JP2002141077A - 固体高分子電解質型燃料電池及び燃料電池スタック - Google Patents
固体高分子電解質型燃料電池及び燃料電池スタックInfo
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- 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
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 電気化学反応によって発生する熱エネルギー
をも利用することで、エネルギーの利用効率の高い燃料
電池を提供すること。 【解決手段】 固体高分子電解質型燃料電池１は、固体
高分子電解質膜２と、固体高分子電解質膜２を挟持する
酸素電極３および燃料電極４と、酸素電極３の固体高分
子電解質膜２に面する側とは反対側面に接する酸素極側
フィールドプレート５と、燃料電極４の固体高分子電解
質膜２に面する側とは反対側面に接する燃料極側フィー
ルドプレート６と、酸素極側フィールドプレート５の酸
素電極３に面する側とは反対側面に接する熱電変換素子
７と、熱電変換素子７の酸素極側フィールドプレート５
に面する側とは反対側面に接する冷却剤用フィールドプ
レート８を有する。
をも利用することで、エネルギーの利用効率の高い燃料
電池を提供すること。 【解決手段】 固体高分子電解質型燃料電池１は、固体
高分子電解質膜２と、固体高分子電解質膜２を挟持する
酸素電極３および燃料電極４と、酸素電極３の固体高分
子電解質膜２に面する側とは反対側面に接する酸素極側
フィールドプレート５と、燃料電極４の固体高分子電解
質膜２に面する側とは反対側面に接する燃料極側フィー
ルドプレート６と、酸素極側フィールドプレート５の酸
素電極３に面する側とは反対側面に接する熱電変換素子
７と、熱電変換素子７の酸素極側フィールドプレート５
に面する側とは反対側面に接する冷却剤用フィールドプ
レート８を有する。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、熱電変換素子を内部に
有する固体高分子電解質型燃料電池及び同燃料電池をス
タック構造にした燃料電池スタックに関する。
有する固体高分子電解質型燃料電池及び同燃料電池をス
タック構造にした燃料電池スタックに関する。
【０００２】
【従来の技術】燃料電池は、水素と酸素から水を生成す
る電気化学反応によって発生する電気エネルギーと熱エ
ネルギーのうち、電気エネルギーを利用するものであ
り、固体高分子電解質型燃料電池（以下、「燃料電池」
という）とは、プロトン伝導性の固体高分子電解質膜
（以下、「プロトン伝導膜」という）を用いた燃料電池
である。プロトン伝導膜を挟んで負極（燃料極）及び正
極（酸素極又は空気極）の両電極を配置し、負極側に燃
料としての水素ガス等を供給し、正極側に空気又は酸素
を供給して電気化学反応を起こさせることにより、電力
を取り出すことができる。
る電気化学反応によって発生する電気エネルギーと熱エ
ネルギーのうち、電気エネルギーを利用するものであ
り、固体高分子電解質型燃料電池（以下、「燃料電池」
という）とは、プロトン伝導性の固体高分子電解質膜
（以下、「プロトン伝導膜」という）を用いた燃料電池
である。プロトン伝導膜を挟んで負極（燃料極）及び正
極（酸素極又は空気極）の両電極を配置し、負極側に燃
料としての水素ガス等を供給し、正極側に空気又は酸素
を供給して電気化学反応を起こさせることにより、電力
を取り出すことができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかし、燃料電池で
は、供給した燃料は電気エネルギーに変換されるだけで
なく、一部は熱エネルギーにも変換され、電気化学反応
に伴い負極が発熱するという現象を伴う。従来の燃料電
池では、この熱エネルギーを積極的に利用しようとする
試みはなく、エネルギーの利用効率に限界があった。
は、供給した燃料は電気エネルギーに変換されるだけで
なく、一部は熱エネルギーにも変換され、電気化学反応
に伴い負極が発熱するという現象を伴う。従来の燃料電
池では、この熱エネルギーを積極的に利用しようとする
試みはなく、エネルギーの利用効率に限界があった。
【０００４】そこで、本発明は、電気化学反応によって
発生するエネルギーのうち、従来利用に供されていなか
った熱エネルギーの積極的利用を図り、エネルギーの利
用効率を高めた燃料電池の提供を目的とする。
発生するエネルギーのうち、従来利用に供されていなか
った熱エネルギーの積極的利用を図り、エネルギーの利
用効率を高めた燃料電池の提供を目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、プロトン伝導性の固体高分子電解質膜
と、該固体高分子電解質膜を挟持する燃料電極及び酸素
電極と、該燃料電極の固体高分子電解質膜挟持面とは反
対側面に配され、該燃料電極に燃料ガスを供給するため
のガス流路が形成された燃料極側フィールドプレート
と、該酸素電極の固体高分子電解質膜挟持面とは反対側
面に配され、該酸素電極に酸素ガスを供給するためのガ
ス流路が形成された酸素極側フィールドプレートとから
なる固体高分子電解質型燃料電池において、該燃料極側
フィールドプレートと該酸素極側フィールドプレートの
いずれか一方に結合し、該酸素電極から取り出される熱
エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電変換素子を
備えた固体高分子電解質型燃料電池を提供する。
に、本発明は、プロトン伝導性の固体高分子電解質膜
と、該固体高分子電解質膜を挟持する燃料電極及び酸素
電極と、該燃料電極の固体高分子電解質膜挟持面とは反
対側面に配され、該燃料電極に燃料ガスを供給するため
のガス流路が形成された燃料極側フィールドプレート
と、該酸素電極の固体高分子電解質膜挟持面とは反対側
面に配され、該酸素電極に酸素ガスを供給するためのガ
ス流路が形成された酸素極側フィールドプレートとから
なる固体高分子電解質型燃料電池において、該燃料極側
フィールドプレートと該酸素極側フィールドプレートの
いずれか一方に結合し、該酸素電極から取り出される熱
エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電変換素子を
備えた固体高分子電解質型燃料電池を提供する。
【０００６】また、このような構成の燃料電池を発電セ
ルとして、複数の発電セルを断熱層を介在させて積層さ
せた構造の燃料電池スタックとしてもよい。
ルとして、複数の発電セルを断熱層を介在させて積層さ
せた構造の燃料電池スタックとしてもよい。
【０００７】かかる構成の固体高分子電解質型燃料電池
あるいは燃料電池スタックにおいては、燃料極側フィー
ルドプレートを介して燃料電極に水素ガス等の燃料ガス
が供給される。燃料電極では、燃料ガス中の水素がイオ
ン化し、電子とプロトン（Ｈ ＋）が生ずる。電子は燃料
電極に放出され、プロトンは固体高分子電解質膜を通り
酸素電極に供給される。
あるいは燃料電池スタックにおいては、燃料極側フィー
ルドプレートを介して燃料電極に水素ガス等の燃料ガス
が供給される。燃料電極では、燃料ガス中の水素がイオ
ン化し、電子とプロトン（Ｈ ＋）が生ずる。電子は燃料
電極に放出され、プロトンは固体高分子電解質膜を通り
酸素電極に供給される。
【０００８】燃料極側フィールドプレートと酸素極側フ
ィールドプレートの間には負荷が接続されており、燃料
電極に放出された電子はこの負荷を通って酸素電極に流
れ込む。
ィールドプレートの間には負荷が接続されており、燃料
電極に放出された電子はこの負荷を通って酸素電極に流
れ込む。
【０００９】酸素電極では、この電子と、固体高分子電
解質膜を通って供給されたプロトンと、更には酸素極側
フィールドプレートを介して供給された酸素ガスが電気
化学反応を起こし、水を生成すると共に酸素電極の温度
上昇をもたらす。酸素電極の温度上昇に伴い、酸素極側
フィールドプレートと燃料極側フィールドプレートの温
度も上昇する。熱電変換素子は、一方の面が酸素極側フ
ィールドプレートと燃料極側フィールドプレートのいず
れか一方に結合されて高温となっており、他方の面の温
度は低く保たれている。その結果、熱電変換素子の高温
側と低温側の温度差ΔＴと熱電変換素子のゼーベック係
数αによって、α×ΔＴの起電力が発生する。こうし
て、水素と酸素の電気化学反応により発生する電気エネ
ルギーを負荷に供給して利用するのみならず、当該電気
化学反応に伴い発生する熱エネルギーも別系統の電気エ
ネルギーとして利用することができる。
解質膜を通って供給されたプロトンと、更には酸素極側
フィールドプレートを介して供給された酸素ガスが電気
化学反応を起こし、水を生成すると共に酸素電極の温度
上昇をもたらす。酸素電極の温度上昇に伴い、酸素極側
フィールドプレートと燃料極側フィールドプレートの温
度も上昇する。熱電変換素子は、一方の面が酸素極側フ
ィールドプレートと燃料極側フィールドプレートのいず
れか一方に結合されて高温となっており、他方の面の温
度は低く保たれている。その結果、熱電変換素子の高温
側と低温側の温度差ΔＴと熱電変換素子のゼーベック係
数αによって、α×ΔＴの起電力が発生する。こうし
て、水素と酸素の電気化学反応により発生する電気エネ
ルギーを負荷に供給して利用するのみならず、当該電気
化学反応に伴い発生する熱エネルギーも別系統の電気エ
ネルギーとして利用することができる。
【００１０】冷却剤を供給するためのガス流路が形成さ
れた冷却用フィールドプレートを該熱電変換素子に結合
するようにしてもよい。本発明はまた、このような冷却
用フィールドプレートを備えた構成の燃料電池を発電セ
ルとして、複数の発電セルを断熱層を介在させて積層さ
せた構造の燃料電池スタックを提供する。
れた冷却用フィールドプレートを該熱電変換素子に結合
するようにしてもよい。本発明はまた、このような冷却
用フィールドプレートを備えた構成の燃料電池を発電セ
ルとして、複数の発電セルを断熱層を介在させて積層さ
せた構造の燃料電池スタックを提供する。
【００１１】このような燃料電池あるいは燃料電池スタ
ックによれば、熱電変換素子の低温側の温度が低く保た
れ、効率のよい熱電変換を行うことができる。
ックによれば、熱電変換素子の低温側の温度が低く保た
れ、効率のよい熱電変換を行うことができる。
【００１２】ここで、冷却剤としては空気または水を用
いるのが好ましい。本発明はまた、冷却剤としては空気
または水を用いた冷却用フィールドプレートを備えた構
成の燃料電池を発電セルとして、複数の発電セルを断熱
層を介在させて積層させた構造の燃料電池スタックを提
供する。
いるのが好ましい。本発明はまた、冷却剤としては空気
または水を用いた冷却用フィールドプレートを備えた構
成の燃料電池を発電セルとして、複数の発電セルを断熱
層を介在させて積層させた構造の燃料電池スタックを提
供する。
【００１３】このような燃料電池あるいは燃料電池スタ
ックによれば、冷却剤の調達が容易であり、コストを低
く抑えることができる。
ックによれば、冷却剤の調達が容易であり、コストを低
く抑えることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】本発明の実施の形態による燃料電
池について図１及び図２に基づき説明する。
池について図１及び図２に基づき説明する。
【００１５】図１に示すように、本実施の形態に係わる
燃料電池１は、プロトン伝導膜２と、プロトン伝導膜２
を挟持する酸素電極３及び燃料電極４と、酸素電極３と
燃料電極４の外側にそれぞれ配置された酸素極側フィー
ルドプレート５及び燃料極側フィールドプレート６と、
酸素極側フィールドプレート５の酸素電極３に面する側
とは反対側面に接する熱電変換素子７と、熱電変換素子
７の酸素極側フィールドプレート５に面する側とは反対
側面に接する冷却剤用フィールドプレート８とから構成
されている。かかる構成の燃料電池のうち、熱電変換素
子７と冷却剤用フィールドプレート８を除いた部分は従
来の燃料電池と同じ構成であり、本実施の形態の特徴
は、従来の燃料電池に熱電変換素子７と冷却剤用フィー
ルドプレート８を付加した点にある。図示しないが、使
用時には負荷が酸素極側フィールドプレート５と燃料極
側フィールドプレート６の間に接続される。
燃料電池１は、プロトン伝導膜２と、プロトン伝導膜２
を挟持する酸素電極３及び燃料電極４と、酸素電極３と
燃料電極４の外側にそれぞれ配置された酸素極側フィー
ルドプレート５及び燃料極側フィールドプレート６と、
酸素極側フィールドプレート５の酸素電極３に面する側
とは反対側面に接する熱電変換素子７と、熱電変換素子
７の酸素極側フィールドプレート５に面する側とは反対
側面に接する冷却剤用フィールドプレート８とから構成
されている。かかる構成の燃料電池のうち、熱電変換素
子７と冷却剤用フィールドプレート８を除いた部分は従
来の燃料電池と同じ構成であり、本実施の形態の特徴
は、従来の燃料電池に熱電変換素子７と冷却剤用フィー
ルドプレート８を付加した点にある。図示しないが、使
用時には負荷が酸素極側フィールドプレート５と燃料極
側フィールドプレート６の間に接続される。
【００１６】本実施の形態では、プロトン伝導膜２とし
ては、ポリ水酸化フラーレン（通称、フラレノール）で
できた膜を用いている。ポリ水酸化フラーレンにより形
成した膜は、パーフルオロスルホン酸樹脂により形成さ
れたものに比べて成膜性等に優れており、またプロトン
（Ｈ＋）の伝導に水分子の介在を必要としないため、加
湿器等が不要であり、更に、動作温度領域が−４０℃〜
１６０℃と広い等の利点がある。
ては、ポリ水酸化フラーレン（通称、フラレノール）で
できた膜を用いている。ポリ水酸化フラーレンにより形
成した膜は、パーフルオロスルホン酸樹脂により形成さ
れたものに比べて成膜性等に優れており、またプロトン
（Ｈ＋）の伝導に水分子の介在を必要としないため、加
湿器等が不要であり、更に、動作温度領域が−４０℃〜
１６０℃と広い等の利点がある。
【００１７】酸素極側フィールドプレート５の酸素電極
３に接触する面側には、酸素電極３に酸素ガス（空気）
を供給するためのガス流路が、同じく燃料極側フィール
ドプレート６の燃料電極４に接触する面側には、燃料電
極４に燃料ガスたる水素を供給するためのガス流路が形
成されている。冷却剤用フィールドプレート８の熱電変
換素子７に接触する面側にも、熱電変換素子７を冷却す
るための冷却剤を供給するための流路が形成される。冷
却剤としては、水や空気などを用いる。
３に接触する面側には、酸素電極３に酸素ガス（空気）
を供給するためのガス流路が、同じく燃料極側フィール
ドプレート６の燃料電極４に接触する面側には、燃料電
極４に燃料ガスたる水素を供給するためのガス流路が形
成されている。冷却剤用フィールドプレート８の熱電変
換素子７に接触する面側にも、熱電変換素子７を冷却す
るための冷却剤を供給するための流路が形成される。冷
却剤としては、水や空気などを用いる。
【００１８】熱電変換素子７の詳細な構成を図２に示
す。図２は、図１に示した燃料電池を紙面に対して垂直
に切断したときの断面図である。図示の通り、熱電変換
素子７は、断面がＬ字形状のｐ型半導体７Ａと、同じく
断面がＬ字形状のｎ型半導体７Ｂとを有し、それぞれの
Ｌ字形状脚部を当接させて構成したものである。ｐ型半
導体７Ａとｎ型半導体７Ｂの番部には、それぞれ端子７
Ｃと端子７Ｄが接合されている。ｐ型半導体７Ａとｎ型
半導体７Ｂとが接合された側の面は酸素極側フィールド
プレート５に接している。また、端子７Ｃと端子７Ｄは
共に冷却剤用フィールドプレート８に接している。
す。図２は、図１に示した燃料電池を紙面に対して垂直
に切断したときの断面図である。図示の通り、熱電変換
素子７は、断面がＬ字形状のｐ型半導体７Ａと、同じく
断面がＬ字形状のｎ型半導体７Ｂとを有し、それぞれの
Ｌ字形状脚部を当接させて構成したものである。ｐ型半
導体７Ａとｎ型半導体７Ｂの番部には、それぞれ端子７
Ｃと端子７Ｄが接合されている。ｐ型半導体７Ａとｎ型
半導体７Ｂとが接合された側の面は酸素極側フィールド
プレート５に接している。また、端子７Ｃと端子７Ｄは
共に冷却剤用フィールドプレート８に接している。
【００１９】本実施の形態では、ｐ型半導体７Ａの材料
としてＢｉ２Ｔｅ３系のＢｉ２Ｔｅ ３５５％・Ｓｂ２Ｔ
ｅ２４５％からなる素材を用い、ｎ型半導体７Ｂの材料
としてＢｉ２Ｔｅ３系のＢｉ８０Ｓｂ１２を用いた。こ
の他にも、ｐ型半導体の材料としてスクッテルダイト系
のＣｏＡｓ３、ＣｏＳｂ３、ＩｒＳｂ３等の熱電変換材
料が好適であり、ｎ型半導体の材料としてＢｅ２Ｔｅ３
系のＢｉ２Ｔｅ３８０％・Ｓｂ２Ｔｅ３２０％の熱電変
換材料が好適である。また、ＳｎＯ２、ＲｅＯ ３、Ｍｇ
Ｉｎ２Ｏ４等の酸化系の熱電変換材料は、ドーパントを
変えることによりｐ型半導体、ｎ型半導体のどちらの材
料としても使用できる。
としてＢｉ２Ｔｅ３系のＢｉ２Ｔｅ ３５５％・Ｓｂ２Ｔ
ｅ２４５％からなる素材を用い、ｎ型半導体７Ｂの材料
としてＢｉ２Ｔｅ３系のＢｉ８０Ｓｂ１２を用いた。こ
の他にも、ｐ型半導体の材料としてスクッテルダイト系
のＣｏＡｓ３、ＣｏＳｂ３、ＩｒＳｂ３等の熱電変換材
料が好適であり、ｎ型半導体の材料としてＢｅ２Ｔｅ３
系のＢｉ２Ｔｅ３８０％・Ｓｂ２Ｔｅ３２０％の熱電変
換材料が好適である。また、ＳｎＯ２、ＲｅＯ ３、Ｍｇ
Ｉｎ２Ｏ４等の酸化系の熱電変換材料は、ドーパントを
変えることによりｐ型半導体、ｎ型半導体のどちらの材
料としても使用できる。
【００２０】次に、本実施の形態の燃料電池１の動作に
ついて説明する。
ついて説明する。
【００２１】まず、酸素極側フィールドプレート５を介
して酸素電極３に酸素ガスが供給され、燃料極側フィー
ルドプレート６を介して燃料電極４に水素ガスが供給さ
れる。 燃料電極４に水素ガスが供給されると、燃料電
極４に含まれる触媒の作用で水素がイオン化され、燃料
電極４に電子が放出されるとともに、プロトンがプロト
ン伝導膜２を介して酸素電極３に供給される。
して酸素電極３に酸素ガスが供給され、燃料極側フィー
ルドプレート６を介して燃料電極４に水素ガスが供給さ
れる。 燃料電極４に水素ガスが供給されると、燃料電
極４に含まれる触媒の作用で水素がイオン化され、燃料
電極４に電子が放出されるとともに、プロトンがプロト
ン伝導膜２を介して酸素電極３に供給される。
【００２２】酸素電極３においては、プロトンと酸素、
更には燃料電極４から燃料極側フィールドプレート６と
負荷を介して到達した電子が発熱を伴う電気化学反応を
起こす。このような電気化学反応に伴い、負荷には電流
が流れ、負荷において電気エネルギーが消費される。一
方、この電気化学反応の際に、酸素電極３が発熱し、そ
の熱が酸素極側フィールドプレート５に伝達されて酸素
極側フィールドプレート５の温度が上昇する。これによ
り、熱電変換素子７の酸素極側フィールドプレート５に
接する面に位置するｐ型半導体７Ａとｎ型半導体７Ｂの
接合面における温度が上昇する。
更には燃料電極４から燃料極側フィールドプレート６と
負荷を介して到達した電子が発熱を伴う電気化学反応を
起こす。このような電気化学反応に伴い、負荷には電流
が流れ、負荷において電気エネルギーが消費される。一
方、この電気化学反応の際に、酸素電極３が発熱し、そ
の熱が酸素極側フィールドプレート５に伝達されて酸素
極側フィールドプレート５の温度が上昇する。これによ
り、熱電変換素子７の酸素極側フィールドプレート５に
接する面に位置するｐ型半導体７Ａとｎ型半導体７Ｂの
接合面における温度が上昇する。
【００２３】熱電変換素子７の冷却剤用フィールドプレ
ート８に接する端子７Ｃ及び端子７Ｄは、冷却剤用フィ
ールドプレート８により供給される冷却剤により冷却さ
れ、温度は低く保たれている。その結果、熱電変換素子
７は、酸素極側フィールドプレート５との接触面が高温
側となり、冷却剤用フィールドプレート８により冷却さ
れている面が低温側となって、高温側と低温側の温度差
ΔＴと熱電変換素子７のゼーベック係数αによって、α
×ΔＴの起電力が発生する。
ート８に接する端子７Ｃ及び端子７Ｄは、冷却剤用フィ
ールドプレート８により供給される冷却剤により冷却さ
れ、温度は低く保たれている。その結果、熱電変換素子
７は、酸素極側フィールドプレート５との接触面が高温
側となり、冷却剤用フィールドプレート８により冷却さ
れている面が低温側となって、高温側と低温側の温度差
ΔＴと熱電変換素子７のゼーベック係数αによって、α
×ΔＴの起電力が発生する。
【００２４】このようにして熱電変換素子７により得ら
れる起電力は、酸素極側フィールドプレート５と冷却剤
用フィールドプレート８の間の温度差を１００℃程度と
すると、ｐ型半導体７ＡとしてＢｉ２Ｔｅ３やＳｂ２Ｔ
ｅ３を用い、ｎ型半導体７ＢとしてＢｉ２Ｔｅ３やＢｉ
２Ｓｅ３を用いた場合で、２０ｍＶ乃至６０ｍＶ程度で
ある。
れる起電力は、酸素極側フィールドプレート５と冷却剤
用フィールドプレート８の間の温度差を１００℃程度と
すると、ｐ型半導体７ＡとしてＢｉ２Ｔｅ３やＳｂ２Ｔ
ｅ３を用い、ｎ型半導体７ＢとしてＢｉ２Ｔｅ３やＢｉ
２Ｓｅ３を用いた場合で、２０ｍＶ乃至６０ｍＶ程度で
ある。
【００２５】熱電変換素子７において生じる起電力は、
システムの状態をモニター表示させるモニター表示用電
源として用いたり、ＬＥＤを駆動するための電源として
用いることができる。
システムの状態をモニター表示させるモニター表示用電
源として用いたり、ＬＥＤを駆動するための電源として
用いることができる。
【００２６】次に、本発明の実施の形態による燃料電池
スタックについて図３に基づき説明する。
スタックについて図３に基づき説明する。
【００２７】本実施の形態の燃料電池スタック１０は、
図１に示した燃料電池を発電セルとして用い、この発電
セルをスタック構造にしたものである。即ち、発電セル
１の冷却剤用フィールドプレート８の熱電変換素子７に
面する側とは反対側面に断熱層９を配し、さらに断熱層
９の反対側面に別の発電セル１を配した構成となってい
る。２つの発電セル１の間に断熱層９を設けたのは、一
方の発電セル１の酸素電極３にて発生した熱が、他方の
発電セル１の冷却剤用フィールドプレート８へと伝導
し、該他方の発電セル１の冷却剤用フィールドプレート
８と酸素極側フィールドプレート５との間の温度差が小
さくなってしまうのを防止するためである。
図１に示した燃料電池を発電セルとして用い、この発電
セルをスタック構造にしたものである。即ち、発電セル
１の冷却剤用フィールドプレート８の熱電変換素子７に
面する側とは反対側面に断熱層９を配し、さらに断熱層
９の反対側面に別の発電セル１を配した構成となってい
る。２つの発電セル１の間に断熱層９を設けたのは、一
方の発電セル１の酸素電極３にて発生した熱が、他方の
発電セル１の冷却剤用フィールドプレート８へと伝導
し、該他方の発電セル１の冷却剤用フィールドプレート
８と酸素極側フィールドプレート５との間の温度差が小
さくなってしまうのを防止するためである。
【００２８】本発明による燃料電池や燃料電池スタック
は上述した実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に
記載した範囲で種々の変形や改良が可能である。
は上述した実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に
記載した範囲で種々の変形や改良が可能である。
【００２９】例えば、上記実施の形態の燃料電池では、
熱電変換素子を酸素極側フィールドプレートの酸素電極
に面する側とは反対側面に設けたが、燃料極側フィール
ドプレートの燃料電極に面する側とは反対側面に設けて
もよい。酸素電極で発生した熱が燃料電極にも伝達し、
燃料電極もある程度温度上昇があるからである。ただ
し、プロトンと酸素の電気化学反応が起こるのは酸素電
極側であり、酸素極側フィールドプレートの方が燃料極
側フィールドプレートよりも温度が高いため、上記実施
の形態のように、酸素極側フィールドプレート側に熱電
変換素子を設けた方が、効率よく廃熱を利用することが
できるのは言うまでもない。
熱電変換素子を酸素極側フィールドプレートの酸素電極
に面する側とは反対側面に設けたが、燃料極側フィール
ドプレートの燃料電極に面する側とは反対側面に設けて
もよい。酸素電極で発生した熱が燃料電極にも伝達し、
燃料電極もある程度温度上昇があるからである。ただ
し、プロトンと酸素の電気化学反応が起こるのは酸素電
極側であり、酸素極側フィールドプレートの方が燃料極
側フィールドプレートよりも温度が高いため、上記実施
の形態のように、酸素極側フィールドプレート側に熱電
変換素子を設けた方が、効率よく廃熱を利用することが
できるのは言うまでもない。
【００３０】また、上記実施の形態の燃料電池では熱電
変換素子の高温側と低温側の温度差を高く保つために冷
却用フィールドプレートを配置したが、冷却用フィール
ドプレートを用いず、熱電変換素子の低温側を室温に保
つようにしてもよい。
変換素子の高温側と低温側の温度差を高く保つために冷
却用フィールドプレートを配置したが、冷却用フィール
ドプレートを用いず、熱電変換素子の低温側を室温に保
つようにしてもよい。
【００３１】また、上記実施の形態の燃料電池では、ポ
リ水酸化フラーレンで形成した膜を、無加湿状態でプロ
トン伝導可能なプロトン伝導膜として用いたが、本発明
はこれに限定されるものではない。ポリ水酸化フラーレ
ンは、図４に示したようなフラーレン分子を母体とし、
その構成炭素原子に水酸基を導入したものであるが、母
体としてはフラーレン分子に限らず炭素を主成分とする
炭素質材料であればよい。この炭素質材料には、炭素原
子が、炭素−炭素間結合の種類を問わず、数個から数百
個結合して形成されている集合体である炭素クラスター
や、チューブ状炭素質（通称カーボンナノチューブ）が
含まれていてよい。前者の炭素クラスターには、炭素原
子が多数個集合してなる、球体又は長球、又はこれらに
類似する閉じた面構造を有する種々の炭素クラスター
（図５）や、それらの球構造の一部が欠損し、構造中に
開放端を有する炭素クラスター（図６）、大部分の炭素
原子がＳＰ３結合したダイヤモンド構造を持つ炭素クラ
スター（図７）、さらにはこれらのクラスターどうしが
種々に結合した炭素クラスター（図８）が含まれていて
よい。
リ水酸化フラーレンで形成した膜を、無加湿状態でプロ
トン伝導可能なプロトン伝導膜として用いたが、本発明
はこれに限定されるものではない。ポリ水酸化フラーレ
ンは、図４に示したようなフラーレン分子を母体とし、
その構成炭素原子に水酸基を導入したものであるが、母
体としてはフラーレン分子に限らず炭素を主成分とする
炭素質材料であればよい。この炭素質材料には、炭素原
子が、炭素−炭素間結合の種類を問わず、数個から数百
個結合して形成されている集合体である炭素クラスター
や、チューブ状炭素質（通称カーボンナノチューブ）が
含まれていてよい。前者の炭素クラスターには、炭素原
子が多数個集合してなる、球体又は長球、又はこれらに
類似する閉じた面構造を有する種々の炭素クラスター
（図５）や、それらの球構造の一部が欠損し、構造中に
開放端を有する炭素クラスター（図６）、大部分の炭素
原子がＳＰ３結合したダイヤモンド構造を持つ炭素クラ
スター（図７）、さらにはこれらのクラスターどうしが
種々に結合した炭素クラスター（図８）が含まれていて
よい。
【００３２】またこの種の母体に導入する基としては水
酸基に限らず、−ＸＨ、より好ましくは−ＹＯＨで表さ
れるプロトン解離性の基であればよい。ここで、Ｘ及び
Ｙは２価の結合手を有する任意の原子若しくは原子団で
あり、Ｈは水素原子、Ｏは酸素原子である。具体的に
は、前記−ＯＨ以外に、硫酸水素エステル基−ＯＳＯ３
Ｈ、カルボキシル基−ＣＯＯＨ、他に−ＳＯ３Ｈ、−Ｏ
ＰＯ（ＯＨ）２のいずれかであることが好ましい。
酸基に限らず、−ＸＨ、より好ましくは−ＹＯＨで表さ
れるプロトン解離性の基であればよい。ここで、Ｘ及び
Ｙは２価の結合手を有する任意の原子若しくは原子団で
あり、Ｈは水素原子、Ｏは酸素原子である。具体的に
は、前記−ＯＨ以外に、硫酸水素エステル基−ＯＳＯ３
Ｈ、カルボキシル基−ＣＯＯＨ、他に−ＳＯ３Ｈ、−Ｏ
ＰＯ（ＯＨ）２のいずれかであることが好ましい。
【００３３】上記のいずれの変形例によっても、プロト
ンの伝導に加湿が不要であり、本発明における効果には
変わりはない。
ンの伝導に加湿が不要であり、本発明における効果には
変わりはない。
【００３４】また、上記実施の形態の２つの発電セルか
らなる燃料電池スタックを実施の形態として示したが、
スタック構造にする発電セルの数は２つに限らず、３つ
以上であってもよい。この場合、各発電セルの間にはそ
れぞれ断熱層を設けるのが好ましい。
らなる燃料電池スタックを実施の形態として示したが、
スタック構造にする発電セルの数は２つに限らず、３つ
以上であってもよい。この場合、各発電セルの間にはそ
れぞれ断熱層を設けるのが好ましい。
【００３５】
【発明の効果】請求項１及び請求項４記載の固体高分子
電解質型燃料電池及び燃料電池スタックによれば、酸素
極側フィールドプレート若しくは燃料極側フィールドプ
レートのいずれか一方に熱エネルギーを電気エネルギー
に変換する熱電変換素子を結合したので、水素と酸素の
電気化学反応により発生する電気エネルギーのみなら
ず、当該電気化学反応により発生する熱エネルギーを熱
電変換して得られる電気エネルギーも利用することがで
き、燃料電池全体の発電効率が向上する。
電解質型燃料電池及び燃料電池スタックによれば、酸素
極側フィールドプレート若しくは燃料極側フィールドプ
レートのいずれか一方に熱エネルギーを電気エネルギー
に変換する熱電変換素子を結合したので、水素と酸素の
電気化学反応により発生する電気エネルギーのみなら
ず、当該電気化学反応により発生する熱エネルギーを熱
電変換して得られる電気エネルギーも利用することがで
き、燃料電池全体の発電効率が向上する。
【００３６】請求項２及び請求項５記載の固体高分子電
解質型燃料電池及び燃料電池スタックによれば、冷却剤
を供給するためのガス流路が形成された冷却用フィール
ドプレートを熱電変換素子に結合したので、熱電変換素
子の温度差を大きく保つことができ、効率よく熱電変換
を行うことができる。
解質型燃料電池及び燃料電池スタックによれば、冷却剤
を供給するためのガス流路が形成された冷却用フィール
ドプレートを熱電変換素子に結合したので、熱電変換素
子の温度差を大きく保つことができ、効率よく熱電変換
を行うことができる。
【００３７】請求項３及び請求項６記載の固体高分子電
解質型燃料電池及び燃料電池スタックによれば、冷却剤
として空気または水を用いたので、冷却剤の調達が容易
であり、コストを低く抑えることができる。
解質型燃料電池及び燃料電池スタックによれば、冷却剤
として空気または水を用いたので、冷却剤の調達が容易
であり、コストを低く抑えることができる。
【図１】本発明の実施の形態による固体高分子電解質型
燃料電池を示す断面図。
燃料電池を示す断面図。
【図２】本発明の実施の形態による固体高分子電解質型
燃料電池の熱電変換素子の構成を示す概略図。
燃料電池の熱電変換素子の構成を示す概略図。
【図３】本発明の実施の形態による固体高分子電解質型
燃料電池を複数積層した構造の燃料電池スタックを示す
断面図。
燃料電池を複数積層した構造の燃料電池スタックを示す
断面図。
【図４】本発明の実施の形態による燃料電池に用いられ
るプロトン伝導体を構成する、フラーレンを示す分子構
造図。
るプロトン伝導体を構成する、フラーレンを示す分子構
造図。
【図５】本発明の実施の形態による燃料電池の変形例に
用いられるプロトン伝導体を構成する、球体又は長球、
又はこれらに類似する閉じた面構造を有する種々の炭素
クラスターを示す分子構造図。
用いられるプロトン伝導体を構成する、球体又は長球、
又はこれらに類似する閉じた面構造を有する種々の炭素
クラスターを示す分子構造図。
【図６】本発明の実施の形態による燃料電池の変形例に
用いられるプロトン伝導体を構成する、球構造の一部が
欠損し、構造中に開放端を有する炭素クラスターを示す
分子構造図。
用いられるプロトン伝導体を構成する、球構造の一部が
欠損し、構造中に開放端を有する炭素クラスターを示す
分子構造図。
【図７】本発明の実施の形態による燃料電池の変形例に
用いられるプロトン伝導体を構成する、大部分の炭素原
子がＳＰ３結合したダイヤモンド構造を持つ炭素クラス
ターを示す分子構造図。
用いられるプロトン伝導体を構成する、大部分の炭素原
子がＳＰ３結合したダイヤモンド構造を持つ炭素クラス
ターを示す分子構造図。
【図８】本発明の実施の形態による燃料電池の変形例に
用いられるプロトン伝導体を構成する、複数のクラスタ
ーどうしが種々に結合した炭素クラスターを示す分子構
造図。
用いられるプロトン伝導体を構成する、複数のクラスタ
ーどうしが種々に結合した炭素クラスターを示す分子構
造図。
１ 燃料電池 ２ 固体高分子電解質膜（プロトン伝導膜） ３ 酸素電極 ４ 燃料電極 ５ 酸素極側フィールドプレート ６ 燃料極側フィールドプレート ７ 熱電変換素子 ８ 冷却剤用フィールドプレート ９ 断熱層 １０ 燃料電池スタック
Claims (6)
- 【請求項１】 プロトン伝導性の固体高分子電解質膜
と、 該固体高分子電解質膜を挟持する燃料電極及び酸素電極
と、 該燃料電極の固体高分子電解質膜挟持面とは反対側面に
配され、該燃料電極に燃料ガスを供給するためのガス流
路が形成された燃料極側フィールドプレートと、 該酸素電極の固体高分子電解質膜挟持面とは反対側面に
配され、該酸素電極に酸素ガスを供給するためのガス流
路が形成された酸素極側フィールドプレートとからなる
固体高分子電解質型燃料電池において、 該燃料極側フィールドプレートと該酸素極側フィールド
プレートのいずれか一方に結合し、該酸素電極から取り
出される熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電
変換素子を備えた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】 冷却剤を供給するためのガス流路が形成
された冷却用フィールドプレートを該熱電変換素子に結
合したことを特徴とする請求項１記載の固体高分子電解
質型燃料電池。 - 【請求項３】 該冷却剤が空気または水であることを特
徴とする請求項２記載の固体高分子電解質型燃料電池。 - 【請求項４】 請求項１記載の固体高分子電解質型燃料
電池を発電セルとし、複数の該発電セルを断熱層を介在
させて積層させた構造の燃料電池スタック。 - 【請求項５】 請求項２記載の固体高分子電解質型燃料
電池を発電セルとし、複数の該発電セルを断熱層を介在
させて積層させた構造の燃料電池スタック。 - 【請求項６】 請求項３記載の固体高分子電解質型燃料
電池を発電セルとし、複数の該発電セルを断熱層を介在
させて積層させた構造の燃料電池スタック。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000337643A JP2002141077A (ja) | 2000-11-06 | 2000-11-06 | 固体高分子電解質型燃料電池及び燃料電池スタック |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000337643A JP2002141077A (ja) | 2000-11-06 | 2000-11-06 | 固体高分子電解質型燃料電池及び燃料電池スタック |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002141077A true JP2002141077A (ja) | 2002-05-17 |
Family
ID=18812994
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000337643A Pending JP2002141077A (ja) | 2000-11-06 | 2000-11-06 | 固体高分子電解質型燃料電池及び燃料電池スタック |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2002141077A (ja) |
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2004296440A (ja) * | 2003-03-25 | 2004-10-21 | Samsung Electronics Co Ltd | バイポーラ板とこれを採用する燃料電池 |
| FR2856198A1 (fr) * | 2003-06-16 | 2004-12-17 | Renault Sa | Cogeneration d'electricite par utilisation de l'effet seebeck a l'interieur d'une pile a combustible |
| JP2006331881A (ja) * | 2005-05-26 | 2006-12-07 | Kyocera Corp | 燃料電池 |
| JP2007200710A (ja) * | 2006-01-26 | 2007-08-09 | Nippon Oil Corp | 固体酸化物形燃料電池スタック |
| JP2007227306A (ja) * | 2006-02-27 | 2007-09-06 | Atsumi Tec:Kk | 発電装置 |
| WO2007142045A1 (en) * | 2006-05-26 | 2007-12-13 | Canon Kabushiki Kaisha | Fuel cell system |
| JP2008140611A (ja) * | 2006-11-30 | 2008-06-19 | Suzuki Motor Corp | 車両用燃料電池システムの温度制御装置 |
| WO2009020100A1 (ja) | 2007-08-06 | 2009-02-12 | Kabushiki Kaisha Atsumitec | 発電装置 |
| WO2009051228A1 (ja) * | 2007-10-19 | 2009-04-23 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | 燃料電池 |
-
2000
- 2000-11-06 JP JP2000337643A patent/JP2002141077A/ja active Pending
Cited By (18)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2004296440A (ja) * | 2003-03-25 | 2004-10-21 | Samsung Electronics Co Ltd | バイポーラ板とこれを採用する燃料電池 |
| FR2856198A1 (fr) * | 2003-06-16 | 2004-12-17 | Renault Sa | Cogeneration d'electricite par utilisation de l'effet seebeck a l'interieur d'une pile a combustible |
| WO2005004263A2 (fr) * | 2003-06-16 | 2005-01-13 | Renault S.A.S | Cogeneration d’electricite par utilisation de l’effet seebeck a l’interieur d’une pile a combustible |
| WO2005004263A3 (fr) * | 2003-06-16 | 2006-04-27 | Renault Sa | Cogeneration d’electricite par utilisation de l’effet seebeck a l’interieur d’une pile a combustible |
| JP2006331881A (ja) * | 2005-05-26 | 2006-12-07 | Kyocera Corp | 燃料電池 |
| JP2007200710A (ja) * | 2006-01-26 | 2007-08-09 | Nippon Oil Corp | 固体酸化物形燃料電池スタック |
| US8288042B2 (en) | 2006-02-27 | 2012-10-16 | Kabushiki Kaisha Atsumitec | Electric power generation device |
| JP2007227306A (ja) * | 2006-02-27 | 2007-09-06 | Atsumi Tec:Kk | 発電装置 |
| WO2007105403A1 (ja) * | 2006-02-27 | 2007-09-20 | Kabushiki Kaisha Atsumitec | 発電装置 |
| KR101332996B1 (ko) * | 2006-02-27 | 2013-11-25 | 가부시키가이샤 아쯔미테크 | 발전장치 |
| WO2007142045A1 (en) * | 2006-05-26 | 2007-12-13 | Canon Kabushiki Kaisha | Fuel cell system |
| JP2008140611A (ja) * | 2006-11-30 | 2008-06-19 | Suzuki Motor Corp | 車両用燃料電池システムの温度制御装置 |
| JP2009043428A (ja) * | 2007-08-06 | 2009-02-26 | Atsumi Tec:Kk | 発電装置 |
| US20110165440A1 (en) * | 2007-08-06 | 2011-07-07 | Naoki Uchimaya | Electric Power Generation Device |
| WO2009020100A1 (ja) | 2007-08-06 | 2009-02-12 | Kabushiki Kaisha Atsumitec | 発電装置 |
| KR101395528B1 (ko) | 2007-08-06 | 2014-05-14 | 가부시키가이샤 아쯔미테크 | 발전장치 |
| WO2009051228A1 (ja) * | 2007-10-19 | 2009-04-23 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | 燃料電池 |
| US9023546B2 (en) | 2007-10-19 | 2015-05-05 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Fuel cell |
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