JP2005222809A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】発電効率のよい燃料電池を提供する。
【解決手段】高分子電解質膜１にとセパレータ５の間に波形状の金属プレート２、３を備え、高分子電解質膜１と金属プレート２、３の凸部２ａ、３ａによって形成される空間６ａ、７ａにガス拡散層４ａ、４ｂを設ける。さらに、セパレータ５と金属プレート２、３の凸部２ｂ、３ｂによって形成される空間６ｂ、７ｂを水素流路１０、空気流路１１として使用する。そして、水素流路１０とガス拡散層４ａ、空気流路１１とガス拡散層４ｂを連通する連通孔８を備え、連通孔８を介して水素、空気をガス拡散層４ａ、４ｂに供給する。
【選択図】 図１

Description

本発明は燃料電池に使用する金属プレートに関するものである。

従来、燃料電池として電解質膜の両側にガス拡散層を設け、更にその外側にセパレータ板を設け、セパレータ板とガス拡散層の間にできた空間に燃料電池で使用する水素または空気を流すものが、特許文献１に開示されている。
特開２００３−１０９６４８号公報

しかし、上記の発明では、セパレータ板に設けた流路の形状によって流路の上流と下流での例えばガス拡散層に供給する水素、または空気の量の比率が調整される。また、水素と空気の流路がセパレータ板を介して背中合わせに設けているために、流路の設計自由度が小さく、一本の流路内でガス拡散層に均一に水素または空気を供給することが困難であり、流路の上流側では発電反応が大きく、下流側では発電反応が小さくなり、燃料電池セルで均一に発電させることができずに燃料電池の発電効率が低くなるといった問題点がある。

本発明ではこのような問題点を解決するために発明されたもので、ガス流路の上流、下流にかかわらず、ガス拡散層に均一に水素または空気を供給し、燃料電池の効率を向上させることを目的とする。

本発明では、燃料電池セルをセパレータを介して積層する燃料電池において、電解質膜とセパレータの間に屈曲した導電性プレートを備える。導電性プレートと電解質膜との間に形成される第１の空間にガス拡散層を備え、導電性プレートとセパレータとの間に形成される第２の空間を少なくとも水素、空気のどちらか一方のガスが流通するガス流路に使用し、ガス拡散層とガス流路を連通する連通孔を備える。

本発明によると、電解質膜とセパレータの間に屈曲した導電性プレートを備え、電解質膜と導電性プレートによって形成される第１の空間にガス拡散層を設け、セパレータと導電性プレートによって形成される第２の空間を水素と空気が流れるガス流路として使用し、導電性プレートに連通孔を設け、その連通孔を介してガス流路からガス拡散層に燃料電池の発電に使用する水素と空気を供給する。そのためにガス流路の上流、下流にかかわらず、連通孔の数や形状によってガス拡散層へのガス供給量を調整できるので、燃料電池セルで均一な発電を行うことができ、燃料電池の発電効率を向上させることができる。

本発明の第１実施形態の構成を図１を用いて説明する。

この実施形態の燃料電池は燃料電池セル３０を積層し、各燃料電池セル３０間を分離するセパレータ５を備える。

燃料電池セル３０は、イオン導電性の高分子電解質膜１と、高分子電解質膜１の両側に例えば波形状に屈曲した導電性プレートである金属プレート２、３と、高分子電解質膜１と金属プレート２の凸部２ａの間にガス拡散層４ａと、金属プレート３の凸部３ａの間にガス拡散層４ｂを備える。

金属プレート２は、金属プレート２の凸部２ａと高分子電解質膜１で囲まれた第１の空間である空間６ａにガス拡散層４ａが設けられる。一方、金属プレート２の凸部２ｂとセパレータ５の間で囲まれる第２の空間である空間６ｂは、燃料電池の発電で使用される水素が流れる水素流路１０（ガス流路）として用いられる。金属プレート２は空間６ａと空間６ｂ、すなわちガス拡散層４ａと水素流路１０を連通する連通孔８を設け、この連通孔８を介してガス拡散層４ａに水素が供給される。

金属プレート３は、金属プレート３の凸部３ａと高分子電解質膜１で囲まれた第１の空間である空間７ａにガス拡散層４ｂが設けられる。一方、金属プレート３の凸部３ｂとセパレータ５の間で囲まれる第２の空間である空間７ｂは、燃料電池の発電で使用される酸素を含んだ酸化剤である空気が流れる空気流路１１（ガス流路）として用いられる。金属プレート３は空間７ａと空間７ｂ、すなわちガス拡散層４ｂと空気流路１１を連通する連通孔８を設け、この連通孔８を介してガス拡散層４ｂに空気が供給される。

連通孔８は、微少な穴であり、水素流路１０、及び空気流路１１の上流側よりも下流側に多く設けられる。これにより水素や空気の流れが強い流路上流と、流れが弱い流路下流で、水素や空気が上流、下流にかかわらずガス拡散層４ａ、４ｂに均一に供給される。連通孔８は図２に示すように、水素流路１０、及び空気流路１１からガス拡散層４ａ、４ｂに向けて穴形状が拡がるテーパ状としても良い。また、連通孔８の数だけでなく、連通孔８の穴径を上流側を小さく、下流側を大きくしても良い。このような形状にすることで、水素または空気をガス拡散層４ａ、４ｂに均一に供給することができる。

ガス拡散層４ａ、４ｂは、例えば黒鉛の導電性の物質で構成される。高分子電解質膜１との接触面付近には白金などの触媒を担持している。なお、この触媒は高分子電解質膜１に塗布しておいても良い。金属プレート２、３の隣り合う空間６ａ、７ａに設けたガス拡散層４ａ、４ｂは凸部２ｂ、３ｂにおいて接続している。これによって、組み立て時に隣り合うガス拡散層４ａ、４ｂが接続していると、一枚のシール状のガス拡散層４ａ、４ｂを金属プレート２、３の空間６ａ、７ａに沿って埋設させることで、容易にガス拡散層４ａ、４ｂを空間６ａ、７ａに組み付けることができる。

燃料電池セル３０の構成、または燃料電池セル３０を積層した際には、高分子電解質膜１を挟んで金属プレート２と金属プレート３を配置し、金属プレート２の凸部２ｂと金属プレート３の凸部３ｂは高分子電解質膜１を挟んで対峙している。また、隣り合う燃料電池セル３０間では、金属プレート２の凸部２ａと金属プレート３の凸部３ａがセパレータ５を挟んで対峙している。このため燃料電池セル３０を積層し締結した際に高分子電解質膜１、またはセパレータ５の変形、各燃料電池セル３０間のずれを防ぐことができる。また、燃料電池セル３０の間に冷却層９を設ける場合には、例えば、冷却層９内に設けたプレート１５の凸部１５ａと金属プレート３の凸部３ａ、プレート１５の凸部１５ｂと金属プレート２の凸部２ａがそれぞれセパレータ６を挟んで対峙するように配置する。

なお、高分子電解質膜１の端部にはシールフランジ２０を設け、シールフランジ２０と金属プレート２、３の間と、金属プレート２、３とセパレータ５の間には、エッジシール２１、２２をそれぞれ介装する。これによって、燃料電池セル３０の端部から水素、または空気が燃料電池セル３０の外部へ漏れるのを防ぐことができる。

本発明の第１実施形態の効果について説明する。

高分子電解質膜１とセパレータ５の間に波形状の金属プレート２、３を設け、高分子電解質膜１と金属プレート２、３の間の空間６ａ、７ａにガス拡散層４ａ、４ｂを設け、更にセパレータ５と金属プレート２、３の間の空間６ｂ、７ｂに水素流路１０、空気流路１１を設ける。そして、ガス拡散層４ａと水素流路１０、ガス拡散層４ｂと空気流路１１を連通孔８によって連通する。そのため、連通孔８の数、または形状によってガス拡散層４ａ、４ｂに供給する水素や空気の流量を容易に調整することができ、水素流路１０、空気流路１１の上流、下流にかかわらず均一の水素、空気をガス拡散層４ａ、４ｂに供給し、燃料電池セル３０で均一の発電を行うことができる。これによって、燃料電池セル３０、つまり燃料電池の発電効率を向上させることができる。

波形状の金属プレート２、３を設け、金属プレート２の凸部２ａと金属プレートの凸部３ａ、または金属プレート２の凸部２ｂと金属プレート３の凸部３ｂが、高分子電解質膜１またはセパレータ５を挟んで対峙するように設けるので、燃料電池セル３０を積層し、締結した際に高分子電解質膜１、またはセパレータ５の変形、各燃料電池セル３０間のずれを防ぎ、燃料電池の強度を高めることができる。

波形状の金属プレート２、３と高分子電解質膜１、またはセパレータ５によって構成される空間６ａと６ｂ、７ａと７ｂにそれぞれガス拡散層４ａと水素流路１０、ガス拡散層４ｂと空気流路１１に使用するので、ガス拡散層４ａ、４ｂと水素流路１０、空気流路１１を異なる層として設ける必要がなく、燃料電池の積層方向の厚さを薄くすることができる。

次に本発明の第２実形態について図３を用いて説明する。

第２実施形態については図１と異なる部分を説明する。この実施形態は、金属プレート２、３とセパレータ５で囲まれた空間６ｂ、７ｂの一部を燃料電池を冷却する冷却水が流れる冷却水流路１２（冷媒流路）として使用する。なお、連通孔８は水素流路１０と空気流路１１として使用する空間６ｂ、７ｂを構成する金属プレート２、３にのみ設ける。また、水素流路１０と冷却水流路１２、または空気流路１１と冷却水流路１２が併設されている場合には、高分子電解質膜１と各金属プレート２、３間にシール１３を設ける。その他の構成については第１実施形態と同じである。

本発明の第２実施形態の効果について説明する。この実施形態では、第１実施形態の硬化に加え、次の効果を得ることができる。

金属プレート２、３とセパレータ５の間の空間６ｂ、７ｂを、水素または空気を供給する水素流路１０、空気流路１１に加え、冷却水流路１２として使用するので、冷却用の冷却層を設ける必要がなく、燃料電池セル３０の積層方向の厚さを更に薄くすることができる。

本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内でなしうるさまざまな変更、改良が含まれることは言うまでもない。

燃料電池セルを積層して使用する燃料電池に利用することができる。

本発明の第１実施形態の燃料電池の一部の概略図である。 本発明の連通孔の形状を示す図である。 本発明の第２実施形態の燃料電池の一部の概略図である。

符号の説明

１ 高分子電解質膜
２ 金属プレート（導電性プレート）
３ 金属プレート（導電性プレート）
４ａ ガス拡散層
４ｂ ガス拡散層
５ セパレータ
６ａ 空間（第１の空間）
６ｂ 空間（第２の空間）
７ａ 空間（第１の空間）
７ｂ 空間（第２の空間）
８ 連通孔
１０ 水素流路（ガス流路）
１１ 空気流路（ガス流路）
１２ 冷却水流路（冷媒流路）
３０ 燃料電池セル

Claims (4)

1. 燃料電池セルをセパレータを介して積層した燃料電池において、
   前記セパレータと電解質膜との間に介装される屈曲した導電性プレートと、
   前記電解質膜と前記導電性プレートによって形成される第１の空間と、
   前記セパレータと前記導電性プレートによって形成される第２の空間と、
   前記導電性プレートに前記第１の空間と前記第２の空間を連通する連通孔と、を備え、
   前記第１の空間にガス拡散層を配置し、
   同一の前記セパレータと前記導電性プレートによって形成される複数の前記第２の空間は、前記燃料電池での発電の原料である水素、または空気のどちらか一方のガスが流通するガス流路であることを特徴とする燃料電池。
2. 前記連通孔は、前記ガス流路の下流側になるに従って多くなることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記連通孔は、前記ガス流路から前記ガス拡散層に向かってテーパ状に拡大することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
4. 前記複数の第２の空間で、併設する前記第２の空間を遮断するシール材を備え、
   前記第２の空間が、前記ガス流路に加え、前記燃料電池を冷却する冷媒が流通する冷媒流路であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の燃料電池。

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