JP2000251908A

JP2000251908A - 固体高分子型燃料電池

Info

Publication number: JP2000251908A
Application number: JP11046364A
Authority: JP
Inventors: Yasunori Yoshimoto; 保則吉本; Koji Yasuo; 耕司安尾; Mitsuo Karakane; 光雄唐金; Yasuo Miyake; 泰夫三宅; Koji Nishio; 晃治西尾
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 1999-02-24
Filing date: 1999-02-24
Publication date: 2000-09-14
Anticipated expiration: 2019-02-24
Also published as: JP3524802B2

Abstract

(57)【要約】【課題】リブ付プレートの生産性を改善し、かつ、長
期間の使用によってもその性能が低下しにくい固体高分
子型燃料電池を提供することを目的とする。【解決手段】固体高分子膜２１を加湿する加湿剤が流
通される燃料極側リブ付プレート４０のリブ４０１ａ
の、燃料極２３を所定の面圧で押圧する表面を除く表面
である、リブ側面に保水層４０２ａが、リブ４０１ａの
頂部に設けられた部分的に凹んだ段部表面に保水層４０
２ｃがそれぞれ形成されている。

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、特に、燃料ガス及び酸化剤の両方又は一方
と共に加湿剤を供給しながら発電が行われる固体高分子
型燃料電池に関する。

【０００２】

【従来の技術】固体高分子型燃料電池は、固体高分子膜
の一方の面に燃料極が他方の面に酸化剤極が配されてな
るセルが、複数のリブが所定の間隔を置いて平行に配さ
れてなる一対のリブ付プレートで、当該リブが対向する
ように挟持されたセルユニットを基本構造体とし、実用
化されているものの多くは、このセルユニットが多数積
層され、当該積層体がその積層方向両側から挟持部材で
押圧挟持されて構成されている。

【０００３】そして、隣合うリブ間と燃料極又は酸化剤
極とで形成された空間を流路とし、運転時には、燃料極
側の流路に燃料ガスとして例えば水素が供給され、酸化
剤極側の流路に酸化剤としての空気（Ｏ₂）が供給され
る。このとき、燃料極において、水素が水素イオン（Ｈ
⁺)と電子（ｅ^-）に分かれ、水素イオン（Ｈ⁺）は電解質
である固体高分子膜を通り酸化剤極に向かい、電子（ｅ
^-）は外部回路に流れる。一方、酸化剤極においては、
酸素（Ｏ₂）と燃料極からきた水素イオン（Ｈ⁺）と外部
回路からきた電子（ｅ^-）とが反応して水（Ｈ₂Ｏ）が生
成され、電気エネルギーが得られることになる。

【０００４】上記したように、水素イオンが固体高分子
膜を通過し酸化剤極に向かうのは、固体高分子膜が水和
状態の水素イオン（Ｈ⁺(XＨ₂Ｏ)）を選択的に透過（拡
散）させる性質を有しているからであり、このため、固
体高分子膜を保湿させるべく、従来から燃料ガスを加湿
して供給することにより固体高分子膜を保湿する方式
や、あるいは、燃料極側の流路に燃料ガスと水とを別々
に供給して共に流通させることによって、燃料極に対す
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方式が採用されて
いる。

【０００５】また、従来、上記リブ付プレートにカーボ
ン多孔体が用いられており、多孔体ゆえ、その表面に水
が吸水保持され、さらに、固体高分子膜全体の保湿性の
向上が図られている。しかしながら、一般に、上記カー
ボン多孔体でリブ付プレートを作製する場合は、先ず、
炭素繊維チップを抄紙し、フェノール樹脂で固めてシー
トを作り、これを積層し、当該積層体を焼成してカーボ
ン多孔体の板材を得、次に、この板材を切削加工するこ
とによりリブ付プレートに仕上げる製法が採られるた
め、量産性が悪く、コスト高になるといった問題があ
る。

【０００６】そこで、リブ付プレートを、黒鉛やカーボ
ンブラックと樹脂との混合剤から金型を用いて成形して
リブ付プレート材を製作し、その表面に膨張黒鉛等の吸
水性を有する材料で保水層を形成して作成することが検
討されている。保水層を形成するのは、上記したような
成形品は、その組織が緻密になるため、一般に、その表
面での撥水性が高くなってしまい、保水性がなくなるか
らである。また、燃料ガス又は酸化剤の流路の幅又は奥
行きを狭くした場合、その表面が撥水性を呈すると、そ
こを流れる水により流路の一部が塞がれて燃料ガス又は
酸化剤の流れが阻害されるおそれがあるため、これを防
止するといった目的もある。

【０００７】これにより、成形されたリブ付プレート材
の表面に保水層を形成させるだけでリブ付プレートが作
成されるため、切削工程を経て製作されるのと比較して
その量産性が向上されることとなる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記のよう
にしてリブ付プレートを作成する場合、固体高分子膜の
保湿といった観点からは、その全面に保水層が形成され
ることが好ましいと考えられる。ところが、全面に形成
した場合、保水層が軟質であるため長期間の使用によ
り、クリープ変形によりセルを挟持する押圧が低下し接
触抵抗が増大するために、電池性能が低下してしまう。

【０００９】本発明は、上記課題に鑑み、リブ付プレー
トの生産性を改善し、かつ、長期間の使用によってもそ
の性能が低下しにくい固体高分子型燃料電池を提供する
ことを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明に係る固体高分子型燃料電池は、電解質膜の
両面に電極を配したセルが、一対のリブ付プレートのリ
ブによって所定の面圧で押圧挟持され、少なくとも一方
のリブ付プレートのリブとセルの電極とで囲まれる流路
にセルの電解質膜を加湿する加湿剤が流通される固体高
分子型燃料電池であって、前記加湿剤が流通される流路
を形成するリブ付プレートのリブが、セルの電極を前記
所定の面圧で押圧する押圧挟持表面部と、押圧作用しな
い若しくは前記所定の面圧まで至らない押圧力が作用す
る非押圧挟持表面部とを有し、前記押圧挟持表面部を除
く表面に前記加湿剤を吸収して保持する保水層が形成さ
れていることを特徴とする。

【００１１】また、前記保水層は、少なくともリブ付プ
レートのリブ側面に形成され、当該リブ付プレートのリ
ブ頂部が部分的に凹んだ段部を有し、前記保水層は当該
段部まで連設されていることを特徴とする。さらに、前
記一対のリブ付プレートは、互いのリブ長手方向が交差
するよう配置されており、前記段部は、両リブ付プレー
トのリブ頂部の交差部以外の箇所に設けられていること
を特徴とする。

【００１２】さらに、また、前記保水層は、膨張黒鉛を
含む材料からなることを特徴とする。また、前記保水層
は、膨張黒鉛とフェノール樹脂との混合材料からなり、
当該混合材料に占めるフェノール樹脂の重量比率は１％
以上１０％以下であることを特徴とする。

【００１３】また、保水層が形成されるリブ付プレート
は、樹脂成形品、特に樹脂混合カーボン材料からなる樹
脂成形品であることを特徴とする。また、加湿剤として
は、酸化剤極で生成される反応生成水を用いることもで
きる。

【００１４】

【発明の実施の形態】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の組立図である。
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に酸化剤極２２及び燃料極２３を配してなるセル２
０と、複数のリブ３１１…が平行に形成された酸化剤極
側リブ付プレート３１０を有する流路基板３０とが填め
込まれ、枠体１０の他面側（図１では下面側）に、複数
のリブ４０１…が平行に形成された燃料極側リブ付プレ
ート４０が填め込まれて構成されている。填め込まれた
状態で、リブ３１１…とリブ４０１…とは、その長手方
向が直交して交差する形となる。なお、本実施の形態の
説明に用いる各図においては、説明の便宜上、リブ３１
１とリブ４０１は各々８本ずつ描かれているが、通常は
もっと多数のリブが形成されている。また、図１におい
て、燃料極２３は固体高分子膜２１の背面側にあるので
破線で表示している。

【００１５】セル２０は、流路基板３０と燃料極側リブ
付プレート４０とで押圧挟持された状態で保持されてお
り、隣接するリブ３１１…と酸化剤極２２とで囲まれた
空間で酸化剤極側チャネル３１２が形成され、隣接する
リブ４０１と燃料極２３とで囲まれた空間で燃料極側チ
ャネル４００が形成される。酸化剤極側チャネル３１２
…には図１の太矢印で示す方向に空気が流れ、燃料極側
チャネル４００…には、図１の白抜き矢印で示す方向に
燃料ガスが流れ、セル２０で発電がなされるようになっ
ている。

【００１６】燃料ガスとしては、水素ガスあるいは天然
ガス，プロパン，ブタン，メタノールなどを改質してな
る水素を主成分とする改質ガスを用いることができる。
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及び流路基板３０を填め込むための切欠部１０１
が形成され、他面側（図１で下面側）には、燃料極側リ
ブ付プレート４０を填め込む凹部１０３が形成され、更
に切欠部１０１の中央部には、燃料極側リブ付プレート
４０と燃料極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形する
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、固体高分子膜の加湿剤としての水（以
下、「加湿水」という。）を供給するための一対のマニ
ホールド孔１１１と長孔１２１並びに燃料ガスを供給す
るための一対のマニホールド孔１１２と長孔１２２が開
設されている。長孔１２１には、当該長孔１２１よりも
幅広の水分配基板１１が、長孔１２２には、当該長孔１
２２よりも幅広のガス分配基板１２が、それぞれパッキ
ン（不図示）を介して被装されており、両基板１１，１
２には、その長手方向に渡り複数の細孔１１ａ…，１１
ｂ…が、前記燃料極側チャネル４００…に対応する位置
に開設されている。したがって、マニホールド孔１１１
を介して導入された加湿水は、細孔１１ａ…によって各
燃料極側チャネル４００…に分配され、マニホールド孔
１１２を介して導入された燃料ガスは、細孔１１ｂ…に
よって各燃料極側チャネル４００…に分配されることと
なる。

【００１８】一方、枠体１０の燃料ガス流通方向に対す
る下流部には、未反応の燃料ガスを排出するための一対
のマニホールド孔１１３と長孔１２３並びに加湿水を排
出するための一対のマニホールド孔１１４と長孔１２４
が開設されている。長孔１２３には、燃料極側チャネル
４００…からガスを選択的に排出する機能をもつ公知の
素材、例えば、撥水性カーボンペーパからなるガス透過
基板１３が被装されており、長孔１２４には、燃料極側
チャネル４００…からの排水をすみやかに吸水し各チャ
ネルとも均一に保水すると共に円滑に排水するために、
公知の素材、例えば、ポリエステルのフェルトからなる
吸水基材１４が被装されている。したがって、燃料極側
チャネル４００…を流通してきた未反応の燃料ガスは、
長孔１２３を介してガス透過基板１３に至り、マニホー
ルド孔１１３へと送出され、燃料極側チャネル４００…
を流通してきた加湿水は、長孔１２４を介して吸水基材
１４に至り、マニホールド孔１１４へと送出される。

【００１９】流路基板３０は、枠体３００にリブ付プレ
ート３１０が填め込まれて構成されており、当該枠体３
００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、酸化剤極２２側とは
反対側の面（図１で上面側）に、空気をチャネル３１２
に導入するためのチャネル３０１及び空気をチャネル３
１２から導出するためのチャネル３０２が形成されてい
る。

【００２０】なお、セル２０と流路基板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。燃料極側リブ付
プレート４０は、枠体１０より若干小サイズの長方形状
をしており、複数のリブ４０１が平行に形成されてい
る。この燃料極側リブ付プレート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４０１の高い部分４０１ａが、上記の窓１０２
に填まり込んで燃料極２３と電気的に接触するようにな
っている。

【００２１】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。酸化剤極２２，燃料
極２３は、白金（Ｐｔ）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。リブ付プレート４
０，３１０は、熱硬化性樹脂とカーボンとの混合材料を
圧縮成形法によって加工して製造する。本実施の形態で
は、熱硬化性樹脂として、他の樹脂材料より比較的安価
で且つ耐酸性に優れたフェノール樹脂を用いる。また、
カーボンは、リブ付プレートに導電性を持たせるために
用いるのであるが、その種類は、当該リブ付プレートに
強度を持たせるため、比較的圧縮強度の高い黒鉛やカー
ボンブラックを用いる。黒鉛とカーボンブラックは、単
独で用いてもよいし、この二種類を混合して用いてもよ
い。

【００２２】リブ付プレートにおけるカーボンと樹脂の
混合比率（重量比率）は、樹脂が少なすぎると成形の際
に欠けや巣が発生しやすく、一方、樹脂が多すぎると、
電気伝導性が低下し、電池性能が低下してまうことを考
慮し、本実施の形態では、カーボン：８０wt％／フェノ
ール樹脂：２０wt％とした。また、加湿水が流通される
チャネル４００を形成するリブ付プレート４０のリブ４
０１のリブ側面には、図２（ａ）に示すように、加湿水
を吸収し保持する保水層４０２ａが形成されている。な
お、本図は、組立状態のセルユニット１００において、
リブ付プレート４０をリブ４０１の長手方向と直交する
方向に、リブ付プレート３１０のリブ３１１の中央位置
で切断した断面図である。

【００２３】上記したように、リブ付プレート４０，３
１０は、圧縮成形法により製造されるため量産性が高
く、燃料電池全体のコストダウンに寄与する。しかしな
がら、圧縮成形法では、型に材料を入れて、加熱・圧縮
・賦形によって成形するため、その表面が緻密に仕上が
ってしまう。また、樹脂と混合する黒鉛やカーボンブラ
ックも緻密なため、このままでは、その表面は撥水性を
呈するようになるが、リブ付プレート４０については、
保水層４０２ａが形成されているため、保水性及びガス
透過性が確保されることとなる。

【００２４】なお、上記では、リブ付プレート４０，３
１０を熱硬化性樹脂を用い圧縮成形法で製作したが、こ
れに限らず、熱可塑性樹脂を用い、さらに量産性の高い
射出成形法によって製作してもよい。保水層４０２ａ
は、フェノール樹脂と膨張黒鉛とからなり、以下のよう
にして、リブ付プレート４０の表面に形成される。

【００２５】先ず、圧縮成形により得られたリブ付プレ
ート４０の保水層形成予定の表面をサンドブラストによ
って適当な粗さに粗面化する。次に、フェノール樹脂と
膨張黒鉛とからなる厚み２００μmのシート材（以下、
「膨張黒鉛シート」と言う。）を、形成する保水層の形
状（面積）に合わせ、適当な形状に切断する。

【００２６】切断され適当な大きさになった膨張黒鉛シ
ートをリブ付プレート４０の保水層形成予定面上に配置
し、当該膨張黒鉛シートを、熱を加えながらプレスする
ことにより固着させて保水層を形成する。図３は、上記
膨張黒鉛シートにおけるフェノール樹脂の最適な重量割
合（wt％）を求めるために行なった実験結果を示すグラ
フである。

【００２７】図３（ａ）は、面積３０cm²の膨張黒鉛シ
ートを８０℃、１５０ccの水に５００時間浸漬させた後
の当該水の導電率を、フェノール樹脂の含有率を変化さ
せて測定した結果である。当該グラフにおいて、導電率
が高い程、上記浸漬の間に膨張黒鉛シートから水に溶け
出している導電性不純物が多いことを示している。この
ような不純物が水に多く含まれると固体高分子膜のイオ
ン交換容量が低下してしまうので好ましくない。

【００２８】図３（ｂ）は、上記の実験に用いた５００
時間浸漬後の膨張黒鉛シートと燃料極とを５kgf/cm²の
圧力で押圧した状態で、両者間の接触抵抗を測定した結
果を示している。もちろん、電池性能上から当該接触抵
抗は小さい程好ましい。図３（ａ），（ｂ）に示す結果
から、膨張黒鉛シートにおけるフェノール樹脂の重量割
合は、１wt％以上１０wt％以下が好ましく、図３（ａ）
から更に好ましくは、５wt％である。本実施の形態で
は、膨張黒鉛シートに、膨張黒鉛とフェノール樹脂との
混合比率が、膨張黒鉛：９５wt％／フェノール樹脂：５
wt％のものを採用した。膨張黒鉛は、黒鉛と同様に炭素
原子の六角網状構造の積層結晶体であるが、その層間隔
が非常に広く、採用している膨張黒鉛シートは、上記し
たようにその大半が膨張黒鉛で占められているため、吸
水性を有し、保水層を形成する素材として適するのであ
る。

【００２９】燃料電池１は、図４に示すように、上記の
ように構成されたセルユニット１００が複数枚積層され
（本例では６０枚）、当該積層体の両端が一対の締付板
７１，７２で押圧挟持されて構成されている。当該締付
板７１，７２による締付けは、燃料極側リブ付プレート
４０のリブ４０１ａと酸化剤極側リブ付プレート３１０
のリブ３１１の交差部におけるセル２０との間の接触部
の面圧が所定の値になるように行われる。当該面圧は、
前記接触部における接触抵抗を少なくするためには、高
い程よいが、あまり高すぎると前記接触部のセル２０部
分において燃料ガスの流通性が阻害され、ひいては、セ
ル２０が破損してしまう。そこで、当該面圧の値は、セ
ル２０が破損しない範囲で、できるだけ高い値に設定さ
れる。当該面圧の値は、燃料電池の大きさ（発電能力）
等によって、機種毎に異なるものであるが、例えば、本
実施の形態に示すような、発電能力１５００Ｗ、反応面
積１００ｃｍ²のもので、２０ｋｇｆ／ｃｍ²である。

【００３０】上記のように積層された状態で、各セルユ
ニット１００のマニホールド孔１１１，１１２，１１
３，１１４は、前記積層体全体に渡って連通され、内部
マニホールドを形成している。そして、運転時には、空
気の流通路（酸化剤極側チャネル３１２）が水平方向を
向くように設置し、図示しないファンによって、チャネ
ル３０１…に空気を送り込む。送りこまれた空気は、酸
化剤極側チャネル３１２…を流通しながら酸化剤極に酸
素を供給し、チャネル３０２から電池の外へ排出され
る。

【００３１】一方、マニホールド孔１１１からなる内部
マニホールドには、ポンプ３から加湿水が所定の水圧で
供給され、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からレギュレータ５を介し
て、所定の圧力に調整された水素ガスが供給される。供
給された加湿水及び水素ガスは、各セルユニット１００
に分配され、図５に示すように、水分配基板１１又はガ
ス分配基板１２を介して、燃料極側チャネル４００…に
供給される。なお、図５（ａ）は、組立状態のセルユニ
ット１００を、燃料極側リブ付プレート４０のリブ４０
１の４０１ａ部分の断面が現れるように、当該リブ４０
１の長手方向に切断した模式的な断面図であり、図５
（ｂ）は、同図（ａ）において、Ａ−Ａ線で切断した模
式的な断面図である。

【００３２】供給された加湿水の一部は、固体高分子膜
２１の加湿に供され、残りは、前述したように、長孔１
２４、吸水基材１４を通過し、マニホールド孔１１４か
らなる内部マニホールド介して電池の外へ排出される。
また、水素ガスは、燃料極側チャネル４００…を流通し
ながら、発電に供され、供されずに残った未反応の水素
ガスは、前述したように、長孔１２３、ガス透過基板１
３を通過し、マニホールド孔１１３からなる内部マニホ
ールドを介して電池の外へ排出される。なお、マニホー
ルド孔１１３からなる内部マニホールドからは、水素ガ
スに混ざって若干の水蒸気が排出される。

【００３３】図４に戻り、燃料電池１から排出される加
湿水と排気中に含まれた水蒸気が凝縮した水は、分離タ
ンク４で回収され、回収された水は、冷却器７で冷却さ
れて再びポンプ３から燃料電池１に供給される。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、燃
料電池１における水素利用率が所定の値となるように調
整される。なお、水素ガスは液体の水と分離された状態
で排出されるため、排出された水素ガスを、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。

【００３４】図５（ｂ）におけるＢ部の拡大図でもある
図２（ａ）に戻り、例えば、本図に示すような保水層が
設けられていないとすれば、リブ付プレート４０及び燃
料極２３の表面は撥水性を呈するため、チャネル４００
に供給された加湿水は一気に流れ出てしまい、固体高分
子膜の保湿にあまり供されない。これに対し、本実施の
形態のリブ付プレート４０には、図２（ａ）に示すよう
に保水層４０２ａが設けられているため、加湿水は当該
保水層４０２ａに吸収されそこで停留することとなるの
で、固体高分子膜の保湿性が向上される。

【００３５】また、保水層を設けていない場合、加湿水
はその表面張力により玉状になりやすく、チャネルの幅
又は奥行き（深さ）を狭くすると、そのために、水詰ま
りが発生しチャネルを塞いでしまい、燃料ガスの流れを
阻害してしまう場合が生じる。即ち、チャネルを狭くす
ると、その表面が撥水性を有することが却って、水の排
水性を悪くしてしまうのであるが、本実施の形態のよう
に保水層を設けることで、加湿水とチャネル表面の濡れ
性がよくなりそういった事態を回避することができるの
である。

【００３６】ところで、上記したように保水層を設ける
ことで固体高分子膜の保湿性がよくなることから、当該
保湿性の観点からは、リブ付プレート４０の燃料極２３
に面する側の全面に保水層を設けることが一見好ましい
ように考えられる。ところが、全面に設けた場合、長期
間の使用により、電池性能が低下してしまう。リブ付プ
レート４０の全面、即ち、燃料極２３と接触し、当該燃
料極２３を押圧する面にも保水層を設けると、保水層に
使用されるような素材は一般に、本例の膨張黒鉛のよう
に軟質なため、上記締付板７１，７２による締付け力に
よって徐々にクリープ変形が生じ、リブ付プレート４０
と燃料極２３の接触面における面圧が低下し、その結
果、接触抵抗が増大してしまうからである。

【００３７】そこで、本実施の形態では、リブ付プレー
ト４０の燃料極２３に対向する側の表面であって、当該
燃料極２３と接触し燃料極２３を押圧する押圧面を除く
表面に保水層を設けることとしたのである。図２（ａ）
に示す例（以下、「実施例１」とする。）では、リブ４
０１ａの側面に保水層４０２ａを設けたが、これに限ら
ず、図２（ｂ）に示す例（以下、「実施例２」とす
る。）のように、さらに、流路底面４００ａにも設ける
ようにしてもよい（４０２ｂ）。なお、図２（ｂ）は、
組立状態のセルユニット１００を、図２（ａ）の場合と
同じ位置で切断した断面図である。

【００３８】さらに、実施例１においてリブ４０１ａの
頂部に部分的に凹んだ段部を設け、図６に示すように、
当該段部にも保水層４０２ｃを設けるようにしてもよい
（以下、図６に示す例を「実施例３」とする。）。な
お、図６は、図１に示すリブ付プレート４０の上流部４
０ｂ及び下流部４０ｃを省略し、中央部４０ａのみを描
いた図である。

【００３９】このように実施例３では、リブ側面に設け
られた保水層４０２ａをリブ頂部に設けられた段部まで
連設させることにより、リブ側面の保水層４０２ａで吸
収された加湿水がリブ頂部まで行き渡ることとなり、一
層固体高分子膜の加湿性が向上することになる。ここ
で、「リブ側面の保水層が段部まで連設されている」と
は、リブ側面の保水層と段部の保水層とが一体的につな
がっている状態のみならず、両保水層が別体に設けられ
ていても両保水層が密接して連なっている状態をも含む
趣旨である。

【００４０】なお、図６に示す例では、段部は全て、リ
ブの一方の側面から他方の側面まで連通するように形成
されているが、必ずしも連通させる必要はない。また、
連通させる場合、図６に示す例では、一定の幅（リブ長
手方向に沿った長さ）で段部を形成しているが、必ずし
も一定の幅である必要はない。この場合、段部の最小幅
Ｔａは（幅が一定の場合も含め）、リブ付プレート３１
０（図１）のリブ頂部の幅よりも狭いことが好ましい。
こうすることにより、セルユニット１００が組立てられ
た状態で、リブ付プレート３１０のリブ３１１と段部と
がどのような位置関係にあっても、リブ３１１からの押
圧力は段部以外のリブ頂部で支えられることとなり（も
ちろん、セル２０を介してであるが）、当該段部に設け
られた保水層を当該押圧力から保護することができる。

【００４１】また、セルユニット１００が組立てられた
状態で、両リブ付プレート４０，３１０のリブ頂部の交
差部以外の箇所に段部を設けるようにしてもよい。この
場合には、段部の最小幅の広狭にかかわらず、リブ３１
１からの押圧力は必ず段部が形成されていないリブ頂部
（交差部）で支えられることとなり、当該段部に設けら
れた保水層４０２ｃを当該押圧力から保護することがで
きる。図６に示す実施例３は、この例を示している。

【００４２】図７は、セルユニット１００が組立てられ
た状態で、当該セルユニット１００を図６に示すＣ−Ｃ
線を含みリブ付プレート４０の底面に垂直な平面で切断
した断面図である。本図に示すように、リブ４０１ａの
頂部に形成された段部に設けられた保水層４０２ｃは、
相手方のリブ付プレート３１０のチャネル３１２に面す
ることとなるので、リブ３１１の押圧力を直接受けるこ
とはない。また、リブ３１１からの押圧力は、段部が形
成されていない、即ち保水層が設けられていないリブ頂
部で受けることとなるため、長期間使用しても当該押圧
力が減少することによる接触抵抗の増加を防止すること
ができる。

【００４３】なお、リブ付きプレート４０と燃料極２３
との通電面積を確保するため、保水層４０２ｃの厚み
は、段部の深さと同じかそれよりも若干大きいのが好ま
しい。すこし大きめにすることで、当該保水層４０２ｃ
と燃料極２３との接触部での密着度が高くなり、当該接
触部における接触抵抗が低く抑えられることになる。こ
の場合でも、燃料電池１の組立て時における相手方のリ
ブ付プレート３１０のリブ３１１からの押圧力は、専ら
リブ付プレート４０の保水層が設けられていないリブ頂
部で受け止めることとなるので、長期間使用しても当該
押圧力が減少することによる接触抵抗の増加を防止する
ことができる。

【００４４】図８は、実施例１〜３に係るリブ付プレー
トを用いて燃料電池１を構成したものと比較電池を用い
て、平均セル電圧の経時変化の測定を行う実験をした結
果を示すグラフである。比較電池とは、保水層を有しな
い燃料電池であり、保水層が無いことを除いて、その他
は燃料電池１と同じ構成である。なお、本実験では、燃
料ガスとして、水素と窒素との混合ガス（Ｈ₂／Ｎ₂＝36
／64）を用いた。また、作動条件は、以下の通りであ
る。

【００４５】電流密度：０．５Ａ／ｃｍ² 水素利用率：６０％酸化剤利用率：１５％反応面積：１００ｃｍ² 本図から、比較電池は燃料電池１（実施例１〜３）と比
べ、経過時間全体にわたって、セル電圧が低いことがわ
かる。これは、比較電池には、保水層が設けられていな
いため固体高分子膜の湿潤性が燃料電池１よりも悪いた
めと考えられる。

【００４６】また、比較電池では、三ヶ所でセル電圧が
急激に低下していることがわかる。これは、比較電池の
加湿水の流路（チャネル）表面が撥水性を呈するため、
流通する水がいわゆる玉状になりやすい。そのため、水
詰まりが発生しやすく、水詰まりが発生した箇所ではガ
ス拡散性が低下し、当該水詰まりが解消するまで、一時
的にセル電圧が低下するためと考えられる。一方、燃料
電池１の加湿水の流路表面には保水層が設けられている
ので、上記したように水が玉状になることがなく、水詰
まりが発生しにくいためであると考えられる。

【００４７】さらに、図８から、実施例１〜３の内で
は、実施例３が実施例１，２と比較して、若干セル電圧
が高いことがわかる。これは、リブ頂部の段部に設けた
保水層の分、固体高分子膜の加湿性が良くなっているた
めであると考えられる。以上、本発明の固体高分子型燃
料電池を実施の形態に基づいて説明してきたが、本発明
は、上記実施の形態に限られないことはもちろんであ
り、例えば、下記のようにしてもよい。（１）上記実施の形態では、燃料極側のチャネルに燃料
ガスと加湿剤としての水を送り込む内部加湿方式の例を
示したが、本発明は、燃料ガスを加湿器で加湿してから
送り込む外部加湿方式においても適用される。（２）上記実施の形態では、燃料極側のチャネルだけに
加湿剤を送り込むようにしたが、酸化剤極側のチャネル
に加湿剤を送り込むようにしてもよく、さらには両方の
チャネルに加湿剤を送り込むようにしてもよい。

【００４８】また、加湿剤を送り込まない側のリブ付き
プレートにも保水層を形成するようにしてもよい。即
ち、上記実施の形態を例に言うと、酸化剤極側リブ付プ
レートに保水層を形成するようにしてもよい。このよう
にすることで、酸化剤極側で生成された生成水もこの保
水層で保持されることとなり、より一層、固体高分子膜
の湿潤度が増加し、さらに電池性能の向上が図られる。
なお、加湿剤を送り込まない側のリブ付きプレートにお
いて形成される保水層の態様は上記実施の形態で説明し
た、加湿剤を送り込む側のリブ付プレートの保水層と同
様である。（３）上記実施の形態では、リブが片面に形成されたプ
レートを用いたが、本発明は、その両面にリブが形成さ
れたプレートを用いた燃料電池にも適用可能であること
は言うまでもない。即ち、燃料極側のリブ付プレートと
酸化剤極側のリブ付プレートとを一体的に形成したリブ
付プレートを用いた燃料電池であってもかまわない。（４）上記実施の形態では、リブ付プレートを、カーボ
ンと樹脂との混合物で形成したが、金属材料を用い、押
出し加工やダイカスト等によって作製するようにしても
よい。

【００４９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る固体
高分子型燃料電池は、加湿剤が流通されるリブ付プレー
トのリブに加湿剤を吸収して保持する保水層が形成され
ている関係上、当該リブ付プレートをその表面が撥水性
を呈するような樹脂成形品とすることができるので、当
該リブ付プレートの生産性が向上する。さらに、保水層
は、セルの電極を所定の面圧で押圧する押圧挟持表面部
を除く表面に形成されているので、一般的に軟質となる
保水層が前記押圧による圧縮変形をしにくくなるので、
前記所定の面圧が低下することがなくなる。その結果、
リブ付プレートとセルの電極との接触抵抗を安定させる
ことができるので、長期間の使用によっても当該固体高
分子型燃料電池の性能が低下しにくくなる。

【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を構成
するセルユニットの組立図である。

【図２】（ａ）は、上記セルユニットの一例の断面図で
ある。（ｂ）は、上記セルユニットの一例の断面図であ
る。

【図３】（ａ）は、保水層となる膨張黒鉛シートにおけ
るフェノール樹脂の最適な重量割合を求めるための実験
結果を示すグラフである。（ｂ）は、保水層となる膨張
黒鉛シートにおけるフェノール樹脂の最適な重量割合を
求めるための実験結果を示すグラフである。

【図４】上記固体高分子型燃料電池の全体的な構成及び
運転動作を示す斜視図である。

【図５】上記固体高分子型燃料電池の運転動作を示す模
式図である。

【図６】上記固体高分子型燃料電池の燃料極側リブ付プ
レートの中央部の斜視図である。

【図７】上記固体高分子型燃料電池のセルユニットの一
例の断面図である。

【図８】上記固体高分子型燃料電池と比較電池との運転
時間に対するセル電圧の変化特性を調べた実験結果を示
す図である。

【符号の説明】

１固体高分子型燃料電池２０セル２１固体高分子膜２２酸化剤極２３燃料極４０燃料極側リブ付プレート１００セルユニット１０１切欠部３１０酸化剤極側リブ付プレート３１１リブ３１２酸化剤極側チャネル４００燃料極側チャネル４０１ａリブ４０２ａ保水層４０２ｃ保水層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者唐金光雄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 EE06 EE18 HH05 5H027 AA06

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電解質膜の両面に電極を配したセルが、
一対のリブ付プレートのリブによって所定の面圧で押圧
挟持され、少なくとも一方のリブ付プレートのリブとセ
ルの電極とで囲まれる流路にセルの電解質膜を加湿する
加湿剤が流通される固体高分子型燃料電池であって、前記加湿剤が流通される流路を形成するリブ付プレート
のリブが、セルの電極を前記所定の面圧で押圧する押圧
挟持表面部と、押圧作用しない若しくは前記所定の面圧
まで至らない押圧力が作用する非押圧挟持表面部とを有
し、前記押圧挟持表面部を除く表面に前記加湿剤を吸収して
保持する保水層が形成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】前記保水層は、少なくともリブ付プレー
トのリブ側面に形成され、当該リブ付プレートのリブ頂部が部分的に凹んだ段部を
有し、前記保水層は当該段部まで連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３】前記一対のリブ付プレートは、互いのリ
ブ長手方向が交差するよう配置されており、前記段部は、両リブ付プレートのリブ頂部の交差部以外
の箇所に設けられてい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】前記保水層は、膨張黒鉛を含む材料から
なることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記
載の固体高分子型燃料電池。
【請求項５】前記保水層は、膨張黒鉛とフェノール樹
脂との混合材料からなり、当該混合材料に占めるフェノ
ール樹脂の重量比率は１％以上１０％以下であることを
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】保水層が形成されるリブ付プレートは、
樹脂成形品であることを特徴とする請求項１〜５のいず
れか１項に記載の固体高分子型燃料電池。