JP3022528B1 - 固体高分子型燃料電池 - Google Patents
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Abstract
【要約】
【課題】 リブ付プレートに、カーボンと樹脂との混合
物を圧縮成形して得られる成形品を用いたとしても、固
体高分子膜全体を湿潤状態に維持することが可能な固体
高分子型燃料電池を提供すること。 【解決手段】 加湿剤である水が流通されるチャネル４
００を形成するリブ付プレート４０の燃料極２３に面す
る側に保水層４０２を形成する。保水層４０２は、溶剤
で溶かされた樹脂混合カーボンをスプレー塗布した後、
所定の温度下で乾燥されて形成される。また、この保水
層の保水力は、電極作用面積当たり 0.002g/cm2以上 0.
035 g/cm2以下 、好ましくは 0.01 g/cm2以上 0.03 g/c
m2以下である。
物を圧縮成形して得られる成形品を用いたとしても、固
体高分子膜全体を湿潤状態に維持することが可能な固体
高分子型燃料電池を提供すること。 【解決手段】 加湿剤である水が流通されるチャネル４
００を形成するリブ付プレート４０の燃料極２３に面す
る側に保水層４０２を形成する。保水層４０２は、溶剤
で溶かされた樹脂混合カーボンをスプレー塗布した後、
所定の温度下で乾燥されて形成される。また、この保水
層の保水力は、電極作用面積当たり 0.002g/cm2以上 0.
035 g/cm2以下 、好ましくは 0.01 g/cm2以上 0.03 g/c
m2以下である。
Description
【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
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。
電池に関し、特に、燃料ガス及び酸化剤の両方又は一方
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
積層されて構成されている。
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。
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。
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】ところで、固体高分子膜は、部分的にでも
乾燥するとイオン透過性が低下し、内部抵抗が大きくな
り、発電効率が低下してしまう。したがって、発電能力
を十分に発揮させるためには、固体高分子膜全体、即
ち、固体高分子膜の流路と対峙している部分のみなら
ず、リブ付プレートのリブ端面と対峙している部分にも
十分加湿させる必要がある。
乾燥するとイオン透過性が低下し、内部抵抗が大きくな
り、発電効率が低下してしまう。したがって、発電能力
を十分に発揮させるためには、固体高分子膜全体、即
ち、固体高分子膜の流路と対峙している部分のみなら
ず、リブ付プレートのリブ端面と対峙している部分にも
十分加湿させる必要がある。
【０００６】そこで、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、上記リブ端
面と対峙している部分にも十分に水分が浸透し、固体高
分子膜全体が湿潤状態に維持されることとなる。
ボン多孔体が用いられており、多孔体ゆえ、上記リブ端
面と対峙している部分にも十分に水分が浸透し、固体高
分子膜全体が湿潤状態に維持されることとなる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】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。
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。
【０００８】そこで、リブ付プレートを、カーボンと樹
脂との混合剤から金型を用いて成形して制作することに
より、その量産性を向上させることが検討されている。
ところが、こうした成形品は、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り、やはり、
固体高分子膜のリブ端面と対峙している箇所が十分に加
湿されなくなってしまう。
脂との混合剤から金型を用いて成形して制作することに
より、その量産性を向上させることが検討されている。
ところが、こうした成形品は、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り、やはり、
固体高分子膜のリブ端面と対峙している箇所が十分に加
湿されなくなってしまう。
【０００９】本発明は、上記した課題に鑑み、リブ付プ
レートに緻密な材料を用いたとしても、固体高分子膜全
体を湿潤状態に維持することが可能な固体高分子型燃料
電池を提供することを主目的とする。
レートに緻密な材料を用いたとしても、固体高分子膜全
体を湿潤状態に維持することが可能な固体高分子型燃料
電池を提供することを主目的とする。
【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を、一対のリブ付プレートで、
当該リブを内側に向け押圧挟持してなるセルユニットを
有し、前記リブと電極とで流路が形成され、一方又は両
方のリブ付プレート側の流路に前記電解質膜の加湿剤が
流通される固体高分子型燃料電池であって、加湿剤が流
通されるリブ付プレートの電極と対向する表面の、少な
くとも電極を押圧するリブ端面には、電極作用面積当た
り 0.002g/cm2以上 0.035 g/cm2以下 の保水力を有する
保水層が形成されていることを特徴とする。
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を、一対のリブ付プレートで、
当該リブを内側に向け押圧挟持してなるセルユニットを
有し、前記リブと電極とで流路が形成され、一方又は両
方のリブ付プレート側の流路に前記電解質膜の加湿剤が
流通される固体高分子型燃料電池であって、加湿剤が流
通されるリブ付プレートの電極と対向する表面の、少な
くとも電極を押圧するリブ端面には、電極作用面積当た
り 0.002g/cm2以上 0.035 g/cm2以下 の保水力を有する
保水層が形成されていることを特徴とする。
【００１１】また、前記保水層に代えて、電極作用面積
当たり 0.01 g/cm2以上 0.03 g/cm2以下の保水力を有す
る保水層を形成したことを特徴とする。さらに、前記保
水層は、樹脂混合カーボンからなる多孔質層であり、当
該樹脂混合カーボンにおける、カーボンに対する樹脂の
重量比が 5 %以上 40 %以下であることを特徴とする。
当たり 0.01 g/cm2以上 0.03 g/cm2以下の保水力を有す
る保水層を形成したことを特徴とする。さらに、前記保
水層は、樹脂混合カーボンからなる多孔質層であり、当
該樹脂混合カーボンにおける、カーボンに対する樹脂の
重量比が 5 %以上 40 %以下であることを特徴とする。
【００１２】また、前記保水層は、樹脂混合カーボンか
らなる多孔質層であり、前記樹脂混合カーボンにおけ
る、カーボンに対する樹脂の重量比が 10 %以上 20 %以
下であることを特徴とする。また、前記加湿剤が流通さ
れるリブ付プレートは、カーボンと樹脂との混合物から
なる未焼成成形体又は金属で形成されていることを特徴
とする。
らなる多孔質層であり、前記樹脂混合カーボンにおけ
る、カーボンに対する樹脂の重量比が 10 %以上 20 %以
下であることを特徴とする。また、前記加湿剤が流通さ
れるリブ付プレートは、カーボンと樹脂との混合物から
なる未焼成成形体又は金属で形成されていることを特徴
とする。
【００１３】また、前記加湿剤が流通されるリブ付きプ
レートは、カーボンと樹脂との混合物からなる未焼成成
形体で形成され、カーボンに対する樹脂の重量比が 10
%以上 20 %以下であることを特徴とする。また、前記加
湿剤が流通されるリブ付プレートを構成するカーボン
は、黒鉛、膨張黒鉛若しくはカーボンブラック又はこれ
らから選択される２種以上の混合物であることを特徴と
する。
レートは、カーボンと樹脂との混合物からなる未焼成成
形体で形成され、カーボンに対する樹脂の重量比が 10
%以上 20 %以下であることを特徴とする。また、前記加
湿剤が流通されるリブ付プレートを構成するカーボン
は、黒鉛、膨張黒鉛若しくはカーボンブラック又はこれ
らから選択される２種以上の混合物であることを特徴と
する。
【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。なお、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。
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。なお、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。
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，メタノールなどの水素を主成
分とするものを改質してな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。
ガス，プロパン，ブタン，メタノールなどの水素を主成
分とするものを改質してな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。
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。
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。
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。
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
なフェー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、黒鉛、膨張黒鉛（例えば、日立化成製
のＣＡＲＢＯＦＩＴ）、カーボンブラックのいずれを用
いてもよい。あるいは、これら３種のカーボン全てを混
合して用いてもよく、また、これらから任意に選択され
る２種を混合して用いてもよい。
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
なフェー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、黒鉛、膨張黒鉛（例えば、日立化成製
のＣＡＲＢＯＦＩＴ）、カーボンブラックのいずれを用
いてもよい。あるいは、これら３種のカーボン全てを混
合して用いてもよく、また、これらから任意に選択され
る２種を混合して用いてもよい。
【００２２】カーボンに対する樹脂の重量比は、５％以
上４０％以下が望ましく、好ましくは、１０％以上２０
％以下である。樹脂が５％以下になると、成形の際に、
欠けや巣が発生しやすく、一方、樹脂が４０％以上にな
ると、電気伝導性が低下し、電池性能が低下してまうか
らである。さらに、上記した製造上及び当該燃料電池使
用上の問題点を現実的に考慮すると、実際には、１０％
以上２０％以下での製作が最適であるからである。な
お、本例では、カーボンブラックを用い、樹脂との混合
比率は、カーボンブラック：８５wt％／フェノール樹脂
１５wt％（カーボンに対する樹脂の重量比＝１７．６
％）とした。
上４０％以下が望ましく、好ましくは、１０％以上２０
％以下である。樹脂が５％以下になると、成形の際に、
欠けや巣が発生しやすく、一方、樹脂が４０％以上にな
ると、電気伝導性が低下し、電池性能が低下してまうか
らである。さらに、上記した製造上及び当該燃料電池使
用上の問題点を現実的に考慮すると、実際には、１０％
以上２０％以下での製作が最適であるからである。な
お、本例では、カーボンブラックを用い、樹脂との混合
比率は、カーボンブラック：８５wt％／フェノール樹脂
１５wt％（カーボンに対する樹脂の重量比＝１７．６
％）とした。
【００２３】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４０１が形成され
ている側の面には、図２に示すように、保水層４０２が
形成されている。なお、本図は、リブ付プレート４０を
リブの長手方向と直交する方向に切断した断面図であ
る。また、本図では、保水層４０２の厚みを少し誇張し
て描いているが、リブ付プレート４０の厚みＴが数ｍｍ
であるのに対し、後述するように保水層４０２の厚みｔ
は数μｍ〜数百μｍの程度である。
を形成するリブ付プレート４０のリブ４０１が形成され
ている側の面には、図２に示すように、保水層４０２が
形成されている。なお、本図は、リブ付プレート４０を
リブの長手方向と直交する方向に切断した断面図であ
る。また、本図では、保水層４０２の厚みを少し誇張し
て描いているが、リブ付プレート４０の厚みＴが数ｍｍ
であるのに対し、後述するように保水層４０２の厚みｔ
は数μｍ〜数百μｍの程度である。
【００２４】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、カーボンの多孔質性が失
われ、緻密に仕上がってしまう。したがって、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４０２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。
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、カーボンの多孔質性が失
われ、緻密に仕上がってしまう。したがって、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４０２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。
【００２５】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４０２は、
樹脂とカーボンの混合物（以下、「樹脂混合カーボン」
という。）で形成されており、この樹脂混合カーボンを
アルコール等の溶剤で溶かしたものをリブ付プレート４
０の表面にスプレー塗布し、その後、乾燥処理によっ
て、固着させている。乾燥は、２００℃の下１時間程度
かけて行う。このように、保水層４０２は、樹脂混合カ
ーボンをただ乾燥させるだけで（圧力をかけないで）固
化させて形成されたものであるため、カーボンの多孔質
性が失われず、当該保水層４０２は、多孔質層となり、
吸水性を呈するようになる。
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４０２は、
樹脂とカーボンの混合物（以下、「樹脂混合カーボン」
という。）で形成されており、この樹脂混合カーボンを
アルコール等の溶剤で溶かしたものをリブ付プレート４
０の表面にスプレー塗布し、その後、乾燥処理によっ
て、固着させている。乾燥は、２００℃の下１時間程度
かけて行う。このように、保水層４０２は、樹脂混合カ
ーボンをただ乾燥させるだけで（圧力をかけないで）固
化させて形成されたものであるため、カーボンの多孔質
性が失われず、当該保水層４０２は、多孔質層となり、
吸水性を呈するようになる。
【００２６】樹脂混合カーボンにおける、カーボンに対
する樹脂の重量比やカーボンの種類は、同様の理由から
上記したリブ付きプレート４０，３１０の場合と同じ範
囲で設定されるが、当該重量比やカーボン種の組合わせ
を、リブ付プレート４０に用いるものと同じか、近いも
のとしておくことで、保水層４０２がリブ付プレート４
０と馴染み易くなり、その固着力を大きくすることがで
きる。なお、本例では上記したリブ付プレートと同様、
カーボンブラック：８５wt％／フェノール樹脂１５wt％
（カーボンに対する樹脂の重量比＝１７．６％）とし
た。
する樹脂の重量比やカーボンの種類は、同様の理由から
上記したリブ付きプレート４０，３１０の場合と同じ範
囲で設定されるが、当該重量比やカーボン種の組合わせ
を、リブ付プレート４０に用いるものと同じか、近いも
のとしておくことで、保水層４０２がリブ付プレート４
０と馴染み易くなり、その固着力を大きくすることがで
きる。なお、本例では上記したリブ付プレートと同様、
カーボンブラック：８５wt％／フェノール樹脂１５wt％
（カーボンに対する樹脂の重量比＝１７．６％）とし
た。
【００２７】燃料電池１は、図３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６５枚）、当該積層体の両端が一対の端板７
１，７２で挟持されて構成されている。この状態で、各
セルユニット１００のマニホールド孔１１１，１１２，
１１３，１１４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。
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６５枚）、当該積層体の両端が一対の端板７
１，７２で挟持されて構成されている。この状態で、各
セルユニット１００のマニホールド孔１１１，１１２，
１１３，１１４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。
【００２８】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。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。
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。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。
【００２９】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４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４（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４０１の４０１ａ部分の断面が現れるよう
に、当該リブ４０１の長手方向に切断した模式的な断面
図であり、図４（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。
ユニット１００に分配され、図４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４（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４０１の４０１ａ部分の断面が現れるよう
に、当該リブ４０１の長手方向に切断した模式的な断面
図であり、図４（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。
【００３０】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。
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。
【００３１】図３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。
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。
【００３２】図５（ａ）は、図４（ｂ）におけるＢ部の
拡大図である。燃料極２３表面が撥水性を呈するため、
加湿水は、流路底面４００ａ側に偏って流れ、当該流れ
ている加湿水から発生した水蒸気及びリブ側面４０１ｂ
又は流路底面４００ａの保水層で保持されている加湿水
から発生した水蒸気が、チャネル４００に対峙する燃料
極２３部分を通過して固体高分子膜２１を湿潤させる。
さらに、リブ付プレート４０の表面には、保水層４０２
が設けられているので、加湿水は、当該保水層４０２に
浸透し、リブ４０１の端面４０１ａ部にも行き渡り、当
該端面４０１ａ部の保水層４０２から発生する水蒸気も
燃料極２３を通過して、固体高分子膜２１を湿潤させ
る。即ち、固体高分子膜２１は、チャネル４００に面し
ている部分のみならず、リブ４０１…端面に面している
部分も加湿されることとなる結果、その全体に渡って湿
潤されることとなる。
拡大図である。燃料極２３表面が撥水性を呈するため、
加湿水は、流路底面４００ａ側に偏って流れ、当該流れ
ている加湿水から発生した水蒸気及びリブ側面４０１ｂ
又は流路底面４００ａの保水層で保持されている加湿水
から発生した水蒸気が、チャネル４００に対峙する燃料
極２３部分を通過して固体高分子膜２１を湿潤させる。
さらに、リブ付プレート４０の表面には、保水層４０２
が設けられているので、加湿水は、当該保水層４０２に
浸透し、リブ４０１の端面４０１ａ部にも行き渡り、当
該端面４０１ａ部の保水層４０２から発生する水蒸気も
燃料極２３を通過して、固体高分子膜２１を湿潤させ
る。即ち、固体高分子膜２１は、チャネル４００に面し
ている部分のみならず、リブ４０１…端面に面している
部分も加湿されることとなる結果、その全体に渡って湿
潤されることとなる。
【００３３】なお、本例では、リブ付プレート４０のリ
ブ４０１…が設けられている側全面に保水層を設けるこ
ととしたが、リブ付プレート４０の表面に保水層を設け
る形態はこれに限らず、リブ端面４０１ａ…のみ、リブ
端面４０１ａ…とリブ側面４０１ｂ…のみ、又はリブ端
面４０１ａと流路底面４００ａのみに設けるようにして
もよい。即ち、少なくとも、リブ端面４０１ａに保水層
が設けられていれば、上記所定の効果が得られるのであ
るが、保水層を設ける箇所をリブ端面４０１ａのみなら
ず、リブ側面４０１ｂ、さらには、本例のようにチャネ
ルの底面４００ａと広げることで、図５（ｂ）に示すよ
うに、保水層の吸水面積が増加し、リブ端面４０１ａ部
の保水層への給水量が増加することとなる。
ブ４０１…が設けられている側全面に保水層を設けるこ
ととしたが、リブ付プレート４０の表面に保水層を設け
る形態はこれに限らず、リブ端面４０１ａ…のみ、リブ
端面４０１ａ…とリブ側面４０１ｂ…のみ、又はリブ端
面４０１ａと流路底面４００ａのみに設けるようにして
もよい。即ち、少なくとも、リブ端面４０１ａに保水層
が設けられていれば、上記所定の効果が得られるのであ
るが、保水層を設ける箇所をリブ端面４０１ａのみなら
ず、リブ側面４０１ｂ、さらには、本例のようにチャネ
ルの底面４００ａと広げることで、図５（ｂ）に示すよ
うに、保水層の吸水面積が増加し、リブ端面４０１ａ部
の保水層への給水量が増加することとなる。
【００３４】ここで、本願発明者は、上記保水層におけ
る保水量、即ち、保水層の保水力は、小さすぎることは
もちろん大きすぎても不都合が生じることを見出し、そ
の適正な範囲を、以下に記す実験１により明らかにし
た。なお、保水力は、保水層が保持可能な水量を電極作
用面積当たり（ここでは、燃料極の作用面積当たり）に
換算した量で表わし、その単位は〔ｇ／ｃｍ2〕とし、
以下のような手順で測定した。
る保水量、即ち、保水層の保水力は、小さすぎることは
もちろん大きすぎても不都合が生じることを見出し、そ
の適正な範囲を、以下に記す実験１により明らかにし
た。なお、保水力は、保水層が保持可能な水量を電極作
用面積当たり（ここでは、燃料極の作用面積当たり）に
換算した量で表わし、その単位は〔ｇ／ｃｍ2〕とし、
以下のような手順で測定した。
【００３５】 先ず、保水層が設けられた燃料極側リ
ブ付プレートを、８０℃のイオン交換水に約１時間浸漬
させる。 上記１時間浸漬させたリブ付プレートの表面を、不
織布（株式会社クレシア社製、商品名「キムタオル」）
で軽く拭き取り、拭き取り後のリブ付プレートの重量を
測定する。
ブ付プレートを、８０℃のイオン交換水に約１時間浸漬
させる。 上記１時間浸漬させたリブ付プレートの表面を、不
織布（株式会社クレシア社製、商品名「キムタオル」）
で軽く拭き取り、拭き取り後のリブ付プレートの重量を
測定する。
【００３６】 次に、リブ付プレートを、８０℃の恒
温槽で約１時間乾燥させた後、その重量を測定する。 上記，で測定した重量の差を電極作用面積（本
例では、１００ｃｍ2で除して、保水力〔ｇ／ｃｍ2〕を
得る。実験１は、保水層の厚みを変化させることにより
保水力を変化させ、以下の作動条件（１）の下で、保水
力−セル電圧特性を測定した。なお、実験１では、図３
に示す水素ガスボンベ２に代えて改質装置を用い、燃料
ガスとして水素リッチな改質ガスを供給することとし
た。 （１）電流密度 ：０．４Ａ／ｃｍ2 燃料ガス ：８０％Ｈ2／２０％ＣＯ2 水素利用率 ：７０％ 酸化剤利用率 ：２０％ 電池温度（中央）：８０℃ 図６は、この測定結果を示す特性図である。この特性図
から、保水力が0.002〜0.035〔ｇ／ｃｍ2〕の範囲外と
なると、セル電圧は燃料電池として通常要求される電圧
値0.6〔Ｖ〕より低下してしまうことが分かる。これ
は、保水力が0.002未満になると、リブ端面と電極との
接触部分への水の浸透が困難となり、固体高分子膜が全
体に渡って湿潤されなくなり、一方、保水力が0.035を
越えると、電極界面の濡れやチャネル内の水詰まりが発
生しやすくなり、ガス拡散性が低下し、局所的なガス欠
状態になるためと考えられる。また、本特性図より、保
水力が0.01〜0.03〔ｇ／ｃｍ2〕の範囲で、セル電圧が
約0.7〔Ｖ〕と安定することが分かる。以上の結果か
ら、保水層の保水力は、0.002 g/cm2以上 0.035 g/cm2
以下が好ましく、さらに好ましくは、0.01 g/cm2以上
0.03 g/cm2以下である。なお、本実験において、保水力
0.002 g/cm2〜0.035 g/cm2に対応する保水層の厚みは10
μｍ〜100μｍであり、保水力0.01 g/cm2〜0.03 g/cm2
に対応する保水層の厚みは５μｍ〜200μｍであった。
温槽で約１時間乾燥させた後、その重量を測定する。 上記，で測定した重量の差を電極作用面積（本
例では、１００ｃｍ2で除して、保水力〔ｇ／ｃｍ2〕を
得る。実験１は、保水層の厚みを変化させることにより
保水力を変化させ、以下の作動条件（１）の下で、保水
力−セル電圧特性を測定した。なお、実験１では、図３
に示す水素ガスボンベ２に代えて改質装置を用い、燃料
ガスとして水素リッチな改質ガスを供給することとし
た。 （１）電流密度 ：０．４Ａ／ｃｍ2 燃料ガス ：８０％Ｈ2／２０％ＣＯ2 水素利用率 ：７０％ 酸化剤利用率 ：２０％ 電池温度（中央）：８０℃ 図６は、この測定結果を示す特性図である。この特性図
から、保水力が0.002〜0.035〔ｇ／ｃｍ2〕の範囲外と
なると、セル電圧は燃料電池として通常要求される電圧
値0.6〔Ｖ〕より低下してしまうことが分かる。これ
は、保水力が0.002未満になると、リブ端面と電極との
接触部分への水の浸透が困難となり、固体高分子膜が全
体に渡って湿潤されなくなり、一方、保水力が0.035を
越えると、電極界面の濡れやチャネル内の水詰まりが発
生しやすくなり、ガス拡散性が低下し、局所的なガス欠
状態になるためと考えられる。また、本特性図より、保
水力が0.01〜0.03〔ｇ／ｃｍ2〕の範囲で、セル電圧が
約0.7〔Ｖ〕と安定することが分かる。以上の結果か
ら、保水層の保水力は、0.002 g/cm2以上 0.035 g/cm2
以下が好ましく、さらに好ましくは、0.01 g/cm2以上
0.03 g/cm2以下である。なお、本実験において、保水力
0.002 g/cm2〜0.035 g/cm2に対応する保水層の厚みは10
μｍ〜100μｍであり、保水力0.01 g/cm2〜0.03 g/cm2
に対応する保水層の厚みは５μｍ〜200μｍであった。
【００３７】なお、保水層の保水力は、上記のように保
水層の厚みを変える方法以外に、カーボンの種類を変更
したり、造孔剤の種類やその添加率を変更したり、ある
いは、リブ付プレート表面に保水層を設ける形態によっ
ても調整することができる。個々のデータは示さない
が、これらの調整方法によっても、ほぼ同様の結果が得
られている。
水層の厚みを変える方法以外に、カーボンの種類を変更
したり、造孔剤の種類やその添加率を変更したり、ある
いは、リブ付プレート表面に保水層を設ける形態によっ
ても調整することができる。個々のデータは示さない
が、これらの調整方法によっても、ほぼ同様の結果が得
られている。
【００３８】また、上記実施の形態に係る燃料電池１の
比較例として、保水層を有しない燃料電池（以下、「比
較電池」という。）を作製した。燃料電池１と比較電池
の仕様を表１に示す。
比較例として、保水層を有しない燃料電池（以下、「比
較電池」という。）を作製した。燃料電池１と比較電池
の仕様を表１に示す。
【００３９】
【表１】
【００４０】即ち、燃料電池１と比較電池との違いは、
保水層の有無だけである。先ず、燃料電池１及び比較電
池について、電流密度−セル電圧特性の測定を行う実験
２を実施した。作動条件（２）は、以下の通りである。 （２）燃料ガス ：Ｈ2 酸化剤 ：空気 水素利用率 ：７０％ 酸化剤利用率 ：２０％ 電池温度（中央）：約７０℃ 図７は、実験２の結果である電流密度−セル電圧特性を
示す図である。この特性図から、燃料電池１、比較電池
のいずれも、電流密度が大きくなるにつれて、セル電圧
が低下しているが、燃料電池１の方がセル電圧の低下す
る割合が少ないことがわかる。これは、比較電池では、
保質層が設けられていないことから、固体高分子全体の
湿潤性が悪く、そのためイオン透過性が低下し、内部抵
抗がその分大きくなっているためであると考えられる。
保水層の有無だけである。先ず、燃料電池１及び比較電
池について、電流密度−セル電圧特性の測定を行う実験
２を実施した。作動条件（２）は、以下の通りである。 （２）燃料ガス ：Ｈ2 酸化剤 ：空気 水素利用率 ：７０％ 酸化剤利用率 ：２０％ 電池温度（中央）：約７０℃ 図７は、実験２の結果である電流密度−セル電圧特性を
示す図である。この特性図から、燃料電池１、比較電池
のいずれも、電流密度が大きくなるにつれて、セル電圧
が低下しているが、燃料電池１の方がセル電圧の低下す
る割合が少ないことがわかる。これは、比較電池では、
保質層が設けられていないことから、固体高分子全体の
湿潤性が悪く、そのためイオン透過性が低下し、内部抵
抗がその分大きくなっているためであると考えられる。
【００４１】次に、燃料電池１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３を実施した。
作動条件（３）は、以下の通りである。 （３）電流密度：０．４Ａ／ｃｍ2 燃料ガス ：Ｈ2 水素利用率 ：７０％ 酸化剤利用率 ：２０％ 電池温度（中央）：約７０℃ 図８は、実験３の結果であるセル電圧の経時変化を示す
特性図である。この特性図から、燃料電池１のセル電圧
はほとんど経時的変化がないのに対し、比較電池は、経
時的にセル電圧が低下する傾向にあることがわかる。こ
れは、以下の理由によるものと考えられる。即ち、比較
電池の水の流路（燃料電池１のチャネル４００に相当
（図５（ａ）参照））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
散性が低下する。そして、一度水詰まりが発生するとな
かなか解消されず、時間の経過と共に、この水詰まり箇
所が増加し、局所的なガス欠状態箇所が徐々に増加して
いくためであると考えられる。一方、燃料電池１の水の
流路表面は保水層で覆われているため、上記したように
水が玉状になることがないため、水詰まりが発生しにく
いためであると考えられる。
均セル電圧の経時変化の測定を行う実験３を実施した。
作動条件（３）は、以下の通りである。 （３）電流密度：０．４Ａ／ｃｍ2 燃料ガス ：Ｈ2 水素利用率 ：７０％ 酸化剤利用率 ：２０％ 電池温度（中央）：約７０℃ 図８は、実験３の結果であるセル電圧の経時変化を示す
特性図である。この特性図から、燃料電池１のセル電圧
はほとんど経時的変化がないのに対し、比較電池は、経
時的にセル電圧が低下する傾向にあることがわかる。こ
れは、以下の理由によるものと考えられる。即ち、比較
電池の水の流路（燃料電池１のチャネル４００に相当
（図５（ａ）参照））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
散性が低下する。そして、一度水詰まりが発生するとな
かなか解消されず、時間の経過と共に、この水詰まり箇
所が増加し、局所的なガス欠状態箇所が徐々に増加して
いくためであると考えられる。一方、燃料電池１の水の
流路表面は保水層で覆われているため、上記したように
水が玉状になることがないため、水詰まりが発生しにく
いためであると考えられる。
【００４２】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加湿
剤として水を送り込んだが、燃料ガスを加湿器で加湿し
てから送り込むようにしてもよい。 （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。ただ
し、加湿剤を送り込む側のチャネルを形成するリブ付プ
レートには、上述したのと同様に、保水層を形成するこ
ととする。
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加湿
剤として水を送り込んだが、燃料ガスを加湿器で加湿し
てから送り込むようにしてもよい。 （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。ただ
し、加湿剤を送り込む側のチャネルを形成するリブ付プ
レートには、上述したのと同様に、保水層を形成するこ
ととする。
【００４３】さらに、加湿剤を送り込む側のチャネルを
形成するリブ付プレートのみならず、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も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保水層を形成する範囲やその保水
力等、当該保水層に要求される条件は、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
水層に要求される条件と同じである。 （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。 （５）上記実施の形態では、保水層の形成に際し、樹脂
混合カーボンをアルコール等の溶剤で溶かしたものをス
プレーでリブ付プレート表面に塗布したが、これに限ら
ず、刷毛やヘラ又はスクリーン印刷により塗布するよう
にしてもよい。 （６）上記実施の形態では、保水層を樹脂混合カーボン
で形成したが、多孔質性をより一層増加させるため、さ
らに、造孔剤を用いるようにしてもよい。造孔剤を用い
る例を二つ、以下に記す。
形成するリブ付プレートのみならず、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も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保水層を形成する範囲やその保水
力等、当該保水層に要求される条件は、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
水層に要求される条件と同じである。 （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。 （５）上記実施の形態では、保水層の形成に際し、樹脂
混合カーボンをアルコール等の溶剤で溶かしたものをス
プレーでリブ付プレート表面に塗布したが、これに限ら
ず、刷毛やヘラ又はスクリーン印刷により塗布するよう
にしてもよい。 （６）上記実施の形態では、保水層を樹脂混合カーボン
で形成したが、多孔質性をより一層増加させるため、さ
らに、造孔剤を用いるようにしてもよい。造孔剤を用い
る例を二つ、以下に記す。
【００４４】 樹脂混合カーボンをアルコール等の溶
剤で溶かしたものの中に、造孔剤として、亜鉛、鉛、
鉄、銅若しくはニッケル等の遷移金属又は炭酸カルシウ
ム等を粉末状にしたものを混合する。そして、この混合
したものをリブ付プレートの表面に塗布し、一旦乾燥さ
せる。その後、当該リブ付プレートを塩酸、硝酸又は硫
酸等に浸漬し、前記造孔剤を溶解させ、再び乾燥させ
る。このようにすることで、溶解された造孔剤が存在し
ていた箇所が空洞になり、保水層の多孔質性が増加す
る。
剤で溶かしたものの中に、造孔剤として、亜鉛、鉛、
鉄、銅若しくはニッケル等の遷移金属又は炭酸カルシウ
ム等を粉末状にしたものを混合する。そして、この混合
したものをリブ付プレートの表面に塗布し、一旦乾燥さ
せる。その後、当該リブ付プレートを塩酸、硝酸又は硫
酸等に浸漬し、前記造孔剤を溶解させ、再び乾燥させ
る。このようにすることで、溶解された造孔剤が存在し
ていた箇所が空洞になり、保水層の多孔質性が増加す
る。
【００４５】 樹脂混合カーボンをアルコール等の溶
剤で溶かしたものの中に、造孔剤としての炭酸水素アン
モニウムの粉末と共にケロシンを混合させ、これをろ過
することにより、ペースト状にさせる。このペースト状
になったものを、リブ付プレートの表面に塗布し、低温
で予備乾燥させた後、２００℃の下で本乾燥させる。こ
のようにすることで、炭酸水素アンモニウムが揮発し、
当該炭酸水素アンモニウムが存在していた箇所が空洞に
なり、保水層の多孔質性が増加する。なお、２００℃で
本乾燥させるのは、アルコールを完全に揮発させ、保水
層からできる限り除去するためであるが、炭酸水素アン
モニウムを揮発させるだけであれば、８０℃程度の下で
乾燥させれば足りる。
剤で溶かしたものの中に、造孔剤としての炭酸水素アン
モニウムの粉末と共にケロシンを混合させ、これをろ過
することにより、ペースト状にさせる。このペースト状
になったものを、リブ付プレートの表面に塗布し、低温
で予備乾燥させた後、２００℃の下で本乾燥させる。こ
のようにすることで、炭酸水素アンモニウムが揮発し、
当該炭酸水素アンモニウムが存在していた箇所が空洞に
なり、保水層の多孔質性が増加する。なお、２００℃で
本乾燥させるのは、アルコールを完全に揮発させ、保水
層からできる限り除去するためであるが、炭酸水素アン
モニウムを揮発させるだけであれば、８０℃程度の下で
乾燥させれば足りる。
【００４６】
【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る固体
高分子型燃料電池によれば、加湿剤が流通されるリブ付
プレートの、少なくとも電極を押圧するリブ端面に保水
層が形成され、当該保水層は、電極作用面積当たり 0.0
02 g/cm2以上 0.035 g/cm2以下の保水力を有するので、
たとえリブ付プレートを緻密な材料で形成したとして
も、加湿剤が当該保水層を介してリブ端面部まで行き渡
り、電解質膜全体が湿潤されることとなり、安定したセ
ル電圧を得ることができる。言い換えると、本発明によ
れば、圧縮成形によりリブ付プレートを作製することが
可能となるので、量産性が高くなり、コストダウンを図
ることができる。
高分子型燃料電池によれば、加湿剤が流通されるリブ付
プレートの、少なくとも電極を押圧するリブ端面に保水
層が形成され、当該保水層は、電極作用面積当たり 0.0
02 g/cm2以上 0.035 g/cm2以下の保水力を有するので、
たとえリブ付プレートを緻密な材料で形成したとして
も、加湿剤が当該保水層を介してリブ端面部まで行き渡
り、電解質膜全体が湿潤されることとなり、安定したセ
ル電圧を得ることができる。言い換えると、本発明によ
れば、圧縮成形によりリブ付プレートを作製することが
可能となるので、量産性が高くなり、コストダウンを図
ることができる。
【００４７】さらに、保水層の保水力を、電極作用面積
当たり 0.01 g/cm2以上 0.03 g/cm2以下にすることで、
より一層安定したセル電圧を得ることが可能となる。
当たり 0.01 g/cm2以上 0.03 g/cm2以下にすることで、
より一層安定したセル電圧を得ることが可能となる。
【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。
するセルユニットの組立図である。
【図２】上記セルユニットにおける燃料極側リブ付プレ
ートの断面図である。
ートの断面図である。
【図３】上記固体高分子型燃料電池の全体的な構成及び
運転動作を示す斜視図である。
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運転動作を示す模
式図である。
式図である。
【図５】（ａ）は、運転中の燃料極側リブ付プレート付
近の様子を示すの断面図である。（ｂ）は、運転中の燃
料極側リブ付プレート付近における、主として水の流れ
る状態を示す模式図である。
近の様子を示すの断面図である。（ｂ）は、運転中の燃
料極側リブ付プレート付近における、主として水の流れ
る状態を示す模式図である。
【図６】実験１の測定結果を示す特性図である。
【図７】実験２の測定結果を示す特性図である。
【図８】実験３の測定結果を示す特性図である。
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 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 ４０１ リブ ４０１ａ リブ端面 ４０２ 保水層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 吉本 保則 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 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 (56)参考文献 特開 平６−338338（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−139222（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01M 8/00 - 8/24 ＷＰＩ（ＤＩＡＬＯＧ)
Claims (7)
- 【請求項１】 電解質膜の両面に電極を配したセルを、
一対のリブ付プレートで、当該リブを内側に向け押圧挟
持してなるセルユニットを有し、前記リブと電極とで流
路が形成され、一方又は両方のリブ付プレート側の流路
に前記電解質膜の加湿剤が流通される固体高分子型燃料
電池であって、 加湿剤が流通されるリブ付プレートの電極と対向する表
面の、少なくとも電極を押圧するリブ端面には、電極作
用面積当たり 0.002 g/cm2以上 0.035 g/cm2以下 の保
水力を有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】 前記保水層に代えて、電極作用面積当た
り 0.01 g/cm2以上0.03 g/cm2以下の保水力を有する保
水層を形成した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】 前記保水層は、樹脂混合カーボンからな
る多孔質層であり、 当該樹脂混合カーボンにおける、カーボンに対する樹脂
の重量比が 5 %以上 40 %以下であることを特徴とする
請求項１又は２記載の固体高分子型燃料電池。 - 【請求項４】 前記保水層は、樹脂混合カーボンからな
る多孔質層であり、 前記樹脂混合カーボンにおける、カーボンに対する樹脂
の重量比が 10 %以上20 %以下であることを特徴とする
請求項１又は２記載の固体高分子型燃料電池。 - 【請求項５】 前記加湿剤が流通されるリブ付プレート
は、カーボンと樹脂との混合物からなる未焼成成形体又
は金属で形成されていることを特徴とする請求項１〜４
いずれか１項に記載の固体高分子型燃料電池。 - 【請求項６】 前記加湿剤が流通されるリブ付きプレー
トは、カーボンと樹脂との混合物からなる未焼成成形体
で形成され、 カーボンに対する樹脂の重量比が 10 %以上 20 %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７】 前記加湿剤が流通されるリブ付プレート
を構成するカーボンは、黒鉛、膨張黒鉛若しくはカーボ
ンブラック又はこれらから選択される２種以上の混合物
であることを特徴とする請求項５又は６記載の固体高分
子型燃料電池。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10340653A JP3022528B1 (ja) | 1998-11-30 | 1998-11-30 | 固体高分子型燃料電池 |
| US09/451,973 US6492054B1 (en) | 1998-11-30 | 1999-11-30 | Polymer electrolyte fuel cell including a water-retaining layer on a ribbed plate |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10340653A JP3022528B1 (ja) | 1998-11-30 | 1998-11-30 | 固体高分子型燃料電池 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP3022528B1 true JP3022528B1 (ja) | 2000-03-21 |
| JP2000173633A JP2000173633A (ja) | 2000-06-23 |
Family
ID=18339041
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP10340653A Expired - Lifetime JP3022528B1 (ja) | 1998-11-30 | 1998-11-30 | 固体高分子型燃料電池 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6492054B1 (ja) |
| JP (1) | JP3022528B1 (ja) |
Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| US8623573B2 (en) | 2005-05-12 | 2014-01-07 | GM Global Technology Operations LLC | Porous, electrically conductive fluid distribution plate for fuel cells |
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|---|---|---|---|---|
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| KR100619509B1 (ko) * | 2002-06-28 | 2006-09-08 | 도요다 지도샤 가부시끼가이샤 | 연료 전지 |
| CN1300887C (zh) * | 2002-06-28 | 2007-02-14 | 丰田自动车株式会社 | 燃料电池 |
| JP3882735B2 (ja) * | 2002-10-18 | 2007-02-21 | 株式会社日立製作所 | 燃料電池 |
| US20040121122A1 (en) * | 2002-12-20 | 2004-06-24 | Graftech, Inc. | Carbonaceous coatings on flexible graphite materials |
| TW571458B (en) * | 2002-12-20 | 2004-01-11 | Ind Tech Res Inst | Gas humidification apparatus for a fuel cell bi-polar plate |
| KR100552969B1 (ko) * | 2003-09-29 | 2006-02-15 | 삼성에스디아이 주식회사 | 필드순차구동방식의 액정표시장치 |
| JP4661093B2 (ja) * | 2003-12-02 | 2011-03-30 | 株式会社デンソー | 燃料電池 |
| TWI278138B (en) * | 2004-11-25 | 2007-04-01 | Toshiba Corp | Fuel cell |
| JP2007005222A (ja) * | 2005-06-27 | 2007-01-11 | Hitachi Ltd | 燃料電池および燃料電池用セパレータ |
| JP2007128873A (ja) * | 2005-10-17 | 2007-05-24 | Gm Global Technology Operations Inc | 燃料電池構成部品のコーティング方法 |
| US9640805B2 (en) | 2005-10-17 | 2017-05-02 | GM Global Technology Operations LLC | Coating process for fuel cell components |
| JP2008108456A (ja) * | 2006-10-23 | 2008-05-08 | Equos Research Co Ltd | 燃料電池用電極、燃料電池のセル及び燃料電池のスタック |
| DE102019126306A1 (de) * | 2019-09-30 | 2021-04-01 | Audi Ag | Brennstoffzellensystem |
| CN113506888B (zh) * | 2021-09-07 | 2021-11-30 | 爱德曼氢能源装备有限公司 | 一种燃料电池极板结构及电堆 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4175165A (en) * | 1977-07-20 | 1979-11-20 | Engelhard Minerals & Chemicals Corporation | Fuel cell system utilizing ion exchange membranes and bipolar plates |
| US4794043A (en) * | 1985-04-30 | 1988-12-27 | Kureha Kagaku Kogyo Kabushiki Kaisha | Carbon product comprising carbonaceous materials joined together, said carbon product for electrode substrate of fuel cells and process for production thereof |
| JPS63162586A (ja) * | 1986-12-25 | 1988-07-06 | 日立化成工業株式会社 | 不浸透性炭素板 |
| US5332744A (en) | 1989-05-30 | 1994-07-26 | Merck & Co., Inc. | Substituted imidazo-fused 6-membered heterocycles as angiotensin II antagonists |
| JPH03124407A (ja) * | 1989-10-06 | 1991-05-28 | Osaka Gas Co Ltd | 高導電性炭素繊維構造体の製造方法 |
| JP3106554B2 (ja) | 1990-08-03 | 2000-11-06 | 富士電機株式会社 | 固体高分子電解質型燃料電池およびその膜包含水とガスの供給方法 |
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| JPH0660884A (ja) * | 1992-08-05 | 1994-03-04 | New Oji Paper Co Ltd | リン酸型燃料電池用多孔質炭素板の製造方法 |
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| US5716664A (en) * | 1995-12-22 | 1998-02-10 | Marchetti; George A. | Method of making a hydrophilic, graphite electrode membrane assembly |
-
1998
- 1998-11-30 JP JP10340653A patent/JP3022528B1/ja not_active Expired - Lifetime
-
1999
- 1999-11-30 US US09/451,973 patent/US6492054B1/en not_active Expired - Lifetime
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US6492054B1 (en) | 2002-12-10 |
| JP2000173633A (ja) | 2000-06-23 |
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