(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜を挟持する一対のガス拡散電極の該固体高分子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り、前記中間通流溝部の直線部分は少なくとも一部が複数本の平行に走る独立通路溝となり、前記曲線部は格子状溝となっていることを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池のガス通路板。
【請求項２】
前記中間通流溝は、前記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記載の固体高分子電解質型燃料電池のガス通路板。
【請求項３】
前記出口側通流溝部は、前記格子状溝と該出口側通流溝部の出口端の隣接部に設けられた該出口端に向かって延びるストライプ溝とを有する請求項１及び請求項２のいずれか一つに記載の固体高分子電解質型燃料電池のガス通路板。
【請求項４】
前記通流溝は前記ガス通路板の一部を構成する溝部材に形成されており、該溝部材は方形状であり、
前記入口側流通溝部は該溝部材の四角の一角に設けられ、該入口側流通溝部のガス流通方向への幅と前記溝部材のガス流通方向への一辺の幅との比が１：５〜６である請求項１〜３のいずれか一つに記載の固体高分子電解質型燃料電池のガス通路板。
【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６−２１５７８０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、本発明の固体高分子電解質型燃料電池のガス通路板は、固体高分子電解質膜を挟持する一対のガス拡散電極の該固体高分子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り、前記中間通流溝部の直線部分は少なくとも一部が複数本の平行に走る独立通路溝となり、前記曲線部は格子状溝となっていることを特徴とする。
【００１２】
（作用）
本発明の固体高分子電解質型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】
本発明の固体高分子電解質型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。
本発明の固体高分子電解質型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されている。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。より具体的には、独立通路溝の本数を出口側通流溝に近いほど減ずるのが好ましい。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。また、出口側通流溝部は、前記格子状溝と該出口側通流溝部の出口端の隣接部に設けられた該出口端に向かって延びるストライプ溝とを有することが好ましい。これにより、出口マニホールドへのガスの流れが良好となり、より排水性も向上する。また、該入口側流通溝のガス流通方向への幅と前記通流溝が形成されている溝部材のガス流通方向への一辺の幅との比が１：５〜６であることが好ましい。これにより、電極使用率が向上する。
【００１８】
【実施例】
本発明の固体高分子電解質型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固体高分子電解質型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１１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１４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〜１８Ｅ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１８Ａ〜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１６Ａ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１８Ａ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実施例に係る固体高分子電解質型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、この実施例の固体高分子電解質型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２２Ｂ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２３Ｃ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実施例に係る固体高分子電解質型燃料電池のガス通路板を示す平面図である。
【図２】  本発明を適用する固体高分子電解質型燃料電池全体の断面図である。
【図３】  本発明の第２実施例に係る固体高分子電解質型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。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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