JP3029416B2 - 固体高分子型燃料電池 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】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又
は有機材料粉末に結着剤として高分子材料を加えた複合
材や、高分子膜に補強材として無機又は有機材料の粉末
や繊維を加えた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、例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を用いる固体高
分子型燃料電池は、加圧容器等を必要とせずにコンパク
トな構造で高出力密度が得られ、かつ簡単なシステムで
運転できることから宇宙用、車両用等の移動用電源や非
常用等、小型の定置用電源として注目されている。

【０００４】電解質として用いられる高分子膜として
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
オライドとの混合膜、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
ており、最近ではパーフルオロカーボンスルホン酸膜
（例えばナフィオン：商品名、デュポン社製）等が用い
られている。

【０００５】図１６には従来の固体高分子型燃料電池１
が局部的に示されている。固体高分子型燃料電池は、通
常、単位セル２を複数積層した構成となっている。各単
位セル２は、図１７に示すように、高分子電解質膜１１
を備えている。この高分子電解質膜１１の両面に高分子
電解質膜よりも小さい面積に形成された燃料極１２と酸
化剤極１３とが配置されている。燃料極１２及び酸化剤
極１３は多孔質材で形成されている。これら燃料極１２
及び酸化剤極１３の周囲にはガスシール用のパッキング
１４，１５が配置されている。

【０００６】燃料極１２の背面側、つまり図中上面側に
は、燃料極１２への燃料ガスの供給機能と集電機能とを
発揮するアノード側セパレータ１６が配置されている。
このアノード側セパレータ１６の燃料極１２との接触
面、つまり発電領域に対応する面には、燃料ガスの配流
路となる案内溝１７が複数形成されている。

【０００７】同様に、酸化剤極１３の背面側、つまり図
中下面側には、酸化剤極１３への酸化剤ガスの供給機能
と集電機能とを発揮するカソード側セパレータ１８が配
置されている。このカソード側セパレータ１８の酸化剤
極１３との接触面、つまり発電領域に対応する面には、
酸化剤ガスの配流路となる案内溝１９が複数形成されて
いる。

【０００８】一方、アノード側セパレータ１６の図中上
面側には導電性の加湿水透過板２０が配置されており、
この加湿水透過板２０の周囲にはシール材で形成された
パッキング２１が配置されている。そして、加湿水透過
板２０の図中上面側には導電性の冷却用セパレータ２２
が配置されている。この冷却用セパレータ２２の加湿水
透過板２０に接触する面には、冷却水を配流するための
案内溝２３が複数形成されている。

【０００９】冷却用セパレータ２２、パッキング２１、
アノード側セパレータ１６、パッキング１４、高分子電
解質膜１１、パッキング１５及びカソード側セパレータ
１８の周辺部には、図１６に示す端板２４に形成されて
いるものと同様に、燃料ガス供給孔２５，燃料ガス排出
孔２６、酸化剤ガス供給孔２７、酸化剤ガス排出孔２
８、冷却水供給孔２９、冷却水排出孔３０が貫通状態
に、かつそれぞれ積層方向に通じる関係に形成されてい
る。

【００１０】そして、図１８乃至図２０に示すように、
アノード側セパレータ１６に設けられた各案内溝１７は
連絡用流路を介して燃料ガス供給孔２５及び燃料ガス排
出孔２６に通じ、カソード側セパレータ１８に設けられ
各案内溝１９は連絡用流路を介して酸化剤ガス供給孔２
７及び酸化剤ガス排出孔２８に通じ、また冷却用セパレ
ータ２２に設けられた各案内溝２３は連絡用流路を介し
て冷却水供給孔２９及び冷却水排出孔３０に通じてい
る。この構造から判るように、上述した各貫通孔と連絡
用流路とによって内部マニホールドが形成されている。

【００１１】このように構成された固体高分子型燃料電
池１では、燃料ガス供給孔２５を介して純水素や天然ガ
スやメタノールを改質した水素リッチな燃料ガスが供給
されると、供給された燃料ガスの一部が各単位セル２内
のアノード側セパレータ１６に設けられた各案内溝１７
を流れ、その一部が燃料極１２に拡散して発電に供さ
れ、残りが燃料ガス排出孔２６を介して回収される。ま
た、酸化剤ガス供給孔２７を介して純酸素や空気などの
酸化剤ガスが供給されると、供給された酸化剤ガスの一
部が各単位セル２内のカソード側セパレータ１８に設け
られた各案内溝１９を流れ、その一部が酸化剤極１３に
拡散して発電に供され、残りが酸化剤ガス排出孔２８を
介して回収される。

【００１２】一方、冷却水供給孔２９を介して冷却水が
供給されると、供給された冷却水の一部が各単位セル２
内の冷却用セパレータ２２に設けられた各案内溝２３を
流れ、その一部が加湿水透過板２０、アノード側セパレ
ータ１６、燃料極１２をそれぞれ透過して高分子電解質
膜１２の加湿に供され、残りが冷却用セパレータ２２を
介して吸熱した後に冷却水排出孔３０を介して回収され
る。

【００１３】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、各反応ガスや冷
却水のフローパターンの組み合わせが限られており、こ
れが原因して各セルのセル面内温度分布に偏りが生じ、
結果としてセル性能を最大限に引き出せないという問題
があった。

【００１４】すなわち、従来の固体高分子型燃料電池に
組み込まれているアノード側セパレータ１６、カソード
側セパレータ１８、冷却用セパレータ２２に設けられて
いる案内溝１７，１９，２３は、何れも発電領域を単純
に直線状に横断する形状となっている。このため、各反
応ガス及び冷却水のフローパターンの組み合わせが限ら
れており、供給孔と排出孔とを逆にする以外の組合せは
存在しない。

【００１５】固体高分子型燃料電池では、冷却水を用い
て顕熱で冷却する冷却方式と反応ガスを用いて冷却する
冷却方式とが考えられる。冷却水を用いた顕熱による冷
却方式の場合、セル面内温度分布は冷却水のフローパタ
ーンに依存する傾向が強い。一方、反応ガスによる冷却
方式を採用した場合、セル面内温度分布は燃料ガス、酸
化剤ガスのフローパターン、とりわけ酸化剤ガスのフロ
ーパターンに依存する傾向が強い。特に、図１６及び図
１７に示したように、冷却用セパレータ２２の案内溝２
３を流れる冷却水の一部をアノード側セパレータ１６、
燃料極１２の順に透過させて高分子電解質膜１１の加湿
に用いる構造の燃料電池では、燃料極１２側から供給さ
れた水が高分子電解質膜１１、酸化剤極１３を順に透過
してカソード側セパレータ１８に設けられた案内溝１９
へと移動し、この案内溝１９内を通流している酸化剤ガ
ス中へと蒸発する 。 この蒸発潜熱による冷却効果が大き
いので、セル面内温度分布は酸化剤ガスのフローパター
ンに大きく左右される。

【００１６】このため、従来の固体高分子型燃料電池の
ように、直線状の案内溝１７，１８，１９しか持たない
アノード側セパレータ１６、カソード側セパレータ１
８、冷却用セパレータ２２を組み込む構造では、各流体
の冷却特性を考慮に入れてフローパターンを最適に組み
合わせることができないので、必然的にセル面内温度分
布に偏りが生じ、結果としてセル性能を最大限に引き出
すことはできない。

【００１７】

【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、セル面内温度分布の均
一化を図ることが困難で、これが原因してセルの性能を
最大限に引き出すことができないという問題があった。

【００１８】そこで本発明は、セル面内温度分布の偏り
を小さくすることができ、セル性能を最大限に引き出す
ことができ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。

【００１９】

【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、高分子電解質膜を燃料極と酸化剤極とで
挟持してなる膜電極複合体と、この膜電極複合体の前記
燃料極の背面側に配置されて集電機能を有するとともに
前記燃料極との接触部に燃料ガスを配流するための案内
溝を有したアノード側セパレータと、前記膜電極複合体
の前記酸化剤極の背面側に配置されて集電機能を有する
とともに前記酸化剤極との接触部に酸化剤ガスを配流す
るための案内溝を有したカソード側セパレータと、前記
アノード側セパレータの背面側に配置されて集電機能を
有するとともに冷却水を配流するための案内溝を有した
冷却用セパレータと、前記アノード側セパレータ、前記
カソード側セパレータ及び前記冷却用セパレータの周辺
部にそれぞれ積層方向に通じる関係に設けられて対応す
る案内溝への流体の供給・排出に供される内部マニホー
ルドとして機能する複数の貫通孔とを備えた単位セルを
複数積層して構成され、前記冷却用セパレータの前記案
内溝を流れる前記冷却水の一部を前記アノード側セパレ
ータ、前記燃料極の順に透過させて前記高分子電解質膜
の加湿に用いるようにした固体高分子型燃料電池におい
て、前記アノード側セパレータ、前記カソード側セパレ
ータ及び前記冷却用セパレータの、少なくともカソード
側セパレータを含む任意の２つのセパレータは、前記案
内溝の配設形態及び前記案内溝への流体の供給・排出に
供される貫通孔の位置が異なる複数種類組み込まれてい
ることを特徴としている。

【００２０】なお、前記案内溝の配設形態及び前記案内
溝への流体の供給・排出に供される貫通孔の位置が異な
るセパレータは、前記案内溝内を通流する前記流体のフ
ローパターンがほぼ１８０度異なる２種類組み込まれて
いて、積層方向に隣接する単位セル間でフローパターン
が異なるように各単位セルに組み込まれていてもよい。

【００２１】また、前記案内溝の配設形態及び前記案内
溝への流体の供給・排出に供される貫通孔の位置が異な
るセパレータを組合せて形成された前記流体のフローパ
ターンが異なる２種類の単位セルを交互に積層して燃料
電池積層体を構成してもよい。

【００２２】このように、アノード側セパレータ、カソ
ード側セパレータ及び冷却用セパレータのうち、少なく
ともカソード側セパレータを含む任意の２つのセパレー
タについて、流体を配流するための案内溝の配設形態及
び案内溝への流体の供給・排出に供される貫通孔の位置
が異なる複数種類を組み込むようにしているので、これ
らセパレータの組合せによって、セル面内温度分布の偏
りをより小さくし得るフローパターンを実現でき、セル
性能を最大限に引き出すことが可能となる。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら発明の
実施形態を説明する。図１乃至図７には本発明に係る固
体高分子型燃料電池に組み込むのに適したセパレータ１
１１〜１１７の斜視図が示されている。

【００２４】これらセパレータ１１１〜１１７は、それ
ぞれ長さ３７０ｍｍ、幅３７０ｍｍ、厚さ５ｍｍのカー
ボン製である。各セパレータ１１１〜１１７の周辺部に
は８個の貫通孔１２１ａ，１２１ｂ，１２２ａ〜１２２
ｆが形成されている。これら貫通孔１２１ａ，１２１
ｂ，１２２ａ〜１２２ｆは、各セパレータ１１１〜１１
７について、その大きさ及び位置がそれぞれ等しい関係
に設けられている。したがって、例えばセパレータ１１
１とセパレータ１１２とを重ねると、貫通孔１２１ａ同
士が、貫通孔１２１ｂ同士が、貫通孔１２２ａ同士が、
貫通孔１２２ｂ同士が、以下同様に対応する貫通孔同士
が完全に重合して通じ合い、また例えばセパレータ１１
１に対してセパレータ１１２を裏返して重ねると、貫通
孔１２１ａ同士が、貫通孔１２１ｂ同士が、貫通孔１２
２ａと貫通孔１２２ｆとが、貫通孔１２２ｂと貫通孔１
２２ｅとが、以下同様に対応する貫通孔同士が完全に重
合して通じ合うことになる。

【００２５】これらセパレータ１１１〜１１７は、各セ
パレータの中央部に設けられ、対応する貫通孔を介して
導かれた流体を配流するための案内溝１２４の配設形態
だけが唯一異なっている。

【００２６】このように形成されたセパレータ１１１〜
１１７は、どれでもアノード側セパレータ、カソード側
セパレータ、冷却用セパレータとして使用することがで
きる。しかし、単位セルを構成するには、積層して所定
の案内溝１２４に所定の流体を流す必要があるので、予
めどのセパレータを何用とするかを決めておく必要があ
る。

【００２７】例えば、予め図１，図２に示すセパレータ
１１１，１１２をアノード側セパレータとして用い、図
３に示すセパレータ１１３を冷却用セパレータとして用
い、図４〜図７に示すセパレータ１１４〜１１７をカソ
ード側セパレータとして用いるというように取り決める
こともできる。

【００２８】この取り決めに従うと、アノード側セパレ
ータについては、図１に示すように、貫通孔１２２ａか
ら紙面上を左右方向に蛇行しながら貫通孔１２２ｄに通
じる経路をとる案内溝１２４を有したものと、図２に示
すように、貫通孔１２２ｆから紙面上を左右方向に蛇行
しながら貫通孔１２２ｃに通じる経路をとる案内溝１２
４を有したものとの２種類が用意されていることにな
る。ここで、貫通孔１２２ａ、１２２ｄの組と貫通孔１
２２ｆ、１２２ｃの組について、自由に何れか一方を燃
料ガス供給孔とし、他方を燃料ガス排出孔とすることが
できる。例えば、貫通孔１２２ａ、１２２ｃを燃料ガス
供給孔とし、貫通孔１２２ｄ、１２２ｆを燃料ガス排出
孔とするように予め取り決めておくこともできる。

【００２９】また、上記の取り決めに従うと、冷却用セ
パレータについては、この例では図３に示すように直線
状の案内溝１２４を有したセパレータ１１３、つまり１
種類のセパレータだけが用意されていることになる。そ
して、貫通孔１２２ｂを冷却水供給孔とし、貫通孔１２
２ｅを冷却水排出孔とするように予め取り決めておくこ
ともできる。

【００３０】さらにまた、上記の取り決めに従うと、カ
ソード側セパレータについては、図４に示すように、貫
通孔１２１ａの図中右端側から紙面上を上下方向に蛇行
しながら貫通孔１２１ｂの図中左端側に通じる経路をと
る案内溝１２４を有したものと、図５に示すように、貫
通孔１２１ａの図中左端側から紙面上を上下方向に蛇行
しながら貫通孔１２１ｂの図中右端側に通じる経路をと
る案内溝１２４を有したものと、図６に示すように、貫
通孔１２１ａの図中右端側から紙面上を左右方向に蛇行
しながら貫通孔１２１ｂの図中左端側に通じる経路をと
る案内溝１２４を有したものと、図７に示すように、貫
通孔１２１ａの図中左端側から紙面上を左右方向に蛇行
しながら貫通孔１２１ｂの図中右端側に通じる経路をと
る案内溝１２４を有したものとの４種類用意されてい
る。そして、貫通孔１２１ａ、１２１ｂの何れか一方を
酸化剤ガス供給孔とし、他方を酸化剤ガス排出孔とする
ことができる。ここでは一応、貫通孔１２１ａを酸化剤
ガス供給孔とし、貫通孔１２１ｂを酸化剤ガス排出孔と
することに取り決めておく。

【００３１】図８には図１に示したセパレータ１１１を
アノード側セパレータとして用い、図３に示したセパレ
ータ１１３を冷却用セパレータとして用い、図４に示す
セパレータ１１４をカソード側セパレータとして用いて
単位セルを組み立てた例が示されている。

【００３２】なお、図８において、１３０は加湿水透過
板を示し、１３１はパッキングを示し、１３２は高分子
電解質膜を示し、１３３は燃料極を示し、１３４は酸化
剤極を示し、１３５，１３６はパッキングを示してい
る。図８に示す単位セルは、燃料ガスの流れる方向と酸
化剤ガスが流れる方向とが交差しているので、直交流型
といえる。

【００３３】図８に示す単位セルでは、図１に示したセ
パレータ１１１をアノード側セパレータとして用い、図
３に示したセパレータ１１３を冷却用セパレータとして
用い、図４に示したセパレータ１１４をカソード側セパ
レータとして用いているが、上記の取り決めに従うと、
図９に示すように、図２に示したセパレータ１１２をア
ノード側セパレータとして用い、図３に示したセパレー
タ１１３を冷却用セパレータとして用い、図５に示した
セパレータ１１５をカソード側セパレータとして用いて
単位セルを組み立てることができる。

【００３４】また、予めの取り決めを変更することによ
って、例えば図１，図２に示されるセパレータ１１１，
１１２を冷却用セパレータとして用い、図３に示される
セパレータ１１３をアノード側セパレータとして用い、
図４乃至図７に示されるセパレータ１１４〜１１７をカ
ソード側セパレータとして用いて単位セルを組み立てる
ことができる。このことから判るように、貫通孔を８個
に制限した場合には、アノード側セパレータ、カソード
側セパレータ及び冷却用セパレータのうち、少なくとも
カソード側セパレータを含む任意の２つのセパレータに
ついて、流体を配流するための案内溝の配設形態及び案
内溝への流体の供給・排出に供される貫通孔の位置が異
なる２種類を組み込むことができる。

【００３５】このように、アノード側セパレータ、カソ
ード側セパレータ及び冷却用セパレータについて、流体
を配流するための案内溝の配設形態及び案内溝への流体
の供給・排出に供される貫通孔の位置が異なる複数種類
用意しているので、これらセパレータの組合せによっ
て、セル面内温度分布の偏りを小さくできるフローパタ
ーンを組み合わせることが可能となる。

【００３６】以下、実験例に基づいて説明する。 実験例１ この例では、図８に示す組合せを採用した単位セルと、
アノード側セパレータとして図２に示されるセパレータ
１１２を用い、カソード側セパレータとして図５に示さ
れるセパレータ１１５を用い、さらに冷却用セパレータ
として図３に示されるセパレータ１１３を用いた図９に
示される単位セルとを直列に積層した２セル積層電池を
組み立てた。また、参考用に従来構造の２セル積層電池
を組み立てた。

【００３７】これら２つの２セル積層電池について発電
試験を行い、そのときにセル面内での温度を５点ずつ測
定した。その結果、従来構造の２セル積層電池では最高
温度と最低温度との差が８℃であったが、この例に係る
２セル積層電池では２℃であった。この例に係る２セル
積層電池において、片方のアノード側セパレータ１１１
（又は１１２）の案内溝１２４を流れる燃料ガスの通流
方向を逆向きに切り換えたが温度差は２℃であった。

【００３８】このように、アノード側セパレータ、カソ
ード側セパレータについて、反応ガスを配流するための
案内溝１２４の配設形態及び案内溝１２４への流体の供
給・排出に供される貫通孔の位置が異なる複数種類、こ
の例では２種類のセパレータを組み込み、しかもこの例
では上下のセル間で、かつ同種のセパレータにおいてフ
ローパターンが１８０度異なるようにしているので、反
応ガスのフローパターンが従来に較べて多様となり、こ
の結果、反応ガスによる冷却効果が現れ、セル面内の温
度分布の均一化を図ることができ、セル性能を最大限に
引き出すことが可能となる。

【００３９】実験例２ 前述したように、図１から図７に示されるセパレータ
は、用途が特定されるものではない。例えば、図１、図
２に示されるセパレータ１１１，１１２を冷却用セパレ
ータとして用いることもできる。

【００４０】そこで、この例では、図３に示されるセパ
レータ１１３をアノード側セパレータとして用い、図４
に示されるセパレータ１１４をカソード側セパレータと
して用い、図１に示されるセパレータ１１１を冷却用セ
パレータとして用いた単位セル（詳細は図１３に示され
る）と、図３に示されるセパレータ１１３をアノード側
セパレータとして用い、図５に示されるセパレータ１１
５をカソード側セパレータとして用い、図２に示される
セパレータ１１２を冷却用セパレータとして用いた単位
セル（詳細は図１４に示される）とを直列に積層した２
セル積層電池を組み立てた。

【００４１】この２セル積層電池について発電試験を行
い、そのときにセル面内での温度を５点ずつ測定した。
その結果、温度差は２℃であった。この電池の場合、冷
却用セパレータを構成している図１，図２に示されるセ
パレータ１１１，１１２の貫通孔１２２ａ、１２２ｃを
冷却水供給孔とした場合、また貫通孔１２２ａ、１２２
ｆを冷却水供給孔とした場合の双方とも温度差は２℃で
あった。

【００４２】この例においても、冷却水のフローパター
ンが従来に比べて多様となり、顕熱による冷却効果が現
れ、セル面内の温度分布の均一化に寄与している。 実験例３ 図１に示されるセパレータ１１１をアノード側セパレー
タとし、図４に示されるセパレータ１１４をカソード側
セパレータとし、図３に示されるセパレータ１１３を冷
却用セパレータとして図８に示される単位セルを組み立
てた。一方、図２に示されるセパレータ１１２をアノー
ド側セパレータとし、図５に示されるセパレータ１１５
をカソード側セパレータとし、図３に示されるセパレー
タ１１３を冷却用セパレータとして図９に示される単位
セルを組み立てた。そして、図８に示される単位セルと
図９に示される単位セルとを交互に２００セル積層し、
スタックとした。

【００４３】この場合、同一セル内で燃料ガスと酸化剤
ガスは直交流となり、各反応ガスに関してそれぞれ２通
りのガスフローパターンを有し、それらが１セルごと交
互に存在することになる。

【００４４】貫通孔１２２ａ、１２２ｃを燃料ガス供給
孔とした場合と、貫通孔１２２ａ、１２２ｆを燃料ガス
供給孔とした場合の双方について発電試験を行い、その
ときに１０セル毎にセル面内での温度を５点ずつ測定し
た。その結果、双方とも最高温度と最低温度との差が３
℃であった。

【００４５】一方、参考例として、従来のセル構造のス
タック（セル数６０）についても発電試験を行ったとこ
ろ、温度差は１２℃であった。この例についても反応ガ
スによる冷却効果が顕著に現れ、スタック全体及びセル
面内の温度分布の均一化に寄与している。

【００４６】実験例４ 図１に示されるセパレータ１１１をアノード側セパレー
タとし、図６に示されるセパレータ１１６をカソード側
セパレータとし、図３に示されるセパレータ１１３を冷
却用セパレータとして図１０に示される単位セルを組み
立てた。一方、図２に示されるセパレータ１１２をアノ
ード側セパレータとし、図７に示されるセパレータ１１
７をカソード側セパレータとし、図３に示されるセパレ
ータ１１３を冷却用セパレータとして図１１に示される
単位セルを組み立てた。そして、図１０に示される単位
セルと図１１に示される単位セルとを交互に２００セル
積層してスタックとした。

【００４７】この例の場合、同一セル内で燃料ガスと酸
化剤ガスとは、それぞれの供給孔と排出孔とを入替える
ことにより、並行流もしくは対向流となる。並行流と対
向流の場合の双方について発電試験を行い、そのときに
１０セル毎にセル面内での温度を５点ずつ測定した。そ
の結果、双方とも最高温度と最低温度との差が３℃であ
った。

【００４８】この例の場合も反応ガスによる冷却効果が
顕著に現れ、スタック全体及びセル面内の温度分布の均
一化に寄与している。この例では据え付け環境や温度制
御性を考慮した最適なフローパターンを選択できる。

【００４９】

【００５０】

【００５１】

【００５２】実験例５ 図３に示されるセパレータ１１３をアノード側セパレー
タとして用い、図４に示されるセパレータ１１４をカソ
ード側セパレータとして用い、図１に示されるセパレー
タ１１１を冷却用セパレータとして用いた図１３に示さ
れる単位セルを組み立てた。一方、図３に示されるセパ
レータ１１３をアノード側セパレータとして用い、図５
に示されるセパレータ１１５をカソード側セパレータと
して用い、図２に示されるセパレータ１１２を冷却用セ
パレータとして図１４に示される単位セルを組み立て
た。そして、図１３に示される単位セルと図１４に示さ
れる単位セルとを交互に２００セル積層したスタックを
組み立てた。

【００５３】貫通孔１２２ａ、１２２ｃを冷却水供給孔
とした場合と貫通孔１２２ａ、１２２ｆを冷却水供給孔
とした場合の双方について発電試験を行い、このときに
１０セル毎にセル面内での温度を５点ずつ測定した。こ
の結果、双方ともに最高温度と最低温度の差が２℃であ
った。

【００５４】上述した各例及び各実験例では、何れも冷
却用セパレータに設けられた案内溝１２４を通流する冷
却水の一部を、加湿水透過板１３０、アノード側セパレ
ータ、燃料極１３３を介して高分子電解質膜１３２に加
湿水として供給する構成を採用している。このような構
成の燃料電池では、先に説明したように、供給された加
湿水が高分子電解質膜１３２、酸化剤極１３４を透過し
てカソード側セパレータに設けられた案内溝へと移動
し、この案内溝内を通流している酸化剤ガス中へと蒸発
する 。 この蒸発潜熱に伴う冷却効果は大きい。この冷却
効果によって、セル面内に温度分布が生じようとする
が、上述した各例及び各実験例のように、フローパター
ンの異なる複数種類のセパレータ組み込むことによって
温度分布を緩和させることが可能となる。

【００５５】図１５には燃料ガス中に水蒸気を含ませる
ことによって高分子電解質膜１３２を加湿する方式を採
用した固体高分子型燃料電池システムに組み込まれる単
位セルに本発明を適用した一例が示されている。なお、
この例では図３に示されるセパレータ１１３の案内溝１
２４の形成されている領域を突出させたセパレータ１１
３ａを冷却用セパレータとして用いている。

【００５６】また、上述した各例では、セパレータに直
線状の案内溝や蛇行状の案内溝を設けているが、この配
設形状に限られるものではない。また、上述した各例で
はカソード側セパレータと冷却用セパレータとを別体に
形成しているが、一体に形成してもよい。

【００５７】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、燃料ガ
ス、酸化剤ガス、冷却水のうち、少なくとも酸化剤ガス
を含む任意の２種類について複数のフローパターンを実
現でき、これらフローパターンの組合せによってセル面
内温度分布の偏りをより小さくすることができ、この結
果、セル性能を最大限に引き出すことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る固体高分子型燃料電池に組み込み
可能なセパレータ（集電体）の斜視図

【図２】本発明に係る固体高分子型燃料電池に組み込み
可能なセパレータ（集電体）の斜視図

【図３】本発明に係る固体高分子型燃料電池に組み込み
可能なセパレータ（集電体）の斜視図

【図４】本発明に係る固体高分子型燃料電池に組み込み
可能なセパレータ（集電体）の斜視図

【図５】本発明に係る固体高分子型燃料電池に組み込み
可能なセパレータ（集電体）の斜視図

【図６】本発明に係る固体高分子型燃料電池に組み込み
可能なセパレータ（集電体）の斜視図

【図７】本発明に係る固体高分子型燃料電池に組み込み
可能なセパレータ（集電体）の斜視図

【図８】本発明に係る固体高分子型燃料電池における単
位セルの第１の例の分解斜視図

【図９】本発明に係る固体高分子型燃料電池における単
位セルの第２の例の分解斜視図

【図１０】本発明に係る固体高分子型燃料電池における
単位セルの第３の例の分解斜視図

【図１１】本発明に係る固体高分子型燃料電池における
単位セルの第４の例の分解斜視図

【図１２】本発明に係る固体高分子型燃料電池における
単位セルの第５の例の分解斜視図

【図１３】本発明に係る固体高分子型燃料電池における
単位セルの第６の例の分解斜視図

【図１４】本発明に係る固体高分子型燃料電池における
単位セルの第７の例の分解斜視図

【図１５】本発明に係る固体高分子型燃料電池における
単位セルの第８の例の分解斜視図

【図１６】従来の固体高分子型燃料電池を局部的に示す
図

【図１７】図１６におけるＸ−Ｘ線に沿って切断し矢印
方向に見た図

【図１８】従来の固体高分子型燃料電池に組み込まれて
いるアノード側セパレータの斜視図

【図１９】従来の固体高分子型燃料電池に組み込まれて
いるカソード側セパレータの斜視図

【図２０】従来の固体高分子型燃料電池に組み込まれて
いる冷却用セパレータの斜視図

【符号の説明】

１１１，１１２，１１３，１１３ａ，１１４，１１５，
１１６，１１７…セパレータ １２１ａ，１２１ｂ，１２２ａ〜１２２ｆ…内部マニホ
ールド用の貫通孔 １２４…案内溝 １３０…加湿水透過板 １３１，１３５，１３６…パッキング １３２…高分子電解質膜 １３３…燃料極 １３４…酸化剤極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平８−306371（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−142078（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−98269（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01M 8/00 - 8/24

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】高分子電解質膜を燃料極と酸化剤極とで挟
   持してなる膜電極複合体と、この膜電極複合体の前記燃
   料極の背面側に配置されて集電機能を有するとともに前
   記燃料極との接触部に燃料ガスを配流するための案内溝
   を有したアノード側セパレータと、前記膜電極複合体の
   前記酸化剤極の背面側に配置されて集電機能を有すると
   ともに前記酸化剤極との接触部に酸化剤ガスを配流する
   ための案内溝を有したカソード側セパレータと、前記ア
   ノード側セパレータの背面側に配置されて集電機能を有
   するとともに冷却水を配流するための案内溝を有した冷
   却用セパレータと、前記アノード側セパレータ、前記カ
   ソード側セパレータ及び前記冷却用セパレータの周辺部
   にそれぞれ積層方向に通じる関係に設けられて対応する
   案内溝への流体の供給・排出に供される内部マニホール
   ドとして機能する複数の貫通孔とを備えた単位セルを複
   数積層して構成され、前記冷却用セパレータの前記案内
   溝を流れる前記冷却水の一部を前記アノード側セパレー
   タ、前記燃料極の順に透過させて前記高分子電解質膜の
   加湿に用いるようにした固体高分子型燃料電池におい
   て、 前記アノード側セパレータ、前記カソード側セパレータ
   及び前記冷却用セパレータのうち、少なくともカソード
   側セパレータを含む任意の２つのセパレータは、前記案
   内溝の配設形態及び前記案内溝への流体の供給・排出に
   供される貫通孔の位置が異なる複数種類組み込まれてい
   ることを特徴とする固体高分子型燃料電池。
2. 【請求項２】前記案内溝の配設形態及び前記案内溝への
   流体の供給・排出に供される貫通孔の位置が異なるセパ
   レータは、前記案内溝内を通流する前記流体のフローパ
   ターンがほぼ１８０度異なる２種類組み込まれており、
   積層方向に隣接する単位セル間でフローパターンが異な
   るように各単位セルに組み込ま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】前記案内溝の配設形態及び前記案内溝への
   流体の供給・排出に供される貫通孔の位置が異なるセパ
   レータを組合せて形成された前記流体のフローパターン
   が異なる２種類の単位セルを交互に積層して燃料電池積
   層体が構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。