JP2002117870A

JP2002117870A - 燃料電池用フィールドプレート

Info

Publication number: JP2002117870A
Application number: JP2000308999A
Authority: JP
Inventors: Katsuya Shirai; 克弥白井
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2000-10-10
Filing date: 2000-10-10
Publication date: 2002-04-19

Abstract

(57)【要約】【課題】流路抵抗による供給ガスの大きな圧力損失や
フィールドプレートの破損を防止しつつ、反応生成水を
積極的に除去するとともに、燃料ガスや酸素ガスを均一
に供給することができるフィールドプレートの提供。【解決手段】フィールドプレート１の側壁１１に取囲
まれた略正方形の空間にガス流路が形成される。当該正
方形の対角の一方にはガス供給口１２が、他方にはガス
排出口１３が穿設される（以下、この対角線を線対称軸
と称する）。ガス供給口１２とガス排出口１３は線対称
軸に対し同軸に形成される。側壁１１に取囲まれた空間
には、ガス流を順次分流する複数の凸部１４が線対称軸
に対して線対称に配列され、ガス流路を規定する。ガス
流路、ガス供給口１２、ガス排出口１３により、電極の
電気化学的活性領域に対応し、線対称軸に対して線対称
な形状をなすガス流路領域が形成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、固体高分子電解質型燃
料電池に用いるフィールドプレートに関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池は、燃料ガス（主に水素が用い
られる）と酸素から化合物（水）を生成する電気化学反
応によって発生する電気エネルギーと熱エネルギーのう
ち、電気エネルギーを利用するものであり、固体高分子
電解質型燃料電池（ＰＥＦＣ）とは、プロトン伝導性の
固体高分子電解質膜を用いた燃料電池である。プロトン
伝導膜を挟んで負極となる燃料電極及び正極となる酸素
電極の両電極を配置し、燃料電極側に水素ガス等の燃料
ガスを供給し、酸素電極側に空気又は酸素ガスを供給し
て電気化学反応を起こさせることにより電力を取り出す
ことができる。

【０００３】固体高分子電解質型燃料電池は、燃料電極
側に燃料ガスを供給するためのフィールドプレートを有
し、酸素電極側に酸素ガスを供給するためのフィールド
プレートを有する。フィールドプレートを介して供給さ
れた燃料ガスと酸素ガスの電気化学反応の過程で酸素電
極では水が生成される。このため、生成された水が、フ
ィールドプレートに形成された酸素ガスの流路を塞ぎ、
酸素ガスの出力の低下や不安定化などの原因となる。

【０００４】このような反応生成水による出力低下を防
ぐために、従来より、フィールドプレートについて反応
生成水を除去する様々な流路形状が提案されている。例
えば、米国特許４７６９２９７号明細書には、フィール
ドプレート上に複数の突起を形成してガス流路を格子状
に形成するものが記載されている。また、特公平７−３
７８８号公報には、複数の直線状ガス流路を互いに平行
になるよう形成したものが記載されている。また、特開
平１０−１０６５９４号公報には、格子状の流路と直線
状のガス流路を組合せたものが記載されている。また、
米国特許４９８８５８３号明細書や特開平１１−２８３
６３９号公報には、１本の蛇行するガス流路を形成した
ものが記載されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】これらの流路形状には
それぞれ長所と短所がある。例えば、米国特許４７６９
２９７号明細書に記載されたような格子状の流路形状で
は、反応生成水が流路を塞ぐほど溜まることは起こりに
くいが、積極的に反応生成水を除去することはできな
い。また、燃料ガス及び酸素ガスを拡散させることがで
きないため、電極面内で特性のばらつきが生じたり、長
時間使用時に出力の低下や変動が発生したりする。

【０００６】また、特開平１０−１０６５９４号公報に
記載されたような直線状の流路や直線状の流路と格子状
の流路を組合せた形態では、燃料ガスや酸素ガスの均一
な供給及び反応生成水の除去が困難である。

【０００７】米国特許４９８８５８３号明細書に記載さ
れたようなガス供給口からガス排出口までを１本の蛇行
するガス流路でつなぐ形態のものでは、燃料ガスや酸素
ガスの均一な供給及び反応生成水の除去は容易である
が、流路抵抗により供給ガスの圧力損失が増大し、ガス
の供給系に大きな負担がかかる。また、供給ガスの圧力
によってフィールドプレートの破損が発生しやすくな
る。

【０００８】そこで、本発明は、流路抵抗による供給ガ
スの大きな圧力損失やフィールドプレートの破損を防止
しつつ、反応生成水を積極的に除去するとともに、燃料
ガスや酸素ガスを均一に供給することができるフィール
ドプレートを提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、固体電解質膜を挟持する一対の電極の一
方に接触し、接触する電極の電気化学的活性領域に対応
した形状であって、接触する電極に面する側に、ガスを
供給するガス供給口、供給されたガスを排出するガス排
出口、及び該ガス供給口と該ガス排出口とに連通したガ
ス流路とが形成されたガス流路領域を有する燃料電極用
フィールドプレートにおいて、該ガス流路領域の外形が
線対称形状であって、線対称軸上に該ガス供給口と該ガ
ス排出口とを同軸配列し、該ガス供給口から線対称軸方
向に供給されるガス流を順次分流する複数の凸部を該ガ
ス流路領域に配列し、該複数の凸部により該ガス流路を
画成した燃料電池用フィールドプレートを提供してい
る。この燃料電池用フィールドプレートでは、燃料ガス
または酸素ガスが、ガス供給口からガス流路へ供給さ
れ、ガス流路において凸部により順次分流され、最後に
ガス排出口より排出される。ガス供給口、ガス排出口、
ガス流路により形成されるガス流路領域の外形は線対称
形状であり、線対称軸上にガス供給口とガス排出口が同
軸配列されるので、燃料ガスおよび酸素ガスは、ガス流
路領域全体にほぼ均一に流れる。ガス流路領域は接触す
る電極の電気化学的活性領域に対応するので、電極の電
気化学的活性領域全体においてほぼ均一に電気化学反応
が生じる。

【００１０】また、該凸部の配列パターンは、該線対称
軸に対して線対称であるのが好ましい。このような燃料
電池用フィールドプレートでは、燃料ガスまたは酸素ガ
スが、ガス流路において凸部により線対称に順次分流さ
れるので、ガス流の偏りが生じない。

【００１１】また、該凸部は四角柱形状をなしてもよい
し、円柱形状をなしてもよいし、半球形状をなしてもよ
い。

【００１２】また、該ガス流路領域の外形はｎ角形をな
し（ｎは４以上の偶数）、該ガス供給口と該ガス排出口
とは、該ｎ角形の対角線上に位置するのが好ましい。こ
のような燃料電池用フィールドプレートでは、燃料ガス
および酸素ガスは、ガス供給口、即ちガス流路領域の外
形たるｎ角形の角部から供給されるので、当該ｎ角形の
辺部から供給される場合に生じるような角部におけるガ
ス流のよどみが生じない。

【００１３】また、該線対称軸上に同軸配列されたガス
供給口とガス排出口の他に、複数のガス供給口とガス排
出口が形成されるのが好ましい。このような燃料電池用
フィールドプレートでは、燃料ガスおよび酸素ガスは、
複数箇所から供給され、複数箇所から排出されるので、
ガス流路領域全体を均一に流れる。

【００１４】さらに、該線対称軸上に配列されたガス供
給口とガス排出口の他に形成された該複数のガス供給口
とガス排出口のそれぞれは、該線対称軸に対して線対称
に配置されているのが好ましい。このような燃料電池用
フィールドプレートでは、燃料ガスまたは酸素ガスが、
ガス流路に線対称に供給され、排出されるので、ガス流
の偏りが生じない。

【００１５】

【発明の実施の形態】本発明の第１の実施の形態による
フィールドプレートについて図１乃至図９に基づき説明
する。図１は、固体高分子電解質型燃料電池の構成を示
したものである。図示されているように、固体高分子電
解質型燃料電池は、固体高分子電解質膜２（以下、単に
「電解質膜２」という）を燃料電極３と酸素電極４で挟
持し、更に各電極の外側にフィールドプレート１を配置
した構成となっている。

【００１６】燃料電極３側のフィールドプレート１も酸
素電極４側のフィールドプレート１も共に、流路抵抗に
よる供給ガスの圧力損失を防止し、供給ガスの供給を流
路全体において均一化すべき点では共通する。そのた
め、本実施の形態においては、燃料電極３側と酸素電極
４側のフィールドプレート１を同一形状としている。以
下、酸素極４側のフィールドプレート１について説明す
る。

【００１７】フィールドプレート１の酸素電極４側の面
にはガス流路領域が形成されている。ガス流路領域は、
ガス供給口、ガス排出口、及びガス供給口とガス排出口
とに連通したガス流路を含み、ガス流路は複数の凸部１
４により画成された構造となっている。フィールドプレ
ート１は、集電体としての機能も有するため、タンタ
ル、ニオブ、カーボン等の電導性の材料により形成され
る。

【００１８】本実施の形態では、電解質膜２としては、
ポリ水酸化フラーレン（通称、フラレノール）でできた
膜を用いている。ポリ水酸化フラーレンにより形成した
膜は、パーフルオロスルホン酸樹脂により形成されたも
のに比べて成膜性等に優れており、またプロトンの伝導
に水分子の介在を必要としないため、加湿器等が不要で
あり、更に、動作温度領域が−４０°Ｃ〜１６０°Ｃと
広い等の利点がある。

【００１９】次に、本実施の形態のフィールドプレート
１の形状について詳述する。フィールドプレート１を酸
素電極４の側から見た正面図を図２に示す。

【００２０】フィールドプレート１には、その外周面に
沿って側壁１１が形成されている。側壁１１の上面は酸
素電極４と面接触する。面接触した状態でフィールドプ
レート１、側壁１１、及び酸素電極４により仕切られる
内部空間が酸素ガスのガス流路領域となっている。側壁
１１はガス流路領域を略正方形に画成しているが、この
略正方形の形状は酸素電極４の電気化学的活性領域に対
応させたものである。

【００２１】側壁１がなす正方形の１つの対角線上に存
する一方の角部にはガス供給口１２が、他方の角部には
ガス排出口１３が形成されている。ガス供給口１２とガ
ス排出口１３を含むガス流路領域の外形は、ガス供給口
１２とガス排出口１３を結ぶ線（以下、「線対称軸」と
いう）に対し線対称をなす。別言すれば、ガス供給口１
２とガス排出口１３は、線対称軸上に同軸配列されてい
る。

【００２２】ガス供給口１２は、線対称軸に沿ってガス
流路領域内にガスを供給し、ガス排出口１３は、線対称
軸に沿ってガス流路領域からガスを排出する。即ち、酸
素ガスは、図２に示される矢印の方向に沿ってフィール
ドプレート１内のガス流路領域内に供給され、同じく矢
印の方向に沿って排出される。

【００２３】側壁１１に取囲まれた領域内には、上面が
酸素電極４に接する四角柱状の凸部１４が複数形成さ
れ、凸部１４と側壁１１によりガス流路が画成される。
凸部１４は、ガス供給口１２から供給されるガス流を上
流側から下流側に順次分流するよう配列されている。具
体的には、凸部１４は、上記線対称軸に対して線対称を
なす配列パターンで凸設されている。複数ある凸部１４
のうち、特定の凸部、例えば凸部１４ａと、それに近接
配列された下流側の２つの凸部、例えば凸部１４ｂ、１
４ｃに着目すると、これら３つの凸部１４ａ、１４ｂ、
１４ｃの中心を結ぶ三角形は略正三角形であり、凸部１
４ｂ、１４ｃを結ぶ線は、上記線対称軸に対して垂直を
なしている。

【００２４】次に、凸部１４によりガス流が順次分流す
る様子を図３に示す。ガス流の流れの方向を図中白抜き
矢印で示す。ガス供給口１２から供給されたガスは、矢
印Ａの方向に流れ、図３の第１段目の凸部１４_１に衝突
して、矢印Ｂで示すように２方向に分流する。そして、
２方向に分流したガスは、第２段目の２つの凸部１４ _２
にそれぞれ衝突し、衝突後更に２方向に分流して矢印Ｃ
の方向へ進む。更に、矢印Ｃの方向へ進んだガスは、第
３段目の凸部１４_３に衝突して、矢印Ｄの方向へそれぞ
れ分流する。このようにして、ガス供給口１２から供給
された酸素ガスは、横方向（前記対象軸に直交する方
向）に拡散しながらガス排出口１３へ向かう。横方向に
進むガス流も最終的には側壁１１で反射し、再びガス排
出口１３へ進む。この結果、酸素ガスは、ガス流路領域
内全体にほぼ均一に拡散することになる。

【００２５】以上説明したようなフィールドプレート１
を燃料電極３側と酸素電極４側に設けて構成される燃料
電池の動作を説明する。

【００２６】まず、酸素電極４側のフィールドプレート
１を介して酸素電極４の電気化学的活性領域に酸素ガス
が供給される。また、燃料電極３側のフィールドプレー
ト１を介して燃料電極３の電気化学的活性領域に水素ガ
スが供給される。

【００２７】燃料電極３に水素ガスが供給されると、水
素がイオン化され燃料電極３に電子が放出されるととも
に、プロトン（Ｈ^＋）が電解質膜２を介して酸素電極４
に供給される。酸素電極４においては、プロトンと酸
素、更には燃料電極３から燃料電極側のフィールドプレ
ート１と負荷を介して到達した電子が電気化学反応を起
こして水を生成する。このとき、酸素ガスおよび水素ガ
スは、それぞれのフィールドプレート１のガス流路領域
内にほぼ均一に拡散されているので、水素のイオン化と
水の生成反応はそれぞれの電極内の電気化学的活性領域
内でほぼ均一に行われることになり、効率のよい発電が
可能となる。

【００２８】また、この電気化学反応により生じる水
も、酸素電極４の全体に均一に発生するが、対向するフ
ィールドプレート１内をほぼ均一の流速で流れる酸素ガ
スにより、反応生成水を確実に除去することができる。

【００２９】本発明の第１の実施の形態のフィールドプ
レート１について、電気化学的に活性な電極領域面積を
４６．４５ｃｍ^２とし、酸素ガス（空気）の流量を２
５．０１２ｃｍ^３／ｓとしたときの流速分布を計算した
結果を図４乃至図６に示す。

【００３０】図４は、流速９８ｃｍ／ｓ乃至１４７ｃｍ
／ｓの領域を、図５は、流速４９ｃｍ／ｓ乃至９８ｃｍ
／ｓの領域を、図６は、流速６ｃｍ／ｓ乃至４９ｃｍ／
ｓの領域をそれぞれ示したものである。

【００３１】これらの図から、ガス供給口１２及びガス
排出口１３付近を除けば、ガスの流速はガス流路全域に
わたりほぼ均一であることがわかる。而して、本実施の
形態のフィールドプレート１によれば、燃料ガスまたは
酸素ガスを燃料電極３または酸素電極４の電気化学的活
性領域全体に均一に供給することができ、効率のよい発
電を行うことができる。また、ガス流路領域全域にわた
りガス流のよどみがなく、酸素電極４側に発生した水
を、ガス流路領域全域にわたり確実に除去することがで
きる。

【００３２】また、比較例として、格子状に流路が形成
された従来のフィールドプレート２０１について、電気
化学的に活性な電極面積を４６．４５ｃｍ^２とし、酸素
ガス（空気）の流量を２５．０１２ｃｍ^３／ｓとしたと
きの流速分布を計算した。

【００３３】図７は、流速３５４ｃｍ／ｓ乃至５３１ｃ
ｍ／ｓの領域を、図８は、流速１７７ｃｍ／ｓ乃至３５
４ｃｍ／ｓの領域を、図９は、流速０ｃｍ／ｓ乃至１７
７ｃｍ／ｓの領域をそれぞれ示したものである。

【００３４】これらの図から明らかなように、ガス供給
口２１２からガスの供給方向へ向かう位置においては、
流速が極端に速く、次に、ガス供給口２１２からガス供
給方向へ向かうガス流が側面に衝突する位置からガス排
出口２１３へ向かう位置においては、流速がある程度速
く、それ以外の位置では、流速が比較的遅い。これによ
り、格子状の流路を形成したフィールドプレート２０１
では燃料ガスまたは酸素ガスを均一に供給することがで
きないことがわかる。また、ガスの流速が不均一である
ことから、ガス流のよどみが生じ、酸素電極側に発生し
た化合物（水）を、流路全域にわたり確実に除去するこ
とはできない。

【００３５】さらに別の比較例として、１本の蛇行する
流路が形成された従来のフィールドプレート３０１につ
いて、電気化学的に活性な電極面積を４６．４５ｃｍ^２
とし、酸素ガス（空気）の流量を２５．０１２ｃｍ^３／
ｓとしたときのガス流の圧力分布を計算した。

【００３６】図１０は、圧力２８００ｄｙｎｅ／ｃｍ^２
乃至３１０５ｄｙｎｅ／ｃｍ^２の領域を、図１１は、圧
力１８００ｄｙｎｅ／ｃｍ^２乃至２８００ｄｙｎｅ／ｃ
ｍ^２の領域を、図１２は、圧力１０００ｄｙｎｅ／ｃｍ
^２乃至１８００ｄｙｎｅ／ｃｍ^２の領域を、図１３は、
圧力２５０ｄｙｎｅ／ｃｍ^２乃至１０００ｄｙｎｅ／ｃ
ｍ^２の領域を、図１４は、圧力０ｄｙｎｅ／ｃｍ^２乃至
２５０ｄｙｎｅ／ｃｍ^２の領域をそれぞれ示す。

【００３７】これらの図から明らかなように、ガス供給
口３１２近傍における圧力が非常に高く、ガス排出口３
１３へ向かうに従って圧力が急激に減少し、ガス供給口
３１２付近における圧力とガス排出口３１３付近におけ
る圧力との差が非常に大きい。これは、流路抵抗による
供給ガスの圧力損失が大きいことを示す。

【００３８】上記計算において、フィールドプレート１
における最大最小ガス圧差は３５ｄｙｎｅ／ｃｍ^２であ
り、フィールドプレート２０１における最大最小ガス圧
差は３１０ｄｙｎｅ／ｃｍ^２であり、フィールドプレー
ト３０１における最大最小ガス圧差は３１０５ｄｙｎｅ
／ｃｍ^２であった。最大最小ガス圧差が大きければ大き
いほど流路抵抗による供給ガスの圧力損失は大きく、ガ
スの供給系に大きな負担がかかったり、フィールドプレ
ート自体の破損を招きやすくなったりする。従って、本
発明のフィールドプレート１は、フィールドプレート２
０１やフィールドプレート３０１と比較して、流路抵抗
による供給ガスの圧力損失が小さく、ガスの供給系に大
きな負担がかからず、フィールドプレート自体の破損も
招きにくいことがわかる。

【００３９】本発明の第２の実施の形態によるフィール
ドプレートについて図１５に基づき説明する。図１５
は、フィールドプレート１０１を酸素電極側から見た正
面図である。

【００４０】フィールドプレート１０１には、外形を取
囲むようにして、上面が酸素電極４に接する側壁１１１
が形成され、側壁１１１に取囲まれた空間に酸素ガスを
供給するためのガス流路が形成されている。側壁１１１
はガス流路の外形を略正方形に画成するが、側壁１１１
の対向する一対の辺の一方側には、複数のガス供給口１
１２、１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃ、１１２ｄが形成
され、他方の辺にはガス排出口１１３、１１３ａ、１１
３ｂ、１１３ｃ、１１３ｄが形成されている。

【００４１】側壁１１１に画成されたガス流路、ガス供
給口１１２、１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃ、１１２
ｄ、ガス排出口１１３、１１３ａ、１１３ｂ、１１３
ｃ、１１３ｄにより、酸素電極の電気化学的活性領域に
対応した形状をなすガス流路領域が形成される。ガス流
路領域の外形は、ガス供給口１１２とガス排出口１１３
とを結ぶ線（以下、「線対称軸」という）に対し線対称
をなす。即ち、ガス供給口１１２ａ、１１２ｂ、１１２
ｃ、１１２ｄとガス排出口１１３ａ、１１３ｂ、１１３
ｃ、１１３ｄは、線対称軸に対して線対称に配列されて
いる。また、ガス供給口１１２，１１２ａ、１１２ｂ、
１１２ｃ及び１１２ｄとガス排出口１１３、１１３ａ、
１１３ｂ、１１３ｃ及び１１３ｄは、それぞれ上記線対
称軸と平行な方向に延びる軸について、同軸配列されて
いる。ガス供給口１１２、１１２ａ、１１２ｂ、１１２
ｃ、１１２ｄは、線対称軸方向に沿ってガスを供給し、
ガス排出口１１３、１１３ａ、１１３ｂ、１１３ｃ、１
１３ｄは、線対称軸方向に沿ってガスを排出する。即
ち、酸素ガスは、図１５に示される矢印の方向に沿って
フィールドプレート１０１内の流路に供給され、同じく
矢印の方向に沿って流路から排出される。

【００４２】また、側壁１１１に取囲まれた領域内に
は、上面が酸素電極に接する四角柱状の凸部１１４が複
数形成され、凸部１１４により、側壁１１１に取囲まれ
た空間内に、ガス流路が画成される。凸部１１４は、ガ
ス供給口１１２、１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃ、１１
２ｄから供給されるガス流をそれぞれ順次分流するよう
配列される。また、凸部１１４の配列パターンは、上記
線対称軸に対して線対称をなす。凸部１１４のうち、凸
部１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃに着目すると、これら
３つの凸部１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃの中心を結ぶ
三角形は略正三角形であり、凸部１１４ｂと１１４ｃを
結ぶ線は、上記線対称軸に対して垂直をなす。

【００４３】第１の実施の形態のフィールドプレート１
に形成された凸部１４によりガス流が順次分流されたの
と同様に、即ち、図３に示されたのと同じようにして、
本実施の形態の凸部１１４によりガス流は順次分流す
る。このようにして、ガス供給口１１２、１１２ａ、１
１２ｂ、１１２ｃ、１１２ｄから供給された燃料ガスま
たは酸素ガスは、流路内にほぼ均一に拡散される。

【００４４】本実施の形態のフィールドプレート１０１
によれば、ガス供給口１１２、１１２ａ、１１２ｂ、１
１２ｃ、１１２ｄ及びガス排出口１１３、１１３ａ、１
１３ｂ、１１３ｃ、１１３ｄを複数形成し、これらを線
対称軸に対して線対称に配置したので、燃料ガスまたは
酸素ガスを流路内に効率よくより均一に供給することが
できる。

【００４５】本発明によるフィールドプレートは上述し
た実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載した
範囲で種々の変形や改良が可能である。例えば、上記実
施の形態では凸部を四角柱状にしたが、凸部は、円柱、
半球、裁頭四角錐、裁頭円すい等、種々の形状にするこ
とができる。

【００４６】また、フィールドプレートに形成されるガ
ス流路領域の外形は、正方形に限定されずｎ角形（ｎは
４以上の偶数）あるいは円形であっても構わない。

【００４７】上述した実施の形態においては、燃料とし
て水素ガスを供給したが、メタノールなどのアルコール
や他の化石燃料を液体若しくは気体の状態で供給するダ
イレクト型も採用できる。その場合には、燃料電極にお
いて、触媒により燃料材料からプロトンを得る。

【００４８】電解質膜２の材料であるポリ水酸化フラー
レンは、図１６に示したようなフラーレン分子を母体と
し、その構成炭素原子に水酸基を導入したものである
が、母体としてはフラーレン分子に限らず炭素を主成分
とする炭素質材料であればよい。この炭素質材料には、
炭素原子が、炭素−炭素間結合の種類を問わず、数個か
ら数百個結合して形成されている集合体である炭素クラ
スターや、チューブ状炭素質（通称カーボンナノチュー
ブ）が含まれていてよい。前者の炭素クラスターには、
炭素原子が多数個集合してなる、球体又は長球、又はこ
れらに類似する閉じた面構造を有する種々の炭素クラス
ター（図１７）や、それらの球構造の一部が欠損し、構
造中に開放端を有する炭素クラスター（図１８）、大部
分の炭素原子がＳＰ３結合したダイヤモンド構造を持つ
炭素クラスター（図１９）、さらにはこれらのクラスタ
ーどうしが種々に結合した炭素クラスター（図２０）が
含まれていてよい。

【００４９】またこの種の母体に導入する基としては水
酸基に限らず、−ＸＨ、より好ましくは−ＹＯＨで表さ
れるプロトン解離性の基であればよい。ここで、Ｘ及び
Ｙは２価の結合手を有する任意の原子若しくは原子団で
あり、Ｈは水素原子、Ｏは酸素原子である。具体的に
は、前記−ＯＨ以外に、硫酸水素エステル基−ＯＳＯ_３
Ｈ、カルボキシル基−ＣＯＯＨ、他に−ＳＯ_３Ｈ、−Ｏ
ＰＯ（ＯＨ）_２のいずれかであることが好ましい。

【００５０】上記のいずれの場合でも、プロトンの伝導
に加湿が不要であり、上記実施の形態に使用される燃料
電池における効果には変わりはない。

【００５１】

【発明の効果】請求項１記載のフィールドプレートによ
れば、ガス流路形成領域の外形形状が線対称であって、
線対称軸に沿ってガスを供給するガス供給口と線対称軸
に沿ってガスを排出するガス排出口とを該線対称軸上に
同軸配列し、ガス供給口から供給されるガス流を順次分
流する複数の凸部を配列することによりガス流路を形成
したので、燃料ガスまたは酸素ガスを燃料電極または酸
素電極の表面に均一に供給することができ、効率のよい
発電を行うことができる。また、ガス流のよどみを防止
することができ、酸素電極側に発生した化合物（水）を
ガス流路全域にわたり確実に除去することができる。

【００５２】請求項２記載のフィールドプレートによれ
ば、凸部は線対称軸を中心として線対称に配置されるの
で、燃料ガスまたは酸素ガスを流路内に偏りなく均一に
供給することができる。

【００５３】請求項３乃至５記載のフィールドプレート
によれば、凸部は四角柱形状、円柱形状あるいは半球形
状をなすので、フィールドプレートの製造が容易であ
り、また均等にガス流を分流することができる。

【００５４】請求項６記載のフィールドプレートによれ
ば、ガス流路領域の外形はｎ角形をなし（ｎは４以上の
偶数）、ガス供給口とガス排出口とは、当該ｎ角形の対
角線上に位置するので、ガス供給口とガス排出口に隣接
するガス流路領域を画成する側壁は、線対称軸に直交せ
ず、ガス供給口に隣接する側壁部分はガス排出口に向か
って開いた形となり、ガス排出口に隣接する側壁部分は
ガス供給口に向かって開いた形となる。従って、ガス供
給口とガス排出口の横方向におけるガス流のよどみを防
止することができる。

【００５５】請求項７記載のフィールドプレートによれ
ば、対称軸上に配置されたガス供給口とガス排出口の他
に、複数のガス供給口とガス排出口が形成されるので、
ガス流路領域の外形形状に係わらず、燃料ガスまたは酸
素ガスを効率よく流路内に供給し、流路内から排出する
ことができる。

【００５６】請求項８記載のフィールドプレートによれ
ば、線対称軸上に配置されたガス供給口とガス排出口の
他に形成された複数のガス供給口とガス排出口は、線対
称軸を中心として線対称に配置されるので、燃料ガスま
たは酸素ガスを流路内に効率よく均一に供給することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態によるフィールドプ
レートを使用した燃料電池を示す断面図。

【図２】本発明の第１の実施の形態によるフィールドプ
レートを示す正面図。

【図３】本発明の第１の実施の形態のフィールドプレー
トの凸部によりガス流が分流する様子を示す図。

【図４】本発明の第１の実施の形態によるフィールドプ
レートにおける流速９８ｃｍ／ｓ乃至１４７ｃｍ／ｓの
領域を示す図。

【図５】本発明の第１の実施の形態によるフィールドプ
レートにおける流速４９ｃｍ／ｓ乃至９８ｃｍ／ｓの領
域を示す図。

【図６】本発明の第１の実施の形態によるフィールドプ
レートにおける流速６ｃｍ／ｓ乃至４９ｃｍ／ｓの領域
を示す図。

【図７】格子状に流路が形成されたフィールドプレート
における流速３５４ｃｍ／ｓ乃至５３１ｃｍ／ｓの領域
を示す図。

【図８】格子状に流路が形成されたフィールドプレート
における流速１７７ｃｍ／ｓ乃至３５４ｃｍ／ｓの領域
を示す図。

【図９】格子状に流路が形成されたフィールドプレート
における流速０ｃｍ／ｓ乃至１７７ｃｍ／ｓの領域を示
す図。

【図１０】１本の蛇行する流路が形成されたフィールド
プレートにおける圧力２８００ｄｙｎｅ／ｃｍ^２乃至２
８００ｄｙｎｅ／ｃｍ^２の領域を示す図。

【図１１】１本の蛇行する流路が形成されたフィールド
プレートにおける圧力１８００ｄｙｎｅ／ｃｍ^２乃至２
８００ｄｙｎｅ／ｃｍ^２の領域を示す図。

【図１２】１本の蛇行する流路が形成されたフィールド
プレートにおける圧力１０００ｄｙｎｅ／ｃｍ^２乃至１
８００ｄｙｎｅ／ｃｍ^２の領域を示す図。

【図１３】１本の蛇行する流路が形成されたフィールド
プレートにおける圧力２５０ｄｙｎｅ／ｃｍ^２乃至１０
００ｄｙｎｅ／ｃｍ^２の領域を示す図。

【図１４】１本の蛇行する流路が形成されたフィールド
プレートにおける圧力０ｄｙｎｅ／ｃｍ^２乃至２５０ｄ
ｙｎｅ／ｃｍ^２の領域を示す図。

【図１５】本発明の第２の実施の形態によるフィールド
プレートを示す正面図。

【図１６】本発明の第１の実施の形態によるフィールド
プレートが使用される燃料電池の固体電解質膜に使用さ
れるプロトン伝導体を構成する、フラーレンを示す分子
構造図。

【図１７】本発明の第１の実施の形態によるフィールド
プレートが使用される燃料電池の固体電解質膜に使用さ
れるプロトン伝導体を構成する、球体又は長球、又はこ
れらに類似する閉じた面構造を有する種々の炭素クラス
ターを示す分子構造図。

【図１８】本発明の第１の実施の形態によるフィールド
プレートが使用される燃料電池の固体電解質膜に使用さ
れるプロトン伝導体を構成する、球構造の一部が欠損
し、構造中に開放端を有する炭素クラスターを示す分子
構造図。

【図１９】本発明の第１の実施の形態によるフィールド
プレートが使用される燃料電池の固体電解質膜に使用さ
れるプロトン伝導体を構成する、大部分の炭素原子がＳ
Ｐ３結合したダイヤモンド構造を持つ炭素クラスターを
示す分子構造図。

【図２０】本発明の第１の実施の形態によるフィールド
プレートが使用される燃料電池の固体電解質膜に使用さ
れるプロトン伝導体を構成する、複数のクラスターどう
しが種々に結合した炭素クラスターを示す分子構造図。

【符号の説明】

１、１０１フィールドプレート１２、１１２ガス供給口１３、１１３ガス排出口１４、１１４凸部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】固体電解質膜を挟持する一対の電極の一
方に接触し、接触する電極の電気化学的活性領域に対応
した形状であって、接触する電極に面する側に、ガスを
供給するガス供給口、供給されたガスを排出するガス排
出口、及び該ガス供給口と該ガス排出口とに連通したガ
ス流路とが形成されたガス流路領域を有する燃料電極用
フィールドプレートにおいて、該ガス流路領域の外形が線対称形状であって、線対称軸
上に該ガス供給口と該ガス排出口とを同軸配列し、該ガ
ス供給口から線対称軸方向に供給されるガス流を順次分
流する複数の凸部を該ガス流路領域に配列し、該複数の
凸部により該ガス流路を画成したことを特徴とする燃料
電池用フィールドプレート。
【請求項２】該凸部の配列パターンは、該線対称軸に
対して線対称であることを特徴とする請求項１記載の燃
料電池用フィールドプレート。
【請求項３】該凸部は四角柱形状をなすことを特徴と
する請求項１記載の燃料電池用フィールドプレート。
【請求項４】該凸部は円柱形状をなすことを特徴とす
る請求項１記載の燃料電池用フィールドプレート。
【請求項５】該凸部は半球形状をなすことを特徴とす
る請求項１記載の燃料電池用フィールドプレート。
【請求項６】該ガス流路領域の外形はｎ角形をなし
（ｎは４以上の偶数）、該ガス供給口と該ガス排出口と
は、該ｎ角形の対角線上に位置することを特徴とする請
求項１記載の燃料電池用フィールドプレート。
【請求項７】該線対称軸上に同軸配列されたガス供給
口とガス排出口の他に、複数のガス供給口とガス排出口
が形成されたことを特徴とする請求項１記載の燃料電池
用フィールドプレート。
【請求項８】該線対称軸上に配列されたガス供給口と
ガス排出口の他に形成された該複数のガス供給口とガス
排出口のそれぞれは、該線対称軸に対して線対称に配置
されていることを特徴とする請求項７記載の燃料電池用
フィールドプレート。