JPH1116590A - 燃料電池 - Google Patents
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 燃料極側の水のフラッディングによる性能の
低下を抑制し、性能の安定した燃料電池を提供する。 【解決手段】 高分子電解質、前記高分子電解質を挟ん
で配置された空気極および燃料極を備えた単電池を、ガ
ス供給溝およびマニホルドを有するセパレータを介して
積層した燃料電池において、セパレータの燃料極に面す
るガス供給溝の溝幅および／または溝深さを入口部から
出口部にかけて小さくする。
低下を抑制し、性能の安定した燃料電池を提供する。 【解決手段】 高分子電解質、前記高分子電解質を挟ん
で配置された空気極および燃料極を備えた単電池を、ガ
ス供給溝およびマニホルドを有するセパレータを介して
積層した燃料電池において、セパレータの燃料極に面す
るガス供給溝の溝幅および／または溝深さを入口部から
出口部にかけて小さくする。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、高分子電解質、前
記高分子電解質を挟んで配置された空気極および燃料極
を備えた単電池を、ガス供給溝およびマニホルド部を有
するセパレータを介して複数個積み重ねた燃料電池の改
良に関する。
記高分子電解質を挟んで配置された空気極および燃料極
を備えた単電池を、ガス供給溝およびマニホルド部を有
するセパレータを介して複数個積み重ねた燃料電池の改
良に関する。
【０００２】
【従来の技術】固体高分子型燃料電池（以下ＰＥＦＣで
表す。）は、作動温度が低い、出力密度が高く小型軽量
化が図れる、電解質に高分子膜を用いているため電池の
固体化が図れ、耐久性に優れる等の特徴を有している。
通常、この燃料電池は、単電池を複数個積層して出力電
圧を高めて使用される。図３は従来のこの種燃料電池の
単電池の構成を示す。単電池１は、高分子電解質膜２、
これを挟む空気極３と燃料極４、空気極へ酸化剤ガスを
供給するガス供給溝５ａおよびガス供給マニホルド７
ａ、８ａを設けたセパレ−タ６ａ、燃料極４へ燃料ガス
を供給するガス供給溝５ｂおよびマニホルド７ｂ、８ｂ
を設けたセパレータ６ｂ、ならびにガスシ−ル材１０に
より構成されている。なお、セパレータ６ｂには、ガス
供給溝５ｂとマニホルド７ｂおよびマニホルド８ｂとを
それぞれ連通するガス通路９ａおよび９ｂが設けてあ
る。図示しないが、セパレータ６ａにも同様のガス通路
が設けてある。
表す。）は、作動温度が低い、出力密度が高く小型軽量
化が図れる、電解質に高分子膜を用いているため電池の
固体化が図れ、耐久性に優れる等の特徴を有している。
通常、この燃料電池は、単電池を複数個積層して出力電
圧を高めて使用される。図３は従来のこの種燃料電池の
単電池の構成を示す。単電池１は、高分子電解質膜２、
これを挟む空気極３と燃料極４、空気極へ酸化剤ガスを
供給するガス供給溝５ａおよびガス供給マニホルド７
ａ、８ａを設けたセパレ−タ６ａ、燃料極４へ燃料ガス
を供給するガス供給溝５ｂおよびマニホルド７ｂ、８ｂ
を設けたセパレータ６ｂ、ならびにガスシ−ル材１０に
より構成されている。なお、セパレータ６ｂには、ガス
供給溝５ｂとマニホルド７ｂおよびマニホルド８ｂとを
それぞれ連通するガス通路９ａおよび９ｂが設けてあ
る。図示しないが、セパレータ６ａにも同様のガス通路
が設けてある。
【０００３】この単電池を複数個直列に積層して図３の
ようにスタック２０を構成する。そして、スタック２０
の両端に、スタックとは絶縁板２１を介してヘッダー２
２とフッター２３を配置し、締め付けボルト２４により
締め付けて燃料電池が構成される。スタックの両端部の
セパレータは、片面のみにガス供給溝が形成されてお
り、スタックと絶縁板の間には集電板２５が配されてお
り、ここから電流を取り出す構成となっている。
ようにスタック２０を構成する。そして、スタック２０
の両端に、スタックとは絶縁板２１を介してヘッダー２
２とフッター２３を配置し、締め付けボルト２４により
締め付けて燃料電池が構成される。スタックの両端部の
セパレータは、片面のみにガス供給溝が形成されてお
り、スタックと絶縁板の間には集電板２５が配されてお
り、ここから電流を取り出す構成となっている。
【０００４】ここで、高分子電解質膜２は、水分を飽和
状態で含水させることにより電解質膜として機能する。
燃料電池稼働中は、高分子電解質膜からの水分の蒸発を
防ぐために、燃料ガスおよび酸化剤ガスを加湿して供給
する。また、電池発電時には、電気化学的反応により空
気極側で生成される水も電解質膜を飽和状態に保つため
に使用される。そして、空気極で生成する水の量が増加
し、あるいはガス消費により反応ガス中の水蒸気量が過
剰になると、フラッディング状態になり、電極反応面積
が減少し電池性能が低下する。また、フラッディング状
態になると、空気極側から燃料極側に水の逆拡散現象が
生じ、燃料極側でも水蒸気分圧が上昇する。燃料極側で
水蒸気分圧が上昇すると、空気極側と同様に、燃料極側
でもフラッディングが生じ、電池性能低下につながる。
特に、このフラッディングは、燃料ガス流速が低下する
燃料ガス出口部分で起こりやすい。
状態で含水させることにより電解質膜として機能する。
燃料電池稼働中は、高分子電解質膜からの水分の蒸発を
防ぐために、燃料ガスおよび酸化剤ガスを加湿して供給
する。また、電池発電時には、電気化学的反応により空
気極側で生成される水も電解質膜を飽和状態に保つため
に使用される。そして、空気極で生成する水の量が増加
し、あるいはガス消費により反応ガス中の水蒸気量が過
剰になると、フラッディング状態になり、電極反応面積
が減少し電池性能が低下する。また、フラッディング状
態になると、空気極側から燃料極側に水の逆拡散現象が
生じ、燃料極側でも水蒸気分圧が上昇する。燃料極側で
水蒸気分圧が上昇すると、空気極側と同様に、燃料極側
でもフラッディングが生じ、電池性能低下につながる。
特に、このフラッディングは、燃料ガス流速が低下する
燃料ガス出口部分で起こりやすい。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】従来、空気極のフラッ
ディングについては、流路幅を広げる等の対策がとられ
ているが、逆拡散による燃料極側での水のフラッディン
グ対策は、ほとんどとられていなかった。このようなこ
とから、電池性能の安定化、高性能化のためには、燃料
極側流路でフラッディングが生じないセパレータの開発
が望まれている。
ディングについては、流路幅を広げる等の対策がとられ
ているが、逆拡散による燃料極側での水のフラッディン
グ対策は、ほとんどとられていなかった。このようなこ
とから、電池性能の安定化、高性能化のためには、燃料
極側流路でフラッディングが生じないセパレータの開発
が望まれている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明の燃料電池は、高
分子電解質、前記高分子電解質を挟んで配置された空気
極および燃料極を備えた単電池を、ガス供給溝およびマ
ニホルド部を有するセパレータを介して複数個積み重ね
た燃料電池において、前記セパレータの燃料極に面する
ガス供給溝が、ガス入口部からガス出口部に向けて、そ
の深さが浅くなるように構成されていることを特徴とす
る。また、本発明の燃料電池は、セパレータの燃料極に
面するガス供給溝が、ガス入口部からガス出口部に向け
て、その溝幅が狭くなるように構成されている。さら
に、本発明の燃料電池は、セパレータの燃料極に面する
ガス供給溝が、ガス入口部からガス出口部に向けて、そ
の溝幅が狭くなり、かつガス入口部からガス出口部に向
けて、その深さが浅くなるように構成されている。
分子電解質、前記高分子電解質を挟んで配置された空気
極および燃料極を備えた単電池を、ガス供給溝およびマ
ニホルド部を有するセパレータを介して複数個積み重ね
た燃料電池において、前記セパレータの燃料極に面する
ガス供給溝が、ガス入口部からガス出口部に向けて、そ
の深さが浅くなるように構成されていることを特徴とす
る。また、本発明の燃料電池は、セパレータの燃料極に
面するガス供給溝が、ガス入口部からガス出口部に向け
て、その溝幅が狭くなるように構成されている。さら
に、本発明の燃料電池は、セパレータの燃料極に面する
ガス供給溝が、ガス入口部からガス出口部に向けて、そ
の溝幅が狭くなり、かつガス入口部からガス出口部に向
けて、その深さが浅くなるように構成されている。
【０００７】ここで、セパレータの燃料極に面するガス
供給溝が、ガス入口部からガス出口部に向けて、その深
さが浅くなるように構成する場合、ガス出口部の溝深さ
は、ガス入口部の０．２〜０．８倍であることが望まし
い。また、セパレータの燃料極に面するガス供給溝が、
ガス入口部からガス出口部に向けて、その溝幅が狭くな
るように構成する場合、ガス出口部の溝幅は、ガス入口
部の０．２〜０．８倍であることが望ましい。本発明に
よると、燃料極側のセパレータの加工により、燃料極側
での水のフラッディングを防止することができ、電池性
能の安定化を図ることができる。
供給溝が、ガス入口部からガス出口部に向けて、その深
さが浅くなるように構成する場合、ガス出口部の溝深さ
は、ガス入口部の０．２〜０．８倍であることが望まし
い。また、セパレータの燃料極に面するガス供給溝が、
ガス入口部からガス出口部に向けて、その溝幅が狭くな
るように構成する場合、ガス出口部の溝幅は、ガス入口
部の０．２〜０．８倍であることが望ましい。本発明に
よると、燃料極側のセパレータの加工により、燃料極側
での水のフラッディングを防止することができ、電池性
能の安定化を図ることができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を図面を参
照して説明する。 《実施例１》本実施例の燃料電池に用いた単電池１の構
成を図１に示す。高分子電解質膜２，これを挟む空気極
３および燃料極４、空気極３側に配したセパレータ６
ａ、ならびにシール材１０は、図３の従来例と同様の構
成である。燃料極４側に配したセパレータ１１は、マニ
ホルド１３および１４、燃料極４に面するガス供給溝１
２、ならびにガス供給溝１２とマニホルド１３および１
４とをそれぞれ連通するガス通路１５ａおよび１５ｂを
有する。そして、ガス供給溝１２は、ガス通路１５ａ側
のガス入口部からガス通路１５ｂ側のガス出口部に向け
て、その深さが浅くなるように構成されている。
照して説明する。 《実施例１》本実施例の燃料電池に用いた単電池１の構
成を図１に示す。高分子電解質膜２，これを挟む空気極
３および燃料極４、空気極３側に配したセパレータ６
ａ、ならびにシール材１０は、図３の従来例と同様の構
成である。燃料極４側に配したセパレータ１１は、マニ
ホルド１３および１４、燃料極４に面するガス供給溝１
２、ならびにガス供給溝１２とマニホルド１３および１
４とをそれぞれ連通するガス通路１５ａおよび１５ｂを
有する。そして、ガス供給溝１２は、ガス通路１５ａ側
のガス入口部からガス通路１５ｂ側のガス出口部に向け
て、その深さが浅くなるように構成されている。
【０００９】本実施例においては、セパレータ６ａおよ
び１１は、いずれも大きさが１６０ｍｍ角、厚さが５ｍ
ｍである。セパレータ６ａの酸化剤ガス供給溝５ａの深
さは２ｍｍ、幅は２ｍｍである。一方、セパレータ１１
の燃料ガス供給溝１２は、燃料ガス入口部の溝深さが４
ｍｍ、燃料ガス出口部の溝深さが１ｍｍとなるようにテ
ーパが付されている。溝幅は、空気極側のものと同じく
２ｍｍである。燃料ガスは、燃料ガス供給マニホルド１
３からガス通路１５ａを通って燃料ガス供給溝１２に導
入される。その後、燃料ガス供給溝１２からもう一つの
ガス通路１５ｂを通り、燃料ガス排出マニホルド１４に
排出される。高分子電解質膜２には、市販のＮａｆｉｏ
ｎ膜（デュポン（株））を用い、電極触媒にはＰｔ担持
カーボンを用いて単電池を構成した。
び１１は、いずれも大きさが１６０ｍｍ角、厚さが５ｍ
ｍである。セパレータ６ａの酸化剤ガス供給溝５ａの深
さは２ｍｍ、幅は２ｍｍである。一方、セパレータ１１
の燃料ガス供給溝１２は、燃料ガス入口部の溝深さが４
ｍｍ、燃料ガス出口部の溝深さが１ｍｍとなるようにテ
ーパが付されている。溝幅は、空気極側のものと同じく
２ｍｍである。燃料ガスは、燃料ガス供給マニホルド１
３からガス通路１５ａを通って燃料ガス供給溝１２に導
入される。その後、燃料ガス供給溝１２からもう一つの
ガス通路１５ｂを通り、燃料ガス排出マニホルド１４に
排出される。高分子電解質膜２には、市販のＮａｆｉｏ
ｎ膜（デュポン（株））を用い、電極触媒にはＰｔ担持
カーボンを用いて単電池を構成した。
【００１０】このようにして作製した単電池を３０セル
積層した燃料電池スタックの性能を調べた。電池運転温
度は６０℃、ガス加湿温度は燃料ガス、酸化剤ガス共に
５５℃に設定した。図４は、このときの電流−電圧特性
（各セル平均）を、従来の燃料ガス供給溝が一定深さの
ものと比較して示した。これより従来構造のものより
も、性能が向上することがわかった。特に、生成水が大
量に発生する高電流密度域での電圧の低下が従来例より
も少ない。また、入口部と出口部の溝深さの比を変えた
場合の単電池の電流密度０．７Ａ／ｃｍ2におけるの電
圧を比較して表１に示した。これより入口溝深さに対す
る出口溝深さの比を小さくすれば電池電圧が向上するこ
とがわかる。
積層した燃料電池スタックの性能を調べた。電池運転温
度は６０℃、ガス加湿温度は燃料ガス、酸化剤ガス共に
５５℃に設定した。図４は、このときの電流−電圧特性
（各セル平均）を、従来の燃料ガス供給溝が一定深さの
ものと比較して示した。これより従来構造のものより
も、性能が向上することがわかった。特に、生成水が大
量に発生する高電流密度域での電圧の低下が従来例より
も少ない。また、入口部と出口部の溝深さの比を変えた
場合の単電池の電流密度０．７Ａ／ｃｍ2におけるの電
圧を比較して表１に示した。これより入口溝深さに対す
る出口溝深さの比を小さくすれば電池電圧が向上するこ
とがわかる。
【００１１】
【表１】
【００１２】この結果より、燃料極側のガス供給溝の深
さをガス入口部から出口部に向けて浅くすることによ
り、従来よりも性能の優れた燃料電池を提供することが
できる。ガス出口部の溝深さは、ガス入口部の０．２〜
０．８倍であることが望ましい。入口部から出口部にか
けて浅くなるような構造であれば、本実施例に限るもの
ではない。
さをガス入口部から出口部に向けて浅くすることによ
り、従来よりも性能の優れた燃料電池を提供することが
できる。ガス出口部の溝深さは、ガス入口部の０．２〜
０．８倍であることが望ましい。入口部から出口部にか
けて浅くなるような構造であれば、本実施例に限るもの
ではない。
【００１３】《実施例２》本実施例の燃料電池に用いた
セパレータの構成を図５に示す。燃料ガス供給溝１２ａ
の入口部分の溝幅は３ｍｍ、出口部分の溝幅は１ｍｍと
なっている。従って、溝１２ａの間に形成されるリブ１
２ｂは、ガス入口側で幅が狭くなっている。溝深さは２
ｍｍである。酸化剤ガス供給溝の溝幅、溝深さは、実施
例１と同じにしてある。また、電解質膜、電極触媒等は
実施例１と同じものを使用した。このセパレータを用い
て作製した単電池を３０セル積層した燃料電池スタック
の性能を調べた。電池の運転条件は実施例１と同じにし
てある。図６は、このときの電流ー電圧特性（各セル平
均）を、従来のガス供給溝の幅が一定のものと比較して
示した。これより本実施例によれば、従来構造のものよ
りも、性能が向上することがわかった。特に、生成水が
大量に発生する高電流密度域での電圧の低下が従来例よ
りも少ない。また、入口部と出口部の溝幅の比を変えた
場合の単電池の電流密度０．７Ａ／ｃｍ2における電圧
を比較して表２に示した。これより入口溝幅に対する出
口溝幅の比を小さくすれば、電池電圧が向上することが
わかる。
セパレータの構成を図５に示す。燃料ガス供給溝１２ａ
の入口部分の溝幅は３ｍｍ、出口部分の溝幅は１ｍｍと
なっている。従って、溝１２ａの間に形成されるリブ１
２ｂは、ガス入口側で幅が狭くなっている。溝深さは２
ｍｍである。酸化剤ガス供給溝の溝幅、溝深さは、実施
例１と同じにしてある。また、電解質膜、電極触媒等は
実施例１と同じものを使用した。このセパレータを用い
て作製した単電池を３０セル積層した燃料電池スタック
の性能を調べた。電池の運転条件は実施例１と同じにし
てある。図６は、このときの電流ー電圧特性（各セル平
均）を、従来のガス供給溝の幅が一定のものと比較して
示した。これより本実施例によれば、従来構造のものよ
りも、性能が向上することがわかった。特に、生成水が
大量に発生する高電流密度域での電圧の低下が従来例よ
りも少ない。また、入口部と出口部の溝幅の比を変えた
場合の単電池の電流密度０．７Ａ／ｃｍ2における電圧
を比較して表２に示した。これより入口溝幅に対する出
口溝幅の比を小さくすれば、電池電圧が向上することが
わかる。
【００１４】
【表２】
【００１５】この結果より、燃料極側のガス供給溝の溝
幅をガス入口部から出口部に向けて狭くすることによ
り、従来よりも性能の優れた燃料電池を提供することが
できる。ガス出口部の溝幅は、ガス入口部の０．２〜
０．８倍であることが望ましい。溝幅については、入口
部から出口部にかけて狭くなるような構造であれば、本
実施例に限るものではない。
幅をガス入口部から出口部に向けて狭くすることによ
り、従来よりも性能の優れた燃料電池を提供することが
できる。ガス出口部の溝幅は、ガス入口部の０．２〜
０．８倍であることが望ましい。溝幅については、入口
部から出口部にかけて狭くなるような構造であれば、本
実施例に限るものではない。
【００１６】《実施例３》本実施例の燃料電池に用いた
セパレータの燃料ガス供給溝は、ガス入口部からガス出
口部に向けて溝幅が狭く、かつ深さが浅くなるように構
成されている。すなわち、燃料ガス供給溝の入口部分の
溝幅は３ｍｍ、出口部分の溝幅は２ｍｍで、燃料ガス入
口部の溝深さは４ｍｍ、燃料ガス出口部の溝深さは２ｍ
ｍである。酸化剤ガス供給溝の溝幅、溝深さは、実施例
１と同じにしてある。また、電解質膜、電極触媒等は実
施例１と同じものを使用した。このセパレータを用いて
作製した単電池を３０セル積層した燃料電池スタックの
性能を調べた。電池の運転条件は実施例１と同じにして
ある。このときの電流ー電圧特性（各セル平均）は、電
流密度０．７Ａ／ｃｍ２で０．６８Ｖと実施例１、２と
ほぼ同じ性能を示すことがわかった。このことより、燃
料極側のガス供給溝の幅を入口部から出口部にかけて狭
くし、溝深さをガス入口部から出口部に向けて浅くする
ことにより、従来よりも性能の優れた燃料電池を提供す
ることができる。溝深さ、溝幅の形状等については本実
施例に限るものではない。
セパレータの燃料ガス供給溝は、ガス入口部からガス出
口部に向けて溝幅が狭く、かつ深さが浅くなるように構
成されている。すなわち、燃料ガス供給溝の入口部分の
溝幅は３ｍｍ、出口部分の溝幅は２ｍｍで、燃料ガス入
口部の溝深さは４ｍｍ、燃料ガス出口部の溝深さは２ｍ
ｍである。酸化剤ガス供給溝の溝幅、溝深さは、実施例
１と同じにしてある。また、電解質膜、電極触媒等は実
施例１と同じものを使用した。このセパレータを用いて
作製した単電池を３０セル積層した燃料電池スタックの
性能を調べた。電池の運転条件は実施例１と同じにして
ある。このときの電流ー電圧特性（各セル平均）は、電
流密度０．７Ａ／ｃｍ２で０．６８Ｖと実施例１、２と
ほぼ同じ性能を示すことがわかった。このことより、燃
料極側のガス供給溝の幅を入口部から出口部にかけて狭
くし、溝深さをガス入口部から出口部に向けて浅くする
ことにより、従来よりも性能の優れた燃料電池を提供す
ることができる。溝深さ、溝幅の形状等については本実
施例に限るものではない。
【００１７】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、燃料極側
の水のフラッディングによる性能の低下を抑制し、性能
の安定した燃料電池を提供することができる。
の水のフラッディングによる性能の低下を抑制し、性能
の安定した燃料電池を提供することができる。
【図１】本発明の一実施例における高分子電解質型燃料
電池の単電池の縦断面図である。
電池の単電池の縦断面図である。
【図２】同単電池を用いた燃料電池スタックの外観を示
す正面図である。
す正面図である。
【図３】従来の高分子電解質型燃料電池の単電池の縦断
面図である。
面図である。
【図４】実施例および従来例の燃料電池スッタクの電流
ー電圧特性を示す図である。
ー電圧特性を示す図である。
【図５】本発明の他の実施例における高分子電解質型燃
料電池のセパレータの平面図である。
料電池のセパレータの平面図である。
【図６】同燃料電池スッタクの電流ー電圧特性を示す図
である。
である。
１ 単電池 ２ 高分子電解質膜 ３ 空気極 ４ 燃料極 ５ａ、５ｂ、１２ ガス供給溝 ６ａ、６ｂ、１１ セパレータ ７ａ、７ｂ、１３ ガス供給マニホルド ８ａ、８ｂ、１４ ガス排出マニホルド ９ａ、９ｂ、１５ａ、１５ｂ ガス通路 １０ ガスシール材 ２０ スタック ２１ 絶縁板 ２２ ヘッダー ２３ フッター ２４ 締め付けボルト ２５ 集電板
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 蒲生 孝治 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内
Claims (5)
- 【請求項１】 高分子電解質、前記高分子電解質を挟ん
で配置された空気極および燃料極を備えた単電池を、ガ
ス供給溝とマニホルド部を有するセパレータを介して複
数個積み重ねた燃料電池であって、前記セパレータの燃
料極に面するガス供給溝が、ガス入口部からガス出口部
に向けて、その深さが浅くなるように構成されているこ
とを特徴とする燃料電池。 - 【請求項２】 高分子電解質、前記高分子電解質を挟ん
で配置された空気極および燃料極を備えた単電池を、ガ
ス供給溝とマニホルド部を有するセパレータを介して複
数個積み重ねた燃料電池であって、前記セパレータの燃
料極に面するガス供給溝が、ガス入口部からガス出口部
に向けて、その溝幅が狭くなるように構成されているこ
とを特徴とする燃料電池。 - 【請求項３】 前記燃料極に面するガス供給溝が、ガス
入口部からガス出口部に向けて、その深さが浅くなるよ
うに構成されている請求項２記載の燃料電池。 - 【請求項４】 前記燃料極に面するガス供給溝のガス出
口部の溝深さが、ガス入口部の０．２〜０．８倍である
請求項１または３記載の燃料電池。 - 【請求項５】 前記燃料極に面するガス供給溝のガス出
口部の溝幅が、ガス入口部の０．２〜０．８倍である請
求項２または３記載の燃料電池。
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