JP2000090942A - 燃料電池スタック - Google Patents

燃料電池スタック

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JP2000090942A JP10257184A JP25718498A JP2000090942A JP 2000090942 A JP2000090942 A JP 2000090942A JP 10257184 A JP10257184 A JP 10257184A JP 25718498 A JP25718498 A JP 25718498A JP 2000090942 A JP2000090942 A JP 2000090942A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】単位燃料電池セル全体を均一に冷却し、発電性
能を有効に向上させることを可能にする。 【解決手段】単位燃料電池セル12とセパレータ14
a、14bとを積層するとともに、前記セパレータ14
a、14bは、電極発電部の中央部分に対応した冷却媒
体供給口42と、前記電極発電部の外周部分に対応した
冷却媒体排出口44とを設け、前記冷却媒体供給口42
と前記冷却媒体排出口とが渦巻き状の冷却媒体流路48
を介して連通している。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、固体高分子電解質
膜をアノード側電極とカソード側電極で挟んで構成され
る単位燃料電池セルとセパレータとを、交互に積層した
燃料電池スタックに関する。
【0002】
【従来の技術】固体高分子電解質膜型燃料電池は、高分
子イオン交換膜からなる電解質とこの電解質の両側にそ
れぞれ配置される触媒電極および多孔質カーボン電極と
からなる単位燃料電池セルを、セパレータと交互に複数
個ずつ積層することにより、燃料電池スタックとして構
成されている。
【0003】この種の燃料電池スタックにおいて、アノ
ード側電極に供給された水素は、触媒電極上で水素イオ
ン化され、適度に加湿された電解質、あるいは、強酸を
しみ込ませた電解質を介してカソード側電極側へと移動
する。その間に生じた電子が外部回路に取り出され、直
流の電気エネルギとして利用される。カソード側電極に
は、酸化剤ガス、例えば、酸素ガスあるいは空気が供給
されているために、このカソード側電極において、前記
水素イオン、前記電子および酸素が反応して水が生成さ
れる。
【0004】ところで、この種の燃料電池スタックにお
いては、有効な発電機能を確保するために、単位燃料電
池セルの電極発電部(発電面)を所定の温度範囲に維持
する必要がある。このため、セパレータに冷却媒体を流
すための流路を設けることにより、電極発電部から吸熱
を行うことが一般的に考えられている。具体的には、図
6に示すように、アノード側電極またはカソード側電極
に対向するセパレータ1の平面2内には、外周縁に位置
して冷媒入口3と冷媒出口4とが設けられ、前記冷媒入
口3と前記冷媒出口4とが前記平面2に形成された流路
5を介して連通している。この流路5は、図6中、下方
向から上方に向かって蛇行しながら冷却媒体を流すよう
に構成されている。
【0005】ところが、上記のセパレータ1では、冷却
水が発電面から吸熱を行いながら流路5に沿って流れる
ため、この冷却水の温度が前記流路5の下流側(図6
中、上方)にいくに従って上昇する。このため、セルの
発電面には、図6に示すような一方向の温度勾配が生じ
てしまい、前記発電面における発電性能の不均一が惹起
され、燃料電池スタック全体の性能が低下するという問
題が指摘されている。
【0006】そこで、例えば、特開平8−45520号
公報に開示されているように、冷却水供給口および冷却
水排出口を、平面視において高分子電解質膜の中心部ま
たは周縁部に配置し、前記冷却水供給口と前記冷却水排
出口とを渦巻き状の一本の通路で連通する固体高分子型
燃料電池が知られている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】上記の従来技術では、
冷却水供給口および冷却水排出口が高分子電解質膜の中
心部に配置されていると、冷却水は、この高分子電解質
膜の中心部から外周部に向かって渦巻き状に流れた後、
この外周部から前記中心部側に向かって渦巻き状に戻さ
れる。一方、冷却水供給口および冷却水排出口が高分子
電解質膜の周縁部に配置されていると、冷却水は、この
高分子電解質膜の周縁部から中心部に向かって渦巻き状
に流れた後、前記周縁部側に戻されている。
【0008】しかしながら、燃料電池スタックが室温大
気中に設置された場合、各単位燃料電池セルの外周部か
ら外部への放熱が発生するため、この外周部は、中心部
に比較して温度低下が惹起され易い。これにより、冷却
水供給口および冷却水排出口のいずれもが高分子電解質
膜の中心部または周縁部に配置されていると、この高分
子電解質膜の発電面全体の温度分布が不均一になってし
まうという問題が指摘されている。
【0009】本発明はこの種の問題を解決するものであ
り、単位燃料電池セルの発電面の温度分布を均一化する
ことができ、しかも構成を有効に簡素化することが可能
な燃料電池スタックを提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】本発明に係る燃料電池ス
タックでは、セパレータの平面内に、電極発電部の中央
部分に対応した冷却媒体供給口と、この電極発電部の外
周部分に対応した冷却媒体排出口とが設けられ、この冷
却媒体供給口とこの冷却媒体排出口とが渦巻き状の冷却
媒体流路を介して連通している。このため、冷却媒体
は、電極発電部の中央部分から外周部分に向かって流れ
ながら前記電極発電部を冷却した後、冷却媒体排出口へ
と排出される。
【0011】ここで、電極発電部は、外周部分が中央部
分に比べて放熱し易いために、この外周部分の温度が前
記中央部分に比べて低下し易い。すなわち、本発明で
は、電極発電部の温度の高い中央部分に冷却媒体流路の
上流側を設定し、この冷却媒体流路の下流側に向かって
前記電極発電部の温度の低い外周部分を近づけている。
これにより、電極発電部の温度分布を全体にわたって均
一化させることができ、単位燃料電池セルの冷却効率を
有効に向上させることが可能になる。
【0012】また、本発明では、冷却媒体排出口が複数
個設けられており、冷却媒体流路が冷却媒体供給口から
各冷却媒体排出口に連通する多重流路を構成している。
従って、各冷却媒体流路毎の流路長を短縮化することが
でき、前記冷却媒体流路における冷却媒体の圧力損失を
確実に低減させることが可能になる。
【0013】さらにまた、セパレータの端面が、このセ
パレータの両側に隣接する各単位燃料電池セルの端面よ
りも積層方向に直交する方向に突出している。このた
め、外部に突出するセパレータの端部が冷却フィンとし
ての機能を有し、燃料電池スタック全体の冷却効率を有
効に向上させることができる。
【0014】
【発明の実施の形態】図1は、本発明の第1の実施形態
に係る燃料電池スタック10の要部斜視説明図であり、
図2は、前記燃料電池スタック10の一部断面説明図で
ある。
【0015】燃料電池スタック10は、単位燃料電池セ
ル12とセパレータ14a、14bとを水平方向に交互
に積層した多層構造を有している。単位燃料電池セル1
2は、固体高分子電解質膜16を挟んでアノード側電極
18とカソード側電極20とから構成される。単位燃料
電池セル12は、例えば、作動温度が100℃以上であ
り、固体高分子電解質膜16としてパーフルオロカーボ
ンスルフォン酸膜、あるいは強酸をしみ込ませたポリベ
ンゾイミダゾール膜が使用されている。固体高分子電解
質膜16、アノード側電極18およびカソード側電極2
0は同一の外径寸法を有しており、これらから一体的に
構成される単位燃料電池セル12がガスケット22に設
けられた開口部24内に収容される。
【0016】ガスケット22の上部側には、燃料ガスを
通過させるための孔部26aと、酸化剤ガスを通過させ
るための孔部28aとが設けられるとともに、このガス
ケット22の下部側には、燃料ガスを通過させるための
孔部26bと、酸化剤ガスを通過させるための孔部28
bとが形成される。ガスケット22の両側部側には、冷
却媒体、例えば、冷却水を通過させるための孔部30
a、30bが形成されている。
【0017】セパレータ14a、14bは、上部側に燃
料ガス供給用孔部32aと酸化剤ガス供給用孔部34a
とを備えるとともに、下部側に燃料ガス排出用孔部32
bと酸化剤ガス排出用孔部34bとを設けている。この
セパレータ14a、14bの両側部側には、冷却水を通
すための孔部36a、36bが形成される。
【0018】セパレータ14aのアノード側電極18に
対向する一方の面部37aには、燃料ガス供給用孔部3
2aと燃料ガス排出用孔部32bとを連通して鉛直方向
に延在する複数本の燃料ガス流路38が形成される。セ
パレータ14bのカソード側電極20に対向する一方の
面部39aには、酸化剤ガス供給用孔部34aと酸化剤
ガス排出用孔部34bとを連通して鉛直方向に延在する
複数本の酸化剤ガス流路40が設けられる。
【0019】セパレータ14bの他方の面部39bに
は、図1および図3に示すように、アノード側電極18
およびカソード側電極20の電極発電部の中央部に対応
して冷却媒体供給口42が設けられるとともに、前記電
極発電部の外周部分に対応して一箇所に冷却媒体排出口
44が設けられる。冷却媒体供給口42は溝部で構成さ
れており、セパレータ14bの側部側に設けられた孔部
36aに前記セパレータ14b内に形成された通路46
を介して連通する。冷却媒体排出口44は、セパレータ
14bの側部側に形成された孔部36bに連通してい
る。
【0020】セパレータ14bの面部39b内には、冷
却媒体供給口42と冷却媒体排出口44とを連通する渦
巻き状の冷却媒体流路48が形成される。冷却媒体流路
48は、実際上、セパレータ14bの面部39bに所定
の深さまで溝部を形成することによって設けられてい
る。なお、セパレータ14aの面部37bには、セパレ
ータ14bの面部39bに設けられた冷却媒体供給口4
2を中央部に設定して冷却媒体排出口44および渦巻き
状の冷却媒体流路48が左右を反転した状態で設けられ
ている。
【0021】図1および図2に示すように、燃料電池ス
タック10は、単位燃料電池セル12とセパレータ14
a、14bとの積層方向(矢印A方向)に直交する方向
に対し、前記セパレータ14a、14bの端面が前記単
位燃料電池セル12の端面よりも面方向外方に突出する
ように設定されている。セパレータ14a、14bは、
さらに単位燃料電池セル12を収容するガスケット22
の外径寸法よりも面方向に大きな寸法に設定されてお
り、このガスケット22の端面から面方向外方に突出す
る前記セパレータ14a、14bの突出部分が冷却フィ
ンを構成している。
【0022】このように構成される第1の実施形態に係
る燃料電池スタック10の動作について、以下に説明す
る。
【0023】燃料電池スタック10では、燃料ガス(水
素ガス)がセパレータ14a、14bの燃料ガス供給用
孔部32aから燃料ガス流路38を介して上下方向に移
動する際、この燃料ガス流路38に対向するアノード側
電極18に水素ガスが供給される。一方、燃料電池スタ
ック10に供給される酸化剤ガス(空気または酸素ガ
ス)は、セパレータ14a、14bの酸化剤ガス供給用
孔部34aから酸化剤ガス流路40を介して上下方向に
移動する際、カソード側電極20に供給される。これに
より、単位燃料電池セル12で発電が行われる。
【0024】その際、セパレータ14a、14bの孔部
36aに投入された冷却水は、通路46から前記セパレ
ータ14a、14bの中央部分に設けられた冷却媒体供
給口42に送られる。冷却水は、冷却媒体供給口42か
らセパレータ14a、14bの面部37b、39bに設
けられた冷却媒体流路48に供給され、この冷却媒体流
路48の流れ方向に沿って、すなわち、渦巻き状に移動
して、前記セパレータ14a、14bの外周縁に設けら
れた冷却媒体排出口44から孔部36bに排出される。
【0025】この場合、第1の実施形態では、冷却水が
セパレータ14a、14bの中央部に形成された冷却媒
体供給口42から冷却媒体流路48に供給され、この冷
却媒体流路48に沿って渦巻き状に移動した後、前記セ
パレータ14a、14bの外周縁部に形成された冷却媒
体排出口44から排出される。このため、アノード側電
極18およびカソード側電極20の電極発電部の中央部
分に対応して温度の低い冷却水が供給され、この冷却水
は、前記電極発電部の冷却を行ってそれ自体が昇温した
状態で、該電極発電部の外周部側に移動する。
【0026】従って、冷却水は、アノード側電極18お
よびカソード側電極20のそれぞれの電極発電部の中央
部分で最大の吸熱効果(冷却効果)を有することにな
る。一方、単位燃料電池セル12は、外縁部分から外部
への放熱により電極発電部の外周部分の温度が中央部分
の温度に比べて低下し易い。
【0027】これにより、冷却水が電極発電部の中央部
分で最大の冷却効果を有することによって、前記電極発
電部全体の温度分布が均一化され、各単位燃料電池セル
12の冷却効率が有効に向上するという効果が得られ
る。このため、単位燃料電池セル12の発電性能が均一
化し、燃料電池スタック10全体の性能を有効に維持す
ることが可能となる。
【0028】また、第1の実施形態では、セパレータ1
4a、14bの外径寸法が単位燃料電池セル12の外径
寸法、さらにこの単位燃料電池セル12を収容するガス
ケット22の外径寸法よりも、面方向に大きく設定され
ており、このセパレータ14a、14bの外周部分が冷
却フィンとしての機能を有している。従って、各単位燃
料電池セル12の外周側から有効に放熱することがで
き、冷却効率の向上が容易に図られる。
【0029】図4は、本発明の第2の実施形態に係る燃
料電池スタックを構成するセパレータ60a、60bの
正面説明図である。
【0030】セパレータ60a、60bは、第1の実施
形態に係る燃料電池スタック10を構成するセパレータ
14a、14bに代替して使用されるものであり、図1
に示すアノード側電極18およびカソード側電極20に
対向する面部とは反対側の面部62に、電極発電部の中
央部分に対応した冷却媒体供給口64と、前記電極発電
部の外周部分に対応した一組の冷却媒体排出口66a、
66bとが設けられる。
【0031】冷却媒体供給口64は、セパレータ60
a、60bに形成された通路68を介して孔部70に連
通している。セパレータ60a、60bの面部62に
は、単一の冷却媒体供給口64とそれぞれの冷却媒体排
出口66a、66bとを連通する渦巻き状の第1および
第2冷却媒体流路72a、72bが形成され、前記第1
および第2冷却媒体流路72a、72bによって多重流
路が構成されている。
【0032】このように構成される第2の実施形態で
は、冷却水が電極発電部の中央部分に対応した冷却媒体
供給口64から第1および第2冷却媒体流路72a、7
2bに供給される。この冷却水は、電極発電部を冷却し
ながら第1および第2冷却媒体流路72a、72bに沿
って渦巻き状に流れ、前記電極発電部の外周部分に対応
した冷却媒体排出口66a、66bから排出される。
【0033】このため、第2の実施形態においても第1
の実施形態と同様に、放熱され難く外周部分に比べて温
度が高い電極発電部の中央部分に低温の冷却水が供給さ
れるため、前記電極発電部全体の冷却効率を有効に向上
させることができるという効果が得られる。しかも、第
2の実施形態では、第1および第2冷却媒体流路72
a、72bが独立して設けられるため、それぞれの流路
長が有効に短尺化され、前記第1および第2冷却媒体流
路72a、72bにおける冷却水の圧損を軽減し得ると
いう利点がある。
【0034】図5は、本発明の第3の実施形態に係る燃
料電池スタックを構成するセパレータ80a、80bの
正面説明図である。
【0035】セパレータ80a、80bでは、図1に示
すアノード側電極18およびカソード側電極20に対向
する面部とは反対側の面部82に、電極発電部の中央部
分に対応した冷却媒体供給口84と、前記電極発電部の
外周部分に対応した冷却媒体排出口86a〜86dとが
設けられる。冷却媒体供給口84は、通路88を介して
セパレータ80a、80bの側部端縁部に形成された孔
部90に連通している。セパレータ80a、80bの面
部82には、冷却媒体供給口84と四つの冷却媒体排出
口86a〜86dとに連通する渦巻き状の第1乃至第4
冷却媒体流路92a〜92dが形成され、これらによっ
て多重流路が構成されている。
【0036】このように構成される第3の実施形態で
は、電極発電部の中央部分から外周部分に向かって冷却
水が供給されるため、この電極発電部全体を均一に冷却
し得る等、第1の実施形態と同様の効果が得られる。さ
らに、冷却媒体供給口84から四つの冷却媒体排出口8
6a〜86dに連通する四本の第1乃至第4冷却媒体流
路92a〜92dが設けられている。これにより、第1
乃至第4冷却媒体流路92a〜92dは、それぞれ第2
の実施形態の第1および第2冷却媒体流路72a、72
bよりもさらに短尺化され、冷却水の圧損を大幅に削減
し得るという利点がある。
【0037】
【発明の効果】本発明に係る燃料電池スタックでは、セ
パレータの平面内に、電極発電部の中央部分に対応した
冷却媒体供給口と前記電極発電部の外周部分に対応した
冷却媒体排出口とが設けられるとともに、前記冷却媒体
供給口と前記冷却媒体排出口とが渦巻き状の冷却媒体流
路を介して連通している。このため、冷却媒体は、電極
発電部の中央部分で最大の吸熱機能を有する一方、前記
電極発電部の外周部分が放熱により冷却され易い。これ
により、電極発電部全体の温度分布を均一化することが
でき、単位燃料電池セルの発電性能を有効に維持して燃
料電池スタック全体の性能を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態に係る燃料電池スタッ
クの要部斜視説明図である。
【図2】前記燃料電池スタックの一部を水平方向に切断
した断面説明図である。
【図3】前記燃料電池スタックを構成するセパレータの
正面説明図である。
【図4】本発明の第2の実施形態に係る燃料電池スタッ
クを構成するセパレータの正面説明図である。
【図5】本発明の第3の実施形態に係る燃料電池スタッ
クを構成するセパレータの正面説明図である。
【図6】従来技術に係るセパレータの正面説明図であ
る。
【符号の説明】
10…燃料電池スタック 12…単位燃料電池
セル 14a、14b、60a、60b、80a、80b…セ
パレータ 16…電解質膜 18…アノード側電
極 20…カソード側電極 22…ガスケット 26a、26b、28a、28b、30a、30b、3
2a、32b、34a、34b、36a、36b、7
0、90…孔部 38…燃料ガス流路 40…酸化剤ガス流
路 42、64、84…冷却媒体供給口 44、66a、66b、86a〜86d…冷却媒体排出
口 48、72a、72b、92a〜92d…冷却媒体流路
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山本 晃生 埼玉県和光市中央1−4−1 株式会社本 田技術研究所内 (72)発明者 藤井 洋介 埼玉県和光市中央1−4−1 株式会社本 田技術研究所内 (72)発明者 佐藤 修二 埼玉県和光市中央1−4−1 株式会社本 田技術研究所内 Fターム(参考) 5H026 AA06 CC03 CC08 HH03

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】固体高分子電解質膜をアノード側電極およ
    びカソード側電極で挟んで構成される単位燃料電池セル
    とセパレータとを、交互に積層した燃料電池スタックで
    あって、 少なくとも1つの前記セパレータの前記アノード側電極
    または前記カソード側電極に対向する平面内には、電極
    発電部の中央部分に対応した冷却媒体供給口と前記電極
    発電部の外周部分に対応した冷却媒体排出口とが設けら
    れるとともに、 前記平面内には、前記冷却媒体供給口と前記冷却媒体排
    出口とを連通する渦巻き状の冷却媒体流路が形成される
    ことを特徴とする燃料電池スタック。
  2. 【請求項2】請求項1記載の燃料電池スタックにおい
    て、前記冷却媒体排出口が複数個設けられており、前記
    冷却媒体流路は、前記冷却媒体供給口から各冷却媒体排
    出口に連通する多重流路を構成することを特徴とする燃
    料電池スタック。
  3. 【請求項3】請求項1または2記載の燃料電池スタック
    において、前記セパレータの端面が、該セパレータの両
    側に隣接する各単位燃料電池セルの端面よりも積層方向
    に直交する方向に突出するように構成されることを特徴
    とする燃料電池スタック。
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