(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜と、該固体高分子電解質膜の両側に接合される電極と、これら電極の外側に各々接合されて各電極に燃料ガスまたは酸化剤ガスを供給するための反応ガス流路溝が電極との接合面に設けられたセパレータとを有する固体高分子電解質型燃料電池において、前記反応ガス流路溝は、最下流部以外で前記電極と密接する上面を有する複数のリブで形成され、ガス導入側からガス排出側に向けて延長する複数の縦溝と、該縦溝間を横切ってつなぐ横溝とを有し、最下流部のリブ面は前記リブの上面よりも低く形成されて前記各縦溝にまたがって連続する連続空間を与えていることを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池。
【請求項２】
前記横溝の幅は縦溝の幅より小さい請求項１記載の固体高分子電解質型燃料電池。
【請求項３】
前記反応ガス流路溝の最下流部は底面が傾いている請求項１または２記載の固体高分子電解質型燃料電池。
【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電解質型燃料電池に関し、特にそのカソード側の電極に設けられるセパレータにおいて特に好適な形状に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子電解質型燃料電池は、分子中にプロトン交換基を有する固体高分子電解質（たとえばナフィオン＝米国デュポン社製パーフロロカーボンスルホン酸塩の商品名）を飽和に含水させるとプロトン伝導性電解質として機能する性質を利用した燃料電池であって、比較的低温度域で作動し、発電効率も優れているため、電気自動車搭載用その他各種用途が見込まれている。
【０００３】
固体高分子電解質型燃料電池は、上記した固体高分子電解質膜の両側に電極を接合し、さらに各電極に反応ガス（燃料ガスまたは酸化剤ガス）を供給するための反応ガス流路溝を有するセパレータを該反応ガス流路溝が電極側となるように両側より押圧積層して構成される。
【０００４】
各電極は、電解質膜に接する側に配される触媒活物質を含む触媒層と、この触媒層を支持すると共に反応ガスを供給および排出し、さらに集電体としての機能をも果たす多孔質のガス拡散層とからなる。そして、一方の電極はセパレータの反応ガス流路溝を介して燃料ガス（たとえば水素ガスまたは水素を高濃度に含むガス）の供給を受けるアノード極となって、他方の電極はセパレータの反応ガス流路溝を介して酸化剤ガス（空気または酸素）の供給を受けるカソード極となる。
【０００５】
ところで、固体高分子電解質型燃料電池のカソード極においては１／２Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ→Ｈ２Ｏの電気化学反応によって水が生成されるため、カソード極に酸化剤ガスを供給・排出するセパレータ面上のガス流路溝に水が凝結してしまい、ガス流路溝を閉塞してガスの流れを阻害し、電池出力を不安定化あるいは低下させるという問題があった。
【０００６】
この問題を解決する手段として、特開平６−９６７８１号公報によれば、セパレータのガス流路溝を断面円弧形状に形成することが提案されている。また、特開平８−１３８６９６号公報によれば、カソード側セパレータにおける酸化ガス流路溝をガス導入口からガス排出口に向けてその溝深さを漸次深くすることが提案されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前者の従来技術はガス流路溝の途中で水が滞留することを防止することを目的としているが、断面円弧形状とすることがこの目的達成の上で有効であるとしても、ガス流路溝の最下流部における水の滞留を防止することはできず、これによる電池反応効率の低下を免れなかった。
【０００８】
また、後者の従来技術は、ガス流露溝の最下流部における深さが最大となり、この深さを許容するに足る厚さをセパレータに持たせなければならず、燃料電池を小型化する上でのネックとなり、特にできるだけコンパクト且つ軽量の燃料電池（スタック）とすることが要求される車載用途においては大きな問題となるものであった。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記従来技術に鑑み、セパレータのガス流路溝における水溜まりのメカニズムを解明した上でセパレータに最適形状を与え、水溜まりによる電池出力の不安定化や低下を防止することを目的とする。
【００１０】
また、本発明は、セパレータの厚さを増すことなく、排水性に優れたセパレータ形状を与えることを目的とする。
【００１１】
上記目的を達成するために創案された本発明は下記を要旨とする。
（１）固体高分子電解質膜と、該固体高分子電解質膜の両側に接合される電極と、これら電極の外側に各々接合されて各電極に燃料ガスまたは酸化剤ガスを供給するための反応ガス流路溝が電極との接合面に設けられたセパレータとを有する固体高分子電解質型燃料電池において、前記反応ガス流路溝は、最下流部以外で前記電極と密接する上面を有する複数のリブで形成され、ガス導入側からガス排出側に向けて延長する複数の縦溝と、該縦溝間を横切ってつなぐ横溝とを有し、最下流部のリブ面は前記リブの上面よりも低く形成されて前記各縦溝にまたがって連続する連続空間を与えていることを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池。
（２）前記横溝の幅は縦溝の幅より小さい請求項１記載の固体高分子電解質型燃料電池。
（３）前記反応ガス流路溝の最下流部は底面が傾いている請求項１または２記載の固体高分子電解質型燃料電池。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明者らは、まず、固体高分子電解質型燃料電池のセパレータにおける水溜まりのメカニズムを解明するべく実験と研究を重ねた。まず、従来品であるグラファイト製セパレータのガス流路溝を有する面に撥水処理したポリカーボネート板を載置し、これをガス流路溝が垂直となるように支持して、上方より水を５cc以上供給して溝内における水溜まり状態を目視で観察したところ、水は溝の途中では殆ど滞留せず、溝の最下流部（最下端部）に溜まることが確認された。
【００１３】
このメカニズムは以下の通りである。流路溝の最下流部においてセパレータ１の流路溝の底面２と電極３との間で図１に示されるように水４が溜まり、その滞留高さ（ｈ）は次式で表される。
【００１４】
ｈ＝２γ／ρｇｄ
ここで  γ：水の表面張力（ｍＮ／ｍ）
ρ：水の密度（ｋｇ／ｍ3）
ｇ：重力加速度（ｍ／ｓ2）
ｄ：流路溝底面と電極面間の距離（ｍ）である。
【００１５】
この流路溝最下流部における滞留水の高さ（ｈ）がたとえば１０ｍｍ以上になるとガス供給を阻害し、燃料電池の電圧を低下させる原因となるので、これを積極的に排水させるための手段を講ずる必要があることが確認された。そしてこのための手段として、セパレータの最下流部に流路溝よりも浅い横溝を連続して形成することに想到した。これは、各流路溝の最下流部において図１のような状態で不連続であると排水効率が劣るため、このように溜まった水を最下流部で連続させて排水性を向上させようとしたものである。
【００１６】
また、従来のセパレータにおけるガス流路溝はガス導入側からガス排出側に向けて一方向に延長するものが所定間隔で配されていたが、この場合、上記したように各流路溝の最下流部において水溜まりが生じてガスの流動を妨げるという問題があると共に、その反面では、燃料電池の温度条件等によっては、カソード極における生成水によって加湿された酸化剤ガスが流路溝内で凝結せずにそのままの多湿状態でセパレータから排出されてしまう傾向が見られた。これは水分の有効利用（リサイクル）の観点から好ましくない。セパレータから排出された後に冷却手段等を設けて排出ガスから水分分離することも考えられるがコスト面で不利である。したがって、むしろガス流路溝を流れるガス中の過剰な水分をその流動課程において積極的に凝結させて分離し、これを円滑に最下流部に効率よく運搬させることができれば、前述した最下流部で水を連続させる横溝手段と相俟って、排水性を顕著に向上させるものと期待される。
【００１７】
この観点より、ガス導入側からガス排出側に向けて所定間隔で延長するガス流路溝（以下便宜上「縦溝」という）に加えて、その途中の一または複数の任意箇所においてこれら縦溝を横切って略直交方向に延長する横溝を形成することに想到した。
【００１８】
すなわち、図２に示されるように、多湿状態の酸化剤ガスが縦溝４を通って流下する途中で横溝５との交点にさしかかると、ここが水凝縮ポイントとなってガス中の過剰水分が凝縮し、電極面と密接しているリブ６の下端に水滴７となって生成される。ここで横溝５の溝幅を縦溝４の溝幅との関連において適正な寸法に設定することにより、リブ６の下端にある水滴７がある程度まで成長したときにその先端が次のリブ６’の上端に接触するので、その後はリブ６’の側面（縦溝１の溝内側面）を伝って落下する。落下した水はリブ６’の下端で水滴７’となり、またここが水凝縮ポイントとなって新たな水の凝縮が生じて水滴７’をさらに成長させる。このようにしてガス中の水分を積極的に凝縮させ、且つ、その生成水を最下流部に向けて円滑に流下させることができる。
【００１９】
以上の推論を確認するために、図３および図４に示される形状のセパレータを試作して、前記と同様の条件にて水溜まり状態の試験を行った。このセパレータ１０は、厚さ５ｍｍのグラファイト板の片面にガス導入側からガス排出側に向けて２ｍｍ間隔で溝幅２ｍｍ、深さ１．５ｍｍの縦溝１１を複数刻設すると共に、その中央領域において縦溝１１と直交する横溝１２を縦溝１１と同じ深さ１．５ｍｍで、その溝幅を１ｍｍ、１．５ｍｍ、２ｍｍ、２．５ｍｍおよび３ｍｍと変えて５本刻設形成し、且つ、これら縦溝１１および横溝１２が形成されないリブ１３のガス排出側領域のみを他のリブ表面よりも１ｍｍ低く設けて製作したものである。
【００２０】
このセパレータ１０の縦溝１１および横溝１２を有する面に撥水処理したポリカーボネート板を載置し、これを縦溝１１が垂直となるように支持して、上方より水を５cc以上供給して溝内における水溜まり状態を目視で観察した結果、縦溝１１の途中では水の滞留は認められず、低いリブ面１４を有する最下流部において水が連続体となって溜まっている状態が確認された。この水溜まりの状態は、最下流部においてもリブ面が低く形成されていないため各ガス流路溝（縦溝）の排出口近辺で水が分断された状態で溜まっていた従来品とは全く異なるものであった。換言すれば、本発明の技術思想を確認するために試作したセパレータ１０にあっては、各縦溝１１内を通って落下した水がその最下流部において低いリブ面１４によって形成された連続空間１５内を自由に流動して連続体となり、水の流動性すなわち排出性を高めることが確認された。また、最下流部のリブ面を低く形成することによって従来品にはない空間１５が形成され、縦溝１１の幅や深さが同一であってもより多くの水を溜めておくことができるものであった。
【００２１】
図５はこのセパレータ１０の最下流部における水の落下状態および滞留状態を模式的に示す図であり、縦溝１１を通る間に凝結した水分は水滴１６の状態でリブ１３の側面（縦溝１１の溝内側面）を伝って落下するが、低いリブ面１４を有する最下流部に達すると隣接する水滴１６同士が連続して水溜まり１７となる。この水溜まり１７は水の連続体であるので、セパレータ１０を（たとえば４５度の傾斜角度に）傾けることにより、あるいは当初から傾けた状態に設置することにより、簡単に排出することができる。
【００２２】
また、横溝１２の幅については、縦溝１１の幅と同等あるいはそれ以上であると前述の水凝縮ポイントとしての作用が損なわれ、また下流に向けて順次水を落下させることが困難となるため、縦溝１１の溝幅が２ｍｍである場合には、横溝１２の幅は１．５ｍｍ以下、好ましくは１ｍｍ以下とすることが望ましいことが判明した。
【００２３】
以上の試験結果より、従来の縦溝に加えて適当な間隔で横溝を交差状に形成することにより酸化剤ガス中の水分を積極的に凝縮させ、且つこれをガス排出側に向けて円滑に移動させることができ、さらにガス排出側となる最下流部において縦溝間のリブ表面を低く形成して縦溝と連続する空間を形成することによって、縦溝を通って落下した水滴を連続体として該空間に溜め、排水性を向上させると共に保水量を増大させることができることが実証された。
【００２４】
図６ないし図８は、以上の実証データに基づいて実際の燃料電池組み付け用に制作されたセパレータ２０を示し、ガス導入側（図６において上側）からガス排出側（図６において下側）に向けて延長する縦溝２１（溝幅２ｍｍ、深さ２ｍｍ）が２ｍｍ間隔で多数設けられると共に、縦溝２１と直交する横溝２２（溝幅１ｍｍ、深さ２ｍｍ）がセパレータ中央領域において複数設けられている。縦溝２１と横溝２２の底面は面一である。
【００２５】
これら縦溝２１および横溝２２の間に配置される突条ないしリブ２３はこれら溝底面からの高さが２ｍｍであって、燃料電池に組み付けられた状態において電極に密接する上面を有するが、ガス排出側の最下流部の所定領域においては他の領域よりも１ｍｍ低い面２４とされている。したがって、最下流部領域においては、燃料電池に組み付けられた状態において、この低いリブ面２４によって各縦溝２１にまたがって連続する空間が形成され、前述の作用により縦溝２１内側面を伝って落ちてくる水滴をこの空間において連続させる。
【００２６】
なお、図８に表される後退面２５は、燃料電池において電極の両側に突出する電解質膜の厚さにより生ずる隙間を吸収してガスリークの発生を防止するために設けられたものであるが、本発明の主題に直接関連しないのでこれ以上の説明を省略する。
【００２７】
また、図７および図８においてはセパレータ２０の裏面側がフラットに形成されているが、電解質膜の両側にカソードとアノードを配して積層一体化した単セルを各々１つのセパレータを介して積層して燃料電池スタックとする場合には、水を生成するカソード側に接するセパレータ面が図６ないし図８に示すように構成されると共に、アノード側に接するセパレータ面には燃料ガスをアノードに供給・排出するための任意のガス流路溝が形成される。セパレータの両面を図６ないし図８に示すように構成しても良く、この場合には一方の面における縦溝・横溝と他方の面における縦溝・横溝とが互いに直交する方向に延長するように設けることが好ましい。
【００２８】
セパレータの最下流部に溜まった連続体としての水は容易に排出可能であり、ある程度の水が溜まった後に傾けることにより排出することができるが、より好ましくは、連続体としての水を溜める空間が所定角度傾くように予めセパレータを傾斜させて配置する。この場合には、セパレータの傾斜角度を考慮した上で、水を排出させる排水部を上記空間に連続させて最下流部の少なくともいずれか一方端部に設けておくことが好ましい。
【００２９】
図９はこのようなセパレータ２０を用いた固体高分子電解質型燃料電池による発電装置の構成例を示す。既述したように、この燃料電池３０はカソード側で生成した水により多湿状態とされた酸化剤ガスがセパレータ内を通過する間に効率的に水分分離され、且つこの分離した水がセパレータの最下流部において連続した水となって容易に排出されるため、水の回収および再利用が効率的に行われる。すなわち、燃料電池の下方に水回収部（水タンク）３１を設け、ここに蓄えられた水を水ポンプ３２で吸い上げ、水噴射装置３３により燃料電池に噴射して電解質膜の加湿に用いることができる。また、回収水をラジエータ３４に循環させることで加熱することができるので、水噴射装置３３による水の噴射と、ラジエータ３４および水ポンプ３５を経て加熱された水の供給と、さらには空気ファン３６から空気マニホールド３７を経て導入される外気とを選択的に組み合わせたりそれらの供給比率を変えることにより、必要に応じて燃料電池を急冷あるいは徐冷することができる。
【００３０】
【発明の効果】
本発明によれば、固体高分子電解質型燃料電池において、セパレータの電極接合面側に設けられるガス流路溝が、ガス導入側からガス排出側に向けて延長する複数の縦溝と、これら縦溝間を横切ってつなぐ横溝とを有してなるため、カソード側で生成する水によって酸化剤ガスが飽和蒸気圧以上の水を含むようになっても、酸化剤ガスがセパレータのガス流路溝を通過する間に、特に横溝との交点において酸化剤ガス中の過剰水分を効率的に凝結させることができる。このようにして凝結された水分は水滴となってセパレータ最下流部に向けて、円滑に流下していく。
また、セパレータの最下流部においては、縦溝間のリブ面が低く形成されることにより縦溝同士が幅方向に連続した連続空間を形成しているので、各縦溝に沿って落下して最下流部に達した水滴は連続空間内を自由に流動して水溜まりとなり、端部より排出される。
このようにして、本発明によれば、酸化剤ガス中の過剰水分を効率的に凝結させ且つ排出することができるため、ガス流路溝の閉塞を防止して、安定した電池出力を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  従来の燃料電池のカソード側においてセパレータの最下部に水が溜まる様子を示す説明図である。
【００３１】
【図２】  本発明の燃料電池のセパレータにおいて縦溝内を水が流れる様子を示す説明図である。
【００３２】
【図３】  本発明の作用を確認するために試作した燃料電池セパレータの平面図である。
【００３３】
【図４】図３のセパレータのＡ−Ａ線による断面図である。
【００３４】
【図５】  このセパレータにおいて縦溝の内側面を伝って落下した水滴が最下流部で連続する様子を示す説明図である。
【００３５】
【図６】  本発明の一実施例による燃料電池セパレータの平面図である。
【００３６】
【図７】図６のセパレータのＢ−Ｂ線による部分断面図である。
【００３７】
【図８】図６のセパレータのＣ−Ｃ線による部分断面図である。
【００３８】
【図９】  本発明の固体高分子電解質型燃料電池を用いた発電装置の構成例を示す図である。
【００３９】
【符号の説明】
１  セパレータ
２  ガス流路溝の底面
３  電極
４  縦溝
５  横溝
６、６’  リブ
７、７’  水滴
１０  セパレータ
１１  縦溝
１２  横溝
１３  リブ
１４  低いリブ面
１５  連続空間
１６  水滴
１７  連続した水溜まり
２０  セパレータ
２１  縦溝
２２  横溝
２３  リブ
２４  低いリブ面
３０  燃料電池
３１  水回収部
３２  水ポンプ
３３  水噴射装置
３４  ラジエータ
３５  水ポンプ
３６  空気ファン
３７  空気マニホールド
【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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【図６】
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【図７】
0004038852.tif 000008
【図８】
0004038852.tif 000009
【図９】
0004038852.tif 000010