JP3056355B2

JP3056355B2 - 固体高分子電解質型燃料電池

Info

Publication number: JP3056355B2
Application number: JP5208029A
Authority: JP
Inventors: 隆文岡本; 学田中; 一郎馬場; 英男加藤; 敬正川越
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1993-08-23
Filing date: 1993-08-23
Publication date: 2000-06-26
Anticipated expiration: 2015-06-26
Also published as: JPH0765845A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、固体高分子電解質型燃
料電池に関する。

【０００２】

【従来の技術】固体高分子電解質型燃料電池は、固体高
分子電解質膜の両側にガス拡散性を有する電極を接合
し、酸素供給溝もしくは水素供給溝を設けた集電体を前
記それぞれの電極の背面に当接させて電池セルを形成す
る。

【０００３】この際、電流密度が高くなり、発熱量が増
大することにより、固体高分子電解質膜の水分が不足す
ると、イオン伝導度が低下し、燃料電池の出力が低下す
る。この対策として、従来の燃料電池では、以下のよう
な対策が採用されている。

【０００４】例えば、特開平３−１０２７７４号公報の
ように、水素供給溝の間に水供給溝を設け、この水供給
溝から電解質膜に供給される水によって電解質膜の冷却
と加湿を行うものが提案されている。

【０００５】また、高分子電解質膜の内部に、単繊維や
中空繊維によって直接、加湿通路を形成する燃料電池も
提案されている。

【０００６】さらに、燃料電池に隣接した加湿セクショ
ンによりガスに加湿を行うもの、あるいは外部に加湿器
があるもの等が提案されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、水素供
給溝の間に水供給溝を設ける対策では、水が直接、電極
に供給されるため、電極を水没させるおそれがある。こ
の結果、水素ガスあるいは酸素ガスが電極に到達できな
くなり、燃料電池の出力が低下する懸念がある。また、
高分子電解質膜の内部に単繊維または中空繊維によって
水分を補給する対策では、前記単繊維あるいは中空繊維
を高分子電解質膜で挟む構成になるため、前記高分子電
解質膜の厚さが増大し、膜の接触抵抗の増加、当該電解
質膜のイオン導電抵抗が増大すると共に、当該電解質膜
に均一に水分を供給できないおそれがある。さらに、燃
料電池セクションに隣接した加湿セクションを設ける対
策では、加湿セクション自体が燃料電池スタックの体積
を増加させることになる。さらにまた、ガス流路の配管
距離が長くなり、圧力損失が大きくなるとともに、応答
性が低下するおそれがある。

【０００８】本発明は、この種の問題を解決するために
なされたものであって、簡単な構造で、応答性が高く、
電解質膜に均一に加湿できる固体高分子電解質膜型燃料
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】前記の目的を達成するた
めに、本発明は、固体高分子電解質膜の両側面に電極を
接合した電極一体型電解質膜と、前記電極に酸素ガスあ
るいは水素ガスを供給する溝を有し、多孔質カーボンか
ら形成された集電体と、一対の前記集電体で挟持される
前記電極一体型電解質膜の両側に配置されるセパレータ
と、を備え、前記セパレータは、水透過性の材料から形
成された隔壁と、前記隔壁によって画成され、水が供給
される冷却室と、前記集電体を前記溝の延在方向と直交
する方向に変位可能に収容する開口部と、を設けること
を特徴とする。

【００１０】なお、前記隔壁を形成している水透過性の
材料が、多孔質カーボンであれば、好適である。

【００１１】

【作用】本発明に係る固体高分子電解質型燃料電池で
は、冷却室を構成する隔壁が水透過性の材料から形成さ
れているため、前記冷却室に供給される水が前記隔壁か
ら多孔質カーボンで形成された集電体に供給され、前記
集電体から電極を介して固体高分子電解質膜に均一に水
分が供給される。しかも、集電体は、セパレータに形成
された開口部内で溝の延在方向と直交する方向に変位可
能であり、この集電体が押圧される際に前記集電体が前
記電極に確実に密着して接触抵抗を小さくすることがで
きる。

【００１２】

【実施例】本発明に係る固体高分子電解質型燃料電池に
ついて、好適な実施例を挙げ、添付の図面を参照しなが
ら以下詳細に説明する。

【００１３】該燃料電池スタック１０は、図１および図
２に示すように、基本的に発電部１２とセパレータ１４
とから構成される。前記セパレータ１４は、比較的厚み
のある第１の板体１６と、第２の板体１８と、第３の板
体２０とを含み、前記第１板体１６と第２板体１８との
間に第１の隔壁２２が介装され、一方、第２板体１８と
第３板体２０との間に第２の隔壁２４が介装され、前記
第１板体１６、第１隔壁２２、第２板体１８、第２隔壁
２４、第３板体２０がこの順序で積層されて構成され
る。なお、図中、参照符号２８は、第１板体１６の一面
に係着される第１のガスケットを示し、また、参照符号
３０は、第３板体２０の一面に係着される第２のガスケ
ットを示す。

【００１４】そこで、第１板体１６について説明する
と、図１並びに図２から諒解される通り、第１板体１６
の中央部には略正四角形状の大孔３２が画成され、この
大孔３２を囲繞するように、前記第１板体１６の上枠１
６ａには直方体状の貫通孔３４が、また、下枠１６ｂに
は貫通孔３６がそれぞれ画成されている。この場合、貫
通孔３４は大孔３２と複数の細孔３８を介して連通し、
一方、貫通孔３６は、同様に複数の細孔４０を介して大
孔３２と連通している。

【００１５】前記第１板体１６の側枠１６ｃには、前記
貫通孔３４、３６と同様な直方体状の貫通孔４２が画成
され、一方、側枠１６ｄにも、前記貫通孔４２と同様の
貫通孔４４が画成されている。第１板体１６の上枠１６
ａと側枠１６ｄとによって形成される隅角部には連通孔
４６が、また、下枠１６ｂと側枠１６ｃとによって画成
される隅角部には連通孔４８が画成されている。

【００１６】次に、第２板体１８について説明すると、
第２板体１８の中央部には前記第１板体１６と同様の大
孔５０が画成され、その上枠１８ａに貫通孔５２が、ま
た、その下枠１８ｂに貫通孔５４が画成されている。一
方、第２板体１８の側枠１８ｃには貫通孔５６が、ま
た、側枠１８ｄには貫通孔５８が画成されている。前記
上枠１８ａと側枠１８ｄとによって形成される隅角部に
は連通孔６０が画成され、下枠１８ｂと側枠１８ｃとに
よって画成される隅角部には連通孔６２が画成されてい
る。それぞれの連通孔６０、６２は大孔５０と孔６４、
６６（図３参照）によって連通されている。なお、この
第２板体１８には前記第１板体１６に設けられている細
孔３８、４０に対応する細孔は存在しない。

【００１７】さらに、第３板体２０について説明する。
第３板体２０には、その中央部に第１板体１６、第２板
体１８と同様の大孔７０が画成され、その大孔７０を囲
繞するように、上枠２０ａには直方体状の貫通孔７２が
画成され、また、その下枠２０ｂにも同様に貫通孔７４
が画成されている。側枠２０ｃには貫通孔７６が画成さ
れ、さらに、側枠２０ｄには貫通孔７８が画成されてい
る。この第３板体２０では、大孔７０と貫通孔７６とは
複数の細孔８０によって連通されており、一方、該大孔
７０と貫通孔７８とは、同様に、複数の細孔８２によっ
て連通されている。第３板体２０の上枠２０ａと側枠２
０ｄとによって形成される隅角部には連通孔８４が画成
され、下枠２０ｂと側枠２０ｃとによって画成される隅
角部には、第１板体１６の連通孔４８、第２板体１８の
連通孔６２と対応する位置に図示しない連通孔が設けら
れている。

【００１８】第１と第２の隔壁２２、２４について説明
する。これらの第１と第２の隔壁２２、２４は水透過性
の多孔質カーボンからなり、図４に示すように、前記第
１板体１６、第２板体１８、第３板体２０のそれぞれの
上枠、下枠、側枠に画成された貫通孔に対応する貫通孔
９０、９２、９４、９６を備え、さらに、連通孔４６、
６０、８４に対応して連通孔９８が一方の隅角部に画成
され、連通孔４８、６２および第３板体２０の側枠２０
ｃと下枠２０ｂとによって形成される隅角部に画成され
た図示しない連通孔に対応して連通孔１００が画成され
ている。

【００１９】前記のように構成される第１板体１６、第
１隔壁２２、第３板体１８、第２隔壁２４および第３板
体２０は、互いに積層されてセパレータ１４として形成
されたとき、前記第１隔壁２２と第２隔壁２４との間で
冷却室１０４（図２参照）が画成される。

【００２０】次に、発電部１２について説明する。

【００２１】発電部１２は、基本的には、一組の集電体
１１０、１１２と、前記集電体１１０と１１２との間で
挟持される電極一体型電解質膜１２４とから構成され
る。集電体１１０と１１２は、多孔質カーボンから剛体
として形成される。

【００２２】前記集電体１１０はセパレータ１４を構成
する第１板体１６の大孔３２に若干の隙間をもって嵌合
されるべく略正方形状でかつ前記第１板体１６と略同じ
厚さの板体からなる。

【００２３】前記集電体１１０には、図１に示すよう
に、前記第１板体１６の細孔３８、４０と連通し且つ反
応ガスを吸収するために表面積を拡大すべく複数の溝１
１４が形成される。従って、前記集電体１１０が第１板
体１６の大孔３２に嵌合されると、溝１１４が細孔３
８、４０を介してそれぞれ貫通孔３４と貫通孔３６とに
連通するとともに、第１隔壁２２に押圧されると、第１
板体１６の大孔３２内で溝１１４の延在方向と直交する
方向に前記集電体１１０が変位可能である。

【００２４】集電体１１２は、第３板体２０の大孔７０
に対応する略正方形状でかつこの第３板体２０と略同じ
厚さの板体からなる。前記集電体１１２には、該第３板
体２０に画成されている細孔８０、８２に連通する複数
の溝１１６が画成されている。従って、前記集電体１１
２が第３板体２０の大孔７０に嵌合されると、溝１１６
が細孔８０、８２を介してそれぞれ貫通孔７６、７８と
に連通すると共に、第２隔壁２４に押圧されると、第３
板体２０の大孔７０内で溝１１６の延在方向と直交する
方向に前記集電体１１２が変位可能である。

【００２５】前記電極一体型電解質膜１２４は、固体高
分子電解質膜１２６の両面に電極触媒層１２８ａ、１２
８ｂを備えている。第１板体１６に関連して説明する
と、前記固体高分子電解質膜１２６の大きさは貫通孔３
４、３６、４２および４４の内側端縁と略同様であり、
一方、電極触媒層１２８ａ、１２８ｂの大きさは集電体
１１０、１１２と略同様である。

【００２６】図５はガスケット２８、３０の構造を示
す。前記ガスケット２８、３０は、図２に示すように、
第１板体１６と第３板体２０との間で挟持され、隣接す
るガスケット２８、３０間で電極一体型電解質膜１２４
を挟む。前記ガスケット２８、３０には、後述するよう
に、圧力流体が燃料電池スタック１０として積層された
第１板体１６乃至第３板体２０の間で通流可能なよう
に、かつ集電体１１０、１１２が電極一体型電解質膜１
２４に当接可能なように、貫通孔１３０ａ〜１３０ｄ、
連通孔１３２、１３４および大孔１３６が画成されてい
る。

【００２７】以上のように構成される発電部１２とセパ
レータ１４とは、第１板体１６の大孔３２に集電体１１
０が変位自在に嵌合し、第３板体２０の大孔７０に集電
体１１２が変位自在に嵌合し、電極触媒層１２８ａ、１
２８ｂには集電体１１０と集電体１１２の平滑な面が当
接し、電極一体型電解質膜１２４の外部に露呈する面は
ガスケット２８、３０に接する。そして、全体として、
第１板体１６、第１隔壁２２、第２板体１８、第２隔壁
２４、第３板体２０、ガスケット３０、電極一体型電解
質膜１２４、ガスケット２８、第１板体１６の如き順序
で積層して燃料電池スタック１０が形成される。なお、
その積層固定に際しては、図６に示すように、第１板体
１６の貫通孔３４、３６並びに貫通孔４２、４４に連通
する管継手１４０、１４２、１４４、１４６、連通孔４
６、４８に連通する管継手１４８、１５０を有するエン
ドプレート１５２、および前記管継手が形成されていな
いエンドプレート１５４をその両端に配設し、締付ボル
ト１５６ａ乃至１５６ｄでその四隅を強くかつ均等に締
め付けることにより構成される。

【００２８】このように構成される燃料電池スタック１
０は、図７に示すように、前記冷却室１０４に冷媒であ
る水を供給する回路が外部に設けられている。すなわ
ち、巡回する水が貯蔵されるタンク１６０、所定の圧力
まで上昇させる昇圧ポンプ１６２、さらにイオン交換樹
脂１６４が管路１６６を介して、燃料電池スタック１０
のエンドプレート１５２の管継手１５０に連通されてい
る。一方、前記エンドプレート１５２の管継手１４８
は、管路１６８を介して背圧弁１７０、タンク１６０に
連通されている。

【００２９】燃料電池スタック１０の作動停止時には、
図８に示すように、セパレータ１４の隔壁２２、２４は
両側に隣設した前記集電体１１０、１１２に対して組み
立て時の状態を維持している。

【００３０】燃料電池スタック１０の作動時には、図１
および図６に示すように、水素ガスが図示しない水素ガ
ス供給源からエンドプレート１５２の管継手１４０、第
１板体１６の貫通孔３４、細孔３８を介して集電体１１
０の溝１１４に供給され、酸素ガスが図示しない酸素ガ
ス供給源からエンドプレート１５２の管継手１４６、第
３板体２０の貫通孔７８、細孔８２を介して集電体１１
２の溝１１６に供給される。

【００３１】これと同時に、水がエンドプレート１５２
の管継手１５０（図６参照）から連通孔６２に達し、孔
６６（図４参照）を経て冷却室１０４に流入し、前記冷
却室１０４の内圧を上昇させる。この際、図８に示すよ
うに、前記水の圧力（ＰＨ₂Ｏ）はガスの圧力（Ｐ
Ｈ₂、ＰＯ₂）よりも高く設定されているため、前記水
（実線矢印）が水透過性である多孔質カーボンから形成
された隔壁２２、２４を透過して、多孔質カーボンから
形成された集電体１１０、１１２に浸透する。あるい
は、集電体１１０、１１２に画成された溝１１４、１１
６を流れている水素ガス、あるいは酸素ガスを加湿す
る。加湿されたガス（破線矢印）は、前記集電体１１
０、１１２に浸透する（図９参照）。集電体１１０、１
１２に浸透した加湿された前記ガス（破線矢印）および
水（実線矢印）は、電極触媒層１２８ａ、１２８ｂに到
達して、固体高分子電解質膜１２６を加湿する。したが
って、固体高分子電解質膜１２６が適度な湿度に維持さ
れ、接触抵抗が増加することはない。

【００３２】さらに、燃料電池スタック１０の作動が終
わり水の流入が停止されると、前記冷却室１０４の水が
孔６４、連通孔６０を経て、エンドプレート１５２の管
継手１４８から外部に排出され、当該冷却室１０４の内
圧が低下する。したがって、隔壁２２、２４の集電体１
１０、１１２側への面圧力も低下し、組み立て時の圧力
に戻る。

【００３３】このように、本実施例に係る固体高分子電
解質型燃料電池によれば、各セパレータ１４に画成され
た冷却室１０４に導入される水を水透過性の膜からなる
隔壁２２、２４、多孔質カーボンから形成された集電体
１１０、１１２を介して電極一体型電解質膜１２４に供
給する。したがって、前記電極一体型電解質膜１２４が
適当な湿度に保たれ、接触抵抗を増加させることがな
い。この際、セパレータ１４に設けられた冷却室１０４
に供給される水を隔壁２２、２４、集電体１１０、１１
２を介して供給するので、新たな加湿手段を設ける必要
がない。

【００３４】また、それぞれのセパレータの冷却室１０
４から水が供給されるため、各電極一体型電解質膜１２
４に均等に水分が供給される。

【００３５】さらに、前記電極一体型電解質膜１２４の
乾燥状態に応じて水の供給量を増減させるが、その際、
各冷却室１０４から水分を供給しているため、応答性が
高い。

【００３６】さらにまた、隔壁が破損するような事態に
到ったとしても、ガスの圧力（ＰＨ ₂、ＰＯ₂）よりも
水の圧力（ＰＨ₂Ｏ）を高く設定しているため、集電体
１１０、１１２の溝１１４、１１６に水が浸入するだけ
で、逆に冷却室１０４にガスが浸入することはない。し
たがって、水素ガスと酸素ガスが前記冷却室１０４で混
合することを確実に阻止でき、安全性が確保される。

【００３７】また、さらに、前記隔壁２２、２４は、孔
が複数個画成された金属板と、その金属板の冷却室１０
４側に貼付された水透過性の膜からなる構成であっても
良い。

【００３８】

【発明の効果】本発明に係る固体高分子電解質型燃料電
池によれば、以下の効果が得られる。

【００３９】すなわち、冷却室を構成する隔壁が水透過
性の材料、好適には多孔質カーボンから形成されている
ため、前記冷却室に供給される水が前記隔壁から多孔質
カーボンで構成された集電体に供給され、前記集電体か
ら電極を介して固体高分子電解質膜に均一に水分が供給
される。したがって、冷却用の水を用いて、隔壁、集電
体から固体高分子電解質膜を加湿するため、特に加湿用
の機構を設ける必要がなく、全体にコンパクトにまとめ
ることができる。また、前記冷却室は、各単位電池に設
けられているため、各単位電池の固体高分子電解質膜を
均等に加湿することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る燃料電池の要部分解斜視図であ
る。

【図２】本発明に係る燃料電池の縦断面図である。

【図３】本発明に係る燃料電池の要部平面図である。

【図４】本発明に係る燃料電池の隔壁の斜視図である。

【図５】本発明に係る燃料電池のガスケットの斜視図で
ある。

【図６】本発明に係る燃料電池のスタック状態説明図で
ある。

【図７】本発明に係る燃料電池の冷却水供給回路の説明
図である。

【図８】本発明に係る燃料電池の冷却水供給に係る要部
説明図である。

【図９】本発明に係る燃料電池の冷却水供給状態の説明
図である。

【符号の説明】

１０…燃料電池スタック２２、２４…隔
壁１０４…冷却室１１０、１１２
…集電体１１４、１１６…溝１２４…電極一
体型電解質膜１２６…固体高分子電解質膜１２８ａ、１２
８ｂ…電極触媒層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者加藤英男埼玉県和光市中央１−４−１株式会社本田技術研究所内 (72)発明者川越敬正埼玉県和光市中央１−４−１株式会社本田技術研究所内 (56)参考文献特開平３−102774（ＪＰ，Ａ) 特開平６−68884（ＪＰ，Ａ) 特開平６−275284（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01M 8/00 - 8/24

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】固体高分子電解質膜の両側面に電極を接合
した電極一体型電解質膜と、前記電極に酸素ガスあるいは水素ガスを供給する溝を有
し、多孔質カーボンから形成された集電体と、一対の前記集電体で挟持される前記電極一体型電解質膜
の両側に配置されるセパレータと、を備え、前記セパレータは、水透過性の材料から形成された隔壁
と、前記隔壁によって画成され、水が供給される冷却室と、前記集電体を前記溝の延在方向と直交する方向に変位可
能に収容する開口部と、を設けることを特徴とする固体高分子電解質型燃料電
池。