(57)【要約】【課題】  フラッディング現象を防止しつつ、高性能で耐久性の高い燃料電池を実現する。【解決手段】  イオン伝導性電解質、前記イオン伝導性電解質を挟持するアノードとカソード、前記アノードに接するアノード側導電性セパレータ、および前記カソードに接するカソード側導電性セパレータからなる単セルを積層してなる燃料電池において、前記アノード側導電性セパレータは、前記アノードと対面する部位に、前記アノードに燃料ガスを供給するための燃料ガス流通溝を有し、前記カソード側導電性セパレータは、前記カソードと対面する部位に、前記カソードに酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流通溝を有し、前記燃料ガス流通溝および前記酸化剤ガス流通溝の少なくとも一方は、一本当たりの溝の等価直径が０．７９ｍｍ以上、１．３ｍｍ以下である燃料電池。【選択図】図２
2004158435.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオン伝導性電解質、前記イオン伝導性電解質を挟持するアノードとカソード、前記アノードに接するアノード側導電性セパレータ、および前記カソードに接するカソード側導電性セパレータからなる単セルを積層してなる燃料電池において、
前記アノード側導電性セパレータは、前記アノードと対面する部位に、前記アノードに燃料ガスを供給するための燃料ガス流通溝を有し、
前記カソード側導電性セパレータは、前記カソードと対面する部位に、前記カソードに酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流通溝を有し、
前記燃料ガス流通溝および前記酸化剤ガス流通溝の少なくとも一方は、一本当たりの溝の等価直径が０．７９ｍｍ以上１．３ｍｍ以下である燃料電池。
【請求項２】
前記燃料ガス流通溝および前記酸化剤ガス流通溝の少なくとも一方は、溝の深さが０．７ｍｍ以上１．１ｍｍ以下である請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記燃料ガス流通溝および前記酸化剤ガス流通溝の少なくとも一方は、上流から下流に向かって蛇行しながら伸びるサーペンタイン状であって、互いに平行で実質的に同じ長さａを有する複数の水平部を有し、前記複数の水平部のうち、最上流側の水平部と最下流側の水平部との間の直線距離ｂに対する前記長さａの比が、ａ／ｂ≦１．２を満たす請求項１記載の燃料電池。
【請求項４】
前記燃料ガス流通溝および前記酸化剤ガス流通溝の少なくとも一方は、上流から下流に向かって蛇行しながら伸びるサーペンタイン状であって、互いに平行で実質的に同じ長さａを有する複数の水平部を有し、互いに隣接する水平部間のリブ幅ｃの前記長さａに対する比が、１／２００≦ｃ／ａ≦１／２０を満たす請求項１記載の燃料電池。
【請求項５】
前記アノードおよび前記カソードが、それぞれガス拡散層および前記ガス拡散層に接する触媒反応層からなり、前記ガス拡散層の少なくとも一方の厚さが、１００〜４００μｍである請求項１記載の燃料電池。
【請求項６】
前記アノードおよび前記カソードが、それぞれガス拡散層および前記ガス拡散層に接する触媒反応層からなり、前記ガス拡散層の少なくとも一方の面方向におけるドライガスベースのガス透過率が、２×１０-6 〜２×１０-8 ｍ2／（Ｐａ・ｓｅｃ）である請求項１記載の燃料電池。
【請求項７】
前記燃料ガス流通溝を流れる燃料ガスおよび前記酸化剤ガス流通溝を流れる酸化剤ガスの少なくとも一方の圧力損失が、１．５ｋＰａ以上２５ｋＰａ以下である請求項１記載の燃料電池の運転方法。
【請求項８】
前記燃料ガス流通溝を流れる燃料ガス流量ｅと前記アノードを流れる伏流ガス流量ｆとの比が、０．０５≦ｆ／ｅ≦０．４３を満たす請求項１記載の燃料電池の運転方法。
【請求項９】
前記酸化剤ガス流通溝を流れる酸化剤ガス流量ｅと前記カソードを流れる伏流ガス流量ｆとの比が、０．０５≦ｆ／ｅ≦０．４３を満たす請求項１記載の燃料電池の運転方法。
【請求項１０】
前記燃料電池が、さらに、冷却媒体流通溝を有し、その入口温度が４５〜７５℃であり、前記燃料電池に供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスの少なくとも一方は、露点が前記入口温度に対して−５℃以上＋５℃以下であり、酸化剤ガスの利用率が３０％以上７０％以下であり、前記燃料電池の発電電流密度が０．０５Ａ／ｃｍ2以上０．３Ａ／ｃｍ2以下である請求項１記載の燃料電池の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ポータブル電源、電気自動車用電源、コージェネレーションシステム等に使用するイオン伝導性電解質を具備する燃料電池、特に水素イオン伝導性高分子電解質膜を用いた燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。その一般的な構造は、まず、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜の両面に、白金等の貴金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする触媒反応層を形成する。次に、触媒反応層の外面に、ガス通気性と電子伝導性とを併せ持つ、例えばカーボンペーパやカーボンクロスでガス拡散層を形成する。このガス拡散層と触媒反応層との組み合わせが電極となる。
【０００３】
次に、供給するガスが外にリークしたり、２種類のガスが互いに混合しないように、電極の周囲には高分子電解質膜を挟んでシール材やガスケットを配置する。予めシール材やガスケットを電極および高分子電解質膜と一体化したものを電解質膜−電極接合体（ＭＥＡ）と呼ぶ。ＭＥＡの外側には、これを機械的に固定するとともに、隣接したＭＥＡを互いに電気的に直列に接続するための導電性セパレータを配置する。セパレータのＭＥＡとの接触面には、電極に燃料ガスまたは酸化剤ガスを供給し、生成ガスや余剰ガスを運び去るためのガス流路を形成する。ガス流路はセパレータと別に設けることもできるが、セパレータの表面に溝を設けてガス流路とする方式が一般的である。
【０００４】
この溝にガスを供給するためは、ガスを供給する配管を燃料電池が具備するセパレータの枚数に分岐し、その分岐先を直接セパレータの溝につなぎ込む配管治具が必要となる。このような治具を外部マニホルドと呼ぶ。外部マニホルドよりも構造を簡単にした内部マニホルドと呼ばれる形式のものもある。内部マニホルドとは、ガス流路を形成したセパレータにガス流路の出入り口と連通する貫通孔を設け、この貫通孔から直接ガスを供給するものである。
【０００５】
燃料電池は、運転中に発熱するので、電池を良好な温度に維持するために冷却する必要がある。通常、１〜３セル毎に冷却水を流す冷却部をセパレータとセパレータとの間に挿入するが、セパレータの背面に冷却水流路を設けて冷却部とする場合が多い。ＭＥＡとセパレータは、冷却部を介して交互に重ねていき、１０〜２００のＭＥＡが積層される。こうして得られた積層体を、集電板と絶縁板を介して一対の端板で挟み、締結ボルトで両端から固定したものが一般的な積層電池である。
【０００６】
積層電池を端板で固定するのは、電解質膜と電極とセパレータとの接触抵抗を低減するため、さらにはシール材やガスケットのガスシール性を確保するためであり、通常１０ｋｇ／ｃｍ2程度の圧力がかけられる。そのため機械的強度に優れた金属材料で端板を作製し、締結ボルトとバネを組み合わせて端板を固定するのが一般的である。また、加湿されたガスや冷却水が端板の一部に接するため、耐食性の観点から、金属材料の中でも耐食性に優れるステンレス鋼が端板に使用される。一方、集電板には、カーボン材料よりも導電性の高い金属材料が用いられる。接触抵抗の観点から、金属材料に表面処理を施して使用する場合もある。一対の端板は、締結ボルトを介して電気的に接続されるため、集電板と端板との間には絶縁板が挿入される。
【０００７】
このような燃料電池に用いるセパレータは、導電性が高く、高いガス気密性を有し、かつ、高い耐食性（耐酸性）を有する必要がある。このような理由により、セパレータには、表面に切削加工でガス流通溝を形成したガス不透過性の緻密なカーボン板や、バインダーと黒鉛粉末からなる混合物をプレス金型で加工した後、加熱焼成した成形材料が用いられている。
【０００８】
近年、カーボン材料の代わりにステンレス鋼などの金属板をセパレータに用いる試みが行われている。金属板からなるセパレータは、高温で酸化雰囲気に曝されたり、長期間使用したりすると、腐食する。金属板が腐食すると、腐食部分の電気抵抗が増大し、電池の出力が低下する。また、溶出した金属イオンが高分子電解質に拡散し、そのイオン交換サイトにトラップされ、結果的に高分子電解質自身のイオン伝導性が低下する。このような劣化を避けるために、金属板の表面には金メッキが施されている。
【０００９】
従来、高分子電解質には、パーフルオロカーボンスルホン酸からなる材料が主に用いられている。この高分子電解質は、水分を含んだ状態でイオン伝導性を発現するため、燃料ガスや酸化剤ガスを加湿してＭＥＡに供給する必要がある。また、カソード側では反応によって水が生成するため、電池の動作温度より高い露点でガスを加湿すると、電池内部のガス流路や電極内部で結露が発生する。そして、水詰まりなどの現象によって電池性能が安定しなかったり、電池性能が低下したりするという問題がある。このような現象は、フラッディング現象と呼ばれる。
【００１０】
また、燃料電池を発電システムとして用いる場合、燃料ガスや酸化剤ガスの加湿をシステム化する必要があるが、システムの簡素化・効率化のためには、ガスの加湿露点を少しでも低くすることが好ましい。従って、フラッディング現象の防止、システムの簡素化・効率化などの観点から、燃料電池の温度よりも少し低い露点でガスを加湿してから燃料電池に供給するのが通常である。
【００１１】
一方、電池の高性能化のためには、高分子電解質膜のイオン伝導性を向上させる必要がある。そのためには、相対湿度１００％近く、もしくは１００％以上までガスを加湿することが好ましい。また、高分子電解質膜の耐久性の観点からも、高加湿状態のガスを供給することが好ましい。しかし、ガスを相対湿度１００％近くまで加湿する場合、様々な課題が生じる。
【００１２】
一つ目は、前述のフラッディング現象の問題である。フラッディング現象を防止するための対策として、ガス流通溝に結露水を停滞させないこと、電極内部に結露水を停滞させないことの２点が考えられるが、前者が特に有効と考えられる。そこで、ガスの圧力損失を上げて、結露した水を吹き飛ばす手法が考えられる。しかしながら、ガスの圧力損失の増加は、ガス供給ブロワ、コンプレッサ等の燃料電池システムの補機動力を極端に増加させるため、システム効率の低化を招来する。
【００１３】
二つ目は、電極（ガス拡散層や触媒反応層の担体カーボン）の水に対する濡れ性（接触角）が経時的に変化することにより、結露水の排出性が経時的に低くなり、電池の耐久特性に影響を及ぼす点である。
【００１４】
三つ目は、電極の水に対する濡れ性が経時的に変化することにより、セパレータのガス流路を流れるガス流量と、ガス拡散層を流れるガス流量との比が、経時的に変化することである。具体的には、ガス拡散層の濡れ性が経時的に増大し、ガス拡散層中で結露水の停滞量が増大すると、局所的に電極へのガス供給に滞りが生じる。ガス供給が滞った部分では電流密度が低下する。そのため、電極面内の電流密度が不均一になり、結果的に電池特性が低下する。
【００１５】
四つ目は、電極の水に対する濡れ性が経時的に変化することにより、セパレータの流路間にガスが伏流する度合いが変化することにある。仮にガス拡散層が無ければ、ガス流路に供給されたガスは必ずガス流路に沿って流れる。しかし、実際にはガス流路に隣接してガス拡散層が存在するため、ガス拡散層を介して（例えば、ガス流通溝間のリブ部分を越えて）、互いに隣接する流路間に伏流ガスが流れ込む。
【００１６】
例えば、上流から下流に向かって蛇行しながら伸びるサーペンタイン状であって、互いに平行な複数の水平部を有するガス流路の場合、いくつかの隣り合う２つの水平部では、ガスが流れる方向が対向している。そのため、ガス流路を通るガスの圧力損失と、ガス拡散層を介して上流部から下流部に流れる伏流ガスの圧力損失とが釣り合っていると考えられる。
【００１７】
ところが、ガス拡散層の濡れ性が経時的に増大し、ガス拡散層中での結露水の停滞量が増大すると、ガス拡散層を介したガスの伏流が滞る。この現象は、当然、ガス拡散層を介して上流部から下流部に流れるガスの圧力損失が小さいほど、頻発する。サーペンタイン状のガス流路の場合には、特に、ガス流路の湾曲部近辺でガス拡散層を介したガスの伏流量が経時的に減少し、ガス供給が滞りやすい。ガス供給が滞ったガス拡散層部分では、電流密度が低下するため、電極面内の電流密度が不均一になり、結果的に電池特性が低下する。
【００１８】
フラッディング現象を防止するための対策として、ガス流通溝に結露水を停滞させないこと、電極内部に結露水を停滞させないことの２点が考えられる。また、ガス流通溝に水を停滞させないことが特に有効と考えられる。そのためには、基本的にガス流通溝に供給するガスの圧力損失を大きくすることが効果的であるが、３０ｋＰａ程度を超える高い圧力損失でガスを供給することは現実的ではない。
【００１９】
なお、燃料電池の出力や効率の向上、安定性の改善などを目的として、ガス流通溝の構造を最適化する様々な検討がなされている（例えば、特許文献１〜５）。
【特許文献１】特開平６−２６７５６４号公報
【特許文献２】特開平８−２０３５４６号公報
【特許文献３】特開２０００−２３１９２９号公報
【特許文献４】特開２００１−５２７２３号公報
【特許文献５】特開２００１−７６７４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
本発明は、フラッディング現象を防止しつつ、高性能で耐久性の高い燃料電池を提供すること、およびそのような燃料電池の好ましい運転方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
具体的には、本発明は、上記を鑑みたものであり、前記イオン伝導性電解質を挟持するアノードとカソード、前記アノードに接するアノード側導電性セパレータ、および前記カソードに接するカソード側導電性セパレータからなる単セルを積層してなる燃料電池において、前記アノード側導電性セパレータは、前記アノードと対面する部位に、前記アノードに燃料ガスを供給するための燃料ガス流通溝を有し、前記カソード側導電性セパレータは、前記カソードと対面する部位に、前記カソードに酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流通溝を有し、前記燃料ガス流通溝および前記酸化剤ガス流通溝の少なくとも一方は、一本当たりの溝の等価直径が０．７９ｍｍ以上１．３ｍｍ以下である燃料電池に関する。
【００２２】
前記燃料ガス流通溝および前記酸化剤ガス流通溝の少なくとも一方は、溝の深さが０．７ｍｍ以上１．１ｍｍ以下であることが好ましい。
【００２３】
前記燃料ガス流通溝および前記酸化剤ガス流通溝の少なくとも一方は、上流から下流に向かって蛇行しながら伸びるサーペンタイン状であって、互いに平行で実質的に同じ長さａを有する複数の水平部を有し、前記複数の水平部のうち、最上流側の水平部と最下流側の水平部との間の直線距離ｂに対する前記長さａの比が、ａ／ｂ≦１．２を満たすことが好ましい。
【００２４】
前記燃料ガス流通溝および前記酸化剤ガス流通溝の少なくとも一方は、上流から下流に向かって蛇行しながら伸びるサーペンタイン状であって、互いに平行で実質的に同じ長さａを有する複数の水平部を有し、互いに隣接する水平部間のリブ幅ｃの前記長さａに対する比が、１／２００≦ｃ／ａ≦１／２０を満たすことが好ましい。
【００２５】
前記アノードおよび前記カソードは、それぞれガス拡散層および前記ガス拡散層に接する触媒反応層からなり、前記ガス拡散層の少なくとも一方の厚さが、１００〜４００μｍであることが好ましい。
【００２６】
前記ガス拡散層の少なくとも一方の面方向のドライガス（水分をほぼ含まない燃料ガスまたは酸化剤ガス）ベースのガス透過率は、２×１０-6 〜２×１０-8 ｍ2／（Ｐａ・ｓｅｃ）であることが好ましい。
【００２７】
本発明は、また、前記燃料電池の運転方法に関する。
前記燃料電池の運転は、前記燃料ガス流通溝を流れる燃料ガスおよび前記酸化剤ガス流通溝を流れる酸化剤ガスの少なくとも一方の圧力損失が、１．５ｋＰａ以上２５ｋＰａ以下である条件で行うことが好ましい（１ｋＰａ＝１００ｍｍＡｑ）。
【００２８】
前記燃料電池の運転は、前記燃料ガス流通溝を流れる燃料ガス流量ｅと前記アノードを流れる伏流ガス流量ｆとの比が、０．０５≦ｆ／ｅ≦０．４３を満たす条件で行うことが好ましい。
【００２９】
前記燃料電池の運転は、前記酸化剤ガス流通溝を流れる酸化剤ガス流量ｅと前記カソードを流れる伏流ガス流量ｆとの比が、０．０５≦ｆ／ｅ≦０．４３を満たす条件で行うことが好ましい。
【００３０】
前記燃料電池が、さらに、冷却媒体流通溝を有する場合、前記燃料電池の運転は、前記冷却媒体流通溝の入口温度が４５〜７５℃であり、前記燃料電池に供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスの少なくとも一方の露点が、前記入口温度に対して−５℃以上＋５℃以下であり、酸化剤ガスの利用率が、３０％以上７０％以下であり、前記燃料電池の発電電流密度が、０．０５Ａ／ｃｍ2以上０．３Ａ／ｃｍ2以下である条件で行うことが好ましい。
【００３１】
ここで、伏流ガスとは、電極の面方向に沿って、ガス流路の上流から下流に向かってガス拡散層を流れるガスを言う。
【発明の効果】
【００３２】
本発明によれば、高い圧力損失でガスを供給することなく、相対湿度１００％近く、もしくは１００％以上にまで加湿した燃料ガスや酸化剤ガスを燃料電池に供給する場合に発生する上記問題を解決し、もしくは抑制することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
ガス流通溝を結露水とガスが流れる場合には、ガス流通溝の壁面と水との接触角や表面張力と、ガス流通溝の等価直径が、水の停滞（フラッディング）に大きな影響を及ぼすと考えられる。特に、ガス流通溝の壁面を構成する材料としてカーボンを用いた場合には、水とカーボンとの接触角が限定されることから、ガス流通溝の等価直径が水の停滞を大きく左右する。なお、等価直径とは、溝空間の断面積と同じ面積を有する等価円の直径を言う。
【００３４】
ガス流通溝の等価直径は、溝深さと溝幅から、
等価直径＝２×（溝深さ×溝幅／π）1/2
のように算出される。
【００３５】
また、ガス流通溝にテーパーが設けられていたり、エッジ部にＲが存在する場合には、リブの頂面を含む平面と溝壁面とで囲まれた空間の断面積から、等価直径を求めることができる。
【００３６】
また、ガス流通溝にテーパーが設けられていたり、エッジ部にＲが存在する場合、ガス流通溝の溝幅としては、リブの頂面を含む平面と溝底面を含む平面との最短距離を表す線の中間点における溝幅を採用することができる。
【００３７】
溝の等価直径は、０．７９ｍｍ以上１．３０ｍｍ以下であり、１．００ｍｍ以上１．２０ｍｍ以下であることが望ましい。溝の等価直径が０．７９ｍｍ未満になると、結露水を排出するために極端に大きな圧力損失が必要となり、１．３０ｍｍを超えると、電極とセパレータとの間隙が広くなり、接触抵抗が増大する。
【００３８】
電池特性を維持しつつガス流通溝での水の停滞を効果的に防止するためには、溝深さを０．７ｍｍ以上、１．１ｍｍ以下とすることが望ましい。溝深さが０．７ｍｍ未満では、結露水を排出するために極端に大きな圧力損失が必要となり、１．１ｍｍを超えると、セパレータの板厚が厚くなり、スタックの体積効率が現実的でなくなる。一方、ガス流通溝の溝幅は１．５ｍｍ未満であることが好ましい。溝幅が１．５ｍｍ以上になると、電池特性が低下しやすい。
【００３９】
なお、ガス流通溝の等価直径が０．７９ｍｍ以上の場合、圧力損失を１．５ｋＰａ以上とすると、ガス流通溝での水の停滞をほぼ防止できる。しかし、圧力損失が同じく１．５ｋＰａ以上の場合でも、一本当たりの溝の等価直径が０．７９未満の場合には、水の停滞が発生しやすい。また、等価直径が同じく０．７９ｍｍ以上であっても、溝幅が広く、溝深さが０．７ｍｍ未満と浅い場合には、水の停滞が希に発生することがある。
【００４０】
本発明の好ましい態様の燃料電池においては、アノード側導電性セパレータが有する燃料ガス流通溝およびカソード側導電性セパレータが有する酸化剤ガス流通溝の少なくとも一方が、上流から下流に向かって蛇行しながら伸びるサーペンタイン状を有する。前記溝は、互いに平行で実質的に同じ長さａを有する複数の水平部を有する。
【００４１】
ここで、電極の水に対する濡れ性の経時変化により、結露水の停滞状況は経時的に変化するが、これを抑制するためには、ガス流通溝の上記複数の水平部の長さを短くし、最上流側の水平部と最下流側の水平部との間の直線距離ｂを長くし、互いに隣接する水平部間のリブ幅を広くすることが望ましい。しかし、サーペンタイン状のガス流通溝の場合、水平部の長さが短すぎると、一定の長さの流路を確保するためには湾曲部の数が多くなり、ガスの圧力損失が上昇する。また、互いに隣接する水平部間のリブ幅が広すぎると、リブ部に押されたガス拡散層部分へのガスの供給が阻害される。従って、水平部の長さと湾曲部の数が適切な範囲となるように溝を設計する必要がある。
【００４２】
なお、結露水が停滞した状態（２層流）では、等価直径の大きな流路ほど、水の排出がスムーズに行われる。ガス拡散層を伏流するガス流量が増えると、水の排出性が悪くなる。リブ幅を広くすると、伏流が抑制されるため、水の排出性が向上する。
【００４３】
かかる観点から、本発明の第１の好ましい態様においては、前記複数の水平部のうち、最上流側の水平部と最下流側の水平部との間の直線距離ｂに対する前記長さａの比がａ／ｂ≦１．２を満たすように溝形状を設計する。また、本発明の第２の好ましい態様においては、互いに隣接する水平部間のリブ幅ｃの前記長さａに対する比が、１／２００≦ｃ／ａ≦１／２０を満たすように溝形状を設計する。ここで、比ａ／ｂが１．２を超えると、水平部の長さが長くなり、湾曲部間の水平部の圧力損失が大きくなり、ガスの伏流量が相対的に増加する。また、水平部の長さが短くなりすぎると、湾曲部の数が多くなりすぎるため、好ましくは０．３≦ａ／ｂ≦１．２である。また、比ｃ／ａが１／２００未満では、湾曲部の数が多くなってガスの圧力損失が上昇し、１／２０を超えると、ガス拡散層へのガスの供給が不十分になる。
【００４４】
電極内での水の停滞や電極の濡れ性の経時変化は、ガス拡散層内での水の停滞にほぼ支配される。ガス拡散層は、比較的大きなガス透過率を有し、可能な範囲で薄い方が好ましい。しかしながら、ガス拡散層は、電極の集電効果を兼ね備えているため、面積方向の導電性を損なうほど薄く（１００μｍ未満）なると、電池特性が低下する。また、ガス拡散層の厚さが４００μｍを超えると、ガス拡散層内の水の排出性が悪くなると同時に、伏流ガス量が大きくなり過ぎる。従って、ガス拡散層の厚さは、１００〜４００μｍであることが好ましい。また、セパレータのリブ部で押されたガス拡散層の厚さは、１００〜２５０μｍであることが好ましい。さらに、ガス拡散層の面方向のドライガスベースのガス透過率は、２×１０-6〜２×１０-8 ｍ2／（Ｐａ・ｓｅｃ）であることが好ましい。ガス透過率が２×１０-6 ｍ2／（Ｐａ・ｓｅｃ）未満では、電極の触媒層へのガスの供給が阻害される傾向があり、２×１０-8 ｍ2／（Ｐａ・ｓｅｃ）を超えると、ガス拡散層内の伏流ガス量が大きくなり過ぎる。
【００４５】
ガス拡散層を流れる伏流ガス流量（ｆ）とガス流通溝を流れるガス流量（ｅ）との関係においては、ガス流通溝を流れるガス流量が支配的であることが好ましい。両者の関係を特に良好に保持するためには、０．０５≦ｆ／ｅ≦０．４３を満たすことが好ましい。ｆ／ｅが０．０５未満では、電極の触媒層へのガスの供給が阻害される傾向があり、０．４３を超えると、ガス拡散層内の伏流ガス量が大き過ぎる。
【００４６】
実験例１
緻密でガス透過性のないカーボン板の表面に切削加工によりガス流通溝を形成することにより、導電性セパレータを作製した。ガス流通溝の溝幅、溝深さ、および溝断面積から算出した溝の等価直径をパラメータとして、これらを変化させて各種のセパレータを試作した。なお、ガスの流路形状は、溝幅等を変更したこと以外、実施例１の図２とほぼ同様である。
【００４７】
溝幅は、切削加工の都合上、０．５ｍｍより細くすることが困難であったため、０．５ｍｍ以上とした。また、溝幅が１．５ｍｍをこえると燃料電池の性能が低下することを確認したため、溝幅は０．５〜１．５ｍｍの範囲で変化させた。溝深さが１．２ｍｍをこえると、セパレータの板厚が厚くなり、実用的ではない上、燃料電池の性能が低下することも確認したため、溝深さは１．２ｍｍ以下とした。
【００４８】
次に、試作した各セパレータの周縁部にガスケットを配し、セパレータ表面に透明なアクリル板を乗せて、ガス流通溝をガスが流れる状態を観察できるようにした。セパレータのガス流通溝には、水滴を均一に注入した。そして、１ｋＰａ（１００ｍｍＡｑ）、１．５ｋＰａ（１５０ｍｍＡｑ）、２ｋＰａ（２００ｍｍＡｑ）、５ｋＰａ（５００ｍｍＡｑ）、または１０ｋＰａ（１０００ｍｍＡｑ）の圧力損失で窒素ガスまたは空気をガス流通溝に注入した。そして、ガス流通溝内の水滴が素早く除去可能かどうかを目視で確認した。結果を表１〜表７に示す。
【００４９】
【表１】
2004158435.tif 000003
【００５０】
【表２】
2004158435.tif 000004
【００５１】
【表３】
2004158435.tif 000005
【００５２】
【表４】
2004158435.tif 000006
【００５３】
【表５】
2004158435.tif 000007
【００５４】
【表６】
2004158435.tif 000008
【００５５】
【表７】
2004158435.tif 000009
【００５６】
実験例２
実験例１において良好な結果が得られた試作セパレータのなかで、最も小さな等価直径０．７９ｍｍ（溝幅：０．７ｍｍ、溝深さ：０．７ｍｍ、表３参照）を有するセパレータと同じセパレータを用意した。
【００５７】
また、実験例１において良好な結果が得られた試作セパレータのなかで、最も大きな等価直径１．３０ｍｍ（溝幅：１．２ｍｍ、溝深さ：１．１ｍｍ、表６参照）を有するセパレータと同じセパレータを用意した。なお、溝幅が１．２ｍｍを超えると十分な電池性能が得られないと考えられたため、ここでは溝幅が１．２ｍｍで最も大きな等価直径を有するセパレータを選択した。
【００５８】
さらに、実験例１において良好な結果が得られており、かつ、上記のほぼ中間の等価直径１．１３ｍｍ（溝幅：１ｍｍ、溝深さ：１ｍｍ、表５参照）を有するセパレータと同じセパレータを用意した。
【００５９】
一方、ガス拡散層となるカーボンペーパ（東レ株式会社製）およびカーボンクロスを用意した。カーボンペーパおよびカーボンクロスのいずれを用いた場合にも、ガス拡散層の厚さが９０μｍ以下では、燃料電池の製造工程時のハンドリングが悪くなった。その上、ガス拡散層の面方向の導電性が充分でなく、電池特性が低下することから、１００μｍ以上の厚さのガス拡散層が好ましいことを確認した。
【００６０】
次に、試作したセパレータの周縁部にガスケットを配し、次いで、セパレータのガス流通溝側の表面にガス拡散層を配した。さらに、ガス拡散層上に透明なアクリル板を乗せて、ガス流通溝をオイルミストを添加した窒素または空気が流れる状態を観察できるようにした。次いで、ガス拡散層とセパレータとの接触部分に、面積当たり７ｋｇ／ｃｍ2の圧力がかかるように、アクリル板とセパレータとを締結した。ガス拡散層のガス透過率は、締結圧によって変化し、締結圧が高くなるほどガス透過率は低下する。本実験例では、締結圧が７ｋｇ／ｃｍ2の場合に１．２×１０-7 ｍ2／（Ｐａ・ｓｅｃ）のガス透過率を有するカーボンクロスを用いた。
【００６１】
こうして得られたガス拡散層を配したセパレータのガス流通溝に窒素または空気を注入した。そして、ガスの圧力損失を測定した。一方、ガス拡散層を用いずに、実験例１と同様に、周縁部にガスケットを配したセパレータ表面に透明なアクリル板を乗せて、ガス流通溝にガスを注入し、ガスの圧力損失を測定した。ここでは、ガス拡散層を配したセパレータの場合と同じ流量でガス流通溝にガスを注入した。そして、ガス拡散層を用いた場合と用いなかった場合の両方における圧力損失から、セパレータのガス流通溝を流れるガス量と、ガス拡散層を流れる伏流ガス量との比を求めた。また、ガスの伏流状態を観察した。結果を表８から表１０に示す。
【００６２】
【表８】
2004158435.tif 000010
【００６３】
【表９】
2004158435.tif 000011
【００６４】
【表１０】
2004158435.tif 000012
【００６５】
別途燃料電池を用いて実施した試験の結果、ガス流通溝の入口から出口にかけて、ガスがガス流通溝間のリブ部分を越えて伏流（以下、ショートカット伏流という。）する状態では、ガスが流れる状態の経時変化が激しく、初期の電池特性ならびに電池性能の耐久性に悪影響を及ぼすことが見出された。
【００６６】
実験例３
実験例１、２で用いた等価直径１．１３ｍｍ（溝幅：１ｍｍ、溝深さ：１ｍｍ）のガス流通溝を有するセパレータと同様のセパレータを用意した。また、ガス拡散層として、厚さ２００μｍ以上の種々のカーボンクロスを用意した。これらのカーボンクロスを用いたこと以外、実験例２と同様の方法で、セパレータのガス流通溝を流れるガス量と、ガス拡散層を流れる伏流ガス量との比を求めた。得られた比と、ガスの伏流状態と、カーボンクロスのガス透過率との関係を表１１に示す。
【００６７】
【表１１】
2004158435.tif 000013
【００６８】
別途燃料電池を用いて実施した試験の結果、ガス流通溝の入口から出口にかけてガス拡散層をガスがショートカット伏流する状態では、ガスが流れる状態の経時変化が激しく、初期の電池特性ならびに電池性能の耐久性に悪影響を及ぼすことが見出された。また、ガス拡散層をガスがほとんど伏流しない状態でも、逆に電池性能が低下することが見出された。
【実施例１】
【００６９】
（ｉ）電極の作製
アセチレンブラック粉末に、平均粒径約３０Åの白金粒子を担持させて、触媒粉末を調製した。白金量は、アセチレンブラック粉末１００重量部あたり、２５重量部とした。この触媒粉末をイソプロパノールと混合して分散液Ａとした。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と混合した分散液Ｂを用意した。そして、分散液Ａと分散液Ｂとを混合して触媒ペーストを得た。
【００７０】
一方、ガス拡散層となるカーボンクロスを用意した。カーボンクロスは、外寸１２ｃｍ×１２ｃｍ、厚さ２００μｍ、ガス透過率１．２×１０-7 ｍ2／（Ｐａ・ｓｅｃ）のものを用いた。このカーボンクロスの触媒反応層を形成する側の面に、カーボンブラック粉末とポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）の水性分散液（ダイキン工業（株）製のＤ−１（商品名））との混合物を塗布し、４００℃で３０分間焼成して、カーボンクロス上に撥水層を付与した。この撥水層上に、上記の触媒ペーストをスクリーン印刷法を用いて塗布することで触媒反応層を形成した。このようにして、カーボンクロスとその上に撥水層を介して形成された触媒反応層からなる電極を得た。電極中に含まれる面積あたりの白金量は０．３ｍｇ／ｃｍ2、パーフルオロカーボンスルホン酸の量は１．０ｍｇ／ｃｍ2とした。
【００７１】
（ii）ＭＥＡの作製
図１を参照しながら説明する。
外寸が２０ｃｍ×２０ｃｍのプロトン伝導性高分子電解質膜１１の裏表両面に、触媒反応層１２とガス拡散層１３からなる一対の電極１４を、触媒反応層１２が電解質膜１１に接するようにホットプレスで接合した。プロトン伝導性高分子電解質膜１１には、パーフルオロカーボンスルホン酸を厚さ３０μｍの薄膜に成形したものを用いた。次いで、電解質膜１１の周縁部に、後述するセパレータに形成したものと同様の大きさのマニホルド穴をセパレータと同じ配置で形成した。そして、電極の周囲とマニホルド穴の周囲の電解質膜上に、バイトン社製のガスシール部材１５を配して、電解質膜−電極接合体（ＭＥＡ）１６を得た。
【００７２】
（iii）導電性セパレータの作製
緻密でガス透過性のないカーボン板の表面に切削加工によりガス流通溝を形成することにより、導電性セパレータを作製した。ここでは、カーボン板の一方の面に図２、他方の面に図３に示すような溝を形成したセパレータ（Ｘ）と、カーボン板の一方の面に図２、他方の面に図４に示すような溝を形成したセパレータ（Ｙ）と、カーボン板の一方の面に図３、他方の面に図４（ただしマニホルド穴の配置は異なる）に示すような溝を形成したセパレータ（Ｚ）の３種類を作製した。図２、図３および図４に示す溝は、それぞれ酸化剤ガス流通溝、燃料ガス流通溝および冷却水流通溝とした。
【００７３】
セパレータの大きさは、いずれも２０ｃｍ×２０ｃｍ、厚さは３ｍｍとした。各セパレータの溝部２１ａ、２１ｂの溝幅は０．７ｍｍ、深さは０．７ｍｍで、断面は凹形状とし、溝一本当たりの等価直径は０．７９ｍｍとした。ガス流通溝の形状は、上流から下流に向かって蛇行しながら伸びるサーペンタイン状であり、このガス流通溝は、互いに平行で実質的に同じ長さａを有する複数の水平部を有し、最上流側の水平部と最下流側の水平部との間の直線距離ｂに対する長さａの比：ａ／ｂは１．２とした。また、互いに隣接する水平部間のリブ２２ａ、２２ｂの幅ｃは１．２ｍｍであり、リブ幅ｃの長さａに対する比：ｃ／ａは１／３０とした。
【００７４】
次いで、各セパレータに所定のマニホルド穴、すなわち酸化剤ガス注入口２３ａ、酸化剤ガス出口２３ｂ、燃料ガス注入口２４ａ、燃料ガス出口２４ｂ、冷却水注入口２５ａ、および冷却水出口２５ｂを形成した。なお、全てのセパレータの同じ位置に同じ大きさのマニホルド穴を形成した。また、各セパレータの四隅には締結ロッド孔２６を形成した。
【００７５】
（iv）燃料電池の作製
上記の所定のセパレータ２枚でＭＥＡを挟持し、これを単セルとした。ただし、ＭＥＡの一方の面にはセパレータ（Ｘ）の酸化剤ガス流通溝を対面させ、他方の面にはセパレータ（Ｚ）の燃料ガス流通溝を対面させた。この単セルのセパレータ（Ｘ）の燃料ガス流通溝に対面するように、別のＭＥＡを配し、そのＭＥＡの他方の面にはセパレータ（Ｙ）の酸化剤ガス流通溝を対面させた。このような２セル構造のパターンを繰り返して、１００セルからなる積層電池を作製した。そして、積層電池の両端部に、それぞれ表面を金メッキした銅製集電板と、ＰＰＳ（ポリフェニレンスルフィド）製の絶縁板と、ステンレス鋼からなる端板とを順次に配し、締結ロッドで端板を固定した。この時の締結圧は、電極の面積当たり１０ｋｇｆ／ｃｍ2とした。
【００７６】
（ｖ）燃料電池の評価
このように作製した本実施例の高分子電解質型燃料電池を、７０℃に保持し、カソード側に７０℃の露点となるよう加湿・加温した水素ガスを、カソード側に７０℃の露点となるように加湿・加温した空気を供給した。その結果、電流を外部に出力しない無負荷時には、９８Ｖの電池開放電圧を得た。
【００７７】
この燃料電池を、燃料利用率７５％、酸素利用率５０％、電流密度０．３Ａ／ｃｍ2の条件で連続発電し、出力特性の時間変化を測定した。その結果、本実施例の燃料電池は、８０００時間後に３．１１ｋＷ（７２Ｖ−４３．２Ａ）の出力を維持することを確認した。
【実施例２】
【００７８】
セパレータの溝構造を変更したこと以外、実施例１と同様の燃料電池を作製した。ここで用いたセパレータは、溝部２１ａ、２１ｂの溝幅を１．０ｍｍ、溝深さを１．０ｍｍで、溝一本当たりの等価直径を１．１３ｍｍとしたこと以外、実施例１と同様の溝構造とした。
【００７９】
ガス流通溝の最上流側の水平部と最下流側の水平部との間の直線距離ｂに対する水平部の長さａの比：ａ／ｂ、互いに隣接する水平部間のリブ２２ａ、２２ｂの幅ｃ、リブ幅ｃの長さａに対する比：ｃ／ａは、実施例１と同じとした。
【００８０】
このように作製した本実施例の高分子電解質型燃料電池を、７０℃に保持し、アノード側に７０℃の露点となるよう加湿・加温した水素ガスを、カソード側に７０℃の露点となるように加湿・加温した空気を供給した。その結果、電流を外部に出力しない無負荷時には、９７．５Ｖの電池開放電圧を得た。
【００８１】
この燃料電池を、燃料利用率７５％、酸素利用率５０％、電流密度０．３Ａ／ｃｍ2の条件で連続発電し、出力特性の時間変化を測定した。その結果、本実施例の燃料電池は、８０００時間後に３．１３２ｋＷ（７２．５Ｖ−４３．２Ａ）の出力を維持することを確認した。
【実施例３】
【００８２】
セパレータの溝構造を変更したこと以外、実施例１と同様の燃料電池を作製した。ここで用いたセパレータは、溝部２１ａ、２１ｂの溝幅を１．２ｍｍ、溝深さを１．１ｍｍで、溝一本当たりの等価直径を１．３０ｍｍとしたこと以外、実施例１と同様の溝構造とした。
【００８３】
ガス流通溝の最上流側の水平部と最下流側の水平部との間の直線距離ｂに対する水平部の長さａの比：ａ／ｂ、互いに隣接する水平部間のリブ２２ａ、２２ｂの幅ｃ、リブ幅ｃの長さａに対する比：ｃ／ａは、実施例１と同じとした。
【００８４】
このように作製した本実施例の高分子電解質型燃料電池を、７０℃に保持し、アノード側に７０℃の露点となるよう加湿・加温した水素ガスを、カソード側に７０℃の露点となるように加湿・加温した空気を供給した。その結果、電流を外部に出力しない無負荷時には、９８．５Ｖの電池開放電圧を得た。
【００８５】
この燃料電池を、燃料利用率７５％、酸素利用率５０％、電流密度０．３Ａ／ｃｍ2の条件で連続発電し、出力特性の時間変化を測定した。その結果、本実施例の燃料電池は、８０００時間後に３．１２３ｋＷ（７２．３Ｖ−４３．２Ａ）の出力を維持することを確認した。
【実施例４】
【００８６】
セパレータの溝構造を変更したこと以外、実施例１と同様の燃料電池を作製した。ここで用いたセパレータは、溝部２１ａ、２１ｂの溝幅を１．０ｍｍ、溝深さを１．０ｍｍで、溝一本当たりの等価直径を１．１３ｍｍとし、互いに隣接する水平部間のリブ２２ａ、２２ｂの幅ｃは１．０ｍｍ、リブ幅ｃの長さａに対する比：ｃ／ａは１／６０としたこと以外、実施例１と同様の溝構造とした。
【００８７】
ガス流通溝の最上流側の水平部と最下流側の水平部との間の直線距離ｂに対する水平部の長さａの比：ａ／ｂは、実施例１と同じとした。
【００８８】
このように作製した本実施例の高分子電解質型燃料電池を、７０℃に保持し、アノード側に７０℃の露点となるよう加湿・加温した水素ガスを、カソード側に７０℃の露点となるように加湿・加温した空気を供給した。その結果、電流を外部に出力しない無負荷時には、９８．５Ｖの電池開放電圧を得た。
【００８９】
この燃料電池を、燃料利用率７５％、酸素利用率５０％、電流密度０．３Ａ／ｃｍ2の条件で連続発電し、出力特性の時間変化を測定した。その結果、本実施例の燃料電池は、８０００時間後に３．１３２ｋＷ（７２．５Ｖ−４３．２Ａ）の出力を維持することを確認した。
【実施例５】
【００９０】
セパレータの溝構造を変更したこと以外、実施例１と同様の燃料電池を作製した。ここで用いたセパレータは、溝部２１ａ、２１ｂの溝幅を１．０ｍｍ、溝深さを１．０ｍｍで、溝一本当たりの等価直径を１．１３ｍｍとし、互いに隣接する水平部間のリブ２２ａ、２２ｂの幅ｃは０．８ｍｍ、リブ幅ｃの長さａに対する比：ｃ／ａは１／２００としたこと以外、実施例１と同様の溝構造とした。
【００９１】
ガス流通溝の最上流側の水平部と最下流側の水平部との間の直線距離ｂに対する水平部の長さａの比：ａ／ｂは、実施例１と同じとした。
このように作製した本実施例の高分子電解質型燃料電池を、７０℃に保持し、アノード側に７０℃の露点となるよう加湿・加温した水素ガスを、カソード側に７０℃の露点となるように加湿・加温した空気を供給した。その結果、電流を外部に出力しない無負荷時には、９８．５Ｖの電池開放電圧を得た。
【００９２】
この燃料電池を、燃料利用率７５％、酸素利用率５０％、電流密度０．３Ａ／ｃｍ2の条件で連続発電し、出力特性の時間変化を測定した。その結果、本実施例の燃料電池は、８０００時間後に３．１２３ｋＷ（７２．３Ｖ−４３．２Ａ）の出力を維持することを確認した。
【実施例６】
【００９３】
セパレータの溝構造を変更したこと以外、実施例１と同様の燃料電池を作製した。ここで用いたセパレータは、溝部２１ａ、２１ｂの溝幅を１．０ｍｍ、溝深さを１．０ｍｍで、溝一本当たりの等価直径を１．１３ｍｍとし、ガス流通溝の最上流側の水平部と最下流側の水平部との間の直線距離ｂに対する水平部の長さａの比：ａ／ｂは０．８とし、互いに隣接する水平部間のリブ２２ａ、２２ｂの幅ｃは１．０ｍｍ、リブ幅ｃの長さａに対する比：ｃ／ａは１／５０としたこと以外、実施例１と同様の溝構造とした。
【００９４】
このように作製した本実施例の高分子電解質型燃料電池を、７０℃に保持し、アノード側に７０℃の露点となるよう加湿・加温した水素ガスを、カソード側に７０℃の露点となるように加湿・加温した空気を供給した。その結果、電流を外部に出力しない無負荷時には、９９Ｖの電池開放電圧を得た。
【００９５】
この燃料電池を、燃料利用率７５％、酸素利用率５０％、電流密度０．３Ａ／ｃｍ2の条件で連続発電し、出力特性の時間変化を測定した。その結果、本実施例の燃料電池は、８０００時間後に３．１５４ｋＷ（７３Ｖ−４３．２Ａ）の出力を維持することを確認した。
【実施例７】
【００９６】
セパレータの溝構造を変更したこと以外、実施例１と同様の燃料電池を作製した。ここで用いたセパレータは、溝部２１ａ、２１ｂの溝幅を１．０ｍｍ、溝深さを１．０ｍｍで、溝一本当たりの等価直径を１．１３ｍｍとし、ガス流通溝の最上流側の水平部と最下流側の水平部との間の直線距離ｂに対する水平部の長さａの比：ａ／ｂは０．６とし、互いに隣接する水平部間のリブ２２ａ、２２ｂの幅ｃは１．０ｍｍ、リブ幅ｃの長さａに対する比：ｃ／ａは１／４０としたこと以外、実施例１と同様の溝構造とした。
【００９７】
このように作製した本実施例の高分子電解質型燃料電池を、７０℃に保持し、アノード側に７０℃の露点となるよう加湿・加温した水素ガスを、カソード側に７０℃の露点となるように加湿・加温した空気を供給した。その結果、電流を外部に出力しない無負荷時には、９８．５Ｖの電池開放電圧を得た。
【００９８】
この燃料電池を、燃料利用率７５％、酸素利用率５０％、電流密度０．３Ａ／ｃｍ2の条件で連続発電し、出力特性の時間変化を測定した。その結果、本実施例の燃料電池は、８０００時間後に３．１１ｋＷ（７２Ｖ−４３．２Ａ）の出力を維持することを確認した。
【比較例１】
【００９９】
セパレータの溝構造を変更したこと以外、実施例１と同様の燃料電池を作製した。ここで用いたセパレータは、溝部２１ａ、２１ｂの溝幅を０．６ｍｍ、溝深さを０．６ｍｍで、溝一本当たりの等価直径を０．６８ｍｍとし、ガス流通溝の最上流側の水平部と最下流側の水平部との間の直線距離ｂに対する水平部の長さａの比：ａ／ｂは１．３とし、互いに隣接する水平部間のリブ２２ａ、２２ｂの幅ｃは０．５ｍｍ、リブ幅ｃの長さａに対する比：ｃ／ａは１／２２０としたこと以外、実施例１と同様の溝構造とした。
【０１００】
このように作製した本実施例の高分子電解質型燃料電池を、７０℃に保持し、アノード側に７０℃の露点となるよう加湿・加温した水素ガスを、カソード側に７０℃の露点となるように加湿・加温した空気を供給した。その結果、電流を外部に出力しない無負荷時には、９６Ｖの電池開放電圧を得た。
【０１０１】
この燃料電池を、燃料利用率７５％、酸素利用率５０％、電流密度０．３Ａ／ｃｍ2の条件で連続発電し、出力特性の時間変化を測定した。本実施例の燃料電池の運転を２０００時間行った結果、初期の出力３．０７ｋＷ（７１Ｖ−４３．２Ａ）に対して、２０００時間後には出力が２．８５ｋＷ（６６Ｖ−４３．２Ａ）に低下していることを確認した。
【比較例２】
【０１０２】
セパレータの溝構造を変更したこと以外、実施例１と同様の燃料電池を作製した。ここで用いたセパレータは、溝部２１ａ、２１ｂの溝幅を１．２ｍｍ、溝深さを１．２ｍｍで、溝一本当たりの等価直径を１．３５ｍｍとし、ガス流通溝の最上流側の水平部と最下流側の水平部との間の直線距離ｂに対する水平部の長さａの比：ａ／ｂは１．３とし、互いに隣接する水平部間のリブ２２ａ、２２ｂの幅ｃは１．５ｍｍ、リブ幅ｃの長さａに対する比：ｃ／ａは１／１９としたこと以外、実施例１と同様の溝構造とした。
【０１０３】
このように作製した本実施例の高分子電解質型燃料電池を、７０℃に保持し、アノード側に７０℃の露点となるよう加湿・加温した水素ガスを、カソード側に７０℃の露点となるように加湿・加温した空気を供給した。その結果、電流を外部に出力しない無負荷時には、９６Ｖの電池開放電圧を得た。
【０１０４】
この燃料電池を、燃料利用率７５％、酸素利用率５０％、電流密度０．３Ａ／ｃｍ2の条件で連続発電し、出力特性の時間変化を測定した。本実施例の燃料電池の運転を２０００時間行った結果、初期の出力３．０２ｋＷ（７０Ｖ−４３．２Ａ）に対して、２０００時間後には出力が２．７６ｋＷ（６４Ｖ−４３．２Ａ）に低下していることを確認した。
【実施例８】
【０１０５】
セパレータを変更したこと以外、実施例１と同様の燃料電池を作製した。ここで用いたセパレータは、実施例１と同じく、緻密でガス透過性のないカーボン板の表面に切削加工によりガス流通溝を形成することにより、導電性セパレータを作製した。ここでは、カーボン板の一方の面に図５、他方の面に図６に示すような溝を形成したセパレータ（Ｏ）と、カーボン板の一方の面に図５、他方の面に図４に示すような溝を形成したセパレータ（Ｐ）と、カーボン板の一方の面に図６、他方の面に図４（ただしマニホルド穴の配置は異なる）に示すような溝を形成したセパレータ（Ｑ）の３種類を作製した。図５および図６に示す溝は、それぞれ酸化剤ガス流通溝および燃料ガス流通溝とした。図４に示す溝は、実施例１と同様に冷却水流通溝とした。
【０１０６】
セパレータの大きさは、実施例１と同様で、いずれも２０ｃｍ×２０ｃｍ、厚さは３ｍｍとした。各セパレータの溝部３１ａ、３１ｂの溝幅は０．７ｍｍ、深さは０．７ｍｍで、断面は凹形状とし、溝一本当たりの等価直径は０．７９ｍｍとした。各ガス流通溝の形状は、上流から下流に向かって蛇行しながら伸びるサーペンタイン状であり、各ガス流通溝は、互いに平行で実質的に同じ長さａを有する複数の水平部を有し、最上流側の水平部と最下流側の水平部との間の直線距離ｂに対する長さａの比：ａ／ｂは０．２とした。また、互いに隣接する水平部間のリブ３２ａ、３２ｂの幅ｃは０．７ｍｍであり、リブ幅ｃの長さａに対する比：ｃ／ａは１／３０とした。なお、サーペンタイン状流路の最上流部および最下流部とマニホルド穴との間には、マトリックス状流路３７を介在させた。
【０１０７】
次いで、各セパレータに所定のマニホルド穴、すなわち酸化剤ガス注入口３３ａ、酸化剤ガス出口３３ｂ、燃料ガス注入口３４ａ、燃料ガス出口３４ｂ、冷却水注入口３５ａ、および冷却水出口３５ｂを形成した。なお、全てのセパレータの同じ位置に同じ大きさのマニホルド穴を形成した。また、各セパレータの四隅には締結ロッド孔３６を形成した。
【０１０８】
このように作製した本実施例の高分子電解質型燃料電池を、７０℃に保持し、アノード側に７０℃の露点となるよう加湿・加温した水素ガスを、カソード側に７０℃の露点となるように加湿・加温した空気を供給した。その結果、電流を外部に出力しない無負荷時には、９８．５Ｖの電池開放電圧を得た。
【０１０９】
この燃料電池を、燃料利用率７５％、酸素利用率５０％、電流密度０．３Ａ／ｃｍ2の条件で連続発電し、出力特性の時間変化を測定した。その結果、本実施例の燃料電池は、８０００時間後に３．１１ｋＷ（７２Ｖ−４３．２Ａ）の出力を維持することを確認した。
【実施例９】
【０１１０】
セパレータの溝構造を変更したこと以外、実施例８と同様の燃料電池を作製した。ここで用いたセパレータは、溝部３１ａ、３１ｂの溝幅を１．０ｍｍ、溝深さを１．０ｍｍで、溝一本当たりの等価直径を１．１３ｍｍとし、ガス流通溝の互いに隣接する水平部間のリブ３２ａ、３２ｂの幅ｃは１．０ｍｍ、リブ幅ｃの長さａに対する比：ｃ／ａは１／２０としたこと以外、実施例８と同様の溝構造とした。
【０１１１】
ガス流通溝の最上流側の水平部と最下流側の水平部との間の直線距離ｂに対する水平部の長さａの比：ａ／ｂは、実施例８と同じとした。
このように作製した本実施例の高分子電解質型燃料電池を、７０℃に保持し、アノード側に７０℃の露点となるよう加湿・加温した水素ガスを、カソード側に７０℃の露点となるように加湿・加温した空気を供給した。その結果、電流を外部に出力しない無負荷時には、９８Ｖの電池開放電圧を得た。
【０１１２】
この燃料電池を、燃料利用率７５％、酸素利用率５０％、電流密度０．３Ａ／ｃｍ2の条件で連続発電し、出力特性の時間変化を測定した。その結果、本実施例の燃料電池は、８０００時間後に３．１１９ｋＷ（７２．２Ｖ−４３．２Ａ）の出力を維持することを確認した。
【実施例１０】
【０１１３】
セパレータの溝構造を変更したこと以外、実施例８と同様の燃料電池を作製した。ここで用いたセパレータは、溝部３１ａ、３１ｂの溝幅を１．２ｍｍ、溝深さを１．１ｍｍで、溝一本当たりの等価直径を１．３０ｍｍとし、ガス流通溝の互いに隣接する水平部間のリブ３２ａ、３２ｂの幅ｃは１．０ｍｍ、リブ幅ｃの長さａに対する比：ｃ／ａは１／２０としたこと以外、実施例８と同様の溝構造とした。
【０１１４】
ガス流通溝の最上流側の水平部と最下流側の水平部との間の直線距離ｂに対する水平部の長さａの比：ａ／ｂは、実施例８と同じとした。
このように作製した本実施例の高分子電解質型燃料電池を、７０℃に保持し、アノード側に７０℃の露点となるよう加湿・加温した水素ガスを、カソード側に７０℃の露点となるように加湿・加温した空気を供給した。その結果、電流を外部に出力しない無負荷時には、９８．５Ｖの電池開放電圧を得た。
【０１１５】
この燃料電池を、燃料利用率７５％、酸素利用率５０％、電流密度０．３Ａ／ｃｍ2の条件で連続発電し、出力特性の時間変化を測定した。その結果、本実施例の燃料電池は、８０００時間後に３．１３６ｋＷ（７２．６Ｖ−４３．２Ａ）の出力を維持することを確認した。
【実施例１１】
【０１１６】
セパレータの溝構造を変更したこと以外、実施例１と同様の燃料電池を作製した。ここで用いたセパレータは、溝部２１ａ、２１ｂの溝幅を１．０ｍｍ、溝深さを０．７９ｍｍで、溝一本当たりの等価直径を１．０ｍｍとしたこと以外、実施例１と同様の溝構造とした。
【０１１７】
ガス流通溝の最上流側の水平部と最下流側の水平部との間の直線距離ｂに対する水平部の長さａの比：ａ／ｂは１．０、リブ幅ｃの長さａに対する比：ｃ／ａは１／５０とした。
【０１１８】
このように作製した本実施例の高分子電解質型燃料電池を、７０℃に保持し、アノード側に７０℃の露点となるよう加湿・加温した水素ガスを、カソード側に７０℃の露点となるように加湿・加温した空気を供給した。その結果、電流を外部に出力しない無負荷時には、９８．５Ｖの電池開放電圧を得た。
【０１１９】
この燃料電池を、燃料利用率７５％、酸素利用率５０％、電流密度０．３Ａ／ｃｍ2の条件で連続発電し、出力特性の時間変化を測定した。その結果、本実施例の燃料電池は、８０００時間後に３．１６２ｋＷ（７３．２Ｖ−４３．２Ａ）の出力を維持することを確認した。
【実施例１２】
【０１２０】
セパレータの溝構造を変更したこと以外、実施例１と同様の燃料電池を作製した。ここで用いたセパレータは、溝部２１ａ、２１ｂの溝幅を１．０ｍｍ、溝深さを０．８８ｍｍで、溝一本当たりの等価直径を１．０６ｍｍとしたこと以外、実施例１と同様の溝構造とした。
【０１２１】
ガス流通溝の最上流側の水平部と最下流側の水平部との間の直線距離ｂに対する水平部の長さａの比：ａ／ｂは１．０、リブ幅ｃの長さａに対する比：ｃ／ａは１／５０とした。
【０１２２】
このように作製した本実施例の高分子電解質型燃料電池を、７０℃に保持し、アノード側に７０℃の露点となるよう加湿・加温した水素ガスを、カソード側に７０℃の露点となるように加湿・加温した空気を供給した。その結果、電流を外部に出力しない無負荷時には、９９．５Ｖの電池開放電圧を得た。
【０１２３】
この燃料電池を、燃料利用率７５％、酸素利用率５０％、電流密度０．３Ａ／ｃｍ2の条件で連続発電し、出力特性の時間変化を測定した。その結果、本実施例の燃料電池は、８０００時間後に３．１８４ｋＷ（７３．７Ｖ−４３．２Ａ）の出力を維持することを確認した。
【実施例１３】
【０１２４】
セパレータの溝構造を変更したこと以外、実施例１と同様の燃料電池を作製した。ここで用いたセパレータは、溝部２１ａ、２１ｂの溝幅を１．１０ｍｍ、溝深さを１．０３ｍｍで、溝一本当たりの等価直径を１．２０ｍｍとしたこと以外、実施例１と同様の溝構造とした。
【０１２５】
ガス流通溝の最上流側の水平部と最下流側の水平部との間の直線距離ｂに対する水平部の長さａの比：ａ／ｂは１．０、リブ幅ｃの長さａに対する比：ｃ／ａは１／５０とした。
【０１２６】
このように作製した本実施例の高分子電解質型燃料電池を、７０℃に保持し、アノード側に７０℃の露点となるよう加湿・加温した水素ガスを、カソード側に７０℃の露点となるように加湿・加温した空気を供給した。その結果、電流を外部に出力しない無負荷時には、９９Ｖの電池開放電圧を得た。
【０１２７】
この燃料電池を、燃料利用率７５％、酸素利用率５０％、電流密度０．３Ａ／ｃｍ2の条件で連続発電し、出力特性の時間変化を測定した。その結果、本実施例の燃料電池は、８０００時間後に３．１７１ｋＷ（７３．４Ｖ−４３．２Ａ）の出力を維持することを確認した。
【実施例１４】
【０１２８】
セパレータの溝構造を変更したこと以外、実施例１と同様の燃料電池を作製した。ここで用いたセパレータは、溝部２１ａ、２１ｂの溝幅を１．０ｍｍ、溝深さを０．７５ｍｍで、溝一本当たりの等価直径を０．９８ｍｍとしたこと以外、実施例１と同様の溝構造とした。
【０１２９】
ガス流通溝の最上流側の水平部と最下流側の水平部との間の直線距離ｂに対する水平部の長さａの比：ａ／ｂは１．０、リブ幅ｃの長さａに対する比：ｃ／ａは１／５０とした。
【０１３０】
このように作製した本実施例の高分子電解質型燃料電池を、７０℃に保持し、アノード側に７０℃の露点となるよう加湿・加温した水素ガスを、カソード側に７０℃の露点となるように加湿・加温した空気を供給した。その結果、電流を外部に出力しない無負荷時には、９８Ｖの電池開放電圧を得た。
【０１３１】
この燃料電池を、燃料利用率７５％、酸素利用率５０％、電流密度０．３Ａ／ｃｍ2の条件で連続発電し、出力特性の時間変化を測定した。その結果、本実施例の燃料電池は、８０００時間後に３．１１９ｋＷ（７２．２Ｖ−４３．２Ａ）の出力を維持することを確認した。
【実施例１５】
【０１３２】
セパレータの溝構造を変更したこと以外、実施例１と同様の燃料電池を作製した。ここで用いたセパレータは、溝部２１ａ、２１ｂの溝幅を１．１０ｍｍ、溝深さを１．０６ｍｍで、溝一本当たりの等価直径を１．２２ｍｍとしたこと以外、実施例１と同様の溝構造とした。
【０１３３】
ガス流通溝の最上流側の水平部と最下流側の水平部との間の直線距離ｂに対する水平部の長さａの比：ａ／ｂは１．０、リブ幅ｃの長さａに対する比：ｃ／ａは１／５０とした。
【０１３４】
このように作製した本実施例の高分子電解質型燃料電池を、７０℃に保持し、アノード側に７０℃の露点となるよう加湿・加温した水素ガスを、カソード側に７０℃の露点となるように加湿・加温した空気を供給した。その結果、電流を外部に出力しない無負荷時には、９８．５Ｖの電池開放電圧を得た。
【０１３５】
この燃料電池を、燃料利用率７５％、酸素利用率５０％、電流密度０．３Ａ／ｃｍ2の条件で連続発電し、出力特性の時間変化を測定した。その結果、本実施例の燃料電池は、８０００時間後に３．１２８ｋＷ（７２．４Ｖ−４３．２Ａ）の出力を維持することを確認した。
【実施例１６】
【０１３６】
セパレータの溝構造を変更したこと以外、実施例１と同様の燃料電池を作製した。ここで用いたセパレータは、溝部２１ａ、２１ｂの溝幅を０．７ｍｍ、溝深さを０．８１ｍｍで、溝一本当たりの等価直径を０．８５ｍｍとしたこと以外、実施例１と同様の溝構造とした。
【０１３７】
ガス流通溝の最上流側の水平部と最下流側の水平部との間の直線距離ｂに対する水平部の長さａの比：ａ／ｂは１．０、リブ幅ｃの長さａに対する比：ｃ／ａは１／５０とした。
【０１３８】
このように作製した本実施例の高分子電解質型燃料電池を、７０℃に保持し、アノード側に７０℃の露点となるよう加湿・加温した水素ガスを、カソード側に７０℃の露点となるように加湿・加温した空気を供給した。その結果、電流を外部に出力しない無負荷時には、９８Ｖの電池開放電圧を得た。
【０１３９】
この燃料電池を、燃料利用率７５％、酸素利用率５０％、電流密度０．３Ａ／ｃｍ2の条件で連続発電し、出力特性の時間変化を測定した。その結果、本実施例の燃料電池は、８０００時間後に３．１２３ｋＷ（７２．３Ｖ−４３．２Ａ）の出力を維持することを確認した。
【０１４０】
実験例４
実験例１において、セパレータ流路の水滴が素早く除去可能かどうかを目視確認した結果、表１に示されるように、溝深さ０．５ｍｍの場合には、溝幅０．５ｍｍ、溝幅０．７ｍｍ、溝幅１．０ｍｍにおいて、１ｋＰａ（１００ｍｍＡｑ）〜１０ｋＰａ（１０００ｍｍＡｑ）の範囲では、素早く水滴を除去することを確認できなかった。
【０１４１】
そこで、これらのセパレータを用い、１０ｋＰａを超える圧力損失でガスをガス流通溝に注入したこと以外、実験例１と同様の操作を行い、セパレータ流路の水滴が素早く除去可能かどうかを目視確認した。結果を表１２に示す。
【０１４２】
【表１２】
2004158435.tif 000014
【０１４３】
以上の結果から、２５ｋＰａ以上の圧力損失を印可した場合、ガス流路溝の等価直径、溝幅および溝深さにかかわらず、セパレータ流路の水滴が素早く除去可能であることを確認した。従って、本発明の効果を有効に発揮可能な圧力損失の範囲は、１．５ｋＰａ（１５０ｍｍＡｑ）以上、２５ｋＰａ以下（２５００ｍｍＡｑ）であることが判明した。
【実施例１７】
【０１４４】
実施例１と全く同一の燃料電池を作製し、その冷却水入口温度を４０℃〜８０℃に保持した。そして、アノード側に、冷却水入口温度と同じ露点となるように加湿・加温した二酸化炭素２３％、水素７６．５％、空気０．５％、一酸化炭素２０ｐｐｍからなる混合ガスを供給した。また、カソード側には、冷却水入口温度と同じ露点となるように加湿・加温した空気を供給した。
【０１４５】
この燃料電池を、燃料利用率７５％、酸素利用率５０％、電流密度０．３Ａ／ｃｍ2の条件で連続発電し、出力特性の時間変化を測定した。また、電流密度０．３Ａ／ｃｍ2の条件で連続発電中には、冷却水出口温度が、冷却水入口温度に対して６℃高くなるように、冷却水流量を制御した。
【０１４６】
電流を外部に出力しない無負荷時の電池開放電圧と、連続発電開始後１００時間における１００個の単セルの電圧バラツキの標準偏差（σ）と、連続発電開始後１００００時間における１時間あたりの平均電圧低下速度（劣化率）とを表１３に示す。
【０１４７】
【表１３】
2004158435.tif 000015
【０１４８】
表１３から、電池開放電圧は、冷却水入口温度（電池温度）の影響を大きく受けないものの、冷却水入口温度が４０℃以下では、アノードガス中の一酸化炭素による電極触媒の被毒により、初期特性のσ値および劣化率が大きくなることを見出した。また、冷却水入口温度が８０℃以上では、約８０００時間後に、電池電圧の低下により運転不可能状態になることを見出した。以上より、冷却水入口温度の範囲は、４５℃〜７５℃が適当であり、５０℃〜７０℃の範囲がさらに好ましいと言える。
【実施例１８】
【０１４９】
実施例１と全く同一の燃料電池を作製し、その冷却水入口温度を６５℃に保持した。そして、アノード側に、冷却水入口温度に対して−１０℃〜＋１０℃の露点となるように加湿・加温した二酸化炭素２３％、水素７６．５％、空気０．５％、一酸化炭素２０ｐｐｍからなる混合ガスを供給した。また、カソード側には、冷却水入口温度に対して−１０℃〜＋１０℃の露点となるように加湿・加温した空気を供給した。
【０１５０】
この燃料電池を、燃料利用率７５％、酸素利用率５０％、電流密度０．３Ａ／ｃｍ2の条件で連続発電し、出力特性の時間変化を測定した。また、電流密度０．３Ａ／ｃｍ2の条件で連続発電中には、冷却水出口温度が、冷却水入口温度に対して６℃高くなるように、冷却水流量を制御した。
【０１５１】
電流を外部に出力しない無負荷時の電池開放電圧と、連続発電開始後１００時間における１００個の単セルの電圧バラツキの標準偏差（σ）と、連続発電開始後１００００時間における１時間あたりの平均電圧低下速度（劣化率）とを表１４に示す。
【０１５２】
【表１４】
2004158435.tif 000016
【０１５３】
表１４から、電池開放電圧は、供給ガス露点の影響を大きく受けないものの、供給ガス露点が冷却水入口温度に対して１０℃高い場合には、ガス流路に停滞する結露水の影響により、初期特性のσが大きくなることを見出した。また、劣化率は、冷却水入口温度に対して供給ガス露点が１０℃低い場合には、約７０００時間後に、電池電圧の低下により運転不可能状態になることを見出した。以上より、冷却水入口温度に対する供給ガス露点の範囲は、−５℃〜＋５℃が適当であると言える。
【実施例１９】
【０１５４】
実施例１と全く同一の燃料電池を製作し、その冷却水入口温度を６５℃に保持した。そして、アノード側に、冷却水入口温度と同じ露点となるように加湿・加温した二酸化炭素２３％、水素７６．５％、空気０．５％、一酸化炭素２０ｐｐｍからなる混合ガスを供給した。またカソード側には、冷却水入口温度と同じ露点となるように加湿・加温した空気を供給した。
【０１５５】
この燃料電池を、燃料利用率７５％、酸素利用率２０％〜８０％、電流密度０．３Ａ／ｃｍ2の条件で連続発電し、出力特性の時間変化を測定した。また、電流密度０．３Ａ／ｃｍ2の条件で連続発電中には、冷却水出口温度が、冷却水入口温度に対して７℃高くなるように、冷却水流量を制御した。
【０１５６】
電流を外部に出力しない無負荷時の電池開放電圧と、連続発電開始後１００時間における１００個の単セルの電圧バラツキの標準偏差（σ）と、連続発電開始後１００００時間における１時間あたりの平均電圧低下速度（劣化率）とを表１５に示す。
【０１５７】
【表１５】
2004158435.tif 000017
【０１５８】
表１５から、電池開放電圧は、酸素利用率の影響を大きく受けないものの、酸素利用率が８０％の場合には、ガス流路に停滞する結露水の影響により、初期特性のσが大きくなることを見出した。また、劣化率は、酸素利用率が２０％の場合には、約９０００時間後に、電池電圧の低下により運転不可能状態になることを見出した。従って、酸素利用率の範囲は、３０％〜７０％が適当であると言える。
【実施例２０】
【０１５９】
実施例１と全く同一の燃料電池を製作し、その冷却水入口温度を６５℃に保持した。そして、アノード側に、冷却水入口温度と同じ露点となるように加湿・加温した二酸化炭素２３％、水素７６．５％、空気０．５％、一酸化炭素２０ｐｐｍからなる混合ガスを供給した。また、カソード側には、冷却水入口温度と同じ露点となるように加湿・加温した空気を供給した。
【０１６０】
この燃料電池を、燃料利用率７５％、酸素利用率５０％、電流密度０．０２Ａ／ｃｍ2〜０．５Ａ／ｃｍ2の条件で連続発電し、出力特性の時間変化を測定した。また、電流密度０．１Ａ／ｃｍ2以上の条件で連続発電中には、冷却水出口温度が、冷却水入口温度に対して６℃高くなるように冷却水流量を制御した。電流密度０．１Ａ／ｃｍ2未満の条件では、０．１Ａ／ｃｍ2の場合の冷却水流量と同じにして運転を行った。
【０１６１】
電流を外部に出力しない無負荷時の電池開放電圧と、連続発電開始後１００時間における１００個の単セルの電圧バラツキの標準偏差（σ）と、連続発電開始後１００００時間における１時間あたりの平均電圧低下速度（劣化率）とを表１６に示した。
【０１６２】
【表１６】
2004158435.tif 000018
【０１６３】
表１６から、電池開放電圧は、電流密度の影響を大きく受けないものの、電流密度が０．０２Ａ／ｃｍ2の場合には、ガス流路に流れるガス流速が小さくなる影響により、初期特性のσが大きくなることを見出した。また、劣化率も、電流密度が０．０２Ａ／ｃｍ2の場合には、大きくなることを見出した。従って、電流密度の範囲は、０．０５Ａ／ｃｍ2以上が適当であると言える。
【０１６４】
一方、燃料電池スタックの発電効率を高く保つためには、燃料電池の単セルの発電電圧を０．７Ｖ以上に保つ必要がある。そのためには、電流密度が０．３Ａ／ｃｍ2以下である必要がある。
【産業上の利用可能性】
【０１６５】
本発明は、ポータブル電源、電気自動車用電源、コージェネレーションシステム等に使用するイオン伝導性電解質を具備する燃料電池、特に水素イオン伝導性高分子電解質膜を用いた燃料電池に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１６６】
【図１】本発明の実施例に係るＭＥＡの構成を示す断面図である。
【図２】本発明の実施例１の燃料電池および各実験例に用いたセパレータの酸化剤ガス流通溝の構造を示す正面図である。
【図３】本発明の実施例１の燃料電池に用いた図２のセパレータの燃料ガス流通溝の構造を示す背面図である。
【図４】本発明の実施例１の燃料電池に用いた図２の別のセパレータの冷却水流通溝の構造を示す背面図である。
【図５】本発明の実施例８の燃料電池に用いたセパレータの酸化剤ガス流通溝の構造を示す正面図である。
【図６】本発明の実施例８の燃料電池に用いた図５のセパレータの燃料ガス流通溝の構造を示す背面図である。
【符号の説明】
【０１６７】
１１  高分子電解質膜
１２  触媒反応層
１３  ガス拡散層
１４  電極
１５  ガスシール材
１６  ＥＭＡ
２１ａ  酸化剤ガス流通溝
２１ｂ  燃料ガス流通溝
２１ｃ  冷却水流通溝
２２ａ  酸化剤ガス流通溝間のリブ
２２ｂ  燃料ガス流通溝間のリブ
２２ｃ  冷却水流通溝間のリブ
２３ａ  酸化剤ガス注入口
２３ｂ  酸化剤ガス出口
２４ａ  燃料ガス注入口
２４ｂ  燃料ガス出口
２５ａ  冷却水注入口
２５ｂ  冷却水出口
２６  締結ロッド孔
３１ａ  酸化剤ガス流通溝
３１ｂ  燃料ガス流通溝
３２ａ  酸化剤ガス流通溝間のリブ
３２ｂ  燃料ガス流通溝間のリブ
３３ａ  酸化剤ガス注入口
３３ｂ  酸化剤ガス出口
３４ａ  燃料ガス注入口
３４ｂ  燃料ガス出口
３５ａ  冷却水注入口
３５ｂ  冷却水出口
３６  締結ロッド孔
３７  マトリックス状流路                                                                                
【図１】
2004158435.tif 000019
【図２】
2004158435.tif 000020
【図３】
2004158435.tif 000021
【図４】
2004158435.tif 000022
【図５】
2004158435.tif 000023
【図６】
2004158435.tif 000024