JP2006216366A - 固体高分子形燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】流体流路の折り返し部における拡散層の垂れ込みによる圧力損失を低減するとともに、流体流路から拡散層への流体の供給を均一化し、生成水の排水性および電極反応の効率の向上した燃料電池を提供する。
【解決手段】本発明の固体高分子形燃料電池は、水素イオン伝導性高分子電解質膜および一対の電極からなる膜電極接合体、ならびに電極の一方に燃料、他方に酸化剤ガスを供給排出する流体流路を有する一対の導電性セパレータを具備し、前記流体流路は、流体の入口側と出口側との間に蛇行部分を有する燃料電池において、流体流路の蛇行部分における折り返し部を電極の外周部より外側に位置させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ポータブル電源、電気自動車用電源、家庭用コージェネレーションシステム等に用いられる固体高分子電解質を用いた燃料電池に関する。

従来の固体高分子形燃料電池の一般的な構成について説明する。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の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、電力と熱を同時に発生させる。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形成された一対の電極、すなわちアノードとカソードから構成される。前記の電極は、通常、白金族金属触媒を担持した炭素粉末を主成分とし、高分子電解質膜の表面に形成される触媒層、およびこの触媒層の外面に形成される、通気性および電子伝導性を併せ持つガス拡散層からなる。

さらに、電極に供給される燃料ガス及び酸化剤ガスが外にリークしたり、２種類のガス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、電極及び固体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共に、隣接するＭＥＡを互いに電気的に直列に接続するための導電性セパレータが配置される。セパレータのＭＥＡと接触する部分には、電極面に燃料ガスや酸化剤ガスを供給し、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と別に設けることもできるが、セパレータ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。

セパレータにガス流路を形成する場合、電極で発生する電流の集電や電極で発生する熱の除去を効率的に行わせるために、セパレータと電極との接触面積をある割合に保つように、供給ガスの流通方向を規制する流路用溝が設けられる。セパレータ側に形成される流路は、蛇行したサーペンタイン構成、あるいは、複数本構成が知られている（例えば、特許文献１および２参照）。また、電極の反応領域は、構造を簡単にするために、セパレータのガス流路の外側まで配置する、すなわちガス流路を完全に覆う大きさの電極とするのが一般的である（例えば、特許文献３参照）。

固体高分子電解質型燃料電池は、固体高分子電解質のイオン導電性を十分に発揮させて発電効率を高く維持するためには、供給するガスを加湿して供給ガス中の水蒸気濃度を高める必要がある。また、水素と酸素から水を生成する電気化学反応のエネルギーを電気量に変換するものであるため、カソード側において水が生成する。このため、供給ガスの流路には、反応上生成される水が下流側、特に出口側に多量に含有し、液体状態となってガス流路を塞いでしまうおそれがある。この現象をフラッディングという。

ＭＥＡおよびこれを挟む一対のセパレータで単電池が構成される。通常、燃料電池を電源として使用するときは、数ボルトから数百ボルトの電圧を必要とするため、実際には、単電池を必要とする個数だけ直列に連結される。このとき、セパレータの裏表の両面にガス流路を形成し、セパレータ／ＭＥＡ／セパレータ／ＭＥＡの繰り返しで、直列の連結構成にする。

ガス流路に燃料ガスや酸化剤ガスを供給するためには、ガスを供給する配管を、使用するセパレータの枚数に対応する数に分岐し、その分岐先を直接セパレータ上のガス流路につなぎ込む配管冶具が必要になる。この冶具をマニホールドと呼び、特に上記の様な燃料ガスの供給配管から直接つなぎ込むタイプを外部マニホールドと呼ぶ。このマニホールドには構造をより簡単にした内部マニホールドと呼ぶ形式がある。内部マニホールドには、ガス流路を形成したセパレータに、貫通した孔を設け、ガス流路の出入り口をこの孔まで通し、この孔から直接ガスをガス流路に供給するものである。
特公昭５０−８７７７号公報 特開平７−２６００３号公報 特開２００３−７７４９５号公報

従来は、電極の反応領域をガス流路部の外側部分まで設ける（例えば、特許文献３参照）ため、蛇行部分を有するガス流路の折り返し部では、ガス拡散層のガス流路内への垂れ込み量が大きくなる。そのため、ガス流路における圧力損失の上昇やガス流量の低下を引き起こし、生成水の排水性が悪化するという問題があった。
また、電極のガス拡散層は、場所によってはガス流路からの距離が異なり、したがってガス供給が不十分となる領域が生じ、電極反応が不均一となる問題が生じていた。

本発明は、ガス流路の折り返し部におけるガス拡散層の垂れ込みによる圧力損失を低減するとともに、ガス流路からガス拡散層へのガスの供給を均一化し、生成水の排水性および電極反応の効率の向上した燃料電池を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の燃料電池は、蛇行部分を有する燃料または酸化剤ガスの流体流路の折り返し部となるところを電極の外周部より外側に位置させる。
本発明の固体高分子形燃料電池は、水素イオン伝導性高分子電解質膜、前記水素イオン伝導性高分子電解質膜を挟む一対の電極、前記電極の一方に水素を含む燃料ガスまたは液体燃料を供給排出し、前記電極の他方に酸化剤ガスを供給排出する流体流路を有する一対の導電性セパレータを具備し、前記流体流路は、流体の入口側と出口側との間に蛇行部分を有し、その蛇行部分における折り返し部が、前記電極の外周部より外側に位置することを特徴とする。

本発明では、電極の拡散層が最も垂れ込みやすい流体流路の折り返し部を電極と接しないようにしたから、拡散層の流体流路への垂れ込み量が低減される。このためセパレータの流体流路における圧力損失が低減し、生成水の排水性が向上するから、フラッディング現象を緩和することができる。また、電極部分を流体流路の領域より狭くしたから、拡散層が局部的に流体流路からの距離が長いところがなくなり、流体の供給が均一化され、電極反応効率が向上する。

本発明は、水素イオン伝導性高分子電解質膜および前記高分子電解質膜を挟む一対の電極からなる単電池、並びに前記単電池を挟む一対のセパレータを具備し、セパレータの表面に形成された溝により構成される流体流路が、流体の入口側と出口側との間に蛇行部分を有する固体高分子形燃料電池の改良に関する。
この種の燃料電池においては、セパレータの流体流路はその蛇行部分を含めて電極に接する構成がとられている。そのため、電極の拡散層は、流体流路の折り返し部において流路内へ垂れ込みやすい。流体流路内へ電極の拡散層が垂れ込むと、流体の流通を阻害するから、圧力損失が大きくなり、フラッディング現象を生じる。

フラッディング現象は、反応上生成される水が流体流路の下流側、特に出口側に多量に含有し、液体状態となって流体流路を塞いでしまう現象である。流体流路を塞ぐ水を除去するためには、燃料電池内の流体流量を上げることにより、水を吹き飛ばすことを考える。しかし、燃料と酸化剤ガスの流量は、運転条件により決まるので、簡単に流量を変えることはできない。

本発明では、流体流路の蛇行部分における折り返し部を、前記電極の外周部より外側に位置するようにし、これによって電極の拡散層の流体流路内への垂れ込みを低減する。本発明によれば、従来に比べて、燃料電池内の圧損が低減し、したがって流体流量が上昇することで、流体流路を塞ぐ生成水の排水性が向上する。

また、発電効率を上昇させるには、電極反応効率を向上させることが有効である。電極反応効率を向上させるには、電極への流体の供給を均一化させることが重要である。本発明では、電極部分を流体流路の領域より狭くしたから、拡散層が局部的に流体流路からの距離が長いところがなくなり、流体の供給が均一化され、電極反応効率が向上する。

本発明においては、前記電極の外周部にガスケットが配置され、流体流路の折り返し部がこのガスケットにより封鎖されていることが好ましい。
本発明の好ましい実施の形態のおいて、前記ガス流路は、複数の直線部と隣接する直線部を連結する折り返し部とからなるサーペンタイン形であり、前記折り返し部が前記電極の対向する２辺の外側に位置する。
本発明により、固体高分子形燃料電池のフラッディング現象の緩和および発電効率の向上を図ることができる。

以下、本発明の好ましい実施の形態を図面を参照して説明する。ここに用いられた構造図は、理解を容易にするためのものであって、各要素の相対的大きさや位置関係は必ずしも正確ではない。また、燃料は、水素を含むガスとして供給される例を説明する。ダイレクトメタノール燃料電池のような液体燃料を用いるものにも適用できることは明らかであろう。
図１は本発明の実施の形態におけるアノード側セパレータの正面図、図２は図１のII−II線断面図、図３はカソード側セパレータの正面図である。

アノード側セパレータ１０は、各一対の燃料ガス用マニホールド孔１１、酸化剤ガス用マニホールド孔１２および冷却水用マニホールド孔１３を有する。セパレータ１０は、ＭＥＡのアノード側と対向する面に、マニホールド孔１１を連絡するガス流路１４を有する。ガス流路１４は、直線部１４ｓと隣接する直線部をつなぐ折り返し部（以下ターン部という）１４ｔとからなる１本のサーペンタイン形の溝で構成されている。図において、１で表す一点鎖線で囲まれたところは、アノードのガス拡散層４の位置する領域であり、ガス流路１４の折り返し部となるターン部１４ｔは前記ガス拡散層の領域外となしている。このサーペンタイン形のガス流路は、そのターン部が図１において左右に配列され、これらターン部はガス拡散層の対向する２辺の外側に位置している。ガス拡散層４の外周部には、図２に７で示すように、ガスケットが配置される。したがって、ガス流路１４のうちガス拡散層で覆われない部分は、ガスケットにより覆われて閉塞される。ただし、マニホールド孔１１につながる入口側および出口側の部分は除く。

図４は従来の燃料電池におけるアノード側セパレータを表している。このセパレータ３０は、燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却水のマニホールド孔１１、１２および１３、並びにマニホールド孔１１を連絡するガス流路１４は、図１に示す本実施の形態によるセパレータと同じである。しかし、二点鎖線３で囲まれたところがガス拡散層４の位置する領域であり、ガス流路１４のターン部１４ｔをガス拡散層が覆う構成となっている点が本実施の形態と異なっている。

この従来の構成による燃料電池においては、ターン部１４ｔにガス拡散層３４が接している。ターン部１４ｔは、直線部１４ｓに比べて溝幅が広くなっているため、ガス拡散層のガス流路内への垂れ込み量が大きくなる。この模様は、図４のV−V線断面図を表す図５およびその要部の拡大断面図を表す図６から明らかであろう。

これに対して、本実施の形態による燃料電池においては、ガス拡散層４は、サーペンタイン形ガス流路１４のターン部１４ｔを外して、実質的に直線部１４ｓのみを覆う構成である。したがって、従来のようなガス流路のターン部におけるようなガス拡散層の大きな垂れ込みがなくなる。

また、図４に示す従来の構成では、ガス拡散層は、図中左右の端部において、流路１４のターン部１４ｔ間に対応する部分がガス流路からの距離が他の部分に比べて長くなっている。このため、ガス拡散層は局部的にガス供給が不均一となり、反応効率を低下させる原因となっている。これに対して、本実施の形態による燃料電池においては、ガス流路のターン部に対応する部分を外して、電極部分をガス流路の領域より狭くしたから、前記従来のような不都合はなく、反応効率を向上することができる。

図３は本実施の形態の燃料電池におけるカソード側セパレータの正面図である。
カソード側セパレータ２０は、各一対の燃料ガス用マニホールド孔２１、酸化剤ガス用マニホールド孔２２および冷却水用マニホールド孔２３を有する。セパレータ２０は、ＭＥＡのカソード側と対向する面に、マニホールド孔２２を連絡するガス流路２５を有する。ガス流路２５は、直線部２５ｓと隣接する直線部をつなぐターン部２５ｔとからなる１本のサーペンタイン形の溝で構成されている。図において、２で表す二点鎖線で囲まれたところは、カソードのガス拡散層の位置する領域であり、ガス流路２５の折り返し部となるターン部２５ｔは前記ガス拡散層の領域外となしている。このターン部は、アノード側と同様に、カソードの外周に配置されるガスケットにより覆われる。

このカソード側セパレータ２０の二点鎖線２で囲まれた領域と、図１に示すアノード側セパレータ１０の二点鎖線１で囲まれた領域とは対応する位置にあり、しかも各々のガス流路２５および１４は、不可避な部分を除いてＭＥＡを挟んで対応する位置にある。前記の不可避な部分とは、マニホールド孔の位置の違いに基づくものである。
以上の説明から明らかなように、カソード側においてもアノード側と同様にガス流路におけるフラッディングを軽減するとともに反応効率を向上することができる。
以下、本発明の実施例を説明する。

アセチレンブラック系カ−ボン粉末に、平均粒径約３０Åの白金粒子を２５重量％担持させた。これをカソード側の電極触媒とした。また、アセチレンブラック系カ−ボン粉末に、平均粒径約３０Åの白金−ルテニウム合金粒子を２５重量％担持させた。これをアノード側の電極触媒とした。これらの触媒粉末をそれぞれイソプロパノ−ルに分散させた。各分散液に、パーフルオロカーボンスルホン酸粉末のエチルアルコール分散液を混合し、ペースト状にした。これらのペーストを原料としてスクリ−ン印刷法を用いて、厚み２５０μｍのカ−ボン不織布の一方の面にそれぞれの触媒層を形成した。これらの触媒層に含まれる白金量は０．３ｍｇ／ｃｍ²、パーフルオロカーボンスルホン酸の量は１．２ｍｇ／ｃｍ²となるようにした。

これらの電極は、触媒材料以外の構成はカソードとアノードを同一構成とし、電極より一回り大きい面積を有するプロトン伝導性高分子電解質膜の中心部の両面に、印刷した触媒層が電解質膜側に接するようにホットプレスによって接合した。さらに、厚さ２５０μｍの合成ゴム製シートを所定の大きさに切り抜いたガスケットを、前述の電極と電解質膜の接合体の膜を挟んで両側に配置し、ホットプレスによって接合一体化させた。こうしてＭＥＡを作成した。ここでは、プロトン伝導性高分子電解質として、パーフルオロカーボンスルホン酸を３０μｍの厚みに薄膜化したものを用いた。

導電性セパレータは、厚さ３ｍｍの等方性黒鉛材を用いて、機械加工によってガス流路およびマニホールド孔を形成した。ガス流路の溝幅は２ｍｍ、深さは１ｍｍ、溝と溝との間隔は１ｍｍとし、それぞれ１本パスのガス流路構成とした。
ＭＥＡは、ガス流路面積よりも小さい面積のものを作製し、それをガス流路部内側に配置し、その他の部分を前記のガスケットでシールする構造にした。

上記のＭＥＡをセパレータを介して５０セル積層し、これを集電板と絶縁板を介してステンレス鋼製の端板で挟み、端板同士を締結ロッドにより１０ｋｇｆ／ｃｍ²の圧力で締結した。セパレータには、一方の面に図１のような燃料ガスの流路を有し、他方の面に図３のような酸化剤ガスの流路を有する、アノード側セパレータとカソード側セパレータを兼ねる単一のセパレータ、および図１のようなアノード側セパレータと図３のようなカソード側セパレータとを組み合わせ、両者間に冷却水の流路を形成した複合セパレータを用いた。複合セパレータは、２セル毎に用いた。

以上のように構成した実施例の固体高分子形燃料電池を８０℃に保持し、７５℃の露点となるよう加湿・加温した燃料ガスをアノードに、７８℃の露点となるように加湿・加温した空気をカソードにそれぞれ供給した。そして、酸素利用率３０％、燃料利用率７０％、電流密度０．２Ａ／ｃｍ²の定格条件で連続発電試験を行った。アノードおよびカソードとセパレータのガス流路との関係が図４に示すような構成とした他は実施例と同様な構成の比較例の燃料電池についても同様の連続発電試験を実施した。

その結果、発電時間２５００時間において、比較例の電池は圧力損失が４〜６ｋＰａ、平均セル電圧が７３７〜７６３ｍＶであった。一方、実施例の電池は、圧力損失が２〜３ｋＰａ、平均セル電圧が７７５〜８００ｍＶであった。実施例の電池は、比較例に比べて、圧力損失は２〜５ｋＰａ低減し、セル電圧は１５〜６０ｍＶ向上した。

本発明よれば、フラッディングが軽減され、反応効率の向上した固体高分子形燃料電池を提供することができる。本発明は、ポータブル電源、電気自動車用電源、家庭用コージェネレーションシステム等に有用であり、またメタノールを燃料としたダイレクトメタノール燃料電池などの液体燃料を用いる燃料電池にも応用できる。

本発明の実施の形態における固体高分子形燃料電池のアノード側セパレータの正面図である。 セパレータとガス拡散層との関係を示す図１のII−II線で切った断面図である。 同燃料電池のカソード側セパレータの正面図である。 従来のアノード側セパレータの正面図である。 セパレータとガス拡散層との関係を示す図４のV−V線で切った断面図である。 図５の要部の拡大図である。

符号の説明

１、２ ガス拡散層の位置する領域
４ ガス拡散層
１０ アノード側セパレータ
１１、２１ 燃料ガス用マニホールド孔
１２、２２ 酸化剤ガス用マニホールド孔
１３、２３ 冷却水用マニホールド孔
１４ 燃料ガスの流路
１４ｓ、２５ｓ 直線部
１４ｔ、２５ｔ ターン部
２０ カソード側セパレータ
２５ 酸化剤ガスの流路

Claims (3)

1. 水素イオン伝導性高分子電解質膜、前記水素イオン伝導性高分子電解質膜を挟む一対の電極、前記電極の一方に燃料を供給排出し、前記電極の他方に酸化剤ガスを供給排出する流体流路を有する一対の導電性セパレータを具備する燃料電池であって、前記流体流路は、流体の入口側と出口側との間に蛇行部分を有し、その蛇行部分における折り返し部が、前記電極の外周部より外側に位置することを特徴とする固体高分子形燃料電池。
2. 前記電極の外周部にガスケットが配置され、前記流体流路の折り返し部が前記ガスケットにより封鎖されている請求項１記載の固体高分子形燃料電池。
3. 前記流体流路が、直線部と隣接する直線部を連結する折り返し部からなるサーペンタイン形であり、前記折り返し部が前記電極の対向する２辺の外側にある請求項１記載の固体高分子形燃料電池。

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