JP3603871B2 - 固体高分子型燃料電池 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、固体高分子型燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の固体高分子型燃料電池では、電解質を挟んで対峙する２つの電極に水素を含有する燃料ガスと酸素を含有する酸化剤ガスとをそれぞれ供給することによって、各極で（１）、（２）のような反応が起こり、化学エネルギーが直接電気エネルギーに変換される。
【０００３】
燃料極（アノード極）：Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ− …（１）
酸化剤極（カソード極）：２Ｈ＋＋２ｅ−＋（１／２）Ｏ２→Ｈ２Ｏ …（２）
この燃料電池の単位セルの構造は、平板状の固体高分子電解質膜を挟持した状態で燃料極基材と酸化極基材とを配置し、その両側にセパレータ（アノード側セパレータおよびカソード側セパレータ）を配置している。アノード側セパレータには燃料ガスを流す流路溝を設け、カソード側セパレータには酸化剤ガスを流す流路溝を設けている。これらセパレータの外側には冷却水を流す冷却路が備えられ、燃料電池を一定の温度に維持させる。各セパレータの流路溝は一本もしくは平行な数本で発電面全体に設けており、その表面には水の排水性もしくはセパレータの面内の水分布均一化を目的に親水処理もしくは撥水処理を施しているものもある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
固体高分子型燃料電池に用いられる固体高分子電解質膜は分子中にプロトン交換基を備えている。この交換には電解質膜が常に保水状態である事が必要であり、このため外部加湿器等によりアノード側から加湿するのが一般的である。しかしながら、アノード側のガス流路溝の上流側では十分な加湿により反応（１）が起こるものの、下流側では加湿が不十分になり、その結果電解質膜の保水状態が不十分で反応（１）が起こりにくくなる。また、カソード側では反応（２）で発生する水の排出が十分でないと、ガス流路溝の下流側で水がガス拡散層内や流路を塞ぎ反応（２）を阻害するフラディング現象が起こる。
【０００５】
このような問題を改善するため、特開平１０−３２０１１号のものは、カソード側セパレータ、アノード側セパレータに、それぞれ複数の平行するガス流路溝を備え、それぞれ隣接するガス流路溝を流れるガスの通流方向が互いに逆向きとなるように形成（セパレータ毎）することによって、電解質膜を均一な湿潤状態に保持するようにしている。
【０００６】
しかしながら、このものは、カソード側のガス流路溝の下流側に累積する水によって隣接する上流部位の電解質膜を湿潤させているが、多くはそのまま排出される。また、このカソード側のガス流路溝の下流側に累積する水が電解質膜を介してアノード側へ拡散する場合、拡散部位によってはそれほど利用されずに排出されるという問題がある。
【０００７】
また、隣接するガス流路溝を流れるガスの通流方向が互いに逆向きとなるように形成するために、これらの集合部をセパレータの内部に設ける構造上、セパレータを薄くできず、セルが大きくなってしまうという不具合がある。
【０００８】
この発明は、カソード側、アノード側のそれぞれのセパレータならびに両セパレータ間にあって、隣り合うならびに電解質膜部位を介して向かい合うガス流路溝のガスの流れ方向が対向するように構成して、カソード側からアノード側への電解質膜を介した水の拡散を利用して、外部からの加湿を最低限に抑えながら、発電面における電解質膜の保水状態をむらなく均一に維持すると共に、カソード側におけるフラディング現象の発生を抑制することを目的としている。
【０００９】
また、セパレータを薄くして、小型化を図ることを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、固体高分子電解質膜と、固体高分子電解質膜の対向する両主面に配置される燃料極ならびに酸化剤極と、燃料極の外側に配置され燃料極に面して複数のガス流路溝を備える第１のセパレータならびに酸化剤極の外側に配置され酸化剤極に面して複数のガス流路溝を備える第２のセパレータとからなる、単位セルが複数積層されて構成される固体高分子型燃料電池において、第１のセパレータならびに第２のセパレータにあって、隣り合うガス流路溝のガスの流れ方向が対向するようにガス流路溝を形成しており、かつ、第１、第２のセパレータ間にあって固体高分子電解質膜部位を介して向かい合うガス流路溝を流れるガスの向きも逆向きになるように設定しており、第１のセパレータの内面部ならびに第２のセパレータの内面部にそれぞれのガス流路溝の入口側集合流路を、外面側にそれぞれセパレータの内部を貫通してそれぞれのガス流路溝に接続する出口側集合流路を形成した。
【００１１】
第２の発明は、第１の発明において、前記固体高分子電解質膜は、酸化剤極のガス拡散層もしくはガス流路溝内の水が固体高分子電解質膜を介して燃料極側に拡散する水移動量αｍが
０．００２＜αｍ＜０．８
ただし、αｍ：燃料極から酸化剤極へプロトン１個が
移動する際に起こる水分子の拡散数
であり、
かつ、少なくとも酸化剤極は、ガス拡散層の単位面積あたり、１６．６ｃｍ３／ｓの常温空気を流した場合の差圧をガス拡散層の厚みで除したガス透過性ＰがＰ＝１１０〜３８０Ｐａ／ｍｍ
のものを用いる。
【００１２】
第３の発明は、第１、第２の発明において、前記入口側集合流路断面積をＡ、前記出口側集合流路断面積をＢとした場合、それぞれ
０．５≦Ａ≦２０（ｍｍ2）、かつ３Ａ＞Ｂ＞Ａ／３
である。
【００１３】
第４の発明は、第３の発明において、前記入口側集合流路の深さとガス流路溝の深さが同一である。
【００１４】
第５の発明は、第１の発明において、前記ガス流路溝はセパレータの内部を貫通して出口側集合流路に接続し、出口側集合流路は該セパレータの外面部に形成した出口側集合流路溝と隣接するセルのセパレータの外面部に形成した出口側集合流路溝とにより合流路を形成する。
【００１５】
【発明の効果】
第１の発明では、燃料極側のガス流路溝に導入される燃料ガス中の加湿分によって、ガス流路溝の上流、下流を問わず燃料極側全体を均一に加湿することができ、酸化剤極側では、ガス流路溝の水が累積される下流側よりガス拡散層を通して隣接する上流側への水の拡散が可能で、排出性も向上し、そのため、ガス拡散層内に水が溜まり発電性能が低下するいわゆるフラディング現象を抑制することができる。また、燃料極側の反応で生じたプロトンは、固体高分子電解質膜内を移動する際、幾つかの水分子を伴って酸化剤極側に至るが、酸化剤極側からも固体高分子電解質膜を介して燃料極側への水の拡散が同時に起こっており、燃料極側、酸化剤極側のセパレータ間にあって、固体高分子電解質膜部位を介して向かい合うガス流路溝を流れるガスの向きも逆向きにしたため、固体高分子電解質膜を介した水の濃度勾配が大きくなり、最も水の拡散し易い状態になる。そのため、酸化剤極から燃料極ヘ移動した水がプロトンを再び酸化剤極へ移動させることに使うことができ、燃料極ヘの外部からの加湿を減らすことができる。また、セパレータを薄くできる。
【００１６】
第２の発明では、酸化剤極側から燃料極側への水の拡散を良好に行え、隣接する流路部位および酸化剤極側から燃料極側への水の良好な拡散によって、性能を向上でき、燃料極ヘの外部からの加湿を減らすことができる。
【００１７】
第３の発明では、入口側集合流路の断面積を最低でも０．５ｍｍ2以上確保することにより、複数のガス流路溝へのガス分配性が増す一方、むやみに入口側集合流路の断面積を増やすことはセパレータに占める入口側集合流路の割合が増すので、最大でも２０ｍｍ2程度の断面積に止めるのが現実的であって、十分なガス分配性を保てる。また、出口側集合流路の断面積を入口側集合流路の３倍未満かつ１／３を越える大きさにすることにより、セルの体積あたりの出力密度を下げることなく、排気や生成水等の排出を効率的に行うことができる。
【００１８】
第４の発明では、ガスのスムーズな流れを得ることができ、また集合流路に水が溜まることを防止できる。
【００１９】
第５の発明では、セパレータを一層薄くできる。
【００２０】
【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に基づいて説明する。
【００２１】
図１の（Ａ）、（Ｂ）および図２の（Ａ）、（Ｂ）は、実施の形態の固体高分子型燃料電池のアノード側セパレータ１の正面図（燃料極面側内面部を表す）、背面図（外面部を表す）およびカソード側セパレータ２の正面図（酸化剤極側内面部を表す）、背面図（外面部を表す）である。
【００２２】
図１の（Ａ）、（Ｂ）のように、アノード側セパレータ１の内面の周辺部を除く燃料極面部３には、所定の位置に、セパレータ１の上下方向（図中上下方向）に燃料ガスを流す複数の平行なガス流路溝４が形成される。ガス流路溝４は平行な往路４ａと復路４ｂとにより形成され、隣り合うガス流路溝４のガスの流れ方向が対向するように、各ガス流路溝４の往路４ａと復路４ｂとが順に形成される。
【００２３】
各ガス流路溝４の往路４ａの上流端（セパレータ１の上部側）には入口側集合流路（溝）５が形成され、入口側集合流路５はセパレータ１の左上部（燃料極面側から見て）にセパレータ１を貫通して設けられる燃料ガス入口（マニホールド）６に接続される。
【００２４】
各ガス流路溝４の往路４ａと復路４ｂとの中間点（セパレータ１の下部側）は、集合される。
【００２５】
各ガス流路溝４の復路４ｂの下流端（セパレータ１の上部側）は、セパレータ１の内部を通って、セパレータ１の背面（外面）部７に形成された出口側集合流路（溝）８に接続され、出口側集合流路８はセパレータ１の右上部（燃料極面側から見て）にセパレータ１を貫通して設けられる燃料ガス出口（マニホールド）９に接続される。
【００２６】
セパレータ１の背面部７の出口側集合流路８と対称位置には、隣接するカソード側セパレータ２の背面部１７の出口側集合流路１８（後述する）に重ね合わされる背面側集合流路（溝）１０が形成される。
【００２７】
セパレータ１の左下部（背面側から見て）および右下部（背面側から見て）には、セパレータ１を貫通して酸化剤ガス入口（マニホールド）１６および酸化剤ガス出口（マニホールド）１９が設けられ、背面側集合流路１０は酸化剤ガス出口１９に接続される。
【００２８】
出口側集合流路８と背面側集合流路１０との間のセパレータ１の背面部７は、冷却水が供給される冷却面に形成される。
【００２９】
図２の（Ａ）、（Ｂ）のように、カソード側セパレータ２の内面の周辺部を除く酸化剤極面部１３には、所定の位置に、セパレータ２の上下方向（図中上下方向）に酸化剤ガスを流す複数の平行なガス流路溝１４が形成される。ガス流路溝１４は平行な往路１４ａと復路１４ｂとにより形成され、隣り合うガス流路溝１４のガスの流れ方向が対向するように、各ガス流路溝１４の往路１４ａと復路１４ｂとが順に形成される。
【００３０】
各ガス流路溝１４の往路１４ａの上流端（セパレータ２の下部側）には入口側集合流路（溝）１５が形成され、入口側集合流路１５はセパレータ２の左下部（酸化剤極面側から見て）にセパレータ２を貫通して設けられる酸化剤ガス入口（マニホールド）１６に接続される。
【００３１】
各ガス流路溝１４の往路１４ａと復路１４ｂとの中間点（セパレータ２の上部側）は、集合される。
【００３２】
各ガス流路溝１４の復路１４ｂの下流端（セパレータ２の下部側）は、セパレータ２の内部を通って、セパレータ２の背面（外面）部１７に形成された出口側集合流路（溝）１８に接続され、出口側集合流路１８はセパレータ２の右下部（酸化剤極面側から見て）にセパレータ２を貫通して設けられる酸化剤ガス出口（マニホールド）１９に接続される。
【００３３】
セパレータ２の背面部１７の出口側集合流路１８と対称位置には、隣接するアノード側セパレータ１の背面部７の出口側集合流路８に重ね合わされる背面側集合流路（溝）２０が形成される。
【００３４】
セパレータ２の左上部（背面側から見て）および右上部（背面側から見て）には、セパレータ２を貫通して燃料ガス入口（マニホールド）６および燃料ガス出口（マニホールド）９が設けられ、背面側集合流路２０は燃料ガス出口９に接続される。
【００３５】
出口側集合流路１８と背面側集合流路２０との間のセパレータ２の背面部１７は、冷却水が供給される冷却面に形成される。
【００３６】
これらアノード側セパレータ１とカソード側セパレータ２とは、燃料極面部３と酸化剤極面部１３との間に、図３のように固体高分子電解質膜２５、固体高分子電解質膜２５のセパレータ１側の主面に燃料極２６、固体高分子電解質膜２５のセパレータ２側の主面に酸化剤極２７を配置して、それぞれの燃料ガス入口６、燃料ガス出口９、酸化剤ガス入口１６、酸化剤ガス出口１９が連なるように、および固体高分子電解質膜部位を介して、それぞれセパレータ１に形成したガス流路溝４の往路４ａとセパレータ２に形成したガス流路溝１４の往路１４ａとが向かい合うように、セパレータ１に形成したガス流路溝４の復路４ｂとセパレータ２に形成したガス流路溝１４の復路１４ｂとが向かい合うように、合わせ、単位セルを形成する。ただし、図３は、固体高分子電解質膜部位を介して向かい合うセパレータ１、２のガス流路溝４、１４部分の概略的な配置構造を表す。
【００３７】
この単位セルを複数積層する場合は、図４の（Ａ）、（Ｂ）のように隣り合うセルのアノード側セパレータ１の背面部７とカソード側セパレータ２の背面部１７とを、それぞれの燃料ガス入口６、燃料ガス出口９、酸化剤ガス入口１６、酸化剤ガス出口１９が連なるように、合わせ、積層する。隣り合うセパレータ１、２の背面部７、１７の出口側集合流路８、１８は、それぞれセパレータ２、１の背面部１７、７の背面側集合流路２０、１０に重なり合う。なお、積層両端のセルのセパレータ１、２の背面部７、１７には隔壁等を設ける。
【００３８】
燃料ガス入口６より導入される燃料ガスは、アノード側セパレータ１の入口側集合流路５を通って、各ガス流路溝４の往路４ａおよび復路４ｂを流れ、アノード側セパレータ１の背面部７の出口側集合流路８を経て、燃料ガス出口９より排出される。酸化剤ガス入口１６より導入される酸化剤ガスは、カソード側セパレータ２の入口側集合流路１５を通って、各ガス流路溝１４の往路１４ａおよび復路１４ｂを流れ、カソード側セパレータ２の背面部１７の出口側集合流路１８を経て、酸化剤ガス出口１９より排出される。
【００３９】
即ち、図３のように、アノード側セパレータ１、カソード側セパレータ２にあって、隣り合うガス流路溝４、１４のガスの流れ方向が対向すると共に、アノード側、カソード側のセパレータ１、２間にあって、固体高分子電解質膜部位を介して向かい合うガス流路溝４、１４を流れるガスの向きも逆向きになっている。
【００４０】
一方、アノード側セパレータ１、カソード側セパレータ２のサイズは、例えば高さ（上下方向）３５０×幅３００×厚さ２ｍｍのものを用い、そのうち発電面積は７００ｃｍ２とした。
【００４１】
また、それぞれセパレータ１、２の入口側集合流路５、１５、ガス流路溝４、１４（往路４ａ、１４ａ、復路４ｂ、１４ｂ）の溝深さは、略同等に、例えば０．５ｍｍとした。ただし、出口側集合流路８、１８の溝深さは、出口側集合流路８、１８に重なり合う隣接するセパレータ等の背面側集合流路２０、１０と併せて、それぞれ入口側集合流路５、１５、ガス流路溝４、１４の溝深さと略同等にして良い。
【００４２】
また、入口側集合流路５、１５の断面積をＡ、出口側集合流路８、１８の断面積（背面側集合流路２０、１０と併せたもの）をＢとした場合、それぞれ
０．５≦Ａ≦２０（ｍｍ２）、かつ３Ａ＞Ｂ＞Ａ／３
とする。
【００４３】
また、固体高分子電解質膜２５には、厚さ１０〜３０μｍのものを用いる。酸化剤極２７から燃料極２６ヘの水（水蒸気）の拡散を有効に機能させるためには厚さ１０〜５０μｍ、より好ましくは１０〜３０μｍが良い。１０μｍ以下では電池組み立ての際のハンドリング性が悪く、５０μｍ以上では有効な拡散が期待できない。
【００４４】
また、酸化剤極２７、燃料極２６を構成するガス拡散層は、気体透過性１１０〜３８０Ｐａ／ｍｍのカーボンペーパーを用いる。拡散層内の空隙分布は厚さ方向およびそれとは垂直な方向でほぼ均一に分布していると仮定した。隣接する流路部位への水蒸気の拡散は互いの水蒸気のモル分率に比例すると考えた。したがって、電気的な特性を保持しつつ、ガスの通過性を確保するために、ガス拡散層の気体透過性は、１１０〜３８０Ｐａ／ｍｍが良い。
【００４５】
図５にガス拡散層の気体透過性を変えた場合のＩＶ特性を示す。気体透過性が１１０Ｐａ／ｍｍ以下のガス拡散層では、空隙が多すぎるために拡散層自体の電気抵抗が高くなりすぎて十分な性能を確保できない。また、水が排出されるため、高電流側ではドライアウトが生じて電圧降下が顕著に現れる。一方、３８０Ｐａ／ｍｍ以上では、逆に緻密すぎて拡散性が劣るために発電性能が悪く、また高負荷下では４１０Ｐａ／ｍｍの例のように多量に発生する水を排出しきれずにフラディングを生じるようになる。
【００４６】
なお、気体透過性は単位面積のガス拡散層の厚さ方向に定格量（１６．６ｃｍ３／ｓ）の常温空気を通過させたときの差圧をガス拡散層の厚さで割ったものを表している。
【００４７】
このように構成したため、アノード側（燃料極側）のガス流路溝４に導入される燃料ガス中の加湿分によって、往路４ａ側が加湿されると共に、ガスの流れ方向が対向する復路４ｂが隣接されているため、ガス流路溝４の上流、下流を問わずアノード側全体を均一に加湿することができる。カソード側（酸化剤極側）では、電気化学反応により水が生じるが、同様にガスの流れ方向が対向する往路１４ａと復路１４ｂとが隣接されているため、水が累積される下流側（復路１４ｂ）よりガス拡散層を通して隣接する上流側（往路１４ａ）への水の拡散が可能で、排出性も向上し、そのため、ガス拡散層内に水が溜まり発電性能が低下するいわゆるフラディング現象を抑制することができる。
【００４８】
また、アノード側の反応で生じたプロトンは、固体高分子電解質膜内を移動する際、幾つかの水分子を伴ってカソード側に至る。一方、カソード側からも固体高分子電解質膜を介してアノード側への水の拡散が同時に起こっている。このカソードからアノードヘの水の拡散は膜を挟んだ両側の水の濃度差が大きく影響する。即ち、アノード側、カソード側のセパレータ１、２間にあって、固体高分子電解質膜部位を介して向かい合うガス流路溝４、１４を流れるガスの向きも逆向きにしたため、固体高分子電解質膜を介した水の濃度勾配が大きくなり、最も水の拡散し易い状態になる。そのため、カソードからアノードヘ移動した水がプロトンを再びカソードへ移動させることに使うことができる。
【００４９】
図６は本実施の形態の単位セルのＩＶ特性を示す
酸化剤極、燃料極を構成するガス拡散層は、気体透過性１１０〜３８０Ｐａ／ｍｍのカーボンペーパーを、固体高分子電解質膜は厚さ１０〜３０μｍのものを用いた。固体高分子電解質膜に厚さ１０〜３０μｍのものを用いた場合、酸化剤極のガス拡散層もしくはガス流路溝内の水が固体高分子電解質膜を介して燃料極側に拡散する水移動量αｍは、０．００２＜αｍ＜０．８（ただし、αｍ：燃料極から酸化剤極へプロトン１個が移動する際に起こる水分子の拡散数＝カソードからアノードへの水分子移動量からプロトン移動に伴い生じるアノードからカソードへの水分子移動量を減じた相対的拡散数）になり、カソード側からアノード側への水の拡散を良好に行える。したがって、隣接する流路部位およびカソード側からアノード側への水の良好な拡散によって、性能を向上でき、またアノードヘの外部からの加湿を減らすことができる。
【００５０】
図６中の比較例は、アノード側セパレータ、カソード側セパレータの一方に、図８のようにセパレータ５０の左右方向にガス流路溝５１を設けたものを用いた場合を示しており、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のガス流路溝の方向が直交するものは、性能が低下する。
【００５１】
また、それぞれセパレータ１、２の入口側集合流路５、１５、ガス流路溝４、１４（往路４ａ、１４ａ、復路４ｂ、１４ｂ）の溝深さを略同等にしたので、ガスのスムーズな流れを得ることができる。これらに段差があると、水が溜まる可能性があるが、これを防止できる。
【００５２】
また、セパレータ１、２の内面に入口側集合流路５、１５を、セパレータ１、２の内部を貫通してセパレータ１、２の背面に出口側集合流路８、１８を形成するので、セパレータ１、２を薄くできる。また、出口側集合流路８、１８は隣接するセパレータ２、１の背面部の背面側集合流路２０、１０と合流路をなすので、セパレータ１、２を一層薄くできる。
【００５３】
また、入口側集合流路５、１５の断面積をＡ、出口側集合流路８、１８の断面積（背面側集合流路２０、１０と併せたもの）をＢとした場合、それぞれ
０．５≦Ａ≦２０（ｍｍ２）、かつ３Ａ＞Ｂ＞Ａ／３
としたので、入口側集合流路５、１５から複数のガス流路溝４、１４へのガス分配性が増す。むやみに入口側集合流路５、１５の断面積を増やすことはセパレータ１、２に占める入口側集合流路５、１５の割合が増すので、最大でも２０ｍｍ２程度の断面積に止めるのが現実的であり、十分なガス分配性を保てる。また、出口側集合流路８、１８の断面積（背面側集合流路２０、１０と併せたもの）が入口側集合流路５、１５の３倍以上では、セルに占める体積が大きくなり、結果としてセパレータを大きくしなければならず、これは体積あたりの出力密度を下げる原因となり、また、１／３以下では排気や生成水等の排出を効率的に行うことができない。したがって、３Ａ＞Ｂ＞Ａ／３が好ましい。
【００５４】
図７にＡ、Ｂの比率を変えた場合の定電流（＝１Ａ／ｃｍ２）出力時の電圧の変化を見ると、Ｂ／Ａ＞３では前述したように集合流路がセルに占める体積が大きくなりすぎ、Ｂ／Ａ＜１／３付近では安定した電圧を得ることができない。
【００５５】
なお、実施の形態では、セパレータ１、２の背面に出口側集合流路８、１８を形成すると共に、隣接するセパレータ２、１の背面に出口側集合流路８、１８と合流路を形成する背面側集合流路２０、１０を形成して、所定の流路断面積を得るようにしているが、例えば出口側集合流路８、１８自体の流路断面積を大きくして、背面側集合流路２０、１０を形成せずとも良く、また背面側集合流路２０、１０自体の流路断面積を大きくして、出口側集合流路８、１８を形成せずとも良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態における燃料極側セパレータの正面図および背面図である。
【図２】実施の形態における酸化剤極側セパレータの正面図および背面図である。
【図３】固体高分子電解質膜部位を介して向かい合うセパレータのガス流路溝部分の概略的な配置構造図である。
【図４】セパレータの正面図、側面図および隣接するセパレータの側面図である。
【図５】ガス拡散層の気体透過性を変えた場合のＩＶ特性図である。
【図６】ＩＶ特性図である。
【図７】入口側集合流路、出口側集合流路の断面積の比率を変えた場合の定電流（＝１Ａ／ｃｍ２）出力時の電圧の変化を示す特性図である。
【図８】比較例のセパレータの正面図である。
【符号の説明】
１ アノード側セパレータ
２ カソード側セパレータ
３ 燃料極面部
４ ガス流路溝
４ａ 往路
４ｂ 復路
５ 入口側集合流路
６ 燃料ガス入口
８ 出口側集合流路
９ 燃料ガス出口
１０ 背面側集合流路
１３ 酸化剤極面部
１４ ガス流路溝
１４ａ 往路
１４ｂ 復路
１５ 入口側集合流路
１６ 酸化剤ガス入口
１８ 出口側集合流路
１９ 酸化剤ガス出口
２０ 背面側集合流路
２５ 固体高分子電解質膜
２６ 燃料極
２７ 酸化剤極
【発明の属する技術分野】
この発明は、固体高分子型燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の固体高分子型燃料電池では、電解質を挟んで対峙する２つの電極に水素を含有する燃料ガスと酸素を含有する酸化剤ガスとをそれぞれ供給することによって、各極で（１）、（２）のような反応が起こり、化学エネルギーが直接電気エネルギーに変換される。
【０００３】
燃料極（アノード極）：Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ− …（１）
酸化剤極（カソード極）：２Ｈ＋＋２ｅ−＋（１／２）Ｏ２→Ｈ２Ｏ …（２）
この燃料電池の単位セルの構造は、平板状の固体高分子電解質膜を挟持した状態で燃料極基材と酸化極基材とを配置し、その両側にセパレータ（アノード側セパレータおよびカソード側セパレータ）を配置している。アノード側セパレータには燃料ガスを流す流路溝を設け、カソード側セパレータには酸化剤ガスを流す流路溝を設けている。これらセパレータの外側には冷却水を流す冷却路が備えられ、燃料電池を一定の温度に維持させる。各セパレータの流路溝は一本もしくは平行な数本で発電面全体に設けており、その表面には水の排水性もしくはセパレータの面内の水分布均一化を目的に親水処理もしくは撥水処理を施しているものもある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
固体高分子型燃料電池に用いられる固体高分子電解質膜は分子中にプロトン交換基を備えている。この交換には電解質膜が常に保水状態である事が必要であり、このため外部加湿器等によりアノード側から加湿するのが一般的である。しかしながら、アノード側のガス流路溝の上流側では十分な加湿により反応（１）が起こるものの、下流側では加湿が不十分になり、その結果電解質膜の保水状態が不十分で反応（１）が起こりにくくなる。また、カソード側では反応（２）で発生する水の排出が十分でないと、ガス流路溝の下流側で水がガス拡散層内や流路を塞ぎ反応（２）を阻害するフラディング現象が起こる。
【０００５】
このような問題を改善するため、特開平１０−３２０１１号のものは、カソード側セパレータ、アノード側セパレータに、それぞれ複数の平行するガス流路溝を備え、それぞれ隣接するガス流路溝を流れるガスの通流方向が互いに逆向きとなるように形成（セパレータ毎）することによって、電解質膜を均一な湿潤状態に保持するようにしている。
【０００６】
しかしながら、このものは、カソード側のガス流路溝の下流側に累積する水によって隣接する上流部位の電解質膜を湿潤させているが、多くはそのまま排出される。また、このカソード側のガス流路溝の下流側に累積する水が電解質膜を介してアノード側へ拡散する場合、拡散部位によってはそれほど利用されずに排出されるという問題がある。
【０００７】
また、隣接するガス流路溝を流れるガスの通流方向が互いに逆向きとなるように形成するために、これらの集合部をセパレータの内部に設ける構造上、セパレータを薄くできず、セルが大きくなってしまうという不具合がある。
【０００８】
この発明は、カソード側、アノード側のそれぞれのセパレータならびに両セパレータ間にあって、隣り合うならびに電解質膜部位を介して向かい合うガス流路溝のガスの流れ方向が対向するように構成して、カソード側からアノード側への電解質膜を介した水の拡散を利用して、外部からの加湿を最低限に抑えながら、発電面における電解質膜の保水状態をむらなく均一に維持すると共に、カソード側におけるフラディング現象の発生を抑制することを目的としている。
【０００９】
また、セパレータを薄くして、小型化を図ることを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、固体高分子電解質膜と、固体高分子電解質膜の対向する両主面に配置される燃料極ならびに酸化剤極と、燃料極の外側に配置され燃料極に面して複数のガス流路溝を備える第１のセパレータならびに酸化剤極の外側に配置され酸化剤極に面して複数のガス流路溝を備える第２のセパレータとからなる、単位セルが複数積層されて構成される固体高分子型燃料電池において、第１のセパレータならびに第２のセパレータにあって、隣り合うガス流路溝のガスの流れ方向が対向するようにガス流路溝を形成しており、かつ、第１、第２のセパレータ間にあって固体高分子電解質膜部位を介して向かい合うガス流路溝を流れるガスの向きも逆向きになるように設定しており、第１のセパレータの内面部ならびに第２のセパレータの内面部にそれぞれのガス流路溝の入口側集合流路を、外面側にそれぞれセパレータの内部を貫通してそれぞれのガス流路溝に接続する出口側集合流路を形成した。
【００１１】
第２の発明は、第１の発明において、前記固体高分子電解質膜は、酸化剤極のガス拡散層もしくはガス流路溝内の水が固体高分子電解質膜を介して燃料極側に拡散する水移動量αｍが
０．００２＜αｍ＜０．８
ただし、αｍ：燃料極から酸化剤極へプロトン１個が
移動する際に起こる水分子の拡散数
であり、
かつ、少なくとも酸化剤極は、ガス拡散層の単位面積あたり、１６．６ｃｍ３／ｓの常温空気を流した場合の差圧をガス拡散層の厚みで除したガス透過性ＰがＰ＝１１０〜３８０Ｐａ／ｍｍ
のものを用いる。
【００１２】
第３の発明は、第１、第２の発明において、前記入口側集合流路断面積をＡ、前記出口側集合流路断面積をＢとした場合、それぞれ
０．５≦Ａ≦２０（ｍｍ2）、かつ３Ａ＞Ｂ＞Ａ／３
である。
【００１３】
第４の発明は、第３の発明において、前記入口側集合流路の深さとガス流路溝の深さが同一である。
【００１４】
第５の発明は、第１の発明において、前記ガス流路溝はセパレータの内部を貫通して出口側集合流路に接続し、出口側集合流路は該セパレータの外面部に形成した出口側集合流路溝と隣接するセルのセパレータの外面部に形成した出口側集合流路溝とにより合流路を形成する。
【００１５】
【発明の効果】
第１の発明では、燃料極側のガス流路溝に導入される燃料ガス中の加湿分によって、ガス流路溝の上流、下流を問わず燃料極側全体を均一に加湿することができ、酸化剤極側では、ガス流路溝の水が累積される下流側よりガス拡散層を通して隣接する上流側への水の拡散が可能で、排出性も向上し、そのため、ガス拡散層内に水が溜まり発電性能が低下するいわゆるフラディング現象を抑制することができる。また、燃料極側の反応で生じたプロトンは、固体高分子電解質膜内を移動する際、幾つかの水分子を伴って酸化剤極側に至るが、酸化剤極側からも固体高分子電解質膜を介して燃料極側への水の拡散が同時に起こっており、燃料極側、酸化剤極側のセパレータ間にあって、固体高分子電解質膜部位を介して向かい合うガス流路溝を流れるガスの向きも逆向きにしたため、固体高分子電解質膜を介した水の濃度勾配が大きくなり、最も水の拡散し易い状態になる。そのため、酸化剤極から燃料極ヘ移動した水がプロトンを再び酸化剤極へ移動させることに使うことができ、燃料極ヘの外部からの加湿を減らすことができる。また、セパレータを薄くできる。
【００１６】
第２の発明では、酸化剤極側から燃料極側への水の拡散を良好に行え、隣接する流路部位および酸化剤極側から燃料極側への水の良好な拡散によって、性能を向上でき、燃料極ヘの外部からの加湿を減らすことができる。
【００１７】
第３の発明では、入口側集合流路の断面積を最低でも０．５ｍｍ2以上確保することにより、複数のガス流路溝へのガス分配性が増す一方、むやみに入口側集合流路の断面積を増やすことはセパレータに占める入口側集合流路の割合が増すので、最大でも２０ｍｍ2程度の断面積に止めるのが現実的であって、十分なガス分配性を保てる。また、出口側集合流路の断面積を入口側集合流路の３倍未満かつ１／３を越える大きさにすることにより、セルの体積あたりの出力密度を下げることなく、排気や生成水等の排出を効率的に行うことができる。
【００１８】
第４の発明では、ガスのスムーズな流れを得ることができ、また集合流路に水が溜まることを防止できる。
【００１９】
第５の発明では、セパレータを一層薄くできる。
【００２０】
【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に基づいて説明する。
【００２１】
図１の（Ａ）、（Ｂ）および図２の（Ａ）、（Ｂ）は、実施の形態の固体高分子型燃料電池のアノード側セパレータ１の正面図（燃料極面側内面部を表す）、背面図（外面部を表す）およびカソード側セパレータ２の正面図（酸化剤極側内面部を表す）、背面図（外面部を表す）である。
【００２２】
図１の（Ａ）、（Ｂ）のように、アノード側セパレータ１の内面の周辺部を除く燃料極面部３には、所定の位置に、セパレータ１の上下方向（図中上下方向）に燃料ガスを流す複数の平行なガス流路溝４が形成される。ガス流路溝４は平行な往路４ａと復路４ｂとにより形成され、隣り合うガス流路溝４のガスの流れ方向が対向するように、各ガス流路溝４の往路４ａと復路４ｂとが順に形成される。
【００２３】
各ガス流路溝４の往路４ａの上流端（セパレータ１の上部側）には入口側集合流路（溝）５が形成され、入口側集合流路５はセパレータ１の左上部（燃料極面側から見て）にセパレータ１を貫通して設けられる燃料ガス入口（マニホールド）６に接続される。
【００２４】
各ガス流路溝４の往路４ａと復路４ｂとの中間点（セパレータ１の下部側）は、集合される。
【００２５】
各ガス流路溝４の復路４ｂの下流端（セパレータ１の上部側）は、セパレータ１の内部を通って、セパレータ１の背面（外面）部７に形成された出口側集合流路（溝）８に接続され、出口側集合流路８はセパレータ１の右上部（燃料極面側から見て）にセパレータ１を貫通して設けられる燃料ガス出口（マニホールド）９に接続される。
【００２６】
セパレータ１の背面部７の出口側集合流路８と対称位置には、隣接するカソード側セパレータ２の背面部１７の出口側集合流路１８（後述する）に重ね合わされる背面側集合流路（溝）１０が形成される。
【００２７】
セパレータ１の左下部（背面側から見て）および右下部（背面側から見て）には、セパレータ１を貫通して酸化剤ガス入口（マニホールド）１６および酸化剤ガス出口（マニホールド）１９が設けられ、背面側集合流路１０は酸化剤ガス出口１９に接続される。
【００２８】
出口側集合流路８と背面側集合流路１０との間のセパレータ１の背面部７は、冷却水が供給される冷却面に形成される。
【００２９】
図２の（Ａ）、（Ｂ）のように、カソード側セパレータ２の内面の周辺部を除く酸化剤極面部１３には、所定の位置に、セパレータ２の上下方向（図中上下方向）に酸化剤ガスを流す複数の平行なガス流路溝１４が形成される。ガス流路溝１４は平行な往路１４ａと復路１４ｂとにより形成され、隣り合うガス流路溝１４のガスの流れ方向が対向するように、各ガス流路溝１４の往路１４ａと復路１４ｂとが順に形成される。
【００３０】
各ガス流路溝１４の往路１４ａの上流端（セパレータ２の下部側）には入口側集合流路（溝）１５が形成され、入口側集合流路１５はセパレータ２の左下部（酸化剤極面側から見て）にセパレータ２を貫通して設けられる酸化剤ガス入口（マニホールド）１６に接続される。
【００３１】
各ガス流路溝１４の往路１４ａと復路１４ｂとの中間点（セパレータ２の上部側）は、集合される。
【００３２】
各ガス流路溝１４の復路１４ｂの下流端（セパレータ２の下部側）は、セパレータ２の内部を通って、セパレータ２の背面（外面）部１７に形成された出口側集合流路（溝）１８に接続され、出口側集合流路１８はセパレータ２の右下部（酸化剤極面側から見て）にセパレータ２を貫通して設けられる酸化剤ガス出口（マニホールド）１９に接続される。
【００３３】
セパレータ２の背面部１７の出口側集合流路１８と対称位置には、隣接するアノード側セパレータ１の背面部７の出口側集合流路８に重ね合わされる背面側集合流路（溝）２０が形成される。
【００３４】
セパレータ２の左上部（背面側から見て）および右上部（背面側から見て）には、セパレータ２を貫通して燃料ガス入口（マニホールド）６および燃料ガス出口（マニホールド）９が設けられ、背面側集合流路２０は燃料ガス出口９に接続される。
【００３５】
出口側集合流路１８と背面側集合流路２０との間のセパレータ２の背面部１７は、冷却水が供給される冷却面に形成される。
【００３６】
これらアノード側セパレータ１とカソード側セパレータ２とは、燃料極面部３と酸化剤極面部１３との間に、図３のように固体高分子電解質膜２５、固体高分子電解質膜２５のセパレータ１側の主面に燃料極２６、固体高分子電解質膜２５のセパレータ２側の主面に酸化剤極２７を配置して、それぞれの燃料ガス入口６、燃料ガス出口９、酸化剤ガス入口１６、酸化剤ガス出口１９が連なるように、および固体高分子電解質膜部位を介して、それぞれセパレータ１に形成したガス流路溝４の往路４ａとセパレータ２に形成したガス流路溝１４の往路１４ａとが向かい合うように、セパレータ１に形成したガス流路溝４の復路４ｂとセパレータ２に形成したガス流路溝１４の復路１４ｂとが向かい合うように、合わせ、単位セルを形成する。ただし、図３は、固体高分子電解質膜部位を介して向かい合うセパレータ１、２のガス流路溝４、１４部分の概略的な配置構造を表す。
【００３７】
この単位セルを複数積層する場合は、図４の（Ａ）、（Ｂ）のように隣り合うセルのアノード側セパレータ１の背面部７とカソード側セパレータ２の背面部１７とを、それぞれの燃料ガス入口６、燃料ガス出口９、酸化剤ガス入口１６、酸化剤ガス出口１９が連なるように、合わせ、積層する。隣り合うセパレータ１、２の背面部７、１７の出口側集合流路８、１８は、それぞれセパレータ２、１の背面部１７、７の背面側集合流路２０、１０に重なり合う。なお、積層両端のセルのセパレータ１、２の背面部７、１７には隔壁等を設ける。
【００３８】
燃料ガス入口６より導入される燃料ガスは、アノード側セパレータ１の入口側集合流路５を通って、各ガス流路溝４の往路４ａおよび復路４ｂを流れ、アノード側セパレータ１の背面部７の出口側集合流路８を経て、燃料ガス出口９より排出される。酸化剤ガス入口１６より導入される酸化剤ガスは、カソード側セパレータ２の入口側集合流路１５を通って、各ガス流路溝１４の往路１４ａおよび復路１４ｂを流れ、カソード側セパレータ２の背面部１７の出口側集合流路１８を経て、酸化剤ガス出口１９より排出される。
【００３９】
即ち、図３のように、アノード側セパレータ１、カソード側セパレータ２にあって、隣り合うガス流路溝４、１４のガスの流れ方向が対向すると共に、アノード側、カソード側のセパレータ１、２間にあって、固体高分子電解質膜部位を介して向かい合うガス流路溝４、１４を流れるガスの向きも逆向きになっている。
【００４０】
一方、アノード側セパレータ１、カソード側セパレータ２のサイズは、例えば高さ（上下方向）３５０×幅３００×厚さ２ｍｍのものを用い、そのうち発電面積は７００ｃｍ２とした。
【００４１】
また、それぞれセパレータ１、２の入口側集合流路５、１５、ガス流路溝４、１４（往路４ａ、１４ａ、復路４ｂ、１４ｂ）の溝深さは、略同等に、例えば０．５ｍｍとした。ただし、出口側集合流路８、１８の溝深さは、出口側集合流路８、１８に重なり合う隣接するセパレータ等の背面側集合流路２０、１０と併せて、それぞれ入口側集合流路５、１５、ガス流路溝４、１４の溝深さと略同等にして良い。
【００４２】
また、入口側集合流路５、１５の断面積をＡ、出口側集合流路８、１８の断面積（背面側集合流路２０、１０と併せたもの）をＢとした場合、それぞれ
０．５≦Ａ≦２０（ｍｍ２）、かつ３Ａ＞Ｂ＞Ａ／３
とする。
【００４３】
また、固体高分子電解質膜２５には、厚さ１０〜３０μｍのものを用いる。酸化剤極２７から燃料極２６ヘの水（水蒸気）の拡散を有効に機能させるためには厚さ１０〜５０μｍ、より好ましくは１０〜３０μｍが良い。１０μｍ以下では電池組み立ての際のハンドリング性が悪く、５０μｍ以上では有効な拡散が期待できない。
【００４４】
また、酸化剤極２７、燃料極２６を構成するガス拡散層は、気体透過性１１０〜３８０Ｐａ／ｍｍのカーボンペーパーを用いる。拡散層内の空隙分布は厚さ方向およびそれとは垂直な方向でほぼ均一に分布していると仮定した。隣接する流路部位への水蒸気の拡散は互いの水蒸気のモル分率に比例すると考えた。したがって、電気的な特性を保持しつつ、ガスの通過性を確保するために、ガス拡散層の気体透過性は、１１０〜３８０Ｐａ／ｍｍが良い。
【００４５】
図５にガス拡散層の気体透過性を変えた場合のＩＶ特性を示す。気体透過性が１１０Ｐａ／ｍｍ以下のガス拡散層では、空隙が多すぎるために拡散層自体の電気抵抗が高くなりすぎて十分な性能を確保できない。また、水が排出されるため、高電流側ではドライアウトが生じて電圧降下が顕著に現れる。一方、３８０Ｐａ／ｍｍ以上では、逆に緻密すぎて拡散性が劣るために発電性能が悪く、また高負荷下では４１０Ｐａ／ｍｍの例のように多量に発生する水を排出しきれずにフラディングを生じるようになる。
【００４６】
なお、気体透過性は単位面積のガス拡散層の厚さ方向に定格量（１６．６ｃｍ３／ｓ）の常温空気を通過させたときの差圧をガス拡散層の厚さで割ったものを表している。
【００４７】
このように構成したため、アノード側（燃料極側）のガス流路溝４に導入される燃料ガス中の加湿分によって、往路４ａ側が加湿されると共に、ガスの流れ方向が対向する復路４ｂが隣接されているため、ガス流路溝４の上流、下流を問わずアノード側全体を均一に加湿することができる。カソード側（酸化剤極側）では、電気化学反応により水が生じるが、同様にガスの流れ方向が対向する往路１４ａと復路１４ｂとが隣接されているため、水が累積される下流側（復路１４ｂ）よりガス拡散層を通して隣接する上流側（往路１４ａ）への水の拡散が可能で、排出性も向上し、そのため、ガス拡散層内に水が溜まり発電性能が低下するいわゆるフラディング現象を抑制することができる。
【００４８】
また、アノード側の反応で生じたプロトンは、固体高分子電解質膜内を移動する際、幾つかの水分子を伴ってカソード側に至る。一方、カソード側からも固体高分子電解質膜を介してアノード側への水の拡散が同時に起こっている。このカソードからアノードヘの水の拡散は膜を挟んだ両側の水の濃度差が大きく影響する。即ち、アノード側、カソード側のセパレータ１、２間にあって、固体高分子電解質膜部位を介して向かい合うガス流路溝４、１４を流れるガスの向きも逆向きにしたため、固体高分子電解質膜を介した水の濃度勾配が大きくなり、最も水の拡散し易い状態になる。そのため、カソードからアノードヘ移動した水がプロトンを再びカソードへ移動させることに使うことができる。
【００４９】
図６は本実施の形態の単位セルのＩＶ特性を示す
酸化剤極、燃料極を構成するガス拡散層は、気体透過性１１０〜３８０Ｐａ／ｍｍのカーボンペーパーを、固体高分子電解質膜は厚さ１０〜３０μｍのものを用いた。固体高分子電解質膜に厚さ１０〜３０μｍのものを用いた場合、酸化剤極のガス拡散層もしくはガス流路溝内の水が固体高分子電解質膜を介して燃料極側に拡散する水移動量αｍは、０．００２＜αｍ＜０．８（ただし、αｍ：燃料極から酸化剤極へプロトン１個が移動する際に起こる水分子の拡散数＝カソードからアノードへの水分子移動量からプロトン移動に伴い生じるアノードからカソードへの水分子移動量を減じた相対的拡散数）になり、カソード側からアノード側への水の拡散を良好に行える。したがって、隣接する流路部位およびカソード側からアノード側への水の良好な拡散によって、性能を向上でき、またアノードヘの外部からの加湿を減らすことができる。
【００５０】
図６中の比較例は、アノード側セパレータ、カソード側セパレータの一方に、図８のようにセパレータ５０の左右方向にガス流路溝５１を設けたものを用いた場合を示しており、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のガス流路溝の方向が直交するものは、性能が低下する。
【００５１】
また、それぞれセパレータ１、２の入口側集合流路５、１５、ガス流路溝４、１４（往路４ａ、１４ａ、復路４ｂ、１４ｂ）の溝深さを略同等にしたので、ガスのスムーズな流れを得ることができる。これらに段差があると、水が溜まる可能性があるが、これを防止できる。
【００５２】
また、セパレータ１、２の内面に入口側集合流路５、１５を、セパレータ１、２の内部を貫通してセパレータ１、２の背面に出口側集合流路８、１８を形成するので、セパレータ１、２を薄くできる。また、出口側集合流路８、１８は隣接するセパレータ２、１の背面部の背面側集合流路２０、１０と合流路をなすので、セパレータ１、２を一層薄くできる。
【００５３】
また、入口側集合流路５、１５の断面積をＡ、出口側集合流路８、１８の断面積（背面側集合流路２０、１０と併せたもの）をＢとした場合、それぞれ
０．５≦Ａ≦２０（ｍｍ２）、かつ３Ａ＞Ｂ＞Ａ／３
としたので、入口側集合流路５、１５から複数のガス流路溝４、１４へのガス分配性が増す。むやみに入口側集合流路５、１５の断面積を増やすことはセパレータ１、２に占める入口側集合流路５、１５の割合が増すので、最大でも２０ｍｍ２程度の断面積に止めるのが現実的であり、十分なガス分配性を保てる。また、出口側集合流路８、１８の断面積（背面側集合流路２０、１０と併せたもの）が入口側集合流路５、１５の３倍以上では、セルに占める体積が大きくなり、結果としてセパレータを大きくしなければならず、これは体積あたりの出力密度を下げる原因となり、また、１／３以下では排気や生成水等の排出を効率的に行うことができない。したがって、３Ａ＞Ｂ＞Ａ／３が好ましい。
【００５４】
図７にＡ、Ｂの比率を変えた場合の定電流（＝１Ａ／ｃｍ２）出力時の電圧の変化を見ると、Ｂ／Ａ＞３では前述したように集合流路がセルに占める体積が大きくなりすぎ、Ｂ／Ａ＜１／３付近では安定した電圧を得ることができない。
【００５５】
なお、実施の形態では、セパレータ１、２の背面に出口側集合流路８、１８を形成すると共に、隣接するセパレータ２、１の背面に出口側集合流路８、１８と合流路を形成する背面側集合流路２０、１０を形成して、所定の流路断面積を得るようにしているが、例えば出口側集合流路８、１８自体の流路断面積を大きくして、背面側集合流路２０、１０を形成せずとも良く、また背面側集合流路２０、１０自体の流路断面積を大きくして、出口側集合流路８、１８を形成せずとも良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態における燃料極側セパレータの正面図および背面図である。
【図２】実施の形態における酸化剤極側セパレータの正面図および背面図である。
【図３】固体高分子電解質膜部位を介して向かい合うセパレータのガス流路溝部分の概略的な配置構造図である。
【図４】セパレータの正面図、側面図および隣接するセパレータの側面図である。
【図５】ガス拡散層の気体透過性を変えた場合のＩＶ特性図である。
【図６】ＩＶ特性図である。
【図７】入口側集合流路、出口側集合流路の断面積の比率を変えた場合の定電流（＝１Ａ／ｃｍ２）出力時の電圧の変化を示す特性図である。
【図８】比較例のセパレータの正面図である。
【符号の説明】
１ アノード側セパレータ
２ カソード側セパレータ
３ 燃料極面部
４ ガス流路溝
４ａ 往路
４ｂ 復路
５ 入口側集合流路
６ 燃料ガス入口
８ 出口側集合流路
９ 燃料ガス出口
１０ 背面側集合流路
１３ 酸化剤極面部
１４ ガス流路溝
１４ａ 往路
１４ｂ 復路
１５ 入口側集合流路
１６ 酸化剤ガス入口
１８ 出口側集合流路
１９ 酸化剤ガス出口
２０ 背面側集合流路
２５ 固体高分子電解質膜
２６ 燃料極
２７ 酸化剤極
Claims (5)
- 固体高分子電解質膜と、固体高分子電解質膜の対向する両主面に配置される燃料極ならびに酸化剤極と、燃料極の外側に配置され燃料極に面して複数のガス流路溝を備える第１のセパレータならびに酸化剤極の外側に配置され酸化剤極に面して複数のガス流路溝を備える第２のセパレータとからなる、単位セルが複数積層されて構成される固体高分子型燃料電池において、
第１のセパレータならびに第２のセパレータにあって、隣り合うガス流路溝のガスの流れ方向が対向するようにガス流路溝を形成しており、
かつ、第１、第２のセパレータ間にあって固体高分子電解質膜部位を介して向かい合うガス流路溝を流れるガスの向きも逆向きになるように設定しており、
第１のセパレータの内面部ならびに第２のセパレータの内面部にそれぞれのガス流路溝の入口側集合流路を、外面側にそれぞれセパレータの内部を貫通してそれぞれのガス流路溝に接続する出口側集合流路を形成したことを特徴とする固体高分子型燃料電池。 - 前記固体高分子電解質膜は、酸化剤極のガス拡散層もしくはガス流路溝内の水が固体高分子電解質膜を介して燃料極側に拡散する水移動量αｍが
０．００２＜αｍ＜０．８
ただし、αｍ：燃料極から酸化剤極へプロトン１個が 移動する際に起こる水分子の拡散数
であり、
かつ、少なくとも酸化剤極は、ガス拡散層の単位面積あたり、１６．６ｃｍ3／ｓの常温空気を流した場合の差圧をガス拡散層の厚みで除したガス透過性Ｐが
Ｐ＝１１０〜３８０Ｐａ／ｍｍ
のものを用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。 - 前記入口側集合流路断面積をＡ、前記出口側集合流路断面積をＢとした場合、
それぞれ
０．５≦Ａ≦２０（ｍｍ2）、かつ３Ａ＞Ｂ＞Ａ／３
である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型燃料電池。 - 前記入口側集合流路の深さとガス流路溝の深さが同一であることを特徴とする請求項３に記載の固体高分子型燃料電池。
- 前記ガス流路溝はセパレータの内部を貫通して出口側集合流路に接続し、出口側集合流路は該セパレータの外面部に形成した出口側集合流路溝と隣接するセルのセパレータの外面部に形成した出口側集合流路溝とにより合流路を形成す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。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002041746A JP3603871B2 (ja) | 2002-02-19 | 2002-02-19 | 固体高分子型燃料電池 |
Applications Claiming Priority (1)
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