JP4340417B2

JP4340417B2 - 高分子電解質型燃料電池

Info

Publication number: JP4340417B2
Application number: JP2002086623A
Authority: JP
Inventors: 伸介竹口; 一仁羽藤; 弘樹日下部; 英夫小原; 晋小林; 伸啓長谷; 礎一柴田; 久朗行天
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2002-03-26
Filing date: 2002-03-26
Publication date: 2009-10-07
Anticipated expiration: 2022-03-26
Also published as: JP2003282099A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ポータブル電源、電気自動車用電源、家庭用コージェネレーションシステム等に使用される固体高分子電解質を用いた燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体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で、電力と熱とを同時に発生させるものである。この燃料電池は、基本的には、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜、および電解質膜の両面に配置された一対の電極からなる。電極は、白金族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、およびこの触媒層の外面に形成された、通気性と電子導電性を併せ持つガス拡散層から構成される。
供給する燃料ガスおよび酸化剤ガスが外にリークしたり、二種類の反応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シール材やガスケットが配置される。このシール材やガスケットは、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、ＭＥＡ（電解質膜−電極接合体）と呼ぶ。ＭＥＡの外側には、これを機械的に固定するとともに、隣接するＭＥＡ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タ板が配置される。セパレータ板のＭＥＡと接触する部分には、電極面に反応ガスを供給するとともに、生成水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、セパレータ板と別に設けることもできるが、セパレータ板の表面に溝を設けてガス流路とするのが一般的である。
【０００３】
セパレータ板のガス流路に燃料ガスまたは酸化剤ガスを供給するためには、燃料ガスまたは酸化剤ガスを供給する配管を、使用するセパレータ板の枚数に分岐し、その分岐先を直接セパレータ板の溝に連結する配管治具が必要となる。この治具をマニホールドと呼び、上記のような燃料ガスまたは酸化剤ガスの供給配管を直接溝に連結するタイプを外部マニホールドと呼ぶ。このマニホールドには、構造をより簡単にした内部マニホールドと呼ぶ形式のものがある。内部マニホールドとは、ガス流路を形成したセパレータ板に、貫通した孔を設け、ガス流路の出入口をこの孔に連結し、この孔から直接反応ガスを供給するものである。
これらのＭＥＡとセパレータ板を交互に重ねて１０〜２００セル積層し、その積層体を、集電板と絶縁板を介して端板で挟み、両端板を締結ロッドで締め付けるのが一般的な積層電池の構造である。
【０００４】
導電性セパレータ板とＭＥＡとを積層した燃料電池の代表的な構造を図１４に示す。高分子電解質膜２、並びにこれを挟むアノード３およびカソード４からなるＭＥＡ５がセパレータ板１と交互に積層されている。アノードおよびカソードは、電解質膜に接する触媒層と、セパレータ板に接するガス拡散層から構成される。セパレータ板１は、アノード３に燃料ガスを供給し、排出するためのガス流路６と、カソード４に酸化剤ガスを供給し、排出するためのガス流路７とを有する。セパレータ板１をカソード面側から見た正面図を図１５に示す。図でＸで表す一点鎖線で囲まれた領域が電極に接する。セパレータ板１には、酸化剤ガスの入り口側マニホールド孔８ａ、出口側マニホールド孔８ｂ、および燃料ガスの入り口側マニホールド孔９ａ、出口側マニホールド孔９ｂが設けられている。酸化剤ガスの流路７は、マニホールド孔８ａと８ｂとをつなぐ４本の並行する溝により形成されている。
【０００５】
このような構成の燃料電池において、発電中の反応ガスはすべてセパレータ板表面に形成されたガス流路を流れるのではなく、ＭＥＡの最外部に位置する多孔質体のガス拡散層の中にもガスは流通する。この流れを伏流と呼ぶ。電池性能を安定して高く維持するためには、ガス流路におけるガスの流れと伏流のバランスを電極面積全体にわたって均一化させることが重要である。この伏流は、ガス拡散層の多孔度や厚さ、そこを流れるガス圧力によって、その流れ方が決まる。したがって、それらのばらつきによって、電極面内でガス供給に富んでいる部分と、不足している部分とが生じていた。そのため、電極面内で発電量の異なる部分が発生し、発電の集中する部分では電流密度が上昇するために電池電圧が低下するという問題があった。また、反応ガスを高加湿状態にして電池に供給すると、ガス供給が多くないガス流路で凝縮水や生成水が溜まってしまい、より発電量分布が生じるという問題があった。
【０００６】
これらの問題は、図１５に示されるように、ガス流路７が蛇行形状の場合に特に顕著である。そして、図１５にＹで表す、ハッチングが施されている領域で伏流が多くなり、この領域に発電が集中していた。したがって、その領域以外のマニホールド孔８ａおよび８ｂの両方から遠い領域では、反応ガスが不足することとなる。そのため、特に高加湿状態の反応ガスを用いた場合、この領域に水が蓄積される。また、ガス流路が直線部とターン部からなる蛇行形状の場合、一つの流路における直線部の往路と復路に注目すると、その入口側と出口側におけるガス圧力差は、ターン部におけるそれより高いため、その一つの流路の往路と復路内においてもガス拡散層を流れる伏流量が異なることとなる。
【０００７】
ガス流路が複数の溝で構成される場合、ガス入り口側からガス流路へのガス分配を均一に制御するのは困難である。上流側ではガス供給量が下流側に対して相対的に多いため、発電の性能差は生じない。しかし、下流側では上・中流側でガスが消費され、ガスの絶対量が減少するため、初期の分配量により大きな影響を受ける。つまり、ガス分配の悪い下流側では、ガス供給不足により、電池性能が低下する。さらに、燃料の枯渇になってしまうと、電極内のカーボンが溶出することによって電池性能の劣化を促進するという問題が生じる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、以上のような問題を解決し、電極面内のガス流路内の流れと伏流との割合の均一化を図り、安定したガス供給を実現できるセパレータ板を提供する。
本発明は、そのようなセパレータ板を備えた高分子電解質型燃料電池を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明は、水素イオン伝導性高分子電解質膜、前記水素イオン伝導性高分子電解質膜を挟む方形のカソード及びアノード、前記カソードに酸化剤ガスを供給・排出するガス流路を有するカソード側導電性セパレータ板、並びに前記アノードに燃料ガスを供給・排出するガス流路を有するアノード側導電性セパレータ板を具備し、前記カソードは、前記水素イオン伝導性高分子電解質膜側に配置される触媒層と、前記カソード側導電性セパレータ板側に配置されるガス拡散層とからなり、前記アノードは、前記水素イオン伝導性高分子電解質膜側に配置される触媒層と、前記アノード側導電性セパレータ板側に配置されるガス拡散層とからなり、前記カソード側導電性セパレータ板及びアノード側導電性セパレータ板の少なくとも一方が、前記ガス流路の入り口側および出口側に、前記電極に垂直な断面積を増加させたサブマニホールドを有し、前記ガス流路が、前記カソードおよび前記アノードの一辺に対してほぼ平行に延びる直線部と、ターン部とからなる蛇行形状を有し、前記サブマニホールドが、前記ガス流路の直線部にほぼ平行で、かつ前記カソード及び前記アノードの一辺とほぼ同じ長さで伸びており、前記ガス流路は、前記カソードまたはアノードに覆われ、前記サブマニホールドは、前記カソードもしくはアノードまたは前記カソードの前記ガス拡散層もしくは前記アノードの前記ガス拡散層に覆われていることを特徴とする高分子電解質型燃料電池に関する。このサブマニホールドによって、電極面内のガス供給の不均一性を解消して発電分布をなくし、安定した電池性能を確保する。
【００１０】
本発明は、長期にわたる燃料電池の運転中の性能低下は、電極のガス拡散層内に徐々に蓄積され、偏在する凝縮水や生成水によって、ガス拡散層内のガス流れが狭い領域に限定され、他の部分は発電能力が低下することによるものであるという観点に立って、凝縮水や生成水が蓄積、偏在しにくい電池構造とするために、ガス拡散層内のガス流れに着目した。
本発明は、セパレータ板のガス流路が蛇行形状に形成された場合に特に有効であり、ガス流路の一部にガス流路方向の単位長さ当たりの容積を増加させたサブマニホールドを形成することによって、反応ガスを均一に電極に供給し、燃料電池の安定した運転を可能にすることを見いだしたことに基づいている。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明は、水素イオン伝導性高分子電解質膜、前記水素イオン伝導性高分子電解質膜を挟むカソード及びアノード、前記カソードに酸化剤ガスを供給・排出するガス流路を有するカソード側導電性セパレータ板、並びに前記アノードに燃料ガスを供給・排出するガス流路を有するアノード側導電性セパレータ板を具備し、前記カソード側導電性セパレータ板及びアノード側導電性セパレータ板の少なくとも一方が、前記ガス流路の入り口側および出口側に、前記電極に垂直な断面積を増加させたサブマニホールドを有する高分子電解質型燃料電池に関する。
【００１２】
本発明の好ましい実施の形態において、前記ガス流路は、ほぼ平行に延びる直線部およびターン部からなる蛇行形状を有し、前記サブマニホールドが、前記ガス流路の直線部にほぼ平行に伸びている。この場合、前記サブマニホールドは、方形の電極の一辺に沿ってほぼその全長にわたる長さを有することが好ましい。
前記サブマニホールドは、前記ガス流路の入り口側および／または前記ガス流路の出口側にあることが好ましい。
前記セパレータ板は、前記ガス流路にガスを供給・排出する入り口側マニホールド孔および出口側マニホールド孔を具備し、入り口側のサブマニホールドの前記入り口側マニホールド孔との連結部または出口側のサブマニホールドの前記出口側マニホールド孔との連結部において、サブマニホールドの溝深さが最も深くなっているのが好ましい。
【００１３】
本発明の他の好ましい実施の形態において、前記セパレータ板は、前記ガス流路にガスを供給・排出する入り口側マニホールド孔および出口側マニホールド孔を具備し、前記入り口側マニホールド孔または出口側マニホールド孔が前記サブマニホールドの機能を備えている。
さらに、前記ガス流路の中間部にサブマニホールドを有することが好ましい。
前記サブマニホールドがガスの入り口側よりガス出口側に多く配置されるのが好ましい。
前記サブマニホールドの断面積は、前記ガス流路の断面積の１．２倍以上３．０倍以下であるのが好ましい。
【００１４】
前記セパレータ板は、前記ガス流路にガスを供給・排出する入り口側マニホールド孔および出口側マニホールド孔を具備し、前記マニホールド孔の断面積Ｓ₁と前記サブマニホールドの断面積Ｓ₂の関係が、Ｓ₁／１００＜Ｓ₂＜Ｓ₁／２５を満足するのが好ましい。
【００１５】
本発明のさらに他の好ましい実施の形態において、ガス入り口側および出口側に互いに平行に延びた入り口側サブマニホールドおよび出口側サブマニホールド、並びに両サブマニホールドを連絡する複数のガス流路を具備し、各ガス流路が蛇行形状を有し、かつ各ガス流路で囲われる領域がそれぞれ独立している。
前記の各ガス流路は、前記サブマニホールドに対して傾斜した直線部と直線部を繋ぐターン部からなる蛇行形状であるのが好ましい。
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。
【００１６】
実施の形態１
本実施の形態のセパレータ板を図１に示す。セパレータ板１１は、例えば等方性黒鉛板を機械加工により形成したもので、酸化剤ガスの入り口側マニホールド孔１２ａおよび出口側マニホールド孔１２ｂ、燃料ガスの入り口側マニホールド孔１３ａおよび出口側マニホールド孔１３ｂ、並びにマニホールド孔１２ａと１２ｂを連絡するガス流路１７を有する。ガス流路１７は、並行する４本の溝で構成されている。そして、ガス流路１７のマニホールド孔１２ａおよび１２ｂと繋がる部分は、サブマニホールド１８ａおよび１８ｂを形成している。サブマニホールド１８ａおよび１８ｂは、ガス流路１７を形成する溝に比べて、電極面に垂直な断面積を大きくしてある。図示の例では、サブマニホールド１８ａおよび１８ｂの幅がガス流路１７の溝の幅より大きい。溝の幅を大きくする代わりに溝の深さを大きくしても良いし、溝の幅及び深さをともに大きくしても良い。
【００１７】
図の一点鎖線１５で囲まれた部分がカソードに接する部分である。ここに示す電極は長方形であり、サブマニホールド１８ａおよび１８ｂは、それぞれ電極の短辺側に対応する位置に、電極の長手方向に沿って伸びている。ここに示したガス流路１７は、電極の長手方向に沿って伸びる直線部とこれにほぼ垂直なターン部とからなっている。セパレータ板１１は、一方の面に酸化剤ガスの流路１７を、他方の面に流路１７と同様の燃料ガスの流路をそれぞれ有し、カソード側セパレータ板とアノード側セパレータ板を兼ねている。図１の裏面の燃料ガスの流路においても、表側と同様にサブマニホールドを有している。
【００１８】
上記のように、本実施の形態のセパレータ板１１は、電極の長手方向に沿って延びる直線状の往路と復路からなる蛇行状のガス流路１７を有し、その入り口側および出口側には、電極のほぼ全長に沿う長さを有する、断面積の大きなサブマニホールド１８ａおよび１８ｂを有する。これらサブマニホールドにおいて、ガス圧力は等圧になるので、電極面内のガス流路１７内の流れと電極のガス拡散層を流れる伏流との割合が均一化され、安定したガス供給を実現できる。
【００１９】
図２は、図１の変形例を示す。セパレータ板２１は、ガス流路２７の入り口側および出口側にサブマニホールド２８ａおよび２８ｂを有する。これらのサブマニホールドは、一点鎖線２５で示す電極触媒層の外側に設けられている。ただし、電極のガス拡散層の部分は、サブマニホールド２８ａおよび２８ｂを覆う大きさを有する。サブマニホールド２８ａおよび２８ｂとマニホールド孔１２ａおよび１２ｂを繋ぐ部分２９ａおよび２９ｂは、４本の溝で構成されている。このように、サブマニホールドが電極触媒層の外側に配置されていても効果は変わらない。
【００２０】
実施の形態２
本実施の形態のセパレータ板を図３に示す。実施の形態１では、ガス流路１７の入り口側および出口側にのみサブマニホールドを設けたが、ここに示すセパレータ板３１は、ガス流路１７の中程にさらにサブマニホールド１８ｃを有する。サブマニホールド１８ｃは、その始端がガス流路１７の上流側に接続され、終端がガス流路の下流側に接続されている。
ガス流路１７の中間部にサブマニホールドを形成すると、電極のガス拡散層内の伏流の均一化を図ることができる。また、ガスの利用率が高くなると、ガス流量の減少により下流側でガス分配の影響を受けやすい。ガス流路の中間部にサブマニホールドを有すると、入り口側サブマニホールドから分配されたガスが出口側サブマニホールドに辿り着くまでに、中間のサブマニホールドに一度集約され、ガスの再分配が行われる。そのため、下流側でのガス不足の危険性を回避することができる。
図４のセパレータ板４１は、ガス流路の中間部に、２個のサブマニホールド１８ｃおよび１８ｄを設けた例である。ガス流路の中間部に複数のサブマニホールドを設置する場合は、下流側にその設置割合を大きくするのが好ましい。
【００２１】
実施の形態３
本実施の形態のセパレータ板を図５に示す。このセパレータ板５１は、入り口側および出口側のサブマニホールド５８ａおよび５８ｂの幅を先の実施の形態のものより大きくした例である。サブマニホールドを構成する溝の幅を大きくすると、セパレータ板の加重を電極に加えることができなくなる。そこで、サブマニホールド内に、複数のリブ５９を設けた。
【００２２】
実施の形態４
本実施の形態のセパレータ板を図６に示す。このセパレータ板６１は、電極の短辺側に設けた入り口側サブマニホールド６８ａと出口側サブマニホールド６８ｂとを３本のガス流路６７で連絡している。先の実施の形態においては、各ガス流路が、電極の長手方向に沿って延びる往路と復路からなり、往路および復路においてそれぞれ並行する形態である。セパレータ板６１では、各ガス流路６７のカバーする領域がほぼ独立した形態をとっている。図６では、ガス流路６７は、サブマニホールドに対して傾斜したジグザグ形状である。
図７は変形例を示す。このセパレータ板７１は、サブマニホールド７８ａと７８ｂとを３本のガス流路７７で連絡している。各ガス流路７７は、往路と復路がサブマニホールドと平行である。
【００２３】
電極のガス拡散層内の伏流をより均一にさせるために、ガス流路を複数本形成し、それぞれ独立した流路域に設計する場合、それぞれのガス流路を直線状にするのが容易である。しかし、そうすると、電極の短手方向に対する長手方向の比をある程度確保しないとガス流路での圧力損失を得ることは難しい。そこで、各ガス流路を蛇行形状にすることによって、電極が正方形に近い形であっても所定の圧力損失を確保することが可能となる。
このように、蛇行したガス流路を複数本形成し、ガス流路で囲われた領域をそれぞれ独立させることによって、蛇行部分の往路と復路の長さが短くなり、両流路間の伏流の差を極力低減することができる。その際、ガス流路を、図６に示すように、サブマニホールドに対して傾斜した直線部と直線部を繋ぐターン部からなる蛇行形状にすると、往路と復路によって挟まれたガス拡散層での伏流量を均一にすることが可能となる。
【００２４】
参考の形態１
本実施の形態のセパレータ板を図８に示す。このセパレータ板８１は、電極の対向する２辺に対応させて酸化剤ガスの入り口側マニホールド孔８２ａおよび８２ｂを設け、マニホールド孔８２ａの図右側の端部からマニホールド孔８２ｂの左側端部を並行する４本のガス流路８７で連絡している。８３ａは燃料ガスの入り口側マニホールド孔、８３ｂは出口側マニホールド孔を表す。このセパレータ板は、冷却水の入り口側マニホールド孔８４ａおよび出口側マニホールド孔８４ｂを有する。
本実施の形態では、入り口側マニホールド孔８２ａおよび出口側マニホールド孔８２ｂがサブマニホールドを兼用している。入り口側マニホールド孔８２ａおよび出口側マニホールド孔８２ｂは、各セルに連続しているから、電極のガス拡散層は、これのマニホールド孔の壁面の露出し、そこに伏流が出入りする。入り口側マニホールド孔および出口側マニホールド孔の形状に制限がない場合は、本実施の形態のようにすることによって、より単純にサブマニホールドの効果を利用することが可能となる。
【００２５】
実施の形態５
本実施の形態のセパレータ板を図９に示す。このセパレータ板９１は、酸化剤ガスの入り口側マニホールド孔９２ａおよび出口側マニホールド孔９２ｂ、燃料ガスの入り口側マニホールド孔９３ａおよび出口側マニホールド孔９３ｂ、並びに冷却水の入り口側マニホールド孔９４ａおよび出口側マニホールド孔９４ｂを有する。マニホールド孔９２ａおよびマニホールド孔９２ｂは、サブマニホールド９８ａおよび９８ｂ、両サブマニホールドを連絡する４本の並行する蛇行形状のガス流路９７により連絡されている。
【００２６】
実施の形態６
本実施の形態のセパレータ板を図１０に示す。このセパレータ板１０１は、酸化剤ガスの入り口側マニホールド孔１０２ａおよび出口側マニホールド孔１０２ｂ、燃料ガスの入り口側マニホールド孔１０３ａおよび出口側マニホールド孔１０３ｂ、並びに冷却水の入り口側マニホールド孔１０４ａおよび出口側マニホールド孔１０４ｂを有する。マニホールド孔１０２ａおよびマニホールド孔１０２ｂは、サブマニホールド１０８ａおよび１０８ｂ、両サブマニホールドを連絡する４本の並行する蛇行形状のガス流路１０７により連絡されている。この例では、ガス流路１０７の中間部にサブマニホールド１０８ｃを有する。
【００２７】
実施の形態１〜４および参考の形態１では、一方の面に酸化剤ガスの流路を有し、他方の面に燃料ガスの流路を有するセパレータ板、すなわちカソード側セパレータ板とアノード側セパレータ板を兼ねるものについて説明した。そして、ガス流路およびサブマニホールドは、酸化剤ガス側について示した。しかし、燃料ガス側にも同様に適用できることは明らかである。また、冷却水のマニホールド孔を有するセパレータ板にも適用できることはいうまでもない。
以上においては、セパレータ板にマニホールド孔を設けた内部マニホールドタイプについて説明したが、本発明は外部マニホールドタイプにも同様に適用することができる。
【００２８】
【実施例】
実施例１
アセチレンブラック系カ−ボン粉末に、平均粒径約３０Åの白金粒子を２５重量％担持して電極触媒とした。この触媒粉末をイソプロピルアルコールに分散させた。また、パーフルオロカーボンスルホン酸の粉末をエチルアルコールに分散させた。これら２種の分散液を混合して電極用ペーストを得た。一方、厚さ３００μｍのカーボンペーパーをポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）の水性ディスパージョンに浸し、乾燥処理を行うことで撥水性のガス拡散層を得た。このガス拡散層の片面に前記電極用ペーストを塗布・乾燥することで触媒層を形成した。
上記のようにして作製した一対の電極で、触媒層を内側にして、高分子電解質膜を挟み、１１０℃の温度で３０秒間ホットプレスすることにより、電解質膜−電極接合体（ＭＥＡ）を作製した。ここでは高分子電解質膜として、パーフルオロカーボンスルホン酸を５０μｍの厚さに薄膜化したもの（デュポン社製ナフィオン）を用いた。
ガス拡散層としては、上述のカーボンペーパーの他にも、可撓性を有する素材としてカーボン繊維を織ったカーボンクロス、カーボン繊維とカーボン粉末を混合し、有機バインダーを加えて成型したカーボンフェルトなどを用いることもできる。
【００２９】
導電性セパレータ板は、厚さ３ｍｍの等方性黒鉛板を機械加工によって、図１に示すようなガス流路を形成した。ガス流路１７は、幅０．７ｍｍ、深さ０．３ｍｍの並行する４本の溝で構成した。サブマニホールド１８ａおよび１８ｂは、入り口側マニホールド１２ａおよび出口側マニホールド１２ｂに直接繋がる部分に設けた。サブマニホールドは、溝幅が１．２ｍｍ、深さを１．２ｍｍとした。したがって、ガス流路１７に対するサブマニホールドの断面積比は約１．７倍であり、１．２倍以上３．０倍以下という条件を満足している。また、マニホールド孔１２ａの断面積Ｓ₁が１００ｍｍ²であるため、サブマニホールドの断面積をＳ₂とすると、Ｓ₁／１００＜Ｓ₂＜Ｓ₁／２５を満足している。
【００３０】
上記の導電性セパレータ板とＭＥＡとを交互に積層して５０セルが直列に接続されたセル積層体を組み立てた。このセル積層体を集電板と絶縁板を介してステンレス鋼製の端板で挟み、両端板を締結ロッドで、１０ｋｇｆ／ｃｍ²の圧力で締結した。
比較例の電池は、図１５のようにマニホールド８ａから８ｂに至る全領域を本実施例のガス流路１７と同様の構成とした他はすべて本実施例の条件と同一とした。
これら本実施例と比較例の電池を、８５℃に保持し、アノード側に８３℃の露点となるよう加湿・加温した燃料ガスを、カソード側に７８℃の露点となるように加湿・加温した空気をそれぞれ供給した。そして酸素利用率３０％、燃料利用率７０％で電流−電圧特性を調べた。その結果を図１１に示す。また、電流密度０．３Ａ／ｃｍ²において連続発電試験を行った。その結果を図１２に示す。
【００３１】
図１１において、本実施例の電池は、低電流密度の領域では、その優位性は少しだけしか見られないが、高電流密度ではサブマニホールドを有する効果が現れ、より良好な電池性能を示した。これは次のように考えられる。
高電流密度領域では、反応ガスの拡散性が電池性能を最も支配するものであり、電極面全体において均一なガス供給が必要となる。電極のガス拡散層内をガスが流れる伏流は、ガス圧力に支配される。本実施例の電池では、サブマニホールドによって、電極面のガス入り口側および出口側において、ガス圧力が等圧となる領域が広範囲にわたって確保されている。このため、伏流が電極面全体においてより均一に生じ、均一なガス供給が可能になっている。低電流密度領域では、あまりその違いが現れなかったのは、ガス入り口側および出口側の領域で律速になるのは拡散律速ではなく、反応律速によるためである。比較例の電池では、本実施例のサブマニホールドに相当するガス流路内でガス圧力が異なる。つまり、入り口側マニホールド孔に近い部分において圧力が最も高く、出口側マニホールドに近い部分で圧力が最も低くなる。このため、図１５のようにガスの流れがマニホールド８ａと８ｂを結ぶ線付近に集中し、その線から遠くに位置する電極部ではガス不足に陥って発電分布が生じてしまう。特に、ガス拡散律速である高電流密度において、電池性能が劣るのである。
【００３２】
図１２の連続発電試験の初期では、ほとんど差は見られない。しかし、時間の経過とともに比較例の電池ではガス不足になっている電極部分において、電極に用いられているカーボン粉末や触媒近傍の被覆樹脂の溶出など不可逆的な劣化が発生している。これにより、初期から比較的ガス供給が富んでいた部分に、より発電が集中して電流密度が上昇するため、時間の経過とともに電池性能が低下している。それに対して、本実施例の電池では、電極面全体への安定したガス供給によって、比較例のようなガス不足による劣化を防いでいるため、２０００時間経過しても電池電圧が初期と同等の値を維持している。
以上のようにセパレータ板のガス流路にサブマニホールドを設けることによって、電極面全体へのガス供給が均一に行え、電池性能を向上できることが確認された。
【００３３】
実施例２
本実施例では、図３のように、実施例１のサブマニホールド１８ａおよび１８ｂに加えて、ガス流路１７の中間部にさらにサブマニホールド１８ｃを形成した。その他は実施例１と同じ条件で電池を作製した。
本実施例の電池と実施例１の電池を８５℃に保持し、アノード側に８３℃の露点となるよう加湿・加温した燃料ガスを、カソード側に７８℃の露点となるように加湿・加温した空気をそれぞれ供給した。そして、電流密度０．３Ａ／ｃｍ²、燃料利用率７０％とし、酸素利用率を種々変えて試験を行った。その結果を図１３に示す。
図１３の結果から、酸素利用率が高い領域では、本実施例の電池の方が電圧低下を招くことなく安定した電池性能を維持していることが分かる。これは実施例１の電池にさらにサブマニホールド１８ｃ設けたことにより、ガス拡散層内の伏流の均一化が図れたことによる。酸素利用率が高くなると、ガス流量の減少により下流側でガス分配の影響を受けやすい。中間部にサブマニホールドを形成することで、マニホールド孔１２ａから分配されたガスがマニホールド孔１２ｂに辿り着くまでに一度集約され、ガスの再分配がされる。これにより、下流側でのガス不足の危険性が回避されたのである。
【００３４】
また、酸素利用率が高くなると、ガス流量に対する生成水の割合が高くなり、凝縮水や生成水によってガス流路が閉塞する可能性がより高くなる。同時にガス流路をガスが通る際の圧力損失が低下し、ガス流路に水が閉塞すると、その水を除いて元に戻す復元力が低下する。そして、閉塞した地点以降のガス流路にはガスの供給ができなくなる。ガス流路の中間部にサブマニホールドがあると、ガスの再分配によってその閉塞した地点の下流にもガス供給が可能になり、ガス流路の閉塞による電池性能への影響を最低限に抑えるという効果が得られる。
上記と同様にして、酸素利用率を一定にし、水素利用率を変えて試験を行った結果、酸素利用率と同様に、高い利用率にすればするほど本実施例の電池は安定した電池性能を維持できることが確認された。また、アノードガスとして都市ガスを改質したガスを想定して水素８０％、二酸化炭素２０％の混合ガスにすると、その影響は顕著であった。
ガス流路の中間部に設置するサブマニホールドの数が複数になる場合は、図４に示すように、下流側の設置割合を大きくすることが効果的であることが確認された。
【００３５】
実施例３
本実施例では、実施例１の電池において、サブマニホールドの溝幅を図５に示すように、大きくした場合について検証した。サブマニホールド５８ａおよび５８ｂの幅を２．８ｍｍ、溝深さを０．８ｍｍとして、電池を作製した。このサブマニホールドの電極面に垂直な断面積は、ガス流路１７の約２．７倍である。ここで、溝幅が広くなると電極面に加重を加えることができなくなるため、図５に示すように、サブマニホールド内にリブ５９を設けた。
この電池を実施例１と同じ条件で電流−電圧特性を調べた。その結果、実施例１と同等の性能を示した。したがって、溝幅の広いサブマニホールドを形成する場合には、溝内部にリブを設置することが有効であることが確認された。
【００３６】
また、サブマニホールド５８ａ、５８ｂの断面積が、ガス流路１７の１．２倍以上３．０倍以下の範囲において、サブマニホールドの効果が認められた。同様に、マニホールド孔１２ａあるいは１２ｂの断面積Ｓ₁、サブマニホールド５８ａまたは５８ｂの断面積をＳ₂としたとき、Ｓ₁／１００＜Ｓ₂＜Ｓ₁／２５において効果が認められた。
【００３７】
実施例４
本実施例では２種類の電池を製作した。実施例１におけるサブマニホールド１８ａのマニホールド孔１２ａとの連結部、およびサブマニホールド１８ｂのマニホールド孔１２ｂとの連結部の溝深さを、サブマニホールドの中で最も深くなるように加工した電池と、サブマニホールド内で最も浅くなるようにした電池とである。
これらの電池について、カソード側に供給する加湿空気の露点を種々変えて試験をした。その結果、サブマニホールドのマニホールド孔との連結部で溝深さの浅い電池は、溝深さの深い電池に比べてより低い露点で電池性能が低下した。それは連結部の溝深さが浅いため、水分量が多くなるとガスの出口側で凝縮水や生成水の排出が困難になり、サブマニホールド内に凝縮水や生成水が滞留し、そのため、サブマニホールドの機能が失われたためである。一方、連結部の溝深さを深くした電池では、凝縮水や生成水の排出がスムーズに行えるため、供給ガスが高い加湿状態でも電池性能が低下することはなかった。本実施例では、カソード側のサブマニホールドについて説明したが、アノード側のサブマニホールドにも同様の傾向が見られた。
以上から、サブマニホールドのマニホールド孔との連結部の溝深さは、サブマニホールド内の他の部分と同じかあるいはより深くすることが好ましい。
【００３８】
【発明の効果】
本発明によれば、サブマニホールド内で一時的にガス圧力を均一にさせ、これによって高効率で安定した性能を示す燃料電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の燃料電池のセパレータ板のカソード側の正面図である。
【図２】本発明の他の実施例のセパレータ板のカソード側の正面図である。
【図３】本発明のさらに他の実施例のセパレータ板のカソード側の正面図である。
【図４】本発明の実施例のセパレータ板のカソード側の正面図である。
【図５】本発明の他の実施例のセパレータ板のカソード側の正面図である。
【図６】本発明の他の実施例のセパレータ板のカソード側の正面図である。
【図７】本発明のさらに他の実施例のセパレータ板のカソード側の正面図である。
【図８】本発明の他の実施例のセパレータ板のカソード側の正面図である。
【図９】本発明のさらに他の実施例のセパレータ板のカソード側の正面図である。
【図１０】本発明の実施例のセパレータ板のカソード側の正面図である。
【図１１】本発明の実施例および比較例の燃料電池の電流−電圧特性を示す図である。
【図１２】本発明の実施例の燃料電池の連続発電試験における電圧の変化を示す図である。
【図１３】本発明の実施例および比較例の燃料電池の酸素利用率と電圧との関係を示す図である。
【図１４】代表的な燃料電池の要部の断面図である。
【図１５】従来の燃料電池のセパレータ板のカソード側の正面図である。
【符号の説明】
１１導電性セパレータ板
１２ａ酸化剤ガスの入り口側マニホールド孔
１２ｂ酸化剤ガスの出口側マニホールド孔
１３ａ燃料ガスの入り口側マニホールド孔
１３ｂ燃料ガスの出口側マニホールド孔
１７ガス流路
１８ａ、１８ｂサブマニホールド

Claims

水素イオン伝導性高分子電解質膜、前記水素イオン伝導性高分子電解質膜を挟む方形のカソード及びアノード、前記カソードに酸化剤ガスを供給・排出するガス流路を有するカソード側導電性セパレータ板、並びに前記アノードに燃料ガスを供給・排出するガス流路を有するアノード側導電性セパレータ板を具備し、
前記カソードは、前記水素イオン伝導性高分子電解質膜側に配置される触媒層と、前記カソード側導電性セパレータ板側に配置されるガス拡散層とからなり、
前記アノードは、前記水素イオン伝導性高分子電解質膜側に配置される触媒層と、前記アノード側導電性セパレータ板側に配置されるガス拡散層とからなり、
前記カソード側導電性セパレータ板及びアノード側導電性セパレータ板の少なくとも一方が、前記ガス流路の入り口側および出口側に、前記カソードおよびアノードに垂直な断面積を増加させたサブマニホールドを有し、
前記ガス流路が、前記カソードおよび前記アノードの一辺に対してほぼ平行に延びる直線部と、ターン部とからなる蛇行形状を有し、
前記サブマニホールドが、前記ガス流路の直線部にほぼ平行で、かつ前記カソードおよび前記アノードの一辺とほぼ同じ長さで伸びており、
前記ガス流路は、前記カソードまたはアノードに覆われ、
前記サブマニホールドは、前記カソードもしくはアノードまたは前記カソードの前記ガス拡散層もしくは前記アノードの前記ガス拡散層に覆われていることを特徴とする高分子電解質型燃料電池。
前記セパレータ板が、前記ガス流路にガスを供給・排出する入り口側マニホールド孔および出口側マニホールド孔を具備し、入り口側のサブマニホールドの前記入り口側マニホールド孔との連結部または出口側のサブマニホールドの前記出口側マニホールド孔との連結部において、サブマニホールドの溝深さが最も深くなっている請求項１記載の高分子電解質型燃料電池。
さらに前記ガス流路の中間部にサブマニホールドを有する請求項１記載の高分子電解質型燃料電池。
前記サブマニホールドがガスの入り口側よりガス出口側に多く配置される請求項３記載の高分子電解質型燃料電池。
前記サブマニホールドの断面積が、前記ガス流路の断面積の１．２倍以上３．０倍以下である請求項１記載の高分子電解質型燃料電池。
前記セパレータ板が、前記ガス流路にガスを供給・排出する入り口側マニホールド孔および出口側マニホールド孔を具備し、前記マニホールド孔の断面積Ｓ₁と前記サブマニホールドの断面積Ｓ₂の関係が、Ｓ₁／１００＜Ｓ₂＜Ｓ₁／２５を満足する請求項１記載の高分子電解質型燃料電池。
ガス入り口側および出口側に互いに平行に延びた入り口側サブマニホールドおよび出口側サブマニホールド、並びに両サブマニホールドを連絡する複数のガス流路を具備し、各ガス流路が蛇行形状を有し、かつ各ガス流路で囲われる領域がそれぞれ独立している請求項１記載の高分子電解質型燃料電池。
前記各ガス流路が、前記サブマニホールドに対して傾斜した直線部と直線部を繋ぐターン部からなる蛇行形状を有する請求項７記載の高分子電解質型燃料電池。