JP4544906B2 - 固体高分子形燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、固体高分子形燃料電池に関するものである。

常温から１００℃の間で作動する燃料電池として、電解質に固体高分子を用いた固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）が広く知られている。
この固体高分子形燃料電池は、固体高分子電解質の一側にカソードとなる空気極を、他側にアノードとなる燃料極を配したセルを用い、カソードに空気等の酸化剤ガスを、アノードに水素リッチな燃料ガスをそれぞれ供給し、水素と酸素から水を得る以下の電池反応によって起電力を得ている。
Ｈ_２ → ２Ｈ^＋ ＋ ２ｅ⁻ (アノード反応）
２Ｈ^＋ ＋ １／２Ｏ_２ ＋ ２ｅ⁻ → Ｈ_２Ｏ （カソード反応）

この電池反応は、アノードに供給される水素がイオン化し、この水素イオンが固体高分子膜の内部をアノード側からカソード側に移動することを伴っている。ここで、水素イオンは固体高分子膜中に存在する水分の存在下で移動することにより酸素分子や水素分子のクロスオーバーが生じ難くなっている。

このような固体高分子形燃料電池において、水素含有ガス等の燃料ガスの利用率を高める手段として、電池セルが複数積層された２つの積層体を、接続部を介して直列に接続し、上流側積層体に燃料ガスを供給した後に下流側積層体に燃料ガスを供給する構成が知られている。

特開２００２−２６０７０８号公報（［００２６］〜［００３８］，図１）

このような固体高分子形燃料電池では、接続部は電池セルのように発熱反応となる電池反応を伴わないので低温になり易く、燃料ガス中に含まれる水蒸気が必要以上に凝縮してしまう。接続部において凝縮水が生じると、この凝縮水が下流側の積層体に流れ込んでしまうことがある。凝縮水が下流側の積層体に流れ込むと、セル電圧の不安定化を招いてしまう。
また、接続部において凝縮した凝縮水がガス流れ中に滞留すると、燃料ガス流れを阻害してしまう。
さらに、接続部に生じる凝縮水によって下流側の積層体の動作が不安定になるという問題がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、接続部に生じる凝縮水による下流側積層体の不安定動作を防止する固体高分子形燃料電池を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の固体高分子形燃料電池は、以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかる固体高分子形燃料電池は、固体高分子電解質の両側にそれぞれ燃料電極および酸化剤電極が配置され、これら電極の外側にセパレータが配置された単位セルが複数積層された積層体が、接続部を介して複数配置され、前記接続部には燃料ガスが流れる燃料ガス流路および／または酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス流路が設けられ、これらガス流路を通って燃料ガスおよび／または酸化剤ガスが各前記積層体内を順次流れる固体高分子形燃料電池において、前記接続部は、前記積層体間に配置された中間フランジとされ、該中間フランジには、前記燃料ガス流路および／または酸化剤ガス流路を流れるガスから凝縮した凝縮水を除去する凝縮水除去手段が設けられていることを特徴とする。

凝縮水除去手段によって凝縮水を除去することとしたので、接続部の下流側に設けられた下流側積層体に凝縮水が飛散したり流れ込んだりすることがない。したがって、凝縮水によって下流側積層体のセル電圧が変動し、動作が不安定になることがない。
また、接続部に凝縮水除去手段を設けることとしたので、凝縮水を除去する機能を備えた燃料電池をコンパクトに構成することができる。

また、本発明の固体高分子形燃料電池では、前記凝縮水除去手段は、貯留した凝縮水を外部へ排出する貯留水排出手段を備えていることを特徴とする。

貯留水排出手段によって貯留水を排出することとしたので、貯留水が接続部のガス流路に滞留することによって生じる圧損の増大を防ぐことができる。また、接続部のガス流路に貯留した貯留水が下流側積層体側に飛散したり流れ込んだりすることがないので、下流側積層体のセル電圧が変動し、動作が不安定になることがない。

また、本発明の固体高分子形燃料電池では、前記凝縮水除去手段は、内部を流れるガスが上方へ向かうように配置された前記燃料ガス流路および／または酸化剤ガス流路とされていることを特徴とする。

ガスが上方へ向かうようにガス流路が配置されているので、凝縮水は、重力によってガス流れとは反対の下方へと流れる。つまり、凝縮水は、ガス流路の内壁に付着した後、この内壁を伝って下方へと流れる。このように、凝縮水は、ガス流れと反対方向に流れるので、ガス流れに伴って下流側積層体に導かれることを可及的に防止することができる。
また、凝縮水は下方へと流れるので、下方に凝縮水を貯留させることができ、簡便に貯留水を外部に排出することができる。

また、本発明の固体高分子形燃料電池では、前記燃料ガス流路および／または酸化剤ガス流路には、フィルタが設けられていることを特徴とする。

フィルタによって、ガスとともに飛散してくる不純物を除去する。不純物としては、燃料電池の構成材となるカーボンや電極触媒からの離脱物が挙げられる。

また、本発明の固体高分子形燃料電池では、固体高分子電解質の両側にそれぞれ燃料電極および酸化剤電極が配置され、これら電極の外側にセパレータが配置された単位セルが複数積層された積層体が、接続部を介して複数配置され、前記接続部には燃料ガスが流れる燃料ガス流路および／または酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス流路が設けられ、これらガス流路を通って燃料ガスおよび／または酸化剤ガスが各前記積層体内を順次流れる固体高分子形燃料電池において、前記各積層体には、各前記単位セルを冷却するための冷却水が流通する冷却水流路が設けられており、前記接続部は、前記冷却水によって温度調節されることを特徴とする。

接続部は、単位セルのように発熱反応となる電池反応が生じないので、単位セルを備えた積層体よりも温度が低くなる傾向にある。接続部のみが低温になると、ガスに含まれる水蒸気が接続部で必要以上に凝縮してしまい、下流側積層体における電池反応に必要な水蒸気量が不足し、効率が低下してしまう。そこで、各積層体を冷却する冷却水によって接続部の温度調節を行い、例えば積層体と略同じ温度に保つ。これにより、接続部で必要以上に水蒸気が凝縮してしまうことを防止する。
温度調節を行う具体的構成としては、例えば、積層体に流れる冷却水流路と並列に接続部にも冷却水流路を設ける構成が挙げられる。
積層体に供給される冷却水の温度は、例えば、６０〜７０℃とされる。

本発明によれば、凝縮水除去手段によって接続部に生じる凝縮水を除去することとしたので、下流側の積層体に凝縮水が流れ込むことがなく、また燃料ガス流れを阻害することなく、下流側の積層体の不安定動作を防止することができる。

以下に、本発明の固体高分子形燃料電池にかかる実施形態について、図面を参照して説明する。
図１には、本実施形態にかかる固体高分子形燃料電池１の概略を示した斜視図が示されている。この固体高分子形燃料電池１は、横置型とされており、上流ユニット（積層体）３と、下流ユニット（積層体）５と、これらユニット３，５を接続する中間フランジ（接続部）７とを備えている。

上流ユニット３は、水素リッチとされた燃料ガス流れからみて上流側に位置しており、単位セルが複数積層された構成となっている。単位セルの積層方向は、図１において左右方向（水平方向）である。各単位セルは、固体高分子電解質の両側にそれぞれ燃料電極および酸化剤電極が配置され、これら電極の外側に燃料用セパレータおよび空気用セパレータが配置された構造となっている。

燃料電極に面する燃料用セパレータ９の表面には、図１（ｂ）に示すように、燃料ガスが流れる流路１１ａが蛇行状に形成されている。一方、酸化剤電極に面する空気用セパレータの表面には、図示しないが、図１（ｂ）と同様に空気（酸化剤ガス）が流れる流路が蛇行状に形成されている。
このように流路が形成された燃料用セパレータを積層することにより、燃料ガスの流路は、図１（ａ）に示すように、上流ユニット３の上方角部に設けられた燃料ガス入口１０を有して積層方向に水平に延在する上流ユニット入口ヘッダ１１と、上流ユニット３の下方角部に設けられて積層方向に水平に延在する上流ユニット出口ヘッダ１２とを備えている。これらヘッダ１１，１２間は、各燃料用セパレータ９に形成された蛇行状の流路１１ａによって接続されている。

下流ユニット５は、燃料ガス流れからみて下流側に位置しており、上流ユニット３と同様に、単位セルが複数積層された構成となっている。単位セルの構造および積層方向は、上流ユニット３と同様なので省略する。また、燃料用セパレータ９の構造についても同様なので省略する。なお、下流ユニット５の単位セルの数は、上流ユニット３のそれよりも少なくされている。
下流ユニット５における燃料ガスの流路は、図１（ａ）に示すように、下流ユニット５の上方角部に設けられて積層方向に水平に延在する下流ユニット入口ヘッダ１３と、下流ユニット５の下方角部に設けられて積層方向に水平に延在する下流ユニット出口ヘッダ１４とを備えている。これらヘッダ１３，１４間は、各燃料用セパレータ９に形成された蛇行状の流路１１ａによって接続されている。

中間フランジ７は、カーボン等の導電性および耐食性を有する材料で構成された板状体が複数積層された直方体形状とされている。中間フランジ７には、燃料ガス流路２０が形成されている。この燃料ガス流路２０は、下方に位置して上流ユニット出口ヘッダ１２に連通する下方流路２０ａと、上方に位置して下流ユニット入口ヘッダ１３に連通する上方流路２０ｂと、これら下方流路２０ａと上方流路２０ｂとを接続する接続流路２０ｃとを備えている。
下方流路２０ａには、その下部に貯留した凝縮水を外部へと放出する排水手段（貯留水排出手段）２３が設けられている。この排水手段２３には、自動弁２３ａが設けられており、下方流路２０ａに貯留した凝縮水の水位に応じて自動的に開弁して凝縮水を排出するようになっている。
接続流路２０ｃは、燃料ガス流れからみて、下方から上方へと斜めに延在するように形成されている。また、接続流路２０ｃには、その途中にフィルタ２５が設けられている。このフィルタ２５は、燃料ガスとともに飛散してくる不純物を除去するものである。不純物としては、燃料電池の構成材となるカーボンや電極触媒からの離脱物が挙げられる。

次に、図２を参照して冷却水流路について説明する。
図２（ｂ）に示すように、上流ユニット３および下流ユニット５の燃料用および空気用セパレータの表面には、冷却水流路３０が蛇行状に形成されている。この冷却水流路３０は、燃料ガスまたは空気のための流路が形成されたセパレータの面とは反対側の面（背面）に形成されている。
なお、燃料用セパレータ９および空気用セパレータのそれぞれの背面同士が当接した状態で組み立てられるので、いずれか一方に冷却水流路３０を設けても良いし、両者に冷却水流路３０を独立して設けても良いし、あるいは、両者に設けた冷却水用の溝をそれぞれ合わせることによって共通の冷却水流路３０を形成するようにしても良い。

中間フランジ７にも冷却水が流されるようになっている。すなわち、図３に示すように、中間フランジ７には冷却水入口ヘッダ１７及び冷却水出口ヘッダ１８が形成されている。なお、図３は、図１及び図２と異なり、上下に積層された配置とされているが、これはあくまでも見易さのために図示されているだけであり、実際には図１及び図２のように横置配置とされる。
中間フランジ本体７ｂに接触した状態で配置される板状体７ａの表面には、冷却水流路３０が形成されている。ただし、冷却水流路３０は、中間フランジ本体７ｂに形成された燃料ガス流路２０とは干渉（連通）しないように形成されている。この冷却水流路３０を通り、冷却水入口ヘッダ１７から流れ込んだ冷却水が冷却水出口ヘッダ１８へと導かれる。図３では、並列に配置された複数の直線状の溝によって冷却水流路３０が形成されているが、燃料用セパレータや空気用セパレータに形成された冷却水流路と同様に、蛇行状の流路としても良い。

また、図３に示されているように、燃料用セパレータ９の表面には燃料ガスが蛇行して流れる流路１１ａが形成されている。この流路１１ａの上流位置及び下流位置には、燃料ガス用の入口ヘッダ１１及び出口ヘッダ１２が形成されている。これらヘッダ１１，１２は、燃料用セパレータ及び板状体７ａを貫通した状態で形成されている。燃料ガス用出口ヘッダ１２を通過した燃料ガスは、中間フランジ７に形成された燃料ガス流路２０を通過する。
一方、燃料ガス用ヘッダ１１，１２の対称位置には、空気用の入口ヘッダ３２及び出口ヘッダ３３が形成されている。これらヘッダ３２，３３は、燃料用セパレータ、板状体７ａ及び中間フランジ７を貫通した状態で形成されている。

このように冷却水流路が形成されたセパレータ及び中間フランジ７の板状体を積層することにより、冷却水の経路は図２（ａ）に示すようになる。つまり、積層方向に水平に延在する冷却水入口ヘッダ１７と、積層方向に水平に延在する冷却水出口ヘッダ１８とを備えた冷却水の経路となっている。これらヘッダ１７，１８間は、各セパレータに形成された蛇行状の冷却水流路３０によって接続されている。なお、各ヘッダ１７，１８は、燃料ガスのヘッダ１１，１２，１３，１４と異なり、中間フランジ７および下流ユニット３まで連通した一連のヘッダとなっている。
このように、中間フランジ７には、上流ユニット３及び下流ユニット５を流れる冷却水と並列的に略同じ温度の冷却水が流されるようになっているので、中間フランジ７は上流ユニット３及び下流ユニット５と略同一温度が保たれるようになっている。

空気の流れについては、冷却水と同様に、上流ユニット３、中間フランジ７および下流ユニット５で共通としたヘッダが用いられる。なぜなら、空気は水素のようにコストがかからないため利用率を考慮しなくてもよく、したがって、中間フランジ７を介して上流ユニット３から下流ユニット５へと直列に順次ガスを流す必要がないからである。しかし、純酸素を用いる場合には、コストがかかるため利用率を考慮する必要があるので、燃料ガスの流れと同様に（図１（ａ）参照）、中間フランジ７を介して上流ユニット３から下流ユニット５へと直列に順次ガスを流すようにする。
なお、図１（ｂ）に、燃料用セパレータ９に形成された空気用ヘッダ３２，３３を示す。

次に、上記構成の固体高分子形燃料電池１の動作について説明する。
燃料ガスは、燃料ガス入口１０から上流ユニット３内へと供給され、上流ユニット入口ヘッダ１１へと導かれる。その後、上流ユニット入口ヘッダ１１から各燃料用セパレータ９に形成された蛇行状の流路に沿って上流ユニット出口ヘッダ１２へと流れる。各燃料用セパレータ９を流れる際に、燃料電極との間でアノード反応が行われる。一方、空気についても同様に上流ユニット３の酸素用セパレータに形成された蛇行状の酸素用流路に沿って流され、酸化剤電極との間でカソード反応が行われる。これらの反応が行われるとともに、固体高分子膜を水素イオンが移動することによって、電池反応が行われる。

その後、燃料ガスは、中間フランジ７の下方流路２０ａへと流れ込んだ後、接続流路２０ｃを下方から上方へと流れ、上方流路２０ｂへと流れる。この際に、燃料ガス中に含まれる水蒸気は、凝縮して接続流路２０ｃの内壁に付着する。内壁に付着した凝縮水は、接続流路２０ｃが上下方向にわたって配置されているので、内壁を伝って下方へと流れる。このように凝縮水は下方へと流れ、上方に向かう燃料ガスとは反対方向へと流れるので、凝縮水が燃料ガスの流れに伴って下流側の下流ユニット５へと流れ込むことがない。このように、上下方向にわたって配置された接続流路２０ｃを備えた燃料ガス流路２０は、凝縮水除去手段を構成する。
接続流路２０ｃの内壁を伝って下方へと流れた凝縮水は、下方流路２０ａの底部に貯留する。貯留した凝縮水は、排水手段２３によって外部へと排出される。排水手段２３には、自動弁２３が設けられているので、貯留した凝縮水の水位に応じて自動的に排出される。
また、中間フランジ７は、冷却水が流されているので、上流ユニット３と略同じ温度に保たれている。したがって、上流ユニット３を通過した燃料ガスが中間フランジ７を通過する際に冷やされて必要以上に凝縮水が発生することを防止している。

下流ユニット５へと流れ込んだ燃料ガスは、上方に位置する下流ユニット入口ヘッダ１３へと導かれる。その後、下流ユニット入口ヘッダ１３から各燃料用セパレータ９に形成された蛇行状の流路１１ａに沿って下流ユニット出口ヘッダ１４へと流れる。各燃料用セパレータ９を流れる際に、燃料電極との間でアノード反応が行われる。一方、空気についても同様に下流ユニット５の各酸素用セパレータに形成された蛇行状の流路に沿って流され、酸化剤電極との間でカソード反応が行われる。これらの反応が行われるとともに、固体高分子膜を水素イオンが移動することによって、電池反応が行われる。
燃料ガスは、下流ユニット出口ヘッダ１４へと流れた後、外部へと排出される。

本実施形態による固体高分子形燃料電池１によれば、以下の効果を奏する。
上下方向に配置した接続流路２０ｃによって凝縮水を内壁に付着させた後に下方へと流すこととしたので、中間フランジ７の下流側に設けられた下流ユニット５に凝縮水が飛散したり流れ込んだりすることがない。したがって、凝縮水によって下流ユニット５のセル電圧が変動し、動作が不安定になることがない。
また、接続流路２０ｃを上下方向に配置することによって燃料ガスが上方へ向かうように流路が配置されているので、凝縮水は、重力によってガス流れとは反対の下方へと流れ、燃料ガスの流れと反対方向に流れることになる。したがって、燃料ガスの流れに伴って下流ユニット５に凝縮水が飛散することがない。
また、中間フランジ７の水素ガス含有流路２０を上下方向に配置するという簡便な構成で凝縮水除去手段を構成することとしたので、コンパクトな構成が実現される。

排水手段２３によって下方流路２０ａに貯留した貯留水を排出することとしたので、貯留水が中間ユニット７のガス流路に滞留することによって生じる圧損の増大を防ぐことができる。

接続流路２０ｃにフィルタ２５を設けることとしたので、燃料ガスとともに飛散してくる不純物を除去することができる。これにより、下流ユニット５の不具合を未然に防止することができる。

上流ユニット３及び下流ユニット５を冷却する冷却水によって中間フランジ７の温度調節を行い、中間フランジの温度を各ユニット３，５と略同じ温度に保つようにしたので、中間ユニット７で必要以上に水蒸気が凝縮してしまうことを防止することができる。

なお、本実施形態では、横置型の固体高分子形燃料電池１を用いて説明したが、固体高分子形燃料電池１の配置方向に本発明は限定されるものではない。
例えば、図４に示すように、縦置型としてもよい。このように縦置型とした場合、中間フランジ７に設けた燃料ガス流路２０の接続流路２０ｃは、上流側（図において右方）から下流側（図において左方）に行くに従い、下方から上方になるように傾けて配置されている。これにより、接続流路２０ｃの内壁に付着した凝縮水は下方へと導かれる。

また、本実施形態では、中間フランジ７に設けた冷却水流路は、上下方向に配置した接続流路２０ｃによる凝縮水除去手段との組み合わせとして説明したが、単独で用いてもよい。なぜなら、中間フランジ７に設けた冷却水流路は、単独で、上流ユニット３及び下流ユニット５と略同一温度を保つことにより、中間フランジ７において燃料ガスが冷却されることを回避して、凝縮水の生成をなくすという特有の効果を奏するからである。

第１実施形態にかかる固体高分子形燃料電池の概略を示した斜視図である。 冷却水の流路を示した斜視図である。 中間フランジに形成された冷却水流路を示した分解斜視図である。 第１実施形態の変形例を示した斜視図である。

符号の説明

１ 固体高分子形燃料電池
３ 上流ユニット（積層体）
５ 下流ユニット（積層体）
７ 中間フランジ（接続部）
９ セパレータ
２０ 燃料ガス流路

Claims (4)

1. 固体高分子電解質の両側にそれぞれ燃料電極および酸化剤電極が配置され、これら電極の外側にセパレータが配置された単位セルが複数積層された積層体が、接続部を介して複数配置され、前記接続部には燃料ガスが流れる燃料ガス流路および／または酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス流路が設けられ、これらガス流路を通って燃料ガスおよび／または酸化剤ガスが各前記積層体内を順次流れる固体高分子形燃料電池において、
   前記接続部は、前記積層体間に配置された中間フランジとされ、
   該中間フランジには、前記燃料ガス流路および／または酸化剤ガス流路を流れるガスから凝縮した凝縮水を除去する凝縮水除去手段が設けられ、
   前記凝縮水除去手段は、内部を流れるガスが上方へ向かうように配置された前記燃料ガス流路および／または酸化剤ガス流路とされていることを特徴とする固体高分子形燃料電池。
2. 前記凝縮水除去手段は、貯留した凝縮水を外部へ排出する貯留水排出手段を備えていることを特徴とする請求項１記載の固体高分子形燃料電池。
3. 前記燃料ガス流路および／または酸化剤ガス流路には、フィルタが設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の固体高分子形燃料電池。
4. 前記各積層体には、各前記単位セルを冷却するための冷却水が流通する冷却水流路が設けられており、
   前記接続部は、前記冷却水によって温度調節されることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の固体高分子形燃料電池。

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