JP2000231929A - 燃料電池 - Google Patents
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- H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
- H01M8/2483—Details of groupings of fuel cells characterised by internal manifolds
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- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Abstract
(57)【要約】
【課題】セパレータの面方向にわたる流路圧損の発生を
有効に阻止し、発電のシステム効率の向上を可能にす
る。 【解決手段】第１セパレータ１４に設けられた冷却媒体
流路４６ａ〜４６ｆは、冷却媒体入口４０ａおよび冷却
媒体出口４０ｂに連通するそれぞれ１本の主流路溝４８
ａ、４８ｂと、前記主流路溝４８ａ、４８ｂ間に分岐形
成された分岐流路溝５０ａ〜５０ｄとを備えることによ
り、流路長を大幅に削減することができる。
有効に阻止し、発電のシステム効率の向上を可能にす
る。 【解決手段】第１セパレータ１４に設けられた冷却媒体
流路４６ａ〜４６ｆは、冷却媒体入口４０ａおよび冷却
媒体出口４０ｂに連通するそれぞれ１本の主流路溝４８
ａ、４８ｂと、前記主流路溝４８ａ、４８ｂ間に分岐形
成された分岐流路溝５０ａ〜５０ｄとを備えることによ
り、流路長を大幅に削減することができる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、電解質をアノード
側電極とカソード側電極で挟んで構成された燃料電池セ
ルと、前記燃料電池セルを挟持するセパレータと、冷却
媒体等の流体を前記セパレータの面方向に流す流体用通
路とを備えた燃料電池に関する。
側電極とカソード側電極で挟んで構成された燃料電池セ
ルと、前記燃料電池セルを挟持するセパレータと、冷却
媒体等の流体を前記セパレータの面方向に流す流体用通
路とを備えた燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】例えば、固体高分子型燃料電池は、高分
子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる電解質の両
側にそれぞれアノード側電極およびカソード側電極を対
設して構成された燃料電池セルを、セパレータによって
挟持することにより構成されている。通常、この燃料電
池セルおよびこのセパレータを所定数だけ積層すること
により、燃料電池セルスタックとして使用されている。
子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる電解質の両
側にそれぞれアノード側電極およびカソード側電極を対
設して構成された燃料電池セルを、セパレータによって
挟持することにより構成されている。通常、この燃料電
池セルおよびこのセパレータを所定数だけ積層すること
により、燃料電池セルスタックとして使用されている。
【０００３】この種の燃料電池において、アノード側電
極に供給された燃料ガス、例えば、水素ガスは、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
および酸素ガスが反応して水が生成される。
極に供給された燃料ガス、例えば、水素ガスは、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
および酸素ガスが反応して水が生成される。
【０００４】ところで、アノード側電極およびカソード
側電極にそれぞれ燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給する
ために、通常、触媒電極層（電極面）に導電性を有する
多孔質層、例えば、多孔質カーボンペーパがセパレータ
により挟持されるとともに、各セパレータの互いに対向
する面には、均一な幅寸法に設定された１本または複数
本のガス流路が設けられている。一方、セパレータに
は、ガス流路が設けられた面とは反対側の面に冷却水通
路が形成されており、燃料電池セルの発電に伴う発熱を
有効に除去するように構成されている。
側電極にそれぞれ燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給する
ために、通常、触媒電極層（電極面）に導電性を有する
多孔質層、例えば、多孔質カーボンペーパがセパレータ
により挟持されるとともに、各セパレータの互いに対向
する面には、均一な幅寸法に設定された１本または複数
本のガス流路が設けられている。一方、セパレータに
は、ガス流路が設けられた面とは反対側の面に冷却水通
路が形成されており、燃料電池セルの発電に伴う発熱を
有効に除去するように構成されている。
【０００５】この種の技術として、例えば、特開平１０
−５０３２７号公報に開示されている固体高分子型燃料
電池では、図１０に示すように、セパレータ板１に冷却
水通路２が設けられている。この冷却水通路２は、冷却
水入口３と冷却水出口４とに連通するとともに、水平方
向に蛇行しながら重力方向に向かって冷却水を流すよう
に構成されている。
−５０３２７号公報に開示されている固体高分子型燃料
電池では、図１０に示すように、セパレータ板１に冷却
水通路２が設けられている。この冷却水通路２は、冷却
水入口３と冷却水出口４とに連通するとともに、水平方
向に蛇行しながら重力方向に向かって冷却水を流すよう
に構成されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
従来技術では、冷却水通路２がセパレート板１の面内に
おいて蛇行しながら重力方向に冷却水を流すため、この
冷却水通路２の流路長が相当に長尺化するとともに、多
くの屈曲部分が存在してしまう。これにより、流路圧損
が大きなものとなり、燃料電池全体として発電のシステ
ム効率が低下するという問題が指摘されている。
従来技術では、冷却水通路２がセパレート板１の面内に
おいて蛇行しながら重力方向に冷却水を流すため、この
冷却水通路２の流路長が相当に長尺化するとともに、多
くの屈曲部分が存在してしまう。これにより、流路圧損
が大きなものとなり、燃料電池全体として発電のシステ
ム効率が低下するという問題が指摘されている。
【０００７】本発明はこの種の問題を解決するものであ
り、セパレータの面方向に設けられた流体用通路の圧損
を有効に回避し、発電のシステム効率を向上させること
が可能な燃料電池を提供することを目的とする。
り、セパレータの面方向に設けられた流体用通路の圧損
を有効に回避し、発電のシステム効率を向上させること
が可能な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】本発明に係る燃料電池で
は、流体用通路が、流体入口側で流路溝が複数本に分岐
されてセパレータの面内に延在するとともに、流体出口
側で前記流路溝が合流する。このため、セパレータの面
内で流体入口と流体出口とに連通する流路溝の流路長が
有効に短尺化され、流路圧損を低減して発電のシステム
効率の向上が容易に図られる。
は、流体用通路が、流体入口側で流路溝が複数本に分岐
されてセパレータの面内に延在するとともに、流体出口
側で前記流路溝が合流する。このため、セパレータの面
内で流体入口と流体出口とに連通する流路溝の流路長が
有効に短尺化され、流路圧損を低減して発電のシステム
効率の向上が容易に図られる。
【０００９】また、流体用通路がセパレータの面内に設
けられるとともに、このセパレータに流体入口および流
体出口が貫通形成されている。従って、燃料電池スタッ
クとして構成された際に、各セパレータの内部にマニホ
ールドが一体的に構成され、外部マニホールドが不要に
なって燃料電池スタック全体の小型化を図ることが可能
になる。さらに、流体用通路は、流体入口側と流体出口
側との間に分岐形成されている複数本の流路溝が略直線
状に延在している。このため、流路の屈曲部位が可及的
に減少し、流路圧損を有効に低減することができる。
けられるとともに、このセパレータに流体入口および流
体出口が貫通形成されている。従って、燃料電池スタッ
クとして構成された際に、各セパレータの内部にマニホ
ールドが一体的に構成され、外部マニホールドが不要に
なって燃料電池スタック全体の小型化を図ることが可能
になる。さらに、流体用通路は、流体入口側と流体出口
側との間に分岐形成されている複数本の流路溝が略直線
状に延在している。このため、流路の屈曲部位が可及的
に減少し、流路圧損を有効に低減することができる。
【００１０】さらにまた、流体用通路が、流体入口およ
び流体出口に連通するそれぞれ１本の主流路溝と、前記
主流路溝間に設けられる複数本の分岐流路溝とを備える
とともに、セパレータには複数組の前記流体用通路が設
けられている。これにより、特に、電極面積を大きくし
た場合に所望数の流路溝を確保することができ、この流
体用通路が冷却媒体用通路である際には、前記電極面内
の温度分布の均一化が確実に図られる。
び流体出口に連通するそれぞれ１本の主流路溝と、前記
主流路溝間に設けられる複数本の分岐流路溝とを備える
とともに、セパレータには複数組の前記流体用通路が設
けられている。これにより、特に、電極面積を大きくし
た場合に所望数の流路溝を確保することができ、この流
体用通路が冷却媒体用通路である際には、前記電極面内
の温度分布の均一化が確実に図られる。
【００１１】その際、冷却媒体用通路は、セパレータの
面内で分岐される流路溝本数がこのセパレータの面内の
温度分布によって異なるように設定されている。従っ
て、セパレータ面内における温度分布の均一化を図ると
ともに、排熱の有効利用が可能になり、発電性能の向上
が容易に図られる。
面内で分岐される流路溝本数がこのセパレータの面内の
温度分布によって異なるように設定されている。従っ
て、セパレータ面内における温度分布の均一化を図ると
ともに、排熱の有効利用が可能になり、発電性能の向上
が容易に図られる。
【００１２】すなわち、セパレータの面内において、電
極反応により発生する温度分布で電極面の温度が高くな
る部位に、分岐される流路溝本数を少なくすることによ
って流体の流速を落とすことがなく、前記セパレータの
面内の温度上昇を抑えることができる。逆に、セパレー
タの面内で温度があまり高くならない部位には、流路溝
本数を増加して流速を落とすことにより前記セパレータ
の面内の温度低下が阻止される。これにより、セパレー
タの面内全体にわたって、均一な温度に維持することが
できる。
極反応により発生する温度分布で電極面の温度が高くな
る部位に、分岐される流路溝本数を少なくすることによ
って流体の流速を落とすことがなく、前記セパレータの
面内の温度上昇を抑えることができる。逆に、セパレー
タの面内で温度があまり高くならない部位には、流路溝
本数を増加して流速を落とすことにより前記セパレータ
の面内の温度低下が阻止される。これにより、セパレー
タの面内全体にわたって、均一な温度に維持することが
できる。
【００１３】一方、セパレータの面内において、温度が
高くなる部位に対応して流路溝本数を増加すれば、流速
が低下して冷却媒体の温度が上昇する。このため、加温
された冷却媒体を介して排熱の有効利用が図られる。
高くなる部位に対応して流路溝本数を増加すれば、流速
が低下して冷却媒体の温度が上昇する。このため、加温
された冷却媒体を介して排熱の有効利用が図られる。
【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１０の要部分解斜視図であり、図２は、
前記燃料電池１０の概略縦断面説明図である。
に係る燃料電池１０の要部分解斜視図であり、図２は、
前記燃料電池１０の概略縦断面説明図である。
【００１５】燃料電池１０は、燃料電池セル１２と、こ
の燃料電池セル１２を挟持する第１および第２セパレー
タ１４、１６とを備え、必要に応じてこれらが複数組だ
け積層されて燃料電池セルスタックを構成している。燃
料電池セル１２は、固体高分子電解質膜１８と、この電
解質膜１８を挟んで配設されるアノード側電極２０およ
びカソード側電極２２とを有するとともに、前記アノー
ド側電極２０および前記カソード側電極２２には、例え
ば、多孔質層である多孔質カーボンペーパ等からなる第
１および第２ガス拡散層２４、２６が配設される。
の燃料電池セル１２を挟持する第１および第２セパレー
タ１４、１６とを備え、必要に応じてこれらが複数組だ
け積層されて燃料電池セルスタックを構成している。燃
料電池セル１２は、固体高分子電解質膜１８と、この電
解質膜１８を挟んで配設されるアノード側電極２０およ
びカソード側電極２２とを有するとともに、前記アノー
ド側電極２０および前記カソード側電極２２には、例え
ば、多孔質層である多孔質カーボンペーパ等からなる第
１および第２ガス拡散層２４、２６が配設される。
【００１６】燃料電池セル１２の両側には、第１および
第２ガスケット２８、３０が設けられ、前記第１ガスケ
ット２８は、アノード側電極２０および第１ガス拡散層
２４を収納するための大きな開口部３２を有する一方、
前記第２ガスケット３０は、カソード側電極２２および
第２ガス拡散層２６を収納するための大きな開口部３４
を有する。燃料電池セル１２と第１および第２ガスケッ
ト２８、３０とが、第１および第２セパレータ１４、１
６によって挟持される。
第２ガスケット２８、３０が設けられ、前記第１ガスケ
ット２８は、アノード側電極２０および第１ガス拡散層
２４を収納するための大きな開口部３２を有する一方、
前記第２ガスケット３０は、カソード側電極２２および
第２ガス拡散層２６を収納するための大きな開口部３４
を有する。燃料電池セル１２と第１および第２ガスケッ
ト２８、３０とが、第１および第２セパレータ１４、１
６によって挟持される。
【００１７】図１に示すように、第１セパレータ１４の
両側部上部側には、水素ガス等の燃料ガスを通過させる
ための燃料ガス入口３６ａと、酸素ガスまたは空気であ
る酸化剤ガスを通過させるための酸化剤ガス入口３８ａ
とが設けられる。第１セパレータ１４の両側部略中央側
には、純水やエチレングリコール等の冷却媒体を通過さ
せるための冷却媒体入口４０ａおよび冷却媒体出口４０
ｂが設けられるとともに、前記第１セパレータ１４の両
側部下部側には、燃料ガス出口３６ｂと酸化剤ガス出口
３８ｂとが燃料ガス入口３６ａおよび酸化剤ガス入口３
８ａと対角の位置に設けられている。
両側部上部側には、水素ガス等の燃料ガスを通過させる
ための燃料ガス入口３６ａと、酸素ガスまたは空気であ
る酸化剤ガスを通過させるための酸化剤ガス入口３８ａ
とが設けられる。第１セパレータ１４の両側部略中央側
には、純水やエチレングリコール等の冷却媒体を通過さ
せるための冷却媒体入口４０ａおよび冷却媒体出口４０
ｂが設けられるとともに、前記第１セパレータ１４の両
側部下部側には、燃料ガス出口３６ｂと酸化剤ガス出口
３８ｂとが燃料ガス入口３６ａおよび酸化剤ガス入口３
８ａと対角の位置に設けられている。
【００１８】第１セパレータ１４のアノード側電極２０
に対向する面１４ａには、燃料ガス入口３６ａと燃料ガ
ス出口３６ｂとに連通する燃料ガス流路（流体用通路）
４２が形成される。燃料ガス流路４２は、１本または複
数本のガス流路溝４４を備え、このガス流路溝４４は、
燃料ガス入口３６ａに連通して面１４ａの面方向に沿っ
て水平方向に蛇行しながら重力方向に延在し、燃料ガス
出口３６ｂに連通する。
に対向する面１４ａには、燃料ガス入口３６ａと燃料ガ
ス出口３６ｂとに連通する燃料ガス流路（流体用通路）
４２が形成される。燃料ガス流路４２は、１本または複
数本のガス流路溝４４を備え、このガス流路溝４４は、
燃料ガス入口３６ａに連通して面１４ａの面方向に沿っ
て水平方向に蛇行しながら重力方向に延在し、燃料ガス
出口３６ｂに連通する。
【００１９】図３に示すように、セパレータ１４の面１
４ａと反対側の面１４ｂには、冷却媒体入口４０ａと冷
却媒体出口４０ｂとに連通して冷却媒体流路（流体用通
路）４６ａ〜４６ｆが設けられる。冷却媒体流路４６ａ
は、冷却媒体入口４０ａおよび冷却媒体出口４０ｂに連
通するそれぞれ１本の主流路溝４８ａ、４８ｂと、前記
主流路溝４８ａ、４８ｂ間に設けられる複数本、例え
ば、４本の分岐流路溝５０ａ〜５０ｄとを備える。
４ａと反対側の面１４ｂには、冷却媒体入口４０ａと冷
却媒体出口４０ｂとに連通して冷却媒体流路（流体用通
路）４６ａ〜４６ｆが設けられる。冷却媒体流路４６ａ
は、冷却媒体入口４０ａおよび冷却媒体出口４０ｂに連
通するそれぞれ１本の主流路溝４８ａ、４８ｂと、前記
主流路溝４８ａ、４８ｂ間に設けられる複数本、例え
ば、４本の分岐流路溝５０ａ〜５０ｄとを備える。
【００２０】主流路溝４８ａ、４８ｂは、それぞれ冷却
媒体入口４０ａおよび冷却媒体出口４０ｂに一端が連通
し、水平方向から鉛直上方向に１回屈曲して第１セパレ
ータ１４の面１４ｂの上端側で分岐流路溝５０ａ〜５０
ｄに連通する。分岐流路溝５０ａ〜５０ｄは、それぞれ
互いに平行しかつ面１４ｂに沿って略直線状に延在して
いる。冷却媒体流路４６ｂ〜４６ｆは、冷却媒体流路４
６ａと同様に構成されており、同一の構成要素には同一
の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
媒体入口４０ａおよび冷却媒体出口４０ｂに一端が連通
し、水平方向から鉛直上方向に１回屈曲して第１セパレ
ータ１４の面１４ｂの上端側で分岐流路溝５０ａ〜５０
ｄに連通する。分岐流路溝５０ａ〜５０ｄは、それぞれ
互いに平行しかつ面１４ｂに沿って略直線状に延在して
いる。冷却媒体流路４６ｂ〜４６ｆは、冷却媒体流路４
６ａと同様に構成されており、同一の構成要素には同一
の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００２１】図１に示すように、第２セパレータ１６の
両側部上部側には、燃料ガス入口５２ａおよび酸化剤ガ
ス入口５４ａが貫通形成されるとともに、その略中央部
には、冷却媒体入口５６ａおよび冷却媒体出口５６ｂが
貫通形成される。第２セパレータ１６の両側部下部側に
は、燃料ガス出口５２ｂおよび酸化剤ガス出口５４ｂが
燃料ガス入口５２ａおよび酸化剤ガス入口５４ａと対角
位置になるように貫通形成されている。
両側部上部側には、燃料ガス入口５２ａおよび酸化剤ガ
ス入口５４ａが貫通形成されるとともに、その略中央部
には、冷却媒体入口５６ａおよび冷却媒体出口５６ｂが
貫通形成される。第２セパレータ１６の両側部下部側に
は、燃料ガス出口５２ｂおよび酸化剤ガス出口５４ｂが
燃料ガス入口５２ａおよび酸化剤ガス入口５４ａと対角
位置になるように貫通形成されている。
【００２２】第２セパレータ１６のカソード側電極２２
に対向する面１６ａには、図２に示すように、酸化剤ガ
ス入口５４ａと酸化剤ガス出口５４ｂとを連通する酸化
剤ガス流路（流体用通路）５８が形成される。酸化剤ガ
ス流路５８は、１本または複数本のガス流路溝６０を備
え、前記ガス流路溝６０が酸化剤ガス入口５４ａから水
平方向に蛇行しながら重力方向に延在して酸化剤ガス出
口５４ｂに連通している。
に対向する面１６ａには、図２に示すように、酸化剤ガ
ス入口５４ａと酸化剤ガス出口５４ｂとを連通する酸化
剤ガス流路（流体用通路）５８が形成される。酸化剤ガ
ス流路５８は、１本または複数本のガス流路溝６０を備
え、前記ガス流路溝６０が酸化剤ガス入口５４ａから水
平方向に蛇行しながら重力方向に延在して酸化剤ガス出
口５４ｂに連通している。
【００２３】第２セパレータ１６の面１６ａと反対側の
面１６ｂには、図１に示すように、冷却媒体入口５６ａ
と冷却媒体出口５６ｂとを連通する冷却媒体流路６２ａ
〜６２ｆが形成される。冷却媒体流路６２ａ〜６２ｆ
は、第１セパレータ１４に設けられている冷却媒体流路
４６ａ〜４６ｆと同様に構成されており、同一の構成要
素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略
する。
面１６ｂには、図１に示すように、冷却媒体入口５６ａ
と冷却媒体出口５６ｂとを連通する冷却媒体流路６２ａ
〜６２ｆが形成される。冷却媒体流路６２ａ〜６２ｆ
は、第１セパレータ１４に設けられている冷却媒体流路
４６ａ〜４６ｆと同様に構成されており、同一の構成要
素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略
する。
【００２４】このように構成される第１の実施形態に係
る燃料電池１０の動作について、以下に説明する。
る燃料電池１０の動作について、以下に説明する。
【００２５】燃料電池１０内には、燃料ガス（例えば、
改質ガス）が供給されるとともに、酸化剤ガスとして空
気（または酸素ガス）が供給され、この燃料ガスが第１
セパレータ１４の燃料ガス入口３６ａから燃料ガス流路
４２に導入される。燃料ガス流路４２に供給された燃料
ガスは、ガス流路溝４４に導入されて第１セパレータ１
４の面１４ａの面方向に沿って蛇行しながら重力方向に
移動する。その際、燃料ガス中の水素ガスが、第１ガス
拡散層２４を通って燃料電池セル１２のアノード側電極
２０に供給される。なお、未使用の燃料ガスは、ガス流
路溝４４を通って第１セパレータ１４の燃料ガス出口３
６ｂから排出される。
改質ガス）が供給されるとともに、酸化剤ガスとして空
気（または酸素ガス）が供給され、この燃料ガスが第１
セパレータ１４の燃料ガス入口３６ａから燃料ガス流路
４２に導入される。燃料ガス流路４２に供給された燃料
ガスは、ガス流路溝４４に導入されて第１セパレータ１
４の面１４ａの面方向に沿って蛇行しながら重力方向に
移動する。その際、燃料ガス中の水素ガスが、第１ガス
拡散層２４を通って燃料電池セル１２のアノード側電極
２０に供給される。なお、未使用の燃料ガスは、ガス流
路溝４４を通って第１セパレータ１４の燃料ガス出口３
６ｂから排出される。
【００２６】一方、第２セパレータ１６では、酸化剤ガ
ス入口５４ａから酸化剤ガス流路５８に供給された空気
が、ガス流路溝６０に沿って蛇行しながら重力方向へと
移動する。その際、燃料ガス流路４２に供給された燃料
ガスと同様に、空気中の酸素ガスが第２ガス拡散層２６
からカソード側電極２２に供給される一方、未使用の空
気が酸化剤ガス出口５４ｂから排出される。
ス入口５４ａから酸化剤ガス流路５８に供給された空気
が、ガス流路溝６０に沿って蛇行しながら重力方向へと
移動する。その際、燃料ガス流路４２に供給された燃料
ガスと同様に、空気中の酸素ガスが第２ガス拡散層２６
からカソード側電極２２に供給される一方、未使用の空
気が酸化剤ガス出口５４ｂから排出される。
【００２７】また、燃料電池１０には冷却媒体が供給さ
れており、この冷却媒体は、第１および第２セパレータ
１４、１６の冷却媒体入口４０ａ、５６ａに供給され
る。図３に示すように、第１セパレータ１４の冷却媒体
入口４０ａに供給された冷却媒体は、冷却媒体流路４６
ａ〜４６ｆを構成する各主流路溝４８ａに導入され、前
記主流路溝４８ａに沿って上方向、水平方向および下方
向に向かって流れる。
れており、この冷却媒体は、第１および第２セパレータ
１４、１６の冷却媒体入口４０ａ、５６ａに供給され
る。図３に示すように、第１セパレータ１４の冷却媒体
入口４０ａに供給された冷却媒体は、冷却媒体流路４６
ａ〜４６ｆを構成する各主流路溝４８ａに導入され、前
記主流路溝４８ａに沿って上方向、水平方向および下方
向に向かって流れる。
【００２８】冷却媒体は、それぞれの主流路溝４８ａか
ら分岐された複数の分岐流路溝５０ａ〜５０ｄに導入さ
れ、前記分岐流路溝５０ａ〜５０ｄに沿って面１４ｂ内
の略全面にわたり水平方向に流れた後、前記分岐流路溝
５０ａ〜５０ｄが合流する主流路溝４８ｂを通って冷却
媒体出口４０ｂから排出される。一方、第２セパレータ
１６の冷却媒体入口５６ａに供給された冷却媒体は、冷
却媒体流路６２ａ〜６２ｆを通り面１６ｂの略全面にわ
たって直線的に移動した後、冷却媒体出口４０ｂから排
出される。
ら分岐された複数の分岐流路溝５０ａ〜５０ｄに導入さ
れ、前記分岐流路溝５０ａ〜５０ｄに沿って面１４ｂ内
の略全面にわたり水平方向に流れた後、前記分岐流路溝
５０ａ〜５０ｄが合流する主流路溝４８ｂを通って冷却
媒体出口４０ｂから排出される。一方、第２セパレータ
１６の冷却媒体入口５６ａに供給された冷却媒体は、冷
却媒体流路６２ａ〜６２ｆを通り面１６ｂの略全面にわ
たって直線的に移動した後、冷却媒体出口４０ｂから排
出される。
【００２９】この場合、第１の実施形態では、第１セパ
レータ１４の面１４ｂに冷却媒体流路４６ａ〜４６ｆが
設けられるとともに、この冷却媒体流路４６ａ〜４６ｆ
は、冷却媒体入口４０ａおよび冷却媒体出口４０ｂに連
通するそれぞれの１本の主流路溝４８ａ、４８ｂと、前
記主流路溝４８ａ、４８ｂに両端側が一体的に連通する
複数本の分岐流路溝５０ａ〜５０ｄとを備えている。
レータ１４の面１４ｂに冷却媒体流路４６ａ〜４６ｆが
設けられるとともに、この冷却媒体流路４６ａ〜４６ｆ
は、冷却媒体入口４０ａおよび冷却媒体出口４０ｂに連
通するそれぞれの１本の主流路溝４８ａ、４８ｂと、前
記主流路溝４８ａ、４８ｂに両端側が一体的に連通する
複数本の分岐流路溝５０ａ〜５０ｄとを備えている。
【００３０】このため、冷却媒体入口４０ａから冷却媒
体出口４０ｂに向かって１本の流路溝を重力方向または
水平方向に蛇行させるようにして面１４ｂに形成するも
のに比べ、冷却媒体流路４６ａ〜４６ｆのそれぞれの流
路長が一挙に短尺化される。これにより、流路圧損が低
減されて燃料電池１０全体の発電のシステム効率を有効
に向上させることができるという効果が得られる。
体出口４０ｂに向かって１本の流路溝を重力方向または
水平方向に蛇行させるようにして面１４ｂに形成するも
のに比べ、冷却媒体流路４６ａ〜４６ｆのそれぞれの流
路長が一挙に短尺化される。これにより、流路圧損が低
減されて燃料電池１０全体の発電のシステム効率を有効
に向上させることができるという効果が得られる。
【００３１】さらに、分岐流路溝５０ａ〜５０ｄは、面
１４ｂ内で略直線状に延在して設けられるとともに、主
流路溝４８ａ、４８ｂが最小限の屈曲数（１個所または
０）に設定されている。従って、冷却媒体流路４６ａ〜
４６ｆは、全体として流路の屈曲数が大幅に削減され、
この屈曲による流路圧損の発生が可及的に低減されるこ
とになる。特に、面１４ｂの電極面積が大きい場合に、
冷却媒体流路４６ａ〜４６ｆの数を増加させるだけで、
均一かつ良好な温度分布を得ることが可能になる。
１４ｂ内で略直線状に延在して設けられるとともに、主
流路溝４８ａ、４８ｂが最小限の屈曲数（１個所または
０）に設定されている。従って、冷却媒体流路４６ａ〜
４６ｆは、全体として流路の屈曲数が大幅に削減され、
この屈曲による流路圧損の発生が可及的に低減されるこ
とになる。特に、面１４ｂの電極面積が大きい場合に、
冷却媒体流路４６ａ〜４６ｆの数を増加させるだけで、
均一かつ良好な温度分布を得ることが可能になる。
【００３２】さらにまた、第１の実施形態では、第１お
よび第２セパレータ１４、１６に冷却媒体入口４０ａ、
５６ａおよび冷却媒体出口４０ｂ、５６ｂが形成され、
前記第１および第２セパレータ１４、１６自体にマニホ
ールドが構成されている。これにより、燃料電池１０
は、外部マニホールドを備える必要がなく、前記燃料電
池１０全体の小型化が容易に図られる。
よび第２セパレータ１４、１６に冷却媒体入口４０ａ、
５６ａおよび冷却媒体出口４０ｂ、５６ｂが形成され、
前記第１および第２セパレータ１４、１６自体にマニホ
ールドが構成されている。これにより、燃料電池１０
は、外部マニホールドを備える必要がなく、前記燃料電
池１０全体の小型化が容易に図られる。
【００３３】また、第１の実施形態では、冷却媒体流路
４６ａ〜４６ｆがそれぞれ第１セパレータ１４の幅方向
に略直線的に設けられた分岐流路溝５０ａ〜５０ｄを備
えている。このため、冷却媒体入口４０ａから冷却媒体
出口４０ｂに、例えば、重力方向に蛇行する１本の流路
溝を設けるもの（従来例）に比べ、面１４ｂの幅方向の
温度差を有効に低減することができる（図４参照）。分
岐流路溝５０ａ〜５０ｄが短尺であるために、この分岐
流路溝５０ａ〜５０ｄ内での冷却媒体の温度変化が低く
抑えられるからである。
４６ａ〜４６ｆがそれぞれ第１セパレータ１４の幅方向
に略直線的に設けられた分岐流路溝５０ａ〜５０ｄを備
えている。このため、冷却媒体入口４０ａから冷却媒体
出口４０ｂに、例えば、重力方向に蛇行する１本の流路
溝を設けるもの（従来例）に比べ、面１４ｂの幅方向の
温度差を有効に低減することができる（図４参照）。分
岐流路溝５０ａ〜５０ｄが短尺であるために、この分岐
流路溝５０ａ〜５０ｄ内での冷却媒体の温度変化が低く
抑えられるからである。
【００３４】なお、電極面積が小さい場合には、単一の
冷却媒体流路４６ａを設け、冷却媒体入口４０ａと冷却
媒体出口４０ｂとをそれぞれ１本の主流路溝４８ａ、４
８ｂに連通させるとともに、前記主流路溝４８ａ、４８
ｂ間に面１４ｂ全面にわたって分岐された複数本の分岐
流路溝５０ａ〜５０ｎ（ｎ：自然数）を連通するように
構成してもよい。
冷却媒体流路４６ａを設け、冷却媒体入口４０ａと冷却
媒体出口４０ｂとをそれぞれ１本の主流路溝４８ａ、４
８ｂに連通させるとともに、前記主流路溝４８ａ、４８
ｂ間に面１４ｂ全面にわたって分岐された複数本の分岐
流路溝５０ａ〜５０ｎ（ｎ：自然数）を連通するように
構成してもよい。
【００３５】また、燃料ガス流路４２および酸化剤ガス
流路５８を、冷却媒体流路４６ａ〜４６ｆ、６２ａ〜６
２ｆと同様に構成してもよい。これにより、ガス流路長
を有効に短尺化することができ、燃料ガスおよび酸化剤
ガスの圧損を阻止して燃料ガス１０全体の発電のシステ
ム効率の向上が容易に図られる。
流路５８を、冷却媒体流路４６ａ〜４６ｆ、６２ａ〜６
２ｆと同様に構成してもよい。これにより、ガス流路長
を有効に短尺化することができ、燃料ガスおよび酸化剤
ガスの圧損を阻止して燃料ガス１０全体の発電のシステ
ム効率の向上が容易に図られる。
【００３６】図５は、本発明の第２の実施形態に係る燃
料電池を構成する冷却媒体流路（流体用通路）８０ａ〜
８０ｆが設けられた第１セパレータ１４の正面説明図で
ある。なお、第１セパレータ１４と第２セパレータ１６
とは構成および作用効果が同様であるため、以下、第１
セパレータ１４のみを用いて説明する。また、第１の実
施形態と同様の構成要素には同一の参照符号を付してい
る。
料電池を構成する冷却媒体流路（流体用通路）８０ａ〜
８０ｆが設けられた第１セパレータ１４の正面説明図で
ある。なお、第１セパレータ１４と第２セパレータ１６
とは構成および作用効果が同様であるため、以下、第１
セパレータ１４のみを用いて説明する。また、第１の実
施形態と同様の構成要素には同一の参照符号を付してい
る。
【００３７】冷却媒体流路８０ａ〜８０ｆは、それぞれ
冷却媒体入口４０ａおよび冷却媒体出口４０ｂに連通す
る１本の主流路溝８２ａ、８２ｂを設けるとともに、面
１４ａ内での温度分布を均一にするために、それぞれの
分岐流路溝本数が設定されている。すなわち、図６に示
すように、反応分布によって電極面の温度が高くなる部
位が第１セパレータ１４の面１４ａの略中間高さ位置に
あり、この高さ位置に対応して分岐流路溝本数を少なく
設定する一方、前記面１４ａ内の温度上昇がさほど起こ
らない上下両端側の分岐流路溝本数を増加する。
冷却媒体入口４０ａおよび冷却媒体出口４０ｂに連通す
る１本の主流路溝８２ａ、８２ｂを設けるとともに、面
１４ａ内での温度分布を均一にするために、それぞれの
分岐流路溝本数が設定されている。すなわち、図６に示
すように、反応分布によって電極面の温度が高くなる部
位が第１セパレータ１４の面１４ａの略中間高さ位置に
あり、この高さ位置に対応して分岐流路溝本数を少なく
設定する一方、前記面１４ａ内の温度上昇がさほど起こ
らない上下両端側の分岐流路溝本数を増加する。
【００３８】具体的には、上下両端側に設けられている
冷却媒体流路８０ａ、８０ｆが５本の分岐流路溝８４を
有し、前記冷却媒体流路８０ａ、８０ｆの内方に位置す
る冷却媒体流路８０ｂ、８０ｅが４本の分岐流路溝８６
を有し、中央側に設けられた冷却媒体流路８０ｃ、８０
ｄが３本の分岐流路溝８８を有している。
冷却媒体流路８０ａ、８０ｆが５本の分岐流路溝８４を
有し、前記冷却媒体流路８０ａ、８０ｆの内方に位置す
る冷却媒体流路８０ｂ、８０ｅが４本の分岐流路溝８６
を有し、中央側に設けられた冷却媒体流路８０ｃ、８０
ｄが３本の分岐流路溝８８を有している。
【００３９】このように構成される第２の実施形態で
は、第１セパレータ１４の冷却媒体入口４０ａに冷却媒
体が供給されると、この冷却媒体は冷却媒体流路８０ａ
〜８０ｆを構成する各主流路溝８２ａに導入される。
は、第１セパレータ１４の冷却媒体入口４０ａに冷却媒
体が供給されると、この冷却媒体は冷却媒体流路８０ａ
〜８０ｆを構成する各主流路溝８２ａに導入される。
【００４０】ここで、冷却媒体流路８０ｃ、８０ｄの分
岐流路溝本数が最小の３本であり、主流路溝８２ａから
各分岐流路溝８８に供給される冷却媒体は、流速が比較
的速くなって面１４ｂの中央部分の温度上昇を有効に抑
えることができる。一方、分岐流路溝本数が最も多い
（５本）冷却媒体流路８０ａ、８０ｆでは、主流路溝８
２ａから各分岐流路溝８４に冷却媒体が供給されると、
この冷却媒体の流速が低下して面１４ｂの上下両端近傍
の温度低下を防止する。
岐流路溝本数が最小の３本であり、主流路溝８２ａから
各分岐流路溝８８に供給される冷却媒体は、流速が比較
的速くなって面１４ｂの中央部分の温度上昇を有効に抑
えることができる。一方、分岐流路溝本数が最も多い
（５本）冷却媒体流路８０ａ、８０ｆでは、主流路溝８
２ａから各分岐流路溝８４に冷却媒体が供給されると、
この冷却媒体の流速が低下して面１４ｂの上下両端近傍
の温度低下を防止する。
【００４１】これにより、第２の実施形態では、第１セ
パレータ１４の面１４ｂの中央部分を冷却するととも
に、この面１４ｂの上下両端側の温度低下を防止し、図
６に示すように、前記面１４ｂ全面にわたって温度分布
を均一にすることが可能になるという効果が得られる。
パレータ１４の面１４ｂの中央部分を冷却するととも
に、この面１４ｂの上下両端側の温度低下を防止し、図
６に示すように、前記面１４ｂ全面にわたって温度分布
を均一にすることが可能になるという効果が得られる。
【００４２】さらに、第２の実施形態では、第１セパレ
ータ１４の高さ方向および幅方向の温度分布を均一化す
ることができる。このため、特に、電極面積の大きな燃
料電池セルスタックを構成する際にも、面１４ｂ内の温
度分布を均一にすることができ、発電性能に優れる燃料
電池１０を提供することが可能になる。
ータ１４の高さ方向および幅方向の温度分布を均一化す
ることができる。このため、特に、電極面積の大きな燃
料電池セルスタックを構成する際にも、面１４ｂ内の温
度分布を均一にすることができ、発電性能に優れる燃料
電池１０を提供することが可能になる。
【００４３】図７は、本発明の第３の実施形態に係る燃
料電池を構成する冷却媒体流路（流体用通路）１００ａ
〜１００ｆが設けられた第１セパレータ１４の正面説明
図である。
料電池を構成する冷却媒体流路（流体用通路）１００ａ
〜１００ｆが設けられた第１セパレータ１４の正面説明
図である。
【００４４】冷却媒体流路１００ａ〜１００ｆは、冷却
媒体入口４０ａおよび冷却媒体出口４０ｂに連通するそ
れぞれ１本の主流路溝１０２ａ、１０２ｂを備えるとと
もに、それぞれの分岐流路溝数が電極面の温度分布に応
じて設定されている。この第３の実施形態では、面１４
ｂ内において、反応分布によって電極面の温度が高くな
る場所の分岐流路溝本数を増やすことにより、これを通
る冷却媒体の温度を上げて排熱を有効利用するものであ
る。
媒体入口４０ａおよび冷却媒体出口４０ｂに連通するそ
れぞれ１本の主流路溝１０２ａ、１０２ｂを備えるとと
もに、それぞれの分岐流路溝数が電極面の温度分布に応
じて設定されている。この第３の実施形態では、面１４
ｂ内において、反応分布によって電極面の温度が高くな
る場所の分岐流路溝本数を増やすことにより、これを通
る冷却媒体の温度を上げて排熱を有効利用するものであ
る。
【００４５】すなわち、比熱容量ｃ、質量流量ｗ（ｋｇ
／ｓ）、冷却媒体出入口の温度差△Ｔ（℃）とした場
合、この温度差△Ｔの冷却媒体が受け取る熱量Ｑ（Ｊ／
ｓ）は、Ｑ＝ｃ×ｗ×△Ｔで表される。このため、同じ
熱量Ｑを奪う場合、質量流量ｗを大きくすれば、温度差
△Ｔが小さくなって冷却媒体の出口温度を下げることが
できる。一方、質量流量ｗを小さくすれば、温度差△Ｔ
が大きくなって出口温度を上げることが可能になる。
／ｓ）、冷却媒体出入口の温度差△Ｔ（℃）とした場
合、この温度差△Ｔの冷却媒体が受け取る熱量Ｑ（Ｊ／
ｓ）は、Ｑ＝ｃ×ｗ×△Ｔで表される。このため、同じ
熱量Ｑを奪う場合、質量流量ｗを大きくすれば、温度差
△Ｔが小さくなって冷却媒体の出口温度を下げることが
できる。一方、質量流量ｗを小さくすれば、温度差△Ｔ
が大きくなって出口温度を上げることが可能になる。
【００４６】これに基づいて、面１４ｂ内の温度が最も
高くなる中央部位に対応して設けられる冷却媒体流路１
００ｃ、１００ｄは、分岐流路溝本数が最も多い５本の
分岐流路溝１０４を備える。面１４ｂの上下両端側の冷
却媒体流路１００ａ、１００ｆは、分岐流路溝本数が最
小の３本の分岐流路溝１０６を有するとともに、冷却媒
体流路１００ｂ、１００ｅは、４本の分岐流路溝１０８
を有している。
高くなる中央部位に対応して設けられる冷却媒体流路１
００ｃ、１００ｄは、分岐流路溝本数が最も多い５本の
分岐流路溝１０４を備える。面１４ｂの上下両端側の冷
却媒体流路１００ａ、１００ｆは、分岐流路溝本数が最
小の３本の分岐流路溝１０６を有するとともに、冷却媒
体流路１００ｂ、１００ｅは、４本の分岐流路溝１０８
を有している。
【００４７】このように構成される第３の実施形態で
は、面１４ａ内において電極面の温度が最も高くなる部
位に対応して設けられた冷却媒体流路１００ｃ、１００
ｄに導入された冷却媒体は、主流路溝１０２ａから５本
の分岐流路溝１０４に導入される際に流速が低下し、温
度が上昇した状態で主流路溝１０２ｂから冷却媒体出口
４０ｂに排出される。このため、冷却媒体出口４０ｂか
ら排出される冷却媒体は、相当に温度が上昇しており、
この冷却媒体を加温したい部位に供給するだけで、排熱
の有効利用が図られるという効果がある。
は、面１４ａ内において電極面の温度が最も高くなる部
位に対応して設けられた冷却媒体流路１００ｃ、１００
ｄに導入された冷却媒体は、主流路溝１０２ａから５本
の分岐流路溝１０４に導入される際に流速が低下し、温
度が上昇した状態で主流路溝１０２ｂから冷却媒体出口
４０ｂに排出される。このため、冷却媒体出口４０ｂか
ら排出される冷却媒体は、相当に温度が上昇しており、
この冷却媒体を加温したい部位に供給するだけで、排熱
の有効利用が図られるという効果がある。
【００４８】なお、第１乃至第３の実施形態では、それ
ぞれ略直線状の流路溝を有しているが、多少のうねりを
有していてもよく、例えば、図８に示すような波状流路
溝１２０や、図９に示す鋸歯状流路溝１２２を用いるこ
とができる。
ぞれ略直線状の流路溝を有しているが、多少のうねりを
有していてもよく、例えば、図８に示すような波状流路
溝１２０や、図９に示す鋸歯状流路溝１２２を用いるこ
とができる。
【００４９】
【発明の効果】本発明に係る燃料電池では、例えば、冷
却媒体を含む流体をセパレータの面方向に流すための流
体用通路が、流体入口側と流体出口側との間で複数本に
分岐されている。このため、流路長を有効に削減して圧
損を低減することができ、燃料電池全体の発電のシステ
ム効率を有効に向上させることが可能になる。
却媒体を含む流体をセパレータの面方向に流すための流
体用通路が、流体入口側と流体出口側との間で複数本に
分岐されている。このため、流路長を有効に削減して圧
損を低減することができ、燃料電池全体の発電のシステ
ム効率を有効に向上させることが可能になる。
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の要部
分解斜視図である。
分解斜視図である。
【図２】前記燃料電池の概略縦断面説明図である。
【図３】前記燃料電池を構成する第１セパレータに設け
られた流体用通路の正面説明図である。
られた流体用通路の正面説明図である。
【図４】前記第１セパレータの幅方向に沿う温度分布の
従来例および第１の実施形態の比較説明図である。
従来例および第１の実施形態の比較説明図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池を構成
する流体用通路が設けられた第１セパレータの正面説明
図である。
する流体用通路が設けられた第１セパレータの正面説明
図である。
【図６】前記第２の実施形態および従来のセパレータに
おける高さ方向の温度分布説明図である。
おける高さ方向の温度分布説明図である。
【図７】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池を構成
する流体用通路が設けられた第１セパレータの正面説明
図である。
する流体用通路が設けられた第１セパレータの正面説明
図である。
【図８】波状流路溝の説明図である。
【図９】鋸歯状流路溝の説明図である。
【図１０】従来の固体高分子型燃料電池を構成するセパ
レータ板の説明図である。
レータ板の説明図である。
１０…燃料電池 １２…燃料電池セ
ル １４、１６…セパレータ １８…固体高分子
電解質膜 ２０…アノード側電極 ２２…カソード側
電極 ３６ａ、５２ａ…燃料ガス入口 ３６ｂ、５２ｂ…
燃料ガス出口 ３８ａ、５４ａ…酸化剤ガス入口 ３８ｂ、５４ｂ…
酸化剤ガス出口 ４０ａ、５６ａ…冷却媒体入口 ４０ｂ、５６ｂ…
冷却媒体出口 ４２…燃料ガス流路 ４４、６０…ガス
流路溝 ４６ａ〜４６ｆ、６２ａ〜６２ｆ、８０ａ〜８０ｆ、１
００ａ〜１００ｆ…冷却媒体流路 ４８ａ、４８ｂ、８２ａ、８２ｂ、１０２ａ、１０２ｂ
…主流路溝 ５０ａ〜５０ｄ、１０４、１０６、１０８…分岐流路溝 ５８…酸化剤ガス流路
ル １４、１６…セパレータ １８…固体高分子
電解質膜 ２０…アノード側電極 ２２…カソード側
電極 ３６ａ、５２ａ…燃料ガス入口 ３６ｂ、５２ｂ…
燃料ガス出口 ３８ａ、５４ａ…酸化剤ガス入口 ３８ｂ、５４ｂ…
酸化剤ガス出口 ４０ａ、５６ａ…冷却媒体入口 ４０ｂ、５６ｂ…
冷却媒体出口 ４２…燃料ガス流路 ４４、６０…ガス
流路溝 ４６ａ〜４６ｆ、６２ａ〜６２ｆ、８０ａ〜８０ｆ、１
００ａ〜１００ｆ…冷却媒体流路 ４８ａ、４８ｂ、８２ａ、８２ｂ、１０２ａ、１０２ｂ
…主流路溝 ５０ａ〜５０ｄ、１０４、１０６、１０８…分岐流路溝 ５８…酸化剤ガス流路
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 杉田 成利 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 鈴木 征治 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
Claims (5)
- 【請求項１】電解質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燃料電池セルと、 前記燃料電池セルを挟持するセパレータと、 前記燃料電池セルを冷却するための冷却媒体、前記アノ
ード側電極に供給される燃料ガス、および前記カソード
側電極に供給される酸化剤ガスの少なくともいずれかを
含む流体を前記セパレータの面方向に流す流体用通路
と、 を備え、 前記流体用通路は、前記セパレータの面内において、流
体入口側で流路溝が複数本に分岐されて該セパレータの
面内を延在するとともに、流体出口側で複数本の前記流
路溝が合流されて前記流路溝の本数が減少されることを
特徴とする燃料電池。 - 【請求項２】請求項１記載の燃料電池において、前記流
体用通路は、前記セパレータの面内に設けられるととも
に、 前記セパレータには、前記流体用通路に連通する前記流
体入口および前記流体出口が貫通形成されることを特徴
とする燃料電池。 - 【請求項３】請求項１または２記載の燃料電池におい
て、前記流体用通路は、前記流体入口側で分岐されてか
ら前記流体出口側で合流されるまでの間、複数本の前記
流路溝が略直線状に延在することを特徴とする燃料電
池。 - 【請求項４】請求項２または３記載の燃料電池におい
て、前記流体用通路は、前記流体入口および前記流体出
口に連通するそれぞれ１本の主流路溝と、前記主流路溝
間に設けられる複数本の分岐流路溝とを備えるととも
に、 前記セパレータには、複数組の前記流体用通路が設けら
れることを特徴とする燃料電池。 - 【請求項５】請求項４記載の燃料電池において、前記流
体用通路は、冷却媒体用通路であり、 前記冷却媒体用通路は、前記セパレータの面内で分岐さ
れる流路溝本数が該セパレータの面内の温度分岐によっ
て異なるように設定されることを特徴とする燃料電池。
Priority Applications (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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