JP2006139944A - 固体高分子型燃料電池 - Google Patents
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Abstract
【課題】 ガス中の水分が凝縮して発生した滞留水を自動的に排出するための装置が必要なく、また、スタック内のガス供給マニホールドでガス中の水分が凝縮して発生した余剰な滞留水を自動的に排出することができる固体高分子型燃料電池を得るものである。
【解決手段】 膜電極接合体とセル流路を備えたセパレータとを一対の加圧板の間に積層されたスタックと、酸化剤ガスあるいは燃料ガスをセル流路へ供給する供給マニホールドと、酸化剤ガスあるいは燃料ガスをセル流路から排気する排気マニホールドと、供給マニホールドの底部に設けられた排水口と排気マニホールドとを連通するバイパス流路とを備えたものである。
【選択図】 図2
【解決手段】 膜電極接合体とセル流路を備えたセパレータとを一対の加圧板の間に積層されたスタックと、酸化剤ガスあるいは燃料ガスをセル流路へ供給する供給マニホールドと、酸化剤ガスあるいは燃料ガスをセル流路から排気する排気マニホールドと、供給マニホールドの底部に設けられた排水口と排気マニホールドとを連通するバイパス流路とを備えたものである。
【選択図】 図2
Description
この発明は、プロトン導電性電解質膜を用いて電気化学的な反応を利用して発電する固体高分子型燃料電池に関するものである。
従来の固体高分子型燃料電池においては、ガス供給マニホールドより上流でガス中の水分が凝縮して発生した余剰な滞留水は、スタック端部の加圧板に設けられた水滴除去装置から外部に排出されていた(例えば特許文献1参照)。
従来の固体高分子型燃料電池では、水滴除去装置から自動で外部に排出するためには、オートドレインなどの排水装置を設置する必要があった。また、スタック端部の加圧板に水滴除去装置を取り付けているため、ガス供給マニホールドより上流で発生した滞留水は排出することはできるが、スタック内のガス供給マニホールドで発生した滞留水はセル流路を通して排出されていたので触媒層へのガス供給を阻害する要因となっていた。
この発明は、上述のような問題点を解決するためになされたもので、ガス中の水分が凝縮して発生した滞留水を自動的に排出するための排水装置が必要なく、また、スタック内のガス供給マニホールド発生した余剰な滞留水がセル流路とは別の経路を通って自動的に排出される固体高分子型燃料電池を得るものである。
この発明に係る固体高分子型燃料電池においては、膜電極接合体とセル流路を備えたセパレータとを一対の加圧板の間に積層されたスタックと、酸化剤ガスあるいは燃料ガスをそれぞれセル流路へ供給する供給マニホールドと、酸化剤ガスあるいは燃料ガスをそれぞれセル流路から排気する排気マニホールドと、供給マニホールドの底部に設けられた排水口と排気マニホールドとを連通するバイパス流路とを備えたものである。
この発明は、供給マニホールドの底部に設けられた排水口と排気マニホールドとをバイパス流路で連通することにより、スタック内のガス供給マニホールドでガス中の水分が凝縮して余剰な滞留水が発生しても、供給マニホールドと排気マニホールドとのガス圧の差圧によって、自動的にバイパス流路を通して滞留水を排気マニホールド側へ排出することができるので、滞留水がセル流路へ流れて触媒層へのガス供給を阻害することがなく、長期間に渡り安定した電池の動作が可能となる。
実施の形態1.
図1は、この発明を実施するための実施の形態1による固体高分子型燃料電池のスタックの断面の一部を示す模式図である。電解質膜1が酸化剤電極2と燃料電極3とで挟持された膜電極接合体4と、セル流路5を備えたセパレータ6とが横方向に積層されてスタック7を構成している。スタック7はさらに左右に積層されているが、図1においては、その一部を示している。膜電極接合体4の外周部には、酸化剤電極2および燃料電極3から上下方向に酸化剤ガスあるいは燃料ガスが漏れ出さないように、ガスバリア層8が形成されている。積層されたセパレータ6とガスバリア層8とを貫通して、酸化剤ガス用の供給マニホールド9aと排気マニホールド10aとが形成されている。酸化剤ガス用の供給マニホールド9aと排気マニホールド10aとは、図1の断面図では見えない部分に形成されているが、説明のために破線で示している。酸化剤ガス用の供給マニホールド9aからセパレータ6の酸化剤電極2と接触する面に形成されたセル流路5を通して、酸化剤電極2に酸化剤ガスを供給し、酸化剤電極2で消費されなかった余剰の酸化剤ガスは、セル流路5を通して、酸化剤ガス用の排気マニホールド10aに排出される。酸化剤用のマニホールドと同様に、積層されたセパレータ6とガスバリア層8とを貫通して、燃料ガス用の供給マニホールド(図示せず)および排気マニホールド(図示せず)も形成されており、燃料ガス用の供給マニホールドからセパレータ6の燃料電極3と接触する面に形成されたセル流路5を通して、燃料電極3に燃料ガスを供給し、燃料電極3で消費されなかった余剰の燃料ガスは、セル流路5を通して、燃料ガス用の排気マニホールドに排出される。積層されたセパレータのひとつはバイパス流路を備えたセパレータ6aであり、このセパレータ6aには、セル流路5に加えて、酸化剤ガス用の供給ガスマニホールド9aと排気マニホール10aとを連通するバイパス流路11が形成されている。このバイパス流路11も、図1の断面図では見えない部分に形成されているが、説明のために破線で示している。酸化剤電極2および燃料電極3の電解質膜1と接する面には、触媒層(図示せず)が形成されており、後述のようにこの触媒層で電気化学反応を起こして発電を行なう。
図1は、この発明を実施するための実施の形態1による固体高分子型燃料電池のスタックの断面の一部を示す模式図である。電解質膜1が酸化剤電極2と燃料電極3とで挟持された膜電極接合体4と、セル流路5を備えたセパレータ6とが横方向に積層されてスタック7を構成している。スタック7はさらに左右に積層されているが、図1においては、その一部を示している。膜電極接合体4の外周部には、酸化剤電極2および燃料電極3から上下方向に酸化剤ガスあるいは燃料ガスが漏れ出さないように、ガスバリア層8が形成されている。積層されたセパレータ6とガスバリア層8とを貫通して、酸化剤ガス用の供給マニホールド9aと排気マニホールド10aとが形成されている。酸化剤ガス用の供給マニホールド9aと排気マニホールド10aとは、図1の断面図では見えない部分に形成されているが、説明のために破線で示している。酸化剤ガス用の供給マニホールド9aからセパレータ6の酸化剤電極2と接触する面に形成されたセル流路5を通して、酸化剤電極2に酸化剤ガスを供給し、酸化剤電極2で消費されなかった余剰の酸化剤ガスは、セル流路5を通して、酸化剤ガス用の排気マニホールド10aに排出される。酸化剤用のマニホールドと同様に、積層されたセパレータ6とガスバリア層8とを貫通して、燃料ガス用の供給マニホールド(図示せず)および排気マニホールド(図示せず)も形成されており、燃料ガス用の供給マニホールドからセパレータ6の燃料電極3と接触する面に形成されたセル流路5を通して、燃料電極3に燃料ガスを供給し、燃料電極3で消費されなかった余剰の燃料ガスは、セル流路5を通して、燃料ガス用の排気マニホールドに排出される。積層されたセパレータのひとつはバイパス流路を備えたセパレータ6aであり、このセパレータ6aには、セル流路5に加えて、酸化剤ガス用の供給ガスマニホールド9aと排気マニホール10aとを連通するバイパス流路11が形成されている。このバイパス流路11も、図1の断面図では見えない部分に形成されているが、説明のために破線で示している。酸化剤電極2および燃料電極3の電解質膜1と接する面には、触媒層(図示せず)が形成されており、後述のようにこの触媒層で電気化学反応を起こして発電を行なう。
図2は、図1に示したバイパス流路を備えたセパレータ6aを酸化剤電極2に接触する面から見た模式図である。バイパス流路を備えたセパレータ6aには酸化剤ガス用の供給マニホールド9a、酸化剤ガス用の排気マニホールド10a、燃料ガス用の供給マニホールド9bおよび燃料ガス用の排気マニホールド10bとなる貫通孔が形成されており、供給マニホールド9a、9bが上になるように配置される。酸化剤ガス用の供給マニホールド9aと酸化剤ガス用の排気マニホールド10aとの間に蛇行して複数の溝が形成されており、この溝が酸化剤電極と接触してガスが流通するセル流路5となる。このセル流路5とは別に、酸化剤ガス用の供給マニホールド9aの底部に設けられた排水口12と酸化剤ガス用の排気マニホールド10aとを連通して、セル流路5を迂回するようにバイパス流路11が形成されている。排水口12は、酸化剤ガス用の供給マニホールド9aを通過するガス中の水分が凝縮して発生した滞留水がセル流路5に流れ込まないようにするために、セル流路5の最も低い入口5aよりもさらに低い位置に設けられる。また、図2に示すセパレータ6aの裏面の燃料電極に接触する面にも、燃料ガス用の供給マニホールド9bと燃料ガス用の排気マニホールド10bとを連通するセル流路(図示せず)およびバイパス流路(図示せず)が形成されている。なお、バイパス流路11が形成されていないセパレータ6は、図2に示したバイパス流路を備えたセパレータ6aにおいて、排水口12およびバイパス流路11が備わっていないものである。
図3は、本実施の形態における、固体高分子型燃料電池の斜視図である。スタック7は、図1に示した膜電極接合体4とセパレータ6とが積層されて構成されている。図3において、膜電極接合体4は薄いためこの図では省略している。図3では、積層したセパレータ6の4枚ごとに、図2に示したバイパス流路を備えたセパレータ6aを挟んだ構成を示しているが、実際には、スタック7はセパレータ6を100枚積層しており、19枚ごとにバイパス流路を備えたセパレータ6aを挟んでいる。スタック7の両端には電気絶縁性の板(図示せず)を配置し、さらにその外側から加圧板13、14でスタック7を積層方向に加圧している。一方の加圧板13には酸化剤ガス用供給管15と燃料ガス用供給管16とが、他方の加圧板14には酸化剤ガス用排気管17と燃料ガス用排気管18とが接続されている。スタック7には、加圧板13,14と電気絶縁性の板とセパレータ6とガスバリア層8とを連通するように酸化剤ガスおよび燃料ガス用のそれぞれの供給マニホールドと排気マニホールドとが備わっており、酸化剤ガス用供給管15と酸化剤ガス用の供給マニホールド9a、酸化剤ガス用の排気マニホールド10aと酸化剤ガス用排気管17、燃料ガス用供給管16と燃料ガス用の供給マニホールド9b、および燃料ガス用の排気マニホールド10bと燃料ガス用排気管18とがそれぞれつながっている。
電解質膜1としては、プロトン導電性、ガスバリア性および電気絶縁性を有する高分子膜が用いられ、例えば、パーフルオロ系主鎖とスルホン酸基とからなる高分子の電解質膜などが用いられており、本実施の形態においては、厚さ約0.05mmのものを用いた。酸化剤電極2および燃料電極3は、セル流路5を通して供給される酸化剤ガスあるいは燃料ガスを触媒層全面に拡散供給するために、ガス透過性と電気伝導性とが必要であり、カーボン繊維で編まれたカーボンペーパーやカーボンクロスなどが用いられる。本実施の形態においては、厚さ約0.3mmのカーボンペーパーを用いている。セパレータ6および6aは、緻密で導電性を有する例えばカーボン板が用いられており、その表面にはセル流路5あるいはバイパス流路11を構成するように溝が形成されている。加圧板13、14は例えばステンレスなどの金属で形成している。酸化剤ガスとしては、酸素ガスまたは酸素ガスを含む大気を用いることができ、例えばブロアなどを用いて供給することができる。燃料ガスとしては、純度100%の水素ガスを用いることができ、水素ボンベから供給することができる。また、燃料ガスとして、水素ガスを主成分として二酸化炭素や窒素などを含む改質ガスを用いることもでき、炭化水素などから水素を生成する改質器から供給することもできる。
次に、本実施の形態における固体高分子型燃料電池の動作について説明する。酸化剤ガス用供給管15から酸化剤ガスとして酸素ガスを供給し、燃料ガス用供給管16から燃料ガスとして水素ガスを供給すると、それぞれのガスは、スタック7内に形成された酸化剤ガス用の供給マニホールド9aあるいは燃料ガス用の供給マニホールド10aを通って、スタック7内のすべての酸化剤電極2あるいは燃料電極3に分配供給される。それぞれの電極に到達した水素ガスおよび酸素ガスによって、酸化剤電極2および燃料電極3の電解質膜1と接する面に形成された触媒層で、次式に示す電気化学反応が起こる。
燃料電極 : H2 → 2H++2e− (1)
酸化剤電極 : 2H++2e−+1/2O2 → H2O (2)
この電気化学反応により、酸化剤電極2と燃料電極3との間に起電力が発生する。また、燃料電極3で生じたプロトン(H+)は、電解質膜1を通過して酸化剤電極2へ移動し、酸化剤電極2の触媒層で酸素と反応して水になる。電解質膜1がプロトン伝導性を有するためには、湿潤している必要があり、そのために供給される水素ガスおよび酸素ガスには、飽和かそれに近い湿度の水分が含まれている。このような高湿度の酸素ガスが、酸化剤用の供給マニホールド9aを通過するときに水分が凝縮して滞留水が発生する場合がある。このとき、この滞留水がセル流路5に流入すると過剰な水分により電極の触媒層へ酸素ガスが供給されにくくなり、正常な電気化学反応が阻害されることになる。本実施の形態では、図2に示すように、セル流路5の最も低い入口5aよりもさらに低い位置に排水口12を設け、この排水口12から酸化剤ガス用の排気マニホールド10aへ連通したバイパス流路11を形成しているので、酸化剤用の供給マニホールド9aで水分が凝縮して発生した滞留水は、バイパス流路11を経由して酸化剤用の排気マニホールド10aへ排出され、セル流路5に流入することがない。
燃料電極 : H2 → 2H++2e− (1)
酸化剤電極 : 2H++2e−+1/2O2 → H2O (2)
この電気化学反応により、酸化剤電極2と燃料電極3との間に起電力が発生する。また、燃料電極3で生じたプロトン(H+)は、電解質膜1を通過して酸化剤電極2へ移動し、酸化剤電極2の触媒層で酸素と反応して水になる。電解質膜1がプロトン伝導性を有するためには、湿潤している必要があり、そのために供給される水素ガスおよび酸素ガスには、飽和かそれに近い湿度の水分が含まれている。このような高湿度の酸素ガスが、酸化剤用の供給マニホールド9aを通過するときに水分が凝縮して滞留水が発生する場合がある。このとき、この滞留水がセル流路5に流入すると過剰な水分により電極の触媒層へ酸素ガスが供給されにくくなり、正常な電気化学反応が阻害されることになる。本実施の形態では、図2に示すように、セル流路5の最も低い入口5aよりもさらに低い位置に排水口12を設け、この排水口12から酸化剤ガス用の排気マニホールド10aへ連通したバイパス流路11を形成しているので、酸化剤用の供給マニホールド9aで水分が凝縮して発生した滞留水は、バイパス流路11を経由して酸化剤用の排気マニホールド10aへ排出され、セル流路5に流入することがない。
酸化剤用の供給マニホールド9aからセル流路5を経由して排気マニホールド10aへ流れる酸素ガスは、酸化剤電極2の触媒層で前記の(2)式に示す電気化学反応によって消費される。そのため、酸素ガスのガス圧はセル流路5の下流にいくにしたがって徐々に低下するため、酸化剤用の排気マニホールド10aでは、供給マニホールド9aよりガス圧が低くなる。このガス圧差によって、供給マニホールド9aで水分が凝縮して発生した滞留水は、自動的にバイパス流路11を経由して速やかに排気マニホールド10aへ排出される。なお、高湿度の水素ガスが燃料ガス用の供給マニホールド9bを通過するときに水分が凝縮して滞留水が発生しても、同様に燃料ガス用の供給マニホールド9bと燃料ガス用の排気マニホールド10bとの間に形成したバイパス流路を経由して、この滞留水は自動的に燃料ガス用の排気マニホールド10bへ排出される。
このように構成された固体高分子型燃料電池においては、酸化剤ガス用あるいは燃料ガス用のそれぞれ供給マニホールド9a、9bで水分が凝縮して滞留水が発生しても、この滞留水はガス圧差で速やかにそれぞれ排気マニホールド10a、10bへ自動的に排出されるので、この水がセル流路に流れ込むことがなく、余剰な水がセル流路へ流れて触媒層へのガス供給を阻害することがなく、正常な電気化学反応を維持することができる。その結果、安定した発電特性が得られる。
なお、酸化剤用の供給マニホールド9aに水分が凝縮せず滞留水がない場合、バイパス流路11は酸素ガスが流通することになる。しかし、バイパス流路11の断面積と長さ、およびスタック7内でのバイパス流路11を備えたセパレータ6aの設置数を調整することで、酸素ガスのバイパス量を発電特性に影響のない範囲に設定することが可能である。本実施の形態では、スタック7を構成するセパレータ6のうち19層間隔に1枚を、バイパス流路11を備えたセパレータ6aとし、各セパレータ6に形成されたセル流路5の本数を20本とし、バイパス流路11の断面積および長さを、セル流路5の一本の断面積および長さと一致させている。この場合、セパレータ6の19層の中では、酸化剤用の全セル流路5は380本となり、バイパス流路11は1本であるから、バイパス流路11を経由して直接供給マニホールド9aから排気マニホールド10aへ流れる酸素ガスは、全体の約380分の1、すなわち約0.26%となり、発電特性にほとんど影響を与えない量となる。
バイパス流路の形状は、次の関係式から決めることができる。セル流路およびバイパス流路を流れるガスはともに層流であるため、その流量Qは、差圧δPに比例し、流路長Lに反比例し、流路断面積の水力直径dの4乗に近似的に比例することが一般的に知られている。すなわち、下式が成り立つ。
Q=A×δP×d4/L Aは係数 (3)
なお、水力直径とは、断面が任意の形状をもつ場合、その断面積(S)と面積が等しい円に換算したときのその円の直径(d)であり、S=π(d/2)2から算出できるものである。この(3)式を用いて、バイパス流路を流れるガス量を発電特性に影響を与えない量に設定することができる。例えば、ガス圧差がδP=3kPa、水力直径d=1mm、流路長L=500mm、A=1200/Pa・sとすると、バイパス流路に流れる流量Qは、
Q=A×δP×d4/L
=1200×3000×0.0014/0.5
=7.2×10−6(m3/s)
=0.43(L/min)
となるので、スタックに供給する酸素ガスの流量を5L/minとすると、セパレータ19枚に1枚の割合でバイパス流路を備えたセパレータを用いる場合は、0.43/(5×19)×100≒0.45%となる。
なお、水力直径とは、断面が任意の形状をもつ場合、その断面積(S)と面積が等しい円に換算したときのその円の直径(d)であり、S=π(d/2)2から算出できるものである。この(3)式を用いて、バイパス流路を流れるガス量を発電特性に影響を与えない量に設定することができる。例えば、ガス圧差がδP=3kPa、水力直径d=1mm、流路長L=500mm、A=1200/Pa・sとすると、バイパス流路に流れる流量Qは、
Q=A×δP×d4/L
=1200×3000×0.0014/0.5
=7.2×10−6(m3/s)
=0.43(L/min)
となるので、スタックに供給する酸素ガスの流量を5L/minとすると、セパレータ19枚に1枚の割合でバイパス流路を備えたセパレータを用いる場合は、0.43/(5×19)×100≒0.45%となる。
図4は、本実施の形態における、ガスの利用率と発電電圧の関係を示した特性図である。ガスの利用率とは、スタックに供給される酸化剤ガスあるいは燃料ガスのガス量に対して、酸化剤電極あるいは燃料電極の触媒層で電気化学反応によって消費されるガス量の割合である。図4(a)は、燃料ガスの利用率と発電電圧との関係を示しており、図4(b)は、酸化剤ガスの利用率と発電電圧との関係を示している。燃料ガスについては、利用率60〜80%で通常の運転を行っており、この領域では発電電圧はほぼ一定であるが、利用率が80%を超えると発電電圧の低下が大きくなる。この領域では、ガスの利用率が1%増えると発電電圧は約2mV低下する。一方、酸化剤ガスについては、利用率30〜50%で通常運転を行っており、その他の領域を含めて、ガス利用率の増加にともなう発電電圧の低下はほぼ一定である。つまり、ガスの利用率が1%増えると発電電圧は約1mV低下する。バイパス流路を流れるガス量が増えると、スタックに供給されるガス量に対して電極の触媒層に達するガス量が減ることになるので、ガスの利用率は増えることになる。したがって、バイパス流路を設けることによる発電電圧の低下を2mV以下に抑えるためには、燃料ガスについては、1%以下、酸化剤ガスについては2%以下にすることが好ましい。
このように、水分が凝縮して発生した滞留水がない場合、バイパス流路を流れるガスの量を、燃料ガス側では1%以下、酸化剤ガス側では2%以下にすることで、発電特性に影響を与えない量とすることができる。
なお、本実施の形態においては、バイパス流路11を備えたセパレータ6aを、スタック7を構成するセパレータ6の19層間隔に1枚配置したが、必ずしもバイパス流路を備えたセパレータ6aを等間隔に配置する必要はなく、スタック7の温度分布などを考慮して、水分が凝縮し易い低温部に集中して設けることもできる。
また、本実施の形態では、酸化剤ガス用のバイパス流路と燃料ガス用のバイパス流路を同じセパレータに形成する例を示したが、それぞれのバイパス流路を別々のセパレータに形成してもよい。また、フッ素系樹脂のコーティングなどでバイパス流路の内壁に撥水処理を施すことにより、バイパス流路内の水の排水性がよくなり、迅速に水を排水することができる。
実施の形態2.
図5は、本発明の実施の形態2における、固体高分子型燃料電池の斜視図である。スタック7は、図1に示した膜電極接合体4とセパレータ6とが積層されて構成されている。図5において、膜電極接合体4は薄いためこの図では省略している。図5では、積層したセパレータ6の4枚ごとに、バイパス流路を備えたセパレータ6aを挟んだ構成を示しているが、実際には、スタック7はセパレータ6を100枚積層しており、19枚ごとにバイパス流路を備えたセパレータ6aを挟んでいる。さらに、ガスの流れの最も下流に位置するバイパス流路を備えたセパレータ6aの1枚は、バイパス流路の出口を外部にもつセパレータ6bである。図5は、本実施の形態おける、バイパス流路の出口を外部にもつセパレータ6bを酸化剤電極に接触する面から見た模式図である。図6に示すように、バイパス流路の出口を外部にもつセパレータ6bは、バイパス流路11の下流が酸化剤用の排気マニホールド10aではなく、外部への出口11aに連通している。図5に示す配管19の一方の端部は、図6に示す出口11aに連結されており、配管19の他方の端部は、酸化剤ガス用排気管17に連結されている。また、セパレータ6bの裏の面には、燃料ガス用の供給マニホールド9bと排気マニホールド10bとを連通するセル流路(図示せず)と、外部に出口をもつバイパス流路(図示せず)とが形成されており、この燃料ガス用のバイパス流路の出口も、配管(図示せず)を通して燃料ガス用排気管18とつながっている。
図5は、本発明の実施の形態2における、固体高分子型燃料電池の斜視図である。スタック7は、図1に示した膜電極接合体4とセパレータ6とが積層されて構成されている。図5において、膜電極接合体4は薄いためこの図では省略している。図5では、積層したセパレータ6の4枚ごとに、バイパス流路を備えたセパレータ6aを挟んだ構成を示しているが、実際には、スタック7はセパレータ6を100枚積層しており、19枚ごとにバイパス流路を備えたセパレータ6aを挟んでいる。さらに、ガスの流れの最も下流に位置するバイパス流路を備えたセパレータ6aの1枚は、バイパス流路の出口を外部にもつセパレータ6bである。図5は、本実施の形態おける、バイパス流路の出口を外部にもつセパレータ6bを酸化剤電極に接触する面から見た模式図である。図6に示すように、バイパス流路の出口を外部にもつセパレータ6bは、バイパス流路11の下流が酸化剤用の排気マニホールド10aではなく、外部への出口11aに連通している。図5に示す配管19の一方の端部は、図6に示す出口11aに連結されており、配管19の他方の端部は、酸化剤ガス用排気管17に連結されている。また、セパレータ6bの裏の面には、燃料ガス用の供給マニホールド9bと排気マニホールド10bとを連通するセル流路(図示せず)と、外部に出口をもつバイパス流路(図示せず)とが形成されており、この燃料ガス用のバイパス流路の出口も、配管(図示せず)を通して燃料ガス用排気管18とつながっている。
このように構成された固体高分子型燃料電池においては、酸化剤ガス用あるいは燃料ガス用のそれぞれ供給マニホールド9a、9bで水分が凝縮して滞留水が発生しても、この滞留水はガス圧差で速やかにそれぞれ排気マニホールド10a、10bへ自動的に排出されるので、この水がセル流路に流れ込むことがなく、余剰な水がセル流路へ流れて触媒層へのガス供給を阻害することがなく、正常な電気化学反応を維持することができる。また、供給マニホールドのガスの流れの下流で凝縮した水は、バイパス流路と配管を通して直接酸化剤ガス用排気管あるいは燃料ガス用排出管に排出されるので排気マニホールドに滞留することもない。
なお、本実施の形態においては、バイパス流路の出口を外部にもつセパレータ6bをスタックの中に1枚だけ設けたが、2枚以上設けてもよい。また、本実施の形態では、酸化剤ガス用のバイパス流路と燃料ガス用のバイパス流路を同じセパレータに形成する例を示したが、それぞれのバイパス流路を別々のセパレータに形成してもよい。
実施の形態3.
図7は、実施の形態3におけるプレート20の模式図である。プレート20は、セパレータと同じ材質で作られており、酸化剤ガス用の供給マニホールド9aおよび排気マニホールド10aと、燃料ガス用の供給マニホールド9bおよび排気マニホールド10bとなる貫通孔が形成されている。また、酸化剤ガス用の供給マニホールド9aと排気マニホールド10aとを連通するバイパス流路11となる溝が形成されている。さらに、図7に示すプレート20の反対の面にも、燃料ガス用の供給マニホールド9bと排気マニホールド10bとを連通するバイパス流路11を備えている。図8は、本実施の形態による固体高分子型燃料電池のスタックの断面の一部を示す模式図である。図7に示すプレート20を、図8に示すようにスタックを構成するセパレータ間の任意の位置に積層する。この場合、セパレータ6のプレート20に接する面にはセル流路は形成されていない。バイパス流路11は、プレート20の表面に形成された溝が隣のセパレータ6と接することで構成される。なお、酸化剤ガス用の供給マニホールド9a、排気マニホールド10aおよびバイパス流路11は、図8の断面図では見えない部分に形成されているが、説明のために破線で示している。
図7は、実施の形態3におけるプレート20の模式図である。プレート20は、セパレータと同じ材質で作られており、酸化剤ガス用の供給マニホールド9aおよび排気マニホールド10aと、燃料ガス用の供給マニホールド9bおよび排気マニホールド10bとなる貫通孔が形成されている。また、酸化剤ガス用の供給マニホールド9aと排気マニホールド10aとを連通するバイパス流路11となる溝が形成されている。さらに、図7に示すプレート20の反対の面にも、燃料ガス用の供給マニホールド9bと排気マニホールド10bとを連通するバイパス流路11を備えている。図8は、本実施の形態による固体高分子型燃料電池のスタックの断面の一部を示す模式図である。図7に示すプレート20を、図8に示すようにスタックを構成するセパレータ間の任意の位置に積層する。この場合、セパレータ6のプレート20に接する面にはセル流路は形成されていない。バイパス流路11は、プレート20の表面に形成された溝が隣のセパレータ6と接することで構成される。なお、酸化剤ガス用の供給マニホールド9a、排気マニホールド10aおよびバイパス流路11は、図8の断面図では見えない部分に形成されているが、説明のために破線で示している。
このように構成された固体高分子型燃料電池では、酸化剤ガス用あるいは燃料ガス用のそれぞれの供給マニホールド9a、9bで水分が凝縮して滞留水が発生しても、この水はプレート20に形成したバイパス流路11を通ってガス圧差で速やかにそれぞれの排気マニホールド10a、10bへ自動的に排出される。その結果、余剰な水がセル流路へ流れて触媒層へのガス供給を阻害することがなく、正常な電気化学反応を維持することができる。また、プレート20にはセル流路を形成する必要がないため、バイパス流路11をプレート20の面内に自由な経路で形成することができる。
なお、本実施の形態では、酸化剤ガス用のバイパス流路と燃料ガス用のバイパス流路とを、同じプレートの表裏に形成したが、それぞれのバイパス流路を別々のプレートに形成して、それらのプレートをスタック内に積層してもよい。また、バイパス流路をプレートの表面に溝を形成して構成したが、プレートの内部を貫通する穴で構成してもよい。
さらには、本実施の形態では、セパレータとは別にプレートを設ける構成を示したが、セパレータとプレートを一体化したような構成、例えば、セパレータの片面にセル流路を形成し、その反対の面にバイパス流路を形成してもよい。
実施の形態4.
図9は、実施の形態4における加圧板13の模式図である。この加圧板13には、酸化剤ガス用供給配管15と連通した酸化剤ガス用の供給マニホールド9aおよび酸化剤ガス用の排気マニホールド10aと、燃料ガス用供給配管16と連通した燃料ガス用の供給マニホールド9bおよび燃料ガス用の排気マニホールド10bとが形成されており、さらに酸化剤ガス用の供給マニホールド9aと排気マニホールド10aとを連通するバイパス流路11が形成されている。このバイパス流路11は、加圧板13の内部を貫通する穴で構成されている。この加圧板13を用いて、スタックを積層方向に加圧して固体高分子型燃料電池を構成した。
図9は、実施の形態4における加圧板13の模式図である。この加圧板13には、酸化剤ガス用供給配管15と連通した酸化剤ガス用の供給マニホールド9aおよび酸化剤ガス用の排気マニホールド10aと、燃料ガス用供給配管16と連通した燃料ガス用の供給マニホールド9bおよび燃料ガス用の排気マニホールド10bとが形成されており、さらに酸化剤ガス用の供給マニホールド9aと排気マニホールド10aとを連通するバイパス流路11が形成されている。このバイパス流路11は、加圧板13の内部を貫通する穴で構成されている。この加圧板13を用いて、スタックを積層方向に加圧して固体高分子型燃料電池を構成した。
このように構成された固体高分子型燃料電池においては、酸化剤ガス供給配管15より上流で水分が凝縮して滞留水が発生してもバイパス流路を通って直接排気マニホールドへ排出できるので、電池反応部に入る前に水を排出することができ、水がセル流路に流れ込むことがないので、余剰な水がセル流路へ流れて触媒層へのガス供給を阻害することがなく、正常な電気化学反応を維持することができる。
1 電解質膜、2 酸化剤電極、3 燃料電極、4 膜電極接合体
5 セル流路、5a 入口、6、6a、6b セパレータ
7 スタック、8 ガスバリア層
9a 酸化剤ガス用の供給マニホールド、9b 燃料ガス用の供給マニホールド
10a 酸化剤ガス用の排気マニホールド、9b 燃料ガス用の排気マニホールド
11 バイパス流路、11a 出口、12 排水口、13、14 加圧板
15 酸化剤ガス用供給管、16 燃料ガス用供給管
17 酸化剤ガス用排気管、18 燃料ガス用排気管
19 配管、20 プレート
5 セル流路、5a 入口、6、6a、6b セパレータ
7 スタック、8 ガスバリア層
9a 酸化剤ガス用の供給マニホールド、9b 燃料ガス用の供給マニホールド
10a 酸化剤ガス用の排気マニホールド、9b 燃料ガス用の排気マニホールド
11 バイパス流路、11a 出口、12 排水口、13、14 加圧板
15 酸化剤ガス用供給管、16 燃料ガス用供給管
17 酸化剤ガス用排気管、18 燃料ガス用排気管
19 配管、20 プレート
Claims (6)
- 電解質膜が酸化剤電極と燃料電極とで挟持された膜電極接合体と、上記酸化剤電極に酸化剤ガスを、上記燃料電極に燃料ガスをそれぞれ供給あるいは排気するセル流路を備えたセパレータとが、一対の加圧板の間に積層されたスタックと、
上記加圧板および上記セパレータの積層方向に連通して具備された上記酸化剤ガスあるいは上記燃料ガスをそれぞれ上記セル流路へ供給する供給マニホールドと、
上記加圧板および上記セパレータの積層方向に連通して具備された上記酸化剤ガスあるいは上記燃料ガスをそれぞれ上記セル流路から排気する排気マニホールドと、
上記供給マニホールドの底部に設けられた排水口と上記排気マニホールドとを連通するバイパス流路と
を備えたことを特徴とする固体高分子型燃料電池。 - バイパス流路は、セパレータに設けら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。
- バイパス流路は、加圧板に設けら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。
- バイパス流路が設けられたプレートがスタック内に挿入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。
- バイパス流路を流れるガス量がセル流路を流れるガス量に対して、燃料ガスの場合には1%以下、酸化剤ガスの場合には2%以下である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。
- バイパス流路の内壁が撥水処理されている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。
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-
2004
- 2004-11-10 JP JP2004326523A patent/JP2006139944A/ja active Pending
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