(57)【要約】【課題】従来の燃料電池は、高加湿の供給ガスを用いた場合、フラッディングによる不安定動作と、耐久性が課題であった。【解決手段】電池スタック内を貫通するマニホールドの貫通方向が水平に対して５度以上、４５度以下の傾斜角を付けて設置することによって、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できる。【選択図】　　　　　　　　図５
2004146303.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオン伝導性電解質膜と、前記イオン伝導性電解質膜の両面にそれぞれ配置したアノードおよびカソードと、前記アノードに燃料ガスを、前記カソードに酸化剤ガスをそれぞれ供給・排出する燃料ガス流路および酸化剤ガス流路を有する一対の導電性セパレータ板とを具備する単位電池が積層されてなる電池スタックを具備し、前記電池スタックはさらに、前記燃料ガスおよび前記酸化剤ガスをそれぞれ前記燃料ガス流路および前記酸化剤ガス流路に供給する燃料ガス入口側マニホールドおよび酸化剤ガス入口側マニホールドと、前記燃料ガス流路および前記酸化剤ガス流路から前記燃料ガスおよび前記酸化剤ガスを排出する燃料ガス出口側マニホールドおよび酸化剤ガス出口側マニホールドと、前記燃料ガス入口側マニホールドおよび酸化剤ガス入口側マニホールドに連結された燃料ガス入口部および酸化剤ガス入口部と、前記燃料ガス出口側マニホールドおよび前記酸化剤ガス出口側マニホールドに連結された燃料ガス出口部および酸化剤ガス出口部とを具備し、前記各マニホールドが前記導電性セパレータ板をその積層方向に貫通するように形成された燃料電池であって、前記各マニホールドのうちの少なくとも１つのマニホールドを、ガス進行方向に向かって低位になるように傾斜配置し、かつ当該マニホールドの貫通方向が水平に対してなす傾斜角を、当該マニホールドの水滴転落角以上４５度以下とした燃料電池。
【請求項２】
前記導電性セパレータ板および前記少なくとも１つのマニホールドがカーボン板製であり、前記傾斜角が５度以上４５度以下である請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記傾斜配置された前記少なくとも１つのマニホールドは、前記燃料ガス出口側マニホールドおよび前記酸化剤ガス出口側マニホールドの少なくとも一方であり、前記燃料ガス出口部および前記酸化剤ガス出口部の少なくとも一方のガス出口部が前記電池スタックの一方の端部の下部に設けられ、前記少なくとも一方のガス出口部が前記傾斜配置された前記少なくとも１つのマニホールドの出口側端部に連結された請求項１記載の燃料電池。
【請求項４】
前記各マニホールドの断面が長径と短径を有し、前記長径の延伸方向が前記水平に対して９０度以下４５度以上の傾斜角をなす請求項１記載の燃料電池。
【請求項５】
イオン伝導性電解質膜と、前記イオン伝導性電解質膜の両面にそれぞれ配置したアノードおよびカソードと、前記アノードに燃料ガスを、前記カソードに酸化剤ガスをそれぞれ供給・排出する燃料ガス流路および酸化剤ガス流路を有する一対の導電性セパレータ板とを具備する単位電池が積層されてなる電池スタックを具備し、前記電池スタックはさらに、前記燃料ガスおよび前記酸化剤ガスをそれぞれ前記燃料ガス流路および前記酸化剤ガス流路に供給する燃料ガス入口側マニホールドおよび酸化剤ガス入口側マニホールドと、前記燃料ガス流路および前記酸化剤ガス流路から前記燃料ガスおよび前記酸化剤ガスを排出する燃料ガス出口側マニホールドおよび酸化剤ガス出口側マニホールドと、前記燃料ガス入口側マニホールドおよび酸化剤ガス入口側マニホールドに連結された燃料ガス入口部および酸化剤ガス入口部と、前記燃料ガス出口側マニホールドおよび前記酸化剤ガス出口側マニホールドに連結された燃料ガス出口部および酸化剤ガス出口部とを具備し、前記各マニホールドが前記導電性セパレータ板をその積層方向に貫通するように形成された燃料電池であって、前記各マニホールドの断面が長径と短径を有し、前記長径の延伸方向が前記水平に対して略垂直である燃料電池。
【請求項６】
前記長径の延伸方向が前記水平に対して９０度以下４５度以上の傾斜角をなす請求項５記載の燃料電池。
【請求項７】
前記燃料ガス出口部および前記酸化剤ガス出口部の少なくとも一方のガス出口部が、それぞれ対応する、前記燃料ガス出口側マニホールドおよび前記酸化剤ガス出口側マニホールドの少なくとも一方の出口の断面の低位部に設けられた請求項４から請求項６のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項８】
前記燃料ガス入口部に連結された燃料ガス供給管、前記酸化剤ガス入口部に連結された酸化剤ガス供給管、前記燃料ガス出口部に連結された燃料ガス排出管、および前記酸化剤ガス出口部に連結された酸化剤ガス排出管のうち少なくとも１つの配管が、前記電池スタックから遠ざかるに従い前記水平から遠ざかるような前記水平に対する下向きの傾斜角をなす請求項１から請求項７のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項９】
前記電池スタックを傾斜させて設置することにより前記傾斜角を設ける請求項１から請求項８のいずれかに記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、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燃料電池、特に高分子電解質膜を用いた燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高分子電解質膜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。その構造は、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、白金系の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、この触媒反応層の外面に、燃料ガスの通気性と電子導電性を併せ持つ、例えばカーボンペーパーやカーボンクロスで拡散層を形成し、この拡散層と触媒反応層とを合わせて電極とする。これにより一対の電極、すなわちアノードとカソードが形成される。アノード側に燃料ガスが供給され、またカソード側に酸化剤ガスが供給される。
【０００３】
次に、供給する燃料ガスが外にリークしたり、二種類の燃料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ガスシール材やガスケットを配置する。このシール材やガスケットは、電極および高分子電解質膜と一体化してあらかじめ組み立て、これを、電解質膜電極接合体（以下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のセパレータ板を配置する。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方式が一般的である。
【０００４】
このガス流路に燃料ガスあるいは酸化剤ガスを供給するためは、燃料ガスあるい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上のガス流路につなぎ込む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の供給配管から直接つなぎ込むタイプを外部マニホールドを呼ぶ。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、ガス流路の出入り口をこの孔まで通し、この孔から直接燃料ガスを供給するものである。この貫通孔をマニホールドと呼ぶ。
【０００５】
燃料電池は運転中に発熱するので、電池を良好な温度状態に維持するために、冷却水等で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板とセパレータ板との間に挿入するが、セパレータ板の背面に冷却水流路を設けて冷却部とする場合が多い。これらのＭＥＡとセパレータ板および冷却部を交互に重ねていき、１０〜２００セル積層した後、集電板と絶縁板を介し、端板でこれを挟み、締結ボルトで両端から固定するのが一般的な積層型、すなわち燃料電池スタックの構造である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来の高分子電解質膜は、パーフルオロスルホン酸系の材料が使われてきた。この高分子電解質膜は水分を含んだ状態でイオン伝導性を発現するため、通常は燃料ガスや酸化剤ガスを加湿して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酸化剤ガスや燃料ガスを加湿し供給すると、電池内部のガス流路や電極内部で結露が発生し水詰まりなどの現象によって電池性能が安定しない、または性能が低下する問題があった。通常このような濡れすぎによる電池性能の低下や動作不安定が発現する現象をフラッディング現象と呼んでいた。
【０００７】
また、燃料電池を発電システムとする場合には、供給ガスの加湿などを含めたシステム化が必要であるが、システムの簡素化、システム効率の向上のためには、供給ガスの加湿露点を少しでも低減して供給することが好ましい。以上のように、フラッディング現象の防止、システム効率の向上、システムの簡素化などの観点から、供給ガスは、電池温度に対して少し低めの露点で加湿し供給することが通常であった。
【０００８】
しかしながら、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度を向上させる必要があり、そのためには供給ガスの加湿を相対湿度１００％に近い湿度、または相対湿度１００％以上で供給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、供給ガスを高加湿で供給する必要があることを発見した。供給ガスの加湿を相対湿度１００％に近い湿度で供給しようとした場合、様々な課題が有ることを見いだした。
【０００９】
一つ目は、前述のフラッディングの問題である。フラッディングを回避するためには、供給ガスのガス流量を一定にしたまま供給圧力を上げて、換言すれば供給ガスの圧力損失を上げて、結露した水を吹き飛ばすようにする手法が一般的である。しかしながら、供給ガスの圧力損失の増加は、システム化した場合のガス供給ブロワ、またはコンプレッサ等の補機動力を極端に増加させるため、システム効率の悪化を招来する。
【００１０】
二つ目は、結露した水がマニホールド内部の空間に溜まり、ある一定量以上に溜まると、入り口側のマニホールドに溜まった場合にはセパレータ板のガス流路内に水が液体状態で突入しガス流路が水で閉塞されるため、水がセパレータ板から完全に排出されるまでガス供給不足が発生し電池性能が激しく不安定になるという問題である。また、出口側のマニホールドに溜まった場合でも、ある一定量以上水が溜まるとセパレータ板からマニホールドへの水の排出性が悪くなる、また場合によっては出口マニホールドから水がセパレータ板のガス流路に逆流するという問題があることを見いだした。このような現象が発現すると見かけ上フラッディングと同等の現象が発生することを発見した。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
以上の課題を解決するため本発明の第１の観点に基づく燃料電池は、イオン伝導性電解質膜と、前記イオン伝導性電解質膜の両面にそれぞれ配置したアノードおよびカソードと、前記アノードに燃料ガスを、前記カソードに酸化剤ガスをそれぞれ供給・排出する燃料ガス流路および酸化剤ガス流路を有する一対の導電性セパレータ板とを具備する単位電池が積層されてなる電池スタックを具備し、前記電池スタックはさらに、前記燃料ガスおよび前記酸化剤ガスをそれぞれ前記燃料ガス流路および前記酸化剤ガス流路に供給する燃料ガス入口側マニホールドおよび酸化剤ガス入口側マニホールドと、前記燃料ガス流路および前記酸化剤ガス流路から前記燃料ガスおよび前記酸化剤ガスを排出する燃料ガス出口側マニホールドおよび酸化剤ガス出口側マニホールドと、前記燃料ガス入口側マニホールドおよび酸化剤ガス入口側マニホールドに連結された燃料ガス入口部および酸化剤ガス入口部と、前記燃料ガス出口側マニホールドおよび前記酸化剤ガス出口側マニホールドに連結された燃料ガス出口部および酸化剤ガス出口部とを具備し、前記各マニホールドが前記導電性セパレータ板をその積層方向に貫通するように形成された燃料電池であって、前記各マニホールドのうちの少なくとも１つのマニホールドを、ガス進行方向に向かって低位になるように傾斜配置し、かつ当該マニホールドの貫通方向が水平に対してなす傾斜角（第１傾斜角）を、当該マニホールドの水滴転落角以上４５度以下としたことを特徴とする。
【００１２】
当該マニホールドすなわち前記少なくとも１つのマニホールドおよび前記導電性セパレータ板がカーボン板製であり、前記第１傾斜角が５度以上４５度以下であることが好ましい。
さらに、前記傾斜配置された前記少なくとも１つのマニホールドは、前記燃料ガス出口側マニホールドおよび前記酸化剤ガス出口側マニホールドの少なくとも一方であり、前記燃料ガス出口部および前記酸化剤ガス出口部の少なくとも一方のガス出口部が前記電池スタックの一方の端部の下部に設けられ、前記少なくとも一方のガス出口部が前記傾斜配置された前記少なくとも１つのマニホールドの出口側端部に連結されていることが好ましい。
【００１３】
また、本発明の第２の観点に基づく燃料電池は、イオン伝導性電解質膜と、前記イオン伝導性電解質膜の両面にそれぞれ配置したアノードおよびカソードと、前記アノードに燃料ガスを、前記カソードに酸化剤ガスをそれぞれ供給・排出する燃料ガス流路および酸化剤ガス流路を有する一対の導電性セパレータ板とを具備する単位電池が積層されてなる電池スタックを具備し、前記電池スタックはさらに、前記燃料ガスおよび前記酸化剤ガスをそれぞれ前記燃料ガス流路および前記酸化剤ガス流路に供給する燃料ガス入口側マニホールドおよび酸化剤ガス入口側マニホールドと、前記燃料ガス流路および前記酸化剤ガス流路から前記燃料ガスおよび前記酸化剤ガスを排出する燃料ガス出口側マニホールドおよび酸化剤ガス出口側マニホールドと、前記燃料ガス入口側マニホールドおよび酸化剤ガス入口側マニホールドに連結された燃料ガス入口部および酸化剤ガス入口部と、前記燃料ガス出口側マニホールドおよび前記酸化剤ガス出口側マニホールドに連結された燃料ガス出口部および酸化剤ガス出口部とを具備し、前記各マニホールドが前記導電性セパレータ板をその積層方向に貫通するように形成された燃料電池であって、前記各マニホールドの断面が長径と短径を有し、前記長径の延伸方向が前記水平に対して略垂直であることを特徴とする。
【００１４】
前記本発明の第１の観点と第２の観点の両方の特徴を同時に有した燃料電池がさらに好ましい。
前記本発明の第２の観点において、前記長径の延伸方向が前記水平に対して９０度以下４５度以上の傾斜角（第２傾斜角）をなすことが好ましい。
前記燃料ガス出口部および前記酸化剤ガス出口部の少なくとも一方のガス出口部が、それぞれ対応する、前記燃料ガス出口側マニホールドおよび前記酸化剤ガス出口側マニホールドの少なくとも一方の出口の断面の低位部に設けられていることが好ましい。
【００１５】
さらに、前記燃料ガス入口部に連結された燃料ガス供給管、前記酸化剤ガス入口部に連結された酸化剤ガス供給管、前記燃料ガス出口部に連結された燃料ガス排出管、および前記酸化剤ガス出口部に連結された酸化剤ガス排出管のうち少なくとも１つの配管が、前記電池スタックから遠ざかるに従い前記水平から遠ざかるような前記水平に対する下向きの傾斜角（第３傾斜角）をなすことが好ましい。
さらに、前記電池スタックを傾斜させて設置することにより前記傾斜角（第１傾斜角および第２傾斜角）を設けることが好ましい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明のポイントは、供給ガスの加湿を相対湿度１００％に近い湿度、または相対湿度１００％以上に加湿して供給する場合発生する、フラッディングの問題を解決できることにある。フラッディングを防止するためには、少なくともガス流路溝に結露水を停滞させないことが有効であることを発見した。そのためには、基本的には供給ガスの圧力損失を大きくすれば効果があるが、前述のような問題から、数千ｍｍＡｑを超えるような高圧損でガス供給することは現実的ではない。従って、同じ圧力損失でもガス流路に水が停滞しないような技術が必要である。
【００１７】
本発明は、それを満足するものである。ガス流路の中では、結露水などによって、水とガスとの２層流となって流体が流れており、そのような場合は、まずセパレータ板面内のガスの流れを上部から下部に向かって流れるようにすることが望ましい。セパレータ板面の高さに見合う重力分だけ、水の排出性に貢献できるからである。しかしながら、マニホールドからセパレータ板のガス流路入口へ突発的に水が突入すると、セパレータ板の流路の構造や供給ガス圧力を最適化していたとしても、水がセパレータ板の流路内から出口側マニホールドに排出されるまではフラッディング現象が発生することを避けられない。そのためには入口側マニホールドに水が溜まらない構造を取ることが有効である。
【００１８】
供給ガスの加湿を相対湿度１００％に近い湿度、または相対湿度１００％以上に加湿して供給する場合には、実質的に微量のミストの混入が避けられない。入口側マニホールドの構造は、マニホールド貫通方向の一方にガス入口があり、そこからガスが供給され、入口側マニホールドからマニホールド貫通方向に対して垂直方向に各セルに分配される構造をとっている。すなわち、入口側マニホールド貫通方向の、ガス入口部の反対側すなわち、マニホールド貫通方向の延長線上には、ガス出口部は位置していないのが通常である。
【００１９】
そのため、マニホールドの貫通方向が水平である場合、またガス入口部が低位置でガス出口部が高位置となるように傾斜している場合にはマニホールド入口部近傍に結露水が溜まり、一定水位まで達すると定期的に水がセパレータ板のガス流路に突入することを見いだした。逆に、ガス入口部が高位置でガス出口部が低位置となるようにマニホールドの貫通方向が水平に対して傾斜している場合には、常に微量のミストがセパレータ板のガス流路に供給されることになるが、突発的に多量の水滴が突入する事態は避けられることを見いだした。このマニホールドの貫通方向が水平に対してなす傾斜角を本明細書では第１傾斜角と称する。
【００２０】
また、逆に出口側マニホールドに水が溜まる場合にも問題が発生する。出口側マニホールドに水が溜まると、出口側マニホールドからセパレータ板のガス流路に水が逆流する上、セパレータ板のガス流路から出口側マニホールドへの水滴の排出性が極端に悪くなる。ガス入口部が高位置でガス出口部が低位置となるようにマニホールド貫通方向が水平に対して傾斜している場合に、出口側マニホールド内に結露水が溜まることがほとんど起こらないことを見いだした。
【００２１】
また、マニホールドの傾斜は、マニホールドの水滴転落角より大きくなければ効果は小さいことを見いだした。ある材料の水滴転落角とは、平滑な表面を有する当該材料を水平に設置し、その水平表面上の任意の位置に水滴を載せた後、当該材料を水平に対して徐々に傾斜させていく場合に、その水滴が当初の位置から移動し始める際の水平に対してなす傾斜角をいう。この水滴転落角は、水滴を当該材料の上に水滴を載せた場合の水滴の表面張力、および水滴が当該材料の表面となす接触角に依存する。
【００２２】
結露水が流れるマニホールド内壁表面は、通常はマニホールドを形成する材料、すなわち導電性セパレータ板の孔内壁表面になっている。たとえば、通常のセパレータ板材料であるカーボン材料の場合には、その水滴転落角は約５度であり、マニホールドの傾斜角が５度以上でなければ上記の効果が小さいことも見いだした。
【００２３】
一方、マニホールドの傾斜角が４５度を超えると、上記の効果が小さくなり始めることも見いだした。通常、マニホールドの貫通方向はセパレータ板表面に対して垂直である。したがって、マニホールドが当初水平方向である場合は、実質的にセパレータ板面の傾斜角は略垂直、すなわち導電性セパレータ板表面が水平に対してなす角度は９０度あるいは略９０度である。
【００２４】
ところが、マニホールドの傾斜角が４５度を超えると、セパレータ板面の傾斜角が４５度よりも小さくなる、すなわち、セパレータ板面が水平方向に傾かざるを得なくなり、セパレータ板面内、すなわちガス流路内のガスの流れを高位置から低位置に向かって流れるようにすることにより水の排出をさせるという効果、すなわち略垂直に設置されたセパレータ板面の高さに見合う重力分だけ、水の排出性を向上させるという効果が、小さくなり始めることを発見した。
【００２５】
一方、他の観点として、マニホールドの断面が略長方形状または略楕円形状のような長径と短径を有する場合、略長方形状または略楕円形状の長手方向が垂直方向あるいは略垂直方向となるように、すなわちマニホールドの断面の長径の延伸方向が水平に対してなす角度が９０度あるいは略９０度となるようにマニホールドが構成され、かつガス出入口が、略長方形状または略楕円形状の長手方向下部、すなわちマニホールド断面の長径の低位部に設置され、好ましくはマニホールド断面最下部と、ガス出入口内面最下部が一致もしくは、ガス出入口内面最下部がマニホールド断面最下部より下部に設置することで上述の問題を解決できることも発見した。
【００２６】
さらに、そのマニホールドの断面の長径の延伸方向が水平に対してなす角度を略垂直から傾斜させても、４５度までであれば、導電性セパレータ板面内のガス流路内の水の排出効果を大きく劣化させることなく、マニホールド内の排水効果を維持できることも確認した。このマニホールドの断面の長径の延伸方向が水平に対してなす傾斜角を本明細書では第２傾斜角と称する。
【００２７】
さらに好ましくは、電池スタックのガス出入口に連結するガス供給配管およびガス排出配管が、前記電池スタックのガス出入口から下向きに傾斜をつけて接続されていることによって有効性がより顕著になることを見いだした。換言すれば、前記燃料ガス入口部に連結された燃料ガス供給管、前記酸化剤ガス入口部に連結された酸化剤ガス供給管、前記燃料ガス出口部に連結された燃料ガス排出管、および前記酸化剤ガス出口部に連結された酸化剤ガス排出管のうち少なくとも１つの配管が、前記電池スタックから遠ざかるに従い前記水平から遠ざかるような前記水平に対する下向きの傾斜角をなすことが好ましい。この傾斜角を本明細書では第３傾斜角と称する。
【００２８】
なお、上述した燃料ガス入出系と酸化剤ガス入出系に対する種々の排水対策のうちでは、酸化剤ガス入出系における方がよりフラッディングが発生しやすいため、酸化剤ガス入出系に対する排水対策の方が有効である。
【００２９】
【実施例】
《実施例１》
まず、触媒層を形成した電極の作成方法をＭＥＡの概略断面を模式的に示す図１を用いて説明する。アセチレンブラック粉末に、平均粒径約３０Åの白金粒子を２５重量％担持したものを電極の触媒とした。この触媒粉末をイソプロパノ−ルに分散させた分散液に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した分散液を混合し、触媒ペーストを作製した。
【００３０】
一方、電極の支持体になるカーボンクロスを撥水処理した。外寸１２ｃｍ×１２ｃｍ、厚み２２０μｍのカーボンクロス１１ａ、１１ｂの電極触媒層と接すべき側の面に、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）の水性ディスパージョン（ダイキン工業（株）製　Ｄ−１）の混合物を塗布し、４００℃で３０分間焼成して撥水層を付与した。
【００３１】
このカーボンクロス１１ａ、１１ｂの撥水層を付与した方の面に、前記作製した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層１２ａ、１２ｂを形成した。このようにして作成した触媒層１２ａ、１２ｂとカーボンクロス１１ａ、１１ｂとを合わせて電極１３ａ、１３ｂとした。形成後の反応電極中に含まれる白金量は０．３ｍｇ／ｃｍ２、パーフルオロカーボンスルホン酸の量は１．０ｍｇ／ｃｍ２となるよう調整した。
【００３２】
次に、外寸が２０ｃｍ×２０ｃｍのプロトン伝導性高分子電解質膜１４の裏表両面に、前記作製した一対の電極１３ａ、１３ｂを触媒層１２ａ、１２ｂが電解質膜１４の側に接するようにホットプレスで接合し、これをＭＥＡ１５とした。ここでは、プロトン伝導性高分子電解質としてパーフルオロカーボンスルホン酸を３０μｍの厚みに薄膜化したものを用いた。
【００３３】
次に、緻密でガス透過性のないカーボン板に切削加工を施し、図２、図３に示した導電性セパレータ板とした。図２、図３は導電性セパレータ板の表面に形成したガス流路としての溝部、マニホールド孔等の形状を模式的に示した概略平面図である。図２は表面に形成した酸化剤ガス流路等の形状を示したものであり、図３はその裏面の燃料ガス流路等の形状を示したものである。セパレータ板の大きさは２０ｃｍ×２０ｃｍ、厚さは３ｍｍであり、溝部２１、３１は幅１．２ｍｍで深さ０．７ｍｍの凹部であり、この部分をガスが流通する。また、ガス流路間のリブ部２２、３２は幅１．０ｍｍの凸部である。
【００３４】
また、酸化剤ガスのマニホールド孔（入口側２３ａ、出口側２３ｂ）と、燃料ガスのマニホールド孔（入口側２４ａ、出口側２４ｂ）と、冷却水のマニホールド孔（入口側２５ａ、出口側２５ｂ）を形成した。
また図４は、冷却水を流すための冷却水流路の形状を示したものであり、図２、図３に示したものと同様な導電性セパレータ板の表面に切削加工したものである。
【００３５】
図４で、冷却水のマニホールド孔（入口側４５ａ、出口側４５ｂ）の位置と寸法は、図２、図３で示した冷却水のマニホールド孔２５ａおよび２５ｂと同一の位置に同一の寸法で形成し、また、ガス流通用のマニホールド孔４４ａ、４４ｂ、４５ａ、４５ｂの位置と寸法も、図２、図３のガスマニホールド孔と同一位置に、同一寸法で形成した。また、４１は、冷却水の入口側マニホールド孔４５ａから流入した水の流路の溝部であり、溝部の深さは０．７ｍｍとした。４２は冷却水通路の凸状リブ部である。冷却水は入口側マニホールド孔４５ａから流入し、流路４１を流れて出口側マニホールド孔４５ｂへと到達する。
【００３６】
この冷却水流路を有する一枚の導電性セパレータ板の裏面には、他のＭＥＡに接するべき図２のような酸化剤ガス流路を設けた。これとは別にもう一枚の冷却水流路を有する導電性セパレータ板を用意し、その裏面には、別のＭＥＡに接するべき図３のような燃料ガス流路を設けた。そして、これら２枚の冷却水流路用の導電性セパレータ板を、それらの冷却水路面同士が接し、合体して冷却水路を形成するように２枚の導電性セパレータ板の冷却水流路の構成を対応させて構成し、それらを合体して一対の導電性セパレータ板からなる冷却用導電性セパレータ板ユニットを作製した。
【００３７】
次に、図示していないが、作成したＭＥＡのプロトン伝導性高分子電解質膜にも、冷却水と燃料ガスおよび酸化剤ガス流通用のマニホールド孔を形成し、電極部分の直近周辺部とマニホールド孔周辺部のプロトン伝導性高分子電解質膜上にＯ−リング状のガスシール部材を張り合わせガスケットとした。
このようにして作成したセパレータ板２枚を用い、ＭＥＡシートの表面に図２を、裏面に図３を重ね合わせ、これを単電池とした。
【００３８】
この単電池を２セル積層した後、上記した冷却水流路を形成した冷却用導電性セパレータ板ユニット２つでこの２セル積層電池を挟み込み、このパターンを繰り返して１００セル積層の電池スタックを作成した。この時、電池スタックの両端部には、銅の表面に金メッキした集電板と、ポリフェニレンサルファイド樹脂（ＰＰＳ）製の絶縁板と、ステンレス鋼（ＳＵＳ）を切削加工することで作成した端板と締結ロッドで固定した。また、この時の締結圧は電極の面積当たり１０ｋｇｆ／ｃｍ２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、図５に示すように水平線に対する傾斜角（α１）すなわち第１傾斜角が５度となるよう設置し、特性試験を行った。
【００３９】
なお、ここで図５について記載する。図５は、上記作製した高分子電解質型燃料電池の概略を模式的に示した正面図である。図５において、５１は上記の導電性セパレータ板群、５２ａ、５２ｂは電池スタック両端部に設けられた集電板、５３ａ、５３ｂはその集電板の上に設けられた絶縁板、５４ａ、５４ｂはその絶縁板の上に設けられた端板である。また、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給管５５ａから酸化剤ガス入口部５９ａを通って酸化剤ガス入口側マニホールド５８ａに供給される。図では、酸化剤ガス入口部５９ａと酸化剤ガス入口側マニホールドについては、透視した形で破線で示している。
【００４０】
酸化剤ガス入口側マニホールド５８ａに供給された酸化剤ガスは、導電性セパレータ板群５１のうちの各酸化剤ガス流路を通って各ＭＥＡに供給されるとともに、酸化剤ガス出口側マニホールド５８ｂに排出される。酸化剤ガス出口側マニホールドから、さらに酸化剤ガス出口部５９ｂと酸化剤ガス排出管５５ｂを通って、酸化剤ガスは最終的に電池スタックの外部に排出される。図では、酸化剤ガス出口側マニホールド５８ｂと酸化剤ガス出口部５９ｂについては、透視した形で破線で示している。
燃料ガスは、燃料ガス供給管５６ａから供給され、燃料ガス排出管５６ｂから排出されるが、酸化剤ガスの供給・排出と同様な方法で供給・排出されるので、ここではその詳細な記載は省略する。同様に冷却水は、冷却水供給管５７ａから供給され、冷却水排出管５７ｂから排出されるが、ここではその詳細な記載は省略する。
【００４１】
本実施例では測定条件として、高分子電解質型燃料電池を７０℃に保持し、一方の電極側すなわちアノードに７０℃の露点となるよう加湿・加温した水素ガスを、もう一方の電極側すなわちカソードに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、９８．０Ｖの電池開放電圧を得た。
この電池を燃料利用率７５％、酸素利用率５０％、電流密度０．３Ａ／ｃｍ２の条件で連続発電試験を行い、出力特性の時間変化を測定した。その結果、本実施例の電池は、８０００時間以上にわたって３．１ｋＷ以上（７２．０Ｖ−４３．２Ａ）の電池出力を維持することを確認した。
【００４２】
《実施例２−実施例６および比較例１および２》
実施例１と同一の手法で、実施例２−実施例６および比較例１および２の７個の高分子電解質型燃料電池を作成した。
ただし、実施例２−実施例６および比較例１および２においては、このように作製した高分子電解質型燃料電池を、図５に示す水平に対する傾斜角（α１）すなわち第１傾斜角がそれぞれ１０度、２０度、３０度、４０度、４５度、３度および５０度となるよう設置することにより、それぞれの実施例、比較例に基づく高分子電解質型燃料電池とし、それぞれの特性試験を実施例１における保温温度、露点等の同一の測定条件で行った。
その測定結果を表１に示す。
【００４３】
【表１】
2004146303.tif 000003
【００４４】
表１からわかるように、傾斜角（α１）すなわち本明細書の第１傾斜角が５度以上、すなわち導電性セパレータ板の材料であるカーボン板の水滴転落角以上、４５度以下の場合に良好な特性を示すが、その範囲外の傾斜角の場合には特性が劣化した。
なお、上記の実施例あるいは比較例では、図５に示すように、燃料ガス供給管５６ａを、酸化剤ガス供給管５５ａと同じく、端板５４ａの主面側で電池スタックと連結したが、端板５４ａの端面側で連結した場合でも、主面側で連結した場合と同様な結果が得られた。
【００４５】
《実施例７》
実施例１と同一の手法で高分子電解質型燃料電池を作成した。
ただし、本実施例では、図２、図３、図４で示した導電性セパレータ板の酸化剤ガス用マニホールド孔および燃料ガス用マニホールド孔２３ａ、２３ｂ、２４ａ、２４ｂ、４３ａ、４３ｂ、４４ａ、４４ｂの各導電性セパレータ板内における貫通方向を、各導電性セパレータ板面に垂直、すなわち９０度ではなく、１０度傾けて８０度の傾斜をつけて形成した。そして、隣接する導電性セパレータ板のマニホールド孔が連続して連結されるように、各マニホールド孔の形成位置を、導電性セパレータ板面上でずらせて、各マニホールド孔を形成した。
【００４６】
その結果、図６に示すように、電池スタックを水平に設置した場合、すなわち導電性セパレータ板の積層方向と水平が平行になるように設置した場合、電池スタック内部のマニホールド貫通方向が、水平に対してなす傾斜角（α２）すなわち本明細書の第１傾斜角が１０度になるようにした。
図６は、上記作製した本実施例の高分子電解質型燃料電池の概略を模式的に示した正面図である。図６においては、各構成要素に６０番台の番号を付与しているが、それらは、図５の５０番台の番号を付与され下一桁の番号が対応する各構成要素と対応する。たとえば図６の６１は、図５の５１と同様に導電性セパレータ板群である。以下、同様であるので、その詳述は省略する。
【００４７】
この本実施例の高分子電解質型燃料電池を水平に設置して特性試験を行った。また、本実施例では、スタックの積層数を２０セルとした。
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、一方の電極側すなわちアノードに７０℃の露点となるよう加湿・加温した水素ガスを、もう一方の電極側すなわちカソードに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、１９．８Ｖの電池開放電圧を得た。この電池を燃料利用率７５％、酸素利用率５０％、電流密度０．３Ａ／ｃｍ２の条件で連続発電試験を行い、出力特性の時間変化を測定した。その結果、本実施例の電池は、８０００時間以上にわたって０．６３ｋＷ以上（１４．６Ｖ−４３．２Ａ）の電池出力を維持することを確認した。
【００４８】
本実施例では、各導電性セパレータ板において、酸化剤ガス用および燃料ガス用の各マニホールド孔を１０度分傾斜させて形成したが、別の方法として、各マニホールド孔は各導電性セパレータ板内では垂直に形成するが、隣接する導電性セパレータ板において、対応し連結されるマニホールド孔の導電性セパレータ板面上の形成位置を、次のように少しずつずらせた。すなわち、隣接する任意の２枚の導電性セパレータ板において、対応し連結される一方の筒状のマニホールド孔の中心と、他方の筒状のマニホールド孔の中心を結ぶ線が、電池スタックの積層方向と１０度の角度をなすようにした。
【００４９】
この構成により、全体としての各マニホールドが１０度分傾斜した、本実施例と類似の高分子電解質型燃料電池も別途作製した。この別途作製した燃料電池においても、本実施例と同様な良好な特性が得られた。
本実施例では、傾斜角（α２）すなわち本明細書の第１傾斜角が１０度の場合を示したが、その傾斜角が５度以上４５度以下の場合には良好な特性が得られることを別途確認した。
【００５０】
また、上記実施例群では示さなかったが、導電性セパレータ板の材料をカーボン板以外のステンレス鋼あるいは金メッキをしたステンレス鋼などの材料に代替した場合でも、上記傾斜角（α１）あるいは傾斜角（α２）すなわち本明細書の第１傾斜角が、当該材料の水滴転落角以上、４５度以下であれば、良好な特性が得られることを確認した。
【００５１】
《実施例８》
導電性セパレータ板の構造以外は、実施例１と同一の手法で高分子電解質型燃料電池スタックを作成した。
導電性セパレータ板の形状は、図７、図８および図９に示したものを用いた。図７、図８は導電性セパレータ板の表面に形成したガス流通用溝の形状を示したものである。図７は表面に形成した酸化剤ガス流路の溝の形状を示したものであり、図９はその裏面の燃料ガス流路の溝の形状を示したものである。導電性セパレータ板の大きさは２０ｃｍ×２０ｃｍ、厚さは３ｍｍであり、溝部７１、８１は幅１．２ｍｍで深さ０．７ｍｍの凹部であり、この部分をガスが流通する。また、ガス流路間のリブ部７２、８２は幅１．０ｍｍの凸部である。
【００５２】
また、酸化剤ガスのマニホールド孔（入口側７３ａ、出口側７３ｂ）と、燃料ガスのマニホールド孔（入口側７４ａ、出口側７４ｂ）と、冷却水のマニホールド孔（入口側７５ａ、出口側７５ｂ）を形成した。酸化剤ガスの入口部７６ａおよび出口部７６ｂと、燃料ガスの入口部７７ａおよび出口部７７ｂの位置は、図に破線円で示すように、マニホールド断面から投影すると下部すなわち低位置になるよう設置した。
【００５３】
図９は、冷却水を流すための冷却水流路の形状を示したものであり、図７、図８に示したものと同様な導電性セパレータ板の表面に切削加工したものである。図９で、冷却水のマニホールド孔（入口側９５ａ、出口側９５ｂ）の位置と寸法は、図７、図８で示した冷却水のマニホールド孔７５ａおよび７５ｂと同一の位置に同一の寸法で形成し、また、ガス流通用のマニホールド孔９３ａ、９３ｂ、９４ａ、９５ｂの位置と寸法も、図７、図８のガスマニホルド孔と同一位置に同一寸法で形成した。
【００５４】
また、水の流通部分である凹状の深さは０．７ｍｍとした。冷却水は入口側マニホールド孔９５ａから流入し、リブ９２間の流路９１を流れて出口側マニホールド孔９５ｂへと到達する。また、酸化剤ガスの入口部７６ａおよび出口部７６ｂと、燃料ガスの入口部７７ａおよび出口部７７ｂの位置は、図に破線円で示すように、マニホールド断面から投影すると下部すなわち低位置になるよう設置した。
【００５５】
この冷却水流路を有する一枚の導電性セパレータ板の裏面には、他のＭＥＡに接するべき図７のような酸化剤ガス流路を設けた。これとは別にもう一枚の冷却水流路を有する導電性セパレータ板を用意し、その裏面には、別のＭＥＡに接すべき図８のような燃料ガス流路を設けた。そして、これら２枚の冷却水流路用の導電性セパレータ板を、それらの冷却水路面同士が接し、合体して冷却水路を形成するように２枚の導電性セパレータ板の冷却水流路の構成を対応させて構成し、それらを合体して一対の導電性セパレータ板からなる冷却用導電性セパレータ板ユニットを作製した。
【００５６】
以上のように作製した、導電性セパレータ板群と、実施例１に記載したのと同じ方法で、ＭＥＡ、ガスシール部材、集電板、絶縁板、端板等とを組み合わせて積層することにより、図５に示されるものと同様な１００セル積層の電池スタックを有する高分子電解質型燃料電池を作製した。
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、水平に対して平行となるように、すなわち図５におけるセパレータ板面が水平と垂直となるように、さらに換言すれば本明細書の第２傾斜角が９０度となるように設置し、特性試験を行った。
【００５７】
高分子電解質型燃料電池スタックを７０℃に保持し、一方の電極側すなわちアノードに７０℃の露点となるよう加湿・加温した水素ガスを、もう一方の電極側すなわちカソードに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、９６．０Ｖの電池開放電圧を得た。
この電池を燃料利用率７５％、酸素利用率５０％、電流密度０．３Ａ／ｃｍ２の条件で連続発電試験を行い、出力特性の時間変化を測定した。その結果、本実施例の電池は、８０００時間以上にわたって２．９ｋＷ以上（６８．５Ｖ−４３．２Ａ）の電池出力を維持することを確認した。
【００５８】
なお、本実施例においては、マニホールドの断面が楕円形の場合を示したが、それ以外でも、たとえば長方形であっても、その長手方向すなわち長径が垂直方向あるいは略垂直方向となるように構成され、かつガス出入口を特にガス出口を、長手方向下部、すなわちマニホールド断面の長径の低位部に設置すれば、好ましい特性が得られることを確認した。さらに、マニホールド断面最下部に対して、ガス出入口内面、特にガス出口内面の最下部が一致もしくは、より低位部になるように設置すれば、さらに好ましい結果が得られることも確認した。
反対に、ガス出入口、とくにガス出口を、マニホールドの断面の中央あるいは高位部に連結するように配置した場合は、排水特性が劣ることを確認した。
【００５９】
《実施例９》
実施例８と同一の手法で図５に示されるものと同様な高分子電解質型燃料電池スタックを作成した。
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、図５における水平に対してなす傾斜角（α１）が３０度となるように、換言すれば本明細書の第２傾斜角が６０度となるように設置し、特性試験を行った。高分子電解質型燃料電池スタックは７０℃に保持し、一方の電極側に７０℃の露点となるよう加湿・加温した水素ガスを、もう一方の電極側に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。
【００６０】
この電池を燃料利用率７５％、酸素利用率５０％、電流密度０．３Ａ／ｃｍ２の条件で連続発電試験を行い、出力特性の時間変化を測定した。その結果、本実施例の電池は、８０００時間以上にわたって３．１ｋＷ以上（７２．５Ｖ−４３．２Ａ）の電池出力を維持することを確認した。
なお、本実施例では本明細書の第２傾斜角が６０度の場合を示したが、それ以外でも、第２傾斜角が９０度以下４５度以上であれば、良好な特性が得られることを別途確認した。
【００６１】
また、上記の実施例群では示さなかったが、燃料ガス入口部に連結された燃料ガス供給管、酸化剤ガス入口部に連結された酸化剤ガス供給管、燃料ガス出口部に連結された燃料ガス排出管、および酸化剤ガス出口部に連結された酸化剤ガス排出管のうちの１つあるいは複数の配管を、電池スタックから遠ざかるにしたがて水平から遠ざかるような前記水平に対する下向きの傾斜角（第３傾斜角）をなすようにすることにより、当該配管から電池スタックへの過剰な水の流入、あるいは水の逆流を防ぐことができ、好ましい特性が得られることも確認した。
【００６２】
【発明の効果】
本発明によると、イオン伝導性電解質膜と、前記イオン伝導性電解質膜の両面に配置した一対の電極と、前記電極の一方に燃料ガスを供給排出し、他方に酸化剤ガスを供給排出する手段を有する一対の導電性セパレータ板からなる単位構成要素を積層して電池スタックを構成し、燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給・排出するマニホールドが導電性セパレータ板の積層方向に電池スタック内を貫通するよう形成された燃料電池において、マニホールドの貫通方向を水平に対して、マニホールド材料の水滴転落角（５度）以上、４５度以下の傾斜角を付けて設置することを特徴とする。
【００６３】
これにより、フラッディング現象を防止しつつ、高性能で耐久力の大きな燃料電池を実現できる。この傾斜角は、電池スタックを水平に対して傾斜させて設置することにより、簡便に実現できる。
好ましくは、燃料ガスおよび酸化剤ガスの内、少なくともいずれか一方の出口を電池スタック端面下部付近に設け、前記出口を水平方向に対して一定の傾斜角を付けて設けられた貫通マニホールドの出口側端部付近に設けることによって、フラッディング現象を防止し、性能および耐久性の面でより優れた燃料電池を実現できる。
【００６４】
また、イオン伝導性電解質膜と、前記イオン伝導性電解質膜の両面に配置した一対の電極と、前記電極の一方に燃料ガスを供給排出し、他方に酸化剤ガスを供給排出する手段を有する一対の導電性セパレータ板からなる単位構成要素を積層して電池スタックを構成し、燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給・排出するマニホールドが導電性セパレータ板の積層方向に貫通するよう形成され、導電性セパレータ板の面が略垂直方向に積層され、電池スタック内を貫通するマニホールドが略水平方向に設置され、マニホールドの断面が略長方形状または略楕円形状などの長径と短径を有する燃料電池において、マニホールド断面の長径を略垂直方向に設置することによって、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できる。
【００６５】
さらに、マニホールド断面の下部に、燃料ガスまたは酸化剤ガスの出入口、特に出口を設置する、あるいは、さらに燃料電池スタックのガス出入口に連結するガス供給・排出配管を、前記燃料電池スタックのガス出入口から下向きに傾斜をつけて接続することによって、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できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例における燃料電池で用いたＭＥＡの構成の概略を模式的に示した断面図である。
【図２】本発明の実施例における燃料電池で用いた導電性セパレータ板の酸化剤ガスの流路面の構成の概略を模式的に示した平面図である。
【図３】本発明の実施例における燃料電池で用いた導電性セパレータ板の燃料ガスの流路面の構成の概略を模式的に示した平面図である。
【図４】本発明の実施例における燃料電池で用いた冷却水路を有する導電性セパレータ板の一表面の構成の概略を模式的に示した平面図である。
【図５】本発明の一実施例における燃料電池の概略構成を模式的に示した一部透視正面図である。
【図６】本発明の他の実施例における燃料電池の概略構成を模式的に示した一部透視正面図である。
【図７】本発明の他の実施例における燃料電池で用いた導電性セパレータ板の酸化剤ガスの流路面の構成の概略を模式的に示した平面図である。
【図８】本発明の他の実施例における燃料電池で用いた導電性セパレータ板の燃料ガスの流路面の構成の概略を模式的に示した平面図である。
【図９】本発明の他の実施例における燃料電池で用いた冷却水路を有する導電性セパレータ板の一表面の構成の概略を模式的に示した平面図である。
【符号の説明】
２１　　　ガス流路の溝部
２２　　　ガス流路間のリブ部
２３，４３，７３，９３　　　酸化剤ガスのマニホルド孔
２４，４４，７４，９４　　燃料ガスのマニホルド孔
２５，４５，７５，９５　　冷却水のマニホルド孔
５８ａ，６８ａ　　　酸化剤ガス入口側マニホールド
５８ｂ，６８ｂ　　　酸化剤ガス出口側マニホールド
５９ａ，６９ａ　　　酸化剤ガス入口部
５９ｂ，６９ｂ　　　酸化剤ガス出口部
【図１】
2004146303.tif 000004
【図２】
2004146303.tif 000005
【図３】
2004146303.tif 000006
【図４】
2004146303.tif 000007
【図５】
2004146303.tif 000008
【図６】
2004146303.tif 000009
【図７】
2004146303.tif 000010
【図８】
2004146303.tif 000011
【図９】
2004146303.tif 000012