JPH06236765A

JPH06236765A - 燃料電池及び電解セル並びにその冷却・除湿方法

Info

Publication number: JPH06236765A
Application number: JP5045927A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Watanabe; 政廣渡辺
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1993-02-10
Filing date: 1993-02-10
Publication date: 1994-08-23
Anticipated expiration: 2018-02-10
Also published as: JP3375166B2

Abstract

(57)【要約】【目的】効率的冷却、効率的除湿が可能となり、装置
自体がコンパクトな燃料電池及び電解セル並びにその冷
却・除湿方法を提供する。【構成】本発明はアノード及びカソード反応ガス供給
溝が金属薄板を介して同一平面上に交互に並列したセパ
レータ板が各電極間に積層されている燃料電池及び電解
セルで、アノード及びカソード反応ガス供給溝の断面積
が異なり、燃料電池の場合はカソード反応ガス供給溝が
アノード反応ガス供給溝より大きく、また電解セルの場
合はアノード反応ガスがカソード反応ガス供給溝より大
きいことを特徴とする。また上記装置に反応ガスを送り
込み、反応ガスにより冷却・除湿を行なう。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、低温作動燃料電池、と
りわけイオン交換膜を使用する燃料電池や電解セルの冷
却及び除湿を効率的に行い得るセル構造に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池は、水素や各種化石燃料を用い
る高効率、無公害発電装置であることから、エネルギー
問題、全地球的公害問題に対処できる、“ポスト原子
力”の発電装置として、社会的に大きな期待が寄せられ
ている。火力代替発電用、ビルディングや工場単位のオ
ンサイト発電用、あるいは宇宙用など、用途に応じた各
種燃料電池が開発されている。近年、炭酸ガスを中心と
する温室効果や、ＮＯ_X、ＳＯ_X等による酸性雨が地球
の将来を脅かす深刻は公害として認識されてきた。これ
ら公害ガスの主要な排出源の一つが自動車等の内燃機関
であることから、燃料電池を車載用内燃機関に代えて作
動するモータ電源として利用する気運が急速に高まりつ
つある。この場合、多くの付帯設備と同様、電池は可能
な限り小型であることが望ましく、そのためには電池本
体の出力密度、出力電流密度が高いことが必須である。
この条件を満たす有力な燃料電池の候補として、イオン
交換膜（以下ＰＥＭという）を用いた固体高分子電解質
燃料電池（以下ＰＥＦＣという）が注目されている。

【０００３】ここでＰＥＦＣの本体の基本構造と作用、
問題点について説明する。図８に示す如く、ＰＥＭ１の
両側に４Ａ、４Ｃで示されるアノード及びカソードがホ
ットプレスにより接合されることにより電池の基本が構
成される。このアノード及びカソードは２Ａまたは２Ｃ
で示される多孔質触媒層と３Ａまたは３Ｃで示されるカ
ーボンペーパーなどの導電性多孔質支持層からなる。電
極反応は２Ａ及び２Ｃ部の触媒表面で起こる。アノード
反応ガス (Ｈ₂)は反応ガス供給孔５Ａから３Ａを通して
供給され、カソード反応ガス (Ｏ₂)は反応ガス供給孔５
Ｃから３Ｃを通して供給される。２Ａ中では：アノード反応Ｈ２→ ２Ｈ⁺＋２ｅ２Ｃ中では：カソード反応１／２Ｏ₂＋２Ｈ⁺＋２ｅ → Ｈ₂ Ｏの反応が起こり、電池全体ではこれらの反応のトータル
として、Ｈ₂＋１／20₂→Ｈ₂Ｏ＋Ｑ（反応熱）の反応
が起こる。この過程で、起電力が得られ、この電気エネ
ルギーにより外部負荷８を電子が流れる際に電気的仕事
がなされる。この起電反応は可逆的でないため、その不
可逆分（これを過電圧と呼びηで示す）が存在する。ま
た電池には内部抵抗（Ｒ）が存在し、電流（Ｉ）を流す
とＩＲの電圧ロスが生ずる。その結果、（（ηＩ＋Ｉ²
Ｒ）＋反応熱）の分だけは、電力にならず無駄な熱とし
て電池内に蓄積する。従って、特に高電流密度運転が求
められるＰＥＦＣにおいては、電池の冷却が第一の重要
問題となる。

【０００４】更にまた起電反応で、アノードにおいて生
じた２Ｈ⁺はＰＥＭ中をカソードに移動して、上記カソ
ード反応に与るが、この際、１個のＨ⁺が平均２〜 2.5
個のＨ₂Ｏ分子を水和分子として同伴する。このため、
Ｈ₂分子１個がアノード反応に与ると、４〜５個の水分
子がアノードからカソードに移動する。ＰＥＭは膜中に
水分が必要量存在することにより、初めて十分なＨ⁺導
電性が現れる性質がある。従って、Ｈ⁺に同伴移動する
ことにより膜中に不足した水分は、絶えず外部（少なく
ともアノード側）から供給して補うことが必要となる。
膜中をカソードに移動する分と、カソード反応で生じる
分の全水分量は多量となり、もしこれが２Ｃ、３Ｃの細
孔中に凝縮すれば、反応ガス（Ｏ₂)の２Ｃ中の触媒表面
までの供給を著しく阻害し、電池特性の低下を来す。従
って、凝縮を起こさせることなく水分を電池外に除去す
ることがＰＥＦＣ特有の第二番目の重要問題となる。

【０００５】一般にガスセパレータ板（図８、図９中で
は記号６Ａ、６Ｃで示されている）は、各々電極背面に
燃料ガスと酸化剤ガスを均一に、かつ分離供給し、さら
に反応によって生じた電気を効率よく集電する機能を有
する必要がある。また、電池反応に付随する発熱が大き
いので、運転条件を安定化させるためには、反応熱をガ
スセパレータを介して放熱させる必要がある。それ故、
従来においては、両面にガス供給溝を形成したガスセパ
レータとＰＥＭ並びにアノード及びカソード複合体（単
位セル）を順次複数積み重ねて多重セルとすると共に、
該電池セルの周辺に冷却ジャケットを設けたり、数枚の
セル間隔毎に冷却盤を挿入した構造が採用されている。
また近年は、図８に示す如く、１セル毎にアノード、カ
ソードの各背面に冷却水を流せるジャケット型の冷却構
造が提案されている。しかしながら、前者においては、
各セル毎または各セルの周辺部と内部を均一に冷却する
ことは困難である。後者においては冷却は完全に行える
ものの、前述のカソードにおける過剰生成水分の除去に
おいて重大な欠陥がある。すなわち、ＰＥＦＣでは、カ
ソード４Ｃの細孔内は水蒸気で殆んど飽和されており、
これにセルの運転（露点）温度以下の冷却ジャケットを
接触させると、その近傍に水が凝縮する。その結果、反
応ガスの供給、生成水分の除去が阻害され、高電流密度
の電池運転が不可能となる。従って、冷却と除湿のいず
れも効率的に行える、ガスセパレータ構造を含む新しい
セル構造と運転方法の提案が必須である。

【０００６】また、従来の電池構造では、図９に示され
る如く、アノード、カソード、冷却ジャケットが厚さ方
向に重ねられ、セルのコンパクト化を防げていて、これ
が第三番目の問題となる。車載用ＰＥＦＣとしては、こ
のコンパクト化を実現する新しい電池構造の提案が求め
られる。

【０００７】ところで、上記諸問題は、燃料電池の問題
とてして述べてきた。他方、イオン交換膜を用いた電解
セルでは良く知られる如く、燃料電池と同様の構造で、
全く逆の反応、すなわち水の電解を行わせることができ
る。そこで上記燃料電池の記述でアノードをカソード、
カソードをアノードと読み代えることにより、電解セル
における同様の問題点の指摘となる。水の電解以外の電
解反応でも同様の問題点が存在する。

【０００８】

【本発明が解決しようとする課題】本発明は上記問題点
を解決し、効率的冷却、効率的除湿が可能となり、装置
自体がコンパクトな燃料電池及び電解セル並びにその冷
却・除湿方法を提供する。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明はアノード及びカ
ソード反応ガス供給溝が金属薄板又は導電性樹脂薄板を
介して交互に同一平面上に並列したセパレータ板が各電
極間に積層されている燃料電池及び電解セルで、アノー
ド及びカソード反応ガス供給溝の断面積が異なり、燃料
電池の場合はカソード反応ガス供給溝がアノード反応ガ
ス供給溝より大きく、また電解セルの場合はアノード反
応ガス供給溝がカソード反応ガス溝より大きいことを特
徴とする。またアノード及びカソード反応ガスの供給マ
ニホールドが電極面を貫通する内部マニホールド方式の
場合、燃料電池ではカソード反応ガスマニホールドがア
ノード反応ガスマニホールドの体積より大きく、電解セ
ルではアノード反応ガスマニホールドがカソード反応ガ
スマニホールドの体積より大きくなっている。さらにア
ノード及びカソード反応ガス供給マニホールドの一方が
電極側面にある外部マニホールド方式でもよく、その場
合、燃料電池ではカソード反応ガスマニホールドを外部
マニホールドとし、電解セルではアノード反応ガスマニ
ホールドを外部マニホールドとする。さらに本発明は上
記構造の燃料電池及び電解セルへ反応ガスを流すことに
より、電極の冷却及び除湿を行う、燃料電池及び電解セ
ルの冷却・除湿方法である。

【００１０】

【作用】まず燃料電池の場合について説明する。効率的
冷却を実現するため、本発明では発熱部位を直接、また
はそれに最も近い部分を熱導電性の良い材料を介して冷
却している。ところで従来技術の問題点において指摘し
た如く、露点以下の冷却面との接触で冷却した場合、カ
ソードとの接触部分を中心に水の結露を必ず生じてしま
う。そこで本発明ではこの問題を回避するため冷却ジャ
ケットを用いず、反応ガス（酸素又は空気）に冷却媒体
（ガス）を兼ねさせることにした。多量の冷却ガスの導
入により、水蒸気は水蒸気の含まれない冷却ガス中に速
やかに拡散し、この冷却ガスと共に速やかに電池外に除
去されるため、カソード細孔内の水蒸気の飽和度は下が
り露点がより低下するため、冷却しても結露が生じなく
なる。

【００１１】またアノードに比べカソードの過電圧が大
きいため発熱はカソード部位がより大きくなる点や、除
湿が必要なのはカソード面のみである点を考慮して、本
発明ではカソード反応ガスの供給量をアノード反応ガス
の供給量より大きくできる構造としている。具体的には
カソード反応ガスの供給溝断面積をアノード反応ガスの
供給溝断面積より大きくし、更に多量の冷却ガスをカソ
ード反応ガス供給溝に送入できるよう、カソード反応ガ
ス用には外部マニホールド方式を採用するか、または内
部マニホールド方式においては、カソード反応ガスのマ
ニホールドの体積をアノード反応ガスのマニホールドの
体積よりも大きくする構造とした。このような構造とす
ることにより、冷却ガスとしてのカソード反応ガスを大
量に流すことができ、特に冷却ガスとして空気を用いた
場合には、効率的な冷却・除湿効果と併せ、カソード特
性の向上も図れ、またアノード反応ガスの供給量を必要
最小限におさえることができるという種々の付加的な効
果も生じる。

【００１２】また本発明はセパレーター板に金属薄板や
導電性樹脂薄板を用いているが、導電性樹脂薄板は金属
又はカーボンと樹脂とのコンポジットを射出成形あるい
は削り出しにより作成することができる。これによりカ
ソード冷却ガスの冷却効果がアノードにも速やかに伝達
されるようにすることができ、また金属薄板の場合は絞
り一体加工することによりアノード及びカソード反応ガ
ス供給溝が成形でき、加工が簡便で有るという効果もあ
る。さらにアノード及びカソード反応ガス供給溝が同一
平面上に交互並列するため、アノード及びカソード反応
ガス供給溝の占める厚みが従来に比べて半減し、また冷
却ジャケットも不要なため、装置的に非常にコンパクト
なものが得られる。なお上記燃料電池の説明は、アノー
ドをカソードへ、またカソードをアノードへと読み代え
ることにより、電解セルの説明として用いることができ
る。

【００１３】

【実施例】以下に本発明の実施態様を図面をもとに説明
する。

【００１４】

【実施例１】本発明の内部マニホールド方式の燃料電池
の実施例を図１乃至図６にて説明する。図１は本発明で
用いるセパレータ板の両面を図示したもので、厚さ 0.3
mm、の銅板を絞り加工により作成した。アノード反応ガ
ス供給溝５Ａ及びカソード反応ガス供給溝５Ｃは図２に
示す如き外観を有し、同一平面内に交互に平行して形成
させた。これを図１のＡ−Ｂで切断した断面図を図３ａ
（Ａ−Ｂ）に示す。ここで示すごとく、カソード反応ガ
ス供給溝５Ｃはアノード反応ガス供給溝５Ａの断面積よ
り大きくする。またセパレータ板には図１中で12Ａ′、
12Ａ″、12Ｃ′及び12Ｃ″で示されるマニホールド用の
穴が開けられている。

【００１５】このセパレータ板のアノード面に図４に示
されるアノード面用ガスケットを貼り合わせ、さらにそ
の上にガス拡散電極をそのガス拡散層３Ａがセパレータ
板の方を向くように貼る。またセパレータ板のカソード
面には図４に示されるカソード面用のガスケットを貼り
合わせ、さらにガス拡散電極をそのガス拡散層３Ｃがセ
パレータ板の方を向くように貼る。このようにしてでき
たセパレータ板の両面にガス拡散電極が貼りあわされた
もの複数枚を用意し、ガス拡散電極の反応層２Ａと反応
層２Ｃの間にイオン交換膜を入れ積層することにより燃
料電池を作成した。この燃料電池の断面図（アノード及
びカソード反応ガス供給溝に直行する面で切断したも
の）の一部を図５に示す。なおセパレータ板の両側にガ
ス拡散電極を重ねる場合、図６の11Ａ及び11Ｃで示され
る電極バックアップシートをはさみガス拡散電極を固定
した。

【００１６】図３に示すごとくカソード反応ガス供給溝
５Ｃの断面積はアノード反応ガス供給溝５Ａの断面積よ
り大きくしてあり、冷却・除湿の観点からはカソード反
応ガス供給溝の断面積は大きい程望ましいが、カソード
極に於ける集電部７Ｃの微小化による集電能の低下、ア
ノード極での集電部７Ａの遮蔽によるガス供給能の阻害
増大を考慮し、カソード反応ガス供給溝の断面積をアノ
ード反応ガス供給溝の断面積の３倍程度とした。なお集
電部７Ａによる遮蔽効果を低減させるために図５に示す
如く７Ａのアノードへの接触面積を減少させた構造とし
た。一方、このカソード反応ガス供給溝に十分なガス供
給を行うため、図１に示すごとくカソード反応ガス供給
用マニホールド12Ｃ′及びカソード反応ガス排出用マニ
ホールド12Ｃ″の大きさをアノード反応ガス供給用マニ
ホールド12Ａ′及びアノード反応ガス排出用マニホード
ル12Ａ″より大きくしてあり、その比率は望ましくは３
倍以上とする。

【００１７】上記のように燃料電池を組み立てることに
より、それぞれの反応ガスマニホールド入口から送られ
たガスは、ガス供給溝を経由してマニホールド出口へと
導かれ、排出される。このとき、カソード反応ガスの流
路が大きくとってあるため、カソード反応ガスを冷却ガ
スとして十分送り込むことが可能となり、電極の冷却及
び除湿が申し分なく達成された。

【００１８】なお本実施例では図５に示す如く積層する
セパレータ板の周期を一致させているが、アノード４
Ａ、カソード４Ｃと集電部７Ａ、７Ｃとの十分な接触圧
を確保するため半周期ずらして集電部７Ａと７Ｃを対向
させても良く、また隣接するセルのガス供給溝が直交す
る構造としても良い。

【００１９】

【実施例２】実施例１よりもさらに多量の冷却・除湿用
ガスを送入するため、カソードマニホールドを外部マニ
ホールドとした燃料電池を図７に示す。ここで用いられ
るセパレータの断面図（ガス供給溝の方向に直行する面
で切断したもの）は図３ｂ（Ｃ−Ｄ）のような形になっ
ており、アノード反応ガスは実施例１と同様に内部マニ
ホールドよりアノード反応ガス供給溝に導かれるが、カ
ソード反応ガスは図７には図示しない電池側面の外部マ
ニホールドより導入され、さらに大量のカソード反応ガ
ス（冷却・除湿ガス）を流すことが可能となり、より十
分な冷却・除湿が実現できた。

【００２０】

【発明の効果】上記のとおり、本発明の燃料電池は、ガ
スを過剰に流せる構造を有するマニホールド及びカソー
ドガス供給溝を有し、かつ、薄い良熱伝導性金属板又は
導電性樹脂薄板を介してアノードも冷却できるセパレー
タ構造を有するため、主要な発熱部であるカソード触媒
層部分を効率的に冷却できるのみならずアノードも効率
的に冷却でき、しかも、カソード内に生ずる多量の水分
を結露させることなく効率的に電池外に除去でき、さら
にガス供給溝を同一面内に納めたため、アノード、カソ
ードガス供給溝を占める厚みが半減して、コンパクト
化、簡易化が図れ、かつ低コスト化も図れるものであ
る。また同様に電解セルにおいてもアノード及びカソー
ドを効率的に冷却でき、アノード内に結露を生じさせる
ことなく、燃料電池と同様の効果が得られるものであ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１におけるセパレータ板の模式図であ
る。（上図カソード側面、下図アノード側面）

【図２】実施例１におけるセパレータ板の斜視図であ
る。（内部構造を見るため、一部切断したもの）

【図３】ａは実施例１、ｂは実施例２におけるセパレー
タ板の断面図である。

【図４】実施例１におけるガスケットの説明図である。
（上がカソード面用ガスケット、下がアノード面用ガス
ケット）

【図５】実施例１における燃料電池の一部断面図であ
る。

【図６】実施例１における電極バックアップシートの説
明図である。（上がカソード面用、下がアノード面用）

【図７】実施例２における燃料電池の一部斜視図であ
る。（内部を見るため、一部切断してある。）

【図８】従来型の高分子固体電解質型燃料電池の原理図
である。

【図９】従来型燃料電池水冷冷却構造の説明図である。

【符号の説明】

１イオン交換膜（ＰＥＭ）２Ａ多孔質触媒層（アノード側）２Ｃ多孔質触媒層（カソード側）３Ａ導電性多孔質支持層（アノード側）３Ｃ導電性多孔質支持層（カソード側）４Ａガス拡散電極（アノード極）４Ｃガス拡散電極（カソード極）５Ａ反応ガス供給溝（アノードガス用）５Ｃ反応ガス供給溝（カソードガス用）６Ａセパレータ（アノード側）６Ｃセパレータ（カソード側）７Ａ集電部（アノード極）７Ｃ集電部（カソード極）８負荷９冷却ジャケット 10Ａガスケット（アノード面用） 10Ｃガスケット（カソード面用） 11Ａ電極バックアップシート（アノード側） 11Ｃ電極バックアップシート（カソード側） 12Ａ′ アノード反応ガス供給用マニホールド（入口） 12Ａ″ アノード反応ガス排出用マニホールド（出口） 12Ｃ′ カソード反応ガス供給用マニホールド（入口） 12Ｃ″ カソード反応ガス排出用マニホールド（出口）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】アノード及びカソード反応ガス供給溝が
金属薄板又は導電性樹脂薄板を介して同一平面上に交互
に並列し、カソード反応ガス供給溝の断面積がアノード
反応ガス供給溝の断面積より大きいセパレータ板が各電
極間に積層されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】上記アノード及びカソード反応ガスを供
給するマニホールドが電極面を貫通している内部マニホ
ールド方式であり、カソードマニホールドの体積がアノ
ードマニホールドの体積より大きい請求項１に記載の燃
料電池。
【請求項３】上記アノード反応ガスを供給するマニホ
ールドが電極面を貫通している内部マニホールド方式で
あり、カソード反応ガスを供給するマニホールドが電極
側面にある外部マニホールドである請求項１に記載の燃
料電池。
【請求項４】アノード及びカソード反応ガス供給溝が
金属薄板又は導電性樹脂薄板を介して同一平面上に交互
に並列し、カソード反応ガス供給溝の断面積がアノード
反応ガス供給溝の断面積より大きいセパレータ板が各電
極間に積層されている燃料電池へ反応ガスを流すことに
より電極の冷却及びカソードの除湿を行う燃料電池の冷
却・除湿方法。
【請求項５】アノード及びカソード反応ガス供給溝が
金属薄板又は導電性樹脂薄板を介して同一平面上に交互
に並列し、アノード反応ガス供給溝の断面積がカソード
反応ガス供給溝の断面積より大きいセパレータ板が各電
極間に積層されていることを特徴とする電解セル。
【請求項６】上記アノード及びカソード反応ガスを供
給するマニホールドが電極面を貫通している内部マニホ
ールド方式であり、アノードマニホールドの体積がカソ
ードマニホールドの体積より大きい請求項５に記載の電
解セル。
【請求項７】上記カソード反応ガスを供給するマニホ
ールドが電極面を貫通している内部マニホールド方式で
あり、アノード反応ガスを供給するマニホールドが電極
側面にある外部マニホールドである請求項５に記載の電
解セル。
【請求項８】アノード及びカソード反応ガス供給溝が
金属薄板又は導電性樹脂薄板を介して同一平面上に交互
に並列し、アノード反応ガス供給溝の断面積がカソード
反応ガス供給溝の断面積より大きいセパレータ板が各電
極間に積層されている電解セルへ反応ガスを流すことに
より電極の冷却及びアノードの除湿を行う電解セルの冷
却・除湿方法。