JP2002184447A

JP2002184447A - 高分子電解質型燃料電池

Info

Publication number: JP2002184447A
Application number: JP2000379859A
Authority: JP
Inventors: Nobunori Hase; 伸啓長谷; Hiroki Kusakabe; 弘樹日下部; Hideo Obara; 英夫小原; Tatsuto Yamazaki; 達人山崎; Shinsuke Takeguchi; 伸介竹口; Yoshiaki Yamamoto; 義明山本
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2000-12-14
Filing date: 2000-12-14
Publication date: 2002-06-28

Abstract

(57)【要約】【課題】酸化剤ガス供給部からの距離がより近い側の
端板に最も近いセルの電池性能の性能低下が発生しない
燃料電池を提供する。【解決手段】酸化剤ガスの入口マニホールド５に酸化
剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部６からの距離がより
近い端板７に、負極側を向けてＭＥＡ１を積層する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高分子電解質型燃
料電池に関する。

【０００２】

【従来の技術】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、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、燃料ガスまたは
酸化剤ガスの通気性と、電子導電性を併せ持つ拡散層を
形成し、触媒反応層とこの拡散層とを合わせて電極とす
る。この、電極と電解質膜の接合体をＭＥＡという。

【０００３】次に、供給するガスが外にリークしたり、
燃料ガスと酸化剤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ケット
を配置する。このガスケットは、場合によっては、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、
これをＭＥＡと呼ぶ場合もある。

【０００４】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のセパレータ板を配置する。セパレ
ータ板の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。ガス流路はセパレータ板と別に設けるこ
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。

【０００５】通常、燃料電池を実際に使用するときは、
上述の単電池を数多く重ねた積層構造を採っている。燃
料電池の運転時には電力発生と共に発熱が起こるが、積
層電池では、単電池１〜２セル毎に冷却板を設け、電池
温度を一定に保つと同時に発生した熱エネルギーを温水
などの形で利用できるようにしている。冷却板としては
薄い金属板の内部に冷却水などの熱媒体が貫流する構造
が一般的であるが、単電池を構成するセパレータの背
面、すなわち冷却水を流したい面を流路加工し冷却板を
構成する構造もある。その際、冷却水などの熱媒体をシ
ールするためのＯ−リングやガスケットも必要となる。
このシールではＯ−リングを完全につぶすなどして冷却
板の上下間で十分な導電性が確保されていることが必要
である。

【０００６】このような積層電池では、マニホールドと
呼ばれる各単電池への燃料ガス、酸化剤ガスの供給排出
孔が必要である。これには、供給排出孔を積層電池内部
に確保した、いわゆる内部マニホールド型が一般的であ
る。

【０００７】内部マニホールド形式、または外部マニホ
ールド形式のいずれを用いても、冷却部を含む複数の単
電池を一方向に積み重ね、その両端に一対の端板を配
し、その２枚の端板の間を締結ロッドで固定することが
必要である。締め付け方式は、単電池を面内でできるだ
け均一に締め付けることが望ましい。機械的強度の観点
から、端板や締結ロッドには通常ステンレスなどの金属
材料を用いる。これらの端板や締結ロッドと、積層電池
とは、絶縁板により電気的に絶縁し、電流が端板を通し
て外部に漏れ出ることのない構造とする。締結ロッドに
ついても、セパレータ内部の貫通孔の中を通す方法や、
積層電池全体を端板越しに金属のベルトで締め上げる方
式も提案されている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】高分子電解質型燃料電
池は、電解質膜が水分を含んだ状態で電解質として機能
するため、供給する燃料ガスや酸化剤ガスを加湿して供
給する必要がある。しかしセパレータの酸化剤ガス流路
においては、発電によって水が生成するため、運転条件
によっては結露を生じて流路を閉塞する。その結果単位
セルの出力電圧が連続的あるいは変動を伴って低下して
電池性能を低下させる要因となる。

【０００９】燃料ガス、酸化剤ガスが各セルへ均一に分
配されるには、マニホールドの体積を十分大きくとる必
要がある。しかし実際の燃料電池ではスタックの大きさ
が大きくなりすぎてしまうためにマニホールドを十分大
きく取ることができず、マニホールド中に流れが発生
し、この結果、各セルへのガス供給量が異なり特性が不
均一となる。酸化剤ガス供給孔近くに位置する単位セル
は、上記マニホールド内の強い流れによりセパレータの
流路を流れるガス量が不安定になりやすい。

【００１０】また、端板に最も近くに位置するガス流路
では端板からの放熱のために他の流路よりも温度が低く
なりやすく、結露を生じやすい。

【００１１】以上の理由から、酸化剤ガス供給孔からの
距離が近い側の端板に最も近いガス流路に酸化剤ガス流
路が位置するようセルを積層した場合では、酸化剤側特
有の生成水の発生、端板からの放熱による温度低下、マ
ニホールド内の流れのために、酸化剤ガス供給部からの
距離がより近い側の端板に最も近いセルの電池性能が低
下しやすい問題があった。

【００１２】マニホールド内のガス流れの均一性を高め
ることによって、各単位セルに均一に反応ガスを供給
し、各単位セルの放電特性のバラツキを抑制する方法
が、特開平０８−２９３３１８に開示されているが、こ
の方法はマニホールド内部のガス流れを整流するもので
あって、供給口付近の流速の速いガスの流れによる、セ
パレータ上のガス流路を介してＭＥＡに供給されるガス
量の不安定さを改善するものではない。

【００１３】また、端板からの放熱による温度低下を低
減もしくは防止するために、断熱材で囲う、温水やヒー
ターなどの加熱手段を用いることは公知の手段として広
く行われている。

【００１４】しかし、断熱材による放熱低減方法では、
ある程度の効果は見られるが不十分であり、また加熱手
段を用いると、構成が複雑になりすぎるという欠点があ
った。

【００１５】

【課題を解決するための手段】以上の課題を解決するた
め、本発明における燃料電池は、正極、電解質、負極か
らなる単位セルと、セパレータ板との積層によるセル積
層体、前記セル積層体の両端を挟持する端板、および酸
化剤ガスの通路である酸化ガス入口マニホールドを備
え、前記単位セルの負極を、前記一組の端板のうち酸化
剤ガスを供給する側の端板に向けたことを特徴とする。

【００１６】この方法により、酸化剤ガスを供給する側
の端板に近接する単位セルの電池性能の低下を改善する
ことができる。

【００１７】

【発明の実施の形態】図１は、本発明における高分子電
解質型燃料電池装置を示す構成図である。

【００１８】本発明における高分子電解質型燃料電池
は、ＭＥＡ１と、燃料ガス流路２と酸化剤ガス流路（図
に示さず）の加工を施したセパレータ３と、発生した電
力を取り出すための一対の集電板４と、酸化剤ガスを供
給するための酸化剤ガス供給貫通孔（図に示さず）と、
酸化ガス入口マニホールド５と、酸化剤ガス供給手段に
近い側の端板７と、他方の端板８と、両端板とセパレー
タ３を絶縁する一対の絶縁板９からなる。

【００１９】燃料電池内の酸化剤ガスの通路である酸化
ガス入口マニホールド５は、ＭＥＡ１とセパレータ３に
空けられた穴が積層されることで形成される。

【００２０】ＭＥＡ１の正極側を端板８に向け、負極側
を端板７に向けて、ＭＥＡ１とセパレータ３を交互に適
切に積層し、セル積層体１０を形成する。ＭＥＡにおい
て、端板７向いた側は燃料ガス流路であり、端板８に向
いた側は酸化剤ガス流路となる。

【００２１】次いで、ガス流れの安定さを、燃料電池の
電圧を測定することによって評価した。電圧の測定は、
２つのセパレータに電極の端子をそれぞれ繋ぐことによ
って行った。図２のグラフは、本発明の燃料電池によ
り、酸化剤ガスを供給する側の端板に近接する単位セル
の電池性能の低下を改善することができたことを示す。
図２Ａは従来の燃料電池、図２Ｂは本発明の燃料電池に
おける結果を示す。縦軸は燃料電池の電圧を示し、横軸
は燃料電池を起動してからの時間を示す。また実線は酸
化剤ガスを供給する側の端板に近接する単位セルにおけ
る電圧を示し、点線はそのほかの単位セルにおける電圧
の平均を示す。

【００２２】図２Ａに示されるように、従来の燃料電池
では、起動して１時間未満で酸化剤ガスを供給する側の
端板に近接する単位セルの電池性能は低下した。しか
し、本発明の燃料電池では、図２Ｂのように、酸化剤ガ
スを供給する側の端板に近接する単位セルの電圧は、そ
のほかの単位セルの電圧とほとんど変わらなかった。

【００２３】このように、上記の構成をとることによ
り、端板７に近いＭＥＡにおいて、酸化ガス入口マニホ
ールド５内のガス流れの不安定さが改善された。また、
ガス流れが安定することにより、端板７からの放熱によ
る温度低下が改善され、流路の閉塞が起こりにくくなっ
たことが示された。

【００２４】

【発明の効果】本発明の燃料電池により、端板７に最も
近いガス流路が燃料ガス流路２になる向きに、ＭＥＡ１
とセパレータ３を積層することで、酸化剤ガス供給部６
のより近くに位置する側の端板７に最も近いガス流路と
して、より閉塞が発生しにくい燃料ガス流路とすること
ができ、これによって安定性を向上した燃料電池を得る
ことができた。

【００２５】なお、本実施の形態ではガスのマニホール
ドが積層電池内部に確保される、いわゆる内部マニホー
ルド型について説明したが、マニホールドがセパレータ
外に形成される外部マニホールド方式で実施しても同様
の効果が得られた。

【００２６】また、本実施の形態では、酸化剤ガスをセ
ルの積層方向と平行に供給する構成としたが、内部マニ
ホールド、外部マニホールドのいずれの場合であって
も、セルの積層方向に対して垂直にガスを供給しても同
様の効果が得られた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の燃料電池の一例を示す概略図

【図２】燃料電池におけるガス流れの安定さを比較した
グラフ

【符号の説明】

１ＭＥＡ２燃料ガス流路３セパレータ４集電板５酸化ガス入口マニホールド７酸化剤ガス供給手段に近い側の端板８酸化剤ガス供給手段に遠い側の端板９絶縁板１０セル積層体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者小原英夫大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者山崎達人大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者竹口伸介大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者山本義明大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内Ｆターム(参考） 5H026 AA06 CC03 CC08

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】正極、電解質、および負極からなる単位
セルとセパレータ板とを積層したセル積層体、ならびに
前記セル積層体の両端を挟持する一組の端板を備え、前
記セル積層体は酸化剤ガスの通路として酸化ガス入口マ
ニホールドを有し、前記単位セルの負極を、前記一組の
端板のうち酸化剤ガスを供給する側の端板に向けたこと
を特徴とする高分子電解質型燃料電池。