(57)【要約】【課題】  スタック内のガス供給マニホールドでガス中の水分が凝縮して発生した滞留水を排出することができる固体高分子型燃料電池を得るものである。【解決手段】  膜電極接合体とセル流路を備えたセパレータとが一対の加圧板の間に積層されたスタックと、酸化剤ガスあるいは燃料ガスをセル流路へ供給する供給マニホールドと、酸化剤ガスあるいは燃料ガスをセル流路から排気する排気マニホールドと、供給マニホールドの底部に設けられた排水口からセパレータ外部に連通する排水路とを備えたものである。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜が酸化剤電極と燃料電極とで挟持された膜電極接合体と、上記酸化剤電極に酸化剤ガスを、上記燃料電極に燃料ガスをそれぞれ供給あるいは排気するセル流路を備えたセパレータとが、一対の加圧板の間に積層されたスタックと、
上記加圧板および上記セパレータの積層方向に連通して具備された上記酸化剤ガスあるいは上記燃料ガスをそれぞれ上記セル流路へ供給する供給マニホールドと、
上記加圧板および上記セパレータの積層方向に連通して具備された上記酸化剤ガスあるいは上記燃料ガスをそれぞれ上記セル流路から排気する排気マニホールドと、
上記供給マニホールドの底部に設けられた排水口から上記セパレータ外部に連通する排水路と
を備えたことを特徴とする固体高分子型燃料電池。
【請求項２】
燃料ガスをセル流路へ供給する供給マニホールドからセパレータ外部に連通する排水路に連結して、スタックの外部に排水処理装置を備えたことを特徴とする請求項１記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項３】
燃料ガスをセル流路へ供給する供給マニホールドからセパレータ外部に連通する排水路、および燃料ガスをセル流路へ供給する供給マニホールドからセパレータ外部に連通する排水路にそれぞれ連結して、スタックの外部に排水処理装置を備えたことを特徴とする請求項１記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項４】
排水路は、セパレータに設けられたことを特徴とする請求項１記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項５】
排水路が設けられたプレートがスタック内に挿入されたことを特徴とする請求項１記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項６】
排水口は、供給マニホールドの最底部と同位置かまたは低い位置に設けられたことを特徴とする請求項１記載の固体高分子型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、プロトン導電性電解質膜を用いて電気化学的な反応を利用して発電する固体高分子型燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の固体高分子型燃料電池においては、ガス供給マニホールドより上流でガス中の水分が凝縮して発生した滞留水は、スタック端部の加圧板に設けられた水滴除去装置から外部に排水する構造であった（例えば特許文献１参照）
【０００３】
【特許文献１】特許第３４７７９２６号公報（第５−６頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の固体高分子型燃料電池では、スタック端部の加圧板に水滴除去装置を取り付けているため、ガス供給マニホールドより上流で水分が凝縮して発生した滞留水は排出することはできるが、スタック内のガス供給マニホールドで発生した滞留水はセル流路を通して排出されていたので触媒層へのガス供給を阻害する要因となっていた。
【０００５】
この発明は、上述のような問題点を解決するためになされたもので、スタック内のガス供給マニホールドでガス中の水分が凝縮して発生した滞留水をセル流路とは別の経路で排出することができる固体高分子型燃料電池を得るものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明に係る固体高分子型燃料電池においては、膜電極接合体とセル流路を備えたセパレータとが一対の加圧板の間に積層されたスタックと、酸化剤ガスあるいは燃料ガスをセル流路へ供給する供給マニホールドと、酸化剤ガスあるいは燃料ガスをセル流路から排気する排気マニホールドと、供給マニホールドの底部に設けられた排水口からセパレータ外部に連通する排水路とを備えたものである。
【発明の効果】
【０００７】
この発明は、スタック内の供給マニホールドの底部に設けられた排水口からセパレータの外部に連通する排水路を備えることにより、スタック内のガス供給マニホールドで水分が凝縮して発生した滞留水をスタックの外部へ排出することができるので、余剰な水がセル流路へ流れて触媒層へのガス供給を阻害することがなく、長期間に渡り安定した電池の動作が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
実施の形態１．
図１は、この発明を実施するための実施の形態１による固体高分子型燃料電池のスタックの一部を示す模式図である。電解質膜１が酸化剤電極２と燃料電極３とで挟持された膜電極接合体４と、セル流路５を備えたセパレータ６とが横方向に積層されてスタック７を構成している。スタック７はさらに左右に連続して積層されているが、図１においては、その一部を示している。膜電極接合体４の外周部には、酸化剤電極２および燃料電極３から上下方向に酸化剤ガスあるいは燃料ガスが漏れ出さないように、ガスバリア層８が形成されている。積層されたセパレータ６とガスバリア層８とを貫通して、酸化剤ガス用の供給マニホールド９ａと排気マニホールド１０ａとが形成されている。酸化剤ガス用の供給マニホールド９ａと排気マニホールド１０ａとは、図１の断面図では見えない部分に形成されているが、説明のために破線で示している。酸化剤ガス用の供給マニホールド９ａからセパレータ６の酸化剤電極２と接触する面に形成されたセル流路５を通して、酸化剤電極２に酸化剤ガスを供給し、酸化剤電極２で消費されなかった余剰の酸化剤ガスは、セル流路５を通して、酸化剤ガス用の排気マニホールド１０ａに排出される。同様に、積層されたセパレータ６とガスバリア層８とを貫通して、燃料ガス用の供給マニホールド（図示せず）および排気マニホールド（図示せず）も形成されており、燃料ガス用の供給マニホールドからセパレータ６の燃料電極３と接触する面に形成されたセル流路５を通して、燃料電極３に燃料ガスを供給し、燃料電極３で消費されなかった余剰の燃料ガスは、セル流路５を通して、燃料ガス用の排気マニホールドに排出される。積層されたセパレータ６のうちのひとつ６ａに、酸化剤ガス用の供給ガスマニホールド９ａからスタック７の外部に連通する排水路１１が形成されている。この排水路１１も、図１の断面図では見えない部分に形成されているが、説明のために破線で示している。酸化剤電極２および燃料電極３の電解質膜１と接する面には、触媒層（図示せず）が形成されており、後述のように、この触媒層で電気化学反応が生じて発電が行われる。
【０００９】
図２は、本実施の形態における、排水路１１が形成されたセパレータ６ａを、酸化剤電極に接触する面から見た模式図である。セパレータ６ａには、酸化剤ガス用の供給マニホールド９ａ、酸化剤ガス用の排気マニホールド１０ａ、燃料ガス用の供給マニホールド９ｂおよび燃料ガス用の排気マニホールド１０ｂとなる貫通孔が形成されており、供給マニホールドが上になるように配置される。酸化剤ガス用の供給マニホールド９ａと酸化剤ガス用の排気マニホールド１０ａとの間に蛇行して複数の溝が形成されており、この溝が酸化剤電極と接触してセル流路５となる。このセル流路５とは別に、酸化剤ガス用の供給マニホールド９ａの底部に設けられた排水口１２から外部に連通した排水路１１が形成されている。排水口１２は、酸化剤ガス用の供給マニホールド９ａを通過するガス中の水分が凝縮して発生した滞留水が流路５に流れ込まないようにするために、セル流路５の最も低い入口５ａよりもさらに低い位置に設けられる。また、図示していないが、図２に示すセパレータの裏面の燃料電極に接触する面にも、燃料ガス用の供給マニホールド９ｂと燃料ガス用の排気マニホールド１０ｂとを連通するセル流路（図示せず）が形成されており、このセル流路とは別に、燃料ガス用の供給マニホールド９ｂの底部に設けられた排水口１２から外部に連通した排水路１１が形成されている。なお、排水路１１が形成されていないセパレータ６は、図２に示したセパレータ６ａにおいて、排水口１２および排水路１１が備わっていないものである。
【００１０】
図３は、本実施の形態における、固体高分子型燃料電池の斜視図である。スタック７は、図１に示した膜電極接合体４とセパレータ６とが積層されて構成されている。図３において、膜電極接合体４は薄いためこの図では省略している。図３では、積層したセパレータ６の４枚ごとに、図２に示した排水路を備えたセパレータ６ａを挟んだ構成を示しているが、実際には、スタック７はセパレータ６を１００枚積層しており、１９枚ごとにセパレータ６ａを挟んでいる。スタック７の両端には電気絶縁性の板（図示せず）を配置し、さらにその外側から加圧板１３、１４でスタック７を積層方向に加圧している。一方の加圧板１３には酸化剤ガス用供給管１５と燃料ガス用供給管１６とが、他方の加圧板１４には酸化剤ガス用排気管１７と燃料ガス用排気管１８とが接続されている。スタック７には、加圧板１３、１４と電気絶縁性の板とセパレータ６とを連通するように酸化剤ガスおよび燃料ガス用の供給マニホールドおよび排気マニホールドが備わっており、酸化剤ガス用供給管１５と酸化剤ガス用の供給マニホールド９ａ、酸化剤ガス用の排気マニホールド１０ａと酸化剤ガス用排気管１７、燃料ガス用供給管１６と燃料ガス用の供給マニホールド９ｂ、および燃料ガス用の排気マニホールド１０ｂと燃料ガス用排気管１８とがそれぞれつながっている。
【００１１】
電解質膜１としては、プロトン導電性、ガスバリア性および電気絶縁性を有する高分子膜が用いられ、例えば、パーフルオロ系主鎖とスルホン酸基とからなる高分子電解質膜などが用いられており、本実施の形態においては、厚さ約０．０５ｍｍのものを用いている。酸化剤電極２および燃料電極３は、セル流路５を通して供給されるガスを触媒層全面に拡散供給するために、ガス透過性と電気伝導性とが必要であり、カーボン繊維で編まれたカーボンペーパーやカーボンクロスなどが用いられる。本実施の形態においては、厚さ約０．３ｍｍのカーボンペーパーを用いている。セパレータ６は、緻密で導電性を有する例えばカーボン板が用いられており、その表面にはセル流路５を構成するように溝が形成されている。加圧板１３、１４は例えばステンレスなどの金属で形成している。酸化剤ガスとしては、酸素ガスまたは酸素ガスを含む大気を用いることができ、例えばブロアなどを用いて供給することができる。燃料ガスとしては、純度１００％の水素ガスを用いることができ、水素ボンベから供給することができる。また、燃料ガスとして、水素ガスを主成分として二酸化炭素や窒素などを含む改質ガスを用いることもでき、炭化水素などから水素を生成する改質器から供給することもできる。
【００１２】
次に、本実施の形態における固体高分子型燃料電池の動作について説明する。酸化剤ガス用供給管１５から酸化剤ガスとして酸素ガスを供給し、燃料ガス用供給管１６から燃料ガスとして水素ガスを供給すると、それぞれのガスは、スタック７内に形成された酸化剤ガス用の供給マニホールド９ａあるいは燃料ガス用の供給マニホールド１０ａを通って、スタック７内のすべての酸化剤電極２あるいは燃料電極３に分配供給される。それぞれの電極に到達した水素ガスおよび酸素ガスによって、酸化剤電極２および燃料電極３の電解質膜１と接する面に形成された触媒層で、次式に示す電気化学反応が起こる。
燃料電極    ：  Ｈ２  →  ２Ｈ＋＋２ｅ−                  （１）
酸化剤電極  ：  ２Ｈ＋＋２ｅ−＋１／２Ｏ２  →  Ｈ２Ｏ    （２）
この電気化学反応により、酸化剤電極２と燃料電極３との間に起電力が発生する。また、燃料電極３で生じたプロトン（Ｈ＋）は、電解質膜１を通過して酸化剤電極２へ移動し、酸化剤電極２の触媒層で酸素と反応して水になる。電解質膜１がプロトン伝導性を有するためには、湿潤している必要があり、そのために供給される水素ガスおよび酸素ガスには、飽和かそれに近い湿度の水分が含まれている。このような高湿度の酸素ガスが、酸化剤用の供給マニホールド９ａを通過するときにガス中の水分が凝縮して滞留水が発生する場合がある。このとき、滞留水がセル流路５に流入すると過剰な水分が電極の触媒層に供給されることになり、正常な電気化学反応が阻害されることになる。本実施の形態では、図２に示すように、セル流路５の最も低い入口５ａよりもさらに低い位置に排水口１２を設け、この排水口１２からスタック７の外部へ連通した排水路１１を形成しているので、酸化剤用の供給マニホールド９ａで水分が凝縮して発生した滞留水は、排水路１１を経由してスタック７の外部へ排出され、セル流路５に流入することはない。なお、高湿度の水素ガスが燃料ガス用の供給マニホールド９ｂを通過するときに凝縮して水が発生した場合も、同様に燃料ガス用の供給マニホールド９ｂからスタック７の外部へ連通した排水路１１を形成しているので、この水も外部へ排出される。
【００１３】
このように構成された固体高分子型燃料電池においては、酸化剤ガス用あるいは燃料ガス用の供給マニホールド９ａ、９ｂで水分が凝縮して余剰な滞留水が発生しても、この水は排水路１１を経由してスタック外に排出されるので、余剰な水がセル流路５へ流れて触媒層へのガス供給を阻害することがなく、触媒層では正常な電気化学反応を維持することができる。その結果、長時間にわたって安定した発電特性をもつ固体高分子型燃料電池が得られる。
【００１４】
なお、本実施の形態においては、排水路１１が形成されたセパレータ６ａを、スタック７を構成するセパレータ６の１９層間隔に１枚の割合で等間隔に配置したが、必ずしもセパレータ６ａを等間隔に配置する必要はなく、スタック７の温度分布などを考慮して、水が凝縮し易い低温部に集中して設けることもできる。
【００１５】
また、本実施の形態では、酸化剤ガス用のバイパス流路と燃料ガス用の排水路とを同じセパレータに形成する例を示したが、それぞれの排水路を別々のセパレータに形成してもよい。
【００１６】
実施の形態２．
図４は、実施の形態２におけるプレート１９の平面図である。プレート１９は、セパレータと同じ材質で作られており、酸化剤ガス用の供給マニホールド９ａおよび排気マニホールド１０ａと、燃料ガス用の供給マニホールド９ｂおよび排気マニホールド１０ｂとなる貫通孔が形成されている。さらに、酸化剤ガス用の供給マニホールド９ａから外部に連通した排水路１１となる溝が形成されている。また、図６に示すプレート１９の裏面にも、燃料ガス用の供給マニホールド９ｂから外部に連通した排水路１１となる溝が形成されている。このプレート１９を、スタック内の任意の位置の膜電極接合体に替えて挿入する。この場合、プレート１９の両側に配置されたセパレータ６のプレート１９に接する面にはセル流路は形成しない。排水路１１は、プレート１９の表面に形成された溝が隣のセパレータ６と接することで構成される。
【００１７】
このように構成された固体高分子型燃料電池では、酸化剤ガス用あるいは燃料ガス用の供給マニホールド９ａ、９ｂで水分が凝縮して余剰な滞留水が発生しても、この水はプレート１９に形成した排水路１１を通って速やかにスタックの外部へ排出され、セル流路に流れ込むことがない。その結果、余剰な水がセル流路へ流れて触媒層へのガス供給を阻害することがなく、正常な電気化学反応を維持することができる。
【００１８】
なお、本実施の形態では、酸化剤ガス用の排水路と燃料ガス用の排水路とを、同じプレートの表裏に形成したが、それぞれの排水路を別々のプレートに形成して、それらのプレートをスタック内の任意の位置の膜電極接合体に替えて挿入してもよい。また、排水路をプレートの表面に溝を形成して構成したが、プレートの内部を貫通する穴で構成してもよい。
【００１９】
さらには、本実施の形態では、セパレータとは別にプレートを設ける構成を示したが、セパレータとプレートを一体化したような構成、例えば、セパレータの片面にセル流路を形成し、その反対の面に排水路を形成してもよい。
【００２０】
実施の形態３．
実施の形態１において、燃料ガス用の供給マニホールド９ｂに水分が凝縮せず滞留水が発生していない場合、排水路１１は水素ガスが流通することになる。実施の形態３においては、実施の形態１と同様の固体高分子型燃料電池において、滞留水がない場合に、排水路１１から外部へ燃料ガスである水素ガスが排出されないように、燃料ガス用の供給マニホールド９ｂから外部に連通した排水路１１に連結してスタックの外部に排水処理装置を連結したものである。
【００２１】
図５は、本実施の形態における排水処理装置２０の模式図である。排水処理装置２０は、排水路１１からスタックの外部に連結された配管２１と、この配管２１に直列に接続された上方水位センサー２２、下方水位センサー２３、バルブ２４、および配管２１の端部が挿入された貯水タンク２５とから構成されている。貯水タンク２５に挿入された配管２１の水面下の長さは、燃料ガス用の供給マニホールド９ｂ内の水素ガスのガス圧に応じて設定される。例えば、水素ガスのガス圧が０．５ｋＰａであれば、配管２１の水面下の長さは５００ｍｍ以上とする。
【００２２】
このように構成された固体高分子型燃料電池において、動作を説明する。供給マニホールド９ｂに水分が凝縮せず滞留水が発生していないときは、配管２１内の水位は上方水位センサー２２と下方水位センサー２３との間になるように配管２１の水面下の長さを調整し、さらにバルブ２４を閉じた状態にする。供給マニホールド９ｂで滞留水が発生した場合、この水は排水路１１を通って配管２１に流れ込む。そのため、水位が上昇して上方水位センサー２２に達したときに、バルブ２４が開けられて貯水タンク２５に水が排出される。水が排出されて水位が下方センサー２３に達したときにバルブ２４は閉じられる。このように水位の上昇と下降とを検知してバルブを開閉する動作を繰り返して供給マニホールド９ｂで凝縮した水を排出する。
【００２３】
上述のような動作によって、供給マニホールド９ｂに水分が凝縮せず滞留水がない場合に、排水路１１から外部に排出されようとする水素ガスを閉止することができ、供給マニホールド９ｂに凝縮した水だけを外部に排出することができる。
【００２４】
なお、本実施の形態においては、燃料ガス用の供給マニホールドに連通された排水路に排水処理装置を連結する例を示したが、酸化剤ガス用の供給マニホールドに連通された排水路にも排水処理装置を連結してもよい。ただし、酸化剤ガスとして大気を用いる場合は、外部に大気が放出されても周囲の環境には影響がほとんどないので、排水処理装置を備えなくてもよい。
【００２５】
実施の形態４．
図６は、本発明の実施の形態４における、燃料ガス用の供給マニホールド９ｂの一部を拡大して示した鉛直断面図である。本実施の形態においては、図６に示すように、排水路１１が形成されたセパレータ６ａの供給マニホールド９ｂに形成された排水口１２が、供給マニホールド９ｂの最底部より低い位置に設けられている。
【００２６】
このように構成された固体高分子型燃料電池においては、供給マニホールドで水分が凝縮して滞留水が発生しても、この水が供給マニホールドの最底部に以外に滞留することなく排水路へ導かれるので、効率よく水を排水することができる。
【００２７】
実施の形態５．
図７は、本発明の実施の形態５における、固体高分子型燃料電池の斜視図である。本実施の形態では、図３に示した実施の形態１における固体高分子型燃料電池と同様な固体高分子型燃料電池において、スタック７に積層された排水路１１をもつセパレータ６ａの排水路１１に外部連結配管２６を連結し、この連結配管２６に一本の集中配管２７を接続し、この集中配管２６に排水処理装置（図示せず）を接続したものである。排水処理装置は実施の形態２に用いたものと同様のものを用いる。
【００２８】
このように構成された固体高分子型燃料電池においては、すべての排水路に対して、１つの排水処理装置が作用するので、装置構成が簡単になる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】この発明の実施の形態１によるスタックの模式図である。
【図２】この発明の実施の形態１によるセパレータの模式図である。
【図３】この発明の実施の形態１による固体高分子型燃料電池の斜視図である。
【図４】この発明の実施の形態２によるプレートの平面図である。
【図５】この発明の実施の形態３による排水処理装置の模式図である。
【図６】この発明の実施の形態４によるスタックの拡大鉛直断面図である。
【図７】この発明の実施の形態５による固体高分子型燃料電池の斜視図である。
【符号の説明】
【００３０】
１  電解質膜、２  酸化剤電極、３  燃料電極、４  膜電極接合体
５  セル流路、５ａ  入口、６、６ａ、６ｂ  セパレータ
７  スタック、８  ガスバリア層
９ａ  酸化剤ガス用の供給マニホールド、９ｂ  燃料ガス用の供給マニホールド
１０ａ  酸化剤ガス用の排気マニホールド、９ｂ  燃料ガス用の排気マニホールド
１１  排水路、１２  排水口、１３、１４  加圧板
１５  酸化剤ガス用供給管、１６  燃料ガス用供給管
１７  酸化剤ガス用排気管、１８  燃料ガス用排気管、１９  プレート
２０  排水処理装置、２１  配管、２２  上方水位センサー
２３  下方水位センサー、２４  バルブ、２５  貯水タンク
２６  外部連結配管、２７  集中配管
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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