JP4042241B2

JP4042241B2 - 燃料電池

Info

Publication number: JP4042241B2
Application number: JP36682698A
Authority: JP
Inventors: 秀雄前田; 久敏福本; 憲朗光田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1998-12-24
Filing date: 1998-12-24
Publication date: 2008-02-06
Anticipated expiration: 2018-12-24
Also published as: JP2000195536A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば電気自動車等で使用されるもので、電気化学的な反応を利用して発電する燃料電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は周知のように、電解質を介して一対の電極を接触させ、この一方の電極に燃料を、他方の電極に酸化剤を供給し、燃料の酸化を電池内で電気化学的に生じさせることにより化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する装置である。
燃料電池には電解質によりいくつかの型があるが、近年高出力の得られる燃料電池として、電解質に固体高分子電解質膜を用いた固体高分子型燃料電池が注目されている。燃料電極に水素ガスを、酸化剤電極に酸素ガスを供給し、外部回路より電流を取り出すとき、下記化学反応式で示されるような反応が生じる。
陰極反応：Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^- ・・・（１）
陽極反応：２Ｈ⁺＋２ｅ^-＋１／２Ｏ₂→Ｈ₂O ・・・（２）
このとき燃料電極上で水素はプロトンとなり、水を伴って電解質体中を酸化剤電極上まで移動し、酸化剤電極上で酸素と反応して水を生ずる。
【０００３】
図３は、特開平３―２０６７６３号公報（米国特許第５，１０８，８４９号）に示されている燃料電池における単セルの概念的な構成を説明するための断面図であり、図において、１、２は導電性のセパレータ板、３は酸化剤電極、４は燃料電極、５は例えばプロトン導電性の固体高分子を用いた電解質体であり、電解質体５、酸化剤電極３および燃料電極４により単セルを構成する。１０はセパレータ板１の一方の面に蛇腹溝状に複数個並行して形成され、上記酸化剤電極３に酸化剤として例えば酸素ガスを供給するための酸化剤流路、１１はセパレータ板２に蛇腹溝状に複数個並行して形成され、上記燃料電極４に燃料として例えば水素ガスを供給するための燃料流路である。
【０００４】
図４は、上記図３に示した従来の燃料電池におけるセパレータ板１の上面を示す説明図であり、以下図３を併用して説明する。
即ち、２０はセパレータ板１の主表面、２１はセパレータ板１における電極３を支持する電極支持部分、２２はセパレータ板１に形成され酸化剤として空気を供給する酸化剤供給口、２３は空気を排出するための酸化剤排出口、２４は燃料を供給する燃料供給口、２５は燃料を排出するための燃料排出口である。
なお、上記セパレータ板１、２においては、主表面を削って形成された溝と電極３、４に囲まれた空間によって酸化剤流路１０および燃料流路１１が構成されている。
【０００５】
以下、上記燃料電池の動作を上記図３および図４を用いて説明する。
セパレータ板１の空気供給口２２より供給された酸素ガスは、並行して走る複数の酸化剤流路１０を流れながら酸化剤電極３に供給され、一方、水素ガスは上記酸化剤と同様に、燃料流路１１より燃料電極４に供給される。このとき、酸化剤電極３と燃料電極４は電気的に外部に接続されているので、酸化剤電極３側では上記化学反応式（２）の反応が生じ、酸化剤流路１０を通って未反応の酸素ガスと水が燃料排出口２５に排出される。
また、このとき燃料電極４側では上記化学反応式（１）の反応が生じ、未反応の水素ガスは同様に燃料流路１１を通じて燃料排出口２５より排出されることとなる。この反応によって得られた電子は電極３、４から電極支持部分２１を経由してセパレータ板１、２を通って流れる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の燃料電池において、複数のセルを積層した積層体では、積層体内の一つのセルでも燃料欠乏が生じた場合、下記化学反応式（３）のように電極やセパレータ等の構成部材であるカーボンに腐食が生じ、致命的なダメージを受けて発電効率が極端に落ちてしまうという課題があった。
Ｃ＋２Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋４Ｈ⁺＋４ｅ^- ・・・（３）
【０００７】
そこで特開平５―５０２９７３号公報に示すように積層体内のセルをグループ化して電圧をモニターして、どこかのセルに異常（特異な電圧低下）がないかを監視して負荷やガス流量を制御するシステム構成が取られたりしている。
しかし、数１０ｋｗ級の発電を行う場合、積層数は数１００枚に及び数セル毎にグループ化しても測定点数は数１０点も必要となりコスト低減の障害になっていた。
【０００８】
本発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、安定した高電圧が得られ、小型軽量で大量生産が可能な燃料電池を得ることを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る第１の燃料電池は、電解質膜を燃料電極および酸化剤電極で狭持してなる単セルを、上記燃料電極に燃料を供給する燃料流路と上記酸化剤電極に酸化剤を供給する酸化剤流路とを備えたセパレータ板を介して、順次積層した積層体からなり、上記積層体にマーカー用の特異単セルを配置した燃料電池において、上記特異単セルの燃料電極の空隙率が他の単セルの燃料電極の空隙率と同等であって上記特異単セルの燃料電極の厚さを他の単セルの燃料電極の厚さより大きくして上記特異単セルの燃料電極のガス拡散能力を他の単セルの燃料電極より小さくしたものである。
【００１０】
本発明に係る第２の燃料電池は、電解質膜を燃料電極および酸化剤電極で狭持してなる単セルを、上記燃料電極に燃料を供給する燃料流路と上記酸化剤電極に酸化剤を供給する酸化剤流路とを備えたセパレータ板を介して、順次積層した積層体からなり、上記積層体にマーカー用の特異単セルを配置した燃料電池において、上記特異単セルの燃料電極の厚さが他の単セルの燃料電極の厚さと同等であって上記特異単セルの燃料電極の空隙率を他の単セルの燃料電極の空隙率より小さくして上記特異単セルの燃料電極のガス拡散能力を他の単セルの燃料電極より小さくしたものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態の燃料電池は、電解質膜を燃料電極および酸化剤電極で狭持してなる単セルをセパレータ板を介して順次積層した積層体を用いたものである。
しかも、上記単セルの内の一部の特性変化を他の大部分の特性変化よりも、速くまたは大きくして、マーカー用の特異単セルとして積層体に配置したもので、上記特異単セルの特性を測定点とすることにより、少ない測定点数で効果的にセルの状態を把握し、事故セルへのダメージを防止でき、小型軽量でコストが低く、安定して効率の高い運転を行うことができる。
【００１４】
参考例の燃料電池としては、特異単セルに燃料を供給するセパレータ板の燃料流路の圧力損失を、他のセパレータ板の燃料流路の圧力損失より大きくしたものである。
負荷に対して燃料が不足した場合等に、積層体の中で圧力損失の高い上記燃料流路への供給量が他の燃料流路よりも速く減少するので、上記圧力損失の高い燃料流路から供給される単セル（特異単セル）の特性が真っ先に大きく低下し、特異単セルの特性を急落させないように負荷や燃料の供給量を制御することにより、安定して効率の高い運転を行うことができる。
【００１５】
参考例の燃料電池としては、特異単セルに燃料を供給するセパレータ板の燃料流路の撥水性を、他のセパレータ板の燃料流路の撥水性より小さくしたもので、例えば流路のコーティング材料を変化させることにより達成することができる。
負荷に対して燃料が不足した場合等に、撥水性を小さくした上記燃料流路は水滴等が早く滞留するので上記撥水性を小さくした燃料流路への供給量が他の燃料流路よりも速く減少するので、上記燃料流路から供給される単セル（特異単セル）の特性が真っ先に大きく低下し、特異単セルの特性を急落させないように負荷や燃料の供給量を制御することにより、安定して効率の高い運転を行うことができる。
【００１６】
本発明の実施の形態の燃料電池は、特異単セルの燃料電極の拡散能力を他の単セルの燃料電極の拡散能力より小さくしたもので、例えば燃料電極の厚さを大きくしたり、燃料電極の空隙率を小さくすることにより達成することができる。
負荷に対して燃料が不足した場合等に、特異単セルの電極反応部への燃料の拡散による到達量が他の単セルよりも速く減少し、特異単セルへの特性が真っ先に大きく低下するので、上記特異単セルの特性を急落させないように負荷やガス供給量を制御することにより、安定して効率の高い運転を行うことができる。
【００１７】
【実施例】
参考例１．
図１は、本発明の参考例の燃料電池に係わる積層体の構成図であり、図中７１は積層体、７２，７３は電流を外部回路へ取り出すための接続部で、Ｎｏ．を付した数字は積層した単セル７４を図中下から順に数えて付した単セルの番号であり、図１に示す積層体のセル積層数は１６０枚であり、電気的には全て直列に接続されている。
上記各単セル間に介在するセパレータ板において、大部分のセパレータ板（通常のセパレータ板）に設けた燃料流路の幅は１．２ｍｍ（深さ０．８ｍｍ）で製作しているが、特異単セル（Ｎｏ．３０，Ｎｏ．１２０）に供給するセパレータ板の燃料流路の幅を１．１ｍｍ（深さ０．８ｍｍ）とした。
【００１８】
次に動作について説明する。図２は、本発明の参考例の燃料電池を構成する電池のセル電圧の燃料利用率依存性を示す特性図であり、ａが特異単セル（Ｎｏ．３０）の結果、ｂ〜ｅが、各々通常セパレータ板から供給される単セル（Ｎｏ．５，Ｎｏ．４０，Ｎｏ．８０，Ｎｏ．１４０）の特性である。
図から、通常のセパレータ板から供給される単セルでは燃料利用率が８０％を超えたあたりからゆるやかに特性が低下するが、特異単セル（Ｎｏ．３０）は燃料利用率が７５％を超えたあたりから特性が急落し、８０％以上では２００〜３００ｍＶも特性が低下した。利用率が７０％以下の場合にはむしろ特異単セルの特性のほうが高くなっているのは、ガス流速が速くなった分、拡散性能が向上したためである。しかし、利用率が高くなった場合に特異単セルの特性の低下が急なのは、上記単セル内に流入する燃料流量が他の単セルよりも少なくなって、実質燃料利用率が９０％近くにまで達したからである。
【００１９】
そこで、特異単セル（Ｎｏ．３０，Ｎｏ．１２０）のセル電圧のみをモニターし、特異単セルのセル電圧が０．３Ｖを下回らないように負荷やガス供給量を調節したところ、他の１５８枚の単セルの特性は全て０．５５Ｖ以上を維持することができ、燃料欠乏による致命的なダメージを防止することができた。
【００２０】
特異単セルに供給するセパレータ板の燃料流路の圧力損失を他の大部分のセパレータ板の燃料流路よりも２０％を超えて高くした場合、全体的な燃料利用率を７０％にした場合、特異単セル内での燃料利用率は８０％以上になり、特性が低下して継続的な運転は不可能となった。また、圧力損失の増加分を５％未満にして燃料流量を上げ下げしながら運転した場合、特異単セル以外の他の大部分の単セルのうちの一部の特性の低下のほうが大きい場合が１００回のサイクル中１．５回程度発生し、特異単セルのみでの監視が困難になった。特異単セルに供給するセパレータ板の燃料流路の圧力増大分はその他の大部分のセパレータ板の５〜２０％の範囲で行う必要がある。また、１０％プラスマイナス２％程度が好ましい。
【００２１】
参考例２．
参考例１において、大部分のセパレータ板（通常のセパレータ板）の燃料流路面の被覆をＦＥＰ（四フッ化エチレン六フッ化プロピレン共重合体）でおこない水との接触角を１００°とし、特異単セル（Ｎｏ．３０，Ｎｏ．１２０）に供給するセパレータ板の燃料流路面の被覆をＦＥＰ変性体（ＦＥＰにおける四フッ化エチレンと六フッ化プロピレンの割合を調整）でおこない水との接触角を９２°とする他は実施例１と同様にして積層体を得た。
上記被覆剤を用いて各流路を被覆しているので、特異単セル（Ｎｏ．３０，Ｎｏ．１２０）に燃料を供給する燃料流路の撥水性が他の大部分のセパレータ板の燃料流路より小さくなり、水滴が早く滞留するので、燃料の供給が他より早く減少し、特異単セルの特性が急落した。
【００２２】
そこで、特異単セル（Ｎｏ．３０，Ｎｏ．１２０）のセル電圧のみをモニターし、特異単セルのセル電圧が０．３Ｖを下回らないように負荷やガス供給量を調節したところ、他の１５８枚のセルの特性は全て０．５５Ｖ以上を維持することができ、燃料欠乏による致命的なダメージを防止することができた。
【００２３】
実施例１．
参考例１において、大部分の単セルの燃料電極の厚さを０．２ｍｍとし、特異単セル（Ｎｏ．３０，Ｎｏ．１２０）の燃料電極の厚さを０．３ｍｍとする他は参考例１と同様にして積層体を得た。なお、燃料電極は例えばカーボンクロスを用いることにより、容易に上記の厚さを得ることができる。
特異単セルの燃料電極の厚さが他の大部分の単セルの燃料電極の厚さより大きいので、上記特異単セルの電極反応部への燃料の到達量が遅いので、燃料の供給が他より速く減少し、その特性が早く低下した。
【００２４】
そこで、特異単セル（Ｎｏ．３０，Ｎｏ．１２０）のセル電圧のみをモニターし、特異単セルのセル電圧が０．３Ｖを下回らないように負荷やガス供給量を調節したところ、他の１５８枚の単セルの特性は全て０．５５Ｖ以上を維持することができ、燃料欠乏による致命的なダメージを防止することができた。
【００２５】
また、上記燃料電極の空隙率を大部分の単セルの燃料電極は８０％とし、特異単セル（Ｎｏ．３０，Ｎｏ．１２０）の燃料電極の空隙率を６８％としても同様の効果が得られる。
【００２６】
【発明の効果】
本発明の第１の燃料電池は、電解質膜を燃料電極および酸化剤電極で狭持してなる単セルを、上記燃料電極に燃料を供給する燃料流路と上記酸化剤電極に酸化剤を供給する酸化剤流路とを備えたセパレータ板を介して、順次積層した積層体からなり、上記積層体にマーカー用の特異単セルを配置した燃料電池において、上記特異単セルの燃料電極の空隙率が他の単セルの燃料電極の空隙率と同等であって上記特異単セルの燃料電極の厚さを他の単セルの燃料電極の厚さより大きくして上記特異単セルの燃料電極のガス拡散能力を他の単セルの燃料電極より小さくしたので、安定して効率の高い運転ができ、小型軽量で事故やセルへのダメージを防止することができる。
【００２７】
本発明の第２の燃料電池は、電解質膜を燃料電極および酸化剤電極で狭持してなる単セルを、上記燃料電極に燃料を供給する燃料流路と上記酸化剤電極に酸化剤を供給する酸化剤流路とを備えたセパレータ板を介して、順次積層した積層体からなり、上記積層体にマーカー用の特異単セルを配置した燃料電池において、上記特異単セルの燃料電極の厚さが他の単セルの燃料電極の厚さと同等であって上記特異単セルの燃料電極の空隙率を他の単セルの燃料電極の空隙率より小さくして上記特異単セルの燃料電極のガス拡散能力を他の単セルの燃料電極より小さくしたもので、安定して効率の高い運転ができ、小型軽量で事故やセルへのダメージを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の参考例の燃料電池に係わる積層体の構成図である。
【図２】本発明の参考例の燃料電池を構成する電池のセル電圧の燃料利用率依存性を示す特性図である。
【図３】従来の燃料電池における単セルの概念的な構成を説明するための断面図である。
【図４】従来の燃料電池におけるセパレータ板の上面を示す説明図である。
【符号の説明】
１，２セパレータ板、３酸化剤電極、４燃料電極、５電解質膜、１０酸化剤流路、１１燃料流路、２２酸化剤供給口、２３酸化剤排出口、２４燃料供給口、２５燃料排出口、７１積層体、７４単セル。

Claims

電解質膜を燃料電極および酸化剤電極で狭持してなる単セルを、上記燃料電極に燃料を供給する燃料流路と上記酸化剤電極に酸化剤を供給する酸化剤流路とを備えたセパレータ板を介して、順次積層した積層体からなり、上記積層体にマーカー用の特異単セルを配置した燃料電池において、上記特異単セルの燃料電極の空隙率が他の単セルの燃料電極の空隙率と同等であって上記特異単セルの燃料電極の厚さを他の単セルの燃料電極の厚さより大きくして上記特異単セルの燃料電極のガス拡散能力が他の単セルの燃料電極より小さいことを特徴とする燃料電池。
電解質膜を燃料電極および酸化剤電極で狭持してなる単セルを、上記燃料電極に燃料を供給する燃料流路と上記酸化剤電極に酸化剤を供給する酸化剤流路とを備えたセパレータ板を介して、順次積層した積層体からなり、上記積層体にマーカー用の特異単セルを配置した燃料電池において、上記特異単セルの燃料電極の厚さが他の単セルの燃料電極の厚さと同等であって上記特異単セルの燃料電極の空隙率を他の単セルの燃料電極の空隙率より小さくして上記特異単セルの燃料電極のガス拡散能力が他の単セルの燃料電極より小さいことを特徴とする燃料電池。