JP2001057219A - 燃料電池 - Google Patents
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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
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 反応分布の偏りを減少し、高い特性の燃料電
池を得る。 【解決手段】 燃料電池は、電解質膜を燃料電極および
酸化剤電極で狭持してなる単セルを、セパレータ板を介
して順次積層した積層体を用いたものである。セパレー
タ板には、複数の並行した燃料流路と複数の並行した酸
化剤流路を備え、少なくとも酸化剤流路３３は各々複数
の並行した流路からなる複数の並行流路群が、上記セパ
レータ板の主表面の分割された領域α〜δを折り返して
走行する。
池を得る。 【解決手段】 燃料電池は、電解質膜を燃料電極および
酸化剤電極で狭持してなる単セルを、セパレータ板を介
して順次積層した積層体を用いたものである。セパレー
タ板には、複数の並行した燃料流路と複数の並行した酸
化剤流路を備え、少なくとも酸化剤流路３３は各々複数
の並行した流路からなる複数の並行流路群が、上記セパ
レータ板の主表面の分割された領域α〜δを折り返して
走行する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、電気化学的な反応
を利用して発電する例えば電気自動車等で使用される燃
料電池に関するものである。以下、本明細書では、特に
固体高分子型燃料電地について記述しているが、リン酸
型燃料電池にも適用することができる。
を利用して発電する例えば電気自動車等で使用される燃
料電池に関するものである。以下、本明細書では、特に
固体高分子型燃料電地について記述しているが、リン酸
型燃料電池にも適用することができる。
【０００２】
【従来の技術】燃料電池は周知のように、電解質を介し
て一対の電極を有し、この電極の一方に燃料を、他方の
電極に酸化剤を供給し、燃料と酸化剤を電池内で電気化
学的に反応させることにより化学エネルギーを直接電気
エネルギーに変換する装置である。燃料電池には電解質
によりいくつかの型があるが、近年高出力の得られる燃
料電池として、電解質に固体高分子電解質膜を用いた固
体高分子型燃料電池が注目されている。例えば燃料電極
に水素ガスを、酸化剤電極に酸素ガスを供給し、外部回
路より電流を取り出すときに下記化学反応式（１）およ
び（２）で示されるような反応が生じる。 陰極反応：Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ- ・・（１） 陽極反応：２Ｈ+＋２ｅ-＋（１／２）Ｏ2→Ｈ2Ｏ ・・（２）
て一対の電極を有し、この電極の一方に燃料を、他方の
電極に酸化剤を供給し、燃料と酸化剤を電池内で電気化
学的に反応させることにより化学エネルギーを直接電気
エネルギーに変換する装置である。燃料電池には電解質
によりいくつかの型があるが、近年高出力の得られる燃
料電池として、電解質に固体高分子電解質膜を用いた固
体高分子型燃料電池が注目されている。例えば燃料電極
に水素ガスを、酸化剤電極に酸素ガスを供給し、外部回
路より電流を取り出すときに下記化学反応式（１）およ
び（２）で示されるような反応が生じる。 陰極反応：Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ- ・・（１） 陽極反応：２Ｈ+＋２ｅ-＋（１／２）Ｏ2→Ｈ2Ｏ ・・（２）
【０００３】この反応が生じるとき、燃料電極上で水素
はプロトンとなり、水を伴って電解質体中を酸化剤電極
上まで移動し、酸化剤電極上で酸素と反応して水を生ず
る。従って、上記のような燃料電池の運転には、反応ガ
スの供給と排出、電流の取り出しが必要となる。
はプロトンとなり、水を伴って電解質体中を酸化剤電極
上まで移動し、酸化剤電極上で酸素と反応して水を生ず
る。従って、上記のような燃料電池の運転には、反応ガ
スの供給と排出、電流の取り出しが必要となる。
【０００４】燃料電池から電流を取り出すとともに、ガ
スと水を効率よく流通させるセパレータ板が、例えば特
開昭５８―１６１２７０号公報、特開昭５８―１６１２
６９号公報および特開平３―２０６７６３号公報に示さ
れている。図６は、特開平３―２０６７６３号公報に示
されている燃料電池における単位電池の概念的な構成を
説明するための断面図であり、図において、１、２は導
電性のセパレータ板、３は酸化剤電極、４は燃料電極、
５は例えばプロトン導電性の固体高分子を用いた電解質
体であり、電解質体５、酸化剤電極３および燃料電極４
により単セル６を構成する。
スと水を効率よく流通させるセパレータ板が、例えば特
開昭５８―１６１２７０号公報、特開昭５８―１６１２
６９号公報および特開平３―２０６７６３号公報に示さ
れている。図６は、特開平３―２０６７６３号公報に示
されている燃料電池における単位電池の概念的な構成を
説明するための断面図であり、図において、１、２は導
電性のセパレータ板、３は酸化剤電極、４は燃料電極、
５は例えばプロトン導電性の固体高分子を用いた電解質
体であり、電解質体５、酸化剤電極３および燃料電極４
により単セル６を構成する。
【０００５】図７は、上記図６に示した燃料電池におけ
るセパレータ板の上面を示す説明図であり、以下図６を
併用して説明する。即ち、２０はセパレータ板１の主表
面、２１はセパレータ板１における電極３を支持する電
極支持部分、２２はセパレータ板１に形成され酸化剤と
して空気を供給する酸化剤供給口、２３は空気を排出す
るための酸化剤排出口、２４は燃料を供給する燃料供給
口、２５は燃料を排出するための燃料排出口である。な
お、上記セパレータ板１、２においては、主表面２０を
削って形成された溝と電極３、４に囲まれた空間によっ
てそれぞれ酸化剤流路１０および燃料流路１１が構成さ
れる。
るセパレータ板の上面を示す説明図であり、以下図６を
併用して説明する。即ち、２０はセパレータ板１の主表
面、２１はセパレータ板１における電極３を支持する電
極支持部分、２２はセパレータ板１に形成され酸化剤と
して空気を供給する酸化剤供給口、２３は空気を排出す
るための酸化剤排出口、２４は燃料を供給する燃料供給
口、２５は燃料を排出するための燃料排出口である。な
お、上記セパレータ板１、２においては、主表面２０を
削って形成された溝と電極３、４に囲まれた空間によっ
てそれぞれ酸化剤流路１０および燃料流路１１が構成さ
れる。
【０００６】以下、上記燃料電池の動作を上記図６およ
び図７を用いて説明する。セパレータ板１の酸化剤供給
口２２より供給された酸素ガスは、並行して走る複数の
酸化剤流路１０を通って酸化剤電極３に供給され、一
方、水素ガスは、上記酸化剤と同様に、燃料ガス流路１
１より燃料電極４に供給される。このとき、酸化剤電極
３と燃料電極４は電気的に外部で接続されているので、
酸化剤電極３側では上記化学反応式（２）の反応が生
じ、酸化剤ガス流路１０を通って未反応ガスと水が酸化
剤排出口２３に排出される。また、このとき燃料電極４
側では上記化学反応式（１）の反応が生じ、未反応ガス
は同様に燃料ガス流路１１を通じて燃料排出口２５より
排出されることとなる。この反応によって得られた電子
は電極３、４から電極支持部分２１を経由してセパレー
タ板１、２を通って流れる。
び図７を用いて説明する。セパレータ板１の酸化剤供給
口２２より供給された酸素ガスは、並行して走る複数の
酸化剤流路１０を通って酸化剤電極３に供給され、一
方、水素ガスは、上記酸化剤と同様に、燃料ガス流路１
１より燃料電極４に供給される。このとき、酸化剤電極
３と燃料電極４は電気的に外部で接続されているので、
酸化剤電極３側では上記化学反応式（２）の反応が生
じ、酸化剤ガス流路１０を通って未反応ガスと水が酸化
剤排出口２３に排出される。また、このとき燃料電極４
側では上記化学反応式（１）の反応が生じ、未反応ガス
は同様に燃料ガス流路１１を通じて燃料排出口２５より
排出されることとなる。この反応によって得られた電子
は電極３、４から電極支持部分２１を経由してセパレー
タ板１、２を通って流れる。
【０００７】酸化剤流路１０は、図７に示すように、セ
パレータ板１の一方の面にその断面が蛇腹状に形成さ
れ、並行する複数の溝になっている。また、燃料ガス流
路１１も酸化剤流路１０と同様、複数の溝になってい
る。上記燃料電池では、ガス流路を蛇腹型にして長くと
ることにより、ガス流速を増加させて境膜を薄くするこ
とにより、反応に必要なガスの拡散を促進するととも
に、酸化剤電極で発生した水を効率よく排出させてい
る。
パレータ板１の一方の面にその断面が蛇腹状に形成さ
れ、並行する複数の溝になっている。また、燃料ガス流
路１１も酸化剤流路１０と同様、複数の溝になってい
る。上記燃料電池では、ガス流路を蛇腹型にして長くと
ることにより、ガス流速を増加させて境膜を薄くするこ
とにより、反応に必要なガスの拡散を促進するととも
に、酸化剤電極で発生した水を効率よく排出させてい
る。
【０００８】また、特開昭６２―４０１６９号公報に示
すセパレータ板の斜視図である図８に示すように、領域
を完全に分割して蛇腹流路を構成させる工夫も見られ
た。なお、図中、７はガス分離板、８、８ａは溝、９、
９ａはリブである。この方法では、ひとつの流体の入口
及び出口がセパレータ板の一つの辺長のほぼ全域を独占
することになり、他の流体の取り合いが困難になる欠点
があった。
すセパレータ板の斜視図である図８に示すように、領域
を完全に分割して蛇腹流路を構成させる工夫も見られ
た。なお、図中、７はガス分離板、８、８ａは溝、９、
９ａはリブである。この方法では、ひとつの流体の入口
及び出口がセパレータ板の一つの辺長のほぼ全域を独占
することになり、他の流体の取り合いが困難になる欠点
があった。
【０００９】また、ＷＯ９６／２０５１０に示すセパレ
ータ板の斜視図である図９のように並行流路を単純に折
り返す流路も考えられている。なお、図中、７１は空気
流路、７２は燃料供給口、７３は空気供給口、７４は空
気排出口、７５は燃料排出口である。
ータ板の斜視図である図９のように並行流路を単純に折
り返す流路も考えられている。なお、図中、７１は空気
流路、７２は燃料供給口、７３は空気供給口、７４は空
気排出口、７５は燃料排出口である。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来のセ
パレータ板では、流路を流れる流体の濃度が高い領域で
は反応が促進され、その領域では電流密度が大きくな
り、電流密度に偏りがみられるが、電流密度の偏りにつ
いては何ら考慮されておらず、反応の偏りにより実質反
応面積が減少して、特性が低下するという課題があっ
た。
パレータ板では、流路を流れる流体の濃度が高い領域で
は反応が促進され、その領域では電流密度が大きくな
り、電流密度に偏りがみられるが、電流密度の偏りにつ
いては何ら考慮されておらず、反応の偏りにより実質反
応面積が減少して、特性が低下するという課題があっ
た。
【００１１】この発明はかかる課題を解消するためにな
されたもので、反応分布の偏りを減少し、高い特性を得
ることができる燃料電池を提供することを目的としてい
る。
されたもので、反応分布の偏りを減少し、高い特性を得
ることができる燃料電池を提供することを目的としてい
る。
【００１２】
【課題を解決するための手段】本発明に係る第１の燃料
電池は、電解質膜を燃料電極および酸化剤電極で狭持し
てなる単セルと、上記燃料電極に燃料流体を供給するた
めに流体供給口から流体排出口までを並行する複数の燃
料流路と上記酸化剤電極に酸化剤流体を供給するために
流体供給口から流体排出口までを並行する複数の酸化剤
流路を備えたセパレータ板とを、順次積層した積層体か
らなる燃料電池において、少なくとも上記複数の酸化剤
流路は複数群の並行した流路からなり、この複数群の並
行した流路が、上記セパレータ板の主表面の分割された
領域を各々折り返して走行するものである。
電池は、電解質膜を燃料電極および酸化剤電極で狭持し
てなる単セルと、上記燃料電極に燃料流体を供給するた
めに流体供給口から流体排出口までを並行する複数の燃
料流路と上記酸化剤電極に酸化剤流体を供給するために
流体供給口から流体排出口までを並行する複数の酸化剤
流路を備えたセパレータ板とを、順次積層した積層体か
らなる燃料電池において、少なくとも上記複数の酸化剤
流路は複数群の並行した流路からなり、この複数群の並
行した流路が、上記セパレータ板の主表面の分割された
領域を各々折り返して走行するものである。
【００１３】本発明に係る第２の燃料電池は、電解質膜
を燃料電極および酸化剤電極で狭持してなる単セルと、
上記燃料電極に燃料流体を供給するために流体供給口か
ら流体排出口までを並行する複数の燃料流路と上記酸化
剤電極に酸化剤流体を供給するために流体供給口から流
体排出口までを並行する複数の酸化剤流路を備えたセパ
レータ板とを、順次積層した積層体からなる燃料電池に
おいて、少なくとも上記複数の酸化剤流路は複数群の並
行した流路からなり、この複数群の並行した流路の、各
々の流体供給口から同距離にある各地点を、上記セパレ
ータ板の主表面に分散して配置するものである。
を燃料電極および酸化剤電極で狭持してなる単セルと、
上記燃料電極に燃料流体を供給するために流体供給口か
ら流体排出口までを並行する複数の燃料流路と上記酸化
剤電極に酸化剤流体を供給するために流体供給口から流
体排出口までを並行する複数の酸化剤流路を備えたセパ
レータ板とを、順次積層した積層体からなる燃料電池に
おいて、少なくとも上記複数の酸化剤流路は複数群の並
行した流路からなり、この複数群の並行した流路の、各
々の流体供給口から同距離にある各地点を、上記セパレ
ータ板の主表面に分散して配置するものである。
【００１４】本発明に係る第３の燃料電池は、上記第１
の燃料電池において、セパレータ板が冷却媒体を流通
し、並行する複数の冷却剤流路を備え、上記複数の冷却
剤流路は複数群の並行した流路からなり、この複数群の
並行した流路が、酸化剤流路が走行する分割された領域
を上記セパレータ板に投影した領域を、折り返して走行
するものである。
の燃料電池において、セパレータ板が冷却媒体を流通
し、並行する複数の冷却剤流路を備え、上記複数の冷却
剤流路は複数群の並行した流路からなり、この複数群の
並行した流路が、酸化剤流路が走行する分割された領域
を上記セパレータ板に投影した領域を、折り返して走行
するものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】実施の形態１．本実施の形態の燃
料電池は、電解質膜を燃料電極および酸化剤電極で狭持
してなる単セルをセパレータ板を介して順次積層した積
層体を用いたものである。上記セパレータ板には、燃料
電極に燃料流体を供給する並行する複数の燃料流路を流
体供給口から流体排出口までと、上記酸化剤電極に酸化
剤流体を供給する並行する複数の酸化剤流路を流体供給
口から流体排出口まで設けるが、例えば上記燃料流路を
セパレータ板の一方の面に、上記酸化剤流路をセパレー
タ板の他方の面に、またはそれぞれの流路を別々のセパ
レータ板に設ける。
料電池は、電解質膜を燃料電極および酸化剤電極で狭持
してなる単セルをセパレータ板を介して順次積層した積
層体を用いたものである。上記セパレータ板には、燃料
電極に燃料流体を供給する並行する複数の燃料流路を流
体供給口から流体排出口までと、上記酸化剤電極に酸化
剤流体を供給する並行する複数の酸化剤流路を流体供給
口から流体排出口まで設けるが、例えば上記燃料流路を
セパレータ板の一方の面に、上記酸化剤流路をセパレー
タ板の他方の面に、またはそれぞれの流路を別々のセパ
レータ板に設ける。
【００１６】上記セパレータ板において、少なくとも上
記複数の酸化剤流路は、一群の並行した流路として蛇行
するのではなく、各々が複数の並行した流路からなる複
数の群に分割して、セパレータ板の主表面の分割された
領域を各々折り返して走行するものである。つまり、上
記複数群の並行流路の各々の流体入口から同距離にある
各地点、即ち同じ流体濃度で同じ反応量を有する領域
を、上記セパレータ板の主表面に分散して配置すること
により、反応を分散させようとするものである。
記複数の酸化剤流路は、一群の並行した流路として蛇行
するのではなく、各々が複数の並行した流路からなる複
数の群に分割して、セパレータ板の主表面の分割された
領域を各々折り返して走行するものである。つまり、上
記複数群の並行流路の各々の流体入口から同距離にある
各地点、即ち同じ流体濃度で同じ反応量を有する領域
を、上記セパレータ板の主表面に分散して配置すること
により、反応を分散させようとするものである。
【００１７】図４は本発明の第１の実施の形態の燃料電
池の積層体の断面図で、図中、６は単セル、３９は燃料
流路と冷却剤流路を各面に設けたセパレータ板、４０は
酸化剤流路を設けたセパレータ板、３３は酸化剤流路、
４３は燃料流路、５３は冷却剤流路である。
池の積層体の断面図で、図中、６は単セル、３９は燃料
流路と冷却剤流路を各面に設けたセパレータ板、４０は
酸化剤流路を設けたセパレータ板、３３は酸化剤流路、
４３は燃料流路、５３は冷却剤流路である。
【００１８】図１、図２および図３は上記燃料電池に用
いたセパレータ板の、各々燃料流路面、例えば空気を流
す酸化剤流路面および冷却剤流路面を示す平面図であ
り、冷却剤流路面を示す図３は、図１に示す燃料流路面
を設けたセパレータ板の裏面である。図中、２６は燃料
供給口、２７は燃料排出口、４１は燃料流路側主表面、
４２はアノード電極面と接する電極支持部、４３ａ〜ｉ
は並行する燃料流路、４５はシャフトを貫通する孔、４
６は流体の合流部、２４は酸化剤供給口、２５は酸化剤
排出口、３１は酸化剤流路側主表面、３２は電極支持
部、３３ａ〜ｒは並行する酸化剤流路、２８は冷却剤供
給口、２９は冷却剤排出口、５１は冷却剤流路側主表
面、５３ａ〜ｊは並行する冷却剤流路である。
いたセパレータ板の、各々燃料流路面、例えば空気を流
す酸化剤流路面および冷却剤流路面を示す平面図であ
り、冷却剤流路面を示す図３は、図１に示す燃料流路面
を設けたセパレータ板の裏面である。図中、２６は燃料
供給口、２７は燃料排出口、４１は燃料流路側主表面、
４２はアノード電極面と接する電極支持部、４３ａ〜ｉ
は並行する燃料流路、４５はシャフトを貫通する孔、４
６は流体の合流部、２４は酸化剤供給口、２５は酸化剤
排出口、３１は酸化剤流路側主表面、３２は電極支持
部、３３ａ〜ｒは並行する酸化剤流路、２８は冷却剤供
給口、２９は冷却剤排出口、５１は冷却剤流路側主表
面、５３ａ〜ｊは並行する冷却剤流路である。
【００１９】次に、具体的に本実施の形態を説明する。
図１〜４に示すように、本実施の形態では一方の面には
燃料流路を他方の面には冷却剤流路を設けたセパレータ
板３９と例えば空気を流す酸化剤流路面を持つセパレー
タ板４０と単セル６を、順次積層して燃料電池を構成し
た。電極支持部は、水平方向２０ｃｍ、垂直方向１１ｃ
ｍの長方形で、電極支持部の側端側に各流路の供給口と
排出口を設けている。また、電極部に２カ所締め付け用
シャフトを貫通する孔４５と燃料合流部４６を配してい
る。
図１〜４に示すように、本実施の形態では一方の面には
燃料流路を他方の面には冷却剤流路を設けたセパレータ
板３９と例えば空気を流す酸化剤流路面を持つセパレー
タ板４０と単セル６を、順次積層して燃料電池を構成し
た。電極支持部は、水平方向２０ｃｍ、垂直方向１１ｃ
ｍの長方形で、電極支持部の側端側に各流路の供給口と
排出口を設けている。また、電極部に２カ所締め付け用
シャフトを貫通する孔４５と燃料合流部４６を配してい
る。
【００２０】各流路は、例えばセパレータ板の表面を削
ることによって設けた溝であり、燃料流路は、燃料供給
口２６から合流部４６までの領域ｐを、９本の並行流路
４３ａ〜ｉが一緒になって蛇行して走り（シャフト４５
で分断された部分を除く）、合流部４６から排出口２７
までの領域ｑを、本数を１／３の３本に減らした並行流
路４３ｊ〜ｌが蛇行して走っている（図１）。
ることによって設けた溝であり、燃料流路は、燃料供給
口２６から合流部４６までの領域ｐを、９本の並行流路
４３ａ〜ｉが一緒になって蛇行して走り（シャフト４５
で分断された部分を除く）、合流部４６から排出口２７
までの領域ｑを、本数を１／３の３本に減らした並行流
路４３ｊ〜ｌが蛇行して走っている（図１）。
【００２１】酸化剤流路は、酸化剤供給口２４から排出
口２５まで１８本の並行流路３３ａ〜ｒが走っており、
電極支持部をシャフト中心線及び電極支持部中心線の３
つの垂線を境界に分割した４つの領域α、β、γ、δに
４本（４３ａ〜ｄ）、５本（４３ｅ〜ｉ）、５本（４３
ｊ〜ｎ）、４本（４３ｏ〜ｒ）に分岐した複数群の並行
流路が蛇行して流れている（図２）。
口２５まで１８本の並行流路３３ａ〜ｒが走っており、
電極支持部をシャフト中心線及び電極支持部中心線の３
つの垂線を境界に分割した４つの領域α、β、γ、δに
４本（４３ａ〜ｄ）、５本（４３ｅ〜ｉ）、５本（４３
ｊ〜ｎ）、４本（４３ｏ〜ｒ）に分岐した複数群の並行
流路が蛇行して流れている（図２）。
【００２２】冷却剤流路は、冷却剤供給口２７から排出
口２８まで１０本の並行流路５３ａ〜ｊが走っており、
酸化剤流路とほぼ同じ４つの領域α、β、γ、δに２本
（５３ａ、ｂ）、３本（５３ｃ〜ｅ）、３本（５３ｆ〜
ｈ）、２本（５３ｉ、ｊ）に分岐した複数群の並行流路
が蛇行して流れている（図３）。
口２８まで１０本の並行流路５３ａ〜ｊが走っており、
酸化剤流路とほぼ同じ４つの領域α、β、γ、δに２本
（５３ａ、ｂ）、３本（５３ｃ〜ｅ）、３本（５３ｆ〜
ｈ）、２本（５３ｉ、ｊ）に分岐した複数群の並行流路
が蛇行して流れている（図３）。
【００２３】動作について説明する。燃料流路側では、
溝４３ａ〜ｉは、合流部４６まで電極部の溝３３ａ〜ｏ
は、領域ｐを一部シャフト部分の分岐を除いて一緒にな
って流れており、合流部４６以降も領域ｑを３本の流路
４３ｊ〜ｌが一緒になって走っている。この内の例えば
４３ｃが閉息した場合でも、領域ｐ内の電流分布は近接
した流路４３ｂ及び４３ｄの管轄する電極部でカバーさ
れ、領域内での電流の偏りはほとんど生じない。
溝４３ａ〜ｉは、合流部４６まで電極部の溝３３ａ〜ｏ
は、領域ｐを一部シャフト部分の分岐を除いて一緒にな
って流れており、合流部４６以降も領域ｑを３本の流路
４３ｊ〜ｌが一緒になって走っている。この内の例えば
４３ｃが閉息した場合でも、領域ｐ内の電流分布は近接
した流路４３ｂ及び４３ｄの管轄する電極部でカバーさ
れ、領域内での電流の偏りはほとんど生じない。
【００２４】一方、酸化剤流路側では、酸化剤供給口２
４から酸化剤排出口２５に至るまでの供給口２４から１
／３までの上流部分での電流密度は下流の電流密度より
も２０％程度大きく（単セルを連結した試験装置で別途
測定した結果）なっているが、本実施の形態では、上流
部分が４つの領域に分散されるので、電流密度の偏りが
緩和され、分割を行わなかった場合と比較して、電流密
度５００ｍＡ／ｃｍ2でのセル電圧が１０ｍＶも向上し
た。
４から酸化剤排出口２５に至るまでの供給口２４から１
／３までの上流部分での電流密度は下流の電流密度より
も２０％程度大きく（単セルを連結した試験装置で別途
測定した結果）なっているが、本実施の形態では、上流
部分が４つの領域に分散されるので、電流密度の偏りが
緩和され、分割を行わなかった場合と比較して、電流密
度５００ｍＡ／ｃｍ2でのセル電圧が１０ｍＶも向上し
た。
【００２５】さらに、図４に示すように積層した時に、
上記のように形成した酸化剤流路の領域α〜δの領域と
一致するようにセパレータ板３９に上記と同様にして冷
却媒体を流通させる冷却剤流路の領域α〜δを設けた。
この場合、冷却剤流路も酸化剤流路と同様に分割した領
域を流れるので、発熱の集中する部分を効果的に冷却
し、面内の温度の偏りが２℃も減少し、セル抵抗が１０
ｍΩｃｍ2も減少し、特性がさらに７ｍＶも向上した。
上記のように形成した酸化剤流路の領域α〜δの領域と
一致するようにセパレータ板３９に上記と同様にして冷
却媒体を流通させる冷却剤流路の領域α〜δを設けた。
この場合、冷却剤流路も酸化剤流路と同様に分割した領
域を流れるので、発熱の集中する部分を効果的に冷却
し、面内の温度の偏りが２℃も減少し、セル抵抗が１０
ｍΩｃｍ2も減少し、特性がさらに７ｍＶも向上した。
【００２６】以上説明したように、本実施の形態では各
流路が電極面の全体を網羅しているので、並行した流路
のどれかが閉息した場合でも、電流分布の移動は面全体
でほぼ均一に補完し合う。また、電流密度が大きくなる
領域が酸化剤流路の分割した領域に沿って分散される。
また、冷却剤流路も酸化剤流路と同様に分割されている
ので。電極反応に伴って発熱する領域に沿って冷却を行
うことができる。つまり、本実施の形態では垂線により
分割された酸化剤流路領域に発熱領域が分散し、同様の
領域に冷却領域も分散し、発熱の集中する部分を効果的
に冷却することで、面内の温度の偏りが減少し、セル抵
抗も減少して特性向上する効果が得られた。
流路が電極面の全体を網羅しているので、並行した流路
のどれかが閉息した場合でも、電流分布の移動は面全体
でほぼ均一に補完し合う。また、電流密度が大きくなる
領域が酸化剤流路の分割した領域に沿って分散される。
また、冷却剤流路も酸化剤流路と同様に分割されている
ので。電極反応に伴って発熱する領域に沿って冷却を行
うことができる。つまり、本実施の形態では垂線により
分割された酸化剤流路領域に発熱領域が分散し、同様の
領域に冷却領域も分散し、発熱の集中する部分を効果的
に冷却することで、面内の温度の偏りが減少し、セル抵
抗も減少して特性向上する効果が得られた。
【００２７】さらに、本実施の形態では燃料流路に合流
部４６を設けたので、一部の流路が閉息して、合流部直
前の水素濃度が希薄になった燃料が、合流部４６で他の
セパレータ板の燃料と合流することで、再び水素濃度が
平均化され合流部より下流の領域ｑでは他の積層部分と
ほぼ同程度の電流分布を持つことができた。
部４６を設けたので、一部の流路が閉息して、合流部直
前の水素濃度が希薄になった燃料が、合流部４６で他の
セパレータ板の燃料と合流することで、再び水素濃度が
平均化され合流部より下流の領域ｑでは他の積層部分と
ほぼ同程度の電流分布を持つことができた。
【００２８】なお、本実施の形態では冷却媒体を流通さ
せる冷却剤流路を備えたセパレータ板を併用した場合に
ついて説明したが、冷却剤流路を備えたセパレータ板を
用いることに限定されるものではない。
せる冷却剤流路を備えたセパレータ板を併用した場合に
ついて説明したが、冷却剤流路を備えたセパレータ板を
用いることに限定されるものではない。
【００２９】なお、本実施の形態はカーボン含有の熱可
塑性樹脂で成形したが、フェノール樹脂のような熱硬化
性樹脂でも同様の成形性向上の効果が期待できる。
塑性樹脂で成形したが、フェノール樹脂のような熱硬化
性樹脂でも同様の成形性向上の効果が期待できる。
【００３０】実施の形態２．図５は本発明の第２の実施
の形態のセパレータ板の、酸化剤流路を設けた面３１の
平面図である。電極支持部は、実施の形態１と同様に水
平方向２０ｃｍ、垂直方向１１ｃｍの長方形で、電極支
持部の側端側に各流路の供給口と排出口を設けている
が、電極支持部３２内には貫通孔を配していない。酸化
剤流路は、酸化剤供給口２４から排出口２５まで１６本
の並行流路３３ａ〜ｐが走っており、電極支持部を水平
線で分割した４つの領域α、β、γ、δに４本づつ分岐
（３３ａ〜ｄ、３３ｅ〜ｈ、３３ｉ〜ｌ、３３ｍ〜ｐ）
した複数群の並行流路が蛇行して流れている。燃料流路
溝は図示しないが、図１において、燃料供給口２６から
排出口２７まで全領域を並行した８本の溝が蛇行して走
っている。冷却剤流路溝も図示しないが、図３におい
て、冷却剤供給口２８から排出口２９まで１２本の並行
流路が走っており、酸化剤流路とほぼ同じ４つの領域
α、β、γ、δに３本づつに分岐して流れている。
の形態のセパレータ板の、酸化剤流路を設けた面３１の
平面図である。電極支持部は、実施の形態１と同様に水
平方向２０ｃｍ、垂直方向１１ｃｍの長方形で、電極支
持部の側端側に各流路の供給口と排出口を設けている
が、電極支持部３２内には貫通孔を配していない。酸化
剤流路は、酸化剤供給口２４から排出口２５まで１６本
の並行流路３３ａ〜ｐが走っており、電極支持部を水平
線で分割した４つの領域α、β、γ、δに４本づつ分岐
（３３ａ〜ｄ、３３ｅ〜ｈ、３３ｉ〜ｌ、３３ｍ〜ｐ）
した複数群の並行流路が蛇行して流れている。燃料流路
溝は図示しないが、図１において、燃料供給口２６から
排出口２７まで全領域を並行した８本の溝が蛇行して走
っている。冷却剤流路溝も図示しないが、図３におい
て、冷却剤供給口２８から排出口２９まで１２本の並行
流路が走っており、酸化剤流路とほぼ同じ４つの領域
α、β、γ、δに３本づつに分岐して流れている。
【００３１】動作については、実施の形態１とほぼ同様
であるが、本実施の形態では水平線により分割された酸
化剤流路領域に発熱領域が分散し、同様の領域に冷却領
域も分散し、発熱の集中する部分を効果的に冷却するこ
とで、面内の温度の偏りが減少し、セル抵抗も減少して
特性向上する効果が得られた。
であるが、本実施の形態では水平線により分割された酸
化剤流路領域に発熱領域が分散し、同様の領域に冷却領
域も分散し、発熱の集中する部分を効果的に冷却するこ
とで、面内の温度の偏りが減少し、セル抵抗も減少して
特性向上する効果が得られた。
【００３２】上記実施の形態において、セパレータ板の
各領域を流路が折り返しながら蛇行するが、蛇行の方向
等を調整することにより、反応分布状態を適宜調整する
ことができる。
各領域を流路が折り返しながら蛇行するが、蛇行の方向
等を調整することにより、反応分布状態を適宜調整する
ことができる。
【００３３】
【発明の効果】本発明の第１の燃料電池は、電解質膜を
燃料電極および酸化剤電極で狭持してなる単セルと、上
記燃料電極に燃料流体を供給するために流体供給口から
流体排出口までを並行する複数の燃料流路と上記酸化剤
電極に酸化剤流体を供給するために流体供給口から流体
排出口までを並行する複数の酸化剤流路を備えたセパレ
ータ板とを、順次積層した積層体からなる燃料電池にお
いて、少なくとも上記複数の酸化剤流路は複数群の並行
した流路からなり、この複数群の並行した流路が、上記
セパレータ板の主表面の分割された領域を各々折り返し
て走行するもので、反応分布の偏りが少なく、高い特性
を出すことができるという効果がある。
燃料電極および酸化剤電極で狭持してなる単セルと、上
記燃料電極に燃料流体を供給するために流体供給口から
流体排出口までを並行する複数の燃料流路と上記酸化剤
電極に酸化剤流体を供給するために流体供給口から流体
排出口までを並行する複数の酸化剤流路を備えたセパレ
ータ板とを、順次積層した積層体からなる燃料電池にお
いて、少なくとも上記複数の酸化剤流路は複数群の並行
した流路からなり、この複数群の並行した流路が、上記
セパレータ板の主表面の分割された領域を各々折り返し
て走行するもので、反応分布の偏りが少なく、高い特性
を出すことができるという効果がある。
【００３４】本発明の第２の燃料電池は、電解質膜を燃
料電極および酸化剤電極で狭持してなる単セルと、上記
燃料電極に燃料流体を供給するために流体供給口から流
体排出口までを並行する複数の燃料流路と上記酸化剤電
極に酸化剤流体を供給するために流体供給口から流体排
出口までを並行する複数の酸化剤流路を備えたセパレー
タ板とを、順次積層した積層体からなる燃料電池におい
て、少なくとも上記複数の酸化剤流路は複数群の並行し
た流路からなり、この複数群の並行した流路の、各々の
流体供給口から同距離にある各地点を、上記セパレータ
板の主表面に分散して配置するもので、反応分布の偏り
が少なく、高い特性を出すことができるという効果があ
る。
料電極および酸化剤電極で狭持してなる単セルと、上記
燃料電極に燃料流体を供給するために流体供給口から流
体排出口までを並行する複数の燃料流路と上記酸化剤電
極に酸化剤流体を供給するために流体供給口から流体排
出口までを並行する複数の酸化剤流路を備えたセパレー
タ板とを、順次積層した積層体からなる燃料電池におい
て、少なくとも上記複数の酸化剤流路は複数群の並行し
た流路からなり、この複数群の並行した流路の、各々の
流体供給口から同距離にある各地点を、上記セパレータ
板の主表面に分散して配置するもので、反応分布の偏り
が少なく、高い特性を出すことができるという効果があ
る。
【００３５】本発明の第３の燃料電池は、上記第１の燃
料電池において、セパレータ板が冷却媒体を流通し、並
行する複数の冷却剤流路を備え、上記複数の冷却剤流路
は複数群の並行した流路からなり、この複数群の並行し
た流路が、酸化剤流路が走行する分割された領域を上記
セパレータ板に投影した領域を、折り返して走行するも
ので、面内の温度の偏りが減少し、セル抵抗も減少して
特性が向上するという効果がある。
料電池において、セパレータ板が冷却媒体を流通し、並
行する複数の冷却剤流路を備え、上記複数の冷却剤流路
は複数群の並行した流路からなり、この複数群の並行し
た流路が、酸化剤流路が走行する分割された領域を上記
セパレータ板に投影した領域を、折り返して走行するも
ので、面内の温度の偏りが減少し、セル抵抗も減少して
特性が向上するという効果がある。
【図１】 本発明の第１の実施の形態に係るセパレータ
板の燃料流路面の平面図である。
板の燃料流路面の平面図である。
【図２】 本発明の第１の実施の形態に係るセパレータ
板の酸化剤流路面の平面図である。
板の酸化剤流路面の平面図である。
【図３】 本発明の第１の実施の形態に係るセパレータ
板の冷却剤流路面の平面図である。
板の冷却剤流路面の平面図である。
【図４】 本発明の第１の実施の形態の燃料電池に係る
積層体の断面図であある。
積層体の断面図であある。
【図５】 本発明の第２の実施の形態に係るセパレータ
板の酸化剤流路面の平面図である。
板の酸化剤流路面の平面図である。
【図６】 従来の燃料電池における単位電池の概念的な
構成を説明するための断面図である。
構成を説明するための断面図である。
【図７】 従来の燃料電池におけるセパレータ板の上面
を示す説明図である。
を示す説明図である。
【図８】 従来のセパレータ板の構成を示す斜視図であ
る。
る。
【図９】 従来のセパレータ板の構成を示す斜視図であ
る。
る。
１、２、３９、４０ セパレータ板、３、４ 電極、５
電解質膜、６ 単セル、１０、１１ ガス流路、２４
酸化剤供給口、２５ 酸化剤排出口、２６燃料供給
口、２７ 燃料排出口、２８ 冷却剤供給口、２９ 冷
却剤排出口、３３ 酸化剤流路、４３ 燃料流路、５３
冷却剤流路。
電解質膜、６ 単セル、１０、１１ ガス流路、２４
酸化剤供給口、２５ 酸化剤排出口、２６燃料供給
口、２７ 燃料排出口、２８ 冷却剤供給口、２９ 冷
却剤排出口、３３ 酸化剤流路、４３ 燃料流路、５３
冷却剤流路。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 濱野 浩司 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三 菱電機株式会社内 (72)発明者 光田 憲朗 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三 菱電機株式会社内 Ｆターム(参考） 5H026 AA04 AA06 CC03 CC08
Claims (3)
- 【請求項１】 電解質膜を燃料電極および酸化剤電極で
狭持してなる単セルと、上記燃料電極に燃料流体を供給
するために流体供給口から流体排出口までを並行する複
数の燃料流路と上記酸化剤電極に酸化剤流体を供給する
ために流体供給口から流体排出口までを並行する複数の
酸化剤流路を備えたセパレータ板とを、順次積層した積
層体からなる燃料電池において、少なくとも上記複数の
酸化剤流路は複数群の並行した流路からなり、この複数
群の並行した流路が、上記セパレータ板の主表面の分割
された領域を各々折り返して走行することを特徴とする
燃料電池。 - 【請求項２】 電解質膜を燃料電極および酸化剤電極で
狭持してなる単セルと、上記燃料電極に燃料流体を供給
するために流体供給口から流体排出口までを並行する複
数の燃料流路と上記酸化剤電極に酸化剤流体を供給する
ために流体供給口から流体排出口までを並行する複数の
酸化剤流路を備えたセパレータ板とを、順次積層した積
層体からなる燃料電池において、少なくとも上記複数の
酸化剤流路は複数群の並行した流路からなり、この複数
群の並行した流路の、各々の流体供給口から同距離にあ
る各地点を、上記セパレータ板の主表面に分散して配置
することを特徴とする燃料電池。 - 【請求項３】 セパレータ板が冷却媒体を流通し、並行
する複数の冷却剤流路を備え、上記複数の冷却剤流路は
複数群の並行した流路からなり、この複数群の並行した
流路が、酸化剤流路が走行する分割された領域を上記セ
パレータ板へ投影した領域を、折り返して走行すること
を特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11232505A JP2001057219A (ja) | 1999-08-19 | 1999-08-19 | 燃料電池 |
| US09/631,989 US6500579B1 (en) | 1999-08-19 | 2000-08-03 | Fuel cell structure |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11232505A JP2001057219A (ja) | 1999-08-19 | 1999-08-19 | 燃料電池 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001057219A true JP2001057219A (ja) | 2001-02-27 |
Family
ID=16940390
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP11232505A Pending JP2001057219A (ja) | 1999-08-19 | 1999-08-19 | 燃料電池 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2001057219A (ja) |
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6780536B2 (en) | 2001-09-17 | 2004-08-24 | 3M Innovative Properties Company | Flow field |
| US7060383B2 (en) | 2003-10-29 | 2006-06-13 | Sanyo Electric Co., Ltd. | Fuel cell |
| KR100673746B1 (ko) | 2005-04-12 | 2007-01-24 | 삼성에스디아이 주식회사 | 연료전지용 세퍼레이터, 이를 채용한 스택 및 연료전지 |
| JP2008293947A (ja) * | 2007-05-28 | 2008-12-04 | Samsung Sdi Co Ltd | 燃料電池用スタック |
| JP2009123678A (ja) * | 2007-11-14 | 2009-06-04 | Samsung Sdi Co Ltd | 燃料電池用スタック |
| WO2010053290A2 (ko) * | 2008-11-07 | 2010-05-14 | 한국에너지기술연구원 | 지그재그 구조의 유로를 갖는 연료전지용 분리판 |
| KR100981574B1 (ko) | 2008-05-26 | 2010-09-10 | 삼성에스디아이 주식회사 | 연료전지용 세퍼레이터 및 이를 이용하는 연료전지 스택 |
| JP2012190599A (ja) * | 2011-03-09 | 2012-10-04 | Honda Motor Co Ltd | 燃料電池 |
| KR102044762B1 (ko) * | 2019-07-24 | 2019-11-18 | 주식회사 코텍에너지 | 성능 및 내구성이 향상된 연료전지 |
-
1999
- 1999-08-19 JP JP11232505A patent/JP2001057219A/ja active Pending
Cited By (14)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6780536B2 (en) | 2001-09-17 | 2004-08-24 | 3M Innovative Properties Company | Flow field |
| US7060383B2 (en) | 2003-10-29 | 2006-06-13 | Sanyo Electric Co., Ltd. | Fuel cell |
| KR100673746B1 (ko) | 2005-04-12 | 2007-01-24 | 삼성에스디아이 주식회사 | 연료전지용 세퍼레이터, 이를 채용한 스택 및 연료전지 |
| US8232021B2 (en) | 2007-05-28 | 2012-07-31 | Samsung Sdi Co., Ltd. | Stack for fuel cell |
| JP2008293947A (ja) * | 2007-05-28 | 2008-12-04 | Samsung Sdi Co Ltd | 燃料電池用スタック |
| JP2009123678A (ja) * | 2007-11-14 | 2009-06-04 | Samsung Sdi Co Ltd | 燃料電池用スタック |
| US8481223B2 (en) | 2007-11-14 | 2013-07-09 | Samsung Sdi Co., Ltd. | Stack for fuel cell |
| KR100981574B1 (ko) | 2008-05-26 | 2010-09-10 | 삼성에스디아이 주식회사 | 연료전지용 세퍼레이터 및 이를 이용하는 연료전지 스택 |
| US8318371B2 (en) | 2008-05-26 | 2012-11-27 | Samsung Sdi Co., Ltd. | Separator for fuel cell and fuel cell stack using the same |
| WO2010053290A2 (ko) * | 2008-11-07 | 2010-05-14 | 한국에너지기술연구원 | 지그재그 구조의 유로를 갖는 연료전지용 분리판 |
| WO2010053290A3 (ko) * | 2008-11-07 | 2010-07-29 | 한국에너지기술연구원 | 지그재그 구조의 유로를 갖는 연료전지용 분리판 |
| KR101052702B1 (ko) | 2008-11-07 | 2011-08-01 | 한국에너지기술연구원 | 지그재그 구조의 유로를 갖는 연료전지용 분리판 |
| JP2012190599A (ja) * | 2011-03-09 | 2012-10-04 | Honda Motor Co Ltd | 燃料電池 |
| KR102044762B1 (ko) * | 2019-07-24 | 2019-11-18 | 주식회사 코텍에너지 | 성능 및 내구성이 향상된 연료전지 |
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|---|---|---|---|
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