JPWO2003009411A1 - 固体高分子型燃料電池スタック - Google Patents
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Abstract
潜熱冷却方式を採用した固体高分子型燃料電池スタックにおいて、各セパレータ(5A)の一方の板面に形成する複数の燃料ガス流路(11)はそれぞれ鉛直方向でほぼ直線状とし、燃料ガス流路(11)に水を供給可能にする構成は、各セパレータ(5A)を貫通して設けた水マニホールド(17)と、前記水マニホールド(17)から分岐して酸化剤ガス流路(19)の形成されている面に水平方向に設けた水供給路(18)と、前記水供給路(18)と燃料ガス流路(11)を連通し燃料ガス流路導入部(15)に水平方向に設けられ、かつ水マニホールド(17)の鉛直方向最下部よりも上部に存在する連通孔(14)からなるものである。このようにすることにより、スタック設置角度や振動等の影響を受けずに安定した発電を行うことができる。
Description
技術分野
本発明は、イオン伝導性を有する固体高分子を電解質とする固体高分子型燃料電池スタックに関する。
背景技術
図6は、日本で公開された固体高分子型燃料電池スタックの公知例(特開平1−140562号公報)の一例を説明するための垂直方向の断面図である。
この固体高分子型燃料電池スタックは、複数個の単位電池主構成7を上下方向に機械的に積層すると共に、各単位電池主構成7を電気的に直列に接続するものである。
各単位電池主構成7は、膜電極複合体3と、セパレータ5を備えている。膜電極複合体3は、固体高分子膜1の対向する板面にそれぞれ燃料極2a及び酸化剤極2bを配設してなる。
膜電極複合体3には固体高分子膜1の左右の上下方向周縁部には複数のマニホールドを形成するための幾つかの貫通孔が形成されている。セパレータ5は、燃料側集電体及び酸化剤側集電体を兼ねると共に、燃料ガス流路9a及び酸化剤ガス流路9bが夫々形成されている。高分子膜1の周縁部であって電極2a,2bに近接し、且つセパレータ5の周縁部との間にパッキン6が配設されている。
高分子膜1は電極2a、2bに供給される反応ガスの混合を防ぐ役割もあるため、その面積は通常電極の面積より大きい。
複数の単位電池主構成7を積層したスタックは、その上下両端部に電流取出し板31、絶縁板32、締付け板33、締付け治具(締付けスタッド34、スプリング35)、及び燃料ガス入口配管36、燃料ガス出口配管37、酸化剤ガス入口配管38、酸化剤ガス出口配管39、水入口配管40、水出口配管41がそれぞれ配置される。
電流取出し板31には電流取出しケーブルが配線され、外部負荷に接続される。また、スタック全体をより均等に締付けるために、締付け板33には剛性が要求される。
スタックには、積層された全ての単位電池7において積層方向の反応ガス配流や水配流、温度、湿度等の様々な条件を限りなく均等にすることが要求される。
前述の公知例より以前の従来の固体高分子型燃料電池スタックにあっては、発電時に発生する熱を回収するための冷却手段としては、一般的には純水や不凍液等の冷媒を流した冷却板を単位電池主構成間に挿入する方式が一般的である。
ところが、前述した公知例では、燃料ガス流路9aに予め水(純水)を供給して燃料極2aに供給することにより、高分子膜1の加湿作用に加えて、高分子膜1を通って燃料極2aから酸化剤極2bに移動した水と、酸化剤極2bにて生成した水とを蒸発させることにより、冷却板を省略することができる。
しかしながら、以上述べた固体高分子型燃料電池スタックの公知例にあっては、次のような問題点があった。
(1)燃料ガス流路に水が滞留した場合、水だけでなく燃料ガスや酸化剤ガスの配流不均一を招いて、スタック内の単位電池電圧に大きな分布が生じて安定した発電ができないことがあった。また、スタックの起動、停止時にも同様に燃料ガス流路内に水が滞留しやすくなり、同様の問題が生じることがあった。
(2)スタック設置条件、例えば設置角度に傾きが生じた場合や振動が生じた場合等に、燃料ガスに供給する水の配流が不均一となり、各単位電池の加湿条件や潜熱冷却量に分布が生じて安定した発電ができないといった問題が生じることがあった。
そこで本発明は、ガス流路内の水の滞留がなく、スタックの設置角度や振動等の影響を受けずに安定した発電を行うことができる固体高分子型燃料電池スタックを提供することを目的としている。
発明の開示
第1の局面に対応する発明は、同一方向に並設されると共に、電気的に直列に接続された複数個の単位電池主構成からなる固体高分子型燃料電池スタックにおいて、
前記各単位電池主構成が、
固体高分子膜と、前記固体高分子膜の対向する板面にそれぞれ配設された燃料極及び酸化剤極とを備えた膜電極複合体と、
前記並設方向の終端部に配設されたものを除き、前記燃料極に当接される板面にそれぞれ鉛直方向でほぼ直線状に形成され、燃料ガスを供給するための複数の燃料ガス流路と、前記所定の膜電極複合体とは異なる隣接の膜電極複合体の酸化剤極に当接される板面に形成され、酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路とを備えたセパレータと、
前記各燃料ガス流路に水を供給して前記単位電池主構成を潜熱方式により冷却するためのものであって、前記セパレータを貫通して鉛直方向に配設された水マニホールドと、前記酸化剤ガス流路の形成されている面であって前記水マニホールドの鉛直方向最下部よりも上方に位置し、かつ水平方向に連続して形成された水供給路と、前記水供給路と前記各燃料ガス流路を連通するように前記水供給路内に複数個形成された連通孔とを備えた水供給手段と、
を具備した固体高分子型燃料電池スタックである。
第2の局面に対応する発明は、同一方向に並設されると共に、電気的に直列に接続された複数個の単位電池主構成からなる固体高分子型燃料電池スタックにおいて、
前記各単位電池主構成が、
固体高分子膜と、前記固体高分子膜の対向する板面にそれぞれ配設された燃料極及び酸化剤極とを備えた膜電極複合体と、
前記並設方向の終端部に配設されたものを除き、前記燃料極に当接される板面にそれぞれ鉛直方向でほぼ直線状に形成され、燃料ガスを供給するための複数の燃料ガス流路と、前記各燃料ガス流路が前記所定の膜電極複合体とは異なる隣接の膜電極複合体の酸化剤極に当接される板面に形成された酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路とを備えたセパレータと、
前記各燃料ガス流路に水を供給して前記単位電池主構成を潜熱方式により冷却するためのものであって、前記セパレータを貫通して鉛直方向に配設された水マニホールドと、前記酸化剤ガス流路の形成されている面であって前記水マニホールドの鉛直方向最下部よりも上方に位置し、かつ水平方向に連続して形成された第1の水供給路と、前記燃料ガス流路と連通するように前記第1の水供給路とは所定間隔を存して複数個形成された連通孔と、前記各連通孔と前記第1の水供給路の間であって前記各連通孔と前記第1の水供給路の間をそれぞれ連通するように形成され、前記第1の水供給路内の水を前記各連通孔に導く複数の第2の水供給流路とを備えた水供給手段と、
を具備した固体高分子型燃料電池スタックである。
第3の局面に対応する発明は、同一方向に並設されると共に、電気的に直列に接続された複数個の単位電池主構成からなる固体高分子型燃料電池スタックにおいて、
前記各単位電池主構成が、
固体高分子膜と、前記固体高分子膜の対向する板面にそれぞれ配設された燃料極及び酸化剤極とを備えた膜電極複合体と、
前記並設方向の終端部に配設されるものを除き、前記燃料極に当接される板面にそれぞれ鉛直方向でほぼ直線状に形成され、燃料ガスを供給するための複数の燃料ガス流路と、前記所定の膜電極複合体とは異なる隣接の膜電極複合体の酸化剤極に当接される板面に形成され、酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路とを備えたセパレータと、
前記各燃料ガス流路に水を供給して前記単位電池主構成を潜熱方式により冷却するためのものであって、前記セパレータを貫通して鉛直方向に配設された水マニホールドと、前記酸化剤ガス流路の形成されている面であって前記水マニホールドの鉛直方向最下部よりも上方に位置し、かつ水平方向に連続して形成された第3の水供給路と、前記第3の水供給路と前記燃料ガス流路を連通するように前記第2の水供給路内に複数個形成された連通孔と、前記セパレータであって前記燃料ガス流路の形成されている面に形成され、前記各連通孔と前記各燃料ガス流路を連通する複数の第4の水供給路とを備えた水供給手段と、
を具備した固体高分子型燃料電池スタックである。
第1〜第3の局面に対応する発明によれば、水平方向に形成されている水供給路に供給されている水は、水供給路に形成されている複数の連通孔を介して複数の燃料ガス流路に水供給が可能になり、かつ燃料ガス流路内の水の滞留がなくなるので、潜熱冷却方式を採用した固体高分子型燃料電池スタックとして、燃料ガスに供給した水が均一に配流され、各単位電池の電圧分布や温度分布が均一となり、起動・停止操作やスタックの設置角度(傾き)や振動等の設置条件に影響されることなく、安定した発電が可能である。
第4の局面に対応する発明は、前記水供給路内の水が前記各連通孔に流れる際の駆動力を発生する毛細管現象発生手段を具備した請求項1〜3のいずれかに記載の固体高分子型燃料電池スタックである。
第5の局面に対応する発明は、前記各第4の水供給路に、前記各連通孔から前記各燃料ガス流路に水が流れる際の駆動力を発生する毛細管現象発生手段を具備した請求項3に記載の固体高分子型燃料電池スタックである。
第4又は第5の局面に対応する発明によれば、毛細管現象発生手段を設けたことにより、第1〜第3の局面に対応する発明に加えて、更にはスタックの設置角度に影響を受けることがなく、更に安定した発電が可能である。
第6の局面に対応する発明は、前記セパレータは、前記燃料ガス流路が形成されている面側に形成され各連通孔と前記各燃料ガス流路との間に、格子状又は千鳥状に形成された複数の凸部を具備した請求項1〜5のいずれかに記載の固体高分子型燃料電池スタックである。
第6の局面に対応する発明によれば、凸部により燃料ガスに供給された水が均一に混合されやすくなり、更に安定した発電が可能なスタックとなる。
第7の局面に対応する発明は、前記水マニホールドから分岐した第1の水供給路の断面積を、前記水マニホールドから離れるにつれて小さくした請求項1〜6のいずれかに記載の固体高分子型燃料電池スタックである。
第8の局面に対応する発明は、前記隣接する連通孔のピッチは前記隣接する燃料ガス流路のピッチの倍数とした請求項1〜7のいずれかに記載の固体高分子型燃料電池スタックである。
第7又は第8の局面に対応する発明も、第1〜第3の局面に対応する発明と同様な作用効果が得られる。
発明を実施するための最良の形態
(第1の実施の形態)
図1は本発明の第1の実施の形態における固体高分子型燃料電池スタックの概略構成を示す分解斜視図である。本実施形態は、同一方向に並設すると共に、電気的に直列に接続する複数個の単位電池主構成7(図6と類似)からなり、各単位電池主構成7は、膜電極複合体23と、セパレータ5Aと、水供給手段とを備えている。
膜電極複合体23は、図6と同様に固体高分子膜1の対向する板面にそれぞれ燃料極2a及び酸化剤極1bを配設したものである。
セパレータ5Aは、図2A及び図2Bに示すように構成されている。図2A及び図2Bは、それぞれ一枚のセパレータ5Aの一方の板面(図6の燃料極2aが当接する面)及び他方の板面(図6の酸化剤極2bが当接する面)を示す正面図である。
セパレータ5Aは、並設方向の終端部に配設されるものを除き、燃料極2aに当接される板面に、燃料ガスを供給するための鉛直方向でほぼ直線状に形成された複数の燃料ガス流路11が形成されている。
又、セパレータ5Aは、膜電極複合体23とは異なる隣接の膜電極複合体23の酸化剤極1bに当接される板面に、酸化剤ガスを供給するための複数の酸化剤ガス流路19が形成されている。
前記水供給手段は、各燃料ガス流路11に水を供給して各単位電池主構成7を潜熱方式により冷却するためのものであって、各セパレータ5Aを貫通して鉛直方向に配設した水マニホールド17と、酸化剤ガス流路19の形成されている面であって水マニホールド17の鉛直方向最下部よりも上方に位置し、かつ水平方向に連続して形成された水供給路(本実施形態では例えば直線状の複数の溝)18と、水供給路18と燃料ガス流路11を連通するように水供給路18内に複数個形成された連通孔14からなっている。
ここで、各燃料ガス流路11は、セパレータ5Aの一方の板面の周縁部を除く中央部に形成され、例えば鉛直方向で直線状に形成した溝であって各々の配列ピッチを例えば3mmとしたものである。また、各酸化剤ガス流路19は、セパレータ5Aの他方の板面の周縁部を除く中央部に形成され、例えば鉛直方向でほぼZ字状に形成した溝である。
セパレータ5Aの他方の板面であって酸化剤ガス流路19の上方には、水平方向の水供給路18を形成し、さらに水供給路18に燃料ガス流路11の上部側である燃料ガス流路導入部15と連通するように複数の連通孔14を等間隔に形成する。この場合、各連通孔14は後述する水マニホールド17の鉛直方向最下部よりも上方に存在するようにする。
連通孔14は、その一つの直径が例えば0.5mm以下(0を除く)のものを、複数個例えば20個で、配列ピッチが燃料ガス流路11の配列ピッチの倍数例えば6mmの配列ピッチに形成する。
各セパレータ5Aの燃料ガス流路11が形成されている板面であって、各連通孔14と燃料ガス流路11の間に、複数の凸部(リブ)16を格子状又は千鳥状で等間隔に形成する。
各セパレータ5Aの周縁部の水平方向の一方側及び他方側に、それぞれ肉厚方向を貫通するように、燃料ガス入口ガスマニホールド12及び燃料ガス出口ガスマニホールド13を形成する。
各セパレータ5Aの周縁部の垂直方向の一方側に、水マニホールド17及び酸化剤ガス出口ガスマニホールド21を形成する。また各セパレータ5Aの周縁部の垂直方向の他方側の上下部に、酸化剤ガス入口ガスマニホールド20をそれぞれ形成する。
セパレータ5Aの対向する板面には、マニホールド12、13、17、20、21並びに燃料ガス流路11及び酸化剤ガス流路19の周囲には、シール用のパッキン22が設けてある。
このように構成することにより、酸化剤ガスは酸化剤ガス入口ガスマニホールド20から平面方向に分岐し、続いて平面内の酸化剤ガス流路19を流れ、酸化剤ガス出口ガスマニホールド21に至る。酸化剤ガス流路19の有効断面積、すなわち、膜電極複合体と電気的に接する部分の面積は例えば288cm2である。
以上述べた第1の実施形態によれば、水マニホールド17からの水(純水)は、セパレータ5Aに水平方向に形成されている水供給路18に供給され、水供給路18に供給された水は水供給路18に形成されている複数の連通孔14を介して燃料ガス流路導入部15に導かれ、燃料ガス流路導入部15に導かれた水は複数の燃料ガス流路11の上側から下側に落下供給される。
このようなことから、各燃料ガス流路11には同一水平位置(同一水平レベル)での水供給が可能になり、かつ燃料ガス流路内の水の滞留がなくなる。
従って、潜熱冷却方式を採用した固体高分子型燃料電池スタックとして、燃料ガスに供給した水が均一に配流され、各単位電池の加湿条件、電圧分布や温度分布が均一となり、起動・停止操作やスタックの設置角度(傾き)や振動等の設置条件に影響されることなく、安定した発電が可能である。このことは、以下のような実験結果からも明らかである。
このように高分子膜(図6の1)の対向する板面にそれぞれ燃料極2a及び酸化剤極2bを配設してなる膜電極複合体23と、膜電極複合体23の前記燃料極2aに当接される板面に燃料ガス流路11が形成され、前記膜電極複合体23とは異なる隣接の膜電極複合体の酸化剤極2bに当接される板面に酸化剤ガス流路19が形成されたセパレータ5Aとからなる単位電池主構成7を、複数個例えば200個準備し、各単位電池主構成7を同一方向に機械的に並設すると共に、各単位電池主構成7を、電気的に直列に接続して構成される固体高分子型燃料電池スタックについて試作し、スタックを水平方向に設置し、発電試験を行った。
この場合の標準運転条件として、反応ガスに水素ガス/空気、反応ガス圧力1ata、電流密度0.2A/cm2、燃料ガス利用率(Uf)70%、酸化剤ガス利用率(Uox)40%と設定した。そして合わせて、スタックの起動・停止操作を2時間毎に3度繰り返すこととした。
この時、200の単位電池の電圧は平均電圧±1%以下であった。
また、No.1、10、20、30、・・・190、200の酸化剤極側の膜電極複合体23の中心部に、熱電対を挿入して温度を測定したところ、全ての単位電池において温度は平均温度±1%以下であった。また、起動・停止操作を繰り返しても、スタック電圧は再現性があり、安定していた。
又、燃料ガスへの水供給に関しても、同一水平レベルでの水供給が可能になり、スタックの起動・停止操作を繰り返しても燃料ガス流路内の水の滞留がなくなり、燃料ガス流路内における燃料ガスと水が均一に混合されるようになった。
さらに、スタックの起動・停止操作を繰り返しても燃料ガスに供給した水が均一に配流され、各単位電池の電圧分布や温度分布が均一となり、電圧に再現性があり安定していた。
また、各連通孔14の直径を0.5mm以下(0を含まず)とすることにより、各連通孔14への水の均一配流を実現するために必要な圧力損失を各連通孔14にて得ることができるので、燃料ガスに供給される水の量が更に均一化され、潜熱冷却方式を採用した固体高分子型燃料電池スタックとして、燃料ガスに供給した水が均一に配流され、各単位電池の加湿条件、電圧分布や温度分布が均一となり、起動、停止操作やスタックの設置角度(傾き)や振動等の設置条件に影響されることなく、安定した発電が可能である。
さらに、燃料ガス流路11の側面の連通孔14の鉛直方向下部に、格子状又は千鳥状に配置された凸部16を形成することにより、潜熱冷却方式を採用した固体高分子型燃料電池スタックにおいて、燃料ガスに供給される水が均一に混合される。
また、連通孔14の配列ピッチは、燃料ガス流路11の配列ピッチの倍数になっているので、潜熱冷却方式を採用した固体高分子型燃料電池スタックにおいて、燃料ガス流路内における燃料ガスと水の配流バランスが良好となる。
(第2の実施の形態)
図3は本発明の第2の実施の形態における固体高分子型燃料電池スタックを説明するためのセパレータを示す図であり、図3A及び図3Bは、図2A,図2Bと同様にそれぞれ一枚のセパレータ5Aの一方の板面(燃料ガス流路11の形成されている面)及び他方の板面(酸化剤ガス流路19の形成されている面)を示す正面図である。
本実施の形態は、図2の実施の形態と同様に、各セパレータ5Aの一方の板面に形成する複数の燃料ガス流路11をそれぞれ鉛直方向でほぼ直線状とし、図2の実施の形態とは次の点が異なる。
すなわち、燃料ガス流路11に水を供給可能にする構成は、各セパレータ5Aを貫通して設けた水マニホールド17と、酸化剤ガス流路19の形成されている面であって水マニホールド17の鉛直方向最下部よりも上方に位置し、かつ水平方向に形成された第1の水供給路18aと、燃料ガス流路11と連通するように水供給路18aとは所定間隔を存して複数個等間隔に形成された連通孔14と、前記各連通孔14と前記水供給路18aの間であって前記各連通孔14と前記水供給路18aの間をそれぞれ連通するように形成され、前記水供給路18a内の水を前記各連通孔14に導く複数の第2の水供給流路24とからなる。
この場合、水供給路18aの断面積、例えば溝幅を、水マニホールド17から離れるにつれて狭くするようにしたものであり、これ以外の構成は図2と同一である。
このように構成することにより、水供給路18a内の圧力分布が、図2の実施の形態に比べて均一化し、各連通孔14からの燃料ガスへの水の配流が更に均一となる。
具体的には燃料ガス流路11は、例えば配列ピッチを3mm、燃料ガス流路11の本数を40本とし、各々を鉛直方向の直線状(ストレートフロー)であり、上方の燃料ガス入口ガスマニホールド12から下方の燃料ガス出口ガスマニホールド13に至っている。
そして、連通孔14の配列ピッチを、燃料ガス流路11の配列ピッチの倍数例えば6mm、配列個数20個、孔の直径を0.5mmで、燃料ガス流路導入部15に水平に並んでいる。
各水供給流路24は、それぞれ毛細管現象により毛細管力が発生するように、水供給流路24の代表直径は0.2mmとなっており、各水供給流路24により発生する毛細管力は水供給路18aに満たされた水を各連通孔14に駆動するように作用するようになっている。
各連通孔14の下方であって燃料ガス流路11の間に、燃料ガスに供給される水が均一に混合されるように、複数の凸部16が格子状又は千鳥状に形成されている。
水マニホールド17の上部から水平に分岐した水供給路18aが酸化剤ガス流路19と同一平面に成型され、連通孔14に20本の水供給流路24を介して繋がっている。水供給流路24の代表直径は0.2mmであり、水供給路18aに満たされた水が毛細管力によりそれぞれ連通孔14に至る。水供給路18aは、水マニホールド17から離れるにつれて幅が狭くなっている。また、酸化剤ガスは酸化剤ガス入口ガスマニホールド20から平面方向に分岐し、平面内の各酸化剤ガス流路19をZ字状に鉛直方向に流れ、酸化剤ガス出口ガスマニホールド21に至る。ガス流路が成型されており膜電極複合体と電気的に接する部分である有効断面積は288cm2である。また、マニホールドや有効部分、外形部分の周囲部にはシール用のパッキン22が設けてあり、セパレータと一体化されている。
このセパレータと膜電極複合体23(電極面積288cm2、図示せず)が隣接した形の繰り返し構造で、膜電極複合体23の数(単位電池数)が200の固体高分子型燃料電池スタックを試作し、スタックの設置角度を水平方向から10°程度に傾けて設置し、発電試験を行った。標準運転条件として、反応ガスに水素ガス/空気、反応ガス圧力1ata、電流密度0.2A/cm2、燃料ガス利用率(Uf)70%、酸化剤ガス利用率(Uox)40%と設定した。
このとき、各単位電池の電圧は平均電圧±1%以下であった。また、No.1、10、20、30、・・・190、200の酸化剤極側の膜電極複合体中心部に熱電対を挿入して温度を測定したところ、全ての単位電池において温度は平均温度±1%以下であった。また、スタック設置角度に影響を受けることなく、安定した電圧を示していた。
このように燃料ガスへの水供給に関して、水供給流路24における毛細管現象を有効利用できるようになり、スタック設置角度に影響を受けず、燃料ガス流路内の水の滞留も生じなかった。また、燃料ガス流路内における燃料ガスと水が均一に混合されるようになり、更に水供給路18内の圧力分布が均一化した。この結果、各単位電池の加湿条件、電圧分布や温度分布が均一となり、安定した発電が可能であった。
以上述べた第2の実施の形態(図3の構成)は、前述した第1の実施の形態の全てに適用できる。
(第3の実施の形態)
図4は本発明の第3の実施の形態における固体高分子型燃料電池スタックを説明するためのセパレータを示す図であり、図4A及び図4Bは、図2A及び図2Bと同様にそれぞれ一枚のセパレータ5Aの一方の板面(燃料ガス流路11の形成されている面)及び他方の板面(酸化剤ガス流路19の形成されている面)を示す正面図である。また、図5は図4Aの一部を拡大して示す正面図である。
本実施の形態は、図2の実施の形態と同様に、各セパレータ5Aの一方の板面に形成する複数の燃料ガス流路11をそれぞれ鉛直方向でほぼ直線状とし、図2の実施の形態とは次の点が異なる。
すなわち、燃料ガス流路11に水を供給可能にする構成は、図2の実施の形態において、各セパレータ5Aを貫通して設けた水マニホールド17と、各セパレータ5Aの酸化剤ガス流路19の形成されている面であって水マニホールド17の鉛直方向最下部よりも上方に位置し、かつ水平方向に形成された第3の水供給路18bと、水供給路18bと燃料ガス流路11を連通するように水供給路18b内に複数個等間隔に形成された連通孔14と、セパレータ5Aであって燃料ガス流路11の形成されている面に形成され各連通孔14と各燃料ガス流路11を連通する複数の第4の水供給路25とからなっている。この場合、第4の水供給路25は、例えば断面凸部を変形U字状に形成し、これによりセパレータ5Aの板面に溝加工したと同様にしたものである。
各連通孔14より例えばおよそ2cm下がった位置と燃料ガス流路11の間であって、各連通孔14燃料ガスに供給される水が均一に混合されるように、複数の凸部16が格子状又は千鳥状に形成されている。これ以外の点は、図2と同一である。
具体的には、燃料ガス流路11の配列ピッチは3mm、流路本数40本、鉛直方向のストレートフローであり、上方の燃料ガス入口ガスマニホールド12から下方の燃料ガス出口マニホールド13に至っている。
連通孔14は配列ピッチが6mm、個数が20個、連通孔14の直径が0.5mmで、燃料ガス流路導入部15に水平に並んでいる。
このような構成のセパレータ5Aと膜電極複合体23(電極面積288cm2図示せず)が隣接した単位電池主構成の繰り返し構造で、図1のような膜電極複合体23の数(単位電池数)が200個の固体高分子型燃料電池スタックを試作し、スタックを水平方向に設置し、発電試験を行った。標準運転条件として、反応ガスに水素ガス/空気、反応ガス圧力1ata、電流密度0.2A/cm2、燃料ガス利用率(Uf)70%、酸化剤ガス利用率(Uox)40%と設定した。また、スタックに間欠的に振動を与え、その時の電圧の挙動をモニターした。
このとき、200個の単位電池の電圧は平均電圧±1%以下であった。また、No.1、10、20、30、・・・190、200の酸化剤極側の膜電極複合体中心部に熱電対を挿入して温度を測定したところ、全ての単位電池において温度は平均温度±1%以下であった。また、間欠的な振動を繰り返しても、スタック電圧は常に安定していた。
以上述べた第3の実施の形態によれば、燃料ガスへの水供給に関して、第4の水供給路25での圧力損失が増え、スタックに間欠的に振動を与えても影響を受けず、燃料ガス流路11内の水の滞留も生じず、また、燃料ガス流路11内における燃料ガスと水が混合されるようになった。
この結果、スタックに間欠的に振動を与えても、燃料ガスに供給した水が均一に配流され、各単位電池の加湿条件、電圧分布や温度分布が均一となり、安定した発電が可能となる。
(第4の実施の形態)
第4の実施の形態は、前述した図2の前記水供給路18に、例えば親水性の多孔質材料からなる毛細管現象発生手段を充填配置したものであり、これ以外の構成は図1,図2と同一である。
このように構成することにより、水供給路18に供給される水が各連通孔14に導かれる際に、毛細管現象発生手段の毛細管現象により水の流れを加速するように作用する。この結果、スタック設置角度に影響を受けず、燃料ガス流路内の水の滞留も生じず、また、燃料ガス流路内における燃料ガスと水がより均一に混合されるようになり、更に水供給路18内の圧力分布がより均一化し、より安定した発電が可能となる。
前述の毛細管現象発生手段を図3の第1の水供給路18aに充填配置したり、また図3の第2の各水供給路24に夫々充填配置したり、あるいは図3の第2の各水供給路24にまたがって各水供給路24を覆うように配置したり、第1の水供給路18aに充填配置したり、さらに図4の第3の水供給路18bに充填配置したり、さらにまた第4及び図5の第4の各水供給路25に夫々充填配置することにより、毛細管現象発生手段の毛細管力を有効に利用でき、前述したと同様な効果が期待できる。
(変形例)
本発明は、前述した実施形態に限定されず、次のように変形して実施できる。
前述の実施形態のセパレータ5Aは、燃料ガス供給路11を形成した面と反対の面に酸化剤ガス供給路19を形成した一体ものについて説明したが、これを燃料ガス供給路11を形成した部分と、酸化剤ガス供給路19を形成した部分を夫々準備し、これらを接合又は単に当接するようにしてもよい。
また、セパレータ5Aは、膜電極複合体3相互間に、配設するものは、図1に示すように燃料ガス供給路11と酸化剤ガス供給路19を形成したものであるが、単位電池の容器側のように端部に配設するセパレータ5Aは、燃料ガス供給路11のみを形成したもの又は酸化剤ガス供給路19のみを形成したものいずれかを使用することは言うまでもない。
さらに、前述の実施形態のセパレータ5Aに設けた燃料ガス供給路11及び酸化剤ガス供給路19として溝を形成した例をあげ、さらには水供給路18,18a,18b,24,25として溝を例にあげて説明したが、これらはいずれも孔、孔に圧損要素としての多孔質体を設けたもの、管、管内に圧損要素としての多孔質体を設けた燃料ガス供給路、酸化剤ガス供給路のいずれかの構成であってもよい。
図3の構成のうち、水供給路18は、水マニホールド17から離れるにつれて断面積、例えば幅が狭くなっている構成については、第1及び第3の実施の形態のいずれにも適用できる。
また、前述の実施形態では、燃料ガス供給路11であって燃料ガス導入部15に水を供給するものを例にあげて説明したが、前記水の供給する位置は、燃料ガス供給路11の途中であってもよい。
さらに、前述の実施形態では、ベストモードとしてセパレータ5Aに形成した複数の連通孔14は等間隔にした場合について説明したが、必ずしも等間隔でなくてもよい。
産業上の利用可能性
本発明の固体高分子型燃料電池本体及び固体高分子型燃料電池発電システムは、各種電源例えば車載用電源や定置用電源としても利用が可能である。
【図面の簡単な説明】
図1は本発明の第1の実施の形態における固体高分子型燃料電池スタックを示す分解斜視図。
図2A及び図2Bは図1のセパレータを説明するための図。
図3A及び図3Bは本発明の第2の実施の形態における固体高分子型燃料電池スタックのセパレータを説明するための図。
図4A及び図4Bは本発明の第3の実施の形態における固体高分子型燃料電池スタックのセパレータを説明するための図。
図5は図4Aの一部を拡大して示す図。
図6は公知例の固体高分子型燃料電池スタックを説明するための縦断面図。
本発明は、イオン伝導性を有する固体高分子を電解質とする固体高分子型燃料電池スタックに関する。
背景技術
図6は、日本で公開された固体高分子型燃料電池スタックの公知例(特開平1−140562号公報)の一例を説明するための垂直方向の断面図である。
この固体高分子型燃料電池スタックは、複数個の単位電池主構成7を上下方向に機械的に積層すると共に、各単位電池主構成7を電気的に直列に接続するものである。
各単位電池主構成7は、膜電極複合体3と、セパレータ5を備えている。膜電極複合体3は、固体高分子膜1の対向する板面にそれぞれ燃料極2a及び酸化剤極2bを配設してなる。
膜電極複合体3には固体高分子膜1の左右の上下方向周縁部には複数のマニホールドを形成するための幾つかの貫通孔が形成されている。セパレータ5は、燃料側集電体及び酸化剤側集電体を兼ねると共に、燃料ガス流路9a及び酸化剤ガス流路9bが夫々形成されている。高分子膜1の周縁部であって電極2a,2bに近接し、且つセパレータ5の周縁部との間にパッキン6が配設されている。
高分子膜1は電極2a、2bに供給される反応ガスの混合を防ぐ役割もあるため、その面積は通常電極の面積より大きい。
複数の単位電池主構成7を積層したスタックは、その上下両端部に電流取出し板31、絶縁板32、締付け板33、締付け治具(締付けスタッド34、スプリング35)、及び燃料ガス入口配管36、燃料ガス出口配管37、酸化剤ガス入口配管38、酸化剤ガス出口配管39、水入口配管40、水出口配管41がそれぞれ配置される。
電流取出し板31には電流取出しケーブルが配線され、外部負荷に接続される。また、スタック全体をより均等に締付けるために、締付け板33には剛性が要求される。
スタックには、積層された全ての単位電池7において積層方向の反応ガス配流や水配流、温度、湿度等の様々な条件を限りなく均等にすることが要求される。
前述の公知例より以前の従来の固体高分子型燃料電池スタックにあっては、発電時に発生する熱を回収するための冷却手段としては、一般的には純水や不凍液等の冷媒を流した冷却板を単位電池主構成間に挿入する方式が一般的である。
ところが、前述した公知例では、燃料ガス流路9aに予め水(純水)を供給して燃料極2aに供給することにより、高分子膜1の加湿作用に加えて、高分子膜1を通って燃料極2aから酸化剤極2bに移動した水と、酸化剤極2bにて生成した水とを蒸発させることにより、冷却板を省略することができる。
しかしながら、以上述べた固体高分子型燃料電池スタックの公知例にあっては、次のような問題点があった。
(1)燃料ガス流路に水が滞留した場合、水だけでなく燃料ガスや酸化剤ガスの配流不均一を招いて、スタック内の単位電池電圧に大きな分布が生じて安定した発電ができないことがあった。また、スタックの起動、停止時にも同様に燃料ガス流路内に水が滞留しやすくなり、同様の問題が生じることがあった。
(2)スタック設置条件、例えば設置角度に傾きが生じた場合や振動が生じた場合等に、燃料ガスに供給する水の配流が不均一となり、各単位電池の加湿条件や潜熱冷却量に分布が生じて安定した発電ができないといった問題が生じることがあった。
そこで本発明は、ガス流路内の水の滞留がなく、スタックの設置角度や振動等の影響を受けずに安定した発電を行うことができる固体高分子型燃料電池スタックを提供することを目的としている。
発明の開示
第1の局面に対応する発明は、同一方向に並設されると共に、電気的に直列に接続された複数個の単位電池主構成からなる固体高分子型燃料電池スタックにおいて、
前記各単位電池主構成が、
固体高分子膜と、前記固体高分子膜の対向する板面にそれぞれ配設された燃料極及び酸化剤極とを備えた膜電極複合体と、
前記並設方向の終端部に配設されたものを除き、前記燃料極に当接される板面にそれぞれ鉛直方向でほぼ直線状に形成され、燃料ガスを供給するための複数の燃料ガス流路と、前記所定の膜電極複合体とは異なる隣接の膜電極複合体の酸化剤極に当接される板面に形成され、酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路とを備えたセパレータと、
前記各燃料ガス流路に水を供給して前記単位電池主構成を潜熱方式により冷却するためのものであって、前記セパレータを貫通して鉛直方向に配設された水マニホールドと、前記酸化剤ガス流路の形成されている面であって前記水マニホールドの鉛直方向最下部よりも上方に位置し、かつ水平方向に連続して形成された水供給路と、前記水供給路と前記各燃料ガス流路を連通するように前記水供給路内に複数個形成された連通孔とを備えた水供給手段と、
を具備した固体高分子型燃料電池スタックである。
第2の局面に対応する発明は、同一方向に並設されると共に、電気的に直列に接続された複数個の単位電池主構成からなる固体高分子型燃料電池スタックにおいて、
前記各単位電池主構成が、
固体高分子膜と、前記固体高分子膜の対向する板面にそれぞれ配設された燃料極及び酸化剤極とを備えた膜電極複合体と、
前記並設方向の終端部に配設されたものを除き、前記燃料極に当接される板面にそれぞれ鉛直方向でほぼ直線状に形成され、燃料ガスを供給するための複数の燃料ガス流路と、前記各燃料ガス流路が前記所定の膜電極複合体とは異なる隣接の膜電極複合体の酸化剤極に当接される板面に形成された酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路とを備えたセパレータと、
前記各燃料ガス流路に水を供給して前記単位電池主構成を潜熱方式により冷却するためのものであって、前記セパレータを貫通して鉛直方向に配設された水マニホールドと、前記酸化剤ガス流路の形成されている面であって前記水マニホールドの鉛直方向最下部よりも上方に位置し、かつ水平方向に連続して形成された第1の水供給路と、前記燃料ガス流路と連通するように前記第1の水供給路とは所定間隔を存して複数個形成された連通孔と、前記各連通孔と前記第1の水供給路の間であって前記各連通孔と前記第1の水供給路の間をそれぞれ連通するように形成され、前記第1の水供給路内の水を前記各連通孔に導く複数の第2の水供給流路とを備えた水供給手段と、
を具備した固体高分子型燃料電池スタックである。
第3の局面に対応する発明は、同一方向に並設されると共に、電気的に直列に接続された複数個の単位電池主構成からなる固体高分子型燃料電池スタックにおいて、
前記各単位電池主構成が、
固体高分子膜と、前記固体高分子膜の対向する板面にそれぞれ配設された燃料極及び酸化剤極とを備えた膜電極複合体と、
前記並設方向の終端部に配設されるものを除き、前記燃料極に当接される板面にそれぞれ鉛直方向でほぼ直線状に形成され、燃料ガスを供給するための複数の燃料ガス流路と、前記所定の膜電極複合体とは異なる隣接の膜電極複合体の酸化剤極に当接される板面に形成され、酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路とを備えたセパレータと、
前記各燃料ガス流路に水を供給して前記単位電池主構成を潜熱方式により冷却するためのものであって、前記セパレータを貫通して鉛直方向に配設された水マニホールドと、前記酸化剤ガス流路の形成されている面であって前記水マニホールドの鉛直方向最下部よりも上方に位置し、かつ水平方向に連続して形成された第3の水供給路と、前記第3の水供給路と前記燃料ガス流路を連通するように前記第2の水供給路内に複数個形成された連通孔と、前記セパレータであって前記燃料ガス流路の形成されている面に形成され、前記各連通孔と前記各燃料ガス流路を連通する複数の第4の水供給路とを備えた水供給手段と、
を具備した固体高分子型燃料電池スタックである。
第1〜第3の局面に対応する発明によれば、水平方向に形成されている水供給路に供給されている水は、水供給路に形成されている複数の連通孔を介して複数の燃料ガス流路に水供給が可能になり、かつ燃料ガス流路内の水の滞留がなくなるので、潜熱冷却方式を採用した固体高分子型燃料電池スタックとして、燃料ガスに供給した水が均一に配流され、各単位電池の電圧分布や温度分布が均一となり、起動・停止操作やスタックの設置角度(傾き)や振動等の設置条件に影響されることなく、安定した発電が可能である。
第4の局面に対応する発明は、前記水供給路内の水が前記各連通孔に流れる際の駆動力を発生する毛細管現象発生手段を具備した請求項1〜3のいずれかに記載の固体高分子型燃料電池スタックである。
第5の局面に対応する発明は、前記各第4の水供給路に、前記各連通孔から前記各燃料ガス流路に水が流れる際の駆動力を発生する毛細管現象発生手段を具備した請求項3に記載の固体高分子型燃料電池スタックである。
第4又は第5の局面に対応する発明によれば、毛細管現象発生手段を設けたことにより、第1〜第3の局面に対応する発明に加えて、更にはスタックの設置角度に影響を受けることがなく、更に安定した発電が可能である。
第6の局面に対応する発明は、前記セパレータは、前記燃料ガス流路が形成されている面側に形成され各連通孔と前記各燃料ガス流路との間に、格子状又は千鳥状に形成された複数の凸部を具備した請求項1〜5のいずれかに記載の固体高分子型燃料電池スタックである。
第6の局面に対応する発明によれば、凸部により燃料ガスに供給された水が均一に混合されやすくなり、更に安定した発電が可能なスタックとなる。
第7の局面に対応する発明は、前記水マニホールドから分岐した第1の水供給路の断面積を、前記水マニホールドから離れるにつれて小さくした請求項1〜6のいずれかに記載の固体高分子型燃料電池スタックである。
第8の局面に対応する発明は、前記隣接する連通孔のピッチは前記隣接する燃料ガス流路のピッチの倍数とした請求項1〜7のいずれかに記載の固体高分子型燃料電池スタックである。
第7又は第8の局面に対応する発明も、第1〜第3の局面に対応する発明と同様な作用効果が得られる。
発明を実施するための最良の形態
(第1の実施の形態)
図1は本発明の第1の実施の形態における固体高分子型燃料電池スタックの概略構成を示す分解斜視図である。本実施形態は、同一方向に並設すると共に、電気的に直列に接続する複数個の単位電池主構成7(図6と類似)からなり、各単位電池主構成7は、膜電極複合体23と、セパレータ5Aと、水供給手段とを備えている。
膜電極複合体23は、図6と同様に固体高分子膜1の対向する板面にそれぞれ燃料極2a及び酸化剤極1bを配設したものである。
セパレータ5Aは、図2A及び図2Bに示すように構成されている。図2A及び図2Bは、それぞれ一枚のセパレータ5Aの一方の板面(図6の燃料極2aが当接する面)及び他方の板面(図6の酸化剤極2bが当接する面)を示す正面図である。
セパレータ5Aは、並設方向の終端部に配設されるものを除き、燃料極2aに当接される板面に、燃料ガスを供給するための鉛直方向でほぼ直線状に形成された複数の燃料ガス流路11が形成されている。
又、セパレータ5Aは、膜電極複合体23とは異なる隣接の膜電極複合体23の酸化剤極1bに当接される板面に、酸化剤ガスを供給するための複数の酸化剤ガス流路19が形成されている。
前記水供給手段は、各燃料ガス流路11に水を供給して各単位電池主構成7を潜熱方式により冷却するためのものであって、各セパレータ5Aを貫通して鉛直方向に配設した水マニホールド17と、酸化剤ガス流路19の形成されている面であって水マニホールド17の鉛直方向最下部よりも上方に位置し、かつ水平方向に連続して形成された水供給路(本実施形態では例えば直線状の複数の溝)18と、水供給路18と燃料ガス流路11を連通するように水供給路18内に複数個形成された連通孔14からなっている。
ここで、各燃料ガス流路11は、セパレータ5Aの一方の板面の周縁部を除く中央部に形成され、例えば鉛直方向で直線状に形成した溝であって各々の配列ピッチを例えば3mmとしたものである。また、各酸化剤ガス流路19は、セパレータ5Aの他方の板面の周縁部を除く中央部に形成され、例えば鉛直方向でほぼZ字状に形成した溝である。
セパレータ5Aの他方の板面であって酸化剤ガス流路19の上方には、水平方向の水供給路18を形成し、さらに水供給路18に燃料ガス流路11の上部側である燃料ガス流路導入部15と連通するように複数の連通孔14を等間隔に形成する。この場合、各連通孔14は後述する水マニホールド17の鉛直方向最下部よりも上方に存在するようにする。
連通孔14は、その一つの直径が例えば0.5mm以下(0を除く)のものを、複数個例えば20個で、配列ピッチが燃料ガス流路11の配列ピッチの倍数例えば6mmの配列ピッチに形成する。
各セパレータ5Aの燃料ガス流路11が形成されている板面であって、各連通孔14と燃料ガス流路11の間に、複数の凸部(リブ)16を格子状又は千鳥状で等間隔に形成する。
各セパレータ5Aの周縁部の水平方向の一方側及び他方側に、それぞれ肉厚方向を貫通するように、燃料ガス入口ガスマニホールド12及び燃料ガス出口ガスマニホールド13を形成する。
各セパレータ5Aの周縁部の垂直方向の一方側に、水マニホールド17及び酸化剤ガス出口ガスマニホールド21を形成する。また各セパレータ5Aの周縁部の垂直方向の他方側の上下部に、酸化剤ガス入口ガスマニホールド20をそれぞれ形成する。
セパレータ5Aの対向する板面には、マニホールド12、13、17、20、21並びに燃料ガス流路11及び酸化剤ガス流路19の周囲には、シール用のパッキン22が設けてある。
このように構成することにより、酸化剤ガスは酸化剤ガス入口ガスマニホールド20から平面方向に分岐し、続いて平面内の酸化剤ガス流路19を流れ、酸化剤ガス出口ガスマニホールド21に至る。酸化剤ガス流路19の有効断面積、すなわち、膜電極複合体と電気的に接する部分の面積は例えば288cm2である。
以上述べた第1の実施形態によれば、水マニホールド17からの水(純水)は、セパレータ5Aに水平方向に形成されている水供給路18に供給され、水供給路18に供給された水は水供給路18に形成されている複数の連通孔14を介して燃料ガス流路導入部15に導かれ、燃料ガス流路導入部15に導かれた水は複数の燃料ガス流路11の上側から下側に落下供給される。
このようなことから、各燃料ガス流路11には同一水平位置(同一水平レベル)での水供給が可能になり、かつ燃料ガス流路内の水の滞留がなくなる。
従って、潜熱冷却方式を採用した固体高分子型燃料電池スタックとして、燃料ガスに供給した水が均一に配流され、各単位電池の加湿条件、電圧分布や温度分布が均一となり、起動・停止操作やスタックの設置角度(傾き)や振動等の設置条件に影響されることなく、安定した発電が可能である。このことは、以下のような実験結果からも明らかである。
このように高分子膜(図6の1)の対向する板面にそれぞれ燃料極2a及び酸化剤極2bを配設してなる膜電極複合体23と、膜電極複合体23の前記燃料極2aに当接される板面に燃料ガス流路11が形成され、前記膜電極複合体23とは異なる隣接の膜電極複合体の酸化剤極2bに当接される板面に酸化剤ガス流路19が形成されたセパレータ5Aとからなる単位電池主構成7を、複数個例えば200個準備し、各単位電池主構成7を同一方向に機械的に並設すると共に、各単位電池主構成7を、電気的に直列に接続して構成される固体高分子型燃料電池スタックについて試作し、スタックを水平方向に設置し、発電試験を行った。
この場合の標準運転条件として、反応ガスに水素ガス/空気、反応ガス圧力1ata、電流密度0.2A/cm2、燃料ガス利用率(Uf)70%、酸化剤ガス利用率(Uox)40%と設定した。そして合わせて、スタックの起動・停止操作を2時間毎に3度繰り返すこととした。
この時、200の単位電池の電圧は平均電圧±1%以下であった。
また、No.1、10、20、30、・・・190、200の酸化剤極側の膜電極複合体23の中心部に、熱電対を挿入して温度を測定したところ、全ての単位電池において温度は平均温度±1%以下であった。また、起動・停止操作を繰り返しても、スタック電圧は再現性があり、安定していた。
又、燃料ガスへの水供給に関しても、同一水平レベルでの水供給が可能になり、スタックの起動・停止操作を繰り返しても燃料ガス流路内の水の滞留がなくなり、燃料ガス流路内における燃料ガスと水が均一に混合されるようになった。
さらに、スタックの起動・停止操作を繰り返しても燃料ガスに供給した水が均一に配流され、各単位電池の電圧分布や温度分布が均一となり、電圧に再現性があり安定していた。
また、各連通孔14の直径を0.5mm以下(0を含まず)とすることにより、各連通孔14への水の均一配流を実現するために必要な圧力損失を各連通孔14にて得ることができるので、燃料ガスに供給される水の量が更に均一化され、潜熱冷却方式を採用した固体高分子型燃料電池スタックとして、燃料ガスに供給した水が均一に配流され、各単位電池の加湿条件、電圧分布や温度分布が均一となり、起動、停止操作やスタックの設置角度(傾き)や振動等の設置条件に影響されることなく、安定した発電が可能である。
さらに、燃料ガス流路11の側面の連通孔14の鉛直方向下部に、格子状又は千鳥状に配置された凸部16を形成することにより、潜熱冷却方式を採用した固体高分子型燃料電池スタックにおいて、燃料ガスに供給される水が均一に混合される。
また、連通孔14の配列ピッチは、燃料ガス流路11の配列ピッチの倍数になっているので、潜熱冷却方式を採用した固体高分子型燃料電池スタックにおいて、燃料ガス流路内における燃料ガスと水の配流バランスが良好となる。
(第2の実施の形態)
図3は本発明の第2の実施の形態における固体高分子型燃料電池スタックを説明するためのセパレータを示す図であり、図3A及び図3Bは、図2A,図2Bと同様にそれぞれ一枚のセパレータ5Aの一方の板面(燃料ガス流路11の形成されている面)及び他方の板面(酸化剤ガス流路19の形成されている面)を示す正面図である。
本実施の形態は、図2の実施の形態と同様に、各セパレータ5Aの一方の板面に形成する複数の燃料ガス流路11をそれぞれ鉛直方向でほぼ直線状とし、図2の実施の形態とは次の点が異なる。
すなわち、燃料ガス流路11に水を供給可能にする構成は、各セパレータ5Aを貫通して設けた水マニホールド17と、酸化剤ガス流路19の形成されている面であって水マニホールド17の鉛直方向最下部よりも上方に位置し、かつ水平方向に形成された第1の水供給路18aと、燃料ガス流路11と連通するように水供給路18aとは所定間隔を存して複数個等間隔に形成された連通孔14と、前記各連通孔14と前記水供給路18aの間であって前記各連通孔14と前記水供給路18aの間をそれぞれ連通するように形成され、前記水供給路18a内の水を前記各連通孔14に導く複数の第2の水供給流路24とからなる。
この場合、水供給路18aの断面積、例えば溝幅を、水マニホールド17から離れるにつれて狭くするようにしたものであり、これ以外の構成は図2と同一である。
このように構成することにより、水供給路18a内の圧力分布が、図2の実施の形態に比べて均一化し、各連通孔14からの燃料ガスへの水の配流が更に均一となる。
具体的には燃料ガス流路11は、例えば配列ピッチを3mm、燃料ガス流路11の本数を40本とし、各々を鉛直方向の直線状(ストレートフロー)であり、上方の燃料ガス入口ガスマニホールド12から下方の燃料ガス出口ガスマニホールド13に至っている。
そして、連通孔14の配列ピッチを、燃料ガス流路11の配列ピッチの倍数例えば6mm、配列個数20個、孔の直径を0.5mmで、燃料ガス流路導入部15に水平に並んでいる。
各水供給流路24は、それぞれ毛細管現象により毛細管力が発生するように、水供給流路24の代表直径は0.2mmとなっており、各水供給流路24により発生する毛細管力は水供給路18aに満たされた水を各連通孔14に駆動するように作用するようになっている。
各連通孔14の下方であって燃料ガス流路11の間に、燃料ガスに供給される水が均一に混合されるように、複数の凸部16が格子状又は千鳥状に形成されている。
水マニホールド17の上部から水平に分岐した水供給路18aが酸化剤ガス流路19と同一平面に成型され、連通孔14に20本の水供給流路24を介して繋がっている。水供給流路24の代表直径は0.2mmであり、水供給路18aに満たされた水が毛細管力によりそれぞれ連通孔14に至る。水供給路18aは、水マニホールド17から離れるにつれて幅が狭くなっている。また、酸化剤ガスは酸化剤ガス入口ガスマニホールド20から平面方向に分岐し、平面内の各酸化剤ガス流路19をZ字状に鉛直方向に流れ、酸化剤ガス出口ガスマニホールド21に至る。ガス流路が成型されており膜電極複合体と電気的に接する部分である有効断面積は288cm2である。また、マニホールドや有効部分、外形部分の周囲部にはシール用のパッキン22が設けてあり、セパレータと一体化されている。
このセパレータと膜電極複合体23(電極面積288cm2、図示せず)が隣接した形の繰り返し構造で、膜電極複合体23の数(単位電池数)が200の固体高分子型燃料電池スタックを試作し、スタックの設置角度を水平方向から10°程度に傾けて設置し、発電試験を行った。標準運転条件として、反応ガスに水素ガス/空気、反応ガス圧力1ata、電流密度0.2A/cm2、燃料ガス利用率(Uf)70%、酸化剤ガス利用率(Uox)40%と設定した。
このとき、各単位電池の電圧は平均電圧±1%以下であった。また、No.1、10、20、30、・・・190、200の酸化剤極側の膜電極複合体中心部に熱電対を挿入して温度を測定したところ、全ての単位電池において温度は平均温度±1%以下であった。また、スタック設置角度に影響を受けることなく、安定した電圧を示していた。
このように燃料ガスへの水供給に関して、水供給流路24における毛細管現象を有効利用できるようになり、スタック設置角度に影響を受けず、燃料ガス流路内の水の滞留も生じなかった。また、燃料ガス流路内における燃料ガスと水が均一に混合されるようになり、更に水供給路18内の圧力分布が均一化した。この結果、各単位電池の加湿条件、電圧分布や温度分布が均一となり、安定した発電が可能であった。
以上述べた第2の実施の形態(図3の構成)は、前述した第1の実施の形態の全てに適用できる。
(第3の実施の形態)
図4は本発明の第3の実施の形態における固体高分子型燃料電池スタックを説明するためのセパレータを示す図であり、図4A及び図4Bは、図2A及び図2Bと同様にそれぞれ一枚のセパレータ5Aの一方の板面(燃料ガス流路11の形成されている面)及び他方の板面(酸化剤ガス流路19の形成されている面)を示す正面図である。また、図5は図4Aの一部を拡大して示す正面図である。
本実施の形態は、図2の実施の形態と同様に、各セパレータ5Aの一方の板面に形成する複数の燃料ガス流路11をそれぞれ鉛直方向でほぼ直線状とし、図2の実施の形態とは次の点が異なる。
すなわち、燃料ガス流路11に水を供給可能にする構成は、図2の実施の形態において、各セパレータ5Aを貫通して設けた水マニホールド17と、各セパレータ5Aの酸化剤ガス流路19の形成されている面であって水マニホールド17の鉛直方向最下部よりも上方に位置し、かつ水平方向に形成された第3の水供給路18bと、水供給路18bと燃料ガス流路11を連通するように水供給路18b内に複数個等間隔に形成された連通孔14と、セパレータ5Aであって燃料ガス流路11の形成されている面に形成され各連通孔14と各燃料ガス流路11を連通する複数の第4の水供給路25とからなっている。この場合、第4の水供給路25は、例えば断面凸部を変形U字状に形成し、これによりセパレータ5Aの板面に溝加工したと同様にしたものである。
各連通孔14より例えばおよそ2cm下がった位置と燃料ガス流路11の間であって、各連通孔14燃料ガスに供給される水が均一に混合されるように、複数の凸部16が格子状又は千鳥状に形成されている。これ以外の点は、図2と同一である。
具体的には、燃料ガス流路11の配列ピッチは3mm、流路本数40本、鉛直方向のストレートフローであり、上方の燃料ガス入口ガスマニホールド12から下方の燃料ガス出口マニホールド13に至っている。
連通孔14は配列ピッチが6mm、個数が20個、連通孔14の直径が0.5mmで、燃料ガス流路導入部15に水平に並んでいる。
このような構成のセパレータ5Aと膜電極複合体23(電極面積288cm2図示せず)が隣接した単位電池主構成の繰り返し構造で、図1のような膜電極複合体23の数(単位電池数)が200個の固体高分子型燃料電池スタックを試作し、スタックを水平方向に設置し、発電試験を行った。標準運転条件として、反応ガスに水素ガス/空気、反応ガス圧力1ata、電流密度0.2A/cm2、燃料ガス利用率(Uf)70%、酸化剤ガス利用率(Uox)40%と設定した。また、スタックに間欠的に振動を与え、その時の電圧の挙動をモニターした。
このとき、200個の単位電池の電圧は平均電圧±1%以下であった。また、No.1、10、20、30、・・・190、200の酸化剤極側の膜電極複合体中心部に熱電対を挿入して温度を測定したところ、全ての単位電池において温度は平均温度±1%以下であった。また、間欠的な振動を繰り返しても、スタック電圧は常に安定していた。
以上述べた第3の実施の形態によれば、燃料ガスへの水供給に関して、第4の水供給路25での圧力損失が増え、スタックに間欠的に振動を与えても影響を受けず、燃料ガス流路11内の水の滞留も生じず、また、燃料ガス流路11内における燃料ガスと水が混合されるようになった。
この結果、スタックに間欠的に振動を与えても、燃料ガスに供給した水が均一に配流され、各単位電池の加湿条件、電圧分布や温度分布が均一となり、安定した発電が可能となる。
(第4の実施の形態)
第4の実施の形態は、前述した図2の前記水供給路18に、例えば親水性の多孔質材料からなる毛細管現象発生手段を充填配置したものであり、これ以外の構成は図1,図2と同一である。
このように構成することにより、水供給路18に供給される水が各連通孔14に導かれる際に、毛細管現象発生手段の毛細管現象により水の流れを加速するように作用する。この結果、スタック設置角度に影響を受けず、燃料ガス流路内の水の滞留も生じず、また、燃料ガス流路内における燃料ガスと水がより均一に混合されるようになり、更に水供給路18内の圧力分布がより均一化し、より安定した発電が可能となる。
前述の毛細管現象発生手段を図3の第1の水供給路18aに充填配置したり、また図3の第2の各水供給路24に夫々充填配置したり、あるいは図3の第2の各水供給路24にまたがって各水供給路24を覆うように配置したり、第1の水供給路18aに充填配置したり、さらに図4の第3の水供給路18bに充填配置したり、さらにまた第4及び図5の第4の各水供給路25に夫々充填配置することにより、毛細管現象発生手段の毛細管力を有効に利用でき、前述したと同様な効果が期待できる。
(変形例)
本発明は、前述した実施形態に限定されず、次のように変形して実施できる。
前述の実施形態のセパレータ5Aは、燃料ガス供給路11を形成した面と反対の面に酸化剤ガス供給路19を形成した一体ものについて説明したが、これを燃料ガス供給路11を形成した部分と、酸化剤ガス供給路19を形成した部分を夫々準備し、これらを接合又は単に当接するようにしてもよい。
また、セパレータ5Aは、膜電極複合体3相互間に、配設するものは、図1に示すように燃料ガス供給路11と酸化剤ガス供給路19を形成したものであるが、単位電池の容器側のように端部に配設するセパレータ5Aは、燃料ガス供給路11のみを形成したもの又は酸化剤ガス供給路19のみを形成したものいずれかを使用することは言うまでもない。
さらに、前述の実施形態のセパレータ5Aに設けた燃料ガス供給路11及び酸化剤ガス供給路19として溝を形成した例をあげ、さらには水供給路18,18a,18b,24,25として溝を例にあげて説明したが、これらはいずれも孔、孔に圧損要素としての多孔質体を設けたもの、管、管内に圧損要素としての多孔質体を設けた燃料ガス供給路、酸化剤ガス供給路のいずれかの構成であってもよい。
図3の構成のうち、水供給路18は、水マニホールド17から離れるにつれて断面積、例えば幅が狭くなっている構成については、第1及び第3の実施の形態のいずれにも適用できる。
また、前述の実施形態では、燃料ガス供給路11であって燃料ガス導入部15に水を供給するものを例にあげて説明したが、前記水の供給する位置は、燃料ガス供給路11の途中であってもよい。
さらに、前述の実施形態では、ベストモードとしてセパレータ5Aに形成した複数の連通孔14は等間隔にした場合について説明したが、必ずしも等間隔でなくてもよい。
産業上の利用可能性
本発明の固体高分子型燃料電池本体及び固体高分子型燃料電池発電システムは、各種電源例えば車載用電源や定置用電源としても利用が可能である。
【図面の簡単な説明】
図1は本発明の第1の実施の形態における固体高分子型燃料電池スタックを示す分解斜視図。
図2A及び図2Bは図1のセパレータを説明するための図。
図3A及び図3Bは本発明の第2の実施の形態における固体高分子型燃料電池スタックのセパレータを説明するための図。
図4A及び図4Bは本発明の第3の実施の形態における固体高分子型燃料電池スタックのセパレータを説明するための図。
図5は図4Aの一部を拡大して示す図。
図6は公知例の固体高分子型燃料電池スタックを説明するための縦断面図。
Claims (8)
- 同一方向に並設されると共に、電気的に直列に接続された複数個の単位電池主構成からなる固体高分子型燃料電池スタックにおいて、
前記各単位電池主構成が、
固体高分子膜(1)と、前記固体高分子膜(1)の対向する板面にそれぞれ配設された燃料極(2a)及び酸化剤極(1b)とを備えた膜電極複合体(23)と、
前記並設方向の終端部に配設されたものを除き、前記燃料極(2a)に当接される板面にそれぞれ鉛直方向でほぼ直線状に形成され、燃料ガスを供給するための複数の燃料ガス流路(11)と、前記所定の膜電極複合体(23)とは異なる隣接の膜電極複合体(23)の酸化剤極(1b)に当接される板面に形成され、酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路(19)とを備えたセパレータ(5A)と、
前記各燃料ガス流路(11)に水を供給して前記単位電池主構成を潜熱方式により冷却するためのものであって、前記セパレータ(5A)を貫通して鉛直方向に配設された水マニホールド(17)と、前記酸化剤ガス流路(19)の形成されている面であって前記水マニホールド(17)の鉛直方向最下部よりも上方に位置し、かつ水平方向に連続して形成された水供給路(18)と、前記水供給路(18)と前記各燃料ガス流路(11)を連通するように前記水供給路(18)内に複数個形成された連通孔(14)とを備えた水供給手段と、
を具備したことを特徴とする固体高分子型燃料電池スタック。 - 同一方向に並設されると共に、電気的に直列に接続された複数個の単位電池主構成からなる固体高分子型燃料電池スタックにおいて、
前記各単位電池主構成が、
固体高分子膜(1)と、前記固体高分子膜(1)の対向する板面にそれぞれ配設された燃料極(2a)及び酸化剤極(1b)とを備えた膜電極複合体(23)と、
前記並設方向の終端部に配設されたものを除き、前記燃料極(2a)に当接される板面にそれぞれ鉛直方向でほぼ直線状に形成され、燃料ガスを供給するための複数の燃料ガス流路(11)と、前記各燃料ガス流路(11)が前記所定の膜電極複合体(23)とは異なる隣接の膜電極複合体(23)の酸化剤極(1b)に当接される板面に形成された酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路(19)とを備えたセパレータ(5A)と、
前記各燃料ガス流路(11)に水を供給して前記単位電池主構成を潜熱方式により冷却するためのものであって、前記セパレータ(5A)を貫通して鉛直方向に配設された水マニホールド(17)と、前記酸化剤ガス流路(19)の形成されている面であって前記水マニホールド(17)の鉛直方向最下部よりも上方に位置し、かつ水平方向に連続して形成された第1の水供給路(18a)と、前記燃料ガス流路(11)と連通するように前記第1の水供給路(18a)とは所定間隔を存して複数個形成された連通孔(14)と、前記各連通孔(14)と前記第1の水供給路(18a)の間であって前記各連通孔(14)と前記第1の水供給路(18a)の間をそれぞれ連通するように形成され、前記第1の水供給路(18a)内の水を前記各連通孔(14)に導く複数の第2の水供給流路(24)とを備えた水供給手段と、
を具備したことを特徴とする固体高分子型燃料電池スタック。 - 同一方向に並設されると共に、電気的に直列に接続された複数個の単位電池主構成からなる固体高分子型燃料電池スタックにおいて、
前記各単位電池主構成が、
固体高分子膜(1)と、前記固体高分子膜(1)の対向する板面にそれぞれ配設された燃料極(2a)及び酸化剤極(1b)とを備えた膜電極複合体(23)と、
前記並設方向の終端部に配設されるものを除き、前記燃料極(2a)に当接される板面にそれぞれ鉛直方向でほぼ直線状に形成され、燃料ガスを供給するための複数の燃料ガス流路(11)と、前記所定の膜電極複合体(23)とは異なる隣接の膜電極複合体(23)の酸化剤極(1b)に当接される板面に形成され、酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路(19)とを備えたセパレータ(5A)と、
前記各燃料ガス流路(11)に水を供給して前記単位電池主構成を潜熱方式により冷却するためのものであって、前記セパレータ(5A)を貫通して鉛直方向に配設された水マニホールド(17)と、前記酸化剤ガス流路(19)の形成されている面であって前記水マニホールド(17)の鉛直方向最下部よりも上方に位置し、かつ水平方向に連続して形成された第3の水供給路(18b)と、前記第3の水供給路(18b)と前記燃料ガス流路(11)を連通するように前記第2の水供給路(18b)内に複数個形成された連通孔(14)と、前記セパレータ(5A)であって前記燃料ガス流路(11)の形成されている面に形成され、前記各連通孔(14)と前記各燃料ガス流路(11)を連通する複数の第4の水供給路(25)とを備えた水供給手段と、
を具備したことを特徴とする固体高分子型燃料電池スタック。 - 前記水供給路(18,18a,18b)内の水が前記各連通孔(14)に流れる際の駆動力を発生する毛細管現象発生手段を具備したことを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の固体高分子型燃料電池スタック。
- 前記各第4の水供給路(25)に、前記各連通孔(14)から前記各燃料ガス流路(11)に水が流れる際の駆動力を発生する毛細管現象発生手段を具備したことを特徴とする請求項3に記載の固体高分子型燃料電池スタック。
- 前記セパレータ(5A)は、前記燃料ガス流路(11)が形成されている面側に形成され各連通孔(14)と前記各燃料ガス流路(11)との間に、格子状又は千鳥状に形成された複数の凸部を具備したことを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の固体高分子型燃料電池スタック。
- 前記水マニホールド(17)から分岐した第1の水供給路(18)の断面積を、前記水マニホールド(17)から離れるにつれて小さくしたことを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の固体高分子型燃料電池スタック。
- 前記隣接する連通孔(14)のピッチは前記隣接する燃料ガス流路(11)のピッチの倍数としたことを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載の固体高分子型燃料電池スタック。
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