JP3519840B2 - 固体高分子型燃料電池 - Google Patents
固体高分子型燃料電池Info
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- water
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- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- 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
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、固体高分子型燃料
電池に関し、特に、水を用いて固体高分子膜の加湿及び
冷却を行う固体高分子型燃料電池に関する。
電池に関し、特に、水を用いて固体高分子膜の加湿及び
冷却を行う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、固体高分子膜
の一方の側にカソードが配され他方の側にアノードが配
されたセルと、リブ及びガスチャンネルが形成されたセ
パレータ板とが交互に複数枚積層された構成をしてい
る。そして、カソードにカソードガス（空気等の酸化剤
ガス）を、アノードにアノードガス（水素リッチな燃料
ガス）をそれぞれ供給し、両ガスを電気化学反応させる
ことにより発電するようになっている。
の一方の側にカソードが配され他方の側にアノードが配
されたセルと、リブ及びガスチャンネルが形成されたセ
パレータ板とが交互に複数枚積層された構成をしてい
る。そして、カソードにカソードガス（空気等の酸化剤
ガス）を、アノードにアノードガス（水素リッチな燃料
ガス）をそれぞれ供給し、両ガスを電気化学反応させる
ことにより発電するようになっている。
【０００３】ここで、電気化学反応の際には、アノード
ガスの水素が水素イオンとなって、固体高分子膜の内部
をアノード側からカソード側へ移動する。したがって、
固体高分子膜が乾燥した場合には、膜のイオン伝導性が
低下するために内部抵抗が上昇し、セルの発電効率の低
下が起こる。また、反応熱等によって固体高分子膜が高
温となった場合にも、やはり膜のイオン伝導性が低下し
てしまい、同様の問題が生じる。
ガスの水素が水素イオンとなって、固体高分子膜の内部
をアノード側からカソード側へ移動する。したがって、
固体高分子膜が乾燥した場合には、膜のイオン伝導性が
低下するために内部抵抗が上昇し、セルの発電効率の低
下が起こる。また、反応熱等によって固体高分子膜が高
温となった場合にも、やはり膜のイオン伝導性が低下し
てしまい、同様の問題が生じる。
【０００４】そのため、固体高分子型燃料電池において
は、固体高分子膜の加湿及び冷却を行うことにより、膜
を湿潤状態にしておくと共に、適温（約５０°〜１００
℃）に保つ必要があり、これまで、アノードガスやカソ
ードガスを加湿器で加湿すると共に、冷却水等で冷却す
る等の方法がとられていた。また、上記の方法を改良す
る研究もなされ、例えば特願平７−１１９４１８号に記
載された発明では、水の中にアノードガスを微細な気泡
状態で均一に吹き込んで得られる気液混合物を、アノー
ドガスチャンネルに流通させることにより、アノードガ
スの供給と、固体高分子膜の加湿及び冷却とが同時に行
われるようになっており、冷却水等の流通路を個別に設
ける必要がない。
は、固体高分子膜の加湿及び冷却を行うことにより、膜
を湿潤状態にしておくと共に、適温（約５０°〜１００
℃）に保つ必要があり、これまで、アノードガスやカソ
ードガスを加湿器で加湿すると共に、冷却水等で冷却す
る等の方法がとられていた。また、上記の方法を改良す
る研究もなされ、例えば特願平７−１１９４１８号に記
載された発明では、水の中にアノードガスを微細な気泡
状態で均一に吹き込んで得られる気液混合物を、アノー
ドガスチャンネルに流通させることにより、アノードガ
スの供給と、固体高分子膜の加湿及び冷却とが同時に行
われるようになっており、冷却水等の流通路を個別に設
ける必要がない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな気液混合物を流通させる固体高分子型燃料電池にお
いては、気液混合物は、アノードガスが水中に分散して
いるだけであるため、それぞれのセパレータ板へ分配さ
れるまでの間に、アノードガスの分散性が変化してしま
い、その結果、それぞれのアノードに供給される気液混
合物の分散性にばらつきが生じやすいという問題があっ
た。
うな気液混合物を流通させる固体高分子型燃料電池にお
いては、気液混合物は、アノードガスが水中に分散して
いるだけであるため、それぞれのセパレータ板へ分配さ
れるまでの間に、アノードガスの分散性が変化してしま
い、その結果、それぞれのアノードに供給される気液混
合物の分散性にばらつきが生じやすいという問題があっ
た。
【０００６】また、各セパレータ板に分配された気液混
合物が、それぞれのアノードガスチャンネルへ分配され
るまでの間でも、アノードガスの分散性が変化してしま
うため、アノードの各部分に供給される気液混合物の分
散性にもばらつきが生じやすいという問題があった。こ
のように、固体高分子型燃料電池の各セル間において、
また、セルの各部分間において、アノードへのアノード
ガス供給率に差異が生じた場合、アノードガス分散性の
高い気液混合物が供給される部分（即ち、アノードガス
供給率の高い部分）は、他の部分に比べて多くの反応が
起こるためにセルの劣化が早く、燃料電池全体として発
電効率の低下や寿命特性の低下等の問題につながる。
合物が、それぞれのアノードガスチャンネルへ分配され
るまでの間でも、アノードガスの分散性が変化してしま
うため、アノードの各部分に供給される気液混合物の分
散性にもばらつきが生じやすいという問題があった。こ
のように、固体高分子型燃料電池の各セル間において、
また、セルの各部分間において、アノードへのアノード
ガス供給率に差異が生じた場合、アノードガス分散性の
高い気液混合物が供給される部分（即ち、アノードガス
供給率の高い部分）は、他の部分に比べて多くの反応が
起こるためにセルの劣化が早く、燃料電池全体として発
電効率の低下や寿命特性の低下等の問題につながる。
【０００７】そこで、本発明は上記問題点に鑑み、アノ
ードに気液混合物を供給する固体高分子型燃料電池にお
いて、各アノード、及びアノードの各部分に供給される
気液混合物の分散性を均一化することによって、効率よ
く固体高分子膜の加湿及び冷却を行いながらも、各セル
における発電特性を均一化することが可能な固体高分子
型燃料電池を提供することを目的としている。
ードに気液混合物を供給する固体高分子型燃料電池にお
いて、各アノード、及びアノードの各部分に供給される
気液混合物の分散性を均一化することによって、効率よ
く固体高分子膜の加湿及び冷却を行いながらも、各セル
における発電特性を均一化することが可能な固体高分子
型燃料電池を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、請求項１記載の発明においては、固体高分子膜を介
してカソードとアノードが配されたセルと、リブ及びガ
スチャンネルが形成されたセパレータ板とが交互に複数
枚積層された構成であって、運転時に、アノード側ガス
チャンネルに水とアノードガスとの混合物を流通させる
固体高分子型燃料電池において、前記アノード側ガスチ
ャンネルに水を分配供給する水供給マニホールドと、前
記アノード側ガスチャンネルにおいて前記水供給マニホ
ールドの下流側に配置され、前記アノード側ガスチャン
ネルにアノードガスを分配供給するアノードガス供給マ
ニホールドと、前記アノード側ガスチャンネルの上流部
に配置され、前記アノードガス供給マニホールドからの
アノードガスを、前記アノード側ガスチャンネルに供給
された水に混合させる気液混合手段と、を備えることを
特徴としている。
め、請求項１記載の発明においては、固体高分子膜を介
してカソードとアノードが配されたセルと、リブ及びガ
スチャンネルが形成されたセパレータ板とが交互に複数
枚積層された構成であって、運転時に、アノード側ガス
チャンネルに水とアノードガスとの混合物を流通させる
固体高分子型燃料電池において、前記アノード側ガスチ
ャンネルに水を分配供給する水供給マニホールドと、前
記アノード側ガスチャンネルにおいて前記水供給マニホ
ールドの下流側に配置され、前記アノード側ガスチャン
ネルにアノードガスを分配供給するアノードガス供給マ
ニホールドと、前記アノード側ガスチャンネルの上流部
に配置され、前記アノードガス供給マニホールドからの
アノードガスを、前記アノード側ガスチャンネルに供給
された水に混合させる気液混合手段と、を備えることを
特徴としている。
【０００９】請求項２記載の発明においては、前記気液
混合手段は、アノードガス供給マニホールドからのアノ
ードガスを、各アノード側ガスチャンネルに供給された
水に吹き込むガス吹き込み部を備えることを特徴として
いる。請求項３記載の発明においては、前記ガス吹き込
み部は、アノードガス供給マニホールドからのアノード
ガスが通過するように、アノード側ガスチャンネルの入
口側に配された多孔性部材からなることを特徴としてい
る。
混合手段は、アノードガス供給マニホールドからのアノ
ードガスを、各アノード側ガスチャンネルに供給された
水に吹き込むガス吹き込み部を備えることを特徴として
いる。請求項３記載の発明においては、前記ガス吹き込
み部は、アノードガス供給マニホールドからのアノード
ガスが通過するように、アノード側ガスチャンネルの入
口側に配された多孔性部材からなることを特徴としてい
る。
【００１０】請求項４記載の発明においては、固体高分
子膜を介してカソードとアノードが配されたセルと、リ
ブ及びガスチャンネルが形成されたセパレータ板とが交
互に複数枚積層され、積層方向にわたってアノード側ガ
スチャンネルと連通する第一のマニホールドが形成され
た構成であって、運転時に第一のマニホールドからアノ
ード側ガスチャンネルに水とアノードガスとの混合物を
流通させる固体高分子型燃料電池において、前記固体高
分子型燃料電池は、前記第一のマニホールドに対して、
セパレータ板に沿った方向に水を供給する第二のマニホ
ールドが形成されており、第一のマニホールド内には、
第一のマニホールドに供給される水に、アノードガスを
吹き込むガス吹き込み器が、積層方向にわたって設けら
れていることを特徴としている。
子膜を介してカソードとアノードが配されたセルと、リ
ブ及びガスチャンネルが形成されたセパレータ板とが交
互に複数枚積層され、積層方向にわたってアノード側ガ
スチャンネルと連通する第一のマニホールドが形成され
た構成であって、運転時に第一のマニホールドからアノ
ード側ガスチャンネルに水とアノードガスとの混合物を
流通させる固体高分子型燃料電池において、前記固体高
分子型燃料電池は、前記第一のマニホールドに対して、
セパレータ板に沿った方向に水を供給する第二のマニホ
ールドが形成されており、第一のマニホールド内には、
第一のマニホールドに供給される水に、アノードガスを
吹き込むガス吹き込み器が、積層方向にわたって設けら
れていることを特徴としている。
【００１１】請求項１記載の発明によれば、気液混合物
は、各アノードガスチャンネル毎に設けられている気液
混合手段によって生成される。したがって、それぞれの
アノードガスチャンネルには、水に対するアノードガス
の分散性がほとんど等しい気液混合物が流通されるた
め、アノードへのアノードガスの供給を均一的に行うこ
とができる。その上、気液混合物の流通経路長を短く設
定できるため、各アノードガスチャンネルを流通してい
る間に、アノードガス分散の均一性が失われることもな
い。
は、各アノードガスチャンネル毎に設けられている気液
混合手段によって生成される。したがって、それぞれの
アノードガスチャンネルには、水に対するアノードガス
の分散性がほとんど等しい気液混合物が流通されるた
め、アノードへのアノードガスの供給を均一的に行うこ
とができる。その上、気液混合物の流通経路長を短く設
定できるため、各アノードガスチャンネルを流通してい
る間に、アノードガス分散の均一性が失われることもな
い。
【００１２】また、請求項２及び請求項３記載の発明に
よれば、効果的にアノードガスを微細な気泡状態で吹き
込ませることができ、アノードガス分散性の均一な気液
混合物を生成させることが可能である。請求項４記載の
発明によれば、第二のマニホールドからの水は、第一の
マニホールド内でガス吹き込み器からのアノードガスと
混合されてセパレータ板に沿った方向に流れるため、積
層方向に対するアノードガスの分散性のばらつきが小さ
く、各セパレータ板に均一的に分散された混合物が供給
される。
よれば、効果的にアノードガスを微細な気泡状態で吹き
込ませることができ、アノードガス分散性の均一な気液
混合物を生成させることが可能である。請求項４記載の
発明によれば、第二のマニホールドからの水は、第一の
マニホールド内でガス吹き込み器からのアノードガスと
混合されてセパレータ板に沿った方向に流れるため、積
層方向に対するアノードガスの分散性のばらつきが小さ
く、各セパレータ板に均一的に分散された混合物が供給
される。
【００１３】
【発明の実施の形態】以下、本発明に係る固体高分子型
燃料電池の実施形態の一例について、図面を参照しなが
ら具体的に説明する。 （実施形態１）図１は本発明の一実施例に係る固体高分
子型燃料電池の構成を示す分解斜視図である。
燃料電池の実施形態の一例について、図面を参照しなが
ら具体的に説明する。 （実施形態１）図１は本発明の一実施例に係る固体高分
子型燃料電池の構成を示す分解斜視図である。
【００１４】固体高分子型燃料電池は、気液混合物中の
水素と空気中の酸素とを電気化学反応させることにより
発電を行うセル１と、その際の気液混合物と空気をそれ
ぞれ個別にセル１に供給するセパレータ板２とが、交互
に所定枚数水平方向に積層され、その両端が図示しない
一対の端板で押さえられた構成をしている。なお、セル
１及びセパレータ板２の積層枚数は、単セル電圧や必要
な外部出力の大きさ、装置の大きさ等に基づいて最適と
なるように設定されるが、図１においては、セル１とセ
パレータ板２とを各１枚、積層方向に切断したものだけ
を図示し、その他は省略してある。また、紙面の右方向
を燃料電池の右方向と設定した。
水素と空気中の酸素とを電気化学反応させることにより
発電を行うセル１と、その際の気液混合物と空気をそれ
ぞれ個別にセル１に供給するセパレータ板２とが、交互
に所定枚数水平方向に積層され、その両端が図示しない
一対の端板で押さえられた構成をしている。なお、セル
１及びセパレータ板２の積層枚数は、単セル電圧や必要
な外部出力の大きさ、装置の大きさ等に基づいて最適と
なるように設定されるが、図１においては、セル１とセ
パレータ板２とを各１枚、積層方向に切断したものだけ
を図示し、その他は省略してある。また、紙面の右方向
を燃料電池の右方向と設定した。
【００１５】セル１は、固体高分子膜１１の一方の側に
主に白金担持カーボンからなるカソード１２を、他方の
側に同様の材料からなるアノード１３を、それぞれホッ
トプレス等によって配設して構成されている。固体高分
子膜１１は、例えばパーフルオロカーボンスルホン酸の
薄膜であって、右上方側部には、積層時に水及び水素の
供給マニホールドを形成する水供給開口１４及び水素供
給開口１５がそれぞれ開設されている。また、下部に
は、積層時に気液混合物の排出マニホールドを形成する
気液混合物排出開口１６（但し、図１においては、一部
分のみ図示してある。）が開設されている。一方、左上
方側部及び右下方側部には、積層時に空気の供給、排出
マニホールドを形成する空気供給開口（図示せず）及び
空気排出開口１７がそれぞれ開設されている。
主に白金担持カーボンからなるカソード１２を、他方の
側に同様の材料からなるアノード１３を、それぞれホッ
トプレス等によって配設して構成されている。固体高分
子膜１１は、例えばパーフルオロカーボンスルホン酸の
薄膜であって、右上方側部には、積層時に水及び水素の
供給マニホールドを形成する水供給開口１４及び水素供
給開口１５がそれぞれ開設されている。また、下部に
は、積層時に気液混合物の排出マニホールドを形成する
気液混合物排出開口１６（但し、図１においては、一部
分のみ図示してある。）が開設されている。一方、左上
方側部及び右下方側部には、積層時に空気の供給、排出
マニホールドを形成する空気供給開口（図示せず）及び
空気排出開口１７がそれぞれ開設されている。
【００１６】図２はセパレータ板２の一部を分解した斜
視図である。セパレータ板２は、図１及び図２に示すよ
うに、セパレータ本体２１と、カソード１２にカソード
ガスを分配するカソードチャンネル基板２２（但し、図
２においては、図面の裏側に位置しているため、図示し
ていない。）と、アノード１３にアノードガスを分配す
るアノードチャンネル基板２３と、水をアノードチャン
ネル基板２３に導く水チャンネル基板２４及び多孔性薄
板２５から構成されている。
視図である。セパレータ板２は、図１及び図２に示すよ
うに、セパレータ本体２１と、カソード１２にカソード
ガスを分配するカソードチャンネル基板２２（但し、図
２においては、図面の裏側に位置しているため、図示し
ていない。）と、アノード１３にアノードガスを分配す
るアノードチャンネル基板２３と、水をアノードチャン
ネル基板２３に導く水チャンネル基板２４及び多孔性薄
板２５から構成されている。
【００１７】セパレータ本体２１は、ガラス状カーボン
からなる気密性を有する薄板であって、右上方側部に
は、積層時に水及び水素の供給マニホールドを形成する
水供給開口２６及び水素供給開口２７がそれぞれ開設さ
れている。また、下部には、積層時に気液混合物の排出
マニホールドを形成する気液混合物排出開口２８（但
し、図１においては、一部分のみ図示してある。）が開
設されている。一方、左上方側部及び右下方側部には、
積層時に空気の供給、排出マニホールドを形成する空気
供給開口２９（但し、図１においては図示していな
い。）及び空気排出開口３０がそれぞれ開設されてい
る。
からなる気密性を有する薄板であって、右上方側部に
は、積層時に水及び水素の供給マニホールドを形成する
水供給開口２６及び水素供給開口２７がそれぞれ開設さ
れている。また、下部には、積層時に気液混合物の排出
マニホールドを形成する気液混合物排出開口２８（但
し、図１においては、一部分のみ図示してある。）が開
設されている。一方、左上方側部及び右下方側部には、
積層時に空気の供給、排出マニホールドを形成する空気
供給開口２９（但し、図１においては図示していな
い。）及び空気排出開口３０がそれぞれ開設されてい
る。
【００１８】また、カソード１２及びアノード１３と対
向する各面には、図２に示すように、カソード１２及び
カソードチャンネル基板２２が埋設されるカソード側凹
部（図面の裏側に位置しているため、図示していな
い。）と、アノード１３、アノードチャンネル基板２
３、水チャンネル基板２４及び多孔性薄板２５が埋設さ
れるアノード側凹部３３が形成されている。
向する各面には、図２に示すように、カソード１２及び
カソードチャンネル基板２２が埋設されるカソード側凹
部（図面の裏側に位置しているため、図示していな
い。）と、アノード１３、アノードチャンネル基板２
３、水チャンネル基板２４及び多孔性薄板２５が埋設さ
れるアノード側凹部３３が形成されている。
【００１９】さらに、アノード側凹部３３の上部には、
水供給用マニホールド及び水素供給用マニホールドとな
る貫通口３１及び３２が、それぞれ水平方向に形成され
ている。なお、図示しないが、貫通口３１及び３２は、
それぞれ前述した水供給開口２６及び水素供給開口２７
と連通されており、燃料電池外部からの水及び水素が導
入されるようになっている。
水供給用マニホールド及び水素供給用マニホールドとな
る貫通口３１及び３２が、それぞれ水平方向に形成され
ている。なお、図示しないが、貫通口３１及び３２は、
それぞれ前述した水供給開口２６及び水素供給開口２７
と連通されており、燃料電池外部からの水及び水素が導
入されるようになっている。
【００２０】カソードチャンネル基板２２は、多孔性カ
ーボンの薄板に、切削、研磨加工等によって複数本のリ
ブ２２ａ及び空気流通溝２２ｂが水平方向に形成された
構成をしており（図１を参照）、カソード側凹部内にお
いては、リブ−流通溝形成面２２０がカソード１２と対
向するように配向されている。一方、アノードチャンネ
ル基板２３は、多孔性カーボンの薄板に、切削、研磨加
工等によって複数本のリブ２３ａ及び気液混合物流通溝
２３ｂが垂直方向に形成された構成をしており、アノー
ド側凹部３３内においては、リブ−流通溝形成面２３０
がアノード１３と対向するように配向されている。な
お、多孔度については、前記貫通口３２から供給される
水素を透過させ、各溝２３ｂを通過する水に吹き込むこ
とができる程度に設定される。
ーボンの薄板に、切削、研磨加工等によって複数本のリ
ブ２２ａ及び空気流通溝２２ｂが水平方向に形成された
構成をしており（図１を参照）、カソード側凹部内にお
いては、リブ−流通溝形成面２２０がカソード１２と対
向するように配向されている。一方、アノードチャンネ
ル基板２３は、多孔性カーボンの薄板に、切削、研磨加
工等によって複数本のリブ２３ａ及び気液混合物流通溝
２３ｂが垂直方向に形成された構成をしており、アノー
ド側凹部３３内においては、リブ−流通溝形成面２３０
がアノード１３と対向するように配向されている。な
お、多孔度については、前記貫通口３２から供給される
水素を透過させ、各溝２３ｂを通過する水に吹き込むこ
とができる程度に設定される。
【００２１】水チャンネル基板２４は、アノードチャン
ネル基板２３と同様の基板を水平方向に（即ち、リブ２
３ａ及び気液混合物流通溝２３ｂと直交するように）切
り取ったものであり、アノード側凹部３３内において
は、アノードチャンネル基板２３の上方に、アノードチ
ャンネル基板２３とは表裏反対となるように配向されて
いる。したがって、水チャンネル基板２４のリブ２４ａ
及び水流通溝２４ｂの幅については、アノードチャンネ
ル基板２３のリブ２３ａ及び気液混合物流通溝２３ｂの
幅と全く同じになっている。
ネル基板２３と同様の基板を水平方向に（即ち、リブ２
３ａ及び気液混合物流通溝２３ｂと直交するように）切
り取ったものであり、アノード側凹部３３内において
は、アノードチャンネル基板２３の上方に、アノードチ
ャンネル基板２３とは表裏反対となるように配向されて
いる。したがって、水チャンネル基板２４のリブ２４ａ
及び水流通溝２４ｂの幅については、アノードチャンネ
ル基板２３のリブ２３ａ及び気液混合物流通溝２３ｂの
幅と全く同じになっている。
【００２２】多孔性薄板２５は、水チャンネル基板２４
のリブ−流通溝形成面２４０と同じ大きさをしており、
アノード側凹部３３内においては、リブ−流通溝形成面
２４０側で水チャンネル基板２４と積層される。なお、
この多孔性薄板２５は、前記貫通口３１から供給される
水を透過させることによって、水チャンネル基板２４の
各溝２４ｂに均一に分配する働きをなし、孔（図示せ
ず）の形状、位置、数量等によって設定される多孔度に
ついては、孔に対する水の通過性と水素の通過性の違い
を考慮して、前記アノードチャンネル基板２３の多孔度
に比べて大きくしてある。
のリブ−流通溝形成面２４０と同じ大きさをしており、
アノード側凹部３３内においては、リブ−流通溝形成面
２４０側で水チャンネル基板２４と積層される。なお、
この多孔性薄板２５は、前記貫通口３１から供給される
水を透過させることによって、水チャンネル基板２４の
各溝２４ｂに均一に分配する働きをなし、孔（図示せ
ず）の形状、位置、数量等によって設定される多孔度に
ついては、孔に対する水の通過性と水素の通過性の違い
を考慮して、前記アノードチャンネル基板２３の多孔度
に比べて大きくしてある。
【００２３】図３は図２のＡ−Ａ線断面における部分拡
大図である。なお、図３中の白抜き矢印Ｗ１及びＷ２は
水の流れを示し、黒塗り矢印Ｈ１及びＨ２は水素の流れ
を示している。また、白抜き矢印Ｍ１は気液混合物の流
れを示している。水供給用マニホールド３１を流通して
きた水（白抜き矢印Ｗ１）は、多孔性薄板２５の孔を通
過し、各水流通溝２４ｂ，２４ｂ，…に均等に分配され
る（白抜き矢印Ｗ２）。そして、気液混合物流通溝２３
ｂへ導かれる。
大図である。なお、図３中の白抜き矢印Ｗ１及びＷ２は
水の流れを示し、黒塗り矢印Ｈ１及びＨ２は水素の流れ
を示している。また、白抜き矢印Ｍ１は気液混合物の流
れを示している。水供給用マニホールド３１を流通して
きた水（白抜き矢印Ｗ１）は、多孔性薄板２５の孔を通
過し、各水流通溝２４ｂ，２４ｂ，…に均等に分配され
る（白抜き矢印Ｗ２）。そして、気液混合物流通溝２３
ｂへ導かれる。
【００２４】一方、水素供給用マニホールド３２を流通
してきた水素（黒塗り矢印Ｈ１）は、アノードチャンネ
ル基板２３の孔を通過し、各気液混合物流通溝２３ｂ，
２３ｂ，…に均等に吹き込まれる（黒塗り矢印Ｈ２）。
そして、各気液混合物流通溝２３ｂ，２３ｂ，…内にお
いて、水素が微細な気泡状態で水中に分散した気液混合
物が生成される。
してきた水素（黒塗り矢印Ｈ１）は、アノードチャンネ
ル基板２３の孔を通過し、各気液混合物流通溝２３ｂ，
２３ｂ，…に均等に吹き込まれる（黒塗り矢印Ｈ２）。
そして、各気液混合物流通溝２３ｂ，２３ｂ，…内にお
いて、水素が微細な気泡状態で水中に分散した気液混合
物が生成される。
【００２５】気液混合物は、気液混合物流通溝２３ｂを
下方へ流通し（白抜き矢印Ｍ１）、その際に、水素は空
気中の酸素との電気化学反応に寄与し、水は固体高分子
膜１１の加湿及び冷却に寄与する。そして、図３におい
ては図示していないが、排出マニホールドから燃料電池
外部へ排出される。なお、本実施例においては、水チャ
ンネル基板２４及び多孔性薄板２５を一体化して設ける
代わりに、例えば、図４に示すように、水チャンネル基
板４０を設けることも可能である。即ち、水チャンネル
基板４０は、水チャンネル基板２４と同様の形状である
が、貫通口（水供給用マニホールド）３１からの水が透
過するように、多孔度の大きい材料で構成されており、
リブ−流通溝形成面４００をアノード１３と対向させて
セパレータ本体２１内に埋設されている。このようにす
れば、図３に示すような多孔性薄板２５を別途設けなく
ても、上記の水チャンネル基板２４及び多孔性薄板２５
を一体化して設けた場合と同様に気液混合物が生成され
各気液混合物流通溝２３ｂに導くことができ、セパレー
タ板２の構成部材数を少なくすることができる。
下方へ流通し（白抜き矢印Ｍ１）、その際に、水素は空
気中の酸素との電気化学反応に寄与し、水は固体高分子
膜１１の加湿及び冷却に寄与する。そして、図３におい
ては図示していないが、排出マニホールドから燃料電池
外部へ排出される。なお、本実施例においては、水チャ
ンネル基板２４及び多孔性薄板２５を一体化して設ける
代わりに、例えば、図４に示すように、水チャンネル基
板４０を設けることも可能である。即ち、水チャンネル
基板４０は、水チャンネル基板２４と同様の形状である
が、貫通口（水供給用マニホールド）３１からの水が透
過するように、多孔度の大きい材料で構成されており、
リブ−流通溝形成面４００をアノード１３と対向させて
セパレータ本体２１内に埋設されている。このようにす
れば、図３に示すような多孔性薄板２５を別途設けなく
ても、上記の水チャンネル基板２４及び多孔性薄板２５
を一体化して設けた場合と同様に気液混合物が生成され
各気液混合物流通溝２３ｂに導くことができ、セパレー
タ板２の構成部材数を少なくすることができる。
【００２６】（実施形態２）図５は実施形態２における
固体高分子型燃料電池の部分分解斜視図である。なお、
固体高分子型燃料電池の基本的な構成は、前述した実施
形態１と同様であるため、同一符号を付して詳細な説明
を省略する。固体高分子膜１１の上部には、積層時に水
及び気液混合物の供給マニホールドを形成する水供給開
口１１４及び気液混合物供給開口１１５が開設され、下
部には、積層時に気液混合物の排出マニホールドを形成
する気液混合物排出開口１６が開設されている。また、
左上方側部及び右下方側部には、空気の供給、排出マニ
ホールドを形成する空気供給開口（図示せず）及び空気
排出開口１７がそれぞれ開設されている。
固体高分子型燃料電池の部分分解斜視図である。なお、
固体高分子型燃料電池の基本的な構成は、前述した実施
形態１と同様であるため、同一符号を付して詳細な説明
を省略する。固体高分子膜１１の上部には、積層時に水
及び気液混合物の供給マニホールドを形成する水供給開
口１１４及び気液混合物供給開口１１５が開設され、下
部には、積層時に気液混合物の排出マニホールドを形成
する気液混合物排出開口１６が開設されている。また、
左上方側部及び右下方側部には、空気の供給、排出マニ
ホールドを形成する空気供給開口（図示せず）及び空気
排出開口１７がそれぞれ開設されている。
【００２７】一方、セパレータ板２は、セパレータ本体
１２１と、カソードチャンネル基板２２及びアノードチ
ャンネル基板２３から構成されており、上記実施形態１
に記載された水チャンネル基板２４及び多孔性薄板２５
は設けられていない。セパレータ本体１２１の上部に
は、積層時に水及び気液混合物の供給マニホールドを形
成する水供給開口２１４及び気液混合物供給開口２１５
が開設され、下部には、積層時に気液混合物の排出マニ
ホールドを形成する気液混合物排出開口２８が開設され
ている。また、左上方側部及び右下方側部には、空気の
供給、排出マニホールドを形成する空気供給開口２９及
び空気排出開口３０がそれぞれ開設されている。なお、
水供給開口２１４、気液混合物供給開口２１５、及び各
気液混合物流通溝２３ｂ，２３ｂ，…は、凹部２０１及
び２０２によって互いに連通された構成となっている。
１２１と、カソードチャンネル基板２２及びアノードチ
ャンネル基板２３から構成されており、上記実施形態１
に記載された水チャンネル基板２４及び多孔性薄板２５
は設けられていない。セパレータ本体１２１の上部に
は、積層時に水及び気液混合物の供給マニホールドを形
成する水供給開口２１４及び気液混合物供給開口２１５
が開設され、下部には、積層時に気液混合物の排出マニ
ホールドを形成する気液混合物排出開口２８が開設され
ている。また、左上方側部及び右下方側部には、空気の
供給、排出マニホールドを形成する空気供給開口２９及
び空気排出開口３０がそれぞれ開設されている。なお、
水供給開口２１４、気液混合物供給開口２１５、及び各
気液混合物流通溝２３ｂ，２３ｂ，…は、凹部２０１及
び２０２によって互いに連通された構成となっている。
【００２８】本実施形態における固体高分子型燃料電池
は、上述したようなセル１とセパレータ板２とが所定枚
数交互に積層され、気液混合物供給マニホールド内に、
水中に水素を吹き込むことにより気液混合物を生成する
バブラー３００が挿入された構成をしている。バブラー
３００は、例えばメッシュ径５μｍの焼結金属からなり
中心軸に沿って水素の流通路となる中空部３０１が形成
された円柱状の多孔性部材３０２の両端に一対の蓋部３
０３ａ，３０３ｂを設けて構成されている。そして、一
方の蓋部３０３ａには、水素供給管３０４を接続して、
中空部３０１に水素を送り込むことができるようになっ
ている。
は、上述したようなセル１とセパレータ板２とが所定枚
数交互に積層され、気液混合物供給マニホールド内に、
水中に水素を吹き込むことにより気液混合物を生成する
バブラー３００が挿入された構成をしている。バブラー
３００は、例えばメッシュ径５μｍの焼結金属からなり
中心軸に沿って水素の流通路となる中空部３０１が形成
された円柱状の多孔性部材３０２の両端に一対の蓋部３
０３ａ，３０３ｂを設けて構成されている。そして、一
方の蓋部３０３ａには、水素供給管３０４を接続して、
中空部３０１に水素を送り込むことができるようになっ
ている。
【００２９】なお、円柱状の多孔性部材３０２の長さＬ
は、気液混合物供給マニホールドの長さ、即ち燃料電池
の積層方向の長さと同じになっている。また、外径Ｒ
は、気液混合物供給マニホールド（即ち、気液混合物供
給開口１１５及び２１５）の内径に比べて若干小さく、
多孔性部材３０２の外周面の外側に隙間ができるように
なっている。なお、隙間の大きさは、流通させる水や水
素の流量、流速等に基づいて両者の混合が最適となるよ
うに設定される。
は、気液混合物供給マニホールドの長さ、即ち燃料電池
の積層方向の長さと同じになっている。また、外径Ｒ
は、気液混合物供給マニホールド（即ち、気液混合物供
給開口１１５及び２１５）の内径に比べて若干小さく、
多孔性部材３０２の外周面の外側に隙間ができるように
なっている。なお、隙間の大きさは、流通させる水や水
素の流量、流速等に基づいて両者の混合が最適となるよ
うに設定される。
【００３０】図６は、セパレータ板２の部分拡大平面図
であって、気液混合物供給マニホールド内の多孔性部材
３０２の断面も図示してある。なお、図６において、白
抜き矢印Ｗ３及びＷ４は水の流れを示し、黒塗り矢印Ｈ
３は水素の流れを示している。また、白抜き矢印Ｍ２は
気液混合物の流れを示している。水供給マニホールドを
流通してきた水は、凹部２０１を通って（白抜き矢印Ｗ
３）、気液混合物供給マニホールドと円柱状多孔性部材
３０２との隙間に導入される（白抜き矢印Ｗ４）。
であって、気液混合物供給マニホールド内の多孔性部材
３０２の断面も図示してある。なお、図６において、白
抜き矢印Ｗ３及びＷ４は水の流れを示し、黒塗り矢印Ｈ
３は水素の流れを示している。また、白抜き矢印Ｍ２は
気液混合物の流れを示している。水供給マニホールドを
流通してきた水は、凹部２０１を通って（白抜き矢印Ｗ
３）、気液混合物供給マニホールドと円柱状多孔性部材
３０２との隙間に導入される（白抜き矢印Ｗ４）。
【００３１】一方、管状開口３０１内を流通してきた水
素は、円柱状多孔性部材３０２の孔を通過して、放射状
に気液混合物供給マニホールドと円柱状多孔性部材３０
２との隙間へ吹き出される（黒塗り矢印Ｈ３）。ここ
で、水素が微細な気泡状態で水中に分散した気液混合物
が生成される。そして、気液混合物は、凹部２０２を通
って（白抜き矢印Ｍ２）、各気液混合物流通溝２３ｂ，
２３ｂ，…に供給される。
素は、円柱状多孔性部材３０２の孔を通過して、放射状
に気液混合物供給マニホールドと円柱状多孔性部材３０
２との隙間へ吹き出される（黒塗り矢印Ｈ３）。ここ
で、水素が微細な気泡状態で水中に分散した気液混合物
が生成される。そして、気液混合物は、凹部２０２を通
って（白抜き矢印Ｍ２）、各気液混合物流通溝２３ｂ，
２３ｂ，…に供給される。
【００３２】このような実施形態では、気液混合物供給
マニホールド内での水及び気液混合物の流通方向はセパ
レータ板２に沿った方向であり、かつ、気液混合物は気
液混合物供給マニホールド内の積層方向全域にわたって
生成されるので、それぞれのセパレータ板２に対して均
一的に気液混合物を供給することができる。なお、上述
の各実施形態においては水素ガスを用いたが、これに限
られることはなく、水素リッチな燃料ガスであっても、
同様に実施することができる。
マニホールド内での水及び気液混合物の流通方向はセパ
レータ板２に沿った方向であり、かつ、気液混合物は気
液混合物供給マニホールド内の積層方向全域にわたって
生成されるので、それぞれのセパレータ板２に対して均
一的に気液混合物を供給することができる。なお、上述
の各実施形態においては水素ガスを用いたが、これに限
られることはなく、水素リッチな燃料ガスであっても、
同様に実施することができる。
【００３３】
【発明の効果】上述のように、請求項１〜３記載の発明
においては、各アノード側ガスチャンネルに対して均一
的に気液混合物が供給される。したがって、電気化学反
応がセルの小範囲で部分的に起こることがなく、セルの
部分的劣化を防止することができるので、発電特性、電
池寿命特性等の向上を図ることができる。
においては、各アノード側ガスチャンネルに対して均一
的に気液混合物が供給される。したがって、電気化学反
応がセルの小範囲で部分的に起こることがなく、セルの
部分的劣化を防止することができるので、発電特性、電
池寿命特性等の向上を図ることができる。
【００３４】請求項２及び３記載の発明においては、多
孔性部材を用いることによって、分散性の良好な気液混
合物を、各アノード側ガスチャンネルに供給することが
できる。請求項４記載の発明によれば、セルとセパレー
タ板との積層方向に対する気液混合物の供給が均一化さ
れる。したがって、複数のセル間での発電を均一にする
ことができるため、固体高分子型燃料電池の発電特性、
電池寿命特性等の向上を図ることができる。
孔性部材を用いることによって、分散性の良好な気液混
合物を、各アノード側ガスチャンネルに供給することが
できる。請求項４記載の発明によれば、セルとセパレー
タ板との積層方向に対する気液混合物の供給が均一化さ
れる。したがって、複数のセル間での発電を均一にする
ことができるため、固体高分子型燃料電池の発電特性、
電池寿命特性等の向上を図ることができる。
【図１】実施形態１における固体高分子型燃料電池の分
解斜視図である。
解斜視図である。
【図２】図１におけるセパレータ板の部分分解斜視図で
ある。
ある。
【図３】図２のＡ−Ａ線断面における部分拡大図であ
る。
る。
【図４】実施形態１におけるセパレータ板の変形例を示
す部分拡大断面図である。
す部分拡大断面図である。
【図５】実施形態２における固体高分子型燃料電池の部
分分解斜視図である。
分分解斜視図である。
【図６】図５におけるセパレータ板の部分拡大平面図で
ある。
ある。
１ セル
２ セパレータ板
１１ 固体高分子膜
１２ カソード
１３ アノード
２１，１２１ セパレータ本体
２２ カソードチャンネル基板
２３ アノードチャンネル基板
２３ｂ 気液混合物流通溝
２４ 水チャンネル基板
２４ｂ 水流通溝
２５ 多孔性薄板
３１ 貫通口（水供給用マニホールド）
３２ 貫通口（水素供給用マニホールド）
３００ バブラー
３０２ 円柱状多孔性部材
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(56)参考文献 特開 平４−95357（ＪＰ，Ａ)
特開 平６−68884（ＪＰ，Ａ)
特開 平５−41230（ＪＰ，Ａ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
H01M 8/04
H01M 8/06
H01M 8/24
Claims (4)
- 【請求項１】固体高分子膜を介してカソードとアノード
が配されたセルと、リブ及びガスチャンネルが形成され
たセパレータ板とが交互に複数枚積層された構成であっ
て、運転時に、アノード側ガスチャンネルに水とアノー
ドガスとの混合物を流通させる固体高分子型燃料電池に
おいて、 前記アノード側ガスチャンネルに水を分配供給する水供
給マニホールドと、前記アノード側ガスチャンネルにおいて前記水供給マニ
ホールドの下流側に配置され、 前記アノード側ガスチャ
ンネルにアノードガスを分配供給するアノードガス供給
マニホールドと、前記アノード側ガスチャンネルの上流部に配置され、 前
記アノードガス供給マニホールドからのアノードガス
を、前記アノード側ガスチャンネルに供給された水に混
合させる気液混合手段と、 を備えることを特徴とする固体高分子型燃料電池。 - 【請求項２】前記気液混合手段は、アノードガス供給マ
ニホールドからのアノードガスを、各アノード側ガスチ
ャンネルに供給された水に吹き込むガス吹き込み部を備
えることを特徴とする請求項１記載の固体高分子型燃料
電池。 - 【請求項３】前記ガス吹き込み部は、アノードガス供給
マニホールドからのアノードガスが通過するように、ア
ノード側ガスチャンネルの入口側に配された多孔性部材
からなることを特徴とする請求項２記載の固体高分子型
燃料電池。 - 【請求項４】固体高分子膜を介してカソードとアノード
が配されたセルと、リブ及びガスチャンネルが形成され
たセパレータ板とが交互に複数枚積層され、積層方向に
わたってアノード側ガスチャンネルと連通する第一のマ
ニホールドが形成された構成であって、運転時に、第一
のマニホールドからアノード側ガスチャンネルに水とア
ノードガスとの混合物を流通させる固体高分子型燃料電
池において、 前記固体高分子型燃料電池は、 前記第一のマニホールドに対して、セパレータ板に沿っ
た方向に水を供給する第二のマニホールドが形成されて
おり、 第一のマニホールド内には、第一のマニホールドに供給
される水に、アノードガスを吹き込むガス吹き込み器
が、積層方向にわたって設けられていることを特徴とす
る固体高分子型燃料電池。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP29641495A JP3519840B2 (ja) | 1995-11-15 | 1995-11-15 | 固体高分子型燃料電池 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP29641495A JP3519840B2 (ja) | 1995-11-15 | 1995-11-15 | 固体高分子型燃料電池 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09139222A JPH09139222A (ja) | 1997-05-27 |
| JP3519840B2 true JP3519840B2 (ja) | 2004-04-19 |
Family
ID=17833243
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP29641495A Expired - Fee Related JP3519840B2 (ja) | 1995-11-15 | 1995-11-15 | 固体高分子型燃料電池 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3519840B2 (ja) |
Families Citing this family (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6329094B1 (en) | 1997-05-14 | 2001-12-11 | Sanyo Electric Co., Ltd. | Polymer electrolyte fuel cell showing stable and outstanding electric-power generating characteristics |
| JP4439076B2 (ja) * | 2000-03-31 | 2010-03-24 | 株式会社東芝 | 固体高分子型燃料電池スタック |
| JP2005203361A (ja) * | 2003-12-17 | 2005-07-28 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 燃料電池システム、燃料電池システムの運転方法、プログラム、及び記録媒体 |
| JP4925078B2 (ja) * | 2004-01-14 | 2012-04-25 | 株式会社Ｅｎｅｏｓセルテック | 固体高分子形燃料電池 |
| KR100783047B1 (ko) * | 2006-10-26 | 2007-12-07 | 한국과학기술연구원 | 이동형 연료전지 장치 및 그 구동 방법 |
| JP2012094438A (ja) * | 2010-10-28 | 2012-05-17 | Nagaoka Univ Of Technology | 燃料電池発電システム及び固体高分子形燃料電池 |
| KR101703575B1 (ko) | 2014-12-04 | 2017-02-07 | 현대자동차 주식회사 | 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 |
| CN105891299A (zh) * | 2014-12-24 | 2016-08-24 | 天津华亨科技有限公司 | 一种化学反应检测池 |
-
1995
- 1995-11-15 JP JP29641495A patent/JP3519840B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH09139222A (ja) | 1997-05-27 |
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|---|---|---|---|
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