JP4842616B2

JP4842616B2 - 積層形燃料電池

Info

Publication number: JP4842616B2
Application number: JP2005314865A
Authority: JP
Inventors: 貴彰水上; 秀和藤村; 奥澤　　務; 明彦野家
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2005-10-28
Filing date: 2005-10-28
Publication date: 2011-12-21
Anticipated expiration: 2025-10-28
Also published as: JP2007123106A

Description

本発明は、積層形燃料電池に係り、特に固体高分子形燃料電池を複数個積層した積層形燃料電池に関する。

近年、固体高分子膜の電気化学的特性が向上したことにより、オンサイト型分散電源として家庭用固体高分子形燃料電池システムの実現が期待されるようになってきた。この家庭用燃料電池システムの商用化時には、従来の発電システムよりも高い発電効率、安全性、低コスト化が期待されている。家庭用燃料電池システムの発電効率向上のために、主要機器である固体高分子形燃料電池の効率向上も求められている。

固体高分子形燃料電池では、発電中に次の反応式で表される化学反応によって水が生成する。

アノード側Ｈ_２ → ２Ｈ^＋＋２ｅ⁻
カソード側１／２Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻ → Ｈ_２Ｏ
全反応Ｈ_２＋１／２Ｏ_２ → Ｈ_２Ｏ
生成した水は、カソードから酸化剤ガス流路へ蒸気または水として流出する。また、アノードで凝縮した水は、アノードから燃料ガス流路へ、或いは、電解質膜内を浸透してカソードへ蒸気または水として流出する。

燃料電池において、ガス流路に流出した水または流路内で凝縮した水は、自身以外の水滴と合流して流路を閉塞するおそれがある。

また、酸化剤ガスや燃料ガスは蒸気を含んだ状態で燃料電池に供給されるため、その一部がマニホールド内で凝縮して、単位セルのガス流路に流入して流路を閉塞するおそれがある。

凝縮水によるガス流路の閉塞により、各単位セルへ供給する反応ガスの流量配分に偏りが生じ、電池性能は低下する。

このような背景から、単位セルの反応流路の途中に各単位セルを連結するマニホールドを配置することによって、各単位セルへの流量配分を均等にする燃料電池が提案されている(例えば、特許文献１，２参照)。

特開２０００−８２４８２号公報特開２０００−１００４５８号公報

従来技術のように、単位セルの反応流路の途中に各単位セルを連結するマニホールドを配置した場合には、単位セルの面内の凝縮水を除去して、各単位セルへの流量配分を均等にすることができ、燃料電池の性能低下を防ぐことができる。

しかし、反応流路の途中に設置した各単位セルを連結するマニホールドに滞留した凝縮水が、再び単位セルのガス流路に流れ込んで、各単位セルへ供給する反応ガスの流量配分に偏りを生じさせ、電池性能が低下するおそれがある。

また、システム起動時、気温低下時などで燃料電池の温度が低く、配管での凝縮水が燃料電池に流れ込む場合には、マニホールドから単位セルのガス流路に凝縮水が流れ込み、前述のような理由で電池性能が低下するおそれがある。

本発明の目的は、発電によって生成した水または水蒸気の凝縮水が単位セルの反応ガス流路内に流れ込んだ場合でも、素早く排水を行うことによって、発電効率が高く、安定した発電性能が得られるようにした積層形燃料電池を提供することにある。

本発明は、単位セル内のガス流路を複数に分割することにより、反応ガスの流路長を短縮し、反応ガス流路に凝縮水が流入した場合や、反応ガス流路内で凝縮水が生成した場合に、凝縮水の反応ガス流路内での滞留時間を短くすることにある。具体的には、電解質と一対の電極および２枚のガスセパレータによって単位セルを構成し、前記ガスセパレータに燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給するマニホールドを形成し、単位セルを積層して両端を締付板で締付けるようにした積層形燃料電池において、マニホールドを複数設置して単位セル内のガス流路を分割したことにある。

単位セル内のガス流路を複数に分割したことにより、反応ガスの流路長は分割数分だけ短縮される。したがって、反応ガス流路に凝縮水が流入した場合や、反応ガス流路内で凝縮水が生成した場合に、凝縮水の反応ガス流路内での滞留時間は短くなる。これにより、各単位セルへ供給する反応ガスの流量配分が均等になり、発電効率が向上し、発電出力が安定化する。

本発明による積層形燃料電池の実施形態を下記に示す。
（１）電解質と一対の電極および２枚のガスセパレータを含み、ガスセパレータに燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給するマニホールドが形成された単位セルを複数個積層して両端を締付板で締付ける構造の積層形燃料電池において、マニホールドを複数設置して単位セル内のガス流路を分割し、前記締付板にマニホールドを接続する流路を配置して単位セル内の分割された流路を直列に接続する。これにより、単位セル内の分割された流路を直列に接続することが可能となり、積層形燃料電池の構造を簡略化することができる
（２）電解質と一対の電極および２枚のガスセパレータを含み、ガスセパレータに燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給するマニホールドが形成された単位セルを複数個積層して両端を締付板で締付けるようにした積層形燃料電池において、マニホールドを複数設置して単位セル内のガス流路を分割し、凝縮水が滞留する出口側マニホールド間に凝縮水が流通する流路を設け、上流の出口側マニホールドに滞留した凝縮水を下流の出口側マニホールドへ排出する。これにより、上流の出口側マニホールドに滞留していた凝縮水を下流の出口側マニホールドに流通させることが可能になる。
（３）電解質と一対の電極および２枚のガスセパレータによって単位セルを構成し、ガスセパレータに燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給するマニホールドを設け、単位セルを複数個積層して両端を締付板で締付けるようにした積層形燃料電池において、マニホールドを複数設置して単位セル内のガス流路を分割し、前記締付板にマニホールドを接続する流路を設けて単位セル内の分割された流路を直列に接続し、直列に接続された流路の最終流路よりも一つ手前の出口側マニホールドに凝縮水を電池外部に排出する機構を設ける。これによって、各マニホールドの接続流路を反応ガスが流通した場合でも、反応ガスが排ガスラインに直接流れ込むことがないために、発電効率が向上し、発電出力が安定化するという効果が得られる。
（４）電解質と一対の電極および２枚のガスセパレータを含み、ガスセパレータに燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給するマニホールドが形成された単位セルを複数個積層して両端を締付板で締付けるようにした積層形燃料電池において、マニホールドを複数個設置して単位セル内のガス流路を分割し、出口側マニホールド間に凝縮水が流通する流路を設けて上流の出口側マニホールドに滞留した凝縮水が下流の出口側マニホールドへ排出されるようにし、前記凝縮水が流通する流路に気体の流れ込みを防止する機構を備える。これにより、凝縮水を流通する流路への気体の流れ込みを防止できる。

なお、単位セル内の分割数は、反応ガス流量が多いものでは少なく、逆に反応ガス流量が少ないものでは多くすることが望ましい。反応ガスの流量に応じてガス流路の分割数を変えることによって、反応ガスの流速を制御し、流路の圧力損失を抑えることができる。また、反応ガスの流速を制御することにより、凝縮水の反応ガス流路内での滞留時間を短くでき、発電効率を向上し、発電出力が安定化するという効果がある。

以下、本発明の実施例について図面を用いて説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

図１は、積層形燃料電池１０の構成を示している。本実施例の単位セルは、電解質膜１とそれを両側から挟むアノード２（燃料極）とカソード３（空気極）よりなる一対の電極、隣接する単位セル間を仕切るガスセパレータ５およびシール材４により構成されている。ガスセパレータ５の役割は、隣接するセルの酸化剤ガス(通常は空気が用いられる)と燃料ガスとを分離すると共に、セル間を電気的に接続することにある。ガスセパレータ５のアノード２側の面には燃料ガスを流すためのガス流路が形成され、カソード側の面には酸化剤ガスを流すためのガス流路が形成されている。シール材４は、燃料ガスと酸化剤ガスの積層電池外部への漏洩およびマニホールド内での混合を防止する役割をしている。

本実施例では、単位セルまたは複数の単位セルを積層した積層体の冷却のために冷却水セパレータ７が配置されている。また、単位セル６と冷却水セパレータ７を複数積層し、積層体の両端に締付板９を配置して全体を締付けることにより積層形燃料電池１０を構成している。単位セル６に燃料ガスや酸化剤ガスを供給するため、および、冷却水セパレータ７に冷却水を供給するために、シール材４、ガスセパレータ５、冷却水セパレータ７および締付板９にはそれぞれマニホールド８が形成されている。

図２はガスセパレータ５の構造を示したものである。図中の矢印はガスの流れ方向を示している。反応ガスは右上の入口側マニホールド８ａから供給され、中央下の出口側マニホールド８ｂに排出される。さらに、中央上の入口側マニホールド８ｃからも反応ガスは供給され、左下の出口側マニホールド８ｄに排出される。また、出口側マニホールド８ｂ，８ｄでは、凝縮水と反応ガスが分離される。このように単位セル内のガス流路を複数に分割することにより、反応ガスの流路長は分割数分だけ短縮される。したがって、反応ガス流路に凝縮水が流入した場合や、反応ガス流路内で凝縮水が生成した場合に、凝縮水の反応ガス流路内での滞留時間は短くなる。これにより、各単位セルへ供給する反応ガスの流量配分が均等になり、発電効率が向上し、発電出力が安定化する。

図３は締付板の構造を示したものである。図中の矢印はガスの流れ方向を示している。単位セル内で分割された流路を直列に接続するマニホールド接続ガス流路１１を、締付板９に設ける。これにより、単位セル内の分割された流路を直列に接続することが可能となり、実施例１を適用した積層形燃料電池を簡単な構造で実現することができる。

なお、本実施例では締付板にマニホールド接続ガス流路を設けているが、締付板以外の部材にマニホールド接続ガス流路を設けるようにしてもよい。例えば、締付板とは別に、マニホールド接続ガス流路を形成した板を作って、締付板と単位セルの間、或いは、単セルの間に設置しても良い。

図４は、単位セル内の反応ガス流路の分割方法を示したものである。図中の矢印はガスの流れ方向を示している。単位セル内の分割数は、反応ガス流量が多いときには少なく、逆に反応ガス流量が少ないときには多くすることが望ましい。このように、反応ガスの流量に応じて分割数を変更し、流路の断面積を変えることによって、反応ガス流速を制御し、流路の圧力損失を抑えることができる。また、反応ガスの流速が制御できるため、凝縮水の反応ガス流路内での滞留時間を短くして、発電効率の向上し、発電出力の安定化を図ることができる。

図５は締付板構造の別の例を示している。図中の矢印はガスの流れ方向を示している。単位セル内の分割された流路を直列に接続するマニホールド接続ガス流路１１により接続された凝縮水が滞留する出口側マニホールドに、上流の出口側マニホールドと下流の出口側マニホールドを接続する出口側マニホールド接続流路１２を設ける。これにより、上流の出口側マニホールドに滞留していた凝縮水を下流の出口側マニホールドに流通させることが可能になる。

また、図６に示すように、単位セル内で分割され、直列に接続された流路の最終流路よりも一つ手前にある出口側マニホールド８ｆには、電池外部に凝縮水を排出するための凝縮水排出ライン１３を設けることが望ましい。これによって、出口側マニホールド接続流路１２を反応ガスが流通した場合でも、反応ガスが排ガスライン１４に直接流れ込むことがないために、発電効率が向上し、発電出力が安定化するようになる。なお、入口側マニホールド８ｇから出口側マニホールド８ｆの間で生じた凝縮水は排ガスライン１４から直ちに排出できるため問題とならない。また、直列に接続された流路の最終流路よりも一つ手前にある出口側マニホールド８ｆに凝縮水排出ライン１３を設けることにより、配管ラインが簡略化される。

図７及び図８は、締付板９の出口側マニホールド間の凝縮水が流通する流路に、気体の流れ込みを防止する機構を設けたものである。図７において、上流の出口側マニホールド８ｂに凝縮水が滞留すると、出口側マニホールド８ｂと下流の出口側マニホールド８ｄとの圧力差、または、凝縮水が気体に同伴されて移動する際に生じる圧力損失によって、弁１５が矢印で示した凝縮水流れ方向に移動する。これにより、出口側マニホールド８ｂ内の凝縮水は出口側マニホールド８ｄに移動する。その後、出口側マニホールド８ｂの凝縮水が全て排出され、出口側マニホールド８ｂ中の気体が弁１５を通過し始める。このとき、凝縮水と気体の密度差により弁にかかる圧力の違いにより、弁１５はバネ１６によって引き付けられて閉じ、気体の流れ込みが防止される。

図８では、上流の出口側マニホールド８ｂに凝縮水が滞留すると、出口側マニホールド８ｂ内の浮き子１７が上昇して、凝縮水が下流の出口側マニホールド８ｄに移動する。出口側マニホールド８ｂ内の凝縮水が排出されると、浮き子１７は出口側マニホールド８ｂ内の水位と同期して下降する。これにより、凝縮水に気体が流れ込むのが防止される。

積層形燃料電池の構成を示した展開斜視図である。ガスセパレータの構造を示した説明図である。締付板の構造を示した説明図である。反応ガス流路の分割例を示した説明図である。締付板構造の他の例を示した説明図である。締付板構造の別の実施例を示した説明図である。マニホールド間の凝縮水が流通する流路に気体の流れ込み防止機構を備えた例を示す説明図である。気体の流れ込み防止機構を備えた別の例を示す説明図である。

符号の説明

１…電解質膜、２…アノード、３…カソード、４…シール材、５…ガスセパレータ、６…単位セル、７…冷却水セパレータ、８…マニホールド、８ａ…入口側マニホールド、８ｂ…出口側マニホールド、８ｃ…入口側マニホールド、８ｄ…出口側マニホールド、９…締付板、１０…積層形燃料電池、１１…マニホールド接続ガス流路、１２…出口側マニホールド接続流路、１３…凝縮水排出ライン、１４…排ガスライン、１５…弁、１６…バネ、１７…浮き子。

Claims

電解質と一対の電極および２枚のガスセパレータによって単位セルを構成し、前記ガスセパレータに燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給する入口側マニホールドと該燃料ガス及び酸化剤ガスを排出し、前記燃料ガス及び酸化剤ガスと凝縮水を分離する出口側マニホールドをそれぞれ複数設け、入口側マニホールドと出口側マニホールドからなる組を複数形成して単位セル内のガス流路を分割し、
前記単位セルを複数個積層した積層体の両端を締付板で締付けた積層形燃料電池であって、
前記ガスセパレータと対向する締付板又は前記締付板と単位セル或いは単位セルの間に設置した他の板状部材に、前記ガスセパレータの分割したガス流路を直列に接続するマニホールド接続ガス流路を形成し、
前記積層体の前記直列流路への燃料ガス及び酸化剤ガスの入口側を上流、前記積層体の直列流路からの燃料ガス及び酸化剤ガスの出口側を下流とした場合、
前記ガスセパレータに供給される燃料ガス及び酸化剤ガスの上流側の出口側マニホールドに滞留した凝縮水が前記ガスセパレータに供給される燃料ガス及び酸化剤ガスの下流側の出口側マニホールドへ排出されるように隣接する前記出口側マニホールド同士を接続する出口側マニホールド接続流路を前記締付板又は前記他の板状部材に形成し、前記凝縮水を前記積層体から排出することを特徴とする積層形燃料電池。
前記直列に接続された流路の最終流路よりも一つ手前の出口側マニホールドに凝縮水を電池外部に排出する機構を設けたことを特徴とする請求項１記載の積層形燃料電池。
前記出口側マニホールド接続流路に気体の流れ込みを防止する機構を備えたことを特徴とする請求項１記載の積層形燃料電池。
請求項１〜３のいずれかに記載の積層形燃料電池において、一対の前記電極の一方と前記ガスセパレータの間にガスの漏洩を防止するシール材を有することを特徴とする積層形燃料電池。
請求項１〜３のいずれかに記載の積層形燃料電池において、単位セルの一部分を構成するガスセパレータが隣接する単位セルのガスセパレータを兼ねるように該ガスセパレータの両面にガス流路が形成されていることを特徴とする積層形燃料電池。
請求項１〜３のいずれかに記載の積層形燃料電池において、１つの単位セルもしくは複数個の単位セルごとに、冷媒を供給してセルを冷却する冷却セパレータを備えたことを特徴とする積層形燃料電池。