JP2001325971A - 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
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- JP2001325971A JP2001325971A JP2000201163A JP2000201163A JP2001325971A JP 2001325971 A JP2001325971 A JP 2001325971A JP 2000201163 A JP2000201163 A JP 2000201163A JP 2000201163 A JP2000201163 A JP 2000201163A JP 2001325971 A JP2001325971 A JP 2001325971A
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- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 固体高分子電解質型燃料電池を構成するセパ
レータにおいて、水滴がガス流通溝を閉塞することを防
ぎ、性能の低下しない燃料電池を提供すること。 【解決手段】 突起部40を設けてガス流通溝15を分
割したセパレータ14を用いて固体高分子電解質型燃料
電池を作製する。
レータにおいて、水滴がガス流通溝を閉塞することを防
ぎ、性能の低下しない燃料電池を提供すること。 【解決手段】 突起部40を設けてガス流通溝15を分
割したセパレータ14を用いて固体高分子電解質型燃料
電池を作製する。
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、高分子電解質膜を
用いた高分子電解質型燃料電池に関わり、特に電池を構
成するセパレータに形成した反応ガスの流通溝の形状と
構成に関する。
用いた高分子電解質型燃料電池に関わり、特に電池を構
成するセパレータに形成した反応ガスの流通溝の形状と
構成に関する。
【0002】
【従来の技術】図1は、固体高分子電解質型燃料電池の
単電池の基本構成を示す縦断面図である。図1に示すよ
うに、固体高分子電解質膜11の両側に燃料極12と酸
化剤極13とを配置され、さらにその両外側に、燃料極
12に燃料ガス、酸化剤極13に酸化剤ガスをそれぞれ
供給する複数本の反応ガス流通溝15と、冷却水を流通
して電池を適正温度に維持するための冷却水流通溝16
とを備えたセパレータ14が配置されている。セパレー
タ14は、反応ガス流通溝15が、燃料極12または酸
化剤極13に面するように配置する。なお、図1におい
ては、セパレータ14と燃料極12および酸化剤極13
とを分離して記載したが、実際には、セパレータ14は
ガスシール体17を介して燃料極12および酸化剤極1
3に密着して構成し、ガス流通部分の気密性を保持した
単電池として用いる。
単電池の基本構成を示す縦断面図である。図1に示すよ
うに、固体高分子電解質膜11の両側に燃料極12と酸
化剤極13とを配置され、さらにその両外側に、燃料極
12に燃料ガス、酸化剤極13に酸化剤ガスをそれぞれ
供給する複数本の反応ガス流通溝15と、冷却水を流通
して電池を適正温度に維持するための冷却水流通溝16
とを備えたセパレータ14が配置されている。セパレー
タ14は、反応ガス流通溝15が、燃料極12または酸
化剤極13に面するように配置する。なお、図1におい
ては、セパレータ14と燃料極12および酸化剤極13
とを分離して記載したが、実際には、セパレータ14は
ガスシール体17を介して燃料極12および酸化剤極1
3に密着して構成し、ガス流通部分の気密性を保持した
単電池として用いる。
【0003】図2は、図1に示した単電池を積層して得
られる燃料電池積層体の概略側面図である。単電池21
を複数個積層し、その両端に集電板22を配置し、さら
にその外側に電気絶縁の機能を果たす絶縁板23を配置
し、締付板24で挟み、締付ボルト25、皿バネ26お
よび締付ナット27を用いて締め付け、加圧して保持す
る。図3は、図1に示す単電池を構成するセパレータ1
4を電極に面する側から見た斜視図である。セパレータ
14の、燃料極12または酸化剤極13に面する中央部
には、複数本のガス流通溝31が平行に配置されてい
る。外部より供給される反応ガスである水素などの燃料
ガスまたは空気などの酸化剤ガスは、上流側に設けたガ
ス注入用マニホールド孔32より注入されて入口側マニ
ホールド35へと送られ、分配され、ガス流通溝31を
上流側から下流側へと流通し、ガス排出用マニホールド
孔33から外部に排出される。隣接するガス流通溝31
は、リブ34によって隔てられている。
られる燃料電池積層体の概略側面図である。単電池21
を複数個積層し、その両端に集電板22を配置し、さら
にその外側に電気絶縁の機能を果たす絶縁板23を配置
し、締付板24で挟み、締付ボルト25、皿バネ26お
よび締付ナット27を用いて締め付け、加圧して保持す
る。図3は、図1に示す単電池を構成するセパレータ1
4を電極に面する側から見た斜視図である。セパレータ
14の、燃料極12または酸化剤極13に面する中央部
には、複数本のガス流通溝31が平行に配置されてい
る。外部より供給される反応ガスである水素などの燃料
ガスまたは空気などの酸化剤ガスは、上流側に設けたガ
ス注入用マニホールド孔32より注入されて入口側マニ
ホールド35へと送られ、分配され、ガス流通溝31を
上流側から下流側へと流通し、ガス排出用マニホールド
孔33から外部に排出される。隣接するガス流通溝31
は、リブ34によって隔てられている。
【0004】固体高分子電解質膜には、スルホン酸基を
有するポリスチレン系の陽イオン交換膜をカチオン導電
性膜として使用したもの、フロロカーボンスルホン酸と
ポリビニリデンフロライドの混合膜、またはフロロカー
ボンマトリクスにトリフロロエチレンをグラファイト化
したもの、パーフロロカーボンスルホン酸(米国デュポ
ン社製のナフィオン膜)などが用いられる。これらの固
体高分子電解質膜は分子中に水素イオン交換基を備えて
おり、常温下、飽和に含水された状態で比抵抗が20Ω
cm以下となり、プロトン導電性電解質として機能す
る。また、膜の飽和含水量は温度によって可逆的に変化
する。
有するポリスチレン系の陽イオン交換膜をカチオン導電
性膜として使用したもの、フロロカーボンスルホン酸と
ポリビニリデンフロライドの混合膜、またはフロロカー
ボンマトリクスにトリフロロエチレンをグラファイト化
したもの、パーフロロカーボンスルホン酸(米国デュポ
ン社製のナフィオン膜)などが用いられる。これらの固
体高分子電解質膜は分子中に水素イオン交換基を備えて
おり、常温下、飽和に含水された状態で比抵抗が20Ω
cm以下となり、プロトン導電性電解質として機能す
る。また、膜の飽和含水量は温度によって可逆的に変化
する。
【0005】燃料極および酸化剤極は、ともに触媒層と
前記触媒層を支持する電極基材とからなり、触媒層側を
固体高分子電解質膜に密着させて配置する。固体高分子
電解質膜、触媒層および電極基材を密着させて配置した
ものを膜電極接合体(MEA)という。燃料極12に燃
料ガスである水素を供給し、酸化剤極13に酸化剤ガス
である酸素または空気を供給すると、それぞれの触媒層
と固体高分子電解質膜とガスとの界面に三相界面が形成
され、以下に示す電気的な化学反応が起こる。 燃料極 : H2→2H++2e- (1) 酸化剤極: 2H++1/2O2+2e-→H2O (2) この反応においては水素と酸素が反応して水が生成す
る。触媒層は一般に微小な粒子状の白金触媒と撥水性を
備えたフッ素樹脂から形成されており、反応ガスが三相
界面まで効率的に拡散できるように細孔が形成されてい
る。
前記触媒層を支持する電極基材とからなり、触媒層側を
固体高分子電解質膜に密着させて配置する。固体高分子
電解質膜、触媒層および電極基材を密着させて配置した
ものを膜電極接合体(MEA)という。燃料極12に燃
料ガスである水素を供給し、酸化剤極13に酸化剤ガス
である酸素または空気を供給すると、それぞれの触媒層
と固体高分子電解質膜とガスとの界面に三相界面が形成
され、以下に示す電気的な化学反応が起こる。 燃料極 : H2→2H++2e- (1) 酸化剤極: 2H++1/2O2+2e-→H2O (2) この反応においては水素と酸素が反応して水が生成す
る。触媒層は一般に微小な粒子状の白金触媒と撥水性を
備えたフッ素樹脂から形成されており、反応ガスが三相
界面まで効率的に拡散できるように細孔が形成されてい
る。
【0006】なお、この反応により各単電池で発生する
電圧は0.7〜1.0ボルト程度であるため、実用的な
電圧に高めるために、図2に示すように多数の単電池を
積層して燃料電池積層体を形成して使用する。図2は、
図1に示す単電池を積層して得られる燃料電池積層体の
概略縦断面図である。また、固体高分子電解質膜の比抵
抗を小さくして発電効率を高く維持するために、通常5
0〜100℃、好ましくは70〜90℃の運転温度で用
いられる。前述したように、固体高分子電解質型燃料電
池においては、飽和に含水させることにより固体高分子
電解質膜の比抵抗が小さくなり、膜は水素イオン伝導性
電解質として機能する。したがって、固体高分子電解質
型燃料電池の発電効率を維持するためには、膜の含水状
態を飽和に維持することが必要となる。このため、反応
ガスに水を供給して反応ガスの湿度を高めて燃料電池へ
供給することにより、膜からガスへの水の蒸発を抑えて
膜の乾燥を防止する方法が採用されている。
電圧は0.7〜1.0ボルト程度であるため、実用的な
電圧に高めるために、図2に示すように多数の単電池を
積層して燃料電池積層体を形成して使用する。図2は、
図1に示す単電池を積層して得られる燃料電池積層体の
概略縦断面図である。また、固体高分子電解質膜の比抵
抗を小さくして発電効率を高く維持するために、通常5
0〜100℃、好ましくは70〜90℃の運転温度で用
いられる。前述したように、固体高分子電解質型燃料電
池においては、飽和に含水させることにより固体高分子
電解質膜の比抵抗が小さくなり、膜は水素イオン伝導性
電解質として機能する。したがって、固体高分子電解質
型燃料電池の発電効率を維持するためには、膜の含水状
態を飽和に維持することが必要となる。このため、反応
ガスに水を供給して反応ガスの湿度を高めて燃料電池へ
供給することにより、膜からガスへの水の蒸発を抑えて
膜の乾燥を防止する方法が採用されている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記の化学反
応式(1)および(2)に示したように、燃料電池の発
電に際して、反応生成物として水が生成され、この反応
生成水は余剰の反応ガスとともに燃料電池の外部に排出
される。このため、単電池内の反応ガスに含まれる水分
の量が、反応ガスの流れ方向の上流側と下流側とで差異
を生じ、反応ガスの上流側すなわち入口側に比べ、下流
側すなわち出口側で反応生成水に相当する量だけ多量に
水分が含まれることになる。そのため、膜の含水状態を
飽和に維持するために、飽和状態に加湿した反応ガスを
単電池に供給すると、出口側では水蒸気が過飽和状態と
なり、水滴となって混在することになる。また、前記水
蒸気は、反応ガスの流通路となるセパレータのガス流通
溝の内側に水滴となって停滞し、さらに、通路を塞いで
ガスの流れを阻害する事態をもたらしたり、反応ガスの
供給量が不足したり、電池特性を低下させたりすること
もある。
応式(1)および(2)に示したように、燃料電池の発
電に際して、反応生成物として水が生成され、この反応
生成水は余剰の反応ガスとともに燃料電池の外部に排出
される。このため、単電池内の反応ガスに含まれる水分
の量が、反応ガスの流れ方向の上流側と下流側とで差異
を生じ、反応ガスの上流側すなわち入口側に比べ、下流
側すなわち出口側で反応生成水に相当する量だけ多量に
水分が含まれることになる。そのため、膜の含水状態を
飽和に維持するために、飽和状態に加湿した反応ガスを
単電池に供給すると、出口側では水蒸気が過飽和状態と
なり、水滴となって混在することになる。また、前記水
蒸気は、反応ガスの流通路となるセパレータのガス流通
溝の内側に水滴となって停滞し、さらに、通路を塞いで
ガスの流れを阻害する事態をもたらしたり、反応ガスの
供給量が不足したり、電池特性を低下させたりすること
もある。
【0008】また、ガス流通溝の幅が大きい場合、ME
Aがガス流通溝に垂れ下がってしまい、ガス流通溝を塞
いでガスの流れを阻害し、反応ガスの供給量が不足した
り、電池特性を低下させる可能性があるという問題もあ
った。そこで、本発明は、上記問題点を解決すべく、化
学反応の結果、特にガス流通溝下流側に発生した水滴を
効率よく燃料電池の外部に排出する手段を提供し、反応
ガスが安定して均一に流通させる固体高分子電解質型燃
料電池を実現することを目的とする。
Aがガス流通溝に垂れ下がってしまい、ガス流通溝を塞
いでガスの流れを阻害し、反応ガスの供給量が不足した
り、電池特性を低下させる可能性があるという問題もあ
った。そこで、本発明は、上記問題点を解決すべく、化
学反応の結果、特にガス流通溝下流側に発生した水滴を
効率よく燃料電池の外部に排出する手段を提供し、反応
ガスが安定して均一に流通させる固体高分子電解質型燃
料電池を実現することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明は、固体高分子電
解質膜と前記固体高分子電解質膜を挟持する一対の電極
とを具備する単電池を、前記電極の一方に燃料ガスを供
給排出するガス流通溝を有する導電性セパレータおよび
前記電極の他方に酸化剤ガスを供給排出するガス流通溝
を有する導電性セパレータを介して積層した固体高分子
電解質型燃料電池であって、前記導電性セパレータが、
ガス流れの上流側と下流側で異なる数のガス流通溝を有
し、かつすべてのガス流通溝が連続していることを特徴
とする固体高分子電解質型燃料電池に関する。前記導電
性セパレータにおいて、ガス流れの下流側におけるガス
流通溝の数が上流側におけるガス流通溝の数より多いこ
とが有効である。
解質膜と前記固体高分子電解質膜を挟持する一対の電極
とを具備する単電池を、前記電極の一方に燃料ガスを供
給排出するガス流通溝を有する導電性セパレータおよび
前記電極の他方に酸化剤ガスを供給排出するガス流通溝
を有する導電性セパレータを介して積層した固体高分子
電解質型燃料電池であって、前記導電性セパレータが、
ガス流れの上流側と下流側で異なる数のガス流通溝を有
し、かつすべてのガス流通溝が連続していることを特徴
とする固体高分子電解質型燃料電池に関する。前記導電
性セパレータにおいて、ガス流れの下流側におけるガス
流通溝の数が上流側におけるガス流通溝の数より多いこ
とが有効である。
【0010】また、本発明は、固体高分子電解質膜と前
記固体高分子電解質膜を挟持する一対の電極とを具備す
る単電池を、前記電極の一方に燃料ガスを供給排出する
ガス流通溝を有する導電性セパレータおよび前記電極の
他方に酸化剤ガスを供給排出するガス流通溝を有する導
電性セパレータを介して積層した固体高分子電解質型燃
料電池であって、前記ガス流通溝の少なくとも一部に突
起部が設けられ、前記ガス流通溝が複数に分割されてい
ることを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池にも関
する。前記突起部の、ガス流通溝においてガスが流通す
る方向に垂直な方向における断面積が、下流側に向かう
にしたがって大きくなることが有効である。また、前記
突起部が電気伝導性であることが有効であり、また、前
記突起部がシリコーンゴムからなることが有効である。
また、前記突起部の高さが前記ガス流通溝の深さより小
さく、前記突起部の上面部をガスが流通することが有効
であり、また、上記固体高分子電解質型燃料電池におい
ては、前記ガス流通溝が撥水性を有し、前記ガス流通溝
の上流部よりも下流部の撥水性のほうが高いことが有効
である。また、前記導電性セパレータが、オーステナイ
ト系のステンレス鋼からなることが有効である。
記固体高分子電解質膜を挟持する一対の電極とを具備す
る単電池を、前記電極の一方に燃料ガスを供給排出する
ガス流通溝を有する導電性セパレータおよび前記電極の
他方に酸化剤ガスを供給排出するガス流通溝を有する導
電性セパレータを介して積層した固体高分子電解質型燃
料電池であって、前記ガス流通溝の少なくとも一部に突
起部が設けられ、前記ガス流通溝が複数に分割されてい
ることを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池にも関
する。前記突起部の、ガス流通溝においてガスが流通す
る方向に垂直な方向における断面積が、下流側に向かう
にしたがって大きくなることが有効である。また、前記
突起部が電気伝導性であることが有効であり、また、前
記突起部がシリコーンゴムからなることが有効である。
また、前記突起部の高さが前記ガス流通溝の深さより小
さく、前記突起部の上面部をガスが流通することが有効
であり、また、上記固体高分子電解質型燃料電池におい
ては、前記ガス流通溝が撥水性を有し、前記ガス流通溝
の上流部よりも下流部の撥水性のほうが高いことが有効
である。また、前記導電性セパレータが、オーステナイ
ト系のステンレス鋼からなることが有効である。
【0011】
【発明の実施の形態】本発明の実施の形態は、高分子電
解質膜からなる電解質層の両主面に電極層を配置し、さ
らにその両外面に、ガス流通溝を備えたセパレータを配
置して単電池とし、この単電池を積層して燃料電池積層
体を形成し、一方のセパレータのガス流通溝に燃料ガ
ス、また他方のセパレータのガス流通溝に酸化剤ガスを
流通する固体高分子電解質型燃料電池において、(1)
各セパレータが複数本のガス流通溝を有し、かつガスの
上流側と下流側でガス流通溝の本数が異なる、(2)セ
パレータのガス流通溝において、下流側のガス流通溝の
本数が上流側のガス流通溝の本数より多い、(3)セパ
レータのガス流通溝の下流側に突起部を設け、ガス流通
溝を少なくとも2以上に分割することを特徴とするもの
である。また、上記(3)の構成においては、(a)突
起部のセパレータのガス流通溝の占有断面積を、下流側
に向かうにつれ大きくする、(b)突起部が導電性を有
する、(c)突起部の高さを、セパレータの集電部の高
さより低くすることを特徴とするものである。
解質膜からなる電解質層の両主面に電極層を配置し、さ
らにその両外面に、ガス流通溝を備えたセパレータを配
置して単電池とし、この単電池を積層して燃料電池積層
体を形成し、一方のセパレータのガス流通溝に燃料ガ
ス、また他方のセパレータのガス流通溝に酸化剤ガスを
流通する固体高分子電解質型燃料電池において、(1)
各セパレータが複数本のガス流通溝を有し、かつガスの
上流側と下流側でガス流通溝の本数が異なる、(2)セ
パレータのガス流通溝において、下流側のガス流通溝の
本数が上流側のガス流通溝の本数より多い、(3)セパ
レータのガス流通溝の下流側に突起部を設け、ガス流通
溝を少なくとも2以上に分割することを特徴とするもの
である。また、上記(3)の構成においては、(a)突
起部のセパレータのガス流通溝の占有断面積を、下流側
に向かうにつれ大きくする、(b)突起部が導電性を有
する、(c)突起部の高さを、セパレータの集電部の高
さより低くすることを特徴とするものである。
【0012】ここで、前記突起部は、セパレータと同じ
材料で構成されていてもよく、この場合は、突起部を有
する形状のセパレータを一体成形により作製すればよ
い。また、前記突起部は、従来の形状を有するセパレー
タを作製した後に、後付けしても構わない。この場合、
突起部を構成する材料としては、流通する反応ガスによ
って劣化しないものであれば特に制限はなく、例えばア
クリル樹脂またはシリコーンゴムなどがあげられる。ま
た、単電池間の接触抵抗を上げないために突起部に導電
性を付与するのが好ましく、この場合は、例えば導電性
フィラーを混合すればよい。セパレータのガス流通溝を
上記の構成にすることで、特に水滴が滞留しやすい下流
側で生成水の排水効率が向上し、反応ガスが安定して流
通するようになり、固体高分子電解質型燃料電池の性能
の低下を抑えることが可能になる。
材料で構成されていてもよく、この場合は、突起部を有
する形状のセパレータを一体成形により作製すればよ
い。また、前記突起部は、従来の形状を有するセパレー
タを作製した後に、後付けしても構わない。この場合、
突起部を構成する材料としては、流通する反応ガスによ
って劣化しないものであれば特に制限はなく、例えばア
クリル樹脂またはシリコーンゴムなどがあげられる。ま
た、単電池間の接触抵抗を上げないために突起部に導電
性を付与するのが好ましく、この場合は、例えば導電性
フィラーを混合すればよい。セパレータのガス流通溝を
上記の構成にすることで、特に水滴が滞留しやすい下流
側で生成水の排水効率が向上し、反応ガスが安定して流
通するようになり、固体高分子電解質型燃料電池の性能
の低下を抑えることが可能になる。
【0013】このような効果は、以下の作用により得ら
れる。つまり、上記(1)〜(3)の構成においては、
下流側でのガス流通溝の断面積が小さくなるために、水
滴が滞留する下流側で単位面積当たりの気体流量が増大
することになる。その結果、増大した気体流量によって
水滴の排水効率が上昇し、水滴がガス流通溝に留まるこ
となく、所定の出口まで導かれる。また、水滴が下流側
においてより停留しやすいことを考慮すると、突起部の
占有断面積が下流側に向かうほど大きくなる上記した
(3)の(a)の構成とすればさらに排水効率が向上す
る。この突起部に導電性をもたせるために、セパレータ
自体の導電性を低下させることがなく電池性能への影響
はない。また突起部が導電性を有していなくても、上記
(3)の(c)の構成にすれば突起自体の導電性はセパ
レータ自体の導電性に直接寄与しないので電池性能には
影響することはない。
れる。つまり、上記(1)〜(3)の構成においては、
下流側でのガス流通溝の断面積が小さくなるために、水
滴が滞留する下流側で単位面積当たりの気体流量が増大
することになる。その結果、増大した気体流量によって
水滴の排水効率が上昇し、水滴がガス流通溝に留まるこ
となく、所定の出口まで導かれる。また、水滴が下流側
においてより停留しやすいことを考慮すると、突起部の
占有断面積が下流側に向かうほど大きくなる上記した
(3)の(a)の構成とすればさらに排水効率が向上す
る。この突起部に導電性をもたせるために、セパレータ
自体の導電性を低下させることがなく電池性能への影響
はない。また突起部が導電性を有していなくても、上記
(3)の(c)の構成にすれば突起自体の導電性はセパ
レータ自体の導電性に直接寄与しないので電池性能には
影響することはない。
【0014】また、下流側でセパレータのガス流通溝の
表面を撥水処理した場合、排水効率はさらに向上する。
これは、ガス流通溝表面に対する水滴の接触角が大きく
なるために、両界面(ガス流通溝/水滴界面)に対する
密着性が低下し、水滴のガス流通溝表面への束縛力が緩
和されるためである。以上に説明した本発明の構成およ
び作用をより明らかにするために、本発明の実施例を図
面を用いて説明する。
表面を撥水処理した場合、排水効率はさらに向上する。
これは、ガス流通溝表面に対する水滴の接触角が大きく
なるために、両界面(ガス流通溝/水滴界面)に対する
密着性が低下し、水滴のガス流通溝表面への束縛力が緩
和されるためである。以上に説明した本発明の構成およ
び作用をより明らかにするために、本発明の実施例を図
面を用いて説明する。
【0015】
【実施例】《実施例1》本実施例においては、図1に示
す構造の単電池を用いて固体高分子電解質型燃料電池を
作製した。固体高分子電解質膜11を挟持する燃料極1
2と酸化剤極13の両外面に、反応ガスを流通させるた
めのガス流通溝15を備えたセパレータ14を、反応ガ
ス流通溝15が燃料極12または酸化剤極13に面する
ように配置し、ガスシール体17で気密に保持した。本
実施例では、固体高分子電解質膜11として、ナフィオ
ン膜(デュポン社製)を用いた。ここで、燃料極12側
および酸化剤極13側のセパレータ14は、カーボン粉
末とフェノール樹脂を混合したものを金型に入れ、加熱
しながら圧縮成形して得られたものである。
す構造の単電池を用いて固体高分子電解質型燃料電池を
作製した。固体高分子電解質膜11を挟持する燃料極1
2と酸化剤極13の両外面に、反応ガスを流通させるた
めのガス流通溝15を備えたセパレータ14を、反応ガ
ス流通溝15が燃料極12または酸化剤極13に面する
ように配置し、ガスシール体17で気密に保持した。本
実施例では、固体高分子電解質膜11として、ナフィオ
ン膜(デュポン社製)を用いた。ここで、燃料極12側
および酸化剤極13側のセパレータ14は、カーボン粉
末とフェノール樹脂を混合したものを金型に入れ、加熱
しながら圧縮成形して得られたものである。
【0016】ここで、図4に、本発明で用いたセパレー
タ14のガス流通溝15の部分概略斜視図を示す。ま
た、図5に、図4に示すガス流通溝を有するセパレータ
14の斜視図を示す。図4および図5に示すように、ガ
ス流れの中央部から下流側に向けてガス流通溝の幅方向
における中心に突起部40を設け、下流側のガス流通溝
の本数を上流側より多くした。このような構成にする
と、飽和状態に加湿した反応ガスの水分と、燃料電池の
発電に際し生成された反応生成水が、セパレータ14の
下流側のガス流通溝に水滴として付着しても、ガス流通
溝15の下流側は断面積が小さく、ガス流量が増大して
いるために、水滴がガス流通溝に留まることはなかっ
た。
タ14のガス流通溝15の部分概略斜視図を示す。ま
た、図5に、図4に示すガス流通溝を有するセパレータ
14の斜視図を示す。図4および図5に示すように、ガ
ス流れの中央部から下流側に向けてガス流通溝の幅方向
における中心に突起部40を設け、下流側のガス流通溝
の本数を上流側より多くした。このような構成にする
と、飽和状態に加湿した反応ガスの水分と、燃料電池の
発電に際し生成された反応生成水が、セパレータ14の
下流側のガス流通溝に水滴として付着しても、ガス流通
溝15の下流側は断面積が小さく、ガス流量が増大して
いるために、水滴がガス流通溝に留まることはなかっ
た。
【0017】《実施例2》本実施例においても、図1に
示す構造の単電池からなる固体高分子電解質型燃料電池
を作製した。固体高分子電解質膜11を挟持する燃料極
12と酸化剤極13の両外面に、反応ガスを流通させる
ためのガス流通溝15を備えたセパレータ14を、ガス
流通溝15が燃料極12または酸化剤極13に面するよ
うに配置し、ガスシール体17で気密に保持した。固体
高分子電解質膜11としてはナフィオン膜(デュポン社
製、型番112)を用いた。ここで、燃料極側および酸
化剤側のセパレータとしては、カーボン粉末とフェノー
ル樹脂を混合したものを金型に入れ、加熱しながら圧縮
成形して図3に示す構造のセパレータ14を作製した。
ついで、図6に示すように、ガス流通溝15のガス流れ
の中央部から下流側にアクリル樹脂と導電性フィラーと
の混合物からなる突起部41を形成し、ガス流通溝をそ
の幅方向における中心部で分割した。図6は、本実施例
で用いたセパレータ14のガス流通溝15の部分概略斜
視図である。また、図7に、本実施例で作製したセパレ
ータ14の斜視図を示す。
示す構造の単電池からなる固体高分子電解質型燃料電池
を作製した。固体高分子電解質膜11を挟持する燃料極
12と酸化剤極13の両外面に、反応ガスを流通させる
ためのガス流通溝15を備えたセパレータ14を、ガス
流通溝15が燃料極12または酸化剤極13に面するよ
うに配置し、ガスシール体17で気密に保持した。固体
高分子電解質膜11としてはナフィオン膜(デュポン社
製、型番112)を用いた。ここで、燃料極側および酸
化剤側のセパレータとしては、カーボン粉末とフェノー
ル樹脂を混合したものを金型に入れ、加熱しながら圧縮
成形して図3に示す構造のセパレータ14を作製した。
ついで、図6に示すように、ガス流通溝15のガス流れ
の中央部から下流側にアクリル樹脂と導電性フィラーと
の混合物からなる突起部41を形成し、ガス流通溝をそ
の幅方向における中心部で分割した。図6は、本実施例
で用いたセパレータ14のガス流通溝15の部分概略斜
視図である。また、図7に、本実施例で作製したセパレ
ータ14の斜視図を示す。
【0018】電池の運転に際しては、固体高分子電解質
膜11の含水状態を飽和に維持するために、飽和加湿状
態で供給される反応ガスの水分と反応生成水の水分が、
過飽和状態となって液化し、セパレータ14の下流側の
ガス流通溝に水滴として付着する可能性がある。しか
し、本実施例に係る燃料電池においては、ガス流通溝1
5の下流側では突起によってガス流通溝断面積が小さく
なってガスの流量が増大しているため、水滴はガス流通
溝に留まることなく、所定の流路まで導かれた。そし
て、反応ガスの供給が不足する危険性が回避され、反応
ガスを安定して均一に流通させることができた。
膜11の含水状態を飽和に維持するために、飽和加湿状
態で供給される反応ガスの水分と反応生成水の水分が、
過飽和状態となって液化し、セパレータ14の下流側の
ガス流通溝に水滴として付着する可能性がある。しか
し、本実施例に係る燃料電池においては、ガス流通溝1
5の下流側では突起によってガス流通溝断面積が小さく
なってガスの流量が増大しているため、水滴はガス流通
溝に留まることなく、所定の流路まで導かれた。そし
て、反応ガスの供給が不足する危険性が回避され、反応
ガスを安定して均一に流通させることができた。
【0019】《実施例3》本実施例においても、図1に
示す構造の単電池からなる固体高分子電解質型燃料電池
を作製した。固体高分子電解質膜11を挟持する燃料極
12と酸化剤極13の両外面に、ガス流通溝15を備え
たセパレータ14を、ガス流通溝15が燃料極12また
は酸化剤極13に面するように配置し、ガスシール体1
7で気密に保持して構成した。本実施例では、固体高分
子電解質膜11として、ナフィオン膜(デュポン社製)
を用いた。ここで、燃料極側および酸化剤側のセパレー
タ14は、カーボン粉末とフェノール樹脂を混合したも
のを金型に入れ、加熱しながら圧縮成形することにより
図3に示すセパレータ14を作製した。そして、図8の
ガス流通溝15の部分概略斜視図に示すように、ガス流
通溝15のガス流れの中央部から下流側にアクリル樹脂
製の突起部42を形成し、ガス流通溝を分割した。ま
た、下流側に向かうほど、突起部42がガス流通溝15
を占有する面積が大きくなるようにした。図9には、図
8に示すガス流通溝を有するセパレータ14の斜視図を
示す。
示す構造の単電池からなる固体高分子電解質型燃料電池
を作製した。固体高分子電解質膜11を挟持する燃料極
12と酸化剤極13の両外面に、ガス流通溝15を備え
たセパレータ14を、ガス流通溝15が燃料極12また
は酸化剤極13に面するように配置し、ガスシール体1
7で気密に保持して構成した。本実施例では、固体高分
子電解質膜11として、ナフィオン膜(デュポン社製)
を用いた。ここで、燃料極側および酸化剤側のセパレー
タ14は、カーボン粉末とフェノール樹脂を混合したも
のを金型に入れ、加熱しながら圧縮成形することにより
図3に示すセパレータ14を作製した。そして、図8の
ガス流通溝15の部分概略斜視図に示すように、ガス流
通溝15のガス流れの中央部から下流側にアクリル樹脂
製の突起部42を形成し、ガス流通溝を分割した。ま
た、下流側に向かうほど、突起部42がガス流通溝15
を占有する面積が大きくなるようにした。図9には、図
8に示すガス流通溝を有するセパレータ14の斜視図を
示す。
【0020】燃料極側および酸化剤側のセパレータ14
はカーボン粉末とフェノール樹脂を混合したものを一定
の金型に入れ、加熱しながら圧縮成形して得られたもの
であり、ガス流通溝15の下流側にはアクリル樹脂から
形成される突起部42を形成し、図8および図9に示す
ように、ガス流通溝15が分割されている。また、下流
側に向かうほど、突起部42がガス流通溝15を占有す
る面積が大きくなっている。また、突起部42のガス流
通溝の底面からの高さL2をセパレータ14の集電部で
あるリブ34の高さL1より低くした。本実施例におい
ては、固体高分子電解質膜11の含水状態を飽和に維持
するために飽和状態に加湿して供給される反応ガスの水
分、および燃料電池の発電に際し生成された反応生成水
の水分が、過飽和状態となって液化し、セパレータ14
の下流側のガス流通溝15に水滴として付着する事態が
生じても、ガス流通溝15の下流側では突起部42によ
ってガス流通溝断面積が小さくなっており流量が増大し
ているため、水滴はガス流通溝に留まることなく、所定
の流路まで導かれ、反応ガスの供給が不足する危険性が
回避され反応ガスが安定して均一に流通した。なお、図
8に示した構成においては、セパレータ14に冷却水流
通溝16を設けて単電池を冷却しているが、これに限る
ものでなくセパレータ以外の別途構成部品にこの冷却機
能を持たせてもよい。
はカーボン粉末とフェノール樹脂を混合したものを一定
の金型に入れ、加熱しながら圧縮成形して得られたもの
であり、ガス流通溝15の下流側にはアクリル樹脂から
形成される突起部42を形成し、図8および図9に示す
ように、ガス流通溝15が分割されている。また、下流
側に向かうほど、突起部42がガス流通溝15を占有す
る面積が大きくなっている。また、突起部42のガス流
通溝の底面からの高さL2をセパレータ14の集電部で
あるリブ34の高さL1より低くした。本実施例におい
ては、固体高分子電解質膜11の含水状態を飽和に維持
するために飽和状態に加湿して供給される反応ガスの水
分、および燃料電池の発電に際し生成された反応生成水
の水分が、過飽和状態となって液化し、セパレータ14
の下流側のガス流通溝15に水滴として付着する事態が
生じても、ガス流通溝15の下流側では突起部42によ
ってガス流通溝断面積が小さくなっており流量が増大し
ているため、水滴はガス流通溝に留まることなく、所定
の流路まで導かれ、反応ガスの供給が不足する危険性が
回避され反応ガスが安定して均一に流通した。なお、図
8に示した構成においては、セパレータ14に冷却水流
通溝16を設けて単電池を冷却しているが、これに限る
ものでなくセパレータ以外の別途構成部品にこの冷却機
能を持たせてもよい。
【0021】《実施例4》本実施例においても、図1に
示す構造の単電池からなる固体高分子電解質型燃料電池
を作製した。固体高分子電解質膜11を挟持する燃料極
12と酸化剤極13の両外面に、ガス流通溝15を備え
たセパレータ14を、ガス流通溝15が燃料極12また
は酸化剤極13に面するように配置し、ガスシール体1
7で気密に保持して構成した。本実施例では、固体高分
子電解質膜11として、ナフィオン膜(デュポン社製、
型番112)を用いた。本実施例においては、ステンレ
ス鋼(SUS304)製の金属板の表面に、プレス成型
によりガス流通溝15を設けて、図3に示す形状のセパ
レータ14を作製した。続いて、固体高分子電解質膜1
1を挟持する燃料極12と酸化剤極13の両外面に、前
記セパレータ14を、ガス流通溝15が燃料極12また
は酸化剤極13に面するように配置し、ガスシール体1
7で気密に保持して構成した。
示す構造の単電池からなる固体高分子電解質型燃料電池
を作製した。固体高分子電解質膜11を挟持する燃料極
12と酸化剤極13の両外面に、ガス流通溝15を備え
たセパレータ14を、ガス流通溝15が燃料極12また
は酸化剤極13に面するように配置し、ガスシール体1
7で気密に保持して構成した。本実施例では、固体高分
子電解質膜11として、ナフィオン膜(デュポン社製、
型番112)を用いた。本実施例においては、ステンレ
ス鋼(SUS304)製の金属板の表面に、プレス成型
によりガス流通溝15を設けて、図3に示す形状のセパ
レータ14を作製した。続いて、固体高分子電解質膜1
1を挟持する燃料極12と酸化剤極13の両外面に、前
記セパレータ14を、ガス流通溝15が燃料極12また
は酸化剤極13に面するように配置し、ガスシール体1
7で気密に保持して構成した。
【0022】ここで、セパレータ14のガス流通溝15
内部には、シリコーンゴムからなる突起部43を射出成
形によって形成し、ガス流通溝15を分割した。図10
に、本実施例において作製したセパレータ14の斜視図
を示す。図10に示すように、ガス流通溝31の中央部
には、上流側から下流側にかけて突起部43を設けた。
本実施例においては、固体高分子電解質膜11の含水状
態を飽和に維持するために飽和状態に加湿して供給され
る反応ガスの水分、および燃料電池の発電に際し生成さ
れた反応生成水の水分が、過飽和状態となって液化し、
セパレータ14のガス流通溝に水滴として付着する事態
が生じても、ガス流通溝15では突起部43によって流
量が増大しているため、水滴はガス流通溝に留まること
なく、所定の流路まで導かれることになり、反応ガスの
供給が不足する危険性が回避され反応ガスが安定して均
一に流通した。また、膜電極接合体は、ガス流通溝で突
起部43によって支持されるために、セパレータ14全
面にわたって均一に保持され、ガス流通溝に垂れ下がる
ことはなく、反応ガスの供給が不足する危険性が回避さ
れ、反応ガスが安定して均一に流通した。
内部には、シリコーンゴムからなる突起部43を射出成
形によって形成し、ガス流通溝15を分割した。図10
に、本実施例において作製したセパレータ14の斜視図
を示す。図10に示すように、ガス流通溝31の中央部
には、上流側から下流側にかけて突起部43を設けた。
本実施例においては、固体高分子電解質膜11の含水状
態を飽和に維持するために飽和状態に加湿して供給され
る反応ガスの水分、および燃料電池の発電に際し生成さ
れた反応生成水の水分が、過飽和状態となって液化し、
セパレータ14のガス流通溝に水滴として付着する事態
が生じても、ガス流通溝15では突起部43によって流
量が増大しているため、水滴はガス流通溝に留まること
なく、所定の流路まで導かれることになり、反応ガスの
供給が不足する危険性が回避され反応ガスが安定して均
一に流通した。また、膜電極接合体は、ガス流通溝で突
起部43によって支持されるために、セパレータ14全
面にわたって均一に保持され、ガス流通溝に垂れ下がる
ことはなく、反応ガスの供給が不足する危険性が回避さ
れ、反応ガスが安定して均一に流通した。
【0023】
【発明の効果】上述のように、本発明は、水素イオン伝
導性固体高分子電解質膜の両主面に電極層を配置し、さ
らにその両外面に、ガス流通溝を備えたセパレータを配
置して単電池とし、この単電池を積層して燃料電池積層
体を形成し、一方のセパレータのガス流通溝に燃料ガ
ス、また他方のセパレータのガス流通溝に酸化剤ガスを
流通する固体高分子電解質型燃料電池に関するものであ
る。そして、(1)各セパレータが複数本のガス流通溝
を有し、かつガスの上流側と下流側でガス流通溝の本数
が異なること、(2)セパレータのガス流通溝におい
て、下流側のガス流通溝の本数が上流側のガス流通溝の
本数より多い、および/または(3)セパレータのガス
流通溝の下流側に突起部を設け、ガス流通溝が少なくと
も2以上に分割されていることを特徴とするものであ
る。さらに上記(3)の構成においては、(a)突起部
のセパレータのガス流通溝の占有断面積が、下流側に向
かうにつれて大きくなっていること、(b)突起部が導
電性を有すること、および/または(c)突起部の高さ
がセパレータの集電部であるリブの高さより低いことを
特徴とする。これにより、ガス流通溝での水滴による閉
塞が抑制され、反応ガスが安定して均一に流通する固体
高分子電解質型燃料電池が得られる。
導性固体高分子電解質膜の両主面に電極層を配置し、さ
らにその両外面に、ガス流通溝を備えたセパレータを配
置して単電池とし、この単電池を積層して燃料電池積層
体を形成し、一方のセパレータのガス流通溝に燃料ガ
ス、また他方のセパレータのガス流通溝に酸化剤ガスを
流通する固体高分子電解質型燃料電池に関するものであ
る。そして、(1)各セパレータが複数本のガス流通溝
を有し、かつガスの上流側と下流側でガス流通溝の本数
が異なること、(2)セパレータのガス流通溝におい
て、下流側のガス流通溝の本数が上流側のガス流通溝の
本数より多い、および/または(3)セパレータのガス
流通溝の下流側に突起部を設け、ガス流通溝が少なくと
も2以上に分割されていることを特徴とするものであ
る。さらに上記(3)の構成においては、(a)突起部
のセパレータのガス流通溝の占有断面積が、下流側に向
かうにつれて大きくなっていること、(b)突起部が導
電性を有すること、および/または(c)突起部の高さ
がセパレータの集電部であるリブの高さより低いことを
特徴とする。これにより、ガス流通溝での水滴による閉
塞が抑制され、反応ガスが安定して均一に流通する固体
高分子電解質型燃料電池が得られる。
【図1】固体高分子電解質型燃料電池の単電池の基本構
成を示す概略縦断面図
成を示す概略縦断面図
【図2】図1に示す単電池を積層して得られる燃料電池
積層体の概略側面図
積層体の概略側面図
【図3】単電池を構成するセパレータを電極に面する側
から見た斜視図
から見た斜視図
【図4】実施例1で用いたセパレータのガス流通溝の部
分概略斜視図
分概略斜視図
【図5】図4に示すガス流通溝を有するセパレータの斜
視図
視図
【図6】実施例2で用いたセパレータのガス流通溝の部
分概略斜視図
分概略斜視図
【図7】図6に示すガス流通溝を有するセパレータの斜
視図
視図
【図8】実施例3で用いたセパレータのガス流通溝の部
分概略斜視図
分概略斜視図
【図9】図8に示すガス流通溝を有するセパレータの斜
視図
視図
【図10】実施例4において作製したセパレータの斜視
図
図
11 固体高分子電解質膜 12 燃料極 13 酸化剤極 14 セパレータ 15 ガス流通溝 16 冷却水流通溝 17 ガスシール体 21 単電池 22 集電板 23 絶縁板 24 締付板 25 締付ボルト 26 皿バネ 27 締付ナット 31 ガス流通溝 32 ガス注入用マニホールド 33 ガス排出用マニホールド 34 リブ 40 突起部 41 突起部 42 突起部 43 突起部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山崎 達人 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 新倉 順二 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 Fターム(参考) 5H026 AA06 CC03 EE08 HH02
Claims (9)
- 【請求項1】 固体高分子電解質膜と前記固体高分子電
解質膜を挟持する一対の電極とを具備する単電池を、前
記電極の一方に燃料ガスを供給排出するガス流通溝を有
する導電性セパレータおよび前記電極の他方に酸化剤ガ
スを供給排出するガス流通溝を有する導電性セパレータ
を介して積層した固体高分子電解質型燃料電池であっ
て、 前記導電性セパレータが、ガス流れの上流側と下流側で
異なる数のガス流通溝を有し、かつすべてのガス流通溝
が連続していることを特徴とする固体高分子電解質型燃
料電池。 - 【請求項2】 前記導電性セパレータにおいて、ガス流
れの下流側におけるガス流通溝の数が上流側におけるガ
ス流通溝の数より多いことを特徴とする請求項1記載の
固体高分子電解質型燃料電池。 - 【請求項3】 固体高分子電解質膜と前記固体高分子電
解質膜を挟持する一対の電極とを具備する単電池を、前
記電極の一方に燃料ガスを供給排出するガス流通溝を有
する導電性セパレータおよび前記電極の他方に酸化剤ガ
スを供給排出するガス流通溝を有する導電性セパレータ
を介して積層した固体高分子電解質型燃料電池であっ
て、 前記ガス流通溝の少なくとも一部に突起部が設けられ、
前記ガス流通溝が複数に分割されていることを特徴とす
る固体高分子電解質型燃料電池。 - 【請求項4】 前記突起部の、前記ガス流通溝において
ガスが流通する方向に垂直な方向における断面積が、下
流側に向かうにしたがって大きくなることを特徴とする
請求項3記載の固体高分子電解質型燃料電池。 - 【請求項5】 前記突起部が電気伝導性であることを特
徴とする請求項3または4記載の固体高分子電解質型燃
料電池。 - 【請求項6】 前記突起部がシリコーンゴムからなるこ
とを特徴とする請求項3または4記載の固体高分子電解
質型燃料電池。 - 【請求項7】 前記突起部の高さが前記ガス流通溝の深
さより小さく、前記突起部の上面部をガスが流通するこ
とを特徴とする請求項3〜6のいずれかに記載の固体高
分子電解質型燃料電池。 - 【請求項8】 前記ガス流通溝が撥水性を有し、前記ガ
ス流通溝の上流側よりも下流側のほうが撥水性が高いこ
とを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載の固体高
分子電解質型燃料電池。 - 【請求項9】 前記導電性セパレータが、オーステナイ
ト系のステンレス鋼からなることを特徴とする請求項1
〜8のいずれかに記載の固体高分子電解質型燃料電池。
Priority Applications (7)
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JP2000201163A JP2001325971A (ja) | 2000-03-07 | 2000-07-03 | 固体高分子電解質型燃料電池 |
DE60139114T DE60139114D1 (de) | 2000-03-07 | 2001-03-06 | Polymer-elektroly-brennstoffzelle und herstellungsverfahren dafür |
EP01908367A EP1265303B1 (en) | 2000-03-07 | 2001-03-06 | Polymer electrolyte fuel cell and method of manufacturing the same |
CN018061516A CN1416604B (zh) | 2000-03-07 | 2001-03-06 | 高分子电解质型燃料电池及其制造方法 |
KR10-2002-7011343A KR100474938B1 (ko) | 2000-03-07 | 2001-03-06 | 고분자전해질형 연료전지 및 그 제조방법 |
US10/220,051 US6921598B2 (en) | 2000-03-07 | 2001-03-06 | Polymer electrolyte fuel cell and method of manufacturing the same |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2000061476 | 2000-03-07 | ||
JP2000-61476 | 2000-03-07 | ||
JP2000201163A JP2001325971A (ja) | 2000-03-07 | 2000-07-03 | 固体高分子電解質型燃料電池 |
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---|---|
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JP2000201163A Pending JP2001325971A (ja) | 2000-03-07 | 2000-07-03 | 固体高分子電解質型燃料電池 |
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JP (1) | JP2001325971A (ja) |
Cited By (14)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2005078975A (ja) * | 2003-09-01 | 2005-03-24 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 高分子電解質膜−電極接合体およびこれを用いた高分子電解質型燃料電池 |
JP2005203288A (ja) * | 2004-01-19 | 2005-07-28 | Toyota Motor Corp | 燃料電池 |
JP2006019116A (ja) * | 2004-07-01 | 2006-01-19 | Nissan Motor Co Ltd | 燃料電池 |
KR100664077B1 (ko) | 2005-09-30 | 2007-01-03 | 엘지전자 주식회사 | 연료 전지 스택의 와류 발생 방지구조 |
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