JPH08185873A

JPH08185873A - 燃料電池

Info

Publication number: JPH08185873A
Application number: JP6340300A
Authority: JP
Inventors: Seiji Mizuno; 誠司水野
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1994-12-28
Filing date: 1994-12-28
Publication date: 1996-07-16

Abstract

(57)【要約】【目的】集電体のガス流路を構成する複数の凸部の配
列に改良を加えることにより、ガスの凸部への衝突性を
高めて、ガス拡散性の向上を図る。【構成】集電体１５では、直方体のリブ３３を複数形
成することにより、リブ３３とガス拡散電極の表面とで
ガスの流路を形成している。リブ３３の配列は、長手方
向が鉛直下方に対して右回りに４５度傾いた右向きリブ
３３ａと、長手方向が鉛直下方に対して左回りに４５度
傾いた左向きリブ３３ｂとを、格子状に並べたものとな
っている。この構成により、ガスは常にリブの壁面に衝
突しながら流れることになり、ガスは乱流化し拡散性が
高められる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、燃料電池に関し、詳
しくは、電解質膜を２つの電極で挟持する接合体と、こ
の接合体に接触し電極とで供給ガスの流路を形成する流
路形成部材とを備えた燃料電池に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、燃料の有しているエネルギを
直接電気的エネルギに変換する装置として燃料電池が知
られている。燃料電池は、通常、電解質膜を挟んで一対
の電極を配置するとともに、一方の電極の表面に水素等
の燃料ガスを接触させ、また他方の電極の表面に酸素を
含有する酸素含有ガスを接触させ、このとき起こる電気
化学反応を利用して、電極間から電気エネルギを取り出
すようにしている。燃料電池は、燃料ガスと酸素含有ガ
スが供給されている限り高い効率で電気エネルギを取り
出すことができる。

【０００３】ところで、こうした燃料電池では、電極表
面への燃料ガスや酸素含有ガスの供給を、これらガスの
通路と集電極とを兼ねる集電体と呼ばれる部材で行なっ
ている。この集電体としては、直線状の流路溝を備えた
ものが一般的である。また、複数の凸部により流路を構
成することにより、電極面とのガスの接触面積を大きく
して、燃料電池のエネルギ変換効率を高めたものが提案
されている。

【０００４】さらに、図７に示すように、複数の凸部２
００をアレイ配置することにより、ガスが凸部２００の
壁面に衝突するようにしてガスの拡散性を向上して、燃
料電池のエネルギ変換効率を高めたものも提案されてい
る（特開平２−１５５１７１号公報）。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、前記アレイ
配置した従来の技術では、凸部２００が一直線状に並ん
でいることから、ガスが図７中実線矢印に示すように、
凸部２００の隙間を一直線状に抜けてしまう。このた
め、この構成では、ガスを必ず凸部２００に衝突させる
には不充分であり、充分なガス拡散性を得ることができ
なかった。従って、燃料電池のエネルギ変換効率を低下
させるという問題を生じた。

【０００６】この発明の燃料電池は、こうした問題に鑑
みてなされたもので、集電体のガス流路を構成する複数
の凸部の配列に改良を加えることにより、ガスの凸部へ
の衝突性を高めて、ガス拡散性の向上を図り、ひいて
は、燃料電池のエネルギ変換効率の向上を図ることを目
的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
べく、前記課題を解決するための手段として、以下に示
す構成をとった。

【０００８】即ち、本発明の請求項１記載の燃料電池
は、電解質膜を２つの電極で挟持する接合体と、該接合
体に接触し該電極とで供給ガスの流路を形成する流路形
成部材とを備えた燃料電池において、前記流路形成部材
は、細長の複数の凸部を備えるとともに、前記複数の凸
部は、隣接する凸部に対してその長手方向が互いに交差
するように配列したことを特徴としている。

【０００９】こうした構成の燃料電池において、前記す
べての凸部が、該凸部の長手方向を鉛直下方に対して傾
斜させて配列された構成としてもよい。

【００１０】

【作用】以上のように構成された請求項１記載の燃料電
池によれば、流路形成部材の凸部が、隣接する凸部に対
してその長手方向が互いに交差するように配列されたこ
とにより、供給ガスはどの方向に流れても凸部の壁面に
衝突し蛇行する。このため、ガスはその衝突により乱流
化して拡散性を高める。

【００１１】請求項２記載の燃料電池によれば、凸部の
長手方向を鉛直下方に対して傾斜させてすべての凸部が
配列されていることにより、その凸部による流路での生
成水や加湿水の排出が容易となる。

【００１２】

【実施例】以上説明した本発明の構成・作用を一層明ら
かにするために、以下本発明の好適な実施例について説
明する。

【００１３】図１は、第１実施例としての固体高分子型
燃料電池１０の単一セルを示す構造図である。この図に
示すように、固体高分子型燃料電池１０は、単一のセル
として、電解質膜１１と、この電解質膜１１を両側から
挟んでサンドイッチ構造とするガス拡散電極としてのカ
ソード１２およびアノード１３と、このサンドイッチ構
造（接合体）２０を両側から挟みつつカソード１２およ
びアノード１３とで材料ガスおよび燃料ガスの流路を形
成する流路形成部材としての集電体１５とにより構成さ
れている。

【００１４】電解質膜１１は、高分子材料、例えばフッ
素系樹脂により形成されたイオン交換膜であり、湿潤状
態で良好な電気電導性を示す。ここでは、米国Ｅ.Ｉ.デ
ュポン社製の商標名ナフィオン（Nafion）１１５を使用
する。カソード１２およびアノード１３は、炭素繊維か
らなる糸で織成したカーボンクロスにより形成されてお
り、このカーボンクロスの表面には、触媒としての白金
または白金と他の金属からなる合金等を担持したカーボ
ン粉が塗布されている。

【００１５】白金を担持したカーボン粉は次のような方
法で作成されている。塩化白金酸水溶液とチオ硫酸ナト
リウムを混合して、亜硫酸白金錯体の水溶液を得る。こ
の水溶液を攪拌しながら、過酸化水素水を摘下して、水
溶液中にコロイド状の白金粒子を析出させる。次に担体
となるカーボンブラック（例えばＶｕｌｃａｎＸＣ−
７２（米国のＣＡＢＯＴ社の商標）やデンカブラック
（電気化学工業株式会社の商標）を添加しながら、攪拌
し、カーボンブラックの表面にコロイド状の白金粒子を
付着させる。次に溶液を吸引ろ過または加圧ろ過して白
金粒子が付着したカーボンブラックを分離した後、脱イ
オン水（純水）で繰り返し洗浄した後、室温で完全に乾
燥させる。

【００１６】次に、凝集したカーボンブラックを粉砕器
で粉砕した後、水素還元雰囲気中で、２５０℃〜３５０
℃で２時間程度加熱することにより、カーボンブラック
上の白金を還元するとともに、残留していた塩素を完全
に除去して、白金を担持したカーボン粉が完成する。こ
こでは、カーボンブラックの重量に対して白金の重量が
２０［％］（重量％）になるようにして製作している。

【００１７】集電体１５は、ち密質のカーボンプレート
により形成されている。集電体１５は、カソード１２の
表面とで材料ガスである酸素含有ガスの流路をなすと共
にカソード１２で生成する水の集水路をなす酸素含有ガ
ス流路１５ａを形成し、また、アノード１３の表面とで
燃料ガスである水素ガスと水蒸気との混合ガスの流路を
なす水素ガス流路１５ｂを形成する。こうした集電体１
５の詳しい形状については後ほど説明する。

【００１８】以上説明した電解質膜１１、カソード１
２、アノード１３および集電体１５が固体高分子型燃料
電池１０の単一セルの構成であり、実際には、集電体１
５、カソード１２、電解質膜１１、アノード１３、集電
体１５をこの順に複数組、積層して、固体高分子型燃料
電池１０は構成されている。

【００１９】こうした構成の固体高分子型燃料電池１０
の集電体１５の形状は次のようなものである。図２に示
すように、集電体１５は８角形の板状部材として形成さ
れており、集電体１５の８つの辺のうち４つの斜辺の縁
付近には、その辺に沿って細長い孔２１，２３および孔
２５，２７が形成されている。この孔２１，２３および
孔２５，２７は、積層した際、固体高分子型燃料電池１
０を積層方向に貫通する２つの燃料ガスの給排流路およ
び２つの酸化ガスの給排流路を形成する。集電体１５の
積層面の一方（図２の表示面）の孔２１と孔２３との間
には、図示するように、外縁の平面より一段下がった段
差面３１が形成されており、この段差面３１には、規則
正しく配列された幅１［ｍｍ］、長さ３［ｍｍ］、高さ
１［ｍｍ］の直方体のリブ（凸部）３３が複数形成され
ている。

【００２０】この直方体のリブ３３の配列は、長手方向
が鉛直下方に対して右回りに４５度傾いた右向きリブ３
３ａと、長手方向が鉛直下方に対して左回りに４５度傾
いた左向きリブ３３ｂとを、格子状に並べたものであ
り、両者のリブ３３ａ，３３ｂの長手方向は互い交差す
る。こうしたリブ３３、段差面３１およびガス拡散電極
の表面とで酸素含有ガスの流路を形成する。

【００２１】また、集電体１５の積層面の他方（図２の
裏面）の孔２５と孔２７との間にも、孔２１と孔２３と
の間に形成された段差面３１およびリブ３３と同一形状
の段差面およびリブ（図示せず）が形成されている。こ
の段差面、リブおよびガス拡散電極の表面とで燃料ガス
の流路を形成する。

【００２２】こうして構成された固体高分子型燃料電池
１０は、次式（１）および（２）に示した電気化学反応
を行ない、化学エネルギを直接電気エネルギに変換す
る。

【００２３】カソード反応（酸素極）：２Ｈ+＋２ｅ-＋（１／２）Ｏ2→Ｈ2Ｏ …（１）アノード反応（燃料極）：Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ- …（２）

【００２４】このとき、段差面３１とリブ３３等により
形成される酸素含有ガスの流路内を流れる酸素含有ガス
は、図３に示すように（図３中実線矢印で示すよう
に）、リブ３３の壁面に衝突し蛇行する。このため、ガ
スが乱流化して酸素含有ガスのガス拡散電極への拡散性
が向上する。

【００２５】一方、前記式（１）に示した反応で段差面
３１に生じた水は、リブ３３を迂回しながら鉛直下方に
流れ、孔２３の鉛直下部に集まるが、このリブ３３を迂
回する途中で仮に図３に示す停滞水Ｗのように一部に滞
水したとする。このとき、酸素含有ガスは、図中破線矢
印で示すように停滞水Ｗを迂回するから、停滞水Ｗの下
流側でも酸化ガスのガス拡散電極への拡散性は低下しな
い。

【００２６】一方、燃料ガスの流路には、飽和蒸気圧近
くまで加湿された燃料ガスが流されるから、固体高分子
型燃料電池１０の運転状況によっては、この加湿水が前
述した停滞水Ｗと同様に滞水することがある。このと
き、燃料ガスはその停滞水を迂回することから、停滞水
の下流側でも燃料ガスのガス拡散電極への拡散性は低下
しない。

【００２７】図４は、第１実施例の固体高分子型燃料電
池１０と従来例（図７で示したもの）の燃料電池におけ
る電圧と電流密度との関係を示したグラフである。グラ
フ中、曲線Ａは固体高分子型燃料電池１０を運転温度８
０℃で運転したときの電圧と電流密度との関係を示し、
曲線Ｃは図７で示した従来例の燃料電池を運転温度８０
℃で運転したときの電圧と電流密度との関係を示す。図
示するように、第１実施例の固体高分子型燃料電池１０
は、従来例の燃料電池に比して、測定範囲の総ての電流
密度に亘ってその特性が優れていた。特に、高電流密度
領域（０．５［Ａ／ｃｍ2 ］以上）での電圧低下が小さ
く、ガス拡散性の向上が認められた。

【００２８】図５は、第１実施例の固体高分子型燃料電
池１０と従来例（図７で示したもの）の燃料電池におけ
る電圧と保持時間との関係を示したグラフである。グラ
フ中、線Ａは固体高分子型燃料電池１０を運転温度８０
℃で運転したときの電圧と保持時間との関係を示し、線
Ｃは図７で示した従来例の燃料電池を運転温度８０℃で
運転したときの電圧と保持時間との関係を示す。図示す
るように、第１実施例の固体高分子型燃料電池１０は、
従来例の燃料電池に比して、安定して高い電圧を維持す
ることが認められた。

【００２９】以上詳述したように、この第１実施例の固
体高分子型燃料電池１０によれば、隣接するリブの長手
方向が互いに交差するようにリブ３３を配列して酸素含
有ガスの流路を形成したので、酸素含有ガスが乱流化し
て酸素含有ガスのガス拡散電極への拡散性が向上する。
この結果、固体高分子型燃料電池１０は、エネルギ変換
効率の優れた燃料電池とすることができる。

【００３０】また、この第１実施例の固体高分子型燃料
電池１０における集電体１５のリブ３３（右向きリブ３
３ａ，左向きリブ３３ｂ）は、長手方向が鉛直下方に水
平方向から４５度傾いて配置されていることから、リブ
３３を備える段差面３１での生成水の排出を容易化する
ことができる。この結果、生成水が停滞して酸素含有ガ
スの拡散を阻害することを防止できる。従って、電圧安
定性が向上し、電池の信頼性を向上するといった効果を
奏する。

【００３１】さらに、この第１実施例の固体高分子型燃
料電池１０によれば、酸素含有ガスの流路ばかりでな
く、水素ガスの流路においても、ガスの拡散電極への拡
散性を向上して、エネルギ変換効率を高めることができ
ると共に、加湿水の排出を容易かして、電圧安定性を向
上することができる。

【００３２】本発明の第２実施例について、次に説明す
る。この第２実施例は、第１実施例の固体高分子型燃料
電池１０とほぼ同じ構成の燃料電池に関するもので、集
電体のリブの配列だけが第１実施例と比べて相違する。
図６は、この第２実施例における集電体のリブの配列を
示す説明図である。図６に示すように、集電体には、第
１実施例と同じ直方体のリブ（幅１［ｍｍ］、長さ３
［ｍｍ］、高さ１［ｍｍ］）１３３が複数形成されてお
り、その配列は、長手方向を鉛直下方に向けた縦向きリ
ブ１３３ａと、その長手方向を水平方向に向けた横向き
リブ１３３ｂとを交互に並べたものである。こうした配
列のリブ１３３とガス拡散電極の表面等で酸素含有ガス
の流路を形成する。

【００３３】この酸素含有ガスの流路内を流れる酸素含
有ガスは、隣接するリブ１３３の長手方向が互いに交差
するようにリブ１３３が配列されていることから、図６
中実線矢印で示すように、リブ１３３の壁面に常に衝突
し蛇行する。このため、ガスが乱流化して酸素含有ガス
のガス拡散電極への拡散性が向上する。この結果、この
実施例の固体高分子型燃料電池は、エネルギ変換効率の
優れたものとなる。

【００３４】この第２実施例の固体高分子型燃料電池に
おける電圧と電流密度との関係を、前述した図４に示し
た。この図４中、曲線Ｂは第２実施例の固体高分子型燃
料電池を運転温度８０℃で運転したときの電圧と電流密
度との関係を示す。図示するように、第２実施例の固体
高分子型燃料電池は、従来例の燃料電池（曲線Ｃで示
す）に比して、高電流密度領域（０．５［Ａ／ｃｍ2 ］
以上）での電圧低下が小さく、ガス拡散性の向上が認め
られた。

【００３５】この第２実施例の固体高分子型燃料電池に
おける電圧と保持時間との関係を、前述した図５に示し
た。この図５中、線Ｂは第２実施例の固体高分子型燃料
電池を運転温度８０℃で運転したときの電圧と保持時間
との関係を示す。図示するように、第２実施例の固体高
分子型燃料電池は、従来例の燃料電池（線Ｃで示す）に
比して、電圧の安定性が同じ程度であり、第１実施例の
燃料電池（線Ａで示す）と比べると、電圧の安定性が劣
る。これは、第１実施例の燃料電池では、全てのリブ３
３を、その長手方向が鉛直下方に対して傾斜させて配列
していることから、生成水の排出を容易化することがで
きるのに対して、この第２実施例では、水平方向に向い
ている横向きリブ１３３ｂがあることから、生成水は図
６に示す停滞水Ｗのようにその横向きリブ１３３ｂの付
近で滞水し、排水性が悪化するためである。

【００３６】即ち、この第２実施例の固体高分子型燃料
電池は、ガス拡散電極へのガスの拡散性が高められ、エ
ネルギ変換効率の優れたものとなるといった効果を奏す
る。一方、ガスの流路における排水性については、第１
実施例のものと比して劣り、そのために、電圧安定性は
若干劣っている。

【００３７】なお、前記第１および第２実施例では、リ
ブ３３，１３３の形状を直方体としたが、これに換え
て、平面が楕円形状の凸部としてもよく、要は細長の凸
部であればよい。

【００３８】また、前記第１実施例では、リブ３３を、
長手方向が鉛直下方に対して４５度傾いて配置していた
が、必ずしも４５度である必要はなく、リブ３３付近に
きた水が流れ落ちれば、例えば、８０度、６０度等どの
ような角度であってもよい。

【００３９】以上本発明の実施例について説明したが、
本発明はこうした実施例に何等限定されるものではな
く、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々な
る態様で実施し得ることは勿論である。

【００４０】

【発明の効果】以上説明したように請求項１記載の燃料
電池では、流路形成部材におけるガスの流れを乱流化し
て、ガス拡散性を高めることができる。このため、エネ
ルギ変換効率の優れた燃料電池とすることができる。

【００４１】請求項２記載の燃料電池では、流路形成部
材における排水性を高めることができる。このため、電
圧安定性に優れた燃料電池とすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例としての固体高分子型燃料
電池１０の単一セルを示す構造図である。

【図２】固体高分子型燃料電池１０の集電体１５の平面
図である。

【図３】集電体１５のリブの配列を拡大して示す説明図
である。

【図４】第１および第２実施例の固体高分子型燃料電池
と従来例の固体高分子型燃料電池における電圧と電流密
度との関係を示したグラフである。

【図５】第１および第２実施例の固体高分子型燃料電池
と従来例の固体高分子型燃料電池における電圧と保持時
間との関係を示したグラフである。

【図６】第２実施例における集電体のリブの配列を拡大
して示す説明図である。

【図７】従来例における集電体のリブの配列を拡大して
示す説明図である。

【符号の説明】

１０…固体高分子型燃料電池１１…電解質膜１２…カソード１３…アノード１５…集電体１５ａ…酸素含有ガス流路１５ｂ…水素ガス流路２１，２３，２５，２７…孔３１…段差面３３，１３３…リブ３３ａ…右向きリブ３３ｂ…左向きリブ１３３ａ…縦向きリブ１３３ｂ…横向きリブ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電解質膜を２つの電極で挟持する接合体
と、該接合体に接触し該電極とで供給ガスの流路を形成する
流路形成部材とを備えた燃料電池において、前記流路形成部材は、細長の複数の凸部を備えるとともに、前記複数の凸部は、隣接する凸部に対してその長手方向が互いに交差するよ
うに配列したことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】請求項１記載の燃料電池であって、前記すべての凸部が、該凸部の長手方向を鉛直下方に対して傾斜させて配列さ
れた燃料電池。