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JP2000277132A - 燃料電池 - Google Patents

燃料電池

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Publication number
JP2000277132A
JP2000277132A JP11080977A JP8097799A JP2000277132A JP 2000277132 A JP2000277132 A JP 2000277132A JP 11080977 A JP11080977 A JP 11080977A JP 8097799 A JP8097799 A JP 8097799A JP 2000277132 A JP2000277132 A JP 2000277132A
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JP
Japan
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oxidant
cell
chamber
fuel
opening
Prior art date
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Withdrawn
Application number
JP11080977A
Other languages
English (en)
Inventor
Hideo Hagino
秀雄 萩野
Koji Yasuo
耕司 安尾
Yasuo Miyake
泰夫 三宅
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sanyo Electric Co Ltd
Original Assignee
Sanyo Electric Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sanyo Electric Co Ltd filed Critical Sanyo Electric Co Ltd
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Priority to US09/533,871 priority patent/US6426160B1/en
Publication of JP2000277132A publication Critical patent/JP2000277132A/ja
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    • H01M8/02—Details
    • H—ELECTRICITY
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    • H01M8/04156—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 酸化剤排出路中での水分の滞留を防ぐことに
よって、酸化剤排出路の閉塞を防止し、電池寿命の向上
と安定した発電性能を維持することのできる燃料電池を
提供する。 【解決手段】 電解質体14の一方の面にアノード電極5
0、他方の面にカソード電極20を形成したセル12と、燃
料ガスが流通する燃料室54を有する燃料プレート56と、
酸化剤ガスが流通する酸化剤室24と酸化剤室24へ酸化剤
ガスを供給する酸化剤導入路28と酸化剤室24から排出さ
れた酸化剤排ガスを外気へ放出する酸化剤排出路30とを
有する酸化剤プレート26とを具え、セル12をプレート5
6,26によって挟持してセルユニット10を構成し、セルユ
ニット10を複数積層してなる燃料電池において、酸化剤
排出路30は、酸化剤室24に連通する第１開口部32と、外
気に連通する第２開口部34を具え、第２開口部34の幅
を、第１開口部32よりも狭く形成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、固体高分子型燃料
電池、リン酸型燃料電池やメタノール燃料電池といった
比較的低温で運転される燃料電池に関し、具体的には、
酸化剤プレートの酸化剤ガスの排出路の改良に関するも
のである。
【０００２】
【従来の技術】比較的低温で運転される燃料電池とし
て、固体高分子型燃料電池、リン酸型燃料電池やメタノ
ール燃料電池などが知られている。上記燃料電池のう
ち、固体高分子型燃料電池の概略構成について、本発明
の一実施例である図１を参照して説明する。図１は、固
体高分子型燃料電池のセルユニット(10)を示しており、
セルユニット(10)は、セル(12)が酸化剤プレート(26)と
燃料プレート(56)によって挟持されている。固体高分子
型燃料電池は、通常、このセルユニット(10)を数十枚か
ら数百枚積層して構成される。セル(12)は、電解質体(1
4)として用いられる電解質膜の一方の面にアノード電極
(50)、他方の面にカソード電極(20)が形成されている。
燃料プレート(56)は、セル(12)のアノード側に燃料ガス
の流通するガスチャンネル(52)によって形成された燃料
室(54)を有している。酸化剤プレート(26)は、図７に示
すように、カソード側に酸化剤ガスが流通するガスチャ
ンネル(22)によって形成された酸化剤室(24)を有してお
り、該酸化剤室(24)へは、酸化剤ガスを酸化剤室(24)へ
導入する酸化剤導入路(28)と、該酸化剤導入路の反対側
に設けられ、反応後の酸化剤排ガスを外気へ排出する酸
化剤排出路(30)が連通している。
【０００３】前記構成の固体高分子型燃料電池では、水
素ガスを含む燃料ガスが燃料室(54)へ供給され、空気な
どの酸素を含む酸化剤ガスが酸化剤導入路(28)から酸化
剤室(24)へ供給され、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化
学的反応により起電力を生ずると共に水を生成する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】酸化剤室(24)から排出
される酸化剤排ガスには、反応によって生成した生成水
や、電解質体(14)を加湿するために導入された加湿水
(燃料室からの移動水を含む)が含まれている。電気化学
反応が進行する酸化剤室(24)(反応領域)では、電気化学
反応により発熱しているため、これら水分は凝縮しにく
いが、反応領域から外れた酸化剤排出路(30)は、温度が
低いため、酸化剤排ガス中の水分が凝縮して、酸化剤排
出路(30)を閉塞する。酸化剤排出路(30)が閉塞すると、
そのガスチャンネル(22)には酸化剤ガスが流通しなくな
り、電気化学反応の進行が妨げられ、電池性能が低下し
てしまう問題があった。このような問題は、固体高分子
型燃料電池だけでなく、リン酸型燃料電池やメタノール
燃料電池などの比較的低温で運転される燃料電池にも存
在する。
【０００５】そこで、図８に示すように、酸化剤導入路
(28)から酸化剤排出路(30)までの溝の深さを徐々に深く
することによって、水分の滞留を防止した燃料電池を開
示している(特開平８−１３８６９６号)。しかしなが
ら、この構造では、酸化剤排出路(30)付近の流路断面積
が大きくなるから、酸化剤ガスの流速が遅くなり、かえ
って水分が滞留しやすくなる虞れがあった。また、流路
の深さを深くするには、酸化剤プレート(26)の肉厚を厚
くしなければならず、セルユニット(10)が厚くなって電
池が大型化する問題があった。さらに、流路の深さの差
によって、プレート(26)に厚い部分と薄い部分が形成さ
れると、電池面内の内部抵抗が不均一となり、その結
果、電流密度の分布が不均一となって、電池電圧が低下
する虞れがあった。
【０００６】本発明の目的は、酸化剤排出路中での水分
の滞留を防ぐことによって、酸化剤排出路の閉塞を防止
し、電池寿命の向上と安定した発電性能を維持すること
のできる燃料電池を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の燃料電池は、電解質体(14)の一方の面にア
ノード電極(50)、他方の面にカソード電極(20)を形成し
たセル(12)と、燃料ガスが流通するガスチャンネル(52)
によって形成された燃料室(54)を有する燃料プレート(5
6)と、酸化剤ガスが流通するガスチャンネル(22)によっ
て形成された酸化剤室(24)と酸化剤室(24)へ酸化剤ガス
を供給する酸化剤導入路(28)と、酸化剤室(24)から排出
された酸化剤排ガスを外気へ放出する酸化剤排出路(30)
とを有する酸化剤プレート(26)と、を具えており、セル
(12)のアノード側に燃料室(54)、カソード側に酸化剤室
(24)が対向するように、セル(12)をプレート(56)(26)に
よって挟持してセルユニット(10)を構成し、該セルユニ
ット(10)を複数積層してなる燃料電池において、酸化剤
排出路(30)は、酸化剤室(24)に連通する第１開口部(32)
と、外気に連通する第２開口部(34)を具えており、第２
開口部(34)の幅を、第１開口部(32)よりも狭く形成した
ものである。
【０００８】セルユニット(10)は、略水平方向に積層さ
れ、酸化剤室(24)のガスチャンネル(22)は、略水平方向
に形成されているものにおいて、酸化剤排出路(30)は、
第２開口部(34)の位置を、第１開口部(32)よりも低く形
成してもよい。この場合でも、第２開口部(34)の幅は、
第１開口部(32)よりも狭く形成することが望ましい。
【０００９】
【作用及び効果】酸化剤排出路(30)は、排出路終端側に
位置する第２開口部(34)の幅を、排出路入口側に位置す
る第１開口部(32)よりも狭くすることによって、排出路
終端でのガス圧が高くなり、酸化剤ガスの流速が速くな
る。従って、水分が酸化剤排出路(30)の中で凝縮して
も、排出路(30)から勢いよく排出されるから、排出路(3
0)の閉塞は防止される。また、排出路終端におけるガス
圧が高くなることによって、各ガスチャンネル(22)中の
酸化剤ガスのガス圧が高くなると共にガスが均一に各チ
ャンネル(22)に分配され、セル電圧が向上する。
【００１０】また、第２開口部(34)の位置を、第１開口
部(32)よりも低く形成することによって、排出路(30)の
中で水分が凝縮しても、排出路(30)に付着した水分は自
重によって第２開口部(34)の方へ移動して、外気へ排出
されるため、排出路(30)が閉塞することがない。
【００１１】第２開口部(34)の幅を第１開口部(32)より
も狭く形成すると共に、第２開口部(34)の位置を第１開
口部(32)よりも低く形成することによって、排出路中の
水分は、高められたガス圧と、自重の両方の作用によっ
て外気へ排出され、排出路(30)の閉塞はより確実に防止
される。
【００１２】
【発明の実施の形態】以下では、固体高分子型燃料電池
について説明を行なう、本発明は、リン酸型燃料電池や
メタノール燃料電池などの比較的低温で作動する燃料電
池にも適用できる。 ＜実施形態１＞固体高分子型燃料電池は、図１に示すよ
うに、電解質体(14)の一方の面にアノード電極(50)(図
１では電解質体(14)の背面側にあるので破線で示してい
る)、他方の面にカソード電極(20)を配したセル(12)
と、燃料ガスの供給される燃料室の凹設された燃料プレ
ート(56)と、酸化剤ガスの供給される酸化剤室(24)が凹
設された酸化剤プレート(26)を具え、セル(12)のアノー
ド側に燃料室(54)、カソード側に酸化剤室(24)が対向す
るように、プレート(56)(26)によってセル(12)を挟持し
たセルユニット(10)を複数積層して構成される。なお、
燃料室と酸化剤室を、夫々別個のプレートに形成せず、
１枚のプレート(所謂バイポーラプレート)の一方の面に
燃料室、他方の面に酸化剤室を形成することもできる。
セル(12)とプレート(56)(26)との間には、ガスリークを
防止するシール部材(70)(70)が配備される。なお、図１
では、１セルユニットのみを示している。
【００１３】電解質体(14)は、パーフルオロカーボンス
ルホン酸などのイオン交換膜からなる電解質膜が用いら
れ、電解質体(14)上に形成される電極(50)(20)は、白金
担持カーボンに２０重量％のNafion溶液(アルドリッチ
ケミカル社製)と２０重量％のポリテトラフルオロエチ
レン(ＰＴＦＥ)を含浸させて形成される。電極(50)(20)
の形成された領域が電極反応領域となる。
【００１４】酸化剤プレート(26)は、酸化剤室(24)が形
成された矩形板(40)と、該矩形板(40)の側縁を取り囲む
枠板(42)とから構成される。なお、酸化剤プレート(26)
は１枚のプレートから作製することもできる。矩形板(4
0)は、例えば、多孔質カーボン板などから作製され、カ
ソード電極(20)と対向する反応領域の位置に酸化剤室(2
4)が形成される。酸化剤室(24)には、複数のガスチャン
ネル(22)が平行に凹設されている。また、枠板(42)は、
例えば、パーフェニレンサルファイド樹脂から作製さ
れ、前記矩形板(40)のガスチャンネル(22)に連通するよ
うに、酸化剤導入路(28)と酸化剤排出路(30)が凹設され
ている。酸化剤排出路(30)は、図２に示すように、酸化
剤室(24)に連通する第１開口部(32)と、外気へ連通する
第２開口部(34)を具えており、第２開口部(34)の幅は、
第１開口部(32)よりも狭くなるように形成する。例え
ば、第１開口部(32)の幅を２mm、第２開口部(34)の幅を
１mmにする。
【００１５】燃料プレート(56)は、燃料室(54)が形成さ
れた矩形板(60)を、枠板(62)にはめ込んで形成される。
矩形板(60)は、多孔質カーボン板などから作製され、ア
ノード電極(50)と対向する反応領域の位置に燃料室(54)
が形成される。燃料室(54)には、複数のガスチャンネル
(52)が平行に凹設されており、該ガスチャンネル(52)の
延長上には、燃料ガスを供給するための燃料導入路(58)
と、燃料排ガスを排出するための燃料排出路(59)が凹設
されている。枠板(62)は、例えば、パーフェニレンサル
ファイド樹脂から作製され、前記矩形板(60)のガスチャ
ンネル部分がはめ込まれる開口(63)を有し、該開口(63)
の両側には、燃料室(54)に燃料ガスと水を供給するマニ
ホールド(65)(66)と、燃料排ガスと排水を排出するマニ
ホールド(67)(68)が夫々形成されている。矩形板(60)
は、ガラス状カーボンからなる仕切板(72)と共に枠板(6
2)に埋め込まれて燃料プレート(56)を形成する(図１参
照)。
【００１６】セルユニット(10)は、積層方向が略水平と
なり、酸化剤ガスの流れの向き、即ち酸化剤室(24)のガ
スチャンネル(22)の向きが、図２に示すように、略水平
となるように配置して発電を行なう。このように配置し
た状態で、燃料ガス及び水を、マニホールド(65)(66)か
ら燃料導入路(58)を通って燃料室(54)に供給し、酸化剤
ガスはファン(図示せず)などによって酸化剤導入路(28)
を通って酸化剤室(24)に供給され、発電が行なわれる。
【００１７】燃料室(54)から排出される燃料排ガスと排
水は、マニホールド(67)(68)から排出される。酸化剤排
ガスは、酸化剤排出路(30)から排出される。酸化剤排ガ
スは、上述の通り反応生成水や移動水などを含んでお
り、反応領域から外れた低温の酸化剤排出路(30)中で凝
縮することがあるが、酸化剤排出路(30)は、第１開口部
(32)よりも第２開口部(34)の幅を狭くしているから、第
２開口部(34)における酸化剤排ガスの流速が上昇し、水
分は酸化剤排ガスと共に効果的に排出される。このた
め、酸化剤排出路(30)に水分が滞留したり、滞留した水
分が酸化剤排出路(30)を閉塞することもない。
【００１８】本発明では、反応領域内の酸化剤ガスのガ
スチャンネル幅及び深さは従来のものと同じであるか
ら、酸化剤排出路(30)を上記構成とすることによって、
反応面積が減少することはない。また、酸化剤排出路(3
0)の終端の第２開口部(34)の幅を狭くすることによっ
て、第２開口部(34)におけるガス圧が高くなる。このバ
ックプレッシャーによって、上流側の酸化剤室(24)中を
流通する酸化剤ガスのガス圧が高くなり、酸化剤ガスが
均一に各チャンネル(22)に分配されて、セル電圧が向上
する。
【００１９】＜実施形態２＞本実施形態は、図３に示す
ように、酸化剤排出路(30)の幅を変えずに、終端の第２
開口部(34)の位置を、第１開口部(32)よりも低く形成し
た実施例である。酸化剤排出路(30)以外の構成は、実施
形態１と同じであるため説明を省略する。第２開口部(3
4)の位置を、第１開口部(32)よりも低く形成することに
よって、水分が低温の酸化剤排出路(30)中で凝縮した場
合でも、酸化剤排ガスの流れと、水の自重によって、凝
縮した水分を効果的に排出することができる。このた
め、酸化剤排出路(30)に水分が滞留したり、滞留した水
分が酸化剤排出路(30)を閉塞することもない。
【００２０】＜実施形態３＞本実施形態は、図４及び図
５に示すように、酸化剤排出路(30)の第１開口部(32)を
複数のガスチャンネル(22)に跨って開口するようにした
ものである。図では５本のガスチャンネル(22)に跨って
第１開口部(32)が開口するようにしている。第２開口部
(34)は、幅を第１開口部(32)よりも狭く形成すると共
に、第１開口部(32)よりも低い位置に形成している。酸
化剤排出路(30)以外の構成は、実施形態１と同じである
ため説明を省略する。このように酸化剤排出路(30)を形
成することによって、第２開口部(34)におけるガス圧を
さらに高めることができると共に、水分の自重を利用し
て、水分の排出をより円滑に行なうことができる。な
お、本実施形態では、第２開口部(34)の位置を、第１開
口部(32)よりも低く形成しているが、第２開口部(34)
を、第１開口部(32)に対向する領域に形成することもで
きる。
【００２１】なお、隣り合う酸化剤排出路(30)(30)の間
のリブ(31)は、酸化剤プレート(26)の強度を確保すると
共に、シールに必要な締付圧力に耐える役割を有するた
め、リブ(31)を少なくとも１つ設けるために、酸化剤排
出路(30)は、少なくとも２流路以上形成することが望ま
しい。
【００２２】＜実施形態４＞実施形態１〜３では、酸化
剤プレート(26)を、材質の異なる矩形板(40)と枠板(42)
から構成している。枠板(42)を構成するパーフェニレン
サルファイド樹脂は、矩形板(40)を構成する多孔質カー
ボンよりも撥水性が高く、また、反応領域から外れた枠
板(42)は低温であるため、枠板(42)に形成された酸化剤
排出路(30)で水分が凝縮しやすい。排出路(30)で凝縮し
た水分は、水分は球状の水滴となって排出路(30)に付着
し、酸化剤排出路(30)を閉塞してしまうことがある。こ
のため、酸化剤排出路(30)の撥水性を、酸化剤室(24)と
同等又はそれよりも低くしている。酸化剤排出路(30)の
撥水性を低くするには、枠体(42)の排出路(30)が形成さ
れた部分に親水処理を施せばよい。親水処理は、例え
ば、カーボン８０重量％、フェノール樹脂２０重量％の
混合剤を、酸化剤排出路(30)の表面にスプレー塗布し、
厚さ４０μｍ程度の膜を形成した後、１２０℃で１時間
乾燥させる処理によって行なうことができる。この親水
処理を施すことにより、酸化剤排出路(30)に対する水の
接触角は０度になり、酸化剤排出路(30)中では、水分が
流路壁面に広がった状態で付着するから、酸化剤排出路
(30)が閉塞される可能性は極めて低くなる。
【００２３】
【実施例】上記実施形態１〜４に示した酸化剤排出路(3
0)を具えるセルユニット(10)を作製し、該セルユニット
(10)を５２枚積層した燃料電池を用いて発電を行ない、
セル電圧の変化を経時的に測定した。なお、実施形態４
の燃料電池は、実施形態３に示すセルユニット(10)の酸
化剤排出路(30)に親水処理を施したものを使用した。比
較のため、図７に示すように、酸化剤排出路(30)の幅が
同じで、開口部(32)(34)の位置が同じ高さの酸化剤プレ
ート(26)を用いた燃料電池を作製した(比較例)。
【００２４】試験条件は以下の通りである。 ・電極有効面積：１００cm2 ・電流密度：４００mA/cm2 ・セル温度(電極中央部)：７０℃ ・燃料利用率：９５％(水素ガス) ・酸化剤利用率：４０％(空気)
【００２５】電池電圧の測定結果を図６に示す。図６を
参照すると、実施形態１〜４は、比較例に比べてセル電
圧が高く、また、長期にわたり安定していることがわか
る。
【００２６】上記実施例では、本発明を固体高分子型燃
料電池に適用して説明を行なったが、本発明は、固体高
分子型燃料電池に限定されず、リン酸型燃料電池やメタ
ノール燃料電池などの比較的低温で運転される燃料電池
にも適用でき、同様の作用、効果を発揮することは勿論
である。なお、リン酸型燃料電池の場合、電解質体とし
て、リン酸などの電解質が保持されたセラミック体を例
示することができ、メタノール燃料電池の場合、電解質
体として、アルカリ電解液を含浸した不織布を例示する
ことができる。
【００２７】上記実施例の説明は、本発明を説明するた
めのものであって、特許請求の範囲に記載の発明を限定
し、或は範囲を減縮する様に解すべきではない。又、本
発明の各部構成は上記実施例に限らず、特許請求の範囲
に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池のセルユニットを示す分解斜
視図である。
【図２】本発明の実施形態１の酸化剤プレートを示す正
面図である。
【図３】本発明の実施形態２の酸化剤プレートを示す正
面図である。
【図４】本発明の実施形態３の酸化剤プレートを示す正
面図である。
【図５】図４の酸化剤プレートを拡大して示す斜視図で
ある。
【図６】セル電圧の測定結果を示すグラフである。
【図７】従来の酸化剤プレートを示す正面図である。
【図８】従来の固体高分子型燃料電池のセルユニットの
断面図である。
【符号の説明】
(10) セルユニット (24) 酸化剤室 (26) 酸化剤プレート (30) 酸化剤排出路 (32) 第１開口部 (34) 第２開口部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 三宅 泰夫 大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号 三 洋電機株式会社内 Ｆターム(参考） 5H026 AA04 AA06 CC03 CC10 HH00 HH03

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 電解質体(14)の一方の面にアノード電極
    (50)、他方の面にカソード電極(20)を形成したセル(12)
    と、 燃料ガスが流通するガスチャンネル(52)によって形成さ
    れた燃料室(54)を有する燃料プレート(56)と、 酸化剤ガスが流通するガスチャンネル(22)によって形成
    された酸化剤室(24)と、酸化剤室(24)へ酸化剤ガスを供
    給する酸化剤導入路(28)と、酸化剤室(24)から排出され
    た酸化剤排ガスを外気へ放出する酸化剤排出路(30)とを
    有する酸化剤プレート(26)を具え、 セル(12)のアノード側に燃料室(54)、カソード側に酸化
    剤室(24)が対向するように、セル(12)をプレート(56)(2
    6)によって挟持してセルユニット(10)を構成し、該セル
    ユニット(10)を複数積層してなる燃料電池において、 酸化剤排出路(30)は、酸化剤室(24)に連通する第１開口
    部(32)と、外気に連通する第２開口部(34)を具えてお
    り、第２開口部(34)の幅を、第１開口部(32)よりも狭く
    形成したことを特徴とする燃料電池。
  2. 【請求項２】 セルユニット(10)は、略水平方向に積層
    され、酸化剤室(24)のガスチャンネル(22)は、略水平方
    向に形成されているものにおいて、酸化剤排出路(30)
    は、第２開口部(34)の位置が、第１開口部(32)よりも低
    く形成されている請求項１に記載の燃料電池。
  3. 【請求項３】 電解質体(14)の一方の面にアノード電極
    (50)、他方の面にカソード電極(20)を形成したセル(12)
    と、 燃料ガスが流通するガスチャンネル(52)によって形成さ
    れた燃料室(54)を有する燃料プレート(56)と、 略水平方向に酸化剤ガスが流通するガスチャンネル(22)
    によって形成された酸化剤室(24)と、酸化剤室(24)へ酸
    化剤ガスを供給する酸化剤導入路(28)と、酸化剤室(24)
    から排出された酸化剤排ガスを外気へ放出する酸化剤排
    出路(30)とを有する酸化剤プレート(26)を具え、 セル(12)のアノード側に燃料室(54)、カソード側に酸化
    剤室(24)が対向するように、セル(12)をプレート(56)(2
    6)によって挟持してセルユニット(10)を構成し、該セル
    ユニット(10)を略水平方向に複数積層してなる燃料電池
    において、 酸化剤排出路(30)は、酸化剤室(24)に連通する第１開口
    部(32)と、外気に連通する第２開口部(34)を具えてお
    り、第２開口部(34)の位置が、第１開口部(32)よりも低
    く形成されていることを特徴とする燃料電池。
  4. 【請求項４】 第１開口部(32)は、酸化剤室(24)の複数
    のガスチャンネル(22)に跨って開口している請求項１乃
    至請求項３の何れかに記載の燃料電池。
  5. 【請求項５】 酸化剤排出路(30)の撥水性は、酸化剤室
    (24)の撥水性と同等又はそれより低くしている請求項１
    乃至請求項４の何れかに記載の燃料電池。
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