JP2004241185A

JP2004241185A - 高分子電解質型燃料電池

Info

Publication number: JP2004241185A
Application number: JP2003027045A
Authority: JP
Inventors: Shigeyuki Unoki; 重幸鵜木; Eiichi Yasumoto; 栄一安本; Kazuhito Hado; 一仁羽藤
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-02-04
Filing date: 2003-02-04
Publication date: 2004-08-26
Anticipated expiration: 2023-02-04
Also published as: JP4498681B2

Abstract

【課題】燃料電池のセパレータ板内の凝縮水の排出をスムーズに行わせ、低出力運転においてもフラッディングが無く、出力電圧の安定性に優れた高分子電解質型燃料電池を提供することを目的とする。
【解決手段】高分子電解質膜を挟むアノードおよびカソード、アノードに燃料ガスを供給するガス流路を有するアノード側導電性セパレータ板、およびカソードに酸化剤ガスを供給するガス流路を有するカソード側導電性セパレータ板を具備し、少なくとも一方の導電性セパレータ板のガス流路は、ガスの流れが実質的に電池の重力方向の下向きとなるように構成され、かつガス流路の内表面に凹部を有する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子電解質を用いた燃料電池に係わり、特に導電性セパレータ板のガス流路内凝縮水の排出を良好にした燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子電解質を用いた燃料電池は、水素を含有する燃料ガスと、空気など酸素を含有する酸化剤ガスとを、電気化学的に反応させることで、電力と熱とを同時に発生させるものである。この燃料電池は、基本的には、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜、および高分子電解質膜の両面に配置された一対の電極からなる。電極は、白金族金属触媒を担持した導電性カーボン粉末を主成分とする触媒層、およびこの触媒層の外面に形成された、通気性と電子導電性を併せ持つ、例えば撥水処理を施したカーボンペーパーからなるガス拡散層から構成される。
【０００３】
供給するガスが外にリークしたり、燃料ガスと酸化剤ガスとが互いに混合したりしないように、電極の周囲には高分子電解質膜を挟んでガスシール材やガスケットが配置される。このシール材やガスケットは、電極及び高分子電解質膜と一体化してあらかじめ組み立てられる。これをＭＥＡ（電解質膜−電極接合体）と呼ぶ。ＭＥＡの外側には、これを機械的に固定するとともに、隣接したＭＥＡを互いに電気的に直列に接続するための導電性のセパレータ板が配置される。セパレータ板のＭＥＡと接触する部分には、電極面に反応ガスを供給し、生成ガスや余剰ガスを運び去るためのガス流路が形成される。ガス流路は、セパレータ板と別に設けることもできるが、セパレータ板の表面に溝を設けてガス流路とする方式が一般的である。
これらのＭＥＡとセパレータ板を交互に重ねていき、１０〜２００セル積層した後、集電板と絶縁板を介して端板でこれを挟み、締結ボルトで両端から固定するのが一般的な積層電池の構造である。
【０００４】
高分子電解質膜は、水分を飽和状態で含水させることにより膜の比抵抗が小さくなり、水素イオン導電性電解質として機能する。よって、燃料電池の稼動中は、高分子電解質膜からの水分の蒸発を防ぐために、燃料ガスおよび酸化剤ガスは加湿して供給される。また、電池発電時には、次の電気化学反応によりカソード側で反応生成物として水が生成される。
【０００５】
アノード；Ｈ_２ → ２Ｈ^＋＋２ｅ⁻ （１）
カソード；２Ｈ^＋＋（１／２）Ｏ_２＋２ｅ⁻ → Ｈ_２Ｏ（２）
【０００６】
この生成水は、電解質膜を飽和状態に保つために使用され、さらに余剰の酸化剤ガスとともに燃料電池の外部へ排出される。このため、カソード側の酸化剤ガスに含まれる水分量が酸化剤ガスの流れ方向で差異を生じ、酸化剤ガスの入口側に比べて、出口側では反応生成水に相当する量だけ多量に水分が含まれることとなる。したがって、膜の含水状態を飽和に維持するために飽和状態に加湿された酸化剤ガスを電池に供給すると、出口側では水蒸気が過飽和となり、液体状態となった水（凝縮水）が混在する。このように酸化剤ガス中に液体状態の水が含まれると、液体状態の水は、セパレータ板のガス流路を構成する溝に、表面張力によって液滴として付着する。甚だしい場合は、ガス流路内に付着した水がガス流路を塞いでガスの流れを阻害し、フラッディング状態になる。その結果、電極の反応面積が減少し、電池性能が低下する。
【０００７】
液滴には、液滴自体の重力の他に、ガス流路を流れるガス流によって生じる圧力損失が加わることとなる。したがって、反応ガスの流速やガス流路の断面積を適切に選定することにより、ガス圧力を所定値以上とすれば、表面張力による付着力に打ち勝って、ガス流路を閉塞した液滴を排出することができる。
しかしながら、実使用レベルでのエネルギー効率を最良にするためには、使用状況により出力を変動させることが必要であるため、定格よりも低出力運転をする場合がある。低出力運転の場合、ガス圧力が小さくなり、表面張力による付着力が大きければ、付着した液滴の排出は困難となる。
【０００８】
このように、ガス流路に凝縮水が付着する事態が生じると、やがて、増量した凝縮水によるガス流路の閉塞、つづいてガス流の圧力による凝縮水の排出が起こり、再びガス流路に凝縮水が付着するサイクルを繰り返すこととなる。したがって、ガス流路に凝縮水が付着すると、反応ガスの供給量が不足したり、ガス流路相互の間での流量の不均一を生じたりして、電池特性の低下をもたらす危険性がある。また、発電出力増加に伴うカソードで生成する水の量の増加、あるいは発電出力低下に伴うガス流量の減少による凝縮水に対する排水力の低下により、フラッディング状態になると、カソード側からアノード側に水の逆拡散現象が生じ、アノード側でも水蒸気分圧が上昇する。アノード側で水蒸気分圧が上昇すると、カソード側と同様に、アノード側でもフラッディングが生じ、電池性能低下につながる。
【０００９】
従来のセパレータ板によるガス流路で発生した凝縮水を除去する方法として、ガス流路の内面に金メッキ層からなる撥水処理層を形成したものが提案されている（たとえば特許文献１参照）。また、システムとして、排水装置を設けたものも提案されている（たとえば特許文献２参照）。
しかしながら、コストの増加、装置の大型化などが懸念されるため、実用的とは言い難い。
【００１０】
【特許文献１】
特開平９−２９８０６４号公報
【特許文献２】
特開２００２−１９８０６９号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、このような燃料電池のセパレータ板内の凝縮水の排出に関する課題を解決し、低出力運転においてもフラッディングがなく、出力電圧の安定性に優れた高分子電解質型燃料電池を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため本発明の燃料電池は、高分子電解質膜、前記高分子電解質膜を挟むアノードおよびカソード、前記アノードに燃料ガスを供給するガス流路を有するアノード側導電性セパレータ板、および前記カソードに酸化剤ガスを供給するガス流路を有するカソード側導電性セパレータ板を具備し、少なくとも一方の導電性セパレータ板のガス流路は、ガスの流れが実質的に電池の重力方向の下向きとなるように構成され、かつガス流路の内表面に複数個の凹部を有することを特徴とする。
【００１３】
前記凹部は、その開口部が円形であり、したがって丸穴であることが好ましい。
前記凹部は、ガス流路の内表面、特に内底面にあることが好ましい。
前記凹部は、ガス流路の内表面にガスの流れ方向に沿って直線状に配列されているのが好ましい。
アノード側導電性セパレータ板およびカソード側導電性セパレータ板の双方が前記凹部を有するのが好ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の燃料電池は、少なくとも一方の導電性セパレータ板のガス流路は、ガスの流れが実質的に電池の重力方向の下向きとなるように構成され、かつガス流路の内表面に凹部を有する。この凹部により、凝縮水の排水が促進される。この様子を図１に示す。
図１は、セパレータ板に設けられた溝により構成されるガス流路の正面図を表している。ガス流路１の内底面に、円形の開口部をもつ凹部２がガスの流れ方向に沿って直線状に配列されている。ガス流路１は、地面に垂直となるように電池が設置される。供給ガスの圧力により排出されない凝縮水３は、供給ガスの圧力を避けるように、セパレータ板のガス流路１の内表面に備えた凹部２に集まり始め（ａ）、次第に凹部２が凝縮水３で満たされる（ｂ）。その後、凹部の凝縮水が溢れ出る際、他の凹部に溜まっている凝縮水を巻き込むことにより大きな液滴３ａとなる。そして、液滴３ａの重量増加、および流路１を流れるガス流によって生じる圧力の増加により、凝縮水の電池外への排出が促進される（ｃ）。
図１において、直立する流路の中で、凹部２に溜まった凝縮水が表面張力を振り切って流下するには、凹部はその底が狭くなるような構成が望ましい。また、凝縮水を速やかに流下させるには、表面張力が強くなるような開口部が多角形の凹部ではなく、開口部が円形の凹部が好ましい。
図１（ｃ）において、上側の凹部２から流下した凝縮水が直下に位置する凹部の凝縮水に接触して瞬時に両者を含む大きな水球となり、かくして順次速やかに、溜まっている凝縮水を道ずれにして流下するためには、ガスの流れは重力方向になる方が良く、また、凹部の配列は直線状にするのが有効である。ここでガスの流れが重力方向とは、ガス流路が地面に垂直な方向にある場合のみでなく、傾斜していてもよく、液滴が重力により下方に向かって流れるような方向にあればよい。
【００１５】
このように導電性セパレータ板のガス流路の内表面に凹部２を備えることで、高加湿運転、低ガス流速運転、あるいは反応生成水が多くなる高電流密度運転などにおいて、フラッディングが生じにくく、安定した出力特性の燃料電池を提供することができる。
本発明の高分子電解質型燃料電池は、携帯情報端末、携帯電子機器、家庭用コージェネレーションシステム、自動二輪車、電気自動車、ハイブリッド電気自動車等に用いることができるが、特にこれらに限定されるわけではない。
【００１６】
【実施例】
以下、本発明の詳細を実施例および比較例を挙げて説明する。これらの実施例は、本発明を何ら限定するものではない。
図２は本発明の各実施例および各比較例において作製した高分子電解質型燃料電池の単電池の構成を示す横断面図であり、図３は本発明の実施例におけるセパレータ板の要部の正面図、図４は図３のＩＶ−ＩＶ’線断面図である。
【００１７】
まず、各実施例および各比較例における燃料電池に共通した電池の構造を図２を参照して説明する。
単電池１０は、高分子電解質膜１１、およびこれを挟むカソード１２およびアノード１３からなる電解質膜−電極接合体（ＭＥＡ）１８、カソード１２へ酸化剤ガスを供給するガス流路１４を有するカソード側導電性セパレータ板１６、およびアノード１３へ燃料ガスを供給するガス流路１５を有するアノード側導電性セパレータ板１７から構成されている。ＭＥＡ１８は、電解質膜１１の周縁部を挟むガスケット１９を有する。セパレータ板１６および１７は、それぞれ背面に冷却水の流路を構成する溝２２および２３を有する。
この単電池を積層したセルスタックにおいては、１つの単電池のカソード側セパレータ板１６とこれに隣接する単電池のアノード側セパレータ板１７との間に溝２２と２３による冷却水の流路が形成される。また、セパレータ板１６および１７並びにＭＥＡ１８は、周縁部に酸化剤ガス、燃料ガスおよび冷却水の入り口側マニホールド孔および出口側マニホールド孔を有している。そして、酸化剤ガス、燃料ガスおよび冷却水は、それぞれ入り口側マニホールド孔からガス流路１４、１５および冷却水の流路に流入し、出口側マニホールド孔から排出される。図２では、燃料ガスの一対のマニホールド孔２５のみを示している。
【００１８】
カソード側セパレータ板１６およびアノード側セパレータ板１７は、いずれも大きさが１６０ｍｍ角、厚さが５ｍｍであり、ガス流路１４および１５の深さは２ｍｍ、幅は２ｍｍである。高分子電解質膜には、市販品（デュポン（株）製のＮａｆｉｏｎ膜）を用い、電極触媒にはＰｔ担持カーボンを、ガス拡散層にはカーボンペーパ用いた。単電池を３０セル積層してセルスタックとした。セルスタックの両端には、集電板と絶縁板を介して端板を重ね合わせ、締め付けボルトにより締め付けて燃料電池を構成した。セルスタックの両端部のカソード側セパレータ板およびアノード側セパレータ板は、背面に冷却水のための溝は設けていない。
燃料電池は７０℃に保持し、アノードおよびカソードにはそれぞれ露点が７０℃となるように加温・加湿した水素ガスおよび空気を供給し、燃料ガス利用率は７０％、酸化剤ガスの利用率は４０％に設定した。
【００１９】
《実施例１》
本実施例のセパレータ板の要部の構成を図３および図４に示す。
セパレータ板３０は、垂直方向に伸びるガス流路３１を並行に配列している。各ガス流路３１は溝で構成され、内底面に、円形の開口部を有する凹部３２をガスの流れ方向に沿って複数設けている。凹部３２はガス流路の幅方向の中心に位置しており、直径ａは１ｍｍ、流路壁との差ｂは０．５ｍｍ、深さｃは１ｍｍ、隣接凹部との間隔ｄは１ｍｍである。本実施例では、上記のような構成のガス流路を有するセパレータ板をカソード側セパレータ板およびアノード側セパレータ板に用いる。以下の実施例および比較例においても特に断らない限り、同様な構成のガス流路を有するカソード側セパレータ板およびアノード側セパレータ板を用いる。
【００２０】
《実施例２》
実施例１と同様に図３及び図４のような構成を有するが、凹部３２の直径ａは１ｍｍ、流路壁との差ｂは０．５ｍｍ、深さｃは１ｍｍ、隣接凹部との間隔ｄは３ｍｍである。
【００２１】
《実施例３》
実施例１と同様の構成を有するが、凹部３２の直径ａは０．５ｍｍ、流路壁との差ｂは０．７５ｍｍ、深さｃは１ｍｍ、隣接凹部との間隔ｄは１ｍｍである。
【００２２】
《実施例４》
実施例１と同様の構成を有するが、凹部３２の直径ａは１ｍｍ、流路壁との差ｂは０．５ｍｍ、深さｃは０．５ｍｍ、隣接凹部との間隔ｄは１ｍｍである。
【００２３】
《実施例５》
実施例１と同様の構成を有するが、凹部３２の直径ａは０．５ｍｍ、流路壁との差ｂは０．２５ｍｍ、深さｃは１ｍｍ、隣接凹部との間隔ｄは０．５ｍｍである。
【００２４】
《比較例１》
ガス流路に凹部を有しないこと以外は実施例１と同じセパレータ板を用いた。
【００２５】
以上の実施例１〜５および比較例１の各燃料電池について負荷変動試験を行った。まず、電流密度を０．２Ａ／ｃｍ^２として２４時間運転し、次いで０．１Ａ／ｃｍ^２、０．０５Ａ／ｃｍ^２、および０．０３Ａ／ｃｍ^２と順次電流密度を下げて運転して電圧の安定性を比較した。各電流密度における運転時間はいずれも２４時間とした。その結果を図９に示す。
図９から明らかなように、比較例１の電池は、電流密度が０．０５Ａ／ｃｍ^２以下になると、各単セルの平均電圧が不安定になり、フラッディング現象を起こしていることがわかる。一方、実施例１および実施例５の電池は、０．０５Ａ／ｃｍ^２のみならず０．０３Ａ／ｃｍ^２においても比較例１と比較して、優れた電圧安定性を示している。また、実施例２、３、および４の電池は、０．０５Ａ／ｃｍ^２において、比較例１と比べて優れた電圧安定性を示している。これらの結果から、セパレータ板のガス流路の内底面に凹部を備えることによる顕著なフラッディング抑制効果が確認された。
【００２６】
《比較例２》
比較例２に用いたセパレータ板のガス流路の構造は実施例１と同様であるが、ガスの流れる方向が重力方向とは逆、すなわち、下部から上部になっている点が異なる。
このセパレータ板を用いた燃料電池について、上記と同様の方法で、負荷変動試験を行った。この結果を実施例１の結果とともに図１０に示す。
図１０から明らかなように、比較例２の電池は、電流密度が０．０５Ａ／ｃｍ^２以下になると、各単セルの平均電圧が不安定になり、フラッディング現象を起こしていることがわかる。この結果からセパレータ板のガス流路の内底面に備えた凹部をガスが重力方向、すなわち、上部から下部へ流れることによる顕著なフラッディング抑制効果が確認された。
【００２７】
《実施例６》
実施例６に用いたセパレータ板のガス流路を図５および図６に示す。
このセパレータ板４０は、並行するガス流路４１を有し、ガスは重力方向に流れるように電池が設置される。ガス流路４１は、実施例１と同様に、溝の中心部に凹部４２を有する。凹部４２の開口部は１ｍｍ角であり、流路壁との差ｂは０．５ｍｍ、深さｃは１ｍｍ、隣接凹部との間隔ｄは１ｍｍである。凹部４２は１ｍｍ角になっている。
【００２８】
このセパレータ板を用いた燃料電池について、上記と同様の方法で、負荷変動試験を行った。その結果を実施例１の結果とともに図１１に示す。
図１１から明らかなように、実施例６の電池は、電流密度が０．０３Ａ／ｃｍ^２以下になると、各単セルの平均電圧が不安定になっているが、図９の比較例１と比べるとフラッディング現象が抑制されていることがわかる。この結果から、セパレータ板のガス流路の内底面に備えた凹部の開口部の形状が四角形でも効果があるが、円形にすることによって、より顕著なフラッディング抑制効果が確認された。
【００２９】
《実施例７》
実施例７に用いたセパレータ板のガス流路を図７および図８に示す。
このセパレータ板５０は、並行するガス流路５１を有し、ガスは重力方向に流れるように電池が設置される。ガス流路５１は、その内底面に実施例１と同様に直径ａが１ｍｍの円形の開口部をもつ凹部５２を有するが、その配列が異なっている。すなわち、凹部５２は、中心部から左右にずらして設けている。凹部５２の流路壁との差ｂ１は０．２５ｍｍ、ｂ２は０．７５ｍｍ、深さｃは１ｍｍ、隣接凹部との間隔ｄは１ｍｍである。
【００３０】
このセパレータ板を用いた燃料電池について、上記と同様の方法で、負荷変動試験を行った。その結果を図１２に示す。
図１２から明らかなように、実施例７の電池は、図９の比較例１と比べるとフラッディング抑制には有効である。しかし、電流密度が０．０３Ａ／ｃｍ^２以下になると、各単セルの平均電圧が不安定になり、フラッディング現象を起こしていることがわかる。この結果からセパレータ板のガス流路の内底面に備えた凹部の配列を直線状にすることでより顕著なフラッディング抑制効果が確認された。
【００３１】
《実施例８》
実施例１のセパレータ板をアノード側セパレータ板に、比較例１のセパレータ板をカソード側セパレータ板に用いた。これを実施例８の燃料電池とする。
【００３２】
《実施例９》
比較例１のセパレータ板をアノード側セパレータ板に、実施例１のセパレータ板をカソード側セパレータ板に用いた。これを実施例９の燃料電池とする。
【００３３】
実施例８および実施例９の燃料電池について、上記と同様の方法で、負荷変動試験を行った。これらの結果を図１３に示す。
図１３から明らかなように、実施例８および実施例９の電池は、電流密度が０．０３Ａ／ｃｍ^２以下になると、各単セルの平均電圧が不安定になり、フラッディング現象を起こしていることがわかる。これらの結果から、ガス流路の内底面に凹部を形成したセパレータ板をアノード側セパレータ板またはカソード側セパレータ板のどちらかに用いることにより効果はあるが、両方に用いることによって、より顕著なフラッディング抑制効果が確認された。
【００３４】
本発明は、前記の実施例に記載のセパレータ板、特にそのガス流路の内表面に備えた凹部の形成方法、ガス流路のパターン形状などに限定されるものではなく、発明の趣旨から容易に置換可能な様々な修正および変形が可能である。セパレータ板の材質に関しても、カーボン以外の材料、例えば、金メッキを施したステンレス鋼材でも良く、当業者によく知られている他の材質を用いることが可能である。さらに、前記各実施例は高分子電解質型燃料電池に関するものであるが、本発明は、電池発電時に電気化学反応によりカソード側で反応生成物として水が生成される燃料電池の全てに適用した場合に大きな効果が得られる。
【００３５】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、ガス流路内の凝縮水の排出が促進され、かつ低負荷時の電圧安定性などの電池特性に優れた高分子電解質型燃料電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のセパレータ板における凝縮水が除去される様子を示すモデル図である。
【図２】本発明の実施例における高分子電解質型燃料電池の単電池の横断面図である。
【図３】本発明の実施例１〜５におけるセパレータ板の要部の正面図である。
【図４】図３のＩＶ−ＩＶ’線断面図である。
【図５】本発明の実施例６におけるセパレータ板の要部の正面図である。
【図６】図５のＶＩ−ＶＩ’線断面図である。
【図７】本発明の実施例７におけるセパレータ板の要部の正面図である。
【図８】図７のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ’線断面図である。
【図９】実施例１〜５および比較例１の燃料電池の低負荷時の電圧安定性を示す図である。
【図１０】実施例１および比較例２の燃料電池の低負荷時の電圧安定性を示す図である。
【図１１】実施例１および実施例６の燃料電池の低負荷時の電圧安定性を示す図である。
【図１２】実施例１および実施例７の燃料電池の低負荷時の電圧安定性を示す図である。
【図１３】実施例１、実施例８および実施例９の燃料電池の低負荷時の電圧安定性を示す図である。
【符号の説明】
１ガス流路
２凹部
３凝縮水
１０単電池
１１高分子電解質膜
１２カソード
１３アノード
１４、１５ガス流路
１６カソード側導電性セパレータ板
１７アノード側導電性セパレータ板
３０、４０、５０セパレータ板
３１、４１、５１ガス流路
３２、４２、５２凹部

Claims

高分子電解質膜、前記高分子電解質膜を挟むアノードおよびカソード、前記アノードに燃料ガスを供給するガス流路を有するアノード側導電性セパレータ板、および前記カソードに酸化剤ガスを供給するガス流路を有するカソード側導電性セパレータ板を具備し、少なくとも一方の導電性セパレータ板のガス流路は、ガスの流れが実質的に電池の重力方向の下向きとなるように構成され、かつガス流路の内表面に複数個の凹部を有することを特徴とする高分子電解質型燃料電池。
前記凹部はその開口部が円形である請求項１記載の高分子電解質型燃料電池。
前記凹部がガス流路の内表面にある請求項１または２に記載の高分子電解質型燃料電池。
前記凹部がガス流路の内表面にガスの流れ方向に沿って直線状に配列されている請求項１、２または３に記載の高分子電解質型燃料電池。
前記アノード側導電性セパレータ板およびカソード側導電性セパレータ板の双方が前記凹部を有する請求項１〜４のいずれかに記載の高分子電解質型燃料電池。