JP2000100458A - 固体高分子型燃料電池 - Google Patents

固体高分子型燃料電池

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JP2000100458A
JP2000100458A JP10271236A JP27123698A JP2000100458A JP 2000100458 A JP2000100458 A JP 2000100458A JP 10271236 A JP10271236 A JP 10271236A JP 27123698 A JP27123698 A JP 27123698A JP 2000100458 A JP2000100458 A JP 2000100458A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 流体を均一に配流すると共に、低電流密度か
ら高電流密度に至るまで生成水の除去及び極間差圧の低
減を実現して常に安定した電池性能を発揮できる優れた
固体高分子型燃料電池を提供する。 【解決手段】 セパレータ11には酸化剤ガス供給孔8
a、酸化剤ガス排出孔8b及び流通溝8cが形成されて
いる。酸化剤ガス供給孔8aに隣接して酸化剤ガス集合
孔12aが、酸化剤ガス排出孔8bに隣接して酸化剤ガ
ス集合孔12bが、それぞれ形成されている。酸化剤ガ
ス供給孔8aと酸化剤ガス集合孔12bとが向い合い、
酸化剤ガス排出孔8bと酸化剤ガス集合孔12aが向い
合うように配置される。これら集合孔12a,12bは
流通溝8cを連通させるように構成される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、イオン伝導性を有
する固体高分子を電解質とする固体高分子型燃料電池に
係り、特に、燃料ガスまたは酸化剤ガスもしくは冷却水
が流れる流路の構成に改良を加えたものである。
【0002】
【従来の技術】近年、高効率のエネルギー変換装置とし
て燃料電池が注目を集めている。燃料電池とは水素など
の燃料ガス及び酸素などの酸化剤ガスを、電解質膜を挟
持する一対の多孔質電極に送込み、これらのガスによる
電気化学反応を利用して電力を取出す装置である。中で
も、固体高分子を電解質とした固体高分子型燃料電池
は、コンパクトな構造で高出力密度を得ることができ、
しかも簡略なシステムで運転が可能であるため、宇宙用
や車両用などの電源として高い関心が寄せられている。
【0003】ここで固体高分子型燃料電池の従来例につ
いて、図面を参照して具体的に説明する。 単電池1 まず、燃料電池の基本的な構成要素である単電池1に関
して、図5の断面図を用いて説明する。単電池1には、
イオン伝導性を持つ固体高分子電解質膜3が設けられ、
この電解質膜3を挟むようにして白金などの触媒を有す
る一対の電極板2a,2bが配置されている。さらに電
極板2a,2bの周囲には固体高分子電解質膜3を覆う
ようにしてシール材4が設置されている。固体高分子電
解質膜3としてはパーフルオロカーボンスルホン酸膜(
例えば商品名ナフィオン:デュポン社製) などが飽和含
水状態にして用いられている。電極板2aは燃料ガスが
供給される燃料極、電極板2bは酸化剤ガスが供給され
る酸化剤極であり、共に多孔質カーボン製である。な
お、電解質膜3と電極板2a,2bとだけの状態を膜電
極複合体と呼んでいる。
【0004】この膜電極複合体は図6に示すように矩形
シート状に形成される(厚さは1mm以下)。電極板2
a,2bの面積は発電に必要な電流値及び単位面積当た
りの電流値すなわち電流密度によって決まるが、通常、
1辺を10cm以上として100cm2 以上となってい
る。一方、固体高分子電解質膜3は電極板2a,2bに
供給されるガス同士の混合を防ぐ役割もあるため電極板
2a,2bより大きくなっており、電解質膜3がはみ出
ている部分にシール材4を設置している。
【0005】以上のような単電池1では、電極板2a,
2bにそれぞれ、燃料ガス及び酸化剤ガスを供給するこ
とにより、電極板2a,2b間で電気化学反応が起こ
り、起電力が生じる。ただし、単電池1当たりの起電力
は1V以下と低いため、実際に運転する燃料電池では集
電体であるセパレータ5を介して多数の単電池1を積層
し、電池スタックとして使用する。その際、電池スタッ
クには冷却水が流れるセパレータも所定の間隔で挿入さ
れ、発電に伴う昇温が制御されるのが一般的である。
【0006】セパレータ5 図7に示すように、単電池1の外側には電流を取出す集
電体としてセパレータ5が配置されている。このセパレ
ータ5は電極板2a側の集電体と電極板2b側の集電体
とが一体化されたもので、優れた導電性や気密性さらに
は加工の容易性などを満足させる部材から製造される。
【0007】ガス流路6a,6b また、セパレータ5は電極板2a,2bに反応ガスを供
給する役割を果たしている。具体的には、電極板2aと
接する下面側に燃料ガスが流れるガス流路6aが形成さ
れ、電極板2bと接する上面側に酸化剤ガスが流れるガ
ス流路6bが形成される(図7参照)。以下、ガス流路
6b側の流路構成を中心に、図8〜図11を用いて説明
する。
【0008】図8に示すように、セパレータ5の一端部
には燃料ガス供給孔7a、酸化剤ガス供給孔8a及び冷
却水供給孔9aが形成され、セパレータ5の他端部には
燃料ガス排出孔7b、酸化剤ガス排出孔8b及び冷却水
排出孔9bが形成されている。図9にも示すように、酸
化剤ガス供給孔8aには連絡流路10aが、酸化剤ガス
排出孔8bには連絡流路10bがそれぞれ連続して設け
られ、これら連絡流路10a,10bを介して供給孔7
a及び排出孔7b間に、互いに平行な複数の酸化剤ガス
流通溝8cが接続されている。
【0009】この酸化剤ガス流通溝8cの構成として
は、流通溝8cが供給孔8aから排出孔8bまで直線的
に延びるストレートフロー方式(図10参照)と、流通
溝8cが逆S字状に蛇行する蛇行状フロー方式(図11
参照)とが知られている。前者の方式では酸化剤ガスが
直線的に流れ、高電流密度での運転時にはガス流量が多
くなる。そのため、複雑な流路形状の場合よりも圧力損
失及び燃料ガスと酸化剤ガスとの圧力差(以下、極間差
圧と記す)を抑えることができ、単電池の保護及び発電
効率の上昇に有利である。一方、後者の方式では酸化剤
ガスが蛇行して流れ、低電流密度での運転時でも十分な
ガス流量を確保できる。そのため、電気化学反応に伴っ
て生成水が生じても、これを確実に除去でき、優れた電
池性能を得ることができる。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
従来技術では次のような問題点があった。すなわち、図
10に示したストレートフロー方式のガス流路では、高
電流密度での運転時にはガス流量が多くなる反面、同じ
ガス利用率における低電流密度での運転時にはガス流量
が少なくなるので、圧力損失は低減するものの生成水を
十分に除去することが困難となった。
【0011】一方、蛇行状フロー方式を採用したガス流
路では、低電流密度での運転時に十分なガス流量を確保
できるものの、同じガス利用率における高電流密度での
運転時にはガス流量が多くなり過ぎる傾向がある。特
に、酸化剤ガスが流れるガス流路側では圧力損失及び極
間差圧が大きくなって、単電池の劣化や発電システム全
体の効率低下を招くおそれがあった。
【0012】このように従来の固体高分子型燃料電池で
は、同一方式のガス流路を用いて低電流密度から高電流
密度までを安定して運転することは難しかった。また、
セパレータには反応ガスだけではなく冷却水が流れる場
合があるが、電池性能を安定させるためには、これらの
流体を均一に配流することが強く要請されている。
【0013】本発明は、このような課題に対処するため
に提案されたものであり、その目的は、流体を均一に配
流すると共に、低電流密度から高電流密度に至るまで生
成水の除去及び極間差圧の低減を実現して常に安定した
電池性能を発揮でき、さらには単電池の劣化防止や発電
システム全体の効率向上に貢献する優れた固体高分子型
燃料電池を提供することである。
【0014】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明では以下の手段を講ずる。すなわち、請求
項1の発明は、固体高分子電解質膜を挟持する一対の多
孔質電極板が配置され、これら多孔質電極板の外側にセ
パレータが配置され、このセパレータの前記多孔質電極
板と接する面に複数の流通溝を有する流路が形成され、
この流路に燃料ガスまたは酸化剤ガスもしくは冷却水が
流れるように構成された固体高分子型燃料電池におい
て、流路の途中に、流通溝を複数連通させた集合孔が設
けられたことを特徴としている。
【0015】このような請求項1の発明では、流路の途
中で燃料ガスまたは酸化剤ガスもしくは冷却水を集合孔
に集めることができる。そのため、単電池を多数積層し
た場合に、流路の途中では上記流体の量が不均一であっ
ても、ある程度の量の流体をを集合孔にいったん集め、
この集合孔から再度、流路に向けて均一に配流すること
が可能である。
【0016】請求項2の発明は、請求項1記載の固体高
分子型燃料電池において、流路の一端部には流体の供給
孔が、流路の他端部には流体の排出孔が設けられ、供給
孔及び排出孔の一部を前記集合孔を切り替える切替手段
が設置されたことを特徴とする。
【0017】このような請求項2の発明では、切替手段
が供給孔または排出孔を集合孔に切り替えなければ、流
路構成は従来のストレートフロー方式となる。そのた
め、高電流密度での運転時にはストレートフロー方式を
採用し、圧力損失及び極間差圧を抑えることができる。
また、切替手段が供給孔及び排出孔を集合孔に切り替え
れば、集合孔にて流体の流れる方向を変えることが可能
となる。したがって、流路構成をストレートフロー方式
から従来の蛇行状フロー方式に近付けることができ、ガ
ス流量の高めることができる。これにより、低電流密度
での運転時には供給孔及び排出孔を集合孔に切り替え、
十分なガス流量を確保することにより、生成水を確実に
除去することが可能となる。以上の請求項2の発明によ
れば、低電流密度から高電流密度に至るまで安定して燃
料電池を運転することが可能となる。
【0018】請求項3の発明は、請求項2記載の固体高
分子型燃料電池において、固体高分子型燃料電池の出力
電流または電流密度、もしくは極間差圧あるいはガス圧
力損失に基づいて、前記切替手段を制御する制御手段が
設置されたことを特徴とする。
【0019】この請求項3の発明では、制御手段の働き
により、切替手段の制御を固体高分子型燃料電池の出力
電流または電流密度または極間差圧またはガス圧力損失
に応じて行うことができる。そのため、上記請求項2の
発明の作用効果に加えて、単電池の劣化を確実に防ぐと
同時に、発電システム全体の効率をいっそう高めること
ができる。
【0020】
【発明の実施の形態】以下、本発明の固体高分子型燃料
電池の実施の形態の一例について、図面を参照して説明
する。なお、以下の実施の形態では、酸化剤ガスが流れ
るガス流路6bの構成に改良を施したものについて述べ
る。また、図5〜図11に示した従来例と同一の部分に
ついては同一符号を付し、説明は省略する。
【0021】(1)第1の実施の形態 [構成]第1の実施の形態は請求項1を含むもので、図
1は第1の実施の形態の固体高分子型燃料電池における
セパレータ11の平面図である。セパレータ11は23
0mm×240mm、t1.5mmであり、図10及び
図11に示したセパレータ5と同じく、酸化剤ガス供給
孔8a、酸化剤ガス排出孔8b及び流通溝8cが形成さ
れている。酸化剤ガス供給孔8aに隣接して酸化剤ガス
集合孔12aが形成され、酸化剤ガス排出孔8bに隣接
して酸化剤ガス集合孔12bが形成されている。また、
酸化剤ガス供給孔8aと酸化剤ガス集合孔12bとが向
い合い、酸化剤ガス排出孔8bと酸化剤ガス集合孔12
aが向い合うように配置されている。さらに、集合孔1
2a,12bの長さは供給孔8a及び排出孔8bのほぼ
2倍に設定されている。
【0022】これら集合孔12a,12bは流通溝8c
を連通させるように構成されている。より詳しくは、流
通溝8cは全部で18本あり、このうち図中上からの6
本が供給孔8aと集合孔12bとに接続され、図中下か
らの6本が排出孔8bと集合孔12aとに接続され、残
りの中段の6本が集合孔12a,12bに接続されてい
る。
【0023】[作用効果]このような第1の実施の形態
のセパレータ11において、集合孔12a,12bでい
ったん酸化剤ガスを集め、流れる方向を変えることがで
きる。すなわち、流通溝8cでは図の左右方向、集合孔
12a,12bでは図の上下方向となり、酸化剤ガスの
流路構成としては、図11に示した蛇行状フロー方式と
ほぼ同じとなる。このとき、流通溝8c途中で酸化剤ガ
ス量に若干の不均一であっても、ある程度の酸化剤ガス
を集合孔12a,12bにいったん集めているので、集
合孔12a,12bは流通溝8cに向けて均一に酸化剤
ガスを配流することができる。
【0024】また、図2に示すように、以上のセパレー
タ11、膜電極複合体( 電極面積289cm2 ) 及びシ
ール材4を用いて単電池1を構成した。この単電池1を
70セル積層して電池スタックを製作し、発電試験を行
った。また、図11に示す蛇行状フローを採用した従来
のセパレータ5を用いた単電池1を同様に70セル積層
し発電試験を行った。電流密度0.35A/cm2 、反
応ガス出口圧力0.3MPa、燃料ガス利用率:70
%、酸化剤ガス利用率:40%の運転で、セパレータ1
1を用いた単電池1の電圧分布の結果は750mV±1
5mVとなった。これに対して、セパレータ5を用いた
場合の単電池1電圧分布の結果は750mV±36mV
となり、第1の実施の形態に係るセパレータ11を用い
た方が分布が小さくなった。膜電極複合体を含む単電池
1は汎用品を用いており、製造のばらつきは極めて少な
いため、第1の実施の形態では単電池1を多数積層した
場合であっても、酸化剤ガスの配流が良好であると結論
できる。
【0025】(2)第2の実施の形態 [構成]第2の実施の形態は請求項2、3を包含してお
り、図3に示すような燃料電池発電システムに組込まれ
ている。第2の実施の形態には、前記集合孔12a,1
2bを酸化剤ガス供給孔8a及び酸化剤ガス排出孔8b
に切り替えるためのバルブ13が設置されている。この
バルブ13はスタック外部で供給孔8a、排出孔8bと
それぞれ分岐・合流する直後・直前に設けられている。
つまり、集合孔12a,12bをそれぞれ供給孔8a、
排出孔8bとして用いたい場合はバルブ13を開にし、
また、集合孔12a,12bとして用いたい場合はバル
ブを閉にする。言い換えれば、供給孔8a及び排出孔8
bの一部で酸化剤ガスの供給及び排出を止め、その部分
を集合孔12a,12bに切替えるようになっている。
【0026】さらに、第2の実施の形態にはバルブ13
の開閉を制御する制御手段14が設置されている。この
制御手段14には燃料電池の出力電流または電流密度を
感知する電流感知器15と、燃料ガスと酸化剤ガスとの
極間差圧に検出する圧力センサ16が接続されている。
制御手段14は電流感知器15が感知した出力電流また
は電流密度、あるいは圧力センサ16が検出した極間差
圧に基づいてバルブ13の開閉を制御するように構成さ
れている。なお、符号17はコンプレッサ、18はポン
プを示している。
【0027】[作用効果]上記第2実施の形態を用いて
70セル積層した電池スタックを製作した。まず、バル
ブ13を閉にして、第1の実施の形態と同条件で発電試
験を行った。電流密度0.35A/cm2 での運転で、
単電池電圧分布の結果は第1の実施の形態と同様に75
0mV±15mVとなった。また、この時の燃料ガス入
口圧力、酸化剤ガス入口圧力は共に0.305MPa、
燃料ガス出口圧力、酸化剤ガス出口圧力は共に0.30
0MPaであった。
【0028】次にバルブ13は閉状態でガス利用率は一
定のまま、電流密度を1.0A/cm2 まで増加させ
た。この時、70セルの電圧分布は520mV±30m
Vとなった。それに伴い燃料ガス圧力、酸化剤ガス圧力
も増大し、電流感知器15にて感知される電流値が28
9A(電流密度が1.0A/cm2 )に達する直前で
は、この時、燃料ガス入口圧力は0.315MPa、酸
化剤ガス入口圧力は0.405MPa、燃料ガス出口圧
力、酸化剤ガス出口圧力は共に0.300MPaとな
り、極間差圧が最大で0.09MPaになった。
【0029】そして、電流感知器15にて感知される電
流値が289A(電流密度が1.0A/cm2 )に達し
たとき、電流感知器15が制御手段14にバルブ開信号
を送る。あるいは、圧力センサ16の検出する極間差圧
に0.08MPaとなったとき、圧力センサ16が制御
手段14にバルブ開信号を送る。
【0030】このような信号を受けると制御手段14は
バルブ13を開く。この結果、ガス流路6bの構成は従
来のストレートフロー方式となる。このとき、70セル
の電圧分布は520mV±30mVのままであったが、
酸化剤ガス入口圧力は0.315MPaまで低減して燃
料ガス入口圧力と同じ圧力となり、極間差圧が0MPa
になった。したがって、コンプレッサ17の昇圧範囲が
0.41MPa未満と低減した。
【0031】このように、第2の実施の形態によれば、
高電流密度運転時にはバルブ13を開いて集合孔12
a,12bを無くしてストレートフロー方式を採用する
こができる。そのため、適正なガス流量を維持して圧力
損失及び極間差圧を抑制することができる。
【0032】また、低電流密度運転時にはバルブ13を
閉じて供給孔8a及び排出孔8aの一部を集合孔12
a,12bに切り替えれば、従来の蛇行状フロー方式に
近い流路構成をとることができる。このため、低電流密
度運転時でも十分なガス流量を確保して生成水を確実に
除去できる。しかも第2の実施の形態では、低電流密度
から高電流密度まで安定した運転及び制御を満足させる
だけでなく、制御手段14、電流感知器15及び圧力セ
ンサ16の働きにより、単電池1の劣化防止及び発電シ
ステムの効率向上に寄与できる。
【0033】(3)他の実施の形態 なお、本発明は、以上のような実施の形態に限定される
ものではなく、たとえば、図4に示す第1の実施の形態
の変形例として、供給孔8aと排出孔8bを隣接してセ
パレータ11の一端部側に設け、セパレータ11の他端
部側のすべての流通溝8cを連通させた集合孔12cを
設けても良い。また、制御手段はガス圧力損失に基づい
てバルブ13を制御しても良い。さらに、電流感知器や
圧力センサの設置箇所は適宜変更可能である。また、上
記の実施の形態では、酸化剤ガスが流れるガス流路6b
の構成について言及したが、セパレータに流れる流体と
しては燃料ガスもしくは冷却水であっても、集合孔を設
けることにより、配置の均一化を図ることができる。
【0034】
【発明の効果】以上説明してきたように本発明によれ
ば、流路途中に流通溝を複数連通させた集合孔を設ける
といった極めて簡単な構成により、流体を均一に配流す
ると共に、低電流密度から高電流密度に至るまで生成水
の除去及び極間差圧の低減を実現して常に安定した電池
性能を発揮でき、さらには単電池の劣化防止や発電シス
テム全体の効率向上に貢献することができた。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態に係るセパレータの
平面図
【図2】第1の実施の形態の単電池の構造図
【図3】第2の実施の形態を含む燃料電池発電システム
の構成図
【図4】本発明の他の実施の形態に係るセパレータの平
面図
【図5】一般的な固体高分子型燃料電池における単電池
の断面図
【図6】一般的な固体高分子型燃料電池における膜電極
複合体の平面図
【図7】一般的な固体高分子型燃料電池における単電池
及びセパレータの側面図
【図8】従来のセパレータの平面図
【図9】従来のセパレータの断面図
【図10】ストレートフローを採用したセパレータの平
面図
【図11】蛇行状フローを採用したセパレータの平面図
【符号の説明】
1…単電池 2a,2b…電極板 3…固体高分子電解質膜 4…シール材 5,11…セパレータ 6a,6b…ガス流路 7a…燃料ガス供給孔 7b…燃料ガス排出孔 8a…酸化剤ガス供給孔 8b…酸化剤ガス排出孔 9a…冷却水供給孔 9b…冷却水排出孔 10a,10b…連絡流路 12a,12b,12c…酸化剤ガス集合孔 13…バルブ 14…制御手段 15…電流感知器 16…圧力センサ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 宗内 篤夫 神奈川県川崎市川崎区浮島町4番1号 株 式会社東芝電力・産業システム技術開発セ ンター内 Fターム(参考) 5H026 AA06 CC03 CX04 HH03 HH06 HH09

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 イオン伝導性を持つ固体高分子電解質膜
    が設けられ、この固体高分子電解質膜を挟持するように
    一対の多孔質電極板が配置され、これらの多孔質電極板
    の外側に導電性の平板であるセパレータが配置され、こ
    のセパレータにおける前記多孔質電極板と接する面には
    複数の流通溝を有する流路が形成され、この流路に燃料
    ガスまたは酸化剤ガスもしくは冷却水が流れるように構
    成された固体高分子型燃料電池において、 前記流路の途中に、前記流通溝を複数連通させた集合孔
    が設けられたことを特徴とする固体高分子型燃料電池。
  2. 【請求項2】 前記流路の一端部には前記流通溝に燃料
    ガスまたは酸化剤ガスもしくは冷却水を供給する供給孔
    が、前記流路の他端部には前記流通溝から燃料ガスまた
    は酸化剤ガスもしくは冷却水を排出する排出孔がそれぞ
    れ設けられ、 前記供給孔及び前記排出孔の一部を前記集合孔に切り替
    える切替手段が設置されたことを特徴とする請求項1記
    載の固体高分子型燃料電池。
  3. 【請求項3】 固体高分子型燃料電池の出力電流または
    電流密度、もしくは前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの
    ガス圧差である極間差圧あるいは前記燃料ガスまたは前
    記酸化剤ガスのガス圧力損失に基づいて、前記切替手段
    を制御する制御手段が設置されたことを特徴とする請求
    項2記載の固体高分子型燃料電池。
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Cited By (7)

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