過性を有する導電性材料からなり、例えばカーボンクロス、カーボンペーパ等のカーボン材料からなる。
【００２０】
また、アノード触媒層２１２およびカソード触媒層２１４は、電解質膜２１１の周縁部においては設けられていない。発電は、アノード触媒層２１２およびカソード触媒層２１４が設けられている領域において行われる。以下、ＭＥＡ２１において、アノード触媒層２１２およびカソード触媒層２１４が設けられている領域を、発電領域Ｘと称する。
【００２１】
ＭＥＡ２１の上には、多孔体２３が配置されている。ＭＥＡ２１の下には、多孔体２４が配置されている。多孔体２３，２４は、ガス拡散層よりも硬い導電性材料からなり、チタン等からなる発泡金属、金属メッシュ、エキスパンドメタル等の金属多孔体からなる。それにより、多孔体２３，２４は、吸水性を備える。多孔体２３，２４は、セパレータ１０のディンプルの有無にかかわらず、厚みが略一定になるような強度を有していることが好ましい。この場合、ディンプルの有無にかかわらず、気孔率がほとんど変化しない。また、ディンプルの有無にかかわらず、拡散層に対する面圧を面内略一定にすることができる。したがって、拡散層における局所的圧縮を低減することができるため、排水性が向上する。
【００２２】
続いて、燃料電池１００の発電時の動作の概要について説明する。制御部２６０は、負荷回路が導通するようにスイッチ２５０を制御する。また、制御部２６０は、燃料ガスが多孔体２３に供給されるように燃料ガス供給手段２２０を制御する。その後、燃料ガスは、多孔体２３を流動しつつ、アノード側のガス拡散層２１３に供給される。燃料ガス中の水素は、アノード触媒層２１２においてプロトンに変換される。変換されたプロトンは電解質膜２１１を伝導し、カソード触媒層２１４に到達する。
【００２３】
また、制御部２６０は、酸化剤ガスが多孔体２４に供給されるように酸化剤ガス供給手段２３０を制御する。その後、酸化剤ガスは、多孔体２４を流動しつつ、カソード側のガス拡散層２１５に供給される。カソード触媒層２１４においては、酸化剤ガス中の酸素とプロトンとから水が発生するとともに電力が発生する。発生した電力は、セパレータ１０を介して回収される。また、多孔体２４が吸水性を有することから、発電に伴って生成された水は、多孔体２４においてセパレータ１０側に滞留しやすい傾向にある。
【００２４】
なお、冷却水等の冷却媒体は、中間プレート１２に形成された冷却媒体流路１２１を流動して燃料電池１００を冷却する。それにより、燃料電池１００の温度を適切な温度に調整することができる。
【００２５】
続いて、ＭＥＡ２１と多孔体２４とカソード対向プレート１１との関係について説明する。図３（ａ）は、ＭＥＡ２１、多孔体２４およびカソード対向プレート１１の拡大断面図である。図３（ａ）に示すように、カソード対向プレート１１には、厚さ方向に貫通する排出孔１１１が形成されている。多孔体２４を流動する酸化剤ガスは、ＭＥＡ２１において発電に供された後に排出孔１１１から排出される。
【００２６】
多孔体２４には、多孔体２４の平均気孔率よりも低い気孔率を有する低気孔率部２４１が設けられている。低気孔率部２４１は、多孔体２４を構成する多孔体材料を用いて気孔率を低下させて作製してもよく、多孔体材料に樹脂等を注入して作製してもよい。多孔体２４において、酸化剤ガスの流動方向における低気孔率部２４１が配置されている領域を、低気孔率領域Ｙと称する。なお、気孔率が低下すると流路断面積が低下することから、低気孔率領域Ｙのことを、低流路断面積領域と称することもできる。
【００２７】
低気孔率部２４１は、多孔体２４の下流側かつ排出孔１１１よりも上流側において、ＭＥＡ２１側に配置されている。なお、図３（ａ）に示すように、低気孔率部２４１は、排出孔１１１よりも下流側にも配置されていてもよい。本実施例においては、排出孔１１１付近において、ＭＥＡ２１側の流路断面積が低下する。それにより、排出孔１１１付近において、カソード対向プレート１１側の酸化剤ガスの流速が増加する。その結果、多孔体２４のカソード対向プレート１１表面に滞留する水に対するせん断力が増加する。以上のことから、図３（ｂ）に示すように、排出孔１１１からの水の排出が促進される。
【００２８】
この場合、排出孔１１１近傍の表面エネルギー（Ｕ出口）が、多孔体２４内部（上流）の表面エネルギー（Ｕ内部）に比較して小さくなる。それにより、図３（ｃ）に示すように、表面エネルギーを安定化するために多孔体２４内部の水が排出孔１１１に向かって移動する。その結果、多孔体２４に滞留する生成水の排出が促進される。このように低気孔率領域Ｙを設けておくことによって、多孔体２４に供給する酸化剤ガスの流速を増加させなくても生成水の排出を促進することができる。また、低気孔率領域Ｙは多孔体２４の一部にだけ設けられていればよいので、多孔体２４の構成の複雑化が抑制されるとともに、多孔体２４全体の圧力損失の増大を抑制することができる。
【００２９】
排出孔１１１からの水の排出を促進するためには、低気孔率領域Ｙは、排出孔１１１近傍に配置されていることが好ましい。例えば、低気孔率領域Ｙは、発電領域Ｘよりも下流側かつ排出孔１１１よりも上流側に配置されていることが好ましい。この場合、発電領域Ｘへのガス拡散を確保しつつ、排出孔１１１からの水の排出を促進することができる。
【００３０】
また、ガスケット２２には、多孔体２４に掃気ガスを導入するための掃気ガス導入孔２２１が形成されている。掃気ガス導入孔２２１は、掃気ガス導入部として機能する。掃気ガスは、燃料電池１００が発電停止の掃気時に、掃気ガス導入孔２２１を通って多孔体２４に供給される。なお、掃気ガス導入孔２２１は、ガスケット２２に挿入されガスケット２２よりも硬い管状部材であってもよい。続いて、図４および図５を参照しつつ、掃気について説明する。
【００３１】
図４は、掃気時に制御部２６０に実行されるフローチャートの一例を示す図である。図４に示すように、制御部２６０は、負荷回路が遮断されるようにスイッチ２５０を制御する（ステップＳ１）。それにより、燃料電池１００における発電が停止する。また、制御部２６０は、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給が停止されるように、燃料ガス供給手段２２０および酸化剤ガス供給手段２３０を制御する（ステップＳ２）。さらに、制御部２６０は、掃気ガス導入孔２２１に掃気ガスが供給されるように、掃気ガス供給手段２４０を制御する（ステップＳ３）。このフローチャートが実行されると、図５（ａ）に示すように、掃気ガス導入孔２２１から掃気ガスが多孔体２４に供給され、排出孔１１１から排出される。
【００３２】
この場合、図５（ｂ）に示すように、掃気ガスの排出に伴って、排出孔１１１付近の滞留水が排出孔１１１から排出される。それにより、表面エネルギーＵ出口と表面エネルギーＵ内部との間に差が生じることから、図５（ｃ）に示すように、多孔体２４内部の水が排出孔１１１に向かって移動する。その結果、多孔体２４に滞留する生成水の排出が促進される。
【００３３】
本実施例によれば、多孔体２４全体に多量の掃気ガスを供給しなくても、多孔体２４の滞留水を排出することができる。それにより、電解質膜２１１の乾燥を抑制することができる。その結果、発電時における燃料電池１００の出力低下が抑制される。
【００３４】
掃気ガス導入孔２２１の位置は、ガスケット２２内に限られない。掃気ガス導入孔２２１は、例えば、多孔体２４の下流側のいずれの位置に設けられていてもよい。ただし、掃気ガス導入孔２２１は、発電領域Ｘよりも下流側に設けられていることが好ましい。発電領域Ｘの電解質膜２１１の乾燥が抑制されるからである。また、掃気ガス導入孔２２１は、排出孔１１１に対して、酸化剤ガスの供給側と反対側に設けられていることがより好ましい。
【００３５】
なお、燃料電池１００の発電時にも、掃気ガスが掃気ガス導入孔２２１に供給されてもよい。図６は、燃料電池１００の発電時に実行されるフローチャートの一例を示す図である。図６に示すように、制御部２６０は、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給が開始されるように、燃料ガス供給手段２２０および酸化剤ガス供給手段２３０を制御する（ステップＳ１１）。
【００３６】
次に、制御部２６０は、負荷回路が導通するようにスイッチ２５０を制御する（ステップＳ１２）。それにより、燃料電池１００における発電が開始する。次に、制御部２６０は、掃気ガス導入孔２２１に掃気ガスが供給されるように、掃気ガス供給手段２４０を制御する（ステップＳ１３）。
【００３７】
このフローチャートが実行されると、発電時において、多孔体２４の滞留水の排出が促進される。なお、制御部２６０は、燃料電池１００の発電時に、間欠的に掃気ガスが供給されるように掃気ガス供給手段２４０を制御してもよい。
【００３８】
また、本実施例においては、カソード側の多孔体に掃気ガス導入孔を設けたが、それに限られない。アノード側に水が滞留する場合には、アノード側の多孔体に掃気ガス導入孔を設けることによって、アノード側の多孔体に滞留する水の排出が促進することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の第１実施例に係る燃料電池システムの全体構成を示す模式図である。
【図２】燃料電池スタックおよびＭＥＡの模式的断面図である。
【図３】ＭＥＡと多孔体とカソード対向プレートとの関係について説明するための図である。
【図４】掃気時に制御部に実行されるフローチャートの一例を示す図である。
【図５】掃気について説明するための図である。
【図６】燃料電池の発電時に実行されるフローチャートの一例を示す図である。
【符号の説明】
【００４０】
２１  ＭＥＡ
２２  ガスケット
２３，２４  多孔体
１００  燃料電池
１１１  排出孔
２００  燃料電池システム
２１０  燃料電池スタック
２２１  掃気ガス導入孔
２４１  低気孔率部
Ｘ  発電領域
Ｙ  低気孔率領域
【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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【図６】
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