JPH07288133A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 高負荷時においても低負荷時同様に、電流密
度分布をガスの流れ方向に沿って均一にする。 【構成】 単電池の間に挿入されるセパレータ６０に
は、燃料ガス流路溝４０が設けられている。燃料ガス流
路溝４０は、その溝の深さが入口側４０ｉから出口側４
０ｅにわたって漸次浅くなるように形成されている。そ
して、燃料ガス流路溝４０内には整流板４２が設けられ
ている。整流板４２は、断面コの字形の樋状の形状をし
た樹脂性の板であり、燃料ガス流路溝４０を２つの２つ
のガス流路４０ａ，ガス流路４０ｂに分割している。こ
うした構成により、高負荷時に、燃料ガス流路溝４０の
入口側で燃料ガス中の水素が多量に消費されても、水素
成分の分圧の高い、まだ水素が消費されていない燃料ガ
スＧ２が、燃料ガス流路溝４０の出口側に位置する領域
に送られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、燃料電池に関し、詳
しくは、単電池とセパレータとの境に設けられるガス流
路の構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、燃料の有しているエネルギを直接
電気的エネルギに変換する装置として燃料電池が知られ
ている。この燃料電池は、通常、電解質を挟んで一対の
電極を配置するとともに、一方の電極の表面に水素等の
燃料ガスを接触させ、また他方の電極の表面に酸素を含
有する酸化ガスを接触させ、このとき起こる電気化学反
応を利用して、電極間から電気エネルギを取り出すよう
にしている。燃料電池は、燃料ガスと酸化ガスが供給さ
れている限り高い効率で電気エネルギを取り出すことが
できる。

【０００３】燃料電池は、前述した電解質と両電極とか
らなる単電池をセパレータを介して複数個積層すること
で構成されており、燃料ガスおよび酸化ガスは、そのセ
パレータに形成された流路溝を流すことで、各電極表面
との接触が可能となっている。

【０００４】ところで、燃料ガスに含まれる水素と酸化
ガスに含まれる酸素は、前記流路溝を通過中に、電気化
学反応により連続的に消費されることから、流路溝の入
口付近では、分圧が高くなり、流路溝の出口に近づくに
つれて分圧が小さくなった。そこで、こうした不具合を
解消する燃料電池として、流路溝を入口側から出口側に
わたって漸次狭くした構成が提案されていた（例えば、
特開昭６１−２５６５６８号公報）。流路溝の出口側を
狭くすることにより、その出口側の流速を高めてガス拡
散性の向上を図ることができ、この結果、電極面内での
発電反応のバラツキが軽減され、ガスの流れ方向に沿っ
て電流密度が均一化された。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、こうし
た従来の燃料電池では、高負荷が掛かると、その負荷増
に充分に対応しきれなかった。というのは、高負荷が掛
かると、流路溝の入口側でガス中の水素や酸素が多量に
消費されるため、出口側には充分に水素や酸素が到達せ
ず、出口側部分での反応が低下するためで、従来技術の
ように、出口側の流速をいかに高めても、出口側に到達
する水素や酸素は充分でなく、ガスの流れ方向に沿って
電流密度を均一化することができないといった問題が生
じた。

【０００６】この発明の燃料電池は、こうした問題点に
鑑みてなされたもので、高負荷時においても、電流密度
分布をガスの流れ方向に沿って均一にすることを目的と
している。

【０００７】

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
べく、前記課題を解決するための手段として、以下に示
す構成をとった。

【０００８】即ち、本発明の燃料電池は、電解質を２つ
の電極で挟持する単電池と、複数の単電池の間に挿入さ
れ、それら単電池を直列接続するセパレータと、前記単
電池とセパレータとの境に設けられ、電気化学反応を発
生させる反応ガスを前記単電池の面方向に流すガス流路
とを備えた燃料電池において、前記ガス流路内に、前記
ガス流路の入口部から中途部に至り、前記単電池の表面
部分を隔てる側路を形成した構成をとった。

【０００９】こうした燃料電池において、好ましくは、
前記ガス流路は、当該ガス流路の断面が入口部から出口
部にわたって漸次狭くなるように構成してもよい。

【００１０】

【作用】以上のように構成された本発明の燃料電池によ
れば、ガス流路内に形成された側路により、反応ガスは
ガス流路の入口部から中途部まで複数の流れに分岐し、
その分岐した側の反応ガスは単電池の表面部分から隔た
ってその表面部分に触れることがない。したがって、高
負荷時においてガス流路の入口側で反応ガス中の有効成
分が多量に消費されるような場合にも、側路により出口
側にも新たな反応ガスが送られることから、その出口側
でも充分な量の有効成分を受けることができ、電極面内
での発電反応のバラツキが軽減される。

【００１１】さらに、ガス流路の断面が入口部から出口
部にわたって漸次狭くなるように構成されることで、出
口側の流速を高めて、より一層の反応ガスの供給効率の
向上を図ることが可能である。

【００１２】

【実施例】以上説明した本発明の構成・作用を一層明ら
かにするために、以下本発明の好適な実施例について説
明する。

【００１３】図１は、本発明の一実施例を適用した固体
高分子型の燃料電池１のセル構造の模式図である。この
図に示すように、燃料電池１は、そのセル構造として、
電解質膜１０と、この電解質膜１０を両側から挟んでサ
ンドイッチ構造とするガス拡散電極としてのアノード２
０およびカソード３０と、このサンドイッチ構造を両側
から挟みつつ燃料ガスの流路溝４０および酸化ガス（酸
素含有ガス）の流路溝５０を形成するセパレータ６０と
を備える。なお、図１には、電解質膜１０，アノード２
０およびカソード３０からなる単電池を１つだけ示した
が、実際は、セパレータ６０，アノード２０，電解質膜
１０，カソード３０，セパレータ６０の順に単電池を複
数個積層して固体高分子型燃料電池を構成する。

【００１４】電解質膜１０は、高分子材料、例えばフッ
素系樹脂により形成されたイオン交換膜であり、湿潤状
態で良好な電気電導性を示す。アノード２０およびカソ
ード３０は、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンク
ロスにより形成されており、このカーボンクロスには、
触媒としての白金または白金と他の金属からなる合金等
を担持したカーボン粉がクロスの隙間に練り込まれてい
る。

【００１５】セパレータ６０は、カーボンを圧縮して不
透過としたガス不透過カーボンにより形成されている。
セパレータ６０には、その一方面にリブ６２が形成され
ており、このリブ６２とアノード２０の表面とで前記燃
料ガスの流路溝４０を形成している。また、セパレータ
６０の他方面にリブ６４が形成されており、このリブ６
４とカソード３０の表面とで前記酸化ガスの流路溝５０
を形成している。なお、これら燃料ガス流路溝４０と酸
化ガス流路溝５０とは、その向きが直行する方向に形成
されている。

【００１６】セパレータ６０の構成について図２および
図３を用いてさらに詳しく説明する。これら図に示すよ
うに、セパレータ６０は、その両面に前述した燃料ガス
流路溝４０および酸化ガス流路溝５０を備える。燃料ガ
ス流路溝４０は、その溝の深さが入口部４０ｉから出口
部４０ｅにわたって漸次浅くなるように形成されてお
り、その溝内に整流板４２が設けられている。整流板４
２は、断面コの字形の樋状の形状をした樹脂製の板であ
り、その深さＤは、燃料ガス流路溝４０の入口部４０ｉ
の溝の深さｄのほぼ２分の１で、その長手方向の長さＬ
は燃料ガス流路溝４０の長さｌのほぼ２分の１である。
整流板４２は、コの字の開口部を燃料ガス流路溝４０の
深さ方向に向けて、その端部４２ａが燃料ガス流路溝４
０の入口部４０ｉに位置するように燃料ガス流路溝４０
内に固着されており、燃料ガス流路溝４０内を２つのガ
ス流路４０ａ，ガス流路４０ｂに分割している。なお、
整流板４２は、樹脂製に換えて、耐腐食性がある材質、
例えば、カーボン，セラミック等から形成されたものと
しても良い。

【００１７】また、酸化ガス流路溝５０も、燃料ガス流
路溝４０と同様に、その溝の深さが入口部５０ｉから出
口部（図示せず）にわたって漸次浅くなるように形成さ
れており、その溝内には、前記整流板４２と同じ整流板
５２が同様に設けられて、整流板５２により酸化ガス流
路溝５０内は２つのガス流路５０ａ，５０ｂに分割され
ている。

【００１８】こうした燃料電池１のガスの流れについ
て、次に説明する。図示しない燃料ガス源からアノード
２０側の燃料ガス流路溝４０に燃料ガスが送られると、
この燃料ガスは、図３に示すように、燃料ガス流路溝４
０の入口部４０ｉで整流板４２により分岐され、２つの
ガス流路４０ａ，４０ｂを流れる。図４にはアノード２
０の表面Ｓを一点鎖線で示したが、この図に示すよう
に、よりアノード２０に近い側のガス流路４０ａを流れ
る燃料ガスＧ１は、アノード２０の表面Ｓ内を燃料ガス
流路溝４０の方向に２つの領域Ｓ１，Ｓ２に分割した際
の入口側に位置する領域Ｓ１に向かって送られ、他方側
のガス流路４０ｂを流れる燃料ガスＧ２は、その出口側
に位置する領域Ｓ２に向かって送られる。

【００１９】一方、図示しない酸化ガス源からカソード
３０側の酸化ガス流路溝５０に酸化ガスが送られると、
この燃料ガスは、燃料ガス流路溝４０内の燃料ガスの流
れと同様に、酸化ガス流路溝５０内を２つのガス流路５
０ａ，５０ｂに分岐されて、カソード３０の表面内の酸
化ガス流路溝５０方向に並列した２つの領域に向かって
それぞれ送られる。

【００２０】以上詳述した、この実施例の燃料電池１に
よれば、高負荷時に、燃料ガス流路溝４０の入口側に位
置するアノード２０上の領域Ｓ１で燃料ガス中の水素が
多量に消費されても、領域Ｓ１に燃料ガスＧ１を送るガ
ス流路４０ａとは独立したガス流路４０ｂから新たな燃
料ガスＧ２が、燃料ガス流路溝４０の出口側に位置する
領域Ｓ２に送られることから、その領域Ｓ２に水素成分
の分圧の高い、まだ水素が消費されていない燃料ガスを
供給することができる。このため、アノード２０の表面
Ｓでの発電反応のバラツキを軽減することができ、この
結果、電流密度分布をガスの流れ方向に沿って均一にす
ることができる。また、同様な理由で、カソード３０の
表面での発電反応のバラツキを軽減することができ、カ
ソード側においても電流密度分布をガスの流れ方向に沿
って均一にすることができる。これらの結果、ガスの流
れ方向の温度分布を均一にできることから、燃料電池１
の局部的な劣化を抑制し、延いては燃料電池１の長寿命
化を図ることができる。また、高電流密度域においても
安定した出力特性を維持できることから、電池性能の向
上を図ることができる。

【００２１】前記燃料電池１の性能を確かめるために行
なった実験について、次に説明する。この実験に用いた
燃料電池１の諸元からまず説明する。燃料電池１として
積層された単電池は１つで、各部の寸法は次のようなも
のである。アノード２０およびカソード３０は、１辺の
長さ１００ｍｍで、面積１００ｃｍ² であり、両面に触
媒として白金を０．５ｍｇ／ｃｍ² 担持したものであ
る。アノード２０に形成した燃料ガス流路溝４０は、溝
幅１ｍｍ、溝と溝の間隔１ｍｍ、溝の入口部４０ｉでの
深さ３ｍｍ、出口部４０ｅでの深さ１ｍｍである。カソ
ード３０に形成した酸化ガス流路溝５０は、溝の出口部
５０ｅの深さは２ｍｍで、それ以外の溝幅、溝間隔、溝
の入口部５０ｉでの深さについては燃料ガス流路溝４０
と同じ寸法である。

【００２２】この実験の内容は、次のようなものであ
る。前記単電池を７５℃に温調し、燃料ガス流路溝４０
には、水温８０℃でバブラによって加湿した、Ｈ₂：Ｃ
Ｏ₂の比が３：１のメタノール改質ガスを供給し、酸化
ガス流路溝５０には、水温６０℃でバブラによって加湿
した空気を供給する。そうして、この燃料電池１につい
て放電試験を行なった。なお、このときのガス圧は、両
電極側共、絶対圧３ａｔ（３×９．８０６６５×１０⁴
Ｐａ）に設定し、流量は各電流密度に対し反応ガスが理
論消費量の１．５倍になるように設定した。この実験結
果を以下の表に示した。

【００２３】

【表１】

【００２４】上記表には、比較例として、整流板４２，
５２を設けず、それ以外は全く同一の条件で行なった場
合の実験結果も示した。なお、表中の値は、放電により
検出された端子間電圧を、整流板有で、電流密度０．５
Ａ／ｃｍ² の時の端子間電圧を１としたときの相対値で
示した。

【００２５】上記表から、燃料電池１は、整流板４２，
５２を設けることで、整流板４２，５２が無いものに比
較して、電流密度を変化させても安定した端子間電圧を
得ることができ、電池性能に優れていることがわかる。

【００２６】また、上記実施例の燃料電池１では、通
常、実験で行なったように、電解質の湿潤状態を保つた
めに反応ガスの加湿を行なうが、こうした場合に、従
来、ガス流路の入口側から出口側へ反応ガス中の水蒸気
分圧に差が生じ、電極面内の含水率にバラツキが発生し
た。これに対して、この燃料電池１では、電極面内の含
水率のバラツキを軽減して、電解質膜１０の導電性の均
一化を図ることができ、局部的なドライアップを防止す
ることができる。

【００２７】なお、前記実施例の燃料電池１では、燃料
ガス流路溝４０に１枚の整流板４２を設けていたが、こ
れに換えて、２枚の整流板１０１，１０２を設ける構成
としてもよい。整流板１０１，１０２は、前記実施例の
整流板４２と同様に、断面コの字形の樋状の形状をした
樹脂性の板であり、両者が燃料ガス流路溝４０内に積層
される。こうした構成により、燃料ガス流路溝４０内
は、３つのガス流路１１１，１１２，１１３に分岐され
る。従って、アノード２０の表面内の燃料ガス流路溝４
０方向に並列した３つの領域に向かって、独立した新た
な燃料ガスを供給することができる。このため、燃料ガ
ス流路溝４０の方向の位置に関わらず、アノード２０の
表面に水素分圧の高い燃料ガスを供給することができ、
アノード２０の表面での発電反応のバラツキを軽減し
て、電流密度分布をガスの流れ方向に沿って均一にする
ことができる。なお、カソード３０側の酸化ガス流路溝
５０も同様に、２枚の整流板を用いて３つのガス流路を
設ける構成としてもよい。

【００２８】また、整流板を３枚以上として、燃料ガス
流路溝４０および酸化ガス流路溝５０内をより多くのガ
ス流路に分割するように構成すれば、電流密度分布をガ
スの流れ方向に沿ってより均一化することができる。

【００２９】さらに、前記実施例の燃料電池は、セパレ
ータ６０にリブ６２，６４を設けて燃料ガスおよび酸化
ガスの流路溝４０，５０を形成する、いわゆるリブ付セ
パレータ型のものであるが、これに換えて、アノード２
０およびカソード３０にリブを設けて燃料ガスおよび酸
化ガスの流路溝を形成する、いわゆるリブ付電極型のも
のとしてもよい。この構成においても、同様に、整流板
を用いて流路溝を複数に分岐することで、前述した実施
例と同様な効果を奏することができる。

【００３０】さらにまた、前記実施例に換えて、燃料ガ
ス流路溝４０を、入口部から出口部にわたって断面が変
わらない形状とし、その入口部から中途部に至る範囲
に、その溝の深さ方向を２分割する仕切板を設けるよう
に構成してもよい。この構成によれば、最も簡単な構成
でありながら、電流密度分布をガスの流れ方向に沿って
均一化することが可能となる。

【００３１】以上本発明の実施例について説明したが、
本発明はこうした実施例に何等限定されるものではな
く、例えば、固体高分子型の燃料電池に換えて、りん酸
型のもの、あるいは溶融炭酸塩型のものとした構成等、
本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる態
様で実施し得ることは勿論である。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように本発明の燃料電池で
は、高負荷時においても低負荷時同様に、反応ガスの流
れ方向に沿って電流密度を均一化することができる。こ
の結果、反応ガスの流れ方向の温度分布を均一にできる
ことから、電池の局部的な劣化を抑制し、延いては電池
の長寿命化を図ることができる。また、高電流密度域に
おいても安定した出力特性を維持できることから、電池
性能の向上を図ることができる。

【００３３】また、燃料電池では、通常、電解質の湿潤
状態を保つために反応ガスの加湿を行なうが、こうした
場合に、従来、ガス流路の入口側から出口側へ反応ガス
中の水蒸気分圧に差が生じ、電極面内の含水率にバラツ
キが発生した。これに対して、本発明の燃料電池では、
電極面内の含水率のバラツキを軽減して、電解質の導電
性の均一化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例を適用した燃料電池１のセル構
造の模式図である。

【図２】燃料電池１のセパレータ６０の分解斜視図であ
る。

【図３】図２のＡ−Ａ′線方向の断面図である。

【図４】燃料ガス流路溝４０で分岐された燃料ガスＧ
１，Ｇ２と接触するアノード２０の表面Ｓを示す説明図
である。

【図５】前記実施例の変形例を示すセパレータの断面図
である。

【符号の説明】

１…燃料電池 １０…電解質膜 ２０…アノード ３０…カソード ４０…燃料ガス流路溝 ４０ａ，４０ｂ…ガス流路 ４０ｅ…出口部 ４０ｉ…入口部 ４２…整流板 ５０…酸化ガス流路溝 ５０ａ，５０ｂ…ガス流路 ５０ｅ…出口部 ５０ｉ…入口部 ５２…整流板 ６０…セパレータ ６２…リブ ６４…リブ １０１，１０２…整流板 １１１，１１２，１１３…ガス流路

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電解質を２つの電極で挟持する単電池
   と、 複数の単電池の間に挿入され、それら単電池を直列接続
   するセパレータと、 前記単電池とセパレータとの境に設けられ、電気化学反
   応を発生させる反応ガスを前記単電池の面方向に流すガ
   ス流路とを備えた燃料電池において、 前記ガス流路内に、 前記ガス流路の入口部から中途部に至り、前記単電池の
   表面部分を隔てる側路を形成したことを特徴とする燃料
   電池。
2. 【請求項２】 前記ガス流路は、当該ガス流路の断面が
   入口部から出口部にわたって漸次狭くなるように構成さ
   れた請求項１記載の燃料電池。