JP3177256B2 - 安定して優れた発電特性を得ることができる固体高分子型燃料電池 - Google Patents

安定して優れた発電特性を得ることができる固体高分子型燃料電池

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Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 固体高分子型燃料電池に関し、特に、アノード側の流
路に燃料ガスと液体の水とを供給して発電を行う固体高
分子型燃料電池に関する。
背景技術 固体高分子型燃料電池は、固体高分子膜の一方の側に
カソードが配され他方の側にアノードが配されたセル
が、ガス流路が形成された一対のプレート部材で挟持さ
れた基本構造であって、実用化されているものの多く
は、このような基本構造の単位セルが多数積層されて構
成されている。そして運転時には、カソード側の流路に
酸化剤としての空気を、アノード側の流路に燃料ガスを
供給し、電気化学的に反応させて発電を行う。
ところで、固体高分子型燃料電池は、運転中に固体高
分子膜のイオン導電性を確保するためにこれを保湿する
必要があり、そのため、従来から空気や燃料ガスを加湿
して供給することにより固体高分子膜を保湿する方式が
多く用いられてるが、これに代わって、例えば特開平５
−41230号公報に開示されているように、アノード側流
路を構成する複数ののチャネルの各々に燃料ガスと液体
の水とを分配して共に流通させることによって、アノー
ド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固体高分
子型燃料電池も開発されている。
また、燃料電池において優れた電池特性を得るために
はアノード全体にわたって燃料ガスを行きわたらせるこ
とが必要である。そのため、この方式の固体高分子型燃
料電池においては、アノード側チャネルが水で閉塞して
燃料ガスの流れが止まることのないようにすることが望
まれる。
この点を考慮して、従来から、当該チャネルを鉛直方
向に向けて燃料ガス及び水を下方向に流通させた後、電
池下部の共通の排出管を経由して電池の外部に排出する
ような構成となっているが、それでもアノード側チャネ
ルの下流端は、気体である燃料排ガス、固体である流路
基板、液体である水の３相が接するため、毛細管現象に
より水のメニスカスが形成されて燃料ガスが流れなくな
りやすいという問題がある。
図１は、アノード側チャネルの下端部でメニスカスが
形成され、ガスの流通が閉塞される様子を示す模式図で
ある。このようなメニスカスが形成されると、そのチャ
ネルは閉塞されるのでアノードに対する燃料ガスの供給
は不均一となってしまう。
このような水によるチャネルの閉塞を防止する対策と
して、毛細管現象が生じないようにチャネルの幅を広く
設定することも考えられるが、チャネル幅を広げると燃
料電池内の電気抵抗が大きくなる点で望ましくない。
また、燃料ガスを高圧で供給して、チャネル内を高速
で流通させることも考えられるが、この場合、燃料ガス
の高圧供給及び回収ための装置が必要となり、携帯用な
どコンパクトなシステムを実現する上で望ましくない。
また、固体高分子型燃料電池において、優れた電池特
性を得るためには、固体高分子膜の全体にわたって保湿
することも必要である。
ところが、従来のこの方式の固体高分子型燃料電池に
おいては、複数のアノード側チャネルの中で水が偏って
流れる傾向がある。即ち、アノード側チャネルに水を分
配する通路の上流側に位置するチャネルには水が供給さ
れやすいが、下流側に位置するチャネルには供給されに
くいので、固体高分子膜の中でこの下流側に位置するチ
ャネルに対向する部分には保湿されにくい。
この問題に対して、供給する水量を大きくすれば固体
高分子膜の全体に水を行きわたらせることも可能である
が、そのために大きな容量のポンプが必要となる上に、
水が供給されやすいチャネルに対してはかなり過剰に水
が供給されてしまうためアノードへの燃料ガスの供給効
率が悪くなりやすい。
そこで、本発明は、アノード側通路に燃料ガス及び水
を供給して発電する固体高分子型燃料電池において、ア
ノード全体に安定して燃料ガスを供給できると共に固体
高分子膜を全体的に保湿することが可能なものを提供す
ることを目的とするものである。
発明の開示 本発明は、固体高分子型燃料電池において、アノード
側のプレートに、燃料ガス流れ方向のアノードの終端よ
りも下流側にアノード側流路から延設された延設流路を
形成し、その延設流路の終端よりも上流側に、延設流路
を跨るようにガスの抜け道を形成し、その抜け道に、ガ
スを選択的に排出するガス選択排出手段を形成すること
によって、燃料ガスが流路内で閉塞されるのを回避し、
アノード全体に対して燃料ガスを供給することができる
ので、経時的に安定した発電が可能となる。
また、各アノード側流路の入口部に燃料ガスを分配す
る手段と、アノード側流路の入口部に水供給源からの水
を分配する水分配手段とを設け、その水分配手段を、各
アノード側流路の入口部と仕切板を介して隣接して設け
られた水流通空間を有し、水流通空間から仕切板に穿設
された所定の形態の孔を通して水を分配する構成とする
ことによって、固体高分子膜を全体的に保湿し且つ燃料
ガスをアノード全体に効率よく供給できるので、電池の
発電特性や寿命特性を更に向上させることができる。
また、水を分配する際に、アノードと対向する複数の
アノード側チャネルの中の特定のものに対してだけ水を
分配するようにすれば、燃料ガスをアノード全体に更に
安定して供給することができる。
図面の簡単な説明 図１は、アノード側チャネルの下端部でメニスカスが
形成され、ガスの流通が閉塞される様子を示す模式図で
ある。
図２は、実施の形態１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図３は、セルユニットの枠体の
溝にＯリングを填め込む様子を示す図である。
図４は、Ｏリングの突起部を含む断面を摸式的に示す
図である。
図５は、実施の形態１の燃料電池の全体的な構成並び
に運転動作を示す斜視図である。
図６は、上記燃料電池を水供給チャネルに沿って切断
した断面図である。
図７は、上記燃料電池の構成及び運転動作を示す模式
図である。
図８は、実施の形態２の燃料電池をアノード側チャネ
ルに沿って切断した断面図である。
図９は、実施の形態３にかかるセルユニットの構成を
示す摸式図である。
図10は、実施の形態４にかかる燃料電池のセルユニッ
トの要部組立図である。
図11は、図10の燃料電池をアノード側チャネルに沿っ
て切断した断面図である。
図12（ａ）〜（ｄ）は、実施の形態４にかかる保水層
の例を示す断面図である。
図13（Ａ）〜（Ｃ）は、実施の形態６にかかる細溝の
断面形状の例を示す図である。
図14は、実施の形態７にかかる燃料電池を示す分解斜
視図である。
図15は、実施の形態７にかかる複合セパレータの組立
図である。
図16は、実施の形態７にかかる燃料電池を運転する様
子を示す図である。
図17は、図14のＸ−Ｘ線断面図である。
図18は、図14のＹ−Ｙ線断面図である。
図19は、実験１の説明図である。
図20は、実験１の測定結果を示す特性図である。
図21は、実験１の測定結果から導かれた特性図であ
る。
図22は、実験１の測定結果から導かれた特性図であ
る。
図23は、実験２の説明図である。
図24は、実験３の測定結果を示す特性図である。
図25は、実験４の実験結果を示す特性図である。
図26は、実験５の測定結果を示す特性図である。
図27は、実験６の測定結果を示す特性図である。
図28（Ａ），（Ｂ）は、実験７の測定結果を示す特性
図である。
図29（Ａ），（Ｂ）は、実験８の測定結果を示す特性
図である。
発明を実施するための最良の形態 ［実施の形態１］ 〔燃料電池の構成について〕 図２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２では上面側）に、固体高分子膜21
にカソード22及びアノード23を配してなるセル20と、複
数のカソード側チャネル311…が平行に形成されたカソ
ード側流路基板30とが填め込まれ、枠体10の他面側（図
２では下面側）に、複数のアノード側チャネル400…が
平行に形成されたアノード側流路基板40と仕切板50とが
填め込まれて構成されている。なお、図２において、ア
ノード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。
セル20は、カソード側流路基板30とアノード側流路基
板40とで挟持された状態で保持されており、アノード側
チャネル400…には、図２の白抜き矢印で示す方向に燃
料ガスが流れ、カソード側チャネル311…には図２の太
矢印で示す方向に空気が流れ、セル20で発電がなされる
ようになっている。
燃料ガスとしては、水素ガスあるいは水素を主成分と
する天然ガス，プロパン，ブタン，メタノールなどの改
質ガスを用いることができる。
燃料電池１は、このセルユニット100が所定枚数積層
され、その両端が一対の端板71,72（図２では不図示、
図５参照）で挟持されて構成されている。
枠体10は、長方形状の板体に対して、その片面側（図
２で上面側）の燃料ガス流通方向の中央部に、上記のセ
ル20及びカソード側流路基板30を填め込むための切欠部
101が形成され、他面側（図２で下面側）には、アノー
ド側流路基板40及び仕切板50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、アノード側流路基
板40とアノード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型するこ
とにより作製されたものである。
また、枠体10の燃料ガス流通方向に対する上流部に
は、水を供給するための一対のマニホールド孔111と溝
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と溝孔122が開設され、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
溝孔123並びに水を排出するための一対のマニホールド
孔114と溝孔124が開設されている。
なお、各溝孔121〜124は、アノード側チャネル400…
と直交する方向に形成され、その両端が各マニホールド
孔111〜114と対応している。そして、枠体10の表面に
は、各溝孔121〜124及び各マニホールド孔111〜114を連
通させる長円形状の表面溝131〜134（図３参照）が形成
されている。
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。カソード22,アノード23は、白金
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。
カソード側流路基板30は、枠体300に流路基板310が填
め込まれて構成されている。
流路基板310は、カーボン多孔体からなる平板状の部
材であって、カソード22と対向する面（図２で下面）
に、空気を流通させるチャネル311が形成されている。
枠体300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、カソード22側とは
反対側の面（図２で上面側）に、空気をチャネル311に
導入するためのチャネル301及び空気をチャネル311から
導出するためのチャネル302が形成されている。
なお、セル20とカソード側流路基板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。
アノード側流路基板40は、枠体10より若干小サイズの
長方形状のカーボン多孔体であって、複数のアノード側
チャネル400が互いに平行に形成されていると共にチャ
ネル400間にはリブ401が形成されている。
このアノード側流路基板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40aから延設され
た上流部40b及び下流部c40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に填まり込んでアノード23と電気的に接触
するようになっている。
なお、図２では省略しているが、カソード22とカソー
ド側流路基板30の間並びにアノード23とアノード側流路
基板40との間には、溌水処理を施したカーボンペーパか
らなる集電体24,25が介挿されている（図７（ｂ）参
照）。
仕切板50は、アノード側流路基板40と同等のサイズの
気密性ガラス状カーボン板であって、カソード側流路基
板30とアノード側流路基板40との間に介在して配されて
おり、両者を電気的に導通しながらカソード側チャネル
311…を流れる空気とアノード側チャネル400…を流れる
燃料ガスとが混流するのを防止する働きをなしている。
なお、図３に示すように、セルユニット100を積層し
て燃料電池を組み立てる際には、枠体10の表面溝131〜1
34の周縁に設けたＯリング用溝131b〜134bにＯリング13
5〜138が填め込まれる。このＯリング135〜138は、枠体
10どうしの間に挟まってこの部分をシールするものであ
る。
Ｏリング135〜138において、各々の４隅には突起部13
5a〜138aが形成されている。一方、枠体10にも、Ｏリン
グ用溝131b〜134bの４隅から突起して突起溝部131a〜13
4aが穿設されており、これに上記突起部135a〜138aが填
め込まれている。
図４は、Ｏリング135の突起部135aを含む断面を摸式
的に示す図であって、本図に示すように、Ｏリング135
の突起部135aは、枠体10の突起溝部131aに填まり込んで
いる。
このように、枠体10のＯリング用溝131b〜134bにＯリ
ング135〜138を装着する際に、突起部135a〜138aが突起
溝部131a〜134aに填め込まれることによってＯリング用
溝131b〜134b内にしっかり固定される。
従って、セルユニット100を積層する際に、Ｏリング1
35〜138を填めたセルユニット100を持ち運んだり、セル
ユニット100同士の位置合わせするのに伴って、Ｏリン
グ135〜138が脱落したり位置ずれしたりすることがな
い。
〔燃料電池の運転動作についての説明〕
図５は、燃料電池１の全体的な構成並びに運転動作を
示す斜視図である。ここでは燃料ガスとして水素ガスを
用いて運転する場合について説明する。
本図に示すように、運転時には、燃料電池１は、空気
の流通路（カソード側チャネル）が水平方向に向くよう
に配置する。
そして、図示しないファンから、チャネル301…に空
気を送り込む。この空気はカソード側チャネル311…を
流通しながらカソード22に酸素を供給し、チャネル302
…から電池の外に排出される。
一方、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から水素ガスを供給し、マニホ
ールド孔111からなる内部マニホールドには、水ポンプ
３から水を供給する。
供給された水及び水素ガスは、各セルユニット100に
分配され、各セルユニット100において、溝孔121及び溝
孔122からアノード側流路基板40の上流部40bに分配され
て、アノード側チャネル400…を下流側に流れ、アノー
ド23への水素ガスの供給と固体高分子膜21の保湿を行
う。
水ポンプ３の出力は、水供給用の溝孔121における水
圧を計測して、この値が所定の水圧値となるように調整
する。
水素ガスの供給圧力はレギュレータ５で調整する。こ
の圧力は、通常10〜10万mmH2O、特に100〜800mmH2O程度
が適当である。一方、排出される未反応水素の圧力はレ
ギュレータ６によって調整する。この排出圧力は、燃料
電池１における燃料利用率が90％以上となるように調整
する。
アノード側チャネル400…を通過した未反応水素ガス
は、溝孔123からマニホールド孔113を通って電池の外に
排出され、アノード側チャネル400…を通過した水は、
溝孔124からマニホールド孔114を通って電池の外に排出
される。
このように、燃料ガスは液体の水と分離された状態で
排出される。このため、排出されたガスを、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。
燃料電池１から排出される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で回収される。そし
て、回収された水は、冷却器７で冷却されて再び水ポン
プ３から燃料電池１に供給される。なお、水ポンプ３か
ら燃料電池１に水を送り込む配管をはじめとする配管系
にフッ素系樹脂配管を用いれば、ステンレス配管と比べ
て柔軟でサイクル運転時に配管の接続部分にかかる熱応
力を緩和することができるので、この部分での水漏れを
防止することができる。
〔アノード側チャネルの上流から下流部までの詳細構成及び効果について〕
上流部では、上記の水供給用の溝孔121に水分配基板1
1が、燃料ガス供給用の溝孔122にガス分配基板12が、Ｏ
リング（不図示）を介して填め込まれている。
この水分配基板11及びガス分配基板12は、どちらも長
尺状の薄板に細孔11a及び細孔12aが開設されたものであ
って、アノード側流路基板40の上流部40bに接して配置
されているが、ガス分配基板12には、すべてのアノード
側チャネル400…に対応して細孔12aが開設されているの
に対して、水分配基板11には、アノード側チャネル400
…の中の特定の水供給チャネルだけに対応して細孔11a
が開設されている。
この特定の水供給チャネルは、設計時に、アノード側
流路基板40に形成されているアノード側チャネル400…
全体の中から選択したものであって、水供給チャネルが
アノード側流路基板40の表面全体にわたって分布するよ
うに、且つ水供給チャネル同士の間隔が離れすぎないよ
うに選択されており、アノード側チャネル400…に対し
て、水供給チャネル１本おき又は２本おきに存在するよ
うに選択するのが望ましいと考えられる。
水分配基板11及びガス分配基板12の具体例としては、
金属製SUS304,SUS316等のステンレス鋼、Ti鋼）の薄板
やセラミックス製（Al2O3等）の薄板にエッチングで細
孔を開設したもの、あるいはプラスチック製（ポリエス
テル系,ABS系，パーフェニルオキサイド系,PPE系,PPS系
等）の薄板に細孔を開設したものを挙げることができ
る。
各細孔11aは、同一形状（例えば円形，楕円形，多角
形）、同一の大きさで、個数も同一である（例えば、チ
ャネル毎に１個づつ、２個づつ、或は３個づつ形成され
ている）。
水分配基板11の厚さや細孔11aの孔径は、細孔11aを水
が通過するときに適度な抵抗（圧損）が生ずるように設
定することが望ましく、実用的には、基板の厚さを120
μｍ〜5mm、細孔11aの孔径を20μｍ〜3mmの範囲内で設
定することが望ましい。
一方、下流部では、図２に示すように、上記の溝孔12
3には、アノード側チャネル400…からガスを選択的に排
出する機能をもつガス透過基板13が、アノード側流路基
板40の下流部40cに接するように填め込まれている。こ
のガス透過基板13を通過したガスは、表面溝133を通っ
てマニホールド孔113にスムースに流れる。
ガス透過基板13の素材としては、次のようなものを挙
げることができる。
溌水処理を施したカーボンペーパ；四フッ化エチレン
樹脂からなる多孔質膜；ポリエステル，ポリオレフィ
ン，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−ペルフルオロアルキルビニルエーテル共
重合体（PFA），ガラス，ポリプロピレン（PP）を支持
体とした四フッ化エチレン樹脂からなる多孔質膜；ポリ
ウレタンコートしたポリエステル繊維。
また、上記の溝孔124には、アノード側チャネル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、吸水基材14がアノ
ード側流路基板40の下流部40cの終端部に接するように
填め込まれている（図６参照）。
吸水基材14の好ましい素材としては、ポリエステル、
レーヨン、ナイロン、ポリエステル／レーヨン、ポリエ
ステル／アクリル、レーヨン／ポリクラール等を主成分
とする織布、不織布、フェルトを挙げることができる。
図６は、燃料電池１を水供給チャネルに沿って切断し
た断面図であって、チャネル内での気液混合物の生成，
流れ，排出の様子を模式的に示している。
図７（ａ），（ｂ）は、燃料電池１の運転動作を示す
ものであって、図７（ａ）はセルユニット100の上面を
模式的に示す図であり、図７（ｂ）はそのＡ−Ａ′断面
を模式的に示す図である。なお、図７に示すものでは、
アノード側チャネル400…の中で水供給チャネルが１本
おきに設定されている。
以上のような構成の燃料電池１は、以下のような作用
効果を奏する。
＊アノード側チャネル400の中で細孔11aが開設されて
いる水供給チャネルに対しては、水と燃料ガスとの両方
が供給されて気液混合物が生成される。そして、気液混
合物がこの水供給チャネルを流れることにより、アノー
ドへの燃料ガスの供給と固体高分子膜の保湿を行うと共
に、電池を冷却する冷媒としての働きも果たす。
一方、水供給チャネル以外のチャネル（細孔11aが開
設されていないチャネル）に対しては、燃料ガスだけが
供給され、当該チャネルを流通する燃料ガスがアノード
に供給される。このチャネルには直接的に水は供給され
ないが、水供給チャネルを気液混合物が通過する時に蒸
発する水分が、水供給チャネルの近くのチャネルにも拡
散して加湿するので、この水分が拡散する範囲内では固
体高分子膜21が保湿される。
従って、上述のように水供給チャネルを設定すれば、
アノード23の配されている領域全体にわたって固体高分
子膜21を保湿することができる。
例えば、図７のように水供給チャネルを１本おきに設
定した場合は、水供給チャネル以外のチャネルには、両
側に隣接する水供給チャネルから水蒸気が拡散して入り
込んでくる。また、水供給チャネルを２本おきに設定し
た場合、水供給チャネル以外のチャネルには、主に片側
に隣接する水供給チャネルから水蒸気が拡散して入り込
んでくる。
従って、これらの場合、固体高分子膜21の保湿は、ア
ノード23の配されている領域全体にわたって良好になさ
れる。
これに対して、水供給チャネルを３本おき以上の間隔
で設定したとすれば、水供給チャネル以外のチャネルの
中には、水供給チャネルと隣接しないものが生じる。従
って、これらのチャネルに対しては、水蒸気が行きわた
りにくいと考えられる。
＊仮に水分配基板として多孔質の基板を用いたとすれ
ば、水分配基板のマニホールド孔111に近い部分では水
がたくさん流通し、マニホールド孔111から遠い部分で
は水が流通しにくい。これに対して、本実施形態のよう
に、所定の形状の細孔11aが開設された基板を用いた場
合、ある程度の水圧がかからないと細孔から水が流れ出
ないので、多孔質の基板を用いた場合よりも均一的に水
を分配することができる。この点については実施の形態
７で詳述する。
＊水分配基板において、水供給チャネルにだけ対応し
て細孔を形成しているので、全てのアノード側チャネル
400…に対応して細孔を形成する場合と比べて細孔の数
が少ない。従って、より少ない水の流量でも、全ての細
孔11aから均一的に水を分配することができるので、ア
ノード23の配されている領域全体で固体高分子行膜21を
保湿することができる。
＊アノード23への燃料ガスの供給は、水供給チャネル
以外のチャネルにおいてはもちろん良好になされる。ま
た、上記のように少ない水量でも水供給チャネルへ均一
的に水が供給されるので、水供給チャネルにおいても気
液混合物中の燃料ガスが比較的効率よくアノード23に供
給される。よって、アノード23の全体にわたって効率よ
く燃料ガスが供給される。
＊燃料電池１は、アノード側チャネル400の下流部に
おいて、終端部40dに隣接して配される吸水基材14によ
って各チャネルの吸水・保水・排水が概均一に行われて
おり、終端部40dよりも上流側にガスを選択的に排出す
る機構を設けているので、いずれのチャネルにおいて
も、ガス・水の不均一な分配が生じない。従って、燃料
ガスの流路が部分的に閉塞されることにより、燃料ガス
の不均一分配が生じ電池性能が低下するのを防止するこ
とができる。
＊アノード側流路基板40は親水性のカーボン多孔体で
形成されているのに対して、アノード23上に配されてい
る集電体25は溌水処理が施されているので、チャネル40
0の内面において、アノード側流路基板40の表面に対す
る水の接触角は、集電体25の表面に対する水の接触角よ
りも小さい。
従って、チャネル400内を気液混合物が流れるとき
に、液相と気相とが分離される傾向が生じる。即ち、水
が基板40側に引きつけられて、アノード側流路基板40側
には主に水からなる液相が存在し、アノード23（集電体
25）側には主に燃料ガスと水蒸気からなる気相が存在し
た状態で流れるので、アノード23に対する燃料ガスの供
給が効率よくなされる。また、この分離作用によって、
ガス透過基板13に直接接触するのは気相となるので、ガ
ス透過基板13におけるガスの選択的な透過が水によって
阻害される可能性が少なくなり、優れたガス透過効率を
維持することができる。
［実施の形態２］ 本実施の形態の燃料電池は、上記実施形態１の燃料電
池１と同様であるが、燃料電池１ではアノード側チャネ
ル400の中の特定の水供給チャネルに対してだけ水を供
給したのに対して、本実施の形態ではすべてのアノード
側チャネル400に対して水を供給する。また、実施の形
態１では、各アノード側チャネル400に対して、燃料ガ
スよりも水の方が上流側に供給されたが、本実施例の形
態では、水の方が燃料ガスよりも上流側に供給される。
即ち、本実施形態では、図２に示すセルユニット100
において、溝孔121には水分配基板11は填め込まれず、
マニホールド孔111には燃料ガスが供給される。この燃
料ガスは溝孔121から各アノード側チャネル400…に分配
される。一方、溝孔122には、ガス分配板12と同様の各
アノード側チャネル400…に対応する細孔が形成された
水分配基板が填め込まれ、マニホールド孔112には水が
供給され、この水は各細孔から各アノード側チャネル40
0…に供給される。
図８は、本実施形態の燃料電池をアノード側チャネル
に沿って切断した断面図であって、チャネル内での気液
混合物の生成，流れ，排出の様子を模式的に示してい
る。
本実施形態では、すべてのアノード側チャネル400…
において気液混合物が生成されこれを流通するが、ガス
透過基板13において気液混合物中のガスが選択的に透過
することにより水と分離して排出される点などについて
は、実施の形態１の場合と同様である。
［実施の形態３］ 図９は、本実施形態にかかる燃料電池のセルユニット
を示す図であって、上記図７（ａ）と同様にセルユニッ
トの上面を模試的に示す。
本実施の形態の燃料電池は、上記実施の形態１の燃料
電池１と同様であるが、 図９に示すように、枠体10の表面には、ガス排出用の
マニホールド孔113と水排出用のマニホールド孔114との
間にわたって、両マニホールド孔113,114を連通する
溝、ドレン溝115が穿設されており、このドレン溝115
に、上記吸水基材14と同様の素材からなる吸水基材116
が充填されている点、即ちドレン経路が設けられている
点が異なっている。
燃料電池の運転中、特に高燃料利用率で運転する場合
には、ガス排出用のマニホールド孔113の中ガス中の水
分が凝縮することもあるが、ドレン溝115及び吸水基材1
16が設けられてることによって、マニホールド孔113内
の水が水排出用のマニホールド孔114の方へ導かれる。
従って、凝縮水によるマニホールド孔113の閉塞は回避
される。
一方、マニホールド孔113を流通するガスが水蒸気で
飽和されていないときには、吸水基材116に吸収されて
いる水が当該ガス中に気化する なお、上記吸水基材116は、マニホールド孔113側の端
部がマニホールド孔113の内部に若干突出して設けられ
ている。これによって、マニホールド孔113内の水をよ
り効率よく吸収することができると共に、マニホールド
孔113内のガス中への気化もしやすくなる。
なお、ドレン溝115及び吸水基材116は、上記実施の形
態２の燃料電池に設けてもよく、同様の効果を奏する。
［実施の形態４］ 本実施の形態の燃料電池は、上記実施の形態２と同様
であるが、気液混合物の中のガスを選択的に排出する手
段として、ガス透過基板13の代わりにスリット形成基板
15を用いる点が異なっている。
図10は、本実施の形態にかかる燃料電池のセルユニッ
トの要部組立図であり、図11は、この燃料電池をアノー
ド側チャネルに沿って切断した断面図である。
これらの図に示すように、スリット形成基板15は、断
面が「く」の字形に屈折されて支持部15aと遮蔽部15bと
が形成された板体であって、溝孔123に沿って設けられ
ている。
スリット形成基板15は、その支持部15aがアノード側
流路基板40と枠体10とで挟持されて、遮蔽部15bが溝孔1
23の大部分を遮蔽し且つ遮蔽部15bと溝孔123の内面との
間にガスが通り抜けるスリット15cが形成されるように
取り付けられている。
図11に示すように、アノード側チャネル400を通過す
る気液混合物は、基板40側に水が引き付けられて分離
し、スリット形成基板15側には主にガスが通過する。ま
た、遮蔽部15bは、ガスが通過する方向に向かって次第
にガス流路が狭くなるように傾斜しているため、スリッ
ト15cに向かうガスに含まれる水滴の多くは遮蔽部15bに
付着する。そして、遮蔽部15bに付着した水はチャネル4
00側に戻されるので、スリット15cが水で封鎖されるこ
ともない。
従って、アノード側チャネル400を通過する気液混合
物中のガスがスリット15cを通って選択的に排出され
る。
なお、このようなスリット形成基板15は、実施の形態
１の燃料電池にも適用でき、実施の形態1,2のガス透過
基板13を用いた場合と同様の効果を奏する。
本実施形態においても、アノード側チャネル400は、
実施の形態1,2と同様、鉛直方向に向けて配置すること
が好ましい。
また本実施の形態では、スリット形成基板15を用いて
スリット15cを形成する例を示したが、溝孔123の幅を小
さくしてスリット状に形成しても、同様の効果は期待で
きる。あるいは、スリット状でなくても、水が滞留する
領域よりも上流側で且つアノードの終端より下流側に、
ガスが抜ける何らかの開口部を設ければ、ある程度の効
果は期待できる。
［実施の形態５］ 本実施の形態の燃料電池は、上記実施の形態２の燃料
電池と同様であるが、アノード側流路基板40において、
アノード側チャネル400の内面に、親水性材料を敷設す
ることにより、流れ方向に沿って保水層が形成されてい
る点が異なっている。
保水層を敷設する形態としては、図12（ａ）に示す保
水層410のようにアノード側チャネル400の底面に敷設す
る形態、図12（ｂ）に示す保水層411のようにアノード
側チャネル400の両側面に敷設する形態、図12（ｃ）に
示す保水層412のようにアノード側チャネル400の片側面
と底面に敷設する形態、図12（ｄ）に示す保水層413の
ようにアノード側チャネル400の内面全体に敷設する形
態などを挙げることができる。
このような保水層は、上記の吸水基材14と同様の親水
性基材からなる帯状のシートを、アノード側チャネル40
0の底面や側面に貼つけることによって容易に敷設する
ことができる。
あるいは、シリカのような親水性粒子を含有する塗料
（例えば、シリカとアクリル樹脂とメラミン樹脂とを混
練した塗料）を、アノード側チャネル400の底面や側面
に塗布することによっても保水層を容易に敷設すること
ができる。
このようにアノード側チャネル400内に保水層を敷設
することによって、気液混合物は、液相が保水層側に接
し気相がアノード側に接するように、きれいに分離した
状態でアノード側チャネル400内を流れる。従って、ア
ノード23に対する燃料ガスの供給がより効率的になされ
る。
なお、図12（ａ）〜12（ｄ）において、破線Ｂは、液
相と気相の界面の傾向を示したものである。
ここで、図12（ａ）〜12（ｄ）に示した４種類の形態
の保水層410〜413を比較すると、図12（ａ）の保水層41
0や図12（ｂ）の保水層411のようにチャネルの側面だけ
あるいは底面だけに保水層を敷設するよりも、図12
（ｃ）の保水層412や図12（ｄ）の保水層413のようにチ
ャネルの側面と底面との両方に保水層を敷設する方が、
液相が２方向の保水層によって安定して保持され、より
きれいに液相と気相との分離がなされる。
また、用いる親水性材料が上記のように非導電性であ
る場合は、リブ401の上面に保水層を敷設するとアノー
ド23とアノード側流路基板40との導電性が損なわれ集電
ができないが、親水性材料が導電性の場合（例えば、カ
ーボンとシリカとを含有する導電性の親水性塗料を塗布
する場合）は、これをリブ401の上面に敷設してもアノ
ード23とアノード側流路基板40とが導通するので集電が
できる。従って、導電性の親水性材料からなる保水層を
敷設する場合には、アノード側流路基板40の表面全体に
塗布してもよい。
また、本実施の形態のようにアノード側チャネル400
内に保水層を敷設する場合、アノード側流路基板40自体
に親水性や保水性がなくても、同様の効果が得られる。
従って、本実施の形態において、アノード側流路基板
40の素材としてカーボン多孔体の代わりに膨張黒鉛，黒
鉛，ファーネスブラックなどのカーボンにフェノール系
などの樹脂を混合しモールド成形したような親水性の低
い素材を使用しても、同様の効果を得ることができる。
なお、このような保水層410〜413は、実施の形態１の
アノード側チャネル400の水供給チャネルに設けても同
様の効果を奏する。
［実施の形態６］ 本実施の形態の燃料電池は、実施の形態２の燃料電池
と同様であるが、実施の形態２ではアノード側流路基板
40をカーボン多孔体で形成したのに対して、本実施の形
態では、アノード側流路基板40が、膨張黒鉛，黒鉛，フ
ァーネスブラックなどのカーボンとフェノール系などの
樹脂との混合物からなるカーボンモールド成形品である
と共に、アノード側チャネル400の底面に流れ方向に沿
って細溝が刻まれている、即ち条線加工されている点が
異なっている。
上記のようにアノード側流路基板40を、黒鉛あるいは
ファーネスブラックなどを樹脂で結着したモールド成形
品とした場合、カーボン多孔体の場合と比べて、安価で
はあるがチャネル内に水が溜ってチャネルが閉塞しやす
い傾向がある。しかし、上記のようにアノード側チャネ
ル400の底面に細溝402が形成さすると、チャネル内に水
が溜まったとしても、水溜りが大きく成長する前に流れ
てしまうので閉塞は生じにくい。これは、細溝402の形
成によって、水溜りが底面と接触する面積が小さくな
り、水溜りがチャネル内に保持される力が弱められるた
めと考えられる。
従って、本実施形態のアノード側流路基板40は、比較
的安価で且つチャネルの閉塞も発生しにくいという効果
を奏する。
アノード側チャネル400に形成する細溝402の断面形状
は特に限定されない。
図13（Ａ）〜（Ｃ）は、細溝402の断面形状の例を示
す図である。細溝402の断面形状は、図13（Ａ）に示す
ように角形であってもよいし、図13（Ｂ）に示すように
Ｕ字形であってもよいし、図13（Ｃ）に示すように様々
な形状のもの混ざっていてもよい。また、細溝402の間
隔についても、図13（Ａ），（Ｂ）のように一定間隔で
あってもよいし、図13（Ｃ）のように不定間隔であって
もよい。
各チャネル400に形成する細溝402の数は、一本以上で
あれば効果を奏する。
細溝402の溝幅は、５〜200μｍに設定することが望ま
しく、溝幅が５μｍ未満、あるいは200μｍを越えた場
合は、水溜りを防止する効果が小さくなる。
溝の深さについては、溝幅と同程度とするのが好まし
いと考えられる。
このような細溝402は、溝幅100μｍ以上の大きなもの
についてはモールド成形用の金型の表面に細溝402に対
応する突部を形成しておくことによって容易に形成する
ことができる。一方、溝幅100μｍ未満の小さいものに
ついてはモールド成形後に針などで溝を刻んでもよい
し、（ｃ）のような不定形状のものは研磨紙で研磨する
ことによって形成することもできる。
なお、このような細溝402は、実施の形態１の燃料電
池においても、アノード側流路基板40に形成しても同様
の効果を奏する。この場合、すべてのチャネル400に細
溝402を形成してもよいが、水供給チャネル以外にはほ
とんど水が溜まらないので、水供給チャネルだけに細溝
402を形成してもよい。
［実施の形態７］ 図14は、本実施の形態に係る固体高分子型燃料電池を
示す分解斜視図である。
この固体高分子型燃料電池は、固体高分子膜521の一
方の側にカソード522、他方の側にアノード523（図14で
は固体高分子膜521の背面にあって見えない、図18参
照）を配したセル520と、カソード側チャネル531及びア
ノード側チャネル541を持つ複合セパレータ500とが、ガ
スケット591,592を介して交互に積層され、その両端が
一対の端板601,602（図16参照）で押さえられて構成さ
れている。
なお、図14においては、１枚のセル10と２枚の複合セ
パレータ500だけが表示されている。また、図示しない
が、カソード522とカソード側チャネル531との間、及び
アノード523とアノード側チャネル541との間には、溌水
処理を施した集電体が介挿されている。
図15は、複合セパレータ500の組立図である。
本図に示すように、複合セパレータ500は、セパレー
タ枠体510の内側空間に各種部材530〜570が填め込まれ
て構成されている。
セパレータ枠体510は、プラスチック等の材料からな
り、その内側空間の上部には仕切511a及び仕切511bが、
下部には仕切511cが架設されている。セパレータ枠体51
0の上端コーナー部には、水素供給用のマニホールド孔5
12及び水供給用のマニホールド孔513が開設されてい
る。
上記仕切511aの上が水素用の溝孔515、仕切511aと仕
切511bとの間が水用溝孔516となっており、溝孔515は水
素供給用のマニホールド孔512と連通し、溝孔516は水供
給用のマニホールド孔513と連通している。
セパレータ枠体510の内側空間の中央部には、気密性
のガラス状カーボン製からなる仕切板550を挟んで、一
方側（図15の表側）からアノード側流路基板540が、反
対側（図15の裏側）からカソード側流路基板530が填め
込まれており、当該内部空間の下部は、気液混合物排出
用のマニホールド孔514となっている。
カソード側流路基板530は複数のチャネル531及びリブ
532が水平方向に形成された多孔性カーボンからなる板
であり、アノード側流路基板540は複数のチャネル541及
びリブ542が鉛直方向に形成された多孔性カーボンから
なる板である。
セパレータ枠体510の内部空間において、アノード側
流路基板540の上側には入口流路基板560が、アノード側
流路基板540の下側には出口流路基板570が填め込まれて
いる。
入口流路基板560は、入口チャネル561及びリブ562が
形成されたプラスチックからなる帯板状の部材であっ
て、入口チャネル561はアノード側流路基板540のチャネ
ル541と同ピッチであるが裏の向きは反対に取り付けら
れている。また、出口流路基板570も入口流路基板560と
同様の部材であって、出口チャネル571及びリブ572が形
成されている。
この３つの流路基板540,560,570のチャネル541,561,5
71は互いに連通し、気液混合物が流通する通路になって
いる。
入口流路基板560のリブ562の上には、帯状の水分配基
板580が取り付けられている。この水分配基板580は、実
施の形態例２の水分配基板と同様のものであって、溝孔
516と入口チャネル561とを仕切っており、各入口チャネ
ル561に対して水を分配するための細孔581が開設されて
いる。
〔燃料電池の運転動作について〕
図16は、上記構成の固体高分子型燃料電池を運転する
様子を示す図である。図17は図14のＸ−Ｘ線断面図、図
18は図14のＹ−Ｙ線断面図である。
図16〜18において、水の流れを白抜き矢印で示し、水
素の流れを細実線矢印は示し、気液混合物の流れを太実
線矢印で示している。また、空気の流れを破線矢印で示
している。
水素は水素ボンベ２から燃料電池の水素供給用のマニ
ホールド孔512に供給され、各セパレータの溝孔515に分
配される。そして、各溝孔515から更に入口チャネル561
に分配されて下方へ流れる。
一方、水は、ポンプ３を駆動させることによって、気
液分離タンク４から冷却器７を経由して燃料電池の水供
給用のマニホールド孔513に供給され、各セパレータの
溝孔516に分配される。そして、各溝孔516から更に細孔
581を通って入口チャネル561に分配され、各入口チャネ
ル561内で水素と混合されて気液混合物が生成される。
入口チャネル561内で生成された気液混合物は、チャ
ネル541を通過しながら、アノード523に水素を供給する
と共に固体高分子膜521を加湿し、チャネル571を通って
マニホールド孔514から型燃料電池の外に排出される。
なお、この気液混合物は、燃料電池を冷却する冷媒とし
ての働きもなす。
燃料電池に供給する水量の調整は、水圧計（図16中に
Ｐで示している）で水分配基板580にかかる水圧を計り
ながら、これが所定の水圧となるようにポンプ３の出力
をコントロールすることによって行う。
供給する水量としては、燃料電池を所定の運転温度
（80℃程度）に保つ冷却力を得るだけの水量は必要であ
るが、アノード523に対する水素の供給を円滑に行うた
めに、さらにポンプ３などの大きさを小さくするために
できるだけ少ない水量に設定することが望ましい。
燃料電池から排出された気液混合物は、気液分離タン
ク４に流れ込み、未反応水素と水とに分離されて、分離
された水は再利用され、未反応水素は燃焼器（不図示）
で燃焼処理される（図16参照）。
空気は、ファン（不図示）から空気供給マニホールド
（不図示）を経由して燃料電池に送り込まれる。そし
て、チャネル531を通過しながらカソード522に酸素を供
給し、燃料電池から排出される。
なお、水素ガスの代わりに、水素リッチな改質ガスを
用いても同様に運転することができる。
〔入口チャネルへの水の供給について〕
水分配基板580の材質や形状並びに細孔581の孔径など
は、上記実施の形態１で説明した通りである。
適度な水量を得るための水圧Ｐも、細孔581の孔径に
よって変わるが、通常は10〜10万mmH2O、特に100〜800m
mH2O程度の範囲内で設定するのが望ましい。
ところで、本発明者等が先に日本国で出願した特願平
７−296414においては、水の通路から多孔質基板（多孔
質カーボン板）を通してアノード側のチャネルの入口に
水及び水素を送り込んで気液混合物を生成するようにし
た固体高分子型燃料電池が開示されているが、多孔質基
板と水分配基板580とを比べると、多孔質基板の場合は
細孔の大きさや形状にばらつきがあるのに対して、水分
配基板580に形成されている細孔581は同一の大きさと形
状である。
また、多孔質基板を用いた場合は、水の溝孔に水圧が
あまりかからない状態でも細孔から水が流れ出る現象が
生じやすいのに対して、水分配基板580を用いた場合
は、水の溝孔にある程度の水圧がかからないと細孔581
から水が流れ出ない。
従って、低圧、小流量の水を供給する場合、水分配基
板580を用いることによって、多孔質基板を用いる場合
よりも、各入口チャネル561に対して均一的に水を分配
することができる（図17の白抜き矢印参照）。
更に、多孔質基板の場合は、非常に多数の微細な孔が
形成されているので、孔と孔との間隔が狭く、そのため
孔から出る水どうしが互いに付着し合い、大きな水滴と
なって多孔質基板の出口側の表面に付着する傾向が強
い。これに対して、水分配基板580の場合、孔と孔との
間隔が広いので、孔から出る水どうしが互いに付着し合
うことなく、そのため分散性の良好な気液混合物を生成
することができる。
よって、水分配基板580を用いることにより、多孔質
基板を用いる場合と比べて、入口チャネル561毎にばら
つきの少ない均一的な気液混合物を生成することができ
る。
なお本実施の形態では、図18に示されるように、入口
チャネル561において、水の流入口となる細孔581が、溝
孔515から入口チャネル561への水素の流入口よりも下流
側に位置しているが、この場合、入口チャネル561内に
気泡が滞留しにくくなるので、気泡による入口チャネル
561の閉塞が防止される。
［実施の形態１〜７の変形例などについて］ 実施の形態１では、すべてのチャネル400に対向して
ガス分配基板12に細孔12aを形成したが、水分配基板11
の細孔11aを設けていないチャネルだけに対向して細孔1
2aを形成しても概同等の効果が得られる。
また、実施の形態１では、アノード側流路基板をカー
ボン多孔体で形成したが、膨張黒鉛，黒鉛，ファーネス
ブラックなどのカーボンとフェノール系などの樹脂との
混合物からなるモールド成形品に保水層を形成、あるい
は条線加工した流路基板を用いても、同様に実施するこ
とができる。
上記実施の形態７では、アノード側流路基板の上流部
に水分配基板を用いて水を分配する例を示したが、例え
ば特開平４−144063号公報の実施例に用いられているよ
うなコルゲート構造あるいは発泡金属などの多孔体構造
の燃料ガス流路を備えたものについても、同様に水分配
基板を用いてアノード側の流路に水を分配することがで
きる。
実施の形態１〜６では、アノード側流路基板40は、中
央部40aと上流部40bと下流部40cとが一体形成されたカ
ーボンプレートであったが、別体とすることもできる。
別体とする場合には、中央部40aと上流部40b並びに下
流部40cとの境界で水が滞留しないように、下流部40c−
上流部40b−中央部40aの順で水の接触角が小さくなるよ
うに、もしくは隣合う部分と水の接触角が同等となるよ
うに設定することが望ましい。
また、実施の形態１〜６では、アノード側流路基板40
の下流部40cに密接させて枠体10の溝孔124に吸水基材14
を填め込んだが、これに限らず下流部40cのチャネル終
端部に吸水部材を填め込んで、吸水された水を吸水部材
の終端から溝孔124に滴下して排出するような構成とす
ることもできる。
また、実施の形態５で説明した保水層や実施の形態６
で説明した細溝は、実施の形態７の燃料電池にも応用す
ることができ、同様の効果を奏する。
また、実施の形態１〜７のようにアノード側チャネル
に水を供給す固体高分子型燃料電池においては、当該ア
ノード側チャネルに水が溜り易いため、アノード側チャ
ネルにガスを選択的に排出する手段や吸水手段、あるい
は保水層や細溝を設けることによって燃料ガスの閉塞を
防止し発電特性に大きな効果を奏するが、カソード側の
ガスチャネルも反応生成水やアノード側からの移動水が
滞留して封鎖される可能性もあるので、カソード側チャ
ネルにも、同様にガス選択排出手段、吸水手段、保水
層、細溝などを設ければ、生成水や移動水によるガスの
閉塞を防止する効果が期待できる。
また、実施の形態１〜６では、カソード側流路基板30
とアノード側流路基板40とは別体であったが、例えば緻
密なカーボンプレートを切削あるいはモールド成形して
作成したバイポーラプレートを用いても、同様に実施す
ることができる。
また、実施の形態１〜７では、アノード側流路基板に
形成されているアノード側チャネルは、互いに平行に形
成され、平面（上面）形状、断面形状ともに矩形であっ
たが、平面形状は、矩形に限らずくさび形や蛇行形など
であってもよく、、アノード側チャネルの断面形状も、
矩形に限らず、台形、三角、Ｕ字形などであってもよ
い。また、アノード側チャネルが必ずしも互いに平行に
形成されていなくてもよい。
《実験の部》 （実験１） 水分配基板に形成する細孔の孔径と水圧と流量との関
係を調べるために、以下の実験を行った。
図19に示すように、円筒管の底に、所定の孔径ｄ（0.
3mm、0.6mm、1.2mm）の孔を所定の個数（１〜８個）開
けた厚さ125μｍのSUS316製の円形の水分配基板を取り
付け、所定の高さｈ（mm）まで水をれ（このとき水分配
基板にかかる水圧ＰはhmmH2Oとなる）、孔１つあたりか
ら流れ落ちる水の流量ｑ（cc/min個-1）を測定した。
図20は、その測定結果を示す特性図であって、ｄ＝0.
3mm,0.6mm,1.2mmの各々の場合について、孔１個あたり
の流量ｑ（cc/min個-1）と水圧Ｐ（mmH2O）との関係を
示している。（ただし水圧Ｐは対数目盛り）。図中、◆
はｄ＝0.3mm、▲はｄ＝0.6mm、■はｄ＝1.2mmについて
の測定値をプロットしたものであって、各々直線状に並
んでいる。
この特性図から、ｄ＝0.3mm,0.6mm,1.2mmのいずれの
場合にも、円形の水分配基板に開設した孔の個数には関
係なく、孔１個あたりの流量ｑと水圧Ｐとの間に、1nP
＝Ａ・ｑ＋1nP0…（１）の関係があることがわかる。こ
の式において、Ａ及びP0は定数であって、Ａはグラフの
傾き、P0はｑ＝０のときのＰの値を示している。
更に、孔径ｄと上記定数Ａとの関係、並びに孔径ｄと
上記定数P0との関係を求めるために、図21に示すよう
に、ｄ＝0.3mm,0.6mm,1.2mmのときの孔径ｄと上記定数
Ａとの関係（図中◇で示す）、並びに孔径ｄと上記定数
P0との関係（図中△で示す）をプロットした。
◇を結ぶ曲線はＹ＝0.0356X−1.2267で表され、△を
結ぶ曲線はＹ＝21.012X−0.8674で表されることから、
定数Ａと孔径ｄとの間にはＡ＝0.0356d−1.2267…
（２）の関係が、また定数P0と孔径ｄとの間にはP0＝2
1.012d−0.8674…（３）の関係が成り立つことが予測さ
れる。
孔を通過する水の圧力損失は孔の長さ（即ち水分配基
板の厚さ）に比例するものと仮定して、上記の式
（１），（２），（３）に基づいて、水分配基板の厚さ
が0.15mmで、ｄ＝0.08,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6mmの場合に
おける流量ｑと水圧Ｐとの関係を導き出した。
図22の各直線はその結果を示すものである。
また、図22において、■は、上記実施の形態７の固体
高分子型燃料電池を用いて、水圧Ｐを300、500、700mmH
2Oとしたときの流量ｑ重の実測値をプロットしたもので
あって、ｄ＝0.2mmの直線と略一致している。
この図22の孔径ｄが0.2mmのグラフを用いれば、上記
実施の形態７の固体高分子型燃料において、所望の流量
ｑに設定するために水圧Ｐをどの程度に設定すればよい
かを算出することができる。例えば、孔あたりの水流量
ｑを3cc/minに設定しようとすれば、水圧Ｐを220mmH2O
程度に設定すればよいことになる。
また、孔径ｄが0.2mmのグラフでは、水流量が０のと
きに水圧Ｐが約100mmH2Oであるので、実施の形態７の固
体高分子型燃料において、水の溝孔（溝孔121,516）に
水が充満して水圧Ｐが100mmH2O程度に到達するまでは細
孔から水が出ないことがわかる。このことは、溝孔の中
央部に水が行き渡るまでは、水分配基板の端部の細孔か
ら水が出ないことを示すと共に、並びに水分配基板の中
央部の細孔からも端部の細孔と同様に水が出ることを示
唆している。
なお、この実験結果は、実施の形態１〜６の燃料電池
についても同様に当てはまるものである。
（実験２） 上記実施の形態７で用いた水分配基板に対して、次の
（ａ）〜（ｃ）のような処理を施したものを作製し、孔
から流れ出る水の状態及び水の分散状態を観察した。
（ａ）水分配基板の出口側の表面をサンドペーパで磨い
て傷をつけて、水との接触角が入口側より出口側で大き
くなるようにした。
（ｂ）水分配基板の入口側の表面をサンドペーパで磨い
て傷をつけて、水との接触角が出口側より入口側の方で
大きくなるようにした。
（ｃ）水分配基板の代わりに多孔性カーボン基板を用い
た。
水分配基板（SUS304）の孔周縁部のイオン交換水に対
する接触角（室温、空気中）を測定したところ、サンド
ペーパで磨く前は91゜、サンドペーパ＃320で磨いた後
は70゜、サンドペーパ＃600で磨いた後は64゜であっ
た。
図23は、孔から水が流出する状態を模式的に示す図で
あって、は孔の出口側で水が細かい水滴となって分散
される様子を示し、は孔の出口側の周縁で水が基板の
表面に付着している様子を示し、は隣り孔の出口にま
でつながって水が付着している様子を示している。
上記（ａ）の場合は、図23のの状態が主に観察さ
れ、水の分散状態が良好であった。
上記（ｂ）の場合は、図23のととの状態が観察
され、水の分散状態はやや不均一であった。
上記（ｃ）の場合は、図23のとの状態が観察さ
れ、水の分配状態は不均一であった。
これより、水分配基板において、入口側よりも出口側
の方を、水との接触角を小さくすることが良好な分散を
得るために有効であることがわかる。
なお、本実験においては、水分配基板の出口側におけ
る水との接触角を小さくするためにサンドペーパで磨く
例を示したが、水分配基板の表面に水との接触角が小さ
い材料の膜を塗布したり、張り合わせたりしても同様の
効果を奏する。
（実験３） 実施の形態７に基づき、以下の仕様で実施例の燃料電
池A1を作製した。
電極面積:100cm2 固体高分子膜：厚さ0.13mmのNaffionl15の膜（米国デ
ュポン社製） アノード及びカソード：共に白金を担持したカーボン
ペーパ（白金担持量は0.7mg/cm2） 水分配基板：厚さ0.15mmのSUS316板に孔径0.2mmの細
孔をチャネルあたり１個づつ開設した また、上記燃料電池A1において、細孔を開設した薄板
の代わりに多孔性カーボン板を用いた以外は同様にし
て、比較例の燃料電池Ｘを作製した。
そして、実施例の燃料電池A1と比較例の燃料電池Ｘと
を用いて、様々な燃料利用率Ufで作動しながらセル電圧
を測定した。
表１並びに図24はその測定結果の示すものであって、
燃料利用率とセル電圧との関係を示している。
図24から明らかなように、実施例の燃料電池A1は、比
較例の燃料電池Ｘと比べて、高い燃料利用効率で運転し
ても安定したセル性能を維持している。
（実験４） 実施の形態２に基づいて、以下の仕様で実施例の燃料
電池B1を作製した。
電極面積 :100cm2 固体高分子膜 ：パーフルオロカーボンスルホン酸膜 アノード :Pt−Ru担持カーボン カソード :Pt担持カーボン セル積層枚数 :16 またこれと同様の仕様で、実施の形態７に基づいて燃
料電池A2（ガス選択排出手段を持たない燃料電池）を作
製した。
作製した燃料電池B1,A2を、以下の条件で作動させな
がらセル電圧（mV）を経時的に測定した。
電流密度 :0.5A/cm2 燃料ガス利用率 :70％ 酸化ガス利用率 :30％ 燃料ガス :H2/N2（35/65,体積比） 酸化剤 ：空気 図25はこの実験結果を示す特性図であって、横軸は時
間（分）を示し、縦軸はセル電圧（全セルの平均値）
（mV）を示す。
図25から明らかなように、燃料電池A2においては、経
時的なセル電圧の低下が認められ、20分程度しか安定し
た運転ができないのに対して、燃料電池B1では、長時間
に渡って安定した発電をすることができることが分か
る。
これは、燃料電池B1では、ガス選択排出手段を設けて
あるため、燃料電池A2と比べて、運転中におけるアノー
ド側のチャネルでのガス流路が確保されやすいことを裏
づけている。
（実験５） 実施の形態１に基づいて、以下の仕様で実施例の燃料
電池C1を作製した。
電極面積 :100cm2 固体高分子膜 ：パーフルオロカーボンスルホン酸膜 アノード :Pt−Ruを担持したカーボンペーパ カソード :Ptを担持したカーボンペーパ 水分配基板：厚さ0.15mmのSUS316板に孔径0.2mmの
細孔を開設 セル積層枚数:16 また、実施の形態２に基づいて、同様の仕様で実施例
の燃料電池B2を作製した。
また、実施の形態７に基づいて、同様の仕様で実施例
の燃料電池A3を作製した。
そして、燃料電池C1、燃料電池B2、燃料電池A3を用い
て、以下の条件で作動させ、供給する冷却水の量を変化
させながらセル電圧（mV）を測定した。
電流密度 :0.5A/cm2 燃料ガス :H2/N2（36/64:体積比） 酸化剤 ：空気 燃料ガス利用率 :60％ 酸化ガス利用率 :15％ 図26は、この実験結果であって、セルユニット当たり
の冷却水量とセル電圧（mV）との関係を示す特性図であ
る。なお、セル電圧は、全セルについての平均値であ
る。
図26から明らかなように、燃料電池A3と比べて、燃料
電池C1,燃料電池B2は、高いセル電圧を示している。
これは、燃料電池A3と比べて、燃料電池C1や燃料電池
B2のようにガスの選択排出機構を備えると、気液混合物
が流通するチャネルにおける燃料ガスの閉塞が発生しに
くく、アノードの全域に効率よく燃料ガスが供給される
ことを示している。
また、燃料電池B2では、冷却水量を小くするとセル電
圧が低下するのに対して、燃料電池C1では、冷却水量を
小さくしてもセル電圧の低下は見られず、冷却水量を1c
c・min-1・cell-1まで下げても0.6V以上の高いセル電圧
を保っている。
これは、燃料電池B2では、水分配基板に開設されてい
る細孔の数が多いので、冷却水量を小さくすると各細孔
から均一的に水が流れず、固体高分子膜の保湿がが部分
的になされないのに対して、燃料電池C1では、水分配基
板に開設されている細孔の数が少ないので、冷却水量を
小さくしても各細孔から均一的に水が流れ、固体高分子
膜の保湿が全体的になされるためと観察される。
（実験６） 上記実験６で作製した燃料電池C1の比較例として、水
供給チャネルには水だけが供給され、水供給チャネル以
外のチャネルには燃料ガスだけが供給される燃料電池Ｙ
を作製した。
燃料電池Ｙは、燃料電池C1と同様の構成であるが、水
供給チャネル以外のチャネルだけに対応してガス分配基
板に細孔を形成すると共に、水供給チャネルに対応して
水分配基板に開設する孔をより大きく形成した点が異な
っている。
そして、燃料電池C1及び燃料電池Ｙを用いて、燃料利
用率を変化させながら作動してセル電圧（mV）を測定し
た。作動条件は上記実験５と同様である。
図27から、比較例の燃料電池Ｙと比べて燃料電池C1は
高いセル電圧を示していることが明らかであり、特に燃
料利用率の高い範囲でその傾向が顕著である。
これは、比較例の燃料電池Ｙでは、水供給チャネルに
は水だけが供給されるので、そのチャネルに対向するア
ノードの部分には燃料ガスが供給されにくいのに対し
て、燃料電池C1では、アノード側チャネル全体に燃料ガ
スが供給されるためと考察される。
（実験７） 実施の形態６に基づいて燃料電池Ｄを作製した。アノ
ード側流路基板は、黒鉛とフェノール樹脂との混合物を
モールド成型し、研磨紙で研磨することによって細溝を
形成するという条線加工を施すことによって作製した。
また、この燃料電池Ｄと同様であるが条線加工を施し
ていない燃料電池Ｚを作製した。
そして、燃料電池Ｄ及び燃料電池Ｚについて、冷却水
量−セル電圧特性並びに電流密度−セル電圧特性を測定
した。
冷却水量−セル電圧特性については、冷却水量を変化
させながら各燃料電池を作動してセル電圧（mV）を測定
した。
電流密度−セル電圧特性については、電流密度を変化
させながら各燃料電池を作動してセル電圧（mV）を測定
した。
作動条件は以下の通りである。
燃料ガス :H2 酸化剤 ：空気 燃料ガス利用率 :50％ 酸化ガス利用率 :20％ 電池温度（中央）：約70℃ 図28（Ａ）は、冷却水量−セル電圧特性の測定結果を
示す特性図である。
本図より、燃料電池Ｚでは、冷却水量が多くなるにつ
れてセル電圧が顕著に低下しているのに対して、燃料電
池Ｄでは冷却水量が多くなってもセル電圧はほとんど変
らないことがわかる。
これは、アノード側流路基板としてモールド成型品を
用いたので、条線加工を施していない燃料電池Ｚは冷却
水量が多くなるとチャネルに水が滞留して燃料ガス流量
が不足する傾向にあるが、条線加工を施した燃料電池Ｄ
では冷却水量が多くなっても水が滞留しにくいので燃料
ガスの流量が確保されるためと考えられる。
図28（Ｂ）は、電流密度−セル電圧特性の測定結果を
示す特性図である。
本図より、燃料電池D,Z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Ｄ
の方がセル電圧の低下する度合は少ないことがわかる。
これは、上記のように、条線加工を施していない燃料
電池Ｚは、条線加工を施している燃料電池Ｄと比べて、
チャネルに水が滞留することにより燃料ガスの流量が不
足してセル電圧が低下しやすいが、電流密度が大きいと
きほどセル電圧低下に大きく影響するためと考えられ
る。
（実験８） 次の仕様で、実施の形態３に基づく燃料電池Ｅを作製
した。
電極面積 :100cm2 固体高分子膜 ：パーフルオロカーボンスルホン酸膜 アノード :Pt−Ru担持カーボン カソード :Pt担持カーボン セル積層枚数 :52 ドレン溝の吸水基材：ポリエステル／レーヨン（30/7
0）の不織布を用い、端部をマニホールド孔113に突出さ
せた。
また、吸水基材を設けずそれ以外は同様の仕様で、実
施の形態１に基づく燃料電池C2を作製した。
そして、燃料電池C2と燃料電池Ｅを用いて、平均セル
電圧の経時変化を測定した。
作動条件は以下の（１）及び（２）とした。
（１） 電流密度 :0.5A/cm2 燃料ガス :H2 酸化剤 ：空気 冷却水量 :10cc・min-2・cell 燃料ガス利用率 :99％ 酸化ガス利用率 :30％ （２） 電流密度 :0.5A/cm2 燃料ガス :H2/N2＝36/64 酸化剤 ：空気 冷却水量 :10cc・min-2・cell 燃料ガス利用率 :70％ 酸化ガス利用率 :15％ 図29（Ａ），（Ｂ）は、この測定結果を示す特性図で
あって、図29Aは上記（１）の作動条件、図29（Ｂ）は
上記（２）の作動条件によるものである。
これらの特性図より、燃料電池C2では、経時的にセル
電圧が若干低下する傾向にあり、特に図29（Ｂ）では、
発電時間が長くなると燃料電池Ｅのセル電圧がかなり低
下しているのに対して、燃料電池Ｅのセル電圧はほとん
ど経時的変化がないことがわかる。
これは、ドレン経路を設けていない燃料電池C2では、
経時的にガス排出用のマニホールド孔に水が溜まること
によって燃料ガスの流通が若干妨げられ、これによって
セル電圧が低下し、特に上記（２）の作動条件のように
燃料ガス中の水素含有量が少ない場合にはセル電圧の低
下に及ぼす影響が大きいのに対して、ドレン経路を設け
た燃料電池Ｅでは、ガス排出用のマニホールド孔に水が
溜まらないためと考えられる。
産業上の利用可能性 以上の本発明によれば、アノード側の流路に燃料ガス
及び水を供給して運転する固体高分子型燃料電池におい
て、燃料ガスが流路内で閉塞されるのを回避し、アノー
ド全体に対して燃料ガスを供給することができるので、
安定して優れた発電特性を得ることが可能となる。
また、固体高分子膜を全体的に保湿し且つ燃料ガスを
アノード全体に効率よく供給することもできるので、燃
料電池の発電特性や寿命特性を更に向上させることも可
能である。
───────────────────────────────────────────────────── 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 (56)参考文献 特開 平８−315839（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−315843（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−95357（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−148174（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−138692（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−220746（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−138691（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01M 8/00 - 8/24

Claims (27)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】固体高分子膜にカソード及びアノードを配
    したセルが、前記アノードに対向してアノード側流路が
    形成された第１のプレートと、前記カソードに対向して
    カソード側流路が形成された第２のプレートとで挟持さ
    れてなり、前記アノード側流路に燃料ガス及び水が供給
    されると共に前記カソード側流路に酸化剤ガスが供給さ
    れて発電する固体高分子型燃料電池であって、 前記第１のプレートは、 燃料ガス流れ方向の前記アノードの終端よりも下流側に
    前記アノード側流路から延設された延設流路を有し、 当該延設流路の終端よりも上流側には、延設流路を跨る
    ようにガスの抜け道が形成されており、その抜け道に
    は、ガスを選択的に排出するガス選択排出手段が形成さ
    れていることを特徴とする固体高分子型燃料電池。
  2. 【請求項２】前記ガス選択排出手段は、 ガスを選択的に透過する選択透過部材からなることを特
    徴とする請求の範囲第１項の固体高分子型燃料電池。
  3. 【請求項３】前記選択透過部材は、 溌水処理を施したカーボンペーパ、四フッ化エチレン樹
    脂多孔質膜若しくはポリエステル、ポリオレフィン、ポ
    リテトラフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン−
    ペルフルオロアルキルビニルエーテル共重合体、ガラ
    ス、ポリプロピレンを支持体とした四フッ化エチレン樹
    脂多孔質膜、及びポリウレタンコートしたポリエステル
    繊維からなる群から選択された材料で形成されているこ
    とを特徴とする請求の範囲第２項の固体高分子型燃料電
    池。
  4. 【請求項４】前記ガス選択排出手段は、 スリット構造であることを特徴とする請求の範囲第１項
    の固体高分子型燃料電池。
  5. 【請求項５】前記延設流路の下流側に、 更に吸水、保水し、水を排出させる吸水手段を備えるこ
    とを特徴とする請求の範囲第１項，第２項，第３項また
    は第４項の固体高分子型燃料電池。
  6. 【請求項６】前記吸水手段は、 ポリエステル、レーヨン、ポリエステル／レーヨン、ポ
    リエステル／アクリル及びレーヨン／ポリクラールから
    なる群から選択された繊維を主成分とする織布、不織布
    又はフェルトで構成されていることを特徴とする請求の
    範囲第５項の固体高分子型燃料電池。
  7. 【請求項７】前記第１のプレートは、 前記アノードに対向するアノード側チャネルを有し、 当該アノード側チャネルの内面に対する水の接触角は、 前記アノードの表面に対する水の接触角よりも小さいこ
    とを特徴とする請求の範囲第１項の固体高分子型燃料電
    池。
  8. 【請求項８】前記延設流路の内面に対する水の接触角
    は、 前記アノードの表面に対する水の接触角と同等またはそ
    れ以下であることを特徴とする請求の範囲第７項の固体
    高分子型燃料電池。
  9. 【請求項９】前記第１のプレートは、 前記アノードに対向するアノード側チャネルを有し、 当該アノード側チャネルの内面には、 細溝が形成されていることを特徴とする請求の範囲第１
    項の固体高分子型燃料電池。
  10. 【請求項１０】前記細溝は、 平均溝幅が５〜200μｍであることを特徴とする請求の
    範囲第９項の固体高分子型燃料電池。
  11. 【請求項１１】前記細溝は、 アノード側チャネルの流れ方向に沿って形成されている
    ことを特徴とする請求の範囲第９項の固体高分子型燃料
    電池。
  12. 【請求項１２】前記細溝は、 前記第１のプレートの各アノード側チャネル対して１本
    以上形成されていることを特徴とする請求の範囲第11項
    の固体高分子型燃料電池。
  13. 【請求項１３】前記固体高分子型燃料電池は、 前記ガス選択排出手段によって前記延設流路から排出さ
    れるガスを電池外部に導くガス排出通路と、 前記延設流路から水を電池外部に導く水排出通路とを備
    え、 前記ガス排出通路と水排出通路との間には、 水を案内するドレン経路が設けられていることを特徴と
    する請求の範囲第１項の固体高分子型燃料電池。
  14. 【請求項１４】前記ドレン経路は、 前記ガス排出通路と水排出通路を連通する連通溝と、当
    該連通溝に充填された吸水材とからなることを特徴とす
    る請求の範囲第13項の固体高分子型燃料電池。
  15. 【請求項１５】前記セルと第１のプレート及び第２のプ
    レートがフレームによって支持されたセルユニットが積
    層された構造であって、 ガス排出通路及び水排出通路は、 前記各フレームに開設されたマニホールド孔によって形
    成され、 前記連通溝は、 前記各フレームに穿設されていることを特徴とする請求
    の範囲第14項の固体高分子型燃料電池。
  16. 【請求項１６】前記アノード側流路の入口部に燃料ガス
    を分配する燃料ガス分配手段と、 水流通空間から前記各アノード側流路の入口部に通ずる
    所定の形態の孔を通して、水供給源からの水を前記アノ
    ード側流路の入口部に分配する水分配手段とを備えるこ
    とを特徴とする請求の範囲第１項の固体高分子型燃料電
    池。
  17. 【請求項１７】前記第１のプレートには、前記アノード
    側流路として複数のアノード側チャネルが形成され、 前記水分配手段は、 前記複数のアノード側チャネルの中の特定のものに対し
    てだけ水を分配することを特徴とする請求の範囲第16項
    の固体高分子型燃料電池。
  18. 【請求項１８】前記水分配手段が水を分配する特定のア
    ノード側チャネルは、 前記複数のアノード側チャネルの中から１本おき或は２
    本おきに選択されたものであることを特徴とする請求の
    範囲第17項の固体高分子型燃料電池。
  19. 【請求項１９】前記所定形態の孔の長さは、120μｍ〜5
    mmの範囲内にあり、 当該孔の孔径は、20μｍ〜3mmの範囲内にあることを特
    徴とする請求の範囲第16項の固体高分子型燃料電池。
  20. 【請求項２０】前記第１のプレートにおけるアノード側
    流路の内面には、 親水性材料からなる保水層が流れ方向に沿って設けられ
    ていることを特徴とする請求の範囲第１項の固体高分子
    型燃料電池。
  21. 【請求項２１】固体高分子膜にカソード及びアノードを
    配したセルが、前記アノードに対向してアノード側流路
    が形成された第１のプレートと、前記カソードに対向し
    てカソード側流路が形成された第２のプレートとで挟持
    されてなり、前記アノード側流路に燃料ガス及び水が供
    給されると共に前記カソード側流路に酸化剤ガスが供給
    されて発電する固体高分子型燃料電池であって、 前記アノード側流路の入口部に燃料ガスを分配する燃料
    ガス分配手段と、 前記アノード側流路の入口部に水供給源からの水を分配
    する水分配手段とを備え、 当該水分配手段は、 前記各アノード側流路の入口部と仕切板を介して隣接し
    て設けられた水流通空間を有し、当該水流通空間から仕
    切板に穿設された所定の形態の孔を通して水を分配する
    ことを特徴とする固体高分子型燃料電池。
  22. 【請求項２２】前記仕切板の表面は、 前記孔の近傍において、 前記水流通空間側よりも前記各アノード側流路の入口側
    の方が、水との接触角が大きくなるように形成されてい
    ることを特徴とする請求の範囲第21項の固体高分子型燃
    料電池。
  23. 【請求項２３】前記所定形態の孔の長さは、120μｍ〜5
    mmの範囲内にあり、 当該孔の孔径は、20μｍ〜3mmの範囲内にあることを特
    徴とする請求の範囲第21項の固体高分子型燃料電池。
  24. 【請求項２４】前記第１のプレートには、前記アノード
    と対向する複数のアノード側チャネルが形成され、 前記水分配手段は、 前記複数のアノード側チャネルの中の特定のものに対し
    てだけ水を分配することを特徴とする請求の範囲第21項
    の固体高分子型燃料電池。
  25. 【請求項２５】前記水分配手段が水を分配する特定のア
    ノード側チャネルは、 前記複数のアノード側チャネルの中から１本おき或は２
    本おきに選択されたものであることを特徴とする請求の
    範囲第24項の固体高分子型燃料電池。
  26. 【請求項２６】前記第１のプレートにおけるアノード側
    流路の内面には、 親水性材料からなる保水層が流れ方向に沿って設けられ
    ていることを特徴とする請求の範囲第21項の固体高分子
    型燃料電池。
  27. 【請求項２７】前記アノード側流路から排出されるガス
    の流路に、燃料利用率が90％以上に保たれるようガスの
    流量を調整するバルブが設けられていることを特徴とす
    る請求の範囲第21項の固体高分子型燃料電池。
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