JPH1055812A - 燃料電池 - Google Patents

燃料電池

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JPH1055812A
JPH1055812A JP8208512A JP20851296A JPH1055812A JP H1055812 A JPH1055812 A JP H1055812A JP 8208512 A JP8208512 A JP 8208512A JP 20851296 A JP20851296 A JP 20851296A JP H1055812 A JPH1055812 A JP H1055812A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】冷却媒体の解凍作業を容易かつ迅速に行うこと
ができ、しかも構成を簡素化することを可能にする。 【解決手段】固体高分子電解質膜12を挟んで空気極1
4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冷却媒体である水が導入される第1冷却通路60
と、前記空気極14側を冷却するための前記水よりも融
点の低い第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いる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、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
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、アノード側電極およびカソー
ド側電極を冷却する必要がある。このため、例えば、セ
パレータに冷却水用通路を設け、この通路に冷却水を供
給する構成が広く採用されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】ところが、上記の構成
を有する燃料電池では、特に寒冷地において使用する際
に、前記燃料電池内で冷却水が凍結してしまう場合があ
る。これにより、燃料電池の始動前に、冷却水を解凍す
る作業が必要となり、この種の作業が煩雑で、しかも時
間がかか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、冷却媒体の解凍作業を容易かつ迅速に行うことが
でき、しかも構成を簡素化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、セパレータに、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、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設けてい
る。そして、第1冷却媒体と第2冷却媒体とは、いずれ
か一方が他方よりも融点の低い物質に設定されており、
例えば、この第1冷却媒体が水であり、この第2冷却媒
体が前記水よりも融点の低い物質である。
【0008】従って、第1冷却通路で水が凍結した際に
は、この水よりも融点の低い第2冷却媒体が不凍媒体と
して第2冷却通路を流れることにより、該水との間で熱
交換が行われて前記凍結した水を容易に解凍することが
できる。しかも、燃料電池全体の構成を有効に簡素化す
ることが可能になる。
【0009】ここで、水の凍結を検知した際、第2冷却
媒体が加熱手段により加熱されると、前記凍結した水の
解凍作業が一層迅速かつ確実に遂行される。水の凍結検
知は、水圧を検出する圧力計および/または水の流量を
検出する流量計で行われる。
【0010】
【発明の実施の形態】図1は、本発明の実施形態に係る
燃料電池10の概略斜視説明図であり、図2は、前記燃
料電池10の一部分解斜視説明図である。
【0011】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、
複数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22a、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。
【0012】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。
【0013】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。
【0014】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。
【0015】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5参照)。
【0016】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。
【0017】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6および図7参照)。
【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(アノード側要素部材)56
とを有する。
【0019】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5参照)、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6および
図7参照)。
【0020】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。
【0021】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。
【0022】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。
【0023】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。
【0024】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、第1冷却媒体である水よりも融点の低い物質である
第2冷却媒体が供給される。
【0025】該第2冷却媒体は、具体的には、メタノー
ル(−97.78℃)、エタノール(−114.5
℃)、プロパノール(−127℃)、イソプロパノール
(−89.5℃)、1−ブタノール(−89.53
℃)、2−メチル−1−プロパノール(−108℃)、
2−ブタノール(−114.7℃)、1−ヘキサノール
(−44.6℃)、1−オクタノール(−14.9
℃)、2−エチルヘキサノール(<−76℃)、メタン
(−182.48℃)、エタン(−183.6℃)、プ
ロパン(−187.69℃)、エチレングリコール(−
12.6℃)、プロピレングリコール(流動点:−60
℃)、エチルエーテル(−116.3℃)、トルエン
(−95℃)、アンモニア(−77.7℃)、メチルア
ミン(−93.46℃)またはエチルアミン(−81.
0℃)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融点温度を示す。
【0026】図4に示すように、燃料電池10は、第1
冷却媒体である水を第1冷却通路60に循環供給する第
1循環系70と、第2冷却媒体を第2冷却通路62に循
環供給する第2循環系72とを備える。
【0027】第1循環系70は、水タンク74を備え、
この水タンク74と燃料電池10が第1循環路76によ
り連通している。この第1循環路76上には、水タンク
74から燃料電池10に水を供給するための水循環用ポ
ンプ78と、水圧を検出する圧力計80と、水の流量を
検出する流量計82とが配設される。圧力計80および
/または流量計82は、水の凍結を検知するための凍結
検知手段を構成している。
【0028】第2循環系72は、第2冷却媒体用リザー
ブタンク84を備え、このリザーブタンク84と燃料電
池10が第2循環路86により連通している。この第2
循環路86上には、リザーブタンク84から燃料電池1
0に第2冷却媒体を供給するための低融点冷却媒体循環
用ポンプ88と、水の凍結を検知した際に該水を解凍す
るための熱を前記第2冷却媒体に付与する熱交換器(加
熱手段)90とが配設される。
【0029】このように構成される燃料電池10の動作
について、以下に説明する。
【0030】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。
【0031】図5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
5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。
【0032】一方、第1冷却媒体である水は、図4に示
すように、ポンプ78の作用下に水タンク74から第1
循環路76を介して燃料電池10内に供給される。この
水は、図7に示すように、第1セパレータ部40の孔部
46g、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4
4と燃料ガス用整流板56の間、すなわち、第1冷却通
路60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。
【0033】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。
【0034】また、第2冷却媒体は、図4に示すよう
に、ポンプ88の作用下にリザーブタンク84から第2
循環路86を介して燃料電池10内に供給される。この
第2冷却媒体は、図6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62に下方か
ら上方に向かって導入される。この第2冷却媒体は、図
7に示すように、第1マニホールド板46の孔部46b
等を介して第2循環路86に戻される一方、第1冷却通
路に導入された水は、図6に示すように、第2マニホー
ルド板52の凹部58c等を介して第1循環路76に戻
される。
【0035】ところで、燃料電池10が寒冷地等で使用
される場合、この燃料電池10内で第1冷却媒体である
水が凍結し易い。そこで、本実施形態では、セパレータ
20に、第1冷却媒体が導入される第1冷却通路60と
第2冷却媒体が導入される第2冷却通路62とをそれぞ
れ独立して設けるとともに、この第2冷却媒体として、
前記第1冷却媒体である水よりも融点が低い物質を用い
ている。
【0036】これにより、水が凍結しても、第2冷却媒
体が不凍冷媒として第2冷却通路62を流れるため、凍
結した水と前記第2冷却媒体との間で仕切板44を挟ん
で熱交換が行われる。従って、簡単な構成で、凍結した
水を容易に解凍することができるという効果が得られ
る。
【0037】しかも、本実施形態では、図4に示すよう
に、第1および第2循環系70、72を備えている。こ
のため、燃料電池10内で水の凍結が発生すると、第1
循環系70に設けられた圧力計80により検出される圧
力指示値(水圧)が所定の値より高くなるとともに、流
量計82で水の流れが検出されなくなり、前記水が凍結
したことを自動的に検知することができる。
【0038】そこで、圧力計80および/または流量計
82の検出結果に基づいて、第2循環系72に配設され
た熱交換器90が駆動される。これにより、第2循環路
86を介して燃料電池10内に供給される第2冷却媒体
は、熱交換器90で加熱されており、前記燃料電池10
内で凍結している水を一層迅速かつ確実に解凍すること
が可能になる。
【0039】
【発明の効果】以上のように、本発明に係る燃料電池で
は、セパレータの第1冷却通路で第1冷却媒体である水
が凍結した際、この水よりも融点の低い第2冷却媒体
が、不凍媒体として第2冷却通路を流れ、前記水との間
で熱交換が行われる。このため、簡単な構成で、水を容
易かつ効率的に解凍することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態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および第2冷却媒体の循環系の概略説明図
である。
【図5】図1中、V−V線断面図である。
【図6】図1中、VI−VI線断面図である。
【図7】図1中、VII−VII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 70、72…循環
系 74…水タンク 76、86…循環
路 78、88…ポンプ 80…圧力計 82…流量計 84…リザーブタ
ンク 90…熱交換器

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とともに、 前記第1冷却媒体と前記第2冷却媒体とは、いずれか一
    方が他方よりも融点の低い物質に設定されていることを
    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
    ノード側電極側を冷却するための第1冷却媒体が水であ
    り、 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
    前記水よりも融点の低い物質で構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、前記水
    よりも融点の低い物質は、メタノール、エタノール、プ
    ロパノール、イソプロパノール、1−ブタノール、2−
    メチル−1−プロパノール、2−ブタノール、1−ヘキ
    サノール、1−オクタノール、2−エチルヘキサノー
    ル、メタン、エタン、プロパン、エチレングリコール、
    プロピレングリコール、エチルエーテル、トルエン、ア
    ンモニア、メチルアミンまたはエチルアミンであること
    を特徴とする燃料電池。
  4. 【請求項4】請求項2記載の燃料電池において、前記水
    を前記第1冷却通路に循環供給する第1循環系と、 前記第2冷却媒体を前記第2冷却通路に循環供給する第
    2循環系と、 を備え、 前記第1循環系は、前記水の凍結を検知する凍結検知手
    段を有し、 前記第2循環系は、前記水の凍結を検知した際、該水を
    解凍するための熱を前記第2冷却媒体に付与する加熱手
    段を有することを特徴とする燃料電池。
  5. 【請求項5】請求項4記載の燃料電池において、前記凍
    結検知手段は、前記第1循環系の水圧を検出する圧力計
    および/または該第1循環系の流量を検出する流量計を
    備えることを特徴とする燃料電池。
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