JP2001143725A

JP2001143725A - 燃料電池

Info

Publication number: JP2001143725A
Application number: JP2000352239A
Authority: JP
Inventors: Seiji Mizuno; 誠司水野
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2000-11-20
Filing date: 2000-11-20
Publication date: 2001-05-25
Anticipated expiration: 2017-12-18
Also published as: JP3707384B2

Abstract

(57)【要約】【課題】ガスの拡散性の阻害や排水性の悪化を解消し
て、より優れた電池性能を実現することを目的としてい
る。【解決手段】セパレータの流路底面である段差面に
は、格子状に複数の直方体の凸部が形成されており、さ
らに、段差面上の幅を３等分するように本の直線状のリ
ブ片９６，９７が配列されている。リブ片９６，９７
は、一方の端部をセパレータの外縁の平面部に接続し、
他方側の端部を外縁の平面部から所定の距離Ｓ１，Ｓ２
だけ離間している。リブ片９６，９７により、段差面は
３つの区画に分けられるとともに、段差面上に蛇行状の
１つの大流路が形成される。また、リブ片９６，９７に
より形成される第１〜第３の流路幅Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３が
順に狭くなる（即ち、Ｗ１≧Ｗ２≧Ｗ３の関係を持つ）
構成となっている。この構成により、流路における供給
ガスの流速のアップが図られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、燃料電池に関
し、詳しくは、固体高分子電解質膜を一対の電極で挟持
する接合体に供給ガスを供給する供給ガス流路に特徴を
有する燃料電池、または、冷却水を供給する冷却水流路
に特徴を有する燃料電池に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、燃料の有しているエネルギを
直接電気的エネルギに変換する装置として燃料電池が知
られている。燃料電池は、通常、電解質膜を挟んで一対
の電極を配置するとともに、一方の電極の表面に水素等
の燃料ガスを接触させ、また他方の電極の表面に酸素を
含有する酸素含有ガスを接触させ、このとき起こる電気
化学反応を利用して、電極間から電気エネルギを取り出
すようにしている。燃料電池は、燃料ガスと酸素含有ガ
スが供給されている限り高い効率で電気エネルギを取り
出すことができる。

【０００３】ところで、こうした燃料電池では、電極表
面への燃料ガスや酸素含有ガスの供給を、これらガスの
流路と集電極とを兼ねるセパレータと呼ばれる部材で行
なっている。このセパレータとしては、直線状の流路溝
を複数備えたストレート型のものが一般的である。ま
た、複数の凸部を設け、その凸部間の隙間により流路を
構成した分割リブ型のものも知られている。分割リブ型
のセパレータは、水分が凝縮するいわゆるフラッディン
グ等により一つの流路が閉塞されても、流路が複数方向
に分散するため、ガスや生成水は他の流路に回り込むこ
とが可能であることから、ガスの拡散性と生成水の排水
性に優れている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記分
割リブ型のセパレータを用いた燃料電池では、流路が複
数方向に分散するため、ガスの流速が不足する恐れがあ
った。流速が不足すると、ガスの拡散性が阻害されて濃
度分極が起こり、燃料電池の電池性能の低下をもたらす
といった問題を生じた。また、ガスの流速が不足すると
生成水の排水性が悪化する問題も生じた。

【０００５】本発明は、こうした問題に鑑みてなされた
もので、ガスの拡散性の阻害や排水性の悪化を解消し
て、より優れた電池性能を実現することを目的としてい
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段およびその作用・効果】本
発明の燃料電池は、固体高分子電解質膜を一対の電極で
挟持する接合体と、該接合体に接触し、該電極の面に沿
った方向に供給ガスを流す流路を形成する流路形成部材
とを備える燃料電池において、前記流路形成部材は、前
記流路を、連通する複数の区間からなるとともに、各区
間の流路幅が、前記供給ガスの下流側に位置する区間ほ
ど狭い大きさとなるよう構成したことを要旨としてい
る。

【０００７】ここで、上記供給ガスとしては、燃料電池
のアノードに送る燃料ガスであってもよいし、カソード
に送る酸素含有ガスであってもよい。

【０００８】上記構成の燃料電池では、流路形成部材に
より、供給ガスの下流側方向に流路幅が漸減する複数の
区画を備えた流路が形成される。この構成の燃料電池で
は、流路幅が下流側の区画に進む程狭くなっていること
から、供給ガスの流速をアップすることができる。この
ために、供給ガスの拡散性を高めて濃度分極を低減する
ことができる。したがって、この燃料電池によれば、燃
料電池の電池性能の向上を図ることができる。また、供
給ガスの流速のアップにより、生成水の排水性の向上を
図るという効果も奏する。

【０００９】上記構成の燃料電池において、前記流路形
成部材は、前記電極の面に対向する流路底面と、該流路
底面から突出する１または複数の直線状のリブ部とを備
え、前記リブ部は、前記流路底面上の領域を前記区間を
構成する複数の領域に分けて連通させることにより、屈
曲形状の前記流路を形成する構成とすることができる。

【００１０】この構成の燃料電池では、直線状のリブ部
により、供給ガスの下流側方向に流路幅が漸減する複数
の領域を備えた流路が形成される。また、この直線状の
リブ部により流路を屈曲形状としたことで流路の全長が
長くなっていることから、供給ガスとして湿度の低いド
ライガスが用いられた場合に、固体高分子電解質膜のド
ライアップを防止することができる。流路の全長が長く
なると、下流に進むほど、供給ガスが次第に加湿されて
いくためであり、固体高分子電解質膜のドライアップを
防止することができる。これによっても、燃料電池の電
池性能の向上をより一層図ることができる。

【００１１】上記構成の燃料電池において、前記直線状
のリブ部により形成される前記流路の折り返し部分の幅
は、当該折り返し部分より上流側に位置する領域の前記
流路幅より狭い大きさである構成とすることができる。

【００１２】この構成の燃料電池によれば、流路の折り
返し部分の幅が、その折り返し部分より上流側に位置す
る領域の流路幅よりも狭まくなっていることから、流路
の折り返し部分での流速をアップすることができる。し
たがって、流速アップにより供給ガスの拡散性がより高
いものとなることから、濃度分極をより低減することが
できる。また、流速アップにより生成水の排水性の向上
をより高めることができる。

【００１３】上記構成の燃料電池において、前記区画
に、前記流路底面から突出する複数の凸部を有する構成
とすることができる。

【００１４】この構成の燃料電池は、流路底面上に複数
の凸部を設けた従来例（分割リブ型のセパレータ）と比
較して、凸部間の流路の幅に変わりはないが、リブ部を
形成したことにより、供給ガスの供給口と排出口とを結
ぶ流路全体の幅は狭くなる。流路幅が狭くなると、供給
ガスの流速は高くなることから、前述したように、供給
ガスの拡散性を高めて濃度分極を低減することができ、
また生成水の排水性を高めることができる。

【００１５】

【発明の他の形態】本発明は、以下のような他の態様を
とることも可能である。第１の態様は、電解質膜を一対
の電極で挟持する接合体と、該接合体に接触し、該電極
の面に沿った方向に供給ガスを流す流路を形成する流路
形成部材とを備える燃料電池において、前記流路形成部
材は、前記電極の面に対向する流路底面と、該流路底面
から突出して、前記電極の面に達する複数の凸部と、前
記流路底面上の前記複数の凸部が設けられた範囲に、各
凸部間の流路の集合により形成される大流路を渦巻き状
に形成するリブ部とを備えることを特徴とする燃料電
池。

【００１６】この第１の態様の燃料電池によれば、凸部
により供給ガスの拡散性を高めることができる。また、
渦巻き状の大流路により、供給ガスの流速をアップする
ことができる。これらの結果、燃料電池の電池性能の向
上を図ることができる。

【００１７】第２の態様は、電解質膜を一対の電極で挟
持する接合体と、該接合体に接触し、該電極に供給ガス
を流すガス流路を形成するガス流路形成部材と、前記ガ
ス流路形成部材に接触し、該ガス流路形成部材の面に沿
った方向に冷却水を流す冷却水流路を形成する冷却水流
路形成部材とを備えた燃料電池において、前記冷却水流
路形成部材は、前記ガス流路形成部材の面に対向する流
路底面と、該流路底面から突出して、前記ガス流路形成
部材の面に達する複数の凸部と、前記流路底面上の前記
複数の凸部が設けられた範囲に、各凸部間の流路の集合
により形成される大流路を渦巻き状に形成するリブ部と
を備えることを要旨としている。

【００１８】この第２の態様の燃料電池によれば、凸部
により冷却水の拡散性を高めることができる。また、渦
巻き状の大流路により、冷却水の流速をアップすること
ができる。これらの結果、燃料電池の冷却性能を高め
て、電池性能の向上を図ることができる。

【００１９】第３の態様は、電解質膜を一対の電極で挟
持する接合体と、該接合体に接触し、該電極に供給ガス
を流すガス流路を形成するガス流路形成部材と、前記ガ
ス流路形成部材に接触し、該ガス流路形成部材の面に沿
った方向に冷却水を流す冷却水流路を形成する冷却水流
路形成部材とを備えた燃料電池において、前記冷却水流
路形成部材は、前記ガス流路形成部材の面に対向する流
路底面と、該流路底面から突出して、前記ガス流路形成
部材の面に達する複数の凸部とを備えることを特徴とし
ている。

【００２０】この第３の態様の燃料電池によれば、流路
底面上に設けた複数の凸部により冷却水の流路が形成さ
れることから、冷却水の拡散性が向上して、冷却水の流
れ分布が均一化される。また、凸部の形状の効果により
伝熱面積を高めることができる。したがって、この態様
の燃料電池によれば、冷却性能の向上を図ることができ
る。

【００２１】

【発明の実施の形態】以上説明した本発明の構成・作用
を一層明らかにするために、以下本発明の実施の形態を
実施例に基づき説明する。本発明の好適な第１実施例で
ある固体高分子型燃料電池（以下、単に燃料電池と呼
ぶ）１０は、接合体としての単セル２０を基本単位とし
ており、単セル２０を積層したスタック構造を有してい
る。図１は、この単セル２０の断面を模式的に表わす説
明図である。燃料電池１０の単セル２０は、電解質膜２
１と、アノード２２およびカソード２３と、セパレータ
２４、２５とから構成されている。

【００２２】アノード２２およびカソード２３は、電解
質膜２１を両側から挟んでサンドイッチ構造を成すガス
拡散電極である。セパレータ２４および２５は、このサ
ンドイッチ構造をさらに両側から挟みつつ、アノード２
２およびカソード２３との間に、燃料ガスおよび酸素含
有ガスの流路を形成する。アノード２２とセパレータ２
４との間には燃料ガス流路２４Ｐが形成されており、カ
ソード２３とセパレータ２５との間には酸素含有ガス流
路２５Ｐが形成されている。

【００２３】セパレータ２４、２５は、図１ではそれぞ
れ片面にのみ流路を形成しているが、実際にはその両面
に後述するリブ（凸部およびリブ片）が形成されてお
り、片面はアノード２２との間で燃料ガス流路２４Ｐを
形成し、他面は隣接する単セルが備えるカソード２３と
の間で酸素含有ガス流路２５Ｐを形成する。このよう
に、セパレータ２４、２５は、ガス拡散電極との間でガ
ス流路を形成するとともに、隣接する単セル間で燃料ガ
スと酸素含有ガスの流れを分離する役割を果たしてい
る。もとより、単セル２０を積層してスタック構造を形
成する際、スタック構造の両端に位置する２枚のセパレ
ータは、ガス拡散電極と接する片面にだけリブが形成さ
れている。

【００２４】ここで、電解質膜２１は、固体高分子材
料、例えばフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導
性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性
を示す。本実施例では、ナフィオン膜（デュポン社製）
を使用した。電解質膜２１の表面には、触媒としての白
金または白金と他の金属からなる合金が、塗布されてい
る。触媒を塗布する方法としては、白金または白金と他
の金属からなる合金を担持したカーボン粉を作製し、こ
の触媒を担持したカーボン粉を適当な有機溶剤に分散さ
せ、電解質溶液を適量添加してペースト化し、電解質膜
２１上にスクリーン印刷するという方法をとる。

【００２５】白金触媒を担持したカーボン粉は次のよう
な方法で作製されている。まず、塩化白金酸水溶液とチ
オ硫酸ナトリウムとを混合して、亜硫酸白金錯体の水溶
液を得、この水溶液を撹拌しながら、過酸化水素水を滴
下して、水溶液中にコロイド状の白金粒子を析出させ
る。次にこの水溶液に担体となるカーボンブラック［例
えばＶｕｌｃａｎＸＣ−７２（米国のＣＡＢＯＴ社の
商標）やデンカブラック（電気化学工業株式会社の商
標）］を添加しながら、撹拌し、カーボンブラックの表
面にコロイド状の白金粒子を付着させる。そして吸引ろ
過または加圧ろ過により白金粒子が付着したカーボンブ
ラックを水溶液中から分離し、脱イオン水で繰り返し洗
浄した後、室温で完全に乾燥させる。次に、この乾燥の
工程で凝集したカーボンブラックを粉砕機で粉砕し、水
素還元雰囲気中で、２５０℃〜３５０℃で２時間程度加
熱して、カーボンブラック上の白金を還元すると共に、
残留していた塩素を完全に除去して、白金触媒を担持し
たカーボン粉を完成する。

【００２６】カーボンブラックへの白金の担持密度（カ
ーボンの重量に対するカーボン上の白金の重量の比率）
は、塩化白金酸の量とカーボンブラックの量との比率を
変えることにより調節することができ、任意の担持密度
の白金触媒を得ることができる。なお、白金触媒の製造
方法は、前述の方法に限らず、充分な触媒活性が得られ
る方法であれば、他の方法により製造したものであって
もよい。

【００２７】以上の説明では、白金を触媒として用いる
場合について述べたが、この他にも、第１成分である白
金と、第２成分であるルテニウム、ニッケル、コバル
ト、インジウム、鉄、クロム、マンガン等のうちの１種
類あるいは２種類以上の成分との合金からなる合金触媒
を使用することもできる。

【００２８】アノード２２およびカソード２３は、共に
炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスにより形
成されている。なお、本実施例では、アノード２２およ
びカソード２３をカーボンクロスにより形成したが、炭
素繊維からなるカーボンペーパまたはカーボンフエルト
により形成する構成も好適である。

【００２９】上記電解質膜２１とアノード２２およびカ
ソード２３とは、熱圧着により一体化される。すなわ
ち、白金などの触媒を塗布した電解質膜２１をアノード
２２およびカソード２３で挟持し、１２０〜１３０℃に
加熱しながらこれらを圧着する。電解質膜２１とアノー
ド２２およびカソード２３とを一体化する方法として
は、熱圧着による他に、接着による方法を用いてもよ
い。アノード２２およびカソード２３で電解質膜２１を
挟持する際、各電極と電解質膜２１との間をプロトン導
電性固体高分子溶液（例えば、ＡｌｄｒｉｃｈＣｈｅ
ｍｉｃａｌ社、ＮａｆｉｏｎＳｏｌｕｔｉｏｎ）を用
いて接合すれば、プロトン導電性固体高分子溶液が固化
する過程で接着剤として働き、各電極と電解質膜２１と
が固着される。

【００３０】セパレータ２４、２５は、ガス不透過の導
電性部材、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とし
た緻密質カーボンにより形成されている。セパレータ２
４、２５はその両面に、既述したように、アノード２２
の表面とで燃料ガス流路２４Ｐを形成し、隣接する単セ
ルのカソード２３の表面とで酸素含有ガス流路２５Ｐを
形成する。こうしたセパレータ２４，２５の詳しい構成
については後ほど説明する。

【００３１】以上、燃料電池１０の基本構造である単セ
ル２０の構成について説明した。実際に燃料電池１０と
して組み立てるときには、図２に示すように、セパレー
タ２４、アノード２２、電解質膜２１、カソード２３、
セパレータ２５をこの順序で複数組積層し（本実施例で
は３組）、その複数組積層する毎に１個の冷却プレート
３０を挿入する。こうした３個の単セル２０と１個の冷
却プレート３０の組合せを複数組積層することにより、
単セル２０を例えば、１００組積層し、その両端に緻密
質カーボンや銅板などにより形成される集電板（図示せ
ず）を配置することによって、スタック構造を構成す
る。

【００３２】なお、冷却プレート３０は、直線状の流路
溝を複数備えたストレート型のもので、セパレータ２
４，２５と同じ素材により形成されている。冷却プレー
ト３０は、外部からの冷却水を給排することにより、燃
料電池１０の温度調整を図る。

【００３３】こうした構成の燃料電池１０のセパレータ
２４，２５の形状は次のようなものである。セパレータ
２４，２５は同一の形状であることから、ここでは、セ
パレータ２４を例にあげて説明する。図３は、セパレー
タ２４の平面図である。図４は、セパレータ２４の半分
の斜視図である。図３および図４に示すように、セパレ
ータ２４は、４角形の板状部材として形成されており、
対向する２つの辺の縁付近には、大口径の４角形の孔４
１（４３）がそれぞれ設けられ、他の２つの辺の縁付近
には、小口径の４角形の２つの孔４５，４６（４７，４
８）がそれぞれ設けられている。

【００３４】大口径の孔４１，４３は、積層した際、燃
料電池１０を積層方向に貫通する２つの冷却水給排流路
を形成する。対角線に対向する２つの小口径の孔４５，
４８は、積層した際、固体高分子型燃料電池１０を積層
方向に貫通する２つの燃料ガス給排流路を形成し、他の
小口径の孔４６，４７は、同じく積層方向に貫通する２
つの酸素含有ガス給排流路を形成する。

【００３５】セパレータ２４のこれら孔４１，４３，４
５，４６，４７，４８が設けられた外縁の平面部より内
側には、該平面部より一段下がった段差面５１が形成さ
れており、この段差面５１には、規則正しく格子状に配
列された幅２［ｍｍ］、長さ２［ｍｍ］、高さ１［ｍ
ｍ］の直方体の凸部５３が複数形成されている。

【００３６】また、段差面５１には、段差面５１の幅を
３等分するように配列された２本の直線状のリブ片５
５，５６が形成されている。リブ片５５，５６は、凸部
５３と同じ高さ１［ｍｍ］で、幅１［ｍｍ］であり、長
さは段差面５１の横幅より短い。リブ片５５，５６は、
互いに逆方向の端部５５ａ，５６ａをセパレータ２４の
外縁の平面部に接続することで、他方側の端部５５ｂ，
５６ｂがその外縁の平面部から所定の距離Ｓだけ離間す
るようになっている。なお、この距離Ｓは、この実施例
では、リブ片５５，５６により形成される流路の幅Ｗと
等しい大きさである。

【００３７】リブ片５５，５６により、段差面５１は３
つの領域に分けられ、これら領域は連通しており、その
結果、段差面５１上に、蛇行状（屈曲形状）の１つの大
きな流路が形成されることになる。なお、この流路の両
端は、対角線に配置された孔４５，孔４８のある位置に
接しており、流路の端部と孔４５，４８との間には隔壁
はないことから、上記蛇行状の流路は、孔４５，４８に
連結される。この結果、孔４５，４８からなる燃料ガス
給排流路からの燃料ガスが段差面５１上の上記流路に供
給または排出されることになる。

【００３８】こうしたセパレータ２４の構成により、大
きくは、リブ片５５，５６、段差面５１およびアノード
２２の表面とで、蛇行状の燃料ガスの流路（大流路）を
形成し、さらに、細かくは、凸部５３、段差面５１およ
びアノード２２の表面とで、複数方向に分散する燃料ガ
スの流路（小流路）を形成する。これら燃料ガスの流路
が、図１で示した燃料ガス流路２４Ｐに相当することに
なる。

【００３９】また、セパレータ２４の積層面の他方（図
２の裏面）にも、上記段差面５１、凸部５３およびリブ
片５５，５６と同一形状の段差面、凸部およびリブ片
（図示せず）が形成されている。この段差面、凸部およ
びリブ片とカソード２３の表面とで酸素含有ガスの流路
を形成する。この酸素含有ガスの流路には、上記孔４
６，４７により形成される酸素含有ガス給排流路からの
酸素含有ガスが供給または排出される。なお、こうした
酸素含有ガスの流路が図１で示した酸素含有ガス流路２
５Ｐに相当することになる。

【００４０】こうした構成の燃料電池１０は、前述した
ようにして、水素を含む燃料ガスを燃料ガス流路２４Ｐ
に、酸素を含む酸素含有ガスを酸素含有ガス流路２５Ｐ
にそれぞれ流すことにより、アノード２２とカソード２
３とで、次式（１）および（２）に示した電気化学反応
を行ない、化学エネルギを直接電気エネルギに変換す
る。

【００４１】カソード反応（酸素極）：２Ｈ+＋２ｅ-＋（１／２）Ｏ2→Ｈ2Ｏ …（１）アノード反応（燃料極）：Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ- …（２）

【００４２】以上詳述したように、この実施例の燃料電
池１０では、各セルへの燃料ガスの給排口である孔４５
と孔４８の間に、蛇行状の燃料ガスの流路が形成されて
おり、この流路には、複数の凸部５３が設けられてい
る。このため、従来の分割リブ型のセパレータと比較し
て、リブ片５５，５６を設けたことにより、燃料ガスの
給排口である孔４５と孔４８とを結ぶ流路全体の幅が狭
くなる。流路の幅が狭くなると、燃料ガスの流速は高く
なることから、燃料ガスの拡散性を高めて濃度分極を低
減することができる。また、酸素含有ガスについても、
同様の構成により、ガスの拡散性を高めて濃度分極を低
減することができる。

【００４３】また、この燃料電池１０では、前述したよ
うにガス流路を蛇行形状としたことで、流路の全長が長
くなっていることから、燃料ガスや酸素含有ガスといっ
た供給ガスにドライガスが用いられた場合であっても、
電解質膜のドライアップを防止することができる。カソ
ード２３では、その電極反応により水が生成されるが、
従来のリブ型のセパレータでは、その生成水の排水性が
過多となって、電解質膜がドライアップとなりがちであ
ったが、この燃料電池１０では、前述したように流路の
全長が長くなると、下流に進むほど、供給ガスが次第に
加湿されていくことから、電解質膜２１のドライアップ
を防止することができる。したがって、上記濃度分極を
低減する作用と電解質膜２１のドライアップ防止の作用
とから、燃料電池１０の電池性能の向上を図ることがで
きる。

【００４４】第１実施例の燃料電池１０と従来の燃料電
池との電池性能を比較したので、次に説明する。ここで
は、従来の燃料電池として、分割リブ型のセパレータを
使用したものと、蛇行状の流路溝を備えた、いわゆるサ
ーペンタイン型のセパレータを使用したものとを２種類
用意した。また、運転条件として、ウェットな供給ガス
（燃料ガスの湿度が１００［％］、酸素含有ガスの湿度
が９０［％］）を用いた第１の条件と、ドライな供給ガ
ス（燃料ガスの湿度が１００［％］、酸素含有ガスの湿
度が３０［％］）を用いた第２の条件との２つを採用し
た。

【００４５】図５は、ウェットな供給ガスを用いた第１
の条件下で燃料電池１０と従来の燃料電池とを運転した
ときの電圧と電流密度との関係を示したグラフである。
図６は、ドライな供給ガスを用いた第２の条件下で燃料
電池１０と従来の燃料電池を運転したときの電圧と電流
密度との関係を示したグラフである。図５および図６
中、曲線Ａは燃料電池１０について電圧と電流密度との
関係を示し、曲線Ｂは分割リブ型の従来例についての電
圧と電流密度との関係を示し、曲線Ｃはサーペンタイン
型の従来例についての電圧と電流密度との関係を示す。

【００４６】図５に示すように、ウェットな供給ガスの
条件下においては、第１実施例の燃料電池１０は、サー
ペンタイン型のセパレータを用いた燃料電池はもとより
分割リブ型のセパレータを用いた燃料電池に比較して、
測定範囲の総ての電流密度に亘ってその特性が優れてい
た。特に、高電流密度領域（０．５［Ａ／ｃｍ2 ］以
上）での電圧低下が小さく、ガス拡散性の向上が認めら
れた。

【００４７】また、図６に示すように、ドライな供給ガ
スの条件下においては、第１実施例の燃料電池１０は、
サーペンタイン型のセパレータを用いた燃料電池および
分割リブ型のセパレータを用いた燃料電池に比較して、
測定範囲の総ての電流密度に亘ってその特性が優れてい
た。特に、ドライな供給ガスの条件下においては、分割
リブ型のセパレータと比して、大きく電圧低下が小さい
ことから、電解質膜２１のドライアップ防止の向上が認
められた。

【００４８】次に、この発明の第１実施例の変形例につ
いて説明する。第１実施例では、リブ片５５，５６によ
り形成される蛇行状の流路の折り返し部分の幅（前述し
たリブ片５５，５６の端部５５ｂ，５６ｂと外縁の平面
部との間の距離Ｓに相当する）は、その流路の幅Ｗと等
しい構成であったが、これに替えて、次のような構成と
した。

【００４９】図７は、変形例のセパレータ９０の平面図
である。図示するように、セパレータ９０は、第１実施
例のセパレータ２４と比較してほぼ同じ形状をしてお
り、相違するのは、リブ片９１，９２の全長が、第１実
施例のリブ片５５，５６に比較して１．５［ｍｍ］（凸
部の幅の１．５倍）だけ長い点にある。かかる構成によ
り、リブ片９１，９２の端部９１ｂ，９２ｂと外縁の平
面部との間の距離Ｓａに相当する流路幅は、リブ片９
１，９２により形成される流路の幅Ｗより狭い大きさと
なる。

【００５０】したがって、この変形例によれば、流路の
折り返し部分の幅が狭いことによって、流路の折り返し
部分での流速をアップすることができる。このため、供
給ガスの拡散性はより高いものとなることから、流速ア
ップによる排水性の向上をより高めることができる。

【００５１】他の変形例について次に説明する。第１実
施例および上記変形例では、リブ片９１，９２により形
成される３つの流路は等間隔の幅Ｗを備える構成であっ
たが、これに替えて、この他の変形例では、図８に示す
ように、リブ片９６，９７により形成される第１ないし
第３の流路の幅Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３が順に狭くなる（即
ち、Ｗ１≧Ｗ２≧Ｗ３の関係を持つ）構成となってい
る。なお、この変形例のセパレータ９５は、第１の流路
からの折り返し部分の幅Ｓ１は第１の流路の幅Ｗ１より
狭い大きさであり、第２の流路からの折り返し部分の幅
Ｓ２は第２の流路の幅Ｗ２より狭い大きさである。

【００５２】したがって、この変形例によれば、流路の
幅が下流に進む程狭くなっていることと、流路の折り返
し部分の幅がその直前の流路幅より狭くなっていること
の双方によって、流速のアップを一層図ることができ
る。このため、供給ガスの拡散性は一層高いものとなる
ことから、流速アップによる排水性の向上をより一層高
めることができる。

【００５３】第２実施例について、次に説明する。この
第２実施例は、第１実施例の燃料電池１０と比較してほ
ぼ同じ構成の固体高分子型燃料電池に関するもので、セ
パレータ２４，２５と冷却プレート３０の形状だけが第
１実施例と比べて相違する。セパレータ（図示せず）
は、従来より一般に用いられる分割リブ型のものであ
る。冷却プレートの形状は次のようなものである。

【００５４】図９は、この第２実施例で用いられる冷却
プレート１３０の平面図である。図９に示すように、冷
却プレート１３０は、４角形の板状部材として形成され
ており、第１実施例のセパレータ２４と同様に、対向す
る２つの辺の縁付近には、大口径の４角形の孔１３１
（１３３）がそれぞれ設けられ、他の２つの辺の縁付近
には、小口径の４角形の２つの孔１３５，１３６（１３
７，１３８）がそれぞれ設けられている。

【００５５】大口径の孔１３１，１３３は、積層した
際、燃料電池を積層方向に貫通する２つの冷却水給排流
路を形成する。対角線上に対向する２つの小口径の孔１
３５，１３８は、積層した際、燃料電池を積層方向に貫
通する２つの燃料ガス給排流路を形成し、他の小口径の
孔１３６，１３７は、同じく積層方向に貫通する２つの
酸素含有ガス給排流路を形成する。

【００５６】冷却プレート１３０のこれら孔１３１，１
３３，１３５，１３６，１３７，１３８が設けられた外
縁の平面部より内側には、該平面部より一段下がった段
差面１５１が形成されており、この段差面１５１には、
規則正しく格子状に配列された幅２［ｍｍ］、長さ２
［ｍｍ］、高さ１［ｍｍ］の直方体の凸部１５３が複数
形成されている。なお、段差面１５１と大口径の孔１３
１，１３３からなる冷却水給排流路との間には隔壁はな
く、孔１３１，１３３からの冷却水が、段差面１５１上
の凸部１５３により形成される流路に供給または排出さ
れることになる。

【００５７】以上のように構成された、この第２実施例
の燃料電池では、冷却プレート１３０に形成された複数
の凸部１５３により、複数方向に分散する冷却水の流路
が形成される。これによれば、冷却水の拡散性が向上し
て、冷却水の流れ分布が均一化されるまた、凸部１５３
の形状の効果により電熱面積を高めることができる。

【００５８】したがって、この第２実施例の燃料電池に
よれば、冷却（温調）性能の向上を図ることができるこ
とから、ガス拡散電極のフラッディングや電解質膜のド
ライアップを抑制することができ、延いては、電池性能
の向上を図ることができる。

【００５９】この第２実施例の燃料電池における電圧と
電流密度との関係を、図１０に示した。図中、曲線Ａは
第２実施例の燃料電池について電圧と電流密度との関係
を示し、曲線Ｂは従来の燃料電池について電圧と電流密
度との関係を示す。ここで、従来の燃料電池とは、直線
状の流路溝を複数備えた従来のストレート型の冷却プレ
ートを使用した燃料電池である。

【００６０】図１０に示するように、第２実施例の燃料
電池は、従来例の燃料電池に比して、測定範囲の総ての
電流密度密度に亘って、電圧低下が小さく、電池性能の
向上が認められた。

【００６１】この発明の第３実施例について、次に説明
する。この第３実施例は、第２実施例と同様、冷却プレ
ートの形状に特徴を備えるもので、それ以外について
は、従来の固体高分子型燃料電池と同一の構成を備え
る。この第３実施例の燃料電池で用いられる冷却プレー
トは、第１実施例で説明したセパレータ２４の形状をほ
ぼそのまま適用したものである。以下、冷却プレートに
ついて詳細に説明する。

【００６２】図１１は、この第３実施例で用いられる冷
却プレート２３０の平面図である。図１１に示すよう
に、冷却プレート２３０は、４角形の板状部材として形
成されており、第２実施例の冷却プレート１３０と同様
に、対向する２つの辺の縁付近には、大口径の４角形の
孔２３１（２３３）がそれぞれ設けられ、他の２つの辺
の縁付近には、小口径の４角形の２つの孔２３５，２３
６（２３７，２３８）がそれぞれ設けられている。

【００６３】この実施例の冷却プレート２３０は、第１
実施例のセパレータ２４と比して各孔２３１，２３３，
２３５〜２３８に流す流体が異なっている。この冷却プ
レート２３０においては、大口径の孔２３１，２３３
は、積層した際、燃料電池を積層方向に貫通する２つの
酸素含有ガス給排流路を形成する。対角線上に対向する
２つの小口径の孔２３５，２３８は、積層した際、燃料
電池を積層方向に貫通する２つの冷却水給排流路を形成
し、他の小口径の孔２３６，２３７は、同じく積層方向
に貫通する２つの燃料ガス給排流路を形成する。

【００６４】冷却プレート２３０のこれら孔２３１，２
３３，２３５，２３６，２３７，２３８が設けられた外
縁の平面部より内側には、該平面部より一段下がった段
差面２５１が形成されており、この段差面２５１には、
規則正しく格子状に配列された幅２［ｍｍ］、長さ２
［ｍｍ］、高さ１［ｍｍ］の直方体の凸部２５３が複数
形成されている。

【００６５】また、段差面２５１には、段差面２５１の
幅を３等分するように配列された２本の直線状のリブ片
２５５，２５６が形成されている。リブ片２５５，２５
６は、凸部２５３と同じ高さ１［ｍｍ］で、幅１［ｍ
ｍ］であり、長さは段差面２５１の横幅より短い。リブ
片２５５，２５６は、互いに逆方向の端部２５５ａ，２
５６ａを冷却プレート２３０の外縁の平面部に接続する
ことで、他方側の端部２５５ｂ，２５６ｂがその外縁の
平面部から所定の距離Ｘだけ離間するようになってい
る。なお、この距離Ｘは、この実施例では、リブ片２５
５，２５６により形成される流路の幅Ｙより狭い大きさ
である。なお、この距離Ｘと幅Ｙとの大小関係は、幅Ｙ
の方が必ずしも大きい必要はないが、その大小関係によ
り冷却性能に差異が生じる。この冷却性能の差異につい
ては後述する。

【００６６】上述したリブ片２５５，２５６により、段
差面２５１は３つの領域に分けられて、これら領域は連
通しており、その結果、段差面２５１上に、蛇行状（屈
曲形状）の１つの大きな流路が形成されることになる。
なお、この流路の両端は、対角線に配置された孔２３
５，孔２３８のある位置に接しており、流路の端部と孔
２３５，２３８との間には隔壁はないことから、上記蛇
行状の流路は、孔２３５，２３８に連結される。この結
果、孔２３５，２３８からなる冷却水給排流路からの冷
却水が段差面２５１上の上記流路に供給または排出され
ることになる。

【００６７】こうした冷却水プレートの構成により、大
きくは、リブ片２５５，２５６、段差面２５１およびガ
ス拡散電極の電解質膜と反対側の表面とで、蛇行状の冷
却水の流路（大流路）を形成し、さらに、細かくは、凸
部２５３、段差面２５１およびガス拡散電極の電解質膜
と反対側の表面とで、複数方向に分散する冷却水の流路
（小流路）を形成する。

【００６８】以上のように構成された、この発明の第３
実施例の燃料電池では、冷却プレート２３０に形成され
た複数の凸部２５３により、冷却水は複数方向に分散し
て、冷却水の拡散性が向上する。しかも、リブ片２５
５，２５６により、冷却水の吸入口と排出口とを結ぶ流
路全体の幅が狭められて、冷却水の流速がアップされ
る。

【００６９】したがって、この第３実施例の燃料電池に
よれば、冷却水の拡散性と流速アップとにより、冷却
（温調）性能の向上をより図ることができる。このた
め、電池性能をより優れたものとすることができる。

【００７０】さらに、この第３実施例の燃料電池によれ
ば、冷却水流路の蛇行状の折り返し部分の幅に相当する
上記距離Ｘは、その流路の幅Ｙより狭い大きさとなって
いることから、この折り返し部分により冷却水の流速を
よりアップすることができる。したがって、冷却（温
調）性能の向上をより一層図ることができ、電池性能を
より一層優れたものとすることができる。

【００７１】この第３実施例の燃料電池において、上述
した冷却水流路の折り返し部分の幅（上記距離Ｘに対応
し、以下この折り返し部分の幅についてもＸで示す）を
変更して得られる燃料電池の電池性能を比較したので、
次に説明する。ここでは、比較対象として、冷却水流路
の折り返し部分の幅Ｘがその流路の幅Ｙより狭い大きさ
である第１の構成（この第３実施例の場合）と、その折
り返し部分の幅Ｘがその流路の幅Ｙと等しい大きさであ
る第２の構成と、その折り返し部分の幅Ｘがその流路の
幅Ｙより広い大きさである第３の構成との３種類を用意
した。

【００７２】図１２は、上記各構成の燃料電池について
の電圧と電流密度との関係を示したグラフである。図
中、曲線Ｆは第１の構成の燃料電池についてのもので、
曲線Ｇは第２の構成の燃料電池についてのもので、曲線
Ｈは第３の構成の燃料電池についてのものである。

【００７３】図１１に示すように、冷却水流路の折り返
し部分の幅Ｘがその流路の幅Ｙより狭い大きさの第１の
構成の燃料電池は、他の２つの構成に比較して、測定範
囲の総ての電流密度に亘ってその特性が優れていた。特
に、高電流密度領域（０．５［Ａ／ｃｍ2 ］以上）での
電圧低下が小さいことがわかる。次に電池特性の優れて
いるのが幅Ｘと幅Ｙとが等しい構成の燃料電池である。

【００７４】したがって、図１２に示した結果からも、
この第３実施例のように、冷却水流路の折り返し部分の
幅Ｘがその流路の幅Ｙより狭い大きさとすることで、燃
料電池の電池性能が向上することが認められた。

【００７５】前記第１および第３実施例の変形例につい
て、次に説明する。前記第１および第３実施例の燃料電
池に備えられるセパレータ２４，２５または冷却プレー
ト２３０は、リブ片５５，５６（２５５，２５６）を用
いて１本の連続する流路を形成していたが、これに替え
て、次のような形状のセパレータもしくは冷却プレート
の構成としてもよい。即ち、図１３に示すように、この
変形例のセパレータもしくは冷却プレートでは、両端が
外縁の平面部から離れて形成されるリブ片３５５，３５
６を流路底面上に有しており、リブ片３５５，３５６と
両外縁の平面部との間隙を介して流路が分岐するように
する。この構成によっても、供給ガスまたは冷却水の供
給口３５８と排出口３５９との間に、複数の凸部３５３
を有する屈曲形状の大流路を形成することができること
から、第１実施例および第３実施例と同様に燃料電池性
能の向上を図ることができる。

【００７６】また、他の変形例のセパレータもしくは冷
却プレートとして、図１４に示すように、流路底面上に
複数の凸部４５３を有し、さらに、その流路底面上に、
渦巻き状の大流路を形成する渦巻き状のリブ部４５５を
有する構成としてもよい。この構成によっても、供給ガ
スまたは冷却水の供給口４５８と排出口４５９との間
に、複数の凸部４５３を有する渦巻き形状の大流路を形
成することができることから、第１実施例および第３実
施例と同様に燃料電池性能の向上を図ることができる。

【００７７】以上本発明の実施例について説明したが、
本発明はこうした実施例に何等限定されるものではな
く、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々な
る態様で実施し得ることは勿論である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例である燃料電池１０を構成
する単セル２０の構造を模式的に表わす断面図である。

【図２】燃料電池１０の全体構造を模式的に表わす断面
図である。

【図３】セパレータ２４の平面図である。

【図４】セパレータ２４の半分の斜視図である。

【図５】ウェットな供給ガスを用いた第１の条件下で燃
料電池１０と従来の燃料電池とを運転したときの電圧と
電流密度との関係を示すグラフである。

【図６】ドライな供給ガスを用いた第２の条件下で燃料
電池１０と従来の燃料電池を運転したときの電圧と電流
密度との関係を示すグラフである。

【図７】第１実施例の変形例としてのセパレータ９０の
平面図である。

【図８】他の変形例としてのセパレータ９５の平面図で
ある。

【図９】第２実施例で用いられる冷却プレート１３０の
平面図である。

【図１０】第２実施例の燃料電池と従来の燃料電池につ
いての電圧と電流密度との関係を示すグラフである。

【図１１】第３実施例で用いられる冷却プレート２３０
の平面図である。

【図１２】冷却水流路の折り返し部分の幅を変更して得
られる各燃料電池についての電圧と電流密度との関係を
示すグラフである。

【図１３】変形例としてのセパレータまたは冷却プレー
トを表わす平面図である。

【図１４】他の変形例としてのセパレータまたは冷却プ
レートを表わす平面図である。

【符号の説明】

１０…固体高分子型燃料電池２０…単セル２０…燃料電池２１…電解質膜２２…アノード２３…カソード２４，２５…セパレータ２４Ｐ…燃料ガス流路２５Ｐ…酸素含有ガス流路３０…冷却プレート４１，４３，４５，４６，４７，４８…孔５１…段差面５３…凸部５５，５６…リブ片９０…セパレータ９１，９２…リブ片９１ｂ，９２ｂ…端部９５…セパレータ９６，９７…リブ片１３０…冷却プレート１３１，１３３，１３５，１３６，１３７，１３８…孔１５１…段差面１５３…凸部２３０…冷却プレート２３１，２３３，２３５，２３６，２３７，２３８…孔２５１…段差面２５３…凸部２５５，２５６…リブ片３５３…凸部３５５，３５６…リブ片３５８…供給口３５９…排出口４５３…凸部４５５…リブ部４５８…供給口４５９…排出口

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】固体高分子電解質膜を一対の電極で挟持
する接合体と、該接合体に接触し、該電極の面に沿った方向に供給ガス
を流す流路を形成する流路形成部材とを備える燃料電池において、前記流路形成部材は、前記流路を、連通する複数の区間からなるとともに、各
区間の流路幅が、前記供給ガスの下流側に位置する区間
ほど狭い大きさとなるよう構成したことを特徴とする燃
料電池。
【請求項２】請求項１に記載の燃料電池において、前記流路形成部材は、前記電極の面に対向する流路底面と、該流路底面から突出する１または複数の直線状のリブ片
とを備え、前記リブ片は、前記流路底面上の領域を前記区間を構成する複数の領域
に分けて連通させることにより、屈曲形状の前記流路を
形成する構成である燃料電池。
【請求項３】前記直線状のリブ部により形成される前
記流路の折り返し部分の幅は、当該折り返し部分より上
流側に位置する領域の前記流路幅より狭い大きさである
請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】前記区画に、前記流路底面から突出する
複数の凸部を有する請求項１ないし３のいずれかに記載
の燃料電池。