JP2003017091A

JP2003017091A - 固体高分子型燃料電池

Info

Publication number: JP2003017091A
Application number: JP2001197166A
Authority: JP
Inventors: Tadahiko Taniguchi; 忠彦谷口; Michio Hori; 美知郎堀; Taiji Kogami; 泰司小上; Atsushi Oma; 敦史大間
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2001-06-28
Filing date: 2001-06-28
Publication date: 2003-01-17

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】セパレータの蛇行状の通路間を対向流となって
流れる反応ガスの圧力差を少なくして常に安定した電池
性能を維持できる固体高分子型燃料電池を提供する。【解決手段】本発明に係る固体高分子型燃料電池は、セ
パレータ１２ａ，１２ｂの中間に反応ガスを蛇行状に流
す通路１７ａ，１７ｂを区画する仕切壁１７ａ１，１７
ｂ１を備え、前記反応ガスが対向流となる通路１７ａ，
１７ｂを区画する仕切壁１７ａ１，１７ｂ１に当接する
燃料極１６ａおよび酸化剤極１６ｂのそれぞれの領域部
分に、一方の通路から隣りの通路に反応ガスが透過して
流れることを防止する手段（反応ガス流れ方向に平行配
置された炭素繊維）を備えた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、固体高分子型燃料
電池はに係り、特に、反応ガスの通路に改良を加えて反
応ガスの流れを良好にする固体高分子型燃料電池に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】電解質としてプロトン伝導性を備える固
体高分子電解質膜を用いる燃料電池は、形状をコンパク
トにすることができ、電気出力が高出力密度であり、ま
た、システムを簡素化させて運転ができるので、定置用
分散電源のほかに宇宙用、車両用などの電源としても注
目されている。

【０００３】この高分子電解質膜としては、数多く開発
され、商品化されているが、最近ではパーフルオロカー
ボンスルホン酸膜（例えば、ナフィオン：商品名、デュ
ポン社製）が多く用いられている。

【０００４】このような高分子電解質膜を用いる固体高
分子型燃料電池は、高分子電解質膜の両側に白金等の触
媒を被覆して触媒層を形成し、さらに触媒層から外側に
向ってガス拡散性に優れる多孔質状の燃料極と酸化剤極
とを配置するとともに、各極の外側に燃料ガスまたは酸
化剤ガスを供給する凹状の溝を持つセパレータを配置し
て単電池（単セル）とし、この単電池に冷却板等を挟め
て層として形成するようになっている。

【０００５】図１５に、従来の単電池の一例を示す。

【０００６】単電池１は、中央部に配置するイオン伝導
性を持つ固体高分子電解質膜２と、この固体高分子電解
質膜２の両外側に配置し、白金等で作成するシート状の
触媒層３ａ，３ｂを介装させてガス拡散性に優れた多孔
質状の燃料極４ａおよび酸化剤極４ｂとを備える膜電極
複合体５になっている。ここで、膜電極複合体５とは、
固体高分子電解質膜２、触媒層３ａ，３ｂ、燃料極４ａ
および酸化剤極４ｂを一つにまとめたものをいう。な
お、固体高分子電解質膜２は、燃料極４ａおよび酸化剤
膜４ｂに供給する反応ガスが互いに干渉、衝突しないよ
うに、各両極４ａ，４ｂよりも長く延ばして飛び出さ
せ、この飛び出す部分にシール材（図示せず）を設けて
いる。

【０００７】また、単電池１は、膜電極複合体５の両外
側に配置する電流を取り出すセパレータ６ａ，６ｂを備
えている。セパレータ６ａ，６ｂは、燃料極４ａおよび
酸化剤極４ｂのそれぞれに当接する側の中間部分に仕切
壁７ａ１，７ｂ１で区画する凹状溝の通路７ａ，７ｂを
形成するとともに、両端部側に反応ガスを給排させる反
応ガス供給口８ａ１，８ａ２と、反応ガス排出口８ｂ
１，８ｂ２とを備えている。なお、セパレータ６ａ，６
ｂの反応ガス供給口８ａ１，８ａ２のそれぞれに供給さ
れる反応ガスは、連絡路９ａ１，９ａ２から固体高分子
電解質膜２に対して蛇行しながら流れ、連絡路９ｂ１，
９ｂ２のそれぞれから反応ガス排出口８ｂ１，８ｂ２の
それぞれに排出される。また、セパレータ６ａ，６ｂ
は、反応ガス供給口８ａ１，８ａ２および反応ガス排出
口８ｂ１，８ｂ２のそれぞれにシール材１０ａ，１０ｂ
を設けてガスのシール性を高めている。

【０００８】一方、セパレータ６ａ，６ｂの中間部分に
仕切壁７ａ１，７ｂ１で区画形成する通路７ａ，７ｂ
は、図１６に示すように、反応ガス供給口８ａ１，８ａ
２および反応ガス排出口８ｂ１，８ｂ２のそれぞれに連
絡路９ａ１，９ａ２，９ｂ１，９ｂ２を介して接続する
とともに、その中間部を蛇行状に形成し、位置Ｘで隣り
の通路を流れるガスと平行流にさせたり、折り返し位置
Ｙを境に位置Ｚで隣りの通路を流れる反応ガスと対向流
にさせたりしてガスの流れを良好にさせるようになって
いる。

【０００９】また、セパレータ６ａ，６ｂは、反応ガス
供給口８ａ１，８ａ２、反応ガス排出口８ｂ１，８ｂ２
および通路７ａ，７ｂのそれぞれの外側にシール材１０
ａ，１０ｂ，１０ｃを設けて、燃料ガスと酸化剤ガスの
衝突・干渉を防止するとともに、各ガスの器外への漏出
を防止している。なお、破線は、燃料極４ａまたは酸化
剤極４ｂを示す。

【００１０】このように、従来の固体高分子型燃料電池
は、セパレータ６ａ，６ｂの中間部に形成する凹状溝の
通路７ａ，７ｂに工夫を加え、燃料極側の反応ガスおよ
び酸化剤極側の反応ガスのそれぞれが各極で反応する際
に生成する水をより早く器外に流出させ、反応ガスの流
速を高く維持させるとともに、より広く拡散させて反応
ガスの電気化学反応の際の電気の発生を高めていた。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】図１５および図１６に
示す従来の固体高分子型燃料電池は、燃料極および酸化
剤極のそれぞれに接するセパレータ６ａ，６ｂの通路７
ａ，７ｂを蛇行状に形成し、隣りの通路を流れるガスと
の間に平行流あるいは対向流をふんだんに採り入れて反
応ガスの反応の際に生成する水をより早く器外に流出さ
せてはいるものの、反応ガスの圧力（静圧）を常に高く
維持させておくことが難しく、このため改善すべき問題
点が含まれていた。

【００１２】セパレータ６ａ，６ｂの中間部に仕切壁７
ａ１，７ｂ１で区画形成する蛇行状の通路７ａ，７ｂで
は、反応ガスが入口側から出口側に向うにつれて圧力損
失が高くなり、圧力（静圧）が低下することがわかっ
た。すなわち、図１６に示す位置Ｘにおいて、隣りの通
路を流れる反応ガスとの間で平行流になっているが、子
細に観察、分析してみると、入口側からの距離が若干な
がら異なるため、二つの通路を流れる反応ガス間には、
圧力差が生じていることがわかった。この圧力差が原因
で、反応ガスは多孔質状の極の断面を通って隣りの通路
に透過することがあった。

【００１３】また、図１６に示す位置Ｚにおいて、隣り
の通路を流れる反応ガスとの間で対向流になっている
が、二つの通路を流れる反応ガス間には、上述の平行流
よりもさらに大きな圧力差が出ており、多孔質状の極の
断面を通って隣りの通路に透過する量がより大きくなっ
ていることもわかった。このため、図１６に示す折り返
し位置Ｙを流れる反応ガスの流量が平均の反応ガス流量
に較べて著しく低下することがわかった。

【００１４】このように、セパレータ６ａ，６ｂの通路
７ａ，７ｂ内において、局所的に反応ガスの供給量の少
ない部分が出ると、電流密度に偏りが生じたり、反応ガ
スが燃料ガスである場合、燃料不足による水素電位を高
く維持できず、大きな分極が発生し、電圧を低下させる
要因になり、また、分極が著しく大きくなると触媒層に
腐食を引き起こさせる要因になっている。

【００１５】本発明は、このような事情に基づいてなさ
れたもので、セパレータの蛇行状の通路間を流れる反応
ガスの圧力差を少なくして常に安定した電池性能が維持
できる固体高分子型燃料電池を提供することを目的とす
る。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明に係る固体高分子
型燃料電池は、上述の目的を達成するために、請求項１
に記載したように、両側に触媒層を被着する固体高分子
電解質膜と、この固体高分子電解質膜の両外側に配置す
る燃料極および酸化剤極と、これら燃料極および酸化剤
極のそれぞれの外側に配置するセパレータとを備える固
体高分子型燃料電池において、前記セパレータの中間に
反応ガスを蛇行状に流す通路を区画する仕切壁を備え、
前記反応ガスが対向流となる通路を区画する仕切壁に当
接する前記燃料極および前記酸化剤極のそれぞれの領域
部分に、一方の通路から隣りの通路に前記反応ガスが透
過して流れることを防止する手段を備えたものである。

【００１７】また、本発明に係る固体高分子型燃料電池
は、上述の目的を達成するために、請求項２に記載した
ように、一方の通路から隣りの通路に反応ガスが透過し
て流れることを防止する手段は、燃料極および酸化剤極
に充填する炭素繊維であることを特徴とするものであ
る。

【００１８】また、本発明に係る固体高分子型燃料電池
は、上述の目的を達成するために、請求項３に記載した
ように、炭素繊維は、反応ガスの流れに沿って平行に配
置するものである。

【００１９】また、本発明に係る固体高分子型燃料電池
は、上述の目的を達成するために、請求項４に記載した
ように、両側に触媒層を被着する固体高分子電解質膜
と、この固体高分子電解質膜の両外側に配置する燃料極
および酸化剤極と、これら燃料極および酸化剤極のそれ
ぞれの外側に配置するセパレータとを備える固体高分子
型燃料電池において、前記セパレータの中間に反応ガス
を蛇行状に流す通路を区画する仕切壁を備え、前記反応
ガスが対向流となる通路を区画する仕切壁に当接する前
記燃料極および前記酸化剤極のそれぞれの領域部分に、
一方の通路から隣りの通路に前記反応ガスが透過して流
れることを防止する高密度化領域を形成するものであ
る。

【００２０】また、本発明に係る固体高分子型燃料電池
は、上述の目的を達成するために、請求項５に記載した
ように、一方の通路から隣りの通路に反応ガスが透過し
て流れることを防止する高密度化領域は、液状ゴム、樹
脂、カーボンのうち、いずれかを選択して含浸させて形
成するものである。

【００２１】また、本発明に係る固体高分子型燃料電池
は、上述の目的を達成するために、請求項６に記載した
ように、樹脂は、ポリ弗化ビニリデンであることを特徴
とする。

【００２２】また、本発明に係る固体高分子型燃料電池
は、上述の目的を達成するために、請求項７に記載した
ように、カーボンは、カーボン粉末と界面活性剤が主成
分であることを特徴とする。

【００２３】また、本発明に係る固体高分子型燃料電池
は、上述の目的を達成するために、請求項８に記載した
ように、両側に触媒層を被着する固体高分子電解質膜
と、この固体高分子電解質膜の両外側に配置する燃料極
および酸化剤極と、これら燃料極および酸化剤極のそれ
ぞれの外側に配置するセパレータとを備える固体高分子
型燃料電池において、前記セパレータの中間に反応ガス
を蛇行状に流す通路を区画する仕切壁のうち、前記反応
ガスが対向流となる通路を区画する仕切壁を他の通路を
区画する仕切壁の高さよりも高く形成するものである。

【００２４】また、本発明に係る固体高分子型燃料電池
は、上述の目的を達成するために、請求項９に記載した
ように、両側に触媒層を被着する固体高分子電解質膜
と、この固体高分子電解質膜の両外側に配置する燃料極
および酸化剤極と、これら燃料極および酸化剤極のそれ
ぞれの外側に配置するセパレータとを備える固体高分子
型燃料電池において、前記セパレータの中間に反応ガス
を蛇行状に流す通路を区画する仕切壁を備え、前記反応
ガスが対向流となる通路を区画する仕切壁に当接する前
記燃料極および前記酸化剤極のそれぞれの領域部分に、
一方の通路から隣りの通路に前記反応ガスが透過して流
れることを防止する反応ガス不透過領域を形成するもの
である。

【００２５】また、本発明に係る固体高分子型燃料電池
は、上述の目的を達成するために、請求項１０に記載し
たように、一方の通路から隣りの通路に反応ガスが透過
して流れることを防止する反応ガス不透過領域は、液状
ゴムおよび樹脂のうち、いずれか一方を主成分とするシ
ート部であることを特徴とするものである。

【００２６】また、本発明に係る固体高分子型燃料電池
は、上述の目的を達成するために、請求項１１に記載し
たように、シート部は、コの字状に成形加工しているも
のである。

【００２７】また、本発明に係る固体高分子型燃料電池
は、上述の目的を達成するために、請求項１２に記載し
たように、コの字状に成形加工するシート部は、燃料極
および酸化剤極のそれぞれに成形する切込み溝に挿通
し、プレスで圧接して被着させるものである。

【００２８】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る固体高分子型
燃料電池の実施形態を図面および図面に付した符号を引
用して説明する。

【００２９】図１は、本発明に係る固体高分子型燃料電
池の第１実施形態を示す概念図である。

【００３０】本実施形態に係る固体高分子型燃料電池
は、中央に膜電極複合体１１を配置し、膜電極複合体１
１の両外側にセパレータ１２ａ，１２ｂを配置して単電
池１３を構成し、単電池１３を幾つにも層状に重ねて電
気集合体（電気スタック）にして使用するようになって
いる。

【００３１】膜電極複合体１１は、中央に配置する固体
高分子電解質膜１４と、固体高分子電解質膜１４の両側
に被着する触媒層１５ａ，１５ｂと、これらの触媒層１
５ａ，１５ｂのうち、一方の外側に配置する燃料極１６
ａを、他方の外側に配置する酸化剤極１６ｂとを備えて
いる。

【００３２】固体高分子電解質膜１４は、数１０ミクロ
ンの超薄形の厚さで、パーフルオロカーボンスルホン酸
等が用いられている。また、固体高分子電解質膜１４の
両側に被着する触媒層１５ａ，１５ｂは、白金黒付き白
金触媒にアセチレンブラックを加えたもので、その厚み
も数１０ミクロンから１００ミクロンになっている。

【００３３】また、両側に触媒層１５ａ，１５ｂを被着
する固体高分子電解質膜１４は、セパレータ１２ａ，１
２ｂとの間にガス拡散性に優れている多孔質状の燃料極
１６ａおよび酸化剤極１６ｂを配置している。固体高分
子電解質膜１４がセパレータ１２ａ，１２ｂとの間に燃
料極１６ａおよび酸化剤極１６ｂのそれぞれを介装させ
ているのは、セパレータ１２ａ，１２ｂがもともと反応
ガス供給用の凹溝状の通路１７ａ，１７ｂを備えてお
り、この凹溝状の通路１７ａ，１７ｂに当る膜に面圧が
加わらないので、界面における電気伝達率の低下を防止
するためである。

【００３４】また、膜電極複合体１１の両外側に配置す
るセパレータ１２ａ，１２ｂは、燃料極１６ａおよび酸
化剤極１６ｂのそれぞれに接する側の中間部分に仕切壁
１７ａ１，１７ｂ１で区画する凹状溝の通路１７ａ，１
７ｂを形成するとともに、両端部側に反応ガスを給排さ
せる反応ガス供給口１８ａ１，１８ａ２と反応ガス排出
口１８ｂ１，１８ｂ２を備えている。

【００３５】なお、セパレータ１２ａ，１２ｂの反応ガ
ス供給口１８ａ１，１８ａ２のそれぞれに供給される反
応ガスは、連絡路１９ａ１，１９ａ２から固体高分子電
解質膜１４に対して蛇行しながら流れ、連絡路１９ｂ
１，１９ｂ２のそれぞれから反応ガス排出口１８ｂ１，
１８ｂ２のそれぞれに排出される。また、セパレータ１
２ａ，１２ｂは、反応ガス供給口１８ａ１，１８ａ２お
よび反応ガス排出口１８ｂ１，１８ｂ２のそれぞれにシ
ール材２０ａ，２０ｂを設けて反応ガスのシール性を高
めている。

【００３６】一方、セパレータ１２ａ，１２ｂの中間部
分に仕切壁１７ａ１，１７ｂ１で区画形成する通路１７
ａ，１７ｂは、図２に示すように、反応ガス供給口１８
ａ１，１８ａ２および反応ガス排出口１８ｂ１，１８ｂ
２のそれぞれに連絡路１９ａ１，１９ａ２，１９ｂ１，
１９ｂ２を介して接続するとともに、その中間部に区画
形成する通路１７ａ，１７ｂを蛇行状に形成する。ま
た、セパレータ１２ａ，１２ｂは、反応ガス供給口１８
ａ１，１８ａ２、反応ガス排出口１８ｂ１，１８ｂ２お
よび通路１７ａ，１７ｂのそれぞれの外側にシール材２
０ａ，２０ｂ，２０ｃを設けて反応ガスのシール性を高
く維持させている。

【００３７】中間部を蛇行状に形成する仕切壁１７ａ
１，１７ｂ１で区画する通路１７ａ，１７ｂのうち、折
り返し位置Ｙを境に位置Ｚで隣りの通路１７ａ，１７ｂ
を流れる反応ガスＧと対向流になる仕切壁１７ａ１，１
７ｂ１の領域部分に当接する燃料極１６ａおよび酸化剤
極１６ｂのそれぞれの領域部分は、図３に示すように、
炭素繊維ＣＡＲおよび接着剤等で作製するとともに、炭
素繊維ＣＡＲの向きを、図４に示すように、仕切壁１７
ａ１，１７ｂ１の軸方向（通路１７ａ，１７ｂを流れる
反応ガスの流れ方向）に沿って平行に配置する。

【００３８】このように、本実施形態は、通路１７ａ，
１７ｂを凹状溝として区画する仕切壁１７ａ１，１７ｂ
１に当接する燃料極１６ａおよび酸化剤極１６ｂの領域
部分に反応ガスＧの流れ方向に沿って平行に炭素繊維Ｃ
ＡＲを配置し、燃料極１６ａおよび酸化剤極１６ｂ内部
に形成される空隙および細孔に向って透過しようとする
反応ガスを一種のバリアとして防止させる機能を炭素繊
維に持たせているので、一方の通路から燃料極１６ａお
よび酸化剤極１６ｂの空隙および細孔を介して隣りの通
路に透過する反応ガスの流れを確実に防止することがで
きる。

【００３９】したがって、本実施形態では、セパレータ
１２ａ，１２ｂの中間に形成する通路１７ａ，１７ｂの
うち、反応ガスＧが対向流となって流れる通路１７ａ，
１７ｂに当接する燃料極１６ａおよび酸化剤極１６ｂの
領域部分に反応ガスＧの流れ方向に沿って平行に炭素繊
維ＣＡＲを配置し、反応ガスＧの燃料極１６ａおよび酸
化剤極１６ｂへの透過に基づく一方の通路から隣りの通
路への横断流れ（バイパス流れ）を防止しているので、
一方の通路を流れる反応ガスと隣りの通路を流れる反応
ガスとの圧力差を少なくして常に安定した電池性能を維
持させることができる。

【００４０】また、本実施形態は、図２に示す位置Ｚに
おける一方の通路を流れる反応ガスと隣りの通路を流れ
る反応ガスとの圧力差を少なくしているので、位置Ｘに
おける平行流となる反応ガスも良好な流れに維持させる
ことができる。

【００４１】図５は、反応ガスが対向流となる位置にお
ける通路を流れる反応ガスの最大流量と最小流量との格
差比を縦軸に、圧力の抵抗（炭素繊維を反応ガスの流れ
に沿って平行に配置することに基づく反応ガスの透過に
対する炭素繊維の抵抗）を横軸に示す反応ガスの流量格
差比線図である。

【００４２】この図において、反応ガスは、一方の通路
から燃料極または酸化剤極を介して隣りの通路に流れる
透過流が従来に較べて本実施形態（本発明）の方が著し
く少なくなっていることが実験結果からわかった。

【００４３】図６および図７は、本発明に係る固体高分
子型燃料電池の第２実施形態を示す概念図である。な
お、図６は、燃料極の頭部側または酸化剤極の頭部側か
ら透視するセパレータの平面図であり、図７は、図６に
示すセパレータの中間に蛇行状に形成する通路のうち、
反応ガスが対向流となる通路を区画形成する仕切壁に当
接する領域部分を高密度領域に形成する燃料極および酸
化剤極の平面図である。また、第１実施形態の構成部分
と同一構成部分には同一符号を付す。

【００４４】本実施形態に係る固体高分子型燃料電池
は、セパレータ１２ａ，１２ｂにおける反応ガスＧが対
向流となる位置Ｚでの通路１７ａ，１７ｂを区画形成す
る仕切壁１７ａ１，１７ｂ１に当接する燃料極１６ａお
よび酸化剤極１６ｂの領域部分を空隙および細孔のない
高密度化領域ＨＤＡに形成したものである。

【００４５】この高密度化領域ＨＤＡは、セパレータ１
２ａ，１２ｂの通路１７ａ，１７ｂを区画形成する仕切
壁１７ａ１，１７ｂ１に当接する燃料極１６ａおよび酸
化剤極１６ｂの領域部分に、樹脂、液状ゴム、およびカ
ーボンのうち、いずれかを選択して含浸させることによ
り達成される。

【００４６】例えば、樹脂の場合、一例として耐熱性の
フッ素樹脂、具体的にはポリ弗化ビニリデンのシートを
短冊状に形成し、この短冊状のポリ弗化ビニリデンを上
述燃料極１６ａおよび酸化剤極１６ｂの領域部分に位置
し、ホットプレスで加工すればよい。加熱温度は、ポリ
弗化ビニリデンの融点付近の１５０℃〜１８０℃が適正
である。

【００４７】また、高密度化領域ＨＤＡの達成手段とし
て、液状ゴム、具体的にはシリコーンゴムを上述燃料極
１６ａおよび酸化剤極１６ｂの領域部分に圧入してもよ
い。

【００４８】さらに、カーボン粉末を用いる場合、カー
ボン粉末と界面活性剤を主成分とする懸濁液を上述燃料
極１６ａおよび酸化剤極１６ｂの領域部分にコーティン
グ後、乾燥させて界面活性剤を蒸発させてもよい。

【００４９】このように、本実施形態は、樹脂、液状ゴ
ムおよびカーボンのうち、いずれかを選択してセパレー
タ１２ａ，１２ｂの通路１７ａ，１７ｂを区画形成する
仕切壁１７ａ１，１７ｂ１に当接する上述燃料極１６ａ
および酸化剤極１６ｂの領域部分を空隙および細孔のな
い高密度化領域に形成するので、反応ガスＧの一方の通
路から燃料極１６ａおよび酸化剤極１６ｂを介して他方
の通路に透過することを防止でき、反応ガスＧの流れを
安定化させて電池性能を高く維持させることができる。

【００５０】なお、高密度型領域をカーボン粉末で形成
する場合、発電中に生成する水または外部から供給され
る加湿水が高密度化領域をウェットシール状態にするの
で、反応ガスの対向流において、一方の通路から他方の
通路への反応ガスの透過を防止する点で好都合である。

【００５１】図８および図９は、本発明に係る固体高分
子型燃料電池の第３実施形態を示す概念図である。な
お、図８は、燃料極の頭部側または酸化剤極の頭部側か
ら透視するセパレータの平面図であり、図９は、図８の
Ｅ−Ｅ矢視方向から切断する切断断面図である。また、
第１実施形態の構成部分と同一構成部分には同一符号を
付す。

【００５２】本実施形態に係る固体高分子型燃料電池
は、セパレータ１２ａ，１２ｂの中間に蛇行状に形成す
る通路１７ａ，１７ｂを区画形成する仕切壁２１ａｂ，
２１ｂ１を他の仕切壁１７ａ１，１７ｂ１よりも高く形
成したものである。

【００５３】このように、本実施形態は、蛇行状に形成
する通路１７ａ，１７ｂを区画形成する仕切壁１７ａ
１，１７ｂ１のうち、反応ガスＧが位置Ｚで対向流とな
る通路１７ａ，１７ｂを区画形成する仕切壁２１ａ１，
２１ｂ１を他の仕切壁１７ａ１，１７ｂ１よりも高く形
成すると、図９および図１０に示すように、燃料極１６
ａおよび酸化剤極１６ｂの当接領域ＣＡに仕切壁２１ａ
１，２１ｂ１から高い押圧力（圧接力）が加えられるの
で、燃料極１６ａおよび酸化剤極１６ｂの当接領域ＣＡ
が圧縮され、その組成が高密度化される。

【００５４】したがって、本実施形態では、セパレータ
１２ａ，１２ｂの中間に形成する通路１７ａ，１７ｂを
区画形成する仕切壁１７ａ１，１７ｂ１のうち、反応ガ
スＧが対向流となる位置Ｚでの通路１７ａ，１７ｂを区
画形成する仕切壁２１ａ１，２１ｂ１を他の仕切壁１７
ａ１，１７ｂ１より高く形成し、燃料極１６ａおよび酸
化剤極１６ｂの当接領域ＣＡに仕切壁２１ａ１，２１ｂ
１からの高い押圧力が加えられて当接領域ＣＡを高密度
化し、反応ガスＧの燃料極１６ａおよび酸化剤極１６ｂ
への透過に基づく一方の通路から隣りの通路への横断流
れを防止しているので、一方の通路を流れる反応ガスと
隣りの通路を流れる反応ガスとの圧力差を少なくして常
に安定した電池性能を維持させることができる。

【００５５】図１１および図１２は、本発明に係る固体
高分子型燃料電池の第４実施形態を示す概念図である。
なお、図１１は、燃料極の頭部側または酸化剤極の頭部
側から透視するセパレータの平面図であり、図１２は、
図１１に示すセパレータの中間に蛇行状に形成する通路
のうち、反応ガスが対向流となる通路を区画形成する仕
切壁に当接する領域部分を反応ガス不透過領域に形成す
る燃料極および酸化剤極の平面図である。また、第１実
施形態の構成部分と同一構成部分には同一符号を付す。

【００５６】本実施形態に係る固体高分子型燃料電池
は、セパレータ１２ａ，１２ｂにおける反応ガスＧが対
向流となる位置Ｚでの通路１７ａ，１７ｂを区画形成す
る仕切壁１７ａ１，１７ｂ１に当接する燃料極１６ａお
よび酸化剤極１６ｂの領域部分を反応ガス不透過領域Ｇ
ＳＯＡに形成したものである。

【００５７】この反応ガス不透過領域ＧＳＯＡは、セパ
レータ１２ａ，１２ｂの通路１７ａ，１７ｂを区画形成
する仕切壁１７ａ１，１７ｂ１に当接する燃料極１６ａ
および酸化剤極１６ｂの領域部分に、例えば、図１３に
示すように、切込み溝（スリット）２２を形成し、切込
み溝（スリット）２２にコの字状に成形加工するシート
部２３を挿通し、図１４に示すように、シート部２３の
頭部側および底部側からホットプレスを加えて形成する
ものである。

【００５８】なお、シート部２３は、ポリ弗化ビニリデ
ン等の樹脂あるいは液状ゴムで作製される。

【００５９】このように、本実施形態は、シート部２３
を用いて、セパレータ１２ａ，１２ｂの通路１７ａ，１
７ｂを区画形成する仕切壁１７ａ１，１７ｂ１に当接す
る燃料極１６ａおよび酸化剤極１６ｂの領域部分を空隙
および細孔のない反応ガス不透過領域ＧＳＯＡに形成す
るので、反応ガスＧの一方の通路から燃料極１６ａおよ
び酸化剤極１６ｂを介して他方の通路に透過することを
防止でき、反応ガスＧの流れを安定化させて電池性能を
高く維持させることができる。

【００６０】

【発明の効果】以上の説明の通り、本発明に係る固体高
分子型燃料電池は、セパレータの通路を区画形成する仕
切壁に当接する燃料極および酸化剤極の領域部分に透過
する反応ガスの流れを防止する反応ガス透過防止手段を
備えているので、対向流形式を採る一方の通路から燃料
極および酸化剤極を介して他方の通路に流れる反応ガス
の横断流れを防止でき、対向流形式を採る両通路を流れ
る反応ガスの圧力をほぼ同一にして流れを安定流にして
電池性能を高く維持させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る固体高分子型燃料電池の第１実施
形態を示す概念図。

【図２】図１のＢ−Ｂ矢視方向から燃料極を透視して見
るセパレータの概略平面図。

【図３】図２のＣ−Ｃ矢視方向から見る断面図。

【図４】図３のＤ−Ｄ矢視方向から見る断面図。

【図５】従来と本発明とを対比させる流量格差比線図。

【図６】本発明に係る固体高分子型燃料電池の第２実施
形態に適用するセパレータの概略平面図。

【図７】図６に示すセパレータの中間に蛇行状に形成す
る通路のうち、反応ガスが対向流となる通路を区画形成
する仕切壁に当接する領域部分を高密度領域に形成する
燃料極および酸化剤極の平面図。

【図８】本発明に係る固体高分子型燃料電池の第３実施
形態に適用するセパレータの概略平面図。

【図９】図８のＥ−Ｅ矢視方向から切断する切断断面
図。

【図１０】図９の部分拡大断面図。

【図１１】本発明に係る固体高分子型燃料電池の第４実
施形態に適用するセパレータの概略平面図。

【図１２】図１１に示すセパレータの中間に蛇行状に形
成する通路のうち、反応ガスが対向流となる通路を区画
形成する仕切壁に当接する領域部分を反応ガス不透過領
域に形成する燃料極および酸化剤極の平面図。

【図１３】図１２のＦ−Ｆ矢視方向から切断して斜め後
方から見る斜視図。

【図１４】図１３のＧ−Ｇ矢視方向から切断する切断断
面図。

【図１５】従来の固体高分子型燃料電池を示す概念図。

【図１６】図１５のＡ−Ａ矢視方向から燃料極を透視し
て見るセパレータの概略平面図。

【符号の説明】

１単電池２固体高分子電解質膜３ａ，３ｂ触媒層４ａ燃料極４ｂ酸化剤極５膜電極複合体６ａ，６ｂセパレータ７ａ，７ｂ通路７ａ１，７ｂ１仕切壁８ａ１，８ａ２反応ガス供給口８ｂ１，８ｂ２反応ガス排出口９ａ１，９ａ２，９ｂ１，９ｂ２連絡路１０ａ，１０ｂ，１０ｃシール材１１膜電極複合体１２ａ，１２ｂセパレータ１３単電池１４固体高分子電解質膜１５ａ，１５ｂ触媒層１６ａ燃料極１６ｂ酸化剤極１７ａ，１７ｂ通路１７ａ１，１７ｂ１仕切壁１８ａ１，１８ａ２反応ガス供給口１８ｂ１，１８ｂ２反応ガス排出口１９ａ１，１９ａ２，１９ｂ１，１９ｂ２連絡路２０ａ，２０ｂ，２０ｃシール材２１ａ１，２１ｂ１仕切壁２２切込み溝２３シート部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者小上泰司東京都港区芝浦一丁目１番１号株式会社東芝本社事務所内 (72)発明者大間敦史神奈川県川崎市川崎区浮島町２番１号株式会社東芝浜川崎工場内Ｆターム(参考） 5H026 AA06 BB02 CC03 CX02 CX04 CX05 EE05 EE18 EE19

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】両側に触媒層を被着する固体高分子電解
質膜と、この固体高分子電解質膜の両外側に配置する燃
料極および酸化剤極と、これら燃料極および酸化剤極の
それぞれの外側に配置するセパレータとを備える固体高
分子型燃料電池において、前記セパレータの中間に反応
ガスを蛇行状に流す通路を区画する仕切壁を備え、前記
反応ガスが対向流となる通路を区画する仕切壁に当接す
る前記燃料極および前記酸化剤極のそれぞれの領域部分
に、一方の通路から隣りの通路に前記反応ガスが透過し
て流れることを防止する手段を備えたことを特徴とする
固体高分子型燃料電池。
【請求項２】一方の通路から隣りの通路に反応ガスが
透過して流れることを防止する手段は、燃料極および酸
化剤極に充填する炭素繊維であることを特徴とする請求
項１記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項３】炭素繊維は、反応ガスの流れに沿って平
行に配置することを特徴とする請求項２記載の固体高分
子型燃料電池。
【請求項４】両側に触媒層を被着する固体高分子電解
質膜と、この固体高分子電解質膜の両外側に配置する燃
料極および酸化剤極と、これら燃料極および酸化剤極の
それぞれの外側に配置するセパレータとを備える固体高
分子型燃料電池において、前記セパレータの中間に反応
ガスを蛇行状に流す通路を区画する仕切壁を備え、前記
反応ガスが対向流となる通路を区画する仕切壁に当接す
る前記燃料極および前記酸化剤極のそれぞれの領域部分
に、一方の通路から隣りの通路に前記反応ガスが透過し
て流れることを防止する高密度化領域を形成することを
特徴とする固体高分子型燃料電池。
【請求項５】一方の通路から隣りの通路に反応ガスが
透過して流れることを防止する高密度化領域は、液状ゴ
ム、樹脂、カーボンのうち、いずれかを選択して含浸さ
せて形成することを特徴とする請求項４記載の固体高分
子型燃料電池。
【請求項６】樹脂は、ポリ弗化ビニリデンであること
を特徴とする請求項５記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項７】カーボンは、カーボン粉末と界面活性剤
を主成分とすることを特徴とする請求項５記載の固体高
分子型燃料電池。
【請求項８】両側に触媒層を被着する固体高分子電解
質膜と、この固体高分子電解質膜の両外側に配置する燃
料極および酸化剤極と、これら燃料極および酸化剤極の
それぞれの外側に配置するセパレータとを備える固体高
分子型燃料電池において、前記セパレータの中間に反応
ガスを蛇行状に流す通路を区画する仕切壁のうち、前記
反応ガスが対向流となる通路を区画する仕切壁を他の通
路を区画する仕切壁の高さよりも高く形成することを特
徴とする固体高分子型燃料電池。
【請求項９】両側に触媒層を被着する固体高分子電解
質膜と、この固体高分子電解質膜の両外側に配置する燃
料極および酸化剤極と、これら燃料極および酸化剤極の
それぞれの外側に配置するセパレータとを備える固体高
分子型燃料電池において、前記セパレータの中間に反応
ガスを蛇行状に流す通路を区画する仕切壁を備え、前記
反応ガスが対向流となる通路を区画する仕切壁に当接す
る前記燃料極および前記酸化剤極のそれぞれの領域部分
に、一方の通路から隣りの通路に前記反応ガスが透過し
て流れることを防止する反応ガス不透過領域を形成する
ことを特徴とする固体高分子型燃料電池。
【請求項１０】一方の通路から隣りの通路に反応ガス
が透過して流れることを防止する反応ガス不透過領域
は、液状ゴムおよび樹脂のうち、いずれか一方を主成分
とするシート部であることを特徴とする請求項９記載の
固体高分子型燃料電池。
【請求項１１】シート部は、コの字状に成形加工して
いることを特徴とする請求項１０記載の固体高分子型燃
料電池。
【請求項１２】コの字状に成形加工するシート部は、
燃料極および酸化剤極のそれぞれに成形する切込み溝に
挿通し、プレスで圧接して被着させることを特徴とする
請求項１１の固体高分子型燃料電池。