JP3524305B2 - 燃料電池 - Google Patents
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- H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
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- H01M2300/0065—Solid electrolytes
- H01M2300/0082—Organic polymers
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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
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- Y02E60/30—Hydrogen technology
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- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
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- Composite Materials (AREA)
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、固体高分子電解質
膜をアノード側電極とカソード側電極で挟んで構成され
た燃料電池に関する。
膜をアノード側電極とカソード側電極で挟んで構成され
た燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】固体高分子型燃料電池は、高分子イオン
交換膜（陽イオン交換膜）からなる電解質とこの電解質
の両側にそれぞれ配置されるアノード側電極およびカソ
ード側電極とからなる燃料電池構造体（単位セル）をセ
パレータによって挟持することにより構成されている。
交換膜（陽イオン交換膜）からなる電解質とこの電解質
の両側にそれぞれ配置されるアノード側電極およびカソ
ード側電極とからなる燃料電池構造体（単位セル）をセ
パレータによって挟持することにより構成されている。
【０００３】この種の燃料電池において、アノード側電
極に供給された燃料ガス、例えば、水素は、触媒電極上
で水素イオン化され、適度に加湿された電解質を介して
カソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子が
外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用
される。カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、酸
素ガスあるいは空気が供給されているために、このカソ
ード側電極において、前記水素イオン、前記電子および
酸素が反応して水が生成される。
極に供給された燃料ガス、例えば、水素は、触媒電極上
で水素イオン化され、適度に加湿された電解質を介して
カソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子が
外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用
される。カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、酸
素ガスあるいは空気が供給されているために、このカソ
ード側電極において、前記水素イオン、前記電子および
酸素が反応して水が生成される。
【０００４】ところで、高分子イオン交換膜からなる電
解質は、イオン透過性を保持するために十分に加湿させ
ておく必要がある。このため、一般的には、燃料電池の
外部に設けられているガス加湿装置を用いて酸化剤ガス
と燃料ガスとを加湿し、これらを水蒸気として燃料電池
に送ることにより、電解質を加湿するように構成されて
いる。
解質は、イオン透過性を保持するために十分に加湿させ
ておく必要がある。このため、一般的には、燃料電池の
外部に設けられているガス加湿装置を用いて酸化剤ガス
と燃料ガスとを加湿し、これらを水蒸気として燃料電池
に送ることにより、電解質を加湿するように構成されて
いる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、固体高
分子型燃料電池は、作動温度が比較的低温（〜１００
℃）であるため、加湿用に供給された水分の中、電解質
に吸収されなかった水分や、反応によって生成された水
分が、液体（水）の状態で存在することがある。この水
は、ガス拡散層に蓄積されてガス通路を閉塞してしま
い、反応ガスである燃料ガスおよび酸化剤ガスの電極触
媒層への拡散性が低下し、セル性能が著しく悪くなると
いう問題が指摘されている。
分子型燃料電池は、作動温度が比較的低温（〜１００
℃）であるため、加湿用に供給された水分の中、電解質
に吸収されなかった水分や、反応によって生成された水
分が、液体（水）の状態で存在することがある。この水
は、ガス拡散層に蓄積されてガス通路を閉塞してしま
い、反応ガスである燃料ガスおよび酸化剤ガスの電極触
媒層への拡散性が低下し、セル性能が著しく悪くなると
いう問題が指摘されている。
【０００６】そこで、特開平６−２０７１３号公報に開
示されているように、セパレータの両面に重力方向に延
在して互いに平行な燃料ガス供給用溝と酸化剤ガス供給
用溝とを設け、燃料ガスおよび酸化剤ガスが前記溝内を
重力方向の下方に自然に排出されるように構成した燃料
電池が知られている。ところが、上記の従来技術では、
燃料ガスおよび酸化剤ガスが重力方向に排出されるた
め、特に燃料ガスの利用率が低下して燃料電池自体の性
能が悪くなるという問題がある。
示されているように、セパレータの両面に重力方向に延
在して互いに平行な燃料ガス供給用溝と酸化剤ガス供給
用溝とを設け、燃料ガスおよび酸化剤ガスが前記溝内を
重力方向の下方に自然に排出されるように構成した燃料
電池が知られている。ところが、上記の従来技術では、
燃料ガスおよび酸化剤ガスが重力方向に排出されるた
め、特に燃料ガスの利用率が低下して燃料電池自体の性
能が悪くなるという問題がある。
【０００７】本発明は、この種の問題を解決するもので
あり、ガス流路内の水分を確実に吸水除去して前記ガス
流路が閉塞されることを阻止するとともに、ガス拡散性
に優れた、しかも高性能な燃料電池を提供することを目
的とする。
あり、ガス流路内の水分を確実に吸水除去して前記ガス
流路が閉塞されることを阻止するとともに、ガス拡散性
に優れた、しかも高性能な燃料電池を提供することを目
的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】前記の課題を解決するた
めに、本発明は、第１セパレータがアノード側電極に燃
料ガスを供給する第１流路を有するとともに、第２セパ
レータがカソード側電極に酸化剤ガスを供給する第２流
路を有し、少なくとも前記第１または第２流路の一方
は、水平部分と鉛直部分とを有する蛇行流路を構成する
とともに、前記水平部分には、吸水量に応じて流路断面
積を変化させる吸水部材が配設される。従って、燃料ガ
スや酸化剤ガスに含まれる水分の凝縮水や反応生成水
は、吸水部材に吸収されるため、少なくとも第１または
第２流路が水によって閉塞されることを確実に阻止する
ことができる。
めに、本発明は、第１セパレータがアノード側電極に燃
料ガスを供給する第１流路を有するとともに、第２セパ
レータがカソード側電極に酸化剤ガスを供給する第２流
路を有し、少なくとも前記第１または第２流路の一方
は、水平部分と鉛直部分とを有する蛇行流路を構成する
とともに、前記水平部分には、吸水量に応じて流路断面
積を変化させる吸水部材が配設される。従って、燃料ガ
スや酸化剤ガスに含まれる水分の凝縮水や反応生成水
は、吸水部材に吸収されるため、少なくとも第１または
第２流路が水によって閉塞されることを確実に阻止する
ことができる。
【０００９】しかも、吸水部材が膨潤および乾燥するこ
とにより、第１および第２流路の流路断面積が変更され
る。このため、第１および第２流路内でガス流速が変化
し、例えば、前記ガス流速を増加させて電極触媒層への
ガス拡散性を向上させることが可能になる一方、部分的
に前記ガス流速を減少させてガス拡散性を全体的に均一
化させることができる。
とにより、第１および第２流路の流路断面積が変更され
る。このため、第１および第２流路内でガス流速が変化
し、例えば、前記ガス流速を増加させて電極触媒層への
ガス拡散性を向上させることが可能になる一方、部分的
に前記ガス流速を減少させてガス拡散性を全体的に均一
化させることができる。
【００１０】また、吸水部材が、燃料ガスおよび酸化剤
ガスの流速を部分的に変化させるために燃料電池構造体
側に突出するくさび形状を有し、あるいは、第１および
第２流路に、同様の機能を有する邪魔部が設けられる。
従って、第１および第２流路内で流速が上昇してガス圧
力が増加し、電極触媒層へのガス拡散性が有効に向上す
る。
ガスの流速を部分的に変化させるために燃料電池構造体
側に突出するくさび形状を有し、あるいは、第１および
第２流路に、同様の機能を有する邪魔部が設けられる。
従って、第１および第２流路内で流速が上昇してガス圧
力が増加し、電極触媒層へのガス拡散性が有効に向上す
る。
【００１１】さらにまた、第１および第２流路は、重力
方向に交差する部分の開口断面積と重力方向に向かう部
分の開口断面積とが異なっている。これにより、例え
ば、重力方向に交差する部分の開口断面積が重力方向に
向かう部分の開口断面積よりも小さく設定されると、こ
の重力方向に交差する部分でガス圧力が上昇する。
方向に交差する部分の開口断面積と重力方向に向かう部
分の開口断面積とが異なっている。これにより、例え
ば、重力方向に交差する部分の開口断面積が重力方向に
向かう部分の開口断面積よりも小さく設定されると、こ
の重力方向に交差する部分でガス圧力が上昇する。
【００１２】
【発明の実施の形態】図１は、本発明の第１の実施形態
に係る燃料電池１０の概略縦断面説明図である。
に係る燃料電池１０の概略縦断面説明図である。
【００１３】燃料電池１０は、燃料電池セル（燃料電池
構造体）１２と、この燃料電池セル１２を挟持する第１
および第２セパレータ１４、１６とを備え、必要に応じ
てこれらが複数組だけ積層されている。燃料電池セル１
２は、固体高分子電解質膜１８と、この電解質膜１８を
挟んで配設されるアノード側電極２０およびカソード側
電極２２とを有する。
構造体）１２と、この燃料電池セル１２を挟持する第１
および第２セパレータ１４、１６とを備え、必要に応じ
てこれらが複数組だけ積層されている。燃料電池セル１
２は、固体高分子電解質膜１８と、この電解質膜１８を
挟んで配設されるアノード側電極２０およびカソード側
電極２２とを有する。
【００１４】燃料電池セル１２の両側には、第１および
第２ガスケット２４、２６が設けられ、前記第１ガスケ
ット２４は、アノード側電極２０を収納するための大き
な開口部２８を有する一方、前記第２ガスケット２６
は、カソード側電極２２を収納するための大きな開口部
３０を有する。燃料電池セル１２と第１および第２ガス
ケット２４、２６とが、第１および第２セパレータ１
４、１６によって挟持される。 第１セパレータ１４の
面１４ａには、アノード側電極２０に燃料ガスである水
素を供給するための第１流路３２が形成される。図２に
示すように、第１流路３２は、第１セパレータ１４の上
部側に設けられた燃料ガス供給口３４ａに連通するとと
もに、前記第１セパレータ１４の下部側に設けられた燃
料ガス排出口３４ｂに連通する。
第２ガスケット２４、２６が設けられ、前記第１ガスケ
ット２４は、アノード側電極２０を収納するための大き
な開口部２８を有する一方、前記第２ガスケット２６
は、カソード側電極２２を収納するための大きな開口部
３０を有する。燃料電池セル１２と第１および第２ガス
ケット２４、２６とが、第１および第２セパレータ１
４、１６によって挟持される。 第１セパレータ１４の
面１４ａには、アノード側電極２０に燃料ガスである水
素を供給するための第１流路３２が形成される。図２に
示すように、第１流路３２は、第１セパレータ１４の上
部側に設けられた燃料ガス供給口３４ａに連通するとと
もに、前記第１セパレータ１４の下部側に設けられた燃
料ガス排出口３４ｂに連通する。
【００１５】第１流路３２は、重力方向（矢印Ａ方向）
に交差する水平方向（矢印Ｂ方向）に延在する部分（以
下、水平部分という）３２ａと、前記重力方向に延在す
る部分（以下、鉛直部分という）３２ｂとを有する。図
１に示すように、第１流路３２の水平部分３２ａを形成
する底面３６ａおよび側面３６ｂには、吸水量に応じて
前記第１流路３２の流路断面積を変化させる高吸水性ポ
リマーシート（吸水部材）３８が一体的に固定される。
に交差する水平方向（矢印Ｂ方向）に延在する部分（以
下、水平部分という）３２ａと、前記重力方向に延在す
る部分（以下、鉛直部分という）３２ｂとを有する。図
１に示すように、第１流路３２の水平部分３２ａを形成
する底面３６ａおよび側面３６ｂには、吸水量に応じて
前記第１流路３２の流路断面積を変化させる高吸水性ポ
リマーシート（吸水部材）３８が一体的に固定される。
【００１６】高吸水性ポリマーシート３８は、燃料ガス
供給口３４ａ側よりも燃料ガス排出口３４ｂ側で多量に
設けられており、第１流路３２の下流側の膨張が上流側
の膨張に比べて大きくなるように設定されている。高吸
水性ポリマーシート３８は、水平部分３２ａにのみ設け
られており、図４および図５に示すように、この水平部
分３２ａの深さｄ１と鉛直部分３２ｂの深さｄ２とが、
ｄ１＜ｄ２の関係を有している。
供給口３４ａ側よりも燃料ガス排出口３４ｂ側で多量に
設けられており、第１流路３２の下流側の膨張が上流側
の膨張に比べて大きくなるように設定されている。高吸
水性ポリマーシート３８は、水平部分３２ａにのみ設け
られており、図４および図５に示すように、この水平部
分３２ａの深さｄ１と鉛直部分３２ｂの深さｄ２とが、
ｄ１＜ｄ２の関係を有している。
【００１７】前記鉛直部分３２ｂには、撥水化処理が施
されており、具体的には、鉛直部分３２ｂに撥水性を有
する材料、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴ
ＦＥ）がコーティングされている。
されており、具体的には、鉛直部分３２ｂに撥水性を有
する材料、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴ
ＦＥ）がコーティングされている。
【００１８】第２セパレータ１６の面１６ａには、カソ
ード側電極２２に酸化剤ガスである空気（またはＯ2 ）
を供給するための第２流路４０が形成される。図３に示
すように、第２流路４０は、第２セパレータ１６の上部
側に設けられた酸化剤ガス供給口４２ａに連通するとと
もに、前記第２セパレータ１６の下部側に設けられた酸
化剤ガス排出口４２ｂに連通する。
ード側電極２２に酸化剤ガスである空気（またはＯ2 ）
を供給するための第２流路４０が形成される。図３に示
すように、第２流路４０は、第２セパレータ１６の上部
側に設けられた酸化剤ガス供給口４２ａに連通するとと
もに、前記第２セパレータ１６の下部側に設けられた酸
化剤ガス排出口４２ｂに連通する。
【００１９】第２流路４０は、重力方向に交差する方向
に延在する部分（以下、水平部分という）４０ａと、前
記重力方向に延在する部分（以下、鉛直部分という）４
０ｂとを有する。図１に示すように、第２流路４０の水
平部分４０ａを形成する底面４４ａおよび側面４４ｂに
は、吸水量に応じて前記第２流路４０の流路断面積を変
化させる高吸水性ポリマーシート（吸水部材）４６が一
体的に固定される。高吸水性ポリマーシート４６は、酸
化剤ガス供給口４２ａ側よりも酸化剤ガス排出口４２ｂ
側で多量に設けられるとともに、全体として第１流路３
２に設けられた高吸水性ポリマーシート３８よりも多量
に設定されている。
に延在する部分（以下、水平部分という）４０ａと、前
記重力方向に延在する部分（以下、鉛直部分という）４
０ｂとを有する。図１に示すように、第２流路４０の水
平部分４０ａを形成する底面４４ａおよび側面４４ｂに
は、吸水量に応じて前記第２流路４０の流路断面積を変
化させる高吸水性ポリマーシート（吸水部材）４６が一
体的に固定される。高吸水性ポリマーシート４６は、酸
化剤ガス供給口４２ａ側よりも酸化剤ガス排出口４２ｂ
側で多量に設けられるとともに、全体として第１流路３
２に設けられた高吸水性ポリマーシート３８よりも多量
に設定されている。
【００２０】このように構成される燃料電池１０の動作
について、以下に説明する。
について、以下に説明する。
【００２１】第１セパレータ１４の上部側に設けられた
燃料ガス供給口３４ａから第１流路３２に水素（燃料ガ
ス）が供給されるとともに、第２セパレータ１６の上部
側に設けられた酸化剤ガス供給口４２ａから第２流路４
０に空気（酸化剤ガス）が供給される。第１流路３２に
供給された水素は、水平部分３２ａおよび鉛直部分３２
ｂを通って重量方向に蛇行するように下方に移動し、燃
料電池セル１２のアノード側電極２０に供給される。一
方、第２流路４０に供給された空気は、同様に水平部分
４０ａおよび鉛直部分４０ｂを通って重量方向に蛇行し
ながら下方に移動し、燃料電池セル１２を構成するカソ
ード側電極２２に供給される。
燃料ガス供給口３４ａから第１流路３２に水素（燃料ガ
ス）が供給されるとともに、第２セパレータ１６の上部
側に設けられた酸化剤ガス供給口４２ａから第２流路４
０に空気（酸化剤ガス）が供給される。第１流路３２に
供給された水素は、水平部分３２ａおよび鉛直部分３２
ｂを通って重量方向に蛇行するように下方に移動し、燃
料電池セル１２のアノード側電極２０に供給される。一
方、第２流路４０に供給された空気は、同様に水平部分
４０ａおよび鉛直部分４０ｂを通って重量方向に蛇行し
ながら下方に移動し、燃料電池セル１２を構成するカソ
ード側電極２２に供給される。
【００２２】ここで、第１流路３２に供給される水素
は、予め電解質加湿用の水蒸気が含まれており、この水
蒸気中には、電解質膜１８に吸収されずに凝縮して水の
状態で存在するものがあり、この水が前記第１流路３２
内に残存し易い。
は、予め電解質加湿用の水蒸気が含まれており、この水
蒸気中には、電解質膜１８に吸収されずに凝縮して水の
状態で存在するものがあり、この水が前記第１流路３２
内に残存し易い。
【００２３】しかしながら、第１の実施形態では、図１
に示すように、第１流路３２を構成する水平部分３２ａ
の底面３６ａおよび側面３６ｂに、吸水量に応じて前記
第１流路３２の流路断面積を変化させる高吸水性ポリマ
ーシート３８が一体的に固定されている。このため、水
平部分３２ａ内で発生した水は、高吸水性ポリマーシー
ト３８に確実に吸収され、第１流路３２が水によって閉
塞されることを阻止することができる。
に示すように、第１流路３２を構成する水平部分３２ａ
の底面３６ａおよび側面３６ｂに、吸水量に応じて前記
第１流路３２の流路断面積を変化させる高吸水性ポリマ
ーシート３８が一体的に固定されている。このため、水
平部分３２ａ内で発生した水は、高吸水性ポリマーシー
ト３８に確実に吸収され、第１流路３２が水によって閉
塞されることを阻止することができる。
【００２４】さらに、高吸水性ポリマーシート３８が吸
水すると、図６に示すように、この高吸水性ポリマーシ
ート３８自体が膨潤して体積が増加する。従って、水平
部分３２ａの流路断面積が減少し、この水平部分３２ａ
におけるガス流速が速くなり、燃料ガスである水素のア
ノード側電極２０への拡散性が有効に向上するという効
果が得られる。
水すると、図６に示すように、この高吸水性ポリマーシ
ート３８自体が膨潤して体積が増加する。従って、水平
部分３２ａの流路断面積が減少し、この水平部分３２ａ
におけるガス流速が速くなり、燃料ガスである水素のア
ノード側電極２０への拡散性が有効に向上するという効
果が得られる。
【００２５】しかも、高吸水性ポリマーシート３８は、
燃料ガス供給口３４ａ側よりも燃料ガス排出口３４ｂ側
で多量に設けられているため、第１流路３２の下流側で
上流側に比べて大きく膨潤し、この下流側の流路断面積
が減少する。これにより、供給される水素量が減少し易
い第１流路３２の下流側において、ガス拡散性を有効に
向上させることができ、燃料電池１０全体の高機能化が
容易に遂行される。
燃料ガス供給口３４ａ側よりも燃料ガス排出口３４ｂ側
で多量に設けられているため、第１流路３２の下流側で
上流側に比べて大きく膨潤し、この下流側の流路断面積
が減少する。これにより、供給される水素量が減少し易
い第１流路３２の下流側において、ガス拡散性を有効に
向上させることができ、燃料電池１０全体の高機能化が
容易に遂行される。
【００２６】また、高吸水性ポリマーシート３８が乾燥
すると、その体積が減少して水平部分３２ａの流路断面
積が拡大され、ガス流速が遅くなる。従って、高吸水性
ポリマーシート３８の量や最大膨潤率等を任意に設定す
ることにより、水素の湿度状態に応じて水平部分３２ａ
の流路断面積を自動的に設定することができ、所望のガ
ス拡散性を高精度に得ることが可能になる。
すると、その体積が減少して水平部分３２ａの流路断面
積が拡大され、ガス流速が遅くなる。従って、高吸水性
ポリマーシート３８の量や最大膨潤率等を任意に設定す
ることにより、水素の湿度状態に応じて水平部分３２ａ
の流路断面積を自動的に設定することができ、所望のガ
ス拡散性を高精度に得ることが可能になる。
【００２７】なお、水素は、予め加湿された状態で燃料
ガス供給口３４ａから第１流路３２に供給されるが、下
流側である燃料ガス排出口３４ｂ側に送られる際に乾燥
し易い。そこで、高吸水性ポリマーシート３８に予め水
を含ませておくことにより、この高吸水性ポリマーシー
ト３８から水素に加湿することができ、加湿された前記
水素を第１流路３２の下流側にも確実に供給することが
可能になる。
ガス供給口３４ａから第１流路３２に供給されるが、下
流側である燃料ガス排出口３４ｂ側に送られる際に乾燥
し易い。そこで、高吸水性ポリマーシート３８に予め水
を含ませておくことにより、この高吸水性ポリマーシー
ト３８から水素に加湿することができ、加湿された前記
水素を第１流路３２の下流側にも確実に供給することが
可能になる。
【００２８】さらにまた、第１流路３２では、高吸水性
ポリマーシート３８を設けることにより水平部分３２ａ
が鉛直部分３２ｂよりも浅く構成されている。このた
め、水平部分３２ａでのガス圧力が上昇し、ガス拡散性
が一層向上するという利点が得られる。
ポリマーシート３８を設けることにより水平部分３２ａ
が鉛直部分３２ｂよりも浅く構成されている。このた
め、水平部分３２ａでのガス圧力が上昇し、ガス拡散性
が一層向上するという利点が得られる。
【００２９】一方、空気が供給される第２流路４０で
は、この空気中に含まれる水蒸気の凝縮や、反応生成水
を含む水が発生する。その際、第２流路４０を構成する
水平部分４０ａには、高吸水性ポリマーシート４６が一
体的に固定されている。従って、水平部分３２ａ内で発
生した水は、高吸水性ポリマーシート４６に確実に吸収
され、第２流路４０では、上記の第１流路３２側と同様
の効果が得られる。
は、この空気中に含まれる水蒸気の凝縮や、反応生成水
を含む水が発生する。その際、第２流路４０を構成する
水平部分４０ａには、高吸水性ポリマーシート４６が一
体的に固定されている。従って、水平部分３２ａ内で発
生した水は、高吸水性ポリマーシート４６に確実に吸収
され、第２流路４０では、上記の第１流路３２側と同様
の効果が得られる。
【００３０】しかも、第２流路４０では、酸化剤ガスと
して空気を供給しており、この空気中の酸素をカソード
側電極２２に所望の量だけ供給するために第１流路３２
側よりもガス流速を上げる必要がある。また、第２流路
４０内には、反応生成水を含んだ水が存在するため、第
１流路３２側よりも多量の水を処理する必要がある。そ
こで、第１の実施形態では、第２流路４０に設けられた
高吸水性ポリマーシート４６が、全体として第１流路３
２に設けられた高吸水性ポリマーシート３８よりも多量
に設定されることにより、この第２流路４０内でのガス
流速および吸水量の向上を図ることができる。
して空気を供給しており、この空気中の酸素をカソード
側電極２２に所望の量だけ供給するために第１流路３２
側よりもガス流速を上げる必要がある。また、第２流路
４０内には、反応生成水を含んだ水が存在するため、第
１流路３２側よりも多量の水を処理する必要がある。そ
こで、第１の実施形態では、第２流路４０に設けられた
高吸水性ポリマーシート４６が、全体として第１流路３
２に設けられた高吸水性ポリマーシート３８よりも多量
に設定されることにより、この第２流路４０内でのガス
流速および吸水量の向上を図ることができる。
【００３１】図７は、本発明の第２の実施形態に係る燃
料電池６０の概略縦断面説明図である。なお、第１の実
施形態に係る燃料電池１０と同一の構成要素には同一の
参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
料電池６０の概略縦断面説明図である。なお、第１の実
施形態に係る燃料電池１０と同一の構成要素には同一の
参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００３２】燃料電池６０は、第１および第２セパレー
タ６２、６４を備え、この第１および第２セパレータ６
２、６４の第１および第２流路３２、４０には、燃料電
池セル１２側に突出して水素および空気の流速を部分的
に変化させるための邪魔部６６、６８が設けられる。
タ６２、６４を備え、この第１および第２セパレータ６
２、６４の第１および第２流路３２、４０には、燃料電
池セル１２側に突出して水素および空気の流速を部分的
に変化させるための邪魔部６６、６８が設けられる。
【００３３】図８に示すように、邪魔部６６、６８は、
水素および空気の流れ方向（矢印Ｃ方向）に向かって燃
料電池セル１２側に傾斜する傾斜面７０と、この傾斜面
７０の先端から前記矢印Ｃ方向に直交する方向に延在す
る垂直面７２とを備えた略くさび状を有している。第１
および第２流路３２、４０には、少なくとも邪魔部６
６、６８の傾斜面７０を覆って高吸水性ポリマーシート
７４、７６が固定される。
水素および空気の流れ方向（矢印Ｃ方向）に向かって燃
料電池セル１２側に傾斜する傾斜面７０と、この傾斜面
７０の先端から前記矢印Ｃ方向に直交する方向に延在す
る垂直面７２とを備えた略くさび状を有している。第１
および第２流路３２、４０には、少なくとも邪魔部６
６、６８の傾斜面７０を覆って高吸水性ポリマーシート
７４、７６が固定される。
【００３４】このように構成される燃料電池６０では、
第１セパレータ６２の第１流路３２に供給された水素
が、図８中、矢印Ｃ方向に移動するとともに、その一部
が邪魔部６６の傾斜面７０に沿って移動する。このた
め、第１流路３２内で水素の流速が部分的に上昇してガ
ス圧力の増加が惹起され、水素のアノード側電極２０へ
の拡散性が有効に向上するという効果が得られる。
第１セパレータ６２の第１流路３２に供給された水素
が、図８中、矢印Ｃ方向に移動するとともに、その一部
が邪魔部６６の傾斜面７０に沿って移動する。このた
め、第１流路３２内で水素の流速が部分的に上昇してガ
ス圧力の増加が惹起され、水素のアノード側電極２０へ
の拡散性が有効に向上するという効果が得られる。
【００３５】一方、第２セパレータ６４の第２流路４０
に供給された空気は、同様に、図８中、矢印Ｃ方向に流
れるとともに、その一部が邪魔部６８の傾斜面７０に沿
って移動し、ガス圧力の増加が惹起される。
に供給された空気は、同様に、図８中、矢印Ｃ方向に流
れるとともに、その一部が邪魔部６８の傾斜面７０に沿
って移動し、ガス圧力の増加が惹起される。
【００３６】これにより、第１および第２流路３２、４
０に邪魔部６６、６８を設けるだけで、ガス拡散性が向
上して燃料電池セル１２を高性能に維持することが可能
になる。なお、邪魔部６６、６８は、第１および第２セ
パレータ６２、６４に直接形成するものに代えて、この
第１および第２セパレータ６２、６４にくさび状部材を
固着することにより邪魔部６６、６８を構成してもよ
い。
０に邪魔部６６、６８を設けるだけで、ガス拡散性が向
上して燃料電池セル１２を高性能に維持することが可能
になる。なお、邪魔部６６、６８は、第１および第２セ
パレータ６２、６４に直接形成するものに代えて、この
第１および第２セパレータ６２、６４にくさび状部材を
固着することにより邪魔部６６、６８を構成してもよ
い。
【００３７】また、図９に示すように、吸水して膨潤す
ることによって所望のくさび状に変形する高吸水性ポリ
マーシート７４ａ、７６ａを、第１および第２流路３
２、４０に設けることもできる。
ることによって所望のくさび状に変形する高吸水性ポリ
マーシート７４ａ、７６ａを、第１および第２流路３
２、４０に設けることもできる。
【００３８】図１０は、本発明の第３の実施形態に係る
燃料電池８０の概略縦断面説明図である。なお、第１の
実施形態に係る燃料電池１０と同一の構成要素には同一
の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
燃料電池８０の概略縦断面説明図である。なお、第１の
実施形態に係る燃料電池１０と同一の構成要素には同一
の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００３９】燃料電池８０は、第１および第２セパレー
タ８２、８４を備え、この第１および第２セパレータ８
２、８４の面８２ａ、８４ａに、それぞれ複数本（例え
ば、４本）に分岐された第１および第２流路８６、８８
が形成される。図１１に示すように、第１セパレータ８
２の上部側に設けられた燃料ガス供給口９０ａから４本
の第１流路８６が分岐されており、この第１流路８６
は、重力方向に蛇行してこの第１セパレータ８２の下部
側に設けられた燃料ガス排出口９０ｂに一体的に連通す
る。
タ８２、８４を備え、この第１および第２セパレータ８
２、８４の面８２ａ、８４ａに、それぞれ複数本（例え
ば、４本）に分岐された第１および第２流路８６、８８
が形成される。図１１に示すように、第１セパレータ８
２の上部側に設けられた燃料ガス供給口９０ａから４本
の第１流路８６が分岐されており、この第１流路８６
は、重力方向に蛇行してこの第１セパレータ８２の下部
側に設けられた燃料ガス排出口９０ｂに一体的に連通す
る。
【００４０】第１流路８６は、水平部分８７ａと鉛直部
分８７ｂとを有し、この水平部分８７ａに吸水量に応じ
て前記第１流路８６の流路断面積を変化させる高吸水性
ポリマーシート９２が設けられる。なお、第２流路８８
は、上記した第１流路８６と同様に構成されており、そ
の水平部分８９ａには高吸水性ポリマーシート９４が設
けられる。
分８７ｂとを有し、この水平部分８７ａに吸水量に応じ
て前記第１流路８６の流路断面積を変化させる高吸水性
ポリマーシート９２が設けられる。なお、第２流路８８
は、上記した第１流路８６と同様に構成されており、そ
の水平部分８９ａには高吸水性ポリマーシート９４が設
けられる。
【００４１】このように構成される燃料電池８０では、
第１セパレータ８２の上部側に設けられた燃料ガス供給
口９０ａから４本の第１流路８６に水素が供給される
と、この水素は、各水平部分８７ａおよび鉛直部分８７
ｂを通って重量方向に蛇行するように下方に移動し、燃
料電池セル１２のアノード側電極２０に供給される。一
方、第２セパレータ８４では、空気が４本の第２流路８
８に供給されると、この空気が重力方向に蛇行するよう
に下方に移動し、燃料電池セル１２のカソード側電極２
２に供給される。
第１セパレータ８２の上部側に設けられた燃料ガス供給
口９０ａから４本の第１流路８６に水素が供給される
と、この水素は、各水平部分８７ａおよび鉛直部分８７
ｂを通って重量方向に蛇行するように下方に移動し、燃
料電池セル１２のアノード側電極２０に供給される。一
方、第２セパレータ８４では、空気が４本の第２流路８
８に供給されると、この空気が重力方向に蛇行するよう
に下方に移動し、燃料電池セル１２のカソード側電極２
２に供給される。
【００４２】その際、電解質膜１８に吸収されずに凝縮
した水や反応生成水は、高吸水性ポリマーシート９２、
９４に吸収されて第１および第２流路８６、８８を閉塞
することを確実に阻止することができる。
した水や反応生成水は、高吸水性ポリマーシート９２、
９４に吸収されて第１および第２流路８６、８８を閉塞
することを確実に阻止することができる。
【００４３】しかも、ガス拡散の著しい部分では、反応
生成水が多量になり、例えば、図１０中、二点鎖線に示
すように、多量の反応生成水を吸収した高吸水性ポリマ
ーシート９４ａが、他の高吸水性ポリマーシート９４に
比べて大きく膨潤する。このため、高吸水性ポリマーシ
ート９４ａが配設された第２流路８８ａの流路断面積が
分岐された他の第２流路８８の流路断面積よりも小さく
なる。従って、高吸水性ポリマーシート９４ａが抵抗と
なって第２流路８８ａのガス流速が遅くなり、この第２
流路８８ａにおけるガス拡散性が低下する。これによ
り、燃料電池セル１２は、全体として均一なガス拡散性
を有することができる。
生成水が多量になり、例えば、図１０中、二点鎖線に示
すように、多量の反応生成水を吸収した高吸水性ポリマ
ーシート９４ａが、他の高吸水性ポリマーシート９４に
比べて大きく膨潤する。このため、高吸水性ポリマーシ
ート９４ａが配設された第２流路８８ａの流路断面積が
分岐された他の第２流路８８の流路断面積よりも小さく
なる。従って、高吸水性ポリマーシート９４ａが抵抗と
なって第２流路８８ａのガス流速が遅くなり、この第２
流路８８ａにおけるガス拡散性が低下する。これによ
り、燃料電池セル１２は、全体として均一なガス拡散性
を有することができる。
【００４４】
【発明の効果】以上のように、本発明に係る燃料電池で
は、燃料ガスや酸化剤ガスに含まれる水分の凝縮水や反
応生成水が吸水部材に吸収されるため、この水によりガ
ス流路が閉塞されることを確実に阻止することができ
る。しかも、吸水部材が膨潤および乾燥してその体積が
変化することにより、ガス流路の流路断面積が変更され
る。このため、ガス流路内でガス流速が変化し、例え
ば、前記ガス流速を増加させて電極触媒層へのガス拡散
性を向上させることが可能になる一方、部分的に前記ガ
ス流速を減少させてガス拡散性を全体的に均一化させる
ことができる。
は、燃料ガスや酸化剤ガスに含まれる水分の凝縮水や反
応生成水が吸水部材に吸収されるため、この水によりガ
ス流路が閉塞されることを確実に阻止することができ
る。しかも、吸水部材が膨潤および乾燥してその体積が
変化することにより、ガス流路の流路断面積が変更され
る。このため、ガス流路内でガス流速が変化し、例え
ば、前記ガス流速を増加させて電極触媒層へのガス拡散
性を向上させることが可能になる一方、部分的に前記ガ
ス流速を減少させてガス拡散性を全体的に均一化させる
ことができる。
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の概略
縦断面説明図である。
縦断面説明図である。
【図２】前記第１の実施形態に係る燃料電池を構成する
第１セパレータの正面説明図である。
第１セパレータの正面説明図である。
【図３】前記第１の実施形態に係る燃料電池を構成する
第２セパレータの正面説明図である。
第２セパレータの正面説明図である。
【図４】図２中、ＩＶ−ＩＶ線断面図である。
【図５】図２中、Ｖ−Ｖ線断面図である。
【図６】前記第１の実施形態に係る燃料電池の動作を説
明する一部拡大縦断面図である。
明する一部拡大縦断面図である。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池の概略
縦断面説明図である。
縦断面説明図である。
【図８】図７中、ＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線断面図である。
【図９】他の吸水部材が装着された状態の図７中、ＶＩ
ＩＩ−ＶＩＩＩ線断面図である。
ＩＩ−ＶＩＩＩ線断面図である。
【図１０】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池の概
略縦断面説明図である。
略縦断面説明図である。
【図１１】前記第３の実施形態に係る燃料電池を構成す
る第１セパレータの正面説明図である。
る第１セパレータの正面説明図である。
１０、６０、８０…燃料電池 １２…燃料電池セル
１４、１６、６２、６４、８２、８４…セパレータ
１８…電解質膜 ２０…アノード側電
極 ２２…カソード側電極 ３２、４０、８６、
８８、８８ａ…流路 ３２ａ、４０ａ、８７ａ、８９ａ…水平部分 ３２ｂ、４０ｂ、８７ｂ…鉛直部分 ３８、４６、７４、７４ａ、７６、７６ａ、９２、９
４、９４ａ…高吸水性ポリマーシート ６６、６８…邪魔部
極 ２２…カソード側電極 ３２、４０、８６、
８８、８８ａ…流路 ３２ａ、４０ａ、８７ａ、８９ａ…水平部分 ３２ｂ、４０ｂ、８７ｂ…鉛直部分 ３８、４６、７４、７４ａ、７６、７６ａ、９２、９
４、９４ａ…高吸水性ポリマーシート ６６、６８…邪魔部
Claims (4)
- 【請求項１】固体高分子電解質膜をアノード側電極とカ
ソード側電極で挟んで構成される燃料電池構造体と、前
記燃料電池構造体を挟持する第１および第２セパレータ
とを備え、 前記第１セパレータは、前記アノード側電極に燃料ガス
を供給する第１流路を有するとともに、 前記第２セパレータは、前記カソード側電極に酸化剤ガ
スを供給する第２流路を有し、少なくとも 前記第１または第２流路の一方は、水平部分
と鉛直部分とを有する蛇行流路を構成するとともに、 前記水平部分には、 吸水量に応じて流路断面積を変化さ
せる吸水部材が配設されることを特徴とする燃料電池。 - 【請求項２】固体高分子電解質膜をアノード側電極とカ
ソード側電極で挟んで構成される燃料電池構造体と、前
記燃料電池構造体を挟持する第１および第２セパレータ
とを備え、 前記第１セパレータは、前記アノード側電極に燃料ガス
を供給する第１流路を有するとともに、 前記第２セパレータは、前記カソード側電極に酸化剤ガ
スを供給する第２流路を有し、 少なくとも前記第１または第２流路の一部には、吸水量
に応じて流路断面積を変化させる吸水部材が配設される
とともに、 前記吸水部材は、前記燃料ガスおよび酸化剤ガスの流速
を部分的に変化させるために前記燃料電池構造体側に突
出するくさび形状を有することを特徴とする燃料電池。 - 【請求項３】請求項１記載の燃料電池において、前記第
１および第２流路には、前記燃料電池構造体側に突出し
て前記燃料ガスおよび酸化剤ガスの流速を部分的に変化
させるための邪魔部が設けられることを特徴とする燃料
電池。 - 【請求項４】固体高分子電解質膜をアノード側電極とカ
ソード側電極で挟んで構成される燃料電池構造体と、前
記燃料電池構造体を挟持する第１および第２セパレータ
とを備え、 前記第１セパレータは、前記アノード側電極に燃料ガス
を供給する第１流路を有するとともに、 前記第２セパレータは、前記カソード側電極に酸化剤ガ
スを供給する第２流路を有し、 少なくとも前記第１または第２流路の一部には、吸水量
に応じて流路断面積を変化させる吸水部材が流路入口側
から流路出口側にわたって配設され、かつ前記吸水部材
は、前記流路入口側よりも前記流路出口側で多量に設け
られ ることを特徴とする燃料電池。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP32313596A JP3524305B2 (ja) | 1996-12-03 | 1996-12-03 | 燃料電池 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP32313596A JP3524305B2 (ja) | 1996-12-03 | 1996-12-03 | 燃料電池 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10172586A JPH10172586A (ja) | 1998-06-26 |
| JP3524305B2 true JP3524305B2 (ja) | 2004-05-10 |
Family
ID=18151482
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP32313596A Expired - Fee Related JP3524305B2 (ja) | 1996-12-03 | 1996-12-03 | 燃料電池 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3524305B2 (ja) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1030396B8 (en) | 1998-09-04 | 2012-03-14 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Solid polymer type fuel cell system |
| NL1014406C1 (nl) * | 2000-02-17 | 2001-08-20 | Nedstack Holding B V | Methode voor het verwijderen van water uit de gaskanalen van Polymeer Elektrolyt Brandstofcellen. |
| DE10217712A1 (de) * | 2002-04-20 | 2003-11-13 | Daimler Chrysler Ag | Elektrodenplatte mit Befeuchtungsbereich |
| DE10236998B4 (de) * | 2002-08-13 | 2008-01-31 | Daimler Ag | Elektrochemische Zelle |
| JP3956864B2 (ja) | 2003-02-13 | 2007-08-08 | トヨタ自動車株式会社 | 流路構造を有する燃料電池のセパレータ |
| JP2004342372A (ja) * | 2003-05-13 | 2004-12-02 | Toyota Motor Corp | 燃料電池システム及びこれを搭載した車両 |
| US20060246341A1 (en) * | 2003-08-29 | 2006-11-02 | Joerissen Ludwig | Gas distribution panel for a fuel cell and gas distribution panel containing a fuel cell |
| JP4661093B2 (ja) * | 2003-12-02 | 2011-03-30 | 株式会社デンソー | 燃料電池 |
| JP4678821B2 (ja) * | 2004-08-25 | 2011-04-27 | 本田技研工業株式会社 | 燃料電池 |
| JP4966507B2 (ja) * | 2004-08-26 | 2012-07-04 | 本田技研工業株式会社 | 燃料電池 |
| JP2007095432A (ja) * | 2005-09-28 | 2007-04-12 | Toshiba Corp | 燃料電池および燃料電池システム |
| JP5098283B2 (ja) * | 2005-10-17 | 2012-12-12 | 大日本印刷株式会社 | 高分子電解質型燃料電池用のセパレータおよびその製造方法 |
| KR20070112367A (ko) * | 2005-10-17 | 2007-11-23 | 다이니폰 인사츠 가부시키가이샤 | 고분자 전해질형 연료전지용 세퍼레이터 및 그 제조방법 |
| KR100728789B1 (ko) | 2005-11-29 | 2007-06-19 | 삼성에스디아이 주식회사 | 직접 산화형 연료 전지 |
| EP1791203B1 (en) * | 2005-11-29 | 2010-05-19 | Samsung SDI Co., Ltd. | Direct Oxidation Fuel Cell |
| KR100723397B1 (ko) | 2006-07-05 | 2007-05-30 | 삼성에스디아이 주식회사 | 물 재활용 플레이트를 구비하는 연료전지 |
| WO2008086819A1 (de) * | 2007-01-16 | 2008-07-24 | Daimler Ag | Beschichtung von komponenten in einem brennstoffzellensystem zum verbesserten ausrag von produktwasser |
| DE102009011239A1 (de) * | 2009-03-02 | 2010-09-09 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Niedertemperatur-Brennstoffzelle mit integriertem Wassermanagementsystem für den passiven Austrag von Produktwasser |
| JP5246329B2 (ja) * | 2009-03-31 | 2013-07-24 | トヨタ車体株式会社 | 燃料電池 |
| JP2010251061A (ja) * | 2009-04-14 | 2010-11-04 | Toyota Motor Corp | 燃料電池 |
| CN106654316B (zh) * | 2016-11-15 | 2019-05-24 | 北京卫星制造厂 | 一种适用于宇航静态排水的新型阴极流道 |
| CN114068977B (zh) * | 2021-10-10 | 2024-05-28 | 北京工业大学 | 点状流场与平行流场自动切换的燃料电池自适应流场板 |
| CN113964337B (zh) * | 2021-10-10 | 2024-06-04 | 北京工业大学 | 流道对液态水含量自适应分流的燃料电池流场板 |
| CN113903940B (zh) * | 2021-10-10 | 2024-08-20 | 北京工业大学 | 在流道侧壁具有液态水含量自适应缩放挡块的燃料电池流场板 |
| CN114050282B (zh) * | 2021-10-10 | 2024-05-24 | 北京工业大学 | 具有液态水自适应组合导流结构的燃料电池流场板 |
| CN114243050B (zh) * | 2021-10-10 | 2023-11-17 | 北京工业大学 | 具有液态水自适应导流结构的深度渐浅流场板 |
| CN114068979B (zh) * | 2021-10-10 | 2024-08-20 | 北京工业大学 | 流道对液态水自适应渐变的燃料电池流场板 |
-
1996
- 1996-12-03 JP JP32313596A patent/JP3524305B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| JPH10172586A (ja) | 1998-06-26 |
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