JP2006086137A

JP2006086137A - 燃料電池

Info

Publication number: JP2006086137A
Application number: JP2005360132A
Authority: JP
Inventors: Hideo Maeda; 秀雄前田; Hisatoshi Fukumoto; 久敏福本; Kenro Mitsuta; 憲朗光田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2005-12-14
Filing date: 2005-12-14
Publication date: 2006-03-30

Abstract

【課題】安定した特性を有し、高電圧・高出力の燃料電池を得る。
【解決手段】燃料電池は、電解質膜を燃料電極および酸化剤電極で狭持した単セルをセパレータ板５１を介して順次積層した積層体を用いたものである。電極の面内重心位置で積層体を貫通する貫通孔５２を設け、この貫通孔５２にシャフトを挿入し、このシャフトの周りに電極面積の２〜８割の断面積の弾性体を設け、この弾性体を介して、シャフトを軸として積層体の両端部間に押しつけ面圧を与えて積層体を締め付けたものである。
【選択図】図６

Description

本発明は、例えば電気自動車等で使用されるもので、電気化学的な反応を利用して発電する燃料電池に関するものである。

燃料電池は周知のように、電解質を介して一対の電極を接触させ、この一方の電極に燃料を、他方の電極に酸化剤を供給し、燃料の酸化を電池内で電気化学的に生じさせることにより化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する装置である。

燃料電池には電解質によりいくつかの型があるが、近年高出力の得られる燃料電池として、電解質に固体高分子電解質膜を用いた固体高分子型燃料電池が注目されている。例えば燃料電極に燃料として水素ガスを、酸化剤電極に酸化剤として酸素ガスを供給し、外部回路より電流を取り出すとき、下記化学反応式で示されるような反応が生じる。
陰極反応：Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^- ・・・（１）
陽極反応：２Ｈ⁺＋２ｅ^-＋１／２Ｏ₂→Ｈ₂O ・・・（２）

このとき燃料電極上で水素はプロトンとなり、水を伴って電解質体中を酸化剤電極上まで移動し、酸化剤電極上で酸素と反応して水を生ずる。従って、上記のような燃料電池の運転には、水素ガスや酸素ガス等の反応ガスの供給と排出、電流の取り出しが必要となる。

燃料電池から電流を取り出すとともに、反応ガスと水を効率よく流通させるセパレータ板が、例えば特開平３―２０６７６３号公報（米国特許第５，１０８，８４９号）に示されている。

図１０は、特開平３―２０６７６３号公報（米国特許第５，１０８，８４９号）に示されている燃料電池における単セルの概念的な構成を説明するための断面図であり、図において、１、２は導電性のセパレータ板、３は酸化剤電極、４は燃料電極、５は例えばプロトン導電性の固体高分子を用いた電解質体であり、電解質体５、酸化剤電極３および燃料電極４により単セルを構成する。１０はセパレータ板１の一方の面に蛇腹溝状に複数個並行して形成され、上記酸化剤電極３に酸化剤として例えば酸素ガスを供給するための酸化剤流路、１１はセパレータ板２に蛇腹溝状に複数個並行して形成され、上記燃料電極４に燃料として例えば水素ガスを供給するための燃料流路である。

図１１は、上記図１０に示した従来の燃料電池におけるセパレータ板１の上面を示す説明図であり、以下図１０を併用して説明する。

即ち、２０はセパレータ板１の主表面、２１はセパレータ板１における電極３を支持する電極支持部分、２２はセパレータ板１に形成され酸化剤として空気を供給する酸化剤供給口、２３は空気を排出するための酸化剤排出口、２４は燃料を供給する燃料供給口、２５は燃料を排出するための燃料排出口である。

なお、上記セパレータ板１、２においては、主表面を削って形成された溝と電極３、４に囲まれた空間によって酸化剤流路１０および燃料流路１１が構成されている。

以下、上記燃料電池の動作を上記図１０および図１１を用いて説明する。
セパレータ板１の空気供給口２２より供給された酸素ガスは、並行して走る複数の酸化剤流路１０を流れながら酸化剤電極３に供給され、一方、水素ガスは上記酸化剤と同様に、燃料流路１１より燃料電極４に供給される。このとき、酸化剤電極３と燃料電極４は電気的に外部に接続されているので、酸化剤電極３側では上記化学反応式（２）の反応が生じ、酸化剤流路１０を通って未反応の酸素ガスと水が燃料排出口２５に排出される。

また、このとき燃料電極４側では上記化学反応式（１）の反応が生じ、未反応の水素ガスは同様に燃料流路１１を通じて燃料排出口２５より排出されることとなる。この反応によって得られた電子は電極３、４から電極支持部分２１を経由してセパレータ板１、２を通って流れる。

上記従来のセパレータ板ではガス流速を速くして生成した水を排出できるように工夫していたが、複数ある流路中のどれかが閉塞してしまった場合、その流路の受け持つ電極面での発電は不可能となり、実質反応面積が減少して、特性が低下することがあった。

また、複数のセルを積層した積層体では、積層体内の一つのセルでも燃料欠乏が生じた場合、下記化学反応式（３）のように電極やセパレータ板等の構成部材であるカーボンに腐食が生じ、致命的なダメージを受けて発電効率が極端に落ちてしまうという課題があった。

Ｃ＋２Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋４Ｈ⁺＋４ｅ^- ・・・（３）

また、セル面内で反応分布を均一にするため、セル面内にかかる荷重を分散するために、米国特許第５，４８４，６６６号に示すように電極有効面内に複数の貫通孔を設け、締め付けを行う工夫もされているが、電極内に複数の孔を開けるため、ガス流路が複雑になったり、ガスシール等で余分な面積のロスが増えるといった課題があった。

本発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、安定した特性を有し、高電圧・高出力の燃料電池を得ることを目的とするものである。

本発明に係る燃料電池は、電解質膜を燃料電極および酸化剤電極で狭持してなる単セル、上記燃料電極に燃料流体を供給する燃料流路と上記酸化剤電極に酸化剤流体を供給する酸化剤流路とを備えた複数のセパレータ板を具備し、上記単セルを介して上記複数のセパレータ板を積層した積層体からなる燃料電池において、上記複数のセパレータ板それぞれの面内重心位置に設け上記積層体を貫通する貫通孔に、シャフトを挿入し、このシャフトの周りに設け電極面積の２割以上８割以下の断面積の弾性体を介して、上記シャフトを軸として上記積層体の両端部間に押しつけ面圧を与えて上記積層体を締め付けたものである。

本発明の燃料電池は、電解質膜を燃料電極および酸化剤電極で狭持してなる単セルを、上記燃料電極に燃料流体を供給する燃料流路と上記酸化剤電極に酸化剤流体を供給する酸化剤流路とを備えたセパレータ板を介して、順次積層した積層体からなる燃料電池において、上記電極の面内重心位置に設け上記積層体を貫通する貫通孔に、シャフトを挿入し、このシャフトの周りに設け上記電極面積の２〜８割の断面積の弾性体を介して、上記シャフトを軸として上記積層体の両端部間に押しつけ面圧を与えて上記積層体を締め付けたもので、抵抗が小さくなり特性が向上する。

本発明の実施の形態の燃料電池は、電解質膜を燃料電極および酸化剤電極で狭持してなる単セルをセパレータ板を介して順次積層した積層体を用いたもので、上記セパレータ板には、燃料流体と酸化剤流体がそれぞれ流れながら上記各電極に供給されるように燃料流路と酸化剤流路とを設ける。さらに、上記電極の面内重心位置で上記積層体を貫通する貫通孔を設け、この貫通孔にシャフトを挿入し、このシャフトの周りに上記電極面積の２〜８割の断面積の弾性体を設け、この弾性体を介して、上記シャフトを軸として上記積層体の両端部間に押しつけ面圧を与えて上記積層体を締め付けたもので、電極面の有効面を均一にリング状に面圧をかけることができる。

参考例１．
図１は本発明の一参考例の燃料電池に用いる積層体におけるセパレータ板３１の燃料流路を設けた面の平面図であり、図中２２は酸化剤供給口、２３は酸化剤排出口、２４は燃料供給口、２５は燃料排出口、２６は燃料供給口２４から燃料排出口２５への燃料の流れにおいて上流側に設けた第１の連通孔、２７が下流側に設けた第２の連通孔で、１１ａは燃料供給口２４から第１の連通孔２６までの燃料流路（以下、上流部の燃料流路ともいう）、１１ｂは第１の連通孔２６から第２の連通孔２７までの燃料流路（以下、中流部の燃料流路ともいう）、１１ｃは第２の連通孔２７から燃料排出口２５間の燃料流路（以下、下流部の燃料流路ともいう）である。

次に動作について説明する。
燃料供給口２４から入った燃料は燃料流路１１ａ〜１１ｃに沿ってセパレータ板内を流れ、排出口２５から出ていく。この時、第１の連通孔２６および第２の連通孔２７において、上記燃料流路は積層体内の他のセパレータ板に設けた燃料流路と連通しており燃料同士は合流することができる。

ここで、セパレータ板３１において、例えば上流部の燃料流路１１ａが水滴によって閉塞した場合、上流部の燃料流路１１aの流路が切られている部分の面積では発電は起こらないが、中流部の燃料流路１１ｂおよび下流部の燃料流路１１ｃでは燃料が第１の連通孔２６または第２の連通孔２７を経由して他のセパレータ板から補給されるので発電を継続することができる。その場合、このセルでは電流密度が増大して発熱量が大きくなるので、温度が上昇し上流部の燃料流路１１ａの水分が飛びしばらくすると面内全域で発電できるようになった。

なお、本発明の参考例を燃料流路について説明したが、酸化剤流路についても同様に効果が得られる。

参考例２．
図２は本発明の一参考例の燃料電池に用いる積層体におけるセパレータ板３１の燃料流路を設けた面の平面図で、１１ｄは燃料供給口２４から第１の連通孔２６までの燃料流路（以下、上流部の燃料流路ともいう）、１１ｅは第１の連通孔２６から第２の連通孔２７までの燃料流路（以下、中流部の燃料流路ともいう）、１１ｆは第２の連通孔２７から燃料排出口２５間の燃料流路（以下、下流部の燃料流路ともいう）である。

電極有効面積は２２５ｃｍ²で、上記燃料流路１１ｄ〜１１ｆは並行流路であり、上流部の燃料流路１１ｄ、中流部の燃料流路１１ｅおよび下流部の燃料流路１１ｆの溝の断面積は各々１．２ｍｍ²、０．９ｍｍ²および０．６ｍｍ²である。

次に動作について説明する。
燃料供給口２４から入った燃料例えば水素は燃料流路１１ｄ〜１１ｆに沿ってセパレータ板内を流れ、排出口２５から出ていく。この時、第１の連通孔２６および第２の連通孔２７では、積層体内の他のセパレータ板を流れる燃料と合流する。

ここで、水素（燃料）は、反応にともなって消費され下流へいくほど流量が減少していくが、本参考例では、上流側の流路１１ｄから下流側の流路１１ｆまでほぼ燃料の流速は５ｍ／ｓとなり、セル面内で発生した水滴を滞りなく排出させることができた。

一方、全面にわたって上流部の燃料流路１１ｄと同じ流路断面積で統一した場合には、中流部の燃料流路１１ｅおよび下流部の燃料流路１１ｆでの流速が減少し、水滴が滞留する頻度が増加した。

また、全面にわたって下流部の燃料流路１１ｆと同じ流路断面積で統一した場合には、水滴の滞留はなくなったが、圧力損失が大きくなり、補機動力が余分に必要になった。

さらに、本参考例では燃料流路の断面積を上記のように変化させたが、同じ流路断面積のものの本数を変化させても同様の効果が得られる。

また、本参考例では連通孔を２ヶ所設けた場合を示したが、本発明は連通孔の数にはよらない。

参考例３．
図３は本発明の一参考例の燃料電池に用いる積層体におけるセパレータ板３１の燃料流路面の平面図であり、１１ｇは燃料供給口２４から連通孔２７までの燃料流路（以下、上流部の燃料流路ともいう）、１１ｈは連通孔２７から燃料排出口２５間の燃料流路（以下、下流部の燃料流路ともいう）である。

連通孔２７が一つだけ全燃料流路の中間部分より下流側に設けられているので、セパレータ板において連通孔２７より下流部の燃料流路を流れる燃料が供給される燃料電極の面積が上流部の燃料流路を流れる燃料が供給される燃料電極の面積より小さい。

燃料電極の有効面積は２２５ｃｍ²で、燃料流路１１ｇ、１１ｈは１０本の並行流路であり、上流部の燃料流路１１ｇの溝の断面積は１．２ｍｍ²で、燃料電極面積１６０ｃｍ²分を流れている。下流部の燃料流路１１ｈは０．６ｍｍ²で、電極面積６５ｃｍ²分を流れている。

次に動作について説明する。燃料供給口２４から入った燃料例えば水素は燃料流路１１ｇ、１１ｈに沿ってセパレータ板内を流れ、排出口２５から出ていく。この時、連通孔２７では、積層体内の他のセパレータ板を流れる燃料と合流する。

ここで、水素（燃料）は、反応にともなって消費され例えばメタノール改質ガスでは入り口の水素濃度は約７５％（炭酸２５％：ドライベース）であるが、下流へいくほど濃度は低下し、燃料利用率が７０％の場合、出口２５では４７％となる。電極面内で反応が均一な場合には、連通孔２７部分では６０％となる。

ここで、各セパレータ板を流れるガスの流量にバラツキがある場合、例えば流量のバラツキが１０％の場合には流量の少ない単セルでの出口水素ガス濃度は約３７％にまで低下し、性能が低下するばかりか、部分的に水素欠乏が生じて致命的なダメージを受ける場合がある。

しかし、下流側に連通孔を設けたために、そこで水素濃度が他の単セルとほぼ同レベルに戻ることによって水素欠乏等のダメージの防止を行うことができた。

なお、連通孔が燃料流路全体の中間地点より上流の場合つまり、各燃料流路を流れる燃料が供給される燃料電極面積が上流側より下流側のほうが大きい場合、連通孔２７での水素濃度は６６％以上となるので、連通孔２７により積層体内の各セパレータ板を流れるガス組成をならしてもほとんど効果が現れることはない。

なお、本参考例においては連通孔より上流側と下流側の燃料流路の断面積を上流側より下流側で小さくしたが、断面積が同じでも、連通孔を流路全体の下流側に設けることにより同様の効果を得ることができる。

参考例４．
図４（ａ）、（ｂ）は各々本発明の一参考例の燃料電池に用いる積層体におけるセパレータ板３１の燃料流路が設けられた面（ａ）および酸化剤流路が設けられた面の平面図で、連通孔２６は燃料流路にのみ設けられている。図中、１１ｉは燃料供給口２４から連通孔２６までの燃料流路（以下、上流部の燃料流路ともいう）、１１ｊは連通孔２６から燃料排出口２５間の燃料流路（以下、下流部の燃料流路ともいう）である。

本参考例においては、セパレータ板の燃料流路が設けられた面において、連通孔２６より下流側の燃料流路１１ｊを流れる燃料が供給される燃料電極の面積が上流側の燃料流路１１ｉを流れる燃料が供給される面積より小さく、かつ、上記下流部の燃料流路１１ｊを設けた領域と酸化剤流路１０の出口領域の投影面が重なるようにした。

上記燃料電極の有効面積は２２５ｃｍ²で、燃料流路１１ｉ、１１ｊは１０本の並行流路であり、上流部の流路１１ｉの溝の断面積は１．２ｍｍ²で、電極面積１７１ｃｍ²分を流れている。下流部の燃料流路１１ｊの溝の断面積は０．６ｍｍ²で、電極面積５４ｃｍ²分を流れている。空気流路１０は１２本の並行流路であり、途中で連通孔の穴を避けるために６本ずつに分岐して流れている。

次に動作について説明する。燃料供給口２４から入った燃料は燃料流路１１ｉ〜１１ｊに沿ってセパレータ板内を流れ、排出口２５から出ていく。この時、連通孔２６では、積層体内の他のセパレータ板を流れる燃料と合流する。

ここで、燃料は、反応にともなって水素が消費され例えばメタノール改質ガスでは入り口の水素濃度は約７５％（炭酸２５％：ドライベース）であるが、下流へいくほど濃度は低下し、燃料利用率が７０％の場合、出口２５では４７％となる。電極面内で反応が均一な場合には、連通孔２６部分では５８％となる。しかし、上流側では空気側も酸素濃度が高いため上流側での反応量は面全体の８８％に達し、連通孔での水素濃度は５４％にまで低下した。しかし、下流側ではガス消費が通常の半分以下ですむので下流側でのガス欠乏はほとんど無く、安定して運転することができた。

実施例１．
図５は、本発明の一実施例の燃料電池の斜視図であり、図中４１は燃料電池、４２、４３は端板、４５は貫通孔を貫通するシャフトで、貫通孔は電極中央に設け積層体を貫通する。４４は弾性体である皿バネでシャフト４５の周りに設けられ、シャフト４５を軸として、リング状の弾性体を用いて締め付けをおこなっている。４６は周辺部のシャフトである。

電極は１５ｃｍ角、皿バネには内径６４ｍｍ、外形１２５ｍｍ、板厚５ｍｍのものを使用した。

また、図６は図５に示した燃料電池に用いる積層体を形成するセパレータ板の平面図であり、図中５１はセパレータ板、５２は中央部に設置した貫通孔、５３は周辺部に設置した４つの締め付け棒用の孔、５４は皿バネが端板に当たる部分を投影したものである。

次に動作について説明する。図７は、図５に示す燃料電池における積層体の端板直下のセパレータ部分にかかる面圧分布を示した説明図で、図中５５は電極であり、図中に示す数値は面圧である。

即ち、電極部にかかる面圧は３．６ｋｇ／ｃｍ²〜４ｋｇ／ｃｍ²の範囲に収まり、セル平均の抵抗値は０．２５ｍΩであった。

一方、図８は比較のために示すもので、図５に示すように電極中央に貫通孔を設けず、周辺部分に均等に８個所の締め付け部分を設けて図５に示すように積層体を締め付けた場合の面圧分布を示す説明図であるが、この場合、電極部分にかかる面圧は３ｋｇ／ｃｍ²〜４ｋｇ／ｃｍ²と大きくばらつき、また面積平均では３．６ｋｇ／ｃｍ²しかかけることができず、抵抗値は０．３ｍΩとなった。

また、図５に示す燃料電池において、中央を締め付ける弾性体４４のリング状の皿バネの径を様々に変化させて面圧分布を測定したところ、リング径を電極長さと同じ１５０ｍｍ（面積８割相当）以上にした場合、中央部の締め付け力が弱く抵抗値が急増し、またリング径を７５ｍｍ以下（面積２割相当）にした場合も中央部分のみに力が集中し、面積として多数を占める電極の端から２ｃｍ程度内側より外の面圧が低下し抵抗値が急増した。

以上のことから、上記弾性体の断面積は上記電極面積の２〜８割であるのが望ましい。

参考例５．
図９は本発明の一参考例の燃料電池を形成する積層体におけるセパレータ板６１の燃料流路が設けられた面の平面図であり、連通孔６２を電極中央部に設けて積層体を貫通する貫通孔とした。連通孔は参考例１〜４における連通孔と同様に作用する。また、この貫通孔に締め付けシャフト４５を貫通し、このシャフトの周辺部にリング状の弾性体を設け積層体の両端部において積層体を締め付けている。

本参考例では、中央シャフトからの皿バネによる締め付けによって圧力分布が均一になって特性が高くなったのに加え、連通孔により、流路閉塞による反応面積の減少が抑制したことによって積層体内の特性のばらつきおよび平均セル特性ともに改善することができた。

なお、上記図において、燃料流路および酸化剤流路の数は、便宜上記載したもので、本発明の参考例はこれに限定されるものではなく、また参考例に記した上記流路の数と必ずしも一致していない。

本発明の一参考例に係わるセパレータ板の平面図である。本発明の一参考例に係わるセパレータ板の平面図である。本発明の一参考例に係わるセパレータ板の平面図である。本発明の一参考例に係わるセパレータ板の平面図である。本発明の一実施例の燃料電池の斜視図である。本発明の一実施例に係わるセパレータ板の平面図である。本発明の一実施例に係わるセパレータ部分にかかる面圧分布を示した説明図である。比較のために示すセパレータ部分にかかる面圧分布を示した説明図である。本発明の一参考例に係わるセパレータ板の平面図である。従来の燃料電池における単セルの概念的な構成を説明するための断面図である。従来の燃料電池におけるセパレータ板の上面を示す説明図である。

符号の説明

１，２，３１，５１，６１セパレータ板、３酸化剤電極、４燃料電極、５電解質膜、１０酸化剤流路、１１、１１ａ〜１１ｊ燃料流路、２２酸化剤供給口、２３酸化剤排出口、２４燃料供給口、２５燃料排出口、２６，２７連通孔、４１燃料電池、４４弾性体、４５シャフト、５２貫通孔。

Claims

電解質膜を燃料電極および酸化剤電極で狭持してなる単セル、上記燃料電極に燃料流体を供給する燃料流路と上記酸化剤電極に酸化剤流体を供給する酸化剤流路とを備えた複数のセパレータ板を具備し、上記単セルを介して上記複数のセパレータ板を積層した積層体からなる燃料電池において、上記複数のセパレータ板それぞれの面内重心位置に設け上記積層体を貫通する貫通孔に、シャフトを挿入し、このシャフトの周りに設け電極面積の２割以上８割以下の断面積の弾性体を介して、上記シャフトを軸として上記積層体の両端部間に押しつけ面圧を与えて上記積層体を締め付けたことを特徴とする燃料電池。