(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質の両面側にアノード極、カソード極を夫々配置した積層体と、前記積層体のアノード極側に設けられ、前記アノード極に燃料を供給する燃料流路を有した燃料配流板と、前記積層体のカソード極側に設けられ、前記カソード極に酸化剤を供給する酸化剤流路を有した酸化剤配流板とを具備し、
燃料と酸化剤に前記電解質膜を保水状態に保持するため飽和水蒸気を含ませるとともに、燃料と酸化剤の反応により生成する水分をカソード極側に移動させ、更に前記酸化剤配流板の酸化剤流路の深さあるいは幅の少なくともいずれかを酸化剤の上流流路域から下流流路域に沿って徐々に小さくして流速を増すことにより上記水分を排出させることを特徴とする固体高分子電解質燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、酸化剤配流板の酸化剤流路に改良を施した固体高分子電解質燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子電解質燃料電池は、図３に示すように、電解質１に高分子イオン交換膜（例えば、スルホン酸基を持つフッ素樹脂系イオン交換膜）を用い、両側に触媒電極層（例えば白金）２，３及び多孔質カーボン電極４，５を備えた電極接合体６構造をしている。アノード極側に供給された加湿燃料中の水素は、触媒電極（アノード極）２上で水素イオン化され、水素イオンは電解質１中を水の介在もとＨ＋ ・ｘＨ２  Ｏとして、カソード極側へ水と共に移動する。
【０００３】
移動した水素イオンは、触媒電極（カソード電極）３上で酸化剤中の酸素及び外部回路７を流通してきた電子と反応して水を生成し、その生成水はカソード極３より燃料電池外へ排出されることになる。この時、外部回路７を流通した電子流れを直流の電気エネルギーとして利用できる。なお、電解質１となる高分子イオン交換膜において、前述のような水素イオン透過性を実現させるためには、この膜を常に充分なる保水状態に保持しておく必要があり、通常、燃料又は酸化剤に電池の運転温度近辺相当の飽和水蒸気を含ませて、すなわち加湿して燃料及び酸化剤を電極接合体６に供給し、膜の保水状態を保つようにしている。以下に、上記固体高分子電解質燃料電池における反応式を示す。
アノード側：Ｈ２  →２Ｈ＋ ＋２ｅ− 
カソード側：（１／２）Ｏ２  ＋２Ｈ＋ ＋２ｅ− →Ｈ２  Ｏ
全反応：Ｈ２  ＋（１／２）Ｏ２  →Ｈ２  Ｏ
図２（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）は、従来の固体高分子電解質燃料電池の構成の一例を示す。
【０００４】
図中の１１は、電解質１２の上下に第１触媒電極（アノード極）１３，第２触媒電極（カソード極）１４を積層した積層体である。この積層体１１の上側には、多孔質な第１カーボン電極（アノード極）１５を介して燃料流路１６を有した燃料配流板１７が設けられている。前記積層体１１の下側には、多孔質な第２カーボン電極（カソード電極）１８を介して酸化剤流路１９を有した酸化剤配流板２０が夫々設けられている。ここで、酸化剤流路１９は、溝幅が一定で、かつ溝深さも一定（ｄ１  ＝ｄ２  ）で一定の断面積をもつ。なお、ｄ１  は酸化剤入口側の溝の深さ、ｄ２  は酸化剤出口側の深さを示す。
【０００５】
かかる構成の燃料電池において、燃料流路１６を流れてきた燃料水素は第１カーボン電極１５を通過し、第１触媒電極１３上で水素イオン化され、水素イオンは電解質１２中を水の介在のもとＨ＋ ・ｘＨ２  Ｏとして、カソード極側へ水と共に移動する。この水素イオンにより第２触媒電極１４上で生成された水と、水素イオンと共にアノード極側より電解質１２中を移動してきた水は、蒸気あるいは、一部は液体のまま、第２カーボン電極１８を通過し、上流流路域から下流流路域に向かって断面積が一定な酸化剤流路１９を流れる酸化剤中に排出されるようになっている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図２に示すように上流流路域から下流流路域に向かってその流路溝幅一定、かつ溝深さ一定（ｄ１  ＝ｄ２  ）の断面積が均一な流路をもつ酸化剤配流板２０を持つ固体高分子電解質燃料電池においては、電池反応に伴って発生する生成水、及び水素イオンと共にアノード電極よりカソード電極へ移動してきた移動水より、酸化剤流路１９の下流域へ向かうほど、その酸化剤雰囲気中の水蒸気分圧が上昇するため、蒸気となってガス拡散排出されにくくなる。そのため、その蒸気の一部液体化、液滴化した生成水や移動水が、カソード極側の多孔質な第２カーボン電極１８中に詰まり、多孔質な第２カーボン電極１８中での酸化剤のガス拡散が阻止されやすい状況に陥りやすい構造となっていた。
【０００７】
この発明はこうした事情に考慮してなされたもので、酸化剤配流板の酸化剤流路の深さあるいは幅の少なくともいずれかを酸化剤の上流流路域から下流流路域に沿って徐々に小さくすることにより、酸化剤流路の下流流路域での流速が早くなり、蒸気となった生成水や移動水がガス拡散排出されやすく、あるいは一部液体化や液滴化して多孔質なカーボン電極中に存在する生成水や移動水を吹き飛ばすことができ、もってカソード極側での生成水や移動水の排出が良好になるとともに、酸化剤中の酸素のガス拡散も良好となり、安定した電池反応を継続して行なうことができる固体高分子電解質燃料電池を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明は、電解質の両面側にアノード極、カソード極を夫々配置した積層体と、前記積層体のアノード極側に設けられ、前記アノード極に燃料を供給する燃料流路を有した燃料配流板と、前記積層体のカソード極側に設けられ、前記カソード極に酸化剤を供給する酸化剤流路を有した酸化剤配流板とを具備し、
燃料と酸化剤に前記電解質膜を保水状態に保持するため飽和水蒸気を含ませるとともに、燃料と酸化剤の反応により生成する水分をカソード極側に移動させ、更に前記酸化剤配流板の酸化剤流路の深さあるいは幅の少なくともいずれかを酸化剤の上流流路域から下流流路域に沿って徐々に小さくして流速を増すことにより上記水分を排出させることを特徴とする固体高分子電解質燃料電池である。
【０００９】
【作用】
固体高分子電解質燃料電池において、酸化剤が供給される酸化剤配流板の酸化剤流路の断面積を、上流流路域から下流流路域に向かって小さくすることにより、酸化剤の下流流路域での流速が早くなり、酸化剤雰囲気中の水蒸気分圧が上昇しても、蒸気となった生成水や移動水がガス拡散排出されやすく、あるいはその早い酸化剤ガス流速により、一部液体化や液滴化して多孔質なカーボン電極中に存在する生成水や移動水を吹き飛ばすことができるようになる。これらの佐用により、電池カソード極側での生成水や移動水の排出が良好になり、さらに酸化剤中の酸素のガス拡散も良好となり、安定した電池反応を維持できる。
【００１０】
【実施例】
以下、本発明の一実施例を図１（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）を参照して説明する。ここで、図１（Ａ）は固体高分子電解質燃料電池の正面図、図１（Ｂ）は酸化剤入口側から見た同燃料電池の側面図、図１（Ｃ）は酸化剤出口から見た同燃料電池の側面図を示す。
【００１１】
図中の３１は、電解質３２の上下に第１触媒電極（アノード極）３３，第２触媒電極（カソード極）３４を積層した積層体である。この積層体３１の上側には、多孔質な第１カーボン電極（アノード極）３５を介して燃料流路３６を有した燃料配流板３７が設けられている。前記積層体３１の下側には、多孔質な第２カーボン電極（カソード電極）３８を介して酸化剤流路３９を有した酸化剤配流板４０が夫々設けられている。ここで、酸化剤流路３９の深さは、酸化剤入口側で深さｄ１  で酸化剤出口側で深さｄ２  でｄ１  ＞ｄ２  となり、酸化剤入口側から酸化剤出口側に沿って徐々に小さくなっている。
【００１２】
こうした構成の燃料電池において、燃料流路３６を流れてきた燃料水素は第１カーボン電極３５を通過し、第１触媒電極３３上で水素イオン化され、水素イオンは電解質３２中を水の介在のもとＨ＋ ・ｘＨ２  Ｏとして、カソード極側へ水と共に移動する。この水素イオンにより第２触媒電極３４上で生成された水と、水素イオンと共にアノード極側より電解質３２中を移動してきた水は、酸化剤雰囲気中の水蒸気分圧が高くても、酸化剤の早いガス流速により、蒸気あるいは、一部は液体のまま、第２カーボン電極３８を通過し、酸化剤流路３９中を流れる酸化剤中に排出されるようになっている。
【００１３】
上記実施例によれば、酸化剤流路３９の深さが、酸化剤入口側（深さｄ１  ）から酸化剤出口側（深さｄ２  ）に沿って徐々に小さくなる構造になっているため、酸化剤流路３９の断面積は上流流路域から下流流路域に向かって小さくなる。従って、酸化剤流路３９の上流流路域で排出された生成水や移動水により、酸化剤流路３９の下流流路域では、その酸化剤雰囲気中の水蒸気分圧が上昇するが、酸化剤の下流流路域での流速が速くなり、蒸気となった生成水や移動水がガス拡散排出されやすく、あるいは、その速い酸化剤ガス流速により、一部液体化や液滴化して多孔質なカーボン電極中に存在する生成水や移動水を吹き飛ばすことができるようになる。これらの佐用により、電池のカソード極側での生成水や移動水の排出が良好になり、さらに酸化剤中の酸素のガス拡散も良好となり、安定した電池反応を継続して行なうことが可能である。
【００１４】
なお、上記実施例では、酸化剤流路の深さを酸化剤入口側から酸化剤出口側に沿って徐々に小さくなる構成にした場合について述べたが、これに限らず、例えば酸化剤流路の幅を酸化剤入口側から酸化剤出口側に沿って徐々に小さくしたり、あるいは酸化剤流路の深さ及び幅を同時に酸化剤入口側から酸化剤出口側に沿って徐々に小さくする構成にしてもよい。
【００１５】
【発明の効果】
以上詳述した如くこの発明によれば、酸化剤配流板の酸化剤流路の深さあるいは幅の少なくともいずれかを酸化剤の上流流路域から下流流路域に沿って徐々に小さくすることにより、酸化剤流路の下流流路域での流速が早くなり、蒸気となった生成水や移動水がガス拡散排出されやすく、あるいは一部液体化や液滴化して多孔質なカーボン電極中に存在する生成水や移動水を吹き飛ばすことができ、もってカソード極側での生成水や移動水の排出が良好になるとともに、酸化剤中の酸素のガス拡散も良好となり、安定した電池反応を継続して行なうことができる固体高分子電解質燃料電池を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施例に係る固体高分子電解質燃料電池の説明図であり、図１  （Ａ）は正面図、図１（Ｂ）は酸化剤入口側から見た側面図、図１（Ｃ）は酸化剤出口から見た側面図を示す。
【図２】従来の固体高分子電解質燃料電池の説明図であり、図２（Ａ）は正面図、図２（Ｂ）は酸化剤入口側から見た側面図、図２（Ｃ）は酸化剤出口から見た側面図を示す。
【図３】固体高分子電解質燃料電池の機能を説明するための図。
【符号の説明】
３１…積層体、          ３２…電解質、              ３３…第１触媒電極、
３４…第２触媒電極、    ３５…第１カーボン電極、    ３６…燃料流路、
３７…燃料配流板、      ３８…第２カーボン電極、    ３９…酸化剤流路、
４０…酸化剤配流板。
【図１】
0003553101.tif 000002
【図２】
0003553101.tif 000003
【図３】
0003553101.tif 000004