JP2000149966A

JP2000149966A - 固体高分子型燃料電池

Info

Publication number: JP2000149966A
Application number: JP10318748A
Authority: JP
Inventors: Yasunori Yoshimoto; 保則吉本; Koji Yasuo; 耕司安尾; Yasuo Miyake; 泰夫三宅; Akira Hamada; 陽濱田; Ikuro Yonezu; 育郎米津; Koji Nishio; 晃治西尾
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 1998-11-10
Filing date: 1998-11-10
Publication date: 2000-05-30
Anticipated expiration: 2018-11-10
Also published as: JP3123992B2

Abstract

(57)【要約】【目的】ガスを効果的に排出しながら、排水も効率よ
く行える固体高分子型燃料電池を提供すること。【解決手段】アノードと対応する領域よりも下流側の
流路部分４０ｃにおいて、これと対応する部位に溌水性
シート１３（ＰＴＦＥシート）を敷設し、その直下流に
ガス排出口１２３を開設する。更に、その下流側（流路
終端）で流路と対応する部位に吸水基材１４を敷設し、
その直下流に水排出口を開設する。

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
電池に関し、殊にガスの分配性能を向上させる技術に関
する。

【０００２】

【従来の技術】固体高分子型燃料電池は、固体高分子膜
の一方の側にカソードが配され他方の側にアノードが配
されたセルが、ガス流路が形成された一対のプレート部
材で挟持された基本構造であって、実用化されているも
のの多くは、このような基本構造の単位セルが多数積層
されて構成されている。そして、運転時には、カソード
側の流路に酸化剤としての空気を、アノード側の流路に
燃料ガスを供給し、電気化学的な反応により発電を行
う。

【０００３】ところで、固体高分子型燃料電池は、運転
中に固体高分子膜のイオン伝導性を確保するためにこれ
を保湿する必要があり、そのため、従来から空気や燃料
ガスを加湿して供給することにより固体高分子膜を保湿
する方式が多く用いられているが、これに代わって例え
ば、特開平５−４１２３０号公報に開示されているよう
に、各々のアノード側の流路に燃料ガスと液体の水とを
分配して共に流通させることによって、アノードに対す
る燃料ガスの供給と固体高分子膜の保湿を効率よく行う
と共に電池の冷却も行うことのできる固体高分子型燃料
電池も開発されている。

【０００４】また、燃料電池において優れた電池特性を
得るためにはアノード全体に渡って燃料ガスを行き渡ら
せることが必要である。そのため、この方式の固体高分
子型燃料電池においては、アノード側流路が水で閉塞し
て燃料ガスの流れが止まることがないようにすることが
望まれる。この点を考慮して、従来から、当該流路を鉛
直方向に向けて燃料ガス及び水を下方向に流通させた
後、電池下部の共通の配管を経由して電池の外部に排出
するような構成となっているが、それでもアノード側流
路の下流端は、気体である燃料排ガス、固体である流路
基板、液体である水の３相が接するため、毛細管現象に
より水のメニスカスが形成されて燃料ガスが流れなくな
りやすいという問題がある。

【０００５】図８は、アノード側流路の下端部でメニス
カスが形成され、ガスの流通が閉塞される様子を示す模
式図である。このようなメニスカス８００が形成される
と、その流路８０１は閉塞されるので、アノードに対す
る燃料ガスの供給は不均一となってしまう。このような
水による流路の閉塞を防止する対策として、毛細管現象
が生じないように流路の幅をより拡く設定することも考
えられるが、流路幅を拡げるとそのぶん流路が形成され
た基板とセルとの接触面積が少なくなる結果、燃料電池
内の電気抵抗が大きくなるので望ましくない。

【０００６】また、燃料ガスを高圧で供給して流路内を
高速で流通させることも考えられるが、この場合、燃料
ガスの高圧供給及び回収のための装置が必要となり、携
帯用などのコンパクトなシステムを実現する上で望まし
くない。この課題を解決するために本出願人は先に、図
９に示したようにアノード側基板９００の下流側に複数
本のアノード側流路９０１と対応させて溌水処理したカ
ーボンペーパ９０２を配し、ガスを当該カーボンペーパ
９０２から選択的に透過させ、残る水を更に下流側の排
出マニホールドに設けた吸水基材９０３で吸水させて排
出するという技術を提案した（特願平９−１８８５７２
号明細書及び図面）。

【０００７】これにより、上記メニスカスの形成による
ガス流路の閉塞といった問題は解消することができる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記明細書
の具体例に記載された構成は、安定した発電を実現する
ために、未反応ガスが水排出口から流れ出ることを防止
して、カーボンペーパ９０２の微細な孔のみから排出さ
れるようにすることでアノード側流路９０１一本、一本
におけるガス分配が均一に行われるようにしたものであ
る。すなわち、吸水基材９０３を流路の出口全体を覆う
ように配設し、流路の下端が水で封鎖（水封）されるよ
うにして、ガスの流出を防止してある。

【０００９】この技術によればガスをセルに比較的、均
一に分配させられるという利点はある一方、吸水基材９
０３が流路９０１の出口側においてアノード側流路９０
１全体を横切って設けられているので、以下のような問
題がある。すなわち、通常、アノード側流路基板を形成
するのに用いられるカーボン多孔体は、一般に微細なカ
ーボン粉末を焼結して平板状に形成され、そして切削加
工により流路が形成されている。このため、水やガスを
供給することにより表面が剥離することもあり、排水マ
ニホールドに設けた吸水基材に剥離したカーボンが目詰
まりしてしまう可能性が高い。また、剥離が生じにくい
基板として例えば導電材料を樹脂で成形することにより
作製したもの、いわゆるモールド成型によるものを用い
る場合でも、水にゴミが浮遊しておれば、そのゴミによ
る目詰まりが生じ同様の結果を招く。

【００１０】このようにカーボン粉末などのゴミが目詰
まりすると、水が上流側に押し上げてきて、ガスを選択
的に排出するカーボンペーパ９０２を覆ってしまう可能
性があり、仮にこのようになれば、ガスを効果的に排出
できなくなってしまう。そこで、本発明は、かかる課題
に鑑みてなされたものであって、ガスを効果的に排出し
ながら、排水も効率よく行える固体高分子型燃料電池を
提供することを目的としている。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、固体高分子膜にカソード及びアノードを
配したセルが、前記アノードに対向してアノード側流路
が形成された第１のプレートと、前記カソードに対向し
てカソード側流路が形成された第２のプレートとで挟持
されてなり、前記アノード側流路に燃料ガス及び水が供
給されると共に前記カソード側流路に酸化剤ガスが供給
されて発電する固体高分子型燃料電池であって、前記第
１のプレートは、燃料ガス流れ方向の前記アノードの終
端よりも下流側に前記アノード側流路から延設された延
設流路を有し、延設流路の底面と対応する位置には、表
面の水の接触角が延設流路のプレート内壁の水の接触角
と同等若しくは大きい部材が配され、当該部材の下流側
には、ガス排出口が開設されており、更に、前記ガス排
出口の下流側において、延設流路の底面と対応する位置
には、表面の水の接触角が延設流路のプレート内壁の水
の接触角と同等若しくは小さい部材が配され、当該部材
の下流側には、延設流路と連通する水排出口が開設され
ている。

【００１２】或いは、前記第２のプレートは、酸化剤ガ
ス流れ方向の前記カソードの終端よりも下流側に前記カ
ソード側流路から延設された延設流路を有し、延設流路
の底面と対応する位置には、表面の水の接触角が延設流
路のプレート内壁の水の接触角と同等若しくは大きい部
材が配され、当該部材の下流側には、ガス排出口が開設
されており、更に、前記ガス排出口の下流側において、
延設流路の底面と対応する位置には、表面の水の接触角
が延設流路のプレート内壁の水の接触角と同等若しくは
小さい部材が配され、当該部材の下流側には、延設流路
と連通する水排出口が開設されている。

【００１３】

【発明の実施の形態】[実施の形態]以下に本発明の実施
の形態に係る固体高分子型燃料電池について図面を参照
しながら具体的に説明する。図１は、本実施の形態に係
る固体高分子型燃料電池１（以下、単に「燃料電池１」と
いう。）を構成するセルユニット１００の組み立て図で
ある。

【００１４】本図に示すように、セルユニット１００
は、長方形状の枠体１０の片面側（図１では上面側）
に、固体高分子膜２１にカソード２２及びアノード２３
を配してなるセル２０と、複数のカソード側流路３１１
…が平行に形成されたカソード側流路基板３０とが嵌め
込まれ、枠体１０の他面側（図１では、下面側）に、複
数のアノード側流路４００…が平行に形成されたアノー
ド側流路基板４０と仕切板５０とが嵌め込まれて構成さ
れている。なお、図１においては、アノード２３は、固
体高分子膜２１の背面側にあるので破線で示している。

【００１５】セル２０は、カソード側流路基板３０とア
ノード側流路基板４０とで挟持された状態で保持されて
おり、アノード側流路４００…には、図１の白抜き矢印
で示す方向に燃料ガスが流れ、カソード側流路３１１…
には、図１の太矢印で示す方向に空気が流れ、セル２０
で発電がなされるようになっている。燃料ガスとして
は、水素ガス或いは水素を主成分とする天然ガス、プロ
パン、ブタン、メタノールなどの改質ガスを用いること
ができる。

【００１６】燃料電池１は、このセルユニット１００が
所定数積層され、その両端が一対の端板７１、７２（図
１では不図示、図３参照）で挟持されて構成されてい
る。枠体１０は、長方形状の板体に対して、その片面側
（図１で上面側）の燃料ガス流通方向の中央部に、上記
のセル２０及びカソード側流路基板３０を嵌め込むため
切欠部１０１が形成され、他面側（図１で下面側）に
は、アノード側流路基板４０及び仕切板５０を嵌め込む
凹部１０３が形成され、更に切欠部１０１の中央部に
は、アノード側流路基板４０とアノード２３とが接触で
きるように窓１０２が開設された形状であって、プラス
チック材料を射出成型することにより作製されたもので
ある。

【００１７】また、枠体１０の燃料ガス流通方向に対す
る上流部には、水を外部から導入するための一対のマニ
ホールド孔１１１と、これと連通しアノード側流路４０
０…に水を分配するための溝孔１２１並びに燃料ガスを
外部から導入するための一対のマニホールド孔１１２
と、これと連通しアノード側流路４００…に燃料ガスを
分配するための溝孔１２２が開設されている。また、下
流部には、未反応の燃料ガスを外部に導出するための一
対のマニホールド孔１１３と、これと連通しアノード側
流路４００…からの燃料ガスをマニホールド孔１１３に
排出するための溝孔１２３並びに水を外部に導出するた
めの一対のマニホールド孔１１４と、これと連通しアノ
ード側流路４００…からの水をマニホールド孔１１４へ
排出するための溝孔１２４が開設されている。

【００１８】なお、各溝孔１２１〜１２４は、アノード
側流路４００…と直交する方向に形成され、その両端が
各マニホールド孔１１１〜１１４と対応している。固体
高分子膜２１は、パーフルオロカーボンスルホン酸から
なる薄膜である。カソード２２、アノード２３は、白金
担持カーボンを材料とした所定の厚みの層であって、固
体高分子膜２１の中央部にホットプレスにより密着成型
されている。

【００１９】カソード側流路基板３０は、枠体３００に
流路基板本体３１０が嵌め込まれて構成されている。流
路基板本体３１０は、カーボン多孔体からなる平板状の
部材であって、カソード２２と対向する面（図１で下
面）に、空気を流通させる流路３１１…が形成されてい
る。

【００２０】枠体３００は、長方形状の平板の中央に窓
３０３が開設された形状で、プラスチック材料からな
り、カソード２２側とは反対側の面（図１で上面側）
に、空気を流路３１１…に導入するための流路３０１…
及び空気を流路３１１…から導出するための流路３０２
…が形成されている。なお、セル２０とカソード側流路
基板３０との間にはガスケット６１が介在し、セル２０
と切欠部１０１との間にはガスケット６２が介在してい
る。

【００２１】アノード側流路基板４０は、枠体１０より
若干小サイズの長方形状のカーボン多孔体であって、複
数のアノード側流路４００…が互いに平行に形成されて
いると共に流路４００…間にはリブ４０１…が形成され
ている。このアノード側流路基板４０は、燃料ガス流通
方向の中央に位置する中央部４０aと、この中央部４０
ａから延設された上流部４０ｂ及び下流部４０ｃからな
り、中央部４０aでは上流部４０ｂ及び下流部４０ｃよ
りもリブ４０１…の高さが高く設定されている。そし
て、このリブの高い部分４０１aが、上記の窓１０２に
嵌まり込んでアノード２３と電気的に接触するようにな
っている。

【００２２】なお、図１では省略しているが、カソード
２２とカソード側流路基板３０の間並びにアノード２３
とアノード側流路基板４０との間には、溌水処理を施し
たカーボンペーパからなる集電体２４、２５が介挿され
ている（図５参照）。仕切板５０は、アノード側流路基
板４０と同等のサイズの気密性ガラス状カーボン板であ
って、カソード側流路基板３０とアノード側流路基板４
０との間に介在されており、両者を電気的に導通させな
がらカソード側流路３１１…を流れる空気とアノード側
流路４００…を流れる燃料ガスとが混流するのを防止す
る働きをなしている。

【００２３】なお、図２において、１３５〜１３８はＯ
リングで、マニホールド孔１１１〜１１４及び溝孔１２
１〜１２４を囲む状態で形成されたＯリング用溝１３１
〜１３４に燃料電池の組み立て状態において、枠体１０
同士の間に挟まってこの部分をシールする。図３は、燃
料電池１の全体的な構成並びに運転動作を示す斜視図で
ある。ここでは燃料ガスとして水素ガスを用いて運転す
る場合について説明する。

【００２４】本図に示すように、運転時には、燃料電池
１は、空気の流通路（カソード側流路）が水平に向くよ
うに配置する。そして、図示しないファンから、流路３
０１…に空気を送り込む。この空気はカソード側流路３
１１…を流通しながらカソード２２に酸素を供給し、流
路３０２…から電池の外に排出される。

【００２５】一方、マニホールド孔１１２からなる内部
マニホールドには、水素ガスボンベ２から水素ガスを供
給し、マニホールド孔１１１からなる内部マニホールド
には、水ポンプ３から水を供給する。供給された水及び
水素ガスは、各セルユニット１００に分配され、各セル
ユニット１００において、溝孔１２１及び溝孔１２２か
らアノード側流路基板４０の上流部４０ｂに分配され
て、アノード側流路４００…を下流側に流れ、アノード
２３への水素ガスの供給と固体高分子膜２１の保湿を行
う。

【００２６】水ポンプ３の出力は、水供給用の溝孔１２
１における水圧を計測して、この値が所定の水圧値とな
るように調整する。水素ガスの供給圧力はレギュレータ
５で調整する。この圧力は、通常、１０〜１０万ｍｍＨ
₂Ｏ、特に１００〜８００ｍｍＨ₂Ｏ程度が適当である。
一方、排出される未反応水素の圧力はレギュレータ６に
よって調整する。この排出圧力は、燃料電池１における
燃料利用率が９０％以上となるように調整することが好
ましい。

【００２７】アノード側流路４００…を通過した未反応
水素ガスは、溝孔１２３からマニホールド孔１１３を通
って電池の外に排出され、アノード側流路４００…を通
過した水は、溝孔１２４からマニホールド孔１１４を通
って電池の外に排出される。このように、燃料ガスは液
体の水と分離された状態で排出される。このため、排出
されたガスを分離タンク４を経由することなくそのまま
回収して再利用することも可能である。

【００２８】燃料電池１から排出されるた水と、排気中
に含まれた水蒸気が凝縮した水とは分離タンク４で回収
される。回収された水は、冷却器７で冷却されて再び水
ポンプ３から燃料電池１に供給される。〔アノード側流路の上流から下流部までの詳細構成及び
効果について〕図1に戻って上流部では、上記の水供給
用の溝孔１２１に水分配基板１１が、燃料ガス供給用の
溝孔１２２にガス分配基板１２が、Ｏリング（不図示）
を介して嵌め込まれている。

【００２９】この水分配基板１１及びガス分配基板１２
は、どちらも長尺状の薄板に細孔１１ａ及び細孔１２ａ
が開設されたものであって、アノード側流路基板４０の
上流部４０ｂに接して配置されおり、すべてのアノード
側流路４００…に対応して細孔１１ａ、１２ａが開設さ
れている。水分散基板１１及びガス分配基板１２の具体
例としては、金属製（ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６等の
ステンレス鋼、Ｔi鋼）の薄板やセラミック製（ＡＬ₂Ｏ
₃等）の薄板にエッチングで細孔を開設したもの、或い
はプラスチック製（ポリエステル系、ＡＢＳ系、パーフ
ェニルオキサイド系、ＰＰＥ系、ＰＰＳ系等）の薄板に
細孔を開設したものを挙げることができる。

【００３０】各細孔１１ａ、１２ａは、同一形状（例え
ば、円形、楕円形、多角形）、同一の大きさで、個数も
同一である（例えば、流路毎に１個づつ、２個づつ、或
いは３個づつ形成されている。）水分配基板１１の厚さや細孔１１ａの孔径は、細孔１１
ａを水が通過するときに適度な抵抗（圧損）が生ずるよ
うに設定することが望ましく、実用的には、基板の厚さ
を１２０μｍ〜５ｍｍ、細孔１１ａの孔径を２０μｍ〜
３ｍｍの範囲内で設定することが望ましい。

【００３１】枠体１０の表面においてガス排出通路であ
る溝孔１２３の上流側の流路４００…の底面４００ａ…
に対応する位置には、アノード側流路基板４０を形成す
る材質よりも、つまりアノード側流路４００…の基板壁
面よりも水の接触角が大きい溌水領域１３がアノード側
流路４００…と対応するように形成されている（図４、
図５参照）。これにより、後述のようにガスの流れを円
滑なものとする。

【００３２】この溌水領域１３は、もともとは、アノー
ド側流路４００…の基板壁面よりも水の接触角が大きい
ものでもなくてもよい。すなわち、本来は同等であって
も、電池作動時に水が繰返し接触したとき接触角があま
り低下せず、アノード側流路基板４０の水の接触角との
間に差を生じるものであればよい。これは、燃料電池作
動時において水が繰返し接触したときに、カーボン多孔
体であるアノード側基板４０の水の接触角（濡れ性）は
次第に小さくなり（大きくなって）安定すると思われる
ので、このときに水の接触角に差が生じる領域であれば
後述の気層と液層との分離流を生成することができるか
らである。

【００３３】溌水領域１３は、枠体１０の壁面に溌水性
の部材である樹脂シートを敷設したり、樹脂自体を塗布
して層状に形成する。なお、枠体１０自体を溌水性のあ
る材料で作製することもできる。溌水性の樹脂として
は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラ
フルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニル共重合
体（ＰＦＡ）、シリコーン（ｓiｌicone）、ポリフェニ
レンスルファイド（ＰＰＳ）、テトラフルオロエチレン
・ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）等を挙
げることができる。

【００３４】また、枠体１０の表面において上記の溝孔
１２４直上流で、アノード側チャネル４００…の底面４
００ａ…と対応する位置には、アノード側流路４００…
の基板壁面よりも水の接触角が小さい親水領域１４が形
成されている（図４、図５参照）。この親水領域１４
は、もともと、アノード側流路４００…の基板壁面より
も水の接触角が小さいものでもなくても、本来は同等で
あっても、電池作動時に水が繰返し接触したとき接触角
が低下し、アノード側流路基板４０の水の接触角との間
に差を生じるものであればよい。これは、燃料電池作動
時には水が繰り返し接触することになるので、水の接触
角（濡れ性）が次第に低下する（大きくなる）と思われ
る。従って、このときに、アノード側流路基板４０の水
の接触角との間に差が生じるような領域であれば後述の
液層を引き付けることが可能だからである。

【００３５】この親水領域１４は、枠体１０の壁面に親
水性の部材である樹脂シートを敷設したり、樹脂を層状
に塗布して形成する。この領域の親水性は高いほど好ま
しく、吸水性の素材で構成することが好ましい。具体的
な素材としては、ポリエステル、レーヨン、ナイロン、
ポリエステル／レーヨン、ポリエステル／アクリル、レ
ーヨン／ポリクラール等を主成分とする織布、不織布、
フェルトを挙げることができる。

【００３６】なお、特許請求の範囲において記載した
「延設流路」とはアノード側流路下流部４０ｃをいい、
「延設流路の底面と対応する位置には、表面の水の接触
角が延設流路のプレート内壁の水の接触角と同等若しく
は大きい部材が配され」という文言における部材とは、
溌水領域１３を備えた枠体１０をいい、「延設流路の底
面と対応する位置には、表面の水の接触角が延設流路の
プレート内壁の水の接触角と同等若しくは小さい部材が
配され」という文言における部材とは親水領域１４を備
えた枠体１０をいう。

【００３７】図４は、燃料電池１を水供給チャネルに沿
って切断した断面図であって、流路内での気液混合物の
生成、流れ、排出の様子を模式的に示している。図５
（ａ）、（ｂ）は、燃料電池１の運転動作を示すもので
あって、図５（a）はセルユニット１００の上面を模式
的に示す図であり、図５（ｂ）はそのＡ−Ａ’断面を模
式的に示す図である。

【００３８】細孔１１ａから水が、細孔１２ａから燃料
ガスが各アノード側流路４００…に供給されて、気液混
合物が生成される。そして、この気液混合物が各アノー
ド側流路４００…を流れることにより、アノードへの燃
料ガスの供給と固体高分子膜の保湿を行うと共に、電池
を冷却する冷媒としての働きも果たす。アノード側流路
基板４０はカーボン多孔体で形成されているのに対し
て、アノード２３上に配されている集電体２５は溌水処
理が施されているので、アノード側流路基板４０の表面
に対する水の接触角は、集電体２５の表面における水の
接触角よりも小さい。更に、電極と対向する位置の下流
側でも、上記したとおり、アノード側流路基板４０の表
面に対する水の接触角は、溌水領域１３の水の接触角よ
りも小さい。

【００３９】従って、アノード側流路４００…の上流部
４０ｂで生成された気液混合物は、まず、セルと対応す
る部分を通過するときに、液層と気層とが分離される傾
向がある。すなわち、水が基板４０側に引き付けられ
て、アノード側流路基板４０側には主に水からなる液層
が存在し、アノード２３（集電体２５）側には主に燃料
ガスと水蒸気とからなる気層が存在した状態で流れるの
で、アノード２３に対して燃料ガスの供給が効率よく行
われる。

【００４０】次に、セルと対応する部分から更に下流側
でも、同様にしてこの分離した状態が維持されることに
なる。したがって、溝孔１２３側には、液側の水は臨ま
ず、気層が臨むことになるので、溝孔１２３からガスの
選択的な排出が効率よく行われる。このガスの排出は、
溌水領域１３とアノード側基板４０との水の接触角の差
が大きいほど効率が向上するのでそのように設計してお
くことが好ましい。また、溝孔１２３を形成する壁面１
２３ａを溌水性の素材で被覆しておく方が、ここに水が
浸入しにくくなるので好ましい。もっとも、枠体１０自
体を溌水性の素材で構成すれば、そのような必要はな
い。

【００４１】一方、水はガス排出口（溝孔１２３）直下
を通過して、さらに下流に流れる。このとき、アノード
側流路下流部４０ｃのみならず親水領域１４も水に対す
る親和性が高いので（なぜなら、アノード側流路基板４
０は、カーボン多孔体で作製されているからであ
る。）、水が親水領域１４に接触し流路空間全体を覆い
下流部４０ｃは水封される。このように燃料電池１で
は、上記した従来の技術のようにアノード側流路の水排
出口への出口全体を吸水材のような固形物で覆うことに
より、水排出口へのガスの流入を防止するものではな
く、出口側は水排出口（溝孔１２４）に連通する出口を
強制的に水封することによって、これを実現するもので
ある。

【００４２】このようにアノード側流路４００…下端側
を水封することにより、ガスを均一に分配するととも
に、未反応ガスが水排出口から流れ出ることを防止し、
未反応ガスの溝孔１２３からの排出を促進させることが
できる。また、上記のように親水領域１４を設ければ、
流路基板の素材が剥離して生じるゴミや、もともと水や
ガス中に存在するゴミが親水領域１４を覆ってしまい、
この領域の吸水性を低下するのを防止することができ
る。これは、上記したようにアノード側流路４００…が
終端（出口側）で溝孔１２４と連通し、終端が開放され
た状態となるように、親水領域１４を設けてあるからで
ある。

【００４３】なお、上記のようにアノード側流路が鉛直
方向に走るように配置されて運転しているので、アノー
ド側流路４００…終端側を水封しながら溜まった水は、
自重により適宜水排出口（溝孔１２４）に落下する。そ
のため、水が上流側に上昇してきてガス排出口である溝
孔１２３内に侵入する可能性は極めて低い。更に、ガス
排出口１２３の壁面１２３ａを上記のように溌水性の素
材で被覆しておけば、水が仮に上流側に上昇してきても
溝孔１２３内に壁面１２３ａを伝って水が侵入し、開口
部分に滞留するようなことはない。従って、そのような
意味でも溝孔１２３の形成壁面１２３ａは溌水性の素材
で被覆しておくことが好ましい。

【００４４】上記説明では、カーボン多孔体をアノード
側流路基板４０に用い、これの表面を何ら処理しないも
のであったが、例えば、アノード側流路４００…の内壁
面を親水領域１４を形成した素材と同じものを敷設、或
いは塗布すれば、流路壁面の水の接触角がカーボン多孔
体自体の場合に比べてより小さくでき、これによって、
気層と液層との分離効率が向上するのでガスの選択的な
排出をより効率よく行うことができる。このような処理
を施すことにより、基板表面の親水性を高める手法は、
膨張黒鉛、黒鉛、フォーネスブラックなどのカーボンと
フェノール系などの樹脂と混合物を用いたモールド成型
により作製した基板を用いる場合に特に有効である。な
ぜなら、モールド成型による基板は、一般に親水性が低
い（水の接触角が多孔性カーボンに比べて大きい）から
である。

【００４５】また、アノード側流路４００…壁面の表面
粗さを大きくすることによっても、水の接触角を小さく
することもできる。表面粗さを大きくする方法として、
カーボン多孔体の表面をサンドペーパで研磨したり、流
路底面に、微細な溝を形成する方法がある（出願番号Ｐ
ＣＴ／ＪＰ９８／０１７０７の明細書を参照）。なお、
上記説明では、水と燃料ガスとを燃料電池内に供給し燃
料電池内で気液混合物を生成するいわゆる内部加湿につ
いて説明したが、燃料ガスを燃料電池本体に供給する前
に水蒸気発生装置を用いて加湿する外部加湿を採用する
場合にも上記したガスの選択的な透過及び水の排出の技
術は適用することができる。ただし、内部加湿に適応す
る方が、水量が多いので有効である。また、アノード側
についてのみ加湿する場合について説明したが、カソー
ドに供給する酸化剤ガスである空気を加湿して供給する
場合にも、同様に上記ガスの選択的な透過及び水の排出
の技術は適用することができる。

【００４６】[実施例]上記した構成の燃料電池を以下の
条件にて作製した。アノード側流路基板４０は、水の接
触角が１０度のカーボン多孔体で形成し、アノードに対
応する部分には、水の接触角が１４０度の集電体を配し
た。これにより、気液混合物はアノードと対応する流路
を流れるときには、アノード側は気層、流路底部側は液
層をなす分離流となる。

【００４７】アノードと対応する領域を通過した気液混
合物は、アノード側流路基板の下流部４０ｃに流入す
る。前記溌水領域１３はＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロ
エチレン）テープを枠体に貼り付けて構成した。このＰ
ＴＦＥテープ表面の水の接触角は、アノード側流路より
も大きい９０度である。従って、この溌水領域１３に対
応する領域を流れる気液混合物は、溌水領域１３側は気
層、流路底部側は液層をなす分離流となる親水領域１４
は、水の接触角が０度の吸水性を有するナイロン不織布
からなる吸水基材で構成した。従って、アノード側流路
よりも水の接触角は小さいので、この親水領域１４に対
応する領域を流れる水は、親水領域１４側に引き込まれ
流路の出口全体を覆うことになる。

【００４８】このようにアノード側流路の終端が水封さ
れることで、上記したように、ガスは溝孔１２３から効
率よく排出されるとともに、ガスをセルに均一に分配さ
せることができる。なお、ここでの水の接触角は、以下
の方法で、図６に示す水滴と測定対象物の表面とがなす
角度Θを測定したものである。

【００４９】・測定装置：協和界面科学株式会社製接
触角計ＣＡ−Ｄ型・温度条件：水及び測定対象物ともに常温・測定対象物：常温乾燥状態・測定時間：液滴下後３０秒後に測定次に、以下の条件にて燃料電池を作製し電池特性につい
て検討した。

【００５０】・電極面積：１００ｃｍ² ・固体高分子膜：パーフルオロカーボンスルホン酸膜・アノード：Ｐｔ−Ｒｕ担持カーボン・カソード：Ｐｔ担持カーボン・セル積層数：６０枚 [比較例]上記した従来構成（図８に示した構成）の燃料
電池であり、作製条件は上記実施例の条件と同様であ
る。

【００５１】[実験]実施例の燃料電池と比較例の燃料電
池とを以下の条件で作動させたときのセル電池を経時的
に測定し、その性能を比較検討した。・電流密度：０．４Ａ／ｃｍ² ・燃料ガス利用率：７０％・酸化剤利用率：２０％・燃料ガス：メタンを水蒸気改質した改質ガス
（Ｈ₂：３８．３％，Ｎ₂：４３％，ＣＯ₂：１７％，Ｃ
Ｈ₄：０．７％）・酸化剤：空気この結果を図７に示した。

【００５２】この図７から明らかなように、比較例の電
池においては、経時的にセル電圧の低下が認められ、２
０分程度しか安定した運転ができなかった。一方、実施
例の電池においては、長時間に渡って安定した発電が可
能であった。なお、図９にて示したガスを選択的に透過
する構成を備えた燃料電池でもここで行った１００分程
度の連続運転であれば、安定した特性が得られるが、更
に長時間運転すると次第に吸水基材にゴミが詰まり、吸
水性能が低下するため、特性が低下してくる。実施例の
燃料電池ではこのようなことがないことから、その点優
れている。

【００５３】

【発明の効果】以上説明してきたように本発明の固体高
分子型燃料電池によれば、第１のプレート（アノード側
流路基板）は、燃料ガス流れ方向の前記アノードの終端
よりも下流側に前記アノード側流路から延設された延設
流路を有し、延設流路の底面と対応する位置には、表面
の水の接触角が延設流路のプレート内壁の水の接触角と
同等若しくは大きい部材が配され、当該部材の下流側に
は、ガス排出口が開設されており、更に、前記ガス排出
口の下流側において、延設流路の底面と対応する位置に
は、表面の水の接触角が延設流路のプレート内壁の水の
接触角と同等若しくは小さい部材が配され、当該部材の
下流側には、延設流路と連通する水排出口が開設されて
いるので、ガスを効果的に排出しながら、排水も効率よ
く行うことができる。

【００５４】また、第２のプレート（カソード側流路基
板）に同様の技術を適応すれば、アノード側においても
ガスを効果的に排出しながら、排水も効率よく行うこと
ができる。これは特に、酸化剤ガスを加湿する場合に有
効である。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施の形態に係る固体高分子型燃料電池の基本
構成要素のセルユニットの構成を示す組立図である。

【図２】上記セルユニットの組み立て後の概観図であ
る。

【図３】上記固体高分子型燃料電池の全体的な構成並び
に運転動作を示す斜視図である。

【図４】上記固体高分子型燃料電池の要部断面図であ
る。

【図５】上記固体高分子型燃料電池の運転動作を示すも
のであって、図５（a）はセルユニットの上面を模式的
に示す図であり、図５（ｂ）はそのＡ−Ａ’断面を模式
的に示す図である。

【図６】水の接触角の定義を示す模式図である。

【図７】実験結果を示す電池の特性図である。

【図８】従来の固体高分子型燃料電池の構成を示す図で
ある。

【図９】更に、別な従来の固体高分子型燃料電池の構成
を示す図である。

【符号の説明】

１固体高分子型燃料電池１０枠体１１水分散基板１１ａ細孔１２ガス分配基板１２ａ細孔１３溌水領域１４親水領域２０セル２１固体高分子膜２２カソード２３アノード２４、２５集電体３０カソード側流路基板４０アノード側流路基板４０ａ中央部（アノード側基板）４０ｂ上流部（アノード側基板）４０ｃ下流部（アノード側基板）５０仕切板６１、６２ガスケット７１、７２端板１００セルユニット１０１切欠部１０２窓１０３凹部１１１マニホールド孔（水供給用）１１２マニホールド孔（ガス供給用）１１３マニホールド孔（ガス排出用）１１４マニホールド孔（水排出用）１２１、１２２、１２３、１２４溝孔１２３ａ溝孔形成壁面１３１、１３２、１３３、１３４Ｏリング用溝１３５、１３６、１３７、１３８Ｏリング３００枠体３０１流路（カソード側）３０２流路（カソード側）３０３窓３１０流路基板本体３１１流路（カソード側）４００アノード側流路４００ａアノード側流路底部４０１リブ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者三宅泰夫大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号三洋電機株式会社内 (72)発明者濱田陽大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号三洋電機株式会社内 (72)発明者米津育郎大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号三洋電機株式会社内 (72)発明者西尾晃治大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号三洋電機株式会社内Ｆターム(参考） 5H026 AA06 CC03 CC08 EE19 HH03 5H027 AA06 CC06

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】固体高分子膜にカソード及びアノードを
配したセルが、前記アノードに対向してアノード側流路
が形成された第１のプレートと、前記カソードに対向し
てカソード側流路が形成された第２のプレートとで挟持
されてなり、前記アノード側流路に燃料ガス及び水が供
給されると共に前記カソード側流路に酸化剤ガスが供給
されて発電する固体高分子型燃料電池であって、前記第１のプレートは、燃料ガス流れ方向の前記アノードの終端よりも下流側に
前記アノード側流路から延設された延設流路を有し、延設流路の底面と対応する位置には、表面の水の接触角
が延設流路のプレート内壁の水の接触角と同等若しくは
大きい部材が配され、当該部材の下流側には、ガス排出
口が開設されており、更に、前記ガス排出口の下流側において、延設流路の底
面と対応する位置には、表面の水の接触角が延設流路の
プレート内壁の水の接触角と同等若しくは小さい部材が
配され、当該部材の下流側には、延設流路と連通する水
排出口が開設されていることを特徴とする固体高分子型
燃料電池。
【請求項２】固体高分子膜にカソード及びアノードを
配したセルが、前記アノードに対向してアノード側流路
が形成された第１のプレートと、前記カソードに対向し
てカソード側流路が形成された第２のプレートとで挟持
されてなり、前記アノード側流路に燃料ガス及び水が供
給されると共に前記カソード側流路に酸化剤ガスが供給
されて発電する固体高分子型燃料電池であって、前記第２のプレートは、酸化剤ガス流れ方向の前記カソードの終端よりも下流側
に前記カソード側流路から延設された延設流路を有し、延設流路の底面と対応する位置には、表面の水の接触角
が延設流路のプレート内壁の水の接触角と同等若しくは
大きい部材が配され、当該部材の下流側には、ガス排出
口が開設されており、更に、前記ガス排出口の下流側において、延設流路の底
面と対応する位置には、表面の水の接触角が延設流路の
プレート内壁の水の接触角と同等若しくは小さい部材が
配され、当該部材の下流側には、延設流路と連通する水
排出口が開設されていることを特徴とする固体高分子型
燃料電池。
【請求項３】前記第２のプレートは、酸化剤ガス流れ方向の前記カソードの終端よりも下流側
に前記カソード側流路から延設された延設流路を有し、延設流路の底面と対応する位置には、表面の水の接触角
が延設流路のプレート内壁の水の接触角と同等若しくは
大きい部材が配され、当該部材の下流側には、ガス排出
口が開設されており、更に、前記ガス排出口の下流側において、延設流路の底
面と対応する位置には、表面の水の接触角が延設流路の
プレート内壁の水の接触角と同等若しくは小さい部材が
配され、当該部材の下流側には、延設流路と連通する水
排出口が開設されてい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４】前記延設流路の底面に対応して配され
た、表面の水の接触角が延設流路のプレート内壁の水の
接触角と同等若しくは大きい部材は、溌水性の素材で構成されていることを特徴とする請求項
１から３の何れかに記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項５】前記延設流路の底面に対応して配され
た、表面の水の接触角が延設流路のプレート内壁の水の
接触角と同等若しくは小さい部材は、吸水性の素材で構成されていることを特徴とする請求項
１から４の何れかに記載の固体高分子型燃料電池。