JPH0594831A

JPH0594831A - 燃料電池

Info

Publication number: JPH0594831A
Application number: JP3283503A
Authority: JP
Inventors: Takafumi Okamoto; 隆文岡本; Ichiro Baba; 一郎馬場; Hideo Kato; 英男加藤
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1991-10-03
Filing date: 1991-10-03
Publication date: 1993-04-16
Anticipated expiration: 2017-09-03
Also published as: JP3319609B2

Abstract

(57)【要約】【目的】燃料ガスと酸化剤ガスの流量を電解質板上の
領域ごとに独立して制御することにより、電解質板面上
における温度分布を均一化することができる燃料電池を
提供する。【構成】電解質板１とその両側に設けられたアノード
及びカソードからなる単位電池をセパレータ２と積層し
てなる積層体の周辺部において、積層方向の貫通孔６ａ
〜６ｍからなる２対の第一の孔６Ａ〜６Ｄを有する。セ
パレータ２の各々は隔離板２１の両側においてそれぞれ
第一の孔と連通する第二の孔を有する。燃料ガス及び酸
化剤ガスは各対の第一の孔の一方に流入し、第二の孔を
通って各電解質板１の両側を流通し、最後に第一の孔の
他方に流入する。第一の孔の各貫通孔を流れる反応ガス
の流量を調節することにより、電解質板１上の温度分布
等を均一化する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は燃料ガス及び酸化剤ガス
の効率的な流通が可能な積層型燃料電池に関し、特に電
解質板上での酸化還元反応の均一化を図り、温度分布、
電圧分布及び反応生成水分布の均一化を図ることができ
る積層型燃料電池に関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池は、一般に電解質板とその両側
に設けられたアノード及びカソードからなる単位電池
を、セパレータを介して積層してなる。

【０００３】反応ガスは、燃料ガスと酸化剤ガスからな
り、セパレータのアノード側には燃料ガスが供給され、
一方、セパレータのカソード側には酸化剤ガスが供給さ
れる。このような反応ガスの供給の結果、電気化学的反
応の進行に伴い電子が発生し、この電子を外部回路に取
り出すことにより、電気エネルギーを発生する。

【０００４】このようないわゆる積層型の燃料電池にお
いては、積層体の周辺部に空間部が設けられており、そ
の対向する空間部間で燃料ガス及び酸化剤ガスが流通す
るようになっている。

【０００５】しかしながら、このような構成の燃料電池
の場合、各電解質板上において、燃料ガス及び酸化剤ガ
スはそれぞれ一方向にのみ流通するので、燃料ガス及び
酸化剤ガスの接触時間が短い領域と接触時間が長い領域
とができ、同一面内においても酸化還元反応が不均一に
起こり、その結果温度及び電圧の不均一が生じることが
わかった。このため、燃料電池全体の発電効率が低下す
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】以上の事情において、
特開昭６２−１４７６６４号は、上記の温度、電圧等の
不均一な分布の問題を克服するために、電解質板を挟持
して対向配置された一対の電極板からなる単位電池を、
セパレータを介して複数個を積層してなる燃料電池の当
該電極板とセパレータとの間に反応ガスを流通させる燃
料電池の反応ガス供給方法において、前記反応ガスは交
互に対向する方向をもつ複数の流れを形成するように流
通され、かつ隣接する対向流は相互に分離、独立するよ
うになっていることを特徴とする方法を開示している。

【０００７】しかしながら、この反応ガス供給方法を行
う燃料電池では、反応ガスを交互に対向して流通させる
ために、反応ガスの供給機構及び配管が複雑になるとと
もに、燃料電池全体の容積及び重量が増大するという問
題がある。

【０００８】したがって本発明は、反応ガスの供給機構
が簡単であるとともに発電効率が高い燃料電池を提供す
ることである。

【０００９】本発明のもう１つの目的は電解質板の面上
における燃料ガスと酸化剤ガスの流量（流速）を調節す
ることにより、電解質板面上における温度分布及び電圧
分布を均一化することができる燃料電池を提供すること
である。

【００１０】

【課題を解決するための手段】以上に鑑み鋭意研究の結
果、本発明者は、電解質板とその両側に設けられたアノ
ード及びカソードからなる単位電池をセパレータを介し
て積層した積層体からなる燃料電池において、積層方向
に貫通する第一の孔と、前記セパレータの両面側におい
て面内方向に貫通する第二の孔とを設け、第一の孔の一
方に燃料ガスを流通させるとともに、第一の孔の他方に
酸化剤ガスを流通させ、第二の孔により各電解質板の両
側に燃料ガス及び酸化剤ガスがそれぞれ流通するように
することにより、反応ガス（燃料ガス及び酸化剤ガス）
の供給機構を簡単にすることができるとともに、燃料電
池全体の小型化を達成することができ、発電効率を向上
することができることを発見した。本発明者はまた、各
セパレータに配置する多孔質炭素板に複数の隔壁を設
け、隔壁により分離された領域に開口する第二の孔に連
通する第一の孔の各々の貫通孔に流入させる燃料ガス及
び酸化剤ガスの流量を独立して制御することにより、各
電解質板上の温度分布及び電圧分布を均一化することが
できることを発見した。本発明はこれらの発見に基づき
完成したものである。

【００１１】すなわち、本発明の燃料電池は、電解質板
とその両側に設けられたアノード及びカソードからなる
単位電池をセパレーを介して積層した積層体からなるも
のであって、前記積層体は周辺部において、積層方向に
貫通する複数の貫通孔からなる２対の第一の孔を有し、
前記セパレータの各々には隔離板が設けられているとと
もに、前記隔離板の両側においてそれぞれ第一の孔と連
通する面内方向の第二の孔を有し、燃料ガス及び酸化剤
ガスがそれぞれ各対の第一の孔の一方に流入するととも
に、前記第二の孔を通って各電解質板の両側を経て各対
の第一の孔の他方に流入することを特徴とする。

【００１２】

【実施例及び作用】本発明の一実施例による燃料電池
は、図１に示すように、それぞれ複数枚の正方形の電解
質板１及び正方形のセパレータ２が交互に積層されてい
て、両端にマニホールド３、４が取り付けられており、
全体はねじ５、５・・・により固定されている。

【００１３】図２に示すように、各電解質板１は、各周
辺部に複数個（本実施例では３個）ずつの開口部１１ａ
〜１１ｍが形成されている。なお各電解質板１の四隅に
は（必要ならば周辺部にも）ねじ５、５・・・による固
定用の開口部１２、１２・・・が設けられている。

【００１４】電解質板１は電気化学的反応により生成し
たＨ⁺イオン及び電子の伝導性がある物質であれば、い
かなる材料からなるものでもよいが、電解質板１の薄肉
化のために、ナフィオン１１７のような導電性ポリマー
のフィルム上に、Ｐｔの薄層をスパッタリング等により
形成し、その上に電極触媒層を形成したものが好まし
い。ナフィオン１１７は、下記式(1) 又は(2) により表
される構造を有するイオン交換膜の一種である。

【化１】ただし、(1) の出典は特開昭６２−１９５８５５号であ
り、(2) の出典は「化学One Point ８燃料電池」、共
立出版（株）発行、第５５〜５６頁である。

【００１５】また電極触媒層としては、白金粉末、カー
ボンブラック等をナフィオン溶液に分散させて、Ｐｔの
スパッタ薄膜上に塗布したものが好ましい。

【００１６】各セパレータ２は、図３に示すように、正
方形の隔離板２１と、その両側にパッキン２２、２２を
介して固着された正方形の枠状の板部材（以下単に「枠
板」という）２３、２４とからなる。図４に示すよう
に、隔離板２１の周辺部には、電解質板１の開口部１１
ａ〜１１ｍと対応する位置に、複数の開口部２１ａ〜２
１ｍが形成されている。また四隅等には、電解質板１と
同様に、ねじ穴２５、・・・が設けられている。

【００１７】図５(a）に示すように、各枠板２３の周辺
部には、隔離板２１の開口部２１ａ〜２１ｍと対応する
位置に、複数個の開口部２３ａ〜２３ｍが形成されてい
る。この枠板２３の裏面（隔離板２１側の面）には、対
向する開口部２３ｄ、２３ｅ、２３ｆ及び２３ｍ、２３
ｋ、２３ｊと各内辺との間を連通する複数の溝部２７
ｄ、２７ｅ、２７ｆ及び２７ｍ、２７ｋ、２７ｊが形成
されており、これらの溝部は隔離板と接触して第二の孔
を形成する。また四隅等にねじ固定用の開口部２６、・
・・が設けられている。

【００１８】図5(b)に示すように、もう１つの枠板２４
も同様の構造を有するが、溝部が連通する開口部は、枠
板２３の開口部２３ｄ、２３ｅ、２３ｆ及び２３ｍ、２
３ｋ、２３ｊと直交する方向において対向する開口部２
４ａ、２４ｂ、２４ｃ及び２４ｇ、２４ｈ、２４ｉであ
る。なお、四隅等にねじ固定用の開口部２９、・・・が
設けられている。隔離板２１及び枠板２３、２４の開口
部はそれぞれ整合して、セパレータ２を貫通する開口部
２ａ〜２ｍとなる。

【００１９】このような枠板２３、２４がパッキン２
２、２２を介して隔離板２１に固着されてなるセパレー
タ２は、図３のＡ−Ａ断面で見ると図６のような構造で
あり、図３のＢ−Ｂ断面で見ると図７のような構造であ
り、図３のＣ−Ｃ断面で見ると図８のような構造であ
る。すなわち、セパレータ２の周辺部においては、開口
部２ａ〜２ｃ、２ｄ〜２ｆ、２ｇ〜２ｉ、２ｊ〜２ｍが
それぞれセパレータを貫通している。これらの開口部２
ａ〜２ｍからなる貫通孔６ａ〜６ｍは、燃料電池の積層
方向に延在し、貫通孔６ａ〜６ｃと６ｇ〜６ｉが一対の
第一の孔６Ａ、６Ｂを構成し、貫通孔６ｄ〜６ｆと６ｊ
〜６ｍがもう一対の第一の孔６Ｃ、６Ｄを構成する。図
７に示すＢ−Ｂ断面においては、枠板２３の方に溝部２
７が形成されており、図８に示すＣ−Ｃ断面において
は、枠板２４の方に溝部２８が形成されている。

【００２０】このため、開口部２ａ、２ｂ、２ｃに反応
ガスの一方（例えば、燃料ガス）が流入し、開口部２
ｄ、２ｅ、２ｆに反応ガスの他方（例えば、酸化剤ガ
ス）が流入する場合、図３において隔離板２１の下側を
燃料ガスが流通するとともに隔離板２１の上側を酸化剤
ガスが流通することになる。電解質板１とセパレータ２
とは交互に積層されているので、電解質板１を中心に見
ると、その上側を燃料ガスが流通するとともに、酸化剤
ガスは下側を直交する方向に流通することになる。この
ように、各電解質板１の両側には必ず異なる反応ガスが
流通する構造となっているので、各々が単電池（セル）
を構成する。

【００２１】図９の(a) 及び(b) にそれぞれ示すよう
に、各枠板２３、２４の中央開口部には、多孔質炭素板
７、８が挿入されている。多孔質炭素板７、８は枠板２
３、２４の中央開口部とほぼ同一サイズであり、かつそ
の厚さも各枠板２３、２４＋パッキン２２の高さと同じ
である。

【００２２】各多孔質炭素板７、８には、複数の溝部７
ｃ、・・・、８ｃ、・・・が形成されているとともに、
各開口部２３ａ〜２３ｍ、２４ａ〜２４ｍの間に対応す
る位置に隔壁７ａ、７ｂ、８ａ、８ｂが形成されてい
る。隔壁７ａ、７ｂ、８ａ、８ｂとしては、多孔質炭素
板に部分的な緻密部を設けけたものを利用することがで
きる。後述するように、隔壁７ａ、７ｂ、８ａ、８ｂが
存在するために、各開口部２ａ〜２ｍを含む貫通孔（第
一の孔）６ａ〜６ｍに流入する反応ガスの流量を調節す
ることにより、多孔質炭素板上を流通する反応ガスの流
量をコントロールすることができる。

【００２３】図１に示す実施例においては、マニホール
ド３の一側面には燃料ガス流入用のパイプ３１、・・・
が取り付けられているとともに、隣接する側面には反応
生成水及び余剰の酸化剤ガスの排出用パイプ３２、・・
・が取り付けられている。一方、マニホールド４の一側
面（パイプ３２、・・・と反対側）には酸化剤ガス流入
用のパイプ４１、・・・が取り付けられているととも
に、隣接する側面（パイプ３１・・・と反対側）には余
剰燃料ガスの排出用パイプ４２・・・が取り付けられて
いる。

【００２４】マニホールド３のＤ−Ｄ断面を示す図１０
(a) から明らかなように、マニホールド３には、パイプ
３１、・・・と連通する孔３ａ、３ｂ、３ｃ及びパイプ
３２、・・・と連通する孔３ｊ、３ｋ、３ｍが設けられ
ており、孔３ａ、３ｂ、３ｃはそれぞれ貫通孔６ａ、６
ｂ、６ｃと連通し、孔３ｊ、３ｋ、３ｍはそれぞれ貫通
孔６ｊ、６ｋ、６ｍと連通している。同様に、マニホー
ルド４には、パイプ４１が連結した孔４ｄ、４ｅ、４ｆ
及びパイプ４２が連結した孔４ｇ、４ｈ、４ｉが設けら
れており、孔４ｄ、４ｅ、４ｆはそれぞれ貫通孔６ｄ、
６ｅ、６ｆと連通し、孔４ｇ、４ｈ、４ｉはそれぞれ貫
通孔６ｇ、６ｈ、６ｉと連通している。

【００２５】パイプ３１の他端は燃料ガス流量可変装置
５１に連結し、パイプ４１の他端は酸化剤ガス流量可変
装置５２に連結している。またパイプ３２の他端は排出
される反応生成水等の流量可変装置５３に連結し、パイ
プ４２の他端は排出される燃料ガスの流量可変装置５４
に連結している。各流量可変装置において、各パイプを
流通する反応ガスの流量を調節することができる。

【００２６】以上のような構成の燃料電池は、以下のよ
うに運転することができる。まず流量可変装置５１より
パイプ３１、・・・を経てマニホールド３の孔３ａ〜３
ｃ内に燃料ガスを流入するとともに、流量可変装置５２
よりパイプ４１、・・・を経てマニホールド４の孔４ｄ
〜４ｆ内に酸化剤ガスを流入する。なお、燃料ガスとし
ては水素ガスが好ましく、また酸化剤ガスとしては水素
ガスが好ましい。

【００２７】燃料ガスは、燃料電池を積層方向に貫通す
る各第一の孔６ａ、６ｂ、６ｃ内に流入し、各セパレー
タ２において、枠板２４の溝部２８ａ、２８ｂ、２８ｃ
を経て横方向に分流し、セパレータの凹部に収容された
多孔質炭素板の溝部内を流通して、対向する側の枠板の
溝部２８ｇ、２８ｈ、２８ｉを経て第一の孔６ｇ、６
ｈ、６ｉ内に流入する。燃料ガスの分流は全てのセパレ
ータ２上で起こるので、全ての燃料ガスは結局セパレー
タにより電解質板１の一方の側の多孔質炭素板上を流通
することになる。

【００２８】一方、酸化剤ガスは燃料電池を積層方向に
貫通する各第一の孔６ｄ、６ｅ、６ｆに流入し、各セパ
レータ２において、枠板２３の溝部２７ｄ、２７ｅ、２
７ｆを経て横方向に分流し、セパレータの凹部に収容さ
れた多孔質炭素板の溝部内を流通して、対向する側の枠
板２３の溝部２７ｊ、２７ｋ、２７ｍを経て第一の孔６
ｊ、６ｋ、６ｍ内に流入する。このように燃料ガスの場
合と同様に、全ての酸化剤ガスはセパレータにより電解
質板１の他方の側の多孔質炭素板上を流通する。

【００２９】燃料ガス及び酸化剤ガスはそれぞれ多孔質
炭素板８、７内を拡散して、電解質板１に達し、そこで
電気化学的反応が起こる。これは、典型的にＨ₂とＯ₂
の場合、Ｈ₂はＨ⁺とｅ^-とに分離し、Ｈ⁺イオンは電
解質板１内を伝導してＯ₂側に達し、電解質板１の表面
でＨ₂＋ 1/2Ｏ₂→Ｈ₂Ｏの反応が起こるとともに、電
子は燃料電池の端子から外部に電流として取り出され
る。

【００３０】なお、燃料ガスの流入口と酸化剤ガスの流
入口はそれぞれ燃料電池の積層方向において別々の側に
設けられているが、これは燃料電池の積層方向における
温度分布及び電圧分布の不均一化を防止するためであ
る。

【００３１】ところで、一般に燃料ガス及び酸化剤ガス
を均一な流量で流入させると、図１４に示すように、燃
料ガスと酸化剤ガスの接触時間が長くなる程温度及び電
圧が高くなるので、温度及び電圧の分布が不均一とな
る。これにより、図１５に示すように、反応生成水の分
布も温度及び電圧の分布と同様に不均一となる。

【００３２】この問題を解消するために、本発明の燃料
電池においては、各多孔質炭素板７、８には、各辺にお
ける第一の孔の数に相当する領域に区分されるように、
複数の隔壁７ａ、７ｂ、８ａ、８ｂが形成されており、
そのため多孔質炭素板７、８の各領域における反応ガス
の流量を流量可変装置によりコントロールして、上記分
布の不均一を防止することができる。

【００３３】具体的には、図１１に示すように、燃料ガ
スの流量はＦ_H1、Ｆ_H2、Ｆ_H3の順に大きくするととも
に、酸化剤ガスの流量もＦ_O1、Ｆ_O2、Ｆ_O3の順に大きく
する。このようにすると、図１３に示すように、電解質
板は反応ガスの流量に関して１１〜３３までの９つの領
域に区分される。領域１１から領域３３の方向に接触時
間（酸化還元反応時間）が長くなるので、それに応じて
反応ガスの流量（流速）を大きくしてやると、接触時間
（酸化還元反応時間）が各領域間で実質的に同じにな
る。そのため、図１１及び図１２に図式的に示すよう
に、温度、電圧及び反応生成水の分布が均一化する。

【００３４】以上の実施例において、第一の孔が３つの
貫通孔からなる場合について説明したが、貫通孔の数は
これに限られず、酸化還元反応の均一化の要求レベルに
応じて適宜選択することができる。また多孔質炭素板電
極上に温度センサーを設けておけば、温度分布が均一に
なるように反応ガスの流量をコントロールすることがで
きる。なお、以上に説明した態様に限らず、第一の孔の
各貫通孔を流通する反応ガスの流量を独立して制御する
ことができるので、最高の効率が得られるように反応ガ
スの流量制御を細かく行うことができる。

【００３５】

【発明の効果】以上詳述した通り、本発明の燃料電池に
おいて、燃料ガス及び酸化剤ガスがそれぞれ第一の孔内
に流入した後、第二の孔により分流して各電解質板の面
上を流通する構造となっているので、反応ガスの利用効
率が高くなるとともに、燃料電池全体の小型化に有利で
ある。

【００３６】また、第一の孔の各貫通孔に流入する燃料
ガス及び酸化剤ガスの流量を独立してコントロールする
ことにより、セパレータの第二の孔を経て多孔質炭素板
の溝部を流れる燃料ガス及び酸化剤ガスの流量が独立し
て異なるようになり、そのために多孔質炭素板の反応ガ
スの流量分布が、複数の領域において独立して制御され
るようになる。そのために、電解質板上における温度、
電圧及び反応生成水の分布を均一化することができると
いう利点を有する。この場合、一辺における第一の孔及
び第二の孔の数及び多孔質炭素板の領域数を多くすれ
ば、温度、電圧及び反応生成水のより厳密な分布の均一
化を達成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例による燃料電池の全体の構成
を示す部分分解斜視図である。

【図２】本発明の燃料電池に用いる電解質板を示す平面
図である。

【図３】本発明の燃料電池に用いるセパレータを示す斜
視図である。

【図４】図３のセパレータの中央隔離板を示す平面図で
ある。

【図５】図３のセパレータに用いる一対の枠板を示し、
(a) は図３における上側に設けられた枠板を示す底面図
であり、(b) は図３における下側に設けられた枠板を示
す平面図である。

【図６】図３のセパレータのＡ−Ａ断面図である。

【図７】図３のセパレータのＢ−Ｂ断面図である。

【図８】図３のセパレータのＣ−Ｃ断面図である。

【図９】セパレータの凹部に収容された状態で電解質板
の両面上に配置される多孔質炭素板を示し、(a) は図５
(a) のセパレータに収容される多孔質炭素板を示す底面
図であり、(b) は図５(b) のセパレータに収容される多
孔質炭素板を示す平面図である。

【図１０】燃料電池の両マニホールドの内部構造を示
し、(a) は図１のＤ−Ｄ断面図であり、(b) は図１のＥ
−Ｅ断面図である。

【図１１】本発明の燃料電池の電解質板上における反応
ガスの流量及び温度、電圧の分布を示す概略図である。

【図１２】本発明の燃料電池の電解質板上における反応
ガスの流量及び反応生成水を示す概略図である。

【図１３】本発明の燃料電池の電解質板において、反応
ガスの流量により区分される領域を示す概略図である。

【図１４】反応ガスを均一な流量で流入したときの電解
質板上における温度及び電圧の分布を示す概略図であ
る。

【図１５】反応ガスを均一な流量で流入したときの電解
質板上における反応生成水の分布を示す概略図である。

【符号の説明】

１・・・電解質板２・・・セパレータ３、４・・・マニホールド６Ａ〜６Ｄ・・・第一の孔６ａ〜６ｍ・・・貫通孔７、８・・・多孔質炭素板７ａ、７ｂ、８ａ、８ｂ・・・隔壁７ｃ、８ｃ・・・溝部１１ａ〜１１ｍ・・・第一の孔を形成する開口部２１ａ〜２１ｍ・・・第一の孔を形成する開口部２３ａ〜２３ｍ・・・第一の孔を形成する開口部２４ａ〜２４ｍ・・・第一の孔を形成する開口部２７ａ〜２７ｍ・・・第二の孔を形成する溝部２８ａ〜２８ｍ・・・第二の孔を形成する溝部３１、３２、４１、４２・・・パイプ５１〜５４・・・流量可変装置

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電解質板とその両側に設けられたアノー
ド及びカソードからなる単位電池をセパレータを介して
積層した積層体からなる燃料電池において、前記積層体
は周辺部において、積層方向に貫通する複数の貫通孔か
らなる２対の第一の孔を有し、前記セパレータの各々に
は隔離板が設けられているとともに、前記隔離板の両側
においてそれぞれ第一の孔と連通する面内方向の第二の
孔を有し、燃料ガス及び酸化剤ガスがそれぞれ各対の第
一の孔の一方に流入するとともに、前記第二の孔を通っ
て各電解質板の両側を経て各対の第一の孔の他方に流入
することを特徴とする燃料電池。
【請求項２】請求項１に記載の燃料電池において、前
記積層体の一端に燃料ガス流入口及び酸化剤ガス流出口
が設けられているとともに、他端に酸化剤ガス流入口及
び燃料ガスの流出口が設けられていることを特徴とする
燃料電池。
【請求項３】請求項１または２に記載の燃料電池にお
いて、各々の孔を流通するガスの流れは、分離独立して
いることを特徴とする燃料電池。
【請求項４】請求項３に記載の燃料電池において、前
記第一の孔の各々の貫通孔に流通するガスの流量を独立
して制御することを特徴とする燃料電池。
【請求項５】請求項１乃至４のいずれかに記載の燃料
電池において、各対の第一の孔は、前記積層体の対向す
る側辺部に設けられていることを特徴とする燃料電池。