JP2007329009A

JP2007329009A - 固体高分子型燃料電池

Info

Publication number: JP2007329009A
Application number: JP2006158979A
Authority: JP
Inventors: Yoji Naka; 洋史仲; Hiroshi Chizawa; 洋知沢
Original assignee: Toshiba Fuel Cell Power Systems Corp
Current assignee: Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Priority date: 2006-06-07
Filing date: 2006-06-07
Publication date: 2007-12-20

Abstract

【課題】電解質膜の加湿状態を維持しながら、コンパクト性と信頼性とを確保することができる固体高分子型燃料電池を提供する。
【解決手段】セパレータ１の表面に、第１の反応ガス流路２と第２の反応ガス流路３とを設け、両反応ガス流路に供給される反応ガスが、同一極内のセパレータ表面において隣接する対向流となるように構成する。第１の反応ガス流路２及び第２の反応ガス流路３の入口部５ａ、５ｂに多孔質体からなる加湿領域１０ａ、１０ｂを配設すると共に、出口部６ａ、６ｂに多孔質体からなる吸湿領域１１ａ、１１ｂを配設し、加湿領域１０ａと吸湿領域１１ｂが互いに接触するように、また、吸湿領域１１ａと加湿領域１０ｂが互いに接触するように配置し、加湿領域１０と吸湿領域１１の間で水分のやりとりが行われるように構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体高分子型燃料電池に係り、特にガス加湿方法に改良を施した固体高分子型燃料電池に関するものである。

燃料電池は電解質の違い等により様々なタイプのものに分類されるが、電解質に固体高分子電解質膜を用いた固体高分子型燃料電池は、低温動作性や高出力密度等の特徴から、一般家庭用を視野に入れた小型コージェネレーションシステムや電気自動車用の動力源としての用途に適しており、今後、市場規模が急激に拡大することが予想されている。

この固体高分子型燃料電池は、一般家庭用の定置用小型コージェネレーションシステムを例にとると、都市ガスやＬＰＧ等に代表される炭化水素系燃料から水素含有ガスを製造する改質装置、改質装置で製造された水素含有ガスと大気中の空気を燃料極および酸化剤極にそれぞれ供給して起電力を発生させる燃料電池スタック、燃料電池スタックで発生した電気エネルギーを外部負荷に供給する電気制御装置、および発電に伴う発熱を回収する熱利用系で構成されている。

このように、燃料電池発電システムの運転には燃料の投入が前提となるため、燃料投入量に対する発電量で定義される発電効率が高いほど、燃料使用量の削減が実現でき、ユーザーメリットが高くなる。したがって、発電効率が燃料電池発電システムの性能を示す指標となっている。

このような燃料電池発電システムにおいて、実際に発電機能を担っている燃料電池スタックには、運転に伴う様々な要因により経時的に電圧が低下し、結果として発電効率が低下するという問題点がある。そのため、燃料電池スタックの経時的な電圧低下を抑制することやそれを回復させることが、発電効率の高い燃料電池発電システムを提供する上で、最も重要なポイントとなっている。

すなわち、燃料電池発電システムの燃料電池スタックにおいては、固体高分子電解質膜の特性を良好な状態に維持するために、その発電原理上、電解質膜の乾燥を防止し、一定の加湿状態を維持しつつ運転を続ける必要がある。この加湿方式を大きく分けると、燃料電池スタックの外部から加湿を行う外部加湿方式と、内部から加湿を行う内部加湿方式とがある。なお、前記内部加湿方式は、燃料電池スタックの外部に加湿器を配置する必要がないため、取り扱いやコンパクト性に優れているという利点がある。

このような加湿方式については、従来から種々の提案がなされている。例えば、特許文献１には、燃料極の加湿が不足がちとなるために、多量に水分が発生する酸化剤極から絶縁透過膜などを通して燃料極へ水分を補給する方式が示されている。また、特許文献２には、酸化剤極及び燃料極のそれぞれに反応ガスを供給する反応ガス供給路を有する多孔質板の背面側に加湿流路面を設け、この多孔質板を積層方向に配置し、各々の極で発生した水分を、前記多孔質板を介して反応ガスに供給する方式が示されている。
特開２００２−２５５８４号公報特開２００４−２７３１６０号公報

しかしながら、特許文献１に示された加湿方式では、加湿のために酸化剤極と燃料極との間で湿分のやりとりがあるために、ガスクロスリークが発生する危険性があった。また、特許文献２に示された加湿方式では、反応ガス供給路を有する多孔質板の背面側に加湿流路面を設け、この多孔質板を積層方向に配置しているため、積層方向の寸法が大幅に増大し、コンパクトな構成を実現することが困難であるという問題点があった。

本発明は、上述したような従来技術の問題点を解消するために提案されたものであり、その目的は、電解質膜の加湿状態を維持しながら、コンパクト性と信頼性とを確保することができる固体高分子型燃料電池を提供することにある。

上記の目的を達成するため、本発明は、燃料電池における発電反応が、燃料極から得られたプロトン（Ｈ⁺）が固体高分子膜を介して酸化剤極へ移動し、酸化剤極においてそのプロトンと酸素とが化合することで水が生成されるという特徴に鑑みてなされたものである。すなわち、この化学反応の原理上、各電極において、反応ガスの入口部分にはドライなガスが供給されても、反応ガスの出口部分では湿分の高いガスが排出されるという点に着目してなされたものである。

すなわち、請求項１に記載の発明は、電解質を挟んで配置した燃料極と酸化剤極とを有し、前記燃料極の燃料ガス入口部から反応前の燃料ガスを供給し、燃料ガス出口部から反応後の燃料ガスが排出され、前記酸化剤極の酸化剤ガス入口部から反応前の酸化剤ガスを供給し、酸化剤ガス出口部から反応後の酸化剤ガスが排出されるように構成された固体高分子型燃料電池において、前記燃料極の燃料ガス入口部に加湿領域を設けると共に、燃料ガス出口部に吸湿領域を設け、前記加湿領域と吸湿領域とが互いに接触するように配設し、前記吸湿領域に保持された水分が前記加湿領域へ移動できるように構成したことを特徴とするものである。

上記の構成を有する請求項１に記載の発明によれば、燃料ガス入口部に供給される燃料ガスの加湿が不足がちとなる燃料極において、発電反応によって生成される水分を燃料ガス出口部に設けた吸湿領域に保持し、保持された水分を、この吸湿領域に接触して配設された加湿領域に適宜移動させることにより、燃料ガスの加湿を効率良く実施することができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の固体高分子型燃料電池において、前記酸化剤極の酸化剤ガス入口部に加湿領域を設けると共に、酸化剤ガス出口部に吸湿領域を設け、前記加湿領域と吸湿領域とが互いに接触するように配設し、前記吸湿領域に保持された水分が前記加湿領域へ移動できるように構成したことを特徴とするものである。

上記の構成を有する請求項２に記載の発明によれば、燃料極だけでなく、酸化剤極においても、発電反応によって生成される水分を酸化剤ガス出口部に設けた吸湿領域に保持し、保持された水分を、この吸湿領域に接触して配設された加湿領域に適宜移動させることにより、酸化剤ガスの加湿を効率良く実施することができる。

請求項３及び請求項４に記載の発明は、加湿領域と吸湿領域とを互いに接触するように配設するための具体的な手段を規定したものであり、請求項５に記載の発明は、加湿領域と吸湿領域の構成部材を規定したものである。また、請求項６に記載の発明は、加湿領域と吸湿領域の接触部に水透過層を配設することにより、ガスは通さないが、水は通すことができるので、ショートパスの発生を確実に防ぐことができる。

以上のような本発明によれば、電解質膜の加湿状態を維持しながら、コンパクト性と信頼性とを確保することができる固体高分子型燃料電池を提供することができる。

以下、本発明に係る固体高分子型燃料電池を適用した実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

（１）第１実施形態
（１−１）構成
本実施形態においては、図１に示すように、燃料極及び酸化剤極のそれぞれに反応ガスを供給するための反応ガス流路が形成されるセパレータ１の表面に、図中左方向から反応ガスを供給する第１の反応ガス流路２と、図中右方向から反応ガスを供給する第２の反応ガス流路３とが設けられ、両反応ガス流路に供給される反応ガスが、同一極内のセパレータ表面において隣接する対向流となるように構成されている。なお、前記第１の反応ガス流路２と第２の反応ガス流路３との間は、反応ガス流路の凸部からなる隔壁４によって仕切られている。

また、前記第１の反応ガス流路２及び第２の反応ガス流路３の入口部５ａ、５ｂには、両反応ガス流路に供給されるドライなガスを加湿するための多孔質体からなる加湿領域１０ａ、１０ｂがそれぞれ配置されると共に、出口部６ａ、６ｂには、発電反応により生成した水分を捕集するための多孔質体からなる吸湿領域１１ａ、１１ｂがそれぞれ配置されている。

そして、図１のＡ部に示すように、第１の反応ガス流路２の入口部５ａに配置された加湿領域１０ａと、第２の反応ガス流路３の出口部６ｂに配置された吸湿領域１１ｂとが互いに接触するように隣接して配置され、両者間で水分のやりとりが行われるように構成されている。同様に、図１のＢ部に示すように、第１の反応ガス流路２の出口部６ａに配置された吸湿領域１１ａと、第２の反応ガス流路３の入口部５ｂに配置された加湿領域１０ｂとが互いに接触するように隣接して配置され、両者間で水分のやりとりが行われるように構成されている。

このように、セパレータ１に反応ガス流路を形成する際に、図中左側端部に配置された加湿領域１０ａと吸湿領域１１ｂ、また、図中右側端部に配置された吸湿領域１１ａと加湿領域１０ｂとが互いに接触するように隣接して配置することにより、多孔質体特有の毛細管現象により、多孔質体に保持された水は、その水分量が過剰な領域から乾燥した領域へ移動して平衡状態となる特性を持っているため、吸湿領域１１ａ、１１ｂにおいて保持された水分は、吸湿領域１１ａ→加湿領域１０ｂ、また、吸湿領域１１ｂ→加湿領域１０ａに移動し、入口部５ａ、５ｂに供給されたドライガスは、加湿領域１０ａ、１０ｂを通過する際に加湿される。

なお、前記加湿領域１０及び吸湿領域１１は共に多孔質体により構成することが好ましいが、これに限らず、その構成部材に親水性を持たせる等の処理をして、多孔質体と同等の機能を得ることができれば、必ずしも多孔質体である必要はない。また、前記加湿領域１０と吸湿領域１１は、機能こそ異なるが、水の吸収蒸発の原理上、同一の材料から構成しても良いことは言うまでもない。

なお、図１に示した本実施形態においては、反応ガス入口部５ａ、５ｂと反応ガス出口部６ａ、６ｂとが２箇所ずつあるので、加湿領域１０と吸湿領域１１も２箇所ずつ各流路に配置されている。

（１−２）作用
次に、上記のような構成を有する固体高分子型燃料電池における吸加湿サイクルのメカニズムについて説明する。

通常、燃料電池発電中においては、発電による水の生成と反応ガス供給によるドライガス供給とが同時に行われる。このため、反応ガス流路の出口側に配置された吸湿領域１１においては、発電によって生成された水は、吸湿領域１１を構成する多孔質体内に吸湿され保持される。一方、反応ガス流路の入口側に配置された加湿領域１０においては、多孔質体の特性で湿分を保持する特性はあるものの、ドライガスの供給部分となるために、湿度の平衡状態を維持しようとして、水分の蒸発が行われ易い環境となっている。

本実施形態においては、各電極に隣接して配置されるセパレータに形成される反応ガス流路を、その反応ガス流路に供給される反応ガスが、同一極内のセパレータ表面において、隣接する対向流として供給されるように構成することにより、発電により生成された水が、反応ガス出口側に配置された吸湿領域１１によって捕集される。

特に、本実施形態においては、吸湿領域１１と加湿領域１０とは多孔質体で形成され、それらが互いに接触するように隣接して配置されているため、多孔質体特有の毛細管現象により、吸湿領域１０において保持された水分は、水分が過剰な領域から乾燥した領域へ移動し、平衡状態となる特性を持っている。

すなわち、反応ガス入口部に設置される加湿領域１０においては、発電中はドライガスが常時供給されるために、加湿領域１０から常時水分が蒸発してドライガスを加湿する。このようなドライガスの加湿処理に伴って、加湿領域１０は乾燥気味になるが、この乾燥状態により、隣接する吸湿領域１１に保持された水分が加湿領域１０に移動し、加湿領域１０に水分が補給される。すなわち、吸湿領域１１での吸湿、吸湿領域１１から加湿領域１０への水分移動、加湿領域１０でのドライガスの加湿という吸加湿サイクルが成立する。

（１−３）効果
このように、本実施形態によれば、燃料極或いは酸化剤極のうち少なくとも一方の反応ガスの入口部及び出口部に、多孔質体から成る加湿領域１０と吸湿領域１１を配置し、両者を互いに隣接させて水分の移動を可能とするというシンプルな構成とすることにより、反応ガス出口部分の吸湿によるフラディングを解消することができる。また、反応ガス入口部分においては、供給されるドライガスを効率良く加湿することができるので、電解質膜の乾燥を防止することができ、湿分保持に有効である。

また、吸湿領域１１と加湿領域１０を構成する多孔質体に満たされる水分のために、面方向における入口と出口とのガス遮断性能が維持されるので、いわゆるウエットシールが形成され、優れたガスシール性を得ることができる。

（２）第２実施形態
本実施形態は、急激な負荷上昇によるガス流量の増加や経時的な特性劣化によるガス流量の増加によって、第１の反応ガス流路２と第２の反応ガス流路３との間の差圧が上昇することによりシール性が損なわれる場合、あるいは、長期間の停止中において、水分そのものが蒸発することによりシール性が損なわれる場合に、反応ガスが隣接部分で面内をショートパスし、発電を妨げるおそれがあることに鑑みてなされたものである。すなわち、ショートパスを未然に防ぐことを目的としている。

（２−１）構成
本実施形態は、上記第１実施形態の変形例であって、図２に示すように、前記第１の反応ガス流路２と第２の反応ガス流路３との間に、ガスは通さないが水は透過することができる水透過層２０が配置されている。その他の構成は、上記第１実施形態と同様であるので、説明は省略する。

（２−２）作用・効果
上記の構成を有する本実施形態においては、第１の反応ガス流路２と第２の反応ガス流路３との間に水透過層２０を配置することにより、加湿領域１０と吸湿領域１１が隣接する部分において、ガスは通さないが、水は通すことができるので、前記第１実施形態と同様の作用・効果が得られるだけでなく、ショートパスの発生を確実に防ぐことができる。

（３）第３実施形態
上記第１実施形態及び第２実施形態においては、反応ガスの供給口がセパレータの左右両側に設けられているため、吸湿領域１１および加湿領域１０がそれぞれ２箇所必要となる。本実施形態においては、反応ガス流路をリターンフローとすることにより、吸湿領域１１および加湿領域１０をそれぞれ１箇所としたものである。

（３−１）構成
本実施形態は、上記第１実施形態及び第２実施形態の変形例であって、図３に示すように、第１の反応ガス流路２と第２の反応ガス流路３がリターン部３０により接続され、反応ガスの入口部５及び出口部６がそれぞれ１箇所とされ、それに伴い、吸湿領域１１および加湿領域１０もそれぞれ１箇所ずつとされている。なお、吸湿領域１１および加湿領域１０は互いに隣接するように配置され、両者間で水分のやりとりが行われるように構成されている。

（３−２）作用・効果
上記のような構成を有する本実施形態によれば、第１の反応ガス流路２と第２の反応ガス流路３をリターン部３０により接続することにより、反応ガスの入口部５及び出口部６をそれぞれ１箇所とすることができるだけでなく、セパレータの同一側面に配置することができるので、上記第１実施形態又は第２実施形態と同様の作用・効果が得られるだけでなく、吸湿領域１１と加湿領域１０の設置個数を削減することができ、構成の簡略化を図ることができる。

（４）第４実施形態
本発明は、上記第３実施形態の変形例であって、反応ガス流路の構成を変更することにより、吸湿領域１１と加湿領域１０との隣接部位を増やし、ドライガスへの加湿信頼性を高めたものである。

（４−１）構成
すなわち、本実施形態においては、図４に示すように、図中左方向から供給される第１の反応ガス流路２をセパレータの中央部に配置し、リターン部３０によって反転したガス流を、前記第１の反応ガス流路２の両側に配置された第２の反応ガス流路３１及び第３の反応ガス流路３２に導入するように構成されている。

このような構成とすることにより、反応ガスの入口部５は１箇所、また、出口部６は２箇所となり、それに伴い加湿領域１０は１箇所、吸湿領域１１は２箇所となる。なお、吸湿領域１１および加湿領域１０は互いに隣接するように配置され、両者間で水分のやりとりが行われるように構成されている。

（４−２）作用・効果
上記のような構成を有する本実施形態によれば、第１の反応ガス流路２をセパレータの中央部に配置し、リターン部３０によって反転したガス流を、前記第１の反応ガス流路２の両側に配置された第２の反応ガス流路３１及び第３の反応ガス流路３２に導入するように構成することにより、反応ガスの入口部５及び出口部６をセパレータの同一側面に配置することができる。また、加湿領域１０は１箇所であるのに対して、吸湿領域１１は２箇所となるため、加湿領域１０への水分補給が十分なものとなるため、加湿特性の優れた固体高分子型燃料電池を提供することができる。

（５）他の実施形態
本発明は、上述した各実施形態に限定されるものではなく、以下のような薄型燃料電池に適用することもできる。すなわち、図５に示した例は、上記第４実施形態を薄型燃料電池に適用したものであるが、この場合、図５に示すように、吸湿領域１１と加湿領域１０とをセル内部のほぼ全体に組み込むことが好ましい。

また、前記吸湿領域１１と加湿領域１０で性能が確保できれば、これらを必ずしもセル内部に組み込む必要はなく、図６に示すように、反応ガスの入口部及び出口部の外側面に設けても良い。例えば、乾燥固化すると親水作用を有する多孔質（層）となる材料（例えば、多孔質カーボン及び酸化チタン等の親水剤）を基材となる塗料に加えて混合し、これを反応ガスの入口部及び出口部の外側面に塗布しても良い。

このように、図６に示した燃料電池においては、予め加湿領域等を設けなくても、乾燥固化する液状物質を用いることにより、簡便な方法で加湿領域等を作製することができる。また、加湿領域等を反応ガスの入口部及び出口部の外側面に容易に形成することができるので、セルの発電領域を低減させることもない。

また、上記の各実施形態においては、セパレータに反応ガス流路が形成される場合について説明したが、本発明は、電解質膜を挟んでアノードガス拡散層及びカソードガス拡散層が配置される固体高分子型燃料電池に適用できることは言うまでもない。

本発明に係る固体高分子型燃料電池の第１実施形態におけるセパレータ表面の構成を示す平面図。本発明に係る固体高分子型燃料電池の第２実施形態におけるセパレータ表面の構成を示す平面図。本発明に係る固体高分子型燃料電池の第３実施形態におけるセパレータ表面の構成を示す平面図。本発明に係る固体高分子型燃料電池の第４実施形態におけるセパレータ表面の構成を示す平面図。本発明に係る固体高分子型燃料電池の他の実施形態におけるセパレータ表面の構成を示す平面図。本発明に係る固体高分子型燃料電池の他の実施形態におけるセパレータ表面の構成を示す平面図。

符号の説明

１…セパレータ
２…第１の反応ガス流路
３…第２の反応ガス流路
４…隔壁
５、５ａ、５ｂ…入口部
６、６ａ、６ｂ…出口部
１０…加湿領域
１１…吸湿領域
２０…水透過層
３０…リターン部

Claims

電解質を挟んで配置した燃料極と酸化剤極とを有し、
前記燃料極の燃料ガス入口部から反応前の燃料ガスを供給し、燃料ガス出口部から反応後の燃料ガスが排出され、
前記酸化剤極の酸化剤ガス入口部から反応前の酸化剤ガスを供給し、酸化剤ガス出口部から反応後の酸化剤ガスが排出されるように構成された固体高分子型燃料電池において、
前記燃料極の燃料ガス入口部に加湿領域を設けると共に、燃料ガス出口部に吸湿領域を設け、前記加湿領域と吸湿領域とが互いに接触するように配設し、前記吸湿領域に保持された水分が前記加湿領域へ移動できるように構成したことを特徴とする固体高分子型燃料電池。
前記酸化剤極の酸化剤ガス入口部に加湿領域を設けると共に、酸化剤ガス出口部に吸湿領域を設け、前記加湿領域と吸湿領域とが互いに接触するように配設し、前記吸湿領域に保持された水分が前記加湿領域へ移動できるように構成したことを特徴とする請求項１に記載の固体高分子型燃料電池。
前記燃料ガス及び／又は酸化剤ガスの各流路を２以上に区分された流路から構成し、隣接する流路におけるガス流が対向流となるように構成することにより、前記加湿領域と吸湿領域とが互いに接触するように配設したことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の固体高分子型燃料電池。
前記燃料ガス及び／又は酸化剤ガスの各流路にリターン部を設け、前記リターン部によってガス流を反転させることにより、前記ガス入口部とガス出口部とが同じ側に位置するように構成することにより、前記加湿領域と吸湿領域とが互いに接触するように配設したことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の固体高分子型燃料電池。
前記加湿領域及び吸湿領域が、多孔質体によって構成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一に記載の固体高分子型燃料電池。
前記加湿領域と吸湿領域の接触部に水透過層を配設したことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一に記載の固体高分子型燃料電池。