JPH0917437A - 燃料電池 - Google Patents

燃料電池

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JPH0917437A
JPH0917437A JP7159608A JP15960895A JPH0917437A JP H0917437 A JPH0917437 A JP H0917437A JP 7159608 A JP7159608 A JP 7159608A JP 15960895 A JP15960895 A JP 15960895A JP H0917437 A JPH0917437 A JP H0917437A
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JP
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fuel cell
cooling
cooling medium
cathode
cell according
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JP7159608A
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English (en)
Inventor
Takafumi Okamoto
隆文 岡本
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Honda Motor Co Ltd
Original Assignee
Honda Motor Co Ltd
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Publication date
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Priority to AT96914438T priority patent/ATE301335T1/de
Priority to DE69635021T priority patent/DE69635021T2/de
Priority to JP53556996A priority patent/JP4037448B2/ja
Priority to AU57800/96A priority patent/AU5780096A/en
Priority to PCT/JP1996/001403 priority patent/WO1996037920A1/ja
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

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Abstract

(57)【要約】 【目的】電解質膜を直接加湿するとともに、所望の締め
付け力を付与することができ、しかも簡単な構成でかつ
多機能な燃料電池を提供する。 【構成】固体高分子電解質膜12を挟んで空気極14と
水素極16を対設した燃料電池構造体18と、この燃料
電池構造体18を挟持するセパレータ20とを備える。
セパレータ20は、水素極16側を冷却するための第1
冷却媒体が導入される第1冷却通路60と、前記空気極
14側を冷却するための第2冷却媒体が導入される第2
冷却通路62とをそれぞれ独立して有しており、前記第
1および第2冷却媒体を種々選択することによって前記
セパレータ20の多機能化が容易に図られる。

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
ガス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】この場合、上記燃料電池では、有効な発電
機能を発揮させるために、固体高分子電解質膜およびイ
オン導電成分を、常時一定の湿潤状態に維持する必要が
ある。このため、例えば、セパレータとして多孔質材を
使用して燃料ガスおよび固体高分子電解質膜を直接加湿
する方式が提案されている(特開平6−231793号
公報参照)。
【0005】ところで、燃料電池構造体内に接触抵抗が
存在すると、内部抵抗損失が増大して端子電圧が低下し
てしまう。このため、接触抵抗を低減させるべく、燃料
電池構造体に所望の締め付け力を付与する必要がある。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
セパレータでは、構造的に燃料電池構造体に直接締め付
け力を付与することができず、専用の締め付け力発生構
造を設けなければならない。これにより、部品数が増加
するとともに、燃料電池自体が大型化しかつ重量物にな
るという問題が指摘されている。
【0007】本発明は、この種の問題を解決するもので
あり、電解質膜を直接加湿するとともに、所望の締め付
け力を付与することができ、簡単な構成で、しかも多機
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】前記の目的を達成するた
めに、本発明は、電解質を挟んでアノード側電極とカソ
ード側電極が対設され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側を冷却するための第1冷
却媒体が導入される第1冷却通路と、前記カソード側電
極側を冷却するための第2冷却媒体が導入される第2冷
却通路と、をそれぞれ独立して有することを特徴とす
る。
【0009】
【作用】上記の燃料電池では、セパレータに独立して第
1および第2冷却通路が設けられており、この第1およ
び第2冷却通路にそれぞれアノード側電極およびカソー
ド側電極に応じた所望の第1および第2冷却媒体を選択
的に導入することができる。これにより、簡単な構成で
種々の用途に適用することが可能になる。
【0010】このため、例えば、第1冷却媒体として水
を使用しアノード側電極および燃料ガスを直接加湿する
一方、第2冷却媒体を介してカソード側電極に締め付け
力を付与することができる。
【0011】また、アノード側電極とカソード側電極に
最適な冷却効率を別々に設定することができる。
【0012】
【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。
【0013】図1乃至図3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22
a、22bおよび4本のタイロッド24により一体的に
固定される。
【0014】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と空気極冷却媒体(第
2冷却媒体)排出用孔部12bと冷却水(第1冷却媒
体)排出用孔部12cと酸化剤ガス導入用孔部12dと
が設けられる。電解質膜12の下部側には、燃料ガス排
出用孔部12eと空気極冷却媒体導入用孔部12fと冷
却水導入用孔部12gと酸化剤ガス排出用孔部12hと
が設けられる。
【0015】燃料電池構造体18の両側には、第1ガス
ケット30と第2ガスケット32とが配設される。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3
0a、32aと空気極冷却媒体排出用孔部30b、32
bと冷却水排出用孔部30c、32cと酸化剤ガス導入
用孔部30d、32d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30e、32eと空気極冷却
媒体導入用孔部30f、32fと冷却水導入用孔部30
g、32gと酸化剤ガス排出用孔部30h、32hとを
それぞれ下部側に設ける。
【0016】セパレータ20は、空気極側第1セパレー
タ部40と、水素極側第2セパレータ部42と、この第
1および第2セパレータ部40、42に挟持される仕切
板44とを備える。
【0017】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と空気極冷
却媒体排出用孔部46bと冷却水排出用孔部46cと酸
化剤ガス導入用孔部46dとが設けられる。第1マニホ
ールド板46の下部側には、燃料ガス排出用孔部46e
と空気極冷却媒体導入用孔部46fと冷却水導入用孔部
46gと酸化剤ガス排出用孔部46hとが設けられる。
互いに対向角の位置に設けられた孔部46dと孔部46
hには、空気極14側に偏位して第1マニホールド板4
6に設けられた凹部47a、47bが連通し、この凹部
47a、47bが開口部48を介して連通状態にある
(図3および図7参照)。
【0018】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(カソード側要素部材)50が嵌合さ
れる。酸化剤ガス用整流板50は、その一面が平坦でか
つ他面が鉛直方向に向かって蛇行する通路50aが形成
され、この通路50aに孔部46dと孔部46hが連通
する。酸化剤ガス用整流板50は、緻密質材料、具体的
には、黒鉛化炭素、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、または導電性樹脂で構成されてい
る。
【0019】第1マニホールド板46の孔部46b、4
6fは、第2セパレータ部42側に偏位して設けられた
凹部49a、49bおよび開口部48を介して互いに連
通する(図8および図9参照)。
【0020】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(アノード側要素部材)56
とを有する。
【0021】第2マニホールド板52の上部側には、燃
料ガス導入用孔部52aと空気極冷却媒体排出用孔部5
2bと冷却水排出用孔部52cと酸化剤ガス導入用孔部
52dとが設けられる一方、その下部側には、燃料ガス
排出用孔部52eと空気極冷却媒体導入用孔部52fと
冷却水導入用孔部52gと酸化剤ガス排出用孔部52h
とが設けられる。孔部52a、52eは、凹部58a、
58bを介して開口部54に連通するとともに(図3お
よび図7参照)、孔部52c、52gは、凹部58c、
58dを介して前記開口部54に連通する(図8および
図9参照)。
【0022】燃料ガス用整流板56は、その一面が平坦
でかつ他面が鉛直方向に向かって蛇行する通路56aが
形成される。この燃料ガス用整流板56は、その平坦面
側に供給される水分(第1冷却媒体)を水素極16側に
供給するために、導電性の水透過性材料で形成され、具
体的には、多孔質炭素焼結体、導電性多孔質焼結金属、
多孔質導電性ゴム、多孔質導電性樹脂等の多孔質体、ま
たはこれらを組み合わせた材料で構成される。燃料ガス
用整流板56が多孔質炭素焼結体で形成される際、水の
滴下を阻止すべくその気孔率が70%以下でかつポア径
が40μm以下の多孔性を有することが望ましい。
【0023】なお、燃料ガス用整流板56は、好適に
は、耐久性を向上させるために撥水化処理された多孔質
体で構成される。この場合、燃料ガス用整流板56は、
所定濃度に調整されたPTFE(ポリテトラフルオロエ
チレン)の分散液に浸漬した後、室温で乾燥させ、次い
で、300〜350℃で焼成することにより、撥水化処
理が行われる。
【0024】仕切板44は、緻密質かつ導電性を有する
黒鉛化炭化、ステンレス鋼、またはニッケル系合金等の
耐蝕性の導電性金属、導電性ゴム、導電性樹脂、または
これらを組み合わせた材料で構成される。この仕切板4
4の上部側には、燃料ガス導入用孔部44aと空気極冷
却媒体排出用孔部44bと冷却水排出用孔部44cと酸
化剤ガス導入用孔部44dとが設けられる一方、その下
部側には、燃料ガス排出用孔部44eと空気極冷却媒体
導入用孔部44fと冷却水導入用孔部44gと酸化剤ガ
ス排出用孔部44hとが設けられる。
【0025】図3に示すように、セパレータ20は、燃
料ガス用整流板56と仕切板44の間に水素極16側を
冷却するための冷却水が導入される第1冷却通路60を
有するとともに、酸化剤ガス用整流板50と前記仕切板
44の間に空気極14側を冷却するための第2冷却媒体
が導入される第2冷却通路62を設ける。
【0026】第1および第2冷却通路60、62は、そ
れぞれ独立しており、この第1冷却通路60に第1冷却
媒体である水が供給される。一方、第2冷却通路62に
は、燃料電池10の作動温度近傍以下の沸点温度を有す
る少なくとも一種以上の物質であって、これらの物質は
相互の反応および該物質が接する酸化剤ガス用整流板5
0および仕切板44との反応を起こさない物質である第
2冷却媒体が供給される。
【0027】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
おける沸点温度を示す。
【0028】第1冷却通路60に水を供給するための水
供給構造が、図4に示されている。この水供給構造は、
水タンク70を備え、この水タンク70と燃料電池10
が循環路72により連通している。この循環路72上に
は、水タンク70から燃料電池10に水を供給するため
の水供給循環用ポンプ74が配設されるとともに、この
燃料電池10の排出側には背圧弁76、ラジエータ7
5、冷却フアン77およびイオン交換樹脂78が配設さ
れている。
【0029】第2冷却通路62に供給される第2冷却媒
体による締め付け圧を制御するために、図5に示す圧力
制御手段80と、図6に示す圧力制御手段90とが、選
択的に設けられている。圧力制御手段80は、第2冷却
通路62に導入される第2冷却媒体の沸点温度が燃料電
池10の作動温度に近く、かつこの第2冷却媒体による
蒸気圧が不足する場合に使用されるものであり、前記燃
料電池10と循環路82を介して連通する冷媒タンク8
4を備えるとともに、この循環路82に昇圧ポンプ86
と背圧弁88が配設されている。
【0030】圧力制御手段90は、第2冷却通路62に
導入される第2冷却媒体の沸点が燃料電池10の作動温
度よりも低く、かつこの第2冷却媒体の蒸気圧が十分に
得られる場合に採用されるものであり、前記燃料電池1
0の外部に設けられた循環路92に配設され、前記冷却
媒体を加熱または冷却するための温度調整器94を備え
ている。
【0031】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。
【0032】図3に示すように、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、燃料電池構造体18の孔部30a、12aお
よび32aを通って第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に至る。燃料ガス
は、孔部52aおよび凹部58aから燃料ガス用整流板
56の通路56aを通って燃料電池構造体18を構成す
る水素極16に供給され、凹部58bに排出される。
【0033】図7に示すように、酸化剤ガスは、第1マ
ニホールド板46の孔部46dに供給され、この孔部4
6dおよび凹部47aから酸化剤ガス用整流板50の通
路50aに導入され、燃料電池構造体18を構成する空
気極14に供給される。なお、未使用の酸化剤ガスは、
図3に示すように、第1マニホールド板46の孔部46
h等を介して外部に排出され、未使用の燃料ガスは、図
7に示すように、第2マニホールド板52の孔部52e
等を介して外部に排出される。
【0034】一方、第1冷却媒体である水は、図4に示
すように、ポンプ74の作用下に水タンク70から循環
路72を介して燃料電池10内に供給される。この水
は、図9に示すように、第1セパレータ部40の孔部4
6g、燃料電池構造体18の孔部30g、12gおよび
32gから第2セパレータ部42の孔部52gに至り、
この孔部52gに連通する凹部58dから仕切板44と
燃料ガス用整流板56の間、すなわち、第1冷却通路6
0に導入され、この第1冷却通路60を下方から上方に
向かって流動する。
【0035】その際、燃料ガス用整流板56は、水透過
性材料(多孔質体)で形成されており、第1冷却通路6
0に導入された水は、燃料ガス用整流板56を透過して
通路56aに供給された燃料ガスおよび水素極16を直
接加湿することができる。
【0036】また、第2冷却媒体は、圧力制御手段80
または圧力制御手段90を介して燃料電池10に供給さ
れる。この第2冷却媒体は、図8に示すように、第1セ
パレータ部40の孔部46fに供給されると、これに連
通する凹部49bからセパレータ20の第2冷却通路6
2に下方から上方に向かって導入される。
【0037】この第2冷却通路62を構成する酸化剤ガ
ス用整流板50は、緻密質材料で形成されており、さら
に前記第2冷却通路62と第1冷却通路60が仕切板4
4により完全に独立している。従って、第2冷却通路6
2に導入された第2冷却媒体の蒸気圧あるいはこの第2
冷却媒体自体の圧力により、酸化剤ガス用整流板50が
空気極14側に押圧され、燃料電池構造体18に所望の
締め付け力が発生する。これにより、燃料電池構造体1
8内での接触抵抗が低減され、端子電圧の低下を確実に
防止することが可能になる。
【0038】この際、異なった沸点を有する複数の冷却
媒体を導入し、その割合と量を調整することにより、作
動温度における押圧力を自在に設定することができる。
【0039】このように、本実施例では、セパレータ2
0が第1および第2セパレータ部40、42とこれらの
間に介装される仕切板44とを備えるとともに、この仕
切板44を挟んで第1および第2冷却通路60、62が
独立して形成される。このため、第1および第2冷却通
路60、62には、それぞれ水素極16および空気極1
4に対応した所望の第1および第2冷却媒体を選択的に
供給することができる。
【0040】特に、水透過性材料で形成された燃料ガス
用整流板56の第1冷却通路60に第1冷却媒体として
水が供給される一方、緻密質材料で形成された酸化剤ガ
ス用整流板50の第2冷却通路62に所望の圧力を発生
させ得る第2冷却媒体が供給される。これにより、第1
冷却通路60に導入された水により燃料ガスおよび水素
極16側を直接加湿するとともに、第2冷却通路62に
導入された第2冷却媒体により燃料電池構造体18に所
定の締め付け力を付与することが可能になる。
【0041】従って、セパレータ20は、燃料ガスと酸
化剤ガスを分離供給する機能と燃料電池構造体18の内
部抵抗による熱を除去する機能の他に、燃料ガスが供給
される水素極16を直接加湿する機能と空気極14を押
圧して所望の締め付け力を付与する機能をも有する。こ
れにより、セパレータ20は、簡単な構造で多機能を有
し、しかも燃料電池10全体を容易に小型化かつ軽量化
することが可能になるという効果が得られる。
【0042】
【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。
【0043】セパレータにそれぞれ独立して設けられた
第1および第2冷却通路に対し、アノード側電極および
カソード側電極に応じた所望の第1および第2冷却媒体
を選択的に導入することができる。これによって、簡単
な構成で、例えば、燃料電池構造体の除熱、燃料ガスの
加湿および締め付け力の付与等、種々の用途に適用する
ことが可能になるとともに、燃料電池全体の小型化およ
び軽量化が容易に遂行される。
【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】図1中、III−III線断面図である。
【図4】第1冷却媒体の供給手段の概略説明図である。
【図5】第2冷却媒体の圧力制御手段の説明図である。
【図6】前記第2冷却媒体の別の圧力制御手段の構成図
である。
【図7】図1中、VII−VII線断面図である。
【図8】図1中、VIII−VIII線断面図である。
【図9】図1中、IV−IV線断面図である。
【符号の説明】
10…燃料電池 12…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 44…仕切板 46、52…マニホールド板 50、56…整流
板 60、62…冷却通路

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】電解質を挟んでアノード側電極とカソード
    側電極が対設され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側を冷却するた
    めの第1冷却媒体が導入される第1冷却通路と、 前記カソード側電極側を冷却するための第2冷却媒体が
    導入される第2冷却通路と、 をそれぞれ独立して有す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、前記セ
    パレータは、前記アノード側電極に接触するアノード側
    要素部材を備え、 前記アノード側要素部材は、前記第1冷却通路に導入さ
    れる前記第1冷却媒体である水分を該アノード側電極お
    よび燃料ガスに供給するために導電性の水透過性材料で
    形成されることを特徴とする燃料電池。
  3. 【請求項3】請求項2記載の燃料電池において、前記ア
    ノード側要素部材は、多孔質炭素焼結体、導電性多孔質
    焼結金属、多孔質導電性ゴム、多孔質導電性樹脂等の多
    孔質体、またはこれらを組み合わせた多孔質材で構成さ
    れることを特徴とする燃料電池。
  4. 【請求項4】請求項3記載の燃料電池において、前記多
    孔質炭素焼結体は、気孔率が70%以下でかつポア径が
    40μm以下の多孔性を有することを特徴とする燃料電
    池。
  5. 【請求項5】請求項3記載の燃料電池において、前記ア
    ノード側要素部材は、撥水化処理された多孔質体で構成
    されることを特徴とする燃料電池。
  6. 【請求項6】請求項1記載の燃料電池において、前記セ
    パレータは、前記カソード側電極に接触するカソード側
    要素部材を備え、 前記カソード側要素部材は、前記第2冷却通路に導入さ
    れる前記第2冷却媒体の圧力により該カソード側電極に
    締め付け力を付与するために緻密質材料で形成されるこ
    とを特徴とする燃料電池。
  7. 【請求項7】請求項6記載の燃料電池において、前記カ
    ソード側要素部材は、黒鉛化炭素、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、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。
  8. 【請求項8】請求項1または6記載の燃料電池におい
    て、前記第2冷却媒体は、前記燃料電池の作動温度近傍
    以下の沸点温度を有する少なくとも一種以上の物質であ
    って、これらの物質は相互の反応および該物質が接する
    部材との反応を起こさない物質であることを特徴とする
    燃料電池。
  9. 【請求項9】請求項8記載の燃料電池において、前記第
    2冷却通路に供給される前記第2冷却媒体の圧力を制御
    するための圧力制御手段を備えることを特徴とする燃料
    電池。
  10. 【請求項10】請求項9記載の燃料電池において、前記
    圧力制御手段は、前記燃料電池の外部に配設される昇圧
    ポンプおよび背圧弁を備えることを特徴とする燃料電
    池。
  11. 【請求項11】請求項9記載の燃料電池において、前記
    圧力制御手段は、前記第2冷却媒体の温度を制御する温
    度調整器を備えることを特徴とする燃料電池。
  12. 【請求項12】請求項1記載の燃料電池において、前記
    セパレータは、前記第1冷却通路と前記第2冷却通路を
    仕切るための仕切部材を備え、 前記仕切部材は、緻密質かつ導電性を有する黒鉛化炭
    素、ステンレス鋼、またはニッケル系合金等の耐蝕性の
    導電性金属、導電性ゴム、導電性樹脂、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。
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