JPH10284094A - 燃料電池 - Google Patents
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- JPH10284094A JPH10284094A JP9091818A JP9181897A JPH10284094A JP H10284094 A JPH10284094 A JP H10284094A JP 9091818 A JP9091818 A JP 9091818A JP 9181897 A JP9181897 A JP 9181897A JP H10284094 A JPH10284094 A JP H10284094A
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- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
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- H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
- H01M8/0258—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
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- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
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- Electrochemistry (AREA)
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 流体通路形状を工夫して、電極面内における
反応物濃度を均一化し、高発電効率の燃料電池を提供す
る。 【解決手段】 セパレータ２４に、外周縁側に位置する
部分２６ｄ，２６ｅが中心側に位置する部分２６ｃを取
り囲むよう連続した溝２６を形成し、セパレータ２４の
外周縁側に入口２６ａおよび出口２６ｂを、中心側に折
返し部２６ｃを有する流体通路を形成している。
反応物濃度を均一化し、高発電効率の燃料電池を提供す
る。 【解決手段】 セパレータ２４に、外周縁側に位置する
部分２６ｄ，２６ｅが中心側に位置する部分２６ｃを取
り囲むよう連続した溝２６を形成し、セパレータ２４の
外周縁側に入口２６ａおよび出口２６ｂを、中心側に折
返し部２６ｃを有する流体通路を形成している。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、電極間に挟んだ電
解質を介し燃料と酸化剤とを反応させて起電力を得る燃
料電池に関し、より詳しくは燃料又は酸化剤を電極面に
分配する通路の形状を改良した燃料電池に関する。
解質を介し燃料と酸化剤とを反応させて起電力を得る燃
料電池に関し、より詳しくは燃料又は酸化剤を電極面に
分配する通路の形状を改良した燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】燃料電池、例えば水素・酸素燃料電池
は、反応生成物が原理的に水のみとなることから、地球
環境への悪影響の少ない発電システムとして注目を集め
ており、特に室温から１００゜Ｃ程度までの比較的低温
範囲で作動する固体高分子型燃料電池については高出力
も期待されている。
は、反応生成物が原理的に水のみとなることから、地球
環境への悪影響の少ない発電システムとして注目を集め
ており、特に室温から１００゜Ｃ程度までの比較的低温
範囲で作動する固体高分子型燃料電池については高出力
も期待されている。
【０００３】この種の燃料電池は、一般に、発電用電極
の対向面間に電解質を接合した複数の接合体と、対をな
す発電用電極に燃料および酸化剤を供給するための流体
通路を形成する複数のセパレータとを、交互に配置し、
これら全体を締め付けて一体化した構成となっている。
セパレータは、例えば図９に示すように、燃料や酸化剤
である流体の入口１と出口２との間で複数の流体分配溝
３が並行するような配置を採用し、これら多数の流体分
配溝３内を流体が同一方向に流れるようにしたもの、あ
るいは、図１０に示すように、流体の入口６と出口７と
の間で１本の流体分配溝８をジグザグに屈曲させたもの
がある（国際公開ＷＯ９５／１６２８７号等参照）。
の対向面間に電解質を接合した複数の接合体と、対をな
す発電用電極に燃料および酸化剤を供給するための流体
通路を形成する複数のセパレータとを、交互に配置し、
これら全体を締め付けて一体化した構成となっている。
セパレータは、例えば図９に示すように、燃料や酸化剤
である流体の入口１と出口２との間で複数の流体分配溝
３が並行するような配置を採用し、これら多数の流体分
配溝３内を流体が同一方向に流れるようにしたもの、あ
るいは、図１０に示すように、流体の入口６と出口７と
の間で１本の流体分配溝８をジグザグに屈曲させたもの
がある（国際公開ＷＯ９５／１６２８７号等参照）。
【０００４】なお、前記発電用電極はそれぞれ集電板に
電気的に接続され、この集電板を介して所定の出力電圧
が得られるようになっている。
電気的に接続され、この集電板を介して所定の出力電圧
が得られるようになっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図９に
分配溝形状を示した従来の燃料電池にあっては、発電用
電極が電気抵抗の少ない集電板に接続され、電極平面内
で等電位になっていることから、反応物濃度（燃料濃度
又は酸化剤濃度）が高い上流側では発生電流密度が大き
くなるが、反応物濃度が低い下流側では発生電流密度が
小さくなって過電圧が増大する。そのため、電極面内で
発電効率が不均一になり、出力特性が低下するという問
題が生じていた。
分配溝形状を示した従来の燃料電池にあっては、発電用
電極が電気抵抗の少ない集電板に接続され、電極平面内
で等電位になっていることから、反応物濃度（燃料濃度
又は酸化剤濃度）が高い上流側では発生電流密度が大き
くなるが、反応物濃度が低い下流側では発生電流密度が
小さくなって過電圧が増大する。そのため、電極面内で
発電効率が不均一になり、出力特性が低下するという問
題が生じていた。
【０００６】また、図１０に示した従来の燃料電池にあ
っては、入口６から出口７までの経路が長くなり、上記
と同様に下流側（図２の左側）ほど反応物濃度が低くな
って出力特性が低下するという問題が生じていた。この
ように従来の燃料電池にあっては、反応物濃度が電極面
内で不均一になることによって発電効率が低下し、電極
面積の大きい場合にその傾向がより顕著となっていたた
め、高出力を得ることが困難であった。
っては、入口６から出口７までの経路が長くなり、上記
と同様に下流側（図２の左側）ほど反応物濃度が低くな
って出力特性が低下するという問題が生じていた。この
ように従来の燃料電池にあっては、反応物濃度が電極面
内で不均一になることによって発電効率が低下し、電極
面積の大きい場合にその傾向がより顕著となっていたた
め、高出力を得ることが困難であった。
【０００７】本発明は、このような従来の問題に鑑みて
なされたもので、燃料や酸化剤を電極面に分配する流体
通路の形状を工夫することにより、電極面積の大きい場
合でも電極面内における反応物濃度を均一化できるよう
にして、発電効率の高い燃料電池を提供することを目的
とする。
なされたもので、燃料や酸化剤を電極面に分配する流体
通路の形状を工夫することにより、電極面積の大きい場
合でも電極面内における反応物濃度を均一化できるよう
にして、発電効率の高い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】上記目的達成のため、本
発明は、電解質の両側に該電解質を挟む一対の電極を接
合した接合体と、該接合体の電極にそれぞれ対向する対
向面が形成された一対のセパレータと、を備え、それぞ
れのセパレータの電極対向面に連続する溝を形成し前記
電極およびセパレータの間に該溝を通じて前記電極に燃
料又は酸化剤を供給する流体通路を形成した燃料電池に
おいて、前記溝のうち外周縁側に位置する部分が中心側
に位置する部分を取り囲むよう形成され、前記流体通路
が、前記セパレータの外周縁側に位置する入口および出
口と、中心側に位置する折返し部とを有するものであ
る。なお、折返し部とは、そこを通過する流体がその通
過の前後で互いに交差することなくほぼ逆向きの流れに
向きを変える通路部分を意味し、その上流側から折返し
部に入った流体がその流れを屈曲させ又は湾曲させて前
記逆向きの流れになるよう屈曲又は湾曲形状に形成され
るものである。したがって、前記流体通路は、入口から
折返し部へと前記対向面の中心側に向かって曲がりなが
ら延び、これと交差することなく折返し部から出口へと
前記対向面の外周縁側に向かって曲がりながら延びるよ
うに折返された形状となり、燃料濃度又は酸化剤濃度の
異なる折返し部の上流側の通路部分と下流側の通路部分
とが、流れ方向で入口に近いほど同方向で出口に近い通
路部分と近接することになり、電極面内における燃料お
よび酸化剤の濃度分布が均一化される。
発明は、電解質の両側に該電解質を挟む一対の電極を接
合した接合体と、該接合体の電極にそれぞれ対向する対
向面が形成された一対のセパレータと、を備え、それぞ
れのセパレータの電極対向面に連続する溝を形成し前記
電極およびセパレータの間に該溝を通じて前記電極に燃
料又は酸化剤を供給する流体通路を形成した燃料電池に
おいて、前記溝のうち外周縁側に位置する部分が中心側
に位置する部分を取り囲むよう形成され、前記流体通路
が、前記セパレータの外周縁側に位置する入口および出
口と、中心側に位置する折返し部とを有するものであ
る。なお、折返し部とは、そこを通過する流体がその通
過の前後で互いに交差することなくほぼ逆向きの流れに
向きを変える通路部分を意味し、その上流側から折返し
部に入った流体がその流れを屈曲させ又は湾曲させて前
記逆向きの流れになるよう屈曲又は湾曲形状に形成され
るものである。したがって、前記流体通路は、入口から
折返し部へと前記対向面の中心側に向かって曲がりなが
ら延び、これと交差することなく折返し部から出口へと
前記対向面の外周縁側に向かって曲がりながら延びるよ
うに折返された形状となり、燃料濃度又は酸化剤濃度の
異なる折返し部の上流側の通路部分と下流側の通路部分
とが、流れ方向で入口に近いほど同方向で出口に近い通
路部分と近接することになり、電極面内における燃料お
よび酸化剤の濃度分布が均一化される。
【０００９】前記流体通路は、好ましくは、前記入口か
ら前記折返し部に向かって渦巻き状に曲がりながら収束
する上流側の通路部分と、前記折返し部から前記出口へ
と外方に向かって渦巻き状に曲がりながら発散する下流
側の通路部分とからなり、該上流側の通路部分が該下流
側の通路部分とほぼ並行するものである。また、前記流
体通路のうち折返し部からほぼ等距離だけ入口側および
出口側に離隔した通路部分同士が互いに平行に配置され
るのが好ましい。さらに、前記セパレータの溝は、所定
角度、例えば９０度で多角形状に複数回屈曲するものが
好ましいが、勿論、渦巻き状に湾曲するものであっても
よい。
ら前記折返し部に向かって渦巻き状に曲がりながら収束
する上流側の通路部分と、前記折返し部から前記出口へ
と外方に向かって渦巻き状に曲がりながら発散する下流
側の通路部分とからなり、該上流側の通路部分が該下流
側の通路部分とほぼ並行するものである。また、前記流
体通路のうち折返し部からほぼ等距離だけ入口側および
出口側に離隔した通路部分同士が互いに平行に配置され
るのが好ましい。さらに、前記セパレータの溝は、所定
角度、例えば９０度で多角形状に複数回屈曲するものが
好ましいが、勿論、渦巻き状に湾曲するものであっても
よい。
【００１０】また、電極面積が大きい場合、前記流体通
路は、互いに並行して同一方向に延在するよう、あるい
は、複数の流体通路がほぼ同一形状であるようにしても
よく、並列する複数の流体通路の両端部がそれぞれセパ
レータの外周縁側で共通の入口および出口を形成するよ
うにすることができる。
路は、互いに並行して同一方向に延在するよう、あるい
は、複数の流体通路がほぼ同一形状であるようにしても
よく、並列する複数の流体通路の両端部がそれぞれセパ
レータの外周縁側で共通の入口および出口を形成するよ
うにすることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】以下、本発明の好ましい実施形態
について添付図面を参照しつつ説明する。図１〜図３は
本発明の好ましい実施形態の一例を示す図で、低温作動
型の燃料電池への適用例を示している。まず、その構成
について説明すると、図１および図２において、１０は
セルスタックで、例えば５〜１０ミリ程度の多数のセル
ブロック１１（燃料電池、単電池）を積層して一対のエ
ンドプレート１４，１５で挟み、図示しない締め付け手
段（例えば複数のロッドおよびナット）によって締め付
け結合したものである。図２に分解図を示すように、セ
ルブロック１１は、電解質２１の両側にこれを挟む平坦
な一対の電極２２，２３を接合した接合体２０と、この
接合体２０の電極面２２ａ，２３ａに対向する溝２６，
２７を有する一対のセパレータ２４，２５とを具備して
いる。
について添付図面を参照しつつ説明する。図１〜図３は
本発明の好ましい実施形態の一例を示す図で、低温作動
型の燃料電池への適用例を示している。まず、その構成
について説明すると、図１および図２において、１０は
セルスタックで、例えば５〜１０ミリ程度の多数のセル
ブロック１１（燃料電池、単電池）を積層して一対のエ
ンドプレート１４，１５で挟み、図示しない締め付け手
段（例えば複数のロッドおよびナット）によって締め付
け結合したものである。図２に分解図を示すように、セ
ルブロック１１は、電解質２１の両側にこれを挟む平坦
な一対の電極２２，２３を接合した接合体２０と、この
接合体２０の電極面２２ａ，２３ａに対向する溝２６，
２７を有する一対のセパレータ２４，２５とを具備して
いる。
【００１２】電解質２１は、好ましくはイオン交換樹脂
としての高分子膜からなる、例えばほぼ四角形の膜状の
固体電解質であり、この電解質２１の両面にガス拡散電
極である好ましくは多孔質の導電材料からなる電極２
２，２３が公知の方法で積層又は接着されている。電極
２２，２３は接合体２０の両面側に燃料極および空気極
を形成するようになっており、各セルブロック１１の電
極２２，２３がそれぞれ図示しない一対の集電板に電気
的に接続され、その集電板間に所定の直流電圧が得られ
るようになっている。なお、前記燃料極は、燃料ガスが
電気化学的に酸化される電極で、負荷側からみると負極
となり、前記空気極は、酸化剤ガスが電気化学的に還元
される電極で、負荷側からみると正極となる。セパレー
タ２４，２５には、例えばグラファイト、アルミニウム
等の軽金属又は軽金属合金、あるいはチタン、ステンレ
ス等が用いられる。
としての高分子膜からなる、例えばほぼ四角形の膜状の
固体電解質であり、この電解質２１の両面にガス拡散電
極である好ましくは多孔質の導電材料からなる電極２
２，２３が公知の方法で積層又は接着されている。電極
２２，２３は接合体２０の両面側に燃料極および空気極
を形成するようになっており、各セルブロック１１の電
極２２，２３がそれぞれ図示しない一対の集電板に電気
的に接続され、その集電板間に所定の直流電圧が得られ
るようになっている。なお、前記燃料極は、燃料ガスが
電気化学的に酸化される電極で、負荷側からみると負極
となり、前記空気極は、酸化剤ガスが電気化学的に還元
される電極で、負荷側からみると正極となる。セパレー
タ２４，２５には、例えばグラファイト、アルミニウム
等の軽金属又は軽金属合金、あるいはチタン、ステンレ
ス等が用いられる。
【００１３】セパレータ２４の溝２６は、セパレータ２
４の対向面２４ａ（電極対向面）に長さ方向全域で開口
した連続溝で、前記締付けによってセパレータ２４の対
向面２４ａが電極２２に圧接したとき、燃料供給用の流
体通路として機能する。また、セパレータ２５の溝２７
は、セパレータ２５の対向面２５ａ（電極対向面）に長
さ方向全域で開口した連続溝で、前記締付けによってセ
パレータ２５の対向面２５ａが電極２３に圧接したと
き、酸化剤供給用の流体通路として機能する。このよう
にして一方の溝２６から形成される流体通路（以下、流
体通路２６という）には、エンドプレート１５に形成さ
れた図示しない燃料供給路を通して燃料供給源１６から
の燃料ガス（例えば水素（Ｈ2 ））が供給され、他方の
溝２７から形成される流体通路（以下、流体通路２７と
いう）にはエンドプレート１５に形成された図示しない
酸化剤供給路を通して酸化剤供給手段１７からの酸化剤
ガス（例えば空気）が供給される。
４の対向面２４ａ（電極対向面）に長さ方向全域で開口
した連続溝で、前記締付けによってセパレータ２４の対
向面２４ａが電極２２に圧接したとき、燃料供給用の流
体通路として機能する。また、セパレータ２５の溝２７
は、セパレータ２５の対向面２５ａ（電極対向面）に長
さ方向全域で開口した連続溝で、前記締付けによってセ
パレータ２５の対向面２５ａが電極２３に圧接したと
き、酸化剤供給用の流体通路として機能する。このよう
にして一方の溝２６から形成される流体通路（以下、流
体通路２６という）には、エンドプレート１５に形成さ
れた図示しない燃料供給路を通して燃料供給源１６から
の燃料ガス（例えば水素（Ｈ2 ））が供給され、他方の
溝２７から形成される流体通路（以下、流体通路２７と
いう）にはエンドプレート１５に形成された図示しない
酸化剤供給路を通して酸化剤供給手段１７からの酸化剤
ガス（例えば空気）が供給される。
【００１４】図３に示すように、燃料供給用の流体通路
２６は、セパレータ２４の電極２２との対向面２４ａの
うち実際に電極２２に対面している領域（以下、実対向
領域という）の周縁に位置する入口２６ａおよび出口２
６ｂと、セパレータ２４の電極２２との対向面２４ａの
中心側でその前後の内部流れ方向がほぼ逆向きになる折
返し部２６ｃとを有し、折返し部２６ｃの上流側と下流
側とが全く交差しない折返し形状で複数回（例えば５
回）巻かれた渦巻き状になっている。すなわち、流体通
路２６は、その入口２６ａから折返し部２６ｃに向かっ
て例えば左回りに渦巻き状に曲がりながら収束する上流
側の通路部分２６ｄと、折返し部２６ｃから出口２６ｂ
へと外方に向かってそれまでとは逆向き例えば右回りに
渦巻き状に曲がりながら発散する下流側の通路部分２６
ｅとからなり、前記実対向領域の全域において上流側の
通路部分２６ｄと下流側の通路部分２６ｅとがほぼ並行
しながら中心側の折返し部２６ｃを取り囲む形状になっ
ている。
２６は、セパレータ２４の電極２２との対向面２４ａの
うち実際に電極２２に対面している領域（以下、実対向
領域という）の周縁に位置する入口２６ａおよび出口２
６ｂと、セパレータ２４の電極２２との対向面２４ａの
中心側でその前後の内部流れ方向がほぼ逆向きになる折
返し部２６ｃとを有し、折返し部２６ｃの上流側と下流
側とが全く交差しない折返し形状で複数回（例えば５
回）巻かれた渦巻き状になっている。すなわち、流体通
路２６は、その入口２６ａから折返し部２６ｃに向かっ
て例えば左回りに渦巻き状に曲がりながら収束する上流
側の通路部分２６ｄと、折返し部２６ｃから出口２６ｂ
へと外方に向かってそれまでとは逆向き例えば右回りに
渦巻き状に曲がりながら発散する下流側の通路部分２６
ｅとからなり、前記実対向領域の全域において上流側の
通路部分２６ｄと下流側の通路部分２６ｅとがほぼ並行
しながら中心側の折返し部２６ｃを取り囲む形状になっ
ている。
【００１５】流体通路２６は、共に所定角度、例えば実
質的に９０度の角度をなして多角形状に複数回屈曲して
渦巻いており、流体通路２６を構成する複数の直線部２
６ｓはセパレータ２４の外周縁側、すなわち流体通路２
６の入口２６ａおよび出口２６ｂに近接するほど長く、
折返し部２６ｃに近接するほど短くなっている。そし
て、これら複数の直線部２６ｓは、流体通路２６の折返
し部２６ｃからほぼ等距離だけ入口２６ａ側および出口
２６ｂ側（上流側および下流側）に離隔した同士が平行
に配置されている。この流体通路２６は、上記のように
多数の屈曲部を有するものでもよいが、湾曲した渦巻き
形状のものであってもよい。なお、溝２６の溝幅および
溝深さはそれぞれ例えば０．５〜２ｍｍである。
質的に９０度の角度をなして多角形状に複数回屈曲して
渦巻いており、流体通路２６を構成する複数の直線部２
６ｓはセパレータ２４の外周縁側、すなわち流体通路２
６の入口２６ａおよび出口２６ｂに近接するほど長く、
折返し部２６ｃに近接するほど短くなっている。そし
て、これら複数の直線部２６ｓは、流体通路２６の折返
し部２６ｃからほぼ等距離だけ入口２６ａ側および出口
２６ｂ側（上流側および下流側）に離隔した同士が平行
に配置されている。この流体通路２６は、上記のように
多数の屈曲部を有するものでもよいが、湾曲した渦巻き
形状のものであってもよい。なお、溝２６の溝幅および
溝深さはそれぞれ例えば０．５〜２ｍｍである。
【００１６】セパレータ２４，２５は、同一板状体の両
面に形成することができ、セパレータ２５の流体通路２
７とセパレータ２４の流体通路２６は、セパレータに向
かって見たときの上流側が右回りになるもの又は左回り
になるものを任意に組み合わせることができる。図４は
流体通路２６，２７をセルスタック１０の軸線方向に重
ねたとき上流側が互いに逆回りになるように配置した場
合の流体通路２７の態様を示す。流体通路２７は、セパ
レータ２５の電極２３との実対向領域の周縁に位置する
入口２７ａおよび出口２７ｂと、対向面２５ａの中心側
でその前後の内部流れ方向がほぼ逆向きになる折返し部
２７ｃとを有し、入口２７ａから折返し部２７ｃに向か
って例えば右回りに渦巻き状に曲がりながら収束する上
流側の通路部分２７ｄと、折返し部２７ｃから出口２７
ｂへと外方に向かってそれまでとは逆向き例えば左回り
に渦巻き状に曲がりながら発散する下流側の通路部分２
７ｅとが、複数の直線部２７ｓを有するよう多角形状に
屈曲した形状になっている。流体通路２７の直線部２７
ｓは、セパレータ２４の場合と同様に、流体通路２７の
入口２７ａおよび出口２７ｂに近いほど、すなわちセパ
レータ２５の対向面２５ａの外周縁に近いほど長くなる
ように形成されており、流体通路２７の複数の直線部２
７ｓが折返し部２７ｃからほぼ等距離だけ入口２７ａ側
および出口２７ｂ側（上流側および下流側）に離隔した
位置で互いにほぼ平行に配置されている。
面に形成することができ、セパレータ２５の流体通路２
７とセパレータ２４の流体通路２６は、セパレータに向
かって見たときの上流側が右回りになるもの又は左回り
になるものを任意に組み合わせることができる。図４は
流体通路２６，２７をセルスタック１０の軸線方向に重
ねたとき上流側が互いに逆回りになるように配置した場
合の流体通路２７の態様を示す。流体通路２７は、セパ
レータ２５の電極２３との実対向領域の周縁に位置する
入口２７ａおよび出口２７ｂと、対向面２５ａの中心側
でその前後の内部流れ方向がほぼ逆向きになる折返し部
２７ｃとを有し、入口２７ａから折返し部２７ｃに向か
って例えば右回りに渦巻き状に曲がりながら収束する上
流側の通路部分２７ｄと、折返し部２７ｃから出口２７
ｂへと外方に向かってそれまでとは逆向き例えば左回り
に渦巻き状に曲がりながら発散する下流側の通路部分２
７ｅとが、複数の直線部２７ｓを有するよう多角形状に
屈曲した形状になっている。流体通路２７の直線部２７
ｓは、セパレータ２４の場合と同様に、流体通路２７の
入口２７ａおよび出口２７ｂに近いほど、すなわちセパ
レータ２５の対向面２５ａの外周縁に近いほど長くなる
ように形成されており、流体通路２７の複数の直線部２
７ｓが折返し部２７ｃからほぼ等距離だけ入口２７ａ側
および出口２７ｂ側（上流側および下流側）に離隔した
位置で互いにほぼ平行に配置されている。
【００１７】上述のような構成において、流体通路２
６、２７に燃料（例えば水素）および酸化剤（例えば酸
素）が供給されると、燃料側の電極２２では燃料の電気
化学的酸化反応、酸化剤側の電極２３では酸化剤の電気
化学的還元反応が起こり、電極２２，２３にそれぞれ接
続する集電板を介して起電力が得られる。このとき、流
体通路２６、２７の各々において燃料や酸化剤が希釈さ
れていたり、反応生成物質が混入したりする場合には、
折返し部２６ｃ，２７ｃの上流側の通路部分２６ｄ，２
７ｄと下流側の通路部分２６ｅ，２７ｅとでは燃料濃度
又は酸化剤濃度（以下、反応物濃度という）が異なる
が、これら上流側の通路部分２６ｄ，２７ｄと下流側の
通路部分２６ｅ，２７ｅとが流れ方向で入口２６ａ，２
７ａに近いほど同方向で出口２６ｂ，２７ｂに近い部分
と並行する配置となっているので、セパレータ２４，２
５の特定の部分に上流側又は下流側の通路部分が集中す
ることがなく、セパレータ２４，２５の全域においてこ
れら隣接する上流側および下流側の通路部分間で反応物
濃度の所定値（折返し部２６ｃ，２７ｃ付近での濃度）
からの差異が相殺される関係となり、燃料極２２および
酸化剤極２３の双方について、その電極面内における反
応物濃度および発生電流密度が均一化されることにな
る。その結果、燃料極２２での均一な電気化学反応と酸
化剤極２３での均一な還元反応が進行し、発電効率が改
善される。
６、２７に燃料（例えば水素）および酸化剤（例えば酸
素）が供給されると、燃料側の電極２２では燃料の電気
化学的酸化反応、酸化剤側の電極２３では酸化剤の電気
化学的還元反応が起こり、電極２２，２３にそれぞれ接
続する集電板を介して起電力が得られる。このとき、流
体通路２６、２７の各々において燃料や酸化剤が希釈さ
れていたり、反応生成物質が混入したりする場合には、
折返し部２６ｃ，２７ｃの上流側の通路部分２６ｄ，２
７ｄと下流側の通路部分２６ｅ，２７ｅとでは燃料濃度
又は酸化剤濃度（以下、反応物濃度という）が異なる
が、これら上流側の通路部分２６ｄ，２７ｄと下流側の
通路部分２６ｅ，２７ｅとが流れ方向で入口２６ａ，２
７ａに近いほど同方向で出口２６ｂ，２７ｂに近い部分
と並行する配置となっているので、セパレータ２４，２
５の特定の部分に上流側又は下流側の通路部分が集中す
ることがなく、セパレータ２４，２５の全域においてこ
れら隣接する上流側および下流側の通路部分間で反応物
濃度の所定値（折返し部２６ｃ，２７ｃ付近での濃度）
からの差異が相殺される関係となり、燃料極２２および
酸化剤極２３の双方について、その電極面内における反
応物濃度および発生電流密度が均一化されることにな
る。その結果、燃料極２２での均一な電気化学反応と酸
化剤極２３での均一な還元反応が進行し、発電効率が改
善される。
【００１８】また、流体通路２６，２７が、それぞれセ
パレータ２４，２５の電極対向面２４ａ，２５ａの外周
縁に近いほど長い直線部２６ｓ，２７ｓを有するよう所
定角度をなして多角形状に屈曲しているので、多角形の
セルブロック１１の全体に通路２６，２７の折返し部２
６ｃ，２７ｃより上流側の通路部分２６ｄ，２７ｄと下
流側の通路部分２６ｅ，２７ｅとを容易に均等配置する
ことができる。前記所定角度が実質的に９０度である場
合には、セルブロック１１の外形が四角形である場合に
折返し部２６ｃ，２７ｃの上流および下流側の通路配置
を容易化できる点で好ましい。さらに、流体通路２６，
２７の折返し部２６ｃ，２７ｃからほぼ等距離だけ入口
２６ａ，２７ａ側および出口２６ｂ，２７ｂ側に離隔し
た直線部２６ｓ，２７ｓが、それぞれ直線部３１ｓ，３
２ｓ，３６ｓ，３７ｓの両側に平行に配置されているか
ら、前記反応物納度濃度および発生電流密度をより均一
化できる。
パレータ２４，２５の電極対向面２４ａ，２５ａの外周
縁に近いほど長い直線部２６ｓ，２７ｓを有するよう所
定角度をなして多角形状に屈曲しているので、多角形の
セルブロック１１の全体に通路２６，２７の折返し部２
６ｃ，２７ｃより上流側の通路部分２６ｄ，２７ｄと下
流側の通路部分２６ｅ，２７ｅとを容易に均等配置する
ことができる。前記所定角度が実質的に９０度である場
合には、セルブロック１１の外形が四角形である場合に
折返し部２６ｃ，２７ｃの上流および下流側の通路配置
を容易化できる点で好ましい。さらに、流体通路２６，
２７の折返し部２６ｃ，２７ｃからほぼ等距離だけ入口
２６ａ，２７ａ側および出口２６ｂ，２７ｂ側に離隔し
た直線部２６ｓ，２７ｓが、それぞれ直線部３１ｓ，３
２ｓ，３６ｓ，３７ｓの両側に平行に配置されているか
ら、前記反応物納度濃度および発生電流密度をより均一
化できる。
【００１９】なお、セパレータの流体通路は、上述の形
状に限定されるものではなく、例えば図５に示すよう
に、電極２２又は２３との対向面の中心側でそれぞれ折
り返されるとともに互いに並行する複数本の流体通路４
１，４２，４３を形成し、これら複数本の流体通路４１
〜４３の両端部が電極２２又は２３との対向面の外周縁
側で共通の入口４４および出口４５を形成するようにし
てもよい。
状に限定されるものではなく、例えば図５に示すよう
に、電極２２又は２３との対向面の中心側でそれぞれ折
り返されるとともに互いに並行する複数本の流体通路４
１，４２，４３を形成し、これら複数本の流体通路４１
〜４３の両端部が電極２２又は２３との対向面の外周縁
側で共通の入口４４および出口４５を形成するようにし
てもよい。
【００２０】また、図６に示すように、同図中右回りに
収束する複数の同一形状の渦巻き状の流体通路７１，７
２，７３を形成してもよい。この場合、流体通路７１〜
７３は、それぞれ所定方向（図中左右方向）に離間する
入口７１ａ，７２ａ，７３ａおよび出口７１ｂ，７２
ｂ，７３ｂと、中間の折返し部７１ｃ，７２ｃ，７３ｃ
とを有している。このようにすると、上述と同様の効果
が期待できるのに加えて電極面積が大きい場合に有効で
ある。
収束する複数の同一形状の渦巻き状の流体通路７１，７
２，７３を形成してもよい。この場合、流体通路７１〜
７３は、それぞれ所定方向（図中左右方向）に離間する
入口７１ａ，７２ａ，７３ａおよび出口７１ｂ，７２
ｂ，７３ｂと、中間の折返し部７１ｃ，７２ｃ，７３ｃ
とを有している。このようにすると、上述と同様の効果
が期待できるのに加えて電極面積が大きい場合に有効で
ある。
【００２１】上記の何れの実施形態においても、分岐の
ない流体通路の屈曲又は湾曲部位における流体の進行方
向が右回りから左回りの向きにあるいはその逆方向に向
きを変える部位、すなわち折返し部に接する接線が、こ
の流体通路の他の部分と少なくとも１回以上交差するよ
うに形状設定されており、流体通路の折返し部より上流
側の部分の間を折返し部より下流側の部分が並行して通
る折返し形状となる。
ない流体通路の屈曲又は湾曲部位における流体の進行方
向が右回りから左回りの向きにあるいはその逆方向に向
きを変える部位、すなわち折返し部に接する接線が、こ
の流体通路の他の部分と少なくとも１回以上交差するよ
うに形状設定されており、流体通路の折返し部より上流
側の部分の間を折返し部より下流側の部分が並行して通
る折返し形状となる。
【００２２】
【実施例】フレミオン（登録商標）Ｓ膜（旭硝子社製パ
ーフルオロスルホン酸型イオン交換樹脂）からなる、イ
オン交換容量１．０ミリ当量／ｇ乾燥樹脂、膜厚８０μ
ｍの電解質２１に、燃料極および酸化剤極としてそれぞ
れ電極面積１６ｃｍ2 のＥ−ＴＥＫ社製ガス拡散電極
（白金使用量０．５ｍｇ／ｃｍ2 ）を接合して試験用の
接合体２０を作製した。そして、その接合体２０に、そ
れぞれチタンからなる次の実施例１〜４および比較例１
〜３のセパレータを組み合わせて、圧力３ａｔａの水素
および空気を供給し、セル温度７０゜Ｃにて０．６Ｖに
おけるそれぞれの出力電流密度を評価した。 ＜実施例１＞図３に示したセパレータ２４と同様な溝
（通路）形状を有し、電極２２，２３との実対向領域の
面積が１６ｃｍ2 となるセパレータを一対作製し、これ
らを接合体２０の両面に配置してセルユニットを作製し
た。 ＜実施例２＞図４に示したセパレータ２５と同様な溝
（通路）形状を有し、電極２２，２３との実対向領域の
面積が１６ｃｍ2 となるセパレータを一対作製し、これ
らを接合体２０の両面に配置してセルユニットを作製し
た。 ＜比較例１＞図１０に示したようにジグザグに９往復す
る流体通路８を有し、この通路８内の流体の流速および
圧力損失が実施例１，２と同じになるようにして、それ
ぞれ電極との実対向領域の面積が１６ｃｍ2 となるセパ
レータを一対作製し、これらを接合体２０の両面に配置
してセルユニットを作製した。 ＜実施例３＞図５に示した複数の通路４１，４２，４３
を形成するよう、電極との実対向領域の面積が１６ｃｍ
2 となるセパレータを一対作製し、これらを接合体２０
の両面に配置してセルユニットを作製した。 ＜比較例２＞図７に示すようにジグザグに往復して共通
の入口および出口８４，８５に接続する複数列の流体通
路８１，８２，８３を形成し、これらの通路８１〜８３
内の流体の流速および圧力損失が実施例３と同じになる
ようにして、それぞれ電極との実対向領域の面積が１６
ｃｍ2 となるセパレータを一対作製し、これらを実施例
３と同様な接合体２０の両面に配置してセルユニットと
した。 ＜実施例４＞図６に示した複数の同一形状の流体通路７
１，７２，７３を形成するよう、電極との実対向領域の
面積が１６ｃｍ2 となるセパレータを一対作製し、接合
体２０の両面に配置してセルユニットとした。 ＜比較例３＞図８に示すように、それぞれ入口９１ａ，
９２ａ，９３ａおよび出口９１ｂ，９２ｂ，９３ｂを有
するとともにジグザグに往復する複数の流体通路９１，
９２，９３を、これら流体通路９１〜９３内の流体の流
速および圧力損失が実施例４と同じになるように、それ
ぞれ電極２２，２３との実対向領域面積が１６ｃｍ2と
なるセパレータを一対作製し、これらを実施例４と同様
な接合体２０の両面に配置してセルユニットとした。
ーフルオロスルホン酸型イオン交換樹脂）からなる、イ
オン交換容量１．０ミリ当量／ｇ乾燥樹脂、膜厚８０μ
ｍの電解質２１に、燃料極および酸化剤極としてそれぞ
れ電極面積１６ｃｍ2 のＥ−ＴＥＫ社製ガス拡散電極
（白金使用量０．５ｍｇ／ｃｍ2 ）を接合して試験用の
接合体２０を作製した。そして、その接合体２０に、そ
れぞれチタンからなる次の実施例１〜４および比較例１
〜３のセパレータを組み合わせて、圧力３ａｔａの水素
および空気を供給し、セル温度７０゜Ｃにて０．６Ｖに
おけるそれぞれの出力電流密度を評価した。 ＜実施例１＞図３に示したセパレータ２４と同様な溝
（通路）形状を有し、電極２２，２３との実対向領域の
面積が１６ｃｍ2 となるセパレータを一対作製し、これ
らを接合体２０の両面に配置してセルユニットを作製し
た。 ＜実施例２＞図４に示したセパレータ２５と同様な溝
（通路）形状を有し、電極２２，２３との実対向領域の
面積が１６ｃｍ2 となるセパレータを一対作製し、これ
らを接合体２０の両面に配置してセルユニットを作製し
た。 ＜比較例１＞図１０に示したようにジグザグに９往復す
る流体通路８を有し、この通路８内の流体の流速および
圧力損失が実施例１，２と同じになるようにして、それ
ぞれ電極との実対向領域の面積が１６ｃｍ2 となるセパ
レータを一対作製し、これらを接合体２０の両面に配置
してセルユニットを作製した。 ＜実施例３＞図５に示した複数の通路４１，４２，４３
を形成するよう、電極との実対向領域の面積が１６ｃｍ
2 となるセパレータを一対作製し、これらを接合体２０
の両面に配置してセルユニットを作製した。 ＜比較例２＞図７に示すようにジグザグに往復して共通
の入口および出口８４，８５に接続する複数列の流体通
路８１，８２，８３を形成し、これらの通路８１〜８３
内の流体の流速および圧力損失が実施例３と同じになる
ようにして、それぞれ電極との実対向領域の面積が１６
ｃｍ2 となるセパレータを一対作製し、これらを実施例
３と同様な接合体２０の両面に配置してセルユニットと
した。 ＜実施例４＞図６に示した複数の同一形状の流体通路７
１，７２，７３を形成するよう、電極との実対向領域の
面積が１６ｃｍ2 となるセパレータを一対作製し、接合
体２０の両面に配置してセルユニットとした。 ＜比較例３＞図８に示すように、それぞれ入口９１ａ，
９２ａ，９３ａおよび出口９１ｂ，９２ｂ，９３ｂを有
するとともにジグザグに往復する複数の流体通路９１，
９２，９３を、これら流体通路９１〜９３内の流体の流
速および圧力損失が実施例４と同じになるように、それ
ぞれ電極２２，２３との実対向領域面積が１６ｃｍ2と
なるセパレータを一対作製し、これらを実施例４と同様
な接合体２０の両面に配置してセルユニットとした。
【００２３】上記実施例１〜４並びに比較例１〜３につ
いて０．６Ｖにおける出力電流密度を評価した結果は、
下表に示す通りである。 この結果から明らかなように、本発明によれば発電効率
を高め、出力特性を向上させることができる。
いて０．６Ｖにおける出力電流密度を評価した結果は、
下表に示す通りである。 この結果から明らかなように、本発明によれば発電効率
を高め、出力特性を向上させることができる。
【００２４】
【発明の効果】本発明によれば、入口から折返し部へと
セパレータの電極対向面の中心側に向かい、折返し部か
ら出口へと該対向面の外周縁に向かう流体通路を形成し
て、燃料濃度又は酸化剤濃度の異なる折返し部の上流側
および下流側の通路部分を流れ方向で入口に近いほど同
方向で出口に近い部分と近接して並行させることがで
き、反応物濃度を均一化させて発電効率を高め、発電効
率の高い燃料電池を提供することができる。
セパレータの電極対向面の中心側に向かい、折返し部か
ら出口へと該対向面の外周縁に向かう流体通路を形成し
て、燃料濃度又は酸化剤濃度の異なる折返し部の上流側
および下流側の通路部分を流れ方向で入口に近いほど同
方向で出口に近い部分と近接して並行させることがで
き、反応物濃度を均一化させて発電効率を高め、発電効
率の高い燃料電池を提供することができる。
【００２５】さらに、複数本の流体通路を、互いに並行
する流体通路として形成したり、それぞれほぼ同一形状
に屈曲および折返しさせたりすることで、電極面積の広
い場合にも極めて有効な実用性の高い通路配置を実現す
ることができる。
する流体通路として形成したり、それぞれほぼ同一形状
に屈曲および折返しさせたりすることで、電極面積の広
い場合にも極めて有効な実用性の高い通路配置を実現す
ることができる。
【図１】本発明に係る燃料電池の好ましい実施形態の一
例を示すその全体の概略構成図である。
例を示すその全体の概略構成図である。
【図２】図１に示した燃料電池のセルブロックの分解断
面図である。
面図である。
【図３】図１の燃料電池を構成するセパレータの通路形
状の一態様を示す図である。
状の一態様を示す図である。
【図４】図１の燃料電池を構成するセパレータの通路形
状の他の態様を示す図である。
状の他の態様を示す図である。
【図５】本発明に係る燃料電池の好ましい実施形態とし
て複数の通路が並行する例を示すその通路形状説明図で
ある。
て複数の通路が並行する例を示すその通路形状説明図で
ある。
【図６】本発明に係る燃料電池の好ましい実施形態とし
て渦巻き状の通路を所定ピッチで複数設けた例を示すそ
の通路形状説明図である。
て渦巻き状の通路を所定ピッチで複数設けた例を示すそ
の通路形状説明図である。
【図７】複数の通路がジグザグに並行する比較例２の通
路形状説明図である。
路形状説明図である。
【図８】複数の通路が個別にジグザグに屈曲しつつ所定
ピッチで配列された比較例３の通路形状説明図である。
ピッチで配列された比較例３の通路形状説明図である。
【図９】流体通路の中間部が多数の分岐通路を有する従
来のセパレータの通路形状説明図である。
来のセパレータの通路形状説明図である。
【図１０】流体通路がジグザグに屈曲した従来例（比較
例１）の通路形状説明図である。
例１）の通路形状説明図である。
１１ セルブロック（燃料電池、単電池） ２０ 接合体 ２１ 電解質（固体電解質） ２２，２３ 電極 ２４，２５ セパレータ ２４ａ，２５ａ 電極との対向面 ２６，２７ 流体通路 ２６ａ；２７ａ 入口 ２６ｂ；２７ｂ 出口 ２６ｃ；２７ｃ 折返し部 ２６ｄ，２７ｄ 上流側の通路部分 ２６ｅ，２７ｅ 下流側の通路部分 ２６ｓ，２７ｓ 直線部 ３１，３２； ３６，３７ リブ状の溝壁 ４１，４２，４３ 流体通路 ４４ 共通の入口 ４５ 共通の出口 ７１，７２，７３ 流体通路 ７１ａ，７２ａ，７３ａ 入口 ７１ｂ，７２ｂ，７３ｂ 出口 ７１ｃ，７２ｃ，７３ｃ 折返し部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 柳沢 栄治 神奈川県横浜市神奈川区羽沢町1150番地 旭硝子株式会社中央研究所内
Claims (7)
- 【請求項１】電解質の両側に該電解質を挟む一対の電極
を接合した接合体と、 該接合体の電極にそれぞれ対向する対向面が形成された
一対のセパレータと、を備え、 それぞれのセパレータの電極対向面に連続する溝を形成
し、前記電極およびセパレータの間に、該溝を通じて前
記電極に燃料又は酸化剤を供給する流体通路を形成した
燃料電池において、 前記溝のうち外周縁側に位置する部分が中心側に位置す
る部分を取り囲むよう形成され、 前記流体通路が、前記セパレータの外周縁側に位置する
入口および出口と、中心側に位置する折返し部と、を有
することを特徴とする燃料電池。 - 【請求項２】前記流体通路が、前記入口から前記折返し
部に向かって渦巻き状に曲がりながら収束する上流側の
通路部分と、前記折返し部から前記出口へと外方に向か
って渦巻き状に曲がりながら発散する下流側の通路部分
とからなり、該上流側の通路部分が該下流側の通路部分
とほぼ並行することを特徴とする請求項１に記載の燃料
電池。 - 【請求項３】前記溝が所定角度で多角形状に複数回屈曲
することを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電
池。 - 【請求項４】前記溝が湾曲した渦巻き形状であることを
特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池。 - 【請求項５】前記流体通路のうち前記折返し部からほぼ
等距離だけ入口側および出口側に離隔した通路部分どう
しが平行に配置されたことを特徴とする請求項３又は４
に記載の燃料電池。 - 【請求項６】前記流体通路が互いに並行して同一方向に
延在するよう複数設けられ、該複数の流体通路の両端部
がそれぞれ前記セパレータの対向面の外周縁側で共通の
入口および出口を形成していることを特徴とする請求項
１又は２に記載の燃料電池。 - 【請求項７】前記流体通路が複数設けられ、該複数の流
体通路がほぼ同一形状であることを特徴とする請求項１
又は２に記載の燃料電池。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9091818A JPH10284094A (ja) | 1997-04-10 | 1997-04-10 | 燃料電池 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9091818A JPH10284094A (ja) | 1997-04-10 | 1997-04-10 | 燃料電池 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10284094A true JPH10284094A (ja) | 1998-10-23 |
Family
ID=14037224
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP9091818A Pending JPH10284094A (ja) | 1997-04-10 | 1997-04-10 | 燃料電池 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH10284094A (ja) |
Cited By (14)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| WO2002059995A1 (fr) * | 2001-01-26 | 2002-08-01 | Helion | Plaque bipolaire legere pour pile a combustible et son procede de fabrication |
| JP2002237316A (ja) * | 2001-02-08 | 2002-08-23 | Kawasaki Heavy Ind Ltd | 燃料電池ガス流路構造 |
| KR20020092694A (ko) * | 2001-06-05 | 2002-12-12 | 한국에너지기술연구원 | 고분자 전해질 연료전지용 바이폴라 플레이트 |
| WO2002056402A3 (de) * | 2001-01-10 | 2003-10-30 | Daimler Chrysler Ag | Elektrochemischer brennstoffzellenstapel mit polymerelektrolyt |
| FR2858466A1 (fr) * | 2003-07-28 | 2005-02-04 | Renault Sa | Plaque bipolaire pour pile a combustible |
| FR2879353A1 (fr) * | 2004-12-10 | 2006-06-16 | Renault Sas | Plaque bipolaire comportant un sillon qui s'etend selon une double spirale et qui comporte un segment retiligne agence dans la zone centrale de la spirale |
| WO2009084183A1 (ja) * | 2007-12-28 | 2009-07-09 | Panasonic Corporation | 燃料電池用セパレータ及びそれを備える燃料電池 |
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| JP2014526115A (ja) * | 2011-06-24 | 2014-10-02 | セルエラ， インコーポレイテッド | 水素燃料源としての、および空気−ｃｏ２のためのゲッターとしての、アルカリ膜型燃料電池におけるアンモニアの使用 |
-
1997
- 1997-04-10 JP JP9091818A patent/JPH10284094A/ja active Pending
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