JP4340417B2 - Polymer electrolyte fuel cell - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ポータブル電源、電気自動車用電源、家庭用コージェネレーションシステム等に使用される固体高分子電解質を用いた燃料電池に関する。
【0002】
【従来の技術】
固体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で、電力と熱とを同時に発生させるものである。この燃料電池は、基本的には、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜、および電解質膜の両面に配置された一対の電極からなる。電極は、白金族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、およびこの触媒層の外面に形成された、通気性と電子導電性を併せ持つガス拡散層から構成される。
供給する燃料ガスおよび酸化剤ガスが外にリークしたり、二種類の反応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シール材やガスケットが配置される。このシール材やガスケットは、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するとともに、生成水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のが一般的である。
【0003】
セパレータ板のガス流路に燃料ガスまたは酸化剤ガスを供給するためには、燃料ガスまたは酸化剤ガスを供給する配管を、使用するセパレータ板の枚数に分岐し、その分岐先を直接セパレータ板の溝に連結する配管治具が必要となる。この治具をマニホールドと呼び、上記のような燃料ガスまたは酸化剤ガスの供給配管を直接溝に連結するタイプを外部マニホールドと呼ぶ。このマニホールドには、構造をより簡単にした内部マニホールドと呼ぶ形式のものがある。内部マニホールドとは、ガス流路を形成したセパレータ板に、貫通した孔を設け、ガス流路の出入口をこの孔に連結し、この孔から直接反応ガスを供給するものである。
これらのMEAとセパレータ板を交互に重ねて10〜200セル積層し、その積層体を、集電板と絶縁板を介して端板で挟み、両端板を締結ロッドで締め付けるのが一般的な積層電池の構造である。
【0004】
導電性セパレータ板とMEAとを積層した燃料電池の代表的な構造を図14に示す。高分子電解質膜2、並びにこれを挟むアノード3およびカソード4からなるMEA5がセパレータ板1と交互に積層されている。アノードおよびカソードは、電解質膜に接する触媒層と、セパレータ板に接するガス拡散層から構成される。セパレータ板1は、アノード3に燃料ガスを供給し、排出するためのガス流路6と、カソード4に酸化剤ガスを供給し、排出するためのガス流路7とを有する。セパレータ板1をカソード面側から見た正面図を図15に示す。図でXで表す一点鎖線で囲まれた領域が電極に接する。セパレータ板1には、酸化剤ガスの入り口側マニホールド孔8a、出口側マニホールド孔8b、および燃料ガスの入り口側マニホールド孔9a、出口側マニホールド孔9bが設けられている。酸化剤ガスの流路7は、マニホールド孔8aと8bとをつなぐ4本の並行する溝により形成されている。
【0005】
このような構成の燃料電池において、発電中の反応ガスはすべてセパレータ板表面に形成されたガス流路を流れるのではなく、MEAの最外部に位置する多孔質体のガス拡散層の中にもガスは流通する。この流れを伏流と呼ぶ。電池性能を安定して高く維持するためには、ガス流路におけるガスの流れと伏流のバランスを電極面積全体にわたって均一化させることが重要である。この伏流は、ガス拡散層の多孔度や厚さ、そこを流れるガス圧力によって、その流れ方が決まる。したがって、それらのばらつきによって、電極面内でガス供給に富んでいる部分と、不足している部分とが生じていた。そのため、電極面内で発電量の異なる部分が発生し、発電の集中する部分では電流密度が上昇するために電池電圧が低下するという問題があった。また、反応ガスを高加湿状態にして電池に供給すると、ガス供給が多くないガス流路で凝縮水や生成水が溜まってしまい、より発電量分布が生じるという問題があった。
【0006】
これらの問題は、図15に示されるように、ガス流路7が蛇行形状の場合に特に顕著である。そして、図15にYで表す、ハッチングが施されている領域で伏流が多くなり、この領域に発電が集中していた。したがって、その領域以外のマニホールド孔8aおよび8bの両方から遠い領域では、反応ガスが不足することとなる。そのため、特に高加湿状態の反応ガスを用いた場合、この領域に水が蓄積される。また、ガス流路が直線部とターン部からなる蛇行形状の場合、一つの流路における直線部の往路と復路に注目すると、その入口側と出口側におけるガス圧力差は、ターン部におけるそれより高いため、その一つの流路の往路と復路内においてもガス拡散層を流れる伏流量が異なることとなる。
【0007】
ガス流路が複数の溝で構成される場合、ガス入り口側からガス流路へのガス分配を均一に制御するのは困難である。上流側ではガス供給量が下流側に対して相対的に多いため、発電の性能差は生じない。しかし、下流側では上・中流側でガスが消費され、ガスの絶対量が減少するため、初期の分配量により大きな影響を受ける。つまり、ガス分配の悪い下流側では、ガス供給不足により、電池性能が低下する。さらに、燃料の枯渇になってしまうと、電極内のカーボンが溶出することによって電池性能の劣化を促進するという問題が生じる。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、以上のような問題を解決し、電極面内のガス流路内の流れと伏流との割合の均一化を図り、安定したガス供給を実現できるセパレータ板を提供する。
本発明は、そのようなセパレータ板を備えた高分子電解質型燃料電池を提供することを目的とする。
【0009】
【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、本発明は、水素イオン伝導性高分子電解質膜、前記水素イオン伝導性高分子電解質膜を挟む方形のカソード及びアノード、前記カソードに酸化剤ガスを供給・排出するガス流路を有するカソード側導電性セパレータ板、並びに前記アノードに燃料ガスを供給・排出するガス流路を有するアノード側導電性セパレータ板を具備し、前記カソードは、前記水素イオン伝導性高分子電解質膜側に配置される触媒層と、前記カソード側導電性セパレータ板側に配置されるガス拡散層とからなり、前記アノードは、前記水素イオン伝導性高分子電解質膜側に配置される触媒層と、前記アノード側導電性セパレータ板側に配置されるガス拡散層とからなり、前記カソード側導電性セパレータ板及びアノード側導電性セパレータ板の少なくとも一方が、前記ガス流路の入り口側および出口側に、前記電極に垂直な断面積を増加させたサブマニホールドを有し、前記ガス流路が、前記カソードおよび前記アノードの一辺に対してほぼ平行に延びる直線部と、ターン部とからなる蛇行形状を有し、前記サブマニホールドが、前記ガス流路の直線部にほぼ平行で、かつ前記カソード及び前記アノードの一辺とほぼ同じ長さで伸びており、前記ガス流路は、前記カソードまたはアノードに覆われ、前記サブマニホールドは、前記カソードもしくはアノードまたは前記カソードの前記ガス拡散層もしくは前記アノードの前記ガス拡散層に覆われていることを特徴とする高分子電解質型燃料電池に関する。このサブマニホールドによって、電極面内のガス供給の不均一性を解消して発電分布をなくし、安定した電池性能を確保する。
【0010】
本発明は、長期にわたる燃料電池の運転中の性能低下は、電極のガス拡散層内に徐々に蓄積され、偏在する凝縮水や生成水によって、ガス拡散層内のガス流れが狭い領域に限定され、他の部分は発電能力が低下することによるものであるという観点に立って、凝縮水や生成水が蓄積、偏在しにくい電池構造とするために、ガス拡散層内のガス流れに着目した。
本発明は、セパレータ板のガス流路が蛇行形状に形成された場合に特に有効であり、ガス流路の一部にガス流路方向の単位長さ当たりの容積を増加させたサブマニホールドを形成することによって、反応ガスを均一に電極に供給し、燃料電池の安定した運転を可能にすることを見いだしたことに基づいている。
【0011】
【発明の実施の形態】
本発明は、水素イオン伝導性高分子電解質膜、前記水素イオン伝導性高分子電解質膜を挟むカソード及びアノード、前記カソードに酸化剤ガスを供給・排出するガス流路を有するカソード側導電性セパレータ板、並びに前記アノードに燃料ガスを供給・排出するガス流路を有するアノード側導電性セパレータ板を具備し、前記カソード側導電性セパレータ板及びアノード側導電性セパレータ板の少なくとも一方が、前記ガス流路の入り口側および出口側に、前記電極に垂直な断面積を増加させたサブマニホールドを有する高分子電解質型燃料電池に関する。
【0012】
本発明の好ましい実施の形態において、前記ガス流路は、ほぼ平行に延びる直線部およびターン部からなる蛇行形状を有し、前記サブマニホールドが、前記ガス流路の直線部にほぼ平行に伸びている。この場合、前記サブマニホールドは、方形の電極の一辺に沿ってほぼその全長にわたる長さを有することが好ましい。
前記サブマニホールドは、前記ガス流路の入り口側および/または前記ガス流路の出口側にあることが好ましい。
前記セパレータ板は、前記ガス流路にガスを供給・排出する入り口側マニホールド孔および出口側マニホールド孔を具備し、入り口側のサブマニホールドの前記入り口側マニホールド孔との連結部または出口側のサブマニホールドの前記出口側マニホールド孔との連結部において、サブマニホールドの溝深さが最も深くなっているのが好ましい。
【0013】
本発明の他の好ましい実施の形態において、前記セパレータ板は、前記ガス流路にガスを供給・排出する入り口側マニホールド孔および出口側マニホールド孔を具備し、前記入り口側マニホールド孔または出口側マニホールド孔が前記サブマニホールドの機能を備えている。
さらに、前記ガス流路の中間部にサブマニホールドを有することが好ましい。
前記サブマニホールドがガスの入り口側よりガス出口側に多く配置されるのが好ましい。
前記サブマニホールドの断面積は、前記ガス流路の断面積の1.2倍以上3.0倍以下であるのが好ましい。
【0014】
前記セパレータ板は、前記ガス流路にガスを供給・排出する入り口側マニホールド孔および出口側マニホールド孔を具備し、前記マニホールド孔の断面積S1と前記サブマニホールドの断面積S2の関係が、S1/100<S2<S1/25を満足するのが好ましい。
【0015】
本発明のさらに他の好ましい実施の形態において、ガス入り口側および出口側に互いに平行に延びた入り口側サブマニホールドおよび出口側サブマニホールド、並びに両サブマニホールドを連絡する複数のガス流路を具備し、各ガス流路が蛇行形状を有し、かつ各ガス流路で囲われる領域がそれぞれ独立している。
前記の各ガス流路は、前記サブマニホールドに対して傾斜した直線部と直線部を繋ぐターン部からなる蛇行形状であるのが好ましい。
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。
【0016】
実施の形態1
本実施の形態のセパレータ板を図1に示す。セパレータ板11は、例えば等方性黒鉛板を機械加工により形成したもので、酸化剤ガスの入り口側マニホールド孔12aおよび出口側マニホールド孔12b、燃料ガスの入り口側マニホールド孔13aおよび出口側マニホールド孔13b、並びにマニホールド孔12aと12bを連絡するガス流路17を有する。ガス流路17は、並行する4本の溝で構成されている。そして、ガス流路17のマニホールド孔12aおよび12bと繋がる部分は、サブマニホールド18aおよび18bを形成している。サブマニホールド18aおよび18bは、ガス流路17を形成する溝に比べて、電極面に垂直な断面積を大きくしてある。図示の例では、サブマニホールド18aおよび18bの幅がガス流路17の溝の幅より大きい。溝の幅を大きくする代わりに溝の深さを大きくしても良いし、溝の幅及び深さをともに大きくしても良い。
【0017】
図の一点鎖線15で囲まれた部分がカソードに接する部分である。ここに示す電極は長方形であり、サブマニホールド18aおよび18bは、それぞれ電極の短辺側に対応する位置に、電極の長手方向に沿って伸びている。ここに示したガス流路17は、電極の長手方向に沿って伸びる直線部とこれにほぼ垂直なターン部とからなっている。セパレータ板11は、一方の面に酸化剤ガスの流路17を、他方の面に流路17と同様の燃料ガスの流路をそれぞれ有し、カソード側セパレータ板とアノード側セパレータ板を兼ねている。図1の裏面の燃料ガスの流路においても、表側と同様にサブマニホールドを有している。
【0018】
上記のように、本実施の形態のセパレータ板11は、電極の長手方向に沿って延びる直線状の往路と復路からなる蛇行状のガス流路17を有し、その入り口側および出口側には、電極のほぼ全長に沿う長さを有する、断面積の大きなサブマニホールド18aおよび18bを有する。これらサブマニホールドにおいて、ガス圧力は等圧になるので、電極面内のガス流路17内の流れと電極のガス拡散層を流れる伏流との割合が均一化され、安定したガス供給を実現できる。
【0019】
図2は、図1の変形例を示す。セパレータ板21は、ガス流路27の入り口側および出口側にサブマニホールド28aおよび28bを有する。これらのサブマニホールドは、一点鎖線25で示す電極触媒層の外側に設けられている。ただし、電極のガス拡散層の部分は、サブマニホールド28aおよび28bを覆う大きさを有する。サブマニホールド28aおよび28bとマニホールド孔12aおよび12bを繋ぐ部分29aおよび29bは、4本の溝で構成されている。このように、サブマニホールドが電極触媒層の外側に配置されていても効果は変わらない。
【0020】
実施の形態2
本実施の形態のセパレータ板を図3に示す。実施の形態1では、ガス流路17の入り口側および出口側にのみサブマニホールドを設けたが、ここに示すセパレータ板31は、ガス流路17の中程にさらにサブマニホールド18cを有する。サブマニホールド18cは、その始端がガス流路17の上流側に接続され、終端がガス流路の下流側に接続されている。
ガス流路17の中間部にサブマニホールドを形成すると、電極のガス拡散層内の伏流の均一化を図ることができる。また、ガスの利用率が高くなると、ガス流量の減少により下流側でガス分配の影響を受けやすい。ガス流路の中間部にサブマニホールドを有すると、入り口側サブマニホールドから分配されたガスが出口側サブマニホールドに辿り着くまでに、中間のサブマニホールドに一度集約され、ガスの再分配が行われる。そのため、下流側でのガス不足の危険性を回避することができる。
図4のセパレータ板41は、ガス流路の中間部に、2個のサブマニホールド18cおよび18dを設けた例である。ガス流路の中間部に複数のサブマニホールドを設置する場合は、下流側にその設置割合を大きくするのが好ましい。
【0021】
実施の形態3
本実施の形態のセパレータ板を図5に示す。このセパレータ板51は、入り口側および出口側のサブマニホールド58aおよび58bの幅を先の実施の形態のものより大きくした例である。サブマニホールドを構成する溝の幅を大きくすると、セパレータ板の加重を電極に加えることができなくなる。そこで、サブマニホールド内に、複数のリブ59を設けた。
【0022】
実施の形態4
本実施の形態のセパレータ板を図6に示す。このセパレータ板61は、電極の短辺側に設けた入り口側サブマニホールド68aと出口側サブマニホールド68bとを3本のガス流路67で連絡している。先の実施の形態においては、各ガス流路が、電極の長手方向に沿って延びる往路と復路からなり、往路および復路においてそれぞれ並行する形態である。セパレータ板61では、各ガス流路67のカバーする領域がほぼ独立した形態をとっている。図6では、ガス流路67は、サブマニホールドに対して傾斜したジグザグ形状である。
図7は変形例を示す。このセパレータ板71は、サブマニホールド78aと78bとを3本のガス流路77で連絡している。各ガス流路77は、往路と復路がサブマニホールドと平行である。
【0023】
電極のガス拡散層内の伏流をより均一にさせるために、ガス流路を複数本形成し、それぞれ独立した流路域に設計する場合、それぞれのガス流路を直線状にするのが容易である。しかし、そうすると、電極の短手方向に対する長手方向の比をある程度確保しないとガス流路での圧力損失を得ることは難しい。そこで、各ガス流路を蛇行形状にすることによって、電極が正方形に近い形であっても所定の圧力損失を確保することが可能となる。
このように、蛇行したガス流路を複数本形成し、ガス流路で囲われた領域をそれぞれ独立させることによって、蛇行部分の往路と復路の長さが短くなり、両流路間の伏流の差を極力低減することができる。その際、ガス流路を、図6に示すように、サブマニホールドに対して傾斜した直線部と直線部を繋ぐターン部からなる蛇行形状にすると、往路と復路によって挟まれたガス拡散層での伏流量を均一にすることが可能となる。
【0024】
参考の形態
本実施の形態のセパレータ板を図8に示す。このセパレータ板81は、電極の対向する2辺に対応させて酸化剤ガスの入り口側マニホールド孔82aおよび82bを設け、マニホールド孔82aの図右側の端部からマニホールド孔82bの左側端部を並行する4本のガス流路87で連絡している。83aは燃料ガスの入り口側マニホールド孔、83bは出口側マニホールド孔を表す。このセパレータ板は、冷却水の入り口側マニホールド孔84aおよび出口側マニホールド孔84bを有する。
本実施の形態では、入り口側マニホールド孔82aおよび出口側マニホールド孔82bがサブマニホールドを兼用している。入り口側マニホールド孔82aおよび出口側マニホールド孔82bは、各セルに連続しているから、電極のガス拡散層は、これのマニホールド孔の壁面の露出し、そこに伏流が出入りする。入り口側マニホールド孔および出口側マニホールド孔の形状に制限がない場合は、本実施の形態のようにすることによって、より単純にサブマニホールドの効果を利用することが可能となる。
【0025】
実施の形態
本実施の形態のセパレータ板を図9に示す。このセパレータ板91は、酸化剤ガスの入り口側マニホールド孔92aおよび出口側マニホールド孔92b、燃料ガスの入り口側マニホールド孔93aおよび出口側マニホールド孔93b、並びに冷却水の入り口側マニホールド孔94aおよび出口側マニホールド孔94bを有する。マニホールド孔92aおよびマニホールド孔92bは、サブマニホールド98aおよび98b、両サブマニホールドを連絡する4本の並行する蛇行形状のガス流路97により連絡されている。
【0026】
実施の形態
本実施の形態のセパレータ板を図10に示す。このセパレータ板101は、酸化剤ガスの入り口側マニホールド孔102aおよび出口側マニホールド孔102b、燃料ガスの入り口側マニホールド孔103aおよび出口側マニホールド孔103b、並びに冷却水の入り口側マニホールド孔104aおよび出口側マニホールド孔104bを有する。マニホールド孔102aおよびマニホールド孔102bは、サブマニホールド108aおよび108b、両サブマニホールドを連絡する4本の並行する蛇行形状のガス流路107により連絡されている。この例では、ガス流路107の中間部にサブマニホールド108cを有する。
【0027】
実施の形態1〜4および参考の形態1では、一方の面に酸化剤ガスの流路を有し、他方の面に燃料ガスの流路を有するセパレータ板、すなわちカソード側セパレータ板とアノード側セパレータ板を兼ねるものについて説明した。そして、ガス流路およびサブマニホールドは、酸化剤ガス側について示した。しかし、燃料ガス側にも同様に適用できることは明らかである。また、冷却水のマニホールド孔を有するセパレータ板にも適用できることはいうまでもない。
以上においては、セパレータ板にマニホールド孔を設けた内部マニホールドタイプについて説明したが、本発明は外部マニホールドタイプにも同様に適用することができる。
【0028】
【実施例】
実施例1
アセチレンブラック系カ−ボン粉末に、平均粒径約30Åの白金粒子を25重量%担持して電極触媒とした。この触媒粉末をイソプロピルアルコールに分散させた。また、パーフルオロカーボンスルホン酸の粉末をエチルアルコールに分散させた。これら2種の分散液を混合して電極用ペーストを得た。一方、厚さ300μmのカーボンペーパーをポリテトラフルオロエチレン(PTFE)の水性ディスパージョンに浸し、乾燥処理を行うことで撥水性のガス拡散層を得た。このガス拡散層の片面に前記電極用ペーストを塗布・乾燥することで触媒層を形成した。
上記のようにして作製した一対の電極で、触媒層を内側にして、高分子電解質膜を挟み、110℃の温度で30秒間ホットプレスすることにより、電解質膜−電極接合体(MEA)を作製した。ここでは高分子電解質膜として、パーフルオロカーボンスルホン酸を50μmの厚さに薄膜化したもの(デュポン社製ナフィオン)を用いた。
ガス拡散層としては、上述のカーボンペーパーの他にも、可撓性を有する素材としてカーボン繊維を織ったカーボンクロス、カーボン繊維とカーボン粉末を混合し、有機バインダーを加えて成型したカーボンフェルトなどを用いることもできる。
【0029】
導電性セパレータ板は、厚さ3mmの等方性黒鉛板を機械加工によって、図1に示すようなガス流路を形成した。ガス流路17は、幅0.7mm、深さ0.3mmの並行する4本の溝で構成した。サブマニホールド18aおよび18bは、入り口側マニホールド12aおよび出口側マニホールド12bに直接繋がる部分に設けた。サブマニホールドは、溝幅が1.2mm、深さを1.2mmとした。したがって、ガス流路17に対するサブマニホールドの断面積比は約1.7倍であり、1.2倍以上3.0倍以下という条件を満足している。また、マニホールド孔12aの断面積S1が100mm2であるため、サブマニホールドの断面積をS2とすると、S1/100<S2<S1/25を満足している。
【0030】
上記の導電性セパレータ板とMEAとを交互に積層して50セルが直列に接続されたセル積層体を組み立てた。このセル積層体を集電板と絶縁板を介してステンレス鋼製の端板で挟み、両端板を締結ロッドで、10kgf/cm2の圧力で締結した。
比較例の電池は、図15のようにマニホールド8aから8bに至る全領域を本実施例のガス流路17と同様の構成とした他はすべて本実施例の条件と同一とした。
これら本実施例と比較例の電池を、85℃に保持し、アノード側に83℃の露点となるよう加湿・加温した燃料ガスを、カソード側に78℃の露点となるように加湿・加温した空気をそれぞれ供給した。そして酸素利用率30%、燃料利用率70%で電流−電圧特性を調べた。その結果を図11に示す。また、電流密度0.3A/cm2において連続発電試験を行った。その結果を図12に示す。
【0031】
図11において、本実施例の電池は、低電流密度の領域では、その優位性は少しだけしか見られないが、高電流密度ではサブマニホールドを有する効果が現れ、より良好な電池性能を示した。これは次のように考えられる。
高電流密度領域では、反応ガスの拡散性が電池性能を最も支配するものであり、電極面全体において均一なガス供給が必要となる。電極のガス拡散層内をガスが流れる伏流は、ガス圧力に支配される。本実施例の電池では、サブマニホールドによって、電極面のガス入り口側および出口側において、ガス圧力が等圧となる領域が広範囲にわたって確保されている。このため、伏流が電極面全体においてより均一に生じ、均一なガス供給が可能になっている。低電流密度領域では、あまりその違いが現れなかったのは、ガス入り口側および出口側の領域で律速になるのは拡散律速ではなく、反応律速によるためである。比較例の電池では、本実施例のサブマニホールドに相当するガス流路内でガス圧力が異なる。つまり、入り口側マニホールド孔に近い部分において圧力が最も高く、出口側マニホールドに近い部分で圧力が最も低くなる。このため、図15のようにガスの流れがマニホールド8aと8bを結ぶ線付近に集中し、その線から遠くに位置する電極部ではガス不足に陥って発電分布が生じてしまう。特に、ガス拡散律速である高電流密度において、電池性能が劣るのである。
【0032】
図12の連続発電試験の初期では、ほとんど差は見られない。しかし、時間の経過とともに比較例の電池ではガス不足になっている電極部分において、電極に用いられているカーボン粉末や触媒近傍の被覆樹脂の溶出など不可逆的な劣化が発生している。これにより、初期から比較的ガス供給が富んでいた部分に、より発電が集中して電流密度が上昇するため、時間の経過とともに電池性能が低下している。それに対して、本実施例の電池では、電極面全体への安定したガス供給によって、比較例のようなガス不足による劣化を防いでいるため、2000時間経過しても電池電圧が初期と同等の値を維持している。
以上のようにセパレータ板のガス流路にサブマニホールドを設けることによって、電極面全体へのガス供給が均一に行え、電池性能を向上できることが確認された。
【0033】
実施例2
本実施例では、図3のように、実施例1のサブマニホールド18aおよび18bに加えて、ガス流路17の中間部にさらにサブマニホールド18cを形成した。その他は実施例1と同じ条件で電池を作製した。
本実施例の電池と実施例1の電池を85℃に保持し、アノード側に83℃の露点となるよう加湿・加温した燃料ガスを、カソード側に78℃の露点となるように加湿・加温した空気をそれぞれ供給した。そして、電流密度0.3A/cm2、燃料利用率70%とし、酸素利用率を種々変えて試験を行った。その結果を図13に示す。
図13の結果から、酸素利用率が高い領域では、本実施例の電池の方が電圧低下を招くことなく安定した電池性能を維持していることが分かる。これは実施例1の電池にさらにサブマニホールド18c設けたことにより、ガス拡散層内の伏流の均一化が図れたことによる。酸素利用率が高くなると、ガス流量の減少により下流側でガス分配の影響を受けやすい。中間部にサブマニホールドを形成することで、マニホールド孔12aから分配されたガスがマニホールド孔12bに辿り着くまでに一度集約され、ガスの再分配がされる。これにより、下流側でのガス不足の危険性が回避されたのである。
【0034】
また、酸素利用率が高くなると、ガス流量に対する生成水の割合が高くなり、凝縮水や生成水によってガス流路が閉塞する可能性がより高くなる。同時にガス流路をガスが通る際の圧力損失が低下し、ガス流路に水が閉塞すると、その水を除いて元に戻す復元力が低下する。そして、閉塞した地点以降のガス流路にはガスの供給ができなくなる。ガス流路の中間部にサブマニホールドがあると、ガスの再分配によってその閉塞した地点の下流にもガス供給が可能になり、ガス流路の閉塞による電池性能への影響を最低限に抑えるという効果が得られる。
上記と同様にして、酸素利用率を一定にし、水素利用率を変えて試験を行った結果、酸素利用率と同様に、高い利用率にすればするほど本実施例の電池は安定した電池性能を維持できることが確認された。また、アノードガスとして都市ガスを改質したガスを想定して水素80%、二酸化炭素20%の混合ガスにすると、その影響は顕著であった。
ガス流路の中間部に設置するサブマニホールドの数が複数になる場合は、図4に示すように、下流側の設置割合を大きくすることが効果的であることが確認された。
【0035】
実施例3
本実施例では、実施例1の電池において、サブマニホールドの溝幅を図5に示すように、大きくした場合について検証した。サブマニホールド58aおよび58bの幅を2.8mm、溝深さを0.8mmとして、電池を作製した。このサブマニホールドの電極面に垂直な断面積は、ガス流路17の約2.7倍である。ここで、溝幅が広くなると電極面に加重を加えることができなくなるため、図5に示すように、サブマニホールド内にリブ59を設けた。
この電池を実施例1と同じ条件で電流−電圧特性を調べた。その結果、実施例1と同等の性能を示した。したがって、溝幅の広いサブマニホールドを形成する場合には、溝内部にリブを設置することが有効であることが確認された。
【0036】
また、サブマニホールド58a、58bの断面積が、ガス流路17の1.2倍以上3.0倍以下の範囲において、サブマニホールドの効果が認められた。同様に、マニホールド孔12aあるいは12bの断面積S1、サブマニホールド58aまたは58bの断面積をS2としたとき、S1/100<S2<S1/25において効果が認められた。
【0037】
実施例4
本実施例では2種類の電池を製作した。実施例1におけるサブマニホールド18aのマニホールド孔12aとの連結部、およびサブマニホールド18bのマニホールド孔12bとの連結部の溝深さを、サブマニホールドの中で最も深くなるように加工した電池と、サブマニホールド内で最も浅くなるようにした電池とである。
これらの電池について、カソード側に供給する加湿空気の露点を種々変えて試験をした。その結果、サブマニホールドのマニホールド孔との連結部で溝深さの浅い電池は、溝深さの深い電池に比べてより低い露点で電池性能が低下した。それは連結部の溝深さが浅いため、水分量が多くなるとガスの出口側で凝縮水や生成水の排出が困難になり、サブマニホールド内に凝縮水や生成水が滞留し、そのため、サブマニホールドの機能が失われたためである。一方、連結部の溝深さを深くした電池では、凝縮水や生成水の排出がスムーズに行えるため、供給ガスが高い加湿状態でも電池性能が低下することはなかった。本実施例では、カソード側のサブマニホールドについて説明したが、アノード側のサブマニホールドにも同様の傾向が見られた。
以上から、サブマニホールドのマニホールド孔との連結部の溝深さは、サブマニホールド内の他の部分と同じかあるいはより深くすることが好ましい。
【0038】
【発明の効果】
本発明によれば、サブマニホールド内で一時的にガス圧力を均一にさせ、これによって高効率で安定した性能を示す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】本発明の一実施例の燃料電池のセパレータ板のカソード側の正面図である。
【図2】本発明の他の実施例のセパレータ板のカソード側の正面図である。
【図3】本発明のさらに他の実施例のセパレータ板のカソード側の正面図である。
【図4】本発明の実施例のセパレータ板のカソード側の正面図である。
【図5】本発明の他の実施例のセパレータ板のカソード側の正面図である。
【図6】本発明の他の実施例のセパレータ板のカソード側の正面図である。
【図7】本発明のさらに他の実施例のセパレータ板のカソード側の正面図である。
【図8】本発明の他の実施例のセパレータ板のカソード側の正面図である。
【図9】本発明のさらに他の実施例のセパレータ板のカソード側の正面図である。
【図10】本発明の実施例のセパレータ板のカソード側の正面図である。
【図11】本発明の実施例および比較例の燃料電池の電流−電圧特性を示す図である。
【図12】本発明の実施例の燃料電池の連続発電試験における電圧の変化を示す図である。
【図13】本発明の実施例および比較例の燃料電池の酸素利用率と電圧との関係を示す図である。
【図14】代表的な燃料電池の要部の断面図である。
【図15】従来の燃料電池のセパレータ板のカソード側の正面図である。
【符号の説明】
11 導電性セパレータ板
12a 酸化剤ガスの入り口側マニホールド孔
12b 酸化剤ガスの出口側マニホールド孔
13a 燃料ガスの入り口側マニホールド孔
13b 燃料ガスの出口側マニホールド孔
17 ガス流路
18a、18b サブマニホールド
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell using a solid polymer electrolyte used for a portable power source, an electric vehicle power source, a home cogeneration system, and the like.
[0002]
[Prior art]
A fuel cell using a solid polymer electrolyte generates electric power and heat simultaneously by electrochemically reacting a fuel gas containing hydrogen and an oxidant gas containing oxygen such as air. is there. This fuel cell basically comprises a polymer electrolyte membrane that selectively transports hydrogen ions, and a pair of electrodes disposed on both sides of the electrolyte membrane. The electrode includes a catalyst layer mainly composed of carbon powder supporting a platinum group metal catalyst, and a gas diffusion layer formed on the outer surface of the catalyst layer and having both air permeability and electronic conductivity.
Gas seals and gaskets are placed around the electrodes with a polymer electrolyte membrane around them so that the supplied fuel gas and oxidant gas do not leak to the outside or the two types of reaction gases mix with each other. The The sealing material and gasket are assembled in advance by being integrated with the electrode and the polymer electrolyte membrane. This is called MEA (electrolyte membrane-electrode assembly). On the outside of the MEA, a conductive separator plate for mechanically fixing the MEA and electrically connecting adjacent MEAs to each other in series is disposed. In the portion of the separator plate that comes into contact with the MEA, a gas flow path for supplying the reaction gas to the electrode surface and carrying away the generated water and surplus gas is formed. Although the gas flow path can be provided separately from the separator plate, it is common to provide a gas flow path by providing a groove on the surface of the separator plate.
[0003]
In order to supply fuel gas or oxidant gas to the gas flow path of the separator plate, the pipe for supplying fuel gas or oxidant gas is branched into the number of separator plates to be used, and the branch destination is directly connected to the separator plate. A piping jig connected to the groove is required. This jig is called a manifold, and the type in which the fuel gas or oxidant gas supply pipe is directly connected to the groove is called an external manifold. There is a type of this manifold called an internal manifold with a simplified structure. The internal manifold is a separator plate in which a gas flow path is formed, and a through hole is provided, and an inlet / outlet of the gas flow path is connected to the hole, and a reaction gas is directly supplied from the hole.
These MEAs and separator plates are alternately stacked to laminate 10 to 200 cells, the laminate is sandwiched between end plates via current collector plates and insulating plates, and both end plates are clamped with fastening rods. The structure of the battery.
[0004]
A typical structure of a fuel cell in which a conductive separator plate and MEA are laminated is shown in FIG. MEA 5 composed of the polymer electrolyte membrane 2 and the anode 3 and the cathode 4 sandwiching the polymer electrolyte membrane 2 are alternately laminated with the separator plate 1. The anode and the cathode are composed of a catalyst layer in contact with the electrolyte membrane and a gas diffusion layer in contact with the separator plate. The separator plate 1 has a gas flow path 6 for supplying and discharging fuel gas to the anode 3, and a gas flow path 7 for supplying and discharging oxidant gas to the cathode 4. FIG. 15 shows a front view of the separator plate 1 viewed from the cathode surface side. A region surrounded by an alternate long and short dash line represented by X in the drawing is in contact with the electrode. The separator plate 1 is provided with an inlet side manifold hole 8a and an outlet side manifold hole 8b for oxidizing gas, and an inlet side manifold hole 9a and an outlet side manifold hole 9b for fuel gas. The oxidizing gas channel 7 is formed by four parallel grooves that connect the manifold holes 8a and 8b.
[0005]
In the fuel cell having such a configuration, all the reactive gas during power generation does not flow through the gas flow path formed on the separator plate surface, but also in the porous gas diffusion layer located at the outermost part of the MEA. Gas circulates. This flow is called downflow. In order to stably maintain high battery performance, it is important to make the balance between gas flow and subsidence in the gas flow path uniform over the entire electrode area. The flow of subsidence is determined by the porosity and thickness of the gas diffusion layer and the gas pressure flowing therethrough. Therefore, due to these variations, there are portions that are rich in gas supply and portions that are insufficient in the electrode surface. For this reason, there is a problem in that portions with different amounts of power generation occur within the electrode surface, and the battery voltage decreases because the current density increases at the portion where power generation concentrates. Further, when the reaction gas is supplied to the battery in a highly humidified state, there is a problem in that condensed water and generated water are accumulated in the gas flow path where the gas supply is not large, resulting in more power generation amount distribution.
[0006]
These problems are particularly remarkable when the gas flow path 7 has a meandering shape as shown in FIG. Then, the downflow increased in the hatched area represented by Y in FIG. 15, and power generation was concentrated in this area. Therefore, in the region far from both the manifold holes 8a and 8b other than that region, the reaction gas becomes insufficient. Therefore, water is accumulated in this region particularly when a highly humidified reaction gas is used. If the gas flow path has a meandering shape consisting of a straight part and a turn part, paying attention to the forward and return paths of the straight part in one flow path, the gas pressure difference between the inlet side and the outlet side is larger than that in the turn part. Therefore, the flow rates flowing through the gas diffusion layer are different in the forward path and the return path of the one flow path.
[0007]
When the gas flow path is composed of a plurality of grooves, it is difficult to uniformly control gas distribution from the gas inlet side to the gas flow path. Since the gas supply amount is relatively large on the upstream side relative to the downstream side, there is no difference in power generation performance. However, on the downstream side, gas is consumed on the upstream / middle stream side, and the absolute amount of gas decreases, so that it is greatly affected by the initial distribution amount. That is, on the downstream side where gas distribution is poor, battery performance is degraded due to insufficient gas supply. Further, when the fuel is depleted, there is a problem in that deterioration of battery performance is promoted by elution of carbon in the electrode.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention solves the above problems, and provides a separator plate that can achieve a stable gas supply by making the ratio of the flow in the gas flow path in the electrode surface uniform to the down flow.
An object of this invention is to provide the polymer electrolyte fuel cell provided with such a separator plate.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
  In order to solve the above-described problems, the present invention provides a hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane, a rectangular cathode and anode sandwiching the hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane, and supplies / discharges an oxidant gas to the cathode. A cathode side conductive separator plate having a gas flow path, and an anode side conductive separator plate having a gas flow path for supplying and discharging fuel gas to and from the anode, wherein the cathode is the hydrogen ion conductive polymer electrolyte A catalyst layer disposed on the membrane side and a gas diffusion layer disposed on the cathode side conductive separator plate side, and the anode comprises a catalyst layer disposed on the hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane side And a gas diffusion layer disposed on the anode side conductive separator plate side, the cathode side conductive separator plate and the anode side conductive separator. At least one of the plates has a sub-manifold having an increased cross-sectional area perpendicular to the electrode on the inlet side and the outlet side of the gas flow path, and the gas flow path is located on one side of the cathode and the anode. The sub-manifold is substantially parallel to the straight part of the gas flow path and has the same length as one side of the cathode and the anode. The gas flow pathIs covered by the cathode or anode,The sub-manifold isThe cathode or anode orThe gas diffusion layer of the cathodeOrThe present invention relates to a polymer electrolyte fuel cell, which is covered with the gas diffusion layer of the anode. This sub-manifold eliminates the non-uniformity of gas supply within the electrode surface, eliminates power generation distribution, and ensures stable battery performance.
[0010]
According to the present invention, the deterioration in performance during long-term operation of the fuel cell is gradually accumulated in the gas diffusion layer of the electrode, and is limited to a region where the gas flow in the gas diffusion layer is narrow due to unevenly condensed water and product water. In view of the fact that the other part is due to a decrease in power generation capacity, attention was paid to the gas flow in the gas diffusion layer in order to make the battery structure in which condensed water and generated water are unlikely to accumulate and unevenly distribute.
The present invention is particularly effective when the gas flow path of the separator plate is formed in a meandering shape, and a sub-manifold having an increased volume per unit length in the gas flow path direction is formed in a part of the gas flow path. By doing so, it is based on the finding that the reaction gas is uniformly supplied to the electrode and the fuel cell can be stably operated.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The present invention relates to a cathode-side conductive separator plate having a hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane, a cathode and an anode sandwiching the hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane, and a gas flow path for supplying and discharging an oxidant gas to the cathode And an anode side conductive separator plate having a gas flow path for supplying and discharging fuel gas to and from the anode, wherein at least one of the cathode side conductive separator plate and the anode side conductive separator plate is the gas flow path. The present invention relates to a polymer electrolyte fuel cell having sub-manifolds having increased cross-sectional areas perpendicular to the electrodes on the inlet side and the outlet side of the fuel cell.
[0012]
In a preferred embodiment of the present invention, the gas flow path has a meandering shape consisting of a straight part and a turn part extending substantially in parallel, and the sub-manifold extends substantially parallel to the straight part of the gas flow path. Yes. In this case, it is preferable that the sub-manifold has a length extending substantially along its entire side along one side of the square electrode.
The sub-manifold is preferably on the inlet side of the gas flow path and / or on the outlet side of the gas flow path.
The separator plate includes an inlet-side manifold hole and an outlet-side manifold hole for supplying and discharging gas to the gas flow path, and is connected to the inlet-side manifold hole of the inlet-side submanifold or the outlet-side submanifold. It is preferable that the groove depth of the sub-manifold is deepest in the connecting portion with the outlet side manifold hole.
[0013]
In another preferred embodiment of the present invention, the separator plate includes an inlet side manifold hole and an outlet side manifold hole for supplying and discharging gas to the gas flow path, and the inlet side manifold hole or the outlet side manifold hole is provided. Has the function of the sub-manifold.
Furthermore, it is preferable to have a sub-manifold in the middle part of the gas flow path.
It is preferable that a larger number of the sub-manifolds are arranged on the gas outlet side than on the gas inlet side.
The cross-sectional area of the sub-manifold is preferably 1.2 to 3.0 times the cross-sectional area of the gas flow path.
[0014]
The separator plate includes an inlet-side manifold hole and an outlet-side manifold hole for supplying and discharging gas to the gas flow path, and a cross-sectional area S of the manifold hole.1And cross-sectional area S of the sub-manifold2The relationship is S1/ 100 <S2<S1/ 25 is preferably satisfied.
[0015]
In still another preferred embodiment of the present invention, the apparatus includes an inlet side sub-manifold and an outlet side sub-manifold extending in parallel to each other on the gas inlet side and the outlet side, and a plurality of gas flow paths connecting both the sub-manifolds, Each gas flow path has a meandering shape, and the region surrounded by each gas flow path is independent.
Each of the gas flow paths preferably has a meandering shape including a straight portion inclined with respect to the sub-manifold and a turn portion connecting the straight portions.
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0016]
Embodiment 1
The separator plate of the present embodiment is shown in FIG. The separator plate 11 is formed by machining, for example, an isotropic graphite plate, and includes an inlet side manifold hole 12a and an outlet side manifold hole 12b for the oxidant gas, an inlet side manifold hole 13a and an outlet side manifold hole 13b for the fuel gas. And a gas flow path 17 that connects the manifold holes 12a and 12b. The gas flow path 17 is composed of four parallel grooves. And the part connected with the manifold holes 12a and 12b of the gas flow path 17 forms the submanifolds 18a and 18b. The sub-manifolds 18 a and 18 b have a larger cross-sectional area perpendicular to the electrode surface than the grooves forming the gas flow path 17. In the illustrated example, the widths of the submanifolds 18 a and 18 b are larger than the width of the groove of the gas flow path 17. Instead of increasing the width of the groove, the depth of the groove may be increased, or both the width and depth of the groove may be increased.
[0017]
A portion surrounded by a one-dot chain line 15 in FIG. The electrodes shown here are rectangular, and the sub-manifolds 18a and 18b extend along the longitudinal direction of the electrodes at positions corresponding to the short sides of the electrodes. The gas flow path 17 shown here is composed of a straight portion extending along the longitudinal direction of the electrode and a turn portion substantially perpendicular thereto. The separator plate 11 has an oxidant gas flow channel 17 on one surface and a fuel gas flow channel similar to the flow channel 17 on the other surface, serving both as a cathode side separator plate and an anode side separator plate. Yes. 1 also has a sub-manifold as in the front side.
[0018]
As described above, the separator plate 11 of the present embodiment has the meandering gas flow path 17 composed of a straight forward path and a return path extending along the longitudinal direction of the electrode, and the inlet side and the outlet side thereof , Having sub-manifolds 18a and 18b having a large cross-sectional area and having a length substantially along the entire length of the electrode. In these submanifolds, the gas pressure is equal, so that the ratio between the flow in the gas flow path 17 in the electrode surface and the subsurface flow through the gas diffusion layer of the electrode is made uniform, and stable gas supply can be realized.
[0019]
  FIG. 2 shows a modification of FIG. The separator plate 21 has submanifolds 28 a and 28 b on the inlet side and outlet side of the gas flow path 27. These submanifolds are provided outside the electrode catalyst layer indicated by the alternate long and short dash line 25. However, the gas diffusion layer portion of the electrode has a size covering the sub-manifolds 28a and 28b. Portions 29a and 29b that connect the sub-manifolds 28a and 28b and the manifold holes 12a and 12b are constituted by four grooves. In this way, the sub-manifold is an electrodeCatalyst layerThe effect does not change even if it is arranged outside.
[0020]
Embodiment 2
The separator plate of the present embodiment is shown in FIG. In the first embodiment, the sub-manifold is provided only on the inlet side and the outlet side of the gas flow path 17, but the separator plate 31 shown here further has a sub-manifold 18 c in the middle of the gas flow path 17. The sub-manifold 18c has a start end connected to the upstream side of the gas flow path 17 and a terminal end connected to the downstream side of the gas flow path.
If a sub-manifold is formed in the middle part of the gas flow path 17, the underflow in the gas diffusion layer of the electrode can be made uniform. In addition, when the gas utilization rate increases, the gas flow rate decreases and the gas distribution tends to be affected downstream. When the sub-manifold is provided in the intermediate portion of the gas flow path, the gas distributed from the inlet side sub-manifold is once collected in the intermediate sub-manifold before reaching the outlet side sub-manifold, and the gas is redistributed. Therefore, the risk of gas shortage on the downstream side can be avoided.
The separator plate 41 of FIG. 4 is an example in which two submanifolds 18c and 18d are provided in the middle part of the gas flow path. When installing a plurality of submanifolds in the middle of the gas flow path, it is preferable to increase the installation ratio downstream.
[0021]
Embodiment 3
The separator plate of this embodiment is shown in FIG. This separator plate 51 is an example in which the widths of the inlet-side and outlet-side submanifolds 58a and 58b are made larger than those of the previous embodiment. When the width of the groove constituting the sub-manifold is increased, the weight of the separator plate cannot be applied to the electrode. Therefore, a plurality of ribs 59 are provided in the sub manifold.
[0022]
Embodiment 4
The separator plate of this embodiment is shown in FIG. The separator plate 61 connects an inlet side sub-manifold 68 a and an outlet side sub-manifold 68 b provided on the short side of the electrode through three gas passages 67. In the previous embodiment, each gas flow path is composed of an outward path and a return path extending along the longitudinal direction of the electrode, and is parallel to each of the forward path and the return path. In the separator plate 61, the area | region which each gas flow path 67 covers has taken the substantially independent form. In FIG. 6, the gas flow path 67 has a zigzag shape inclined with respect to the sub-manifold.
FIG. 7 shows a modification. The separator plate 71 connects the submanifolds 78 a and 78 b with three gas passages 77. In each gas flow path 77, the forward path and the return path are parallel to the sub-manifold.
[0023]
In order to make the subsurface flow in the gas diffusion layer of the electrode more uniform, it is easy to make each gas flow path straight when multiple gas flow paths are formed and designed to be independent flow areas. is there. However, in that case, it is difficult to obtain a pressure loss in the gas flow path unless the ratio of the longitudinal direction to the short direction of the electrode is ensured to some extent. Therefore, by making each gas flow path meander, it is possible to ensure a predetermined pressure loss even if the electrodes are nearly square.
In this way, by forming a plurality of meandering gas flow paths and making the regions surrounded by the gas flow paths independent, the length of the forward path and the return path of the meandering portion is shortened, and the subsidence flow between both flow paths is reduced. The difference can be reduced as much as possible. At that time, as shown in FIG. 6, if the gas flow path has a meandering shape composed of a turn part connecting the straight part and the straight part inclined with respect to the sub-manifold, the gas diffusion layer sandwiched between the forward path and the return path is formed. It is possible to make the flow rate uniform.
[0024]
referenceForm of1
  The separator plate of the present embodiment is shown in FIG. This separator plate 81 is provided with oxidant gas inlet side manifold holes 82a and 82b corresponding to the two opposing sides of the electrode, and the left end of the manifold hole 82b extends in parallel from the right end of the manifold hole 82a in the figure. The four gas flow paths 87 communicate with each other. 83a represents an inlet side manifold hole for fuel gas, and 83b represents an outlet side manifold hole. This separator plate has an inlet side manifold hole 84a and an outlet side manifold hole 84b.
  In the present embodiment, the inlet side manifold hole 82a and the outlet side manifold hole 82b also serve as sub-manifolds. Since the inlet-side manifold hole 82a and the outlet-side manifold hole 82b are continuous with each cell, the gas diffusion layer of the electrode exposes the wall surface of the manifold hole, and the underflow enters and exits there. When the shape of the inlet side manifold hole and the outlet side manifold hole is not limited, the effect of the sub-manifold can be used more simply by using the present embodiment.
[0025]
Embodiment5
  The separator plate of this embodiment is shown in FIG. The separator plate 91 includes an inlet side manifold hole 92a and an outlet side manifold hole 92b for the oxidant gas, an inlet side manifold hole 93a and an outlet side manifold hole 93b for the fuel gas, and an inlet side manifold hole 94a and an outlet side manifold for the cooling water. It has a hole 94b. The manifold hole 92a and the manifold hole 92b are connected to each other by sub-manifolds 98a and 98b and four parallel meandering gas flow paths 97 that connect the sub-manifolds.
[0026]
Embodiment6
  The separator plate of this embodiment is shown in FIG. The separator plate 101 includes an inlet side manifold hole 102a and an outlet side manifold hole 102b for oxidant gas, an inlet side manifold hole 103a and an outlet side manifold hole 103b for fuel gas, and an inlet side manifold hole 104a and an outlet side manifold for cooling water. It has a hole 104b. The manifold hole 102a and the manifold hole 102b are connected to each other by sub-manifolds 108a and 108b and four parallel meandering gas flow paths 107 that connect the sub-manifolds. In this example, a sub-manifold 108 c is provided at an intermediate portion of the gas flow path 107.
[0027]
  Embodiment 14 and Reference form 1In the above description, a separator plate having an oxidant gas flow path on one side and a fuel gas flow path on the other side, that is, a separator plate serving as both a cathode side separator plate and an anode side separator plate has been described. The gas flow path and the sub manifold are shown on the oxidant gas side. However, it is obvious that the same applies to the fuel gas side. Needless to say, the present invention can also be applied to a separator plate having a manifold hole for cooling water.
  In the above description, the internal manifold type in which the manifold holes are provided in the separator plate has been described. However, the present invention can be similarly applied to the external manifold type.
[0028]
【Example】
Example 1
25% by weight of platinum particles having an average particle size of about 30% were supported on acetylene black carbon powder to prepare an electrode catalyst. This catalyst powder was dispersed in isopropyl alcohol. Further, perfluorocarbon sulfonic acid powder was dispersed in ethyl alcohol. These two types of dispersions were mixed to obtain an electrode paste. On the other hand, a carbon paper having a thickness of 300 μm was immersed in an aqueous dispersion of polytetrafluoroethylene (PTFE) and subjected to a drying treatment to obtain a water-repellent gas diffusion layer. A catalyst layer was formed by applying and drying the electrode paste on one side of the gas diffusion layer.
An electrolyte membrane-electrode assembly (MEA) is produced by hot pressing at a temperature of 110 ° C. for 30 seconds with the catalyst layer inside with the pair of electrodes produced as described above and sandwiching the polymer electrolyte membrane. did. Here, a perfluorocarbon sulfonic acid thinned to a thickness of 50 μm (Nafion manufactured by DuPont) was used as the polymer electrolyte membrane.
As the gas diffusion layer, in addition to the above-mentioned carbon paper, carbon cloth woven carbon fiber as a flexible material, carbon felt mixed with carbon fiber and carbon powder, and formed with organic binder added, etc. It can also be used.
[0029]
As the conductive separator plate, a gas flow path as shown in FIG. 1 was formed by machining an isotropic graphite plate having a thickness of 3 mm. The gas flow path 17 was composed of four parallel grooves having a width of 0.7 mm and a depth of 0.3 mm. The sub-manifolds 18a and 18b are provided at portions directly connected to the inlet-side manifold 12a and the outlet-side manifold 12b. The sub manifold has a groove width of 1.2 mm and a depth of 1.2 mm. Therefore, the cross-sectional area ratio of the sub-manifold to the gas flow path 17 is about 1.7 times, which satisfies the condition of 1.2 times or more and 3.0 times or less. The cross-sectional area S of the manifold hole 12a1Is 100mm2Therefore, the cross-sectional area of the sub-manifold is S2Then, S1/ 100 <S2<S1/ 25 is satisfied.
[0030]
A cell laminate in which 50 cells were connected in series by alternately stacking the above conductive separator plates and MEAs was assembled. This cell laminate is sandwiched between stainless steel end plates via a current collector plate and an insulating plate, and both end plates are fastened to 10 kgf / cm with fastening rods.2Fastened with pressure.
The batteries of the comparative example were all the same as the conditions of this example except that the entire region from the manifolds 8a to 8b was configured similarly to the gas flow path 17 of this example as shown in FIG.
The batteries of this example and the comparative example were kept at 85 ° C., and the humidified / heated fuel gas was humidified / heated to a dew point of 83 ° C. on the anode side, and the dew point was 78 ° C. on the cathode side. Each was supplied with warm air. The current-voltage characteristics were examined at an oxygen utilization rate of 30% and a fuel utilization rate of 70%. The result is shown in FIG. Also, current density is 0.3 A / cm2A continuous power generation test was conducted. The result is shown in FIG.
[0031]
In FIG. 11, the battery of the present example shows only a small advantage in the low current density region, but the effect of having a sub-manifold appears at a high current density and shows better battery performance. . This is considered as follows.
In the high current density region, the diffusivity of the reaction gas dominates the battery performance, and a uniform gas supply is required over the entire electrode surface. The underground flow in which the gas flows in the gas diffusion layer of the electrode is governed by the gas pressure. In the battery of this example, the sub-manifold ensures a wide range of regions where the gas pressure is equal on the gas inlet side and outlet side of the electrode surface. For this reason, the subsidence occurs more uniformly on the entire electrode surface, and a uniform gas supply is possible. The reason why the difference did not appear so much in the low current density region is that the rate limiting in the region on the gas inlet side and the outlet side is due to reaction rate limiting rather than diffusion rate limiting. In the battery of the comparative example, the gas pressure is different in the gas flow path corresponding to the sub-manifold of this embodiment. That is, the pressure is highest at a portion near the inlet side manifold hole, and the pressure is lowest at a portion near the outlet side manifold. For this reason, as shown in FIG. 15, the gas flow is concentrated in the vicinity of the line connecting the manifolds 8a and 8b, and the electrode portion located far from the line falls into a gas shortage and generates power generation. In particular, the battery performance is inferior at a high current density that is gas diffusion limited.
[0032]
At the initial stage of the continuous power generation test of FIG. 12, there is almost no difference. However, irreversible deterioration such as elution of carbon powder used in the electrode and coating resin in the vicinity of the catalyst occurs in the electrode portion where the gas of the comparative example battery has become insufficient with time. As a result, the power generation is concentrated more in the portion where gas supply is relatively rich from the beginning, and the current density is increased, so that the battery performance deteriorates with the passage of time. On the other hand, in the battery of this example, the stable gas supply to the entire electrode surface prevents deterioration due to gas shortage as in the comparative example, so that the battery voltage is equivalent to the initial value even after 2000 hours. The value is maintained.
As described above, it was confirmed that by providing the sub-manifold in the gas flow path of the separator plate, the gas can be uniformly supplied to the entire electrode surface and the battery performance can be improved.
[0033]
Example 2
In this embodiment, as shown in FIG. 3, in addition to the submanifolds 18 a and 18 b of the first embodiment, a submanifold 18 c is further formed in the middle portion of the gas flow path 17. Otherwise, a battery was fabricated under the same conditions as in Example 1.
The battery of this example and the battery of Example 1 were maintained at 85 ° C., and the fuel gas humidified and heated to a dew point of 83 ° C. on the anode side was humidified to a dew point of 78 ° C. on the cathode side. Each heated air was supplied. And current density 0.3A / cm2The test was conducted with a fuel utilization rate of 70% and various oxygen utilization rates. The result is shown in FIG.
From the results of FIG. 13, it can be seen that in the region where the oxygen utilization rate is high, the battery of this example maintains stable battery performance without causing a voltage drop. This is because the sub-manifold 18c is further provided in the battery of Example 1, thereby making it possible to make the subsidence in the gas diffusion layer uniform. When the oxygen utilization rate is high, the gas flow rate is decreased and the gas distribution tends to be influenced downstream. By forming the sub-manifold in the intermediate portion, the gas distributed from the manifold hole 12a is aggregated once before reaching the manifold hole 12b, and the gas is redistributed. This avoided the danger of gas shortage on the downstream side.
[0034]
Further, when the oxygen utilization rate increases, the ratio of generated water to the gas flow rate increases, and the possibility that the gas flow path is blocked by condensed water or generated water becomes higher. At the same time, when the gas passes through the gas flow path, the pressure loss is reduced, and when the water is blocked in the gas flow path, the restoring force to restore the water except the water is reduced. And it becomes impossible to supply gas to the gas flow path after the blocked point. If there is a sub-manifold in the middle of the gas flow path, it will be possible to supply gas downstream of the blockage point due to gas redistribution, minimizing the impact on battery performance due to the blockage of the gas flow path. An effect is obtained.
As described above, the oxygen utilization rate was made constant, and the hydrogen utilization rate was changed. As a result, the higher the utilization rate, the more stable the battery of this example. It was confirmed that In addition, assuming a gas obtained by reforming the city gas as the anode gas, the influence is remarkable when the mixed gas is 80% hydrogen and 20% carbon dioxide.
When there are a plurality of sub-manifolds installed in the middle part of the gas flow path, it has been confirmed that it is effective to increase the downstream installation ratio as shown in FIG.
[0035]
Example 3
In this example, the case where the groove width of the sub-manifold was increased as shown in FIG. 5 in the battery of Example 1 was verified. Batteries were fabricated with submanifolds 58a and 58b having a width of 2.8 mm and a groove depth of 0.8 mm. The cross-sectional area perpendicular to the electrode surface of this sub-manifold is about 2.7 times that of the gas flow path 17. Here, as the groove width becomes wider, it becomes impossible to apply a load to the electrode surface. Therefore, as shown in FIG. 5, ribs 59 are provided in the submanifold.
The current-voltage characteristics of this battery were examined under the same conditions as in Example 1. As a result, the same performance as in Example 1 was shown. Therefore, when forming a sub-manifold having a wide groove width, it has been confirmed that it is effective to install ribs inside the groove.
[0036]
Further, the effect of the sub-manifold was recognized when the cross-sectional areas of the sub-manifolds 58a and 58b were in the range of 1.2 times to 3.0 times that of the gas flow path 17. Similarly, the cross-sectional area S of the manifold hole 12a or 12b1, The sectional area of the sub-manifold 58a or 58b is S2When S1/ 100 <S2<S1An effect was observed at / 25.
[0037]
Example 4
In this example, two types of batteries were manufactured. A battery in which the groove depth of the connecting portion of the sub-manifold 18a to the manifold hole 12a and the connecting portion of the sub-manifold 18b to the manifold hole 12b in the first embodiment is deepest in the sub-manifold; The battery is designed to be the shallowest in the manifold.
These batteries were tested by changing the dew point of the humidified air supplied to the cathode side. As a result, the battery performance of the battery having a shallow groove depth at the connecting portion with the manifold hole of the sub-manifold deteriorated at a lower dew point than the battery having a deep groove depth. Since the groove depth of the connecting part is shallow, it becomes difficult to discharge condensed water or generated water on the gas outlet side when the water content increases, and the condensed water or generated water stays in the sub manifold. This is because the function is lost. On the other hand, in a battery having a deep groove at the connecting portion, condensed water and generated water can be discharged smoothly, so that the battery performance does not deteriorate even in a humidified state where the supply gas is high. In this embodiment, the cathode side sub-manifold has been described, but the same tendency was observed in the anode side sub-manifold.
From the above, it is preferable that the groove depth of the connecting portion with the manifold hole of the sub manifold is the same as or deeper than other portions in the sub manifold.
[0038]
【The invention's effect】
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the gas pressure can be temporarily made uniform in a submanifold, and, thereby, the fuel cell which shows the highly efficient and stable performance can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a front view of a cathode side of a separator plate of a fuel cell according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a front view of a cathode side of a separator plate according to another embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a front view of a cathode side of a separator plate according to still another embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a front view of the separator plate according to the embodiment of the present invention on the cathode side.
FIG. 5 is a front view of the separator plate according to another embodiment of the present invention on the cathode side.
FIG. 6 is a front view on the cathode side of a separator plate according to another embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a front view of a cathode side of a separator plate according to still another embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a front view of a cathode side of a separator plate according to another embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a front view of a cathode side of a separator plate according to still another embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a front view of the separator plate according to the embodiment of the present invention on the cathode side.
FIG. 11 is a graph showing current-voltage characteristics of fuel cells of Examples and Comparative Examples of the present invention.
FIG. 12 is a graph showing changes in voltage in a continuous power generation test of a fuel cell according to an example of the present invention.
FIG. 13 is a graph showing the relationship between the oxygen utilization rate and the voltage of the fuel cells of Examples and Comparative Examples of the present invention.
FIG. 14 is a cross-sectional view of a main part of a typical fuel cell.
FIG. 15 is a front view of a cathode side of a separator plate of a conventional fuel cell.
[Explanation of symbols]
11 Conductive separator plate
12a Oxidant gas inlet manifold hole
12b Oxidant gas outlet manifold hole
13a Manifold hole on the fuel gas inlet side
13b Fuel gas outlet side manifold hole
17 Gas flow path
18a, 18b Sub manifold

Claims (8)

水素イオン伝導性高分子電解質膜、前記水素イオン伝導性高分子電解質膜を挟む方形のカソード及びアノード、前記カソードに酸化剤ガスを供給・排出するガス流路を有するカソード側導電性セパレータ板、並びに前記アノードに燃料ガスを供給・排出するガス流路を有するアノード側導電性セパレータ板を具備し、
前記カソードは、前記水素イオン伝導性高分子電解質膜側に配置される触媒層と、前記カソード側導電性セパレータ板側に配置されるガス拡散層とからなり、
前記アノードは、前記水素イオン伝導性高分子電解質膜側に配置される触媒層と、前記アノード側導電性セパレータ板側に配置されるガス拡散層とからなり、
前記カソード側導電性セパレータ板及びアノード側導電性セパレータ板の少なくとも一方が、前記ガス流路の入り口側および出口側に、前記カソードおよびアノードに垂直な断面積を増加させたサブマニホールドを有し、
前記ガス流路が、前記カソードおよび前記アノードの一辺に対してほぼ平行に延びる直線部と、ターン部とからなる蛇行形状を有し、
前記サブマニホールドが、前記ガス流路の直線部にほぼ平行で、かつ前記カソードおよび前記アノードの一辺とほぼ同じ長さで伸びており、
前記ガス流路は、前記カソードまたはアノードに覆われ、
前記サブマニホールドは、前記カソードもしくはアノードまたは前記カソードの前記ガス拡散層もしくは前記アノードの前記ガス拡散層に覆われていることを特徴とする高分子電解質型燃料電池。
A hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane, a rectangular cathode and anode sandwiching the hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane, a cathode side conductive separator plate having a gas flow path for supplying and discharging oxidant gas to the cathode, and An anode side conductive separator plate having a gas flow path for supplying and discharging fuel gas to the anode;
The cathode comprises a catalyst layer disposed on the hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane side and a gas diffusion layer disposed on the cathode side conductive separator plate side,
The anode comprises a catalyst layer disposed on the hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane side, and a gas diffusion layer disposed on the anode side conductive separator plate side,
At least one of the cathode side conductive separator plate and the anode side conductive separator plate has a sub-manifold having an increased cross-sectional area perpendicular to the cathode and anode on the inlet side and outlet side of the gas flow path,
The gas flow path has a meandering shape consisting of a straight portion extending substantially parallel to one side of the cathode and the anode, and a turn portion;
The sub-manifold is substantially parallel to the straight portion of the gas flow path and extends substantially the same length as one side of the cathode and the anode;
The gas flow path is covered by the cathode or anode;
The sub-manifold is covered with the cathode or anode, the gas diffusion layer of the cathode, or the gas diffusion layer of the anode.
前記セパレータ板が、前記ガス流路にガスを供給・排出する入り口側マニホールド孔および出口側マニホールド孔を具備し、入り口側のサブマニホールドの前記入り口側マニホールド孔との連結部または出口側のサブマニホールドの前記出口側マニホールド孔との連結部において、サブマニホールドの溝深さが最も深くなっている請求項1記載の高分子電解質型燃料電池。  The separator plate includes an inlet-side manifold hole and an outlet-side manifold hole for supplying and discharging gas to and from the gas flow path, and is connected to the inlet-side manifold hole of the inlet-side submanifold or the outlet-side submanifold. 2. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the groove depth of the sub-manifold is deepest in the connecting portion with the outlet side manifold hole. さらに前記ガス流路の中間部にサブマニホールドを有する請求項1記載の高分子電解質型燃料電池。  The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, further comprising a sub-manifold at an intermediate portion of the gas flow path. 前記サブマニホールドがガスの入り口側よりガス出口側に多く配置される請求項記載の高分子電解質型燃料電池。4. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 3, wherein the sub-manifold is disposed more on the gas outlet side than on the gas inlet side. 前記サブマニホールドの断面積が、前記ガス流路の断面積の1.2倍以上3.0倍以下である請求項1記載の高分子電解質型燃料電池。  The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein a cross-sectional area of the sub-manifold is 1.2 times or more and 3.0 times or less of a cross-sectional area of the gas flow path. 前記セパレータ板が、前記ガス流路にガスを供給・排出する入り口側マニホールド孔および出口側マニホールド孔を具備し、前記マニホールド孔の断面積S1と前記サブマニホールドの断面積S2の関係が、S1/100<S2<S1/25を満足する請求項1記載の高分子電解質型燃料電池。Said separator plate is provided with an inlet-side manifold aperture and an outlet-side manifold aperture for supplying and discharging the gas to the gas channel, the relationship of the cross-sectional area S 2 of the sub-manifold and the cross-sectional area S 1 of the manifold hole, S 1/100 <S 2 <polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein satisfying the S 1/25. ガス入り口側および出口側に互いに平行に延びた入り口側サブマニホールドおよび出口側サブマニホールド、並びに両サブマニホールドを連絡する複数のガス流路を具備し、各ガス流路が蛇行形状を有し、かつ各ガス流路で囲われる領域がそれぞれ独立している請求項1記載の高分子電解質型燃料電池。  An inlet side sub-manifold and an outlet side sub-manifold extending in parallel to each other on the gas inlet side and the outlet side, and a plurality of gas flow paths connecting the two sub-manifolds, each gas flow path having a meandering shape, and 2. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein regions surrounded by each gas flow path are independent from each other. 前記各ガス流路が、前記サブマニホールドに対して傾斜した直線部と直線部を繋ぐターン部からなる蛇行形状を有する請求項記載の高分子電解質型燃料電池。8. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 7, wherein each of the gas flow paths has a meandering shape including a turn portion connecting the straight portion and the straight portion inclined with respect to the sub-manifold.
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