JP3900650B2 - 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、電解質膜を挟持する一対の電極に接触する燃料電池用セパレータと、燃料電池用セパレータを備える燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池の一つである固体高分子型燃料電池では、次式（１）および（２）に示すように、アノードでは水素ガスを水素イオンと電子にする反応が、カソードでは酸素ガスと水素イオンおよび電子から水を生成する反応が行なわれる。
【０００３】
アノード反応（燃料極）：Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ- …（１）
カソード反応（酸素極）：２Ｈ+＋２ｅ-＋（１／２）Ｏ2→Ｈ2Ｏ …（２）
【０００４】
アノードで発生した水素イオンは、水和状態（Ｈ+・ｘＨ2Ｏ）となって電解質膜中をカソードに移動する。このため、電解質膜のアノード側表面付近では、水が不足する状態となり、上述の反応を連続して行なうには、この不足する水を補給する必要がある。固体高分子型燃料電池に用いられる電解質膜は、湿潤状態で良好な電気伝導性を有するが、含水率が低下すると、電解質膜の電気抵抗が大きくなって電解質として十分に機能しなくなり、場合によっては、電極反応を停止させてしまう。
【０００５】
この水の補給は、燃料ガスを加湿することにより行なうのが一般的である。燃料ガスを加湿する装置としては、燃料ガスをバブリングして加湿する加湿器（バブラー）がよく知られており、この加湿器を用いて燃料ガスを加湿することにより、電解質膜を湿潤させる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記バブラーは、電気ヒータで加熱しなければならず、相当のエネルギを消費する。このため、燃料電池発電システムとして考えた場合、エネルギ効率が極めて悪いといった問題があった。
【０００７】
本発明は、こうした問題に鑑みてなされたもので、電解質膜への水の補給に必要な消費エネルギを削減することで、燃料電池発電システムのエネルギ効率を高めることを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
この発明の第１の燃料電池は、
電解質膜を一対の電極で挟持する接合体と、
該接合体に接触し、前記電極側にガス供給用のガス流路を有するセパレータと
を備える燃料電池において、
前記セパレータは、
前記電極の面に対向する流路底面と、
該流路底面から突出して、前記ガス流路を形成する複数の凸部と
を備え、
前記凸部は、
鉛直下方の方向に深さを持つ窪みを有し、該窪みにより水を保持するための水溜まり部を形成した構成であることを要旨としている。
【０００９】
上記構成の燃料電池によれば、ガス流路内の水分が水溜まり部に保持される。ガス流路内の水分としては、もともとガス流路内に含まれる水分が該当し、また、ガス流路が酸素含有ガスの流路であるときには、酸素極で生成される水が該当する。水溜まり部内には、これら水分が溜められる。水溜まり部内の水は、ガスを適度に保湿して、電極表面を介して電解質膜を湿潤する。このため、この燃料電池用セパレータを用いた燃料電池では、バブラー等の特別な加湿器を用いなくても、電解質膜を良好な湿潤状態に保つことができる。
【００１０】
したがって、この燃料電池は、加湿器を用いない分だけエネルギ効率に優れている。
【００１６】
この構成の燃料電池によれば、ガス流路内の水は凸部に形成された窪みに保持される。この保持された水は、ガスを適度に保湿して、電極表面を介して電解質膜を湿潤する。
【００１７】
上記構成の燃料電池において、前記凸部は、横長の直方体をＶ字状に折り曲げて、該折り曲げた内側を前記窪みとした構成とすることもできる。
【００１８】
この構成の燃料電池によれば、ガス流路内の水はＶ字状に折り曲げた部分の内側部分に保持される。この保持された水は、ガスを適度に保湿して、電極表面を介して電解質膜を湿潤する。
【００１９】
上記基本構成の燃料電池において、前記水溜まり部に吸水性の樹脂を設けた構成とすることも可能である。
【００２０】
この構成の燃料電池によれば、水溜まり部により多くの水を保持することが可能である。このため、電解質膜のより一層の湿潤が可能となり、燃料電池をよりエネルギ効率に優れたものとすることができる。
【００２１】
また、上記基本構成の燃料電池において、前記水溜まり部は、前記ガス流路の少なくとも一つの壁面に凹凸を設けて構成されたものとすることも可能である。
【００２２】
この構成の燃料電池によれば、凹凸を有する面にガス中の水分を保持することが可能である。この保持された水は、ガスを適度に保湿して、電極表面を介して電解質膜を湿潤する。
【００２５】
したがって、この燃料電池は、加湿器を用いない分だけエネルギ効率に優れている。
【００２６】
この発明の第２の燃料電池は、
電解質膜を一対の電極で挟持する接合体と、
該接合体に接触し、前記一方の電極側に酸素含有ガス供給用のガス流路を有するセパレータと
を備える燃料電池において、
前記セパレータは、
前記電極の面に対向する流路底面と、
該流路底面から突出して、前記電極の面に達する複数の凸部と
を備え、
前記凸部は、
前記電極の面との接触部に設けられ、前記電極の面側に開口した半球形状の窪み部
を備えることを要旨としている。
【００２７】
この構成の燃料電池によれば、酸素含有ガスが供給される電極側で生成された水が、凸部の電極の面との接触部に設けられた水溜まり部に溜められる。この水溜まり部内の水は、ガスを適度に保湿して、電極表面を介して電解質膜を湿潤する。このため、この燃料電池では、バブラー等の特別な加湿器を用いなくても、電解質膜を良好な湿潤状態に保つことができる。
【００２８】
したがって、この燃料電池は、加湿器を用いない分だけエネルギ効率に優れている。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以上説明した本発明の構成・作用を一層明らかにするために、以下本発明の実施の形態を実施例に基づき説明する。本発明の好適な第１実施例である固体高分子型燃料電池（以下、単に燃料電池と呼ぶ）１０は、接合体としての単セル２０を基本単位としており、単セル２０を積層したスタック構造を有している。図１は、この単セル２０の断面を模式的に表わす説明図である。燃料電池１０の単セル２０は、電解質膜２１と、アノード２２およびカソード２３と、セパレータ２４、２５とから構成されている。
【００３０】
アノード２２およびカソード２３は、電解質膜２１を両側から挟んでサンドイッチ構造を成すガス拡散電極である。セパレータ２４および２５は、このサンドイッチ構造をさらに両側から挟みつつ、アノード２２およびカソード２３との間に、燃料ガスおよび酸素含有ガスの流路を形成する。アノード２２とセパレータ２４との間には燃料ガス流路２４Ｐが形成されており、カソード２３とセパレータ２５との間には酸素含有ガス流路２５Ｐが形成されている。
【００３１】
セパレータ２４、２５は、図１ではそれぞれ片面にのみ流路を形成しているが、実際にはその両面に後述する凸部が形成されており、片面はアノード２２との間で燃料ガス流路２４Ｐを形成し、他面は隣接する単セルが備えるカソード２３との間で酸素含有ガス流路２５Ｐを形成する。このように、セパレータ２４、２５は、ガス拡散電極との間でガス流路を形成するとともに、隣接する単セル間で燃料ガスと酸素含有ガスの流れを分離する役割を果たしている。もとより、単セル２０を積層してスタック構造を形成する際、スタック構造の両端に位置する２枚のセパレータは、ガス拡散電極と接する片面にだけ凸部が形成されている。
【００３２】
ここで、電解質膜２１は、固体高分子材料、例えばフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。本実施例では、ナフィオン膜（デュポン社製）を使用した。電解質膜２１の表面には、触媒としての白金または白金と他の金属からなる合金が、塗布されている。触媒を塗布する方法としては、白金または白金と他の金属からなる合金を担持したカーボン粉を作製し、この触媒を担持したカーボン粉を適当な有機溶剤に分散させ、電解質溶液を適量添加してペースト化し、電解質膜２１上にスクリーン印刷するという方法をとる。
【００３３】
なお、白金と他の金属からなる合金触媒としては、第１成分である白金と、第２成分であるルテニウム、ニッケル、コバルト、インジウム、鉄、クロム、マンガン等のうちの１種類あるいは２種類以上の成分との合金からなるものがある。
【００３４】
アノード２２およびカソード２３は、共に炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスにより形成されている。なお、本実施例では、アノード２２およびカソード２３をカーボンクロスにより形成したが、炭素繊維からなるカーボンペーパまたはカーボンフエルトにより形成する構成も好適である。
【００３５】
上記電解質膜２１とアノード２２およびカソード２３とは、熱圧着により一体化される。すなわち、白金などの触媒を塗布した電解質膜２１をアノード２２およびカソード２３で挟持し、１２０〜１３０℃に加熱しながらこれらを圧着する。電解質膜２１とアノード２２およびカソード２３とを一体化する方法としては、熱圧着による他に、接着による方法を用いてもよい。アノード２２およびカソード２３で電解質膜２１を挟持する際、各電極と電解質膜２１との間をプロトン導電性固体高分子溶液（例えば、Ａｌｄｒｉｃｈ Ｃｈｅｍｉｃａｌ社、Ｎａｆｉｏｎ Ｓｏｌｕｔｉｏｎ）を用いて接合すれば、プロトン導電性固体高分子溶液が固化する過程で接着剤として働き、各電極と電解質膜２１とが固着される。
【００３６】
セパレータ２４、２５は、ガス不透過の導電性部材、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンにより形成されている。セパレータ２４、２５はその両面に、既述したように、アノード２２の表面とで燃料ガス流路２４Ｐを形成し、隣接する単セルのカソード２３の表面とで酸素含有ガス流路２５Ｐを形成する。
【００３７】
こうしたセパレータ２４，２５の形状は次のようなものである。セパレータ２４，２５は同一の形状であることから、ここでは、酸素含有ガス流路２５Ｐを形成するセパレータ２５を例にあげて説明する。図２は、セパレータ２５の平面図である。図示するように、セパレータ２５は、４角形の板状部材として形成されており、対向する２つの辺の縁付近には、長孔３１，３３がそれぞれ設けられ、他の２つの辺の縁付近には、長孔３５，３７がそれぞれ設けられている。
【００３８】
対角線に対向する長孔３１，３３は、積層した際、燃料電池１０を積層方向に貫通する２つの酸素含有ガス給排流路を形成し、他の長孔３５，３７は、同じく積層方向に貫通する２つの燃料ガス給排流路を形成する。
【００３９】
セパレータ２５のこれら長孔３１，３３，３５，３７が設けられた外縁の平面部より内側には、該平面部より一段下がった段差面４１が形成されており、この段差面４１には、規則正しく格子状に配列された幅２［ｍｍ］、長さ２［ｍｍ］、高さ１［ｍｍ］の直方体の凸部４３が複数等ピッチに形成されている。各凸部４３は、長孔３１から長孔３３に至る方向Ｘに対してその凸部４３の上向きの側面４３ａが垂直となるように向きが定められている。この凸部４３と段差面４１およびカソード２３の表面とで、複数方向に分散するガスの流路を形成する。長孔３１，３３は、段差面４１と同じ高さの面上にあり、上記ガスの流路に長孔３１，３３から酸素含有ガスを送っている。これら酸素含有ガスの流路が、図１で示した酸素含有ガス流路２５Ｐに相当することになる。
【００４０】
また、セパレータ２５の積層面の他方（図２の裏面）にも、上記段差面４１および凸部４３と同一形状の段差面および凸部（図示せず）が形成されている。この段差面および凸部とアノード２２の表面とで燃料ガスの流路を形成する。この燃料ガスの流路には、上記長孔３５，３７により形成される燃料ガス給排流路からの燃料ガスが供給または排出される。なお、こうした燃料ガスの流路が図１で示した燃料ガス流路２４Ｐに相当することになる。
【００４１】
上記構成のセパレータ２５は、燃料電池への組付け時には、段差面４１が縦方向となるように配置されるが、その向きは、長孔３１が上側に長孔３３が下側に位置するように定める。従って、セパレータ２５が組付けられた燃料電池１０においては、上側から下側、すなわち鉛直下方に向けて酸素含有ガスが送られ、一方、燃料ガスは、水平方向に向けて燃料ガスが送られる。
【００４２】
以上、燃料電池１０の基本構造である単セル２０の構成について説明した。実際に燃料電池１０として組み立てるときには、セパレータ２４、アノード２２、電解質膜２１、カソード２３、セパレータ２５をこの順序で複数組積層し（本実施例では１００組）、その両端に緻密質カーボンや銅板などにより形成される集電板（図示せず）を配置することによって、スタック構造を構成する。
【００４３】
こうした構成の燃料電池１０は、前述したようにして、水素を含む燃料ガスを燃料ガス流路２４Ｐに、酸素を含む酸素含有ガスを酸素含有ガス流路２５Ｐにそれぞれ流すことにより、アノード２２とカソード２３とで、前述した式（１）および（２）に示した電気化学反応を行ない、化学エネルギを直接電気エネルギに変換する。
【００４４】
図３は、燃料電池１０のセパレータ２５における酸素含有ガスの流れの方向と生成水の状態を模式的に示す説明図である。この実施例の燃料電池１０では、図示するように、セパレータ２５によって鉛直下方（図中、上から下）に酸素含有ガスが流されるが、その酸素含有ガスの流れの方向に対して、セパレータ２５に形成される凸部４３の任意の一側面４３ａが垂直な向きとなっている。すなわち、凸部４３の一側面４３ａは、水平方向となっている。酸素含有ガスが流されると、カソード２３では前述した式（２）に従うカソード反応により水が生成されるが、この実施例の燃料電池１０では、その凸部４３の水平な面に、生成水Ｗが適度に溜まる。
【００４５】
図４は、酸素含有ガス流路２５Ｐ付近の断面を模式的に表わす説明図である。この図４からもわかるように、酸素含有ガス流路２５Ｐを形成する凸部４３の一側面４３ａ上、即ち、酸素含有ガス流路２５Ｐの凹部内に、生成水Ｗが適度に溜まる。このカソード２３の表面付近に溜まった生成水Ｗは、酸素含有ガスを適度に保湿して、カソード２３から電解質膜２１に移り、電解質膜２１を良好な湿潤状態に保つように働く。
【００４６】
したがって、この実施例の燃料電池１０では、バブラー等の特別な加湿器を用いなくても、電解質膜２１を充分に湿潤状態に保つことができる。このため、燃料電池１０は、加湿器を用いない分だけ消費エネルギが少なくてすみ、また、スペースの容積も少なくてすむ。すなわち、燃料電池１０は、消費エネルギおよびスペース容積の点で効率がよいといった効果を奏する。
【００４７】
特に、この実施例では、セパレータ２５において生成水Ｗを保持する部分、すなわち、凸部４３の側面４３ａが、カソード２３に接した状態にあることから、カソード２３で生成される水を溜めやすいといった効果も奏する。
【００４８】
第１実施例の燃料電池１０と従来の燃料電池との電池性能を比較したので、次に説明する。ここでは、従来の燃料電池として、次のような構成のセパレータを備えたものとした。
【００４９】
図５は、従来の分割リブ型のセパレータの平面を模式的に表わす説明図である。図示するように、この従来のセパレータは、酸素含有ガス流路を形成する複数の直方体形状の凸部Ａ１を鉛直下方に対して４５度だけ傾けて配列した構成であり、酸素含有ガスの流れ方向は、鉛直下方に対して４５度だけ傾斜した方向となっている。
【００５０】
図６は、第１実施例の燃料電池１０と上記従来の燃料電池についての電圧と電流密度との関係を示すグラフである。図６中、曲線Ａは燃料電池１０について電圧と電流密度との関係を示し、曲線Ｂは分割リブ型のセパレータを備えた上記従来の燃料電池についての電圧と電流密度との関係を示したものである。曲線Ｃは後述する第２実施例の燃料電池についての電圧と電流密度との関係を示すものであり、これについては後述する。なお、この電圧−電流密度特性は、燃料電池に対して酸素含有ガスとして乾燥した空気（湿度４０〜５０［％］）を供給したときのものである。
【００５１】
図６に示すように、第１実施例の燃料電池１０は、分割リブ型のセパレータを用いた上記従来の燃料電池に比較して、測定範囲の総ての電流密度に亘ってその特性が優れていた。特に、高電流密度領域（０．５［Ａ／ｃｍ2 ］以上）での電圧低下が小さく、ガス拡散性の向上が認められた。
【００５２】
第２実施例について次に説明する。この第２実施例は、第１実施例の燃料電池１０と比較してほぼ同じ構成の固体高分子型燃料電池に関するもので、酸素含有ガス側のセパレータに設けられる凸部の形状とその配列だけが第１実施例と比べて相違する。
【００５３】
図７は、この第２実施例で用いられるセパレータの平面を模式的に表わす説明図である。第１実施例のセパレータ２５に設けられた凸部４３は、平面正方形の柱体であるのに対して、この第２実施例で用いられるセパレータは、平面Ｖ字状の柱体である。セパレータには、こうした形状の凸部５０が複数規則正しく配列されている。各凸部５０は、詳しくは次のようなものである。凸部５０は、幅２［ｍｍ］、長さ７［ｍｍ］、高さ１［ｍｍ］の第１の直方体と幅２［ｍｍ］、長さ５［ｍｍ］、高さ１［ｍｍ］の第２の直方体とを鍵状に組み合わせたもので、水平方向に対する仰角θを４５度とすることによりＶ字の形状となっている。また、複数の凸部５０の配列は、奇数行における凸部５０と偶数行における凸部５０とが同じ列上に並ぶのではなく、奇数行における隣接する凸部５０の列の間に偶数行の凸部の列が位置するものとなっている。なお、このセパレータは、第１実施例と同様に、図中、上方向および下方向に酸素含有ガスの供給口および排出口（図示せず）が設けられており、燃料電池への組付け時には、酸素含有ガスが鉛直下方に向けて流れる構成となっている。
【００５４】
すなわち、この第２実施例のセパレータによれば、酸素含有ガスが鉛直下方に向けて流れるように構成され、その上で、水平方向に対して４５度の仰角を持つＶ字状の凸部５０を備える構成となっている。
【００５５】
こうした構成のセパレータによれば、燃料電池が運転されると、カソード２３側で生じた生成水は、凸部５０のＶ字状に折れ曲がった部分に適度に溜まる。この生成水は、酸素含有ガスを適度に保湿して、カソード２３から電解質膜２１に移り、電解質膜２１を良好な湿潤状態に保つように働く。
【００５６】
したがって、この第２実施例の燃料電池は、第１実施例と同様に、加湿器を用いることなしに電解質膜の加湿を行なうことができ、消費エネルギおよびスペース容積の点で効率がよいといった効果を奏する。
【００５７】
また、この実施例では、セパレータにおいて生成水Ｗを溜めるＶ字形状の凸部５０が、カソードに接した状態にあることから、カソードで生成される水を溜めやすいといった効果も奏する。
【００５８】
なお、この第２実施例の燃料電池の電池性能は、図６中の曲線Ｃに示した。図示するように、この第２実施例の燃料電池は、前述した従来の燃料電池（曲線Ａ）はもとより、第１実施例の燃料電池（曲線Ｂ）と比較しても、測定範囲の総ての電流密度に亘ってその特性が優れていた。特に、高電流密度領域（０．５［Ａ／ｃｍ2 ］以上）での電圧低下が小さく、ガス拡散性の向上が認められた。
【００５９】
なお、この第２実施例では、Ｖ字形の凸部を備えるのは酸素極（カソード）側のセパレータに限るものとしていたが、これに替えて、カソード側のセパレータに加えて、燃料極（アノード）側のセパレータについても、カソード側のセパレータと同じＶ字型の凸部を備える構成としてもよい。
【００６０】
この構成によれば、燃料ガスにもともと含まれる水分を凸部のＶ字形の部分で溜めることができる。このため、燃料ガスを加湿器を用いて加湿することを不要とし、あるいは加湿器の能力を低減することを可能とする。したがって、こうした燃料電池によれば、消費エネルギおよびスペース容積をより一層低減することができるといった効果を奏する。
【００６１】
第３実施例について次に説明する。この第３実施例は、第１実施例の燃料電池１０と比較してセパレータの形状が相違し、その他の構成は同一のものである。
【００６２】
図８は、この第３実施例で用いられるセパレータ６０の平面図である。図示するように、セパレータ６０は、４角形の板状部材として形成されており、中央付近には２つの丸孔６１，６３がそれぞれ設けられ、４隅の角付近には、丸孔６５，６６，６７，６８がそれぞれ設けられている。
【００６３】
中央付近にある一方の丸孔６１は、積層した際、燃料電池を積層方向に貫通する酸素含有ガスの供給流路を形成し、他方の丸孔６３は、同じく積層方向に貫通する燃料ガスの供給流路を形成する。また、４隅の角にある丸孔のうちの対向する丸孔６５，６７は、積層した際、燃料電池を積層方向に貫通する酸素含有ガスの排出流路を形成し、他方の丸孔６６，６８は、同じく積層方向に貫通する燃料ガスの排出流路を形成する。
【００６４】
セパレータ６０の丸孔６５，６６，６７，６８が設けられた外縁の内側の表面６０ａには、径の異なる複数の円環状のリブ７１，７２，７３，７４，７５，７６（特許請求の範囲の凸部に対応）が同心円状に形成されている。各リブ７１〜７６には、同心円の中心に対して１８０度の位置にある２箇所のスリット７１ｓ（７２ｓ，７３ｓ，７４ｓ，７５ｓ，７６ｓ）がそれぞれ設けられており、スリット７１ｓ〜７６ｓの位置は、中央から外側のリブに移行するにつれて交互に入れ替わる位置となっている。このスリット７１ｓ〜７６ｓとセパレータ６０の表面およびカソードの表面とで、酸素含有ガスの供給通路を形成する。この酸素含有ガスの供給通路には、上記丸孔６１から酸素含有ガスが供給され、丸孔６５，６７から酸素含有ガスが排出される。
【００６５】
なお、セパレータ６０の積層面の他方（図２の裏面）にも、上記リブ７１〜７６と同一形状のリブ（図示せず）が形成されている。このリブとセパレータ６０の裏面とアノード２２の表面とで燃料ガスの流路を形成する。この燃料ガスの流路には、上記丸孔６３により形成される燃料ガス給排流路からの燃料ガスが供給され、また、上記丸孔６６，６８により形成される燃料ガス排出流路に燃料ガスが排出される。
【００６６】
上記構成のセパレータ６０は、燃料電池への組付け時には、セパレータ６０の表面６０ａが縦方向となるように配置される。したがって、このセパレータ６０が組付けられた燃料電池においては、酸素含有ガスが、全体としては図中矢印に示すように、斜め右下と斜め左上とに向けて送られる。
【００６７】
こうした構成のセパレータ６０を持つ燃料電池では、カソード側で生成された水が、環状のリブ７１〜７６の最下点の内側付近に、適度に溜まる。この溜まった生成水Ｗは、酸素含有ガスを適度に保湿して、カソードから電解質膜に移り、電解質膜を良好な湿潤状態に保つように働く。
【００６８】
したがって、この第３実施例の燃料電池は、第１および第２実施例と同様に、加湿器を用いることなしに電解質膜の加湿を行なうことができ、消費エネルギおよびスペース容積の点で効率よく電解質膜の加湿を行なうことができるといった効果を奏する。また、この実施例では、生成水Ｗを貯えるリブ７１〜７６が円環状となっていることから、燃料電池が回転されたときにも、リブ７１〜７６の内側のいずれかの部分で生成水Ｗを貯えることができる。このため、可動性に優れているといった副次的な効果も奏する。
【００６９】
また、この第３実施例でも、セパレータ２５において生成水Ｗを溜める部分、すなわち、リブ７１〜７６が、カソードに接した状態にあることから、カソードで生成される水を溜めやすいといった効果も奏する。
【００７０】
次に、上記第１ないし第３実施例の変形例について次に説明する。図９は、第１実施例の変形例である燃料電池の単セルの断面を模式的に表わす説明図である。図示するように、この変形例の燃料電池の単セル１２０は、第１実施例と同一の単セルの構成を備え、その上で、カソード２３側のセパレータ２５において凸部４３により形成される酸素含有ガス流路２５Ｐの内壁全体に、吸水性樹脂ＲＥを塗布した構成である。
【００７１】
ここで、吸水性樹脂は、架橋ポリアクリル酸塩、ポリアクリロニトリル系、カルボキシメチルセルロース系の樹脂により形成されており、厚さ０．１［ｍｍ］となっている。
【００７２】
こうした構成の変形例によれば、第１実施例と同じ作用によって、凸部４３の上方の側面４３ａ上に、カソード２３により発生した生成水Ｗを溜めることができるが、さらに、吸水性樹脂ＲＥによって、その生成水Ｗの凸部４３の側面４３ａへの吸着性を高めている。さらにこの変形例においては、第１実施例において生成水が溜まる部分である凸部４３の上方の側面４３ａだけに限らず、流路の内壁全体に吸水性樹脂ＲＥが塗布されていることから、生成水Ｗを流路内でより高い能力でもって保持することができる。したがって、電解質膜２１の加湿能力を一層向上することができる。
【００７３】
なお、この変形例では、流路の内壁全体に吸水性樹脂ＲＥを塗布する構成としたが、これに替えて、第１実施例において生成水が溜まる部分である凸部４３の上方の側面４３ａだけに吸水性樹脂ＲＥを塗布する構成としてもよい。
【００７４】
また、上記のような吸水性樹脂ＲＥを塗布する構成を第２実施例または第３実施例に適用する構成としてもよい。すなわち、Ｖ字形状の凸部のそのＶ字の内側に吸水性樹脂を塗布したり、あるいは、円環状のリブの内側に吸水性樹脂を塗布する構成としてもよい。
【００７５】
第４実施例について次に説明する。この第４実施例は、第１実施例の燃料電池１０と比較してほぼ同じ構成の固体高分子型燃料電池に関するもので、セパレータの構成だけが相違する。
【００７６】
図１０は、この第４実施例としての燃料電池の単セル１２０の断面を模式的に表わす説明図である。図示するように、この単セル１２０は、第１実施例と同様に、電解質膜２１をアノード２２およびカソード２３で挟持したサンドイッチ構造を備え、その外側に、燃料ガスおよび酸素含有ガスの流路を形成する、第１実施例とは相違するセパレータ１２４，１２５を備える。
【００７７】
燃料極（アノード）側のセパレータ１２４は、先に図５を用いて説明した従来の分割リブ型のセパレータと同じ構成のものである。一方、酸素極（カソード）側のセパレータ１２５は、上記従来の分割リブ型のセパレータと同一の構成を備え、その上で、アノード２２もしくはカソード２３と接触する凸部１４３の上面部分１４３ａに窪み部１５０を備えたものである。凸部１４３は、幅２［ｍｍ］、長さ２［ｍｍ］、高さ１［ｍｍ］の直方体形状をしており、窪み部１５０は、半径０．４［ｍｍ］の半球形状をしている。
【００７８】
こうした構成の燃料電池によれば、カソード２３側で生じた生成水は、窪み部１５０内に溜まる。この生成水は、酸素含有ガスを適度に保湿して、カソード２３から電解質膜２１に移り、電解質膜２１を良好な湿潤状態に保つ。
【００７９】
したがって、この第４実施例の燃料電池は、第１実施例と同様に、加湿器を用いることなしに電解質膜の加湿を行なうことができ、消費エネルギおよびスペース容積の点で効率よく電解質膜の加湿を行なうことができるといった効果を奏する。
【００８０】
図１１は、この第４実施例の燃料電池と従来の燃料電池についての電圧と電流密度との関係を示すグラフである。図中、曲線Ａは第４実施例の燃料電池について電圧と電流密度との関係を示し、曲線Ｂは分割リブ型のセパレータを備えた従来の燃料電池についての電圧と電流密度との関係を示したものである。図示するように、この第４実施例の燃料電池は、従来の燃料電池に比較して、測定範囲の総ての電流密度に亘ってその特性が優れていた。
【００８１】
第５実施例について次に説明する。この第５実施例は、第１実施例の燃料電池１０と比較してほぼ同じ構成の固体高分子型燃料電池に関するもので、セパレータの構成だけが相違する。
【００８２】
図１２は、この第５実施例としての燃料電池の単セル２２０の断面を模式的に表わす説明図である。図示するように、この単セル２２０は、第１実施例と同様に、電解質膜２１をアノード２２およびカソード２３で挟持したサンドイッチ構造を備え、その外側に第１実施例とは形状の相違するセパレータ２２４，２２５を備える。
【００８３】
燃料極（アノード）側のセパレータ２２４は、直線状の複数の流路溝を備えた、従来から知られている、いわゆるストレートタイプのもので、図１２において図面の表側から裏側へ延びる燃料ガス流路２２４Ｐが形成されている。酸素極（カソード）側のセパレータ２２５は、セパレータ２２４と同じストレートタイプのもので、図１２において上から下へ延びる酸素含有ガス流路２２５Ｐが形成されている。
【００８４】
図１３は、セパレータ２２５の一部を破断した斜視図である。図１３からもわかるように、このセパレータ２２５は、直線上の流路溝から形成される酸素含有ガス流路２２５Ｐを複数本備えており、各酸素含有ガス流路２２５Ｐの流路底面２２５Ｐａには、複数の凹部２２７が流路方向に等間隔に設けられている。この構成により、流路底面２２５Ｐａは、凹凸を有する面となっている。
【００８５】
なお、図１３においては、セパレータ２２５の裏面にセパレータ２２４が固着された構成となっており、この固着された部品は、隣接するサンドイッチ構造（電解質膜２１，アノードおよびカソード２３）間に組付けられる。
【００８６】
こうした構成の燃料電池によれば、カソード２３側で生じた生成水Ｗ（図１２）は、酸素含有ガス流路２２５Ｐの流路底面２２５Ｐａに形成された凹部２２７内に溜まる。この生成水Ｗは、酸素含有ガスを適度に保湿して、カソード２３から電解質膜２１に移り、電解質膜２１を良好な湿潤状態に保つ。
【００８７】
したがって、この第５実施例の燃料電池は、第１実施例と同様に、加湿器を用いることなしに電解質膜の加湿を行なうことができ、消費エネルギおよびスペース容積の点で効率よく電解質膜の加湿を行なうことができるといった効果を奏する。
【００８８】
なお、この第５実施例を用いて説明した流路底面に凹凸を設けた構成は、上記ストレートタイプの流路溝に限るものではなく、他の形状の流路に適用する構成としてもよい。例えば、分割リブ型のタイプの流路の底面に凹凸を設ける構成としてもよく、また、流路を蛇行状に形成した、いわゆるサーペンタインタイプの流路の底面に凹凸を設けた構成としてもよい。
【００８９】
さらには、上記流路底面に凹凸を設けた構成を第１ないし第３実施例に適用する構成としてもよい。すなわち、水平な面を備える複数の凸部により形成される流路の底面に凹凸を設けた構成としてもよく、Ｖ字形状の凸部により形成される流路の底面に凹凸を設けた構成としてもよく、また、円環状のリブにより形成される流路の底面に凹凸を設けた構成としてもよい。
【００９０】
なお、こうした凹凸は、第５実施例のように必ずしも規則正しい大きさや配列である必要はなく、不規則な大きさや不規則な配列であってもよい。また、こうした凹凸面に吸水性樹脂を塗布する構成としてもよい。なお、吸水性樹脂は、図９を用いて先に説明した例と同一のものとする。
【００９１】
以上本発明の実施例について説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる態様で実施し得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例である燃料電池１０を構成する単セル２０の構造を模式的に表わす断面図である。
【図２】セパレータ２５の平面図である。
【図３】セパレータ２５における酸素含有ガスの流れの方向と生成水Ｗの状態を模式的に示す説明図である。
【図４】酸素含有ガス流路２５Ｐ付近の断面を模式的に表わす説明図である。
【図５】従来の分割リブ型のセパレータの平面を模式的に表わす説明図である。
【図６】第１実施例の燃料電池１０と従来の燃料電池についての電圧と電流密度との関係を示すグラフである。
【図７】第２実施例で用いられるセパレータの平面を模式的に表わす説明図である。
【図８】第３実施例で用いられるセパレータ６０の平面図である。
【図９】第１実施例の変形例である燃料電池の単セルの断面を模式的に表わす説明図である。
【図１０】第４実施例としての燃料電池の単セル１２０の断面を模式的に表わす説明図である。
【図１１】第４実施例の燃料電池と従来の燃料電池についての電圧と電流密度との関係を示すグラフである。
【図１２】第５実施例としての燃料電池の単セル２２０の断面を模式的に表わす説明図である。
【図１３】セパレータ２２５の一部を破断した斜視図である。
【符号の説明】
１０…固体高分子型燃料電池
２０…単セル
２１…電解質膜
２２…アノード
２３…カソード
２４，２５…セパレータ
２４Ｐ…燃料ガス流路
２５…カソード
２５Ｐ…酸素含有ガス流路
３１，３３，３５，３７…長孔
４１…段差面
４３…凸部
４３ａ…側面
５０…凸部
６０…セパレータ
６０ａ…表面
６１，６３…丸孔
６１，６３，６５，６６，６７，６８…丸孔
７１，７２，７３，７４，７５，７６…リブ
７１ｓ〜７６ｓ…スリット
１２０…単セル
１２４，１２５…セパレータ
１４３…凸部
１５０…窪み部
２２０…単セル
２２４，２２５…セパレータ
２２４Ｐ…燃料ガス流路
２２５Ｐ…酸素含有ガス流路
２２５Ｐａ…流路底面
２２７…凹部
ＲＥ…吸水性樹脂
Ｗ…生成水
【発明の属する技術分野】
この発明は、電解質膜を挟持する一対の電極に接触する燃料電池用セパレータと、燃料電池用セパレータを備える燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池の一つである固体高分子型燃料電池では、次式（１）および（２）に示すように、アノードでは水素ガスを水素イオンと電子にする反応が、カソードでは酸素ガスと水素イオンおよび電子から水を生成する反応が行なわれる。
【０００３】
アノード反応（燃料極）：Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ- …（１）
カソード反応（酸素極）：２Ｈ+＋２ｅ-＋（１／２）Ｏ2→Ｈ2Ｏ …（２）
【０００４】
アノードで発生した水素イオンは、水和状態（Ｈ+・ｘＨ2Ｏ）となって電解質膜中をカソードに移動する。このため、電解質膜のアノード側表面付近では、水が不足する状態となり、上述の反応を連続して行なうには、この不足する水を補給する必要がある。固体高分子型燃料電池に用いられる電解質膜は、湿潤状態で良好な電気伝導性を有するが、含水率が低下すると、電解質膜の電気抵抗が大きくなって電解質として十分に機能しなくなり、場合によっては、電極反応を停止させてしまう。
【０００５】
この水の補給は、燃料ガスを加湿することにより行なうのが一般的である。燃料ガスを加湿する装置としては、燃料ガスをバブリングして加湿する加湿器（バブラー）がよく知られており、この加湿器を用いて燃料ガスを加湿することにより、電解質膜を湿潤させる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記バブラーは、電気ヒータで加熱しなければならず、相当のエネルギを消費する。このため、燃料電池発電システムとして考えた場合、エネルギ効率が極めて悪いといった問題があった。
【０００７】
本発明は、こうした問題に鑑みてなされたもので、電解質膜への水の補給に必要な消費エネルギを削減することで、燃料電池発電システムのエネルギ効率を高めることを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
この発明の第１の燃料電池は、
電解質膜を一対の電極で挟持する接合体と、
該接合体に接触し、前記電極側にガス供給用のガス流路を有するセパレータと
を備える燃料電池において、
前記セパレータは、
前記電極の面に対向する流路底面と、
該流路底面から突出して、前記ガス流路を形成する複数の凸部と
を備え、
前記凸部は、
鉛直下方の方向に深さを持つ窪みを有し、該窪みにより水を保持するための水溜まり部を形成した構成であることを要旨としている。
【０００９】
上記構成の燃料電池によれば、ガス流路内の水分が水溜まり部に保持される。ガス流路内の水分としては、もともとガス流路内に含まれる水分が該当し、また、ガス流路が酸素含有ガスの流路であるときには、酸素極で生成される水が該当する。水溜まり部内には、これら水分が溜められる。水溜まり部内の水は、ガスを適度に保湿して、電極表面を介して電解質膜を湿潤する。このため、この燃料電池用セパレータを用いた燃料電池では、バブラー等の特別な加湿器を用いなくても、電解質膜を良好な湿潤状態に保つことができる。
【００１０】
したがって、この燃料電池は、加湿器を用いない分だけエネルギ効率に優れている。
【００１６】
この構成の燃料電池によれば、ガス流路内の水は凸部に形成された窪みに保持される。この保持された水は、ガスを適度に保湿して、電極表面を介して電解質膜を湿潤する。
【００１７】
上記構成の燃料電池において、前記凸部は、横長の直方体をＶ字状に折り曲げて、該折り曲げた内側を前記窪みとした構成とすることもできる。
【００１８】
この構成の燃料電池によれば、ガス流路内の水はＶ字状に折り曲げた部分の内側部分に保持される。この保持された水は、ガスを適度に保湿して、電極表面を介して電解質膜を湿潤する。
【００１９】
上記基本構成の燃料電池において、前記水溜まり部に吸水性の樹脂を設けた構成とすることも可能である。
【００２０】
この構成の燃料電池によれば、水溜まり部により多くの水を保持することが可能である。このため、電解質膜のより一層の湿潤が可能となり、燃料電池をよりエネルギ効率に優れたものとすることができる。
【００２１】
また、上記基本構成の燃料電池において、前記水溜まり部は、前記ガス流路の少なくとも一つの壁面に凹凸を設けて構成されたものとすることも可能である。
【００２２】
この構成の燃料電池によれば、凹凸を有する面にガス中の水分を保持することが可能である。この保持された水は、ガスを適度に保湿して、電極表面を介して電解質膜を湿潤する。
【００２５】
したがって、この燃料電池は、加湿器を用いない分だけエネルギ効率に優れている。
【００２６】
この発明の第２の燃料電池は、
電解質膜を一対の電極で挟持する接合体と、
該接合体に接触し、前記一方の電極側に酸素含有ガス供給用のガス流路を有するセパレータと
を備える燃料電池において、
前記セパレータは、
前記電極の面に対向する流路底面と、
該流路底面から突出して、前記電極の面に達する複数の凸部と
を備え、
前記凸部は、
前記電極の面との接触部に設けられ、前記電極の面側に開口した半球形状の窪み部
を備えることを要旨としている。
【００２７】
この構成の燃料電池によれば、酸素含有ガスが供給される電極側で生成された水が、凸部の電極の面との接触部に設けられた水溜まり部に溜められる。この水溜まり部内の水は、ガスを適度に保湿して、電極表面を介して電解質膜を湿潤する。このため、この燃料電池では、バブラー等の特別な加湿器を用いなくても、電解質膜を良好な湿潤状態に保つことができる。
【００２８】
したがって、この燃料電池は、加湿器を用いない分だけエネルギ効率に優れている。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以上説明した本発明の構成・作用を一層明らかにするために、以下本発明の実施の形態を実施例に基づき説明する。本発明の好適な第１実施例である固体高分子型燃料電池（以下、単に燃料電池と呼ぶ）１０は、接合体としての単セル２０を基本単位としており、単セル２０を積層したスタック構造を有している。図１は、この単セル２０の断面を模式的に表わす説明図である。燃料電池１０の単セル２０は、電解質膜２１と、アノード２２およびカソード２３と、セパレータ２４、２５とから構成されている。
【００３０】
アノード２２およびカソード２３は、電解質膜２１を両側から挟んでサンドイッチ構造を成すガス拡散電極である。セパレータ２４および２５は、このサンドイッチ構造をさらに両側から挟みつつ、アノード２２およびカソード２３との間に、燃料ガスおよび酸素含有ガスの流路を形成する。アノード２２とセパレータ２４との間には燃料ガス流路２４Ｐが形成されており、カソード２３とセパレータ２５との間には酸素含有ガス流路２５Ｐが形成されている。
【００３１】
セパレータ２４、２５は、図１ではそれぞれ片面にのみ流路を形成しているが、実際にはその両面に後述する凸部が形成されており、片面はアノード２２との間で燃料ガス流路２４Ｐを形成し、他面は隣接する単セルが備えるカソード２３との間で酸素含有ガス流路２５Ｐを形成する。このように、セパレータ２４、２５は、ガス拡散電極との間でガス流路を形成するとともに、隣接する単セル間で燃料ガスと酸素含有ガスの流れを分離する役割を果たしている。もとより、単セル２０を積層してスタック構造を形成する際、スタック構造の両端に位置する２枚のセパレータは、ガス拡散電極と接する片面にだけ凸部が形成されている。
【００３２】
ここで、電解質膜２１は、固体高分子材料、例えばフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。本実施例では、ナフィオン膜（デュポン社製）を使用した。電解質膜２１の表面には、触媒としての白金または白金と他の金属からなる合金が、塗布されている。触媒を塗布する方法としては、白金または白金と他の金属からなる合金を担持したカーボン粉を作製し、この触媒を担持したカーボン粉を適当な有機溶剤に分散させ、電解質溶液を適量添加してペースト化し、電解質膜２１上にスクリーン印刷するという方法をとる。
【００３３】
なお、白金と他の金属からなる合金触媒としては、第１成分である白金と、第２成分であるルテニウム、ニッケル、コバルト、インジウム、鉄、クロム、マンガン等のうちの１種類あるいは２種類以上の成分との合金からなるものがある。
【００３４】
アノード２２およびカソード２３は、共に炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスにより形成されている。なお、本実施例では、アノード２２およびカソード２３をカーボンクロスにより形成したが、炭素繊維からなるカーボンペーパまたはカーボンフエルトにより形成する構成も好適である。
【００３５】
上記電解質膜２１とアノード２２およびカソード２３とは、熱圧着により一体化される。すなわち、白金などの触媒を塗布した電解質膜２１をアノード２２およびカソード２３で挟持し、１２０〜１３０℃に加熱しながらこれらを圧着する。電解質膜２１とアノード２２およびカソード２３とを一体化する方法としては、熱圧着による他に、接着による方法を用いてもよい。アノード２２およびカソード２３で電解質膜２１を挟持する際、各電極と電解質膜２１との間をプロトン導電性固体高分子溶液（例えば、Ａｌｄｒｉｃｈ Ｃｈｅｍｉｃａｌ社、Ｎａｆｉｏｎ Ｓｏｌｕｔｉｏｎ）を用いて接合すれば、プロトン導電性固体高分子溶液が固化する過程で接着剤として働き、各電極と電解質膜２１とが固着される。
【００３６】
セパレータ２４、２５は、ガス不透過の導電性部材、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンにより形成されている。セパレータ２４、２５はその両面に、既述したように、アノード２２の表面とで燃料ガス流路２４Ｐを形成し、隣接する単セルのカソード２３の表面とで酸素含有ガス流路２５Ｐを形成する。
【００３７】
こうしたセパレータ２４，２５の形状は次のようなものである。セパレータ２４，２５は同一の形状であることから、ここでは、酸素含有ガス流路２５Ｐを形成するセパレータ２５を例にあげて説明する。図２は、セパレータ２５の平面図である。図示するように、セパレータ２５は、４角形の板状部材として形成されており、対向する２つの辺の縁付近には、長孔３１，３３がそれぞれ設けられ、他の２つの辺の縁付近には、長孔３５，３７がそれぞれ設けられている。
【００３８】
対角線に対向する長孔３１，３３は、積層した際、燃料電池１０を積層方向に貫通する２つの酸素含有ガス給排流路を形成し、他の長孔３５，３７は、同じく積層方向に貫通する２つの燃料ガス給排流路を形成する。
【００３９】
セパレータ２５のこれら長孔３１，３３，３５，３７が設けられた外縁の平面部より内側には、該平面部より一段下がった段差面４１が形成されており、この段差面４１には、規則正しく格子状に配列された幅２［ｍｍ］、長さ２［ｍｍ］、高さ１［ｍｍ］の直方体の凸部４３が複数等ピッチに形成されている。各凸部４３は、長孔３１から長孔３３に至る方向Ｘに対してその凸部４３の上向きの側面４３ａが垂直となるように向きが定められている。この凸部４３と段差面４１およびカソード２３の表面とで、複数方向に分散するガスの流路を形成する。長孔３１，３３は、段差面４１と同じ高さの面上にあり、上記ガスの流路に長孔３１，３３から酸素含有ガスを送っている。これら酸素含有ガスの流路が、図１で示した酸素含有ガス流路２５Ｐに相当することになる。
【００４０】
また、セパレータ２５の積層面の他方（図２の裏面）にも、上記段差面４１および凸部４３と同一形状の段差面および凸部（図示せず）が形成されている。この段差面および凸部とアノード２２の表面とで燃料ガスの流路を形成する。この燃料ガスの流路には、上記長孔３５，３７により形成される燃料ガス給排流路からの燃料ガスが供給または排出される。なお、こうした燃料ガスの流路が図１で示した燃料ガス流路２４Ｐに相当することになる。
【００４１】
上記構成のセパレータ２５は、燃料電池への組付け時には、段差面４１が縦方向となるように配置されるが、その向きは、長孔３１が上側に長孔３３が下側に位置するように定める。従って、セパレータ２５が組付けられた燃料電池１０においては、上側から下側、すなわち鉛直下方に向けて酸素含有ガスが送られ、一方、燃料ガスは、水平方向に向けて燃料ガスが送られる。
【００４２】
以上、燃料電池１０の基本構造である単セル２０の構成について説明した。実際に燃料電池１０として組み立てるときには、セパレータ２４、アノード２２、電解質膜２１、カソード２３、セパレータ２５をこの順序で複数組積層し（本実施例では１００組）、その両端に緻密質カーボンや銅板などにより形成される集電板（図示せず）を配置することによって、スタック構造を構成する。
【００４３】
こうした構成の燃料電池１０は、前述したようにして、水素を含む燃料ガスを燃料ガス流路２４Ｐに、酸素を含む酸素含有ガスを酸素含有ガス流路２５Ｐにそれぞれ流すことにより、アノード２２とカソード２３とで、前述した式（１）および（２）に示した電気化学反応を行ない、化学エネルギを直接電気エネルギに変換する。
【００４４】
図３は、燃料電池１０のセパレータ２５における酸素含有ガスの流れの方向と生成水の状態を模式的に示す説明図である。この実施例の燃料電池１０では、図示するように、セパレータ２５によって鉛直下方（図中、上から下）に酸素含有ガスが流されるが、その酸素含有ガスの流れの方向に対して、セパレータ２５に形成される凸部４３の任意の一側面４３ａが垂直な向きとなっている。すなわち、凸部４３の一側面４３ａは、水平方向となっている。酸素含有ガスが流されると、カソード２３では前述した式（２）に従うカソード反応により水が生成されるが、この実施例の燃料電池１０では、その凸部４３の水平な面に、生成水Ｗが適度に溜まる。
【００４５】
図４は、酸素含有ガス流路２５Ｐ付近の断面を模式的に表わす説明図である。この図４からもわかるように、酸素含有ガス流路２５Ｐを形成する凸部４３の一側面４３ａ上、即ち、酸素含有ガス流路２５Ｐの凹部内に、生成水Ｗが適度に溜まる。このカソード２３の表面付近に溜まった生成水Ｗは、酸素含有ガスを適度に保湿して、カソード２３から電解質膜２１に移り、電解質膜２１を良好な湿潤状態に保つように働く。
【００４６】
したがって、この実施例の燃料電池１０では、バブラー等の特別な加湿器を用いなくても、電解質膜２１を充分に湿潤状態に保つことができる。このため、燃料電池１０は、加湿器を用いない分だけ消費エネルギが少なくてすみ、また、スペースの容積も少なくてすむ。すなわち、燃料電池１０は、消費エネルギおよびスペース容積の点で効率がよいといった効果を奏する。
【００４７】
特に、この実施例では、セパレータ２５において生成水Ｗを保持する部分、すなわち、凸部４３の側面４３ａが、カソード２３に接した状態にあることから、カソード２３で生成される水を溜めやすいといった効果も奏する。
【００４８】
第１実施例の燃料電池１０と従来の燃料電池との電池性能を比較したので、次に説明する。ここでは、従来の燃料電池として、次のような構成のセパレータを備えたものとした。
【００４９】
図５は、従来の分割リブ型のセパレータの平面を模式的に表わす説明図である。図示するように、この従来のセパレータは、酸素含有ガス流路を形成する複数の直方体形状の凸部Ａ１を鉛直下方に対して４５度だけ傾けて配列した構成であり、酸素含有ガスの流れ方向は、鉛直下方に対して４５度だけ傾斜した方向となっている。
【００５０】
図６は、第１実施例の燃料電池１０と上記従来の燃料電池についての電圧と電流密度との関係を示すグラフである。図６中、曲線Ａは燃料電池１０について電圧と電流密度との関係を示し、曲線Ｂは分割リブ型のセパレータを備えた上記従来の燃料電池についての電圧と電流密度との関係を示したものである。曲線Ｃは後述する第２実施例の燃料電池についての電圧と電流密度との関係を示すものであり、これについては後述する。なお、この電圧−電流密度特性は、燃料電池に対して酸素含有ガスとして乾燥した空気（湿度４０〜５０［％］）を供給したときのものである。
【００５１】
図６に示すように、第１実施例の燃料電池１０は、分割リブ型のセパレータを用いた上記従来の燃料電池に比較して、測定範囲の総ての電流密度に亘ってその特性が優れていた。特に、高電流密度領域（０．５［Ａ／ｃｍ2 ］以上）での電圧低下が小さく、ガス拡散性の向上が認められた。
【００５２】
第２実施例について次に説明する。この第２実施例は、第１実施例の燃料電池１０と比較してほぼ同じ構成の固体高分子型燃料電池に関するもので、酸素含有ガス側のセパレータに設けられる凸部の形状とその配列だけが第１実施例と比べて相違する。
【００５３】
図７は、この第２実施例で用いられるセパレータの平面を模式的に表わす説明図である。第１実施例のセパレータ２５に設けられた凸部４３は、平面正方形の柱体であるのに対して、この第２実施例で用いられるセパレータは、平面Ｖ字状の柱体である。セパレータには、こうした形状の凸部５０が複数規則正しく配列されている。各凸部５０は、詳しくは次のようなものである。凸部５０は、幅２［ｍｍ］、長さ７［ｍｍ］、高さ１［ｍｍ］の第１の直方体と幅２［ｍｍ］、長さ５［ｍｍ］、高さ１［ｍｍ］の第２の直方体とを鍵状に組み合わせたもので、水平方向に対する仰角θを４５度とすることによりＶ字の形状となっている。また、複数の凸部５０の配列は、奇数行における凸部５０と偶数行における凸部５０とが同じ列上に並ぶのではなく、奇数行における隣接する凸部５０の列の間に偶数行の凸部の列が位置するものとなっている。なお、このセパレータは、第１実施例と同様に、図中、上方向および下方向に酸素含有ガスの供給口および排出口（図示せず）が設けられており、燃料電池への組付け時には、酸素含有ガスが鉛直下方に向けて流れる構成となっている。
【００５４】
すなわち、この第２実施例のセパレータによれば、酸素含有ガスが鉛直下方に向けて流れるように構成され、その上で、水平方向に対して４５度の仰角を持つＶ字状の凸部５０を備える構成となっている。
【００５５】
こうした構成のセパレータによれば、燃料電池が運転されると、カソード２３側で生じた生成水は、凸部５０のＶ字状に折れ曲がった部分に適度に溜まる。この生成水は、酸素含有ガスを適度に保湿して、カソード２３から電解質膜２１に移り、電解質膜２１を良好な湿潤状態に保つように働く。
【００５６】
したがって、この第２実施例の燃料電池は、第１実施例と同様に、加湿器を用いることなしに電解質膜の加湿を行なうことができ、消費エネルギおよびスペース容積の点で効率がよいといった効果を奏する。
【００５７】
また、この実施例では、セパレータにおいて生成水Ｗを溜めるＶ字形状の凸部５０が、カソードに接した状態にあることから、カソードで生成される水を溜めやすいといった効果も奏する。
【００５８】
なお、この第２実施例の燃料電池の電池性能は、図６中の曲線Ｃに示した。図示するように、この第２実施例の燃料電池は、前述した従来の燃料電池（曲線Ａ）はもとより、第１実施例の燃料電池（曲線Ｂ）と比較しても、測定範囲の総ての電流密度に亘ってその特性が優れていた。特に、高電流密度領域（０．５［Ａ／ｃｍ2 ］以上）での電圧低下が小さく、ガス拡散性の向上が認められた。
【００５９】
なお、この第２実施例では、Ｖ字形の凸部を備えるのは酸素極（カソード）側のセパレータに限るものとしていたが、これに替えて、カソード側のセパレータに加えて、燃料極（アノード）側のセパレータについても、カソード側のセパレータと同じＶ字型の凸部を備える構成としてもよい。
【００６０】
この構成によれば、燃料ガスにもともと含まれる水分を凸部のＶ字形の部分で溜めることができる。このため、燃料ガスを加湿器を用いて加湿することを不要とし、あるいは加湿器の能力を低減することを可能とする。したがって、こうした燃料電池によれば、消費エネルギおよびスペース容積をより一層低減することができるといった効果を奏する。
【００６１】
第３実施例について次に説明する。この第３実施例は、第１実施例の燃料電池１０と比較してセパレータの形状が相違し、その他の構成は同一のものである。
【００６２】
図８は、この第３実施例で用いられるセパレータ６０の平面図である。図示するように、セパレータ６０は、４角形の板状部材として形成されており、中央付近には２つの丸孔６１，６３がそれぞれ設けられ、４隅の角付近には、丸孔６５，６６，６７，６８がそれぞれ設けられている。
【００６３】
中央付近にある一方の丸孔６１は、積層した際、燃料電池を積層方向に貫通する酸素含有ガスの供給流路を形成し、他方の丸孔６３は、同じく積層方向に貫通する燃料ガスの供給流路を形成する。また、４隅の角にある丸孔のうちの対向する丸孔６５，６７は、積層した際、燃料電池を積層方向に貫通する酸素含有ガスの排出流路を形成し、他方の丸孔６６，６８は、同じく積層方向に貫通する燃料ガスの排出流路を形成する。
【００６４】
セパレータ６０の丸孔６５，６６，６７，６８が設けられた外縁の内側の表面６０ａには、径の異なる複数の円環状のリブ７１，７２，７３，７４，７５，７６（特許請求の範囲の凸部に対応）が同心円状に形成されている。各リブ７１〜７６には、同心円の中心に対して１８０度の位置にある２箇所のスリット７１ｓ（７２ｓ，７３ｓ，７４ｓ，７５ｓ，７６ｓ）がそれぞれ設けられており、スリット７１ｓ〜７６ｓの位置は、中央から外側のリブに移行するにつれて交互に入れ替わる位置となっている。このスリット７１ｓ〜７６ｓとセパレータ６０の表面およびカソードの表面とで、酸素含有ガスの供給通路を形成する。この酸素含有ガスの供給通路には、上記丸孔６１から酸素含有ガスが供給され、丸孔６５，６７から酸素含有ガスが排出される。
【００６５】
なお、セパレータ６０の積層面の他方（図２の裏面）にも、上記リブ７１〜７６と同一形状のリブ（図示せず）が形成されている。このリブとセパレータ６０の裏面とアノード２２の表面とで燃料ガスの流路を形成する。この燃料ガスの流路には、上記丸孔６３により形成される燃料ガス給排流路からの燃料ガスが供給され、また、上記丸孔６６，６８により形成される燃料ガス排出流路に燃料ガスが排出される。
【００６６】
上記構成のセパレータ６０は、燃料電池への組付け時には、セパレータ６０の表面６０ａが縦方向となるように配置される。したがって、このセパレータ６０が組付けられた燃料電池においては、酸素含有ガスが、全体としては図中矢印に示すように、斜め右下と斜め左上とに向けて送られる。
【００６７】
こうした構成のセパレータ６０を持つ燃料電池では、カソード側で生成された水が、環状のリブ７１〜７６の最下点の内側付近に、適度に溜まる。この溜まった生成水Ｗは、酸素含有ガスを適度に保湿して、カソードから電解質膜に移り、電解質膜を良好な湿潤状態に保つように働く。
【００６８】
したがって、この第３実施例の燃料電池は、第１および第２実施例と同様に、加湿器を用いることなしに電解質膜の加湿を行なうことができ、消費エネルギおよびスペース容積の点で効率よく電解質膜の加湿を行なうことができるといった効果を奏する。また、この実施例では、生成水Ｗを貯えるリブ７１〜７６が円環状となっていることから、燃料電池が回転されたときにも、リブ７１〜７６の内側のいずれかの部分で生成水Ｗを貯えることができる。このため、可動性に優れているといった副次的な効果も奏する。
【００６９】
また、この第３実施例でも、セパレータ２５において生成水Ｗを溜める部分、すなわち、リブ７１〜７６が、カソードに接した状態にあることから、カソードで生成される水を溜めやすいといった効果も奏する。
【００７０】
次に、上記第１ないし第３実施例の変形例について次に説明する。図９は、第１実施例の変形例である燃料電池の単セルの断面を模式的に表わす説明図である。図示するように、この変形例の燃料電池の単セル１２０は、第１実施例と同一の単セルの構成を備え、その上で、カソード２３側のセパレータ２５において凸部４３により形成される酸素含有ガス流路２５Ｐの内壁全体に、吸水性樹脂ＲＥを塗布した構成である。
【００７１】
ここで、吸水性樹脂は、架橋ポリアクリル酸塩、ポリアクリロニトリル系、カルボキシメチルセルロース系の樹脂により形成されており、厚さ０．１［ｍｍ］となっている。
【００７２】
こうした構成の変形例によれば、第１実施例と同じ作用によって、凸部４３の上方の側面４３ａ上に、カソード２３により発生した生成水Ｗを溜めることができるが、さらに、吸水性樹脂ＲＥによって、その生成水Ｗの凸部４３の側面４３ａへの吸着性を高めている。さらにこの変形例においては、第１実施例において生成水が溜まる部分である凸部４３の上方の側面４３ａだけに限らず、流路の内壁全体に吸水性樹脂ＲＥが塗布されていることから、生成水Ｗを流路内でより高い能力でもって保持することができる。したがって、電解質膜２１の加湿能力を一層向上することができる。
【００７３】
なお、この変形例では、流路の内壁全体に吸水性樹脂ＲＥを塗布する構成としたが、これに替えて、第１実施例において生成水が溜まる部分である凸部４３の上方の側面４３ａだけに吸水性樹脂ＲＥを塗布する構成としてもよい。
【００７４】
また、上記のような吸水性樹脂ＲＥを塗布する構成を第２実施例または第３実施例に適用する構成としてもよい。すなわち、Ｖ字形状の凸部のそのＶ字の内側に吸水性樹脂を塗布したり、あるいは、円環状のリブの内側に吸水性樹脂を塗布する構成としてもよい。
【００７５】
第４実施例について次に説明する。この第４実施例は、第１実施例の燃料電池１０と比較してほぼ同じ構成の固体高分子型燃料電池に関するもので、セパレータの構成だけが相違する。
【００７６】
図１０は、この第４実施例としての燃料電池の単セル１２０の断面を模式的に表わす説明図である。図示するように、この単セル１２０は、第１実施例と同様に、電解質膜２１をアノード２２およびカソード２３で挟持したサンドイッチ構造を備え、その外側に、燃料ガスおよび酸素含有ガスの流路を形成する、第１実施例とは相違するセパレータ１２４，１２５を備える。
【００７７】
燃料極（アノード）側のセパレータ１２４は、先に図５を用いて説明した従来の分割リブ型のセパレータと同じ構成のものである。一方、酸素極（カソード）側のセパレータ１２５は、上記従来の分割リブ型のセパレータと同一の構成を備え、その上で、アノード２２もしくはカソード２３と接触する凸部１４３の上面部分１４３ａに窪み部１５０を備えたものである。凸部１４３は、幅２［ｍｍ］、長さ２［ｍｍ］、高さ１［ｍｍ］の直方体形状をしており、窪み部１５０は、半径０．４［ｍｍ］の半球形状をしている。
【００７８】
こうした構成の燃料電池によれば、カソード２３側で生じた生成水は、窪み部１５０内に溜まる。この生成水は、酸素含有ガスを適度に保湿して、カソード２３から電解質膜２１に移り、電解質膜２１を良好な湿潤状態に保つ。
【００７９】
したがって、この第４実施例の燃料電池は、第１実施例と同様に、加湿器を用いることなしに電解質膜の加湿を行なうことができ、消費エネルギおよびスペース容積の点で効率よく電解質膜の加湿を行なうことができるといった効果を奏する。
【００８０】
図１１は、この第４実施例の燃料電池と従来の燃料電池についての電圧と電流密度との関係を示すグラフである。図中、曲線Ａは第４実施例の燃料電池について電圧と電流密度との関係を示し、曲線Ｂは分割リブ型のセパレータを備えた従来の燃料電池についての電圧と電流密度との関係を示したものである。図示するように、この第４実施例の燃料電池は、従来の燃料電池に比較して、測定範囲の総ての電流密度に亘ってその特性が優れていた。
【００８１】
第５実施例について次に説明する。この第５実施例は、第１実施例の燃料電池１０と比較してほぼ同じ構成の固体高分子型燃料電池に関するもので、セパレータの構成だけが相違する。
【００８２】
図１２は、この第５実施例としての燃料電池の単セル２２０の断面を模式的に表わす説明図である。図示するように、この単セル２２０は、第１実施例と同様に、電解質膜２１をアノード２２およびカソード２３で挟持したサンドイッチ構造を備え、その外側に第１実施例とは形状の相違するセパレータ２２４，２２５を備える。
【００８３】
燃料極（アノード）側のセパレータ２２４は、直線状の複数の流路溝を備えた、従来から知られている、いわゆるストレートタイプのもので、図１２において図面の表側から裏側へ延びる燃料ガス流路２２４Ｐが形成されている。酸素極（カソード）側のセパレータ２２５は、セパレータ２２４と同じストレートタイプのもので、図１２において上から下へ延びる酸素含有ガス流路２２５Ｐが形成されている。
【００８４】
図１３は、セパレータ２２５の一部を破断した斜視図である。図１３からもわかるように、このセパレータ２２５は、直線上の流路溝から形成される酸素含有ガス流路２２５Ｐを複数本備えており、各酸素含有ガス流路２２５Ｐの流路底面２２５Ｐａには、複数の凹部２２７が流路方向に等間隔に設けられている。この構成により、流路底面２２５Ｐａは、凹凸を有する面となっている。
【００８５】
なお、図１３においては、セパレータ２２５の裏面にセパレータ２２４が固着された構成となっており、この固着された部品は、隣接するサンドイッチ構造（電解質膜２１，アノードおよびカソード２３）間に組付けられる。
【００８６】
こうした構成の燃料電池によれば、カソード２３側で生じた生成水Ｗ（図１２）は、酸素含有ガス流路２２５Ｐの流路底面２２５Ｐａに形成された凹部２２７内に溜まる。この生成水Ｗは、酸素含有ガスを適度に保湿して、カソード２３から電解質膜２１に移り、電解質膜２１を良好な湿潤状態に保つ。
【００８７】
したがって、この第５実施例の燃料電池は、第１実施例と同様に、加湿器を用いることなしに電解質膜の加湿を行なうことができ、消費エネルギおよびスペース容積の点で効率よく電解質膜の加湿を行なうことができるといった効果を奏する。
【００８８】
なお、この第５実施例を用いて説明した流路底面に凹凸を設けた構成は、上記ストレートタイプの流路溝に限るものではなく、他の形状の流路に適用する構成としてもよい。例えば、分割リブ型のタイプの流路の底面に凹凸を設ける構成としてもよく、また、流路を蛇行状に形成した、いわゆるサーペンタインタイプの流路の底面に凹凸を設けた構成としてもよい。
【００８９】
さらには、上記流路底面に凹凸を設けた構成を第１ないし第３実施例に適用する構成としてもよい。すなわち、水平な面を備える複数の凸部により形成される流路の底面に凹凸を設けた構成としてもよく、Ｖ字形状の凸部により形成される流路の底面に凹凸を設けた構成としてもよく、また、円環状のリブにより形成される流路の底面に凹凸を設けた構成としてもよい。
【００９０】
なお、こうした凹凸は、第５実施例のように必ずしも規則正しい大きさや配列である必要はなく、不規則な大きさや不規則な配列であってもよい。また、こうした凹凸面に吸水性樹脂を塗布する構成としてもよい。なお、吸水性樹脂は、図９を用いて先に説明した例と同一のものとする。
【００９１】
以上本発明の実施例について説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる態様で実施し得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例である燃料電池１０を構成する単セル２０の構造を模式的に表わす断面図である。
【図２】セパレータ２５の平面図である。
【図３】セパレータ２５における酸素含有ガスの流れの方向と生成水Ｗの状態を模式的に示す説明図である。
【図４】酸素含有ガス流路２５Ｐ付近の断面を模式的に表わす説明図である。
【図５】従来の分割リブ型のセパレータの平面を模式的に表わす説明図である。
【図６】第１実施例の燃料電池１０と従来の燃料電池についての電圧と電流密度との関係を示すグラフである。
【図７】第２実施例で用いられるセパレータの平面を模式的に表わす説明図である。
【図８】第３実施例で用いられるセパレータ６０の平面図である。
【図９】第１実施例の変形例である燃料電池の単セルの断面を模式的に表わす説明図である。
【図１０】第４実施例としての燃料電池の単セル１２０の断面を模式的に表わす説明図である。
【図１１】第４実施例の燃料電池と従来の燃料電池についての電圧と電流密度との関係を示すグラフである。
【図１２】第５実施例としての燃料電池の単セル２２０の断面を模式的に表わす説明図である。
【図１３】セパレータ２２５の一部を破断した斜視図である。
【符号の説明】
１０…固体高分子型燃料電池
２０…単セル
２１…電解質膜
２２…アノード
２３…カソード
２４，２５…セパレータ
２４Ｐ…燃料ガス流路
２５…カソード
２５Ｐ…酸素含有ガス流路
３１，３３，３５，３７…長孔
４１…段差面
４３…凸部
４３ａ…側面
５０…凸部
６０…セパレータ
６０ａ…表面
６１，６３…丸孔
６１，６３，６５，６６，６７，６８…丸孔
７１，７２，７３，７４，７５，７６…リブ
７１ｓ〜７６ｓ…スリット
１２０…単セル
１２４，１２５…セパレータ
１４３…凸部
１５０…窪み部
２２０…単セル
２２４，２２５…セパレータ
２２４Ｐ…燃料ガス流路
２２５Ｐ…酸素含有ガス流路
２２５Ｐａ…流路底面
２２７…凹部
ＲＥ…吸水性樹脂
Ｗ…生成水
Claims (8)
- 電解質膜を一対の電極で挟持する接合体と、
該接合体に接触し、前記電極側にガス供給用のガス流路を有するセパレータと
を備える燃料電池において、
前記セパレータは、
前記電極の面に対向する流路底面と、
該流路底面から突出して、前記ガス流路を形成する複数の凸部と
を備え、
前記凸部は、
鉛直下方の方向に深さを持つ窪みを有し、該窪みにより水を保持するための水溜まり部を形成した構成であることを特徴とする燃料電池。 - 請求項１に記載の燃料電池であって、
前記凸部は、
横長の直方体をＶ字状に折り曲げて、該折り曲げた内側を前記窪みとした構成である、燃料電池。 - 前記Ｖ字状は、水平方向に対する仰角を４５度とするＶ字の形状である請求項２に記載の燃料電池。
- 請求項１に記載の燃料電池であって、
前記凸部は、
円環状であり、該円環部分の内側を前記窪みとした構成である、燃料電池。 - 前記水溜まり部に吸水性の樹脂を設けた請求項１ないし４の内のいずれかに記載の燃料電池。
- 請求項１に記載の燃料電池であって、
前記水溜まり部は、
前記ガス流路の少なくとも一つの壁面に凹凸を設けて構成された、燃料電池。 - 請求項１ないし６のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記セパレータは、
前記ガス流路によるガスの流れの方向が鉛直下方となるように、縦方向に配置された構成である、燃料電池。 - 電解質膜を一対の電極で挟持する接合体と、
該接合体に接触し、前記一方の電極側に酸素含有ガス供給用のガス流路を有するセパレータと
を備える燃料電池において、
前記セパレータは、
前記電極の面に対向する流路底面と、
該流路底面から突出して、前記電極の面に達する複数の凸部と
を備え、
前記凸部は、
前記電極の面との接触部に設けられ、前記電極の面側に開口した半球形状の窪み部
を備える燃料電池。
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