JP2003282099A

JP2003282099A - 高分子電解質型燃料電池

Info

Publication number: JP2003282099A
Application number: JP2002086623A
Authority: JP
Inventors: Shinsuke Takeguchi; 伸介竹口; Kazuhito Hado; 一仁羽藤; Hiroki Kusakabe; 弘樹日下部; Hideo Obara; 英夫小原; Susumu Kobayashi; 晋小林; Nobunori Hase; 伸啓長谷; Kiichi Shibata; 礎一柴田; Hisaaki Gyoten; 久朗行天
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2002-03-26
Filing date: 2002-03-26
Publication date: 2003-10-03
Anticipated expiration: 2022-03-26
Also published as: JP4340417B2

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】従来のセパレータ形状では電極面内でガス供
給が不均一になってしまい、電池性能の低下や安定性が
確保できないという問題があった。【解決手段】セパレータ１１板のガス流路１７の一部
に、断面積を増加させたサブマニホールド１８ａ、１９
ｂを形成する。これによって、ガス供給の均一化を図
り、電極面内での発電分布をなくし、燃料電池の安定性
と高効率化が可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ポータブル電源、
電気自動車用電源、家庭用コージェネレーションシステ
ム等に使用される固体高分子電解質を用いた燃料電池に
関する。

【０００２】

【従来の技術】固体高分子電解質を用いた燃料電池は、
水素を含有する燃料ガスと、空気など酸素を含有する酸
化剤ガスとを、電気化学的に反応させることで、電力と
熱とを同時に発生させるものである。この燃料電池は、
基本的には、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解
質膜、および電解質膜の両面に配置された一対の電極か
らなる。電極は、白金族金属触媒を担持したカーボン粉
末を主成分とする触媒層、およびこの触媒層の外面に形
成された、通気性と電子導電性を併せ持つガス拡散層か
ら構成される。供給する燃料ガスおよび酸化剤ガスが外
にリークしたり、二種類の反応ガスが互いに混合したり
しないように、電極の周囲には、高分子電解質膜を挟ん
でガスシール材やガスケットが配置される。このシール
材やガスケットは、電極及び高分子電解質膜と一体化し
てあらかじめ組み立てられる。これを、ＭＥＡ（電解質
膜−電極接合体）と呼ぶ。ＭＥＡの外側には、これを機
械的に固定するとともに、隣接するＭＥＡを互いに電気
的に直列に接続するための導電性のセパレータ板が配置
される。セパレータ板のＭＥＡと接触する部分には、電
極面に反応ガスを供給するとともに、生成水や余剰ガス
を運び去るためのガス流路が形成される。ガス流路は、
セパレータ板と別に設けることもできるが、セパレータ
板の表面に溝を設けてガス流路とするのが一般的であ
る。

【０００３】セパレータ板のガス流路に燃料ガスまたは
酸化剤ガスを供給するためには、燃料ガスまたは酸化剤
ガスを供給する配管を、使用するセパレータ板の枚数に
分岐し、その分岐先を直接セパレータ板の溝に連結する
配管治具が必要となる。この治具をマニホールドと呼
び、上記のような燃料ガスまたは酸化剤ガスの供給配管
を直接溝に連結するタイプを外部マニホールドと呼ぶ。
このマニホールドには、構造をより簡単にした内部マニ
ホールドと呼ぶ形式のものがある。内部マニホールドと
は、ガス流路を形成したセパレータ板に、貫通した孔を
設け、ガス流路の出入口をこの孔に連結し、この孔から
直接反応ガスを供給するものである。これらのＭＥＡと
セパレータ板を交互に重ねて１０〜２００セル積層し、
その積層体を、集電板と絶縁板を介して端板で挟み、両
端板を締結ロッドで締め付けるのが一般的な積層電池の
構造である。

【０００４】導電性セパレータ板とＭＥＡとを積層した
燃料電池の代表的な構造を図１４に示す。高分子電解質
膜２、並びにこれを挟むアノード３およびカソード４か
らなるＭＥＡ５がセパレータ板１と交互に積層されてい
る。アノードおよびカソードは、電解質膜に接する触媒
層と、セパレータ板に接するガス拡散層から構成され
る。セパレータ板１は、アノード３に燃料ガスを供給
し、排出するためのガス流路６と、カソード４に酸化剤
ガスを供給し、排出するためのガス流路７とを有する。
セパレータ板１をカソード面側から見た正面図を図１５
に示す。図でＸで表す一点鎖線で囲まれた領域が電極に
接する。セパレータ板１には、酸化剤ガスの入り口側マ
ニホールド孔８ａ、出口側マニホールド孔８ｂ、および
燃料ガスの入り口側マニホールド孔９ａ、出口側マニホ
ールド孔９ｂが設けられている。酸化剤ガスの流路７
は、マニホールド孔８ａと８ｂとをつなぐ４本の並行す
る溝により形成されている。

【０００５】このような構成の燃料電池において、発電
中の反応ガスはすべてセパレータ板表面に形成されたガ
ス流路を流れるのではなく、ＭＥＡの最外部に位置する
多孔質体のガス拡散層の中にもガスは流通する。この流
れを伏流と呼ぶ。電池性能を安定して高く維持するため
には、ガス流路におけるガスの流れと伏流のバランスを
電極面積全体にわたって均一化させることが重要であ
る。この伏流は、ガス拡散層の多孔度や厚さ、そこを流
れるガス圧力によって、その流れ方が決まる。したがっ
て、それらのばらつきによって、電極面内でガス供給に
富んでいる部分と、不足している部分とが生じていた。
そのため、電極面内で発電量の異なる部分が発生し、発
電の集中する部分では電流密度が上昇するために電池電
圧が低下するという問題があった。また、反応ガスを高
加湿状態にして電池に供給すると、ガス供給が多くない
ガス流路で凝縮水や生成水が溜まってしまい、より発電
量分布が生じるという問題があった。

【０００６】これらの問題は、図１５に示されるよう
に、ガス流路７が蛇行形状の場合に特に顕著である。そ
して、図１５にＹで表す、ハッチングが施されている領
域で伏流が多くなり、この領域に発電が集中していた。
したがって、その領域以外のマニホールド孔８ａおよび
８ｂの両方から遠い領域では、反応ガスが不足すること
となる。そのため、特に高加湿状態の反応ガスを用いた
場合、この領域に水が蓄積される。また、ガス流路が直
線部とターン部からなる蛇行形状の場合、一つの流路に
おける直線部の往路と復路に注目すると、その入口側と
出口側におけるガス圧力差は、ターン部におけるそれよ
り高いため、その一つの流路の往路と復路内においても
ガス拡散層を流れる伏流量が異なることとなる。

【０００７】ガス流路が複数の溝で構成される場合、ガ
ス入り口側からガス流路へのガス分配を均一に制御する
のは困難である。上流側ではガス供給量が下流側に対し
て相対的に多いため、発電の性能差は生じない。しか
し、下流側では上・中流側でガスが消費され、ガスの絶
対量が減少するため、初期の分配量により大きな影響を
受ける。つまり、ガス分配の悪い下流側では、ガス供給
不足により、電池性能が低下する。さらに、燃料の枯渇
になってしまうと、電極内のカーボンが溶出することに
よって電池性能の劣化を促進するという問題が生じる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、以上のよう
な問題を解決し、電極面内のガス流路内の流れと伏流と
の割合の均一化を図り、安定したガス供給を実現できる
セパレータ板を提供する。本発明は、そのようなセパレ
ータ板を備えた高分子電解質型燃料電池を提供すること
を目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、本発明は、ガス流路の入り口側および出口側に、
断面積を増加させて、その空間内のガス圧力を一定に保
つためのサブマニホールドを形成する。このサブマニホ
ールドによって、電極面内のガス供給の不均一性を解消
して発電分布をなくし、安定した電池性能を確保する。

【００１０】本発明は、長期にわたる燃料電池の運転中
の性能低下は、電極のガス拡散層内に徐々に蓄積され、
偏在する凝縮水や生成水によって、ガス拡散層内のガス
流れが狭い領域に限定され、他の部分は発電能力が低下
することによるものであるという観点に立って、凝縮水
や生成水が蓄積、偏在しにくい電池構造とするために、
ガス拡散層内のガス流れに着目した。本発明は、セパレ
ータ板のガス流路が蛇行形状に形成された場合に特に有
効であり、ガス流路の一部にガス流路方向の単位長さ当
たりの容積を増加させたサブマニホールドを形成するこ
とによって、反応ガスを均一に電極に供給し、燃料電池
の安定した運転を可能にすることを見いだしたことに基
づいている。

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明は、水素イオン伝導性高分
子電解質膜、前記水素イオン伝導性高分子電解質膜を挟
むカソード及びアノード、前記カソードに酸化剤ガスを
供給・排出するガス流路を有するカソード側導電性セパ
レータ板、並びに前記アノードに燃料ガスを供給・排出
するガス流路を有するアノード側導電性セパレータ板を
具備し、前記カソード側導電性セパレータ板及びアノー
ド側導電性セパレータ板の少なくとも一方が、前記ガス
流路の入り口側および出口側に、前記電極に垂直な断面
積を増加させたサブマニホールドを有する高分子電解質
型燃料電池に関する。

【００１２】本発明の好ましい実施の形態において、前
記ガス流路は、ほぼ平行に延びる直線部およびターン部
からなる蛇行形状を有し、前記サブマニホールドが、前
記ガス流路の直線部にほぼ平行に伸びている。この場
合、前記サブマニホールドは、方形の電極の一辺に沿っ
てほぼその全長にわたる長さを有することが好ましい。
前記サブマニホールドは、前記ガス流路の入り口側およ
び／または前記ガス流路の出口側にあることが好まし
い。前記セパレータ板は、前記ガス流路にガスを供給・
排出する入り口側マニホールド孔および出口側マニホー
ルド孔を具備し、入り口側のサブマニホールドの前記入
り口側マニホールド孔との連結部または出口側のサブマ
ニホールドの前記出口側マニホールド孔との連結部にお
いて、サブマニホールドの溝深さが最も深くなっている
のが好ましい。

【００１３】本発明の他の好ましい実施の形態におい
て、前記セパレータ板は、前記ガス流路にガスを供給・
排出する入り口側マニホールド孔および出口側マニホー
ルド孔を具備し、前記入り口側マニホールド孔または出
口側マニホールド孔が前記サブマニホールドの機能を備
えている。さらに、前記ガス流路の中間部にサブマニホ
ールドを有することが好ましい。前記サブマニホールド
がガスの入り口側よりガス出口側に多く配置されるのが
好ましい。前記サブマニホールドの断面積は、前記ガス
流路の断面積の１．２倍以上３．０倍以下であるのが好
ましい。

【００１４】前記セパレータ板は、前記ガス流路にガス
を供給・排出する入り口側マニホールド孔および出口側
マニホールド孔を具備し、前記マニホールド孔の断面積
Ｓ₁と前記サブマニホールドの断面積Ｓ₂の関係が、Ｓ₁
／１００＜Ｓ₂＜Ｓ₁／２５を満足するのが好ましい。

【００１５】本発明のさらに他の好ましい実施の形態に
おいて、ガス入り口側および出口側に互いに平行に延び
た入り口側サブマニホールドおよび出口側サブマニホー
ルド、並びに両サブマニホールドを連絡する複数のガス
流路を具備し、各ガス流路が蛇行形状を有し、かつ各ガ
ス流路で囲われる領域がそれぞれ独立している。前記の
各ガス流路は、前記サブマニホールドに対して傾斜した
直線部と直線部を繋ぐターン部からなる蛇行形状である
のが好ましい。以下、本発明の実施の形態を図面を参照
しながら説明する。

【００１６】実施の形態１本実施の形態のセパレータ板を図１に示す。セパレータ
板１１は、例えば等方性黒鉛板を機械加工により形成し
たもので、酸化剤ガスの入り口側マニホールド孔１２ａ
および出口側マニホールド孔１２ｂ、燃料ガスの入り口
側マニホールド孔１３ａおよび出口側マニホールド孔１
３ｂ、並びにマニホールド孔１２ａと１２ｂを連絡する
ガス流路１７を有する。ガス流路１７は、並行する４本
の溝で構成されている。そして、ガス流路１７のマニホ
ールド孔１２ａおよび１２ｂと繋がる部分は、サブマニ
ホールド１８ａおよび１８ｂを形成している。サブマニ
ホールド１８ａおよび１８ｂは、ガス流路１７を形成す
る溝に比べて、電極面に垂直な断面積を大きくしてあ
る。図示の例では、サブマニホールド１８ａおよび１８
ｂの幅がガス流路１７の溝の幅より大きい。溝の幅を大
きくする代わりに溝の深さを大きくしても良いし、溝の
幅及び深さをともに大きくしても良い。

【００１７】図の一点鎖線１５で囲まれた部分がカソー
ドに接する部分である。ここに示す電極は長方形であ
り、サブマニホールド１８ａおよび１８ｂは、それぞれ
電極の短辺側に対応する位置に、電極の長手方向に沿っ
て伸びている。ここに示したガス流路１７は、電極の長
手方向に沿って伸びる直線部とこれにほぼ垂直なターン
部とからなっている。セパレータ板１１は、一方の面に
酸化剤ガスの流路１７を、他方の面に流路１７と同様の
燃料ガスの流路をそれぞれ有し、カソード側セパレータ
板とアノード側セパレータ板を兼ねている。図１の裏面
の燃料ガスの流路においても、表側と同様にサブマニホ
ールドを有している。

【００１８】上記のように、本実施の形態のセパレータ
板１１は、電極の長手方向に沿って延びる直線状の往路
と復路からなる蛇行状のガス流路１７を有し、その入り
口側および出口側には、電極のほぼ全長に沿う長さを有
する、断面積の大きなサブマニホールド１８ａおよび１
８ｂを有する。これらサブマニホールドにおいて、ガス
圧力は等圧になるので、電極面内のガス流路１７内の流
れと電極のガス拡散層を流れる伏流との割合が均一化さ
れ、安定したガス供給を実現できる。

【００１９】図２は、図１の変形例を示す。セパレータ
板２１は、ガス流路２７の入り口側および出口側にサブ
マニホールド２８ａおよび２８ｂを有する。これらのサ
ブマニホールドは、一点鎖線２５で示す電極触媒層の外
側に設けられている。ただし、電極のガス拡散層の部分
は、サブマニホールド２８ａおよび２８ｂを覆う大きさ
を有する。サブマニホールド２８ａおよび２８ｂとマニ
ホールド孔１２ａおよび１２ｂを繋ぐ部分２９ａおよび
２９ｂは、４本の溝で構成されている。このように、サ
ブマニホールドが電極の外側に配置されていても効果は
変わらない。

【００２０】実施の形態２本実施の形態のセパレータ板を図３に示す。実施の形態
１では、ガス流路１７の入り口側および出口側にのみサ
ブマニホールドを設けたが、ここに示すセパレータ板３
１は、ガス流路１７の中程にさらにサブマニホールド１
８ｃを有する。サブマニホールド１８ｃは、その始端が
ガス流路１７の上流側に接続され、終端がガス流路の下
流側に接続されている。ガス流路１７の中間部にサブマ
ニホールドを形成すると、電極のガス拡散層内の伏流の
均一化を図ることができる。また、ガスの利用率が高く
なると、ガス流量の減少により下流側でガス分配の影響
を受けやすい。ガス流路の中間部にサブマニホールドを
有すると、入り口側サブマニホールドから分配されたガ
スが出口側サブマニホールドに辿り着くまでに、中間の
サブマニホールドに一度集約され、ガスの再分配が行わ
れる。そのため、下流側でのガス不足の危険性を回避す
ることができる。図４のセパレータ板４１は、ガス流路
の中間部に、２個のサブマニホールド１８ｃおよび１８
ｄを設けた例である。ガス流路の中間部に複数のサブマ
ニホールドを設置する場合は、下流側にその設置割合を
大きくするのが好ましい。

【００２１】実施の形態３本実施の形態のセパレータ板を図５に示す。このセパレ
ータ板５１は、入り口側および出口側のサブマニホール
ド５８ａおよび５８ｂの幅を先の実施の形態のものより
大きくした例である。サブマニホールドを構成する溝の
幅を大きくすると、セパレータ板の加重を電極に加える
ことができなくなる。そこで、サブマニホールド内に、
複数のリブ５９を設けた。

【００２２】実施の形態４本実施の形態のセパレータ板を図６に示す。このセパレ
ータ板６１は、電極の短辺側に設けた入り口側サブマニ
ホールド６８ａと出口側サブマニホールド６８ｂとを３
本のガス流路６７で連絡している。先の実施の形態にお
いては、各ガス流路が、電極の長手方向に沿って延びる
往路と復路からなり、往路および復路においてそれぞれ
並行する形態である。セパレータ板６１では、各ガス流
路６７のカバーする領域がほぼ独立した形態をとってい
る。図６では、ガス流路６７は、サブマニホールドに対
して傾斜したジグザグ形状である。図７は変形例を示
す。このセパレータ板７１は、サブマニホールド７８ａ
と７８ｂとを３本のガス流路７７で連絡している。各ガ
ス流路７７は、往路と復路がサブマニホールドと平行で
ある。

【００２３】電極のガス拡散層内の伏流をより均一にさ
せるために、ガス流路を複数本形成し、それぞれ独立し
た流路域に設計する場合、それぞれのガス流路を直線状
にするのが容易である。しかし、そうすると、電極の短
手方向に対する長手方向の比をある程度確保しないとガ
ス流路での圧力損失を得ることは難しい。そこで、各ガ
ス流路を蛇行形状にすることによって、電極が正方形に
近い形であっても所定の圧力損失を確保することが可能
となる。このように、蛇行したガス流路を複数本形成
し、ガス流路で囲われた領域をそれぞれ独立させること
によって、蛇行部分の往路と復路の長さが短くなり、両
流路間の伏流の差を極力低減することができる。その
際、ガス流路を、図６に示すように、サブマニホールド
に対して傾斜した直線部と直線部を繋ぐターン部からな
る蛇行形状にすると、往路と復路によって挟まれたガス
拡散層での伏流量を均一にすることが可能となる。

【００２４】実施の形態５本実施の形態のセパレータ板を図８に示す。このセパレ
ータ板８１は、電極の対向する２辺に対応させて酸化剤
ガスの入り口側マニホールド孔８２ａおよび８２ｂを設
け、マニホールド孔８２ａの図右側の端部からマニホー
ルド孔８２ｂの左側端部を並行する４本のガス流路８７
で連絡している。８３ａは燃料ガスの入り口側マニホー
ルド孔、８３ｂは出口側マニホールド孔を表す。このセ
パレータ板は、冷却水の入り口側マニホールド孔８４ａ
および出口側マニホールド孔８４ｂを有する。本実施の
形態では、入り口側マニホールド孔８２ａおよび出口側
マニホールド孔８２ｂがサブマニホールドを兼用してい
る。入り口側マニホールド孔８２ａおよび出口側マニホ
ールド孔８２ｂは、各セルに連続しているから、電極の
ガス拡散層は、これのマニホールド孔の壁面の露出し、
そこに伏流が出入りする。入り口側マニホールド孔およ
び出口側マニホールド孔の形状に制限がない場合は、本
実施の形態のようにすることによって、より単純にサブ
マニホールドの効果を利用することが可能となる。

【００２５】実施の形態６本実施の形態のセパレータ板を図９に示す。このセパレ
ータ板９１は、酸化剤ガスの入り口側マニホールド孔９
２ａおよび出口側マニホールド孔９２ｂ、燃料ガスの入
り口側マニホールド孔９３ａおよび出口側マニホールド
孔９３ｂ、並びに冷却水の入り口側マニホールド孔９４
ａおよび出口側マニホールド孔９４ｂを有する。マニホ
ールド孔９２ａおよびマニホールド孔９２ｂは、サブマ
ニホールド９８ａおよび９８ｂ、両サブマニホールドを
連絡する４本の並行する蛇行形状のガス流路９７により
連絡されている。

【００２６】実施の形態７本実施の形態のセパレータ板を図１０に示す。このセパ
レータ板１０１は、酸化剤ガスの入り口側マニホールド
孔１０２ａおよび出口側マニホールド孔１０２ｂ、燃料
ガスの入り口側マニホールド孔１０３ａおよび出口側マ
ニホールド孔１０３ｂ、並びに冷却水の入り口側マニホ
ールド孔１０４ａおよび出口側マニホールド孔１０４ｂ
を有する。マニホールド孔１０２ａおよびマニホールド
孔１０２ｂは、サブマニホールド１０８ａおよび１０８
ｂ、両サブマニホールドを連絡する４本の並行する蛇行
形状のガス流路１０７により連絡されている。この例で
は、ガス流路１０７の中間部にサブマニホールド１０８
ｃを有する。

【００２７】実施の形態１〜５では、一方の面に酸化剤
ガスの流路を有し、他方の面に燃料ガスの流路を有する
セパレータ板、すなわちカソード側セパレータ板とアノ
ード側セパレータ板を兼ねるものについて説明した。そ
して、ガス流路およびサブマニホールドは、酸化剤ガス
側について示した。しかし、燃料ガス側にも同様に適用
できることは明らかである。また、冷却水のマニホール
ド孔を有するセパレータ板にも適用できることはいうま
でもない。以上においては、セパレータ板にマニホール
ド孔を設けた内部マニホールドタイプについて説明した
が、本発明は外部マニホールドタイプにも同様に適用す
ることができる。

【００２８】

【実施例】実施例１アセチレンブラック系カ−ボン粉末に、平均粒径約３０
Åの白金粒子を２５重量％担持して電極触媒とした。こ
の触媒粉末をイソプロピルアルコールに分散させた。ま
た、パーフルオロカーボンスルホン酸の粉末をエチルア
ルコールに分散させた。これら２種の分散液を混合して
電極用ペーストを得た。一方、厚さ３００μｍのカーボ
ンペーパーをポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）
の水性ディスパージョンに浸し、乾燥処理を行うことで
撥水性のガス拡散層を得た。このガス拡散層の片面に前
記電極用ペーストを塗布・乾燥することで触媒層を形成
した。上記のようにして作製した一対の電極で、触媒層
を内側にして、高分子電解質膜を挟み、１１０℃の温度
で３０秒間ホットプレスすることにより、電解質膜−電
極接合体（ＭＥＡ）を作製した。ここでは高分子電解質
膜として、パーフルオロカーボンスルホン酸を５０μｍ
の厚さに薄膜化したもの（デュポン社製ナフィオン）を
用いた。ガス拡散層としては、上述のカーボンペーパー
の他にも、可撓性を有する素材としてカーボン繊維を織
ったカーボンクロス、カーボン繊維とカーボン粉末を混
合し、有機バインダーを加えて成型したカーボンフェル
トなどを用いることもできる。

【００２９】導電性セパレータ板は、厚さ３ｍｍの等方
性黒鉛板を機械加工によって、図１に示すようなガス流
路を形成した。ガス流路１７は、幅０．７ｍｍ、深さ
０．３ｍｍの並行する４本の溝で構成した。サブマニホ
ールド１８ａおよび１８ｂは、入り口側マニホールド１
２ａおよび出口側マニホールド１２ｂに直接繋がる部分
に設けた。サブマニホールドは、溝幅が１．２ｍｍ、深
さを１．２ｍｍとした。したがって、ガス流路１７に対
するサブマニホールドの断面積比は約１．７倍であり、
１．２倍以上３．０倍以下という条件を満足している。
また、マニホールド孔１２ａの断面積Ｓ₁が１００ｍｍ²
であるため、サブマニホールドの断面積をＳ₂とする
と、Ｓ₁／１００＜Ｓ₂＜Ｓ₁／２５を満足している。

【００３０】上記の導電性セパレータ板とＭＥＡとを交
互に積層して５０セルが直列に接続されたセル積層体を
組み立てた。このセル積層体を集電板と絶縁板を介して
ステンレス鋼製の端板で挟み、両端板を締結ロッドで、
１０ｋｇｆ／ｃｍ²の圧力で締結した。比較例の電池
は、図１５のようにマニホールド８ａから８ｂに至る全
領域を本実施例のガス流路１７と同様の構成とした他は
すべて本実施例の条件と同一とした。これら本実施例と
比較例の電池を、８５℃に保持し、アノード側に８３℃
の露点となるよう加湿・加温した燃料ガスを、カソード
側に７８℃の露点となるように加湿・加温した空気をそ
れぞれ供給した。そして酸素利用率３０％、燃料利用率
７０％で電流−電圧特性を調べた。その結果を図１１に
示す。また、電流密度０．３Ａ／ｃｍ²において連続発
電試験を行った。その結果を図１２に示す。

【００３１】図１１において、本実施例の電池は、低電
流密度の領域では、その優位性は少しだけしか見られな
いが、高電流密度ではサブマニホールドを有する効果が
現れ、より良好な電池性能を示した。これは次のように
考えられる。高電流密度領域では、反応ガスの拡散性が
電池性能を最も支配するものであり、電極面全体におい
て均一なガス供給が必要となる。電極のガス拡散層内を
ガスが流れる伏流は、ガス圧力に支配される。本実施例
の電池では、サブマニホールドによって、電極面のガス
入り口側および出口側において、ガス圧力が等圧となる
領域が広範囲にわたって確保されている。このため、伏
流が電極面全体においてより均一に生じ、均一なガス供
給が可能になっている。低電流密度領域では、あまりそ
の違いが現れなかったのは、ガス入り口側および出口側
の領域で律速になるのは拡散律速ではなく、反応律速に
よるためである。比較例の電池では、本実施例のサブマ
ニホールドに相当するガス流路内でガス圧力が異なる。
つまり、入り口側マニホールド孔に近い部分において圧
力が最も高く、出口側マニホールドに近い部分で圧力が
最も低くなる。このため、図１５のようにガスの流れが
マニホールド８ａと８ｂを結ぶ線付近に集中し、その線
から遠くに位置する電極部ではガス不足に陥って発電分
布が生じてしまう。特に、ガス拡散律速である高電流密
度において、電池性能が劣るのである。

【００３２】図１２の連続発電試験の初期では、ほとん
ど差は見られない。しかし、時間の経過とともに比較例
の電池ではガス不足になっている電極部分において、電
極に用いられているカーボン粉末や触媒近傍の被覆樹脂
の溶出など不可逆的な劣化が発生している。これによ
り、初期から比較的ガス供給が富んでいた部分に、より
発電が集中して電流密度が上昇するため、時間の経過と
ともに電池性能が低下している。それに対して、本実施
例の電池では、電極面全体への安定したガス供給によっ
て、比較例のようなガス不足による劣化を防いでいるた
め、２０００時間経過しても電池電圧が初期と同等の値
を維持している。以上のようにセパレータ板のガス流路
にサブマニホールドを設けることによって、電極面全体
へのガス供給が均一に行え、電池性能を向上できること
が確認された。

【００３３】実施例２本実施例では、図３のように、実施例１のサブマニホー
ルド１８ａおよび１８ｂに加えて、ガス流路１７の中間
部にさらにサブマニホールド１８ｃを形成した。その他
は実施例１と同じ条件で電池を作製した。本実施例の電
池と実施例１の電池を８５℃に保持し、アノード側に８
３℃の露点となるよう加湿・加温した燃料ガスを、カソ
ード側に７８℃の露点となるように加湿・加温した空気
をそれぞれ供給した。そして、電流密度０．３Ａ／ｃｍ
²、燃料利用率７０％とし、酸素利用率を種々変えて試
験を行った。その結果を図１３に示す。図１３の結果か
ら、酸素利用率が高い領域では、本実施例の電池の方が
電圧低下を招くことなく安定した電池性能を維持してい
ることが分かる。これは実施例１の電池にさらにサブマ
ニホールド１８ｃ設けたことにより、ガス拡散層内の伏
流の均一化が図れたことによる。酸素利用率が高くなる
と、ガス流量の減少により下流側でガス分配の影響を受
けやすい。中間部にサブマニホールドを形成すること
で、マニホールド孔１２ａから分配されたガスがマニホ
ールド孔１２ｂに辿り着くまでに一度集約され、ガスの
再分配がされる。これにより、下流側でのガス不足の危
険性が回避されたのである。

【００３４】また、酸素利用率が高くなると、ガス流量
に対する生成水の割合が高くなり、凝縮水や生成水によ
ってガス流路が閉塞する可能性がより高くなる。同時に
ガス流路をガスが通る際の圧力損失が低下し、ガス流路
に水が閉塞すると、その水を除いて元に戻す復元力が低
下する。そして、閉塞した地点以降のガス流路にはガス
の供給ができなくなる。ガス流路の中間部にサブマニホ
ールドがあると、ガスの再分配によってその閉塞した地
点の下流にもガス供給が可能になり、ガス流路の閉塞に
よる電池性能への影響を最低限に抑えるという効果が得
られる。上記と同様にして、酸素利用率を一定にし、水
素利用率を変えて試験を行った結果、酸素利用率と同様
に、高い利用率にすればするほど本実施例の電池は安定
した電池性能を維持できることが確認された。また、ア
ノードガスとして都市ガスを改質したガスを想定して水
素８０％、二酸化炭素２０％の混合ガスにすると、その
影響は顕著であった。ガス流路の中間部に設置するサブ
マニホールドの数が複数になる場合は、図４に示すよう
に、下流側の設置割合を大きくすることが効果的である
ことが確認された。

【００３５】実施例３本実施例では、実施例１の電池において、サブマニホー
ルドの溝幅を図５に示すように、大きくした場合につい
て検証した。サブマニホールド５８ａおよび５８ｂの幅
を２．８ｍｍ、溝深さを０．８ｍｍとして、電池を作製
した。このサブマニホールドの電極面に垂直な断面積
は、ガス流路１７の約２．７倍である。ここで、溝幅が
広くなると電極面に加重を加えることができなくなるた
め、図５に示すように、サブマニホールド内にリブ５９
を設けた。この電池を実施例１と同じ条件で電流−電圧
特性を調べた。その結果、実施例１と同等の性能を示し
た。したがって、溝幅の広いサブマニホールドを形成す
る場合には、溝内部にリブを設置することが有効である
ことが確認された。

【００３６】また、サブマニホールド５８ａ、５８ｂの
断面積が、ガス流路１７の１．２倍以上３．０倍以下の
範囲において、サブマニホールドの効果が認められた。
同様に、マニホールド孔１２ａあるいは１２ｂの断面積
Ｓ₁、サブマニホールド５８ａまたは５８ｂの断面積を
Ｓ₂としたとき、Ｓ₁／１００＜Ｓ₂＜Ｓ₁／２５において
効果が認められた。

【００３７】実施例４本実施例では２種類の電池を製作した。実施例１におけ
るサブマニホールド１８ａのマニホールド孔１２ａとの
連結部、およびサブマニホールド１８ｂのマニホールド
孔１２ｂとの連結部の溝深さを、サブマニホールドの中
で最も深くなるように加工した電池と、サブマニホール
ド内で最も浅くなるようにした電池とである。これらの
電池について、カソード側に供給する加湿空気の露点を
種々変えて試験をした。その結果、サブマニホールドの
マニホールド孔との連結部で溝深さの浅い電池は、溝深
さの深い電池に比べてより低い露点で電池性能が低下し
た。それは連結部の溝深さが浅いため、水分量が多くな
るとガスの出口側で凝縮水や生成水の排出が困難にな
り、サブマニホールド内に凝縮水や生成水が滞留し、そ
のため、サブマニホールドの機能が失われたためであ
る。一方、連結部の溝深さを深くした電池では、凝縮水
や生成水の排出がスムーズに行えるため、供給ガスが高
い加湿状態でも電池性能が低下することはなかった。本
実施例では、カソード側のサブマニホールドについて説
明したが、アノード側のサブマニホールドにも同様の傾
向が見られた。以上から、サブマニホールドのマニホー
ルド孔との連結部の溝深さは、サブマニホールド内の他
の部分と同じかあるいはより深くすることが好ましい。

【００３８】

【発明の効果】本発明によれば、サブマニホールド内で
一時的にガス圧力を均一にさせ、これによって高効率で
安定した性能を示す燃料電池を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の燃料電池のセパレータ板の
カソード側の正面図である。

【図２】本発明の他の実施例のセパレータ板のカソード
側の正面図である。

【図３】本発明のさらに他の実施例のセパレータ板のカ
ソード側の正面図である。

【図４】本発明の実施例のセパレータ板のカソード側の
正面図である。

【図５】本発明の他の実施例のセパレータ板のカソード
側の正面図である。

【図６】本発明の他の実施例のセパレータ板のカソード
側の正面図である。

【図７】本発明のさらに他の実施例のセパレータ板のカ
ソード側の正面図である。

【図８】本発明の他の実施例のセパレータ板のカソード
側の正面図である。

【図９】本発明のさらに他の実施例のセパレータ板のカ
ソード側の正面図である。

【図１０】本発明の実施例のセパレータ板のカソード側
の正面図である。

【図１１】本発明の実施例および比較例の燃料電池の電
流−電圧特性を示す図である。

【図１２】本発明の実施例の燃料電池の連続発電試験に
おける電圧の変化を示す図である。

【図１３】本発明の実施例および比較例の燃料電池の酸
素利用率と電圧との関係を示す図である。

【図１４】代表的な燃料電池の要部の断面図である。

【図１５】従来の燃料電池のセパレータ板のカソード側
の正面図である。

【符号の説明】

１１導電性セパレータ板１２ａ酸化剤ガスの入り口側マニホールド孔１２ｂ酸化剤ガスの出口側マニホールド孔１３ａ燃料ガスの入り口側マニホールド孔１３ｂ燃料ガスの出口側マニホールド孔１７ガス流路１８ａ、１８ｂサブマニホールド

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成１４年３月２７日（２００２．３．２
７）

【手続補正１】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１１

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１１】

【手続補正２】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１２

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１２】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者日下部弘樹大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者小原英夫大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者小林晋大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者長谷伸啓大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者柴田礎一大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者行天久朗大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内Ｆターム(参考） 5H026 AA06 CC03 CC08 HH02

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】水素イオン伝導性高分子電解質膜、前記
水素イオン伝導性高分子電解質膜を挟むカソード及びア
ノード、前記カソードに酸化剤ガスを供給・排出するガ
ス流路を有するカソード側導電性セパレータ板、並びに
前記アノードに燃料ガスを供給・排出するガス流路を有
するアノード側導電性セパレータ板を具備し、前記カソ
ード側導電性セパレータ板及びアノード側導電性セパレ
ータ板の少なくとも一方が、前記ガス流路の入り口側お
よび出口側に、前記電極に垂直な断面積を増加させたサ
ブマニホールドを有することを特徴とする高分子電解質
型燃料電池。
【請求項２】前記ガス流路が、ほぼ平行に延びる直線
部およびターン部からなる蛇行形状を有し、前記サブマ
ニホールドが、前記ガス流路の直線部にほぼ平行に伸び
ている請求項１記載の高分子電解質型燃料電池。
【請求項３】前記サブマニホールドが、前記ガス流路
の入り口側にある請求項１または２記載の高分子電解質
型燃料電池。
【請求項４】前記サブマニホールドが、前記ガス流路
の出口側にある請求項１または２記載の高分子電解質型
燃料電池。
【請求項５】前記セパレータ板が、前記ガス流路にガ
スを供給・排出する入り口側マニホールド孔および出口
側マニホールド孔を具備し、入り口側のサブマニホール
ドの前記入り口側マニホールド孔との連結部または出口
側のサブマニホールドの前記出口側マニホールド孔との
連結部において、サブマニホールドの溝深さが最も深く
なっている請求項１記載の高分子電解質型燃料電池。
【請求項６】前記セパレータ板が、前記ガス流路にガ
スを供給・排出する入り口側マニホールド孔および出口
側マニホールド孔を具備し、前記入り口側マニホールド
孔または出口側マニホールド孔が前記サブマニホールド
の機能を備えた請求項１記載の高分子電解質型燃料電
池。
【請求項７】さらに前記ガス流路の中間部にサブマニ
ホールドを有する請求項１記載の高分子電解質型燃料電
池。
【請求項８】前記サブマニホールドがガスの入り口側
よりガス出口側に多く配置される請求項７記載の高分子
電解質型燃料電池。
【請求項９】前記サブマニホールドの断面積が、前記
ガス流路の断面積の１．２倍以上３．０倍以下である請
求項１記載の高分子電解質型燃料電池。
【請求項１０】前記セパレータ板が、前記ガス流路に
ガスを供給・排出する入り口側マニホールド孔および出
口側マニホールド孔を具備し、前記マニホールド孔の断
面積Ｓ₁と前記サブマニホールドの断面積Ｓ₂の関係が、
Ｓ₁／１００＜Ｓ₂＜Ｓ₁／２５を満足する請求項１記載
の高分子電解質型燃料電池。
【請求項１１】ガス入り口側および出口側に互いに平
行に延びた入り口側サブマニホールドおよび出口側サブ
マニホールド、並びに両サブマニホールドを連絡する複
数のガス流路を具備し、各ガス流路が蛇行形状を有し、
かつ各ガス流路で囲われる領域がそれぞれ独立している
請求項１記載の高分子電解質型燃料電池。
【請求項１２】前記各ガス流路が、前記サブマニホー
ルドに対して傾斜した直線部と直線部を繋ぐターン部か
らなる蛇行形状を有する請求項１１記載の高分子電解質
型燃料電池。