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発明の名称 燃料電池
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開平8−138695
公開日 平成8年(1996)5月31日
出願番号 特願平6−295926
出願日 平成6年(1994)11月4日
代理人 【弁理士】
【氏名又は名称】鶴若 俊雄
発明者 田村 修 / 米谷 俊一 / 安間 富男 / 水野 裕
要約 目的
反応ガスの水素、酸素の供給や反応により生成する水の影響、反応ガス等による濃度過電圧を抑え、この濃度過電圧による電圧低下を軽減する燃料電池を提供する。

構成
イオン交換膜7の一方面に正の触媒電極8を有すると共に、他方面に負の触媒電極9を有する電池セル6を備え、この電池セル6により反応ガスを反応させて電気を発生させる燃料電池1において、電池セル6はシール部材14を介して接合されたセパレータ4a,4b,4cで保持され、このセパレータ4a,4b,4cに積層方向に形成された反応ガス通路と電池セル6とを連通するトンネル通路15b,16b,19b,20bを、シール部材であるガスケット14をトンネル状に跨いで形成している。
特許請求の範囲
【請求項1】イオン交換膜の一方面に正の触媒電極を有すると共に、他方面に負の触媒電極を有する電池セルを備え、この電池セルにより反応ガスを反応させて電気を発生させる燃料電池において、前記電池セルはシール部材を介して接合されたセパレータで保持され、このセパレータに積層方向に形成された反応ガス通路と前記電池セルとを連通するトンネル通路を、前記シール部材をトンネル状に跨いで形成したことを特徴とする燃料電池。
【請求項2】イオン交換膜の一方面に正の触媒電極を有すると共に、他方面に負の触媒電極を有する電池セルを積層した電池セルスタックを備え、前記各電池セルの反応ガス通路に反応ガスを供給し、この反応ガスの反応により電気を発生させる燃料電池において、前記電池セルの面方向を上下方向に向け、かつ前記電池セルスタックの設置方向に対して前記電池セルの配置方向を傾斜して設け、前記反応ガス通路を傾斜させたことを特徴とする燃料電池。
【請求項3】イオン交換膜の一方面に正の触媒電極を有すると共に、他方面に負の触媒電極を有する電池セルを積層した電池セルスタックを備え、前記各電池セルの反応ガス通路に反応ガスを供給し、この反応ガスの反応により電気を発生させる燃料電池において、前記電池セルの面方向を上下方向に向け、前記電池セルスタックの前記電池セルより下方位置に前記反応ガスの出口部を設けたことを特徴とする燃料電池。
発明の詳細な説明
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、反応ガスを反応させて水を生成し、その際に電気を発生させる燃料電池に関する。
【0002】
【従来の技術】電気自動車には、例えば燃料電池を搭載し、この燃料電池によって発生する電気を駆動源として走行するものがある。この燃料電池は、イオン交換膜の一方面に正の触媒電極を有すると共に、他方面に負の触媒電極を有する電池セルを備え、この電池セルにより反応ガスの水素と酸素とを反応させて水を生成し、その際に電気を発生させる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】このように燃料電池の性能は、図7に示すような電流電圧特性で示され、電圧理論値より実際の電圧が低下する。この電圧低下の原因として、例えば燃料電池の触媒電極やその周辺の部材の構造による活性化過電圧、燃料電池の構成部材や電力を取り出す集電部の抵抗過電圧、反応ガスの水素、酸素の供給や反応により生成する水の影響、反応ガス等による濃度過電圧等が考えられる。
【0004】特に、この反応ガスの水素、酸素の供給や反応により生成する水の影響等による濃度過電圧が生じる具体的な現象として、次のようなものがある。例えば、電池セルにより水素と酸素とを反応させて水を生成し、その際に電気を発生させるため、反応ガスのシール性の確保が重要であるが、例えば電池セルをシール部材を介して接合されたセパレータで保持する構造にしようとする場合に、シール面に反応ガス通路を設けると、シール面が平面でなくガスシールが困難である。
【0005】また、反応ガスに混入させて導入する水分の内余剰分または発電反応により生成した水分をすみやかに電池セルスタックの外部へと除去する必要がある。従来、このような余剰の水分を電池セルスタックの外部へと除去する方法としては、例えば、電池セルを垂直にしたまま電池セルスタックを傾けることにより、電池セル上に溜まった水分を重力とガス流の相乗効果によって除去するものがあるが、電池セルスタックを傾けて設置することになるため、その分設置スペースの確保が困難である。また、電池セルスタックを傾斜させた状態で設置するための傾斜台や固定具が必要であった。
【0006】さらに、反応ガスに混入させて導入する水分の内余剰分または発電反応により生成した水分をすみやかに電池セルスタックの外部へと除去する必要があるが、電池セルの周囲に排水のための円形の排出部を確保することが困難であり、その分装置が大型化する。
【0007】この発明は、かかる点に鑑みなされたもので、請求項1乃至請求項3記載の発明は、反応ガスの水素、酸素の供給や反応により生成する水の影響、反応ガス等による濃度過電圧を抑え、この濃度過電圧による電圧低下を軽減する燃料電池を提供することを目的としている。特に、請求項1記載の発明は、反応ガスのシール性の向上を図ることができる燃料電池を提供することを目的としている。また、請求項2記載の発明は、単に横置きに設置するだけで斜め状態となり、電池セルの水の排出を特別な装置を用いないで行なうことができ、安定性に優れ、排水も容易であり、しかも水の排出部の確保が容易で、小型化が可能である燃料電池を提供することを目的としている。また、請求項3記載の発明は、生成水や過剰水の排水が簡便であり、信頼性が向上し、特別な装置が不要で安価、軽量、コンパクトで、電池セルが水没することなく全面使用が可能で高効率に発電可能である燃料電池を提供することを目的としている。
【0008】
【課題を解決するための手段】前記課題を解決するために、請求項1記載の発明は、イオン交換膜の一方面に正の触媒電極を有すると共に、他方面に負の触媒電極を有する電池セルを備え、この電池セルにより反応ガスを反応させて電気を発生させる燃料電池において、前記電池セルはシール部材を介して接合されたセパレータで保持され、このセパレータに積層方向に形成された反応ガス通路と前記電池セルとを連通するトンネル通路を、前記シール部材をトンネル状に跨いで形成したことを特徴としている。
【0009】請求項2記載の発明は、イオン交換膜の一方面に正の触媒電極を有すると共に、他方面に負の触媒電極を有する電池セルを積層した電池セルスタックを備え、前記各電池セルの反応ガス通路に反応ガスを供給し、この反応ガスの反応により電気を発生させる燃料電池において、前記電池セルの面方向を上下方向に向け、かつ前記電池セルスタックの設置方向に対して前記電池セルの配置方向を傾斜して設け、前記反応ガス通路を傾斜させたことを特徴としている。
【0010】請求項3記載の発明は、イオン交換膜の一方面に正の触媒電極を有すると共に、他方面に負の触媒電極を有する電池セルを積層した電池セルスタックを備え、前記各電池セルの反応ガス通路に反応ガスを供給し、この反応ガスの反応により電気を発生させる燃料電池において、前記電池セルの面方向を上下方向に向け、前記電池セルスタックの前記電池セルより下方位置に前記反応ガスの出口部を設けたことを特徴としている。
【0011】
【作用】請求項1記載の発明では、電池セルをシール部材を介して接合されたセパレータで保持し、このセパレータに積層方向に形成された反応ガス通路がトンネル通路を介して電池セルと連通している。このトンネル通路は、シール部材をトンネル状に跨いで形成されているため、シール部材を介して接合されたセパレータで電池セルを保持する構造にしようとする場合に、シール面に反応ガス通路を設けることがなくなり、シール面を平面とすることができシール性が向上する。
【0012】請求項2記載の発明では、電池セルの面方向を上下方向に向け、かつ電池セルスタックの設置方向に対して電池セルの配置方向を傾斜して設け、反応ガス通路を傾斜させている。従って、燃料電池を単に横置きに設置するだけで、反応ガス通路が斜め状態となり、電池セルの水の排出を特別な装置を用いないで行なうことができ、しかも傾斜台や固定具等を用いないで安定性に優れ、排水も容易である。また、電池セルスタックの設置方向に対して電池セルの配置方向を傾斜して設けることで、電池セルスタックに水の排出部を設ける大きなスペースができ、水の排出部の確保が容易で、小型化が可能である。
【0013】請求項3記載の発明では、電池セルの面方向を上下方向に向け、電池セルスタックの電池セルより下方位置に反応ガスの出口部を設けており、電池セルの生成水や過剰水の排水が簡便であり、信頼性が向上する。また、特別な装置が不要で安価、軽量、コンパクトで、電池セルが水没することなく全面使用が可能で高効率に発電可能である。
【0014】
【実施例】以下、この発明の燃料電池の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
【0015】図1乃至図4は請求項1及び請求項2記載の燃料電池の実施例を示し、図1は燃料電池の縦断面図、図2は図1のII-II線に沿う断面図、図3(a)は図1のX−X線に沿う断面図、図3(b)は図1のY−Y線に沿う断面図、図4は燃料電池の斜視図である。
【0016】この燃料電池1は、組付軸2により組み付けられた電池セルスタック3を備えている。電池セルスタック3はセパレータ4a,4b,4cを組みにして複数積層して組み付けて構成され、セパレータ4aとセパレータ4cとの間にガス遮断板4dが設けられている。セパレータ4cには、ガス遮断板4dとの間にトンネル通路15bが形成されている。セパレータ4a,4bの間には、電池セル6が備えられている。電池セル6は、イオン交換膜7、正の触媒電極8及び負の触媒電極9から構成され、電池セル6の面方向を上下方向に向け、かつ電池セルスタック3の設置方向L1に対して電池セルの配置方向L2を角度α傾斜して設けて配置されている。
【0017】イオン交換膜7の外周部7aは、セパレータ4a,4bの間に挟んで保持され、イオン交換膜7の一方面には正の触媒電極8を有し、他方面に負の触媒電極9を有しており、この電池セル6により反応ガスの水素と酸素とを反応させて水を生成し、その際に電気を発生させる。
【0018】電池セル6の正の触媒電極8の外側には、ポーラス部材で形成されたポーラスガイド体10を接触させて配置され、負の触媒電極9の外側にもポーラス部材で形成されたポーラスガイド体11を接触させて配置されている。ポーラスガイド体10,11は多孔質なポーラス部材で成形され、それぞれ一面側には等間隔に溝10a,11aが形成されている。ポーラスガイド体10は溝10aが形成された側を正の触媒電極8と接触させ、ポーラスガイド体11は溝11aをポーラスガイド体10の溝10aと直交する方向に向けて配置されている。ポーラスガイド体10の溝10aと正の触媒電極8との間に連通する反応ガス通路12が設けられ、ポーラスガイド体11の溝11aと負の触媒電極9との間に連通する反応ガス通路13が設けられている。
【0019】電池セルスタック3には、電池セル6が角度α傾斜させて配置され、電池セル6の周囲を囲むセパレータ4b,4cの間にシール部材であるガスケット14が設けられ、ガスケット14により電池セル6をシールしている。電池セルスタック3の左側上方には水素の入口部15が設けられ、右側下方には水素の出口部16が設けられ、入口部15及び出口部16の周囲を囲むようにセパレータ4a,4bとの間にガスケット17,18が設けられ、入口部15及び出口部16をシールしている。入口部15には、電池セル6の積層方向に入口通路15aが形成され、この入口通路15aから4個のトンネル通路15bがガスケット14の下方を通って電池セル6の分配通路15cに連通し、分配通路15cから反応ガス通路13に連通している。出口部16には、電池セル6の積層方向に出口通路16aが形成され、この出口通路16aに連通された4個のトンネル通路16bはガスケット14の下方を通って電池セル6の集合通路16cに連通し、集合通路16cは反応ガス通路13と連通している。
【0020】電池セルスタック3の上方右側には酸素の入口部19が設けられ、下方左側には酸素の出口部20が設けられ、入口部19及び出口部20の周囲を囲むようにセパレータ4a,4bの間にガスケット21,22が設けられ、入口部19及び出口部20をシールしている。入口部19には、電池セル6の積層方向に入口通路19aが形成され、この入口通路19aから4個のトンネル通路19bがガスケット14の下方を通って電池セル6の分配通路19cに連通し、分配通路19cから反応ガス通路12に連通している。出口部20には、電池セル6の積層方向に出口通路20aが形成され、この出口通路20aに連通された4個のトンネル通路20bはガスケット14の下方を通って電池セル6の集合通路20cに連通し、集合通路20cは反応ガス通路12と連通している。
【0021】また、ガス遮断板4dの図2での下面であるポーラスガイド体10との接触部には水通路23が形成されている。水通路23の一方23aは、ガスケット14の下方を通るトンネル通路24aを介して水素の入口部15の近傍で上側に設けられた排出部24に連通され、他方23bはガスケット14の下方を通るトンネル通路25aを介して水素の出口部16の近傍で下側に設けられた供給部25に連通されている。排出部24及び供給部25の周囲を囲むようにセパレータ4a,4cの間にガスケット26a,27aが設けられ、排出部24及び供給部25をシールしている。
【0022】また、セパレータ4bの図2での上面であるポーラスガイド体10との接触部には、水通路28が形成されている。水通路28の一方28aはガスケット14の下方を通るトンネル通路29aを介して酸素の入口部19の近傍で右側に設けられた排出部29に連通され、他方28bはガスケット14の下方を通るトンネル通路30aを介して酸素の出口部20の近傍で左側に設けられた供給部30に連通されている。排出部29及び供給部30の周囲を囲むようにセパレータ4a,4bの間にガスケット26b,27bが設けられ、排出部29及び供給部30をシールしている。
【0023】従って、電池セルスタック3の水素の入口部15から加温、加湿した水素を供給すると、この水分を含む水素は入口通路15aからトンネル通路15bを通って電池セル6の分配通路15cに導かれ、分配通路15cから反応ガス通路13を流れる。一方、酸素の入口部19から加温、加湿した酸素を供給すると、この水分を含む酸素は入口通路19aからトンネル通路19bを通って電池セル6の分配通路19cに連通し、分配通路19cから反応ガス通路12を流れる。
【0024】このとき、電池セル6により反応ガスの水素と酸素の電気化学的な反応により水を生成し、その際の自由エネルギーの変化を電気エネルギーとして取り出す発電が行われる。電池セル6は、セパレータ4cを介して隣接した電池セル6と直列に接続され、発生した電力は電池セルスタック3の両端部に設けられた不図示の集電部より取り出される。
【0025】主として水素と水は電池セル6の集合通路16cに集められ、トンネル通路16bを通って出口通路16aに導かれて出口部16から排出される。主として酸素と水は電池セル6の集合通路20cに集められ、トンネル通路20bを通って出口通路20aに導かれて出口部20から排出される。
【0026】電池セル6による水素と酸素の電気化学的な反応は、一方では酸素と水がポーラスガイド体10、正の触媒電極8を通り、イオン交換膜7の表面に供給され、他方では水素と水がポーラスガイド体11、負の触媒電極9を通り、イオン交換膜7の表面に供給され、この正の触媒電極8とイオン交換膜7の界面及び負の触媒電極9とイオン交換膜7の界面で行われる。イオン交換膜7は、含水率により伸びが大きく変化するので、イオン交換膜7の加湿レベルを常に適正に保ってイオン交換膜7の伸びを一定に保ち、界面を安定に保つことが必要である。
【0027】この電池セル6による反応ガスの水素と酸素の電気化学的な反応で電気が発生し、その際に水が生成されるが、この電池セル6内部の相対湿度による伸びだけではなく、内部に発生する凝縮水、生成水、供給過剰水などの過剰水が、イオン交換膜7に直接接触するとさらに伸び、電池セル6の性能が劣化するが、電池セル6の両側の触媒電極8,9にポーラスガイド体10,11を接触させて配置しており、電池セル6内部に発生する凝縮水、生成水、供給過剰水などの過剰水をポーラスガイド体10,11により吸収して除去することができる。
【0028】このため、イオン交換膜7の伸びを防止でき、電池セル6の性能を長期間、高効率に保つことができ、また反応ガスの拡散性低下を防止している。このように、特別な装置を使用しないで過剰水を除去することができ、簡単、低価格、コンパクト及び軽量な装置とすることができる。ポーラスガイド体10,11により反応ガス通路12,13を形成することで、水を供給する時にポーラスガイド体10,11により吸収されて一部は反応ガス通路12,13に拡散し、一部は直接触媒電極8,9へ移動することにより加湿を効果的に行なうとともに、過剰水が発生した場合、これを吸収して不足時に供給するダンパー効果があり、適量の加湿が可能である。
【0029】このように、この実施例では、電池セル6をシール部材であるガスケット14を介して接合されたセパレータ4a,4b,4cで保持し、このセパレータ4bに積層方向に形成された水素の反応ガス通路の入口通路15aがトンネル通路15bを介して電池セル6の反応ガス通路13に連通され、また反応ガス通路の出口通路16aがトンネル通路16bを介して電池セル6の反応ガス通路13に連通されている。また、セパレータ4bに積層方向に形成された酸素の反応ガス通路の入口通路19aがトンネル通路19bを介して電池セル6の反応ガス通路12に連通され、また反応ガス通路の出口通路20aがトンネル通路20bを介して電池セル6の反応ガス通路12に連通されている。このトンネル通路15b,16b,19b,20bは、ガスケット14をトンネル状に跨いで形成されているため、ガスケット14を介して接合されたセパレータ4a,4b,4cで電池セル6を保持する構造にしようとする場合に、シール面に反応ガス通路を設けることがなくなり、シール面を平面とすることができシール性が向上する。
【0030】また、この実施例では、電池セル6の面方向を上下方向に向け、かつ電池セルスタック3の設置方向L1に対して電池セル6の配置方向L2を傾斜して設け、反応ガス通路12,13を傾斜させている。従って、燃料電池1を単に横置きに設置するだけで、反応ガス通路12,13が斜め状態となり、電池セル6の水の排出を特別な装置を用いないで行なうことができ、しかも傾斜台や固定具等を用いないで安定性に優れ、排水も容易である。
【0031】また、電池セルスタック3の設置方向L1に対して電池セル6の配置方向L2を傾斜して設けることで、電池セルスタック3の4個の隅部に電池セル6との間に大きなスペースが確保され、電池セルスタック3の下方の隅部に反応ガスの出口部16,20や水の排出部25,30を設ける大きなスペースができ、水の排出部の確保が容易で、小型化が可能である。
【0032】図5は請求項3記載の燃料電池の実施例の概略構成を示す模式図である。この実施例の燃料電池1で、図1乃至図4の実施例と同様に構成されるものは同じ符号を付して説明を省略する。この実施例では、燃料電池1の電池セル6の面方向を上下方向に向け、かつ電池セルスタック3の設置方向L1に対して電池セル6の配置方向L2を傾斜して設けている。電池セルスタック3の上方隅部に反応ガスの入口部15,19を設け、下方隅部に反応ガスの出口部16,20を設けている。反応ガスの出口部16,20は電池セル6の下方L3より下方位置に設けており、電池セル6の生成水や過剰水の排水が簡便であり、信頼性が向上する。また、特別な装置が不要で安価、軽量、コンパクトで、電池セルが水没することなく全面使用が可能で高効率に発電可能である。
【0033】図6は請求項3記載の燃料電池の他の実施例の概略構成を示す模式図である。この実施例の燃料電池1で、図1乃至図4の実施例と同様に構成されるものは同じ符号を付して説明を省略する。この実施例でも、燃料電池1の電池セル6の面方向を上下方向に向け、かつ電池セルスタック3の設置方向L1に対して電池セル6の配置方向L2を傾斜して設けている。電池セルスタック3の上方隅部に反応ガスの入口部15,19を設け、下方隅部に反応ガスの出口部16,20を設けている。反応ガスの出口部20は電池セル6の下方L3より下方位置に設けている。さらに、電池セル6に連通する水抜き通路50を設け、この水抜き通路50から生成水や過剰水を水タンク51に排出する。水タンク51に溜る水は、ポンプ52の駆動により加湿部53に送られ、この加湿部53により反応ガスの水素及び酸素に混入して反応ガスの入口部15,19から供給される。
【0034】このように、電池セル6の生成水や過剰水の排水が簡便であり、信頼性が向上し、また生成水や過剰水を回収して再利用することで、安価、軽量、コンパクトで、電池セルが水没することなく全面使用が可能で高効率に発電可能である。
【0035】
【発明の効果】前記したように、請求項1記載の発明は、電池セルはシール部材を介して接合されたセパレータで保持され、このセパレータに積層方向に形成された反応ガス通路と前記電池セルとを連通するトンネル通路を、シール部材をトンネル状に跨いで形成したから、シール部材を介して接合されたセパレータで電池セルを保持する構造にしようとする場合に、シール面に反応ガス通路を設けることがなくなり、シール面を平面とすることができシール性が向上する。
【0036】請求項2記載の発明は、電池セルの面方向を上下方向に向け、かつ電池セルスタックの設置方向に対して電池セルの配置方向を傾斜して設け、反応ガス通路を傾斜させたから、燃料電池を単に横置きに設置するだけで、反応ガス通路が斜め状態となり、電池セルの水の排出を特別な装置を用いないで行なうことができ、しかも傾斜台や固定具等を用いないで安定性に優れ、排水も容易である。また、電池セルスタックの設置方向に対して電池セルの配置方向を傾斜して設けることで、電池セルスタックに水の排出部を設ける大きなスペースができ、水の排出部の確保が容易で、小型化が可能である。
【0037】請求項3記載の発明は、電池セルの面方向を上下方向に向け、電池セルスタックの電池セルより下方位置に反応ガスの出口部を設けたから、電池セルの生成水や過剰水の排水が簡便であり、信頼性が向上する。また、特別な装置が不要で安価、軽量、コンパクトで、電池セルが水没することなく全面使用が可能で高効率に発電可能である。




 

 


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