JPH09245819A - 燃料電池及び電解セル並びにその冷却・除湿方法 - Google Patents

燃料電池及び電解セル並びにその冷却・除湿方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 効率的冷却、効率的除湿が可能となり、装置
自体がコンパクトな燃料電池及び電解セル並びにその冷
却・除湿方法を提供する。 【解決手段】 本発明はアノード及びカソード反応ガス
供給溝が金属薄板等を介して同一平面上に並列したセパ
レータ板が各電極間に積層されている燃料電池及び電解
セルで、アノード反応ガス供給溝は、つづら折りの１本
の連続溝から成り、カソード反応ガス供給溝は、前記ア
ノード反応ガス供給溝により仕切られた不連続溝である
ことを特徴とする。またアノード反応ガス、又はカソー
ド反応ガスの供給マニホールドが電極縁にある外部マニ
ホールド方式か又はセパレータを貫通する内部マニホー
ルド方式とする。電解セルでは、前記でアノードをカソ
ード、カソードをアノードと読み代えるものである。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、低温作動燃料電
池、とりわけイオン交換膜を使用する燃料電池や電解セ
ルの冷却及び除湿を効率的に行い得るセル構造に関する
ものである。
【０００２】
【従来の技術】燃料電池は、水素や各種化石燃料を用い
る高効率、無公害発電装置であることから、エネルギー
問題、全地球的公害問題に対処できる、“ポスト原子
力”の発電装置として、社会的に大きな期待が寄せられ
ている。火力代替発電用、ビルディングや工場単位のオ
ンサイト発電用、あるいは宇宙用など、用途に応じた各
種燃料電池が開発されている。近年、炭酸ガスを中心と
する温室効果や、ＮＯX 、ＳＯX 等による酸性雨が地球
の将来を脅かす問題は、深刻な公害として認識されてき
た。これら公害ガスの主要な排出源の一つが自動車等の
内燃機関であることから、燃料電池を車載用内燃機関に
代えて作動するモータ電源として利用する気運が急速に
高まりつつある。この場合、多くの付帯設備と同様、電
池は可能な限り小型であることが望ましく、そのために
は電池本体の出力密度、出力電流密度が高いことが必須
である。この条件を満たす有力な燃料電池の候補とし
て、イオン交換膜（以下ＰＥＭという）を用いた固体高
分子電解質燃料電池（以下ＰＥＦＣという）が注目され
ている。
【０００３】ここでＰＥＦＣの本体の基本構造と作用、
問題点について説明する。図７に示す如く、ＰＥＭ１の
両側に４Ａ、４Ｃで示されるアノード及びカソードがホ
ットプレスにより接合されることにより電池の基本が構
成される。このアノード及びカソードは２Ａまたは２Ｃ
で示される多孔質触媒層と３Ａまたは３Ｃで示されるカ
ーボンペーパーなどの導電性多孔質支持層からなる。電
極反応は２Ａ及び２Ｃ部の触媒表面で起こる。アノード
反応ガス (Ｈ2)は反応ガス供給溝５Ａから３Ａを通して
供給され、カソード反応ガス (Ｏ2)は反応ガス供給溝５
Ｃから３Ｃを通して供給される。 ２Ａ中では：アノード反応 Ｈ２→ ２Ｈ+ ＋ ２ｅ- ２Ｃ中では：カソード反応 １／２Ｏ2 ＋２Ｈ+ ＋２ｅ- → Ｈ2 Ｏ の反応が起こり、電池全体ではこれらの反応のトータル
として、Ｈ2 ＋１／202→Ｈ2 Ｏ＋Ｑ（反応熱）の反応
が起こる。この過程で、起電力が得られ、この電気エネ
ルギーにより外部負荷８を電子が流れる際に電気的仕事
がなされる。この起電反応は可逆的でないため、その不
可逆分（これを過電圧と呼びηで示す）が存在する。ま
た電池には内部抵抗（Ｒ）が存在し、電流（Ｉ）を流す
とＩＲの電圧ロスが生ずる。その結果、（（ηＩ＋Ｉ2
Ｒ）＋反応熱）の分だけは、電力にならず無駄な熱とし
て電池内に蓄積する。従って、特に高電流密度運転が求
められるＰＥＦＣにおいては、電池の冷却が第一の重要
問題となる。
【０００４】更にまた起電反応で、アノードにおいて生
じた２Ｈ+ はＰＥＭ中をカソードに移動するが、この
際、１個のＨ+ が平均２〜 2.5個のＨ2 Ｏ分子を水和分
子として同伴する。このため、Ｈ2 分子１個では４〜５
個の水分子がアノードからカソードに移動する。ＰＥＭ
は膜中に水分が必要量存在することにより、初めて十分
なＨ+ 導電性が現れる性質がある。従って、Ｈ+ に同伴
移動することにより膜中に不足した水分は、絶えず外部
（少なくともアノード側）から供給して補うことが必要
となる。膜中をカソードに移動する分と、カソード反応
で生じる分の全水分量は多量となり、もしこれが２Ｃ、
３Ｃの細孔中に凝縮すれば、反応ガス（Ｏ2)の２Ｃ中の
触媒表面までの供給を著しく阻害し、電池特性の低下を
来す。従って、凝縮を起こさせることなく水分を電池外
に除去することがＰＥＦＣ特有の第二番目の重要問題と
なる。
【０００５】一般にガスセパレータ板（図７、図８中で
は記号６Ａ、６Ｃで示されている）は、各々電極背面に
燃料ガスと酸化剤ガスを均一に、かつ分離供給し、さら
に反応によって生じた電気を効率よく集電する機能を有
する必要がある。また、電池反応に付随する発熱が大き
いので、運転条件を安定化させるためには、反応熱をガ
スセパレータを介して放熱させる必要がある。それ故、
従来においては、両面にガス供給溝を形成したガスセパ
レータとＰＥＭ並びにアノード及びカソード複合体（単
位セル）を順次複数積み重ねて多重セルとすると共に、
該電池セルの周辺に冷却ジャケットを設けたり、数枚の
セル間隔毎に冷却盤を挿入した構造が採用されている。
また近年は、図８に示す如く、１セル毎にアノード、カ
ソードの各背面に冷却水を流せるジャケット型の冷却構
造が提案されている。しかしながら、前者においては、
各セル毎または各セルの周辺部と内部を均一に冷却する
ことは困難である。後者においては冷却は完全に行える
ものの、前述のカソードにおける過剰生成水分の除去に
おいて重大な欠陥がある。すなわち、ＰＥＦＣでは、カ
ソード４Ｃの細孔内は水蒸気で殆んど飽和されており、
これにセルの運転（露点）温度以下の冷却ジャケットを
接触させると、その近傍に水が凝縮する。その結果、反
応ガスの供給、生成水分の除去が阻害され、高電流密度
の電池運転が不可能となる。従って、冷却と除湿のいず
れも効率的に行える、ガスセパレータ構造を含む新しい
セル構造と運転方法の提案が必須である。
【０００６】また、従来の電池構造では、図８に示され
る如く、アノード、カソード、冷却ジャケットが厚さ方
向に重ねられ、セルのコンパクト化を防げていて、これ
が第三番目の問題となる。車載用ＰＥＦＣとしては、こ
のコンパクト化を実現する新しい電池構造の提案が求め
られる。
【０００７】ところで、上記諸問題は、燃料電池の問題
とてして述べてきた。他方、イオン交換膜を用いた電解
セルでは良く知られる如く、燃料電池と同様の構造で、
全く逆の反応、すなわち水の電解を行わせることができ
る。そこで上記燃料電池の記述でアノードをカソード、
カソードをアノードと読み代えることにより、電解セル
における同様の問題点の指摘となる。水の電解以外の電
解反応でも同様の問題点が存在する。
【０００８】
【本発明が解決しようとする課題】本発明は上記問題点
を解決し、効率的冷却、効率的除湿が可能となり、装置
自体がコンパクトな燃料電池及び電解セル並びにその冷
却・除湿方法を提供する。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明はアノード及びカ
ソード反応ガス供給溝が金属薄板又は導電性樹脂薄板を
介して同一平面上に並列したセパレータ板が各電極間に
積層されている燃料電池及び電解セルで、アノード反応
ガス供給溝は、つづら折りの１本の連続溝から成り、カ
ソード反応ガス供給溝は、前記アノード反応ガス供給溝
により仕切られた不連続溝であることを特徴とする。ま
たアノード反応ガス又はカソード反応ガスの供給マニホ
ールドが電極縁にある外部マニホールド方式か又はセパ
レータを貫通する内部マニホールド方式とする。電解セ
ルでは前記でアノードをカソード、カソードをアノード
と読み代えるものである。さらに本発明は上記構造の燃
料電池及び電解セルへ反応ガスを流すことにより、電極
の冷却及び除湿を行う、燃料電池及び電解セルの冷却・
除湿方法である。
【００１０】
【発明の実施の態様】まず燃料電池の場合について説明
する。効率的冷却を実現するため、本発明では発熱部位
を直接、またはそれに最も近い部分を熱伝導性の良い材
料を介して冷却している。ところで従来技術の問題点に
おいて指摘した如く、露点以下の冷却面との接触で冷却
した場合、カソードとの接触部分を中心に水の結露を必
ず生じてしまう。そこで本発明ではこの問題を回避する
ため冷却ジャケットを用いず、反応ガス（酸素又は空
気）に冷却媒体（ガス）を兼ねさせることにした。多量
の冷却ガスの導入により、水蒸気は水蒸気の含まれない
冷却ガス中に速やかに拡散し、この冷却ガスと共に速や
かに電池外に除去されるため、カソード細孔内の水蒸気
の飽和度は下がり露点がより低下するため、冷却しても
結露が生じなくなる。更にまた、カソード反応ガス通路
を図３−（ｃ）又は図６−（ｃ）に示すように不連続に
したので、反応ガスは反応ガス供給溝５Ｃから反応ガス
供給溝５Ｃ′に通り抜けるため、セパレータ板と接する
ガス拡散電極４Ｃの導電性多孔質支持層３Ｃ中を通過
し、この部位への反応ガス供給、除湿が効率的に行われ
る。
【００１１】またアノードに比べカソードの過電圧が大
きいため発熱はカソード部位がより大きくなる点や、除
湿が必要なのはカソード面のみである点を考慮して、本
発明ではカソード反応ガスの供給量をアノード反応ガス
の供給量より大きくできる構造としている。具体的には
カソード反応ガスの供給溝断面積をアノード反応ガスの
供給溝断面積より大きくし、多量の冷却ガスをカソード
反応ガス供給溝に送入できるよう、カソード反応ガス用
には外部マニホールド方式を採用した。このような構造
とすることにより、冷却ガスとしてのカソード反応ガス
を大量に流すことができ、特に冷却ガスとして空気を用
いた場合には、効率的な冷却・除湿効果と併せ、カソー
ド特性の向上も図れ、またアノード反応ガスの供給量を
必要最小限におさえることができるという種々の付加的
な効果も生じる。なお、カソード反応ガス用マニホール
ドを内部マニホールド式とする場合、図２及び図４の12
Ｃ′、12Ｃ″のように開口部を大きくとれば、外部マニ
ホールド式と同等の効果が得られる。
【００１２】また本発明はセパレーター板に金属薄板や
導電性樹脂薄板を用いているが、導電性樹脂薄板は金属
又はカーボンと樹脂とのコンポジットを射出成形あるい
は削り出しにより作成することができる。これによりカ
ソード冷却ガスの冷却効果がアノードにも速やかに伝達
されるようにすることができ、また金属薄板の場合は絞
り一体加工することによりアノード及びカソード反応ガ
ス供給溝が成形でき、加工が簡便で有るという効果もあ
る。さらにアノード供給溝により仕切られたカソード反
応ガス供給溝が同一平面上に並列するため、アノード及
びカソード反応ガス供給溝の占める厚みが従来に比べて
半減し、また冷却ジャケットも不要なため、装置的に非
常にコンパクトなものが得られる。なお上記燃料電池の
説明は、アノードをカソードへ、またカソードをアノー
ドへと読み代えることにより、電解セルの説明として用
いることができる。
【００１３】
【実施例】以下に本発明の詳細を図面をもとに説明す
る。
【００１４】
【実施例１】本発明のアノードマニホールドが内部マニ
ホールド方式、カソードマニホールドか外部マニホール
ド方式の燃料電池の実施例を図１及び図３にて説明す
る。図１は本発明のセパレータ板を用いたときのセル構
成を示す。セパレータ板、６Ａ（アノード側）、６Ｃ
（カソード側）は厚さ 0.3mmの銅板を絞り加工により作
成した。アノード反応ガス供給溝５Ａ及びカソード反応
ガス供給溝５Ｃ、５Ｃ′は図３−（ａ）、図３−（ｃ）
に示す如き配置を有し、同一平面内に交互に平行して形
成させた。これを図３のＡ−Ｂで切断した断面図を図３
−（ｂ）（Ａ−Ｂ）に示す。ここで示すごとく、カソー
ド反応ガス供給溝５Ｃ及び５Ｃ′はアノード反応ガス供
給溝５Ａと交互に反対側に存在する。またセパレータ板
には図３中で12Ａ′、12Ａ″で示されるアノード内部マ
ニホールド用の穴が開けられている。
【００１５】このセパレータ板のアノードマニホールド
側端面に図１に示されるアノード面用バックアップシー
ト11Ａを貼り合わせ、さらにその間にガス拡散電極４Ａ
をそのガス拡散層（導電性多孔質支持層）３Ａがセパレ
ータ板の方を向くようにセットする。またセパレータ板
のカソードマニホールド側端面には図１に示されるカソ
ード面用のバックアップシート11Ｃを貼り合わせ、さら
にガス拡散電極４Ｃをそのガス拡散層（導電性多孔質支
持層）３Ｃがセパレータ板の方を向くようにセットす
る。なおカソードマニホールド側のガス拡散電極４Ａの
端部及びアノードマニホールド側のガス拡散電極４Ｃの
端部は10Ａ、10Ｃでそれぞれシールする。ガス拡散電極
の反応層（多孔質触媒層）２Ａと反応層（多孔質触媒
層）２Ｃの間にイオン交換膜１を入れ積層することによ
り燃料電池を作成した。
【００１６】図３に示すカソード反応ガス供給溝５Ｃ及
び５Ｃ′の断面積とアノード反応ガス供給溝５Ａの断面
積の比を変えることは、溝巾比ＷＣ／ＷＡを変えること
により可能である。理論的な反応ガス利用量はカソード
ガス／アノードガス＝１／２であるので、化学量論比の
みの観点からはＷＣ／ＷＡ＞ 0.5の必要はない。しか
し、冷却・除湿の観点からはカソード反応ガス供給溝の
断面積は大きい程望ましいが、カソード極に於ける集電
部７Ｃの微小化による集電能の低下、アノード極での集
電部７Ａの遮蔽によるガス供給能の阻害増大を考慮し、
カソード反応ガス供給溝の断面積をアノード反応ガス供
給溝の断面積と比べ、カソードガスが純酸素の場合、約
１倍、空気の場合、約３倍程度とした。一方、このカソ
ード反応ガス供給溝に十分なガス供給を行うため、図
３、図６に示すごとくカソード反応ガス供給用マニホー
ルド12Ｃ′及びカソード反応ガス排出用マニホールド12
Ｃ″の大きさをアノード反応ガス供給用マニホールド12
Ａ′及びアノード反応ガス排出用マニホードル12Ａ″よ
り化学量論比より大きくしてあり、その比率は望ましく
は１〜３倍とする。
【００１７】上記のように燃料電池を組み立てることに
より、それぞれの反応ガスマニホールド入口から送られ
たガスは、ガス供給溝を経由してマニホールド出口へと
導かれ、排出される。このとき、カソード反応ガスの流
路が大きくとってあるため、カソード反応ガスを冷却ガ
スとして十分送り込むことが可能となり、電極の冷却及
び除湿が申し分なく達成された。
【００１８】なお本実施例ではアノードマニホールドの
入口側と出口側の位置を図１、図３に示す如く中心から
ずらしているが、これは反応ガスのマニホールド内での
滞留部分の低減を図るための工夫である。
【００１９】なお、図面ではガス供給溝形を便宜上、矩
形で表示したが、これに制約するものでない。実際の加
工に於いては台形とした。
【００２０】
【実施例２】実施例１のアノードマニホールドはシール
性の点で図５、図６に示す本実施例２より優れるが、本
例はより多量のアノードガス供給を可能とする外部マニ
ホールド方式を採用した。カソードマニホールド構造は
同一とした。マニホールド開孔部を実施例１より大きく
取り得た。他の性能特徴は実施例１に述べたものとほと
んど同等であった。
【００２１】なお、セパレータ板のうち、金属から成る
ものについては、カソード反応ガス供給溝、アノード反
応ガス供給溝供給溝の一方又は両方の電極と接触する凸
部が耐食性表面処理が施されているのが望ましく、特に
白金、金、パラジウム、イリジウム、ルテニウムの中の
１つを含むことが好ましい。
【００２２】
【発明の効果】上記のとおり、本発明の燃料電池は、ガ
スを大量に流せる構造を有するマニホールド及びカソー
ド反応ガス供給溝を有し、かつ、薄い良熱伝導性の金属
板又は導電性樹脂薄板を介してアノードも冷却できるセ
パレータ構造を有するため、主要な発熱部であるカソー
ド触媒層部分を効率的に冷却できるのみならずアノード
も効率的に冷却でき、しかも、カソード内に生ずる多量
の水分を結露させることなく効率的に電池外に除去で
き、さらに反応ガス供給溝を同一面内に納めたため、ア
ノード、カソード反応ガス供給溝を占める厚みが半減し
て、コンパクト化、簡易化が図れ、かつ低コスト化も図
れるものである。
【００２３】また同様に電解セルにおいてもアノード及
びカソードを効率的に冷却でき、アノード内に結露を生
じさせることなく、燃料電池と同様の効果が得られるも
のである。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１におけるセパレータ板を用いた電池構
成斜視図である。（上部がアノード側面、下部がカソー
ド側面）
【図２】実施例１におけるセパレータ板を用いた電池構
成斜視図である。（上部がアノード側面、下部がカソー
ド側面）
【図３】実施例１におけるセパレータ板の模式図であ
る。（（ａ）：アノード側面、（ｂ）：Ａ−Ｂ切断面、
（ｃ）：カソード側面）
【図４】実施例１におけるセパレータ板の模式図であ
る。（（ａ）：アノード側面、（ｂ）：Ａ−Ｂ切断面、
（ｃ）：カソード側面）
【図５】実施例２におけるセパレート板を用いた電池構
成の斜視図である。（上部がカソード側面、下部がアノ
ード側面）
【図６】実施例２におけるセパレータ板の模式図。
（（ａ）：アノード側面、（ｂ）：Ａ−Ｂ切断面、
（ｃ）：カソード側面）
【図７】従来型の高分子固体電解質型燃料電池の原理図
である。
【図８】従来型燃料電池水冷冷却構造の説明図である。
【符号の説明】
１ イオン交換膜（ＰＥＭ） ２Ａ 多孔質触媒層（アノード側） ２Ｃ 多孔質触媒層（カソード側） ３Ａ 導電性多孔質支持層（アノード側） ３Ｃ 導電性多孔質支持層（カソード側） ４Ａ ガス拡散電極（アノード極） ４Ｃ ガス拡散電極（カソード極） ５Ａ 反応ガス供給溝（アノードガス用） ５Ｃ 反応ガス供給溝（カソードガス入口側用） ５Ｃ′ 反応ガス供給溝（カソードガス出口側用） ６Ａ セパレータ板（アノード側） ６Ｃ セパレータ板（カソード側） ７Ａ 集電部（アノード極） ７Ｃ 集電部（カソード極） ８ 負荷 ９ 冷却ジャケット 10Ａ 端部シール（アノード端面用） 10Ｃ 端部シール（カソード端面用） 11Ａ 電極バックアップシート（アノード側） 11Ｃ 電極バックアップシート（カソード側） 12Ａ′ アノード反応ガス供給用マニホールド（入口） 12Ａ″ アノード反応ガス排出用マニホールド（出口） 12Ｃ′ カソード反応ガス供給用マニホールド（入口） 12Ｃ″ カソード反応ガス排出用マニホールド（出口） ＷＡ アノード反応ガス供給溝巾 ＷＣ カソード反応ガス供給溝巾

Claims (14)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 カソード及びアノード反応ガス供給溝が
    金属薄膜又は導電性樹脂薄板を介して同一平面上に並列
    したセパレータ板が各電極間に積層されていることを特
    徴とする燃料電池。
  2. 【請求項２】 アノード反応ガス供給溝はつづら折りの
    １本の連続溝から成り、かつこれを結ぶマニホールドは
    電極縁に付された外部マニホールド方式、又はセパレー
    タ面を貫通している内部マニホールド方式であることを
    特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
  3. 【請求項３】 カソード反応ガス供給溝に反応ガスを供
    給するマニホールドは、相対する電極縁に付された外部
    マニホールド方式、又はセパレータ面を貫通している内
    部マニホールド方式であり、かつこのマニホールドの入
    り口側に接続されたカソード反応ガス供給溝と出口側に
    接続されたカソード反応ガス供給溝は請求項２に記載の
    アノード反応ガス供給溝により仕切られた不連続溝であ
    ることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
  4. 【請求項４】 カソード反応ガス供給溝とアノード反応
    ガス供給溝の断面積比が３〜１である請求項１に記載の
    燃料電池。
  5. 【請求項５】 セパレータ板のうち金属から成るものに
    ついては、カソード反応ガス供給溝、アノード反応ガス
    供給溝の一方、又は両方の電極と接触する凸部が耐食性
    表面処理が施されていることを特徴とする請求項１に記
    載の燃料電池。
  6. 【請求項６】 凸部耐食性表面処理剤の構成成分に、少
    なくとも白金、金、パラジウム、ロジウム、イリジウ
    ム、ルテニウムの中の１つを含むことを特徴とする請求
    項５に記載の燃料電池。
  7. 【請求項７】 カソード及びアノード反応ガス供給溝が
    金属薄板又は導電性樹脂薄板を介して同一平面上に並列
    し、カソード反応ガス供給溝とアノード反応ガス供給溝
    の断面積比が３〜１であるセパレータ板が各電極間に積
    層されている燃料電池へ反応ガスを流すことにより、電
    極の冷却及びカソードの除湿を行う燃料電池の冷却・除
    湿方法。
  8. 【請求項８】 アノード及びカソード反応ガス供給溝が
    金属薄板又は導電性樹脂薄板を介して同一平面上に並列
    したセパレータ板が各電極間に積層されていることを特
    徴とする電解セル。
  9. 【請求項９】 カソード反応ガス供給溝はつづら折りの
    １本の連続溝から成り、かつこれを結ぶマニホールドは
    電極縁に付された外部マニホールド方式、又はセパレー
    タ面を貫通している内部マニホールド方式であることを
    特徴とする請求項８に記載の電解セル。
  10. 【請求項10】 アノード反応ガス供給溝に反応ガスを供
    給するマニホールドは、相対する電極縁に付された外部
    マニホールド方式、又はセパレータ面を貫通している内
    部マニホールド方式であり、かつこのマニホールドの入
    口側に接続されたカソード反応ガス供給溝と出口側に接
    続されたアノード反応ガス供給溝は請求項９に記載のカ
    ソード反応ガス供給溝により仕切られた不連続溝である
    ことを特徴とする請求項８に記載の電解セル。
  11. 【請求項11】 アノード反応ガス供給溝とカソード反応
    ガス供給溝の断面積比が３〜１である請求項８に記載の
    電解セル。
  12. 【請求項12】 セパレータ板のうち金属から成るものに
    ついては、アノード反応ガス供給溝、カソード反応ガス
    供給溝の一方、又は両方の電極と接触する凸部が耐食性
    表面処理が施されていることを特徴とする請求項８に記
    載の電解セル。
  13. 【請求項13】 凸部耐食性表面処理剤の構成成分に、少
    なくとも白金、金、パラジウム、ロジウム、イリジウ
    ム、ルテニウムの中の１つを含むことを特徴とする請求
    項12に記載の電解セル。
  14. 【請求項14】 アノード及びカソード反応ガス供給溝が
    金属薄板又は導電性樹脂薄板を介して同一平面上に並列
    し、アノード反応ガス供給溝とカソード反応ガス供給溝
    の断面積比が３〜１であるセパレータ板が各電極間に積
    層されている電解セルへ反応ガスを流すことにより、電
    極の冷却及びカソードの除湿を行う電解セルの冷却・除
    湿方法。
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