JP2006210212A

JP2006210212A - 高分子電解質型燃料電池

Info

Publication number: JP2006210212A
Application number: JP2005022436A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Suga; 宏明菅
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2005-01-31
Filing date: 2005-01-31
Publication date: 2006-08-10

Abstract

【課題】高分子電解質型燃料電池の、複数の溝によって構成されるガス流通溝へ供給する酸化剤ガスおよび燃料ガスの流量分配を均一化することで、電池性能の効率を向上させる。
高分子電解質型燃料電池の組立時に導電性セパレータ板の誤組み合わせを防止する。
【解決手段】固体高分子膜の両面に触媒層を含む一対の電極をそれぞれ配置してなるＭＥＡと、ＭＥＡを挟持する複数種類の導電性セパレータ板１１より成る単位電池を複数積層した構成で、燃料ガス入口マニホールド孔１６および酸化剤ガス入口マニホールド孔１４の大きさを、燃料ガスおよび酸化剤ガスが流入する近傍Ｘ，Ｙからアノード側ガス流通溝１３およびカソード側流通溝１２に連通する近傍にかけて連続的に狭くしたことにより、アノード側ガス流通溝１３およびカソード側流通溝１２へガスを均一に分配でき、電池性能の高効率化を可能とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、ポータブル電源、電気自動車用電源、家庭内コージェネシステム等に使用する高分子電解質を用いた燃料電池に関するものである。

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。その構造は次の通りである。まず、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜の両面に、白金系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反応層を形成する。次に、この触媒反応層の外面に、燃料ガスの通気性と、電子導電性を併せ持つガス拡散層を形成する。このガス拡散層と触媒反応層とを合わせて電極と呼ぶ。

次に、供給するガスが外にリークしたり、２種類のガスが互いに混合しないように、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を配置する。このシール材やガスケットは、電極およ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（電極−電解質膜接合体）と呼び、これが単電池を構成する。ＭＥＡの外側には、これを機械的に固定するとともに、隣接したＭＥＡを互いに電気的に直列に接続するための導電性セパレータを配置する。導電性セパレータのＭＥＡとの接触部分には、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を形成する。ガス流路は導電性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流路形状のリブや溝を設けてガス流路とする方式が一般的である。また、導電性セパレータにはガス流路に反応ガスを供給し、ガス流路から生成ガスや余剰ガスを排出するためのマニホールド孔と呼ばれる貫通孔が設けられている。

ＭＥＡと導電性セパレータおよび冷却部とは、交互に１０〜２００セル積層される。その後、集電板と絶縁板を介して、端板で積層体を挟み、締結ボルト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。図２に、ＭＥＡ間に挟持される従来の一般的な導電性セパレータ２１の構造を示す。導電性セパレータ２１の一方の面（カソード面２１ｃ）は電極のカソードと対面し、他方の面（アノード面２１ａ）は別の電極のアノードと対面する。カソード面２１ｃには、カソード側ガス流通溝２２が形成されており、ここへ酸化剤ガス入口マニホールド孔２４から酸化剤ガスが供給され酸化剤ガス出口マニホールド孔２５に排出される。また、アノード面２１ａには、アノード側ガス流通溝２３が形成されており、ここへ燃料ガス入口マニホールド孔２６から燃料ガスが供給され燃料ガス出口マニホールド孔２７に排出される。冷却水流路孔２８および２９には、それぞれ冷却水が流通できるようになっている。図中、破線で示す円Ｘは酸化剤ガス入口マニホールド孔２４に流入する酸化剤ガスの入口管の位置であり、破線で示す円Ｙは燃料ガス入口マニホールド孔２６に流入する燃料ガスの入口管の位置である。
特開２００３−２８２１００号公報

しかしながら、上記従来の構成では、酸化剤ガス入口マニホールド孔２４および燃料ガス入口マニホールド孔２６内で、酸化剤ガス入口管近傍および燃料ガス入口管近傍から離れるほど流速が遅くなり、複数の溝によって構成されるカソード側ガス流通溝２２およびアノード側ガス流通溝２３へ供給する酸化剤ガスおよび燃料ガスの流量分配が不均一になり、電池性能の効率を低下させるという課題を有していた。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、高効率な電池性能の高分子電解質型燃料電池を提供することを目的とする。

上記従来の課題を解決するために、本発明の高分子電解質型燃料電池は、燃料ガス入口マニホールド孔および酸化剤ガス入口マニホールド孔の大きさを、燃料ガスおよび酸化剤ガスが流入する近傍からアノード側ガス流通溝およびカソード側流通溝に連通する近傍にかけて連続的に狭くしたものであり、これによって、燃料ガス入口マニホールド孔および酸化剤ガス入口マニホールド孔内のガス流速が一定化され、複数の溝によって構成されるアノード側ガス流通溝およびカソード側ガス流通溝へ供給する燃料ガスおよび酸化剤ガスの流量分配を均一化することが可能となる。

本発明の高分子電解質型燃料電池は、高効率な電池性能の高分子電解質型燃料電池を提供することができる。

請求項１に記載の発明は、積層された複数の単電池および前記単電池間に挟持された導電性セパレータからなる高分子電解質型燃料電池であって、前記単電池は、アノード、カソード、および前記アノードと前記カソードとの間に挟持された水素イオン伝導性高分子電解質膜からなり、前記導電性セパレータの両面には、それぞれ前記アノードに燃料ガスを供給するためのアノード側ガス流通溝および前記カソードに酸化剤ガスを供給するためのカソード側ガス流通溝が形成されており、前記導電性セパレータは、前記アノード側ガス流通溝へ燃料ガスを供給するための燃料ガス入口マニホールド孔、前記アノード側ガス流通溝から余剰の燃料ガスを排出するための燃料ガス出口マニホールド孔、前記カソード側ガス流通溝へ酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス入口マニホールド孔および前記カソード側ガス流通溝から余剰の酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口マニホールド孔を有し、前記燃料ガス入口マニホールド孔および前記酸化剤ガス入口マニホールド孔の大きさを、前記燃料ガスおよび前記酸化剤ガスが流入する近傍から前記アノード側ガス流通溝および前記カソード側流通溝に連通する近傍にかけて連続的に狭くしたことにより、燃料ガス入口マニホールド孔および酸化剤ガス入口マニホールド孔内のガス流速が一定化され、複数の溝によって構成されるアノード側ガス流通溝およびカソード側ガス流通溝へ供給する燃料ガスおよび酸化剤ガスの流量分配を均一化することが可能となり、高効率な電池性能の高分子電解質型燃料電池を提供することができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明の前記燃料ガス入口マニホールド孔および前記酸化剤ガス入口マニホールド孔の形状を略直角三角形とし、前記アノード側ガス流通溝および前記カソード側流通溝に連通する位置を略直角三角形の直角側の辺の鋭角側近傍に、燃料ガスおよび酸化剤ガスが流入する位置を直角三角形の他方の直角側の辺の中点近傍としたことにより、燃料ガス入口マニホールド孔および酸化剤ガス入口マニホールド孔内のガス流速が一定化され、複数の溝によって構成されるアノード側ガス流通溝およびカソード側ガス流通溝へ供給する燃料ガスおよび酸化剤ガスの流量分配を均一化することが可能となり、高効率な電池性能の高分子電解質型燃料電池を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によってこの発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１における高分子電解質型燃料電池の導電性セパレータの裏表の上面図を示すものである。

図１の導電性セパレータ１１はＭＥＡ間に挟持される構造である。導電性セパレータ１１の一方の面（カソード面１１ｃ）は電極のカソードと対面し、他方の面（アノード面１１ａ）は別の電極のアノードと対面する。カソード面１１ｃには、カソード側ガス流通溝１２が形成されており、ここへ酸化剤ガス入口マニホールド孔１４から酸化剤ガスが供給され酸化剤ガス出口マニホールド孔１５に排出される。また、アノード面１１ａには、アノード側ガス流通溝１３が形成されており、ここへ燃料ガス入口マニホールド孔１６から燃料ガスが供給され燃料ガス出口マニホールド孔１７に排出される。冷却水流路孔１８および１９には、それぞれ冷却水が流通できるようになっている。図中、破線で示す円Ｘは酸化剤ガス入口マニホールド孔１４に流入する酸化剤ガスの入口管の位置であり、破線で示す円Ｙは燃料ガス入口マニホールド孔１６に流入する燃料ガスの入口管の位置である。燃料ガス入口マニホールド孔１６および酸化剤ガス入口マニホールド孔１４の形状は、略直角三角形とし、アノード側ガス流通溝１３およびカソード側流通溝１２に連通する位置を略直角三角形の直角側の辺の鋭角側近傍に、燃料ガスおよび酸化剤ガスが流入する位置を直角三角形の他方の直角側の辺の中点近傍とした構成である。

以上のように構成された、高分子電解質型燃料電池について、以下その動作、作用を説明する。

燃料ガスは、燃料ガスの入口管Ｙの位置より燃料ガス入口マニホールド孔１６に流入し、アノード側ガス流通溝１３へと流れていく。また、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口マニホールド孔１４に流入し、カソード側流通溝１２へと流れていき、ＭＥＡにおいて、電気化学反応がおこり、電気が発生する。

このとき、燃料ガス入口マニホールド孔１６および酸化剤ガス入口マニホールド孔１４の形状は、略直角三角形とし、アノード側ガス流通溝１３およびカソード側流通溝１２に連通する位置を略直角三角形の直角側の辺の鋭角側近傍に、燃料ガスおよび酸化剤ガスが流入する位置を直角三角形の他方の直角側の辺の中点近傍とした構成とすることで、流量が減少するとともに流路面積も減少するので、燃料ガス入口マニホールド孔１６および酸化剤ガス入口マニホールド孔１４内を流れる燃料ガスおよび酸化剤ガスの流速が一定化され、アノード側ガス流通溝１３およびカソード側流通溝１２に均一に分配できることになり、高効率な電池性能を得ることができる。

以上のように、本発明にかかる高分子電解質型燃料電池は、高効率な電池性能を提供することが可能となるので、ポータブル電源、電気自動車用電源、家庭内コージェネシステム等に使用する高分子電解質を用いた燃料電池等の用途にも適用できる。

本発明の実施の形態１における高分子電解質型燃料電池の導電性セパレータの裏表の上面図従来の高分子電解質型燃料電池の導電性セパレータの裏表の上面図

符号の説明

１１，１１ａ，１１ｃ導電性セパレータ
１２カソード側ガス流通溝
１３アノード側ガス流通溝
１４酸化剤ガス入口マニホールド孔
１５酸化剤ガス出口マニホールド孔
１６燃料ガス入口マニホールド孔
１７燃料ガス出口マニホールド孔
１８，１９冷却水流路溝

Claims

積層された複数の単電池および前記単電池間に挟持された導電性セパレータからなる高分子電解質型燃料電池であって、前記単電池は、アノード、カソード、および前記アノードと前記カソードとの間に挟持された水素イオン伝導性高分子電解質膜からなり、前記導電性セパレータの両面には、それぞれ前記アノードに燃料ガスを供給するためのアノード側ガス流通溝および前記カソードに酸化剤ガスを供給するためのカソード側ガス流通溝が形成されており、前記導電性セパレータは、前記アノード側ガス流通溝へ燃料ガスを供給するための燃料ガス入口マニホールド孔、前記アノード側ガス流通溝から余剰の燃料ガスを排出するための燃料ガス出口マニホールド孔、前記カソード側ガス流通溝へ酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス入口マニホールド孔および前記カソード側ガス流通溝から余剰の酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口マニホールド孔を有し、前記燃料ガス入口マニホールド孔および前記酸化剤ガス入口マニホールド孔の大きさを、前記燃料ガスおよび前記酸化剤ガスが流入する近傍から前記アノード側ガス流通溝および前記カソード側流通溝に連通する近傍にかけて連続的に狭くした高分子電解質型燃料電池。
前記燃料ガス入口マニホールド孔および前記酸化剤ガス入口マニホールド孔の形状を略直角三角形とし、前記アノード側ガス流通溝および前記カソード側流通溝に連通する位置を略直角三角形の直角側の辺の鋭角側近傍に、燃料ガスおよび酸化剤ガスが流入する位置を直角三角形の他方の直角側の辺の中点近傍とした請求項１に記載の高分子電解質型燃料電池。