JPH08111231A - 固体高分子電解質型燃料電池 - Google Patents
固体高分子電解質型燃料電池Info
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- JPH08111231A JPH08111231A JP6245814A JP24581494A JPH08111231A JP H08111231 A JPH08111231 A JP H08111231A JP 6245814 A JP6245814 A JP 6245814A JP 24581494 A JP24581494 A JP 24581494A JP H08111231 A JPH08111231 A JP H08111231A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】スタック内のセルの温度分布が均一な固体高分
子電解質型燃料電池を得る。 【構成】スタックの二つの端部に冷却水導入口ＡＡ，Ｃ
Ｃ、冷却排水口ＦＦ，ＨＨをそれぞれ設ける。
子電解質型燃料電池を得る。 【構成】スタックの二つの端部に冷却水導入口ＡＡ，Ｃ
Ｃ、冷却排水口ＦＦ，ＨＨをそれぞれ設ける。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、固体高分子電解質型燃
料電池のスタック構造に係り、特にセル温度の均一化を
可能にするスタック構造に関する。
料電池のスタック構造に係り、特にセル温度の均一化を
可能にするスタック構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】固体高分子電解質型燃料電池は固体高分
子電解質膜の二つの主面にそれぞれアノードとカソード
を配して形成される。アノードまたはカソードの各電極
は電極基材上に電極触媒を配している。固体高分子電解
質膜にはスルホン酸基を持つポリスチレン系の陽イオン
交換膜をカチオン導電性膜として使用したもの、フロロ
カーボンスルホン酸とポリビニリデンフロライドの混合
膜、フロロカーボンマトリックスにフロロエチレンをグ
ラフト化したもの、あるいはパーフルオロスルホン酸樹
脂膜が用いられる。
子電解質膜の二つの主面にそれぞれアノードとカソード
を配して形成される。アノードまたはカソードの各電極
は電極基材上に電極触媒を配している。固体高分子電解
質膜にはスルホン酸基を持つポリスチレン系の陽イオン
交換膜をカチオン導電性膜として使用したもの、フロロ
カーボンスルホン酸とポリビニリデンフロライドの混合
膜、フロロカーボンマトリックスにフロロエチレンをグ
ラフト化したもの、あるいはパーフルオロスルホン酸樹
脂膜が用いられる。
【０００３】固体高分子電解質膜は分子中にプロトン
（水素イオン）交換基を有し、飽和に含水させることに
より常温で２０Ω・ｃｍ以下の比抵抗を示し、プロトン
導電性電解質として機能する。電極基材は多孔質体で燃
料電池の反応ガスの供給または排出手段および集電体と
して機能する。アノードまたはカソードの電極において
は気・液・固相の三相界面が形成され、次の電気化学反
応が起きる。
（水素イオン）交換基を有し、飽和に含水させることに
より常温で２０Ω・ｃｍ以下の比抵抗を示し、プロトン
導電性電解質として機能する。電極基材は多孔質体で燃
料電池の反応ガスの供給または排出手段および集電体と
して機能する。アノードまたはカソードの電極において
は気・液・固相の三相界面が形成され、次の電気化学反
応が起きる。
【０００４】アノードでは（１）式の反応が起きる。 Ｈ2 ＝２Ｈ+ ＋２ｅ （１） カソードでは（２）式の反応が起きる。 １／２Ｏ2 ＋２Ｈ+ ＋２ｅ＝Ｈ2 Ｏ （２） すなわちアノードにおいては系の外部より供給されたＨ
2 ガスからプロトンと電子が生成する。生成したプロト
ンはイオン交換膜内をカソードに向かって移動し、電子
は外部回路を経てカソードに移動する。一方カソードに
おいては、系の外部より供給されたＯ2 ガスとイオン交
換膜中をアノードより移動してきたプロトンおよび外部
回路より移動してきた電子とが反応し、Ｈ2 Ｏを生成す
る。
2 ガスからプロトンと電子が生成する。生成したプロト
ンはイオン交換膜内をカソードに向かって移動し、電子
は外部回路を経てカソードに移動する。一方カソードに
おいては、系の外部より供給されたＯ2 ガスとイオン交
換膜中をアノードより移動してきたプロトンおよび外部
回路より移動してきた電子とが反応し、Ｈ2 Ｏを生成す
る。
【０００５】図５は従来の固体高分子電解質型燃料電池
の単セル構成を示す断面図である。電極基材３に電極触
媒層２が積層されて電極８が構成される。電極８は固体
高分子電解質体１の二つの主面に配置され、ホットプレ
スにより熱圧着される。電極の配置された固体高分子電
解質体１はセパレータ４により挟持され、固定される。
セパレータ４に設けられた反応ガス流通溝６には燃料ガ
ス（Ｈ2 含有ガス）または酸化剤ガス（Ｏ2 含有ガス）
が流される。一方、セパレータ４において反応ガス流通
溝６が形成されたその裏面には、セル温度を所定温度に
維持するため冷却水を流す冷却水流通溝９が形成され
る。
の単セル構成を示す断面図である。電極基材３に電極触
媒層２が積層されて電極８が構成される。電極８は固体
高分子電解質体１の二つの主面に配置され、ホットプレ
スにより熱圧着される。電極の配置された固体高分子電
解質体１はセパレータ４により挟持され、固定される。
セパレータ４に設けられた反応ガス流通溝６には燃料ガ
ス（Ｈ2 含有ガス）または酸化剤ガス（Ｏ2 含有ガス）
が流される。一方、セパレータ４において反応ガス流通
溝６が形成されたその裏面には、セル温度を所定温度に
維持するため冷却水を流す冷却水流通溝９が形成され
る。
【０００６】７０〜８０℃の冷却水をセパレータに供給
することにより、運転開始初期には、セル温度が低いた
めセル温度を上昇させ、定常運転時には、燃料ガス（Ｈ
2 含有ガス）および酸化剤ガス（Ｏ2 含有ガス）による
化学反応熱を吸収してセル温度の上昇を抑制し、セル温
度を７０〜８０℃の範囲内に調整制御する。図６は従来
の固体高分子電解質型燃料電池のスタックを示す正面図
である。単セル２０は端板２１，２２の間に水平方向に
積層され、端板に挟持され固定される。
することにより、運転開始初期には、セル温度が低いた
めセル温度を上昇させ、定常運転時には、燃料ガス（Ｈ
2 含有ガス）および酸化剤ガス（Ｏ2 含有ガス）による
化学反応熱を吸収してセル温度の上昇を抑制し、セル温
度を７０〜８０℃の範囲内に調整制御する。図６は従来
の固体高分子電解質型燃料電池のスタックを示す正面図
である。単セル２０は端板２１，２２の間に水平方向に
積層され、端板に挟持され固定される。
【０００７】図７は従来の固体高分子電解質型燃料電池
スタックにおける冷却水の流路を示す透視図である。ス
タックの一端の冷却水導入口Ａから導入された冷却水
は、各セルのセパレータに形成された流通溝を通り、他
の一端の冷却水排出口Ｈから排出される。水路Ａ−Ｈ間
において、両端部を通るＡ→Ｂ→Ｆ→Ｈ、Ａ→Ｅ→Ｆ→
Ｈ、Ａ→Ｃ→Ｄ→Ｈ、Ａ→Ｃ→Ｇ→Ｈ、の各ルートは流
れやすいが、中央部を通るＡ→Ｌ→Ｍ→Ｏ→Ｈ、Ａ→Ｌ
→Ｎ→Ｏ→Ｈは流れにくい。従って、スタックの二つの
端部はより冷却され、スタックの中央部は冷却が不十分
であり、温度が上昇する。また両端部には端板２１、２
２が存在し、端板から放熱しやすい。
スタックにおける冷却水の流路を示す透視図である。ス
タックの一端の冷却水導入口Ａから導入された冷却水
は、各セルのセパレータに形成された流通溝を通り、他
の一端の冷却水排出口Ｈから排出される。水路Ａ−Ｈ間
において、両端部を通るＡ→Ｂ→Ｆ→Ｈ、Ａ→Ｅ→Ｆ→
Ｈ、Ａ→Ｃ→Ｄ→Ｈ、Ａ→Ｃ→Ｇ→Ｈ、の各ルートは流
れやすいが、中央部を通るＡ→Ｌ→Ｍ→Ｏ→Ｈ、Ａ→Ｌ
→Ｎ→Ｏ→Ｈは流れにくい。従って、スタックの二つの
端部はより冷却され、スタックの中央部は冷却が不十分
であり、温度が上昇する。また両端部には端板２１、２
２が存在し、端板から放熱しやすい。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】図８は従来の固体高分
子電解質型燃料電池につきスタック内の温度分布を示す
線図である。スタックの両端のセルの温度に対し中央部
のセルの温度が高く、上に凸なカーブを示した。このよ
うにセルの温度が均一でない場合、温度が高いスタック
中央部では、水の蒸発が促進されるため、セルの電極は
乾きやすく、一方、温度が低い両端のセルの電極は水の
蒸発が抑制されるため濡れやすくなる。乾きやすい電極
は、抵抗が大となり抵抗損失のための特性が低下し、ま
た濡れやすい電極では水が過剰となり、電極へのガスの
拡散が阻害される結果、特性が低下する。
子電解質型燃料電池につきスタック内の温度分布を示す
線図である。スタックの両端のセルの温度に対し中央部
のセルの温度が高く、上に凸なカーブを示した。このよ
うにセルの温度が均一でない場合、温度が高いスタック
中央部では、水の蒸発が促進されるため、セルの電極は
乾きやすく、一方、温度が低い両端のセルの電極は水の
蒸発が抑制されるため濡れやすくなる。乾きやすい電極
は、抵抗が大となり抵抗損失のための特性が低下し、ま
た濡れやすい電極では水が過剰となり、電極へのガスの
拡散が阻害される結果、特性が低下する。
【０００９】以上のように、従来法では、冷却水がスタ
ック中央部を流れにくく、その部分のセル温度が上昇
し、スタック内のセルの温度が均一とならないため、電
極の濡れ状態が不均一となり、燃料電池の特性が低下す
る。この発明は上述の点に鑑みてなされその目的はスタ
ック内のセル温度を均一化し、所定の加湿条件に対する
電極の濡れ状態を均一にして特性に優れる固体高分子電
解質型燃料電池を提供することにある。
ック中央部を流れにくく、その部分のセル温度が上昇
し、スタック内のセルの温度が均一とならないため、電
極の濡れ状態が不均一となり、燃料電池の特性が低下す
る。この発明は上述の点に鑑みてなされその目的はスタ
ック内のセル温度を均一化し、所定の加湿条件に対する
電極の濡れ状態を均一にして特性に優れる固体高分子電
解質型燃料電池を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】上述の目的はこの発明に
よれば、積層された複数の単セルからなるスタックと、
前記スタックを両側から挟持する二つの端板を有してい
る。単セルは固体高分子電解質体の二つの主面にそれぞ
れ電極とセパレータを配置している。前記セパレータは
電極に反応ガスを供給する反応ガス流通溝と単セルを冷
却する冷却水流通溝を備える。前記冷却水はスタックの
二つの端部にそれぞれ設けられた冷却水導入口から供給
され、二つのセパレータの冷却水流通溝が重合により形
成した水路内を流れ、スタックの二つの端部にそれぞれ
設けられた冷却水排出口を介して排出されることにより
達成される。
よれば、積層された複数の単セルからなるスタックと、
前記スタックを両側から挟持する二つの端板を有してい
る。単セルは固体高分子電解質体の二つの主面にそれぞ
れ電極とセパレータを配置している。前記セパレータは
電極に反応ガスを供給する反応ガス流通溝と単セルを冷
却する冷却水流通溝を備える。前記冷却水はスタックの
二つの端部にそれぞれ設けられた冷却水導入口から供給
され、二つのセパレータの冷却水流通溝が重合により形
成した水路内を流れ、スタックの二つの端部にそれぞれ
設けられた冷却水排出口を介して排出されることにより
達成される。
【００１１】上記の燃料電池において、二つの端板の内
部にはスタックの冷却水排出口を経た冷却水が流通する
水路が形成されるとすること、または端板はヒータを備
えてなるとすることが有効である。
部にはスタックの冷却水排出口を経た冷却水が流通する
水路が形成されるとすること、または端板はヒータを備
えてなるとすることが有効である。
【００１２】
【作用】冷却水がスタックの端部にそれぞれ設けられた
冷却水導入口からスタック内に導入されスタックの二つ
の端部にそれぞれ設けられた冷却水排出口を介して排出
されるのでスタック中央部を流れる冷却水の流量はスタ
ックの端部を流れる冷却水に比し相対的に多くなる。
冷却水導入口からスタック内に導入されスタックの二つ
の端部にそれぞれ設けられた冷却水排出口を介して排出
されるのでスタック中央部を流れる冷却水の流量はスタ
ックの端部を流れる冷却水に比し相対的に多くなる。
【００１３】端板内の水路を冷却水排出口を経た冷却水
が流れるのでスタックの両端部の温度が上昇する。端板
内のヒータは、スタックの両端部の温度を上昇させる。
が流れるのでスタックの両端部の温度が上昇する。端板
内のヒータは、スタックの両端部の温度を上昇させる。
【００１４】
【実施例】本発明の実施例を図面に基づいて説明する。 実施例１ 図１は本発明の実施例に係る固体高分子電解質型燃料電
池のスタックにおける冷却水の流路を示す透視図であ
る。冷却水導入口ＡＡおよびＣＣ、また冷却水排出口Ｆ
ＦおよびＨＨが形成されている。
池のスタックにおける冷却水の流路を示す透視図であ
る。冷却水導入口ＡＡおよびＣＣ、また冷却水排出口Ｆ
ＦおよびＨＨが形成されている。
【００１５】冷却水はＡＡ、ＣＣの２ケ所から入り中央
部で合流し、またＦＦ、ＨＨの２ヶ所から分かれて排出
されるため、中央部の冷却水溝内に流れやすくなる。こ
のためスタック２５の中央部の冷却が促進され、スタッ
ク２５内のセル温度を均一に維持することが可能とな
る。図２は本発明の実施例に係る燃料電池につきスタッ
ク内セル温度分布を示す線図である。セル温度はスタッ
ク全体にわたり均一となり、セル特性が均一化したた
め、燃料電池の特性が向上した。 実施例２ 図３は本発明の異なる実施例に係る燃料電池を示す斜視
図である。端板２１，２２には冷却水が流れる水路２３
が形成されている。スタックの冷却水排出口ＦＦ，ＨＨ
から排出された冷却水は端板２１，２２内を通り、その
出口イ，ロを経て排出される。冷却水排出口ＦＦ，ＨＨ
から排出される冷却水はセル内の流通溝を通過する間に
反応熱を吸収して、その温度が上昇し、定常運転下で
は、冷却水排出口ＦＦ，ＨＨの温度は冷却水導入口Ａ
Ａ，ＣＣでの温度より５℃前後高くなった。この温度上
昇した冷却水を再び、端板内水路２３を通して端板を加
熱することにより、端板からの放熱が防止される。放熱
の防止により、両端部のセル温度低下が抑制され、スタ
ック内のセル温度がより一層均一に維持される。 実施例３ 図４は本発明のさらに異なる実施例に係る燃料電池を示
す斜視図である。端板２１，２２には、その内部にヒー
タ２４が埋めこまれており、その温度を加熱制御できる
ものとなっている。従ってスタック両端部の温度が中央
部に対して低下している場合には、ヒーター２４により
加熱し、スタック内のセル温度を均一に維持することが
可能となった。
部で合流し、またＦＦ、ＨＨの２ヶ所から分かれて排出
されるため、中央部の冷却水溝内に流れやすくなる。こ
のためスタック２５の中央部の冷却が促進され、スタッ
ク２５内のセル温度を均一に維持することが可能とな
る。図２は本発明の実施例に係る燃料電池につきスタッ
ク内セル温度分布を示す線図である。セル温度はスタッ
ク全体にわたり均一となり、セル特性が均一化したた
め、燃料電池の特性が向上した。 実施例２ 図３は本発明の異なる実施例に係る燃料電池を示す斜視
図である。端板２１，２２には冷却水が流れる水路２３
が形成されている。スタックの冷却水排出口ＦＦ，ＨＨ
から排出された冷却水は端板２１，２２内を通り、その
出口イ，ロを経て排出される。冷却水排出口ＦＦ，ＨＨ
から排出される冷却水はセル内の流通溝を通過する間に
反応熱を吸収して、その温度が上昇し、定常運転下で
は、冷却水排出口ＦＦ，ＨＨの温度は冷却水導入口Ａ
Ａ，ＣＣでの温度より５℃前後高くなった。この温度上
昇した冷却水を再び、端板内水路２３を通して端板を加
熱することにより、端板からの放熱が防止される。放熱
の防止により、両端部のセル温度低下が抑制され、スタ
ック内のセル温度がより一層均一に維持される。 実施例３ 図４は本発明のさらに異なる実施例に係る燃料電池を示
す斜視図である。端板２１，２２には、その内部にヒー
タ２４が埋めこまれており、その温度を加熱制御できる
ものとなっている。従ってスタック両端部の温度が中央
部に対して低下している場合には、ヒーター２４により
加熱し、スタック内のセル温度を均一に維持することが
可能となった。
【００１６】
【発明の効果】本発明によれば、冷却水の流通をスタッ
クの二つの端部に設けられた冷却水導入口を介して供給
し、また二つの端部にそれぞれ設けられた冷却水排出口
から排出する構成としたため、スタック中央部の冷却水
溝内の水流量が両端部より増大し、冷却効果が相対に増
して、スタック内のセル温度を均一に維持することが可
能となる。
クの二つの端部に設けられた冷却水導入口を介して供給
し、また二つの端部にそれぞれ設けられた冷却水排出口
から排出する構成としたため、スタック中央部の冷却水
溝内の水流量が両端部より増大し、冷却効果が相対に増
して、スタック内のセル温度を均一に維持することが可
能となる。
【００１７】また冷却水の流通をスタックより排出され
たのちに端板の水路を通過する構成としたため、端板の
温度が上昇し、スタック内のセル温度が均一に維持され
る。また端板をヒーターにより加熱する構成としたた
め、端板の温度が上昇しスタック内のセル温度が均一に
維持された固体高分子電解質型燃料電池が得られる。
たのちに端板の水路を通過する構成としたため、端板の
温度が上昇し、スタック内のセル温度が均一に維持され
る。また端板をヒーターにより加熱する構成としたた
め、端板の温度が上昇しスタック内のセル温度が均一に
維持された固体高分子電解質型燃料電池が得られる。
【図１】本発明の実施例に係る固体高分子電解質型燃料
電池のスタックにおける冷却水の流路を示す透視図
電池のスタックにおける冷却水の流路を示す透視図
【図２】本発明の実施例に係る燃料電池につきスタック
内の温度分布を示す線図
内の温度分布を示す線図
【図３】本発明の異なる実施例に係る固体高分子電解質
型燃料電池を示す斜視図
型燃料電池を示す斜視図
【図４】本発明のさらに異なる実施例に係る固体高分子
電解質型燃料電池を示す斜視図
電解質型燃料電池を示す斜視図
【図５】従来の固体高分子電解質型燃料電池の単セルを
示す断面図
示す断面図
【図６】従来の固体高分子電解質型燃料電池のスタック
を示す正面図
を示す正面図
【図７】従来の固体高分子電解質型燃料電池スタックに
おける冷却水の流路を示す透視図
おける冷却水の流路を示す透視図
【図８】従来の固体高分子電解質型燃料電池につきスタ
ック内の温度分布を示す線図
ック内の温度分布を示す線図
１ 固体高分子電解質膜 ２ 電極触媒層 ３ 電極基材 ４ セパレータ ６ 反応ガス流通溝 ７ ガスケット ８ 電極 ９ 冷却水流通溝 ２０ 単セル ２１ 端板 ２２ 端板 ２３ 水路 ２５ スタック Ａ 冷却水導入口 ＡＡ 冷却水導入口 ＣＣ 冷却水導入口 ＦＦ 冷却水排出口 Ｈ 冷却水排出口 ＨＨ 冷却水排出口
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ト部 恭一 神奈川県川崎市川崎区田辺新田１番１号 富士電機株式会社内
Claims (3)
- 【請求項１】積層された複数の単セルからなるスタック
と、前記スタックを両側から挟持する二つの端板を有し
ている。単セルは固体高分子電解質体の二つの主面にそ
れぞれ電極とセパレータを配置している。前記セパレー
タは電極に反応ガスを供給する反応ガス流通溝と単セル
を冷却する冷却水流通溝を備える。前記冷却水はスタッ
クの二つの端部にそれぞれ設けられた冷却水導入口から
供給され、二つのセパレータの冷却水流通溝が重合によ
り形成した水路内を流れ、スタックの二つの端部にそれ
ぞれ設けられた冷却水排出口を介して排出されることを
特徴とする固体高分子電解質型燃料電池。 - 【請求項２】請求項１記載の燃料電池において、二つの
端板の内部にスタックの冷却水排出口を経た冷却水が流
通する水路が形成されてなることを特徴とする固体高分
子電解質型燃料電池。 - 【請求項３】請求項１記載の燃料電池において、端板は
ヒータを備えることを特徴とする固体高分子電解質型燃
料電池。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6245814A JPH08111231A (ja) | 1994-10-12 | 1994-10-12 | 固体高分子電解質型燃料電池 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6245814A JPH08111231A (ja) | 1994-10-12 | 1994-10-12 | 固体高分子電解質型燃料電池 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08111231A true JPH08111231A (ja) | 1996-04-30 |
Family
ID=17139253
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP6245814A Pending JPH08111231A (ja) | 1994-10-12 | 1994-10-12 | 固体高分子電解質型燃料電池 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH08111231A (ja) |
Cited By (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002042853A (ja) * | 2000-07-19 | 2002-02-08 | Toyota Motor Corp | 燃料電池 |
| EP1298754A1 (de) * | 2001-09-27 | 2003-04-02 | Siemens Aktiengesellschaft | Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellenblocks und Brennstoffzellenblock |
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