JP2006073407A - 固体高分子電解質型燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】ガス流路内へのミストや飛沫の流入を未然に防ぎ、安定した電圧を供給できる固体高分子電解質型燃料電池を提供する。
【解決手段】 ガス導入マニホールドを、ガス排出マニホールドよりも重力方向上部に形成し、また、ガス排出マニホールドの重力方向上部にガス排出口を形成し、更には、ガス導入口の接続角度αを、重力方向に対し、９０°＜α≦１８０°とする。また、ガス導入マニホールドと前記ガス流路との接続部の断面積は、前記ガス流路の平均断面積よりも大きいことが好ましい。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電圧供給を安定して得ることのできる単セル構造の固体高分子電解質型燃料電池に関する。

固体高分子電解質型燃料電池(Polymer Electrolyte Fuel Cell)は電解質に高分子膜を用いる燃料電池で、出力密度が高い、電池寿命が長い、比較的低温で運転できる、コンパクト化に適しているなどの特徴を有している。

図６は、従来の固体高分子電解質型燃料電池のセルの概略構造の一例を示す断面図である。固体高分子電解質１の両側に燃料電極２ａと、空気電極２ｂとが密着して配置され、その外側に、集電体３ａ、３ｂが配置され、電解質と燃料電極と空気電極が一体化したＭＥＡ（Membrane and Electrode Assembly）が形成されている。そして、ＭＥＡ６の外側を、ガス流路２０と、冷却水路３０を備えたセパレータ１０ａ、１０ｂで挟持し、電池単セルが構成されている。

図７は、上記従来の固体高分子電解質型燃料電池のセパレータのガス流路の構成例で、図６の固体高分子電解質型燃料電池のセパレータ１０ａ側からみた模式図である。燃料ガスは、ガス導入マニホールド４ａからガス流路２０へ流入し、電極部で電極反応に消費された後、一部の未反応ガスはガス排出マニホールド４ｂへ流出する。同様に、酸化剤ガスは、ガス導入マニホールド５ａからガス流路２０へ流入し、電極部で電極反応に消費された後、一部の未反応ガスはガス排出マニホールド５ｂへ流出する。そして、電極反応での、発電による発熱を冷却するため、冷却水路導入口３１ａから冷却水路排出口３１ｂへ冷却水を流通する。

一般的には、固体高分子電解質形燃料電池に用いられている固体高分子電解質膜は、水を含んだ湿潤状態にて高いイオン伝導性を示すため、燃料ガス、及び酸化剤ガスを水で加湿することにより高い電池特性が得られることが知られている。

しかしながら、加湿された燃料ガスや酸化剤ガスは水のミストや飛沫を含みやすく、これらが、燃料ガスを導入するガス導入マニホールド４ａ、及び酸化剤ガスを導入するガス導入マニホールド５ａからガス流路２０に入り込み、液滴となってガス流路を閉塞してしまうという問題があった。ガス流路が閉塞されると、燃料ガスが十分に電極に到達しなくなるので、電池電圧が低下してしまう。

この問題を解決するにあたって、例えば下記特許文献１では、燃料電池の燃料ガスあるいは酸化剤ガスの圧損、または単セル電圧などをモニタしておき、燃料ガスあるいは酸化剤ガスの加湿過多を検出して、ガス加湿量を下げてガス流路への液滴の流入を防ぐ、または電池温度を上げて液滴を蒸発させ滞留をなくす方法が提案されている。

また、下記特許文献２には、ガス流路の結露水を効果的に排出するため、ガス出口マニホールドを、ガス流路に対して重力方向下側に配置し、ガス流路とガス出口マニホールドとの間の連結溝を重力方向下向きに形成している。

更に、下記特許文献３では、ガス流路でのガスの流通及び、凝縮した水分の排出を円滑におこなうため、ガス導入マニホールドとガス導入口の接続部及び／又はガス排出マニホールドとガス排出口の接続部の断面積を、ガス流路の断面積よりも大きくしている。
特開２００１−１４８２５３号公報 特開２００３−２８２１００号公報 特開２０００−１６４２２７号公報

しかしながら、上記特許文献１の方法では、液滴がガス流路に流入したのをモニタで検知してから、加湿量を変化させたりするので、対処に時間がかかり、その間に、ガス流路の閉塞等が発生し、電池電圧が低下してしまうという問題があった。また、上記特許文献２、３の方法では、ガス流路内に流入した液滴をすみやかに排出することはできるが、ミストや飛沫の流入を未然に防ぐものではない。よって、液滴が排出しきれずガス流路内に残留し、セル電圧が不安定になるという可能性があった。

よって本発明の目的は、ガス流路内へのミストや飛沫の流入を未然に防ぎ、安定した電圧を供給できる固体高分子電解質型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、本発明においては、固体高分子膜からなる電解質層の両面に電極層を配置し、更にその両外面に、ガス導入マニホールド、ガス排出マニホールド、及びガス流路を有するセパレータを配置した固体高分子電解質型燃料電池であって、前記ガス導入マニホールドが、前記ガス排出マニホールドよりも重力方向上部に形成され、前記ガス導入マニホールドと前記ガス流路との接続角度αが、重力方向に対し９０°＜α≦１８０°であることを特徴とする。

これによれば、マニホールド内のミストや飛沫は、重力に逆らってガス流路内に流入しなくてはならないため、ガス流路内へは流入しにくく、ガス流路内へのミストや飛沫の流入を未然に防止することができる。

また、本発明において、ガス導入口の断面積が、ガス流路の平均断面積より大きいことが好ましい。これによれば、ガス導入口でのガス流速が、ガス流路内よりも遅くなるので、ミストや飛沫は、ガス流体から受ける運動エネルギーが減少し、ガス流路内へミストや飛沫が流入しにくくなる。

ガス導入マニホールドを、ガス排出マニホールドよりも重力方向上部に形成し、かつ、ガス導入マニホールドとガス流路との接続角度αを、重力方向に対し、９０°＜α≦１８０°とすることで、反応ガスに含まれるミストや飛沫のガス流路内への混入を未然に防ぎ、ガス流路の液滴による閉塞が極めて生じにくくなり、安定した電池特性が得られる。

また、ガス導入マニホールドとガス流路との接続部の断面積を、ガス流路の平均断面積よりも大きくすることで、ガス流路内へのミストや飛沫の流入をより効果的に防止できる。

以下、図面を用いて本発明について更に詳細に説明するが本発明はこれに限定されるものではない。

図１は、本発明の固体高分子電解質型燃料電池のセパレータのガス流路を示す模式図であって、同図（ａ）はセパレータ１０ａの模式図であり、同図（ｂ）は、セパレータ１０ｂの模式図である。なお、図中の矢印Ｇは、セパレータ１０ａ及び１０ｂが使用される状態での重力方向を示している。

本発明では、ガス導入マニホールド４ａ及び５ａが、ガス排出マニホールド４ｂ及び５ｂよりも、重力方向の上部に形成されている。

ガス導入マニホールド４ａから燃料ガスを、ガス導入マニホールド５ａから酸化剤ガスを導入することで、電解質膜と燃料電極と空気電極とが一体化したＭＥＡ（Membrane and Electrode Assembly）と接触して、電極反応が行われる。未反応のガスは、ガス流路２０を流通してガス排出マニホールド４ｂ及びガス排出マニホールド５ｂから排出される。また、冷却水路導入口３１ａから冷却水路排出口３１ｂへ、図示しない冷却水路を経由して冷却水が流通され、燃料電池全体の冷却が行われる。

さらに、本発明では、ガス導入マニホールド４ａとガス流路２０が、重力方向に対し、９０°＜α≦１８０°の接続角度αで接続されており、ガス導入マニホールド５ａとガス流路２０も同様に、重力方向に対し、９０°＜α≦１８０°の接続角度αで接続されている。なお、接続角度αは、１５０°≦α≦１８０°とすることが更に好ましい。

図２は、図１（ａ）に示した本発明のセパレータ１０ａのガス導入マニホールド４ａとガス流路２０との接続部の第１の態様を示す拡大模式図である。

この態様では、ガス導入口の接続角度αが、重力方向Ｇに沿った垂線Ｇ’に対し、９０°＜α＜１８０°となっている。

なお本発明において、重力方向に対する接続角度αとは、交点Ｏから重力方向に向かう垂線Ｇ’と、ガスの流通方向Ａとのなす角度を意味する。すなわち、ガスの流通方向Ａは上向きとなる。

固体高分子電解質形燃料電池に用いられている固体高分子電解質膜は、水を含んだ湿潤状態にて高いイオン伝導性を示すため、通常、燃料ガスは水で加湿して用いられる。

この態様によれば、燃料ガスに含まれるミストや飛沫が、ガス導入マニホールド４ａから、ガス流路２０に流入する際、重力に逆らわなくてはならないので、重力による引力を受け、ミストや飛沫のガス流路内への流入を未然に防止できる。

なお、図示しないが、図１（ｂ）のガス導入マニホールド５ａとガス流路２０との接続部も、図２と同様にすることで、酸化剤ガス中に含まれるミストや飛沫のガス流路２０内への流入を未然に防止できる。

そのため、本発明によれば、ガス流路２０の液滴による閉塞が極めて生じにくく、安定した電池特性を得ることができる。

図３は、図１（ａ）に示した本発明のセパレータ１０ａの燃料ガス導入マニホールド４ａとガス流路２０との接続部の第２の態様を示す拡大模式図である。

これによれば、ガス導入マニホールド４ａの上部にガス流路２０が接続されており、接続角度αが１８０°となっている。この態様によれば、ミストや飛沫に対する重力の効果が最大となり、ガス流路２０に極めて流入しにくくなる。

なお、図示しないが、図１（ｂ）のガス導入マニホールド５ａとガス流路２０との接続部も、図３と同様にすることで、ガス流路２０内に、ミストや飛沫の流入を未然に防止できる。

図４は、図１（ａ）に示した本発明のセパレータ１０ａのガス導入マニホールド４ａとガス流路２０との接続部の第３の態様を示す拡大模式図である。

この態様では、接続角度αが１８０°とされると共に、ガス導入口の断面積Ｓ１が、ガス流路２０の入口から出口までの平均断面積Ｓ２に対して、Ｓ１＞Ｓ２となっている。

なお、断面積Ｓ１は、断面積Ｓ２の１．５〜３倍であることが好ましい。

例えば、ガス流路の断面積をＳ１＝２ｍｍ^２、Ｓ２＝１ｍｍ^２となるような構成にした場合、ガス導入マニホールド４ａ付近における流速は、その後に接続されているガス流路２０の流速の１／２となるので、ガス導入口では、ミストや飛沫が受ける運動エネルギーが減少し、さらには、重力による引力も受けるため、ガス流路内へ液滴が極めて流入しにくくなる。

またガスの流通速度が減少するのは、断面積の広い接続部だけであるので、ガス流路内に液滴が生成してしまった場合でも、すみやかに液滴が排出される。

なお、図示しないが、図１（ｂ）のガス導入マニホールド５ａとガス流路２０との接続部も、図４と同様にすることで、ガス流路２０内に、ミストや飛沫の流入を未然に防止できる。

以下より実施例を挙げて本発明の効果を説明する。

［実施例］
本発明の図３のセパレータを用いて、電池スタックを作製した。

なお、電池スタックとは、燃料電池セルを複数積層して構成されたものであり、ＭＥＡと、その両面に配された空気極セパレータと燃料極セパレータ、ならびに電池冷却水を通流させる電池冷却板からなる。

セパレータ材料として，カーボンを圧縮してフェノール樹脂等を含浸した樹脂含浸緻密カーボン素材を用いた。

電解質膜として（商品名；「ナフィオンＮ−１１２」 デュポン製）を使用し、燃料極触媒として白金・ルテニウム担持カーボン触媒を使用し、空気極触媒として白金担持カーボン触媒を使用し、集電体として（商品名；「ＴＧＰＨ−６０」 東レ製）を使用してＭＥＡを製作した。なお、電極の有効面積は１００ｃｍ^２とした。

このＭＥＡを、ガス導入マニホールドとガス流路との接続部が図３である、本発明の燃料極セパレータ及び空気極セパレータで挟み込み燃料電池単セルを構成した。そして、この燃料電池単セルを３０セル積層して一体化し、燃料電池スタックを作製した。

［比較例］
図７の従来のセパレータを使用した以外は、実施例と同様にして燃料電池スタックを作製した。

［試験例］
上記実施例及び比較例の試験体を用い、以下の条件で発電試験を行い、図５にその結果を示す。

発電試験条件は、燃料ガスとして（Ｈ_２８０％＋ＣＯ_２２０％）の混合ガスを、酸化剤ガスとして空気を使用し、常圧下で、セル温度７０℃、燃料露点７０℃、空気露点７０℃、電流密度０．２Ａ／ｃｍ^２で行った。

従来型の燃料電池である比較例では、運転中に一部のセルの電圧が一時的に低下することがあった。これは、ガス流路内にミストや飛沫が流入し、一時的に反応ガスが欠乏したため電圧が低下したものと考えられ、液滴の排出によりセル電圧が回復したものであると考えられる。

一方、本発明の燃料電池では，ガス流路内にミストや飛沫が流入することがないので、セル電圧が安定していた。

本発明によれば、ミストや飛沫の流入を未然に防止でき、かつ、滞留してしまった液滴を速やかに排出できるので、安定した電池特性を備えることができる。

本発明の固体高分子電解質型燃料電池のセパレータのガス流路を示す模式図 本発明の固体高分子電解質型燃料電池のガス導入口を示す模式図 本発明の固体高分子電解質型燃料電池のガス導入口の第２の態様を示す模式図 本発明の固体高分子電解質型燃料電池のガス導入口の第３の態様を示す模式図 本発明の固体高分子電解質型燃料電池の発電試験結果を示す図表 従来の固体高分子電解質型燃料電池の基本構成を示す断面図 従来の固体高分子電解質型燃料電池のセパレータのガス流路の構成を示す模式図

符号の説明

１：固体高分子電解質
２ａ：燃料電極
２ｂ：空気電極
３ａ、３ｂ：集電体
４ａ、５ａ：ガス導入マニホールド
４ｂ、５ｂ：ガス排出マニホールド
６：ＭＥＡ
１０ａ、１０ｂ：セパレータ
２０：ガス流路
３０：冷却水路
３１ａ：冷却水路導入口
３１ｂ：冷却水路排出口

Claims (2)

1. 固体高分子膜からなる電解質層の両面に電極層を配置し、更にその両外面に、ガス導入マニホールド、ガス排出マニホールド、及びガス流路を有するセパレータを配置した固体高分子電解質型燃料電池であって、
   前記ガス導入マニホールドが、前記ガス排出マニホールドよりも重力方向上部に形成され、
   前記ガス導入マニホールドと前記ガス流路との接続角度αが、重力方向に対し、９０°＜α≦１８０°であることを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池。
2. 前記ガス導入マニホールドと前記ガス流路との接続部の断面積が、前記ガス流路の平均断面積より大きいことを特徴とする請求項１に記載の固体高分子電解質型燃料電池。