JPH0963627A - 燃料電池 - Google Patents

燃料電池

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JPH0963627A
JPH0963627A JP7221869A JP22186995A JPH0963627A JP H0963627 A JPH0963627 A JP H0963627A JP 7221869 A JP7221869 A JP 7221869A JP 22186995 A JP22186995 A JP 22186995A JP H0963627 A JPH0963627 A JP H0963627A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】簡単な構成で、燃料電池構造体に部分的な温度
差が発生することを阻止し、有効作動面積および性能を
確保することを可能にする。 【解決手段】燃料電池10は、複数の燃料電池セル20
をセパレータ40で挟持して構成されるとともに、この
燃料電池10の内部には、前記燃料電池セル20の冷却
に使用された冷却水を該燃料電池セル20の発電機能部
28の両側に沿って巡回させる巡回通路29a、29b
が設けられる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、固体高分子電解質
膜をアノード側電極とカソード側電極で挟んで構成され
る燃料電池に関する。
【0002】
【従来の技術】固体高分子電解質膜型燃料電池は、高分
子イオン交換膜からなる電解質とこの電解質の両側にそ
れぞれ配置される触媒電極および多孔質カーボン電極と
からなる燃料電池構造体(単位セル)をセパレータによ
って挟持して複数個積層することにより構成される。
【0003】この種の燃料電池において、アノード側電
極に供給された水素は、触媒電極上で水素イオン化さ
れ、適度に加湿された電解質を介してカソード側電極側
へと移動する。その間に生じた電子が外部回路に取り出
され、直流の電気エネルギとして利用される。カソード
側電極には、酸化剤ガス、例えば、酸素ガスあるいは空
気が供給されているために、このカソード側電極におい
て、前記水素イオン、前記電子および酸素が反応して水
が生成される。
【0004】ところで、この種の燃料電池においては、
例えば、図11に示すように、燃料電池構造体2とセパ
レータ4とが交互に積層されるとともに、前記燃料電池
構造体2の発電機能部(電極部)2aに燃料ガス(例え
ば、水素ガス)と酸化剤ガス(例えば、酸素ガス)の流
れ方向に平行して冷却水が供給される構造が知られてい
る。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
構造では、発電機能部2aの上下方向に冷却水が流れる
ため、熱の放散によってこの発電機能部2aの中央部分
と該発電機能部2aの両側とで比較的大きな温度差が生
ずる。これにより、発電機能部2aの両側で温度低下に
起因して水の凝集結露が惹起し、この発電機能部2aに
作動しない部分が発生してしまう。しかも、発電機能部
2aには、低温のために性能が低下している部分が生じ
易い。これによって、発電機能部2aの有効作動面積お
よび性能が著しく低下するという問題が指摘されてい
る。
【0006】本発明は、この種の問題を解決するもので
あり、簡単な構成で燃料電池構造体に部分的な温度差が
発生することを阻止し、有効作動面積および性能を確保
することが可能な燃料電池を提供することを目的とす
る。
【0007】
【課題を解決するための手段】前記の課題を解決するた
めに、本発明は、燃料電池構造体の発電機能部を冷却す
るために使用された冷却媒体を、この発電機能部の外方
に沿って巡回させている。従って、発電機能部の外方に
は、前記発電機能部で熱交換が行われて温度が高くなっ
た冷却媒体が流れることになる。これにより、発電機能
部の中央部と該発電機能部の外方端部との温度差が小さ
くなるとともに、結露を防止することができ、前記発電
機能部の有効作動面積および性能の向上が図られる。
【0008】
【発明の実施の形態】図1および図2に示すように、本
実施形態に係る燃料電池10は、燃料電池セル(燃料電
池構造体)20を水平方向に多数積層して構成される。
該燃料電池セル20は、固体高分子電解質膜22を挟ん
でアノード側電極26とカソード側電極24とから構成
される発電機能部28を含む。この発電機能部28の構
成については、例えば、国際公表公報W094−153
77号に詳細な記載があり、本発明では、これを援用す
る。この場合、図2に示すように、固体高分子電解質膜
22とアノード側電極26とカソード側電極24とはそ
れぞれ分離構成されているが、これらを一体構成として
もよい。
【0009】図3に示すように、電解質膜22の上部側
には、水素等の燃料ガスを1つの方向へと通過させるた
めの長円状の孔部22aと、冷却水を通過させるための
孔部22bと、酸化剤ガス、例えば、酸素ガスを通過さ
せるための孔部22cとが設けられる。電解質膜22の
下部側には、燃料ガスを通過させるための孔部22d
と、冷却水を通過させるための孔部22eと、酸化剤ガ
スを通過させるための孔部22fとが設けられる。電解
質膜22の両側部側には、発電機能部28の冷却に使用
された冷却水(冷却媒体)を、この発電機能部28の外
方に沿って巡回させる巡回通路29a、29bを構成す
る孔部23a〜23c、23d〜23fが形成される。
【0010】このように構成される発電機能部28の両
側に第1ガスケット30と第2ガスケット32とが設け
られる。図4に示すように、第1ガスケット30は、カ
ソード側電極24を収納するための大きな開口部34を
有し、一方、第2ガスケット32にはアノード側電極2
6を収納するための開口部36が画成されている。第1
ガスケット30には、電解質膜22と同様に、燃料ガス
を通過させるための孔部30aと30d、冷却水を通過
させるための孔部30bと30e、酸化剤ガスを通過さ
せるための孔部30cと30fが、それぞれ上部側と下
部側に設けられる。この第1ガスケット30の両側部側
には、巡回通路29a、29bを構成する孔部31a〜
31c、31d〜31fが形成されており、第2ガスケ
ット32は、この第1ガスケット30と同様に構成され
る。
【0011】燃料電池セル20は、セパレータ40によ
り挟持される。図2に示すように、セパレータ40は、
第1マニホールド板42と、この第1マニホールド板4
2に当接する第1面圧発生板44と第2面圧発生板46
との間で挟持されるセパレータ本体48と、前記第2面
圧発生板46に当接する第2マニホールド板50とから
構成される。
【0012】図5に示すように、第1マニホールド板4
2は、矩形状の平板で構成され、その右上隅角部に燃料
ガスを供給するための燃料ガス供給用凹部42aが設け
られ、これに隣接して冷却水を排出するための冷却水排
出用孔部42bが設けられる。第1マニホールド板42
の左上隅角部には酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガ
ス供給用孔部42cが設けられるとともに、この第1マ
ニホールド板42の左下隅角部には、燃料ガスを排出す
るための燃料ガス排出用凹部42dが設けられ、この燃
料ガス排出用凹部42dから右下隅角部に向かって冷却
水供給用孔部42eと酸化剤ガス排出用孔部42fとが
順次設けられる。前記燃料ガス供給用凹部42aと燃料
ガス排出用凹部42dとは、後述する燃料ガス用整流板
80を収納する開口部45によって連通状態にある。第
1マニホールド板42の両側部側には、巡回通路29
a、29bを構成する孔部43a〜43c、43d〜4
3fが形成される。
【0013】第1マニホールド板42と第2マニホール
ド板50とは基本的に対称に構成されており、これを図
6に示す。第2マニホールド板50についてはその詳細
な説明を省略するが、その上部側に燃料ガス供給用孔部
50aと冷却水排出用孔部50bと酸化剤ガス供給用凹
部50c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50dと冷却水供給用孔部50eと酸化剤ガ
ス排出用凹部50fとが設けられる。前記酸化剤ガス供
給用凹部50cと酸化剤ガス排出用凹部50fとは、後
述する酸化剤ガス用整流板82を収納する開口部52に
よって連通状態にある。第2マニホールド板50の両側
部側には、巡回通路29a、29bを構成する孔部51
a〜51c、51d〜51fが形成される。
【0014】第1マニホールド板42に当接する第1面
圧発生板44は、図7に示すように、電子導電材で構成
された平板または後述する燃料ガス用整流板80と一体
化、または同一材で加工製造されたものからなり、その
上部側には、第1マニホールド板42の燃料ガス供給用
凹部42aに連通する燃料ガス供給用連通孔44aと、
冷却水排出用孔部42bに連通する冷却水排出用連通孔
44bと、酸化剤ガス供給用孔部42cに連通する連通
孔44cとが設けられる。第1面圧発生板44の下部側
には、第1マニホールド板42の燃料ガス排出用凹部4
2dに連通する連通孔44dと、冷却水供給用孔部42
eに連通する連通孔44eと、酸化剤ガス排出用孔部4
2fに連通する連通孔44fとが設けられる。第1面圧
発生板44の両側部側には、第1マニホールド板42の
孔部43a〜43c、43d〜43fに連通する孔部5
7a〜57c、57d〜57fが形成される。なお、第
2面圧発生板46は、この第1面圧発生板44と実質的
に同一構成であり、その詳細な説明を省略する。
【0015】第3のマニホールド板であるセパレータ本
体48は、冷却水を下方から上方に供給して発電機能部
28を冷却するためのものである。図8に示すように、
比較的厚めのセパレータ本体48は、好ましくは導電性
緻密材(中実体)で構成され、第1マニホールド板42
の燃料ガス供給用凹部42a、第1面圧発生板44の連
通孔44aに連通して燃料ガスを供給するための燃料ガ
ス供給用孔部48aをその右上隅角部に有する。第1マ
ニホールド板42の冷却水排出用孔部42b、第1面圧
発生板44の連通孔44bに連通する冷却水排出用凹部
48bが前記孔部48aに隣接し、かつこのセパレータ
本体48の略中央上部に設けられるとともに、左上隅角
部には第1マニホールド板42の酸化剤ガス供給用孔部
42c、第1面圧発生板44の連通孔44cに連通する
酸化剤ガス供給用孔部48cが設けられる。
【0016】セパレータ本体48の左下隅角部には、第
1マニホールド板42の燃料ガス排出用凹部42d、第
1面圧発生板44の連通孔44dに連通する孔部48d
が設けられ、冷却水排出用凹部48bの直下に冷却水供
給用凹部48eが設けられている。セパレータ本体48
の右下隅角部には、酸化剤ガス排出用孔部48fが設け
られる。凹部48bと凹部48eは、大きく画成された
開口部62によって連通状態にある。セパレータ本体4
8の両側部側には、第1マニホールド板42の孔部43
a〜43c、43d〜43fおよび第1面圧発生板44
の孔部57a〜57c、57d〜57fに連通する孔部
49a〜49c、49d〜49fが形成される。
【0017】セパレータ本体48の開口部62に冷却水
用整流板70、72が嵌合固定される。冷却水用整流板
70、72が接合されると、前記セパレータ本体48の
厚さと略同じ厚さになる。冷却水用整流板70は、図2
において、垂直方向へと延在する複数本の並列な溝70
aを有し、同様に、冷却水用整流板72も平行な溝72
aを複数本並設している。これらの冷却水用整流板7
0、72を合わせると、溝70a、72aはそれぞれ大
きな冷却水整流用通路(冷却通路)を互いに画成するこ
とになり、それぞれの冷却水整流用通路は、前記冷却水
排出用凹部48b、冷却水供給用凹部48eとの連通状
態を確保する。
【0018】図2に示すように、第1マニホールド板4
2の開口部45に燃料ガス用整流板80が嵌合される。
前記燃料ガス用整流板80の一面は平坦に構成され、他
面には垂直方向へと延在する複数本の平行な溝80aが
画成される。この平行な溝80aによって燃料ガス供給
用凹部42aと燃料ガス排出用凹部42dとが連通す
る。
【0019】第2マニホールド板50の開口部52に、
酸化剤ガス用整流板82が嵌合される。前記酸化剤ガス
用整流板82の一面は平坦に構成され、他面には垂直方
向へと延在する複数本の平行な溝82aを画成してい
る。この平行な溝82aによって酸化剤ガス供給用凹部
50cと酸化剤ガス排出用凹部50fとが連通する。な
お、第1マニホールド板42と整流板80の厚さと、第
2マニホールド板50と整流板82の厚さは、実質的に
同一である。
【0020】このように構成されるセパレータ本体48
は、第1面圧発生板44、第2面圧発生板46で挟持さ
れ、さらにこれらが第1マニホールド板42、第2マニ
ホールド板50で挟持される。第1マニホールド板42
に第2ガスケット32が当接し、第2マニホールド板5
0に第1ガスケット30が当接し、それぞれのガスケッ
ト30、32の間に発電機能部28が挟持される。
【0021】図2に示す矢印方向に沿って説明すると、
整流板80を組み込んだ第1マニホールド板42、第2
ガスケット32、アノード側電極26、電解質膜22、
カソード側電極24、第1ガスケット30、整流板82
を組み込んだ第2マニホールド板50、第2面圧発生板
46、整流板70、72を組み込んだセパレータ本体4
8、第1面圧発生板44の如く、これらの組を多数積層
し、一方の積層端部を第1エンドプレート84に当接さ
せ、他方の積層端部を第2エンドプレート86に当接さ
せ、該第1および第2のエンドプレート84、86がス
タッドボルト87で緊締される(図1参照)。
【0022】第1エンドプレート84には、第1マニホ
ールド板42の冷却水排出用孔部42bに対面しかつ冷
却水を左右に分流させるための溝部84aが形成される
とともに、この溝部84aの両端部が前記第1マニホー
ルド板42の孔部43a、43dに対面する。第1エン
ドプレート84の両側部側には、第1マニホールド板4
2の孔部43b、43c同士および孔部43e、43f
同士を連通するための溝部84b、84cが設けられ
る。第1エンドプレート84には、さらに酸化剤ガスを
導入するための貫通孔84dと、この酸化剤ガスを排出
するための貫通孔84eとが形成される。
【0023】第2エンドプレート86には、第2マニホ
ールド板50の燃料ガス供給用孔部50aに連通して燃
料ガスを供給するための貫通孔86aと、冷却水供給用
孔部50eに連通する貫通孔86bと、燃料ガス排出用
孔部50dに連通する貫通孔86cと、孔部51c、5
1fに連通する貫通孔86d、86eが形成される(図
2参照)。第2エンドプレート86の第2マニホールド
板50に対面する内面部には、この第2マニホールド板
50の孔部51a、51b同士および51d、51e同
士を連通するための溝部88a、88bが設けられる。
【0024】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】先ず、複数の燃料電池セル20がセパレー
タ40に挟持され、それぞれの連通孔、孔部および凹部
が連通するように積層されて第1および第2のエンドプ
レート84、86により固定される。
【0026】そこで、燃料ガス(水素ガス)が第2エン
ドプレート86の貫通孔86aから燃料電池10に供給
されると、この燃料ガスは、第2マニホールド板50の
燃料ガス供給用孔部50aから第1マニホールド板42
の燃料ガス供給用凹部42aに供給され、この燃料ガス
供給用凹部42aに連通する開口部45に配設された燃
料ガス用整流板80の溝80aを介して発電機能部28
を構成するアノード側電極26に供給される。
【0027】一方、酸化剤ガス(空気)は、第1エンド
プレート84の貫通孔84dから燃料電池10に供給さ
れ、第1マニホールド板42の酸化剤ガス供給用孔部4
2cおよびセパレータ本体48の酸化剤ガス供給用孔部
48cを介して第2マニホールド板50の酸化剤ガス供
給用凹部50cに至る。酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給
用凹部50cから酸化剤ガス用整流板82の溝82aを
通ってカソード側電極24に供給される。
【0028】なお、未使用の燃料ガスは、第1マニホー
ルド板42の燃料ガス排出用凹部42d等を介して第2
エンドプレート86の貫通孔86cから外部に排出さ
れ、未使用の酸化剤ガスは、第2マニホールド板50の
酸化剤ガス排出用凹部50f等を介して第1エンドプレ
ート84の貫通孔84eから外部に排出される。
【0029】また、冷却水は、第2エンドプレート86
の貫通孔86bから燃料電池10内に供給され、第2マ
ニホールド板50の冷却水供給用孔部50e等を介して
セパレータ本体48の冷却水供給用凹部48eに至る。
冷却水は、セパレータ本体48の開口部62に嵌合固定
されている冷却水用整流板70、72間に画成された冷
却水整流用通路に沿って上方へと流動し、発電機能部2
8で発生する熱を吸収してこの発電機能部28を冷却し
た後、セパレータ本体48の冷却水排出用凹部48bか
ら第1エンドプレート84側に流動する。
【0030】発電機能部28の除熱に使用された冷却水
は、第1エンドプレート84に設けられた溝部84aか
ら巡回通路29a、29bを通って第2エンドプレート
86の貫通孔86d、86eから外部に排出される。す
なわち、第1エンドプレート84の溝部84aに導入さ
れた冷却水は、この溝部84aに沿って左右に分流さ
れ、それぞれ巡回通路29a、29bを構成する第1マ
ニホールド板42の孔部43a、43dに供給される。
【0031】第1マニホールド板42の孔部43aに供
給された冷却水は、セパレータ本体48の孔部49aお
よび第2マニホールド板50の孔部51a等を介して第
2エンドプレート86の溝部88aに至る。冷却水は、
この溝部88aに連通する第2マニホールド板50の孔
部51b、セパレータ本体48の孔部49bおよび第1
マニホールド板42の孔部43b等を介して第1エンド
プレート84の溝部84bに導入される。このため、冷
却水は、さらに溝部84bから第1マニホールド板42
の孔部43c、セパレータ本体48の孔部49cおよび
第2マニホールド板50の孔部51c等を介して第2エ
ンドプレート86の貫通孔86dから外部に排出され
る。
【0032】一方、第1エンドプレート84の溝部84
aから巡回通路29bに供給された冷却水は、同様に、
第1マニホールド板42、セパレータ本体48および第
2マニホールド板50において、孔部43d、49dお
よび51dを介して第2エンドプレート86の溝部88
bに至った後、孔部51e、49eおよび43eを介し
て第1エンドプレート84の溝部84cに戻される。さ
らに、冷却水は、この溝部84cに連通する孔部43
f、49fおよび51fを介して第2エンドプレート8
6の貫通孔86eから外部に排出される(図1参照)。
【0033】このように、本実施形態では、燃料電池1
0に供給されて発電機能部28の除熱を行った冷却水
を、巡回通路29a、29bに沿って前記発電機能部2
8の両側を巡回させている。このため、発電機能部28
の両側には、この発電機能部28で熱交換が行われて温
度が高くなった冷却水が巡回通路29a、29bに沿っ
て流れることになり、該発電機能部28の両端部近傍の
温度低下を阻止することができる(図9参照)。
【0034】これにより、発電機能部28の中央部とこ
の発電機能部28の両端縁部との温度差を可及的に小さ
くすることができるとともに、該発電機能部28の両端
縁部に温度低下により結露が発生することを確実に阻止
することが可能になる。従って、発電機能部28に結露
によって作動しない部分が発生することがなく、しか
も、低温による性能低下部分が削減される。このため、
前記発電機能部28の有効作動面積および性能の向上が
有効に図られるという効果が得られる。
【0035】さらに、本実施形態では、燃料電池10内
に熱交換後の冷却水を発電機能部28の両外方に沿って
巡回させる巡回通路29a、29bを設けるだけであ
り、この燃料電池10全体の構造が複雑化することがな
く、容易かつ経済的に対応することが可能になる。
【0036】ところで、本実施形態では、巡回通路29
a、29bが発電機能部28の両側をそれぞれ3回(1
往復半)ずつ通過するように構成しているが、図10に
示す巡回通路90a、90bを用いてもよい。この巡回
通路90a、90bを構成する長孔92a、92bは、
第2マニホールド板50の両側部に対し鉛直方向に長尺
に形成される。第1マニホールド板42、第2ガスケッ
ト32、電解質膜22、第1ガスケット30、第2面圧
発生板46、セパレータ本体48および第1面圧発生板
44の両側部には、図示しないが、それぞれ鉛直方向に
長尺な長孔が連通して形成される。
【0037】このように構成される巡回通路90a、9
0bでは、発電機能部28の除熱に使用されて第1エン
ドプレート84側に送られた冷却水を鉛直方向に長尺な
長孔92a、92b等を介して巡回させた後、この冷却
水を外部に排出する。従って、発電機能部28の両側を
上下方向に一体的に温度調整することができる他、上記
の巡回通路29a、29bと同様の効果が得られる。
【0038】
【発明の効果】本発明に係る燃料電池では、発電機能部
で熱交換された比較的温度の高い冷却媒体をこの発電機
能部の外方に沿って巡回させることにより、前記発電機
能部に部分的な温度差が惹起することがない。これによ
って、結露の発生を防止することができ、発電機能部の
有効作動面積および性能の向上が可能になる。
【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省略分解斜視図である。
【図3】前記燃料電池を構成する発電機能部の正面図で
ある。
【図4】前記燃料電池を構成するガスケットの正面説明
図である。
【図5】前記燃料電池を構成するマニホールド板の正面
説明図である。
【図6】前記燃料電池を構成するマニホールド板の正面
説明図である。
【図7】前記燃料電池を構成する面圧発生板の正面説明
図である。
【図8】前記燃料電池を構成するセパレータ本体の正面
説明図である。
【図9】前記燃料電池を構成する前記発電機能部の横方
向の温度説明図である。
【図10】巡回通路の他の構成を説明する燃料電池の一
部省略斜視図である。
【図11】従来技術に係る発電機能部の横方向の温度説
明図である。
【符号の説明】
10…燃料電池 20…燃料電池セル 22…固体高分子電解質膜 23a〜23f、31a〜31f、43a〜43f、4
9a〜49f、51a〜51f、57a〜57f…孔部 24…カソード側電極 26…アノード側電極 28…発電機能部 29a、29b、90
a、90b…巡回通路 30、32…ガスケット 40…セパレータ 42、50…マニホールド板 44、46…面圧発生
板 48…セパレータ本体 70、72…冷却水整
流板 84、86…エンドプレート 84a〜84c、88
a、88b…溝部 92a、92b…長孔

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】固体高分子電解質膜をアノード側電極とカ
    ソード側電極で挟んで構成される燃料電池構造体と、前
    記燃料電池構造体を挟持するセパレータとを交互に積層
    する燃料電池であって、 前記燃料電池の内部には、前記燃料電池構造体の発電機
    能部を冷却するための冷却通路と、 前記発電機能部の冷却に使用された冷却媒体を、該発電
    機能部の外方に沿って巡回させる巡回通路と、 が設けられることを特徴とする燃料電池。
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