JPH07263003A - 固体高分子電解質燃料電池用ガスセパレータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 電解質を十分な保水状態に維持し燃料電池の
出力の安定化を図ることが出来る固体高分子電解質燃料
電池用のガスセパレータを提供する。 【構成】 燃料電池の固体高分子電解質膜へ燃料ガス又
は酸化剤ガスを供給するためのガス用のセパレータ８に
おいて、燃料または酸化剤を分配・供給するマニホール
ド１１から残存燃料または残存酸化剤を集合させるマニ
ホールド１２に連通する燃料または酸化剤が流れる流路
を少なくとも一往復半連続する屈曲した流体流路溝１５
とすると共に、該流路を４本設けた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電解質を十分な保水状
態に維持し燃料電池の出力の安定化を図ることが出来る
固体高分子電解質燃料電池用ガスセパレータに関する。

【０００２】

【従来の技術】図３に固体高分子電解質燃料電池の一例
を示す。電解質０１として高分子イオン交換膜（例えば
スルホン酸基を持つフッ素樹脂系イオン交換膜）を用
い、これを中央にして両面に触媒電極（例えば白金）０
２，０３を付着させ、さらにその両面を多孔質のカーボ
ン電極０４，０５でサンドウィッチ状にはさみ重ねて電
極接合体０６を構成している。

【０００３】ここで、アノード極側に供給された燃料中
の水素（Ｈ₂ ）は、触媒電極（アノード極）０２上で水
素イオン化され、水素イオンは電解質０１中を水の介在
のもと、Ｈ⁺ ・ｘＨ₂ Ｏとしてカソード極側へ移動す
る。移動した水素イオンは、触媒電極（カソード極）０
３上で酸化剤中の酸素（Ｏ₂ ）及び外部回路０７を流通
してきた電子（ｅ^- ）と反応して水を生成し、その生成
水はカソード電極０３，０５より燃料電池外へ排出され
る。この時、外部回路０７を流通した電子（ｅ^- ）の流
れが直流の電気エネルギーとして利用できる。

【０００４】なお、電解質０１となる高分子イオン交換
膜において、前述のような水素イオン透過性を実現させ
るためには、この膜を常に充分なる保水状態に保持して
おく必要があり、通常、燃料または酸化剤に電池の運転
温度（常温〜１００℃程度）近傍相当の飽和水蒸気を含
ませて、すなわち加湿して燃料及び酸化剤を電極接合体
０６に供給するようにして、膜の保水状態を保つように
している。

【０００５】図２には、従来の固体高分子電解質燃料電
池のセパレータ（配流板）の流路形状の一例を示す。燃
料電池本体外より供給される燃料または酸化剤は、流体
導入孔０９を通じて入口側流体マニホールド（ヘッダ
ー）０１１に導入される。該入口側流体マニホールド
（ヘッダー）０１１に導入された燃料または酸化剤は、
入口側流体連通孔０１３を通じてセパレータ０８の裏面
に設けれた流体流路溝０１５に分配され、流れるように
なっている。なお、図中、符号０１６はガスの流れを図
示する。

【０００６】前述した図３に示された電極接合体０６
は、図２に示すような流体流路溝０１５を持つセパレー
タ０８により両サイドから挾持される形をとることにな
る。ここで、電池反応に利用されず残った残存燃料また
は残存酸化剤は、出口側流体連通孔０１４を通じて、再
度セパレータ０８の裏面の出口側流体マニホールド０１
２に集められ、流体排出孔０１０を通じて燃料電池本体
外へと排出されていた。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】前述した図２に示す固
体高分子電解質燃料電池のセパレータ（配流板）の流路
形状には、以下のような問題がある。

【０００８】（１） 燃料をセパレータに流した場合、
触媒電極（アノード極）０２上で発生した水素イオンと
共に、電解質０１中をＨ⁺ ・ｘＨ₂ Ｏとして、触媒電極
（カソード電極）０３側へ共に移動してきた燃料中の加
湿水分は、この水素イオンにより触媒電極（カソード
極）０３上で生成された反応水と共に、蒸気あるいは、
一部は液体のまま、酸化剤が流れる流体流路溝０１５内
に排出されるような形態となる。

【０００９】この時、燃料の流れる流体流路溝０１５の
上流部側では、燃料中の加湿水分量はまだ十分に確保さ
れており、電解質中を移動して酸化剤側に排出されるに
十分な加湿水分量は燃料中に保持されている、すなわち
電解質を十分な保水状態に維持することが可能なわけで
あるが、燃料の流れる流体流路溝０１５の下流部側で
は、燃料中の加湿水分の酸化剤側への移動・透過により
徐々に加湿水分量が不足する、すなわち上流部側に対し
乾燥気味になってくる、という問題がある。

【００１０】この結果、流体流路溝０１５の下流部側に
おいて、電解質中の導電性低下を招き、燃料電池の出力
の低下の原因となっている。

【００１１】（２） また、図２に示すような流体流路
形状を持つセパレータ０８に酸化剤を流した場合、電池
反応に伴って発生する生成水及び水素イオンと共に触媒
電極（アノード極）０２より触媒電極（カソード極）０
３へ移動する移動水が、酸化剤が流れる流体流路溝０１
５の下流部へ向かうほど、その酸化剤雰囲気中の水蒸気
分圧が上昇するため、蒸気となってガス拡散排出されに
くくなるという問題がある。

【００１２】さらに、一部が液体化または液滴化した生
成水や移動水が、多孔質のカーボン電極（カソード極）
０５中に詰まり、そのカーボン電極０５中でのガス拡散
が阻害されやすいという状況を招いている。このため、
安定な電池反応が行われにくい状況が発生していた。

【００１３】本発明は上記問題に鑑み、電解質を十分な
保水状態に維持して該電解質の導電性の維持、即ち燃料
電池出力の安定化を図ることが出来る固体高分子電解質
燃料電池用ガスセパレータを提供することを目的とす
る。

【００１４】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決する本発
明に係る固体高分子電解質燃料電池用セパレータは、燃
料電池の固体高分子電解質膜へ燃料ガス又は酸化剤ガス
を供給するためのガス用のセパレータにおいて、燃料ま
たは酸化剤を分配・供給するマニホールドから残存燃料
または残存酸化剤を集合させるマニホールドに連通する
燃料または酸化剤が流れる流路を、少なくとも一往復半
連続する屈曲した流路とすると共に、該流路が複数本設
けられていることを特徴とする。

【００１５】

【作用】燃料または酸化剤が流れるセパレータの流路
を、燃料または酸化剤の分配・供給されるマニホールド
側から残存燃料または残存酸化剤を集合させるマニホー
ルド側に向かい、一流路が連続して少なくとも一往復半
した流路を形成した結果、以下のような作用を奏する。 （１）燃料の流れる流路で、特に、下流部側での電解質
の加湿水分不足の状況が、加湿水分を十分にまだ保有し
ている燃料の流れる隣接する屈曲した流路の上流部から
の加湿水分により補われる状況となるため、電解質の全
面に亙ってほぼ均一に該電解質を十分な保水状態に維持
することが可能となる。 （２）流路の往復化により該流路を流れる酸化剤の流速
が増大し、この結果、特に、酸化剤雰囲気中の水蒸気分
圧の高い下流部側において、電池反応に伴って発生する
生成水、及び水素イオンと共に触媒電極（アノード電
極）より触媒電極（カソード電極）へ移動する移動水の
酸化剤中への蒸発、ガス拡散が促進される。 （３）液体化または液滴化した多孔質なカーボン電極
（カソード極）中の生成水や，移動水の酸化剤中への排
出も促進され、カーボン電極（カソード極）中への酸化
剤のガス拡散も促進される。

【００１６】

【実施例】以下、本発明を実施例に基づいて説明する。

【００１７】図１には実施例に係る固体高分子電解質燃
料電池のガスセパレータの流路形状の概略図である。図
１に示すように、本実施例に係るガスセパレータ８は、
燃料または酸化剤が流れるセパレータの流体流路溝を、
燃料または酸化剤の分配・供給されるマニホード側から
残存燃料または残存酸化剤を集合させるマニホール側に
向かい一流路を連続して一往復半させ、その流路を４本
設けた実施例について説明する。

【００１８】燃料電池本体外より供給される燃料または
酸化剤は、流体導入孔９を通じて入口側流体マニホール
ド１１に導入される。この入口側流体マニホールド１１
に導入された燃料または酸化剤は、入口側流体連通孔１
３を通じてセパレータ８の裏面に設けられた流路として
の流体流路溝１５に分配されて流れるようになってい
る。前述した図３に示すような、電極接合体０６は、こ
の流体流路溝１５を持つセパレータ８面により両側から
挾持される形をとることになる。ここで、燃料または酸
化剤が導入される流体流路溝１５は、出口側流体マニホ
ールド１２の近傍で一度反転させ、再度入口側流体マニ
ホールド１１の近傍に導き、更にもう一度反転させて結
果として一往復半の連続する流路を形成した後、出口側
流体マニホールド１２に直結するようにしている。よっ
て、導入された燃料または酸化剤のガスの流れ１６は対
向して流体流路溝１５内を流れることとなる。

【００１９】本実施例ではこのような一往復半させた一
流路を、４本設けた例を示しており、前述した従来例を
示す、図２に示すような１２本の直線的な流路に比べ
て、供給流体流量が一定で、流体流路溝幅及び深さが一
定とした場合、その中の往復流体流速は３倍になること
となる。同様にして、流体流路溝１５中の流体流速は流
路の屈曲回数及びその一流路の本数により、任意に選定
できる。なお、本実施例では流体流路溝１５は一往復半
させたものを用いたが、本発明はこれに限定されず、屈
曲回数を増すようにしてもよい。

【００２０】電池反応に利用されずに残った残存燃料ま
たは残存酸化剤は、出口側流体連通孔１４を通じて、再
度セパレータ８の裏面の出口側マニホールド１２に集め
られ、流体は流体排出孔１０を通じて燃料電池本体外へ
排出される。

【００２１】この結果、本実施例によれば以下の作用・
効果を奏する。

【００２２】（１）燃料の流れる流体流路溝の特に下流
部側での電解質の加湿水分不足の状況が、加湿水分を十
分にまだ保有している燃料の流れる隣接する流体流路溝
１５の上流部からの加湿水分により補われるため、電解
質の全面に亙ってほぼ均一に該電界質を十分な保水状態
に維持することが可能となり、この結果、電解質の導電
性の維持、すなわち燃料電池の出力の安定化を図ること
が出来る。 （２）流体流路溝の往復化により、流体流路溝１５を流
れる酸化剤の流速が増大し、それにより、特に、酸化剤
中の水蒸気分圧の高い下流部側においても、電池反応に
伴って発生する生成水及び水素イオンと共に触媒電極
（アノード極）より触媒電極（カソード極）へ移動する
移動水の酸化剤中への蒸発、ガス拡散が促進されると共
に、液体化または液滴化した多孔質カーボン電極（カソ
ード極）中の生成水や移動水の酸化剤中への排出も促進
される。これらにより、カーボン電極（カソード極）中
への酸化剤のガス拡散も促進され、安定した電池反応を
持続することが可能となり、燃料電池出力の安定化を図
ることが可能となる。

【００２３】

【発明の効果】以上述べたように、本発明に係るガスセ
パレータによれば、以下の効果を奏する。

【００２４】（１）水分がまだ十分に保有している燃料
または酸化剤の流れる隣接する流路上流部からの加湿水
分により補われるため、電解質の全面に亙ってほぼ均一
に該電界質を十分な保水状態に維持することが可能とな
り、この結果、電解質の導電性の維持、すなわち燃料電
池の出力の安定化を図ることが出来る。

【００２５】（２）流路の往復化により、該流路を流れ
る酸化剤の流速が増大し、特に、酸化剤中の水蒸気分圧
の高い下流部側においても、電池反応に伴って発生する
生成水及び水素イオンと共に触媒電極であるアノード極
よりカソード極へ移動する移動水の酸化剤中への蒸発や
ガス拡散が促進されると共に、多孔質なカーボン電極
（カソード極）中の液体化等した生成水や移動水の酸化
剤中への排出も促進される。これらにより、カーボン電
極（カソード極）中への酸化剤のガス拡散も促進され、
安定した電池反応を持続することが可能となり、燃料電
池出力の安定化を図ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施例に係る固体高分子電解質燃料電池のガ
スセパレータの流路形状の概略図である。

【図２】従来技術に係る固体高分子電解質燃料電池のガ
スセパレータの流路形状の概略図である。

【図３】固体高分子電解質燃料電池の発電原理図であ
る。

【符号の説明】

８ セパレータ ９ 流体導入孔 １０ 流体排出孔 １１ 入口側流体マニホールド １２ 出口側流体マニホールド １３ 入口側流体連通孔 １４ 出口側流体連通孔 １５ 流体流路溝

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃料電池の固体高分子電解質膜へ燃料ガ
   ス又は酸化剤ガスを供給するためのガス用のセパレータ
   において、燃料または酸化剤を分配・供給するマニホー
   ルドから残存燃料または残存酸化剤を集合させるマニホ
   ールドに連通する燃料または酸化剤が流れる流路を少な
   くとも一往復半連続する屈曲した流路とすると共に、該
   流路が複数本設けられていることを特徴とする固体高分
   子電解質燃料電池用ガスセパレータ。