JP2006164764A - 燃料電池 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 燃料電池において、電解質層と、この電解質層の両面に形成された触媒を備える電極と、各々の電極上に配設されると共に、電子伝導性を有する多孔質体によって形成され、多孔質体内に形成された細孔から成る空間が、電極に給排されるガスの流路となるガス流路形成部材と、を備えている。ここで、ガス流路形成部材のうち、供給されるガスの流量がより少ない側のガス流路を形成するガス流路形成部材は、カーボン多孔質体により形成され、他方のガス流路を形成するガス流路形成部材は、カーボンよりも靱性が高い材料によって形成されると共に、カーボン多孔質体よりも気孔率が高い多孔質体から成る。
【選択図】 図1
Description
電解質層と、
前記電解質層の両面に形成された触媒を備える電極と、
各々の前記電極上に配設されると共に、電子伝導性を有する多孔質体によって形成され、該多孔質体内に形成された細孔から成る空間が、前記電極に給排されるガスの流路となるガス流路形成部材と
を備え、
前記ガス流路形成部材のうち、供給されるガスの流量がより多い一方の側のガス流路を形成する前記ガス流路形成部材は、他方のガス流路を形成する前記ガス流路形成部材に比べて、靱性がより高い材料によって形成されると共に、気孔率がより高い多孔質体から成ることを要旨とする。
各々の前記ガス流路形成部材の外側に隣接して設けられ、電子伝導性を有すると共に、前記ガス流路の外壁の一部を構成するセパレータを備え、
前記一方のガス流路を形成する前記ガス流路形成部材は、前記他方の側のガス流路を形成する前記ガス流路形成部材よりも、曲げ強度が強く、
前記一方の側の前記セパレータは、前記他方の側の前記セパレータよりも、厚みが薄く形成されていることとしても良い。
前記燃料電池は、前記電解質層、前記電極、前記ガス流路形成部材および前記セパレータを備える単セルを複数積層することによって形成されており、
隣り合う前記単セル間には、各々の前記単セルが備える前記セパレータの間に、冷媒の流路を形成する中空部と、該中空部以外の領域である中実部とを備える冷媒流路形成部材が配設されていることとしても良い。
前記一方のガス流路を形成する前記ガス流路形成部材は、金属製多孔質体から成ることとしても良い。
本発明の実施例である燃料電池は、固体高分子型燃料電池であり、単セルを複数積層したスタック構造を有している。図1は、実施例の燃料電池の構成の概略を現わす断面模式図である。図1に示すように、実施例の燃料電池は、複数の単セル20を積層して構成されている。単セル20は、電解質層を含むMEA(膜−電極接合体、Membrane Electrode Assembly)21と、MEA21を両側から挟持してサンドイッチ構造を形成するガス流路形成部材22,23と、このサンドイッチ構造をさらに両側から挟持するセパレータ24,25とを備えている。
以上のように構成された本実施例の燃料電池によれば、カソード側のガス流路形成部材23を、アノード側のガス流路形成部材22を構成するカーボンよりも靱性の高い材料であるチタンから成る多孔質体により形成しているため、ガス流路形成部材23において、気孔率をより高くしても、強度を維持することができる。ここで、ガス流路形成部材23の気孔率をより高くすることにより、ガス流路形成部材23を大型化することなく、単セル内を酸化ガスが通過する空間をより大きく確保することが可能となり、燃料ガスに比べて流量の多い酸化ガスの流路において、圧力損失を低減することができる。このように圧力損失を低減できることにより、酸化ガスを供給するために消費するエネルギを削減して、燃料電池システム全体のエネルギ効率を向上させることができる。したがって、本実施例の燃料電池によれば、燃料電池の大型化や強度の低下を伴うことなく、酸化ガス流路における圧力損失を低減して、システム効率を向上させることができる。
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
カソード側のガス流路形成部材23は、チタン以外の材料により形成しても良い。すなわち、チタンを含有する金属は、純度の高いチタンの他、チタン合金も含めて、耐食性に優れた金属であり、強い酸化雰囲気となる単セル内酸化ガス流路を形成する部材の構成材料として望ましいが、他の材料を選択しても良い。例えば、ステンレス製の多孔質体や、ステンレス製の多孔質体表面をさらに金などの貴金属でメッキした部材等、他種の金属から成る多孔質体により、ガス流路形成部材23を形成しても良い。アノード側で用いるカーボン多孔質体に比べて靱性の高い(あるいは脆性の低い)材料によって形成するならば、アノード側のガス流路形成部材よりも気孔率を高く形成しても、燃料電池の構成部材として充分な強度を保つことが可能となり、燃料電池を大型化することなく酸化ガス側の圧力損失を低減することができる。また、このような多孔質体が、アノード側で用いるカーボン多孔質体に比べて曲げ強度がより強い多孔質体であれば、単セル外部から加えられる圧力が面内で不均一となる場合にも、この面圧の不均一さを吸収して、電極表面における接触抵抗を面全体で良好に保つことができる。
また、金属などの剛性の高い材料で形成したガス流路形成部材23とMEA21との間に、さらに、ガス流路形成部材23に比べて柔らかく、電子伝導性を有する多孔質体からなる部材を設けても良い。例えば、ガス流路形成部材23よりも薄く形成したカーボン多孔質体を設けることとしても良い。ここでいう柔らかさとは、部材を構成する材料の柔らかさを表わすものではなく、部材全体としての柔らかさを表わしており、例えば圧縮弾性率によって表わされる柔らかさをいう。このような柔らかい部材をガス流路形成部材23とカソード32との間に介在させることで、カソード32上での接触面積をより大きく確保して、カソード32における集電性を向上させることができる。また、柔らかい部材を介在させることで、ガス流路形成部材23がMEA21側に対してより強い圧力で押圧される場合にも、電解質層30の損傷を防止することができる。
実施例では、セパレータ24,25を、表面が平坦な板状部材としたが、異なる形状としても良い。例えば、単セル内ガス流路を形成する側の面において、凹凸形状が形成されていても良い。このような場合にも、セパレータとMEA21との間に形成される単セル内ガス流路全体が、多孔質体であるガス流路形成部材によって形成されるならば、カソード側のガス流路形成部材の気孔率をより高くすると共に面圧の不均一さを吸収することによる同様の効果が得られる。
実施例では、カソード側に供給されるガス流量をより多くして、カソード側のガス流路形成部材を、より靱性が高い材料によって形成すると共に、より気孔率が高い多孔質体によって形成したが、異なる構成としても良い。燃料ガスおよび酸化ガスとして選択するガスによって、いずれのガス流量が多い場合であっても、本発明を適宜適用することができる。
また、実施例とは異なる種類の燃料電池に本発明を適用することとしても良い。例えば、ダイレクトメタノール型燃料電池に適用することができる。あるいは、固体高分子以外の電解質層を有する燃料電池であってもよく、本発明を適用することで同様の効果が得られる。
21…MEA
22,23…ガス流路形成部材
24,25…セパレータ
26…冷媒流路形成部材
30…電解質層
31…アノード
32…カソード
35…冷媒流路
Claims (8)
- 燃料電池であって、
電解質層と、
前記電解質層の両面に形成された触媒を備える電極と、
各々の前記電極上に配設されると共に、電子伝導性を有する多孔質体によって形成され、該多孔質体内に形成された細孔から成る空間が、前記電極に給排されるガスの流路となるガス流路形成部材と
を備え、
前記ガス流路形成部材のうち、供給されるガスの流量がより多い一方の側のガス流路を形成する前記ガス流路形成部材は、他方のガス流路を形成する前記ガス流路形成部材に比べて、靱性がより高い材料によって形成されると共に、気孔率がより高い多孔質体から成る
燃料電池。 - 請求項1記載の燃料電池であって、
前記一方の側のガス流路は、カソード側のガス流路であり、前記他方のガス流路は、アノード側のガス流路である
燃料電池。 - 請求項1または2記載の燃料電池であって、さらに、
各々の前記ガス流路形成部材の外側に隣接して設けられ、電子伝導性を有すると共に、前記ガス流路の外壁の一部を構成するセパレータを備え、
前記一方のガス流路を形成する前記ガス流路形成部材は、前記他方の側のガス流路を形成する前記ガス流路形成部材よりも、曲げ強度が強く、
前記一方の側の前記セパレータは、前記他方の側の前記セパレータよりも、厚みが薄く形成されている
燃料電池。 - 請求項3記載の燃料電池であって、
前記セパレータは、前記ガス流路形成部材に当接する表面が平坦な板状部材である
燃料電池。 - 請求項3または4記載の燃料電池であって、
前記燃料電池は、前記電解質層、前記電極、前記ガス流路形成部材および前記セパレータを備える単セルを複数積層することによって形成されており、
隣り合う前記単セル間には、各々の前記単セルが備える前記セパレータの間に、冷媒の流路を形成する中空部と、該中空部以外の領域である中実部とを備える冷媒流路形成部材が配設されている
燃料電池。 - 請求項1ないし5いずれか記載の燃料電池であって、
前記他方のガス流路を形成する前記ガス流路形成部材は、カーボン多孔質体から成る
燃料電池。 - 請求項1ないし6いずれか記載の燃料電池であって、
前記一方のガス流路を形成する前記ガス流路形成部材は、金属製多孔質体から成る
燃料電池。 - 請求項7記載の燃料電池であって、
前記金属製多孔質体は、チタン製である
燃料電池。
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