JP2922132B2 - 固体高分子型燃料電池 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、水素イオン伝導性を有
する高分子膜や水素イオン伝導性を有する無機または有
機材料粉末と高分子結着材料とからなる複合材を電解質
として用いる固体高分子型燃料電池に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、高効率のエネルギ変換装置として
燃料電池が注目を集めている。燃料電池は、これに用い
る電解質の種類により、たとえばアルカリ性水溶液型，
リン酸型，固体高分子型等の低温動作燃料電池と、溶融
炭酸塩型，固体酸化物電解質型等の高温動作燃料電池と
に大別される。

【０００３】これらの燃料電池のうち、電解質として水
素イオン伝導性を有する高分子電解質膜（Polymer Elec
trolyte Membrane）を用いる固体高分子型燃料電池は、
加圧容器を必要とせず、コンパクトで高出力密度が得ら
れること、優れた起動性が得られ、かつ簡略なシステム
で運転が可能であることなどの理由から、宇宙用、移動
電源用、離島用、定置用などとして注目されている。

【０００４】固体高分子型燃料電池で用いられる電解質
膜としては、スルホン酸基を持つポリスチレン系の陽イ
オン交換膜、フルオロカーボンスルホン酸とポリビニリ
デンフルオライドとの混合物質、フルオロカーボンマト
リックスにトリフルオロエチレンをグラフト化したもの
等が知られている。最近ではパーフルオロカーボンスル
ホン酸膜（たとえば、ナフィオン：商品名、デュポン社
製）等も用いられている。

【０００５】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、ガス拡散層および触媒層としての機
能を有する一対の多孔質電極、つまり燃料極と酸化剤極
とで高分子電解質膜を挟持するとともに両極の外側に燃
料流路と酸化剤流路とを備えた集電体を配したものを単
セルとし、このような単セルを複数個、冷却板等を介し
て積層した構成となっている。

【０００６】すなわち、図１９に代表的な固体高分子型
燃料電池の例を示すように、高分子膜１を挟むように燃
料極２と酸化剤極３（図示せず）とを配置し、燃料極１
側に燃料ガス流路としての機能を備えた多孔質の燃料極
側集電板４を配置し、酸化剤極２側に同じく酸化剤ガス
流路としての機能を備えた溝付きの酸化剤極側集電板５
を配置する。そして、燃料極側集電板４の上に加湿水を
保持するための多孔質板（冷却板）６を配置し、燃料極
２の周辺にシールのためのパッキング７を配置し、同様
に酸化剤極３の周辺にシールのためのパッキング８を配
置する。

【０００７】このように各要素を配置したものを単セル
とし、この単セルを複数個積層して固体高分子型燃料電
池が構成されている。なお、積層体中には各単セルを隔
離するためのセパレータ９が挿設されている。また、こ
の図の例では、燃料極側集電板４に設けられた燃料ガス
流路と酸化剤極側集電板５に溝によって形成された酸化
剤ガス流路とが互いに直交しており、積層体の対向する
２側面に酸化剤流路が開口している。また、パッキング
７には燃料の供給と排出とを行うためのマニホールド部
１０，１１（ただし、マニホールド部１１は図示せ
ず。）が設けられている。

【０００８】積層体の両端面にはエンドプレート１２が
重ねて設けられる。そして、これらエンドプレート１２
の外側にエンドプレート１２より大きい図示しない締付
け板を配置し、これら締付け板間を締付けロッドとバネ
とを用いて締付け、これによって積層された各単セル部
品間の面接触を保ち、電気的、熱的な抵抗を小さくして
いる。なお、酸化剤ガスとしては純酸素や空気が用いら
れ、燃料ガスとしては純水素や天然ガスやメタノールを
改質した水素リッチなガスが用いられる。

【０００９】しかしながら、上記のように構成された従
来の固体高分子型燃料電池にあっては次のような問題が
あった。 (1) 電気的定数のほぼ等しいスタックを組立てることが
困難 図１９から判るように、固体高分子型燃料電池を構成す
るには多くの部品を必要する。このように部品数が多い
と、複数の単セルを積層組立するときの作業が極めて困
難となるばかりか、各部品間の接触抵抗がある値以下と
なるように各部を組立てることが困難となり、電気的定
数のほぼ等しいスタックを複数用意することが困難で、
システム全体の性能低下を招く問題があった。

【００１０】(2) 望まれる加湿系統の構築が困難 電解質として用いられる高分子膜は、水分を含んだ状態
で水素イオン伝導性を示す。乾燥すれば絶縁体となり、
電解質の機能を果たさない。そして、飽和状態まで吸湿
したとき、最も高い伝導性を示す。起電反応を継続させ
るには、高分子電解質膜の乾燥を防ぎ、含水状態に保
つ、つまり加湿する必要がある。

【００１１】高分子電解質膜を加湿する方法としては、
電池温度より高温に加熱した燃料ガスや酸化剤ガスに水
蒸気を加え電池内で凝集させて加湿する、いわゆる間接
加湿方式と、冷却水の一部を多孔質板（冷却板）および
多孔質の燃料極側集電板を通して燃料極内に滲み出させ
て直接加湿する直接加湿方式とがある。

【００１２】しかし、間接加湿方式では、燃料ガスや酸
化剤ガスを電池の動作温度よりも高温に加熱する必要が
あるので、効率の低下を免れ得ない。一方、直接加湿方
式では、システムの停止時などにおいて、冷却水の一部
が燃料極内に洩れ出したり、逆に燃料ガスが冷却水中に
入り込むなど、システムの保全性に問題があった。ま
た、定電流密度で定常発電しているときには、電池反応
による生成水が酸化剤極から高分子電解質膜に拡散し、
高分子電解質膜が充分加湿される。したがって、このよ
うな場合には加湿水が不要になり、その結果として余剰
の加湿水で燃料極が閉塞して性能が低下する問題もあっ
た。

【００１３】また、単セルの積層数が多くなった場合、
重力の作用によって、垂直方向の下部に位置する単セル
ほど透過水量が多くなり、上部を適度な加湿状況にしよ
うとすると下部の燃料ガス流路が余剰の水で閉塞され、
逆に下部を適度な加湿状況にしようとすると上部では加
湿不足が発生するなどの問題もあった。

【００１４】(3) 燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却水の
シールが困難 図１９に示されるように、燃料極２および酸化剤極３の
周囲に平らなパッキング７，８を配置し、これらパッキ
ング７，８で燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却水のシー
ルを行っているが、平パッキングと電極との段差調整が
極めて難しい。すなわち、パッキング７，８が厚すぎる
と、燃料極２や酸化剤極３が燃料極側集電板４や酸化剤
極側集電板５と良好に接触せず、接触抵抗が大きくなっ
て、電池性能が低下してしまう。また、電極が厚すぎる
と、パッキング７，８に充分なシール面圧を加えること
ができず、これが原因して供給ガスおよび冷却水のリー
クをもたらす。また、固体高分子型燃料電池では、図１
９に示されるように、セパレータ９、パッキング７，８
等に供給ガスおよび冷却水の供給／排出用の孔を設ける
内部マニホールド構成を採用するのが一般的である。こ
の場合には、パッキング７，８の面積が大きくなり、こ
の結果、スタックの断面積が大きくなって大きい締付け
力が必要となり、スタッド、金属バネなどからなる締付
け治具が大掛かりになってしまうという問題があった。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】上述の如く、従来の固
体高分子型燃料電池にあっては、構造的に電池性能を向
上させることが困難であった。そこで本発明は、組立て
が容易で、しかも性能を大幅に向上させ得る固体高分子
型燃料電池を提供することを目的としている。

【００１６】

【００１７】

【００１８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の第１の発明では、高分子電解質膜と、この
高分子電解質膜の一方の面に接触して設けられた多孔質
の燃料極と、前記高分子電解質膜の他方の面に接触して
設けられた多孔質の酸化剤極と、導電性の多孔質体で形
成されて前記燃料極に接触して設けられるとともに上記
燃料極との接触面に燃料ガスを通流させるための複数の
案内溝を有した燃料極側集電体と、導電性部材で形成さ
れて前記酸化剤に接触して設けられるとともに上記酸化
剤極との接触面に酸化剤ガスを通流させるための複数の
案内溝を有した酸化剤極側集電体と、前記燃料極側集電
体および前記酸化剤極側集電体の前記各案内溝に反応性
ガスを分配供給するための内部マニホールド機構とを備
えた単位セルを複数積層するとともに、各単位セル毎に
冷却板を挿入し、この冷却板内を通流する冷却水の一部
を多孔質体で形成された加湿水透過体，前記燃料極側集
電体および前記燃料極を介して前記高分子電解質膜に供
給するようにした固体高分子型燃料電池において、前記
燃料極側集電体が親水性の導電性多孔質体で形成され、
前記加湿水透過体が撥水性の導電性多孔質体で形成され
ていることを特徴としている。

【００１９】なお、前記加湿水透過体は、親水性で導電
性多孔質体に撥水性の樹脂を含浸したもので形成されて
いてもよいし、直径１ｍｍ以下の微細孔が複数設けられ
た導電性の緻密な薄板に、撥水処理を施したもので形成
されていてもよい。そして、単セルを複数積層してスタ
ックを構成したとき、垂直方向の下部に位置する加湿水
透過体ほど前記微細孔の配設密度の小さいものを組込む
ようにしてもよい。

【００２０】上記目的を達成するために、本発明の第２
の発明では、高分子電解質膜の両側に、この高分子電解
質膜よりも面積の小さい燃料極および酸化剤極からなる
ガス拡散電極を配置するとともに上記ガス拡散電極の外
周部分にパッキングを設け、このパッキングでガスシー
ルを行わせるようにした固体高分子型燃料電池におい
て、前記パッキングは、前記ガス拡散電極より薄い弾性
を有したシートで形成されるとともに上記ガス拡散電極
を越える高さの凸型のシール用リップが一体に設けられ
ていることを特徴としている。

【００２１】なお、前記パッキングに、燃料ガス，酸化
剤ガス，冷却水の供給および排出に供される孔を設ける
場合には、これらの孔の周囲にも凸型のシール用リップ
を設けることが好ましい。また、前記パッキングの内縁
部および外縁部に、これらの縁部に沿ってそれぞれ一周
する凸型の内側シール用リップおよび外側シール用リッ
プを設け、電池組立後に上記内側および外側シール用リ
ップ間に形成された空間に不活性ガスを注入可能に形成
してもよい。

【００２２】

【００２３】

【作用】第１の発明では、燃料極側集電体を親水性の多
孔質体で形成し、加湿水透過体を撥水性の多孔質体で形
成しているので、冷却水の圧力が燃料ガス流の圧力より
所定以上高いときに、圧力差と加湿水透過体の厚みと気
孔率と平均孔径と親水性とで決まる量の水を加湿水透過
体を介して燃料極側集電体、つまり高分子電解質膜に供
給することができる。したがって、圧力差の設定によっ
て、必要なときにセル全体を加湿することができ、また
停止時や電池反応生成水で充分加湿されているときなど
のように、加湿を必要としないときには水の供給を停止
することができるので、システムの保全性を向上させる
ことができる。このように必要なときに必要な量の加湿
を行うことができるので、余剰水によって燃料極が閉塞
されるようなことがなく、電池性能の向上に寄与でき
る。

【００２４】第２の発明では、ガス拡散電極の外周部分
にガス拡散電極より薄い弾性を有するシートで形成され
たパッキングを配置するとともに、このパッキングにガ
ス拡散電極を越える高さの凸型のシール用リップを一体
に設けているので、ガス拡散電極とパッキングとの厚さ
の違いをシール用リップで吸収することができ、これに
よってガス拡散電極と集電体とを良好に接触させること
ができるので、電池性能の向上に寄与できる。また、パ
ッキングでの受圧面積を減らすことができるので、スタ
ックの締付け力を低減することもできる。

【００２５】

【実施例】以下、図面を参照しながら実施例を説明す
る。図１には本発明の第１の実施例に係る固体高分子型
燃料電池の分解斜視図が示されている。

【００２６】この固体高分子型燃料電池は、単セル２１
を互いの間にセパレータ板２２ａ，２２ｂおよび導電性
多孔質材で形成された加湿水透過板２３を介在させて複
数積層した積層構造に形成されている。

【００２７】単セル２１は、公知のものと同様の材質で
形成された高分子電解質膜２４と、この高分子電解質膜
２４より小さい面積の導電性多孔質材で形成されて高分
子電解質膜２４の図中下面に接触配置された燃料極２５
と、同じく高分子電解質膜２４より小さい面積の導電性
多孔質材で形成されて高分子電解質膜２４の図中上面に
接触配置された酸化剤極２６と、燃料極２５とほぼ同じ
厚みのシール材で形成されて燃料極２５の外周部分に配
置されたシール用のパッキング２７と、酸化剤極２６と
ほぼ同じ厚みのシール材で形成されて酸化剤極２６の外
周部分に配置されたシール用のパッキング２８と、酸化
剤極２６への酸化剤ガス供給機能と加湿水透過板２３へ
の給水機能と集電機能とを備えた両面型セパレータユニ
ット２９の一部と、燃料極２５への燃料ガスの供給機能
と集電機能とを備えた片面型セパレータユニット３０の
一部とで構成されている。

【００２８】両面型セパレータユニット２９は、図２お
よび図４に示すように、前述した緻密なカーボン製のセ
パレータ板２２ａと、このセパレータ板２２ａの両面に
たとえばエポキシ系の接着剤で固定された緻密なカーボ
ン製の集電体外枠３１，３２と、これら集電体外枠３
１，３２内に配置されるとともにセパレータ板２２ａに
対してカーボンを含む導電性接着剤で固定された集電体
３３，３４と、これら集電体３３，３４と一体に形成さ
れて集電体外枠３１，３２内に配置されるとともにセパ
レータ板２２ａに対して上記導電性接着剤で一体に固定
された内部マニホールド要素３５，３６、３７，３８
と、集電体３３，３４を外部に臨ませる開口３９，４０
を有するとともに内部マニホールド要素３５，３６，３
７，３８に接触状態でこれらを覆う領域４１，４２を備
えて集電体外枠３１，３２にエポキシ系の接着剤で固定
されたカーボン製のマニホールドカバー４３，４４とで
構成されている。

【００２９】集電体３３，３４の表面でマニホールドカ
バー４３，４４の開口３９，４０から外部を臨む部分に
は、図４にも示すように流体を案内するための案内溝４
５，４６が複数平行に形成されている。そして、内部マ
ニホールド要素３５，３６、３７，３８は、上述した案
内溝４５，４６に通じる複数の溝４７，４８を持つ要素
を主体に形成されている。

【００３０】ここで、集電体３３，３４における案内溝
４５，４６の形成されている面と該面の両側に隣接する
内部マニホールド要素３５，３６、３７，３８との間に
は、マニホールドカバー４３，４４の厚み分に相当する
段差が形成されており、この段差の存在によって図２に
示すように、集電体３３，３４における案内溝４５，４
６の形成されている面とマニホールドカバー４３，４４
の表面とが面一となっている。

【００３１】両面型セパレータユニット２９の両側部、
片面型セパレータユニット３０の両側部、高分子電解質
膜２４の両側部、パッキング２７，２８の両側部には、
それぞれ図１および図４に示すように、燃料ガスを供給
／排出するための孔５０，５１と、冷却水を供給／排出
するための孔５２，５３と、酸化剤ガスを供給／排出す
るための孔５４，５５とが積層方向に通じる関係に設け
られている。

【００３２】そして、両面型セパレータユニット２９に
おける内部マニホールド要素３５，３６は冷却水を供給
／排出するための孔５２，５３に通じ、また内部マニホ
ールド要素３７，３８は酸化剤ガスを供給／排出するた
めの孔５４，５５に通じている。

【００３３】片面型セパレータユニット３０は、図３に
示すように、多孔質カーボン部６０を有するセパレータ
板２２ｂと、このセパレータ板２２ｂの片面にたとえば
エポキシ系の接着剤で固定された多孔質カーボン製の集
電体外枠６１と、この集電体外枠６１内に配置されると
ともにセパレータ板２２ｂに対してカーボンを含む導電
性接着剤で固定された集電体６２と、この集電体６２と
一体に形成されて集電体外枠６１内に配置されるととも
にセパレータ板２２ｂに対して上記導電性接着剤で一体
に固定された内部マニホールド要素６３，６４と、集電
体６２を外部に臨ませる開口６５を有するとともに内部
マニホールド要素６３，６４を覆う領域６６を備えて集
電体外枠６１にエポキシ系の接着剤で固定されたカーボ
ン製のマニホールドカバー６７とで構成されている。

【００３４】すなわち、片面型セパレータユニット３０
は、セパレータ板２２ｂの周辺部を除く部分および集電
体６２が多孔質のカーボンで形成されている点を除く
と、前述した両面型セパレータユニット２９におけるセ
パレータ板２２ａを境にした片側と同様に構成されてい
る。ただし、この片面型セパレータユニット３０におけ
る内部マニホールド要素６３，６４は、燃料ガスを供給
／排出するための孔５０，５１に通じている。

【００３５】このように構成された単セル２１が加湿水
透過板２３を介して複数積層されて燃料電池積層体７０
が構成されている。そして、この燃料電池積層体７０の
積層方向に位置する両端面に導電性のエンドプレート７
１，７２が当てがわれ、さらにこれらエンドプレート７
１，７２の外面にエンドプレートより幅広な図示しない
締付け板が当てがわれ、これら締付け板の周縁部におい
てバネを介在させた条件下で両締付け板を絶縁性のロッ
ドで積層方向に締付けたものとなっている。

【００３６】なお、エンドプレート７１の上面には、前
述した孔５０，５１を介して燃料ガスの供給／排出を行
うための燃料供給管７３，燃料排出管７４と、前述した
孔５２，５３を介して冷却水の供給／排出を行うための
冷却水供給管７５，冷却水排出管７６と、前述した孔５
４，５５を介して酸化剤ガスの供給／排出を行うための
酸化剤ガス供給管７７，酸化剤ガス排出管７８とが対応
する孔に通じる関係に設けられている。

【００３７】このような構成であると、燃料供給管７３
を介して供給された燃料ガスは、各単セル２１において
片面型セパレータユニット３０における内部マニホール
ド要素６３を介して集電体６２の各溝に流れる。そし
て、一部が燃料極２５に拡散して発電に供され、残りが
内部マニホールド要素６４を介して孔５１へと流れた後
に燃料排出管７４へと流れる。また、酸化剤供給管７７
を介して供給された酸化剤ガスは、各単セル２１におい
て両面型セパレータユニット２９における内部マニホー
ルド要素３７を介して集電体３４の各溝４６に流れる。
そして、一部が酸化剤極２６に拡散して発電に供され、
残りが内部マニホールド要素３８を介して孔５５へと流
れた後に酸化剤排出管７８へと流れる。一方、冷却水供
給管７５を介して供給された冷却水は、各単セル２１に
おいて両面型セパレータユニット２９における内部マニ
ホールド要素３５を介して集電体３３の各溝４５に流れ
る。そして、一部が加湿水透過板２３、片面型セパレー
タユニット３０におけるセパレータ板２２ｂの多孔質カ
ーボン部６０、集電体６２、燃料極２５をそれぞれ透過
して高分子電解質膜２４の加湿に供され、残りが内部マ
ニホールド要素３６を介して孔５３へと流れた後に冷却
水排出管７６へと流れる。

【００３８】このように、燃料ガス、酸化剤ガスおよび
冷却水の供給によって電池としての機能が発揮される。
そして、この場合には、接着剤によって一体化された前
記構成の両面型セパレータユニット２９および片面型セ
パレータユニット３０を組込むようにしているので、こ
れらユニットの接触抵抗や厚みを組立て前の段階で精度
よく管理することができる。この結果、電気的定数のほ
ぼ等しいスタックを複数組立てることが容易となるの
で、システム全体の性能向上を図ることができる。

【００３９】これらのセパレータユニットを使ってセル
を組立て、接触抵抗による電圧ドロップを測定したとこ
ろ、0.4A/cm ² の電流密度で30mVであった。比較のため
に、従来構成のように各部品を順次積層して組立てられ
たセルの電圧ドロップを測定したところ同じ電流密度で
70mVであった。このように、セパレータユニットを使用
することで、電池性能を向上できることが確認された。

【００４０】また、セパレータユニットを組込む構成を
採用すると、組立時において部品数を実質的に減らすこ
とができるので、組立ての容易化も図ることができる。
なお、上述した実施例では、集電体とマニホールド要素
とが一体に形成されたものを用いているが、図５に示す
ように、集電体８０とマニホールド要素８１，８２とが
別体に形成されたものをセパレータユニットに組込むよ
うにしてもよい。また、上述した実施例では燃料極側の
集電体に形成された溝を流れる燃料ガスの通流方向と酸
化剤極側の集電体に形成された溝を流れる酸化剤ガスの
通流方向とを平行流にしているが、向流にしてもよい
し、直交流にしてもよい。

【００４１】さらに、機械的強度を確保できる場合に
は、図６に示すように、マニホールド要素を省略し、集
電体８３の両側にマニホールドとして機能する半円状，
三角形状等の空洞８４を設けた片面型セパレータユニッ
ト８５を用いてもよい。勿論、両面型セパレータユニッ
トを構成することもできる。

【００４２】この図６に示す例では、セパレータ板と集
電体外枠とを一体化した形状のカーボン製のセパレータ
要素８５を用いている。また、マニホールドカバー８６
として、中央部に集電体８３を臨ませる開口８７を有す
るとともに、これをセパレータ要素８５に接着固定した
とき、丁度その表面と集電体８３の溝付き表面とが面一
となる厚みのものを用いている。なお、図６中、８８，
８９は燃料ガスを通流させるための孔を示し、９０，９
１は酸化剤ガスを通流させるための孔を示し、冷却水を
案内するための孔は省略されている。

【００４３】次に、図７を参照しながら本発明の第２の
実施例に係る固体高分子型燃料電池について説明する。
先に説明したように、固体高分子型燃料電池を良好に動
作させるには、電解質層を構成している高分子電解質膜
を過不足なく一様に加湿する必要がある。同時に、シス
テムの停止時や電池反応生成水により高分子電解質膜が
充分加湿されているときには、加湿水の供給を停止でき
ることが望まれる。

【００４４】このような要望を簡単な構成で実現できる
ようにしたのが本実施例であり、図７には単セルだけが
示されている。同図において、１００は公知のものと同
様の材質で形成された高分子電解質膜を示している。こ
の高分子電解質膜１００の両面には高分子電解質膜より
小さい面積の導電性多孔質材で形成された燃料極１０１
と酸化剤極１０２とが接触配置されている。燃料極１０
１および酸化剤極１０２の外周部分には各電極とほぼ同
じ厚みのシール材で形成されたガスシール用のパッキン
グ１０３，１０４が配置されている。

【００４５】燃料極１０１の図中下面側には、燃料極１
０１への燃料ガスの供給機能と集電機能とを発揮する燃
料極側集電板１０５が接触配置されている。この燃料極
側集電板１０５における燃料極１０１との接触面には、
燃料ガスを通流させるための案内溝１０６が複数形成さ
れている。同様に、酸化剤極１０２の図中上面側には、
酸化剤極１０２への酸化剤ガスの供給機能と集電機能と
を発揮する酸化剤極側集電板１０７が接触配置されてい
る。この酸化剤極側集電板１０７における酸化剤極１０
２との接触面にも、酸化剤ガスを通流させるための案内
溝１０８が複数形成されている。

【００４６】燃料極側集電板１０５は、気孔率70% 平均
孔径 40 μｍの親水性のカーボン多孔質板に案内溝１０
６を設けたもので形成されている。また、酸化剤極側集
電板１０７は、カーボン板に案内溝１０８を設けたもの
で形成されている。

【００４７】一方、燃料極側集電板１０５の図中下面に
は加湿水透過板１０９が接触配置されており、この加湿
水透過板１０９の図中下面には冷却板１１０が接触配置
されている。

【００４８】加湿水透過板１０９は、気孔率40% 、平均
孔径5 μｍの親水性のカーボンの多孔質薄板に撥水処理
を施したもので形成されている。すなわち、親水性のカ
ーボンの多孔質薄板をフルオロカーボンの微粒子を含む
縣濁液に浸漬した後に300 ℃以上の温度で焼成し、これ
によって細孔の表面をフルオロカーボンで被覆して撥水
性としている。この際に、加湿水透過板１０９の表面に
水滴を落とし、接触角が90゜以上であることを確認した
後に、導電性をもたせるために両面を研磨したものとな
っている。

【００４９】冷却板１１０は、カーボン板に冷却水流路
を構成する案内溝１１１を複数設けたもので形成されて
おり、案内溝１１１の設けられている面を加湿水透過板
１０９の図中下面に貼り合わせたものとなっている。

【００５０】このように構成された単セルが複数積層さ
れて燃料電池スタックが構成される。なお、燃料極側集
電板１０５に設けられた案内溝１０６、酸化剤極側集電
板１０７に設けられた案内溝１０８および冷却板１１０
に設けられた案内溝１１１は、公知の固体高分子型燃料
電池と同様の内部マニホールド機構を介して燃料ガス供
給系統、酸化剤ガス供給系統および冷却水供給系統に接
続される。

【００５１】このように、燃料極側集電板１０５が親水
性の導電性多孔質材で形成され、この燃料極側集電板１
０５に接して設けられる加湿水透過板１０９が撥水処理
された導電性多孔質材で形成されている。したがって、
加湿水透過板１０９および燃料極側集電板１０５を透過
して燃料極１０１、つまり高分子電解質膜１００へ移行
する加湿水の量は、溝１１１を流れる冷却水の圧力と溝
１０６を流れる燃料ガスの圧力との差圧に大きく左右さ
れる。したがって、差圧をコントロールすることによっ
て加湿水量を自由に調整することが可能となる。

【００５２】すなわち、図７に示す本実施例の単セルと
親水性の加湿水透過板を用いた従来の単セルとを用意
し、常圧の燃料ガスおよび冷却水を溝１０６、１１１に
満たして数日間放置してみたところ、従来の単セルでは
冷却水の一部が漏れて燃料流路である溝１０６を閉塞し
ていたのに対し、本実施例の単セルでは冷却水がほとん
ど漏れていないことが確認された。

【００５３】また、加圧した燃料ガスおよび冷却水を供
給し、冷却水の圧力を変化させたときの水透過量すなわ
ち加湿量の変化を調べたところ、図８に示す結果を得
た。なお、図８において、Ａが本実施例の単セルのデー
タを示し、Ｂが従来の単セルのデータを示している。

【００５４】親水性の加湿水透過板を用いた従来の単セ
ルの場合には、毛細管現象により水を供給するため、冷
却水と燃料ガスとが同じ圧力のときにおいても冷却水の
一部が高分子電解質膜１００へ供給される。これに対し
て、本実施例の単セルでは、細孔表面の撥水性により、
冷却水と燃料ガスとの差圧が所定の値（10kPa ）より小
さいときには、冷却水の一部は高分子電解質膜１００へ
供給されない。そして、差圧が所定の値を越えると冷却
水の一部が高分子電解質膜１００へ供給され、その供給
量は差圧を増加させるにしたがって増大する。本実施例
の単セルでは、差圧が10kPa のレベルで高分子電解質膜
１００を十分に加湿することができた。

【００５５】このように、撥水性の加湿水透過板１０９
を用いているので、冷却水の圧力と燃料ガスの圧力とが
等しいとき、あるいは冷却水の圧力が低いときには加湿
水の供給を停止することができ、また必要なときに所定
の値より大きな圧力差を設定することによって、高分子
電解質膜１００を良好に加湿することができる。なお、
加湿水が過不足なく供給されているか否かの判定は、燃
料ガスの供給圧力の変化等で簡単に知ることができる。
したがって、余剰の加湿水で燃料ガス流路が閉塞されて
電池性能が低下するのを防止することが可能となる。

【００５６】なお、図７に示される単位セルを10枚積層
して積層電池を構成し、燃料流より100kPa高い圧力で冷
却水を供給したときの各セルの燃料流および冷却水の圧
力分布を調べたところ、図９に示す結果を得た。また、
そのときの各セルの加湿量の分布を調べたところ、図１
０に示す結果を得た。これらの図には、毛細管現象によ
る加湿方法を採用した従来の単セルを組込んだ積層電池
の特性も合せて示されている。

【００５７】積層電池では、分岐損失、合流損失などの
圧力損失により、冷却水、燃料ガスともに各単セルで異
なる圧力となる。従来の加湿方法では、燃料ガスの圧力
と冷却水の圧力が同じセルでは適当な量の加湿水を供給
することができるが、冷却水の圧力と燃料ガスの圧力が
違うセル、特に冷却水の圧力が高いセルでは、水が過剰
に供給され、各セル間において加湿量に著しい差が生じ
る。これに対して、本実施例の単セルを組込んだ積層電
池では、差圧をつけて加湿水を供給しているため、各セ
ルでの圧力差のばらつきを小さくでき、加湿量のばらつ
きも小さくできる。

【００５８】さらに、冷却水と燃料ガスとの圧力差が大
きいセルに、気孔率または平均孔径の小さい加湿水透過
板（撥水処理されている。）を組込んで実験してみた。
この実験では、圧力差が最も小さいＮｏ．１のセルに気
孔率40% の加湿水透過板を組込み、以下セル番号が１つ
増えるにしたって1 % ずつ気孔率が小さくなる加湿水透
過板をそれぞれ組込んだ。そして、燃料ガス流より100k
Pa高い圧力で冷却水を供給したときの各セルの加湿量の
分布を調べたところ、図１０に示す結果を得た。この結
果から判るように、圧力差に対応させて加湿水透過板の
気孔率を選択することにより、各単位セルにおける圧力
差から生じる加湿量の差をより小さくでき、各単位セル
を一様に充分に加湿することができる。

【００５９】なお、冷却水と燃料ガス流との間に差圧を
生じ易くするためには、加湿水透過板１０９には燃料極
側集電板１０５よりも気孔率または平均孔径の小さいも
のを用いる方がよい。

【００６０】また、気孔率45% 以上、平均孔径 10 μｍ
以上の多孔質体では、厚さ1mm で10kPa 以上の差圧を設
けることが困難であるため、それよりも小さな気孔率お
よび平均孔径が望ましい。

【００６１】このような気孔率および平均孔径は、加湿
水透過板を構成する導電性多孔質材の材料の選択によっ
ても得られるが、撥水処理によっても実現できる。たと
えば、撥水性の加湿水透過板の基材として、気孔率70%
、平均孔径40μｍの親水性のカーボン多孔質薄板を用
いた場合の例を説明する。

【００６２】まず、上記カーボン多孔質薄板に細孔容量
に対する含浸容量の割合Ｗが43% ，50% ，57% 、つまり
含浸後の気孔率が49% ，35% ，30% となるようにフルオ
ロカーボンを含浸する。表面に水滴を落とし、接触角が
90°以上であることを確認した後に導電性をもたせるた
めに両面を研磨する。

【００６３】このようにして製作された３枚の撥水性の
加湿水透過板に100kPaの差圧をかけたときの加湿量Ｆを
図１１に示す。含浸の割合が大きくなると加湿量が少な
くなる。そこで、Ｗを変化させ、気孔率が1%刻みで30〜
40% である加湿水透過板を合計１０枚製作し、積層電池
に用いたところ、図８にＡで示した結果と同様に各セル
を一様に加湿することができた。

【００６４】このように、適当な量のフルオロカーボン
を含浸することで、撥水性の加湿水透過板を製作するこ
とが可能になり、さらにその含浸量を変化させることに
より、所定の圧力差での加湿量を調整することができ
る。含浸量により、気孔率および平均孔径が調整できる
ので、気孔率70% 以上または平均孔径40μｍ以上の導電
性多孔質体を用いることができるが、含浸後の気孔率は
45% 未満、平均孔径10μｍ未満であることが望ましい。

【００６５】また、上述した各例では、導電性多孔質材
に撥水処理を施して形成された加湿水透過板を用いてい
るが、図１２に示すようにカーボンの緻密な薄板に直径
１mm以下の微細孔１１２を多数設けたものに撥水処理を
施して形成された加湿水透過板１０９ａを用いることも
できる。

【００６６】たとえば、カーボンの緻密な薄板に60，9
0，120 μｍの微細孔１１２をレーザ加工で設けた。そ
の後、前記例と同様な撥水処理を施した。このようにし
て製作された３枚の撥水性の加湿水透過板に100kPaの差
圧をかけたときの微細孔１個あたりの加湿量を調べたと
ころ、図１３に示す結果を得た。この図から判るよう
に、孔径が小さくなるにしたがって加湿量が少なくなっ
ている。

【００６７】このように、導電性の緻密な薄板に微細孔
を設けたものに撥水処理を施して形成された加湿水透過
板１０９ａを用い、単セル毎に微細孔径を変化させるこ
とにより、所定の圧力差での加湿量を調整することがで
きる。さらに、単セル毎あるいは単セル数個毎に単位面
積当たりの微細孔の数を変化させることにより、所定の
圧力差での加湿量を精密に制御することができる。

【００６８】単位面積当たりの微細孔の数を変化さた例
を図１４を用いて説明する。この例では各単セルに組込
まれた撥水性の加湿水透過板が重力方向と直交するよう
に複数の単セルを積層して燃料電池積層体１１３を構成
している。そして、燃料電池積層体１１３を重力方向に
３つの領域１１４，１１５，１１６に区分し、各領域毎
に加湿水透過板の微細孔の数を変化させている。すなわ
ち、90μｍの微細孔を領域１１４では１ｃｍ² あたり３
個、領域１１５では２個、領域１１６では１個の割合で
設けている。

【００６９】このように、重力方向の上部では微細孔の
数を多くし、下部では微細孔の数を少なくしておくと、
下部に位置している各単セルが重力の影響で加湿水過多
になるのを防ぐことができ、各領域に亙って一様に加湿
することができる。

【００７０】次に、図１５を参照しながら本発明の第３
の実施例に係る固体高分子型燃料電池を説明する。先に
説明したように、固体高分子型燃料電池では、燃料極お
よび酸化剤極の周囲にパッキングを配置し、これらのパ
ッキングで燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却水のシール
を行っている。しかし、これらのパッキングの厚さと電
極の厚さとに差があると、燃料極や酸化剤極と集電体と
の間の接触抵抗の増加を招いたり、シール不良を招いた
りする。また、燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却水の供
給／排出用の孔をパッキングに設ける構成を採用したも
のでは、パッキングの面積が大きくなり、この結果、ス
タックの形成に大きな締付け力を必要とする。

【００７１】このような問題を簡単な構成で解消できる
ようにしたのが本実施例であり、図１５には単セルの要
部だけが示されている。同図において、１２０は公知の
ものと同様の材質で形成された高分子電解質膜を示して
いる。この高分子電解質膜１２０の両面には高分子電解
質膜より小さい面積の導電性多孔質材で形成された厚さ
400 μｍの燃料極１２１と酸化剤極１２２とが接触配置
されている。

【００７２】燃料極１２１および酸化剤極１２２の外周
部分には、厚さ200 μｍの弾性シート、たとえばゴムシ
ートで形成されたガスシール用のパッキング１２３，１
２４が配置されている。

【００７３】パッキング１２３，１２４には、図１６に
パッキング１２４だけを代表して示すように、高分子電
解質膜１２０に接触する面とは反対側に位置する面で酸
化剤極１２２に近い位置に、酸化剤極１２２を取り囲む
ように高さ300 μｍ、幅1mmの凸型のシール用無端リッ
プ１２５が一体に突設されている。また、パッキング１
２３，１２４には、燃料ガスの供給／排出に供される孔
１２６，１２７、酸化剤ガスの供給／排出に供される孔
１２８，１２９および冷却水の供給／排出に供される孔
１３０，１３１が設けてあり、これらの孔の回りにも高
さ300 μｍ、幅1mm の凸型のシール用無端リップ１３２
〜１３７が一体に突設されている。

【００７４】燃料極１２１の図中下面側には、燃料極１
２１への燃料ガスの供給機能と集電機能とを発揮する親
水性のカーボン多孔質板で形成された燃料極側集電板１
３８が接触配置されている。この燃料極側集電板１３８
における燃料極１２１との接触面には、燃料ガスを通流
させるための案内溝１３９が複数形成されている。

【００７５】同様に、酸化剤極１２２の図中上面側に
は、酸化剤極１２２への酸化剤ガスの供給機能と集電機
能とを発揮するカーボン板で形成された酸化剤極側集電
板１４０が接触配置されている。この酸化剤極側集電板
１４０における酸化剤極１２２との接触面にも、酸化剤
ガスを通流させるための案内溝１４１が複数形成されて
いる。

【００７６】このように構成された単セルの主要部が、
燃料極側集電板１３８側に図示しない加湿水透過板およ
び冷却水配流板を配置した状態で複数積層され、この積
層体が図示しない締付け手段で積層方向に締付けられて
燃料電池スタックが構成される。

【００７７】なお、燃料極側集電板１３８および酸化剤
極側集電板１４０には、前述した燃料ガスの供給／排出
に供される孔１２６，１２７、酸化剤ガスの供給／排出
に供される孔１２８，１２９および冷却水の供給／排出
に供される孔１３０，１３１に通じる孔がそれぞれ設け
られている。

【００７８】このように、燃料極１２１および酸化剤極
１２２の外周部分に、これら電極より薄い弾力性を有し
たパッキング１２３，１２４を配置するとともに、これ
らパッキイング１２３，１２４の各電極を取り囲む部分
および各流体を通流させるために設けられた孔の回りに
各電極を越える高さの凸型のシール用無端リップ１２
５，１３２〜１３７を一体に設けている。

【００７９】したがって、燃料極１２１や酸化剤極１２
２とパッキング１２３，１２４との厚さの違いをシール
用無端リップ１２５，１３２〜１３７で吸収することが
でき、これによって燃料極１２１と燃料極側集電板１３
８および酸化剤極１２２と酸化剤極側集電板１４０とを
良好に接触させることができるので、電池性能の向上に
寄与できる。また、スタックを形成するときの締付け力
は、シール用無端リップ１２５，１３２〜１３７だけに
加わる。このため、パッキング１２３，１２４での受圧
面積を減らすことができ、スタックの締付け力を低減し
た状態で良好なシールを実現できることになる。

【００８０】上述した効果を確認するために、本実施例
の単セルと厚さ500 μｍ、幅20mmのゴム製の平パッキン
グを用いた従来の単セルとを用意し、金属バネにより締
め付けた。そして、0.3 MPa ，0.2 MPa にそれぞれ加圧
した燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給して１時間放置し
た。この試験を、締付け力を変化させて行い、放置後の
燃料ガスおよび酸化剤ガスの圧力が変化しない締付け力
を調べた。その結果、本実施例の単セルでは締付け力が
2800〜2900 (kgf)であった。これに対して、従来の単セ
ルでは締付け力が7300〜8200 (kgf)であった。

【００８１】このように、本実施例の単セルでは、シー
ル部の受圧面積を低減できるため、シールに必要な締付
け力を従来の単位セルに比べて38% まで低減できること
が判った。

【００８２】次に、上記の締付け力のもとで、本実施例
の単セルと従来の単位セルとについて、燃料極１２１と
燃料極側集電板１３８との間の接触抵抗を測定した。そ
の結果、本実施例の単セルでは接触抵抗が0.11〜0.12(
Ωcm² ) であった。これに対して、従来の単セルでは接
触抵抗が0.25〜0.33( Ωcm² ) であった。

【００８３】このように、本実施例の単セルでは、電極
とパッキングとの厚さの違いをシール用無端リップ１２
５，１３２〜１３７で容易に吸収することができるの
で、従来の単セルに比べて接触抵抗を小さくすることが
できる。

【００８４】上記例から判るように、パッキング１２
３，１２４のシートの厚さは、燃料極１２１および酸化
剤極１２２の厚さより薄い方がよく、さらにパッキング
１２３，１２４のシートの厚さとシール用無端リップの
厚さの合計は、燃料極１２１および酸化剤極１２２の厚
さより大きい方がよい。

【００８５】また、上記実施例では、パッキング１２
３，１２４の片面にシール用無端リップを設けている
が、両面にシール用無端リップを設けてもよい。この場
合も、パッキングのシートの厚さは、燃料極１２１およ
び酸化剤極１２２の厚さより薄い方がよい。さらに、パ
ッキングのシートの厚さと両面のリップの厚さとの合計
は、燃料極１２１および酸化剤極１２２の厚さより大き
い方がよい。

【００８６】また、上述した実施例では、パッキング１
２３，１２４の各電極を取り囲む部分および各流体を通
流させるために設けられた孔の回りに各電極を越える高
さの凸型のシール用無端リップ１２５，１３２〜１３７
を一体に設けているが、この構成に加えて、図１８に示
すように、パッキング１２３ａ（１２４ｂ）の周縁部
に、この周縁部を一周する少なくとも１つの凸型のシー
ル用無端リップ１４２を設けるとともに、シール用無端
リップ１２５，１４２間に存在する空間１４３を外部に
通じさせる孔１４４を設け、組立て後に孔１４４を通し
て空間１４３に加圧した窒素などの不活性ガスを注入で
きるようにしてもよい。

【００８７】このように構成すると、燃料ガスの供給／
排出に供される孔１２６，１２７、酸化剤ガスの供給／
排出に供される孔１２８，１２９および冷却水の供給／
排出に供される孔１３０，１３１の回りに設けられたシ
ール用無端リップ１３２〜１３７の外側となる部分を加
圧することができるので、これらシール用無端リップ１
３２〜１３７の内外面の圧力差を低減でき、加圧した供
給ガスおよび冷却水が互いに混じり合うのをより確実に
防ぐことができる。

【００８８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
簡単な構成であるにも拘らず、電池性能の向上に寄与で
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例に係る固体高分子型燃料
電池の分解斜視図

【図２】同電池に組込まれた両面型セパレータユニット
の縦断面図

【図３】同電池に組込まれた片面型セパレータユニット
の縦断面図

【図４】同電池に組込まれた両面型セパレータユニット
の分解斜視図

【図５】同セパレータユニットに組込まれる集電体およ
びマニホールド要素の変形例を示す斜視図

【図６】セパレータユニットの変形例を示す分解斜視図

【図７】本発明の第２の実施例に係る固体高分子型燃料
電池における単セルの縦断面図

【図８】同単セルにおける加湿特性を従来の単セルの特
性と比較して示す図

【図９】同単セルを組込んだ積層電池の特性を従来の積
層電池の特性と比較して示す図

【図１０】同単セルを組込んだ積層電池の特性を従来の
積層電池の特性と比較して示す図

【図１１】加湿水透過板の空孔率と加湿特性との関係を
示す図

【図１２】加湿水透過板の変形例を説明するための縦断
面図

【図１３】同加湿水透過板に設けられた微細孔の直径と
加湿量との関係を示す図

【図１４】同加湿水透過板を組込んだ積層電池例を説明
するための図

【図１５】本発明の第３の実施例に係る固体高分子型燃
料電池における単セルの分解縦断面図

【図１６】同単セルに組込まれたパッキングの平面図

【図１７】同単セルを図１５の紙面とは直交する線に沿
って切断して示す分解縦断面図

【図１８】パッキングの変形例を説明するための平面図

【図１９】代表的な従来の固体高分子型燃料電池の分解
斜視図

【符号の説明】

２１…単セル ２２ａ，２２ｂ…セパレータ板 ２３，１０９，１０９ａ…加湿水透過板 ２４，１００，１２０…高分子電解質膜 ２５，１０１，１２１…ガス拡散機能を備えた燃料極 ２６，１０２，１２２…ガス拡散機能を備えた酸化剤極 ２７，２８，１０３，１０４，１２３，１２４…パッキ
ング ２９…両面型セパレータユニット ３０…片面型セパレータユニット ３１，３２，６１…集電体外枠 ３３，３４，６２，８０，８３…集電体 ３５，３６，３７，３８，６３，６４，８１，８２…マ
ニホールド要素 ３９，４０，６５，８７…開口 ４３，４４，６７，８６…マニホールドカバー ４５，４６，４７，４８…案内溝 ７０…燃料電池積層体 ５０〜５５，８８〜９１，１２６〜１３１…内部マニホ
ールドを構成する孔 １２５，１３２〜１３７，１４２…シール用無端リップ １４４…不活性ガス同入用の孔

フロントページの続き (72)発明者 村田 謙二 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株式会社東芝研究開発センター内 (56)参考文献 特開 平６−290795（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−151972（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−68884（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−42869（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−30172（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−224075（ＪＰ，Ａ) 実開 平５−66875（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01M 8/00 - 8/24

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】高分子電解質膜と、この高分子電解質膜の
   一方の面に接触して設けられた多孔質の燃料極と、前記
   高分子電解質膜の他方の面に接触して設けられた多孔質
   の酸化剤極と、導電性の多孔質体で形成されて前記燃料
   極に接触して設けられるとともに上記燃料極との接触面
   に燃料ガスを通流させるための複数の案内溝を有した燃
   料極側集電体と、導電性部材で形成されて前記酸化剤に
   接触して設けられるとともに上記酸化剤極との接触面に
   酸化剤ガスを通流させるための複数の案内溝を有した酸
   化剤極側集電体と、前記燃料極側集電体および前記酸化
   剤極側集電体の前記各案内溝に反応性ガスを分配供給す
   るための内部マニホールド機構とを備えた単位セルを複
   数積層するとともに、各単位セル毎に冷却板を挿入し、
   この冷却板内を通流する冷却水の一部を多孔質体で形成
   された加湿水透過体，前記燃料極側集電体および前記燃
   料極を介して前記高分子電解質膜に供給するようにした
   固体高分子型燃料電池において、 前記燃料極側集電体が親水性の導電性多孔質体で形成さ
   れ、前記加湿水透過体が撥水性の導電性多孔質体で形成
   されていることを特徴とする固体高分子型燃料電池。
2. 【請求項２】前記加湿水透過体は、親水性で導電性多孔
   質体に撥水性の樹脂を含浸したもので形成されているこ
   とを特徴とする請求項１に記載の固体高分子型燃料電
   池。
3. 【請求項３】前記加湿水透過体は、直径１ｍｍ以下の微
   細孔が複数設けられた導電性の緻密な薄板に、撥水処理
   を施したもので形成されていることを特徴とする請求項
   １に記載の固体高分子型燃料電池。
4. 【請求項４】高分子電解質膜の両側に、この高分子電解
   質膜よりも面積が小さい燃料極および酸化剤極からなる
   ガス拡散電極を配置するとともに上記ガス拡散電極の外
   周部分にパッキングを設け、このパッキングでガスシー
   ルを行わせるようにした固体高分子型燃料電池におい
   て、 前記パッキングは、前記ガス拡散電極より薄い弾力性を
   有したシートで形成されるとともに上記ガス拡散電極を
   越える高さの凸型のシール用リップが一体に設けられて
   いることを特徴とする固体高分子型燃料電池。
5. 【請求項５】前記パッキングには、燃料ガス，酸化剤ガ
   ス，冷却水の供給および排出に供される孔が設けられて
   おり、これらの孔の周囲にも凸型のシール用リップが設
   けられていることを特徴とする請求項４に記載の固体高
   分子型燃料電池。
6. 【請求項６】前記パッキングには、該パッキングの内縁
   部および外縁部に、各縁部に沿ってそれぞれ一周する凸
   型の内側シール用リップおよび外側シール用リップが設
   けてあり、電池組立後に上記内側および外側シール用リ
   ップ間に形成された空間に不活性ガスを注入可能に形成
   されていることを特徴とする請求項４または５に記載の
   固体高分子型燃料電池。