JP3663602B2 - 燃料電池バイポーラ板の燃料ガス加湿装置 - Google Patents

Description

【発明の属する技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池バイポーラ板の燃料ガス加湿装置に関するものであり、プロトン交換膜型燃料電池に応用される。
【０００２】
【従来の技術】
「エネルギ」は人類生活における最も基本的な条件であり、科学技術の進歩に伴い、人類は地球上で開発された各種エネルギを利用して、不断に人類生活の進歩の歴史を書き換えており、日常生活に科学技術が応用されて以来、「エネルギ」は不可欠な生存条件の一つとなっていると言うことができる。
【０００３】
しかし、各種エネルギの活用に伴い、環境破壊問題も日増しに重大化し、例えば温室効果や大気、水、土壌の汚染は、地球上の万物が共に直面する危機となっているため、高効率で汚染の少ないエネルギの開発が、一刻も猶予できない事項となっている。１８３９年に、イギリスの司法官であったウィリアム・グローブは余暇に実施した実験において、燃料電池の発電原理を発見し、１００年以上が経過した後、それは幸いにもアメリカのアポロ計画の重要電源として選択され、併せて１９６５年には正式にアポロ宇宙船のジェミニ５号（ＧＥＭＩＮＩ Ｖ）に応用され、宇宙飛行任務を達成した。
【０００４】
燃料電池には、時代の趨勢に合致した数項目の特色が備わっており、それは将来的な発電面において注目の的となっている。第一は効率である。そのエネルギ変換効率は非常に高く、４０％以上に到達可能であり、その電気化学反応時に放出される廃熱を回収することができるならば、その効率は更に向上して８０％以上となる。第二にクリーンさである。燃料電池の発電過程においてはほとんど何らの汚染も発生しない。現在の最大容量である１１００万Ｗ燃料電池発電所を例に挙げると、前記発電所の運転初期における窒素酸化物の排出量は１ｐｐｍであり、硫黄酸化物と粒子状汚染物は測定されず、同様に天然ガスを燃料としている現在最もクリーンな燃料ガス発電所よりも更にクリーンである。第三は静かさである。たとえ１１００万Ｗの燃料電池発電所付近であっても、測定される騒音量は５５デシベルを下回っている。現在、燃料電池の応用範囲は非常に広範であり、それには電力、工業、運輸、宇宙、軍事などの各領域が含まれており、併せてすでに多くの製品、例えば発電所、予備バッテリ、電気自動車、小型潜水艇、ひいては宇宙船やロケットの電源などに応用されている。
【０００５】
燃料電池のうち最も一般的であるプロトン交換膜型燃料電池（Ｐｒｏｔｏｎ Ｅｘｃｈａｎｇｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ、ＰＥＭＦＣ）は、別名、高分子薄膜燃料電池であり、その単一セル（ｓｉｎｇｌｅ ｃｅｌｌ）基本構造の断面図は、「図１」に示されている通りである。それは薄膜電極アセンブリ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ、ＭＥＡ）１０が２枚のバイポーラ板（Ｂｉｐｏｌａｒ Ｐｌａｔｅ）２０の間に挟持されて構成されている。
【０００６】
薄膜電極アセンブリ１０はその鍵となる部分であり、それには５層の構造、つまり陽極ガス拡散層、陽極触媒層、電解質層（プロトン交換膜）、陰極触媒層と陰極ガス拡散層とが含まれている。そのうち、プロトン交換膜としては高分子薄膜が使用可能であり、例えばＤｕｐｏｎｔ社製のＮａｆｉｏｎ（Ｒ）であり、改めてその表面に一層の触媒を塗布し、一層のカーボンシートまたはカーボンペーパを接着し、それぞれ触媒層とガス拡散層とすれば、薄膜電極アセンブリ１０を形成することができる。
【０００７】
バイポーラ板２０は導電性材料で製造されて構成されており、例えばグラファイトであり、その両側表面共にガス流路が嵌設されて、それぞれ陽極及び陰極の燃料ガス流路２１と酸化剤流路２２となっている。
【０００８】
それがエネルギを発生する原理は、燃料ガスと酸化剤とがそれぞれ陽極の燃料ガス流路２１と陰極の酸化剤流路２２中に流入し、燃料ガスが陽極側の触媒と酸化反応を発生するとともに、電子を放出して水素イオンを発生させ、前記放出された電子が外部追加の電気ブリッジ通路を介して利用可能な電流を形成し、その後に改めて陰極に進入し、電解質（Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ）を通過した水素イオンと会合するとともに、酸化剤内の酸素原子と還元反応を発生して水を形成する。
【０００９】
燃料電池の使用において、燃料ガスとしては通常、水素ガスが使用されるが、水素の豊富な改質ガス（ｒｅｆｏｒｍａｔｅ）を使用することもでき、酸化剤としては通常、酸素ガスが使用されるが、一般に応用される際には、空気も採用される。
【００１０】
燃料電池を使用する際に、燃料電池が出力する電流量や電力を増加または調整使用する場合には、複数の単一セルを直列に接続して、電池スタック（ｓｔａｃｋ）を形成することができる。その分解図は「図２」に示されている通りである。燃料電池スタックの外周にはコレクタ板３０と端板４０とが設置されており、前記コレクタ板３０は電池スタック全体が生成する電流を収集するために使用され、両側の端板４０上にはそれぞれ燃料ガス吸入管路４１、酸化剤ガス吸入管路４２、酸化剤ガス排出管路４３と燃料ガス排出管路４４とが備わり、燃料ガスと酸化剤が吸入並びに排出される。
【００１１】
プロトン交換膜型燃料電池において、電気化学反応により生成される電流の大小と電力が燃料電池全体の効率を決定するが、その電流の大小と電力を決定する要因には、（１）バイポーラ板２０の燃料ガス流路２１と酸化剤流路２２の設計、（２）薄膜電極アセンブリ１０表面における触媒の有効使用面積、（３）プロトン交換膜の材質特性、（４）電極層の厚さと多孔度などが含まれている。
【００１２】
薄膜電極アセンブリ１０内のプロトン交換膜の主な作用は、水素ガスや酸素ガスなどの反応ガスのクロスオーバ（ｃｒｏｓｓｏｖｅｒ）を防止するとともに、電子を隔離し、水素イオン（プロトン）が燃料電池の陽極側から陰極側に流動することは許容して、電気ブリッジ効果を得ることにある。しかし、水素イオンのプロトン交換膜内での伝達には水分子を媒介としなければならないため、水素イオンが電気浸透抗力（Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｏｓｍｏｔｉｃ Ｄｒａｇ）の作用下において、プロトン交換膜の陽極側から陰極側に運動する際には、水分子が陽極側から陰極側に流動する。そのため、陽極側のプロトン交換膜が乾燥するという現象が引き起こされ、燃料電池の内部インピーダンスが上昇して、燃料電池の性能が低下する。
【００１３】
実験と分析によれば、各水素イオンがより多くの水分子に随伴され、同時にプロトン交換膜を通過する場合には、水素イオンのインピーダンスはより低くなり、燃料電池全体として生成する電圧はより大きくなることが判明している。従って、適当な水分子を水素ガス中に添加すると、効果的に燃料電池の性能を向上させることができるのである。
【００１４】
しかし、燃料電池の各水素ガス分子からは２個の水素イオンを遊離可能であるが、そのプロトン交換膜における伝達量はその飽和含湿量により制限されるため、水素ガスを飽和含湿量まで加湿した状態下においても、水分子が随伴することができる水素イオンの量は相当に制限される。
【００１５】
そのため、燃料ガス入口箇所で燃料ガスに加湿を施すだけであれば、燃料ガスが燃料ガス流路２１の前段を通過する際には高湿度状態に位置するが、燃料ガスが燃料ガス流路２１の全体を通過し、流路の後段に到達した際には、おそらく十分な湿潤水が不足するため、水素イオンはプロトン交換膜を通過することができなくなり、燃料電池の性能は低下する。
【００１６】
従って、通常、燃料電池について、燃料ガス流路２１前段の比較的湿潤な領域において、その内部インピーダンスは相対的に低くなるが、燃料ガス流路２１後段の比較的乾燥した領域において、その内部インピーダンスは相対的に高くなる。このようにして、燃料電池では水素ガス吸入の前段における電流密度が後段の電流密度より高くなり、この電流密度の不均衡という現象により燃料電池の電圧と発電容量が制限される。そのため、どのようにして後段の燃料ガス流路２１における燃料ガスに加湿を施し、燃料ガス流路２１後段の乾燥領域における内部インピーダンスを低下させるのかが、プロトン交換膜型燃料電池の良好な性能を維持する上での必須条件となっている。
【００１７】
この点について、ある研究者は直接燃料ガス流路２１入口箇所に水を添加する方式を開発し、燃料ガスに加湿を施し、燃料電池の内部インピーダンスを低下させている。前記方法では燃料ガス流路２１入口箇所における燃料ガスの含湿量を向上させることができるが、多くの問題が派生して発生している。
【００１８】
先ず、燃料ガス流路２１の入口箇所に水を添加する場合、適当な処理対策が施されなければ、極めて容易に陽極側のガス拡散層が水没するという現象が発生し、陽極側のガス拡散層に浸水した場合には、水素ガスが触媒層の経路にまで拡散して阻止されるため、燃料電池の性能は上昇しないばかりか逆に低下する。
【００１９】
次に、燃料ガス流路２１の入口箇所に加湿が施されたとしても燃料ガス流路２１の中段・後段部分の水不足という状態が効果的に改善されるわけではないため、全体としての燃料電池の効率上昇は相当に限定的となる。
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
上記公知技術の問題点に鑑み、本発明の目的は燃料電池バイポーラ板の燃料ガス加湿装置を提供することにあり、それは燃料電池陽極側燃料ガス流路の中段流路に設置され、燃料ガス流路中段・後段における燃料ガスの含湿量不足という現象を克服して、燃料電池の性能を向上させる。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
本発明においては燃料電池バイポーラ板の燃料ガス流路の中段に、各燃料ガス流路と連通している相互連通流路が設置されているとともに、前記相互連通流路の底部に一層の吸水性材料が貼付されてそれを被覆している。前記相互連通流路は透水連通流路を介して加湿水マニホルドに接続しており、前記透水連通流路は完全に吸水性材料により充満されており、前記吸水性材料により加湿水がバイポーラ板の燃料ガス流路内に導入され、燃料ガス流路内の燃料ガスが十分な水分を獲得し、プロトン交換膜の含湿量が増加することにより、燃料電池の効率が向上する。
【００２２】
本発明で公開されている燃料電池バイポーラ板の燃料ガス加湿装置には、下記の効果が備わっている。
【００２３】
（１）前記燃料ガス加湿装置は、バイポーラ板陽極側燃料ガス流路中段・後段の燃料ガスに効果的に加湿を施し、燃料ガスの含水量を上昇させることができ、水素イオンのプロトン交換膜通過能力の向上と、水素イオンがプロトン交換膜を通過する際のインピーダンス低下の助けとなるため、燃料電池の性能と効率は向上する。
【００２４】
（２）本発明においては、相互連通流路、透水連通流路と中段・後段の燃料ガス流路内に吸水性材料が設置されており、燃料ガスに対する加湿量を水分蒸発の必要量に伴い調整することができるため、過度の加湿による燃料ガスの拡散に対する影響の発生には至らない。
【００２５】
（３）本発明の透水連通流路では、加湿水がその内部に充填されている吸水性材料を介して燃料ガス流路内に導入され、燃料ガスが逆流して前記透水連通流路を通過することが防止されているため、燃料ガスの外部流出は効果的に回避されている。
【００２６】
（４）本発明の加湿水マニホルドには逆止弁が設置されており、流路内の圧力を調整し、加湿水を単一方向だけに流動させることができ、更に前記逆止弁を調整して燃料ガスが外部に漏出しないことを確保することもできる。
【００２７】
（５）相互連通流路の底部には吸水性材料が貼付されてそれを被覆しており、各燃料ガス流路内の吸水性材料と相互に連通し、各燃料ガス流路の吸水性材料すべてが十分な水分を獲得することができるため、均一的加湿という効果が得られる。
【００２８】
本発明の目的、構造的特徴とその機能についてより深く理解して頂くために、以下では図面に基づき詳細に説明する。
【００２９】
【発明の実施の形態】
本発明で公開されている燃料電池バイポーラ板の燃料ガス加湿装置は、「図３」と「図４」に示されている通りであり、それぞれバイポーラ板２０の陽極側燃料ガス流路２１の上面図と立体図である。燃料ガスは燃料ガス入口２１１を経由して燃料ガス流路２１内に進入し、プロトン交換膜型燃料電池による電気化学反応が発生した後、反応後のガスが燃料ガス出口２１２から排出される。
【００３０】
燃料電池の陽極側燃料ガス流路２１の中段には、横方向で各燃料ガス流路２１と連通している相互連通流路２１３が設置されており、前記相互連通流路２１３は透水連通流路２１４と相互に連通しており、加湿水マニホルド２１５中の水が透水連通流路２１４を介して相互連通流路２１３内に進入し、燃料ガス流路２１の中段・後段の燃料ガスに加湿が施され、燃料ガス流路２１中段・後段の比較的乾燥した領域の内部インピーダンスが低減されることにより、燃料電池の性能は向上する。
【００３１】
上記燃料ガス流路２１の中段位置には、横方向で各燃料ガス流路２１に連通している相互連通流路２１３が設置されており、それは燃料ガス流路２１の全体長さのほぼ半分位置付近であるか、またはより下流側の一点であり、設置が容易な箇所に、相互連通流路２１３が設置されている。
【００３２】
前記相互連通流路２１３の方向は各燃料ガス流路２１の方向とは垂直であり、各燃料ガス流路２１の中段・後段を流動する燃料ガスに加湿が施される。前記相互連通流路２１３を製作する際には、その深さを燃料ガス流路２１よりは深くし、その底部に一層の吸水性材料２１６を貼付しそれを被覆しなければならない。前記吸水性材料２１６は不織布、脱脂綿、プラスチックフォームなど吸水が容易な材料とすることができ、バイポーラ板２０の燃料ガス流路２１を設計する際に、吸水性材料２１６が占有する断面積を考慮すれば、燃料ガス流路２１の塞がりには至らない。
【００３３】
前記相互連通流路２１３と相互に連通している透水連通流路２１４中には完全に吸水性材料２１６が充満されており、前記吸水性材料２１６が加湿水マニホルド２１５と相互に接続し、加湿水が連続的に前記吸水性材料２１６を介して相互連通流路２１３中に補充されることにより、燃料ガス流路２１内の燃料ガスに対して加湿が施される。加湿水は単一方向に限って加湿水マニホルド２１５から相互連通流路２１３中に流入するため、水素ガスが透水連通流路２１４から燃料ガス流路２１に流出することは防止されている。
【００３４】
相互連通流路２１３内の水分が蒸発して燃料ガスに吸収されると、吸水性材料２１６は迅速に加湿水マニホルド２１５から必要とされる水分を補給し、燃料ガス流路２１内の加湿量は水分蒸発必要量に伴い調整されるため、燃料ガスが過度に加湿されることに起因する燃料ガスの拡散への影響は発生しない。
【００３５】
前記の説明によれば、燃料ガスは燃料ガス入口２１１を経由して燃料ガス流路２１内に進入し、プロトン交換膜型燃料電池による電気化学反応が発生した後、改めて燃料ガス出口２１２から反応後のガスが排出される。
【００３６】
燃料ガス流路２１中段・後段の燃料ガスに対する加湿を更に増強しようとする場合には、「図５」に示されている通り、改めて燃料ガスが相互連通流路２１３を流動した後の各燃料ガス流路２１の底部に一層の吸水性材料２１６を貼付してそれを被覆した上で、加湿水マニホルド２１５から吸引されてきた加湿水を吸着させると、燃料ガスが相互連通流路２１３を流動した後も、引続き燃料ガスに加湿を施すことができるため、燃料ガス流路２１中段・後段の内部インピーダンスは低下し、燃料電池全体としての性能は向上する。
【００３７】
「図６」に示されているのは、本発明における燃料電池スタックの組合せ図であり、燃料電池スタック外周の端板４０上に、燃料ガス吸入管路４１、酸化剤ガス吸入管路４２、燃料ガス排出管路４４と酸化剤ガス排出管路４３以外に、別途、加湿水マニホルド２１５と相互に連通している加湿水マニホルド逆止弁４５が設置されており、前記加湿水マニホルド逆止弁４５は透水連通流路２１４内の圧力を調整し、加湿水を単一方向で加湿水マニホルド２１５から燃料ガス流路２１の方向だけに流動させることができるため、加湿水は外界から燃料ガス流路２１中に流入するが、加湿水が逆流して燃料ガスが外部に漏出することは回避されている。
【００３８】
使用される加湿水中の不純物がプロトン交換膜内における水素イオンの通過に影響を及ぼすことを防止するため、脱イオン水を加湿水として採用し、プロトン交換膜型燃料電池の正常な作動を確保することが可能である。
【００３９】
以上の記述は、本発明における適正実施例に限ったものであり、それは本発明の実施範囲を限定するものではなく、本発明の特許請求範囲に基づく変更や修正は、すべて本発明の特許請求の範囲に属する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１はプロトン交換膜型燃料電池における単一セルの基本構造断面図である。
【図２】 図２はプロトン交換膜型燃料電池のスタック分解図である。
【図３】 図３は本発明におけるバイポーラ板陽極側燃料ガス流路の上面図である。
【図４】 図４は本発明におけるバイポーラ板陽極側燃料ガス流路の立体図である。
【図５】 図５は吸水性材料が貼付並びに被覆している相互連通流路、燃料ガス流路と透水連通流路の上面図である。
【図６】 図６は本発明における燃料電池スタックの組合せ図である。
【符号の説明】
１０ 薄膜電極アセンブリ
２０ バイポーラ板
２１ 燃料ガス流路
２２ 酸化剤流路
３０ コレクタ板
４０ 端板
４１ 燃料ガス吸入管路
４２ 酸化剤ガス吸入管路
４３ 酸化剤ガス排出管路
４４ 燃料ガス排出管路
４５ 加湿水マニホルド逆止弁
２１１ 燃料ガス入口
２１２ 燃料ガス出口
２１３ 相互連通流路
２１４ 透水連通流路
２１５ 加湿水マニホルド
２１６ 吸水性材料

Claims (14)

1. １枚以上のバイポーラ板と薄膜電極アセンブリとで構成され、前記バイポーラ板の両側それぞれに１か所以上の燃料ガス流路と酸化剤流路とが備わり、それぞれ燃料ガスと酸化剤とを提供して進入させることにより、前記燃料ガスと前記酸化剤とに前記薄膜アセンブリを介して電気化学反応を発生させるプロトン交換膜型燃料電池に応用される燃料電池バイポーラ板の燃料ガス加湿装置であり、
   前記燃料ガス流路にはその流動方向の中段部分に沿って相互連通流路が備わり、前記相互連通流路は各前記燃料ガス流路に連通しているとともに、透水連通流路を介して加湿水マニホルドに接続しており、前記相互連通流路の底部には吸水性材料が貼付されてそれを被覆しており、前記透水連通流路の内部にも前記吸水性材料が充填されており、前記加湿水マニホルド内の加湿水が前記燃料ガス流路に提供されることにより、前記燃料ガスの湿度が向上することを特徴とする、燃料電池バイポーラ板の燃料ガス加湿装置。
2. 前記加湿水マニホルドが加湿水マニホルド逆止弁と相互に接続し、前記透水連通流路中の圧力を調整することにより、前記加湿水の逆流による前記燃料ガスの外部漏出を防止することを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池バイポーラ板の燃料ガス加湿装置。
3. 前記相互連通流路は各前記燃料ガス流路と相互に垂直であることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池バイポーラ板の燃料ガス加湿装置。
4. 前記吸水性材料は不織布であることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池バイポーラ板の燃料ガス加湿装置。
5. 前記吸水性材料はプラスチックフォームであることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池バイポーラ板の燃料ガス加湿装置。
6. 前記吸水性材料は脱脂綿であることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池バイポーラ板の燃料ガス加湿装置。
7. 前記加湿水は脱イオン水であることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池バイポーラ板の燃料ガス加湿装置。
8. １枚以上のバイポーラ板と薄膜電極アセンブリとで構成され、各前記バイポーラ板の両側それぞれに１か所以上の燃料ガス流路と酸化剤流路とが備わり、それぞれ燃料ガスと酸化剤とを提供して進入させることにより、前記燃料ガスと前記酸化剤とに前記薄膜アセンブリを介して電気化学反応を発生させるプロトン交換膜型燃料電池に応用される燃料電池バイポーラ板の燃料ガス加湿装置であり、
   前記燃料ガス流路にはその流動方向の中段部分に沿って相互連通流路が備わり、前記相互連通流路は各前記燃料ガス流路に連通しているとともに、透水連通流路を介して加湿水マニホルドに接続しており、前記燃料ガスが前記相互連通流路を流通した後の前記燃料ガス流路の底部と前記相互連通流路の底部には吸水性材料が貼付されてそれを被覆しており、前記透水連通流路の内部にも前記吸水性材料が充填されており、前記加湿水マニホルド内の加湿水が前記燃料ガス流路に提供されることにより、前記燃料ガスの湿度が向上することを特徴とする、燃料電池バイポーラ板の燃料ガス加湿装置。
9. 前記加湿水マニホルドが加湿水マニホルド逆止弁と相互に接続し、前記透水連通流路中の圧力を調整することにより、前記加湿水の逆流による前記燃料ガスの外部漏出を防止することを特徴とする、請求項８に記載の燃料電池バイポーラ板の燃料ガス加湿装置。
10. 前記相互連通流路は各前記燃料ガス流路と相互に垂直であることを特徴とする、請求項８に記載の燃料電池バイポーラ板の燃料ガス加湿装置。
11. 前記吸水性材料は不織布であることを特徴とする、請求項８に記載の燃料電池バイポーラ板の燃料ガス加湿装置。
12. 前記吸水性材料はプラスチックフォームであることを特徴とする、請求項８に記載の燃料電池バイポーラ板の燃料ガス加湿装置。
13. 前記吸水性材料は脱脂綿であることを特徴とする、請求項８に記載の燃料電池バイポーラ板の燃料ガス加湿装置。
14. 前記加湿水は脱イオン水であることを特徴とする、請求項８に記載の燃料電池バイポーラ板の燃料ガス加湿装置。

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