JP2009266441A - 固体高分子型燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】出力特性の安定化が可能な固体高分子型燃料電池を提供する。
【解決手段】複数の単位セルは、略直方体からなる燃料電池スタック３００の側面３００Ｃから側面３００Ｄへ向かう方向に積層されており、各単位セルにおいて、空気（または酸素）を流すセパレータは、直方体の側面３００Ｂから側面３００Ａへ向かう方向にジグザグ状に形成された複数の溝を有する。吸引ファン４００は、直方体の側面３００Ａ側に配置され、各単位セルのセパレータに形成された複数の溝を流れる空気（または酸素）を吸引する。
【選択図】図１１

Description

この発明は、固体高分子型燃料電池に関し、特に、スタック型の固体高分子型燃料電池に関するものである。

従来、水素ガスのパージ機能を有する燃料電池が知られている（特許文献１）。この燃料電池は、燃料電池スタックと、水素用制御バルブと、水素吸引ポンプと、制御ユニットとを備える。

水素用制御バルブは、燃料電池スタックの後段に配置される。水素吸引ポンプは、水素用バルブの後段に配置される。

そして、制御ユニットは、水素吸引ポンプの水素ガスの吸引力を通常稼動時よりも増大させる。また、制御ユニットは、水素用制御バルブの開度を通常稼動時よりも小さくし、その後、水素用制御バルブを開放させる。

したがって、水素吸引ポンプは、通常稼動時よりも開度を小さくした水素用制御バルブを介して水素用制御バルブの圧力損失を大きくした状態で燃料電池スタックから水素ガスを吸引するとともに、開放された水素用制御バルブを介して燃料電池スタックから水素ガスを吸引する。

その結果、通常稼動時よりも開度を小さくした水素用制御バルブを介して水素ガスを吸引するときに燃料電池スタック内に溜まった水素ガスが水素用制御バルブの開放時に一気に外部が噴出する。

したがって、燃料電池スタック内に溜まった水分のパージを行なうことができる。
特開２００１−３０７７５７号公報

しかし、特許文献１に記載の燃料電池においては、水素用制御バルブの開度を小さくすることと、水素用制御バルブを開放することとを繰り返し行なうため、水素ガスの固体高分子膜への供給が不安定になり、出力特性が不安定になるという問題がある。

そこで、この発明は、かかる問題を解決するためになされたものであり、その目的は、出力特性の安定化が可能な固体高分子型燃料電池を提供することである。

この発明によれば、固体高分子型燃料電池は、略直方体の形状を有するスタック型の固体高分子型燃料電池であって、複数の単位セルと、吸引器とを備える。複数の単位セルは、直方体の第１の面から第１の面に対向する第２の面へ向かう方向へ積層され、かつ、直列に接続される。吸引器は、複数の単位セルの各々に流れる酸化剤ガスを吸引する。複数の単位セルの各々は、固体高分子電解質膜と、第１および第２のセパレータとを含む。第１のセパレータは、固体高分子電解質膜の一方側に配置され、固体高分子電解質膜に酸化剤ガスを供給する。第２のセパレータは、固体高分子電解質膜の他方側に配置され、固体高分子電解質膜に還元剤ガスを供給する。第１のセパレータは、ガス流路部と、ガス通過部とを含む。ガス流路部は、固体高分子電解質膜に酸化剤ガスを供給する。ガス通過部は、ガス流路部と一体に成形され、固体高分子電解質膜に供給される還元剤ガスが通過する。そして、ガス流路部は、直線状に形成された溝の長さよりも長い長さを有する複数の溝を含む。隣接する第１および第２の単位セルは、第１の単位セルに含まれる第２のセパレータと第２の単位セルに含まれる第１のセパレータとによって直列に接続されている。

好ましくは、吸引器は、複数の溝の各々の一方端側に配置され、複数の溝の各々の他方端は、外部に開放されている。

好ましくは、第１のセパレータの複数の溝は、還元剤ガスが第２のセパレータを流れる方向と略直交する方向に形成されている。

好ましくは、第１のセパレータの複数の溝の各々は、酸化剤ガスが流れる方向に対してジグザグ状の形状を有する。

好ましくは、ガス流路部および前記ガス通過部は、金属板からなり、第１のセパレータの複数の溝は、ガス流路部を構成する金属板の表裏面に形成されている。

好ましくは、金属板は、ステンレス鋼からなる。

好ましくは、第２のセパレータは、直方体の第１の側面から第２の側面へ向かう方向へ還元剤ガスを流し、吸引器は、第１および第２の側面に略直交する第３および第４の側面のいずれか一方の側面側に配置されている。

好ましくは、第３および第４の側面は、第１および第２の側面よりも大きい面積を有する。

この発明によれば固体高分子型燃料電池は、直線状に形成された溝の長さよりも長い長さを有する複数の溝を流れる酸化剤ガスを吸引する吸引器を備えるので、固体高分子型燃料電池を冷却するとともに、電極に供給される酸化剤ガスの量を適切な量に設定する。

したがって、この発明によれば、固体高分子型燃料電池の出力特性を安定させることができる。

本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。

図１は、この発明の実施の形態による固体高分子型燃料電池に用いるセパレータの平面図である。図１を参照して、この発明の実施の形態による固体高分子型燃料電池に用いるセパレータ１０は、ステンレス鋼等の金属板からなり、ガス通過部１１，１２と、ガス流路部１３と、孔１４〜１７とを備える。ガス通過部１１，１２、ガス流路部１３、および孔１４〜１７は、金属板にプレス成形を施すことによって一体的に成形される。

ガス通過部１１は、孔１１１〜１１４からなる。孔１１１〜１１４は、セパレータ１０を貫通するようにセパレータ１０の一方端側に配置される。孔１１１〜１１４の各々は、ミリオーダーの直径を有する。また、ガス通過部１２は、孔１２１〜１２４からなる。孔１２１〜１２４は、セパレータ１０を貫通するようにセパレータ１０の他方端側に孔１１１〜１１４に対向して配置される。孔１２１〜１２４の各々は、孔１１１〜１１４の直径と同じ直径を有する。

ガス流路部１３は、複数の溝１３１〜１４３を有する。複数の溝１３１〜１４１の各々は、セパレータ１０の基準面１８からミリオーダーの深さおよびミリオーダーの幅を有し、ガスが流れる方向ＤＲ１においてジグザグ状に形成される。そして、複数の溝１３１〜１４１は、ミリオーダーの間隔で配置される。

溝１４２は、方向ＤＲ１において、セパレータ１０の一方端側に配置され、溝１４３は、方向ＤＲ１においてセパレータ１０の他方端側に配置される。溝１４２，１４３の各々は、複数の溝１３１〜１４１に略直交するように直線状に形成される。そして、溝１４２，１４３の各々は、セパレータ１０の基準面１８から２ｍｍよりも小さい深さ、ミリオーダーの幅および１０ｃｍ程度の長さを有する。

孔１４〜１７は、セパレータ１０を貫通するようにセパレータ１０の４隅に配置される。そして、孔１４〜１７の各々は、ミリオーダーの直径を有する。

孔１４，１１１〜１１４，１５は、セパレータ１０の一方端側において、ミリオーダーの間隔で直線状に配置される。また、孔１６，１２１〜１２４，１７は、セパレータ１０の他方端側において、孔１４，１１１〜１１４，１５の間隔と同じ間隔で直線状に配置される。

ガス通過部１１の孔１１１〜１１４およびガス通過部１２の孔１２１〜１２４は、水素ガスを紙面に垂直な方向に通過させる。溝１３１〜１４１は、空気（または酸素）を方向ＤＲ１へ流す。溝１４２，１４３は、セパレータ１０と後述する固体高分子電解質膜との密着性を向上させるための板を配置するための溝である。孔１４〜１７は、固体高分子型燃料電池を組上げるときのボルトが通る孔である。

図２は、図１に示すセパレータ１０の裏面の平面図である。図２を参照して、凸部１３１Ａ〜１４１Ａは、それぞれ、図１に示す溝１３１〜１４１に対応する。したがって、凸１３１Ａ〜１４１Ａは、基準面１９から１ｍｍよりも小さい高さと、ミリオーダーの幅を有する。そして、凸部１３１Ａ〜１４１Ａは、ミリオーダーの間隔で配置される。

図３は、図１に示す溝１４２部分の拡大図である。図３を参照して、溝１４２は、複数の溝１３１〜１４１に略直交する方向に直線状に形成されている。平板３０は、１ｍｍよりも小さい厚み、ミリオーダーの幅および１０ｃｍよりも長い長さを有する（図３の（ａ）参照）。

そして、平板３０は、溝１４２に挿入される。平板３０は、上述したように、溝１４２と同じ寸法を有するため、平板３０の上面３０Ａは、セパレータ１０の基準面１８に一致する（図３の（ｂ）参照）。

なお、平板３０が溝１４２に挿入されても、平板３０の厚みは、溝１３１〜１４１の深さよりも薄いため、空気（または酸素）は、溝１３１〜１４１を流れることができる。

また、溝１４３にも、平板３０と同じ平板が挿入される。

図４は、図１に示すセパレータ１０の斜視図である。図４を参照して、セパレータ１０は、上述した溝１３１〜１４１を前面１０Ａに有し、溝１５１〜１６０を裏面１０Ｂに有する。

溝１５１〜１６０は、それぞれ、溝１３１，１３２間、溝１３２，１３３間、溝１３３，１３４間、溝１３４，１３５間、溝１３５，１３６間、溝１３６，１３７間、溝１３７，１３８間、溝１３８，１３９間、溝１３９，１４０間、および溝１４０，１４１間に形成される。

そして、溝１５１〜１６０は、溝１３１〜１４１と同じ寸法を有し、溝１３１〜１４１と同じように方向ＤＲ１においてジグザグ状に形成される。

その結果、空気（または酸素）は、セパレータ１０の溝１３１〜１４１，１５１〜１６０を方向ＤＲ１へ流れる。すなわち、空気（または酸素）は、セパレータ１０の表裏面を流れる。

図５は、この発明の実施の形態による固体高分子型燃料電池に用いる他のセパレータの平面図である。図５を参照して、セパレータ２０は、ステンレス鋼等の金属板からなり、ガス供給部２１と、ガス排出部２２と、凸部２３，２４と、ガス流路部２５と、凹部２６〜２９と、孔３１〜３４とを備える。

セパレータ２０は、セパレータ２０の基準面３５から１ｍｍよりも小さい深さだけ窪んだ凹部２０１を有する。そして、ガス供給部２１、ガス排出部２２、凸部２３，２４およびガス流路部２５は、凹部２０１に形成される。

ガス供給部２１は、孔２１１〜２１４と、凸部２１５〜２１７とを含む。孔２１１〜２１４および凸部２１５〜２１７は、セパレータ２０の長さ方向における一方端側に配置される。そして、孔２１１〜２１４は、セパレータ２０を貫通し、セパレータ２０の幅方向に直線状に配列される。

また、孔２１１〜２１４の各々は、上述したセパレータ１０の孔１１１〜１１４，１２１〜１２４と同じ直径を有する。そして、孔２１１〜２１４は、孔１１１〜１１４，１２１〜１２４と同じ間隔で配置される。

凸部２１５〜２１７は、凹部２０１から１ｍｍよりも小さい高さだけ突出している。したがって、凸部２１５〜２１７の上面は、セパレータ２０の基準面３５に一致する。そして、凸部２１５〜２１７は、孔２１１〜２１４の直径に略等しい長さを有し、それぞれ、孔２１１，２１２間、孔２１２，２１３間、および孔２１３，２１４間に配置される。

ガス排出部２２は、孔２２１〜２２４と、凸部２２５〜２２７とを含む。孔２２１〜２２４および凸部２２５〜２２７は、セパレータ２０の長さ方向における他方端側に配置される。そして、孔２２１〜２２４は、セパレータ２０を貫通し、セパレータ２０の幅方向に直線状に配列される。

また、孔２２１〜２２４の各々は、上述したセパレータ１０の孔１１１〜１１４，１２１〜１２４と同じ直径を有する。そして、孔２２１〜２２４は、孔１１１〜１１４，１２１〜１２４と同じ間隔で配置される。

凸部２２５〜２２７は、凹部２０１から１ｍｍよりも小さい高さだけ突出している。したがって、凸部２２５〜２２７の上面も、セパレータ２０の基準面３５に一致する。そして、凸部２２５〜２２７は、孔２２１〜２２４の直径に略等しい長さを有し、それぞれ、孔２２１，２２２間、孔２２２，２２３間、および孔２２３，２２４間に配置される。

凸部２３は、セパレータ２０の幅方向にミリオーダーの間隔で直線状に配列された複数の凸部からなる。そして、凸部２３は、ガス供給部２１とガス流路部２５との間に配置され、凹部２０１から１ｍｍよりも小さい高さだけ突出している。

凸部２４は、セパレータ２０の幅方向に４ｍｍの間隔で直線状に配列された複数の凸部からなる。そして、凸部２４は、ガス排出部２２とガス流路部２５との間に配置され、凹部２０１から１ｍｍよりも小さい高さだけ突出している。

ガス流路部２５は、複数の溝２５１を有する。複数の溝２５１は、セパレータ２０の基準面３５に対して１ｍｍよりも小さい深さを有し、ミリオーダーの幅を有する。そして、複数の溝２５１は、凸部２３と凸部２４との間に直線状に形成される。隣接する２つの溝２５１，２５１間の凸部２５２は、凹部２０１から１ｍｍよりも小さい高さだけ突出しており、セパレータ２０の基準面３５に一致する。

凹部２６は、セパレータ２０の幅方向において、凸部２３の一方端側に配置され、凹部２０１に接する。凹部２７は、セパレータ２０の幅方向において、凸部２３の他方端側に配置され、凹部２０１に接する。

凹部２８は、セパレータ２０の幅方向において、凸部２４の一方端側に配置され、凹部２０１に接する。凹部２９は、セパレータ２０の幅方向において、凸部２４の他方端側に配置され、凹部２０１に接する。

そして、凹部２６〜２９の各々は、セパレータ２０の基準面３５から１ｍｍよりも小さい深さだけ窪んでおり、ミリオーダーの幅を有する。

孔３１〜３４は、セパレータ２０の四隅にセパレータ２０を貫通するように形成される。そして、孔３１〜３４の各々は、ミリオーダーの直径を有する。

ガス供給部２１は、孔２１１〜２１４から水素ガスを受け、その受けた水素ガスをガス流路部２５に供給する。ガス流路部２５は、ガス供給部２１から水素ガスを受け、その受けた水素ガスをガス供給部２１からガス排出部２２の方向へ流す。ガス排出部２２は、ガス流路部２５から水素ガスを受け、その受けた水素ガスを孔２２１〜２２４から排出する。

孔３１〜３４は、固体高分子型燃料電池を組上げるときのボルトが通る孔である。

セパレータ２０が固体高分子型燃料電池に用いられる場合、孔３１，３２，３３，３４は、それぞれ、セパレータ１０の孔１６，１７，１４，１５に対向する。また、セパレータ２０が固体高分子型燃料電池に用いられる場合、孔２１１〜２１４は、それぞれ、セパレータ１０の孔１２１〜１２４に対向し、孔２２１〜２２４は、それぞれ、セパレータ１０の孔１１１〜１１４に対向する。

図６は、図５に示すセパレータ２０の裏面の平面図である。図６を参照して、セパレータ２０は、裏面において、凸部２０１Ｒと、複数の凹部２５２Ｒとを有する。凸部２０１Ｒは、図５に示す凹部２０１に対応するものであり、基準面３６から１ｍｍよりも小さい高さだけ突出している。

複数の凹部２５２Ｒは、図５に示す複数の凸部２５２に対応するものであり、複数の凹部２５２Ｒの面は、基準面３６に一致する。複数の凹部２５２Ｒが形成される結果、複数の凸部２５１Ｒが形成される。そして、複数の凸部２５１Ｒは、図５に示す複数の溝２５１に対応する。

図７は、図５に示す凸部２３および凹部２６，２７の拡大図である。図７を参照して、凹部２６の一方端２６Ａと、凹部２７の一方端２７Ａとの距離は、数ｃｍである。平板４０は、１ｍｍよりも小さい厚み、ミリオーダーの幅、および数ｃｍの長さを有する。そして、平板４０は、両端が凹部２６，２７に嵌合するように凸部２３上に配置される（図７の（ａ）参照）。

そうすると、凹部２０１は、セパレータ１０の基準面３５から１ｍｍよりも小さい深さだけ窪んでおり、凸部２３は、凹部２０１から１ｍｍよりも小さい高さを有し、平板４０は、１ｍｍよりも小さい厚みを有するので、平板４０の上面４０Ａは、セパレータ１０の基準面３５に一致する。

なお、凹部２８，２９にも、平板４０と同じ平板が挿入される。

図８は、図１から図７に示すセパレータ１０，２０を備えた固体高分子型燃料電池の断面図である。図８を参照して、固体高分子型燃料電池１００は、固体高分子電解質膜１１０と、ガス拡散電極１２０，１３０と、セパレータ１４０，１５０と、ガスケット１６０，１７０とを備える。

ガス拡散電極１２０は、その一主面に触媒１８０を担持し、触媒１８０が固体高分子電解質膜１１０の一方面に接するように固体高分子電解質膜１１０の一方側に配置される。また、ガス拡散電極１３０は、その一主面に触媒１９０を担持し、触媒１９０が固体高分子電解質膜１１０の他方面に接するように固体高分子電解質膜１１０の他方側に配置される。

セパレータ１４０は、図５および図６に示すセパレータ２０からなり、ガス拡散電極１２０の一主面（触媒１８０が担持された一主面と反対側の一主面）に接するように配置される。この場合、図５に示すセパレータ２０の面がガス拡散電極１２０側に向けられる。セパレータ１５０は、図１および図２に示すセパレータ１０からなり、ガス拡散電極１３０の一主面（触媒１９０が担持された一主面と反対側の一主面）に接するように配置される。この場合、図１に示すセパレータ１０の面がガス拡散電極１３０側に向けられる。

ガスケット１６０は、固体高分子電解質膜１１０の外周部とセパレータ１４０の外周部との間に設けられ、気密性を保持してセパレータ１４０の外周部を固体高分子電解質膜１１０の外周部に連結する。ガスケット１７０は、固体高分子電解質膜１１０の外周部とセパレータ１５０の外周部との間に設けられ、気密性を保持してセパレータ１５０の外周部を固体高分子電解質膜１１０の外周部に連結する。

固体高分子電解質膜１１０は、たとえば、フッ素系のイオン交換膜からなる。ガス拡散電極１２０，１３０の各々は、ガス透過性および導電性を有する多孔体からなる。触媒１８０，１９０の各々は、白金（Ｐｔ）または白金合金（Ｐｔ−Ｒｕ）からなる。ガスケット１６０，１７０の各々は、フッ素樹脂、バイトンゴム、シリコンゴムおよびエチレンプロピレンゴム等のいずれかからなる。そして、フッ素樹脂は、より具体的には、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−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、およびテトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）等である。

図９は、図８に示す固体高分子型燃料電池１００を構成する各部品の斜視図である。固体高分子型燃料電池１００を構成するセパレータ１５０、ガスケット１７０、固体高分子電解質膜１１０、ガスケット１６０、およびセパレータ１４０を、それぞれ、図９の（ｂ），（ｃ），（ｄ），（ｅ），（ｆ）に示す。

また、固体高分子型燃料電池１００は、ガスケット２１０，２３０をさらに備える。そして、ガスケット２１０，２３０をそれぞれ図９の（ａ），（ｇ）に示す。

ガスケット２１０は、ガスケット２１１０，２１２０からなる。ガスケット２１１０は、孔２１１１，２１１２，２１１３を有する。孔２１１１，２１１２，２１１３は、ガスケット２１１０を貫通する。また、ガスケット２１２０は、孔２１２１，２１２２，２１２３を有する。孔２１２１，２１２２，２１２３は、ガスケット２１２０を貫通する。

そして、孔２１１１，２１１３，２１２１，２１２３は、セパレータ１５０（１０）の孔１４〜１７およびセパレータ１４０（２０）の孔３１〜３４と同じ直径を有する。また、孔２１１２，２１２２は、セパレータ１５０（１０）の孔１１１〜１１４，１２１〜１２４およびセパレータ１４０（２０）の孔２１１〜２１４，２２１〜２２４と同じ直径を有する。

ガスケット１７０は、孔１７１〜１７７を有する。孔１７１〜１７７は、ガスケット１７０を貫通する。そして、孔１７１〜１７４は、セパレータ１５０（１０）の孔１４〜１７およびセパレータ１４０（２０）の孔３１〜３４と同じ直径を有する。また、孔１７５，１７６は、セパレータ１５０（１０）の孔１４〜１７よりも大きい。

ガスケット１６０は、孔１６１〜１６７を有する。孔１６１〜１６７は、ガスケット１６０を貫通する。そして、孔１６１〜１６４は、セパレータ１５０（１０）の孔１４〜１７およびセパレータ１４０（２０）の孔３１〜３４と同じ直径を有する。また、孔１６５，１６６は、ガスケット１７０の孔１７５，１７６と同じ大きさを有する。

ガスケット２３０は、孔２３１〜２３５を有する。孔２３１〜２３５は、ガスケット２３０を貫通する。そして、孔２３１〜２３４は、セパレータ１５０（１０）の孔１４〜１７およびセパレータ１４０（２０）の孔３１〜３４と同じ直径を有する。

図１０は、図９に示す部品を用いて組み立てたときの固体高分子型燃料電池１００の斜視図である。図１０を参照して、固体高分子型燃料電池１００は、ガスケット２１０、セパレータ１５０（１０）、ガスケット１７０、固体高分子電解質膜１１０、ガスケット１６０、セパレータ１４０（２０）およびガスゲット２３０を順次積層した構造を有する。

そして、孔２１１１，１４，１７１，１６１，３１，２３１は、ガスケット２１０からガスケット２３０への方向において、直線状に配置される。また、孔２１１３，１５，１７２，１６２，３２，２３２も、ガスケット２１０からガスケット２３０への方向において、直線状に配置される。さらに、孔２１２１，１６，１７３，１６３，３３，２３３も、ガスケット２１０からガスケット２３０への方向において、直線状に配置される。さらに、孔２１２３，１７，１７４，１６４，３４，２３４も、ガスケット２１０からガスケット２３０への方向において、直線状に配置される。さらに、孔２１１２，１１１〜１１４，１７５，１６５，２１１〜２１４も、ガスケット２１０からガスケット２３０への方向において、直線状に配置される。さらに、孔２１２２，１２１〜１２４，１７６，１６６，２２１〜２２４も、ガスケット２１０からガスケット２３０への方向において、直線状に配置される。

その結果、セパレータ１４０（２０）のガス供給部２１は、孔２１１２，１１１〜１１４，１７５，１６５を介して水素ガスを受け、その受けた水素ガスをガス流路部２５に供給する。そして、ガス流路部２５は、ガスケット１６０の孔１６７を介して固体高分子電解質膜１１０に水素ガスを供給するとともに、余った水素ガスをガス排出部２２へ流す。ガス排出部２２は、ガス流路部２５から受けた水素ガスを孔２２１〜２２４を介して排出する。

そして、排出された水素ガスは、孔２３５，１６６，１７６，１２１〜１２４，２１２２を介して流れる。

一方、空気（または酸素）は、外部からセパレータ１５０（１０）のガス流路部１３へ入り、溝１３１〜１４１を流れる。溝１３１〜１４１は、外部から入って来た空気（または酸素）をガスケット１７０の孔１７７を介して固体高分子電解質膜１１０に供給するとともに、余った空気（または酸素）を外部へ排出する。

このように、水素ガスは、セパレータ１５０（１０）のガス通過部１１を通ってセパレータ１４０（２０）のガス供給部２１へ供給されるとともに、セパレータ１４０（２０）のガス排出部２２から排出された後、セパレータ１５０（１０）のガス通過部２２を通って固体高分子型燃料電池１００の厚み方向に流れるので、セパレータ１５０（１０）のガス通過部１１，１２は、セパレータ１５０（１０）が固体高分子電解質膜１１０に供給する空気（または酸素）と異なる水素ガスが流れるガス通過部である。

再び、図８を参照して、固体高分子電解質膜１１０は、触媒１８０によって分離された電子ｅ⁻と水素イオンＨ^＋とのうち、水素イオンＨ^＋のみを触媒１９０側へ通過させる。ガス拡散電極１２０は、セパレータ１４０（２０）から供給された水素ガスを触媒１８０へ拡散させる。触媒１８０は、ガス拡散電極１２０に供給された水素ガスを電子ｅ⁻と水素イオンＨ^＋とに分離する。

ガス拡散電極１３０は、セパレータ１５０（１０）から供給された空気（または酸素）を触媒１９０へ拡散させる。触媒１９０は、固体高分子電解質膜１１０から供給された水素イオンＨ^＋と、ガス拡散電極１３０から供給された電子ｅ⁻と空気（または酸素）とを反応させ、水を生成する。

セパレータ１４０（２０）は、ガス拡散電極１２０に接する一主面に凹凸構造からなるガス供給溝１４０Ａを有する。このガス供給溝１４０Ａは、図５に示す溝２５１からなる。そして、ガス供給溝１４０Ａは、水素ガスの供給口（＝ガス供給部２１）および排出口（＝ガス排出部２２）に繋がっている。したがって、セパレータ１４０（２０）は、ガス供給溝１４０Ａを介して水素ガスをガス拡散電極１２０に供給する。

セパレータ１５０（１０）は、ガス拡散電極１３０に接する一主面に凹凸構造からなるガス供給溝１５０Ａを有する。このガス供給溝１５０Ａは、図１に示す溝１３１〜１４１からなる。そして、ガス供給溝１５０Ａは、固体高分子型燃料電池１００の外部に繋がっている。したがって、セパレータ１５０（１０）は、ガス供給溝１５０Ａを介して空気（または酸素）をガス拡散電極１３０に供給する。

固体高分子型燃料電池１００が発電する動作について説明する。セパレータ１４０（２０）のガス供給溝１４０Ａを介して水素がガス拡散電極１２０へ供給されると、ガス拡散電極１２０は、水素ガスを触媒１８０へ拡散し、触媒１８０は、水素を水素イオンＨ^＋と電子ｅ⁻とに分離する。

そうすると、固体高分子電解質膜１１０は、触媒１８０によって分離された水素イオンＨ^＋および電子ｅ⁻のうち、水素イオンＨ^＋のみを透過して触媒１９０へ供給する。一方、電子ｅ⁻は、触媒１８０からガス拡散電極１２０を介してセパレータ１４０（２０）へ移動し、セパレータ１４０（２０）から外部の負荷（図示せず）を介してセパレータ１５０（１０）へ流れる。そして、セパレータ１５０（１０）は、電子ｅ⁻をガス拡散電極１３０へ供給する。

また、セパレータ１５０（１０）のガス供給溝１５０Ａを介して空気（または酸素）がガス拡散電極１３０へ供給される。そして、ガス拡散電極１３０は、空気（または酸素）を触媒１９０へ拡散し、電子ｅ⁻を触媒１９０へ供給する。

そうすると、水素イオンＨ^＋、空気（または酸素）および電子ｅ⁻は、触媒１９０の助けを借りて反応し、水になる。

このようにして、固体高分子型燃料電池１００は発電する。そして、固体高分子型燃料電池１００のセパレータ１４０（２０），１５０（２０）は、上述したように、金属板のプレス成形によって一体的に形成されるので、固体高分子型燃料電池１００を低コストで作製できる。

図１１は、この発明の実施の形態による固体高分子型燃料電池の斜視図である。図１１を参照して、この発明の実施の形態による固体高分子型燃料電池１０００は、燃料電池スタック３００と、吸引ファン４００とを備える。

燃料電池スタック３００は、略直方体の形状を有し、後述するように、複数の単位セルが直列に接続された構造からなる。

吸引ファン４００は、燃料電池スタック３００の側面３００Ａ側に配置され、燃料電池スタック３００に流れる空気（または酸素）を１．５０ｍ^３／ｍｉｎの風量で側面３００Ｂから側面３００Ａへ向かう方向へ吸引する。そして、側面３００Ａは、側面３００Ｃ，３００Ｄの面積よりも大きい面積を有する。

図１２は、図１１に示す線ＸＩＩ−ＸＩＩ間における燃料電池スタック３００の断面図である。図１２を参照して、燃料電池スタック３００は、端板３１０，３５０と、単位セル３２１〜３２ｎ（ｎは２以上の整数）と、シール部材３３１〜３３ｎ−１，３４１〜３４ｎ−１とを備える。

ｎ個の単位セル３２１〜３２ｎは、端板３１０と端板３５０との間に直列に配列される。単位セル３２１〜３２ｎの各々は、図８に示す固体高分子型燃料電池１００からなる。なお、図１２においては、図８に示すガス拡散電極１２０，１３０が省略されている。

ｎ個の単位セル３２１〜３２ｎが直列に配列される場合、単位セル３２１のセパレータ１５０（１０）は、単位セル３２２のセパレータ１４０（２０）に接し、単位セル３２２のセパレータ１５０（１０）は、単位セル３２３のセパレータ１４０（２０）に接し、以下、同様にして単位セル３２ｎ−１のセパレータ１５０（１０）は、単位セル３２ｎのセパレータ１４０（２０）に接する。この場合、セパレータ１４０（２０）の裏面とセパレータ１５０（１０）の裏面とが接する。

そして、各単位セル３２１〜３２ｎにおいて、セパレータ１５０（＝セパレータ１０）の複数の溝１３１〜１４１，１５１〜１６０は、図１２に示す紙面に垂直な方向に形成されている。

上述したように、セパレータ１４０（＝セパレータ２０），１５０（＝セパレータ１０）は、金属板からなるので、隣接する２つの単位セル（単位セル３２１，３２２；３２２，３２３；・・・；３２ｎ−１，３２ｎ）のセパレータ１４０（２０）とセパレータ１５０（１０）とが接するようにｎ個の単位セル３２１〜３２ｎを直列に配列することによって、ｎ個の単位セル３２１〜３２ｎは、電気的に直列に接続される。

シール部材３３１〜３３ｎ−１は、それぞれ、単位セル３２１のガス供給部２１側と単位セル３２２のガス供給部２１側との間、単位セル３２２のガス供給部２１側と単位セル３２３のガス供給部２１側との間、・・・、単位セル３２ｎ−１のガス供給部２１側と単位セル３２ｎのガス供給部２１側との間に配置される。また、シール部材３４１〜３４ｎ−１は、それぞれ、単位セル３２１のガス排出部２２側と単位セル３２２のガス排出部２２側との間、単位セル３２２のガス排出部２２側と単位セル３２３のガス排出部２２側との間、・・・、単位セル３２ｎ−１のガス排出部２２側と単位セル３２ｎのガス排出部２２側との間に配置される。

再び、図１１を参照して、図１２に示すｎ個の単位セル３２１〜３２ｎは、直方体の側面３００Ｃから側面３００Ｄへ向かう方向に積層されており、各単位セル３２１〜３２ｎのセパレータ１５０（＝セパレータ１０）の複数の溝１３１〜１４１，１５１〜１６０は、直方体の側面３００Ｂから側面３００Ａへ向かう方向に配置されている。

したがって、吸引ファン４００は、各単位セル３２１〜３２ｎのセパレータ１５０（＝セパレータ１０）に形成された複数の溝１３１〜１４１，１５１〜１６０を流れる空気（または酸素）を吸引する。この場合、吸引ファン４００が配置された側と反対側の複数の溝１３１〜１４１，１５１〜１６０の端は、外部に開放されている。したがって、吸引ファン４００によって吸引することによって、より多くの空気（または酸素）を複数の溝１３１〜１４１，１５１〜１６０内に取り込むことができる。

図１３は、平均セル電圧と発電時間との関係を示す図である。図１３において、縦軸は、平均セル電圧を表し、横軸は、発電時間を表す。また、曲線ｋ１は、この発明による固体高分子型燃料電池１０００の平均セル電圧と発電時間との関係を示し、曲線ｋ２は、吸引ファン４００を設けない固体高分子型燃料電池の平均セル電圧と発電時間との関係を示す。

図１３を参照して、この発明による固体高分子型燃料電池１０００の平均セル電圧は、吸引ファン４００を設けない固体高分子型燃料電池の平均セル電圧よりも高く、かつ、安定している。

このように、吸引ファン４００によって溝１３１〜１４１，１５１〜１６０を流れる空気（または酸素）を吸引することによって、固体高分子型燃料電池１０００の平均セル電圧は、高くなり、かつ、安定する。

これは、次の理由による。固体高分子型燃料電池においては、高分子電解質膜のプロトン導電性が反応ガスの湿度に著しく依存するので、反応ガスの湿度が低すぎると、高分子電解質膜が乾燥して膜抵抗が増大し、セル特性の低下を引き起こすこととなる。そして、電極の加湿が低い場合に空気流量が多くなると、セル特性の低下が著しくなる。

しかし、この発明においては、上述したように、セパレータ１５０（＝セパレータ１０）の溝１３１〜１４１，１５１〜１６０に流れる空気（または酸素）を吸引ファン４００によって吸引するので、溝１３１〜１４１，１５１〜１６０に流れる空気（または酸素）が低加湿であっても、その低加湿な空気（または酸素）が過度に電極に供給されることが抑制される。

特に、溝１３１〜１４１，１５１〜１６０は、ジグザク形状を有するので、吸引ファン４００によって空気（または酸素）を吸引することによって、適量な空気（または酸素）が電極に供給されることになる。

したがって、溝１３１〜１４１，１５１〜１６０に流れる空気（または酸素）を吸引ファン４００によって吸引することによって、平均セル電圧が高くなるとともに、安定する。

また、上述したように、セパレータ１５０（１０）の裏面がセパレータ１４０（２０）の裏面と接触し、セパレータ１５０（１０）は、空気（または酸素）を流すための溝１３１〜１４１，１５１〜１６０が表面および裏面に形成されているため、燃料電池スタック３００においては、セパレータ１５０（１０）は、隣接する２つの単位セルを冷却する。したがって、セパレータ１４０（１０）を用いることによって、燃料電池スタック３００の冷却効果を高くでき、その結果、固体高分子型燃料電池１０００の特性を向上できる。

さらに、吸引ファン４００は、直方体からなる燃料電池スタック３００の側面３００Ｃ，３００Ｄよりも面積が大きい側面３００Ａ側に配置されているので、吸引ファン４００によって溝１３１〜１４１，１５１〜１６０に流れる空気（または酸素）をより多く吸引でき、固体高分子型燃料電池１０００の冷却性能を向上できる。

上述したように、セパレータ１０は、金属板をプレス成形することによって作製されるので、ガス通過部１１，１２、およびガス流路部１３を有するセパレータ１０を低コストで作製できる。

また、この発明による固体高分子型燃料電池１０００は、セパレータ１０を備えるので、固体高分子型燃料電池１０００を低コストで作製できる。

なお、セパレータ１０は、ステンレス鋼に限らず、硫酸に対して耐腐食性を有する金属板から成っていればよい。

また、上記においては、セパレータ１０は、ジグザグ状に形成された複数の溝１３１〜１４１を含むと説明したが、この発明においては、これに限らず、セパレータ１０は、一般的には、直線状の溝の長さよりも長い長さを有する複数の溝を備えていればよく、複数の溝の形状は、どのような形状であってもよい。直線状の溝の長さよりも長い長さを有する複数の溝を備えていれば、固体高分子型燃料電池１０００の冷却効果を向上できるとともに、固体高分子電解質膜１１０へ空気（または酸素）を効率的に供給して固体高分子型燃料電池１０００の特性を向上できるからである。

さらに、吸引ファン４００は、側面３００Ｂ側に配置されていてもよい。

さらに、この発明による固体高分子型燃料電池１０００は、自動車に代表される各種移動体、家庭用電源およびおよびパーソナルコンピュータの電源等に用いられる。

さらに、この発明においては、空気（または酸素）は、「酸化剤ガス」を構成し、水素ガスは、「還元剤ガス」を構成する。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明は、出力特性の安定化が可能な固体高分子型燃料電池に適用される。

この発明の実施の形態による固体高分子型燃料電池に用いるセパレータの平面図である。 図１に示すセパレータの裏面の平面図である。 図１に示す溝部分の拡大図である。 図１に示すセパレータの斜視図である。 この発明の実施の形態による固体高分子型燃料電池に用いる他のセパレータの平面図である。 図５に示すセパレータの裏面の平面図である。 図５に示す凸部および凹部の拡大図である。 図１から図７に示すセパレータを備えた固体高分子型燃料電池の断面図である。 図８に示す固体高分子型燃料電池を構成する各部品の斜視図である。 図９に示す部品を用いて組み立てたときの固体高分子型燃料電池の斜視図である。 この発明の実施の形態による固体高分子型燃料電池の斜視図である。 図１１に示す線ＸＩＩ−ＸＩＩ間における燃料電池スタックの断面図である。 平均セル電圧と発電時間との関係を示す図である。

符号の説明

１０，２０，１４０，１５０ セパレータ、１１，１２ ガス通過部、１３，２５ ガス流路部、２１ ガス供給部、２２ ガス排出部、１４〜１７，３１〜３４，１１１〜１１４，１２１〜１２４，１６１〜１６７，１７１〜１７７，２１１〜２１４，２２１〜２２４，２３１〜２３５，２１１１〜２１１３，２１２１〜２１２３ 孔、１８，１９，３５，３６ 基準面、２３，２４，１３１Ａ〜１４１Ａ，２１５〜２１７，２２５〜２２７，２５２ 凸部、２６〜２９ 凹部、３０，４０ 平板、３０Ａ，４０Ａ 上面、３００ 燃料電池スタック、１１０ 固体高分子電解質膜、１２０，１３０ ガス拡散電極、１３１〜１４３，２５１ 溝、１６０，１７０，２１０，２３０ ガスケット、１８０，１９０ 触媒、３１０，３５０ 端板、３２１〜３２ｎ 単位セル、３３１〜３３ｎ−１，３４１〜３４ｎ−１ シール部材、４００ 吸引ファン、１０００ 固体高分子型燃料電池。

Claims (8)

1. 略直方体の形状を有するスタック型の固体高分子型燃料電池であって、
   前記直方体の第１の面から前記第１の面に対向する第２の面へ向かう方向へ積層され、かつ、直列に接続された複数の単位セルと、
   前記複数の単位セルの各々に流れる酸化剤ガスを吸引する吸引器とを備え、
   前記複数の単位セルの各々は、
   固体高分子電解質膜と、
   前記固体高分子電解質膜の一方側に配置され、前記固体高分子電解質膜に前記酸化剤ガスを供給する第１のセパレータと、
   前記固体高分子電解質膜の他方側に配置され、前記固体高分子電解質膜に還元剤ガスを供給する第２のセパレータとを含み、
   前記第１のセパレータは、
   前記固体高分子電解質膜に前記酸化剤ガスを供給するためのガス流路部と、
   前記ガス流路部と一体に成形され、前記固体高分子電解質膜に供給される還元剤ガスが通過するガス通過部とを含み、
   前記ガス流路部は、直線状に形成された溝の長さよりも長い長さを有する複数の溝を含み、
   隣接する第１および第２の単位セルは、前記第１の単位セルに含まれる前記第２のセパレータと前記第２の単位セルに含まれる前記第１のセパレータとによって直列に接続されている、固体高分子型燃料電池。
2. 前記吸引器は、前記複数の溝の各々の一方端側に配置され、
   前記複数の溝の各々の他方端は、外部に開放されている、請求項１に記載の固体高分子型燃料電池。
3. 前記第１のセパレータの前記複数の溝は、前記還元剤ガスが前記第２のセパレータを流れる方向と略直交する方向に形成されている、請求項１または請求項２に記載の固体高分子型燃料電池。
4. 前記第１のセパレータの複数の溝の各々は、前記酸化剤ガスが流れる方向に対してジグザグ状の形状を有する、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の固体高分子型燃料電池。
5. 前記ガス流路部および前記ガス通過部は、金属板からなり、
   前記第１のセパレータの複数の溝は、前記ガス流路部を構成する前記金属板の表裏面に形成されている、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の固体高分子型燃料電池。
6. 前記金属板は、ステンレス鋼からなる、請求項５に記載の固体高分子型燃料電池。
7. 前記第２のセパレータは、前記直方体の第１の側面から第２の側面へ向かう方向へ前記還元剤ガスを流し、
   前記吸引器は、前記第１および第２の側面に略直交する第３および第４の側面のいずれか一方の側面側に配置されている、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の固体高分子型燃料電池。
8. 前記第３および第４の側面は、前記第１および第２の側面よりも大きい面積を有する、請求項７に記載の固体高分子型燃料電池。

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