JPH08321314A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】アノード側電極およびカソード側電極をそれぞ
れ最適の冷却効率に設定するとともに、部品点数が増加
することがなく、コンパクト化および軽量化が容易に遂
行可能な燃料電池を提供する。 【構成】燃料電池構造体１８とセパレータ２０とを備
え、このセパレータ２０は、空気極１４に接する酸化剤
ガス用整流板５０と水素極１６に接する燃料ガス用整流
板５６とを有する。酸化剤ガス用整流板５０と燃料ガス
用整流板５６の間には、冷却媒体を直接供給するための
流路５８が形成されるとともに、この酸化剤ガス用整流
板５０とこの燃料ガス用整流板５６に、冷却媒体との接
触面積を拡大するためのフィン５０ｃ、５６ｃが形成さ
れている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電解質膜を挟んでアノ
ード側電極とカソード側電極を対設した燃料電池構造体
と前記燃料電池構造体を挟持するセパレータとを備えた
燃料電池に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば、固体高分子電解質膜を挟んでア
ノード側電極とカソード側電極とを対設した燃料電池構
造体をセパレータによって挟持して複数積層することに
より構成された燃料電池が開発され、種々の用途に実用
化されつつある。

【０００３】この種の燃料電池は、例えば、メタノール
の水蒸気改質により生成された水素ガス（燃料ガス）を
アノード側電極に供給するとともに、酸化剤ガス（空
気）をカソード側電極に供給することにより前記水素が
イオン化して固体高分子電解質膜内を流れ、これにより
外部に電気エネルギが得られるように構成されている。

【０００４】ところで、上記燃料電池では、有効な発電
機能を発揮させるために、発電に伴って発生する熱を除
去する必要がある。特に、固体高分子電解質膜を用いた
燃料電池では、運転温度が比較的低く、しかもこの固体
高分子電解質膜自体が熱の影響を大きく受けるため、高
精度な温度制御が必要とされている。

【０００５】そこで、特開平５−１９０１９３号公報に
開示されているように、第１の単セル、燃料ガス供給手
段、冷却板、酸化剤ガス供給手段、第２の単セルを順次
積層して構成された燃料電池が知られている。この燃料
電池では、冷却板がその内部に冷却水流路を有し、燃料
ガス供給手段と酸化剤ガス供給手段とを介して第１およ
び第２の単セルを冷却するとともに、この冷却板の燃料
ガス供給手段に接する面の冷却効率がその酸化剤ガス供
給手段に接する面の冷却効率よりも高くなるように構成
されている。

【０００６】この場合、上記の従来技術では、アノード
側電極とカソード側電極の冷却効率をそれぞれ最適に設
定するために、冷却板の冷却水路を燃料ガス供給手段側
に近接させたり、燃料ガス供給手段側と酸化剤ガス供給
手段側にそれぞれ個別の冷却水路を設けたり、燃料ガス
供給手段側と酸化剤ガス供給手段側とで異なった熱伝導
率を有する冷却部材を用いたり、あるいは燃料ガス流路
部材の厚さを酸化剤ガス流路部材の厚さよりも薄くした
りすることにより対応している。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
従来技術では、第１の単セルと第２の単セルの間に介装
されるセパレータとして、燃料ガス供給手段、冷却板お
よび酸化剤ガス供給手段が設けられている。このため、
セパレータ構成部品の数が多くなるとともに、このセパ
レータの厚さが大きくなってしまい、燃料電池全体のコ
ンパクト化が図れないという問題が指摘されている。さ
らに、セパレータ構成部品の数が多くなると、燃料電池
全体が重量化してしまうという問題もある。

【０００８】本発明は、この種の問題を解決するもので
あり、アノード側電極およびカソード側電極をそれぞれ
最適の冷却効率に設定することができるとともに、部品
点数が増加することがなく、コンパクト化および軽量化
が容易に遂行可能な燃料電池を提供することを目的とす
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、本発明は、電解質膜を挟んでアノード側電極とカ
ソード側電極を対設した燃料電池構造体と、前記燃料電
池構造体を挟持するセパレータと、を備え、前記セパレ
ータは、前記アノード側電極に接するアノード側要素部
材と、前記カソード側電極に接するカソード側要素部材
と、前記アノード側要素部材および前記カソード側要素
部材の間に形成される冷却媒体用流路と、を有するとと
もに、前記アノード側要素部材および前記カソード側要
素部材は、前記冷却媒体用流路を形成するそれぞれの面
部に前記冷却媒体との接触面積を拡大するための凸状部
および／または凹状部からなる接触面積拡大部位が設け
られることを特徴とする。

【００１０】

【作用】本発明に係る燃料電池では、セパレータとして
アノード側電極に接するアノード側要素部材とカソード
側電極に接するカソード側要素部材とを備えており、こ
れらの間に冷却媒体用流路が直接形成されている。この
ため、セパレータ構成部品の数が容易に削減される。さ
らに、アノード側要素部材およびカソード側要素部材の
冷却媒体用流路を形成するそれぞれの面部に接触面積拡
大部位が設けられている。従って、各接触面積拡大部位
の形状等を変更するだけで、アノード側電極とカソード
側電極に対してそれぞれ最適の冷却効率を設定すること
ができる。

【００１１】

【実施例】本発明に係る燃料電池について実施例を挙
げ、添付の図面を参照しながら以下詳細に説明する。

【００１２】図１および図２において、参照数字１０
は、本実施例に係る燃料電池を示す。この燃料電池１０
は、固体高分子電解質膜１２を挟んで空気極（カソード
側電極）１４と、水素極（アノード側電極）１６を対設
した燃料電池構造体１８と、３組の前記燃料電池構造体
１８を挟持するセパレータ２０とを備える。燃料電池構
造体１８とセパレータ２０は、一対のエンドプレート２
２ａ、２２ｂおよびタイロッド２４により一体的に固定
される（図１参照）。

【００１３】図２に示すように、電解質膜１２の上部側
には、燃料ガス導入用孔部１２ａと冷却媒体排出用孔部
１２ｂと酸化剤ガス導入用孔部１２ｃとが設けられる一
方、この電解質膜１２の下部側には、燃料ガス排出用孔
部１２ｄと冷却媒体導入用孔部１２ｅと酸化剤ガス排出
用孔部１２ｆとが設けられる。

【００１４】燃料電池構造体１８の両側には、第１およ
び第２ガスケット３０、３２が配設される。第１ガスケ
ット３０は、空気極１４を収容するための大きな開口部
３４を有し、第２ガスケット３２は、水素極１６を収容
するための大きな開口部３６を有する。第１および第２
ガスケット３０、３２は、燃料ガス導入用孔部３０ａ、
３２ａと冷却媒体排出用孔部３０ｂ、３２ｂと酸化剤ガ
ス導入用孔部３０ｃ、３２ｃとをそれぞれ上部側に設け
るとともに、燃料ガス排出用孔部３０ｄ、３２ｄと冷却
媒体導入用孔部３０ｅ、３２ｅと酸化剤ガス排出用孔部
３０ｆ、３２ｆとをそれぞれ下部側に設ける。

【００１５】セパレータ２０は、空気極側第１セパレー
タ部（カソード側要素部材）４０と水素極側第２セパレ
ータ部（アノード側要素部材）４２とを備える。

【００１６】第１セパレータ部４０を構成する第１マニ
ホールド板４６は、矩形状の平板で構成され、その中央
部に大きな開口部４８を有する。第１マニホールド板４
６の上部側には、燃料ガス導入用孔部４６ａと冷却媒体
排出用孔部４６ｂと酸化剤ガス導入用孔部４６ｃとが設
けられ、その下部側には、燃料ガス排出用孔部４６ｄと
冷却媒体導入用孔部４６ｅと酸化剤ガス排出用孔部４６
ｆとが設けられる。孔部４６ｃ、４６ｆは、第１マニホ
ールド板４６の一方の面部（空気極１４側）に互いに対
角の位置に対応して設けられた凹部４７ａ、４７ｂを介
して開口部４８に連通する。

【００１７】第１マニホールド板４６の開口部４８に酸
化剤ガス用整流板５０が嵌合される。酸化剤ガス用整流
板５０は、図２および図３に示すように、その一面側
（空気極１４側）に水平方向に複数の突起５０ａが互い
に平行かつ千鳥状に設けられ、これにより、鉛直方向に
向かって蛇行する酸化剤ガス用通路５０ｂが形成され
る。この酸化剤ガス用整流板５０の他方の面部（後述す
る冷却媒体用流路を形成する面部）には、冷却媒体との
接触面積を拡大するための複数、例えば、１１個の熱交
換用フィン（接触面積拡大部位）５０ｃが水平方向に互
いに平行に突出形成される。

【００１８】第２セパレータ部４２は、上記第１セパレ
ータ部４０と同様に構成されており、第２マニホールド
板５２とこの第２マニホールド板５２の開口部５４に嵌
合する燃料ガス用整流板５６とを備える。

【００１９】第２マニホールド板５２は、その上部側に
燃料ガス導入用孔部５２ａと冷却媒体排出用孔部５２ｂ
と酸化剤ガス導入用孔部５２ｃとが設けられる一方、そ
の下部側に燃料ガス排出用孔部５２ｄと冷却媒体導入用
孔部５２ｅと酸化剤ガス排出用孔部５２ｆとが設けられ
る。孔部５２ａ、５２ｄは、第２マニホールド板５２の
一方の面部（第１セパレータ部４０と反対側の面部）に
設けられた凹部５３ａ、５３ｂを介して開口部５４に連
通する。孔部５２ｂ、５２ｅは、第２マニホールド板５
２の他方の面部（第１セパレータ部４０側の面部）に設
けられた切欠５２ｇ、５２ｈを介して開口部５４に開放
される。

【００２０】燃料ガス用整流板５６は、図２および図３
に示すように、一方の面に水平方向に平行かつ千鳥状に
配設された複数の突起５６ａを介して鉛直方向に蛇行す
る燃料ガス用通路５６ｂが形成されるとともに、その反
対側の面部（後述する冷却媒体用流路側の面部）には、
冷却媒体との接触面積を拡大するための複数、例えば、
３個の熱交換用フィン（接触面積拡大部位）５６ｃが突
出形成される。

【００２１】酸化剤ガス用整流板５０および燃料ガス用
整流板５６は、炭素、ステンレス鋼またはインコネル
（商標名）等のニッケル系合金等の耐蝕性を有する導電
性金属、導電性ゴム、導電性樹脂等、またはこれらを組
み合わせた材料で構成される。

【００２２】セパレータ２０は、図３に示すように、第
１および第２セパレータ部４０、４２が一体的に組み付
けられる際、酸化剤ガス用整流板５０と燃料ガス用整流
板５６の間に冷却媒体用流路５８が形成される。この流
路５８は、第２マニホールド板５２に設けられた切欠５
２ｇ、５２ｈを介し孔部５２ｂ、５２ｅに連通する（図
４参照）。

【００２３】なお、第２マニホールド板５２に切欠５２
ｇ、５２ｈを設ける代わりに、第１マニホールド板４６
に孔部４６ｂ、４６ｅを互いに連通する切欠を設けても
よく、また、この第１および第２マニホールド板４６、
５２の双方に切欠を設けてもよい。

【００２４】次に、このように構成される燃料電池１０
の動作について説明する。

【００２５】燃料ガス（水素ガス）が燃料電池１０に供
給されると、この燃料ガスは、第１セパレータ部４０を
構成する第１マニホールド板４６の孔部４６ａおよび第
２セパレータ部４２を構成する第２マニホールド板５２
の孔部５２ａに導入され、その一部がこの孔部５２ａか
ら燃料ガス用整流板５６の通路５６ｂに供給される。

【００２６】燃料電池１０に供給される酸化剤ガス（空
気）は、第１マニホールド板４６の孔部４６ｃおよび第
２マニホールド板５２の孔部５２ｃに導入され、その一
部がこの孔部４６ｃから酸化剤ガス用整流板５０の通路
５０ｂに供給される。これにより、燃料電池構造体１８
を構成する水素極１６側に燃料ガスが供給されるととも
に、空気極１４側に酸化剤ガスが供給され、この燃料電
池構造体１８に電気エネルギが生成される。

【００２７】一方、図４に示すように、燃料電池１０の
下部側に冷却媒体が供給される。この冷却媒体として
は、水、メタノール、水とメタノールの混合溶液、燃料
電池作動用ガス（使用前または使用後）、または燃料電
池１０の作動温度以下の沸点を有する物質である。

【００２８】具体的には、無機化合物である水（１００
℃）、アンモニア（−３３．４３℃）、二酸化炭素（−
７８．５℃）、アルゴン（−１８５．８６９℃）および
窒素（−１９５．８℃）と、有機化合物であるメタノー
ル（６４．５１℃）、エタノール（７８．３℃）および
イソプロパノール（８２．３３℃）等のアルコール類
と、アセトアルデヒド（２０．４℃）、アセトン（５
６．１２℃）、エチルメチルケトン（７９．５９℃）お
よびホルムアルデヒド（−１９．１℃）等のアルデヒド
・ケトン類と、エチルプロピルエーテル（６３．８６
℃）、エチルメチルエーテル（７．３５℃）、ジエチル
エーテル（３４．５５℃）、ジメチルエーテル（−２
４．８４℃）およびジイソプロピルエーテル（６８．２
７℃）等のエーテル類と、メタン（−１６１．４９
℃）、エタン（−８８．６３℃）、プロパン（−４２．
０７℃）、ブタン（−０．５℃）、ペンタン（３６．０
７℃）、イソペンタン（２７．８５℃）、ヘキサン（６
８．７４℃）およびイソヘキサン（６０．２７℃）等の
飽和炭化水素と、蟻酸メチル（３１．７６℃）、蟻酸エ
チル（５７℃）、酢酸エチル（７７．１７℃）、酢酸ビ
ニル（７２．９２℃）および酢酸メチル（５７℃）等の
エステルと、シクロブタン（１２．５１℃）、シクロプ
ロパン（−３２．８７℃）、シクロヘキサン（８０．７
４℃）、シクロペンタン（４９．２６℃）、ヘキサフル
オロベンゼン（８０．２６℃）およびベルフルホロシク
ロヘキサン（５２．５２℃）等の環状化合物とが使用さ
れる。なお、上記（）内は、それぞれの物質の常圧下に
おける沸点を示す。

【００２９】燃料電池１０の下部側に供給された冷却媒
体は、第２マニホールド板５２の孔部５２ｅ、切欠５２
ｇを介して燃料ガス用整流板５６と酸化剤ガス用整流板
５０の間に形成された流路５８に導入され、この流路５
８を下方から上方に向かって流動する。そして、この冷
却媒体は、第２マニホールド板５２の上部側に設けられ
た孔部５２ｂおよび第１マニホールド板４６の孔部４６
ｂ等を通って燃料電池１０から排出される。

【００３０】この場合、本実施例では、第１および第２
セパレータ部４０、４２によりセパレータ２０が構成さ
れ、一面に酸化剤ガス用通路５０ｂが設けられた酸化剤
ガス用整流板５０と一面に燃料ガス用通路５６ｂが設け
られた燃料ガス用整流板５６との間に、冷却媒体用流路
５８が直接形成されている。このため、冷却媒体を流通
させるために専用の冷却板を用いるものに比べ、部品数
が一挙に削減されてセパレータ２０全体の軽量化および
コンパクト化が容易に達成されるという効果が得られ
る。

【００３１】さらに、本実施例では、酸化剤ガス用整流
板５０に流路５８側に突出して複数のフィン５０ｃが設
けられる一方、燃料ガス用整流板５６にこの流路５８側
に突出して複数のフィン５６ｃが設けられており、空気
極１４および水素極１６の冷却効率を容易に向上させる
ことができる。

【００３２】しかも、フィン５０ｃ、５６ｃの形状、寸
法および数等をそれぞれ個別に設定することができ、こ
れによって空気極１４および水素極１６の機能等に応じ
てこの空気極１４およびこの水素極１６に最適な冷却効
率を確実に選択することができる。

【００３３】すなわち、空気極１４側では、燃料電池１
０の反応によりこの空気極１４側で発生する熱を除去し
て該空気極１４中のイオン導電成分の乾燥および電解質
膜１２の空気極１４側の乾燥を防ぐとともに、酸化剤ガ
スを加湿する場合に前記空気極１４中のイオン導電成分
および電解質膜１２の空気極１４側へ水が入り易いよう
に空気極１４側の冷却効率が設定される。一方、水素極
１６側では、燃料ガスを加湿する場合に水素極１６中の
イオン導電成分および電解質膜１２の水素極１６側へ水
が入り易いように該水素極１６側の冷却効率が設定され
る。

【００３４】従って、空気極１４と水素極１６では、そ
れぞれの冷却効率が異なる場合が多く、これらの冷却効
率の違いに対応してフィン５０ｃとフィン５６ｃの形
状、寸法および数を異ならせている。これにより、空気
極１４および水素極１６において、それぞれの冷却効率
を個別にかつ最適な状態に設定することが可能になると
いう効果が得られる。

【００３５】さらに、本実施例では、酸化剤ガス用整流
板５０のフィン５０ｃおよび燃料ガス用整流板５６のフ
ィン５６ｃが冷却媒体にのみ接しており、空気極−水素
極間の熱伝導は固体高分子電解質膜を介してのみ行わ
れ、セパレータを介した熱伝導が遮断されるため、選択
的冷却効率はさらに高まる。

【００３６】なお、本実施例では、接触面積拡大部位と
してフィン５０ｃ、５６ｃを用いたが、これに限定され
るものではなく、冷却媒体との接触面積を拡大し得る構
造であれば、凹状部や種々の変形面等を採用することが
可能である。

【００３７】

【発明の効果】本発明に係る燃料電池では、以下の効果
乃至利点が得られる。

【００３８】アノード側電極に接するアノード側要素部
材とカソード側電極に接するカソード側要素部材とを備
え、これらの間に冷却媒体用流路が直接形成されるた
め、セパレータ構成部品の数が容易に削減される。さら
に、アノード側要素部材およびカソード側要素部材の冷
却媒体用流路を形成するそれぞれの面部に接触面積拡大
部位が設けられており、この接触面積拡大部位の形状等
を変更するだけで、アノード側電極とカソード側電極に
対しそれぞれ最適の冷却効率を設定することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る燃料電池の概略斜視説明図であ
る。

【図２】前記燃料電池の一部分解斜視説明図である。

【図３】前記燃料電池を構成するセパレータの縦断説明
図である。

【図４】図１中、ＩＶ−ＩＶ線断面図である。

【符号の説明】

１０…燃料電池 １２…固体高分子
電解質膜 １４…空気極 １６…水素極 １８…燃料電池構造体 ２０…セパレータ ４０、４２…セパレータ部 ４６、５２…マニ
ホールド板 ５０、５６…整流板 ５０ｂ、５６ｂ…
通路 ５０ｃ、５６ｃ…フィン ５８…流路

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電解質膜を挟んでアノード側電極とカソー
   ド側電極を対設した燃料電池構造体と、 前記燃料電池構造体を挟持するセパレータと、 を備え、 前記セパレータは、前記アノード側電極に接するアノー
   ド側要素部材と、 前記カソード側電極に接するカソード側要素部材と、 前記アノード側要素部材および前記カソード側要素部材
   の間に形成される冷却媒体用流路と、 を有するとともに、 前記アノード側要素部材および前記カソード側要素部材
   は、前記冷却媒体用流路を形成するそれぞれの面部に前
   記冷却媒体との接触面積を拡大するための凸状部および
   ／または凹状部からなる接触面積拡大部位が設けられる
   ことを特徴とする燃料電池。
2. 【請求項２】請求項１記載の燃料電池において、前記ア
   ノード側要素部材の接触面積拡大部位と前記カソード側
   要素部材の接触面積拡大部位は、それぞれの接触面積が
   異なることを特徴とする燃料電池。
3. 【請求項３】請求項１または２記載の燃料電池におい
   て、前記アノード側要素部材および前記カソード側要素
   部材のそれぞれの接触面積拡大部位は、前記冷却媒体に
   のみ接することを特徴とする燃料電池。
4. 【請求項４】請求項１記載の燃料電池において、前記ア
   ノード側要素部材および前記カソード側要素部材は、炭
   素、ステンレス鋼、またはニッケル系合金等の耐蝕性を
   有する導電性金属、導電性ゴム、導電性樹脂等、または
   これらを組み合わせた材料で構成されることを特徴とす
   る燃料電池。
5. 【請求項５】請求項１記載の燃料電池において、前記冷
   却媒体は、水、メタノール、水とメタノールの混合溶
   液、燃料電池作動用ガス、または前記燃料電池の作動温
   度以下の沸点を有する物質であることを特徴とする燃料
   電池。