JP5245232B2 - 固体高分子型燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、ポータブル電源、電気自動車用電源、定置型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型燃料電池に関するものである。

固体高分子型燃料電池は、水素などの燃料ガスと空気などの酸化ガスをガス拡散電極によって電気化学的に反応させるもので、電気と熱とを同時に発生させるものである。このような固体高分子型燃料電池の基本的な単電池の構成を図５に示した。なお、水素などの燃料ガスの関与する側をアノードと呼び、図では符号の後にａを付け表し、空気などの酸化ガスの関与する側をカソードと呼び、図では符号の後にｃを付け表した。

図５に於いて、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜１０１の両面には、白金
系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反応層１０２ａ，１０２ｃを密着して配置する。さらに触媒反応層１０２ａ，１０２ｃの外面には、ガス通気性と導電性を兼ね備えた一対の拡散層１０３ａ，１０３ｃをこれに密着して配置する。この拡散層１０３ａ，１０３ｃと触媒反応層１０２ａ，１０２ｃにより電極１０４ａ，１０４ｃを構成する。電極電解質接合体１０５は（以降、ＭＥＡと称する）、電極１０４ａ，１０４ｃと高分子電解質膜１０１とで形成している。ＭＥＡ１０５外側には、ＭＥＡ１０５を機械的に固定するとともに、隣接するＭＥＡ同士を互いに電気的に直列に接続し、さらに電極に反応ガスを供給し、かつ反応により発生したガスや余剰のガスを運び去るためのガス流路１０６ａ，１０６ｃをＭＥＡ１０５に接する面に形成した導電性セパレータ１０７ａ，１０７ｃを配置する。導電性セパレータ１０７ａでＭＥＡ１０５とは反対の面には、隣の単電池の導電性セパレータ１０７ｃが接する。導電性セパレータ１０７ａ，１０７ｃ同士が接する側には循環水通路１０８が備えられ、ここに循環水が流れる。循環水は導電性セパレータ１０７ａ，１０７ｃを介してＭＥＡ１０５の温度を調整するように熱を移動させる。ＭＥＡ１０５と導電性セパレータ１０７ａ，１０７ｃとの間にはガスを封止するＭＥＡガスケット１１０ａ，１１０ｃが備えられ、導電性セパレータ１０７ａ，１０７ｃの間には循環水を封止するセパレータガスケット１１１が備えられている。

次に、基本動作を説明する。ガス流路１０６ｃに空気などの酸化ガスを流し、ガス流路１０６ａに水素などの燃料ガスを流す。燃料ガス中の水素は拡散層１０３ａを拡散し、触媒反応層１０２ａに達する。触媒反応層１０２ａで水素は水素イオンと電子に分けられる。電子は外部回路を通じてカソード側に移動される。水素イオンは膜１０１を透過しカソード側に移動し反応触媒層１０２ｃに達する。空気などの酸化ガス中の酸素は拡散層１０３ｃを拡散し、反応触媒層１０２ｃに達する。触媒反応層１０２ｃでは酸素が電子と反応し酸素イオンとなり、さらに酸素イオンは水素イオンと反応し水が生成される。つまりＭＥＡ１０５の周囲で酸化ガスと燃料ガスが反応し水が生成され、電子が流れる。さらに反応時に熱が生成し、ＭＥＡ１０５の温度が上昇する。そのため循環水経路１０８に水などを流すことにより反応で発生した熱を水で外部に運び出す。つまり、熱と電流（電気）が発生する。

基本的な単電池を複数個積層した一般的な固体高分子型燃料電池スタックの構成を図５に示す。積層した単電池の両端には、発生した電気を集める導電性の集電板１２０を備え、絶縁板１２２を介してスタック両端に備えた端板１２３で両端から締結されている。集電板１２０は一般的に金属板であり、通常はステンレス鋼、銅、真鍮等の材質からなり、接触抵抗の低減と耐食のために金メッキ等が施される場合が多い。

集められた電気の出力には、集電板と外部機器を接続することにより行われる。この外部回路と集電板とを接続する手段として、図６に示すような集電板１２０の一部が積層電池外形よりはみ出した形状の端子１２１を備えた集電板を用い、端子１２１を外部回路に接続する方法が一般的である。

しかしながら、上記従来の構成では、集電板１２０の端子１２１がスタックの周囲から延出してしまう分、スタックの設置スペースが大きくなってしまうという課題と、電力を取り出す際に集電板の中央から電力を取り出すのに比べ、電気抵抗が大きく、電力が熱に変換されてしまう量が増え、発電効率が低下するという課題とがあった。

そこで、図７に示すように電力を取り出す端子を、集電板の中央付近に設け、設置スペースを小さくすると共に、電気抵抗を抑えることにより、発電効率の良い固体高分子型燃料電池が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−１００３９２号公報

しかしながら、上記従来の固体高分子型燃料電池では、以下のような課題があった。

すなわち、上記従来の固体高分子型燃料電池では、端子の位置を集電板の中央付近に配置したものの、その詳細の位置に関しては考慮されていなかった。

しかしながら、本発明の発明者らは、発電が各単電池の触媒反応層の略全面で、燃料ガス中の水素濃度および酸化剤ガス中の酸素濃度が高い上流側に発電量が偏って行われることを見出した。すなわち、発生した電気（電流）は積層方向に垂直に流れた後、集電板で端子に向けて積層方向と略直角に向きを変え、端子から外部回路に出力される。ところが集電板には電気抵抗が存在するため、発電した電気の一部が集電板で熱として損失してしまう。この熱として損失する電気は、電流の二乗と電気抵抗との積で大きさが決まるため、従来の固体高分子型燃料電池では、集電板を流れる距離が場所によって長く、全体として電気の損失が大きいという課題があった。

本発明の固体高分子型燃料電池は、前記従来の課題を解決するものであり、集電板で熱として損失する電気の量を極力抑え、発電効率の高い固体高分子型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、本発明は、固体高分子電解質膜と、前記固体高分子電解質膜を挟んで配された触媒反応層を有する一対の電極と、前記電極の一方に水素を含む燃料ガスを供給し、かつ他方に酸素を含む酸化剤ガスを供給する流路を備えた導電性の一対のセパレータとを備えた単電池を一個または複数個積層した固体高分子型燃料電池において、
前記流路は、その流路中点が前記セパレータの中央近傍に位置するものとし、前記単電池または積層した複数の単電池の両端に導電性の集電板を設け、前記集電板の単電池に接する面の対面上に位置して、かつ前記ガスを供給する流路の上流側に対応する位置で、かつ、前記集電板の中心近傍の位置に、前記単電池内で発生した電力を取り出す端子を設けたことを特徴とする固体高分子型燃料電池とする。

これにより、発電の集中する上流側で、より端子までの距離を短くできるため、集電板の電気抵抗による電気の損失を抑えることができる。

本発明の固体高分子型燃料電池は、集電板での電力の損失を抑えることができるために、発電効率の高い固体高分子型燃料電池を提供することができる。

請求項１に記載の発明は、固体高分子電解質膜と、前記固体高分子電解質膜を挟んで配された触媒反応層を有する一対の電極と、前記電極の一方に水素を含む燃料ガスを供給し、かつ他方に酸素を含む酸化剤ガスを供給する流路を備えた導電性の一対のセパレータとを備えた単電池を一個または複数個積層した固体高分子型燃料電池において、前記流路は、その流路中点が前記セパレータの中央近傍に位置するものとし、前記単電池または積層した複数の単電池の両端に導電性の集電板を設け、前記集電板の単電池に接する面の対面上に位置して、かつ前記ガスを供給する流路の上流側に対応する位置で、かつ、前記集電板の中心近傍の位置に、前記単電池内で発生した電力を取り出す端子を設けたことを特徴とする固体高分子型燃料電池とする。

集電板の単電池に接する面の対面上に位置して、かつ前記ガスを供給する流路の上流側に対応する位置に、前記単電池内で発生した電力を取り出す端子を設けることにより、集電板の各位置から端子までの距離を短くすることができ、かつ発電の集中する上流側で、より端子までの距離を短くできるため、集電板の電気抵抗による電気の損失を抑えることができ、発電効率の高い固体高分子型燃料電池を提供することができる。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１における固体高分子型燃料電池の単電池の分解図である。

図１に示すように、単電池は一対の電極１０４で高分子電解質膜１０１を挟んで構成したＭＥＡ１０５を、一対のアノード側セパレータ１０７ａとカソード側セパレータ１０７ｃとで挟み込んで構成されている。アノード側セパレータ１０７ａおよびカソード側セパレータ１０７ｃには、外部から水素を含む燃料ガスを導入するための燃料ガス入口マニホールド１と、発電に使用されなかった燃料ガスを外部に排出するための燃料ガス出口マニホールド２と、酸素を含む酸化剤ガスを外部から導入するための酸化剤ガス入口マニホールド３と、発電に使用されなかった酸化剤ガスを外部に排出するための酸化剤ガス出口マニホールド４とが各セパレータ１０７ａ，１０７ｃの外周近傍に貫通して設けられている。また、アノード側セパレータ１０７ａのＭＥＡ１０５と接する面には、燃料ガス入口マニホールド１と燃料ガス出口マニホールド２とを結び、電極１０４に燃料ガスを供給するためのガス流路１０６ａが設けられている。同様にカソード側セパレータ１０７ｃのＭＥＡ１０５と接する面には、酸化剤ガス入口マニホールド３と酸化剤ガス出口マニホールド４とを結び、電極１０４に酸化剤ガスを供給するためのガス流路１０６ｃが設けられている。ガス流路１０６ａ，１０６ｃは、電極１０４に対して可能な限り均一にガスを供給するために、複数本の流路を蛇行させて形成している。なお、単電池に供給する燃料ガスおよび酸化剤ガスは、高分子電解質膜１０１の水素イオン伝導性を発揮させるために加湿して常に高分子電解質膜１０１を湿潤状態に保つようにしているが、ガス中の水蒸気が凝縮して、あるいは発電に伴って生成した水がガス流路１０６ａ，１０６ｃにたまって流路を閉塞し、ガスの流れを阻害しないように上方から導入して下方から排出されるようにガス流路１０６ａ，１０６ｃを構成した。

また、アノード側セパレータ１０７ａとカソード側セパレータ１０７ｃとには、発電とともに発生する熱を取り去るための循環水を、アノード側セパレータ１０７ａのＭＥＡ１０５と接する面と反対の面に形成した循環水流路（図示せず）に導入，排出するための循環水入口マニホールド５と循環水出口マニホールド６が、外周近傍に貫通して設けられている。

また、ＭＥＡ１０５には各マニホールド１，２，３，４，５，６に対応する位置に穴が設けられており、ＭＥＡ１０５のアノード電極側（アノード側セパレータ１０７ａと接する側の電極１０４の面）には、燃料ガスが外部に漏れず、かつ酸化剤ガスと循環水とがこの面に進入しないように考慮したシール部７が設けられ、ＭＥＡ１０５のカソード電極側（カソード側セパレータ１０７ｃと接する側の電極１０４の面）には酸化剤ガスが外部に漏れず、かつ燃料ガスと循環水がこの面に浸入しないように考慮したシール部７が設けられている。なお、このシール部７は導電性のアノード側セパレータ１０７ａとカソード側セパレータ１０７ｃとが直接接触して短絡しないようにする絶縁の役割も果たしており、図１で示した線シールではなく面シールとしても良く、また、シール部７とは別に絶縁体を挿入しても、シールが行えれば良い。

図２は図１に示す単電池を積層して構成した固体高分子形燃料電池の構成を示す斜視図であり、図３（ａ）は同固体高分子形燃料電池の左側面図であり、図３（ｂ）は同固体高分子形燃料電池の右側面図である。

図２、図３に示すように本実施の形態の固体高分子型燃料電池は、単電池を複数枚積層し、両端に位置する単電池のセパレータ１０７ａ，１０７ｃと電気的に接続したステンレス鋼に金メッキを施した集電板１２０を配置し、絶縁板１２２を介して端板１２３で締結したものである。締結には端板１２３，絶縁板１２２，集電板１２０，セパレータ１０７ａ，１０７ｃ，ＭＥＡ１０５の四隅を貫通する電気的に絶縁された締結ロッド（図示せず）で行った。以下、単電池を積層して端板１２３で締結した構成をスタックと称する。

単電池の積層は、単電池を構成するアノード側セパレータ１０７ａと隣り合う単電池を構成するカソード側セパレータ１０７ｃとが電気的に接続され、かつ、アノード側セパレータ１０７ａに形成した循環水流路から水が外部に漏れないように考慮してシール構造を形成した。

端板１２３には、スタックの陽極側となるカソード側セパレータ１０７ｃと電気的に接続された集電板１２０と絶縁板１２２を介して接する陽極側端板１２３ｃと、スタックの陰極側となるアノード側セパレータ１０７ａと電気的に接続された集電板１２０と絶縁板１２２を介して接する陰極側端板１２３ａとがあり、陽極側端板１２３ｃには、燃料ガスをスタックに導入する燃料ガス入口８と、酸化剤ガスをスタックに導入する酸化剤ガス入口９と、冷却水を導入する冷却水入口１０とが設けられ、それぞれ燃料ガス入口マニホールド１，酸化剤ガス入口マニホールド３，循環水入口マニホールド５と接続されている。また、陰極側端板１２３ａには、燃料ガスをスタックから排出する燃料ガス出口１１と、酸化剤ガスをスタックから排出する酸化剤ガス出口１２と、冷却水を排出する冷却水出口１３とが設けられ、それぞれ燃料ガス入口マニホールド１，酸化剤ガス入口マニホールド３，循環水入口マニホールド５と接続されている。

集電板１２０には、ＭＥＡ１０５の略中央で、中央からカソード側ガス流路１０６ｃの上流側（図３における上側）に対応する位置に端子１４が絶縁板１２２と端板１２３とを貫通し、端板１２３と電気的に絶縁された状態で端板１２３から突出して設けられ、外部回路に接続されている。

この端子１４を配置する位置を決定した手法について、次に図４を用いて説明する。

本実施の形態の固体高分子型燃料電池を構成する単電池の端子位置を決定する手法の説明図である図４（ａ）は電極を分割した際の各領域の位置を示す図、図４（ｂ）は流路距離比と電流密度比の関係を測定した実験結果を示すグラフ、図４（ｃ）は各領域に端子を配置した際の電力の損失比を示す図である。

図４（ａ）は、図１に示した単電池において、電極１０４を縦３列，横５行に均等な面積で分割し、かつ電極１０４に対応する酸化剤ガス流路１０６ｃの最上流の部分（酸化剤ガス入口マニホールド３に接続される部分）を領域１、最下流の部分（酸化剤ガス出口マニホールド４に接続される部分）を領域１５となるように、上流から下流に割り振ったものを示す。なお、図示の都合上、図４（ａ）には、電極１０４をカソード側から見た図に、対応する酸化剤ガス流路１０６ｃを破線で示してある。

図４（ｂ）は、図４（ａ）に示した各１５の領域での電流密度の分布を測定した実験結果を示すグラフであり、横軸には酸化剤ガス流路１０６ｃの入口側を０、出口側を１とした際の各領域中央での流路距離比を、縦軸には、電極全域での電流密度（単電池全体の電流値を電極１０４全体の面積で割ったもの）を１とした場合の各領域での電流密度比をとったものである。

図４（ｂ）に示すように、発電は流路の上流側では電流密度が高く、下流側で電流密度が低くなった。なお、セパレータの材質や、ガス流量，負荷電流などの運転条件を変えることにより、各領域における電流密度は異なるが、上流側において下流側に比べて電流密度が大きくなる傾向は同じであった。

次に図４（ｃ）に、領域１から１５の各領域の中央に端子１４を配置した際の電力の損失を、各領域での電流の二乗と端子１４までの距離との積の和を求め、電極１０４の中央（領域８）に配置したときの損失を１００として比率で示す。

図４（ｃ）に示すように、本実施の形態の固体高分子型燃料電池では、領域５に端子１４を配置したときに、最も電力の損失が小さくなる結果となった。なお、電極１０４の分割数を多くして各領域の面積をより小さくした方が、より正確に損失が小さくなる端子位置を決定することが可能である。

なお、端子の位置はガスの流れ方向に対して、流路長の半分よりも上流側が好ましい。さらに、燃料ガス中の水素濃度と、酸化剤ガス中の酸素濃度を比べた際に、酸化剤ガスとして空気を使用するときなど、酸化剤ガス中の酸素濃度の方が低い場合は、電流密度の分布は酸化剤ガスの拡散性の影響を燃料ガスの拡散性に対して大きく受ける。そこで、燃料ガス流路の上流側と酸化剤ガス流路の上流側とが一致しない場合には、酸化剤ガス流路の上流側に端子を設ける方が好ましい。

以上のように構成した固体高分子型燃料電池にについて、以下その動作、作用について説明する。

燃料ガス入口８からスタックに供給された燃料ガスは燃料ガス入口マニホールド１を介して各単電池のアノード側セパレータ１０７ａのガス流路１０６ａを通って電極１０４のアノード側に供給される。一方、酸化剤ガス入口９からスタックに供給された酸化剤ガスは酸化剤入口マニホールドを介して、各単電池のカソード側セパレータ１０７ｃのガス流路１０６と通って電極１０４のカソード側に供給され、燃料ガス中の水素と酸化剤ガス中の酸素が電気化学反応を起こして電気と熱が発生する。

発電に伴って発生した熱は、循環水を循環水入口１０から循環水入口マニホールド５を介してアノード側セパレータ１０７ａの循環水流路に供給し、循環水出口マニホールド６を介して循環水出口１３からスタックの外へ排出することにより、セパレータ１０７ａ，１０７ｃを介して搬出する。

発電はガス流路１０６の入口から起こり、燃料ガス中の水素および酸化剤ガス中の酸素を徐々に消費しながら下流に向かって流れ、発電に利用されなかった燃料ガスおよび酸化剤ガス、そして発電に伴って生成した水（水蒸気）は、それぞれ燃料ガス出口マニホールド２および酸化剤ガス出口マニホールド４を介して、燃料ガス出口１１，酸化剤ガス出口１２からスタックの外部に排出される。すなわち電極１０４に供給される燃料ガス中の水素濃度および酸化剤ガス中の酸素濃度は、ガス流路１０６の上流側で高く、下流に行くにつれて徐々に低くなるため、発生する電流は上流側で大きく、下流にかけて徐々に小さくなる。

発生した電流は、積層した単電池の積層方向に流れ、集電板１２０で端子１４に向かって流れ、集電板１２０自体の電気抵抗により電気が熱として損失してしまうが、端子１４を電極１０４の中央に対応する集電板１２０の位置から、燃料ガスおよび酸化剤ガスとが電極１４０に供給される流路１０６の中央から上流側に対応する位置に配したため、集電板１２０を電気が流れる距離を電流の大きい上流側で短くしたため、電気の損失を抑える
ことができ、発電効率の高い固体高分子型燃料電池を提供することができる。

以上のように、本発明にかかる固体高分子型燃料電池は、ポータブル電源、電気自動車用電源、定置型コージェネレーションシステム等の用途に適用できる。

本発明の実施の形態１における固体高分子型燃料電池を構成する単電池の分解図 同実施の形態の固体高分子型燃料電池の斜視図 （ａ）同実施の形態の固体高分子型燃料電池の左側面図（ｂ）同実施の形態の固体高分子型燃料電池の右側面図 同実施の形態の固体高分子型燃料電池を構成する単電池の端子位置を決定する手法を説明する（ａ）電極を分割した際の各領域の位置を示す図（ｂ）流路距離比と電流密度比の関係を測定した実験結果を示すグラフ（ｃ）各領域に端子を配置した際の電力の損失比を示す図 従来の固体高分子型燃料電池を構成する単電池の断面図 従来の固体高分子型燃料電池の斜視図 別の従来の固体高分子型燃料電池の斜視図

１ 燃料ガス入口マニホールド
２ 燃料ガス出口マニホールド
３ 酸化剤ガス入口マニホールド
４ 酸化剤ガス出口マニホールド
５ 循環水入口マニホールド
６ 循環水出口マニホールド
７ シール部
８ 燃料ガス入口
９ 酸化剤ガス入口
１０ 循環水入口
１１ 燃料ガス出口
１２ 酸化剤ガス出口
１３ 循環水出口
１４ 端子
１０１ 高分子電解質膜（固体高分子電解質膜）
１０４ 電極
１０５ ＭＥＡ
１０６ａ ガス流路
１０６ｃ ガス流路
１０７ａ アノード側セパレータ
１０７ｃ カソード側セパレータ
１２０ 集電板
１２２ 絶縁板
１２３ａ 陰極側端板
１２３ｃ 陽極側端板

Claims (1)

1. 固体高分子電解質膜と、前記固体高分子電解質膜を挟んで配された触媒反応層を有する一対の電極と、前記電極の一方に水素を含む燃料ガスを供給し、かつ他方に酸素を含む酸化剤ガスを供給する流路を備えた導電性の一対のセパレータとを備えた単電池を一個または複数個積層した固体高分子型燃料電池において、
   前記流路は、その流路中点が前記セパレータの中央近傍に位置するものとし、
   前記単電池または積層した複数の単電池の両端に導電性の集電板を設け、前記集電板の単電池に接する面の対面上に位置して、かつ前記ガスを供給する流路の上流側に対応する位置で、かつ、前記集電板の中心近傍の位置に、前記単電池内で発生した電力を取り出す端子を設けたことを特徴とする固体高分子型燃料電池。

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