燃料電池
【課題】積層した単セル間の反応分布が均一であるとともに、低電流密度での低出力運転でも流路溝から水滴が速やかに排出され、安定した電池出力の燃料電池を提供する。
【解決手段】燃料電池は、膜電極接合体１が両側から燃料流路溝２２が設けられた燃料セパレータ板３と酸化剤流路溝２３が設けられた酸化剤セパレータ板２とで挟持された単電池が複数個積層されて構成される燃料電池スタックを備え、膜電極接合体１、燃料セパレータ板３および酸化剤セパレータ板２には、積層方向に貫通する燃料連通マニホールドが設けられ、燃料流路溝は、途中で燃料連通マニホールドにより連通されており、燃料連通マニホールドは、燃料電池スタック内で複数に独立した空間に分割される。
【解決手段】燃料電池は、膜電極接合体１が両側から燃料流路溝２２が設けられた燃料セパレータ板３と酸化剤流路溝２３が設けられた酸化剤セパレータ板２とで挟持された単電池が複数個積層されて構成される燃料電池スタックを備え、膜電極接合体１、燃料セパレータ板３および酸化剤セパレータ板２には、積層方向に貫通する燃料連通マニホールドが設けられ、燃料流路溝は、途中で燃料連通マニホールドにより連通されており、燃料連通マニホールドは、燃料電池スタック内で複数に独立した空間に分割される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電気化学的な反応を利用して発電する燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電解質膜が両側から負極電極と正極電極とで挟持される膜電極接合体が、両側から燃料と酸化剤とをそれぞれ負極電極と正極電極とに供給する燃料セパレータ板と酸化剤セパレータ板とで挟持される複数の単電池を有する。燃料セパレータ板および酸化剤セパレータ板それぞれの膜電極接合体に接する面の中央部に多数の燃料流路溝と酸化剤流路溝が蛇腹状や直線状に形成されている。さらに、燃料セパレータ板および酸化剤セパレータ板それぞれの外縁部に積層方向に貫通した各種マニホールドが設けられている。そして、燃料流路溝、酸化剤流路溝、各種マニホールドを囲繞するようなガスケットが膜電極接合体を中心にした面対称な燃料セパレータ板および酸化剤セパレータ板の位置に加圧されながら挟持されて単電池を構成している。そしてこの単電池を数十〜数百枚順次積層して燃料電池スタックを構成している。
【０００３】
そして、燃料電池の出力を安定化するために、単電池面内の燃料流路溝と酸化剤流路溝とにそれぞれ燃料と酸化剤とを均一に配流し、且つ、単電池の積層方向への燃料と酸化剤とを均一に配流する。
また、燃料流路溝と酸化剤流路溝との中に電池反応により生成した水滴はそれぞれ燃料と酸化剤の燃料極と酸化剤極への拡散の阻害要因になるため、速やかに排出しなければならない。特に、燃料および酸化剤の量が相対的に少なくなり水滴の排出がより困難になる低電流密度での低出力運転でも速やかに排出しなければならない。そこで、流路の途中に、流路溝を複数連通させた集合孔を設けている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−１００４５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
流路溝中の水滴を排出する駆動力は、水滴が閉塞した流路溝の入口と出口との間の圧力差であり、圧力差が小さければ水滴は排出され難く、圧力差が大きければ水滴は排出され易い。そして、流路の途中に複数の流路溝を連通する集合孔を設けたときには、流路溝を閉塞した水滴にかかる圧力差は、閉塞された流路溝の場所に因るが、ガス供給孔と集合孔間の差圧、集合孔と集合孔間の差圧、集合孔とガス排出孔間の差圧のいずれかである。
【０００６】
一方、集合孔を設けないときには、流路溝を閉塞した水滴に加わる圧力差は、ガス供給孔と排出孔間の差圧である。このように、集合孔を設けたときに水滴に加わる圧力差は、集合孔を設けないときに比べて小さいので、集合孔を設けることにより水滴の排出が困難になるという問題がある。特に、燃料および酸化剤の量が相対的に少なく、圧力差が小さくなる低電流密度である低出力運転では水滴の排出がより困難になり、電池出力が不安定になるという問題がある。
【０００７】
この発明の目的は、積層した単電池間の反応分布が均一であるとともに、低電流密度である低出力運転でも流路溝から水滴が速やかに排出され、安定した電池出力の燃料電池を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明に係わる燃料電池は、電解質膜が両側から負極電極と正極電極とで挟持される膜電極接合体が両側から上記膜電極接合体が接する面の中央部に上記負極電極に燃料を供給する燃料流路溝が設けられた燃料セパレータ板と上記膜電極接合体が接する面の中央部に上記正極電極に酸化剤を供給する酸化剤流路溝が設けられた酸化剤セパレータ板とで挟持された単電池が複数個積層されて構成される燃料電池スタックを備える燃料電池において、上記膜電極接合体、上記燃料セパレータ板および上記酸化剤セパレータ板には、積層方向に貫通する燃料連通マニホールドが設けられ、上記燃料流路溝は、途中で上記燃料連通マニホールドにより連通されており、上記燃料連通マニホールドは、上記燃料電池スタック内で複数に独立した空間に分割される。
【０００９】
この発明に係わる別の燃料電池は、電解質膜が両側から負極電極と正極電極とで挟持された膜電極接合体が両側から上記膜電極接合体が接する面の中央部に上記負極電極に燃料を供給する燃料流路溝が設けられた燃料セパレータ板と上記膜電極接合体が接する面の中央部に上記正極電極に酸化剤を供給する酸化剤流路溝が設けられた酸化剤セパレータ板とで挟持された単電池が複数個積層されて構成される燃料電池スタックを備える燃料電池において、上記膜電極接合体、上記燃料セパレータ板および上記酸化剤セパレータ板には、積層方向に貫通する酸化剤連通マニホールドが設けられ、上記酸化剤流路溝は、途中で上記酸化剤連通マニホールドにより連通されており、上記酸化剤連通マニホールドは、上記燃料電池スタック内で複数に独立した空間に分割される。
【発明の効果】
【００１０】
この発明に係わる燃料電池の効果は、燃料連通マニホールドまたは酸化剤連通マニホールドを２つ以上に分割したので、燃料流路溝または酸化剤流路溝を閉塞する水滴に加わる圧が大きくなり、低出力発電でも燃料流路溝または酸化剤流路溝からの水滴の排出を可能にし、電池出力を安定化させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係わる燃料電池の単電池の断面図である。図２は、実施の形態１に係わる膜電極接合体の平面図である。図３は、実施の形態１に係わる燃料セパレータ板の平面図である。図４は、実施の形態１に係わる酸化剤セパレータ板の平面図である。図５は、実施の形態１に係わる燃料電池スタックの透視斜視図である。図６は、実施の形態１に係わる燃料電池の外観図である。
この発明の実施の形態１に係わる燃料電池は、電解質膜として固体高分子電解質、燃料として水素、酸化剤として酸素を用いた固体高分子型燃料電地である。なお、この発明はリン酸型燃料電池やダイレクトメタノール形燃料電池など他の燃料電池にも適用できる。
【００１２】
この発明の実施の形態１に係わる固体高分子型燃料電池（以下、「燃料電池」と称す）を構成する単電池は、図１に示すように、膜電極接合体１、その膜電極接合体１を両側から挟持する導電性を有する酸化剤セパレータ板２および燃料セパレータ板３、膜電極接合体１と酸化剤セパレータ板２および燃料セパレータ板３との間にそれぞれ配置されているガスケット４を有する。通常、燃料電池は、数十から数百個の単電池が直列に積層されて燃料電池スタックを構成している。そして、燃料電池スタックの両端面から加重を加えて、電気的な接続と燃料および酸化剤のシールを行っている。
【００１３】
この膜電極接合体１は、プロトン伝導性の固体高分子電解質膜（以下、「電解質膜」と称す）５、電解質膜５の片面の中央部に接する正極触媒層６、電解質膜５の他の片面の中央部に接する負極触媒層７、正極触媒層６を覆う酸化剤電極基材８、負極触媒層７を覆う燃料電極基材９、正極触媒層６と負極触媒層７のそれぞれの外周に接し、電解質膜５の外縁部に面した枠フィルム１０を有する。この負極触媒層７と燃料電極基材９とで負極電極が、正極触媒層６と酸化剤電極基材８とで正極電極が構成されている。また、電解質膜５は、パーフルオロスルフォン酸膜であるナフィオン（登録商標）膜である。
【００１４】
また、正極触媒層６は、白金が担持されたカーボンブラック粒子とパーフルオロ系高分子電解質との混合物であり、電解質膜５の片面の中央部に積層されている。また、負極触媒層７は、白金―ルテニウム系合金が担持されたカーボンブラック粒子とパーフルオロ系高分子電解質との混合物であり、電解質膜５の中央部の正極触媒層６が形成された面の反対面に積層されている。
また、酸化剤電極基材８と燃料電極基材９は、カーボンペーパーである。
また、枠フィルム１０は、正極触媒層６と負極触媒層７を外周から支持している。
【００１５】
膜電極接合体１は、図２に示すように、外縁部１２に、積層方向に貫通する燃料供給マニホールド１４、燃料排出マニホールド１５、燃料連通マニホールド５１、酸化剤供給マニホールド１６、酸化剤排出マニホールド１７、冷却水供給マニホールド１８および冷却水排出マニホールド１９が設けられている。そして、枠フィルム１０は、積層方向に貫通する燃料供給マニホールド１４、燃料排出マニホールド１５、燃料連通マニホールド５１、酸化剤供給マニホールド１６、酸化剤排出マニホールド１７、冷却水供給マニホールド１８および冷却水排出マニホールド１９が設けられている。また、電解質膜５は、枠フィルム１０と重ね合わされたとき枠フィルム１０の燃料供給マニホールド１４、燃料排出マニホールド１５、燃料連通マニホールド５１、酸化剤供給マニホールド１６、酸化剤排出マニホールド１７、冷却水供給マニホールド１８および冷却水排出マニホールド１９と重畳する位置に孔が開けられている。
なお、膜電極接合体１に設けた各種マニホールドの位置や形状は上述の内容に限るものではない。
【００１６】
酸化剤セパレータ板２と燃料セパレータ板３は、カーボンフィラーをポリフェニレンサルファイド樹脂によって結合した黒鉛板である。
燃料セパレータ板３は、図３に示すように、外縁部１３に、積層方向に貫通する燃料供給マニホールド１４、燃料排出マニホールド１５、燃料連通マニホールド５１、酸化剤供給マニホールド１６、酸化剤排出マニホールド１７、冷却水供給マニホールド１８および冷却水排出マニホールド１９が設けられている。
【００１７】
また、燃料セパレータ板３は、膜電極接合体１の燃料電極基材９が接する反応領域２０に、燃料流路溝２１が設けられている。燃料流路溝２１は、途中で２つに分けられており、燃料流路溝２１ａ、燃料流路溝２１ｂからなり、反応領域２０内の燃料流路２２（図１）を形成している。燃料流路２２は、燃料流路溝２１を燃料電極基材９が蓋をすることにより形成される流路である。燃料連通マニホールド５１は、燃料流路溝２１ａと燃料流路溝２１ｂとを連通している。
燃料流路溝２１ａと燃料流路溝２１ｂは、それぞれ６本である。なお、燃料流路溝２１ａ、２１ｂの数は以下の説明にために設定した値であり、これに限るものではない。
燃料電池に供給された燃料は、燃料供給マニホールド１４、燃料流路溝２１ａ、燃料連通マニホールド５１、燃料流路溝２１ｂ、燃料排出マニホールド１５の順に流れる。
【００１８】
酸化剤セパレータ板２は、図４に示すように、外縁部１３に、積層方向に貫通する燃料供給マニホールド１４、燃料排出マニホールド１５、燃料連通マニホールド５１、酸化剤供給マニホールド１６、酸化剤排出マニホールド１７、冷却水供給マニホールド１８および冷却水排出マニホールド１９が設けられている。
また、酸化剤セパレータ板２は、酸化剤電極基材８に接する反応領域２０に、酸化剤流路溝２７が設けられている。酸化剤流路２３（図１）は、酸化剤流路溝２７を酸化剤電極基材８が蓋をすることにより形成される流路である。
燃料電池に供給された酸化剤は、酸化剤供給マニホールド１６、酸化剤流路溝２７、酸化剤排出マニホールド１７の順に流れる。
【００１９】
単電池を組み立てるとき、燃料セパレータ板３の燃料供給マニホールド１４、膜電極接合体１の燃料供給マニホールド１４および酸化剤セパレータ板２の燃料供給マニホールド１４を連なるようにし、燃料セパレータ板３の燃料排出マニホールド１５、膜電極接合体１の燃料排出マニホールド１５および酸化剤セパレータ板２の燃料排出マニホールド１５を連なるようにし、燃料セパレータ板３の酸化剤供給マニホールド１６、膜電極接合体１の酸化剤供給マニホールド１６および酸化剤セパレータ板２の酸化剤供給マニホールド１６を連なるようにし、燃料セパレータ板３の酸化剤排出マニホールド１７、膜電極接合体１の酸化剤排出マニホールド１７および酸化剤セパレータ板２の酸化剤排出マニホールド１７を連なるようにし、燃料セパレータ板３の冷却水供給マニホールド１８、膜電極接合体１の冷却水供給マニホールド１８および酸化剤セパレータ板２の冷却水供給マニホールド１８を連なるようにし、燃料セパレータ板３の冷却水排出マニホールド１９、膜電極接合体１の冷却水排出マニホールド１９および酸化剤セパレータ板２の冷却水排出マニホールド１９を連なるようにして燃料セパレータ板３、膜電極接合体１および酸化剤セパレータ板２を積層する。
【００２０】
この実施の形態１に係わる燃料電池は、単電池が８０個積層された燃料電池スタックを有する。
単電池を８０個積層するとき、各単電池の燃料供給マニホールド１４は連なっている。そして、一方の端に積層された単電池の酸化剤セパレータ板２に設けられた燃料供給マニホールド１４を燃料供給口としてそこに燃料が供給される。
単電池を８０個積層するとき、各単電池の燃料排出マニホールド１５は連なっている。そして、他方の端に積層された単電池の燃料セパレータ板３に設けられた燃料排出マニホールド１５を燃料排出口としてそこから燃料の残分が排出される。
【００２１】
単電池を８０個積層するとき、各単電池の酸化剤供給マニホールド１６は連なっている。そして、他方の端に積層された単電池の燃料セパレータ板３に設けられた酸化剤供給マニホールド１６を酸化剤供給口としてそこに酸化剤が供給される。
単電池を８０個積層するとき、各単電池の酸化剤排出マニホールド１７は連なっている。そして、一方の端に積層された単電池の酸化剤セパレータ板２に設けられた酸化剤排出マニホールド１７を酸化剤排出口としてそこから酸化剤の残分が排出される。
【００２２】
単電池を８０個積層するとき、各単電池の冷却水供給マニホールド１８は連なっている。そして、一方の端に積層された単電池の酸化剤セパレータ板２に設けられた冷却水供給マニホールド１８を冷却水供給口としてそこに冷却水が供給される。
単電池を８０個積層するとき、各単電池の冷却水排出マニホールド１９は連なっている。そして、他方の端に積層された単電池の燃料セパレータ板３に設けられた冷却水排出マニホールド１９を冷却水排出口としてそこから冷却水が排出される。
【００２３】
図５は、この実施の形態１の単電池を８０個積層して燃料電池スタックを構成したときの燃料連通マニホールドの透過斜視図である。
単電池を８０個積層するとき、２０個の単電池を１つのグループとして、４つのグループに区分けする。そして、グループ毎に各単電池の燃料連通マニホールド５１が連なるように積層する。それから、４つの積層されたグループを積層するとき、燃料連通マニホールド５１が仕切られるように、図５に示すように、３つの積層されたグループの一方の端に積層された単電池の燃料連通マニホールド５１を仕切５２で閉鎖する。
燃料供給マニホールド１４と１つの仕切られた燃料連通マニホールド５１とを連通する燃料流路溝２１ａは、１２０本であり、１つの仕切られた燃料連通マニホールド５１と燃料排出マニホールド１５とを連通する燃料流路溝２１ｂは、１２０本である。
【００２４】
図６は、この実施の形態１に係わる燃料電池の外観図である。
燃料電池は、図６に示すように、８０個の単電池を積層した燃料電池スタック４１、燃料電池スタック４１の両端に電池出力を取り出す出力端子４６、燃料電池スタック４１を締付ける端板４３を備える。燃料電池スタック４１の一方の端の出力端子４６と端板４３に図示しない燃料供給口、酸化剤排出口、冷却水供給口が形成されている。また、燃料電池スタック４１の他方の端の出力端子４６と端板４３に図示しない燃料排出口、酸化剤供給口、冷却水排出口が形成されている。そして、図示しないシャフトまたは皿バネなどの弾性体により締結されている。
【００２５】
次に、実施の形態１に係わる燃料電池の動作について説明する。
図示しない酸化剤供給口より供給された酸化剤としての酸素ガスは、酸化剤流路２３を流れ、酸化剤電極基材８内を拡散して正極触媒層６に供給される。一方、図示しない燃料供給口より供給された燃料としての水素ガスは、燃料流路２２を流れ、燃料電極基材９内を拡散して負極触媒層７に供給される。このとき、正極触媒層６と負極触媒層７とは電気的に外部で接続すれば、正極触媒層６では式（１）の反応が生じ、酸化剤流路２３を通って未反応酸素と水とが図示しない酸化剤排出口から排出される。また、負極触媒層７では式（２）の反応が生じ未反応水素ガスは燃料流路２２を流れて図示しない燃料排出口より排出される。
【００２６】
正極反応：２Ｈ＋＋２ｅ−＋１／２Ｏ２→Ｈ２Ｏ （１）
負極反応：Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ− （２）
【００２７】
このとき負極触媒層７上で水素はイオン化されてプロトンとなり、水分子を伴って電解質膜５中を正極触媒層６上まで移動し、酸素と反応して生成水を生ずる。生成水は飽和蒸気圧以上になると結露して酸化剤流路２３で水滴となる。一方、負極触媒層７上では水素が消費されるため、相対的に水蒸気分圧が上昇し、飽和蒸気圧以上になると結露して燃料流路２２で水滴となる。
【００２８】
次に、８０個の単電池を２０個ずつの４グループに区分けし、グループ毎に燃料連通マニホールド５１が連なるようにし、グループ間の燃料連通マニホールド５１を３個の仕切５２で仕切った実施の形態１に係わる燃料電池と、８０個の単電池の燃料連通マニホールドが連なっている従来の燃料電池との電池出力の特性を評価した。電流密度０．０５Ａ／ｃｍ２、燃料利用率８０％、酸化剤利用率５０％での低出力運転の発電を行い、各単電池の出力電圧の経時的変化の最大値ΔＶを計測した。
【００２９】
図７は、従来の燃料電池を低出力運転したときの各単電池の出力電圧の推移を示すグラフである。
従来の燃料電池では、図７から分かるように、出力電圧が大きく低下するときがあり、出力電圧が大きく変動する。単電池の瞬間的な出力電圧の変化の最大値ΔＶは約０．１Ｖであった。出力電圧の低下は燃料流路溝２１を閉塞する水滴が排出されず、水滴により閉塞された燃料流路溝２１の部分または水滴により閉塞された燃料流路溝２１の地点の下流の領域で発電が行われなくなったためである。燃料流路溝２１が水滴により閉塞された単電池では電流密度が大きくなり、発熱量が大きくなるので、温度が上昇して燃料流路溝２１を閉塞する水滴がなくなり、再び面内全域で発電できるようになるが、その間、電池出力が不安定になったと推察される。
【００３０】
従来の燃料電池では、例えば、１個の単電池の６本の燃料流路溝２１ｂが水滴により閉塞されたとき、燃料は残りの４７４本の燃料流路溝２１ｂを流れることになるので、各燃料流路溝２１ｂの燃料流量は約１．３％増加するのみで、水滴により閉塞された燃料流路溝２１ｂの前後の差圧の増加は僅かである。
【００３１】
図８は、この発明の実施の形態１に係わる燃料電池を低出力運転したときの各単電池の出力電圧の推移を示すグラフである。
一方、実施の形態１に係わる燃料電池では、仕切５２を用いて燃料連通マニホールド５１が４分割されており、各単電池の出力電圧の変化は僅かである。各単電池の出力電圧の変化の最大値ΔＶは約０．０１Ｖであった。
【００３２】
実施の形態１に係わる燃料電池では、例えば、１個の単電池の６本の燃料流路溝２１ｂが水滴に閉塞されたとき、燃料は残りの１１４本の燃料流路溝２１ｂを流れることになるので、各燃料流路溝２１ｂの燃料流量は約５．２％増加し、水滴により閉塞された燃料流路溝２１ｂの前後の差圧の増加は大きい。
【００３３】
このような燃料電池は、複数個の単電池が複数のグループに区分けされ、グループに属する単電池間では燃料連通マニホールドが連なり、他のグループに属する単電池間では燃料連通マニホールドが連なっていないので、あるグループの単電池の燃料流路溝が水滴で閉塞されたとき、あるグループの燃料連通マニホールドと燃料排出マニホールドとの圧力差が、グループ化されていないときの燃料連通マニホールドと燃料排出マニホールドとの圧力差より大きくなり、閉塞する水滴をより容易に燃料排出マニホールドに排出することができ、電池出力が不安定になりやすい低電流密度での低出力運転でも電池出力を安定化することができる。
【００３４】
なお、この実施の形態１に係わる燃料電池では、燃料流路の途中に燃料連通マニホールド５１を設け、８０個の単電池を複数のグループに区分けし、グループ毎の燃料連通マニホールド５１が連なるように仕切５２を配置しているが、酸化剤流路の途中に酸化剤連通マニホールドを設け、８０個の単電池を複数のグループに区分けし、グループ毎に酸化剤連通マニホールドが連なるように仕切５２を配置しても同様の効果が得られる。
【００３５】
実施の形態２．
図９は、この発明の実施の形態２に係わる燃料電池の第２の燃料セパレータ板の平面図である。図１０は、図９のＡ−Ａ断面での第２の燃料セパレータ板の断面図である。
この発明の実施の形態２に係わる燃料電池は、実施の形態１に係わる燃料電池と仕切５２が一体化された第２の燃料セパレータ板３１が追加され、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記して説明は省略する。
この実施の形態２に係わる第２の燃料セパレータ板３１は、図９に示すように、実施の形態１に係わる燃料セパレータ板３の燃料連通マニホールド５１の替わりに仕切５２を底として一体化したキャビティ３２が設けられており、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記して説明は省略する。このキャビティ３２は、膜電極接合体１と重ね合わせたとき、膜電極接合体１の燃料連通マニホールドと連なる位置に設けられ、燃料流路溝２１ａと燃料流路溝２１ｂを連通する。
【００３６】
この実施の形態２に係わる第２の単電池は、膜電極接合体１が両面から第２の燃料セパレータ板３１と酸化剤セパレータ板２とで挟持されている。この第２の単電池では、燃料連通マニホールドは、第２の燃料セパレータ板３１により閉鎖されている。
この実施の形態２に係わる燃料電池は、７７個の単電池と３個の第２の単電池を有し、１９個の単電池と１個の第２の単電池とをグループとして、このグループを３つ用意し、２０個の単電池をグループとする。
【００３７】
このような燃料電池は、燃料連通マニホールドを仕切る有底のキャビティ３２が設けられた第２の燃料セパレータ板３１が金型を用いた鋳型により作製できるので、量産に適している。
なお、この実施の形態２においては仕切の働きをするキャビティが設けられた第２の燃料セパレータ板３１により燃料連通マニホールド５１を分割することについて説明したが、酸化剤連通マニホールドを分割するときには仕切の働きをするキャビティが設けられた第２の酸化剤セパレータ板を有することで同様の効果が得られる。
【００３８】
実施の形態３．
図１１は、この発明の実施の形態３に係わる燃料電池の膜電極接合体の平面図である。 この発明の実施の形態３に係わる燃料電池は、実施の形態１に係わる燃料電池と仕切５２が一体化された第２の膜電極接合体３５が追加され、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記して説明は省略する。
この実施の形態３に係わる第２の膜電極接合体３５は、図１１に示すように、実施の形態１に係わる膜電極接合体１から燃料連通マニホールド５１を省略したことが異なっており、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記して説明は省略する。この第２の膜電極接合体３５は、実施の形態１に係わる枠フィルム１０から燃料連通マニホールド５１を省略した第２の枠フィルム３６を有している。
【００３９】
この実施の形態３に係わる第２の単電池は、第２の膜電極接合体３５が両面から燃料セパレータ板３と酸化剤セパレータ板２とで挟持されている。この第２の単電池では、燃料連通マニホールドは、第２の膜電極接合体３５により閉鎖されている。
この実施の形態３に係わる燃料電池は、７７個の単電池と３個の第２の単電池を有し、１９個の単電池と１個の第２の単電池とをグループとして、このグループを３つ用意し、２０個の単電池をグループとする。
【００４０】
このような燃料電池は、燃料連通マニホールド５１を設けない第２の枠フィルム３６を枠フィルム１０と同様にして作製し、この第２の枠フィルムを用いて第２の膜電極接合体３５を作製しておけば、その後は単電池と第２の単電池を積層するだけで燃料連通マニホールド５１を分割することができ、量産性に優れる。
【００４１】
なお、この実施の形態３において燃料連通マニホールド５１を設けない第２の膜電極接合体３５を追加して燃料連通マニホールド５１を分割しているが、酸化剤連通マニホールドが設けられた燃料電池の場合、酸化剤連通マニホールドを設けない第２の膜電極接合体を追加して酸化剤連通マニホールドを分割しても、実施の形態３と同様な効果が得られる。
【００４２】
実施の形態４．
図１２は、この発明の実施の形態４に係わる燃料電池を低出力運転したときの出力電圧の安定性と均一性を示した特性図である。
この発明の実施の形態４に係わる燃料電池は、実施の形態１に係わる燃料電池と単電池を区切るグループ数が異なっており、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記して説明は省略する。
この実施の形態４に係わる燃料電池は、８０個の単電池を４０個ずつ２グループに区分けされた実施例１の燃料電池、８０個の単電池を４個ずつ２０グループに区分けされた実施例２の燃料電池である。また、これらの燃料電池と比較するために８０個の単電池が区分けされていない比較例１の燃料電池、８０個の単電池が１個ずつ８０グループに区分けされた比較例２の燃料電池も用意して低出力運転での発電を行い、出力電圧の経時的変化の最大値ΔＶと、燃料電池を構成する単電池の出力電圧の分散σＶを求めた。図１１には、実施の形態１に係わる燃料電池に関する最大値ΔＶ、分散σＶも合わせて表示してある。低出力運転の条件は、電流密度０．０５Ａ／ｃｍ２、燃料利用率８０％、酸化剤利用率５０％である。
【００４３】
実施例１、実施例２、実施の形態１、比較例１および比較例２の燃料電池に関する出力電圧の経時的変化の最大値ΔＶは、図１２に示すように、それぞれ０．０４Ｖ、０．００３Ｖ、０．０１Ｖ、０．１Ｖ、０．００１Ｖであった。
このように、分割された１つの燃料連通マニホールドに連なる単電池の数が、４０個以下のとき、出力電圧の経時的変化が小さく、出力電圧が安定な燃料電池を提供することができる。
【００４４】
実施例１、実施例２、実施の形態１、比較例１および比較例２の燃料電池に関する燃料電池を構成する単電池の出力電圧の分散σＶは、図１１に示すように、それぞれ±０．００８Ｖ、±０．０１８Ｖ、±０．０１２Ｖ、±０．００５Ｖ、±０．０２５Ｖであった。
このように、分割された１つの燃料連通マニホールドに連なる単電池の数が、４個以上のとき、燃料電池を構成する単電池の出力電圧の分散が小さく、出力電圧が均一な燃料電池を提供することができる。
【００４５】
そして、分割された１つの燃料連通マニホールドに連なる単電池の数が４個以上、４０個以下のときの燃料電池は、出力電圧の経時的変化が小さく、且つ、出力電圧が揃っている。
なお、実施の形態４において燃料連通マニホールドに関して説明したが、分割された１つの酸化剤連通マニホールドに連なる単電池の数が４個以上、４０個以下のときの燃料電池は、出力電圧の経時的変化が小さく、且つ、出力電圧が揃っている。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】この発明の実施の形態１に係わる燃料電池の単電池の断面図である。
【図２】実施の形態１に係わる膜電極接合体の平面図である。
【図３】実施の形態１に係わる燃料セパレータ板の平面図である。
【図４】実施の形態１に係わる酸化剤セパレータ板の平面図である。
【図５】実施の形態１に係わる燃料電池スタックの透視斜視図である。
【図６】実施の形態１に係わる燃料電池の外観図である。本発明の実施の形態１による燃料電池の単電池の断面図である。
【図７】従来の燃料電池を低出力運転したときの各単電池の出力電圧の変化を示すグラフである。
【図８】この発明の実施の形態１に係わる燃料電池を低出力運転したときの各単電池の出力電圧の変化を示すグラフである。
【図９】この発明の実施の形態２に係わる第２の燃料セパレータ板の平面図である。
【図１０】図９のＡ−Ａ断面での第２の燃料セパレータ板の断面図である。
【図１１】この発明の実施の形態３に係わる第２の膜電極接合体の平面図である。
【図１２】この発明の実施の形態４に係わる燃料電池を低出力運転したときの出力電圧の安定性と均一性を示した特性図である。
【符号の説明】
【００４７】
１ 膜電極接合体、２ 酸化剤セパレータ板、３ 燃料セパレータ板、４ ガスケット、５ 電解質膜、６ 正極触媒層、７ 負極触媒層、８ 酸化剤電極基材、９ 燃料電極基材、１０ 枠フィルム、１２、１３ 外縁部、１４ 燃料供給マニホールド、１５ 燃料排出マニホールド、１６ 酸化剤供給マニホールド、１７ 酸化剤排出マニホールド、１８ 冷却水供給マニホールド、１９ 冷却水排出マニホールド、２０ 反応領域、２１、２１ａ、２１ｂ 燃料流路溝、２２ 燃料流路、２３ 酸化剤流路、２７ 酸化剤流路溝、３１ 第２の燃料セパレータ板、３２ キャビティ、 ３５ 第２の膜電極接合体、３６ 第２の枠フィルム、４１ 燃料電池スタック、４３ 端板、４６ 出力端子、５１ 燃料連通マニホールド、５２ 仕切。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電気化学的な反応を利用して発電する燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電解質膜が両側から負極電極と正極電極とで挟持される膜電極接合体が、両側から燃料と酸化剤とをそれぞれ負極電極と正極電極とに供給する燃料セパレータ板と酸化剤セパレータ板とで挟持される複数の単電池を有する。燃料セパレータ板および酸化剤セパレータ板それぞれの膜電極接合体に接する面の中央部に多数の燃料流路溝と酸化剤流路溝が蛇腹状や直線状に形成されている。さらに、燃料セパレータ板および酸化剤セパレータ板それぞれの外縁部に積層方向に貫通した各種マニホールドが設けられている。そして、燃料流路溝、酸化剤流路溝、各種マニホールドを囲繞するようなガスケットが膜電極接合体を中心にした面対称な燃料セパレータ板および酸化剤セパレータ板の位置に加圧されながら挟持されて単電池を構成している。そしてこの単電池を数十〜数百枚順次積層して燃料電池スタックを構成している。
【０００３】
そして、燃料電池の出力を安定化するために、単電池面内の燃料流路溝と酸化剤流路溝とにそれぞれ燃料と酸化剤とを均一に配流し、且つ、単電池の積層方向への燃料と酸化剤とを均一に配流する。
また、燃料流路溝と酸化剤流路溝との中に電池反応により生成した水滴はそれぞれ燃料と酸化剤の燃料極と酸化剤極への拡散の阻害要因になるため、速やかに排出しなければならない。特に、燃料および酸化剤の量が相対的に少なくなり水滴の排出がより困難になる低電流密度での低出力運転でも速やかに排出しなければならない。そこで、流路の途中に、流路溝を複数連通させた集合孔を設けている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−１００４５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
流路溝中の水滴を排出する駆動力は、水滴が閉塞した流路溝の入口と出口との間の圧力差であり、圧力差が小さければ水滴は排出され難く、圧力差が大きければ水滴は排出され易い。そして、流路の途中に複数の流路溝を連通する集合孔を設けたときには、流路溝を閉塞した水滴にかかる圧力差は、閉塞された流路溝の場所に因るが、ガス供給孔と集合孔間の差圧、集合孔と集合孔間の差圧、集合孔とガス排出孔間の差圧のいずれかである。
【０００６】
一方、集合孔を設けないときには、流路溝を閉塞した水滴に加わる圧力差は、ガス供給孔と排出孔間の差圧である。このように、集合孔を設けたときに水滴に加わる圧力差は、集合孔を設けないときに比べて小さいので、集合孔を設けることにより水滴の排出が困難になるという問題がある。特に、燃料および酸化剤の量が相対的に少なく、圧力差が小さくなる低電流密度である低出力運転では水滴の排出がより困難になり、電池出力が不安定になるという問題がある。
【０００７】
この発明の目的は、積層した単電池間の反応分布が均一であるとともに、低電流密度である低出力運転でも流路溝から水滴が速やかに排出され、安定した電池出力の燃料電池を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明に係わる燃料電池は、電解質膜が両側から負極電極と正極電極とで挟持される膜電極接合体が両側から上記膜電極接合体が接する面の中央部に上記負極電極に燃料を供給する燃料流路溝が設けられた燃料セパレータ板と上記膜電極接合体が接する面の中央部に上記正極電極に酸化剤を供給する酸化剤流路溝が設けられた酸化剤セパレータ板とで挟持された単電池が複数個積層されて構成される燃料電池スタックを備える燃料電池において、上記膜電極接合体、上記燃料セパレータ板および上記酸化剤セパレータ板には、積層方向に貫通する燃料連通マニホールドが設けられ、上記燃料流路溝は、途中で上記燃料連通マニホールドにより連通されており、上記燃料連通マニホールドは、上記燃料電池スタック内で複数に独立した空間に分割される。
【０００９】
この発明に係わる別の燃料電池は、電解質膜が両側から負極電極と正極電極とで挟持された膜電極接合体が両側から上記膜電極接合体が接する面の中央部に上記負極電極に燃料を供給する燃料流路溝が設けられた燃料セパレータ板と上記膜電極接合体が接する面の中央部に上記正極電極に酸化剤を供給する酸化剤流路溝が設けられた酸化剤セパレータ板とで挟持された単電池が複数個積層されて構成される燃料電池スタックを備える燃料電池において、上記膜電極接合体、上記燃料セパレータ板および上記酸化剤セパレータ板には、積層方向に貫通する酸化剤連通マニホールドが設けられ、上記酸化剤流路溝は、途中で上記酸化剤連通マニホールドにより連通されており、上記酸化剤連通マニホールドは、上記燃料電池スタック内で複数に独立した空間に分割される。
【発明の効果】
【００１０】
この発明に係わる燃料電池の効果は、燃料連通マニホールドまたは酸化剤連通マニホールドを２つ以上に分割したので、燃料流路溝または酸化剤流路溝を閉塞する水滴に加わる圧が大きくなり、低出力発電でも燃料流路溝または酸化剤流路溝からの水滴の排出を可能にし、電池出力を安定化させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係わる燃料電池の単電池の断面図である。図２は、実施の形態１に係わる膜電極接合体の平面図である。図３は、実施の形態１に係わる燃料セパレータ板の平面図である。図４は、実施の形態１に係わる酸化剤セパレータ板の平面図である。図５は、実施の形態１に係わる燃料電池スタックの透視斜視図である。図６は、実施の形態１に係わる燃料電池の外観図である。
この発明の実施の形態１に係わる燃料電池は、電解質膜として固体高分子電解質、燃料として水素、酸化剤として酸素を用いた固体高分子型燃料電地である。なお、この発明はリン酸型燃料電池やダイレクトメタノール形燃料電池など他の燃料電池にも適用できる。
【００１２】
この発明の実施の形態１に係わる固体高分子型燃料電池（以下、「燃料電池」と称す）を構成する単電池は、図１に示すように、膜電極接合体１、その膜電極接合体１を両側から挟持する導電性を有する酸化剤セパレータ板２および燃料セパレータ板３、膜電極接合体１と酸化剤セパレータ板２および燃料セパレータ板３との間にそれぞれ配置されているガスケット４を有する。通常、燃料電池は、数十から数百個の単電池が直列に積層されて燃料電池スタックを構成している。そして、燃料電池スタックの両端面から加重を加えて、電気的な接続と燃料および酸化剤のシールを行っている。
【００１３】
この膜電極接合体１は、プロトン伝導性の固体高分子電解質膜（以下、「電解質膜」と称す）５、電解質膜５の片面の中央部に接する正極触媒層６、電解質膜５の他の片面の中央部に接する負極触媒層７、正極触媒層６を覆う酸化剤電極基材８、負極触媒層７を覆う燃料電極基材９、正極触媒層６と負極触媒層７のそれぞれの外周に接し、電解質膜５の外縁部に面した枠フィルム１０を有する。この負極触媒層７と燃料電極基材９とで負極電極が、正極触媒層６と酸化剤電極基材８とで正極電極が構成されている。また、電解質膜５は、パーフルオロスルフォン酸膜であるナフィオン（登録商標）膜である。
【００１４】
また、正極触媒層６は、白金が担持されたカーボンブラック粒子とパーフルオロ系高分子電解質との混合物であり、電解質膜５の片面の中央部に積層されている。また、負極触媒層７は、白金―ルテニウム系合金が担持されたカーボンブラック粒子とパーフルオロ系高分子電解質との混合物であり、電解質膜５の中央部の正極触媒層６が形成された面の反対面に積層されている。
また、酸化剤電極基材８と燃料電極基材９は、カーボンペーパーである。
また、枠フィルム１０は、正極触媒層６と負極触媒層７を外周から支持している。
【００１５】
膜電極接合体１は、図２に示すように、外縁部１２に、積層方向に貫通する燃料供給マニホールド１４、燃料排出マニホールド１５、燃料連通マニホールド５１、酸化剤供給マニホールド１６、酸化剤排出マニホールド１７、冷却水供給マニホールド１８および冷却水排出マニホールド１９が設けられている。そして、枠フィルム１０は、積層方向に貫通する燃料供給マニホールド１４、燃料排出マニホールド１５、燃料連通マニホールド５１、酸化剤供給マニホールド１６、酸化剤排出マニホールド１７、冷却水供給マニホールド１８および冷却水排出マニホールド１９が設けられている。また、電解質膜５は、枠フィルム１０と重ね合わされたとき枠フィルム１０の燃料供給マニホールド１４、燃料排出マニホールド１５、燃料連通マニホールド５１、酸化剤供給マニホールド１６、酸化剤排出マニホールド１７、冷却水供給マニホールド１８および冷却水排出マニホールド１９と重畳する位置に孔が開けられている。
なお、膜電極接合体１に設けた各種マニホールドの位置や形状は上述の内容に限るものではない。
【００１６】
酸化剤セパレータ板２と燃料セパレータ板３は、カーボンフィラーをポリフェニレンサルファイド樹脂によって結合した黒鉛板である。
燃料セパレータ板３は、図３に示すように、外縁部１３に、積層方向に貫通する燃料供給マニホールド１４、燃料排出マニホールド１５、燃料連通マニホールド５１、酸化剤供給マニホールド１６、酸化剤排出マニホールド１７、冷却水供給マニホールド１８および冷却水排出マニホールド１９が設けられている。
【００１７】
また、燃料セパレータ板３は、膜電極接合体１の燃料電極基材９が接する反応領域２０に、燃料流路溝２１が設けられている。燃料流路溝２１は、途中で２つに分けられており、燃料流路溝２１ａ、燃料流路溝２１ｂからなり、反応領域２０内の燃料流路２２（図１）を形成している。燃料流路２２は、燃料流路溝２１を燃料電極基材９が蓋をすることにより形成される流路である。燃料連通マニホールド５１は、燃料流路溝２１ａと燃料流路溝２１ｂとを連通している。
燃料流路溝２１ａと燃料流路溝２１ｂは、それぞれ６本である。なお、燃料流路溝２１ａ、２１ｂの数は以下の説明にために設定した値であり、これに限るものではない。
燃料電池に供給された燃料は、燃料供給マニホールド１４、燃料流路溝２１ａ、燃料連通マニホールド５１、燃料流路溝２１ｂ、燃料排出マニホールド１５の順に流れる。
【００１８】
酸化剤セパレータ板２は、図４に示すように、外縁部１３に、積層方向に貫通する燃料供給マニホールド１４、燃料排出マニホールド１５、燃料連通マニホールド５１、酸化剤供給マニホールド１６、酸化剤排出マニホールド１７、冷却水供給マニホールド１８および冷却水排出マニホールド１９が設けられている。
また、酸化剤セパレータ板２は、酸化剤電極基材８に接する反応領域２０に、酸化剤流路溝２７が設けられている。酸化剤流路２３（図１）は、酸化剤流路溝２７を酸化剤電極基材８が蓋をすることにより形成される流路である。
燃料電池に供給された酸化剤は、酸化剤供給マニホールド１６、酸化剤流路溝２７、酸化剤排出マニホールド１７の順に流れる。
【００１９】
単電池を組み立てるとき、燃料セパレータ板３の燃料供給マニホールド１４、膜電極接合体１の燃料供給マニホールド１４および酸化剤セパレータ板２の燃料供給マニホールド１４を連なるようにし、燃料セパレータ板３の燃料排出マニホールド１５、膜電極接合体１の燃料排出マニホールド１５および酸化剤セパレータ板２の燃料排出マニホールド１５を連なるようにし、燃料セパレータ板３の酸化剤供給マニホールド１６、膜電極接合体１の酸化剤供給マニホールド１６および酸化剤セパレータ板２の酸化剤供給マニホールド１６を連なるようにし、燃料セパレータ板３の酸化剤排出マニホールド１７、膜電極接合体１の酸化剤排出マニホールド１７および酸化剤セパレータ板２の酸化剤排出マニホールド１７を連なるようにし、燃料セパレータ板３の冷却水供給マニホールド１８、膜電極接合体１の冷却水供給マニホールド１８および酸化剤セパレータ板２の冷却水供給マニホールド１８を連なるようにし、燃料セパレータ板３の冷却水排出マニホールド１９、膜電極接合体１の冷却水排出マニホールド１９および酸化剤セパレータ板２の冷却水排出マニホールド１９を連なるようにして燃料セパレータ板３、膜電極接合体１および酸化剤セパレータ板２を積層する。
【００２０】
この実施の形態１に係わる燃料電池は、単電池が８０個積層された燃料電池スタックを有する。
単電池を８０個積層するとき、各単電池の燃料供給マニホールド１４は連なっている。そして、一方の端に積層された単電池の酸化剤セパレータ板２に設けられた燃料供給マニホールド１４を燃料供給口としてそこに燃料が供給される。
単電池を８０個積層するとき、各単電池の燃料排出マニホールド１５は連なっている。そして、他方の端に積層された単電池の燃料セパレータ板３に設けられた燃料排出マニホールド１５を燃料排出口としてそこから燃料の残分が排出される。
【００２１】
単電池を８０個積層するとき、各単電池の酸化剤供給マニホールド１６は連なっている。そして、他方の端に積層された単電池の燃料セパレータ板３に設けられた酸化剤供給マニホールド１６を酸化剤供給口としてそこに酸化剤が供給される。
単電池を８０個積層するとき、各単電池の酸化剤排出マニホールド１７は連なっている。そして、一方の端に積層された単電池の酸化剤セパレータ板２に設けられた酸化剤排出マニホールド１７を酸化剤排出口としてそこから酸化剤の残分が排出される。
【００２２】
単電池を８０個積層するとき、各単電池の冷却水供給マニホールド１８は連なっている。そして、一方の端に積層された単電池の酸化剤セパレータ板２に設けられた冷却水供給マニホールド１８を冷却水供給口としてそこに冷却水が供給される。
単電池を８０個積層するとき、各単電池の冷却水排出マニホールド１９は連なっている。そして、他方の端に積層された単電池の燃料セパレータ板３に設けられた冷却水排出マニホールド１９を冷却水排出口としてそこから冷却水が排出される。
【００２３】
図５は、この実施の形態１の単電池を８０個積層して燃料電池スタックを構成したときの燃料連通マニホールドの透過斜視図である。
単電池を８０個積層するとき、２０個の単電池を１つのグループとして、４つのグループに区分けする。そして、グループ毎に各単電池の燃料連通マニホールド５１が連なるように積層する。それから、４つの積層されたグループを積層するとき、燃料連通マニホールド５１が仕切られるように、図５に示すように、３つの積層されたグループの一方の端に積層された単電池の燃料連通マニホールド５１を仕切５２で閉鎖する。
燃料供給マニホールド１４と１つの仕切られた燃料連通マニホールド５１とを連通する燃料流路溝２１ａは、１２０本であり、１つの仕切られた燃料連通マニホールド５１と燃料排出マニホールド１５とを連通する燃料流路溝２１ｂは、１２０本である。
【００２４】
図６は、この実施の形態１に係わる燃料電池の外観図である。
燃料電池は、図６に示すように、８０個の単電池を積層した燃料電池スタック４１、燃料電池スタック４１の両端に電池出力を取り出す出力端子４６、燃料電池スタック４１を締付ける端板４３を備える。燃料電池スタック４１の一方の端の出力端子４６と端板４３に図示しない燃料供給口、酸化剤排出口、冷却水供給口が形成されている。また、燃料電池スタック４１の他方の端の出力端子４６と端板４３に図示しない燃料排出口、酸化剤供給口、冷却水排出口が形成されている。そして、図示しないシャフトまたは皿バネなどの弾性体により締結されている。
【００２５】
次に、実施の形態１に係わる燃料電池の動作について説明する。
図示しない酸化剤供給口より供給された酸化剤としての酸素ガスは、酸化剤流路２３を流れ、酸化剤電極基材８内を拡散して正極触媒層６に供給される。一方、図示しない燃料供給口より供給された燃料としての水素ガスは、燃料流路２２を流れ、燃料電極基材９内を拡散して負極触媒層７に供給される。このとき、正極触媒層６と負極触媒層７とは電気的に外部で接続すれば、正極触媒層６では式（１）の反応が生じ、酸化剤流路２３を通って未反応酸素と水とが図示しない酸化剤排出口から排出される。また、負極触媒層７では式（２）の反応が生じ未反応水素ガスは燃料流路２２を流れて図示しない燃料排出口より排出される。
【００２６】
正極反応：２Ｈ＋＋２ｅ−＋１／２Ｏ２→Ｈ２Ｏ （１）
負極反応：Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ− （２）
【００２７】
このとき負極触媒層７上で水素はイオン化されてプロトンとなり、水分子を伴って電解質膜５中を正極触媒層６上まで移動し、酸素と反応して生成水を生ずる。生成水は飽和蒸気圧以上になると結露して酸化剤流路２３で水滴となる。一方、負極触媒層７上では水素が消費されるため、相対的に水蒸気分圧が上昇し、飽和蒸気圧以上になると結露して燃料流路２２で水滴となる。
【００２８】
次に、８０個の単電池を２０個ずつの４グループに区分けし、グループ毎に燃料連通マニホールド５１が連なるようにし、グループ間の燃料連通マニホールド５１を３個の仕切５２で仕切った実施の形態１に係わる燃料電池と、８０個の単電池の燃料連通マニホールドが連なっている従来の燃料電池との電池出力の特性を評価した。電流密度０．０５Ａ／ｃｍ２、燃料利用率８０％、酸化剤利用率５０％での低出力運転の発電を行い、各単電池の出力電圧の経時的変化の最大値ΔＶを計測した。
【００２９】
図７は、従来の燃料電池を低出力運転したときの各単電池の出力電圧の推移を示すグラフである。
従来の燃料電池では、図７から分かるように、出力電圧が大きく低下するときがあり、出力電圧が大きく変動する。単電池の瞬間的な出力電圧の変化の最大値ΔＶは約０．１Ｖであった。出力電圧の低下は燃料流路溝２１を閉塞する水滴が排出されず、水滴により閉塞された燃料流路溝２１の部分または水滴により閉塞された燃料流路溝２１の地点の下流の領域で発電が行われなくなったためである。燃料流路溝２１が水滴により閉塞された単電池では電流密度が大きくなり、発熱量が大きくなるので、温度が上昇して燃料流路溝２１を閉塞する水滴がなくなり、再び面内全域で発電できるようになるが、その間、電池出力が不安定になったと推察される。
【００３０】
従来の燃料電池では、例えば、１個の単電池の６本の燃料流路溝２１ｂが水滴により閉塞されたとき、燃料は残りの４７４本の燃料流路溝２１ｂを流れることになるので、各燃料流路溝２１ｂの燃料流量は約１．３％増加するのみで、水滴により閉塞された燃料流路溝２１ｂの前後の差圧の増加は僅かである。
【００３１】
図８は、この発明の実施の形態１に係わる燃料電池を低出力運転したときの各単電池の出力電圧の推移を示すグラフである。
一方、実施の形態１に係わる燃料電池では、仕切５２を用いて燃料連通マニホールド５１が４分割されており、各単電池の出力電圧の変化は僅かである。各単電池の出力電圧の変化の最大値ΔＶは約０．０１Ｖであった。
【００３２】
実施の形態１に係わる燃料電池では、例えば、１個の単電池の６本の燃料流路溝２１ｂが水滴に閉塞されたとき、燃料は残りの１１４本の燃料流路溝２１ｂを流れることになるので、各燃料流路溝２１ｂの燃料流量は約５．２％増加し、水滴により閉塞された燃料流路溝２１ｂの前後の差圧の増加は大きい。
【００３３】
このような燃料電池は、複数個の単電池が複数のグループに区分けされ、グループに属する単電池間では燃料連通マニホールドが連なり、他のグループに属する単電池間では燃料連通マニホールドが連なっていないので、あるグループの単電池の燃料流路溝が水滴で閉塞されたとき、あるグループの燃料連通マニホールドと燃料排出マニホールドとの圧力差が、グループ化されていないときの燃料連通マニホールドと燃料排出マニホールドとの圧力差より大きくなり、閉塞する水滴をより容易に燃料排出マニホールドに排出することができ、電池出力が不安定になりやすい低電流密度での低出力運転でも電池出力を安定化することができる。
【００３４】
なお、この実施の形態１に係わる燃料電池では、燃料流路の途中に燃料連通マニホールド５１を設け、８０個の単電池を複数のグループに区分けし、グループ毎の燃料連通マニホールド５１が連なるように仕切５２を配置しているが、酸化剤流路の途中に酸化剤連通マニホールドを設け、８０個の単電池を複数のグループに区分けし、グループ毎に酸化剤連通マニホールドが連なるように仕切５２を配置しても同様の効果が得られる。
【００３５】
実施の形態２．
図９は、この発明の実施の形態２に係わる燃料電池の第２の燃料セパレータ板の平面図である。図１０は、図９のＡ−Ａ断面での第２の燃料セパレータ板の断面図である。
この発明の実施の形態２に係わる燃料電池は、実施の形態１に係わる燃料電池と仕切５２が一体化された第２の燃料セパレータ板３１が追加され、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記して説明は省略する。
この実施の形態２に係わる第２の燃料セパレータ板３１は、図９に示すように、実施の形態１に係わる燃料セパレータ板３の燃料連通マニホールド５１の替わりに仕切５２を底として一体化したキャビティ３２が設けられており、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記して説明は省略する。このキャビティ３２は、膜電極接合体１と重ね合わせたとき、膜電極接合体１の燃料連通マニホールドと連なる位置に設けられ、燃料流路溝２１ａと燃料流路溝２１ｂを連通する。
【００３６】
この実施の形態２に係わる第２の単電池は、膜電極接合体１が両面から第２の燃料セパレータ板３１と酸化剤セパレータ板２とで挟持されている。この第２の単電池では、燃料連通マニホールドは、第２の燃料セパレータ板３１により閉鎖されている。
この実施の形態２に係わる燃料電池は、７７個の単電池と３個の第２の単電池を有し、１９個の単電池と１個の第２の単電池とをグループとして、このグループを３つ用意し、２０個の単電池をグループとする。
【００３７】
このような燃料電池は、燃料連通マニホールドを仕切る有底のキャビティ３２が設けられた第２の燃料セパレータ板３１が金型を用いた鋳型により作製できるので、量産に適している。
なお、この実施の形態２においては仕切の働きをするキャビティが設けられた第２の燃料セパレータ板３１により燃料連通マニホールド５１を分割することについて説明したが、酸化剤連通マニホールドを分割するときには仕切の働きをするキャビティが設けられた第２の酸化剤セパレータ板を有することで同様の効果が得られる。
【００３８】
実施の形態３．
図１１は、この発明の実施の形態３に係わる燃料電池の膜電極接合体の平面図である。 この発明の実施の形態３に係わる燃料電池は、実施の形態１に係わる燃料電池と仕切５２が一体化された第２の膜電極接合体３５が追加され、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記して説明は省略する。
この実施の形態３に係わる第２の膜電極接合体３５は、図１１に示すように、実施の形態１に係わる膜電極接合体１から燃料連通マニホールド５１を省略したことが異なっており、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記して説明は省略する。この第２の膜電極接合体３５は、実施の形態１に係わる枠フィルム１０から燃料連通マニホールド５１を省略した第２の枠フィルム３６を有している。
【００３９】
この実施の形態３に係わる第２の単電池は、第２の膜電極接合体３５が両面から燃料セパレータ板３と酸化剤セパレータ板２とで挟持されている。この第２の単電池では、燃料連通マニホールドは、第２の膜電極接合体３５により閉鎖されている。
この実施の形態３に係わる燃料電池は、７７個の単電池と３個の第２の単電池を有し、１９個の単電池と１個の第２の単電池とをグループとして、このグループを３つ用意し、２０個の単電池をグループとする。
【００４０】
このような燃料電池は、燃料連通マニホールド５１を設けない第２の枠フィルム３６を枠フィルム１０と同様にして作製し、この第２の枠フィルムを用いて第２の膜電極接合体３５を作製しておけば、その後は単電池と第２の単電池を積層するだけで燃料連通マニホールド５１を分割することができ、量産性に優れる。
【００４１】
なお、この実施の形態３において燃料連通マニホールド５１を設けない第２の膜電極接合体３５を追加して燃料連通マニホールド５１を分割しているが、酸化剤連通マニホールドが設けられた燃料電池の場合、酸化剤連通マニホールドを設けない第２の膜電極接合体を追加して酸化剤連通マニホールドを分割しても、実施の形態３と同様な効果が得られる。
【００４２】
実施の形態４．
図１２は、この発明の実施の形態４に係わる燃料電池を低出力運転したときの出力電圧の安定性と均一性を示した特性図である。
この発明の実施の形態４に係わる燃料電池は、実施の形態１に係わる燃料電池と単電池を区切るグループ数が異なっており、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記して説明は省略する。
この実施の形態４に係わる燃料電池は、８０個の単電池を４０個ずつ２グループに区分けされた実施例１の燃料電池、８０個の単電池を４個ずつ２０グループに区分けされた実施例２の燃料電池である。また、これらの燃料電池と比較するために８０個の単電池が区分けされていない比較例１の燃料電池、８０個の単電池が１個ずつ８０グループに区分けされた比較例２の燃料電池も用意して低出力運転での発電を行い、出力電圧の経時的変化の最大値ΔＶと、燃料電池を構成する単電池の出力電圧の分散σＶを求めた。図１１には、実施の形態１に係わる燃料電池に関する最大値ΔＶ、分散σＶも合わせて表示してある。低出力運転の条件は、電流密度０．０５Ａ／ｃｍ２、燃料利用率８０％、酸化剤利用率５０％である。
【００４３】
実施例１、実施例２、実施の形態１、比較例１および比較例２の燃料電池に関する出力電圧の経時的変化の最大値ΔＶは、図１２に示すように、それぞれ０．０４Ｖ、０．００３Ｖ、０．０１Ｖ、０．１Ｖ、０．００１Ｖであった。
このように、分割された１つの燃料連通マニホールドに連なる単電池の数が、４０個以下のとき、出力電圧の経時的変化が小さく、出力電圧が安定な燃料電池を提供することができる。
【００４４】
実施例１、実施例２、実施の形態１、比較例１および比較例２の燃料電池に関する燃料電池を構成する単電池の出力電圧の分散σＶは、図１１に示すように、それぞれ±０．００８Ｖ、±０．０１８Ｖ、±０．０１２Ｖ、±０．００５Ｖ、±０．０２５Ｖであった。
このように、分割された１つの燃料連通マニホールドに連なる単電池の数が、４個以上のとき、燃料電池を構成する単電池の出力電圧の分散が小さく、出力電圧が均一な燃料電池を提供することができる。
【００４５】
そして、分割された１つの燃料連通マニホールドに連なる単電池の数が４個以上、４０個以下のときの燃料電池は、出力電圧の経時的変化が小さく、且つ、出力電圧が揃っている。
なお、実施の形態４において燃料連通マニホールドに関して説明したが、分割された１つの酸化剤連通マニホールドに連なる単電池の数が４個以上、４０個以下のときの燃料電池は、出力電圧の経時的変化が小さく、且つ、出力電圧が揃っている。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】この発明の実施の形態１に係わる燃料電池の単電池の断面図である。
【図２】実施の形態１に係わる膜電極接合体の平面図である。
【図３】実施の形態１に係わる燃料セパレータ板の平面図である。
【図４】実施の形態１に係わる酸化剤セパレータ板の平面図である。
【図５】実施の形態１に係わる燃料電池スタックの透視斜視図である。
【図６】実施の形態１に係わる燃料電池の外観図である。本発明の実施の形態１による燃料電池の単電池の断面図である。
【図７】従来の燃料電池を低出力運転したときの各単電池の出力電圧の変化を示すグラフである。
【図８】この発明の実施の形態１に係わる燃料電池を低出力運転したときの各単電池の出力電圧の変化を示すグラフである。
【図９】この発明の実施の形態２に係わる第２の燃料セパレータ板の平面図である。
【図１０】図９のＡ−Ａ断面での第２の燃料セパレータ板の断面図である。
【図１１】この発明の実施の形態３に係わる第２の膜電極接合体の平面図である。
【図１２】この発明の実施の形態４に係わる燃料電池を低出力運転したときの出力電圧の安定性と均一性を示した特性図である。
【符号の説明】
【００４７】
１ 膜電極接合体、２ 酸化剤セパレータ板、３ 燃料セパレータ板、４ ガスケット、５ 電解質膜、６ 正極触媒層、７ 負極触媒層、８ 酸化剤電極基材、９ 燃料電極基材、１０ 枠フィルム、１２、１３ 外縁部、１４ 燃料供給マニホールド、１５ 燃料排出マニホールド、１６ 酸化剤供給マニホールド、１７ 酸化剤排出マニホールド、１８ 冷却水供給マニホールド、１９ 冷却水排出マニホールド、２０ 反応領域、２１、２１ａ、２１ｂ 燃料流路溝、２２ 燃料流路、２３ 酸化剤流路、２７ 酸化剤流路溝、３１ 第２の燃料セパレータ板、３２ キャビティ、 ３５ 第２の膜電極接合体、３６ 第２の枠フィルム、４１ 燃料電池スタック、４３ 端板、４６ 出力端子、５１ 燃料連通マニホールド、５２ 仕切。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜が両側から負極電極と正極電極とで挟持される膜電極接合体が両側から上記膜電極接合体が接する面の中央部に上記負極電極に燃料を供給する燃料流路溝が設けられた燃料セパレータ板と上記膜電極接合体が接する面の中央部に上記正極電極に酸化剤を供給する酸化剤流路溝が設けられた酸化剤セパレータ板とで挟持された単電池が複数個積層されて構成される燃料電池スタックを備える燃料電池において、
上記膜電極接合体、上記燃料セパレータ板および上記酸化剤セパレータ板には、積層方向に貫通する燃料連通マニホールドが設けられ、
上記燃料流路溝は、途中で上記燃料連通マニホールドにより連通されており、
上記燃料連通マニホールドは、上記燃料電池スタック内で複数に独立した空間に分割されることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
上記膜電極接合体を挟持するとき上記膜電極接合体の燃料連通マニホールドと連なる位置に、上記燃料流路溝を途中で連通するキャビティが設けられる第２の燃料セパレータ板を有し、
上記膜電極接合体が両側から上記第２の燃料セパレータ板と上記酸化剤セパレータ板とで挟持される第２の単電池を備え、
上記燃料電池スタック内で上記燃料連通マニホールドが複数に独立した空間毎に１個の上記第２の単電池が上記複数に独立した空間の一端に位置するように積層されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
上記燃料連通マニホールドは、上記膜電極接合体によって上記燃料電池スタック内で複数に独立した空間に分割されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項４】
電解質膜が両側から負極電極と正極電極とで挟持された膜電極接合体が両側から上記膜電極接合体が接する面の中央部に上記負極電極に燃料を供給する燃料流路溝が設けられた燃料セパレータ板と上記膜電極接合体が接する面の中央部に上記正極電極に酸化剤を供給する酸化剤流路溝が設けられた酸化剤セパレータ板とで挟持された単電池が複数個積層されて構成される燃料電池スタックを備える燃料電池において、
上記膜電極接合体、上記燃料セパレータ板および上記酸化剤セパレータ板には、積層方向に貫通する酸化剤連通マニホールドが設けられ、
上記酸化剤流路溝は、途中で上記酸化剤連通マニホールドにより連通されており、
上記酸化剤連通マニホールドは、上記燃料電池スタック内で複数に独立した空間に分割されることを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
上記膜電極接合体を挟持するとき上記膜電極接合体の酸化剤連通マニホールドと連なる位置に、上記酸化剤流路溝を途中で連通するキャビティが設けられる第２の酸化剤セパレータ板を有し、
上記膜電極接合体が両側から上記燃料セパレータ板と上記第２の酸化剤セパレータ板とで挟持された第２の単電池を備え、
上記燃料電池スタック内で上記酸化剤連通マニホールドが複数に独立した空間毎に１個の上記第２の単電池が上記複数に独立した空間の一端に位置するように積層されることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池。
【請求項６】
上記酸化剤連通マニホールドは、上記膜電極接合体によって上記燃料電池スタック内で複数に独立した空間に分割されることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池。
【請求項７】
上記燃料電池スタック内で複数に独立した空間に含まれる単電池の数が４個以上、４０個以下であることを特徴とする請求項１または４に記載の燃料電池。
【請求項１】
電解質膜が両側から負極電極と正極電極とで挟持される膜電極接合体が両側から上記膜電極接合体が接する面の中央部に上記負極電極に燃料を供給する燃料流路溝が設けられた燃料セパレータ板と上記膜電極接合体が接する面の中央部に上記正極電極に酸化剤を供給する酸化剤流路溝が設けられた酸化剤セパレータ板とで挟持された単電池が複数個積層されて構成される燃料電池スタックを備える燃料電池において、
上記膜電極接合体、上記燃料セパレータ板および上記酸化剤セパレータ板には、積層方向に貫通する燃料連通マニホールドが設けられ、
上記燃料流路溝は、途中で上記燃料連通マニホールドにより連通されており、
上記燃料連通マニホールドは、上記燃料電池スタック内で複数に独立した空間に分割されることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
上記膜電極接合体を挟持するとき上記膜電極接合体の燃料連通マニホールドと連なる位置に、上記燃料流路溝を途中で連通するキャビティが設けられる第２の燃料セパレータ板を有し、
上記膜電極接合体が両側から上記第２の燃料セパレータ板と上記酸化剤セパレータ板とで挟持される第２の単電池を備え、
上記燃料電池スタック内で上記燃料連通マニホールドが複数に独立した空間毎に１個の上記第２の単電池が上記複数に独立した空間の一端に位置するように積層されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
上記燃料連通マニホールドは、上記膜電極接合体によって上記燃料電池スタック内で複数に独立した空間に分割されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項４】
電解質膜が両側から負極電極と正極電極とで挟持された膜電極接合体が両側から上記膜電極接合体が接する面の中央部に上記負極電極に燃料を供給する燃料流路溝が設けられた燃料セパレータ板と上記膜電極接合体が接する面の中央部に上記正極電極に酸化剤を供給する酸化剤流路溝が設けられた酸化剤セパレータ板とで挟持された単電池が複数個積層されて構成される燃料電池スタックを備える燃料電池において、
上記膜電極接合体、上記燃料セパレータ板および上記酸化剤セパレータ板には、積層方向に貫通する酸化剤連通マニホールドが設けられ、
上記酸化剤流路溝は、途中で上記酸化剤連通マニホールドにより連通されており、
上記酸化剤連通マニホールドは、上記燃料電池スタック内で複数に独立した空間に分割されることを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
上記膜電極接合体を挟持するとき上記膜電極接合体の酸化剤連通マニホールドと連なる位置に、上記酸化剤流路溝を途中で連通するキャビティが設けられる第２の酸化剤セパレータ板を有し、
上記膜電極接合体が両側から上記燃料セパレータ板と上記第２の酸化剤セパレータ板とで挟持された第２の単電池を備え、
上記燃料電池スタック内で上記酸化剤連通マニホールドが複数に独立した空間毎に１個の上記第２の単電池が上記複数に独立した空間の一端に位置するように積層されることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池。
【請求項６】
上記酸化剤連通マニホールドは、上記膜電極接合体によって上記燃料電池スタック内で複数に独立した空間に分割されることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池。
【請求項７】
上記燃料電池スタック内で複数に独立した空間に含まれる単電池の数が４個以上、４０個以下であることを特徴とする請求項１または４に記載の燃料電池。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２００７−３１１２８７（Ｐ２００７−３１１２８７Ａ）
【公開日】平成１９年１１月２９日（２００７．１１．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１４１２５２（Ｐ２００６−１４１２５２）
【出願日】平成１８年５月２２日（２００６．５．２２）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１１月２９日（２００７．１１．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年５月２２日（２００６．５．２２）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
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