JPH10106594A - 燃料電池のガス通路板 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 燃料電池のセル間に介装するガス通路板のガ
ス通路の改善によりガス利用効率及び出力性能の向上を
図る。 【解決手段】 ガス拡散電極との間に形成するガス通流
溝が、供給ガスの入口側通流溝１６Ａ及び出口側通流溝
１６Ｂを格子状とし、かつ、該入口側通流溝１６Ａ及び
出口側通流溝１６Ｂとを連通する中間通流溝１８を複数
回の折返し形状で複数本の独立通路群１８Ａ〜１８Ｅ及
び該独立通路群同士の折返し部を格子状溝１７Ａ〜１７
Ｄとした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、固体高分子電解質
型燃料電池のガス通路板に関する。

【０００２】

【従来の技術】この種の燃料電池の構造は、イオン導電
性が付与された固体高分子電解質膜（以下、固体電解質
膜という）の両主面に触媒を担持したガス拡散電極をそ
れぞれ重ね合わせて発電セルとしている。この発電セル
を直列に接続して所定の電圧を得るため、発電セル間に
セパレータを介在させ発電セルを複数個積層してスタッ
ク化する。この場合セパレータに導電性を持たせてその
両側の２個の拡散電極の集電電極としての機能を持たせ
ている。

【０００３】セパレータの両側にそれぞれ燃料ガス及び
酸化ガスを供給してそれぞれのガス拡散電極に燃料ガス
及び酸化ガスを供給すると、固体高分子膜でのイオン導
電と各ガス拡散電極の化学反応が進行して一対のガス拡
散電極間に電圧が発生し、集電電極の機能を持つ両端側
の一対のセパレータを介して外部回路に給電する。この
発電に当たり、供給ガスをいかに均等にガス拡散電極の
電極面に供給するかで、ガス利用率が決り、発電効率及
び出力性能に直接影響する。

【０００４】しかし、ガス拡散電極の全面に供給ガスが
供給されるようにすると、セパレータとガス拡散電極と
の接触面積が無くなり、発生した電流の効率的な集電や
ガス拡散電極で発生する熱の除去が難しくなる。このた
め、セパレータとガス拡散電極の境界部分に、供給ガス
の通流方向を規制する通流溝が設けられ、セパレータと
ガス拡散電極とのある割合の接触面積を確保している。
通常、上記通流溝部は、セパレータ側に形成されるの
で、以下、本明細書ではセパレータをガス通路板と呼
び、セパレータが複数枚の部分で形成される場合も含
め、全てガス通路板と称する。

【０００５】ところで、上記燃料電池では、固体電解質
膜のイオン導電性を十分に発揮させて発電効率を高く維
持するために、供給ガス（燃料ガス及び酸化ガス）を加
湿して、供給ガス中の水蒸気濃度を高めている。また、
固体高分子電解質型燃料電池は、水素と酸素から水を生
成する電気化学反応のエネルギーを電気量に変換するも
のであるため、カソード側において水が生成する（膜の
種類によってはアノード側にある種の液体が生成す
る）。

【０００６】このため、上記供給ガスの通流溝には、反
応上生成される水が下流側、特に出口側に多量に含有
し、液体状態となってガス通流溝を塞いでしまうおそれ
がある（フラッディング）。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】このような反応生成水
による供給ガスの停滞を未然に回避するため従来より種
々のガス通流溝が工夫されている（特開平６−２１５７
８０号公報、特開平６−９６７８１号公報及び特開平６
−８６７３０号公報等）が、これらの公報に開示された
ガス通流溝は、大別してガス通路板と電極と接触面が一
様に点在してガス通路としては格子状となる形態、通路
と接触面とがストライプ状となる形態及び入口から出口
まで１本の通路とする形態がある。

【０００８】これらの溝形態は、いずれも一長一短があ
り、格子状の形態では、フラッディングに達するような
水溜まりは生じないが、積極的なガス拡散形状、排水形
状とはなっていない。ストライプ状は構造が簡単の反
面、ガスの供給及び排水性に問題があり、通流溝を１本
化する１本道形態では、ガスの流速が得られて拡散性が
良好である反面、圧損（流路抵抗）が増えてガス供給装
置側の元圧を高くする必要があり、システムにおける電
力収支は必ずしも向上しない。

【０００９】本発明は上記従来技術の問題点に鑑みてな
されたもので、ガス拡散性と出力性能の向上が可能で、
ガス供給装置側に負担をかけないガス通流技術を提供す
ることを解決すべき課題とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】

（構成）上記課題を解決するため、本発明は、入口側及
び出力側には格子状の通流溝を形成し、該格子状の各通
流溝間をストライプ状の複数の独立通路群からなる中間
通流溝で連通することにより、問題が解決できることを
確認した。

【００１１】すなわち、本発明の燃料電池のガス通路板
は、固体電解質膜を挟持する一対のガス拡散電極の該固
体電解質膜と背向する一対の該ガス拡散電極の面に燃料
ガスまたは酸化ガスからなる供給ガスをそれぞれの入口
側から出口側に導く通流溝が形成された一対のガス通路
板であって、少なくとも一方の前記ガス通路板の前記通
流溝は、該入口側に位置する入口側通流溝部と該出口側
に位置する出口側通流溝部とそれらの間に位置する中間
通流溝部とからなり、該入口側通流溝部及び該出口側通
流溝部は格子状溝となり、該中間溝部はその少なくとも
一部が複数本の平行に走る独立通路溝となっていること
を特徴とする。

【００１２】（作用）本発明の燃料電池のガス通路板に
よれば、供給ガスの入口側通流溝部及び出口側通流溝部
が格子状をなすため、電極へのガスの接触面積が広くな
ると共に、ガスが自由に移動でき、時間的に速く電極と
接触する。従って、入口側通流溝部では供給ガスと電極
との接触効率（面積的に広く及び時間的に速く接触）が
高く入口側におけるガス拡散性の損失を回避し得る。ま
た、出口側通流溝部では、入口側と同様のガス拡散性の
損失を回避し、かつ通路断面積が広くなるため排水性を
確保してフラッディングを防止することができる。

【００１３】また、入口側通流溝部と出力側通流溝部と
を連通する中間通流溝部は、少なくともその一部が複数
本の独立通路群にて形成され、１本道形態における圧損
の問題を解決しつつ、各独立通路ではガス流速が速まる
ため、優れたガス拡散性を確保することができる。更
に、中間通流溝部のガス流速が速いことは、出力側通流
溝部へガスを圧送でき、排水性の向上に寄与する。

【００１４】

【発明の実施の形態】本発明の燃料電池の少なくとも一
方のガス通路板の通流溝は、入口側に位置する入口側通
流溝部と出口側に位置する出口側通流溝部とそれらの間
に位置する中間通流溝部とからなり、該入口側通流溝部
及び該出口側通流溝部は格子状溝となり、該中間通流溝
部はその少なくとも一部が複数本の平行に走る独立通路
溝となっている。そして、入口側通流溝部及び出力側通
流溝部は、ガス通路板の各外縁に形成された入口マニホ
ールド及び出力マニホールドに連通している。

【００１５】このような構成のガス通路板によれば、入
口側通流溝部に導入されたガスは、格子状溝のため自由
に移動し時間的に速く電極と接触してガス拡散性を高め
る。また、中間通流溝部の幅と隣接する溝の間の間隔を
同じとすれば、面積的な接触効率も高くなる。中間通流
溝部は、その独立通路群によってガスの移動方向を画一
的に規制し、ガスがムラなく流れて排水性を高め、か
つ、流速が速くなるのでガス利用効率も向上する。更に
ガス通路が複数本化されているため、圧損も低減され
る。

【００１６】出口側通流溝部には、流速の速いガスが導
入され、格子形状による排水性の良好性と相まって水の
停滞を防止する効果が高くなる。また、入口側通流溝部
と同様に時間的および面積的なガス接触効率を高める。
本発明の燃料電池のガス通路板は、その中間通流溝部を
複数回折返し直線部と曲線部とで形成してもよい。そし
て曲線部を格子状溝とすることにより曲線部でのガス拡
散性を維持したまま圧損（流路抵抗）を低減させること
ができる。

【００１７】中間通流溝は、出口側通流溝部に近い側
程、総通路断面積が狭められていることが好ましい。こ
れにより、出口側（下流側）に近い程、早い流速が得ら
れてガス拡散性と排水性を良好にする。

【００１８】

【実施例】本発明の燃料電池のガス通路板を図面を参照
して具体的に説明する。 （第１の実施例）本発明が適用される燃料電池のガス通
路板１１は、図１および図２に示すように、固体電解質
膜１（図２）を挟持するように該固体電解質膜１に接合
されたガス拡散電極２、２（図２）の面にそれぞれ圧接
されるものである。この実施例では、各ガス通路板１１
は、ガス拡散電極２,２の面に沿ってガスを導く通流溝
６ａが形成された溝部材６と、該溝部材６のそれぞれの
外側の面に該溝部材６を該ガス拡散電極２、２に押付け
るそれぞれ金属セパレータ対３、３（図２）とから構成
されている。金属セパレータ対３、３の外周囲にはガス
ケット５ａが付着されている。これら固体電解質膜１、
一対のガス拡散電極２，２、ガス通路板１１によって一
つの発電セルが構成される。

【００１９】図１は図２のＣ−Ｃ線より外側を見た例え
ば酸化ガス側のガス通路板１１を示す。該ガス通路板１
１の溝部材６は、ガス拡散電極２に対応した方形状でガ
ス不透過性と導電性を有する、カーボン若しくは金属よ
り構成される。該ガス通路板１１は、前記金属セパレー
タ３，３の外縁に形成された入口マニホールド１２およ
び出口マニホールド１３より内域に位置し、該入口マニ
ホールド１２から酸化ガスが流入され、通流溝１１ａを
経た酸化ガスを出口マニホールド１３より導出する。燃
料ガスのガス通路板１１も酸化ガスの入口マニホールド
１２および出口マニホールド１３と互違いの位置に形成
された入口マニホールド１４及び出力マニホールド１５
より燃料ガスの流入と導出が行われる。酸化ガスの入口
マニホールド１２および出口マニホールド１３と燃料ガ
スの入口マニホールド１４および出力マニホールド１５
は、ガスケット５ａ（図２）面に接着されたビード５に
よって独立のガス通路とされ、かつ気密性が保持され
る。なお、ガス通路板１１の外縁部には、冷却水の通路
１３もの各マニホールドを避けて形成される。

【００２０】上記通流溝１１ａは、入口マニホールド１
４に直接に連通した入口側通流溝１６Ａと、上記出口マ
ニホールド１５に直接に連通した出口側通流溝１６Ｂ
と、上記入口側通流溝１６Ａ及び出口側通流溝１６Ｂと
を連通した中間通流溝１８とから構成されている。入口
側通流溝１６Ａと出口側通流溝１６Ｂとは格子状に形成
され、中間通流溝１８は、複数回折返した曲折形態に形
成され、複数本の直線状に延びる独立通路群１８Ａ〜１
８Ｅと、折返し部に形成された格子状溝１７Ａ〜１７Ｄ
とから構成されている。すなわち、入口側通流溝１６Ａ
と出口側通流溝１６Ｂは、縦横に整列して形成された孤
立突起ａ以外の領域がガス通流溝であり、独立通路群１
８Ａ〜１８Ｅは長延突起ｂ以外の領域がガス通流溝であ
る。また、折返し部の格子状溝１７Ａ〜１７Ｄは、孤立
突起ｄ以外の領域がガス通流溝である。

【００２１】また、上記入口側通流溝１６Ａの横幅Ａと
全体横幅Ｂとの比は、１：５〜６に設定されることが好
ましい。上記実施例において、入口マニホールド１２か
らの一方の供給ガスは、比較的抵抗無く入口側通流溝１
６Ａに入る。これは入口側通流溝１６Ａが格子溝のため
であり、供給ガスはガス供給装置の元圧により自由に格
子溝内を移動して短時間で電極と接触する。また、格子
溝は、後に続く中間通流溝１８における独立通路群１８
Ａと溝幅を一致させた場合、電極との接触面積が多くな
る。これにより、入口側における電極使用率（ガス接触
効率）が向上する。

【００２２】なお、上記入口側通流溝１６Ａの横幅Ａと
全体横幅Ｂとの比を１：５〜６にすると、最も電極使用
率が向上することが確認された。折返し部の横幅や出口
側通流溝１６Ｂの横幅の比も同様にしてもよい。中間通
流溝１８では、独立通路群１８Ａ〜１８Ｅが主体となっ
てガスを高速でムラなく通流させガス利用効率を向上す
るとともに、ガス通路の複数本化により圧損を低減して
いる。折返し部１７Ａ〜１７Ｄは、独立通路群１８Ａ〜
１８Ｅでの流路抵抗を更に低減して、独立通路群１８Ａ
〜１８Ｅでのガス拡散性を維持させる効果がある。

【００２３】出口側通流溝１６Ｂにおいては、最終の独
立通路群１８Ｅからの流速の速いガスで停滞する水を排
水するとともに、入口側通流溝１６Ａと同様に通路断面
積と時間の点よりガス拡散性を向上する。 （第２実施例）図３は本発明の第２実施例に係る燃料電
池のガス通路板の溝部材６′を示す。図３に示すよう
に、この実施例の燃料電池のガス通路板は、中間通流溝
２１における独立通路群２１Ａ〜２１Ｅの総通路断面積
を、出口側通流溝２２Ｂに近い側程、狭めたものであ
る。具体的には、独立通路群２１Ａ〜２１Ｅの一本一本
の通路断面積は同じであるが、本数を出口側通流溝２２
Ｂに近い側程、減じている。すなわち、図３おいて、入
口側通路溝２２Ａと最初の折返し部の格子状溝２３Ａと
を連通した独立通路群２１Ａの各通路の本数をｎ本とす
ると、格子状溝２３Ａと二番目の格子状溝２３Ｂとを連
通した独立通路群２１Ｂはｎ−１本の通路から構成され
ている。同様に、格子状溝２３Ｂと三番目の格子状溝２
３Ｃとを連通した独立通路群２１Ｃはｎ−２本の通路か
ら構成され、以下同様に、最終の格子状溝２３Ｄと出口
側通流溝２２Ｂとを連通した独立通路溝２１Ｅはｎ−５
本の通路から構成されている。

【００２４】このように中間通流溝２１を通るガス通路
の本通を下流側程、減じることにより、第１実施例のよ
うに通路本数が同じの場合に比し、出口側通流溝２２Ｂ
に導出されるガスの流速を増大でき、圧損の増大を招か
ずに所定ガス量での一層の排水性が実現する。次に上記
各実施例において、図４或は図５に示すように、出口側
通流溝１３が出口マニホールド１３に隣接する部分（図
１で符号８に示す部分）に、出口側通流溝１３と同じ格
子溝でなく、ガスが出口マニホールド１３に向く方向に
若干長いストライプ溝を形成するリブ群１９或は２０を
形成することで、出口マニホールド１３へのガスの流れ
が良好となり、より排水性も向上する。図５のリブ２０
はガスの流れ対向面に分割斜面２０Ａが形成されること
を特徴とする。

【００２５】同様のリブは、入口側通流溝１６Ａにも形
成することができる。また、ガス通路板は金属セパレー
タと一体の物としても製作されてもよい。

【００２６】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、特に
出口側における排水性及び全体のガス拡散性に優れたガ
ス通流形状で、高いガス利用率と通路抵抗の低減を実現
し、出力性能を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第１実施例に係る燃料電池のガス通
路板を示す平面図である。

【図２】 本発明を適用する燃料電池全体の断面図であ
る。

【図３】 本発明の第２実施例に係る燃料電池のガス通
路板を示す平面図である。

【図４】 本発明における入口側通流溝若しくは出口側
通流溝の変形例を示す説明図である。

【図５】 本発明における入口側通流溝若しくは出口側
通流溝の他の変形例を示す説明図である。

【符号の説明】

１１はガス通路板、１２入口マニホールド、１３は出口
マニホールド、１６Ａ、２２Ａは入口側通流溝、１６
Ｂ、２２Ｂは出口側通流溝、１８、２１は中間通流溝、
１８Ａ〜１８Ｅ、２１Ａ〜２１Ｅは独立通路群、１７Ａ
〜１７Ｄ、２３Ａ〜２３Ｄは折返し部の格子状溝であ
り、各部において同一要素には共通符号を付している。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 固体電解質膜を挟持する一対のガス拡散
   電極の該固体電解質膜と背向する一対の該ガス拡散電極
   の面に燃料ガスまたは酸化ガスからなる供給ガスをそれ
   ぞれの入口側から出口側に導く通流溝が形成された一対
   のガス通路板であって、 少なくとも一方の前記ガス通路板の前記通流溝は、該入
   口側に位置する入口側通流溝部と該出口側に位置する出
   口側通流溝部とそれらの間に位置する中間通流溝部とか
   らなり、該入口側通流溝部及び該出口側通流溝部は格子
   状溝となり、該中間溝部はその少なくとも一部が複数本
   の平行に走る独立通路溝となっていることを特徴とする
   燃料電池のガス通路板。
2. 【請求項２】 前記中間通流溝部は、一端側から他端側
   に延びる直線部分と各端側で折り返す曲線部とからなっ
   ていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池のガス
   通路板。
3. 【請求項３】 前記中間通流溝部の直線部分は前記独立
   通路溝となり、前記曲線部は格子状溝となっていること
   を特徴とする請求項２のいずれか一つに記載の燃料電池
   のガス通路板。
4. 【請求項４】 前記中間通流溝は、出口側通流溝部に近
   い側程、総通路断面積が狭められている請求項１記載の
   燃料電池のガス通路板。