JP2002237316A

JP2002237316A - 燃料電池ガス流路構造

Info

Publication number: JP2002237316A
Application number: JP2001032439A
Authority: JP
Inventors: Norihito Higaki; 憲仁檜垣; Kazuhide Hakamata; 和英袴田; Ikuo Nagashima; 郁男永島
Original assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Current assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Priority date: 2001-02-08
Filing date: 2001-02-08
Publication date: 2002-08-23

Abstract

(57)【要約】【課題】従来、複数の流路を有するセパレータは、１
本の流路当りに流れる反応ガスの量が少ないために流速
が小さくなり、燃料及び酸化剤が十分に電極面上に供給
されず、出力特性が低下する。また、１本の流路を有す
るセパレータでは、１本の流路に流れる反応ガスの量は
多いが、生成水の蓄積及び反応熱の蓄積が緩和されるこ
とがないため、ガス流路の下流側ほどこれらの現象が顕
著になり、最適な発電状態を維持することが困難となり
全体の出力特性はあまり高くない。【解決手段】電解質と一対の電極によって構成される
単位セルと、これらの単位セルを仕切るセパレータ及び
ガス流路からなる燃料電池において、ガス流路の入口と
出口の途中に折り返し部分を設け、折り返し部分から下
流側のガス流路は上流側のガス流路に沿って対向して形
成した燃料電池ガス流路構造としている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電極間に挟んだ電
解質を介して燃料と酸化剤とを反応させて起電力を得る
燃料電池に係るもので、より詳しくは燃料又は酸化剤を
電極面に分配するガス流路の形状の改良に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池は、水素や酸素などの持つ化学
エネルギーを直接電気エネルギーに変換するもので発電
効率が高く、また反応生成物がクリーンであるため地球
環境に優しく、優れた発電システムとして注目されてい
る。

【０００３】燃料電池は、図９に示すように、電解質１
を両側から挟持する一対のアノード２ａ，カソード２ｂ
と、該電極２ａ，２ｂの両側に設けられた一対のアノー
ド集電体３ａ，カソード集電体３ｂより単位セルを構成
し、該単位セルを挟持する形でガス流路１２とセパレー
タ４が配置されており、該セパレータ４によって積層さ
れた単位セルが仕切られている。従来のガス流路１２
は、図１０に示すように入口１１と出口１３の間に並行
して配置されている。また、ＷＯ−９５−１６２８７号
公報には、図１１に示すように入口１１と出口１３の間
をジグザグに配置したガス流路が開示されている。な
お、前記ジグザグ配置のガス流路では、セルを大面積化
するために、図１２のように複数の流路１２ａ，１２
ｂ，１２ｃを並行に配置したものや、図１３のように流
路を配置する場所を数ヶ所に分割し、それぞれにガスの
入口１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄとガスの出口１３
ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄを設けたものがある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】燃料電池におけるガス
流路の役割は、電池反応面である電極表面上に、燃料ガ
ス及び酸化剤ガスなどの反応ガスを均一に供給すること
にあり、様々な工夫がなされている。また、特に固体高
分子型燃料電池のように低温で運転する燃料電池では、
反応によって生成する水（以下、生成水という）が凝縮
して液体になるため、生成水の除去という観点でもガス
流路の形状が重要となる。

【０００５】例えば、固体高分子型燃料電池の発電時に
は、入口付近から出口付近へ向けて徐々に燃料と酸化剤
が消費されて水が生成されて反応熱が蓄積される。しか
し、図１０に示すガス流路構造を採用した場合には、流
路本数が多いため１本の流路当りに流れる反応ガスの量
が少なく、そのために流速が小さくなり燃料及び酸化剤
が十分に反応面（電極面）上に供給されず、出力特性が
低下する。これに対し、図１１に示したガス流路構造を
採用した場合には、流路本数が少ないため１本の流路に
流れる反応ガスの量が多く、そのために流速が大きくな
り、出力特性は比較的高い。しかし、この場合でも、生
成水の蓄積及び反応熱の蓄積は緩和されることがないた
め、下流側ほどこれらの現象が顕著になり、最適な発電
状態を維持することが困難となり全体の出力特性はあま
り高くない。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は上記の問題点を
解決するためになされたものであり、ガス流路構造を工
夫することによって生成水の蓄積や反応熱の蓄積等を緩
和し、燃料電池全面にわたって最適な発電状態を維持
し、全体の出力特性を向上させようとするものである。

【０００７】請求項１では、電解質と一対の電極によっ
て構成される単位セルと、これらの単位セルを仕切るセ
パレータ及びガス流路からなる燃料電池において、ガス
流路の入口と出口の途中に折り返し部分を設け、該折り
返し部分から下流側のガス流路は上流側のガス流路に沿
って対向して形成した燃料電池ガス流路構造としてい
る。これにより、最もガス入口に近い部分と最もガス出
口に近い部分が隣り合わせに対向するので、電解質や集
電体等を介した水の拡散、熱の拡散などが促進され、生
成水の蓄積や反応熱の蓄積等を緩和して、燃料電池全面
にわたって最適な発電状態を維持し、全体の出力特性が
向上する。

【０００８】ガス流路面を大面積化して出力特性を向上
させるために、請求項２では、折り返し部分より上流側
及び下流側ともに、Ｕターン又は屈曲させ、流路面を大
面積化させるた燃料電池ガス流路構造としている。

【０００９】また、より一層の出力向上を図るために、
請求項３では、折り返し部分より上流側及び下流側とも
に、複数回かつ交互にＵターン又は屈曲させた燃料電池
ガス流路構造としている。

【００１０】なお、請求項４では、カソード側の燃料電
池ガス流路構造において、折り返し部分の上流側及び下
流側ともに、複数回かつ交互にＵターン又は屈曲させる
燃料電池ガス流路構造としている。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
図面に基づいて説明するが、本発明はこれらの実施形態
に何ら限定されるものではなく、適宜変更して実施する
ことが可能なものである。図１は、本発明の請求項１〜
３に係る実施形態の一例を示すセパレータの概略平面図
である。同図において、セパレータの外周縁の同一辺側
にガスの入口１１と出口１３が設けられており、該入口
１１と出口１３間は１本の流路１２が配設されている。
該流路１２の入口１１側から略中央部の折り返し部分ま
でが上流側で、該流路の折り返し部分から出口１３側ま
でが下流側であり、下流側のガス流路は上流側のガス流
路に沿って対向して設けられているので、上流側のガス
流れ方向と下流側のガス流れ方向は対向して流れる。

【００１２】流路面を大面積化するためには流路１２を
長くすることが必要である。そこで、折り返し部分より
上流側及び下流側ともに、Ｕターン又は屈曲させて、流
路面を大面積化している。また、折り返し部分より上流
側及び下流側ともに、複数回かつ交互にＵターン又は屈
曲させることにより、出力特性を向上させている。

【００１３】このようなガス流路構造とした理由は次の
とおりである、ガス入口付近のガスはＤｒｙ又は比較的
Ｄｒｙである。電池反応は、水素＋酸素→水であるか
ら、入口から流入したガスは下流へ向かうに従って、電
池反応で生成された生成水が蓄積されていく。水分過多
となると電池反応に必要な水素や酸素の通路が閉塞し
て、電極表面上へのガス供給が十分に行われなくなり性
能が低下する。この生成水はカソード側に発生する。ま
た、生成水以外にも水素イオンの移動に同伴する水の移
動も発生し、これもアノード側→カソード側の流れで一
層カソード側の水が蓄積されるため、特にカソード側で
この現象が顕著となる。このため、本発明の適用はカソ
ード側において特に有効である。

【００１４】一方、反応熱の蓄積については、運転開始
とともに熱が発生して蓄積されるため、時間の経過とと
もにセル温度が上昇する。セルの空間的な蓄熱（温度分
布）は電池材料、特に電解質膜に悪影響を及ぼし常圧で
は１００℃が耐熱限界であるといわれている。そこで、
局部的に温度が高い場合、平均セル温度を低くする必要
があるが、平均セル温度が低いと反応速度の低下や廃熱
の有効利用が出来にくいという問題が発生する。したが
って、極力温度分布をなくして平均セル温度を上げて運
転することが必要となる。

【００１５】セル内に蓄積された熱は、セパレータ材
等を通した伝熱による放熱、冷却水への伝熱による冷
却、加熱された水素、酸素、水等の排出による放熱、
によって電池外部へ放出される。この内、とは、セ
パレータを厚くするか、冷却水を大量に流すことで促進
されるが、燃料電池全体の体積、重量が大きくなり、材
料費も高くなる上、発電効率が低い燃料電池となる。そ
こで、前記を出来る限り活用することが望ましいが、
その場合、ガス入口付近のセル温度は低いが、ガス出口
付近のセル温度が高くなるという問題が生じる。そこ
で、水分が少なく温度の低いガス入口側のガス流路と、
水分が多く温度の高いガス出口側のガス流路を隣接し、
かつガスが対向して流れるように配設することにより、
余分な水分と余分な熱がガス入口側へ移動し、セル全体
が均一化される。

【００１６】ガス流路は中間部に折り返し部分を設けて
いるため、ガス流路全体にわたって、生成水の蓄積や反
応熱の蓄積等が少ない上流側部分は生成水の蓄積や反応
熱の蓄積等が多い下流側部分と隣接して配置し、生成水
の蓄積や反応熱の蓄積等が中間的な上流側部分は生成水
の蓄積や反応熱の蓄積等が中間的な下流側部分と隣接し
て配置している。これにより、ガス入口に近い流路ほど
ガス出口に近い流路に接するので、これらの隣接するガ
ス流路同士が熱交換により平均化されることより、燃料
電池の全ての部分においてほぼ均一な水分分布と温度分
布が形成され、燃料電池の全面にわたって最適な発電状
態を維持し、全体の出力特性を向上させている。また、
酸化剤ガスを無加湿又は低加湿にて燃料電池に供給する
ような場合においては、酸化剤ガス入口付近の電解質が
ドライアップすることを防止できる効果もあるため、出
力特性向上に関する効果が大きい。

【００１７】図２は、本発明の他の実施形態を示すセパ
レータの概略平面図である。同図において、セパレータ
の外周縁の一辺にガスの入口１１が設けられ、前記入口
１１と対向する辺に出口１３が設けられており、該入口
１１と出口１３間は１本の流路１２が配設されている。
このように、ガスの入口１１と出口１３は、セパレータ
の外周縁側のどの辺に設けてもよい。なお、これ以外の
構造及び機能については、前記した本発明の請求項１〜
３に係る実施形態と同様である。

【００１８】図３は、本発明の他の実施形態を示すセパ
レータの概略平面図である。同図において、ガス入口１
２とガス出口１３がセパレータの中心部に対向して設け
られており、上流側と下流側の流路１２が対向する流路
構造を維持しつつ、同じ方向へ複数回屈曲させた構造の
ガス流路である。また、ガス入口１１よりガス出口１３
まで１本の流路１２が設けられ、上流側は回転しながら
外周縁側へ向かって流れるように屈曲した後、折り返し
部分より下流側は、前記上流側と逆方向に回転しながら
中心部に向かって屈曲を繰り返しガス出口１３に接続さ
れている。なお、これ以外の構造及び機能については、
前記した本発明の請求項１〜３に係る実施形態と同様で
ある。

【００１９】図４は、本発明の他の実施形態を示すセパ
レータの概略平面図である。同図において、同図におい
て、セパレータの外周縁の同一辺側にガス入口１１とガ
ス出口１３が設けられており、該入口１１と出口１３間
は３本の流路１２ａ，１２ｂ，１２ｃが並列で配設され
ている。このように流路本数を複数本にすると、ガス流
路を形成する面積が広くなるため、電極の大面積化を実
施する場合に特に有効である。なお、これ以外の構造及
び機能については、前記した本発明の請求項１〜３に係
る実施形態と同様である。

【００２０】図５は、本発明の他の実施形態を示すセパ
レータの概略平面図である。同図において、セパレータ
面にガス入口１１ａ，１１ｂ，１１ｃとガス出口１３
ａ，１３ｂ，１３ｃが複数個（本例では３本）設けられ
ており、該入口１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，と出口１３
ａ，１３ｂ，１３ｃ間はそれぞれ流路１２ａ，１２ｂ，
１２ｃが並列で配設されている。このようにガスの出入
口を複数個設けた場合は、流路を形成する面積が広くな
るため、電極の大面積化を実施する場合に特に有効であ
る。なお、これ以外の構造及び機能については、前記し
た本発明の請求項１〜３に係る実施形態と同様である。

【００２１】図６は、本発明の他の実施形態を示すセパ
レータの概略平面図である。同図において，ガス入口１
１から折り返し部分までの上流側の流路１２が、前半は
渦巻状に形成し、後半はＵターンして屈曲して形成して
いる。一方、折り返し部分からガス出口１３までの下流
側の流路１２は、前半がＵターンして屈曲して形成し、
後半は渦巻き状に形成している。なお、これ以外の構造
及び機能については、前記した本発明の請求項１〜３に
係る実施形態と同様である。

【００２２】図７は、本発明の他の実施形態を示すセパ
レータの概略平面図である。同図において，ガス入口１
１から折り返し部分までの上流側の流路１２が、前半は
Ｕターンして屈曲して形成し、後半は渦巻き状に形成し
ている。一方、折り返し部分からガス出口１３までの下
流側の流路１２は、前半が渦巻き状に形成し、後半はＵ
ターンして屈曲して形成している。なお、これ以外の構
造及び機能については、前記した本発明の請求項１〜３
に係る実施形態と同様である。

【００２３】図８は、本発明の請求項４の実施形態を示
すもので、カソード側にのみ、ガス流路の入口と出口の
途中に折り返し部分を設け、該折り返し部分から下流側
のガス流路は上流側のガス流路に沿って対向して形成さ
せた場合の燃料電池の要部断面図である。電池反応によ
って生成する水はカソード側に発生し、また、水素イオ
ンの移動に同伴する水もアノード側→カソード側の流れ
で一層カソード側の水が蓄積されるため、水分分布等の
緩和には、カソード側へ上記流路を設けることが特に有
効である。この場合、アノード側の流路を簡略化するこ
とが可能となり、ひいては燃料電池の小型化や低コスト
化を図る上で好ましい実施形態である。

【００２４】図８は単位セルを２層積層した状態を示す
要部断面図であり、電解質１を両側から挟持する一対の
電極２ａ，２ｂと、該電極２ａ，２ｂの両側には一対の
アノード集電体３ａ及びカソード集電体３ｂが配置され
ている。また、該集電体３ａ，３ｂの両側にはセパレー
タ４が配置されており、該セパレータ４はカソード側の
みガス流路の入口と出口の途中に折り返し部分を設け、
該折り返し部分から下流側のガス流路は上流側のガス流
路に沿って対向して形成させたガス流路１５が設けられ
ている。なお、これ以外の構造及び機能については、前
記した本発明の請求項１〜３に係る実施形態と同様であ
る。

【００２５】前記したガス流路構造について、流路のＵ
ターン又は屈曲させる回数については、電極面積（又は
セパレータ面積）、流路本数及び流路幅等によって決定
されるため、特定の回数に限定されるものではなく、屈
曲する方向も左又は右に限定されるものではない。した
がって、図１〜図７に示すように直角に曲げる必然性は
なく、任意の角度で曲げたり、曲線状に屈曲することも
可能である。

【００２６】燃料電池のガス流路構造は、前記したよう
に、折り返し部分の上流側及び下流側ともに、図１〜図
５に示す如く複数回にわたって交互に左右にＵターンさ
せたものが好ましい。このようなガス流路構造にする
と、上流側と下流側が対向する直線部分が連続して１次
元方向に並んだ形になり、熱の蓄積等が非常に大きく上
流側と下流側の対向による温度分布の緩和効果が十分に
ならない運転条件においても、温度分布が１次元方向の
みになるため冷却水等による温度制御が容易となる。

【００２７】

【実施例】本発明によるガス流路構造の効果を実証する
ために、本発明と従来例について出力電圧の比較を行な
い、出力電圧の比較を表１に示す。＜実施例１＞図１に示したガス流路構造のセパレータを
製作し、有効面積１００ｃｍ²、白金使用量０．３ｍｇ
／ｃｍ²の電極と、固体高分子電解質であるパーフルオ
ロスルホン酸膜（膜厚３０μｍ）を組合せ、燃料電池単
セルを製作し、電流密度１Ａ／ｃｍ²における出力電圧
を測定した。なお、このときの運転条件は、水素流量１
Ｌ／ｍｉｎ、酸素流量１Ｌ／ｍｉｎ、常圧とし、運転温
度は７０℃とした。

【００２８】＜比較例１＞図１１に示したガス流路構造
のセパレータを製作し、有効面積１００ｃｍ²、白金使
用量０．３ｍｇ／ｃｍ²の電極と、固体高分子電解質で
あるパーフルオロスルホン酸膜（膜厚３０μｍ）を組合
せ、燃料電池単セルを製作し、電流密度１Ａ／ｃｍ²に
おける出力電圧を測定した。なお、このときの運転条件
は、水素流量１Ｌ／ｍｉｎ、酸素流量１Ｌ／ｍｉｎ、常
圧とし、運転温度は７０℃とした。

【００２９】

【表１】

【００３０】表１の結果が示すように、本発明によるガ
ス流路構造は、従来のものと比べて０．１Ｖ出力特性を
向上させることができた。０．１Ｖのアップは、発電効
率に換算して約８％のアップに相当することより、発電
効率や出力密度の改善に著しく寄与し、ひいては、燃料
の節約や燃料電池の小型・軽量化につながる。

【００３１】

【発明の効果】本発明の請求項５は、ガス流路の入口と
出口の途中に折り返し部分を設け、該折り返し部分から
下流側のガス流路は上流側のガス流路に沿って対向して
形成した燃料電池ガス流路構造としている。したがっ
て、最もガス入口に近い部分のガスと最ガス出口に近い
部分のガスが隣り合わせに対向して流れるので、電解質
やガス拡散層等を介した水の拡散、熱の拡散などを促進
し、その結果、生成水の蓄積や反応熱の蓄積等を緩和し
て、燃料電池の全面にわたって最適な発電状態を維持
し、全体の出力特性を向上させることができる。この結
果、発電効率や出力密度の改善に寄与し、ひいては、燃
料の節約や燃料電池の小型・軽量化につながる。

【００３２】本発明の請求項２では、折り返し部分より
上流側及び下流側ともに、Ｕターン又は屈曲させ、流路
面を大面積化させており、また、請求項３では、折り返
し部分より上流側及び下流側ともに、複数回かつ交互に
Ｕターン又は屈曲させた燃料電池ガス流路構造としてい
る。このため、流路面を大面積化させることが可能とな
り、様々な燃料電池への適用が可能となる。また、上流
側と下流側が対向する直線部分が連続して１次元方向に
並んだ形になっており、熱の蓄積等が非常に大きく上流
側と下流側の対向による温度分布の緩和効果が十分にな
らない運転条件においても、温度分布が１次元方向のみ
になるため冷却水等による温度制御が容易となる。

【００３３】請求項４ではカソード側の燃料電池ガス流
路構造において、折り返し部分の上流側及び下流側とも
に、複数回かつ交互にＵターン又は屈曲させた燃料電池
ガス流路構造としている。このため、カソード側に発生
した電池反応による生成水、及び、水素イオンの移動に
同伴して運ばれた水を、隣接する上流側のガスと下流側
のガスとの間で均一化させることが可能となり、さら
に、アノード側の流路を簡略化することによって、燃料
電池の小型化や低コスト化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の請求項１〜３に係る実施形態の一例を
示すセパレータの概略平面図である。

【図２】本発明の他の実施形態を示すセパレータの概略
平面図である。

【図３】本発明の他の実施形態を示すセパレータの概略
平面図である。

【図４】本発明の他の実施形態を示すセパレータの概略
平面図である。

【図５】本発明の他の実施形態を示すセパレータの概略
平面図である。

【図６】本発明の他の実施形態を示すセパレータの概略
平面図である。

【図７】本発明の他の実施形態を示すセパレータの概略
平面図である。

【図８】本発明の請求項４の実施形態を示すもので、カ
ソード側に折り返し部分の上流側及び下流側ともに、複
数回かつ交互にＵターン又は屈曲させたガス流路構造を
設けた燃料電池の単位セルの要部断面図である。

【図９】従来の燃料電池を構成する単位セルを示した原
理図である。

【図１０】従来のセパレータを示す概略平面図である。

【図１１】従来のセパレータの他の実施例を示す概略平
面図である。

【図１２】従来のセパレータの他の実施例を示す概略平
面図である。

【図１３】従来のセパレータの他の実施例を示す概略平
面図である。

【符号の説明】

１電解質２ａアノード２ｂカソード３ａアノード集電体３ｂカソード集電体４セパレータ１１，１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１３ｄガス入口１２，１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄガス流路１３，１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄガス出口１４アノードガス流路１５折り返し部分の上流側及び下流側ともに、複数
回かつ交互にＵターン又は屈曲させたカソードガス流路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電解質と一対の電極によって構成される
単位セルと、これらの単位セルを仕切るセパレータ及び
ガス流路からなる燃料電池において、ガス流路の入口と
出口の途中に折り返し部分を設け、該折り返し部分から
下流側のガス流路は上流側のガス流路に沿って対向して
形成したことを特徴とする燃料電池ガス流路構造。
【請求項２】折り返し部分より上流側及び下流側とも
に、Ｕターン又は屈曲させることを特徴とする請求項１
記載の燃料電池ガス流路構造。
【請求項３】折り返し部分より上流側及び下流側とも
に、複数回かつ交互にＵターン又は屈曲させることを特
徴とする請求項１〜２いずれかに記載の燃料電池ガス流
路構造。
【請求項４】カソード側の燃料電池ガス流路構造にお
いて、折り返し部分の上流側及び下流側ともに、複数回
かつ交互にＵターン又は屈曲させることを特徴とする請
求項１〜３いずれかに記載の燃料電池ガス流路構造。