JPH06333590A - 固体高分子電解質型燃料電池 - Google Patents
固体高分子電解質型燃料電池Info
- Publication number
- JPH06333590A JPH06333590A JP5118848A JP11884893A JPH06333590A JP H06333590 A JPH06333590 A JP H06333590A JP 5118848 A JP5118848 A JP 5118848A JP 11884893 A JP11884893 A JP 11884893A JP H06333590 A JPH06333590 A JP H06333590A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- fuel cell
- gas
- separator
- gas flow
- polymer electrolyte
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/02—Details
- 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
- H01M8/026—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant characterised by grooves, e.g. their pitch or depth
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/02—Details
- 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
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
- H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
- H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
- H01M8/04156—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- 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
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】固体高分子電解質型燃料電池の性能を維持しな
がらも、そのガス流通溝内に液体状態の水が滞留するこ
との無いセパレータを備えた固体高分子電解質型燃料電
池を提供する。 【構成】固体高分子電解質型燃料電池の単電池２は、従
来例の固体高分子電解質型燃料電池の単電池に対して、
セパレータとして、セパレータ１Ａ，１Ｂを用いるよう
にしたものである。セパレータ１Ａ，１Ｂは、ガス流通
溝５１Ａ，５１Ｂのガス流通方向の寸法（図１において
Ａで示した。）を、セパレータ１Ａ，１Ｂの有する複数
個のガス流通溝５１Ａ，５１Ｂで形成されるガス流通溝
部の全幅寸法（図１においてＢで示した。）の１．５倍
としている。このような形状に設定することにより、ガ
ス流通溝５１Ａ，５１Ｂ部の持つ流体抵抗値を、従来例
の単電池の備えるセパレータのガス流通溝５１Ａ，５１
Ｂ部の持つ流体抵抗値のほぼ２倍に増大することができ
る。
がらも、そのガス流通溝内に液体状態の水が滞留するこ
との無いセパレータを備えた固体高分子電解質型燃料電
池を提供する。 【構成】固体高分子電解質型燃料電池の単電池２は、従
来例の固体高分子電解質型燃料電池の単電池に対して、
セパレータとして、セパレータ１Ａ，１Ｂを用いるよう
にしたものである。セパレータ１Ａ，１Ｂは、ガス流通
溝５１Ａ，５１Ｂのガス流通方向の寸法（図１において
Ａで示した。）を、セパレータ１Ａ，１Ｂの有する複数
個のガス流通溝５１Ａ，５１Ｂで形成されるガス流通溝
部の全幅寸法（図１においてＢで示した。）の１．５倍
としている。このような形状に設定することにより、ガ
ス流通溝５１Ａ，５１Ｂ部の持つ流体抵抗値を、従来例
の単電池の備えるセパレータのガス流通溝５１Ａ，５１
Ｂ部の持つ流体抵抗値のほぼ２倍に増大することができ
る。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、固体高分子電解質型
燃料電池に係わり、液体状態の水がガス流通溝内に滞留
することの無いよう改良されたセパレータの構造に関す
る。
燃料電池に係わり、液体状態の水がガス流通溝内に滞留
することの無いよう改良されたセパレータの構造に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】燃料電池として、これに使用される電解
質の種類により、固体高分子電解質型，りん酸型，溶融
炭酸塩型，固体酸化物型などの各種の燃料電池が知られ
ている。このうち、固体高分子電解質型燃料電池は、分
子中にプロトン（水素イオン）交換基を有する高分子樹
脂膜を飽和に含水させると，低い抵抗率を示してプロト
ン導電性電解質として機能することを利用した燃料電池
である。
質の種類により、固体高分子電解質型，りん酸型，溶融
炭酸塩型，固体酸化物型などの各種の燃料電池が知られ
ている。このうち、固体高分子電解質型燃料電池は、分
子中にプロトン（水素イオン）交換基を有する高分子樹
脂膜を飽和に含水させると，低い抵抗率を示してプロト
ン導電性電解質として機能することを利用した燃料電池
である。
【０００３】図４は、従来例のセパレータを使用した固
体高分子電解質燃料電池の単電池を展開した状態で模式
的に示した側面断面図である。図４において、７は、電
解質膜７Ａと、燃料電極（アノード極でもある。）３
と、酸化剤電極（カソード極でもある。）４とで構成さ
れている燃料電池セルである。電解質膜７Ａは、薄い矩
形状をなした固体高分子電解質膜（以降、ＰＥ膜と略称
することがある。）からなっている。燃料電極３は、Ｐ
Ｅ膜７Ａの一方の主面に密接して積層されて、燃料ガス
（例えば、水素あるいは水素を高濃度に含んだガスであ
る。）の供給を受ける電極である。また，酸化剤電極４
は、ＰＥ膜７Ａの他方の主面に密接して積層されて、酸
化剤ガス（例えば、空気である。）の供給を受ける電極
である。燃料電極３の外側面側が，燃料電池セル７の一
方の側面７ａであり、酸化剤電極４の外側面側が，燃料
電池セル７の他方の側面７ｂである。燃料電極３および
酸化剤電極４は、共に触媒活物質を含むそれぞれの触媒
層と、この触媒層を支持するとともに反応ガス（以降、
燃料ガスと酸化剤ガスを総称してこのように言うことが
有る。）を供給および排出するとともに集電体としての
機能を有する多孔質の電極基材とからなり、前記触媒層
をＰＥ膜７Ａの両主面にホットプレスにより密着させて
配置される。
体高分子電解質燃料電池の単電池を展開した状態で模式
的に示した側面断面図である。図４において、７は、電
解質膜７Ａと、燃料電極（アノード極でもある。）３
と、酸化剤電極（カソード極でもある。）４とで構成さ
れている燃料電池セルである。電解質膜７Ａは、薄い矩
形状をなした固体高分子電解質膜（以降、ＰＥ膜と略称
することがある。）からなっている。燃料電極３は、Ｐ
Ｅ膜７Ａの一方の主面に密接して積層されて、燃料ガス
（例えば、水素あるいは水素を高濃度に含んだガスであ
る。）の供給を受ける電極である。また，酸化剤電極４
は、ＰＥ膜７Ａの他方の主面に密接して積層されて、酸
化剤ガス（例えば、空気である。）の供給を受ける電極
である。燃料電極３の外側面側が，燃料電池セル７の一
方の側面７ａであり、酸化剤電極４の外側面側が，燃料
電池セル７の他方の側面７ｂである。燃料電極３および
酸化剤電極４は、共に触媒活物質を含むそれぞれの触媒
層と、この触媒層を支持するとともに反応ガス（以降、
燃料ガスと酸化剤ガスを総称してこのように言うことが
有る。）を供給および排出するとともに集電体としての
機能を有する多孔質の電極基材とからなり、前記触媒層
をＰＥ膜７Ａの両主面にホットプレスにより密着させて
配置される。
【０００４】また、５Ａは、ガスを透過しない材料を用
いて製作され、燃料電池セル７の一方の側面７ａ側に配
設されて，その片面に図示しない燃料ガスを通流させる
とともに，未消費の水素を含む燃料ガスを排出するガス
流通溝５１Ａを多数有するセパレータである。５Ｂは、
燃料電池セル７の他方の側面７ｂ側に配設されて，その
片面に図示しない酸化剤ガスを通流させるとともに，未
消費の酸素を含む酸化剤ガスを排出するガス流通溝５１
Ｂを多数有し、セパレータ５Ａと同様に、ガスを透過し
ない材料で製作されたセパレータである。セパレータ５
Ａは、ガス流通溝５１Ａが形成された側面５Ａａを燃料
電池セル７の側面７ａに密接させて、また、セパレータ
５Ｂは、ガス流通溝５１Ｂが形成された側面５Ｂａを燃
料電池セル７の側面７ｂに密接させて、それぞれ燃料電
池セル７を挟むようにして配設される。
いて製作され、燃料電池セル７の一方の側面７ａ側に配
設されて，その片面に図示しない燃料ガスを通流させる
とともに，未消費の水素を含む燃料ガスを排出するガス
流通溝５１Ａを多数有するセパレータである。５Ｂは、
燃料電池セル７の他方の側面７ｂ側に配設されて，その
片面に図示しない酸化剤ガスを通流させるとともに，未
消費の酸素を含む酸化剤ガスを排出するガス流通溝５１
Ｂを多数有し、セパレータ５Ａと同様に、ガスを透過し
ない材料で製作されたセパレータである。セパレータ５
Ａは、ガス流通溝５１Ａが形成された側面５Ａａを燃料
電池セル７の側面７ａに密接させて、また、セパレータ
５Ｂは、ガス流通溝５１Ｂが形成された側面５Ｂａを燃
料電池セル７の側面７ｂに密接させて、それぞれ燃料電
池セル７を挟むようにして配設される。
【０００５】さらに、６は、セパレータ５Ａ，５Ｂのガ
ス流通溝５１Ａ，５１Ｂ中を通流する反応ガスが、通流
路外に漏れ出るのを防止する役目を負うガスシール体で
あり、それぞれのセパレータ５Ａ，５Ｂの周縁部と、燃
料電池セル７の周縁部との間の空所に配置されるもので
ある。上記した燃料電池セル７の厚さ寸法は１〔ｍｍ〕
以下であり、その面積は広いほど製造原価の低減が図れ
ることから、可能なかぎり広い面積，例えば，１
〔ｍ 2 〕程度に製作される。また，燃料電池セル７と、
これを挟むように配設されるセパレータ５Ａ，５Ｂとで
構成された単電池８の厚さ寸法は、通常，１０〔ｍｍ〕
程度である。さらに、燃料電池セル７あるいはセパレー
タ５Ａ，５Ｂの平面方向の形状は、ガス流通溝５１Ａ，
５１Ｂの反応ガスの通流方向の寸法を相対的に短く、か
つ、ガス流通溝５１Ａ，５１Ｂに直行する方向の寸法を
相対的に長く設定している。これは、反応ガスがガス流
通溝５１Ａ，５１Ｂ内を通流する際に、その流体抵抗に
より発生する圧力降下値を可能な限り小さくすること
で、反応ガスを燃料電池せる７に供給するために必要と
なる動力を小さくするためである。なお、ガス流通溝５
１Ａ，５１Ｂの断面寸法は、共に、溝幅寸法を約２〔ｍ
ｍ〕，溝深さ寸法を約０．８〔ｍｍ〕としている。
ス流通溝５１Ａ，５１Ｂ中を通流する反応ガスが、通流
路外に漏れ出るのを防止する役目を負うガスシール体で
あり、それぞれのセパレータ５Ａ，５Ｂの周縁部と、燃
料電池セル７の周縁部との間の空所に配置されるもので
ある。上記した燃料電池セル７の厚さ寸法は１〔ｍｍ〕
以下であり、その面積は広いほど製造原価の低減が図れ
ることから、可能なかぎり広い面積，例えば，１
〔ｍ 2 〕程度に製作される。また，燃料電池セル７と、
これを挟むように配設されるセパレータ５Ａ，５Ｂとで
構成された単電池８の厚さ寸法は、通常，１０〔ｍｍ〕
程度である。さらに、燃料電池セル７あるいはセパレー
タ５Ａ，５Ｂの平面方向の形状は、ガス流通溝５１Ａ，
５１Ｂの反応ガスの通流方向の寸法を相対的に短く、か
つ、ガス流通溝５１Ａ，５１Ｂに直行する方向の寸法を
相対的に長く設定している。これは、反応ガスがガス流
通溝５１Ａ，５１Ｂ内を通流する際に、その流体抵抗に
より発生する圧力降下値を可能な限り小さくすること
で、反応ガスを燃料電池せる７に供給するために必要と
なる動力を小さくするためである。なお、ガス流通溝５
１Ａ，５１Ｂの断面寸法は、共に、溝幅寸法を約２〔ｍ
ｍ〕，溝深さ寸法を約０．８〔ｍｍ〕としている。
【０００６】１個の燃料電池セル７が発生する電圧は、
１〔Ｖ〕程度以下と低い値であるので、前記した単電池
８の多数個を、各燃料電池セル７と，これに介挿される
セパレータ５Ａ，５Ｂを介して、互いに直列接続した燃
料電池セル集積体（以降、スタックと略称することがあ
る。）として構成し、電圧を高めて実用に供されるのが
一般的である。
１〔Ｖ〕程度以下と低い値であるので、前記した単電池
８の多数個を、各燃料電池セル７と，これに介挿される
セパレータ５Ａ，５Ｂを介して、互いに直列接続した燃
料電池セル集積体（以降、スタックと略称することがあ
る。）として構成し、電圧を高めて実用に供されるのが
一般的である。
【０００７】図５は、固体高分子電解質型燃料電池のス
タックの模式的に示した構成図である。図５において、
９は、複数の単電池８を積層し、さらにその両端部に複
数の単電池８の持つ燃料電池セル７で発生した直流電気
を取り出すための集電板９１ａ，９１ｂと、単電池８お
よび集電板９１ａ，９１ｂを構造体から電気的に絶縁す
るための電気絶縁板９２ａ，９２ｂと、単電池８，集電
板９１ａ，９１ｂ、および電気絶縁板９２ａ，９２ｂを
積層した積層体の両外端部に配設される締付板９３ａ，
９３ｂと、締付板９３ａ，９３ｂに適度の加圧力を与え
る締め付けボルト９４を備え、これらに加えて、複数の
単電池８を積層する毎に介挿される冷却体９５とで構成
されている固体高分子電解質型燃料電池のスタックであ
る。このように構成されたスタック９において、セパレ
ータ５Ａ，５Ｂは、ガス流通溝５１Ａ，５１Ｂ中を通流
する反応ガスの流れ方向が、図５中に矢印で示したごと
く、その供給側を重力方向に対して上側に、その排出側
を重力方向に対して下側になるように配置される。
タックの模式的に示した構成図である。図５において、
９は、複数の単電池８を積層し、さらにその両端部に複
数の単電池８の持つ燃料電池セル７で発生した直流電気
を取り出すための集電板９１ａ，９１ｂと、単電池８お
よび集電板９１ａ，９１ｂを構造体から電気的に絶縁す
るための電気絶縁板９２ａ，９２ｂと、単電池８，集電
板９１ａ，９１ｂ、および電気絶縁板９２ａ，９２ｂを
積層した積層体の両外端部に配設される締付板９３ａ，
９３ｂと、締付板９３ａ，９３ｂに適度の加圧力を与え
る締め付けボルト９４を備え、これらに加えて、複数の
単電池８を積層する毎に介挿される冷却体９５とで構成
されている固体高分子電解質型燃料電池のスタックであ
る。このように構成されたスタック９において、セパレ
ータ５Ａ，５Ｂは、ガス流通溝５１Ａ，５１Ｂ中を通流
する反応ガスの流れ方向が、図５中に矢印で示したごと
く、その供給側を重力方向に対して上側に、その排出側
を重力方向に対して下側になるように配置される。
【０００８】燃料電池セル７においては、後記する直流
電気の発電を行う際に、発電する電力とほぼ同等量の損
失が発生する。この損失による熱を除去するのが前記の
冷却体９５の役目である。冷却体９５には、熱を除去す
るための図示しない水，空気等の冷媒を通流させて、燃
料電池セル７を後記する適温に保持する。したがって、
図５に示した構成のスタック９においては、セパレータ
５Ａ，５Ｂは、燃料電池セル７に供給する反応ガスの通
流路を確保するとともに、燃料電池セル７で発電された
直流電気を、集電板９１ａ，９１ｂに伝達する役目、さ
らには、燃料電池セル７で生じた熱を冷却体９５に伝達
する役目も果たしている。
電気の発電を行う際に、発電する電力とほぼ同等量の損
失が発生する。この損失による熱を除去するのが前記の
冷却体９５の役目である。冷却体９５には、熱を除去す
るための図示しない水，空気等の冷媒を通流させて、燃
料電池セル７を後記する適温に保持する。したがって、
図５に示した構成のスタック９においては、セパレータ
５Ａ，５Ｂは、燃料電池セル７に供給する反応ガスの通
流路を確保するとともに、燃料電池セル７で発電された
直流電気を、集電板９１ａ，９１ｂに伝達する役目、さ
らには、燃料電池セル７で生じた熱を冷却体９５に伝達
する役目も果たしている。
【０００９】このスタック９においては、複数の燃料電
池セル７が備える燃料電極３および酸化剤電極４のそれ
ぞれに、燃料電極３には燃料ガスを、また、酸化剤電極
４に酸化剤ガスを供給することで、それぞれの電極３，
４の触媒層とＰＥ膜でなる電解質層７Ａとの界面に三相
界面（前記触媒層中の触媒と、ＰＥ膜、いずれかの反応
ガスとが、互い接する界面のことを言う。）を形成さ
せ、電気化学反応を生じさせることで直流電気を発生さ
せる。なお前記触媒層は、微小な粒子状の白金触媒とは
っ水性を有するフッ素樹脂から形成されており、しかも
多数の細孔を形成することで、反応ガスの三層界面まで
の効率的な拡散を維持するするとともに、十分広い面積
の三層界面が形成される構成としている。
池セル７が備える燃料電極３および酸化剤電極４のそれ
ぞれに、燃料電極３には燃料ガスを、また、酸化剤電極
４に酸化剤ガスを供給することで、それぞれの電極３，
４の触媒層とＰＥ膜でなる電解質層７Ａとの界面に三相
界面（前記触媒層中の触媒と、ＰＥ膜、いずれかの反応
ガスとが、互い接する界面のことを言う。）を形成さ
せ、電気化学反応を生じさせることで直流電気を発生さ
せる。なお前記触媒層は、微小な粒子状の白金触媒とは
っ水性を有するフッ素樹脂から形成されており、しかも
多数の細孔を形成することで、反応ガスの三層界面まで
の効率的な拡散を維持するするとともに、十分広い面積
の三層界面が形成される構成としている。
【００１０】ところで、電解質層７Ａを形成しているＰ
Ｅ膜は、前述したとおり、分子中にプロトン（水素イオ
ン）交換基を有する高分子膜であり、飽和に含水させる
と常温で２０〔Ω・ｃｍ〕以下の抵抗率を示してプロト
ン導電性電解質として機能する膜である。このＰＥ膜と
しては、現時点においては、パ−フルオロスルホン酸樹
脂膜（例えば、米国、デュポン社製、商品名ナフィオン
膜）等が知られている。このようなＰＥ膜を用いた電解
質層７Ａと、触媒層と、反応ガスとが形成する三相界面
で生じる電気化学反応は、次のとおりである。
Ｅ膜は、前述したとおり、分子中にプロトン（水素イオ
ン）交換基を有する高分子膜であり、飽和に含水させる
と常温で２０〔Ω・ｃｍ〕以下の抵抗率を示してプロト
ン導電性電解質として機能する膜である。このＰＥ膜と
しては、現時点においては、パ−フルオロスルホン酸樹
脂膜（例えば、米国、デュポン社製、商品名ナフィオン
膜）等が知られている。このようなＰＥ膜を用いた電解
質層７Ａと、触媒層と、反応ガスとが形成する三相界面
で生じる電気化学反応は、次のとおりである。
【００１１】アノード電極３では（１）式の反応が起こ
る。
る。
【００１２】
【数１】
【００１３】カソード電極４では（２）式の反応が起こ
る。
る。
【００１４】
【数２】
【００１５】つまりアノード電極３においては、外部よ
り供給された水素がプロトンと電子を生成する。この生
成されたプロトンは、ＰＥ膜７Ａ中をカソード電極４に
向かって移動し、電子は、図示しない外部電気回路を通
ってカソード電極４に移動する。一方、カソード電極４
においては、外部より供給された酸素とＰＥ膜７Ａ中を
アノード電極３より移動してきたプロトンと外部電気回
路より移動してきた電子が反応し、水分を生成する。か
くして、燃料電池セル７は、水素と酸素を得て直流電気
を発電するのである。このような固体高分子電解質型燃
料電池においては、ＰＥ膜７Ａの抵抗率を小さくして高
い発電効率が得られるようにするために、通常、５０
〔℃〕から１００〔℃〕程度の温度条件で運転される。
なお、このＰＥ膜７Ａは、反応ガスである燃料ガスや酸
化剤ガスが透過しない膜でもあるので、反応ガスが相互
に混合するいわゆるクロスリークを防止する役目も果た
している。
り供給された水素がプロトンと電子を生成する。この生
成されたプロトンは、ＰＥ膜７Ａ中をカソード電極４に
向かって移動し、電子は、図示しない外部電気回路を通
ってカソード電極４に移動する。一方、カソード電極４
においては、外部より供給された酸素とＰＥ膜７Ａ中を
アノード電極３より移動してきたプロトンと外部電気回
路より移動してきた電子が反応し、水分を生成する。か
くして、燃料電池セル７は、水素と酸素を得て直流電気
を発電するのである。このような固体高分子電解質型燃
料電池においては、ＰＥ膜７Ａの抵抗率を小さくして高
い発電効率が得られるようにするために、通常、５０
〔℃〕から１００〔℃〕程度の温度条件で運転される。
なお、このＰＥ膜７Ａは、反応ガスである燃料ガスや酸
化剤ガスが透過しない膜でもあるので、反応ガスが相互
に混合するいわゆるクロスリークを防止する役目も果た
している。
【００１６】前記したところにより、固体高分子電解質
型燃料電池の発電効率を高く維持するためには、前記運
転温度でＰＥ膜７Ａの含水状態を飽和状態に維持するこ
とが必要であり、このために、従来から反応ガスに加湿
を行い、湿度を高めて燃料電池セル７へ供給し、ＰＥ膜
７Ａから反応ガスへの水分の蒸発を抑えて、ＰＥ膜７Ａ
が乾燥するのを防止することが実施されている。ところ
で、燃料電池セル７においては、前記したように、発電
時の反応生成物として水分が生成される。このために、
単電池８内での反応ガスは、上流側（供給側）に対して
下流側（排出側）では反応生成水に相当する量だけ多量
に水蒸気が含有されることとなる。したがって、供給す
る反応ガスを飽和に加湿して固体高分子電解質型燃料電
池に供給すると、排出側の反応ガス中には過飽和な水蒸
気が含まれることになる。この結果、排出側の反応ガス
では過飽和に相当する水蒸気が凝結して液体状態で存在
することとなる。この液体状態の水は、セパレータ５
Ａ，５Ｂの備えるガス流通溝５１Ａ，５１Ｂが、反応ガ
スの供給側を重力方向に対して上側、排出側を重力方向
に対して下側になるように配置されていることで、ガス
流通溝５１Ａ，５１Ｂ中を重力により流下して固体高分
子電解質型燃料電池の外へ排出される。
型燃料電池の発電効率を高く維持するためには、前記運
転温度でＰＥ膜７Ａの含水状態を飽和状態に維持するこ
とが必要であり、このために、従来から反応ガスに加湿
を行い、湿度を高めて燃料電池セル７へ供給し、ＰＥ膜
７Ａから反応ガスへの水分の蒸発を抑えて、ＰＥ膜７Ａ
が乾燥するのを防止することが実施されている。ところ
で、燃料電池セル７においては、前記したように、発電
時の反応生成物として水分が生成される。このために、
単電池８内での反応ガスは、上流側（供給側）に対して
下流側（排出側）では反応生成水に相当する量だけ多量
に水蒸気が含有されることとなる。したがって、供給す
る反応ガスを飽和に加湿して固体高分子電解質型燃料電
池に供給すると、排出側の反応ガス中には過飽和な水蒸
気が含まれることになる。この結果、排出側の反応ガス
では過飽和に相当する水蒸気が凝結して液体状態で存在
することとなる。この液体状態の水は、セパレータ５
Ａ，５Ｂの備えるガス流通溝５１Ａ，５１Ｂが、反応ガ
スの供給側を重力方向に対して上側、排出側を重力方向
に対して下側になるように配置されていることで、ガス
流通溝５１Ａ，５１Ｂ中を重力により流下して固体高分
子電解質型燃料電池の外へ排出される。
【００１７】なおまた、セパレータとしては、前述した
溝５１Ａあるいは溝５１Ｂを一方の側面のみに配設した
構成のセパレータ５Ａ，５Ｂ以外に、スタック構成の際
に互いに隣接するセパレータの溝も一体に形成すること
で，スタック構成の合理化を図るために、ガス流通溝５
１Ａ，５１Ｂをその両側面に配設するようにしたセパレ
ータも知られている。
溝５１Ａあるいは溝５１Ｂを一方の側面のみに配設した
構成のセパレータ５Ａ，５Ｂ以外に、スタック構成の際
に互いに隣接するセパレータの溝も一体に形成すること
で，スタック構成の合理化を図るために、ガス流通溝５
１Ａ，５１Ｂをその両側面に配設するようにしたセパレ
ータも知られている。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】前述した従来技術によ
るセパレータを用いた固体高分子電解質型燃料電池にお
いては、直流発電の機能を十分に発揮するのであるが、
次のような問題が有る。すなわち、固体高分子電解質型
燃料電池を高い効率が得られる状態で運転するために
は、前述のとおりＰＥ膜の含水状態を飽和状態に維持す
ることが必要であり、ＰＥ膜が乾燥するのを防ぐため
に、供給する反応ガスを加湿して反応ガスの湿度を高め
ることでＰＥ膜からの水の蒸発を抑えてきた。しかし、
燃料電池の発電反応に伴い水分が生成するために、反応
ガスの下流側では反応ガスは飽和水蒸気量以上の蒸気量
を含み、過剰な水蒸気は液体状態で存在することとな
る。この液体状態の水はガス流通溝５１Ａ，５１Ｂ内を
流下して排出されるのであるが、ガス流通溝５１Ａ，５
１Ｂの壁の毛管力によりガス流通溝５１Ａ，５１Ｂ内に
滞留することが多く発生している。ガス流通溝５１Ａ，
５１Ｂ内に水が滞留すると、反応ガスの通流用の通路が
閉塞されることで反応ガスの通流が阻害されて、固体高
分子電解質型燃料電池の電気出力が不安定化されること
となる。ガス流通溝５１Ａ，５１Ｂの生じる毛管力を低
めて、液体状態の水が重力により自然に流下するように
するために、その溝幅および溝深さの寸法を大きくする
方法が考えられるが、しかし、溝幅を広げると、セパレ
ータ５Ａと燃料電極３，およびセパレータ５Ｂと酸化剤
電極４との間の接触面積が減るために、燃料電池セル７
で発生した電流の効率的な集電や，燃料電池セル７で発
生した損失に伴う熱の除去が困難になる。また、溝深さ
を深くすると、セパレータ５Ａ，５Ｂの厚さが増加する
ことで、スタック９が大型化してしまう等の、新しい問
題を発生することになっていた。
るセパレータを用いた固体高分子電解質型燃料電池にお
いては、直流発電の機能を十分に発揮するのであるが、
次のような問題が有る。すなわち、固体高分子電解質型
燃料電池を高い効率が得られる状態で運転するために
は、前述のとおりＰＥ膜の含水状態を飽和状態に維持す
ることが必要であり、ＰＥ膜が乾燥するのを防ぐため
に、供給する反応ガスを加湿して反応ガスの湿度を高め
ることでＰＥ膜からの水の蒸発を抑えてきた。しかし、
燃料電池の発電反応に伴い水分が生成するために、反応
ガスの下流側では反応ガスは飽和水蒸気量以上の蒸気量
を含み、過剰な水蒸気は液体状態で存在することとな
る。この液体状態の水はガス流通溝５１Ａ，５１Ｂ内を
流下して排出されるのであるが、ガス流通溝５１Ａ，５
１Ｂの壁の毛管力によりガス流通溝５１Ａ，５１Ｂ内に
滞留することが多く発生している。ガス流通溝５１Ａ，
５１Ｂ内に水が滞留すると、反応ガスの通流用の通路が
閉塞されることで反応ガスの通流が阻害されて、固体高
分子電解質型燃料電池の電気出力が不安定化されること
となる。ガス流通溝５１Ａ，５１Ｂの生じる毛管力を低
めて、液体状態の水が重力により自然に流下するように
するために、その溝幅および溝深さの寸法を大きくする
方法が考えられるが、しかし、溝幅を広げると、セパレ
ータ５Ａと燃料電極３，およびセパレータ５Ｂと酸化剤
電極４との間の接触面積が減るために、燃料電池セル７
で発生した電流の効率的な集電や，燃料電池セル７で発
生した損失に伴う熱の除去が困難になる。また、溝深さ
を深くすると、セパレータ５Ａ，５Ｂの厚さが増加する
ことで、スタック９が大型化してしまう等の、新しい問
題を発生することになっていた。
【００１９】この発明は、前述の従来技術の問題点に鑑
みなされたものであり、その目的は、固体高分子電解質
型燃料電池の性能を維持しながらも、そのガス流通溝内
に液体状態の水が滞留することの無いセパレータを備え
た固体高分子電解質型燃料電池を提供することにある。
みなされたものであり、その目的は、固体高分子電解質
型燃料電池の性能を維持しながらも、そのガス流通溝内
に液体状態の水が滞留することの無いセパレータを備え
た固体高分子電解質型燃料電池を提供することにある。
【００２０】
【課題を解決するための手段】この発明では前述の目的
は、 １）燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給を受けて直流電力
を発電する燃料電池セルと、この燃料電池セルの両面に
配置されて，燃料電池セルに燃料ガスまたは酸化剤ガス
を供給するための複数個のガス流通溝を有するセパレー
タとを備え、燃料電池セルは、固体高分子電解質膜でな
るＰＥ膜と、このＰＥ膜の二つの主面のそれぞれに密着
して配置された電極とを有するものである、固体高分子
電解質型燃料電池において、セパレータは、セパレータ
の有するそれぞれのガス流通溝のガス流通方向の長さ寸
法が、セパレータの有する複数個のガス流通溝で形成さ
れるガス流通溝部の全幅寸法よりも長いものである構成
とする、により達成される。
は、 １）燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給を受けて直流電力
を発電する燃料電池セルと、この燃料電池セルの両面に
配置されて，燃料電池セルに燃料ガスまたは酸化剤ガス
を供給するための複数個のガス流通溝を有するセパレー
タとを備え、燃料電池セルは、固体高分子電解質膜でな
るＰＥ膜と、このＰＥ膜の二つの主面のそれぞれに密着
して配置された電極とを有するものである、固体高分子
電解質型燃料電池において、セパレータは、セパレータ
の有するそれぞれのガス流通溝のガス流通方向の長さ寸
法が、セパレータの有する複数個のガス流通溝で形成さ
れるガス流通溝部の全幅寸法よりも長いものである構成
とする、により達成される。
【００２１】
【作用】この発明においては、固体高分子電解質型燃料
電池の備えるセパレータを、セパレータの有するそれぞ
れのガス流通溝のガス流通方向の長さ寸法が、セパレー
タの有する複数個のガス流通溝で形成されるガス流通溝
部の全幅寸法よりも長いものである構成とすることによ
り、ガス流通溝の反応ガスの通流する流路の流体抵抗値
が増大される。したがって、ガス流通溝中を通流する反
応ガス流に発生する圧力降下値は大きくされる。この結
果、セパレータの反応ガスの供給端と，反応ガスの排出
端との間で、大きな圧力差を得ることが可能となる。こ
の大きな圧力差をを用いて、ガス流通溝内に残留しよう
とする液体状態の水を、反応ガスの圧力により強制的に
排出することが可能となるのである。
電池の備えるセパレータを、セパレータの有するそれぞ
れのガス流通溝のガス流通方向の長さ寸法が、セパレー
タの有する複数個のガス流通溝で形成されるガス流通溝
部の全幅寸法よりも長いものである構成とすることによ
り、ガス流通溝の反応ガスの通流する流路の流体抵抗値
が増大される。したがって、ガス流通溝中を通流する反
応ガス流に発生する圧力降下値は大きくされる。この結
果、セパレータの反応ガスの供給端と，反応ガスの排出
端との間で、大きな圧力差を得ることが可能となる。こ
の大きな圧力差をを用いて、ガス流通溝内に残留しよう
とする液体状態の水を、反応ガスの圧力により強制的に
排出することが可能となるのである。
【００２２】
【実施例】以下この発明の実施例を図面を参照して詳細
に説明する。図１は、この発明の一実施例による固体高
分子電解質型燃料電池に用いるセパレータを示すもの
で、（ａ）はその平面図、（ｂ）はその側面図である。
図２は、図１によるセパレータを用いた固体高分子電解
質型燃料電池の単電池を展開した状態で模式的に示した
側面断面図である。図１，図２において図４に示した従
来例による固体高分子電解質型燃料電池と同一部分には
同じ符号を付し、その説明を省略する。
に説明する。図１は、この発明の一実施例による固体高
分子電解質型燃料電池に用いるセパレータを示すもの
で、（ａ）はその平面図、（ｂ）はその側面図である。
図２は、図１によるセパレータを用いた固体高分子電解
質型燃料電池の単電池を展開した状態で模式的に示した
側面断面図である。図１，図２において図４に示した従
来例による固体高分子電解質型燃料電池と同一部分には
同じ符号を付し、その説明を省略する。
【００２３】図１，図２において、２は、図４に示した
従来例の固体高分子電解質型燃料電池の単電池８に対し
て、セパレータ５Ａ，５Ｂに替えてセパレータ１Ａ，１
Ｂを用いるようにした固体高分子電解質型燃料電池の単
電池である。セパレータ１（以降、セパレータ１Ａ，１
Ｂを総称する場合には、このように言うことがある。）
は、従来例のセパレータ５Ａ，５Ｂに対してガス流通溝
５１（以降、ガス流通溝５１Ａ，５１Ｂを総称する場合
には、このように言うことがある。）のガス流通方向の
寸法（図１においてＡで示した。）を、セパレータ１の
有する複数個のガス流通溝５１で形成されるガス流通溝
部の全幅寸法（図１においてＢで示した。）の１．５倍
としている。なお、ガス流通溝５１の断面寸法は、セパ
レータ５Ａ，５Ｂと同様の、溝幅寸法が約２〔ｍｍ〕，
溝深さ寸法を約０．８〔ｍｍ〕である。また、これと関
連させて、燃料電池セル７の面方向の寸法も、セパレー
タ１の面方向の寸法に対応させたものとしている。
従来例の固体高分子電解質型燃料電池の単電池８に対し
て、セパレータ５Ａ，５Ｂに替えてセパレータ１Ａ，１
Ｂを用いるようにした固体高分子電解質型燃料電池の単
電池である。セパレータ１（以降、セパレータ１Ａ，１
Ｂを総称する場合には、このように言うことがある。）
は、従来例のセパレータ５Ａ，５Ｂに対してガス流通溝
５１（以降、ガス流通溝５１Ａ，５１Ｂを総称する場合
には、このように言うことがある。）のガス流通方向の
寸法（図１においてＡで示した。）を、セパレータ１の
有する複数個のガス流通溝５１で形成されるガス流通溝
部の全幅寸法（図１においてＢで示した。）の１．５倍
としている。なお、ガス流通溝５１の断面寸法は、セパ
レータ５Ａ，５Ｂと同様の、溝幅寸法が約２〔ｍｍ〕，
溝深さ寸法を約０．８〔ｍｍ〕である。また、これと関
連させて、燃料電池セル７の面方向の寸法も、セパレー
タ１の面方向の寸法に対応させたものとしている。
【００２４】セパレータ１の形状をこのように設定する
ことにより、発電反応に関する有効部（図１中に点線で
囲んだ四角形で示した。）の面積を同一とした従来例の
セパレータ５Ａ，５Ｂ（前述したとおり、ガス流通溝５
１の反応ガスの通流方向の寸法を相対的に短く、かつ、
ガス流通溝５１に直行する方向の寸法を相対的に長く設
定している。）と比較すると、例えば、セパレータ５
Ａ，５ＢでＡ／Ｂ＝２／３に設定されている場合には、
セパレータ１では、ガス流通溝５１部の流体抵抗値はほ
ぼ２倍になる。これにより、ガス流通溝５１中を通流す
る反応ガス流に発生する圧力降下値もほぼ２倍に増大さ
れるので、セパレータの反応ガスの供給側端と，反応ガ
スの排出側端との間で、２倍の圧力差を得ることが可能
となる。この大きな圧力差を用いて、ガス流通溝５１内
に残留しようとする液体状態の水を、反応ガスにより強
制的に排出することができるのである。
ことにより、発電反応に関する有効部（図１中に点線で
囲んだ四角形で示した。）の面積を同一とした従来例の
セパレータ５Ａ，５Ｂ（前述したとおり、ガス流通溝５
１の反応ガスの通流方向の寸法を相対的に短く、かつ、
ガス流通溝５１に直行する方向の寸法を相対的に長く設
定している。）と比較すると、例えば、セパレータ５
Ａ，５ＢでＡ／Ｂ＝２／３に設定されている場合には、
セパレータ１では、ガス流通溝５１部の流体抵抗値はほ
ぼ２倍になる。これにより、ガス流通溝５１中を通流す
る反応ガス流に発生する圧力降下値もほぼ２倍に増大さ
れるので、セパレータの反応ガスの供給側端と，反応ガ
スの排出側端との間で、２倍の圧力差を得ることが可能
となる。この大きな圧力差を用いて、ガス流通溝５１内
に残留しようとする液体状態の水を、反応ガスにより強
制的に排出することができるのである。
【００２５】
【発明の効果】この発明においては、前述の構成とする
ことにより、ガス流通部の流体抵抗値が増大し，反応ガ
ス流に発生する圧力降下値が大きくなり、これによる増
大された圧力差を用いてガス流通溝内に残留しようとす
る液体状態の水が反応ガスにより強制的に排出されるの
で、ガス流通溝内に液体状態の水が滞留するという問題
は解消される。これにより、図３に例示したごとく、固
体高分子電解質型燃料電池は安定した運転を行うことが
可能となるとの効果が有る。
ことにより、ガス流通部の流体抵抗値が増大し，反応ガ
ス流に発生する圧力降下値が大きくなり、これによる増
大された圧力差を用いてガス流通溝内に残留しようとす
る液体状態の水が反応ガスにより強制的に排出されるの
で、ガス流通溝内に液体状態の水が滞留するという問題
は解消される。これにより、図３に例示したごとく、固
体高分子電解質型燃料電池は安定した運転を行うことが
可能となるとの効果が有る。
【図１】この発明の一実施例による固体高分子電解質型
燃料電池に用いるセパレータを示すもので、（ａ）はそ
の平面図、（ｂ）はその側面図
燃料電池に用いるセパレータを示すもので、（ａ）はそ
の平面図、（ｂ）はその側面図
【図２】図１によるセパレータを用いた固体高分子電解
質型燃料電池の単電池を展開した状態で模式的に示した
側面断面図
質型燃料電池の単電池を展開した状態で模式的に示した
側面断面図
【図３】図１によるセパレータを用いた固体高分子電解
質型燃料電池の単電池の、運転データの一例を示すグラ
フ
質型燃料電池の単電池の、運転データの一例を示すグラ
フ
【図４】従来例のセパレータを使用した固体高分子電解
質燃料電池の単電池を展開した状態で模式的に示した側
面断面図
質燃料電池の単電池を展開した状態で模式的に示した側
面断面図
【図５】固体高分子電解質型燃料電池のスタックの模式
的に示した構成図
的に示した構成図
１ セパレータ １Ａ セパレータ １Ｂ セパレータ ２ 単電池 ５１ ガス流通溝 ５１Ａ ガス流通溝 ５１Ｂ ガス流通溝 ７ 燃料電池セル
Claims (1)
- 【請求項１】燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給を受けて
直流電力を発電する燃料電池セルと、この燃料電池セル
の両面に配置されて，燃料電池セルに燃料ガスまたは酸
化剤ガスを供給するための複数個のガス流通溝を有する
セパレータとを備え、 燃料電池セルは、固体高分子電解質膜でなる電解質層
と、この電解質層の二つの主面のそれぞれに密着して配
置された電極とを有するものである、 固体高分子電解質型燃料電池において、 セパレータは、セパレータの有するそれぞれのガス流通
溝のガス流通方向の長さ寸法が、セパレータの有する複
数個のガス流通溝で形成されるガス流通溝部の全幅寸法
よりも長いものである、ことを特徴とする固体高分子電
解質型燃料電池。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5118848A JPH06333590A (ja) | 1993-05-21 | 1993-05-21 | 固体高分子電解質型燃料電池 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5118848A JPH06333590A (ja) | 1993-05-21 | 1993-05-21 | 固体高分子電解質型燃料電池 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06333590A true JPH06333590A (ja) | 1994-12-02 |
Family
ID=14746647
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5118848A Pending JPH06333590A (ja) | 1993-05-21 | 1993-05-21 | 固体高分子電解質型燃料電池 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH06333590A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE4308393A1 (ja) * | 1992-03-17 | 1993-09-23 | Honda Motor Co Ltd | |
| JP2002237320A (ja) * | 2001-02-08 | 2002-08-23 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | 固体高分子型燃料電池の運転方法 |
| JP2005514749A (ja) * | 2001-12-28 | 2005-05-19 | ユーティーシー フューエル セルズ，エルエルシー | 受動水管理燃料電池 |
-
1993
- 1993-05-21 JP JP5118848A patent/JPH06333590A/ja active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE4308393A1 (ja) * | 1992-03-17 | 1993-09-23 | Honda Motor Co Ltd | |
| JP2002237320A (ja) * | 2001-02-08 | 2002-08-23 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | 固体高分子型燃料電池の運転方法 |
| JP2005514749A (ja) * | 2001-12-28 | 2005-05-19 | ユーティーシー フューエル セルズ，エルエルシー | 受動水管理燃料電池 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US5922485A (en) | Solid polymer electrolyte fuel cell | |
| JP3460346B2 (ja) | 固体高分子電解質型燃料電池 | |
| JP3971969B2 (ja) | 固体高分子型燃料電池 | |
| JP4880836B2 (ja) | 燃料電池スタックおよび反応ガス供給方法 | |
| JP2002025584A (ja) | 固体高分子電解質型燃料電池とその加湿方法 | |
| JP3141619B2 (ja) | 固体高分子電解質型燃料電池発電装置 | |
| CN1319203C (zh) | 具有堆叠结构的燃料电池 | |
| JPH10308229A (ja) | 固体高分子電解質型燃料電池 | |
| JP3146758B2 (ja) | 固体高分子電解質型燃料電池 | |
| JP2001357869A (ja) | 固体高分子型燃料電池スタック | |
| JPH05251097A (ja) | 固体高分子電解質型燃料電池 | |
| JP3509180B2 (ja) | 燃料電池 | |
| JP3673252B2 (ja) | 燃料電池スタック | |
| JP4632917B2 (ja) | 固体高分子形燃料電池 | |
| JP5653867B2 (ja) | 燃料電池 | |
| JPH06333590A (ja) | 固体高分子電解質型燃料電池 | |
| JPH06333581A (ja) | 固体高分子電解質型燃料電池 | |
| JP3603871B2 (ja) | 固体高分子型燃料電池 | |
| JPH1173979A (ja) | 固体高分子電解質型燃料電池 | |
| JPH1021944A (ja) | 固体高分子電解質型燃料電池 | |
| JPH05190193A (ja) | 固体高分子電解質型燃料電池 | |
| JPH06333582A (ja) | 固体高分子電解質型燃料電池 | |
| JP2002141090A (ja) | 固体高分子型燃料電池システムの運転方法 | |
| JP4397603B2 (ja) | 高分子電解質型燃料電池 | |
| JP2004158379A (ja) | 固体高分子形燃料電池 |