JP4985262B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

この発明は、燃料電池に関し、詳しくは、電解質膜を一対の電極で挟持する接合体に供給ガスを供給する供給ガス流路に特徴を有する燃料電池、または、冷却水を供給する冷却水流路に特徴を有する燃料電池に関する。

従来より、燃料の有しているエネルギを直接電気的エネルギに変換する装置として燃料電池が知られている。燃料電池は、通常、電解質膜を挟んで一対の電極を配置するとともに、一方の電極の表面に水素等の燃料ガスを接触させ、また他方の電極の表面に酸素を含有する酸素含有ガスを接触させ、このとき起こる電気化学反応を利用して、電極間から電気エネルギを取り出すようにしている。燃料電池は、燃料ガスと酸素含有ガスが供給されている限り高い効率で電気エネルギを取り出すことができる。

ところで、こうした燃料電池では、電極表面への燃料ガスや酸素含有ガスの供給を、これらガスの流路と集電極とを兼ねるセパレータと呼ばれる部材で行なっている。このセパレータとしては、直線状の流路溝を複数備えたストレート型のものが一般的である。また、複数の凸部を設け、その凸部間の隙間により流路を構成した分割リブ型のものも知られている。分割リブ型のセパレータは、水分が凝縮するいわゆるフラッディング等により一つの流路が閉塞されても、流路が複数方向に分散するため、ガスや生成水は他の流路に回り込むことが可能であることから、ガスの拡散性と生成水の排水性に優れている。

しかしながら、前記分割リブ型のセパレータを用いた燃料電池では、流路が複数方向に分散するため、ガスの流速が不足する恐れがあった。流速が不足すると、ガスの拡散性が阻害されて濃度分極が起こり、燃料電池の電池性能の低下をもたらすといった問題を生じた。

また、供給ガス（燃料ガスや酸素含有ガス）として湿度の低いドライガスが用いられて運転がなされている場合は、酸素含有ガスが供給される側の電極で排水性が過多となって、電解質膜がドライアップとなることがあった。このため、同様に電池性能の低下をもたらす問題が生じた。

本発明は、こうした問題に鑑みてなされたもので、ガスの拡散性の阻害や電解質膜がドライアップとなる不具合を解消して、より優れた電池性能を実現することを目的としている。

本発明の燃料電池は、
電解質膜を一対の電極で挟持する接合体と、
該接合体の一方側の面に接触し、該電極の面に沿った方向に供給ガスを流す流路を形成する流路形成部材と
を備える燃料電池において、
前記流路形成部材は、
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する１または複数の直線状のリブ片と
を備え、
前記リブ片は、
前記流路底面上の領域を複数の領域に分けて連通させることにより、屈曲形状の前記流路を形成するとともに、各領域によって構成される区間の流路幅を、それぞれの区間内で一定とし前記供給ガスの下流側に位置する区間ほど狭くなるよう構成し、前記屈曲形状の流路の各折り返し部分の幅を、前記供給ガスの下流側に位置する折り返し部分ほど狭い大きさとなるよう構成したことを要旨としている。

ここで、上記供給ガスとしては、燃料電池のアノードに送る燃料ガスであってもよいし、カソードに送る酸素含有ガスであってもよい。

上記構成の燃料電池によれば、流路形成部材により、流路底面上に複数の凸部が形成され、さらに、複数の凸部が設けられた範囲にリブ部が形成される。このリブ部によれば、流路底面上の複数の凸部が設けられた範囲が複数の領域に分けられ、各領域が連通した状態となったおり、この結果、屈曲形状の流路が形成される。

こうした構成の燃料電池は、流路底面上に複数の凸部を設けた従来例（分割リブ型のセパレータ）と比較して、凸部間の流路の幅に変わりはないが、リブ部を形成したことにより、供給ガスの供給口と排出口とを結ぶ流路全体の幅は狭くなる。流路の幅が狭くなると、供給ガスの流速は高くなることから、供給ガスの拡散性を高めて濃度分極を低減することができる。したがって、この第１の燃料電池によれば、燃料電池の電池性能の向上を図ることができる。

また、この燃料電池では、供給ガスの流路を屈曲形状としたことで流路の全長が長くなっていることから、供給ガスとして湿度の低いドライガスが用いられた場合に、電解質膜のドライアップを防止することができる。流路の全長が長くなると、下流に進むほど、供給ガスが次第に加湿されていくためであり、電解質膜のドライアップを防止することができる。これによっても、燃料電池の電池性能の向上を図ることができる。

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。

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。

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リブ（凸部およびリブ片）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リブが形成されている。

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。

白金触媒を担持したカーボン粉は次のような方法で作製されている。まず、塩化白金酸水溶液とチオ硫酸ナトリウムとを混合して、亜硫酸白金錯体の水溶液を得、この水溶液を撹拌しながら、過酸化水素水を滴下して、水溶液中にコロイド状の白金粒子を析出させる。次にこの水溶液に担体となるカーボンブラック［例えばＶｕｌｃａｎ ＸＣ−７２（米国のＣＡＢＯＴ社の商標）やデンカブラック（電気化学工業株式会社の商標）］を添加しながら、撹拌し、カーボンブラックの表面にコロイド状の白金粒子を付着させる。そして吸引ろ過または加圧ろ過により白金粒子が付着したカーボンブラックを水溶液中から分離し、脱イオン水で繰り返し洗浄した後、室温で完全に乾燥させる。次に、この乾燥の工程で凝集したカーボンブラックを粉砕機で粉砕し、水素還元雰囲気中で、２５０℃〜３５０℃で２時間程度加熱して、カーボンブラック上の白金を還元すると共に、残留していた塩素を完全に除去して、白金触媒を担持したカーボン粉を完成する。

カーボンブラックへの白金の担持密度（カーボンの重量に対するカーボン上の白金の重量の比率）は、塩化白金酸の量とカーボンブラックの量との比率を変えることにより調節することができ、任意の担持密度の白金触媒を得ることができる。なお、白金触媒の製造方法は、前述の方法に限らず、充分な触媒活性が得られる方法であれば、他の方法により製造したものであってもよい。

以上の説明では、白金を触媒として用いる場合について述べたが、この他にも、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合金触媒を使用することもできる。

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。

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。

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。こうしたセパレータ２４，２５の詳しい構成については後ほど説明する。

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、図２に示すように、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３組）、その複数組積層する毎に１個の冷却プレート３０を挿入する。こうした３個の単セル２０と１個の冷却プレート３０の組合せを複数組積層することにより、単セル２０を例えば、１００組積層し、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。

なお、冷却プレート３０は、直線状の流路溝を複数備えたストレート型のもので、セパレータ２４，２５と同じ素材により形成されている。冷却プレート３０は、外部からの冷却水を給排することにより、燃料電池１０の温度調整を図る。

こうした構成の燃料電池１０のセパレータ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、セパレータ２４を例にあげて説明する。図３は、セパレータ２４の平面図である。図４は、セパレータ２４の半分の斜視図である。図３および図４に示すように、セパレータ２４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、大口径の４角形の孔４１（４３）がそれぞれ設けられ、他の２つの辺の縁付近には、小口径の４角形の２つの孔４５，４６（４７，４８）がそれぞれ設けられている。

大口径の孔４１，４３は、積層した際、燃料電池１０を積層方向に貫通する２つの冷却水給排流路を形成する。対角線に対向する２つの小口径の孔４５，４８は、積層した際、固体高分子型燃料電池１０を積層方向に貫通する２つの燃料ガス給排流路を形成し、他の小口径の孔４６，４７は、同じく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する。

セパレータ２４のこれら孔４１，４３，４５，４６，４７，４８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５１が形成されており、この段差面５１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５３が複数形成されている。

また、段差面５１には、段差面５１の幅を３等分するように配列された２本の直線状のリブ片５５，５６が形成されている。リブ片５５，５６は、凸部５３と同じ高さ１［ｍｍ］で、幅１［ｍｍ］であり、長さは段差面５１の横幅より短い。リブ片５５，５６は、互いに逆方向の端部５５ａ，５６ａをセパレータ２４の外縁の平面部に接続することで、他方側の端部５５ｂ，５６ｂがその外縁の平面部から所定の距離Ｓだけ離間するようになっている。なお、この距離Ｓは、この実施例では、リブ片５５，５６により形成される流路の幅Ｗと等しい大きさである。

リブ片５５，５６により、段差面５１は３つの領域に分けられ、これら領域は連通しており、その結果、段差面５１上に、蛇行状（屈曲形状）の１つの大きな流路が形成されることになる。なお、この流路の両端は、対角線に配置された孔４５，孔４８のある位置に接しており、流路の端部と孔４５，４８との間には隔壁はないことから、上記蛇行状の流路は、孔４５，４８に連結される。この結果、孔４５，４８からなる燃料ガス給排流路からの燃料ガスが段差面５１上の上記流路に供給または排出されることになる。

こうしたセパレータ２４の構成により、大きくは、リブ片５５，５６、段差面５１およびアノード２２の表面とで、蛇行状の燃料ガスの流路（大流路）を形成し、さらに、細かくは、凸部５３、段差面５１およびアノード２２の表面とで、複数方向に分散する燃料ガスの流路（小流路）を形成する。これら燃料ガスの流路が、図１で示した燃料ガス流路２４Ｐに相当することになる。

また、セパレータ２４の積層面の他方（図２の裏面）にも、上記段差面５１、凸部５３およびリブ片５５，５６と同一形状の段差面、凸部およびリブ片（図示せず）が形成されている。この段差面、凸部およびリブ片とカソード２３の表面とで酸素含有ガスの流路を形成する。この酸素含有ガスの流路には、上記孔４６，４７により形成される酸素含有ガス給排流路からの酸素含有ガスが供給または排出される。なお、こうした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。

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、次式（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。

カソード反応（酸素極）：２Ｈ⁺＋２ｅ⁻＋（１／２）Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ ...（１）
アノード反応（燃料極）：Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ⁻ ...（２）

以上詳述したように、この実施例の燃料電池１０では、各セルへの燃料ガスの給排口である孔４５と孔４８の間に、蛇行状の燃料ガスの流路が形成されており、この流路には、複数の凸部５３が設けられている。このため、従来の分割リブ型のセパレータと比較して、リブ片５５，５６を設けたことにより、燃料ガスの給排口である孔４５と孔４８とを結ぶ流路全体の幅が狭くなる。流路の幅が狭くなると、燃料ガスの流速は高くなることから、燃料ガスの拡散性を高めて濃度分極を低減することができる。また、酸素含有ガスについても、同様の構成により、ガスの拡散性を高めて濃度分極を低減することができる。

また、この燃料電池１０では、前述したようにガス流路を蛇行形状としたことで、流路の全長が長くなっていることから、燃料ガスや酸素含有ガスといった供給ガスにドライガスが用いられた場合であっても、電解質膜のドライアップを防止することができる。カソード２３では、その電極反応により水が生成されるが、従来のリブ型のセパレータでは、その生成水の排水性が過多となって、電解質膜がドライアップとなりがちであったが、この燃料電池１０では、前述したように流路の全長が長くなると、下流に進むほど、供給ガスが次第に加湿されていくことから、電解質膜２１のドライアップを防止することができる。したがって、上記濃度分極を低減する作用と電解質膜２１のドライアップ防止の作用とから、燃料電池１０の電池性能の向上を図ることができる。

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、分割リブ型のセパレータを使用したものと、蛇行状の流路溝を備えた、いわゆるサーペンタイン型のセパレータを使用したものとを２種類用意した。また、運転条件として、ウェットな供給ガス（燃料ガスの湿度が１００［％］、酸素含有ガスの湿度が９０［％］）を用いた第１の条件と、ドライな供給ガス（燃料ガスの湿度が１００［％］、酸素含有ガスの湿度が３０［％］）を用いた第２の条件との２つを採用した。

図５は、ウェットな供給ガスを用いた第１の条件下で燃料電池１０と従来の燃料電池とを運転したときの電圧と電流密度との関係を示したグラフである。図６は、ドライな供給ガスを用いた第２の条件下で燃料電池１０と従来の燃料電池を運転したときの電圧と電流密度との関係を示したグラフである。図５および図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は分割リブ型の従来例についての電圧と電流密度との関係を示し、曲線Ｃはサーペンタイン型の従来例についての電圧と電流密度との関係を示す。

図５に示すように、ウェットな供給ガスの条件下においては、第１実施例の燃料電池１０は、サーペンタイン型のセパレータを用いた燃料電池はもとより分割リブ型のセパレータを用いた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。

また、図６に示すように、ドライな供給ガスの条件下においては、第１実施例の燃料電池１０は、サーペンタイン型のセパレータを用いた燃料電池および分割リブ型のセパレータを用いた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、ドライな供給ガスの条件下においては、分割リブ型のセパレータと比して、大きく電圧低下が小さいことから、電解質膜２１のドライアップ防止の向上が認められた。

次に、この発明の第１実施例の変形例について説明する。第１実施例では、リブ片５５，５６により形成される蛇行状の流路の折り返し部分の幅（前述したリブ片５５，５６の端部５５ｂ，５６ｂと外縁の平面部との間の距離Ｓに相当する）は、その流路の幅Ｗと等しい構成であったが、これに替えて、次のような構成とした。

図７は、変形例のセパレータ９０の平面図である。図示するように、セパレータ９０は、第１実施例のセパレータ２４と比較してほぼ同じ形状をしており、相違するのは、リブ片９１，９２の全長が、第１実施例のリブ片５５，５６に比較して１．５［ｍｍ］（凸部の幅の１．５倍）だけ長い点にある。かかる構成により、リブ片９１，９２の端部９１ｂ，９２ｂと外縁の平面部との間の距離Ｓａに相当する流路幅は、リブ片９１，９２により形成される流路の幅Ｗより狭い大きさとなる。

したがって、この変形例によれば、流路の折り返し部分の幅が狭いことによって、流路の折り返し部分での流速をアップすることができる。このため、供給ガスの拡散性はより高いものとなることから、流速アップによる排水性の向上をより高めることができる。

他の変形例について次に説明する。第１実施例および上記変形例では、リブ片９１，９２により形成される３つの流路は等間隔の幅Ｗを備える構成であったが、これに替えて、この他の変形例では、図８に示すように、リブ片９６，９７により形成される第１ないし第３の流路の幅Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３が順に狭くなる（即ち、Ｗ１≧Ｗ２≧Ｗ３の関係を持つ）構成となっている。なお、この変形例のセパレータ９５は、第１の流路からの折り返し部分の幅Ｓ１は第１の流路の幅Ｗ１より狭い大きさであり、第２の流路からの折り返し部分の幅Ｓ２は第２の流路の幅Ｗ２より狭い大きさである。

したがって、この変形例によれば、流路の幅が下流に進む程狭くなっていることと、流路の折り返し部分の幅がその直前の流路幅より狭くなっていることの双方によって、流速のアップを一層図ることができる。このため、供給ガスの拡散性は一層高いものとなることから、流速アップによる排水性の向上をより一層高めることができる。

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、セパレータ２４，２５と冷却プレート３０の形状だけが第１実施例と比べて相違する。セパレータ（図示せず）は、従来より一般に用いられる分割リブ型のものである。冷却プレートの形状は次のようなものである。

図９は、この第２実施例で用いられる冷却プレート１３０の平面図である。図９に示すように、冷却プレート１３０は、４角形の板状部材として形成されており、第１実施例のセパレータ２４と同様に、対向する２つの辺の縁付近には、大口径の４角形の孔１３１（１３３）がそれぞれ設けられ、他の２つの辺の縁付近には、小口径の４角形の２つの孔１３５，１３６（１３７，１３８）がそれぞれ設けられている。

大口径の孔１３１，１３３は、積層した際、燃料電池を積層方向に貫通する２つの冷却水給排流路を形成する。対角線上に対向する２つの小口径の孔１３５，１３８は、積層した際、燃料電池を積層方向に貫通する２つの燃料ガス給排流路を形成し、他の小口径の孔１３６，１３７は、同じく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する。

冷却プレート１３０のこれら孔１３１，１３３，１３５，１３６，１３７，１３８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１５１が形成されており、この段差面１５１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１５３が複数形成されている。なお、段差面１５１と大口径の孔１３１，１３３からなる冷却水給排流路との間には隔壁はなく、孔１３１，１３３からの冷却水が、段差面１５１上の凸部１５３により形成される流路に供給または排出されることになる。

以上のように構成された、この第２実施例の燃料電池では、冷却プレート１３０に形成された複数の凸部１５３により、複数方向に分散する冷却水の流路が形成される。これによれば、冷却水の拡散性が向上して、冷却水の流れ分布が均一化されるまた、凸部１５３の形状の効果により電熱面積を高めることができる。

したがって、この第２実施例の燃料電池によれば、冷却（温調）性能の向上を図ることができることから、ガス拡散電極のフラッディングや電解質膜のドライアップを抑制することができ、延いては、電池性能の向上を図ることができる。

この第２実施例の燃料電池における電圧と電流密度との関係を、図１０に示した。図中、曲線Ａは第２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は従来の燃料電池について電圧と電流密度との関係を示す。ここで、従来の燃料電池とは、直線状の流路溝を複数備えた従来のストレート型の冷却プレートを使用した燃料電池である。

図１０に示すように、第２実施例の燃料電池は、従来例の燃料電池に比して、測定範囲の総ての電流密度に亘って、電圧低下が小さく、電池性能の向上が認められた。

この発明の第３実施例について、次に説明する。この第３実施例は、第２実施例と同様、冷却プレートの形状に特徴を備えるもので、それ以外については、従来の固体高分子型燃料電池と同一の構成を備える。この第３実施例の燃料電池で用いられる冷却プレートは、第１実施例で説明したセパレータ２４の形状をほぼそのまま適用したものである。以下、冷却プレートについて詳細に説明する。

図１１は、この第３実施例で用いられる冷却プレート２３０の平面図である。図１１に示すように、冷却プレート２３０は、４角形の板状部材として形成されており、第２実施例の冷却プレート１３０と同様に、対向する２つの辺の縁付近には、大口径の４角形の孔２３１（２３３）がそれぞれ設けられ、他の２つの辺の縁付近には、小口径の４角形の２つの孔２３５，２３６（２３７，２３８）がそれぞれ設けられている。

この実施例の冷却プレート２３０は、第１実施例のセパレータ２４と比して各孔２３１，２３３，２３５〜２３８に流す流体が異なっている。この冷却プレート２３０においては、大口径の孔２３１，２３３は、積層した際、燃料電池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する。対角線上に対向する２つの小口径の孔２３５，２３８は、積層した際、燃料電池を積層方向に貫通する２つの冷却水給排流路を形成し、他の小口径の孔２３６，２３７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。

冷却プレート２３０のこれら孔２３１，２３３，２３５，２３６，２３７，２３８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２５１が形成されており、この段差面２５１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２５３が複数形成されている。

また、段差面２５１には、段差面２５１の幅を３等分するように配列された２本の直線状のリブ片２５５，２５６が形成されている。リブ片２５５，２５６は、凸部２５３と同じ高さ１［ｍｍ］で、幅１［ｍｍ］であり、長さは段差面２５１の横幅より短い。リブ片２５５，２５６は、互いに逆方向の端部２５５ａ，２５６ａを冷却プレート２３０の外縁の平面部に接続することで、他方側の端部２５５ｂ，２５６ｂがその外縁の平面部から所定の距離Ｘだけ離間するようになっている。なお、この距離Ｘは、この実施例では、リブ片２５５，２５６により形成される流路の幅Ｙより狭い大きさである。なお、この距離Ｘと幅Ｙとの大小関係は、幅Ｙの方が必ずしも大きい必要はないが、その大小関係により冷却性能に差異が生じる。この冷却性能の差異については後述する。

上述したリブ片２５５，２５６により、段差面２５１は３つの領域に分けられて、これら領域は連通しており、その結果、段差面２５１上に、蛇行状（屈曲形状）の１つの大きな流路が形成されることになる。なお、この流路の両端は、対角線に配置された孔２３５，孔２３８のある位置に接しており、流路の端部と孔２３５，２３８との間には隔壁はないことから、上記蛇行状の流路は、孔２３５，２３８に連結される。この結果、孔２３５，２３８からなる冷却水給排流路からの冷却水が段差面２５１上の上記流路に供給または排出されることになる。

こうした冷却水プレートの構成により、大きくは、リブ片２５５，２５６、段差面２５１およびガス拡散電極の電解質膜と反対側の表面とで、蛇行状の冷却水の流路（大流路）を形成し、さらに、細かくは、凸部２５３、段差面２５１およびガス拡散電極の電解質膜と反対側の表面とで、複数方向に分散する冷却水の流路（小流路）を形成する。

以上のように構成された、この発明の第３実施例の燃料電池では、冷却プレート２３０に形成された複数の凸部２５３により、冷却水は複数方向に分散して、冷却水の拡散性が向上する。しかも、リブ片２５５，２５６により、冷却水の吸入口と排出口とを結ぶ流路全体の幅が狭められて、冷却水の流速がアップされる。

したがって、この第３実施例の燃料電池によれば、冷却水の拡散性と流速アップとにより、冷却（温調）性能の向上をより図ることができる。このため、電池性能をより優れたものとすることができる。

さらに、この第３実施例の燃料電池によれば、冷却水流路の蛇行状の折り返し部分の幅に相当する上記距離Ｘは、その流路の幅Ｙより狭い大きさとなっていることから、この折り返し部分により冷却水の流速をよりアップすることができる。したがって、冷却（温調）性能の向上をより一層図ることができ、電池性能をより一層優れたものとすることができる。

この第３実施例の燃料電池において、上述した冷却水流路の折り返し部分の幅（上記距離Ｘに対応し、以下この折り返し部分の幅についてもＸで示す）を変更して得られる燃料電池の電池性能を比較したので、次に説明する。ここでは、比較対象として、冷却水流路の折り返し部分の幅Ｘがその流路の幅Ｙより狭い大きさである第１の構成（この第３実施例の場合）と、その折り返し部分の幅Ｘがその流路の幅Ｙと等しい大きさである第２の構成と、その折り返し部分の幅Ｘがその流路の幅Ｙより広い大きさである第３の構成との３種類を用意した。

図１２は、上記各構成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グラフである。図中、曲線Ｆは第１の構成の燃料電池についてのもので、曲線Ｇは第２の構成の燃料電池についてのもので、曲線Ｈは第３の構成の燃料電池についてのものである。

図１１に示すように、冷却水流路の折り返し部分の幅Ｘがその流路の幅Ｙより狭い大きさの第１の構成の燃料電池は、他の２つの構成に比較して、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いことがわかる。次に電池特性の優れているのが幅Ｘと幅Ｙとが等しい構成の燃料電池である。

したがって、図１２に示した結果からも、この第３実施例のように、冷却水流路の折り返し部分の幅Ｘがその流路の幅Ｙより狭い大きさとすることで、燃料電池の電池性能が向上することが認められた。

前記第１および第３実施例の変形例について、次に説明する。前記第１および第３実施例の燃料電池に備えられるセパレータ２４，２５または冷却プレート２３０は、リブ片５５，５６（２５５，２５６）を用いて１本の連続する流路を形成していたが、これに替えて、次のような形状のセパレータもしくは冷却プレートの構成としてもよい。即ち、図１３に示すように、この変形例のセパレータもしくは冷却プレートでは、両端が外縁の平面部から離れて形成されるリブ片３５５，３５６を流路底面上に有しており、リブ片３５５，３５６と両外縁の平面部との間隙を介して流路が分岐するようにする。この構成によっても、供給ガスまたは冷却水の供給口３５８と排出口３５９との間に、複数の凸部３５３を有する屈曲形状の大流路を形成することができることから、第１実施例および第３実施例と同様に燃料電池性能の向上を図ることができる。

また、他の変形例のセパレータもしくは冷却プレートとして、図１４に示すように、流路底面上に複数の凸部４５３を有し、さらに、その流路底面上に、渦巻き状の大流路を形成する渦巻き状のリブ部４５５を有する構成としてもよい。この構成によっても、供給ガスまたは冷却水の供給口４５８と排出口４５９との間に、複数の凸部４５３を有する渦巻き形状の大流路を形成することができることから、第１実施例および第３実施例と同様に燃料電池性能の向上を図ることができる。

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。

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。 燃料電池１０の全体構造を模式的に表わす断面図である。 セパレータ２４の平面図である。 セパレータ２４の半分の斜視図である。 ウェットな供給ガスを用いた第１の条件下で燃料電池１０と従来の燃料電池とを運転したときの電圧と電流密度との関係を示すグラフである。 ドライな供給ガスを用いた第２の条件下で燃料電池１０と従来の燃料電池を運転したときの電圧と電流密度との関係を示すグラフである。 第１実施例の変形例としてのセパレータ９０の平面図である。 他の変形例としてのセパレータ９５の平面図である。 第２実施例で用いられる冷却プレート１３０の平面図である。 第２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。 第３実施例で用いられる冷却プレート２３０の平面図である。 冷却水流路の折り返し部分の幅を変更して得られる各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。 変形例としてのセパレータまたは冷却プレートを表わす平面図である。 他の変形例としてのセパレータまたは冷却プレートを表わす平面図である。

符号の説明

１０...固体高分子型燃料電池
２０...単セル
２０...燃料電池
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
２５Ｐ...酸素含有ガス流路
３０...冷却プレート
４１，４３，４５，４６，４７，４８...孔
５１...段差面
５３...凸部
５５，５６...リブ片
９０...セパレータ
９１，９２...リブ片
９１ｂ，９２ｂ...端部
９５...セパレータ
９６，９７...リブ片
１３０...冷却プレート
１３１，１３３，１３５，１３６，１３７，１３８...孔
１５１...段差面
１５３...凸部
２３０...冷却プレート
２３１，２３３，２３５，２３６，２３７，２３８...孔
２５１...段差面
２５３...凸部
２５５，２５６...リブ片
３５３...凸部
３５５，３５６...リブ片
３５８...供給口
３５９...排出口
４５３...凸部
４５５...リブ部
４５８...供給口
４５９...排出口

Claims (1)

1. 電解質膜を一対の電極で挟持する接合体と、
   該接合体の一方側の面に接触し、該電極の面に沿った方向に供給ガスを流す流路を形成する流路形成部材と
   を備える燃料電池において、
   前記流路形成部材は、
   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する１または複数の直線状のリブ片と
   を備え、
   前記リブ片は、
   前記流路底面上の領域を複数の領域に分けて連通させることにより、屈曲形状の前記流路を形成するとともに、各領域によって構成される区間の流路幅を、それぞれの区間内で一定とし前記供給ガスの下流側に位置する区間ほど狭くなるよう構成し、前記屈曲形状の流路の各折り返し部分の幅を、前記供給ガスの下流側に位置する折り返し部分ほど狭い大きさとなるよう構成したことを特徴とする燃料電池。

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