WO2004075326A1

WO2004075326A1 - 高分子電解質型燃料電池および高分子電解質型燃料電池の運転方法

Info

Publication number: WO2004075326A1
Application number: PCT/JP2004/001897
Authority: WO
Inventors: Toshihiro Matsumoto; Takeshi Tomizawa; Katsuzou Kokawa; Teruhisa Kanbara; Susumu Kobayashi; Kazuhito Hatoh; Hiroki Kusakabe; Hideo Ohara; Shinsuke Takeguchi; Soichi Shibata
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.
Priority date: 2003-02-20
Filing date: 2004-02-19
Publication date: 2004-09-02
Also published as: EP1450432A3; US20040224206A1; EP1450432A2; CA2458139A1

Abstract

低負荷時におけるフラッディングの発生を抑制することができる高分子電解質型燃料電池を提供すること。酸化剤ガス流路溝を有するカソード側セパレータ、および燃料ガス流路溝を有するアノード側セパレータを有するセルが積層されたセル積層体１０を備え、酸化剤ガス流路溝の一部または全部は、カソード側セパレータに入って出るまでの酸化剤ガス単位流路２１ａ、２１ｂを形成し、燃料ガス流路溝の一部または全部は、アノード側セパレータに入って出るまでの燃料ガス単位流路２２ａ、２２ｂを形成し、セル積層体１０における２つ以上の酸化剤ガス単位流路２１ａ、２１ｂ、燃料ガス単位流路２２ａ、２２ｂが並列または直列に連絡可能であり、酸化剤ガス単位流路２１ａ、２１ｂどうし、燃料ガス単位流路２２ａ、２２ｂどうしの並列の連絡は、ガスが流れる方向が重力に逆らわない方向となるようになされる、高分子電解質型燃料電池。

Description

高分子電解質型燃料電池および高分子電解質型燃料電池の運転方法技術分野

本発明は、ポータブル電源、電気自動車用電源、家庭内コージエネレーションシステム等に使用される燃料電池、特に高分子電解質を用いた高分子電解質型燃料電池に関する。背景技術

高分子電解質を用いた燃料電池は、水素を含有する燃料ガスと、空気など酸素を含有する燃料ガスとを、電気化学的に反応させることで、電力と熱とを同時に発生させるものである。この燃料電池は、基本的には、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜、および高分子電解質膜の両面に形成された一対の電極、すなわちアノードと力ソードから構成される。前記の電極は、白金族金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とし、高分子電解質膜の表面に形成される触媒層、および触媒層の外面に形成される、通気性と電子導電性を併せ持つガス拡散層からなる。

高分子電解質膜およびこれを挟む一対の電極からなるセルは、複数個を接続して所定の電圧を得る。このため、セル間に導電性のセパレータを介在させてセルを積層してスタックとする。セパレータの両側にそれぞれ燃料ガス及び酸化ガスを供給してそれぞれのガス拡散電極に燃料ガス及ぴ酸化ガスを供給すると、高分子電解質膜でのイオン導電と各ガス拡散電極の化学反応が進行して、一対のガス拡散電極間に電圧が発生し集電電極の機能を持つ両端側の一対のセパレータを介して外部回路に給電する。この様な発電においては、供給ガスをできるだけ均等にガス拡散電極の電極面に供給することがガス利用率を高め、発電効率と出力性能を良くする。

電極に供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスが外にリークしたり、二種類のガスが互いに混合したりしないように、電極の周囲には高分子電解質膜を挟んでガスシール材ゃガスケットが配置される。これらのガスシール材ゃガスケットは、電極及び高分子電解質膜と一体化してあらかじめ組み立てられる。これを、 M E A (電解質膜電極接合体）と呼ぶ。 M E Aの外側には、これを機械的に固定するとともに、隣接した M E A を互いに電気的に直列に接続するための導電性のセパレータが配置される。セパレータの M E Aと接触する部分には、電極面に反応ガスを供給し、生成水や余剰ガスを運び去るためのガス流路が形成される。ガス流路は、セパレータと別に設けることもできるが、セパレータの表面に溝- を設けてガス流路とする方式が一般的である。

このガス流路への反応ガスの供給のため、おょぴガス流路からの反応ガス、生成水の排出のためには、ガスを供給する配管またはガス流路からの配管を、使用するセパレータの枚数に分岐し、その分岐先を直接セパレータの溝につなぎ込む配管治具が必要となる。この治具をマ二ホールドと呼び、ガスの供給配管から直接つなぎ込むタイプを外部マ二ホールドと呼ぶ。この外部マ二ホールドとは異なり、マ二ホールドには、構造をより簡単にした内部マ二ホールドと呼ぶ形式のものがある。内部マ二ホールドとは、ガス流路用溝を形成したセパレータに貫通した孔を設け、ガス流路の出入口をこの孔まで通し、この孔から直接反応ガスを供給または排出するものである。

内部マ二ホールドを形成するためには、セパレータにマ二ホールド孔と呼ばれる貫通した孔を設け、ガス流路の出入り口をこのマ二ホールド孔に連通して、マ二ホールド孔から各ガス流路に反応ガスを分配することによって行われる。

燃料電池は、運転中に発熱するので、電池を良好な温度状態に維持するために、冷却水等で冷却する必要がある。通常、 1〜 3セル毎に、冷却水を流す冷却部が設けられる。

これらの M E A、セパレータおよび冷却部を交互に重ねていき、 1 0 〜 2 0 0セル積層した後、集電板と絶縁板を介して端板でこれを挟み、締結口ッドで両端から固定するのが一般的な積層電池の構造である。

ガス拡散電極にガスを供給するためのセパレータのガス流路の構成は、ガス利用率のみでなく、ガス拡散電極で発生した電流の効率的な集電やガス拡散電極で発生する熱の除去にかかわることから重要である。従来、セパレータ側に形成されるガス流路は、蛇行したサーペンタイン型にしたり、流路を並行する複数本構成にしたりすることが提案されている (例えば、特公昭 5 0 - 8 7 7 7号公報および特開平 7 - 2 6 3 0 0 3号公報参照）。

この種の電池の高分子電解質には、パーフルォロスルホン酸系の材料が使われてきた。この高分子電解質膜は、水分を含んだ状態でイオン伝導性を発現するため、通常は燃料ガスや酸化剤ガスを加湿して電池へ供給する必要がある。また、カソード側では、反応によって水が生成するため、電池の動作温度より高い露点となるように加湿されたガスが供給されると、電池内部のガス流路ゃ電極内部で結露が発生し、水詰まりなどの現象によって電池性能が安定しなかったり、性能が低下したりする問題があった。通常、このような濡れすぎによる電池性能の低下や動作不安定が発現する現象をフラッディング現象と呼ばれる。高分子電解質型燃料電池を発電システムとする場合には、供給ガスの加湿などを含めたシステム化が必要である。システムの簡素化、システム効率の向上のためには、供給される加湿ガスの露点を少しでも低減することが好ましレ、。

以上のように、フラッデイング現象の防止、システム効率の向上、システムの簡素化などの観点から、供給ガスは、電池温度に対して少し低めの露点となるように加湿して供給することが通常であった。

しかしながら、電池の高性能化のためには、高分子電解質膜のイオン伝導度を向上させる必要があり、そのためには供給ガスの加湿を相対湿度 1 0 0 %に近い湿度、または相対湿度 1 0 0 %以上で供給することが好ましい。また、高分子電解質膜の耐久性の観点からも、供給ガスを高加湿で供給することが好ましいことがわかった。相対湿度 1 0 0 %に近い湿度のガスを供給しようとする場合、前述のフラッディングの発生が問題となる。

このフラッディングを防止するために、以下のような技術が提案されている（例えば、特開平 1 0— 1 0 6 5 9 4号公報参照）。

すなわち、セパレータのガス流路を、入口側マ二ホールドおよび出口側マ二ホールドにそれぞれつながる入口側流路溝おょぴ出口側流路溝、並びに入口側流路溝および出口側流路溝を連通する中間流路溝により構成する。そして、入口側流路溝および出口側流路溝を格子状とし、中間流路溝は複数回の折返し形状で、複数本の平行な独立流路溝、および独立流路溝の折返し部を格子状流路溝とする。

反応生成水によるフラッディングにより供給ガスの停滞を防止するため、過去より種々のガス流路溝が工夫され、ガス流路が格子状となるタイブと、入口から出口まで 1本の流路とするタイプがある。格子状タイプは、フラッデイングに達するような水溜まりは生じないが、全体に均 —となるガス拡散性能が悪く、一部が閉塞するなど排水性能に劣る。また、 1本の流路タイプは、ガス拡散性が良いが、流れ抵抗が増えてガス供給装置側'の元圧を高くする必要を生じ、補機動力が増加してシステム効率が低下する。

特開平 1 0— 1 0 6 '5 9 4号公報の構成においては、入口側流路溝部ではガス拡散性を高め、この部分の反応を促進して全体の電気変換エネルギー効率を高めたため、入口側流路溝部に反応が集中し高分子電解質膜やガス拡散電極の触媒層の劣化が進み、耐久性に課題が残る。また、出口側流路溝部では、流路断面積を広くして排水性を確保してフラッディングを防止しているが、流路断面積が広いためガスの流れが偏在し一様でなく、流速の遅い部分では生成水が流路溝の一部を閉塞した状態を発生し、この部分にはガスが供給できなく、完全にフラッデイングを防止できない。

フラッデイングを回避するための別の方法として、供給ガスのセパレ一タ流路部分での流速を高くして、結露した水を吹き飛ばすことが考えられる。

しかしながら、供給ガス流速を增加させるためには、高い圧力でガスを供給することが必要となり、システム化した場合のガス供給プ口ヮまたはコンプレッサ等の補機動力を極端に増加させねばならないため、システム効率の悪化を招く。また、フラッディング現象がァノ一ド側で発生すると、燃料ガスの欠乏を招き、これは電池にとつて致命傷となってしまう。これは、燃料ガスが不足している状態で負荷電流が強制的に取られると、燃料のない状態で電子とプロトンを作るためにアノードの触媒を担持しているカーボンが雰囲気中の水と反応してしまうことによる。その結果、触媒層のカーボンの溶出により、アノードの触媒層が破壊されるのである。

また、積層電池を搭載したシステムでは、商品性を考慮すると、電池を定格出力条件で運転するだけではなく、電力需要に応じて出力を抑えた低負荷運転ができることが不可欠である。低負荷運転では、効率を維持するために、燃料ガスや酸化剤ガスの利用率を定格運転と同じ条件にする必要がある。すなわち、定格運転時に対して、例えば負荷を 1 Z 2 に押さえた場合、燃料ガスや酸化剤ガスの流量も 1 / 2程度に低減しなければ、余分な燃料ガスや酸化剤ガスを使用することになるため発電効率が低下する。しかし、ガスの利用率を一定にして低負荷運転を行うと、ガス流路内のガス流速が低下し、凝縮水や生成水をセパレータ外に排出できず、上述のようなフラッデイング現象が発生し、電池性能が低下したり、不安定になったりするという問題があった。発明の開示

本発明は、上記の課題を考慮し、低負荷時におけるフラッディングを抑制することができる、高分子電解質型燃料電池、およびその運転方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、第 1の本発明は、高分子電解質膜、前記高分子電解質膜を挟むァノードおよび力ソード、前記力ソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路溝を有する力ソード側セパレータ、および前記ァノードに燃料ガスを供給する燃料ガス流路溝を有するァノード側セパレータを有するセルが積層されたセル積層体を備え、 '

前記酸化剤ガス流路溝の一部または全部は、前記力ソード側セパレータに入力されてから出力されるまでの流路である酸化剤ガス単位流路を形成し、

前記燃料ガス流路溝の一部または全部は、前記ァノード側セパレータに入力されてから出力されるまでの流路である燃料ガス単位流路を形成し、前記セル積層体における 2つ以上の前記酸化剤ガス単位流路が並列または直列に連絡可能であり、

前記セル積層体における 2つ以上の前記燃料ガス単位流路が並列または直列に連絡可能である、高分子電解質型燃料電池で'ある。

第 2の本発明は、その発電出力の変更に対して、前記酸化剤ガス流路溝を通過する酸化剤ガスの速度が前記酸化剤ガス流路溝'内に水が滞留しない速度を維持し、前記燃料ガス流路溝を通過する燃料ガスの速度が前記燃料ガス流路溝内に水が滞留しない速度を維持するように前記並列連絡または前記直列連絡が変更される、第 1の本発明の高分子電解質型燃料電池である。 .

第 3の本発明は、前記酸化剤ガス単位流路は、前記酸化剤ガス流路溝の一部で形成され、前記燃料ガス単位流路は、前記燃料ガス流路溝の一部で形成されており、 . 前記並列に連絡される場合は、前記各力ソード側セパレータに形成されている複数の酸化剤ガス単位流路は、前記酸化剤ガスが同時に供給されるように、互いに並列に連絡され、前記各アノード側セパレータに形成されている複数の燃料ガス単位流路は、前記燃料ガスが同時に供給されるように、互いに並列に連絡され、

前記直列に接続される場合は、前記各力ソード側セパレータに形成されている複数の酸化剤ガス単位流路の全部または一部は、前記酸化剤ガスが順次に供給されるように、互いに直列に連絡され、前記各アノード側セパレータに形成されている複数の燃料ガス単位流路の全部または一部は、前記燃料ガスが順次に供給されるように、互いに直列に連絡される、第 2の本発明の高分子電解質型燃料電池である。

第 4の本発明は、前記酸化剤ガス単位流路は、前記酸化剤ガス流路溝の全部で形成され、前記燃料ガス単位流路は、前記燃料ガス流路溝の全部で形成されており、

前記並列に接続される場合は、前記各カソード側セパレータに形成されている酸化剤ガス単位流路どうしは、前記酸化剤ガスが同時に供給されるように、互いに並列に連絡され、前記各アノード側セパレータに形成されている燃料ガス単位流路どうしは、前記燃料ガスが同時に供給されるように、互いに並列に連絡され、

前記直列に接続される場合は、前記各力ソード側セパレータに形成されている酸化剤ガス単位流路の全部または一部どうしは、前記酸化剤ガスが順次に供給されるように、互いに直列に連絡され、前記各アノード側セパレータに形成されている燃料ガス単位流路の全部または一部どうしは、前記燃料ガスが順次に供給されるように、互いに直列に連絡される、第 2の本発明の高分子電解質型燃料電池である。

第 5の本発明は、前記各酸化剤ガス単位流路の入口に接続される入口側酸化剤ガスマ二ホールドと、前記各酸化剤ガス単位流路の出口に接続される出口側酸化剤ガスマエホールドと、前記各燃料ガス単位流路の入口に接続される入口側燃料ガスマ二ホールドと、前記各燃料ガス単位流路の出口に接続される出口側燃料ガスマ二ホールドと、を備え、

前記酸化剤ガス単位流路どうしが直列に連絡する場合は、前記酸化剤ガス流路溝の入口に接続される入口側酸化剤ガスマ二ホールドおよび前記酸化剤ガス流路溝の出口に接続される出口側酸化剤ガスマ二ホールド以外の、入口側酸化剤ガスマ二ホールドと出口側酸化剤ガスマ二ホールドとが連絡され、

前記燃料ガス単位流路どうしが直列に連絡する場合は、前記燃料ガス流路溝の入口に接続される入口側燃料ガスマ二ホールドおよび前記燃料ガス流路溝の出口に接続される出口側燃料ガスマ二ホールド以外の、入口側燃料ガスマ二ホールドと出口側燃料ガスマ二ホールドとが連絡される、第 3または 4の本発明の高分子電解質型燃料電池である。第 6の本発明は、前記酸化剤ガス単位流路どうし、および前記燃料ガス単位流路どうしの直列へのまたは並列への連絡は、前記積層セルの外部に設けられたバルブを、その発電電力に応じて開閉することによりなされる、第 5の本発明の高分子電解質型燃料電池である。

第 7の本発明は、前記酸化剤ガス流路溝の入口に接続される入口側酸化剤ガスマ二ホールドおよび前記酸化剤ガス流路溝の出口に接続される出口側酸化剤ガスマ二ホールド以外の、入口側酸化剤ガスマ二ホールドと出口側酸化剤ガスマ-ホールドとが連絡される部分、および前記燃料ガス流路溝の入口に接続される入口側燃料ガスマ二ホールドおよび前記燃料ガス流路溝の出口に接続される出口側燃料ガスマ二ホールド以外の、入口側燃料ガスマ二ホールドと出口側燃料ガスマ二ホールドとが連絡される部分、にミストトラップが設置されている、第 5の本発明の高分子電解質型燃料電池である。

第 8の本発明は、前記酸化剤ガス単位流路どうしの並列の連絡は、前記酸化剤ガスが流れる方向が重力に逆らわない方向となるようになされ前記燃料ガス単位流路どうしの並列の連絡は、前記燃料ガスが流れる方向が重力に逆らわない方向となるようになされる、第 1の本発明の高分子電解質膜型燃料電池である。

第 9の本発明は、高分子電解質膜、前記高分子電解質膜を挟むァノードおよぴカソード、前記力ソードに酸化剤ガスを供'給する酸化剤ガス流路を有する力ソード側セパレータ、および前記ァノードに燃料ガスを供給する燃料ガス流路を有するァノ一ド側セパレータを有するセルが積層されたセル積層体を備え、

前記燃料ガス流路溝の一部または全部は、前記アノード側セパレータに入力されてから出力されるまでの流路である燃料ガス単位流路を形成している高分子電解質型燃料電池の運転方法であって、

前記セル積層体における 2つ以上の前記酸化剤ガス単位流路が並列または直列に連絡する工程と、

前記セル積層体における 2つ以上の前記燃料ガス単位流路が並列または直列に連絡する工程と、を備える、高分子電解質型燃料電池の運転方法である。

本発明によれば、低負荷時におけるフラッディングの発生を抑制することができる、高分子電解質型燃料電池、およびその運転方法を提供することができる。

図面の簡単な説明

図 1は、本発明の実施の形態 1の高分子電解質型燃料電池に用いた導電性セパレータのカソード側の正面図である。

図 2は、本発明の実施の形態 1の高分子電解質型燃料電池に用いた導電性セパレータのアノード側の正面図である。

図 3は、本発明の実施の形態 1の高分子電解質型燃料電池に用いた導電性セパレータのカソード側のガス流路の切り替えを示す図である。

図 4は、本発明の実施の形態 1の積層型高分子電解質型燃料電池の力ソード側の配管を示す斜視図である。

図 5は、本発明の実施の形態 2の積層型高分子電解質型燃料電池の力ソード側の配管を示す斜視図である。図 6は、本発明の実施例 1の ¾分子電解質型燃料電池の電流一電圧特性を示す図である。

図 7は、本発明の実施例 2の高分子電解質型燃料電池の電流一電圧特性を示す図である。

図 8は、本発明の実施例 3の高分子電解質型燃料電池の電圧の経時変化を示す図である。

図 9は、本発明の実施の形態 3の高分子電解質型燃料電池におけるセル Aの力ソード側セパレータの正面図である。ノ図 1 0は、本発明の実施の形態 3の高分子電解質型燃料電池におけるセル Aのアノード側セパレータの正面図である。

図 1 1は、本発明の実施の形態 3の高分子電解質型燃料電池におけるセル Bのカソード側セパレータの正面図である。

図 1 2は、本発明の実施の形態 3の高分子電解質型燃料電池におけるセル Bのァノード側セパレータの正面図である。

図 1 3は、本発明の実施の形態 3の高分子電解質型燃料電池においてセル Aおよび Bに反応ガスが直列に供給される際のセル Aの酸化剤ガスの流れを示す力ソード側セパレータの正面図である。

図 1 4は、本発明の実施の形態 3の高分子電解質型燃料電池においてセル Aおよび Bに反応ガスが直列に供給される際のセル Aの燃料ガスの流れを示すァノード側セパレータの正面図である。

図 1 5は、本発明の実施の形態 3の高分子電解質型燃料電池においてセル Aおよび Bに反応ガスが直列に供給される際のセル Bの酸化剤ガスの流れを示す力ソード側セパレータの正面図である。

図 1 6は、本発明の実施の形態 3の高分子電解質型燃料電池においてセル Aおよび Bに反応ガスが直列に供給される際のセル Bの燃料ガスの流れを示すァノ一ド側セパレータの正面図である。図 1 7は、本発明の実施の形態 3の高分子電解質型燃料電池の全体構成を示す斜視図である。

図 1 8は、本発明の実施の形態 4の高分子電解質型燃料電池の全体構成を示す斜視図である。

図 1 9は、本発明の実施例 4の高分子電解質型燃料電池の連続発電試験における電圧の変化を示した図である。

(符号の説明）

1 ME A

5ヽ 1 3 1 集電板

6ヽ 1 3 2 絶縁板

7ヽ 1 3 3 端板

1 0 導電性セノレータ

1 1 a 、 l i b 酸化剤ガスの入り口側マ二ホールド孔

1 2 a 、 1 2 b 燃料ガスの入り口側マ二ホ一ルド孔

1 3 a 、 1 3 b 酸化剤ガスの出口側マ二ホールド孔

1 4 a 、 1 4 b 燃料ガスの出口側マニホ一ルド孔

2 1 a 酸化剤ガスの第 1の流路

2 1 b 酸化剤ガスの第 2の流路

2 2 a 燃料ガスの第 1の流路

2 2 b 燃料ガスの第 2の流路

3 0 燃料電池

3 1 酸化剤ガスの供給源につながるパィプ

3 1 a 、 3 1 b 分岐パイプ

3 3 a 、 3 3 b 出口側の分岐パイプ

3 3 出口側パイプ 3 5、 3 7ヽ 3 9 バルブ

4 0 、へス卜トラップ

1 0 1、 3 L 、 3 R、 1 0 5 酸ィ匕斉 Uガスのマ二ホーノレド

1 0 2、 4 L 、 4 R、 1 0 6 燃料ガスのマ二ホールド

1 0 Α、 1 0 B 力ソード側セパレータ

2 0 Α、 2 0 B アノード側セパレータ

1 1 Α、 1 1 B、 2 1 A、 2 1 B 酸化剤ガスの入口側マ

ド孔

1 3 A、 1 3 B、 2 3 A、 2 3 B 酸化剤ガスの入口側マ二ホールド孔

1 2 A、 1 2 B、 2 2 A、 2 2 B 燃料ガスの入口側マ二ホーノレド

1 4 A、 1 4 B、 2 4 A、 2 4 B 燃料ガスの入口側マ二ホールド

5 A、 1 5 B、 2 5 A, 2 5 B 酸化剤ガスの出口側マ二ホールド孔

6 Aヽ 1 6 B、 2 6 A、 2 6 B 酸化剤ガスの出口側マ二ホールド孔

1 3 0 セル積層体

発明を実施するための最良の形態

(実施の形態 1 )

図 1 は導電性セパレータのカソード側の正面図であり、図 2はその背面図でアノード側の正面図である。この導電性セパレータ 1 0は、酸化剤ガスの第 1および第 2の入り口側マ二ホールド孔 1 1 aおよび 1 1 b 、第 1および第 2の出口側マ二ホールド孔 1 3 aおよび 1 3 b、燃料ガスの第 1およぴ第 2の入り口側マ二ホールド孔 1 2 aおよび 1 2 b、第 1およぴ第 2の出口側マ二ホールド孔 1 4 aおよび 1 4 bを有する。このセパレータ 1 0は、力ソード側の面には、第 1 の入り口側マ二ホーノレド孔 1 1 aから第 1 の出口側マ二ホールド孔 1 3 aに連なる、本発明の, 酸化剤ガス単位流路に対応する第 1のガス流路 2 1 a、および第 2の入り口側マ二ホールド孔 1 1 b力ら第 2の出口側マ二ホールド孔 1 3 bに連なる、本発明の酸化剤ガス単位流路に対応する第 2のガス流路 2 1 b を有し、アノード側の面には、第 1の入り口側マ二ホールド孔 1 2 aから第 1の出口側マ二ホールド孔 1 4 a に連なる、本発明の燃料ガス単位流路に対応する第 1 のガス流路 2 2 a、およぴ第 2の入り口側マ二ホールド孔 1 2 bから第 2の出口側マ二ホール.ド孔 1 4 bに連なる、本発明の燃料ガス単位流路に対応する第 2のガス流路 2 2 bを有する。本発明の酸化剤ガス流路溝は、第 1 のガス流路 2 1 aおよび第 2のガス流路 2 1 bにより構成されている。本発明の燃料ガス流路溝は、第 1 のガス流路 2 2 aおよび第 2のガス流路 2 2 bにより構成されている。

このセパレータを用いた高分子電解質型燃料電池におけるガスの供給方法を以下に説明する。

まず、定格運転時の酸化剤ガスの供給方法を図 1 により説明する。矢印 Aから A ' に至る経路、すなわち第 1 の入り口側マ二ホールド孔 1 1 aから第 1 のガス流路 2 1 a を経て第 1 の出口側マ二ホールド孔 1 3 a に至る経路と、矢印 Bから B，に至る経路、すなわち第 2の入り口側マ二ホールド孔 1 1 bから第 2のガス流路 2 1 bを経て第 2の出口側マ二ホールド孔 1 3 bに至る経路との 2つの経路を並列に連絡する。そしてこの 2つの経路に同時に酸化剤ガスを流す。

次に、定格の 1 2の負荷で運転するときには、図 3に示すように、前記の 2つの経路、第 1のガス流路 2 1 a と第 2のガス流路 2 1 b、を直列に接続する。すなわち、第 1 の出口側マ二ホールド孔 1 3 a と第 2 の入り口側マ二ホールド孔 1 1 b とをセル外部において矢印 A Bで示すように接続する。すなわち、第 1のガス流路 2 1 aおよぴ第 2のガス流路 2 1 bを直列に連絡する。これによつて、矢印 Aから第 1 の入り口側マ二ホールド孔 1 1 _aに流入するガスは、第 1のガス流路 2 1 aおよび第 2のガス流路 2 1 bを順次に流れ、第 2の出口側マユホールド孔 1 3 bより外部へ排出される。燃料ガスの供給方法についても上記と全く同様である。

図 4は上記のようなセパレータを備えた積層型の高分子電解質型燃料電池の酸化剤ガスの配管を示す。この高分子電解質型燃料電池 3 0は、 M E A 1 とセパレータ 1 0とを交互に積層したセルスタック、これを挟む各一対の集電板 5、絶縁板 6、端板 7、およびこれらを一体に締結する締結手段を有する。酸化剤ガスの供給源につながるパイプ 3 1は、第 1 のパイプ 3 1 a と、バルブ 3 5を有する第 2のパイプ 3 1 bに分岐している。第 1 のパイプ 3 1 aは、セパレータ 1 0の第 1 の入り口側マ二ホールド孔 1 1 a と連通して高分子電解質型燃料電池に設けられたマ二ホールドにつながり、第 2のパイプ 3 l bは、セパレータ 1 0の第 2の入り口側マ二ホールド孔 1 1 b と連通して高分子電解質型燃料電池に設けられたマ二ホールドにつながつている。同様にセパレータ 1 0の第 1 の出口側マ二ホールド孔 1 3 aおよぴ第 2の出口側マ二ホールド孔 1 3 bにそれぞれ連通するマユホールドにつながるパイプ 3 3 aおよび 3 3 bが設けられている。パイプ 3 3 aにはパルプ 3 9が連結され、これとパイプ 3 3 b とは出口側パイプ 3 3につながっている。パイプ 3 1 bの一端は、バイパスバルブ 3 7を介してパイプ 3 3 aにつながっている。そして、各パルプは、制御器 2 0 0に接続されている。図 4には簡略化のため、力ソード側配管のみを示したが、アノード側配管も対称の位置に配置することによつて同様に構成できる。パイプ 3 1から分岐したパイプ 3 1 aおよび 3 1 b、並びにパイプ 3 3につながるパイプ 3 3 aおよび 3 3 bは、同一の管径にして、分割したパイプに均等にガスが分配できる構造とする。ここで、均等にガスを分配するには、 2分割したパイプの長さを等しくして各パイプの圧力損失を等しくすることが重要であり、同時に図 1で示した 2つのガス流路の流路長を等しくして、独立した 2つのガス流路の圧力損失を等しくすることが、ガスの均等分配を行う上で重要で.ある。

この高分子電解質型燃料電池を定格の負荷で運転するとき、制御器 2 0 0は、パノレブ 3 5および 3 9を開き、パイパスパルプ 3 7を閉じる。パイプ 3 1から供給される酸化剤ガスは、パイプ 3 1 aおよび 3 1 bからそれぞれマエホールド孔 1 1 aおよび 1 1 bから第 1のガス流路 2 1 aおよび第 2のガス流路 2 1 bに供給され、パイプ 3 3 aおよび 3 3 b を経てパイプ 3 3に排出される。また、定格の 1 Z 2の負荷で運転するときは、制御器 2 0 0は、バルブ 3 5および 3 9を閉じ、パイパスバルブ 3 7を開く。パイプ 3 1 aから第 1 のガス流路 2 1 a を流れた酸化剤ガスは、パイプ 3 3 aからバイパスバルブ 3 7およびパイプ 3 1 b を経て第 2のガス流路 2 1 bを流れ、パイプ 3 3 bからパイプ 3 3に排出される。すなわち、発電出力の変更に応じて、各ガス流路に水が滞留しないガス速度を維持するように、各ガス流路の並列連絡おょぴ直列連絡が変更される。

ここでは、冷却水の流路については省略し、したがって、図 1および図 2では、冷却水のマ二ホールド孔を省略してある。しかし、ガス流路と同様に、冷却水の流路を複数に分割し、ガス流路の切替と同様に、負荷に応じて切り換えるように構成することもできる。上に示したセパレータは、カソード側セパレータとァノード側セパレータ板を兼ねるものであるが、以下のようにして冷却水による冷却部を構成することができる。一方の面に図 1 のような酸化剤ガスの,流路を形成し'、他方の面に冷却水の流路を形成した力ソード側セパレータと、一方の面に図 2のような燃料ガスの流路を形成し、他方の面に冷却水の流路を形成したァノ一ド側セパレータとを、冷却水の流路が向き合うように結合した組み合わせセパレータを、適宜 M E Aの間に挿入するのである。ここに示したガス流路の構成から、複数に分割された冷却水の流路を構成するのは当業者には容易であろう。なお、冷却部は、セル毎に設けない場合は、ガス流路の,'ように複数に分割しなくともよい。

本実施の形態のボイントは、セパレ一タの面内に独立したマ二ホール' ド孔を有する複数の独立したガス流路を持ち、高分子電解質型燃料電池システムの簡単なバルブ切り替えによって、低負荷運転時の電池性能の低下あるいは不安定現象を回避するようにしたことである。

従来の高分子電解質型燃料電池のセパレータの構造は、燃料ガス及び酸化剤ガスの各々のガスは、一つの入り口側マ二ホールドからセパレータのガス流路に供給され、一つの出口側マ二ホール 'ドを介して排出される構成であった。高分子電解質型燃料電池発電システムの商品性を高めるためには、電力需要に応じた高分子電解質型燃料電池の負荷を、発電効率を低下させることなく変動できるようにする必要がある。そのためには、定格出力に対して負荷を増大させる場合には、それに見合った流量に燃料ガス及び酸化剤ガスの流量を増大させ、定格出力に対して負荷を減少させる場合には、それに見合った流量に燃料ガス及ぴ酸化剤ガスの流量を減少させて運転する必要がある。

通常、高分子電解質型燃料電池の導電性セパレータに設けられたガス流路は、定格出力において最も適した流速となるように設計されている。従って、電力負荷を増大させた場合には、ガス流量の増大に伴ってガス流路のガス流速が増大し、電力負荷を減少する場合には、ガス流量の減少に伴ってガス流路のガス流速が減少する。ガス流路のガス流速が増大した場合には、供給ガスの圧力損失が増大するため、捕機動力の増大により発電効率が若干は低下するものの、ガス流路のガス流速が増大するため、セパレータのガス流路内の結露水や生成水はむしろ効率よく除去可能となり、フラッデイング現象が発生することはない。しかしながら、電力負荷を減少させる場合には、ガス流量の減少に伴ってガス流路のガス流速も減少する。ガス流路のガス流速が減少した場合には、流速の減少度合いによって、セパレ一タのガス流路内の結露水や生成水を効率よく除去することが困難になり、フラッディング現象が発生する。このとき、電力負荷を減少したにもかかわらず、供給ガス流量を減少させなければ、発電出力に対する補機動力の割合が相対的に大きくなり、発電システム全体での発電効率が低下する。

本発明においては、セパレータの面内に独立した入り口側おょぴ出口側マ二ホールド孔を有する複数の独立したガス流路を形成し、これらを直列あるいは並列に接続することで、特に低負荷運転時にもフラッディングが起こらない高分子電解質型燃料電池を実現するものである。例えば、最高負荷発電出力と最低負荷発電出力の比が 4対 1 とする場合、セパレータの面内のガス流路を 4つに独立させて形成し、最高負荷発電時には全てのガス流路に並列にガスを供給し、最低負荷運転時には 4つ全てのガス流路を直列に接続してガスを供給する。また、中間の負荷運転時には、 4つの流路のうちの隣り合う 2つのガス流路を直列に接続してガスを供給する。これによつて、負荷変動時にも全てのガス流路において同一のガス流速を保つことができる。

このように、各ガス単位流路が複数存在する場合は、酸化剤ガス単位流路どうしが直列に連絡する場合は、酸化剤ガス流路溝の入口に接続される入口側酸化剤ガスマ二ホールドおよび酸化剤ガス流路溝の出口に接続される出口側酸化剤ガスマ-ホールド以外の、各酸化剤ガス単位流路における、入口側酸化剤ガスマ二ホールドと出口側酸化剤ガスマ二ホールドとが連絡されればよい。そして、燃料ガス単位流路どうしが直列に連絡する場合は、燃料ガス流路溝の入口に接続される入口側燃料ガスマ二ホールドおよび燃料ガス流路溝の出口に接続される出口側燃料ガスマ二ホールド以外の、各燃料ガス単位流路における、入口側燃料ガスマユホールドと出口側燃料'ガスマユホールドとが連絡されればよレ、。

また、各ガス流路を直列に接続する場合、各ガス流路の接続は独立したマ二ホールド孔をセパレータの外部で配管を用いて接続することによつて、中間のマ二ホールド孔において結露した凝縮水をセパレータの外部に排出することが可能となり、下流の流路に凝縮水が供給されないため、安定した運転が可能である。

このように本実施の形態の高分子電解質型燃料電池によれば、部分負荷運転となった場合でも、ガス流路におけるガスの流速が低下しないので、フラッデイングの発生を抑制することができる。

しかし、一般に、燃料電池は定格負荷で運転できる方がメリットが大きい。従って、実際の使用状況を考えると、部分負荷で運転される時間よりも定格負荷もしくは定格負荷近くで運転される時間がはるかに長くなることが想定されている。従って、本実施の形態の高分子電解質型燃料電池のように、定格運転においても、部分負荷蓮転においても、各単位流路を、内部のガスが重力に逆らわない方向に流れるように構成することにより、フラッデイングの発生をさらに抑制することができる。しかし、上記各ガス単位流路のうち、一部または全部が内部のガスが重力に逆らう方向に流れるように構成されていても、部分負荷におけるフラッディングを抑制することができる、という点については上記と同様の効果が得られる。

(実施の形態 2 )

本実施の形態では、図 5に示すように、実施の形態 1 における第 1の出口側マ二ホールドと第 2の入り口側マ二ホールドとを接続するパイプにミストトラップ 4 0を挿入した。反応ガスが相対湿度がほぼ 1 0 0 % となるように供給される場合、反応ガスは、第 1 のガス流路を通過した時点で生成水や結露水などにより、多くのミストを含んだ状態となっている。このミストが後段のガス流路に供給されると、ミストによるガス流路の閉塞が原因となってフラッディングが発生する危険性が高い。このため、上流側の第 1のガス流路の出口から一度セパレータの外に排出したミストが、再度下流側のガス流路に供給されないように、ミストトラップ 4 0を挿入することによって、フラッディングがさらに少ない信頼性の高い運転を可能にする。このミストトラップ 4 0で捕捉された水は、燃料電池システムに回収され、再利用することも可能である。ミストトラップ 4 0には、市販のメカニカルなミストトラップ、例えば実施例 2に用いたものや、繊維状で吸水効果を有するゥィック状の例えば風糸のようなものも使用できる。

このように、マ二ホールド孔の接続部分にミストトラップ 4 0を挿入することによって、凝縮水の排出を確実に行うことが可能となる。各ガス流路を流れるガスは、重力に逆らわない方向に流される場合は、凝縮水の排出がさらに促進される。各ガス流路を直列および並列に切り替えた際に、ガスの流れる方向が変化しないように構成すると、常に重力方向に逆らわずにガスを流すことが可能であり、より安定した運転が可能となる。なお、図 5において制御器 2 0 0の記載を省略しているが、各パルブは、図 4の場合と同様に制御器 2 0 0を介して操作される。 (実施例 1 )

以下、本発明の実施例を説明する。

アセチレンブラック系カーボン粉末に、平均粒径約 3 O Aの白金粒子を 2 5重量⁰ /₀担持して力ソード触媒を、また、アセチレンブラック系力一ボン粉末に、平均粒径約 3 0 Aの白金一ルテニウム合金粒子を 2 5重量％担持してァノード触媒をそれぞれ作製した。これらの触媒粉末を'ィソプロパノールに分散させ、これをパーフルォロカーボンスルホン酸粉末のエチルアルコール分散液（旭ガラス（株）製フレミオン（登録商標 ) ) に混合してペースト状のインクを調製した。これらのインクを原料としスクリーン印刷法を用いて厚み 2 5 0 μ mのカーボン不織布 (東レ (株) コード番号 T G P — H— 0 9 0 ) の一方の面に塗工してそれぞれ触媒層を形成した。これらの触媒層中に含まれる白金量は 0 . 3 m _g Z c m ²、パーフルォロカーボンスルホン酸の量は 1 . 2 m g Z c m ²とした。

上記のようにカーボン不織布に触媒層を形成して作製した力ソードぉよびアノードを、電極より一回り大きい面積を有する水素ィオン伝導性高分子電解質膜（米国デュポン社製ナフイオン 1 1 2 (登録商標））の中心部の両面に、それぞれの触媒層が電解質膜に接するようにホットプレスによつて接合した。電極の外周縁部に露出している電解質膜部分には、厚さ 2 5 0 mのフッ素系ゴムシートからなるガスケットをホットプレスによって接合した。こうして電解質膜電極接合体（M E A ) を作製した。高分子電解質膜には、パーフルォロカーポンスルホン酸を 3 0 μ mの厚みに薄膜化したものを用いた。

導電性セパレータは、厚さ 3 m mの等方性黒鉛材に機械加工によってガス流路及びマ二ホールド孔を形成したもので、図 1及び図 2に示すような構造のものである。各ガス流路の溝幅は 2 m m、深さは l m m、溝間のリブ幅は 1 mmとし、それぞれ 1本パスのガス流路構成とした。また、図 1及び図 2には示されていないが、ガス流路に対応して冷却水の流路も分割した。

次に、上記の導電性セパレータと ME Aを交互に積層して、 5 0セルが積層された図 4のような高分子電解質型燃料電池を組み立てた。集電板は、表面に金メッキした銅板、絶縁板はポリフエ二レンサルファイド板、端板はステンレス鋼製をそれぞれ用いた。積層電池の締結圧は、電極の面積当たり 1 0 k g f Z c m²とし、図 1で示したセパレータの上部が上となるよう積層電池を構成した。

この電池の定格運転条件は、燃料利用率 7 5 %、酸素利用率 4 0 %、電流密度 0. 3 A Z c m ²である。

このように作製した本実施例の固体高分子型燃料電池を 7 0 °Cに保持し、アノードには 7 0 °Cの露点となるように加湿。加温した燃料ガスを、力ソードには 7 0 °Cの露点となるように加湿 ·加温した空気をそれぞれ供給した。燃料ガスは、水素ガス 8 0 %、二酸化炭素 2 0 %およぴー酸化炭素 1 0 p p mからなる。

この電池を定格の 2 5 %の低負荷となる電流密度 0. 0 7 5 AZ c m ²から定格負荷となる 0. 3 AZ c m ²まで電流密度を変化させて電流一電圧特性を評価した。ただし、試験中の利用率は定格条件と同等とした。その結果を図 5に示す。図 5には、比較のために、従来の高分子電解質型燃料電池、すなわち 1本パスのガス流路構成のセパレータを用いた比較例 1の電池の特性も併記した。本実施例では、 0. 1 5 AZ c ni²以下を直列流路、 0. 1 5 AZ c m²以上を並列流路に切り替えて試験を行つた。

図 6より、本実施例の高分子電解質型燃料電池は、比較例 1の電池ではガス流速の低下によってフラッデイングが発生し、運転が困難となつていた 0 . 0 7 5 A / c ni ²付近においてもフラッディングを発生.せず、安定した運転ができていることがわかる。本実施例では、 2つの独立した流路を用いた場合を示した'が、各流路の圧損が同様であるならば、 3 つ以上の独立した流路を有する構成とすることも可能である。

(実施例 2 )

本実施例では、実施の形態 2に示すように、ミストトラップ 4 0を挿入した他は実施例 1 と同様の電池を作製した。ミストトラップ 4 0は、市販のメ力二カルなミストトラップ（Armstrong社製 1 — L D C ) を用いた。この電池を実施例 1 と同じ条件で電流一電圧特性を測定した。ここで、実施例 2における流路全体の圧力損失は実施例 1 における流路全体の圧力損失の約 6 0 %として設計した。この結果を図 7に示す。図 7より、実施例 2によれば、低圧損で安定した電池出力を得ることができることが確認された。

(実施例 3 )

セパレータを図 1 のように構成し、かつ図 1のように配置されるように電池を設置することが好ましい。通常、冷却水の流す方向によってセル面内の温度分布は決定され、ガス入口部分の温度を低く、ガス出口部分の温度を高くするために、冷却水とガスの流れる方向を合わせることが望ましい。このような構成にすることによって、出口付近で大量に発生する生成水をスムースに排出することができる。すなわち、ガスの流れ方向が変化すると温度分布との相関が崩れ、より水詰まりが生じやすい状態となる。

ここで、本実施例では、実施例 1 と同様に、セパレータを図 1 のように構成し、かつ図 1 のように配置されるように電池を設置した。本実施例によれば、ガス流路を並列に切り替えた際にも、ガスの流れ方向が変化しないために、常にフラッデイングが抑制され、安定した運転が可能である。

この電池を'実施例 1 と同じ条件で、定格時の 1 / 2の負荷で運転した時の電圧の経時変化を図 8に示す。図 8には、比較例 3 として、強制的に第 2のガス流路の入口と出口を逆転させ、重力に逆らった方向にガスを流した時の特性も示している。図 8 より、常に重力に'逆らわない方向にガスを流すことによって、容易にかつ確実に安定した運転が可能であることがわかる。

(実施の形態 3 )

図 9及び図 1 0は、セル Aを構成するための力ソード側セパレータ 1 0 A及びァノ一ド側セパレータ 2 0 Aを示す。セパレータ 1 0 Aは、酸化剤ガスのマ二ホールド孔 1 1 A、 1 3 Aおよび 1 5 A、並びに燃料ガスのマ二ホールド孔 1 2 A、 1 4 Aおよび 1 6 Aを有し、力ソードに向き合う面にマ二ホールド孔 1 1 Aと 1 5 Aを連絡する本発明の酸化剤ガス単位流路に対応するガス流路 1 7 Aを有する。一方、セパレータ 2 0 Aは、燃料ガスのマ二ホールド孔 2 2 A、 2 4 Aおよび 2 6 A、並びに酸化剤ガスのマ二ホールド孔 2 1 A、 2 3 Aおよび 2 5 Aを有し、ァノードに向き合う面にマ二ホールド孔 2 2 Aと 2 6 Aを連絡する本発明の燃料ガス単位流路に対応するガス流路 2 8 Aを有する。

図 1 1及ぴ図 1 2は、セル Bを構成するための力ソード側セパレータ 1 0 B及びァノード側セパレータ 2 0 Bを示す。セパレータ 1 0 Bは、酸化剤ガスのマ二ホールド孔 1 1 B、 1 3 Bおよび 1 5 B、並びに燃料ガスのマ二ホールド孔 1 2 B、 1 4 Bおよび 1 6 Bを有し、力ソードに向き合う面にマユホールド孔 1 3 B と 1 5 Bを連絡する本発明の酸化剤ガス単位流路に対応するガス流路 1 7 Bを有する。一方、セパレータ 2 0 Bは、燃料ガスのマ二ホールド孔 2 2 B、 2 4 Bおよび 2 6 B、並びに酸化剤ガスのマ二ホールド孔 2 1 B、 2 3 Bおよび 2 5 Bを有し、了ノードに向き合う面にマ二ホールド孔 2 4 B と 2 6 Bを連絡する本発明の燃料ガス単位流路に対応するガス流路 2 8 Bを有する。ここで、ガス流路 1 7 A、ガス流路 1 7 Bは、本発明の酸化剤ガス流路溝の全部で形成されており、ガス流路 2 8 A、ガス流路 2 8 Bは、本発明の燃料ガス流路溝の全部で形成されている。

上記のセパレータに組み合わされる電解質膜電極接合体（ME A) は、セパレータと同じサイズの高分子電解質膜、前記電解質膜を挟む一対のガス拡散電極、すなわち力ソードおよびアノード、並びに電極の周縁部からはみ出た部分の電解質膜を挟む一対のガスケッ 1、から構成される。

この M E Aをセパレータ 1 O Aと 2 O Aで挟んでセノレ Aを構成し、同様に M E Aをセパレータ 1 0 B と 2 0 Bで挟んでセル Bを構成する。

上記のセル Aとセル Bとを交互に積層してセル積層体を構成する。

図 1 7は上記のセル積層体を用いた高分子電解質型燃料電池を示す。セル積層体 1 3 0は、その両端に集電板 1 3 1および絶縁板 1 3 2を介して端板 1 3 3で挟まれ、ボルト（図示しない）により締結されている。一方の端板には、セパレータの酸化剤ガス用マ二ホールド孔 1 1 A、 1 1 B、 2 1 Aおよび 2 1 Bに連通するマ二ホールド 1 0 1、酸化剤ガス用マ二ホールド孔 1 3 A、 1 3 B、 2 3 Aおよび 2 3 Bに連通するマ二ホールド 3 L、燃料ガス用マ二ホールド孔 1 2 A、 1 2 B、 2 2 A、おょぴ 2 2 Bに連通するマ二ホールド 1 0 2、並びに燃料ガス用マ二ホールド孔 1 4 A、 1 4 B、 2 4 A、および 2 4 Bに連通するマ二ホールド 4 Lが取り付けられている。他方の端板には、酸化剤ガス用マ二ホールド孔 1 3 A、 1 3 B、 ' 2 3 Aおよび 2 3 Bに連通するマ二ホールド 3 R 、燃料ガス用マ二ホールド孔 1 4 A、 1 4 B、 2 4 A、および 2 4 Bに連通するマ二ホールド 4 R、酸化剤ガス用マユホールド孔 1 5 A、 1 5 B、 2 5 Aおよび 2 5 Bに連通するマ二ホールド 1 0 5、並びに燃料ガス用マ二ホールド孔 1 6 A、 1 6 B、 2 6 A、および 2 6 Bに連通するマユホールド 1 0 6が取り付けられている。

この高分子電解質型燃料,電池を運転する際の酸化剤ガスおよび燃料ガスの供給方法を説明する。

まず、定格で運転するときは、酸化剤ガス、燃料ガスともにセル Aおよびセル Bに並列に供給して発電させる。すなわち、マ-ホールド 3 R を閉じ、マ二ホールド 1 0 1およびマ二ホールド 3 Lに酸化剤ガスを均等に供給する。これによつてセパレータ 1 O Aには、図 9に示す矢印のように、酸化剤ガスが、マ二ホールド孔 1 1 Aからガス流路 1 7 Aを流れ、マ二ホールド孔 1 5 Aから排出される。同様に、セパレータ 1 0 B には、図 1 1 に示す矢印のように、酸化剤ガスが、マ二ホールド孔 1 3 Bからガス流路 1 7 Bを流れ、マ二ホールド孔 1 5 Bから排出される。すなわち、ガス流路 1 7 Aおよぴガス流路 1 7 Bは、並列に連絡され、酸化剤ガスが 2つの流路に同時に供給される。

一方、マ二ホールド 4 Rを閉じ、マ二ホールド 1 0 2およぴマニホールド 4 Lに燃料ガスを均等に供給すると、セパレータ 2 0 Aには、図 1 0に示す矢印のように、燃料ガスは、マ二ホーノレド孔 2 2 Aからガス流路 2 8 Aを流れ、マユホールド孔 2 6 Aから排出される。同様に、セパレータ 2 0 Bには、図 1 2に示す矢印のように、燃料ガスは、マ二ホーノレド孔 2 4 Bからガス流路 2 8 Bを流れ、マ二ホールド孔 2 6 Bから排出される。すなわち、ガス流路 2 8 Aおよびガス流路 2 8 Bは、並列に連絡され、燃料ガスが 2つの流路に同時に供給される。

上記のようにして、セル Aおよびセル Bの力ソードおょぴアノードに酸化剤ガスおよぴ燃料ガスがそれぞれ並列に供給されて発電する。

次に、定格の 1 / 2の負荷で運転するときは、マ二ホールド 3 L、 4 L、 5、および 6を閉じ、マ二ホールド 1 0 1 に酸化剤ガスを供給し、マエホールド 1 0 2に燃料ガスを供給する。酸化剤ガスおよび燃料ガスは、以下に説明するように、それぞれセル Aとセル Bを直列に流れ、マ二ホールド 3 Rおよび 4 Rから排出される。

マ二ホールド 1 0 1 に供給される酸化剤ガスは、図 1 3の矢印に示すように、セパレータ 1 O Aのマ二ホールド孔 1 1 Aからガス流路 1 7 A を流れ、マ二ホールド孔 1 5 Aに排出される。次いで、図 1 5の矢印に示すように、セパレータ 1 0 Bのマ二ホールド孔 1 5 Bに入り、ガス流路 1 7 Bを流れ、マ二ホールド孔 1 3 Bから排出ざれる。すなわち、ガス流路 1 7 Aおよびガス流路 1 7 Bは、直列に連絡され、酸化剤ガスが 2つの流路に順次に供給される。

同様に、マ二ホールド 1 0 2に供給される燃料ガスは、図 1 4の矢印に示すように、セパレータ 2 0 Aのマ二ホールド孔 2 2 Aからガス流路 2 8 Aを流れ、マ二ホールド孔 2 6 Aに排出される。次いで、図 1 6の矢印に示すように、セパレータ 2 0 Bのマ二ホールド孔 2 6 Bに入り、ガス流路 2 8 Bを流れ、マユホールド孔 2 4 Bから排出される。すなわち、ガス流路 2 8 Aおよびガス流路 2 8 Bは、直列に連絡され、燃料ガスが 2つの流路に順次に供給される。

本実施の形態の高分子型燃料電池においては、セパレータに設けられる一対のマ二ホールド孔のうち入口側マ二ホールド孔を少なくとも 2個とし、マ二ホールド孔へのガスの供給を適宜切り替えることによって、低負荷運転時の電池性能の低下あるいは不安定現象を回避している。

すなわち、高分子電解質膜およびこれを挟むァノードおよぴカソードからなる電解質膜電極接合体（M E A ) を挟むセパレータ対を少なくとも 2種準備する。第 1 のセパレータ対に挟まれたセル Aと第 2のセパレータ対に挟まれたセル Bとを含むセル積層体を構成し、セル Aには第 1 の入口側マ二ホールド孔からガスを供給し、セル Bには第 2のマユホールド孔からガスを供給する。これによつて、セル Aとセル Bにはガスを並列に供給することができる。また、セル Aとセル Bの出口側マ二ホールド孔を直列に連結し、第 1 の入口側マ-ホールド孔からガスを供給すれば、ガスはセル Aとセル Bを直列に流れ、第 2の入口側マ二ホールド孔から排出される。

このようにして、酸化剤ガスおよび燃料ガスの一方、好ましくは両方をセル Aとセル B とに、負荷に応じて並列または直列に供給することができ、ガス流路におけるガス流速を負荷にかかわらず一定にすることができる。これによつて、低負荷運転時に電池性能が低下したり不安定現象を生じたりすることを回避することができる。

従来の高分子電解質型燃料電池セパレータの構造は、燃料ガス及ぴ酸ィ匕剤ガスの各々のガスは、一つのガス入口側マ二ホーノレドからセパレータのガス流路に供給され、一つのガス出口側マ二ホールドを介して排出される構成であった。燃料電池発電システムの商品性を高めるためには、電力需要に応じた燃料電池の負荷を、発電効率を低下させることなく変動させることが望まれる。そのためには、定格出力に対して負荷を増大させる場合には、それに見合った流量に燃料ガス及び酸化剤ガスの流量を増大させ、定格出力に対して負荷を減少させる場合には、それに見合った流量に燃料ガス及び酸化剤ガスの流量を減少させて運転できることが好ましい。

通常、燃料電池に用いられる導電性セパレータに設けられたガス流路は、定格出力において最も適したガス流速となるように設計されている。従って、電力負荷を増大させた場合には、ガス流量の増大に伴ってガス流路のガス流速が増大し、電力負荷を減少する場合には、ガス流量の減少に伴ってガス流路のガス流速が減少する。ガス流路のガス流速が増大した場合には、供給ガスの圧力損失が増大するため、補機動力の増大により発電効率が若干は低下するものの、ガス流路のガス流速が増大するため、セパレータガス流路内の結露水や生成水はむしろ効率よく除去可能となり、フラッデイング現象が発生することはない。しかしながら、電力負荷を減少させる場合には、ガス流量の減少に伴ってガス流路のガス流速も減少する。ガス流路のガス流速が減少した場合には、流速の減少度合いによって、セパレータのガス流路内の結露水や生成水を効率よく除去することが困難になり、フラッディング現象が発生する。このとき、電力負荷を減少したにもかかわらず、供給ガス流量を減少させなければ、発電出力に対する補機動力の割合が相対的に大きくなり、発電システム全体での発電効率が低下する。

本発明は、上記のように、異なる入口側マ二ホールド孔をもつセルへのガスの供給をマ二ホールドを介して直列および並列に切替することで、特に低負荷運転時にもフラッディングが起こらない高分子電解質型燃料電池を実現するものである。例えば、最高負荷発電出力と最低負荷発電出力の比を 2対 1 とする場合、ガス入口側マ二ホールドを 2個設け、第 1 のマ二ホールドにつながつているガス流路のセル Aと第 2のマニホ一ルドにつながつているガス流路のセル Bを交互に積層する。そして、高負荷発電時には第 1および第 2のガス入口側マ二ホールドに並列にガスを供給する。また、最低負荷運転時には第 1のガス入口側マ二ホールドからガスを供給し、第 2のガス入口側マ二ホールドは出口として使用し、高負荷発電時に出口であったマ-ホールドをセパレータ外で配管を用いて閉じることにより、セルを直列につなぎガスを供給する。これによって、負荷変動時にも全てのガス流路において同一のガス流速を保つことができる。

ガス流路を直列に接続する場合、各ガス流路の接続は独立したマニホールド孔をセパレータ外部で配管を用いて接続することによって、中間のマ二ホールド孔において結露した凝縮水をセパレータ外部に排出することが可能となり、下流の流路に凝縮水が供給されないため、さらに安定した運転が可能である。

さらに、マ二ホールド孔の接続部分にミストトラップを揷入することによって、凝縮水の排出をより確実に行うことが可能となる。このとき、マ二ホールドを介して直列になるセルは隣り合って配置されているのが好ましい。

これらにより、特に低負荷運転時にもフラッディングが起こらない高分子電解質型燃料電¾を実現することができる。 ' また、高負荷運転時においては、上記の説明のように、各ガス流路を流れるガスの方向は、重力に逆らわない方向であるので、フラッディングの発生はさらに抑制される。しかし、低負荷運転時においては、図 1 5、 1 6に示すように各ガス流路を流れるガスの方向は、重力に逆らう方向を含む場合がある。従って、その意味においては、フラッデイングが発生する可能性があるが、実際のシステムの運転状況では、上述のように定格負荷での運転時間が部分負荷での運転時間よりも長いため、問題となるレベルではない。

なお、本実施の形態の説明においては、セル Aおよびセル B と 2種類のセルを積層する構成であるが、 3種類以上のセルが積層されてもよい。すなわち、定格負荷のときには、各セルに形成されるガス単位流路に同時にガスを入力し、部分負荷の時には、負荷の大きさに応じて各ガス単位流路の少なくともいずれかを直列に連絡して順次にガスを入力してもよい。

このとき、酸化剤ガス単位流路どうしが直列に連絡する場合は、酸化剤ガス流路溝の入口に接続される入口側酸化剤ガスマ二ホールドおよび酸化剤ガス流路溝の出口に接続される出口側酸化剤ガスマ二ホールド以外の、各酸化剤ガス単位流路における入口側酸化剤ガスマ二ホールドと出口側酸化剤ガスマユホールドとが連絡されればよい。そして、燃料ガス単位流路どうしが直列に連絡する場合は、燃料ガス流路溝の入口に接続される入口側燃料ガスマ二ホールドおよび燃料ガス流路溝の出口に接続される出口側燃料ガスマ二ホールド以外の、各燃料ガス単位流路における入口側燃料ガスマエホールドと出口側燃料ガスマ二ホールドとが連絡されればよい。

(実施の形態 4 )

本実施の形態における高分子電解質型燃料電池の全体構成を図 1 8に示す。実施の形態 3 と異なるところは、各マ二ホールドの配管にバルブを設けたことである。酸化剤ガスの入口側マ二ホールド 1 0 1およぴマ二ホールド 3 Lはそれぞれバルブ V 2および V 1 を介して 1 つの酸化剤ガス供給パイプに連結している。酸化剤ガスの入口側マ二ホールド 3 R にはパルプ V 5を、出口側マ二ホールド 1 0 5にはバルブ V 8をそれぞれ設けている。燃料ガスの入口側マエホールド 1 0 2およびマユホールド 4 Lはそれぞれバルブ V 4および V 3を介して 1つの燃料ガス供給パィプに連結し、燃料ガスの入口側マ二ホールド 4 Rにはバルブ V 6 を、出口側マ二ホールド 1 0 6にはバルブ V 7をそれぞれ設けている。そして、各バルブは、制御器 3 0 0に接続されている。

この構成によれば、セル Aとセル Bに酸化剤ガスを並列に供給するとき、制御器 3 0 0は、バルブ V 1、 V 2および V 8を開くとともにパルブ V 5を閉じ、マ二ホールド 1 0 1およびマユホールド 3 Lからそれぞれ酸化剤ガスを供給し、マ二ホールド 1 0 5から排出する。同様に、パルブ V 3、 V 4およぴパルプ V 7を開くとともにパルプ V 6 を閉じ、燃料ガスをマ二ホールド 1 0 2およびマ二ホールド 4 Lから供給し、マ二ホールド 1 0 6力ら排出する。一方、セル Aとセル Bに酸化剤ガスを直列に供給するとき、制御器 3 0 0は、バルブ V 2および V 5を開くとともにパルプ V 7および V 8を閉じ、酸化剤ガスをマ二ホールド 1 0 1から供給し、マユホールド 3 R から排出する。また、パルプ V 4およびパルプ V 6を開くとともにパルブ V 3およびバルブ V 7を閉じ、燃料ガスをマ二ホールド 1 0 2から供給し、マ二ホールド 4 Rから排出する。このように、発電出力の変更に応じて、各ガス流路に水が滞留しないガス速度を維持するように、各ガス流路の並列連絡および直列連絡が変更される。

上記の実施の形態 3、 4においては、各セパレータはそれぞれ単一のものを用いたが、一方の面がカソード側セパレータとして機能し、その裏面がアノード側セパレータとして機能するセパレータとすることもできる。例えばセル Aとセル B とを隣接して配列するときは、セル Aの力ソ一ド側セパレータの裏面をセル Bのァノード側セパレータとする。また、上記の実施の形態においては、説明の都合上セルを冷却するための冷却水のマ二ホールド孔を省いている。冷却部は、通常力ソード側セパレータとアノード側セパレータの向き合う面に冷却水の流路を形成することにより構成される。この冷却部は、各セル毎または 2〜 3セル毎に設けられる。

(実施例 4 )

以下、本実施の形態 3、 4に対応する実施例を説明する。

アセチレンブラック系カーボン粉末に、平均粒径約 3 0 Aの白金粒子を 2 5重量⁰ /₀担持した。これを力ソードの触媒とした。また、ァセチレンブラック系カーボン粉末に、平均粒径約 3 0 Aの白金一ルテニウム合金粒子を 2 5重量％担持した。これをアノードの触媒とした。これらの触媒粉末のィソプロパノール分散液に、パーフルォロカーボンスルホン酸粉末のエチルアルコール分散液を混合し、ペースト状にした。これらのペーストを原料としてスクリーン印刷法を用いて、厚み 2 5 0 μ πιのカーボン不織布の一方の面に塗布、乾燥して力ソード触媒層およびァノ一ド触媒層をそれぞれ形成した。得られた触媒層中に含まれる白金量は 0 . 3 m g / c m \ パーフノレオ口カーボンスノレホン酸の量は 1 . 2 m g Z c m ²とした。

これらの触媒層を有する力一ポン不織布からなる電極は、触媒材料以外の構成は力ソード · ァノード負極共に同一構成である。これらの電極 ' を、電極より一回り大きい面積を有する水素イオン伝導性高分子電解質膜の中心部の両面に、印刷した触媒層が電解質膜.側に接するようにホットプレスによつて接合した。さらに厚さ 2 5 Ο 'μ ηιのエラストマ一 (デュボン社のバイトン A Ρ、硬度 5 0 0 ) のシートを所定の大きさに切り抜いたガスケットを、前述の電極の外周部において露出する電解質膜の両面に配置し、ホットプレスによって接合一体化させた、こうして M E Aを作製した。水素イオン伝導性高分子電解質として、厚み 3 0 mのパーブノレォロカーポンスノレホン酸の薄膜を用いた。

本実施例では、図 9〜図 1 2に示すセパレ一タ 1 0 A、 1 0 B、 2 0 Aおよび 2 0 Bを用いた。これらのセパレータは、厚さ 3 m mの等方性黒鉛板に機械加工によつてガス流路及びマ二ホーノレド孔を形成した。ガス流路の溝幅は 2 m m、深さは l m m、ガス流路間のリブの幅は 1 m m とし、ガス流路はいずれも 1本パスとした。

上記の M E Aに力ソード側セパレータ 1 0 Aとアノード側セパレータ 2 0 Aを組み合わせたセル Aと、 M E Aに力ソード側セパレータ 1 0 B とァノード側セパレータ 2 0 Bを組み合わせたセル B とを交互に積層して 5 0セルのセル積層体を構成した。セル積層体は、金メッキした銅板からなる集電板とポリフエ-レンサルフアイド製の絶縁板を介して、ステンレス鋼製の端板で挟み、両端板は締結ロッドで締結した。締結圧は電極の面積当たり 1 0 k g f / c m²とした。また、各図で示すようにセパレータの上部が上となるよう積層電池を構成した。

次に、このセル積層体を用いた電池の実際の運転方法について説明する。先の実施の形態で説明したように、電池を定格条件で運転する際には、酸化剤ガス、燃料ガスともにセル Aとセル Bに並列に供給した。また、定格に対して 5 0 %以下の低負荷運転では、酸化剤をセル Aとセル Bに直列に供給し、燃料ガスもセル Aとセル Bに直列に供給した。この電池の定格運転条件は、燃料利用率 7 5 %、酸素利用率 4 0 %、電流密度 0. 3 AZ c m²である。

この高分子電解質型燃料電池を 7 0 °Cに保持し、アノードに 7 0 °Cの露点となるよう加湿 ·加温した水素主体のガス ( 8 0 %水素ガス Z 2 0 %二酸化炭素 Z1 0 p p m—酸化炭素）を、力ソードに 7 0 °Cの露点となるように加湿 ·加温した空気をそれぞれ供給した。この電池を定格の 2 5 %の低負荷となる電流密度 0. 0 7 5 A/ c m²から定格負荷となる 0. 3 A/ c m ²まで電流密度を変化させて電流一電圧特性を評価した。ただし、試験中の利用率は定格条件と同等とした。その結果を図 1 9に示す。図 1 9には比較のため、従来の高分子電解質型燃料電池、すなわちセル Aのみを積層した電池の特性も併記した。本実施例では、電流密度 0. 1 5 A/ c m²以下の場合は直列流路に切り換え、 0. 1 5 A/ c m ²以上の場合は並列流路に切り替えて試験を行った。図 1 9より、本実施例による高分子電解質型燃料電池では、従来の電池ではガス流速の低下によつてフラッディングが発生し運転が困難となっていた 0. 0 7 5 A/ c m ²付近においてもフラッチィングを発生せず、安定して運転できていることがわかる。本実施例では、 2種のセルを用いたが、マ-ホールドを増やすことでさらに直列接続するセルの種類を増やすことも可能である。 (実施例 5 )

本実施例では、実施の形態 4のように配管にバルブを設置した。パルブの開閉により、ガスの供給を切り替えて、実施例 1 と同様の試験を行つた。その結果、実施例 1 と同等の性能が得られた。

なお、以上までの説明において、実際のシステムにおいては、各ガス流路の入口側には、加湿器が接続され、各ガス流路の出口側には、廃熱交換機が接続されることがある。

また、以上までの説明において、各図に示す各セパレータ、各セルの設置方向は、図 1 に示す方向と同様である。産業上の利用可能性

本発明にかかる高分子電解質型燃料電池、およびその運手方法は、低負荷時におけるフラッディングの発生を抑制することができ、燃料電池コージェネレーションシステム等として有用である。

Claims

請求の範囲

1 . 高分子電解質膜、前記高分子電解質膜を挟むアノードおよび力ソード、前記カソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路溝を有する力ソード側セパレータ、および前記ァノードに燃料ガスを供給する燃料ガス流路溝を有するァノ一ド側セパレータを有するセルが積層されたセル積層体を備え、

前記燃料ガス流路溝の一部または全部は、前記ァノ一ド側セパレータに入力されてから出力されるまでの流路である燃料ガス単位流路を形成し、

前記セル積層体における 2つ以上の前記酸化剤ガス単位流路が並列または直列に連絡可能であり、

前記セル積層体における 2つ以上の前記燃料ガス単位流路が並列または直列に連絡可能である、高分子電解質型燃料電池。

2 . その発電出力の変更に対して、前記酸化剤ガス流路溝 'を通過する酸化剤ガスの速度が前記酸化剤ガス流路溝内に水が滞留しない速度を維持し、前記燃料ガス流路溝を通過する燃料ガスの速度が前記燃料ガス流路溝内に水が滞留しない速度を維持するように前記並列連絡または前記直列連絡が変更される、請求の範囲第 1項記載の高分子電解質型燃料電池。

3 .

前記酸化剤ガス単位流路は、前記酸化剤ガス流路溝の一部で形成され、前記燃料ガス単位流路は、前記燃料ガス流路溝の一部で形成されており、

前記並列に連絡される場合は、前記各カソード側セパレータに形成されている複数の酸化剤ガス単位流路は、前記酸化剤ガスが同時に供給されるように、互いに並列に連絡され、前記各アノード側セパレータに形成されている複数の燃料ガス単位流路は、前記燃料ガスが同時に供給されるように、互いに並列に連絡され、

前記直列に接続される場合は、前記各力ソード側セパレータに形成されている複数の酸化剤ガス単位流路の全部または一部は、前記酸化剤ガスが順次に供給されるように、互いに直列に連絡され、前記各アノード側セパレータに形成されている複数の燃料ガス単位流路の全部または一部は、前記燃料ガスが順次に供給されるように、互いに直列に連絡される、請求の範囲第 2項記載の高分子電解質型燃料電池。

4 . 前記酸化剤ガス単位流路は、前記酸化剤ガス流路溝の全部で形成され、前記燃料ガス単位流路は、前記燃料ガス流路溝の全部で形成されており、

前記並列に接続される場合は、前記各力ソード側セパレータに形成されている酸化剤ガス単位流路どうしは、前記酸化剤ガスが同時に供給されるように、互いに並列に連絡され、前記各アノード側セパレータに形成されている燃料ガス単位流路どうしは、前記燃料ガスが同時に供給されるように、互いに並列に連絡され、

前記直列に接続される場合は、前記各カソード側セパレータに形成されている酸化剤ガス単位流路の全部または一部どうしは、前記酸化剤ガスが順次に供給されるように、互いに直列に連絡され、前記各アノード側セパレータに形成されている燃料ガス単位流路の全部または一部どうしは、前記燃料ガスが順次に供給されるように、互いに直列に連絡される、請求の範囲第 2項記載の高分子電解質型燃料電池。

5 . 前記各酸化剤ガス単位流路の入口に接続される入口側酸化剤ガスマユホールドと、前記各酸化剤ガス単位流路の出口に接続される出口側酸化剤ガスマ二ホールドと、前記各燃料ガス単位流路の入口に接続される入口側燃料ガスマ二ホールドと、前記各燃料ガス単位流路の出口に接続される出口側燃料ガスマ二ホールドと、を備え、

前記燃料ガス単位流路どうしが直列に連絡する場合は、前記燃料ガス流路溝の入口に接続される入口側燃料ガスマニホールドおよぴ前記燃料ガス流路溝の出口に接続される出口側燃料ガスマ二ホールド以外の、入口側燃料ガスマ二ホールドと出口側燃料ガスマ二ホールドとが連絡される、請求の範囲第 3または第 4項記載の高分子電解質型燃料電池。

6 . 前記酸化剤ガス単位流路どうし、および前記燃料ガス単位流路どうしの直列へのまたは並列への連絡は、前記積層セルの外部に設けられたバルブを、その発電電力に応じて開閉することによりなされる、請求の範囲第 5項記載の高分子電解質型燃料電池。

7 . 前記酸化剤ガス流路溝の入口に接続される入口側酸化剤ガスマ二ホールドおよび前記酸化剤ガス流路溝の出口に接続される出口側酸化剤ガスマ-ホールド以外の、入口側酸化剤ガスマユホールドと出口側酸化剤ガスマ二ホールドとが連絡される部分、および前記燃料ガス流路溝の入口に接続される入口側燃料ガスマ二ホールドおよび前記燃料ガス流路溝の出口に接続される出口側燃料ガスマ二ホールド以外の、入口側燃料ガスマ二ホールドと出口側燃料ガスマ二ホールドとが連絡される部分

、にミストトラップが設置されている、請求の範囲第 5項記載の高分子電解質型燃料電池。

8 . 前記酸化剤ガス単位流路どうしの並列の連絡は、前記酸化剤ガスが流れる方向が重力に逆らわない方向となるようになされ、

前記燃料ガス単位流路どうしの並列の連絡は、前記燃料ガスが流れる方向が重力に逆らわない方向となるようになされる、請求の範囲第 1項記載の高分子電解質膜型燃料電池。

9 . 高分子電解質膜、前記高分子電解質膜を挟むアノードおよび力ソード、前記力ソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路を有する力ソード側セパレータ、およぴ前 Ϊ己ァノードに燃料ガスを供給する燃料ガス流路を有するァノード側セパレータを有するセルが積層されたセル' 積層体を備え、

前記セル積層体における 2つ以上の前記燃料ガス単位流路が並列または直列に連絡する工程と、を備える、高分子電解質型燃料電池の運転方法。