JP3939150B2 - 高分子電解質型燃料電池 - Google Patents
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Description
【０００１】
技術分野
本発明は、ポータブル電源、電気自動車用電源、家庭内コジェネレーションシステム等に使用される常温作動型の高分子電解質型燃料電池、特にその導電性セパレータ板の改良に関する。
【０００２】
背景技術
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により、電力と熱とを同時に発生させる。この燃料電池は、基本的には、水素イオン伝導性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、白金族金属などの金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする触媒層と、この触媒層の外面に形成される、通気性と電子導電性を併せ持つ拡散層からなる。
【０００３】
電極に供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスが外にリークしたり、二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ケットが配置される。このガスケットは、通常電極及び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ともに、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のセパレータ板が配置される。セパレータ板のＭＥＡと接触する部分には、電極面に反応ガスを供給し、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、セパレータ板と別に設けることもできるが、セパレータ板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。また、導電性のセパレータ板には、高電子伝導性、ガスタイト性、および高耐食性が要求されるため、従来は緻密なカーボン板などに切削等の加工で溝を形成し、セパレータ板として使用する方法が一般的であった。
【０００４】
従来の導電性セパレータ板に設けられたガス流路は、ガス入口からガス出口に向けて、直線的に複数のガス流路が平行に設けられる、ストレート型流路が一般的であった。しかしながら、高分子電解質型燃料電池は、運転時に空気極側に生成水が発生するため、これを効率よく除去しなければ電池性能が十分に発揮できない。そこで、導電性セパレータ板に設けるガス流路の断面積を減らし、ガス流路を蛇行させた、サーペンタイン型流路とすることによって、ガス流路１本あたりの長さを増加させ、実質的にガス流速を早くすることで生成水を強制的に除去しようとすることも行われている。
【０００５】
通常、燃料電池を実際に使用するときは、上述の単電池を数多く重ねた積層構造が採られる。燃料電池の運転時には電力発生と共に発熱が起こるから、積層電池では、単電池１〜２セル毎に冷却板を設け、電池温度を一定に保つと同時に発生した熱エネルギーを温水などの形で利用できるようにする。冷却板としては、薄い金属板の内部に冷却水などの熱媒体を流通させる構造が一般的であるが、単電池を構成するセパレータ板の背面に、冷却水を流す流路を形成して冷却板とする構造もある。その際、冷却水などの熱媒体をシールするためのオーリングやガスケットも必要となる。このシールでは、冷却板間に介在させたＯ−リングを完全につぶすなどして、冷却板同士間で十分な導電性を確保する必要がある。
このような積層電池では、各単電池へ燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却水を注入するため、セパレータ板にマニホールドと呼ばれる孔が設けられる。これには、冷却水の供給・排出孔を積層電池内部に確保した、いわゆる内部マニホールド型が一般的である。
【０００６】
内部マニホールド、外部マニホールドのいずれの形式を用いても、冷却部を含む複数の単電池を一方向に積み重ね、その両端に一対の端板を配し、その２枚の端板の間を締結ロッドで固定することが必要である。締め付け方式は、単電池を面内でできるだけ均一に締め付けることができる方式が望ましい。機械的強度の観点から、端板や締結ロッドには通常ステンレス鋼などの金属材料が用いられる。これらの端板や締結ロッドと、積層電池とは、絶縁板により電気的に絶縁し、電流が端板を通して外部に漏れ出ることのない構造とする。締結ロッドについても、セパレータ板内部の貫通孔の中を通したり、積層電池全体を端板越しに金属のベルトで締め上げる方式も提案されている。
【０００７】
以上に示した高分子電解質型燃料電池は、電解質膜が水分を含んだ状態で電解質として機能するため、供給する燃料ガスや酸化剤ガスを加湿して供給する必要がある。高分子電解質膜は、少なくとも１００℃までの温度範囲では、含水率が高くなるほど、イオン伝導度が増加し、このため電池の内部抵抗が低減し、出力が向上する。そこで、電解質膜中の含水率を高めるためには、供給ガスを高加湿にして供給する必要がある。
しかしながら、電池運転温度以上の高加湿ガスを供給すると、電池内部で結露水が発生し、その水滴がスムーズなガスの供給を阻害するとともに、酸化剤ガスを供給する空気極側では、発電によって水が生成するため、生成水の除去効率が低下し、電池性能を低下させる。そのため、通常は電池運転温度以下の露点に加湿してガスを供給する。
【０００８】
供給ガスの加湿方法としては、所定の温度に保った脱イオン水中に供給ガスをバブリングして加湿するバブラー加湿方式や、電解質膜の一方の面に所定の温度に保った脱イオン水を流し、他方の面に供給ガスを流して加湿する膜加湿方式が一般的である。燃料ガスとして、メタノールやメタンなどの化石燃料を水蒸気改質したガスを用いる場合には、改質ガス中に水蒸気を含んでいるため、加湿が必要ない場合もある。
加湿された燃料ガスや酸化剤ガスは、高分子電解質型燃料電池に供給され、発電に供される。このとき、電池積層体中の任意の単電池の面内では、電流密度の分布が発生する。すなわち、燃料ガスはガス供給入り口部で所定量の加湿がなされて供給されるが、燃料ガス中の水素が発電によって消費されるため、ガス上流部ほど水素分圧が高く水蒸気分圧が低くなる。このため、ガス下流部ほど水素分圧が低く水蒸気分圧が高くなる。
【０００９】
また、酸化剤ガスもガス供給入り口部で所定の加湿がなされて供給されるが、酸化剤ガス中の酸素が発電によって消費され、発電によって生成した水が発生する。このため、ガス上流部ほど酸素分圧が高く水蒸気分圧が低く、ガス下流部ほど酸素分圧が低く水蒸気分圧が高くなる。さらに、電池を冷却するための冷却水温度は、入り口ほど低く、出口ほど高くなるため、単電池の面内に温度分布が発生する。以上のような理由から、単電池の面内では電流密度分布が発生する。
また、上述のように、単電池の面内での燃料ガス中の水素や水蒸気の分圧の不均一性や、酸化剤ガス中の酸素や水蒸気の分圧の不均一性、さらに温度分布などが、極端に大きくなると、極端な乾きすぎ、オーバードライ状態や、極端な濡れすぎ、オーバーフラッディング状態を招き、電池の特性が大きく低下する。
【００１０】
さらに、上述のような理由で発生した、単電池の面内での燃料ガス中の水素や水蒸気の分圧の不均一性や、酸化剤ガス中の酸素や水蒸気の分圧の不均一性、温度分布などによって、単電池の面内でオーバードライとオーバーフラッディングが共存する現象も発生する。
電池を多数積層した場合、積層した電池の一部に上述のような問題が発生すると、積層電池全体の運転に支障を来すことがある。すなわち、積層した電池の一部がオーバーフラッディングに陥った場合、オーバーフラッディングに陥った電池は、ガス供給のための圧力損失が増大する。ガス供給のマニホールドは、積層電池内で共通であるため、オーバーフラッディングに陥った電池には、ガスが流れにくくなり、結果として益々オーバーフラッディングを招く。
【００１１】
逆に、積層電池の一部がオーバードライに陥った場合、オーバードライに陥った電池は、ガス供給のための圧力損失が減少する。従って、オーバードライに陥った電池には、ガスが流れやすくなり、結果として益々オーバードライを招く。
上述のような問題は、燃料ガスを供給する燃料極側においても、酸化剤ガスを供給する空気極側においても、ガス入り口側に比べてガス出口側ほどガス中の水蒸気分圧が高くなることに起因する場合が多い。そこで、特表平９−５１１３５６号公報に示されているように、酸化剤ガスの流れ方向と冷却水の流れ方向を同方向とし、冷却水の温度分布により酸化剤ガスの下流部の温度を上流部に比べて高くすることで、空気極下流部のオーバーフラッディングを抑制し、単電池の面内の電流密度分布を低減させる試みもなされてきた。
【００１２】
高分子電解質型燃料電池は、その用途から、電気自動車用電源として用いる場合にはコンパクト性・軽量化・低コスト化などが強く要求される。また、家庭用コジェネレーションシステムとして用いる場合には、コンパクト性・高効率化・低コスト化等が要求される。いずれにしても、燃料電池は、改質器、供給ガスの加湿器、排熱回収・コンバーター・インバーター等とのシステムとしての利用形態が考えられるため、システム全体のコンパクト化の観点から、高分子電解質型燃料電池のコンパクト化と、電池の設置スペースの形状に関する制限が要求される。特に、電気自動車用電源として、車体の下部に電源を設置する場合、電池の薄型化への要求が厳しい。
また、導電性セパレータ板の材料にカーボンを用いる場合、切削加工でガス流路を形成する方法では高コストとなるため、カーボン粉末やカーボン繊維などを樹脂と混合し、高温での焼成無しに、ホットプレスなどの手法によって型成形する試みが行われている。しかしながら、前述のような成形カーボンは、焼成したカーボン製セパレータに比べて機械的な強度が弱く脆いという問題があった。
【００１３】
一方では、高分子電解質型燃料電池を、比較的小型のコジェネレーションシステム用、例えば家庭用コジェネレーションシステムに用いる場合には、空気の供給などに関わる補機動力の大きさがシステム全体の効率に大きく影響する。そこで、特に空気極側に供給する空気用ブロワ等の動力を低減するためには、空気極に供給する空気の圧力損失を低減する必要がある。空気極側の圧損を低減するためには、空気極側セパレータ板のガス流路の断面積を大きくする必要があり、そういった観点からはサーペンタイン形流路は、小型コジェネレーションシステム用としては不向きである。しかしながら、本発明者らは、導電性セパレータ板の電極と接する部分の形状が正方形や円形状に近い場合、空気極側のガス流路がストレート型流路であると、十分な電池性能が発揮できないことを見いだした。この原因は、ガス流速を十分大きくできないためである。そこで、ストレート型流路のまま、ガス流速を高めるため、ガス流路の深さを浅くしていくと、０．４ｍｍよりも浅くすると、ガスケットや電極の拡散層が部分的にガス流路に落ち込み、ガス流れを阻害または不均一にするため好ましくないことがわかった。
【００１４】
また、セパレータ板の電極と接する部分の形状を長方形状にした場合、その長辺の長さが短辺の長さの６倍以上になると、空気極側のガス流路がサーペンタイン型流路の場合、ガスの供給圧損が大きくなりすぎる。そして、ガス入口部の圧損が大きくなると、ガス入口部の相対湿度がガス出口部の相対湿度に比べて大きくなりすぎ、十分な電池性能が発揮できない。
また、ガス流路の断面積によっては、供給ガスの圧損が大きくなり、必要な補機動力が大きくなりすぎるという問題があった。そこで、ガス流路の断面積を大きくして供給ガスの圧損を下げた場合、ガス流路溝の幅を大きくすると、セパレータ板と電極との実質的な接触面積が小さくなり、接触抵抗を増大させることになる。また、電極を支持する部分の間隔が広くなることによって、電極と電解質膜との接触抵抗を増大させる。ガス流路の溝深さを大きくすると、必然的にセパレータ板の厚みが厚くなり、電池全体をコンパクトにすることができなくなる。さらに、供給ガスの電極表面への拡散を阻害したり、ガスの利用効率を悪化させたりし、その結果電極の反応抵抗を増大させるという問題があった。
【００１５】
また、セパレータ板の面積に対する電極の有効面積の割合を増加させることが燃料電池スタック全体のコンパクト化のためには不可欠である。そのような観点から、長方形状の導電性セパレータ板を用いる場合、セパレータ板の電極と接する部分の形状もセパレータ板の形状に沿った長方形状にならざるを得ない。
本発明者らは、そのような長方形の導電性セパレータ板について、種々検討した結果、以下のことが明らかとなった。
【００１６】
ガス流路の直線部が長方形状セパレータ板の短辺方向と平行に配置されると、生成水等の結露水を有効に排出できず、十分な電池性能が得られない。特に、サーペンタイン型流路を構成する場合、流路の直線部分が長方形状セパレータ板の短辺部分と平行になるよう流路を構成すると、サーペンタイン型流路の直線部を長方形状セパレータ板の長辺部分と平行に配した場合と比較して、流路のターン回数が増加し、同一断面積を有する流路を構成した場合においても、圧力損失が増加すると共に、ガス中に存在する水または生成水の排出効率が悪化し、電池性能を低下させる。
【００１７】
発明の開示
本発明は、以上に鑑み、長方形の改良された導電性セパレータ板を備える高分子電解質型燃料電池を提供する。
本発明の高分子電解質型燃料電池は、水素イオン伝導性高分子電解質膜と、前記水素イオン伝導性高分子電解質膜を挟むアノードおよびカソードと、前記アノードに燃料ガスを供給するガス流路を有するアノード側導電性セパレータ板と、前記カソードに酸化剤ガスを供給するガス流路を有するカソード側導電性セパレ−タ板とを具備し、前記アノード側およびカソード側導電性セパレ−タ板は、それぞれそれらのアノードおよびカソードと接触する部位が、長辺が短辺の２倍以上６倍以下の長さを有する略長方形状であり、前記長方形の一方の短辺側に酸化剤ガスの入口マニホールドが、他方の短辺側に酸化剤ガスの出口マニホールドがそれぞれセパレータ板を貫通した孔として形成され、前記カソード側導電性セパレータ板は、直線部が前記長辺方向に沿って形成された複数の酸化剤ガスの流路を有し、前記入口マニホールドおよび出口マニホールドの各々の開口部幅が、当該マニホールドに連なる前記ガス流路の幅の合計とほぼ同じかそれより大きいことを特徴とする。
【００１８】
さらに、第１の発明は、アノード側およびカソード側導電性セパレ−タ板の燃料ガスおよび酸化剤ガスの流路を形成する溝の幅、深さ、および溝間のリブ部の幅を後述のように特定値に規定している。
第２の発明は、カソード側導電性セパレータ板が、その長辺方向に沿い、かつ一方の短辺側から他方の短辺側に向かって、実質的に連続した直線状の、複数の酸化剤ガスの流路を有している。
【００１９】
第３の発明は、前記酸化剤ガスの流路は、カソード側導電性セパレータ板の長辺方向に沿った並行する複数の直線状のガス流路と折返し部となるターン部を有するサーペンタイン型構造を有し、前記ターン部は前記カソード側導電性セパレータ板の短辺近傍に位置している。さらに、前記カソード側導電性セパレータ板は、裏面に、直線部が前記長方形の長辺に沿った冷却水の流路を有し、冷却水の入口マニホールドおよび出口マニホールドはそれぞれ前記酸化剤ガスの入口マニホールドおよび出口マニホールドと同じく前記長方形の一方の短辺側および他方の短辺側に形成され、酸化剤ガスの前記ガス流路の直線部における流れ方向と冷却水の前記冷却水の流路の直線部における流れ方向とが、実質的に一致している。
【００２０】
前記燃料ガスの流路は、アノード側導電性セパレータ板の長辺方向に沿って並行する複数の直線状のガス流路と折返し部となる少なくとも１つのターン部を有するサーペンタイン型構造を有し、前記ターン部は前記アノード側導電性セパレータ板の短辺近傍に位置することが好ましい。この場合、前記酸化剤ガスの流路のターン部は２であり、前記燃料ガスの流路のターン部は２または４であるのが好ましい。
【００２１】
前記アノード側およびカソード側導電性セパレ−タ板は、酸化剤ガス、燃料ガスおよび冷却水の流路にそれぞれ酸化剤ガス、燃料ガスおよび冷却水を供給・排出するためのマニホールドを、その短辺近傍に配置しているのが好ましい。
アノード側およびカソード側導電性セパレ−タ板の燃料ガスおよび酸化剤ガスの流路の幅は、１．５ｍｍ以上２．５ｍｍ以下であり、前記流路の深さは、０．４ｍｍ以上１ｍｍ以下であり、前記流路間のリブ部の幅は、０．５ｍｍ以上１．５ｍｍ以下であるのが好ましい。
【００２２】
前記ガス流路または冷却水流路を形成する溝がセパレータ板の両面においてそれぞれ中央を横断しており、前記セパレータ板の一方の面に形成される溝と溝との間の凸部の中心線の位置と他方の面に形成される溝と溝との間の凸部の中心線の位置とが、不可避の部位を除いて、実質的に一致していることが好ましい。
【００２３】
発明を実施するための最良の形態
本発明の高分子電解質型燃料電池は、水素イオン伝導性高分子電解質膜と、前記水素イオン伝導性高分子電解質膜を挟むアノードおよびカソードと、前記アノードに燃料ガスを供給するガス流路を有するアノード側導電性セパレータ板と、前記カソードに酸化剤ガスを供給するガス流路を有するカソード側導電性セパレ−タ板とを具備し、前記アノード側およびカソード側導電性セパレ−タ板は、それぞれそれらのアノードおよびカソードと接触する部位が、長辺が短辺の２倍以上６倍以下の長さを有する略長方形状であり、前記酸化剤ガスの流路はその直線部が前記長方形の長辺方向に沿って形成されている。
【００２４】
本発明は、電極と接触する部位が、長辺が短辺の２倍以上６倍以下の長さを有する略長方形状の導電性セパレータ板を用いる。したがって、長方形状の電極を用いる。このため、その長方形の長辺側を設置面とすることにより、電池スタックの背丈を低く、すなわち、薄型とすることができる。長方形の長辺は短辺の３〜６倍がより好ましい。長方形の電極の短辺は１０ｃｍ以下が好ましい。そのような薄型の電池スタックは、特に電気自動車用電源として、車体の下部に設置するのに有利である。
【００２５】
セパレータ板のガス流路の直線部を、セパレータ板の長辺に沿って形成することにより、供給ガスの圧力損失を少なくすることができる。特に、酸化剤に空気、燃料ガスに高濃度の水素ガスを用いる電池においては、燃料に比して多量の空気を供給することが要請される。それに対しては、酸化剤ガスの流路をセパレータ板の長辺に沿ったほぼ直線状にするか、または長辺に沿った直線部と２程度の少ない数のターン部とからなるサーペンタイン型とすることにより圧力損失を小さく抑えることができる。カソードにおいては、電極反応により水分が生成するから、これを効率的に除去するには、一般に酸化剤ガスの供給圧力を大きくすることが要請される。本発明によれば、空気供給の圧力損失を小さく抑えたまま、生成水を効率的に除去することができる。また、カソード側導電性セパレータ板は、裏面に、直線部が前記長方形の長辺に沿った冷却水の流路を有し、酸化剤ガスの前記ガス流路の直線部における流れ方向と冷却水の前記冷却水の流路の直線部における流れ方向とが、実質的に一致している構成とすることにより、生成水の除去が促進される。
【００２６】
燃料ガスの流路は、セパレータ板の短辺に沿った直線部と、長辺側に配したターン部とからなるサーペンタイン型とすることもできるが、酸化剤ガスの流路と同様に、長辺に沿った直線部と短辺側に位置するターン部とからなるサーペンタイン型とすることが好ましい。酸化剤ガスおよび燃料ガスの流路を、長辺に沿った直線部と短辺側に位置するターン部とからなるサーペンタイン型とする場合、酸化剤ガスの流路はターン数が２、燃料ガスの流路はターン数が２または４であるのが最も好ましい。この場合は、冷却水の流路も同様のサーペンタイン型とするのが好ましい。
【００２７】
このような構成のセパレータ板においては、ガスの流路または冷却水の流路を形成する溝がセパレータ板の両面の中央を横断している。従って、そのような溝の配列によっては、セパレータ板に曲げ強度の小さい材料を使用すると、割れなどが発生し電池寿命を損ねるおそれがある。本発明では、セパレータ板の一方の面に形成される溝と溝との間の凸部の中心線と他方の面に形成されるそのような凸部の中心線とを、不可避の部位を除いて、実質的に一致させることにより強度の低下を抑制する。従来では、セパレータ板の曲げ強度は１００Ｐａが限度とされていたが、上記のような本発明の構成によると、曲げ強度が１００Ｐａを下回る７０Ｐａ程度でも実用可能となる。
【００２８】
導電セパレ−タ板の表面に設けられるガス流路用溝は、幅が１．５ｍｍ〜２．５ｍｍであり、溝間のリブ部の幅が０．４ｍｍ〜１．５ｍｍであるのが好ましい。これによって、電極や電解質膜との接触抵抗を小さく保ち、かつ供給ガスの圧力損失を抑制することができる。
酸化剤ガス、燃料ガスおよび冷却水をそれぞれ供給・排出するマニホールドは、長方形のセパレータ板の短辺近傍に設けるのが好ましい。
【００２９】
本発明によると、燃料電池スタックの薄型化・コンパクト化とともに、供給ガスの圧力損失を低減することができる。
以下に、図面を参照して導電性セパレータ板の構造を詳しく説明する。図面は、いずれも説明のために概略を示すものであって、各部のサイズや相対的な位置は必ずしも正確ではない。
【００３０】
実施の形態１
図１は本実施の形態における燃料電池の要部を示す断面図である。
燃料電池１は、水素イオン伝導性高分子電解質膜２および電解質膜２を挟むカソード３とアノード４からなる単セルを、導電性セパレータ板を介して積層したものである。セル間に挿入された導電性セパレータ板は、一方の面に酸化剤ガスの流路６を有し、他方の面に燃料ガスの流路７を有し、カソード側セパレータ板とアノード側セパレータ板の機能を持つ単一のセパレータ板５、並びに、一方の面に酸化剤ガスの流路６を有し、他方の面に冷却水の流路８を有するセパレータ板９ａと、一方の面に冷却水の流路８を有し、他方の面に燃料ガスの流路７を有するセパレータ板９ｂとを組み合わせた複合セパレータ板である。この例では、２セル毎に、冷却水を流すための複合セパレータ板が挿入されている。１０はガスおよび冷却水の漏洩を防止するためのガスケットを表す。
【００３１】
このような燃料電池に用いられる導電性セパレータ板を図２〜４により詳しく説明する。
図２に示すカソード側導電性セパレータ板１１は、長方形を有しており、その一方の短辺側に酸化剤ガスの入り口マニホールド１２ａ、燃料ガスの出口マニホールド１３ｂおよび冷却水の入り口マニホールド１４ａを有し、他方の短辺側に酸化剤ガスの出口マニホールド１２ｂ、燃料ガスの入り口マニホールド１３ａおよび冷却水の出口マニホールド１４ｂを有している。セパレータ板１１の表面には、切削加工やプレス成形によって溝を設けることにより、酸化剤ガスの入り口マニホールド１２ａから出口マニホールド１２ｂにつらなるガス流路１５が形成されている。ガス流路１５は、この例では、並行する１０本の溝により形成されている。ガス流路１５は、直線部１５ｓと折り返し部となるターン部１５ｔからなるサーペンタイン型構造であり、ターン部の数は２である。
【００３２】
図３に示すアノード側セパレータ板２１は、セパレータ板１１と同じく長方形を有しており、その一方の短辺側に酸化剤ガスの入り口マニホールド２２ａ、燃料ガスの出口マニホールド２３ｂおよび冷却水の入り口マニホールド２４ａを有し、他方の短辺側に酸化剤ガスの出口マニホールド２２ｂ、燃料ガスの入り口マニホールド２３ａおよび冷却水の出口マニホールド２４ｂを有している。セパレータ板２１の表面には、切削加工やプレス成形によって溝を設けることにより、燃料ガスの入り口マニホールド２３ａから出口マニホールド２３ｂにつらなるガス流路２５が形成されている。ガス流路２５は、並行する６本の溝により形成されている。ガス流路２５は、直線部２５ｓと折り返し部となるターン部２５ｔからなるサーペンタイン型構造であり、ターン部の数は４である。
【００３３】
アノード側セパレータ板２１は、図４に示すように、その背面に、冷却水の入り口マニホールド２４ａから出口マニホールド２４ｂにつらなる冷却水の流路２６が形成されている。流路２６は、この例では、並行する６本の溝により形成されている。流路２６は、直線部２６ｓと折り返し部となるターン部２６ｔからなるサーペンタイン型構造であり、ターン部の数は４である。
図１で説明したように、セル間に挿入されるセパレータ板は、図２のセパレータ板の背面に図３のような燃料ガスの流路を形成したものである。また、冷却部を構成する部分では、図３および図４に示すように、裏面に冷却水の流路を形成したアノード側セパレータ板２１と、図２のカソードセパレータ板１１の裏面に図４のような冷却水の流路を形成したものとの複合セパレータ板が用いられる。
【００３４】
上記のカソード側セパレータ板１１およびアノード側セパレータ板２１において、それぞれ図に示す一点鎖線で囲まれた長方形の部分がカソードおよびアノードと接する部位である。そして、酸化剤ガスの流路１５は、１０本の並行する溝で構成され、３つの直線部１５ｓが２つのターン部１５ｔで連結されている。すなわち、前記の長方形の長辺に沿って直線状に伸びた３０本の溝を有する。燃料ガスの流路２５は、６本の並行する溝で構成され、５つの直線部２５ｓが４つのターン部２５ｔで連結されている。すなわち、ガス流路２５は、前記の長方形の長辺に沿って直線状に伸びた３０本の溝を有する。同様に、冷却水の流路も長方形の長辺に沿って直線状に伸びた３０本の溝を有する。従って、一方の面に酸化剤のガス流路を、他方の面に燃料ガスの流路を形成するセパレータ板においては、それぞれのガス流路の直線部を構成する溝の中心線を一致させることができる。同様に、一方の面に酸化剤ガスまたは燃料ガスの流路を、他方の面に冷却水の流路を形成するセパレータ板においては、それぞれの流路を構成する溝の中心線を一致させることができる。
【００３５】
この例では、図１に示すように、ガス流路および冷却水の流路を構成する溝の幅を同じくした好ましい形を示した。しかし、溝の幅および深さはそれぞれの流路として適したものに変更すべきことはいうまでもない。要するに、流路の直線部を構成する溝と溝の間に位置する凸部ないしリブ部の中心線を、不可避な部位を除いて、一致させるのが重要である。このような構成により、導電性セパレータ板の素材として、１００Ｐａ程度を下回る曲げ強度を有するものをも使用可能となる。
【００３６】
実施の形態２
次に、導電性セパレータ板の他の好ましい例を説明する。
図５はカソード側導電性セパレータ板の正面図である。セパレータ板３１は、長方形であり、その一方の短辺側に酸化剤ガスの入り口マニホールド３２ａ、燃料ガスの入り口マニホールド３３ａおよび冷却水の入り口マニホールド３４ａを有し、他方の短辺側に酸化剤ガスの出口マニホールド３２ｂ、燃料ガスの出口マニホールド３３ｂおよび冷却水の出口マニホールド３４ｂを有する。酸化剤ガスの入り口マニホールド３２ａから出口マニホールド３２ｂにつらなるガス流路３５は、３５本の直線状の溝によって構成されている。
【００３７】
図６はアノード側導電性セパレータ板の正面図である。セパレータ板４１は、長方形であり、その一方の短辺側に酸化剤ガスの入り口マニホールド４２ａ、燃料ガスの入り口マニホールド４３ａおよび冷却水の入り口マニホールド４４ａを有し、他方の短辺側に酸化剤ガスの出口マニホールド４２ｂ、燃料ガスの出口マニホールド４３ｂおよび冷却水の出口マニホールド４４ｂを有する。燃料ガスの入り口マニホールド４３ａから出口マニホールド４３ｂにつらなるガス流路４５は、並行する６本の溝により形成されている。ガス流路４５は、直線部４５ｓと折り返し部となるターン部４５ｔからなるサーペンタイン型構造であり、ターン部の数は１２である。
【００３８】
図５のカソード側導電性セパレータ板３１と図６のアノード側導電性セパレータ板４１とを組み合わせた場合、実際に反応に関与する酸素を約２０％含む空気を酸化剤ガス、高濃度の水素を含むガスを燃料ガスに用いる燃料電池における両ガスの流量の調整が容易である。冷却水の流路は、燃料ガスの流路と同様のサーペンタイン型構造とし、流路の幅は燃料ガスの流路より広くし、ターン部の数は燃料ガスの流路より少なくするのが好ましい。
【００３９】
実施の形態３
次に、カソード側導電性セパレータ板の好ましい他の例を図７〜図９により説明する。
図７のセパレータ板７１は、短辺側に酸化剤ガスの入り口マニホールド７２ａと出口マニホールド７２ｂを、これらに近接させて長辺側に燃料ガスの入り口マニホールド７３ａ、出口マニホールド７３ｂおよび冷却水の入り口マニホールド７４ａ、出口マニホールド７４ｂを設けている。酸化剤ガスの入り口マニホールド７２ａから出口マニホールド７２ｂにつらなるガス流路７５は、次第に幅が狭くなる直線状の溝で構成されている。燃料ガスおよび冷却水の流路は、図６に類似の直線部とターン部を有するサーペンタイン型構造である。
【００４０】
実施の形態４
図８のセパレータ板８１は、短辺側に酸化剤ガスの入り口マニホールド８２ａと出口マニホールド８２ｂを、これらに近接させて長辺側に燃料ガスの入り口マニホールド８３ａ、出口マニホールド８３ｂおよび冷却水の入り口マニホールド８４ａ、出口マニホールド８４ｂを設けている。酸化剤ガスの流路８５は、入り口マニホールド８２ａおよび出口マニホールド８２ｂにそれぞれつらなり、長辺に平行な直線部８５ａおよび８５ｂと、両者をつなぐ直線部８５ｃからなり、直線部８５ｃは長辺に対して若干傾斜している。
【００４１】
実施の形態５
図９のセパレータ板９１は、短辺側に酸化剤ガスの入り口マニホールド９２ａと出口マニホールド９２ｂを、これらに近接させて長辺側に燃料ガスの入り口マニホールド９３ａ、出口マニホールド９３ｂおよび冷却水の入り口マニホールド９４ａ、出口マニホールド９４ｂを設けている。酸化剤ガスの流路９５は、入り口マニホールド９２ａおよび出口マニホールド９２ｂにそれぞれつらなる直線部９５ａおよび９５ｂと、両者をつなぐ部分９５ｃからなる。直線部９５ａと９５ｂは、各溝の幅は同じであるが、後者の溝の数は前者より１つだけ少ない。この構成においては、酸化剤ガスの流路は、部分９５ｃが不連続部となっているが、実質的に直線状である。
以下、本発明の実施例を図面を参照しながら説明する。
【００４２】
【実施例】
実施例１
本実施例に用いたカソード側導電性セパレータ板を図１０に示す。
カソード側セパレータ板１０１は、一方の短辺側に酸化剤ガスの入り口マニホールド１０２ａ、燃料ガスの出口マニホールド１０３ｂおよび冷却水の入り口マニホールド１０４ａを有し、他方の短辺側に酸化剤ガスの出口マニホールド１０２ｂ、燃料ガスの入り口マニホールド１０３ａおよび冷却水の出口マニホールド１０４ｂを有する。酸化剤ガスの流路１０５は、３本の並行する溝により構成され、５つの直線部が４つのターン部によりつながっている。アノード側のガス流路も同様に３本の並行する溝により構成され、５つの直線部が４つのターン部によりつながっている。冷却水の流路も同様なサーペンタイン型構造である。
【００４３】
ＭＥＡは、以下のようにして作製した。
まず、炭素微粉末（米国キャボット社製ＶＸＣ７２、一次粒子径：３０ｎｍ、比表面積：２５４ｍ2／ｇ）に、平均粒径約３０Åの白金粒子を７５：２５の重量比で担持させた。この触媒粉末のイソプロパノ−ル分散液に、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、触媒ペーストを作製した。
一方、電極の多孔性基材として、厚み３６０μｍのカーボンペーパー（東レ製、ＴＧＰ−Ｈ−１２０）を用いた。このカーボンペーパーをポリテトラフルオロエチレンの水性ディスパージョン（ダイキン工業製、ネオフロンＮＤ１）に含浸した後、乾燥し、４００℃で３０分加熱処理して撥水性を与えた。この撥水処理を施したカーボンペーパーの一方の面に前記の触媒ペーストを均一に塗布して触媒層を形成した。
【００４４】
以上の方法で作製した２枚のカーボンペーパーからなる電極を、その触媒層を内側にして、高分子電解質膜（米国デュポン社製ナフィオン１１２）を挟んで重ね合わせた後、乾燥した。
以上のカーボンペーパー電極は、そのサイズが２０×６ｃｍの長方形で、図１０に示すセパレータ板１０１の一点鎖線で囲んだ５つの区画を覆う大きさである。電極の周囲には、高分子電解質膜を挟んで、約３６０μｍの厚みのシリコンゴムのシートからなるガスケットを配し、１３０℃で３分間ホットプレスし、ＭＥＡを得た。
【００４５】
このＭＥＡの２つを、一方の面に酸化剤ガスの流路を形成し、他方の面に燃料ガスの流路を形成した図１０のようなセパレータ板を挟んで組合せた。また、互いに対向する面に冷却水の流路を形成し、他方の面にそれぞれ酸化剤ガスの流路および燃料ガスの流路を形成した、図１０のような構造の２枚のセパレータ板を組み合わせた。これらの２つのＭＥＡの組と、２枚のセパレータ板の組とを積層して１０セルが直列に接続された、図１のような構成の積層電池を組み立てた。
セパレータ板は、カーボン粉末とフェノール系樹脂の混合粉末をホットプレスにより、ガス流路を有する厚さ２ｍｍのシートに成形したものであり、ガス流路は幅２．５ｍｍ、深さ０．７ｍｍ、溝間のリブ部の幅が１．５ｍｍである。この導電性セパレータ板の曲げ強度は、７０ＭＰａであった。
【００４６】
前記の積層電池の両端部には、金属製の集電板、電気絶縁材料からなる絶縁板、および端板を重ね、両端板を締結ロッドで締め付けた。その締結圧はセパレータ板の面積当たり１０ｋｇｆ／ｃｍ2とした。この１０セルの電池モジュールに、燃料ガスとして純水素を７５℃に保った脱イオン水バブラーを通じて供給し、酸化剤ガスとして空気を所定温度に保った脱イオン水バブラーを通じて供給し、冷却水を通じて、発電試験を行った。燃料ガス、酸化剤ガス、および冷却水は、ともに同一方向に導入し、ガス出口は常圧に開放した。
また、燃料電池の各セルは、その面内での性能分布を確認するため、図１０のセパレータ板１０１に一点鎖線示すように電極を５分割するとともに、電極に対応させてセパレータ板をも５分割し、それぞれの部位の性能を個別に測定できるようにした。
【００４７】
まず、電池運転温度を７５℃に設定し、温度分布を極力抑えるため、７５℃に設定した冷却水量を２０Ｌ／ｍｉｎと比較的大量に流し、燃料ガス中の水素の利用率（Ｕｆ）＝８０％、酸化剤ガス中の酸素の利用率（Ｕｏ）＝５０％に設定して電池性能を調べた。
積層電池を、０．３Ａ／ｃｍ2と０．７Ａ／ｃｍ2の定電流密度で運転した場合の電圧特性の酸化剤ガスバブラー温度依存性を調べた。５分割した各セルの最もガス入り口側に近い分割セルをＮｏ．１とし、順次Ｎｏ．２、Ｎｏ．３、Ｎｏ．４として、最もガス出口側に近い分割セルをＮｏ．５とした。
【００４８】
０．３Ａ／ｃｍ2の電流密度で運転した場合、酸化剤ガスバブラー温度が４５℃程度の比較的低い温度では、ガス入り口に近い部位ほど特性が高く、１０セル積層した電池の各分割セル毎の平均電圧は、Ｎｏ．１セルで０．６９Ｖ、Ｎｏ．５セルで０．６５Ｖであった（以下、特に断らない限り、分割セルの特性はすべて１０セル積層した電池の各分割セル毎の平均値を表す。）。バブラー温度を約７０℃と高くすると、さらに性能が上昇し、Ｎｏ．１セルは０．７５Ｖ、Ｎｏ．５セルは０．７０Ｖを示した。このとき、Ｎｏ．１〜５セルは、内部抵抗の測定からほぼ良好な濡れ状態にあることが分かった。酸化剤ガスバブラー温度が７０℃の場合のガス入り口部の圧力損失は、０．０１ｋｇ・ｆ／ｃｍ2であった。
【００４９】
次に、０．７Ａ／ｃｍ2の電流密度では、酸化剤ガスバブラー温度が約４０℃と比較的低い温度では、ガス入り口に近い部位とガス出口に近い部位の性能がほぼ等しくなり、Ｎｏ．１セルは０．６Ｖ、Ｎｏ．５セルは０．５９Ｖを示した。さらに、バブラー温度を６５℃と高くすると、さらに性能が上昇したが、ガス入り口に近い部位ほど特性が高くなり、Ｎｏ．１セルは０．６５Ｖ、Ｎｏ．５セルは０．６０Ｖを示した。このとき、Ｎｏ．１〜５セルは、内部抵抗の測定から、出口ほどフラッディング気味であるものの、おおむね良好な濡れ状態にあることが分かった。酸化剤ガスバブラー温度が６５℃の場合のガス入り口部の圧力損失は、０．０８ｋｇ・ｆ／ｃｍ2とかなり小さなものであった。
【００５０】
次に、電池運転温度を７５℃に設定し、温度分布をつけるため、７５℃に設定した冷却水量を１Ｌ／ｍｉｎと比較的少なく流し、Ｕｆ＝８０％、Ｕｏ＝５０％に設定して電池性能を調べた。
０．３Ａ／ｃｍ2の電流密度では、酸化剤ガスバブラー温度が４０℃程度の比較的低い温度では、ガス入り口に近い部位とガス出口に近い部位の性能がほぼ等しくなり、Ｎｏ．１セルは０．６９Ｖ、Ｎｏ．５セルは０．６８Ｖを示した。バブラー温度を約７０℃と高くすると、さらに性能が上昇し、Ｎｏ．１セルは０．７５Ｖ、Ｎｏ．５セルは、０．７３Ｖを示した。このとき、Ｎｏ．１〜５セルは、内部抵抗の測定からほぼ良好な濡れ状態にあることが分かった。また、酸化剤ガスバブラー温度が７０℃の場合のガス入り口部の圧力損失は０．００８ｋｇ・ｆ／ｃｍ2であった。
【００５１】
次に、０．７Ａ／ｃｍ2の電流密度では、酸化剤ガスバブラー温度が約４５℃と比較的低い温度では、ガス入り口に近い部位とガス出口に近い部位の性能がほぼ等しくなり、Ｎｏ．１セルは０．６Ｖ、Ｎｏ．５セルは０．６Ｖを示した。バブラー温度を６５℃と高くすると、さらに性能が上昇し、Ｎｏ．１セルは０．６５Ｖ、Ｎｏ．５セルは０．６３Ｖを示した。このとき、Ｎｏ．１〜５セルは、内部抵抗の測定から、最適な濡れ状態にあることが分かった。また、酸化剤ガスバブラー温度が６５℃の場合のガス入り口部の圧力損失は０．０７ｋｇ・ｆ／ｃｍ2とかなり小さなものであった。
【００５２】
前記の導電セパレ−タ板は、その中心部を少なくとも複数のガス流路または冷却水流路を構成する溝が横断しており、一方の面のこれら溝の間の凸部の中心線の位置が、他方の面の凸部の中心線の位置と、不可避の部位を除いて実質的に一致している。そのため、導電性セパレータ板材料の曲げ強度が１００ＭＰａを若干下回る機械的強度の弱い材料であっても、割れや座屈を生じることなく使用可能であった。
【００５３】
実施例２
本実施例では、カソード側導電性セパレータ板に図５のように直線状のガス流路を有するもの、アノード側導電性セパレータ板に図３のようにターン部の数が４のサーペンタイン型構造のガス流路を有するものをそれぞれ用いた。冷却水の流路は、図４のようなターン数が４のサーペンタイン型構造とした。電極のサイズは、３５×９ｃｍの長方形で、各セルは、図５に一点鎖線で示す部分を、ガス流路３５のガスの流れる方向に５分割した。
上記の他は実施例１と同様にして１０セルの積層電池を組み立てた。
まず、電池運転温度を７５℃に設定し、７５℃に設定した冷却水量を２０Ｌ／ｍｉｎの割合で流し、Ｕｆ＝８０％、Ｕｏ＝５０％に設定して電池性能を調べた。
【００５４】
０．３Ａ／ｃｍ2の電流密度では、酸化剤ガスバブラー温度が４５℃程度の比較的低い温度では、ガス入り口に近い部位ほど特性が高く、Ｎｏ．１セルは、０．６７Ｖ、Ｎｏ．５セルは０．６５Ｖを示した。バブラー温度を約７０℃と高くすると、さらに性能が上昇し、Ｎｏ．１セルは０．７３Ｖ、Ｎｏ．５セルは０．７０Ｖを示した。このとき、Ｎｏ．１〜５セルは、内部抵抗の測定からほぼ良好な濡れ状態にあることが分かった。また、酸化剤ガスバブラー温度が７０℃の場合のガス入り口部の圧力損失は０．００１ｋｇ・ｆ／ｃｍ2であった。
【００５５】
次に、０．７Ａ／ｃｍ2の電流密度では、酸化剤ガスバブラー温度が約４０℃と比較的低い温度では、ガス入り口に近い部位とガス出口に近い部位の性能がほぼ等しくなり、Ｎｏ．１セルは０．５９Ｖ、Ｎｏ．５セルは０．５７Ｖを示した。バブラー温度を６５℃と高くすると、さらに性能が上昇した。ガス入り口に近い部位ほど特性が高くなり、Ｎｏ．１セルは０．６２Ｖ、Ｎｏ．５セルは０．５９Ｖを示した。このとき、Ｎｏ．１〜５セルは、内部抵抗の測定から、出口ほどフラッディング気味であるものの、おおむね良好な濡れ状態にあることが分かった。酸化剤ガスバブラー温度が６５℃の場合のガス入り口部の圧力損失は０．００７ｋｇ・ｆ／ｃｍ2とかなり小さなものであった。
【００５６】
次に、７５℃に設定した冷却水量を１Ｌ／ｍｉｎと比較的少なく流す他は上記と同条件で電池性能を調べた。
０．３Ａ／ｃｍ2の電流密度では、酸化剤ガスバブラー温度が４５℃程度の比較的低い温度では、ガス入り口に近い部位とガス出口に近い部位の性能がほぼ等しくなり、Ｎｏ．１セルおよびＮｏ．５セルとも０．６８Ｖを示した。バブラー温度を約７０℃と高くすると、さらに性能が上昇し、Ｎｏ．１セルは０．７０Ｖ、Ｎｏ．５セルは、０．６９Ｖを示した。このとき、Ｎｏ．１〜５セルは、内部抵抗の測定からほぼ良好な濡れ状態にあることが分かった。酸化剤ガスバブラー温度が７０℃の場合のガス入り口部の圧力損失は０．００１ｋｇ・ｆ／ｃｍ2であった。
【００５７】
次に、０．７Ａ／ｃｍ2の電流密度では、酸化剤ガスバブラー温度が約４５℃と比較的低い温度では、ガス入り口に近い部位とガス出口に近い部位の性能がほぼ等しくなり、Ｎｏ．１セルは０．５９Ｖ、Ｎｏ．５セルは０．５８Ｖを示した。バブラー温度を６５℃と高くすると、さらに性能が上昇し、Ｎｏ．１セルは０．６２Ｖ、Ｎｏ．５セルは、０．６０Ｖを示した。このとき、Ｎｏ．１〜５セルは、内部抵抗の測定から、最適な濡れ状態にあることが分かった。酸化剤ガスバブラー温度が６５℃の場合のガス入り口部の圧力損失は０．００５ｋｇ・ｆ／ｃｍ2とかなり小さなものであった。
【００５８】
実施例３
本実施例では、カソード側セパレータ板に図５のように直線状のガス流路を有するもの、アノード側導電性セパレータ板に、図６のように直線部が短辺に沿って伸び、ターン部の数が１２のサーペンタイン型構造のガス流路を有するものをそれぞれ用いた。ガス流路を構成する溝の深さは０．４ｍｍとした。冷却水の流路は、図６のようにターン数が６のサーペンタイン型構造とした。電極のサイズは、２０×９ｃｍの長方形で、各セルは、実施例１と同様に、燃料ガスの流路に合わせて、５分割した。
上記の他は実施例１と同様にして１０セルの積層電池を組み立てた。
【００５９】
まず、電池運転温度を７５℃に設定し、７５℃に設定した冷却水量を２０Ｌ／ｍｉｎと比較的大量に流し、Ｕｆ＝８０％、Ｕｏ＝５０％に設定して電池性能を調べた。
０．３Ａ／ｃｍ2の電流密度では、酸化剤ガスバブラー温度が４５℃程度の比較的低い温度では、ガス入り口に近い部位ほど特性が高く、Ｎｏ．１セルは０．６９Ｖ、Ｎｏ．５セルは０．６７Ｖを示した。バブラー温度を約７０℃と高くすると、さらに性能が上昇し、Ｎｏ．１セルは０．７４Ｖ、Ｎｏ．５セルは０．７１Ｖを示した。このとき、Ｎｏ．１〜５セルは、内部抵抗の測定からほぼ良好な濡れ状態にあることが分かった。酸化剤ガスバブラー温度が７０℃の場合のガス入り口部の圧力損失は０．０００８ｋｇ・ｆ／ｃｍ2であった。
【００６０】
次に、０．７Ａ／ｃｍ2の電流密度では、酸化剤ガスバブラー温度が約４０℃と比較的低い温度では、ガス入り口に近い部位とガス出口に近い部位の性能がほぼ等しくなり、Ｎｏ．１セルは０．６０Ｖ、Ｎｏ．５セルは０．５７Ｖを示した。バブラー温度を６５℃と高くすると、さらに性能が上昇した。ガス入り口に近い部位ほど特性が高くなり、Ｎｏ．１セルは０．６４Ｖ、Ｎｏ．５セルは０．６０Ｖを示した。このとき、Ｎｏ．１〜５セルは、内部抵抗の測定から、出口ほどフラッディング気味であるものの、おおむね良好な濡れ状態にあることが分かった。酸化剤ガスバブラー温度が６５℃の場合のガス入り口部の圧力損失は０．００３ｋｇ・ｆ／ｃｍ2とかなり小さなものであった。
【００６１】
次に、温度分布をつけるため、７５℃に設定した冷却水量を１Ｌ／ｍｉｎと比較的少なく流す他は上記と同条件で電池性能を調べた。
０．３Ａ／ｃｍ2の電流密度では、酸化剤ガスバブラー温度が４５℃程度の比較的低い温度では、ガス入り口に近い部位とガス出口に近い部位の性能がほぼ等しくなり、Ｎｏ．１セルは０．７０Ｖ、Ｎｏ．５セルは０．６９Ｖを示した。バブラー温度を約７０℃と高くすると、さらに性能が上昇し、Ｎｏ．１セルは０．７３Ｖ、Ｎｏ．５セルは０．７１Ｖを示した。このとき、Ｎｏ．１〜５セルは、内部抵抗の測定からほぼ良好な濡れ状態にあることが分かった。酸化剤ガスバブラー温度が７０℃の場合のガス入り口部の圧力損失は０．０００９ｋｇ・ｆ／ｃｍ2であった。
【００６２】
次に、０．７Ａ／ｃｍ2の電流密度では、酸化剤ガスバブラー温度が約４０℃と比較的低い温度では、ガス入り口に近い部位とガス出口に近い部位の性能がほぼ等しくなり、Ｎｏ．１セルは０．６１Ｖ、Ｎｏ．５セルは０．５９Ｖを示した。バブラー温度を６５℃と高くすると、さらに性能が上昇し、Ｎｏ．１セルは０．６４Ｖ、Ｎｏ．５セルは、０．６２Ｖを示した。このとき、Ｎｏ．１〜５セルは、内部抵抗の測定から、最適な濡れ状態にあることが分かった。酸化剤ガスバブラー温度が６５℃の場合のガス入り口部の圧力損失は０．００４ｋｇ・ｆ／ｃｍ2とかなり小さなものであった。
【００６３】
実施例４
本実施例では、図７に示すカソード側導電性セパレ−タ板を用いた。酸化剤ガスの流路７５は、入口マニホールド７２ａから出口マニホールド７２ｂまで複数の連続した直線状の溝で構成され、入口から出口に向かって流路が絞られる形状を有する。電極と接触する部位は、短辺７ｃｍ、長辺が９ｃｍ、高さが２０ｃｍの台形である。
【００６４】
このセパレータ板は、厚さが３ｍｍで、その表面には切削加工により、ガス入口部は溝幅２ｍｍ、深さ０．５ｍｍ、溝間のリブ部の幅１ｍｍであり、ガス出口部は、溝幅１．６ｍｍ、深さ０．５ｍｍ、溝間のリブ部の幅０．８ｍｍのガス流路が設けてある。セパレータ板材料には、緻密なガラス状カーボンを用いた。
アノード側導電性セパレータ板には、実施例３と同様のターン部の数が１２のサーペンタイン型構造のガス流路を有するものを用いた。冷却水の流路は、ターン数が６のサーペンタイン型構造とした。
上記の他は実施例１と同様にして１００セルの積層電池を組み立てた。
【００６５】
まず、電池運転温度を７５℃に設定し、７５℃に設定した冷却水量を２０Ｌ／ｍｉｎと比較的大量に流し、７５℃に加湿した純水素ガスをＵｆ＝８０％となるよう供給し、６５℃に加湿した空気をＵｏ＝５０％となるよう供給して電池性能を調べた。
１００セル積層した電池の平均セル電圧は、電流密度０．３Ａ／ｃｍ2のとき０．７２Ｖであり、空気側のガス入口部の圧力損失が０．００１４ｋｇ・ｆ／ｃｍ2とかなり小さかった。電流密度０．７Ａ／ｃｍ2のときのセル平均電圧は０．６４Ｖであり、空気側のガス入口部の圧力損失は０．００６ｋｇ・ｆ／ｃｍ2であった。
【００６６】
次に、７５℃に設定した冷却水量を１Ｌ／ｍｉｎと比較的少量流し、７５℃に加湿した純水素ガスをＵｆ＝８０％となるよう供給し、４５℃に加湿した空気をＵｏ＝５０％となるよう供給して電池性能を調べた。
電池の平均セル電圧は、電流密度０．３Ａ／ｃｍ2のとき０．７０Ｖであり、空気側のガス入口部の圧力損失は０．００１１ｋｇ・ｆ／ｃｍ2とかなり小さかった。電流密度０．７Ａ／ｃｍ2のときの平均セル電圧は０．６１Ｖであり、空気側のガス入口部の圧力損失は０．００５ｋｇ・ｆ／ｃｍ2と小さかった。
【００６７】
実施例５
本実施例では、図８に示すカソード側導電性セパレータ板を用いた。この導電性セパレータ板は、電極と接触する部位は略長方形状を有し、その短辺が９ｃｍ、長辺が２０ｃｍである。酸化剤ガスの流路８５を構成する溝は、入口マニホールド８２ａから出口マニホールド８２ｂまでほぼ長辺にそって連続している。
【００６８】
このセパレータ板は、厚さが３ｍｍで、その表面には切削加工により、入口部の溝幅２ｍｍ、深さ０．４ｍｍ、溝間のリブ部の幅１ｍｍであり、出口部は溝幅１．６ｍｍ、深さ０．５ｍｍ、溝間のリブ部の幅０．８ｍｍのガス流路が設けてある。セパレータ板材料には、緻密なガラス状カーボンを用いた。
アノード側導電性セパレータ板には、実施例３と同様のターン部の数が１２のサーペンタイン型構造のガス流路を有するものを用いた。冷却水の流路は、ターン数が６のサーペンタイン型構造とした。
上記の他は実施例１と同様にして１００セルの積層電池を組み立てた。
【００６９】
まず、電池運転温度を７５℃に設定し、７５℃に設定した冷却水量を２０Ｌ／ｍｉｎと比較的大量に流し、７５℃に加湿した純水素ガスをＵｆ＝８０％となるよう供給し、６５℃に加湿した空気をＵｏ＝５０％となるよう供給して電池性能を調べた。
積層電池の平均セル電圧は、電流密度０．３Ａ／ｃｍ2のとき０．７２５Ｖであり、空気側のガス入口部の圧力損失が０．００１２ｋｇ・ｆ／ｃｍ2とかなり小さかった。電流密度０．７Ａ／ｃｍ2のときの平均セル電圧は０．６４５Ｖであり、空気側のガス入口部の圧力損失は０．００５ｋｇ・ｆ／ｃｍ2であった。
【００７０】
次に、７５℃に設定した冷却水量を１Ｌ／ｍｉｎと比較的少量流し、冷却水出入り口で温度分布がつくようにし、７５℃に加湿した純水素ガスをＵｆ＝８０％となるよう供給し、４５℃に加湿した空気をＵｏ＝５０％となるよう供給して電池性能を調べた。
積層電池の平均セル電圧は、電流密度０．３Ａ／ｃｍ2のとき０．７１Ｖであり、空気側のガス入口部の圧力損失が０．００１ｋｇ・ｆ／ｃｍ2とかなり小さかった。電流密度０．７Ａ／ｃｍ2のとき平均セル電圧は０．６２Ｖであり、空気側のガス入口部の圧力損失は０．００４ｋｇ・ｆ／ｃｍ2であった。
【００７１】
実施例６
本実施例では、図９に示すカソード側導電性セパレータ板を用いた。この導電性セパレータ板のガス流路９５は、途中に不連続部９５ｃを有するが、実質的には直線状の並行する溝で構成されている。ここに用いた電極は、短辺が９ｃｍ、長辺が２０ｃｍの略長方形であり、４カ所のエッジ部には曲率半径ｒ＝１ｍｍの丸みを有する。
【００７２】
このセパレータ板は、厚さが３ｍｍで、その表面には切削加工により、溝幅１．５ｍｍ、深さ１ｍｍ、溝間のリブ部の幅１ｍｍのガス流路を設けてある。セパレータ板材料には、緻密なガラス状カーボンを用いた。
アノード側導電性セパレータ板には、実施例３と同様のターン部の数が１２のサーペンタイン型構造のガス流路を有するものを用いた。冷却水の流路は、ターン数が６のサーペンタイン型構造とした。
上記の他は実施例１と同様にして１００セルの積層電池を組み立てた。
【００７３】
まず、電池運転温度を７５℃に設定し、７５℃に設定した冷却水量を２０Ｌ／ｍｉｎと比較的大量に流し、７５℃に加湿した純水素ガスをＵｆ＝８０％となるよう供給し、６５℃に加湿した空気をＵｏ＝５０％となるよう供給して電池性能を調べた。
積層電池の平均セル電圧は、電流密度０．３Ａ／ｃｍ2のとき０．７１５Ｖであり、空気側のガス入口部の圧力損失が０．０００５ｋｇ・ｆ／ｃｍ2とかなり小さかった。電流密度０．７Ａ／ｃｍ2のとき平均セル電圧は０．６３５Ｖであり、空気側のガス入口部の圧力損失が０．００２ｋｇ・ｆ／ｃｍ2であった。
【００７４】
次に、７５℃に設定した冷却水量を１Ｌ／ｍｉｎと比較的少量流し、冷却水出入り口で温度分布がつくようにし、７５℃に加湿した純水素ガスをＵｆ＝８０％となるよう供給し、４５℃に加湿した空気をＵｏ＝５０％となるよう供給して電池性能を調べた。
積層電池の平均セル電圧は、電流密度０．３Ａ／ｃｍ2のとき０．７０５Ｖであり、空気側のガス入口部の圧力損失が０．０００６ｋｇ・ｆ／ｃｍ2とかなり小さかった。電流密度０．７Ａ／ｃｍ2のとき平均セル電圧は０．６１Ｖであり、空気側のガス入口部の圧力損失が０．００２５ｋｇ・ｆ／ｃｍ2であった。
【００７５】
以上のように、導電性セパレ−タ板の電極と接触する部位が略長方形状を有し、その長辺が短辺の２倍以上６倍以下の長さを有するセパレータ板を用いることにより、ガスの入口の圧力損失を小さくしてオーバーフラッディングを抑制することができ、同じセルのガス入口に近い部位とガス出口に近い部位の性能をほぼ等しくすることができる。ここに長辺が短辺の２倍以上６倍以下の略長方形とは、厳密には台形であっても、平行四辺形であっても、角部が丸みを有していても、その他部分的に凹凸を有する形状であっても、実質的に長方形を有すれば同一の効果が得られることは明らかである。
また、略長方形状の長辺に沿った略直線部を有するガス流路溝の形状も、全くの直線ではなくとも、例えば変曲点を有しても、長辺に対して若干傾斜していても、溝幅が変化しても同一の効果が得られる。
【００７６】
比較例１
この例では、図１２に示すカソード側導電性セパレータ板を用いた。このセパレータ板１２１は、ほぼ正方形であり、対向する二辺には酸化剤ガスの入り口マニホールド１２２ａと出口マニホールド１２２ｂを設け、他の二辺には燃料ガスの入り口マニホールド１２３ａと出口マニホールド１２３ｂ、冷却水の入り口マニホールド１２４ａと出口マニホールド１２４ｂを設けている。酸化剤ガスの流路１２５は平行する直線状の溝で構成されている。燃料ガスの流路および冷却水の流路は、サーペンタイン型であり、ターン数はいずれも２である。
【００７７】
このセパレータ板は、厚さが３ｍｍで、その表面には切削加工により、溝幅２ｍｍ、深さ０．５ｍｍ、溝間のリブ部の幅１ｍｍのガス流路１２５が設けられている。セパレータ板材料には、緻密なガラス状カーボンを用いた。
電極は、一辺が１５ｃｍの正方形とし、一辺が２１ｃｍの正方形の高分子電解質膜の中央に電極を設置した。
上記の他は実施例１と同様にして１００セルの積層電池を組み立てた。
【００７８】
まず、電池運転温度を７５℃に設定し、温度分布を極力抑えるため、７５℃に設定した冷却水量を２０Ｌ／ｍｉｎと比較的大量に流し、７５℃に加湿した純水素ガスをＵｆ＝８０％となるよう供給し、６５℃に加湿した空気をＵｏ＝５０％となるよう供給して電池性能を調べた。
積層電池の平均セル電圧は、電流密度０．３Ａ／ｃｍ2のとき０．４８Ｖであった。電流密度０．７Ａ／ｃｍ2以上ではオーバーフラッディングのため０Ｖ以下となるセルが出現し、特性の計測が不能であった。
【００７９】
比較例２
この例では、図１３に示すカソード側導電性セパレータ板を用いた。このセパレータ板１３１は、長方形であり、対向する長辺側に酸化剤ガスの入り口マニホールド１３２ａと出口マニホールド１３２ｂを設け、短辺側に燃料ガスの入り口マニホールド１３３ａと出口マニホールド１３３ｂ、冷却水の入り口マニホールド１３４ａと出口マニホールド１３４ｂを設けている。酸化剤ガスの流路１３５は平行する直線状の溝で構成されている。燃料ガスの流路および冷却水の流路は、サーペンタイン型であり、ターン数はいずれも２である。
【００８０】
このセパレータ板は、厚さが３ｍｍで、その表面には切削加工により、溝幅２ｍｍ、深さ０．５ｍｍ、溝間のリブ部の幅１ｍｍのガス流路を設けている。電極は、９ｃｍ×２０ｃｍの長方形である。
上記の他は実施例１と同様にして１００セルの積層電池を組み立てた。
【００８１】
まず、電池運転温度を７５℃に設定し、７５℃に設定した冷却水量を２０Ｌ／ｍｉｎと比較的大量に流し、７５℃に加湿した純水素ガスをＵｆ＝８０％となるよう供給し、６５℃に加湿した空気をＵｏ＝５０％となるよう供給して電池性能を調べた。
積層電池の平均セル電圧は、電流密度０．３Ａ／ｃｍ2のとき０．４２Ｖであった。電流密度０．７Ａ／ｃｍ2以上ではオーバーフラッディングのため０Ｖ以下となるセルが出現し、特性の計測が不能であった。
【００８２】
比較例３
この例では、図１４に示すカソード側導電性セパレータ板を用いた。このセパレータ板１４１は、長方形である。その一方の短辺側に酸化剤ガスの入り口マニホールド１４２ａ、燃料ガスの入り口マニホールド１４３ａおよび冷却水の入り口マニホールド１４４ａを設け、他方の短辺側に酸化剤ガスの出口マニホールド１４２ｂ、燃料ガスの出口マニホールド１４３ｂおよび冷却水の出口マニホールド１４４ｂを設けている。
【００８３】
酸化剤ガスの流路１４５は、平行する直線状の溝で構成されている。ガスマニホールド１４２ａおよび１４２ｂの各開口部の幅は、これらのマニホールドにつらなるガス流路の溝の幅の合計より小さくしてある。燃料ガスの流路および冷却水の流路は、サーペンタイン型であり、ターン数はいずれも２である。
上記の他は比較例２と同様にして１００セルの積層電池を組み立てた。
まず、電池運転温度を７５℃に設定し、７５℃に設定した冷却水量を２０Ｌ／ｍｉｎと比較的大量に流し、７５℃に加湿した純水素ガスをＵｆ＝８０％となるよう供給し、６５℃に加湿した空気をＵｏ＝５０％となるよう供給して電池性能を調べた。
【００８４】
積層電池の平均セル電圧は、電流密度０．３Ａ／ｃｍ2のとき０．４０Ｖであった。電流密度０．７Ａ／ｃｍ2以上では、全空気側の流路幅に対して空気出口マニホールドの開口部が小さいため、生成水の除去がスムーズにできず、０Ｖ以下となるセルが出現し、特性の計測が不能であった。
また、１００セル積層した場合のセパレータ板のガス流路溝の断面積の１００セル分の総和と、マニホールド開口部の断面積を比較すると、セパレータ板のガス流路溝の断面積の１００セル分の総和の方が大きくなったため、供給ガスの圧力損失の律速がマニホールド部分に発生し、各セルに供給するガスの分配が均等にいかず、セル特性のバラツキが大きくなった。
【００８８】
比較例４
この例では、図１１に示すカソード側導電性セパレータ板を用いた。この導電性セパレータ１１１板は、長方形で、一方の短辺側に酸化剤ガスの入り口マニホールド１１２ａ、燃料ガスの入り口マニホールド１１３ａおよび冷却水の入り口マニホールド１１４ａを有し、他方の短辺側に酸化剤ガスの出口マニホールド１１２ｂ、燃料ガスの出口マニホールド１１３ｂおよび冷却水の出口マニホールド１１４ｂを有する。酸化剤ガスの流路１１５は、５本の並行する溝により構成され、１０の直線部が９つのターン部によりつながったサーペンタイン型構造である。アノード側のガス流路も同様に５本の並行する溝により構成され、１０の直線部が９つのターン部によりつながっている。冷却水の流路も同様なサーペンタイン型構造である。
【００８９】
電極のサイズは９ｃｍ×２０ｃｍの長方形で、各セルは図１１に一点鎖線で示すように５分割した。
ここに用いたセパレータ板は、厚さが３ｍｍで、その表面には切削加工により、溝幅２ｍｍ、深さ１ｍｍ、溝間のリブ部の幅１ｍｍのガス流路を設けてある。セパレータ板材料には、緻密なガラス状カーボンを用いた。
上記の他は実施例１と同様にして１０セルの積層電池を組み立てた。
【００９０】
まず、電池運転温度を７５℃に設定し、７５℃に設定した冷却水量を２０Ｌ／ｍｉｎと比較的大量に流し、Ｕｆ＝８０％、Ｕｏ＝５０％に設定して電池性能を調べた。
積層電池を０．３Ａ／ｃｍ2の電流密度で運転したとき、酸化剤ガスバブラー温度が６０℃程度の比較的低い温度では、ガス入り口に近い部位ほど特性が高く、ガス入り口に最も近いＮｏ．１セルは０．６９Ｖ、ガス出口に最も近いＮｏ．５セルは０．５５Ｖを示した。しかしながら、バブラー温度を約７０℃と高くすると、ガス出口に最も近い部位のＮｏ．５セルから順に性能が急激に低下し、Ｎｏ．５セルは、ほぼ０Ｖまで低下した。このとき、Ｎｏ．５セルは、内部抵抗の測定からオーバーフラッディング状態にあることが分かった。酸化剤ガスバブラー温度が７０℃の場合のガス入り口部の圧力損失は０．５ｋｇ・ｆ／ｃｍ2であった。
【００９１】
次に、０．７Ａ／ｃｍ2の電流密度では、酸化剤ガスバブラー温度が約５５℃と比較的低い温度では、ガス入り口に近い部位ほど特性が高く、Ｎｏ．１セルは０．６Ｖ、Ｎｏ．５セルは０．５Ｖを示した。しかしながら、バブラー温度を６５℃と高くすると、ガス出口に最も近い部位のＮｏ．５セルの性能が急激に低下し、ほぼ０Ｖにまで低下した。このとき、Ｎｏ．５セルは、内部抵抗の測定からオーバーフラッディング状態にあることが分かった。酸化剤ガスバブラー温度が６５℃の場合のガス入り口部の圧力損失は１．５ｋｇ・ｆ／ｃｍ2とかなり高かった。
【００９２】
産業上の利用の可能性
本発明によると、高分子電解質型燃料電池スタックの薄型化・コンパクト化が可能となる。また、燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給する圧力の損出が少なく、オーバールフラッディングやオーバードライのない高分子電解質型燃料電池を提供することができる。さらに、特に、電気自動車用電源として、車体の下部に設置するのに適した薄型の燃料電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施例における燃料電池の要部の縦断面図である。
【図２】 同電池のカソード側導電性セパレータ板の正面図である。
【図３】 同電池のアノード側導電性セパレータ板の正面図である。
【図４】 同セパレータ板の背面図である。
【図５】 他の実施例におけるカソード側導電性セパレータ板の正面図である。
【図６】 アノード側導電性セパレータ板の正面図である。
【図７】 さらに他の実施例におけるカソード側導電性セパレータ板の正面図である。
【図８】 さらに他の実施例におけるカソード側導電性セパレータ板の正面図である。
【図９】 さらに他の実施例におけるカソード側導電性セパレータ板の正面図である。
【図１０】 さらに他の実施例におけるカソード側導電性セパレータ板の正面図である。
【図１１】 比較例の導電性セパレータ板の正面図である。
【図１２】 比較例のカソード側導電性セパレータ板の正面図である。
【図１３】 他の比較例のカソード側導電性セパレータ板の正面図である。
【図１４】 さらに他の比較例のカソード側導電性セパレータ板の正面図である。
技術分野
本発明は、ポータブル電源、電気自動車用電源、家庭内コジェネレーションシステム等に使用される常温作動型の高分子電解質型燃料電池、特にその導電性セパレータ板の改良に関する。
【０００２】
背景技術
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により、電力と熱とを同時に発生させる。この燃料電池は、基本的には、水素イオン伝導性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、白金族金属などの金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする触媒層と、この触媒層の外面に形成される、通気性と電子導電性を併せ持つ拡散層からなる。
【０００３】
電極に供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスが外にリークしたり、二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ケットが配置される。このガスケットは、通常電極及び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ともに、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のセパレータ板が配置される。セパレータ板のＭＥＡと接触する部分には、電極面に反応ガスを供給し、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、セパレータ板と別に設けることもできるが、セパレータ板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。また、導電性のセパレータ板には、高電子伝導性、ガスタイト性、および高耐食性が要求されるため、従来は緻密なカーボン板などに切削等の加工で溝を形成し、セパレータ板として使用する方法が一般的であった。
【０００４】
従来の導電性セパレータ板に設けられたガス流路は、ガス入口からガス出口に向けて、直線的に複数のガス流路が平行に設けられる、ストレート型流路が一般的であった。しかしながら、高分子電解質型燃料電池は、運転時に空気極側に生成水が発生するため、これを効率よく除去しなければ電池性能が十分に発揮できない。そこで、導電性セパレータ板に設けるガス流路の断面積を減らし、ガス流路を蛇行させた、サーペンタイン型流路とすることによって、ガス流路１本あたりの長さを増加させ、実質的にガス流速を早くすることで生成水を強制的に除去しようとすることも行われている。
【０００５】
通常、燃料電池を実際に使用するときは、上述の単電池を数多く重ねた積層構造が採られる。燃料電池の運転時には電力発生と共に発熱が起こるから、積層電池では、単電池１〜２セル毎に冷却板を設け、電池温度を一定に保つと同時に発生した熱エネルギーを温水などの形で利用できるようにする。冷却板としては、薄い金属板の内部に冷却水などの熱媒体を流通させる構造が一般的であるが、単電池を構成するセパレータ板の背面に、冷却水を流す流路を形成して冷却板とする構造もある。その際、冷却水などの熱媒体をシールするためのオーリングやガスケットも必要となる。このシールでは、冷却板間に介在させたＯ−リングを完全につぶすなどして、冷却板同士間で十分な導電性を確保する必要がある。
このような積層電池では、各単電池へ燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却水を注入するため、セパレータ板にマニホールドと呼ばれる孔が設けられる。これには、冷却水の供給・排出孔を積層電池内部に確保した、いわゆる内部マニホールド型が一般的である。
【０００６】
内部マニホールド、外部マニホールドのいずれの形式を用いても、冷却部を含む複数の単電池を一方向に積み重ね、その両端に一対の端板を配し、その２枚の端板の間を締結ロッドで固定することが必要である。締め付け方式は、単電池を面内でできるだけ均一に締め付けることができる方式が望ましい。機械的強度の観点から、端板や締結ロッドには通常ステンレス鋼などの金属材料が用いられる。これらの端板や締結ロッドと、積層電池とは、絶縁板により電気的に絶縁し、電流が端板を通して外部に漏れ出ることのない構造とする。締結ロッドについても、セパレータ板内部の貫通孔の中を通したり、積層電池全体を端板越しに金属のベルトで締め上げる方式も提案されている。
【０００７】
以上に示した高分子電解質型燃料電池は、電解質膜が水分を含んだ状態で電解質として機能するため、供給する燃料ガスや酸化剤ガスを加湿して供給する必要がある。高分子電解質膜は、少なくとも１００℃までの温度範囲では、含水率が高くなるほど、イオン伝導度が増加し、このため電池の内部抵抗が低減し、出力が向上する。そこで、電解質膜中の含水率を高めるためには、供給ガスを高加湿にして供給する必要がある。
しかしながら、電池運転温度以上の高加湿ガスを供給すると、電池内部で結露水が発生し、その水滴がスムーズなガスの供給を阻害するとともに、酸化剤ガスを供給する空気極側では、発電によって水が生成するため、生成水の除去効率が低下し、電池性能を低下させる。そのため、通常は電池運転温度以下の露点に加湿してガスを供給する。
【０００８】
供給ガスの加湿方法としては、所定の温度に保った脱イオン水中に供給ガスをバブリングして加湿するバブラー加湿方式や、電解質膜の一方の面に所定の温度に保った脱イオン水を流し、他方の面に供給ガスを流して加湿する膜加湿方式が一般的である。燃料ガスとして、メタノールやメタンなどの化石燃料を水蒸気改質したガスを用いる場合には、改質ガス中に水蒸気を含んでいるため、加湿が必要ない場合もある。
加湿された燃料ガスや酸化剤ガスは、高分子電解質型燃料電池に供給され、発電に供される。このとき、電池積層体中の任意の単電池の面内では、電流密度の分布が発生する。すなわち、燃料ガスはガス供給入り口部で所定量の加湿がなされて供給されるが、燃料ガス中の水素が発電によって消費されるため、ガス上流部ほど水素分圧が高く水蒸気分圧が低くなる。このため、ガス下流部ほど水素分圧が低く水蒸気分圧が高くなる。
【０００９】
また、酸化剤ガスもガス供給入り口部で所定の加湿がなされて供給されるが、酸化剤ガス中の酸素が発電によって消費され、発電によって生成した水が発生する。このため、ガス上流部ほど酸素分圧が高く水蒸気分圧が低く、ガス下流部ほど酸素分圧が低く水蒸気分圧が高くなる。さらに、電池を冷却するための冷却水温度は、入り口ほど低く、出口ほど高くなるため、単電池の面内に温度分布が発生する。以上のような理由から、単電池の面内では電流密度分布が発生する。
また、上述のように、単電池の面内での燃料ガス中の水素や水蒸気の分圧の不均一性や、酸化剤ガス中の酸素や水蒸気の分圧の不均一性、さらに温度分布などが、極端に大きくなると、極端な乾きすぎ、オーバードライ状態や、極端な濡れすぎ、オーバーフラッディング状態を招き、電池の特性が大きく低下する。
【００１０】
さらに、上述のような理由で発生した、単電池の面内での燃料ガス中の水素や水蒸気の分圧の不均一性や、酸化剤ガス中の酸素や水蒸気の分圧の不均一性、温度分布などによって、単電池の面内でオーバードライとオーバーフラッディングが共存する現象も発生する。
電池を多数積層した場合、積層した電池の一部に上述のような問題が発生すると、積層電池全体の運転に支障を来すことがある。すなわち、積層した電池の一部がオーバーフラッディングに陥った場合、オーバーフラッディングに陥った電池は、ガス供給のための圧力損失が増大する。ガス供給のマニホールドは、積層電池内で共通であるため、オーバーフラッディングに陥った電池には、ガスが流れにくくなり、結果として益々オーバーフラッディングを招く。
【００１１】
逆に、積層電池の一部がオーバードライに陥った場合、オーバードライに陥った電池は、ガス供給のための圧力損失が減少する。従って、オーバードライに陥った電池には、ガスが流れやすくなり、結果として益々オーバードライを招く。
上述のような問題は、燃料ガスを供給する燃料極側においても、酸化剤ガスを供給する空気極側においても、ガス入り口側に比べてガス出口側ほどガス中の水蒸気分圧が高くなることに起因する場合が多い。そこで、特表平９−５１１３５６号公報に示されているように、酸化剤ガスの流れ方向と冷却水の流れ方向を同方向とし、冷却水の温度分布により酸化剤ガスの下流部の温度を上流部に比べて高くすることで、空気極下流部のオーバーフラッディングを抑制し、単電池の面内の電流密度分布を低減させる試みもなされてきた。
【００１２】
高分子電解質型燃料電池は、その用途から、電気自動車用電源として用いる場合にはコンパクト性・軽量化・低コスト化などが強く要求される。また、家庭用コジェネレーションシステムとして用いる場合には、コンパクト性・高効率化・低コスト化等が要求される。いずれにしても、燃料電池は、改質器、供給ガスの加湿器、排熱回収・コンバーター・インバーター等とのシステムとしての利用形態が考えられるため、システム全体のコンパクト化の観点から、高分子電解質型燃料電池のコンパクト化と、電池の設置スペースの形状に関する制限が要求される。特に、電気自動車用電源として、車体の下部に電源を設置する場合、電池の薄型化への要求が厳しい。
また、導電性セパレータ板の材料にカーボンを用いる場合、切削加工でガス流路を形成する方法では高コストとなるため、カーボン粉末やカーボン繊維などを樹脂と混合し、高温での焼成無しに、ホットプレスなどの手法によって型成形する試みが行われている。しかしながら、前述のような成形カーボンは、焼成したカーボン製セパレータに比べて機械的な強度が弱く脆いという問題があった。
【００１３】
一方では、高分子電解質型燃料電池を、比較的小型のコジェネレーションシステム用、例えば家庭用コジェネレーションシステムに用いる場合には、空気の供給などに関わる補機動力の大きさがシステム全体の効率に大きく影響する。そこで、特に空気極側に供給する空気用ブロワ等の動力を低減するためには、空気極に供給する空気の圧力損失を低減する必要がある。空気極側の圧損を低減するためには、空気極側セパレータ板のガス流路の断面積を大きくする必要があり、そういった観点からはサーペンタイン形流路は、小型コジェネレーションシステム用としては不向きである。しかしながら、本発明者らは、導電性セパレータ板の電極と接する部分の形状が正方形や円形状に近い場合、空気極側のガス流路がストレート型流路であると、十分な電池性能が発揮できないことを見いだした。この原因は、ガス流速を十分大きくできないためである。そこで、ストレート型流路のまま、ガス流速を高めるため、ガス流路の深さを浅くしていくと、０．４ｍｍよりも浅くすると、ガスケットや電極の拡散層が部分的にガス流路に落ち込み、ガス流れを阻害または不均一にするため好ましくないことがわかった。
【００１４】
また、セパレータ板の電極と接する部分の形状を長方形状にした場合、その長辺の長さが短辺の長さの６倍以上になると、空気極側のガス流路がサーペンタイン型流路の場合、ガスの供給圧損が大きくなりすぎる。そして、ガス入口部の圧損が大きくなると、ガス入口部の相対湿度がガス出口部の相対湿度に比べて大きくなりすぎ、十分な電池性能が発揮できない。
また、ガス流路の断面積によっては、供給ガスの圧損が大きくなり、必要な補機動力が大きくなりすぎるという問題があった。そこで、ガス流路の断面積を大きくして供給ガスの圧損を下げた場合、ガス流路溝の幅を大きくすると、セパレータ板と電極との実質的な接触面積が小さくなり、接触抵抗を増大させることになる。また、電極を支持する部分の間隔が広くなることによって、電極と電解質膜との接触抵抗を増大させる。ガス流路の溝深さを大きくすると、必然的にセパレータ板の厚みが厚くなり、電池全体をコンパクトにすることができなくなる。さらに、供給ガスの電極表面への拡散を阻害したり、ガスの利用効率を悪化させたりし、その結果電極の反応抵抗を増大させるという問題があった。
【００１５】
また、セパレータ板の面積に対する電極の有効面積の割合を増加させることが燃料電池スタック全体のコンパクト化のためには不可欠である。そのような観点から、長方形状の導電性セパレータ板を用いる場合、セパレータ板の電極と接する部分の形状もセパレータ板の形状に沿った長方形状にならざるを得ない。
本発明者らは、そのような長方形の導電性セパレータ板について、種々検討した結果、以下のことが明らかとなった。
【００１６】
ガス流路の直線部が長方形状セパレータ板の短辺方向と平行に配置されると、生成水等の結露水を有効に排出できず、十分な電池性能が得られない。特に、サーペンタイン型流路を構成する場合、流路の直線部分が長方形状セパレータ板の短辺部分と平行になるよう流路を構成すると、サーペンタイン型流路の直線部を長方形状セパレータ板の長辺部分と平行に配した場合と比較して、流路のターン回数が増加し、同一断面積を有する流路を構成した場合においても、圧力損失が増加すると共に、ガス中に存在する水または生成水の排出効率が悪化し、電池性能を低下させる。
【００１７】
発明の開示
本発明は、以上に鑑み、長方形の改良された導電性セパレータ板を備える高分子電解質型燃料電池を提供する。
本発明の高分子電解質型燃料電池は、水素イオン伝導性高分子電解質膜と、前記水素イオン伝導性高分子電解質膜を挟むアノードおよびカソードと、前記アノードに燃料ガスを供給するガス流路を有するアノード側導電性セパレータ板と、前記カソードに酸化剤ガスを供給するガス流路を有するカソード側導電性セパレ−タ板とを具備し、前記アノード側およびカソード側導電性セパレ−タ板は、それぞれそれらのアノードおよびカソードと接触する部位が、長辺が短辺の２倍以上６倍以下の長さを有する略長方形状であり、前記長方形の一方の短辺側に酸化剤ガスの入口マニホールドが、他方の短辺側に酸化剤ガスの出口マニホールドがそれぞれセパレータ板を貫通した孔として形成され、前記カソード側導電性セパレータ板は、直線部が前記長辺方向に沿って形成された複数の酸化剤ガスの流路を有し、前記入口マニホールドおよび出口マニホールドの各々の開口部幅が、当該マニホールドに連なる前記ガス流路の幅の合計とほぼ同じかそれより大きいことを特徴とする。
【００１８】
さらに、第１の発明は、アノード側およびカソード側導電性セパレ−タ板の燃料ガスおよび酸化剤ガスの流路を形成する溝の幅、深さ、および溝間のリブ部の幅を後述のように特定値に規定している。
第２の発明は、カソード側導電性セパレータ板が、その長辺方向に沿い、かつ一方の短辺側から他方の短辺側に向かって、実質的に連続した直線状の、複数の酸化剤ガスの流路を有している。
【００１９】
第３の発明は、前記酸化剤ガスの流路は、カソード側導電性セパレータ板の長辺方向に沿った並行する複数の直線状のガス流路と折返し部となるターン部を有するサーペンタイン型構造を有し、前記ターン部は前記カソード側導電性セパレータ板の短辺近傍に位置している。さらに、前記カソード側導電性セパレータ板は、裏面に、直線部が前記長方形の長辺に沿った冷却水の流路を有し、冷却水の入口マニホールドおよび出口マニホールドはそれぞれ前記酸化剤ガスの入口マニホールドおよび出口マニホールドと同じく前記長方形の一方の短辺側および他方の短辺側に形成され、酸化剤ガスの前記ガス流路の直線部における流れ方向と冷却水の前記冷却水の流路の直線部における流れ方向とが、実質的に一致している。
【００２０】
前記燃料ガスの流路は、アノード側導電性セパレータ板の長辺方向に沿って並行する複数の直線状のガス流路と折返し部となる少なくとも１つのターン部を有するサーペンタイン型構造を有し、前記ターン部は前記アノード側導電性セパレータ板の短辺近傍に位置することが好ましい。この場合、前記酸化剤ガスの流路のターン部は２であり、前記燃料ガスの流路のターン部は２または４であるのが好ましい。
【００２１】
前記アノード側およびカソード側導電性セパレ−タ板は、酸化剤ガス、燃料ガスおよび冷却水の流路にそれぞれ酸化剤ガス、燃料ガスおよび冷却水を供給・排出するためのマニホールドを、その短辺近傍に配置しているのが好ましい。
アノード側およびカソード側導電性セパレ−タ板の燃料ガスおよび酸化剤ガスの流路の幅は、１．５ｍｍ以上２．５ｍｍ以下であり、前記流路の深さは、０．４ｍｍ以上１ｍｍ以下であり、前記流路間のリブ部の幅は、０．５ｍｍ以上１．５ｍｍ以下であるのが好ましい。
【００２２】
前記ガス流路または冷却水流路を形成する溝がセパレータ板の両面においてそれぞれ中央を横断しており、前記セパレータ板の一方の面に形成される溝と溝との間の凸部の中心線の位置と他方の面に形成される溝と溝との間の凸部の中心線の位置とが、不可避の部位を除いて、実質的に一致していることが好ましい。
【００２３】
発明を実施するための最良の形態
本発明の高分子電解質型燃料電池は、水素イオン伝導性高分子電解質膜と、前記水素イオン伝導性高分子電解質膜を挟むアノードおよびカソードと、前記アノードに燃料ガスを供給するガス流路を有するアノード側導電性セパレータ板と、前記カソードに酸化剤ガスを供給するガス流路を有するカソード側導電性セパレ−タ板とを具備し、前記アノード側およびカソード側導電性セパレ−タ板は、それぞれそれらのアノードおよびカソードと接触する部位が、長辺が短辺の２倍以上６倍以下の長さを有する略長方形状であり、前記酸化剤ガスの流路はその直線部が前記長方形の長辺方向に沿って形成されている。
【００２４】
本発明は、電極と接触する部位が、長辺が短辺の２倍以上６倍以下の長さを有する略長方形状の導電性セパレータ板を用いる。したがって、長方形状の電極を用いる。このため、その長方形の長辺側を設置面とすることにより、電池スタックの背丈を低く、すなわち、薄型とすることができる。長方形の長辺は短辺の３〜６倍がより好ましい。長方形の電極の短辺は１０ｃｍ以下が好ましい。そのような薄型の電池スタックは、特に電気自動車用電源として、車体の下部に設置するのに有利である。
【００２５】
セパレータ板のガス流路の直線部を、セパレータ板の長辺に沿って形成することにより、供給ガスの圧力損失を少なくすることができる。特に、酸化剤に空気、燃料ガスに高濃度の水素ガスを用いる電池においては、燃料に比して多量の空気を供給することが要請される。それに対しては、酸化剤ガスの流路をセパレータ板の長辺に沿ったほぼ直線状にするか、または長辺に沿った直線部と２程度の少ない数のターン部とからなるサーペンタイン型とすることにより圧力損失を小さく抑えることができる。カソードにおいては、電極反応により水分が生成するから、これを効率的に除去するには、一般に酸化剤ガスの供給圧力を大きくすることが要請される。本発明によれば、空気供給の圧力損失を小さく抑えたまま、生成水を効率的に除去することができる。また、カソード側導電性セパレータ板は、裏面に、直線部が前記長方形の長辺に沿った冷却水の流路を有し、酸化剤ガスの前記ガス流路の直線部における流れ方向と冷却水の前記冷却水の流路の直線部における流れ方向とが、実質的に一致している構成とすることにより、生成水の除去が促進される。
【００２６】
燃料ガスの流路は、セパレータ板の短辺に沿った直線部と、長辺側に配したターン部とからなるサーペンタイン型とすることもできるが、酸化剤ガスの流路と同様に、長辺に沿った直線部と短辺側に位置するターン部とからなるサーペンタイン型とすることが好ましい。酸化剤ガスおよび燃料ガスの流路を、長辺に沿った直線部と短辺側に位置するターン部とからなるサーペンタイン型とする場合、酸化剤ガスの流路はターン数が２、燃料ガスの流路はターン数が２または４であるのが最も好ましい。この場合は、冷却水の流路も同様のサーペンタイン型とするのが好ましい。
【００２７】
このような構成のセパレータ板においては、ガスの流路または冷却水の流路を形成する溝がセパレータ板の両面の中央を横断している。従って、そのような溝の配列によっては、セパレータ板に曲げ強度の小さい材料を使用すると、割れなどが発生し電池寿命を損ねるおそれがある。本発明では、セパレータ板の一方の面に形成される溝と溝との間の凸部の中心線と他方の面に形成されるそのような凸部の中心線とを、不可避の部位を除いて、実質的に一致させることにより強度の低下を抑制する。従来では、セパレータ板の曲げ強度は１００Ｐａが限度とされていたが、上記のような本発明の構成によると、曲げ強度が１００Ｐａを下回る７０Ｐａ程度でも実用可能となる。
【００２８】
導電セパレ−タ板の表面に設けられるガス流路用溝は、幅が１．５ｍｍ〜２．５ｍｍであり、溝間のリブ部の幅が０．４ｍｍ〜１．５ｍｍであるのが好ましい。これによって、電極や電解質膜との接触抵抗を小さく保ち、かつ供給ガスの圧力損失を抑制することができる。
酸化剤ガス、燃料ガスおよび冷却水をそれぞれ供給・排出するマニホールドは、長方形のセパレータ板の短辺近傍に設けるのが好ましい。
【００２９】
本発明によると、燃料電池スタックの薄型化・コンパクト化とともに、供給ガスの圧力損失を低減することができる。
以下に、図面を参照して導電性セパレータ板の構造を詳しく説明する。図面は、いずれも説明のために概略を示すものであって、各部のサイズや相対的な位置は必ずしも正確ではない。
【００３０】
実施の形態１
図１は本実施の形態における燃料電池の要部を示す断面図である。
燃料電池１は、水素イオン伝導性高分子電解質膜２および電解質膜２を挟むカソード３とアノード４からなる単セルを、導電性セパレータ板を介して積層したものである。セル間に挿入された導電性セパレータ板は、一方の面に酸化剤ガスの流路６を有し、他方の面に燃料ガスの流路７を有し、カソード側セパレータ板とアノード側セパレータ板の機能を持つ単一のセパレータ板５、並びに、一方の面に酸化剤ガスの流路６を有し、他方の面に冷却水の流路８を有するセパレータ板９ａと、一方の面に冷却水の流路８を有し、他方の面に燃料ガスの流路７を有するセパレータ板９ｂとを組み合わせた複合セパレータ板である。この例では、２セル毎に、冷却水を流すための複合セパレータ板が挿入されている。１０はガスおよび冷却水の漏洩を防止するためのガスケットを表す。
【００３１】
このような燃料電池に用いられる導電性セパレータ板を図２〜４により詳しく説明する。
図２に示すカソード側導電性セパレータ板１１は、長方形を有しており、その一方の短辺側に酸化剤ガスの入り口マニホールド１２ａ、燃料ガスの出口マニホールド１３ｂおよび冷却水の入り口マニホールド１４ａを有し、他方の短辺側に酸化剤ガスの出口マニホールド１２ｂ、燃料ガスの入り口マニホールド１３ａおよび冷却水の出口マニホールド１４ｂを有している。セパレータ板１１の表面には、切削加工やプレス成形によって溝を設けることにより、酸化剤ガスの入り口マニホールド１２ａから出口マニホールド１２ｂにつらなるガス流路１５が形成されている。ガス流路１５は、この例では、並行する１０本の溝により形成されている。ガス流路１５は、直線部１５ｓと折り返し部となるターン部１５ｔからなるサーペンタイン型構造であり、ターン部の数は２である。
【００３２】
図３に示すアノード側セパレータ板２１は、セパレータ板１１と同じく長方形を有しており、その一方の短辺側に酸化剤ガスの入り口マニホールド２２ａ、燃料ガスの出口マニホールド２３ｂおよび冷却水の入り口マニホールド２４ａを有し、他方の短辺側に酸化剤ガスの出口マニホールド２２ｂ、燃料ガスの入り口マニホールド２３ａおよび冷却水の出口マニホールド２４ｂを有している。セパレータ板２１の表面には、切削加工やプレス成形によって溝を設けることにより、燃料ガスの入り口マニホールド２３ａから出口マニホールド２３ｂにつらなるガス流路２５が形成されている。ガス流路２５は、並行する６本の溝により形成されている。ガス流路２５は、直線部２５ｓと折り返し部となるターン部２５ｔからなるサーペンタイン型構造であり、ターン部の数は４である。
【００３３】
アノード側セパレータ板２１は、図４に示すように、その背面に、冷却水の入り口マニホールド２４ａから出口マニホールド２４ｂにつらなる冷却水の流路２６が形成されている。流路２６は、この例では、並行する６本の溝により形成されている。流路２６は、直線部２６ｓと折り返し部となるターン部２６ｔからなるサーペンタイン型構造であり、ターン部の数は４である。
図１で説明したように、セル間に挿入されるセパレータ板は、図２のセパレータ板の背面に図３のような燃料ガスの流路を形成したものである。また、冷却部を構成する部分では、図３および図４に示すように、裏面に冷却水の流路を形成したアノード側セパレータ板２１と、図２のカソードセパレータ板１１の裏面に図４のような冷却水の流路を形成したものとの複合セパレータ板が用いられる。
【００３４】
上記のカソード側セパレータ板１１およびアノード側セパレータ板２１において、それぞれ図に示す一点鎖線で囲まれた長方形の部分がカソードおよびアノードと接する部位である。そして、酸化剤ガスの流路１５は、１０本の並行する溝で構成され、３つの直線部１５ｓが２つのターン部１５ｔで連結されている。すなわち、前記の長方形の長辺に沿って直線状に伸びた３０本の溝を有する。燃料ガスの流路２５は、６本の並行する溝で構成され、５つの直線部２５ｓが４つのターン部２５ｔで連結されている。すなわち、ガス流路２５は、前記の長方形の長辺に沿って直線状に伸びた３０本の溝を有する。同様に、冷却水の流路も長方形の長辺に沿って直線状に伸びた３０本の溝を有する。従って、一方の面に酸化剤のガス流路を、他方の面に燃料ガスの流路を形成するセパレータ板においては、それぞれのガス流路の直線部を構成する溝の中心線を一致させることができる。同様に、一方の面に酸化剤ガスまたは燃料ガスの流路を、他方の面に冷却水の流路を形成するセパレータ板においては、それぞれの流路を構成する溝の中心線を一致させることができる。
【００３５】
この例では、図１に示すように、ガス流路および冷却水の流路を構成する溝の幅を同じくした好ましい形を示した。しかし、溝の幅および深さはそれぞれの流路として適したものに変更すべきことはいうまでもない。要するに、流路の直線部を構成する溝と溝の間に位置する凸部ないしリブ部の中心線を、不可避な部位を除いて、一致させるのが重要である。このような構成により、導電性セパレータ板の素材として、１００Ｐａ程度を下回る曲げ強度を有するものをも使用可能となる。
【００３６】
実施の形態２
次に、導電性セパレータ板の他の好ましい例を説明する。
図５はカソード側導電性セパレータ板の正面図である。セパレータ板３１は、長方形であり、その一方の短辺側に酸化剤ガスの入り口マニホールド３２ａ、燃料ガスの入り口マニホールド３３ａおよび冷却水の入り口マニホールド３４ａを有し、他方の短辺側に酸化剤ガスの出口マニホールド３２ｂ、燃料ガスの出口マニホールド３３ｂおよび冷却水の出口マニホールド３４ｂを有する。酸化剤ガスの入り口マニホールド３２ａから出口マニホールド３２ｂにつらなるガス流路３５は、３５本の直線状の溝によって構成されている。
【００３７】
図６はアノード側導電性セパレータ板の正面図である。セパレータ板４１は、長方形であり、その一方の短辺側に酸化剤ガスの入り口マニホールド４２ａ、燃料ガスの入り口マニホールド４３ａおよび冷却水の入り口マニホールド４４ａを有し、他方の短辺側に酸化剤ガスの出口マニホールド４２ｂ、燃料ガスの出口マニホールド４３ｂおよび冷却水の出口マニホールド４４ｂを有する。燃料ガスの入り口マニホールド４３ａから出口マニホールド４３ｂにつらなるガス流路４５は、並行する６本の溝により形成されている。ガス流路４５は、直線部４５ｓと折り返し部となるターン部４５ｔからなるサーペンタイン型構造であり、ターン部の数は１２である。
【００３８】
図５のカソード側導電性セパレータ板３１と図６のアノード側導電性セパレータ板４１とを組み合わせた場合、実際に反応に関与する酸素を約２０％含む空気を酸化剤ガス、高濃度の水素を含むガスを燃料ガスに用いる燃料電池における両ガスの流量の調整が容易である。冷却水の流路は、燃料ガスの流路と同様のサーペンタイン型構造とし、流路の幅は燃料ガスの流路より広くし、ターン部の数は燃料ガスの流路より少なくするのが好ましい。
【００３９】
実施の形態３
次に、カソード側導電性セパレータ板の好ましい他の例を図７〜図９により説明する。
図７のセパレータ板７１は、短辺側に酸化剤ガスの入り口マニホールド７２ａと出口マニホールド７２ｂを、これらに近接させて長辺側に燃料ガスの入り口マニホールド７３ａ、出口マニホールド７３ｂおよび冷却水の入り口マニホールド７４ａ、出口マニホールド７４ｂを設けている。酸化剤ガスの入り口マニホールド７２ａから出口マニホールド７２ｂにつらなるガス流路７５は、次第に幅が狭くなる直線状の溝で構成されている。燃料ガスおよび冷却水の流路は、図６に類似の直線部とターン部を有するサーペンタイン型構造である。
【００４０】
実施の形態４
図８のセパレータ板８１は、短辺側に酸化剤ガスの入り口マニホールド８２ａと出口マニホールド８２ｂを、これらに近接させて長辺側に燃料ガスの入り口マニホールド８３ａ、出口マニホールド８３ｂおよび冷却水の入り口マニホールド８４ａ、出口マニホールド８４ｂを設けている。酸化剤ガスの流路８５は、入り口マニホールド８２ａおよび出口マニホールド８２ｂにそれぞれつらなり、長辺に平行な直線部８５ａおよび８５ｂと、両者をつなぐ直線部８５ｃからなり、直線部８５ｃは長辺に対して若干傾斜している。
【００４１】
実施の形態５
図９のセパレータ板９１は、短辺側に酸化剤ガスの入り口マニホールド９２ａと出口マニホールド９２ｂを、これらに近接させて長辺側に燃料ガスの入り口マニホールド９３ａ、出口マニホールド９３ｂおよび冷却水の入り口マニホールド９４ａ、出口マニホールド９４ｂを設けている。酸化剤ガスの流路９５は、入り口マニホールド９２ａおよび出口マニホールド９２ｂにそれぞれつらなる直線部９５ａおよび９５ｂと、両者をつなぐ部分９５ｃからなる。直線部９５ａと９５ｂは、各溝の幅は同じであるが、後者の溝の数は前者より１つだけ少ない。この構成においては、酸化剤ガスの流路は、部分９５ｃが不連続部となっているが、実質的に直線状である。
以下、本発明の実施例を図面を参照しながら説明する。
【００４２】
【実施例】
実施例１
本実施例に用いたカソード側導電性セパレータ板を図１０に示す。
カソード側セパレータ板１０１は、一方の短辺側に酸化剤ガスの入り口マニホールド１０２ａ、燃料ガスの出口マニホールド１０３ｂおよび冷却水の入り口マニホールド１０４ａを有し、他方の短辺側に酸化剤ガスの出口マニホールド１０２ｂ、燃料ガスの入り口マニホールド１０３ａおよび冷却水の出口マニホールド１０４ｂを有する。酸化剤ガスの流路１０５は、３本の並行する溝により構成され、５つの直線部が４つのターン部によりつながっている。アノード側のガス流路も同様に３本の並行する溝により構成され、５つの直線部が４つのターン部によりつながっている。冷却水の流路も同様なサーペンタイン型構造である。
【００４３】
ＭＥＡは、以下のようにして作製した。
まず、炭素微粉末（米国キャボット社製ＶＸＣ７２、一次粒子径：３０ｎｍ、比表面積：２５４ｍ2／ｇ）に、平均粒径約３０Åの白金粒子を７５：２５の重量比で担持させた。この触媒粉末のイソプロパノ−ル分散液に、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、触媒ペーストを作製した。
一方、電極の多孔性基材として、厚み３６０μｍのカーボンペーパー（東レ製、ＴＧＰ−Ｈ−１２０）を用いた。このカーボンペーパーをポリテトラフルオロエチレンの水性ディスパージョン（ダイキン工業製、ネオフロンＮＤ１）に含浸した後、乾燥し、４００℃で３０分加熱処理して撥水性を与えた。この撥水処理を施したカーボンペーパーの一方の面に前記の触媒ペーストを均一に塗布して触媒層を形成した。
【００４４】
以上の方法で作製した２枚のカーボンペーパーからなる電極を、その触媒層を内側にして、高分子電解質膜（米国デュポン社製ナフィオン１１２）を挟んで重ね合わせた後、乾燥した。
以上のカーボンペーパー電極は、そのサイズが２０×６ｃｍの長方形で、図１０に示すセパレータ板１０１の一点鎖線で囲んだ５つの区画を覆う大きさである。電極の周囲には、高分子電解質膜を挟んで、約３６０μｍの厚みのシリコンゴムのシートからなるガスケットを配し、１３０℃で３分間ホットプレスし、ＭＥＡを得た。
【００４５】
このＭＥＡの２つを、一方の面に酸化剤ガスの流路を形成し、他方の面に燃料ガスの流路を形成した図１０のようなセパレータ板を挟んで組合せた。また、互いに対向する面に冷却水の流路を形成し、他方の面にそれぞれ酸化剤ガスの流路および燃料ガスの流路を形成した、図１０のような構造の２枚のセパレータ板を組み合わせた。これらの２つのＭＥＡの組と、２枚のセパレータ板の組とを積層して１０セルが直列に接続された、図１のような構成の積層電池を組み立てた。
セパレータ板は、カーボン粉末とフェノール系樹脂の混合粉末をホットプレスにより、ガス流路を有する厚さ２ｍｍのシートに成形したものであり、ガス流路は幅２．５ｍｍ、深さ０．７ｍｍ、溝間のリブ部の幅が１．５ｍｍである。この導電性セパレータ板の曲げ強度は、７０ＭＰａであった。
【００４６】
前記の積層電池の両端部には、金属製の集電板、電気絶縁材料からなる絶縁板、および端板を重ね、両端板を締結ロッドで締め付けた。その締結圧はセパレータ板の面積当たり１０ｋｇｆ／ｃｍ2とした。この１０セルの電池モジュールに、燃料ガスとして純水素を７５℃に保った脱イオン水バブラーを通じて供給し、酸化剤ガスとして空気を所定温度に保った脱イオン水バブラーを通じて供給し、冷却水を通じて、発電試験を行った。燃料ガス、酸化剤ガス、および冷却水は、ともに同一方向に導入し、ガス出口は常圧に開放した。
また、燃料電池の各セルは、その面内での性能分布を確認するため、図１０のセパレータ板１０１に一点鎖線示すように電極を５分割するとともに、電極に対応させてセパレータ板をも５分割し、それぞれの部位の性能を個別に測定できるようにした。
【００４７】
まず、電池運転温度を７５℃に設定し、温度分布を極力抑えるため、７５℃に設定した冷却水量を２０Ｌ／ｍｉｎと比較的大量に流し、燃料ガス中の水素の利用率（Ｕｆ）＝８０％、酸化剤ガス中の酸素の利用率（Ｕｏ）＝５０％に設定して電池性能を調べた。
積層電池を、０．３Ａ／ｃｍ2と０．７Ａ／ｃｍ2の定電流密度で運転した場合の電圧特性の酸化剤ガスバブラー温度依存性を調べた。５分割した各セルの最もガス入り口側に近い分割セルをＮｏ．１とし、順次Ｎｏ．２、Ｎｏ．３、Ｎｏ．４として、最もガス出口側に近い分割セルをＮｏ．５とした。
【００４８】
０．３Ａ／ｃｍ2の電流密度で運転した場合、酸化剤ガスバブラー温度が４５℃程度の比較的低い温度では、ガス入り口に近い部位ほど特性が高く、１０セル積層した電池の各分割セル毎の平均電圧は、Ｎｏ．１セルで０．６９Ｖ、Ｎｏ．５セルで０．６５Ｖであった（以下、特に断らない限り、分割セルの特性はすべて１０セル積層した電池の各分割セル毎の平均値を表す。）。バブラー温度を約７０℃と高くすると、さらに性能が上昇し、Ｎｏ．１セルは０．７５Ｖ、Ｎｏ．５セルは０．７０Ｖを示した。このとき、Ｎｏ．１〜５セルは、内部抵抗の測定からほぼ良好な濡れ状態にあることが分かった。酸化剤ガスバブラー温度が７０℃の場合のガス入り口部の圧力損失は、０．０１ｋｇ・ｆ／ｃｍ2であった。
【００４９】
次に、０．７Ａ／ｃｍ2の電流密度では、酸化剤ガスバブラー温度が約４０℃と比較的低い温度では、ガス入り口に近い部位とガス出口に近い部位の性能がほぼ等しくなり、Ｎｏ．１セルは０．６Ｖ、Ｎｏ．５セルは０．５９Ｖを示した。さらに、バブラー温度を６５℃と高くすると、さらに性能が上昇したが、ガス入り口に近い部位ほど特性が高くなり、Ｎｏ．１セルは０．６５Ｖ、Ｎｏ．５セルは０．６０Ｖを示した。このとき、Ｎｏ．１〜５セルは、内部抵抗の測定から、出口ほどフラッディング気味であるものの、おおむね良好な濡れ状態にあることが分かった。酸化剤ガスバブラー温度が６５℃の場合のガス入り口部の圧力損失は、０．０８ｋｇ・ｆ／ｃｍ2とかなり小さなものであった。
【００５０】
次に、電池運転温度を７５℃に設定し、温度分布をつけるため、７５℃に設定した冷却水量を１Ｌ／ｍｉｎと比較的少なく流し、Ｕｆ＝８０％、Ｕｏ＝５０％に設定して電池性能を調べた。
０．３Ａ／ｃｍ2の電流密度では、酸化剤ガスバブラー温度が４０℃程度の比較的低い温度では、ガス入り口に近い部位とガス出口に近い部位の性能がほぼ等しくなり、Ｎｏ．１セルは０．６９Ｖ、Ｎｏ．５セルは０．６８Ｖを示した。バブラー温度を約７０℃と高くすると、さらに性能が上昇し、Ｎｏ．１セルは０．７５Ｖ、Ｎｏ．５セルは、０．７３Ｖを示した。このとき、Ｎｏ．１〜５セルは、内部抵抗の測定からほぼ良好な濡れ状態にあることが分かった。また、酸化剤ガスバブラー温度が７０℃の場合のガス入り口部の圧力損失は０．００８ｋｇ・ｆ／ｃｍ2であった。
【００５１】
次に、０．７Ａ／ｃｍ2の電流密度では、酸化剤ガスバブラー温度が約４５℃と比較的低い温度では、ガス入り口に近い部位とガス出口に近い部位の性能がほぼ等しくなり、Ｎｏ．１セルは０．６Ｖ、Ｎｏ．５セルは０．６Ｖを示した。バブラー温度を６５℃と高くすると、さらに性能が上昇し、Ｎｏ．１セルは０．６５Ｖ、Ｎｏ．５セルは０．６３Ｖを示した。このとき、Ｎｏ．１〜５セルは、内部抵抗の測定から、最適な濡れ状態にあることが分かった。また、酸化剤ガスバブラー温度が６５℃の場合のガス入り口部の圧力損失は０．０７ｋｇ・ｆ／ｃｍ2とかなり小さなものであった。
【００５２】
前記の導電セパレ−タ板は、その中心部を少なくとも複数のガス流路または冷却水流路を構成する溝が横断しており、一方の面のこれら溝の間の凸部の中心線の位置が、他方の面の凸部の中心線の位置と、不可避の部位を除いて実質的に一致している。そのため、導電性セパレータ板材料の曲げ強度が１００ＭＰａを若干下回る機械的強度の弱い材料であっても、割れや座屈を生じることなく使用可能であった。
【００５３】
実施例２
本実施例では、カソード側導電性セパレータ板に図５のように直線状のガス流路を有するもの、アノード側導電性セパレータ板に図３のようにターン部の数が４のサーペンタイン型構造のガス流路を有するものをそれぞれ用いた。冷却水の流路は、図４のようなターン数が４のサーペンタイン型構造とした。電極のサイズは、３５×９ｃｍの長方形で、各セルは、図５に一点鎖線で示す部分を、ガス流路３５のガスの流れる方向に５分割した。
上記の他は実施例１と同様にして１０セルの積層電池を組み立てた。
まず、電池運転温度を７５℃に設定し、７５℃に設定した冷却水量を２０Ｌ／ｍｉｎの割合で流し、Ｕｆ＝８０％、Ｕｏ＝５０％に設定して電池性能を調べた。
【００５４】
０．３Ａ／ｃｍ2の電流密度では、酸化剤ガスバブラー温度が４５℃程度の比較的低い温度では、ガス入り口に近い部位ほど特性が高く、Ｎｏ．１セルは、０．６７Ｖ、Ｎｏ．５セルは０．６５Ｖを示した。バブラー温度を約７０℃と高くすると、さらに性能が上昇し、Ｎｏ．１セルは０．７３Ｖ、Ｎｏ．５セルは０．７０Ｖを示した。このとき、Ｎｏ．１〜５セルは、内部抵抗の測定からほぼ良好な濡れ状態にあることが分かった。また、酸化剤ガスバブラー温度が７０℃の場合のガス入り口部の圧力損失は０．００１ｋｇ・ｆ／ｃｍ2であった。
【００５５】
次に、０．７Ａ／ｃｍ2の電流密度では、酸化剤ガスバブラー温度が約４０℃と比較的低い温度では、ガス入り口に近い部位とガス出口に近い部位の性能がほぼ等しくなり、Ｎｏ．１セルは０．５９Ｖ、Ｎｏ．５セルは０．５７Ｖを示した。バブラー温度を６５℃と高くすると、さらに性能が上昇した。ガス入り口に近い部位ほど特性が高くなり、Ｎｏ．１セルは０．６２Ｖ、Ｎｏ．５セルは０．５９Ｖを示した。このとき、Ｎｏ．１〜５セルは、内部抵抗の測定から、出口ほどフラッディング気味であるものの、おおむね良好な濡れ状態にあることが分かった。酸化剤ガスバブラー温度が６５℃の場合のガス入り口部の圧力損失は０．００７ｋｇ・ｆ／ｃｍ2とかなり小さなものであった。
【００５６】
次に、７５℃に設定した冷却水量を１Ｌ／ｍｉｎと比較的少なく流す他は上記と同条件で電池性能を調べた。
０．３Ａ／ｃｍ2の電流密度では、酸化剤ガスバブラー温度が４５℃程度の比較的低い温度では、ガス入り口に近い部位とガス出口に近い部位の性能がほぼ等しくなり、Ｎｏ．１セルおよびＮｏ．５セルとも０．６８Ｖを示した。バブラー温度を約７０℃と高くすると、さらに性能が上昇し、Ｎｏ．１セルは０．７０Ｖ、Ｎｏ．５セルは、０．６９Ｖを示した。このとき、Ｎｏ．１〜５セルは、内部抵抗の測定からほぼ良好な濡れ状態にあることが分かった。酸化剤ガスバブラー温度が７０℃の場合のガス入り口部の圧力損失は０．００１ｋｇ・ｆ／ｃｍ2であった。
【００５７】
次に、０．７Ａ／ｃｍ2の電流密度では、酸化剤ガスバブラー温度が約４５℃と比較的低い温度では、ガス入り口に近い部位とガス出口に近い部位の性能がほぼ等しくなり、Ｎｏ．１セルは０．５９Ｖ、Ｎｏ．５セルは０．５８Ｖを示した。バブラー温度を６５℃と高くすると、さらに性能が上昇し、Ｎｏ．１セルは０．６２Ｖ、Ｎｏ．５セルは、０．６０Ｖを示した。このとき、Ｎｏ．１〜５セルは、内部抵抗の測定から、最適な濡れ状態にあることが分かった。酸化剤ガスバブラー温度が６５℃の場合のガス入り口部の圧力損失は０．００５ｋｇ・ｆ／ｃｍ2とかなり小さなものであった。
【００５８】
実施例３
本実施例では、カソード側セパレータ板に図５のように直線状のガス流路を有するもの、アノード側導電性セパレータ板に、図６のように直線部が短辺に沿って伸び、ターン部の数が１２のサーペンタイン型構造のガス流路を有するものをそれぞれ用いた。ガス流路を構成する溝の深さは０．４ｍｍとした。冷却水の流路は、図６のようにターン数が６のサーペンタイン型構造とした。電極のサイズは、２０×９ｃｍの長方形で、各セルは、実施例１と同様に、燃料ガスの流路に合わせて、５分割した。
上記の他は実施例１と同様にして１０セルの積層電池を組み立てた。
【００５９】
まず、電池運転温度を７５℃に設定し、７５℃に設定した冷却水量を２０Ｌ／ｍｉｎと比較的大量に流し、Ｕｆ＝８０％、Ｕｏ＝５０％に設定して電池性能を調べた。
０．３Ａ／ｃｍ2の電流密度では、酸化剤ガスバブラー温度が４５℃程度の比較的低い温度では、ガス入り口に近い部位ほど特性が高く、Ｎｏ．１セルは０．６９Ｖ、Ｎｏ．５セルは０．６７Ｖを示した。バブラー温度を約７０℃と高くすると、さらに性能が上昇し、Ｎｏ．１セルは０．７４Ｖ、Ｎｏ．５セルは０．７１Ｖを示した。このとき、Ｎｏ．１〜５セルは、内部抵抗の測定からほぼ良好な濡れ状態にあることが分かった。酸化剤ガスバブラー温度が７０℃の場合のガス入り口部の圧力損失は０．０００８ｋｇ・ｆ／ｃｍ2であった。
【００６０】
次に、０．７Ａ／ｃｍ2の電流密度では、酸化剤ガスバブラー温度が約４０℃と比較的低い温度では、ガス入り口に近い部位とガス出口に近い部位の性能がほぼ等しくなり、Ｎｏ．１セルは０．６０Ｖ、Ｎｏ．５セルは０．５７Ｖを示した。バブラー温度を６５℃と高くすると、さらに性能が上昇した。ガス入り口に近い部位ほど特性が高くなり、Ｎｏ．１セルは０．６４Ｖ、Ｎｏ．５セルは０．６０Ｖを示した。このとき、Ｎｏ．１〜５セルは、内部抵抗の測定から、出口ほどフラッディング気味であるものの、おおむね良好な濡れ状態にあることが分かった。酸化剤ガスバブラー温度が６５℃の場合のガス入り口部の圧力損失は０．００３ｋｇ・ｆ／ｃｍ2とかなり小さなものであった。
【００６１】
次に、温度分布をつけるため、７５℃に設定した冷却水量を１Ｌ／ｍｉｎと比較的少なく流す他は上記と同条件で電池性能を調べた。
０．３Ａ／ｃｍ2の電流密度では、酸化剤ガスバブラー温度が４５℃程度の比較的低い温度では、ガス入り口に近い部位とガス出口に近い部位の性能がほぼ等しくなり、Ｎｏ．１セルは０．７０Ｖ、Ｎｏ．５セルは０．６９Ｖを示した。バブラー温度を約７０℃と高くすると、さらに性能が上昇し、Ｎｏ．１セルは０．７３Ｖ、Ｎｏ．５セルは０．７１Ｖを示した。このとき、Ｎｏ．１〜５セルは、内部抵抗の測定からほぼ良好な濡れ状態にあることが分かった。酸化剤ガスバブラー温度が７０℃の場合のガス入り口部の圧力損失は０．０００９ｋｇ・ｆ／ｃｍ2であった。
【００６２】
次に、０．７Ａ／ｃｍ2の電流密度では、酸化剤ガスバブラー温度が約４０℃と比較的低い温度では、ガス入り口に近い部位とガス出口に近い部位の性能がほぼ等しくなり、Ｎｏ．１セルは０．６１Ｖ、Ｎｏ．５セルは０．５９Ｖを示した。バブラー温度を６５℃と高くすると、さらに性能が上昇し、Ｎｏ．１セルは０．６４Ｖ、Ｎｏ．５セルは、０．６２Ｖを示した。このとき、Ｎｏ．１〜５セルは、内部抵抗の測定から、最適な濡れ状態にあることが分かった。酸化剤ガスバブラー温度が６５℃の場合のガス入り口部の圧力損失は０．００４ｋｇ・ｆ／ｃｍ2とかなり小さなものであった。
【００６３】
実施例４
本実施例では、図７に示すカソード側導電性セパレ−タ板を用いた。酸化剤ガスの流路７５は、入口マニホールド７２ａから出口マニホールド７２ｂまで複数の連続した直線状の溝で構成され、入口から出口に向かって流路が絞られる形状を有する。電極と接触する部位は、短辺７ｃｍ、長辺が９ｃｍ、高さが２０ｃｍの台形である。
【００６４】
このセパレータ板は、厚さが３ｍｍで、その表面には切削加工により、ガス入口部は溝幅２ｍｍ、深さ０．５ｍｍ、溝間のリブ部の幅１ｍｍであり、ガス出口部は、溝幅１．６ｍｍ、深さ０．５ｍｍ、溝間のリブ部の幅０．８ｍｍのガス流路が設けてある。セパレータ板材料には、緻密なガラス状カーボンを用いた。
アノード側導電性セパレータ板には、実施例３と同様のターン部の数が１２のサーペンタイン型構造のガス流路を有するものを用いた。冷却水の流路は、ターン数が６のサーペンタイン型構造とした。
上記の他は実施例１と同様にして１００セルの積層電池を組み立てた。
【００６５】
まず、電池運転温度を７５℃に設定し、７５℃に設定した冷却水量を２０Ｌ／ｍｉｎと比較的大量に流し、７５℃に加湿した純水素ガスをＵｆ＝８０％となるよう供給し、６５℃に加湿した空気をＵｏ＝５０％となるよう供給して電池性能を調べた。
１００セル積層した電池の平均セル電圧は、電流密度０．３Ａ／ｃｍ2のとき０．７２Ｖであり、空気側のガス入口部の圧力損失が０．００１４ｋｇ・ｆ／ｃｍ2とかなり小さかった。電流密度０．７Ａ／ｃｍ2のときのセル平均電圧は０．６４Ｖであり、空気側のガス入口部の圧力損失は０．００６ｋｇ・ｆ／ｃｍ2であった。
【００６６】
次に、７５℃に設定した冷却水量を１Ｌ／ｍｉｎと比較的少量流し、７５℃に加湿した純水素ガスをＵｆ＝８０％となるよう供給し、４５℃に加湿した空気をＵｏ＝５０％となるよう供給して電池性能を調べた。
電池の平均セル電圧は、電流密度０．３Ａ／ｃｍ2のとき０．７０Ｖであり、空気側のガス入口部の圧力損失は０．００１１ｋｇ・ｆ／ｃｍ2とかなり小さかった。電流密度０．７Ａ／ｃｍ2のときの平均セル電圧は０．６１Ｖであり、空気側のガス入口部の圧力損失は０．００５ｋｇ・ｆ／ｃｍ2と小さかった。
【００６７】
実施例５
本実施例では、図８に示すカソード側導電性セパレータ板を用いた。この導電性セパレータ板は、電極と接触する部位は略長方形状を有し、その短辺が９ｃｍ、長辺が２０ｃｍである。酸化剤ガスの流路８５を構成する溝は、入口マニホールド８２ａから出口マニホールド８２ｂまでほぼ長辺にそって連続している。
【００６８】
このセパレータ板は、厚さが３ｍｍで、その表面には切削加工により、入口部の溝幅２ｍｍ、深さ０．４ｍｍ、溝間のリブ部の幅１ｍｍであり、出口部は溝幅１．６ｍｍ、深さ０．５ｍｍ、溝間のリブ部の幅０．８ｍｍのガス流路が設けてある。セパレータ板材料には、緻密なガラス状カーボンを用いた。
アノード側導電性セパレータ板には、実施例３と同様のターン部の数が１２のサーペンタイン型構造のガス流路を有するものを用いた。冷却水の流路は、ターン数が６のサーペンタイン型構造とした。
上記の他は実施例１と同様にして１００セルの積層電池を組み立てた。
【００６９】
まず、電池運転温度を７５℃に設定し、７５℃に設定した冷却水量を２０Ｌ／ｍｉｎと比較的大量に流し、７５℃に加湿した純水素ガスをＵｆ＝８０％となるよう供給し、６５℃に加湿した空気をＵｏ＝５０％となるよう供給して電池性能を調べた。
積層電池の平均セル電圧は、電流密度０．３Ａ／ｃｍ2のとき０．７２５Ｖであり、空気側のガス入口部の圧力損失が０．００１２ｋｇ・ｆ／ｃｍ2とかなり小さかった。電流密度０．７Ａ／ｃｍ2のときの平均セル電圧は０．６４５Ｖであり、空気側のガス入口部の圧力損失は０．００５ｋｇ・ｆ／ｃｍ2であった。
【００７０】
次に、７５℃に設定した冷却水量を１Ｌ／ｍｉｎと比較的少量流し、冷却水出入り口で温度分布がつくようにし、７５℃に加湿した純水素ガスをＵｆ＝８０％となるよう供給し、４５℃に加湿した空気をＵｏ＝５０％となるよう供給して電池性能を調べた。
積層電池の平均セル電圧は、電流密度０．３Ａ／ｃｍ2のとき０．７１Ｖであり、空気側のガス入口部の圧力損失が０．００１ｋｇ・ｆ／ｃｍ2とかなり小さかった。電流密度０．７Ａ／ｃｍ2のとき平均セル電圧は０．６２Ｖであり、空気側のガス入口部の圧力損失は０．００４ｋｇ・ｆ／ｃｍ2であった。
【００７１】
実施例６
本実施例では、図９に示すカソード側導電性セパレータ板を用いた。この導電性セパレータ板のガス流路９５は、途中に不連続部９５ｃを有するが、実質的には直線状の並行する溝で構成されている。ここに用いた電極は、短辺が９ｃｍ、長辺が２０ｃｍの略長方形であり、４カ所のエッジ部には曲率半径ｒ＝１ｍｍの丸みを有する。
【００７２】
このセパレータ板は、厚さが３ｍｍで、その表面には切削加工により、溝幅１．５ｍｍ、深さ１ｍｍ、溝間のリブ部の幅１ｍｍのガス流路を設けてある。セパレータ板材料には、緻密なガラス状カーボンを用いた。
アノード側導電性セパレータ板には、実施例３と同様のターン部の数が１２のサーペンタイン型構造のガス流路を有するものを用いた。冷却水の流路は、ターン数が６のサーペンタイン型構造とした。
上記の他は実施例１と同様にして１００セルの積層電池を組み立てた。
【００７３】
まず、電池運転温度を７５℃に設定し、７５℃に設定した冷却水量を２０Ｌ／ｍｉｎと比較的大量に流し、７５℃に加湿した純水素ガスをＵｆ＝８０％となるよう供給し、６５℃に加湿した空気をＵｏ＝５０％となるよう供給して電池性能を調べた。
積層電池の平均セル電圧は、電流密度０．３Ａ／ｃｍ2のとき０．７１５Ｖであり、空気側のガス入口部の圧力損失が０．０００５ｋｇ・ｆ／ｃｍ2とかなり小さかった。電流密度０．７Ａ／ｃｍ2のとき平均セル電圧は０．６３５Ｖであり、空気側のガス入口部の圧力損失が０．００２ｋｇ・ｆ／ｃｍ2であった。
【００７４】
次に、７５℃に設定した冷却水量を１Ｌ／ｍｉｎと比較的少量流し、冷却水出入り口で温度分布がつくようにし、７５℃に加湿した純水素ガスをＵｆ＝８０％となるよう供給し、４５℃に加湿した空気をＵｏ＝５０％となるよう供給して電池性能を調べた。
積層電池の平均セル電圧は、電流密度０．３Ａ／ｃｍ2のとき０．７０５Ｖであり、空気側のガス入口部の圧力損失が０．０００６ｋｇ・ｆ／ｃｍ2とかなり小さかった。電流密度０．７Ａ／ｃｍ2のとき平均セル電圧は０．６１Ｖであり、空気側のガス入口部の圧力損失が０．００２５ｋｇ・ｆ／ｃｍ2であった。
【００７５】
以上のように、導電性セパレ−タ板の電極と接触する部位が略長方形状を有し、その長辺が短辺の２倍以上６倍以下の長さを有するセパレータ板を用いることにより、ガスの入口の圧力損失を小さくしてオーバーフラッディングを抑制することができ、同じセルのガス入口に近い部位とガス出口に近い部位の性能をほぼ等しくすることができる。ここに長辺が短辺の２倍以上６倍以下の略長方形とは、厳密には台形であっても、平行四辺形であっても、角部が丸みを有していても、その他部分的に凹凸を有する形状であっても、実質的に長方形を有すれば同一の効果が得られることは明らかである。
また、略長方形状の長辺に沿った略直線部を有するガス流路溝の形状も、全くの直線ではなくとも、例えば変曲点を有しても、長辺に対して若干傾斜していても、溝幅が変化しても同一の効果が得られる。
【００７６】
比較例１
この例では、図１２に示すカソード側導電性セパレータ板を用いた。このセパレータ板１２１は、ほぼ正方形であり、対向する二辺には酸化剤ガスの入り口マニホールド１２２ａと出口マニホールド１２２ｂを設け、他の二辺には燃料ガスの入り口マニホールド１２３ａと出口マニホールド１２３ｂ、冷却水の入り口マニホールド１２４ａと出口マニホールド１２４ｂを設けている。酸化剤ガスの流路１２５は平行する直線状の溝で構成されている。燃料ガスの流路および冷却水の流路は、サーペンタイン型であり、ターン数はいずれも２である。
【００７７】
このセパレータ板は、厚さが３ｍｍで、その表面には切削加工により、溝幅２ｍｍ、深さ０．５ｍｍ、溝間のリブ部の幅１ｍｍのガス流路１２５が設けられている。セパレータ板材料には、緻密なガラス状カーボンを用いた。
電極は、一辺が１５ｃｍの正方形とし、一辺が２１ｃｍの正方形の高分子電解質膜の中央に電極を設置した。
上記の他は実施例１と同様にして１００セルの積層電池を組み立てた。
【００７８】
まず、電池運転温度を７５℃に設定し、温度分布を極力抑えるため、７５℃に設定した冷却水量を２０Ｌ／ｍｉｎと比較的大量に流し、７５℃に加湿した純水素ガスをＵｆ＝８０％となるよう供給し、６５℃に加湿した空気をＵｏ＝５０％となるよう供給して電池性能を調べた。
積層電池の平均セル電圧は、電流密度０．３Ａ／ｃｍ2のとき０．４８Ｖであった。電流密度０．７Ａ／ｃｍ2以上ではオーバーフラッディングのため０Ｖ以下となるセルが出現し、特性の計測が不能であった。
【００７９】
比較例２
この例では、図１３に示すカソード側導電性セパレータ板を用いた。このセパレータ板１３１は、長方形であり、対向する長辺側に酸化剤ガスの入り口マニホールド１３２ａと出口マニホールド１３２ｂを設け、短辺側に燃料ガスの入り口マニホールド１３３ａと出口マニホールド１３３ｂ、冷却水の入り口マニホールド１３４ａと出口マニホールド１３４ｂを設けている。酸化剤ガスの流路１３５は平行する直線状の溝で構成されている。燃料ガスの流路および冷却水の流路は、サーペンタイン型であり、ターン数はいずれも２である。
【００８０】
このセパレータ板は、厚さが３ｍｍで、その表面には切削加工により、溝幅２ｍｍ、深さ０．５ｍｍ、溝間のリブ部の幅１ｍｍのガス流路を設けている。電極は、９ｃｍ×２０ｃｍの長方形である。
上記の他は実施例１と同様にして１００セルの積層電池を組み立てた。
【００８１】
まず、電池運転温度を７５℃に設定し、７５℃に設定した冷却水量を２０Ｌ／ｍｉｎと比較的大量に流し、７５℃に加湿した純水素ガスをＵｆ＝８０％となるよう供給し、６５℃に加湿した空気をＵｏ＝５０％となるよう供給して電池性能を調べた。
積層電池の平均セル電圧は、電流密度０．３Ａ／ｃｍ2のとき０．４２Ｖであった。電流密度０．７Ａ／ｃｍ2以上ではオーバーフラッディングのため０Ｖ以下となるセルが出現し、特性の計測が不能であった。
【００８２】
比較例３
この例では、図１４に示すカソード側導電性セパレータ板を用いた。このセパレータ板１４１は、長方形である。その一方の短辺側に酸化剤ガスの入り口マニホールド１４２ａ、燃料ガスの入り口マニホールド１４３ａおよび冷却水の入り口マニホールド１４４ａを設け、他方の短辺側に酸化剤ガスの出口マニホールド１４２ｂ、燃料ガスの出口マニホールド１４３ｂおよび冷却水の出口マニホールド１４４ｂを設けている。
【００８３】
酸化剤ガスの流路１４５は、平行する直線状の溝で構成されている。ガスマニホールド１４２ａおよび１４２ｂの各開口部の幅は、これらのマニホールドにつらなるガス流路の溝の幅の合計より小さくしてある。燃料ガスの流路および冷却水の流路は、サーペンタイン型であり、ターン数はいずれも２である。
上記の他は比較例２と同様にして１００セルの積層電池を組み立てた。
まず、電池運転温度を７５℃に設定し、７５℃に設定した冷却水量を２０Ｌ／ｍｉｎと比較的大量に流し、７５℃に加湿した純水素ガスをＵｆ＝８０％となるよう供給し、６５℃に加湿した空気をＵｏ＝５０％となるよう供給して電池性能を調べた。
【００８４】
積層電池の平均セル電圧は、電流密度０．３Ａ／ｃｍ2のとき０．４０Ｖであった。電流密度０．７Ａ／ｃｍ2以上では、全空気側の流路幅に対して空気出口マニホールドの開口部が小さいため、生成水の除去がスムーズにできず、０Ｖ以下となるセルが出現し、特性の計測が不能であった。
また、１００セル積層した場合のセパレータ板のガス流路溝の断面積の１００セル分の総和と、マニホールド開口部の断面積を比較すると、セパレータ板のガス流路溝の断面積の１００セル分の総和の方が大きくなったため、供給ガスの圧力損失の律速がマニホールド部分に発生し、各セルに供給するガスの分配が均等にいかず、セル特性のバラツキが大きくなった。
【００８８】
比較例４
この例では、図１１に示すカソード側導電性セパレータ板を用いた。この導電性セパレータ１１１板は、長方形で、一方の短辺側に酸化剤ガスの入り口マニホールド１１２ａ、燃料ガスの入り口マニホールド１１３ａおよび冷却水の入り口マニホールド１１４ａを有し、他方の短辺側に酸化剤ガスの出口マニホールド１１２ｂ、燃料ガスの出口マニホールド１１３ｂおよび冷却水の出口マニホールド１１４ｂを有する。酸化剤ガスの流路１１５は、５本の並行する溝により構成され、１０の直線部が９つのターン部によりつながったサーペンタイン型構造である。アノード側のガス流路も同様に５本の並行する溝により構成され、１０の直線部が９つのターン部によりつながっている。冷却水の流路も同様なサーペンタイン型構造である。
【００８９】
電極のサイズは９ｃｍ×２０ｃｍの長方形で、各セルは図１１に一点鎖線で示すように５分割した。
ここに用いたセパレータ板は、厚さが３ｍｍで、その表面には切削加工により、溝幅２ｍｍ、深さ１ｍｍ、溝間のリブ部の幅１ｍｍのガス流路を設けてある。セパレータ板材料には、緻密なガラス状カーボンを用いた。
上記の他は実施例１と同様にして１０セルの積層電池を組み立てた。
【００９０】
まず、電池運転温度を７５℃に設定し、７５℃に設定した冷却水量を２０Ｌ／ｍｉｎと比較的大量に流し、Ｕｆ＝８０％、Ｕｏ＝５０％に設定して電池性能を調べた。
積層電池を０．３Ａ／ｃｍ2の電流密度で運転したとき、酸化剤ガスバブラー温度が６０℃程度の比較的低い温度では、ガス入り口に近い部位ほど特性が高く、ガス入り口に最も近いＮｏ．１セルは０．６９Ｖ、ガス出口に最も近いＮｏ．５セルは０．５５Ｖを示した。しかしながら、バブラー温度を約７０℃と高くすると、ガス出口に最も近い部位のＮｏ．５セルから順に性能が急激に低下し、Ｎｏ．５セルは、ほぼ０Ｖまで低下した。このとき、Ｎｏ．５セルは、内部抵抗の測定からオーバーフラッディング状態にあることが分かった。酸化剤ガスバブラー温度が７０℃の場合のガス入り口部の圧力損失は０．５ｋｇ・ｆ／ｃｍ2であった。
【００９１】
次に、０．７Ａ／ｃｍ2の電流密度では、酸化剤ガスバブラー温度が約５５℃と比較的低い温度では、ガス入り口に近い部位ほど特性が高く、Ｎｏ．１セルは０．６Ｖ、Ｎｏ．５セルは０．５Ｖを示した。しかしながら、バブラー温度を６５℃と高くすると、ガス出口に最も近い部位のＮｏ．５セルの性能が急激に低下し、ほぼ０Ｖにまで低下した。このとき、Ｎｏ．５セルは、内部抵抗の測定からオーバーフラッディング状態にあることが分かった。酸化剤ガスバブラー温度が６５℃の場合のガス入り口部の圧力損失は１．５ｋｇ・ｆ／ｃｍ2とかなり高かった。
【００９２】
産業上の利用の可能性
本発明によると、高分子電解質型燃料電池スタックの薄型化・コンパクト化が可能となる。また、燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給する圧力の損出が少なく、オーバールフラッディングやオーバードライのない高分子電解質型燃料電池を提供することができる。さらに、特に、電気自動車用電源として、車体の下部に設置するのに適した薄型の燃料電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施例における燃料電池の要部の縦断面図である。
【図２】 同電池のカソード側導電性セパレータ板の正面図である。
【図３】 同電池のアノード側導電性セパレータ板の正面図である。
【図４】 同セパレータ板の背面図である。
【図５】 他の実施例におけるカソード側導電性セパレータ板の正面図である。
【図６】 アノード側導電性セパレータ板の正面図である。
【図７】 さらに他の実施例におけるカソード側導電性セパレータ板の正面図である。
【図８】 さらに他の実施例におけるカソード側導電性セパレータ板の正面図である。
【図９】 さらに他の実施例におけるカソード側導電性セパレータ板の正面図である。
【図１０】 さらに他の実施例におけるカソード側導電性セパレータ板の正面図である。
【図１１】 比較例の導電性セパレータ板の正面図である。
【図１２】 比較例のカソード側導電性セパレータ板の正面図である。
【図１３】 他の比較例のカソード側導電性セパレータ板の正面図である。
【図１４】 さらに他の比較例のカソード側導電性セパレータ板の正面図である。
Claims (11)
- 水素イオン伝導性高分子電解質膜と、前記水素イオン伝導性高分子電解質膜を挟むアノードおよびカソードと、前記アノードに燃料ガスを供給するガス流路を有するアノード側導電性セパレータ板と、前記カソードに酸化剤ガスを供給するガス流路を有するカソード側導電性セパレータ板とを具備し、前記アノード側およびカソード側導電性セパレータ板は、それぞれそれらのアノードおよびカソードと接触する部位が、長辺が短辺の２倍以上６倍以下の長さを有する略長方形状であり、前記長方形の一方の短辺側に酸化剤ガスの入口マニホールドが、他方の短辺側に酸化剤ガスの出口マニホールドがそれぞれセパレータ板を貫通した孔として形成され、前記カソード側導電性セパレータ板は、直線部が前記長辺方向に沿って形成された複数の酸化剤ガスの流路を有し、前記入口マニホールドおよび出口マニホールドの各々の開口部幅が、当該マニホールドに連なる前記ガス流路の幅の合計とほぼ同じかそれより大きく、前記アノード側およびカソード側導電性セパレ−タ板の燃料ガスおよび酸化剤ガスの流路を形成する溝は、幅１．５ｍｍ〜２．５ｍｍ、深さ０．４ｍｍ〜１ｍｍ、溝間のリブ部の幅０．５ｍｍ〜１．５ｍｍであることを特徴とする高分子電解質型燃料電池。
- 前記カソード側導電性セパレータ板は、裏面に、直線部が前記長方形の長辺に沿った冷却水の流路を有し、酸化剤ガスの前記ガス流路の直線部における流れ方向と冷却水の前記冷却水の流路の直線部における流れ方向とが、実質的に一致している請求項１記載の高分子電解質型燃料電池。
- 前記ガス流路または冷却水流路を形成する溝がセパレータ板の両面においてそれぞれ中央を横断しており、前記セパレータ板の一方の面に形成される溝と溝との間の凸部の中心線の位置と他方の面に形成される溝と溝との間の凸部の中心線の位置とが、不可避の部位を除いて、実質的に一致している請求項１記載の高分子電解質型燃料電池。
- 水素イオン伝導性高分子電解質膜と、前記水素イオン伝導性高分子電解質膜を挟むアノードおよびカソードと、前記アノードに燃料ガスを供給するガス流路を有するアノード側導電性セパレータ板と、前記カソードに酸化剤ガスを供給するガス流路を有するカソード側導電性セパレータ板とを具備し、前記アノード側およびカソード側導電性セパレータ板は、それぞれそれらのアノードおよびカソードと接触する部位が、長辺が短辺の２倍以上６倍以下の長さを有する略長方形状であり、前記長方形の一方の短辺側に酸化剤ガスの入口マニホールドが、他方の短辺側に酸化剤ガスの出口マニホールドがそれぞれセパレータ板を貫通した孔として形成され、前記カソード側導電性セパレータ板は、直線部が前記長辺方向に沿って形成された複数の酸化剤ガスの流路を有し、前記入口マニホールドおよび出口マニホールドの各々の開口部幅が、当該マニホールドに連なる前記ガス流路の幅の合計とほぼ同じかそれより大きく、前記カソード側導電性セパレータ板は、その長辺方向に沿い、かつ一方の短辺側から他方の短辺側に向かって、実質的に連続した直線状の、複数の酸化剤ガスの流路を有することを特徴とする高分子電解質型燃料電池。
- 前記アノード側およびカソード側導電性セパレ−タ板の燃料ガスおよび酸化剤ガスの流路を形成する溝は、幅１．５ｍｍ〜２．５ｍｍ、深さ０．４ｍｍ〜１ｍｍ、溝間のリブ部の幅０．５ｍｍ〜１．５ｍｍである請求項４記載の高分子電解質型燃料電池。
- 前記ガス流路または冷却水流路を形成する溝がセパレータ板の両面においてそれぞれ中央を横断しており、前記セパレータ板の一方の面に形成される溝と溝との間の凸部の中心線の位置と他方の面に形成される溝と溝との間の凸部の中心線の位置とが、不可避の部位を除いて、実質的に一致している請求項４記載の高分子電解質型燃料電池。
- 水素イオン伝導性高分子電解質膜と、前記水素イオン伝導性高分子電解質膜を挟むアノードおよびカソードと、前記アノードに燃料ガスを供給するガス流路を有するアノード側導電性セパレータ板と、前記カソードに酸化剤ガスを供給するガス流路 を有するカソード側導電性セパレータ板とを具備し、前記アノード側およびカソード側導電性セパレータ板は、それぞれそれらのアノードおよびカソードと接触する部位が、長辺が短辺の２倍以上６倍以下の長さを有する略長方形状であり、前記長方形の一方の短辺側に酸化剤ガスの入口マニホールドが、他方の短辺側に酸化剤ガスの出口マニホールドがそれぞれセパレータ板を貫通した孔として形成され、前記カソード側導電性セパレータ板は、直線部が前記長辺方向に沿って形成された複数の酸化剤ガスの流路を有し、前記入口マニホールドおよび出口マニホールドの各々の開口部幅が、当該マニホールドに連なる前記ガス流路の幅の合計とほぼ同じかそれより大きく、前記酸化剤ガスの流路は、カソード側導電性セパレータ板の長辺方向に沿った並行する複数の直線状のガス流路と折返し部となるターン部を有するサーペンタイン型構造を有し、前記ターン部は前記カソード側導電性セパレータ板の短辺近傍に位置し、前記カソード側導電性セパレータ板は、裏面に、前記長方形の長辺方向に沿った並行する複数の直線状の流路と折返し部となるターン部を有するサーペンタイン型構造の冷却水の流路を有し、冷却水の入口マニホールドおよび出口マニホールドはそれぞれ前記酸化剤ガスの入口マニホールドおよび出口マニホールドと同じく前記長方形の一方の短辺側および他方の短辺側に形成され、酸化剤ガスの前記ガス流路の直線部における流れ方向と冷却水の前記冷却水の流路の直線部における流れ方向とが、実質的に一致していることを特徴とする高分子電解質型燃料電池。
- 前記燃料ガスの流路は、アノード側導電性セパレータ板の長辺方向に沿った並行する複数の直線状のガス流路と折返し部となる少なくとも１つのターン部を有するサーペンタイン型構造を有し、前記ターン部は前記アノード側導電性セパレータ板の短辺近傍に位置する請求項７記載の高分子電解質型燃料電池。
- 前記酸化剤ガスの流路のターン部は２であり、前記燃料ガスの流路のターン部は２または４である請求項８記載の高分子電解質型燃料電池。
- 前記アノード側およびカソード側導電性セパレ−タ板の燃料ガスおよび酸化剤ガスの流路を形成する溝は、幅１．５ｍｍ〜２．５ｍｍ、深さ０．４ｍｍ〜１ｍｍ、溝間のリブ部の幅０．５ｍｍ〜１．５ｍｍである請求項７記載の高分子電解質型燃料電池。
- 前記ガス流路または冷却水流路を形成する溝がセパレータ板の両面においてそれぞれ中央を横断しており、前記セパレータ板の一方の面に形成される溝と溝との間の凸部の中心線の位置と他方の面に形成される溝と溝との間の凸部の中心線の位置とが、不可避の部位を除いて、実質的に一致している請求項７記載の高分子電解質型燃料電池。
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