WO2001035477A1 - Pile a combustible electrolytique polymerique - Google Patents

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polymer electrolyte
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Kazuhito Hatoh
Junji Niikura
Hideo Ohara
Teruhisa Kanbara
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Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.
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Definitions

  • the present invention relates to a room temperature operation type polymer electrolyte fuel cell used for a portable power supply, a power supply for an electric vehicle, a home cogeneration system, and the like, and more particularly to an improvement of a conductive separator plate thereof.
  • Fuel cells using polymer electrolytes generate electricity and heat simultaneously by electrochemically reacting a fuel gas containing hydrogen with an oxidizing gas containing oxygen, such as air.
  • This fuel cell basically includes a pair of electrodes formed on both sides of a hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane, that is, an anode and a force source.
  • the electrode includes a catalyst layer mainly composed of carbon powder supporting a metal catalyst such as a platinum group metal, and a diffusion layer formed on the outer surface of the catalyst layer and having both gas permeability and electronic conductivity.
  • a gasket is placed around the electrodes with a polymer electrolyte membrane between them so that the fuel gas and oxidizer gas supplied to the electrode do not leak out or the two gases mix with each other. .
  • This gasket is usually assembled in advance with the electrode and the polymer electrolyte membrane. This is called MEA (electrolyte membrane-electrode assembly).
  • MEA electrolyte membrane-electrode assembly
  • a conductive separation plate is placed to mechanically secure the MEA and electrically connect adjacent MEAs to each other in series.
  • a gas flow path is formed to supply the reaction gas to the electrode surface and carry away generated and surplus gas.
  • the gas flow path is Although it can be provided separately, it is common to provide a groove on the surface of the separation plate to use it as a gas flow path.
  • conductive separator plates require high electron conductivity, gas-tightness, and high corrosion resistance, grooves have been conventionally formed on a dense carbon plate by machining such as cutting. It was common to use it as an overnight board.
  • a gas flow path provided in a conventional conductive separator plate is generally a straight flow path in which a plurality of gas flow paths are provided in parallel from the gas inlet to the gas outlet.
  • Met polymer electrolyte fuel cells generate water on the air electrode side during operation, and the cell performance cannot be fully exhibited unless this is efficiently removed. Therefore, by reducing the cross-sectional area of the gas flow path provided in the conductive separator plate and forming a serpentine-in flow path with the gas flow path meandering, the length per gas flow path is increased. However, attempts have been made to forcibly remove generated water by substantially increasing the gas flow rate.
  • a stacked structure in which many of the above-described cells are stacked is adopted.
  • heat is generated along with the generation of power.
  • a cooling plate is provided for each cell or cells to keep the battery temperature constant while simultaneously generating the generated thermal energy in the form of hot water. Make it available.
  • a cooling plate a structure in which a heat medium such as cooling water is circulated inside a thin metal plate is generally used.However, a flow path for cooling water is formed on the back of a separator plate that constitutes a unit cell.
  • a cooling gasket for sealing a heat medium such as cooling water is also required. In this seal, it is necessary to ensure sufficient conductivity between the cooling plates by completely crushing the O-ring interposed between the cooling plates.
  • a plurality of cells including a cooling unit are stacked in one direction, a pair of end plates are arranged at both ends, and a space between the two end plates is provided. Need to be fixed with fastening rods. It is desirable that the tightening method be such that the cells can be tightened as uniformly as possible within the plane. From the viewpoint of mechanical strength, metal materials such as stainless steel are usually used for end plates and fastening rods. These end plates and fastening rods and the stacked battery shall be electrically insulated by insulating plates, and shall have a structure in which current does not leak out through the end plates. As for the fastening rod, a method has been proposed in which the through-hole inside the separator plate is inserted or the entire stacked battery is tightened with a metal belt over the end plate.
  • the electrolyte membrane functions as an electrolyte in a state containing moisture, it is necessary to humidify and supply the supplied fuel gas and oxidizing gas.
  • a polymer electrolyte membrane at least in a temperature range of up to 100 ° C., as the water content increases, the ionic conductivity increases, so that the internal resistance of the battery decreases and the output increases. Therefore, in order to increase the water content in the electrolyte membrane, it is necessary to supply the supply gas with high humidification.However, if a high humidification gas that is higher than the battery operating temperature is supplied, dew water will be generated inside the battery.
  • the water droplets impede the smooth gas supply, and water is generated by power generation at the air electrode side that supplies the oxidizing gas, so that the efficiency of removing generated water is reduced and the battery performance is reduced. Therefore, the gas is usually supplied by humidifying the dew point below the battery operating temperature.
  • a bubbler-humidification method in which the supply gas is bubbled in deionized water kept at a predetermined temperature to humidify the gas, or one of the electrolyte membranes
  • a membrane humidification method is used in which deionized water kept at a predetermined temperature is flowed on one surface and a supply gas is flown on the other surface to humidify the surface.
  • the humidified fuel gas and oxidant gas are supplied to a polymer electrolyte fuel cell and used for power generation. At this time, a current density distribution occurs in the plane of any single cell in the battery stack.
  • the fuel gas is supplied after being humidified by a predetermined amount at the gas supply inlet, but the hydrogen in the fuel gas is consumed by power generation. Becomes lower. For this reason, the partial pressure of hydrogen is lower and the partial pressure of water vapor is higher in the downstream part of the gas.
  • the oxidizing gas is also supplied after being humidified by a predetermined amount at the gas supply inlet, but oxygen in the oxidizing gas is consumed by power generation, and water generated by the power generation is generated. For this reason, the oxygen partial pressure is higher and the steam partial pressure is lower in the gas upstream, and the oxygen partial pressure is lower and the steam partial pressure is higher in the gas downstream. Furthermore, the temperature of the cooling water for cooling the battery is lower at the entrance and higher at the exit, so that a temperature distribution occurs in the cell surface. For the above reasons, a current density distribution occurs in the plane of the cell.
  • the partial pressures of hydrogen and water vapor in the fuel gas are non-uniform in the plane of the unit cell, and the partial pressures of oxygen and water vapor in the oxidizing gas are non-uniform. If the distribution becomes extremely large, the battery will be extremely dry, over-dried, extremely wet, over-flooded, and the battery characteristics will be significantly degraded.
  • the problem described above is that the partial pressure of water vapor in the gas is higher on the gas outlet side than on the gas inlet side, both on the fuel electrode side supplying the fuel gas and on the air electrode side supplying the oxidizing gas. Is often caused by Therefore, as shown in Japanese Patent Application Laid-Open Publication No. Hei 9-11511356, the flow direction of the oxidizing gas and the flow direction of the cooling water are set to be the same direction, and the oxidizing gas Attempts have also been made to suppress the overflooding of the downstream portion of the air electrode and reduce the in-plane current density distribution of the cell by raising the temperature of the downstream portion of the cell compared to the upstream portion.
  • polymer electrolyte fuel cells When used as a power source for electric vehicles, polymer electrolyte fuel cells are strongly required to have compactness, light weight, and low cost. When used as a home cogeneration system, compactness, high efficiency and low cost are required. In any case, the fuel cell can be used as a reformer, supply gas humidifier, exhaust heat recovery / converter / integrator, etc. From the viewpoint of making the entire system compact, it is required to limit the compact size of the polymer electrolyte fuel cell and the shape of the installation space of the battery. In particular, when installing a power supply in the lower part of the vehicle as a power supply for electric vehicles, the demand for thinner batteries is severe.
  • the size of the auxiliary power related to air supply etc. Significantly affects overall efficiency. Therefore, in order to reduce the power of the air blower and the like supplied to the air electrode side in particular, it is necessary to reduce the pressure loss of the air supplied to the air electrode. In order to reduce the pressure loss on the air electrode side, it is necessary to increase the cross-sectional area of the gas flow path of the air electrode side separator plate, and from that point of view, the serpentine type flow path is not suitable for small-sized cogeneration systems. Not suitable.
  • the present inventors have found that if the shape of the portion of the conductive separator plate in contact with the electrode is close to a square or a circle, it is sufficient that the gas flow path on the air electrode side is a straight flow path. Battery performance cannot be demonstrated. The reason for this is that the gas flow velocity cannot be made sufficiently large.Therefore, if the gas flow velocity is reduced as the straight flow path is reduced, the gas flow rate becomes shallower than 0.4 mm. Then, it was found that the diffusion layer of the gasket electrode was partially dropped into the gas flow path, which was not preferable because the gas flow was obstructed or uneven.
  • the gas flow path on the air electrode side becomes a serpentine flow path.
  • the gas supply pressure loss becomes too large.
  • the pressure loss at the gas inlet becomes large, the relative humidity at the gas inlet becomes too large as compared with the relative humidity at the gas outlet, and sufficient battery performance cannot be exhibited.
  • the diffusion of the supplied gas to the electrode surface is hindered, the gas use efficiency is deteriorated, and as a result, the reaction resistance of the electrode increases.
  • the present inventors have conducted various studies on such a rectangular conductive separation plate, and as a result, the following has become clear.
  • the straight part of the gas flow path is arranged parallel to the short side direction of the rectangular separator plate, dew water such as generated water cannot be discharged effectively, and sufficient battery performance cannot be obtained.
  • the straight section of the sagittal pentane type flow path is compared with the case where the long side of the rectangular separator plate is arranged in parallel. Therefore, even when the number of turns of the flow path is increased and a flow path having the same cross-sectional area is formed, the pressure loss increases, and the efficiency of discharging water or generated water present in the gas deteriorates. Degrades performance. Disclosure of the invention
  • the present invention provides a polymer electrolyte fuel cell provided with a rectangular conductive separator plate.
  • a polymer electrolyte fuel cell includes a hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane, an anode and a cathode sandwiching the hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane, and a gas flow path for supplying a fuel gas to the anode.
  • a cathode-side conductive separator plate having a gas flow path for supplying an oxidizing gas to the power source, the anode-side conductive plate and a power source side.
  • the conductive separator plate has a substantially rectangular shape in which a portion that comes into contact with the anode and the cathode has a longer side that is at least twice as long as the shorter side. The straight part is formed along the long side direction of the rectangle.
  • the force-side conductive separator plate is formed of a plurality of oxidizing agents that are substantially continuous in a straight line from the short side to the other short side along the long side direction. It is preferable to have a gas flow path.
  • the cathode-side conductive separator plate has an inlet manifold connected to the gas flow path on one short side and an outlet manifold connected to the gas flow path on the other short side.
  • the opening width of each of the inlet manifold and the outlet manifold is the same as that of the gas connected to the manifold. It is preferable that the width is substantially equal to or larger than the total width of the flow path.
  • the flow path of the oxidizing gas has a plurality of straight gas flow paths parallel to each other along the long side direction of the cathode-side conductive separator plate and at least one turn portion serving as a folded portion. It preferably has a serpentine type structure, and the turn portion is preferably located near a short side of the force-sword-side conductive separation plate.
  • the force-sword-side conductive separator plate has, on the back surface thereof, a straight line portion having a flow path of cooling water along a long side of the rectangle, and a flow direction and cooling of the oxidant gas in the straight line portion of the gas flow path. It is preferable that the flow direction of water in the linear portion of the flow path of the cooling water substantially coincides.
  • the fuel gas flow path has a plurality of straight gas flow paths parallel to the long side direction of the anode-side conductive separator plate and at least one turn portion serving as a folded portion. It is preferable that the turn portion is located near the short side of the anode-side conductive separator plate. In this case, the turn portion of the oxidant gas flow path is 2, and the fuel gas flow The number of turns in the road is preferably 2 or 4.
  • the length of the long side of the conductive side separation plate on the anode side and the power source side that contacts the cathode and cathode, respectively, should be no more than 6 times the length of the short side. preferable.
  • the anode-side and cathode-side conductive separator plates each have a manifold for supplying and discharging an oxidizing gas, a fuel gas, and cooling water to and from the oxidizing gas, fuel gas, and cooling water flow paths, respectively. It is preferable to be arranged near the side.
  • the width of the flow path of the fuel gas and the oxidizing gas on the anode-side and power source-side conductive separator plates is 1.5 mm or more and 2.5 mm or less, and the depth of the flow path is 0 mm or less. 4 mm or more and 1 mm or less, and The width is preferably 0.5 mm or more and 1.5 mm or less.
  • Grooves forming the gas flow path or the cooling water flow path traverse the center on both sides of the separation plate, and a protrusion between the grooves formed on one surface of the separation plate. It is preferable that the position of the center line of the portion and the position of the center line of the convex portion between the grooves formed on the other surface substantially coincide with each other except for an unavoidable portion.
  • FIG. 1 is a longitudinal sectional view of a main part of a fuel cell according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a front view of a cathode-side conductive separation plate of the battery.
  • FIG. 3 is a front view of an anode-side conductive separator plate of the battery.
  • Fig. 4 is a rear view of the separation plate.
  • FIG. 5 is a front view of a force plate-side conductive separation plate in another embodiment.
  • FIG. 6 is a front view of the anode-side conductive separation plate.
  • FIG. 7 is a front view of a cathode-side conductive separator plate according to still another embodiment.
  • FIG. 8 is a front view of a cathode-side conductive separation plate according to still another embodiment.
  • FIG. 9 is a front view of a cathode-side conductive separation plate according to still another embodiment.
  • FIG. 10 is a front view of a force-sword-side conductive separation plate according to still another embodiment.
  • FIG. 11 is a front view of the conductive separation plate of the comparative example.
  • FIG. 12 is a front view of a force plate-side conductive separator plate of a comparative example.
  • FIG. 13 is a front view of a cathode-side conductive separation plate of another comparative example
  • FIG. 14 is a front view of a cathode-side conductive separation plate of still another comparative example.
  • a polymer electrolyte fuel cell includes a hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane, an anode and a cathode sandwiching the hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane, and a fuel gas supplied to the anode.
  • An anode-side conductive separator plate having a gas flow path; and a force-side-side conductive separator plate having a gas flow path for supplying an oxidizing gas to the force source, wherein the anode-side and cathode-side conductive plates are provided.
  • the separation plate has a substantially rectangular shape whose long side is at least twice as long as the short side, and the portion that comes into contact with the anode and the force source, respectively,
  • the road has a straight portion formed along the long side direction of the rectangle.
  • the present invention uses a substantially rectangular conductive separation plate whose long side has a length that is at least twice as long as the short side at a portion that contacts the electrode. Therefore, a rectangular electrode is used. For this reason, by setting the long side of the rectangle as the installation surface, the height of the battery stack can be reduced, that is, the battery stack can be made thin.
  • the long side of the rectangle is preferably 2 to 6 times the short side, and 3 ⁇ 6 times is more preferred.
  • the short side of the rectangular electrode is preferably 10 cm or less.
  • Such a thin battery stack is particularly advantageous to be installed in the lower part of the vehicle body as a power source for electric vehicles.
  • the pressure loss of the supplied gas can be reduced.
  • batteries that use air as the oxidant and high-concentration hydrogen gas as the fuel gas need to supply a larger amount of air than the fuel.
  • the flow path of the oxidizing gas is made almost straight along the long side of the separator plate.
  • the pressure loss can be suppressed to a small value by using a pen-in type having a straight portion along the long side and a small number of turns of about two.
  • water is generated by an electrode reaction, and in order to efficiently remove the water, it is generally required to increase the supply pressure of an oxidizing gas.
  • the generated water can be removed efficiently, keeping the pressure loss of air supply small.
  • the power source side conductive separator plate has a cooling water flow path having a linear portion along a long side of the rectangle on the back surface, and a flow direction of the oxidizing gas in the linear portion of the gas flow path.
  • the flow path of the fuel gas can be a serpentine-in type consisting of a straight part along the short side of the separator plate and a sunset part arranged on the long side. Similar to the flow path, it is preferable to use a serpentine type including a straight portion along the long side and a sunset portion located on the short side.
  • the flow path of the oxidizing gas and the fuel gas is a serpentine-in type consisting of a straight section along the long side and a sunset section located on the short side
  • the flow path of the oxidizing gas is the number of turns. However, it is most preferable that the number of turns in the fuel gas flow path is 2 or 4. In this case, it is preferable that the flow path of the cooling water be the same as the pen-in type.
  • the groove forming the gas flow path or the cooling water flow path crosses the center of both surfaces of the separator plate. Therefore, depending on the arrangement of such grooves, if a material having low bending strength is used for the separation plate, cracks may occur and battery life may be shortened.
  • the center line of the protrusion formed between the grooves on one surface of the separation plate and the center line of such a protrusion formed on the other surface are inevitable parts. Except for, the reduction in strength is suppressed by substantially matching, Conventionally, the bending strength of the separation plate has been limited to 100 Pa, but according to the configuration of the present invention as described above, even if the bending strength is less than lOOPa, about 70 Pa is practical. It becomes possible.
  • the width of the gas channel groove provided on the surface of the conductive separator plate is 1.5 mm! It is preferable that the width of the rib portion between the grooves is 0.4 mm to 1.5 mm. Thereby, the contact resistance with the electrodes and the electrolyte membrane can be kept low, and the pressure loss of the supply gas can be suppressed.
  • the manifolds for supplying and discharging the oxidizing gas, the fuel gas, and the cooling water, respectively, are preferably provided near the short sides of the rectangular separation plate. According to the present invention, the fuel cell stack can be made thinner and more compact, and the pressure loss of the supplied gas can be reduced.
  • FIG. 1 is a sectional view showing a main part of the fuel cell according to the present embodiment.
  • the fuel cell 1 is a single cell composed of a hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane 2 and a cathode 3 and an anode 4 sandwiching the electrolyte membrane 2, which are stacked via a conductive separator plate.
  • the conductive separator plate inserted between the cells has an oxidizing gas flow path 6 on one side, a fuel gas flow path 7 on the other side, and a cathode-side separator plate.
  • a single separator plate 5 having the function of a separator plate on the anode side, and a passage 6 for oxidizing gas on one surface and a passage 8 for cooling water on the other surface.
  • a composite separator plate combining a separator plate 9a having a cooling water flow path 8 on one surface and a fuel gas flow path 7 on the other surface.
  • a composite separator plate for cooling water is inserted for every two cells.
  • 10 denotes a gasket for preventing leakage of gas and cooling water.
  • the cathode-side conductive separator plate 11 shown in FIG. 2 has a rectangular shape, and one of the short sides thereof has an oxidant gas inlet manifold 12 a and a fuel gas outlet manifold. 13b and cooling water inlet manifold 14a, and the other short side of the oxidizing gas outlet manifold 1 2b, fuel gas inlet manifold 13a and cooling water
  • the outlet manifold has 14b.
  • a gas passage 15 extending from the inlet manifold 12a to the outlet manifold 12b of the oxidizing gas is formed. It has been.
  • the gas flow path 15 is formed by 10 parallel grooves.
  • the gas flow path 15 has a serpentine-in type structure consisting of a straight part 15 s and a turn part 15 t serving as a turn-back part, and the number of evening parts is two.
  • the anode side separator plate 21 shown in FIG. 3 has a rectangular shape like the separator separator plate 11, and one of the short sides thereof is a Roman manifold 22 a, containing an oxidizing gas. It has a fuel gas outlet manifold 23b and a cooling water inlet manifold 24a, and has an oxidant gas outlet manifold 22b on the other short side, and a fuel gas inlet manifold It has 23 a and cooling water outlet 24 b.
  • a gas flow path 25 extending from the fuel gas inlet manifold 23 a to the outlet manifold 23 b is formed. Have been.
  • the gas passage 25 is formed by six parallel grooves.
  • the gas flow path 25 has a straight section 25 s and a turn It is a serpent evening-in type structure consisting of 25 tons, and the number of evening sections is four.
  • the anode separator plate 21 has a cooling water flow path from the inlet manifold 24a of the cooling water to the outlet manifold 24b on the back of the plate. 26 are formed.
  • the flow path 26 is formed by six parallel grooves in this example.
  • the flow path 26 has a sagittal pentane type structure including a straight part 26 s and a turn part 26 t serving as a turn-back part.
  • the separator plate inserted between the cells has a fuel gas flow path as shown in FIG. 3 formed on the back of the separator plate in FIG.
  • the cooling section is composed of an anode-side separator plate 21 with a cooling water flow path formed on the back surface, and a power source separator plate shown in Fig. 2.
  • a composite separation plate with a cooling water flow path as shown in Fig. 4 formed on the back surface of plate 11 is used.
  • the rectangular portions surrounded by the dashed lines shown in the figures are the portions in contact with the force source and the anode.
  • the flow path 15 of the oxidizing gas is composed of 10 parallel grooves, and three straight portions 15 s are connected by two evening portions 15 t. That is, it has 30 grooves extending linearly along the long sides of the rectangle.
  • the fuel gas flow path 25 is composed of six parallel grooves, and five straight parts 25 s are connected by four turn parts 25 t. That is, the gas flow path 25 has 30 grooves extending linearly along the long sides of the rectangle.
  • the cooling water channel also has 30 grooves extending linearly along the long sides of the rectangle.
  • the center of the groove forming the linear portion of each gas flow path. Lines can be matched.
  • the center line of the groove that forms each flow path Can be matched.
  • FIG. 5 is a front view of the power plate side conductive separation plate.
  • Separation plate 31 is rectangular, and one of the short sides of the separator plate 31 is an oxidizer gas inlet manifold 32a, a fuel gas inlet holder 33a, and a cooling water inlet holder 34
  • the other side has an oxidant gas outlet manifold 32b, a fuel gas outlet manifold 33b, and a cooling water outlet manifold 34b.
  • the gas flow path 35 extending from the inlet manifold 32a of the oxidizing gas to the outlet manifold 32b is constituted by 35 linear grooves.
  • FIG. 6 is a front view of the anode-side conductive separation plate.
  • Separation plate 41 is rectangular, and one of the short sides is an inlet manifold for oxidizing gas 4 2a, a Roman gas holder for fuel gas 4 3a and a Roman gas holder for cooling water 4 4 a, and an outlet for the oxidant gas on the other short side.
  • a gas flow path 45 extending from the fuel gas inlet manifold 43a to the outlet manifold 43b is formed by six parallel grooves.
  • the gas flow path 45 has a serpentine structure including a straight portion 45 s and a turn portion 45 t serving as a turn-back portion, and the number of turn portions is 12.
  • the separator plate 71 shown in Fig. 7 has the oxidizing gas-introducing manifold 72a and the outlet manifold 72b on the short side, and the fuel gas inlet on the long side close to them.
  • Manifold 73a, outlet manifold 73b, cooling water inlet manifold 74a, outlet manifold 74b are provided.
  • the gas flow path 75 extending from the inlet manifold 72 a of the oxidizing gas to the outlet manifold 72 b is formed of a linear groove whose width is gradually reduced.
  • the flow path of the fuel gas and cooling water has a serpentine type structure having a straight part and an evening part similar to FIG. Embodiment 4
  • the separation plate 81 shown in Fig. 8 has an oxidant gas inlet manifold 8 2a and an outlet manifold 8 2b on the short side, and the fuel gas inlet on the long side, close to them.
  • the oxidant gas flow path 85 is connected to the inlet manifold 82a and the outlet manifold 82b, respectively, and is connected to the straight sections 85a and 85b parallel to the long sides.
  • the straight portion 85c is composed of a small number, and the straight portion 85c is slightly inclined with respect to the long side.
  • the separator plate 91 shown in Fig. 9 has an oxidant gas inlet manifold 92a and an outlet manifold 92b on the short side, and the fuel gas on the long side near the outlet manifold 92b.
  • An inlet manifold 93a, an outlet manifold 93b and a cooling water inlet manifold 94a and an outlet manifold 94b are provided.
  • the oxidant gas flow path 95 includes straight portions 95a and 95b connected to the inlet manifold 92a and the outlet manifold 92, respectively, and a portion 95c connecting the two.
  • the straight portions 95a and 95b have the same width of each groove, but the latter has one less groove than the former. In this configuration, the flow path of the oxidizing gas is substantially straight, although the portion 95c is discontinuous.
  • FIG. 10 shows the force-sword-side conductive separator plate used in this example.
  • Separator plate 101 on the force sword side has an oxidant gas on one short side. It has a manifold 102a, a fuel gas outlet manifold 103b and a cooling water inlet manifold 104a, and has an oxidant gas outlet manifold on the other short side. 1 0 2 b, fuel gas inlet manifold
  • the flow path 105 of the oxidizing gas is formed by three parallel grooves, and five straight portions are connected by four turn portions.
  • the gas flow path on the anode side is composed of three parallel grooves, and five straight sections are connected by four evening sections.
  • the flow path of the cooling water also has a similar pentane type structure.
  • MEA was produced as follows.
  • carbon fines US Kyabo' preparative Co. VX C 7 2, primary particle diameter: 3 0 nm, specific surface area: 2 5 4 m 2 / g ) , the average particle size of about 3 0 7 platinum particles A 5 : 25 supported by weight ratio.
  • a dispersion of this catalyst powder in isopropanol was mixed with ethyl alcohol dispersion of perfluorocarbon sulfonic acid powder to prepare a catalyst paste.
  • a force-pumping paper (TGP-H-120) manufactured by Toray having a thickness of 360 Xm was used.
  • This force paper is impregnated with an aqueous dispersion of polytetrafluoroethylene (NEOFLON ND1 manufactured by Daikin Industries, Ltd.), dried, and heat-treated at 400 ° C for 30 minutes to repel. Aqueous was given.
  • the catalyst paste was uniformly applied to one surface of the water-repellent carbon paper to form a catalyst layer.
  • Two electrodes made of carbon paper produced by the above method were laminated with a polymer electrolyte membrane (Naphion 112, manufactured by Dupont, USA) sandwiched between them, with the catalyst layer inside, and then dried.
  • a polymer electrolyte membrane Naphion 112, manufactured by Dupont, USA
  • the above carbon paper electrode is a rectangle having a size of 20 ⁇ 6 cm and covers five sections surrounded by a dashed line of the separation plate 101 shown in FIG.
  • a polymer electrolyte membrane is A gasket made of a silicone rubber sheet having a thickness of 360 m was arranged and hot pressed at 130 ° C for 3 minutes to obtain an MEA.
  • the two MEAs were combined with a separator plate as shown in Fig. 10 having a flow path for oxidizing gas formed on one surface and a flow path for fuel gas formed on the other surface.
  • a separator plate as shown in Fig. 10 having a flow path for oxidizing gas formed on one surface and a flow path for fuel gas formed on the other surface.
  • two separate separators with a structure as shown in Fig. 10 were formed, in which cooling water channels were formed on the surfaces facing each other, and oxidizing gas channels and fuel gas channels were formed on the other surfaces, respectively.
  • Combined boards were stacked to assemble a stacked battery having a configuration as shown in FIG. 1 in which 10 cells were connected in series.
  • the separator plate is a 2 mm thick sheet with gas channels formed by hot pressing a mixed powder of carbon powder and phenolic resin, and the gas channels have a width of 2.5 mm. , The depth is 0.7 mm and the width of the rib between the grooves is 1.5 mm.
  • the bending strength of the conductive separator plate was 70 MPa.
  • a metal current collector, an insulating plate made of an electrically insulating material, and an end plate were overlaid on both ends of the above-mentioned laminated battery, and both end plates were fastened with a fastening rod.
  • the fastening pressure was set to l O kgf Z cm 2 per area of the separation plate. Pure hydrogen is supplied as fuel gas to this 10-cell battery module through a deionized water bubbler maintained at 75 ° C, and air is supplied as an oxidant gas through a deionized water bubbler maintained at a predetermined temperature. Then, a power generation test was conducted through cooling water. Fuel gas, oxidizer gas, and cooling water were all introduced in the same direction, and the gas outlet was opened to normal pressure.
  • the electrodes are divided into five parts as shown by the dashed line on the separation plate 101 in Fig. 10, and the electrodes are made to correspond to the electrodes.
  • the separator plate was also divided into five parts so that the performance of each part could be measured individually.
  • the battery operating temperature was set at 75 ° C, and in order to minimize the temperature distribution, the cooling water volume set at 75 ° C was flowed at a relatively large amount of 20 LZmin, and the utilization rate of hydrogen in the fuel gas was reduced.
  • the temperature dependence of the voltage characteristics of the stacked battery at an oxidizing gas bubbler at a constant current density of 0.3 AZ cm 2 and 0.7 AZ cm 2 was investigated.
  • the divided cell closest to the gas inlet side of each of the five divided cells is designated as No. 1, and the divided cells closest to the gas outlet side are designated as No. 2, No. 3, and No. 4 in order. .5.
  • each of the 1 0 batteries cell stack The average voltage of each divided cell was 0.69 V for No. 1 cell and 0.65 V for No. 5 cell. (Hereinafter, all characteristics of the divided cell are 1 unless otherwise noted.) Represents the average value of each divided cell of a battery with 0 cells stacked.) When the bubbler temperature was increased to about 70 ° C, the performance further increased, and the No. 1 cell showed 0.75 V and the No. 5 cell showed 0.70 V. At this time, it was found from measurement of the internal resistance that the No.
  • the conductive separator plate In the conductive separator plate, at least a plurality of gas flow paths or grooves forming a cooling water flow path traverse the center portion thereof, and the grooves on one surface are formed by these grooves.
  • the position of the center line of the convex portion between them substantially coincides with the position of the center line of the convex portion on the other surface, except for inevitable parts. Therefore, even if the material of the conductive separation plate had a bending strength slightly lower than 100 MPa and a low mechanical strength, it could be used without cracking or buckling.
  • the cathode-side conductive separator plate has a linear gas flow path as shown in FIG. 5, and the anode-side conductive separator plate has a number of turns as shown in FIG.
  • Each of the four types having a gas passage having a pen-in type structure was used.
  • the flow path of the cooling water was a heat-and-sink type structure with four evenings as shown in FIG.
  • the size of the electrode is a rectangle of 35 ⁇ 9 cm, and in each cell, the portion shown by the dashed line in FIG. 5 is divided into five in the gas flow direction of the gas flow path 35.
  • the oxidizing gas bubbler temperature is about At a relatively low temperature of 40 ° C, the performance near the gas inlet and the performance near the gas outlet are almost the same, 0.59 V for the No. 1 cell and 0 for the No. 5 cell. 5.7 V. Raising the bubbler temperature to 65 ° C further improved performance. The characteristics were higher near the gas inlet, with 0.62 V for the No. 1 cell and 0.59 V for the No. 5 cell. At this time, from the measurement of the internal resistance, it was found that the cells near the outlet tended to be flooding, but were generally in a good wet state. When the temperature of the oxidizing gas bubbler is 65 ° C, the pressure loss at the gas inlet is
  • the current density of 0. 3 A / cm 2, at a relatively low temperature of the oxidizer Gasubabura first temperature is 4 5 ° C extent substantially equal performance near the site to the site and a gas outlet near the gas inlet, N o .1 cell and N .5 cell
  • the cathode-side separator plate has a straight gas flow path as shown in FIG. 5, and the anode-side conductive separator plate has a straight line along the short side as shown in FIG.
  • Each of them had a serpentine-in type gas flow path with 12 turns and 12 turns.
  • the depth of the groove constituting the gas flow path was 0.4 mm.
  • the cooling water flow path was a serpentine-type structure with an even number of six.
  • the size of the electrode was a rectangle of 20 ⁇ 9 cm, and each cell was divided into five in accordance with the flow path of the fuel gas, as in Example 1.
  • the battery performance was examined under the same conditions as above except that the flow was relatively low at 1 LZmin.
  • the cathode-side conductive separator plate shown in FIG. 7 was used.
  • the flow path 75 of the oxidizing gas is composed of a plurality of continuous linear grooves from the inlet manifold 72 a to the outlet manifold 72 b, and the flow path is narrowed from the inlet to the outlet. It has a shape.
  • the part in contact with the electrode is a trapezoid with a short side of 7 cm, a long side of 9 cm and a height of 20 cm.
  • This separation plate has a thickness of 3 mm, the surface of which is cut by cutting, the gas inlet has a groove width of 2 mm, a depth of 0.5 mm, and the rib between the grooves has a width of l mm.
  • the gas outlet has a gas channel with a groove width of 1.6 mm, a depth of 0.5 mm, and a width of the rib between the grooves of 0.8 mm. Dense glassy carbon was used as the separator plate material.
  • anode-side conductive separator plate As the anode-side conductive separator plate, a plate having a gas passage of a sa-pentaine structure having 12 turns as in Example 3 was used.
  • the cooling water flow path was a pen-in type with six turns.
  • a 100-cell laminated battery was assembled in the same manner as in Example 1 except for the above.
  • the battery operating temperature was set at 75 ° C
  • the cooling water flow set at 75 ° C was flowed at a relatively large rate of 20 L / min
  • the average cell voltage of a 100-cell stacked battery is the current density of 0.3
  • the average cell voltage of the battery was 0.7 V at a current density of 0.3 AZ cm 2 , and the pressure loss at the gas inlet on the air side was 0.70 llkg 'f Z cm 2, which was quite small.
  • the average cell voltage at a current density of 0.7 AZ cm 2 was 0.6 IV, and the pressure loss at the gas inlet on the air side was as low as 0.05 kg ⁇ f Z cm 2 .
  • a cathode-side conductive separation plate shown in FIG. 8 was used.
  • This conductive separation plate has a substantially rectangular shape in contact with the electrode, with a short side of 9 cm and a long side of 2 Ocm.
  • the groove forming the oxidant gas flow path 85 is substantially continuous from the inlet manifold 82 a to the outlet manifold 82 b along the longer side.
  • This separation plate has a thickness of 3 mm, and its surface is cut by cutting to have a groove width of 2 mm at the inlet, 0.4 mm depth, a width of 1 mm between the ribs between the grooves, and an outlet.
  • Dense glassy carbon was used as the separator plate material.
  • anode-side conductive separator plate As the anode-side conductive separator plate, a plate having a gas passage having a sapentine type structure in which the number of evening portions was 12 as in Example 3 was used.
  • the cooling water flow path was a pen-in type with six turns.
  • the average cell voltage of the stacked battery is when the current density is 0.3 AZ cm 2
  • the average cell voltage of the stacked battery is 0.7 V when the current density is 0.3 AZ cm 2 , and the pressure loss at the gas inlet on the air side is 0.0
  • a cathode side conductive separation plate shown in FIG. 9 was used.
  • the gas passage 95 of the conductive separation plate has a discontinuous portion 95c in the middle thereof, but is substantially formed of linear parallel grooves.
  • This separation plate has a thickness of 3 mm, and the surface of the separation plate is cut to form a gas passage with a groove width of 1.5 mm, a depth of l mm, and a rib width of 1 mm between the grooves. It is. Dense glassy carbon was used as the separation plate material.
  • As the anode-side conductive separation plate a plate having a serpentine-in type gas channel having 12 turns as in Example 3 was used. The cooling water flow path was a serpent evening-in type with six evenings.
  • a 100-cell laminated battery was assembled in the same manner as in Example 1 except for the above.
  • the battery operating temperature was set at 75 ° C
  • the cooling water volume set at 75 ° C was flowed at a relatively large amount of 20 L / in
  • the average cell voltage of a stacked battery is at a current density of 0.3 A / cm 2
  • the average cell voltage of the stacked battery is when the current density is 0.3 AZ cm 2
  • the portion of the conductive separator plate that contacts the electrode has a substantially rectangular shape, and the longer side of the substantially rectangular shape is twice as long as the shorter side is used. Strictly rectangular, strictly trapezoidal, parallelogram, rounded corners, and other irregularities The same effect can be obtained even if it has a substantially rectangular shape.
  • the shape of the gas flow channel groove having a substantially straight portion along the long side of the substantially rectangular shape is not completely straight, and even if it has an inflection point, for example, it may be slightly inclined with respect to the long side. The same effect can be obtained even if the groove width changes. Comparative Example 1
  • the cathode-side conductive separation plate shown in FIG. 12 was used.
  • This separation plate 1 2 1 is almost square, and the oxidizing gas inlet manifold 1 2 a and the outlet manifold 1 2 2 b are provided on two opposing sides, and on the other two sides.
  • the oxidant gas passages 125 are constituted by parallel linear grooves.
  • the fuel gas flow path and the cooling water flow path are of a heat sink-in type, and each has two turns.
  • This separator plate has a thickness of 3 mm, and its surface is cut to form a gas flow path 125 with a groove width of 2 mm, a depth of 0.5 mm, and a rib part width of 1 mm between the grooves. Is provided. A dense glassy carbon was used as the separation plate material.
  • the electrode was a square with a side of 15 cm, and the electrode was set at the center of a polymer electrolyte membrane having a square of 21 cm on a side.
  • the average cell voltage of the stacked battery is 0.48 when the current density is 0.3 AZ cm z V. At current densities of 0.7 AZ cm 2 or more, cells with a voltage of 0 V or less appeared due to overflooding, making it impossible to measure the characteristics. Comparative Example 2
  • the separator plate 13 1 is rectangular, with an inlet manifold 13 2 a for oxidant gas and an outlet manifold 13 2 b on the opposite long sides, and fuel gas on the short side.
  • the oxidant gas flow path 135 is composed of parallel linear grooves.
  • the fuel gas flow path and the cooling water flow path are serpentine-in type, and the number of turns is 2 for both.
  • This separator plate has a thickness of 3 mm, and the surface is cut to form a gas flow channel with a groove width of 2 mm, a depth of 0.5 mm, and a rib width of 1 mm between the grooves. ing.
  • the electrodes are rectangular with 9 cm x 20 cm.
  • a 100-cell laminated battery was assembled in the same manner as in Example 1 except for the above.
  • the battery operating temperature was set at 75 ° C
  • the average cell voltage of the laminated battery was 0.42 V at a current density of 0.3 AZ cm 2 .
  • current densities of 0.7 AZ cm 2 or more cells with a voltage of 0 V or less appeared due to overflooding, making it impossible to measure the characteristics. Comparative Example 3
  • the cathode side conductive separation plate shown in FIG. 14 was used.
  • the separation plate 1 4 1 is rectangular.
  • an oxidant gas inlet manifold 144a, fuel gas inlet manifold 144a and cooling water inlet manifold 144a are provided, and the other short side
  • An oxidant gas outlet manifold 144b, a fuel gas outlet manifold 144b, and a cooling water outlet manifold 144b are provided at the bottom.
  • the oxidant gas flow path 144 is formed of parallel linear grooves.
  • the width of each opening of the gas manifolds 144a and 142b is smaller than the sum of the widths of the grooves of the gas flow paths connected to these manifolds.
  • the fuel gas flow path and the cooling water flow path are of the pen-in type, and the number of pumps is two in each case.
  • a 100-cell laminated battery was assembled in the same manner as Comparative Example 2 except for the above.
  • the battery operating temperature was set at 75 ° C
  • the cooling water flow set at 75 ° C was made to flow at a relatively large rate of 20 L / min
  • the average cell voltage of the laminated battery was 0.40 V at a current density of 0.3 AZ cm 2 .
  • current densities of 0.7 AZ cm z or more the opening of the air outlet manifold is small with respect to the flow path width on the whole air side, so the generated water cannot be removed smoothly, and it is 0 V or less. A new cell appeared, making it impossible to measure the characteristics.
  • the conductive separator plate has a linear oxidant gas flow path as shown in Fig. 5, and a serpentine-in type fuel with four evens as shown in Fig. 10.
  • a serpentine-in type fuel with four evens as shown in Fig. 10.
  • One having a gas flow path was used.
  • This separator plate has a thickness of 3 mm, and the surface of the plate is cut to form a gas passage with a groove width of 2 mm, a depth of 0.5 mm, and a rib width of 1 mm between the grooves. It is.
  • the electrodes are 60 cm X 9 cm rectangles.
  • a 100-cell laminated battery was assembled in the same manner as Comparative Example 2 except for the above.
  • the battery operating temperature was set at 75 ° C
  • the cooling water volume set at 75 ° C was flowed at a relatively large amount of 20 L / in
  • the average cell voltage of the laminated battery was 0.72 V at a current density of 0.3 AZ cm 2 .
  • the current density of 0.7 AZ cm 2 showed a relatively good characteristic of 0.62 V.
  • the pressure loss of the feed air gas current density 0.3 when AZ cm 2 0. 2 kgf Z c rrr ', 0. 8 kgi Z cm 2 becomes a current density 0. 7 AZ cm 2, Blois It was impossible to supply air. For this purpose, air was supplied using a compressor. Also, the pressure loss of the supply cooling water became extremely large.
  • the battery operating temperature was set at 75 ° C
  • the cooling water volume set at 75 ° C was flowed in a relatively large amount of 1 LZmin
  • the average cell voltage of the laminated battery was 0.65 V at a current density of 0.3 A / cm 2 .
  • Current density 0.7 eight / Ji 11 and the least cooling water 2, 0. 5 5 V As a result, low characteristics were exhibited. This is because the temperature distribution between the inlet and outlet of the cooling water became too tight by reducing the amount of cooling water, and the inside of the battery became over-dried.
  • a force-sword-side conductive separation plate shown in FIG. 11 was used.
  • This conductive separator plate is rectangular, and one side of the plate is rectangular, and one of the short sides has an inlet for oxidant gas 1 1 2 a, a manifold for fuel gas 1 1 3 a and cooling water. It has a manifold 1 1 4a, and the other side of the other side has an oxidant gas outlet manifold 1 1 2b, a fuel gas outlet manifold 1 1 3b and a coolant outlet manifold 1 It has 1 4b.
  • the oxidizing agent gas flow path 1 15 is formed of five parallel grooves, and has a sa-pentaine type structure in which 10 linear portions are connected by 9 turn portions.
  • the gas flow path on the anode side is also composed of five parallel grooves, and the ten straight parts are connected by nine turn parts.
  • the cooling water channel has a similar pen-in structure.
  • the size of the electrode was a rectangle of 9 cm ⁇ 20 cm, and each cell was divided into five as shown by the dashed line in FIG.
  • the separator plate used here was 3 mm thick, and its surface was provided with a gas flow channel with a groove width of 2 mm, a depth of l mm, and a rib portion width of 1 mm between the grooves by cutting. It is.
  • a dense glassy carbon was used as the material for the separation plate.
  • the relatively low temperature oxidant Gasubabura first temperature is about 5 5 D C, higher characteristics as portion close to the gas inlet, N o. 1 cell 0
  • the 6 V, No. 5 cell showed 0.5 V.
  • the performance of the No. 5 cell at the position closest to the gas outlet was sharply reduced to almost 0 V.
  • the measurement of the internal resistance revealed that the No. 5 cell was in an overflooding state.
  • the pressure loss at the gas inlet was as high as 1.5 kg ⁇ ⁇ / cm 2 .
  • a polymer electrolyte fuel cell battery pack thinner and more compact.
  • a molecular electrolyte fuel cell can be provided.

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Description

明 細 書 高分子電解質型燃料電池 技術分野
本発明は、 ポータブル電源、 電気自動車用電源、 家庭内コジエネレー ショ ンシステム等に使用される常温作動型の高分子電解質型燃料電池、 特にその導電性セパレー夕板の改良に関する。 背景技術
高分子電解質を用いた燃料電池は、 水素を含有する燃料ガスと、 空気 など酸素を含有する酸化剤ガスとを、 電気化学的に反応させることによ り、 電力と熱とを同時に発生させる。 この燃料電池は、 基本的には、 水 素イオン伝導性高分子電解質膜の両面に形成された一対の電極、 すなわ ちアノードと力ソードから構成される。 前記の電極は、 白金族金属など 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層と、 この触媒 層の外面に形成される、 通気性と電子導電性を併せ持つ拡散層からなる, 電極に供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスが外にリークしたり、 二 種類のガスが互いに混合したり しないように、 電極の周囲には高分子電 解質膜を挟んでガスケッ トが配置される。 このガスケッ トは、 通常電極 及び高分子電解質膜と一体化してあらかじめ組み立てられる。 これを、 M E A (電解質膜一電極接合体） と呼ぶ。 M E Aの外側には、 これを機 械的に固定するとともに、 隣接する M E Aを互いに電気的に直列に接続 するための導電性のセパレー夕板が配置される。 セパレ一夕板の M E A と接触する部分には、 電極面に反応ガスを供給し、 生成ガスや余剰ガス を運び去るためのガス流路が形成される。 ガス流路は、 セパレー夕板と 別に設けることもできるが、 セパレー夕板の表面に溝を設けてガス流路 とする方式が一般的である。 また、 導電性のセパレー夕板には、 高電子 伝導性、 ガス夕イ ト性、 および高耐食性が要求されるため、 従来は緻密 なカーボン板などに切削等の加工で溝を形成し、 セパレ一夕板として使 用する方法が一般的であった。
従来の導電性セパレー夕板に設けられたガス流路は、 ガス入口からガ ス出口に向けて、 直線的に複数のガス流路が平行に設けられる、 ス トレ —ト型流路が一般的であった。 しかしながら、 高分子電解質型燃料電池 は、 運転時に空気極側に生成水が発生するため、 これを効率よく除去し なければ電池性能が十分に発揮できない。 そこで、 導電性セパレー夕板 に設けるガス流路の断面積を減らし、 ガス流路を蛇行させた、 サーペン 夕イン型流路とすることによって、 ガス流路 1本あたりの長さを増加さ せ、 実質的にガス流速を早くすることで生成水を強制的に除去しようと することも行われている。
通常、 燃料電池を実際に使用するときは、 上述の単電池を数多く重ね た積層構造が採られる。 燃料電池の運転時には電力発生と共に発熱が起 こるから、 積層電池では、 単電池 1 〜 2セル毎に冷却板を設け、 電池温 度を一定に保つと同時に発生した熱エネルギーを温水などの形で利用で きるようにする。 冷却板としては、 薄い金属板の内部に冷却水などの熱 媒体を流通させる構造が一般的であるが、 単電池を構成するセパレー夕 板の背面に、 冷却水を流す流路を形成して冷却板とする構造もある。 そ の際、 冷却水などの熱媒体をシールするためのォ一リ ングゃガスケッ ト も必要となる。 このシールでは、 冷却板間に介在させた O —リ ングを完 全につぶすなどして、 冷却板同士間で十分な導電性を確保する必要があ る。
このような積層電池では、 各単電池へ燃料ガス、 酸化剤ガス及び冷却 水を注入するため、 セパレー夕板にマ二ホールドと呼ばれる孔が設けら れる。 これには、 冷却水の供給 · 排出孔を積層電池内部に確保した、 い わゆる内部マ二ホールド型が一般的である。
内部マ二ホールド、 外部マ二ホールドのいずれの形式を用いても、 冷 却部を含む複数の単電池を一方向に積み重ね、 その両端に一対の端板を 配し、 その 2枚の端板の間を締結ロッ ドで固定することが必要である。 締め付け方式は、 単電池を面内でできるだけ均一に締め付けることがで きる方式が望ましい。 機械的強度の観点から、 端板や締結ロッ ドには通 常ステンレス鋼などの金属材料が用いられる。 これらの端板や締結ロッ ドと、 積層電池とは、 絶縁板により電気的に絶縁し、 電流が端板を通し て外部に漏れ出ることのない構造とする。 締結ロッ ドについても、 セパ レー夕板内部の貫通孔の中を通したり、 積層電池全体を端板越しに金属 のベル卜で締め上げる方式も提案されている。
以上に示した高分子電解質型燃料電池は、 電解質膜が水分を含んだ状 態で電解質として機能するため、 供給する燃料ガスや酸化剤ガスを加湿 して供給する必要がある。 高分子電解質膜は、 少なく とも 1 0 0 °Cまで の温度範囲では、 含水率が高くなるほど、 イオン伝導度が増加し、 この ため電池の内部抵抗が低減し、 出力が向上する。 そこで、 電解質膜中の 含水率を高めるためには、 供給ガスを高加湿にして供給する必要がある, しかしながら、 電池運転温度以上の高加湿ガスを供給すると、 電池内 部で結露水が発生し、 その水滴がスムーズなガスの供給を阻害するとと もに、 酸化剤ガスを供給する空気極側では、 発電によって水が生成する ため、 生成水の除去効率が低下し、 電池性能を低下させる。 そのため、 通常は電池運転温度以下の露点に加湿してガスを供給する。
供給ガスの加湿方法としては、 所定の温度に保った脱イオン水中に供 給ガスをバブリ ングして加湿するバブラ一加湿方式や、 電解質膜の一方 の面に所定の温度に保った脱イオン水を流し、 他方の面に供給ガスを流 して加湿する膜加湿方式が一般的である。 燃料ガスとして、 メタノール やメタンなどの化石燃料を水蒸気改質したガスを用いる場合には、 改質 ガス中に水蒸気を含んでいるため、 加湿が必要ない場合もある。
加湿された燃料ガスや酸化剤ガスは、 高分子電解質型燃料電池に供給 され、 発電に供される。 このとき、 電池積層体中の任意の単電池の面内 では、 電流密度の分布が発生する。 すなわち、 燃料ガスはガス供給入り 口部で所定量の加湿がなされて供給されるが、 燃料ガス中の水素が発電 によつて消費されるため、 ガス上流部ほど水素分圧が高く水蒸気分圧が 低くなる。 このため、 ガス下流部ほど水素分圧が低く水蒸気分圧が高く なる。
また、 酸化剤ガスもガス供給入り口部で所定の加湿がなされて供給さ れるが、 酸化剤ガス中の酸素が発電によって消費され、 発電によって生 成した水が発生する。 このため、 ガス上流部ほど酸素分圧が高く水蒸気 分圧が低く、 ガス下流部ほど酸素分圧が低く水蒸気分圧が高くなる。 さ らに、 電池を冷却するための冷却水温度は、 入り口ほど低く、 出口ほど 高くなるため、 単電池の面内に温度分布が発生する。 以上のような理由 から、 単電池の面内では電流密度分布が発生する。
また、 上述のように、 単電池の面内での燃料ガス中の水素や水蒸気の 分圧の不均一性や、 酸化剤ガス中の酸素や水蒸気の分圧の不均一性、 さ らに温度分布などが、 極端に大きくなると、 極端な乾きすぎ、 オーバー ドライ状態や、 極端な濡れすぎ、 オーバ一フラッデイ ング状態を招き、 電池の特性が大きく低下する。
さらに、 上述のような理由で発生した、 単電池の面内での燃料ガス中 の水素や水蒸気の分圧の不均一性や、 酸化剤ガス中の酸素や水蒸気の分 圧の不均一性、 温度分布などによって、 単電池の面内でオーバ一ドライ とオーバーフラッディ ングが共存する現象も発生する。
電池を多数積層した場合、 積層した電池の一部に上述のような問題が 発生すると、 積層電池全体の運転に支障を来すことがある。 すなわち、 積層した電池の一部がオーバーフラッディ ングに陥った場合、 オーバー フラッディ ングに陥った電池は、 ガス供給のための圧力損失が増大する ガス供給のマ二ホールドは、 積層電池内で共通であるため、 オーバ一フ ラッデイ ングに陥った電池には、 ガスが流れにく くなり、 結果として益 々オーバーフラッディ ングを招く。
逆に、 積層電池の一部がオーバ一ドライに陥った場合、 オーバードラ ィに陥った電池は、 ガス供給のための圧力損失が減少する。 従って、 ォ ーバ一ドライに陥った電池には、 ガスが流れやすくなり、 結果として益 々オーバ一ドライを招く。
上述のような問題は、 燃料ガスを供給する燃料極側においても、 酸化 剤ガスを供給する空気極側においても、 ガス入り口側に比べてガス出口 側ほどガス中の水蒸気分圧が高くなることに起因する場合が多い。 そこ で、 特表平 9 一 5 1 1 3 5 6号公報に示されているように、 酸化剤ガス の流れ方向と冷却水の流れ方向を同方向とし、 冷却水の温度分布により 酸化剤ガスの下流部の温度を上流部に比べて高くすることで、 空気極下 流部のオーバーフラッディ ングを抑制し、 単電池の面内の電流密度分布 を低減させる試みもなされてきた。
高分子電解質型燃料電池は、 その用途から、 電気自動車用電源として 用いる場合にはコンパク ト性 · 軽量化 · 低コス ト化などが強く要求され る。 また、 家庭用コジェネレーショ ンシステムとして用いる場合には、 コンパク ト性 · 高効率化 ， 低コス ト化等が要求される。 いずれにしても 燃料電池は、 改質器、 供給ガスの加湿器、 排熱回収 · コンバーター · ィ ンバ一夕一等とのシステムとしての利用形態が考えられるため、 システ ム全体のコンパク ト化の観点から、 高分子電解質型燃料電池のコンパク トイ匕と、 電池の設置スペースの形状に関する制限が要求される。 特に、 電気自動車用電源として、 車体の下部に電源を設置する場合、 電池の薄 型化への要求が厳しい。
また、 導電性セパレー夕板の材料にカーボンを用いる場合、 切削加工 でガス流路を形成する方法では高コス トとなるため、 力一ボン粉末や力 一ボン繊維などを樹脂と混合し、 高温での焼成無しに、 ホッ トプレスな どの手法によって型成形する試みが行われている。 しかしながら、 前述 のような成形力一ボンは、 焼成したカーボン製セパレ一夕に比べて機械 的な強度が弱く脆いという問題があった。
一方では、 高分子電解質型燃料電池を、 比較的小型のコジエネレ一シ ヨンシステム用、 例えば家庭用コジェネレーショ ンシステムに用いる場 合には、 空気の供給などに関わる補機動力の大きさがシステム全体の効 率に大きく影響する。 そこで、 特に空気極側に供給する空気用ブロワ等 の動力を低減するためには、 空気極に供給する空気の圧力損失を低減す る必要がある。 空気極側の圧損を低減するためには、 空気極側セパレ一 夕板のガス流路の断面積を大きくする必要があり、 そういった観点から はサーペンタイン形流路は、 小型コジエネレーショ ンシステム用として は不向きである。 しかしながら、 本発明者らは、 導電性セパレ一夕板の 電極と接する部分の形状が正方形や円形状に近い場合、 空気極側のガス 流路がス トレ一ト型流路であると、 十分な電池性能が発揮できないこと を見いだした。 この原因は、 ガス流速を十分大きくできないためである, そこで、 ス トレート型流路のまま、 ガス流速を高めるため、 ガス流路の 深さを浅く していく と、 0 . 4 m mよりも浅くすると、 ガスケッ トゃ電 極の拡散層が部分的にガス流路に落ち込み、 ガス流れを阻害または不均 一にするため好ましくないことがわかった。 また、 セパレー夕板の電極と接する部分の形状を長方形状にした場合、 その長辺の長さが短辺の長さの 6倍以上になると、 空気極側のガス流路 がサーペンタイン型流路の場合、 ガスの供給圧損が大きくなりすぎる。 そして、 ガス入口部の圧損が大きくなると、 ガス入口部の相対湿度がガ ス出口部の相対湿度に比べて大きくなりすぎ、 十分な電池性能が発揮で きない。
また、 ガス流路の断面積によっては、 供給ガスの圧損が大きくなり、 必要な補機動力が大きくなりすぎるという問題があった。 そこで、 ガス 流路の断面積を大きく して供給ガスの圧損を下げた場合、 ガス流路溝の 幅を大きくすると、 セパレー夕板と電極との実質的な接触面積が小さく なり、 接触抵抗を増大させることになる。 また、 電極を支持する部分の 間隔が広くなることによって、 電極と電解質膜との接触抵抗を増大させ る。 ガス流路の溝深さを大きくすると、 必然的にセパレー夕板の厚みが 厚くなり、 電池全体をコンパク トにすることができなくなる。 さらに、 供給ガスの電極表面への拡散を阻害したり、 ガスの利用効率を悪化させ たり し、 その結果電極の反応抵抗を増大させるという問題があった。 また、 セパレー夕板の面積に対する電極の有効面積の割合を増加させ ることが燃料電池ス夕ック全体のコンパク ト化のためには不可欠である, そのような観点から、 長方形状の導電性セパレー夕板を用いる場合、 セ パレー夕板の電極と接する部分の形状もセパレ一夕板の形状に沿った長 方形状にならざるを得ない。
本発明者らは、 そのような長方形の導電性セパレー夕板について、 種 々検討した結果、 以下のことが明らかとなった。
ガス流路の直線部が長方形状セパレー夕板の短辺方向と平行に配置さ れると、 生成水等の結露水を有効に排出できず、 十分な電池性能が得ら れない。 特に、 サ一ペン夕イン型流路を構成する場合、 流路の直線部分 が長方形状セパレー夕板の短辺部分と平行になるよう流路を構成すると、 サ一ペンタイン型流路の直線部を長方形状セパレー夕板の長辺部分と平 行に配した場合と比較して、 流路のターン回数が増加し、 同一断面積を 有する流路を構成した場合においても、 圧力損失が増加すると共に、 ガ ス中に存在する水または生成水の排出効率が悪化し、 電池性能を低下さ せる。 発明の開示
本発明は、 以上に鑑み、 長方形の改良された導電性セパレー夕板を備 える高分子電解質型燃料電池を提供する。
本発明の高分子電解質型燃料電池は、 水素イオン伝導性高分子電解質 膜と、 前記水素イオン伝導性高分子電解質膜を挟むァノードおよびカソ ードと、 前記ァノードに燃料ガスを供給するガス流路を有するァノ一ド 側導電性セパレー夕板と、 前記力ソードに酸化剤ガスを供給するガス流 路を有するカソード側導電性セパレー夕板とを具備し、 前記ァノード側 および力ソ一ド側導電性セパレ一夕板は、 それぞれそれらのアノードお よびカソー ドと接触する部位が、 長辺が短辺の 2倍以上の長さを有する 略長方形状であり、 前記酸化剤ガスの流路はその直線部が前記長方形の 長辺方向に沿って形成されていることを特徴とする。
ここで、 力ソード側導電性セパレー夕板は、 その長辺方向に沿い、 か つ一方の短辺側から他方の短辺側に向かって、 実質的に連続した直線状 の、 複数の酸化剤ガスの流路を有することが好ましい。
前記カソード側導電性セパレー夕板は、 一方の短辺側に前記ガス流路 に連通する入口マ二ホールドを、 他方の短辺側に前記ガス流路に連通す る出口マ二ホールドをそれぞれ有し、 前記入口マ二ホールドおよび出口 マ二ホールドの各々の開口部幅が、 当該マ二ホールドに連なる前記ガス 流路の幅の合計とほぼ同じかそれより大きいことが好ましい。
前記酸化剤ガスの流路は、 カソ一ド側導電性セパレー夕板の長辺方向 に沿つた並行する複数の直線状のガス流路と折返し部となる少なく とも 1つの夕一ン部を有するサーペンタイ ン型構造を有し、 前記ターン部は 前記力ソード側導電性セパレー夕板の短辺近傍に位置することが好まし い。
前記力ソード側導電性セパレー夕板は、 裏面に、 直線部が前記長方形 の長辺に沿った冷却水の流路を有し、 酸化剤ガスの前記ガス流路の直線 部における流れ方向と冷却水の前記冷却水の流路の直線部における流れ 方向とが、 実質的に一致していることが好ましい。
前記燃料ガスの流路は、 アノード側導電性セパレー夕板の長辺方向に 沿って並行する複数の直線状のガス流路と折返し部となる少なく とも 1 つのターン部を有するサ一ペンタイン型構造を有し、 前記ターン部は前 記ァノード側導電性セパレー夕板の短辺近傍に位置することが好ましい この場合、 前記酸化剤ガスの流路のターン部は 2であり、 前記燃料ガス の流路のターン部は 2 または 4であるのが好ましい。
ァノ一ド側および力ソー ド側導電性セパレー夕板のそれぞれァノ一ド およびカソ一ドと接触する部位の長辺の長さは、 短辺の長さの 6倍以下 であるのが好ましい。
前記ァノード側およびカソード側導電性セパレー夕板は、 酸化剤ガス 燃料ガスおよび冷却水の流路にそれぞれ酸化剤ガス、 燃料ガスおよび冷 却水を供給 · 排出するためのマ二ホールドを、 その短辺近傍に配置して いるのが好ましい。
アノード側および力ソ一ド側導電性セパレー夕板の燃料ガスおよび酸 化剤ガスの流路の幅は、 1 . 5 m m以上 2 . 5 m m以下であり、 前記流 路の深さは、 0 . 4 m m以上 1 m m以下であり、 前記流路間のリブ部の 幅は、 0 . 5 m m以上 1 . 5 m m以下であるのが好ましい。
前記ガス流路または冷却水流路を形成する溝がセパレー夕板の両面に おいてそれぞれ中央を横断しており、 前記セパレー夕板の一方の面に形 成される溝と溝との間の凸部の中心線の位置と他方の面に形成される溝 と溝との間の凸部の中心線の位置とが、 不可避の部位を除いて、 実質的 に一致していることが好ましい。 図面の簡単な説明
図 1 は本発明の実施例における燃料電池の要部の縦断面図である。 図 2は同電池のカソード側導電性セパレー夕板の正面図である。
図 3は同電池のアノード側導電性セパレ一夕板の正面図である。
図 4は同セパレ一夕板の背面図である。
図 5は他の実施例における力ソード側導電性セパレー夕板の正面図で ある。
図 6はァノ一ド側導電性セパレー夕板の正面図である。
図 7はさらに他の実施例におけるカソー ド側導電性セパレ一夕板の正 面図である。
図 8はさらに他の実施例におけるカソー ド側導電性セパレー夕板の正 面図である。
図 9はさ らに他の実施例におけるカソー ド側導電性セパレー夕板の正 面図である。
図 1 0はさらに他の実施例における力ソード側導電性セパレー夕板の 正面図である。
図 1 1 は比較例の導電性セパレー夕板の正面図である。
図 1 2は比較例の力ソ一ド側導電性セパレ一夕板の正面図である。 図 1 3は他の比較例のカソード側導電性セパレー夕板の正面図である, 図 1 4はさらに他の比較例のカソード側導電性セパレー夕板の正面図 である。 発明を実施するための最良の形態
本発明の高分子電解質型燃料電池は、 水素イオン伝導性高分子電解質 膜と、 前記水素イオン伝導性高分子電解質膜を挟むァノードおよびカソ ードと、 前記ァノ一ドに燃料ガスを供給するガス流路を有するァノード 側導電性セパレー夕板と、 前記力ソードに酸化剤ガスを供給するガス流 路を有する力ソード側導電性セパレー夕板とを具備し、 前記ァノード側 およびカソード側導電性セパレー夕板は、 それぞれそれらのァノ一ドぉ よび力ソ一ドと接触する部位が、 長辺が短辺の 2倍以上の長さを有する 略長方形状であり、 前記酸化剤ガスの流路はその直線部が前記長方形の 長辺方向に沿って形成されている。
本発明は、 電極と接触する部位が、 長辺が短辺の 2倍以上の長さを有 する略長方形状の導電性セパレ一夕板を用いる。 したがって、 長方形状 の電極を用いる。 このため、 その長方形の長辺側を設置面とすることに より、 電池スタックの背丈を低く、 すなわち、 薄型とすることができる, 長方形の長辺は短辺の 2〜 6倍が好ましく、 3〜 6倍がより好ましい。 長方形の電極の短辺は 1 0 c m以下が好ましい。 そのような薄型の電池 スタックは、 特に電気自動車用電源として、 車体の下部に設置するのに 有利である。
セパレー夕板のガス流路の直線部を、 セパレー夕板の長辺に沿って形 成することにより、 供給ガスの圧力損失を少なくすることができる。 特 に、 酸化剤に空気、 燃料ガスに高濃度の水素ガスを用いる電池において は、 燃料に比して多量の空気を供給することが要請される。 それに対し ては、 酸化剤ガスの流路をセパレー夕板の長辺に沿ったほぼ直線状にす るか、 または長辺に沿った直線部と 2程度の少ない数のターン部とから なるサ一ペン夕イン型とすることにより圧力損失を小さく抑えることが できる。 力ソードにおいては、 電極反応により水分が生成するから、 こ れを効率的に除去するには、 一般に酸化剤ガスの供給圧力を大きくする ことが要請される。 本発明によれば、 空気供給の圧力損失を小さく抑え たまま、 生成水を効率的に除去することができる。 また、 力ソード側導 電性セパレー夕板は、 裏面に、 直線部が前記長方形の長辺に沿った冷却 水の流路を有し、 酸化剤ガスの前記ガス流路の直線部における流れ方向 と冷却水の前記冷却水の流路の直線部における流れ方向とが、 実質的に 一致している構成とすることにより、 生成水の除去が促進される。
燃料ガスの流路は、 セパレ一夕板の短辺に沿った直線部と、 長辺側に 配した夕一ン部とからなるサーペン夕イン型とすることもできる力^ 酸 化剤ガスの流路と同様に、 長辺に沿った直線部と短辺側に位置する夕一 ン部とからなるサーペンタイン型とすることが好ましい。 酸化剤ガスお よび燃料ガスの流路を、 長辺に沿った直線部と短辺側に位置する夕一ン 部とからなるサーペン夕イン型とする場合、 酸化剤ガスの流路はターン 数が 2、 燃料ガスの流路はターン数が 2または 4であるのが最も好まし い。 この場合は、 冷却水の流路も同様のサーペン夕イン型とするのが好 ましい。
このような構成のセパレー夕板においては、 ガスの流路または冷却水 の流路を形成する溝がセパレ一夕板の両面の中央を横断している。 従つ て、 そのような溝の配列によっては、 セパレー夕板に曲げ強度の小さい 材料を使用すると、 割れなどが発生し電池寿命を損ねるおそれがある。 本発明では、 セパレ一夕板の一方の面に形成される溝と溝との間の凸部 の中心線と他方の面に形成されるそのような凸部の中心線とを、 不可避 の部位を除いて、 実質的に一致させることにより強度の低下を抑制する, 従来では、 セパレ一夕板の曲げ強度は 1 0 0 P aが限度とされていたが、 上記のような本発明の構成によると、 曲げ強度が l O O P aを下回る 7 0 P a程度でも実用可能となる。
導電セパレー夕板の表面に設けられるガス流路用溝は、 幅が 1 . 5 m n！〜 2 . 5 m mであり、 溝間のリブ部の幅が 0 . 4 m m〜 l . 5 m m であるのが好ましい。 これによつて、 電極や電解質膜との接触抵抗を小 さく保ち、 かつ供給ガスの圧力損失を抑制することができる。
酸化剤ガス、 燃料ガスおよび冷却水をそれぞれ供給 · 排出するマニホ ールドは、 長方形のセパレー夕板の短辺近傍に設けるのが好ましい。 本発明によると、 燃料電池スタックの薄型化 ' コンパク ト化とともに, 供給ガスの圧力損失を低減することができる。
以下に、 図面を参照して導電性セパレ一夕板の構造を詳しく説明する < 図面は、 いずれも説明のために概略を示すものであって、 各部のサイズ や相対的な位置は必ずしも正確ではない。 実施の形態 1
図 1 は本実施の形態における燃料電池の要部を示す断面図である。 燃料電池 1は、 水素イオン伝導性高分子電解質膜 2および電解質膜 2 を挟むカソー ド 3 とアノード 4からなる単セルを、 導電性セパレー夕板 を介して積層したものである。 セル間に挿入された導電性セパレ一夕板 は、 一方の面に酸化剤ガスの流路 6 を有し、 他方の面に燃料ガスの流路 7 を有し、 カソード側セパレ一夕板とァノ一ド側セパレ一夕板の機能を 持つ単一のセパレ一夕板 5、 並びに、 一方の面に酸化剤ガスの流路 6を 有し、 他方の面に冷却水の流路 8 を有するセパレー夕板 9 a と、 一方の 面に冷却水の流路 8を有し、 他方の面に燃料ガスの流路 7を有するセパ レー夕板 9 bとを組み合わせた複合セパレー夕板である。 この例では、 2セル毎に、 冷却水を流すための複合セパレー夕板が挿入されている。 1 0はガスおよび冷却水の漏洩を防止するためのガスケッ トを表す。 このような燃料電池に用いられる導電性セパレータ板を図 2〜 4によ り詳しく説明する。
図 2に示すカソード側導電性セパレ一夕板 1 1 は、 長方形を有してお り、 その一方の短辺側に酸化剤ガスの入り 口マ二ホールド 1 2 a、 燃料 ガスの出口マニホ一ルド 1 3 bおよび冷却水の入り口マ二ホールド 1 4 aを有し、 他方の短辺側に酸化剤ガスの出口マ二ホールド 1 2 b、 燃料ガスの入り口マ二ホールド 1 3 aおよび冷却水の出口マ二ホールド 1 4 bを有している。 セパレー夕板 1 1 の表面には、 切削加工やプレス 成形によって溝を設けることにより、 酸化剤ガスの入り口マ二ホールド 1 2 aから出口マ二ホールド 1 2 bにつらなるガス流路 1 5が形成され ている。 ガス流路 1 5は、 この例では、 並行する 1 0本の溝により形成 されている。 ガス流路 1 5は、 直線部 1 5 s と折り返し部となるターン 部 1 5 t からなるサーペン夕イン型構造であり、 夕一ン部の数は 2であ る。
図 3に示すアノー ド側セパレ一夕板 2 1 は、 セパレ一夕板 1 1 と同じ く長方形を有しており、 その一方の短辺側に酸化剤ガスの入りロマニホ —ルド 2 2 a、 燃料ガスの出口マニホ一ルド 2 3 bおよび冷却水の入り ロマ二ホールド 2 4 aを有し、 他方の短辺側に酸化剤ガスの出口マニホ 一ルド 2 2 b、 燃料ガスの入り口マ二ホールド 2 3 aおよび冷却水の出 ロマ二ホールド 2 4 bを有している。 セパレー夕板 2 1 の表面には、 切 削加工やプレス成形によって溝を設けることにより、 燃料ガスの入り口 マニホ一ルド 2 3 aから出口マ二ホールド 2 3 bにつらなるガス流路 2 5が形成されている。 ガス流路 2 5は、 並行する 6本の溝により形成 されている。 ガス流路 2 5は、 直線部 2 5 s と折り返し部となるターン 部 2 5 tからなるサーペン夕イン型構造であり、 夕一ン部の数は 4であ る。
アノード側セパレ一夕板 2 1 は、 図 4に示すように、 その背面に、 冷 却水の入り 口マ二ホールド 2 4 aから出口マ二ホールド 2 4 bにつらな る冷却水の流路 2 6が形成されている。 流路 2 6は、 この例では、 並行 する 6本の溝により形成されている。 流路 2 6は、 直線部 2 6 s と折り 返し部となるターン部 2 6 tからなるサ一ペンタイン型構造であり、 夕 —ン部の数は 4である。
図 1で説明したように、 セル間に挿入されるセパレー夕板は、 図 2の セパレー夕板の背面に図 3のような燃料ガスの流路を形成したものであ る。 また、 冷却部を構成する部分では、 図 3および図 4に示すように、 裏面に冷却水の流路を形成したァノ一ド側セパレ一夕板 2 1 と、 図 2の 力ソードセパレー夕板 1 1 の裏面に図 4のような冷却水の流路を形成し たものとの複合セパレー夕板が用いられる。
上記のカソ一ド側セパレー夕板 1 1およびァノ一ド側セパレ一夕板 2 1 において、 それぞれ図に示す一点鎖線で囲まれた長方形の部分が力 ソードおよびアノードと接する部位である。 そして、 酸化剤ガスの流路 1 5は、 1 0本の並行する溝で構成され、 3つの直線部 1 5 sが 2つの 夕一ン部 1 5 t で連結されている。 すなわち、 前記の長方形の長辺に沿 つて直線状に伸びた 3 0本の溝を有する。 燃料ガスの流路 2 5は、 6本 の並行する溝で構成され、 5つの直線部 2 5 sが 4つのターン部 2 5 t で連結されている。 すなわち、 ガス流路 2 5は、 前記の長方形の長辺に 沿って直線状に伸びた 3 0本の溝を有する。 同様に、 冷却水の流路も長 方形の長辺に沿って直線状に伸びた 3 0本の溝を有する。 従って、 一方 の面に酸化剤のガス流路を、 他方の面に燃料ガスの流路を形成するセパ レー夕板においては、 それぞれのガス流路の直線部を構成する溝の中心 線を一致させることができる。 同様に、 一方の面に酸化剤ガスまたは燃 料ガスの流路を、 他方の面に冷却水の流路を形成するセパレー夕板にお いては、 それぞれの流路を構成する溝の中心線を一致させることができ る。
この例では、 図 1 に示すように、 ガス流路および冷却水の流路を構成 する溝の幅を同じく した好ましい形を示した。 しかし、 溝の幅および深 さはそれぞれの流路として適したものに変更すべきことはいうまでもな い。 要するに、 流路の直線部を構成する溝と溝の間に位置する凸部ない しリブ部の中心線を、 不可避な部位を除いて、 一致させるのが重要であ る。 このような構成により、 導電性セパレ一夕板の素材として、 1 0 0 P a程度を下回る曲げ強度を有するものをも使用可能となる。 実施の形態 2
次に、 導電性セパレー夕板の他の好ましい例を説明する。
図 5は力ソード側導電性セパレー夕板の正面図である。 セパレー夕板 3 1 は、 長方形であり、 その一方の短辺側に酸化剤ガスの入り口マニホ ールド 3 2 a、 燃料ガスの入りロマ二ホールド 3 3 aおよび冷却水の入 りロマ二ホールド 3 4 aを有し、 他方の短辺側に酸化剤ガスの出口マ二 ホールド 3 2 b、 燃料ガスの出ロマ二ホールド 3 3 bおよび冷却水の出 ロマニホ一ルド 3 4 bを有する。 酸化剤ガスの入り口マ二ホールド 3 2 aから出ロマ二ホールド 3 2 bにつらなるガス流路 3 5は、 3 5本 の直線状の溝によって構成されている。
図 6はァノ一ド側導電性セパレー夕板の正面図である。 セパレー夕板 4 1は、 長方形であり、 その一方の短辺側に酸化剤ガスの入り口マニホ ールド 4 2 a、 燃料ガスの入りロマ二ホールド 4 3 aおよび冷却水の入 りロマ二ホールド 4 4 aを有し、 他方の短辺側に酸化剤ガスの出口マ二 ホールド 4 2 b、 燃料ガスの出口マ二ホールド 4 3 bおよび冷却水の出 ロマ二ホールド 4 4 bを有する。 燃料ガスの入り口マニホ一ルド 4 3 a から出口マニホ一ルド 4 3 bにつらなるガス流路 4 5は、 並行する 6本 の溝により形成されている。 ガス流路 4 5は、 直線部 4 5 s と折り返し 部となるターン部 4 5 tからなるサーペンタイン型構造であり、 ターン 部の数は 1 2である。
図 5のカソード側導電性セパレー夕板 3 1 と図 6のァノ一ド側導電性 セパレ一夕板 4 1 とを組み合わせた場合、 実際に反応に関与する酸素を 約 2 0 %含む空気を酸化剤ガス、 高濃度の水素を含むガスを燃料ガスに 用いる燃料電池における両ガスの流量の調整が容易である。 冷却水の流 路は、 燃料ガスの流路と同様のサ一ペン夕イン型構造とし、 流路の幅は 燃料ガスの流路より広く し、 ターン部の数は燃料ガスの流路より少なく するのが好ましい。 実施の形態 3
次に、 カリード側導電性セパレ一夕板の好ましい他の例を図 7〜図 9 により説明する。
図 7のセパレー夕板 7 1 は、 短辺側に酸化剤ガスの入りロマ二ホール ド 7 2 aと出口マ二ホールド 7 2 bを、 これらに近接させて長辺側に燃 料ガスの入り口マ二ホールド 7 3 a、 出口マ二ホールド 7 3 bおよび冷 却水の入り口マ二ホールド 7 4 a、 出口マ二ホールド 7 4 bを設けてい る。 酸化剤ガスの入り 口マ二ホールド 7 2 aから出口マ二ホールド 7 2 bにつらなるガス流路 7 5は、 次第に幅が狭くなる直線状の溝で構 成されている。 燃料ガスおよび冷却水の流路は、 図 6に類似の直線部と 夕一ン部を有するサーペンタイン型構造である。 実施の形態 4
図 8のセパレー夕板 8 1 は、 短辺側に酸化剤ガスの入りロマ二ホール ド 8 2 aと出口マ二ホールド 8 2 bを、 これらに近接させて長辺側に燃 料ガスの入り口マニホ一ルド 8 3 a、 出口マニホ一ルド 8 3 bおよび冷 却水の入り口マ二ホールド 8 4 a、 出口マニホ一ルド 8 4 bを設けてい る。 酸化剤ガスの流路 8 5は、 入り口マ二ホールド 8 2 aおよび出口マ 二ホールド 8 2 bにそれぞれつらなり、 長辺に平行な直線部 8 5 aおよ び 8 5 bと、 両者をつなぐ直線部 8 5 cカゝらなり、 直線部 8 5 c は長辺 に対して若干傾斜している。 実施の形態 5
図 9のセパレ一夕板 9 1 は、 短辺側に酸化剤ガスの入りロマ二ホール ド 9 2 aと出口マ二ホールド 9 2 bを、 これらに近接させて長辺側に燃 料ガスの入り口マ二ホールド 9 3 a、 出口マ二ホールド 9 3 bおよび冷 却水の入り口マ二ホールド 9 4 a、 出口マニホ一ルド 9 4 bを設けてい る。 酸化剤ガスの流路 9 5は、 入り口マ二ホールド 9 2 aおよび出口マ ニホ一ルド 9 2 にそれぞれつらなる直線部 9 5 aおよび 9 5 bと、 両 者をつなぐ部分 9 5 cからなる。 直線部 9 5 aと 9 5 bは、 各溝の幅は 同じであるが、 後者の溝の数は前者より 1つだけ少ない。 この構成にお いては、 酸化剤ガスの流路は、 部分 9 5 cが不連続部となっているが、 実質的に直線状である。
以下、 本発明の実施例を図面を参照しながら説明する。 実施例 1
本実施例に用いた力ソード側導電性セパレータ板を図 1 0に示す。 力ソード側セパレー夕板 1 0 1 は、 一方の短辺側に酸化剤ガスの入り ロマ二ホールド 1 0 2 a、 燃料ガスの出口マニホ一ルド 1 0 3 bおよび 冷却水の入りロマ二ホールド 1 0 4 aを有し、 他方の短辺側に酸化剤ガ スの出口マニホ一ルド 1 0 2 b、 燃料ガスの入り口マ二ホールド
1 0 3 aおよび冷却水の出口マ二ホールド 1 0 4 bを有する。 酸化剤ガ スの流路 1 0 5は、 3本の並行する溝により構成され、 5つの直線部が 4つのターン部によりつながっている。 アノード側のガス流路も同様に 3本の並行する溝により構成され、 5つの直線部が 4つの夕一ン部によ りつながっている。 冷却水の流路も同様なサ一ペンタイン型構造である。
ME Aは、 以下のようにして作製した。
まず、 炭素微粉末 （米国キャボッ ト社製 VX C 7 2、 一次粒子径 ： 3 0 nm、 比表面積 ： 2 5 4 m2/ g) に、 平均粒径約 3 0 Aの白金粒子 を 7 5 ： 2 5の重量比で担持させた。 この触媒粉末のィソプロパノ—ル 分散液に、 パ一フルォロカ一ボンスルホン酸粉末のエチルアルコール分 散液を混合し、 触媒ペース トを作製した。
一方、 電極の多孔性基材として、 厚み 3 6 0 X mの力一ポンぺ一パ一 (東レ製、 T G P— H— 1 2 0 ) を用いた。 この力一ボンペーパーをポ リテトラフルォロエチレンの水性ディスパ一ジョ ン （ダイキン工業製、 ネオフロン ND 1 ) に含浸した後、 乾燥し、 4 0 0 °Cで 3 0分加熱処理 して撥水性を与えた。 この撥水処理を施したカーボンペーパーの一方の 面に前記の触媒ペース トを均一に塗布して触媒層を形成した。
以上の方法で作製した 2枚のカーボンペーパーからなる電極を、 その 触媒層を内側にして、 高分子電解質膜 （米国デュポン社製ナフイオン 1 1 2 ) を挟んで重ね合わせた後、 乾燥した。
以上のカーボンペーパー電極は、 そのサイズが 2 0 X 6 c mの長方形 で、 図 1 0に示すセパレ一夕板 1 0 1 の一点鎖線で囲んだ 5つの区画を 覆う大きさである。 電極の周囲には、 高分子電解質膜を挟んで、 約 3 6 0 mの厚みのシリコンゴムのシートからなるガスケッ 卜を配し、 1 3 0 °Cで 3分間ホッ トプレスし、 M E Aを得た。
この MEAの 2つを、 一方の面に酸化剤ガスの流路を形成し、 他方の 面に燃料ガスの流路を形成した図 1 0のようなセパレ一夕板を挟んで組 合せた。 また、 互いに対向する面に冷却水の流路を形成し、 他方の面に それぞれ酸化剤ガスの流路および燃料ガスの流路を形成した、 図 1 0の ような構造の 2枚のセパレー夕板を組み合わせた。 これらの 2つの ME Aの組と、 2枚のセパレ一夕板の組とを積層して 1 0セルが直列に 接続された、 図 1のような構成の積層電池を組み立てた。
セパレー夕板は、 力一ボン粉末とフエノール系樹脂の混合粉末をホッ トプレスにより、 ガス流路を有する厚さ 2 mmのシ一 卜に成形したもの であり、 ガス流路は幅 2. 5 mm, 深さ 0. 7 mm、 溝間のリブ部の幅 が 1. 5 mmである。 この導電性セパレ一夕板の曲げ強度は、 7 0 MP aであった。
前記の積層電池の両端部には、 金属製の集電板、 電気絶縁材料からな る絶縁板、 および端板を重ね、 両端板を締結ロッ ドで締め付けた。 その 締結圧はセパレ一夕板の面積当たり l O k g f Z c m2とした。 この 1 0 セルの電池モジュールに、 燃料ガスとして純水素を 7 5 °Cに保った脱ィ オン水バブラ一を通じて供給し、 酸化剤ガスとして空気を所定温度に保 つた脱イオン水バブラ一を通じて供給し、 冷却水を通じて、 発電試験を 行った。 燃料ガス、 酸化剤ガス、 および冷却水は、 ともに同一方向に導 入し、 ガス出口は常圧に開放した。
また、 燃料電池の各セルは、 その面内での性能分布を確認するため、 図 1 0のセパレ一夕板 1 0 1に一点鎖線示すように電極を 5分割すると ともに、 電極に対応させてセパレ一タ板をも 5分割し、 それぞれの部位 の性能を個別に測定できるようにした。 まず、 電池運転温度を 7 5°Cに設定し、 温度分布を極力抑えるため、 7 5 °Cに設定した冷却水量を 2 0 LZm i nと比較的大量に流し、 燃料 ガス中の水素の利用率 （U f ) = 8 0 %、 酸化剤ガス中の酸素の利用率 (U o ) 二 5 0 %に設定して電池性能を調べた。
積層電池を、 0. 3 AZ c m2と 0. 7 AZ c m2の定電流密度で運転し た場合の電圧特性の酸化剤ガスバブラ一温度依存性を調べた。 5分割し た各セルの最もガス入り口側に近い分割セルを N o . 1 とし、 順次 N o . 2、 N o . 3、 N o . 4として、 最もガス出口側に近い分割セル を N o . 5 とした。
0. 3 AZ c m2の電流密度で運転した場合、 酸化剤ガスバブラ一温度 が 4 5 °C程度の比較的低い温度では、 ガス入り口に近い部位ほど特性が 高く、 1 0セル積層した電池の各分割セル毎の平均電圧は、 N o . 1セ ルで 0. 6 9 V、 N o . 5セルで 0. 6 5 Vであった （以下、 特に断ら ない限り、 分割セルの特性はすべて 1 0セル積層した電池の各分割セル 毎の平均値を表す。 ） 。 バブラ一温度を約 7 0 °Cと高くすると、 さらに 性能が上昇し、 N o . 1セルは 0. 7 5 V、 N o . 5セルは 0. 7 0 V を示した。 このとき、 N o . 1〜 5セルは、 内部抵抗の測定からほぼ良 好な濡れ状態にあることが分かった。 酸化剤ガスバブラ一温度が 7 0 °C の場合のガス入り口部の圧力損失は、 0. 0 1 k g · f Z c ην'であった 次に、 0. 7 AZ c m2の電流密度では、 酸化剤ガスバブラ一温度が約 4 0 °Cと比較的低い温度では、 ガス入り口に近い部位とガス出口に近い 部位の性能がほぼ等しくなり、 N o. 1セルは 0. 6 V、 N o . 5セル は 0. 5 9 Vを示した。 さらに、 バブラ一温度を 6 5 °Cと高くすると、 さらに性能が上昇したが、 ガス入り口に近い部位ほど特性が高くなり、 N o . 1セルは 0. 6 5 V、 N o . 5セルは 0. 6 0 Vを示した。 この とき、 N o . 1〜 5セルは、 内部抵抗の測定から、 出口ほどフラッディ ング気味であるものの、 おおむね良好な濡れ状態にあることが分かった。 酸化剤ガスバブラ一温度が 6 5 °Cの場合のガス入り口部の圧力損失は、 0. 0 8 k g - f Z c m2とかなり小さなものであった。
次に、 電池運転温度を 7 5 °Cに設定し、 温度分布をつけるため、 7 5 °Cに設定した冷却水量を 1 LZm i nと比較的少なく流し、 U f = 8 0 %、 U o = 5 0 %に設定して電池性能を調べた。
0. 3 AZ c m2の電流密度では、 酸化剤ガスバブラ一温度が 4 0 °C程 度の比較的低い温度では、 ガス入り口に近い部位とガス出口に近い部位 の性能がほぼ等しくなり、 N o . 1セルは 0. 6 9 V、 N o . 5セルは 0. 6 8 Vを示した。 バブラ一温度を約 7 0 °Cと高くすると、 さらに性 能が上昇し、 N o . 1セルは 0. 7 5 V、 N o . 5セルは、 0. 7 3 V を示した。 このとき、 N o . ：！〜 5セルは、 内部抵抗の測定からほぼ良 好な濡れ状態にあることが分かった。 また、 酸化剤ガスバブラ一温度が 7 0 °Cの場合のガス入り口部の圧力損失は 0. 0 0 8 k g · f Z c m2で めつ/こ。
次に、 0. 7 AZ c m2の電流密度では、 酸化剤ガスバブラ一温度が約 4 5 °Cと比較的低い温度では、 ガス入り口に近い部位とガス出口に近い 部位の性能がほぼ等しくなり、 N o . 1セルは 0. 6 V、 N o . 5セル は 0. 6 Vを示した。 バブラ一温度を 6 5 °Cと高くすると、 さらに性能 が上昇し、 N o . 1セルは 0. 6 5 V、 N o . 5セルは 0. 6 3 Vを示 した。 このとき、 N o . 1〜 5セルは、 内部抵抗の測定から、 最適な濡 れ状態にあることが分かった。 また、 酸化剤ガスバブラ一温度が 6 5 °C の場合のガス入り口部の圧力損失は 0. 0 7 k g · f / c m2とかなり小 さなものであった。
前記の導電セパレー夕板は、 その中心部を少なく とも複数のガス流路 または冷却水流路を構成する溝が横断しており、 一方の面のこれら溝の 間の凸部の中心線の位置が、 他方の面の凸部の中心線の位置と、 不可避 の部位を除いて実質的に一致している。 そのため、 導電性セパレー夕板 材料の曲げ強度が 1 0 0 M P aを若干下回る機械的強度の弱い材料であ つても、 割れや座屈を生じることなく使用可能であった。 実施例 2
本実施例では、 カソ一ド側導電性セパレ一夕板に図 5のように直線状 のガス流路を有するもの、 アノード側導電性セパレ一夕板に図 3のよう にターン部の数が 4のサ一ペン夕イン型構造のガス流路を有するものを それぞれ用いた。 冷却水の流路は、 図 4のような夕一ン数が 4のサーぺ ン夕ィン型構造とした。 電極のサイズは、 3 5 X 9 c mの長方形で、 各 セルは、 図 5に一点鎖線で示す部分を、 ガス流路 3 5のガスの流れる方 向に 5分割した。
上記の他は実施例 1 と同様にして 1 0セルの積層電池を組み立てた。 まず、 電池運転温度を 7 5 °Cに設定し、 7 5°Cに設定した冷却水量を 2 0 LZm i nの割合で流し、 U f = 8 0 %、 U o = 5 0 %に設定して 電池性能を調べた。
0. 3 AZ c m2の電流密度では、 酸化剤ガスバブラ一温度が 4 5 °C程 度の比較的低い温度では、 ガス入り口に近い部位ほど特性が高く、 N o . 1セルは、 0. 6 7 V、 N o . 5セルは 0. 6 5 Vを示した。 ノ ブラー温度を約 7 0 °Cと高くすると、 さらに性能が上昇し、 N o . 1セ ルは 0. 7 3 V、 N o . 5セルは 0. 7 0 Vを示した。 このとき、 N o . ：!〜 5セルは、 内部抵抗の測定からほぼ良好な濡れ状態にあるこ とが分かった。 また、 酸化剤ガスバブラ一温度が 7 0 °Cの場合のガス入 り口部の圧力損失は 0. 0 0 1 k g · f Z c m2であった。
次に、 0. 7 AZ c m 2の電流密度では、 酸化剤ガスバブラ一温度が約 4 0 °Cと比較的低い温度では、 ガス入り 口に近い部位とガス出口に近い 部位の性能がほぼ等しくなり、 N o . 1セルは 0. 5 9 V、 N o . 5セ ルは 0. 5 7 Vを示した。 バブラ一温度を 6 5 °Cと高くすると、 さらに 性能が上昇した。 ガス入り口に近い部位ほど特性が高くなり、 N o . 1 セルは 0. 6 2 V、 N o. 5セルは 0. 5 9 Vを示した。 このとき、 N o . ：!〜 5セルは、 内部抵抗の測定から、 出口ほどフラッデイ ング気 味であるものの、 おおむね良好な濡れ状態にあることが分かった。 酸化 剤ガスバブラ一温度が 6 5 °Cの場合のガス入り口部の圧力損失は
0. 0 0 7 k g - f Z c m 2とかなり小さなものであった。
次に、 7 5 X：に設定した冷却水量を 1 LZm i nと比較的少なく流す 他は上記と同条件で電池性能を調べた。
0. 3 A/ c m2の電流密度では、 酸化剤ガスバブラ一温度が 4 5 °C程 度の比較的低い温度では、 ガス入り口に近い部位とガス出口に近い部位 の性能がほぼ等しくなり、 N o . 1セルおよび N o . 5セルとも
0. 6 8 Vを示した。 バブラ一温度を約 7 0 °Cと高くすると、 さらに性 能が上昇し、 N o . 1セルは 0. 7 0 V、 N o . 5セルは、 0. 6 9 V を示した。 このとき、 N o . ：!〜 5セルは、 内部抵抗の測定からほぼ良 好な濡れ状態にあることが分かった。 酸化剤ガスバブラ一温度が 7 0 °C の場合のガス入り口部の圧力損失は 0. 0 0 1 k g · f / c m2であつた 次に、 0. 7 AZ c m2の電流密度では、 酸化剤ガスバブラ一温度が約 4 5 °Cと比較的低い温度では、 ガス入り口に近い部位とガス出口に近い 部位の性能がほぼ等しくなり、 N o . 1セルは 0. 5 9 V、 N o . 5セ ルは 0. 5 8 Vを示した。 バブラ一温度を 6 5 °Cと高くすると、 さらに 性能が上昇し、 N o . 1セルは 0. 6 2 V、 N o . 5セルは、 0. 6 0 Vを示した。 このとき、 N o . 1〜 5セルは、 内部抵抗の測定から、 最 適な濡れ状態にあることが分かった。 酸化剤ガスバブラ一温度が 6 5 °C の場合のガス入り口部の圧力損失は 0. 0 0 5 k g · i Z c m2とかなり 小さなものであった。 実施例 3
本実施例では、 カソード側セパレ一夕板に図 5のように直線状のガス 流路を有するもの、 アノード側導電性セパレ一夕板に、 図 6のように直 線部が短辺に沿って伸び、 ターン部の数が 1 2のサーペン夕イン型構造 のガス流路を有するものをそれぞれ用いた。 ガス流路を構成する溝の深 さは 0. 4 mmとした。 冷却水の流路は、 図 6のように夕一ン数が 6の サーペンタイン型構造とした。 電極のサイズは、 2 0 X 9 c mの長方形 で、 各セルは、 実施例 1 と同様に、 燃料ガスの流路に合わせて、 5分割 した。
上記の他は実施例 1 と同様にして 1 0セルの積層電池を組み立てた。 まず、 電池運転温度を 7 5 °Cに設定し、 7 5°Cに設定した冷却水量を 2 0 LZm i nと比較的大量に流し、 U f = 8 0 %、 U o = 5 0 %に設 定して電池性能を調べた。
0. 3 AZ c の電流密度では、 酸化剤ガスバブラ一温度が 4 5 °C程 度の比較的低い温度では、 ガス入り口に近い部位ほど特性が高く、 N o . 1セルは 0. 6 9 V、 N o . 5セルは 0. 6 7 Vを示した。 バブ ラー温度を約 7 0 °Cと高くすると、 さらに性能が上昇し、 N o . 1セル は 0. 7 4 V、 N o . 5セルは 0. 7 I Vを示した。 このとき、
N o . 1〜 5セルは、 内部抵抗の測定からほぼ良好な濡れ状態にあるこ とが分かった。 酸化剤ガスバブラ一温度が 7 0 °Cの場合のガス入り口部 の圧力損失は 0. 0 0 0 8 k g · f / c m2であった。
次に、 0. 7 A/ c m2の電流密度では、 酸化剤ガスバブラ一温度が約 4 0 °Cと比較的低い温度では、 ガス入り口に近い部位とガス出口に近い 部位の性能がほぼ等しくなり、 N o . 1セルは 0. 6 0 V、 N o . 5セ ルは 0. 5 7 Vを示した。 バブラ一温度を 6 5 °Cと高くすると、 さらに 性能が上昇した。 ガス入り口に近い部位ほど特性が高くなり、 N o . 1 セルは 0. 6 4 V、 N o . 5セルは 0. 6 0 Vを示した。 このとき、 N o . ：!〜 5セルは、 内部抵抗の測定から、 出口ほどフラッデイ ング気 味であるものの、 おおむね良好な濡れ状態にあることが分かった。 酸化 剤ガスバブラ一温度が 6 5 °Cの場合のガス入り口部の圧力損失は
0. 0 0 3 k g - f ノ c m 2とかなり小さなものであった。
次に、 温度分布をつけるため、 7 5 °Cに設定した冷却水量を
1 LZm i nと比較的少なく流す他は上記と同条件で電池性能を調べた。
0. 3 AZ c m2の電流密度では、 酸化剤ガスバブラ一温度が 4 5 °C程 度の比較的低い温度では、 ガス入り口に近い部位とガス出口に近い部位 の性能がほぼ等しくなり、 N o . 1セルは 0. 7 0 V、 N o . 5セルは 0. 6 9 Vを示した。 バブラ一温度を約 7 0 °Cと高くすると、 さらに性 能が上昇し、 N o . 1セルは 0. 7 3 V、 N o . 5セルは 0. 7 I Vを 示した。 このとき、 N o . ：！〜 5セルは、 内部抵抗の測定からほぼ良好 な濡れ状態にあることが分かった。 酸化剤ガスバブラ一温度が 7 0 °Cの 場合のガス入り口部の圧力損失は 0. 0 0 0 9 k g ' i Z c m2であつた。 次に、 0. 7 AZ c m2の電流密度では、 酸化剤ガスバブラ一温度が約 4 0 °Cと比較的低い温度では、 ガス入り口に近い部位とガス出口に近い 部位の性能がほぼ等しくなり、 N o . 1セルは 0. 6 1 V、 N o . 5セ ルは 0. 5 9 Vを示した。 バブラ一温度を 6 5 °Cと高くすると、 さ らに 性能が上昇し、 N o . 1セルは 0. 6 4 V、 N o . 5セルは、 0. 6 2 Vを示した。 このとき、 N o . 1〜 5セルは、 内部抵抗の測定から、 最 適な濡れ状態にあることが分かった。 酸化剤ガスバブラ一温度が 6 5 °C の場合のガス入り口部の圧力損失は 0. 0 0 4 k g · f Z c m2とかなり 小さなものであった。 実施例 4
本実施例では、 図 7に示すカソード側導電性セパレ一夕板を用いた。 酸化剤ガスの流路 7 5は、 入口マ二ホールド 7 2 aから出口マ二ホール ド 7 2 bまで複数の連続した直線状の溝で構成され、 入口から出口に向 かって流路が絞られる形状を有する。 電極と接触する部位は、 短辺 7 c m、 長辺が 9 c m、 高さが 2 0 c mの台形である。
このセパレ一夕板は、 厚さが 3 mmで、 その表面には切削加工により、 ガス入口部は溝幅 2 mm、 深さ 0. 5 mm、 溝間のリブ部の幅 l mmで あり、 ガス出口部は、 溝幅 1. 6 mm、 深さ 0. 5 mm、 溝間のリブ部 の幅 0. 8 mmのガス流路が設けてある。 セパレー夕板材料には、 緻密 なガラス状カーボンを用いた。
ァノード側導電性セパレー夕板には、 実施例 3と同様のターン部の数 が 1 2のサ一ペンタイン型構造のガス流路を有するものを用いた。 冷却 水の流路は、 ターン数が 6のサ一ペン夕イン型構造とした。
上記の他は実施例 1 と同様にして 1 0 0セルの積層電池を組み立てた。 まず、 電池運転温度を 7 5 °Cに設定し、 7 5 °Cに設定した冷却水量を 2 0 L /m i nと比較的大量に流し、 7 5 °Cに加湿した純水素ガスを U f = 8 0 %となるよう供給し、 6 5 °Cに加湿した空気を U o = 5 0 % となるよう供給して電池性能を調べた。
1 0 0セル積層した電池の平均セル電圧は、 電流密度 0. 3
八7じ 11 2のとき 0. 7 2 Vであり、 空気側のガス入口部の圧力損失が 0. 0 0 1 4 k g · f Z c m 2とかなり小さかった。 電流密度 0. 7 AZ c m2のときのセル平均電圧は 0. 6 4 Vであり、 空気側のガス入口 部の圧力損失は 0. 0 0 6 k g ' f / c m2であった。 次に、 7 5 °Cに設定した冷却水量を 1 L Zm i nと比較的少量流し、 7 5 °Cに加湿した純水素ガスを U f = 8 0 %となるよう供給し、 4 5 °C に加湿した空気を U o = 5 0 %となるよう供給して電池性能を調べた。 電池の平均セル電圧は、 電流密度 0. 3 AZ c m2のとき 0. 7 0 Vで あり、 空気側のガス入口部の圧力損失は 0. O O l l k g ' f Z c m2と かなり小さかった。 電流密度 0. 7 AZ c m2のときの平均セル電圧は 0. 6 I Vであり、 空気側のガス入口部の圧力損失は 0. 0 0 5 k g · f Z c m2と小さ力、つた。 実施例 5
本実施例では、 図 8に示すカソ一ド側導電性セパレー夕板を用いた。 この導電性セパレー夕板は、 電極と接触する部位は略長方形状を有し、 その短辺が 9 c m、 長辺が 2 O c mである。 酸化剤ガスの流路 8 5を構 成する溝は、 入口マ二ホールド 8 2 aから出口マ二ホールド 8 2 bまで ほぼ長辺にそって連続している。
このセパレー夕板は、 厚さが 3 mmで、 その表面には切削加工により、 入口部の溝幅 2 mm、 深さ 0. 4 mm、 溝間のリブ部の幅 1 m mであり， 出口部は溝幅 1. 6 mm、 深さ 0. 5 mm、 溝間のリブ部の幅 0. 8 mmのガス流路が設けてある。 セパレー夕板材料には、 緻密なガラス状 カーボンを用いた。
ァノード側導電性セパレー夕板には、 実施例 3 と同様の夕一ン部の数 が 1 2のサ一ペンタイ ン型構造のガス流路を有するものを用いた。 冷却 水の流路は、 ターン数が 6のサ一ペン夕イン型構造とした。
上記の他は実施例 1 と同様にして 1 0 0セルの積層電池を組み立てた ( まず、 電池運転温度を 7 5 °Cに設定し、 7 5 °Cに設定した冷却水量を 2 0 L/ i nと比較的大量に流し、 7 5 °Cに加湿した純水素ガスを U f = 8 0 %となるよう供給し、 6 5 °Cに加湿した空気を U o = 5 0 % となるよう供給して電池性能を調べた。
積層電池の平均セル電圧は、 電流密度 0. 3 AZ c m2のとき
0. 7 2 5 Vであり、 空気側のガス入口部の圧力損失が 0. 0 0 1 2 k g - f / c m2とかなり小さかつた。 電流密度 0. 7 AZ c m2のときの 平均セル電圧は 0. 6 4 5 Vであり、 空気側のガス入口部の圧力損失は 0. 0 0 5 k g ' f Z c m 2であった。
次に、 7 5 °Cに設定した冷却水量を 1 LZm i nと比較的少量流し、 冷却水出入り口で温度分布がつくようにし、 7 5 °Cに加湿した純水素ガ スを U f = 8 0 %となるよう供給し、 4 5 °Cに加湿した空気を U o = 5 0 %となるよう供給して電池性能を調べた。
積層電池の平均セル電圧は、 電流密度 0. 3 AZ c m2のとき 0. 7 1 Vであり、 空気側のガス入口部の圧力損失が 0. 0 0 1
k g * f / c m2とかなり小さかった。 電流密度 0. 7 AZ c m2のとき平 均セル電圧は 0. 6 2 Vであり、 空気側のガス入口部の圧力損失は 0. 0 0 4 k g ' f Z c m 2であった。 実施例 6
本実施例では、 図 9に示すカソ一ド側導電性セパレー夕板を用いた。 この導電性セパレ一夕板のガス流路 9 5は、 途中に不連続部 9 5 cを有 するが、 実質的には直線状の並行する溝で構成されている。 ここに用い た電極は、 短辺が 9 c m、 長辺が 2 0 c mの略長方形であり、 4力所の エッジ部には曲率半径 r = 1 mmの丸みを有する。
このセパレ一夕板は、 厚さが 3 mmで、 その表面には切削加工により、 溝幅 1. 5 mm、 深さ l mm、 溝間のリブ部の幅 1 mmのガス流路を設 けてある。 セパレー夕板材料には、 緻密なガラス状カーボンを用いた。 ァノ一ド側導電性セパレー夕板には、 実施例 3 と同様のターン部の数 が 1 2のサーペン夕イン型構造のガス流路を有するものを用いた。 冷却 水の流路は、 夕一ン数が 6のサーペン夕イン型構造とした。
上記の他は実施例 1 と同様にして 1 0 0セルの積層電池を組み立てた。 まず、 電池運転温度を 7 5 °Cに設定し、 7 5 °Cに設定した冷却水量を 2 0 L / i nと比較的大量に流し、 7 5 °Cに加湿した純水素ガスを U f = 8 0 %となるよう供給し、 6 5 °Cに加湿した空気を U o = 5 0 % となるよう供給して電池性能を調べた。
積層電池の平均セル電圧は、 電流密度 0. 3 A/ c m2のとき
0. 7 1 5 Vであり、 空気側のガス入口部の圧力損失が 0. 0 0 0 5 k g ' f / c m2とかなり小さかった。 電流密度 0. 7 A/ c m2のとき平 均セル電圧は 0. 6 3 5 Vであり、 空気側のガス入口部の圧力損失が 0. 0 0 2 k g - f / c m2であつた。
次に、 7 5 °Cに設定した冷却水量を 1 L Zm i nと比較的少量流し、 冷却水出入り口で温度分布がつくようにし、 7 5 °Cに加湿した純水素ガ スを U f = 8 0 %となるよう供給し、 4 5 °Cに加湿した空気を U o = 5 0 %となるよう供給して電池性能を調べた。
積層電池の平均セル電圧は、 電流密度 0. 3 AZ c m2のとき
0. 7 0 5 Vであり、 空気側のガス入口部の圧力損失が 0. 0 0 0 6 k g - f / c m2とかなり小さかつた。 電流密度 0. 7 A/ c m2のとき平 均セル電圧は 0. 6 I Vであり、 空気側のガス入口部の圧力損失が 0. 0 0 2 5 k g - f / c m2であつた。
以上のように、 導電性セパレ一夕板の電極と接触する部位が略長方形 状を有し、 略長方形の長辺が短辺の 2倍以上の長さを有するセパレ一夕 板を用いた場合、 略長方形状は、 厳密には台形であっても、 平行四辺形 であっても、 角部が丸みを有していても、 その他部分的に凹凸を有する 形状であっても、 略長方形状を有すれば同一の効果が得られる。
また、 略長方形状の長辺に沿った略直線部を有するガス流路溝の形状 も、 全くの直線ではなく とも、 例えば変曲点を有しても、 長辺に対して 若千傾斜していても、 溝幅が変化しても同一の効果が得られる。 比較例 1
この例では、 図 1 2に示すカソード側導電性セパレ一夕板を用いた。 このセパレー夕板 1 2 1は、 ほぼ正方形であり、 対向する二辺には酸化 剤ガスの入り口マニホ一ルド 1 2 2 aと出口マ二ホールド 1 2 2 bを設 け、 他の二辺には燃料ガスの入り 口マ二ホールド 1 2 3 aと出口マニホ —ルド 1 2 3 b、 冷却水の入り口マ二ホールド 1 2 4 aと出口マ二ホー ルド 1 2 4 bを設けている。 酸化剤ガスの流路 1 2 5は平行する直線状 の溝で構成されている。 燃料ガスの流路および冷却水の流路は、 サーぺ ン夕イン型であり、 ターン数はいずれも 2である。
このセパレー夕板は、 厚さが 3 mmで、 その表面には切削加工により、 溝幅 2 mm、 深さ 0. 5 mm、 溝間のリブ部の幅 1 mmのガス流路 1 2 5が設けられている。 セパレー夕板材料には、 緻密なガラス状カー ボンを用いた。
電極は、 一辺が 1 5 c mの正方形とし、 一辺が 2 1 c mの正方形の高 分子電解質膜の中央に電極を設置した。
上記の他は実施例 1 と同様にして 1 0 0セルの積層電池を組み立てた c まず、 電池運転温度を 7 5 °Cに設定し、 温度分布を極力抑えるため、 7 5 °Cに設定した冷却水量を 2 0 LZm i nと比較的大量に流し、 7 5 に加湿した純水素ガスを U f = 8 0 %となるよう供給し、 6 5 °Cに加 湿した空気を U o = 5 0 %となるよう供給して電池性能を調べた。
積層電池の平均セル電圧は、 電流密度 0. 3 AZ c mzのとき 0. 4 8 Vであった。 電流密度 0. 7 AZ c m2以上ではオーバーフラッデイ ング のため 0 V以下となるセルが出現し、 特性の計測が不能であった。 比較例 2
この例では、 図 1 3に示す力ソード側導電性セパレ一夕板を用いた。 このセパレー夕板 1 3 1は、 長方形であり、 対向する長辺側に酸化剤ガ スの入り口マ二ホールド 1 3 2 aと出口マニホ一ルド 1 3 2 bを設け、 短辺側に燃料ガスの入りロマ二ホールド 1 3 3 aと出口マ二ホールド 1 3 3 b、 冷却水の入り口マ二ホールド 1 3 4 aと出口マ二ホールド 1 3 4 bを設けている。 酸化剤ガスの流路 1 3 5は平行する直線状の溝 で構成されている。 燃料ガスの流路および冷却水の流路は、 サーペン夕 イン型であり、 ターン数はいずれも 2である。
このセパレ一夕板は、 厚さが 3 mmで、 その表面には切削加工により、 溝幅 2 mm、 深さ 0. 5 mm、 溝間のリブ部の幅 1 m mのガス流路を設 けている。 電極は、 9 c mx 2 0 c mの長方形である。
上記の他は実施例 1 と同様にして 1 0 0セルの積層電池を組み立てた。 まず、 電池運転温度を 7 5 °Cに設定し、 7 5 °Cに設定した冷却水量を 2 O LZm i nと比較的大量に流し、 7 5 °Cに加湿した純水素ガスを U f = 8 0 %となるよう供給し、 6 5 °Cに加湿した空気を U o = 5 0 % となるよう供給して電池性能を調べた。
積層電池の平均セル電圧は、 電流密度 0. 3 AZ c m2のとき 0. 4 2 Vであった。 電流密度 0. 7 AZ c m2以上ではォ一バーフラッデイ ング のため 0 V以下となるセルが出現し、 特性の計測が不能であった。 比較例 3
この例では、 図 1 4に示すカソ一ド側導電性セパレー夕板を用いた。 このセパレー夕板 1 4 1は、 長方形である。 その一方の短辺側に酸化剤 ガスの入り口マニホ一ルド 1 4 2 a、 燃料ガスの入り口マ二ホールド 1 4 3 aおよび冷却水の入りロマ二ホールド 1 44 aを設け、 他方の短 辺側に酸化剤ガスの出口マ二ホールド 1 4 2 b、 燃料ガスの出口マニホ —ルド 1 4 3 bおよび冷却水の出口マ二ホールド 1 44 bを設けている。 酸化剤ガスの流路 1 4 5は、 平行する直線状の溝で構成されている。 ガスマ二ホールド 1 4 2 aおよび 1 4 2 bの各開口部の幅は、 これらの マニホ一ルドにつらなるガス流路の溝の幅の合計より小さく してある。 燃料ガスの流路および冷却水の流路は、 サ一ペン夕イン型であり、 夕一 ン数はいずれも 2である。
上記の他は比較例 2と同様にして 1 0 0セルの積層電池を組み立てた。 まず、 電池運転温度を 7 5°Cに設定し、 7 5 °Cに設定した冷却水量を 2 0 L /m i nと比較的大量に流し、 7 5 °Cに加湿した純水素ガスを U f = 8 0 %となるよう供給し、 6 5 °Cに加湿した空気を U o = 5 0 となるよう供給して電池性能を調べた。
積層電池の平均セル電圧は、 電流密度 0. 3 AZ c m2のとき 0. 4 0 Vであった。 電流密度 0. 7 AZ c mz以上では、 全空気側の流路幅に対 して空気出口マ二ホールドの開口部が小さいため、 生成水の除去がスム ーズにできず、 0 V以下となるセルが出現し、 特性の計測が不能であつ た。
また、 1 0 0セル積層した場合のセパレー夕板のガス流路溝の断面積 の 1 0 0セル分の総和と、 マ二ホールド開口部の断面積を比較すると、 セパレ一夕板のガス流路溝の断面積の 1 0 0セル分の総和の方が大きく なったため、 供給ガスの圧力損失の律速がマ二ホールド部分に発生し、 各セルに供給するガスの分配が均等にいかず、 セル特性のバラツキが大 きくなつた。 比較例 4
この例では、 導電性セパレー夕板は、 図 5のような直線状の酸化剤ガ スの流路を有し、 図 1 0のような夕一ン数が 4のサーペン夕イン型の燃 料ガスの流路を有するものを用いた。
このセパレ一夕板は、 厚さが 3 mmで、 その表面には切削加工により、 溝幅 2 mm、 深さ 0. 5 mm、 溝間のリブ部の幅 1 mmのガス流路が設 けてある。 電極は、 6 0 c m X 9 c mの長方形である。
上記の他は比較例 2 と同様にして 1 0 0セルの積層電池を組み立てた。 まず、 電池運転温度を 7 5 °Cに設定し、 7 5 °Cに設定した冷却水量を 2 0 L / i nと比較的大量に流し、 7 5 °Cに加湿した純水素ガスを U f = 8 0 %となるよう供給し、 6 5 °Cに加湿した空気を U o = 5 0 % となるよう供給して電池性能を調べた。
積層電池の平均セル電圧は、 電流密度 0. 3 AZ c m2のとき 0. 7 2 Vであった。 電流密度 0. 7 AZ c m2では 0. 6 2 Vと比較的良好な特 性を示した。 しかしながら、 供給空気ガスの圧力損失が、 電流密度 0. 3 AZ c m2のとき 0. 2 k g f Z c rrr'、 電流密度 0. 7 AZ c m2で は 0. 8 k g i Z c m2となり、 ブロワで空気を供給することは不可能で あった。 このため、 コンプレッサーを用いて空気を供給した。 また、 供 給冷却水の圧力損失も極端に大きくなつた。
次に、 電池運転温度を 7 5 °Cに設定し、 7 5 °Cに設定した冷却水量を 1 LZm i nと比較的大量に流し、 7 5 °Cに加湿した純水素ガスを U f = 8 0 %となるよう供給し、 6 5 °Cに加湿した空気を U o = 5 0 %とな るよう供給して電池性能を調べた。
積層電池の平均セル電圧は、 電流密度 0. 3 A/ c m2のとき 0. 6 5 Vであった。 電流密度 0. 7八/じ 11 2では 0. 5 5 Vと冷却水を少なく したことによって低い特性を示した。 これは、 冷却水を少なくすること で、 冷却水の入口と出口との間での温度分布がつきすぎ、 電池内がォー バードライの状態に陥ったためである。 供給空気ガスの圧力損失が、 電 流密度 0. 3 AZ c m2のとき 0. 1 8 k g f Z c m '、 電流密度 0. 1 八/じ 11 2では0. 7 k g f Z c m2となり、 ブロワで空気を供給すること は不可能であった。 このため、 コンプレッサーを用いて空気を供給した。 比較例 5
この例では、 図 1 1に示す力ソード側導電性セパレー夕板を用いた。 この導電性セパレー夕 1 1 1板は、 長方形で、 一方の短辺側に酸化剤ガ スの入り口マ二ホールド 1 1 2 a、 燃料ガスの入り口マニホ一ルド 1 1 3 aおよび冷却水の入りロマ二ホールド 1 1 4 aを有し、 他方の短 辺側に酸化剤ガスの出口マ二ホールド 1 1 2 b、 燃料ガスの出口マニホ 一ルド 1 1 3 bおよび冷却水の出口マ二ホールド 1 1 4 bを有する。 酸 化剤ガスの流路 1 1 5は、 5本の並行する溝により構成され、 1 0の直 線部が 9つのターン部によりつながったサ一ペンタイン型構造である。 アノード側のガス流路も同様に 5本の並行する溝により構成され、 1 0 の直線部が 9つのターン部によりつながっている。 冷却水の流路も同様 なサ一ペン夕イン型構造である。
電極のサイズは 9 c m X 2 0 c mの長方形で、 各セルは図 1 1 に一点 鎖線で示すように 5分割した。
ここに用いたセパレー夕板は、 厚さが 3 mmで、 その表面には切削加 ェにより、 溝幅 2 mm、 深さ l mm、 溝間のリブ部の幅 1 mmのガス流 路を設けてある。 セパレ一夕板材料には、 緻密なガラス状カーボンを用 いた。
上記の他は実施例 1 と同様にして 1 0セルの積層電池を組み立てた。 まず、 電池運転温度を 7 5 °Cに設定し、 7 5 °Cに設定した冷却水量を 2 O L /m i nと比較的大量に流し、 U f = 8 0 %、 U o = 5 0 %に設 定して電池性能を調べた。
積層電池を 0 . 3 AZ c m2の電流密度で運転したとき、 酸化剤ガスバ ブラー温度が 6 0 °C程度の比較的低い温度では、 ガス入り口に近い部位 ほど特性が高く、 ガス入り口に最も近い N o . 1セルは 0. 6 9 V、 ガ ス出口に最も近い N o . 5セルは 0. 5 5 Vを示した。 しかしながら、 バブラ一温度を約 7 0 °Cと高くすると、 ガス出口に最も近い部位の N o . 5セルから順に性能が急激に低下し、 N o . 5セルは、 ほぼ 0 V まで低下した。 このとき、 N o . 5セルは、 内部抵抗の測定からオーバ 一フラッディ ング状態にあることが分かった。 酸化剤ガスバブラ一温度 が Ί 0 °Cの場合のガス入り口部の圧力損失は 0. 5 k g · f / c mzであ つた。
次に、 0 . 7 A/ c mzの電流密度では、 酸化剤ガスバブラ一温度が約 5 5 DCと比較的低い温度では、 ガス入り口に近い部位ほど特性が高く、 N o . 1セルは 0 . 6 V、 N o . 5セルは 0. 5 Vを示した。 しかしな がら、 バブラ一温度を 6 5 °Cと高くすると、 ガス出口に最も近い部位の N o . 5セルの性能が急激に低下し、 ほぼ 0 Vにまで低下した。 このと き、 N o . 5セルは、 内部抵抗の測定からオーバーフラッデイ ング状態 にあることが分かった。 酸化剤ガスバブラ一温度が 6 5 °Cの場合のガス 入り口部の圧力損失は 1 . 5 k g · ί / c m2とかなり高かった。 産業上の利用の可能性
本発明によると、 高分子電解質型燃料電池ス夕ックの薄型化 · コンパ ク ト化が可能となる。 また、 燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給する圧力 の損出が少なく、 オーバ一ルフラッデイ ングやオーバードライのない高 分子電解質型燃料電池を提供することができる。 さらに、 特に、 電気自 動車用電源として、 車体の下部に設置するのに適した薄型の燃料電池を 提供することができる。

Claims

求 の 範 囲
1 . 水素イオン伝導性高分子電解質膜と、 前記水素イオン伝導性高分子 電解質膜を挟むアノードおよび力ソー ドと、 前記アノードに燃料ガスを 供給するガス流路を有するアノー ド側導電性セパレー夕板と、 前記カソ ― ドに酸化剤ガスを供給するガス流路を有するカソード側導電性セパレ 青
一夕板とを具備し、 前記ァノ一ド側および力ソード側導電性セパレ一夕 板は、 それぞれそれらのアノードおよび力ソードと接触する部位が、 長 辺が短辺の 2倍以上の長さを有する略長方形状であり、 前記酸化剤ガス の流路はその直線部が前記長方形の長辺方向に沿って形成されているこ とを特徴とする高分子電解質型燃料電池。
2 . 前記力ソード側導電性セパレー夕板は、 その長辺方向に沿い、 かつ 一方の短辺側から他方の短辺側に向かって、 実質的に連続した直線状の, 複数の酸化剤ガスの流路を有する請求の範囲第 1項記載の高分子電解質 型燃料電池。
3 . 前記力ソー ド側導電性セパレー夕板は、 一方の短辺側に前記ガス流 路に連通する入口マ二ホールドを、 他方の短辺側に前記ガス流路に連通 する出口マ二ホールドをそれぞれ有し、 前記入口マ二ホールドおよび出 ロマ二ホールドの各々の開口部幅が、 当該マニホ一ルドに連なる前記ガ ス流路の幅の合計とほぼ同じかそれより大きい請求の範囲第 1項または 第 2項に記載の高分子電解質型燃料電池。
4 . 前記酸化剤ガスの流路は、 力ソー ド側導電性セパレー夕板の長辺方 向に沿つた並行する複数の直線状のガス流路と折返し部となる少なく と も 1つのターン部を有するサ一ペンタイン型構造を有し、 前記ターン部 は前記カソード側導電性セパレー夕板の短辺近傍に位置する請求の範囲 第 1項または第 3項に記載の高分子電解質型燃料電池。
5. 前記力ソード側導電性セパレー夕板は、 裏面に、 直線部が前記長方 形の長辺に沿った冷却水の流路を有し、 酸化剤ガスの前記ガス流路の直 線部における流れ方向と冷却水の前記冷却水の流路の直線部における流 れ方向とが、 実質的に一致している請求の範囲第 1項に記載の高分子電 解質型燃料電池。
6. 前記燃料ガスの流路は、 アノード側導電性セパレー夕板の長辺方向 に沿った並行する複数の直線状のガス流路と折返し部となる少なく とも 1つのターン部を有するサ一ペン夕イン型構造を有し、 前記夕一ン部は 前記ァノード側導電性セパレー夕板の短辺近傍に位置する請求の範囲第 4項に記載の高分子電解質型燃料電池。
7. 前記酸化剤ガスの流路のターン部は 2であり、 前記燃料ガスの流路 のターン部は 2または 4である請求の範囲第 6項に記載の高分子電解質 型燃料電池。
8. 前記ァノ一ド側および力ソ一ド側導電性セパレー夕板のそれぞれァ ノードおよびカソードと接触する部位の長辺の長さは、 短辺の長さの 6 倍以下である請求の範囲第 1項に記載の高分子電解質型燃料電池。
9. 前記アノード側および力ソード側導電性セパレー夕板は、 酸化剤ガ ス、 燃料ガスおよび冷却水の流路にそれぞれ酸化剤ガス、 燃料ガスおよ び冷却水を供給 · 排出するためのマ二ホールドを、 その短辺近傍に配置 している請求の範囲第 1項に記載の高分子電解質型燃料電池。
1 0. アノード側および力ソー ド側導電性セパレー夕板の燃料ガスおよ び酸化剤ガスの流路を形成する溝は、 幅 1. 5 mm〜 2. 5 mm, 深さ
0. 4mm〜 l mm、 溝間のリブ部の幅 0. 5 mm〜 l . 5 mmである 請求の範囲第 1〜 3項のいずれかに記載の高分子電解質型燃料電池。
1 1. 前記ガス流路または冷却水流路を形成する溝がセパレー夕板の両 面においてそれぞれ中央を横断しており、 前記セパレー夕板の一方の面 に形成される溝と溝との間の凸部の中心線の位置と他方の面に形成され る溝と溝との間の凸部の中心線の位置とが、 不可避の部位を除いて、 実 質的に一致している請求の範囲第 4項記載の高分子電解質型燃料電池。
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