JP4659376B2 - 高分子電解質型燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、ポータブル電源、電気自動車用電源、家庭内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。

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。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、および前記高分子電解質膜を挟む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なる。

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が配置される。セパレータのＭＥＡと接触する部分には、電極面に反応ガスを供給し、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と別に設けることもできるが、セパレータ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。

この溝に反応ガスを供給するためには、ガスを供給する配管を使用するセパレータの枚数に分岐し、その分岐先を直接セパレータの溝につなぎ込む配管治具が必要となる。この治具をマニホールドと呼び、上記のような反応ガスの供給配管から直接つなぎ込む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に、貫通した孔を設け、ガス流路の入口をこの孔まで通し、この孔から直接反応ガスを供給するものである。

この孔の面積は、全セパレータのガス流路の総断面積より大きくする必要がある。これは、この孔の面積が小さいとガス供給の際のマニホールドにおける圧力損失が大きくなり、ブロアなどによるガス供給に必要な仕事量が増大し、結果的にシステム全体の効率低下を招いてしまうからである。そして、このような問題を回避し、マニホールドでの不必要な圧力損失を生じさせないために、前記孔の面積を増大させる必要がある。

燃料電池は運転中に発熱するので、電池を良好な温度状態に維持するために、冷却する必要がある。通常、１〜３セル毎に冷却媒体を流す冷却部がセパレータとセパレータとの間に挿入される。セパレータの背面に冷却媒体の流路を設けて冷却部とする場合が多い。これらのＭＥＡとセパレータおよび冷却部を交互に重ねていき、１０〜２００セル積層した後、集電板と絶縁板を介して、端板でこれを挟み、締結ロッドで両端から固定するのが一般的な積層電池の構造である。

ここで、従来の燃料電池としては、ガス供給管またはガス排出管の内壁の下端の高さを、セパレータ内を貫通するマニホールド下端の高さと同じ位置、またはそれより低い位置に設定したものがある（特許文献１）。また、出口側（排出）マニホールドが、ガス流路の出口側マニホールドに連絡する部分より下方にまで延長して形成され、ガス排出管もガス流路の出口側マニホールドに連絡する部分より下方に設けられているものもある（特許文献２）。
特開２００２−３４３４００号公報 特開２００３−２２３９２２号公報

この種の燃料電池の高分子電解質膜には、パーフルオロスルホン酸系の材料が使われている。この高分子電解質膜は、水分を含んだ状態でイオン伝導性を発現するため、通常は燃料ガスや酸化剤ガスを加湿して供給する必要がある。また、カソード側では反応によって水が生成するため、電池の動作温度より高い露点を有するようにガスを加湿して供給すると、電池内部のガス流路や電極内部で結露が発生し、水詰まりなどの現象によって電池性能が安定しない、または性能が低下する問題があった。通常、このような濡れすぎによる電池性能の低下や動作不安定が発現する現象をフラッディング現象と呼ぶ。この現象がアノード側で発生すると、燃料ガスの欠乏を招き、電池にとって致命傷となってしまう。これは燃料ガスが不足している状態で、負荷電流を強制的に取り出すと、電子とプロトンを生成しようとして、アノード側の触媒を担持しているカーボンが雰囲気中の水と反応してしまう。その結果、触媒層のカーボンの溶出により、アノード側の触媒層が破壊される。そのため、アノード側のフラッディングについては最善の注意を払わなくてはならない。

また、燃料電池を発電システムとする場合には、供給ガスの加湿などを含めたシステム化が必要である。システムの簡素化、システム効率の向上のためには、供給ガスの加湿露点を少しでも低減して供給することが好ましい。以上のように、フラッディング現象の防止、システム効率の向上、システムの簡素化などの観点から、供給ガスは、電池温度に対して少し低めの露点で加湿し供給することが通常であった。
しかしながら、電池の高性能化のためには、高分子電解質膜のイオン伝導度を向上させる必要がある。そのためには、供給ガスを相対湿度１００％に近い湿度、または相対湿度１００％以上となるように加湿して供給することが好ましい。また、高分子電解質膜の耐久性の観点からも、供給ガスを高加湿で供給するのが好ましい。

供給ガスを相対湿度１００％に近い湿度となるように加湿して供給しようとすると、供給ガスが燃料電池スタックの上流側で結露する可能性が高くなり、結露水がミストとなって、スタックに供給されることがあった。セパレータの面が重力方向と平行で、ガス供給のための入口側マニホールドをセパレータ面の重力方向上部に設けた場合、重力の影響によってそのミストがガス供給管に近いセルへ集中して流れ込む。その結果、それらのセルはフラッディングにより性能が低下することとなる。さらに、入口側マニホールドが重力方向上部に位置しない場合は、入口側マニホールド内にミストが滞留し、ガス供給が不安定になる現象を引き起こす。これと同様に、セルによってガス供給量が微妙に異なってしまう。

また、特許文献１記載の燃料電池においては、マニホールドの投影面からガス供給管またはガス排出管がはみ出してしまうことになり、セパレータ面内で発電に寄与しない無駄な領域が生じてしまう可能性がある。さらに、特許文献２記載の発明においては、出口側マニホールドのみについて限定しており、入口側マニホールドに起因する燃料電池への不安定現象を招いてしまう可能性がある。

本発明は、以上の課題を解決し、積層スタックの全セルへの均一なガス供給を実現できる燃料電池を提供することを目的とする。すなわち、本発明は、マニホールド内部に結露水が滞留することなく、ガスを均一に安定供給することができ、従って、電池性能の低下あるいは不安定化がなく、信頼性の高いコンパクトな高分子電解質型燃料電池を提供することを目的とする。

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、前記水素イオン伝導性高分子電解質膜を挟む一対の電極、および前記一方の電極に燃料ガスを供給・排出するガス流路を有し、他方の電極に酸化剤ガスを供給・排出するガス流路を有する一対の導電性セパレータからなるセルスタックを具備する高分子電解質型燃料電池であって、前記導電性セパレータの燃料ガスおよび酸化剤ガスの少なくとも一方のガス流路の入口側マニホールドに連絡する部分の最下部が、前記マニホールドに接続されるガス供給管の位置より重力方向において上位にあり、前記ガス供給管が、前記入口側マニホールド内に先端が位置するような長さを有し、かつ、前記ガス供給管の前記入口側マニホールド内の部分の重力方向上側に、ガス供給のための複数の穴が設けられていることを特徴とする。ガス流路が複数ある場合は、最も下のガス流路の最下部が、前記マニホールドに接続されるガス供給管の位置より重力方向において上位にあればよい。
ここで、前記導電性セパレータは、その主面が重力方向と平行になるように設置されている。

前記入口側マニホールドは、縦長形状を有することが好ましい。
前記入口側マニホールドに接続される前記ガス供給管の接続位置が、前記マニホールドの中央より下方に位置することが好ましい。
前記導電性セパレータの少なくとも一方のガス流路の出口側マニホールドに連絡する部分、および前記出口側マニホールドとガス排出管との接合部分が、前記出口側マニホールド内の下方に位置することが好ましい。

また、前記供給マニホールドが、前記ガス供給管と前記最下部との間で、その断面形状において括れ部を有するのが好ましい。
また、前記穴同士の間隔を、前記ガス供給管と前記供給マニホールドとの接続部分から遠くなるにしたがって狭くするのが好ましい。

本発明によれば、積層スタックの全セルへの均一なガス供給を実現し、マニホールド内部に結露水が滞留することなく、ガスの安定供給で電池性能の低下あるいは不安定化を防止することができるため、燃料電池の信頼性を向上することができる。

本発明のポイントは、導電性セパレータの燃料ガスおよび酸化剤ガスの少なくとも一方のガス流路の入口側マニホールドに連絡する部分を、前記マニホールドに接続されるガス供給管の位置より重力方向の上位にしたことである。これによって、安定なガス供給とマニホールド内での結露水の滞留を防止し、電池性能の低下あるいは不安定現象を回避することができる。
従来の燃料電池において、セパレータが重力方向と平行で、ガス供給のための入口側マニホールドをセパレータの重力方向上位とした場合、マニホールドは一般的に横長に設計され、マニホールドの底にガス流路が接続されている。そのため、ガスを相対湿度１００％近くに加湿して供給すると、セルスタックの上流で結露したミストがガス供給管側のセルに集中して供給され、フラッディング現象を招き、電池性能が低下する。

本発明は、セパレータのガス流路の入口側マニホールドに連絡する部分を、前記入口側マニホールドに接続されるガス供給管の位置より上位に設置することで、各セルへの安定したガス供給を実現するものである。つまり、セパレータが重力方向と平行で、マニホールドの断面形状を縦長あるいは縦長形状の部分を有する形状とし、入口側マニホールド内で重力方向に対して上方にガス流路の入り口を設定することにより、ガス供給管入口側セルへのミストの集中供給を回避し、安定なガス供給を行うのである。
マニホールドの断面形状を縦長形状とした場合、長時間の運転において、供給ガスが燃料電池スタックに供給される上流側において、部分的に結露した水が入口側マニホールドの下部に停滞するおそれがある。そうすると、マニホールドの有効断面積の減少により、全体のガス経路の圧力損失を増加させ、ガス供給のための仕事量の増大を招く。その結果、燃料電池スタックを用いたシステム全体の効率を低下させる。また、その停滞水の脈動により、ガス供給が不安定になりかねない。そこで、マニホールドに接続するガス供給管をマニホールド中央より下方に位置させることにより、供給ガスの動圧を利用して結露水を停滞させないようにする。

また、ガス分配を均一に行わないと各セルでガス利用率が変化する。その結果、各セルの電池性能にばらつきが生じかねない。そこで、入口側マニホールドにおいて、ガス供給管と、前記ガス流路が入口側マニホールドに連絡する部分の最下部との括れ部を設けることによって、入口側マニホールド内のガス圧力を均一に保つ。すなわち、入口側マニホールド内における動圧を静圧に回復させることによって、各セルへの均一なガス供給を実現することができる。この理論により、ガス供給管をマニホールド内に延長させ、その延長部分の重力方向上側に孔を設けることによっても、同様に均一なガス供給を実現することができる。
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。

《参考形態１》
図１は本参考形態のセパレータのカソード側の正面図である。セパレータ１は、縦２２０ｍｍ、横２２０ｍｍ、厚さ３ｍｍの等方性黒鉛板に、機械加工によってガス流路およびマニホールド孔を設けることによって作製する。セパレータ１は、酸化剤ガスの入口側マニホールド孔２１および出口側マニホールド孔２３、燃料ガスの入口側マニホールド孔２２および出口側マニホールド孔２４、並びに冷却水の入口側マニホールド孔２５および出口側マニホールド孔２６を有する。セパレータ１は、さらにカソード側にマニホールド孔２１と２３を連絡する２本の並行する溝からなるガス流路２７を有し、アノード側にはマニホールド孔２２と２４を連絡するガス流路を有する。
このガス流路の溝の寸法は、幅２ｍｍ、深さ２ｍｍとする。点線２８で囲まれた部分が電極に接する領域であり、この領域は縦１５０ｍｍ、横１５０ｍｍとした。酸化剤ガスの入口側マニホールド孔２１は縦８０ｍｍ、横１５ｍｍの長方形とし、四隅にＲ部を設ける。このマニホールド孔の底部をセパレータの中央線と重ね、その中央線より上側にマニホールドを配置する。また、このマニホールド孔の面積は、５０セルスタック積層時の全セパレータの酸化剤ガス流路の総断面積の２倍以上となるように設計する。
冷却部を設けるには、上記のカソード側セパレータとアノード側セパレータを兼ねる単一のセパレータの代わりに、背面に冷却水の流路を設けたカソード側セパレータと背面に冷却水の流路を設けたアノード側セパレータとを冷却水の流路が向き合うように組み合わせた複合セパレータを用いる。

図２は上記のようなセパレータ１とＭＥＡ２を交互に積層したセルスタックを用いた燃料電池を示す。セルスタックは、集電板３および絶縁板４を介して端板５で挟み、締結ロッド６およびナット７により締結されている。この燃料電池においては、ＭＥＡ、集電板、絶縁板および端板に、前記セパレータの各マニホールド孔に連通するマニホールド孔が形成され、それらマニホールド孔がそれぞれガスおよび冷却水の入口側マニホールドおよび出口側マニホールドを構成する。一方の端板には、酸化剤ガスの入口側マニホールドに連通する酸化剤ガス供給管１１、燃料ガスのマニホールドに連通する燃料ガス供給管１２および冷却水のマニホールドに連通する冷却水供給管１５が取り付けられている。他方の端板には、それぞれの出口側マニホールドに連通する酸化剤ガス排出管１３、燃料ガス排出管１４および冷却水排出管１６が取り付けられている。

この燃料電池は、セパレータ１のカソード側およびアノード側の面が地面に対して垂直となり、冷却水の入口側マニホールド孔２５が上位となるように設置される。そして、酸化剤ガスの供給管１１は、図１に示すように、縦長に形成されたマニホールド孔２１内において、上部から約１／３の位置と対応するように端板に接続されている。そして、セパレータのガス流路２７の入口側は、ガス供給管１１の位置より上位となるように設計されている。また、ガス流路は重力方向下側において出口側マニホールド孔２３に接続され、この出口側マニホールド孔２３には酸化剤ガス排出管１３が接続される。図示しないが、燃料に関するガス供給管とセパレータのガス流路の入口側との位置関係および排出管とセパレータのガス流路の出口側との関係は、酸化剤ガスのそれらと同じとする。

《参考形態２》
図３は本参考形態におけるセパレータのカソード側の正面図である。この例では、酸化剤ガス供給管１１の端板への接続位置をマニホールド孔２１の下部から約１／１０の位置にした他は参考形態１と同様である。図１と同じ要素には同じ番号を付し、説明を省略する。以下の図においても同様とする。

《参考形態３》
図４は本参考形態のセパレータのカソード側の正面図である。セパレータ１Ａは、酸化剤ガスの流路２７Ａの直線部が左右方向にされている。入口側マニホールド孔２１Ａおよび出口側マニホールド孔２３Ａは、縦長形状に設けられている。そして、ガス供給管１１Ａは、マニホールド孔２１Ａ内の下方に配置され、ガス排出管１３Ａは、ガス流路を構成する２本の溝のうち最下部に位置する溝の出口と同じ高さに位置するように、端板に接続した。また、ガス流路２７Ａの入口は、管１１Ａより上位にある。

《参考形態４》
図５は本参考形態のセパレータのカソード側の正面図である。セパレータ１Ｂは、酸化剤ガスのガス流路２７Ｂの直線部が上下方向にされている。そして、ガス供給管１１Ｂおよび排出管１３Ｂは、マニホールド孔２１Ｂおよび２３Ｂ内の下方に配置され、ガス流路２７Ｂの入口および出口はいずれも管１１Ｂおよび１３Ｂより上位にある。

《参考形態５》
図６は本参考形態のセパレータのカソード側の正面図である。セパレータ１Ｃは、Ｌ字状の入口側マニホールド孔２１Ｃおよび出口側マニホールド孔２３Ｃを有し、ガス供給管１１Ｃおよびガス排出管１３Ｃはそれぞれマニホールド孔２１Ｃおよび２３Ｃ内の下方に配置されている。両マニホールド孔を連絡するガス流路２７Ｃの入口および出口はいずれも管より上位にある。

《参考形態６》
図７は本参考形態のセパレータのカソード側の正面図である。このセパレータにおいては、すべてのマニホールド孔の形状が三角形である。セパレータ１Ｄは、酸化剤ガスの入口側マニホールド孔２１Ｄおよび出口側マニホールド孔２３Ｄ、両マニホールド孔を連絡するガス流路２７Ｄ、燃料ガスの入口側マニホールド孔２２Ｄおよび出口側マニホールド孔２４Ｄ、冷却水の入口側マニホールド孔２５Ｄおよび出口側マニホールド孔２６Ｄを有する。酸化剤ガスの供給管１１Ｄはマニホールド孔２１Ｄ内の下方に、また酸化剤ガスの排出管１３Ｄはマニホールド孔２３Ｄ内の下方にあり、ガス流路２７Ｄの入口は管１１Ｄより上位にある。

《参考形態７》
図１１は本参考形態のセパレータのカソード側の正面図である。セパレータ１は、酸化剤ガスの入口側マニホールド孔２１、出口側マニホールド孔２３、両マニホールド孔を連絡するガス流路２７、燃料ガスの入口側マニホールド孔２２、出口側マニホールド孔２４、冷却水の入口側マニホールド孔２５および出口側マニホールド孔２６を有する。入口側マニホールド孔２１および２２は、その断面形状においてガス供給管とガス流路との間に括れ部２９を有する。

《実施の形態１》
図１２は本実施の形態に係る燃料電池の一部を切り欠いた正面図である。セパレータの酸化剤ガスの入口側マニホールド内部が示されている。ガス供給管１１が入口側マニホールド２１’内に位置するような長さを有しており、入口側マニホールド２１’内にガス供給管１１の延長部分（配管）を配置し、その延長部分の上面にガス供給のためのφ５ｍｍの穴３０を１０ｍｍ間隔で複数個設けた。なお、１は導電性セパレータ、２はＭＥＡ、３は集電板、４は絶縁板、５は端板である。

《実施の形態２》
図１３は本実施の形態に係る燃料電池の一部を切り欠いた正面図である。セパレータの燃料ガスの入口側マニホールド２１’内部が示されている。ガス供給管１１が入口側マニホールド２１’内に位置するような長さを有しており、入口側マニホールド２１’内にガス供給管１１の延長部分（配管）を配置し、その延長部分の上面にガス供給のためのφ５ｍｍの穴３１を複数個設けた。この際、入口側マニホールド２１’とガス供給管１１との接続部１１ａから、入口側マニホールド２１’の奥に行くにしたがって、穴同士の間隔を狭くしていった。なお、１は導電性セパレータ、２はＭＥＡ、３は集電板、４は絶縁板、５は端板である。

以下、本発明の実施例を説明する。
《参考例１》
アセチレンブラック系カーボン粉末に、平均粒径約３０Åの白金粒子を２５重量％担持した。これをカソードの触媒とした。また、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−ルテニウム合金粒子を２５重量％担持した。これをアノードの触媒とした。これらの触媒粉末をイソプロパノールに分散させ、パーフルオロカーボンスルホン酸粉末のエチルアルコール分散液と混合してペースト状にした。これらのペーストを原料とし、スクリーン印刷法をもちいてそれぞれ厚み２５０μｍのカーボン不織布の一方の面に塗工して触媒層を形成した。得られた各々の電極の触媒層に含まれる触媒金属量は０．３ｍｇ／ｃｍ²、パーフルオロカーボンスルホン酸の量は１．２ｍｇ／ｃｍ²とした。

これらの電極は、触媒材料以外はカソード・アノード共に同一構成である。これらの電極を、それより一回り大きい面積を有する水素イオン伝導性高分子電解質膜の中心部の両面に、印刷した触媒層が電解質膜側に接するようにホットプレスによって接合した。さらに、厚さ２５０μｍのフッ素系ゴムシートを所定の大きさに切り抜き、前述の電極外周部に露出している電解質膜を挟んで両側に配置し、ホットプレスによって接合一体化させ、ＭＥＡを作製した。ここでは、水素イオン伝導性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３０μｍの厚みに薄膜化したものを用いた。

本参考例では、参考形態１で説明した構造の導電性セパレータを用いた。ここに用いた導電性セパレータは、その板面が地面に垂直となり、冷却水の入口側マニホールド孔２５が上位となるように電池が設置される。反応ガスは、水平方向の直線部とターン部からなるサーペンタイン型ガス流路を重力方向下向きに流れる。
導電性セパレータとＭＥＡを交互に積層した。このときＭＥＡを２セル積層する毎に冷却水を流す冷却部を設けた。ＭＥＡを５０セル積層した後、表面に金メッキした銅板からなる集電板とポリフェニレンサルファイド製の絶縁板を介して、ステンレス鋼製の端板で挟み、両端板を締結ロッドで締結した。このとき、締結圧は電極の面積当たり１０ｋｇｆ／ｃｍ²とした。

この燃料電池スタックの一方の端板には、図２のように、反応ガスおよび冷却水を燃料電池スタック内の各マニホールドに供給する供給管が接続され、他方の端板には排出管が接続されている。しかし、燃料電池スタック内をＵターンして同じ端板から供給・排出する構造としてもよい。

《比較例１》
比較例の電池の導電性セパレータを図８に示す。このセパレータ３０は、酸化剤ガスの入口側マニホールド孔４１および出口側マニホールド孔４３、燃料ガスの入口側マニホールド孔４２および出口側マニホールド孔４４、並びに冷却水の入口側マニホールド孔４５および出口側マニホールド孔４６を有する。セパレータ３０は、さらにカソード側にマニホールド孔４１と４３を連絡する２本の並行する溝からなるガス流路４７を有し、アノード側にはマニホールド孔４２と４４を連絡するガス流路を有する。図８に示すように、酸化剤ガス供給管３１からセパレータ３０の上部の入口側マニホールド４１に供給される酸化剤ガスは、重力方向下向きに流れ、出口側マニホールド孔４３からガス排出管３３に排出される。燃料ガスについても、同様に、入口側マニホールド孔４２からガス流路に流れ、出口側マニホールド孔４４から排出管に排出される。

参考例１および比較例１の高分子電解質型燃料電池を７５℃に保持し、７５℃の露点となるよう加湿・加温した燃料（８０％水素ガス／２０％二酸化炭素／１０ｐｐｍ一酸化炭素）をアノードに、７５℃の露点となるように加湿・加温した空気をカソードにそれぞれ供給し、定格運転を行った。電池の定格運転条件は、燃料利用率７５％、酸素利用率４０％、電流密度０．３Ａ／ｃｍ²である。この運転での各電池のセル電圧の比較を図９に示す。図９の横軸には、ガスの入口側からのセル番号を示す。

比較例１の電池では、入口のガス供給管に近い若い番号のセルの性能が不規則に低下している。この比較例１の電池は、入口側マニホールドの下部からセパレータのガス流路にガスが供給される構成である。そのため、高加湿で供給されるガスは、スタックの上流側で一部が結露し、その結露水がガス供給管に近い若い番号のセルのガス流路に流れ込み、フラッディングを起こして性能が低下した。一方、参考例１の電池では、セパレータの反応ガスの入口側マニホールド孔に接続するガス供給管の位置よりマニホールド孔へのガス流路の接続位置を重力方向に対して上方に設置することによって、マニホールド孔内でミストを一時的にトラップし、集中したミスト供給を回避した。以上より本参考例の有効性が確認された。

《参考例２》
本参考例では、参考形態２、すなわち図３のカソード側セパレータのように、入口側マニホールドに接続するガス供給管の位置をマニホールドの下端からマニホールドの縦長さの１０分の１の位置に設定した電池を作製した。それ以外の構成は参考例１と同じとした。本参考例と参考例１の電池を定格運転条件で連続運転した結果を図１０に示す。

参考例１の電池は、電池性能が脈動しており、時折瞬間的に電池電圧が低下する現象を示した。それに対して、本参考例の電池は、安定した性能を示した。これは、参考例１の電池では、ガス供給管の位置がマニホールドの上部から３分の１の位置にあるため、ガス供給管の途中で結露した水がマニホールドの下部に滞留し、その滞留水によって供給ガス圧が脈動したり、その滞留水が不規則にガス流路に供給されてセルのガス流路が一時的に閉塞したりして、電池電圧が低下したのである。さらに、参考例１の電池における燃料電池スタック全体のガス流通経路の圧力損失は、マニホールドに結露水等が滞留したことによって、実際は設計値に対して３０％も大きくなり、燃料電池システム全体の効率を低下させた。それに対して、本参考例の電池では、圧力損失は設計通りの値を示しており、マニホールド内での水滞留の問題を発生させることなく運転できることが確認された。

また、マニホールドに接続するガス供給管の位置は、マニホールド中央から下方の位置であればどの位置でも、水の滞留による不安定現象が発生しない結果が得られた。
本参考例では、ガスが重力方向下向きに流れ、縦長形状のマニホールドについて試みたが、図４のように重力方向上向きのガス流れがあるセパレータ、あるいは図５や図６のように、マニホールド形状が異形のセパレータにおいても安定した電池性能が得られることが確認された。

《参考例３》
本参考例では、参考形態６のセパレータ、すなわち図７のセパレータを用いた電池を作製した。この電池を定格運転した結果、参考例２の電池に比べて、より長時間での安定した電池性能を確保できることが確認された。これは、参考例２の電池では、ガス流路の出口側が出口側マニホールドの上部につながっているため、連続運転によってマニホールド下部に結露水や生成水が一時的に滞留し、スタック内での反応ガス圧力が脈動することによって電池性能が不安定になったのである。一方、本参考例の電池では、ガス流路の出口側とガス排出管のマニホールドへの接続位置をマニホールド内の下部に設けたので、未反応ガスの動圧を利用して結露水や生成水の滞留を常時防ぎ、ガスや水の安定した排出が可能となっている。

また、図７のセパレータを用いたセルスタックにおいて、出口側マニホールドからスタック外部に未反応ガスを排出するためのガス排出管の位置を、マニホールド中央に変更すると、明らかにマニホールド下部に結露水や生成水が滞留し、電池性能が不安定になった。本参考例の電池では、ガス排出管がマニホールド内の下部に設置されているため、水の滞留が発生せず、安定した電池性能が確保される。

《参考例４》
本参考例では、参考形態７のセパレータ、すなわち図１１のセパレータを用いて電池を作製した。この電池を定格運転した結果、参考例２の電池に比べて、より長時間での安定した電池性能を確保できることが確認された。これは、参考例２の電池では、入口側マニホールド孔２１からガス流路内へのガス分配が完全に均一でなく、各セルでのガス利用率にばらつきが生じたためである。一方、本参考例の電池では、入口側マニホールドにおいて、ガス供給管と、前記ガス流路が入口側マニホールドに連絡する部分の最下部との括れ部を設けたので、入口側マニホールド内のガス圧力を均一に保つことができ、入口側マニホールド内における動圧を静圧に回復させることによって、各セルへの均一なガス供給を実現することができる。

《実施例１》
本実施例では、図１２に示すように酸化剤ガスの入口側マニホールド内にガス供給管を伸ばして延長部分（配管）を設け、その上面にガス供給のためのφ５ｍｍの穴３０を１０ｍｍ間隔で設けた以外は、参考例１と同様にして電池を作製した。この電池を定格運転した結果、参考例１の電池に比べて、より長時間での安定した電池性能を確保できることが確認された。これは、参考例１の電池では、入口側マニホールド孔２１からガス流路内へのガス分配が完全に均一でなく、各セルでのガス利用率にばらつきが生じたためである。一方、本実施例の電池では、入口側マニホールドにおいて、ガス供給管をマニホールド内に延長させ、その延長部分の重力方向上側に穴を設けたので、入口側マニホールド内のガス圧力を均一に保つことができ、入口側マニホールド内における動圧を静圧に回復させることによって、各セルへの均一なガス供給を実現することができる。

《実施例２》
本実施例では、図１３に示すように燃料ガスの入口側マニホールド内にガス供給管を伸ばして延長部分（配管）を設け、その上面にガス供給のためのφ５ｍｍの穴３１を２０個個設けた。この際、入口側マニホールド孔２１’とガス供給管１１との接続部１１ａから、入口側マニホールド孔２１’の奥に行くにしたがって、穴３１の間隔を狭くしていった。具体的には、１番目から６番目までの間隔をそれぞれ１０ｍｍ、６番目から１１番目までの間隔をそれぞれ８ｍｍとし、１１番目から１６番目までの間隔をそれぞれ６ｍｍ、１６番目から２０番目までの間隔をそれぞれ４ｍｍと狭くしていった。これ以外は、実施例１と同様にして電池を作製した。この電池を定格運転した結果、実施例１の電池に比べて、さらに長時間での安定した電池性能を確保できることが確認された。これは、実施例２の電池でも、入口側マニホールド孔２１’からガス流路内へのガス分配が均一となったが、穴の間隔を狭くしていくことによって、入口側マニホールドの奥においても供給ガスの圧力損失を防ぐことができたためである。

以上の実施例および参考例では、カソード側およびアノード側において、ガスの供給管およびセパレータのガス流路の入口側とマニホールドとの位置関係を規定し、さらにはガスの排出管およびセパレータのガス流路の出口側とマニホールドとの位置関係を規定した。しかし、カソード側またはアノード側においてのみ前記のような位置関係を規定してもそれなりの効果を得ることができる。また、実施例および参考例では、内部マニホールド形式の電池について説明したが、外部マニホールド形式の電池にも同様に適用することができる。

以上のように本発明によれば、積層スタックの全セルへの均一なガス供給を実現し、マニホールド内部に結露水が滞留することなく、ガスの安定供給で電池性能の低下あるいは不安定化を防止することができるため、燃料電池の信頼性を向上することができる。したがって、この燃料電池は家庭用コージェネレーションシステムや自動車用燃料電池への応用が好適であると考えられる。

参考形態１の燃料電池に用いた導電性セパレータのカソード側の正面図である。 参考形態１の燃料電池の側面図である。 参考形態２の燃料電池に用いた導電性セパレータのカソード側の正面図である。 参考形態３の燃料電池に用いた導電性セパレータのカソード側の正面図である。 参考形態４の燃料電池に用いた導電性セパレータのカソード側の正面図である。 参考形態５の燃料電池に用いた導電性セパレータのカソード側の正面図である。 参考形態６の燃料電池に用いた導電性セパレータのカソード側の正面図である。 比較例の燃料電池に用いた導電性セパレータのカソード側の正面図である。 参考例１および比較例１の燃料電池の各セルの電圧の比較を示す図である。 参考例１、参考例２および比較例１の燃料電池の連続運転時の電圧の変化を示す図である。 参考形態７の燃料電池に用いた導電性セパレータのカソード側の正面図である。 本発明の実施の形態１の燃料電池の一部を切り欠いた正面図である。 本発明の実施の形態２の燃料電池の一部を切り欠いた正面図である。

符号の説明

１ 導電性セパレータ
２ ＭＥＡ
３ 集電板
４ 絶縁板
５ 端板
６ 締結ロッド
１１ 酸化剤ガス供給管
１２ 燃料ガス供給管
１５ 冷却水供給管
１３ 酸化剤ガス排出管
１４ 燃料ガス排出管
１６ 冷却水排出管
２１ 酸化剤ガスの入口側マニホールド孔
２２ 燃料ガスの入口側マニホールド孔
２５ 冷却水の入口側マニホールド孔
２３ 酸化剤ガスの出口側マニホールド孔
２４ 燃料ガスの出口側マニホールド孔
２６ 冷却水の出口側マニホールド孔
２７ 酸化剤ガスの流路
２８ 電極領域
２９ 括れ部

Claims (7)

1. 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一対の電極、および前記一方の電極に燃料ガスを供給・排出するガス流路を有し、他方の電極に酸化剤ガスを供給・排出するガス流路を有する一対の導電性セパレータからなるセルスタックを具備する固体高分子型燃料電池であって、
   前記導電性セパレータの燃料ガスおよび酸化剤ガスの少なくとも一方のガス流路の入口側マニホールドに連絡する部分の最下部が、前記マニホールドに接続されるガス供給管の位置より重力方向において上位にあり、
   前記ガス供給管が、前記入口側マニホールド内に先端が位置するような長さを有し、かつ、前記ガス供給管の前記入口側マニホールド内の部分の重力方向上側に、ガス供給のための複数の穴が設けられている、高分子電解質型燃料電池。
2. 前記導電性セパレータの主面が重力方向と平行になるように設置されている請求項１記載の高分子電解質型燃料電池。
3. 前記入口側マニホールドが縦長断面形状を有する請求項２記載の高分子電解質型燃料電池。
4. 前記入口側マニホールドに接続される前記ガス供給管の接続部分が前記マニホールドの中央より下方に位置する請求項２または３記載の高分子電解質型燃料電池。
5. 前記導電性セパレータの少なくとも一方のガス流路の出口側マニホールドに連絡する部分、および前記出口側マニホールドとガス排出管との接続部分が、前記出口側マニホールド内の下方に位置する請求項１記載の高分子電解質型燃料電池。
6. 前記ガス供給管と前記最下部との間に、前記入口側マニホールドがその断面形状において括れ部を有する請求項１記載の高分子電解質型燃料電池。
7. 前記穴同士の間隔が、前記入口側マニホールドの開口部から遠くなるにしたがって狭くなる請求項１記載の高分子電解質型燃料電池。

Images