(57)【要約】【課題】セパレータに備える流路を、生成水の滞留がなく、かつ供給圧力が適正範囲に抑えられ、かつ反応物質がほぼ均一に通流する流路とする。【解決手段】水平方向に流れる直線状流路と端部で垂直方向に流れる折り返し流路とを交互に連結した蛇行形状よりなる３本の主流路を並行に配列し、さらに、燃料ガス供給マニホールド３からの距離が同一となる位置に連通流路２を配して３本の主流路を連通させ、圧力を均一化する。【選択図】        図１
2004220950.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両面に触媒層を接合して形成された平板状の単電池と、該単電池を挟持する方形のセパレータとを備え、かつ、前記のセパレータが単電池に対向する面に外部より供給される反応物質を通流させる流路を有する固体高分子形燃料電池において、
前記流路が、複数の流路断面が略一定の蛇行形状の主流路を並列に接続した並列流路と、並列流路の各主流路の間を規定流量通流時に同一圧力となる位置において連通した少なくとも一つ以上の連通流路とにより構成されていることを特徴とする固体高分子形燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の固体高分子形燃料電池において、並列流路を構成する複数の蛇行形状の主流路が同一の流路長を有し、かつ、前記の連通流路が、主流路の始端からの距離が同一の地点において各主流路の間を連通していることを特徴とする固体高分子形燃料電池。
【請求項３】
請求項２に記載の固体高分子形燃料電池において、並列流路を構成する複数の蛇行形状の主流路が、対向する単電池の電極面に対応して一端から他端へと直線状に伸びる直線状流路と、端部に配された前記の直線状流路と直交する方向に伸びる折り返し流路とを交互に配して連結した蛇行流路よりなり、前記連通流路が、蛇行流路の少なくとも一つ置きの直線状流路に配されていることを特徴とする固体高分子形燃料電池。
【請求項４】
請求項２に記載の固体高分子形燃料電池において、並列流路を構成する複数の蛇行形状の主流路が、対向する単電池の電極面に対応して一端から他端へと直線状に伸びる直線状流路と、端部に配された前記の直線状流路と直交する方向に伸びる折り返し流路とを交互に配して連結した蛇行流路よりなり、前記連通流路が、蛇行流路の少なくとも一つ置きの折り返し流路に配されていることを特徴とする固体高分子形燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子形燃料電池、特にその単電池を挟持するセパレータに備えられる反応物質の流路の構成に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子形燃料電池では、電解質の両面に触媒層を接合して形成した単電池を両面から挟むようにガス不透過性材料からなるセパレータが配置され、このセパレータの単電池に対向する表面には、単電池に供給する反応物質の流路の役割をはたす溝が形成されている。反応物質には、燃料ガスとして水素を主成分とする気体、酸化剤ガスとして空気が用いられる。
各種の燃料電池の中でも比較的低温で運転される固体高分子形燃料電池では、発電反応に伴って生じる生成水が液体の状態で流路に滞留し、反応物質の流れを阻害する恐れがあるため、生じた生成水が反応物質の流れによって排出されるように、入口から出口まで流路断面がほぼ一定の流路をセパレータ上に蛇行させて配置し、反応物質の流れに滞留部分が生じない流路としている。また、電極面積が小さい固体高分子形燃料電池の場合には、上記の蛇行形状の流路を１本配置するだけで電極全体を覆うことが可能であるが、電極面積が大きくなると１本の流路のみでは圧力損失が大きくなり、反応物質の供給圧力が高くなりすぎるので、複数の流路を並列に組み合わせて反応物質の流路を形成し、圧力損失を適正な範囲に抑えている。
【０００３】
図４は、固体高分子形燃料電池の反応物質の流路の従来例を示すセパレータの正面図で、燃料極に対向して配されるセパレータの正面図である。図において、３〜８で表示されている部分は、いずれもセパレータを貫通する孔であり、積層して構成される固体高分子形燃料電池において、３は燃料ガス供給マニホールド、４は燃料ガス排出マニホールド、５は酸化剤ガス供給マニホールド、６は酸化剤ガス排出マニホールドである。また、７，８は、冷媒供給用マニホールドおよび冷媒排出用マニホールドである。また、図に符号１で表示された溝は反応物質である燃料ガスを通流させる主流路であり、３本のほぼ一定の流路断面を有する蛇行形状の流路が燃料ガス供給マニホールド３と燃料ガス排出マニホールド４との間に形成されている。燃料ガス供給マニホールド３より供給された燃料ガスは、３本の主流路１に分流され、図中の横方向に伸びる直線状流路と縦方向に伸びる折り返し流路とを順次蛇行して流れ、燃料ガス排出マニホールド４より外部に排出される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記のごとく、従来の固体高分子形燃料電池では、セパレータに図４に示したごとき並列に配された複数の主流路からなる反応物質の流路を備え、反応物質を通流して単電池に供給しているが、本構成においても、なお、以下のごとき問題点がある。
すなわち、図４に示した流路構成においては、複数の主流路１が並列に配置されており、かつ、それぞれの主流路１が横方向に伸びる直線状流路と縦方向に伸びる折り返し流路とを順次蛇行して流れているため、例えば図中に符号１０で示した部位のごとく、反応物質が互いに逆方向に流れる流路が近接する部位においては、近接する流路の間に大きな圧力差が存在することとなる。一方、反応物質の流路と単電池の触媒層との間には、反応物質を透過させるための拡散層と呼ばれる多孔質体が配されているため、近接する流路間の圧力差が大きくなると、この多孔質体を介して近接する流路間に反応物質の透過が生じる。したがって、近接する流路を持つ主流路と近接する流路を持たない主流路の間では流量に差を生じることとなる。また、電極面内で発電電流密度にばらつきがあれば各流路の反応物質の流量が不均一になる可能性があり、流路の製作精度が悪い場合にも流路ごとの反応物質の流量が不均一になる可能性がある。
【０００５】
特に、図４に示したごとき蛇行形状の流路では流路の独立性が高いので、上流でばらつきを生じると下流までその影響が残るので、このように反応物質の流量が各流路で不均一になると、下流部分に反応物質の供給量が不足する部分が生じて電池特性が劣化することとなる。
本発明は、上記のごとき従来技術の問題点を考慮してなされたもので、本発明の目的は、単電池を挟持する方形のセパレータを、生成水の滞留がなく、かつ、供給圧力が適正範囲に抑えられ、かつ、反応物質がほぼ均一に通流する流路を備えるものとして、優れた電池特性で運転できる固体高分子形燃料電池を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明においては、
電解質膜の両面に触媒層を接合して形成された平板状の単電池と、この単電池を挟持する方形のセパレータとを備え、かつ、上記のセパレータが単電池に対向する面に外部より供給される反応物質を通流させる流路を有する固体高分子形燃料電池において、
（１）前記の流路を、流路断面がほぼ一定の蛇行形状の主流路を複数本並列に接続した並列流路と、並列流路の各主流路の間を規定流量通流時に同一圧力となる位置において連通した少なくとも一つ以上の連通流路とにより構成することとする。
【０００７】
（２）また上記の（１）において、並列流路を構成する複数の蛇行形状の主流路を同一の流路長を有するものとし、上記の連通流路を、主流路の始端からの距離が同一の地点において各主流路の間を連通するものとする。
（３）また上記の（２）において、並列流路を構成する複数の蛇行形状の主流路を、対向する単電池の電極面に対応して一端から他端へと直線状に伸びる直線状流路と、端部に配された前記の直線状流路と直交する方向に伸びる折り返し流路とを交互に配して連結した蛇行流路よりなるものとし、上記の連通流路を、この蛇行流路の少なくとも一つ置きの直線状流路、あるいは、少なくとも一つ置きの折り返し流路に配することとする。
【０００８】
固体高分子形燃料電池において、セパレータに備える反応物質の流路を、上記の（１）のごとく流路断面がほぼ一定の蛇行形状の主流路より構成すれば、流路内に滞留部分が存在しないので、仮に生成水の水滴が生じても反応物質の流れによって押し流されることとなり、水滴の滞留に起因する特性低下は回避される。また、この主流路を複数並列に配して構成されているので、流路の圧力損失を適正範囲に抑えて設定することが可能となり、反応物質の供給圧力を低く抑えることができる。また、並列流路の各主流路の間には規定流量通流時に同一圧力となる位置、例えば、上記の（２）のごとく、各主流路が同一の流路長を有するものにおいては主流路の始端からの距離が同一となる地点に少なくとも一つ以上の連通流路が配されているので、運転時に発電電流密度のばらつき等、何らかの要因によって各主流路の反応物質の流量にばらつきが生じることがあっても、この連通流路によって各主流路間の圧力差が解消され、流量のばらつきが緩和されて所定の電池特性が得られることとなる。
【０００９】
特に、上記の（３）のごとく直線状流路と折り返し流路とを交互に配して連結した蛇行流路よりなる各主流路を並列に配して反応物質の流路を形成し、少なくとも一つ置きの直線状流路、あるいは、少なくとも一つ置きの折り返し流路に連通流路を配することとすれば、各連通流路で各主流路を流れる反応物質の圧力が同一圧力に調整されるので、各主流路の反応物質の流量にばらつきが生じても早期に解消され、流量調整が効果的に行われることとなる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の固体高分子形燃料電池の実施の形態を図面を用いて説明する。
＜実施例１＞
図１は、本発明の固体高分子形燃料電池の第１の実施例の反応物質の流路を示すセパレータの正面図で、図４と同様に、燃料極側に対向して配されるセパレータの正面図である。なお、図４の構成要素と同一機能を有する構成要素には図４に用いた符号と同一の符号を付して重複する説明は省略する。
本実施例のセパレータは、厚さ１．５  ｍｍのガス不透過性の樹脂含浸カーボンに、各種のマニホールド３〜８となる貫通孔を設け、深さ０．７５  ｍｍの溝を加工して燃料ガスを通流する流路を形成したものである。形成された燃料ガスの流路は、図中で水平方向に流れる直線状流路と端部で垂直方向に流れる折り返し流路とを交互に連結した蛇行流路よりなる３本の主流路１を平行に配列した並列流路と、３本の主流路１を連通する連通流路２とから構成されている。また、この主流路１はそれぞれ一定の流路断面を持つ流路として形成され、３本の主流路１の燃料ガス供給マニホールド３から燃料ガス排出マニホールド４までの流路長が同一となるよう配列されている。
【００１１】
また、連通流路２は、蛇行流路の直線状流路の燃料ガス供給マニホールド３からの距離が同一の地点において、流路に直交して３本の主流路１を連通するよう配置されている。本実施例の蛇行流路では、燃料ガス供給マニホールド３から直ちに直線状流路へと燃料ガスが導かれるように流路が形成されているので、図１に見られるごとく、燃料ガス供給マニホールド３から算定して奇数回目の直線状流路に連通流路２を配置すれば、主流路１に直交させることができる。
なお、本実施例では主流路１の奇数回目の直線状流路の中央部に各１本の連通流路２を配置することとしているが、連通流路２は各直線状流路のいづれの位置に配置してもよく、また同一の直線状流路に２本以上配置することとしてもよい。また、奇数回目の直線状流路のうち、例えば、最下流の直線状流路に配置されている連通流路２は略することとしてもよい。
【００１２】
＜実施例２＞
図２は、本発明の固体高分子形燃料電池の第２の実施例の反応物質の流路を示すセパレータの正面図で、第１の実施例に示した図１と同様に、燃料極側に対向して配されるセパレータの正面図である。本図においても図４、図１に示された構成要素と同一機能を有する構成要素には同一符号が付されている。
本実施例のセパレータに備えられた燃料ガスの流路は、図中で垂直方向に流れる直線状流路と端部で水平方向に流れる折り返し流路とを交互に連結した蛇行流路よりなる３本の主流路１を平行して配列した並列流路と、３本の主流路１を折り返し流路において連通する連通流路２とから構成されている。なお、本実施例においても、主流路１はそれぞれ一定の流路断面を持つ流路として形成され、３本の主流路１の燃料ガス供給マニホールド３から燃料ガス排出マニホールド４までの流路長が同一となるよう配列されている。本実施例の蛇行流路では、燃料ガス供給マニホールド３から供給された燃料ガスは直ちに直角に屈曲して直線状流路へと導かれるように流路が形成されているので、図２に見られるごとく上部および下部の折り返し流路に、流れに直交するよう連通流路２を配置すれば、３本の主流路１は燃料ガス供給マニホールド３からの距離が同一の地点において連通することとなる。このように連通流路２を配置すれば、３本の主流路１を流れる燃料ガスの圧力が適宜均一化され、流量が適正に調整されることとなる。
【００１３】
＜実施例３＞
図３は、本発明の固体高分子形燃料電池の第３の実施例の反応物質の流路を示すセパレータの正面図で、図１、図２と同様に、燃料極側に対向して配されるセパレータの正面図である。
本実施例のセパレータにおいても、図２に示した第２の実施例と同様に、図中で垂直方向に流れる直線状流路と端部で水平方向に流れる折り返し流路とを交互に連結した蛇行流路よりなる３本の主流路１を平行して配列した並列流路を燃料ガスの主たる通流路としている。本実施例の第２の実施例との相違点は、３本の主流路１を連通する連通流路２の設置場所にあり、本実施例ではそれぞれの直線状流路のほぼ中央部に配されている。燃料ガス供給マニホールド３からの距離が同一の地点において３本の主流路１を連通させるために、連通流路２は３本の主流路１に斜行して配されている。
【００１４】
なお、上記の実施例１〜３においては、いずれの場合も、燃料極側に対向して配されるセパレータに形成された燃料ガスの流路のみを図示して説明したが、空気極側に対向して配されるセパレータに形成される酸化剤ガスの流路も同様の設計思想に則って形成すれば、連通流路によって各主流路を流れる酸化剤ガスの圧力が同一圧力に調整され、各主流路の酸化剤ガスの流量調整が効果的に行われるので安定した発電運転が可能となる。
【００１５】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、
電解質膜の両面に触媒層を接合して形成された平板状の単電池と、この単電池を挟持する方形のセパレータとを備え、かつ、上記のセパレータが単電池に対向する面に外部より供給される反応物質を通流させる流路を有する固体高分子形燃料電池において、上記の流路を、請求項１あるいは請求項２に、さらには請求項３あるいは４に記載のごとく構成することとしたので、反応物質の流路への生成水の滞留がなく、低圧力で反応物質を供給でき、かつ流路間の圧力調整が効果的に行われて反応物質をほぼ均一に通流させる流路を備えることとなったので、優れた電池特性での運転が可能な固体高分子形燃料電池が得られることとなった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の固体高分子形燃料電池の第１の実施例の反応物質の流路を示すセパレータの正面図
【図２】本発明の固体高分子形燃料電池の第２の実施例の反応物質の流路を示すセパレータの正面図
【図３】本発明の固体高分子形燃料電池の第３の実施例の反応物質の流路を示すセパレータの正面図
【図４】固体高分子形燃料電池の反応物質の流路の従来例を示すセパレータの正面図
【符号の説明】
１    主流路
２    連通流路
３    燃料ガス供給マニホールド
４    燃料ガス排出マニホールド
５    酸化剤ガス供給マニホールド
６    酸化剤ガス排出マニホールド
【図１】
2004220950.tif 000003
【図２】
2004220950.tif 000004
【図３】
2004220950.tif 000005
【図４】
2004220950.tif 000006