JP3424223B2 - 燃料電池スタック構造 - Google Patents
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Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、固体高分子型燃料電池
に関する。 【０００２】 【従来の技術】固体高分子型燃料電池は、一般的に、水
素イオン導電性の固体高分子膜を白金触媒を担持したカ
ーボン電極で挟み込んで構成される発電素子すなわち固
体高分子−電極接合体及び反応ガスを供給するためのガ
ス通路溝が設けられ、発電素子を両側から支持するガス
分離部材とを積層した構造を有する。そして、一方の電
極に燃料ガスを供給し、他方の電極に酸化剤ガスを供給
して、燃料ガスの酸化にかかる化学エネルギーを直接電
気エネルギーに変換することによって電気エネルギーを
抽出するようになっている。燃料電池において、水素と
酸素による電気化学が生じると電流の発生とともに、カ
ソード側に水が生成する。そして、固体高分子型燃料電
池においては、他の燃料電池と比較して動作温度が低い
ため発生した水が凝縮し、ガス通路の壁面及び電極が濡
れるとともに、この壁面及び電極に次々と生成水が成長
して水滴となりこれが成長してガスの流れ及び電極内の
ガスの拡散を阻害するようになるとセル内において部分
的に燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応が生じにく
くなり、この結果、燃料電池の出力が低下するという現
象が生じる。 【０００３】従来のガス通路の構成は、たとえば、米国
特許第４、９８８、５８３号公報に開示されるようにセ
ル内にガス供給口とガス排出口とを連絡する１本のガス
通路が平面視において蛇行しながらガス分離板が電極と
接する部分の全面にわたって設けられる。そして、生成
した水を通路を流通するガスの流れによりガスに同伴せ
しめてガス通路から排出するようになっている。また米
国特許第４、７６９、２９７号公報に開示されるよう
に、カソード側電極で生成した水を排出するために電極
の背面側に多孔質プレートを配置し、多孔質プレートを
介して生成した水を排出するように構成することが知ら
れている。従来の燃料電池は、上記のような発電素子と
しての電解質膜とこの両側に配置される触媒電極と、さ
らにこの両触媒電極を挟んで両側に設けられるガス分離
部材とからなるセルは、単一の構成では、工業的用途に
活用できるような十分な電圧を発生しないので、通常
は、このセルを１つの構成単位として多段に積層するこ
とによって所望の電圧、電流を確保するようになってい
る。しかし、積層単位を、単一のセルからなる構造にす
ると、燃料電池が大型化するととも、発生させる電流ま
たは、電圧の自由度が低いという問題がある。 【０００４】このような観点から例えば、特開平６−０
５２８８１号公報は、同一平面内に複数のセルを配置し
た集合セル構造体を積層した固体電解質型燃料電池を開
示している。同一平面内に複数のセルが設けられる構造
にすると、同じ大きさにした場合、セルの構成数が増大
するために接続方法を適宜設定することによって、高電
圧高電流型あるいは、低電圧高電流型とすることができ
る等、抽出できる電力の形態を適宜制御することができ
るという利点がある。 【０００５】 【解決しようとする課題】しかし、上記特開平６−０５
２８８１号に開示される燃料電池は、高温作動する固体
電解質型であって、本発明にかかる低温作動型固体高分
子型燃料電池とは作動条件が異なり、該従来技術の構造
を本発明にかかる形式の燃料電池に適用することはでき
ない。すなわち、特開平６−０５２８８１号にかかる燃
料電池では、作動温度が水の沸点以上であるので、電解
質膜表面に生成する水は蒸気となるため、その排水構造
を考慮する必要はない。一方、本発明にかかる低温作動
型の固体高分子型燃料電池においては、上記したように
電気化学反応によって発生した生成水の除去すなわち排
水構造の構成が重大な問題となる。また、上記公報に開
示された構成では、ガス分離部材は、高温に耐えられる
ようにセラミック等が使用されており、このセラミック
材料は一般に不良導体であるため反応による発生電流を
集電するために特別の集電体をガス分離部材に担持する
必要がある。一方、本発明が対象とする形式の固体高分
子型燃料電池では、上記ガス分離部材を炭素材料などの
導電性材料を使用するものとは基本的に構成の仕方が異
なるものである。 【０００６】本発明は、固体高分子型燃料電池におい
て、生成水の排出効率が良好でかつ、有効にコンパクト
化を達成することを目的とする。 【０００７】 【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明は以下のように構成される。すなわち、本発
明の固体高分子型燃料電池は、高分子電解質膜と該高分
子電解膜の両側に配置される電極構成部材とから構成さ
れ、同一の平面内に複数個配置される発電素子と、該発
電素子の面に沿って配置され、それぞれの発電素子に対
応する導電部分を有するガス分離部材とを備え、前記発
電素子に対応する前記ガス分離部材の導電部分に反応ガ
スの供給通路を形成することによって単位セルを構成し
該単位セルを同一平面内に複数配置し同一平面内におい
て前記単位セルを複数備えた集合セル構造体を構成し、
この集合セル構造体を積層した燃料電池において、前記
発電素子と一体化され前記同一平面内でそれぞれの発電
素子を互いに絶縁するための第１絶縁部材と、前記ガス
分離部材と一体化された第２絶縁部材と、積層される前
記各集合セル構造体における各第１及び第２絶縁部材を
貫通して形成されるメインガス通路と、前記ガス分離部
材の前記導電部分に設けられ、該ガス分離部材が前記発
電素子に組合せられたとき、前記単位セルに対応して該
単位セル内を循環するガスが流通する単一の連続ガス流
通路を画成するための凹部と、を備え、それぞれの単位
セル内の前記連続ガス流通路は前記メインガス通路に連
通しているとともに、前記固体高分子膜において酸素と
水素が反応して生成される水も前記ガス流通路及び前記
メイン通路を介して排出されるようになっていることを
特徴とする。 【０００８】 【０００９】 【作用】本発明の固体高分子型燃料電池は、高分子電解
質膜及び両側に電極構成部材を備えた発電素子とこの両
側に配置されるガス分離部材とを含むセルを積層状態に
して構成されるが、一段の積層単位である構造体には、
複数のセルが組み込まれている。そして、積層された構
造の燃料電池すなわち、スタック構造の燃料電池におい
て、反応ガスの供給通路及び、冷却水通路は、そのスタ
ックの積層方向に沿って設けられる。すなわち、各積層
構造体を貫通する方向に設けられる。各セル内において
ガス通路は電極面に沿って且つ例えば蛇行しつつ極力広
い範囲にわたって電極面にガスが接触し、電気化学反応
が効果的に生じるように形成されている。この場合、一
つの集合セル構造体には、複数のセルが平面状に配置さ
れており、通常は、反応ガスの供給、排出及び冷却水通
路は、各セルについて設けられる。好ましい態様では、
ガス通路、冷却水通路を共通化して、一本のガス通路、
冷却水通路、が当該集合セル構造体にある全てのセルを
巡るように設けることもできる。いずれにしても、電気
化学反応に供する酸素及び水素ガスが互いに高分子電解
膜の両側から対向方向に該電解質膜の面にまんべんなく
供給されるようになっている。 【００１０】上記のように、本発明の特徴は、１つのセ
ル構造体には、互いに絶縁状態で複数のセルが同一平面
上に設けられることである。この場合、上記セルは、電
気化学反応によって生じた電気に関して互いに独立して
構成される。したがって、上記のようにスタック構造の
燃料電池において、メインガス通路及びメイン冷却水通
路は、積層方向に各構造体を貫通して設けられ、各構造
体へのガス供給、排出通路及び冷却水通路が該メインガ
ス供給排出通路及び冷却水通路に対して、直交する面内
に延びる。電解反応ガス及び冷却水の各セルへの供給、
排出系統は独立あるいは共通に設けることもできる。独
立して設ける場合には、本発明で複数のセルを集合化し
た構造体としたことで、各セルに対応するガス供給通
路、冷却水通路が必要となるが、このメイン通路のレイ
アウトを集約して各セルを区切る境界部に設けることに
よって、全体構造をコンパクトにすることができる。各
ガス、冷却水通路は、１つの構造体にある複数のセルに
対して共通に設けられる場合には、各構造体に関し、そ
れぞれ１つの水素供給口、１つの水素排出口、１つの酸
素供給口、１つの酸素排出口、１つの冷却水入口及び１
つの冷却水出口が設けられる。このように複数のセルに
対して、反応ガス及び冷却水の通路を共通に設けること
によって、各集合セル構造体を小さくすることができ、
ひいてはスタック構造全体をコンパクトにすることがで
きる。 【００１１】そして、本発明にかかる燃料電池において
は、ガス分離部材は導電性であるので、各セルにおける
電気化学反応によって発生した電流は、ガス分離部材の
畝部を介してこれと当接する異なる集合セル構造体のセ
ルに流れる。このように、順次、各セルで集電された電
力は、当接するセルを介して順次積層方向に流れ、端部
の構造体のセルに達する。好ましい態様では、端部の集
合セル構造体では、他の中間の集合セル構造体と異な
り、一対のセルが同一平面内において、導電状態で配設
されている。これによって、端部構造体において電流は
同一平面内の他のセルに流れ、その後、該セルから再び
順次当接する集合体を介して積層方向に流れるようにな
っている。このように、本発明にかかる構造では、各構
造体が複数のセルを含むので、積層方向に延び、かつ往
復するような電流路を確立することができるので、高い
電圧を取り出すことも可能である。 【００１２】 【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。図
１には、本発明の１実施例にかかる燃料電池のスタック
構造の斜視図が示されている。本例の燃料電池１は、一
端部に電気化学反応による電力を取り出すための一対の
出力端子２、３が設けられている。図２に示すように、
本例の燃料電池１は、４つのセル４、５、６、７を同一
平面上に配置した集合セル構造体８を所定枚数積み重ね
るとともに、その両端部に一対の集電板９、１０とさら
にその両側にそれぞれ絶縁体であるエンドプレート１
１、１２を積層して構成される。なお、集電板９は集電
部２、３、９ａと絶縁部９ｂが一体化され、また集電板
１０は集電部１０ａ、１０ｂと絶縁枠１０ｃが一体化さ
れて形成され、各セルが直列に接続されて高電圧が取り
出せるように構成される。１つの集合セル構造体８は、
図３に示すように一枚の発電素子１３とこの発電素子１
３に両側から一対のガス分離部材１４、１５すなわちガ
ス流通路を形成したセパレータ１４、１５を張り合わせ
るようにして図４に示すような１つの集合セル構造体８
が構成される。 【００１３】本例の構成では、燃料ガスは水素であり、
アノード電極側に通される。また、酸化剤ガスは空気ま
たは、酸素であり、カソード電極側に通される。１つの
発電素子１３は、図５に示すように、田の字状に区分さ
れたその境界部に反応ガス（水素、酸素）及び冷却水の
ためのメイン通路を構成するための１２個の開口１６〜
２７がそれぞれが設けられた固体高分子電解質膜２８、
この電解質膜の両側に上記田の字状に区分されたそれぞ
れの領域に対応して配置される４つづつの白金粒子を担
持した導電体である触媒電極板２９〜３２と、さらにこ
の外側から一対のガスケット３３、３４を、高分子電解
質膜２８を真ん中にして、その両側に触媒電極を配した
膜電極接合体に張り合わせるようにして図６に示すよう
な発電素子１３を構成する。図７、図８を参照すると、
本例においては、図３及び図４に示すように発電素子の
両側に、一対の導電体であるセパレータ１４、１５を組
み合わせて集合セル構造体８を構成する。この場合、セ
パレータ１４、１５には、田の字状に４つに区分された
セル領域に対応して導電体部１４ａ、１５ａが各セル領
域に対応して設けられており、この導電体部分１４ａ、
１５ａには、ガス流通路を構成するための蛇行する一本
の凹部３５すなわち溝が形成されている。 【００１４】１対のセパレータ１４、１５の間に挟まれ
る発電素子１３の触媒電極２９は、ガスケットと一体化
した状態で１つの発電素子組立体に組み込まれる。この
場合、ガスケット３３、３４は触媒電極２９〜３２を４
つに区分する絶縁枠としても機能している。そして、触
媒電極がガスケット３３、３４に組み込まれたときに
は、ガスケット３３、３４の絶縁枠３３ａ、３４ａと触
媒電極２９〜３２との表面が面一になるようになってい
る。したがって、図４のように一対のセパレータ１４、
１５が発電素子を挟んで両側から圧接されて集合セル構
造体８が構成されたとき、該構造体８は一枚の板状にな
る。そして、触媒電極２９の領域には、セパレータ１
４、１５の導電体部分１４ａ、１５ａが対応し、ガスケ
ット３３、３４には、セパレータ１４、１５の絶縁枠部
分１４ｂ、１５ｂの領域が対応して、セパレータ１４、
１５と、発電素子１３とは水密及び気密に重ねられるこ
とによって上記集合セル構造体８を構成する。上記のよ
うに、セパレータ１４、１５の導電部分１４ａ、１５ａ
には、触媒電極面２９〜３２との間でガス流通路を画成
するための３５溝が該触媒電極面上を蛇行するように設
けられているが、図９は、板状の集合セル構造体の一つ
の面から上記の溝の配置状況について概念的に示すもの
である。図９において、上記のように、４つのセル４〜
７が設けられており、１つの水素供給用メイン通路１６
から２つのセル４、７の水素通路３６ａ、３７ａに水素
が供給されるようになっており、２つの水素の通路３６
ａ、３７ａの排出口が他の２つのセルの３６ｂ、３７ｂ
と共にメイン水素排出通路１７あるいは２１に通じてい
る。また、酸素について１つの酸素供給用メイン通路１
８から２つのセル４、７に酸素通路３８ａ、３９ａに酸
素が供給されるようになっており、２つのセル４、７か
らの排出酸素が他の２つのセル３８ｂ、３９ｂと共に酸
素排出用メイン通路１９、あるいは２３に排出されるよ
うになっている。このように２つのセル４、７及び５、
６がそれぞれ水素及び酸素の供給排出系について共通化
されている。また、冷却水については、図示していない
が同様の共通化が図られている。この場合図に示すよう
に、水素、酸素、冷却水の各メイン通路１６〜２７は、
セルを区分する境界領域内に設けられている。これによ
って、境界領域を有効に活用することができ、スタック
構造のコンパクト化を促進することができる。 【００１５】なお図において、実線は図示の表側の面に
設けられていることを示し、破線は、裏面側に設けられ
ていることを示す。したがって、水素を例にとると図９
に示すように、一方のセル７に対しては表側に、他方の
セル４に対しては、裏面側から導入されるように共通化
が行われている。冷却水の供給排出についても同様な構
成であるが、２段乃至３段の集合セル構造体の積層ごと
に設けられる。すなわち、数段の集合セル構造体を積層
した段階で導電性ガス分離部材１４、１５と同質材料の
冷却水通路配設部材を重ね合わせ、ガス流通路同様の方
式で電解領域をまんべんなく冷却するように冷却水通路
を設ける。本例のガス分離部材１４、１５は、導電性、
水密性かつ気密性の材料たとえば、樹脂含浸カーボンや
ＣＦＲＰ、アモルファスカーボンなどで構成される。好
ましくは射出成形あるいは型成形によって一体的に構成
される。セパレータ導電体部分１４ａ、１５ａには形成
されるガス流通路に対応する部分として、上記凹部３５
が形成されるが、これと対照的に形成される畝部すなわ
ち凸部４０の表面は、触媒電極表面に密着状態となり、
集電部を構成する。この集電部を介して発電素子は連続
的に接続されることになる。 【００１６】以上の構成において、上記反応ガスが燃料
電池スタック構造の各セル４〜７に導入さされると高分
子電解質膜において酸素と水素が反応して水素ガス通路
内において水が生成する。生成した水は、カソード電極
すなわち酸素ガス通路内において酸素ガスに同伴してメ
イン酸素排出通路を介して系外に排出される。この電気
化学反応過程において電解質膜中に水素イオンが流れ、
集電部間で電流が流れ、電力が発生する。そして、電気
化学反応で発生した電力は、導電性のセパレータ１４、
１５を介して集合セル構造体８の積層方向に流れる。こ
の場合、集合セル構造体８における各セル４〜７は絶縁
されているので、電流は、１つのセルに関し積層方向に
流れ、つぎに、端部にある導電性板において、同一へ平
面において隣接するセルの方向にながれ、次に、該セル
上に積層されている各セルを積層方向に流れ、さらに反
対側の端部において、隣接する別のセルに流れる。この
ようなメカニズムで最終的に燃料電池スタック構造の一
端側に設けられた一対の出力端子から電力を取り出すこ
とができる。図１０を参照すると、本発明の他の実施例
が示されており、本例の構造では、セパレータの周囲の
絶縁枠１４ｂ、１５ｂの一部が開放状態で構成され、そ
の部分には導電体部分が１４ａ、１５ａ外部に露出して
いる。このようにすることによって、任意の場所におい
て、適正に反応が生じているかどうかを計測することが
できる。 【００１７】さらに図１１を参照すると、本発明のさら
に他の実施例にかかる集合セル構造体の構造の概略図が
示されている。本例の構造では、ガス供給、排出、冷却
水供給、排出のメインがさらに集約され、一つの集合セ
ル構造体に配置された４つのセル４〜７の全てに対して
共通に設けられている（表側のみ示す）。すなわち、水
素ガスの供給通路１６、排出通路１７、酸素ガスの供給
通路１８、排出通路１９、冷却水供給２４、排出通路２
５がそれぞれ１つづつ設けられるだけである。これによ
って、集合セル構造体の境界部の面積をさらに小さくす
ることができ、したがって、燃料電池スタック構造全体
をさらにコンパクト化することができる。なお上記例で
は、田の字状に４つのセルを集合セル構造体に組み込ん
だ例について説明したが、これに限られるものではな
く、同一平面上に複数のセルを組み込みこれを互いに絶
縁状態に配列した構成について広く適用することができ
るものである。なお、各セルは電気的に絶縁状態にすれ
ば本発明の目的を達成することができるものであり、反
応ガス、冷却水の供給排出系は、必ずしも独立に設ける
ことはないことは上記の説明から明らかであろう。 【００１８】 【発明の効果】上記したように、本発明では、固体高分
子電解質膜燃料電池において、生成水の排出がガス通路
を介してスムーズに行われるとともに、導電性セパレー
タを配設したことによって、特別に集電機構を設けるこ
となく、電気化学反応により発生した電力の集電効率を
高めることができる。さらに、本発明では、同一平面上
に複数のセルを構成したので、均一な電気化学反応を容
易に行わせることによって、反応効率を高めることがで
きるとともに、その接続方法を適宜選択することによっ
て、高電圧型あるいは高電流型など電力の取り出しの自
由度を高めることができる。
に関する。 【０００２】 【従来の技術】固体高分子型燃料電池は、一般的に、水
素イオン導電性の固体高分子膜を白金触媒を担持したカ
ーボン電極で挟み込んで構成される発電素子すなわち固
体高分子−電極接合体及び反応ガスを供給するためのガ
ス通路溝が設けられ、発電素子を両側から支持するガス
分離部材とを積層した構造を有する。そして、一方の電
極に燃料ガスを供給し、他方の電極に酸化剤ガスを供給
して、燃料ガスの酸化にかかる化学エネルギーを直接電
気エネルギーに変換することによって電気エネルギーを
抽出するようになっている。燃料電池において、水素と
酸素による電気化学が生じると電流の発生とともに、カ
ソード側に水が生成する。そして、固体高分子型燃料電
池においては、他の燃料電池と比較して動作温度が低い
ため発生した水が凝縮し、ガス通路の壁面及び電極が濡
れるとともに、この壁面及び電極に次々と生成水が成長
して水滴となりこれが成長してガスの流れ及び電極内の
ガスの拡散を阻害するようになるとセル内において部分
的に燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応が生じにく
くなり、この結果、燃料電池の出力が低下するという現
象が生じる。 【０００３】従来のガス通路の構成は、たとえば、米国
特許第４、９８８、５８３号公報に開示されるようにセ
ル内にガス供給口とガス排出口とを連絡する１本のガス
通路が平面視において蛇行しながらガス分離板が電極と
接する部分の全面にわたって設けられる。そして、生成
した水を通路を流通するガスの流れによりガスに同伴せ
しめてガス通路から排出するようになっている。また米
国特許第４、７６９、２９７号公報に開示されるよう
に、カソード側電極で生成した水を排出するために電極
の背面側に多孔質プレートを配置し、多孔質プレートを
介して生成した水を排出するように構成することが知ら
れている。従来の燃料電池は、上記のような発電素子と
しての電解質膜とこの両側に配置される触媒電極と、さ
らにこの両触媒電極を挟んで両側に設けられるガス分離
部材とからなるセルは、単一の構成では、工業的用途に
活用できるような十分な電圧を発生しないので、通常
は、このセルを１つの構成単位として多段に積層するこ
とによって所望の電圧、電流を確保するようになってい
る。しかし、積層単位を、単一のセルからなる構造にす
ると、燃料電池が大型化するととも、発生させる電流ま
たは、電圧の自由度が低いという問題がある。 【０００４】このような観点から例えば、特開平６−０
５２８８１号公報は、同一平面内に複数のセルを配置し
た集合セル構造体を積層した固体電解質型燃料電池を開
示している。同一平面内に複数のセルが設けられる構造
にすると、同じ大きさにした場合、セルの構成数が増大
するために接続方法を適宜設定することによって、高電
圧高電流型あるいは、低電圧高電流型とすることができ
る等、抽出できる電力の形態を適宜制御することができ
るという利点がある。 【０００５】 【解決しようとする課題】しかし、上記特開平６−０５
２８８１号に開示される燃料電池は、高温作動する固体
電解質型であって、本発明にかかる低温作動型固体高分
子型燃料電池とは作動条件が異なり、該従来技術の構造
を本発明にかかる形式の燃料電池に適用することはでき
ない。すなわち、特開平６−０５２８８１号にかかる燃
料電池では、作動温度が水の沸点以上であるので、電解
質膜表面に生成する水は蒸気となるため、その排水構造
を考慮する必要はない。一方、本発明にかかる低温作動
型の固体高分子型燃料電池においては、上記したように
電気化学反応によって発生した生成水の除去すなわち排
水構造の構成が重大な問題となる。また、上記公報に開
示された構成では、ガス分離部材は、高温に耐えられる
ようにセラミック等が使用されており、このセラミック
材料は一般に不良導体であるため反応による発生電流を
集電するために特別の集電体をガス分離部材に担持する
必要がある。一方、本発明が対象とする形式の固体高分
子型燃料電池では、上記ガス分離部材を炭素材料などの
導電性材料を使用するものとは基本的に構成の仕方が異
なるものである。 【０００６】本発明は、固体高分子型燃料電池におい
て、生成水の排出効率が良好でかつ、有効にコンパクト
化を達成することを目的とする。 【０００７】 【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明は以下のように構成される。すなわち、本発
明の固体高分子型燃料電池は、高分子電解質膜と該高分
子電解膜の両側に配置される電極構成部材とから構成さ
れ、同一の平面内に複数個配置される発電素子と、該発
電素子の面に沿って配置され、それぞれの発電素子に対
応する導電部分を有するガス分離部材とを備え、前記発
電素子に対応する前記ガス分離部材の導電部分に反応ガ
スの供給通路を形成することによって単位セルを構成し
該単位セルを同一平面内に複数配置し同一平面内におい
て前記単位セルを複数備えた集合セル構造体を構成し、
この集合セル構造体を積層した燃料電池において、前記
発電素子と一体化され前記同一平面内でそれぞれの発電
素子を互いに絶縁するための第１絶縁部材と、前記ガス
分離部材と一体化された第２絶縁部材と、積層される前
記各集合セル構造体における各第１及び第２絶縁部材を
貫通して形成されるメインガス通路と、前記ガス分離部
材の前記導電部分に設けられ、該ガス分離部材が前記発
電素子に組合せられたとき、前記単位セルに対応して該
単位セル内を循環するガスが流通する単一の連続ガス流
通路を画成するための凹部と、を備え、それぞれの単位
セル内の前記連続ガス流通路は前記メインガス通路に連
通しているとともに、前記固体高分子膜において酸素と
水素が反応して生成される水も前記ガス流通路及び前記
メイン通路を介して排出されるようになっていることを
特徴とする。 【０００８】 【０００９】 【作用】本発明の固体高分子型燃料電池は、高分子電解
質膜及び両側に電極構成部材を備えた発電素子とこの両
側に配置されるガス分離部材とを含むセルを積層状態に
して構成されるが、一段の積層単位である構造体には、
複数のセルが組み込まれている。そして、積層された構
造の燃料電池すなわち、スタック構造の燃料電池におい
て、反応ガスの供給通路及び、冷却水通路は、そのスタ
ックの積層方向に沿って設けられる。すなわち、各積層
構造体を貫通する方向に設けられる。各セル内において
ガス通路は電極面に沿って且つ例えば蛇行しつつ極力広
い範囲にわたって電極面にガスが接触し、電気化学反応
が効果的に生じるように形成されている。この場合、一
つの集合セル構造体には、複数のセルが平面状に配置さ
れており、通常は、反応ガスの供給、排出及び冷却水通
路は、各セルについて設けられる。好ましい態様では、
ガス通路、冷却水通路を共通化して、一本のガス通路、
冷却水通路、が当該集合セル構造体にある全てのセルを
巡るように設けることもできる。いずれにしても、電気
化学反応に供する酸素及び水素ガスが互いに高分子電解
膜の両側から対向方向に該電解質膜の面にまんべんなく
供給されるようになっている。 【００１０】上記のように、本発明の特徴は、１つのセ
ル構造体には、互いに絶縁状態で複数のセルが同一平面
上に設けられることである。この場合、上記セルは、電
気化学反応によって生じた電気に関して互いに独立して
構成される。したがって、上記のようにスタック構造の
燃料電池において、メインガス通路及びメイン冷却水通
路は、積層方向に各構造体を貫通して設けられ、各構造
体へのガス供給、排出通路及び冷却水通路が該メインガ
ス供給排出通路及び冷却水通路に対して、直交する面内
に延びる。電解反応ガス及び冷却水の各セルへの供給、
排出系統は独立あるいは共通に設けることもできる。独
立して設ける場合には、本発明で複数のセルを集合化し
た構造体としたことで、各セルに対応するガス供給通
路、冷却水通路が必要となるが、このメイン通路のレイ
アウトを集約して各セルを区切る境界部に設けることに
よって、全体構造をコンパクトにすることができる。各
ガス、冷却水通路は、１つの構造体にある複数のセルに
対して共通に設けられる場合には、各構造体に関し、そ
れぞれ１つの水素供給口、１つの水素排出口、１つの酸
素供給口、１つの酸素排出口、１つの冷却水入口及び１
つの冷却水出口が設けられる。このように複数のセルに
対して、反応ガス及び冷却水の通路を共通に設けること
によって、各集合セル構造体を小さくすることができ、
ひいてはスタック構造全体をコンパクトにすることがで
きる。 【００１１】そして、本発明にかかる燃料電池において
は、ガス分離部材は導電性であるので、各セルにおける
電気化学反応によって発生した電流は、ガス分離部材の
畝部を介してこれと当接する異なる集合セル構造体のセ
ルに流れる。このように、順次、各セルで集電された電
力は、当接するセルを介して順次積層方向に流れ、端部
の構造体のセルに達する。好ましい態様では、端部の集
合セル構造体では、他の中間の集合セル構造体と異な
り、一対のセルが同一平面内において、導電状態で配設
されている。これによって、端部構造体において電流は
同一平面内の他のセルに流れ、その後、該セルから再び
順次当接する集合体を介して積層方向に流れるようにな
っている。このように、本発明にかかる構造では、各構
造体が複数のセルを含むので、積層方向に延び、かつ往
復するような電流路を確立することができるので、高い
電圧を取り出すことも可能である。 【００１２】 【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。図
１には、本発明の１実施例にかかる燃料電池のスタック
構造の斜視図が示されている。本例の燃料電池１は、一
端部に電気化学反応による電力を取り出すための一対の
出力端子２、３が設けられている。図２に示すように、
本例の燃料電池１は、４つのセル４、５、６、７を同一
平面上に配置した集合セル構造体８を所定枚数積み重ね
るとともに、その両端部に一対の集電板９、１０とさら
にその両側にそれぞれ絶縁体であるエンドプレート１
１、１２を積層して構成される。なお、集電板９は集電
部２、３、９ａと絶縁部９ｂが一体化され、また集電板
１０は集電部１０ａ、１０ｂと絶縁枠１０ｃが一体化さ
れて形成され、各セルが直列に接続されて高電圧が取り
出せるように構成される。１つの集合セル構造体８は、
図３に示すように一枚の発電素子１３とこの発電素子１
３に両側から一対のガス分離部材１４、１５すなわちガ
ス流通路を形成したセパレータ１４、１５を張り合わせ
るようにして図４に示すような１つの集合セル構造体８
が構成される。 【００１３】本例の構成では、燃料ガスは水素であり、
アノード電極側に通される。また、酸化剤ガスは空気ま
たは、酸素であり、カソード電極側に通される。１つの
発電素子１３は、図５に示すように、田の字状に区分さ
れたその境界部に反応ガス（水素、酸素）及び冷却水の
ためのメイン通路を構成するための１２個の開口１６〜
２７がそれぞれが設けられた固体高分子電解質膜２８、
この電解質膜の両側に上記田の字状に区分されたそれぞ
れの領域に対応して配置される４つづつの白金粒子を担
持した導電体である触媒電極板２９〜３２と、さらにこ
の外側から一対のガスケット３３、３４を、高分子電解
質膜２８を真ん中にして、その両側に触媒電極を配した
膜電極接合体に張り合わせるようにして図６に示すよう
な発電素子１３を構成する。図７、図８を参照すると、
本例においては、図３及び図４に示すように発電素子の
両側に、一対の導電体であるセパレータ１４、１５を組
み合わせて集合セル構造体８を構成する。この場合、セ
パレータ１４、１５には、田の字状に４つに区分された
セル領域に対応して導電体部１４ａ、１５ａが各セル領
域に対応して設けられており、この導電体部分１４ａ、
１５ａには、ガス流通路を構成するための蛇行する一本
の凹部３５すなわち溝が形成されている。 【００１４】１対のセパレータ１４、１５の間に挟まれ
る発電素子１３の触媒電極２９は、ガスケットと一体化
した状態で１つの発電素子組立体に組み込まれる。この
場合、ガスケット３３、３４は触媒電極２９〜３２を４
つに区分する絶縁枠としても機能している。そして、触
媒電極がガスケット３３、３４に組み込まれたときに
は、ガスケット３３、３４の絶縁枠３３ａ、３４ａと触
媒電極２９〜３２との表面が面一になるようになってい
る。したがって、図４のように一対のセパレータ１４、
１５が発電素子を挟んで両側から圧接されて集合セル構
造体８が構成されたとき、該構造体８は一枚の板状にな
る。そして、触媒電極２９の領域には、セパレータ１
４、１５の導電体部分１４ａ、１５ａが対応し、ガスケ
ット３３、３４には、セパレータ１４、１５の絶縁枠部
分１４ｂ、１５ｂの領域が対応して、セパレータ１４、
１５と、発電素子１３とは水密及び気密に重ねられるこ
とによって上記集合セル構造体８を構成する。上記のよ
うに、セパレータ１４、１５の導電部分１４ａ、１５ａ
には、触媒電極面２９〜３２との間でガス流通路を画成
するための３５溝が該触媒電極面上を蛇行するように設
けられているが、図９は、板状の集合セル構造体の一つ
の面から上記の溝の配置状況について概念的に示すもの
である。図９において、上記のように、４つのセル４〜
７が設けられており、１つの水素供給用メイン通路１６
から２つのセル４、７の水素通路３６ａ、３７ａに水素
が供給されるようになっており、２つの水素の通路３６
ａ、３７ａの排出口が他の２つのセルの３６ｂ、３７ｂ
と共にメイン水素排出通路１７あるいは２１に通じてい
る。また、酸素について１つの酸素供給用メイン通路１
８から２つのセル４、７に酸素通路３８ａ、３９ａに酸
素が供給されるようになっており、２つのセル４、７か
らの排出酸素が他の２つのセル３８ｂ、３９ｂと共に酸
素排出用メイン通路１９、あるいは２３に排出されるよ
うになっている。このように２つのセル４、７及び５、
６がそれぞれ水素及び酸素の供給排出系について共通化
されている。また、冷却水については、図示していない
が同様の共通化が図られている。この場合図に示すよう
に、水素、酸素、冷却水の各メイン通路１６〜２７は、
セルを区分する境界領域内に設けられている。これによ
って、境界領域を有効に活用することができ、スタック
構造のコンパクト化を促進することができる。 【００１５】なお図において、実線は図示の表側の面に
設けられていることを示し、破線は、裏面側に設けられ
ていることを示す。したがって、水素を例にとると図９
に示すように、一方のセル７に対しては表側に、他方の
セル４に対しては、裏面側から導入されるように共通化
が行われている。冷却水の供給排出についても同様な構
成であるが、２段乃至３段の集合セル構造体の積層ごと
に設けられる。すなわち、数段の集合セル構造体を積層
した段階で導電性ガス分離部材１４、１５と同質材料の
冷却水通路配設部材を重ね合わせ、ガス流通路同様の方
式で電解領域をまんべんなく冷却するように冷却水通路
を設ける。本例のガス分離部材１４、１５は、導電性、
水密性かつ気密性の材料たとえば、樹脂含浸カーボンや
ＣＦＲＰ、アモルファスカーボンなどで構成される。好
ましくは射出成形あるいは型成形によって一体的に構成
される。セパレータ導電体部分１４ａ、１５ａには形成
されるガス流通路に対応する部分として、上記凹部３５
が形成されるが、これと対照的に形成される畝部すなわ
ち凸部４０の表面は、触媒電極表面に密着状態となり、
集電部を構成する。この集電部を介して発電素子は連続
的に接続されることになる。 【００１６】以上の構成において、上記反応ガスが燃料
電池スタック構造の各セル４〜７に導入さされると高分
子電解質膜において酸素と水素が反応して水素ガス通路
内において水が生成する。生成した水は、カソード電極
すなわち酸素ガス通路内において酸素ガスに同伴してメ
イン酸素排出通路を介して系外に排出される。この電気
化学反応過程において電解質膜中に水素イオンが流れ、
集電部間で電流が流れ、電力が発生する。そして、電気
化学反応で発生した電力は、導電性のセパレータ１４、
１５を介して集合セル構造体８の積層方向に流れる。こ
の場合、集合セル構造体８における各セル４〜７は絶縁
されているので、電流は、１つのセルに関し積層方向に
流れ、つぎに、端部にある導電性板において、同一へ平
面において隣接するセルの方向にながれ、次に、該セル
上に積層されている各セルを積層方向に流れ、さらに反
対側の端部において、隣接する別のセルに流れる。この
ようなメカニズムで最終的に燃料電池スタック構造の一
端側に設けられた一対の出力端子から電力を取り出すこ
とができる。図１０を参照すると、本発明の他の実施例
が示されており、本例の構造では、セパレータの周囲の
絶縁枠１４ｂ、１５ｂの一部が開放状態で構成され、そ
の部分には導電体部分が１４ａ、１５ａ外部に露出して
いる。このようにすることによって、任意の場所におい
て、適正に反応が生じているかどうかを計測することが
できる。 【００１７】さらに図１１を参照すると、本発明のさら
に他の実施例にかかる集合セル構造体の構造の概略図が
示されている。本例の構造では、ガス供給、排出、冷却
水供給、排出のメインがさらに集約され、一つの集合セ
ル構造体に配置された４つのセル４〜７の全てに対して
共通に設けられている（表側のみ示す）。すなわち、水
素ガスの供給通路１６、排出通路１７、酸素ガスの供給
通路１８、排出通路１９、冷却水供給２４、排出通路２
５がそれぞれ１つづつ設けられるだけである。これによ
って、集合セル構造体の境界部の面積をさらに小さくす
ることができ、したがって、燃料電池スタック構造全体
をさらにコンパクト化することができる。なお上記例で
は、田の字状に４つのセルを集合セル構造体に組み込ん
だ例について説明したが、これに限られるものではな
く、同一平面上に複数のセルを組み込みこれを互いに絶
縁状態に配列した構成について広く適用することができ
るものである。なお、各セルは電気的に絶縁状態にすれ
ば本発明の目的を達成することができるものであり、反
応ガス、冷却水の供給排出系は、必ずしも独立に設ける
ことはないことは上記の説明から明らかであろう。 【００１８】 【発明の効果】上記したように、本発明では、固体高分
子電解質膜燃料電池において、生成水の排出がガス通路
を介してスムーズに行われるとともに、導電性セパレー
タを配設したことによって、特別に集電機構を設けるこ
となく、電気化学反応により発生した電力の集電効率を
高めることができる。さらに、本発明では、同一平面上
に複数のセルを構成したので、均一な電気化学反応を容
易に行わせることによって、反応効率を高めることがで
きるとともに、その接続方法を適宜選択することによっ
て、高電圧型あるいは高電流型など電力の取り出しの自
由度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１実施例にかかる固体高分子型燃料電
池のスタック構造の斜視図、 【図２】図１の燃料電池のスタック構造の分解斜視図、 【図３】集合セル構造体の分解斜視図、 【図４】集合セル構造体の斜視図、 【図５】発電素子の分解斜視図、 【図６】発電素子の斜視図 【図７】図４の線Ａ−Ａに沿った位置において、集合セ
ル構造体の構成部材を分解状態で示す断面図、 【図８】集合セル構造体の断面図、 【図９】集合セル構造体の平面図、 【図１０】本発明の他の実施例にかかる集合セル構造体
の平面図、 【図１１】本発明のさらに他の実施例にかかる集合セル
構造体の平面図である。 【符号の説明】 １ 燃料電池、 ２、３ 出力端子、 ４、５、６、７ セル ８ 集合セル構造体、 １３ 発電素子、 １４、１５ ガス分離部材。
池のスタック構造の斜視図、 【図２】図１の燃料電池のスタック構造の分解斜視図、 【図３】集合セル構造体の分解斜視図、 【図４】集合セル構造体の斜視図、 【図５】発電素子の分解斜視図、 【図６】発電素子の斜視図 【図７】図４の線Ａ−Ａに沿った位置において、集合セ
ル構造体の構成部材を分解状態で示す断面図、 【図８】集合セル構造体の断面図、 【図９】集合セル構造体の平面図、 【図１０】本発明の他の実施例にかかる集合セル構造体
の平面図、 【図１１】本発明のさらに他の実施例にかかる集合セル
構造体の平面図である。 【符号の説明】 １ 燃料電池、 ２、３ 出力端子、 ４、５、６、７ セル ８ 集合セル構造体、 １３ 発電素子、 １４、１５ ガス分離部材。
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(56)参考文献 特開 平６−52881（ＪＰ，Ａ)
特開 昭61−127883（ＪＰ，Ａ)
特開 昭60−221909（ＪＰ，Ａ)
米国特許4988583（ＵＳ，Ａ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
H01M 8/00 - 8/24
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 高分子電解質膜と該高分子電解膜の両側
に配置される電極構成部材とから構成され、同一の平面
内に複数個配置される発電素子と、 該発電素子の面に沿って配置され、それぞれの発電素子
に対応する導電部分を有するガス分離部材とを備え、 前記発電素子に対応する前記ガス分離部材の導電部分に
反応ガスの供給通路を形成することによって単位セルを
構成し該単位セルを同一平面内に複数配置し同一平面内
において前記単位セルを複数備えた集合セル構造体を構
成し、この集合セル構造体を 積層した燃料電池におい
て、前記発電素子と一体化され前記同一平面内でそれぞれの
発電素子を互いに絶縁するための第１絶縁部材と、前記
ガス分離部材と一体化された第２絶縁部材と、 積層される前記各集合セル構造体における各第１及び第
２絶縁部材を貫通して形成されるメインガス通路と、 前記ガス分離部材の前記導電部分に設けられ、該ガス分
離部材が前記発電素子に組合せられたとき、前記単位セ
ルに対応して該単位セル内を循環するガスが流通する単
一の連続ガス流通路を画成するための凹部と、を備え、 それぞれの単位セル内の前記連続ガス流通路は前記メイ
ンガス通路に連通しているとともに、前記固体高分子膜
において酸素と水素が反応して生成される水も前記ガス
流通路及び前記メイン通路を介して排出されるようにな
っている ことを特徴とする燃料電池スタック構造。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP07136295A JP3424223B2 (ja) | 1995-03-29 | 1995-03-29 | 燃料電池スタック構造 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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ID=13458322
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|---|---|---|---|
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|---|---|
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