JP3679789B2

JP3679789B2 - 燃料電池

Info

Publication number: JP3679789B2
Application number: JP2003017587A
Authority: JP
Inventors: 秀雄萩野; 耕司安尾; 泰夫三宅
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2003-01-27
Filing date: 2003-01-27
Publication date: 2005-08-03
Anticipated expiration: 2019-03-25
Also published as: JP2003203649A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子型燃料電池、リン酸型燃料電池やメタノール燃料電池といった比較的低温で運転される燃料電池に関し、具体的には、酸化剤プレートの酸化剤ガスの排出路の改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
比較的低温で運転される燃料電池として、固体高分子型燃料電池、リン酸型燃料電池やメタノール燃料電池などが知られている。
【０００３】
上記燃料電池のうち、固体高分子型燃料電池の概略構成について、本発明の一実施例である図１を参照して説明する。図１は、固体高分子型燃料電池のセルユニット（１０）を示しており、セルユニット（１０）は、セル（１２）が酸化剤プレート（２６）と燃料プレート（５６）によって挟持されている。固体高分子型燃料電池は、通常、このセルユニット（１０）を数十枚から数百枚積層して構成される。
【０００４】
セル（１２）は、電解質体（１４）として用いられる電解質膜の一方の面にアノード電極（５０）、他方の面にカソード電極（２０）が形成されている。
【０００５】
燃料プレート（５６）は、セル（１２）のアノード側に、ガスチャンネル（５２）によって形成され、燃料ガスの流通する燃料室（５４）を有している。
【０００６】
酸化剤プレート（２６）は、図４に示すように、カソード側に、ガスチャンネル（２２）によって形成され、酸化剤ガスが流通する酸化剤室（２４）を有しており、該酸化剤室（２４）へは、酸化剤ガスを酸化剤室（２４）へ導入する酸化剤導入路（２８）と、該酸化剤導入路の反対側に設けられ、反応後の酸化剤排ガスを外気へ排出する酸化剤排出路（３０）が連通している。
【０００７】
前記構成の固体高分子型燃料電池では、水素ガスを含む燃料ガスが燃料室（５４）へ供給され、空気などの酸素を含む酸化剤ガスが酸化剤導入路（２８）から酸化剤室（２４）へ供給され、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学的反応により起電力を生ずると共に水を生成する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
酸化剤室（２４）から排出される酸化剤排ガスには、反応によって生成した生成水や、電解質体（１４）を加湿するために導入された加湿水（燃料室からの移動水を含む）が含まれている。電気化学反応が進行する酸化剤室（２４）（反応領域）では、電気化学反応により発熱しているため、これら水分は凝縮しにくいが、反応領域から外れた酸化剤排出路（３０）は、温度が低いため、酸化剤排ガス中の水分が凝縮して、酸化剤排出路（３０）を閉塞する。酸化剤排出路（３０）が閉塞すると、その酸化剤室（２４）には酸化剤ガスが流通しなくなり、電気化学反応の進行が妨げられ、電池性能が低下してしまう問題があった。
【０００９】
このような問題は、固体高分子型燃料電池だけでなく、リン酸型燃料電池やメタノール燃料電池などの比較的低温で運転される燃料電池にも存在する。
【００１０】
そこで、図５に示すように、酸化剤導入路（２８）から酸化剤排出路（３０）までの溝の深さを徐々に深くすることによって、水分の滞留を防止した燃料電池を開示している（特開平８−１３８６９６号）。しかしながら、この構造では、酸化剤排出路（３０）付近の流路断面積が大きくなるから、酸化剤ガスの流速が遅くなり、かえって水分が滞留しやすくなる虞れがあった。また、流路の深さを深くするには、酸化剤プレート（２６）の肉厚を厚くしなければならず、セルユニット（１０）が厚くなって電池が大型化する問題があった。さらに、流路の深さの差によって、プレート（２６）に厚い部分と薄い部分が形成されると、電池面内の内部抵抗が不均一となり、その結果、電流密度の分布が不均一となって、電池電圧が低下する虞れがあった。
【００１１】
本発明の目的は、水分の滞留を防ぐことによって、閉塞を防止し、電池寿命の向上と安定した発電性能を維持することのできる燃料電池を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明の燃料電池は、電解質体(１４)の一方の面にアノード電極(５０)、他方の面にカソード電極(２０)を形成したセル(１２)と、複数のガスチャンネル(５２)によって分割され、燃料ガスが流通する複数の燃料室(５４)と前記燃料室(５４)へ前記燃料ガスを供給する燃料導入路(５８)と前記燃料室(５４)から排出された燃料排ガスを排出する燃料排出路(５９)とを有する燃料プレート(５６)と、複数のガスチャンネル(２２)によって分割され酸化剤ガスが流通する複数の酸化剤室(２４)と前記酸化剤室(２４)へ酸化剤ガスを供給する酸化剤導入路(２８)と複数のリブ（３１）によって分割され前記複数の酸化剤室 ( ２４ ) のそれぞれに独立して設けられ前記酸化剤室(２４)から排出された酸化剤排ガスを排出する酸化剤排出路(３０)とを有する酸化剤プレート(２６)と、を備え、セル(１２)のアノード側に燃料室(５４)、カソード側に酸化剤室(２４)が対向するように、セル(１２)を前記燃料プレート(５６)と前記酸化剤プレート(２６)とによって挟持してセルユニット(１０)を構成し、該セルユニット(１０)を複数積層してなる燃料電池において、前記酸化剤排出路（３０）は前記酸化剤室（２４）に連通する第１開口部（３２）と外気へ連通する第２開口部（３４）とを備え、断面積が前記第１開口部（３２）から前記第２開口部（３４）へ向かって漸次小さくなるように形成すると共に、前記リブの主平面形状が全て同一であることを特徴とするものである。
【００１３】
【作用及び効果】
酸化剤排出路 ( ３０ ) は、断面積が第１開口部 ( ３２ ) から第２開口部 ( ３４ ) へ向かって漸次小さくなるように形成することによって、ガス圧が高くなり、酸化剤ガスの流速が速くなる。従って、水分が酸化剤排出路 ( ３０ ) の中で凝縮しても、酸化剤排出路 ( ３０ )から勢いよく排出されるから、酸化剤排出路 ( ３０ ) の閉塞は防止される。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下では、固体高分子型燃料電池について説明を行なう、本発明は、リン酸型燃料電池やメタノール燃料電池などの比較的低温で作動する燃料電池にも適用できる。
＜実施形態１＞
固体高分子型燃料電池は、図１に示すように、電解質体（１４）の一方の面にアノード電極（５０）（図１では電解質体（１４）の背面側にあるので破線で示している）、他方の面にカソード電極（２０）を配したセル（１２）と、燃料ガスの供給される燃料室の凹設された燃料プレート（５６）と、酸化剤ガスの供給される酸化剤室（２４）が凹設された酸化剤プレート（２６）を具え、セル（１２）のアノード側に燃料室（５４）、カソード側に酸化剤室（２４）が対向するように、プレート（５６）（２６）によってセル（１２）を挟持したセルユニット（１０）を複数積層して構成される。なお、燃料室と酸化剤室を、夫々別個のプレートに形成せず、１枚のプレート（所謂バイポーラプレート）の一方の面に燃料室、他方の面に酸化剤室を形成することもできる。
【００１５】
セル（１２）とプレート（５６）（２６）との間には、ガスリークを防止するシール部材（７０）（７０）が配備される。なお、図１では、１セルユニットのみを示している。
【００１６】
電解質体（１４）は、パーフルオロカーボンスルホン酸などのイオン交換膜からなる電解質膜が用いられ、電解質体（１４）上に形成される電極（５０）（２０）は、白金担持カーボンに２０重量％のＮａｆｉｏｎ溶液（アルドリッチケミカル社製）と２０重量％のポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）を含浸させて形成される。電極（５０）（２０）の形成された領域が電極反応領域となる。
【００１７】
酸化剤プレート（２６）は、酸化剤室（２４）が形成された矩形板（４０）と、該矩形板（４０）の側縁を取り囲む枠板（４２）とから構成される。なお、酸化剤プレート（２６）は１枚のプレートから作製することもできる。
【００１８】
矩形板（４０）は、例えば、多孔質カーボン板などから作製され、カソード電極（２０）と対向する反応領域の位置に酸化剤室（２４）が形成される。酸化剤室（２４）には、複数のガスチャンネル（２２）が平行に凸設されている。
【００１９】
また、枠板（４２）は、例えば、パーフェニレンサルファイド樹脂から作製され、前記矩形板（４０）の酸化剤室（２４）に連通するように、酸化剤導入路（２８）と酸化剤排出路（３０）が凹設されている。
【００２０】
酸化剤排出路（３０）は、図２に示すように、酸化剤室（２４）に連通する第１開口部（３２）と、外気へ連通する第２開口部（３４）を具えており、第２開口部（３４）の幅は、第１開口部（３２）よりも狭くなるように形成する。例えば、第１開口部（３２）の幅を２mm、第２開口部（３４）の幅を１mmにする。
【００２１】
燃料プレート（５６）は、燃料室（５４）が形成された矩形板（６０）を、枠板（６２）にはめ込んで形成される。
【００２２】
矩形板（６０）は、多孔質カーボン板などから作製され、アノード電極（５０）と対向する反応領域の位置に燃料室（５４）が形成される。燃料室（５４）には、複数のガスチャンネル（５２）が平行に凸設されており、燃料室（５４）の延長上には、燃料ガスを供給するための燃料導入路（５８）と、燃料排ガスを排出するための燃料排出路（５９）が凹設されている。
【００２３】
枠板（６２）は、例えば、パーフェニレンサルファイド樹脂から作製され、前記矩形板（６０）のガスチャンネル部分がはめ込まれる開口（６３）を有し、該開口（６３）の両側には、燃料室（５４）に燃料ガスと水を供給するマニホールド（６５）（６６）と、燃料排ガスと排水を排出するマニホールド（６７）（６８）が夫々形成されている。
【００２４】
矩形板（６０）は、ガラス状カーボンからなる仕切板（７２）と共に枠板（６２）に埋め込まれて燃料プレート（５６）を形成する（図１参照）。
【００２５】
セルユニット（１０）は、積層方向が略水平となり、酸化剤ガスの流れの向き、即ち酸化剤室（２４）のガスチャンネル（２２）の向きが、図２に示すように、略水平となるように配置して発電を行なう。
【００２６】
このように配置した状態で、燃料ガス及び水を、マニホールド（６５）（６６）から燃料導入路（５８）を通って燃料室（５４）に供給し、酸化剤ガスはファン（図示せず）などによって酸化剤導入路（２８）を通って酸化剤室（２４）に供給され、発電が行なわれる。
【００２７】
燃料室（５４）から排出される燃料排ガスと排水は、マニホールド（６７）（６８）から排出される。酸化剤排ガスは、酸化剤排出路（３０）から排出される。
【００２８】
酸化剤排ガスは、上述の通り反応生成水や移動水などを含んでおり、反応領域から外れた低温の酸化剤排出路（３０）中で凝縮することがあるが、酸化剤排出路（３０）は、第１開口部（３２）よりも第２開口部（３４）の幅を狭くしているから、第２開口部（３４）における酸化剤排ガスの流速が上昇し、水分は酸化剤排ガスと共に効果的に排出される。このため、酸化剤排出路（３０）に水分が滞留したり、滞留した水分が酸化剤排出路（３０）を閉塞することもない。
【００２９】
本発明では、反応領域内の酸化剤ガスのガスチャンネル幅及び深さは従来のものと同じであるから、酸化剤排出路（３０）を上記構成とすることによって、反応面積が減少することはない。
【００３０】
また、酸化剤排出路（３０）の終端の第２開口部（３４）の幅を狭くすることによって、第２開口部（３４）におけるガス圧が高くなる。このバックプレッシャーによって、上流側の酸化剤室（２４）中を流通する酸化剤ガスのガス圧が高くなり、酸化剤ガスが均一に各チャンネル（２２）に分配されて、セル電圧が向上する。
【００３１】
＜参考形態１＞
実施形態１では、酸化剤プレート（２６）を、材質の異なる矩形板（４０）と枠板（４２）から構成している。枠板（４２）を構成するパーフェニレンサルファイド樹脂は、矩形板（４０）を構成する多孔質カーボンよりも撥水性が高く、また、反応領域から外れた枠板（４２）は低温であるため、枠板（４２）に形成された酸化剤排出路（３０）で水分が凝縮しやすい。排出路（３０）で凝縮した水分は、水分は球状の水滴となって排出路（３０）に付着し、酸化剤排出路（３０）を閉塞してしまうことがある。このため、酸化剤排出路（３０）の撥水性を、酸化剤室（２４）と同等又はそれよりも低くしている。
【００３２】
酸化剤排出路（３０）の撥水性を低くするには、枠体（４２）の排出路（３０）が形成された部分に親水処理を施せばよい。
【００３３】
親水処理は、例えば、カーボン８０重量％、フェノール樹脂２０重量％の混合剤を、酸化剤排出路（３０）の表面にスプレー塗布し、厚さ４０μｍ程度の膜を形成した後、１２０℃で１時間乾燥させる処理によって行なうことができる。この親水処理を施すことにより、酸化剤排出路（３０）に対する水の接触角は０度になり、酸化剤排出路（３０）中では、水分が流路壁面に広がった状態で付着するから、酸化剤排出路（３０）が閉塞される可能性は極めて低くなる。
【００３４】
【実施例】
上記実施形態１に示した酸化剤排出路（３０）を具えるセルユニット（１０）を作製し、該セルユニット（１０）を５２枚積層した燃料電池を用いて発電を行ない、セル電圧の変化を経時的に測定した。
【００３５】
比較のため、図４に示すように、酸化剤排出路（３０）の幅が同じで、開口部（３２）（３４）の位置が同じ高さの酸化剤プレート（２６）を用いた燃料電池を作製した（比較例）。
【００３６】
試験条件は以下の通りである。
・電極有効面積：１００ｃｍ ²
・電流密度：４００ｍＡ／ｃｍ ²
・セル温度（電極中央部）：７０℃
・燃料利用率：９５％（水素ガス）
・酸化剤利用率：４０％（空気）
【００３７】
電池電圧の測定結果を図３に示す。図３を参照すると、実施形態１は、比較例に比べてセル電圧が高く、また、長期にわたり安定していることがわかる。
【００３８】
上記実施例では、本発明を固体高分子型燃料電池に適用して説明を行なったが、本発明は、固体高分子型燃料電池に限定されず、リン酸型燃料電池やメタノール燃料電池などの比較的低温で運転される燃料電池にも適用でき、同様の作用、効果を発揮することは勿論である。
【００３９】
なお、リン酸型燃料電池の場合、電解質体として、リン酸などの電解質が保持されたセラミック体を例示することができ、メタノール燃料電池の場合、電解質体として、アルカリ電解液を含浸した不織布を例示することができる。
【００４０】
上記実施例の説明は、本発明を説明するためのものであって、特許請求の範囲に記載の発明を限定し、或は範囲を減縮する様に解すべきではない。又、本発明の各部構成は上記実施例に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池のセルユニットを示す分解斜視図である。
【図２】本発明の実施形態１の酸化剤プレートを示す正面図である。
【図３】セル電圧の測定結果を示すグラフである。
【図４】従来の酸化剤プレートを示す正面図である。
【図５】従来の固体高分子型燃料電池のセルユニットの断面図である。
【符号の説明】
（１０）セルユニット
（２４）酸化剤室
（２６）酸化剤プレート
（３０）酸化剤排出路
（３２）第１開口部
（３４）第２開口部

Claims

電解質体(１４)の一方の面にアノード電極(５０)、他方の面にカソード電極(２０)を形成したセル(１２)と、
複数のガスチャンネル(５２)によって分割され、燃料ガスが流通する複数の燃料室(５４)と前記燃料室(５４)へ前記燃料ガスを供給する燃料導入路(５８)と前記燃料室(５４)から排出された燃料排ガスを排出する燃料排出路(５９)とを有する燃料プレート(５６)と、
複数のガスチャンネル(２２)によって分割され酸化剤ガスが流通する複数の酸化剤室(２４)と前記酸化剤室(２４)へ酸化剤ガスを供給する酸化剤導入路(２８)と複数のリブ（３１）によって分割され前記複数の酸化剤室 ( ２４ ) のそれぞれに独立して設けられ前記酸化剤室(２４)から排出された酸化剤排ガスを排出する酸化剤排出路(３０)とを有する酸化剤プレート(２６)と、
を備え、
セル(１２)のアノード側に燃料室(５４)、カソード側に酸化剤室(２４)が対向するように、セル(１２)を前記燃料プレート(５６)と前記酸化剤プレート(２６)とによって挟持してセルユニット(１０)を構成し、該セルユニット(１０)を複数積層してなる燃料電池において、
前記酸化剤排出路（３０）は前記酸化剤室（２４）に連通する第１開口部（３２）と外気へ連通する第２開口部（３４）とを備え、断面積が前記第１開口部（３２）から前記第２開口部（３４）へ向かって漸次小さくなるように形成すると共に、前記リブの主平面形状が全て同一であることを特徴とする燃料電池。