JP2005228517A

JP2005228517A - 燃料電池用セパレータ及び燃料電池

Info

Publication number: JP2005228517A
Application number: JP2004033691A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiko Nakagawa; 和彦中川; Tatsuya Tonoki; 達也外木; Masahiro Kiyofuji; 雅宏清藤; Mineo Wajima; 峰生和島; Osamu Kubota; 修久保田
Original assignee: Hitachi Cable Ltd; Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd; Hitachi Ltd
Priority date: 2004-02-10
Filing date: 2004-02-10
Publication date: 2005-08-25

Abstract

【課題】可燃料極側での二酸化炭素ガスによる反応面積の減少、及び酸化剤極側での生成水によるガス流路閉塞を解決し、携帯機器等への適用が可能な液体燃料を使用した燃料電池用セパレータ及び燃料電池を提供する。
【解決手段】両側に燃料極１２、酸化剤極１３が設けられ固体高分子電解質層１１に配され、燃料と酸化剤をそれぞれ供給する流路溝１５，１６が形成された燃料電池用セパレータにおいて、前記流路溝１５，１６が、同じ面内で一本ないし複数本が並んで蛇行形状に配されると共に燃料が供給される流路溝１５が燃料が上方から下方に流れるように、酸化剤ガスが供給される流路溝１６が、酸化剤ガスが上方から下方に流れるように形成される。
【選択図】図２

Description

本発明は、小型化に適した燃料電池用セパレータ及び燃料電池に関するものである。

燃料電池は水素と酸素を原料に、水を生成する過程で電気エネルギーを取り出すことができる。

図５は、燃料電池の代表例として、メタノールを燃料とする燃料電池の発電原理図を示したものである。

この燃料電池１０はダイレクトメタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）とも呼ばれている。

燃料であるメタノールは水と混合されて燃料極１１に供給され、電解質層２２内で、触媒によって水素イオンになり同時に二酸化炭素（ＣＯ₂ ）ガスを発生する。

ＣＨ₃ ＯＨ＋Ｈ₂ Ｏ→６Ｈ⁺ ＋６ｅ^-＋ＣＯ₂

水素イオンは、電解質層１２中を対極側の酸化剤極１３に移動する。そのときイオン化した際の電子と酸素と水素イオンが反応し、水を生成する。

３／２Ｏ₂ ＋６Ｈ⁺ ＋６ｅ^-→３Ｈ₂ Ｏ

この一連反応で発電が行われ、電気エネルギーを取り出すことができる（特許文献１）。

このように液体燃料であるメタノールを使用して電気エネルギーを取り出せるために、現在二次電池を使用している小型携帯機器への利用が期待され、一部で実用化しつつある。

燃料電池の中では最近燃料電池車への適用が急速に進んでいる固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）があるが、ＰＥＦＣの場合は燃料に水素ガスを用いる点がＤＭＦＣと異なる。

水素ガスを供給するためには、例えばメタノールや天然ガスを用いて、改質器によって発生させた水素含有ガスを用いる方法があるが、この場合、電池システムが大型化してしまい携帯機器に使用するにはあわない。

これに対しＤＭＦＣでは、直接メタノールから水素イオンを取り出せるために、大幅に電池システムが小型化できるが、反面では出力密度がＰＥＦＣなどに比べて低いため、適用は携帯機器等の消費電力の小さな機器に限られる。また、液体燃料としてはメタノール以外にもジメチルエーテルなど使用可能な液体燃料がありそれぞれに実用化が研究されている。

特開平６‐１８８００８号公報

ところで、このＤＭＦＣによれば、特別な動力を使用せずに発電は可能であるが、発電に伴って生成する水による流路閉塞や、燃料極に発生する二酸化炭素ガスによる触媒の遮蔽に起因した出力電圧の低下を来してしまう問題がある。

電池の出力が高くなると、燃料極側で発生する二酸化炭素ガス量も増加し、発生したガスは燃料中で気泡を形成する。気泡は液体の存在する空間が気泡状態で移動するのに充分なだけ広くなければ滞留し、気泡部分には燃料が無くなるために触媒との反応が阻害され、実質的な反応面積が減少して出力が低下する。

一方で酸化剤極側では、生成した水が流路を閉塞させ、酸化剤ガスの供給を阻害するために出力が低下する。

以上述べたような出力低下現象は、電池特性が向上し出力が上昇した場合や、長時間発電した場合などに顕著に見られる問題点である。

本発明は上記の出力低下を来す、燃料極側での二酸化炭素ガスによる反応面積の減少、及び酸化剤極側での生成水によるガス流路閉塞を解決し、携帯機器等への適用が可能な液体燃料を使用した燃料電池用セパレータ及び燃料電池を提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１の発明は、両側に燃料極、酸化剤極が設けられた固体高分子電解質層に配され、燃料と酸化剤をそれぞれ供給する流路溝が形成された燃料電池用セパレータにおいて、前記流路溝が、同じ面内で一本ないし複数本が並んで蛇行形状に配されると共に燃料が供給される流路溝が、燃料が下方から上方に流れるように、酸化剤ガスが供給される流路溝が、酸化剤ガスが上方から下方に流れるように形成されるようにした燃料電池用セパレータである。

請求項２の発明は、燃料が供給される流路溝は、その運転時における液体燃料の供給方向において、前記流路溝が、鉛直方向と燃料進行方向とでできる角度（Ｘ度）に関して、Ｘ≧９０を満たす請求項１記載の燃料電池用セパレータである。

請求項３の発明は、燃料が供給される流路溝は、水平流路溝と垂直流路溝とで蛇行形状に形成され、その水平流路溝が、水平乃至燃料供給方向に対して上向きになるようにされる請求項２記載の燃料電池用セパレータである。

請求項４の発明は、酸化剤が供給される流路溝は、その運転時における酸化剤ガスの供給方向において、前記流路溝が、鉛直方向と燃料進行方向とでできる角度（Ｙ度）に関して、Ｙ≦９０を満たす請求項１〜３いずれかに記載の燃料電池用セパレータである。

請求項５の発明は、酸化剤ガスが供給される流路溝は、水平流路溝と垂直流路溝とで蛇行形状に形成され、その水平流路溝が、水平乃至酸化剤ガス方向に対して下向きになるようにされる請求項４記載の燃料電池用セパレータである。

請求項６の発明は、請求項１〜５いずれかの燃料電池用セパレータが用いられ、燃料としてメタノールなどの液体燃料が、酸化剤ガスとして空気が用いられる燃料電池である。

本発明はＤＭＦＣの小型化、システムの簡素化を主眼に発明されたもので、燃料極及び酸化剤極に多孔質体を配し、それらの間に電解質層及び両極の触媒層を配して、酸化剤極側の多孔質体の外側に流路構造を持ったセパレータを配するものである。

本発明では、燃料供給及び酸化剤ガス供給のために特別なポンプやブロアなどの動力を使用しないために、液体燃料を多孔質体の毛管力を利用して供給し、酸化極でも同様の多孔質体を使用して発電に伴って発生する水を吸収させる方法を採用している。

本発明によれば、高出力で安定した出力を得られるＤＭＦＣが実現できる。

以下本発明の実施形態を添付図面により説明する。

図２（ａ）は、本発明の燃料電池（ＤＭＦＣ）１０を示し、図２（ｂ）は、その燃料電池用セパレータ１４を示している。

図１（ａ）において、電解質層１２の両側には、触媒層及びガス拡散層で形成される燃料極１１と触媒層及びガス拡散層で形成される酸化剤極１３が設けられ、その両側に、黒鉛材などで形成される燃料電池用セパレータ１４、１４が設けられる。セパレータ１４には、液体燃料が流通する流路溝１５又は空気などの酸化ガスが流通する流路溝１６が形成される。

また、燃料電池１０を多段に積層して構成する場合には、図には示していないが、セパレータ１４の両面に、液体燃料が流通する流路溝１５と酸化ガスが流通する流路溝１６が形成される。

図１（ｂ）に示すように、セパレータ１４は、液体燃料の供給口１７とその排出口１８、酸化ガスの供給口１９とその排出口２０が設けられ、その液体燃料の供給口１７とその排出口１８を結んで蛇行した複数本の流路溝１５が形成され、また酸化ガスの供給口１９と排出口２０を結んで蛇行した複数本の流路溝１６が形成される（図４参照）。

このセパレータ１４は、図２に示すように、燃料が供給される複数本の流路溝１５は、供給口１７が下方で、排出口１８が上方に位置するように配置され、その供給口１７と排出口１８とを結んで、水平流路溝１５ｈと鉛直流路溝１５ｖとで蛇行するように形成され、燃料が下方の水平流路溝１５ｈから鉛直流路溝１５ｖ、その上方の水平流路溝１５ｈと順次蛇行して上方に流れるように配され、水平流路溝１５ｈが、略水平乃至供給方向で上方に傾くように形成される。

また、酸化剤ガスが供給される流路溝１６は、図４（ａ）に示すように、供給口１９が上方で、排出口２０が下方に位置するように配置され、その供給口１９と排出口２０とを結んで、水平流路溝１６ｈと鉛直流路溝１６ｖとで蛇行するように形成され、酸化剤ガスが上方の水平流路溝１６ｈから鉛直流路溝１６ｖ、その下方の水平流路溝１６ｈと順次蛇行して下方に流れるように配され、水平流路溝１６ｈが、略水平乃至供給方向で下方に傾くように形成される。

次に、本発明における燃料の供給方向、及び酸化剤ガスの供給方向と電池出力への影響について図を用いて説明する。

図１（ｂ）のようなセパレータ１４を用いて図１（ｂ）に示した燃料電池１０（単体乃至積層体）を製作し、液体燃料をポンプで供給、酸化剤ガスをブロアで供給しながら発電する場合、燃料極１２側においては、図２に示すような方向で供給口１７より液体燃料を流路溝１５に供給し、順次蛇行しながら下方から上方に流れて排出口１８より排出されるように供給する。

発電に伴って二酸化炭素ガスが発生するとガスは流路溝１５内に気泡の状態で滞留する。燃料流れによって気泡が移動し、排出口１８に排出されれば発電を阻害することなく連続的に安定して発電できる。

しかし、図３（ａ）のようにセパレータ１４が傾いた状態にある場合、供給口１７と排出口１８近くの流路溝１５の傾き線ｍの鉛直線ｌに対する角度Ｘは、Ｘ＝１００°であり、上向きの傾斜であるため支障がないが、流路溝１５の途中で、上方から下方に流れる水平流路溝１５ｈがあり、この方向の傾き角はＸ＝７０°となるため、その流路溝１５ｈの上流側で気泡が滞留しやすくなり、発電に寄与する燃料極１２の面積が減少し、電池の出力が低下する。

そのために流路溝１５は、全長に亘って鉛直方向と運転時のセパレータ内燃料進行方向とでできる角度（Ｘ度）に関して、Ｘ≧９０を満たす条件でなくては、長時間発電時に発生ガスによる流路閉塞を来してしまう。

従って、図３（ａ）のような角度での設置の場合、流路は図３（ｂ）のように途中の流路溝１５ｈを水平乃至上向き（９０°以上）にする必要がある。

酸化剤極側においては、図４（ａ）に示すように供給口１９から排出口２０に向けて順次蛇行しながら上方から下方に流れるような方向で酸化剤ガスを供給する。

発電に伴って水が生成すると、流路溝１６を閉塞させてガスが連続して供給できなくなる為に、ガスの流れと共に水を排出する必要がある。

この場合、図４（ｂ）に示すように、セパレータ１４が傾いて配置され、流路溝１６の途中の鉛直方向で見た場合に上向き、つまり重力作用方向と逆方向にガスが流れる水平流路溝１６ｈがある場合には、閉塞が発生しやすく電池出力が低下してしまう。

そのために、図４（ｃ）に示すように、酸化剤ガスの流路１５は、その途中の水平流路溝１６ｈを水平以下にし、水平流路溝１６の全長に亘って、鉛直方向と運転時のセパレータ内酸化剤ガス進行方向とでできる角度（Ｙ度）に関して、Ｙ≦９０を満たす条件として、長時間充電時に生成水による流路閉塞を防止するようにする。

本発明の実施例について述べる。

実施例１
図１（ｂ）に示すセパレータを黒鉛材で、流路溝１５、１６の形状を断面方向で、幅１ｍｍ、深さ１ｍｍに製作した。

燃料及び酸化剤ガス供給口及び排気口（マニホールド）１７〜２０はサイズが５×４ｍｍで、セパレータ板厚は３ｍｍで製作した。

本セパレータを用いて、図１（ｂ）に示すＤＭＦＣセルを製作した。

触媒には白金（Ｐｔ）を使用し、触媒量は燃料極１１、酸化剤極１３ともに２ｍｇ／ｃｍ² 塗布し、燃料に５ｗｔ％メタノール水溶液を用い、酸化剤に空気を用いて発電した。

燃料の供給方向は図２のように、酸化剤ガスの供給方向は図４（ａ）のようにして燃料流量は１ｍＬ／ｍｉｎ、空気流量は５０ｍＬ／ｍｉｎで発電した。

鉛直方向と燃料供給方向とが形成する角度は、流路全長に亘って９０度以上だった。また鉛直方向と酸化剤供給方向とが形成する角度は、流路全長に亘って９０度以下だった。

発電の結果、最大出力密度で１５ｍＷ／ｃｍ² を得た。１時間発電した結果も出力は安定していた。

実施例２
図３（ｂ）に示すセパレータ１４を黒鉛材で、流路溝１５、１６の形状を断面方向で幅１ｍｍ、深さ１ｍｍに製作した。

燃料及び酸化剤ガス供給口（マニホールド）１７〜２０はサイズが５×４ｍｍで、セパレータ板厚は３ｍｍで製作した。

触媒には白金（Ｐｔ）を使用し、触媒量は燃料極、酸化剤極ともに２ｍｇ／ｃｍ² 塗布し、燃料に５ｗｔ％メタノール水溶液を用い、酸化剤に空気を用いて発電した。

燃料の供給方向は図３（ｂ）のように、酸化剤ガスの供給方向は図４（ｃ）とし、燃料流量は１ｍＬ／ｍｉｎ、空気流量は５０ｍＬ／ｍｉｎで発電した。

水平方向とセル上面とが形成する角度は２０度だったが、燃料及び酸化剤供給流路を変更し、鉛直方向と燃料供給方向とが形成する角度は、流路全長に亘って９０度以上だった。鉛直方向と酸化剤供給方向とが形成する角度は、流路全長に亘って９０度以下だった。

充電の結果、最大出力密度で１６ｍＷ／ｃｍ² を得た。１時間発電した結果も出力は安定していた。

比較例１
図１（ｂ）に示すセパレータを黒鉛材で、流路溝１５、１６の形状を断面方向で幅１ｍｍ、深さ１ｍｍに製作した。燃料及び酸化剤ガス供給口（マニホールド）２はサイズが５×４ｍｍで、セパレータ板厚は３ｍｍで製作した。

本セパレータを用いて、図３に示すＤＭＦＣセルを製作した。触媒には白金（Ｐｔ）を使用し、触媒量は燃料極、酸化剤極ともに２ｍｇ／ｃｍ² 塗布し、燃料に５ｗｔ％メタノール水溶液を用い、酸化剤に空気を用いて発電した。燃料の供給方向は図３（ａ）のように、酸化剤ガスの供給方向は図４（ｂ）のようにして燃料流量は１ｍＬ／ｍｉｎ、空気流量は５０ｍＬ／ｍｉｎで発電した。水平方向とセル上面とが形成する角度は２０度だったが、燃料及び酸化剤供給流路は変更せずに用いた。鉛直方向と燃料供給方向とが形成する角度は、９０度よりも小さな個所があった。鉛直方向と酸化剤供給方向とが形成する角度も、９０度より大きな個所もあった。

発電の結果、最大出力密度１２ｍＷ／ｃｍ² を得たが１時間発電した結果、出力変動が大きく時間がたつにつれ出力は低下していき、出力がマイナスになった。

本発明における両極での燃料及び酸化剤供給方向と鉛直方向との形成角度に関しては、発明内容に示す範囲以外では燃料極の場合、発生する二酸化炭素ガスが滞留し出力が低下するのは上記した比較例に示す通りである。

ＤＭＦＣセルがある傾きを持って設置される場合、セパレータの流路は上記した実施例２のように、本発明の範囲内に入るような設定にすべきである。

酸化剤ガス流路の場合も同様で、発電で生成する水の排出によって発電特性が影響を受ける。燃料及び酸化剤両極とも、重力作用方向に対しての考慮が必要である。

本発明はＤＭＦＣの場合だが、同様の燃料電池としてＰＲＦＣの場合にも適用できる可能生が高い。

本発明の一実施の形態を示し（ａ）は燃料電池、（ｂ）は燃料電池用セパレータを示すの図である。本発明の燃料電池用セパレータを用いたＤＭＨＣにおける燃料供給方向説明図である。本発明のセパレータを用いたＤＭＦＣにおける燃料供給方向説明図で、（ａ）は比較例、（ｂ）は比較例の対策を盛り込んだ実施例を示す図である。図４は本発明の燃料電池用セパレータを用いたＤＭＨＣにおける燃料供給方向説明図である。本発明のセパレータを用いたＤＭＦＣにおける実施例で、比較例の対策を盛り込んだ燃料供給方向説明図で、（ａ）は実施例、（ｂ）は比較例、（ｃ）は、比較例の対策を盛り込んだ実施例を示す図である。本発明のセパレータを用いたＤＭＦＣにおける比較例の燃料供給方向説明図である。本発明におけるＤＭＦＣの発電原理を説明する図である。

符号の説明

１０流路溝
１１電解質層
１２燃料極
１３酸化剤極
１４セパレータ
１５，１６流路溝

Claims

両側に燃料極、酸化剤極が設けられた固体高分子電解質層に配され、燃料と酸化剤をそれぞれ供給する流路溝が形成された燃料電池用セパレータにおいて、前記流路溝が、同じ面内で一本ないし複数本が並んで蛇行形状に配されると共に燃料が供給される流路溝が、燃料が下方から上方に流れるように、酸化剤ガスが供給される流路溝が、酸化剤ガスが上方から下方に流れるように形成されることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
燃料が供給される流路溝は、その運転時における液体燃料の供給方向において、前記流路溝が、鉛直方向と燃料進行方向とでできる角度（Ｘ度）に関して、Ｘ≧９０を満たす請求項１記載の燃料電池用セパレータ。
燃料が供給される流路溝は、水平流路溝と垂直流路溝とで蛇行形状に形成され、その水平流路溝が、水平乃至燃料供給方向に対して上向きになるようにされる請求項２記載の燃料電池用セパレータ。
酸化剤が供給される流路溝は、その運転時における酸化剤ガスの供給方向において、前記流路溝が、鉛直方向と燃料進行方向とでできる角度（Ｙ度）に関して、Ｙ≦９０を満たす請求項１〜３いずれかに記載の燃料電池用セパレータ。
酸化剤ガスが供給される流路溝は、水平流路溝と垂直流路溝とで蛇行形状に形成され、その水平流路溝が、水平乃至酸化剤ガス方向に対して下向きになるようにされる請求項４記載の燃料電池用セパレータ。
請求項１〜５いずれかの燃料電池用セパレータが用いられ、燃料としてメタノールなどの液体燃料が、酸化剤ガスとして空気が用いられることを特徴とする燃料電池。