JP4245091B2

JP4245091B2 - 燃料電池

Info

Publication number: JP4245091B2
Application number: JP28028398A
Authority: JP
Inventors: 成利杉田; 次雄大場; 昇岡田
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1998-10-01
Filing date: 1998-10-01
Publication date: 2009-03-25
Anticipated expiration: 2018-10-01
Also published as: CA2284968A1; CA2284968C; JP2000113899A; US6350540B1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、単位燃料電池セルを第１および第２セパレータで挟持して構成された燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる電解質とこの電解質の両側にそれぞれ配置されるアノード側電極およびカソード側電極とを有した単位燃料電池セルを、セパレータによって挟持することにより燃料電池スタックとして構成されている。
【０００３】
この種の燃料電池において、アノード側電極に供給された燃料ガス、例えば、水素ガスは、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。
【０００４】
ところで、上記の燃料電池では、アノード側電極に燃料ガスを供給するとともに、カソード側電極に酸化剤ガスを供給するために、例えば、特開平８−２０３５４６号公報に開示された技術が採用されている。
【０００５】
すなわち、図７に示すように、電解質膜１の両側に、それぞれ触媒層２とガス拡散層３とを有するアノード側電極４およびカソード側電極５が設けられている。アノード側電極４およびカソード側電極５の外側には、セパレータ６、７が配設されるとともに、前記セパレータ６、７の前記アノード側電極４および前記カソード側電極５に接触する平面部には、それぞれ燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給するための流路溝６ａ、７ａが形成されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の従来技術では、セパレータ６、７のそれぞれの流路溝６ａ、７ａ間に設けられている山部６ｂ、７ｂが、アノード側電極４およびカソード側電極５のそれぞれのガス拡散層３に圧着している。このため、流路溝６ａ、７ａに供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスは、ガス拡散層３において山部６ｂ、７ｂが接触する部分の拡散性が悪くなり、前記山部６ｂ、７ｂに対応する触媒層２の部分２ａが反応に利用されていない。
【０００７】
これにより、触媒層２の有効反応面積が減少し、発電性能が低下するという問題が指摘されている。その際、ガス拡散層３の厚さを大きくすることにより触媒層２の有効反応面積を増大させることが考えられるが、電気抵抗の増大を招くとともに、燃料電池スタック全体の積層方向の寸法が増大するという問題が発生する。
【０００８】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、ガス拡散性を高めて有効反応面積を増大させるとともに、小型化に適した燃料電池を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る燃料電池では、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それぞれ燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給する第１および第２流路を有するとともに、前記第１セパレータに対向する前記アノード側電極におけるガス拡散層の面部には、前記燃料ガスを流すためのガス流路が設けられている。
【００１０】
このため、ガス拡散層におけるガス拡散性が有効に向上し、電極触媒の有効反応面積が増大して発電性能の向上を図ることが可能になる。しかも、ガス拡散層を肉厚に設定する必要がなく、燃料電池全体の積層方向の寸法を有効に短尺化させることができる。
【００１１】
また、ガス拡散層のガス流路は、第１流路と同一形状を有し、それぞれ一本で連続する複数本の独立した流路溝を設けている。従って、ガス流路内で生成される水を外部に向かって円滑に排出することができ、反応生成水の排出性を有効に向上させることが可能になる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池１０の要部分解斜視説明図であり、図２は、前記燃料電池１０の一部縦断面説明図である。
【００１４】
燃料電池１０は、単位燃料電池セル１２と、この単位燃料電池セル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積層されて燃料電池スタックを構成している。単位燃料電池セル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。
【００１５】
単位燃料電池セル１２の両側には、第１および第２ガスケット２４、２６が設けられ、前記第１ガスケット２４は、アノード側電極２０を収納するための大きな開口部２８を有する一方、前記第２ガスケット２６は、カソード側電極２２を収納するための大きな開口部３０を有する。単位燃料電池セル１２と第１および第２ガスケット２４、２６とが、第１および第２セパレータ１４、１６によって挟持される。
【００１６】
第１および第２セパレータ１４、１６の上部側には、燃料ガス供給孔部３２ａ、酸化剤ガス供給孔部３４ａおよび冷却水供給孔部３６ａが形成されるとともに、前記第１および第２セパレータ１４、１６の下部側には、燃料ガス排出孔部３２ｂ、酸化剤ガス排出孔部３４ｂおよび冷却水排出孔部３６ｂが形成される。電解質膜１８と第１および第２ガスケット２４、２６とには、同様に上部側に燃料ガス供給孔部３２ａ、酸化剤供給孔部３４ａ、冷却水供給孔部３６ａが形成される一方、その下部側に燃料ガス排出孔部３２ｂ、酸化剤ガス排出孔部３４ｂおよび冷却水排出孔部３６ｂが形成されている。
【００１７】
第１セパレータ１４の面１４ａには、アノード側電極２０に燃料ガスである水素ガスを供給するための第１流路３８が形成される。第１流路３８は、第１セパレータ１４の上部側に設けられた燃料ガス供給孔部３２ａに連通するとともに、前記第１セパレータ１４の下部側に設けられた燃料ガス排出孔部３２ｂに連通する。
【００１８】
第１流路３８は、例えば、６本のそれぞれ独立した流路溝４０を有している。各流路溝４０は、燃料ガス供給孔部３２ａから左右方向に蛇行しながら重力方向に向かって設けられ、それぞれ燃料ガス排出孔部３２ｂに連通している。
【００１９】
第２セパレータ１６の面１６ａには、カソード側電極２２に酸化剤ガスである空気（または酸素ガス）を供給するための第２流路４６が形成される。この第２流路４６は、第１流路３８と同様に６本の流路溝４８を有している。各流路溝４８は、左右方向に蛇行しながら重力方向に向かって設けられおり、その両端部がガス入口側である酸化剤ガス供給孔部３４ａとガス出口側である酸化剤ガス排出孔部３４ｂとに連通している。
【００２０】
図１および図２に示すように、アノード側電極２０は、電解質膜１８の一方の面部に設けられる第１電極触媒層５０と、この第１電極触媒層５０に設けられる第１ガス拡散層５２とを備える一方、カソード側電極２２は、前記電解質膜１８の他方の面部に設けられる第２電極触媒層５４と、この第２電極触媒層５４に設けられる第２ガス拡散層５６とを備える。第１および第２ガス拡散層５２、５６は、例えば、カーボンペーパあるいはポーラス状カーボンで形成されている。
【００２１】
第１および第２ガス拡散層５２、５６は、第１および第２セパレータ１４、１６に対向する面部に、水素ガスおよび空気を流すための第１および第２ガス流路５８、６０を設けている。第１ガス流路５８は、第１セパレータ１４に設けられた第１流路３８と同一形状を有しており、前記第１流路３８の各流路溝４０に対向して６本のそれぞれ独立した流路溝６２を備える。第２ガス流路６０は、第２セパレータ１６に設けられた第２流路４６と同一形状を有しており、この第２流路４６の各流路溝４８に対向して６本のそれぞれ独立した流路溝６４を備える。各流路溝６２、６４は、第１および第２ガス拡散層５２、５６の厚さ方向に所定の深さまで切り欠いて形成されるとともに、左右方向に蛇行しながら重力方向に向かって設けられている。
【００２２】
第１および第２セパレータ１４、１６のそれぞれの面１４ｂ、１６ｂ側には、冷却水供給孔部３６ａと冷却水排出孔部３６ｂとを連通する冷却水流路６６が形成されている。
【００２３】
このように形成される第１の実施形態に係る燃料電池１０の動作について、以下に説明する。
【００２４】
第１セパレータ１４の上部側に設けられた燃料ガス供給孔部３２ａから第１流路３８に、燃料ガスとして、例えば、水素ガスが供給されるとともに、第２セパレータ１６の上部側に設けられた酸化剤ガス供給孔部３４ａから第２流路４６に、酸化剤ガスとして、例えば、空気（または酸素ガス）が供給される。
【００２５】
第１流路３８に供給された水素ガスは、それぞれ独立して設けられている各流路溝４０に導入され、左右方向に蛇行するように重力方向に移動しながら単位燃料電池セル１２のアノード側電極２０に供給される。一方、第２流路４６に導入された空気も同様に、それぞれ独立して設けられている各流路溝４８に沿って左右方向に蛇行しながら重力方向に移動し、単位燃料電池セル１２を構成するカソード側電極２２に供給される。
【００２６】
この場合、第１の実施形態では、第１および第２ガス拡散層５２、５６には、それぞれ第１および第２セパレータ１４、１６に設けられた第１および第２流路３８、４６の各流路溝４０、４８と同一形状の流路溝６２、６４を有する第１および第２ガス流路５８、６０が形成されている。
【００２７】
このため、図２に示すように、燃料ガスである水素ガスは、第１流路３８の流路溝４０と第１ガス流路５８の流路溝６２とに一体的に供給され、第１ガス拡散層５２により拡散されて、第１電極触媒層５０に供給される。ここで、流路溝６２は第１ガス拡散層５２の内部に所定の深さまで切り欠いて形成されており、第１電極触媒層５０の第１セパレータ１４の山部１４ｃに対応する部分で水素ガスの供給不良が惹起することがない。
【００２８】
これにより、アノード側電極２０では、水素ガスのガス拡散性が有効に向上し、第１電極触媒層５０の有効反応面積が増大して発電性能が向上するという効果が得られる。従って、第１ガス拡散層５２を肉厚に構成する必要がなく、電気抵抗が増大することを阻止するとともに、燃料電池１０全体の積層方向の寸法を有効に短尺化して、前記燃料電池１０全体の小型化が図られる。
【００２９】
一方、第２ガス拡散層５６の第２ガス流路６０は、上記の第１ガス拡散層５２と同様に、厚さ方向に所定の深さまで切り欠いて形成される流路溝６４を有している。このため、第２セパレータ１６の山部１６ｃに対応してガス拡散性が低下することがなく、酸化剤ガスである空気を第２電極触媒層５４全体に供給して、前記第２電極触媒層５４の有効反応面積を増大させることができるという効果がある。
【００３０】
さらに、第１および第２ガス流路５８、６０は、それぞれ１本で連続する合計６本の独立した流路溝６２、６４を有している。これにより、第１および第２ガス流路５８、６０で生成された反応生成水は、各流路溝６２、６４を通って円滑に外部へと排出され、前記反応生成水の排出性が有効に向上するという利点が得られる。
【００３１】
図３は、本発明に関連する燃料電池８０の要部分解斜視説明図であり、図４は、前記燃料電池８０の一部断面説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池１０と同一の構成要素には、同一参照符号を付してその詳細な説明は省略する。
【００３２】
燃料電池８０を構成するアノード側電極２０は、第１電極触媒層５０に設けられる第１ガス拡散層８２を備える一方、カソード側電極２２は、第２電極触媒層５４に設けられる第２ガス拡散層８４を備える。第１および第２ガス拡散層８２、８４は、第１および第２セパレータ１４、１６に対向する面部に燃料ガスおよび酸化剤ガスを流すための第１および第２ガス流路８６、８８を設けている。第１および第２ガス流路８６、８８は、第１および第２セパレータ１４、１６の第１および第２流路３８、４６と直交するように設定されており、重力方向に延在する複数本の流路溝９０、９２を有している。
【００３３】
このように構成される燃料電池８０では、第１流路３８に導入された水素ガスは、各流路溝４０に沿って左右方向に蛇行しながら重力方向に向かって移動する一方、この第１流路３８に連通する第１ガス流路８６に導入された水素ガスは、各流路溝９０に沿って重力方向に向かって移動する。従って、水素ガスは、第１ガス拡散層８２の全面で左右方向および上下方向に移動しながらこの第１ガス拡散層８２により拡散されて、第１電極触媒層５０に供給される。
【００３４】
これにより、第１電極触媒層５０の全面にわたって水素ガスを均一に供給することができ、水素ガスのガス拡散性を向上させて、前記第１電極触媒層５０の有効反応面積を増大させることができる。しかも、流路溝４０と９０とが合流する部分で水素ガスに乱流が発生する。このため、水素ガスのガス拡散性が一層向上し得るという利点がある。
【００３５】
なお、酸化剤ガスである空気は、第２流路４６に供給されて流路溝４８に沿って左右方向に蛇行しながら重力方向に移動するとともに、第２ガス流路８８の流路溝９２に沿って重力方向に移動する。従って、第２電極触媒層５４の全面にわたって空気を均一に供給することができ、燃料電池８０全体の発電性能を有効に向上させることが可能になる。
【００３６】
図５は、本発明に関連する燃料電池１００の一部分解斜視説明図であり、図６は、前記燃料電池１００の一部断面説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池１０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。
【００３７】
燃料電池１００では、アノード側電極２０を構成する第１ガス拡散層１０２およびカソード側電極２２を構成する第２ガス拡散層１０４に、第１および第２ガス流路１０６、１０８が形成されている。第１および第２ガス流路１０６、１０８は、第１および第２セパレータ１４、１６の山部１４ｃ、１６ｃに対応して複数の孔部１１０、１１２を有している。
【００３８】
このように構成される燃料電池１００では、第１および第２セパレータ１４、１６の山部１４ｃ、１６ｃに対応して第１および第２ガス拡散層１０２、１０４に複数の孔部１１０、１１２が設けられており、前記山部１４ｃ、１６ｃに対応する部分でのガス拡散性を確保することができる。これにより、第１および第２電極触媒層５０、５４の有効反応面積を増大させることができる等、第１および第２の実施形態と同様の効果が得られる。
【００３９】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池では、第１および第２セパレータが燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給する第１および第２流路を有するとともに、前記第１セパレータに対向するアノード側電極におけるガス拡散層の面部に、前記燃料ガスを流すためのガス流路が設けられており、ガス拡散性を向上させて有効反応面積を増大させることができる。これにより、ガス拡散性を確保するためにガス拡散層を肉厚に構成する必要がなく、電気抵抗が増大することを阻止するとともに、積層方向の大型化を確実に阻止することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視説明図である。
【図２】前記燃料電池の一部縦断面説明図である。
【図３】本発明に関連する燃料電池の要部分解斜視説明図である。
【図４】前記燃料電池の一部断面説明図である。
【図５】本発明に関連する燃料電池の一部分解斜視説明図である。
【図６】前記燃料電池の一部断面説明図である。
【図７】従来技術に係る燃料電池の一部断面説明図である。
【符号の説明】
１０、８０、１００…燃料電池１２…単位燃料電池セル
１４、１６…セパレータ１８…電解質膜
２０…アノード側電極２２…カソード側電極
３２ａ…燃料ガス供給孔部３２ｂ…燃料ガス排出孔部
３４ａ…酸化剤ガス供給孔部３４ｂ…酸化剤ガス排出孔部
３８、４６…流路
４０、４８、６２、６４、９０、９２…流路溝
５０、５４…電極触媒層
５２、５６、８２、８４、１０２、１０４…ガス拡散層
５８、６０、８６、８８、１０６、１０８…ガス流路
１１０、１１２…孔部

Claims

電解質の一方の面に、電極触媒を有するガス拡散層からなるアノード側電極を配設し、前記電解質の他方の面に、電極触媒を有するガス拡散層からなるカソード側電極を配設した単位燃料電池セルと、
前記単位燃料電池セルの両側に対設した第１および第２セパレータとを備える燃料電池であって、
前記第１セパレータは、前記アノード側電極に燃料ガスを供給する第１流路を有するとともに、
前記第２セパレータは、前記カソード側電極に酸化剤ガスを供給する第２流路を有し、
前記アノード側電極における前記ガス拡散層は、前記第１セパレータの前記第１流路に対向する面部に前記燃料ガスを流すためのガス流路を設け、
前記ガス拡散層の前記ガス流路は、前記第１流路と少なくとも幅方向に同一形状を有し、それぞれ１本で連続する複数本の独立した流路溝を設けることを特徴とする燃料電池。
電解質の一方の面に、電極触媒を有するガス拡散層からなるアノード側電極を配設し、前記電解質の他方の面に、電極触媒を有するガス拡散層からなるカソード側電極を配設した単位燃料電池セルと、
前記単位燃料電池セルの両側に対設した第１および第２セパレータとを備える燃料電池であって、
前記第１セパレータは、前記アノード側電極に燃料ガスを供給する第１流路を有するとともに、
前記第２セパレータは、前記カソード側電極に酸化剤ガスを供給する第２流路を有し、
前記カソード側電極における前記ガス拡散層は、前記第２セパレータの前記第２流路に対向する面部に前記酸化剤ガスを流すためのガス流路を設け、
前記ガス拡散層の前記ガス流路は、前記第２流路と少なくとも幅方向に同一形状を有し、それぞれ１本で連続する複数本の独立した流路溝を設けることを特徴とする燃料電池。
請求項１または２記載の燃料電池において、前記ガス拡散層のガス流路と、少なくとも前記第１または第２流路とは、蛇行流路に設定されることを特徴とする燃料電池。