JP4360118B2

JP4360118B2 - 燃料電池セル

Info

Publication number: JP4360118B2
Application number: JP2003130658A
Authority: JP
Inventors: 峰生和島; 雅宏清藤
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2003-05-08
Filing date: 2003-05-08
Publication date: 2009-11-11
Anticipated expiration: 2023-05-08
Also published as: JP2004335314A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車、移動通信装置、家庭用発電システムなどの発電装置として使用される燃料電池セル、特に高分子電解質を用いた燃料電池セルに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
高分子電解質型燃料電池セルは、図１７に示すように、高分子電解質膜７１をアノード７２とカソード７３で両側から挟み込んだ構造をしており、アノード７２は、ガス拡散層７４と触媒層７６からなり、カソード７３は、ガス拡散層７５と触媒層７７からなっている。アノード７２側では、ガス拡散層７４を通して供給された水素ガスから触媒層７６により水素イオン（プロトン）と電子とが生成され、この水素イオンは高分子電解質膜７１中をカソード７３側に移動する。カソード７３側では、ガス拡散層７５を通して供給される酸素ガスおよび外部回路を経てカソード７３に供給される電子とが反応して水が生成される。このときのアノード７２側での反応およびカソード７３側での反応は、次の通りである。
アノード７２側Ｈ₂ → ２Ｈ⁺ ＋２ｅ^-
カソード７３側（１／２）Ｏ₂ ＋２Ｈ⁺ ＋２ｅ^- → Ｈ₂Ｏ
【０００３】
上記の水素イオン源として、水素ガスを直接供給する方式と、メタノールなどのアルコール類やその他の液体水素化合物を用い、これらと水とを反応させる方式が知られており、メタノールをアノード７２に供給する燃料電池は、ダイレクトメタノール燃料電池（ＤＭＦＣ：Direct Methanol Fuel Cell）と呼ばれ、小型化および密封化が可能であることから、携帯端末などへの用途が期待されている。
【０００４】
高分子電解質膜７１としては、パーフルオロスルホン酸系ポリマーなどのイオン導電性樹脂からなるもの、延伸多孔質ポリテトラフルオロエチレン膜にイオン導電性樹脂を含浸させたものなどが知られている。高分子電解質膜７１の両面に白金などの貴金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする触媒層７６、７７が密着して配置され、触媒層７６の外側にガス透過性と導電性を兼ね備えたガス拡散層７４、７５が密着して配置される。高分子電解質膜７１と触媒層７６、７７とを機械的に一体化したもの、または、高分子電解質膜７１と触媒層７６、７７とガス拡散層７４、７５を機械的に一体化したものがＭＥＡ（Membrane − Electrode Assembly）と呼ばれ、燃料電池の一部品として使用されるようになってきている。
【０００５】
従来から提案されている燃料電池セルは、図１８の側断面図および図１９の外観図に示すように、ＭＥＡ（高分子電解質膜の両側に触媒層を形成したもの）８１の両側にガス拡散層８２、８３を設け、これらをセパレータ（筐体）８４、８５で挟み込んだ構造をしている。なお、８６は、カソード側ガス流路、８７は、アノード側ガス流路、８８は、カソードガス（水素）導入管、８９は、アノードガス（酸素または空気）導入管、９０は、生成水排出管である。
【０００６】
このような、構成の燃料電池セルにおいて、燃料となる水素のようなガスあるいはメタノールのような液体は、導入管の途中に設けられたバブルの開閉により供給および遮断の切り換えが行われている（例えば、特許文献１）。
【０００７】
【特許文献１】
特開平０８−０７８０３７号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
このような構成の燃料電池セルにおいて、燃料となる水素のようなガスあるいはメタノールのような液体は、導入管の途中に設けられたバルブの開閉により供給および遮断の切り換えが行われている。しかしながら、この方法であると、バルブと高分子電解質膜表面との間の空間の容量が大きく、ここで燃料ガスや液体のロスが発生して効率が低下し、また、燃料電池セルのオン、オフ動作の時間的遅延が発生したりするなどの問題がある。さらに、ＤＭＦＣは携帯端末の発電機としての用途が期待されているものであるが、バルブと高分子電解質膜表面との間に滞留したメタノールが、高分子電解質膜を拡散し、酸素極（カソード）側に抜けて直接空気中の酸素と反応して異常発熱の原因となることが認められている。さらにまた、携帯端末への用途としては小型化が求められ、バルブを取り付ける空間を確保しにくいとう問題がある。
【０００９】
本発明は、上記した従来技術の問題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、燃料ガスまたは液体の供給と遮断の切り換え時におけるロスの発生を抑止でき、また、燃料電池のオン、オフ動作の時間的遅延の発生を抑止できる燃料電池セルを提供することにある。さらに、本発明の他の目的とするとことは、メタノールと酸素の反応による異常発熱を防止でき、しかも、小型化が可能な燃料電池セルを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、固体高分子電解質膜と、前記固体高分子電解質膜を挟んで配される触媒層と、前記触媒層の外側に配されるガス拡散層と、前記ガス拡散層の外側に配されるセパレータとを備え、かつ、前記セパレータには、前記高分子電解質膜側に複数の溝からなるガス流路が設けられる燃料電池であって、前記セパレータの前記ガス拡散層側には、前記ガス流路の溝と対になった孔を複数有する面状遮断装置が前記固体高分子電解質膜に略平行となるように設けられており、前記面状遮断装置を前記ガス拡散層に沿う方向に移動することにより、前記ガス拡散層との間を遮断できるようにしたことを特徴とする燃料電池セルを提供する。
【００１１】
本発明の燃料電池セルによれば、アノード面またはカソード面に近接して燃料または酸素を含んだガス又は液体の供給を遮断する面状遮断装置が設けられているため、燃料が滞留する空間の容量を極めて小さくすることができ、燃料ロスの発生を抑止でき、また、燃料電池のオン、オフ動作の時間的遅延の発生を抑止できるようになる。そして、カソード側に面状遮断装置を設けた場合は、メタノールが、高分子電解質膜を拡散してカソード側に抜けて直接空気中の酸素と反応することが防止され、異常発熱の要因が除去されるようになる。さらに、バルブを取り付ける空間を必要としなくなるので、燃料電池の小型化をはかることができるようになる。なお、本発明の目的達成のためには、アノード面に近接する位置とカソード面に近接する位置の双方に面状遮断装置を設けることも可能である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。図１は、本発明の燃料電池セルの一実施の形態の側断面説明図であり、高分子電解質膜の両側に触媒層を密着させたＭＥＡ１の一方面にアノードガス拡散層２が、他方面にカソードガス拡散層３が設けられ、これらガス拡散層２および３は、外側からセパレータ（筺体）４および５で挟み込まれ、ガス流路６から水素ガスが、ガス流路７から酸素ガスが導入される構成となっている。水素ガスを送り込むガス流路６を有するセパレータ４とアノードガス拡散層２との間には、ガス流路１１を有するスペーサ１０が設けられ、セパレータ４とスペーサ１０との間にシャッター（面状遮断装置）８が設けられている。シャッター８には孔９が形成されており、この孔９を介してガス流路６と１１が連通するようになっている。図１は、燃料電池セルが動作中の状態を示したものであり、ガス導入管（図示せず）から導入された水素ガスは、ガス流路６、孔９およびガス流路１１を通ってＭＥＡ１に供給され反応が進行する。なお、図１において、１２は気密性を保持するためのガスケットである。
【００１３】
燃料電池セルの動作を停止させるときは、シャッター８を図１の矢印方向に移動させると、孔９は、図２に示すように、セパレータ４およびスペーサ１０の間に挟まれた状態になり、水素ガスの供給がシャッター８により遮断される。図２から明らかなように、ＭＥＡ１とシャッター８との間に存在する空間は極めて小さいため、この空間に滞留する水素ガスの量を最小限に抑えることができ、燃料効率を向上でき、また、オン、オフ動作の時間的遅延を小さくすることができる。さらに、本実施の形態においては、アノードガス拡散層２とシャッター８との間にスペーサ１０が介在されるため、シャッター８の開閉に伴うアノードガス拡散層２の摩耗を防止することができる。
【００１４】
図３は、本発明の燃料電池セルの他の実施の形態を示したものであり、図１の実施の形態と異なる点は、スペーサ１０を設けることなく、アノードガス拡散層２とセパレータ４の間にシャッター８を配置したものである。ＭＥＡ１とシャッター８との間には殆ど空間が存在しなくなり、更に効果的に水素ガスの影響を抑止することができる。
【００１５】
図４は、本発明の燃料電池セルのさらに他の実施の形態を示したものであり、カソードガス拡散層３とセパレータ５の間にシャッター８を配置したものである。図示されているのは、燃料電池が動作中の状態であり、酸素ガスは、孔９を通してカソードガス拡散層３に供給されるようになっている。燃料電池セルの動作を停止させるときは、シャッター８を図４の矢印方向に移動させ、孔９をセパレータ５で塞ぐことにより酸素の供給が遮断されるようになる。この場合、シャッター８によってガス流路６等に滞留した水素ガスまたはメタノールがアノード側から外部に抜けるのが遮断されるので、酸素ガスとの反応が抑止され、異常発熱が防止される。
【００１６】
図５および図６は、本発明の燃料電池セルの参考例を示したものである。本参考例の形態は、セパレータ４を面状遮断装置として使用して水素ガスの供給を遮断できるようにしたものである。図５は、燃料電池セルが動作中の状態であり、セパレータ４に形成されたガス流路６およびスペーサ１０に形成されたガス流路１１を介して水素ガスがアノードガス拡散層２側に供給されるようになっている。セパレータ４を図中の矢印方向に移動させて、図６に示すような状態にすると、水素ガスの供給が遮断され、燃料電池セルは停止状態となる。このように、セパレータ４に面状遮断装置としての役目を兼備させることにより、より薄型の燃料電池セルを実現できるようになる。
【００１７】
図７および図８は、本発明の燃料電池セルの参考例を示したものであり、図８は、図７のＡ−Ａ′線での断面図である。本参考例の形態は、平板型集積燃料電池セルの例であり、オープン極側に蓋１２が設けられており、この蓋１２を閉めることで燃料または酸素を含んだガスの供給が遮断され、燃料電池の運転を停止させることができる。図において、１３は燃料電池セルであり、本参考例の形態においては、９個の燃料電池セル１３が一平面上に配置されており、これらは、電気的には直列に接続されている。また、１は、ＭＥＡ、２および３はそれぞれガス拡散層、１４は筺体、１５は燃料流路、１６は燃料タンクである。
【００１８】
図９および図１０は、本発明の燃料電池セルの参考例を示したものであり、図１０は、図９のＢ−Ｂ′線での断面図である。本参考例の形態も図７および図８の参考例と同様に平板型集積燃料電池セルの例であり、集積ガス極側にシャッター１７が設けられており、このシャッター１７を閉めることで燃料または酸素を含んだガスの供給が遮断され、燃料電池の運転を停止させることができる。図において、１３は燃料電池セル、１は、ＭＥＡ、２および３はそれぞれガス拡散層、１８は筺体、１５は燃料流路、１６は燃料タンクである。
【００１９】
図１１および図１２は、本発明の燃料電池セルの参考例を示したものであり、図１２は、図１１のＣ−Ｃ′線での断面図である。本参考例の形態は、円筒型燃料電池セルの例であり、セパレータ１９の外周にはＭＥＡ１、ガス拡散層２および３からなる積層体が円筒形状に巻回され、周囲にワイヤ１７が、また、両端にはフランジ１８が設けられている。そして、セパレータ１９の内周にはシャッター２０が設けられており、このシャッター２０を回転させることで燃料流路２１から燃料または酸素を含んだガスが供給され、また、供給が遮断されるようになっている。セパレータ１９は、図１３に示すように、複数の縦溝２２を有し、この縦溝２２に孔２３が複数形成されている。シャッター２０は、図１４に示すように、孔２４を複数有しており、孔２３と孔２４の位置を一致させると、燃料または酸素を含んだガスが供給されて電池は運転状態となり、孔２３と孔２４の位置をずらすことにより、燃料または酸素を含んだガスの供給が遮断され、電池の運転が停止する。図１５は、セパレータの他の参考例形態を示したもので、このセパレータ２５は、複数の横溝２６を有しており、横溝２６に孔２７が複数設けられている。
【００２０】
図１６は、本発明の燃料電池セルのさらに他の参考例を示したものである。本参考形態は、図１ないし図４の実施の形態で説明したような構成の燃料電池セル２８を多層に積層し、各燃料電池セル２８に設けられたシャッター２９を連結板３０で連結して構成したものである。このような構成により、燃料電池セル２８に対する燃料または酸素を含んだガスの供給を同時に遮断し、電池の運転を停止することができる。図において、３１は燃料ガス導入管、３２は燃料ガス排出管、３３は空気導入管、３４は空気排出管である。
【００２１】
【発明の効果】
以上説明してきたとおり、本発明の燃料電池セルは、アノード面またはカソード面に近接して燃料または酸素を含んだガスの供給を遮断する面状遮断装置が設けられているため、燃料が滞留する空間の容量を極めて小さくすることができ、燃料ロスの発生を抑止でき、また、燃料電池のオン、オフ動作の時間的遅延の発生を抑止できるようになる。そして、カソード側に面状遮断装置を設けた場合は、メタノールが、高分子電解質膜を拡散してカソード側に抜けて直接空気中の酸素と反応することが防止され、異常発熱の要因が除去されるようになる。さらに、本発明の燃料電池セルはバルブを取り付ける空間を必要としなくなるので、燃料電池セルの小型化をはかることができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池セルの一実施の形態の説明図（動作中の状態）。
【図２】本発明の燃料電池セルの一実施の形態の説明図（動作停止の状態）。
【図３】本発明の燃料電池セルの他の実施の形態の説明図。
【図４】本発明の燃料電池セルの他の実施の形態の説明図。
【図５】本発明の燃料電池セルの参考例の説明図（動作中の状態）。
【図６】本発明の燃料電池セルの参考例の説明図（動作停止の状態）。
【図７】本発明の燃料電池セルの参考例の説明図（平板型集積燃料電池セルの実施の形態）。
【図８】図７のＡ−Ａ′線断面説明図。
【図９】本発明の燃料電池セルの参考例の説明図（平板型集積燃料電池セルの実施の形態）。
【図１０】図９のＢ−Ｂ′線断面説明図。
【図１１】本発明の燃料電池セルの参考例の説明図（円筒型燃料電池セルの実施の形態）。
【図１２】図１１のＣ−Ｃ′線断面説明図。
【図１３】セパレータの一参考例の斜視説明図。
【図１４】シャッターの一参考例の斜視説明図。
【図１５】セパレータの参考例の斜視説明図。
【図１６】燃料電池セルを多層に積層した参考例の説明図。
【図１７】燃料電池セルの原理説明図。
【図１８】従来の燃料電池セルの断面説明図。
【図１９】従来の燃料電池セルの外観説明図。
【符号の説明】
１：ＭＥＡ
２、３：ガス拡散層
４、５：セパレータ
６、７：ガス流路
８：シャッター
９：孔
１０：スペーサ
１１：ガス流路
１２：ガスケット

Claims

固体高分子電解質膜と、
前記固体高分子電解質膜を挟んで配される触媒層と、
前記触媒層の外側に配されるガス拡散層と、
前記ガス拡散層の外側に配されるセパレータとを備え、
かつ、前記セパレータには、前記高分子電解質膜側に複数の溝からなるガス流路が設けられる燃料電池であって、
前記セパレータの前記ガス拡散層側には、前記ガス流路の溝と対になった孔を複数有する面状遮断装置が前記固体高分子電解質膜に略平行となるように設けられており、前記面状遮断装置を前記ガス拡散層に沿う方向に移動することにより、前記ガス拡散層との間を遮断できるようにしたことを特徴とする燃料電池セル。
前記ガス拡散層と前記面状遮断装置との間に、前記ガス流路の溝と対になった孔を複数有するスペーサを設けることを特徴とする請求項１記載の燃料電池セル。
前記面状遮断装置は、前記複数の孔がそれぞれ対になったガス流路の溝から隣接するガス流路の溝までは移動できないよう前記セパレータに前記面状遮断装置を係止させるストッパーを有することを特徴とする請求項１記載の燃料電池セル。