JP3559693B2 - 固体高分子電解質型燃料電池 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子膜を電解質として用いた固体高分子電解質型燃料電池に係り、特に、電池内に凝集された水を除去するよう構成された固体高分子電解質型燃料電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、燃料電池は水素などの燃料と空気などの酸化剤という２種類のガスを電気化学的に反応させることにより、燃料のもつ化学的エネルギーを直接、電気エネルギーに変換する装置である。この燃料電池には様々なタイプのものが提案されているが、その１つとして、電解質に固体高分子膜を用いた固体高分子電解質型燃料電池が知られている。ここで図１０を参照して、固体高分子電解質型燃料電池の構成について具体的に説明する。
【０００３】
図１０に示すように、固体高分子電解質型燃料電池には単電池１が設けられ、この単電池１を挟むようにしてガス不透過性のセパレータ５，５が設置されている。単電池１には燃料として水素が供給されるアノード電極３と、酸化剤として空気が供給されるカソード電極４とが設けられ、これらアノード電極３およびカソード電極４間には電解質層としてプロトン導電性を有する固体高分子膜２が配置されている。
【０００４】
また、セパレータ５の下面にはアノード電極３に燃料を供給するための溝３（ｃ）が形成され、セパレータ５の上面にはカソード電極４に酸化剤を供給するための溝４（ｃ）が形成されている。なお、アノード電極３はアノード触媒層３（ａ）とアノード多孔質カーボン平板３（ｂ）とから構成され、カソード電極４はカソード触媒層４（ａ）とカソード多孔質カーボン平板４（ｂ）とから構成されている。このうち、触媒層３（ａ），４（ａ）の方が前記固体高分子膜２を挟むようになっている。
【０００５】
以上のような構成を有する固体高分子電解質型燃料電池において、セパレータ５の溝３（ｃ）からアノード電極３に燃料を、セパレータ５の溝４（ｃ）からカソード電極４に酸化剤をそれぞれ供給すると、単電池１の一対の電極間で電気化学反応により起電力が生じる。より詳細には、アノード電極３に水素を、カソード電極４に空気をそれぞれ供給すると、アノード電極３では供給された水素がアノード電極３の触媒層３（ａ）で水素イオンと電子とに解離し、水素イオンは固体高分子膜２を通って、電子は外部回路を通って、カソード電極４にそれぞれ移動する。
【０００６】
一方、カソード電極４では供給された空気中の酸素と、固体高分子膜２を通過した上記水素イオンと、外部回路を経由した電子とがカソード触媒層４（ａ）で反応して水を生成する。このとき、外部回路を通った電子は電流となり、電力を供給することができる。このように進行する各電極３，４での反応を式で示すと、次のようになる。すなわち、
アノード反応 ： Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-
カソード反応 ： ２Ｈ+＋１／２Ｏ2＋２ｅ-→Ｈ2Ｏ
となる。なお、カソード電極４にて生成された水は未反応ガスと共に電池外に排出される。
【０００７】
上記のようにして得られる単電池１の起電力は１Ｖ以下と低い。そのため、実際に運転する燃料電池では、上記セパレータ５を介して数十〜数百枚の単電池１を積層し電池スタックとして使用している。その際、電池スタックにおいては発電に伴う電池スタックの昇温を制御するために数枚の単電池１毎に冷却板が挿入されるのが一般的である。
【０００８】
ところで、プロトン導電性を有する固体高分子膜２としては、たとえばプロトン交換膜であるパーフルオロロカーボンスルホン酸（ナフィオンR ：米国、デュポン社）が知られている。このような固体高分子膜２は分子中に水素イオンの交換基を持ち、飽和含水状態とすることにより、イオン導電性電解質として機能すると共に、燃料（水素）と酸化剤（空気）とを分離する機能も発揮することができる。しかし、固体高分子膜２中の含水量が少なくなるとイオン抵抗が高くなり、燃料（水素）と酸化剤（空気）の混合（クロスオーバ）が発生して、発電性能が著しく劣化する。このため、固体高分子膜２は常に飽和含水状態としておくことが望ましいとされている。
【０００９】
しかしながら、アノード電極３で分離した水素イオンが固体高分子膜２を通ってカソード電極４に移動する時、水も一緒に移動するため、アノード電極３側の固体高分子膜２は乾燥し易いことが判明している。また、供給する反応ガス中に含まれる水蒸気が少なければ、単電池１の反応ガスの入口付近では固体高分子膜２が乾燥傾向になる。このような固体高分子膜２の乾燥を防止するために固体高分子電解質型燃料電池では、予め加湿した反応ガスを電極に対して供給することが一般的に行われている。通常、反応ガスの加湿は電池運転温度（６０℃〜９０℃）での相対湿度が１００％となるように設定されている。
【００１０】
ところが、カソード電極４側では発電反応に伴って反応生成水が発生するため、固体高分子膜２の乾燥を防ぐことを目的として燃料および酸化剤を加湿している場合、カソード電極４側の触媒層４（ａ）には過剰の水蒸気が凝集して凝集水が発生し、カソード電極４内に過剰な水分が蓄積されることがあった。触媒層４（ａ）にて凝集水が生じると、触媒層４（ａ）への酸化剤の拡散を阻害することになり、拡散分極の増大を招く原因となった。拡散分極が進行すれば、電池特性が劣化し、電池の寿命が短くなるといった不具合が生じた。
【００１１】
そこで従来より、固体高分子電解質型燃料電池においては電池内に凝集された水を除去するよう改良されている。具体的には、セパレータ５における反応ガス供給用の溝３（ｃ）、４（ｃ）をサーペンタイト構造の１本溝とするなど、溝３（ｃ）、４（ｃ）の構造に改善して反応ガスの流速を大きくした固体高分子電解質型燃料電池が提案されている。このような燃料電池によれば、反応ガスのガス圧力を強めることができるため、凝集水をカソード電極４側の触媒層４（ａ）から電池外へと吹き飛ばすことができた。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、反応ガスの高速化により凝集水の除去を図った上記従来例には次のような問題点があった。すなわち、反応ガスの流速を高めるためには、セパレータ５に形成する溝３（ｃ）、４（ｃ）の断面積を小さくする必要があり、その分だけ溝３（ｃ）、４（ｃ）の数が増えて、セパレータ５の形状も複雑になった。したがって、溝加工に要する費用が高くなり、セパレータ５の製造コストが高騰した。その結果、燃料電池の製造コストが大きく跳ね上がっていた。
【００１３】
また、従来例では溝３（ｃ）、４（ｃ）の構造を工夫して反応ガスの高速化を図っているので、セパレータ５における溝３（ｃ）、４（ｃ）中の凝集水は除去し易いが、カソード電極４側の触媒層４（ａ）や多孔質カーボン平板４（ｂ）に至っては蓄積した過剰な水を十分に除去することは困難であった。
【００１４】
さらに、反応ガスの流速を大きくすればするほどガス流の圧損は高くなり、場合によっては固体高分子膜２の破損を招くおそれがあった。しかも、反応ガスの流速を速すぎると、固体高分子膜２に必要な水までも除去してしまい、必要十分な水分を固体高分子膜２に確保できない。前述したように、固体高分子膜２中の含水量が少なくなるとイオン抵抗が高くなるため、固体高分子膜２中の含水量の変動は電池の内部抵抗が不安定となる原因となった。
【００１５】
以上述べたように、触媒層へのガス拡散をスムーズに行うために電池内の凝集水を除去することは不可欠であるが、これを簡単な構成により低コストで実現させることが課題となっていた。また、ただ単に電池内の凝集水を除去すれば良いというのではなく、安全性や電池性能の安定化といった観点から、固体高分子膜を破損させることなく凝集水を除去すると共に、固体高分子膜は常に飽和含水状態とすることが求められていた。
【００１６】
本発明は、以上のような事情を鑑みて提案されたものであり、その目的は、簡単な構成により電池内に凝集した過剰の水分を速やか且つ安全に除去すると同時に、固体高分子膜に必要十分な水を保持することができ、製造コストの低減化を図りつつ、高い電池特性を長期にわたって維持することが可能な優れた固体高分子電解質型燃料電池を提供することである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１の発明は、反応ガスが供給される一対の電極を備えると共にこれら電極間に電解質層としてイオン導電性を有する固体高分子膜を配置した単電池が設けられ、前記電極はそれぞれ触媒層および多孔質カーボン平板から構成され、前記単電池を挟むようにしてガス不透過性のセパレータが設置された固体高分子電解質型燃料電池において、前記一対の電極のうち少なくとも一方の電極における多孔質カーボン平板内を、当該平板の面方向に前記反応ガスが流通するよう構成され、この反応ガスが流通する多孔質カーボン平板において、前記反応ガス流通方向に沿って短冊状に交互に高密度部と低密度部との粗密分布が付けられていることを特徴とする。
【００１８】
請求項２の発明は、反応ガスが供給される一対の電極を備えると共にこれら電極間に電解質層としてイオン導電性を有する固体高分子膜を配置した単電池が設けられ、前記電極はそれぞれ触媒層および多孔質カーボン平板から構成され、前記単電池を挟むようにしてガス不透過性のセパレータが設置された固体高分子電解質型燃料電池において、前記一対の電極のうち少なくとも一方の電極における多孔質カーボン平板内を、当該平板の面方向に前記反応ガスが流通するよう構成され、この反応ガスが流通する多孔質カーボン平板において、前記反応ガス流通方向と垂直方向に、短冊状に交互に高密度部と低密度部との粗密分布が付けられていることを特徴とする。
【００１９】
このような請求項１及び２の発明では、反応ガスが流通する多孔質カーボン平板に粗密をつけることにより、多孔質カーボン平板内を流通する反応ガスは粗の部分を流通することになるので、ガス配流の均一化が容易となる。
【００２０】
特に請求項１記載の発明では、多孔質カーボン平板において反応ガス流通方向に粗密分布をつけたため、反応ガスは上流から下流に向って直線的に流通するようになり局部的な反応ガスの滞留を防止することができる。
【００２１】
また、特に請求項２記載の発明では、多孔質カーボン平板において反応ガス流通方向と垂直に粗密をつけたため、反応ガスは流通方向と垂直な方向に広がりながら上流から下流に均等に流れるようになり、局部的な反応ガスの滞留を防止することができる。
【００２２】
請求項３の発明は、請求項１または２に記載の固体高分子電解質型燃料電池において、前記セパレータが少なくとも一面に前記反応ガスの流通溝を形成しない平板セパレータから構成されたことを特徴とする。
【００２３】
請求項４の発明は、請求項３記載の固体高分子電解質型燃料電池において、前記平板セパレータにおける前記反応ガスの流通溝を形成しない面には前記反応ガスを供給および排出するためのヘッダが形成されたことを特徴とする。
【００２４】
このような請求項３または４記載の発明では、従来形成していた反応ガスの流通溝を少なくても一面には形成しない平板セパレータを用いているので、溝の加工費用を削減することができ、セパレータの大幅なコストダウンが実現する。
【００２５】
しかも、請求項４の発明では、反応ガスの流通溝を形成しない面に反応ガスを供給および排出するためのヘッダを設けたため、これらのヘッダが多孔質カーボン平板に線で反応ガスを供給または排出することができる。したがって、局部的な反応ガスの滞留を生じさせることがなく、小さな圧損で均等に反応ガスを多孔質カーボン平板内に流通させることが可能となる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて具体的に説明する。なお、図１０に示した従来例と同一の部材に関しては同一符号を付し、説明は省略する。
【００２７】
（１）第１の実施形態
［構成］
図１は第１の実施形態を模式化して示した側面断面図である。
【００２８】
図１に示すように、第１の実施形態の単電池１は、従来例と同様、アノード電極３およびカソード電極４を備えると共にこれら電極３，４間に固体高分子膜２を配置してなるが、アノード電極３の多孔質カーボン平板３（ｂ）は反応ガスである燃料を、カソード電極４の多孔質カーボン平板４（ｂ）は反応ガスである酸化剤を、それぞれ流通するように構成されている。また、単電池１はガス不透過性の両面平板セパレータ７により挟まれるが、この両面平板セパレータ７は従来のセパレータ５と異なり、両面とも反応ガス供給用の溝３（ｃ）、４（ｃ）が形成されていない点に特徴がある。
【００２９】
［作用効果］
上記の構成を有する第１の実施形態では、両面平板セパレータ７には両面とも反応ガス供給用の溝（ｃ）、４（ｃ）を加工する必要がない。そのため、加工を簡略化することができ、その製造コストを従来のセパレータ５と比べて６割程度とすることができた。したがって、燃料電池の大幅なコストダウンを実現することができた。
【００３０】
また、第１の実施形態では、具体的なデータとして、電池電圧が従来の電池と比較して１０％程度向上し、５０００時間電池特性が安定して運転できることを確認した。このような性能の向上は、多孔質カーボン平板３（ｂ）、４（ｂ）に反応ガスを流通させることで、多孔質カーボン平板（ｂ）、４（ｂ）内および触媒層３（ａ）、４（ａ）内に凝縮した水を反応ガスの圧力により速やかに電池外に押し出すことができるためである。
【００３１】
しかも、多孔質カーボン平板（ｂ）、４（ｂ）内を流通する反応ガスの流速は特別に速くしたわけではないので、ガス流の圧損は小さく、固体高分子膜２を破損させる心配はない。また、反応ガスの流速が速すぎて固体高分子膜２から必要以上に水を奪うこともない。したがって、電池内での凝集水の蓄積を防止できると同時に、固体高分子膜には必要十分な水を保持することができる。この結果、長期にわたり安定した電池性能を維持することができる。
【００３２】
なお、第１の実施形態では、アノード電極３およびカソード電極４のどちらの多孔質カーボン平板３（ｂ）、４（ｂ）も反応ガス流通構造としているが、一方の電極における多孔質カーボン平板だけをこのような構造としても、効果があがることは明白である。
【００３３】
（２）第２の実施形態
［構成］
第２の実施形態は、その基本構成が第１の実施形態と同様であるため、図１を用いて説明する。第２の実施形態の構成上の特徴は、酸化剤が流通するカソード電極４の多孔質カーボン平板４（ｂ）に対しフッ素樹脂により撥水処理が施されたことにある。
【００３４】
［作用効果］
このような第２の実施形態においては、多孔質カーボン平板４（ｂ）に撥水処理を施すことにより、多孔質カーボン平板４（ｂ）に凝集した水はカーボン繊維に付着することなく気孔内に水滴として存在することになり、流通する反応ガスにより容易に電池外に押し出すことができる。このことにより、電池内の圧損を低く抑えることができ、かつ触媒層４（ａ）への反応ガスの拡散が容易となり、電池内に蓄積した水による性能低下を防止することができた。この結果、電池特性を長期にわたり安定させることができた。具体的には、第２の実施形態を６０００時間程度運転して電池電圧が数ｍＶ低下するに過ぎなかった。
【００３５】
（３）第３の実施形態
［構成］
図２は第３の実施形態を模式化して示した側面断面図である。
【００３６】
図２に示すように、第３の実施形態の単電池１は片面平板セパレータ６に挟まれている。片面平板セパレータ６とは片面にのみガス供給溝を形成したものである。図中の符号３ｃは片面平板セパレータ６に形成される燃料供給溝である。また、酸化剤が流通するカソード電極４の多孔質カーボン平板４（ｂ）は、２枚の多孔質カーボン平板８，９から構成されている。これらの多孔質カーボン平板８，９のうち、触媒層４（ａ）に接する側の多孔質カーボン平板８には撥水処理が施され、もう一方の片面平板セパレータ６に接する側の多孔質カーボン平板９には親水処理が施されている。なお、片面平板セパレータ６は多孔質カーボン平板９に対し、溝が形成されない平面側で接するように配置されている。
【００３７】
［作用効果］
上記のような第２の実施形態明では、触媒層４（ａ）に接する多孔質カーボン平板８には撥水処理を施したので、多孔質カーボン平板８内の凝集水を電池外へと簡単に除去することができる。また、片面平板セパレータ６に接する多孔質カーボン平板９は親水処理をしてあるため、比較的濡れ易く、凝集水を十分に吸収可能である。反応ガス出口側で多孔質カーボン平板９に吸収された凝集水はウイッキング作用により反応ガス出口に移動して蒸発することになる。
【００３８】
この現象により、電池の反応ガス入口側では固体高分子膜２に含まれる水の蒸発を防止することができ、固体高分子膜２におけるイオン抵抗の上昇を抑えて電池特性の安定化を図ることができた。具体的には、前記第２の実施形態と同じように、６０００時間程度運転して電池電圧の低下が数ｍＶ程度であった。
【００３９】
（４）第４の実施形態
［構成］
図３は第４の実施形態を模式化して示した側面断面図である。
【００４０】
図３に示すように第４の実施形態では、第３の実施形態での多孔質カーボン平板９（触媒層４（ａ）に接する側）に代えて、多孔質カーボン平板１０を備えたことを特徴としている。多孔質カーボン平板１０とは親水性である炭化珪素微粉末が含浸処理されたものである。この点以外の構成は上記第３の実施形態と同じである。
【００４１】
［作用効果］
以上のような構成を有する第４の実施形態には、第３の実施形態に加えて次のような作用効果がある。すなわち、親水性微粉末を含浸処理した多孔質カーボン平板１０は優れた吸水力を発揮できる。凝集水を多量に吸収した多孔質カーボン平板１０では酸化剤が流れ難くなるため、撥水処理を施した側の多孔質カーボン平板８では相対的に酸化剤の流速を大きくすることができる。したがって、第４の実施形態の多孔質カーボン平板８においては流通する酸化剤のガス圧力が増大し、多孔質カーボン平板８から確実に凝集水を押し出すことが可能となる。
【００４２】
（５）第５の実施形態
［構成］
図４は第５の実施形態を模式化して示した側面断面図である。
【００４３】
図４に示すように第５の実施形態では、第３の実施形態での多孔質カーボン平板９（触媒層４（ａ）に接する側）に代えて多孔質カーボン平板１１を備えたことを特徴としている。多孔質カーボン平板１１は酸化剤の入口側から半分を越えた程度に親水処理が施され、酸化剤の出口側付近に撥水処理が施された多孔質カーボン平板である。
【００４４】
［作用効果］
以上のような第５の実施形態においては、上記第３および第４の実施形態と同じく、多孔質カーボン平板４（ｂ）を構成する２枚の多孔質カーボン平板のうち、触媒層４（ａ）に接する側の多孔質カーボン平板８に撥水処理を施したので、多孔質カーボン平板８内の凝集水を簡単に除去することができる。また、多孔質カーボン平板４（ｂ）を構成するもう一方の多孔質カーボン平板１１では、酸化剤の入口側を親水処理したので電池内の過剰の凝集水を吸収できる。
【００４５】
反応ガスは出口側に比べて入口側の方が相対湿度が低いため、多孔質カーボン平板１１の酸化剤入口側を親水処理したことで、固体高分子膜２の反応ガス入口側付近での水分の蒸発を防止することができる。したがって、固体高分子膜２は常に飽和含水状態を維持でき、含水量低下に伴うイオン抵抗の上昇を抑えて電池特性の安定化を図ることができた。具体的には、第５の実施形態を５０００時間程度運転して数ｍＶ程度、電池電圧が低下するだけである。
【００４６】
（６）第６の実施形態
［構成］
図５は第６の実施形態の多孔質カーボン平板１２の平面図を示している。第６の実施形態は、反応ガスが流通する多孔質カーボン平板１２が設けられ、この多孔質カーボン平板１２において反応ガスの流通方向に沿って高密度部と低密度部とが短冊状に交互に重ねられることにより粗密分布が付けられた点を特徴としている。
【００４７】
［作用効果］
このような第６の実施形態によれば、反応ガスが流通する多孔質カーボン平板１２において反応ガスの流通方向に粗密をつけたため、反応ガスは低密度部を流通することになり多孔質カーボン平板１２内を上流から下流に向って直線的に均等に流れることができる。したがって、多孔質カーボン平板１２内では局部的な反応ガスの滞留が生じない。このような多孔質カーボン平板１２を使用することにより電池内で電流密度が均等になり、安定して高い電池特性を獲得することができる。
【００４８】
（７）第７の実施形態
［構成］
図６は第７の実施形態の多孔質カーボン平板１３の平面図を示している。第７の実施形態は、反応ガスが流通する多孔質カーボン平板１３が設けられ、多孔質カーボン平板１３において反応ガスの流通方向と垂直に粗密分布が付けられた点を特徴としている。より詳しくは多孔質カーボン平板１３は、反応ガスの流通方向と垂直に高密度部と低密度部とが短冊状に交互に重ねられて構成されている。
【００４９】
［作用効果］
このような第７の実施形態によれば、反応ガスが流通する多孔質カーボン平板１３に流通方向と垂直に粗密をつけたため、反応ガスはその流通方向と垂直に広がりながら上流から下流へと均等に流れていく。したがって、局部的に反応ガスが滞留するといったことがない。これにより、前記第６の実施形態と同様、電池内での電流密度が均等になり、安定して高い電池特性を得ることができた。なお、多孔質カーボン平板内のガス配流を均一にする粗密パターンは上記の粗密パターン以外にも適宜選択可能である。
【００５０】
（８）第８の実施形態
［構成］
図７の（ａ）は第８の実施形態における平板セパレータ１４の平面図、（ｂ）は第８の実施形態における多孔質カーボン平板８，１０および平板セパレータ１４の模式化して示した側面断面図を示している。
【００５１】
第８の実施形態は、図３に示した第４の実施形態に改良を加えたものであり、撥水処理が施された多孔質カーボン平板８と、親水性である炭化珪素微粉末が含浸処理された多孔質カーボン平板１０とが設けられ、多孔質カーボン平板１０には反応ガス流通溝を形成しない平板セパレータ１４が配置されている。また、平板セパレータ１４において反応ガスの流通溝を形成しない面に反応ガスを供給する供給ヘッダ１５および反応ガスを排出する排出ヘッダ１６が分離して形成されている。さらに、多孔質カーボン平板１０にはヘッダ１５，１６に対応して反応ガス通過用のスリット１０ａが設けられている。
【００５２】
［作用効果］
以上のような構成を有する第８の実施形態において、平板セパレータ１４には反応ガスの流通溝を形成しない面に反応ガスを供給および排出するヘッダ１５，１６を設けたので、これらのヘッダ１５，１６が多孔質カーボン平板８に対して線で反応ガスを供給および排出することができる。したがって、多孔質カーボン平板１０のスリット１０ａを通過して、局部的な反応ガスの滞留を生じさせることがなく、小さな圧損で均等に多孔質カーボン平板８内へと反応ガスを流通させることが可能となる。具体的には、第８の実施形態では３０００時間程度運転しても反応ガスのセル内圧損は非常に小さく、セル特性は極めて安定していた。
【００５３】
なお、第８の実施形態は内部マニホールド型の一例を示したものであるが、反応ガスを供給または排出するヘッダへのガス配給または排出する配管は電池に対して垂直方向に設けてもよい。また、外部マニホールドとしても同様の効果を得ることができる。さらに、ヘッダの形状や設置数などは本実施の形態に限ったものではなく、適宜変更可能である。
【００５４】
（９）第９の実施形態
［構成］
図８は第９の実施形態を模式化して示した側面断面図である。
【００５５】
図８に示すように、第９の実施形態では、燃料が流通するアノード電極３の多孔質カーボン平板３（ｂ）が、２枚の多孔質カーボン平板８，９から構成されている。多孔質カーボン平板８，９は、図２に示した第３の実施形態のそれとは反対に、親水処理が施された多孔質カーボン平板９が触媒層３（ａ）に接し、撥水処理が施された多孔質カーボン平板８が片面平板セパレータ６に接するよう配置されている。なお、片面平板セパレータ６は多孔質カーボン平板８に対して溝が形成されない平面側で接するように配置されている。また、図中の符号４ｃは片面平板セパレータ６に形成される酸化剤供給溝である。
【００５６】
［作用効果］
以上のような構成を有する第９の実施形態では、アノード電極３の多孔質カーボン平板３（ｂ）を構成する２枚の多孔質カーボン平板のうち、触媒層３（ａ）に接する多孔質カーボン平板９を親水処理し、もう一方の多孔質カーボン平板８を撥水処理している。そのため、親水処理を施した多孔質カーボン平板９が燃料中の水分を確実に吸収することができる。したがって、水素イオンと共に水分が流出し易いアノード電極３の触媒層３（ａ）の乾燥を防ぐことができ、アノード電極３側の固体高分子膜２に対して十分な量の水分を供給することが可能となる。これにより、固体高分子膜２は常に飽和含水状態を保つことができ、イオン抵抗の上昇を抑えて電池内部抵抗の安定化を図ることができる。具体的な第９の実施形態のデータとしては、６０００時間程度運転して、電池電圧が従来の電池と比較して５％程度向上し、電池特性は安定して運転できることを確認することができた。
【００５７】
（１０）第１０の実施形態
［構成］
図９は第１０の実施形態を模式化して示した側面断面図である。
【００５８】
第１０の実施形態は前記第９の実施形態のアノード電極３側の多孔質カーボン平板３（ｂ）と、第４の実施形態のカソード電極４側の多孔質カーボン平板４（ｂ）と、両面平板セパレータ７とを備えたことを特徴としている。すなわち、アノード電極３およびカソード電極４における多孔質カーボン平板３（ｂ），４（ｂ）は、それぞれ２枚の多孔質カーボン平板８，９および８，１０から構成されており、多孔質カーボン平板８には撥水処理が施され、多孔質カーボン平板９，１０には親水処理が施されている。
【００５９】
［作用効果］
上記の構成を有する第１０の実施形態では、前記第９の実施形態および第４の実施形態の持つ作用効果を合わせ持つことができる。すなわち、親水処理を施した多孔質カーボン平板９が燃料中の水分を確実に吸収し、アノード電極３の触媒層３（ａ）の乾燥を防いでアノード電極３側の固体高分子膜２に対して十分な量の水分を供給することが可能となる。これにより、固体高分子膜２は常に飽和含水状態を保ち、イオン抵抗の上昇を抑えて電池内部抵抗の安定化を図ることができる。また、カソード電極４では撥水処理された多孔質カーボン平板８が発電反応にて生じた生成水を電池外へと容易に排出することができる。したがって、触媒層４（ａ）への酸化剤の拡散を確実に行うことができ、拡散分極を防いで高い電池性能を長期にわたって維持することが可能となる。このような第１０の実施形態によれば、８０００時間程度運転して、電池電圧が従来の電池と比較して１０％程度向上し、電池特性は極めて安定して運転できることを確認することができた。
【００６０】
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明によれば、触媒層に接する多孔質カーボン平板に反応ガスを流通するという極めて簡単な構成により、電池内に凝集した過剰の水分を速やか且つ安全に除去すると同時に、固体高分子膜に必要十分な水を保持することができ、製造コストの低減化を図りつつ高い電池特性を長期にわたって維持することができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態を模式化して示した側面断面図
【図２】本発明の第３の実施形態を模式化して示した側面断面図
【図３】本発明の第４の実施形態を模式化して示した側面断面図
【図４】本発明の第５の実施形態を模式化して示した側面断面図
【図５】本発明の第６の実施形態の多孔質カーボン平板１２の平面図
【図６】本発明の第７の実施形態の多孔質カーボン平板１３の平面図
【図７】（ａ）は第８の実施形態における平板セパレータ１４の平面図、（ｂ）は第８の実施形態における多孔質カーボン平板８，１０および平板セパレータ１４の模式化して示した側面断面図
【図８】本発明の第９の実施形態を模式化して示した側面断面図
【図９】本発明の第１０の実施形態を模式化して示した側面断面図
【図１０】従来の固体高分子電解質型燃料電池を模式化して示した側面断面図
【符号の説明】
１…単電池
２…固体高分子膜
３…アノード電極
３（ａ）…アノード電極側の触媒層
３（ｂ）…アノード電極側の多孔質カーボン平板
３（ｃ）…燃料供給溝
４…カソード電極
４（ａ）…カソード電極側の触媒層
４（ｂ）…カソード電極側の多孔質カーボン平板
４（ｃ）…酸化剤供給溝
５…ガス供給溝付きのセパレータ
６…片面平板セパレータ
７…両面平板セパレータ
８…撥水処理した多孔質カーボン平板
９…親水処理した多孔質カーボン平板
１０…親水性微粉末が含浸処理された多孔質カーボン平板
１１…電池の反応ガス入口側は親水処理、出口側は親水処理した多孔質カーボン平板
１２…反応ガス流通方向に粗密の分布をつけた多孔質カーボン平板
１３…反応ガス流通方向と垂直に粗密の分布をつけた多孔質カーボン平板
１４…ヘッダを設けたガス不透過性の平板セパレータ
１５…供給ヘッダ
１６…排出ヘッダ
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子膜を電解質として用いた固体高分子電解質型燃料電池に係り、特に、電池内に凝集された水を除去するよう構成された固体高分子電解質型燃料電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、燃料電池は水素などの燃料と空気などの酸化剤という２種類のガスを電気化学的に反応させることにより、燃料のもつ化学的エネルギーを直接、電気エネルギーに変換する装置である。この燃料電池には様々なタイプのものが提案されているが、その１つとして、電解質に固体高分子膜を用いた固体高分子電解質型燃料電池が知られている。ここで図１０を参照して、固体高分子電解質型燃料電池の構成について具体的に説明する。
【０００３】
図１０に示すように、固体高分子電解質型燃料電池には単電池１が設けられ、この単電池１を挟むようにしてガス不透過性のセパレータ５，５が設置されている。単電池１には燃料として水素が供給されるアノード電極３と、酸化剤として空気が供給されるカソード電極４とが設けられ、これらアノード電極３およびカソード電極４間には電解質層としてプロトン導電性を有する固体高分子膜２が配置されている。
【０００４】
また、セパレータ５の下面にはアノード電極３に燃料を供給するための溝３（ｃ）が形成され、セパレータ５の上面にはカソード電極４に酸化剤を供給するための溝４（ｃ）が形成されている。なお、アノード電極３はアノード触媒層３（ａ）とアノード多孔質カーボン平板３（ｂ）とから構成され、カソード電極４はカソード触媒層４（ａ）とカソード多孔質カーボン平板４（ｂ）とから構成されている。このうち、触媒層３（ａ），４（ａ）の方が前記固体高分子膜２を挟むようになっている。
【０００５】
以上のような構成を有する固体高分子電解質型燃料電池において、セパレータ５の溝３（ｃ）からアノード電極３に燃料を、セパレータ５の溝４（ｃ）からカソード電極４に酸化剤をそれぞれ供給すると、単電池１の一対の電極間で電気化学反応により起電力が生じる。より詳細には、アノード電極３に水素を、カソード電極４に空気をそれぞれ供給すると、アノード電極３では供給された水素がアノード電極３の触媒層３（ａ）で水素イオンと電子とに解離し、水素イオンは固体高分子膜２を通って、電子は外部回路を通って、カソード電極４にそれぞれ移動する。
【０００６】
一方、カソード電極４では供給された空気中の酸素と、固体高分子膜２を通過した上記水素イオンと、外部回路を経由した電子とがカソード触媒層４（ａ）で反応して水を生成する。このとき、外部回路を通った電子は電流となり、電力を供給することができる。このように進行する各電極３，４での反応を式で示すと、次のようになる。すなわち、
アノード反応 ： Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-
カソード反応 ： ２Ｈ+＋１／２Ｏ2＋２ｅ-→Ｈ2Ｏ
となる。なお、カソード電極４にて生成された水は未反応ガスと共に電池外に排出される。
【０００７】
上記のようにして得られる単電池１の起電力は１Ｖ以下と低い。そのため、実際に運転する燃料電池では、上記セパレータ５を介して数十〜数百枚の単電池１を積層し電池スタックとして使用している。その際、電池スタックにおいては発電に伴う電池スタックの昇温を制御するために数枚の単電池１毎に冷却板が挿入されるのが一般的である。
【０００８】
ところで、プロトン導電性を有する固体高分子膜２としては、たとえばプロトン交換膜であるパーフルオロロカーボンスルホン酸（ナフィオンR ：米国、デュポン社）が知られている。このような固体高分子膜２は分子中に水素イオンの交換基を持ち、飽和含水状態とすることにより、イオン導電性電解質として機能すると共に、燃料（水素）と酸化剤（空気）とを分離する機能も発揮することができる。しかし、固体高分子膜２中の含水量が少なくなるとイオン抵抗が高くなり、燃料（水素）と酸化剤（空気）の混合（クロスオーバ）が発生して、発電性能が著しく劣化する。このため、固体高分子膜２は常に飽和含水状態としておくことが望ましいとされている。
【０００９】
しかしながら、アノード電極３で分離した水素イオンが固体高分子膜２を通ってカソード電極４に移動する時、水も一緒に移動するため、アノード電極３側の固体高分子膜２は乾燥し易いことが判明している。また、供給する反応ガス中に含まれる水蒸気が少なければ、単電池１の反応ガスの入口付近では固体高分子膜２が乾燥傾向になる。このような固体高分子膜２の乾燥を防止するために固体高分子電解質型燃料電池では、予め加湿した反応ガスを電極に対して供給することが一般的に行われている。通常、反応ガスの加湿は電池運転温度（６０℃〜９０℃）での相対湿度が１００％となるように設定されている。
【００１０】
ところが、カソード電極４側では発電反応に伴って反応生成水が発生するため、固体高分子膜２の乾燥を防ぐことを目的として燃料および酸化剤を加湿している場合、カソード電極４側の触媒層４（ａ）には過剰の水蒸気が凝集して凝集水が発生し、カソード電極４内に過剰な水分が蓄積されることがあった。触媒層４（ａ）にて凝集水が生じると、触媒層４（ａ）への酸化剤の拡散を阻害することになり、拡散分極の増大を招く原因となった。拡散分極が進行すれば、電池特性が劣化し、電池の寿命が短くなるといった不具合が生じた。
【００１１】
そこで従来より、固体高分子電解質型燃料電池においては電池内に凝集された水を除去するよう改良されている。具体的には、セパレータ５における反応ガス供給用の溝３（ｃ）、４（ｃ）をサーペンタイト構造の１本溝とするなど、溝３（ｃ）、４（ｃ）の構造に改善して反応ガスの流速を大きくした固体高分子電解質型燃料電池が提案されている。このような燃料電池によれば、反応ガスのガス圧力を強めることができるため、凝集水をカソード電極４側の触媒層４（ａ）から電池外へと吹き飛ばすことができた。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、反応ガスの高速化により凝集水の除去を図った上記従来例には次のような問題点があった。すなわち、反応ガスの流速を高めるためには、セパレータ５に形成する溝３（ｃ）、４（ｃ）の断面積を小さくする必要があり、その分だけ溝３（ｃ）、４（ｃ）の数が増えて、セパレータ５の形状も複雑になった。したがって、溝加工に要する費用が高くなり、セパレータ５の製造コストが高騰した。その結果、燃料電池の製造コストが大きく跳ね上がっていた。
【００１３】
また、従来例では溝３（ｃ）、４（ｃ）の構造を工夫して反応ガスの高速化を図っているので、セパレータ５における溝３（ｃ）、４（ｃ）中の凝集水は除去し易いが、カソード電極４側の触媒層４（ａ）や多孔質カーボン平板４（ｂ）に至っては蓄積した過剰な水を十分に除去することは困難であった。
【００１４】
さらに、反応ガスの流速を大きくすればするほどガス流の圧損は高くなり、場合によっては固体高分子膜２の破損を招くおそれがあった。しかも、反応ガスの流速を速すぎると、固体高分子膜２に必要な水までも除去してしまい、必要十分な水分を固体高分子膜２に確保できない。前述したように、固体高分子膜２中の含水量が少なくなるとイオン抵抗が高くなるため、固体高分子膜２中の含水量の変動は電池の内部抵抗が不安定となる原因となった。
【００１５】
以上述べたように、触媒層へのガス拡散をスムーズに行うために電池内の凝集水を除去することは不可欠であるが、これを簡単な構成により低コストで実現させることが課題となっていた。また、ただ単に電池内の凝集水を除去すれば良いというのではなく、安全性や電池性能の安定化といった観点から、固体高分子膜を破損させることなく凝集水を除去すると共に、固体高分子膜は常に飽和含水状態とすることが求められていた。
【００１６】
本発明は、以上のような事情を鑑みて提案されたものであり、その目的は、簡単な構成により電池内に凝集した過剰の水分を速やか且つ安全に除去すると同時に、固体高分子膜に必要十分な水を保持することができ、製造コストの低減化を図りつつ、高い電池特性を長期にわたって維持することが可能な優れた固体高分子電解質型燃料電池を提供することである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１の発明は、反応ガスが供給される一対の電極を備えると共にこれら電極間に電解質層としてイオン導電性を有する固体高分子膜を配置した単電池が設けられ、前記電極はそれぞれ触媒層および多孔質カーボン平板から構成され、前記単電池を挟むようにしてガス不透過性のセパレータが設置された固体高分子電解質型燃料電池において、前記一対の電極のうち少なくとも一方の電極における多孔質カーボン平板内を、当該平板の面方向に前記反応ガスが流通するよう構成され、この反応ガスが流通する多孔質カーボン平板において、前記反応ガス流通方向に沿って短冊状に交互に高密度部と低密度部との粗密分布が付けられていることを特徴とする。
【００１８】
請求項２の発明は、反応ガスが供給される一対の電極を備えると共にこれら電極間に電解質層としてイオン導電性を有する固体高分子膜を配置した単電池が設けられ、前記電極はそれぞれ触媒層および多孔質カーボン平板から構成され、前記単電池を挟むようにしてガス不透過性のセパレータが設置された固体高分子電解質型燃料電池において、前記一対の電極のうち少なくとも一方の電極における多孔質カーボン平板内を、当該平板の面方向に前記反応ガスが流通するよう構成され、この反応ガスが流通する多孔質カーボン平板において、前記反応ガス流通方向と垂直方向に、短冊状に交互に高密度部と低密度部との粗密分布が付けられていることを特徴とする。
【００１９】
このような請求項１及び２の発明では、反応ガスが流通する多孔質カーボン平板に粗密をつけることにより、多孔質カーボン平板内を流通する反応ガスは粗の部分を流通することになるので、ガス配流の均一化が容易となる。
【００２０】
特に請求項１記載の発明では、多孔質カーボン平板において反応ガス流通方向に粗密分布をつけたため、反応ガスは上流から下流に向って直線的に流通するようになり局部的な反応ガスの滞留を防止することができる。
【００２１】
また、特に請求項２記載の発明では、多孔質カーボン平板において反応ガス流通方向と垂直に粗密をつけたため、反応ガスは流通方向と垂直な方向に広がりながら上流から下流に均等に流れるようになり、局部的な反応ガスの滞留を防止することができる。
【００２２】
請求項３の発明は、請求項１または２に記載の固体高分子電解質型燃料電池において、前記セパレータが少なくとも一面に前記反応ガスの流通溝を形成しない平板セパレータから構成されたことを特徴とする。
【００２３】
請求項４の発明は、請求項３記載の固体高分子電解質型燃料電池において、前記平板セパレータにおける前記反応ガスの流通溝を形成しない面には前記反応ガスを供給および排出するためのヘッダが形成されたことを特徴とする。
【００２４】
このような請求項３または４記載の発明では、従来形成していた反応ガスの流通溝を少なくても一面には形成しない平板セパレータを用いているので、溝の加工費用を削減することができ、セパレータの大幅なコストダウンが実現する。
【００２５】
しかも、請求項４の発明では、反応ガスの流通溝を形成しない面に反応ガスを供給および排出するためのヘッダを設けたため、これらのヘッダが多孔質カーボン平板に線で反応ガスを供給または排出することができる。したがって、局部的な反応ガスの滞留を生じさせることがなく、小さな圧損で均等に反応ガスを多孔質カーボン平板内に流通させることが可能となる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて具体的に説明する。なお、図１０に示した従来例と同一の部材に関しては同一符号を付し、説明は省略する。
【００２７】
（１）第１の実施形態
［構成］
図１は第１の実施形態を模式化して示した側面断面図である。
【００２８】
図１に示すように、第１の実施形態の単電池１は、従来例と同様、アノード電極３およびカソード電極４を備えると共にこれら電極３，４間に固体高分子膜２を配置してなるが、アノード電極３の多孔質カーボン平板３（ｂ）は反応ガスである燃料を、カソード電極４の多孔質カーボン平板４（ｂ）は反応ガスである酸化剤を、それぞれ流通するように構成されている。また、単電池１はガス不透過性の両面平板セパレータ７により挟まれるが、この両面平板セパレータ７は従来のセパレータ５と異なり、両面とも反応ガス供給用の溝３（ｃ）、４（ｃ）が形成されていない点に特徴がある。
【００２９】
［作用効果］
上記の構成を有する第１の実施形態では、両面平板セパレータ７には両面とも反応ガス供給用の溝（ｃ）、４（ｃ）を加工する必要がない。そのため、加工を簡略化することができ、その製造コストを従来のセパレータ５と比べて６割程度とすることができた。したがって、燃料電池の大幅なコストダウンを実現することができた。
【００３０】
また、第１の実施形態では、具体的なデータとして、電池電圧が従来の電池と比較して１０％程度向上し、５０００時間電池特性が安定して運転できることを確認した。このような性能の向上は、多孔質カーボン平板３（ｂ）、４（ｂ）に反応ガスを流通させることで、多孔質カーボン平板（ｂ）、４（ｂ）内および触媒層３（ａ）、４（ａ）内に凝縮した水を反応ガスの圧力により速やかに電池外に押し出すことができるためである。
【００３１】
しかも、多孔質カーボン平板（ｂ）、４（ｂ）内を流通する反応ガスの流速は特別に速くしたわけではないので、ガス流の圧損は小さく、固体高分子膜２を破損させる心配はない。また、反応ガスの流速が速すぎて固体高分子膜２から必要以上に水を奪うこともない。したがって、電池内での凝集水の蓄積を防止できると同時に、固体高分子膜には必要十分な水を保持することができる。この結果、長期にわたり安定した電池性能を維持することができる。
【００３２】
なお、第１の実施形態では、アノード電極３およびカソード電極４のどちらの多孔質カーボン平板３（ｂ）、４（ｂ）も反応ガス流通構造としているが、一方の電極における多孔質カーボン平板だけをこのような構造としても、効果があがることは明白である。
【００３３】
（２）第２の実施形態
［構成］
第２の実施形態は、その基本構成が第１の実施形態と同様であるため、図１を用いて説明する。第２の実施形態の構成上の特徴は、酸化剤が流通するカソード電極４の多孔質カーボン平板４（ｂ）に対しフッ素樹脂により撥水処理が施されたことにある。
【００３４】
［作用効果］
このような第２の実施形態においては、多孔質カーボン平板４（ｂ）に撥水処理を施すことにより、多孔質カーボン平板４（ｂ）に凝集した水はカーボン繊維に付着することなく気孔内に水滴として存在することになり、流通する反応ガスにより容易に電池外に押し出すことができる。このことにより、電池内の圧損を低く抑えることができ、かつ触媒層４（ａ）への反応ガスの拡散が容易となり、電池内に蓄積した水による性能低下を防止することができた。この結果、電池特性を長期にわたり安定させることができた。具体的には、第２の実施形態を６０００時間程度運転して電池電圧が数ｍＶ低下するに過ぎなかった。
【００３５】
（３）第３の実施形態
［構成］
図２は第３の実施形態を模式化して示した側面断面図である。
【００３６】
図２に示すように、第３の実施形態の単電池１は片面平板セパレータ６に挟まれている。片面平板セパレータ６とは片面にのみガス供給溝を形成したものである。図中の符号３ｃは片面平板セパレータ６に形成される燃料供給溝である。また、酸化剤が流通するカソード電極４の多孔質カーボン平板４（ｂ）は、２枚の多孔質カーボン平板８，９から構成されている。これらの多孔質カーボン平板８，９のうち、触媒層４（ａ）に接する側の多孔質カーボン平板８には撥水処理が施され、もう一方の片面平板セパレータ６に接する側の多孔質カーボン平板９には親水処理が施されている。なお、片面平板セパレータ６は多孔質カーボン平板９に対し、溝が形成されない平面側で接するように配置されている。
【００３７】
［作用効果］
上記のような第２の実施形態明では、触媒層４（ａ）に接する多孔質カーボン平板８には撥水処理を施したので、多孔質カーボン平板８内の凝集水を電池外へと簡単に除去することができる。また、片面平板セパレータ６に接する多孔質カーボン平板９は親水処理をしてあるため、比較的濡れ易く、凝集水を十分に吸収可能である。反応ガス出口側で多孔質カーボン平板９に吸収された凝集水はウイッキング作用により反応ガス出口に移動して蒸発することになる。
【００３８】
この現象により、電池の反応ガス入口側では固体高分子膜２に含まれる水の蒸発を防止することができ、固体高分子膜２におけるイオン抵抗の上昇を抑えて電池特性の安定化を図ることができた。具体的には、前記第２の実施形態と同じように、６０００時間程度運転して電池電圧の低下が数ｍＶ程度であった。
【００３９】
（４）第４の実施形態
［構成］
図３は第４の実施形態を模式化して示した側面断面図である。
【００４０】
図３に示すように第４の実施形態では、第３の実施形態での多孔質カーボン平板９（触媒層４（ａ）に接する側）に代えて、多孔質カーボン平板１０を備えたことを特徴としている。多孔質カーボン平板１０とは親水性である炭化珪素微粉末が含浸処理されたものである。この点以外の構成は上記第３の実施形態と同じである。
【００４１】
［作用効果］
以上のような構成を有する第４の実施形態には、第３の実施形態に加えて次のような作用効果がある。すなわち、親水性微粉末を含浸処理した多孔質カーボン平板１０は優れた吸水力を発揮できる。凝集水を多量に吸収した多孔質カーボン平板１０では酸化剤が流れ難くなるため、撥水処理を施した側の多孔質カーボン平板８では相対的に酸化剤の流速を大きくすることができる。したがって、第４の実施形態の多孔質カーボン平板８においては流通する酸化剤のガス圧力が増大し、多孔質カーボン平板８から確実に凝集水を押し出すことが可能となる。
【００４２】
（５）第５の実施形態
［構成］
図４は第５の実施形態を模式化して示した側面断面図である。
【００４３】
図４に示すように第５の実施形態では、第３の実施形態での多孔質カーボン平板９（触媒層４（ａ）に接する側）に代えて多孔質カーボン平板１１を備えたことを特徴としている。多孔質カーボン平板１１は酸化剤の入口側から半分を越えた程度に親水処理が施され、酸化剤の出口側付近に撥水処理が施された多孔質カーボン平板である。
【００４４】
［作用効果］
以上のような第５の実施形態においては、上記第３および第４の実施形態と同じく、多孔質カーボン平板４（ｂ）を構成する２枚の多孔質カーボン平板のうち、触媒層４（ａ）に接する側の多孔質カーボン平板８に撥水処理を施したので、多孔質カーボン平板８内の凝集水を簡単に除去することができる。また、多孔質カーボン平板４（ｂ）を構成するもう一方の多孔質カーボン平板１１では、酸化剤の入口側を親水処理したので電池内の過剰の凝集水を吸収できる。
【００４５】
反応ガスは出口側に比べて入口側の方が相対湿度が低いため、多孔質カーボン平板１１の酸化剤入口側を親水処理したことで、固体高分子膜２の反応ガス入口側付近での水分の蒸発を防止することができる。したがって、固体高分子膜２は常に飽和含水状態を維持でき、含水量低下に伴うイオン抵抗の上昇を抑えて電池特性の安定化を図ることができた。具体的には、第５の実施形態を５０００時間程度運転して数ｍＶ程度、電池電圧が低下するだけである。
【００４６】
（６）第６の実施形態
［構成］
図５は第６の実施形態の多孔質カーボン平板１２の平面図を示している。第６の実施形態は、反応ガスが流通する多孔質カーボン平板１２が設けられ、この多孔質カーボン平板１２において反応ガスの流通方向に沿って高密度部と低密度部とが短冊状に交互に重ねられることにより粗密分布が付けられた点を特徴としている。
【００４７】
［作用効果］
このような第６の実施形態によれば、反応ガスが流通する多孔質カーボン平板１２において反応ガスの流通方向に粗密をつけたため、反応ガスは低密度部を流通することになり多孔質カーボン平板１２内を上流から下流に向って直線的に均等に流れることができる。したがって、多孔質カーボン平板１２内では局部的な反応ガスの滞留が生じない。このような多孔質カーボン平板１２を使用することにより電池内で電流密度が均等になり、安定して高い電池特性を獲得することができる。
【００４８】
（７）第７の実施形態
［構成］
図６は第７の実施形態の多孔質カーボン平板１３の平面図を示している。第７の実施形態は、反応ガスが流通する多孔質カーボン平板１３が設けられ、多孔質カーボン平板１３において反応ガスの流通方向と垂直に粗密分布が付けられた点を特徴としている。より詳しくは多孔質カーボン平板１３は、反応ガスの流通方向と垂直に高密度部と低密度部とが短冊状に交互に重ねられて構成されている。
【００４９】
［作用効果］
このような第７の実施形態によれば、反応ガスが流通する多孔質カーボン平板１３に流通方向と垂直に粗密をつけたため、反応ガスはその流通方向と垂直に広がりながら上流から下流へと均等に流れていく。したがって、局部的に反応ガスが滞留するといったことがない。これにより、前記第６の実施形態と同様、電池内での電流密度が均等になり、安定して高い電池特性を得ることができた。なお、多孔質カーボン平板内のガス配流を均一にする粗密パターンは上記の粗密パターン以外にも適宜選択可能である。
【００５０】
（８）第８の実施形態
［構成］
図７の（ａ）は第８の実施形態における平板セパレータ１４の平面図、（ｂ）は第８の実施形態における多孔質カーボン平板８，１０および平板セパレータ１４の模式化して示した側面断面図を示している。
【００５１】
第８の実施形態は、図３に示した第４の実施形態に改良を加えたものであり、撥水処理が施された多孔質カーボン平板８と、親水性である炭化珪素微粉末が含浸処理された多孔質カーボン平板１０とが設けられ、多孔質カーボン平板１０には反応ガス流通溝を形成しない平板セパレータ１４が配置されている。また、平板セパレータ１４において反応ガスの流通溝を形成しない面に反応ガスを供給する供給ヘッダ１５および反応ガスを排出する排出ヘッダ１６が分離して形成されている。さらに、多孔質カーボン平板１０にはヘッダ１５，１６に対応して反応ガス通過用のスリット１０ａが設けられている。
【００５２】
［作用効果］
以上のような構成を有する第８の実施形態において、平板セパレータ１４には反応ガスの流通溝を形成しない面に反応ガスを供給および排出するヘッダ１５，１６を設けたので、これらのヘッダ１５，１６が多孔質カーボン平板８に対して線で反応ガスを供給および排出することができる。したがって、多孔質カーボン平板１０のスリット１０ａを通過して、局部的な反応ガスの滞留を生じさせることがなく、小さな圧損で均等に多孔質カーボン平板８内へと反応ガスを流通させることが可能となる。具体的には、第８の実施形態では３０００時間程度運転しても反応ガスのセル内圧損は非常に小さく、セル特性は極めて安定していた。
【００５３】
なお、第８の実施形態は内部マニホールド型の一例を示したものであるが、反応ガスを供給または排出するヘッダへのガス配給または排出する配管は電池に対して垂直方向に設けてもよい。また、外部マニホールドとしても同様の効果を得ることができる。さらに、ヘッダの形状や設置数などは本実施の形態に限ったものではなく、適宜変更可能である。
【００５４】
（９）第９の実施形態
［構成］
図８は第９の実施形態を模式化して示した側面断面図である。
【００５５】
図８に示すように、第９の実施形態では、燃料が流通するアノード電極３の多孔質カーボン平板３（ｂ）が、２枚の多孔質カーボン平板８，９から構成されている。多孔質カーボン平板８，９は、図２に示した第３の実施形態のそれとは反対に、親水処理が施された多孔質カーボン平板９が触媒層３（ａ）に接し、撥水処理が施された多孔質カーボン平板８が片面平板セパレータ６に接するよう配置されている。なお、片面平板セパレータ６は多孔質カーボン平板８に対して溝が形成されない平面側で接するように配置されている。また、図中の符号４ｃは片面平板セパレータ６に形成される酸化剤供給溝である。
【００５６】
［作用効果］
以上のような構成を有する第９の実施形態では、アノード電極３の多孔質カーボン平板３（ｂ）を構成する２枚の多孔質カーボン平板のうち、触媒層３（ａ）に接する多孔質カーボン平板９を親水処理し、もう一方の多孔質カーボン平板８を撥水処理している。そのため、親水処理を施した多孔質カーボン平板９が燃料中の水分を確実に吸収することができる。したがって、水素イオンと共に水分が流出し易いアノード電極３の触媒層３（ａ）の乾燥を防ぐことができ、アノード電極３側の固体高分子膜２に対して十分な量の水分を供給することが可能となる。これにより、固体高分子膜２は常に飽和含水状態を保つことができ、イオン抵抗の上昇を抑えて電池内部抵抗の安定化を図ることができる。具体的な第９の実施形態のデータとしては、６０００時間程度運転して、電池電圧が従来の電池と比較して５％程度向上し、電池特性は安定して運転できることを確認することができた。
【００５７】
（１０）第１０の実施形態
［構成］
図９は第１０の実施形態を模式化して示した側面断面図である。
【００５８】
第１０の実施形態は前記第９の実施形態のアノード電極３側の多孔質カーボン平板３（ｂ）と、第４の実施形態のカソード電極４側の多孔質カーボン平板４（ｂ）と、両面平板セパレータ７とを備えたことを特徴としている。すなわち、アノード電極３およびカソード電極４における多孔質カーボン平板３（ｂ），４（ｂ）は、それぞれ２枚の多孔質カーボン平板８，９および８，１０から構成されており、多孔質カーボン平板８には撥水処理が施され、多孔質カーボン平板９，１０には親水処理が施されている。
【００５９】
［作用効果］
上記の構成を有する第１０の実施形態では、前記第９の実施形態および第４の実施形態の持つ作用効果を合わせ持つことができる。すなわち、親水処理を施した多孔質カーボン平板９が燃料中の水分を確実に吸収し、アノード電極３の触媒層３（ａ）の乾燥を防いでアノード電極３側の固体高分子膜２に対して十分な量の水分を供給することが可能となる。これにより、固体高分子膜２は常に飽和含水状態を保ち、イオン抵抗の上昇を抑えて電池内部抵抗の安定化を図ることができる。また、カソード電極４では撥水処理された多孔質カーボン平板８が発電反応にて生じた生成水を電池外へと容易に排出することができる。したがって、触媒層４（ａ）への酸化剤の拡散を確実に行うことができ、拡散分極を防いで高い電池性能を長期にわたって維持することが可能となる。このような第１０の実施形態によれば、８０００時間程度運転して、電池電圧が従来の電池と比較して１０％程度向上し、電池特性は極めて安定して運転できることを確認することができた。
【００６０】
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明によれば、触媒層に接する多孔質カーボン平板に反応ガスを流通するという極めて簡単な構成により、電池内に凝集した過剰の水分を速やか且つ安全に除去すると同時に、固体高分子膜に必要十分な水を保持することができ、製造コストの低減化を図りつつ高い電池特性を長期にわたって維持することができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態を模式化して示した側面断面図
【図２】本発明の第３の実施形態を模式化して示した側面断面図
【図３】本発明の第４の実施形態を模式化して示した側面断面図
【図４】本発明の第５の実施形態を模式化して示した側面断面図
【図５】本発明の第６の実施形態の多孔質カーボン平板１２の平面図
【図６】本発明の第７の実施形態の多孔質カーボン平板１３の平面図
【図７】（ａ）は第８の実施形態における平板セパレータ１４の平面図、（ｂ）は第８の実施形態における多孔質カーボン平板８，１０および平板セパレータ１４の模式化して示した側面断面図
【図８】本発明の第９の実施形態を模式化して示した側面断面図
【図９】本発明の第１０の実施形態を模式化して示した側面断面図
【図１０】従来の固体高分子電解質型燃料電池を模式化して示した側面断面図
【符号の説明】
１…単電池
２…固体高分子膜
３…アノード電極
３（ａ）…アノード電極側の触媒層
３（ｂ）…アノード電極側の多孔質カーボン平板
３（ｃ）…燃料供給溝
４…カソード電極
４（ａ）…カソード電極側の触媒層
４（ｂ）…カソード電極側の多孔質カーボン平板
４（ｃ）…酸化剤供給溝
５…ガス供給溝付きのセパレータ
６…片面平板セパレータ
７…両面平板セパレータ
８…撥水処理した多孔質カーボン平板
９…親水処理した多孔質カーボン平板
１０…親水性微粉末が含浸処理された多孔質カーボン平板
１１…電池の反応ガス入口側は親水処理、出口側は親水処理した多孔質カーボン平板
１２…反応ガス流通方向に粗密の分布をつけた多孔質カーボン平板
１３…反応ガス流通方向と垂直に粗密の分布をつけた多孔質カーボン平板
１４…ヘッダを設けたガス不透過性の平板セパレータ
１５…供給ヘッダ
１６…排出ヘッダ
Claims (4)
- 反応ガスが供給される一対の電極を備えると共にこれら電極間に電解質層としてイオン導電性を有する固体高分子膜を配置した単電池が設けられ、前記電極はそれぞれ触媒層および多孔質カーボン平板から構成され、前記単電池を挟むようにしてガス不透過性のセパレータが設置された固体高分子電解質型燃料電池において、
前記一対の電極のうち少なくとも一方の電極における多孔質カーボン平板内を、当該平板の面方向に前記反応ガスが流通するよう構成され、
この反応ガスが流通する多孔質カーボン平板において、前記反応ガス流通方向に沿って短冊状に交互に高密度部と低密度部との粗密分布が付けられていることを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池。 - 反応ガスが供給される一対の電極を備えると共にこれら電極間に電解質層としてイオン導電性を有する固体高分子膜を配置した単電池が設けられ、前記電極はそれぞれ触媒層および多孔質カーボン平板から構成され、前記単電池を挟むようにしてガス不透過性のセパレータが設置された固体高分子電解質型燃料電池において、
前記一対の電極のうち少なくとも一方の電極における多孔質カーボン平板内を、当該平板の面方向に前記反応ガスが流通するよう構成され、
この反応ガスが流通する多孔質カーボン平板において、前記反応ガス流通方向と垂直方向に、短冊状に交互に高密度部と低密度部との粗密分布が付けられていることを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池。 - 前記セパレータが少なくとも一面に前記反応ガスの流通溝を形成しない平板セパレータから構成されたことを特徴とする請求項１または２に記載の固体高分子電解質型燃料電池。
- 前記平板セパレータにおける前記反応ガスの流通溝を形成しない面には前記反応ガスを供給および排出するためのヘッダが形成されたことを特徴とする請求項３記載の固体高分子電解質型燃料電池。
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