JP2001118588A - 固体高分子電解質型燃料電池 - Google Patents
固体高分子電解質型燃料電池Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】無加湿運転においてもセル特性の低下を引き起
こすことなく安定して運転できるものとする。 【解決手段】燃料ガス入口マニホールド１を通して導入
される燃料ガスと酸化剤ガス入口マニホールド４を通し
て導入される酸化剤ガスが互いに対向して流れるものに
おいて、冷却水入口マニホールド５より供給した冷却水
を下部のガス通流溝８を流したのち上部のガス通流溝８
を流し、最後に中央部に流して冷却水出口マニホールド
より排出する。これにより中央部の温度を、燃料ガス、
酸化剤ガスの入口部および出口部近傍の温度より高くす
る。
こすことなく安定して運転できるものとする。 【解決手段】燃料ガス入口マニホールド１を通して導入
される燃料ガスと酸化剤ガス入口マニホールド４を通し
て導入される酸化剤ガスが互いに対向して流れるものに
おいて、冷却水入口マニホールド５より供給した冷却水
を下部のガス通流溝８を流したのち上部のガス通流溝８
を流し、最後に中央部に流して冷却水出口マニホールド
より排出する。これにより中央部の温度を、燃料ガス、
酸化剤ガスの入口部および出口部近傍の温度より高くす
る。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、固体高分子電解質
型燃料電池、特に冷却水、および反応ガスの通流構造に
関する。
型燃料電池、特に冷却水、および反応ガスの通流構造に
関する。
【０００２】
【従来の技術】図７は、一般的な固体高分子電解質型燃
料電池の基本構成を示す分解斜視図である。プロトン導
電性のある電解質膜１２の両面に電極１３が形成された
膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly
）１４を中心にして、その両面の外側に拡散層１５を
配置し、さらにその外側に、拡散層１５に面して燃料ガ
スのガス通流路を備えたアノード側セパレータ１６と、
同じく拡散層１５に面して酸化剤ガスのガス通流路を備
えたカソード側セパレータ１７を配置してセルが構成さ
れている。なお、単一のセルのみでは得られる電圧が低
いので複数個のセルを積層して用いるのが通例である。
拡散層１５は、各セパレータのガス通流路に流される燃
料ガス、あるいは酸化剤ガスを膜電極接合体１４の電極
１３へと通過させるとともに、発電反応により得られる
電流を外部に伝える役割を果たす。アノード側セパレー
タ１６とカソード側セパレータ１７は電流を集電する役
割を果たすとともに、上述のごとく、拡散層１５に面し
て備えたガス通流路を介して燃料ガスあるいは酸化剤ガ
スを供給する役割を果たす。また、アノード側セパレー
タ１６とカソード側セパレータ１７のうちの少なくとも
一方のセパレータのガス通流路を備えた面の反対側の面
には冷却水通流路が備えられており、発電反応に伴う発
熱を除去し所定の温度に維持するために冷却水が通流さ
れる。
料電池の基本構成を示す分解斜視図である。プロトン導
電性のある電解質膜１２の両面に電極１３が形成された
膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly
）１４を中心にして、その両面の外側に拡散層１５を
配置し、さらにその外側に、拡散層１５に面して燃料ガ
スのガス通流路を備えたアノード側セパレータ１６と、
同じく拡散層１５に面して酸化剤ガスのガス通流路を備
えたカソード側セパレータ１７を配置してセルが構成さ
れている。なお、単一のセルのみでは得られる電圧が低
いので複数個のセルを積層して用いるのが通例である。
拡散層１５は、各セパレータのガス通流路に流される燃
料ガス、あるいは酸化剤ガスを膜電極接合体１４の電極
１３へと通過させるとともに、発電反応により得られる
電流を外部に伝える役割を果たす。アノード側セパレー
タ１６とカソード側セパレータ１７は電流を集電する役
割を果たすとともに、上述のごとく、拡散層１５に面し
て備えたガス通流路を介して燃料ガスあるいは酸化剤ガ
スを供給する役割を果たす。また、アノード側セパレー
タ１６とカソード側セパレータ１７のうちの少なくとも
一方のセパレータのガス通流路を備えた面の反対側の面
には冷却水通流路が備えられており、発電反応に伴う発
熱を除去し所定の温度に維持するために冷却水が通流さ
れる。
【０００３】なお、平板状のアノード側セパレータ１６
とカソード側セパレータ１７と電解質板１２の端部に設
けられた４個の貫通孔は、燃料ガスと酸化剤ガスの供給
用および排出用のマニホールドである。酸化剤ガス（こ
の場合、空気を使用）は、図に見られるごとく、一端に
配された酸化剤ガス入口マニホールド４よりカソード側
セパレータ１７のガス通流路へと導入され、図中の上方
より下方へと流れ、相対する一端に設けられた酸化剤ガ
ス出口マニホールド３へと達して排出される。一方、燃
料ガス（一般に、水素が使用される）は、燃料ガス入口
マニホールド１よりアノード側セパレータ１６の図示し
ないガス通流路へと導入され、図中の下方より上方へと
流れ、相対する一端に設けられた燃料ガス出口マニホー
ルド２より排出される。したがって、酸化剤ガスと燃料
ガスは各セパレータを対向流として流れる構成である。
また、アノード側セパレータ１６とカソード側セパレー
タ１７と電解質板１２の燃料ガス出口マニホールド２お
よび燃料ガス入口マニホールド１の近傍に設けられた貫
通孔は、冷却水の供給用および排出用のマニホールド
で、それぞれ冷却水入口マニホールド５、および冷却水
出口マニホールド６である。
とカソード側セパレータ１７と電解質板１２の端部に設
けられた４個の貫通孔は、燃料ガスと酸化剤ガスの供給
用および排出用のマニホールドである。酸化剤ガス（こ
の場合、空気を使用）は、図に見られるごとく、一端に
配された酸化剤ガス入口マニホールド４よりカソード側
セパレータ１７のガス通流路へと導入され、図中の上方
より下方へと流れ、相対する一端に設けられた酸化剤ガ
ス出口マニホールド３へと達して排出される。一方、燃
料ガス（一般に、水素が使用される）は、燃料ガス入口
マニホールド１よりアノード側セパレータ１６の図示し
ないガス通流路へと導入され、図中の下方より上方へと
流れ、相対する一端に設けられた燃料ガス出口マニホー
ルド２より排出される。したがって、酸化剤ガスと燃料
ガスは各セパレータを対向流として流れる構成である。
また、アノード側セパレータ１６とカソード側セパレー
タ１７と電解質板１２の燃料ガス出口マニホールド２お
よび燃料ガス入口マニホールド１の近傍に設けられた貫
通孔は、冷却水の供給用および排出用のマニホールド
で、それぞれ冷却水入口マニホールド５、および冷却水
出口マニホールド６である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】上記のごとき固体高分
子電解質型燃料電池においては、電極１３の触媒層にお
いて以下のごとき反応が生じることによって、電気の取
り出しが可能になる。
子電解質型燃料電池においては、電極１３の触媒層にお
いて以下のごとき反応が生じることによって、電気の取
り出しが可能になる。
【０００５】
【化１】 アノード極において： 2Ｈ → 2Ｈ+ ＋ 2ｅ- （１） カソード極において： (1/2)Ｏ2 ＋ 2Ｈ+ ＋ 2ｅ- → H2O （２） 式（２）に見られるように、上記の反応においてはカソ
ード極で水が生成するので、生成した水が電極や拡散層
の細孔に浸透する、いわゆる“電極の濡れ”が生じ、ガ
ス拡散性が低下してセル特性の低下を引き起こす恐れが
ある。
ード極で水が生成するので、生成した水が電極や拡散層
の細孔に浸透する、いわゆる“電極の濡れ”が生じ、ガ
ス拡散性が低下してセル特性の低下を引き起こす恐れが
ある。
【０００６】一方、固体高分子電解質型燃料電池におい
ては、高分子電解質膜のプロトン導電性が反応ガスの湿
度に著しく依存するので、反応ガスの湿度が低すぎる
と、高分子電解質膜が乾燥して膜抵抗が増大し、セル特
性の低下を引き起こすこととなる。このため、電極の湿
潤状態を適切に保持するために、反応ガスを加湿器等の
加湿手段により加湿して供給する方式が検討されてい
る。しかしながら、このように加湿器等の加湿手段を用
いることとすれば、固体高分子電解質型燃料電池が大型
化し、システムとしての発電効率が低下することとな
る。
ては、高分子電解質膜のプロトン導電性が反応ガスの湿
度に著しく依存するので、反応ガスの湿度が低すぎる
と、高分子電解質膜が乾燥して膜抵抗が増大し、セル特
性の低下を引き起こすこととなる。このため、電極の湿
潤状態を適切に保持するために、反応ガスを加湿器等の
加湿手段により加湿して供給する方式が検討されてい
る。しかしながら、このように加湿器等の加湿手段を用
いることとすれば、固体高分子電解質型燃料電池が大型
化し、システムとしての発電効率が低下することとな
る。
【０００７】このため、反応ガスを加湿しないで固体高
分子電解質型燃料電池を運転する無加湿運転が試みられ
ており、例えば高分子電解質膜を薄膜化する方法、ある
いはアノードとカソードに供給する反応ガスを互いに反
対方向に通流させる、いわゆる対向流とする方法等が試
みられている。
分子電解質型燃料電池を運転する無加湿運転が試みられ
ており、例えば高分子電解質膜を薄膜化する方法、ある
いはアノードとカソードに供給する反応ガスを互いに反
対方向に通流させる、いわゆる対向流とする方法等が試
みられている。
【０００８】本発明は、上記のごとき技術の現状を考慮
してなされたもので、その目的は、電池反応により生成
された水による電極の濡れが抑制され、かつ無加湿運転
においてもセル特性の低下を引き起こすことのない、発
電効率が高く小型化の可能な固体高分子電解質型燃料電
池を提供することにある。
してなされたもので、その目的は、電池反応により生成
された水による電極の濡れが抑制され、かつ無加湿運転
においてもセル特性の低下を引き起こすことのない、発
電効率が高く小型化の可能な固体高分子電解質型燃料電
池を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明においては、電解質膜の両面に高分子電解
質を含む触媒層と多孔質の拡散層からなる電極を配置し
て膜電極接合体を構成し、ガス通流路を備えたアノード
側セパレータとカソード側セパレータによって前記膜電
極接合体を挟持してセルを構成し、アノード側セパレー
タのガス通流路に加湿しない燃料ガスを、また、カソー
ド側セパレータのガス通流路に加湿しない酸化剤ガスを
互いに対向して通流し、運転する固体高分子電解質型燃
料電池において、（１）中央部の温度が、端部に設けら
れた燃料ガス、あるいは酸化剤ガスの入口部および出口
部の温度に比べて高くなるように、カソード側セパレー
タとアノード側セパレータのうち少なくともいずれか一
つのセパレータの背面に冷却水の通流路を形成すること
とし、（２）例えば、（１）の冷却水の通流路を、冷却
水が、端部に配された燃料ガス、あるいは酸化剤ガスの
入口部および出口部の近傍を通流したのち、セパレータ
の中央部を通流して排出されるように形成することとす
る。あるいは、冷却水が、端部に配された燃料ガス、あ
るいは酸化剤ガスの入口部および出口部の近傍のみを通
流して排出されるように形成することとする。
めに、本発明においては、電解質膜の両面に高分子電解
質を含む触媒層と多孔質の拡散層からなる電極を配置し
て膜電極接合体を構成し、ガス通流路を備えたアノード
側セパレータとカソード側セパレータによって前記膜電
極接合体を挟持してセルを構成し、アノード側セパレー
タのガス通流路に加湿しない燃料ガスを、また、カソー
ド側セパレータのガス通流路に加湿しない酸化剤ガスを
互いに対向して通流し、運転する固体高分子電解質型燃
料電池において、（１）中央部の温度が、端部に設けら
れた燃料ガス、あるいは酸化剤ガスの入口部および出口
部の温度に比べて高くなるように、カソード側セパレー
タとアノード側セパレータのうち少なくともいずれか一
つのセパレータの背面に冷却水の通流路を形成すること
とし、（２）例えば、（１）の冷却水の通流路を、冷却
水が、端部に配された燃料ガス、あるいは酸化剤ガスの
入口部および出口部の近傍を通流したのち、セパレータ
の中央部を通流して排出されるように形成することとす
る。あるいは、冷却水が、端部に配された燃料ガス、あ
るいは酸化剤ガスの入口部および出口部の近傍のみを通
流して排出されるように形成することとする。
【００１０】（３）または、それぞれのセパレータの燃
料ガスあるいは酸化剤ガスの中央部の流速が、端部に設
けられた燃料ガスあるいは酸化剤ガスの入口部および出
口部の近傍の流速に比べて速くなるようにガス通流路を
形成することとし、（４）例えば、（３）のガス通流路
を、それぞれのセパレータの燃料ガスあるいは酸化剤ガ
スの入口部および出口部の近傍のガス通流路を並列接続
された複数本の通流溝より構成し、その本数を同一流路
断面積を有する通流溝からなるセパレータの中央部のガ
ス通流路の通流溝の本数より多くすることとする。ある
いは、それぞれのセパレータの燃料ガスあるいは酸化剤
ガスのガス通流路を直列接続された複数本の通流溝より
構成し、燃料ガスあるいは酸化剤ガスの入口部および出
口部の近傍の通流溝の流路断面積に比べてセパレータの
中央部の通流溝の流路断面積を小さくすることとする。
料ガスあるいは酸化剤ガスの中央部の流速が、端部に設
けられた燃料ガスあるいは酸化剤ガスの入口部および出
口部の近傍の流速に比べて速くなるようにガス通流路を
形成することとし、（４）例えば、（３）のガス通流路
を、それぞれのセパレータの燃料ガスあるいは酸化剤ガ
スの入口部および出口部の近傍のガス通流路を並列接続
された複数本の通流溝より構成し、その本数を同一流路
断面積を有する通流溝からなるセパレータの中央部のガ
ス通流路の通流溝の本数より多くすることとする。ある
いは、それぞれのセパレータの燃料ガスあるいは酸化剤
ガスのガス通流路を直列接続された複数本の通流溝より
構成し、燃料ガスあるいは酸化剤ガスの入口部および出
口部の近傍の通流溝の流路断面積に比べてセパレータの
中央部の通流溝の流路断面積を小さくすることとする。
【００１１】固体高分子電解質型燃料電池の無加湿運転
においては、加湿して運転した場合に比較して著しく特
性が低下するのが一般的であり、加湿しないがために電
極が乾燥し、電解質膜の抵抗が高くなることが原因と考
えられてきた。
においては、加湿して運転した場合に比較して著しく特
性が低下するのが一般的であり、加湿しないがために電
極が乾燥し、電解質膜の抵抗が高くなることが原因と考
えられてきた。
【００１２】本発明者は、燃料ガスと酸化剤ガスを互い
に対向流として供給する方式の固体高分子電解質型燃料
電池を無加湿運転した場合に生じる電池特性の低下の原
因を調べるために、図８に示したごとく、電極面積が 1
0 cm2 の10個の小型のセルを電気的に並列に接続し、燃
料ガスと酸化剤ガスのガスの流れを直列に接続した電池
において、各セルの間のガス流の中に露点計を設置して
反応ガスの湿度を測定した。その結果によれば、反応ガ
スの湿度は、ガス入口部＜ガス出口部＜100 ％（飽和状
態）＜中央部となっており、無加湿運転であっても、中
央部においては電池反応が進行し、反応に伴う生成水に
よって濡れ状態となっていることがわかる。すなわち、
燃料ガスと酸化剤ガスを互いに対向流として供給する方
式の固体高分子電解質型燃料電池においては、無加湿運
転であっても中央部のセルが濡れ状態となり、特性が低
下する。したがって、実用に供される寸法のセルにおい
て、セパレータに備えられた均一流路に燃料ガスと酸化
剤ガスを互いに対向流として供給すれば、無加湿運転で
あっても中央部は濡れ状態となって特性が低下するもの
と考えられる したがって、固体高分子電解質型燃料電池を上記の
（１）のごとく、セパレータの中央部の温度が、端部に
設けられた燃料ガスあるいは酸化剤ガスの入口部および
出口部の温度に比べて高くなるように、少なくともいず
れか一方のセパレータの背面に冷却水の通流路を形成す
ることとし、例えば（２）のごとく形成すれば、温度が
上昇することによって飽和水蒸気量が高まるので中央部
の濡れ状態が緩和される。また、入口部および出口部に
おいては、温度の低下により飽和水蒸気量が低下し、乾
燥度が下がることとなる。
に対向流として供給する方式の固体高分子電解質型燃料
電池を無加湿運転した場合に生じる電池特性の低下の原
因を調べるために、図８に示したごとく、電極面積が 1
0 cm2 の10個の小型のセルを電気的に並列に接続し、燃
料ガスと酸化剤ガスのガスの流れを直列に接続した電池
において、各セルの間のガス流の中に露点計を設置して
反応ガスの湿度を測定した。その結果によれば、反応ガ
スの湿度は、ガス入口部＜ガス出口部＜100 ％（飽和状
態）＜中央部となっており、無加湿運転であっても、中
央部においては電池反応が進行し、反応に伴う生成水に
よって濡れ状態となっていることがわかる。すなわち、
燃料ガスと酸化剤ガスを互いに対向流として供給する方
式の固体高分子電解質型燃料電池においては、無加湿運
転であっても中央部のセルが濡れ状態となり、特性が低
下する。したがって、実用に供される寸法のセルにおい
て、セパレータに備えられた均一流路に燃料ガスと酸化
剤ガスを互いに対向流として供給すれば、無加湿運転で
あっても中央部は濡れ状態となって特性が低下するもの
と考えられる したがって、固体高分子電解質型燃料電池を上記の
（１）のごとく、セパレータの中央部の温度が、端部に
設けられた燃料ガスあるいは酸化剤ガスの入口部および
出口部の温度に比べて高くなるように、少なくともいず
れか一方のセパレータの背面に冷却水の通流路を形成す
ることとし、例えば（２）のごとく形成すれば、温度が
上昇することによって飽和水蒸気量が高まるので中央部
の濡れ状態が緩和される。また、入口部および出口部に
おいては、温度の低下により飽和水蒸気量が低下し、乾
燥度が下がることとなる。
【００１３】また、上記の（３）のごとく、それぞれの
セパレータの端部に設けられた燃料ガスあるいは酸化剤
ガスの入口部および出口部の近傍の流速に比べて、それ
ぞれのセパレータの中央部の流速が速くなるようにガス
通流路を形成することとし、例えば（４）のごとく形成
すれば、中央部の流速が速くなることによって、濡れ状
態の進行により生じる水滴がガスの流れとともに除去さ
れることとなるので、ガス通流路が付着した水滴によっ
て閉塞する危険性が回避され、反応ガスは所定の圧力損
失で均等に通流し、かつガスの拡散性が維持される。し
たがって、特性の低下が抑制され、安定して運転できる
こととなる。
セパレータの端部に設けられた燃料ガスあるいは酸化剤
ガスの入口部および出口部の近傍の流速に比べて、それ
ぞれのセパレータの中央部の流速が速くなるようにガス
通流路を形成することとし、例えば（４）のごとく形成
すれば、中央部の流速が速くなることによって、濡れ状
態の進行により生じる水滴がガスの流れとともに除去さ
れることとなるので、ガス通流路が付着した水滴によっ
て閉塞する危険性が回避され、反応ガスは所定の圧力損
失で均等に通流し、かつガスの拡散性が維持される。し
たがって、特性の低下が抑制され、安定して運転できる
こととなる。
【００１４】
【発明の実施の形態】＜実施例１＞図１は、本発明の固
体高分子電解質型燃料電池の第１の実施例に組み込まれ
たセパレータの冷却水通流路の構成を示す平面図で、ア
ノード側セパレータ１６Ａのガス通流路の裏面に備えら
れた冷却水通流路の形態を示すものである。
体高分子電解質型燃料電池の第１の実施例に組み込まれ
たセパレータの冷却水通流路の構成を示す平面図で、ア
ノード側セパレータ１６Ａのガス通流路の裏面に備えら
れた冷却水通流路の形態を示すものである。
【００１５】図において、１，２，３，４は、それぞ
れ、燃料ガス入口マニホールド、燃料ガス出口マニホー
ルド、酸化剤ガス出口マニホールド、酸化剤ガス入口マ
ニホールドであり、５，６は、冷却水入口マニホールド
および冷却水出口マニホールドである。燃料ガスは、燃
料ガス入口マニホールド１より導入され、背面に設けら
れた燃料ガスの通流路を上部から下部へと流れて燃料ガ
ス出口マニホールドより排出される。一方、酸化剤ガス
は、図５に示したごとく膜電極接合体１４および拡散層
１５を介してこのアノード側セパレータ１６Ａに相対し
て配置されたカソード側セパレータ１７のガス通流路へ
と酸化剤ガス入口マニホールド４より導入され、燃料ガ
スの流れに対向して、下部より上部へと流れて酸化剤ガ
ス出口マニホールド３より排出される。
れ、燃料ガス入口マニホールド、燃料ガス出口マニホー
ルド、酸化剤ガス出口マニホールド、酸化剤ガス入口マ
ニホールドであり、５，６は、冷却水入口マニホールド
および冷却水出口マニホールドである。燃料ガスは、燃
料ガス入口マニホールド１より導入され、背面に設けら
れた燃料ガスの通流路を上部から下部へと流れて燃料ガ
ス出口マニホールドより排出される。一方、酸化剤ガス
は、図５に示したごとく膜電極接合体１４および拡散層
１５を介してこのアノード側セパレータ１６Ａに相対し
て配置されたカソード側セパレータ１７のガス通流路へ
と酸化剤ガス入口マニホールド４より導入され、燃料ガ
スの流れに対向して、下部より上部へと流れて酸化剤ガ
ス出口マニホールド３より排出される。
【００１６】本実施例の特徴は冷却水通流路の構成にあ
り、冷却水が、端部の燃料ガスあるいは酸化剤ガスの入
口部および出口部の近傍を通流したのち、セパレータの
中央部を通流して排出されるように形成されている点に
ある。すなわち、本冷却水通流路の構成においては、図
１に見られるように、下部の冷却水入口マニホールド５
より導入された冷却水は、まず下部の燃料ガスの出口近
傍（同時に酸化剤ガスの入口近傍）のリブ９の間に形成
されたガス通流溝８の中を流れ、ついで上部の燃料ガス
の入口近傍（同時に酸化剤ガスの出口近傍）のガス通流
溝８の中を流れ、その後中央部を通流し、冷却水出口マ
ニホールド６より外部へ排出されるよう構成されてい
る。
り、冷却水が、端部の燃料ガスあるいは酸化剤ガスの入
口部および出口部の近傍を通流したのち、セパレータの
中央部を通流して排出されるように形成されている点に
ある。すなわち、本冷却水通流路の構成においては、図
１に見られるように、下部の冷却水入口マニホールド５
より導入された冷却水は、まず下部の燃料ガスの出口近
傍（同時に酸化剤ガスの入口近傍）のリブ９の間に形成
されたガス通流溝８の中を流れ、ついで上部の燃料ガス
の入口近傍（同時に酸化剤ガスの出口近傍）のガス通流
溝８の中を流れ、その後中央部を通流し、冷却水出口マ
ニホールド６より外部へ排出されるよう構成されてい
る。
【００１７】本構成では、未だ温度の低い冷却水が端部
の燃料ガスあるいは酸化剤ガスの入口部および出口部の
近傍を通流し、温度の上昇した冷却水がセパレータの中
央部を通流することとなるので、中央部の温度がガスの
入口部および出口部の温度に比べて高くなる。このよう
に温度が高くなると飽和水蒸気量が高まり結露が抑制さ
れる。したがって、対向流方式によって電池反応が活発
となる中央部での結露が抑制され、濡れ状態への移行が
緩和され、優れた電池特性が得られる。 ＜実施例２＞図２は、本発明の固体高分子電解質型燃料
電池の第２の実施例に組み込まれたセパレータの冷却水
通流路の構成を示す平面図で、アノード側セパレータ１
６Ｂのガス通流路の裏面に備えられた冷却水通流路の形
態を示すものである。
の燃料ガスあるいは酸化剤ガスの入口部および出口部の
近傍を通流し、温度の上昇した冷却水がセパレータの中
央部を通流することとなるので、中央部の温度がガスの
入口部および出口部の温度に比べて高くなる。このよう
に温度が高くなると飽和水蒸気量が高まり結露が抑制さ
れる。したがって、対向流方式によって電池反応が活発
となる中央部での結露が抑制され、濡れ状態への移行が
緩和され、優れた電池特性が得られる。 ＜実施例２＞図２は、本発明の固体高分子電解質型燃料
電池の第２の実施例に組み込まれたセパレータの冷却水
通流路の構成を示す平面図で、アノード側セパレータ１
６Ｂのガス通流路の裏面に備えられた冷却水通流路の形
態を示すものである。
【００１８】本実施例の構成は、冷却水をアノード側セ
パレータ１６Ｂの上部および下部にのみ流し、中央部は
伝熱により冷却させるとの考え方に基づくものである。
すなわち、下部の冷却水入口マニホールド５より導入さ
れた冷却水は、下部のガス通流溝８を流れたのち左右の
端部の流路を通して上部のガス通流溝８へと送られ、冷
却水出口マニホールド６より外部へと排出される。
パレータ１６Ｂの上部および下部にのみ流し、中央部は
伝熱により冷却させるとの考え方に基づくものである。
すなわち、下部の冷却水入口マニホールド５より導入さ
れた冷却水は、下部のガス通流溝８を流れたのち左右の
端部の流路を通して上部のガス通流溝８へと送られ、冷
却水出口マニホールド６より外部へと排出される。
【００１９】本構成においても、実施例１と同様に、中
央部の温度が高くなり、飽和水蒸気量が高まり結露が抑
制される。したがって、濡れ状態への移行が緩和され、
優れた電池特性が得られる。
央部の温度が高くなり、飽和水蒸気量が高まり結露が抑
制される。したがって、濡れ状態への移行が緩和され、
優れた電池特性が得られる。
【００２０】なお、実施例１および２は、セパレータの
中央部の温度が、端部に設けられた燃料ガスあるいは酸
化剤ガスの入口部および出口部の温度に比べて高くなる
ように構成する本発明の第１の方策を実現する実施例を
例示したものであり、本発明の構成はこれらの図示した
実施例に限定されるものではなく、セパレータの中央部
の温度が、端部に設けられた燃料ガスあるいは酸化剤ガ
スの入口部および出口部の温度に比べて高くなるように
構成されるものであればよい。 ＜実施例３＞図３は、本発明の固体高分子電解質型燃料
電池の第３の実施例に組み込まれたセパレータのガス通
流路の構成を示す平面図で、カソード側セパレータ１７
Ａの酸化剤ガス通流路の形態を例示したものである。本
図においても同一機能を備えた構成部品には同一符号が
付されている。
中央部の温度が、端部に設けられた燃料ガスあるいは酸
化剤ガスの入口部および出口部の温度に比べて高くなる
ように構成する本発明の第１の方策を実現する実施例を
例示したものであり、本発明の構成はこれらの図示した
実施例に限定されるものではなく、セパレータの中央部
の温度が、端部に設けられた燃料ガスあるいは酸化剤ガ
スの入口部および出口部の温度に比べて高くなるように
構成されるものであればよい。 ＜実施例３＞図３は、本発明の固体高分子電解質型燃料
電池の第３の実施例に組み込まれたセパレータのガス通
流路の構成を示す平面図で、カソード側セパレータ１７
Ａの酸化剤ガス通流路の形態を例示したものである。本
図においても同一機能を備えた構成部品には同一符号が
付されている。
【００２１】本実施例の特徴は、セパレータのガス通流
路を流れるガスの流速を、端部に比べて中央部が速くな
るように構成した点にある。すなわち、本構成において
は、図３に見られるように、燃料ガス入口マニホールド
１より導入された燃料ガスは、まず入口側に並列に配さ
れた４本のガス通流溝１０を流れた後、中央部に配され
た同一流路断面積を有する単一のガス通流溝１０を流
れ、ついで出口側に並列に配された４本のガス通流溝１
０を流れた後、燃料ガス出口マニホールド２より排出さ
れるように構成されている。したがって本構成では、入
口側および出口側に配された並列配置のガス通流溝１０
を流れる燃料ガスに比べて、中央部のガス通流溝１０を
流れる燃料ガスは４倍の速い流速を持つこととなる。こ
のようにガスの流速を速くすれば、濡れ状態の進行によ
り生じる水滴をガスの流れとともに除去することができ
るので、付着した水滴によるガス通流路の閉塞が回避さ
れる。
路を流れるガスの流速を、端部に比べて中央部が速くな
るように構成した点にある。すなわち、本構成において
は、図３に見られるように、燃料ガス入口マニホールド
１より導入された燃料ガスは、まず入口側に並列に配さ
れた４本のガス通流溝１０を流れた後、中央部に配され
た同一流路断面積を有する単一のガス通流溝１０を流
れ、ついで出口側に並列に配された４本のガス通流溝１
０を流れた後、燃料ガス出口マニホールド２より排出さ
れるように構成されている。したがって本構成では、入
口側および出口側に配された並列配置のガス通流溝１０
を流れる燃料ガスに比べて、中央部のガス通流溝１０を
流れる燃料ガスは４倍の速い流速を持つこととなる。こ
のようにガスの流速を速くすれば、濡れ状態の進行によ
り生じる水滴をガスの流れとともに除去することができ
るので、付着した水滴によるガス通流路の閉塞が回避さ
れる。
【００２２】なお、入口側ならびに出口側においてもガ
ス通流溝１０を単一として流速を上げることも可能であ
るが、全体としての圧力損失が増大し、所要設備の容量
を増大させる必要が生じるため、濡れ状態を生じる危険
性のある部分のみ流速を上げて、全体の圧力損失の増大
を抑えるよう配慮されている。 ＜実施例４＞図４は、本発明の固体高分子電解質型燃料
電池の第４の実施例に組み込まれたセパレータのガス通
流路の構成を示す平面図で、カソード側セパレータ１７
Ｂの酸化剤ガス通流路の形態を例示したものである。
ス通流溝１０を単一として流速を上げることも可能であ
るが、全体としての圧力損失が増大し、所要設備の容量
を増大させる必要が生じるため、濡れ状態を生じる危険
性のある部分のみ流速を上げて、全体の圧力損失の増大
を抑えるよう配慮されている。 ＜実施例４＞図４は、本発明の固体高分子電解質型燃料
電池の第４の実施例に組み込まれたセパレータのガス通
流路の構成を示す平面図で、カソード側セパレータ１７
Ｂの酸化剤ガス通流路の形態を例示したものである。
【００２３】本実施例も、実施例３と同様に、セパレー
タのガス通流路を流れる反応ガスの流速を、入口側や出
口側に比べて中央部が速くなるように構成したガス通流
路の構成例を示したもので、中央部に配したガス通流溝
１０の流路断面積を端部に比べて小さくしたものであ
る。したがって、本実施例の構成においては、流路断面
積に反比例して中央部のガス流速が大きくなることとな
り、濡れ状態の進行により生じる水滴をガスの流れとと
もに除去することができる。圧力損失の過大化を避ける
ために、濡れ状態の進行の恐れのない入口側や出口側で
は大きな流路断面積を持つよう構成されている。
タのガス通流路を流れる反応ガスの流速を、入口側や出
口側に比べて中央部が速くなるように構成したガス通流
路の構成例を示したもので、中央部に配したガス通流溝
１０の流路断面積を端部に比べて小さくしたものであ
る。したがって、本実施例の構成においては、流路断面
積に反比例して中央部のガス流速が大きくなることとな
り、濡れ状態の進行により生じる水滴をガスの流れとと
もに除去することができる。圧力損失の過大化を避ける
ために、濡れ状態の進行の恐れのない入口側や出口側で
は大きな流路断面積を持つよう構成されている。
【００２４】なお、実施例３および４は、セパレータの
ガス通流路を通流する反応ガスの流速を入口側や出口側
に比べて中央部が速くなるように構成して水滴を除去す
る本発明の第２の方策を実現する実施例を例示したもの
であり、本発明の構成はこれらの図示した実施例に限定
されるものではなく、セパレータのガス通流路を流れる
ガスの流速が入口側や出口側に比べて中央部が速くなる
ように構成されるものであればよい。
ガス通流路を通流する反応ガスの流速を入口側や出口側
に比べて中央部が速くなるように構成して水滴を除去す
る本発明の第２の方策を実現する実施例を例示したもの
であり、本発明の構成はこれらの図示した実施例に限定
されるものではなく、セパレータのガス通流路を流れる
ガスの流速が入口側や出口側に比べて中央部が速くなる
ように構成されるものであればよい。
【００２５】
【発明の効果】上記の実施例１において図１に示した形
態の冷却水通流路を備え、かつ実施例３に示した形態の
ガス通流路を備えるセパレータを用いて対向流方式のセ
ルを構成し、無加湿運転を行って電圧〜電流特性を測定
した結果を図６に示す。図において、Ａの白抜き円で示
した特性が上記構成のセルの特性であり、Ｂの黒円で示
した特性は、図７に見られるような均一構成の冷却水通
流路、ガス通流路を備えた従来のセパレータを用いたセ
ルの特性である。
態の冷却水通流路を備え、かつ実施例３に示した形態の
ガス通流路を備えるセパレータを用いて対向流方式のセ
ルを構成し、無加湿運転を行って電圧〜電流特性を測定
した結果を図６に示す。図において、Ａの白抜き円で示
した特性が上記構成のセルの特性であり、Ｂの黒円で示
した特性は、図７に見られるような均一構成の冷却水通
流路、ガス通流路を備えた従来のセパレータを用いたセ
ルの特性である。
【００２６】図に見られるように、従来のセパレータを
用いたセルの場合には、電流密度の増大とともに電圧の
急速な低下が見られたが、本発明に基づくセルでは高電
流密度まで良好な特性を有することが確認された。
用いたセルの場合には、電流密度の増大とともに電圧の
急速な低下が見られたが、本発明に基づくセルでは高電
流密度まで良好な特性を有することが確認された。
【図１】本発明の固体高分子電解質型燃料電池の第１の
実施例に組み込まれたセパレータの冷却水通流路の構成
を示す平面図
実施例に組み込まれたセパレータの冷却水通流路の構成
を示す平面図
【図２】本発明の固体高分子電解質型燃料電池の第２の
実施例に組み込まれたセパレータの冷却水通流路の構成
を示す平面図
実施例に組み込まれたセパレータの冷却水通流路の構成
を示す平面図
【図３】本発明の固体高分子電解質型燃料電池の第３の
実施例に組み込まれたセパレータのガス通流路の構成を
示す平面図
実施例に組み込まれたセパレータのガス通流路の構成を
示す平面図
【図４】本発明の固体高分子電解質型燃料電池の第４の
実施例に組み込まれたセパレータのガス通流路の構成を
示す平面図
実施例に組み込まれたセパレータのガス通流路の構成を
示す平面図
【図５】対向流方式としたセルを模式的に示す分解縦断
面図
面図
【図６】図１の構成のセパレータと図３の構成のセパレ
ータを組み込んだセルの特性を従来のセルの特性と比較
して示す特性図
ータを組み込んだセルの特性を従来のセルの特性と比較
して示す特性図
【図７】一般的な固体高分子電解質型燃料電池の基本構
成を示す分解斜視図
成を示す分解斜視図
【図８】10個の小型セルを用いて行った対向流方式の無
加湿運転における湿度分布測定試験の系統図
加湿運転における湿度分布測定試験の系統図
１ 燃料ガス入口マニホールド ２ 燃料ガス出口マニホールド ３ 酸化剤ガス出口マニホールド ４ 酸化剤ガス入口マニホールド ５ 冷却水入口マニホールド ６ 冷却水出口マニホールド ８ ガス通流溝 ９ リブ １０ 冷却水通流溝 １１ リブ １２ 電解質膜（固体高分子電解質膜） １３ 電極 １４ 膜電極接合体 １５ 拡散層 １６ アノード側セパレータ １６Ａ，１６Ｂ アノード側セパレータ １７ カソード側セパレータ １７Ａ，１７Ｂ カソード側セパレータ
Claims (6)
- 【請求項１】電解質膜の両面に高分子電解質を含む触媒
層と多孔質の拡散層からなる電極を配置して膜電極接合
体を構成し、ガス通流路を備えたアノード側セパレータ
とカソード側セパレータによって前記膜電極接合体を挟
持してセルを構成し、アノード側セパレータのガス通流
路に加湿しない燃料ガスを、また、カソード側セパレー
タのガス通流路に加湿しない酸化剤ガスを互いに対向し
て通流し、運転する固体高分子電解質型燃料電池におい
て、 中央部の温度が、端部に設けられた燃料ガスあるいは酸
化剤ガスの入口部および出口部の温度に比べて高くなる
ように、カソード側セパレータとアノード側セパレータ
のうち少なくともいずれか一つのセパレータの背面に冷
却水の通流路が形成されていることを特徴とする固体高
分子電解質型燃料電池。 - 【請求項２】冷却水が、端部に配された燃料ガスあるい
は酸化剤ガスの入口部および出口部の近傍を通流したの
ち、セパレータの中央部を通流して排出されるように、
前記の冷却水の通流路が形成されていることを特徴とす
る請求項１に記載の固体高分子電解質型燃料電池。 - 【請求項３】冷却水が、端部に配された燃料ガスあるい
は酸化剤ガスの入口部および出口部の近傍のみを通流し
て排出されるように、前記の冷却水の通流路が形成され
ていることを特徴とする請求項１に記載の固体高分子電
解質型燃料電池。 - 【請求項４】電解質膜の両面に高分子電解質を含む触媒
層と多孔質の拡散層からなる電極を配置して膜電極接合
体を構成し、ガス通流路を備えたアノード側セパレータ
とカソード側セパレータによって前記膜電極接合体を挟
持してセルを構成し、アノード側セパレータのガス通流
路に加湿しない燃料ガスを、また、カソード側セパレー
タのガス通流路に加湿しない酸化剤ガスを互いに対向し
て通流し、運転する固体高分子電解質型燃料電池におい
て、 それぞれのセパレータの燃料ガスあるいは酸化剤ガスの
中央部の流速が、それぞれのセパレータの端部に設けら
れた燃料ガスあるいは酸化剤ガスの入口部および出口部
の近傍の流速に比べて速くなるように、ガス通流路が形
成されていることを特徴とする固体高分子電解質型燃料
電池。 - 【請求項５】それぞれのセパレータの燃料ガスあるいは
酸化剤ガスの入口部および出口部の近傍のガス通流路
が、並列接続された複数本の通流溝より構成され、その
本数が同一流路断面積を有する通流溝からなるセパレー
タの中央部のガス通流路の通流溝の本数より多いことを
特徴とする請求項４に記載の固体高分子電解質型燃料電
池。 - 【請求項６】それぞれのセパレータの燃料ガスあるいは
酸化剤ガスのガス通流路が直列接続された複数本の通流
溝より構成され、燃料ガスあるいは酸化剤ガスの入口部
および出口部の近傍の通流溝の流路断面積に比べてセパ
レータの中央部の通流溝の流路断面積が小さいことを特
徴とする請求項４に記載の固体高分子電解質型燃料電
池。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP29341799A JP3780775B2 (ja) | 1999-10-15 | 1999-10-15 | 固体高分子電解質型燃料電池 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP29341799A JP3780775B2 (ja) | 1999-10-15 | 1999-10-15 | 固体高分子電解質型燃料電池 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001118588A true JP2001118588A (ja) | 2001-04-27 |
| JP3780775B2 JP3780775B2 (ja) | 2006-05-31 |
Family
ID=17794509
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP29341799A Expired - Fee Related JP3780775B2 (ja) | 1999-10-15 | 1999-10-15 | 固体高分子電解質型燃料電池 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3780775B2 (ja) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2004038840A1 (ja) * | 2002-10-28 | 2004-05-06 | Honda Motor Co., Ltd. | 燃料電池 |
| WO2005057697A2 (en) * | 2003-12-09 | 2005-06-23 | Nissan Motor Co., Ltd. | Fuel cell stack |
| JP2006156398A (ja) * | 2004-11-29 | 2006-06-15 | Samsung Sdi Co Ltd | バイポーラプレートおよび直接液体燃料電池スタック |
| WO2007148793A1 (ja) * | 2006-06-23 | 2007-12-27 | Ngk Spark Plug Co., Ltd. | 固体電解質形燃料電池スタック |
| JP2009059685A (ja) * | 2007-08-07 | 2009-03-19 | Honda Motor Co Ltd | 燃料電池 |
-
1999
- 1999-10-15 JP JP29341799A patent/JP3780775B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2004038840A1 (ja) * | 2002-10-28 | 2004-05-06 | Honda Motor Co., Ltd. | 燃料電池 |
| US7745062B2 (en) | 2002-10-28 | 2010-06-29 | Honda Motor Co., Ltd. | Fuel cell having coolant inlet and outlet buffers on a first and second side |
| WO2005057697A2 (en) * | 2003-12-09 | 2005-06-23 | Nissan Motor Co., Ltd. | Fuel cell stack |
| JP2005174648A (ja) * | 2003-12-09 | 2005-06-30 | Nissan Motor Co Ltd | 燃料電池 |
| WO2005057697A3 (en) * | 2003-12-09 | 2007-07-05 | Nissan Motor | Fuel cell stack |
| JP2006156398A (ja) * | 2004-11-29 | 2006-06-15 | Samsung Sdi Co Ltd | バイポーラプレートおよび直接液体燃料電池スタック |
| US8119306B2 (en) * | 2004-11-29 | 2012-02-21 | Samsung Sdi Co., Ltd. | Bipolar plate and direct liquid feed fuel cell stack |
| WO2007148793A1 (ja) * | 2006-06-23 | 2007-12-27 | Ngk Spark Plug Co., Ltd. | 固体電解質形燃料電池スタック |
| US8273493B2 (en) | 2006-06-23 | 2012-09-25 | Ngk Spark Plug Co., Ltd. | Solid electrolyte fuel cell stack |
| JP5107917B2 (ja) * | 2006-06-23 | 2012-12-26 | 日本特殊陶業株式会社 | 固体電解質形燃料電池スタック |
| JP2009059685A (ja) * | 2007-08-07 | 2009-03-19 | Honda Motor Co Ltd | 燃料電池 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3780775B2 (ja) | 2006-05-31 |
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