JP4232286B2

JP4232286B2 - 燃料電池

Info

Publication number: JP4232286B2
Application number: JP24966499A
Authority: JP
Inventors: 秀雄前田; 久敏福本; 浩司濱野; 憲朗光田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1999-09-03
Filing date: 1999-09-03
Publication date: 2009-03-04
Anticipated expiration: 2019-09-03
Also published as: JP2001076746A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気化学的な反応を利用して発電する例えば電気自動車等で使用される燃料電池に関するものである。
本明細書では、特に固体高分子型燃料電地について記述しているが、リン酸型燃料電池にも適用することができる。
【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有し、この電極の一方に燃料を、他方の電極に酸化剤を供給し、燃料と酸化剤とを電池内で電気化学的に反応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。例えば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に下記化学反応式（１）および（２）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^-＋（１／２）Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ・・（２）
【０００３】
この反応が生じるとき、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。従って、上記のような燃料電池の運転には、反応ガスの供給と排出、電流の取り出しが必要となる。
【０００４】
燃料電池から電流を取り出すとともに、ガスと水を効率よく流通させるセパレータ板が、例えば特開昭５８―１６１２７０号公報、特開昭５８―１６１２６９号公報および特開平３―２０６７６３号公報に示されている。
図３は、特開平３―２０６７６３号公報に示されている燃料電池における単位電池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６を構成する。
【０００５】
図４は、上記図３に示した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２０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それぞれ酸化剤流路１０および燃料流路１１が構成される。
【０００６】
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の酸化剤供給口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を通って酸化剤電極３に供給され、一方、水素ガスは、上記酸化剤と同様に、燃料ガス流路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は電気的に外部で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、酸化剤ガス流路１０を通って未反応ガスと水が酸化剤排出口２３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、未反応ガスは同様に燃料ガス流路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。
【０００７】
酸化剤流路１０は、図４に示したように、セパレータ板１の一方の面にその断面が蛇腹状に形成され、並行する複数の溝になっている。また、燃料ガス流路１１も酸化剤流路１０と同様、複数の溝になっている。
上記燃料電池では、ガス流路を蛇腹型にして長くとることにより、ガス流速を増加させて境膜を薄くすることにより、反応に必要なガスの拡散を促進するとともに、酸化剤電極で発生した水を効率よく排出させている。
【０００８】
また、特開昭６２―４０１６９号公報に示すセパレータ板の斜視図である図５に示すように、領域を完全に分割して蛇腹流路を構成させる工夫も見られた。なお、図中、７はガス分離板、８、８ａは溝、９、９ａはリブである。この方法では、ひとつの流体の入口及び出口がセパレータ板の一つの辺長のほぼ全域を独占することになり、他の流体の取り合いが困難になる欠点があった。
【０００９】
また、ＷＯ９６／２０５１０に示すセパレータ板の斜視図である図６のように並行流路を単純に折り返す流路も考えられている。なお、図中、７１は空気流路、７２は燃料供給口、７３は空気供給口、７４は空気排出口、７５は燃料排出口である。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上記の説明の通り、従来のセパレータ板ではガス流速を速くして生成した水を排出できるように工夫していた。
しかし、流路群とこの流路群に隣接する折り返した流路群との間でガスがスリップして有効に利用できないという欠点があった。
【００１１】
本発明はかかる課題を解消するためになされたもので、ガスのスリップが防止され、大量生産が可能な高電圧・高出力の燃料電池を得ることを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る燃料電池は、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と、上記燃料電極に燃料流体を供給し、並行した複数の溝からなる燃料並行流路群および上記酸化剤電極に酸化剤流体を供給し、並行した複数の溝からなる酸化剤並行流路群が折り返して走行するセパレータ板とを、順次積層した積層体からなる燃料電池において、上記並行流路群内の溝間の畝幅より、隣接する並行流路群間の畝幅が大であるとともに、前記隣接する並行流路群間の畝幅を、折り返し部からの距離が大きくなる程大きくなるように前記折り返し部では前記隣接する並行流路群内の畝幅の１．３倍とし、次の折り返し部では前記隣接する並行流路群内の畝幅の２．０倍としたものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
参考の形態１．図１は本発明の第１の参考の形態の燃料電池に用いるセパレータ板の燃料流路面の平面図であり、図中２はセパレータ板、２６は燃料供給口、２７は燃料排出口、４１はセパレータ板２の主表面、４２は電極支持部、４３ａ〜ｉは燃料を供給する並行した溝で、単セルと積層した時に燃料を流すガス流路を形成するための燃料流路で、９本の燃料流路で燃料並行流路群として走行し、４４は並行流路群内の溝間の畝、４５は折り返して走行する並行流路群間の畝である。即ち、燃料供給口２６から導かれた９本の溝は幅１.２ｍｍで、９本の溝間の畝４４の幅は１.０mmで、９本の溝が折り返して走行する並行流路群間の畝４５の幅は１．７ｍｍと並行流路群内の畝幅よりも７０％広くした。
【００１５】
次に動作を、図３を併用して説明する。並行流路の溝にメタノール改質ガス（水素７５％、炭酸ガス２５％）を供給し、燃料電池を運転すると燃料流路１１を流れる燃料は燃料電極４のガス拡散層を伝わって燃料電極触媒まで到達し、化学反応式（１）の反応を生じる。この時、畝幅が広すぎると畝の中央部に相当する電極部へのガスの拡散が阻害されるので、本参考の形態のように１mm程度の畝幅が適当である。しかし、これは畝の両側の流路間にガスの圧力差が無い場合の仕様であり、圧力差がある場合には、つまり並行流路群が折り返して向かいあっている場合は、圧力差によりガスが溝内を通らずに畝と接するガス拡散層をスリップして通り抜ける量が増加する。従って、並行流路群間の畝４５の幅を並行流路群内の畝４４と同じ１．０mmにしたところ、燃料利用率を８０％以上に増加させると有効にガスが利用できない部分が生じて急激に特性が低下したが、本参考の形態のように並行流路群間の畝４５の幅を１.７ｍｍにしたところ、燃料利用率を８２％まで増大させても特性低下は燃料利用率７５％の時より４０ｍＶ低下しただけで収まり、高い特性を維持できるようになった。
【００１６】
実施の形態２．
本発明の第２の実施の形態の燃料電池に用いるセパレータ板の燃料流路面の平面図であり、図１において、並行流路群を折り返した際の、並行流路群間の畝幅を折り返し部からの距離の増大に伴って太くし、畝幅に傾斜を設けたものである。ここでは、図２に示すように畝４５を折り返し部ａ，ｂ，ｃ，ｄでは並行流路群間の畝４４より少し幅広の１.３mmとし、次の折り返し点である対辺側ｅ，ｆ，ｇ，ｈでの幅を２．０mmと１．３〜２．０倍まで傾斜させた。
この場合、燃料利用率を８４％まで増大させることが可能になり、特性が安定すると共に、ガス流量の急変による燃料欠乏による電池のダメージを受ける危険性を大幅に低減することができた。
【００１７】
つまり、隣接する溝間の圧力差は、流量を一定とすると流路長さに比例する。従って、折り返し部（ａ，ｂ，ｃ，ｄ）での圧力差は小さいが、対辺側（ｅ，ｆ，ｇ，ｈ）では圧力差は最大となるので、並行流路群間でのガスのスリップを防止するには、上記のように並行流路群間の畝幅に傾斜を設けることが有効である。
【００１８】
上記実施の形態ではセパレータ板をカーボン含有の熱可塑性樹脂で成形したが、フェノール樹脂のような熱硬化性樹脂でもよい。
【００１９】
【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と、上記燃料電極に燃料流体を供給し、並行した複数の溝からなる燃料並行流路群および上記酸化剤電極に酸化剤流体を供給し、並行した複数の溝からなる酸化剤並行流路群が折り返して走行するセパレータ板とを、順次積層した積層体からなる燃料電池において、上記並行流路群内の溝間の畝幅より、隣接する並行流路群間の畝幅が大のものであるとともに、隣接する並行流路群間の畝幅を、折り返し部からの距離が大きくなる程大きくなるように前記折り返し部では前記隣接する並行流路群内の畝幅の１．３倍とし、次の折り返し部では前記隣接する並行流路群内の畝幅の２．０倍としたもので、セパレータ流路内でのガスのスリップが減少し、ガスを有効に利用して高効率な運転ができるとともに、さらにセパレータ流路内でのガスのスリップが減少し、さらにガスを有効に利用して高効率な運転ができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の参考の形態の燃料電池に用いるセパレータ板の燃料流路面の平面図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態の燃料電池に用いるセパレータ板の燃料流路面の平面図である。
【図３】従来の燃料電池における単位電池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。
【図５】従来のセパレータ板の構成を示す斜視図である。
【図６】従来のセパレータ板の構成を示す斜視図である。
【符号の説明】
２セパレータ板、２６燃料供給口、２５燃料排出口、４１セパレータ主表面、４２電極支持部、４３燃料流路、４４並行流路群内の畝、４５並行流路群間の畝。

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と、上記燃料電極に燃料流体を供給し、並行した複数の溝からなる燃料並行流路群および上記酸化剤電極に酸化剤流体を供給し、並行した複数の溝からなる酸化剤並行流路群が折り返して走行するセパレータ板とを、順次積層した積層体からなる燃料電池において、上記並行流路群内の溝間の畝幅より、隣接する並行流路群間の畝幅が大であるとともに、前記隣接する並行流路群間の畝幅を、折り返し部からの距離が大きくなる程大きくなるように前記折り返し部では前記隣接する並行流路群内の畝幅の１．３倍とし、次の折り返し部では前記隣接する並行流路群内の畝幅の２．０倍としたことを特徴とする燃料電池。