JPH05251097A - 固体高分子電解質型燃料電池 - Google Patents
固体高分子電解質型燃料電池Info
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- JPH05251097A JPH05251097A JP4044993A JP4499392A JPH05251097A JP H05251097 A JPH05251097 A JP H05251097A JP 4044993 A JP4044993 A JP 4044993A JP 4499392 A JP4499392 A JP 4499392A JP H05251097 A JPH05251097 A JP H05251097A
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- H01M8/0258—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
- H01M8/026—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant characterised by grooves, e.g. their pitch or depth
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- H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
- H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
- H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
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- Y02E60/50—Fuel cells
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Abstract
(57)【要約】
【目的】ガス通流溝内の凝結水の滞留、閉塞を防止して
出力の安定性に優れる固体高分子電解質型燃料電池を得
る。 【構成】セパレータ板に反応ガスの通るガス通流溝15
を設けるとともに、ガス通流溝15の少なくとも下流部
につき、その幅員を1.5mm以上にする。
出力の安定性に優れる固体高分子電解質型燃料電池を得
る。 【構成】セパレータ板に反応ガスの通るガス通流溝15
を設けるとともに、ガス通流溝15の少なくとも下流部
につき、その幅員を1.5mm以上にする。
Description
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は固体高分子電解質型燃
料電池に係り、特に電極に反応ガスを供給するセパレー
タ板のガス通流溝に関する。
料電池に係り、特に電極に反応ガスを供給するセパレー
タ板のガス通流溝に関する。
【0002】
【従来の技術】固体高分子電解質型燃料電池は固体高分
子電解質膜の二つの主面にそれぞれアノードとカソード
を配して形成される。アノードまたはカソードの各電極
は電極基材上に電極触媒を設けている。固体高分子電解
質膜はスルホン酸基を持つポリスチレン系の陽イオン交
換膜をカチオン導電性膜として使用したもの、フロロカ
ーボンスルホン酸とポリビニリデンフロライドの混合
膜、あるいはフロロカーボンマトリックスにトリフロロ
エチレンをグラフト化したものなどが知られているが最
近ではパーフロロカーボンスルホン酸膜を用いて燃料電
池の長寿命化を図ったものが知られるに至った。
子電解質膜の二つの主面にそれぞれアノードとカソード
を配して形成される。アノードまたはカソードの各電極
は電極基材上に電極触媒を設けている。固体高分子電解
質膜はスルホン酸基を持つポリスチレン系の陽イオン交
換膜をカチオン導電性膜として使用したもの、フロロカ
ーボンスルホン酸とポリビニリデンフロライドの混合
膜、あるいはフロロカーボンマトリックスにトリフロロ
エチレンをグラフト化したものなどが知られているが最
近ではパーフロロカーボンスルホン酸膜を用いて燃料電
池の長寿命化を図ったものが知られるに至った。
【0003】固体高分子電解質膜は分子中にプロトン
(水素イオン)交換基を有し、飽和に含水させることに
より常温で20Ω・cm以下の比抵抗を示しプロトン導
電性電解質として機能する。飽和含水量は温度によって
可逆的に変化する。電極基材は多孔質体で燃料電池の反
応ガス供給手段または反応ガス排出手段および集電体と
して機能する。アノードまたはカソードの電極において
は三相界面が形成され電気化学反応が起こる。
(水素イオン)交換基を有し、飽和に含水させることに
より常温で20Ω・cm以下の比抵抗を示しプロトン導
電性電解質として機能する。飽和含水量は温度によって
可逆的に変化する。電極基材は多孔質体で燃料電池の反
応ガス供給手段または反応ガス排出手段および集電体と
して機能する。アノードまたはカソードの電極において
は三相界面が形成され電気化学反応が起こる。
【0004】アノードでは(1)式の反応が起きる。 H2 =2H+ +2e (1) カソードでは(2)式の反応が起こる。 1/2O2 +2H+ +2e=H2 O (2) つまりアノードにおいては系の外部より供給された水素
がプロトンと電子を生成する。生成したプロトンはイオ
ン交換膜中をカソードに向かって移動し電子は外部回路
を通ってカソードに移動する。一方カソードにおいては
系の外部より供給された酸素とイオン交換膜中をアノー
ドより移動してきたプロトンと外部回路より移動してき
た電子が反応し、水を生成する。
がプロトンと電子を生成する。生成したプロトンはイオ
ン交換膜中をカソードに向かって移動し電子は外部回路
を通ってカソードに移動する。一方カソードにおいては
系の外部より供給された酸素とイオン交換膜中をアノー
ドより移動してきたプロトンと外部回路より移動してき
た電子が反応し、水を生成する。
【0005】図3は従来の固体高分子電解質型燃料電池
の単電池を示す平面図である。アノード2およびカソー
ド3は厚さ100μmの固体高分子電解質膜1の両主面
に接して積層される。電極の厚さは300μmである。
電極は前述のように電極基材上に電極触媒層を配して構
成されるがこの電極触媒層は一般に微小な粒子状の白金
触媒と水に対する撥水性を有するフッ素樹脂から構成さ
れており、三相界面と反応ガスの効率的な拡散を維持す
るための細孔とが十分形成される。電極基材は前記触媒
層を支持する。
の単電池を示す平面図である。アノード2およびカソー
ド3は厚さ100μmの固体高分子電解質膜1の両主面
に接して積層される。電極の厚さは300μmである。
電極は前述のように電極基材上に電極触媒層を配して構
成されるがこの電極触媒層は一般に微小な粒子状の白金
触媒と水に対する撥水性を有するフッ素樹脂から構成さ
れており、三相界面と反応ガスの効率的な拡散を維持す
るための細孔とが十分形成される。電極基材は前記触媒
層を支持する。
【0006】電極の配置された固体高分子電解質膜の外
側には反応ガスを外部から導いてアノードまたはカソー
ドに供給する一対のセパレータ板5が設けられる。セパ
レータ板はその一方の主面に反応ガスを導くガス通流溝
4を備えるガス不透過性板である。ガス通流溝の寸法は
深さ1mm,幅員1mmである。図4は従来の固体高分
子電解質型燃料電池のスタックを示す側面図である。
側には反応ガスを外部から導いてアノードまたはカソー
ドに供給する一対のセパレータ板5が設けられる。セパ
レータ板はその一方の主面に反応ガスを導くガス通流溝
4を備えるガス不透過性板である。ガス通流溝の寸法は
深さ1mm,幅員1mmである。図4は従来の固体高分
子電解質型燃料電池のスタックを示す側面図である。
【0007】積層された単電池6はその3枚毎に冷却板
7により冷却される。集電板8は上記電池集合体の電流
を取り出す。電池集合体は締めつけ板10と締めつけボ
ルト11を用いて組み立てられる。絶縁板9が集電板8
と締めつけ板10との電気的絶縁を図る。単電池内では
反応ガスは鉛直方向に流れる。固体高分子電解質型燃料
電池の運転温度は固体高分子電解質膜の電気抵抗を小さ
くして発電効率を高めるために通常50ないし100℃
の温度で運転される。この単電池の発生する電圧は1V
以下であるので、実用上は電圧を高めるために前記単電
池を複数個直列に積層してスタックとして使用される。
7により冷却される。集電板8は上記電池集合体の電流
を取り出す。電池集合体は締めつけ板10と締めつけボ
ルト11を用いて組み立てられる。絶縁板9が集電板8
と締めつけ板10との電気的絶縁を図る。単電池内では
反応ガスは鉛直方向に流れる。固体高分子電解質型燃料
電池の運転温度は固体高分子電解質膜の電気抵抗を小さ
くして発電効率を高めるために通常50ないし100℃
の温度で運転される。この単電池の発生する電圧は1V
以下であるので、実用上は電圧を高めるために前記単電
池を複数個直列に積層してスタックとして使用される。
【0008】燃料電池では、一般に発生電力にほぼ相当
する熱量を熱として発生し、この熱により単電池を多数
積層したスタックにおいてはスタック内に温度の分布が
生じる。そこで、スタックでは、冷却板を内蔵してスタ
ックの温度を単電池の面方向,積層方向にできるだけ均
一になるようにする。ここで一般に冷却媒体としては
水、空気等が用いられる。冷却板は冷却媒体を供給する
ことで余剰熱を除去して冷却をする。
する熱量を熱として発生し、この熱により単電池を多数
積層したスタックにおいてはスタック内に温度の分布が
生じる。そこで、スタックでは、冷却板を内蔵してスタ
ックの温度を単電池の面方向,積層方向にできるだけ均
一になるようにする。ここで一般に冷却媒体としては
水、空気等が用いられる。冷却板は冷却媒体を供給する
ことで余剰熱を除去して冷却をする。
【0009】前述のとおり固体高分子電解質型燃料電池
では、電解質保持層である固体高分子電解質膜1を飽和
に含水させることにより膜の比抵抗が小さくなり、膜は
プロトン導電性電解質として機能する。したがって、固
体高分子電解質型燃料電池の発電効率を高く維持するた
めには、膜の含水状態を飽和状態に維持することが必要
である。膜の乾燥を防いで発電効率を維持するために、
反応ガスには水蒸気が添加され、膜からガスへの水の蒸
発が抑えられる。
では、電解質保持層である固体高分子電解質膜1を飽和
に含水させることにより膜の比抵抗が小さくなり、膜は
プロトン導電性電解質として機能する。したがって、固
体高分子電解質型燃料電池の発電効率を高く維持するた
めには、膜の含水状態を飽和状態に維持することが必要
である。膜の乾燥を防いで発電効率を維持するために、
反応ガスには水蒸気が添加され、膜からガスへの水の蒸
発が抑えられる。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】前述の通り、燃料電池
の発電では反応生成物として水を生成し、この生成水は
余剰の反応ガスとともに燃料電池の外へ排出される。こ
のため単電池内の酸化剤ガスの流れ方向で、ガス中に含
有される水の量に分布ができる。即ち、酸化剤ガスは、
単電池内でのガスの流れの上流部(入口側)に対してガ
スの流れの下流部(出口側)ではカソード反応で生成し
た水に相当する量だけ水量が増加する。したがって、供
給するガスを飽和状態に加湿して固体高分子電解質型燃
料電池に供給すると、出口側のガス中には過飽和な水蒸
気が含まれることになる。この結果ガスの出口側では過
飽和に相当する水は凝結する。この凝結水は、ガス通路
を塞いで、ガス通流溝のガスの流れを阻害する。この結
果、電極への反応ガスの供給が不足して、単電池出力の
低下を生ずる。これを防ぐために、凝結水を速やかに外
部に排出することが、運転上極めて重要となる。同様な
問題は燃料ガスについても起こる。燃料ガス中の水素ガ
スはアノードで電極反応の結果、消費されるから燃料ガ
ス中の加湿水蒸気は出口付近で過飽和の状態となり凝結
する。
の発電では反応生成物として水を生成し、この生成水は
余剰の反応ガスとともに燃料電池の外へ排出される。こ
のため単電池内の酸化剤ガスの流れ方向で、ガス中に含
有される水の量に分布ができる。即ち、酸化剤ガスは、
単電池内でのガスの流れの上流部(入口側)に対してガ
スの流れの下流部(出口側)ではカソード反応で生成し
た水に相当する量だけ水量が増加する。したがって、供
給するガスを飽和状態に加湿して固体高分子電解質型燃
料電池に供給すると、出口側のガス中には過飽和な水蒸
気が含まれることになる。この結果ガスの出口側では過
飽和に相当する水は凝結する。この凝結水は、ガス通路
を塞いで、ガス通流溝のガスの流れを阻害する。この結
果、電極への反応ガスの供給が不足して、単電池出力の
低下を生ずる。これを防ぐために、凝結水を速やかに外
部に排出することが、運転上極めて重要となる。同様な
問題は燃料ガスについても起こる。燃料ガス中の水素ガ
スはアノードで電極反応の結果、消費されるから燃料ガ
ス中の加湿水蒸気は出口付近で過飽和の状態となり凝結
する。
【0011】この発明は上述の点に鑑みてなされその目
的は、ガス通流溝内の凝結水の滞留閉塞を防止して出力
の安定性に優れる固体高分子電解質型燃料電池を提供す
ることにある。
的は、ガス通流溝内の凝結水の滞留閉塞を防止して出力
の安定性に優れる固体高分子電解質型燃料電池を提供す
ることにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】上述の目的はこの発明に
よれば固体高分子電解質膜と、アノードおよびカソード
の両電極と、セパレータ板とを有し、固体高分子電解質
膜は水を包含して膜中をプロトンが拡散し、アノードと
カソードの両電極は、固体高分子電解質膜を介して対向
して配置され、セパレータ板は燃料ガスおよび酸化剤ガ
スの両反応ガスが流れる複数のガス通流溝をその一方の
主面に備えて、前記電極の配された固体高分子電解質膜
を挟持し、アノードとカソードにそれぞれ燃料ガスと酸
化剤ガスを供給するものであり、この際前記ガス通流溝
は少なくともその下流部が1.5mm以上の幅員を有す
るとすることにより達成される。
よれば固体高分子電解質膜と、アノードおよびカソード
の両電極と、セパレータ板とを有し、固体高分子電解質
膜は水を包含して膜中をプロトンが拡散し、アノードと
カソードの両電極は、固体高分子電解質膜を介して対向
して配置され、セパレータ板は燃料ガスおよび酸化剤ガ
スの両反応ガスが流れる複数のガス通流溝をその一方の
主面に備えて、前記電極の配された固体高分子電解質膜
を挟持し、アノードとカソードにそれぞれ燃料ガスと酸
化剤ガスを供給するものであり、この際前記ガス通流溝
は少なくともその下流部が1.5mm以上の幅員を有す
るとすることにより達成される。
【0013】
【作用】本発明では、単電池内の凝結水を速やかに外部
へ排出するために必要なガス通流溝の寸法を規定する。
本発明で規定した溝寸法よりも大きな寸法の溝をガス通
流溝として用いれば、凝結水はガス通流溝を重力により
自然流下することが可能となる。
へ排出するために必要なガス通流溝の寸法を規定する。
本発明で規定した溝寸法よりも大きな寸法の溝をガス通
流溝として用いれば、凝結水はガス通流溝を重力により
自然流下することが可能となる。
【0014】
【実施例】図1は、この発明の実施例に係る固体高分子
電解質型燃料電池のセパレータ板を示し、図1(a)は
セパレータ板の平面図、図1(b)はセパレータ板のA
A断面図、図1(c)はセパレータ板のBB断面図であ
る。外部より供給される反応ガスはマニホルド13よりセ
パレータ板に供給され、セパレータ板内マニホルド14よ
り複数個のガス通流溝15に分配供給される。さらに反応
ガスはセパレータ板内マニホルド16で集められ、マニホ
ルド17より外部へ排出される。ここで前記ガス通流溝15
は、その上流部が下流部よりも溝の幅員が狭くなってい
る。上流部の幅員は1mmであり、下流部の幅員は3m
mである。セパレータ板はカーボンを用いて製造され
た。セパレータ板内マニホルド14とセパレータ内マニホ
ルド16とは同一の深さであり、さらにこれらはガス通流
溝15の深さよりも深い。
電解質型燃料電池のセパレータ板を示し、図1(a)は
セパレータ板の平面図、図1(b)はセパレータ板のA
A断面図、図1(c)はセパレータ板のBB断面図であ
る。外部より供給される反応ガスはマニホルド13よりセ
パレータ板に供給され、セパレータ板内マニホルド14よ
り複数個のガス通流溝15に分配供給される。さらに反応
ガスはセパレータ板内マニホルド16で集められ、マニホ
ルド17より外部へ排出される。ここで前記ガス通流溝15
は、その上流部が下流部よりも溝の幅員が狭くなってい
る。上流部の幅員は1mmであり、下流部の幅員は3m
mである。セパレータ板はカーボンを用いて製造され
た。セパレータ板内マニホルド14とセパレータ内マニホ
ルド16とは同一の深さであり、さらにこれらはガス通流
溝15の深さよりも深い。
【0015】図2は本発明の実施例に係る固体高分子電
解質型燃料電池の単電池出力につきその時間特性(特性
(イ))を従来の時間特性(特性(ロ))と対比して示
す線図である。固体高分子電解質型燃料電池は出力0.
3W/cm2 で運転された。酸化剤ガスの流量は50な
いし100 l/min.であり、ガスの線速度は50
ないし100cm/sであった。また燃料ガスの流量は
11ないし13 l/min.であり、その線速度は2
5ないし40cm/sであった。固体高分子電解質型燃
料電池の温度は70ないし80℃であった。このような
実験条件でガス通流溝内に凝結水の滞留ないしは閉塞は
発生せず、出力の安定した運転ができることがわかる。
ガス通流溝15の下流部の幅員が1.5mmのときも同様
な結果が得られた。
解質型燃料電池の単電池出力につきその時間特性(特性
(イ))を従来の時間特性(特性(ロ))と対比して示
す線図である。固体高分子電解質型燃料電池は出力0.
3W/cm2 で運転された。酸化剤ガスの流量は50な
いし100 l/min.であり、ガスの線速度は50
ないし100cm/sであった。また燃料ガスの流量は
11ないし13 l/min.であり、その線速度は2
5ないし40cm/sであった。固体高分子電解質型燃
料電池の温度は70ないし80℃であった。このような
実験条件でガス通流溝内に凝結水の滞留ないしは閉塞は
発生せず、出力の安定した運転ができることがわかる。
ガス通流溝15の下流部の幅員が1.5mmのときも同様
な結果が得られた。
【0016】ガス通流溝の下流部はガス通流溝内を流れ
る反応ガスが過飽和に達する領域である。この過飽和に
達する領域は反応ガスの供給量,反応ガスの加湿量,固
体高分子電解質型燃料電池の運転温度,供給ガスの全
圧,固体高分子電解質型燃料電池の負荷量等により容易
に決定することができる。従来の固体高分子電解質型燃
料電池においては、ガス通流溝の幅員が小さく、凝結水
がガス通流溝の内部に滞留して反応ガスの通過を妨げ電
池の出力の周期的な変化が起こっている。
る反応ガスが過飽和に達する領域である。この過飽和に
達する領域は反応ガスの供給量,反応ガスの加湿量,固
体高分子電解質型燃料電池の運転温度,供給ガスの全
圧,固体高分子電解質型燃料電池の負荷量等により容易
に決定することができる。従来の固体高分子電解質型燃
料電池においては、ガス通流溝の幅員が小さく、凝結水
がガス通流溝の内部に滞留して反応ガスの通過を妨げ電
池の出力の周期的な変化が起こっている。
【0017】なお上記実施例においてはガス通流溝の上
流部と下流部でその幅員を異にするが同一にしてしかも
その幅員を1.5mm以上にしたときも同様な結果が得
られる。またその材料はカーボンに代えてチタン,タン
タル等の金属を用いることもできる。
流部と下流部でその幅員を異にするが同一にしてしかも
その幅員を1.5mm以上にしたときも同様な結果が得
られる。またその材料はカーボンに代えてチタン,タン
タル等の金属を用いることもできる。
【0018】
【発明の効果】この発明によれば固体高分子電解質膜
と、アノードおよびカソードの両電極と、セパレータ板
とを有し、固体高分子電解質膜は水を包含して膜中をプ
ロトンが拡散し、アノードとカソードの両電極は、固体
高分子電解質膜を介して対向して配置され、セパレータ
板は燃料ガスおよび酸化剤ガスの両反応ガスが流れる複
数のガス通流溝をその一方の主面に備えて、前記電極の
配された固体高分子電解質膜を挟持し、アノードとカソ
ードにそれぞれ燃料ガスと酸化剤ガスを供給するもので
あり、この際前記ガス通流溝は少なくともその下流部が
1.5mm以上の幅員を有するので、セパレータ板のガ
ス通流溝内に凝結水が滞留することがなく速やかに排出
され、この結果出力の安定した固体高分子電解質型燃料
電池が得られる。
と、アノードおよびカソードの両電極と、セパレータ板
とを有し、固体高分子電解質膜は水を包含して膜中をプ
ロトンが拡散し、アノードとカソードの両電極は、固体
高分子電解質膜を介して対向して配置され、セパレータ
板は燃料ガスおよび酸化剤ガスの両反応ガスが流れる複
数のガス通流溝をその一方の主面に備えて、前記電極の
配された固体高分子電解質膜を挟持し、アノードとカソ
ードにそれぞれ燃料ガスと酸化剤ガスを供給するもので
あり、この際前記ガス通流溝は少なくともその下流部が
1.5mm以上の幅員を有するので、セパレータ板のガ
ス通流溝内に凝結水が滞留することがなく速やかに排出
され、この結果出力の安定した固体高分子電解質型燃料
電池が得られる。
【図1】この発明の実施例に係る固体高分子電解質型燃
料電池のセパレータ板を示し、図1(a)はセパレータ
板の平面図、図1(b)はセパレータ板のAA断面図、
図1(c)はセパレータ板のBB断面図
料電池のセパレータ板を示し、図1(a)はセパレータ
板の平面図、図1(b)はセパレータ板のAA断面図、
図1(c)はセパレータ板のBB断面図
【図2】本発明の実施例に係る固体高分子電解質型燃料
電池の単電池出力につきその時間特性(特性(イ))を
従来の時間特性(特性(ロ))と対比して示す線図
電池の単電池出力につきその時間特性(特性(イ))を
従来の時間特性(特性(ロ))と対比して示す線図
【図3】従来の固体高分子電解質型燃料電池の単電池を
示す平面図
示す平面図
【図4】従来の固体高分子電解質型燃料電池のスタック
を示す側面図
を示す側面図
1 固体高分子電解質膜 2 アノード 3 カソード 4 ガス通流溝 5 セパレータ板 6 単電池 7 冷却板 8 集電板 9 絶縁板 10 締めつけ板 11 締めつけボルト 12 スタック 13 マニホルド 14 セパレータ板内マニホルド 15 ガス通流溝 16 セパレータ板内マニホルド 17 マニホルド
Claims (4)
- 【請求項1】固体高分子電解質膜と、アノードおよびカ
ソードの両電極と、セパレータ板とを有し、 固体高分子電解質膜は水を包含して膜中をプロトンが拡
散し、 アノードとカソードの両電極は、固体高分子電解質膜を
介して対向して配置され、 セパレータ板は燃料ガスおよび酸化剤ガスの両反応ガス
が流れる複数のガス通流溝をその一方の主面に備えて、
前記電極の配された固体高分子電解質膜を挟持し、アノ
ードとカソードにそれぞれ燃料ガスと酸化剤ガスを供給
するものであり、この際前記ガス通流溝は少なくともそ
の下流部が1.5mm以上の幅員を有することを特徴と
する固体高分子電解質型燃料電池。 - 【請求項2】請求項1記載の燃料電池において、セパレ
ータ板はカーボンからなることを特徴とする固体高分子
電解質型燃料電池。 - 【請求項3】請求項1記載の燃料電池において、セパレ
ータ板は金属からなることを特徴とする固体高分子電解
質型燃料電池。 - 【請求項4】請求項1記載の燃料電池において、ガス通
流溝は鉛直の方向に配置されるものであることを特徴と
する固体高分子電解質型燃料電池。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4044993A JPH05251097A (ja) | 1992-03-03 | 1992-03-03 | 固体高分子電解質型燃料電池 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4044993A JPH05251097A (ja) | 1992-03-03 | 1992-03-03 | 固体高分子電解質型燃料電池 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05251097A true JPH05251097A (ja) | 1993-09-28 |
Family
ID=12706964
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4044993A Pending JPH05251097A (ja) | 1992-03-03 | 1992-03-03 | 固体高分子電解質型燃料電池 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH05251097A (ja) |
Cited By (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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