JPH11176457A - 固体高分子電解質型燃料電池 - Google Patents
固体高分子電解質型燃料電池Info
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- JPH11176457A JPH11176457A JP9354048A JP35404897A JPH11176457A JP H11176457 A JPH11176457 A JP H11176457A JP 9354048 A JP9354048 A JP 9354048A JP 35404897 A JP35404897 A JP 35404897A JP H11176457 A JPH11176457 A JP H11176457A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 固体高分子電解質型燃料電池において、特に
そのカソード側電極に設けられるセパレータのガス流路
溝に水溜まりが生ずることを防止し、水溜まりによる電
池出力の不安定化や低下を防止することを目的とする。 【構成】 固体高分子電解質膜と、該固体高分子電解質
膜の両側に接合される電極（３）と、これら電極の外側
に各々接合されて各電極に燃料ガスまたは酸化剤ガスを
供給するための反応ガス流路溝が電極との接合面に設け
られたセパレータ（１）を有する固体高分子電解質型燃
料電地（３０）において、少なくともカソード側のセパ
レータ面に形成される反応ガス流路溝が、酸化ガス導入
側から酸化ガス排出側に向けて延長する所定間隔の縦溝
１１と、該縦溝と略直交方向に延長する所定間隔の横溝
１２とからなり、且つ、該セパレータの最下流部におい
ては溝間のリブ面１４が低く設けられていて縦溝同士を
連続させる連続空間１５が形成されることを特徴とす
る。
そのカソード側電極に設けられるセパレータのガス流路
溝に水溜まりが生ずることを防止し、水溜まりによる電
池出力の不安定化や低下を防止することを目的とする。 【構成】 固体高分子電解質膜と、該固体高分子電解質
膜の両側に接合される電極（３）と、これら電極の外側
に各々接合されて各電極に燃料ガスまたは酸化剤ガスを
供給するための反応ガス流路溝が電極との接合面に設け
られたセパレータ（１）を有する固体高分子電解質型燃
料電地（３０）において、少なくともカソード側のセパ
レータ面に形成される反応ガス流路溝が、酸化ガス導入
側から酸化ガス排出側に向けて延長する所定間隔の縦溝
１１と、該縦溝と略直交方向に延長する所定間隔の横溝
１２とからなり、且つ、該セパレータの最下流部におい
ては溝間のリブ面１４が低く設けられていて縦溝同士を
連続させる連続空間１５が形成されることを特徴とす
る。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は固体高分子電解質型
燃料電池に関し、特にそのカソード側の電極に設けられ
るセパレータにおいて特に好適な形状に関する。
燃料電池に関し、特にそのカソード側の電極に設けられ
るセパレータにおいて特に好適な形状に関する。
【０００２】
【従来の技術】固体高分子電解質型燃料電池は、分子中
にプロトン交換基を有する固体高分子電解質（たとえば
ナフィオン＝米国デュポン社製パーフロロカーボンスル
ホン酸塩の商品名）を飽和に含水させるとプロトン伝導
性電解質として機能する性質を利用した燃料電池であっ
て、比較的低温度域で作動し、発電効率も優れているた
め、電気自動車搭載用その他各種用途が見込まれてい
る。
にプロトン交換基を有する固体高分子電解質（たとえば
ナフィオン＝米国デュポン社製パーフロロカーボンスル
ホン酸塩の商品名）を飽和に含水させるとプロトン伝導
性電解質として機能する性質を利用した燃料電池であっ
て、比較的低温度域で作動し、発電効率も優れているた
め、電気自動車搭載用その他各種用途が見込まれてい
る。
【０００３】固体高分子電解質型燃料電池は、上記した
固体高分子電解質膜の両側に電極を接合し、さらに各電
極に反応ガス（燃料ガスまたは酸化剤ガス）を供給する
ための反応ガス流路溝を有するセパレータを該反応ガス
流路溝が電極側となるように両側より押圧積層して構成
される。
固体高分子電解質膜の両側に電極を接合し、さらに各電
極に反応ガス（燃料ガスまたは酸化剤ガス）を供給する
ための反応ガス流路溝を有するセパレータを該反応ガス
流路溝が電極側となるように両側より押圧積層して構成
される。
【０００４】各電極は、電解質膜に接する側に配される
触媒活物質を含む触媒層と、この触媒層を支持すると共
に反応ガスを供給および排出し、さらに集電体としての
機能をも果たす多孔質のガス拡散層とからなる。そし
て、一方の電極はセパレータの反応ガス流路溝を介して
燃料ガス（たとえば水素ガスまたは水素を高濃度に含む
ガス）の供給を受けるアノード極となって、他方の電極
はセパレータの反応ガス流路溝を介して酸化剤ガス（空
気または酸素）の供給を受けるカソード極となる。
触媒活物質を含む触媒層と、この触媒層を支持すると共
に反応ガスを供給および排出し、さらに集電体としての
機能をも果たす多孔質のガス拡散層とからなる。そし
て、一方の電極はセパレータの反応ガス流路溝を介して
燃料ガス（たとえば水素ガスまたは水素を高濃度に含む
ガス）の供給を受けるアノード極となって、他方の電極
はセパレータの反応ガス流路溝を介して酸化剤ガス（空
気または酸素）の供給を受けるカソード極となる。
【０００５】ところで、固体高分子電解質型燃料電池の
カソード極においては１／２Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ→Ｈ２Ｏ
の電気化学反応によって水が生成されるため、カソード
極に酸化剤ガスを供給・排出するセパレータ面上のガス
流路溝に水が凝結してしまい、ガス流路溝を閉塞してガ
スの流れを阻害し、電池出力を不安定化あるいは低下さ
せるという問題があった。
カソード極においては１／２Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ→Ｈ２Ｏ
の電気化学反応によって水が生成されるため、カソード
極に酸化剤ガスを供給・排出するセパレータ面上のガス
流路溝に水が凝結してしまい、ガス流路溝を閉塞してガ
スの流れを阻害し、電池出力を不安定化あるいは低下さ
せるという問題があった。
【０００６】この問題を解決する手段として、特開平６
−９６７８１号公報によれば、セパレータのガス流路溝
を断面円弧形状に形成することが提案されている。ま
た、特開平８−１３８６９６号公報によれば、カソード
側セパレータにおける酸化ガス流路溝をガス導入口から
ガス排出口に向けてその溝深さを漸次深くすることが提
案されている。
−９６７８１号公報によれば、セパレータのガス流路溝
を断面円弧形状に形成することが提案されている。ま
た、特開平８−１３８６９６号公報によれば、カソード
側セパレータにおける酸化ガス流路溝をガス導入口から
ガス排出口に向けてその溝深さを漸次深くすることが提
案されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前者の
従来技術はガス流路溝の途中で水が滞留することを防止
することを目的としているが、断面円弧形状とすること
がこの目的達成の上で有効であるとしても、ガス流路溝
の最下流部における水の滞留を防止することはできず、
これによる電池反応効率の低下を免れなかった。
従来技術はガス流路溝の途中で水が滞留することを防止
することを目的としているが、断面円弧形状とすること
がこの目的達成の上で有効であるとしても、ガス流路溝
の最下流部における水の滞留を防止することはできず、
これによる電池反応効率の低下を免れなかった。
【０００８】また、後者の従来技術は、ガス流露溝の最
下流部における深さが最大となり、この深さを許容する
に足る厚さをセパレータに持たせなければならず、燃料
電池を小型化する上でのネックとなり、特にできるだけ
コンパクト且つ軽量の燃料電池（スタック）とすること
が要求される車載用途においては大きな問題となるもの
であった。
下流部における深さが最大となり、この深さを許容する
に足る厚さをセパレータに持たせなければならず、燃料
電池を小型化する上でのネックとなり、特にできるだけ
コンパクト且つ軽量の燃料電池（スタック）とすること
が要求される車載用途においては大きな問題となるもの
であった。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記従来技術
に鑑み、セパレータのガス流路溝における水溜まりのメ
カニズムを解明した上でセパレータに最適形状を与え、
水溜まりによる電池出力の不安定化や低下を防止するこ
とを目的とする。
に鑑み、セパレータのガス流路溝における水溜まりのメ
カニズムを解明した上でセパレータに最適形状を与え、
水溜まりによる電池出力の不安定化や低下を防止するこ
とを目的とする。
【００１０】また、本発明は、セパレータの厚さを増す
ことなく、排水性に優れたセパレータ形状を与えること
を目的とする。
ことなく、排水性に優れたセパレータ形状を与えること
を目的とする。
【００１１】上記目的を達成するために創案された本発
明は下記を要旨とする。 （１）固体高分子電解質膜と、該固体高分子電解質膜の
両側に接合される電極と、これら電極の外側に各々接合
されて各電極に燃料ガスまたは酸化剤ガスを供給するた
めの反応ガス流路溝が電極との接合面に設けられたセパ
レータとを有する固体高分子電解質型燃料電地におい
て、少なくともカソード側のセパレータ面に形成される
反応ガス流路溝が、酸化ガス導入側から酸化ガス排出側
に向けて延長する所定間隔の縦溝と、該縦溝と略直交方
向に延長する所定間隔の横溝とからなり、且つ、該セパ
レータの最下流部においては溝間のリブ面が低く設けら
れていて縦溝同士を連続させる連続空間が形成されるこ
とを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池。 （２）セパレータの最下流部における低いリブ面が縦溝
の底面よりも高いことを特徴とする請求項１の固体高分
子電解質型燃料電池。 （３）横溝の幅が縦溝の幅より小さいことを特徴とする
請求項１の固体高分子電解質型燃料電池。 （４）横溝の幅が１．５ｍｍ以下であることを特徴とす
る請求項１の固体高分子電解質型燃料電池。 （５）低いリブ面が形成されたセパレータ最下流部が１
０ｍｍ以上の長さを有することを特徴とする請求項１の
固体高分子電解質型燃料電池。 （６）低いリブ面が形成されたセパレータ最下流部には
横溝が形成されないことを特徴とする請求項１の固体高
分子電解質型燃料電池。 （７）縦溝同士が連続された連続空間が所定角度傾斜し
て設けられることを特徴とする請求項１の固体高分子電
解質型燃料電池。 （８）セパレータ最下流部の少なくとも一方端部に所定
幅の排水部が設けられることを特徴とする請求項１の固
体高分子電解質型燃料電池。
明は下記を要旨とする。 （１）固体高分子電解質膜と、該固体高分子電解質膜の
両側に接合される電極と、これら電極の外側に各々接合
されて各電極に燃料ガスまたは酸化剤ガスを供給するた
めの反応ガス流路溝が電極との接合面に設けられたセパ
レータとを有する固体高分子電解質型燃料電地におい
て、少なくともカソード側のセパレータ面に形成される
反応ガス流路溝が、酸化ガス導入側から酸化ガス排出側
に向けて延長する所定間隔の縦溝と、該縦溝と略直交方
向に延長する所定間隔の横溝とからなり、且つ、該セパ
レータの最下流部においては溝間のリブ面が低く設けら
れていて縦溝同士を連続させる連続空間が形成されるこ
とを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池。 （２）セパレータの最下流部における低いリブ面が縦溝
の底面よりも高いことを特徴とする請求項１の固体高分
子電解質型燃料電池。 （３）横溝の幅が縦溝の幅より小さいことを特徴とする
請求項１の固体高分子電解質型燃料電池。 （４）横溝の幅が１．５ｍｍ以下であることを特徴とす
る請求項１の固体高分子電解質型燃料電池。 （５）低いリブ面が形成されたセパレータ最下流部が１
０ｍｍ以上の長さを有することを特徴とする請求項１の
固体高分子電解質型燃料電池。 （６）低いリブ面が形成されたセパレータ最下流部には
横溝が形成されないことを特徴とする請求項１の固体高
分子電解質型燃料電池。 （７）縦溝同士が連続された連続空間が所定角度傾斜し
て設けられることを特徴とする請求項１の固体高分子電
解質型燃料電池。 （８）セパレータ最下流部の少なくとも一方端部に所定
幅の排水部が設けられることを特徴とする請求項１の固
体高分子電解質型燃料電池。
【００１２】
【発明の実施の形態】本発明者らは、まず、固体高分子
電解質型燃料電池のセパレータにおける水溜まりのメカ
ニズムを解明するべく実験と研究を重ねた。まず、従来
品であるグラファイト製セパレータのガス流路溝を有す
る面に撥水処理したポリカーボネート板を載置し、これ
をガス流路溝が垂直となるように支持して、上方より水
を５cc以上供給して溝内における水溜まり状態を目視で
観察したところ、水は溝の途中では殆ど滞留せず、溝の
最下流部（最下端部）に溜まることが確認された。
電解質型燃料電池のセパレータにおける水溜まりのメカ
ニズムを解明するべく実験と研究を重ねた。まず、従来
品であるグラファイト製セパレータのガス流路溝を有す
る面に撥水処理したポリカーボネート板を載置し、これ
をガス流路溝が垂直となるように支持して、上方より水
を５cc以上供給して溝内における水溜まり状態を目視で
観察したところ、水は溝の途中では殆ど滞留せず、溝の
最下流部（最下端部）に溜まることが確認された。
【００１３】このメカニズムは以下の通りである。流路
溝の最下流部においてセパレータ１の流路溝の底面２と
電極３との間で図１に示されるように水４が溜まり、そ
の滞留高さ（ｈ）は次式で表される。
溝の最下流部においてセパレータ１の流路溝の底面２と
電極３との間で図１に示されるように水４が溜まり、そ
の滞留高さ（ｈ）は次式で表される。
【００１４】ｈ＝２γ／ρｇｄ ここで γ：水の表面張力（ｍＮ／ｍ） ρ：水の密度（ｋｇ／ｍ3） ｇ：重力加速度（ｍ／ｓ2） ｄ：流路溝底面と電極面間の距離（ｍ）である。
【００１５】この流路溝最下流部における滞留水の高さ
（ｈ）がたとえば１０ｍｍ以上になるとガス供給を阻害
し、燃料電池の電圧を低下させる原因となるので、これ
を積極的に排水させるための手段を講ずる必要があるこ
とが確認された。そしてこのための手段として、セパレ
ータの最下流部に流路溝よりも浅い横溝を連続して形成
することに想到した。これは、各流路溝の最下流部にお
いて図１のような状態で不連続であると排水効率が劣る
ため、このように溜まった水を最下流部で連続させて排
水性を向上させようとしたものである。
（ｈ）がたとえば１０ｍｍ以上になるとガス供給を阻害
し、燃料電池の電圧を低下させる原因となるので、これ
を積極的に排水させるための手段を講ずる必要があるこ
とが確認された。そしてこのための手段として、セパレ
ータの最下流部に流路溝よりも浅い横溝を連続して形成
することに想到した。これは、各流路溝の最下流部にお
いて図１のような状態で不連続であると排水効率が劣る
ため、このように溜まった水を最下流部で連続させて排
水性を向上させようとしたものである。
【００１６】また、従来のセパレータにおけるガス流路
溝はガス導入側からガス排出側に向けて一方向に延長す
るものが所定間隔で配されていたが、この場合、上記し
たように各流路溝の最下流部において水溜まりが生じて
ガスの流動を妨げるという問題があると共に、その反面
では、燃料電池の温度条件等によっては、カソード極に
おける生成水によって加湿された酸化剤ガスが流路溝内
で凝結せずにそのままの多湿状態でセパレータから排出
されてしまう傾向が見られた。これは水分の有効利用
（リサイクル）の観点から好ましくない。セパレータか
ら排出された後に冷却手段等を設けて排出ガスから水分
分離することも考えられるがコスト面で不利である。し
たがって、むしろガス流路溝を流れるガス中の過剰な水
分をその流動課程において積極的に凝結させて分離し、
これを円滑に最下流部に効率よく運搬させることができ
れば、前述した最下流部で水を連続させる横溝手段と相
俟って、排水性を顕著に向上させるものと期待される。
溝はガス導入側からガス排出側に向けて一方向に延長す
るものが所定間隔で配されていたが、この場合、上記し
たように各流路溝の最下流部において水溜まりが生じて
ガスの流動を妨げるという問題があると共に、その反面
では、燃料電池の温度条件等によっては、カソード極に
おける生成水によって加湿された酸化剤ガスが流路溝内
で凝結せずにそのままの多湿状態でセパレータから排出
されてしまう傾向が見られた。これは水分の有効利用
（リサイクル）の観点から好ましくない。セパレータか
ら排出された後に冷却手段等を設けて排出ガスから水分
分離することも考えられるがコスト面で不利である。し
たがって、むしろガス流路溝を流れるガス中の過剰な水
分をその流動課程において積極的に凝結させて分離し、
これを円滑に最下流部に効率よく運搬させることができ
れば、前述した最下流部で水を連続させる横溝手段と相
俟って、排水性を顕著に向上させるものと期待される。
【００１７】この観点より、ガス導入側からガス排出側
に向けて所定間隔で延長するガス流路溝（以下便宜上
「縦溝」という）に加えて、その途中の一または複数の
任意箇所においてこれら縦溝を横切って略直交方向に延
長する横溝を形成することに想到した。
に向けて所定間隔で延長するガス流路溝（以下便宜上
「縦溝」という）に加えて、その途中の一または複数の
任意箇所においてこれら縦溝を横切って略直交方向に延
長する横溝を形成することに想到した。
【００１８】すなわち、図２に示されるように、多湿状
態の酸化剤ガスが縦溝４を通って流下する途中で横溝５
との交点にさしかかると、ここが水凝縮ポイントとなっ
てガス中の過剰水分が凝縮し、電極面と密接しているリ
ブ６の下端に水滴７となって生成される。ここで横溝５
の溝幅を縦溝４の溝幅との関連において適正な寸法に設
定することにより、リブ６の下端にある水滴７がある程
度まで成長したときにその先端が次のリブ６’の上端に
接触するので、その後はリブ６’の側面（縦溝１の溝内
側面）を伝って落下する。落下した水はリブ６’の下端
で水滴７’となり、またここが水凝縮ポイントとなって
新たな水の凝縮が生じて水滴７’をさらに成長させる。
このようにしてガス中の水分を積極的に凝縮させ、且
つ、その生成水を最下流部に向けて円滑に流下させるこ
とができる。
態の酸化剤ガスが縦溝４を通って流下する途中で横溝５
との交点にさしかかると、ここが水凝縮ポイントとなっ
てガス中の過剰水分が凝縮し、電極面と密接しているリ
ブ６の下端に水滴７となって生成される。ここで横溝５
の溝幅を縦溝４の溝幅との関連において適正な寸法に設
定することにより、リブ６の下端にある水滴７がある程
度まで成長したときにその先端が次のリブ６’の上端に
接触するので、その後はリブ６’の側面（縦溝１の溝内
側面）を伝って落下する。落下した水はリブ６’の下端
で水滴７’となり、またここが水凝縮ポイントとなって
新たな水の凝縮が生じて水滴７’をさらに成長させる。
このようにしてガス中の水分を積極的に凝縮させ、且
つ、その生成水を最下流部に向けて円滑に流下させるこ
とができる。
【００１９】以上の推論を確認するために、図３および
図４に示される形状のセパレータを試作して、前記と同
様の条件にて水溜まり状態の試験を行った。このセパレ
ータ１０は、厚さ５ｍｍのグラファイト板の片面にガス
導入側からガス排出側に向けて２ｍｍ間隔で溝幅２ｍ
ｍ、深さ１．５ｍｍの縦溝１１を複数刻設すると共に、
その中央領域において縦溝１１と直交する横溝１２を縦
溝１１と同じ深さ１．５ｍｍで、その溝幅を１ｍｍ、
１．５ｍｍ、２ｍｍ、２．５ｍｍおよび３ｍｍと変えて
５本刻設形成し、且つ、これら縦溝１１および横溝１２
が形成されないリブ１３のガス排出側領域のみを他のリ
ブ表面よりも１ｍｍ低く設けて製作したものである。
図４に示される形状のセパレータを試作して、前記と同
様の条件にて水溜まり状態の試験を行った。このセパレ
ータ１０は、厚さ５ｍｍのグラファイト板の片面にガス
導入側からガス排出側に向けて２ｍｍ間隔で溝幅２ｍ
ｍ、深さ１．５ｍｍの縦溝１１を複数刻設すると共に、
その中央領域において縦溝１１と直交する横溝１２を縦
溝１１と同じ深さ１．５ｍｍで、その溝幅を１ｍｍ、
１．５ｍｍ、２ｍｍ、２．５ｍｍおよび３ｍｍと変えて
５本刻設形成し、且つ、これら縦溝１１および横溝１２
が形成されないリブ１３のガス排出側領域のみを他のリ
ブ表面よりも１ｍｍ低く設けて製作したものである。
【００２０】このセパレータ１０の縦溝１１および横溝
１２を有する面に撥水処理したポリカーボネート板を載
置し、これを縦溝１１が垂直となるように支持して、上
方より水を５cc以上供給して溝内における水溜まり状態
を目視で観察した結果、縦溝１１の途中では水の滞留は
認められず、低いリブ面１４を有する最下流部において
水が連続体となって溜まっている状態が確認された。こ
の水溜まりの状態は、最下流部においてもリブ面が低く
形成されていないため各ガス流路溝（縦溝）の排出口近
辺で水が分断された状態で溜まっていた従来品とは全く
異なるものであった。換言すれば、本発明の技術思想を
確認するために試作したセパレータ１０にあっては、各
縦溝１１内を通って落下した水がその最下流部において
低いリブ面１４によって形成された連続空間１５内を自
由に流動して連続体となり、水の流動性すなわち排出性
を高めることが確認された。また、最下流部のリブ面を
低く形成することによって従来品にはない空間１５が形
成され、縦溝１１の幅や深さが同一であってもより多く
の水を溜めておくことができるものであった。
１２を有する面に撥水処理したポリカーボネート板を載
置し、これを縦溝１１が垂直となるように支持して、上
方より水を５cc以上供給して溝内における水溜まり状態
を目視で観察した結果、縦溝１１の途中では水の滞留は
認められず、低いリブ面１４を有する最下流部において
水が連続体となって溜まっている状態が確認された。こ
の水溜まりの状態は、最下流部においてもリブ面が低く
形成されていないため各ガス流路溝（縦溝）の排出口近
辺で水が分断された状態で溜まっていた従来品とは全く
異なるものであった。換言すれば、本発明の技術思想を
確認するために試作したセパレータ１０にあっては、各
縦溝１１内を通って落下した水がその最下流部において
低いリブ面１４によって形成された連続空間１５内を自
由に流動して連続体となり、水の流動性すなわち排出性
を高めることが確認された。また、最下流部のリブ面を
低く形成することによって従来品にはない空間１５が形
成され、縦溝１１の幅や深さが同一であってもより多く
の水を溜めておくことができるものであった。
【００２１】図５はこのセパレータ１０の最下流部にお
ける水の落下状態および滞留状態を模式的に示す図であ
り、縦溝１１を通る間に凝結した水分は水滴１６の状態
でリブ１３の側面（縦溝１１の溝内側面）を伝って落下
するが、低いリブ面１４を有する最下流部に達すると隣
接する水滴１６同士が連続して水溜まり１７となる。こ
の水溜まり１７は水の連続体であるので、セパレータ１
０を（たとえば４５度の傾斜角度に）傾けることによ
り、あるいは当初から傾けた状態に設置することによ
り、簡単に排出することができる。
ける水の落下状態および滞留状態を模式的に示す図であ
り、縦溝１１を通る間に凝結した水分は水滴１６の状態
でリブ１３の側面（縦溝１１の溝内側面）を伝って落下
するが、低いリブ面１４を有する最下流部に達すると隣
接する水滴１６同士が連続して水溜まり１７となる。こ
の水溜まり１７は水の連続体であるので、セパレータ１
０を（たとえば４５度の傾斜角度に）傾けることによ
り、あるいは当初から傾けた状態に設置することによ
り、簡単に排出することができる。
【００２２】また、横溝１２の幅については、縦溝１１
の幅と同等あるいはそれ以上であると前述の水凝縮ポイ
ントとしての作用が損なわれ、また下流に向けて順次水
を落下させることが困難となるため、縦溝１１の溝幅が
２ｍｍである場合には、横溝１２の幅は１．５ｍｍ以
下、好ましくは１ｍｍ以下とすることが望ましいことが
判明した。
の幅と同等あるいはそれ以上であると前述の水凝縮ポイ
ントとしての作用が損なわれ、また下流に向けて順次水
を落下させることが困難となるため、縦溝１１の溝幅が
２ｍｍである場合には、横溝１２の幅は１．５ｍｍ以
下、好ましくは１ｍｍ以下とすることが望ましいことが
判明した。
【００２３】以上の試験結果より、従来の縦溝に加えて
適当な間隔で横溝を交差状に形成することにより酸化剤
ガス中の水分を積極的に凝縮させ、且つこれをガス排出
側に向けて円滑に移動させることができ、さらにガス排
出側となる最下流部において縦溝間のリブ表面を低く形
成して縦溝と連続する空間を形成することによって、縦
溝を通って落下した水滴を連続体として該空間に溜め、
排水性を向上させると共に保水量を増大させることがで
きることが実証された。
適当な間隔で横溝を交差状に形成することにより酸化剤
ガス中の水分を積極的に凝縮させ、且つこれをガス排出
側に向けて円滑に移動させることができ、さらにガス排
出側となる最下流部において縦溝間のリブ表面を低く形
成して縦溝と連続する空間を形成することによって、縦
溝を通って落下した水滴を連続体として該空間に溜め、
排水性を向上させると共に保水量を増大させることがで
きることが実証された。
【００２４】図６ないし図８は、以上の実証データに基
づいて実際の燃料電池組み付け用に制作されたセパレー
タ２０を示し、ガス導入側（図６において上側）からガ
ス排出側（図６において下側）に向けて延長する縦溝２
１（溝幅２ｍｍ、深さ２ｍｍ）が２ｍｍ間隔で多数設け
られると共に、縦溝２１と直交する横溝２２（溝幅１ｍ
ｍ、深さ２ｍｍ）がセパレータ中央領域において複数設
けられている。縦溝２１と横溝２２の底面は面一であ
る。
づいて実際の燃料電池組み付け用に制作されたセパレー
タ２０を示し、ガス導入側（図６において上側）からガ
ス排出側（図６において下側）に向けて延長する縦溝２
１（溝幅２ｍｍ、深さ２ｍｍ）が２ｍｍ間隔で多数設け
られると共に、縦溝２１と直交する横溝２２（溝幅１ｍ
ｍ、深さ２ｍｍ）がセパレータ中央領域において複数設
けられている。縦溝２１と横溝２２の底面は面一であ
る。
【００２５】これら縦溝２１および横溝２２の間に配置
される突条ないしリブ２３はこれら溝底面からの高さが
２ｍｍであって、燃料電池に組み付けられた状態におい
て電極に密接する上面を有するが、ガス排出側の最下流
部の所定領域においては他の領域よりも１ｍｍ低い面２
４とされている。したがって、最下流部領域において
は、燃料電池に組み付けられた状態において、この低い
リブ面２４によって各縦溝２１にまたがって連続する空
間が形成され、前述の作用により縦溝２１内側面を伝っ
て落ちてくる水滴をこの空間において連続させる。
される突条ないしリブ２３はこれら溝底面からの高さが
２ｍｍであって、燃料電池に組み付けられた状態におい
て電極に密接する上面を有するが、ガス排出側の最下流
部の所定領域においては他の領域よりも１ｍｍ低い面２
４とされている。したがって、最下流部領域において
は、燃料電池に組み付けられた状態において、この低い
リブ面２４によって各縦溝２１にまたがって連続する空
間が形成され、前述の作用により縦溝２１内側面を伝っ
て落ちてくる水滴をこの空間において連続させる。
【００２６】なお、図８に表される後退面２５は、燃料
電池において電極の両側に突出する電解質膜の厚さによ
り生ずる隙間を吸収してガスリークの発生を防止するた
めに設けられたものであるが、本発明の主題に直接関連
しないのでこれ以上の説明を省略する。
電池において電極の両側に突出する電解質膜の厚さによ
り生ずる隙間を吸収してガスリークの発生を防止するた
めに設けられたものであるが、本発明の主題に直接関連
しないのでこれ以上の説明を省略する。
【００２７】また、図７および図８においてはセパレー
タ２０の裏面側がフラットに形成されているが、電解質
膜の両側にカソードとアノードを配して積層一体化した
単セルを各々１つのセパレータを介して積層して燃料電
池スタックとする場合には、水を生成するカソード側に
接するセパレータ面が図６ないし図８に示すように構成
されると共に、アノード側に接するセパレータ面には燃
料ガスをアノードに供給・排出するための任意のガス流
路溝が形成される。セパレータの両面を図６ないし図８
に示すように構成しても良く、この場合には一方の面に
おける縦溝・横溝と他方の面における縦溝・横溝とが互
いに直交する方向に延長するように設けることが好まし
い。
タ２０の裏面側がフラットに形成されているが、電解質
膜の両側にカソードとアノードを配して積層一体化した
単セルを各々１つのセパレータを介して積層して燃料電
池スタックとする場合には、水を生成するカソード側に
接するセパレータ面が図６ないし図８に示すように構成
されると共に、アノード側に接するセパレータ面には燃
料ガスをアノードに供給・排出するための任意のガス流
路溝が形成される。セパレータの両面を図６ないし図８
に示すように構成しても良く、この場合には一方の面に
おける縦溝・横溝と他方の面における縦溝・横溝とが互
いに直交する方向に延長するように設けることが好まし
い。
【００２８】セパレータの最下流部に溜まった連続体と
しての水は容易に排出可能であり、ある程度の水が溜ま
った後に傾けることにより排出することができるが、よ
り好ましくは、連続体としての水を溜める空間が所定角
度傾くように予めセパレータを傾斜させて配置する。こ
の場合には、セパレータの傾斜角度を考慮した上で、水
を排出させる排水部を上記空間に連続させて最下流部の
少なくともいずれか一方端部に設けておくことが好まし
い。
しての水は容易に排出可能であり、ある程度の水が溜ま
った後に傾けることにより排出することができるが、よ
り好ましくは、連続体としての水を溜める空間が所定角
度傾くように予めセパレータを傾斜させて配置する。こ
の場合には、セパレータの傾斜角度を考慮した上で、水
を排出させる排水部を上記空間に連続させて最下流部の
少なくともいずれか一方端部に設けておくことが好まし
い。
【００２９】図９はこのようなセパレータ２０を用いた
固体高分子電解質型燃料電池による発電装置の構成例を
示す。既述したように、この燃料電池３０はカソード側
で生成した水により多湿状態とされた酸化剤ガスがセパ
レータ内を通過する間に効率的に水分分離され、且つこ
の分離した水がセパレータの最下流部において連続した
水となって容易に排出されるため、水の回収および再利
用が効率的に行われる。すなわち、燃料電池の下方に水
回収部（水タンク）３１を設け、ここに蓄えられた水を
水ポンプ３２で吸い上げ、水噴射装置３３により燃料電
池に噴射して電解質膜の加湿に用いることができる。ま
た、回収水をラジエータ３４に循環させることで加熱す
ることができるので、水噴射装置３３による水の噴射
と、ラジエータ３４および水ポンプ３５を経て加熱され
た水の供給と、さらには空気ファン３６から空気マニホ
ールド３７を経て導入される外気とを選択的に組み合わ
せたりそれらの供給比率を変えることにより、必要に応
じて燃料電池を急冷あるいは徐冷することができる。
固体高分子電解質型燃料電池による発電装置の構成例を
示す。既述したように、この燃料電池３０はカソード側
で生成した水により多湿状態とされた酸化剤ガスがセパ
レータ内を通過する間に効率的に水分分離され、且つこ
の分離した水がセパレータの最下流部において連続した
水となって容易に排出されるため、水の回収および再利
用が効率的に行われる。すなわち、燃料電池の下方に水
回収部（水タンク）３１を設け、ここに蓄えられた水を
水ポンプ３２で吸い上げ、水噴射装置３３により燃料電
池に噴射して電解質膜の加湿に用いることができる。ま
た、回収水をラジエータ３４に循環させることで加熱す
ることができるので、水噴射装置３３による水の噴射
と、ラジエータ３４および水ポンプ３５を経て加熱され
た水の供給と、さらには空気ファン３６から空気マニホ
ールド３７を経て導入される外気とを選択的に組み合わ
せたりそれらの供給比率を変えることにより、必要に応
じて燃料電池を急冷あるいは徐冷することができる。
【００３０】
【発明の効果】本発明によれば、固体高分子電解質型燃
料電池においてカソード側で生成する水によって酸化剤
ガスが飽和蒸気圧以上の水を含むようになっても、酸化
剤ガスがセパレータのガス流路溝を通過する間に効率的
に水を凝結させ、且つこれをセパレータの最下流部にお
いて連続させることができるため、排水性が向上する。
したがって、ガス流路溝が閉塞されることなく、安定し
た電池出力を得ることができる。
料電池においてカソード側で生成する水によって酸化剤
ガスが飽和蒸気圧以上の水を含むようになっても、酸化
剤ガスがセパレータのガス流路溝を通過する間に効率的
に水を凝結させ、且つこれをセパレータの最下流部にお
いて連続させることができるため、排水性が向上する。
したがって、ガス流路溝が閉塞されることなく、安定し
た電池出力を得ることができる。
【図１】 従来の燃料電池のカソード側においてセパレ
ータの最下部に水が溜まる様子を示す説明図である。
ータの最下部に水が溜まる様子を示す説明図である。
【００３１】
【図２】 本発明の燃料電池のセパレータにおいて縦溝
内を水が流れる様子を示す説明図である。
内を水が流れる様子を示す説明図である。
【００３２】
【図３】 本発明の作用を確認するために試作した燃料
電池セパレータの平面図である。
電池セパレータの平面図である。
【００３３】
【図４】 図３のセパレータの端面図である。
【００３４】
【図５】 このセパレータにおいて縦溝の内側面を伝っ
て落下した水滴が最下流部で連続する様子を示す説明図
である。
て落下した水滴が最下流部で連続する様子を示す説明図
である。
【００３５】
【図６】 本発明の一実施例による燃料電池セパレータ
の平面図である。
の平面図である。
【００３６】
【図７】 図６のセパレータのＡ−Ａ線による部分断面
図である。
図である。
【００３７】
【図８】 図６のセパレータのＢ−Ｂ線による部分断面
図である。
図である。
【００３８】
【図９】 本発明の固体高分子電解質型燃料電池を用い
た発電装置の構成例を示す図である。
た発電装置の構成例を示す図である。
【００３９】
１ セパレータ ２ ガス流路溝の底面 ３ 電極 ４ 縦溝 ５ 横溝 ６、６’ リブ ７、７’ 水滴 １０ セパレータ １１ 縦溝 １２ 横溝 １３ リブ １４ 低いリブ面 １５ 連続空間 １６ 水滴 １７ 連続した水溜まり ２０ セパレータ ２１ 縦溝 ２２ 横溝 ２３ リブ ２４ 低いリブ面 ３０ 燃料電池 ３１ 水回収部 ３２ 水ポンプ ３３ 水噴射装置 ３４ ラジエータ ３５ 水ポンプ ３６ 空気ファン ３７ 空気マニホールド
Claims (8)
- 【請求項１】固体高分子電解質膜と、該固体高分子電解
質膜の両側に接合される電極と、これら電極の外側に各
々接合されて各電極に燃料ガスまたは酸化剤ガスを供給
するための反応ガス流路溝が電極との接合面に設けられ
たセパレータとを有する固体高分子電解質型燃料電地に
おいて、少なくともカソード側のセパレータ面に形成さ
れる反応ガス流路溝が、酸化ガス導入側から酸化ガス排
出側に向けて延長する所定間隔の縦溝と、該縦溝と略直
交方向に延長する所定間隔の横溝とからなり、且つ、該
セパレータの最下流部においては溝間のリブ面が低く設
けられていて縦溝同士を連続させる連続空間が形成され
ることを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池。 - 【請求項２】セパレータの最下流部における低いリブ面
が縦溝の底面よりも高いことを特徴とする請求項１の固
体高分子電解質型燃料電池。 - 【請求項３】横溝の幅が縦溝の幅より小さいことを特徴
とする請求項１の固体高分子電解質型燃料電池。 - 【請求項４】横溝の幅が１．５ｍｍ以下であることを特
徴とする請求項１の固体高分子電解質型燃料電池。 - 【請求項５】低いリブ面が形成されたセパレータ最下流
部が１０ｍｍ以上の長さを有することを特徴とする請求
項１の固体高分子電解質型燃料電池。 - 【請求項６】低いリブ面が形成されたセパレータ最下流
部には横溝が形成されないことを特徴とする請求項１の
固体高分子電解質型燃料電池。 - 【請求項７】縦溝同士が連続された連続空間が所定角度
傾斜して設けられることを特徴とする請求項１の固体高
分子電解質型燃料電池。 - 【請求項８】セパレータ最下流部の少なくとも一方端部
に所定幅の排水部が設けられることを特徴とする請求項
１の固体高分子電解質型燃料電池。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP35404897A JP4038852B2 (ja) | 1997-12-09 | 1997-12-09 | 固体高分子電解質型燃料電池 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP35404897A JP4038852B2 (ja) | 1997-12-09 | 1997-12-09 | 固体高分子電解質型燃料電池 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11176457A true JPH11176457A (ja) | 1999-07-02 |
| JP4038852B2 JP4038852B2 (ja) | 2008-01-30 |
Family
ID=18434957
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP35404897A Expired - Fee Related JP4038852B2 (ja) | 1997-12-09 | 1997-12-09 | 固体高分子電解質型燃料電池 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP4038852B2 (ja) |
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100434778B1 (ko) * | 2002-01-10 | 2004-06-07 | (주)퓨얼셀 파워 | 보조유로를 갖는 분리판 |
| JP2004241185A (ja) * | 2003-02-04 | 2004-08-26 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 高分子電解質型燃料電池 |
| JP2005251699A (ja) * | 2004-03-08 | 2005-09-15 | Mitsubishi Electric Corp | 燃料電池 |
| JP2007317518A (ja) * | 2006-05-26 | 2007-12-06 | Equos Research Co Ltd | 燃料電池スタック |
| JP2008198393A (ja) * | 2007-02-08 | 2008-08-28 | Nissan Motor Co Ltd | 燃料電池 |
| JP2009080943A (ja) * | 2007-09-25 | 2009-04-16 | Toyota Motor Corp | 燃料電池用セパレータ及び燃料電池 |
| FR2960704A1 (fr) * | 2010-05-27 | 2011-12-02 | Air Liquide | Plaque de pile a combustible, pile comportant une telle plaque et son utilisation |
| JP2016046217A (ja) * | 2014-08-26 | 2016-04-04 | 本田技研工業株式会社 | 燃料電池 |
| US10164266B2 (en) | 2013-10-02 | 2018-12-25 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Separator including tilted gas flow path grooves that retain water by capillary force and fuel cell using the same |
-
1997
- 1997-12-09 JP JP35404897A patent/JP4038852B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100434778B1 (ko) * | 2002-01-10 | 2004-06-07 | (주)퓨얼셀 파워 | 보조유로를 갖는 분리판 |
| JP2004241185A (ja) * | 2003-02-04 | 2004-08-26 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 高分子電解質型燃料電池 |
| JP4498681B2 (ja) * | 2003-02-04 | 2010-07-07 | パナソニック株式会社 | 高分子電解質型燃料電池 |
| JP2005251699A (ja) * | 2004-03-08 | 2005-09-15 | Mitsubishi Electric Corp | 燃料電池 |
| JP2007317518A (ja) * | 2006-05-26 | 2007-12-06 | Equos Research Co Ltd | 燃料電池スタック |
| JP2008198393A (ja) * | 2007-02-08 | 2008-08-28 | Nissan Motor Co Ltd | 燃料電池 |
| JP2009080943A (ja) * | 2007-09-25 | 2009-04-16 | Toyota Motor Corp | 燃料電池用セパレータ及び燃料電池 |
| FR2960704A1 (fr) * | 2010-05-27 | 2011-12-02 | Air Liquide | Plaque de pile a combustible, pile comportant une telle plaque et son utilisation |
| US10164266B2 (en) | 2013-10-02 | 2018-12-25 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Separator including tilted gas flow path grooves that retain water by capillary force and fuel cell using the same |
| JP2016046217A (ja) * | 2014-08-26 | 2016-04-04 | 本田技研工業株式会社 | 燃料電池 |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP4038852B2 (ja) | 2008-01-30 |
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