JPH11250923A - 燃料電池 - Google Patents
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- JPH11250923A JPH11250923A JP10049304A JP4930498A JPH11250923A JP H11250923 A JPH11250923 A JP H11250923A JP 10049304 A JP10049304 A JP 10049304A JP 4930498 A JP4930498 A JP 4930498A JP H11250923 A JPH11250923 A JP H11250923A
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Abstract
効に小型化することを可能にする。 【解決手段】燃料電池セル12を挟持する第1および第
2セパレータ14、16を備える。第1セパレータ14
は、燃料ガス流路40を有するとともに、この燃料ガス
流路40は、ガス入口側の孔部36aに連通する第1ガ
ス流路溝42a〜42lと、この第1ガス流路溝42a
〜42lに連通する6本の第2ガス流路溝44a〜44
fと、この第2ガス流路溝44a〜44fに連通する3
本の第3ガス流路溝46a〜46cとを有し、前記第3
ガス流路溝46a〜46cがガス出口側である孔部38
aに連通する。
Description
側電極とカソード側電極で挟んで構成された燃料電池セ
ルと、前記燃料電池セルを挟持する第1および第2セパ
レータとを備えた燃料電池に関する。
子イオン交換膜(陽イオン交換膜)からなる電解質の両
側にそれぞれアノード側電極およびカソード側電極を対
設して構成された燃料電池構造体(以下、燃料電池セル
という)を、セパレータによって挟持することにより構
成されており、通常、この燃料電池セルを所定数だけ積
層して燃料電池セルスタックとして使用している。
極に供給された燃料ガス、例えば、水素は、触媒電極上
で水素イオン化され、適度に加湿された電解質を介して
カソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子が
外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用
される。カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、酸
素ガスあるいは空気が供給されているために、このカソ
ード側電極において、前記水素イオン、前記電子および
酸素が反応して水が生成される。
側電極にそれぞれ燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給する
ために、通常、触媒電極層(電極面)に導電性を有する
多孔質層、例えば、多孔質カーボンペーパがセパレータ
により挟持されるとともに、各セパレータの互いに対向
する面には、均一な幅寸法に設定された1本または複数
本のガス流路が設けられている。
構成では、ガス流路に供給された燃料ガスや酸化剤ガス
がセパレータの面内で消費されるため、このガス流路の
出口付近における単位面積当たりの反応分子数が該ガス
流路の入口側に比べて減少してしまう。これにより、電
極面内での反応が不均一になり、セル性能が不安定にな
るという問題が指摘されている。
によって生成された水分が、液体(水)の状態で存在す
ることがある。この水が多孔質層に蓄積されると、燃料
ガスおよび酸化剤ガスの触媒電極層への拡散性が低下し
てしまい、セル性能が著しく悪くなるおそれがある。
号公報に開示されているように、アノード極に燃料を供
給する燃料流路を有した燃料配流板と、カソード極に酸
化剤を供給する酸化剤流路を有した酸化剤配流板とを具
備し、前記酸化剤配流板の酸化剤流路の深さあるいは幅
の少なくともいずれかを酸化剤の上流流路域から下流流
路域に沿って徐々に小さくした燃料電池が知られてい
る。
れぞれ電極面に十分に供給するために、ガス流路がセパ
レータの面方向に蛇行してあるいは周回して設けられて
いる。このため、ガス流路がセパレータの面内で相当に
長尺化しており、上記の従来技術では、酸化剤流路の上
流流路域の深さが大きくなって前記セパレータ自体が相
当に肉厚なものとなってしまう。これにより、燃料電池
全体の小型化が容易に遂行されないという問題が指摘さ
れている。しかも、ガス流路の上流から下流に向かって
深さを徐々に小さくする加工作業が、極めて煩雑なもの
となるという問題がある。
あり、良好なガス拡散性および排水性を確保するととも
に、有効に小型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。
は、燃料電池セルを挟持する第1および第2セパレータ
が、アノード側電極およびカソード側電極に燃料ガスお
よび酸化剤ガスを供給する第1および第2ガス流路を有
するとともに、少なくともこの第1または第2ガス流路
は、前記第1または第2セパレータの面内においてガス
入口側のガス流路溝本数がガス出口側のガス流路溝本数
よりも多い数に設定されている。このため、第1および
/または第2セパレータの面内でガスが消費される際
に、ガス流路溝本数が減少することによってガス出口側
の単位面積当たりの反応分子数がガス入口側に比べて減
少することがなく、電極面内での反応の均一化を図るこ
とができる。
タの面内では、ガス流動によりガス入口側に比べてガス
出口側での湿度が高くなるが、このガス出口側のガス流
路溝本数が減少することにより、ガス流速が速くなって
排水性を有効に向上させることができる。また、出口側
のガス流路溝本数が減少することにより、溝1本当たり
のガス流量が増加し、ガス流速が上がってガス流に乱れ
が生じ、ガス拡散性が効果的に向上する。
は、第1および/または第2セパレータの面に対して複
数本のガス流路溝を設けており、この第1および/また
は第2セパレータの厚さ方向、すなわち、深さ方向に変
化を有していない。このため、第1および/または第2
セパレータ自体を相当に薄肉状に構成することができ、
燃料電池全体の小型化が容易に図られるとともに、前記
第1および/または第2セパレータの加工作業が有効に
簡素化する。
とガス出口側のガス流路溝本数とが燃料ガスおよび酸化
剤ガスのガス利用率に相当する減少率に設定されてい
る。これにより、ガス消費量に対応してガス流路溝本数
が減少され、第1および/または第2セパレータの面内
での単位面積当たりの反応分子数を高精度に均一化する
ことが可能になる。
からガス出口側に向かって半数に、あるいは半数ずつに
段階的に設定されるとともに、このガス流路溝本数が奇
数である際に、1を足した前記ガス流路溝本数の半数に
設定される。従って、第1および/または第2セパレー
タの面積、溝幅、山幅およびガス分配連通孔面積等の変
化に応じ、ガス流路溝本数の減少率をガス利用率に対応
して容易かつ確実に設定することができる。
に係る燃料電池10の要部分解斜視図であり、図2は、
前記燃料電池10の概略縦断面説明図である。
の燃料電池セル12を挟持する第1および第2セパレー
タ14、16とを備え、必要に応じてこれらが複数組だ
け積層されている。燃料電池セル12は、固体高分子電
解質膜18と、この電解質膜18を挟んで配設されるア
ノード側電極20およびカソード側電極22とを有する
とともに、前記アノード側電極20および前記カソード
側電極22には、例えば、多孔質層である多孔質カーボ
ンペーパ等からなる第1および第2ガス拡散層24、2
6が配設される。
第2ガスケット28、30が設けられ、前記第1ガスケ
ット28は、アノード側電極20および第1ガス拡散層
24を収納するための大きな開口部32を有する一方、
前記第2ガスケット30は、カソード側電極22および
第2ガス拡散層26を収納するための大きな開口部34
を有する。燃料電池セル12と第1および第2ガスケッ
ト28、30とが、第1および第2セパレータ14、1
6によって挟持される。
ータ14は、その上部側に水素等の燃料ガスを通過させ
るための孔部36aと、冷却水を通過させるための孔部
36bと、酸素または空気である酸化剤ガスを通過させ
るための孔部36cとを設ける。第1セパレータ14の
下部側には、燃料ガスを通過させるための孔部38a
と、冷却水を通過させるための孔部38bと、酸化剤ガ
スを通過させるための孔部38cとが設けられる。
に対向する面14aには、孔部36a、38aを連通す
る燃料ガス流路(第1ガス流路)40が形成される。燃
料ガス流路40では、ガス入口側である孔部36a側の
溝本数がガス出口側である孔部38a側の溝本数よりも
多い数に設定されている。この燃料ガス流路40の溝本
数の減少率は、燃料ガスのガス利用率(ここでは、改質
ガス等のガス全体に対する水素ガスの利用率をいう)に
相当するように設定されている。
料ガスの場合、燃料ガス流路40の溝本数の減少率は、
出口側溝本数/入口側溝本数=ガス利用率(%)/10
0となる。一方、水素ガスの他、CO2 ガスやN2 ガス
等を含有する改質ガスの場合には、出口側溝本数/入口
側溝本数=〔{改質ガス中の燃料ガス(%)×(100
−利用率(%))}/100+{100−改質ガス中の
燃料ガス(%)}〕/100=出口側ガス量/入口側ガ
ス量となる。
れている。
ガス全体における水素ガス利用率であるガス利用率と
は、表2、表3および表4に示す関係を有している。
が、表5に示されている。
は、表2に示すように、ガス利用率が略50%程度であ
り、溝本数の減少率として、表5中、(A)、(C)、
(E)および(H)が使用される。表1に示すの「加
速」の場合には、表3に示すように、ガス利用率が略3
0〜40%であるが、燃料ガス流路40の溝形状が50
%以上のガス利用率から設定されており、の場合と同
様に、表5中、(A)、(C)、(E)および(H)が
使用される。
は、表4に示すように、ガス利用率が略50〜70%で
ある。このため、ガス利用率を50%に設定すると、表
5中、(A)、(C)、(E)および(H)が使用され
る一方、ガス利用率を70%以上に設定する際には、表
5中、(B)、(D)、(F)、(G)および(I)が
使用される。
用される。図3に示すように、第1セパレータ14の面
14aには、ガス入口側である孔部36a側に対応して
12本の第1ガス流路溝42a〜42lが形成される。
第1ガス流路溝42a〜42lは、互いに所定の間隔ず
つ離間して鉛直下方向(矢印A方向)に向かって蛇行す
るように、第1セパレータ14の面14aの面方向に形
成される。
ータ14の略中間の高さ位置で半数に削減されて6本の
第2ガス流路溝44a〜44fを構成し、この第2ガス
流路溝44a、44fは、矢印A方向に向かって蛇行す
るとともに、その終端部で半数に削減されて3本の第3
ガス流路溝46a〜46cを形成する。この第3ガス流
路溝46a〜46cは、矢印A方向に向かって蛇行した
後、ガス出口である孔部38aに連通する。
は、上部側に燃料ガス用孔部47aと、冷却水用孔部4
7bと、酸化剤ガス用孔部47cとが設けられる。この
第2セパレータ16の下部側には、燃料ガス用孔部48
aと、冷却水用孔部48bと、酸化剤ガス用孔部48c
とが設けられる。
に対向する面16aには、図2に示すように、孔部47
c、48cを連通する酸化剤ガス流路(第2ガス流路)
50が形成される。酸化剤ガス流路50では、出口側溝
本数/入口側溝本数=〔{空気中の酸素ガス(%)×
(100−ガス利用率(%))}/100+{100−
空気中の酸素ガス(%)}〕/100=出口側ガス量/
入口側ガス量に設定される。
と同様に構成されており、同一の構成要素には同一の参
照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
る燃料電池10の動作について、以下に説明する。
ガスが供給されるとともに、酸化剤ガスとして空気が供
給され、この改質ガスが、第1セパレータ14の孔部3
6aから燃料ガス流路40に導入される。燃料ガス流路
40に供給された改質ガスは、図3に示すように、先
ず、第1ガス流路溝42a〜42lに導入され、第1セ
パレータ14の面方向に沿って蛇行しながら重力下方向
(矢印A方向)に移動する。その際、改質ガス中の水素
ガスが、第1ガス拡散層24を通って燃料電池セル12
のアノード側電極20に供給される。
〜42lの終端に連結されている第2ガス流路溝44a
〜44fに導入され、面14aに沿って蛇行しながら重
力方向に移動し、水素ガスの拡散が行われる。さらに、
第2ガス流路溝44a〜44fの終端に連結された第3
ガス流路溝46a〜46cに導入された改質ガスは、重
力方向に移動しながら水素ガスの拡散が行われた後、第
1セパレータ14の孔部38aから排出される。
流路40がガス入口側である孔部36aからガス出口側
である孔部38aに向かって溝本数を半数ずつ段階的に
減ぜられている。すなわち、燃料ガス流路40は、第1
ガス流路溝42a〜42lと、第2ガス流路溝44a〜
44fと、第3ガス流路溝46a〜46cとを備えてお
り、溝本数の減少率が改質ガスのガス利用率に対応して
75%に設定されている。
で水素ガスが第1ガス拡散層24を通ってアノード側電
極20に供給されることにより改質ガスが消費される
際、燃料ガス流路40の溝本数が減少するため、結果的
に、単位面積当たりの反応分子数が減少することがな
い。これにより、アノード側電極20の電極面全体で均
一かつ円滑な反応が有効に行われるという効果が得られ
る。
から孔部38aに向かって溝本数を減らすように構成さ
れるため、出口側である前記孔部38a側のガス流速を
向上させることができる。このため、第1セパレータ1
4の面14a内のガス流速を上げることができ、ガス流
の乱れを惹起させてガス拡散性を有効に向上させるとと
もに、排水性の向上を図ることが可能になるという効果
がある。従って、燃料電池10のセル性能の向上が確実
に図られるという利点が得られる。
流路40が深さ方向に変化することがなく、この第1セ
パレータ14自体の厚さを有効に薄肉化することができ
る。これにより、燃料電池10全体の小型化(薄肉化)
が容易に遂行されるとともに、加工作業の簡素化が図ら
れる。
cから酸化剤ガス流路50に供給された空気は、燃料ガ
ス流路40に供給された改質ガスと同様に、ガス入口側
である前記孔部47cからガス出口側である孔部48c
に向かって供給される。その際、酸化剤ガス流路50の
溝本数が段階的に半数ずつに設定されており、酸素ガス
が第2ガス拡散層26からカソード側電極22に供給さ
れる一方、単位面積当たりの反応分子数を減少させるこ
とがなく、しかもガス流速を上げることができる。これ
により、セル性能の向上が図られるという効果がある。
10と従来の燃料電池とにおける電流密度と電圧との特
性を検出した結果が示されている。なお、改質ガスのガ
ス利用率が75%、酸化剤ガスの利用率が50%であ
り、改質ガスを加湿する一方、酸化剤ガスは無加湿と
し、改質ガスおよび酸化剤ガスがともに100Kpaの
ガス加圧に設定された。これにより、第1の実施形態で
は、従来例1および2に比べて電流密度が高くなり、セ
ル性能が大幅に向上するという結果が得られている。
流路40および酸化剤ガス流路50がガス入口側からガ
ス出口側に向かって溝本数を減少させているが、前記燃
料ガス流路40または前記酸化剤ガス流路50の一方の
みをこのように構成してもよい。
6では、ガス入口側が上部に、ガス出口側が下部に設け
られ、燃料ガスおよび酸化剤ガスが上方から下方に向か
って流れるように構成されている。これに対して、ガス
入口側を下部に、ガス出口側を上部に設け、燃料ガスお
よび酸化剤ガスを下方から上方に向かって流すように構
成された第1および第2セパレータを使用してもよい。
その際、燃料ガス流路および/または酸化剤ガス流路
は、ガス入口側からガス出口側に向かって、すなわち、
下方から上方に向かって溝本数を減少させるように構成
することにより、第1の実施形態と同様の効果が得られ
る。
料電池を構成する第1セパレータ60の正面説明図であ
り、図6は、本発明の第3の実施形態に係る燃料電池を
構成する第1セパレータ80の正面説明図である。な
お、第1の実施形態に係る燃料電池10を構成する第1
セパレータ14と同一の構成要素には同一の参照符号を
付して、その詳細な説明は省略する。
第1セパレータ60の面60aには、燃料ガス流路62
が設けられており、この燃料ガス流路62は、表5中、
(H)に示す50%のガス利用率に相当している。具体
的には、ガス入口側である孔部36aに10本のガス流
路溝64a〜64jが連通し、この第1ガス流路溝64
a〜64jが重力方向に沿って蛇行しながら延在し、そ
の終端部で5本の第2ガス流路溝66a〜66eに連通
する。第2ガス流路溝66a〜66eは、重力方向に沿
って蛇行しながら面60a内に延在し、ガス出口側であ
る孔部38aに連通する。
レータ80の面80aには、燃料ガス流路82が設けら
れており、この燃料ガス流路82は、表5中、(G)に
示す92%のガス利用率に相当している。すなわち、燃
料ガス流路82は、孔部36aに連通する12本の第1
ガス流路溝84a〜84lと、この第1ガス流路溝84
a〜84lの終端部に連結される6本の第2ガス流路溝
86a〜86fと、この第2ガス流路溝86a〜86f
の終端部に連通する3本の第3ガス流路溝88a〜88
cと、この第3ガス流路溝88a〜88cの終端部に連
通する2本の第4ガス流路溝90a、90bと、この第
4ガス流路溝90a、90bの終端部に連通する第5ガ
ス流路溝92とを有し、この第5ガス流路溝92が孔部
38aに連通する。
部38aに向かって溝本数が半数ずつ段階的に設定され
る一方、この溝本数が奇数である第3ガス流路溝88a
〜88cの終端部では、半数に削減不能である。このた
め、第3ガス流路溝88a〜88cの溝本数3に1を足
した溝本数(4本)の半数、すなわち、2本の第4ガス
流路溝90a、90bが設けられている。
形態では、各燃料ガス流路62、82がガス入口側であ
る孔部36aからガス出口側である孔部38aに向かっ
て溝本数を減少させることにより、それぞれ所望のガス
拡散率に設定することができる。これにより、第1セパ
レータ60、80の面60a、80a内で単位面積当た
りの反応分子数を維持して反応の均一化を図ることがで
きるとともに、排水性およびガス拡散性を向上させるこ
とが可能になる等、第1の実施形態と同様の効果が得ら
れる。
タ14、60および80の溝幅および山幅は、切削加工
等により1mm程度に設定されているが、1mm以下の
寸法に設定することも可能である。また、溝本数は、セ
パレータ面積等の種々の要因によって容易に変更、設定
されるものである。例えば、入口側が8本で出口側が2
本であるもの、入口側が20本で出口側が1本であるも
の等、種々の組み合わせが可能であり、セパレータ面積
が大きければ、入口側の溝本数は20本以上に設定する
こともできる。さらにまた、排水性を向上させるため
に、例えば、燃料ガス流路40、62および82の溝部
分、すなわち、改質ガスの接触部分に撥水性を持たせて
もよい。
ルを挟持する第1および第2セパレータに燃料ガスおよ
び酸化剤ガスを供給する第1および第2ガス流路が設け
られるとともに、この第1および/または第2ガス流路
は、ガス入口側のガス流路の溝本数がガス出口側のガス
流路の溝本数に比べて多い数に設定されている。このた
め、第1および/または第2セパレータの面内でガスが
消費される際に、ガス流路溝本数が減少することによっ
て単位面積当たりの反応分子数の減少を阻止し、電極面
内での反応の均一化を図ることができる。しかも、ガス
出口側でのガス流速を有効に上げることができ、排水性
およびガス拡散性の向上が容易に図られる。
分解斜視図である。
説明図である。
と電流密度との特性図である。
する第1セパレータの正面説明図である。
する第1セパレータの正面説明図である。
層 28、30…ガスケット 40、62、82…燃
料ガス流路 42a〜42l、44a〜44f、46a〜46c、6
4a〜64j、66a〜66e、84a〜84l、86
a〜86f、88a〜88c、90a、90b、92…
ガス流路溝 50…酸化剤ガス流路
Claims (3)
- 【請求項1】電解質をアノード側電極とカソード側電極
で挟んで構成される燃料電池セルと、前記燃料電池セル
を挟持する第1および第2セパレータとを備え、 前記第1および第2セパレータは、前記アノード側電極
および前記カソード側電極に燃料ガスおよび酸化剤ガス
を供給する第1および第2ガス流路を有するとともに、 少なくとも前記第1または第2ガス流路は、前記第1ま
たは第2セパレータの面内においてガス入口側のガス流
路溝本数がガス出口側のガス流路溝本数よりも多い数に
設定されることを特徴とする燃料電池。 - 【請求項2】請求項1記載の燃料電池において、前記ガ
ス入口側の前記ガス流路溝本数と前記ガス出口側のガス
流路溝本数とは、前記燃料ガスおよび前記酸化剤ガスの
ガス利用率に相当する減少率に設定されることを特徴と
する燃料電池。 - 【請求項3】請求項2記載の燃料電池において、少なく
とも前記第1または第2ガス流路は、前記ガス流路溝本
数が前記ガス入口側から前記ガス出口側に向かって半数
に、あるいは半数ずつに段階的に設定されるとともに、
前記ガス流路溝本数が奇数である際に1を足した該ガス
流路溝本数の半数に設定されることを特徴とする燃料電
池。
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