JP2001093547A

JP2001093547A - 燃料電池

Info

Publication number: JP2001093547A
Application number: JP27285799A
Authority: JP
Inventors: Harumichi Nakanishi; 治通中西
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 1999-09-27
Filing date: 1999-09-27
Publication date: 2001-04-06

Abstract

(57)【要約】【課題】燃料電池を構成するプレートのガス供給用溝部
に滞留した水を、エネルギ効率的に有利に除去し、しか
も触媒層へのガスの拡散性を高める。【解決手段】水素ガスを水素イオンと電子に解離する
負極部42と、水素イオン、電子および酸素ガスを反応さ
せて水を生成する正極部41と、負極部42と正極部41との
間に配置され、水素イオンの移動を許容する電解部43
と、負極部42に隣接配置され、負極部42に水素ガスを供
給する水素ガス供給用溝部44Ａが設けられたプレート44
と、正極部41に隣接配置され、正極部41に酸素ガスを供
給する酸素ガス供給用溝部44Ｂが設けられたプレート44
と、を備えた燃料電池において、酸素ガス供給用溝部44
Ｂおよび水素ガス供給用溝部44Ａのうちの少なくとも一
方の底面に、複数の凸部46Ａ，46Ｂまたは凹部を連続し
て形成した。好ましくは、凸部46Ａ，46Ｂまたは凹部
に、酸素ガス供給用溝部44Ｂまたは水素ガス供給用溝部
44Ａに供給されたガス流れの方向を、電解部43側に変え
る傾斜面46ａ，46ｂを設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、水素ガスと酸素ガ
スとの反応により電気エネルギを生じる燃料電池に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池は、化学的エネルギ変化を直接
的に電気エネルギに変換できるため、他の発電方式に比
べて極めてエネルギ効率が高い。このことは、カルノー
サイクルに基づく内燃機関に比べて燃料電池はエネルギ
ロスが少なく、内燃機関の代替手段である電気自動車用
のモータの電力源としても有用であることを意味してい
る。そして、燃料電池では、排気ガスが主として水蒸気
であり、内燃機関のように窒素化合物、炭化水素、一酸
化炭素といった有害ガスが排出されることもないため、
環境保護の観点からも燃料電池を電力源とした電気自動
車の実用化が望まれている。

【０００３】ここで、従来より採用されている燃料電池
スタック（燃料電池を複数積層したもの）およびそのシ
ステムの一例を、図６ないし図９を参照して説明する。
上記燃料電池システム５は、燃料電池スタック６、空気
供給源７、および水素供給源８を備えて大略構成されて
いる。燃料電池スタック６を構成する燃料電池６０は、
電解質として固体高分子膜が採用された、いわゆる固体
高分子型のものである。具体的には、一対のプレート６
４の間に、四隅部に貫通孔６３ａ，６３ｂが形成された
固体高分子膜６３が、その両面に正極触媒層６１ｂおよ
び負極触媒層６２ｂがそれぞれ形成された状態で介在さ
せられている。そして、この固体高分子膜６３と各プレ
ート６４との間にはさらに、正極集電体６１ａおよび負
極集電体６２ａのそれぞれが、ガスケット６５に囲まれ
た格好で配置されている。ガスケット６５に四隅部に
は、固体高分子膜６３の貫通孔６３ａ，６３ｂに対応し
て貫通孔６５ａ，６５ｂが形成されている。

【０００４】各プレート６４の四隅部のそれぞれにも、
ガスケット６５の貫通孔６５ａ，６５ｂに対応して貫通
孔６４ｃ，６４ｄが形成されている。したがって、燃料
電池スタック６の状態では、各部材の貫通孔が連通し、
連通路６６ａ，６６ｂを構成している（図７参照）。ま
た、図７および図８に示したように、プレート６４の一
面には、負極触媒層６２ｂに負極活物質である水素ガス
を供給する際の流路となる水素ガス供給用溝部６４Ａが
設けられており、当該溝部６４Ａの端部は、貫通孔６４
ｃに連通している。プレート６４の他面には、正極触媒
層６１ｂに正極活物質である酸素ガスを供給する際の流
路となる空気（酸素ガス）供給用溝部６４Ｂが設けられ
ており、当該溝部６４Ｂの端部は、貫通孔６４ｄに連通
している。

【０００５】各集電体６１ａ，６２ａは、多孔質に形成
されており、水素ガスや酸素ガスの透過が可能とされて
いる。すなわち、水素ガス供給源８からの水素ガスが、
連通路６６ａから水素ガス供給用溝部６４Ａに供給さ
れ、負極集電体６２ａを透過して負極触媒層６２ｂに達
する。一方、空気供給源７からの空気（酸素ガス）は、
連通路６６ｂから空気供給用溝部６４Ｂに供給され、正
極集電体６１ａを透過して正極触媒層６１ｂに達する。
負極触媒層６２ｂは、炭素粉末にパラジウムなどの触媒
を担持させたものであり、この負極触媒層６２ｂにおい
ては、水素ガスが水素イオンと電子に解離される。水素
イオンは固体高分子膜６３を通過して正極触媒層６１ｂ
に達し、たとえば電子は負極集電体６２ｂから外部回路
（図示略）を経由して、正極触媒層６１ｂに達する。こ
のとき、電子の移動による電気エネルギが外部回路にお
いて取り出される。正極触媒層６１ｂは、たとえば炭素
粉末にパラジウムとロジウムを共存担持させたものであ
り、この正極触媒層６１ｂにおいては、水素イオン、電
子および酸素ガスが反応して水が生成される。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記構成の燃料電池６
０では、正極触媒層６１ｂにおいて生成した水を処理す
る必要がある。つまり、生成した水がプレート６４の空
気供給用溝部６４Ｂに滞留したならば、正極への酸素ガ
スの供給の妨げとなる。また、正極触媒層６１ｂや正極
集電体６１ａにおいて滞留したならば、正極での酸素ガ
スの透過やその反応の妨げとなり、燃料電池６０の出力
ダウンの原因となってしまう。とくに、正極触媒層６１
ｂに対して均一に酸素ガスを供給すべく、空気供給用溝
部６４Ｂの流路長が大きくされ、それが複雑に引き回さ
れた構成の他方のプレート６４では、反応により生じた
水が空気供給用溝部６４Ｂに溜まりやすくなる。

【０００７】このため、プレート６４の空気供給用溝部
６４Ｂに溜まった水を取り除くべく、空気供給用溝部６
４Ｂに供給する空気（酸素ガス）に対して、大きな圧力
を付与する必要がある。つまり、空気の供給圧を大きく
する必要があるが、これでは燃料電池システム５として
のエネルギ効率的に不利である。また、先にも説明した
ように、燃料電池スタック６では、１つの空気供給源７
から、燃料電池スタック６を構成する各燃料電池６０に
対して同時に空気を供給するように構成されている。こ
のため、積層すべき燃料電池６０の個数が大きくなれ
ば、それに応じて高圧の空気の供給量はより大きくな
り、燃料電池システム５としてのエネルギ効率がさらに
悪化する。

【０００８】また、図９に示したように、プレート６４
に形成された水素ガス供給用溝部６４Ａや空気供給用溝
部６４Ｂは、ガス供給時の圧力損出を小さくすべく、溝
の内面が平坦面とされている。このため、集電体６１
ａ，６２ａや触媒層６１ｂ，６２ｂと平行にガスが流れ
やすく、集電体６１ａ，６２ａや触媒層６１ｂ，６２ｂ
側にガスが拡散しにくい。とくに、空気供給用溝部６４
Ｂでは、正極触媒部６１ｂにおいて生成した水を除去す
べく、空気の供給圧を高くする必要があるため、正極集
電体６１ａや正極触媒層６１ｂ側に空気が拡散しにく
い。

【０００９】本発明は、上記した事情のもとで考え出さ
れたものであって、燃料電池を構成するプレートのガス
供給用溝部に滞留した水を、エネルギ効率的に有利に除
去し、しかも触媒層へのガスの拡散性を高めることをそ
の課題としている。

【００１０】

【発明の開示】上記の課題を解決するため、本発明で
は、次の技術的手段を講じている。

【００１１】すなわち、本発明により提供される燃料電
池は、水素ガスを水素イオンと電子に解離する負極部
と、水素イオン、電子および酸素ガスを反応させて水を
生成する正極部と、上記負極部と上記正極部との間に配
置されるとともに水素イオンの移動を許容する電解部
と、上記負極部に隣接して配置され、かつ上記負極部に
水素ガスを供給するための水素ガス供給用溝部が一面に
設けられた第１のプレートと、上記正極部に隣接して配
置され、かつ上記正極部に酸素ガスを供給するための酸
素ガス供給用溝部が一面に設けられた第２のプレート
と、を備えた燃料電池であって、上記酸素ガス供給用溝
部および上記水素ガス供給用溝部のうちの少なくとも一
方の底面には、複数の凸部または凹部が連続して形成さ
れていることを特徴としている。

【００１２】上記構成では、燃料電池に供給されたガス
（酸素ガスまたは水素ガス）は、酸素ガス供給用溝部ま
たは水素ガス供給用溝部を通過するが、溝部の底壁に底
面に設けられた凸部または凹部により、溝部におけるガ
ス流れが乱される。すなわち、溝部を形成する壁面が平
坦面とされた場合に比べて、電解部側に向けて流れるガ
スの量が多くなり、正極や負極側に効率良くガスを拡散
させることができ、特に正極部側では電極内に存在する
水を持ち去る効率が下がる。

【００１３】また、溝部内でのガス流れが乱されていれ
ば、正極部において生成して酸素ガス供給用溝部で凝縮
した水滴は、より径の小さい水滴に分割されやすく、ま
た凸部または凹部との衝突によっても、より径が小さい
水滴に分割されやすい。水滴の径が小さくなれば、酸素
ガス供給用溝部との接触面積（表面張力）が小さくなる
ため、凝縮水を効率良く除去できるようになる。

【００１４】好ましい実施の形態においては、上記凸部
または凹部は、上記酸素ガス供給用溝部または上記水素
ガス供給用溝部に供給されたガス流れの方向を、上記電
解部側に変える傾斜面を有している。

【００１５】この構成においては、凸部または凹部が、
ガス流れの方向を電解部側に変える傾斜面を有している
ことから、より確実に正極部または負極部にガスを拡散
させることができる。

【００１６】本発明のその他の特徴および利点は、以下
に行う詳細な説明によって、より明らかとなろう。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好ましい実施の形
態を、図１なしい図５を参照して具体的に説明する。な
お、図１は本発明の燃料電池が採用された燃料電池シス
テムの概略図、図２は本発明の燃料電池により構成され
た燃料電池スタックの断面図、図３は本発明の燃料電池
の分解斜視図、図４は図３の燃料電池の要部拡大断面
図、図５は図３の燃料電池を構成するプレートの要部拡
大斜視図ある。

【００１８】図１に示した燃料電池システム１は、水素
ガス供給源２、空気供給源３、および燃料電池スタック
４を備えて大略構成されている。

【００１９】水素ガス供給源２は、燃料電池スタック４
に燃料としての水素ガスを供給するためのものであり、
たとえば液化水素ガスを充填した水素ボンベ、水素ガス
を吸蔵した水素吸蔵合金などにより構成される。また、
メタノールなどの炭化水素系の化合物を、水蒸気改質す
るなどして水素ガスを生成させる装置を構成し、これを
水素ガス供給源としてもよい。

【００２０】空気供給源３は、空気として酸素ガスを燃
料電池スタック４に供給するためのものであり、たとえ
ば公知のエアコンプレッサなどにより構成される。

【００２１】燃料電池スタック４は、図１に示したよう
に、複数の燃料電池４０を直列的に積層した状態で、ボ
ルトＢおよびナットＮを用いて、一対のエンドプレート
４ａ，４ｂの間に挟持された構成とされている。

【００２２】各燃料電池４０は、図２および図３に示し
たように、正極部４１、負極部４２、および電解部４３
が、一対のプレート４４，４４の間に挟持された構成と
なっている。そして、隣り合う燃料電池４０どうしは、
１枚のプレート４４を共用するとともに、このプレート
４４により実質的に仕切られている。

【００２３】正極部４１および負極部４２は、集電体４
１ａ，４２ａと触媒層４１ｂ，４２ｂとからなる。各集
電体４１ａ，４２ａは、たとえば導体粒を固めた多孔質
体として形成されており、触媒層４１ｂ，４２ｂは、た
とえば炭素粒からなる多孔質マトリクスに、プラチナな
どの適宜の触媒粉末を担持させたものとして形成されて
いる。そして、正極部４１および負極部４２は、その周
縁部をガスケット４５に囲まれた状態で燃料電池４０を
構成している。これらのガスケット４５は、四隅部のそ
れぞれに貫通孔４５ａ，４５ｂが形成されている。

【００２４】電解部４３は、プロトン導電性を示し、プ
ロトンとしての水素イオンを選択的に透過させるイオン
交換膜により構成されている。そして、この電解部４３
の四隅部のそれぞれには、ガスケット４５の貫通孔４５
ａ，４５ｂに対応して貫通孔４３ａ，４３ｂが形成され
ている。

【００２５】各プレート４４は、たとえばステンレス鋼
やチタン合金などの導体により形成されている。図３お
よび図４に示したように、各プレート４４の一面側に
は、水素ガス供給用溝部４４Ａを構成するとともに、直
線状に延びる複数の直線状溝部４４ａが形成されてお
り、他面側には、空気（酸素ガス）供給用溝部４４Ｂを
構成するとともに、直線状に延びる複数の直線状溝部４
４ｂが設けられている。水素ガス供給用溝部４４Ａの各
直線状溝部４４ａの端部どうしは、共通溝部４４ｅを介
して連通している。空気供給用溝部４４Ｂの各直線状溝
部４４ｂの端部どうしも同様に、共通溝部４４ｆを介し
て連通している。そして、各プレート４４の四隅部に
は、ガスケット４５の貫通孔４５ａ，４５ｂに対応して
貫通孔４４ｃ，４４ｄが設けられている。これらの貫通
孔４４ｃ，４４ｄのうち、対角配置された貫通孔４４ｃ
は共通溝部４４ｅに連通しており、残りの貫通孔４４ｄ
は、共通溝部４４ｆに連通している。

【００２６】水素ガス供給用溝部４４Ａおよび空気供給
用溝部４４Ｂの各直線状溝部４４ａ，４４ｂには、図４
および図５に示したように凸部４４Ａが連続して形成さ
れている。これらの凸部４５Ａは、溝部４４ａ，４４ｂ
の底壁を切り起こしたような形態とされており、全体的
なガス流れ方向（溝部４４ａ，４４ｂに沿った方向）を
阻害する傾斜面４５ａを有している。

【００２７】各エンドプレート４Ａは、図１に示したよ
うにプレート４４よりも一回り大きな形状とされてお
り、それぞれのエンドプレート４Ａの四隅部どうしがボ
ルトＢおよびナットＮを介して繋げられている。そし
て、各プレート４４の貫通孔４４ｃ，４４ｄに対応し
て、４つの貫通孔が形成されている（図示略）。燃料電
池スタック４の状態では、各部材に形成された貫通孔ど
うしが連通してガス流路４７ａ，４７ｂが形成されてお
り（図２参照）、エンドプレートの貫通孔は、ガス流路
４７ａ，４７ｂと連通して燃料電池スタック４における
水素ガスまたは空気の出入口となる。

【００２８】以上のように構成された燃料電池システム
１では、図２に示したように水素ガス供給源２からの水
素ガスは、ガス流路４７ａに導入され、各プレート４４
の貫通孔４４ｄから水素ガス供給用溝部４４Ａに供給さ
れる。一方、空気供給源３からの空気がガス流路４７ｂ
に導入され、各プレート４４の空気供給溝部４４Ｂの直
線状溝部４４ｂに空気が供給される。

【００２９】各直線状溝部４４ａ，４４ｂに供給された
ガス（水素ガスまたは空気）は、図４に良く表れている
ように溝部４４ａ，４４ｂ内を流通するが、このときに
凸部４６Ａ（４６Ｂ）の傾斜面４６ａ（４６ｂ）に衝突
し、ガス流れ向きが集電体４１ａ（４２ｂ）側に変えら
れる。そして、ガスの一部が集電体４１ａ（４２ｂ）内
を拡散して行き、一部が集電体４１ａ（４２ｂ）の表面
で反射される。このため、溝部４４ａ（４４ｂ）内のガ
ス流れが乱流となるが、ガス全体としては溝部４４ａ
（４４ｂ）に沿って流れる。このように、溝部４４ａ
（４４ｂ）に凸部４６Ａ（４６Ｂ）を設けることによ
り、溝部４４ａ（４４ｂ）に供給されたガスが集電体４
１ａ（４２ｂ）内に拡散し易くなる。

【００３０】水素ガス供給用溝部４４Ａに達した水素ガ
スは、集電体４２ａを通過して触媒層４２ｂに達する。
そして、触媒層４２ｂに達した水素ガスは、水素イオン
と電子に解離され、水素イオンは電極部４３を透過して
正極部４１の触媒層４１ｂに達し、電子は再び集電体４
２ａを通過してプレート４４に達し、隣合う燃料電池４
０の正極部４１の触媒層４１ｂに達する。

【００３１】一方、空気供給用溝部４４Ｂに達した空気
は、正極部４１の集電体４１ａを通過して触媒層４１ｂ
に達する。そして、触媒層４１ｂに達した空気中の酸素
ガスは、電解部４３を透過した水素イオンと、隣の燃料
電池４０からの電子と反応して水を生成する。

【００３２】この水の一部は、空気流れに乗って気体と
して空気供給用溝部４４Ｂの各直線状溝部４４ｂから排
出され、残りの水は、直線状溝部４４ｂにおいて凝縮す
る。各直線状溝部４４ｂ内の空気流れは乱流状態とされ
ており、凝縮水がより径の小さい水滴に分割されやす
く、また凸部４６Ａ（４６Ｂ）との衝突によっても、よ
り径が小さい水滴に分割されやすい。水滴の径が小さく
なれば、直線状溝部４４ｂとの接触面積（表面張力）が
小さくなるため、凝縮水は空気流れに押し出され、効率
良く除去される。

【００３３】また、水素ガス用流路４６ｂに供給された
水素ガスのうち、酸素ガスと反応しなかった水素ガス
は、一旦燃料電池スタック４から排出されるが、この水
素ガスは、再び燃料電池スタック４に燃料として供給さ
れる。

【００３４】なお、水素ガス供給用溝部４４Ａや空気供
給用溝部４４Ｂに形成する凸部４６Ａ，４６Ｂの形状
は、図４および図５に示した形状には限定されず、種々
に変更可能である。すなわち、凸部としては、たとえば
角柱状や円柱状の形態のものの他、ドーム状や針状の形
態のものであってもよい。また、凹部により、各溝部４
４Ａ，４４Ｂのガス流れが乱流となるように構成しても
よい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の燃料電池が採用された燃料電池システ
ムの概略図である。

【図２】本発明の燃料電池により構成された燃料電池ス
タックの断面図である。

【図３】本発明の燃料電池の分解斜視図である。

【図４】図３の燃料電池の要部拡大断面図である。

【図５】図３の燃料電池を構成するプレートの要部拡大
斜視図である。

【図６】従来の燃料電池が採用された燃料電池システム
の概略図である。

【図７】従来の燃料電池により構成された燃料電池スタ
ックの断面図である。

【図８】従来の燃料電池の分解斜視図である。

【図９】図８に示した燃料電池の要部拡大断面図であ
る。

【符号の説明】

１燃料電池システム２水素ガス供給源３空気供給源４燃料電池スタック４０燃料電池４１正極部４１ａ集電体（正極部の）４１ｂ触媒層（正極部の）４２負極部４２ａ集電体（負極部の）４２ｂ触媒層（負極部の）４３電解部４４プレート４４Ａ水素ガス供給用溝部４４Ｂ空気（酸素ガス）供給用溝部４６Ａ凸部（水素ガス供給用溝部の）４６ａ傾斜面（水素ガス供給用溝部の凸部の）４６Ｂ凸部（空気供給用溝部の）４６ｂ傾斜面（空気供給用溝部の凸部の）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】水素ガスを水素イオンと電子に解離する
負極部と、水素イオン、電子および酸素ガスを反応させ
て水を生成する正極部と、上記負極部と上記正極部との
間に配置されるとともに水素イオンの移動を許容する電
解部と、上記負極部に隣接して配置され、かつ上記負極
部に水素ガスを供給するための水素ガス供給用溝部が一
面に設けられた第１のプレートと、上記正極部に隣接し
て配置され、かつ上記正極部に酸素ガスを供給するため
の酸素ガス供給用溝部が一面に設けられた第２のプレー
トと、を備えた燃料電池であって、上記酸素ガス供給用溝部および上記水素ガス供給用溝部
のうちの少なくとも一方の底面には、複数の凸部または
凹部が連続して形成されていることを特徴とする、燃料
電池。
【請求項２】上記凸部または凹部は、上記酸素ガス供
給用溝部または上記水素ガス供給用溝部に供給されたガ
ス流れの方向を、上記電解部側に変える傾斜面を有して
いる、請求項１に記載の燃料電池。