(57)【要約】【課題】安定的に電解質膜に水分を供給する燃料電池を提供することを目的とする。【解決手段】高分子電解質膜１と、この高分子電解質膜を挟持する電極２、３と、この電極に燃料ガスまたは酸化剤ガスを供給する流路を形成したセパレータ４、５とを備えた燃料電池において、前記セパレータは、前記電極に面して開口する溝状に前記流路を形成し、前記流路は、一端を外部に開口して他端は閉口する、ガスが供給されるガス流入路６と、一端を外部に開口して他端は閉口する、ガスが排出されるガス流出路７と、両端を外部に閉口する複数の中間流路８とからなり、前記ガス流入路６とガス流出路７と中間流路８はそれぞれ独立して形成される。【選択図】　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子電解質膜と、
この高分子電解質膜を挟持する電極と、
この電極に燃料ガスまたは酸化剤ガスを供給する流路を形成したセパレータとを備えた燃料電池において、
前記セパレータは、前記電極に面して開口する溝状の前記流路を形成し、
前記流路は、ガスが供給されるガス流入路と、ガスが排出されるガス流出路と、複数の中間流路とからなり、
前記ガス流入路とガス流出路とは、それぞれ流路の一端を外部に開口して他端は閉口する流路であるとともに、前記中間流路はその両端を外部に閉口する流路であり、
前記ガス流入路とガス流出路と中間流路とがそれぞれ独立して形成されることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記ガス流路は、それぞれ櫛型状の溝として形成され、櫛の歯部で互いに交差するように配置されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記中間流路は、前記ガス流路の歯部に沿って長溝状に形成されることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記中間流路は、前記ガス流入路に近接して形成されることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記中間流路は、互いに交差して形成された前記ガス流路の間隙を縫って形成されることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、反応ガスである水素などの燃料ガスと空気などの酸化剤ガスを電気化学的に反応させることにより、燃料の持つ化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する装置である。この燃料電池の一つとして、電解質に固体高分子電解質を用いる固体高分子電解質形燃料電池が知られている。
【０００３】
燃料電池の燃料極、酸化剤極の両電極において進行する電極反応は、以下の通りである。
燃料極　　：　　　２Ｈ２　→４Ｈ＋　＋４ｅ−　　　　　　　…（１）
酸化剤極　：　　　４Ｈ＋　＋４ｅ−　＋Ｏ２　→２Ｈ２Ｏ　　　　　　　　…（２）
そして、燃料極（アノード）に燃料として水素ガスが供給されると、燃料極では（１）の反応式が進行して水素イオンが生成する。この生成した水素イオンが水和状態で電解質（固体高分子電解質形燃料電池であれば固体高分子電解質膜）を透過（拡散）して酸化剤極（カソード）に至り、この酸化剤極に酸化剤として酸素含有ガス、例えば空気が供給されていると、酸化剤極では（２）の反応式が進行する。この（１）、（２）の電極反応が各極で進行することで、燃料電池は起電力を生じることとなる。
【０００４】
水素イオンが電解質膜を移動するためには、電解質膜が含水した状態であることが必要であり、含水量が低下すると電解質膜の電気抵抗が大きくなって、燃料電池の出力電圧の低下、出力電力の低下を招く。さらに、含水量が低下して電解質膜が乾燥状態になると電解質膜としての機能が著しく低下する。
【０００５】
このため、通常、電解質膜を燃料極と酸化剤極とで挟み込んで構成される膜電極接合体はセル面内に水分が均一となるように形成されているが、電極の発電領域においては、燃料ガス、酸化剤ガスが流通する方向に対して水分の分布が不均一となる特性を有する。
【０００６】
ガスの上流側と下流側では流路を流通していく供給ガス濃度、流量、水蒸気分圧が異なっているからである。特に供給ガス流通方向上流側での電解質膜は乾燥しやすく、下流側の電解質膜は湿潤状態になりやすい。反応生成水が下流側に押し流されていく傾向にあるからである。反応生成水の量が電解質膜の保水量を上回ると供給ガス流路へ生成水が溢れ出すフラッディングという現象を生じる。その結果、電極の発電面を生成水が覆って反応を抑制し供給ガス流路を閉塞して、ガス流通を阻害するといった現象を招き、発電を安定して継続することが困難になる。
【０００７】
そこで、供給側ガス流路と排出側ガス流路が直接連通しないように流路の分離を行い、供給ガスを強制的にガス拡散層を流通させることによって、生成水を排出しやすくしてフラッディングを抑制した燃料電池がある（例えば、特許文献１を参照。）。
【０００８】
【特許文献１】
特開平１１−０１６５９１号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この従来技術では、流路中の水分の排出が過度に促進され、電解質膜の乾燥を招くという問題があった。
【００１０】
本発明はこのような課題を鑑みてなされたもので、固体高分子電解質膜の湿潤状態を安定化する燃料電池を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、高分子電解質膜と、この高分子電解質膜を挟持する電極と、この電極に燃料ガスまたは酸化剤ガスを供給する流路を形成したセパレータとを備えた燃料電池において、前記セパレータは、前記電極に面して開口する溝状の前記流路を形成し、前記流路は、ガスが供給されるガス流入路と、ガスが排出されるガス流出路と、複数の中間流路とからなり、前記ガス流入路とガス流出路とは、それぞれ流路の一端を外部に開口して他端は閉口する流路であるとともに、前記中間流路はその両端を外部に閉口する流路であり、前記ガス流入路とガス流出路と中間流路とがそれぞれ独立して形成される。
【００１２】
【発明の効果】
本発明によれば、それぞれ独立したガス流入路とガス流出路との双方と連通しない中間流路を設けることにより、生成された水滴の一部は中間流路に流出する。中間流路に流入した水滴は、中間流路が外部に開口しないため、中間流路内に保持されることになるが、この中間流路で保持された水滴は、移流によって水滴のままガスによって運び出され、あるいはガスの湿度に応じて水滴表面から水分が蒸発拡散することにより、ガスの乾燥度が緩和され、電解質を湿潤し、電解質膜の乾燥を防ぐ効果が得られる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の固体高分子電解質形燃料電池の一実施形態の構造を示す断面図である。燃料電池の一単位（いわゆる単セル）は、固体高分子膜からなる電解質膜１と、この電解質膜を挟持するように電解質膜１の両面に配設される二つの電極（燃料極２と酸化剤極３）と、２つの電極の挟持し、燃料ガスまたは酸化剤ガスが流通する流路を形成したセパレータ４、５からなり、この単セルを積層することにより燃料電池スタックが構成される。なお、セパレータは両側に流路を形成し、隣接する電極間で共有する形状としてもよい。
【００１４】
電解質膜１は、フッ素系樹脂等の固体高分子材料によりプロトン伝導性の膜として形成されている。
【００１５】
この膜の両面に配設される二つの電極２、３は、白金または、白金とその他の金属からなる触媒を含有するカーボンクロス、またはカーボンペーパーからなり、触媒の存在する層（触媒層２ａ、３ａ）が電解質膜と接触するように形成されている。また電極の電解質膜１と接触しない側（セパレータに接触する側）は、ガス拡散層２ｂ、３ｂが形成される。
【００１６】
セパレータ４、５は、ガス不透過性の緻密性カーボン材で構成されており、片面または両面に燃料ガスや酸化剤ガス、あるいは冷媒の流路を確保するため、多数のリブが形成され、その中間流路が流路として機能する。酸化剤ガス、燃料ガスはそれぞれのガス入口から供給され、ガス出口から排出される。
【００１７】
図２は、セパレータの一面に形成した流路（ガス供給側流路６とガス排出側流路７）及び中間流路８の一例を示す平面図である。ガス供給側流路６とガス排出側流路７のそれぞれが櫛型の流路形状をし、その歯部６ａ、７ａが交互に交差するように形成される。ここで、ガス供給側流路６とガス排出側流路７とは独立しており、互いに連通していないため、ガス供給側流路６の入口部６ｂに供給されたガスは、流路６途中からガス拡散層２ｂまたは３ｂに入り込み、ガス拡散層内をガスが通過し、ガス排出側流路７に流出され、出口部７ｂから外部に排出される。
【００１８】
さらにガス供給側流路６とガス排出側流路７の間には、その双方と連通しない独立した立方体状の複数の中間流路８を有する。
【００１９】
以上のように構成され、以下、本発明の作用を説明する。
【００２０】
まず、ガス供給側流路とガス排出側流路とが連続的に連通した、つまり１本の流路でガスの供給と排出を行うよう形成された通常の流路構造では、酸化剤ガス、燃料ガスは、拡散効果によりガス拡散層へ流入し、さらに電解質膜へ到達して発電反応に寄与する。ガス拡散層の空孔内に水滴が滞留し、滞留量が一定量を超えると水分が流路に溢れ出すフラッディングが発生し、発電性能は著しく低下する。
【００２１】
また、特許文献１のようなガス供給側流路とガス排出側流路とを互いに連通しないよう独立した流路とした構造では、酸化剤ガス、燃料ガスは、移流効果によりガス供給側流路からガス拡散層へ流入し、ガス拡散層からガス排出側流路へと排出される。ガス拡散層から固体高分子膜へは、拡散効果により酸化剤ガス、燃料ガスは電解質膜へ到達する。この構造では、ガス供給側流路からガス拡散層を通過してガス排出側流路へと流れる一連のガス流は移流効果により推進され、この流れはガス拡散層内に滞留した水滴をガス流と共にガス排出側へ排出する効果を有する。
【００２２】
しかしながら、過度の排水効果は固体高分子膜の乾燥を招くこととなる。特に、移動体へ搭載して稼動させる燃料電池においては、その重量軽減の要求から燃料電池へ供給するガスの加湿にかかわる水を削減することが望まれている。そのため、移動体へ搭載する燃料電池としては、外部からの加湿を抑制した状態、あるいはまったく外部からの加湿を行わないガスを供給することが要求される。こういった湿度が抑制された供給ガスを使用する状況下で燃料電池を稼動させる場合、電解質膜は乾燥しやすい。
【００２３】
そこで、本発明では、それぞれ独立したガス供給側流路６とガス排出側流路７との双方と連通しない中間流路８を設けることにより、ガス拡散層２ｂまたは３ｂから排出される水滴の一部は中間流路８に流出する。中間流路８に流入した水滴は、中間流路８が外部に開口する開口部を有さないため、中間流路８内に保持されることになるが、この中間流路８で保持された水滴は、ガス拡散層内のガスの主要な流れとの距離、水滴の体積、表面積等に応じて、移流によって水滴のままガスによって運び出され、あるいはガスの湿度に応じて水滴表面から水分が蒸発拡散することにより、ガスの乾燥度が緩和され、電解質１を湿潤し、電解質膜１の乾燥を防ぐ効果が得られる。
【００２４】
図３は、第２の実施形態としての中間流路８の別の形状を示しており、これは、第１の実施形態では立方体状に形成した中間流路８をガス供給側流路６とガス排出側流路７と平行に長溝状に形成した実施形態である。
【００２５】
燃料電池内でガスの分配の良否、局所的な電解質膜の湿潤度によって、発電量に電解質膜の面内での不均一が生じることがある。このとき、発電量に応じて生成水量の異なり、面内で水量分布が不均一となる。しかしながら本実施形態では、中間流路８を長溝状に形成したため、水分の豊富な領域から不足した領域へと水滴が移動することができ、水滴の移動により水分量の不均一を抑制することができる。
【００２６】
図４は、第３の実施形態としての中間流路８の別の形状を示しており、これは、ガス供給側流路６とガス排出側流路７との間を縫うように蛇行して中間流路８を形成した実施形態である。
【００２７】
低加湿の酸化剤ガスが電池に流入する場合はガス供給部付近が、逆に高加湿の酸化剤ガスが電池に流入する場合はガス排出部付近が乾燥する傾向にあるが、このようにガス供給部とガス排出部の間で大域的な水分量不均一が生じている場合、前記第２の実施形態の長溝状の中間流路８で不均一を解消することはできない。そのような場合、複数の長溝状の中間流路を互いに連通させることにより、ガス供給部付近から排出部付近へ、あるいはその逆と、連通した長溝状の中間流路８の全体を通して水分が移動し、電解質膜１の水分量の不均一を解消する効果が得られる。
【００２８】
図５は、第４の実施形態としての中間流路８のさらに別の形状を示しており、これは、第２の実施形態の中間流路８をガス排出側流路７の歯部７ａに比較してガス供給側流路６の歯部６ａ寄りに近接して形成した実施形態である。
【００２９】
ガス側流路６とガス排出側流路７が連通していない櫛型流路の燃料電池では、一本の供給側流路と一本の排出側流路に挟まれた領域内で、供給側に近い部分がより乾燥しやすい。従って、より乾燥しやすい供給側に近い部分に中間流路８を設けることによってその近傍での乾燥を抑えることが可能となる。
【００３０】
本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内でさまざまな変更がなしうることは明白である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池の単セルの断面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態を示す構成図である。
【図３】第２の実施形態を示す構成図である。
【図４】第３の実施形態を示す構成図である。
【図５】第４の実施形態を示す構成図である。
【符号の説明】
１　固体高分子電解質膜
２　燃料極
２ａ　触媒層
２ｂ　ガス拡散層
３　酸化剤極
３ａ　触媒層
３ｂ　ガス拡散層
４　燃料極側セパレータ
５　酸化剤極側セパレータ
６　ガス供給側流路
６ａ　歯部
６ｂ　入口部
７　ガス排出側流路
７ａ　歯部
７ｂ　出口部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2004134277.tif 000006
【図５】
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