JPH09180741A - 固体高分子電解質型燃料電池 - Google Patents

固体高分子電解質型燃料電池

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JPH09180741A
JPH09180741A JP7334515A JP33451595A JPH09180741A JP H09180741 A JPH09180741 A JP H09180741A JP 7334515 A JP7334515 A JP 7334515A JP 33451595 A JP33451595 A JP 33451595A JP H09180741 A JPH09180741 A JP H09180741A
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伸二 木下
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Abstract

(57)【要約】 【課題】単電池のセパレータのガス通流溝に水滴が付着
する事態が生じても、速やかに排出され、反応ガスが安
定して均一に通流するものを得る。 【解決手段】固体高分子電解質膜からなる電解質層を挟
持する電極層の外面に組み込まれるセパレータ4Aにお
いて、電極域7に面して配される反応ガス通流用のガス
通流溝5Aを、電極層側に開口する三角形状の断面を備
えたものとする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、固体高分子電解
質膜を電解質保持層とする固体高分子電解質型燃料電池
に係わり、特に単電池を構成するセパレータに設けられ
た反応ガスの通流溝の構成に関する。
【0002】
【従来の技術】図2は、従来より用いられている固体高
分子電解質型燃料電池の単電池の基本構成を模式的に示
す分解断面図である。固体高分子電解質膜1の両主面に
燃料極2と酸化剤極3とが密接して配され、さらにその
両外面に、燃料極2に燃料ガスを、また酸化剤極3に酸
化剤ガスを供給するガス通流溝5と、冷却水を通流して
適正温度に保持するための冷却水通流溝6とを備えたセ
パレータ4を、ガス通流溝5が燃料極2あるいは酸化剤
極3に面するように配設して単電池が構成されている。
なお、本図に示した構成においては、セパレータ4に冷
却水通流溝6を設けているが、冷却機能をセパレータ以
外の別途構成部品に持たせて単電池を構成する場合もあ
る。
【0003】図3は、図2のごとき単電池を積層して構
成される燃料電池積層体の構成を模式的に示す側面図で
ある。複数の単電池8を積層し、その両端に集電板9を
配し、さらにその外側に電気絶縁と熱絶縁の用を果たす
絶縁板10を配設したのち、締付板11で挟み、締付ボ
ルト12、皿バネ13、締付ナット14を用いて締めつ
けて加圧し保持している。
【0004】図4は、単電池を構成するセパレータ4の
電極側から見た側面模式図である。セパレータ4の電極
域7に面する中央部には複数のガス通流溝5が平行に
配設されている。外部より供給される反応ガス、即ち水
素等の燃料ガス、あるいは空気等の酸化剤ガスは、上部
に設けられたガス入口23より入口側マニホールド21
へと送られ、分配されて平行に配された複数のガス通流
溝5を下側へと通流し、電気化学反応に寄与したのち、
余剰のガスは出口側マニホールド22において合流し、
下部に設けられたガス入口24より外部へと排出され
る。なお、ガス入口連通孔25およびガス出口連通孔2
6は、相対して配設されるセパレータへ通流される反応
ガスの入口と出口に連通する孔で、これらの孔を通して
通流することにより、積層された複数の単電池の各セパ
レータへ反応ガスが供給されることとなる。
【0005】固体高分子電解質膜1には、スルホン酸基
を持つポリスチレン系の陽イオン交換膜をカチオン導電
性膜として使用したもの、フロロカーボンスルホン酸と
ポリビニリデンフロライドの混合膜、あるいはフロロカ
ーボンマトリックスにトリフロロエチレンをグラファイ
ト化したもの、パーフロロカーボンスルホン酸膜(米国
デュポン社製、商品名ナフィオン酸)などが用いられ
る。これらの固体高分子電解質膜は分子中にプロトン
(水素イオン)交換基を備えており、飽和に含水させる
ことにより比抵抗が常温で20Ωcm以下となりプロトン
導電性電解質として機能する。膜の飽和含水量は温度に
よって可逆的に変化する。
【0006】燃料極2と酸化剤極3は、ともに触媒層と
これを支持する電極基材とからなり、触媒層を固体高分
子電解質膜1に密着させて配し、燃料極2に燃料ガスで
ある水素を、また酸化剤極3に酸化剤ガスである酸素あ
るいは空気を供給すると、それぞれの触媒層と固体高分
子電解質膜1との界面に三相界面が形成され、以下のご
とき電気化学反応が起こる。
【0007】
【化1】 燃料極 ; H2 → 2H+ +2e- (1) 酸化剤極; 2H+ + (1/2)O2 +2e- → H2 O (2) すなわち、この反応においては水素と酸素が反応して水
が生成する。触媒層は、一般に微小な粒子状の白金触媒
と撥水性を備えたフッ素樹脂から形成されており、反応
ガスが三相界面まで効率的に拡散できるよう細孔が形成
されている。
【0008】なお、この反応により各単電池で発生する
電圧は1V以下であるので、実用的な電圧へ高めるため
に、図3に示したように多数の単電池を積層して燃料電
池積層体を形成して使用される。また、固体高分子電解
質膜の比抵抗を小さくして発電効率を高く維持するため
に、通常 50 〜100 ℃の運転温度で用いられる。前述の
ように、固体高分子電解質型燃料電池においては、固体
高分子電解質膜を飽和に含水させることにより膜の比抵
抗が小さくなり、膜はプロトン導電性電解質として機能
する。したがって、固体高分子電解質型燃料電池の発電
効率を維持するためには、膜の含水状態を飽和に維持す
ることが必要である。このため、反応ガスに水を供給し
て反応ガスの湿度を高めて燃料電池へ供給することによ
り、膜からガスへの水の蒸発を抑えて、膜の乾燥を防止
する方法が、従来から採られている。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】一方、上記の式(1)
および(2)に示したように、燃料電池の発電に際して
は反応生成物として水が生成され、この反応生成水は余
剰の反応ガスとともに燃料電池の外部へと排出される。
このため、単電池内の反応ガスに含まれる水分の量が反
応ガスの流れ方向で差異を生じ、反応ガスの上流側すな
わち入口側に比べて、下流側すなわち出口側では反応生
成水に相当する量だけ多量に水分が含まれることとな
る。
【0010】したがって、膜の含水状態を飽和に維持す
るために飽和状態に加湿した反応ガスを単電池に供給す
ると、出口側では水蒸気が過飽和となり、液体状態とな
った水が混在することとなる。このように反応ガス中に
液体状態の水が含まれると、液体状態の水は、反応ガス
通流路となるセパレータのガス通流溝に表面張力によっ
て液滴として付着し、さらには通路を塞いでガスの流れ
を阻害する事態が生じることとなる。
【0011】これに対して、従来の固体高分子電解質型
燃料電池のセパレータの反応ガス通流溝の構成において
は、いずれかのガス通流溝が液滴により完全に閉塞され
る事態が起これば、液滴には、液滴自体の重力の他に、
並列に配された通流溝を流れるガス流によって生じる圧
力損失が加わることとなる。したがって、反応ガスの流
速やガス通流溝の断面積を適量に選定して圧力損失を所
定値以上とすれば、表面張力による付着力に打ち勝っ
て、閉塞した液滴を通流溝から排出することができる。
【0012】しかしながら、付着した液滴がガス通流溝
を閉塞していない状態においては、液滴には、液滴自体
の重力と通流するガスの流速の2乗に比例する動圧が加
わるのみで、上記のごとき圧力損失は加わらないので、
付着した液滴を取り除くことは困難である。このように
ガス通流溝に液滴が付着する事態が生じると、やがて拡
大した液滴によるガス通流溝の閉塞、圧力損失による液
滴の排出が起こり、再びガス通流溝に液滴が付着するサ
イクルを繰り返すこととなる。したがって、ガス通流溝
に液滴が付着すると、反応ガスの供給量の不足やガス通
流溝相互の間で不均一を引き起こして、電池特性の低下
を引き起こす危険性がある。
【0013】本発明は、上記のごとき従来技術の難点を
解消し、ガス通流溝に液滴が付着する事態が生じても、
液滴が速やかに排出され、反応ガスが安定して均一に通
流する固体高分子電解質型燃料電池を提供することを目
的とする。
【0014】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明においては、固体高分子電解質膜からなる
電解質層の両主面に電極層を配し、さらにその両外面
に、ガス通流溝を備えたセパレータを配設して単電池と
し、この単電池を積層して燃料電池積層体を形成し、一
方のセパレータのガス通流溝に燃料ガスを、また他方の
セパレータのガス通流溝に酸化剤ガスを通流する固体高
分子電解質型燃料電池において、それぞれのセパレータ
のガス通流溝を、電極層に面して開口する三角形状の断
面を備えたものとして形成することとする。
【0015】このように、ガス通流溝の断面形状を三角
形とすれば、 (1) 液滴が2面に同時に付着するので表面張力による付
着力が大きくなり、したがって液滴が付着しやすい角部
が、従来の矩形状断面をもつガス通流溝の内部には2か
所あったのに対して、三角形状断面では1か所となるの
で、ガス通流溝に付着する液滴の量が低減されることと
なる。
【0016】(2) また、図5(a) に示したごとき従来の
深さD、横幅Hの矩形状断面のガス通流溝を、図5(b)
のごとく高さD、底辺Hの三角形状断面のガス通流溝と
すれば、断面積が 1/2となるので、同一量のガスを通流
するとガスの流速は2倍となる。したがって、付着した
液滴には、従来の4倍の動圧が加わることとなり、排出
が容易になる。
【0017】また、長さl、相当直径dのガス通流溝
に、密度ρ、動粘性係数νの流体が流速uで流れている
ときの圧力損失Δpは、次式(1)で表されるので、
【0018】
【数1】 Δp=32νρu(l/d2 ) (1) 図5のように、ガス通流溝を矩形状断面から三角形状断
面にすることによって、圧力損失Δpは、
【0019】
【数2】 2〔2(H2/4+D2 1/2 +H〕2 /(H+D)2 倍に増大する。すなわち、H=Dの場合には、約 5.2倍
に増大することとなる。したがって、ガス通流溝が付着
した液滴により閉塞する事態が生じても、加わる圧力損
失が大きいので、液滴は、より容易に外部へと排出され
る。
【0020】
【発明の実施の形態】図1は、本発明の固体高分子電解
質型燃料電池の実施の形態を示すセパレータの基本構成
の模式図で、(a)は電極側からみた側面図、(b)は
(a)のX−X面における横断面図である。本図の構成
と、図4に示した従来の構成例との差異は、電極域7に
面して並列に配された複数のガス通流路の構成にあり、
従来の構成例のガス通流路5が矩形状の断面を持つもの
として形成されていたのに対して、本図の構成のガス通
流路5Aは、三角形状の断面をもつものとして形成され
ている。
【0021】このように形成すれば、前述のように、液
滴の付着量が減少し、付着した液滴に加わる動圧が増大
し、さらに閉塞した液滴を排出する圧力損失が増大する
ので、付着した液滴が効果的に排出され、液滴の付着を
微量に抑えることができることとなる。
【0022】
【発明の効果】上述のように、本発明においては、固体
高分子電解質膜からなる電解質層の両主面に電極層を配
し、さらにその両外面に、ガス通流溝を備えたセパレー
タを配設して単電池とし、この単電池を積層して燃料電
池積層体を形成し、一方のセパレータのガス通流溝に燃
料ガスを、また他方のセパレータのガス通流溝に酸化剤
ガスを通流する固体高分子電解質型燃料電池において、
それぞれのセパレータのガス通流溝を、電極層に面して
開口する三角形状の断面を備えたものとして形成するこ
ととしたので、ガス通流溝に液滴が付着する事態が生じ
ても、液滴が速やかに排出されることとなり、反応ガス
が安定して均一に通流する固体高分子電解質型燃料電池
が得られることとなった。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の固体高分子電解質型燃料電池の実施の
形態を示すセパレータの基本構成の模式図で、(a)は
電極側からみた側面図、(b)は(a)のX−X面にお
ける横断面図
【図2】従来より用いられている固体高分子電解質型燃
料電池の単電池の基本構成を模式的に示す分解断面図
【図3】単電池を積層した燃料電池積層体の構成を模式
的に示す側面図
【図4】単電池を構成するセパレータの電極側から見た
側面模式図
【図5】従来例と本発明のセパレータのガス通流溝の断
面を拡大して示す比較図
【符号の説明】
1 固体高分子電解質膜 2 燃料極 3 酸化剤極 4 セパレータ 4A セパレータ 5 ガス通流溝 5A ガス通流溝 6 冷却水通流溝 7 電極域 8 単電池8 9 集電板9 10 絶縁板 11 締付板 12 締付ボルト 13 皿バネ 14 締付ナット 21 入口側マニホールド 22 出口側マニホールド 23 ガス入口 24 ガス出口 25 ガス入口連通孔 26 ガス出口連通孔

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】固体高分子電解質膜からなる電解質層の両
    主面に電極層を配し、さらにその両外面に、ガス通流溝
    を備えたセパレータを配設して単電池とし、この単電池
    を積層して燃料電池積層体を形成し、一方のセパレータ
    のガス通流溝に燃料ガスを、また他方のセパレータのガ
    ス通流溝に酸化剤ガスを通流する固体高分子電解質型燃
    料電池において、それぞれのセパレータのガス通流溝が
    電極層に面して開口する三角形状の断面を備えてなるこ
    とを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池。
JP7334515A 1995-12-22 1995-12-22 固体高分子電解質型燃料電池 Pending JPH09180741A (ja)

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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